JP4975535B2 - 燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システム制御プログラム、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの温度制御装置、特に燃料電池の運転に適した温度となるように温度調整用流体の温度を制御する温度制御装置に関するものである。

近年、化石燃料の枯渇といった環境・エネルギー問題が深刻化してくるにつれ、クリーンな化石代替燃料として燃料電池が注目されている。

燃料電池とは、燃料ガスと酸化剤ガスとから電気化学反応により起電力を得るものである。燃料電池には、運転に適した所定温度があり、燃料電池の温度をこの所定の温度に保つことで、効率のよい発電を行うことができる。しかしながら、燃料電池は、発電時に発電量に応じて発熱するので、運転時の温度が、必ずしも上記所定の温度となるとは限らない。

そこで、特許文献１では、目標冷却液流量または燃料電池の発熱量の少なくとも何れか一方に基づいて、燃料電池の入口温度を所定の範囲内に抑えられるように冷却能力を調整することによって、燃料電池の発熱量が変化した場合に、燃料電池の温度の一時的な変化を防止する技術が記載されている。

また、特許文献２では、冷却水の流路がラジエター側に切り替えられたときのラジエターの圧力損失による影響をなくすために、冷却水の流量を変化させることで燃料電池を効率的に冷却する技術が記載されている。
特開２００５−１５００１９号公報（公開日：２００５年６月９日） 特開２００４−１７８８２６号公報（公開日：２００４年６月２４日）

しかしながら、上記従来の構成では、以下のような問題を生じる。すなわち、上記特許文献１では、燃料電池の入口温度を所定の範囲内に抑えられるように冷却能力を調整している。しかし、実際に冷却水の温度を調整している箇所と燃料電池の入口の温度を測定している箇所とが異なるため、冷却水の入口での温度が所望の温度となるまでにある程度の時間がかかってしまう。

また、特許文献２では、燃料電池を効率的に冷却するためにラジエターを通る冷却水と通らない冷却水との流量を調整している。しかし、冷却水の流量を調整している箇所と燃料電池が設置されている箇所とは異なるため、流量が調整されてから燃料電池の温度に反映されるまでに時間を要する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の温度をすばやく所望の温度にする燃料電池システム等を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出手段と、燃料電池の温度を調整するための温度調整用流体が燃料電池に流入する流入口での温度である入口温度であって、上記温度調整用流体が上記燃料電池から流出する流出口での温度である出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度を、上記発熱量算出手段が算出した発熱量から算出する入口温度算出手段と、該入口温度算出手段が算出した入口温度を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された以前の入口温度に対する、上記入口温度算出手段が算出した今回の入口温度の変動量に基づいて、上記温度調整用流体の温度を設定する温度設定地点から上記燃料電池の流入口までの流路を上記温度調整用流体が流れるときに、該流路によって変動する上記温度調整用流体の変動温度を算出する変動温度算出手段と、上記入口温度算出手段が算出した入口温度と、上記変動温度算出手段が算出した変動温度とに基づいて、上記温度設定地点で設定する上記温度調整用流体の温度を決定する温度決定手段と、上記温度決定手段が決定した温度に基づいて、上記温度設定地点での温度調整用流体の温度を調整する温度調整手段とを備えることを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、算出した入口温度を記憶する記憶部を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出ステップと、燃料電池の温度を調整するための温度調整用流体が燃料電池に流入する流入口での温度である入口温度であって、上記温度調整用流体が上記燃料電池から流出する流出口での温度である出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度を、上記発熱量算出ステップで算出した発熱量から算出する入口温度算出ステップと、上記記憶部に記憶された以前の入口温度に対する、上記入口温度算出手段が算出した今回の入口温度の変動量に基づいて、上記温度調整用流体の温度を設定する温度設定地点から上記燃料電池の流入口までの流路を上記温度調整用流体が流れるときに、該流路によって変動する上記温度調整用流体の変動温度を算出する変動温度算出ステップと、上記入口温度算出ステップで算出した入口温度と、上記変動温度算出ステップで算出した変動温度とに基づいて、上記温度設定地点で設定する上記温度調整用流体の温度を決定する温度決定ステップと、上記温度決定ステップで決定した温度に基づいて、上記温度設定地点での温度調整用流体の温度を調整する温度調整ステップとを含むことを特徴としている。

