JP2008153112A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転温度制御において、冷却液ポンプがコントローラ（冷却液温調制御手段）と通信せずとも、自律して回転数制御を行うことで、ノイズ低減装置等の設置をせずに、燃料電池の運転に応じた流量の冷却液を供給できる方法を提供する。
【解決手段】冷却液ポンプ２０にて、ポンプ回転数と、ポンプ消費電力と、ポンプ冷却液温度とを測定し、これらの値を基に、冷却液ポンプ２０に備えた回転数制御手段にて目標回転数を算出する。そして、この目標回転数にて冷却液ポンプ２０を自律運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の運転温度を制御する燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１に記載の燃料電池システムのように、燃料電池入口冷却水温度センサ並びに燃料電池出口冷却水温度センサで測定された温度をコントローラに入力し、冷却水ポンプ並びに調整弁の動作を制御し、燃料電池にて熱交換された冷却水をラジエータとラジエータバイパス流路に分流することにより、燃料電池の運転温度の制御を行うことが知られている。

これは、燃料電池の運転温度を最適に保ちつつ、燃料電池内部の温度分布を所望の範囲に抑えることができるという利点がある。
特開２００５−６３７４３号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の運転温度の制御において、コントローラと冷却水ポンプとの間で通信を行う場合、ハーネスや接続電子機器等に起因する電磁波等の影響を抑制するため、ノイズ低減装置等の設置が必要となる。

本発明はこのような実情を鑑み、冷却液ポンプは、コントローラと通信せずとも、燃料電池の運転に応じた流量の冷却液を供給できるようにすることを目的とする。

そのため本発明では、冷却液ポンプにて、ポンプ回転数と、ポンプ消費電力と、ポンプ冷却液温度とを測定し、これらの値を基に、冷却液ポンプに備えた回転数制御手段にて目標回転数を算出する。そして、この目標回転数にて冷却液ポンプを運転するべく、回転数制御手段は冷却液ポンプの回転数制御を行う。

本発明によれば、冷却液ポンプは、コントローラ（冷却液温調制御手段）からの回転数制御指令を受けることなく、自律して回転数制御を行うことが可能であるので、ノイズ低減装置等を設置せずとも、冷却液ポンプは燃料電池の運転に応じた流量の冷却液を供給することができる。

以下、本発明の第１の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における燃料電池システムの構成図である。

図１に示す燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、水素）及び酸化剤ガス（例えば、空気）の供給により発電を行う燃料電池スタック１０と、この燃料電池スタック１０に冷却液を循環供給して冷却するための電池冷却液系（以下、「冷却系」と称する）とを備えている。

この冷却系は、燃料電池スタック１０の冷却液出口側にて冷却液を吸入圧送して冷却液を循環させる電動式の冷却液ポンプ２０と、冷却液ポンプ２０の吐出側の冷却液ライン３０に配置されたラジエータ４０（熱交換器）と、ラジエータ４０を冷却する電動式のラジエータファン４５（冷却用空気供給手段）と、冷却液ポンプ２０の吐出側に冷却液ライン３０と並列に設けられてラジエータ３０をバイパスするバイパスライン５０と、冷却液ライン３０とバイパスライン５０との下流側合流部に設けられて、これらを流れる冷却液の流量比を調整可能で、出口側ポートが燃料電池スタック１０の冷却液入口部につながる三方弁６０（冷却液流量比調整手段）と、燃料電池スタック１０の冷却液入口側での冷却液温度を測定する燃料スタック入口側冷却液温度センサ７０とを有している。

また、燃料電池スタック１０の出力と、燃料スタック入口側冷却液温度センサ７０で測定される温度とを監視して、三方弁６０の開度とラジエータファン４５の回転数とを制御する、コントローラ８０（冷却液温調制御手段）を有している。ここで、三方弁６０の開度は、ラジエータ４０側を全開（バイパスライン５０側を全閉）にしたときに１００％とし、ラジエータ４０側を全閉（バイパスライン５０側を全開）にしたときに０％とする。

なお、図１では、主に冷却液による冷却系の構成について図示しており、例えば水素供給系や空気供給系等の構成については図示を省略しているが、他の燃料電池システムにて公知になっている水素供給系や空気供給系等の構成を本実施形態に利用することができる。

