JP2012048834A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冷却媒体循環系の制御により燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制する技術の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の内部に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環系と、燃料電池に供給される冷却媒体の温度である供給冷媒温度を検出する供給冷媒温度検出部と、燃料電池の内部の温度である燃料電池内部温度を推定する燃料電池内部温度推定部と、冷却媒体循環系を駆動させて、燃料電池の内部に冷却媒体を循環させる循環制御と、冷却媒体循環系を停止させて、燃料電池の内部における冷却媒体の循環を停止させる停止制御と、を交互に繰り返す制御部と、を備え、制御部は、停止制御を実行しているときに、燃料電池内部温度と供給冷媒温度との温度差が第１の閾値以上になると、実行する制御を循環制御に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

一般に、固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、燃料電池に冷却媒体を循環させて燃料電池を冷却するための冷却媒体循環系を含む燃料電池システムの形態で利用される。この冷却媒体循環系は、例えば、燃料電池に冷却媒体を供給するための配管やポンプ、冷却媒体を冷却するためのラジエータ等を含んで構成されている。

この燃料電池システムにおいて、例えば、燃料電池の内部が氷点下となっている場合には、発電時であっても、一時的に燃料電池への冷却媒体の供給を停止させるなど、燃料電池システムの状態に応じて冷却媒体循環系を制御することで燃料電池の温度を調節する技術が知られている（特許文献１）。冷却媒体循環系を制御して燃料電池の温度を調節することで、燃料電池の温度に起因する発電効率の低下や破損などの不具合の発生を抑制することができる。

特開２００５−２７６５６８号公報 特開２００７−４２４１７号公報 特開２００６−１１４３３６号公報

しかし、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制するために冷却媒体循環系を制御する技術については、なお改善の余地があり、従来の技術では、必ずしも十分に不具合の発生が抑制されない虞があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、冷却媒体循環系の制御により燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制する技術の向上を図ることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に冷却媒体を供給するとともに、前記燃料電池から排出された冷却媒体を冷却して再度前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池の内部に前記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環系と、
前記燃料電池に供給される冷却媒体の温度である供給冷媒温度を検出する供給冷媒温度検出部と、
前記燃料電池の内部の温度である燃料電池内部温度を推定する燃料電池内部温度推定部と、
前記冷却媒体循環系を駆動させて、前記燃料電池の内部に前記冷却媒体を循環させる循環制御と、前記冷却媒体循環系を停止させて、前記燃料電池の内部における前記冷却媒体の循環を停止させる停止制御と、を交互に繰り返す制御部と、を備え、
前記制御部は、停止制御を実行しているときに、前記燃料電池内部温度と前記供給冷媒温度との温度差が第１の閾値以上になると、実行する制御を前記循環制御に切り替える、燃料電池システム。

この構成によれば、燃料電池システムの制御部は、燃料電池内部温度と供給冷媒温度との温度差が第１の閾値以上となったときに、実行する制御を停止制御から循環制御に切り替えるため、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制することができる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムはさらに、
前記燃料電池から排出される冷却媒体の温度である排出冷媒温度を検出する排出冷媒温度検出部を備え、
前記制御部は、前記循環制御を実行しているときに、前記排出冷媒温度の単位時間当たりの変化量が第２の閾値以下となり、かつ、前記燃料電池内部温度が第３の閾値以下となると、実行する制御を前記停止制御に切り替える、燃料電池システム。

この構成によれば、燃料電池システムの制御部は、排出冷媒温度の単位時間当たりの変化量が第２の閾値以下となり、かつ、燃料電池内部温度が第３の閾値以下となると、実行する制御を循環制御から停止制御に切り替えるため、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制することができる。

［適用例３］
適用例１に記載の燃料電池システムはさらに、
前記燃料電池から排出される冷却媒体の温度である排出冷媒温度を検出する排出冷媒温度検出部を備え、
前記制御部は、前記循環制御を実行しているときに、前記排出冷媒温度の単位時間当たりの変化量が第２の閾値以下となり、かつ、前記排出冷媒温度が第４の閾値以下となると、実行する制御を前記停止制御に切り替える、燃料電池システム。

この構成によれば、燃料電池システムの制御部は、排出冷媒温度の単位時間当たりの変化量が第２の閾値以下となり、かつ、排出冷媒温度が第４の閾値以下となると、実行する制御を循環制御から停止制御に切り替えるため、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制することができる。

［適用例４］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記循環制御を実行しているときに、前記冷却媒体循環系の駆動により、前記燃料電池に供給される冷却媒体の供給量が前記燃料電池の内部における冷却媒体の収容容量を超えると、実行する制御を前記停止制御に切り替える、燃料電池システム。

この構成によれば、燃料電池システムの制御部は、燃料電池に供給される冷却媒体の供給量が燃料電池の内部における冷却媒体の収容容量を超えると、実行する制御を循環制御から停止制御に切り替えるため、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池および燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 第１実施例における停止制御の流れを示すフローチャートである。 停止制御時におけるセルの温度分布を説明するための説明図である。 第１実施例における循環制御の流れを示すフローチャートである。 冷却媒体間欠制御時における燃料電池の温度変化を説明するための説明図である。 停止制御時における燃料電池システムの状態を説明するための説明図である。 循環制御の初期段階における燃料電池システムの状態を説明するための説明図である。 循環制御から停止制御への切り替え時における燃料電池システムの状態を説明するための説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料電池１００に水素ガスを供給する水素ガス供給排出系５０と、燃料電池１００に酸素を含む空気を供給する酸化ガス供給排出系６０と、冷却媒体を循環させて燃料電池１００を冷却する冷却媒体循環系７０と、燃料電池システム１０全体の制御をおこなう制御部８０を含んでいる。

