JP3893929B2

JP3893929B2 - 燃料電池冷却装置及び燃料電池冷却装置の制御方法

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Publication number: JP3893929B2
Application number: JP2001303041A
Authority: JP
Inventors: 一真大蔵
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003109637A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として使用され、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をする燃料電池を冷却する燃料電池冷却装置及び燃料電池冷却装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、陽極（アノード）側に水素などの燃料ガスを、陽極（カソード）側に酸素を含む酸化ガスをそれぞれ供給することで電気化学反応を起こし起電力を得る電池として知られている。
【０００３】
実際に燃料電池を運転させる際には、上述した電気化学反応の効率は約５０％であり、燃料ガスが有する化学エネルギーの約半分は熱として外部に放出される。しかもこの電気化学反応には適切な反応温度があり、低温や高温では反応効率が低下するという問題があった。また、高温になり過ぎると燃料電池の寿命が短くなる問題もあった。
【０００４】
したがって、燃料電池による発電システムにおいては、燃料電池の発電中に発生する熱を燃料電池の外に取り出し、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲に保つための冷却装置が必要となる。
【０００５】
そこで、例えば、特公平１０−３４０７３４号公報で提案されている燃料電池システムでは、燃料電池を冷却する際に昇温した冷却水を冷却するラジエータの熱交換部に冷却風を供給するファン、冷却水を供給するポンプ、冷却水の温度検出する温度センサ、温度センサの検出値に応じてポンプ及びファンを制御する制御装置で構成され、冷却水温度が所定の温度範囲となるようにファン、ポンプを制御装置により制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この特公平１０−３４０７３４号公報に示した燃料電池システムでは、例えば、ポンプの故障で冷却水の流量が不足してしまった場合、燃料電池が充分に冷却されず、熱によって燃料電池が損傷してしまうといった問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、冷却機構の異常を速やかに検出して燃料電池の損傷を確実に防ぐことができる燃料電池冷却装置及び燃料電池冷却装置の制御方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に冷却媒体を循環させるポンプを有する冷却媒体供給手段と、上記冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却手段と、上記燃料電池に流入する上記冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を検出する第１温度検出手段と、上記燃料電池から排出される上記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出する第２温度検出手段と、上記燃料電池の発電動作の制御及び上記冷却媒体供給手段、上記冷却媒体冷却手段による上記燃料電池の冷却動作の制御をする制御手段とを備え、上記制御手段は、上記第１温度検出手段によって検出された流入冷却媒体温度と、上記第２温度検出手段によって検出された排出冷却媒体温度との温度差が、上記燃料電池の発電量に応じて決定され、上記ポンプの異常を判定する流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差である所定値以上となったことに応じて、上記冷却媒体供給手段のポンプにより循環させる冷却媒体流量に異常が発生したことを判定して、当該ポンプ及び燃料電池の発電動作を停止させることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明であって、上記制御手段は、上記冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給を開始した後の所定時間内では上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことの判定を禁止することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明では、請求項１に係る発明であって、上記制御手段は、上記燃料電池の発電動作停止後であって上記燃料電池の暖気残存状態である所定期間内に、上記冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給を再開した後の所定の時間内では、上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定することを禁止することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明では、請求項２又は請求項３に係る発明であって、上記制御手段は、上記冷却媒体供給手段が異常であるとの判定が禁止されている場合、上記燃料電池の発電動作を抑制するよう制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明では、請求項３の発明であって、上記制御手段は、上記冷却媒体供給手段の運転を開始した後に上記第２温度検出手段で検出された排出冷却媒体温度が上昇したことに応じて、上記燃料電池の発電動作停止後であって、