JP2010129353A - 燃料電池システムの起動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の零下起動性を向上させる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタックと、燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する冷却水通路と、冷却水の流量を制御する流量制御機構と、冷却水に熱量を与えてその冷却水を加熱する加熱機構と、加熱機構と並列に設けられ、冷却水の温度が低いときほど圧力損失が増加する圧力損失可変機構と、を備える燃料電池システムの起動制御装置であって、燃料電池スタックの内部で生成水が凍結するおそれのある低温起動時は、冷却水に与える熱量を増大させるとともに、冷却水の流量を通常時よりも減少させて、燃料電池スタックの温度を上昇させるスタック温度上昇手段Ｓ４，Ｓ５を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池システムの起動制御装置に関する。

従来の燃料電池システムは、冷却水を加熱するヒータと、燃料電池スタックをバイパスして冷却水を流すバイパス管とを備え、起動時には冷却水をヒータで加熱するとともに、バイパス管に冷却水が流れようにしていた。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２９４４９９号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、加熱した冷却水が燃料電池スタックに流れにくくなるので、零下時には燃料電池スタックの昇温に時間がかかるという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池スタックを早期に昇温することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する冷却水通路と、冷却水の流量を制御する流量制御機構と、冷却水に熱量を与えてその冷却水を加熱する加熱機構とを備える。そして、加熱機構と並列に設けられ、冷却水の温度が低いときほど圧力損失が増加する圧力損失可変機構と、を備える燃料電池システムの起動制御装置である。そして、燃料電池スタックの内部で生成水が凍結するおそれのある低温起動時は、前記冷却水に与える熱量を増大させるとともに、冷却水の流量を通常時よりも減少させて、その燃料電池スタックの温度を上昇させることを特徴とする。

本発明によれば、低温起動時には、冷却水流量を通常時よりも少なくするので、燃料電池スタック内部の発電反応によって生じる熱（自己発熱）によって、燃料電池スタックを昇温させることができる。

また、冷却水温が低いときは圧力損失可変機構の圧力損失が大きいため、加熱機構に冷却水が流れやすくなる。そのため、冷却水流量を通常時よりも少なくしても、加熱機構に流入する冷却水の流量は確保できる。これにより、加熱機構によって冷却水に与える熱量を増大させることができるので、冷却水を早期に暖めることができ、より短時間で燃料電池スタックを昇温させることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１を冷却する冷却装置２と、コントローラ３と、を備える。

燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給するガス供給装置については、本発明の主要部ではないので、発明の理解を容易にするため図示を省略した。

冷却装置２は、冷却水通路２１と、バイパス通路２２と、三方弁２３と、ラジエータ２４と、冷却水循環ポンプ２５と、冷却水ヒータ２６と、イオン交換フィルタ２７と、水温センサ２８と、を備える。

冷却水通路２１は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流れる通路である。冷却水通路２１は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔１１と冷却水入口孔１２とに接続される。なお、本実施形態では冷却水として不凍液を使用する。特にエチレングリコール５０％に希釈したものを使用すると、０℃以下から粘性が上昇するため本実施形態の効果を得やすくなる。

バイパス通路２２は、ラジエータ２４をバイパスする通路である。

三方弁２３は、バイパス通路２２に流れる冷却水の流量を調節する。バイパス通路２２に流れる冷却水の流量は、コントローラ３によって制御される。

ラジエータ２４は、通過する冷却水の温度を下げる。

冷却水循環ポンプ２５は、冷却水通路２１の冷却水を循環させる。冷却水循環ポンプ２５は、回転速度によって吐出流量が連続的に変化する。冷却水循環ポンプ２５の吐出流量は、コントローラ３によって制御される。

冷却水ヒータ２６は、電気によって冷却水を加熱して冷却水の温度を上げる。冷却水ヒータ２６の出力は、コントローラ３によって制御される。

イオン交換フィルタ２７は、冷却水ヒータ２６と並列に設けられる。以下では、図中のＡ点を「分流点」といい、Ｂ点を「合流点」という。イオン交換フィルタ２７は、粒子状のイオン交換樹脂を内蔵し、冷却水中の有害なイオンを除去する。

