JP6323344B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池システムには、燃料電池の温度を調整する目的で、燃料電池に冷却水等の冷媒を循環させる冷却装置が設けられている。かかる冷却装置においては、冷媒循環ポンプを用いて冷媒を燃料電池とラジエータとの間で循環させ、燃料電池で加熱された冷媒をラジエータで外気との熱交換により冷却している。

このようなシステムとして、ラジエータをバイパスするバイパス流路と、このバイパス流路への分流比を調整するための分流調整弁と、を備え、燃料電池の発熱量や冷媒循環ポンプの回転数に関連する温度差マップを用いて燃料電池の出入口冷媒温度差を算出するとともに、燃料電池の所定の目標出口冷媒温度から出入口冷媒温度差を減算することにより燃料電池の目標入口冷媒温度を算出し、この算出した目標入口冷媒温度を実現させるように分流制御バルブの開度を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４０６９６号公報

上記特許文献１に記載されたシステムでは、燃料電池の発熱量に応じて出入口冷媒温度差が決まり、分流調整弁が制御される。したがって、例えば、車両アイドル時や下り坂走行時等、燃料電池の発電ゼロとなる場合、燃料電池の発熱量もゼロとなり燃料電池の出入口冷媒温度差もゼロとなる。この場合、燃料電池から流出した全ての冷媒がバイパス流路を流れるように分流調整弁が制御される。また、車両発進時等燃料電池の発電が再開され、燃料電池の発熱量が増加すると、バイパス流路を流れる冷媒の流量を低下させ、ラジエータを流れる冷媒の流量を増加させるように分流調整弁が制御される。

しかし、このようなシステムで用いられる流量制御バルブ（分流調整弁）は、応答性が低くバルブの開閉動作に数秒程度の時間を要する。このため、燃料電池の発電ゼロ状態から発電再開時に、バイパス流路を通った高温の冷媒が燃料電池へ流入してしまい、燃料電池の入口冷媒温度や出口冷媒温度が目標温度よりも高くなり燃料電池の発電特性が変化してしまうといった問題がある。

なお、このようなシステムでは、大流量の冷媒を制御する必要があるため大口径で高トルクの流量制御バルブが用いられる。このような流量制御バルブは、応答性を向上させるのは容易でない。更に、高トルクの流量制御バルブを採用すれば応答性を向上させることも可能であるが、このような流量制御バルブを採用するとコストアップにつながってしまう。

本発明は上記問題に鑑みたもので、流量制御バルブの応答性を向上することなく、燃料電池の発電停止から発電再開時に速やかに燃料電池の入口冷媒温度または出口冷媒温度を目標温度に制御できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池（２）を冷却する冷媒が循環する冷媒流路（４１）と、冷媒流路に設けられ、冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ（４２）と、冷媒流路内の冷媒を冷却するラジエータ（４３）と、燃料電池より流出した冷媒をラジエータへ導くラジエータ流路（４６）と、ラジエータを迂回させて冷媒を流すバイパス流路（４４）と、ラジエータ流路に流れる冷媒の流量とバイパス流路に流れる冷媒の流量を制御するものであって、絞り開度が全閉となったときに燃料電池から流出した冷媒の全てがバイパス流路に流れ、絞り開度が全閉以外となったときに冷媒がラジエータ流路に流れるように制御する流量制御バルブ（４５）と、流量制御バルブを制御するバルブ制御手段（Ｓ２００、Ｓ１０６、Ｓ４０６）と、冷媒循環ポンプを停止させる前で、かつ、燃料電池の出入口冷媒温度差が０でないときの燃料電池の目標入口冷媒温度、燃料電池の出口冷媒温度およびラジエータの出口冷媒温度を特定し、燃料電池の目標入口冷媒温度、燃料電池の出口冷媒温度およびラジエータの出口冷媒温度に基づいて待機開度を特定する待機開度特定手段（Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ４０４）と、を備え、バルブ制御手段は、冷媒循環ポンプが停止しているときに絞り開度が全閉以外の待機開度となるように流量制御バルブを制御することを特徴としている。