図２は、本実施形態における冷却液ポンプ２０の構成図である。

冷却液ポンプ２０は、冷却液ポンプ２０内を通過する冷却液の温度を測定する冷却液温度測定手段である冷却液温度センサ２１と、冷却液ポンプ２０で消費する電流を測定する電流測定手段である電流センサ２２と、冷却液ポンプ２０へ供給される電圧を測定する電圧測定手段である電圧センサ２３と、冷却液ポンプ２０の回転数を測定する回転数測定手段である回転数センサ２４と、冷却液温度センサ２１、電流センサ２２、電圧センサ２３及び回転数センサ２４で測定された値を読み取り、冷却液ポンプ２０の回転数を制御する回転数制御手段であるポンプコントローラ２５とを有している。ここで、回転数センサ２４は、例えば、ＤＣセンサレスモータ等で利用されているような、ポンプ内モータの電磁石に発生する逆起電力によって回転数を測定する方式のセンサ等が利用可能である。

次に、本実施形態における、コントローラ８０（冷却液温調制御手段）による冷却液の温調制御方法について、図３を用いて説明する。

燃料電池スタック１０は、発電効率の要求から所望の温度に温調する必要がある。

本実施形態においてはこの要求を満たすために、燃料電池スタック１０の入口側冷却液温度を例えば５０℃となるように温調することとする。

冷却液の温調制御を行うにあたり、コントローラ８０は、燃料電池スタック入口側冷却液温度センサ７０にて測定した燃料電池スタック入口側冷却液測定温度と、予め設定した燃料電池スタック入口側冷却液目標温度とを比較し、その誤差からラジエータ４０で放熱する目標放熱量を算出する（図３のＢ１）。この目標放熱量が大きいほど、三方弁６０の開度を大きくする（つまり、ラジエータ４０側への冷却液流量を増やす）ように演算し（図３のＢ２）、この演算結果を三方弁開度指令値として三方弁６０へ送信し、三方弁６０の開度調整を行う。また、前記の目標放熱量が大きいほど、ラジエータファン４５の回転数を増加させる（つまり、ラジエータ４０へ供給する風量を増やす）ように演算（図３のＢ２）した後、ラジエータ４０に供給する必要風量分を補正するため、車速を基に、ラジエータファン回転数係数を演算する（図３のＢ３）。このラジエータファン回転数係数は、車速が小さいほど大きな値を取る特性を持つ。つまり、車速が小さいほど、ラジエータファン４５の回転数を増加させ、ラジエータ４０へ供給する風量を増加させるようにする。このラジエータファン回転数係数を用いて、前記演算したラジエータファン４５の回転数を補正し、この結果をラジエータファン回転数指令値としてラジエータファン４５に送信し、ラジエータファン４５の回転数制御を行う。

次に、本実施形態における冷却液ポンプ２０での冷却液の流量制御方法について、図４乃至図８を用いて説明する。

燃料電池は、発電による燃料電池自身の発熱により、燃料電池内セパレータ等に熱応力がかかるのを防止するため、燃料電池に温度差がつかないようにする必要がある。このため、発電による発熱に応じて、燃料電池に冷却液を流さなければならない。本実施形態においては、燃料電池発熱による燃料電池スタック１０の入口側と出口側との間の冷却液温度差が例えば２０℃以上とならないように、燃料電池スタック１０の出力に応じた冷却液流量に制御することとする。なお、本実施形態において、燃料電池スタック１０の出口側冷却液温度は冷却液ポンプ内冷却液温度と同温度であるとして以下説明するが、燃料電池スタック１０の出口側冷却液温度を測定するセンサ等を別途設置し、その測定値を用いてもよい。

燃料電池スタック１０の出力に応じた冷却液流量に制御する際、冷却液ポンプ２０は、燃料電池スタック１０の出力によって定まる冷却液流量を圧送するために、冷却系全体の圧力損失に応じて、ポンプ回転数を制御する必要がある。

そこで、本実施形態における、ポンプコントローラ２５（回転数制御手段）による冷却液の流量制御方法の概略について、図４を用いて説明する。なお、図４で用いている燃料電池スタック１０の出力及び三方弁６０の開度の算出方法については後述する。

