JP2009146802A

JP2009146802A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2009146802A
Application number: JP2007324437A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Wake; 千大和氣; Junji Uehara; 順司上原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: JP5081603B2

Abstract

【課題】燃料電池の発熱量が急上昇しても、燃料電池を確実に冷却できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、冷媒循環経路と、冷却水循環ポンプと、ラジエタと、ラジエタに外気を導入するラジエタファンと、ラジエタをバイパスするバイパス経路と、冷媒循環経路からバイパス経路に流れる冷媒流量を変化させるサーモバルブと、冷却水循環ポンプおよびラジエタファンを制御する制御部４０と、を備える。制御部４０は、サーモバルブの弁開度の特性に基づいて、燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測する燃料電池状態予測部４３と、この燃料電池状態予測部４３で燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇すると予測した場合には、冷却水循環ポンプおよびラジエタファンのうち少なくとも一方を制御して、燃料電池の冷却量を増加する冷却量増加部４４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。

ところで、以上の燃料電池には、冷却水が流通する循環経路が設けられる。冷却水は、燃料電池のセパレータ間に供給され、燃料電池を冷却することで温度が上昇するが、燃料電池ラジエタで熱交換することにより冷却されて、再び、燃料電池に供給される。

この循環経路には、冷却水を循環させるポンプと、冷却水と外気との熱交換を行うラジエタと、が設けられる。ラジエタの近傍には、このラジエタに外気を導入するラジエタファンが設けられる。
循環経路は、ラジエタの上流側で分岐されてバイパス経路となり、このバイパス経路は、ラジエタの下流側で冷却水循環経路に合流する。循環経路とバイパス経路との合流地点には、冷却水温度に基づいて開度が変化することによりバイパス経路の流量を変化させるサーモバルブが設けられている。

このサーモバルブは、冷却水の温度が低い場合には、閉じた状態となり、冷却水をラジエタ側にほとんど流通させないが、冷却水の温度が高い場合には、開いた状態となり、冷却水をラジエタ側に流通させる。よって、サーモバルブの動作により、冷却水の温度が高い場合にのみ、ラジエタで冷却水の水温を低下させる。

また、循環経路を流通する冷却水の温度が高くなり過ぎた場合には、燃料電池から取り出す電力を制限している（特許文献１参照）。
特開２００７−８７８５６号公報

しかしながら、以上の燃料電池システムでは、例えば、燃料電池車両が低温時のアイドル停止状態から急に加速した場合、以下のような問題が生じる。
すなわち、アイドル停止状態では、燃料電池の発電量が少ないため、燃料電池の温度はそれほど高くならず、冷却水の温度もそれほど上昇しない。よって、サーモバルブはほぼ閉じた状態であり、冷却水のほとんどは、バイパス経路に流れることになる。
その後、運転者がアクセルを全開にすると、燃料電池の発電量が急激に増加し、燃料電池の温度が急上昇して、冷却水の水温も急上昇する。ところが、サーモバルブの応答速度はそれほど早くないので、冷却水がラジエタ側にほとんど流れず、冷却水の水温がオーバーシュートしてしまう。その結果、燃料電池から取り出す電力を制限することとなり、運転者が違和感を覚える場合があった。

本発明は、燃料電池の発熱量が急上昇しても、燃料電池を確実に冷却できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池を通って冷媒が循環可能な冷媒循環経路（例えば、後述の冷媒循環経路３１）と、当該冷媒循環経路に設けられ冷媒を循環させる冷媒循環装置（例えば、後述の冷却水循環ポンプ３２）と、前記冷媒循環経路に設けられ冷媒と外気との熱交換を行うラジエタ（例えば、後述のラジエタ３３）と、当該ラジエタに外気を導入するラジエタファン（例えば、後述のラジエタファン３４）と、前記ラジエタの上流側で前記冷媒循環経路から分岐されて、前記ラジエタの下流側で前記冷媒循環経路に合流するバイパス経路（例えば、後述のバイパス経路３５）と、冷媒温度に基づいて開度が変化することにより、前記冷媒循環経路から前記バイパス経路に流れる冷媒流量を変化させる切替弁（例えば、後述のサーモバルブ３６）と、前記冷媒循環装置および前記ラジエタファンを制御する制御手段（例えば、後述の制御部４０）と、を備える燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記切替弁の弁開度の特性に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測する燃料電池状態予測手段（例えば、後述の燃料電池状態予測部４３）と、当該燃料電池状態予測手段で前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇すると予測した場合には、前記冷媒循環装置および前記ラジエタファンのうち少なくとも一方を制御して、前記燃料電池の冷却量を増加する冷却量増加手段（例えば、後述の冷却量増加部４４）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することで、燃料電池の発熱量が急上昇するか否かを予測する。そして、燃料電池の発熱量が急上昇すると予測した場合には、冷媒循環装置およびラジエタファンのうち少なくとも一方を制御して、燃料電池の冷却量を増加する。したがって、燃料電池の発熱量が急上昇しても、燃料電池を確実に冷却できる。その結果、燃料電池の出力を制限する必要がなくなり、運転者に違和感が生じるのを防止できる。