このような構成によれば、冷媒循環ポンプが停止しているときに絞り開度が全閉以外の待機開度となるように流量制御バルブが制御されるので、流量制御バルブの応答性を向上することなく、燃料電池の発電停止から発電再開時に速やかに燃料電池の入口冷媒温度または出口冷媒温度を目標温度に制御することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの制御部のフローチャートである。 通常運転時のバルブ制御処理のフローチャートである。 流量比−待機開度マップを表した図である。 燃料電池の発電停止および燃料電池の発電再開時のタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの制御部のフローチャートである。 第３実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの制御部のフローチャートである。 車速補正量マップを表した図である。 外気温補正量マップを表した図である。 ラジエータファン電圧補正量マップを表した図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

（第１実施形態）
まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路としての冷却水流路４１と、冷却水流路４１内の冷却水を燃料電池２に循環させるための冷媒循環ポンプとしての冷却水ポンプ４２と、冷却水流路４１内の冷却水を冷却するためのラジエータ４３と、燃料電池２から流出した冷却水をラジエータ４３へと導くためのラジエータ流路４６と、ラジエータ４３を迂回させて冷却水を流すバイパス流路４４と、ラジエータ流路４６に流れる冷却水の流量とバイパス流路４４に流れる冷却水の流量を制御する流量制御バルブ４５と、ラジエータ４３の出口における冷却水温度を検出する温度センサ４７と、燃料電池２の出口における冷却水温度を検出する温度センサ４８と、システム全体を統合制御する制御部６と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。燃料極側のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、空気極側のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ（図示せず）が取り付けられている。

流量制御バルブ４５は、ラジエータ流路４６に流れる冷媒の流量とバイパス流路４４に流れる冷媒の流量を制御するものである。流量制御バルブ４５は、制御部６の制御に応じて絞り開度が変化するようになっている。流量制御バルブ４５は、燃料電池２から流出した冷却水がバイパス流路４４に流れる流量比を制御する。流量制御バルブ４５は、絞り開度が全閉となったときに燃料電池２から流出した冷媒の全てがバイパス流路４４に流れ、絞り開度が全閉以外となったときに冷媒がラジエータ流路４６に流れるようになっている。この流量制御バルブ４５の開度が調整されることによって、冷却水流路４１の冷却能力が調整される。

制御部６は、車両に設けられた各種負荷装置の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えば冷却水ポンプ４２の各モータや流量制御バルブ４５等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御部６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。

次に、図２〜図５を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御処理について説明する。図２は、本実施形態の燃料電池システム１のメインルーチンとしての制御処理を示すフローチャートである。本燃料電池システム１の制御部６は、車両の走行中に燃料電池２の発電を停止させたり発電を再開させる発電切替処理や、燃料電池２の発熱量がゼロになると冷却水ポンプ４２の動作を停止させるポンプ停止処理を実施する。制御部６は、燃料電池システム１が動作状態になると、上記発電切替処理やポンプ停止処理と並行して、図２に示す処理を周期的に実施する。なお、各図面のフローチャートにおける各制御ステップは、燃料電池システム１が有する各種の機能実現手段を構成している。

まず、冷却水ポンプ４２の動作が停止したか否かを判定する（Ｓ１００）。ここで、燃料電池２が発電しており、かつ、冷却水ポンプ４２も動作している場合、Ｓ１００の判定はＮＯとなり、通常運転時のバルブ制御処理を実施する（Ｓ２００）。この通常運転時のバルブ制御処理のフローチャートを図３に示す。

この処理では、制御部６は、電流センサ（図示せず）で検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２の発熱量を算出する（Ｓ２１０）。本実施形態においては、燃料電池２の発電電流値と発熱量との関係を表す発熱量マップを用いて、燃料電池２の発熱量を算出している。