図４では、まず、ポンプコントローラ２５にて算出された燃料電池スタック１０の出力が大きいほど冷却液流量が多くなるように演算し（図４のＢ４）、燃料電池スタック１０の目標冷却液流量を得る。次に、この目標冷却液流量が多いほど、冷却液ポンプ２０の回転数が増加するように演算を行う（図４のＢ５）。この際、ポンプコントローラ２５にて算出された三方弁６０の開度が大きいほど（つまり、ラジエータ４０側への冷却液流量が多いほど）、目標冷却液流量に対する冷却液ポンプ２０の回転数が増加するように演算を行う。また、冷却液温度センサ２１にて測定したポンプ冷却液温度が高くなるほど、冷却系全体の圧力損失を反映した補正係数は低い値を取るように演算を行う（図４のＢ６）。この補正係数にて冷却液ポンプ２０の回転数を乗算補正（図４のＢ７）し、ポンプ回転数指令値とし、冷却液ポンプ２０の回転数を制御する。

以上、図４より、冷却液ポンプ２０の回転数制御にあたり必要となるパラメータは、燃料電池スタック１０の出力（計算値）、三方弁６０の開度（計算値）及び冷却液ポンプ２０内の冷却液温度（測定値）であることがわかる。

次に、前述した燃料電池スタック１０の出力及び三方弁６０の開度の算出方法を図５乃至図７を用いて説明する。

冷却液ポンプ２０が測定している値については、
冷却液ポンプ回転数：Ｎｐ
冷却液ポンプ消費電流：Ｉ
冷却液ポンプ供給電圧：Ｖ
冷却液ポンプ消費電力：Ｗｐ＝Ｖ×Ｉ
冷却液ポンプ内冷却液温度（燃料電池スタック出口側冷却液温度）：Ｔｏ
とする。

また、燃料電池スタック出力：Ｗ
燃料電池スタック発熱量：Ｗｑ
三方弁開度：Ｄ
燃料電池スタック入口側冷却液温度：Ｔｉ
冷却液ポンプから吐出される冷却液流量：Ｑ
冷却系全体の圧力損失：ΔＨ
冷却液の定圧比熱：Ｃｐ
冷却液ポンプの揚程：Ｈｐ
とする。

図５は冷却系全体の圧力損失ΔＨの特性を示している。
冷却液流量Ｑが増加するに従い、冷却系全体での圧力損失ΔＨも増加する。

また、三方弁開度Ｄが大きくなるほど（つまり、ラジエータ側の冷却液流量が増加するほど）、冷却系全体での圧力損失ΔＨも増加していく（つまり、図５に示す曲線の傾きは大きくなっていく）。

また、冷却液ポンプ内冷却液温度Ｔｏが上がるに従い、冷却系全体での圧力損失ΔＨは減少していく（つまり、図５に示す曲線の傾きは小さくなっていく）。

さらに、図５より、冷却系全体の圧力損失ΔＨの特性は、以下のような関数となる。

ΔＨ＝ｈ_１（Ｄ，Ｔｏ，Ｑ）
Ｄ＝ｈ_１ ^−１（ΔＨ，Ｔｏ，Ｑ） ・・・（１）
続いて、冷却液ポンプ２０の特性を図６に示す。

冷却液流量Ｑが増加するに従い、冷却液ポンプ消費電力Ｗｐ及び冷却系全体の圧力損失ΔＨは増加する。また、冷却液ポンプの揚程Ｈｐ及び冷却液ポンプ消費電力Ｗｐは、冷却液ポンプ回転数Ｎｐの増加に伴い、各値も増加することを示している。

さらに、冷却液ポンプ回転数Ｎｐのときに発生する冷却液ポンプの揚程Ｈｐと、冷却系全体の圧力損失ΔＨにより冷却液流量Ｑが定まり、この冷却液流量Ｑと冷却液ポンプ回転数Ｎｐにより、冷却液を圧送するために必要な冷却液ポンプ消費電力Ｗｐが定まる。つまり、冷却液ポンプ回転数Ｎｐのときの冷却液ポンプ消費電力Ｗｐがわかれば、冷却液流量Ｑを算出することができ、さらにこの冷却液流量Ｑと冷却液ポンプ回転数Ｎｐがわかれば、冷却系全体の圧力損失ΔＨを算出することができる。

