JP4144321B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、フラッディングと称される燃料電池セル内での水詰まりを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
前記固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。したがって、外部から水分を供給して積極的に固体高分子膜を加湿する必要があり、例えば供給される空気を加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。
【０００４】
ただし、運転条件等によっては、加湿された空気に含まれる水分の一部が凝縮して水滴となったり、さらには空気極において生ずる生成水が残留して液滴となり、これらが電極表面に付着して、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル内での水詰まり（いわゆるフラッディング）を引き起こす。フラッディングは、電極表面に付着した水滴によって電極へのガスの拡散が阻害される現象であり、電圧低下や出力低下の原因となる。
【０００５】
このようなフラッディングが起こる原因の一つとして、発電量低下の際における燃料電池スタックを冷却する冷却水温度の急激な低下を挙げることができる。冷却水温度が急激に低下し、燃料電池スタック温度が急激に低下すると、燃料電池セル内で凝縮水が生成され、燃料電池セルが水詰まりを起こす。
【０００６】
そこで、燃料電池冷却水の急激な温度低下を防止することを狙いとして、燃料電池運転温度を適正運転温度に保持するための技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載される技術では、燃料電池運転温度を適正運転温度に保持するために、燃料電池スタック入口における冷却水温度と燃料電池スタック出口における冷却水温度の差がゼロとなった場合に、冷却水をラジエータをバイパスするとともに、燃料電池スタックの発電の一部を冷却水加熱用ヒータに給電して冷却水を加温している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の従来技術では、燃料電池冷却水を加熱する冷却水加熱用ヒータへの給電条件として、燃料電池スタック入口における冷却水温度と燃料電池スタック出口における冷却水温度の差がゼロとなった場合を判断基準としている。
【０００９】
しかしながら、冷却水温度の差に基づいて判断する方式では、冷却水の流量の変動について何ら考慮しておらず、フラッディング対策としては十分なものとは言えない。例えば、冷却水の流量の変動速度は燃料電池スタックの発電量の変動速度に比べて圧倒的に遅く、燃料電池スタックにおいて高出力運転から急激に出力を低下させた場合に、冷却水流量が目標とする流量に到達するまでにある程度の時間を要してしまう。その間に冷却水はラジエータで急激に冷やされ、燃料電池スタックを過剰に冷却してしまう。燃料電池スタックを冷却する冷却水温度が加湿器出口における空気温度、あるいは加湿器入口における純水温度を下回った場合には、燃料電池セル内で凝縮水が生成され、燃料電池セルが水詰まりを起こして高出力を安定して取り出すことができない状態に陥ってしまう可能性がある。
【００１０】
また、特許文献１に記載の従来技術では、冷却水を加熱するための冷却水加熱用ヒータが必要であるが、かかる冷却水加熱用ヒータの追加は、燃料電池システムの構造を複雑化する要因となるばかりか、コスト上昇の原因ともなる。
【００１１】
本発明は、従来技術の有するこれらの問題を解消することを目的とするものである。すなわち、本発明は、燃料電池スタックにおける発熱量の変化に対して的確に冷却水による冷却を制御することを可能とし、燃料電池スタックの急激な温度低下を防ぎ、凝縮水の生成を抑えることで燃料電池セルの水詰まりを防止することを目的とする。また、それによりシステムの効率向上を図り、燃料電池スタックからの出力を安定化させ、高出力まで安定的に取り出すことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックを冷却して加熱された冷却水を冷却装置における放熱によって冷却して燃料電池スタックへと循環させることを前提とする。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電量に基づいて当該燃料電池スタックの発熱量を推定する発熱量推定手段と、冷却装置での放熱量を推定する放熱量推定手段とを設け、燃料電池スタックに要求される発電量から推定される燃料電池スタックの発熱量と冷却装置での放熱量とを比較する。ここで、燃料電池スタックの発熱量を冷却装置での放熱量が所定量上回っている場合には、例えば、これら発熱量と放熱量との差から補正値を算出し、燃料電池スタックに要求される発電量に前記補正量を加算した発電量を燃料電池スタックで発電させるようにする。
【００１３】
また、燃料電池スタックを加湿する加湿器を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックに流入する加湿器出口の空気温度を検出する加湿器出口空気温度検出手段と、燃料電池スタック入口の冷却水温度を検出する燃料電池入口冷却水温度検出手段とを設け、加湿器出口空気温度を基準とした所定範囲を燃料電池スタック入口の冷却水温度が下回っているか否かを補正の要否の判断基準に加えてもよい。この場合には、補正値は、加湿器出口の空気温度から燃料電池スタック入口の冷却水温度と所定量とを差し引いたものに基づいて算出する。
【００１４】
