(57)【要約】【課題】空調システムの消費電力を低減するとともに、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能な、燃料電池システムを提供する。【解決手段】実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池スタックＦＣを冷却するための媒体を流す冷却経路Ｆ１と、冷却経路Ｆ１に接続され、冷却経路Ｆ１に流れる媒体を共用して空調用の空気を加熱するための媒体を流す空調経路３１と、冷却経路Ｆ１から空調経路３１へ媒体を供給する第１動作と、空調経路３１内で媒体を循環させる第２動作とを切り替え可能な三方弁３２と、冷却経路Ｆ１の入口Ｆ１ａにおける媒体の第１温度と、冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂにおける媒体の第２温度と、空調経路３１の出口３１ｂにおける媒体の第３温度とを比較し、第２温度が第１温度よりも高く、且つ、第２温度が第３温度よりも高い場合に、三方弁３２を第１動作に切り替える制御部４０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を冷却するための媒体を流す冷却経路と、
前記冷却経路に接続され、前記冷却経路に流れる媒体を共用して空調用の空気を加熱するための媒体を流す空調経路と、
前記冷却経路から前記空調経路へ媒体を供給する第１動作と、前記空調経路内で媒体を循環させる第２動作とを切り替え可能な切替部と、
前記冷却経路の入口における媒体の第１温度と、前記冷却経路の出口における媒体の第２温度と、前記空調経路の出口における媒体の第３温度とを比較し、前記第２温度が前記第１温度よりも高く、且つ、前記第２温度が前記第３温度よりも高い場合に、前記切替部を第１動作に切り替える制御部と、
を備える、
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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の廃熱を利用して、空調用の空気を加熱する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１、２）。このようなシステムでは、燃料電池を冷却する冷却システムと空調用の空気を加熱する空調システムとを状況に応じて連結したり、遮断したりすることで、燃料電池と空調の温度制御を実施する。
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池システムは、ラジエータと燃料電池との間で冷却水を循環させる冷却回路と、ヒータで冷却水を加熱しヒータコアに供給して空調用の空気を加熱する空調回路と、燃料電池の出口側からヒータへの冷却水の供給とヒータコアからヒータへの冷却水の供給とを切り替え可能な三方弁とを備えている。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の出口側の冷却水の温度のセンサ値とヒータコアの出口側の冷却水の温度の推定値を比較し、温度の高い方の冷却水をヒータに供給することで、空調回路のヒータの消費電力を低減し、燃料電池システム全体の燃費を向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６８２８１号公報
【特許文献２】特開２０１５−０６４９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、燃料電池の出口側の冷却水の温度とヒータコアの出口側の冷却水の温度に基づいて、冷却システムと空調システムとの連携の判断を行っており、燃料電池の入口側の冷却水の温度は考慮されていない。