(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
冷却液の熱を放熱する放熱器と、
冷却液が循環して流れるように、前記燃料電池と前記放熱器とを結んで設けられる冷却液循環流路と、
冷却液が前記放熱器をバイパスするように、放熱器よりも上流の冷却液循環流路と放熱器よりも下流の冷却液循環流路とを結ぶ放熱器バイパス流路と、
前記冷却液循環流路と前記放熱器バイパス流路との結合場所に設けられ、冷却液循環流路を流れる流量及び放熱器バイパス流路を流れる流量を調整するサーモスタットバルブと、
冷却液が前記サーモスタットバルブをバイパスするように、前記冷却液循環流路と前記放熱器バイパス流路とを結んで設けられるバルブバイパス流路と、
を含む燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記バルブバイパス流路は、前記サーモスタットバルブが全開状態であっても、前記放熱器バイパス流路の冷却液が所定量流れる燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記バルブバイパス流路は、前記サーモスタットバルブのハウジングに形成される、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記バルブバイパス流路は、前記放熱器への最大目標流量を達成できるように圧力損失が設定される、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記冷却液の上限温度を達成できるように、前記放熱器バイパス流路を流れてサーモスタットバルブに流入する流量と前記バルブバイパス流路を流れる流量との流量比が決められる、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
要求出力が大きいほど冷却液の目標温度を大きく設定する温度設定部と、
前記冷却液の温度を検出する温度センサーと、
前記冷却液循環流路に設けられ、前記温度センサーで検出された温度が前記目標温度に対して低いほど流量を小にする冷却液ポンプと、
をさらに含む燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記燃料電池に供給されるカソードガスの湿度を推定する湿度推定部をさらに含み、
前記温度設定部は、前記カソードガスの湿度が大きいほど冷却液の目標温度を大きく設定する、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項８】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
要求出力に基づいて燃料電池の目標湿潤状態を設定する湿潤設定部と、
前記燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤検出部と、
前記冷却液循環流路に設けられ、前記湿潤検出部で検出された湿潤状態が前記目標湿潤状態に対して低くて乾燥しているほど流量を小にする冷却液ポンプと、
をさらに含む燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項９】
請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
要求出力が大きいほど、冷却液ポンプの流量を大に補正する補正部をさらに含む、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１０】
請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
燃料電池から流出した冷却液の温度が上限温度に達するときの冷却液ポンプの下限流量を求める下限流量演算部と、
前記冷却液ポンプの流量が前記下限流量を下回るときには、冷却液ポンプの流量を下限流量で制限する流量制限部と、
をさらに含む燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記サーモスタットバルブは、
低温の流体が流入する低温部、高温の流体が流入する高温部、低温側開口を介して低温部に連通するとともに高温側開口を介して高温部に連通する中温部を備えるハウジングと、
前記低温側開口を開閉する低温側弁体と、
前記高温側開口を開閉する高温側弁体と、