燃料電池スタックに要求される発電量に前記補正量を加えた発電量を燃料電池スタックで発電させるようにすれば、燃料電池スタックにおける発熱量が増え、冷却水流量が目標とする流量に到達するまでにある程度の時間を要したとしても、この発熱量の増加によってその間の冷却水温度の低下が抑えられる。したがって、燃料電池スタックの急激な温度低下が防止され、凝縮水の生成が抑制されて燃料電池セルの水詰まりが解消される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックの急激な温度低下を防止することにより凝縮水の生成を防止することができ、燃料電池セルの水詰まりを解消することができる。したがって、燃料電池スタックからの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能である。また、ヒータのような機構部品を追加する必要がなく、制御系の改良のみで対応することが可能であるので、燃料電池システムの構造を複雑化することがなく、コスト上昇を招くこともない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの基本構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタックを含む燃料電池発電手段１と、この燃料電池発電手段１に要求される発電量（以下、目標発電量という。）を設定する燃料電池目標発電量演算手段２と、燃料電池発電手段１における燃料電池スタックの発熱量を推定する燃料電池発熱量推定手段３、冷却水を冷却する冷却装置の放熱量を推定する冷却装置放熱量推定手段４と、これらによって推定される発熱量と放熱量とを比較する発熱量・放熱量比較手段５と、この発熱量・放熱量比較手段５の比較結果に基づいて補正量を演算する燃料電池発電補正量演算手段６とから構成されている。また、冷却装置放熱量推定手段４においては、放熱量を推定するための情報源として、車速検出手段７、外気温検出手段８及び冷却装置入口での冷却水温度を検出する冷却装置入口温度検出手段９が設けられている。
【００１８】
以上のような構成を有する燃料電池システムにおいては、燃料電池目標発電量演算手段２により運転者からの駆動要求分の発電量及び補機消費分の発電量を加えた目標発電量を演算する。このとき、燃料電池発熱量推定手段３では、この目標発電量に基づいて燃料電池発電手段１における発熱量を推定する。同時に、放熱量推定手段４において、車速検出手段７から出力される車速情報、外気温検出手段８から出力される外気温データ、冷却装置入口温度検出手段９から出力される冷却水温度データに基づいて冷却装置で放熱される放熱量を推定する。
【００１９】
そして、燃料電池発熱量推定手段３で推定される発熱量と冷却装置放熱量推定手段４で推定される放熱量とを発熱量・放熱量比較手段５で比較する。その結果、放熱量が発熱量を上回っており、しかもその差が所定量を越えていると判断された場合には、燃料電池発電補正量演算手段６にその情報を送る。燃料電池発電補正量演算手段６では、この情報に基づいて、推定される発熱量と放熱量の差から必要な発電補正量を演算する。演算された発電補正量は燃料電池発電手段１に入力され、燃料電池目標発電量演算手段２で演算される目標発電量に前記発電補正量を加えた発電量を燃料電池スタックで発電させる。
【００２０】
以上が本実施形態の燃料電池システムの基本構成であるが、次に、燃料電池発電手段１の具体的構成について説明する。図２及び図３は、本実施形態の燃料電池発電手段１の具体的構成を示すものであり、図２はコントローラ１４による出力制御の様子を示し、図３はコントローラ１４による冷却制御の様子を示す。なお、このコントローラ１４は、燃料電池発電手段１を構成する各部を制御する機能を有すると共に、上述した燃料電池目標発電量演算手段２、燃料電池発熱量推定手段３、冷却装置放熱量推定手段４、発熱量・放熱量比較手段５、燃料電池発電補正量演算手段６としての機能も有している。すなわち、上述した燃料電池目標発電量演算手段２、燃料電池発熱量推定手段３、冷却装置放熱量推定手段４、発熱量・放熱量比較手段５、燃料電池発電補正量演算手段６は、具体的にはコントローラ１４として実現されている。
【００２１】
先ず、図２に示すように、燃料電池発電手段１は、燃料電池スタック１１と、この燃料電池スタック１１に燃料である水素（あるいは水素リッチガス）を供給する燃料供給系、酸化剤（空気）を供給する空気供給系からなり、燃料電池スタック１１からの出力により駆動ユニット１２が駆動されるようになっている。燃料電池スタック１１には、燃料電池セル、あるいは燃料電池セル群の電圧を検出するセル電圧検出装置１３が設けられており、更には、このセル電圧検出装置１３からの出力等を取り込み、内蔵された制御ソフトウエアに基づいて各種アクチュエータの駆動を制御するコントローラ１４が設けられている。
【００２２】
燃料電池スタック１１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００２３】
燃料電池スタック１１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池スタック１１においては水を供給して加湿することが必要になる。
【００２４】
燃料供給系は、高圧水素タンク２１、可変バルブ２２、エゼクタ２３、水素供給配管２４、水素循環配管２５からなる。そして、水素供給源である高圧水素タンク２１から供給される水素ガスは、可変バルブ２２及びエゼクタ２３を通って水素供給配管２４へと送り込まれ、加湿器１５において加湿された後、燃料電池スタック１１の燃料極に供給される。加湿器１５には、加湿用純水経路１６及び純水ポンプ１７が設けられており、純水の流量や温度等によって水素ガスの加湿量が制御される。
【００２５】
