燃料電池システム
【課題】冷却水の循環開始直後に、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に導入されることを防止する。
【解決手段】導電率検出部１３により導電率が所定値以上の冷却水が検出された場合、制御部１５が、三方弁８を制御することにより、暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導電率が所定値以上の冷却水を一時的に導入又は滞留させる。これにより、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。また、冷却水を一時的に導入、又は滞留させる経路を別途設ける必要がないので、スペース，重量，コスト等の無駄を無くすことができる。
【解決手段】導電率検出部１３により導電率が所定値以上の冷却水が検出された場合、制御部１５が、三方弁８を制御することにより、暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導電率が所定値以上の冷却水を一時的に導入又は滞留させる。これにより、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。また、冷却水を一時的に導入、又は滞留させる経路を別途設ける必要がないので、スペース，重量，コスト等の無駄を無くすことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることを防止するための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷却水の温度に応じて、冷却水を冷却する冷却用循環経路と冷却水を加熱する暖機用循環経路との間で冷却水の循環経路を切り替える燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、冷却水の循環経路が暖機用循環経路に切り替えられている際、冷却用循環経路を構成する配管内や冷却水を冷却するためのラジエータ内に冷却水が滞留し、冷却水の温度によっては、配管やラジエータからイオンが溶出することにより冷却水の導電率が悪化する（高くなる）ことがある。そして、このような状態において、冷却水の循環経路が暖機用循環経路から冷却用循環経路に切り替えられた場合には、導電率が悪化した冷却水が燃料電池に供給されることにより、燃料電池の液絡が生じることがある。このような背景から、従来までの燃料電池システムでは、冷却水の温度が冷却用循環経路への切り替え温度に近づいた際、燃料電池から排出される冷却水の一部をラジエータに供給し、イオン除去装置によりイオン濃度が低下された冷却水とラジエータから排出された冷却水とを混合して燃料電池に供給することにより、循環経路を冷却用循環経路に切り替えた際に、導電率が悪化した冷却水が燃料電池に供給されることを防止している（例えば、特許文献１，２を参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２３８０４号公報
【特許文献２】特開２００３−１２３８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、本願発明の発明者は、冷却水の導電率を悪化させる因子を有する部品が冷却水の循環経路にある場合には、循環開始直後、循環経路内部において冷却水の導電率に部分的な偏りが生じ、イオン除去装置に冷却水を循環させることによりこの偏りは徐々に改善されていくことを知見した。しかしながら、従来までの燃料電池システムは、このような循環開始直後における導電率の偏りについては考慮しておらず、冷却水の温度のみに従って循環経路を切り替える構成になっているために、長期放置後の起動時等の冷却水の温度が低い状態であって、且つ、冷却水の導電率が悪化している状態からの循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることがある。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の一実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と略記）２と、燃料電池２に冷却水を循環させる冷却水循環経路３と、燃料電池２に冷却水を圧送する循環ポンプ４とを主な構成要素として備える。また、燃料電池２の下流側の冷却水循環経路３は、冷却水を直接循環ポンプ４に循環させる暖機用循環経路５と、冷却水を冷却する放熱器６を経由して循環ポンプ４に冷却水を循環させる冷却用循環経路７に分岐され、その分岐点には、暖機用循環経路５及び冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量を制御する三方弁８が設けられている。
【０００９】
また、冷却水循環経路３には、循環ポンプ４から排出された冷却水内に含まれるイオンをイオン除去装置９により除去し、イオン除去された冷却水を放熱器６から排出された冷却水に混合させるサブ配管１０が設けられている。また、この燃料電池システム１は、制御系として、燃料電池２に供給される冷却水の導電率を検出する導電率検出部１１と、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度検出部１２と、三方弁８に流入する冷却水の導電率を検出する導電率検出部１３と、燃料電池２の発電電流を検出する電流検出部１４と、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御部１５を備える。
【００１０】
なお、この実施形態では、暖機用循環経路５及び冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量は三方弁８によって制御することとしたが、図２や図３に示すように、暖機用循環経路５と冷却用循環経路７の双方に遮断弁（シャットバルブ）１６や可変バルブ１７を設け、遮断弁１６及び可変バルブ１７の開度を調整することにより暖機用循環経路５及び冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量を制御してもよい。但し、遮断弁１６を用いる場合には、各遮断弁１６をデューティ制御する必要がある。
【００１１】
〔燃料電池システムの動作〕
本願発明の発明者は、冷却水の導電率を悪化させる因子を有する部品が冷却水循環経路３にある場合には、図４に示すように、循環開始直後、冷却水循環経路３内部において冷却水の導電率に部分的な偏りが生じ、イオン除去装置９に冷却水を循環させることによりこの偏りは徐々に改善されていくことを知見した。しかしながら、従来までの燃料電池システムは、このような循環開始直後における導電率の偏りについては考慮せずに、冷却水の温度のみに従って暖機用循環経路５と冷却用循環経路７を切り替える構成になっているために、長期放置後の起動時等の冷却水の温度が低い状態であって、且つ、冷却水の導電率が悪化している状態からの循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることがある。そこで、この燃料電池システム１では、制御部１５が以下に示す循環制御処理を実行することにより、循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、この循環制御処理を実行する際の制御部１５の動作について説明する。
【００１２】
〔循環制御処理〕
図５に示すフローチャートは、燃料電池システム１が起動され、制御部１５が循環ポンプ４を起動させることにより冷却水の循環を開始するのに応じて開始となり、循環制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１３】
ステップＳ１の処理では、制御部１５が、導電率検出部１３を利用して三方弁８に流入する冷却水の導電率Ａを検出する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１４】
ステップＳ２の処理では、制御部１５が、三方弁８に流入する冷却水の導電率Ａが所定値α以上であるか否かを判別することにより、冷却水循環経路３内部の冷却水の導電率が悪化しているか否かを判断する。なお、上記所定値αは、燃料電池２の液絡を生じさせない程度の導電率に設定されている。
【００１５】
そして、判別の結果、導電率Ａが所定値α以上でない場合、制御部１５は、冷却水の導電率は悪化していないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、導電率Ａが所定値α以上である場合には、制御部１５は、冷却水の導電率は悪化していると判断し、この制御処理をステップＳ３の処理に進める。
【００１６】
ステップＳ３の処理では、制御部１５が、温度検出部１２を介して燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔ１を検出する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００１７】
ステップＳ４の処理では、制御部１５が、燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔ１が所定値β以下であるか否かを判別することにより、導電率が悪化した冷却水を滞留させる経路（以下、バッファ部と表記）を暖機用循環経路５と冷却用循環経路７との間で決定する。なお、上記所定値βは、燃料電池２の発電効率を高い状態に維持可能な冷却水温度に設定されている。そして、判別の結果、冷却水の温度Ｔ１が所定値β以下でない場合、冷却水は冷却用循環経路７を循環するために、制御部１５は、バッファ部を暖機用循環経路５にするべく、この制御処理をステップＳ１５の処理に進める。一方、冷却水の温度Ｔ１が所定値β以下である場合には、冷却水は暖機用循環経路５を循環するために、制御部１５は、バッファ部を冷却用循環経路７にするべく、この制御処理をステップＳ５の処理に進める。