この場合、前記切替弁の開度を検出する切替弁開度検出手段（例えば、後述の開度センサ３６１）をさらに備え、前記冷却量増加手段は、前記切替弁開度検出手段により検出された前記切替弁の開度に基づいて、前記ラジエタ側に流れる冷媒の流量を推定し、当該推定した冷媒の流量が所定量以下である場合には、前記冷媒循環装置を制御して、前記燃料電池の冷却量を増加することが好ましい。

切替弁が閉じており、ラジエタ側に流れる冷媒流量が少ないと、冷媒の放熱量が少なくなる。この場合、アクセルの踏下により燃料電池に発電量が急上昇した場合、冷媒の放熱量が少ないため、燃料電池の冷却量が不足しやすくなる。

しかしながら、この発明によれば、ラジエタ側に流れる冷媒の流量を推定し、この推定した冷媒の流量が所定量以下である場合には、冷媒循環装置を制御して、燃料電池の冷却量を増加した。よって、冷媒の放熱量が少ない場合でも、燃料電池を十分に冷却できる。

この場合、冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段（例えば、後述の温度センサ３１１）をさらに備え、前記制御手段は、前記冷媒温度検出手段で検出した冷媒温度が所定温度以上である場合にのみ、前記冷却量増加手段を動作させることが好ましい。

冷媒温度が低い場合、燃料電池の温度が急上昇しても、燃料電池を十分に冷却できる。また、このような場合、燃料電池の冷却量を上昇させると、燃料電池が過度に冷却されて、発電性能が低下するおそれがある。
そこで、この発明によれば、冷媒温度が所定温度以上である場合にのみ、冷却量を増加した。よって、燃料電池の過度の冷却を防止して、燃料電池の発電性能を確保できる。

この場合、冷媒温度の変化率を算出する冷媒温度変化率算出手段（例えば、後述の冷媒温度変化率算出部４１）をさらに備え、前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記冷媒温度変化率算出手段で算出した冷媒温度の変化率に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することが好ましい。

この発明によれば、切替弁の弁開度の特性に加えて、冷媒温度の変化率に基づいて、燃料電池の発熱量が急上昇するか否かを予測した。よって、フィードバック的な制御となるため、燃料電池の発熱量が急上昇すると、無駄な制御を削減して、エネルギ効率を向上できる。

この場合、前記冷却量増加手段は、冷媒温度が高くなるに従って、前記冷媒温度の変化率に対する前記燃料電池の冷却量の増加量を増量することが好ましい。

この発明によれば、冷媒温度が高くなるに従って、冷媒温度の変化率に対する燃料電池の冷却量の増加量を増量した。よって、冷媒の温度変化量が大きい場合には、冷却量の増加量も増加するため、冷媒温度が急激に変化しても、燃料電池の冷却量を確保できる。

この場合、冷媒の温度偏差を算出する冷媒温度偏差算出手段（例えば、後述の冷媒温度偏差算出部４２）をさらに備え、前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記冷媒温度偏差算出手段で算出した冷媒の温度偏差に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することが好ましい。

この発明によれば、切替弁の弁開度の特性に加えて、冷媒の温度偏差に基づいて、燃料電池の発熱量が急上昇するか否かを予測した。よって、冷媒温度の履歴に基づいて予測するので、冷媒温度の一時的な変化に影響されず、燃料電池の発熱量が急上昇することを正確に予測できる。

