JP7445401B2

JP7445401B2 - 燃料電池システムおよび制御装置

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Publication date: 2024-03-07
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Description

本発明は、燃料電池システムおよび制御装置に関する。

近年、燃料電池を種々の装置の電力源として利用する技術の開発が進められている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。そして、燃料電池セルにおいて、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、空気）が供給されることによって発電が行われる。

燃料電池システムでは、一般に、冷媒を用いて燃料電池の温度が制御される。例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路におけるラジエータより上流側と当該ラジエータより下流側とを接続するバイパス路を備える燃料電池システムがある。このような燃料電池システムでは、冷媒がバイパス路のみを流通する状態と冷媒がラジエータのみを流通する状態とを切り替えることができるようになっている。

特開２００５－０６３７４３号公報

ところで、上述したバイパス路を備える燃料電池システムに関する従来の技術では、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が過度に変動してしまう場合があった。例えば、従来の技術では、燃料電池の暖機の際に、冷媒がバイパス路のみを流通する状態にすることによって燃料電池の温度を上昇させ、燃料電池の温度が目標温度に到達した時点で、冷媒がバイパス路のみを流通する状態から冷媒がラジエータのみを流通する状態への切り替えが行われる。ゆえに、冷媒の流通経路が上記のように切り替えられることに伴って燃料電池に送られる冷媒の温度が急激に変化し、燃料電池の温度が大きく変動してしまう場合があった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池の暖機の際における燃料電池の温度の変動を抑制することが可能な燃料電池システムおよび制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、冷媒循環路に設けられるラジエータと、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、ラジエータを流通する冷媒と、バイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁と、制御弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始された後における流量割合の時間変化率を、燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、冷媒循環路に設けられるラジエータと、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、ラジエータを流通する冷媒と、バイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁と、制御弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始された後における流量割合の時間変化率を、燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、冷媒循環路に設けられるラジエータと、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、ラジエータを流通する冷媒と、バイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁と、制御弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始される時点を、燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、冷媒循環路に設けられるラジエータと、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、ラジエータを流通する冷媒と、バイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁と、制御弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始される時点を、燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる。

制御装置は、燃料電池の暖機の際に、ラジエータへの冷媒の供給が開始される時点より前において、冷媒がラジエータを流通せずにバイパス路を流通するように、制御弁の動作を制御してもよい。

上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する冷媒と、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始された後における流量割合の時間変化率を、燃料電池、冷媒循環路、ラジエータ、バイパス路、制御弁および制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる。
上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する冷媒と、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始された後における流量割合の時間変化率を、燃料電池、冷媒循環路、ラジエータ、バイパス路、制御弁および制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる。
上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する冷媒と、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始される時点を、燃料電池、冷媒循環路、ラジエータ、バイパス路、制御弁および制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる。
上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する冷媒と、冷媒循環路におけるラジエータより上流側とラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、燃料電池の暖機の際に、燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータへの冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池から排出される冷媒のうちラジエータを流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁の動作を制御し、ラジエータへの冷媒の供給が開始される時点を、燃料電池、冷媒循環路、ラジエータ、バイパス路、制御弁および制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる。

本発明によれば、燃料電池の暖機の際における燃料電池の温度の変動を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。比較例に係る燃料電池の暖機の際における電池温度および流量割合の推移の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る制御装置が行う燃料電池の暖機の際における冷媒の流れの制御に関する処理の一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて冷媒がラジエータを流通せずにバイパス路を流通する状態を示す模式図である。本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機の際のラジエータへの冷媒の供給が開始された後における燃料電池システム内の冷媒の流れを示す模式図である。本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機完了後における燃料電池システム内の冷媒の流れを示す模式図である。本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機の際における電池温度および流量割合の推移の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<燃料電池システムの構成>
図１および図２を参照して、本発明の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。

図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。なお、図１では、燃料電池システム１内の冷媒の流れが矢印により示されている。