【００１８】
ステップＳ５の処理では、制御部１５が、冷却用循環経路７側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御し、導電率が悪化した冷却水を冷却用循環経路７に導入する。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６の処理に進む。
【００１９】
ステップＳ６の処理では、制御部１５が、導電率検出部１３を利用して三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂを推定する。これにより、このステップＳ６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ７の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ７の処理では、制御部１５が、三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂが所定値α以下であるか否かを判別することにより、導電率が悪化している冷却水が全て冷却用循環経路７に流入したか否かを判断する。そして、判別の結果、導電率Ｂが所定値α以下でない場合、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て冷却用循環経路７に流入していないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、導電率Ｂが所定値α以下である場合には、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て冷却用循環経路７に流入したと判断し、この制御処理をステップＳ８の処理に進める。
【００２１】
ステップＳ８の処理では、制御部１５が、暖機用循環経路５側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御することにより、冷却用循環経路７に流入させた冷却水を一時的に滞留させる。これにより、このステップＳ８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ９の処理に進む。
【００２２】
ステップＳ９の処理では、制御部１５が、冷却水循環経路３から冷却用循環経路７に流す冷却水の流量割合ｒを算出する。具体的には、制御部１５は、導電率検出部１１を介して燃料電池２に流入する冷却水の最大導電率ｂを検出し、導電率検出部１３を介して三方弁８に流入する冷却水の最大導電率ａを検出する。そして、制御部１５は、最大導電率ａ，ｂを以下に示す数式１に代入することにより冷却水の流量割合ｒを算出する。
【００２３】
なお、上記数式１は、数式２により導出され、数式中のパラメータｃ，Ｑはそれぞれ、燃料電池２に導入される冷却水の所定導電率値及び冷却水循環流路３を流れる冷却水の全体流量を示す。また、所定導電率値ｃは、燃料電池２の液絡を生じさせない程度の導電率を示す。これにより、このステップＳ９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。
【数１】
【数２】
【００２４】
ステップＳ１０の処理では、制御部１５が、冷却水循環流路３を流れる冷却水の全体流量Ｑを制御する（全体流量制御処理）。なお、この冷却水全体流量制御処理の詳細については、図６に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ１１の処理では、制御部１５が、ステップＳ９の処理により算出された流量割合ｒになるように三方弁８の切替割合を制御する（流量割合制御処理）。なお、この流量割合制御処理の詳細については、図７に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ１１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１２の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ１２の処理では、制御部１５が、冷却水の全体流量Ｑと、三方弁８の切替割合と、冷却水を流した時間に基づいて、冷却用循環経路７を流れた冷却水の積算量Ｅを算出する。これにより、このステップＳ１３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１３の処理に進む。
【００２７】
ステップＳ１３の処理では、制御部１５が、ステップＳ１２の処理により算出された積算量Ｅと冷却用循環経路の容積Ｖの大小関係を比較する。そして、積算量Ｅが容積Ｖより大きい場合、制御部１５は、ステップＳ１４の処理として、冷却用循環経路７内の導電率が悪化した冷却水が全て導電率が良い冷却水に置換され、冷却水の導電率は回復したと判断した後、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、積算量Ｅが容積Ｖより小さい場合には、制御部１５はこの制御処理をステップＳ１の処理に戻す。
【００２８】
ステップＳ１５の処理では、制御部１５が、暖機用循環経路５側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御し、導電率が悪化した冷却水を暖機用循環経路５に導入する。これにより、このステップＳ１５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１６の処理に進む。
【００２９】
ステップＳ１６の処理では、制御部１５が、導電率検出部１３を利用して三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂを検出する。これにより、このステップＳ１６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１７の処理に進む。
【００３０】
ステップＳ１７の処理では、制御部１５が、三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂが所定値α以下であるか否かを判別することにより、導電率が悪化している冷却水が全て暖機用循環経路５に流入したか否かを判断する。そして、判別の結果、導電率Ｂが所定値α以下でない場合、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て暖機用循環経路５に流入していないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、導電率Ｂが所定値α以下である場合には、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て暖機用循環経路５に流入したと判断し、この制御処理をステップＳ１８の処理に進める。
【００３１】
ステップＳ１８の処理では、制御部１５が、冷却用循環経路７側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御することにより、暖機用循環経路５に流入させた冷却水を一時的に滞留させる。これにより、このステップＳ１８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１９の処理に進む。
【００３２】
ステップＳ１９の処理では、制御部１５が、冷却水循環経路３から暖機用循環経路５に流す冷却水の流量割合ｒを算出する。なお、この流量割合ｒの算出方法は上述のステップＳ９の処理と同じであるのでここではその説明を省略する。これにより、このステップＳ１９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２０の処理に進む。
【００３３】
ステップＳ２０の処理では、制御部１５が、冷却水循環流路３を流れる冷却水の全体流量Ｑを制御する（全体流量制御処理）。なお、この冷却水全体流量制御処理の詳細については、図８に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ２０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２１の処理に進む。
【００３４】
ステップＳ２１の処理では、制御部１５が、ステップＳ１９の処理により算出された流量割合ｒになるように三方弁８の切替割合を制御する（流量割合制御処理）。なお、この流量割合制御処理の詳細については、図９に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ２１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２２の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ２２の処理では、制御部１５が、冷却水の全体流量Ｑと、三方弁８の切替割合と、冷却水を流した時間に基づいて、暖機用循環経路５を流れた冷却水の積算量Ｅを算出する。これにより、このステップＳ２２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２３の処理に進む。
