(57)【要約】【課題】冷却液の流路の切り替えにサーモスタットバルブを用いながら、低地走行時と高地走行時のように気圧が変化する場合にも対応させて、燃料電池の膜の湿潤状態を適正範囲に維持できるようにする。【解決手段】燃料電池スタック１を冷却した冷却液をラジエータ５に供給するラジエータ側流路９と、燃料電池スタック１を冷却した冷却液をラジエータ５から迂回させるバイパス流路７と、冷却液の温度が高いときは低いときに比べてラジエータ側流路９に流れる冷却液の流量を増加させるサーモスタットバルブ８と、冷却液を加温する電気ヒータ１０とを設け、外気圧と、冷却液の温度とに基づいて、電気ヒータ１０を制御し、外気圧が高いときは低いときと比べて、燃料電池スタック１に流入する冷却液の温度を高くする。【選択図】図１
2010067394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された燃料電池に冷却液を循環供給して前記燃料電池の温度調整を行う車両用燃料電池冷却システムにおいて、
前記冷却液が循環する冷却液流路と、
前記冷却液流路に設けられ前記冷却液の温度を調整する温調装置と、
外気圧が高いときは低いときと比べて前記燃料電池に流入する冷却液の温度が高くなるように前記温調装置を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする車両用燃料電池冷却システム。
【請求項２】
前記温調装置は、前記冷却液の熱を外気に放熱する放熱器と、前記冷却液を加温する加温装置と、で構成され、
前記冷却液流路は、前記燃料電池から排出された冷却液を前記放熱器に流通させる第１の流路と、前記燃料電池から排出された冷却液を前記放熱器から迂回させる第２の流路と、を有し、
前記第１の流路と前記第２の流路とを冷却液温度に応じて切り替えて、冷却液温度が高いときは低いときに比べて前記第１の流路に流れる冷却液の流量を増加させるサーモスタットバルブを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の冷却液入口における冷却液温度と外気圧とに基づいて、前記加温装置の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池冷却システム。
【請求項３】
前記サーモスタットバルブは、前記燃料電池に供給される冷却液の温度が、高地において前記燃料電池の膜湿潤状態を適正範囲に維持する温度となるように、その作動温度が予め設定されており、
前記加温装置は、前記サーモスタットバルブの出口側と前記燃料電池の冷却液入口との間に配設され、
前記制御手段は、外気圧が低地を示すものであり、且つ、前記燃料電池の冷却液入口における冷却液温度が、低地において前記燃料電池にフラッディングを生じさせない観点で定めた第１の閾値を下回る場合に、前記加温装置を作動させることを特徴とする請求項２に記載の車両用燃料電池冷却システム。
【請求項４】
前記サーモスタットバルブの作動温度は、高地において前記燃料電池の運転圧を低下させた状態で、前記燃料電池に供給される冷却液の温度が前記燃料電池の膜湿潤状態を適正範囲に維持する温度となるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池冷却システム。
【請求項５】
前記サーモスタットバルブは、前記燃料電池に供給される冷却液の温度が、低地において前記燃料電池の膜湿潤状態を適正範囲に維持する温度となるように、その作動温度が予め設定されており、
前記加温装置は、前記燃料電池の冷却液出口と前記サーモスタットバルブの入口側との間に配設され、
前記制御手段は、外気圧が高地を示すものであり、且つ、前記燃料電池の冷却液入口における冷却液温度が、高地において前記燃料電池にドライアウトを生じさせない観点で定めた第２の閾値を上回る場合に、前記加温装置を作動させることを特徴とする請求項２に記載の車両用燃料電池冷却システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の冷却液入口における冷却液温度と前記第１の閾値又は前記第２の閾値との差分に応じて、前記加温装置の出力を制御することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の車両用燃料電池冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載された燃料電池に冷却液を循環供給して燃料電池の温度調整を行う車両用燃料電池冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載された燃料電池に冷却液を循環供給して燃料電池の温度調整を行う車両用燃料電池冷却システムとして、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この車両用燃料電池冷却システムは、放熱により冷却液を冷却するラジエータと、燃料電池とラジエータとの間で冷却液を循環させる冷却液循環回路と、冷却液をラジエータをバイパスして流すバイパス通路と、冷却液の温度に応じて冷却液をラジエータとバイパス通路のいずれに流すか切り替えるサーモスタットバルブとを備え、サーモスタットバルブによる冷却液の流路の切り替えにより燃料電池に供給される冷却液の温度を制御して、燃料電池を適正な温度に保つようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１５８２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、車両が高地を走行する場合と低地を走行する場合とでは、気圧の変化によって飽和水蒸気圧が変わるため、高地では燃料電池の膜が乾燥しやすい。一方、低地では燃料電池の膜は水分過剰になりやすい。したがって、サーモスタットバルブの作動によって燃料電池に供給される冷却液の温度を制御するだけでは、燃料電池の膜の湿潤状態を適正範囲に維持することが困難な場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る車両用燃料電池冷却システムは、外気圧が高いときは低いときと比べて燃料電池に流入する冷却液の温度が高くなるように温調装置を制御することによって、前記の課題を解決する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明に係る車両用燃料電池冷却システムによれば、気圧の低い高地においては燃料電池に供給される冷却液温度を低めに制御することで膜の乾燥によるドライアウトを防止でき、気圧の高い低地においては燃料電池に供給される冷却液温度を高めに制御することで水分過剰によるフラッディングを防止できるので、車両の走行環境に係わらず燃料電池の膜の湿潤状態を常に適正範囲に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００７】
