JP4698154B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池から発生する排熱を回収した一次冷却用熱媒が二次冷却用熱媒との間で熱交換を行う冷却用熱交換器に供給される形態で、一次冷却用熱媒を一次冷却用熱媒循環路において循環させる一次冷却用熱媒循環手段と、二次冷却用熱媒が冷却用熱交換器と熱媒貯留槽とを順に流動する形態で、二次冷却用熱媒を二次冷却用熱媒循環路において循環させる二次冷却用熱媒循環手段と、一次冷却用熱媒循環手段を作動させることによる一次冷却用熱媒の流量及び二次冷却用熱媒循環手段を作動させることによる二次冷却用熱媒の流量を、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度が燃料電池流入目標温度となり、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池からの流出温度が燃料電池流出目標温度となるように制御する制御手段とが設けられている燃料電池システムに関する。

かかる燃料電池システムとしては、図６に示すように、燃料電池１００で発生した熱を回収した一次冷却用熱媒を一次冷却用熱媒循環手段１０２で流量を調節しながら一次冷却用熱媒循環路１０１に流動させ、二次冷却用熱媒を二次冷却用熱媒循環手段１０５で流量を調節しながら二次冷却用熱媒循環路１０６に流動させている。そして、二次冷却用熱媒が冷却用熱交換器１０４において一次冷却用熱媒から熱を受け取るように構成されている。
そして、燃料電池１００を一次冷却用熱媒を用いて冷却しながら運転させるときには、一次冷却用熱媒の燃料電池１００への流入温度を設定温度に調節するために、一次冷却用熱媒の燃料電池１００への流入温度を燃料電池用流入温度センサ１０３を用いて測定し、制御部１０７は測定された流入温度と設定温度との偏差に基づいて、一次冷却用熱媒と熱交換を行う二次冷却用熱媒の流量を二次冷却用熱媒循環手段１０５によって調節するように構成されている。

特開２００２−２８９２４１号公報

燃料電池システムにおいて一次冷却用熱媒の温度が変化する状況というのは、燃料電池１００の運転状態が変化することによって燃料電池１００の発熱量が変化したときであるが、燃料電池１００の運転状態が変化してから、その変化が燃料電池用流入温度センサ１０３で測定される一次冷却用熱媒の温度変化として現れるまでには暫くの時間が必要である。