前記低温側弁体及び前記高温側弁体に接続され、温度に応じて伸縮して低温側弁体及び高温側弁体を移動させることで、低温部から中温部に流入する流体の流量と、高温部から中温部に流入する流体の流量と、を調整して、中温部の流体の温度を所定温度にする伸縮体と、
前記ハウジングに形成され、前記中温部に連続する流出路と前記高温部とを接続するバイパス流路と、
を備える燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１２】
燃料電池と、
冷却液の熱を放熱する放熱器と、
冷却液が循環して流れるように、前記燃料電池と前記放熱器とを結んで設けられる冷却液循環流路と、
冷却液が前記放熱器をバイパスするように、放熱器よりも上流の冷却液循環流路と放熱器よりも下流の冷却液循環流路とを結ぶ放熱器バイパス流路と、
前記冷却液循環流路と前記放熱器バイパス流路との結合場所に設けられ、冷却液循環流路を流れる流量及び放熱器バイパス流路を流れる流量を調整するサーモスタットバルブと、
を含む燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記サーモスタットバルブが、
前記冷却液循環流路から流入してきた冷却液と、前記放熱器バイパス流路から流入してきた冷却液と、を混合させて前記燃料電池に供給する混合通路と、
混合通路内の温度に応じて、前記冷却液循環流路から前記混合通路に流入する冷却液の流量及び前記放熱器バイパス流路から前記混合通路に流入する冷却液の流量を調整する弁体と、
前記放熱器バイパス流路から流入してきた冷却液を、前記弁体をバイパスさせて前記混合通路内に導入するバイパス流路と、
を含むことを特徴とする燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムにおいて、
前記サーモスタットバルブは、
低温の流体が流入する低温部、高温の流体が流入する高温部、低温側開口を介して低温部に連通するとともに高温側開口を介して高温部に連通する中温部を備えるハウジングと、
前記中温部内に設けられ、温度に応じて伸縮する伸縮体と、
前記伸縮体の伸縮に応じて、前記低温部から前記中温部に流入する流体の流量と、前記高温部から前記中温部に流入する流体の流量と、を調整する弁体と、
前記高温部と前記中温部とを常時連通する連通路と、
を備える燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムであって、
前記弁体は、前記高温側開口を開閉する高温側弁体を備え、
前記連通路は、前記高温側弁体を貫通する孔である、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムであって、
前記弁体は、前記高温側開口を開閉する高温側弁体を備え、
前記連通路は、前記高温側弁体に形成された切り欠きと、前記高温側開口と、の間に形成される通路である、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【請求項１６】
請求項１３に記載の燃料電池の冷却液温度調整システムであって、
前記弁体は、前記高温側開口を開閉する高温側弁体を備え、
前記連通路は、前記高温側弁体と、その高温側弁体が当接する前記高温側開口の前記ハウジングに形成された切り欠きと、の間に形成される通路である、
燃料電池の冷却液温度調整システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の冷却液の温度を調整するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、冷却液が循環して流れる冷却液循環流路が接続される。そして、この冷却液循環流路の途中にラジエーター(放熱器)が配置される。また、ラジエーターよりも上流の冷却液循環流路とラジエーターよりも下流の冷却液循環流路とを結ぶラジエーターバイパス流路が設けられる。さらに、冷却液循環流路とラジエーターバイパス流路との結合場所に、三方弁が設けられる。このような構成によって、ラジエーターに流れる冷却液の流量とラジエーターをバイパスする冷却液の流量とが運転状態に応じて三方弁によって調整される。この結果、冷却液が適度な温度に調整され、燃料電池が運転状態に応じた適切な温度に調整される。
【０００３】