燃料電池１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電をおこなう。燃料電池１００としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池１００として固体高分子型燃料電池を用いている。燃料電池１００は、複数のセル１４０がセパレータを介して積層されたスタック構造を有している。セル１４０は燃料電池１００における発電を行う単位モジュールであり、各セル１４０は、電解質膜の各面にアノードおよびカソードの電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各セル１４０は、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層を含んでいる。燃料電池１００の各セル１４０は、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例において、各セル１４０の構成や仕様は互いに同一である。

本実施例の燃料電池１００は、少なくとも一部のセル１４０において、セル１４０を流れる電流の電流値（以後「セル電流値Ｉｃ」とも呼ぶ）を検出する電流センサ１５１と、セル１４０に生じる電圧の電圧値（以後「セル電圧値Ｖｃ」とも呼ぶ）を検出する電圧センサ１５２とを備えている。電流センサ１５１は、セル１４０、および、セル１４０の両端と接続された抵抗値が既知の抵抗部１５３と直列に配置され、電圧センサ１５２は、セル１４０、および、抵抗部１５３と並列に配置されている。

水素ガス供給排出系５０は、水素タンク５１と、減圧弁５２と、水素ガス供給路５３と、圧力調整弁５４と、アノード排ガス路５５と、水素ポンプ５６と、排ガス排出路５７と、開閉弁５８とを含んでいる。水素ガス供給排出系５０は、水素タンク５１に貯蔵された燃料ガスとしての水素を減圧弁５２によって減圧した後に水素ガス供給路５３に放出する。また、水素ガス供給排出系５０は、水素ガス供給路５３に放出された水素を水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５４によって所定の圧力に調整して、燃料電池１００のアノードに供給する。一方、水素ガス供給排出系５０は、アノード排ガス路５５に排出されるアノード排ガスを水素ポンプ５６によって再び水素ガス供給路５３に供給する。また、水素ガス供給排出系５０は、アノード排ガス路５５から分岐した排ガス排出路５７に設けられた開閉弁５８を開状態とすることで、アノード排ガスの一部を外部に排出することができる。

酸化ガス供給排出系６０は、エアコンプレッサ６１と、酸化ガス供給路６２と、カソード排ガス路６３とを含んでいる。酸化ガス供給排出系６０は、外部から取り込んだ酸化ガスとしての空気をエアコンプレッサ６１により加圧し、酸化ガス供給路６２を介して燃料電池１００のカソードに供給する。また、酸化ガス供給排出系６０は、カソード排ガス路６３に排出されるカソード排ガスをカソード排ガス路６３から燃料電池１００の外部に排出する。

冷却媒体循環系７０は、ラジエータ７１と、冷却媒体循環ポンプ７２と、冷却媒体供給流路７３と、冷却媒体排出流路７４と、バイパス流路７５と、ロータリ弁７６と、供給側温度センサ７７と、排出側温度センサ７８とを含んでいる。冷却媒体供給流路７３は、上流側の端部がラジエータ７１に接続され、下流側の端部が燃料電池１００の図示しない冷却媒体供給口に接続されている。冷却媒体供給流路７３には、上流側から下流側に向かって順に、ロータリ弁７６、冷却媒体循環ポンプ７２、供給側温度センサ７７がこの順に配置されている。一方、冷却媒体排出流路７４は、上流側の端部が燃料電池１００の図示しない冷却媒体排出口に接続され、下流側の端部がラジエータ７１に接続されている。冷却媒体排出流路７４には、排出側温度センサ７８が配置されている。バイパス流路７５は、上流側の端部が冷却媒体排出流路７４に接続され、下流側の端部がロータリ弁７６と接続されている。

冷却媒体循環系７０は、ラジエータ７１により冷却された冷却媒体を冷却媒体循環ポンプ７２により圧送し、冷却媒体供給流路７３を介して燃料電池１００に供給する。燃料電池１００に供給された冷却媒体は、図示しない冷却媒体供給口から冷媒供給マニホールドＭｓを介して各セル１４０に導かれ、各セル１４０を冷却する。各セル１４０を冷却した後の冷却媒体は、冷媒排出マニホールドＭｅを介して集約され、図示しない冷却媒体排出口から冷却媒体排出流路７４に排出される。

冷却媒体循環系７０は、燃料電池１００から冷却媒体排出流路７４に排出された冷却媒体をラジエータ７１に循環させる。冷却媒体循環系７０は、ラジエータ７１に循環された冷却媒体を再び燃料電池１００に供給する。なお、冷却媒体循環系７０は、ロータリ弁７６の切り替えにより、燃料電池１００から冷却媒体排出流路７４に排出された冷却媒体を再び燃料電池１００に供給するときに、ラジエータ７１を経由させずに冷却媒体供給流路７３から燃料電池１００に供給することもできる。