この場合、前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段（例えば、後述の電流センサ１０１）をさらに備え、前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記燃料電池出力検出手段で検出した前記燃料電池の出力に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することが好ましい。

この発明によれば、切替弁の弁開度の特性に加えて、燃料電池の出力に基づいて、燃料電池の発熱量が急上昇するか否かを予測した。よって、フィードフォワード的な制御となるため、燃料電池の発熱量が急上昇しても、迅速に対応できる。

本発明によれば、燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することで、燃料電池の発熱量が急上昇するか否かを予測する。そして、燃料電池の発熱量が急上昇すると予測した場合には、冷媒循環装置およびラジエタファンのうち少なくとも一方を制御して、燃料電池の冷却量を増加する。したがって、燃料電池の発熱量が急上昇しても、燃料電池を確実に冷却できる。その結果、燃料電池の出力を制限する必要がなくなり、運転者に違和感が生じるのを防止できる。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、自動車に搭載され、反応ガスとしての水素ガスおよびエア（空気）を反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスおよびエアを供給する供給装置２０と、燃料電池１０を冷却する冷却装置３０と、これらを制御する制御手段としての制御部４０と、を有する。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
燃料電池１０には、燃料電池で発電した電流値を検出する燃料電池出力検出手段としての電流センサ１０１が設けられる。

供給装置２０は、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する水素供給装置２１と、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するエアコンプレッサ２２と、を備える。

冷却装置３０は、燃料電池１０を通って冷媒としての冷却水が循環可能な冷媒循環経路３１と、この冷媒循環経路３１に設けられ冷却水を循環させる冷媒循環装置としての冷却水循環ポンプ３２と、冷媒循環経路３１に設けられ冷却水と外気との熱交換を行うラジエタ３３と、ラジエタ３３に外気を導入するラジエタファン３４と、ラジエタ３３の上流側で冷媒循環経路３１から分岐されてラジエタ３３の下流側で冷媒循環経路３１に合流するバイパス経路３５と、冷媒循環経路３１とバイパス経路３５との合流地点に設けられ、冷却水温度に基づいて開度が変化することによりバイパス経路３５の流量を変化させる切替弁としてのサーモバルブ３６と、を備える。
冷媒循環経路３１には、冷却水の温度を測定する冷媒温度検出手段としての温度センサ３１１が設けられる。
サーモバルブ３６には、このサーモバルブ３６の開度を検出する切替弁開度検出手段としての開度センサ３６１が設けられている。

図２は、制御部４０の構成を示すブロック図である。
制御部４０は、供給装置２０を駆動して燃料電池１０を発電させるほか、冷却装置３０を駆動して燃料電池１０を冷却する。

制御部４０は、以下の手順で燃料電池１０を発電させる。
すなわち、エアコンプレッサ２２を駆動することにより、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。同時に、水素供給装置２１により、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、排出される。

また、この制御部４０は、冷媒温度変化率算出手段としての冷媒温度変化率算出部４１と、冷媒温度偏差算出手段としての冷媒温度偏差算出部４２と、燃料電池状態予測手段としての燃料電池状態予測部４３と、冷却量増加手段としての冷却量増加部４４と、を備える。

冷媒温度変化率算出部４１は、温度センサ３１１で検出した冷却水の温度を記憶し、冷却水の温度の単位時間当たりの変化率を算出する。
冷媒温度偏差算出部４２は、冷却水の温度偏差を算出する。具体的には、温度センサ３１１で検出した冷却水の温度を記憶し、現在の冷却水の温度と、所定時間（例えば３０秒）内の冷却水の温度の最低値と、の差分を算出し、この差分を冷却水の温度偏差として算出する。

燃料電池状態予測部４３は、サーモバルブ３６の弁開度の特性に加えて、冷媒温度変化率算出部４１で算出した冷却水の温度の変化率、冷媒温度偏差算出部４２で算出した冷却水の温度偏差、および電流センサ１０１で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否か、つまり、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを予測する。

冷却量増加部４４は、燃料電池状態予測部４３で燃料電池１０の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇すると予測した場合には、冷却水循環ポンプ３２およびラジエタファン３４のうち少なくとも一方を制御して、燃料電池１０の冷却量を増加する。
この冷却量増加部４４は、温度センサ３１１で検出した冷却水の温度が所定温度以上である場合にのみ動作する。

