JP5636905B2

JP5636905B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5636905B2
Application number: JP2010259637A
Authority: JP
Inventors: 祥宇佐美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-11-22
Also published as: JP2012113848A

Description

この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.

従来、燃料電池システムにおいて、氷点（０℃）下の起動時に冷媒の循環を停止して、燃料電池を起動するものが知られている（特許文献１参照）。この構成では、氷点下における燃料電池の起動時に、冷媒が燃料電池の内部に送られて、燃料電池の内部温度の上昇が抑えられてしまうことを防止することができる。また、この構成では、燃料電池の内部温度が氷点を超えると、内部温度の上昇に応じた冷媒の循環を開始する。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a fuel cell system, a fuel cell is started by stopping the circulation of refrigerant when starting below freezing point (0 ° C.) (see Patent Document 1). In this configuration, it is possible to prevent the refrigerant from being sent to the inside of the fuel cell at the start of the fuel cell below freezing point and the increase in the internal temperature of the fuel cell being suppressed. Further, in this configuration, when the internal temperature of the fuel cell exceeds the freezing point, circulation of the refrigerant according to the increase in the internal temperature is started.

特開２００３−３６８７４号公報JP 2003-36874 A 特開２００５−１２９４４８号公報JP 2005-129448 A

しかしながら、前記従来の技術では、冷媒の循環の開始により燃料電池の内部に送られた低音（氷点下）の冷媒によって、燃料電池の内部の温度が一時的に低下するため、起動前に燃料電池内に残っていた水(以下、「残水」とも呼ぶ)が燃料電池の内部温度の上昇で一旦溶融したにも関わらず、再凍結することがあった。残水が再凍結すると、燃料電池内の触媒層の劣化を招く可能性があった。特に、燃料電池内における水（以下「生成水」とも呼ぶ）)の生成は、主にカソードで生成されるので、カソードの触媒層の劣化の可能性が高い。 However, in the conventional technology, the low temperature (below freezing point) refrigerant sent to the inside of the fuel cell due to the start of the circulation of the refrigerant temporarily lowers the temperature inside the fuel cell. In some cases, the remaining water (hereinafter also referred to as “residual water”) re-freezes even though it once melted due to the increase in the internal temperature of the fuel cell. When the residual water is re-frozen, there is a possibility that the catalyst layer in the fuel cell is deteriorated. In particular, the generation of water (hereinafter also referred to as “product water”) in the fuel cell is mainly generated at the cathode, so that there is a high possibility of deterioration of the catalyst layer of the cathode.

そこで、本発明は、燃料電池の起動後に、燃料電池内に残っていた残水の再凍結を抑制し、再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to suppress refreezing of residual water remaining in the fuel cell after the fuel cell is started, and to suppress deterioration of the catalyst layer due to refreezing.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［形態１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
ポンプが設けられ、前記燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面上に、前記カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて、前記アノードの温度と前記アノードの温度よりも高い前記カソードの温度との平均温度である前記燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、
前記内部温度が水の凝固点以下となる低温時において前記燃料電池の発電を開始した後、前記ポンプを起動する場合において、前記燃料電池内の水が凍結しないように、前記温度推定部による推定温度に基づいて前記ポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動によって前記冷媒流通部から前記燃料電池内に前記冷媒が流入することにより、前記ポンプの起動直前の前記温度推定部による起動前推定温度が前記ポンプの起動直後の前記温度推定部による起動後推定温度まで低下したとしても、前記起動後推定温度が前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、前記起動前推定温度が上昇した場合に、前記ポンプを起動させることにより、前記アノードの温度が前記水の凝固点以下となることを許容しつつ、前記カソードの温度が前記水の凝固点以下とならないように制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
形態１に記載の燃料電池システムでは、温度推定部による燃料電池内の推定温度が、水の凝固点以下とならないように、推定温度に基づいてポンプの起動および停止を制御している。特に、起動後推定温度が水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、起動前推定温度が上昇した場合に、ポンプを起動させることにより、アノードの温度が水の凝固点以下となることを許容しつつ、カソードの温度が水の凝固点以下とならないように制御している。このため、燃料電池の起動前に、燃料電池内のカソードに残っていた残水の再凍結を抑制することができ、残水の再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することが可能となる。
［形態２］
形態１記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動中の前記温度推定部による起動中推定温度が、前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された停止温度まで低下した場合に、前記ポンプを停止させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
形態２記載の燃料電池システムによれば、推定温度が水の凝固点以下とならないように、ポンプの起動と停止を容易に制御することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[Form 1]
A fuel cell system comprising a fuel cell,
A refrigerant provided with a pump, and a refrigerant flow part for allowing the refrigerant to pass through a refrigerant flow path provided in the fuel cell;
A control unit for controlling the operation of the fuel cell system,
The fuel cell includes an electrolyte membrane, a cathode provided on one surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other surface of the electrolyte membrane so as to have a heat capacity smaller than the heat capacity of the cathode. And a fuel cell having
The controller is
A temperature estimation unit that estimates an internal temperature of the fuel cell, which is an average temperature of the temperature of the anode and the temperature of the cathode higher than the temperature of the anode , based on at least the output voltage and output current of the fuel cell;
Estimated temperature by the temperature estimation unit so that the water in the fuel cell does not freeze when starting the pump after starting the power generation of the fuel cell at a low temperature when the internal temperature is below the freezing point of water. A pump control unit for controlling the start and stop of the pump based on
The pump controller
When the pump starts, the refrigerant flows into the fuel cell from the refrigerant circulation unit, so that the estimated temperature before starting by the temperature estimating unit immediately before starting the pump is determined by the temperature estimating unit immediately after starting the pump. The pump is started when the estimated temperature before startup rises to a startup temperature that is defined in advance as a temperature at which the estimated temperature after startup does not fall below the freezing point of the water even if the estimated temperature decreases after startup. Thus, the fuel cell system is controlled such that the temperature of the anode is not lower than the freezing point of the water while allowing the temperature of the anode to be lower than the freezing point of the water .
In the fuel cell system according to the first aspect, the start and stop of the pump are controlled based on the estimated temperature so that the estimated temperature in the fuel cell by the temperature estimating unit does not become below the freezing point of water. In particular, when the estimated temperature before start-up rises to a pre-starting temperature that is pre-defined as a temperature at which the estimated temperature after startup does not fall below the freezing point of water, the anode temperature is below the freezing point of water by starting the pump. The cathode temperature is controlled so as not to be below the freezing point of water. For this reason, before starting the fuel cell, it is possible to suppress refreezing of the remaining water remaining on the cathode in the fuel cell, and to suppress deterioration of the catalyst layer due to refreezing of the remaining water. Become.
[Form 2]
A fuel cell system according to Aspect 1,
The pump controller
The pump is stopped when the estimated temperature during startup by the temperature estimation unit during startup of the pump drops to a stop temperature defined in advance as a temperature that does not fall below the freezing point of the water. Fuel cell system.
According to the fuel cell system of aspect 2, it is possible to easily control the start and stop of the pump so that the estimated temperature does not fall below the freezing point of water.

