JP6065572B2 - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の冷却システムに関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての酸素との電気化学反応により発電し、その発電量に応じた発熱によって温度上昇を生じる。このため、燃料電池を用いた燃料電池システムは、一般に、燃料電池を冷却するための冷却システムを備えている。冷却システムは、ラジエータで冷却された冷却水を燃料電池に循環供給し、燃料電池で発生する熱を放出することによって温度上昇を抑制している。また、冷却システムは、燃料電池の低温起動時等においては、ラジエータを経由せずに冷却水を燃料電池に循環供給して、燃料電池で発生する熱を放出しないようにして、燃料電池の温度が発電効率の高い状態とするための暖機動作を行っている。

特許文献１には、内燃機関の冷却システムにおいて、２種類の熱膨張体が内蔵されたサーモスタット装置が適用されることにより、高温水の急激な流入によるラジエータにおける熱衝撃の発生を防止することが記載されている。特許文献２には、燃料電池の冷却装置（冷却システム）において、流路切替バルブ近傍の冷却水の温度を検知することで検知される流路切替バルブの切替状態に応じて、冷却水の流量を必要流量に制御することにより、冷却水の流路が切り替わる際に発生するラジエータの圧力損失を考慮して、流量の過不足なく冷却水を燃料電池へ供給することが記載されている。特許文献３には、内燃機関の冷却系システムにおいて、サーモスタットにおける冷却水の水温に基づいてサーモスタットの弁開度が求められ、サーモスタットの弁開度に基づいて冷却水の流量の制御が行われることにより、サーモスタットの弁の開閉による冷却水の圧力損失に応じて、要求流量が満たされるように冷却水の流量が調整されることが記載されている。

特開２００７−１００７６７号公報 特開２００４−１７８８２６号公報 特開２００８−２６７１８０号公報

ここで、スタック状の燃料電池（以下、「燃料電池スタック」とも呼ぶ）を構成する各燃料電池セルは、通常、適切な湿潤状態にある場合に最も高い発電効率を示す。適切な湿潤状態にない燃料電池セルが一部に生じると、その燃料電池セルでは発電効率が低下して発電損失が増加することにより温度が上昇し、燃料電池セルを構成する電解質膜の損傷による発電機能の喪失や、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸化剤ガスとの燃焼による燃料電池セルの損傷等を招く場合がある。このため、燃料電池システムの冷却システムとしては、各燃料電池セルが適切な湿潤状態を維持するように、設計に則した高精度な冷却特性を得ること、および、長期間にわたってその冷却特性を維持することが要求される。

冷却システムとしては、従来から、サーモスタットバルブを用いた冷却システムが多く利用されている。サーモスタットバルブは、一般に、極めて安価ではあるが、製品ばらつき、経年変化等変動が大きい。また、サーモスタットバルブの感温部の温度検出の応答特性および弁の開閉の応答特性は遅れ特性を有しており、それぞれの応答特性にはズレがある。また、開弁の温度および閉弁の温度にはヒステリシスや変動があり、開弁の位置および閉弁の位置に変動がある。従って、サーモスタットバルブを用いた冷却システムは、設計に則した高精度な冷却特性を得ること、および、長期間にわたってその冷却特性を維持することは困難である。

また、サーモスタットバルブによって、ラジエータを経由しない循環からラジエータを経由する循環に切り替えられた場合、ラジエータで冷却された冷たい冷却水によって燃料電池に供給される冷却水に急激な温度の低下が発生する場合がある。急激な温度低下は上記したサーモスタットバルブの応答特性に起因して大幅な温度変動を招き、燃料電池スタックを構成する各部材の伸縮変動を発生させ、各燃料電池セル間の締結力の低下の要因となり得る。燃料電池セル間の締結力の低下は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れや、冷却水の漏れの要因となる。また、燃料電池セル間の締結力の低下は、上記した適切な湿潤状態にない燃料電池セルが一部に生じた場合と同様に、燃料電池セルでの発電効率が低下して発電損失が増加することにより温度が上昇し、燃料電池セルを構成する電解質膜の損傷による発電機能の喪失や、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸化剤ガスとの燃焼による燃料電池セルの損傷等を招く場合がある。

従って、燃料電池の冷却システムに、サーモスタットを用いた冷却システムを適用することは容易ではない。そこで、従来の燃料電池の冷却システムとしては、サーモスタットに比べて高精度な弁の切り替えが可能な電子制御弁を適用した冷却システムが用いられる場合が多く、燃料電池システムのコスト上昇の要因となっている。

なお、特許文献１の冷却システムでは、上記したように、冷却水の急激な温度変化に対応させる点について記載されている。しかしながら、装置の仕様に応じてなされるサーモスタットの設計、開発工数、及び、開発工数費用の負担に加え、設計変更に伴う部材価格の高額化、及び、複雑な部品の組み付けに伴う生産工程における工数の増加等により、コスト上昇が大きいと考えらえる。また、特性の調整も容易ではないと考えられる。また、経年変化への対応についての考慮はなされておらず、設計に則した高精度な冷却特性を長期間にわたって維持することは困難と考えられる。また、特許文献２，３の冷却システムでは、圧力損失への対応するものであり、冷却水の急激な温度変化への対応、コスト上昇、および、経年変化への対応については何ら考慮されていない。

