WO2007119688A1 - 燃料電池用の温度制御システム - Google Patents

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Kota Manabe
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a temperature control system for a fuel cell.
  • Fuel cell systems that generate electricity using an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen are known. Since such fuel cells are highly efficient and clean power generation means, they are highly expected as driving power sources for motorcycles and automobiles.
  • fuel cells have poor startability compared to other power sources, and in particular, when starting in a low-temperature environment, cell voltage variation occurs between the end and center of the fuel cell.
  • end plates are provided at both ends of a fuel cell in which multiple cells are stacked (see Fig. 9).
  • the fuel cell 1 is warmed up by effectively using the self-heating generated by power generation, but the heat capacity of the end plate 3 is larger than that of the cell 2; You will be robbed by Plate 3.
  • the cell voltage variation occurs.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 4-1 5 2 0 5 2 Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a temperature control system capable of suppressing cell voltage fluctuation even when starting in a low temperature environment.
  • a temperature control system for a fuel cell is a temperature control system that controls the temperature of the fuel cell by circulating a heat medium to the fuel cell, and is operated at a low temperature.
  • it is characterized by comprising a flow control means for flowing a heat medium having a flow rate larger than the flow rate during normal operation to the fuel cell.
  • low temperature means, for example, a temperature lower than normal temperature, near zero or below freezing point
  • larger flow than normal means not only absolute flow but also flow velocity and pressure.
  • the flow control means when starting the system, it further includes a determination unit that detects a temperature related to the fuel cell and determines whether to start at a low temperature or to start normally based on a detection result.
  • the flow control means is preferably configured to flow a heat medium having a flow rate larger than the flow rate at the normal start to the fuel cell when starting at a low temperature.
  • a configuration in which a heater for heating the end of the fuel cell during the low temperature operation or a heater for heating the heat medium during the low temperature operation is provided is preferable. (See Figures 6-8). Further, the flow rate of the heat medium circulated during the low temperature operation may be a maximum flow rate allowed by the system.
  • the cell voltage variation can be suppressed even when starting in a low temperature environment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of the fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a view showing a temperature distribution of the fuel cell according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence of the IV characteristics of the fuel cell according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a time-series plot of the cell voltage at each temperature according to the same embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the operation at the time of starting the system according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an installation example of a heater according to a modification.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an installation example of a heater according to a modified example.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an installation example of a heater according to a modification.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the fuel cell. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a fuel cell system 100 according to the present embodiment.
  • a fuel cell system mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle (FCHV), an electric vehicle, or a hybrid vehicle is assumed.
  • FCHV fuel cell vehicle
  • FCHV fuel cell vehicle
  • Electric vehicle electric vehicle
  • hybrid vehicle a vehicle that can also be applied to various mobile objects (for example, ships, airplanes, mouth pots, etc.) and stationary power sources.
  • the fuel cell 40 is a means for generating electric power from the supplied reaction gas (fuel gas and oxidant gas), and is a plurality of single cells 40 0—k (with ME A (membrane electrode assembly) etc. 1 ⁇ k ⁇ n) is stacked in series.
  • various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type, and a molten carbonate type can be used.
  • the fuel gas supply source 30 is means for supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the fuel cell 40, and is constituted by, for example, a high-pressure hydrogen tank, a hydrogen storage tank, or the like.
  • the fuel gas supply path 21 is a gas flow path for guiding the fuel gas discharged from the fuel gas supply source 30 to the anode electrode of the fuel cell 40.
  • the gas flow path includes tank pulp from upstream to downstream. Valves such as H1, hydrogen supply valve H2, and FC inlet valve H3 are provided. Tank valve H I, hydrogen supply valve
  • the H 2 and F C inlet valves H 3 are short valves for supplying (or shutting off) the fuel gas to the fuel gas supply path 21 and the fuel cell 40, and are constituted by, for example, electromagnetic valves.
  • the air compressor 60 supplies oxygen (oxidizing gas) taken from outside air via an air filter (not shown) to the power sword electrode of the fuel cell 40.
  • Cathode off-gas is discharged from the 40 cathode.
  • the cathode offgas includes oxygen offgas after being subjected to the cell reaction of the fuel cell 40.
  • This cathode off gas contains moisture generated by the cell reaction of the fuel cell 40 and is in a highly moist state.