従って、例えば、燃料電池１００の発電電力が急激に低下したときには燃料電池１００から一次冷却用熱媒に授けられる熱量も低下するのだが、暫くの間は燃料電池用流入温度センサ１０３にて一次冷却用熱媒の温度変化が現れないために二次冷却用熱媒循環手段１０５の調節も暫くの間は行われないことになる。そのため、一次冷却用熱媒の温度が低下し過ぎてしまい、燃料電池１００は過冷却状態となって、燃料電池１００内の水蒸気が凝縮することによって空気や燃料の反応経路が閉塞されるなどの理由から、正常な発電に支障をきたすこととなる。
他方で、燃料電池１００の発電電力が急激に上昇したときには燃料電池１００から一次冷却用熱媒に授けられる熱量も増大するのだが、同様に一次冷却用熱媒の温度変化が暫くの間は現れないために二次冷却用熱媒循環手段１０５の調節も暫くの間は行われないことになる。そのため、一次冷却用熱媒の温度が上昇しすぎてしまい、燃料電池は過熱状態となって、燃料電池内の水蒸気が不足することによってイオン交換膜が乾燥するなどの理由により、発電効率の低下のみならず、燃料電池の寿命の低下にも影響が及ぼされることとなる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の運転状態が変化したときに二次冷却用熱媒の流量を適切に調節することのできる燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの第１特徴構成は、燃料電池から発生する排熱を回収した一次冷却用熱媒が二次冷却用熱媒との間で熱交換を行う冷却用熱交換器に供給される形態で、前記一次冷却用熱媒を一次冷却用熱媒循環路において循環させる一次冷却用熱媒循環手段と、前記二次冷却用熱媒が前記冷却用熱交換器と熱媒貯留槽とを順に流動する形態で、前記二次冷却用熱媒を二次冷却用熱媒循環路において循環させる二次冷却用熱媒循環手段と、前記一次冷却用熱媒循環手段を作動させることによる前記一次冷却用熱媒の流量及び前記二次冷却用熱媒循環手段を作動させることによる前記二次冷却用熱媒の流量を、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度が燃料電池流入目標温度となり、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度が燃料電池流出目標温度となるように制御する制御手段とが設けられている燃料電池システムであって、前記二次冷却用熱媒の前記冷却用熱交換器への実熱交換器流入温度を測定する熱交換器流入温度測定手段とが設けられ、前記制御手段が、前記燃料電池の発熱量と相関がある実運転情報、前記実熱交換器流入温度、前記燃料電池流入目標温度及び前記燃料電池流出目標温度に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるための二次冷却用熱媒目標流量を導出し、前記二次冷却用熱媒が前記二次冷却用熱媒目標流量で循環するように前記二次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、制御手段が、燃料電池の発熱量と相関がある実運転情報、実熱交換器流入温度、燃料電池流入目標温度及び燃料電池流出目標温度に基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度を燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池からの流出温度を燃料電池流出目標温度にさせるための二次冷却用熱媒目標流量を導出し、二次冷却用熱媒が二次冷却用熱媒目標流量で循環するように二次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されているので、燃料電池の運転状態が変化したときには、一次冷却用熱媒の温度測定などの時間的な余裕が必要となる測定を行わなくても、燃料電池の実運転情報に基づいて二次冷却用熱媒の流量調節が行われることになる。その結果、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度及び燃料電池からの流出温度が、燃料電池流入目標温度及び燃料電池流出目標温度から大きく逸脱することを避けるための対処を適切に行うことができ、燃料電池が過冷却状態や過熱状態に至るのを防止して正常な発電運転を継続させることが可能となる。
従って、燃料電池の運転状態が変化したときに二次冷却用熱媒の流量を適切に調節することのできる燃料電池システムが提供されることになる。

本発明に係る燃料電池システムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記実運転情報に基づいて前記一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量を導出し、前記一次冷却用熱媒受熱量に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるために前記二次冷却用熱媒が前記一次冷却用熱媒から受け取るべき二次冷却用熱媒受熱量を導出し、前記二次冷却用熱媒受熱量、前記実熱交換器流入温度、前記燃料電池流入目標温度及び前記燃料電池流出目標温度に基づいて前記二次冷却用熱媒の前記冷却用熱交換器からの予測熱交換器流出温度を導出し、前記二次冷却用熱媒受熱量、前記実熱交換器流入温度及び前記予測熱交換器流出温度に基づいて前記二次冷却用熱媒目標流量を導出するように構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、熱媒の温度変化の実測値に基づいて一次冷却用熱媒の流量及び二次冷却用熱媒の流量を調節するという制御を行うのではなく、燃料電池の実運転情報に基づいて上記一次冷却用熱媒受熱量を導出し、その一次冷却用熱媒受熱量に基づいて上記二次冷却用熱媒受熱量を導出し、その二次冷却用熱媒受熱量に基づいて上記二次冷却用熱媒目標流量を導出するというカスケード制御を行うように構成されているので、燃料電池の運転状態が変化すると二次冷却用熱媒の流量を調節することが可能となる。その結果、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度及び燃料電池からの流出温度が、燃料電池流入目標温度及び燃料電池流出目標温度から大きく逸脱することを避けるための対処を適切に行うことができ、燃料電池が過冷却状態や過熱状態に至るのを防止して正常な発電運転を継続させることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への実燃料電池流入温度を測定する燃料電池流入温度測定手段が設けられ、前記制御手段が、前記実燃料電池流入温度と前記燃料電池流入目標温度との間の偏差に基づいて前記二次冷却用熱媒目標流量を補正するように構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、制御手段が、実燃料電池流入温度と燃料電池流入目標温度との間の偏差に基づいて二次冷却用熱媒目標流量を補正するように構成されているので、燃料電池の実運転状態に基づいて二次冷却用熱媒の流量を調節して一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度及び燃料電池からの流出温度が燃料電池流入目標温度及び燃料電池流出目標温度から大きく逸脱することを避けた上で、実燃料電池流入温度が燃料電池流入目標温度となるように更に正確に調節することができる。