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、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態は、ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムである。この冷却システムは、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の最初の上昇過程においては、最初の前記サーモスタットバルブの開弁に伴って、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値が予め定めた第１の判定値未満に変化した時に、その時点における前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度を用いて開弁開始直前温度が求められるとともに、前記微分値が前記第１の判定値未満に変化した時から、その後、前記微分値が予め定めた第２の判定値未満の正の値に収束するまでの時間が流量制限継続時間として求められる。そして、その後に発生する前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の上昇過程において、前記冷却液の温度が前記開弁開始直前温度を超えた温度に達するタイミングから前記流量制限継続時間が経過するまで、前記流量調整機構によって、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブの開弁前に供給されていた流量よりも少ない流量に制限される。
この形態の燃料電池の冷却システムによれば、サーモスタットバルブが開弁して、ラジエータで冷却された温度の低い冷却液がサーモスタットバルブから流出しても、燃料電池へ供給される冷却液の流量を制限することにより、燃料電池に供給される冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。これにより、燃料電池を構成する部材の劣化や燃料電池の発電性能の低下を抑制可能である。また、冷却液の流量の制限のみにより実行されるので、製品ばらつき、経年変化、応答特性等の課題で説明したサーモスタットバルブ自体の問題に関わらず冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。
また、本発明の他の一形態は、ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムである。この冷却システムは、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度が暖機完了温度以下の場合には、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記冷却液の温度に応じて設定される暖機時冷却水流量となるように前記流量調整機構によって制御される。前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度が前記暖機完了温度を超える場合には、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値に基づいて決定される補正量の変化に応じて前記流量調整機構が制御されることによって調整される。
この形態の燃料電池の冷却システムによれば、サーモスタットバルブから流出する冷却液の温度が暖機完了温度以下の場合には、燃料電池へ供給される冷却液の流量を、冷却液の温度に応じて設定される暖機時冷却水流量となるように制御することができ、サーモスタットバルブから流出する冷却液の温度が暖機完了温度を超える場合には、燃料電池へ供給される冷却液の流量を、サーモスタットバルブから流出する冷却液の温度の微分値に基づいて決定される補正量の変化に応じて制御することができる。
その他、本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムが提供される。この燃料電池の冷却システムでは、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブの開弁時において、前記流量調整機構が制御されることにより、前記サーモスタットバルブの開弁前に供給されていた流量よりも少ない流量に制限される。この形態の燃料電池の冷却システムによれば、サーモスタットバルブが開弁して、ラジエータで冷却された温度の低い冷却液がサーモスタットバルブから流出しても、燃料電池へ供給される冷却液の流量を制限することにより、燃料電池に供給される冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。これにより、燃料電池を構成する部材の劣化や燃料電池の発電性能の低下を抑制可能である。また、冷却液の流量の制限のみにより実行されるので、製品ばらつき、経年変化、応答特性等の課題で説明したサーモスタットバルブ自体の問題に関わらず冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。

（２）上記形態の燃料電池の冷却システムにおいて、前記冷却液の流量の制限は、前記サーモスタットバルブの開弁直前タイミングから前記冷却液の流量制限継続時間が経過するまで実行され、前記開弁直前タイミングおよび前記流量制限継続時間は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度に基づいて決定されることが好ましい。この形態の燃料電池の冷却システムによれば、冷却液の急激な変動を抑制するために冷却液の流量の制限を開始するタイミングおよび継続する時間を容易に決定可能である。

（３）本発明の他の形態によれば、ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび循環ポンプを介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムが提供される。この燃料電池の冷却システムでは、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値が求められ、前記微分値に基づいて決定される補正量の変化に応じて前記流量調整機構が制御されることによって調整される。この形態の燃料電池の冷却システムによれば、サーモスタットから流出する冷却液の温度の変化の大きさを示す微分値に応じて冷却液の流量を調整することにより、燃料電池に供給される冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。これにより、燃料電池を構成する部材の劣化や燃料電池の発電性能の低下を抑制可能である。また、冷却液の温度の変化の大きさに応じた冷却液の流量の調整のみにより実行されるので、同様に、課題で説明したサーモスタットバルブの問題に関わらず冷却液の急激な温度変動を抑制可能である。

本発明は、燃料電池の冷却システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の冷却システムを備える燃料電池システム、燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。 サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限の基本概念について示す説明図である。 サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限処理のフローチャートである。 冷却水温度取得処理ルーチンのフローチャートである。 流量制限開始温度検出処理ルーチンのフローチャートである。 流量制限継続時間設定処理ルーチンのフローチャートである。 流量制限開始処理ルーチンのフローチャートである。 流量制限終了処理ルーチンのフローチャートである。 流量制限処理の各処理ルーチンで実行される処理動作について視覚的に示す説明図である。 本発明の第２実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。 冷却水の流量制限処理のフローチャートである。 冷却水の流量制限処理のフローチャートである。 暖機時ＦＣ冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。 ＦＣ冷却水負帰還流量マックの特性例を示すグラフである。 ＦＣ冷却水昇降温補正係数マップの特性例を示すグラフである。 ＦＣ冷却水ラジエータ補正係数マップの特性例を示すグラフである。 基準ＦＣ冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。 図１３の流量制限処理によって実行されるＦＣ冷却水の流量制限動作について視覚的に示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．冷却システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。図１（Ａ）に示すように、冷却システム１００には、燃料電池を冷却する冷却液としての水（以下、「冷却水」と呼ぶ）を、ラジエータ５０を介して燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」とも呼ぶ）１０に循環供給する循環流路ＬＣと、ラジエータ５０をバイパスしてＦＣスタック１０に循環供給するバイパス循環流路ＬＢと、が設けられている。なお、ラジエータを介した冷却水とラジエータを介さない冷却水とを特に区別する場合には、ラジエータを介した冷却水を「冷却化水」とも呼び、ラジエータを介さない冷却水を「非冷却化水」とも呼ぶ。なお、冷却水としては、通常、不凍液が添加された水が用いられる。

循環流路ＬＣは、ＦＣスタック１０の出口１０ｂとラジエータ５０の入口５０ａとを結ぶ流路Ｌ１，Ｌ２と、ラジエータ５０の出口５０ｂとサーモスタットバルブ４０の一方の入口４０ａとを結ぶ流路Ｌ３と、サーモスタットバルブ４０の出口４０ｃと循環ポンプ２０の入口２０ａとを結ぶＬ４と、循環ポンプ２０の出口２０ｂとＦＣスタック１０の入口１０ａとを結ぶ流路Ｌ５と、から構成されている。バイパス循環流路ＬＢは、循環流路ＬＣと共通する流路Ｌ１，Ｌ４，Ｌ５と、流路Ｌ１と流路Ｌ２との接続位置で分岐されてサーモスタットバルブ４０のもう一方の入口４０ｂに接続される流路Ｌ６と、から構成されている。流路Ｌ４にはサーモスタットバルブ４０から流出する冷却水の温度（Ｔｆｃを検出する温度センサ３０が設けられている。温度センサ３０には、例えば、サーミスタ型温度計が用いられる。