［第１実施形態］
本発明を適用した車両用燃料電池冷却システムの一構成例を図１に示す。この車両用燃料電池冷却システムは、燃料電池車両の動力源として搭載された燃料電池スタック１に冷却液を循環供給して燃料電池スタック１の温度調整を行うものである。
【０００８】
燃料電池スタック１は、複数の発電セルが多段に積層されて構成されている。燃料電池スタック１を構成する各発電セルは、例えば、燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。この発電セルのセパレータには、燃料極側に燃料ガスが流れる燃料ガス流路、酸化剤極側には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、各発電セルの燃料極側に水素を含有する燃料ガスが供給され、酸化剤極側に酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給されることで、水分を媒体として固体高分子電解質膜中をそれぞれのイオンが移動して接触し、発電を行う。
【０００９】
以上のような燃料電池スタック１は、各発電セルの固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持しながら最適な状態で発電を継続させるために、その温度を適正な温度に保つことが重要である。そのため、図１に示すような冷却システムを設け、燃料電池スタック１に冷却液を循環供給することによって燃料電池スタック１の温度調整を行うようにしている。なお、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系や、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系、燃料電池スタック１を加湿するための加湿系等が接続されるが、これら燃料ガス供給系や酸化剤ガス供給系、加湿系等としては、周知の構成のものを採用すればよく、図１ではこれらの図示を省略している。
【００１０】
この図１に示す車両用燃料電池冷却システムにおいて、燃料電池スタック１には、この燃料電池スタック１に循環供給される冷却液の流路となる冷却液循環流路２が接続されている。そして、この冷却液循環流路２に、冷却液に運動エネルギを与えるポンプ３や、過剰な冷却液を回収して貯留するリザーバタンク４、燃料電池スタック１によって暖められた冷却液の熱を外気に放熱して冷却するラジエータ５などが設けられており、ラジエータ５の近傍にはラジエータファン６が設置されている。
【００１１】
また、冷却液循環流路２には、ラジエータ５を迂回するバイパス流路７が設けられており、このバイパス流路７の分岐位置にサーモスタットバルブ８が配設されている。サーモスタットバルブ８は、当該サーモスタットバルブ８に流入する冷却液の温度に応じて作動して、燃料電池スタック１から排出された冷却液の流路を、ラジエータ５を通過させる流路（以下、この流路をラジエータ側流路９という。）と、ラジエータ５を迂回するバイパス流路７とで切り替える。なお、このサーモスタットバルブ８に流入する冷却液の温度がサーモスタットバルブ８の作動温度近傍の場合には、サーモスタットバルブ８の開度が中間開度となり、燃料電池スタック１から排出された冷却液は、ラジエータ側流路９とバイパス流路７との双方に所定の割合で流通する。
【００１２】
また、特に本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおいては、冷却液循環流路２におけるサーモスタットバルブ８の出口側と燃料電池スタック１の冷却液入口との間、より詳しくは、燃料電池スタック１の冷却液入口の直前の位置に、電気ヒータ１０が配設されている。この電気ヒータ１０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１によってその作動が制御され、詳細を後述するように、燃料電池車両が低地を走行している際に燃料電池スタック１に供給される冷却液温度が十分でない場合に、燃料電池スタック１に供給される冷却液を加温して最適温度にするためのものである。なお、この電気ヒータ１０としては、以上のように作動する専用のものを設置してもよいが、この種の車両用燃料電池冷却システムでは、零下起動時などに高温の冷却液を燃料電池スタック１に供給して暖機を促進するために冷却液を加温する電気ヒータが設けられているものも多く、このような電気ヒータを流用してもよい。これにより、新たなデバイスの付加が不要となり、コスト上昇を防ぐことができる。
【００１３】
また、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおいては、燃料電池スタック１の冷却液入口に、当該位置を通過して燃料電池スタック１に流れ込む冷却液の温度（以下、スタック入口温度という。）を検出する温度センサ１２が設置されているとともに、燃料電池車両外部の気圧を検出する外気圧センサ１３が設けられており、これら温度センサ１２の検出値と外気圧センサ１３の検出値とがＥＣＵ１１に入力されるようになっている。
【００１４】
ＥＣＵ１１は、マイクロコンピュータを中心に各種デジタル回路やアナログ回路、電子部品などを混載した制御装置であり、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムを含む燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するものである。特にこのＥＣＵ１１は、温度センサ１２により検出されるスタック入口温度と、外気圧センサ１３により検出される燃料電池車両の走行環境における外気圧とに基づいて、電気ヒータ１０の作動を制御する機能を有している。
【００１５】
