JP6094564B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、車両に搭載された燃料電池によって発電を行い、その電力を家庭用の電気機器に供給する、いわゆる外部給電を行う電力供給システムが提案されている。例えば、特許文献１では、外部給電中の燃料電池の乾燥状態を検知し、燃料電池が乾燥状態にある場合に、ラジエータファンを駆動させ、いわゆるドライアップ状態を回避する提案がされている。

特開２０１４−０６００６８号公報

ところで、車両に搭載された燃料電池による外部給電を行う場合、車両は停車状態にあることから走行風をラジエータに導入できず、燃料電池を適切に冷却できないことが考えられる。特許文献１に開示された電力供給システムでは、ファンを駆動することでラジエータに風を送り、燃料電池を冷却することができる。しかしながら、その一方で、ファンの駆動に電力が消費される。この点において、特許文献１に開示された電力供給システムは、改良の余地があった。

そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、外部給電を行う燃料電池を効率的に冷却することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料電池システムは、外部給電を行う燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、前記冷媒循環経路に設置されたラジエータと、前記冷媒循環経路に前記冷媒を循環させるウォータポンプと、前記ラジエータを流れる前記冷媒の流量を制御する分流弁と、前記ラジエータへ送風するファンと、前記冷媒の温度が第１の所定温度値以上であり、かつ、前記分流弁の開度が前記ラジエータへ流れる前記冷媒の流量を所定流量値以上とした状態が第１の所定時間継続する場合に、前記ファンの駆動電圧の上昇を前記ウォータポンプによる流量増量に優先して行い、前記ファンの駆動電圧の上昇を行った後に前記冷媒の温度が第２の所定温度値以上である状態が第２の所定時間経過する場合に、前記ウォータポンプの流量増加を行う制御部と、を備える。これにより、外部給電を行う燃料電池を効率的に冷却することができる。

前記制御部は、前記ファンの駆動電圧を段階的に上昇させてもよい。また、前記制御部は、前記第１の所定温度値を段階的に上昇させることで前記ファンの駆動電圧を段階的に上昇させてもよく、前記制御部は、前記冷媒の温度が第３の所定温度値以下になるまで前記ファンの駆動電圧の上昇を継続してもよい。前記第１の所定時間及び前記第２の所定時間は、前記ラジエータで冷却された冷媒が一循環する時間以上とすることができる。

前記制御部は、前記冷媒の温度が前記第１の所定温度値よりも低い場合は、前記燃料電池の発熱量を算出し、前記発熱量が予め定めた閾値以下である場合は、前記ウォータポンプ、前記ファン及び前記分流弁の動作を停止し、前記ウォータポンプ、前記ファン及び前記分流弁の動作を停止した後、前記燃料電池の発熱量の積算値を取得して、前記発熱量の積算値が予め定めた閾値以上となった場合に前記ウォータポンプ及び前記分流弁を作動させてもよい。この場合、前記制御部は、前記ウォータポンプを当該ウォータポンプの最低流量で駆動することができる。

前記制御部は、前記分流弁の開度を所定値まで増大させた後に前記冷媒の温度が第４の所定温度値以上である状態が第３の所定時間経過する場合に、前記ファンを駆動することができる。この場合、前記制御部は、前記ファンを当該ファンの最低駆動電圧で駆動することができる。

本明細書開示の燃料電池システムによれば、外部給電を行う燃料電池を効率的に冷却することができる。

図１は実施形態の燃料電池システムの一部の概略構成を示す説明図である。 図２は実施形態における燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。 図３は実施形態の燃料電池システムの作動状況を示すタイムチャートの一例である。 図４は実施形態の燃料電池における電流−電圧曲線を示すグラフである。 図５は実施形態の燃料電池システムが給電状態にあるときの冷却系アクチュエータ駆動線の一例を示すグラフである。 図６は実施形態の燃料電池システムを搭載した車両が時速４０ｋｍ／ｈで走行しているときの冷却系アクチュエータ駆動線の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。