上記燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に上記冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給が再開されたと判定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明では、請求項１〜請求項５の何れかの発明であって、上記制御手段は、上記流入冷却媒体温度と、上記排出冷却媒体温度とがほぼ等しくなったことに応じて、上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定することを開始することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係る発明では、請求項１〜請求項６の何れかの発明であって、上記制御手段は、上記燃料電池に異常が発生した場合、上記冷却媒体供給手段が異常であると判定することを禁止することを特徴とする。
【００１５】
上述の課題を解決するために、請求項８に係る発明では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池にポンプによって冷却媒体を供給すると共に上記冷却媒体を冷却して、上記燃料電池を冷却する燃料電池冷却装置の制御方法であって、上記燃料電池に流入する上記冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を入力し、上記燃料電池から排出される上記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を入力し、入力した上記流入冷却媒体温度と、入力した上記排出冷却媒体温度との温度差を算出し、算出した上記温度差と、上記燃料電池の発電量に応じて決定され、上記ポンプの異常を判定する流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差である所定値とを比較し、上記温度差と上記所定値とを比較した結果、上記温度差が上記所定値以上となったことに応じて、上記ポンプにより循環させる冷却媒体流量に異常が発生したことを判定して、当該ポンプ及び燃料電池の発電動作を停止させることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に係る発明では、請求項８に係る発明であって、上記冷却媒体の供給を開始した後の所定時間内では、上記燃料電池冷却装置に異常が発生したことの判定を禁止することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に係る発明であって、請求項８に係る発明であって、上記燃料電池の発電動作停止後であって上記燃料電池の暖気残存状態である所定期間内に、上記冷却媒体の供給を再開した後の所定の時間内では、上記燃料電池冷却装置に異常が発生したことを判定することを禁止することを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に係る発明では、請求項９又は請求項１０に係る発明であって、上記燃料電池冷却装置が異常であるとの判定が禁止されている場合、上記燃料電池の発電動作を抑制することを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に係る発明では、請求項１０の発明であって、上記冷却媒体の供給を開始した後に、上記排出冷却媒体温度が上昇したことに応じて、上記燃料電池の発電動作停止後であって、上記燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に上記冷却媒体の供給が再開されたと判定することを特徴とする。
【００２０】
請求項１３に係る発明では、請求項８〜請求項１２の何れかの発明であって、の制御方法上記流入冷却媒体温度と、上記排出冷却媒体温度とがほぼ等しくなったことに応じて、上記燃料電池冷却装置に異常が発生したことを判定することを開始することを特徴とする。
【００２１】
請求項１４に係る発明では、請求項８〜請求項１３の何れかの発明であって、上記燃料電池に異常が発生した場合、上記燃料電池冷却装置が異常であると判定することを禁止することを特徴とする。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、制御手段により、流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差が所定値以上となったことに応じて、冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定するので、冷却媒体供給手段の冷却媒体供給能力が低下して、充分な流量の冷却媒体を燃料電池に供給できなくなって排出冷却媒体温度が上昇しても、冷却媒体供給手段の異常を速やかに検出して燃料電池の損傷を確実に防ぐことができる。
【００２３】
請求項２に係る発明によれば、制御手段により、冷却媒体の供給を開始した後の所定時間内では冷却媒体供給手段に異常が発生したことの判定を禁止するので、請求項１の発明の効果に加えて、燃料電池の運転を開始したときに冷却機構の異常が発生したと誤判定するのを回避することができる。
【００２４】
請求項３に係る発明によれば、制御手段により、燃料電池の発電動作停止後であって燃料電池の暖気残存状態である所定期間内に、冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給を再開した後の所定の時間内では、冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定することを禁止するので、請求項１の発明の効果に加えて、冷却媒体供給手段に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を短くすることができ、必要以上に冷却媒体供給手段に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００２５】