供給側温度センサ７７は、冷却媒体供給流路７３の下流側端部付近、すなわち、燃料電池１００の図示しない冷却媒体供給口付近に配置され、燃料電池１００に供給される冷却媒体の温度（以後「供給冷却媒体温度ＴＩＮ」とも呼ぶ）を検出する。排出側温度センサ７８は、冷却媒体排出流路７４の上流側端部付近、すなわち、燃料電池１００の図示しない冷却媒体排出口付近に配置され、燃料電池１００から排出される冷却媒体の温度（以後「排出冷却媒体温度ＴＯＵＴ」とも呼ぶ）を検出する。なお、本実施例で使用される冷却媒体としては、水のほか、水とエチレングリコールとの混合液などを用いることができる。

制御部８０は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部８０は、電流センサ１５１、電圧センサ１５２、供給側温度センサ７７、排出側温度センサ７８のほか、燃料電池システム１０の各部に配された温度センサや圧力センサ、電圧計等からの信号を受領し、受領した信号に基づき燃料電池システム１０全体の制御を行う。

本実施例における制御部８０は、セル電流値Ｉｃとセル電圧値Ｖｃから、燃料電池１００の内部温度ＴＦを推定する温度推定部８１を備えている。また、制御部８０は、冷却媒体循環系７０の制御において、冷却媒体循環ポンプ７２を駆動させて燃料電池１００に冷却媒体を循環させる循環制御と、冷却媒体循環ポンプ７２の駆動を停止させて燃料電池１００への冷却媒体の循環を停止させる停止制御とを交互に繰り返す冷却媒体間欠循環制御をおこなう。制御部８０は、この冷却媒体間欠循環制御において、温度推定部８１により推定した燃料電池１００の内部温度ＴＦや、供給冷却媒体温度ＴＩＮや、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴに応じて、循環制御と、停止制御との切り替えをおこなう。冷却媒体間欠循環制御の具体的な内容と、温度推定部による燃料電池の内部温度ＴＦの推定方法について、以下で説明する。

Ａ−２．冷却媒体間欠循環制御：
制御部８０は、燃料電池１００の起動とともに冷却媒体間欠循環制御を開始する。制御部８０は、冷却媒体間欠循環制御を開始すると、まず、停止制御をおこなう。停止制御では、制御部８０は、冷却媒体循環ポンプ７２の駆動を停止させて燃料電池１００への冷却媒体の循環を停止させるとともに、燃料電池１００の内部温度ＴＦの推定し、推定した内部温度ＴＦと、供給冷却媒体温度ＴＩＮを用いて、図２に示すように停止制御から循環制御への切り替えをおこなうか否かの判定をおこなう。また、制御部８０は、燃料電池１００の起動時に供給側温度センサ７７から供給冷却媒体温度ＴＩＮを取得する。以後、起動時の供給冷却媒体温度ＴＩＮを「起動時供給冷却媒体温度ＴＩＮ０」とも呼ぶ。起動時供給冷却媒体温度ＴＩＮ０は、起動時の燃料電池１００の内部温度ＴＦ０と等しい。

図２は、第１実施例における停止制御の流れを示すフローチャートである。制御部８０の温度推定部８１は、燃料電池１００の内部の温度を推定するために、電流センサ１５１および電圧センサ１５２から、時間Ｔｉにおけるセル電流値Ｉｃｉとセル電圧値Ｖｃｉを取得する（ステップＳ１０１）。

温度推定部８１は、取得したセル電流値Ｉｃｉとセル電圧値Ｖｃｉを用いてセル１４０の単位時間当たりの発熱量Ｑｃｉ（Ｊ／ｓ）を算出する（ステップＳ１０２）。発熱量Ｑｃｉは、セル電流値Ｉｃｉとセル電圧値Ｖｃｉを用いて、以下の式（１）により算出することができる。
Ｑｃｉ＝｛（１−０．７９８Ｖｃｉ）×２４１．８２｝×（Ｉｃｉ／９６４８５／２）×１０００ ・・・（１）

ここで、式（１）の算出根拠を以下に簡単に示す。まず、水素の持つ化学エネルギーは、ＬＨＶ換算で２４１．８２（ｋＪ／ｍｏｌ）であることから、燃料電池において化学反応に用いられた水素１ｍｏｌあたりの発熱量Ｑｍｏｌ（ｋＪ／ｍｏｌ）は、燃料電池の変換効率ηｃｅｌｌを用いて以下の式（２）により表すことができる。
Ｑｍｏｌ＝（１−ηｃｅｌｌ）×２４１．８２ ・・・（２）

燃料電池の変換効率ηｃｅｌｌは、セル電圧値Ｖｃを用いて以下の式（３）により算出することができる。
ηｃｅｌｌ＝０．７９８×Ｖｃ ・・・（３）
式（２）、（３）から以下の式（４）を導くことができる。
Ｑｍｏｌ＝（１−０．７９８×Ｖｃ）×２４１．８２ ・・・（４）
また、燃料電池における単位時間あたりの水素の反応量Ｈ２（ｍｏｌ／ｓ）は、セル電流値Ｉｃを用いて以下の式（５）により表すことができる。
Ｈ２＝Ｉｃ／９６４８５／２ ・・・（５）
式（４）と式（５）との積により式（１）を導くことができる。