ところで、三方弁に電制バルブを使用してはコストが嵩む。そこで特許文献１では、サーモスタットバルブを使用するとともに、冷却液ポンプの回転を制御することで、冷却液の温度が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の手法では、冷却液の温度を上昇させるために、冷却液ポンプを間歇的に動作させ、冷却水の循環を極めて遅くすることで燃料電池付近の冷却液温度を上昇させる。しかしながら、この技術では燃料電池に供給される冷却液温度はサーモスタットを介して供給されるため、結局、サーモスタットの設定温度を超えることは無く、三方弁のように燃料電池へ供給する水温を可変にすることはできない。このため、サーモスタットを利用した冷却システムとして改善の余地がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池に供給する冷却液を、サーモスタットの設定温度よりも高い温度にすることができる、燃料電池の冷却液温度調整システム及びサーモスタットバルブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池に供給する冷却液を、サーモスタットの設定温度よりも高い温度にすることができる、燃料電池の冷却液温度調整システムを提供することである。
【０００８】
本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムのひとつの態様は、燃料電池と、冷却液の熱を放熱する放熱器と、冷却液が循環して流れるように、前記燃料電池と前記放熱器とを結んで設けられる冷却液循環流路と、冷却液が放熱器をバイパスするように、前記放熱器よりも上流の冷却液循環流路と前記放熱器よりも下流の冷却液循環流路とを結ぶ放熱器バイパス流路と、前記冷却液循環流路と前記放熱器バイパス流路との結合場所に設けられ、冷却液循環流路を流れる流量及び放熱器バイパス流路を流れる流量を調整するサーモスタットバルブと、を含む。そして、冷却液が前記サーモスタットバルブをバイパスするように、前記冷却液循環流路と放熱器バイパス流路とを結んで設けられるバルブバイパス流路をさらにを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この態様によれば、サーモスタットバルブによって所定温度(サーモスタット設定温度)に調整された冷却液に対して、バイパス流路から高温の冷却液が混入する。したがって、冷却液を、サーモスタットの設定温度よりも高い温度にすることができるのである。
【００１０】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第１実施形態を示す図である。
【図２】図２は、本発明によるサーモスタットバルブの構造を示す断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態の作用効果を説明する図である。
【図４】図４は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第２実施形態を説明する図である。
【図５】図５は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第３実施形態を示す図である。
【図６】図６は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第３実施形態を説明する図である。
【図７】図７は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第４実施形態の構成を説明する図である。
【図８】図８は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第４実施形態を説明する図である。
【図９】図９は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第５実施形態の構成を説明する図である。
【図１０】図１０は、冷却液の目標温度を設定するためのマップの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第６実施形態を説明する図である。
【図１２】図１２は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第７実施形態を説明する図である。