【００３６】
ステップＳ２３の処理では、制御部１５が、ステップＳ１２の処理により算出された積算量Ｅと暖機用循環経路の容積Ｖの大小関係を比較する。そして、積算量Ｅが容積Ｖより大きい場合、制御部１５は、ステップＳ２４の処理として、暖機用循環経路５内の導電率が悪化した冷却水が全て導電率が良い冷却水に置換され、冷却水の導電率は回復したと判断した後、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、積算量Ｅが容積Ｖより小さい場合には、制御部１５はこの制御処理をステップＳ１の処理に戻す。
【００３７】
〔全体流量制御処理〕
次に、図６に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ１０における全体流量制御処理について詳しく説明する。
【００３８】
図６に示すフローチャートは、上記ステップＳ９の処理が完了するのに応じて開始となり、全体流量制御処理はステップＳ３１の処理に進む。
【００３９】
ステップＳ３１の処理では、制御部１５が、電流検出部１４を利用して燃料電池２の発電電流Ｉを検出する。これにより、このステップＳ３１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３２の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ３２の処理では、制御部１５が、実験やシミュレーションによって予め求められた燃料電池の発電電流Ｉと冷却水全体流量Ｑの関係を示すテーブルを参照して、ステップＳ１の処理により推定された発電電流Ｉに対応する冷却水全体流量Ｑを算出する。これにより、このステップＳ３２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３３の処理に進む。
【００４１】
ステップＳ３３の処理では、制御部１５が、温度検出部１２を介して燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔを検出する。これにより、このステップＳ３３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３４の処理に進む。
【００４２】
ステップＳ３４の処理では、制御部１５が、ステップＳ３３の処理により検出された冷却水の温度Ｔを時間ｔで微分することにより、燃料電池２に供給される冷却水の温度ｔの上昇速度ｄＴ／ｄｔを算出する。これにより、このステップＳ３４の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３５の処理に進む。
【００４３】
ステップＳ３５の処理では、制御部１５が、ステップＳ３３の処理により検出された冷却水の温度Ｔと、ステップＳ３４の処理により算出された上昇速度ｄＴ／ｄｔと、燃料電池２の耐熱温度Ｔｍａｘとを以下に示す数式３に代入することにより、燃料電池２が耐熱温度に到達するまでの時間を耐熱温度到達時間ｔとして算出する。これにより、このステップＳ３５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３６の処理に進む。
【数３】
【００４４】
ステップＳ３６の処理では、制御部１５が、冷却用循環経路７の容積Ｖと冷却水全体流量Ｑと流量割合ｒを以下に示す数式４に代入することにより、冷却用循環経路７内の導電率が悪化した冷却水が全て導電率が良い冷却水に置換されるまでの時間を冷却用循環経路全置換時間ｔｒとして算出し、耐熱温度到達時間ｔと冷却用循環経路全置換時間ｔｒの大小関係を比較する。
【数４】
【００４５】
そして、耐熱温度到達時間ｔより冷却用循環経路全置換時間ｔｒの方が長い場合、制御部１５は、ステップＳ３７の処理として燃料電池２の出力を制限して冷却水全体流量Ｑを減少させ、一連の制御処理は終了する。一方、耐熱温度到達時間ｔより冷却用循環経路全置換時間ｔｒの方が短い場合には、制御部１５はステップＳ３８の処理として冷却水全体流量Ｑを増加させ、一連の制御処理は終了する。
【００４６】
〔流量割合制御処理〕
次に、図７に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ１１における流量割合制御処理について詳しく説明する。
【００４７】
図７に示すフローチャートは、上記ステップＳ１０の処理が完了するのに応じて開始となり、流量割合制御処理はステップＳ４１の処理に進む。
【００４８】
ステップＳ４１の処理では、制御部１５が、流量割合ｒと冷却水全体流量Ｑから三方弁８の切替割合を算出する。これにより、このステップＳ４１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４２の処理に進む。
【００４９】
ステップＳ４２の処理では、制御部１５が、導電率検出部１１を介して燃料電池２に供給される冷却水の導電率Ｄを検出する。これにより、このステップＳ４２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４３の処理に進む。
【００５０】
ステップＳ４３の処理では、制御部１５が、ステップＳ４２の処理により検出された導電率Ｄと所定の導電率設定値γとの大小関係を判別する。そして、判別の結果、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも小さい場合、制御部１５は、ステップＳ４４の処理として、冷却用循環経路７から燃料電池２に供給される冷却水流量を増加させるべく、冷却用循環経路７への流量割合を増加させ、一連の制御処理は終了する。一方、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも大きい場合には、制御部１５は、ステップＳ４５の処理ととして、冷却用循環経路７から燃料電池２に供給される冷却水流量を減少させるべく、冷却用循環経路７への流量割合を減少させ、一連の制御処理は終了する。
【００５１】
〔全体流量制御処理〕
次に、図８に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ２０における全体流量制御処理について詳しく説明する。
【００５２】
図８に示すフローチャートは、上記ステップＳ１９の処理が完了するのに応じて開始となり、全体流量制御処理はステップＳ５１の処理に進む。
【００５３】
ステップＳ５１の処理では、制御部１５が、電流検出部１４を利用して燃料電池２の発電電流Ｉを推定する。これにより、このステップＳ５１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ５２の処理に進む。
【００５４】
ステップＳ５２の処理では、制御部１５が、実験やシミュレーションによって予め求められた燃料電池２の発電電流Ｉと冷却水全体流量Ｑの関係を示すテーブルを参照して、ステップＳ１の処理により推定された発電電流Ｉに対応する冷却水全体流量Ｑを算出する。これにより、このステップＳ５２の処理は完了し、一連の制御処理は終了する。
【００５５】
〔流量割合制御処理〕
次に、図９に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ２１における流量割合制御処理について詳しく説明する。
【００５６】
図９に示すフローチャートは、上記ステップＳ２０の処理が完了するのに応じて開始となり、流量割合制御処理はステップＳ６１の処理に進む。
【００５７】
ステップＳ６１の処理では、制御部１５が、流量割合ｒと冷却水全体流量Ｑから三方弁８の切替割合を算出する。これにより、このステップＳ６１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６２の処理に進む。
【００５８】
ステップＳ６２の処理では、制御部１５が、導電率検出部１１を利用して燃料電池２に供給される冷却水の導電率Ｄを検出する。これにより、このステップＳ６２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６３の処理に進む。
【００５９】
ステップＳ６３の処理では、制御部１５が、ステップＳ６２の処理により検出された導電率Ｄと所定の導電率設定値γとの大小関係を判別する。そして、判別の結果、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも小さい場合、制御部１５は、ステップＳ６４の処理として、暖機用循環経路５から燃料電池２に供給される冷却水流量を増加させるべく、暖機用循環経路５への流量割合を増加させ、一連の制御処理は終了する。一方、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも大きい場合には、制御部１５は、ステップＳ６５の処理ととして、暖機用循環経路５から燃料電池２に供給される冷却水流量を減少させるべく、暖機用循環経路５への流量割合を減少させ、一連の制御処理は終了する。
【００６０】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、導電率が所定値以上の冷却水が検出された場合、制御部１５が、三方弁８を制御することにより、暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導電率が所定値以上の冷却水を一時的に導入又は滞留させるので、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。また、冷却水を一時的に導入、又は滞留させる経路を別途設ける必要がないので、スペース，重量，コスト等の無駄を無くすことができる。