本実施形態の車両用燃料電池冷却システムでは、上述したように、サーモスタットバルブ８が当該サーモスタットバルブ８に流入する冷却液の温度に応じて作動して、燃料電池スタック１から排出された冷却液の流路をラジエータ側流路９とバイパス流路７とで切り替えることで、燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度を調整するが、燃料電池車両が気圧の低い高地を走行する場合と、気圧の高い低地を走行する場合があることを考えると、気圧の変化によって飽和水蒸気圧が変わるため、サーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御するだけでは、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持することが困難な場合がある。すなわち、サーモスタットバルブ８の作動温度は予め定められた固定の値であるため、例えば、サーモスタットバルブ８の作動温度が高地走行を基準に定められているとすると、気圧の高い低地走行の場合に、燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度が低すぎて、燃料電池スタック１内での凝縮水の生成が促進され、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態が過剰となってフラッディング（水詰まり）を生じさせてしまう場合がある。なお、サーモスタットバルブ８の代わりに電気的にきめ細かな開度制御が可能な電制３方弁を用いるようにすれば、高地走行と低地走行との双方において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように、冷却液の温度を制御することが可能になると考えられるが、サーモスタットバルブ８の代わりに電制３方弁を用いると、バルブ構造、アクチュエータ、制御回路など複雑な構造、制御が必要となり、コスト上昇を招いてしまう。
【００１６】
そこで、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおいては、サーモスタットバルブ８として、その作動温度が、燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度を高地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持する温度に制御するように定められているものを用いることを前提とし、低地走行中において、燃料電池スタック１に供給される冷却液温度が、低地において燃料電池スタック１にフラッディングを生じさせない観点から定めたフラッディング防止温度（第１の閾値）を下回る場合には、ＥＣＵ１１が電気ヒータ１０を作動させることで冷却液を加温し、燃料電池スタック１におけるフラッディングの発生を防止するようにしている。
【００１７】
図２は、本実施形態において特徴的なＥＣＵ１１による制御の流れを示すフローチャートである。
【００１８】
ＥＣＵ１１は、まずステップＳ１０１において、燃料電池車両のアクセル開度に基づいて燃料電池スタック１に要求される出力を演算し、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で演算したスタック出力要求に応じて、燃料電池スタック１の運転圧、ストイキ比、加湿量を制御しながら、燃料電池スタック１での発電を行わせる。
【００１９】
また、ＥＣＵ１１は、ステップＳ１０２の処理と並行して、ステップＳ１０３において外気圧センサ１３の検出値を読み込み、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で読み込んだ外気圧センサ１３の検出値から、現在の燃料電池車両の走行環境が低地であるか高地であるかを判定する。
【００２０】
そして、ＥＣＵ１１は、燃料電池車両が低地を走行中であると判定した場合に、ステップＳ１０５において、現在の燃料電池スタック１の運転圧、ストイキ比、加湿量、飽和水蒸気圧から、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度を算出するとともに、ステップＳ１０６において、燃料電池スタック１にフラッディングを生じさせないための冷却液温度であるフラッディング防止温度（第１の閾値）を算出する。なお、このフラッディング防止温度は、例えば、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態が過剰となって燃料電池スタック１にフラッディングが発生し始める境界となるフラッディング限界温度に対して、電気ヒータ１０の作動から燃料電池スタック１の温度上昇までの制御遅れを吸収するための安全率（例えば１．０５〜１．１０）を掛けた値として求められる。
【００２１】
次に、ＥＣＵ１１は、ステップＳ１０７において、温度センサ１２で検出されたスタック入口温度を読み込み、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７で読み込んだスタック入口温度とステップＳ１０６で算出したフラッディング防止温度とを比較する。そして、スタック入口温度がフラッディング防止温度を下回っている場合には、ステップＳ１０９において、電気ヒータ１０を作動させて、燃料電池スタック１に供給される冷却液を電気ヒータ１０の熱により加温する。そして、スタック入口温度がフラッディング防止温度を越えるまで温度上昇したら、ステップＳ１１０において電気ヒータ１０の作動を停止する。
【００２２】
図３は、以上のような本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおける冷却液の温度制御の概要を説明する図であり、低地走行時および高地走行時におけるスタック入口温度と固体高分子電解質膜の膜湿度との関係を示す特性図である。なお、この図３において、縦軸は燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度を示し、横軸はスタック入口温度を示している。
【００２３】
本実施形態の車両用燃料電池冷却システムでは、サーモスタットバルブ８として、飽和水蒸気圧が低い高地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように作動するものを用いるため、燃料電池車両が高地を走行している間は、このサーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御のみで、燃料電池スタック１のフラッディングおよびドライアウトを防止することが可能である。一方、低地では高地に比べて飽和水蒸気圧が高いため、図３に示すように、スタック入口温度が同じでも、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度が高地に比べて高くなる傾向にあり、サーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御だけでは、燃料電池スタック１にフラッディングを発生させてしまう場合がある。そこで、燃料電池車両が低地を走行している際は、スタック入口温度が低地走行時のフラッディング防止温度を下回るときに電気ヒータ１０を作動させて、この電気ヒータ１０の熱により冷却液を加温することにより、燃料電池スタック１のフラッディングを防止するようにしている。これにより、燃料電池車両が低地を走行する場合と高地を走行する場合との双方において、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持することができ、燃料電池スタック１のフラッディングおよびドライアウトを防止することができる。