（実施形態）
まず、図１を参照しつつ、実施形態の燃料電池システム１について説明する。図１は実施形態の燃料電池システム１の一部の概略構成を示す説明図である。なお、図１は、燃料電池システム１の一部、具体的に、燃料電池スタック３及び冷媒循環経路１７の周囲を中心として描いている。このため、以下の説明に登場する要素が図１中に描かれていない場合がある。燃料電池システム１は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１を例に説明する。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電気機器へ電力を供給する外部給電を行うことができる。燃料電池システム１は、固体高分子形の燃料電池２を含む。燃料電池２は、カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する単セルを複数積層して形成されるとともに、内部にカソード流路３ａとアノード流路３ｂとが形成された燃料電池スタック３を含む。電解質膜は、例えば、プロトン導電性の固体高分子電解質膜である。なお、図１において単セルの図示は省略されている。また、燃料電池スタック３内には、燃料電池スタック３を冷却する冷媒が流通する冷媒流路３ｃが設けられている。燃料電池スタック３には、アノード電極に水素ガス、すなわち、アノードガスが供給されると共に、カソード電極に酸素を含む空気、すなわち、カソードガスが供給される。そして、アノード電極における触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード電極まで移動して、酸素と電気化学反応を起こすことにより発電する。燃料電池スタック３には、発電した電気の電圧値を測定する電圧計と電流値を測定する電流計が接続されている。そして、冷媒流路３ｃを流通する冷媒は、燃料電池スタック３を冷却する。燃料電池２は、上述のように外部給電に供することができる。

燃料電池スタック３の入口、より具体的には、燃料電池スタック３のカソード流路３ａの入口３ａ１側には、カソードガス供給流路４が接続されている。カソードガス供給流路４の端部には、エアクリーナが装着されている。また、カソードガス供給流路４には、カソードガスを圧送し、燃料電池スタック３にカソードガスを供給するコンプレッサが配置されている。カソードガス供給流路４上には、コンプレッサの出口と燃料電池スタック３の入口３ａ１との間の圧力を調節する調圧弁が設置されている。

燃料電池スタック３のカソード流路３ａの出口３ａ２側には、カソードオフガス排出流路６が接続されている。カソードオフガス排出流路６には、背圧弁が配置されている。背圧弁は、カソードガス供給流路４のコンプレッサよりも下流側、カソード流路３ａ及びカソードオフガス排出流路６の背圧弁よりも上流側の領域の圧力、すなわち、カソード背圧を調整する。カソードオフガス排出流路６には、背圧弁の下流側にマフラーが配置されている。

燃料電池スタック３のアノード流路３ｂの入口３ｂ１側には、アノード供給流路９が接続されている。アノード供給流路９の端部には、水素供給源となる水素タンクが接続されている。水素タンク内には、高圧の水素が貯留されている。アノード供給流路９には、水素の供給を遮断するシャット弁と、水素の圧力を減圧するレギュレータが配置されている。燃料電池スタック３のアノード流路３ｂの出口３ｂ２側には、排気管１３が接続されている。排気管１３の端部には、気液分離器が設置されている。そして、気液分離器において、循環流路とパージ流路とが分岐している。気液分離器では、アノードオフガスに含まれる水分が分離される。水分が分離された後のアノードオフガスは、循環流路側に排出される。一方、分離された水分は、パージ流路側へ排出される。循環流路には、ポンプが配置されている。循環流路にポンプが配置されることにより、アノードオフガスをアノード流路３ｂへ再度供給することができる。気液分離器において分岐したパージ流路は、カソードオフガス排出流路６に設けられた背圧弁の下流側に接続されている。パージ流路には、パージ弁が配置されている。パージ弁を開弁することにより、循環させないアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出することができる。

燃料電池スタック３の冷媒流路３ｃの入口３ｃ１には、冷媒循環経路１７の一端が接続されている。また、冷媒流路３ｃの出口３ｃ２には、冷媒循環経路１７の他端が接続されている。冷媒循環経路１７には、冷媒を循環させ、冷媒を燃料電池スタック３内に供給するウォータポンプ（以下、「Ｗ／Ｐ」という）２３が設置されている。また、冷媒循環経路１７には、ラジエータ１８が設置されている。ラジエータ１８は、ファン１８ａを備える。ファン１８ａが駆動されると、ラジエータ１８に向かって送風される。冷媒循環経路１７には、分流弁の一例であるロータリバルブ（以下、「Ｒ／Ｖ」という）１９が設けられており、このＲ／Ｖ１９からラジエータ１８をバイパスするバイパス流路２０が分岐している。Ｒ／Ｖ１９は、電気式の三方弁であり、制御部として機能するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１と電気的に接続されている。Ｒ／Ｖ１９は、冷媒の温度（以下、「ＦＣ水温」という）等に応じてその開度を変化させ、ラジエータ１８へ流れる冷媒の流量を制御する。ラジエータ１８へ流れ込んだ冷媒は、ラジエータ１８において冷却される。このとき、ファン１８ａが駆動され、送風されると、冷却効率が向上する。Ｒ／Ｖ１９は、その開度が大きくなるほど、ラジエータ１８側へ流す冷媒の量を増加させる。冷媒流路３ｃの出口３ｃ２の近傍には、ＦＣ水温を取得する温度センサ２２が設置されている。この温度センサ２２、Ｗ／Ｐ２３及びファン１８ａもＥＣＵ２１に電気的に接続されている。

燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１を備える。ＥＣＵ２１は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されており、制御部として機能する。ＥＣＵ２１には、上述のように温度センサ２２等が電気的に接続されていると共に、外気温を測定する外気温センサ３７が電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２１には、外部給電が実行されていることを検知する外部給電実行検知部３８が接続されている。ＥＣＵ２１は、電流電圧マップ等を格納している。このようなＥＣＵ２１は、燃料電池システム１の出力設定処理を行う。すなわち、空気供給量や、カソード背圧、水素供給量、水素圧力、出力履歴、電圧、電流値マップ等から出力する電流値を設定する。ＥＣＵ２１は、温度センサ２２及び外気温センサ３７の計測値、そのときどきの電圧及び電流から算出される発熱量等に基づいて外部給電時の燃料電池２の冷却制御を行う。外部給電時の燃料電池２の冷却制御には、ファン１８ａ、Ｒ／Ｖ１９及びＷ／Ｐ２３が用いられる。なお、ファン１８ａ、Ｒ／Ｖ１９及びＷ／Ｐ２３は、以下の説明において、冷却系アクチュエータと称する場合がある。

つぎに、図２乃至図６を参照しつつ、実施形態の燃料電池システム１の制御について説明する。図２は実施形態における燃料電池システム１の制御の一例を示すフローチャートである。図３は実施形態の燃料電池システム１の作動状況を示すタイムチャートの一例である。図４は実施形態の燃料電池における電流−電圧曲線を示すグラフである。図５は実施形態の燃料電池システムが給電状態にあるときの冷却系アクチュエータ駆動線の一例を示すグラフである。図６は実施形態の燃料電池システム１を搭載した車両が時速４０ｋｍ／ｈで走行しているときの冷却系アクチュエータ駆動線の一例を示すグラフである。燃料電池システム１の制御は、ＥＣＵ２１によって主体的に行われる。なお、図３に示すタイムチャートにおけるＦＣ水温の推移や、発熱量の推移は、一例に過ぎず、従って、ファン１８ａ、Ｒ／Ｖ１９及びＷ／Ｐ２３の作動順序もこれに限定されるものではない。図３に示すタイムチャートの例では、ＦＣ水温が、第１の所定温度値としての水温Ｃ１以上であるか否かによって、制御の内容が変更される。具体的に、図２のステップＳ１〜ステップＳ１２の内容が、主として、ＦＣ水温が水温Ｃ１よりも低い場合の制御を示している。また、図２に示すフローチャートは、説明の都合上二分割されているが、図２中、Ｘ１はＸ２へ繋がっており、Ｙ１はＹ２へ繋がっている。

まず、ステップＳ１において、燃料電池２が外部給電状態にあるか否かを判断する。係る判断は、外部給電実行検知部３８からの信号によって判断される。ステップＳ１でＮＯと判断されたときは、ステップＳ１の処理を繰り返す。ステップＳ１でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、外気温センサ３７により、外気温を計測する。ステップＳ２に引き続き行われるステップＳ３では、その時点での放熱能力Ｑｒｄを算出する。具体的に、ファン１８ａの駆動状態、Ｒ／Ｖ１９の開度及びＷ／Ｐ２３の駆動状態の組み合わせと、外気温センサ３７によって測定されたその時点における外気温とによって算出される。放熱能力Ｑｒｄを算出にあたり、ファン１８ａの駆動状態、Ｒ／Ｖ１９の開度及びＷ／Ｐ２３の駆動状態の組み合わせが参照されるのは、これらの組み合わせにより、冷媒による熱移動量が決定されるからである。また、外気温が参照されるのは、外気温が低ければ、それだけ冷却効率が高まり、これとは逆に、外気温が高ければ、それだけ冷却効率が低下するためである。