本発明に係る燃料電池システムの第４特徴構成は、上記第１から第３の何れかの特徴構成に加えて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への実燃料電池流入温度を測定する燃料電池流入温度測定手段と、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの実燃料電池流出温度を測定する燃料電池流出温度測定手段とが設けられ、前記制御手段が、前記実燃料電池流出温度と前記燃料電池流出目標温度との間の偏差に基づいて、前記実燃料電池流入温度と前記燃料電池流入目標温度との間の偏差に基づいて、又は、前記実燃料電池流出温度と前記実燃料電池流入温度との間の偏差に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるための一次冷却用熱媒目標流量を導出し、前記一次冷却用熱媒が前記一次冷却用熱媒目標流量で循環するように前記一次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、制御手段が、実燃料電池流出温度と燃料電池流出目標温度との間の偏差に基づいて、実燃料電池流入温度と燃料電池流入目標温度との間の偏差に基づいて、又は、実燃料電池流出温度と実燃料電池流入温度との間の偏差に基づいて一次冷却用熱媒目標流量を導出し、一次冷却用熱媒がその一次冷却用熱媒目標流量で循環するように一次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されているので、燃料電池内が適切な温度で運転されるように一次冷却用熱媒循環手段を作動させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの第５特徴構成は、上記第１から第３の何れかの特徴構成に加えて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への実燃料電池流入温度を測定する燃料電池流入温度測定手段と、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの実燃料電池流出温度を測定する燃料電池流出温度測定手段とが設けられ、前記制御手段が、前記実運転情報に基づいて前記一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量を導出し、前記一次冷却用熱媒受熱量に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるための一次冷却用熱媒目標流量を導出し、前記一次冷却用熱媒が前記一次冷却用熱媒目標流量で循環するように前記一次冷却用熱媒循環手段を作動させ、前記実燃料電池流出温度と前記実燃料電池流入温度との偏差に基づいて前記一次冷却用熱媒目標流量を補正するように構成されている点にある。

上記第５特徴構成によれば、制御手段が、燃料電池の実運転情報に基づいて上記一次冷却用熱媒受熱量を導出し、その一次冷却用熱媒受熱量に基づいて一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度を燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池からの流出温度を燃料電池流出目標温度にさせるための一次冷却用熱媒目標流量を導出し、一次冷却用熱媒がその一次冷却用熱媒目標流量で循環するように一次冷却用熱媒循環手段を作動させるというカスケード制御を行うように構成されているので、燃料電池の運転状態が変化すると一次冷却用熱媒の流量を調節することが可能となる。更に、実燃料電池流出温度と実燃料電池流入温度との偏差に基づいて一次冷却用熱媒目標流量を補正するように構成されているので、燃料電池から熱量を回収して適正な温度で運転させるように一次冷却用熱媒循環手段を作動させることができる。その結果、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度及び燃料電池からの流出温度が、燃料電池流入目標温度及び燃料電池流出目標温度から大きく逸脱することを避けるための対処を適切に行うことができ、燃料電池が過冷却状態や過熱状態に至るのを防止して正常な発電運転を継続させることが可能となると共に、上記補正によって燃料電池内が適切な温度で運転されるように一次冷却用熱媒循環手段を作動させることができる

本発明に係る燃料電池システムの第６特徴構成は、上記第１から第５の何れかの特徴構成に加えて、前記二次冷却用熱媒の前記二次冷却用熱媒循環路中における実二次冷却用熱媒流量を測定する二次冷却用熱媒流量測定手段が設けられ、前記制御手段が、前記実二次冷却用熱媒流量が前記二次冷却用熱媒目標流量となるように前記二次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されている点にある。