温度推定部８１は、セル１４０の熱容量Ｃｃｅｌｌ（Ｊ／Ｋ）を取得する（ステップＳ１０３）。セル１４０の熱容量Ｃｃｅｌｌは、セル１４０の構成や材料、形状などにより決まるため、本実施例では、セル１４０の熱容量Ｃｃｅｌｌに相当する設定値が、制御部８０の図示しないメモリに予め記憶されている。そのため、温度推定部８１は、メモリからこの設定値を読み出すことにより、熱容量Ｃｃｅｌｌを取得する。

温度推定部８１は、セル１４０の単位時間当たりの温度上昇値ΔＴｃｉ（Ｋ／ｓ）を算出する（ステップＳ１０４）。具体的には、温度推定部８１は、セル１４０の単位時間当たりの発熱量Ｑｃｉと、セル１４０の熱容量Ｃｃｅｌｌを用いて温度上昇値ΔＴｃｉを算出する。温度上昇値ΔＴｃｉは、セル１４０の単位時間当たりの発熱量Ｑｃｉと、セル１４０の熱容量Ｃｃｅｌｌを用いて以下の式（６）により算出することができる。
ΔＴｃｉ＝Ｑｃｉ／Ｃｃｅｌｌ ・・・（６）

温度推定部８１は、積算温度上昇値ΔＴＴｉ（Ｋ）を算出する（ステップＳ１０５）。温度推定部８１は、ステップＳ１０４において算出される温度上昇値ΔＴｃｉ（ｉ＝１，２，・・・ｉ）を積算することにより積算温度上昇値ΔＴＴｉを算出する。具体的には、温度推定部８１は、今回（時間Ｔｉ）のルーチンにおける積算温度上昇値ΔＴＴｉ（Ｋ）を算出するにあたり、起動後初回（時間Ｔ１）のルーチンにおいて算出された温度上昇値ΔＴｃ１から、前回（時間Ｔｉ−１）のルーチンにおいて算出された温度上昇値ΔＴｃｉ−１までを積算する。すなわち、積算温度上昇値ΔＴＴｉは、前回（時間Ｔｉ−１）のステップＳ１０５で算出した積算温度上昇値ΔＴＴｉ−１と、今回（時間Ｔｉ）のステップＳ１０４で算出した温度上昇値ΔＴｃｉとを用いて、以下の式（７）により算出することができる。
ΔＴＴｉ＝ΔＴＴｉ−１＋ΔＴｃｉ ・・・（７）
積算温度上昇値ΔＴＴｉは、起動時における燃料電池１００の内部温度ＴＦ０と、現在（時間Ｔｉ）の燃料電池１００の内部温度ＴＦｉとの差に相当するため、積算温度上昇値ΔＴＴｉに、起動時の燃料電池１００の内部温度ＴＦ０（起動時供給冷却媒体温度ＴＩＮ０）を足すことにより現在の燃料電池１００の内部温度ＴＦｉ（＝ＴＩＮ０＋ΔＴＴｉ）（℃）を推定することができる。よって、温度推定部８１による積算温度上昇値ΔＴＴｉの算出は、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉの推定に相当する。以上により、温度推定部８１による燃料電池１００の内部の温度の推定が終了する。

続いて、制御部８０は、セルの面内における温度差である面内温度差ＴＤｉが、許容範囲か否かの判定をおこなう（ステップＳ１１１）。図３は、停止制御時におけるセルの温度分布を説明するための説明図である。図３に示すように、セル１４０は、ＭＥＡを含む発電部の中央部付近の温度が上記で推定した燃料電池１００の内部温度ＴＦｉ（＝ＴＩＮ０＋ΔＴＴｉ）に該当する。一方、セル１４０の冷媒供給マニホールドＭｓ付近の温度は、供給冷却媒体温度ＴＩＮにより推定することができる。よって、セル１４０の時間Ｔｉにおける面内温度差ＴＤｉは、以下の式（８）により算出することができる。
ＴＤｉ＝（ＴＩＮ０＋ΔＴＴｉ）−ＴＩＮｉ ・・・（８）
または、ＴＤｉ＝ΔＴＴｉ−（ＴＩＮｉ―ＴＩＮ０）
ここで、現在供給冷却媒体温度ＴＩＮｉは、時間Ｔｉにおいて供給側温度センサ７７から取得した供給冷却媒体温度をいう。

制御部８０は、面内温度差ＴＤｉを算出すると、セル１４０の面内において許容可能な温度差である面内許容温度差ＴＡ（℃）との比較をおこなう。面内許容温度差ＴＡは、例えば、６０℃程度として予め設定可能な設定値であり、制御部８０の図示しないメモリに予め記憶されている。本実施例における面内許容温度差ＴＡは、特許請求の範囲における「第１の閾値」に該当する。

面内温度差ＴＤｉが面内許容温度差ＴＡ以上の場合には（ステップＳ１１１：ＮＯ）、面内の温度差により生じる歪みによりシール不良などの不具合が発生するおそれがあるため、制御部８０は、停止制御から循環制御への切り替えをおこなう（ステップＳ１１５）。すなわち、制御部８０は、冷却媒体循環ポンプ７２を駆動させて燃料電池１００に冷却媒体を循環させる。これにより、セル１４０は冷却され、面内温度差の低下により面内の歪みが緩和される。