次に、制御部６は、燃料電池２の発熱量に基づいて、燃料電池２の出口における冷却水温度と入口における冷却水温度との差（出入口冷却水温度差）を算出する（Ｓ２２０）。本実施形態においては、燃料電池２の発熱量と出入口冷却水温度差との相関関係を表す温度差マップを用いて、出入口冷却水温度差を算出している。

次に、制御部６は、出入口冷却水温度差に基づいて、燃料電池２の入口における冷却水の目標温度（目標入口冷却水温度）を算出する（Ｓ２３０）。この際、制御部６は、燃料電池２の出口における出口冷却水温度から、出入口冷却水温度差を減じることにより、目標入口冷却水温度を算出している。一般的に低〜中負荷時で、燃料電池２の発電量が比較的少ない場合は出入口冷媒水温差を一定値とし、高負荷時で、燃料電池２の発電量が多い場合は、出入口冷媒水温差を大きくする。

次に、制御部６は、燃料電池２の出口から流出する冷媒のうちラジエータ流路４６に流れる冷却水の流量の流量比を特定する（Ｓ２４０）。本実施形態では、燃料電池２の目標入口冷却水温度と、燃料電池２の出口冷却水温度と、ラジエータ４３の出口冷却水温度に基づいて流量比を特定する。

流量比Ｑは、燃料電池２の出口から流出する冷却水のうちラジエータ流路４６に流れる冷却水の流量の比である。燃料電池２の目標入口冷却水温度をＴ_ｐ、燃料電池２の目標入口冷却水温度Ｔ_ｐにおける冷媒定圧比熱をＣｐ_ｐ、燃料電池２の出口冷媒温度をＴ_ｆｏ、燃料電池２の出口冷媒温度Ｔ_ｆｏにおける冷媒定圧比熱をＣｐ_ｆｏ、ラジエータの出口冷媒温度をＴ_ｒｏ、ラジエータの出口冷媒温度Ｔ_ｒｏにおける冷媒定圧比熱をＣｐ_ｒｏとすると、流量比Ｑは、下記数式１により算出することができる。
（数１）
Ｑ＝（Ｃｐ_ｐ×Ｔ_ｐ−Ｃｐ_ｆｏ×Ｔ_fｏ）／（Ｃｐ_ｒｏ×Ｔ_rｏ−Ｃｐ_ｆｏ×Ｔ_fｏ）
次に、制御部６は、流量比−開度マップに基づいて流量制御バルブ４５の目標開度を特定する（Ｓ２５０）。流量比−開度マップは、流量比と待機開度との関係を規定したものである。制御部６は、Ｓ２４０にて算出した流量比に対応する開度を流量制御バルブ４５の目標開度として特定する。

次に、制御部６は、流量制御バルブ４５を制御する（Ｓ２６０）。具体的には、流量制御バルブ４５の絞り開度が、Ｓ２５０にて特定した目標開度を実現するよう流量制御バルブ４５を制御し、Ｓ２００の処理を終了する。

図２の説明に戻り、例えば、車両の走行中に燃料電池２の発電が停止し、かつ、冷却水ポンプ４２の動作が停止した場合、Ｓ１００の判定はＹＥＳとなり、燃料電池２の出口から流出する冷媒の流量に対するラジエータ流路４６に流れる冷却水の流量の流量比を算出する（Ｓ１０２）。本実施形態では、燃料電池２の目標入口水温温度と、燃料電池２の出口冷却水温度と、ラジエータ４３の出口冷却水温度に基づいて流量比を算出する。ここで、燃料電池２の目標入口冷却水温度、燃料電池２の出口冷却水温度およびラジエータ４３の出口冷却水温度は、いずれも冷却水ポンプ４２を停止させる前で、かつ、燃料電池２の出入口冷却水温差がゼロでないときの値を用いる。