燃料電池スタック１１では供給された水素ガスは全て消費されるわけではなく、残った水素ガス（燃料電池スタック１１から排出される水素ガス）が、水素循環配管２５を通ってエゼクタ２３により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック１１の燃料極に供給される。なお、燃料電池スタック１１の出口側には、パージ弁２６及びパージ配管２７が設けられている。水素循環配管２５内には水素を循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池１１の効率が低下する場合もある。そこで、燃料電池スタック１１の出口側にパージ弁２６やパージ配管２７を設けることで、水素循環配管２５内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。
【００２６】
また、燃料供給系においては、水素供給配管２４の中途部に水素圧力センサ２８及び水素流量センサ２９が設けられており、燃料電池スタック１１の燃料極に供給される水素の圧力がこれらによってモニターされている。
【００２７】
空気供給系は、空気を送り込むコンプレッサ３１、空気供給配管３２、及びスロットル３３によって構成されている。コンプレッサ３１によって供給される酸化剤としての空気は、水素ガスと同様、加湿器１５を通って空気供給配管３２より燃料電池スタック１１の空気極に供給される。燃料電池スタック１１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック１１からスロットル３３を介して排出される。
【００２８】
この空気供給系においても、空気供給配管３２の中途部に空気圧力センサ３４及び空気流量センサ３５が設けられており、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力や流量がこれらによってモニターされている。
【００２９】
図２に示す燃料電池発電手段１においては、コンプレッサ３１で空気が圧縮されて加湿器１５へ送られる。加湿器１５では、純水ポンプ１７によって供給された純水により空気が加湿され、加湿された空気は燃料電池スタック１１へ送り込まれる。燃料供給系では、可変バルブ２２で流量を制御して、燃料電池スタック１１の燃料極（水素極）圧力を所望の値とする。また、エゼクタ２３で還流水素と合流し、次に加湿器１５へ送られる。加湿器１５では、空気と同様に純水ポンプ１７によって供給された純水により水素が加湿され、加湿された水素は燃料電池スタック１１へ送り込まれる。
【００３０】
燃料電池スタック１１では、送り込まれた空気と水素とを反応させて発電を行い、電流（電力）を車両の駆動ユニット１２へ供給する。燃料電池スタック１１で反応に使用した残りの空気は、燃料電池スタック１１外へ排出される。このとき、スロットル３３で圧力制御が行われる。また、反応に使用した残りの水素はやはり燃料電池スタック１１外へ排出されるが、エゼクタ２３によって加湿器１５の上流へ還流され、発電に再利用される。
【００３１】
燃料電池スタック１１の運転に際しては、燃料電池スタック１１の入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ３４、空気流量を検出する空気流量センサ３５、水素圧力を検出する水素圧力センサ２８、水素流量を検出する水素流量センサ２９、及びセル電圧検出装置１３からの出力がコントローラ１４によってモニターされ、各検出値がコントローラ１４で読み込まれる。コントローラ１４では、読み込んだ各検出値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるようにコンプレッサ３１、スロットル３３、可変バルブ２２を制御する。同時に、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック１１から駆動ユニット１２へ取り出す出力（電流値）を指令する。
【００３２】
上述の燃料電池発電手段１においては、以上の構成に加えて、図３に示すように燃料電池スタック１１を冷却するための冷却手段が設けられており、コントローラ１４が、この冷却手段の制御も行うようになっている。
【００３３】
固体高分子電解質型の燃料電池スタック１１は、適正な作動温度が６０℃〜１００℃程度と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。したがって、燃料電池発電手段１においては、燃料電池スタック１１を冷却する冷却機構が設けられている。この冷却機構は、冷媒を燃料電池スタック１１に循環する冷却水循環配管４１を有し、冷却水により燃料電池スタック１１を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【００３４】
冷却機構の冷却水循環配管４１内には、ラジエータファン４３を有するラジエータ（冷却装置）４２が設けられており、燃料電池スタック１１の冷却により加熱された冷却水は、ここで冷却される。また、冷却水循環配管４１は、三方弁４４及び三方弁４５によって分岐され、ラジエータ４２と並列にバイパス配管４６が設けられている。このバイパス配管４６を流れる冷却水の流量は、三方弁４４及び三方弁４５を調整することにより制御される。
【００３５】
以上のような冷却機構において、燃料電池スタック１１で発生した熱は、冷却水循環配管４１を流れる冷却水によって持ち去られ、ラジエータ４２で外部に放出される。冷却水循環配管４１のラジエータ４２設置位置よりも下流には、熱交換器４７が設置されており、加湿器１５に循環される加湿用の純水と冷却水循環配管４１を流れる冷却水との間で必要に応じて熱交換が行われる。
【００３６】