図７は、冷却液ポンプ回転数Ｎｐのとき、冷却液流量Ｑの増加に伴い、冷却液ポンプ消費電力Ｗｐ及び冷却系全体の圧力損失ΔＨは増加することを示している。また、冷却液ポンプ回転数Ｎｐのとき、ポンプ消費電力Ｗｐより冷却液流量Ｑを算出し、これを基に冷却系全体の圧力損失ΔＨを算出する方法を示している。

以上を式に示すと、
Ｑ＝ｑ（Ｎｐ，Ｗｐ）＝ｑ（Ｎｐ，Ｉ，Ｖ） ・・・（２）
ΔＨ＝ｈ_２（Ｎｐ，Ｑ）
＝ｈ_２（Ｎｐ，ｑ（Ｎｐ，Ｉ，Ｖ）） ・・・（３）
となる。

式（１）、式（２）及び式（３）より、三方弁開度Ｄの特性を示す関数は、
Ｄ＝ｄ（Ｎｐ，Ｉ，Ｖ，Ｔｏ） ・・・（４）
となり、冷却液ポンプ回転数Ｎｐ、冷却液ポンプ消費電流Ｉ、冷却液ポンプ供給電圧Ｖ及び冷却液ポンプ内冷却液温度Ｔｏより、三方弁開度Ｄを算出することができる。

次に、燃料電池スタックの発熱量Ｗｑは、燃料電池スタック出力Ｗに比例するので、
Ｗ＝ｋ×Ｗｑ ・・・（５）
ここで、ｋは定数とする。

また、燃料電池スタックの発熱量Ｗｑと冷却液との熱交換について示すと、
Ｗｑ＝ＣｐＱ（Ｔｏ−Ｔｉ）
＝ｗ（Ｑ，Ｔｏ，Ｔｉ） ・・・（６）
と表すことができる。

式（２）、式（５）及び式（６）より、
Ｗ＝ｋ×ｗ（Ｑ，Ｔｏ，Ｔｉ）
＝ｋ×ｗ（ｑ（Ｎｐ，Ｉ，Ｖ），Ｔｏ，Ｔｉ） ・・・（７）
となる。

ここで本実施形態においては、コントローラ８０により通常の発電時は５０℃となるように温調制御されているので、式（７）の燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉ＝５０℃（設定値であり定数）であるので、燃料電池スタック１０の出力Ｗは、冷却液ポンプ回転数Ｎｐ、冷却液ポンプ消費電流Ｉ、供給電圧Ｖ及び冷却液ポンプ内冷却液温度Ｔｏより算出することができる。

次に、本実施形態において、実際の燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉが５０℃より低い場合又は高い場合の冷却液ポンプ２０の回転数制御について説明する。

まず、実際の燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉが５０℃より高い場合、ここでは仮に燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉ＝６０℃であったと仮定する。

実際の燃料電池スタック１０の発熱量Ｗｑによる熱交換によって、燃料電池スタック出口側液温度Ｔｏ＝７０℃に上昇したとする。

この場合、実際の燃料電池スタック１０の発熱量Ｗｑは、
Ｗｑ＝ＣｐＱ（７０−６０）＝１０ＣｐＱ
となり、実際の燃料電池スタック１０の出力Ｗは、
Ｗ＝１０ｋＣｐＱ
である。これに対して、ポンプコントローラ２５が算出する燃料電池スタック１０の出力Ｗは、
Ｗ＝ｋＣｐＱ（７０−５０）＝２０ｋＣｐＱ
となり、実際の燃料電池スタック１０の出力よりも大きい値を算出し、冷却液ポンプ２０は実際に必要な冷却液流量より、多い流量を圧送する回転数となる。しかし、燃料電池スタック１０としては、入口側と出口側との間の冷却液温度差が２０℃以下となるように冷却液流量が流れればよいので、燃料電池スタック１０に対して、冷却液流量が多い分には問題となることはない。また、コントローラ８０は燃料電池スタック入口側冷却液温度センサ７０を介して燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉを監視し、三方弁６０の開度調整及びラジエータファン４５の回転数制御を行っているため、実際の燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉは次第に５０℃となり、冷却液ポンプ２０は最適な回転数制御を行うことができる。