なお、本実施形態の制御部６は、燃料電池２の出入口冷却水温度差がゼロでないときの燃料電池２の目標入口水温温度、燃料電池２の出口冷却水温度およびラジエータ４３の出口冷却水温度を定期的にＲＡＭに記憶させる処理を実施するようになっている。本実施形態の制御部６は、冷却水ポンプ４２を停止させる前で、かつ、燃料電池２の出入口冷却水温差がゼロでないときの各温度をＲＡＭから読み出して流量比を算出する。

流量比Ｑは、上記数式１により算出することができる。

次に、制御部６は、流量制御バルブ４５の待機開度を特定する（Ｓ１０４）。具体的には、流量比−待機開度マップを用いて流量制御バルブ４５の待機開度を特定する。流量比−待機開度マップは、図４に示すように流量比と待機開度との関係を規定したものである。制御部６は、Ｓ２４０にて算出した流量比に対応する待機開度を流量制御バルブ４５の目標開度として特定する。なお、前述した数式１において、Ｃｐ_ｐ×Ｔ_ｐ−Ｃｐ_ｆｏ×Ｔ_fｏ≠０となっているので、流量制御バルブ４５の絞り開度は全閉とならない。

次に、流量制御バルブ４５の絞り開度が、Ｓ１０４にて特定した待機開度となるよう流量制御バルブ４５を制御し（Ｓ１０６）、本処理を終了する。このように、冷却水ポンプ４２を停止させている状態で、流量制御バルブ４５の絞り開度が全閉以外の待機開度となるように制御される。

また、車両の走行中に燃料電池２の発電が再開され、冷却水ポンプが動作を再開すると、Ｓ１００の判定はＮＯとなり、通常運転時のバルブ制御処理を実施する（Ｓ２００）。

このとき、流量制御バルブ４５の絞り開度は全閉以外の待機開度となっている。具体的には、流量制御バルブ４５の絞り開度は、冷却水ポンプ４２の動作を停止する前と同程度の絞り開度となっている。このため、流量制御バルブ４５の応答性が低くても、速やかに流量制御バルブ４５の絞り開度を冷却水ポンプ４２の動作を停止する前と同じ絞り開度に制御することができる。したがって、燃料電池２の入口冷却水温度を速やかに目標温度（目標入口冷却水温度）に制御することができる。

図５は、一定の発電量で燃料電池２が通常運転した状態で、燃料電池２が発電を停止し、その後、燃料電池２が発電を再開するときのタイミングチャートである。（ａ）は、燃料電池２の発電量を表しており、（ｂ）は、冷却水ポンプ４２の回転数を表している。また、（ｃ）は、燃料電池２の出入口冷却水温度差ΔＴの推定値を表している。また、（ｄ）は、燃料電池２の発電停止時に、流量制御バルブ４５の絞り開度を全閉にする従来例の燃料電池システム１の流量制御バルブ４５の絞り開度を表している。また、（ｅ）は、燃料電池２の発電停止時に、流量制御バルブ４５の絞り開度を全閉以外の待機開度に制御する本実施形態の燃料電池システム１の流量制御バルブ４５の開度を表している。なお、（ｄ）、（ｅ）において、目標値は点線で示されており、実開度は実線で示されている。

（ａ）に示すように、燃料電池２の発電量が一定値から徐々に低下すると（ｔ０）、（ｂ）に示すように冷却水ポンプ４２の回転数も徐々に低下し、冷却水ポンプ４２の回転数は最低回転数となる（ｔ１）。そして、燃料電池２の発電量が０になると（ｔ２）、冷却水ポンプ４２は回転を停止する（ｔ２）。また、燃料電池２の発電量が０となり、冷却水の流量が一定となると、（ｃ）に示すように、燃料電池２の出入口冷却水温度差の推定値は一定値から徐々に低下して０℃となる（ｔ２）。

従来例の燃料電池システム１は、燃料電池２の出入口冷却水温度差の推定値が０℃になると、（ｄ）に示すように、流量制御バルブ４５の絞り開度の目標値が０％となる。なお、流量制御バルブ４５は応答性が低いため、流量制御バルブ４５の実開度は徐々に小さくなり０％となる。