この冷却機構においては、燃料電池スタック１１入口の冷却水温度を検出する温度センサ５１、燃料電池スタック１１出口の冷却水温度を検出する温度センサ５２、ラジエータ４２入口の冷却水温度を検出する温度センサ５３、ラジエータ４２出口の冷却水温度を検出する温度センサ５４が設置されている。また、空気供給系には燃料電池スタック１１入口の空気温度を検出する温度センサ５５が、加湿系には加湿器１５入口の純水温度を検出する温度センサ５６がそれぞれ設置されている。
【００３７】
コントローラ１４は、これら温度センサ５１〜５６で検出される検出温度に基づいて冷却機構の制御を行い、更には燃料電池発電手段１における発電量の補正を行う。すなわち、燃料電池スタック１１の発熱量とラジエータ４２での放熱量とを比較し、燃料電池発熱量に対しラジエータ放熱量が所定量以上上回っている場合には、その差から発熱補正量を演算し、目標発電量に加算して燃料電池スタック１１を発電させる。以下、本実施形態における燃料電池システムの運転フローについて説明する。
【００３８】
図４は、燃料電池システムの運転フローにおけるメインフローを示すものである。このメインフローに示す処理内容は、燃料電池スタック１１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行される。
【００３９】
燃料電池システムの運転に際しては、先ず、燃料電池スタック１１の発電量を基にその発熱量を推定する（ステップＳ１）。それとともに、ラジエータ４２での放熱量を推定する（ステップＳ２）。そして、ステップＳ１とステップＳ２で推定したそれぞれの結果に基づいて、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っているか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っている場合には、ラジエータ４２での放熱量から燃料電池スタック１１の発熱量と所定量とを差し引いたものを発熱補正量として演算する（ステップＳ４）。また、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っていない場合には、発熱補正量をゼロとする（ステップＳ５）。
【００４０】
次いで、ステップＳ４あるいはステップＳ５での演算結果に基づいて、発熱補正量を実現するのに必要な発電量を演算する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ６での演算結果に基づいて、発熱補正量に相当する発電量を目標発電量に加算し（ステップＳ７）、この加算した発電量を燃料電池スタック１１に発電させる（ステップＳ８）。
【００４１】
なお、以上のフローにおいて、目標とする発電量における発熱量をラジエータ（冷却装置）４２での放熱量が所定量上回っている場合には、ラジエータ４２の冷却能力を上げる装置であるラジエータファン４３の能力を低下させることが好ましい。
【００４２】
ここで、以上のメインフローのステップＳ１における燃料電池スタック１１の発熱量を推定する処理について、図５に示すフロチャートを用いて説明する。
【００４３】
燃料電池スタック１１の発熱量を推定するには、運転者からの駆動要求分に補機消費分を加えた燃料電池スタック１１の目標発電量を演算し（ステップＳ１１）、予め実験等により燃料電池スタック１１の目標発電量と発熱量との関係を求めておいて、その関係をもとに燃料電池スタック１１の発熱量を推定する（ステップＳ１２）。
【００４４】
あるいは、例えば、図３に示す燃料電池発電手段１において、温度センサ５１，５２から検出した燃料電池スタック１１入口の冷却水温度と燃料電池スタック１１出口の冷却水温度、冷却水の比熱、冷却水流量、冷却水比重量から燃料電池スタック１１の発熱量を推定することも可能である。その他、燃料電池スタック１１の内容積、水素圧力・温度から燃料電池スタック１１内に流入している水素のモル数を算出し、それらが全て発電量に置き換わったとして演算される理想発電量と目標発電量との差を求め、この値から発熱量を算出することにより、燃料電池スタック１１の発熱量を推定することも可能である。
【００４５】
次に、上述したメインフローのステップＳ２におけるラジエータ４２での放熱量を推定する処理について、図６のフロチャートを用いて説明する。
【００４６】
ラジエータ４２での放熱量の推定に際しては、外気温検出手段８、車速検出手段７から外気温と車速とを検出し（ステップＳ２１）、更に温度センサ５３からラジエータ４２入口での冷却水温度を検出する（ステップ２２）。一方、予め実験等によりラジエータ４２の放熱特性を求めておき、その放熱特性に基づいて、ステップＳ２１及びステップＳ２２で検出した外気温、車速、ラジエータ４２入口での冷却水温度及びラジエータファン４３の回転数からラジエータ４２での放熱量を推定する（ステップＳ２３）。
【００４７】
ここで、放熱量の推定に、温度センサ５３により検出されたラジエータ入口の冷却水温度の代わりに、温度センサ５２で検出された燃料電池スタック１１出口の冷却水温度を用いることも可能である。ただし、この場合には、冷却水循環配管４１の燃料電池スタック１１出口からラジエータ４２入口までの配管で行われる外気温との熱交換分と冷却水流量とから求まる燃料電池スタック１１出口からラジエータ４２入口までの冷却水到達時間を考慮する必要がある。
【００４８】
ラジエータ４２での放熱量の推定方法としては、それ以外に、例えば、外気温、車速、ラジエータ４２入口での冷却水温度、燃料電池スタック１１の冷却水流量、温度センサ５４から検出されるラジエータ４２出口での冷却水温度、冷却水比重量から演算することも可能である。
【００４９】
最後に、上述したメインフローのステップＳ４における発熱補正量の演算方法について説明する。
【００５０】