請求項４に係る発明によれば、制御手段により、冷却媒体供給手段が異常であるとの判定が禁止されている場合、燃料電池の発電動作を抑制するので、請求項２又は請求項３の発明の効果に加えて、流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差を小さくすることができる。
【００２６】
請求項５に係る発明によれば、制御手段により、冷却媒体供給手段の運転を開始した後に排出冷却媒体温度が上昇したことに応じて、燃料電池の発電動作停止後であって、燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給が再開されたと判定するので、請求項１の発明の効果に加えて、再起動後に冷却媒体供給手段に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を短くすることができ、必要以上に冷却媒体供給手段に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００２７】
請求項６に係る発明によれば、制御手段により、流入冷却媒体温度と、排出冷却媒体温度とがほぼ等しくなったことに応じて、冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定することを開始するので、請求項１の発明の効果に加えて、冷却媒体供給手段に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を短くすることができ、必要以上に冷却媒体供給手段に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００２８】
請求項７に係る発明によれば、制御手段により、燃料電池に異常が発生した場合、冷却媒体供給手段が異常であると判定することを禁止するので、請求項１の発明の効果に加えて、燃料電池の発熱異常による冷却媒体温度上昇が検出されても、冷却媒体供給手段の異常と判定する誤判定を防止することができる。
【００２９】
請求項８に係る発明によれば、流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差を算出し、算出された温度差と所定値とを比較し、温度差と所定値とを比較した結果、算出された温度差が所定値以上となったことに応じて、燃料電池冷却装置が異常であると判定するので、燃料電池冷却装置の冷却媒体供給能力が低下して、充分な流量の冷却媒体を燃料電池に供給できなくなって排出冷却媒体温度が上昇しても、燃料電池冷却装置の異常を速やかに検出して燃料電池の損傷を確実に防ぐことができる。
【００３０】
請求項９に係る発明によれば、冷却媒体の供給を開始した後の所定時間内では、燃料電池冷却装置に異常が発生したことの判定を禁止したので、請求項８の発明の効果に加えて、燃料電池の運転を開始したときに冷却機構の異常が発生したと誤判定するのを回避することができる。
【００３１】
請求項１０に係る発明によれば、燃料電池の発電動作停止後であって燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に、冷却媒体の供給を再開した後の所定の時間内では、燃料電池冷却装置に異常が発生したことを判定することを禁止するので、請求項８の発明の効果に加えて、燃料電池冷却装置に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を短くすることができ、必要以上に燃料電池冷却装置に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００３２】
請求項１１に係る発明によれば、燃料電池冷却装置が異常であるとの判定が禁止されている場合、燃料電池の発電動作を抑制するので、請求項９又は請求項１０の発明の効果に加えて、流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差を小さくすることができる。
【００３３】
請求項１２に係る発明によれば、冷却媒体の供給を開始した後に、排出冷却媒体温度が上昇したことに応じて、燃料電池の発電動作停止後であって、燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に冷却媒体の供給が再開されたと判定するので、請求項８の発明の効果に加えて、再起動後に燃料電池冷却装置に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を短くすることができ、必要以上に燃料電池冷却装置に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００３４】
請求項１３に係る発明によれば、流入冷却媒体温度と、排出冷却媒体温度とがほぼ等しくなったことに応じて、燃料電池冷却装置に異常が発生したことを判定することを開始するので、請求項８の発明の効果に加えて、燃料電池冷却装置に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を短くすることができ、必要以上に燃料電池冷却装置に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００３５】
請求項１４に係る発明によれば、燃料電池に異常が発生した場合、燃料電池冷却装置が異常であると判定することを禁止するので、請求項８の発明の効果に加えて、燃料電池の発熱異常による冷却媒体温度上昇が検出されても、燃料電池冷却装置の異常と判定する誤判定を防止することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００３７】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。そして、燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給されて発電するものである。