［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
ポンプが設けられ、前記燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面上に、前記カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて前記燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、
前記内部温度が水の凝固点以下となる低温時において前記燃料電池の発電を開始した後、前記ポンプを起動する場合において、前記温度推定部による推定温度が水の凝固点以下とならないように、前記推定温度に基づいて前記ポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例１に記載の燃料電池システムでは、温度推定部による燃料電池内の推定温度が、水の凝固点以下とならないように、推定温度に基づいてポンプの起動および停止を制御している。このため、燃料電池の起動前に、燃料電池内に残っていた残水の再凍結を抑制することができ、残水の再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することが可能となる。 [Application Example 1]
A fuel cell system comprising a fuel cell,
A refrigerant provided with a pump, and a refrigerant flow part for allowing the refrigerant to pass through a refrigerant flow path provided in the fuel cell;
A control unit for controlling the operation of the fuel cell system,
The fuel cell includes an electrolyte membrane, a cathode provided on one surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other surface of the electrolyte membrane so as to have a heat capacity smaller than the heat capacity of the cathode. And a fuel cell having
The controller is
A temperature estimation unit that estimates an internal temperature of the fuel cell based on at least an output voltage and an output current of the fuel cell;
When the pump is started after starting the power generation of the fuel cell at a low temperature when the internal temperature is lower than the freezing point of water, the estimation is performed so that the estimated temperature by the temperature estimation unit does not become lower than the freezing point of water. And a pump control unit that controls start and stop of the pump based on temperature.
In the fuel cell system described in Application Example 1, the start and stop of the pump are controlled based on the estimated temperature so that the estimated temperature in the fuel cell by the temperature estimation unit does not become below the freezing point of water. For this reason, before starting the fuel cell, it is possible to suppress refreezing of the remaining water remaining in the fuel cell, and it is possible to suppress deterioration of the catalyst layer due to refreezing of the remaining water.

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動によって前記冷媒流通部から前記燃料電池内に前記冷媒が流入することにより、前記ポンプの起動直前の前記温度推定部による起動前推定温度が前記ポンプの起動直後の前記温度推定部による起動後推定温度まで低下したとしても、前記起動後推定温度が前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、前記起動前推定温度が上昇した場合に、前記ポンプを起動させ、
前記ポンプの起動中の前記温度推定部による起動中推定温度が、前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された停止温度まで低下した場合に、前記ポンプを停止させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例２記載の燃料電池システムによれば、推定温度が水の凝固点以下とならないように、ポンプの起動と停止を容易に制御することが可能である。 [Application Example 2]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The pump controller
When the pump starts, the refrigerant flows into the fuel cell from the refrigerant circulation unit, so that the estimated temperature before starting by the temperature estimating unit immediately before starting the pump is determined by the temperature estimating unit immediately after starting the pump. The pump is started when the estimated temperature before startup rises to a startup temperature that is defined in advance as a temperature at which the estimated temperature after startup does not fall below the freezing point of the water even if the estimated temperature decreases after startup. Let
The pump is stopped when the estimated temperature during startup by the temperature estimation unit during startup of the pump drops to a stop temperature defined in advance as a temperature that does not fall below the freezing point of the water. Fuel cell system.
According to the fuel cell system described in Application Example 2, it is possible to easily control the start and stop of the pump so that the estimated temperature does not fall below the freezing point of water.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法などの種々の形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms, for example, in various forms such as a fuel cell system and a control method of the fuel cell system.

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the fuel cell system 10 as one Example of this invention. 燃料電池の内部構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the internal structure of a fuel cell. 起動時冷却制御ルーチンについて示すフローチャートである。It is a flowchart shown about a starting cooling control routine. 起動時冷却制御により変化する燃料電池の内部温度について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the internal temperature of the fuel cell which changes with cooling control at the time of starting. 第１の温度センサーの検出値に応じて規定される判定基準値について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the determination reference value prescribed | regulated according to the detected value of a 1st temperature sensor.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．冷却制御：
Ｃ．変形例： Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the device:
B. Cooling control:
C. Variations:

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載された例を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、空気供給部３０と、水素供給部４０と、冷却部５０と、電力制御部６０と、制御部７０と、を備えている。 A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell system 10 as an embodiment of the present invention. This fuel cell system 10 shows an example in which the fuel cell system 10 is mounted on an electric vehicle using electric power obtained by the fuel cell as driving electric power. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 20, an air supply unit 30, a hydrogen supply unit 40, a cooling unit 50, a power control unit 60, and a control unit 70.

燃料電池２０は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。発生した電力は、出力端子２１，２２から出力される。この出力端子２１，２２には、燃料電池２０の出力電圧を検出する電圧センサー６６が並列に設けられ、燃料電池２０の出力電流を検出する電流センサー６７が直列に設けられている。 The fuel cell 20 uses an electrochemical reaction between a fuel gas (hydrogen) as an anode gas supplied to an anode and an oxidizing gas (air, strictly speaking, oxygen contained in air) as a cathode gas supplied to a cathode. Generate power. The generated power is output from the output terminals 21 and 22. The output terminals 21 and 22 are provided in parallel with a voltage sensor 66 that detects the output voltage of the fuel cell 20, and a current sensor 67 that detects the output current of the fuel cell 20 is provided in series.

図２は、燃料電池２０の内部構成を示す説明図である。燃料電池２０は、燃料電池セル２５が複数積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セル２５は、基本的に、膜電極接合体（（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）２５をカソード側のセパレータ２９Ｃおよびアノード側のセパレータ２９Ａで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」とも呼ぶ）と、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」とも呼ぶ）とで構成される。ＭＥＡ２５とセパレータ２９Ｃ，２９Ａとの間には、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）２７Ｃ，２７Ａおよびガス流路層２８Ｃ，２８Ａが設けられている。カソード側のガス流路層２８Ｃは、酸化ガス（「カソードガス」とも呼ぶ）としての酸素（Ｏ_２）を含む空気を流すための多孔体で構成される。同様に、アノード側のガス流路層２８Ａは、燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）としての水素（Ｈ_２）を流すための多孔体で構成される。ただし。ガス流路層に代えて、セパレータのガス拡散層側の面に溝状のガス流路が形成される構造の場合もある。なお、カソードのセパレータ２９Ｃの他の燃料電池セルのアノードのセパレータ２９Ａに接する面には溝状の冷媒流路２９Ｌが形成されている。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the internal configuration of the fuel cell 20. The fuel cell 20 has a stack structure in which a plurality of fuel cells 25 are stacked. Each fuel cell 25 basically has a configuration in which a membrane electrode assembly ((MEA) 25) is sandwiched between a cathode-side separator 29C and an anode-side separator 29A. An electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, a catalyst electrode formed on the anode side surface of the electrolyte membrane (also referred to as “anode side catalyst electrode”), and a catalyst electrode formed on the cathode side surface of the electrolyte membrane ( Gas diffusion layers (GDL) 27C and 27A and gas flow path layers 28C and 28A are provided between the MEA 25 and the separators 29C and 29A, respectively. . the cathode side of the gas flow path layer 28C is constituted by a porous body for flowing air containing oxidizing gas (also called "cathode gas") oxygen as (O _2). same , The gas flow path layer 28A of the anode side consists of porous material for flowing hydrogen (H ₂₎ as fuel gas (also referred to as "anode gas"). However. In place of the gas flow path layer, In some cases, a groove-like gas flow path is formed on the surface of the separator on the gas diffusion layer side, and a groove-like surface is formed on the surface of the cathode separator 29C in contact with the anode separator 29A of another fuel cell. A refrigerant flow path 29L is formed.