上記の構成および方法によれば、燃料電池の流出口での温度調整用流体の温度を所望の温度とするために、燃料電池の入口温度を何度にすればよいかが、燃料電池の発熱量を基に算出される。そして、算出された入口温度の変動量から、温度調整用流体が、温度設定地点から燃料電池の流入口までの流路（算出流路）を流れるときに変動する温度が算出される。

すなわち、出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度が算出され、該入口温度が変化した場合に、上記算出流路で温度調整用流体が変動する温度である変動温度が算出される。そして、算出された入口温度と変動温度とから温度設定地点で設定する温度調整用流体の温度が決定される。

これにより、温度設定地点で設定する温度が変動温度も考慮されて決定されるので、入口温度を、出口温度を所望の温度とするための入口温度により早く到達させることができる。よって、出口温度を所望の温度により早く到達させることができる。

本発明にかかる燃料電池システムでは、上記変動温度算出手段は、上記入口温度の変動量の時間勾配に基づいて上記変動温度を算出するものであることが好ましい。

上記の構成によれば、変動温度が入口温度の変動量の時間勾配に基づいて算出される。そして、変動温度が入口温度の変動量の時間勾配に基づいて算出されることにより、入口温度の変動に対応した変動温度の算出が可能となる。

これにより、変動温度は、入口温度の変動量の時間勾配を考慮した温度となり、的確に変動温度を算出できる。ここで、時間勾配とは、どれだけの時間にどれだけ変化したかを示すものである。

本発明に係る燃料電池システムでは、上記温度決定手段は、上記算出した入口温度に対し、上記温度設定地点から燃料電池の流入口まで温度調整用流体が流れるときに温度調整用流体の温度が上がる場合は、上記算出した変動温度分を減じ、上記温度設定地点から燃料電池の流入口まで温度調整用流体が流れるときに温度調整用流体の温度が下がる場合は、上記算出した変動温度分を加えて、上記温度設定地点で設定する温度調整用流体の温度を決定するものであることが好ましい。

上記の構成によれば、算出流路を温度調整用流体が流れるときに、温度調整用流体の温度が下がる場合は、該下降分を加えて設定温度が決定され、温度調整用流体の温度が上がる場合は、該上昇分を減じて設定温度が決定される。

これにより、算出流路を温度調整用流体が流れるときに変動する温度を考慮した温度設定が可能となり、入口温度を、出口温度を所望の温度とするための入口温度により早くすることができる。

ところで、上記温度設定地点から上記流入口までの上記温度調整用流体の流量が変化すると、上記変動温度が変化することになる。その結果、入口温度を、出口温度を所望の温度とするための入口温度に到達させるまでの時間にばらつきが生じることになる。

そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、上記温度調整用流体の複数の流路が合流して上記温度設定点に到達しており、上記複数の流路に、それぞれ流量調整バルブを備えており、上記温度調整手段は、上記温度設定地点での温度調整用流体の流量が一定となるように上記流量調整バルブを制御するものであることが好ましい。

上記の構成によれば、上記温度設定地点の温度調整用流体の流量が一定となる。これにより、入口温度を、出口温度を所望の温度とするための入口温度に精度よく到達させることができる。さらに、温度調整用流体が燃料電池内を流れるときの圧力も一定となり、燃料電池に対して温度調整用流体による余分な圧力がかかることがなく、温度調整用流体の圧力による燃料電池の破損を防止できる。

なお、上記燃料電池システムは、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記各手段として動作させることにより上記燃料電池システムをコンピュータにて実現させる燃料電池システムの制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出手段と、燃料電池の温度を調整するための温度調整用流体が燃料電池に流入する流入口での温度である入口温度であって、上記温度調整用流体が上記燃料電池から流出する流出口での温度である出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度を、上記発熱量算出手段が算出した発熱量から算出する入口温度算出手段と、該入口温度算出手段が算出した入口温度を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された以前の入口温度に対する、上記入口温度算出手段が算出した今回の入口温度の変動量に基づいて、上記温度調整用流体の温度を設定する温度設定地点から上記燃料電池の流入口までの流路を上記温度調整用流体が流れるときに、該流路によって変動する上記温度調整用流体の変動温度を算出する変動温度算出手段と、上記入口温度算出手段が算出した入口温度と、上記変動温度算出手段が算出した変動温度とに基づいて、上記温度設定地点で設定する上記温度調整用流体の温度を決定する温度決定手段と、上記温度決定手段が決定した温度に基づいて、上記温度設定地点での温度調整用流体の温度を調整する温度調整手段とを備える構成である。