この発熱補正量の演算に際しては、予め実験等により、ある燃料電池スタック１１の発熱量Ａに対しラジエータ４２での放熱量を様々に変更した場合に、燃料電池セルが水詰まりを起こすことなく安定して出力を取り出すことができるラジエータ４２での放熱量Ｂを求めておく。ここで、ラジエータ放熱量Ｂ−燃料電池スタック発熱量Ａ＝所定量Ｃとし、上述したメインフローのステップＳ１及びステップＳ２により推定された燃料電池スタック１１の発熱量Ａ′とラジエータ４２での放熱量Ｂ′とを比較したときに、燃料電池スタック１１の発熱量Ａ′に対しラジエータ４２での放熱量Ｂ′が所定量Ｃ′以上上回った場合には、（ラジエータ放熱量Ｂ′−（燃料電池スタック発熱量Ａ′＋所定量Ｃ′））×（所定割合Ｘ／１００）＝発熱補正量とすることで、発熱補正量を算出する。
【００５１】
図７は、ラジエータ４２での放熱量−所定量を燃料電池スタック１１の発熱量が下回った場合の補正の様子を示すものである。減速により燃料電池スタック１１の発電量が低化すると、燃料電池スタック１１の発熱量が急激に低下する。このとき、ラジエータ４２での放熱量は、通過風速低下分の低下はあるものの、燃料電池スタック１１の発熱量の低下に比べると緩やかである。したがって、燃料電池スタック１１の発熱量は、ラジエータ４２での放熱量−所定量のラインを下回る。そこで、上述したフローに従って燃料電池スタック１１での発電量に補正を加える。その結果、発熱補正量を加えた燃料電池スタック１１の発熱量はラジエータ４２での放熱量−所定量のラインを越えるレベルに維持されることになる。
【００５２】
図８は、ラジエータ４２での放熱量−所定量を燃料電池スタック１１の発熱量が上回った場合の様子を示すものである。この場合には、燃料電池スタック１１の発電量が低化した後、燃料電池スタック１１の発熱量は補正を加えなくともラジエータ４２での放熱量−所定量のラインを上回っている。したがって、この場合には、発熱補正量をゼロとして、補正は行わない。
【００５３】
以上のように、本実施形態では、燃料電池スタック１１の発熱量とラジエータ４２での放熱量とを推定し、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っている場合には、目標発電量に放熱量と発熱量の差から演算する補正量を加えた発電量を燃料電池スタック１１で発電させるようにしているので、冷却水の急激な温度低下を防止することができ、これにより燃料電池スタック１１の急激な温度低下を抑制できる。したがって、燃料電池セルでの水詰まりを有効に抑制して、燃料電池スタック１１からの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能となる。
【００５４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、燃料電池スタック１１の発熱量と、ラジエータ４２での放熱量とを比較し、燃料電池スタック１１の発熱量に対しラジエータ４２での放熱量が所定量以上上回っている場合で、且つ、加湿器１５出口空気温度を基準として燃料電池スタック１１入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っている場合は、その差から発熱補正量を演算し、この発熱補正量に相当する発電量を目標発電量に加算して燃料電池スタック１１に発電させるものである。燃料電池発電手段１の構成は、図２及び図３に示す第１の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００５５】
図９は、本実施形態の燃料電池システムにおける運転フローを示すものである。本実施形態では、先ず、燃料電池スタック１１の発熱量を推定し（ステップＳ３１）、更にラジエータ４２での放熱量を推定する（ステップＳ３２）。そして、ステップＳ３１及びステップＳ３２で推定したそれぞれの結果に基づいて、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っているか否かを判定する（ステップＳ３３）。ここで、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っている場合には、更に加湿器１５出口の空気温度が燃料電池スタック１１入口の冷却水温度を所定量以上上回っているか否かを判定する（ステップＳ３４）。
【００５６】
加湿器１５出口の空気温度が燃料電池スタック１１入口の冷却水温度を所定量以上上回っている場合には、加湿器１５出口の空気温度から燃料電池スタック１１入口の冷却水温度と所定量を差し引いたものを発熱補正量として演算する（ステップＳ３５）。また、ステップＳ３３でラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量を所定量以上上回っていないと判定された場合、あるいはステップＳ３４で加湿器１５出口の空気温度が燃料電池スタック１１入口の冷却水温度を所定量以上上回っていないと判定された場合には、発熱補正量をゼロとする（ステップＳ３６）。
【００５７】
次いで、ステップＳ３５あるいはステップＳ３６での演算結果に基づいて、発熱補正量を実現するのに必要な発電量を演算する（ステップＳ３７）。そして、ステップＳ３７での演算結果に基づいて、発熱補正量に相当する発電量を目標発電量に加算し（ステップＳ３８）、この加算した発電量を燃料電池スタック１１に発電させる（ステップＳ３９）。
【００５８】
ここで、以上のフローのステップＳ３７における発熱補正量の演算方法について説明する。先の第１の実施形態におけるステップＳ４と同様に、予め実験等により、ラジエータ４２での放熱量が燃料電池スタック１１の発熱量に所定量を加えたものを上回った場合について、ある加湿器１５出口の空気温度Ｄに対し燃料電池スタック１１入口冷却水温度を様々に変更した場合に、燃料電池セルが水詰まりを起こすことなく安定して出力を取り出すことができる燃料電池スタック１１入口冷却水温度Ｅを求めておく。ここで、加湿器出口空気温度Ｄ−燃料電池スタック入口冷却水温度Ｅ＝所定量Ｆとし、温度センサ５５と温度センサ５１から検出した加湿器１５出口の空気温度Ｄ′と燃料電池スタック１１入口の冷却水温度Ｅ′から、（加湿器出口空気温度Ｄ′−（燃料電池入口冷却水温度Ｅ′＋所定量Ｆ′））×所定割合＝発熱補正量とすることで、発熱補正量を算出する。