ここで、図２に示すように、アノード側のガス拡散層２７Ａはカソード側のガス拡散層２７Ｃに比べて積層方向の厚さが薄くなっており、同じ部材を用いていることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。また、アノード側のセパレータ２９Ａもカソード側のセパレータ２９Ｃに比べて厚さが薄くなっており、同様に同じ部材であることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。さらにまた、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて積層方向の厚さが薄くなっており、同じ部材を用いていることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。また、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて多孔体の気孔率が大きくなっているので、これによっても、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて熱容量が小さくなっている。以上のことから、燃料電池セル２５のアノード側の熱容量Ｃａｎはカソード側の熱容量Ｃｃａに比べて小さくなっている。なお、このアノード側の熱容量とカソード側の熱容量との違いについては、さらに後述する。 Here, as shown in FIG. 2, the anode-side gas diffusion layer 27A is thinner in the stacking direction than the cathode-side gas diffusion layer 27C, and it is assumed that the same member is used. For example, the heat capacity is small. Also, the anode-side separator 29A is thinner than the cathode-side separator 29C, and the heat capacity is reduced if it is assumed that the anode-like separator is the same member. Furthermore, the anode-side gas flow path layer 28A has a smaller thickness in the stacking direction than the cathode-side gas flow path layer 28C, and if the same member is used, the heat capacity is small. It has become. Further, the anode-side gas flow path layer 28A has a larger porosity than the cathode-side gas flow path layer 28C, and therefore, the anode-side gas flow path layer 28A also becomes the cathode-side gas flow path layer 28A. The heat capacity is smaller than that of the gas flow path layer 28C. From the above, the heat capacity Can on the anode side of the fuel battery cell 25 is smaller than the heat capacity Cca on the cathode side. The difference between the heat capacity on the anode side and the heat capacity on the cathode side will be described later.

燃料電池２０は、上記スタック構造の複数の燃料電池セル２５をターミナルを挟んでエンドプレートによって挟持される構造を有する（不図示）。また、燃料電池２０は、テンションプレートがボルトによって各エンドプレートに結合されることによって、各燃料電池セル２５を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている（不図示）。 The fuel cell 20 has a structure in which a plurality of fuel cells 25 having the above-described stack structure are sandwiched by end plates with a terminal interposed therebetween (not shown). Further, the fuel cell 20 has a structure in which each fuel cell 25 is fastened with a predetermined force in the stacking direction by connecting a tension plate to each end plate with a bolt (not shown).

空気供給部３０は、配管３２を介して燃料電池２０の各燃料電池セル２５のカソードに、カソードガス（酸化ガス）としての空気を供給する。そして、各燃料電池セル２５のカソードから排出された空気（「カソードオフガス」とも呼ぶ）を、配管３４を介して大気中に放出する。空気供給部３０は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。 The air supply unit 30 supplies air as a cathode gas (oxidizing gas) to the cathode of each fuel cell 25 of the fuel cell 20 via the pipe 32. Then, the air discharged from the cathode of each fuel battery cell 25 (also referred to as “cathode off-gas”) is released into the atmosphere via the pipe 34. The air supply unit 30 is connected to the control unit 70, and its driving state is controlled by the control unit 70.

水素供給部４０は、配管４２を介して燃料電池２０の各燃料電池セル２５のアノードに、アノードガス（燃料ガス）としての水素ガスを供給する。そして、各燃料電池セル２５のアノードから排出された水素排出ガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ）を、配管４４を介して排出される空気とともに大気中に放出する。なお、この水素オフガスを水素ガスの供給口に戻して循環して利用する場合もある。水素供給部４０は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。 The hydrogen supply unit 40 supplies hydrogen gas as anode gas (fuel gas) to the anode of each fuel cell 25 of the fuel cell 20 via the pipe 42. Then, hydrogen exhaust gas (also referred to as “anode off gas”) discharged from the anode of each fuel cell 25 is released into the atmosphere together with the air discharged through the pipe 44. In some cases, this hydrogen off-gas is returned to the hydrogen gas supply port and circulated. The hydrogen supply unit 40 is connected to the control unit 70, and its driving state is controlled by the control unit 70.

冷却部５０は、冷却ファン５５を備えたラジエータ５４と、燃料電池２０内に形成された冷媒の流路とラジエータ５４内に形成された冷媒の流路とを接続して両者の間で冷媒を循環させる循環流路５２と、循環流路５２を介して冷媒を循環させる駆動源となる冷却ポンプ５６と、を備えている。すなわち、これらの各部は、燃料電池２０の内部に設けた冷媒の流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部を構成している。この冷却部５０により、燃料電池２０内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させることによって、発熱を伴う電気化学反応が進行する燃料電池において、内部の温度を、電気化学反応が良好に進行する範囲内に保つことが可能となる。なお、本実施例では、氷点下（０℃以下）の寒冷（低温）な条件下において燃料電池システム１０を起動するときも、システム内部で冷却水を循環させることができるように、氷点下でも凍結しない不凍液を冷媒としても用いている。 The cooling unit 50 connects a radiator 54 provided with a cooling fan 55, a refrigerant flow path formed in the fuel cell 20, and a refrigerant flow path formed in the radiator 54, and passes the refrigerant between them. A circulation channel 52 for circulation and a cooling pump 56 serving as a drive source for circulating the refrigerant through the circulation channel 52 are provided. That is, each of these parts constitutes a refrigerant circulation part for allowing the refrigerant to pass through the refrigerant flow path provided inside the fuel cell 20. In the fuel cell in which an electrochemical reaction accompanied by heat generation proceeds by allowing the coolant to pass through a coolant flow path provided in the fuel cell 20 by the cooling unit 50, the internal temperature of the fuel cell proceeds favorably. It is possible to keep within the range. In this embodiment, even when the fuel cell system 10 is started under cold (low temperature) conditions below freezing (0 ° C. or lower), the cooling water is not frozen even below freezing so that the cooling water can be circulated inside the system. Antifreeze is also used as a refrigerant.

ラジエータ５４は、燃料電池２０に供給されて燃料電池２０内で熱交換することによって昇温した冷却水を、降温させるための装置である。ラジエータ５４は、上記昇温した冷却水を導く流路を備える熱交換部として形成されている。この熱交換部は、外気が通過可能な構造を有し、この通過する外気と上記流路内の冷却水との間で熱交換可能となっている。ラジエータ５４が備える冷却ファン５５を駆動すると、この冷却ファン５５によって生じる冷却風は、上記熱交換部を通過すると共に、上記流路内を流れる冷却水から熱量を奪い、これによって冷媒の積極的な冷却が行なわれる。冷却ファン５５は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。 The radiator 54 is a device for lowering the temperature of the cooling water that is supplied to the fuel cell 20 and heated by exchanging heat in the fuel cell 20. The radiator 54 is formed as a heat exchanging part including a flow path for guiding the temperature-increased cooling water. This heat exchanging section has a structure through which the outside air can pass, and heat exchange is possible between the passing outside air and the cooling water in the flow path. When the cooling fan 55 provided in the radiator 54 is driven, the cooling air generated by the cooling fan 55 passes through the heat exchanging section and takes heat from the cooling water flowing in the flow path, thereby actively cooling the refrigerant. Cooling takes place. The cooling fan 55 is connected to the control unit 70, and its driving state is controlled by the control unit 70.