これに対し、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２の出入口冷却水温度差の推定値が０℃になっても、（ｅ）に示すように、冷却水ポンプ４２が停止した後、流量制御バルブ４５の絞り開度の目標値が０％以外の待機開度となる。なお、流量制御バルブ４５は応答性が低いため、流量制御バルブ４５の実開度は徐々に小さくなるが、すぐにもとの開度に戻り、この待機開度が維持される。

また、（ａ）に示すように燃料電池２の発電が再開され（ｔ３）、（ｂ）に示すように冷却水ポンプ４２の回転数が所定値まで上昇すると、（ｃ）に示すように、燃料電池２の出入口冷却水温度差の推定値も上昇する。

従来例の燃料電池システム１は、燃料電池２の発電が停止され、冷却水ポンプ４２の動作が停止されている期間、流量制御バルブ４５の絞り開度が全閉となっており、流量制御バルブ４５を制御し始めても、流量制御バルブ４５は応答性が低いため、この間に、バイパス流路４４を通って高温の冷却水が燃料電池２の入口に流れ込み、燃料電池２の入口冷却水温度が目標温度よりも高くなり燃料電池２の発電特性が変化してしまう。すなわち、燃料電池２の発電が再開された後（ｔ３）、（ｄ）の点線で示すように流量制御バルブ４５の絞り開度の目標値が所定値となると、（ｄ）の実線で示すように、流量制御バルブ４５の絞り開度が全閉（０％）から徐々に大きくなり目標値に近づく。この間に、バイパス流路４４を通って高温の冷却水が燃料電池２の入口に流れ込んでしまうため、燃料電池２の入口冷却水温度が目標温度よりも高くなり燃料電池２の発電特性が変化してしまう。

これに対し、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２の発電が停止され、冷却水ポンプ４２の動作が停止されている期間、流量制御バルブ４５の絞り開度が全閉以外の待機開度となっているので、燃料電池２の発電が再開された後（ｔ３）、（ｅ）の実線で示すように、流量制御バルブ４５の絞り開度が待機開度から開度の目標値に近づいている。すなわち、流量制御バルブ４５が目標開度に近い開度で待機しているため、燃料電池２の発電特性の安定化を図ることができる。

上記した構成によれば、冷媒循環ポンプが停止しているときに絞り開度が全閉以外の待機開度となるように流量制御バルブが制御されるので、流量制御バルブの応答性を向上することなく、燃料電池の発電停止から発電再開時に速やかに燃料電池の入口冷却水温度を目標温度に制御することができる。

（第２実施形態）
次に、図６を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本発明の燃料電池システム１は、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して制御処理が異なる。本実施形態における制御部６のフローチャートを図６に示す。本実施形態の制御部６は、定期的に流量比を算出するための各温度（燃料電池２の目標入口水温温度、燃料電池２の出口冷却水温度およびラジエータ４３の出口冷却水温度）をＲＡＭに記憶させる処理を実施し、燃料電池２の出口における冷却水温度と入口における冷却水温度との差（出入口冷却水温度差）が基準範囲から外れる前の各温度をＲＡＭから読み出して流量比を算出する。

まず、冷却水ポンプ４２の動作が停止したか否かを判定する（Ｓ１００）。ここで、燃料電池２が発電しており、かつ、冷却水ポンプ４２も動作している場合、Ｓ１００の判定はＮＯとなり、通常運転時のバルブ制御処理を実施し（Ｓ２００）、本処理を終了する。