【００５９】
なお、温度センサ５５により検出された加湿器１５出口空気温度は、温度センサ５６により検出された加湿器１５入口純水温度とほぼ等価であることを利用し、加湿器１５出口空気温度を加湿器１５入口純水温度に置き換えて、上記演算を実現することも可能である。このように加湿器１５出口空気温度に相当する加湿器１５入口純水温度を温度検出媒体として使用した場合には、その分、システムコストを抑えることができる。
【００６０】
図１０は、ラジエータ４２での放熱量−所定量が燃料電池スタック１１の発熱量を上回り、加湿器１５出口空気温度を基準として燃料電池スタック１１入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っている場合の補正の様子を示すものである。減速により燃料電池スタック１１の発電量が低化すると、燃料電池スタック１１の発熱量が急激に低下する。このとき、ラジエータ４２での放熱量は、通過風速低下分の低下はあるものの、燃料電池スタック１１の発熱量の低下に比べると緩やかである。したがって、燃料電池スタック１１の発熱量は、ラジエータ４２での放熱量−所定量のラインを下回る。このとき、燃料電池スタック１１入口冷却水温度も急激に低下しており、加湿器１５出口空気温度−所定量のラインを下回っている。そこで、上述したフローに従って燃料電池スタック１１での発電量に補正を加える。その結果、発熱補正量を加えた燃料電池スタック１１の発熱量はラジエータ４２での放熱量−所定量のラインを越えるレベルに維持されることになる。
【００６１】
図１１は、ラジエータ４２での放熱量−所定量を燃料電池スタック１１の発熱量が下回っているが、加湿器１５出口空気温度を基準として燃料電池スタック１１入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っていない場合の様子を示すものである。この場合には、燃料電池スタック１１入口冷却水温度が加湿器１５出口空気温度−所定量のラインを下回っていないので、発熱補正量をゼロとして、補正は行わない。
【００６２】
本実施形態によれば、加湿器１５出口空気温度を基準とした所定範囲を燃料電池スタック１１入口冷却水温度が下回っている場合で、燃料電池スタック１１の発熱量をラジエータ４２での放熱量が所定量上回っている場合に、補正量を加えた発電量を燃料電池スタック１１で発電させるようにしているので、燃料電池スタック１１の入口付近における凝縮水の生成を有効に防止することができる。したがって、燃料電池セルでの水詰まりを有効に抑制して、燃料電池スタック１１からの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能となる。
【００６３】
（第３の実施形態）
本実施形態は、発電補正量分をバッテリ充電や他の電気負荷によって消費させるものである。燃料電池システムの構成や燃料電池システムの運転フローは、先の第１の実施形態と同じであるが、本実施形態ではコントローラ１４がバッテリの充電状態を検出する機能（バッテリ充電状態検出手段）を有している。
【００６４】
本実施形態の処理内容を図１２に示すフローチャートに基づき説明する。本実施形態では、先ず、先の図４に示すメインフローのステップＳ６において必要な発熱補正量から演算される発電補正量を参照し、発電補正量の有無を判定する（ステップＳ４１）。そして、発電補正量がゼロ以上である場合には、バッテリ充電状態が上限値にあるか否かの判定をし（ステップＳ４２）、バッテリ充電状態が上限値を下回っている場合には、発電補正量分をバッテリに充電して対応する（ステップＳ４３）。また、ステップＳ４２でバッテリ充電状態が上限値にあると判定された場合には、発電補正量を電気負荷、例えば空気を供給するためのコンプレッサ３１で消費することにより対応する（ステップＳ４４）。なお、ステップＳ４１において発電補正量がゼロであると判定された場合には、そのまま処理を終了する。
【００６５】
本実施形態によれば、バッテリ充電状態を検出し、バッテリ充電状態が上限値に達していない場合で、燃料電池スタック１１の発熱量をラジエータ４２での放熱量が所定量上回っている場合には、これら放熱量と発熱量との差から演算する補正量相当分の燃料電池スタック１１の発電量をバッテリに充電することにより、燃料の有効利用を図ることができる。また、バッテリ充電状態が上限値に達している場合で、燃料電池スタック１１の発熱量をラジエータ４２での放熱量が所定量上回っている場合には、これら放熱量と発熱量との差から演算する補正量相当分の燃料電池スタック１１の発電量をコンプレッサ３１等の電気負荷で消費することにより、冷却水の急激な低下を効果的に防止することができる。
【００６６】
（第４の実施形態）
本実施形態は、ラジエータ４２を通過する冷却水とバイパス配管４２を通過する冷却水の流量を制御するとともに、ラジエータ４２を通過した冷却水を燃料電池スタック１１を加湿するための加湿水と熱交換器４７で熱交換させた後、バイパス配管４２を通過した冷却水に混入することにより、加湿器１５出口空気温度を基準とした所定範囲を燃料電池スタック１１入口の冷却水温度が上回るようにそれぞれの流量を制御するものである。燃料電池システムの構成や燃料電池システムの運転フローは、先の第２の実施形態と基本的に同じである。
【００６７】