本実施形態では、このイオン交換フィルタ２７のイオン交換樹脂が充填された充填層の空間率を調整して、冷却水の粘度が増加する低水温時（冷却水温がおおよそ−３０℃〜０℃のとき）において、イオン交換フィルタ２７の圧力損失（通過抵抗）が冷却水ヒータ２６の圧力損失よりも大きくなるようにしている。すなわち、低水温時には、冷却水がイオン交換フィルタ２７に流れにくくなるようにしている。イオン交換フィルタ２７の圧力損失は、充填層の空間率が小さいときほど充填層内の空間が少なくなるので増加する。

図２及び図３は、本実施形態における冷却水ヒータ２６及びイオン交換フィルタ２７の圧力損失特性について説明する図である。図２は、低水温時における圧力損失特性を示した図である。図３は、高水温時における圧力損失特性を示した図である。

図２に示すように、低水温時は、イオン交換フィルタ２７の圧力損失が冷却水ヒータ２６の圧力損失よりも大きくなる（Ｐｉ＞Ｐｈ）。一方で、図３に示すように、高水温時は、イオン交換フィルタ２７の圧力損失が冷却水ヒータ２６の圧力損失よりも小さくなる（Ｐｉ＜Ｐｈ）。

再び図１を参照して、燃料電池システム１００の構成について説明する。

水温センサ２８は、冷却水の温度を検出する。水温センサ２８は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔側及び冷却水入口孔側の冷却水通路２１にそれぞれ１つずつ設けられる。

コントローラ３は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ３は、運転状態に応じて前述した冷却水循環ポンプ２５の吐出流量及び冷却水ヒータ２６の出力を制御する。

ところで、燃料電池システム１００を車両に搭載する場合、外気温度が０℃を下回るような低温環境下での起動が求められる。燃料電池システム１００は、前回停止時に燃料電池スタック内の水分を除去しておくことで、次回起動時に低温環境下でもすぐに発電することができる。しかしながら、早期に温度を上げて燃料電池スタック内の温度を０℃以上にしなければ、前述した（２）式の反応によって生成された水が凍結し、発電性能が低下するという問題点がある。

そこで本実施形態では、低温環境下での起動初期には、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を少なくする。これにより、発電反応によって発生した熱を燃料電池スタック１の内部に留めておきつつ、発電電力を冷却水ヒータ２６で消費し、冷却水ヒータ２６で暖めた冷却水を燃料電池スタック１に供給することができる。そのため、燃料電池スタック１の温度上昇速度を速めることができる。

しかしながら、冷却水ヒータ２６で暖められて燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度が、燃料電池スタック内で暖められて燃料電池スタック１から排出される冷却水の温度よりも低いと、燃料電池スタック１の温度が低下してしまう。そのため、燃料電池スタック１の温度上昇速度が低下してしまう。

そこで本実施形態では、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を減らした後に、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度が排出される冷却水の温度よりも低くなったときは、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を増やす。これにより、燃料電池スタック１から排出された暖かい冷却水を早期に再び燃料電池スタック１に戻すことができる。そのため、燃料電池スタック１の温度上昇速度の低下を抑制することができる。

図４は、コントローラ３が実施する燃料電池システム１００の起動制御について説明するフローチャートである。コントローラ３は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ３は、発電反応によって発生する生成水の凍結のおそれがある低温環境下での起動（以下「零下起動」という）か否かを判定する。コントローラ３は、零下起動であればステップＳ２に処理を移行する。一方で、零下起動でなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ２において、コントローラ３は、冷却水流量推定処理を実施する。冷却水流量推定処理の具体的な内容については、図５を参照して後述する。