また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、算出した入口温度を記憶する記憶部を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出ステップと、燃料電池の温度を調整するための温度調整用流体が燃料電池に流入する流入口での温度である入口温度であって、上記温度調整用流体が上記燃料電池から流出する流出口での温度である出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度を、上記発熱量算出ステップで算出した発熱量から算出する入口温度算出ステップと、上記記憶部に記憶された以前の入口温度に対する、上記入口温度算出手段が算出した今回の入口温度の変動量に基づいて、上記温度調整用流体の温度を設定する温度設定地点から上記燃料電池の流入口までの流路を上記温度調整用流体が流れるときに、該流路によって変動する上記温度調整用流体の変動温度を算出する変動温度算出ステップと、上記入口温度算出ステップで算出した入口温度と、上記変動温度算出ステップで算出した変動温度とに基づいて、上記温度設定地点で設定する上記温度調整用流体の温度を決定する温度決定ステップと、上記温度決定ステップで決定した温度に基づいて、上記温度設定地点での温度調整用流体の温度を調整する温度調整ステップとを含む方法である。

これにより、温度設定地点で設定する温度が変動温度も考慮されて決定されるので、入口温度を、出口温度を所望の温度とするための入口温度により早く到達させることができる。よって、出口温度を所望の温度により早く到達させることができる。

本発明の一実施の形態について図１から図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図1は、本実施の形態に係る燃料電池システム１のコントローラ１０の構成を示すブロック図である。また、図２は、燃料電池システム１のシステム構成を示す図である。

図２に示すように、燃料電池システム１は、コントローラ１０、出口温度センサ１１、入口温度センサ１２、温度センサ１３、ポンプ１５、加熱ユニット１６、流量調整バルブ１７、流量調整バルブ１８、ラジエター１９、および燃料電池スタック２０により構成されている。

図２に示すように、燃料電池システム１では、温度調整液（温度調整用流体）が燃料電池スタック２０とラジエター１９と加熱ユニット１６とを流通することで燃料電池スタック２０の温度を所望の温度に保つものである。

具体的には、温度調整液の流路は、燃料電池スタック２０を通り、その後、２つに分かれ、一方がラジエター１９を通過し、他方がラジエター１９を通過しない。その後、２つに分かれた流路が合流し、ポンプ１５を介して加熱ユニット１６を通って燃料電池スタック２０を再び通る。以上のように温度調整液が循環する流路により、燃料電池スタック２０を冷却したい場合は、温度調整液をラジエター１９側へ通過させることで冷却し、逆に燃料電池スタック２０を加熱したい場合は、ラジエター１９側へ通過させずに、加熱ユニット１６で加熱する。

ここで、温度調整液は、燃料電池スタック２０の温度を調整する液体である。温度調整液は、燃料電池スタック２０の温度を調整できる液体であれば、何でもよいが、例えば、無機系の液体が挙げられる。なお、燃料電池スタック２０の温度調整を行う媒体は液体に限らず、気体、例えば空気であってもよい。すなわち、燃料電池スタック２０内を通過できる流体であればよい。

出口温度センサ１１は、温度調整液の燃料電池スタック２０の流出口での温度、入口温度センサ１２は、温度調整液の燃料電池スタック２０の流入口での温度、温度センサ１３は、温度調整液の流量調整バルブ１７および流量調整バルブ１８を通った後、ポンプ１５に至る前の地点での温度を、それぞれ測定するものである。温度センサ１３の地点で、温度調整液の温度を調整する。

また、入口温度センサ１２で燃料電池スタック２０の流入口の温度を測定することにより、加熱ユニット１６が必要以上に加熱していないかを監視することができる。

それぞれの温度センサは、各測定地点での温度調整液の温度を測定できるものであれば何でもよいが、例えば、熱電対を用いることが考えられる。

測定した温度は、温度データとして燃料電池スタック２０の温度測定部１０４へ伝えられる。

ポンプ１５は、温度調整液を、燃料電池スタック２０、ラジエター１９、加熱ユニット１６の間を流通させるものである。加熱ユニット１６は、温度調整液の温度を上げるものである。