【図１３】図１３は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第８実施形態を説明する図である。
【図１４】図１４は、本発明の他の実施形態によるサーモスタットバルブの構造を示す断面図である。
【図１５】図１５は、メインバルブが開き、バイパスバルブが閉じているときの他の実施形態によるサーモスタットバルブを示した図である。
【図１６】図１６は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの他の実施形態を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の他の実施形態によるサーモスタットバルブの構造を示す断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の他の実施形態によるサーモスタットバルブの構造を示す断面図である。
【図１９】図１９は、参考形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第１実施形態を示す図である。
【００１３】
燃料電池の冷却液温度調整システム１は、燃料電池１０と、放熱器２０と、冷却液循環流路３０と、放熱器バイパス流路４０と、サーモスタットバルブ５０と、バルブバイパス流路６０と、冷却液ポンプ７０と、を含む。
【００１４】
燃料電池１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。反応ガス(カソードガスＯ２、アノードガスＨ２)が供給されると、各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において次式(1-1)(1-2)の反応が生じて発電する。
【００１５】
カソード電極触媒層：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ      ・・・(1-1)
アノード電極触媒層：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-              ・・・(1-2)
【００１６】
このような発電反応が効率的に行われるには、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されていることが望ましい。電解質膜の湿潤状態は、燃料電池の温度と相関する。燃料電池の温度が高いと電解質膜の湿潤状態が下がって乾燥しやすくなる。燃料電池の温度が低いと電解質膜の湿潤状態が上がって湿潤しやすくなる。そこで燃料電池の温度を管理することが重要である。そこで、燃料電池スタック１０には、冷却液循環流路３０が接続される。
【００１７】
放熱器２０は、冷却液の熱を放熱する。放熱器２０は、冷却液循環流路３０に設けられる。
【００１８】
冷却液循環流路３０は、冷却液が循環して流れるように、燃料電池１０と放熱器２０とを結ぶ。なお本実施形態では、冷却液は、図中の矢印方向に流れて循環する。循環する冷却液は、燃料電池１０の入口１１から流入し、出口１２から流出する。
【００１９】
放熱器バイパス流路４０は、放熱器２０よりも上流の冷却液循環流路３０と放熱器２０よりも下流の冷却液循環流路３０とを結ぶ。冷却液は、放熱器バイパス流路４０を流れると、放熱器２０をバイパスする。
【００２０】
サーモスタットバルブ５０は、冷却液循環流路３０と放熱器バイパス流路４０との結合場所に設けられる。本実施形態では、サーモスタットバルブ５０は、冷却液循環流路３０を流れた冷却液と放熱器バイパス流路４０を流れた冷却液とが合流する合流部分に設けられる。サーモスタットバルブ５０は、三方弁である。サーモスタットバルブ５０は、冷却液循環流路３０から流れてきた冷却液の流量と放熱器バイパス流路４０から流れてきた冷却液の流量とを調整することで、所定温度(サーモスタット設定温度)になった冷却液を流出する。サーモスタットバルブ５０の詳細については、後述する。
【００２１】
バルブバイパス流路６０は、放熱器バイパス流路４０と冷却液循環流路３０とを結ぶ。冷却液は、バルブバイパス流路６０を流れると、サーモスタットバルブ５０をバイパスする。本実施形態では、バルブバイパス流路６０は、サーモスタットバルブ５０よりも上流の放熱器バイパス流路４０と、サーモスタットバルブ５０よりも下流の冷却液循環流路３０と、を結ぶ。この結果、放熱器バイパス流路４０を流れる冷却液の一部が、放熱器バイパス流路４０からバルブバイパス流路６０に分岐し、冷却液循環流路３０に合流して、サーモスタットバルブ５０をバイパスする。