  • the humidifying module 70 exchanges moisture between the low-humidity oxidation gas flowing through the oxidant gas supply channel 1 1 and the high-humidity power sword-off gas flowing through the force sword-off gas flow channel 1 2, and the fuel cell. 4 Moisten the oxidizing gas supplied to 0 moderately
  • the back pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 40 is regulated by a pressure regulating valve A 1 disposed in the vicinity of the force sword outlet of the force sword off gas passage 12. A part of the DC power generated by the fuel cell 40 is stepped down by the DC ZDC converter 13 0 and charged to the battery 14 0.
  • the battery 140 is a chargeable / dischargeable secondary battery, and is composed of various types of secondary batteries (for example, a nickel metal hydride battery).
  • secondary batteries for example, a nickel metal hydride battery.
  • a chargeable / dischargeable capacitor other than the secondary battery, for example, a capacitor may be used.
  • Traction inverter 1 1 0 and auxiliary machine inverter 1 2 0 are PWM inverters with a pulse width modulation method, and direct current power output from fuel cell 40 or battery 1 4 0 according to a given control command. It is converted into three-phase AC power and supplied to the traction motor M3 and auxiliary motor M4.
  • the traction motor M3 is a motor for driving the wheels 1550 L and 1550R
  • the auxiliary motor M4 is a motor for driving various catchers.
  • the catcher motor M 4 is a generic term for a motor M 2 that drives an air compressor 60, a motor M l that drives a cooling water pump 220, and the like.
  • the cooling system 20 0 circulates antifreeze coolant (heat medium), etc., to the fuel cell 40 to control the temperature of each cell 400 —k, and circulates the cooling water to the fuel cell 40.
  • the ratio of the flow rate of the cooling water that passes through the radiator 2 30 and the bypass flow rate of the cooling water that bypasses the radiator 2 3 0 becomes a desired value by adjusting the opening of the rotary valve 2 5 0.
  • the control device 160 is composed of a CPU, ROM, RAM, and the like, and centrally controls each part of the system based on each sensor signal input. Specifically, the accelerator pedal sensor s 1 that detects the accelerator pedal opening, the SOC sensor s 2 that detects the state of charge (SOC) s 2 of the battery 14 0, and the number of revolutions of the traction motor M 3 are detected.
  • control device (distribution control means) 1 60 adjusts the flow rate of the cooling water flowing through the cooling water circulation path 2 1 0 based on the temperature of the fuel cell 40 at the time of system startup detected by the temperature sensor s 6. (Details will be described later).
  • Figure 2 shows the temperature distribution of the fuel cell.
  • the temperature gradient of the cell during cold start is indicated by a solid line, and the temperature gradient of the cell during normal operation after completion of warm-up is indicated by a broken line.
  • Fig. 3 shows the temperature dependence of the current-voltage characteristics (hereinafter referred to as IV characteristics) of the fuel cell. IV at 60 ° C, 40 ° C, 20 ° C, and 10 ° C properties as shown in c Figure 3 showing, respectively, the IV characteristic of the fuel cell 4 0 has temperature dependence, IV characteristic is deteriorated as the temperature is low.
  • Figure 4 shows a time-series plot of the cell voltage at each temperature when the current It flows. As shown in Figure 4, the lower the temperature (the worse the IV characteristics), the lower the cell voltage. As an extreme example, Figure 3 and Figure 4 — Shows IV characteristics and cell voltage at 10 ° C. If a cell with such characteristics is present in the fuel cell 40, the cell voltage will be at the opposite potential, current limit or system shutdown, etc. Treatment is required. In view of such circumstances, in the present embodiment, the cell voltage variation is suppressed by suppressing the inter-cell temperature variation at the time of cold start. Hereinafter, a specific method for suppressing the temperature variation between cells will be described.
  • FIG. 5 is a diagram showing processing executed by the control device 160 when the system is started.
  • the control device 1 60 When the control device 1 60 receives a system start command from the operation unit by turning on the ignition key or the like, the control device 1 60 knows the temperature T s of the fuel cell 40 detected by the temperature sensor s 6 (step S 1 ) Instead of using the temperature T s of the fuel cell 40, the outside air temperature or the temperature of the cooling water (temperature related to the fuel cell) may be used.
