JP2008210646A

JP2008210646A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008210646A
Application number: JP2007046003A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Miyata; 幸一郎宮田; Kazuhiro Wake; 千大和氣; Junpei Ogawa; 純平小河
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-09-11

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of controlling, while appropriately recognizing the temperature of a coolant in a fuel cell, a coolant flow rate based on the recognized temperature, in a state where coolant supply to the fuel cell is restricted for facilitating warmup of the fuel cell. SOLUTION: The fuel cell system includes a fuel cell stack 10, a coolant circulation system 20, a variable orifice 22, an ECU 50 controlling the variable orifice 22, and the ECU 50 estimating the temperature of the coolant in a coolant passage 13. In continuation of a restriction mode, the ECU 50 determines whether the restriction mode is terminated or not based on the estimated temperature T1 of the coolant, and a termination temperature T3 at which the restriction mode should be terminated. COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池は、好適に発電する温度（好適発電温度）を固有している。例えば、固体高分子型燃料電池の好適発電温度は８５〜９５℃であり、これは燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）のアノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）の種類に主に依存する。したがって、燃料電池の発電を開始させる際、燃料電池の温度をその好適発電温度に速やかに昇温し、その後、冷媒を通流することで燃料電池を適宜に冷却し、好適発電温度に維持することが好ましい。 In recent years, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that generates electricity by generating an electrochemical reaction by supplying hydrogen (fuel gas) to the anode and oxygen (oxidant gas) to the cathode, etc. The development of fuel cells is thriving.
Such a fuel cell has a unique temperature for generating electricity (preferable power generation temperature). For example, the preferred power generation temperature of a polymer electrolyte fuel cell is 85 to 95 ° C., which is a catalyst (Pt or the like) contained in the anode and cathode of an MEA (Membrane Electrode Assembly) constituting the fuel cell. Depends mainly on the type of. Therefore, when starting the power generation of the fuel cell, the temperature of the fuel cell is quickly raised to the preferred power generation temperature, and then the fuel cell is appropriately cooled by flowing a refrigerant and maintained at the preferred power generation temperature. It is preferable.

しかしながら、０℃未満等の低温環境下から燃料電池を起動（低温起動）する場合、燃料電池を通流する冷媒も低温である。そして、このような低温の冷媒が暖機中の燃料電池に連続的に通流すると、自己発熱による熱エネルギが冷媒に移動し、燃料電池の暖機に時間がかかってしまう虞がある。 However, when starting the fuel cell from a low temperature environment such as less than 0 ° C. (low temperature starting), the refrigerant flowing through the fuel cell is also low temperature. When such a low-temperature refrigerant continuously flows through the warming-up fuel cell, the heat energy due to self-heating is transferred to the refrigerant, and there is a possibility that it takes time to warm up the fuel cell.

そこで、燃料電池を低温起動する場合、例えば、燃料電池のＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）が所定のＩ−Ｖ特性以上となり、暖機が完了したと判定されるまで、燃料電池に供給される冷媒の流量を制限する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００５−１１６２５７号公報 Therefore, when starting the fuel cell at a low temperature, for example, the fuel cell is supplied to the fuel cell until the IV characteristic (current-voltage characteristic) exceeds a predetermined IV characteristic and it is determined that the warm-up is completed. A technique for limiting the flow rate of the refrigerant to be used is disclosed (see Patent Document 1).
JP 2005-116257 A

しかしながら、燃料電池の発電効率が悪い場合等は、燃料電池から放出される熱量が多くなり、つまり、燃料電池の自己発熱量が高くなる場合があり、燃料電池のＩ−Ｖ特性が所定のＩ−Ｖ特性以上となって暖機が完了したと判定される前に、燃料電池が、その耐熱温度等に基づいて設定される所定温度以上に昇温する虞がある。 However, when the power generation efficiency of the fuel cell is poor, the amount of heat released from the fuel cell increases, that is, the self-heat generation amount of the fuel cell may increase, and the IV characteristic of the fuel cell has a predetermined I-V characteristic. Before it is determined that the warm-up has been completed due to the −V characteristic or higher, the fuel cell may be heated to a predetermined temperature or higher that is set based on the heat-resistant temperature or the like.

すなわち、従来は、燃料電池のＩ−Ｖ特性が所定のＩ−Ｖ特性以上に到達したか否かに基づいて、暖機が完了したか否かを判定し、この判定結果に基づいて、冷媒流量の制限を解除するか否かの制御を行っていたので、Ｉ−Ｖ特性が上昇せず、暖機完了前に、発電効率の低下によって燃料電池が放出する熱量が多くなった場合、燃料電池の温度と共に、冷媒の温度も上昇し、その結果、燃料電池内で冷媒が沸騰してしまう虞がある。 That is, conventionally, it is determined whether the warm-up has been completed based on whether the IV characteristic of the fuel cell has reached a predetermined IV characteristic or higher, and based on the determination result, Since the control whether or not to cancel the restriction on the flow rate is performed, the IV characteristic does not increase, and the amount of heat released by the fuel cell increases due to the decrease in power generation efficiency before the warm-up is completed. Along with the temperature of the battery, the temperature of the refrigerant also rises. As a result, the refrigerant may boil in the fuel cell.

そこで、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）に基づいて、冷媒流量の制限を解除するか否かを判定する方法が考えられる。
燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握する一方法として、燃料電池から排出された冷媒の温度は、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）と略等しいと考え、燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する方法がある。
ところが、前記したように、冷媒の流量を制限している場合、特に、冷媒流量をゼロを含め極少流量に制限している場合、冷媒が燃料電池内に滞留、つまり、燃料電池からは極少流量でしか冷媒が排出されない。よって、排出された冷媒の温度に基づいて、燃料電池内の冷媒の温度を把握することは困難である。 Therefore, a method of determining whether to release the restriction on the refrigerant flow rate based on the temperature of the fuel cell (the temperature of the refrigerant in the fuel cell) can be considered.
As a method of grasping the temperature of the fuel cell (the temperature of the refrigerant in the fuel cell), the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell is considered to be substantially equal to the temperature of the fuel cell (the temperature of the refrigerant in the fuel cell) There is a method for detecting the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell.
However, as described above, when the flow rate of the refrigerant is limited, particularly when the refrigerant flow rate is limited to a minimum flow rate including zero, the refrigerant stays in the fuel cell, that is, the minimum flow rate from the fuel cell. Only the refrigerant is discharged. Therefore, it is difficult to grasp the temperature of the refrigerant in the fuel cell based on the temperature of the discharged refrigerant.

その他、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握する一方法として、燃料電池のアノードから排出された水素オフガスの温度に基づいて、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握する方法がある。 As another method for determining the temperature of the fuel cell (the temperature of the refrigerant in the fuel cell), based on the temperature of the hydrogen off-gas discharged from the anode of the fuel cell, the temperature of the fuel cell (the temperature of the refrigerant in the fuel cell) ).

しかしながら、近年の燃料電池システムは、水素の利用効率を高めるため、水素オフガスに含まれる未反応の水素を再利用するための水素循環系を備えている。このような水素循環系を備える燃料電池システムでは、発電停止中に生成した結露水や、循環する水素に同伴する水蒸気等の不純物を排出するため、パージが適宜に行われ、このようにパージされると水素オフガスの温度が変動する。したがって、このように変動する水素オフガスの温度に基づいて、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握することは困難である。 However, recent fuel cell systems are equipped with a hydrogen circulation system for reusing unreacted hydrogen contained in the hydrogen offgas in order to increase the utilization efficiency of hydrogen. In a fuel cell system equipped with such a hydrogen circulation system, purge is appropriately performed in order to discharge condensed water generated while power generation is stopped and water vapor and other impurities accompanying the circulating hydrogen. Then, the temperature of the hydrogen off gas varies. Therefore, it is difficult to grasp the temperature of the fuel cell (the temperature of the refrigerant in the fuel cell) based on the temperature of the hydrogen off-gas that varies in this way.

そこで、本発明は、燃料電池の暖機を促進するため、燃料電池への冷媒供給が制限されている状態において、燃料電池内の冷媒の温度を適切に把握しつつ、この把握した温度に基づいて、冷媒流量を制御可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 Therefore, the present invention is based on the grasped temperature while appropriately grasping the temperature of the refrigerant in the fuel cell in a state where the refrigerant supply to the fuel cell is restricted in order to promote the warm-up of the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of controlling the refrigerant flow rate.

前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記燃料電池に供給される冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段と、前記冷媒流量制限手段を制御する制御手段と、前記燃料電池内の冷媒の温度を推定する冷媒温度推定手段と、を備え、前記冷媒流量制限手段が前記燃料電池に供給される冷媒の流量を制限している場合、前記制御手段は、前記冷媒温度推定手段が推定した前記燃料電池内の冷媒の温度と、冷媒の流量制限を解除すべき解除温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除するか否かを判定することを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-described problems, the present invention provides a fuel cell that generates electric power when a reaction gas is supplied, a refrigerant supply means that supplies a refrigerant to a refrigerant flow path of the fuel cell, and a supply to the fuel cell. The refrigerant flow rate limiting means for limiting the flow rate of the refrigerant to be performed, the control means for controlling the refrigerant flow rate limiting means, and the refrigerant temperature estimation means for estimating the temperature of the refrigerant in the fuel cell, the refrigerant flow rate restriction When the means restricts the flow rate of the refrigerant supplied to the fuel cell, the control means should release the refrigerant temperature in the fuel cell estimated by the refrigerant temperature estimation means and the refrigerant flow rate restriction. It is a fuel cell system characterized by determining whether or not to release the restriction of the refrigerant flow rate by the refrigerant flow restriction means based on the release temperature.

このような燃料電池システムによれば、冷媒流量制限手段によって冷媒の流量がゼロを含めて制限され、燃料電池から排出される冷媒が極小流量である場合や、水素循環系を備え、循環する水素のパージが適宜に行われる場合でも、冷媒温度推定手段によって、燃料電池内の冷媒の温度を推定し、把握することができる。 According to such a fuel cell system, when the flow rate of the refrigerant is restricted including zero by the refrigerant flow restriction means, and the refrigerant discharged from the fuel cell is at a minimum flow rate, Even when the purge is appropriately performed, the temperature of the refrigerant in the fuel cell can be estimated and grasped by the refrigerant temperature estimating means.