また、車両の走行中に燃料電池２の発電が停止し、かつ、冷却水ポンプ４２の動作が停止した場合、Ｓ１００の判定はＹＥＳとなり、燃料電池２の出口から流出する冷媒の流量に対するラジエータ流路４６に流れる冷却水の流量の流量比を算出する（Ｓ３０２）。本実施形態では、燃料電池２の目標入口水温温度と、燃料電池２の出口冷却水温度と、ラジエータ４３の出口冷却水温度に基づいて流量比を算出する。ここで、燃料電池２の目標入口冷却水温度、燃料電池２の出口冷却水温度およびラジエータ４３の出口冷却水温度は、いずれも燃料電池２の出口における冷却水温度と入口における冷却水温度との差（出入口冷却水温度差）が予め定められた目標範囲から外れる前の各温度をＲＡＭから読み出して流量比を算出する。ここで、ＲＡＭから読み出される各温度（燃料電池２の目標入口水温温度、燃料電池２の出口冷却水温度およびラジエータ４３の出口冷却水温度）は、通常運転時に、燃料電池２の出入口冷却水温度差が一定となっていたときの最後の各温度と一致する。なお、流量比Ｑは、上記数式１により算出することができる。

このようにして、流量比Ｑを算出すると、図１のＳ１０４〜Ｓ１０６と同様の処理を実施し、本処理を終了する。

上記したように、制御部６は、通常運転時に、燃料電池２の出入口冷却水温度差が一定となっていたときの燃料電池２の目標入口冷媒温度、燃料電池２の出口冷媒温度およびラジエータ４３の出口冷媒温度を特定し、燃料電池２の目標入口冷媒温度、燃料電池２の出口冷媒温度およびラジエータ４３の出口冷媒温度に基づいて待機開度を特定することができる。

（第３実施形態）
次に、図７〜図１１を用いて、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、上記第１実施形態の燃料電池システム１と比較して構成および制御が異なる。本実施形態の燃料電池システム１の構成を図７に示す。本燃料電池システム１は、外気温を検出するための外気温センサ５０を備えている。また、本燃料電池システム１の制御部６には、外気温センサ５０の出力信号、車速を特定するための車速情報およびラジエータファンの電圧が入力されるようになっている。

このような燃料電池システム１では、冷却水ポンプ４２が動作を停止すると、時間の経過に伴ってラジエータ内水温が低下する。また、このラジエータ内水温低下量は、外気温、車速およびラジエータファンの動作状況によって変化する。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、外気温、車速およびラジエータファンの電圧に基づいてラジエータ内水温低下量を特定し、このラジエータ内水温低下量を用いてラジエータ４３の出口冷却水温度を補正する処理を行う。

図８に示すフローチャートは、図２に示したフローチャートと比較して、Ｓ１０４の後の処理が異なる。制御部６は、Ｓ１０２にて流量比を算出した後、Ｓ１０４にて待機開度を特定すると、次に、ラジエータ内水温低下量を推定する（Ｓ４００）。ラジエータ内水温低下量の推定は、以下の手順で行う。

まず、車速補正量マップを用いて車速による補正量を特定する。図９は、車速補正量マップを表したものである。低速の場合よりも高速の方が補正量の大きさは大きくなっている。また、冷却水ポンプ４２が動作を停止してからの時間（経過時間）が長くなるほど補正量の大きさは大きくなっている。ここで、冷却水ポンプ４２が動作を停止してからの時間（経過時間）ｔを特定し、この時間に対応する補正量を求める。

次に、外気温補正量マップを用いて外気温による補正量を特定する。図１０は、外気温補正量マップを表したものである。高温の場合よりも低温の場合の方が補正量の大きさは大きくなっている。また、冷却水ポンプ４２が動作を停止してからの時間（経過時間）が長くなるほど補正量の大きさは大きくなっている。ここで、冷却水ポンプ４２が動作を停止してからの時間（経過時間）ｔを特定し、この時間に対応する補正量を求める。

次に、ラジエータファン電圧補正量マップを用いてラジエータファンによる補正量を特定する。図１１は、ラジエータファン電圧補正量マップを表したものである。ラジエータファン電圧が低い場合よりも高い場合の方が補正量の大きさは大きくなっている。また、冷却水ポンプ４２が動作を停止してからの時間（経過時間）が長くなるほど補正量の大きさは大きくなっている。ここで、冷却水ポンプ４２が動作を停止してからの時間（経過時間）ｔを特定し、この時間に対応する補正量を求める。