ＦＣスタック１０の入口１０ａから供給される冷却水の流量の制御は、ＦＣスタック１０による発電動作を制御する燃料電池制御ユニット（以下、「ＦＣＣユニット」あるいは「ＦＣＣＵ」とも呼ぶ）７０が、温度センサ３０により検出された温度に基づいて循環ポンプ２０の動作を制御することによって実行される。従って、循環ポンプ２０が本発明の流量調整機構に相当する。なお、流量調整機構としては、ポンプだけでなく流量調整弁を適用することが可能であり、流量を調整することが可能であれば種々の機構を適用することが可能である。

なお、ＦＣスタック１０を含む燃料電池システムには、冷却システム１００の他にも、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系および酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系等の種々の装置が設けられているが、本発明の説明において必須の構成ではないので、図示および説明を省略する。

サーモスタットバルブ４０は、内部を流れる冷却水の温度に応じて変化する感温部のワックス（不図示）の膨張収縮の度合いに応じて弁（バルブ）４２の開度が変化する機能を有している。図１（Ｂ）の左側に示すように、冷却水の温度が開弁温度よりも低い状態では、ワックスの収縮によって弁４２が閉じた状態となるので、循環流路ＬＣが閉じてバイパス循環流路ＬＢが開く。図１（Ｂ）の右側に示すように、冷却水の温度が開弁温度以上である場合には、ワックスの膨張によって弁４２が開いた状態となるので、バイパス循環流路ＬＢが閉じて循環流路ＬＣが開く。なお、サーモスタットバルブ４０の弁４２の開閉にはヒステリシスがあり、開状態となったあと閉状態となるまでには、温度に応じた中間の開状態が発生する。

冷却システム１００では、サーモスタットバルブ４０を通過する冷却水の温度が開弁温度よりも低い場合には、循環流路ＬＣが閉じられ、バイパス循環流路ＬＢを介して非冷却化水がＦＣスタック１０に循環供給される。この場合の非冷却化水の流れは、図１（Ｂ）に破線の矢印で示されている。これに対して、サーモスタットバルブ４０を通過する冷却水の温度が開弁温度以上の場合には、循環流路ＬＣが開けられ、循環流路ＬＣを介して冷却化水がＦＣスタック１０に循環供給される。

ＦＣスタック１０に供給される冷却水の流量は、通常、温度センサ３０で検出された温度に基づいてあらかじめ設定される条件に従って決定される流量制御値（「流量制御指令値」とも呼ぶ）に従って循環ポンプ２０が動作することによって制御されている。本実施形態の冷却システム１００では、特に、サーモスタットバルブ４０の開弁時において、以下で説明する冷却水の流量制限の制御が加えられる。

Ａ２．冷却水の流量制限の基本概念：
図２は、サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限の基本概念について示す説明図である。なお、図２は、暖機運転の過程の中でサーモスタットバルブ４０の弁が開くものとして示している。また、図２の上段は比較例として冷却水の流量の制限がない場合を示し、図２の下段は基本概念としての冷却水の流量の制限がある場合を示している。

まず、比較例について説明する。ＦＣスタック１０を含む燃料電池システムの低温起動時、特に、氷点下における起動時においては、発電による生成水の凍結を抑制する観点から、ＦＣスタック１０の急速な暖機が要求される。通常、暖機運転時における発電効率の低下を許容し、ＦＣスタック１０における発電に伴い発生する熱によって、図１の上段に示すように、バイパス循環流路ＬＢを循環する冷却水の温度が上昇して行き、ＦＣスタック１０の急速な暖機が行われる。なお、バイパス循環流路ＬＢを循環する冷却水の流量は、温度が上昇して行く冷却水の循環による急速な暖機を可能とするために、暖機に効果的である流量としてあらかじめ定めた流量、例えば、定常動作における設定最大流量や、設定可能な最大流量等に設定される。

サーモスタットバルブ４０の弁が開き始めると、ラジエータ５０で外気温度に近い状態まで冷却された冷水（冷却化水）がサーモスタットバルブ４０および循環ポンプ２０を介してＦＣスタック１０に供給される冷却水（以下、「ＦＣ冷却水」とも呼ぶ）がＦＣスタック１０に流入する。上記したように、循環ポンプ２０によってＦＣスタック１０に供給される冷却水の流量は、上記した急速な暖機を目的として多めの流量に設定されている。このため、多めに設定された流量に対応する冷却化水がＦＣ冷却水としてＦＣスタック１０へ流入することになり、温度センサ３０で検知されるＦＣ冷却水の温度は、冷却化水の流量に応じて低下する。この時、サーモスタットバルブ４０の感温部も冷却化水に晒されて温度の低下を検知する。これにより、サーモスタットバルブ４０は開弁状態から閉弁状態に移行し、冷却されない温水（非冷却化水）がサーモスタットバルブ４０および循環ポンプ２０を介してＦＣ冷却水としてＦＣスタック１０に流入し、温度センサ３０で検知されるＦＣ冷却水の温度は再び上昇する。なお、サーモスタットバルブ４０の感温部による感温特性および感温に応じた弁の応答特性は、適用している部材固有の応答遅れ、および、個体間バラツキがある。このため、温度センサ３０で検出されるＦＣ冷却水の温度は、サーモスタットバルブ４０による開弁と閉弁の繰り返しに応じて振動的に変動（ハンチング）しながら次第に減衰して、暖機に伴う温度上昇特性として設定されている状態に復帰する。

上記冷却水の温度の急激な変動は、課題で説明したように、ＦＣスタック１０を構成している複数の異なる部材でそれぞれ異なった伸縮を招き、これに応じて発生する応力がＦＣスタック１０を構成する各燃料電池セル（ＦＣセル）をスタック状に締結する締結力の低下を招き、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れや、冷却水の漏れの要因となる。また、ＦＣセル間あるいは同一のＦＣセル内であっても、冷却水の入口と出口とで温度差が生じ、湿潤状態の分布が不均一となって発電性能が低下する要因ともなり得る。