  • the control device (determination means) 160 determines whether to start at a low temperature or to start normally based on the detection result of the temperature T s of the fuel cell 40. More specifically, when the temperature T s of the fuel cell 40 at the time of starting the system exceeds a preset reference temperature T th (step S 2; NO), the control device 160 has a step S 6. If the temperature T s of the fuel cell 40 at the time of starting the system is equal to or lower than the preset reference temperature T th (step S 2; YES), it is necessary to start at a low temperature. Judge and go to step S3.
  • the reference temperature T th for example, a temperature lower than normal temperature, near zero degrees, or below freezing point can be mentioned, but it is arbitrary which temperature is set.
  • the control device 160 refers to the low temperature start water flow control map MP stored in the memory and adjusts the flow rate of the cooling water to be circulated through the cooling system.
  • this low temperature start water flow control map MP the flow rate of cooling water and the number of rotations of the cooling pump 220 are registered in association with each other.
  • the water flow rate W l in this case is set to a value larger than the water flow rate Wh «W 1) at normal startup.
  • the maximum water flow allowed by the system may be set as the water flow during cold start, but any value can be used as long as the water flow can suppress the temperature fluctuation between cells. Of course, not only the flow rate but also the flow rate and pressure may be controlled.
  • the amount of water flow is not limited to a fixed value, and may be appropriately changed according to the temperature, output voltage, etc. of the fuel cell 40.
  • the control device 1 60 starts cooling water flow control using the flow control map MP 1 for cold start, it effectively starts self-heating due to power generation and starts warming up the fuel cell 40 (Step S4).
  • the fuel cell 40 is efficiently warmed up by operating the fuel cell 40 in a deficient state of oxidizing gas (low efficiency operation).
  • the control device 1600 proceeds to step S5, it grasps the temperature Ts of the fuel cell 40 detected by the temperature sensor s6 and determines whether or not the set target temperature To has been reached. Judging. If it is determined that the target temperature To has not yet been reached, the process returns to Step S3, and the above-described different processing is repeatedly executed, while the target temperature To is determined to have been reached. Finishes warm-up operation and starts normal operation.
  • the flow rate of the cooling water at the low temperature start is set larger than the flow rate of the cooling water at the normal start, so the cell can be used even when the warm-up operation is performed. It is possible to suppress the temperature variation between the two, and it is possible to obtain a uniform temperature rise characteristic as a whole fuel cell.
  • low temperature low temperature operation
  • a bypass passage 2 40 is provided for bypassing the radiator 2 30 with respect to the cooling water, and the flow rate of the cooling water passing through the radiator 2 3 0 and the cooling water bypassing the radiator 2 3 0 are provided.
  • Bypass flow rate ratio Although the heat dissipation of the radiator 230 is controlled by controlling, the heat dissipation of the radiator 230 may be controlled by controlling the driving of the cooling fan.
  • the inter-cell temperature fluctuation is suppressed by controlling the amount of water flow, but in addition (or instead), the temperature of the cooling water is controlled to shorten the temperature.
  • a uniform temperature increase over time may be realized.
  • a heater 190 for heating is installed at the end of the fuel cell 40, and the temperature of the end cell is controlled to prevent the temperature rise of the end cell from being delayed. May be.
  • the temperature variation between cells is suppressed by controlling the cooling water temperature. You may do it. If the heater 190 is installed in the bypass channel 240, the pressure loss during normal cooling (when the temperature control of the cooling water is not performed) can be reduced.