具体的には、冷却水循環ポンプ３２およびラジエタファン３４の回転数を増量する場合、回転数の増量マップに基づいて増量値を算出し、この算出した増量値を回転数の指令値に加算して、回転数の指令値を補正する。
ここで、温度センサ３１１で検出した冷却水の温度が高くなるに従って、冷媒温度の変化率に対する燃料電池１０の冷却量の増加量を増量する。

さらに、開度センサ３６１により検出されたサーモバルブ３６の開度に基づいて、ラジエタ３３側に流れる冷却水の流量を推定し、この推定した冷却水の流量が所定量以下である場合には、ラジエタファン３４を駆動しても冷却効果を得られないため、冷却水循環ポンプ３２を制御して、燃料電池１０の冷却量を増加する。

次に、上述の燃料電池システム１について、ラジエタファン３４の回転数を決定する手順を、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ＳＴ１では、燃料電池状態予測部４３により、発熱量予測処理を行う。
ＳＴ２では、発熱量予測処理の結果に基づいて、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ＳＴ３に移り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ４に移る。

ＳＴ３では、燃料電池１０の発熱量が急上昇しないと予測したため、燃料電池１０を冷却する必要がなく、ラジエタファン３４の回転数を増量しない。
ＳＴ４では、燃料電池１０の発熱量が急上昇すると予測したため、燃料電池１０を冷却する必要がある。そこで、回転数の増量マップに基づいて増量値を算出する。続いて、ＳＴ５では、この算出した増量値を回転数の指令値に加算する。

ＳＴ６では、回転数の指令値がラジエタファン３４の最大回転数を超えないように、指令値を補正するリミット処理を行う。
ＳＴ７では、燃料電池１０が発電中であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＳＴ１に戻り、ＮＯの場合には、終了する。

次に、図３のフローチャートにおける発熱量予測処理（ＳＴ１）について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ＳＴ１では、温度センサ３１１で検出した冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ＳＴ２に移り、ＮＯの場合、冷却水の温度が低過ぎて燃料電池の発熱効率がかえって低下するため、ＳＴ６に移る。
ＳＴ２では、冷却水の温度変化率が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ＳＴ３に移り、ＮＯの場合、ＳＴ６に移る。
ＳＴ３では、冷却水の温度偏差が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ＳＴ４に移り、ＮＯの場合、ＳＴ６に移る。
ＳＴ４では、燃料電池１０の電流値が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ＳＴ５に移り、ＮＯの場合、ＳＴ６に移る。
ＳＴ５では、燃料電池１０の発熱量が急上昇すると予測する。ＳＴ６では、燃料電池１０の発熱量が急上昇しないと予測する。

図５は、以上の燃料電池システム１について、ラジエタファンの回転数を制御した場合のタイミングチャートである。
時刻ｔ_１において、燃料電池が発電を開始すると、電流値が上昇し、時刻ｔ_２では、電流値が最大となる。この状態では、冷却水の水温は低く、ラジエタファンの回転数はゼロである。
時刻ｔ_２以降、電流値が上昇するに伴って、燃料電池の発熱量が増加し、冷却水の水温も上昇し、サーモバルブの開度も大きくなる。

従来では、時刻ｔ_４において、冷却水の水温がＡ_２に到達した時点で、ラジエタファンの回転数が増量されるとともに、燃料電池の発電量を制限する。これにより、時刻ｔ_４以降、電流値が減少し、冷却水の水温の上昇率は低下する。しかしながら、冷却水の水温は引き続き上昇し、オーバーシュートしてしまう。
その後、時刻ｔ_５において、冷却水の水温が低下し始める。そこで、燃料電池の発電量の制限を解除し、電流値を上昇させる。

これに対し、本願発明では、時刻ｔ_３において、冷却水の水温がＡ_１に到達した時点で、燃料電池の発熱量が急上昇したと判定し、ラジエタファンの回転数を増量する。つまり、従来よりも早いタイミングで、ラジエタファンの回転数を増量する。その結果、時刻ｔ_３以降、冷却水の水温の上昇率は低下し、冷却水の水温は一定値に近づく。よって、冷却水の水温のオーバーシュートを防止できるうえに、燃料電池の発電量を制限することはない。