【００６１】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導入又は滞留させた冷却水を導電率が所定値以下の冷却水と混合して燃料電池２に供給するので、導電率の部分的な偏りを平均化し、導電率が極端に悪化した冷却水２が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６２】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔ１が所定値β以上である場合、暖機用循環経路５に冷却水を導入又は滞留させ、冷却水の温度Ｔ１が所定値β以上でない場合には、冷却用循環経路７に冷却水を導入又は滞留させるので、燃料電池２の保護、又は燃料電池２の発電効率を高く維持するための暖機，冷却機能を損なうことなく、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６３】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、導電率検出部１３により検出された導電率Ｂが所定値α以下になるのに応じて、三方弁８を制御することにより、冷却水を導入又は滞留させている暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量を減少させるので、導電率が悪化した冷却水のみを暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導入又は滞留させることができる。
【００６４】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、冷却水を導入又は滞留させた後、三方弁８を制御することにより、燃料電池２に供給される冷却水の導電率が所定値以上にならないように、冷却用循環経路７及び暖機用循環経路５に供給する冷却水の流量割合ｒを制御するので、導電率が極端に悪化した冷却水２が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６５】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、燃料電池２の運転負荷に従って冷却水の全体流量Ｑを算出し、冷却水の全体流量Ｑと流量割合ｒに従って三方弁８の切替割合を制御するので、冷却水の全体流量Ｑが変化することによって冷却用循環経路７及び暖機用循環経路５に供給する冷却水の流量割合ｒが変動することを防止し、制御精度を上げることができる。
【００６６】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、燃料電池２に供給される冷却水の導電率Ｄと所定の閾値γとの偏差に従って、三方弁８の切替割合をフィードバック制御するので、冷却用循環経路７及び暖機用循環経路５に供給する冷却水の流量割合ｒを精密に制御し、冷却用循環経路７に滞留させた冷却水の全量を短時間で導電率が良好な冷却水に置換することができる。
【００６７】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、冷却用循環経路７に冷却水を導入又は滞留させた場合、燃料電池２の耐熱温度Ｔｍａｘ、燃料電池入口側の冷却水温度Ｔ、及び冷却水温度の上昇速度ｄＴ／ｄｔを用いて、燃料電池２が耐熱温度Ｔｍａｘに到達するまでの時間を耐熱温度到達時間ｔとして算出し、耐熱温度到達時間ｔに基づいて三方弁８の切替割合をフィードバック制御するので、燃料電池２の耐熱温度Ｔｍａｘに到達するまでに冷却用循環経路７に導入又は滞留させた冷却水を導電率が良好な冷却水と混合し、流路切替時に、冷却用循環経路７に残存する導電率が悪化した冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６８】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、冷却用循環経路７に導入又は滞留された冷却水が全て三方弁８から流入する冷却水に置換されるまでの時間を冷却用循環経路全置換時間ｔｒとして算出し、冷却用循環経路全置換時間ｔｒが耐熱温度到達時間ｔより長い場合、燃料電池２の出力を制限するので、燃料電池２を保護することができる。
【００６９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、制御部１５は、導電率検出部１３により検出される導電率が冷却液の循環開始時から所定時間の間所定値以下である場合には、上記制御を行わないでもよい。これにより、消費エネルギーの削減し、制御をより簡単にすることができる。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図４】循環開始時からの時間経過に伴う冷却水導電率の変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態となる循環制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図６】図５に示すステップＳ１０の全体流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】図５に示すステップＳ１１の流量割合制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図８】図５に示すステップＳ２０の全体流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図９】図５に示すステップＳ２１の流量割合制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００７１】
１：燃料電池システム
２：燃料電池システム
３：冷却水循環経路
４：循環ポンプ
５：暖機用循環経路
６：放熱器
７：冷却用循環経路
８：三方弁
９：イオン除去装置
１０：サブ配管
１１，１３：導電率検出部
１２：温度検出部
１４：電流検出部
１５：制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることを防止するための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷却水の温度に応じて、冷却水を冷却する冷却用循環経路と冷却水を加熱する暖機用循環経路との間で冷却水の循環経路を切り替える燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、冷却水の循環経路が暖機用循環経路に切り替えられている際、冷却用循環経路を構成する配管内や冷却水を冷却するためのラジエータ内に冷却水が滞留し、冷却水の温度によっては、配管やラジエータからイオンが溶出することにより冷却水の導電率が悪化する（高くなる）ことがある。そして、このような状態において、冷却水の循環経路が暖機用循環経路から冷却用循環経路に切り替えられた場合には、導電率が悪化した冷却水が燃料電池に供給されることにより、燃料電池の液絡が生じることがある。このような背景から、従来までの燃料電池システムでは、冷却水の温度が冷却用循環経路への切り替え温度に近づいた際、燃料電池から排出される冷却水の一部をラジエータに供給し、イオン除去装置によりイオン濃度が低下された冷却水とラジエータから排出された冷却水とを混合して燃料電池に供給することにより、循環経路を冷却用循環経路に切り替えた際に、導電率が悪化した冷却水が燃料電池に供給されることを防止している（例えば、特許文献１，２を参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２３８０４号公報
【特許文献２】特開２００３−１２３８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、本願発明の発明者は、冷却水の導電率を悪化させる因子を有する部品が冷却水の循環経路にある場合には、循環開始直後、循環経路内部において冷却水の導電率に部分的な偏りが生じ、イオン除去装置に冷却水を循環させることによりこの偏りは徐々に改善されていくことを知見した。しかしながら、従来までの燃料電池システムは、このような循環開始直後における導電率の偏りについては考慮しておらず、冷却水の温度のみに従って循環経路を切り替える構成になっているために、長期放置後の起動時等の冷却水の温度が低い状態であって、且つ、冷却水の導電率が悪化している状態からの循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることがある。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池に供給されることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の一実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と略記）２と、燃料電池２に冷却水を循環させる冷却水循環経路３と、燃料電池２に冷却水を圧送する循環ポンプ４とを主な構成要素として備える。また、燃料電池２の下流側の冷却水循環経路３は、冷却水を直接循環ポンプ４に循環させる暖機用循環経路５と、冷却水を冷却する放熱器６を経由して循環ポンプ４に冷却水を循環させる冷却用循環経路７に分岐され、その分岐点には、暖機用循環経路５及び冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量を制御する三方弁８が設けられている。