なお、以下では、車両に搭載される燃料電池システム１について説明するが、本発明に係る燃料電池システムは、車両以外の他の装置に搭載されてもよく、例えば、船舶等の車両以外の移動体に搭載されてもよく、建物における発電システムとして利用される定置式のものであってもよい。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、例えば、燃料電池１０は車両の駆動用モータの電力源として利用され得る。

具体的には、燃料電池システム１は、図１に示されるように、燃料電池１０と、冷媒循環路２０と、ラジエータ３０と、バイパス路４０と、制御弁５０と、ポンプ６０と、第１温度センサ７１と、第２温度センサ７２と、風量センサ７３と、制御装置１００とを備える。なお、以下では、燃料電池システム１が車両のエンジンルームに収容される例を説明するが、車両において燃料電池システム１が収容される空間は、特に限定されず、例えば、車室の下方の空間等に収容されていてもよい。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素ガス）と酸化ガス（具体的には、空気）とを反応させることにより発電する電池である。具体的には、燃料電池１０は、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、各燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。燃料電池１０は、水素タンク（図示省略）と接続されており、水素タンクには、例えば、燃料電池１０に供給される高圧水素が充填されている。そして、モータポンプ（図示省略）等により水素タンクから燃料電池１０へ水素ガスが供給されるようになっている。また、燃料電池１０には、コンプレッサ（図示省略）等により空気が供給される。燃料電池１０への水素ガスおよび空気の供給量が制御されることによって、水素ガスと空気との反応量すなわち発電量が変化し、燃料電池１０の出力が制御される。

冷媒循環路２０は、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、冷却水、フロンまたはアルコール等）が循環する流路である。燃料電池１０は、冷媒循環路２０と接続されており、冷媒循環路２０を循環する冷媒が燃料電池１０内に形成されている流路を流通するようになっている。それにより、冷媒と燃料電池１０との間で熱交換が行われることによって燃料電池１０が冷却される。

冷媒循環路２０には、ラジエータ３０およびポンプ６０が設けられており、冷媒循環路２０を循環する冷媒がラジエータ３０およびポンプ６０を流通するようになっている。冷媒循環路２０内の冷媒は、ポンプ６０により送出されることによって流動するようになっている。ポンプ６０は、具体的には、冷媒循環路２０における燃料電池１０より下流側に設けられており、燃料電池１０から排出される冷媒を当該ポンプ６０よりも下流側に向けて送出する。ラジエータ３０は、冷媒循環路２０を流通する冷媒の熱を放熱することによって冷媒を冷却する。例えば、ラジエータ３０には、走行風が当たるようになっており、ラジエータ３０の周囲に送られる外気とラジエータ３０との間で熱交換が行われる。ラジエータ３０は、具体的には、冷媒循環路２０におけるポンプ６０よりも下流側に設けられており、ラジエータ３０には、ポンプ６０から送出された冷媒が送られる。

バイパス路４０は、冷媒循環路２０におけるラジエータ３０より上流側とラジエータ３０より下流側とを接続する。具体的には、バイパス路４０の上流側端部は、冷媒循環路２０におけるラジエータ３０より上流側、かつ、ポンプ６０より下流側の部分と接続されている。つまり、バイパス路４０は、冷媒循環路２０におけるポンプ６０より下流側からラジエータ３０を迂回して設けられている。

制御弁５０は、ラジエータ３０を流通する冷媒と、バイパス路４０を流通する冷媒との流量比を調整する。具体的には、制御弁５０は、バイパス路４０の上流側端部と冷媒循環路２０との接続部分に設けられる三方弁である。制御弁５０は、燃料電池１０から排出される冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態と、燃料電池１０から排出される冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態と、燃料電池１０から排出される冷媒がラジエータ３０およびバイパス路４０の双方を流通する状態とを切り替える機能を有する。