次に、上述の燃料電池システム１について、冷却水循環ポンプ３３の回転数を決定する手順を、図６のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ＳＴ１では、燃料電池状態予測部４３により、発熱量予測処理（図４参照）を行う。
ＳＴ２では、発熱量予測処理の結果に基づいて、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを予測する。この判定がＮＯの場合には、ＳＴ３に移り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ４に移る。

ＳＴ３では、燃料電池１０の発熱量が急上昇しないと予測したため、燃料電池１０を冷却する必要がなく、冷却水循環ポンプ３３の回転数を増量しない。
ＳＴ４では、燃料電池１０の発熱量が急上昇すると予測したため、燃料電池１０を冷却する必要がある。そこで、回転数の増量マップに基づいて増量値を算出する。続いて、ＳＴ５では、この算出した増量値を回転数の指令値に加算する。

ＳＴ６では、回転数の指令値が冷却水循環ポンプ３３の最大回転数を超えないように、指令値を補正するリミット処理を行う。
ＳＴ７では、燃料電池１０が発電中であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＳＴ１に戻り、ＮＯの場合には、終了する。

図７は、以上の燃料電池システム１について、冷却水循環ポンプの回転数を制御した場合のタイミングチャートである。
時刻ｔ_１において、燃料電池が発電を開始すると、電流値が上昇し、時刻ｔ_２では、電流値が最大となる。この状態では、冷却水の水温は低く、冷却水循環ポンプの回転数は低い状態である。
時刻ｔ_２以降、電流値が上昇するに伴って、燃料電池の発熱量が増加し、冷却水の水温も上昇し、サーモバルブの開度も大きくなる。

従来では、時刻ｔ_４において、冷却水の水温がＡ_２に到達した時点で、冷却水循環ポンプの回転数が増量されるとともに、燃料電池の発電量を制限する。これにより、時刻ｔ_４以降、電流値が減少し、冷却水の水温の上昇率は低下する。しかしながら、冷却水の水温は引き続き上昇し、オーバーシュートしてしまう。
その後、時刻ｔ_５において、冷却水の水温が低下し始める。そこで、燃料電池の発電量の制限を解除し、電流値を上昇させる。

これに対し、本願発明では、時刻ｔ３において、冷却水の水温がＡ_１に到達した時点で、燃料電池の発熱量が急上昇したと判定し、冷却水循環ポンプの回転数を増量する。つまり、従来よりも早いタイミングで、冷却水循環ポンプの回転数を増量する。その結果、時刻ｔ_３以降、冷却水の水温の上昇率は低下し、冷却水の水温は一定値に近づく。よって、冷却水の水温のオーバーシュートを防止できるうえに、燃料電池の発電量を制限することはない。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池１０の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することで、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを予測する。そして、燃料電池１０の発熱量が急上昇すると予測した場合には、冷却水循環ポンプ３２およびラジエタファン３４のうち少なくとも一方を制御して、燃料電池１０の冷却量を増加する。したがって、燃料電池１０の発熱量が急上昇しても、燃料電池１０を確実に冷却できる。その結果、燃料電池１０の出力を制限する必要がなくなり、運転者に違和感が生じるのを防止できる。

（２）ラジエタ３３側に流れる冷却水の流量を推定し、この推定した冷却水の流量が所定量以下である場合には、冷却水循環ポンプ３２を制御して、燃料電池１０の冷却量を増加した。よって、冷却水の放熱量が少ない場合でも、燃料電池１０を十分に冷却できる。

（３）冷却水の温度が所定温度以上である場合にのみ、冷却量を増加した。よって、燃料電池１０の過度の冷却を防止して、燃料電池１０の発電性能を確保できる。

（４）サーモバルブ３６の弁開度の特性に加えて、冷却水の温度の変化率に基づいて、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを予測した。よって、フィードバック的な制御となるため、燃料電池１０の発熱量が急上昇すると、迅速に対応することは困難となるが、無駄な制御を削減して、エネルギ効率を向上できる。

（５）冷却水の温度が高くなるに従って、冷却水の温度の変化率に対する燃料電池１０の冷却量の増加量を増量した。よって、冷却水の温度変化量が大きい場合には、冷却量の増加量も増加するため、冷却水の温度が急激に変化しても、燃料電池１０の冷却量を確保できる。