流量調整バルブ１７および流量調整バルブ１８は、それぞれを通過する温度調整液の流量を調整することにより、温度調整液の温度の下げ幅を調整するものである。具体的には、流量調整バルブ１８は、ラジエター１９を通る経路に設けられ、流量調整バルブ１７は、ラジエター１９を通過しない経路に設けられている。よって、流量調整バルブ１７と流量調整バルブ１８とを調整することによって、ラジエター１９を通る温度調整液の流量とラジエター１９を通らない温度調整液の流量が調整され、温度調整液の温度の下げ幅が調整される。

ラジエター１９は、放熱により温度調整液の温度を下げるものである。また、ファン（図示せず）を備え、ファンの回転を制御することで冷却効率を変化させることができる。

燃料電池スタック２０は、陰極側に水素を含む燃料ガスの供給を受け、陽極側に酸素を含む酸化剤ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得るセルを多層積層したものである。セルが、多層積層されている間を温度調整液が流れることにより、燃料電池スタック２０の温度が調整される。

燃料ガスの例としては、水素、一酸化炭素、アルコール、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）等が挙げられる。また、酸化剤ガスの例としては、酸素、空気等が挙げられる。

コントローラ１０は、温度調整液の温度を制御することにより、燃料電池スタック２０の温度を所定の温度に保つものである。

そして、図１に示すように、コントローラ１０は、温度決定部（温度決定手段）１００、温度調整部（温度調整手段）１０１、加熱ユニット制御部１０２、発熱量算出部（発熱量算出手段）１０３、温度測定部１０４、バルブ開閉部１０５、ラジエター制御部１０６、入口温度算出部（入口温度算出手段）１０７、記憶部１０８、および変動温度算出部（変動温度算出手段）１０９により構成されている。

温度決定部１００は、発熱量算出部１０３および温度測定部１０４から受信したデータに基づき温度調整液の温度を決定し、加熱ユニット制御部１０２およびバルブ開閉部１０５を介して温度調整液の温度を調整する。温度決定の詳細については後述する。

温度調整部１０１は、温度調整液を、温度決定部１００が決定した温度にするために、加熱ユニット１６、流量調整バルブ１７、流量調整バルブ１８およびラジエター１９の調整を行う指示データを加熱ユニット制御部１０２、バルブ開閉部１０５、およびラジエター制御部１０６へ送信する。

加熱ユニット制御部１０２は、温度調整部１０１から受信した指示データに基づき加熱ユニット１６の動作を制御する。

発熱量算出部１０３は、燃料電池スタック２０の発熱量を算出する。発熱量の具体的な算出方法は後述する。

温度測定部１０４は、出口温度センサ１１、入口温度センサ１２、温度センサ１３が測定した温度調整液のそれぞれの地点での温度データを受信し、温度決定部１００へ送信する。

バルブ開閉部１０５は、温度調整部１０１から受信した指示データに基づき、流量調整バルブ１７および流量調整バルブ１８の開閉を調整する。

ラジエター制御部１０６は、温度調整部１０１から受信した指示データに基づきラジエター１９の冷却効率を調整する。

入口温度算出部１０７は、発熱量算出部１０３が算出した発熱量から燃料電池の温度調整液の流出口での温度を所望の温度とするための燃料電池の温度調整液の流入口での温度を算出する。そして、算出した温度データを記憶部１０８へ記憶させる。燃料電池の温度調整液の流入口での温度の具体的な算出方法については後述する。

記憶部１０８は、入口温度算出部１０７が算出した温度データを記憶する。記憶部１０８の具体例としては、不揮発性メモリであるフラッシュメモリが挙げられる。

変動温度算出部１０９は、記憶部１０８に記憶されている入口温度算出部１０７が前回算出した温度から、今回、入口温度算出部１０７が算出した温度の変動量を求め、温度調整液が温度センサ１３の地点から入口温度センサ１２の地点までを流れるときに変動する温度を算出する。変動する温度の具体的な算出方法については後述する。

次に、図３を用いて、温度調整液の温度の決定方法について説明する。図３は、温度調整液の温度を決定し、調整する処理の流れを示すフローチャートである。

本実施の形態では、燃料電池スタック２０を所望の温度とするために出口温度センサ１１での温度調整液の温度を所望の温度とする。そして、出口温度センサ１１の温度を所望の温度にするための入口温度センサ１２での温度を燃料電池スタック２０の発熱量から算出する。次に、入口温度センサ１２の温度を算出した温度とするための温度センサ１３での温度を、入口温度センサ１２と温度センサ１３との間の流路の熱量を考慮して算出する。そして、温度センサ１３の地点で温度調整液の温度を調整するものである。