ステップＳ３に引き続き行われるステップＳ４では、その時点における燃料電池２の発熱量Ｑｆｃを算出する。発熱量Ｑｆｃは、その時点において燃料電池２が発生している電流及び電圧の値から算出する。図４に示す電流−電圧曲線を参照すると、その時点での（Ｉ,Ｖ）と原点０とで囲まれた領域の面積は、電力を示し、その時点での（Ｉ，Ｖ）と理論起電力とで囲まれた領域の面積は、発熱量Ｑｆｃを示す。理論起電力は、燃料電池２によって決まった値となる。このため、その時点での発熱量Ｑｆｃを算出することができる。このように発熱量Ｑｆｃを算出した後は、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、発熱量Ｑｆｃが所定発熱量ａ（ｋｗ）以下であるか否かを判断する。所定発熱量ａは、ファン１８ａ、Ｒ／Ｖ１９及びＷ／Ｐ２３が含まれる冷却系アクチュエータの制御内容を変更するための閾値となっている。すなわち、発熱量Ｑｆｃが閾値である所定発熱量ａ以下であるときは、燃料電池２の発熱量が小さい状態であり、これに見合った冷却系アクチュエータの作動とする。具体的には、一旦、冷却系アクチュエータを停止させ、以後、状況に応じて、間欠的に冷却系アクチュエータを作動させる。外部給電中の燃料電池２は、燃料電池システム１を搭載した自動車が走行しているときと比較して要求される電力が小さく、これに伴って発熱量Ｑｆｃも少ない。そのため、間欠的な冷却系アクチュエータの作動として、消費電力を抑制する。ステップＳ５でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、冷却系アクチュエータ、すなわち、ファン１８ａ、Ｒ／Ｖ１９及びＷ／Ｐ２３を一旦停止させる。そして、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、発熱量Ｑｆｃを積算する演算を行う。発熱量Ｑｆｃが所定発熱量ａ以下の状態が継続していても、徐々に熱が貯まり、燃料電池２の温度が上昇する。図３に示すタイムチャートを参照すると、時刻ｔ１までは、Ｒ／Ｖ開度が０％、ファン１８ａの駆動電圧０Ｖ、Ｗ／Ｐ２３の流量０Ｌ／ｍとされている。このため、時刻ｔ１の直前からＦＣ水温の上昇が観察されている。これは、発熱量Ｑｆｃが積算されていることに起因する。なお、ＦＣ水温には、目標水温Ｃｔｒｇが設定されている。この目標水温Ｃｔｒｇは、ＦＣ水温が低下したとして、冷却系アクチュエータを再度停止させる判断を行う際の判断基準値となっている。

ステップＳ７に引き続き行われるステップＳ８では、発熱量Ｑｆｃの時間積算値、すなわち、∫Ｑｆｃｄｔが所定積算熱量（ｋＪ）以上となったか否かを判断する。所定積算熱量（ｋＪ）は、Ｗ／Ｐ２３及びＲ／Ｖ１９を作動させるための閾値となっている。ステップＳ８でＮＯと判断したときは、ステップＳ４からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ８でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、Ｗ／Ｐ２３を第１流量Ｆ１で駆動するとともに、Ｒ／Ｖ１９による温調制御を行う。図３を参照すると、このステップＳ９の処理が行われるタイミングは、時刻ｔ１、時刻ｔ３、時刻ｔ５及び時刻ｔ１１である。なお、これらの時点におけるＦＣ水温は、水温Ｃ１よりも低い状態となっている。ここで、Ｗ／Ｐ２３の第１流量Ｆ１は、Ｗ／Ｐ２３の最低流量以上であればよく、本実施形態では、Ｗ／Ｐ２３の最低流量に設定されている。この最低流量は、Ｗ／Ｐ２３の仕様によって定まっている。最低流量を下回っていると、燃料電池システム１においてＷ／Ｐ２３による冷媒の循環を実現することができない。このように、第１流量Ｆ１でＷ／Ｐ２３を駆動することにより、消費電力を抑制しつつ、冷媒を循環させることができる。冷媒を循環させることができれば、燃料電池２を冷却することができる。一方、Ｒ／Ｖ１９は、徐々にその開度を増大し、ラジエータ１８へ流れ込む冷媒の量を増量する。ラジエータ１８へ流れ込む冷媒の流量が増量されると、冷媒の冷却効果が大きくなる。ここで、この時点においては、ファン１８ａは停止したままとする。ファン１８ａの駆動における消費電力は大きい。そこで、冷媒の温度がそれほど高くないタイミングでは、ファン１８ａの駆動と比較して消費電力が少ない、Ｗ／Ｐ２３とＲ／Ｖ１９の駆動のみを行う趣旨である。ただし、時刻ｔ６のタイミングのように、Ｒ／Ｖ１９の開度が所定値、具体的に、所定開度ｄ１に到達したにもかかわらず、ＦＣ水温が温度Ｃ０以上の状態が所定時間経過する場合には、ファン１８ａを駆動する。すなわち、時刻ｔ６から所定時間経過し、時刻ｔ６´となった場合には、ファン１８ａを駆動する。ここで、所定開度ｄ１は、ファン１８ａの駆動を開始するための閾値として、燃料電池システム１の仕様によって定めることができる値であり、例えば、５０％に設定することができる。このとき、ファン１８ａは、最低駆動電圧Ｖ１で駆動されていればよく、本実施形態では、最低駆動電圧Ｖ１に設定されている。最低駆動電圧Ｖ１は、ファン１８ａの仕様によって定まっている。駆動電圧が最低駆動電圧Ｖ１を下回っていると、ファン１８ａは、燃料電池システム１において作動することができない。このように、Ｗ／Ｐ２３及びＲ／Ｖ１９を作動させるだけでなく、ファン１８ａを駆動することにより、時刻ｔ７においてＦＣ水温を目標温度Ｃｔｒｇまで低下させることができたときは、再度、すべての冷却系アクチュエータを停止する。なお、温度Ｃ０は、第４の所定温度値に相当し、目標温度Ｔｔｒｇよりも高い温度である。本実施形態における温度Ｃ０は、温度Ｃ１よりも低い温度に設定されているが、温度Ｃ０は、温度Ｃ１と同値であってもよい。
また、時刻ｔ６から時刻ｔ６´までの時間は、第３の所定時間に相当する。

