特開 2023-174195 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023174195

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20231130BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20231130BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231130BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231130BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20231130BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04858

H01M8/0432

H01M8/04537

H01M8/04701

H01M8/04694

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022086909

(22)【出願日】2022-05-27

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】長澤 知哉

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB29

5H127BA02

5H127BA22

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB26

5H127BB37

5H127CC07

5H127DB47

5H127DB66

5H127DB74

5H127DC73

5H127FF04

(57)【要約】

【課題】ラジエタによる冷却性能を安定させつつ、燃料電池スタックの昇温動作を促進する。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、燃料電池ＦＣに対応する実値温度ＭＴを取得する温度センサＴＨと、冷却ファンＦと、制御部３と、を有する。制御部３は、燃料電池ＦＣの目標発電量が高いほど燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴを高く設定しており、目標温度ＴＴが上昇する場合において、温度センサＴＨが取得した実値温度ＭＴが目標温度ＴＴに到達するまで、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を行なう。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対応する実値温度を取得する温度取得部と、
冷却ファンと、
制御部と、を有し、
制御部は、前記燃料電池スタックの目標発電量が高いほど前記燃料電池スタックの目標温度を高く設定しており、
前記目標温度が上昇する場合において、前記温度取得部が取得した前記実値温度が前記目標温度に到達するまで、前記冷却ファンの回転数の変化を抑制する抑制制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記冷却ファンは、前記目標温度に基づいて前記回転数を調整するフィードバック制御がされており、かつ、放熱量目標値に基づいて前記回転数を調整するフィードフォワード制御がされており、
前記抑制制御に切り替わった場合に前記フィードフォワード制御の結果を前記抑制制御に切り替わる前の状態で維持することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記目標発電量は、多段階に設定されており、
前記目標温度も前記目標発電量に対応して多段階に設定されてい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。

【請求項4】

前記温度取得部は前記燃料電池スタックから流出される冷却水の温度を測定する水温センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

車両に搭載される燃料電池を構成する燃料電池セルは、発電中の電位変動により劣化してしまう。特に、フォークリフトなどの産業車両においては、高い耐久力が要求されることに加えて、単位時間当たりの出力の時間変化が大きいため、発電量を段階的に切り替えて、電位変動を抑制している。

【0003】

燃料電池の冷媒の目標温度は、低負荷発電時と高負荷発電時で異なる値を設定する場合がある。例えば、低負荷発電時においては、燃料電池を冷却する冷媒の温度を高負荷発電時に良い発電性能を発揮できる温度に設定していると、燃料電池セルが乾いてしまい水素イオンの移動抵抗が大きくなる。そのため、低負荷発電時は、高負荷発電時よりも冷媒の目標温度を低めに設定することがある。

【0004】

例えば、燃料電池を良好に冷却しながら、消費電力の低減を図ることができる、燃料電池システムの冷却制御装置の技術が提供されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６０７１３８８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の燃料電池システムにおいては、冷媒の温度を目標温度に到達させるために、フィードフォワード制御とフィードバック制御とが行われることにより、ラジエタの冷却ファンの回転数を制御していた。しかしながら、燃料電池スタックによる冷媒の温度上昇をフィードフォワード制御にて冷却ファンを制御してしまうと、ラジエタの冷媒の温度が過冷却により目標温度になかなか到達しない問題が発生していた。過冷却によりラジエタによる冷却性能が安定せず、燃料電池スタックの昇温動作が促進されない結果、燃料電池を構成する燃料電池セルの発電性能を十分に引き出すことができなかった。

【0007】

本発明の一側面に係る目的は、ラジエタによる冷却性能を安定させつつ、燃料電池スタックの昇温動作を促進することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに対応する実値温度を取得する温度取得部と、冷却ファンと、制御部と、を有する。

【0009】

前記制御部は、前記燃料電池スタックの目標発電量が高いほど前記燃料電池スタックの目標温度を高く設定しており、前記目標温度が上昇する場合において、前記温度取得部が取得した前記実値温度が前記目標温度に到達するまで、前記冷却ファンの回転数の変化を抑制する抑制制御を行なう。