ステップＳ３において、コントローラ３は、燃料電池スタック１に流入した冷却水量（以下「スタック流入冷却水量」という）が初期冷却水量を超えたか否かを判定する。ここで、初期冷却水量とは、起動時に燃料電池スタック内に存在する冷却水（以下「初期冷却水」という）の量のことをいう。コントローラ３は、スタック流入冷却水量が初期冷却水量を超えていればステップＳ５に処理を移行する。一方で、スタック流入冷却水量が初期冷却水量を超えていなければステップＳ４に処理を移行する。

ステップＳ４において、コントローラ３は、冷却水ヒータ２６の出力を上昇させる。

ステップＳ５において、コントローラ３は、冷却水ヒータ２６の出力に応じて冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を制御して、燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を減らす。具体的には、冷却水ヒータ２６で冷却水が局所的な沸騰をおこさない程度まで冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を減らす。

ステップＳ６において、コントローラ３は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度がいったん上昇した後に低下したか否かを判定する。コントローラ３は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度が低下していればステップＳ７に処理を移行する。一方で、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度が低下していなければステップＳ８に処理を移行する。

ステップＳ７において、コントローラ３は、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を最大にして、吐出流量を増やし、燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を増やす。

ステップＳ８において、コントローラ３は、冷却水ヒータ２６の出力に基づいて算出される冷却水循環ポンプ２５の目標吐出流量（以下「ヒータ要求吐出流量」という）と、燃料電池スタック１の要求出力に基づいて算出される冷却水循環ポンプ２５の目標吐出流量（以下「スタック要求吐出流量」）と、のうち大きい方の目標吐出流量となるように冷却水循環ポンプ２５を制御する。

図５は、冷却水流量推定処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ２１において、コントローラ３は、冷却水温を検出する。

ステップＳ２２において、コントローラ３は、冷却水温に基づいて冷却装置全体の圧力損失特性を算出する。冷却装置全体の圧力損失特性は、冷却水温ごとに予め実験等で定められているものである。

ステップＳ２３において、コントローラ３は、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を検出する。

ステップＳ２４において、コントローラ３は、冷却水循環ポンプ２５の回転速度に基づいてポンプ特性を算出する。ポンプ特性は、回転速度ごとに予め実験等で定められているものである。

ステップＳ２５において、コントローラ３は、冷却装置全体の圧力損失と、ポンプ特性と、に基づいて冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を算出する。具体的な算出方法については、図６を参照して後述する。

ステップＳ２６において、コントローラ３は、冷却水温に基づいて、冷却水ヒータ２６とイオン交換フィルタ２７との合計圧力損失特性を算出する。合計圧力損失は、冷却水温ごとに予め実験等で定められているものである。

ステップＳ２７において、コントローラ３は、冷却水温と、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量と、に基づいて分流点と合流点との差圧（ＡＢ点の差圧）を算出する。具体的な算出方法については、図７を参照して後述する。

ステップＳ２８において、コントローラ３は、ＡＢ点の差圧に基づいて、冷却水ヒータ２６の流量特性と、イオン交換フィルタ２７の流量特性と、を温度毎に算出する。

ステップＳ２９において、冷却水ヒータ２６の流量特性と、イオン交換フィルタ２７の流量特性と、に基づいて、ステップＳ２１で検出した冷却水温のときの冷却水ヒータ２６及びイオン交換フィルタ２７に流入する冷却水の流量を算出する。具体的な算出方法については、図８を参照して後述する。

図６は、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量の算出方法について説明する図である。

図６に示すように、冷却水がステップＳ２１で検出した温度Ｔのときの冷却装置全体の圧力損失特性と、冷却水循環ポンプ２５がステップＳ２３で検出した回転速度Ａのときのポンプ特性と、の交点から冷却水循環ポンプ２５の吐出流量Ｑｐを算出する。

図７は、ＡＢ点の差圧の算出方法について説明する図である。

図７は、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量ＱｐからＡＢ点の差圧ΔＰを算出するテーブルであり、冷却水温ごとの冷却水ヒータ２６とイオン交換フィルタ２７との合計圧力損失特性から予め実験等によって求められるテーブルである。したがって、冷却水温ごとにそれぞれ異なるテーブルが用意されている。