そして、制御手段が、この推定された燃料電池内の冷媒の温度と、冷媒の流量制限を解除すべき解除温度と、に基づいて、冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除するか否かを判定し、この判定結果に基づいて、制御手段が冷媒流量制限手段を制御するので、冷媒流路に適切な流量で冷媒を供給することができる。
すなわち、解除すべき判定がされた場合、制御手段が冷媒流量制限手段を制御して、冷媒流量の制限を解除するので、燃料電池の冷媒流路には、解除された流量（後記する実施形態の通常流量）で冷媒が供給され、燃料電池の冷媒が沸騰することを防止しつつ、燃料電池が過昇温することを防止できる。 Whether or not the control means releases the restriction on the refrigerant flow rate by the refrigerant flow restriction means based on the estimated temperature of the refrigerant in the fuel cell and the release temperature at which the restriction on the refrigerant flow rate should be released. Since the control unit controls the refrigerant flow rate limiting unit based on the determination result, the refrigerant can be supplied to the refrigerant channel at an appropriate flow rate.
That is, when the determination to be released is made, the control means controls the refrigerant flow rate restriction means to release the restriction on the refrigerant flow rate, so that the released flow rate (embodiment described later) is placed in the refrigerant flow path of the fuel cell. Thus, the fuel cell can be prevented from being overheated while the refrigerant is supplied at a normal flow rate) and the fuel cell refrigerant is prevented from boiling.

また、前記冷媒温度推定手段は、制限開始前の冷媒の温度と、制限開始後の前記燃料電池の発熱量とに基づいて、前記燃料電池内の冷媒の温度を推定することを特徴とする燃料電池システムであることが好ましい。 Further, the refrigerant temperature estimating means estimates the temperature of the refrigerant in the fuel cell based on the temperature of the refrigerant before the start of restriction and the calorific value of the fuel cell after the start of restriction. A battery system is preferred.

このような燃料電池システムによれば、冷媒温度推定手段が、制限開始前の冷媒の温度と、制限開始後の燃料電池の発熱量とに基づいて、燃料電池内の冷媒の温度を推定し、冷媒供給の制限の解除判定をすることができる。 According to such a fuel cell system, the refrigerant temperature estimating means estimates the temperature of the refrigerant in the fuel cell based on the temperature of the refrigerant before the start of restriction and the heat generation amount of the fuel cell after the start of restriction, It is possible to determine whether or not to restrict the refrigerant supply.

また、前記冷媒流路から排出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除した後、前記制御手段は、前記温度センサが検出した冷媒の温度と、前記解除温度よりも低く、冷媒流量の制限を開始すべき開始温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を開始するか否かを判定することを特徴とする燃料電池システムであることが好ましい。 A temperature sensor for detecting a temperature of the refrigerant discharged from the refrigerant flow path; and after releasing the restriction on the flow rate of the refrigerant by the refrigerant flow rate restriction unit, the control unit is configured to detect the refrigerant detected by the temperature sensor. It is determined whether to start limiting the flow rate of the refrigerant by the refrigerant flow rate limiting unit based on the temperature and a start temperature that is lower than the release temperature and at which to start limiting the refrigerant flow rate It is preferable that the fuel cell system.

このような燃料電池システムによれば、冷媒の流量の制限を解除した後、制御手段が、温度センサが検出した冷媒の温度と、解除温度よりも低く、冷媒流量の制限を開始すべき開始温度と、に基づいて、冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を開始するか否かを判定する。
これにより、冷媒の流量の制限を開始するべき判定がされた場合、制御手段が冷媒流量制限手段を制御して、冷媒流量の制限を開始するので、燃料電池の冷媒流路には、制限された流量で冷媒が供給される。その結果、燃料電池の暖機を促進することができる。 According to such a fuel cell system, after releasing the restriction on the flow rate of the refrigerant, the control means detects the temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor and the start temperature at which the restriction of the refrigerant flow rate is to be started lower than the release temperature. And determining whether or not to start limiting the flow rate of the refrigerant by the refrigerant flow rate limiting means.
Thus, when it is determined that the restriction of the refrigerant flow rate should be started, the control unit controls the refrigerant flow restriction unit to start the restriction of the refrigerant flow rate, so that the refrigerant flow path of the fuel cell is restricted. The refrigerant is supplied at a high flow rate. As a result, warm-up of the fuel cell can be promoted.

冷媒の流量の制限を開始すべき開始温度は、冷媒の流量の制限を解除すべき解除温度よりも低いので、冷媒の流量の制限の開始と、制限の解除との切替の頻度を少なくすることができる。よって、開始温度と解除温度との差は、なるべく大きくすることが好ましい。 Since the start temperature at which the restriction of the refrigerant flow rate should be started is lower than the release temperature at which the restriction on the refrigerant flow rate should be released, the frequency of switching between the start of restriction of the refrigerant flow rate and the release of the restriction should be reduced. Can do. Therefore, it is preferable to increase the difference between the start temperature and the release temperature as much as possible.

本発明によれば、燃料電池の暖機を促進するため、燃料電池への冷媒供給が制限されている状態において、燃料電池内の冷媒の温度を適切に把握しつつ、この把握した温度に基づいて、冷媒流量を制御可能な燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, in order to promote the warm-up of the fuel cell, in the state where the refrigerant supply to the fuel cell is restricted, the temperature of the refrigerant in the fuel cell is appropriately grasped, and based on the grasped temperature. Thus, a fuel cell system capable of controlling the refrigerant flow rate can be provided.

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒（例えばエチレングリコール）を循環させる冷媒循環系２０と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系３０と、ＩＧ４１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。 ≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a refrigerant circulation system 20 that circulates a refrigerant (for example, ethylene glycol) so as to pass through the fuel cell stack 10, and a power consumption system 30 that consumes power generated by the fuel cell stack 10. And an IG 41 (ignition) and an ECU 50 (Electronic Control Unit) for electronically controlling them.

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００）の固体高分子型の単セルが積層して構成された燃料電池であり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータと、を主に備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードと、を主に備えている。 <Fuel cell stack>
The fuel cell stack 10 is a fuel cell configured by stacking a plurality of (for example, 200 to 400) solid polymer type single cells, and the plurality of single cells are connected in series. The single cell mainly includes an MEA and two separators sandwiching the MEA. The MEA mainly includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane and the like, and an anode and a cathode sandwiching the membrane.

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素（燃料ガス、反応ガス）、空気（酸化剤ガス、反応ガス）を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１（燃料ガス流路、反応ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路、反応ガス流路）として機能している。
そして、水素タンク（図示しない）等の水素供給源から、水素が、配管１１ａ、アノード流路１１を介して、各単セルのアノードに供給され、これに並行して、コンプレッサ（図示しない）等の空気供給手段から、酸素を含む空気が各単セルのカソードに供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応（電極反応）が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、このようにＯＣＶが発生した状態で、発電要求があり、後記するＶＣＵ３２が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。 Each separator has a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, a through-hole for introducing hydrogen (fuel gas, reaction gas), air (oxidant gas, reaction gas) to all single cells, etc. These grooves and the like function as an anode channel 11 (fuel gas channel, reaction gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel, reaction gas channel).
Then, hydrogen is supplied from a hydrogen supply source such as a hydrogen tank (not shown) to the anode of each single cell via the pipe 11a and the anode flow path 11, and in parallel with this, a compressor (not shown), etc. When oxygen-containing air is supplied from the air supply means to the cathode of each single cell, an electrochemical reaction (electrode reaction) occurs on the catalyst (Pt, etc.) contained in the anode and cathode, and a potential difference occurs in each single cell. (OCV (Open Circuit Voltage), open circuit voltage) is generated. Next, in the state where the OCV is generated in this way, when there is a power generation request, the VCU 32 (to be described later) is controlled and the current is taken out, the fuel cell stack 10 generates power.

また、各セパレータには、発電により自己発熱する燃料電池スタック１０が過昇温しないように、全単セルを適宜に冷却するための冷媒が流れる溝、貫通孔等が形成されている。そして、このように冷媒が流れる溝、貫通孔等によって、冷媒流路１３が構成されている。したがって、冷媒流路１３の容積、つまり、冷媒流路１３を流れる冷媒の量は、単セルの積層数や、セパレータに形成された溝の深さ・幅等の燃料電池スタック１０の仕様に依存する固定値であって、設計図や事前試験等によって求められる。 Each separator is formed with a groove, a through-hole, and the like through which a coolant flows for cooling all the single cells appropriately so that the fuel cell stack 10 that self-heats by power generation does not overheat. And the refrigerant | coolant flow path 13 is comprised by the groove | channel, through-hole, etc. into which a refrigerant | coolant flows in this way. Therefore, the volume of the refrigerant flow path 13, that is, the amount of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 13 depends on the specifications of the fuel cell stack 10 such as the number of stacked single cells and the depth and width of the groove formed in the separator. This is a fixed value that is obtained by a design drawing or a preliminary test.

＜冷媒循環系＞
冷媒循環系２０（冷媒供給手段）は、冷媒流路１３に冷媒を供給すると共に、冷媒流路１３を経由するように冷媒を循環させる系であって、冷媒ポンプ２１と、可変オリフィス２２と、サーモスタット２３と、ラジエータ２４（放熱器）と、温度センサ２５とを主に備えている。 <Refrigerant circulation system>
The refrigerant circulation system 20 (refrigerant supply means) is a system that supplies refrigerant to the refrigerant flow path 13 and circulates the refrigerant through the refrigerant flow path 13, and includes a refrigerant pump 21, a variable orifice 22, A thermostat 23, a radiator 24 (heat radiator), and a temperature sensor 25 are mainly provided.

冷媒ポンプ２１の出口は、下流に向かって順に、配管２１ａ、可変オリフィス２２、配管２２ａを介して、冷媒流路１３の入口に接続されている。冷媒流路１３の出口は、下流に向かって順に、配管２３ａ、サーモスタット２３、配管２３ｂを介して、冷媒ポンプ２１の入口に接続されている。そして、冷媒ポンプ２１が作動すれば、冷媒が、冷媒ポンプ２１、可変オリフィス２２、冷媒流路１３等を経由して、循環するようになっている。 The outlet of the refrigerant pump 21 is connected to the inlet of the refrigerant flow path 13 via the pipe 21a, the variable orifice 22, and the pipe 22a in order toward the downstream. The outlet of the refrigerant flow path 13 is connected to the inlet of the refrigerant pump 21 via the pipe 23a, the thermostat 23, and the pipe 23b in order toward the downstream. And if the refrigerant | coolant pump 21 act | operates, a refrigerant | coolant will circulate via the refrigerant | coolant pump 21, the variable orifice 22, the refrigerant | coolant flow path 13, etc. FIG.