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Description

W 明細書 燃料電池用の温度制御システム 技術分野
本発明は、 燃料電池用の温度制御システムに関する 背景技術
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を 行う燃料電池システムが知られている。 かかる燃料電池は高効率、 クリーン な発電手段であるため、 二輪車や自動車などの駆動動力源として大きな期待 を集めている。
し力 しながら、 燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪く、 特に低温環境 下で始動する場合には燃料電池の端部と中央部の間でセル電圧バラツキが生 じる。 一般に、 複数のセルを積層した燃料電池の両端部にはエンドプレート が設けられている （図 9参照） 。 低温始動する際には、 発電に伴う自己発熱 を有効に利用して燃料電池 1を暖機するが、 ェンドプレート 3はセル 2に比 ベて熱容量が大きいため、 両端部のセル 2の熱量がエンドプレート 3に奪わ れてしまう。 この結果、 スタック内部でのセル位置による温度勾配が発生し. セル電圧パラツキが生じてしまうという問題がある。
このような問題にかんがみ、 たとえば燃料電池の端部セルに断熱板を配置 し、 セル間での温度勾配を抑制する方法が提案されている （たとえば、 特許 文献 1参照） 。
[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 4— 1 5 2 0 5 2号公報 発明の開示
し力 しながら、 低温環境下で運転 （始動など） する場合には、 端部セルで 放熱するためにスタック内でより大きな温度勾配が生じてしまうといった問 題がある。 また、 上記断熱板を配置した場合にはシステムが大型化してしま うとレ、う問題もある。
本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、 低温環境下で始動 する場合においてもセル電圧パラツキを抑制することが可能な温度制御シス テムを提供することを目的とする。
上述した問題を解決するため、 本発明に係る燃料電池用の温度制御システ ムは、 熱媒体を燃料電池に流通させることで該燃料電池の温度を制御する温 度制御システムであって、 低温運転する際、 通常運転時の流量よりも大きな 流量の熱媒体を前記燃料電池に流通させる流通制御手段を具備することを特 徴とする。
ここで、 「低温」 とは、 例えば常温より低い温度、 零度近傍または氷点下 の場合をいい、 「通常時より大きな流量」 とは、 絶対的な流量のほか流速、 圧力も含む趣旨である。 かかる構成によれば、 低温始動時の熱媒体 （冷却水 など） の流量を通常始動時の熱媒体の流量よりも大きく設定しているため、 低温始動時に暖機する場合においてもセル間温度パラツキを抑えることがで き、 結果としてセル電圧バラツキを抑えることが可能となる。
ここで、 上記構成にあっては、 当該システムを始動する際、 前記燃料電池 に関わる温度を検出し、 検出結果に基づいて低温始動すべきか通常始動すベ きかを判断する判断手段をさらに具備し、 前記流通制御手段は、 低温始動す る際、 通常始動時の流量よりも大きな流量の熱媒体を前記燃料電池に流通さ せる構成が好ましい。
また、 前記低温運転の際に燃料電池の端部を加熱するヒータを設けたり、 前記低温運転の際に前記熱媒体を加熱するヒータを設けた構成が好ましい (図 6〜図 8参照） 。 さらに、 前記低温運転時に流通させる前記熱媒体の流 量は、 当該システムが許容する最大流量であつても良い。
以上説明したように、 本発明によれば、 低温環境下で始動する場合におい てもセル電圧パラツキを抑制することが可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 図 2は、 同実施形態に係る燃料電池の温度分布を示す図である。
図 3は、 同実施形態に係る燃料電池の I V特性の温度依存性を示す図であ る。
図 4は、 同実施形態に係る各温度でのセル電圧を時系列プロットした図で ある。
図 5は、 同実施形態に係るシステム始動時の動作を示すフローチャートで ある。
図 6は、 変形例に係るヒータの設置例を示す図である。
図 7は、 変形例に係るヒータの設置例を示す図である。
図 8は、 変形例に係るヒータの設置例を示す図である。
図 9は、 燃料電池の概略構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 A. 本実施形舞