第１温度センサ７１は、冷媒循環路２０における燃料電池１０よりも下流側の冷媒の温度を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。具体的には、第１温度センサ７１は、燃料電池１０内の冷媒の流路の下流側端部（つまり、出口）の近傍に設けられ、設置箇所における冷媒の温度を検出する。制御装置１００が行う後述する処理では、第１温度センサ７１により検出される冷媒の温度は、燃料電池１０の温度である電池温度に相当する値として利用される。

第２温度センサ７２は、燃料電池システム１が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）の温度（つまり、当該空間内の気温）を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。第２温度センサ７２の検出結果は、後述するように、制御装置１００が行う燃料電池１０の暖機の際における冷媒の流れの制御に利用される。エンジンルーム内の既存の温度センサとは別に第２温度センサ７２を設けることにより、エンジンルーム内の気温の検出精度を向上させることができるので、上記制御を適正化することができる。

風量センサ７３は、燃料電池システム１が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）内の風量を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。風量センサ７３の検出結果は、後述するように、制御装置１００が行う燃料電池１０の暖機の際における冷媒の流れの制御に利用される。風量センサ７３を設けることにより、例えば、車速センサの検出結果を利用したエンジンルーム内の風量の推定が困難となる停車時や低速走行時等であっても、エンジンルーム内の風量の検出精度を向上させることができるので、上記制御を適正化することができる。

制御装置１００は、燃料電池システム１における各装置の動作を制御する。

例えば、制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）およびＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等を含む。

具体的には、制御装置１００は、制御弁５０およびポンプ６０の動作を制御することによって、燃料電池システム１における冷媒の流れを制御する。詳細には、制御装置１００は、制御弁５０の動作を制御することによって、ラジエータ３０を流通する冷媒と、バイパス路４０を流通する冷媒との流量比を制御する。また、制御装置１００は、ポンプ６０の動作を制御することによって、ポンプ６０により送出される冷媒の流量（つまり、燃料電池１０を流通する冷媒の流量）を制御する。例えば、制御装置１００は、車両のイグニッションスイッチがＯＮになったときにポンプ６０を駆動させ、当該イグニッションスイッチがＯＦＦになったときにポンプ６０を停止させる。

また、制御装置１００は、第１温度センサ７１、第２温度センサ７２および風量センサ７３の各センサと通信することによって、当該各センサから出力される情報を取得する。このように得られる情報は、燃料電池システム１における冷媒の流れの制御に関する処理に利用される。

制御装置１００は、上述したように、燃料電池システム１に搭載される各装置と通信を行う。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。

なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により少なくとも部分的に分割されてもよく、複数の機能が１つの制御装置によって実現されてもよい。制御装置１００が有する機能が複数の制御装置により少なくとも部分的に分割される場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

燃料電池システム１では、例えば、車両の駆動要求が生じた場合（例えば、アクセルが踏み込まれた場合）に、燃料電池１０による発電が行われる。ここで、燃料電池１０を発電可能な状態にするためには、燃料電池１０を暖機する必要がある。具体的には、燃料電池１０の暖機では、燃料電池１０の温度を目標温度まで上昇させることが行われる。目標温度は、燃料電池１０の発電効率を効果的に向上させ得る温度に設定され、燃料電池１０の仕様に応じて異なり得る。なお、目標温度は、燃料電池１０の目標出力に応じて変化し得る。

燃料電池１０の暖機の際には、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態（つまり、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態）にすることによって、燃料電池１０に送られる冷媒の温度の低下を抑制することができるので、燃料電池１０の温度を上昇させることができる。ここで、従来の技術では、上述したように、燃料電池１０の温度が目標温度に到達した時点で、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態から冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態への切り替えが行われることに伴って、燃料電池１０に送られる冷媒の温度が急激に変化し、燃料電池１０の温度が大きく変動してしまう場合があった。

図２は、比較例に係る燃料電池１０の暖機の際における電池温度および流量割合の推移の一例を示す図である。なお、図２で示されている流量割合は、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合である。流量割合が０の場合は、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態に相当し、流量割合が１の場合は、冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態に相当する。