【0010】

これにより、目標温度が上昇する場合においても、温度取得部が取得した実値温度が目標温度に到達するまでは、冷却ファンの回転数の変化を抑制する抑制制御を行われる。このため、冷却ファンの回転数が切り替えられずに、冷却ファンによる冷却性能を維持することができる。これにより、過冷却の状態が発生することを抑制して実値温度を目標温度として設定した温度へ迅速に昇温動作を行うことができる。その結果、ラジエタの冷却性能を安定させつつ、燃料電池スタックの発電性能をより早く、すなわち、十分に引き出すことができる。

【0011】

また、前記冷却ファンは、前記目標温度に基づいて前記回転数を調整するフィードバック制御がされており、かつ、放熱量目標値に基づいて前記回転数を調整するフィードフォワード制御がされており、前記抑制制御に切り替わった場合に前記フィードフォワード制御の結果を前記抑制制御に切り替わる前の状態で維持してもよい。

【0012】

これにより、冷却ファンの回転数の制御をより効果的に行うことができる。

【0013】

また、前記目標発電量は、多段階に設定されており、前記目標温度も前記目標発電量に対応して多段階に設定されてもよい。

【0014】

これにより、電圧変動が少なくなり燃料電池スタックの劣化を抑制することができつつ、燃料電池スタックの温度を適切に調整できる。

【0015】

また、前記温度取得部は前記燃料電池スタックから流出される冷却水の温度を測定する水温センサであってもよい。

【0016】

これにより、燃料電池システムは、簡易な構成で適切に燃料電池スタックの温度を検出することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、ラジエタによる冷却性能を安定させつつ、燃料電池スタックの昇温動作を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【図2】制御部により実行される抑制制御の一例を示す図である。

【図3】従来の燃料電池システムによる燃料電池（冷媒）の目標温度と、実値温度と、冷却ファンの回転数との関係を示す図である。

【図4】本実施形態の燃料電池システムによる燃料電池（冷媒）の目標温度と、実値温度と、冷却ファンの回転数との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0020】

図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【0021】

図１に示す燃料電池システム１は、フォークリフトなどの産業車両や自動車などの車両Ｖｅに搭載される。なお、車両Ｖｅには、走行用モータを駆動するインバータなどの外部負荷Ｌｏが搭載され、燃料電池システム１から外部負荷Ｌｏに電力が供給される。

【0022】

燃料電池システム１は、燃料電池（燃料電池スタック）ＦＣと、燃料タンクＴと、エアコンプレッサＡＣＰとを備える。

【0023】

また、燃料電池システム１は、更に、ラジエタＲと、冷却ファンＦと、ウォータポンプＷＰと、インタークーラＩＣと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、電流センサＳｉｆと、電圧センサＳｖｆと、記憶部２と、制御部３と、温度センサＴＨ（温度取得部）と、イオン交換器ＩＥと、インタークーラＩＣとを備える。

【0024】

燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣが発電する際に必要とされる補助機能を有する機器である補機に基づいて外部負荷Ｌｏなどに電力を出力する。補機とは、燃料電池ＦＣに関連する機器である。補機には、燃料タンクＴ、エアコンプレッサＡＣＰ、ラジエタＲ、冷却ファンＦ、ウォータポンプＷＰ、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶ、蓄電装置Ｂ、イオン交換器ＩＥ、インタークーラＩＣなどが含まれる。補機は、図１に示していない他の機器を含めてもよい。

【0025】

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池であり、燃料ガス（水素ガスなど）に含まれる水素と酸化剤ガス（空気など）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

【0026】

燃料タンクＴは、燃料ガスの貯蔵容器である。燃料タンクＴに貯蔵された燃料ガスは燃料電池ＦＣに供給される。

【0027】

エアコンプレッサＡＣＰは、燃料電池システム１の周囲に存在する酸化剤ガスを圧縮しインタークーラＩＣを介して燃料電池ＦＣに供給する。なお、エアコンプレッサＡＣＰの圧縮率は、燃料電池ＦＣの下流に設けられる弁の開度を調節することで制御される。

【0028】

インタークーラＩＣは、圧縮により高温になった酸化剤ガスをインタークーラＩＣに流出される冷却水などの冷媒と熱交換させる。

【0029】

ラジエタＲは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒を外気と熱交換させる。

【0030】

冷却ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。制御部３は、燃料電池ＦＣの発電状態に基づいて、冷却ファンＦの回転数を制御する。ラジエタＲは、燃料電池ＦＣから回収した熱を、冷却ファンＦの送風により、燃料電池システム１の外部に放出する。すなわち、ラジエタＲと冷却ファンＦとは、冷却部を構成している。この場合、冷却ファンＦは、水冷式の冷却ファンとして構成される。制御部３は、冷却ファンＦの回転数または風量により、冷却ファンＦによる燃料電池ＦＣに対する冷却量を検出する。