図 1は本実施形態に係る燃料電池システム 1 0 0の要部構成を示す図であ る。 本実施形態では、 燃料電池自動車 （F C H V) 、 電気自動車、 ハイプリ ッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、 車両の みならず各種移動体 （例えば、 船舶や飛行機、 口ポットなど） や定置型電源、 にも適用可能である。
燃料電池 4 0は、 供給される反応ガス （燃料ガス及び酸化ガス） から電力 を発生する手段であり、 ME A (膜 電極接合体） などを備えた複数の単セ ル 4 0 0— k ( 1≤k≤n ) を直列に積層したスタック構造を有している。 具体的には、 固体高分子型、 燐酸型、 熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料 電池を利用することができる。
燃料ガス供給源 3 0は、 燃料電池 4 0へ水素ガスなどの燃料ガスを供給す る手段であり、 例えば高圧水素タンク、 水素貯蔵タンクなどによって構成さ れる。 燃料ガス供給路 2 1は、 燃料ガス供給源 3 0から放出される燃料ガス を燃料電池 4 0のアノード極に導くためのガス流路であり、 そのガス流路に は上流から下流にかけてタンクパルプ H 1、 水素供給バルブ H 2、 F C入口 バルブ H 3などの弁が配設されている。 タンクバルブ H I、 水素供給バルブ
H 2、 F C入口バルブ H 3は、 燃料ガス供給路 2 1や燃料電池 4 0へ燃料ガ スを供給 (または遮断) するためのシャツトバルブであり、 例えば電磁弁に よって構成されている。
エアコンプレッサ 6 0は、 エアフィルタ （図示略） を介して外気から取り 込んだ酸素 （酸化ガス） を燃料電池 4 0の力ソード極に供給する。 燃料電池
4 0のカソードからはカソードオフガスが排出される。 カソードオフガスに は、 燃料電池 4 0の電池反応に供した後の酸素オフガスなどが含まれる。 こ のカソードオフガスは、 燃料電池 4 0の電池反応により生成された水分を含 むため高湿潤状態となっている。
加湿モジュール 7 0は、 酸化ガス供給路 1 1を流れる低湿潤状態の酸化ガ スと、 力ソードオフガス流路 1 2を流れる高湿潤状態の力ソードオフガスと の間で水分交換を行い、 燃料電池 4 0に供給される酸化ガスを適度に加湿す る。 燃料電池 4 0に供給される酸化ガスの背圧は、 力ソードオフガス流路 1 2の力ソード出口付近に配設された圧力調整弁 A 1によって調圧される。 燃料電池 4 0で発電された直流電力の一部は D C ZD Cコンバータ 1 3 0 によって降圧され、 'バッテリ 1 4 0に充電される。
バッテリ 1 4 0は、 充放電可能な二次電池であり、 種々のタイプの二次電 池 （例えばニッケル水素バッテリなど） により構成されている。 もちろん、 バッテリ 1 4 0に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、 例えばキャパ シタを用いても良い。
トラクシヨンインバータ 1 1 0及ぴ補機インバータ 1 2 0は、 パルス幅変 調方式の PWMインバータであり、 与えられる制御指令に応じて燃料電池 4 0またはバッテリ 1 4 0から出力される直流電力を三相交流電力に変換して トラクシヨンモータ M 3及び補機モータ M 4へ供給する。
トラクションモータ M 3は車輪 1 5 0 L、 1 5 0 Rを駆動するためのモー タであり、 補機モータ M 4は各種捕機類を駆動するためのモータである。 な お、 捕機モータ M 4はエアコンプレッサ 6 0を駆動するモータ M 2、 冷却水 ポンプ 2 2 0を駆動するモータ M l等を総称している。
冷却システム 2 0 0は、 不凍液冷却水 （熱媒体） などを燃料電池 4 0に循 環させて各セル 4 0 0— kの温度を制御するものであり、 冷却水を燃料電池 4 0に循環させるための冷却水循環路 2 1 0、 冷却水の流量を調整するため の冷却水ポンプ 2 2 0、 冷却水を冷却するためのラジェータ 2 3 0を備えて いる。 各セル 4 0 0— kを循環する冷却水は、 ラジェータ 2 3 0にて外気と 熱交換され冷却される。 また、 冷却システム 2 0 0には、 冷却水についてラ ジエータ 2 3 0をバイパスさせるバイパス流路 2 4 0が設けられている。 ラ ジエータ 2 3 0を通過させる冷却水の流量とラジェータ 2 3 0をバイパスさ せる冷却水のバイパス流量の流量比は、 ロータリ一バルブ 2 5 0の開度を調 整することで所望の値に制御される。 