本実施形態の処理内容を図１３に示すフローチャートに基づき説明する。本実施形態では、先ず、先の第２の実施形態のフローチャート（図９）におけるステップＳ３４と同様の判定を行い（ステップＳ５１）、その結果、加湿器１５出口空気温度に対し燃料電池スタック１１入口冷却水温度が所定量Ｆを下回っている場合には、三方弁（流量制御手段）４４，４５を所定量Ｇだけ開けることにより、ラジエータ４２を通過し加湿用純水と熱交換するため熱交換器４７に入る流量と、ラジエータ４２をバイパスする流量とを制御する（ステップＳ５２）。逆に、加湿器１５出口空気温度に対し燃料電池スタック１１入口冷却水温度が上回っている場合には、三方弁４４，４５を所定量Ｈだけ閉じることにより、ラジエータ４２を通過し加湿用純水と熱交換するため熱交換器４７に入る流量と、ラジエータ４２をバイパスする流量を制御する（ステップＳ５３）。
【００６８】
ここで、以上のフローのステップＳ５２における三方弁４４，４５の開度を演算する方法の一例について説明する。例えば、所定開度Ｇを任意定数として、（加湿器出口空気温度−（燃料電池入口冷却水温度＋所定量Ｆ））×所定開度Ｇ＝三方弁開度とすることにより、三方弁４４，４５の開度を演算することができる。また、その他、冷却水温度・流量と加湿用純水温度・流量とから熱交換器４７での熱交換分を考慮して、三方弁４４，４５の開度を演算する方法等もある。
【００６９】
更に、上述したフローのステップＳ５３における三方弁４４，４５の開度を演算する方法の一例について説明すると、この場合にも、例えば、ステップＳ５２の場合と同様に、所定開度Ｈを任意定数として、（加湿器出口空気温度−（燃料電池入口冷却水温度＋所定量Ｆ））×所定開度Ｈ＝三方弁開度とすることにより、三方弁４４，４５の開度を演算することができる。また、その他の演算方法についても、ステップＳ５２の場合と同様である。
【００７０】
本実施形態においては、三方弁４４，４５の開度を制御することによって、ラジエータ４２とこのラジエータ４２をバイパスするためのバイパス配管４６のそれぞれを通過する冷却水流量を制御し、ラジエータ４２を通過することで低温となった冷却水と、燃料電池スタック１１に流入する空気を加湿するための加湿用純水とを熱交換器４７において熱交換させた後に、ラジエータ４２及び熱交換器４７を通過した冷却水をバイパス配管４６を通過した冷却水に混入させている。ここで、燃料電池スタック１１入口冷却水温度と加湿器１５出口空気温度との関係が、加湿器１５出口空気温度を基準とした所定範囲を冷却水温度が上回るような関係となるようにバイパス配管４６を通過する冷却水流量を制御することで、加湿用純水温度と燃料電池スタック１１入口冷却水温度との関係を、加湿用純水温度＜燃料電池スタック１１入口冷却水温度に保つことができる。したがって、燃料電池スタック１１の入口付近における凝縮水の生成を有効に防止でき、燃料電池セルでの水詰まりを有効に抑制して、燃料電池スタック１１からの出力を安定化させることができ、高出力まで安定的に取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。
【図２】前記燃料電池システムが備える燃料電池発電手段の構成例を示す図である。
【図３】前記燃料電池発電手段に冷却機構を組み込んだ状態を示す図である。
【図４】第１の実施形態における燃料電池システムの運転フローを示すフローチャートである。
【図５】燃料電池スタックの発熱量を推定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】ラジエータでの放熱量を推定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】ラジエータでの放熱量−所定量を燃料電池スタックの発熱量が下回った場合の補正の様子を示す図である。
【図８】ラジエータでの放熱量−所定量を燃料電池スタックの発熱量が下回らなかった場合を示す図である。
【図９】第２の実施形態における燃料電池システムの運転フローを示すフローチャートである。
【図１０】ラジエータでの放熱量−所定量が燃料電池スタックの発熱量を上回り、加湿器出口空気温度を基準として燃料電池スタック入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っている場合の補正の様子を示す図である。
【図１１】ラジエータでの放熱量−所定量を燃料電池スタックの発熱量が下回っているが、加湿器出口空気温度を基準として燃料電池入口冷却水温度が所定範囲を越えて下回っていない場合の様子を示す図である。
【図１２】第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、発電補正量を消費させる処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】第４の実施形態における燃料電池システムにおいて、バイパス配管を通過する冷却水の流量を制御する処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池発電手段
２ 燃料電池目標発電量演算手段
３ 燃料電池発熱量推定手段
４ 放熱量推定手段
６ 燃料電池発電補正量演算手段
７ 車速検出手段
８ 外気温検出手段
９ 冷却水冷却装置入口温度検出手段
１１ 燃料電池スタック
１４ コントローラ
１５ 加湿器
３１ コンプレッサ
４１ 冷却水循環配管
４２ ラジエータ
４３ ラジエータファン
４６ バイパス配管
４７ 熱交換器

Claims (16)

1. 燃料電池スタックを冷却して加熱された冷却水を冷却装置における放熱によって冷却して前記燃料電池スタックへと循環させる燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの発電量に基づいて当該燃料電池スタックの発熱量を推定する発熱量推定手段と、
   前記冷却装置での放熱量を推定する放熱量推定手段とを備え、