【0031】

ウォータポンプＷＰは、ラジエタＲにより冷却された冷媒をインタークーラＩＣを介して燃料電池ＦＣに供給する。

【0032】

イオン交換器ＩＥは、燃料電池ＦＣに並列して設けられている。従って、ラジエタＲを流通する冷媒の一部は、イオン交換器ＩＥに収容されたイオン交換樹脂によって不純物イオンを除去される。

【0033】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの後段に接続され、燃料電池ＦＣから出力される電圧Ｖｆｃ（例えば、９０［Ｖ］）を電圧Ｖｃｈ（例えば、４８［Ｖ］）に変換する。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力は、外部負荷Ｌｏ、内部負荷Ｌｉ、及び蓄電装置Ｂに供給される。内部負荷Ｌｉには、エアコンプレッサＡＣＰ、ウォータポンプＷＰ、及び冷却ファンＦなどが含まれる。内部負荷Ｌｉは、図１に示していない他の機器を含めてもよい。

【0034】

蓄電装置Ｂは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと外部負荷Ｌｏとの間に接続されている。

【0035】

電流センサＳｉｆは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに流れる電流Ｉｆｃを検出し、その検出した電流Ｉｆを制御部３に送る。

【0036】

電圧センサＳｖｆは、分圧抵抗などにより構成され、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆｃを検出し、その検出した電圧Ｖｆｃを制御部３に送る。

【0037】

温度センサＴＨは、燃料電池ＦＣに対応する温度を取得する。温度センサＴＨは、例えば、サーミスタ（thermistor）により構成される。温度センサＴＨは、取得した温度を制御部３へ送る。例えば、温度センサＴＨは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒の温度を取得することにより、燃料電池ＦＣの温度を取得することができる。温度センサＴＨは、燃料電池ＦＣから流れる冷媒としての冷却水の温度を測定する水温センサにより構成される。このため、燃料電池システム１は、簡易な構成で適切に燃料電池ＦＣの温度を検出することができる。

【0038】

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。記憶部２には、制御部３により実行されるプログラムが記憶される。

【0039】

制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成される。

【0040】

また、制御部３は、燃料電池システム１の稼働時、蓄電装置ＢのＳＯＣに応じて発電量目標値ＴＰＧを段階的に変化させる。

【0041】

また、制御部３は、燃料電池システム１の稼働時、燃料電池ＦＣの発電電力が発電量目標値ＴＰＧに追従するように、内部負荷Ｌｉの動作を制御する。例えば、制御部３は、燃料電池システム１の稼働時、ＰＩ（Proportional-Integral）制御により、燃料電池ＦＣの発電電力と発電量目標値ＴＰＧとの差がゼロになるように、内部負荷Ｌｉの動作を制御する。

【0042】

制御部３は、燃料電池ＦＣに関連する補機の動作を制御することで燃料電池ＦＣの発電電力量を制御する。また、制御部３は、燃料電池ＦＣの目標とする発電量（以下、「目標発電量」とも呼ぶ）（出力指令値）が高いほど燃料電池ＦＣの目標とする温度（以下、「目標温度ＴＴ」とも呼ぶ）を高く設定している。そして、制御部３は、目標温度ＴＴが上昇する場合において、温度センサＴＨが目標温度ＴＴ、又は、目標温度ＴＴに対応する温度に到達するまで、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を実行する。

【0043】

冷却ファンＦは、制御部３に基づく抑制制御により、目標温度ＴＴに基づいて冷却ファンＦの回転数を調整するフィードバック制御（以下、「ＦＢ制御」とも呼ぶ）がされており、かつ、放熱量目標値に基づいて冷却ファンＦの回転数を調整するフィードフォワード制御（以下、「ＦＦ制御」とも呼ぶ）がされている。