次に、実際の燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉが５０℃より低い場合、ここでは仮に燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉ＝４０℃であったと仮定する。

この場合に対応したポンプコントローラ２５の構成及び回転数制御を行う方法の概略を図８に示す。

図８は図４と比較して、ポンプコントローラ２５に三方弁６０の開度の変化速度を検出する三方弁開度変化速度検出手段（流量比変化速度検出手段）と、この三方弁開度変化速度検出手段により、三方弁６０の開度の変化速度が設定値より速いことを検出した場合、冷却液ポンプ２０の回転数を増加できるように、ポンプ回転数指令値を選択する手段（セレクトハイ）とを有する点が異なっている。以下、詳細に説明する。

実際の燃料電池スタック１０の発熱量Ｗｑによる熱交換によって、燃料電池スタック出口側冷却液温度Ｔｏ＝６０℃に上昇したとする。

この場合、実際の燃料電池スタック１０の発熱量Ｗｑは、
Ｗｑ＝ＣｐＱ（６０−４０）＝２０ＣｐＱ
となり、実際の燃料電池スタック１０の出力Ｗは、
Ｗ＝２０ｋＣｐＱ
である。これに対して、ポンプコントローラ２５が算出する燃料電池スタック１０の出力Ｗは、
Ｗ＝ｋＣｐＱ（６０−５０）＝１０ｋＣｐＱ
となり、実際よりも小さい値を算出し、冷却液ポンプ２０は実際に必要な冷却液流量よりも少ない流量を圧送する回転数となる。このとき、つまり、実際の燃料電池スタック入口側温度Ｔｉが設定温度より低く、ポンプコントローラ２５が算出する燃料電池スタック１０の出力Ｗより実際の燃料電池スタック１０の出力Ｗの方が大きい状況が続いた場合は、コントローラ８０は、通常よりも速い速度で三方弁６０の開度を０％（つまり、ラジエータ４０側を全閉、バイパスライン５０側を全開）とする。

この際、ポンプコントローラ２５にて、三方弁開度Ｄを前記式（４）を用いて算出しているが、この算出結果から三方弁６０の開度変化速度が設定値よりも速いことを三方弁開度変化速度検出手段（図８のＢ８）が検出した場合、冷却液ポンプ２０は回転数を増加させるように（例えば、図８のＢ９において、冷却液ポンプ２０の回転数を最高値ＮｐＭＡＸとするように）、冷却液ポンプ回転数Ｎｐを出力し、この出力結果と、図４と同様に演算して得た冷却液ポンプ回転数Ｎｐとをセレクトハイ（ポンプ回転数指令値を選択する手段、図８のＢ１０）にて比較し、高回転数の方を選択し、この選択結果をポンプ回転数指令値として、冷却液ポンプ２０の回転数制御を行う。

次に、本実施形態において、燃料電池スタック１０が発電を開始した場合について説明する。

燃料電池スタック１０が起動時は、冷却液の温度は５０℃より低く、仮に２０℃であったとする。また起動時の三方弁５０の開度は０％（つまり、ラジエータ４０側が全閉、バイパスライン５０側が全開）になっているとする。このとき、図５より、冷却系全体の圧力損失ΔＨは、冷却液流量Ｑ及び冷却液ポンプ２０内の冷却液温度Ｔｏによって決まる。冷却液ポンプ２０は、回転を開始した時点で、冷却液ポンプ２０内の冷却液温度Ｔｏが、例えば５０℃を下回っていた場合、冷却液ポンプ２０は起動モードポンプ制御を行う。