図８は、冷却水ヒータ２６及びイオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量の算出方法について説明する図である。

図８は、冷却水温Ｔから冷却水ヒータ２６に流入する冷却水流量Ｑｈ及びイオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量Ｑｉを算出するテーブルであり、ＡＢ点の差圧から予め実験等によって求められるテーブルである。したがって、ＡＢ点の差圧ごとにそれぞれ異なるテーブルが用意されている。

図８に示すように、冷却水温が低いときは冷却水の粘度が大きいため、イオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量Ｑｉは、冷却水ヒータ２６に流入する冷却水流量Ｑｈよりも少なくなる。冷却水の温度が高くなるにつれて冷却水の粘度が小さくなるため、冷却水温が所定温度よりも高くなると、イオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量Ｑｉの方が多くなる。

次に、図９を参照して本実施形態による燃料電池システム１００の起動制御の作用効果について説明する。

図９は、本実施形態による燃料電池システム１００の起動制御の動作について説明するタイムチャートである。フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１で、燃料電池システム１００が起動されて、零下起動であると判断されると（Ｓ１でＹｅｓ）、冷却水ヒータ２６に流入する冷却水流量及びイオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量を算出する（図９（Ｂ）；Ｓ２）。そして、冷却水ヒータ２６及びイオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量から燃料電池スタック１に流入する冷却水流量を算出し（図９（Ｂ）；Ｓ２）、燃料電池システム１００を起動してから燃料電池スタック１に流入した冷却水の総量を算出する（Ｓ３）。

このとき、燃料電池スタック１に流入する冷却水の総量が所定値に満たない時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、冷却水ヒータ２６の出力を上げる（図９（Ｃ）；Ｓ３でＮｏ，Ｓ４）。また、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を減らして、冷却水ヒータ２６の出力に応じて冷却水ヒータ２６の内部で冷却水が沸騰しない程度の低流量に制御する（図９（Ｄ）；Ｓ５）。

起動初期の時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、分流点（Ａ点）を流れる冷却水の冷却水温は低いので、冷却水ヒータ２６へ流入する冷却水の方が、イオン交換フィルタ２７へ流入する冷却水よりも多くなる。そのため、冷却水ヒータ２６へ流れる冷却水の流量を確保できるため、出力を上昇させて燃料電池スタック１に流入する冷却水温を早期に上昇させることができる。

また、冷却水温を冷却水ヒータ２６で上昇させると共に、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を低流量に制御するので、燃料電池スタック１で発生した熱を内部に留めておくことができる。これにより、燃料電池システム１００の起動初期において、発電反応で発生する生成水の凍結を抑制できる。

時刻ｔ２で、燃料電池スタック１に流入した冷却水の総量が所定値を超えて（Ｓ３でＹｅｓ）、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出されると、コントローラ３は、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を最大にする（図９（Ｄ）；Ｓ６でＮｏ，Ｓ７）。

初期冷却水は、発電反応による熱で暖められながら燃料電池スタック１から排出される。初期冷却水が燃料電池スタック１から排出されるまでの間は、燃料電池スタック１が持っている熱量が高くなり、比較的安定して発電することができる。

しかしながら、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出された後も冷却水循環ポンプ２５の回転速度を低回転に抑えて吐出流量を低流量に制御していると、高温の初期冷却水が再び燃料電池スタック１に流入するまでに時間がかかり、その間の発電性能が低下する。

また、高温の初期冷却水が冷却水ヒータ２６へ流れてくるので、沸騰防止のために冷却水ヒータ２６の出力を落とす必要がある。そうすると、電力消費先である冷却水ヒータ２６の出力を落とすために、燃料電池スタック１の発電電力も落とす必要がでてくるので、燃料電池スタック１の早期昇温ができなくなる。