【0044】

制御部３は、目標温度に基づいて冷却ファンＦの回転数を調整するＦＢ制御を行う。制御部３は、冷却ファンＦの回転数や燃料電池ＦＣの発電量から冷却量を推定する。制御部３は、これらの推定結果を用いて実測値の温度（以下、「実値温度」とも呼ぶ）が目標温度として設定した温度となるように冷却ファンＦの回転数を調整するＦＢ制御を実行する。ＦＢ制御により、冷却ファンＦの回転数（ＦＢ）（以下、「冷却ファン回転数（ＦＢ）」と呼ぶ）が算出される。

【0045】

また、制御部３は、放熱量目標値に基づいて冷却ファンＦの回転数を調整するＦＦ制御を行う。例えば、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電状態に基づいて、冷却ファンＦの回転数を制御する。制御部３は、抑制制御に切り替わった場合にＦＦ制御の結果を抑制制御に切り替わる前の状態で維持する。

【0046】

図２は、制御部３により実行される抑制制御の一例を示す図である。制御部３は、放熱量目標値ＴＨＲに基づき、ＦＦ制御により、冷却ファン回転数ＣＳＦを算出する。また、制御部３は、目標温度ＴＴ及び実値温度ＭＴに基づき、ＦＢ制御により、冷却ファン回転数ＣＳＢを算出する。

【0047】

目標温度ＴＴは、燃料電池ＦＣの発電量が段階発電により段階的に切り替えられ、発電量が上昇すると、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために設定される温度である。

【0048】

実値温度ＭＴは、温度センサＴＨにより取得された燃料電池ＦＣの温度である。具体的には、燃料電池ＦＣから流出される冷却水などの冷媒の温度である。

【0049】

制御部３は、ＦＦ制御により算出した冷却ファン回転数ＣＳＦと、ＦＢ制御により算出した冷却ファン回転数ＣＳＢと、を加算した回転数を総合冷却ファン回転数ＣＳＴとして算出する。制御部３は、算出した総合冷却ファン回転数ＣＳＴを指令値として冷却ファンＦへ送ることにより、冷却ファンＦの回転数を制御することができる。

【0050】

図３は、従来の燃料電池システム１による燃料電池ＦＣ（冷媒）の目標温度ＴＴと、実値温度ＭＴと、冷却ファンＦの回転数との関係を示す図である。燃料電池ＦＣ（冷媒）の目標温度ＴＴは、低負荷発電時と高負荷発電時とで異なる。高負荷発電時においては、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、燃料電池ＦＣ（冷媒）の目標温度ＴＴが高めに設定されている。しかしながら、低負荷発電時においては、燃料電池ＦＣ（冷媒）の目標温度ＴＴを高めに設定してしまうと、燃料電池ＦＣを構成する燃料電池セルが高温にさらされて乾燥してしまい、水素イオンの移動抵抗が大きくなることで、かえって燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すことができないため、低めに設定されている。

【0051】

図３を参照して、従来の燃料電池システム１による具体的な制御の流れについて説明する。初めに、外部負荷Ｌｏから電力が要求され、発電が開始されたタイミング（時間）ｔｉ０において、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴが温度ｔｅ０から温度ｔｅ１（ｔｅ０＜ｔｅ１）へ切り替えられる。

【0052】

燃料電池ＦＣによる発電が継続し、タイミングｔｉ１において燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴが、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ１を超えると、ＦＢ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＢに基づき、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ０から回転数ｆｓ１（ｆｓ０＜ｆｓ１）へ切り替えられ燃料電池ＦＣの冷却が開始される。

【0053】

燃料電池ＦＣの発電量が段階発電により段階的に切り替えられ、発電量が上昇すると、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴが温度ｔｅ１から温度ｔｅ２（ｔｅ１＜ｔｅ２）へ切り替えられる。

【0054】

目標温度ＴＴが温度ｔｅ１から温度ｔｅ２へ切り替えられて上昇したタイミングｔｉ２において、燃料電池スタックの発電反応により生じる熱量を冷却するために必要な、放熱量目標値ＴＨＲに基づきＦＦ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＦが総合冷却ファン回転数ＣＳＴへ加算され、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ１から回転数ｆｓ２（回転数ｆｓ１＜回転数ｆｓ２）へ切り替えられ、冷却ファンＦによる冷却性能が向上する。