冷却回路と空調回路とを連結して燃料電池の冷却水をヒータに供給する場合、冷却水がヒータコアにより冷却され、適正な温度よりも低い冷却水が燃料電池へ戻ると、燃料電池の発電効率が低下してしまう虞がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、空調システムの消費電力を低減するとともに、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池を冷却するための媒体を流す冷却経路と、前記冷却経路に接続され、前記冷却経路に流れる媒体を共用して空調用の空気を加熱するための媒体を流す空調経路と、前記冷却経路から前記空調経路へ媒体を供給する第１動作と、前記空調経路内で媒体を循環させる第２動作とを切り替え可能な切替部と、前記冷却経路の入口における媒体の第１温度と、前記冷却経路の出口における媒体の第２温度と、前記空調経路の出口における媒体の第３温度とを比較し、前記第２温度が前記第１温度よりも高く、且つ、前記第２温度が前記第３温度よりも高い場合に、前記切替部を第１動作に切り替える制御部とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、空調システムの消費電力を低減するとともに、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能な、燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両を駆動するとともに、車室の空調用の空気を加熱する燃料電池システムに関する。実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池を冷却するための媒体を流す冷却経路と、冷却経路に接続され、冷却経路に流れる媒体を共用して空調用の空気を加熱するための媒体を流す空調経路と、冷却経路から空調経路へ媒体を供給する第１動作と、空調経路内で媒体を循環させる第２動作とを切り替え可能な切替部とを備える。
【００１２】
実施の形態では、制御部により、冷却経路の入口における媒体の第１温度と、冷却経路の出口における媒体の第２温度と、空調経路の出口における媒体の第３温度とが比較される。制御部は、第２温度が第１温度よりも高く、且つ、第２温度が第３温度よりも高い場合に、切替部を冷却経路の出口から空調経路の入口へ媒体を供給する第１動作に切り替える。このように、冷却経路の入口における媒体の第１温度と、冷却経路の出口における媒体の第２温度と、空調経路の出口における媒体の第３温度とを比較して、冷却システムと空調システムの連携・被連携を判断することで、空調経路のヒータの消費電力を低減するとともに、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能となる。
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態について説明する。実施の形態では、燃料電池を冷却する媒体として冷却水を用いた例について説明する。図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタックＦＣを冷却する冷却システム１０、連携経路２０、空調システム３０、制御部４０を備える。
【００１４】
燃料電池スタックＦＣは、例えば高分子電解質型燃料電池であり、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜と、その一方の面に形成された空気極と、他方の面に形成された燃料極とを接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を備える。膜電極接合体は、その両側から一対のセパレータにより挟み込まれている。燃料電池スタックＦＣは、酸化ガスを空気極に、燃料ガスを燃料極に供給することによって発電する。
【００１５】
冷却システム１０は、循環経路１１、ラジエータ１２、イオン交換機１３、インタークーラ１４、ウォーターポンプ１５、ロータリーバルブ１６、ファン１７、バイパス経路１８ａ、温度センサＴ１、Ｔ２を含む。冷却システム１０は、ラジエータ１２において熱交換した冷却水を、循環経路１１を介して燃料電池スタックＦＣに循環供給することで、燃料電池スタックＦＣ内の冷却経路Ｆ１に導き、燃料電池スタックＦＣを所定の温度に冷却する。ファン１７は、ラジエータ１２を流れる冷却水を空気で冷やす。
【００１６】
循環経路１１は、燃料電池スタックＦＣと熱交換器であるラジエータ１２とを接続し、燃料電池スタックＦＣとラジエータ１２との間で冷却水を循環させる。循環経路１１には、燃料電池スタックＦＣ内の冷却経路Ｆ１が接続される。循環経路１１からの冷却水が燃料電池スタックＦＣに入る箇所を冷却経路Ｆ１の入口Ｆ１ａとし、燃料電池スタックＦＣから循環経路１１へ冷却水が出る箇所を冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂとする。