ステップＳ９でＷ／Ｐ２３及びＲ／Ｖ１９を作動させた後は、ステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０では、ＦＣ水温が目標水温Ｃｔｒｇ以下となったか否かを判断する。図３を参照すると、時刻ｔ２、時刻ｔ４において、ＦＣ水温が目標水温Ｃｔｒｇ以下となっている。このような時刻ｔ２や時刻ｔ４のタイミングでは、ステップＳ１０においてＹＥＳと判断し、ステップＳ６からの処理を繰り返す。すなわち、再度冷却系アクチュエータを停止させ、その時点から、再度、発熱量Ｑｆｃを積算する演算を行い、ステップＳ１０までの処理を行う。一方、ステップＳ１０でＮＯと判断したときは、後に詳説するステップＳ１４へ進む。

ステップＳ５でＮＯと判断したとき、すなわち、発熱量Ｑｆｃが所定発熱量ａ（ｋｗ）よりも大きい場合は、ステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では、放熱能力Ｑｒｄが発熱量Ｑｆｃとイコールとなるように冷却系アクチュエータを駆動する。発熱量Ｑｆｃが所定発熱量ａ（ｋｗ）を越えてくるような場合は、ステップＳ６〜ステップＳ１０で行っているような間欠的な冷却系アクチュエータの駆動では冷却能力が追いつかないと想定される。そこで、Ｗ／Ｐ２３及びＲ／Ｖ１９を作動させるだけでなく、ファン１８ａを駆動することによりＦＣ水温を低下させる。このとき、発熱量Ｑｆｃと同等の放熱能力Ｑｒｄを得るために、各冷却系アクチュエータの能力の上限は設けられない。すなわち、Ｗ／Ｐ２３は、第１流量Ｆ１以上の流量で駆動されることがあり、ファン１８ａは、第１駆動電圧Ｖ１以上の電圧で駆動される場合がある。ステップＳ１１において、冷却系アクチュエータの駆動が開始された後は、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、ＦＣ水温が目標水温Ｃｔｒｇ以下となったか否かを判断する。図３を参照すると、時刻ｔ９において、ＦＣ水温が目標水温Ｃｔｒｇ以下となっている。このような時刻ｔ９のタイミングでは、ステップＳ１２においてＹＥＳと判断し、ステップＳ４からの処理を繰り返す。そして、時刻ｔ１０のタイミングで、再度のステップＳ５における判断がＹＥＳであると、冷却系アクチュエータを停止する。再度のステップＳ５においてＮＯと判断したときは、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ１２でＮＯと判断したときは、後に詳説するステップＳ１４へ進む。

ステップＳ６〜ステップＳ９までの処理又はステップＳ１１の処理を行ったにもかかわらず、ＦＣ水温が目標水温Ｃｔｒｇ以下とならない場合、すなわち、ステップＳ１０又はステップＳ１２でＮＯと判断したときはステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、ＦＣ水温が水温Ｃ１以上であり、かつ、Ｒ／Ｖ１９の開度が所定開度ｄ１（％）以上である状態で時間Ｓ１が経過したか否かを判断する。ここで、水温Ｃ１は、予め定められた所定値であり、図３を参照すると、時刻ｔ１３や時刻ｔ１４のタイミングでＦＣ水温が水温Ｃ１以上となっている。水温Ｃ１は第１の所定温度値に相当する。Ｒ／Ｖ１９の開度は、ラジエータ１８へ流れる冷媒の流量を所定流量値以上とした状態であるか否かの観点で設定されている。ここでは、上述の開度ｄ１に設定されているが、他の開度を設定してもよい。図３で示したタイムチャートでは、時刻ｔ１２のタイミングで所定開度ｄ１以上の開度となっている。なお、時刻ｔ１１のタイミングでＷ／Ｐ２３が第１流量Ｆ１で駆動されると共に、Ｒ／Ｖ１９の開度制御が開始されているのは、ステップＳ９に基づく処理である。すなわち、図３中、時刻ｔ１１は、ステップＳ９の処理を行っているにもかかわらず、ＦＣ水温が上昇し続ける状況を示している。このような状況で、ＦＣ水温が第１所定水温Ｃ１を超え、所定の条件を満たしたときに、ステップＳ１４以降の処理が行われることになる。