比較例では、本実施形態と異なり、燃料電池１０の暖機の際に、燃料電池１０の温度が目標温度Ｔ_０に到達した時点で、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態から冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態への切り替えが行われる。

図２に示される例では、時刻ｔ９１において、燃料電池１０の暖機が開始され、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態となる（つまり、ラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が０となる）。それにより、時刻ｔ９１以後、燃料電池１０に送られる冷媒の温度の上昇に伴い、電池温度が上昇する。その後、時刻ｔ９２において、電池温度が目標温度Ｔ_０に到達したことをトリガとして、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態から冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態への切り替えが行われる（つまり、ラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が０から１に切り替わる）。

比較例では、時刻ｔ９２において、上記のように、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態から冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態への切り替えが行われることに伴って、燃料電池１０に送られる冷媒の温度が急激に変化する。それにより、図２に示されるように、時刻ｔ９２以後において、電池温度が目標温度Ｔ_０を超え、その後、大きく低下する挙動が生じてしまう。

上記のように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、ラジエータ３０を流通する冷媒と、バイパス路４０を流通する冷媒との流量比を調整する制御弁５０の動作を制御する。ここで、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、燃料電池１０の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータ３０への冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁５０の動作を制御する。それにより、燃料電池１０の暖機の際における燃料電池１０の温度の変動を抑制することが実現される。このような、制御装置１００により行われる燃料電池１０の暖機の際における冷媒の流れの制御に関する処理の詳細については、後述する。

<燃料電池システムの動作>
続いて、図３～図７を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

図３は、制御装置１００が行う燃料電池１０の暖機の際における冷媒の流れの制御に関する処理の一例を示すフローチャートである。図３に示される制御フローは、具体的には、燃料電池１０を発電可能な状態にするために当該燃料電池１０を暖機する際に実行される。なお、図７は、図３に示される制御フローが実行された場合の燃料電池１０の暖機の際における電池温度および流量割合の推移の一例を示す図であり、図７の詳細については、後述する。

図３に示される制御フローが開始されると、まず、ステップＳ５０１において、制御装置１００は、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する（つまり、バイパス路４０のみを流通する）ように、制御弁５０の動作を制御する。

図４は、燃料電池システム１において冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態を示す模式図である。

ステップＳ５０１において、制御装置１００は、具体的には、図４に示されるように、燃料電池１０から排出されて制御弁５０に送られる冷媒がラジエータ３０には送られずにバイパス路４０を通って燃料電池１０に戻る流れＦ１０が生じるように、制御弁５０の動作を制御する。それにより、燃料電池１０に送られる冷媒の温度の低下を抑制することができるので、燃料電池１０の温度を適切に上昇させることができる。

次に、ステップＳ５０２において、制御装置１００は、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態を維持した場合に電池温度（つまり、燃料電池１０の温度）が目標温度（図７における目標温度Ｔ_０に対応）に到達する時点である到達予測時刻（図７における時刻ｔ１３に対応）を予測する。

例えば、制御装置１００は、まず、ステップＳ５０１で冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態になった後における電池温度の推移に基づいて、電池温度の時間変化率（図７における直線Ｌ１の傾きに対応）を特定する。そして、特定された電池温度の時間変化率に基づいて、到達予測時刻を予測する。なお、電池温度としては、例えば、第１温度センサ７１により検出される冷媒の温度を利用することができる。

次に、ステップＳ５０３において、制御装置１００は、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点である供給開始時刻（図７における時刻ｔ１２に対応）を到達予測時刻に応じて決定する。供給開始時刻は、到達予測時刻よりも前の時刻に決定される。

例えば、制御装置１００は、ステップＳ５０２で予測された到達予測時刻（つまり、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態を維持した場合に電池温度が目標温度に到達する時点）に対して設定時間前の時点を供給開始時刻として決定する。