可変オリフィス２２は、冷媒ポンプ２１から冷媒流路１３に送られる冷媒の流路断面積を変化させることで、この冷媒に付与される圧力損失を調整する圧力損失調整手段である。本実施形態において、可変オリフィス２２が冷媒に付与する圧力損失は、ＥＣＵ５０によって、通常モードと制限モードに対応して、２段階で制御されるようになっており、冷媒流量制限手段を構成している。
なお、通常モードは、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量を制限しないモードであり、制限モードは、冷媒の流量を制限するモードである。また、本実施形態において、冷媒ポンプ２１は、一定の回転速度で作動する設定となっている。 The variable orifice 22 is a pressure loss adjusting unit that adjusts the pressure loss applied to the refrigerant by changing the cross-sectional area of the refrigerant sent from the refrigerant pump 21 to the refrigerant channel 13. In this embodiment, the pressure loss imparted to the refrigerant by the variable orifice 22 is controlled in two stages by the ECU 50 corresponding to the normal mode and the restriction mode, and constitutes the refrigerant flow restriction means. Yes.
The normal mode is a mode in which the flow rate of the refrigerant supplied to the refrigerant flow path 13 is not limited, and the limit mode is a mode in which the flow rate of the refrigerant is limited. In the present embodiment, the refrigerant pump 21 is set to operate at a constant rotational speed.

また、サーモスタット２３は、配管２４ａ、ラジエータ２４、配管２４ｂを順に介して、配管２３ｂの途中に接続されている。そして、サーモスタット２３に導入される冷媒の温度が所定温度（例えば３０℃）以上である場合、サーモスタット２３が開き、冷媒がラジエータ２４に供給され、ラジエータ２４で冷却されるようになっている。一方、冷媒の温度が所定温度未満の場合、サーモスタット２３は閉じ、冷媒はラジエータ２４を迂回するようになっている。 Moreover, the thermostat 23 is connected to the middle of the piping 23b through the piping 24a, the radiator 24, and the piping 24b in order. When the temperature of the refrigerant introduced into the thermostat 23 is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 30 ° C.), the thermostat 23 is opened, and the refrigerant is supplied to the radiator 24 and cooled by the radiator 24. On the other hand, when the temperature of the refrigerant is lower than the predetermined temperature, the thermostat 23 is closed, and the refrigerant bypasses the radiator 24.

温度センサ２５は、配管２３ａの冷媒流路１３寄りに配置されており、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度を検出し、ＥＣＵ５０に出力するようになっている。 The temperature sensor 25 is disposed near the refrigerant flow path 13 of the pipe 23 a, detects the temperature of the refrigerant immediately after being discharged from the refrigerant flow path 13, and outputs it to the ECU 50.

そして、ＥＣＵ５０は、可変オリフィス２２が通常モードで制御されており、冷媒流路１３に通常流量で冷媒が供給され、冷媒流路１３から通常流量で冷媒が排出されている場合、温度センサ２５が検出した温度を、燃料電池スタック１０内の冷媒流路１３における冷媒の温度Ｔ１として、採用するように設定されている。すなわち、冷媒が通常モードで冷媒流路１３に供給されている場合、ＥＣＵ５０は、温度センサ２５を介して、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を検出するようになっている。
一方、可変オリフィス２２が制限モードで制御されており、冷媒流路１３に供給されている冷媒の流量が制限されている場合、冷媒流路１３から排出される冷媒の流量は少量であるので、ＥＣＵ５０は後記する方法によって、冷媒流路１３における冷媒の温度Ｔ１を推定するようになっている。 The ECU 50 controls the temperature sensor 25 when the variable orifice 22 is controlled in the normal mode, the refrigerant is supplied to the refrigerant flow path 13 at a normal flow rate, and the refrigerant is discharged from the refrigerant flow path 13 at the normal flow rate. The detected temperature is set to be adopted as the refrigerant temperature T1 in the refrigerant flow path 13 in the fuel cell stack 10. That is, when the refrigerant is supplied to the refrigerant flow path 13 in the normal mode, the ECU 50 detects the temperature T1 of the refrigerant in the refrigerant flow path 13 via the temperature sensor 25.
On the other hand, when the variable orifice 22 is controlled in the restriction mode and the flow rate of the refrigerant supplied to the refrigerant flow path 13 is restricted, the flow rate of the refrigerant discharged from the refrigerant flow path 13 is small. The ECU 50 estimates the refrigerant temperature T1 in the refrigerant flow path 13 by a method described later.

＜電力消費系＞
電力消費系３０は、燃料電池スタック１０の発電電力（出力）を制御すると共に、この発電電力を消費する系であり、燃料電池自動車を走行させる電動式の走行モータ３１と、ＶＣＵ３２（Voltage Control Unit）と、コンタクタ３３（スイッチ）と、出力検出器３４とを主に備えている。そして、走行モータ３１は、ＶＣＵ３２、コンタクタ３３、出力検出器３４を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。 <Power consumption system>
The power consumption system 30 is a system that controls the generated power (output) of the fuel cell stack 10 and consumes the generated power. The electric power consumption system 30 is an electric traveling motor 31 that drives the fuel cell vehicle, and a VCU 32 (Voltage Control Unit). ), A contactor 33 (switch), and an output detector 34. The travel motor 31 is connected to an output terminal (not shown) of the fuel cell stack 10 through the VCU 32, the contactor 33, and the output detector 34 in this order.

ＶＣＵ３２は、ＥＣＵ５０の指令に従って燃料電池スタック１０の出力（発電電力）を制御するユニットであり、ＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えている。すなわち、ＯＣＶが発生した状態で、ＥＣＵ５０がコンタクタ３３をＯＮし、発電要求に対応してＶＣＵ３２が適宜に制御されると、燃料電池スタック１０から電流が取り出され、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
出力検出器３４は、燃料電池スタック１０全体の出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えている。そして、出力検出器３４はＥＣＵ５０と接続されており、ＥＣＵ５０は燃料電池スタック１０の現在の出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１を検知するようになっている。 The VCU 32 is a unit that controls the output (generated power) of the fuel cell stack 10 in accordance with a command from the ECU 50, and includes a DC-DC chopper and the like. That is, when the OCV is generated and the ECU 50 turns on the contactor 33 and the VCU 32 is appropriately controlled in response to the power generation request, current is extracted from the fuel cell stack 10 so that the fuel cell stack 10 generates power. It has become.
The output detector 34 is a device that detects the output current I1 and the output voltage V1 of the entire fuel cell stack 10, and includes an ammeter and a voltmeter. The output detector 34 is connected to the ECU 50, and the ECU 50 detects the current output current I1 and output voltage V1 of the fuel cell stack 10.

＜ＩＧ＞
ＩＧ４１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ４１はＥＣＵ５０と接続されており、ＥＣＵ５０はＩＧ４１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。 <IG>
The IG 41 is a start switch for the fuel cell vehicle and the fuel cell system 1 and is provided around the driver's seat. The IG 41 is connected to the ECU 50, and the ECU 50 detects an ON / OFF signal of the IG 41.

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。
そして、ＥＣＵ５０は、ＩＧ４１のＯＮ信号を検知すると、コンタクタ３３をＯＮし、ＶＣＵ３２を適宜に制御して燃料電池スタック１０の発電を開始するように構成されている。 <ECU>
The ECU 50 is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU, a ROM, a RAM, various interfaces, an electronic circuit, and the like.
When the ECU 50 detects the ON signal of the IG 41, the ECU 50 is configured to turn on the contactor 33 and appropriately control the VCU 32 to start power generation of the fuel cell stack 10.

また、ＥＣＵ５０は、通常モード又は制限モードに対応して、可変オリフィス２２を制御する機能を備えている。
さらに、ＥＣＵ５０（冷媒温度推定手段）は、制限モード時において、後で説明するように、制限モード開始直前に温度センサ２５で実際に検出された冷媒の温度Ｔ１と、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１とに基づいて、現在の冷媒流路１３内の冷媒の温度Ｔ１を推定する機能を備えている。 Further, the ECU 50 has a function of controlling the variable orifice 22 corresponding to the normal mode or the restriction mode.
Further, the ECU 50 (refrigerant temperature estimation means), in the limit mode, as will be described later, the fuel cell T1 actually detected by the temperature sensor 25 immediately before the start of the limit mode and the fuel cell during the limit mode continuation. Based on the calorific value Q1 of the stack 10, a function of estimating the temperature T1 of the refrigerant in the current refrigerant flow path 13 is provided.

さらにまた、ＥＣＵ５０は、通常モード時において、温度センサ２５が検出した冷媒の温度Ｔ１と、制限モードを開始させるべき開始温度Ｔ２とに基づいて、制限モードを開始するか否か、つまり、通常モードから制限モードに切り替えるか否かを判定する機能を備えている。
また、ＥＣＵ５０は、制限モード時において、後記するようにして推定した冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１と、制限モードを解除するべき解除温度Ｔ３とに基づいて、制限モードを解除するか否か、つまり、制限モードから通常モードに切り替えるか否かを判定する機能を備えている。 Furthermore, in the normal mode, the ECU 50 determines whether or not to start the limit mode based on the refrigerant temperature T1 detected by the temperature sensor 25 and the start temperature T2 at which the limit mode should be started, that is, the normal mode. Has a function of determining whether to switch to the restriction mode.
Further, the ECU 50 determines whether or not to release the restriction mode based on the refrigerant temperature T1 of the refrigerant flow path 13 estimated as described later and the release temperature T3 at which the restriction mode should be released in the restriction mode. That is, it has a function of determining whether to switch from the restriction mode to the normal mode.