上記第６特徴構成によれば、制御手段が、実二次冷却用熱媒流量が二次冷却用熱媒目標流量となっているかを検証して、実二次冷却用熱媒流量が二次冷却用熱媒目標流量となるように二次冷却用熱媒循環手段の作動を制御するように構成されているので、二次冷却用熱媒の流量を実測値に基づくフィードバックによって更に正確に調節することができ、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度及び燃料電池からの流出温度が、燃料電池流入目標温度及び燃料電池流出目標温度から逸脱することを避けることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの第７特徴構成は、上記第１から第６のいずれかの特徴構成に加えて、前記一次冷却用熱媒循環路中に熱交換器が設けられ、前記制御手段が、前記熱交換器において前記一次冷却用熱媒との間で授受された熱量を前記一次冷却用熱媒受熱量に対して加減算するように構成されている点にある。

上記第７特徴構成によれば、制御手段が、前記熱交換器において一次冷却用熱媒との間で授受された熱量を一次冷却用熱媒受熱量に対して加減算するように構成されているので、燃料電池以外の熱交換器との間で一次冷却用熱媒が熱の授受を行ったとしても、その熱量が一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量として含まれた上で上記特徴構成と同様の二次冷却用熱媒流量の導出が行われるので、一次冷却用熱媒の燃料電池への流入温度を燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池からの流出温度を燃料電池流出目標温度にさせる制御を燃料電池の運転状態の変化に伴って正確に実行することが可能となる。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の燃料電池システムについて説明する。
図１にブロック図で示すように本発明の燃料電池システムには、原燃料を改質して水素を主成分とするガスを生成する改質装置１と、改質装置１から供給される水素ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２での発電出力の大きさに応じて発生する排熱を熱媒にて回収して貯留する熱媒貯留槽３とが設けられている。また、燃料電池２で発生する排熱を回収する熱媒は、燃料電池２を適正な稼動温度に維持する冷却機能も担っている。そこで、マイクロコンピュータなどを用いて実現される制御部（制御手段の一例）Ｈは、一次冷却用熱媒循環路１０を流動する一次冷却用熱媒に関して、燃料電池２に流入する燃料電池流入温度と燃料電池２から流出する燃料電池流出温度とが燃料電池流入目標温度と燃料電池流出目標温度となるようにするために、一次冷却用熱媒との間で冷却用熱交換器４において熱交換する二次冷却用熱媒を二次冷却用熱媒循環路２０に流動させている。

一次冷却用熱媒は、一次冷却用熱媒循環路１０中に設けられた一次側ポンプ（一次冷却用熱媒循環手段の一例）Ｐ１によって流動され、二次冷却用熱媒は、二次冷却用熱媒循環路２０中に設けられた二次側ポンプ（二次冷却用熱媒循環手段の一例）Ｐ２によって流動される。一次冷却用熱媒の流量及び二次冷却用熱媒の流量は、一次側ポンプＰ１及び二次側ポンプＰ２の作動を各別に制御する制御部Ｈによって調節される。

図２に示すのは、制御部Ｈによって行われる一次側ポンプＰ１及び二次側ポンプＰ２の作動制御のフローチャートである。フローチャートにおいて破線で囲まれている制御ブロックは制御部Ｈで行われる制御である。
まず制御部Ｈはステップ１００において、燃料電池２の発熱量と相関のある燃料電池２の実運転情報に基づいて、一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１を導出する。燃料電池２の実運転情報としては、燃料電池２の発電電力、発電電流、改質装置１への原燃料供給量、燃料電池２への水素ガス供給量などの情報を用いることができ、それらの値から燃料電池の発熱量を概算することができる。

次にステップ１０２において制御部Ｈは、燃料電池２の発熱量に基づいて導出された一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１に基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度を燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓにさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度を燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓにさせるために二次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒から受け取るべき二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２を導出する。また、ステップ１０４において制御部Ｈは、熱交換器流入温度センサ（熱交換器流入温度測定手段の一例）Ｔ２によって測定される二次冷却用熱媒の実熱交換器流入温度Ｔ２ｒ、予め設定されている燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓ及び燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓ、並びに、二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２に基づいて、二次冷却用熱媒の冷却用熱交換器４からの流出温度である予測熱交換器流出温度Ｔ４ｐを導出する。また、この実熱交換器流入温度Ｔ２ｒの値は、熱媒貯留槽３内の熱媒温度で代用することもできる。