【００３８】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１、ラジエータ２、ポンプ４、燃料電池スタック１間が冷却媒体を伝達する冷却媒体循環用挿通管で接続されている。この燃料電池システムでは、ポンプ４が駆動することにより燃料電池スタック１、ラジエータ２、ポンプ４の順序で冷却媒体を循環させる。
【００３９】
以下の説明において、ラジエータ２、冷却ファン３、ポンプ４及び冷却媒体循環用挿通管は、当該燃料電池システムにおける燃料電池冷却動作を実行するため、総称するときには単に「冷却機構」と呼ぶ。
【００４０】
また、この燃料電池システムでは、制御部７と、冷却ファン３、ポンプ４流入冷却媒体温度センサ５及び排出冷却媒体温度センサ６とが、電気信号を伝達する信号線で接続されている。
【００４１】
更に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で生成した電力を例えばインバータ等を介して、モータ等の負荷１１に供給して、負荷１１を駆動させる。
【００４２】
ラジエータ２は、燃料電池スタック１の冷却媒体排出側に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却媒体が挿通管を介して供給される。このラジエータ２は、燃料電池スタック１が発電状態であるときの発熱を吸収することで昇温した冷却媒体（冷却水）を冷却する。
【００４３】
このラジエータ２の近傍には、冷却ファン３が設けられている。ラジエータ２は、冷却ファン３からの冷却風により内部を通過する冷却媒体を冷却して、ポンプ４に供給する。
【００４４】
冷却ファン３は、ラジエータ２の近傍に設けられ、制御部７からの駆動信号に応じて回転駆動することで冷却風を発生させる。冷却ファン３は、制御部７からの駆動信号に応じて回転数が決定されて冷却能力が制御される。
【００４５】
ポンプ４は、燃料電池スタック１から排出されラジエータ２及び冷却ファン３により冷却された冷却媒体が挿通管を介して供給される。ポンプ４は、制御部７からの駆動信号に応じて回転数が決定されて、燃料電池システムで循環する冷却媒体の循環流量が制御される。
【００４６】
流入冷却媒体温度センサ５は、ポンプ４と燃料電池スタック１との間であって、燃料電池スタック１の冷却媒体流入口近傍に設けられる。この流入冷却媒体温度センサ５は、ポンプ４から燃料電池スタック１に流入する冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を検出して、センサ信号として制御部７に出力する。
【００４７】
排出冷却媒体温度センサ６は、燃料電池スタック１とラジエータ２との間であって、燃料電池スタック１の冷却媒体排出口近傍に設けられる。この排出冷却媒体温度センサ６は、燃料電池スタック１から排出される冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出して、センサ信号として制御部７に出力する。
【００４８】
制御部７は、流入冷却媒体温度センサ５及び排出冷却媒体温度センサ６からの流入冷却媒体温度及び排出冷却媒体温度に応じて、冷却媒体温度を所定温度範囲とするように冷却ファン３及びポンプ４の動作を制御する。この制御部７は、冷却ファン３の回転数及びポンプ４の駆動量を制御することで、冷却媒体を燃料電池スタック１が発電動作を行うのに適する所定温度範囲とする。
【００４９】
また、この制御部７は、後述するが、流入冷却媒体温度及び排出冷却媒体温度に基づいて、冷却機構の異常を判定し、ポンプ４及び燃料電池スタック１を制御をする。更に、この制御部７は、燃料電池スタック１の暖気状態に応じて、冷却機構の異常判定を禁止する制御をする。なお、この制御部７の詳細な処理手順については後述する。
【００５０】
［燃料電池システムの動作］
つぎに、上述した燃料電池システムの第１〜第４制御動作をフローチャートを参照して説明する。
【００５１】
「第１制御動作」
先ず、本発明を適用した燃料電池システムの第１制御動作について図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００５２】
この第１制御動作は、燃料電池スタック１が発電状態であって、燃料電池スタック１を適切な温度範囲で運転するために冷却ファン３の回転数及びポンプ４の駆動量を制御しているときに、例えば所定期間ごとに行われてステップＳ１以降の処理を開始する。
【００５３】
ステップＳ１において、制御部７により、流入冷却媒体温度センサ５によって検出された流入冷却媒体温度と、排出冷却媒体温度センサ６によって検出された排出冷却媒体温度との温度差を算出し、算出した温度差と所定値とを比較する。すなわち、ステップＳ１では、排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上高いか否かを判定する。
【００５４】
制御部７は、温度差が所定値よりも高くないと判定したときには、冷却機構が正常に動作していると判定して処理をステップＳ２に進め、温度差が所定値よりも高いと判定したときには、冷却機構に異常が発生したと判定して処理をステップＳ３に進める。
【００５５】
ステップＳ２において、制御部７は、冷却機構が正常動作しているので、所定温度範囲内に冷却媒体温度を制御する通常運転を継続するように各部を制御する。
【００５６】
具体的には、流入冷却媒体温度が所定温度範囲内となるように冷却ファン３を制御すると共に、排出冷却媒体温度が所定温度範囲内となるようにポンプ４を制御する。
【００５７】
ステップＳ３において、冷却機構に異常が発生したので、制御部７により、少なくともポンプ４の動作を停止する制御をして燃料電池スタック１の冷却動作を停止させる。また、制御部７では、燃料電池スタック１の発電動作を停止させるように図示しない酸化剤ガス供給機構及び燃料ガス供給機構の動作を制御する。
【００５８】