【００２２】
冷却液ポンプ７０は、冷却液循環流路３０に設けられる。本実施形態では、冷却液ポンプ７０は、サーモスタットバルブ５０と燃料電池１０との間の冷却液循環流路３０に設けられる。冷却液ポンプ７０は、たとえば電動モーターによって駆動される。冷却液の流量は、冷却液ポンプ７０の回転速度によって調整される。冷却液ポンプ７０の回転速度が大であるほど、冷却液の流量も大である。
【００２３】
図２は、本発明によるサーモスタットバルブの構造を示す断面図である。
【００２４】
サーモスタットバルブ５０は、ハウジング５１と、メインバルブ５２と、バイパスバルブ５３と、伸縮体５４と、を含む。
【００２５】
ハウジング５１には、低温部５１ａと高温部５１ｂと中温部５１ｃとが形成される。低温部５１ａには、放熱器２０で放熱された低温の冷却液が流入する。高温部５１ｂには、放熱器バイパス流路４０を流れて放熱器２０をバイパスした高温の冷却液が流入する。中温部５１ｃは、低温側開口５１ｄを介して低温部５１ａに連通するとともに高温側開口５１ｅを介して高温部５１ｂに連通する。
【００２６】
メインバルブ５２は、低温側開口５１ｄを開閉する。
【００２７】
バイパスバルブ５３は、高温側開口５１ｅを開閉する。
【００２８】
伸縮体５４は、メインバルブ５２及びバイパスバルブ５３に接続される。伸縮体５４には、ワックス(たとえばパラフィンワックス)が内蔵される。このようなワックスは、温度に応じて熱膨張するので、温度に応じてメインバルブ５２及びバイパスバルブ５３を移動させる。すなわち中温部５１ｃの温度が高いほど、メインバルブ５２の開度が大きくなって、中温部５１ｃに低温の冷却液が導入される。中温部５１ｃの温度が低いほど、バイパスバルブ５３の開度が大きくなって、中温部５１ｃに高温の冷却液が導入される。
【００２９】
このような構成であるので、冷却液は中温部５１ｃで所定温度(サーモスタット設定温度)に調整されて流出路５１ｆから流出する。
【００３０】
なお以上のような構造及び作用は、一般的なサーモスタットバルブであるので、ここでは以上の説明にとどめる。
【００３１】
さらに本実施形態のサーモスタットバルブ５０は、ハウジング５１に、高温部５１ｂと、中温部５１ｃに連続する流出路５１ｆと、を接続するバイパス流路６０が形成される。
【００３２】
このような構成であるので、中温部５１ｃで所定温度(サーモスタット設定温度)に調整されて流出路５１ｆから流出する冷却液に高温の冷却液が混入する。この混入量によって流出路５１ｆを流れる冷却液の温度を調整できる。
【００３３】
次に図３を参照して本実施形態の効果について説明する。なおこの説明に先立って、図１９を参照して参考形態について説明する。なお前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３４】
要するに、この参考形態は、上述した第１実施形態に対してバルブバイパス流路６０が無い。
【００３５】
このような構成であると、サーモスタットバルブ５０からは、所定温度(サーモスタット設定温度)に調整された冷却液が流出する。したがって図３に示されるように、参考形態では、燃料電池の発電量にかかわらず、燃料電池の冷却液入口温度が一定にされる。
【００３６】
燃料電池は、出力が大きいほど、上式(1-1)(1-2)の反応が多く生じ、水が多く生成される。この水が燃料電池の内部に残留しては、フラッディングが生じるおそれがある。そこで、出力が大きいほど燃料電池の温度を高めるために冷却液の温度を高くして、生成水の蒸気化を促すことが望ましい。生成水が水蒸気化したほうが、カソードガスとともに外部に排出されやすいからである。
【００３７】
しかしながら、参考形態では、燃料電池の冷却液入口温度が一定であるので、冷却液の温度が十分には高くない可能性がある。
【００３８】
これに対して、本実施形態では、放熱器バイパス流路４０と冷却液循環流路３０とを結ぶバルブバイパス流路６０を設けた。このバルブバイパス流路６０によって、高温の冷却液がサーモスタットバルブ５０をバイパスして冷却液循環流路３０に混入する。したがって燃料電池の冷却液入口温度が高い。この結果、燃料電池の冷却液出口温度も高いのである。ゆえに燃料電池を適度に高温にでき、フラッディングが生じにくくなる。
【００３９】