【００２４】
次に、以上のような本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにより、スタック入口温度を最適値に近づける制御の具体例について、図４および図５を参照しながら説明する。なお、図４はスタック入口温度に対するサーモスタットバルブ８の作動状態および電気ヒータ１０の作動タイミングの一例を示した図であり、図５は冷却液循環流路２に設けられた各部における冷却液の温度変化の様子を示した図である。
【００２５】
電解質に固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタック１は、低地（大気圧１００ｋＰａ程度）においては、スタック入口温度を約６０度程度となるように制御することで、効率よく発電できることが実験により分かっている。また、高地になると大気圧が７０〜８０ｋＰａ程度にまで低下するので、スタック入口温度を例えば約５０度程度に制御することが求められる。そこで、例えば、スタック入口温度を５０度に近づけるように作動するサーモスタットバルブ８を用いながら、低地においては、図４および図５に示すように、電気ヒータ１０の作動による冷却液の加温を実施することで、スタック入口温度を６０度に近づけるように制御する。なお、図４に示した例では、電気ヒータ１０として零下起動時などに燃料電池スタック１の暖機促進を図るための電気ヒータを流用するものとしているため、零下起動時には、低地と高地の双方において電気ヒータ１０を作動させているが、零下起動時以外では、低地走行の場合にスタック入口温度を６０度に近づけるために、電気ヒータ１０を作動させている。ここで、燃料電池スタック１に供給する冷却液の流量が１５Ｌ／ｍｉｎであるとすると、電気ヒータ１０の作動により冷却液の温度を１０度上昇させるためには１０ｋＷ程度のヒータ出力が必要である。
【００２６】
これら図４および図５に示すように、高地ではサーモスタットバルブ８の作動によりスタック入口温度を５０度に近づけるように制御しながら、低地ではサーモスタットバルブ８の作動だけでなく電気ヒータ１０の作動も加えることで、スタック入口温度を６０度に近づけるよう制御できることが分かる。
【００２７】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムによれば、サーモスタットバルブ８の作動により冷却液の流路を切り替えて燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度を制御することに加え、冷却液循環流路２に電気ヒータ１０を設け、ＥＣＵ１１が、外気圧センサ１３により検出される燃料電池車両の走行環境における外気圧と、温度センサ１２により検出されるスタック入口温度とに基づいて、電気ヒータ１０の作動を制御するようにしているので、燃料電池車両が低地を走行する場合と高地を走行する場合との双方において、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持することができ、燃料電池スタック１のフラッディングおよびドライアウトを防止することができる。
【００２８】
特に、サーモスタットバルブ８として、高地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように作動するものを用い、燃料電池車両が低地を走行している際に、スタック入口温度が低地走行時のフラッディング防止温度を下回る場合に、ＥＣＵ１１が電気ヒータ１０を作動させるように制御することで、低地走行時における燃料電池スタック１のフラッディングを確実に防止することができる。
【００２９】
また、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムは、構造および制御が複雑な電制３方弁を用いることなく、簡便なサーモスタットバルブ８を用いて冷却液の流路の切り替えを行うようにしているので、低コストでの実現が可能であり、さらに、電気ヒータ１０として、零下起動時の暖機促進のために既設されている電気ヒータを流用することにより、新たなデバイスの付加が不要となり、コスト上昇を防ぐことができる。
【００３０】
また、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムは、サーモスタットバルブ８を燃料電池スタック１の冷却液出口側に配設し、このサーモスタットバルブ８の作動と電気ヒータ１０の作動とによりスタック入口温度を制御するようにしているので、サーモスタットバルブ８を燃料電池スタック１の冷却液入口側（つまり、ラジエータ側流路９とバイパス流路７との合流位置）に配設した場合に懸念されるポンプ３の入口側における負圧の増大を回避することができ、キャビテーションによるポンプ３の破損を大幅に抑制することができる。
【００３１】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は上述した第１の実施形態の変形例であり、高地においては燃料電池スタック１の運転圧をドライアウトが発生しない範囲内で低下させた状態で運転することを前提として、サーモスタットバルブ８の作動温度を、第１の実施形態と比較して高めに設定するようにしたものである。なお、システムの構成および制御の概要は第１の実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００３２】
燃料電池車両の走行環境としては、一般的に、高地を走行する場合よりも低地を走行する場合の方が多いと考えられるため、サーモスタットバルブ８の作動温度を第１の実施形態で説明したように設定した場合、低地走行時に電気ヒータ１０を作動させることが求められる状況が多くなり、電力消費量が大きくなる。そこで、本実施形態では、高地走行の場合には燃料電池スタック１の運転圧を低下させて運転を行うようにし、この状態で燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するようにサーモスタットバルブ８の作動温度を設定することで、サーモスタットバルブ８の作動温度を高めに設定できるようにして、その分、低地走行時に電気ヒータ１０を作動させる頻度を低減させて、消費電力の低減を図るようにしている。