【0055】

冷却ファンＦによる冷却性能が向上した結果、燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴが、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２までなかなか到達しない過冷却の状態が発生する。その結果、実値温度ＭＴを目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２に到達させるために、タイミングｔｉ３において、ＦＢ制御により、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ２から回転数ｆｓ０へ切り替えられ、冷却ファンＦを一旦停止して冷却性能を低下させる。冷却ファンＦによる冷却性能が低下した結果、燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴが急上昇し、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２をタイミングｔｉ４において大きく超えオーバーシュートの状態が発生することとなる。

【0056】

更に、燃料電池ＦＣの発電量が段階発電により段階的に切り替えられ、発電量が上昇すると、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴが温度ｔｅ２から温度ｔｅ３（ｔｅ２＜ｔｅ３）へ切り替えられる。

【0057】

目標温度ＴＴが温度ｔｅ２から温度ｔｅ３へ切り替えられると、目標温度ＴＴの温度ｔｅ３に基づきＦＦ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＦが加算され、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ２から回転数ｆｓ３（回転数ｆｓ２＜回転数ｆｓ３）へ切り替えられ、冷却ファンＦによる冷却性能が向上する。

【0058】

回転数ｆｓ３は、回転数ｆｓ２よりも大きいため、冷却性能が向上する結果、燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴは、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ３までなかなか到達しない過冷却の状態が発生する。その結果、実値温度ＭＴを目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ３へ到達させるために、タイミングｔｉ６において、ＦＢ制御により、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ３から回転数ｆｓ０へ切り替えられ、冷却ファンＦを一旦停止して冷却性能を低下させる。冷却ファンＦによる冷却性能が低下した結果、燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴが急上昇し、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ３をタイミングｔｉ７において大きく超えオーバーシュートの状態が発生することとなる。

【0059】

従来の燃料電池システム１においては、燃料電池スタックの発電反応により生じる熱量からＦＦ制御にて冷却ファンを制御してしまうと、燃料電池ＦＣ（冷媒）の温度が過冷却により目標温度ＴＴになかなか到達しない状態が発生することとなり、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すことができる目標温度ＴＴに到達しない問題が発生していた。過冷却によりラジエタＲによる冷却性能が安定せず、燃料電池ＦＣの昇温動作が促進されない結果、燃料電池ＦＣを構成する燃料電池セルの発電性能を十分に引き出すことができなかった。

【0060】

更に、従来の燃料電池システム１においては、過冷却の影響により冷却ファンＦが一旦停止した後、冷却ファンＦが再始動を繰り返すことによる頻繁なうねりが継続するため、搭乗者の違和感の要因となっていた。

【0061】

そこで、本実施形態の燃料電池システム１においては、制御部３は、目標温度ＴＴが上昇する場合において、温度センサＴＨが目標温度に到達するまで、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を行なうこととした。

【0062】

図４を参照して、本実施形態の燃料電池システム１による具体的な制御の流れについて説明する。図４は、本実施形態の燃料電池システム１による燃料電池ＦＣ（冷媒）の目標温度ＴＴと、実値温度ＭＴと、冷却ファンＦの回転数との関係を示す図である。初めに、外部負荷Ｌｏから電力が要求され、発電が開始されたタイミング（時間）ｔｉ０において、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、制御部３は、燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴを温度ｔｅ０から温度ｔｅ１（ｔｅ０＜ｔｅ１）へ切り替える。

【0063】

燃料電池ＦＣによる発電が継続し、タイミングｔｉ１において燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴが、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ１を超えると、制御部３は、ＦＢ制御により算出した冷却ファン回転数ＣＳＢに基づき、総合冷却ファン回転数ＣＳＴを回転数ｆｓ０から回転数ｆｓ１（ｆｓ０＜ｆｓ１）へ切り替えて燃料電池ＦＣの冷却を開始する。

【0064】

燃料電池ＦＣの発電量が段階発電により段階的に切り替えられ、発電量が上昇すると、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、制御部３は、燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴを温度ｔｅ１から温度ｔｅ２（ｔｅ１＜ｔｅ２）へ切り替える昇温動作を行う。

【0065】

目標温度ＴＴが温度ｔｅ１から温度ｔｅ２へ切り替えられて上昇したタイミングｔｉ２において、制御部３は、放熱量目標値ＴＨＲに基づくＦＦ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＦをすぐに総合冷却ファン回転数ＣＳＴへ加算しない。すなわち、目標温度ＴＴが温度ｔｅ１からｔｅ２へ上昇するタイミングｔｉ４’において、温度センサＴＨが取得した実値温度ＭＴが目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２へ到達するまで、制御部３は、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を行なう。