【００１７】
循環経路１１の、出口Ｆ１ｂとラジエータ１２の入口とを接続する第１経路１１ａと、ラジエータ１２の出口と入口Ｆ１ａとを接続する第２経路１１ｂとの間には、バイパス経路１８ａ、バイパス経路１８ｂが設けられている。第１経路１１ａとバイパス経路１８ａとの経路合流点には、ロータリーバルブ１６が設けられている。
【００１８】
ロータリーバルブ１６は、燃料電池スタックＦＣ及びラジエータ１２を通る循環と、燃料電池スタックＦＣのみを通りラジエータ１２を迂回する循環とを切り替える三方弁である。また、バイパス経路１８ａには、イオン交換機１３が設けられている。第１経路１１ａから分岐したバイパス経路１８ｂにはインタークーラ１４が設けられている。インタークーラ１４は、燃料電池スタックＦＣの空気極に供給される酸素ガスを冷却する。
【００１９】
第２経路１１ｂには、温度センサＴ１と、冷却水を循環させるウォーターポンプ１５が設けられている。ウォーターポンプ１５の駆動量、即ち冷却水の循環供給量や、ロータリーバルブ１６によるラジエータ１２への流量、イオン交換機１３への流量は、温度センサＴ１により検出された温度や燃料電池スタックＦＣの発電状況に基づいて適宜決定される。冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂには、温度センサＴ２が設けられている。温度センサＴ２は、燃料電池スタックＦＣの冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂの温度を検出する。
【００２０】
空調システム３０は、空調経路３１、三方弁３２、ウォーターポンプ３３、温水通路３４、ヒータ３５、ヒータコア３６、バイパス経路３７、温度センサＴ３、温度センサＴ４を含む。空調経路３１は、冷却経路Ｆ１に連携経路２０を介して接続されている。連携経路２０は、冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂの、温度センサＴ２の下流側と空調経路３１の入口３１ａとを接続する。また、連携経路２０は、出口Ｆ１ｂと空調経路３１の入口とが接続された箇所よりも下流側と、空調経路３１の出口３１ｂとを接続する。これにより、冷却経路Ｆ１、循環経路１１に流れる冷却水が共用され、空調経路３１において空気を加熱するための冷却水として利用される。
【００２１】
空調システム３０は、車室の空調用の空気を加熱するため、ヒータ３５とヒータコア３６との間で冷却水を循環させる。ヒータ３５としては、例えば、水加熱電気ヒータが用いられる。ヒータコア３６は、車室の空調器の空気を加熱するための熱交換器である。空調経路３１の入口３１ａからヒータコア３６に向かう経路とバイパス経路３７との経路合流点には、三方弁３２が設けられている。三方弁３２は、空調経路３１とバイパス経路３７とを通る循環と、バイパス経路３７を迂回して、連携経路２０を介して、空調経路３１、循環経路１１、冷却経路Ｆ１を通る循環とを切り替える。
【００２２】
すなわち、三方弁３２は、冷却経路Ｆ１から空調経路３１ヘ媒体を供給する第１動作と、空調経路３１内で媒体を循環させる第２動作とを切り替え可能な切替部に相当する。第１動作では、三方弁３２はバイパス経路３７側が閉じ、連携経路２０側が開かれる。第２動作では、三方弁３２は連携経路２０側が閉じ、バイパス経路３７側が開かれる。
【００２３】
三方弁３２とヒータコア３６との間には、冷却水を循環させるウォーターポンプ３３、温水通路３４、ヒータ３５がこの順で設けられている。温水通路３４は、燃料電池スタックから発生した水が気液分離器で凍結することを防ぐために、気液分離器を温める目的で設けられている。ヒータ３５の入口には温度センサＴ３が設けられ、出口には温度センサＴ４が設けられている。温度センサＴ３はヒータ３５の入口側の冷却水の温度を検出する。温度センサＴ４は、ヒータ３５の出口側の冷却水の温度を検出する。ヒータ３５は、例えば、温度センサＴ３と温度センサＴ４により検出された温度に基づいて、ヒータコア３６の入口側の冷却水の温度が目標温度になるように発熱量を調整する。
【００２４】