そこで、本実施形態では、以下で説明する冷却水の流量制限の基本概念に基づいて流量制限が行われることにより、上記比較例における問題を解決する。すなわち、本実施形態における冷却水の流量制限は、図２の下段に示すように、サーモスタットバルブ４０の開弁のタイミングの直前で冷却水の流量の制限を開始し、温度センサ３０で検知される冷却水の温度変動（ハンチング）が収束するタイミングまで流量の制限を継続させることによって、冷却水の急激な温度低下を抑制し、その後に発生する温度変動（ハンチング）を抑制する、というものである。

上記概念は、以下の理由に基づいている。すなわち、冷却水の流量を制限すれば、サーモスタットバルブ４０の開弁によってＦＣ冷却水となる冷却化水の流量も制限される。このため、冷却化水の流入によって発生するＦＣ冷却水の温度低下の変動が抑制される。また、ＦＣ冷却水の温度低下に応答して発生する温度上昇も、基となる冷却水の温度低下の変動が抑制されているため、抑制されることになる。結果として、サーモスタットバルブ４０の開弁によって発生するＦＣ冷却水の温度変動（ハンチング）が抑制される、と考えられるからである。

Ａ３．具体的な流量制限動作：
以下では、上記冷却水の流量制限の基本概念に基づいた具体的な動作例について説明する。図３は、サーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限処理のフローチャートである。この流量制限処理は、ＦＣＣユニット７０によって、燃料電池システムの起動から終了までの間、あらかじめ定めた実行間隔ｔｍ、例えば、ｔｍ＝１００［ｍｓ］、で繰り返し実行される。なお、この間隔は、冷却水の温度変動の検出精度や、処理を実行するＦＣＣユニット７０にかかる負荷等を考慮して設定される。

冷却水の流量制限処理では、冷却水温度取得(ステップＳ１００)、流量制限開始温度検出（ステップＳ１２０）、流量制限継続時間設定（ステップＳ１４０）、流量制限開始（ステップＳ１６０）、および、流量制限終了（ステップＳ１８０）の各処理ルーチンが、ＦＣＣユニット７０によって順に実行される。

図４は冷却水温度取得処理ルーチンのフローチャートである。図５は流量制限開始温度検出処理ルーチンのフローチャートであり、図６は流量制限継続時間設定処理ルーチンのフローチャートである。図７は流量制限開始処理ルーチンのフローチャートであり、図８は流量制限終了処理ルーチンのフローチャートである。図９は、流量制限処理の各処理ルーチンで実行される処理動作について視覚的に示す説明図である。

まず、冷却水温度取得処理（図３のステップＳ１００）では、図４に示すように、ＦＣスタック１０（図１）に供給されるＦＣ冷却水の温度が温度センサ３０によって検出され、サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏとして取得および保存される（ステップＳ１０２）。そして、サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏの微分値がサーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏとして算出され、保存される（ステップＳ１０４）。

次に、流量制限開始温度検出処理では（図３のステップＳ１２０）では、図５に示すように、取得されたサーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが、サーモスタットバルブ４０の確実な全閉状態温度ｔｍｐ＿ｌｗｒ（例えば、４０℃）〜確実な全開状態温度ｔｍｐ＿ｕｐｒ（例えば、８５℃）の範囲にあるか否か（ステップＳ１２２）、および、後述する開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］がセットされているか否か（ステップＳ１２４）、が判断される。なお、全閉状態温度ｔｍｐ＿ｌｗｒおよび全開状態温度ｔｍｐ＿ｕｐｒは、適用するサーモスタットバルブの仕様や経年変化を考慮し、実験確認されて適宜設定される。

そして、サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが上記範囲にあり、かつ、開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］がセットされていない場合には、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒ（例えば、−２℃／秒）よりも小さいか否か判断される（ステップＳ１２６）。

ここで、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒよりも小さい場合には、冷却水の温度の低下の変化の度合いが大きく、サーモスタットバルブ４０の開弁が開始状態にあると考えられる。例えば、図９（ａ）に示すように、ＦＣ冷却水の温度Ｔｆｃ（サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ）は、サーモスタットバルブ４０の開弁開始前においては上昇し、サーモスタットバルブ４０の開弁に伴って下降し、サーモスタットバルブ４０の開弁と閉弁に応じて上昇と下降を繰り返す。このとき、図９（ｂ）に示すように、冷却水の温度Ｔｆｃの微分値ｄＴｆｃ（サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ）は、サーモスタットバルブ４０が開弁して冷却水の温度Ｔｆｃ（図９（ａ））が上昇から下降に変化するタイミングにおいて負の値に変化する。そこで、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒを下回った時点が検出されることにより、開弁開始直前温度の検出を実行するタイミングが検出される。なお、開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、実験確認されて適宜設定される。

そして、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒよりも小さい場合には、最大サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ［ｍａｘ］が算出される（ステップＳ１２８）とともに、開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎが算出されて（ステップＳ１３０）保存される。また、現在時刻ｔｉｍｅ［ｎ］が開弁開始直前温度検出時刻ｔｉｍｅ＿ｏｎとして取得されて保存され（ステップＳ１３２）、開弁開始直前温度および開弁開始直前温度検出時刻の取得が完了したものとして、開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］がセットされる（ステップＳ１３４）。最大サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ［ｍａｘ］としては、サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが設定される。開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎとしては、最大サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ［ｍａｘ］から流量制限開始余裕温度ｔｍｐ＿ｏｆｓ（例えば、３．５℃）が減算された値が設定される。流量制限開始余裕温度ｔｍｐ＿ｏｆｓは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、実験確認されて適宜設定される。

なお、開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎが算出されて開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］がセットされた後も、上記したように、実行間隔ｔｍごとに流量制限開始温度検出処理が繰り返し実行されることになる。しかしながら、この場合の流量制限開始温度検出処理では、開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］がセットされているので（ステップＳ１２４）、ステップＳ１２６〜ステップＳ１３４の処理は実行されず、設定された開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎおよび開弁開始直前温度検出時刻ｔｉｍｅ＿ｏｎの値が維持される。開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］のリセットは、後述する流量制限終了処理（図８のステップＳ１９０）において、流量制限が終了した際に実行される。

次に、流量制限継続時間設定処理（図３のステップＳ１４０）では、図６に示すように、上記した開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］がセットされているか否か（ステップＳ１４２）、および、後述する流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされているか否か（ステップＳ１４４）、が判断される。