【０００９】
また、冷却水循環経路３には、循環ポンプ４から排出された冷却水内に含まれるイオンをイオン除去装置９により除去し、イオン除去された冷却水を放熱器６から排出された冷却水に混合させるサブ配管１０が設けられている。また、この燃料電池システム１は、制御系として、燃料電池２に供給される冷却水の導電率を検出する導電率検出部１１と、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度検出部１２と、三方弁８に流入する冷却水の導電率を検出する導電率検出部１３と、燃料電池２の発電電流を検出する電流検出部１４と、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御部１５を備える。
【００１０】
なお、この実施形態では、暖機用循環経路５及び冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量は三方弁８によって制御することとしたが、図２や図３に示すように、暖機用循環経路５と冷却用循環経路７の双方に遮断弁（シャットバルブ）１６や可変バルブ１７を設け、遮断弁１６及び可変バルブ１７の開度を調整することにより暖機用循環経路５及び冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量を制御してもよい。但し、遮断弁１６を用いる場合には、各遮断弁１６をデューティ制御する必要がある。
【００１１】
〔燃料電池システムの動作〕
本願発明の発明者は、冷却水の導電率を悪化させる因子を有する部品が冷却水循環経路３にある場合には、図４に示すように、循環開始直後、冷却水循環経路３内部において冷却水の導電率に部分的な偏りが生じ、イオン除去装置９に冷却水を循環させることによりこの偏りは徐々に改善されていくことを知見した。しかしながら、従来までの燃料電池システムは、このような循環開始直後における導電率の偏りについては考慮せずに、冷却水の温度のみに従って暖機用循環経路５と冷却用循環経路７を切り替える構成になっているために、長期放置後の起動時等の冷却水の温度が低い状態であって、且つ、冷却水の導電率が悪化している状態からの循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることがある。そこで、この燃料電池システム１では、制御部１５が以下に示す循環制御処理を実行することにより、循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、この循環制御処理を実行する際の制御部１５の動作について説明する。
【００１２】
〔循環制御処理〕
図５に示すフローチャートは、燃料電池システム１が起動され、制御部１５が循環ポンプ４を起動させることにより冷却水の循環を開始するのに応じて開始となり、循環制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１３】
ステップＳ１の処理では、制御部１５が、導電率検出部１３を利用して三方弁８に流入する冷却水の導電率Ａを検出する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１４】
ステップＳ２の処理では、制御部１５が、三方弁８に流入する冷却水の導電率Ａが所定値α以上であるか否かを判別することにより、冷却水循環経路３内部の冷却水の導電率が悪化しているか否かを判断する。なお、上記所定値αは、燃料電池２の液絡を生じさせない程度の導電率に設定されている。
【００１５】
そして、判別の結果、導電率Ａが所定値α以上でない場合、制御部１５は、冷却水の導電率は悪化していないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、導電率Ａが所定値α以上である場合には、制御部１５は、冷却水の導電率は悪化していると判断し、この制御処理をステップＳ３の処理に進める。
【００１６】
ステップＳ３の処理では、制御部１５が、温度検出部１２を介して燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔ１を検出する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００１７】
ステップＳ４の処理では、制御部１５が、燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔ１が所定値β以下であるか否かを判別することにより、導電率が悪化した冷却水を滞留させる経路（以下、バッファ部と表記）を暖機用循環経路５と冷却用循環経路７との間で決定する。なお、上記所定値βは、燃料電池２の発電効率を高い状態に維持可能な冷却水温度に設定されている。そして、判別の結果、冷却水の温度Ｔ１が所定値β以下でない場合、冷却水は冷却用循環経路７を循環するために、制御部１５は、バッファ部を暖機用循環経路５にするべく、この制御処理をステップＳ１５の処理に進める。一方、冷却水の温度Ｔ１が所定値β以下である場合には、冷却水は暖機用循環経路５を循環するために、制御部１５は、バッファ部を冷却用循環経路７にするべく、この制御処理をステップＳ５の処理に進める。
【００１８】
ステップＳ５の処理では、制御部１５が、冷却用循環経路７側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御し、導電率が悪化した冷却水を冷却用循環経路７に導入する。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６の処理に進む。
【００１９】
ステップＳ６の処理では、制御部１５が、導電率検出部１３を利用して三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂを推定する。これにより、このステップＳ６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ７の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ７の処理では、制御部１５が、三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂが所定値α以下であるか否かを判別することにより、導電率が悪化している冷却水が全て冷却用循環経路７に流入したか否かを判断する。そして、判別の結果、導電率Ｂが所定値α以下でない場合、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て冷却用循環経路７に流入していないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、導電率Ｂが所定値α以下である場合には、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て冷却用循環経路７に流入したと判断し、この制御処理をステップＳ８の処理に進める。
【００２１】
ステップＳ８の処理では、制御部１５が、暖機用循環経路５側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御することにより、冷却用循環経路７に流入させた冷却水を一時的に滞留させる。これにより、このステップＳ８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ９の処理に進む。
【００２２】
ステップＳ９の処理では、制御部１５が、冷却水循環経路３から冷却用循環経路７に流す冷却水の流量割合ｒを算出する。具体的には、制御部１５は、導電率検出部１１を介して燃料電池２に流入する冷却水の最大導電率ｂを検出し、導電率検出部１３を介して三方弁８に流入する冷却水の最大導電率ａを検出する。そして、制御部１５は、最大導電率ａ，ｂを以下に示す数式１に代入することにより冷却水の流量割合ｒを算出する。
【００２３】
なお、上記数式１は、数式２により導出され、数式中のパラメータｃ，Ｑはそれぞれ、燃料電池２に導入される冷却水の所定導電率値及び冷却水循環流路３を流れる冷却水の全体流量を示す。また、所定導電率値ｃは、燃料電池２の液絡を生じさせない程度の導電率を示す。これにより、このステップＳ９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。
【数１】
【数２】
【００２４】
ステップＳ１０の処理では、制御部１５が、冷却水循環流路３を流れる冷却水の全体流量Ｑを制御する（全体流量制御処理）。なお、この冷却水全体流量制御処理の詳細については、図６に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ１１の処理では、制御部１５が、ステップＳ９の処理により算出された流量割合ｒになるように三方弁８の切替割合を制御する（流量割合制御処理）。なお、この流量割合制御処理の詳細については、図７に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ１１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１２の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ１２の処理では、制御部１５が、冷却水の全体流量Ｑと、三方弁８の切替割合と、冷却水を流した時間に基づいて、冷却用循環経路７を流れた冷却水の積算量Ｅを算出する。これにより、このステップＳ１３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１３の処理に進む。