【００３３】
図６は、本実施形態において特徴的なＥＣＵ１１による制御の流れを示すフローチャートである。なお、この図６のフローチャートは、第１の実施形態で説明した図２のフローチャートに対してステップＳ２０１〜ステップＳ２０５の処理が追加されたものであり、その他のステップの処理は第１の実施形態と同様であるため、ここではステップＳ２０１〜ステップＳ２０５の処理についてのみ説明する。
【００３４】
ステップＳ１０４での判定の結果、燃料電池車両が高地を走行中であると判定した場合、ＥＣＵ１１は、ステップＳ２０１において、現在の燃料電池スタック１の運転圧、ストイキ比、加湿量、飽和水蒸気圧から、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度を算出するとともに、ステップＳ２０２において、燃料電池スタック１にドライアウトを生じさせないための冷却液温度であるドライアウト防止温度を算出する。なお、このドライアウト防止温度は、例えば、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜が過乾燥状態となって燃料電池スタック１にドライアウトが発生し始める境界となるドライアウト限界温度に対して、所定の安全率（例えば０．９０〜０．９５）を掛けた値として求められる。
【００３５】
次に、ＥＣＵ１１は、ステップＳ２０３において、温度センサ１２で検出されたスタック入口温度を読み込み、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０３で読み込んだスタック入口温度とステップＳ２０２で算出したドライアウト防止温度とを比較する。そして、スタック入口温度がドライアウト防止温度を上回っている場合には、ステップＳ２０５において、燃料電池スタック１の運転圧を低下させた後、ステップＳ２０２に戻って低下させた運転圧で燃料電池スタック１での発電を行わせる。
【００３６】
ＥＣＵ１１は、燃料電池車両が高地を走行中であると判定した場合は、スタック入口温度がドライアウト防止温度と等しくなるまで以上の処理を繰り返すことで、燃料電池スタック１の運転圧をドライアウトが発生しない範囲内で低下させた状態で、燃料電池スタック１の運転を行う。これにより、サーモスタットバルブ８の作動温度が高めに設定されていても、高地走行時に、このサーモスタットバルブ８の作動によって燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持することができ、また、サーモスタットバルブ８の作動温度が高めに設定されることによって、低地走行時における電気ヒータ１０の作動頻度を低減させて、消費電力の低減を図ることができる。
【００３７】
図７は、以上のような本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおける冷却液の温度制御の概要を説明する図であり、低地走行時および高地走行時におけるスタック入口温度と固体高分子電解質膜の膜湿度との関係を示す特性図である。なお、この図７において、縦軸は燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度を示し、横軸はスタック入口温度を示している。
【００３８】
本実施形態の車両用燃料電池冷却システムでは、燃料電池車両が高地を走行している間は、燃料電池スタック１の運転圧をドライアウトが発生しない範囲内で低下させた状態で運転するため、固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するためのスタック入口温度は、図７に示すように、通常運転圧の場合に比べて高めにシフトすることになる。そのため、サーモスタットバルブ８としては、その作動温度を第１の実施形態と比べて高めに設定したものを用いる。これにより、燃料電池車両が高地を走行している間は、このサーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御のみで、燃料電池スタック１のフラッディングおよびドライアウトを防止することが可能である。一方、燃料電池車両が低地を走行している間は、第１の実施形態と同様に、スタック入口温度が低地走行時のフラッディング防止温度を下回るときには電気ヒータ１０を作動させて、燃料電池スタック１のフラッディングを防止する必要があるが、サーモスタットバルブ８の作動温度が高めに設定されているため、電気ヒータ１０を作動させる頻度は大幅に低減されることになり、消費電力の低減を図ることができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムによれば、高地においては燃料電池スタック１の運転圧をドライアウトが発生しない範囲内で低下させた状態で運転することを前提として、サーモスタットバルブ８の作動温度を、第１の実施形態と比較して高めに設定するようにしているので、燃料電池車両が低地を走行している際に電気ヒータ１０を作動させる頻度を大幅に低減させることができ、消費電力の低減を図ることができる。
【００４０】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は、サーモスタットバルブ８として、低地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように作動するものを用いるようにし、高地走行の際に燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度が高すぎてドライアウトが懸念される場合に、サーモスタットバルブ８に流入する冷却液を電気ヒータ１０の作動により加温することでサーモスタットバルブ８を強制的に作動させ、冷却液の流路をラジエータ５側に切り替えることで燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度を低下させて、ドライアウトを防止するようにしたものである。
【００４１】
図８は、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムの構成図である。本実施形態の車両用燃料電池冷却システムでは、図８に示すように、電気ヒータ１０が、冷却液循環流路２における燃料電池スタック１の冷却液出口とサーモスタットバルブ８の入口側との間、より詳しくは、サーモスタットバルブ８の入口側の直前の位置に配設されている。また、サーモスタットバルブ８としては、低地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように作動するものを用いている。なお、その他の構成は、上述した第１の実施形態と同様である。