特に、燃料電池は出力が大きくなるほど、発熱量が大きくなるので、サーモスタットをバイパスする冷却液の温度も上昇する。このため、燃料電池の出力が大きくなるほど、燃料電池に供給される冷却液の温度が上昇する特性を本実施形態では提供できる。したがって、サーモスタットを使った冷却系においても、要求出力に応じて増加する生成水量に対応して、積極的に燃料電池に供給する冷却水温度を上昇させる特性を持ったシステムを実現できた。
【００４０】
また図１９の参考形態でも、冷却液ポンプ回転数を低下させることで燃料電池の冷却液出口温度を上昇させることで、燃料電池の冷却液の入出平均温度を上げることは可能であるが、本実施形態によれば、燃料電池の冷却液入口温度が高くなるので、参考形態に比べて、燃料電池の冷却液出口温度との温度差が小さくなり、燃料電池の入口と出口との温度分布が一様化し、セル内の発電ばらつきを抑制することが可能である。
【００４１】
なお本実施形態では、バイパス流路６０は、サーモスタットバルブ５０のハウジング５１に形成されていた。このようにすれば、システム全体をコンパクトにすることができるので、車両へ搭載しやすくなる。ただし、バイパス流路６０は、ハウジング５１に形成されなくてもよい。バイパス流路６０が、放熱器バイパス流路４０と冷却液循環流路３０とを結ぶパイプであってもよい。
【００４２】
（第２実施形態）
図４は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第２実施形態を説明する図である。
【００４３】
上述のように、バイパス流路６０を設けることで、冷却液の温度を高くできる。しかしながら、バイパス流路６０が大径であるなどして圧力損失が小さすぎると、放熱器２０への流量が十分にならない可能性がある。したがって、バイパス流路６０は、圧力損失がある程度大きい必要がある。そこで圧力損失の具体的な設定方法について説明する。
【００４４】
最初にΔＰ−Ｑ特性図の見方について、図４(Ａ)を参照して説明する。
【００４５】
図４(Ａ)の右上がりの細線は、参考形態(図１９)においてサーモスタットバルブ５０が全開状態であるときに冷却液循環流路３０を流れる冷却液の流量Ｑとそのときの圧力損失ΔＰとの関係を示す。なおサーモスタットバルブ５０の全開状態とは、冷却液循環流路３０を流れる冷却液の全量が放熱器２０に流れ、放熱器バイパス流路４０には流れない状態である。この図４(Ａ)の細線から、冷却液の流量Ｑが大ほど、圧力損失ΔＰが大であることが判る。
【００４６】
また図４(Ａ)の右下がりの線は、冷却液ポンプ７０のポンプ圧力Ｐと吐出流量Ｑとの相関を示すＰＱ特性線である。
【００４７】
この２本の線の交点Ａが、冷却液ポンプ７０の動作点である。
【００４８】
したがって、参考形態(図１９)の場合は、サーモスタットバルブ５０の全開であって冷却液循環流路３０を流れる冷却液の全量が放熱器２０に流れるときに、冷却液ポンプ７０から吐出される冷却液の流量は、Ｑ１である。
【００４９】
図４(Ａ)の右上がりの太線は、実施形態(図１)においてサーモスタットバルブ５０が全開状態であるときに冷却液循環流路３０を流れる冷却液の流量Ｑとそのときの圧力損失ΔＰとの関係を示す。サーモスタットバルブ５０が全開であるので、放熱器バイパス流路４０からサーモスタットバルブ５０へ流れる冷却液は無い。バルブバイパス流路６０が設けられているので、参考形態と同一流量であっても、圧力損失が小さい。
【００５０】
この太線と、冷却液ポンプ７０のＰＱ特性線との交点Ｂが、冷却液ポンプ７０の動作点である。
【００５１】
したがって、実施形態(図１)の場合は、冷却液ポンプ７０から吐出される冷却液の流量は、Ｑ２である。このうち一部が放熱器２０を流れ、残りがバルブバイパス流路６０を流れる。これについては、以下のように考えることができる。
【００５２】
バルブバイパス流路６０が無い場合の圧力損失特性線において、冷却液ポンプ７０の動作点Ｂと圧力損失が同じとき流量Ｑ０が、放熱器２０に流れる流量である。そして残りの(Ｑ２−Ｑ０)がバルブバイパス流路６０に流れる流量である。
【００５３】
以上を踏まえて、バルブバイパス流路６０の具体的な圧力損失の設定方法について、図４(Ｂ)を参照して説明する。
【００５４】
燃料電池で要求される冷却性能を満足するために、放熱器２０に流量Ｑ３の冷却液を流す必要がある場合について考える。
【００５５】