【0066】

この抑制制御により、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ１から回転数ｆｓ２（回転数ｆｓ１＜回転数ｆｓ２）へ切り替えられずに、冷却ファンＦによる冷却性能を維持することができる。これにより、過冷却の状態が発生することを抑制して実値温度ＭＴを目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２へ迅速に昇温動作を行うことができ、その結果、ラジエタＲの冷却性能を安定させつつ、燃料電池ＦＣの燃料電池ＦＣの発電性能をより早く、すなわち、十分に引き出すことができる。

【0067】

温度センサＴＨから取得した実値温度ＭＴが上昇したタイミングｔｉ４’、すなわち、
実値温度ＭＴが目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２へ上昇したタイミングｔｉ４’において、制御部３は、目標温度ＴＴの温度ｔｅ２に基づきＦＦ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＦを総合冷却ファン回転数ＣＳＴへ加算する。その結果、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ１から回転数ｆｓ２（回転数ｆｓ１＜回転数ｆｓ２）へ切り替えられ、冷却ファンＦによる冷却性能が向上する。

【0068】

本実施形態の燃料電池システム１においては、上述のように過冷却の状態が発生しない。このため、図３で説明した従来の燃料電池システム１のように、制御部３は、ＦＢ制御により、総合冷却ファン回転数ＣＳＴを回転数ｆｓ２から回転数ｆｓ０へ切り替える必要がない。その結果、冷却ファンＦを一旦停止して冷却性能を低下する必要がないので、燃料電池ＦＣの実値温度ＭＴが急上昇し、目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ２を大きく超えるオーバーシュートの状態が発生することを抑制することができる。これにより、過冷却の影響により冷却ファンＦが一旦停止した後、冷却ファンＦが再始動を繰り返すことによる頻繁なうねりが発生することを抑制し、搭乗者の違和感を抑制することができる。

【0069】

更に、燃料電池ＦＣの発電量が段階発電により段階的に切り替えられ、発電量が上昇すると、要求された目標発電量に対応して、燃料電池ＦＣの発電性能を引き出すために、燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴが温度ｔｅ２から温度ｔｅ３（ｔｅ２＜ｔｅ３）へ切り替えられる昇温動作が行われる。

【0070】

目標温度ＴＴが温度ｔｅ２から温度ｔｅ３へ切り替えられて上昇したタイミングｔｉ５において、制御部３は、目標温度ＴＴの温度ｔｅ３に基づくＦＦ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＦをすぐに総合冷却ファン回転数ＣＳＴへ加算しない。すなわち、目標温度ＴＴが温度ｔｅ２から温度ｔｅ３へ上昇したタイミングｔｉ５において、温度センサＴＨが取得した実値温度ＭＴが目標温度として設定した温度ｔｅ３へ到達するまで、制御部３は、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を行う。

【0071】

この抑制制御により、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ２から回転数ｆｓ３（回転数ｆｓ２＜回転数ｆｓ３）へ切り替えられずに、冷却ファンＦによる冷却性能を維持することができる。これにより、過冷却の状態が発生することを抑制して実値温度ＭＴを目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ３へ迅速に到達させることができ、その結果、燃料電池ＦＣの発電性能をより早く、すなわち、十分に引き出すことができる。

【0072】

温度センサＴＨから取得した実値温度ＭＴが上昇したタイミングｔｉ７’、すなわち、実値温度ＭＴが目標温度ＴＴとして設定した温度ｔｅ３へ上昇したタイミングｔｉ７’において、制御部３は、目標温度ＴＴの温度ｔｅ３に基づきＦＦ制御により算出された冷却ファン回転数ＣＳＦを加算する。その結果、総合冷却ファン回転数ＣＳＴが回転数ｆｓ２から回転数ｆｓ３（回転数ｆｓ２＜回転数ｆｓ３）へ切り替えられ、冷却ファンＦによる冷却性能が向上する。

【0073】

上述のように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、燃料電池ＦＣに対応する実値温度ＭＴを取得する温度センサＴＨと、冷却ファンＦと、制御部３と、を有する。

【0074】

制御部３は、燃料電池ＦＣの目標発電量が高いほど燃料電池ＦＣの目標温度ＴＴを高く設定しており、目標温度ＴＴが上昇するタイミングにおいて、温度センサＴＨが取得した実値温度ＭＴが目標温度ＴＴに到達するまで、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を行なう。