【００４２】
本実施形態の車両用燃料電池冷却システムでは、サーモスタットバルブ８の作動温度が低地走行を基準に定められているため、このサーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御だけでは、飽和水蒸気圧の低い高地走行の場合に、燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度が高くなりすぎて、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜が過乾燥状態となってドライアウトを生じさせてしまう場合がある。そこで、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおいては、高地を走行している際、燃料電池スタック１に供給される冷却液温度が、高地において燃料電池スタック１にドライアウトを生じさせない観点から定めたドライアウト防止温度（第２の閾値）を上回る場合に、ＥＣＵ１１が電気ヒータ１０を作動させることでサーモスタットバルブ８に流入する冷却液を加温し、サーモスタットバルブ８を強制的に作動させて冷却液の流路をラジエータ側に切り替えることにより、燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度を低下させて、燃料電池スタック１におけるドライアウトの発生を防止するようにしている。
【００４３】
図９は、本実施形態において特徴的なＥＣＵ１１による制御の流れを示すフローチャートである。
【００４４】
ＥＣＵ１１は、まずステップＳ３０１において、燃料電池車両のアクセル開度に基づいて燃料電池スタック１に要求される出力を演算し、ステップＳ３０２において、ステップＳ３０１で演算したスタック出力要求に応じて、燃料電池スタック１の運転圧、ストイキ比、加湿量を制御しながら、燃料電池スタック１での発電を行わせる。
【００４５】
また、ＥＣＵ１１は、ステップＳ３０２の処理と並行して、ステップＳ３０３において外気圧センサ１３の検出値を読み込み、ステップＳ３０４において、ステップＳ３０３で読み込んだ外気圧センサ１３の検出値から、現在の燃料電池車両の走行環境が低地であるか高地であるかを判定する。
【００４６】
そして、ＥＣＵ１１は、燃料電池車両が高地を走行中であると判定した場合に、ステップＳ３０５において、現在の燃料電池スタック１の運転圧、ストイキ比、加湿量、飽和水蒸気圧から、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度を算出するとともに、ステップＳ３０６において、燃料電池スタック１にドライアウトを生じさせないための冷却液温度であるドライアウト防止温度（第２の閾値）を算出する。なお、このドライアウト防止温度は、例えば、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜が過乾燥状態となって燃料電池スタック１にドライアウトが発生し始める境界となるドライアウト限界温度に対して、所定の安全率（例えば０．９０〜０．９５）を掛けた値として求められる。
【００４７】
次に、ＥＣＵ１１は、ステップＳ３０７において、温度センサ１２で検出されたスタック入口温度を読み込み、ステップＳ３０８において、ステップＳ３０７で読み込んだスタック入口温度とステップＳ３０６で算出したドライアウト防止温度とを比較する。そして、スタック入口温度がドライアウト防止温度を上回っている場合には、ステップＳ３０９において、電気ヒータ１０を作動させて、サーモスタットバルブ８に流入する冷却液を電気ヒータ１０の熱により加温する。そして、スタック入口温度がドライアウト防止温度を越えるまで温度低下したら、ステップＳ３１０において電気ヒータ１０の作動を停止する。
【００４８】
図１０は、以上のような本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおける冷却液の温度制御の概要を説明する図であり、低地走行時および高地走行時におけるスタック入口温度と固体高分子電解質膜の膜湿度との関係を示す特性図である。なお、この図１０において、縦軸は燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度を示し、横軸はスタック入口温度を示している。
【００４９】
本実施形態の車両用燃料電池冷却システムでは、サーモスタットバルブ８として、飽和水蒸気圧が高い低地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように作動するものを用いるため、燃料電池車両が低地を走行している間は、このサーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御のみで、燃料電池スタック１のフラッディングおよびドライアウトを防止することが可能である。一方、高地では低地に比べて飽和水蒸気圧が低いため、図１０に示すように、スタック入口温度が同じでも、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の膜湿度が低地に比べて低くなる傾向にあり、サーモスタットバルブ８の作動による冷却液の温度制御だけでは、燃料電池スタック１にドライアウトを発生させてしまう場合がある。そこで、燃料電池車両が高地を走行している際は、スタック入口温度が高地走行時のドライアウト防止温度を上回るときに電気ヒータ１０を作動させ、サーモスタットバルブ８を強制的に作動させて冷却液の流路をラジエータ５側に切り替えて、燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度を低下させることにより、燃料電池スタック１のドライアウトを防止するようにしている。これにより、燃料電池車両が低地を走行する場合と高地を走行する場合との双方において、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持することができ、燃料電池スタック１のフラッディングおよびドライアウトを防止することができる。
【００５０】
次に、以上のような本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにより、スタック入口温度を最適値に近づける制御の具体例について、図１１および図１２を参照しながら説明する。なお、図１１はスタック入口温度に対するサーモスタットバルブ８の作動状態および電気ヒータ１０の作動タイミングの一例を示した図であり、図１２は冷却液循環流路２に設けられた各部における冷却液の温度変化の様子を示した図である。