一方、面内温度差ＴＤｉが面内許容温度差ＴＡより小さい場合には（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）、制御部８０は、直ちには停止制御から循環制御への切り替えをおこなわない。しかし、面内温度差ＴＤｉが面内許容温度差ＴＡより小さい場合であっても、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉが所定の温度より高い場合には、高温化による不具合が発生するおそれがある。よって、制御部８０は、燃料電池の内部温度ＴＦｉが所定の温度より高いか否かを判定するために、まず、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉ（℃）の推定をおこなう（ステップＳ１１２）。上述したように、内部温度ＴＦｉは以下の式（９）により推定することができる。
ＴＦｉ＝ＴＩＮ０＋ΔＴＴｉ ・・・（９）

制御部８０は、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉを算出すると、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉが所定の温度まで上昇しているか否かの判定をおこなう（ステップＳ１１３）。具体的には、制御部８０は、燃料電池１００が許容可能な上限温度である許容上限温度ＴＢ（℃）と、内部温度ＴＦｉとの比較をおこなう。許容上限温度ＴＢは、例えば、８０℃程度として予め設定可能な設定値であり、制御部８０の図示しないメモリに予め記憶されている。

内部温度ＴＦｉが許容上限温度ＴＢよりも大きい場合には（ステップＳ１１３：ＮＯ）、燃料電池の高温化による不具合が発生するおそれがあるため、制御部８０は、停止制御から循環制御への切り替えをおこなう（ステップＳ１１５）。すなわち、制御部８０は、冷却媒体循環ポンプ７２を駆動させて燃料電池１００に冷却媒体を循環させる。これにより、燃料電池１００は冷却され、燃料電池１００の内部温度が低下する。

一方、内部温度ＴＦｉが許容上限温度ＴＢ以下の場合には（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に戻り、制御部８０は、時間Ｔｉ＋１におけるセル電流値Ｉｃｉ＋１とセル電圧値Ｖｃｉ＋１を取得する（ステップＳ１０１）。制御部８０は、停止制御時において、停止制御から循環制御への切り替えをおこなうまで上記のルーチンを繰り返す。以上が制御部８０による停止制御についての説明である。

次に、冷却媒体間欠循環制御において、停止制御から循環制御への切り替えの後になされる、制御部８０による循環制御について説明する。循環制御では、制御部８０は、冷却媒体循環ポンプ７２を駆動させて燃料電池１００に冷却媒体を循環させるとともに、供給冷却媒体温度ＴＩＮと、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴとを用いて、図４に示すように循環制御から停止制御への切り替えをおこなうか否かの判定をおこなう。

図４は、第１実施例における循環制御の流れを示すフローチャートである。制御部８０は、供給側温度センサ７７および排出側温度センサ７８から、時間Ｔｊにおける供給冷却媒体温度ＴＩＮｊと排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊを取得する（ステップＳ２０１）。

制御部８０は、取得した供給冷却媒体温度ＴＩＮｊと排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊを用いて、時間Ｔｊにおける燃料電池１００の内部温度ＴＦｊを推定する（ステップＳ２０２）。具体的には、制御部８０は、以下の式（１０）に示すように、供給冷却媒体温度ＴＩＮｊと排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊとの平均値から燃料電池１００の内部温度ＴＦｊを推定する。
ＴＦｊ＝（ＴＩＮｊ＋ＴＯＵＴｊ）／２ ・・・（１０）

循環制御時には、燃料電池１００の内部を循環した後の冷却媒体が図示しない冷却媒体排出口から排出されるため、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴのみから内部温度ＴＦを推定できるとも考えられる。しかし、循環制御を開始した初期の段階では、冷却媒体排出口から排出される冷却媒体は停止制御時に燃料電池１００の内部で加熱されているため、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴを燃料電池の内部温度ＴＦとみなすことはできない。よって、供給冷却媒体温度ＴＩＮｊと排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊとの平均値を燃料電池１００の内部温度ＴＦｊと推定することで、精度よく内部温度ＴＦｊを推定することができる。

制御部８０は、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降しているか否かを判定する（ステップＳ２０３）。すなわち、燃料電池１００への冷却媒体の循環により、燃料電池１００から排出される冷却媒体の温度が低下しているか否かを判定する。制御部８０は、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴの単位時間あたりの変化量を示す排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴを算出し、排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴが負の値（＜０）か否かを判定する。本実施例における、負の値（＜０）は、特許請求の範囲における、「第２の閾値」に該当する。時間Ｔｊにおける排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴｊは、今回（時間Ｔｊ）取得した排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊと、前回（時間Ｔｊ−１）取得した排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊ−１とを用いて式（１１）により算出される。
ΔＴＯＵＴｊ＝ＴＯＵＴｊ−ＴＯＵＴｊ−１ ・・・（１１）

排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降していない場合、すなわち、排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴが正の値の場合には（ステップＳ２０３：ＮＯ）、ステップＳ２０１に戻り、制御部８０は、時間Ｔｊ＋１における供給冷却媒体温度ＴＩＮｊ＋１と排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊ＋１を取得する（ステップＳ２０１）。すなわち、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降していない場合には、同じルーチンが再度実行されるため、冷却媒体の循環による燃料電池１００の冷却が継続される。排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降していないときに冷却媒体の循環を継続する理由については後述する。