そこで、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出された後は、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を最大して吐出流量を大きくすることで、高温の初期冷却水を素早く燃料電池スタック１に戻すことができる。また、冷却水ヒータ２６に流入する冷却水の流量も増加するので、沸騰防止のために冷却水ヒータ２６の出力を落とす必要もない。

これにより、早期に高温の冷却水を燃料電池スタック１に戻すことができる。また、冷却水ヒータ２６に流入する冷却水の流量も多いので、沸騰防止のために出力を落とす必要もない。したがって、燃料電池スタック１を早期に昇温でき、発電反応で発生する生成水の凍結を抑制できる。

時刻ｔ２で、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を最大して吐出流量を高流量にするため、次第に燃料電池スタック１から排出される冷却水温は低下してくる。

そこで、時刻ｔ３で、燃料電池スタック１から排出される冷却水温が低下し始めたら、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を下げて、吐出流量を低下させる（Ｓ６でＹｅｓ，Ｓ８）。これにより、冷却水ヒータ２６に流入する冷却水の流量を減らして冷却水の昇温を促進させる。

このとき、冷却水循環ポンプ２５は以下のように制御する。

まず、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を、冷却水ヒータ２６で冷却水が沸騰しない流量に制御する必要がある。また、起動時から時間が経過して燃料電池スタック１もある程度発電しているので、燃料電池スタック１の要求発電電力に応じた冷却水の流量となるように制御する必要がある。

したがって、ヒータ要求吐出流量及びスタック要求吐出流量のうち、大きい方となるように冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を制御する。

以上説明した本実施形態によれば、イオン交換フィルタ２７のイオン交換樹脂充填層の空間率を調整して、低水温時にはイオン交換フィルタ２７の圧力損失が冷却水ヒータ２６の圧力損失よりも大きくなるようにし、イオン交換フィルタ２７に流入する冷却水流量が少なくなるようにした。そして、零下起動の初期には、冷却水ヒータ２６の出力を上げるとともに、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を低流量に制御した。

これにより、零下起動初期において、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を低流量に制御しても、冷却水ヒータ２６へ流入する冷却水の流量が確保できるので、冷却水ヒータ２６の出力を上昇させることができる。したがって、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度を早期に上昇させることができる。その結果、より短時間で燃料電池スタック１を昇温できる。

また、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を低流量に制御することで、冷却水による燃料電池スタック１の冷却効果を抑えて、燃料電池スタック１の温度低下を抑制することができる。そのため、零下起動初期において、燃料電池スタック内部の発電反応によって発生した生成水の凍結を抑制できるので、発電性能の低下をおさえることができる。したがって、より短時間で燃料電池スタック１を昇温できる。

また、冷却水ヒータ２６の出力に応じて、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を制御するので、流量不足による冷却水ヒータ２６内部での冷却水の沸騰を抑え、冷却水の劣化及び冷却水ヒータ２６の劣化を抑制することができる。

また、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出された後は、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を最大にして、吐出流量を増加させた。

これにより、燃料電池スタック内部の発電反応による熱（自己発熱）で暖められた初期冷却水を早期に燃料電池スタック１に戻すことができる。そのため、高温の初期冷却水が排出された後の燃料電池スタック１の熱量低下を抑制して発電性能の低下を抑制できる。また、吐出流量を増加させることで、冷却水ヒータ２６に流入する冷却水の流量が増すので、冷却水ヒータ２６内部での冷却水の沸騰を抑制できる。そのため、発電電力の消費先である冷却水ヒータ２６の出力を下げる必要がないので、燃料電池スタック１の発電電力を下げる必要もない。したがって、発電電力の低下による燃料電池スタック１の発熱量の低下を抑制でき、自己発熱量が増加する。

よって、燃料電池スタック１の昇温を促進でき、より短時間で燃料電池スタック１を昇温できる。さらに、発電反応によって発生した生成水の凍結を抑制できるので、発電性能の低下をおさえることができる。