この燃料電池システムでは、図２示す第１制御動作を実行すると、図３に示すように、燃料電池スタック１が発電動作を行っていないとき、冷却媒体温度が温度Ｔ１であり、時刻ｔ１で燃料電池スタック１及び冷却機構を起動して発電動作を開始して発熱すると、図３（ａ）に示すように徐々に排出冷却媒体温度が高くなる。
【００５９】
そして、冷却機構に異常が発生してポンプ４の冷却能力が低下し、時刻ｔ２において排出冷却媒体温度が温度Ｔ２となって流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差が所定値以上となると、図３（ｂ）に示すように、制御部７は冷却機構に異常が発生したことを示す異常発生フラグをたて、少なくともポンプ４の動作を停止させる停止制御をする。
【００６０】
図３に示すように、ポンプ４の冷却媒体供給能力が低下して、充分な流量の冷却媒体を燃料電池スタック１に供給できなくなって排出冷却媒体温度が上昇しても、排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上高くなった場合に冷却機構に異常が発生したと判定し、冷却機構の動作を停止させると共に、燃料電池スタック１の発電動作を停止させることで、冷却機構の異常を速やかに検出して燃料電池スタック１の損傷を確実に防ぐことができる。
【００６１】
また、第１制御処理の上述したステップＳ１の冷却媒体温度の比較処理において、排出冷却媒体温度と流入冷却媒体温度との温度差分値との比較に使用する所定値は、燃料電池スタック１の発電量に応じて変更してもよい。一般に、燃料電池スタック１の発熱量が発電量に比例するため、燃料電池スタック１内の冷却媒体の温度上昇が発電量によって変化する。
【００６２】
したがって、所定値は、図４に示すように、燃料電池スタック１の発電量に比例するように設定することでより高い精度で第１制御動作を実行することが可能となる。燃料電池スタック１の発電量は、図示しない発電指令値を用いてもよいし、燃料電池スタック１の電流を測定することで求めてもよい。
【００６３】
上述の第１制御動作では、ポンプ４の冷却媒体供給能力が低下したという冷却機構の異常を例として述べたが、燃料電池スタック１の排出冷却媒体温度を検出する排出冷却媒体温度センサ６が故障し、実際の温度よりも高い排出冷却媒体温度を出力した場合も、制御部７により冷却機構の異常であると判定して上述した停止処理を実行する。
【００６４】
「第２制御動作」
次に、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの第２制御動作について図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６５】
ステップＳ１１において、制御部７により、図示しない内部のタイマを用いて、冷却機構起動後の経過時間が所定期間を経過したか否かを判定する。起動後所定時間が経過していない場合、処理をステップＳ１２へと進め、所定時間が経過していれば処理をステップＳ１３へと進める。
【００６６】
ステップＳ１２において、制御部７により、起動時制御として、冷却機構の起動制御のみを行う。冷却機構の起動制御とは、少なくともポンプ４を起動させることであり、冷却ファン３は起動させなくてもよい。また、図示しない燃料電池スタック１の発電動作も行わない。このステップＳ１２の起動時制御を行うことにより、冷却媒体が挿通管を循環している状態となる。
【００６７】
ステップＳ１３において、制御部７は、流入冷却媒体温度センサ５によって検出された流入冷却媒体温度と、排出冷却媒体温度センサ６によって検出された排出冷却媒体温度との温度差を算出し、算出した温度差と所定値とを比較する。すなわち、ステップＳ１３では、排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上高いか否かを判定する。
【００６８】
制御部７は、温度差が所定値よりも高くないと判定したときには、冷却機構が正常に動作していると判定して処理をステップＳ１４に進め、温度差が所定値よりも高いと判定したときには、冷却機構に異常が発生したと判定して処理をステップＳ１５に進める。
【００６９】
ステップＳ１４において制御部７により上述のステップＳ２の処理と同様の処理をし、ステップＳ１５において制御部７により上述のステップＳ３と同様の処理をする。
【００７０】
上述したフローチャートのステップＳ１２における起動時制御において、燃料電池スタック１は発電運転をしておらず、冷却機構が冷却媒体を循環させている状態である。
【００７１】
ここで、燃料電池スタック１内に暖気が残存した状態で燃料電池スタック１の発電開始がされると、冷却媒体は雰囲気温度まで放熱されていない。しかも、燃料電池スタック１内の残存暖気により、燃料電池スタック１の熱容量が、燃料電池スタック１外の挿通管やラジエータ２よりも大きい。
【００７２】
したがって、燃料電池スタック１内の冷却媒体は燃料電池スタック１外の冷却媒体よりも温度が高くなっている。この状態で、ポンプ４を作動させると、燃料電池スタック１内の冷却媒体が燃料電池スタック１の外に排出され、その結果、排出冷却媒体温度が、流入冷却媒体温度よりも所定値以上高くなってしまう。すなわち、冷却機構に異常がないのに、制御部７により冷却機構に異常が発生したと判定してしまう。
【００７３】
そこで、第２制御動作のステップＳ１１において、制御部７により、冷却機構の起動後の所定時間はステップＳ１２の起動時制御を行うことにより、冷却機構に異常が発生したと判定することを禁止している。この所定時間は冷却媒体が十分循環及び攪拌される時間とし、この所定期間内ではステップＳ１２の起動時処理を行う。
【００７４】
このような動作を行う燃料電池システムでは、図５に示す第２制御動作を実行すると、図６（ａ）に示すように、時刻ｔ１１でポンプ４の動作を開始し、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の所定期間をステップＳ１１で判定し、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の間ではステップＳ１２の起動時処理を行う。そして、時刻ｔ１２が経過すると、ステップＳ１１の処理からステップＳ１３の処理に移行しステップＳ１３〜ステップＳ１５の処理を行う。