一方、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降している場合、すなわち、排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴが負の値の場合には（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、制御部８０は、まず、ステップＳ２０２で推定した燃料電池１００の内部温度ＴＦｊを、次回の停止制御時における当初の燃料電池１００の内部温度ＴＦ０として用いるために図示しないメモリに記憶する（ステップＳ２０４）。

また、制御部８０は、冷却媒体の循環により、燃料電池１００の内部温度ＴＦｊが所定の温度まで低下しているか否かの判定をおこなう（ステップＳ２０５）。具体的には、制御部８０は、燃料電池１００の内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下か否かについての判定をおこなう。許容下限温度ＴＣは、例えば、５℃程度として予め設定可能な設定値であり、制御部８０の図示しないメモリに予め記憶されている。本実施例における許容下限温度ＴＣは、特許請求の範囲における「第３の閾値」に該当する。

内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣより大きい場合には（ステップＳ２０５：ＮＯ）、ステップＳ２０１に戻り、制御部８０は、時間Ｔｊ＋１における供給冷却媒体温度ＴＩＮｊ＋１と排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊ＋１を取得する（ステップＳ２０１）。すなわち、内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣより大きい場合には、冷却媒体の循環による燃料電池１００の冷却が十分ではないため、同じルーチンが再度実行されて、冷却媒体の循環による燃料電池１００の冷却が継続される。

一方、内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下の場合には（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、冷却媒体の循環による燃料電池１００の冷却が十分になされているため、制御部８０は、循環制御から停止制御への切り替えをおこなう（ステップＳ２０６）。以上が制御部８０による循環制御についての説明である。

Ａ−３．効果例：
上記で説明した停止制御と循環制御とを含む冷却媒体間欠制御をおこなうことによる効果の一例について図５〜図８を用いて説明する。図５は、冷却媒体間欠制御時における燃料電池の温度変化を説明するための説明図である。図６は、停止制御時における燃料電池システムの状態を説明するための説明図である。図７は、循環制御の初期段階における燃料電池システムの状態を説明するための説明図である。図８は、循環制御から停止制御への切り替え時における燃料電池システムの状態を説明するための説明図である。図６〜図８では、燃料電池システム１０の各部位おける温度を「極低温」「低温」「高温」「極高温」の４段階で示している。また、図６〜図８では、セルの面内の温度分布により生じる燃料電池１００の変形状態が模式的に示されている。

停止制御時には、冷却媒体の循環が規制されているため、式（７）で示す積算温度上昇値ΔＴＴｉは、時間の経過とともに上昇する。そのため、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉ（＝ＴＩＮ０＋ΔＴＴｉ）についても、図５に示すように、時間の経過とともに上昇する。一方、セル１４０の冷媒供給マニホールドＭｓ付近の温度（＝供給冷却媒体温度ＴＩＮ）は、ほぼ一定である。よって、式（８）で示す面内温度差ＴＤｉは、時間の経過とともに増大する。面内温度差ＴＤｉが増大すると、燃料電池１００は、図６に示すように、セルの中央部付近が熱膨張による荷重変化で変形してしまう。この変形により性能低下や耐久性悪化が生じる。しかし、本実施例の冷却媒体間欠制御では、制御部８０は、面内温度差ＴＤｉが面内許容温度差ＴＡ以上となったときに停止制御から循環制御への切り替えをおこなうため、熱膨張による変形に伴う不具合が発生を抑制することができる。

循環制御時が開始された初期の段階では、停止制御時に燃料電池１００の内部で加熱された冷却媒体が冷却媒体排出口から排出されるため、図５に示すように、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが上昇する。また、冷却媒体供給口から供給される冷却媒体は、燃料電池１００の一部のみを冷却するため、燃料電池１００は、図７に示すように、セル１４０の冷媒供給マニホールドＭｓ付近は極低温となる。一方、セル１４０の冷媒排出マニホールドＭｅ付近は、供給された冷却媒体が到達せず高温のままとなる。これにより、燃料電池１００は、冷媒供給マニホールドＭｓ付近が膨張し、冷媒排出マニホールドＭｅ付近が収縮した変形が生じる。

しかし、本実施例の冷却媒体間欠制御では、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降していない場合や、燃料電池１００の内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣより大きい場合には、制御部８０は循環制御を継続するため、循環制御が開始して冷却媒体供給口から供給された冷却媒体が燃料電池１００の内部を循環して冷却媒体排出口から排出される前に、制御部８０が実行する制御を停止制御に切り替えることを規制することができる。これにより、図７に示すように、燃料電池１００の冷媒供給マニホールドＭｓ付近が膨張し、冷媒排出マニホールドＭｅ付近が収縮した状態で、冷却媒体間欠制御が循環制御から停止制御に切り替えられ、変形状態が解消されないままとなる不具合の発生を抑制することができる。