また、冷却水循環ポンプ２５を最大にした後、燃料電池スタック１から排出される冷却水の温度が低下し始めたら、最大にしていた冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を減少させる。具体的には、ヒータ出力から定まるヒータ要求吐出流量と、燃料電池スタック１の目標発電電力から定まるスタック要求吐出流量と、のうちの大きい方となるように、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を制御する。

これにより、冷却水ヒータ２６での冷却水の温度上昇幅が増すので、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度が増し、燃料電池スタック１の昇温を促進でき、より短時間で燃料電池スタック１を昇温できる。

（第２実施形態）
次に、図１０を参照して本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、燃料電池スタック１の発電電力量に応じて冷却水循環ポンプ２５の吐出流量を制御する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

第１実施形態では、冷却水温等に基づいて推定した流入冷却水量が初期冷却水量を超えたときに、冷却水循環ポンプ２５の回転速度を最大にして吐出流量を増やしていた。

しかしながら、冷却水通路２１の冷却水温に基づいて冷却装置全体の圧力損失特性を算出していたので（ステップＳ２２）、燃料電池スタック１の内部の冷却水温と冷却水通路２１の冷却水温との間の温度差が大きいときには、流入冷却水量の推定精度が低下してしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出されたことを、目標発電電力量と実発電電力量との差が所定値より大きくなったか否かで判断する。

図１０は、本実施形態による燃料電池システム１００の起動制御について説明するフローチャートである。コントローラ３は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１０１において、コントローラ３は、燃料電池スタック１の目標発電電力を算出する。目標発電電力は、冷却水ヒータ２６などの電気負荷で使用される電力量が大きいときほど大きくなる。

ステップＳ１０２において、目標発電電力と実発電電力との電力差が所定値より大きいか否かを判定する。コントローラ３は、電力量の差が所定値より大きければステップＳ６に処理を移行する。一方で、電力量の差が所定値より小さければステップＳ４に処理を移行する。

以上説明した本実施形態によれば、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出されると発電電力が低下することを利用して、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出されたか否かを判定する。具体的には、目標発電電力量と実発電電力量との差が所定値より大きくなったか否かで判断する。これにより、燃料電池スタック１の内部の冷却水温と冷却水通路２１の冷却水温との間に温度差があるか否かに関わらず、初期冷却水が燃料電池スタック１から排出されたことを精度良く判断できる。これにより、第１実施形態と比較して、より早期の燃料電池スタック１を昇温できる。

（第３実施形態）
次に、図１１及び図１２を参照して本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、冷却水ヒータ２６にバッテリ４からの電力を供給する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図１１は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の発電電力を蓄えるともに、冷却水ヒータ２６などの電気負荷に蓄えた電力を供給するバッテリ４を備える。

図１２は、本実施形態による燃料電池システム１００の起動制御について説明するフローチャートである。コントローラ３は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ２０１において、コントローラ３は、スタック要求吐出流量がヒータ要求吐出流量よりも大きいか否かを判定する。コントローラ３は、スタック要求吐出流量がヒータ要求吐出流量よりも大きければステップＳ２０３に処理を移行する。一方で、スタック要求吐出流量がヒータ要求吐出流量よりも小さければステップＳ２０２に処理を移行する。

ステップＳ２０２において、コントローラ３は、冷却水の沸騰を防止するため、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量をヒータ要求吐出流量に制御する。

ステップＳ２０３において、コントローラ３は、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量をスタック要求吐出流量に制御する。

ステップＳ２０４において、コントローラ３は、バッテリ４から冷却水ヒータ２６に電力を供給する。これは、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量をスタック要求吐出流量に制御したときは、冷却水ヒータ２６の出力を上昇させる余裕があるためである。

以上説明した本実施形態によれば、冷却水循環ポンプ２５の吐出流量をスタック要求吐出流量に制御したときは、バッテリ４から冷却水ヒータ２６に電力を供給して冷却水が沸騰しない程度まで冷却水ヒータ２６の出力を上昇させる。これにより、第１実施形態と比較して、より早期の燃料電池スタック１を昇温できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、第１実施形態では、冷却水流量を推定していが、冷却水流路に流量計を設けて直接検出してもよい。