バルブバイパス流路６０の圧力損失が大きいほど(たとえば、バルブバイパス流路６０の流路径が小であるほど、バルブバイパス流路６０に取り付けられたオリフィスの開口径が小であるほど)、バルブバイパス流路６０が無い参考形態の特性線に近づく。
【００５６】
バルブバイパス流路６０の圧力損失が小さいほど(たとえば、バルブバイパス流路６０の流路径が大であるほど、またはバルブバイパス流路６０に取り付けられたオリフィスの開口径が大であるほど)、バルブバイパス流路６０が無い参考形態の特性線から離れる。
【００５７】
圧力損失が大のときの冷却液ポンプ７０の動作点は、Ｂ１である。このとき冷却液ポンプ７０から吐出される冷却液の流量は、Ｑ２１である。このうち、流量Ｑ０１が放熱器２０に流れる。残りの流量(Ｑ２１−Ｑ０１)がバルブバイパス流路６０に流れる。流量Ｑ０１は、流量Ｑ３よりも大であるから、この場合は、放熱器２０に流量Ｑ３を流すことを実現することが可能である。
【００５８】
圧力損失が小のときの冷却液ポンプ７０の動作点は、Ｂ２である。このとき冷却液ポンプ７０から吐出される冷却液の流量は、Ｑ２２である。このうち、流量Ｑ０２が放熱器２０に流れる。残りの流量(Ｑ２２−Ｑ０２)がバルブバイパス流路６０に流れる。流量Ｑ０１は、流量Ｑ３よりも小であるから、この場合は、放熱器２０に流量Ｑ３を流すことを実現することは不可能である。
【００５９】
このような考え方により、バルブバイパス流路６０の圧力損失が小さくなりすぎないように、バルブバイパス流路６０の流路径(バルブバイパス流路６０にオリフィスが取り付けられているのであれば、そのオリフィスの開口径)の最大径を設定する。
【００６０】
本実施形態によれば、燃料電池で要求される冷却性能を満足するために放熱器２０に流すべき冷却液の流量を確保できるのである。
【００６１】
（第３実施形態）
図５は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第３実施形態を示す図である。
【００６２】
上述のように、燃料電池は、出力が大きいほど、多くの水を生成する。この水が燃料電池の内部に残留しては、フラッディングが生じるおそれがある。そこで、出力が大きいほど燃料電池の温度を高めるために冷却液の温度を高くして、生成水の蒸気化を促すことが望ましい。生成水が水蒸気化したほうが、カソードガスとともに外部に排出されやすいからである。
【００６３】
そこで上述のように、バルブバイパス流路６０を設ける。以下では上記を実現するためのバルブバイパス流路の圧力損失特性の設定方法について記載する。
【００６４】
条件が最も厳しくなるのは、放熱器出口の冷却液水温が最も低く、燃料電池の出力が最大のときである。そこで、この条件で冷却液の目標温度を達成できるようにした。具体的には、放熱器バイパス流路４０を流れてサーモスタットバルブ５０に流入する流量Ｑｂ１とバルブバイパス流路６０を流れる流量Ｑｂ２との流量比を以下のように設定する。なお図５には、流量Ｑｂ１，Ｑｂ２を調整するオリフィス４０ａ，６０ｂを模式的に図示したが、流路径自体を調整してもよい。
【００６５】
【数１】
0005929347.tif 000002
ただし
Ｔｓｓｔ：サーモスタットの設定温度
Ｔｉｎ：燃料電池の目標水温
Ｔｒ：放熱器の出口温度の下限値
ｍ：冷却液ポンプの下限流量
ｃ：冷却液の比熱（＝0.06kW/(L/min)/℃）
Ｈ：燃料電池の発熱量
【００６６】
たとえば、許容上限温度が８０℃であって燃料電池の目標水温が８０℃となる負荷での燃料電池の発熱量が５０ｋＷ、放熱器の出口温度の下限値が−３０℃、冷却液ポンプの下限流量が２０Ｌ／ｍｉｎ、サーモスタットの設定温度が６０℃の場合には、流量比Ｑｂ２／Ｑｂ１を０．８１以上に設定する。
【００６７】
図６は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第３実施形態を説明する図である。
【００６８】
上述のように、燃料電池は、出力が大きいほど、水が多く生成される。この水が燃料電池の内部に残留しては、フラッディングが生じるおそれがある。そこで、図６の太線で示すように、出力が大きいほど冷却液の温度を高くして、生成水を蒸気化して排出することが望ましい。そこで上述のように、バルブバイパス流路６０を設ける。このとき前述のように、流量比Ｑｂ２／Ｑｂ１を０．８１以上に設定したことで、燃料電池が最大出力の場合に冷却液の目標水温を達成できるように設定できることがわかる。またその他の負荷領域に関しては、冷却液ポンプの流量を増加させ、図６中の一点鎖線のように水温を下げることで、目標の水温に設定することが可能である。