ここで、供給開始時刻が到達予測時刻に対して過度に早い場合、電池温度が目標温度まで上昇しきらない状況が生じるおそれがある。一方、供給開始時刻が到達予測時刻に対して過度に遅い場合、電池温度が目標温度を超えてしまう状況が生じるおそれがある。ゆえに、設定時間は、これらの状況を回避し得るような時間に設定されることが好ましい。

上記の各状況を適切に回避する観点では、制御装置１００は、供給開始時刻を、燃料電池システム１が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）の温度に応じて変化させることが好ましい。例えば、制御装置１００は、エンジンルーム内の気温が低いほど、供給開始時刻を遅くする（つまり、エンジンルーム内の気温が高いほど、供給開始時刻を早くする）。エンジンルーム内の気温が低いほど燃料電池システム１内の冷媒からエンジンルーム内の空気への放熱が促進されるので、電池温度が上昇しにくくなる。ゆえに、エンジンルーム内の気温が低いほど供給開始時刻を遅くすることにより、供給開始時刻を適正化することができる。

また、同様の観点では、制御装置１００は、供給開始時刻を、燃料電池システム１が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）内の風量に応じて変化させることが好ましい。例えば、制御装置１００は、エンジンルーム内の風量が大きいほど、供給開始時刻を遅くする（つまり、エンジンルーム内の風量が小さいほど、供給開始時刻を早くする）。エンジンルーム内の風量が大きいほど燃料電池システム１内の冷媒からエンジンルーム内の空気への放熱が促進されるので、電池温度が上昇しにくくなる。ゆえに、エンジンルーム内の風量が大きいほど供給開始時刻を遅くすることにより、供給開始時刻を適正化することができる。

次に、ステップＳ５０４において、制御装置１００は、現時刻が供給開始時刻に到達したか否かを判定する。現時刻が供給開始時刻に到達したと判定された場合（ステップＳ５０４／ＹＥＳ）、ステップＳ５０５に進む。一方、現時刻が供給開始時刻に到達していないと判定された場合（ステップＳ５０４／ＮＯ）、ステップＳ５０４の判定処理が繰り返される。

ステップＳ５０４でＹＥＳと判定された場合、ステップＳ５０５において、制御装置１００は、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始されるように、制御弁５０の動作を制御する。

図５は、燃料電池１０の暖機の際のラジエータ３０への冷媒の供給が開始された後における燃料電池システム１内の冷媒の流れを示す模式図である。

ステップＳ５０５において、制御装置１００は、具体的には、図５に示されるように、燃料電池１０から排出されて制御弁５０に送られる冷媒がバイパス路４０を通って燃料電池１０に戻る流れＦ２１に加えて、当該冷媒がラジエータ３０を通って燃料電池１０に戻る流れＦ２２が生じるように、制御弁５０の動作を制御する。それにより、冷媒の一部をラジエータ３０により冷却することができるので、燃料電池１０に送られる冷媒の温度上昇を抑制することができる。

上記のように、図３に示される制御フローでは、到達予測時刻よりも前の時刻である供給開始時刻において、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される。このように、燃料電池１０の暖機の際に、電池温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータ３０への冷媒の供給が開始され、その後、後述するように、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大する。それにより、電池温度が目標温度に到達した時点で、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態から冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態への切り替えが行われることを回避しつつ燃料電池１０を暖機することができる。ゆえに、燃料電池１０の暖機の際に、燃料電池１０に送られる冷媒の温度が急激に変化することに起因して電池温度が大きく変動してしまうことを抑制することができる。

次に、ステップＳ５０６において、制御装置１００は、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁５０の動作を制御し、図３に示される制御フローは終了する。