【００２７】
ステップＳ１３の処理では、制御部１５が、ステップＳ１２の処理により算出された積算量Ｅと冷却用循環経路の容積Ｖの大小関係を比較する。そして、積算量Ｅが容積Ｖより大きい場合、制御部１５は、ステップＳ１４の処理として、冷却用循環経路７内の導電率が悪化した冷却水が全て導電率が良い冷却水に置換され、冷却水の導電率は回復したと判断した後、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、積算量Ｅが容積Ｖより小さい場合には、制御部１５はこの制御処理をステップＳ１の処理に戻す。
【００２８】
ステップＳ１５の処理では、制御部１５が、暖機用循環経路５側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御し、導電率が悪化した冷却水を暖機用循環経路５に導入する。これにより、このステップＳ１５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１６の処理に進む。
【００２９】
ステップＳ１６の処理では、制御部１５が、導電率検出部１３を利用して三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂを検出する。これにより、このステップＳ１６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１７の処理に進む。
【００３０】
ステップＳ１７の処理では、制御部１５が、三方弁８に流入する冷却水の導電率Ｂが所定値α以下であるか否かを判別することにより、導電率が悪化している冷却水が全て暖機用循環経路５に流入したか否かを判断する。そして、判別の結果、導電率Ｂが所定値α以下でない場合、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て暖機用循環経路５に流入していないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、導電率Ｂが所定値α以下である場合には、制御部１５は、導電率が悪化している冷却水が全て暖機用循環経路５に流入したと判断し、この制御処理をステップＳ１８の処理に進める。
【００３１】
ステップＳ１８の処理では、制御部１５が、冷却用循環経路７側に冷却水の全量が分流されるように三方弁８を制御することにより、暖機用循環経路５に流入させた冷却水を一時的に滞留させる。これにより、このステップＳ１８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１９の処理に進む。
【００３２】
ステップＳ１９の処理では、制御部１５が、冷却水循環経路３から暖機用循環経路５に流す冷却水の流量割合ｒを算出する。なお、この流量割合ｒの算出方法は上述のステップＳ９の処理と同じであるのでここではその説明を省略する。これにより、このステップＳ１９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２０の処理に進む。
【００３３】
ステップＳ２０の処理では、制御部１５が、冷却水循環流路３を流れる冷却水の全体流量Ｑを制御する（全体流量制御処理）。なお、この冷却水全体流量制御処理の詳細については、図８に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ２０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２１の処理に進む。
【００３４】
ステップＳ２１の処理では、制御部１５が、ステップＳ１９の処理により算出された流量割合ｒになるように三方弁８の切替割合を制御する（流量割合制御処理）。なお、この流量割合制御処理の詳細については、図９に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、このステップＳ２１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２２の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ２２の処理では、制御部１５が、冷却水の全体流量Ｑと、三方弁８の切替割合と、冷却水を流した時間に基づいて、暖機用循環経路５を流れた冷却水の積算量Ｅを算出する。これにより、このステップＳ２２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２３の処理に進む。
【００３６】
ステップＳ２３の処理では、制御部１５が、ステップＳ１２の処理により算出された積算量Ｅと暖機用循環経路の容積Ｖの大小関係を比較する。そして、積算量Ｅが容積Ｖより大きい場合、制御部１５は、ステップＳ２４の処理として、暖機用循環経路５内の導電率が悪化した冷却水が全て導電率が良い冷却水に置換され、冷却水の導電率は回復したと判断した後、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、積算量Ｅが容積Ｖより小さい場合には、制御部１５はこの制御処理をステップＳ１の処理に戻す。
【００３７】
〔全体流量制御処理〕
次に、図６に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ１０における全体流量制御処理について詳しく説明する。
【００３８】
図６に示すフローチャートは、上記ステップＳ９の処理が完了するのに応じて開始となり、全体流量制御処理はステップＳ３１の処理に進む。
【００３９】
ステップＳ３１の処理では、制御部１５が、電流検出部１４を利用して燃料電池２の発電電流Ｉを検出する。これにより、このステップＳ３１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３２の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ３２の処理では、制御部１５が、実験やシミュレーションによって予め求められた燃料電池の発電電流Ｉと冷却水全体流量Ｑの関係を示すテーブルを参照して、ステップＳ１の処理により推定された発電電流Ｉに対応する冷却水全体流量Ｑを算出する。これにより、このステップＳ３２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３３の処理に進む。
【００４１】
ステップＳ３３の処理では、制御部１５が、温度検出部１２を介して燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔを検出する。これにより、このステップＳ３３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３４の処理に進む。
【００４２】
ステップＳ３４の処理では、制御部１５が、ステップＳ３３の処理により検出された冷却水の温度Ｔを時間ｔで微分することにより、燃料電池２に供給される冷却水の温度ｔの上昇速度ｄＴ／ｄｔを算出する。これにより、このステップＳ３４の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３５の処理に進む。
【００４３】
ステップＳ３５の処理では、制御部１５が、ステップＳ３３の処理により検出された冷却水の温度Ｔと、ステップＳ３４の処理により算出された上昇速度ｄＴ／ｄｔと、燃料電池２の耐熱温度Ｔｍａｘとを以下に示す数式３に代入することにより、燃料電池２が耐熱温度に到達するまでの時間を耐熱温度到達時間ｔとして算出する。これにより、このステップＳ３５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３６の処理に進む。
【数３】
【００４４】
ステップＳ３６の処理では、制御部１５が、冷却用循環経路７の容積Ｖと冷却水全体流量Ｑと流量割合ｒを以下に示す数式４に代入することにより、冷却用循環経路７内の導電率が悪化した冷却水が全て導電率が良い冷却水に置換されるまでの時間を冷却用循環経路全置換時間ｔｒとして算出し、耐熱温度到達時間ｔと冷却用循環経路全置換時間ｔｒの大小関係を比較する。
【数４】
【００４５】
そして、耐熱温度到達時間ｔより冷却用循環経路全置換時間ｔｒの方が長い場合、制御部１５は、ステップＳ３７の処理として燃料電池２の出力を制限して冷却水全体流量Ｑを減少させ、一連の制御処理は終了する。一方、耐熱温度到達時間ｔより冷却用循環経路全置換時間ｔｒの方が短い場合には、制御部１５はステップＳ３８の処理として冷却水全体流量Ｑを増加させ、一連の制御処理は終了する。
【００４６】
〔流量割合制御処理〕
次に、図７に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ１１における流量割合制御処理について詳しく説明する。
【００４７】
図７に示すフローチャートは、上記ステップＳ１０の処理が完了するのに応じて開始となり、流量割合制御処理はステップＳ４１の処理に進む。
【００４８】
ステップＳ４１の処理では、制御部１５が、流量割合ｒと冷却水全体流量Ｑから三方弁８の切替割合を算出する。これにより、このステップＳ４１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４２の処理に進む。