制御部４０は、冷却システム１０、空調システム３０の各温度センサＴ１〜Ｔ４により検出された温度に基づいて、ウォーターポンプ１５、ウォーターポンプ３３、ロータリーバルブ１６、三方弁３２を制御して冷却水の循環を行う。制御部４０は、ＣＰＵ等を備え、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって上記処理を実行することができる。
【００２５】
実施の形態では、冷却経路Ｆ１の入口Ｆ１ａにおける冷却水の温度（第１温度とする）、冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂにおける冷却水の温度（第２温度とする）、空調経路３１の出口３１ｂにおける冷却水の温度（第３温度とする）を用いて、三方弁３２の第１動作と第２動作とを切り替える。すなわち、制御部４０は、第１〜第３温度に基づいて、冷却システム１０と空調システム３０とを連携して、冷却経路Ｆ１を流れる冷却水を空調経路３１に流すか否かを決定する。具体的には、制御部４０は第１〜第３温度の比較を行い、第２温度が第１温度よりも高く、且つ、第２温度が第３温度よりも高い場合に、三方弁３２切替部を第１動作に切り替える。
【００２６】
ここで、図２を参照して、燃料電池システム１の具体的な制御方法について説明する。図２は、実施の形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフロー図である。燃料電池スタックＦＣの発電時には、ウォーターポンプ１５が作動し、ラジエータ１２で冷却された冷却水が燃料電池スタックＦＣに供給される。これにより、燃料電池スタックＦＣが冷却される。燃料電池スタックＦＣで加熱された冷却水は、ラジエータ１２に戻される。なお、ラジエータ１２での冷却が不要の場合には、ロータリーバルブ１６が切り替えられ、冷却水はラジエータ１２を迂回して循環する。車室内の空調器が作動し、暖房が行われる際には、空調システム３０において、ヒータ３５で加熱された冷却水がヒータコア３６に供給され、空調用の空気が加熱される。
【００２７】
図２は、燃料電池システム１における、ヒータ３５への冷却水の供給制御を示している。この例では、第１温度として、燃料電池スタックＦＣの入口Ｆ１ａにおける冷却水の指令値（ＦＣ入口指令値とする）が用いられる。また、第２温度として、温度センサＴ２により測定された冷却経路Ｆ１の出口Ｆ１ｂにおける冷却水の温度（ＦＣ出口センサ値とする）が用いられる。
【００２８】
さらに、ヒータコア３６の出口側の冷却水の温度が第３温度として用いられる。このヒータコア３６の出口側の冷却水の温度は、ヒータ３５の出口側に設けられた温度センサＴ４により測定されたヒータ出口温度センサ値と、ヒータコア３６の放熱量推定値と、空調経路３１を流れる冷却水量推定値とから推定される。この推定温度を、Ｈ／Ｃ出口推定値とする。
【００２９】
図２では、まず、ＦＣ出口センサ値がＦＣ入口指令値からαを減算した値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ１１）。ここで、αはセンサのばらつきと冷却経路Ｆ１の入口Ｆ１ａから出口Ｆ１ｂの配管放熱を考慮した適合値である。αは例えば、０以上の値である。ＦＣ出口センサ値がＦＣ入口指令値からαを減算した値以下である場合（ステップＳ１１、ＮＯ）、燃料電池スタックＦＣは暖機中であるため、冷却システム１０と空調システム３０とを非連携とする（ステップＳ１４）。この場合、三方弁３２は連携経路２０側が閉じて、バイパス経路３７が開かれ、冷却経路Ｆ１と空調経路３１とは接続されない。この場合、冷却経路Ｆ１から空調経路３１への冷却水の供給は停止され、空調経路３１内で冷却水が循環する。
【００３０】
ＦＣ出口センサ値がＦＣ入口指令値からαを減算した値よりも大きい場合（ステップＳ１１、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２では、ＦＣ出口センサ値がＨ／Ｃ出口推定値よりも大きいか否かが判断される。ＦＣ出口センサ値がＨ／Ｃ出口推定値以下である場合（ステップＳ１２、ＮＯ）、ＦＣ入口指令値＜ＦＣ出口センサ値＜Ｈ／Ｃ出口推定値の関係となる。この場合、冷却システム１０と空調システム３０とを連携すると、冷却システム１０が空調システム３０から熱を受け取る関係になってしまい、空調回路のヒータの消費電力低減に寄与しない。従って、この場合についても、冷却システム１０と空調システム３０とを非連携とする（ステップＳ１４）。