第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 低水温時の冷却水ヒータ及びイオン交換フィルタの圧力損失特性について説明する図である 高水温時の冷却水ヒータ及びイオン交換フィルタの圧力損失特性について説明する図である。 第１実施形態による燃料電池システムの起動制御について説明するフローチャートである。 冷却水流量推定処理について説明するフローチャートである。 冷却水循環ポンプの吐出流量の算出方法について説明する図である。 ＡＢ点の差圧の算出方法について説明する図である。 冷却水ヒータ及びイオン交換フィルタに流入する冷却水流量の算出方法について説明する図である。 第１実施形態による燃料電池システムの起動制御の動作について説明するタイムチャートである。 第２実施形態による燃料電池システムの起動制御について説明するフローチャートである。 第３実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態による燃料電池システムの起動制御について説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
４ バッテリ（蓄電機構）
２１ 冷却水通路
２５ 冷却水循環ポンプ（流量制御機構）
２６ 冷却水ヒータ（加熱機構）
２７ イオン交換フィルタ（圧力損失可変機構）
２８ 水温センサ（冷却水温検出手段）
Ｓ２ 流入冷却水量算出手段
Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ２０２〜Ｓ２０４ スタック温度上昇手段
Ｓ１０１ 目標発電電力算出手段

Claims (8)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する冷却水通路と、
   前記冷却水の流量を制御する流量制御機構と、
   前記冷却水に熱量を与えてその冷却水を加熱する加熱機構と、
   前記加熱機構と並列に設けられ、前記冷却水の温度が低いときほど圧力損失が増加する圧力損失可変機構と、
   を備える燃料電池システムの起動制御装置であって、
   低温起動時は、前記冷却水に与える熱量を増大させるとともに、前記冷却水の流量を通常時よりも減少させて、その燃料電池スタックの温度を上昇させるスタック温度上昇手段を備える
   ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御装置。
2. 前記圧力損失可変機構の圧力損失は、所定温度以下のとき前記加熱機構の圧力損失より大きく、所定温度より大きいとき前記加熱機構の圧力損失より小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
3. 前記冷却水の温度に応じて前記燃料電池スタックに流入した流入冷却水量を算出する流入冷却水量算出手段を備え、
   前記スタック温度上昇手段は、前記流入冷却水量が所定量を超えたときに、前記冷却水の流量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
4. 前記所定量は、起動時に前記燃料電池スタックの内部に存在する冷却水量である
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
5. 前記スタック温度上昇手段は、前記燃料電池スタックの発電電力の増加量が負になったときに、前記冷却水の流量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
6. 前記燃料電池スタックから排出された前記冷却水の温度を検出する冷却水温検出手段を備え、
   前記スタック温度上昇手段は、前記冷却水の流量を増加させた後に前記燃料電池スタックから排出された前記冷却水の温度が低下したときは、増加させていた前記冷却水の流量を、前記冷却水に与えられる熱量に基づいて算出される要求流量と、前記燃料電池スタックの発電電力に基づいて算出される要求流量と、のうちの大きい方の要求流量まで減少させる
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載の燃料電池システムの起動制御装置。
7. 前記燃料電池スタックの発電電力を蓄える蓄電機構を備え、
   前記スタック温度上昇手段は、前記冷却水の流量を前記燃料電池スタックの発電電力に基づいて算出される要求流量まで減少させるときは、前記燃料電池スタックの発電電力と前記蓄電機構に蓄えられた電力とを前記加熱機構へ供給して前記冷却水に与える熱量を増大させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
8. 前記圧力損失可変機構は、イオン交換樹脂充填層の空間率を小さくして圧力損失を増加させた電気伝導物質除去フィルタである
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の燃料電池システムの起動制御装置。

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