【００４９】
ステップＳ４２の処理では、制御部１５が、導電率検出部１１を介して燃料電池２に供給される冷却水の導電率Ｄを検出する。これにより、このステップＳ４２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４３の処理に進む。
【００５０】
ステップＳ４３の処理では、制御部１５が、ステップＳ４２の処理により検出された導電率Ｄと所定の導電率設定値γとの大小関係を判別する。そして、判別の結果、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも小さい場合、制御部１５は、ステップＳ４４の処理として、冷却用循環経路７から燃料電池２に供給される冷却水流量を増加させるべく、冷却用循環経路７への流量割合を増加させ、一連の制御処理は終了する。一方、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも大きい場合には、制御部１５は、ステップＳ４５の処理ととして、冷却用循環経路７から燃料電池２に供給される冷却水流量を減少させるべく、冷却用循環経路７への流量割合を減少させ、一連の制御処理は終了する。
【００５１】
〔全体流量制御処理〕
次に、図８に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ２０における全体流量制御処理について詳しく説明する。
【００５２】
図８に示すフローチャートは、上記ステップＳ１９の処理が完了するのに応じて開始となり、全体流量制御処理はステップＳ５１の処理に進む。
【００５３】
ステップＳ５１の処理では、制御部１５が、電流検出部１４を利用して燃料電池２の発電電流Ｉを推定する。これにより、このステップＳ５１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ５２の処理に進む。
【００５４】
ステップＳ５２の処理では、制御部１５が、実験やシミュレーションによって予め求められた燃料電池２の発電電流Ｉと冷却水全体流量Ｑの関係を示すテーブルを参照して、ステップＳ１の処理により推定された発電電流Ｉに対応する冷却水全体流量Ｑを算出する。これにより、このステップＳ５２の処理は完了し、一連の制御処理は終了する。
【００５５】
〔流量割合制御処理〕
次に、図９に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ２１における流量割合制御処理について詳しく説明する。
【００５６】
図９に示すフローチャートは、上記ステップＳ２０の処理が完了するのに応じて開始となり、流量割合制御処理はステップＳ６１の処理に進む。
【００５７】
ステップＳ６１の処理では、制御部１５が、流量割合ｒと冷却水全体流量Ｑから三方弁８の切替割合を算出する。これにより、このステップＳ６１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６２の処理に進む。
【００５８】
ステップＳ６２の処理では、制御部１５が、導電率検出部１１を利用して燃料電池２に供給される冷却水の導電率Ｄを検出する。これにより、このステップＳ６２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６３の処理に進む。
【００５９】
ステップＳ６３の処理では、制御部１５が、ステップＳ６２の処理により検出された導電率Ｄと所定の導電率設定値γとの大小関係を判別する。そして、判別の結果、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも小さい場合、制御部１５は、ステップＳ６４の処理として、暖機用循環経路５から燃料電池２に供給される冷却水流量を増加させるべく、暖機用循環経路５への流量割合を増加させ、一連の制御処理は終了する。一方、導電率Ｄが所定の導電率設定値γよりも大きい場合には、制御部１５は、ステップＳ６５の処理ととして、暖機用循環経路５から燃料電池２に供給される冷却水流量を減少させるべく、暖機用循環経路５への流量割合を減少させ、一連の制御処理は終了する。
【００６０】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、導電率が所定値以上の冷却水が検出された場合、制御部１５が、三方弁８を制御することにより、暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導電率が所定値以上の冷却水を一時的に導入又は滞留させるので、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。また、冷却水を一時的に導入、又は滞留させる経路を別途設ける必要がないので、スペース，重量，コスト等の無駄を無くすことができる。
【００６１】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導入又は滞留させた冷却水を導電率が所定値以下の冷却水と混合して燃料電池２に供給するので、導電率の部分的な偏りを平均化し、導電率が極端に悪化した冷却水２が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６２】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、燃料電池２に供給される冷却水の温度Ｔ１が所定値β以上である場合、暖機用循環経路５に冷却水を導入又は滞留させ、冷却水の温度Ｔ１が所定値β以上でない場合には、冷却用循環経路７に冷却水を導入又は滞留させるので、燃料電池２の保護、又は燃料電池２の発電効率を高く維持するための暖機，冷却機能を損なうことなく、冷却水の循環開始直後、導電率が悪化している冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６３】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、導電率検出部１３により検出された導電率Ｂが所定値α以下になるのに応じて、三方弁８を制御することにより、冷却水を導入又は滞留させている暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に流入する冷却水の流量を減少させるので、導電率が悪化した冷却水のみを暖機用循環経路５又は冷却用循環経路７に導入又は滞留させることができる。
【００６４】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、冷却水を導入又は滞留させた後、三方弁８を制御することにより、燃料電池２に供給される冷却水の導電率が所定値以上にならないように、冷却用循環経路７及び暖機用循環経路５に供給する冷却水の流量割合ｒを制御するので、導電率が極端に悪化した冷却水２が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６５】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、燃料電池２の運転負荷に従って冷却水の全体流量Ｑを算出し、冷却水の全体流量Ｑと流量割合ｒに従って三方弁８の切替割合を制御するので、冷却水の全体流量Ｑが変化することによって冷却用循環経路７及び暖機用循環経路５に供給する冷却水の流量割合ｒが変動することを防止し、制御精度を上げることができる。
【００６６】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、燃料電池２に供給される冷却水の導電率Ｄと所定の閾値γとの偏差に従って、三方弁８の切替割合をフィードバック制御するので、冷却用循環経路７及び暖機用循環経路５に供給する冷却水の流量割合ｒを精密に制御し、冷却用循環経路７に滞留させた冷却水の全量を短時間で導電率が良好な冷却水に置換することができる。
【００６７】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、冷却用循環経路７に冷却水を導入又は滞留させた場合、燃料電池２の耐熱温度Ｔｍａｘ、燃料電池入口側の冷却水温度Ｔ、及び冷却水温度の上昇速度ｄＴ／ｄｔを用いて、燃料電池２が耐熱温度Ｔｍａｘに到達するまでの時間を耐熱温度到達時間ｔとして算出し、耐熱温度到達時間ｔに基づいて三方弁８の切替割合をフィードバック制御するので、燃料電池２の耐熱温度Ｔｍａｘに到達するまでに冷却用循環経路７に導入又は滞留させた冷却水を導電率が良好な冷却水と混合し、流路切替時に、冷却用循環経路７に残存する導電率が悪化した冷却水が燃料電池２に供給されることを防止できる。
【００６８】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、制御部１５が、冷却用循環経路７に導入又は滞留された冷却水が全て三方弁８から流入する冷却水に置換されるまでの時間を冷却用循環経路全置換時間ｔｒとして算出し、冷却用循環経路全置換時間ｔｒが耐熱温度到達時間ｔより長い場合、燃料電池２の出力を制限するので、燃料電池２を保護することができる。