冷却ポンプ５６は、上述したように、循環流路５２内で冷媒が循環する駆動力を発生する装置であり、駆動電圧の大きさによってその駆動量（冷却ポンプの回転数あるいは冷媒のポンピング量）を調節可能となっている。本実施例では、冷却ポンプ５６の駆動電圧の大きさを変化させることによって、冷媒のポンピング量を調節し、それによって燃料電池２０内の温度分布状態の平均化を図っている。したがって、燃料電池システム１０に備える冷却ポンプ５６としては、燃料電池２０の出力電流が激しく変動し、燃料電池２０における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２０内の温度分布状態を充分に平均化できるように、冷媒の流量を調節することが可能な性能を有することが望ましい。この冷却ポンプ５６は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動電圧の大きさが制御される。 As described above, the cooling pump 56 is a device that generates a driving force for circulating the refrigerant in the circulation channel 52, and the driving amount (the number of rotations of the cooling pump or the pumping amount of the refrigerant) depending on the magnitude of the driving voltage. Can be adjusted. In the present embodiment, the amount of refrigerant pumping is adjusted by changing the magnitude of the driving voltage of the cooling pump 56, thereby averaging the temperature distribution state in the fuel cell 20. Therefore, as the cooling pump 56 provided in the fuel cell system 10, the temperature distribution state in the fuel cell 20 is sufficiently averaged even when the output current of the fuel cell 20 fluctuates drastically and the amount of heat generated in the fuel cell 20 changes. It is desirable to have a performance capable of adjusting the flow rate of the refrigerant so that the flow rate can be adjusted. The cooling pump 56 is connected to the control unit 70, and the magnitude of the drive voltage is controlled by the control unit 70.

なお、循環流路５２の燃料電池２０の入口には、第１の温度センサー５７が設けられており、燃料電池２０内に流入させる冷媒の温度を検出することができる。また、循環流路５２の燃料電池２０の出口には、第２の温度センサー５８が設けられており、燃料電池２０から流出される冷媒の温度を検出することができる。上記温度センサー５７，５８は、制御部７０に接続されており、それぞれの検出値が制御部７０に与えられて、制御部７０による制御動作に利用される。 A first temperature sensor 57 is provided at the inlet of the fuel cell 20 in the circulation channel 52, and the temperature of the refrigerant flowing into the fuel cell 20 can be detected. Further, a second temperature sensor 58 is provided at the outlet of the fuel cell 20 in the circulation channel 52, and the temperature of the refrigerant flowing out from the fuel cell 20 can be detected. The temperature sensors 57 and 58 are connected to the control unit 70, and each detection value is given to the control unit 70 and used for the control operation by the control unit 70.

電力制御部６０は、モータ６２や、出力制御部６１、二次電池６４や、二次電池制御部６３、図示しない各種の補機制御部等を備える。出力制御部６１および二次電池制御部６３は、燃料電池２０の出力端子２１，２２に接続されている。二次電池制御部６３は、燃料電池２０からの出力電力を二次電池６４に充電し、二次電池６４からの電力の出力（放電）を制御する。出力制御部６１は、燃料電池２０あるいは二次電池６４からの電力のモータ６２への供給を制御する。また、モータ６２は、燃料電池システム１０が搭載される車両の主動力源を構成する。この出力制御部６１は、例えば、モータ６２が三相交流モータの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、たとえば、空気供給部３０や水素供給部４０内の図示しないポンプやコンプレッサ、冷却ポンプ５６、冷却ファン５５等の各種装置を駆動するための電力の供給を制御する。 The power control unit 60 includes a motor 62, an output control unit 61, a secondary battery 64, a secondary battery control unit 63, various auxiliary machine control units (not shown), and the like. The output control unit 61 and the secondary battery control unit 63 are connected to the output terminals 21 and 22 of the fuel cell 20. The secondary battery control unit 63 charges the secondary battery 64 with the output power from the fuel cell 20 and controls the output (discharge) of the power from the secondary battery 64. The output control unit 61 controls the supply of electric power from the fuel cell 20 or the secondary battery 64 to the motor 62. The motor 62 constitutes a main power source of a vehicle on which the fuel cell system 10 is mounted. For example, when the motor 62 is a three-phase AC motor, the output control unit 61 includes a three-phase inverter that converts direct current into three-phase alternating current. The auxiliary machine control unit controls the supply of electric power for driving various devices such as a pump and a compressor (not shown) in the air supply unit 30 and the hydrogen supply unit 40, a cooling pump 56, a cooling fan 55, and the like.

制御部７０は、ＣＰＵ７１と、メモリ７２と、入出力部７３と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部７３は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線（不図示）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した冷却ポンプ５６や、冷却ファン５５、空気供給部３０や水素供給部４０に含まれるシャットバルブ、調圧バルブ、水素ポンプ、空気ポンプ、等がある。 The control unit 70 is configured as a computer system mainly including a CPU 71, a memory 72, and an input / output unit 73. The input / output unit 73 connects various actuators, various sensors, various switches, and the like via control signal lines (not shown). Examples of the various actuators include the cooling pump 56, the cooling fan 55, the shut valve, the pressure regulating valve, the hydrogen pump, and the air pump included in the air supply unit 30 and the hydrogen supply unit 40.

各種センサーとしては、上述した電圧センサー６６や、電流センサー６７、温度センサー５７，５８等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム１０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ７４等がある。 Examples of the various sensors include the voltage sensor 66, the current sensor 67, and the temperature sensors 57 and 58 described above. The various switches include a start switch 74 that starts an electric vehicle on which the fuel cell system 10 is mounted.

メモリ７２には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、ＣＰＵ７１は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、後述する起動時冷却制御ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、ＣＰＵ７１は、起動部７１ａ、温度推定部７１ｂ、および、ポンプ制御部７１ｃとして機能する。 The memory 72 stores various computer programs (not shown) for mainly controlling the fuel cell system 10, and the CPU 71 operates as each functional block by executing these computer programs. For example, the CPU 71 functions as an activation unit 71a, a temperature estimation unit 71b, and a pump control unit 71c by executing a computer program of a startup cooling control routine described later.

Ｂ．冷却制御：
図３は起動時冷却制御ルーチンについて示すフローチャートである。図４は、起動時冷却制御により変化する燃料電池２０の内部温度（ＦＣ内部温度）について示す説明図である。この起動時制御ルーチンは、電気自動車の起動前においては、暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ７１は、まず、始動スイッチ７４がオン状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、始動スイッチ７４がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定されたときには、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１００の処理を繰り返し得、始動スイッチ７４が操作者によって操作されてオン状態となるのを待つ。 B. Cooling control:
FIG. 3 is a flowchart showing the startup cooling control routine. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the internal temperature (FC internal temperature) of the fuel cell 20 that changes due to the startup cooling control. This start-up control routine is executed with dark current before the electric vehicle is started. As shown in the figure, when the process is started, the CPU 71 first determines whether or not the start switch 74 is in an ON state (step S100). Here, when it is determined that the start switch 74 is not in the on state, that is, in the off state, the CPU 71 can repeat the process of step S100 and waits for the start switch 74 to be turned on by being operated by the operator. .