ステップ１０６において制御部Ｈは、二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２、実熱交換器流入温度Ｔ２ｒ及び予測熱交換器流出温度Ｔ４ｐに基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度を燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓにさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度を燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓにさせるための二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を導出する。そしてステップ１０８において制御部Ｈは、二次冷却用熱媒が二次冷却用熱媒循環路２０を上記二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２で循環するように、二次側ポンプＰ２の作動を制御する。

以上のように、制御部Ｈが、燃料電池２の発熱量と相関がある実運転情報、実熱交換器流入温度Ｔ２ｒ、燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓ及び燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓに基づいて、上記二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を導出し、二次冷却用熱媒がその二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２で循環するように二次側ポンプＰ２を作動させるようなカスケード制御を行うように構成されているので、従来のように燃料電池２の運転状態が変化した後に時間的に遅れて変化する実燃料電池流入温度に基づいて二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を決定するような制御に比べて早く二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を決定することが可能となり、その結果、燃料電池が過冷却状態や過熱状態に至るのを防止して正常な発電運転を継続させることが可能となる。

また制御部Ｈは、上述のように二次側ポンプＰ２の作動を制御するのとは別に、図２に示すように一次側ポンプＰ１の作動も制御する。詳細には、ステップ１１０において制御部Ｈは、燃料電池流出温度センサ（燃料電池流出温度測定手段の一例）Ｔ３によって測定される一次冷却用熱媒の実燃料電池流出温度Ｔ３ｒと燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓとの間の偏差に基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度を燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓにさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度を燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓにさせるための一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１を導出する。そして、ステップ１１２において制御部Ｈは、一次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒循環路１０を上記一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１で循環するように、一次側ポンプＰ１の作動を制御する。

次に、図２に示したフローチャートを具体的に説明する。
上述したように、ステップ１００及びステップ１０２において制御部Ｈは燃料電池２の発熱量に基づいて一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１を導出し、その一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１に基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度を燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓにさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度を燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓにさせるために二次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒から受け取るべき二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２を導出する。燃料電池２の運転状態が変化した後で二次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒から二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２だけの熱量を奪うことで、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度が燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓになり、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度が燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓになると仮定すると、以下の数式１が成立する。数式１において、Ｕは総括伝熱係数であり、Ａは冷却用熱交換器４の伝熱面積であり、ΔＴｌｍは冷却用熱交換器４での対数平均温度差である。

［数式１］
Ｑ２＝Ｕ×Ａ×ΔＴｌｍ
ΔＴｌｍ＝｛（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ３−Ｔ４）｝／ｌｎ｛（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ３−Ｔ４）｝

この数式１に基づいて制御部Ｈは、二次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒から二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２だけの熱量を奪ったときに、二次冷却用熱媒の冷却用熱交換器４からの流出温度の予測値である予測冷却用熱交換器流出温度Ｔ４ｐを導出する（ステップ１０４）。このとき、冷却用熱交換器４での二次冷却用熱媒の流量、つまり上記二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２は、二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２、実熱交換器流入温度Ｔ２ｒ及び予測冷却用熱交換器流出温度Ｔ４ｐを用いて以下の数式２で表すことができる。

［数式２］
Ｑ２＝（Ｔ４ｐ−Ｔ２ｒ）／Ｖ２

以上の結果、ステップ１０６において制御部Ｈは二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を導出することができる。従って、制御部Ｈは、燃料電池２の運転状態が生じたときには、二次側ポンプＰ２による二次冷却用熱媒の流量が二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２となるように、上述のようなカスケード制御によって二次側ポンプＰ２の出力を制御することで、一次冷却用熱媒の燃料電池流入温度Ｔ１及び燃料電池流出温度Ｔ３が目標温度から逸脱しないようにすることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池システムは、導出された二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２に補正が加えられる点で上記第１実施形態と異なる。以下に第２実施形態の燃料電池システムにおいて行われる制御のフローチャートについて説明するが、第１実施形態と同様の説明については省略する。