【００５１】
第１の実施形態で説明したように、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタック１を効率よく発電させるためには、スタック入口温度を、低地においては６０度程度、高地においては５０度程度となるように制御することが望まれる。そこで、本例では、スタック入口温度を６０度に近づけるように作動するサーモスタットバルブ８を用いながら、高地においては、図１１および図１２に示すように、電気ヒータ１０の作動によるサーモスタットバルブ８入口側の冷却液の加温を実施することで、スタック入口温度を６０度に近づけるように制御する。なお、図１１に示した例では、電気ヒータ１０として零下起動時などに燃料電池スタック１の暖機促進を図るための電気ヒータを流用するものとしているため、零下起動時には、低地と高地の双方において電気ヒータ１０を作動させているが、零下起動時以外では、高地走行の場合にスタック入口温度を５０度に近づけるために、電気ヒータ１０を作動させている。ここで、燃料電池スタック１に供給する冷却液の流量が１５Ｌ／ｍｉｎであるとすると、電気ヒータ１０の作動により冷却液の温度を１０度上昇させるためには１０ｋＷ程度のヒータ出力が必要である。
【００５２】
これら図１１および図１２に示すように、低地ではサーモスタットバルブ８の作動によりスタック入口温度を６０度に近づけるように制御しながら、高地ではサーモスタットバルブ８の作動だけでなく電気ヒータ１０の作動も加えることで、スタック入口温度を５０度に近づけるよう制御できることが分かる。
【００５３】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムによれば、サーモスタットバルブ８として、低地において燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態を適正範囲に維持するように作動するものを用い、燃料電池車両が高地を走行している際に、スタック入口温度が高地走行時のドライアウト防止温度を上回る場合に、ＥＣＵ１１が電気ヒータ１０を作動させるように制御することで、高地走行時における燃料電池スタック１のドライアウトを確実に防止することができる。
【００５４】
また、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムは、構造および制御が複雑な電制３方弁を用いることなく、簡便なサーモスタットバルブ８を用いて冷却液の流路の切り替えを行うようにしているので、低コストでの実現が可能であり、さらに、電気ヒータ１０として、零下起動時の暖機促進のために既設されている電気ヒータを流用することにより、新たなデバイスの付加が不要となり、コスト上昇を防ぐことができる。
【００５５】
また、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムは、サーモスタットバルブ８を燃料電池スタック１の冷却液出口側に配設し、このサーモスタットバルブ８の作動と電気ヒータ１０の作動とによりスタック入口温度を制御するようにしているので、サーモスタットバルブ８を燃料電池スタック１の冷却液入口側（つまり、ラジエータ側流路９とバイパス流路７との合流位置）に配設した場合に懸念されるポンプ３の入口側における負圧の増大を回避することができ、キャビテーションによるポンプ３の破損を有効に抑制することができる。
【００５６】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態は上述した第１乃至第３の実施形態の変形例であり、ＥＣＵ１１が、電気ヒータ１０を作動させてスタック入口温度を制御する際に、そのときのスタック入口温度と、低地走行時におけるフラッディング防止温度または高地走行時におけるドライアウト防止温度との差分に応じて、電気ヒータ１０の出力を制御するようにしたものである。
【００５７】
第１の実施形態や第２の実施形態で説明したように、サーモスタットバルブ８として高地走行を基準に作動温度が設定されたものを用い、燃料電池スタック１の冷却液入口の直前の位置に電気ヒータ１０を配設した構成の場合、ＥＣＵ１１は、低地走行時においてスタック入口温度がフラッディング防止温度を下回ったときに電気ヒータ１０を作動させて、燃料電池スタック１のフラッディングを防止するようにしている。また、第３の実施形態で説明したように、サーモスタットバルブ８として低地走行を基準に作動温度が設定されたものを用い、サーモスタットバルブ８の入口側の直前の位置に電気ヒータ１０を配設した構成の場合、ＥＣＵ１１は、高地走行時においてスタック入口温度がドライアウト防止温度を上回ったときに電気ヒータ１０を作動させて、燃料電池スタック１のドライアウトを防止するようにしている。
【００５８】
ここで、電気ヒータ１０を作動させたときの冷却液の温度上昇は、電気ヒータ１０の出力の大きさに依存し、電気ヒータ１０の出力を大きくするほど、冷却液の温度上昇率を高めることができる。そこで、本実施形態では、ＥＣＵ１１が、電気ヒータ１０を作動させてスタック入口温度を制御する際に、第１の実施形態や第２の実施形態で説明した構成の場合は、そのときのスタック入口温度と低地走行時におけるフラッディング防止温度との差分に応じて電気ヒータ１０の出力を制御し、また、第３の実施形態で説明した構成の場合は、そのときのスタック入口温度と高地走行時におけるドライアウト防止温度との差分に応じて電気ヒータ１０の出力を制御することで、スタック入口温度を目標とする温度に収束させて、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態をより適切に制御できるようにしている。
【００５９】
図１３は、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおいて、ＥＣＵ１１が電気ヒータ１０を作動させる際の電気ヒータ１０の出力制御曲線の一例を示す図である。
【００６０】
本実施形態においては、ＥＣＵ１０が電気ヒータ１０を作動させる際に、スタック入口温度と低地走行時におけるフラッディング防止温度との差分、またはスタック入口温度と高地走行時におけるドライアウト防止温度との差分を求め、その差分が大きいほど電気ヒータ１０の出力を大きくし、差分が小さくなるに従って電気ヒータ１０の出力を低下させる。また、このときの電気ヒータ１０の出力の大きさは、燃料電池スタック１に供給する冷却液の流量も考慮して決定し、燃料電池スタック１に供給する冷却液の流量が多いほど電気ヒータ１０の出力を大きくする。ＥＣＵ１０が電気ヒータ１０の出力を以上のように制御することによって、フィードバック制御が働くことになり、スタック入口温度が目標とする温度に収束していくことになる。