ステップＳ１００で、始動スイッチ７４がオン状態にあると判定された場合には、燃料電池２０を起動する（ステップＳ１１０）。詳しくは、ＣＰＵ７１は、空気供給部３０および水素供給部４０を制御して、燃料電池２０に空気および水素ガスを供給することにより、燃料電池２０の発電を開始する（すなわち、起動する）。 If it is determined in step S100 that the start switch 74 is in the on state, the fuel cell 20 is activated (step S110). Specifically, the CPU 71 controls the air supply unit 30 and the hydrogen supply unit 40 to supply air and hydrogen gas to the fuel cell 20, thereby starting (that is, starting) power generation of the fuel cell 20.

次に、ＣＰＵ７１は、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。この判定は、この判定は、燃料電池システム１０の周囲の温度が氷点下以下であるか否かを、循環流路５２中の冷媒の温度に基づいて行おうというものである。ここで、検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ１３０に処理を進めて、低温起動時の一連の処理を行う。 Next, the CPU 71 determines whether or not the detection value T1 of the first temperature sensor 57 is 0 [° C.] or less (step S120). This determination is based on the temperature of the refrigerant in the circulation channel 52 whether or not the temperature around the fuel cell system 10 is below the freezing point. Here, when it is determined that the detected value T1 is 0 [° C.] or less, the process proceeds to step S130, and a series of processes at the time of low temperature startup is performed.

なお、ステップＳ１２０の閾値である０［℃］は、燃料電池の温度が低い低温時を判定するためのものであるが、この閾値は０［℃］に限る必要はなく、−２［℃］、−４［℃］等、他の０［℃］以下の温度とすることができる。また、ステップＳ１２０で判定を行う検出値を出力するセンサーは、第２の温度センサー５８であってもよい。また、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサー等、燃料電池システム１０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサーであれば、いずれの構成とすることもできる。 The threshold value 0 [° C.] in step S120 is used to determine when the temperature of the fuel cell is low, but this threshold value need not be limited to 0 [° C.], and is −2 [° C.]. , −4 [° C.] or other temperatures of 0 [° C.] or less. The sensor that outputs the detection value that is determined in step S120 may be the second temperature sensor 58. In addition, any sensor can be used as long as it can detect a parameter reflecting the temperature around the fuel cell system 10 such as a temperature sensor installed outside the fuel cell system 10.

ステップＳ１３０では、ＣＰＵ７１は、燃料電池２０の内部温度を推定する。燃料電池の内部温度は、発電における損失によって発生すると考えられる。この損失は、理論起電圧と実際の出力電圧との差分（損失電圧）に相当し、この損失電圧と出力電流の積が損失電力、すなわち、発熱の原因となる。そして、この発熱の蓄積によって内部温度が上昇することになる。そこで、燃料電池の内部温度は、例えば、以下の式を用いて推定することができる。
Ｔ２（燃料電池内部温度［Ｋ］）＝ΣＨｆｃ（燃料電池発熱量の積算値［ｋＪ］）÷Ｃｆｃ（燃料電池熱容量［ｋＪ／Ｋ］）＋Ｔ０（燃料電池起動前温度）・・・（１）
Ｈｆｃ（燃料電池発熱量［ｋＷ］＝Ｉｆｃ（出力電流［Ａ］）×（Ｖｔｈ（理論起電圧［Ｖ］―Ｖｆｃ（出力電圧［Ｖ］）×１０^−３・・・（２） In step S130, the CPU 71 estimates the internal temperature of the fuel cell 20. It is considered that the internal temperature of the fuel cell is generated due to loss in power generation. This loss corresponds to the difference (loss voltage) between the theoretical electromotive voltage and the actual output voltage, and the product of this loss voltage and output current causes loss power, that is, heat generation. The internal temperature rises due to the accumulation of heat generation. Therefore, the internal temperature of the fuel cell can be estimated using, for example, the following equation.
T2 (Fuel cell internal temperature [K]) = ΣHfc (Fuel cell heat generation integrated value [kJ]) ÷ Cfc (Fuel cell heat capacity [kJ / K]) + T0 (Fuel cell start-up temperature) (1)
Hfc (fuel cell heat generation [kW] = Ifc (output current [A]) × (Vth (theoretical electromotive voltage [V] −Vfc (output voltage [V])) × 10 ⁻³ (2)

なお、出力電圧Ｖｆｃの値および出力電流Ｉｆｃの値は、電圧センサー６６および電流センサー６７により検出することができる。また、起動前温度Ｔ０は、起動前の第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１を用いることができる。ただし、起動前温度Ｔ０としては、起動前の第２の温度センサー５８の検出値であってもよい。また、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサー等、燃料電池システム２０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサーであれば、いずれの構成を利用して求めるようにしてもよい。 Note that the value of the output voltage Vfc and the value of the output current Ifc can be detected by the voltage sensor 66 and the current sensor 67. Moreover, the detection value T1 of the 1st temperature sensor 57 before starting can be used for the temperature T0 before starting. However, the pre-starting temperature T0 may be a detection value of the second temperature sensor 58 before starting. Further, any sensor can be used as long as it can detect a parameter reflecting the temperature around the fuel cell system 20 such as a temperature sensor installed outside the fuel cell system 10. Good.

そして、ＣＰＵ７１は、推定値Ｔ２が判定基準値ＴＡより高いか否か判定する（ステップＳ１４０）。推定値Ｔ２が判定基準値ＴＡよりも高いと判定された場合には、冷却ポンプ５６の運転を開始させる（ステップＳ１５０）。なお、この判定基準値ＴＡはポンプの「起動温度」とも呼ばれる。 Then, the CPU 71 determines whether or not the estimated value T2 is higher than the determination reference value TA (step S140). When it is determined that the estimated value T2 is higher than the determination reference value TA, the operation of the cooling pump 56 is started (step S150). This criterion value TA is also referred to as “starting temperature” of the pump.

ここで、図５は第１の温度センサーの検出値Ｔ１に応じて規定される判定基準値ＴＡについて示す説明図である。図４の時刻ｔ１に示すように、燃料電池２０の内部温度が氷点（０［℃］）を突破して高くなれば、内部の残水は溶融して、通常の発電性能を確保することが可能となる。しかし、この時点で、冷媒の循環を開始した場合には、冷媒の温度はまだ０［℃］以下であるので、燃料電池２０の内部に残留する冷媒の温度が氷点（０［℃］）を越えていても、流入する氷点以下の冷媒と混ざった結果、燃料電池２０内を通過する冷媒の温度が氷点以下となってしまい、燃料電池２０の内部の残水を再凍結させてしまい、触媒層の劣化を招く可能性がある。そこで、循環を開始させる際の冷媒の温度（第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１）に対して、燃料電池２０の内部温度が氷点下とならないと想定される内部温度を判定基準値ＴＡとして、図５に示すように、あらかじめ規定しておき、検出値Ｔ１に対応する判定基準値ＴＡよりも推定値Ｔ２が高いか否か判定することにより、冷媒の循環を開始するか否か決めるものとした。なお、図５の判定基準値ＴＡは、燃料電池内に残留する冷媒量と、循環流路５２内の冷媒量および温度とから、計算により容易に求めることができる。 Here, FIG. 5 is an explanatory diagram showing the determination reference value TA defined according to the detection value T1 of the first temperature sensor. As shown at time t1 in FIG. 4, if the internal temperature of the fuel cell 20 rises above the freezing point (0 [° C.]), the internal residual water is melted to ensure normal power generation performance. It becomes possible. However, at this time, when the circulation of the refrigerant is started, the temperature of the refrigerant is still 0 [° C.] or less, so that the temperature of the refrigerant remaining inside the fuel cell 20 reaches the freezing point (0 [° C.]). Even if it exceeds, the temperature of the refrigerant passing through the fuel cell 20 becomes below the freezing point as a result of mixing with refrigerant flowing below the freezing point, and the remaining water inside the fuel cell 20 is re-frozen. There is a possibility of deteriorating the layer. Therefore, an internal temperature at which the internal temperature of the fuel cell 20 is assumed not to be below freezing with respect to the temperature of the refrigerant at the time of starting circulation (the detected value T1 of the first temperature sensor 57) is set as a determination reference value TA. As shown in FIG. 5, it is determined in advance and it is determined whether or not the refrigerant circulation is started by determining whether or not the estimated value T2 is higher than the determination reference value TA corresponding to the detected value T1. did. The determination reference value TA in FIG. 5 can be easily obtained by calculation from the amount of refrigerant remaining in the fuel cell and the amount and temperature of refrigerant in the circulation passage 52.