上記実施形態では、制御部Ｈが、燃料電池２の発熱量と相関がある実運転情報、実熱交換器流入温度Ｔ２ｒ、燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓ及び燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓに基づいて上記二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を導出し、二次冷却用熱媒がその二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２で循環するように二次側ポンプＰ２の出力を制御するように構成されていたが、二次側ポンプＰ２によって二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２が達成されていたとしても、燃料電池流入温度センサ（燃料電池流入温度測定手段の一例）Ｔ１によって測定される一次冷却用熱媒の実燃料電池流入温度Ｔ１ｒが、予め設定されている燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓと異なっている可能性もある。そこで本実施形態では、導出された二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２に補正を行って二次冷却用熱媒の流量を微調整し、実燃料電池流入温度Ｔ１ｒが燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓとなるように制御する。

具体的には、図３に示すように、ステップ１０７において制御部Ｈは、上記実施形態と同様のステップ１０６において導出された二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を、燃料電池流入温度センサ（燃料電池流入温度測定手段の一例）Ｔ１によって測定される一次冷却用熱媒の実燃料電池流入温度Ｔ１ｒと予め設定されている燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓとの間の偏差に基づいて補正する。例えば、制御部Ｈは、実燃料電池流入温度Ｔ１ｒが燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓよりも大きいときには、二次冷却用熱媒目標流量を大きくさせるような補正を行う。そして、ステップ１０９において制御部Ｈは、二次冷却用熱媒が補正後の二次冷却用熱媒目標流量で循環するように二次側ポンプＰ２の出力を制御する。

以上の結果、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度及び燃料電池２からの流出温度を、燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓ及び燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓへと確実に制御して、燃料電池が過冷却状態や過熱状態に至るのを防止して正常な発電運転を継続させることが可能となる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の燃料電池システムは、一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１又は二次冷却用熱媒受熱量Ｑ２に基づいて二次側ポンプＰ２の作動制御が行われる点に加えて、一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１に基づいて一次側ポンプＰ１の作動制御も行われる点で上記実施形態と異なる。以下に第３実施形態の燃料電池システムにおいて行われる制御のフローチャートについて説明するが、例えば図４に示すステップ２００、ステップ２０２、ステップ２０４、ステップ２０６及びステップ２０８は、図２に示したステップ１００、ステップ１０２、ステップ１０４、ステップ１０６及びステップ１０８と同様であるので、上記実施形態と同様の説明は適宜省略する。

本実施形態では、ステップ２０５において制御部Ｈは、燃料電池２の実運転情報に基づいて導出された一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１に基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度を燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓにさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度を燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓにさせるための一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１を導出する。次に、ステップ２０７において制御部Ｈは、一次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒循環路１０を上記一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１で循環するように、一次側ポンプＰ１の作動を制御する。

また、上記第２実施形態で説明した二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２の補正の場合と同様に、制御部Ｈが、上記一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１を補正するように構成することもできる。その場合、ステップ２０９において制御部Ｈは、燃料電池流出温度センサＴ３によって測定される実燃料電池流出温度Ｔ３ｒと燃料電池流入温度センサＴ１によって測定される実燃料電池流入温度Ｔ１ｒとの偏差に基づいて、実燃料電池流出温度Ｔ３ｒと実燃料電池流入温度Ｔ１ｒとの偏差が設定温度差となるように（つまり、燃料電池２から設定熱量が奪われるような冷却が行われるように）上記一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１を補正する。そして、ステップ２１１において制御部Ｈは、一次冷却用熱媒が補正後の一次冷却用熱媒目標流量で循環するように、一次側ポンプＰ１の作動を制御する。

＜別実施形態＞
＜１＞
本発明の燃料電池システムは図１に示した構成のものに限定されず、例えば、図５に示すような構成の燃料電池システムでも構わない。図５に示す燃料電池システムでは、一次冷却用熱媒循環路１０に排熱回収用熱交換器７が設けられ、二次冷却用熱媒循環路２０に放熱用熱交換器６が設けられている。この排熱回収用熱交換器７は、例えば、改質装置１の改質触媒（図示せず）を加熱するために用いられた燃焼ガスの高温の排ガスから一次冷却用熱媒へ熱量を授けるように構成されている。そして、放熱用熱交換器６は、二次冷却用熱媒の熱量が大気中に放出されるように二次冷却用熱媒を通流させる熱交換部６ａとその放熱を促進させるように通風させる放熱ファン６ｂとを備えており、二次冷却用熱媒の温度（例えば、冷却用熱交換器４への流入温度）が設定温度以上になると、制御部Ｈが放熱ファン６ｂを作動させるように構成されている。