起動モードポンプ制御では、任意の回転数Ｒｓで回り続け、一定の流量を圧送する。ポンプコントローラ２５は前記式（２）により冷却液流量を算出すると共に、過去数秒間の冷却液温度を記憶し、この記憶した冷却液温度と算出された冷却液流量とを用いて、現在冷却液ポンプ２０に流入してきた温度Ｔ_ｎ＋１の冷却液が、前回の吐出時に温度Ｔ_ｎであったと演算できるので、
Ｗ＝ｋＣｐＱ（Ｔ_ｎ＋１−Ｔ_ｎ）
により、燃料電池スタック１０の出力Ｗを算出することができる。この算出した燃料電池スタック１０の出力Ｗから要求される冷却液流量が大きい場合には、その要求流量を満たすための冷却液ポンプ２０の回転数Ｎｐを算出し、回転数を増加させる。逆に、算出した燃料電池スタック１０の出力Ｗから要求される冷却液流量が小さい場合は、任意の回転数Ｒｓで回り続ける。そして、徐々に冷却液温度が上昇し、燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉが５０℃近くになってきたところで、三方弁６０が温調のためにコントローラ８０により制御され始め、冷却液ポンプ２０は三方弁６０の開度が変動したことを三方弁開度変化速度検出手段にて検出すると、通常の冷却液ポンプの回転数制御となり、燃料電池スタック１０に対して、最適な冷却液の流量を圧送する。

図９は、燃料電池起動時の冷却液ポンプ２０の起動モードポンプ制御を行った場合の各パラメータの時系列データの一例を示している。以下、詳細に説明する。

燃料電池の起動時、燃料電池スタック１０の入口側及び出口側冷却液温度は、Ｔｉ＝Ｔｏ＝２０℃である。冷却液ポンプ２０は起動モードポンプ制御となり、冷却液ポンプ２０の回転数Ｒｓ＝１０００ｒｐｍで回転する。その後、燃料電池は発電を開始し、これに伴い、燃料電池スタック１０の発熱量が徐々に上昇する。この際、三方弁６０の開度Ｄはバイパスライン５０側全開（つまり、ラジエータ４０側全閉）の０％で一定であるので、冷却液の全流量がバイパスライン５０を通過する。このため、燃料電池スタック１０の入口側冷却液温度Ｔｉ及び出口側冷却液温度Ｔｏは徐々に上昇する。燃料電池スタック入口側冷却液温度Ｔｉが５０℃近くなってくると、三方弁６０は徐々に開度を上げていき（つまり、ラジエータ４０側へ冷却液の流量を増していき）、冷却液ポンプ２０は三方弁６０の開度変化を三方弁開度変化速度検出手段にて検出した時点で、前述の通常の回転数制御へ移行する。

本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の出力に応じた流量の冷却液を供給するため、冷却液温調制御手段（コントローラ８０）からの回転数指令がなくとも、冷却液ポンプ２０自身が、ポンプ回転数Ｎｐと、ポンプ消費電力Ｗｐと、ポンプ冷却液温度Ｔｏとから算出した目標回転数に基づき、回転数制御手段により自律で回転数制御ができる。

また本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の出力に応じた流量の冷却液を供給するため、回転数制御手段（ポンプコントローラ２５）において、ポンプ回転数と、ポンプ消費電力と、ポンプ冷却液温度とを基に燃料電池スタック１０の出力を算出することができ、かつ、この燃料電池スタック１０の出力を冷却液ポンプ２０の目標回転数の算出に用い、この目標回転数に基づいて、燃料電池スタック１０の出力に応じた冷却液ポンプ２０の回転数制御ができる。

また本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の出力に応じた流量の冷却液を供給するため、回転数制御手段（ポンプコントローラ２５）において、ポンプ回転数と、ポンプ消費電力と、ポンプ冷却液温度とを基に冷却液流量比調整手段（三方弁６０）の流量比（開度）を算出することができ、かつ、この冷却液流量比調整手段（三方弁６０）の流量比（開度）を冷却液ポンプ２０の目標回転数の算出に用い、この目標回転数に基づいて、燃料電池スタック１０の出力に応じた冷却液ポンプ２０の回転数制御ができる。

また本実施形態によれば、回転数制御手段（ポンプコントローラ２５）に設置した冷却液流量比調整手段（三方弁６０）の流量比変化速度検出手段（三方弁開度変化検出手段）が設定値より大きな変化速度を検出した場合、冷却液ポンプ２０の回転数を増加させるように制御することが可能であり、この結果として、燃料電池スタック１０の出力に対し必要な流量の冷却液を短時間で供給することができる。