ステップＳ１２０において、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］より高いと判定された場合は、ＣＰＵ７１は、残水の凍結の可能性は低いと判断し、ステップＳ１５０へ進み、例冷却ポンプの運転を開始させる。 When it is determined in step S120 that the detection value T1 of the first temperature sensor 57 is higher than 0 [° C.], the CPU 71 determines that the possibility of freezing of the remaining water is low, and proceeds to step S150. Start the cooling pump.

ステップＳ１５０における冷却ポンプの運転開始後は、ＣＰＵ７１は、起動時冷却制御を終了するか否か判定する（ステップＳ１６０）。この判定は、例えば、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］よりも高いか否かで判断される。第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］以下の場合には、まだ、再凍結の可能性があると考えられるので、ステップＳ１７０に進んで、燃料電池２０の内部温度を推定し、推定値Ｔ２が０［℃］以下となったか否か判定する（ステップＳ１８０）。ここで、推定値Ｔ２が０［℃］以下でない、すなわち、０［℃］よりも高い状態であると判定されたときには、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１７０の処理を繰り返し、推定値Ｔ２が０［℃］以下となるのを待つ。 After starting the operation of the cooling pump in step S150, the CPU 71 determines whether or not the startup cooling control is to be ended (step S160). This determination is made based on, for example, whether or not the detection value T1 of the first temperature sensor 57 is higher than 0 [° C.]. If the detected value T1 of the first temperature sensor 57 is 0 [° C.] or less, it is considered that there is still a possibility of refreezing. Therefore, the process proceeds to step S170, and the internal temperature of the fuel cell 20 is estimated. Then, it is determined whether or not the estimated value T2 is equal to or lower than 0 [° C.] (step S180). Here, when it is determined that the estimated value T2 is not lower than 0 [° C.], that is, is higher than 0 [° C.], the CPU 71 repeats the process of step S170, and the estimated value T2 is 0 [° C.]. Wait for the following.

そして、推定値Ｔ２が０［℃］以下と判定された場合には、ＣＰＵ７１は、燃料電池内の水が再凍結しないように、冷却ポンプ５６を停止させる（ステップＳ１９０）。これにより、再び、燃料電池２０の内部温度は上昇することになる。なお、この水の凝固点（氷点）である０［℃］をポンプの「停止温度」とも呼ぶ。 When it is determined that the estimated value T2 is 0 [° C.] or less, the CPU 71 stops the cooling pump 56 so that the water in the fuel cell does not refreeze (step S190). Thereby, the internal temperature of the fuel cell 20 rises again. The water freezing point (freezing point) of 0 [° C.] is also referred to as the “stop temperature” of the pump.

ここで、推定値Ｔ２が０℃であっても、この値は、燃料電池２０の内部温度の平均値である。図２に示したように、燃料電池セル２５において、アノード側の熱容量Ｃａｎはカソード側の熱容量Ｃｃａよりも小さくなるような構成としている。この構成の場合、燃料電池２０の内部温度の平均値が０［℃］であった場合、概ねアノードの温度が−ｘ［℃］でカソードの温度が＋ｘ［℃］となって、平均値が０［℃］となると想定できる。従って、内部温度の推定値Ｔ２（平均温度）が０℃以下とならないように制御すれば、少なくとも水が生成されるカソードの温度は０[℃]以上となることが想定され、水の凍結を抑制することが可能であると考えられる。 Here, even if the estimated value T2 is 0 ° C., this value is an average value of the internal temperature of the fuel cell 20. As shown in FIG. 2, the fuel cell 25 is configured such that the anode-side heat capacity Can is smaller than the cathode-side heat capacity Cca. In this configuration, when the average value of the internal temperature of the fuel cell 20 is 0 [° C.], the anode temperature is approximately −x [° C.], the cathode temperature is + x [° C.], and the average value is It can be assumed that the temperature is 0 [° C.]. Therefore, if the estimated value T2 (average temperature) of the internal temperature is controlled so as not to be 0 ° C. or less, it is assumed that at least the temperature of the cathode at which water is generated is 0 [° C.] or more, and the water is frozen. It is thought that it can be suppressed.

ステップＳ１９０で冷却ポンプ５６の運転を停止した場合には、ステップＳ１３０に戻り、ステップＳ１６０で、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］を超えたと判断され、ステップＳ２００に進んで通常時冷却制御を開始し、この起動時冷却制御ルーチンを終了するまで、ステップＳ１３０〜ステップＳ１９０を繰り返す。 When the operation of the cooling pump 56 is stopped in step S190, the process returns to step S130. In step S160, it is determined that the detected value T1 of the first temperature sensor 57 has exceeded 0 [° C.], and the process proceeds to step S200. The normal-time cooling control is started, and steps S130 to S190 are repeated until the startup cooling control routine is terminated.