【００３１】
一方、ＦＣ出口センサ値がＨ／Ｃ出口推定値よりも大きい場合（ステップＳ１２、ＹＥＳ）、ＦＣ入口指令値＜Ｈ／Ｃ出口推定値＜ＦＣ出口センサ値、又は、Ｈ／Ｃ出口推定値＜ＦＣ入口指令値＜ＦＣ出口センサ値の関係となる。この場合、冷却システム１０と空調システム３０とを連携する（ステップＳ１３）。三方弁３２のバイパス経路３７側が閉じ、連携経路２０側が開かれ、冷却経路Ｆ１の入口Ｆ１ａ側の冷却水が連携経路２０を介して空調経路３１の入口３１ａに供給される。空調経路３１に供給された冷却水は、ヒータ３５で目標温度に加熱され、ヒータコア３６に送られ、空調用の空気が加熱される。ヒータコア３６を通過した冷却水は、出口３１ｂから連携経路２０を通って冷却経路Ｆ１に戻される。
【００３２】
冷却システム１０と空調システム３０とが連携する場合、制御部４０は、以下の式（１）を満たすように、三方弁３２、ウォーターポンプ３３を駆動する。
Ｔｆｃ，ｉｎ，ｃｍ≦Ｔｆｃ，ｏｕｔ，ｓｍ×（１−β）＋Ｔｈｃ，ｏｕｔ，ｅｔ×β
ここで、
Ｔｆｃ，ｉｎ，ｃｍ：ＦＣ入口指令値
Ｔｆｃ，ｏｕｔ，ｓｍ：ＦＣ出口センサ値
Ｔｈｃ，ｏｕｔ，ｅｔ：Ｈ／Ｃ出口推定値
β：流量比＝（空調経路３１の冷却水流量）／（冷却水総流量）
である。
【００３３】
このように、実施の形態では、ＦＣ入口指令値、ＦＣ出口センサ値、Ｈ／Ｃ出口推定値を比較し、ＦＣ出口センサ値がＦＣ入口指令値よりも高く、且つ、ＦＣ出口センサ値がＨ／Ｃ出口推定値よりも高い場合に、冷却システム１０と空調システム３０との連携している。ＦＣ出口センサ値がＨ／Ｃ出口推定値よりも高いため、空調経路３１内の熱が冷却システム１０で放熱されることがない。これにより、ヒータ３５の入口側の冷却水の温度が上がり、ヒータによる消費電力を低減することができ、燃料電池システム１の燃費を向上することができる。
【００３４】
また、冷却システム１０と空調システム３０の連携の判断にＦＣ入口指令値を加えることで、ヒータコア３６により冷却された冷却水が冷却経路Ｆ１に流れる適正な温度であることを判定することができ、低温の冷却水が冷却経路Ｆ１に流入するのを防ぐことができる。これにより、燃料電池スタックＦＣの発電効率の低下や、劣化を抑制することが可能となる。
【００３５】
また、実施の形態では、ヒータ出口温度センサ値と、ヒータコア３６の放熱量推定値と、空調経路３１を流れる冷却水量推定値とから推定されたＨ／Ｃ出口推定値を用いて、冷却システム１０と空調システム３０との連携の判断を行っている。これにより、冷却システム１０と空調システム３０との熱交換を適切なタイミングで行うことが可能である。
【００３６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ＦＣ入口指令値、Ｈ／Ｃ出口推定値の代わりに、燃料電池スタックＦＣの冷却経路Ｆ１の入口Ｆ１ａ、空調経路３１の出口３１ｂにそれぞれ温度センサを設け、測定した冷却水の温度を用いることも可能である。上記の実施の形態では、媒体は冷却水であったが、気体などの他の媒体であってもよい。また、上記実施の形態で記載した燃料電池システム１は、燃料電池車両などの車両の他、船舶、飛行機、ロボットなどの他の移動体にも搭載可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池システム
１０  冷却システム
１１  循環経路
１１ａ  第１経路
１１ｂ  第２経路
１２  ラジエータ
１３  イオン交換機
１４  インタークーラ
１５  ウォーターポンプ
１６  ロータリーバルブ
１７  ファン
１８ａ  バイパス経路
１８ｂ  バイパス経路
２０  連携経路
３０  空調システム
３１  空調経路
３１ａ  入口
３１ｂ  出口
３２  三方弁
３３  ウォーターポンプ
３４  温水通路
３５  ヒータ
３６  ヒータコア
３７  バイパス経路
４０  制御部
Ｔ１  温度センサ
Ｔ２  温度センサ
Ｔ３  温度センサ
Ｔ４  温度センサ
ＦＣ  燃料電池スタック
Ｆ１  冷却経路
Ｆ１ａ  入口
Ｆ１ｂ  出口
【図１】
2020102349.tif 000003
【図２】
2020102349.tif 000004