次に本発明の第２の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１０は、本発明の第２の実施形態における燃料電池システムの構成図である。

図１にて示した第１の実施形態との相違点について説明する。

コントローラ８０（冷却液温調制御手段）は、冷却液ポンプ２０の回転数制御を行う機能を有し、コントローラ８０からのポンプ回転数制御指令を、通信ライン１００（通信手段）を介して冷却液ポンプ２０に伝達する。また、コントローラ８０は、通信ライン１００の通信異常を検出する通信異常検出手段を備え、報知ライン１１０を介して報知器１２０（報知手段）の作動を可能にしている。さらに、図示はしていないが、冷却液ポンプ２０内のポンプコントローラ２５にも、通信ライン１００の通信異常を検出する通信異常検出手段を備えている。

このような構成において、通常は、冷却液ポンプ２０の回転数制御機能を有するコントローラ８０から送信されたポンプ回転数制御指令を冷却液ポンプ２０は受信し、この回転数指令に基づいて冷却液ポンプ２０の回転数は制御されている。しかし、通信ライン１００本体又は通信ライン１００にて伝送される通信信号等に異常が発生した場合、冷却液ポンプ２０内のポンプコントローラ２５に備えている通信異常検出手段が異常を検出すると、冷却液ポンプ２０は、第１の実施形態にて示した、自律した回転数制御へと移行する。また、コントローラ８０に備えられた通信異常検出手段により、冷却液ポンプ２０と通信ができなくなったことを、報知ライン１１０を介して報知器１２０に伝送する。

図１１では、本発明の第２の実施形態における燃料電池システムのフローの概要を示している。

冷却液ポンプ２０が起動している状態において、ステップＳ２０１にて、コントローラ８０からのポンプ回転数制御指令が、冷却液ポンプ２０に到達しているかどうか（すなわち、通信ライン１００の通信異常がないかどうか）を判定する。このポンプ回転数制御指令が到達している場合は、ステップＳ２０２にてポンプ回転数制御機能を有するコントローラ８０からのポンプ回転数制御指令に従い、冷却液ポンプ２０は運転を継続し、ステップＳ２０１に戻る。一方、ステップＳ２０１にて、コントローラ８０からのポンプ回転数制御指令が、冷却液ポンプ２０に到達していない場合は、ステップＳ２０３に進み、冷却液ポンプ２０にて回転数を自律制御する。また、ステップＳ２０３にて冷却液ポンプ２０が回転数を自律制御しているときは、コントローラ８０と冷却液ポンプ２０との間の通信が異常状態であるので、ステップＳ２０４にて通信異常検出手段を有するコントローラ８０から報知器１２０を介して、運転者へ報知した後、ステップＳ２０１に戻る。

特に本実施形態によれば、冷却液温調制御手段（コントローラ８０）から冷却液ポンプ２０への回転数指令に異常がある場合に、冷却液ポンプ２０が自律して回転数制御を行うので、冷却液温調制御手段（コントローラ８０）からの回転数指令を冷却液ポンプ２０が受け取れない場合でも、燃料電池スタック１０の出力に応じた流量の冷却液を供給することができる。

また本実施形態によれば、冷却液温調制御手段（コントローラ８０）から冷却ポンプ２０への回転数指令に異常がある場合に、運転者に通信異常状態を報知するので、運転者は冷却液ポンプ２０が通信異常となっていることを認知することができる。

第１の実施形態における燃料電池システムの構成図 第１の実施形態における冷却液ポンプの構成図 第１の実施形態におけるコントローラ（冷却液温調制御手段）による冷却液の温調制御方法を示す図 第１の実施形態におけるポンプコントローラ（回転数制御手段）による冷却液の流量制御方法を示す図 第１の実施形態における冷却系全体の圧力損失の特性を示す図 第１の実施形態における冷却液ポンプの特性を示す図 第１の実施形態におけるポンプ消費電力を基に冷却系全体の圧力損失を算出する方法を示す図 第１の実施形態における三方弁開度（流量比）変化速度検出手段等を有するポンプコントローラ（回転数制御手段）による冷却液の流量制御方法を示す図 第１の実施形態における燃料電池起動時の冷却液ポンプ自律制御を示す図 第２の実施形態における燃料電池システムの構成図 第２の実施形態における燃料電池システムのフローの概要を示す図