（６）サーモバルブ３６の弁開度の特性に加えて、冷却水の温度偏差に基づいて、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを予測した。よって、冷却水の温度の履歴に基づいて予測するので、冷却水の温度の一時的な変化に影響されず、燃料電池１０の発熱量が急上昇することを正確に予測できる。

（７）サーモバルブ３６の弁開度の特性に加えて、燃料電池１０の出力に基づいて、燃料電池１０の発熱量が急上昇するか否かを予測した。よって、フィードフォワード的な制御となるため、燃料電池１０の発熱量が急上昇しても、迅速に対応できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、サーモバルブ３６の弁開度の特性に加えて、冷却水の温度の変化率、冷却水の温度偏差、および電流値に基づいて、燃料電池１０の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測したが、これに限らない。すなわち、サーモバルブの弁開度の特性に加えて、冷却水の温度の変化率、冷却水の温度偏差、および電流値のうちの１つあるいは２つに基づいて予測してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池システムの制御手段の構成を示すブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池システムについて、ラジエタファンの回転数を決定する手順のフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムについて、発熱量予測処理のフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムについて、ラジエタファンの回転数を制御した場合のタイミングチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムについて、冷媒循環装置の回転数を決定する手順のフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムについて、冷媒循環装置の回転数を制御した場合のタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
３１冷媒循環経路
３２冷却水循環ポンプ（冷媒循環装置）
３３ラジエタ
３４ラジエタファン
３５バイパス経路
３６サーモバルブ（切替弁）
４０制御部（制御手段）
４１冷媒温度変化率算出部（冷媒温度変化率算出手段）
４２冷媒温度偏差算出部（冷媒温度偏差算出手段）
４３燃料電池状態予測部（燃料電池状態予測手段）
４４冷却量増加部（冷却量増加手段）
１０１電流センサ（燃料電池出力検出手段）
３１１温度センサ（冷媒温度検出手段）
３６１開度センサ（切替弁開度検出手段）

Claims

反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
当該燃料電池を通って冷媒が循環可能な冷媒循環経路と、
当該冷媒循環経路に設けられ冷媒を循環させる冷媒循環装置と、
前記冷媒循環経路に設けられ冷媒と外気との熱交換を行うラジエタと、
当該ラジエタに外気を導入するラジエタファンと、
前記ラジエタの上流側で前記冷媒循環経路から分岐されて、前記ラジエタの下流側で前記冷媒循環経路に合流するバイパス経路と、
冷媒温度に基づいて開度が変化することにより、前記冷媒循環経路から前記バイパス経路に流れる冷媒流量を変化させる切替弁と、
前記冷媒循環装置および前記ラジエタファンを制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記切替弁の弁開度の特性に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測する燃料電池状態予測手段と、
当該燃料電池状態予測手段で前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇すると予測した場合には、前記冷媒循環装置および前記ラジエタファンのうち少なくとも一方を制御して、前記燃料電池の冷却量を増加する冷却量増加手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記切替弁の開度を検出する切替弁開度検出手段をさらに備え、
前記冷却量増加手段は、
前記切替弁開度検出手段により検出された前記切替弁の開度に基づいて、前記ラジエタ側に流れる冷媒の流量を推定し、当該推定した冷媒の流量が所定量以下である場合には、前記冷媒循環装置を制御して、前記燃料電池の冷却量を増加することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記冷媒温度検出手段で検出した冷媒温度が所定温度以上である場合にのみ、前記冷却量増加手段を動作させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
冷媒温度の変化率を算出する冷媒温度変化率算出手段をさらに備え、
前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記冷媒温度変化率算出手段で算出した冷媒温度の変化率に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することを特徴とする燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却量増加手段は、冷媒温度が高くなるに従って、前記冷媒温度の変化率に対する前記燃料電池の冷却量の増加量を増量することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
冷媒の温度偏差を算出する冷媒温度偏差算出手段をさらに備え、
前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記冷媒温度偏差算出手段で算出した冷媒の温度偏差に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段をさらに備え、
前記燃料電池状態予測手段は、前記切替弁の弁開度の特性に加えて、前記燃料電池出力検出手段で検出した前記燃料電池の出力に基づいて、前記燃料電池の温度が所定時間以内に所定温度以上上昇するか否かを予測することを特徴とする燃料電池システム。