   前記燃料電池スタックに要求される発電量に基づき前記発熱量推定手段により推定された発熱量を、前記放熱量推定手段により推定された放熱量が所定量以上上回っている場合には、前記要求される発電量に補正量を加算した発電量を前記燃料電池スタックで発電させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記補正量は、前記発熱量推定手段により推定された発熱量と、前記放熱量推定手段により推定された放熱量との差に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックが搭載される車両の速度を検出する車速検出手段と、
   外気温を検出する外気温検出手段と、
   前記冷却装置に流入する冷却水の温度を検出する冷却水冷却装置入口温度検出手段とを更に備え、
   前記放熱量推定手段は、前記車速検出手段からの出力と、前記外気温検出手段からの出力と、前記冷却水冷却装置入口温度検出手段からの出力とに基づいて前記冷却装置での放熱量を推定す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。
4. 前記燃料電池スタックを加湿する加湿器と、
   前記燃料電池スタックに流入する前記加湿器出口の空気温度を検出する加湿器出口空気温度検出手段と、
   前記燃料電池スタック入口の冷却水温度を検出する燃料電池入口冷却水温度検出手段とを更に備え、
   前記加湿器出口空気温度検出手段により検出された温度を基準とした所定範囲を、前記燃料電池入口冷却水温度検出手段により検出された温度が下回っている場合で、且つ、前記燃料電池スタックに要求される発電量に基づき前記発熱量推定手段により推定された発熱量を、前記放熱量推定手段により推定された放熱量が所定量以上上回っている場合に、前記要求される発電量に補正量を加算した発電量を前記燃料電池スタックで発電させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記補正量は、前記加湿器出口空気温度検出手段により検出された温度から前記燃料電池入口冷却水温度検出手段により検出された温度と所定量とを差し引いたものに基づいて算出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記補正量相当の発電分によりバッテリを充電することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。
7. 前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ充電状態検出手段を更に備え、
   前記バッテリ充電状態検出手段により検出されたバッテリ充電状態が上限に達していない場合に、前記補正量相当の発電分により前記バッテリを充電す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。
8. 前記バッテリ充電状態検出手段により検出されたバッテリ充電状態が上限に達している場合には、前記補正量相当の発電分を電気負荷により消費することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記電気負荷は、前記燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記冷却装置をバイパスするバイパス経路を設けて前記冷却水を分流し、
    前記冷却装置を通過した冷却水を前記燃料電池スタックを加湿するための加湿水と熱交換器で熱交換させた後、前記バイパス経路を通過した冷却水に混入することを特徴とする請求項４乃至９の何れかに記載の燃料電池システム。
11. 前記冷却装置を通過する冷却水の流量と前記バイパス経路を通過する冷却水の流量とを制御する流量制御手段を更に備え、
    前記冷却装置を通過した冷却水を前記燃料電池スタックを加湿するための加湿水と熱交換器で熱交換させた後、前記バイパス経路を通過した冷却水に混入することにより、前記加湿器出口空気温度を基準とした所定範囲を前記燃料電池スタック入口の冷却水温度が上回るように、前記流量制御手段がそれぞれの冷却水の流量を制御することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記冷却水冷却装置入口温度検出手段が前記冷却装置の入口から離間して設けられている場合、前記冷却水冷却装置入口温度検出手段が設けられている位置から前記冷却装置の入口までの配管における熱交換分を演算して、前記冷却装置に流入する冷却水の温度を推定す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。
13. 前記冷却水冷却装置入口温度検出手段が前記燃料電池スタックの冷却水出口部分に設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記加湿器出口空気温度検出手段は、前記加湿器に流入する純水を温度検出媒体として加湿器出口空気温度を検出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタックに要求される発電量に基づき前記発熱量推定手段により推定された発熱量を、前記放熱量推定手段により推定された放熱量が所定量以上上回っている場合に、前記冷却装置の冷却能力を上げる装置の能力を低下させることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の燃料電池システム。
16. 前記冷却装置がラジエータであり、前記冷却装置の冷却能力を上げる装置がラジエータファンであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。

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