図５に示すような燃料電池システムは、一次冷却用熱媒が受け取る熱量には燃料電池２を起源とするものに加えて排熱回収用熱交換器７を起源とするものがある点で図１に示すような燃料電池システムとは異なる。一方で、二次冷却用熱媒が一次冷却用熱媒から受け取るべき熱量は上述した導出方法と同じである。具体的には、制御部Ｈは、排熱回収用熱交換器７において一次冷却用熱媒との間で授受された熱量を燃料電池２の発熱量に対して加減算し、その合計の熱量が一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量Ｑ１であるとして上記実施形態と同様に以降の演算を行って、二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２や一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１などを導出することができる。上述した排熱回収用熱交換器７及び放熱用熱交換器６以外で、一次冷却用熱媒及び二次冷却用熱媒と熱交換を行う形態の他の熱交換器が設けられた場合であっても、上述したのと同様の説明が成り立つ。

＜２＞
上記実施形態では、図２を参照して、制御部Ｈが、燃料電池流出温度センサＴ３によって測定される一次冷却用熱媒の実燃料電池流出温度Ｔ３ｒと燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓとの間の偏差に基づいて、一次冷却用熱媒目標流量を導出するように構成されている場合について説明したが、他のパラメータに基づいて一次冷却用熱媒目標流量Ｖ１を導出するように改変することもできる。

例えば、制御部Ｈが、実燃料電池流入温度Ｔ１ｒと燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓとの間の偏差に基づいて、又は、実燃料電池流出温度Ｔ３ｒと実燃料電池流入温度Ｔ１ｒとの間の偏差に基づいて、一次冷却用熱媒の燃料電池２への流入温度を燃料電池流入目標温度Ｔ１ｓにさせ、且つ、一次冷却用熱媒の燃料電池２からの流出温度を燃料電池流出目標温度Ｔ３ｓにさせるための一次冷却用熱媒目標流量を導出し、一次冷却用熱媒がその一次冷却用熱媒目標流量で循環するように一次側ポンプＰ１を作動させるように構成改変することもできる。

＜３＞
上記実施形態では、制御部Ｈが二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２を導出し、二次冷却用熱媒がその二次冷却用熱媒目標流量Ｖ２で循環するように二次側ポンプＰ２の出力を制御するように構成する場合について説明したが、二次冷却用熱媒循環路２０中に設けられた流量計（二次冷却用熱媒流量測定手段の一例）５を用いて二次冷却用熱媒の実際の流量である実二次冷却用熱媒流量を測定し、実二次冷却用熱媒流量が二次冷却用熱媒目標流量となるように二次側ポンプＰ２の出力を再制御するように構成してもよい。また、図示しないが一次側ポンプＰ１の流量を同様の手法で再制御するように構成することもできる。

燃料電池システムのブロック図 第１実施形態のフローチャート 第２実施形態のフローチャート 第３実施形態のフローチャート 燃料電池システムの別のブロック図 従来の燃料電池システムのブロック図

符号の説明

２ 燃料電池
１０ 一次冷却用熱媒循環路
２０ 二次冷却用熱媒循環路
Ｐ１ 一次側ポンプ
Ｐ２ 二次側ポンプ

Claims (7)