以下では、図４を用いて、起動時冷却制御の一例について説明する。まず、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１も燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２も０℃以下であり、氷点下において燃料電池２０の起動を開始（時刻ｔ１）したものとする。発電によって内部温度が上昇していき、その推定値Ｔ２は時刻ｔ１で氷点（０［℃］）を突破するが、上述したように、判定基準値ＴＡ（起動温度）を越えるまでは、冷却ポンプ５６の運転は開始されない。そして、時刻ｔ２において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ１）に対応する判定基準値ＴＡ１を超えた場合に、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していき、冷媒温度（検出値Ｔ１）が徐々に上昇していくことになる。しかしながら、まだ、冷媒温度の検出値Ｔ１は０［℃］以下であるので、時刻ｔ３において、推定値Ｔ２が０［℃］まで低下すると、冷却ポンプ５６の運転が停止され、冷媒の循環も停止される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下を停止して発電による発熱に応じて上昇していく。そして、時刻ｔ４において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ４）に対応する判定基準値ＴＡ２を超えたので、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していく。そして、まだ、冷媒温度の検出値Ｔ１は［０℃］以下であるので、時刻ｔ５において、推定値Ｔ２が０［℃］まで低下すると、冷却ポンプ５６の運転が停止され、冷媒の循環も停止される。これにより、燃料電池２０の内部温度は徐々に上昇していく。そして、時刻ｔ６において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ６）に対応する判定基準値ＴＡ３を超えたので、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していくが、時刻ｔ７において、冷媒温度の検出値Ｔ１が０［℃］以上となるので、これ以降は、再凍結はないと考えられ、起動時冷却制御は終了し通常時冷却制御が開始される。 Hereinafter, an example of the startup cooling control will be described with reference to FIG. First, it is assumed that the detected value T1 of the first temperature sensor 57 and the estimated value T2 of the internal temperature of the fuel cell 20 are 0 ° C. or less, and the start of the fuel cell 20 is started (time t1) below the freezing point. The internal temperature rises due to power generation, and the estimated value T2 breaks through the freezing point (0 [° C.]) at time t1, but as described above, until the reference value TA (starting temperature) is exceeded, the cooling pump The operation of 56 is not started. At time t2, when the estimated value T2 exceeds the determination reference value TA1 corresponding to the detected value T1 (t1) of the refrigerant temperature, the operation of the cooling pump 56 is started, and the circulation of the refrigerant is started. As a result, the internal temperature of the fuel cell 20 decreases, and the refrigerant temperature (detected value T1) gradually increases. However, since the refrigerant temperature detection value T1 is still 0 [° C.] or less, when the estimated value T2 decreases to 0 [° C.] at time t3, the operation of the cooling pump 56 is stopped and the refrigerant circulation is also stopped. Is done. As a result, the internal temperature of the fuel cell 20 stops decreasing and rises according to heat generated by power generation. At time t4, since estimated value T2 exceeds determination reference value TA2 corresponding to refrigerant temperature detection value T1 (t4), operation of cooling pump 56 is started and refrigerant circulation is started. As a result, the internal temperature of the fuel cell 20 decreases. Since the detected value T1 of the refrigerant temperature is still [0 ° C.] or less, when the estimated value T2 decreases to 0 [° C.] at time t5, the operation of the cooling pump 56 is stopped and the refrigerant circulation is also stopped. Is done. As a result, the internal temperature of the fuel cell 20 gradually increases. At time t6, the estimated value T2 exceeds the determination reference value TA3 corresponding to the detected value T1 (t6) of the refrigerant temperature, so the operation of the cooling pump 56 is started and the circulation of the refrigerant is started. As a result, the internal temperature of the fuel cell 20 decreases, but at time t7, the refrigerant temperature detection value T1 becomes 0 [° C.] or higher. The cooling control is finished and the normal time cooling control is started.

なお、ステップＳ１００およびＳ１１０の処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としての起動部７１ａに対応する。ステップＳ１２０ないしステップＳ２００の処理のうち、ステップＳ１３０およびＳ１７０を除く処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としてのポンプ制御部７１ｃに対応する。また、ステップＳ１４０およびＳ１７０の処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としての温度推定部７１ｂに対応する。また、判定基準値ＴＡがポンプの起動温度に対応し、０［℃］がポンプの停止温度に対応する。 Note that the processing in steps S100 and S110 corresponds to the activation unit 71a as a function executed by the CPU 71. Of the processes in steps S120 to S200, the processes excluding steps S130 and S170 correspond to the pump control unit 71c as a function executed by the CPU 71. Moreover, the process of step S140 and S170 respond | corresponds to the temperature estimation part 71b as a function performed by CPU71. The determination reference value TA corresponds to the pump start temperature, and 0 [° C.] corresponds to the pump stop temperature.

以上説明したように、本実施例の起動時冷却制御では、燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２が０［℃］以下とならないように、冷却ポンプ５６の運転と停止を制御している。
そして、燃料電池２０を構成する燃料電池セル２５は、カソードの熱容量がアノードの熱容量よりも小さくなるように構成されている。これにより、燃料電池の内部温度は氷点下で起動時を開始して０［℃］以上に上昇して、冷却ポンプの運転が開始されて以降は、０［℃］以下とならないように推移する。そして、このとき、上記したように、燃料電池セルのアノードの熱容量Ｃａｎがカソードの熱容量Ｃｃａよりも小さくなるように構成されているので、平均温度である内部温度が０［℃］であっても、カソードの温度は０［℃］以上となることが想定される。これにより、カソードで生成される水が凍結してしまうのを抑制することができ、水の凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することができる。 As described above, in the startup cooling control of the present embodiment, the operation and stop of the cooling pump 56 are controlled so that the estimated value T2 of the internal temperature of the fuel cell 20 does not become 0 [° C.] or less.
The fuel cells 25 constituting the fuel cell 20 are configured such that the heat capacity of the cathode is smaller than the heat capacity of the anode. As a result, the internal temperature of the fuel cell starts at the time of starting below freezing and rises to 0 [° C.] or higher, and after the start of the operation of the cooling pump, does not fall below 0 [° C.]. At this time, as described above, since the heat capacity Can of the anode of the fuel battery cell is configured to be smaller than the heat capacity Cca of the cathode, even if the internal temperature which is the average temperature is 0 [° C.] The temperature of the cathode is assumed to be 0 [° C.] or higher. Thereby, it can suppress that the water produced | generated by a cathode freezes, and deterioration of the catalyst layer resulting from freezing of water can be suppressed.

Ｃ．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。 C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側のガス拡散層２７Ａ、ガス流路層２８Ａ、および、セパレータ２９Ａのいずれもが、対応するカソード側のガス拡散層２７Ｃ、ガス流路層２８Ｃ、および、セパレータ２９Ｃよりも熱容量が小さくなるように構成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも、アノードの一つの要素の熱容量がカソードの対応する一つの要素の熱容量に比べて小さく、アノード全体の熱容量がカソード全体の熱容量よりも小さくなる構成であればよい。 C1. Modification 1:
In the above embodiment, the anode side gas diffusion layer 27A, the gas flow path layer 28A, and the separator 29A are more than the corresponding cathode side gas diffusion layer 27C, gas flow path layer 28C, and separator 29C. Although the case where the heat capacity is configured to be small has been described as an example, the present invention is not limited to this, and at least the heat capacity of one element of the anode is smaller than the heat capacity of one corresponding element of the cathode. Any configuration is possible as long as the heat capacity of the entire anode is smaller than the heat capacity of the entire cathode.

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ガス拡散層２７Ａ，２７Ｃとセパレータ２９Ａ、２９Ｃとの間に多孔体のガス流路層２８Ａ，２８Ｃを有する燃料電池セルを例に説明したが、これに限定されるものではなく、セパレータのガス拡散層側の面に溝状のガス流路が形成されている構成であってもよい。 C2. Modification 2:
In the above embodiment, the fuel cell having the porous gas flow path layers 28A and 28C between the gas diffusion layers 27A and 27C and the separators 29A and 29C has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. The groove-shaped gas flow path may be formed on the surface of the separator on the gas diffusion layer side.