ここで、ステップＳ１４における時間Ｓ１について説明する。時間Ｓ１は、第１の所定時間に相当する。時間Ｓ１は、ＦＣ水温が水温Ｃ１に到達するとともに、Ｒ／Ｖ１９の開度がｄ１以上である状態となってからの時間である。図３を参照すると、時刻ｔ１３のタイミングでＦＣ水温は一旦水温Ｃ１以上の状態となっているが、即座に水温Ｃ１よりも低い状態に戻っている。このため、時間Ｓ１は経過していない。このような場合、ステップＳ１４では、ＮＯと判断する。ステップＳ１４でＮＯと判断したときは、ステップＳ１４の処理を繰り返す。一方、時刻ｔ１４のタイミングで水温Ｃ１を超えた場合は、継続してＦＣ水温が上昇しており、時刻ｔ１５のタイミングで時間Ｓ１が経過している。従って、時刻ｔ１５のタイミングでステップＳ１４においてＹＥＳと判断する。なお、第１の所定時間は、ラジエータ１８で冷却された冷媒が一循環する時間以上に設定されている。冷媒が、冷媒循環経路１７内を一循環することができれば、冷媒が温度センサ２２の設置箇所を通過し、系内の状態を把握することができるためである。

ステップＳ１４でＹＥＳと判断したときはステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５では、ファン１８ａを第１駆動電圧Ｖ１で駆動する。すなわち、ファン１８ａの駆動電圧の上昇をＷ／Ｐ２３による流量増量に優先して行う。このとき、ファン１８ａは、ステップＳ１１におけるファン１８ａの駆動電圧が第１駆動電圧Ｖ１には下げられないことと異なり、まずは、第１駆動電圧Ｖ１で駆動される。ここで、このように、ファン１８ａの駆動電圧の上昇をＷ／Ｐ２３による流量増量に優先して行う理由について図５及び図６を参照しつつ説明する。

図５を参照すると、いずれも横軸にＷ／Ｐ２３の流量（Ｌ／ｍ）が描かれ、縦軸にファン１８ａの駆動電圧が描かれている。図５に描かれた鎖線は、等放熱能力線であり、細実線は等消費電力線である。すなわち、図５上の同一の等放熱能力線を辿ることにより、等放熱能力を確保することができるＷ／Ｐ２３の流量と、ファン１８ａの駆動電力の組み合わせがわかる。また、図５上の等消費電力線を辿ると、消費電力が同等となるＷ／Ｐ２３の流量と、ファン１８ａの駆動電力の組み合わせがわかる。このような等放熱能力線及び等消費電力線を用い、同じ放熱能力の線上で、最も消費電力が小さくなる組み合わせをプロットしていくと、図５中、太実線で描かれた線を得ることができる。すなわち、この太実線は、放熱能力を確保しつつ消費電力最少を実現する冷却アクチュエータ駆動線である。図６においても、同様の太実線が描かれている。ここで、図５と図６における太実線を比較すると、給電状態のときを示している図５の太実線の方が垂直に近い形で立上っている。これは、給電中、すなわち、停車中は、車速風がないために、ファン１８ａの能力を向上させることが放熱能力の増加、消費電力の効率的な放熱能力の向上に繋がることを示している。従って、本実施形態のステップＳ１５では、ファン１８ａの駆動電圧の上昇をＷ／Ｐ２３による流量増量に優先して行う。なお、本実施形態では、ファン１８ａの駆動電力を徐々に上昇させるが、時刻ｔ１５のタイミングでは、ファン１８ａを第１駆動電圧Ｖ１で駆動する。第１駆動電圧Ｖ１は、最低駆動電圧Ｖ１と同値である。

本実施形態では、時刻ｔ１５のタイミングでファン１８ａの駆動を開始するが、ＥＣＵ２１は、ファン１８ａの駆動電圧の上昇を行った後に冷媒の温度が所定温度値（Ｃ１）以上である状態が所定時間経過する場合に、Ｒ／Ｖ１９の開度を増加させている。具体的に、図３中、時刻ｔ１５と時刻ｔ１６との間でＲ／Ｖ１９の開度を一段増大している。これにより、ラジエータ１８へ流れ込む冷媒の流量を増大し、冷却効率を向上させる。