制御装置 1 6 0は、 C P U、 R OM, R AMなどにより構成され、 入力さ れる各センサ信号に基づき、 当該システムの各部を中枢的に制御する。 具体 的には、 アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ s 1、 バッテ リ 1 4 0の充電状態 S O C (State Of Charge) を検出する S O Cセンサ s 2、 トラクシヨンモータ M 3の回転数を検知する T/ Cモータ回転数検知セ ンサ s 3、 燃料電池 4 0の出力電圧、 出力電流、 内部温度をそれぞれ検出す る電圧センサ s 4、 電流センサ s 5、 温度センサ s 6などから入力される各 センサ信号に基づいて、 インパータ 1 1 0、 1 2 0の出力パルス幅などを制 御する。
また、 制御装置 （流通制御手段） 1 6 0は、 温度センサ s 6によって検出 されるシステム起動時の燃料電池 4 0の温度に基づき、 冷却水循環路 2 1 0 に流す冷却水の流量を調整する （詳細は後述） 。
図 2は、 燃料電池の温度分布を示す図であり、 低温始動時のセルの温度勾 配を実線で示し、 暖機完了後の通常運転時のセルの温度勾配を破線で示して いる。 また、 横軸にセル番号 （n = 2 0 0 ) 、 縦軸に温度を示す。
図 2に示すように、 暖機完了後の通常運転状態においては各セルの温度は 略均一であるのに対し、 低温始動時の暖機運転状態においては端部セルの昇 温が中央セルの昇温に比べて遅れる （解決しょうとする課題の項参照） 。 図 3は、 燃料電池の電流 ·電圧特性 （以下、 I V特性） の温度依存性を示 す図であり、 6 0 °C、 4 0 °C、 2 0 °C、 一 1 0 °Cの I V特性をそれぞれ示す c 図 3に示すように、 燃料電池 4 0の I V特性には温度依存性があり、 温度 が低いほど I V特性が悪くなる。 ここで、 燃料電池 4 0を構成する各セルは 直列に接続されているため、 いずれのセルにも同一電流 （例えば図 3に示す 電流 I t ) が流れる。 図 4は、 電流 I tが流れる場合の各温度でのセル電圧 を時系列プロットしたものである。 図 4に示すように、 温度が低いほど （I V特性が悪いほど） セル電圧が低くなる。 極端な例として図 3及ぴ図 4では — 1 0 °Cの I V特性、 セル電圧を示しているが、 かかる特性を有するセルが 燃料電池 4 0の中に存在すれば、 そのセル電圧は逆電位となり、 電流制限あ るいはシステム停止等の処置が必要となる。 かかる事情に鑑み、 本実施形態 では低温始動時におけるセル間温度パラツキを抑制することで、 セル電圧パ ラツキの抑制を図っている。 以下、 セル間温度パラツキを抑制するための具 体的な方法について説明する。
図 5は、 システム始動時に制御装置 1 6 0によって実行される処理を示す 図である。
制御装置 1 6 0は、 イグニッションキーが O Nされるなどして操作部から システムの始動命令を受け取ると、 温度センサ s 6によって検知される燃料 電池 4 0の温度 T sを把握する （ステップ S 1 ) 。 なお、 燃料電池 4 0の温 度 T sを利用する代わりに外気温度や冷却水の温度 （燃料電池に関わる温 度） を利用しても良い。
制御装置 （判断手段） 1 6 0は、 燃料電池 4 0の温度 T sの検出結果に基 づいて低温始動すべきか通常始動すべきかを判断する。 詳述すると、 制御装 置 1 6 0はシステム始動時の燃料電池 4 0の温度 T sが予め設定された基準 温度 T t hを越えている場合には（ステップ S 2 ； N O) 、 ステップ S 6に 進み、 通常始動処理を行う一方、 システム始動時の燃料電池 4 0の温度 T s が予め設定された基準温度 T t h以下である場合には （ステップ S 2 ； Y E S ) 、 低温始動すべきと判断し、 ステップ S 3に進む。 基準温度 T t hとし ては、 例えば常温より低い温度、 零度近傍または氷点下などが挙げられるが、 いずれの温度に設定するかは任意である。