これにより、温度センサ１３と入口温度センサ１２との間の流路を温度調整液が流れるときに変動する温度を考慮した温度設定が可能となる。その結果、入口温度センサ１２の地点での温度調整液の温度をより早く算出された温度とすることができ、出口温度センサ１１での温度をより早く所望の温度とすることができる。

図３に示すように、まず、発熱量算出部１０３は、燃料電池スタック２０の発熱量を算出する（Ｓ３０１）。燃料電池の発熱量は次の計算式によって求める。

燃料電池の枚数（スタックの数）：Ｎ
燃料電池の面積 ：Ａ［ｃｍ^２］
電圧 ：Ｅ［Ｖ］
電流密度 ：ｉ［Ａ／ｃｍ^２］
理論起電力 ：Ｅ_０［Ｖ］
ファラデー定数 ：Ｆ＝９６４８５［Ｃ／ｍｏｌ］
反応に寄与する電子数 ：ｎ＝２
ギブスの自由エネルギーの変化量：ΔＧ^０≒２８６［ｋＪ／ｍｏｌ］
とすると、理論起電力は、Ｅ_０＝ΔＧ^０／ｎＦとなる。

そして、発熱量ＱはＱ＝（Ｅ_０−Ｅ）×ｉ×Ａ×Ｎ［Ｗ］となる。

次に、入口温度算出部１０７は、発熱量算出部１０３が算出した燃料電池スタック２０の発熱量を基に、温度調整液の燃料電池スタック２０の流入口でのターゲット温度Ｔ_２ｔを算出する（Ｓ３０２）。これは、最終的に燃料電池スタック２０の流出口での温度調整液の温度を所定の温度で一定にするための温度である。ターゲット温度Ｔ_２ｔの具体的な算出方法は以下のとおりである。

まず、温度調整液に水を用いたとし、
水の熱容量 ：Ｃ［ｋＪ／（ｇ・Ｋ）］
水の流量 ：Ｌ［ｌ／ｍｉｎ］
水の比重 ：ｇ［ｇ／ｌ］
燃料電池の流入口と流出口との温度差：ΔＴ［℃］
とする。上記Ｓ３０１で算出した発熱量Ｑがすべて温度調整液に放出されたとすると、
Ｑ×６０＝ΔＴ×Ｃ×ｇ×Ｌとなる。よって、
ΔＴ＝Ｑ×６０／（Ｃ×ｇ×Ｌ）となる。実際には補正係数αを用いて、
ΔＴ＝α×Ｑ×６０／（Ｃ×ｇ×Ｌ）である。

そして、ターゲット温度Ｔ_２ｔを（出口温度―ΔＴ）で算出する。

次に、変動温度算出部１０９は、入口温度算出部１０７が算出したターゲット温度Ｔ_２ｔと入口温度算出部１０７が前回算出し、記憶部１０８に記憶されているターゲット温度との差を用いて単位時間当たりの温度変化ｄＴ／ｄｔを算出する（Ｓ３０３）。

次に、変動温度算出部１０９は、算出したｄＴ／ｄｔを用いて、ポンプ１５の入口から燃料電池スタック２０の流入口までの温度調整液が通る配管の冷却に必要な熱量Ｑ_ｐを算出する（Ｓ３０４）。

Ｑ_ｐは、ポンプ１５、配管の重量をｍ、ポンプ１５、配管の比熱をｃとすると、Ｑ_ｐ＝ｍｃｄＴ／ｄｔで算出される。

次に、変動温度算出部１０９は、算出したＱ_ｐを用いて、現在の温度調整液の流量から、ポンプ１５の入口から燃料電池スタック２０の流入口までの配管を流れるとき変動する温度、すなわち、ポンプ１５の入口で過加熱または過冷却するべき温度Ｔ_０を算出する（Ｓ３０５）。