【００６９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、制御部１５は、導電率検出部１３により検出される導電率が冷却液の循環開始時から所定時間の間所定値以下である場合には、上記制御を行わないでもよい。これにより、消費エネルギーの削減し、制御をより簡単にすることができる。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図４】循環開始時からの時間経過に伴う冷却水導電率の変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態となる循環制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図６】図５に示すステップＳ１０の全体流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】図５に示すステップＳ１１の流量割合制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図８】図５に示すステップＳ２０の全体流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図９】図５に示すステップＳ２１の流量割合制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００７１】
１：燃料電池システム
２：燃料電池システム
３：冷却水循環経路
４：循環ポンプ
５：暖機用循環経路
６：放熱器
７：冷却用循環経路
８：三方弁
９：イオン除去装置
１０：サブ配管
１１，１３：導電率検出部
１２：温度検出部
１４：電流検出部
１５：制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環経路と、
前記冷却水循環経路の一部に対し並列に設けられた分岐経路と、
前記分岐経路の上流側に設けられ、前記冷却水循環経路の一部と前記分岐経路との間で冷却水の流路を切り替える切替部と、
前記切替部に流入する冷却水の導電率を検出する導電率検出部と、
前記導電率検出部により導電率が所定値以上の冷却水が検出された場合、前記切替部を制御することにより、前記冷却水循環経路の一部又は前記分岐経路に導電率が所定値以上の冷却水を一時的に導入又は滞留させる制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却水循環経路の一部又は前記分岐経路に導入又は滞留させた冷却水を導電率が所定値以下の冷却水と混合して前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却水循環経路の一部は冷却水を加熱するための暖機用循環経路であり、前記分岐流路は冷却水を冷却するための冷却用循環経路であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却水の温度を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部により検出された冷却水の温度が所定値以上である場合、前記暖機用循環経路に導電率が所定値以上の冷却水を導入又は滞留させ、冷却水の温度が所定値以上でない場合には、前記冷却用循環経路に導電率が所定値以上の冷却水を導入又は滞留させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記導電率検出部により検出された導電率が所定値以下になるのに応じて、前記切替部を制御することにより、冷却水を導入又は滞留させている経路に流入する冷却水の流量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却水を導入又は滞留させた後、前記切替部を制御することにより、前記燃料電池に供給される冷却水の導電率が所定値以上にならないように、冷却用循環経路及び暖機用循環経路に供給する冷却水の流量割合を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池の発熱量を推定するパラメータに従って冷却水の全体流量を算出し、冷却水の全体流量と前記流量割合に従って前記切替部の切替割合を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される冷却水の導電率を検出する第２導電率検出部を備え、
前記制御部は、前記第２導電率検出部により検出された導電率と所定の閾値との偏差に従って、前記切替部の切替割合をフィードバック制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、冷却用循環経路に冷却水を導入又は滞留させた場合、燃料電池の耐熱温度、燃料電池入口側の冷却水温度、及び当該冷却水温度の上昇速度を用いて、燃料電池が耐熱温度に到達するまでの時間を耐熱温度到達時間として算出し、算出された耐熱温度到達時間に基づいて前記切替部の切替割合をフィードバック制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却用循環経路に導入又は滞留された冷却水が全て前記切替部から流入する冷却水に置換されるまでの時間を全置換時間として算出し、算出された全置換時間が前記耐熱温度到達時間より長い場合、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記導電率検出部により検出される導電率が冷却液の循環開始時から所定時間の間所定値以下である場合には、前記制御を行わないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環経路と、
前記冷却水循環経路の一部に対し並列に設けられた分岐経路と、
前記分岐経路の上流側に設けられ、前記冷却水循環経路の一部と前記分岐経路との間で冷却水の流路を切り替える切替部と、
前記切替部に流入する冷却水の導電率を検出する導電率検出部と、
前記導電率検出部により導電率が所定値以上の冷却水が検出された場合、前記切替部を制御することにより、前記冷却水循環経路の一部又は前記分岐経路に導電率が所定値以上の冷却水を一時的に導入又は滞留させる制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却水循環経路の一部又は前記分岐経路に導入又は滞留させた冷却水を導電率が所定値以下の冷却水と混合して前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却水循環経路の一部は冷却水を加熱するための暖機用循環経路であり、前記分岐流路は冷却水を冷却するための冷却用循環経路であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却水の温度を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部により検出された冷却水の温度が所定値以上である場合、前記暖機用循環経路に導電率が所定値以上の冷却水を導入又は滞留させ、冷却水の温度が所定値以上でない場合には、前記冷却用循環経路に導電率が所定値以上の冷却水を導入又は滞留させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記導電率検出部により検出された導電率が所定値以下になるのに応じて、前記切替部を制御することにより、冷却水を導入又は滞留させている経路に流入する冷却水の流量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却水を導入又は滞留させた後、前記切替部を制御することにより、前記燃料電池に供給される冷却水の導電率が所定値以上にならないように、冷却用循環経路及び暖機用循環経路に供給する冷却水の流量割合を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池の発熱量を推定するパラメータに従って冷却水の全体流量を算出し、冷却水の全体流量と前記流量割合に従って前記切替部の切替割合を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される冷却水の導電率を検出する第２導電率検出部を備え、
前記制御部は、前記第２導電率検出部により検出された導電率と所定の閾値との偏差に従って、前記切替部の切替割合をフィードバック制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、冷却用循環経路に冷却水を導入又は滞留させた場合、燃料電池の耐熱温度、燃料電池入口側の冷却水温度、及び当該冷却水温度の上昇速度を用いて、燃料電池が耐熱温度に到達するまでの時間を耐熱温度到達時間として算出し、算出された耐熱温度到達時間に基づいて前記切替部の切替割合をフィードバック制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却用循環経路に導入又は滞留された冷却水が全て前記切替部から流入する冷却水に置換されるまでの時間を全置換時間として算出し、算出された全置換時間が前記耐熱温度到達時間より長い場合、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記導電率検出部により検出される導電率が冷却液の循環開始時から所定時間の間所定値以下である場合には、前記制御を行わないことを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１６４８１１（Ｐ２００６−１６４８１１Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５６２３１（Ｐ２００４−３５６２３１）
【出願日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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