開始温度Ｔ２は、制限モードを開始させるべき温度であって、解除温度Ｔ３よりも低く設定された温度であり、冷媒の温度Ｔ１がこの温度以下になると、燃料電池スタック１０が過冷却状態になり、その発電性能を確保できない状態になる虞がある温度である。よって、開始温度Ｔ２は、例えば、単セルを構成するアノード及びカソードに含まれるＰｔ等の触媒が、良好な活性を発揮する温度範囲の下限温度に依存し、事前試験等によって求められ、例えば、３０〜３５℃に設定される。
また、低温起動時には、アノード等に水分が凍結した氷が残留しており、ＭＥＡの有効発電面積が小さくなっているので、制限モードを開始させ暖機を促進する開始温度Ｔ２は、当該氷を溶解することができる温度に設定される。 The start temperature T2 is a temperature at which the restriction mode is to be started, and is a temperature set lower than the release temperature T3. When the refrigerant temperature T1 falls below this temperature, the fuel cell stack 10 enters a supercooled state. The temperature at which the power generation performance may not be ensured. Therefore, the start temperature T2 depends on the lower limit temperature of the temperature range in which the catalyst such as Pt included in the anode and the cathode constituting the single cell exhibits good activity, and is determined by a preliminary test or the like. Set to 30-35 ° C.
At the time of low temperature start-up, the frozen ice remains on the anode or the like, and the effective power generation area of the MEA is small. Therefore, the start temperature T2 for starting the restriction mode and promoting the warm-up is It is set to a temperature at which it can be dissolved.

解除温度Ｔ３とは、制限モードを解除させるべき温度であって、冷媒の温度Ｔ１がこの温度以上になると、燃料電池スタック１０が過加熱状態になり、（１）冷媒流路１３の冷媒が沸騰する虞のある温度や、（２）ＭＥＡを構成する電解質膜がその耐熱温度以上となり劣化する虞のある温度や、（３）前記触媒が良好な活性を発揮する温度範囲の上限温度に依存し、事前試験等によって求められる。
なお、燃料電池スタック１０の仕様によっては、冷媒の温度Ｔ１が前記した（１）〜（３）の温度に到達する前に、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性が著しく低下する場合もあるので、この場合は、このＩ−Ｖ特性が著しく低下する温度を、解除温度Ｔ３としてもよい。 The release temperature T3 is a temperature at which the restriction mode is to be released. When the refrigerant temperature T1 becomes equal to or higher than this temperature, the fuel cell stack 10 is overheated, and (1) the refrigerant in the refrigerant flow path 13 boils. Depending on the temperature at which the catalyst may be deteriorated, (2) the temperature at which the electrolyte membrane constituting the MEA may be deteriorated by exceeding its heat resistance temperature, and (3) the upper limit temperature of the temperature range in which the catalyst exhibits good activity. It is required by preliminary tests.
Depending on the specifications of the fuel cell stack 10, the IV characteristics of the fuel cell stack 10 may significantly decrease before the refrigerant temperature T1 reaches the temperatures (1) to (3) described above. In this case, the temperature at which the IV characteristic is remarkably lowered may be set as the release temperature T3.

また、冷媒の温度Ｔ１と、開始温度Ｔ２又は解除温度Ｔ３とに基づいて、通常モードと制限モードとの切替判定（モード移行判定）を行うので、切り替え頻度を少なくするため、開始温度Ｔ２と解除温度Ｔ３とは、なるべく大きな温度差を設定することが好ましい。 Further, since the switching determination (mode transition determination) between the normal mode and the restriction mode is performed based on the refrigerant temperature T1 and the start temperature T2 or the release temperature T3, the start temperature T2 and the release temperature are canceled to reduce the switching frequency. It is preferable to set a temperature difference as large as possible with the temperature T3.

その他、ＥＣＵ５０は、後記するフラグＡを参照して、現在の冷媒の供給モードを判定する冷媒供給モード判定機能と、ＩＧ４１のＯＮ後に燃料電池スタック１０を暖機する必要があるか否かを判定する暖機判定機能と、暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定機能とを備えている。
また、ＥＣＵ５０は、暖機は必要であると判定した場合、燃料電池スタック１０の暖機を促進するため、燃料電池システム１を低温起動させる機能と、暖機は必要でないと判定した場合、燃料電池システム１を通常起動させる機能と、を備えている。 In addition, the ECU 50 refers to a flag A, which will be described later, and determines whether or not it is necessary to warm up the fuel cell stack 10 after the IG 41 is turned on, and a refrigerant supply mode determination function that determines the current refrigerant supply mode. And a warm-up completion determination function for determining whether or not the warm-up has been completed.
When the ECU 50 determines that the warm-up is necessary, the ECU 50 determines that the fuel cell system 1 is activated at a low temperature in order to promote the warm-up of the fuel cell stack 10. And a function of normally starting the battery system 1.

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ５０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。ＩＧ４１がＯＮされると、このＯＮ信号を検知したＥＣＵ５０は、各種処理を実行し、その結果として、図２に示す基本制御に係るフローチャートがスタートし、これに従って燃料電池システム１が起動する。なお、初期状態においてフラグＡは０に設定されている。 ≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described together with the flow of a program (flow chart) set in the ECU 50. When the IG 41 is turned on, the ECU 50 that detects this ON signal executes various processes, and as a result, the flowchart relating to the basic control shown in FIG. 2 is started, and the fuel cell system 1 is started accordingly. Note that the flag A is set to 0 in the initial state.

＜基本フローチャート＞
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０を暖機する必要があるか否かを判定する。暖機は必要であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、暖機は必要でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０３に進む。 <Basic flowchart>
In step S101, the ECU 50 determines whether or not the fuel cell stack 10 needs to be warmed up. When it is determined that warm-up is necessary (S101 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S102. On the other hand, when it is determined that the warm-up is not required (S101 / No), the process of the ECU 50 proceeds to step S103.

なお、暖機の必要有無に係る具体的方法については特に限定はなく、例えば、ＩＧ４１のＯＮ時の温度（温度センサ２５が検出する冷媒の温度Ｔ１、外気温度等）が、所定温度（例えば０℃）未満の場合、燃料電池スタック１０内が凍結している虞があるので、暖機は必要であると判定する方法を採用できる。その他、燃料電池自動車（燃料電池システム１）の停止中の温度を継続して記憶する構成であった場合、ＩＧ４１のＯＮ時の温度が所定温度以上であっても、停止中に所定温度未満を経験していたとき、暖機は必要であると判定する方法を採用してもよい。 The specific method relating to the necessity of warming up is not particularly limited. For example, the temperature at which the IG 41 is turned on (the refrigerant temperature T1 detected by the temperature sensor 25, the outside air temperature, etc.) is a predetermined temperature (eg, 0). When the temperature is less than (° C.), the fuel cell stack 10 may be frozen, so a method for determining that warm-up is necessary can be employed. In addition, when the temperature during the stop of the fuel cell vehicle (fuel cell system 1) is continuously stored, even if the temperature when the IG 41 is ON is equal to or higher than the predetermined temperature, the temperature below the predetermined temperature during the stop A method of determining that warm-up is necessary when experienced may be employed.

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０内が凍結しておらず、暖機が必要でないので、これに対応した通常流量の水素及び空気を燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池システム１を通常に起動する。そして、所定時間の間にて、通常起動した後、ＥＣＵ５０の処理はエンドに進み、起動時の制御を終了する。そして、燃料電池システム１は通常（定常）運転に移行する。 In step S102, the ECU 50 supplies the normal flow rate hydrogen and air corresponding to the fuel cell stack 10 to the fuel cell stack 10 because the inside of the fuel cell stack 10 is not frozen and does not need to be warmed up. Is started normally. Then, after a normal activation for a predetermined time, the process of the ECU 50 proceeds to the end, and the control at the time of the activation ends. Then, the fuel cell system 1 shifts to normal (steady) operation.

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を、低温起動によっての起動を開始する。どのような方法で低温起動するかについては特に限定はなく、例えば、（１）燃料電池スタック１０に通常起動時よりも多量の水素及び空気を供給すると共に、燃料電池スタック１０の出力電力が高まるようにＶＣＵ３２を制御し、燃料電池スタック１０の自己発熱量を高める方法を採用できる。その他、（２）燃料電池スタック１０の出力電力は通常起動時と同じ設定にした上で、燃料電池スタック１０に供給する水素及び空気を減少させることで、自己発熱量を高める方法も採用できる。 In step S103, the ECU 50 starts the fuel cell system 1 by starting at a low temperature. There is no particular limitation as to how to start at a low temperature. For example, (1) a larger amount of hydrogen and air are supplied to the fuel cell stack 10 than during normal startup, and the output power of the fuel cell stack 10 increases. Thus, a method of controlling the VCU 32 and increasing the self-heating amount of the fuel cell stack 10 can be adopted. In addition, (2) a method of increasing the self-heat generation amount by reducing the hydrogen and air supplied to the fuel cell stack 10 after setting the output power of the fuel cell stack 10 to be the same as that at the time of normal startup.

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、可変オリフィス２２を制御し、流量を制限しない通常モードで冷媒を冷媒流路１３に供給する。 In step S104, the ECU 50 controls the variable orifice 22 and supplies the refrigerant to the refrigerant flow path 13 in the normal mode in which the flow rate is not limited.

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０は、フラグＡを参照して、冷媒流路１３への冷媒の供給モードが通常モードであるか否かを判定する。
フラグＡが０であり、通常モードであると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、フラグＡが１であり、通常モードでないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ２００に進む。 In step S105, the ECU 50 refers to the flag A and determines whether or not the supply mode of the refrigerant to the refrigerant flow path 13 is the normal mode.
When the flag A is 0 and it is determined that the normal mode is selected (S105 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S106. On the other hand, when the flag A is 1 and it is determined that the normal mode is not set (S105, No), the process of the ECU 50 proceeds to step S200.

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５０は、温度センサ２５によって、燃料電池スタック１０内の冷媒流路１３における冷媒の温度Ｔ１を検出する。この場合、通常モードで冷媒流路１３に冷媒が供給されているので、冷媒流路１３に冷媒が滞留することはなく、冷媒流路１３から冷媒が通常流量で排出されている。
なお、このステップＳ１０６で検出した冷媒の温度Ｔ１は、一時的にＥＣＵ５０に記憶される。そして、この後、ステップＳ１０７の判定がＹｅｓとなり、冷媒流量を制限する制限モード（Ｓ１１１）に移行し、制限モードで動作している間、ステップＳ１０６で検出された冷媒の温度Ｔ１は、制限モードに移行する直前の温度として取り扱われる。 In step S 106, the ECU 50 detects the temperature T 1 of the refrigerant in the refrigerant flow path 13 in the fuel cell stack 10 using the temperature sensor 25. In this case, since the refrigerant is supplied to the refrigerant flow path 13 in the normal mode, the refrigerant does not stay in the refrigerant flow path 13 and is discharged from the refrigerant flow path 13 at the normal flow rate.
The refrigerant temperature T1 detected in step S106 is temporarily stored in the ECU 50. After that, the determination in step S107 is Yes, the process proceeds to the restriction mode (S111) for restricting the refrigerant flow rate, and while operating in the restriction mode, the refrigerant temperature T1 detected in step S106 is the restriction mode. It is treated as the temperature just before the transition to.