そして、開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］および流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされている場合には、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが０よりも大きくハンチング収束検出判定値ｄｔｍｐ＿ｍａｘ（例えば。１℃／秒）よりも小さい範囲となったか否か判断される（ステップＳ１４６）。

ここで、図９（ｂ）に示すように、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ（冷却水の温度Ｔｆｃの微分値ｄＴｆｃ）が負から正に変化したタイミングは、図９（ａ）に示すように、冷却水の温度Ｔｆｃが下降から上昇に変化するタイミングを示しており、少なくとも、サーモスタットバルブ４０の開弁により発生した温度低下から脱したタイミングとなる。そこで、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが０よりも大きくハンチング収束検出判定値ｄｔｍｐ＿ｍａｘ（例えば。１℃／秒）よりも小さい範囲となった時点が検出されることにより、ハンチング収束タイミングが検出される。なお、ハンチング収束検出判定値ｄｔｍｐ＿ｍａｘは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、実験確認されて適宜設定される。

サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが上記範囲内となった場合には、ハンチングが収束したと判断されて、流量制限継続時間ｄｔｉｍｅが算出されて保存され（ステップＳ１４８）、流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされる（ステップＳ１５０）。流量制限継続時間ｄｔｉｍｅは、現在時刻ｔｉｍｅ［ｎ］から開弁開始直前温度検出時刻ｔｉｍｅ＿ｏｎが減算されることにより算出される。

なお、流量制限継続時間ｄｔｉｍｅが算出されて流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされた後も、上記したように、実行間隔ｔｍごとに流量制限継続時間設定処理が繰り返し実行されることになる。しかしながら、この場合の流量制限継続時間設定処理では、量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされているので（ステップＳ１４４）、ステップＳ１４６〜ステップＳ１５０の処理は実行されず、設定された流量制限継続時間ｄｔｉｍｅの値が維持される。流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］のリセットは、後述する流量制限終了処理（図８のステップＳ１９０）において、流量制限が終了した際に実行される。

次に、流量制限開始処理（図３のステップＳ１６０）では、図７に示すように、流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされているか否か（ステップＳ１６２）、および、後述するハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がセットされているか否か（ステップＳ１６４）、が判断される。流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］がセットされているが、ハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がまだセットされていない場合には、開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎおよび流量制限継続時間ｄｔｉｍｅが求められて保存されているので、これに基づいて、サーモスタットバルブ４０の開弁を検出可能であり、流量制限継続時間ｄｔｉｍｅの間において冷却水の流量制限が可能となる。そこで、サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎよりも大きい温度となったか否か判断する（ステップＳ１６６）。

図９（ａ）に示すように、サーモスタット後流温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが開弁開始直前温度ｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏｎよりも大きい温度となった時点で、開弁開始直前温度となったと判断される。このため、図９（ｃ）に示すように、流量制限指令値Ｑ＿ｗｔｒは、通常時流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｎｍｌから、通常時流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｎｍｌよりも小さい値のハンチング防止流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｓｍｌに設定される（ステップＳ１６８）。これにより、循環ポンプ２０によって、ＦＣ冷却水の流量が、それまでの動作条件に応じて設定されていた通常時流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｎｍｌに対応する通常時流量から、ハンチング防止流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｓｍｌに対応するハンチング防止流量（例えば、１２ＮＬ／ｍｉｎ）となるように制限される。また、この時の現在時刻ｔｉｍｅ［ｎ］が取得されて流量制御開始時刻ｔｉｍｅ＿ｓｔとして設定され（ステップＳ１７０）、ハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がセットされる（ステップＳ１７２）。

ここで、ハンチング防止流量は、あらかじめ実験により求められる。例えば、−１０℃の大気温度環境下において、燃料電池システムの発電負荷を、最大（この状態を１とする）、１／２、１／２５の各定常運転状態に設定し、それぞれの負荷条件における最大発電効率を発揮可能な冷却水の流量を求め、求めた各流量を「基準流量」とする。続いて、燃料電池システムが上記大気温度相当となるまで待機した後、再び、上記発電負荷条件で運転する。この時の冷却水の流量を「基準流量」よりは大きい種々の流量で試すこととし、温度ハンチング幅が例えば５℃以内に抑制可能な流量を求める。求めた流量はハンチング防止流量の最大値とされる。そして、設定するハンチング防止流量は、基準値からハンチング防止流量の最大値の範囲の中から適宜選択設定される。

なお、上記のようにして流量制限が開始されてハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がセットされた後も、実行間隔ｔｍごとに実行間隔ｔｍごとに流量制限開始処理が繰り返し実行されることになる。しかしながら、この場合の流量制限開始処理では、ハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がセットされているので（ステップＳ１２４）、ステップＳ１６４〜ステップＳ１７２の処理は実行されず、流量制限の状態が維持される。ハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］のリセットは、後述する流量制限終了処理（図８のステップＳ１９０）において、流量制限が終了した際に実行される。

次に、流量制限終了処理（図３のステップＳ１８０）では、図８に示すように、ハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がセットされて流量制限中であるか否か（ステップＳ１８２）、および、流量制限開始時刻ｔｉｍｅ＿ｓｔからの経過時間が流量制限継続時間ｄｔｉｍｅに到達したか否か（ステップＳ１８４）、が判断される。

図９（ｂ）に示すように、流量制限中であり、かつ、流量制限開始時刻ｔｉｍｅ＿ｓｔからの経過時間が流量制限継続時間ｄｔｉｍｅに到達した場合には、さらに、サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが０よりも大きくハンチング収束検出判定値ｄｔｍｐ＿ｍａｘ（例えば。１℃／秒）よりも小さい範囲となってハンチングの収束状態か否か判断される（ステップＳ１８６）。

サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏが上記範囲内となった場合には、ハンチングが収束したと判断される。これにより、図９（ｃ）に示すように、流量制限指令値Ｑ＿ｗｔｒは、ハンチング防止流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｓｍｌから通常時流量指令値Ｑ＿ｗｔｒ＿ｎｍｌに戻される（ステップＳ１８８）。そして、開弁開始直前温度検出完了フラグｆｌｇ［ｔｓ＿ｏｐｎ］、流量制限継続時間設定完了フラグｆｌｇ［ｄｔｉｍｅ］、および、ハンチング防止制御中フラグｆｌｇ［Ｑ＿ｗｔｒ］がリセットされる。

そして、開弁開始直前温度および流量制限継続時間の算出が実行され、開弁開始直前温度を超える冷却水の温度上昇を検出することにより、流量制限継続時間に応じた流量制限が繰り返し実行されることになる。これにより、サーモスタットバルブ４０の開弁によるＦＣ冷却水の急激な温度低下を断続的に繰り返し抑制するこが可能となる。これにより、ＦＣスタック１０の急激な温度低下および温度変動を抑制し、ＦＣスタック１０における高効率の発電状態を長期間安定して維持することが可能である。

また、本実施形態の冷却システムで１００では、サーモスタットバルブ４０等の部材の固有のばらつきや、個体間誤差、経年変化等の種々のばらつきに関わらず、サーモスタットバルブ４０の開弁のタイミングを検出して、ＦＣ冷却水の流量を制限することによりＦＣ冷却水の急激な温度低下およびその後の温度変動を抑制することができる。

なお、上記したサーモスタットバルブの開弁時における冷却水の流量制限処理は、サーモスタットバルブ４０の開弁時における冷却水の温度低下を断続的に抑制するものではある。従って、図２に示したような連続した冷却水の流量制限に比べて抑制効果は低くなる可能性はある。しかしながら、断続的ではあっても冷却水の温度低下を抑制することができるので、サーモスタットバルブ４０の開弁によって発生するＦＣ冷却水の温度変動（ハンチング）の抑制効果は発揮される。

なお、本実施形態の冷却システム１００を備える燃料電池システムの最初の稼働時や検査時等において、サーモスタットバルブ４０の開弁によって冷却水の温度が明らかに変動することが想定される流量（変動想定流量）でシステムを運転して、システム固有の特性を把握し、この結果に基づいて、冷却水の流量制限処理において設定される各種の値を設定するようしてもよい。変動想定流量としては、冷却システム１００において可能な最大流量が利用されても良い。冷却水の急激な温度変化が数回程度に限定されるのであれば、これを考慮したＦＣスタックを設計することは十分可能であるからである。

上記した冷却水の流量制限処理では、冷却水の流量制限が開始されて終了するまでの間は、単に開始した流量制限を継続するものとして説明した。しかしながら、この間においても、冷却水の温度の微分値が、冷却水の温度の低下が大きいと判断される値となる場合、例えば、開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒよりも小さくなる場合には、次回実行される流量制限期間における制限流量を、さらに制限するようにしてもよい。

サーモスタットバルブ４０の使用累積時間を管理して、使用累積時間が経過する都度、流量制限性制度処理において設定されている種々のパラメータ値を、サーモスタットバルブ４０の経年変化に応じて更新されるようにしてもよい。使用累積時間は適用する製品の使用に応じて適宜設定される。例えば、１０００時間が例として挙げられる。

また、冷却水の温度の微分値（サーモスタット後流温度変化量ｄｔｍｐ＿ｔｓ＿ｏ）の判定値、すなわち、開弁開始温度検出判定値ｄｔｍｐ＿ｌｗｒおよびハンチング収束検出判定値ｄｔｍｐ＿ｍａｘを、サーモスタット開弁過渡状態以外の状態における冷却水の温度の微分値を参照して、たとえば、その最大値を基準として決定することにより、装置個々のばらつきや経年変化に対して適切な制御指標値を用いて補正制御し、誤検出および過補正を防止するようにしてもよい。

Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．冷却システムの構成：
図１０は、本発明の第２実施形態としての燃料電池の冷却システムの概略構成を示す説明図である。第２実施形態の冷却システム１００Ｂは、第１実施形態の冷却システム１００（図１参照）の構成に加えて、ラジエータ５０の出口５０ｂ近傍にラジエータ５０からの冷却水（冷却化水）の温度を検出する温度センサ８０が設けられている点、および、ＦＣＣユニット７０による冷却水の流量制限処理が異なっている点、を除いて冷却システム１００と同じである。また、流量制限の基本概念も第１実施形態で説明したものと同じである。そこで、以下では、冷却システム１００Ｂの構成についての説明は省略し、冷却水の流量制限の具体的な動作について説明を加える。

Ｂ２．具体的な流量制限動作：
図１１および図１２は、冷却水の流量制限処理のフローチャートである。この流量制限処理も、第１実施形態の場合と同様に、ＦＣＣユニット７０によって、燃料電池システムの起動から終了までの間、あらかじめ定めた実行間隔ｔｍ（例えば、１００ｍｓ）で繰り返し実行される。

まず、ＦＣスタック１０（図１０）に供給される冷却水（ＦＣ冷却水）の温度Ｔｆｃが、温度センサ３０（図１０）によって検出されて取得される（ステップＳ２００）。そして、検出されたＦＣ冷却水温度Ｔｆｃに対応する暖機時ＦＣ冷却水流量Ｑｗｕｐが、暖機時ＦＣ冷却水流量ＱｗｕｐとＦＣ冷却水温度Ｔｆｃとの関係を示すマップ（以下、「暖機時ＦＣ冷却水流量マップ」と呼ぶ）を参照して算出される（ステップＳ２０２）。また、検出されたＦＣ冷却水温度Ｔｆｃに対応するＦＣ冷却水負帰還流量Ｑｆｂが、ＦＣ冷却水負帰還流量ＱｆｂとＦＣ冷却水温度Ｔｆｃとの関係を示すマップ（以下、「ＦＣ冷却水負帰還流量マップ」と呼ぶ）を参照して算出される（ステップＳ２０４）。

図１３は、暖機時ＦＣ冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。効率よく暖機を促進するとともに、循環ポンプ２０等の種々の補機を効率良く動作させることにより無駄な電力消費を低減するために、暖機時ＦＣ冷却水流量ＱｗｕｐはＦＣ冷却水温度Ｔｆｃに応じて変化させている。具体的には、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃが低温においては、暖機時ＦＣ冷却水流量Ｑｗｕｐはほぼ最大流量に設定されている。また、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃが暖機完了温度Ｔｗｒに漸近するのに応じて暖機時ＦＣ冷却水流量Ｑｗｕｐは抑制されるように設定されている。