これは、温度調整液の流量をＭ、温度調整液の比熱をＣとするとＴ_０＝Ｑ_ｐ／（Ｍ・Ｃ）で算出される。

そして、算出されたＴ_２ｔ、Ｔ_０を基に、温度決定部１００は、温度センサ１３で測定されている温度とＴ_２ｔ＋Ｔ_０とを比較し、冷却するのか加熱するのかを判断する（Ｓ３０６）。そして、ポンプ１５の入口の温度である温度センサ１３の値がＴ_２ｔ＋Ｔ_０になるように加熱ユニット１６、流量調整バルブ１７、流量調整バルブ１８を調整する。

具体的には、燃料電池スタック２０を所望の温度にするために、温度調整液を冷却する場合は、開度合計が一定となる条件で、流量調整バルブ１７、流量調整バルブ１８の開度を変更し、加熱ユニット１６の出力を下げ、ラジエター１９の冷却効率を上げることにより温度調整液の温度を変更する（Ｓ３０７）。ここで、開度合計が一定とは、流量調整バルブ１７と流量調整バルブ１８とから流れ出る温度調整液の流量の合計が一定となることをいう。

一方、燃料電池スタック２０を所望の温度にするために、温度調整液を加熱する場合は、開度合計が一定となる条件で、流量調整バルブ１７、流量調整バルブ１８の開度を変更し、加熱ユニット１６の出力を上げ、ラジエター１９の冷却効率を下げることにより温度調整液の温度を変更する（Ｓ３０８）。

その後、出口温度センサ１１および入口温度センサ１２で検出された温度と設定値との偏差が小さくなるように加熱ユニット１６、流量調整バルブ１７、流量調整バルブ１８、ラジエター１９の冷却能力をＰＩＤ（proportional integral differential）制御する（Ｓ３０９）。その後は、Ｓ３０１に戻る。

これにより、温度調整液の温度を調整するときに、温度調整液の温度を調整する箇所と燃料電池スタック２０の流入口との間の配管およびポンプ１５の熱容量を考慮した温度設定が可能となる。よって、燃料電池スタック２０の流入口の温度をより早く所望の温度とすることができる。その結果、燃料電池スタック２０の流出口の温度、すなわち、燃料電池スタック２０の温度をより早く所望の温度にすることが可能となる。

また、本実施の形態を用いた場合と、従来技術を用いた場合との燃料電池スタック２０の温度変化を示すグラフを図４に示す。図４（ａ）は、本実施の形態を用いた場合の温度調整液の入口温度、出口温度および流れる電流値を示す図である。図４（ｂ）は、従来技術を用いた場合の、温度調整液の入口温度、出口温度および流れる電流値を示す図である。それぞれ、図の実線が入口温度、破線が出口温度、一点鎖線が電流値を示す。縦軸が温度もしくは電流値を示し、横軸は時間である。そして、燃料電池スタック２０の流出口側の温度調整液の温度が燃料電池スタック２０の温度を示している。本実施の形態と従来技術との出口温度を比較すると、本実施の形態では、従来技術と比較して入口温度の温度降下が早く、出口温度のオーバーシュートが小さく、所望の値で安定するまでの時間が短くなっていることが分かる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

最後に、コントローラ１０の各ブロック、特に温度決定部１００、温度調整部１０１、加熱ユニット制御部１０２、発熱量算出部１０３、温度測定部１０４およびバルブ開閉部１０５は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。

すなわち、コントローラ１０は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアであるコントローラ１０の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記コントローラ１０に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ（microprocessor unit））が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。

上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ（compact disc read-only memory）／ＭＯ（magneto-optical）／ＭＤ（Mini Disc）／ＤＶＤ（digital video disk）／ＣＤ−Ｒ（CD Recordable）等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ（erasable programmable read-only memory）／ＥＥＰＲＯＭ（electrically erasable and programmable read-only memory）／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。

また、コントローラ１０を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ（local area network）、ＩＳＤＮ（integrated services digital network）、ＶＡＮ（value-added network）、ＣＡＴＶ（community antenna television）通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ（institute of electrical and electronic engineers）１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ（asynchronous digital subscriber loop）回線等の有線でも、ＩｒＤＡ（infrared data association）やリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ（high data rate）、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。