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０６で検出した冷媒の温度Ｔ１が、制限モードを開始するべき開始温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。
冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２以下であると判定した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１１に進む。一方、冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２以下でないと判定した場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。 In step S107, the ECU 50 determines whether or not the refrigerant temperature T1 detected in step S106 is equal to or lower than a start temperature T2 at which the restriction mode should be started.
When it is determined that the refrigerant temperature T1 is equal to or lower than the start temperature T2 (S107 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S111. On the other hand, when it determines with the temperature T1 of a refrigerant | coolant not being below the starting temperature T2 (S107 * No), it progresses to step S108.

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ５０は、通常モードで、冷媒流路１３に冷媒を供給する。
なお、ステップＳ１０７の判定がＮｏとなり、このステップＳ１０８に進んだ場合、通常モードが継続され、フラグＡは０で維持される。一方、後記するステップＳ１１０の判定がＹｅｓとなり、このステップＳ１０８に進んだ場合、制限モードから通常モードに切り替わり、フラグＡはリセットされ、０になる。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０９に進む。 In step S108, the ECU 50 supplies the refrigerant to the refrigerant flow path 13 in the normal mode.
When the determination in step S107 is No and the process proceeds to step S108, the normal mode is continued and the flag A is maintained at 0. On the other hand, if the determination in step S110 described later is Yes and the process proceeds to step S108, the restriction mode is switched to the normal mode, and the flag A is reset to 0.
Thereafter, the processing of the ECU 50 proceeds to step S109.

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ５０は、暖機が完了したか否かを判定する。暖機は完了したと判定した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はエンドに進み、起動時の制御を終了する。そして、燃料電池システム１は通常運転に移行する。一方、暖機は完了していないと判定した場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０５に進む。 In step S109, the ECU 50 determines whether the warm-up has been completed. When it is determined that the warm-up has been completed (S109 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to the end, and the control at the time of starting ends. Then, the fuel cell system 1 shifts to normal operation. On the other hand, if it is determined that the warm-up has not been completed (No at S109), the process of the ECU 50 proceeds to step S105.

なお、暖機完了判定の具体的方法は特に限定はなく、例えば、燃料電池スタック１０に供給している水素及び空気の流量、圧力に対応して、燃料電池スタック１０の出力検出器３４を介して検知されるＩ−Ｖ特性が実際に出力されているか否かで判定することができる。すなわち、実際に供給している水素の流量等に対応したＩ−Ｖ特性が得られていない場合、燃料電池スタック１０内は未だ凍結している虞があるとして、暖機は完了していないと判定することができる。 The specific method for determining the completion of warm-up is not particularly limited. For example, the warm-up completion determination is performed via the output detector 34 of the fuel cell stack 10 in accordance with the flow rate and pressure of hydrogen and air supplied to the fuel cell stack 10. It can be determined by whether or not the IV characteristic detected in this way is actually output. That is, if the IV characteristic corresponding to the flow rate of the hydrogen that is actually supplied is not obtained, the fuel cell stack 10 may still be frozen, and the warm-up is not completed. Can be determined.

次に、ステップＳ１０５の判定がＮｏの場合に進むステップＳ２００を説明する。
ステップＳ２００において、ＥＣＵ５０は、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を推定する。具体的推定方法については、後で説明する。 Next, step S200 that proceeds when the determination in step S105 is No will be described.
In step S200, the ECU 50 estimates the refrigerant temperature T1 in the refrigerant flow path 13. A specific estimation method will be described later.

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００で推定した冷媒の温度Ｔ１が、制限モードを解除（終了）するべき解除温度Ｔ３以上であるか否かを判定する。
冷媒の温度Ｔ１が解除温度Ｔ３以上であると判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、冷媒の温度Ｔ１が解除温度Ｔ３以上でないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１１に進む。 In step S110, the ECU 50 determines whether or not the refrigerant temperature T1 estimated in step S200 is equal to or higher than a release temperature T3 at which the restriction mode should be released (terminated).
When it is determined that the refrigerant temperature T1 is equal to or higher than the release temperature T3 (S110 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S108. On the other hand, when it determines with the refrigerant | coolant temperature T1 not being more than the cancellation | release temperature T3 (S110 * No), the process of ECU50 progresses to step S111.

ステップＳ１１１において、ＥＣＵ５０は、冷媒流量を制限する制限モードで、冷媒流路１３に冷媒を供給する。
なお、ステップＳ１１０の判定がＮｏとなり、このステップＳ１１１に進んだ場合、制限モードが継続され、フラグＡは１で維持される。一方、前記したステップＳ１０７の判定がＹｅｓとなり、このステップＳ１１１に進んだ場合、通常モードから制限モードに切り替わり、フラグＡは１になる。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０９に進む。 In step S111, the ECU 50 supplies the refrigerant to the refrigerant passage 13 in a restriction mode that restricts the refrigerant flow rate.
If the determination in step S110 is No and the process proceeds to step S111, the restriction mode is continued and the flag A is maintained at 1. On the other hand, if the determination in step S107 is Yes and the process proceeds to step S111, the normal mode is switched to the restriction mode, and the flag A is set to 1.
Thereafter, the processing of the ECU 50 proceeds to step S109.

＜冷媒の温度Ｔ１の推定処理Ｓ２００＞
次に、図３を参照して、制限モード時における、燃料電池スタック１０内の冷媒の温度Ｔ１の推定処理を説明する。
ステップＳ３００において、ＥＣＵ５０は、制限モード継続間、つまり、制限モードの開始から現在までの間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１（ｃａｌ）を算出する。具体的算出方法は、後で説明する。 <Refrigerant Temperature T1 Estimation Process S200>
Next, with reference to FIG. 3, the estimation process of the temperature T1 of the refrigerant in the fuel cell stack 10 in the restriction mode will be described.
In step S300, the ECU 50 calculates the calorific value Q1 (cal) of the fuel cell stack 10 during the limited mode continuation, that is, from the start of the limited mode to the present. A specific calculation method will be described later.

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ５０は、制限モード継続間において、冷媒流路１３を通流した冷媒の累積量（Ｌ）を算出する。この冷媒の累積量（Ｌ）は、式（１）に示すように、冷媒流路１３の容積（Ｌ）と、制限モード時において冷媒流路１３に供給（又は排出）された冷媒の量（Ｌ）との和によって与えられる。
冷媒流路１３の容積（Ｌ）は、燃料電池スタック１０を構成する単セルの数や、各単セルを構成するセパレータにおいて冷媒流路１３の一部を構成する溝の形状等に関係し、燃料電池スタック１０の仕様に基づいて定められる固定値である。
冷媒の累積量（Ｌ）＝冷媒流路１３の容積（Ｌ）＋供給（排出）された冷媒の累積量（Ｌ） …（１） In step S201, the ECU 50 calculates the cumulative amount (L) of the refrigerant that has flowed through the refrigerant flow path 13 while the restriction mode is continued. As shown in the equation (1), the cumulative amount (L) of the refrigerant includes the volume (L) of the refrigerant flow path 13 and the amount of refrigerant supplied (or discharged) to the refrigerant flow path 13 in the restriction mode ( L) and given by the sum.
The volume (L) of the refrigerant flow path 13 is related to the number of single cells constituting the fuel cell stack 10, the shape of the grooves constituting a part of the refrigerant flow path 13 in the separator constituting each single cell, and the like. The fixed value is determined based on the specifications of the fuel cell stack 10.
Accumulated amount of refrigerant (L) = Volume (L) of refrigerant flow path 13 + Accumulated amount of refrigerant supplied (discharged) (L) (1)

冷媒流路１３に供給（排出）された冷媒の量（Ｌ）は、式（２）に示すように、制限モード時に冷媒流路１３に供給（排出）される冷媒の流量（Ｌ／ｓ）と、制限開始から現在まで制限モードが継続している時間（ｓ）と、の積で与えられる。
供給（排出）された冷媒の累積量（Ｌ）＝制限モード時の冷媒の流量（Ｌ／ｓ）×制限モードの継続時間（ｓ） …（２） The amount (L) of the refrigerant supplied (discharged) to the refrigerant flow path 13 is the flow rate (L / s) of the refrigerant supplied (discharged) to the refrigerant flow path 13 in the limit mode as shown in the equation (2). And the time (s) during which the restriction mode continues from the restriction start to the present.
Accumulated amount of refrigerant supplied (discharged) (L) = refrigerant flow rate in limit mode (L / s) × limit mode duration (s) (2)

制限モード時に冷媒流路１３に供給等される冷媒の流量（Ｌ／ｓ）は、制限モード時における可変オリフィス２２の絞りの程度、冷媒ポンプ２１の回転速度に関係し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。そして、制限モード時の冷媒の流量（Ｌ／ｓ）は、通常モード時に対して小さくなる。なお、制限モード時に冷媒の流通を停止する場合、制限モード時の冷媒の流量は０（Ｌ／ｓ）となる。
また、制限モードの時間（ｓ）は、例えば、ＥＣＵ５０に内蔵されるクロックによって計測される。 The flow rate (L / s) of the refrigerant supplied to the refrigerant flow path 13 in the limit mode is related to the degree of restriction of the variable orifice 22 and the rotation speed of the refrigerant pump 21 in the limit mode, and is obtained by a preliminary test or the like. Are stored in the ECU 50. The refrigerant flow rate (L / s) in the limit mode is smaller than that in the normal mode. When the refrigerant flow is stopped in the restriction mode, the refrigerant flow rate in the restriction mode is 0 (L / s).
Further, the time (s) in the limit mode is measured by a clock built in the ECU 50, for example.