ステップＳ５０６において、制御装置１００は、具体的には、図５に示される流れＦ２１の冷媒の流量が徐々に低下し、一方で流れＦ２２の冷媒の流量が徐々に増大するように、制御弁５０の動作を制御する。それにより、燃料電池１０に送られる冷媒のうち、ラジエータ３０を通ることにより冷却される冷媒の流量の割合を徐々に増大させることができる。なお、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合の増大は、冷媒がバイパス路４０を流通せずにラジエータ３０を流通する状態（つまり、流量割合が１となる状態）になった際に終了する。

ここで、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始された後におけるラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合の時間変化率が過度に大きい場合、電池温度が目標温度まで上昇しきらない状況が生じるおそれがある。一方、上記流量割合の時間変化率が過度に小さい場合、電池温度が目標温度を超えてしまう状況が生じるおそれがある。

上記の各状況を適切に回避する観点では、制御装置１００は、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始された後におけるラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合の時間変化率を、燃料電池システム１が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）の温度に応じて変化させることが好ましい。例えば、制御装置１００は、エンジンルーム内の気温が低いほど、上記流量割合の時間変化率を小さくする（つまり、エンジンルーム内の気温が高いほど、上記流量割合の時間変化率を大きくする）。エンジンルーム内の気温が低いほど燃料電池システム１内の冷媒からエンジンルーム内の空気への放熱が促進されるので、電池温度が上昇しにくくなる。ゆえに、エンジンルーム内の気温が低いほど上記流量割合の時間変化率を小さくすることにより、上記流量割合の時間変化率を適正化することができる。

また、同様の観点では、制御装置１００は、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始された後におけるラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合の時間変化率を、燃料電池システム１が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）内の風量に応じて変化させることが好ましい。例えば、制御装置１００は、エンジンルーム内の風量が大きいほど、上記流量割合の時間変化率を小さくする（つまり、エンジンルーム内の風量が小さいほど、上記流量割合の時間変化率を大きくする）。エンジンルーム内の風量が大きいほど燃料電池システム１内の冷媒からエンジンルーム内の空気への放熱が促進されるので、電池温度が上昇しにくくなる。ゆえに、エンジンルーム内の風量が大きいほど上記流量割合の時間変化率を小さくすることにより、上記流量割合の時間変化率を適正化することができる。

ラジエータ３０により冷媒を冷却する能力は、例えば、冷媒がバイパス路４０を流通せずにラジエータ３０を流通する（つまり、ラジエータ３０のみを流通する）状態において燃料電池１０の温度が目標温度に維持されるように設定される。ゆえに、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大した結果として、冷媒がバイパス路４０を流通せずにラジエータ３０を流通する状態となった際に、燃料電池１０の温度は目標温度に到達して燃料電池１０の暖機が完了する。

図６は、燃料電池１０の暖機完了後における燃料電池システム１内の冷媒の流れを示す模式図である。

燃料電池１０の暖機完了後において、制御装置１００は、例えば、冷媒がバイパス路４０を流通せずにラジエータ３０を流通する状態が維持されるように、制御弁５０の動作を制御する。具体的には、制御装置１００は、図６に示されるように、燃料電池１０から排出されて制御弁５０に送られる冷媒がバイパス路４０には送られずにラジエータ３０を通って燃料電池１０に戻る流れＦ３０が生じるように、制御弁５０の動作を制御する。それにより、燃料電池１０の温度が目標温度に維持される。

ここで、図７を参照して、本実施形態に係る燃料電池１０の暖機の際における電池温度および流量割合の推移について説明する。なお、図２と同様に、図７で示されている流量割合は、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合である。流量割合が０の場合は、冷媒がバイパス路４０のみを流通する状態に相当し、流量割合が１の場合は、冷媒がラジエータ３０のみを流通する状態に相当する。

図７は、本実施形態に係る燃料電池１０の暖機の際における電池温度および流量割合の推移の一例を示す図である。

本実施形態では、上述したように、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、電池温度が目標温度Ｔ_０に到達するより前の時点でラジエータ３０への冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁５０の動作を制御する。