【００７５】
このような処理を行うことにより、時刻ｔ１１でポンプ４のみを駆動することにより、例えば燃料電池スタック１内に暖気状態の冷却媒体が残存しているときに排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上高くなっても冷却機構に異常が発生したことを判定しない。そして、時刻ｔ１２以降の時刻ｔ１３で冷却機構の異常が発生したと判定したときには、図６（ｂ）に示すように異常発生フラグをたてる。
【００７６】
これに対し、時刻ｔ１１後において、冷却機構に異常が発生した判定を禁止しない場合には、図６（ｂ）の点線で示すように、時刻ｔ１２前において排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上となることに応じて異常発生フラグをたててしまう。
【００７７】
したがって、この第２制御動作を行う燃料電池システムによれば、ステップＳ１１における判定処理を設けることにより、第１制御動作で発揮することができる効果に加えて、暖気が燃料電池スタック１内に残存している状態で冷却機構を起動した時に、冷却機構の異常が発生したと誤判定するのを回避することができる。
【００７８】
また、この第２制御処理を行う燃料電池システムによれば、冷却機構に異常が発生したと判定するのを禁止する期間では燃料電池スタック１の発電を抑制するので、発電による発熱が抑制されている間に、冷却媒体の攪拌を進行させることができ、流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差を低くすることができる。したがって、冷却機構が異常であるという判定をすることの禁止が解除された後の誤判定を確実に防止することが可能となる。
【００７９】
「第３制御動作」
燃料電池システムの第３制御動作について図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８０】
ステップＳ２１において、制御部７により、燃料電池スタック１の発電運転を停止させ、燃料電池スタック１の暖気が残存した状態で再度燃料電池スタック１の発電開始がされるホット・リスタート状態が終了したか否かの判定を行う。ホット・リスタート状態が終了していないと判定したときには処理をステップＳ２２へと進め、ホットリスタート状態が終了したと判定したときには処理をステップＳ２３へと進める。
【００８１】
ステップＳ２２において、制御部７により、ホット・リスタート状態であることを判定するホット・リスタート判定制御をする。このホット・リスタート判定制御では、ポンプ４を起動し、冷却媒体の循環を開始させる。制御部７は、燃料電池スタック１の発電運転を指示する制御要求をしない。
【００８２】
ホット・リスタート時には、燃料電池スタック１内の冷却媒体が燃料電池スタック１外の冷却媒体よりも温度が高くなっているため、ポンプ４を起動して冷却媒体の循環を開始すると、排出冷却媒体温度が、流入冷却媒体温度よりも高くなる。
【００８３】
ステップＳ２３のホット・リスタート判定制御では、冷却媒体循環開始直後の排出冷却媒体温度の温度上昇からホット・リスタート状態であるか否かを判定する。制御部７によりホット・リスタート状態である判定した場合、排出冷却媒体温度と、流入冷却媒体温度とがほぼ同温度なるまで、ホット・リスタート状態であるとの判定を行う。
【００８４】
すなわち、ホット・リスタート状態であるとステップＳ２２で判定している期間では、ポンプ４により冷却媒体を循環させて、排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度と略同温度となったらホット・リスタート状態が終了したと判定して、ステップＳ２３に処理を進める。
【００８５】
ステップＳ２３において、制御部７は、流入冷却媒体温度センサ５によって検出された流入冷却媒体温度と、排出冷却媒体温度センサ６によって検出された排出冷却媒体温度との温度差を算出し、算出した温度差と所定値とを比較する。すなわち、ステップＳ２３では、排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上高いか否かを判定する。
【００８６】
制御部７は、温度差が所定値よりも高くないと判定したときには、冷却機構が正常に動作していると判定して処理をステップＳ２４に進め、温度差が所定値よりも高いと判定したときには、冷却機構に異常が発生したと判定して処理をステップＳ２５に進める。
【００８７】
ステップＳ２４において制御部７により上述のステップＳ２の処理と同様の処理をし、ステップＳ２５において制御部７により上述のステップＳ３と同様の処理をする。
【００８８】
なお、ステップＳ２３では燃料電池スタック１の発電を行っていないが、燃料電池スタック１を完全に停止させなくとも通常の発電量よりも小さく、ごく少量の発電を行っていても良い。
【００８９】
このような第３制御処理を行う燃料電池システムによれば、図８（ａ）に示すように、時刻ｔ２１以降のポンプ４の作動直後に排水冷却媒体温度が上昇することにより、ホット・リスタート状態を検出すると共に、冷却機構に異常が発生したと判定することを禁止する。そして、時刻ｔ２２で排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度とほぼ等しくなったことに応じてホット・リスタート状態が終了したと判定し、冷却機構に異常が発生したと判定することを許可する。
【００９０】
したがって、第３制御動作を行う燃料電池システムによれば、ホット・リスタート状態において冷却機構に異常が発生したと誤判定するのを防止するための期間を、上述した第２制御動作における所定時間よりも短くすることができ、必要以上に冷却機構に異常が発生したとの判定を禁止する期間を設けることがない。
【００９１】