燃料電池の温度を従来よりも速く所望の温度にすることができるので、燃料電池を用いる様々な装置、例えば、燃料電池自動車に適用できる。

本実施の形態に係る燃料電池システムのコントローラの構成を示すブロック図である。 上記燃料電池システムのシステム構成を示す図である。 温度調整液の温度を決定し、調整する処理の流れを示すフローチャートである。 本実施の形態および従来技術を用いた場合の、温度調整液の温度および電流値を示す図であり、（ａ）は、本実施の形態を用いた場合の温度調整液の入口温度、出口温度および流れる電流値を示す図、（ｂ）は、従来技術を用いた場合の、温度調整液の入口温度、出口温度および流れる電流値を示す図である。

符号の説明

１０ コントローラ
１１ 出口温度センサ
１２ 入口温度センサ
１３ 温度センサ
１５ ポンプ
１６ 加熱ユニット
１７ 流量調整バルブ
１８ 流量調整バルブ
１９ ラジエター
２０ 燃料電池スタック
１００ 温度決定部（温度決定手段）
１０１ 温度調整部（温度調整手段）
１０２ 加熱ユニット制御部
１０３ 発熱量算出部（発熱量算出手段）
１０４ 温度測定部
１０５ バルブ開閉部
１０６ ラジエター制御部
１０７ 入口温度算出部（入口温度算出手段）
１０８ 記憶部
１０９ 変動温度算出部（変動温度算出手段）

Claims (7)

1. 燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出手段と、
   燃料電池の温度を調整するための温度調整用流体が燃料電池に流入する流入口での温度である入口温度であって、上記温度調整用流体が上記燃料電池から流出する流出口での温度である出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度を、上記発熱量算出手段が算出した発熱量から算出する入口温度算出手段と、
   該入口温度算出手段が算出した入口温度を記憶する記憶部と、
   該記憶部に記憶された以前の入口温度に対する、上記入口温度算出手段が算出した今回の入口温度の変動量に基づいて、上記温度調整用流体の温度を設定する温度設定地点から上記燃料電池の流入口までの流路を上記温度調整用流体が流れるときに、該流路によって変動する上記温度調整用流体の変動温度を算出する変動温度算出手段と、
   上記入口温度算出手段が算出した入口温度と、上記変動温度算出手段が算出した変動温度とに基づいて、上記温度設定地点で設定する上記温度調整用流体の温度を決定する温度決定手段と、
   上記温度決定手段が決定した温度に基づいて、上記温度設定地点での温度調整用流体の温度を調整する温度調整手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 上記変動温度算出手段は、上記入口温度の変動量の時間勾配に基づいて上記変動温度を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 上記温度決定手段は、上記算出した入口温度に対し、
   上記温度設定地点から燃料電池の流入口まで温度調整用流体が流れるときに温度調整用流体の温度が上がる場合は、上記算出した変動温度分を減じ、
   上記温度設定地点から燃料電池の流入口まで温度調整用流体が流れるときに温度調整用流体の温度が下がる場合は、上記算出した変動温度分を加えて、上記温度設定地点で設定する温度調整用流体の温度を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 上記温度調整用流体の複数の流路が合流して上記温度設定点に到達しており、
   上記複数の流路に、それぞれ流量調整バルブを備えており、
   上記温度調整手段は、上記温度設定地点での温度調整用流体の流量が一定となるように上記流量調整バルブを制御することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムを動作させる燃料電池システム制御プログラムであって、コンピュータを上記の各手段として機能させるための燃料電池システム制御プログラム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システム制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
7. 算出した入口温度を記憶する記憶部を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出ステップと、
   燃料電池の温度を調整するための温度調整用流体が燃料電池に流入する流入口での温度である入口温度であって、上記温度調整用流体が上記燃料電池から流出する流出口での温度である出口温度を所望の温度とするために必要な入口温度を、上記発熱量算出ステップで算出した発熱量から算出する入口温度算出ステップと、
   上記記憶部に記憶された以前の入口温度に対する、上記入口温度算出手段が算出した今回の入口温度の変動量に基づいて、上記温度調整用流体の温度を設定する温度設定地点から上記燃料電池の流入口までの流路を上記温度調整用流体が流れるときに、該流路によって変動する上記温度調整用流体の変動温度を算出する変動温度算出ステップと、
   上記入口温度算出ステップで算出した入口温度と、上記変動温度算出ステップで算出した変動温度とに基づいて、上記温度設定地点で設定する上記温度調整用流体の温度を決定する温度決定ステップと、
   上記温度決定ステップで決定した温度に基づいて、上記温度設定地点での温度調整用流体の温度を調整する温度調整ステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

Images