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ５０は、その内部に記憶された燃料電池スタック１０の熱マスを読み込む。燃料電池スタック１０の熱マスとは、発電により自己発熱する燃料電池スタック１０によって、その内部を流れる冷媒が加熱される程度である。すなわち、燃料電池スタック１０の熱マスは、式（３）に示すように、燃料電池スタック自体の熱マス（熱伝導率）と、冷媒の熱マス（比熱）と、の積によって与えられ、燃料電池スタック１０の仕様と冷媒の種類とに関係する固定値であり、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
燃料電池スタックの熱マス＝燃料電池スタック自体の熱マス（熱伝導率）×冷媒の熱マス（比熱） …（３） In step S202, the ECU 50 reads the thermal mass of the fuel cell stack 10 stored therein. The thermal mass of the fuel cell stack 10 is such that the refrigerant flowing inside the fuel cell stack 10 that generates heat by power generation is heated. That is, the thermal mass of the fuel cell stack 10 is given by the product of the thermal mass (thermal conductivity) of the fuel cell stack itself and the thermal mass (specific heat) of the refrigerant, as shown in Equation (3). This is a fixed value related to the specification of the battery stack 10 and the type of refrigerant, is obtained by a preliminary test or the like, and is stored in the ECU 50.
Fuel cell stack thermal mass = Fuel cell stack thermal mass (thermal conductivity) x Refrigerant thermal mass (specific heat) (3)

なお、燃料電池スタック１０自体の熱マスは、燃料電池スタック１０の仕様、つまり、これを構成するセパレータの材質等に関係し、事前試験等により求められる。冷媒の熱マス（比熱）は、冷媒の種類に関係する固有値であり、事前試験等により求められる。 Note that the thermal mass of the fuel cell stack 10 itself is related to the specifications of the fuel cell stack 10, that is, the material of the separator constituting the fuel cell stack 10, and is obtained by a preliminary test or the like. The heat mass (specific heat) of the refrigerant is an eigenvalue related to the type of the refrigerant, and is obtained by a preliminary test or the like.

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３００で算出した燃料電池スタック１０の発熱量と、ステップＳ２０１で算出した制限モード継続間における冷媒の累積量と、ステップＳ２０２で読み込んだ燃料電池スタック１０の熱マスと、に基づいて、制限モード継続間における冷媒の温度の変化量ΔＴを推定する。
なお、冷媒の温度の変化量ΔＴを推定する際、サーモスタット２３の開／閉、つまり、ラジエータ２４による放熱の有無を考慮して、補正してもよい。 In step S203, the ECU 50 calculates the heat generation amount of the fuel cell stack 10 calculated in step S300, the cumulative amount of refrigerant during the restriction mode continuation calculated in step S201, and the thermal mass of the fuel cell stack 10 read in step S202. Based on the above, the change amount ΔT of the refrigerant temperature during the continuous restriction mode is estimated.
When estimating the refrigerant temperature change amount ΔT, it may be corrected in consideration of the opening / closing of the thermostat 23, that is, the presence or absence of heat radiation by the radiator 24.

ステップＳ２０４において、ＥＣＵ５０は、制限モードの開始直前に、ステップＳ１０６において実際に温度センサ２５で検出され、その内部に一時的に記憶されている冷媒の温度Ｔ１を読み込む。 In step S204, immediately before the start of the restriction mode, the ECU 50 reads the refrigerant temperature T1 actually detected by the temperature sensor 25 in step S106 and temporarily stored therein.

ステップＳ２０５において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３における冷媒の現在の冷媒の温度Ｔ１を、式（４）に示すように、ステップＳ２０４で読み込んだ制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１と、ステップＳ２０３で推定した制限モード継続間における冷媒温度の変化量ΔＴと、に基づいて推定する。
現在の冷媒の温度Ｔ１＝制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１＋制限モード継続間の冷媒温度変化量ΔＴ …（４） In step S205, the ECU 50 reads the current refrigerant temperature T1 of the refrigerant in the refrigerant flow path 13 of the fuel cell stack 10 as shown in the equation (4), and the refrigerant temperature T1 just before the start of the restriction mode read in step S204. And the change amount ΔT of the refrigerant temperature during the restriction mode continuation estimated in step S203.
Current refrigerant temperature T1 = refrigerant temperature T1 just before the start of the restriction mode + refrigerant temperature change ΔT during the restriction mode continuation ΔT (4)

その後、ＥＣＵ５０の処理は、エンドを経由して、図２のステップＳ１１０に進む。 Thereafter, the processing of the ECU 50 proceeds to step S110 in FIG. 2 via the end.

＜燃料電池スタックの発熱量の算出処理Ｓ３００＞
次に、図４、図５を参照して、制限モード継続間における、燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１の一算出処理を説明する。
ここでは簡単に説明するため、制限モード継続間において、燃料電池スタック１０の実際の出力電流Ｉ１、実際の出力電圧Ｖ１が一定であると仮定する。なお、燃料電池スタック１０の実際の出力電圧Ｖ１は、分極により電圧を損失し、熱の発生を伴うため、理論起電圧Ｖ０よりも低くなる（図５、矢印Ａ１参照）。また、燃料電池スタック１０の理論起電圧Ｖ０は、直列に接続した単セル数をｎとした場合、式（１１）で与えられる。
燃料電池スタックの理論起電圧Ｖ０＝単セルの理論起電圧（１．２３Ｖ）×セル数ｎ …（１１） <Calculation Process S300 of Fuel Cell Stack Heat Generation>
Next, with reference to FIG. 4 and FIG. 5, one calculation process of the calorific value Q1 of the fuel cell stack 10 during the limited mode continuation will be described.
Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the actual output current I1 and the actual output voltage V1 of the fuel cell stack 10 are constant during the limited mode. The actual output voltage V1 of the fuel cell stack 10 is lower than the theoretical electromotive voltage V0 because the voltage is lost due to polarization and heat is generated (see arrow A1 in FIG. 5). The theoretical electromotive voltage V0 of the fuel cell stack 10 is given by equation (11), where n is the number of single cells connected in series.
Fuel cell stack theoretical electromotive voltage V0 = single cell theoretical electromotive voltage (1.23 V) × number of cells n (11)

そして、ステップＳ３０１に示すように、理論起電圧Ｖ０が実際の出力電圧Ｖ１に低下したことによる、燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２は、式（１２）によって与えられ、さらに式（１３）に展開される。
燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２＝理論出力Ｗ０−実際の出力Ｗ１ …（１２）
燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２＝実際の出力電流Ｉ１×理論起電圧Ｖ０−実際の出力電流Ｉ１×実際の出力電圧Ｖ１ …（１３） Then, as shown in step S301, the loss output W2 of the fuel cell stack 10 resulting from the reduction of the theoretical electromotive voltage V0 to the actual output voltage V1 is given by the equation (12), and further developed into the equation (13). Is done.
Loss output W2 of fuel cell stack 10 = theoretical output W0−actual output W1 (12)
Loss output W2 of the fuel cell stack 10 = actual output current I1 × theoretical electromotive voltage V0−actual output current I1 × actual output voltage V1 (13)

なお、この損失出力Ｗ２は、分極により電圧を損失したことに起因するものであるから、損失出力Ｗ２に対応して熱エネルギが発生しており、この熱エネルギによって燃料電池スタック１０が自己発熱する。 Since the loss output W2 is caused by the loss of voltage due to polarization, thermal energy is generated corresponding to the loss output W2, and the fuel cell stack 10 self-heats due to this thermal energy. .

そして、ステップＳ３０２に示すように、損失出力Ｗ２（Ｗ（Ｊ／ｓ））に基づいて、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）が算出される（式（１４）参照）。なお、ここでは、制限モード継続間において、出力電流Ｉ１、出力電圧Ｖ１が一定であるので、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２は一定となる。
燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）＝損失出力Ｗ２×０．２３８８ …（１４） Then, as shown in step S302, the calorific value Q2 (cal / s) per unit time of the fuel cell stack 10 is calculated based on the loss output W2 (W (J / s)) (formula (14)). reference). Here, since the output current I1 and the output voltage V1 are constant during the limited mode, the heat generation amount Q2 per unit time of the fuel cell stack 10 is constant.
Heat generation amount Q2 (cal / s) per unit time of the fuel cell stack 10 = loss output W2 × 0.2388 (14)

次いで、ステップＳ３０３に示すように、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１は、単位時間当たりの発熱量Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）と、制限モード継続時間（ｓ）との積によって与えられる（式（１５）参照）。
制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１（ｃａｌ）＝Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）×制限モードの継続時間（ｓ） …（１５） Next, as shown in step S303, the calorific value Q1 of the fuel cell stack 10 during the limited mode continuation is given by the product of the calorific value Q2 (cal / s) per unit time and the limited mode continuation time (s). (See equation (15)).
Calorific value Q1 (cal) = Q2 (cal / s) × continuation time of restriction mode (s) during restriction mode continuation (15)

したがって、実際には、ＥＣＵ５０は、出力電流Ｉ１、出力電圧Ｖ１に基づいて、損失出力Ｗ２、次いで、単位時間当たりの発熱量Ｑ２を算出し、単位時間当たりの発熱量Ｑ２を制限モード継続時間で積分すれば、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１を算出することができる。
このように発熱量Ｑ１を算出した後、ＥＣＵ５０の処理は、エンドを経由して、図３のステップＳ２０１に進む。 Therefore, in practice, the ECU 50 calculates the loss output W2 and then the heat generation amount Q2 per unit time based on the output current I1 and the output voltage V1, and calculates the heat generation amount Q2 per unit time as the limit mode duration time. By integrating, the calorific value Q1 of the fuel cell stack 10 during the limited mode can be calculated.
After calculating the calorific value Q1 in this way, the processing of the ECU 50 proceeds to step S201 in FIG. 3 via the end.

≪燃料電池システムの効果≫
このような本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、主に以下の効果を得ることができる。
燃料電池スタック１０を暖機するため、燃料電池システム１が低温起動している場合であって、冷媒流路１３への冷媒供給を制限する制限モードに入っているとき、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１と、制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１とに基づいて、現在の冷媒の温度Ｔ１を推定することができる。 ≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1 according to the present embodiment, the following effects can be mainly obtained.
In order to warm up the fuel cell stack 10, when the fuel cell system 1 is activated at a low temperature and enters the restriction mode for restricting the refrigerant supply to the refrigerant flow path 13, the fuel during the restriction mode continues. Based on the calorific value Q1 of the battery stack 10 and the refrigerant temperature T1 immediately before the start of the restriction mode, the current refrigerant temperature T1 can be estimated.