ラジエータ内水温低下量は、車速補正量マップを用いて特定した補正量と、外気温補正量マップを用いて特定した補正量と、ラジエータファン電圧補正量マップを用いて特定した補正量の加算値の大きさとして推定することができる。

次に、ラジエータ内水温低下量を用いてラジエータ出口水温を補正する（Ｓ４０２）。具体的には、Ｓ１０２にて流量比の算出に用いたラジエータ出口温度にラジエータ内水温低下量を減算することによりラジエータ出口水温を補正する。

次に、流量比および待機開度を更新する（Ｓ４０４）。具体的には、Ｓ４０２で補正したラジエータ出口温度を用いて流量比および待機開度を特定する。なお、上記数式１を用いて流量比を特定し、流量比−待機開度マップを用いて待機開度を特定する。

次に、流量制御バルブ４５を待機開度に制御して（Ｓ４０６）、本処理を終了する。

上記したように、外気温、車速およびラジエータファン電圧を用いてラジエータ４３内の冷却水の温度低下量を推定し、ラジエータ内の冷却水の温度低下量に基づいてラジエータの出口冷却水温度を補正するので、流量制御バルブ４５の最適な待機開度の精度を向上することができる。

なお、本実施形態では、外気温、車速およびラジエータファンの電圧に基づいてラジエータ内水温低下量を特定し、このラジエータ内水温低下量を用いてラジエータ４３の出口冷却水温度を補正する処理を行うようにしたが、外気温、車速およびラジエータファンの電圧の少なくとも１つを用いてラジエータ内水温低下量を特定し、このラジエータ内水温低下量を用いてラジエータ４３の出口冷却水温度を補正する処理を行うようにしてもよい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１の構成を図１２に示す。第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２の出口における冷却水温度を検出する温度センサ４８を備えたが、本実施形態の燃料電池システム１は、温度センサ４８に代えて、燃料電池２の入口における冷却水温度を検出する温度センサ５１を備えている。

上記第１実施形態では、燃料電池２の出口冷却水温度と、ラジエータ４３の出口冷却水温度と、目標入口冷却水温度に基づいて流量比Ｑを算出するようにしたが、本実施形態では、燃料電池２の発熱量から燃料電池２の出入口冷却水温度差を特定し、燃料電池２の入口冷却水温度と出入口冷却水温度差の加算値をラジエータ４３の出口冷却水温度として流量比Ｑを算出する。

このように、燃料電池２の入口における冷却水温度を検出する温度センサ５１の検出値と燃料電池２の発熱量からラジエータ４３の出口冷却水温度を推定して流量比Ｑを算出することもできる。

（他の実施形態）
上記第１〜第４実施形態では、冷媒として冷却水を用いたが、冷却水以外の冷媒を用いてもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、流量比と待機開度との相関関係を表す流量比−待機開度マップに基づいて待機開度を特定したが、このような流量比待機開度マップを用いることなく、例えば、流量比と待機開度との相関関係を表す関数を用いて待機開度を特定してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、冷媒循環ポンプが停止しているときに絞り開度が全閉以外の待機開度となるように流量制御バルブを制御することで、燃料電池の発電停止から発電再開時に速やかに燃料電池の入口冷却水温度を目標温度に制御するようにしたが、冷媒循環ポンプが停止しているときに絞り開度が全閉以外の待機開度となるように流量制御バルブを制御することで、燃料電池の発電停止から発電再開時に速やかに燃料電池の出口冷却水温度を目標温度に制御するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