また、この第３制御動作において、冷却機構に異常が発生したと判定することを禁止しているときに、第２制御動作と同様に燃料電池スタック１の発電を抑制して運転しても良い。これにより、発電による発熱が抑制されている間に、冷却媒体の攪拌を進行させることができ、流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差を低くすることができる。したがって、冷却機構が異常であるという判定をすることの禁止が解除された後の誤判定を確実に防止することが可能となる。
【００９２】
「第４制御動作」
次に、燃料電池システムの第４制御動作について図９に示すフローチャートを参照して説明する。
【００９３】
ステップＳ３１において、制御部７により、燃料電池スタック１に異常が生じたか否かを判定する。燃料電池スタック１に異常が生じた場合は、処理をステップＳ３４へと進め、異常が生じていない場合は処理をステップＳ３２へと進める。
【００９４】
ステップＳ３１で燃料電池スタック１に生じる異常を検出するには、例えば、図示しない電圧センサによって検出された燃料電池スタック１の総電圧、或いは、図示しない燃料電池スタック１の内部に設けられたセル電圧センサによって検出された燃料電池スタック１を構成する各セルの電圧を制御部７により検出することによって行う。
【００９５】
このとき、制御部７では、燃料電池スタック１の総電圧が低下した場合や、セル電圧の低下したセルを検出した場合、燃料電池スタック１の損傷を防ぐため、燃料電池スタック１の発電運転を停止させるためにステップＳ３４に処理を進める。
【００９６】
燃料電池スタック１の異常時には燃料電池スタック１の発電効率が著しく低下し、燃料電池スタック１の発熱量が増加する可能性があるため、燃料電池スタック１の異常が検出された場合は、ステップＳ３４の停止動作を実行し、冷却媒体温度による判定処理を実行しない。
【００９７】
ステップＳ３２において、制御部７は、流入冷却媒体温度センサ５によって検出された流入冷却媒体温度と、排出冷却媒体温度センサ６によって検出された排出冷却媒体温度との温度差を算出し、算出した温度差と所定値とを比較する。すなわち、ステップＳ３２では、排出冷却媒体温度が流入冷却媒体温度よりも所定値以上高いか否かを判定する。
【００９８】
制御部７は、温度差が所定値よりも高くないと判定したときには、冷却機構が正常に動作していると判定して処理をステップＳ３３に進め、温度差が所定値よりも高いと判定したときには、冷却機構に異常が発生したと判定して処理をステップＳ３４に進める。
【００９９】
次のステップＳ３３において制御部７により上述のステップＳ２の処理と同様の処理をし、ステップＳ３４において制御部７により上述のステップＳ３と同様の処理をする。
【０１００】
このような第４制御動作を行う燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の異常を検出した場合、冷却機構に異常が発生した判定を禁止するので、燃料電池スタック１の発熱異常による冷却媒体温度上昇が検出されても、冷却機構の異常と判定する誤判定を防止することができる。
【０１０１】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を説明するための概略構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムによる第１制御動作の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）は本発明を適用した燃料電池システムによる第１制御動作時における冷却媒体温度のタイムチャートであり、（ｂ）は本発明を適用した燃料電池システムによる第１制御動作時における異常発生フラグのタイムチャートである。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムによる燃料電池スタックの発電量と所定値との関係を示した図である。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムによる第２制御動作の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は本発明を適用した燃料電池システムによる第２制御動作時における冷却媒体温度のタイムチャートであり、（ｂ）は本発明を適用した燃料電池システムによる第２制御動作時における異常発生フラグのタイムチャートである。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムによる第３制御動作の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は本発明を適用した燃料電池システムによる第３制御動作時における冷却媒体温度のタイムチャートであり、（ｂ）は本発明を適用した燃料電池システムによる第３制御動作時における異常発生フラグのタイムチャートである。
【図９】本発明を適用した燃料電池システムによる第４制御動作の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池
２ラジエータ
３ファン
４ポンプ
５流入冷却媒体温度センサ
６排出冷却媒体温度センサ
７制御部
１１負荷

Claims

電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池に冷却媒体を循環させるポンプを有する冷却媒体供給手段と、
上記冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却手段と、
上記燃料電池に流入する上記冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を検出する第１温度検出手段と、
上記燃料電池から排出される上記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出する第２温度検出手段と、