本実施例の冷却媒体間欠制御では、制御部８０は、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降し、かつ、燃料電池１００の内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下となったときに循環制御から停止制御への切り替えをおこなうため、十分に燃料電池１００が冷却され、図８に示すように、熱膨張による変形が解消された状態において、冷却媒体間欠制御を循環制御から停止制御に切り替えることができる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１０によれば、制御部８０は、燃料電池１００の内部温度ＴＦｉと供給冷却媒体温度ＴＩＮとの温度差である面内温度差ＴＤｉが、面内許容温度差ＴＡ以上となったときに、実行する制御を停止制御から循環制御に切り替えるため、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制することができる。具体的には、図６を用いて上述したように、面内温度差ＴＤｉが増大すると、燃料電池１００は、セルの中央部付近が熱膨張によって孕むように変形が生じる。しかし、本実施例の冷却媒体間欠制御では、制御部８０は、面内温度差ＴＤｉが面内許容温度差ＴＡ以上となったときに停止制御から循環制御への切り替えをおこなうため、変形に伴う不具合が発生する前に変形を抑制することができる。

従来から、氷点下起動時に冷却媒体の循環を停止させて燃料電池の昇温を早める技術が知られている。しかし、従来の技術は、ＭＥＡの熱劣化を防止する観点から、燃料電池の内部温度に上限値を設定する技術であり、本発明のように、セルの面内に生じる温度差に起因する不具合については着目されていなかった。本発明は、セルの面内に生じる温度差を示す面内温度差ＴＤｉが、面内許容温度差ＴＡ以上となったときに、実行する制御を停止制御から循環制御に切り替えることにより、セルの温度分布に起因する不具合の発生を抑制することができる。セルの温度分布に起因する不具合とは、例えば、燃料電池を構成する構成部材の熱膨張率の差と、セルの面内の温度分布により、セル積層方向の荷重分布が変化することによる変形などの不具合が生じることをいう。

本実施例の燃料電池システム１０によれば、制御部８０は、排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴが負の値（＜０）となり、かつ、燃料電池の内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下となると、実行する制御を循環制御から停止制御に切り替えるため、燃料電池の温度に起因する不具合の発生を抑制することができる。具体的には、図５、図７を用いて上述したように、排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴが正の値（＞０）の場合、燃料電池１００は、冷媒供給マニホールドＭｓ付近が膨張し、冷媒排出マニホールドＭｅ付近が収縮した状態となる。本実施例の冷却媒体間欠制御では、制御部８０は、排出冷却媒体温度変化量ΔＴＯＵＴが負の値（＜０）となったときに、実行する制御を循環制御から停止制御に切り替えるため、図８に示すように、冷却媒体により十分に燃料電池１００が冷却することができる。これにより、局所的に高温部が残ることによる不具合の発生を抑制することができる。局所的に高温部が残ることによる不具合とは、上述と同様にガスケットのリップ部のシール線圧が不足してガスの耐圧が低下するような不具合をいう。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
本実施例では、循環制御時に、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降し（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、かつ、内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下の場合には（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、制御部８０は、循環制御から停止制御への切り替えをおこなう構成として説明したが、セルの面内において局所的な高温部の発生が抑制される構成であれば、循環制御から停止制御に切り替えるための条件は、上記以外に任意に設定することができる。例えば、循環制御時に、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降し、かつ、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴｊが排出冷却媒体下限温度ＴＥ以下の場合には、循環制御から停止制御に切り替える構成としてもよい。ここで、排出冷却媒体下限温度ＴＥは、１０℃程度として予め設定可能な設定値であり、制御部８０の図示しないメモリに予め記憶されている構成としてもよい。なお、変形例１における、排出冷却媒体下限温度ＴＥは、特許請求の範囲における、「第４の閾値」に該当する。

また、他の例として、循環制御が開始して冷却媒体供給口から供給された冷却媒体が燃料電池１００の内部を循環して冷却媒体排出口から排出されるまで、循環制御を継続する構成としてもよい。具体的には、循環制御時に、制御部８０は、冷却媒体循環系７０を駆動させて、燃料電池１００に供給した冷却媒体の供給量Ｃｓが、燃料電池１００の内部における冷却媒体の収容容量Ｃｃを超える（Ｃｓ＞Ｃｃ）と、実行する制御を前記停止制御に切り替える構成としてもよい。このようにすることで、冷却媒体供給口から供給される冷却媒体が燃料電池１００の一部のみを冷却し、図７に示すように、セル１４０の冷媒供給マニホールドＭｓ付近は極低温となる一方で、セル１４０の冷媒排出マニホールドＭｅ付近は、供給された冷却媒体が到達せず高温のままとなる状態の発生を抑制することができる。

また、他の例として、供給冷却媒体温度ＴＩＮと排出冷却媒体温度ＴＯＵＴとの温度差である供給排出温度差ＴＧが供給排出温度差下限値ＴＧＢより小さくなる（ＴＧ＜ＴＧＢ）と、実行する制御を前記停止制御に切り替える構成としてもよい。このようにしても、冷却媒体供給口から供給される冷却媒体が燃料電池１００の一部のみを冷却し、図７に示すように、セル１４０の冷媒供給マニホールドＭｓ付近は極低温となる一方で、セル１４０の冷媒排出マニホールドＭｅ付近は、供給された冷却媒体が到達せず高温のままとなる状態の発生を抑制することができる。