Ｃ３．変形例３：
上記実施例の冷却制御では、燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２が氷点（０［℃］）未満とならないように、推定値Ｔ２がポンプの起動温度ＴＡを超えたら冷却ポンプの運転を開始し、推定値Ｔ２が停止温度（０［℃］）まで低下したら冷却ポンプ５６の運転を停止する制御を行っているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、異なる温度を停止温度として冷却ポンプ５６の運転と停止を制御してもよい。例えば、０［℃］よりも高い温度（５［℃］や１０［℃］）をポンプの停止温度としてもよい。このような判断基準温度は、温度センサー５７や電圧センサー６６、電流センサー６７等の検出の精度や、燃料電池２０を構成する各燃料電池セルの内部温度のばらつき状態などを考慮して、より確実に生成水の凍結を防止できるように設定される。 C3. Modification 3:
In the cooling control of the above embodiment, the operation of the cooling pump is started when the estimated value T2 exceeds the pump start temperature TA so that the estimated value T2 of the internal temperature of the fuel cell 20 does not become below the freezing point (0 [° C.]). When the estimated value T2 decreases to the stop temperature (0 [° C.]), control is performed to stop the operation of the cooling pump 56. However, the present invention is not necessarily limited to this, and the cooling pump is set to a different temperature as the stop temperature. The operation and stop of 56 may be controlled. For example, a temperature higher than 0 [° C.] (5 [° C.] or 10 [° C.]) may be used as the pump stop temperature. Such a judgment reference temperature is more reliable in consideration of the detection accuracy of the temperature sensor 57, the voltage sensor 66, the current sensor 67, etc., the variation state of the internal temperature of each fuel cell constituting the fuel cell 20, and the like. It is set so that the generated water can be prevented from freezing.

Ｃ４．変形例４：
上記実施例における燃料電池２０の内部温度は、出力電圧と出力電流に基づく燃料電池２０の発熱量を求めて、燃料電池２０の熱容量と発熱量から温度上昇量を求め、起動前の燃料電池の温度と温度上昇量から内部温度を推定している。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池を構成する代表的な燃料電池セルの温度を温度センサーを用いて求め、出力電圧と出力電流に基づいて求められる燃料電池２０の発熱量と、求めた燃料電池セルの温度とに基づいて、燃料電池２０の内部温度を推定するようにしてもよい。また、燃料電池を構成する代表的な燃料電池セルの温度を温度センサーを用いて求めるとともに、出力電圧および出力電流と各燃料電池セルの温度分布をあらかじめ実験的に求めておき、これに基づいて燃料電池の内部温度として各燃料電池セルの平均値を求めるようにしてもよい。すなわち、少なくとも燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて、燃料電池２０の内部温度を推定することができれば、どのような構成であってもよい。 C4. Modification 4:
As for the internal temperature of the fuel cell 20 in the above embodiment, the amount of heat generation of the fuel cell 20 based on the output voltage and output current is obtained, the amount of temperature rise is obtained from the heat capacity and the amount of heat generation of the fuel cell 20, and The internal temperature is estimated from the temperature and the temperature rise. However, the present invention is not limited to this. For example, the temperature of a typical fuel cell constituting the fuel cell is obtained using a temperature sensor, and the calorific value of the fuel cell 20 obtained based on the output voltage and output current, and the obtained temperature of the fuel cell are obtained. Based on this, the internal temperature of the fuel cell 20 may be estimated. In addition, the temperature of a representative fuel cell constituting the fuel cell is obtained using a temperature sensor, and the output voltage and output current and the temperature distribution of each fuel cell are obtained experimentally in advance. The average value of each fuel cell may be obtained as the internal temperature of the fuel cell. That is, any configuration is possible as long as the internal temperature of the fuel cell 20 can be estimated based on at least the output voltage and output current of the fuel cell.

Ｃ５．変形例５：
上記実施例では電気自動車に搭載された燃料電池システムを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、機動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。 C5. Modification 5:
Although the fuel cell system mounted on the electric vehicle has been described as an example in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and can be applied to various moving bodies such as a motorcycle, a ship, an airplane, and a robot. Further, the present invention is not limited to the fuel cell system mounted on the moving body, and can be applied to a stationary fuel cell system and a portable fuel cell system.

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１，２２…出力端子
２５…燃料電池セル
２７Ａ，２７Ｃ…ガス拡散層
２８Ａ，２８Ｃ…ガス流路層
２９Ａ，２９Ｃ…セパレータ
２９Ｌ…冷媒流路
３０…空気供給部
３２…配管
３４…配管
４０…水素供給部
４２…配管
４４…配管
５０…冷却部
５２…循環流路
５４…ラジエータ
５５…冷却ファン
５６…冷却ポンプ
５７，５８…温度センサー
６０…電力制御部
６１…出力制御部
６２…モータ
６３…二次電池制御部
６４…二次電池
６６…電圧センサー
６７…電流センサー
７０…制御部
７１…ＣＰＵ
７１ａ…起動部
７１ｂ…温度推定部
７１ｃ…ポンプ制御部
７２…メモリ
７３…入出力部
７４…始動スイッチ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 21, 22 ... Output terminal 25 ... Fuel cell 27A, 27C ... Gas diffusion layer 28A, 28C ... Gas flow path layer 29A, 29C ... Separator 29L ... Refrigerant flow path 30 ... Air supply part 32 ... Piping 34 ... Piping 40 ... Hydrogen supply part 42 ... Piping 44 ... Piping 50 ... Cooling part 52 ... Circulating flow path 54 ... Radiator 55 ... Cooling fan 56 ... Cooling pump 57, 58 ... Temperature sensor 60 ... Electric power control part 61 ... Output control unit 62 ... motor 63 ... secondary battery control unit 64 ... secondary battery 66 ... voltage sensor 67 ... current sensor 70 ... control unit 71 ... CPU
71a ... Starting unit 71b ... Temperature estimation unit 71c ... Pump control unit 72 ... Memory 73 ... Input / output unit 74 ... Start switch

Claims

A fuel cell system comprising a fuel cell,
A refrigerant provided with a pump, and a refrigerant flow part for allowing the refrigerant to pass through a refrigerant flow path provided in the fuel cell;
A control unit for controlling the operation of the fuel cell system,
The fuel cell includes an electrolyte membrane, a cathode provided on one surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other surface of the electrolyte membrane so as to have a heat capacity smaller than the heat capacity of the cathode. And a fuel cell having
The controller is
A temperature estimation unit that estimates an internal temperature of the fuel cell, which is an average temperature of the temperature of the anode and the temperature of the cathode higher than the temperature of the anode , based on at least the output voltage and output current of the fuel cell;
Estimated temperature by the temperature estimation unit so that the water in the fuel cell does not freeze when starting the pump after starting the power generation of the fuel cell at a low temperature when the internal temperature is below the freezing point of water. A pump control unit for controlling the start and stop of the pump based on
The pump controller
When the pump starts, the refrigerant flows into the fuel cell from the refrigerant circulation unit, so that the estimated temperature before starting by the temperature estimating unit immediately before starting the pump is determined by the temperature estimating unit immediately after starting the pump. The pump is started when the estimated temperature before startup rises to a startup temperature that is defined in advance as a temperature at which the estimated temperature after startup does not fall below the freezing point of the water even if the estimated temperature decreases after startup. Thus, the fuel cell system is controlled such that the temperature of the anode is not lower than the freezing point of the water while allowing the temperature of the anode to be lower than the freezing point of the water .

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The pump controller
The pump is stopped when the estimated temperature during startup by the temperature estimation unit during startup of the pump drops to a stop temperature defined in advance as a temperature that does not fall below the freezing point of the water. Fuel cell system.