ステップＳ１５に引き続き行われるステップＳ１６では、ＦＣ水温が水温Ｃ２以上で時間Ｓ２が経過したか否かを判断する。ここで、水温Ｃ２は、水温Ｃ１と同様に第１の所定温度値に相当するものであり、水温Ｃ１よりも高い値である。すなわち、水温Ｃ２は、第１の所定温度を段階的に上昇させたものであり、水温Ｃ１に代えて第１の所定温度として設定される。時間Ｓ２は、時間Ｓ１と同様に第１の所定時間に相当する。本実施形態では、時間Ｓ２として、時間Ｓ１と異なる値を採用しているが、同値としてもよい。時間Ｓ２を設定しているのは、例えば、瞬間的にＦＣ水温が水温Ｃ２を越えただけであるような場合を排除するためである。図３を参照すると、時刻ｔ１６のタイミングでＦＣ水温が水温Ｃ２以上となっており、時刻ｔ１７のタイミングで時間Ｓ２が経過している。従って、時刻ｔ１７のタイミングでステップＳ１６におけるＹＥＳ判断がされることになる。ステップＳ１６でＮＯと判断したときは、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、ＦＣ水温が水温Ｃ４以下となったか否かを判断する。水温Ｃ４は、一連の冷却制御により、ＦＣ水温が適切に冷却されたと判断することができる値に設定されている。水温Ｃ４は、第３の所定温度値に相当する。本実施形態では、水温Ｃ４は、水温Ｃ１よりも低い値に設定されている。水温Ｃ４は、水温Ｃｔｒｇと同値であっても、異なる値であってもよい。ステップＳ１７でＮＯと判断したステップＳ１５へ戻り、第１駆動電圧Ｖ１によるファン１８ａの駆動を継続する。ステップＳ１７でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４へ戻る。一方、ステップＳ１６でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１８では、ファン１８ａを、第１駆動電圧Ｖ１よりも高い第２駆動電圧Ｖ２により駆動する。このように、ファン１８ａの駆動電圧を段階的に上昇させることにより、ファン１８ａによる電力消費を抑制することができる。また、このようにファン１８ａの駆動電圧を段階的に上昇させる際に参照されるＦＣ水温を段階的に上昇させることで低い電圧でのファン１８ａの駆動をできるだけ継続することができる。

ステップＳ１８に引き続き行われるステップＳ１９では、ＦＣ水温が水温Ｃ３以上で時間Ｓ３が経過したか否かを判断する。ここで、水温Ｃ３は、第２の所定温度値に相当し、本実施形態では、水温Ｃ２よりも高い値に設定されている。時間Ｓ３は、第２の所定時間に相当する。本実施形態では、時間Ｓ３として、時間Ｓ１と異なる値を採用しているが、同値としてもよい。時間Ｓ３を設定しているのは、例えば、瞬間的にＦＣ水温が第３所定水温Ｃ３を越えただけであるような場合を排除するためである。図３を参照すると、時刻ｔ１８のタイミングでＦＣ水温が第３所定水温Ｃ３以上となっており、時刻ｔ１９のタイミングで時間Ｓ３が経過している。従って、時刻ｔ１９のタイミングでステップＳ１９におけるＹＥＳ判断がされることになる。ステップＳ１９でＮＯと判断したときは、ステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０では、ＦＣ水温が水温Ｃ４以下となったか否かを判断する。水温Ｃ４は、一連の冷却制御により、ＦＣ水温が適切に冷却されたと判断することができる値に設定されている。ステップＳ２０でＮＯと判断したときは、ステップＳ１８へ戻り、第２駆動電圧Ｖ２によるファン１８ａの駆動を継続する。ステップＳ２０でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４へ戻る。一方、ステップＳ１９でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２１へ進む。なお、第２の所定時間及び第２の所定温度値は、Ｗ／Ｐ２３の流量増量を行うための閾値となるものであるが、時間Ｓ３や水温Ｃ３に代えて、他の値を採用してもよい。例えば、第２の所定温度値として水温Ｓ１を設定し、第２の所定時間を、図３に示すフローチャートにおいて、ＦＣ水温が水温Ｃ１を超えた時刻Ｓ１からの経過時間としてもよい。すなわち、所定の温度が維持された状態が継続されている状態において、Ｗ／Ｐ２３の流量増量を行うタイミングがファン１８ａの駆動電圧の上昇を行った後のタイミングとなっていればよい。また、第２の所定時間は、ラジエータ１８で冷却された冷媒が一循環する時間以上に設定されていればよい。冷媒が、冷媒循環経路１７内を一循環することができれば、冷媒が温度センサ２２の設置箇所を通過し、系内の状態を把握することができるためである。