Ｂ２．変形例２：
本実施例では、循環制御時に、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降し（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、かつ、内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下の場合には（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、制御部８０は、循環制御から停止制御への切り替えをおこなう構成として説明したが、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降すれば、内部温度ＴＦｊに関係なく、制御部８０は、循環制御から停止制御への切り替えをおこなう構成としてもよい、また、内部温度ＴＦｊが許容下限温度ＴＣ以下の場合には、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴが下降したか否かに関係なく、制御部８０は、循環制御から停止制御への切り替えをおこなう構成としてもよい。図５に示すように、排出冷却媒体温度ＴＯＵＴの下降と内部温度ＴＦｊには相関性があるため、これらの場合であっても、循環制御から停止制御への切り替え時に、セルに局所的な高温部が残る不具合の発生を抑制することができる。

Ｂ３．変形例３：
本実施例では、式（８）に示すように、面内温度差ＴＤｉは、ＴＤｉ＝（ＴＩＮ０＋ΔＴＴｉ）−ＴＩＮｉとしているが、起動時供給冷却媒体温度ＴＩＮ０や、現在供給冷却媒体温度ＴＩＮｉを考慮せずに、ＴＤｉ＝ΔＴＴｉとしてもよい。この場合であっても、面内の温度差により生じる不具合の発生を抑制することができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、停止制御時における、停止制御から循環制御への切り替え判定と、循環制御時における、循環制御から停止制御への切り替え判定について説明したが、本発明は、上記２つの判定の一方のみを実施する燃料電池システムとしても実現することができる。この場合であっても、いずれか一方の実施により、面内の温度差により生じる不具合の発生を抑制することができる。

Ｂ５．変形例５：
上記各実施例では、燃料電池システム１０のみについて説明したが、本発明は、燃料電池システム１０を有する電気自動車や、燃料電池システム１０を電気自動車用以外の他の装置に組み込んで実現することも可能である。また、上記各実施例における燃料電池システム１０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。

１０…燃料電池システム
５０…水素ガス供給排出系
５１…水素タンク
５２…減圧弁
５３…水素ガス供給路
５４…圧力調整弁
５５…アノード排ガス路
５６…水素ポンプ
５７…排ガス排出路
５８…開閉弁
６０…酸化ガス供給排出系
６１…エアコンプレッサ
６２…酸化ガス供給路
６３…カソード排ガス路
７０…冷却媒体循環系
７１…ラジエータ
７２…冷却媒体循環ポンプ
７３…冷却媒体供給流路
７４…冷却媒体排出流路
７５…バイパス流路
７６…ロータリ弁
７７…供給側温度センサ
７８…排出側温度センサ
８０…制御部
８１…温度推定部
１００…燃料電池
１４０…セル
１５１…電流センサ
１５２…電圧センサ
１５３…抵抗部

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に冷却媒体を供給するとともに、前記燃料電池から排出された冷却媒体を冷却して再度前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池の内部に前記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環系と、
   前記燃料電池に供給される冷却媒体の温度である供給冷媒温度を検出する供給冷媒温度検出部と、
   前記燃料電池の内部の温度である燃料電池内部温度を推定する燃料電池内部温度推定部と、
   前記冷却媒体循環系を駆動させて、前記燃料電池の内部に前記冷却媒体を循環させる循環制御と、前記冷却媒体循環系を停止させて、前記燃料電池の内部における前記冷却媒体の循環を停止させる停止制御と、を交互に繰り返す制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記停止制御を実行しているときに、前記燃料電池内部温度と前記供給冷媒温度との温度差が第１の閾値以上になると、実行する制御を前記循環制御に切り替える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記燃料電池から排出される冷却媒体の温度である排出冷媒温度を検出する排出冷媒温度検出部を備え、
   前記制御部は、前記循環制御を実行しているときに、前記排出冷媒温度の単位時間当たりの変化量が第２の閾値以下となり、かつ、前記燃料電池内部温度が第３の閾値以下となると、実行する制御を前記停止制御に切り替える、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記燃料電池から排出される冷却媒体の温度である排出冷媒温度を検出する排出冷媒温度検出部を備え、
   前記制御部は、前記循環制御を実行しているときに、前記排出冷媒温度の単位時間当たりの変化量が第２の閾値以下となり、かつ、前記排出冷媒温度が第４の閾値以下となると、実行する制御を前記停止制御に切り替える、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記循環制御を実行しているときに、前記冷却媒体循環系の駆動により、前記燃料電池に供給される冷却媒体の供給量が前記燃料電池の内部における冷却媒体の収容容量を超えると、実行する制御を前記停止制御に切り替える、燃料電池システム。
5. 燃料電池の内部に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環系を含む燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池に供給される冷却媒体の温度である供給冷媒温度を検出する工程と、
   前記燃料電池の内部の温度である燃料電池内部温度を推定する工程と、
   前記冷却媒体循環系を駆動させて、前記燃料電池の内部に前記冷却媒体を循環させる循環工程と、前記冷却媒体循環系を停止させて、前記燃料電池の内部における前記冷却媒体の循環を停止させる停止工程と、を交互に繰り返す冷媒間欠循環工程と、を備え、
   前記冷媒間欠循環工程は、前記燃料電池内部温度と前記供給冷媒温度との温度差が、第１の閾値以上となったときに、前記停止工程から前記循環工程に切り替えがおこなわれる、燃料電池システムの制御方法。

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