図１４は、ＦＣ冷却水負帰還流量マップの特性例を示すグラフである。制御目標温度Ｔｇへの収束の促進を目的として、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃが制御目標温度Ｔｇに対して高くなって乖離が大きくなるほどＦＣ冷却水負帰還流量Ｑｆｂは大きくなるように設定されている。

次に、取得されたＦＣ冷却水温度Ｔｆｃの微分値が、ＦＣ冷却水温度変化量ｄＴｆｃとして算出される（ステップＳ２０６）。そして、算出されたＦＣ冷却水温度変化量ｄＴｆｃに対応するＦＣ冷却水昇降温補正係数ＫｄＴｆｃが、ＦＣ冷却水温度変化量ｄＴｆｃとＦＣ冷却水昇降温補正係数ＫｄＴｆｃとの関係を示すマップ（以下、「ＦＣ冷却水昇降温補正係数マップ」と呼ぶ）を参照して算出される（ステップＳ２０８）。

図１５は、ＦＣ冷却水昇降温補正係数マップの特性例を示すグラフである。基本的には、ｄＴＦｃ＝０でＫｄＴｆｃ＝０を基準として、ＦＣ冷却水温度変化量ｄＴｆｃの変化に比例してＦＣ冷却水昇降温補正係数ＫｄＴｆｃが変化するように設定されている。ただし、過剰補正防止のために、上限制限および下限制限が設けられている。また、ＦＣ冷却水温度変化量ｄＴｆｃが０の近傍の範囲（範囲１）は、サーモスタットバルブの開弁と閉弁の動作に伴うヒステリシスの影響、あるいは、外乱やノイズの混入を抑制するために、ＦＣ冷却水昇降温補正係数ＫｄＴｆｃの変化勾配が外側の範囲に比べて小さく設定された冷却水流量変動抑制範囲とされている。本例では、ＫｄＴｆｃ＝０とされている。また、冷却水流量変動抑制範囲（範囲１）の外側の一定の範囲（範囲２）は、冷却水流量変動抑制範囲（範囲１）による応答遅れを補償するために、さらに外側の範囲における変化勾配よりも大きく設定された補正ゲイン増加範囲とされている。

次に、ラジエータ５０（図１０）から流出する冷却化された水（以下、「ラジエータ水」とも呼ぶ）の温度Ｔｒａｄが、温度センサ８０（図１０）によって検出されて取得される（ステップＳ２１０）。そして、検出されたラジエータ水温度Ｔｒａｄに対応するＦＣ冷却水ラジエータ補正係数Ｋｒａｄが、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃとラジエータ水温度Ｔｒａｄの差と、ＦＣ冷却水ラジエータ補正係数Ｋｒａｄと、の関係を示すマップ（以下、「ＦＣ冷却水ラジエータ補正係数マップ」と呼ぶ）を参照して算出される（ステップＳ２１２）。

図１６は、ＦＣ冷却水ラジエータ補正係数マップの特性例を示すグラフである。サーモスタットバルブ４０の開弁時における温度降下の幅を低減するために、（Ｔｆｃ−Ｔｒａｄ）が大きくなるほど、すなわち、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃに対してラジエータ水温度Ｔｒａｄが低くなるほど、ＦＣ冷却水ラジエータ補正係数Ｋｒａｄが小さくなるように設定されている。

次に、ＦＣ発熱量Ｐｌｏｓｓ＿ｆｃの推定が実行される（ステップＳ２１４）。ＦＣ発熱量Ｐｌｏｓｓ＿ｆｃは、例えば、ＦＣスタック１０の理論的なＩＶ特性から得られる起電圧と実際の電圧との差と負荷電流との積から求められる。そして、推定されたＦＣ発熱量Ｐｌｏｓｓ＿ｆｃに対応する基準ＦＣ冷却水流量Ｑｓｔｄが、基準ＦＣ冷却水流量ＱｓｔｄとＦＣ発熱量Ｐｌｏｓｓ＿ｆｃとの関係を示すマップ（以下、「基準ＦＣ冷却水流量マップ」と呼ぶ）を参照して算出される（ステップＳ２１６）。また、算出された基準ＦＣ冷却水流量ＱｓｔｓとＦＣ冷却水ラジエータ補正係数ＫｒａｄとＦＣ冷却水昇降温補正係数ＫｄＴｆｃとに基づいて、基本ＦＣ冷却水流量Ｑｂａｓｅ（＝Ｑｓｔｄ＊Ｋｒａｄ＋ＫｄＴｆｃ）が算出される（ステップＳ２１８）。

図１７は、基準ＦＣ冷却水流量マップの特性例を示すグラフである。冷却システムの制御応答性を向上させるため、発熱損失Ｐｌｏｓｓ＿ｆｃが大きいほど、基準ＦＣ冷却水流量Ｑｓｔｄが大きくなるように設定され、また、発熱損失Ｐｌｏｓｓ＿ｆｃが大きいほど放熱効率が良くなるので基準ＦＣ冷却水流量Ｑｓｔｄの増加勾配が低減するように設定されている。

最後に、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃが暖機完了温度Ｔｗｒを超えていない場合には、暖機時ＦＣ冷却水流量Ｑｗｕｐが指令ＦＣ冷却水流量Ｑｃｍｄとして算出され（ステップＳ２２２ｂ）、ＦＣ冷却水温度Ｔｆｃが暖機完了温度Ｔｗｒを超えている場合には、基本ＦＣ冷却水流量ＱｂａｓｅとＦＣ冷却水負帰還流量Ｑｆｂとの和（Ｑｂａｓｅ＋Ｑｆｂ）が指令ＦＣ冷却水流量Ｑｃｍｄとして算出される（ステップＳ２２２ａ）。そして、循環ポンプ２０によって、指令ＦＣ冷却水流量Ｑｃｍｄに応じたＦＣ冷却水の流量が調整される。