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
２０ 冷却液ポンプ
２１ 冷却液温度センサ
２２ 電流センサ
２３ 電圧センサ
２４ 回転数センサ
２５ ポンプコントローラ
３０ 冷却液ライン
４０ ラジエータ
４５ ラジエータファン
５０ バイパスライン
６０ 三方弁
７０ 燃料電池スタック入口側冷却液温度センサ
８０ コントローラ
１００ 通信ライン
１１０ 報知ライン
１２０ 報知器

Claims (10)

1. 燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを冷却する冷却液を循環させる電池冷却液系を有する燃料電池システムにおいて、
   前記電池冷却液系には、前記冷却液を冷却する熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパスラインと、前記熱交換器及び前記バイパスラインに分配する前記冷却液の流量比を調整可能な冷却液流量比調整手段と、この冷却液流量比調整手段を介して前記燃料電池スタックに供給する冷却液の温度を制御する冷却液温調制御手段と、前記冷却液を圧送する冷却液ポンプとを有し、
   この冷却液ポンプは、この冷却液ポンプの回転数を測定する回転数測定手段と、前記冷却液ポンプの消費電力を測定する消費電力測定手段と、前記冷却液ポンプ内を通過する前記冷却液の温度を測定する冷却液温度測定手段と、前記冷却液ポンプの回転数を制御する回転数制御手段とを備え、
   この回転数制御手段は、前記燃料電池スタックの出力に応じた流量の冷却液を供給するため、前記回転数測定手段により測定したポンプ回転数と、前記消費電力測定手段により測定したポンプ消費電力と、前記冷却液温度測定手段により測定したポンプ冷却液温度とを基に算出した目標回転数にて前記冷却液ポンプを運転するべく、前記冷却液ポンプの回転数制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記回転数制御手段は、前記燃料電池スタックの出力に応じた流量の冷却液を供給するため、前記ポンプ回転数と、前記ポンプ消費電力と、前記ポンプ冷却液温度とを基に算出した、前記燃料電池スタックの出力を用いて、目標回転数を算出し、この目標回転数にて前記冷却液ポンプを運転するべく、前記冷却液ポンプの回転数制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記回転数制御手段は、前記燃料電池スタックの出力に応じた流量の冷却液を供給するため、前記ポンプ回転数と、前記ポンプ消費電力と、前記ポンプ冷却液温度とを基に算出した、前記冷却液流量比調整手段の流量比を用いて、目標回転数を算出し、この目標回転数にて前記冷却液ポンプを運転するべく、前記冷却液ポンプの回転数制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記回転数制御手段は、前記燃料電池スタックの出力に応じた流量の冷却液を供給するため、前記ポンプ回転数と、前記ポンプ消費電力と、前記ポンプ冷却液温度とを基に算出した、前記燃料電池スタックの出力及び前記冷却液流量比調整手段の流量比と、測定した前記ポンプ冷却液温度とを用いて、目標回転数を算出し、この目標回転数にて前記冷却液ポンプを運転するべく、前記冷却液ポンプの回転数制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記回転数制御手段は、前記冷却液流量比調整手段の流量比の変化速度を検出する流量比変化速度検出手段を有しており、前記冷却液流量比調整手段の流量比の変化速度が設定値より速いことを検出した場合、冷却液ポンプの回転数を増加するように前記冷却液ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却液温調制御手段は、前記冷却液流量比調整手段を制御する他、前記熱交換器に冷却用空気を供給する冷却用空気供給手段の運転制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記冷却液温調制御手段は、通信手段を介して、前記冷却液ポンプの回転数制御を行う機能を有しており、
   前記冷却液ポンプに備えられている回転数制御手段は、前記通信手段の異常を検出する手段を有し、異常検出時にのみ、前記冷却液ポンプの回転数制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記冷却液温調制御手段は、前記通信手段の異常を検出して、異常状態を運転者に報知する手段を備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記消費電力測定手段は、前記冷却液ポンプの消費電流を測定する電流測定手段と、前記冷却液ポンプへ供給される電圧を測定する電圧測定手段とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記冷却液流量比調整手段として三方弁を有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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