ステップＳ２１では、ファン１８ａを、第２駆動電圧Ｖ２よりも高い第３駆動電圧Ｖ３により駆動する。ここで、第３駆動電圧Ｖ３は、ファン１８ａに設定された最大駆動電圧である。また、ステップＳ２１では、Ｗ／Ｐ２３を第１流量Ｆ１よりも多い第２流量Ｆ２で駆動する。ここで、第２流量Ｆ２はＷ／Ｐ２３に設定された最大流量である。このように、本実施形態では、ファン１８ａの駆動電圧の上昇を行った後にＦＣ水温がＣ３以上である状態がＳ３経過する場合に、Ｗ／Ｐ２３の流量増加を行う。種々の冷却制御を実行したにもかかわらず、ＦＣ水温が適切に冷却されない場合は、ファン１８ａを最大駆動電力で駆動すると共に、Ｗ／Ｐ２３の流量を最大流量とする。また、このとき、Ｒ／Ｖ１９の開度も最大として、可能な限り冷媒をラジエータ１８へ流す。これにより、燃料電池システム１の冷却能力を向上させる。ステップＳ２１に引き続いて行われるステップＳ２２では、ＦＣ水温が水温Ｃ４以下となったか否かを判断する。ステップＳ２２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４へ戻る。図３を参照すると、時刻ｔ２０のタイミングで水温Ｃ４に到達している。従って、時刻ｔ２０のタイミングでステップＳ２２におけるＹＥＳ判定がされる。一方、ステップＳ２２でＮＯと判断したときは、ステップＳ２１へ戻り、第３駆動電圧Ｖ３によるファン１８ａの駆動と、Ｗ／Ｐ２３の第２流量Ｆ２での駆動を継続する。

以上説明したように、燃料電池システム１を制御することにより、外部給電を行う燃料電池２を効率的に冷却することができる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料電池スタック
３ｃ 冷媒流路
４ カソードガス供給流路
６ カソードオフガス排出流路
１７ 冷媒循環経路
１８ ラジエータ
１８ａ ファン
１９ ロータリバルブ（Ｒ／Ｖ）
２２ 温度センサ
２３ ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
３７ 外気温センサ

Claims (9)

1. 外部給電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、
   前記冷媒循環経路に設置されたラジエータと、
   前記冷媒循環経路に前記冷媒を循環させるウォータポンプと、
   前記ラジエータを流れる前記冷媒の流量を制御する分流弁と、
   前記ラジエータへ送風するファンと、
   前記冷媒の温度が第１の所定温度値以上であり、かつ、前記分流弁の開度が前記ラジエータへ流れる前記冷媒の流量を所定流量値以上とした状態が第１の所定時間継続する場合に、前記ファンの駆動電圧の上昇を前記ウォータポンプによる流量増量に優先して行い、前記ファンの駆動電圧の上昇を行った後に前記冷媒の温度が第２の所定温度値以上である状態が第２の所定時間経過する場合に、前記ウォータポンプの流量増加を行う制御部と、
   を、備える燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記ファンの駆動電圧を段階的に上昇させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記第１の所定温度値を段階的に上昇させることで前記ファンの駆動電圧を段階的に上昇させる請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記冷媒の温度が第３の所定温度値以下になるまで前記ファンの駆動電圧の上昇を継続する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１の所定時間及び前記第２の所定時間は、前記ラジエータで冷却された冷媒が一循環する時間以上である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記冷媒の温度が前記第１の所定温度値よりも低い場合は、前記燃料電池の発熱量を算出し、前記発熱量が予め定めた閾値以下である場合は、前記ウォータポンプ、前記ファン及び前記分流弁の動作を停止し、前記ウォータポンプ、前記ファン及び前記分流弁の動作を停止した後、前記燃料電池の発熱量の積算値を取得して、前記発熱量の積算値が予め定めた閾値以上となった場合に前記ウォータポンプ及び前記分流弁を作動させる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部は、前記冷媒の温度が前記第１の所定温度値よりも低い場合は、前記燃料電池の発熱量を算出し、前記発熱量が予め定めた閾値以下である場合は、前記ウォータポンプ、前記ファン及び前記分流弁の動作を停止し、前記ウォータポンプ、前記ファン及び前記分流弁の動作を停止した後、前記燃料電池の発熱量の積算値を取得して、前記発熱量の積算値が予め定めた閾値以上となった場合に、前記ウォータポンプを当該ウォータポンプの最低流量で駆動する請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御部は、前記分流弁の開度を所定値まで増大させた後に前記冷媒の温度が第４の所定温度値以上である状態が第３の所定時間経過する場合に、前記ファンを駆動する請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御部は、前記分流弁の開度を所定値まで増大させた後に前記冷媒の温度が第４の所定温度値以上である状態が第３の所定時間経過する場合に、前記ファンを当該ファンの最低駆動電圧で駆動する請求項８に記載の燃料電池システム。

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