制御装置 1 6 0は、 ステップ S 3においてメモリに格納されている低温始 動用の通水制御マップ M Pを参照し、 冷却システムに循環させる冷却水の流 量を調整する。 この低温始動用の通水制御マップ M Pには、 冷却水の通水量 と冷却ポンプ 2 2 0の回転数とが対応付けて登録されている。 低温始動時に おける通水量 W lは、 通常始動時における通水量 Wh «W 1 ) よりも大き な値に設定されている。 なお、 低温始動時における通水量としてシステムが 許容する最大通水量を設定しても良いが、 セル間温度パラツキを抑制するこ とができる通水量であればどのような値でも良い。 もちろん、 通水量のみな らず、 流速や圧力を制御しても良い。 さらに、 通水量は一定に限る趣旨では なく、 燃料電池 4 0の温度や出力電圧などに応じて適宜変更しても良い。 制御装置 1 6 0は、 低温始動用の通水制御マップ M P 1を用いて冷却水の 通水制御を開始すると、 発電に伴う自己発熱を有効に利用して燃料電池 4 0 の暖機を開始する （ステップ S 4 ) 。 具体的には、 酸化ガス欠乏状態で燃料 電池 4 0を運転 （低効率運転） することにより、 効率的に燃料電池 4 0を暖 機する。 制御装置 1 6 0は、 ステップ S 5に進むと、 温度センサ s 6によつ て検知される燃料電池 4 0の温度 T sを把握し、 設定された目標温度 T oに 到達したか否かを判断する。 未だ目標温度 T oに到達していないと判断した 場合には、 ステップ S 3に戻り、 上述した一違の処理を繰り返し実行する一 方、 目標温度 T oに到達していると判断した場合には暖機運転を終了し、 通 常運転を開始する。
以上説明したように、 本実施形態によれば、 低温始動時の冷却水の通水量 を通常始動時の冷却水の通水量よりも大きく設定しているため、 暖機運転を 行う場合においてもセル間温度パラツキを抑えることができ、 燃料電池全体 として均質な昇温特性を得ることが可能となる。 なお、 低温で運転 （低温運 転） するのであれば、 始動時に限られないのはもちろんである。
B . 変形例
( 1 ) 上述した実施形態では、 冷却水についてラジェータ 2 3 0をパイパス させるパイパス流路 2 4 0を設け、 ラジェータ 2 3 0を通過させる冷却水の 流量とラジェータ 2 3 0をバイパスさせる冷却水のバイパス流量の流量比を 制御することでラジェータ 2 3 0の放熱制限を行ったが、 冷却ファンの駆動 を制御することでラジェータ 2 3 0の放熱制限を行っても良い。
( 2 ) また、 上述した本実施形態では、 通水量を制御することでセル間温度 パラツキを抑制したが、 これに加えて （または代えて） 冷却水の温度等を制 御することで、 短時間で均質な昇温を実現しても良い。 具体的には、 図 6に 示すように燃料電池 4 0の端部に加熱用のヒータ 1 9 0を設置し、 端部セル の温度を制御することで端部セルの昇温立ち遅れを防止しても良い。 また、 バイパス流路 2 4 0や （図 7参照） 、 冷却水循環路 2 1 0にヒータ 1 9 0を 設置し （図 8参照） 、 冷却水の温度を制御することでセル間温度パラツキを 抑えるようにしても良い。 なお、 バイパス流路 2 4 0にヒータ 1 9 0を設置 した場合には、 通常冷却時 （冷却水の温度制御を行わない時） の圧力損失を 低減することが可能となる。

Claims

O 2007/119688 1 0 請求の範囲
1 . 熱媒体を燃料電池に流通させることで該燃料電池の温度を制御する温 度制御システムであって、
低温運転する際、 通常運転時の流量よりも大きな流量の熱媒体を前記燃料 電池に流通させる流通制御手段を具備することを特徴とする燃料電池用の温 度制御システム。
2 . 当該システムを始動する際、 前記燃料電池に関わる温度を検出し、 検 出結果に基づいて低温始動すべきか通常始動すべきかを判断する判断手段を さらに具備し、
前記流通制御手段は、 低温始動する際、 通常始動時の流量よりも大きな流 量の熱媒体を前記燃料電池に流通させることを特徴とする請求項 1に記載の 燃料電池用の温度制御システム。
3 . 前記燃料電池の端部には、 前記低温運転の際に該端部を加熱するヒ一 タが設けられていることを特徴とする請求項 1または 2に記載の燃料電池用 の温度制御システム。
4 . 前記熱媒体の流路には、 前記低温運転の際に前記熱媒体を加熱するヒ ータが設けられてい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 用の温度制御システム。 - 5 . 前記熱媒体と外気との間で熱交換させるラジェータと、 前記低温運転 する際、 前記ラジェータの放熱を制限する制御手段とをさらに具備すること を特徴とする請求項 1または 2に記載の燃料電池用の温度制御システム。 6 . 前記低温運転時に流通きせる前記熱媒体の流量は、 当該システムが許 容する最大流量であることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれか 1の請求項 に記載の燃料電池用の温度制御システム。
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