なお、上記各マップは、あらかじめ、サーモスタットの初期のばらつきや経年変化、温度センサの検出ばらつき等の種々のばらつきを考慮して、あらかじめ実験確認により設定される。

上記した冷却水の流量制限処理が繰り返し実行されることによって、以下で説明するようにＦＣ冷却水の温度変化に応じた流量制限動作が実行される。

図１８は、図１３の流量制限処理によって実行されるＦＣ冷却水の流量制限動作について視覚的に示す説明図である。図１８（ａ）はＦＣ冷却水の流量としてＦＣスタック１０の制御目標温度に収束させるために要求される一定の流量が継続して供給され（図１８（ｄ）の一点鎖線参照）、かつ、上記した流量制限処理（図１１，１２）が実行されない場合（以下、「補正制御前」とも呼ぶ）におけるＦＣ冷却水の温度の推移が示されている。図１８（ｂ）は図１８（ａ）に示すＦＣ冷却水温度の微分値、すなわち、ＦＣ冷却水温度の変化の大きさが示されている。ＦＣ冷却水温度およびその微分値の推移をみればわかるように、ＦＣ冷却水の流量制限が行われない場合には、ＦＣ冷却水温度には、サーモスタットバルブ４０の開弁動作によってラジエータ５０からのラジエータ冷却水（冷却化水）が供給されるのと同時に急激な温度低下が発生する。そして、その後に、ＦＣ冷却水の温度は、上昇と下降とを振動的に繰り返す、いわゆるハンチングが発生し、次第に減衰して制御目標温度に収束していくことになる。

図１８（ｃ）は上記した流量制限処理（図１１，１２）が実行された場合（以下、「補正制御時」とも呼ぶ）におけるＦＣ冷却水の温度の推移が示されており、図１８（ｄ）は補正制御時におけるＦＣ冷却水の流量の推移が示されている。なお、図１８（ｃ）に示された破線は、図１８（ａ）に示した補正制御前のＦＣ冷却水の温度の推移を示している。ＦＣ冷却水温度の変化の予測は、ＦＣ冷却水温度の微分値（図１８（ｂ））によって予測可能である。そこで、上記流量制限処理（図１１，１２）で説明したように、ＦＣ冷却水温度の微分値に基づいてＦＣ冷却水の流量の補正制御が実行された場合には、補正制御前においてＦＣ冷却水の温度の変化が収束するまでの間（図１８（ａ），（ｂ）参照）、図１８（ｄ）に示すようにＦＣ冷却水の流量が制限される。これにより、図１８（ｃ）に示すようにＦＣ冷却水の温度の降下速度が緩やかとなるように抑制され、これに応じて補正制御前に発生していたその後の温度変動も抑制される。なお、ＦＣ冷却水温度が制御目標温度に収束した際のＦＣ冷却水流量は、図１８（ｄ）に示すように、破線で示した補正なし流量よりも低い値となっている。これは、サーモスタットバルブ４０の開弁および閉弁の位置が動作状態に応じて変動することによる。

以上説明したように、本実施形態の冷却システム１００Ｂにおいても、サーモスタットバルブ４０の開弁により発生するＦＣ冷却水の急激な温度低下およびその後の変動を抑制することが可能である。これにより、ＦＣスタック１０の急激な温度低下および温度変動を抑制し、ＦＣスタック１０における高効率の発電状態を長期間安定して維持することが可能である。特に、第１実施形態の冷却システム１００においては、サーモスタットバルブ４０の開弁によるＦＣ冷却水の急激な温度低下が断続的に繰り返し抑制されるのに対して、本実施形態では、温度変動が収束するまで、温度変化に応じた大きさの流量に調整しつつ制限が連続的に実行され、流量制限の基本概念に則した制御が実行されている。従って、本実施形態におけるＦＣ冷却水の温度変化の抑制効果は第１実施形態に比べて大きい。

また、本実施形態の冷却システムで１００Ｂにおいては、も、サーモスタットバルブ４０等の部材の固有のばらつきや、個体間誤差、経年変化等の種々のばらつきに関わらず、冷却水の温度変化をその微分値に基づいて予測して、ＦＣ冷却水の流量を制限することによりＦＣ冷却水の急激な温度低下およびその後の温度変動を抑制することができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池（ＦＣ）スタック
１０ａ…入口
１０ｂ…出口
２０…循環ポンプ
２０ａ…入口
２０ｂ…出口
３０…温度センサ
４０…サーモスタットバルブ
４０ａ…入口
４０ｂ…入口
４０ｃ…出口
４２…弁
５０…ラジエータ
５０ａ…入口
５０ｂ…出口
８０…温度センサ
１００…冷却システム
１００Ｂ…冷却システム
Ｌ１…流路
Ｌ２…流路
Ｌ３…流路
Ｌ４…流路
Ｌ５…流路
Ｌ６…流路
ＬＢ…バイパス循環流路
ＬＣ…循環流路

Claims (2)

1. ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムであって、
   前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の最初の上昇過程においては、最初の前記サーモスタットバルブの開弁に伴って、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値が予め定めた第１の判定値未満に変化した時に、その時点における前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度を用いて開弁開始直前温度が求められるとともに、前記微分値が前記第１の判定値未満に変化した時から、その後、前記微分値が予め定めた第２の判定値未満の正の値に収束するまでの時間が流量制限継続時間として求められ、
   その後に発生する前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の上昇過程において、前記冷却液の温度が前記開弁開始直前温度を超えた温度に達するタイミングから前記流量制限継続時間が経過するまで、前記流量調整機構によって、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブの開弁前に供給されていた流量よりも少ない流量に制限される
   ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
2. ラジエータを経由する冷却液がサーモスタットバルブおよび流量調整機構を介して燃料電池に循環供給される燃料電池の冷却システムであって、
   前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度が暖機完了温度以下の場合には、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記冷却液の温度に応じて設定される暖機時冷却水流量となるように前記流量調整機構によって制御され、
   前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度が前記暖機完了温度を超える場合には、前記燃料電池へ供給される前記冷却液の流量は、前記サーモスタットバルブから流出する前記冷却液の温度の微分値に基づいて決定される補正量の変化に応じて前記流量調整機構が制御されることによって調整される
   ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。

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