【００６１】
以上のように、本実施形態の車両用燃料電池冷却システムによれば、ＥＣＵ１１が、電気ヒータ１０を作動させてスタック入口温度を制御する際に、そのときのスタック入口温度と、低地走行時におけるフラッディング防止温度または高地走行時におけるドライアウト防止温度との差分に応じて、電気ヒータ１０の出力を制御するようにしているので、スタック入口温度を目標とする温度に収束させることができ、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態をより適切に制御できるとともに、電気ヒータ１０による無駄な消費電力を抑えることができる。
【００６２】
以上、本発明を適用した車両用燃料電池冷却システムの具体例として、第１乃至第４の実施形態について詳細に説明したが、以上の各実施形態は本発明の一例であり、本発明の技術的範囲が以上の各実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施形態の車両用燃料電池冷却システムの構成を示す構成図である。
【図２】第１の実施形態の車両用燃料電池冷却システムのＥＣＵによる制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおける冷却液の温度制御の概要を説明する図であり、低地走行時および高地走行時におけるスタック入口温度と固体高分子電解質膜の膜湿度との関係を示す特性図である。
【図４】スタック入口温度に対するサーモスタットバルブの作動状態および電気ヒータの作動タイミングの一例を示す図である。
【図５】冷却液循環流路に設けられた各部における冷却液の温度変化の様子を示す図である。
【図６】第２の実施形態の車両用燃料電池冷却システムのＥＣＵによる制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおける冷却液の温度制御の概要を説明する図であり、低地走行時および高地走行時におけるスタック入口温度と固体高分子電解質膜の膜湿度との関係を示す特性図である。
【図８】第３の実施形態の車両用燃料電池冷却システムの構成を示す構成図である。
【図９】第３の実施形態の車両用燃料電池冷却システムのＥＣＵによる制御の流れを示すフローチャートである。
【図１０】第３の実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおける冷却液の温度制御の概要を説明する図であり、低地走行時および高地走行時におけるスタック入口温度と固体高分子電解質膜の膜湿度との関係を示す特性図である。
【図１１】スタック入口温度に対するサーモスタットバルブの作動状態および電気ヒータの作動タイミングの一例を示す図である。
【図１２】冷却液循環流路に設けられた各部における冷却液の温度変化の様子を示す図である。
【図１３】第４の実施形態の車両用燃料電池冷却システムにおいて、ＥＣＵが電気ヒータを作動させる際の電気ヒータの出力制御曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料電池スタック
５  ラジエータ（放熱器）
７  バイパス流路（第２の流路）
８  サーモスタットバルブ
９  ラジエータ側流路（第１の流路）
１０  電気ヒータ（加温装置）
１１  ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
2010067394.tif 000003
【図２】
2010067394.tif 000004
【図３】
2010067394.tif 000005
【図４】
2010067394.tif 000006
【図５】
2010067394.tif 000007
【図６】
2010067394.tif 000008
【図７】
2010067394.tif 000009
【図８】
2010067394.tif 000010
【図９】
2010067394.tif 000011
【図１０】
2010067394.tif 000012
【図１１】
2010067394.tif 000013
【図１２】
2010067394.tif 000014
【図１３】
2010067394.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月30日(2009.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
車両に搭載された燃料電池に冷却液を循環供給して前記燃料電池の温度調整を行う車両用燃料電池冷却システムにおいて、
前記冷却液の温度を検知する温度センサと、
外気の圧力を検知する外気圧センサと、
前記冷却液の熱を外気に放熱する放熱器と、
前記燃料電池を冷却した冷却液を前記放熱器に供給する第１の冷却液流路と、
前記燃料電池を冷却した冷却液を前記放熱器から迂回させる第２の冷却液流路と、
前記第１の冷却液流路と前記第２の冷却液流路とを前記冷却液の温度に応じて切り替えて、前記冷却液の温度が高いときは低いときに比べて前記第１の冷却液に流れる冷却液の流量を増加させるサーモスタットバルブと、
前記冷却液を加温する加温装置と、
前記冷却液の温度と、外気圧とに基づいて、前記加温装置を制御して、外気圧が高いときは低いときと比べて、前記燃料電池に流入する前記冷却液の温度を高くする制御手段と、を備えることを特徴とする車両用燃料電池冷却システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池の冷却液入口における冷却液温度と外気圧とに基づいて、前記加温装置の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池冷却システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
本発明に係る車両用燃料電池冷却システムは、燃料電池を冷却した冷却液を放熱器に供給する第１の冷却液流路と、燃料電池を冷却した冷却液を前記放熱器から迂回させる第２の冷却液流路と、第１と第２の冷却液流路とを冷却液の温度に応じて切り替えて、冷却液の温度が高いときは低いときに比べて第１の冷却液流路に流れる冷却液の流量を増加させるサーモスタットバルブと、冷却液を加温する加温装置とを備え、冷却液の温度と、外気圧とに基づいて、前記加温装置を制御して、外気圧が高いときは低いときと比べて、燃料電池に流入する冷却液の温度を高くすることによって、前記の課題を解決する。