図７に示される例では、時刻ｔ１１において、燃料電池１０の暖機が開始され、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通する状態となる（つまり、ラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が０となる）。それにより、時刻ｔ１１以後、燃料電池１０に送られる冷媒の温度の上昇に伴い、電池温度が上昇する。

ここで、制御装置１００は、例えば、時刻ｔ１１以後において電池温度が一定の時間変化率で上昇した場合（つまり、図７における直線Ｌ１に沿って上昇した場合）に電池温度が目標温度Ｔ_０に到達する時刻ｔ１３を到達予測時刻として予測する。そして、制御装置１００は、時刻ｔ１３に対して設定時間前の時刻ｔ１２を供給開始時刻（つまり、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点）として決定する。

ゆえに、電池温度が目標温度Ｔ_０に到達するより前の時刻ｔ１２において、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される。そして、時刻ｔ１２以後、ラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が徐々に増大し、時刻ｔ１４において、冷媒がバイパス路４０を流通せずにラジエータ３０を流通する状態となり（つまり、ラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が１となり）、燃料電池１０の温度が目標温度Ｔ_０に到達して燃料電池１０の暖機が完了する。

本実施形態では、比較例と異なり、電池温度が目標温度Ｔ_０に到達するより前の時刻ｔ１２において、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始され、時刻ｔ１２以後、ラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大する。それにより、燃料電池１０に送られる冷媒の温度が急激に変化することを抑制しつつ燃料電池１０を暖機することができるので、比較例と異なり、電池温度が目標温度Ｔ_０を超え、その後、大きく低下する挙動が生じてしまうことを抑制することができる。

<燃料電池システムの効果>
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、燃料電池１０の温度が目標温度に到達するより前の時点でラジエータ３０への冷媒の供給が開始され、その後、燃料電池１０から排出される冷媒のうちラジエータ３０を流通する冷媒の流量割合が増大するように、制御弁５０の動作を制御する。それにより、燃料電池１０の暖機の際に、燃料電池１０に送られる冷媒の温度が急激に変化することを抑制することができる。ゆえに、燃料電池１０の暖機の際における燃料電池１０の温度の変動を抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点より前において、冷媒がラジエータ３０を流通せずにバイパス路４０を流通するように、制御弁５０の動作を制御することが好ましい。それにより、燃料電池１０に送られる冷媒の温度の低下を抑制することができるので、燃料電池１０の温度を適切に上昇させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始された後における上記流量割合の時間変化率を、燃料電池システム１が収容される空間の温度に応じて変化させることが好ましい。それにより、上記流量割合の時間変化率を、燃料電池システム１が収容される空間の温度に応じて適正化することができるので、燃料電池１０の温度が目標温度まで上昇しきらない状況や燃料電池１０の温度が目標温度を超えてしまう状況が生じることを適切に回避することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始された後における上記流量割合の時間変化率を、燃料電池システム１が収容される空間内の風量に応じて変化させることが好ましい。それにより、上記流量割合の時間変化率を、燃料電池システム１が収容される空間内の風量に応じて適正化することができるので、燃料電池１０の温度が目標温度まで上昇しきらない状況や燃料電池１０の温度が目標温度を超えてしまう状況が生じることを適切に回避することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点（つまり、供給開始時刻）を、燃料電池システム１が収容される空間の温度に応じて変化させることが好ましい。それにより、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点を、燃料電池システム１が収容される空間の温度に応じて適正化することができるので、燃料電池１０の温度が目標温度まで上昇しきらない状況や燃料電池１０の温度が目標温度を超えてしまう状況が生じることを適切に回避することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の暖機の際に、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点（つまり、供給開始時刻）を、燃料電池システム１が収容される空間内の風量に応じて変化させることが好ましい。それにより、ラジエータ３０への冷媒の供給が開始される時点を、燃料電池システム１が収容される空間内の風量に応じて適正化することができるので、燃料電池１０の温度が目標温度まで上昇しきらない状況や燃料電池１０の温度が目標温度を超えてしまう状況が生じることを適切に回避することができる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、図１を参照して、燃料電池システム１の構成について説明したが、本発明に係る燃料電池システムの構成は、このような例に限定されず、例えば、図１に示される燃料電池システム１に対して一部の構成要素の削除、追加または変更を加えたものであってもよい。