そして、推定された冷媒の温度Ｔ１と、解除温度Ｔ３とに基づいて、冷媒供給の制限を解除するか否か、つまり、制限モードを継続するか否か、言い換えると、通常モードに移行するか否かを判定するので、冷媒の沸騰を防止して燃料電池スタック１０の劣化を防止しつつ、冷媒流量を制限し燃料電池スタック１０の暖機を促進できる。 Then, based on the estimated refrigerant temperature T1 and release temperature T3, whether or not to release the restriction on refrigerant supply, that is, whether or not to continue the restriction mode, in other words, whether to shift to the normal mode Therefore, it is possible to limit the flow rate of the refrigerant and promote warm-up of the fuel cell stack 10 while preventing the refrigerant from boiling and preventing the fuel cell stack 10 from deteriorating.

制限モードが解除され、通常モードに移行した後、冷媒の温度Ｔ１と、解除温度Ｔ３よりも低く設定された開始温度Ｔ２と、に基づいて、通常モードを終了し、再び制限モードに移行するか否かを判定するので、通常モード時に通常流量で供給される冷媒によって、燃料電池スタック１０が過冷却されることを防止できる。
また、開始温度Ｔ２は、解除温度Ｔ３よりも低く設定されており、つまり、開始温度Ｔ２と解除温度Ｔ３とは所定の温度差が設定されているので、通常モードと制限モードとの切り替え頻度を少なくすることができる。 After the restriction mode is canceled and the normal mode is entered, whether the normal mode is terminated based on the refrigerant temperature T1 and the start temperature T2 set lower than the release temperature T3, and the restriction mode is entered again. Therefore, it is possible to prevent the fuel cell stack 10 from being overcooled by the refrigerant supplied at the normal flow rate in the normal mode.
In addition, the start temperature T2 is set lower than the release temperature T3, that is, a predetermined temperature difference is set between the start temperature T2 and the release temperature T3, so the switching frequency between the normal mode and the limit mode is set. Can be reduced.

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図６を参照して、燃料電池システム１の一動作例を説明する。なお、ここではＩＧ４１のＯＮ後、低温起動に入る場合を例示する。
ＩＧ４１がＯＮされると、燃料電池スタック１０に水素及び空気が供給された後、コンタクタ３３及びＶＣＵ３２が制御され、燃料電池スタック１０が発電する。これに並行して、可変オリフィス２２が通常モードに対応する開度のまま、冷媒ポンプ２１が作動し、これにより、冷媒流路１３に通常モードで冷媒が供給される。 ≪Example of fuel cell system operation≫
Next, an operation example of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG. In addition, the case where it starts in low temperature after IG41 is turned on here is illustrated.
When the IG 41 is turned on, hydrogen and air are supplied to the fuel cell stack 10, and then the contactor 33 and the VCU 32 are controlled, and the fuel cell stack 10 generates power. In parallel with this, the refrigerant pump 21 operates with the opening of the variable orifice 22 corresponding to the normal mode, whereby the refrigerant is supplied to the refrigerant flow path 13 in the normal mode.

その後、冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２以下であるので（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、制限モードに入る（Ｓ１１１）。制限モードで冷媒が供給されると、燃料電池スタック１０の冷媒の温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０の発熱量等に基づいて推定され（Ｓ２００）、推定された冷媒の温度Ｔ１は上昇する。 Thereafter, since the refrigerant temperature T1 is equal to or lower than the start temperature T2 (S107 / Yes), the restriction mode is entered (S111). When the refrigerant is supplied in the restriction mode, the temperature T1 of the refrigerant in the fuel cell stack 10 is estimated based on the amount of heat generated in the fuel cell stack 10 (S200), and the estimated temperature T1 of the refrigerant increases.

その後、推定された冷媒の温度Ｔ１が解除温度Ｔ３に到達すると（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、通常モードに切り替わり（Ｓ１０８）、冷媒の温度Ｔ１が下がる。そして、冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２に下がると（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、制限モードに切り替わり（Ｓ１１１）、冷媒の温度Ｔ１の推定が開始される（Ｓ２００）。 Thereafter, when the estimated refrigerant temperature T1 reaches the release temperature T3 (Yes in S110), the mode is switched to the normal mode (S108), and the refrigerant temperature T1 is lowered. When the refrigerant temperature T1 falls to the start temperature T2 (S107 / Yes), the mode is switched to the restriction mode (S111), and the estimation of the refrigerant temperature T1 is started (S200).

その後、推定された冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２に到達すると（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、通常モードに切り替わる（Ｓ１０８）。そして、通常モードでの冷媒の供給中に、燃料電池スタック１０の暖機が完了すると（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、通常運転に移行する。 Thereafter, when the estimated refrigerant temperature T1 reaches the start temperature T2 (Yes in S110), the mode is switched to the normal mode (S108). When the warm-up of the fuel cell stack 10 is completed during the supply of the refrigerant in the normal mode (S109 / Yes), the operation shifts to the normal operation.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

前記した実施形態では、可変オリフィス２２によって冷媒流路１３に供給される冷媒に付与する圧力損失を切り替えることで、通常モード／制限モードを切り替える構成を例示したが、その他に例えば、可変オリフィス２２に代えて、バタフライ弁を使用し、バタフライ弁の開度を制御することで、通常モード／制限モードを切り替える構成としてもよい。 In the above-described embodiment, the configuration in which the normal mode / restriction mode is switched by switching the pressure loss applied to the refrigerant supplied to the refrigerant flow path 13 by the variable orifice 22 is exemplified. Instead, a normal valve / restriction mode may be switched by using a butterfly valve and controlling the opening of the butterfly valve.

前記した実施形態では、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段が可変オリフィス２２を備えて構成される場合を例示したが、図７に示すように、冷媒流量制限手段として三方弁２６等を備える燃料電池システム２であってもよい。 In the above-described embodiment, the case where the refrigerant flow rate limiting means for limiting the flow rate of the refrigerant supplied to the refrigerant flow path 13 is provided with the variable orifice 22 is illustrated. However, as shown in FIG. The fuel cell system 2 provided with the three-way valve 26 etc. as a means may be sufficient.

燃料電池システム２は、可変オリフィス２２に代えて、三方弁２６を備えている。そして、三方弁２６は、配管２２ａを介して冷媒流路１３と、配管２６ａを介して冷媒流路１３の下流の配管２３ａと、に接続されている。つまり、配管２６ａは冷媒流路１３をバイパス（迂回）するバイパスラインとして機能している。
なお、配管２６ａは、温度センサ２５よりの下流側の配管２３ａに接続されている。これにより、温度センサ２５が、冷媒流路１３から排出された冷媒の温度を主に検出するようになっている。 The fuel cell system 2 includes a three-way valve 26 instead of the variable orifice 22. And the three-way valve 26 is connected to the refrigerant | coolant flow path 13 via the piping 22a, and the piping 23a downstream of the refrigerant flow path 13 via the piping 26a. That is, the pipe 26a functions as a bypass line that bypasses (detours) the refrigerant flow path 13.
The pipe 26 a is connected to a pipe 23 a on the downstream side from the temperature sensor 25. Thereby, the temperature sensor 25 mainly detects the temperature of the refrigerant discharged from the refrigerant flow path 13.

三方弁２６は、ＥＣＵ５０によって、その開度が制御され、冷媒ポンプ２１からの冷媒を、通常モード／制限モードに対応して、流量０（Ｌ／ｓ）を含めて、配管２２ａ（冷媒流路１３）と配管２６ａとに振り分けて供給可能となっている。なお、三方弁２６に代えて、配管２２ａ、配管２６ａに開閉弁をそれぞれ設け、通常モード／制限モードに応じて、これら開閉弁の開度を制御する構成としてもよい。 The opening degree of the three-way valve 26 is controlled by the ECU 50, and the refrigerant from the refrigerant pump 21 includes the flow rate 0 (L / s) and the pipe 22a (refrigerant flow path) corresponding to the normal mode / restriction mode. 13) and the pipe 26a. Instead of the three-way valve 26, an opening / closing valve may be provided in each of the piping 22a and the piping 26a, and the opening degree of these opening / closing valves may be controlled according to the normal mode / restriction mode.

その他、通常モード／制限モードに対応して、冷媒ポンプ２１の回転速度を制御する構成としてもよい。すなわち、通常モードから制限モードに切り替わった場合、冷媒ポンプ２１の回転速度を低下、又は冷媒ポンプ２１を停止させる構成であってもよい。 In addition, it is good also as a structure which controls the rotational speed of the refrigerant | coolant pump 21 corresponding to normal mode / restriction | limiting mode. That is, when the normal mode is switched to the restriction mode, the rotation speed of the refrigerant pump 21 may be reduced or the refrigerant pump 21 may be stopped.

前記した実施形態では、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１を、燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２に基づいて算出する場合を例示したが、以下のようにして算出してもよい。
まず、固体高分子型の燃料電池スタック１０のアノードの電極反応は式（２１）、カソードの電極反応は式（２２）及び式（２３）、電池反応（全反応）は式（２４）で与えられ、式（２４）における熱量Ｑ２４（ｃａｌ／ｍｏｌ）は、式（２５）で与えられる。なお、Ｑ２１〜Ｑ２４は燃料電池スタック１０の仕様に基づいて定められる固定値である。 In the above-described embodiment, the case where the calorific value Q1 of the fuel cell stack 10 during the restriction mode continuation is calculated based on the loss output W2 of the fuel cell stack 10, but may be calculated as follows. .
First, the anode electrode reaction of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 is given by equation (21), the cathode electrode reaction is given by equations (22) and (23), and the cell reaction (total reaction) is given by equation (24). The calorie | heat amount Q24 (cal / mol) in Formula (24) is given by Formula (25). Q21 to Q24 are fixed values determined based on the specifications of the fuel cell stack 10.

アノード：Ｈ_２＝２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋Ｑ２１ …（２１）
カソード：Ｏ_２＋４ｅ⁻＝２Ｏ^２−＋Ｑ２２ …（２２）
：４Ｈ^＋＋０^２−＝２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ２３ …（２３）
電池反応：２Ｈ_２＋Ｏ_２＝２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ２４ …（２４）
Ｑ２４＝Ｑ２１＋Ｑ２２＋Ｑ２３ …（２５） Anode: H ₂ = 2H ⁺ + 2e ⁻ + Q21 (21)
Cathode: O ₂ + 4e ⁻ = 2O ² + + Q22 (22)
: 4H ⁺ +0 ²⁻ = 2H ₂ O + Q23 (23)
Battery reaction: 2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O + Q24 (24)
Q24 = Q21 + Q22 + Q23 (25)

したがって、式（２４）より、燃料電池スタック１０において、水素が１ｍｏｌ消費された場合の発熱量Ｑ（ｃａｌ／ｍｏｌ）が算出される。 Therefore, the calorific value Q (cal / mol) when 1 mol of hydrogen is consumed in the fuel cell stack 10 is calculated from the equation (24).