【0075】

これにより、目標温度ＴＴが上昇する場合においても、温度センサＴＨが取得した実値温度ＭＴが目標温度ＴＴに到達するまでは、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を行われる。このため、冷却ファンＦの回転数が切り替えられずに、冷却ファンＦによる冷却性能を維持することができる。これにより、過冷却の状態が発生することを抑制して実値温度ＭＴを目標温度ＴＴとして設定した温度へ迅速に昇温動作を行うことができる。その結果、ラジエタＲの冷却性能を安定させつつ、燃料電池ＦＣの発電性能をより早く、すなわち、十分に引き出すことができる。

【0076】

また、冷却ファンＦは、目標温度ＴＴに基づいて回転数を調整するＦＢ制御がされており、かつ、放熱量目標値に基づいて回転数を調整するＦＦ制御がされており、抑制制御に切り替わった場合にＦＦ制御の結果を抑制制御に切り替わる前の状態で維持する。

【0077】

これにより、冷却ファンＦの回転数の制御をより効果的に行うことができる。

【0078】

また、目標発電量は、多段階に設定されており、目標温度ＴＴも目標発電量に対応して多段階に設定されている。

【0079】

これにより、電圧変動が少なくなり燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができつつ、燃料電池スタックの温度を適切に調整できる。

【0080】

また、温度センサＴＨは燃料電池ＦＣから流出される冷却水の温度を測定する水温センサである。

【0081】

これにより、燃料電池システム１は、簡易な構成で適切に燃料電池ＦＣの温度を検出することができる。

【0082】

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

【0083】

＜変形例１＞
制御部３は、目標温度ＴＴが上昇する場合において、温度センサＴＨが目標温度ＴＴ、又は、目標温度ＴＴに対応する温度に到達するまで、冷却ファンＦの回転数の変化を抑制する抑制制御を実行しているが、これに限られない。例えば、予め定められた最低駆動回転数に冷却ファンＦの回転数を設定するように制御してもよい。

【0084】

＜変形例２＞
温度センサＴＨは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒の温度を取得しているが、エアコンプレッサＡＣＰの温度を取得してもよい。また、温度センサＴＨは、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの温度を取得してもよい。

【0085】

＜変形例３＞
上記実施形態の燃料電池システム１は、車両Ｖｅに搭載される外部負荷Ｌｏに電力を供給する発電機として構成しているが、燃料電池システム１を、商用電源と協働して燃料電池システム１の外部に設けられる外部負荷Ｌｏに電力を供給する定置発電機として構成してもよい。

【0086】

燃料電池システム１は水冷式の冷却ファンＦにより構成しているが、空冷式の冷却ファンＦにより構成してもよい。その場合、温度取得部としての温度センサＴＨは、燃料電池ＦＣの内部温度を取得するセンサで、冷却ファンＦは燃料電池ＦＣに冷却風を当てるファンとするのが好ましい。燃料電池システム１を空冷式とした場合、燃料電池ＦＣが有する熱を、冷却ファンＦの送風により、燃料電池システム１の外部に放出することができる。

【符号の説明】

【0087】

１ ：燃料電池システム
２ ：記憶部
３ ：制御部
ＡＣＰ ：エアコンプレッサ
Ｂ ：蓄電装置
ＣＮＶ ：ＤＣＤＣコンバータ
ＣＳＢ ：冷却ファン回転数
ＣＳＦ ：冷却ファン回転数
ＣＳＴ ：総合冷却ファン回転数
Ｆ ：冷却ファン
ＦＣ ：燃料電池
ＩＥ ：イオン交換器
Ｉｆ ：電流
Ｉｆｃ ：電流
Ｌｉ ：内部負荷
Ｌｏ ：外部負荷
ＭＴ ：実値温度
Ｒ ：ラジエタ
Ｓｉｆ ：電流センサ
Ｓｖｆ ：電圧センサ
Ｔ ：燃料タンク
ＴＨ ：温度センサ
ＴＨＲ ：放熱量目標値
ＴＰＧ ：発電量目標値
ＴＴ ：目標温度
Ｖｃｈ ：電圧
Ｖｅ ：車両
Ｖｆｃ ：電圧
ＷＰ ：ウォータポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】