また、例えば、上記では、制御弁５０がバイパス路４０の上流側端部と冷媒循環路２０との接続部分に設けられる三方弁である例を説明したが、制御弁５０は、ラジエータ３０を流通する冷媒と、バイパス路４０を流通する冷媒との流量比を調整する機能を有していればよく、互いに異なる位置に別々に設けられた複数の弁であってもよい。

また、例えば、上記では、燃料電池システム１が収容される空間内の風量を検出する風量センサ７３が用いられる例を説明したが、風量センサ７３に換えて他のセンサを用いて当該空間内の風量が取得されてもよい。例えば、当該空間内の風量が走行風の風速に相関する場合、車速センサの検出結果を走行風の風速として用いることによって、当該空間内の風量が取得されてもよい。

また、例えば、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

本発明は、燃料電池システムおよび制御装置に利用できる。

１燃料電池システム
１０燃料電池
２０冷媒循環路
３０ラジエータ
４０バイパス路
５０制御弁
６０ポンプ
７１第１温度センサ
７２第２温度センサ
７３風量センサ
１００制御装置

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられるラジエータと、
前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、
前記ラジエータを流通する前記冷媒と、前記バイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁と、
前記制御弁の動作を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始された後における前記流量割合の時間変化率を、前記燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる、
燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられるラジエータと、
前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、
前記ラジエータを流通する前記冷媒と、前記バイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁と、
前記制御弁の動作を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始された後における前記流量割合の時間変化率を、前記燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる、
燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられるラジエータと、
前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、
前記ラジエータを流通する前記冷媒と、前記バイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁と、
前記制御弁の動作を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始される時点を、前記燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる、
燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられるラジエータと、
前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路と、
前記ラジエータを流通する前記冷媒と、前記バイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁と、
前記制御弁の動作を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始される時点を、前記燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる、
燃料電池システム。
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機の際に、前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始される時点より前において、前記冷媒が前記ラジエータを流通せずに前記バイパス路を流通するように、前記制御弁の動作を制御する、
請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する前記冷媒と、前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、
前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始された後における前記流量割合の時間変化率を、前記燃料電池、前記冷媒循環路、前記ラジエータ、前記バイパス路、前記制御弁および前記制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる、
制御装置。
燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する前記冷媒と、前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、
前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始された後における前記流量割合の時間変化率を、前記燃料電池、前記冷媒循環路、前記ラジエータ、前記バイパス路、前記制御弁および前記制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる、
制御装置。
燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する前記冷媒と、前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、
前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始される時点を、前記燃料電池、前記冷媒循環路、前記ラジエータ、前記バイパス路、前記制御弁および前記制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間の温度に応じて変化させる、
制御装置。
燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路に設けられるラジエータを流通する前記冷媒と、前記冷媒循環路における前記ラジエータより上流側と前記ラジエータより下流側とを接続するバイパス路を流通する前記冷媒との流量比を調整する制御弁の動作を制御する制御装置であって、
前記燃料電池の暖機の際に、
前記燃料電池の温度が目標温度に到達するより前の時点で前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始され、その後、前記燃料電池から排出される前記冷媒のうち前記ラジエータを流通する前記冷媒の流量割合が増大するように、前記制御弁の動作を制御し、
前記ラジエータへの前記冷媒の供給が開始される時点を、前記燃料電池、前記冷媒循環路、前記ラジエータ、前記バイパス路、前記制御弁および前記制御装置を備える燃料電池システムが収容される空間内の風量に応じて変化させる、
制御装置。