1. 燃料電池から発生する排熱を回収した一次冷却用熱媒が二次冷却用熱媒との間で熱交換を行う冷却用熱交換器に供給される形態で、前記一次冷却用熱媒を一次冷却用熱媒循環路において循環させる一次冷却用熱媒循環手段と、
   前記二次冷却用熱媒が前記冷却用熱交換器と熱媒貯留槽とを順に流動する形態で、前記二次冷却用熱媒を二次冷却用熱媒循環路において循環させる二次冷却用熱媒循環手段と、
   前記一次冷却用熱媒循環手段を作動させることによる前記一次冷却用熱媒の流量及び前記二次冷却用熱媒循環手段を作動させることによる前記二次冷却用熱媒の流量を、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度が燃料電池流入目標温度となり、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度が燃料電池流出目標温度となるように制御する制御手段とが設けられている燃料電池システムであって、
   前記二次冷却用熱媒の前記冷却用熱交換器への実熱交換器流入温度を測定する熱交換器流入温度測定手段とが設けられ、
   前記制御手段が、前記燃料電池の発熱量と相関がある実運転情報、前記実熱交換器流入温度、前記燃料電池流入目標温度及び前記燃料電池流出目標温度に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるための二次冷却用熱媒目標流量を導出し、前記二次冷却用熱媒が前記二次冷却用熱媒目標流量で循環するように前記二次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されている燃料電池システム。
2. 前記制御手段が、
   前記実運転情報に基づいて前記一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量を導出し、前記一次冷却用熱媒受熱量に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるために前記二次冷却用熱媒が前記一次冷却用熱媒から受け取るべき二次冷却用熱媒受熱量を導出し、
   前記二次冷却用熱媒受熱量、前記実熱交換器流入温度、前記燃料電池流入目標温度及び前記燃料電池流出目標温度に基づいて前記二次冷却用熱媒の前記冷却用熱交換器からの予測熱交換器流出温度を導出し、
   前記二次冷却用熱媒受熱量、前記実熱交換器流入温度及び前記予測熱交換器流出温度に基づいて前記二次冷却用熱媒目標流量を導出するように構成されている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への実燃料電池流入温度を測定する燃料電池流入温度測定手段が設けられ、
   前記制御手段が、前記実燃料電池流入温度と前記燃料電池流入目標温度との間の偏差に基づいて前記二次冷却用熱媒目標流量を補正するように構成されている請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への実燃料電池流入温度を測定する燃料電池流入温度測定手段と、
   前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの実燃料電池流出温度を測定する燃料電池流出温度測定手段とが設けられ、
   前記制御手段が、前記実燃料電池流出温度と前記燃料電池流出目標温度との間の偏差に基づいて、前記実燃料電池流入温度と前記燃料電池流入目標温度との間の偏差に基づいて、又は、前記実燃料電池流出温度と前記実燃料電池流入温度との間の偏差に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるための一次冷却用熱媒目標流量を導出し、前記一次冷却用熱媒が前記一次冷却用熱媒目標流量で循環するように前記一次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への実燃料電池流入温度を測定する燃料電池流入温度測定手段と、
   前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの実燃料電池流出温度を測定する燃料電池流出温度測定手段とが設けられ、
   前記制御手段が、前記実運転情報に基づいて前記一次冷却用熱媒が受け取る一次冷却用熱媒受熱量を導出し、前記一次冷却用熱媒受熱量に基づいて、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池への流入温度を前記燃料電池流入目標温度にさせ、且つ、前記一次冷却用熱媒の前記燃料電池からの流出温度を前記燃料電池流出目標温度にさせるための一次冷却用熱媒目標流量を導出し、前記一次冷却用熱媒が前記一次冷却用熱媒目標流量で循環するように前記一次冷却用熱媒循環手段を作動させ、
   前記実燃料電池流出温度と前記実燃料電池流入温度との偏差に基づいて前記一次冷却用熱媒目標流量を補正するように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記二次冷却用熱媒の前記二次冷却用熱媒循環路中における実二次冷却用熱媒流量を測定する二次冷却用熱媒流量測定手段が設けられ、
   前記制御手段が、前記実二次冷却用熱媒流量が前記二次冷却用熱媒目標流量となるように前記二次冷却用熱媒循環手段を作動させるように構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記一次冷却用熱媒循環路中に熱交換器が設けられ、
   前記制御手段が、前記熱交換器において前記一次冷却用熱媒との間で授受された熱量を前記一次冷却用熱媒受熱量に対して加減算するように構成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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