なお、上記実施形態における構成と特許請求の範囲の構成との対応関係について説明すると、Ｓ２００、Ｓ１０６、Ｓ４０６がバルブ制御手段に相当し、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ４０４が待機開度特定手段に相当し、Ｓ４００が温度低下量推定手段に相当し、Ｓ４０２が補正手段に相当する。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
６ 制御部
４１ 冷却水流路
４２ 冷却水ポンプ
４３ ラジエータ
４４ バイパス流路
４５ 流量制御バルブ
４６ ラジエータ流路

Claims (4)

1. 燃料電池（２）を冷却する冷媒が循環する冷媒流路（４１）と、
   前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ（４２）と、
   前記冷媒流路内の冷媒を冷却するラジエータ（４３）と、
   前記燃料電池より流出した冷媒を前記ラジエータへ導くラジエータ流路（４６）と、
   前記ラジエータを迂回させて冷媒を流すバイパス流路（４４）と、
   前記ラジエータ流路に流れる冷媒の流量と前記バイパス流路に流れる冷媒の流量を制御するものであって、絞り開度が全閉となったときに前記燃料電池から流出した冷媒の全てが前記バイパス流路に流れ、絞り開度が全閉以外となったときに冷媒が前記ラジエータ流路に流れるように制御する流量制御バルブ（４５）と、
   前記流量制御バルブを制御するバルブ制御手段（Ｓ２００、Ｓ１０６、Ｓ４０６）と、
   前記冷媒循環ポンプを停止させる前で、かつ、前記燃料電池の出入口冷媒温度差が０でないときの前記燃料電池の目標入口冷媒温度、前記燃料電池の出口冷媒温度および前記ラジエータの出口冷媒温度を特定し、前記燃料電池の目標入口冷媒温度、前記燃料電池の出口冷媒温度および前記ラジエータの出口冷媒温度に基づいて前記待機開度を特定する待機開度特定手段（Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ４０４）と、を備え、
   前記バルブ制御手段は、前記冷媒循環ポンプが停止しているときに前記絞り開度が全閉以外の待機開度となるように前記流量制御バルブを制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記待機開度特定手段は、前記燃料電池の目標入口冷却水温度をＴ_ｐ、前記燃料電池の目標入口冷却水温度Ｔ_ｐにおける冷媒定圧比熱をＣｐ_ｐ、前記燃料電池の出口冷媒温度をＴ_ｆｏ、前記燃料電池の出口冷媒温度Ｔ_ｆｏにおける冷媒定圧比熱をＣｐ_ｆｏ、前記ラジエータの出口冷媒温度をＴ_ｒｏ、前記ラジエータの出口冷媒温度Ｔ_ｒｏにおける冷媒定圧比熱をＣｐ_ｒｏとしたとき、前記燃料電池の出口から流出する冷媒の流量に対する前記ラジエータ流路に流れる冷媒の流量の流量比Ｑを、
   Ｑ＝（Ｃｐ_ｐ×Ｔ_ｐ−Ｃｐ_ｆｏ×Ｔ_fｏ）／（Ｃｐ_ｒｏ×Ｔ_rｏ−Ｃｐ_ｆｏ×Ｔ_fｏ）
   として算出し、該流量比と、前記流量比と前記待機開度の関係を表す流量比−待機開度マップに基づいて前記待機開度を特定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. 前記待機開度特定手段は、前記燃料電池の出入口冷却水温度差が目標範囲から外れる前の前記燃料電池の目標入口冷媒温度、前記燃料電池の出口冷媒温度および前記ラジエータの出口冷媒温度を特定し、前記燃料電池の目標入口冷媒温度、前記燃料電池の出口冷媒温度および前記ラジエータの出口冷媒温度に基づいて前記待機開度を特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. 外気温、車速および前記ラジエータのファン電圧の少なくとも１つを用いて前記ラジエータ内の冷媒の温度低下量を推定する温度低下量推定手段（Ｓ４００）と、
   前記温度低下量推定手段により推定された前記ラジエータ内の冷媒の温度低下量に基づいて前記ラジエータの出口冷媒温度を補正する補正手段（Ｓ４０２）と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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