上記燃料電池の発電動作の制御及び上記冷却媒体供給手段、上記冷却媒体冷却手段による上記燃料電池の冷却動作の制御をする制御手段とを備え、
上記制御手段は、上記第１温度検出手段によって検出された流入冷却媒体温度と、上記第２温度検出手段によって検出された排出冷却媒体温度との温度差が、上記燃料電池の発電量に応じて決定され、上記ポンプの異常を判定する流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差である所定値以上となったことに応じて、上記冷却媒体供給手段のポンプにより循環させる冷却媒体流量に異常が発生したことを判定して、当該ポンプ及び燃料電池の発電動作を停止させることを特徴とする燃料電池冷却装置。
上記制御手段は、上記冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給を開始した後の所定時間内では上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことの判定を禁止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却装置。
上記制御手段は、上記燃料電池の発電動作停止後であって上記燃料電池の暖気残存状態である所定期間内に、上記冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給を再開した後の所定の時間内では、上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定することを禁止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却装置。
上記制御手段は、上記冷却媒体供給手段が異常であるとの判定が禁止されている場合、上記燃料電池の発電動作を抑制するよう制御すること
を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池冷却装置。
上記制御手段は、上記冷却媒体供給手段の運転を開始した後に上記第２温度検出手段で検出された排出冷却媒体温度が上昇したことに応じて、上記燃料電池の発電動作停止後であって、上記燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に上記冷却媒体供給手段による冷却媒体の供給が再開されたと判定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池冷却装置。
上記制御手段は、上記流入冷却媒体温度と、上記排出冷却媒体温度とがほぼ等しくなったことに応じて、上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定することを開始することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池冷却装置。
上記制御手段は、上記燃料電池に異常が発生した場合、上記冷却媒体供給手段が異常であると判定することを禁止することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の燃料電池冷却装置。
電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池にポンプによって冷却媒体を供給すると共に上記冷却媒体を冷却して、上記燃料電池を冷却する燃料電池冷却装置の制御方法であって、
上記燃料電池に流入する上記冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を入力し、
上記燃料電池から排出される上記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を入力し、
入力した上記流入冷却媒体温度と、入力した上記排出冷却媒体温度との温度差を算出し、
算出した上記温度差と、上記燃料電池の発電量に応じて決定され、上記ポンプの異常を判定する流入冷却媒体温度と排出冷却媒体温度との温度差である所定値とを比較し、
上記温度差と上記所定値とを比較した結果、上記温度差が上記所定値以上となったことに応じて、上記ポンプにより循環させる冷却媒体流量に異常が発生したことを判定して、当該ポンプ及び燃料電池の発電動作を停止させることを特徴とする燃料電池冷却装置の制御方法。
上記冷却媒体の供給を開始した後の所定時間内では、上記燃料電池冷却装置に異常が発生したことの判定を禁止することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池冷却装置の制御方法。
上記燃料電池の発電動作停止後であって上記燃料電池の暖気残存状態である所定期間内に、上記冷却媒体の供給を再開した後の所定の時間内では、上記燃料電池冷却装置に異常が発生したことを判定することを禁止することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池冷却装置の制御方法。
上記燃料電池冷却装置が異常であるとの判定が禁止されている場合、上記燃料電池の発電動作を抑制することを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池冷却装置の制御方法。
上記冷却媒体の供給を開始した後に、上記排出冷却媒体温度が上昇したことに応じて、上記燃料電池の発電動作停止後であって、上記燃料電池の暖気残存状態の所定期間内に上記冷却媒体の供給が再開されたと判定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池冷却装置の制御方法。
上記流入冷却媒体温度と、上記排出冷却媒体温度とがほぼ等しくなったことに応じて、上記燃料電池冷却装置に異常が発生したことを判定することを開始することを特徴とする請求項８〜請求項１２の何れかに記載の燃料電池冷却装置の制御方法。
上記燃料電池に異常が発生した場合、上記燃料電池冷却装置が異常であると判定することを禁止することを特徴とする請求項８〜請求項１３の何れかに記載の燃料電池冷却装置の制御方法。