また、燃料電池スタック１０の出力電流をＩ１、これを構成する単セルの数をｎ（セル）とすると、出力電流Ｉ１の場合に燃料電池スタック１０で消費される水素のモル数Ｍ１（ｍｏｌ）は、式（２６）で与えられる。
消費された水素Ｍ１（ｍｏｌ）＝（出力電流Ｉ１（Ａ）／３６００（ｓ））×０．４１８×セル数ｎ×（２（ｍｏｌ）／２２．４（Ｌ／ｍｏｌ）） …（２６） Further, assuming that the output current of the fuel cell stack 10 is I1 and the number of single cells constituting the fuel cell stack 10 is n (cells), the number of moles of hydrogen consumed in the fuel cell stack 10 in the case of the output current I1 M1 (mol) Is given by equation (26).
Consumed hydrogen M1 (mol) = (output current I1 (A) / 3600 (s)) × 0.418 × number of cells n × (2 (mol) /22.4 (L / mol)) (26)

そうすると、式（２４）、式（２６）と、燃料電池スタック１０の出力電流Ｉ１とに基づいて、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２、つまり、式（２４）のＱ２４を算出することができる。
したがって、このようにして算出された発熱量Ｑ２を、制限モードの継続時間で積分すれば、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１を算出することができる。 Then, based on the expressions (24) and (26) and the output current I1 of the fuel cell stack 10, the calorific value Q2 per unit time of the fuel cell stack 10, that is, Q24 of the expression (24) is calculated. be able to.
Therefore, if the calorific value Q2 calculated in this way is integrated with the duration of the restriction mode, the calorific value Q1 of the fuel cell stack 10 during the restriction mode continuation can be calculated.

前記した実施形態では、制限モード時における冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を、制限モード開始直前に検出された冷媒の温度Ｔ１と、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１と、に基づいて算出し、推定する場合を例示したが、その他に例えば、ＥＣＵ５０（冷媒温度推定手段）が、燃料電池スタック１０の発電電力と単位時間当たりの発熱量とが予め関連付けられたマップ参照して、発電電力（発電量）に基づいて単位時間当たりの発熱量（ΔＴ／ｓ）を累計し、累計された単位時間当たりの発熱量と制限モード継続時間とを乗算することで、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の総発熱量Ｑ１を算出する。そして、この総発熱量Ｑ１と制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１とに基づいて、制限モード時における現在の冷媒の温度Ｔを算出し、推定することができる。このような方法によれば、制限モード時における運転状態（燃料電池スタック１０の発熱量、発電電力等）が変化しても、現在の冷媒の温度Ｔを算出できる。なお、燃料電池スタック１０の発電電力が大きくなると、その発熱量は大きくなる。 In the above-described embodiment, the refrigerant temperature T1 in the refrigerant flow path 13 during the restriction mode, the refrigerant temperature T1 detected immediately before the restriction mode is started, and the heat generation amount Q1 of the fuel cell stack 10 during the restriction mode continuation, However, for example, the ECU 50 (refrigerant temperature estimation means) refers to a map in which the generated power of the fuel cell stack 10 and the heat generation amount per unit time are associated in advance. Then, the heat generation amount per unit time (ΔT / s) is accumulated based on the generated power (power generation amount), and the cumulative heat generation amount per unit time is multiplied by the restriction mode duration time, thereby continuing the restriction mode. The total calorific value Q1 of the fuel cell stack 10 is calculated. Then, based on the total calorific value Q1 and the refrigerant temperature T1 immediately before the start of the restriction mode, the current refrigerant temperature T in the restriction mode can be calculated and estimated. According to such a method, the current refrigerant temperature T can be calculated even if the operating state (the amount of heat generated by the fuel cell stack 10, the generated power, etc.) in the restriction mode changes. Note that when the power generated by the fuel cell stack 10 increases, the amount of heat generated increases.

また、制限モード時における運転状態（燃料電池スタック１０の発熱量、発電電力等）が一定ならば、制限モード継続時間と冷媒の温度Ｔ１の変化量ΔＴとが予め関連付けられたマップを参照して、実際の制限モード継続時間から変化量ΔＴを算出し、この温度の変化量ΔＴと、制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１と、に基づいて、制限モード時における現在の冷媒の温度Ｔを算出し、推定することができる。 Further, if the operating state (the amount of heat generated by the fuel cell stack 10, generated power, etc.) in the restriction mode is constant, refer to a map in which the restriction mode duration and the change amount ΔT of the refrigerant temperature T1 are associated in advance. The change amount ΔT is calculated from the actual restriction mode duration, and the current refrigerant temperature T in the restriction mode is calculated based on the temperature change amount ΔT and the refrigerant temperature T1 immediately before the start of the restriction mode. And can be estimated.

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated. However, for example, a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship may be used. Further, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.

前記した実施形態では、温度センサ２５によって、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を検出する場合を例示したが、配管１１ｂ及び／又は配管１２ｂに温度センサを設け、アノードオフガス及び／又はカソードオフガスの温度に基づいて、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を間接的に推定し、検出する構成としてもよい。
なお、水素循環系を備える燃料電池システムの場合、循環する水素のパージに連動するアノードオフガスの温度の変化に起因する、冷媒の温度Ｔ１の誤推定を防止するため、パージされていない場合におけるアノードオフガスの温度に基づいて推定することが好ましい。 In the above-described embodiment, the case where the temperature T1 of the refrigerant in the refrigerant flow path 13 is detected by the temperature sensor 25 is exemplified. However, the temperature sensor is provided in the pipe 11b and / or the pipe 12b, and the anode offgas and / or the cathode offgas is detected. Based on the temperature, the temperature T1 of the refrigerant in the refrigerant flow path 13 may be indirectly estimated and detected.
In the case of a fuel cell system equipped with a hydrogen circulation system, the anode in the case where the refrigerant is not purged is prevented in order to prevent erroneous estimation of the refrigerant temperature T1 due to a change in the temperature of the anode off gas that is linked to the purge of circulating hydrogen. It is preferable to estimate based on the off-gas temperature.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 図２に示す冷媒の温度Ｔ１の推定処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the estimation process of the temperature T1 of the refrigerant | coolant shown in FIG. 図３に示す制限モード開始時からの燃料電池スタックの発熱量を算出する処理を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a process for calculating a heat generation amount of the fuel cell stack from the start of the restriction mode shown in FIG. 3. 理論出力と実際の出力とに基づいて、燃料電池スタックの発熱量を求めることを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows calculating | requiring the emitted-heat amount of a fuel cell stack based on a theoretical output and an actual output. 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows one operation example of the fuel cell system concerning this embodiment. 変形例に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on a modification.

符号の説明Explanation of symbols

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
１３冷媒流路
２０冷媒循環系（冷媒供給手段）
２１冷媒ポンプ
２２可変オリフィス（冷媒流量制限手段）
３４出力検出器（出力検出手段）
５０ＥＣＵ（制御手段、冷媒温度推定手段）
Ｔ１冷媒の温度
Ｔ２制限モードの開始温度
Ｔ３制限モードの解除温度
Ｉ１燃料電池スタックの実際の出力電流
Ｖ０燃料電池スタックの理論起電圧
Ｖ１燃料電池スタックの実際の出力電圧
Ｗ０燃料電池スタックの理論出力
Ｗ１燃料電池スタックの実際の出力
Ｗ２燃料電池スタックの損失出力 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell stack 13 Refrigerant flow path 20 Refrigerant circulation system (refrigerant supply means)
21 Refrigerant pump 22 Variable orifice (refrigerant flow restriction means)
34 Output detector (output detection means)
50 ECU (control means, refrigerant temperature estimation means)
T1 Refrigerant temperature T2 Restriction mode start temperature T3 Restriction mode release temperature I1 Actual output current of fuel cell stack V0 Theoretical voltage of fuel cell stack V1 The actual output voltage of fuel cell stack W0 Theoretical output of fuel cell stack W1 Actual output of fuel cell stack W2 Loss output of fuel cell stack

Claims

反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記燃料電池に供給される冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段と、
前記冷媒流量制限手段を制御する制御手段と、
前記燃料電池内の冷媒の温度を推定する冷媒温度推定手段と、
を備え、
前記冷媒流量制限手段が前記燃料電池に供給される冷媒の流量を制限している場合、前記制御手段は、前記冷媒温度推定手段が推定した前記燃料電池内の冷媒の温度と、冷媒の流量制限を解除すべき解除温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除するか否かを判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying reactive gas;
Refrigerant supply means for supplying refrigerant to the refrigerant flow path of the fuel cell;
Refrigerant flow rate limiting means for limiting the flow rate of the refrigerant supplied to the fuel cell;
Control means for controlling the refrigerant flow rate limiting means;
Refrigerant temperature estimating means for estimating the temperature of the refrigerant in the fuel cell;
With
When the refrigerant flow rate limiting unit limits the flow rate of the refrigerant supplied to the fuel cell, the control unit limits the refrigerant temperature in the fuel cell estimated by the refrigerant temperature estimation unit and the refrigerant flow rate limit. Whether to release the restriction on the flow rate of the refrigerant by the refrigerant flow restriction means is determined based on the release temperature at which the refrigerant is to be released.

前記冷媒温度推定手段は、制限開始前の冷媒の温度と、制限開始後の前記燃料電池の発熱量とに基づいて、前記燃料電池内の冷媒の温度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The refrigerant temperature estimation means estimates the temperature of the refrigerant in the fuel cell based on the temperature of the refrigerant before the start of restriction and the calorific value of the fuel cell after the start of restriction. The fuel cell system described in 1.

前記冷媒流路から排出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除した後、前記制御手段は、前記温度センサが検出した冷媒の温度と、前記解除温度よりも低く、冷媒流量の制限を開始すべき開始温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を開始するか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 A temperature sensor for detecting the temperature of the refrigerant discharged from the refrigerant flow path;
After releasing the restriction of the refrigerant flow rate by the refrigerant flow restriction means, the control means includes a temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor, and a start temperature that is lower than the release temperature and should start restriction of the refrigerant flow rate. The fuel cell system according to claim 1, wherein it is determined whether to start limiting the flow rate of the refrigerant by the refrigerant flow rate limiting unit.