【００６９】
（第４実施形態）
図７は本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第４実施形態の構成を説明する図であり、図７(Ａ)はシステム全体図、図７(Ｂ)は制御ブロック図である。
【００７０】
なおブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。
【００７１】
図７(Ａ)に示されるように、第４実施形態の燃料電池の冷却液温度調整システム１では、燃料電池１０の冷却液入口１１の付近に入口温度センサー９１が設けられる。また燃料電池１０の冷却液出口１２の付近に出口温度センサー９２が設けられる。
【００７２】
そして図７(Ｂ)に示されるように、要求出力に対して目標水温を設定する。そして、その目標水温と燃料電池の実水温との偏差に応じて冷却液ポンプ７０の回転速度を調整する。なお燃料電池の実水温は、入口温度センサー９１で検出された流入冷却液温と出口温度センサー９２で検出された流出冷却液温との平均値である。
【００７３】
図８は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第４実施形態を説明する図である。
【００７４】
図８(Ａ)の細線は、冷却液ポンプ７０の回転速度が小のときの、燃料電池の発熱量と冷却液入口温度との相関を示す。図８(Ａ)の太線は、冷却液ポンプ７０の回転速度が大のときの、燃料電池の発熱量と冷却液入口温度との相関を示す。これらから明らかなように、燃料電池の発熱量が同一であれば、冷却液ポンプ７０の回転速度が小のときのほうが、燃料電池の入口温度が高くなる。このようになるのは、冷却液ポンプ７０の回転速度が小のほうが、バルブバイパスに流入する熱量が大きくなるためである。
【００７５】
本実施形態の制御が実行されることで、図８(Ｂ)に示されるように、冷却液ポンプ７０の回転速度が低いほど、燃料電池の入口温度を高くすることができる。したがって目標水温に対して燃料電池の実水温が低いときには、偏差が大きいほど冷却液ポンプ７０の回転速度を小さくする。目標水温に対して燃料電池の実水温が大きいときには、偏差が大きいほど冷却液ポンプ７０の回転速度を大きくする。
【００７６】
このように、冷却液ポンプ７０の回転速度をも制御することで、より精緻に冷却液温度を調整できるのである。したがって燃料電池を適切な湿潤状態で運転できる。
【００７７】
なお本実施形態では、フィードバック制御器に対して、必要に応じてアンチワインドアップ等の制御を追加する。
【００７８】
（第５実施形態）
図９は本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第５実施形態の構成を説明する図であり、図９(Ａ)はシステム全体図、図９(Ｂ)は制御ブロック図である。
【００７９】
第５実施形態では、第４実施形態に対して、カソードガス(吸入空気)の温度を検出するセンサー１０１と、相対湿度を検出するセンサー１０２と、をさらに含む。
【００８０】
そしてカソードガス(吸入空気)の温度及び推定湿度から、カソードガス(吸入空気)の水蒸気濃度を推定する。そしてこの推定した水蒸気濃度をも考慮して、冷却液の目標温度を設定する。具体的には、予め実験等を通じて図１０のように設定されたマップに基づいて目標温度を設定する。
【００８１】
本実施形態によれば、吸入空気の湿度が高ければ、目標水温を上げるようにした。そのため、一層精緻に制御でき、燃料電池の内部に生成水が残留しにくくなってさらにフラッディングを防止しやすくなる。この結果、燃料電池を一層適切な湿潤状態で運転できるのである。
【００８２】
（第６実施形態）
図１１は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第６実施形態を説明する図である。
【００８３】
本実施形態では、図１１(Ａ)に示されるように、要求出力に基づいて燃料電池の目標湿潤状態を設定する。なお目標湿潤状態は、予め実験等を通じて図１１(Ｂ)のように設定されたマップに基づいて設定される。目標湿潤状態は、基本的には一定であるが、最大負荷付近で上昇する。
【００８４】
また実湿潤状態を検出する。実湿潤状態は、燃料電池の内部抵抗を検出することによって検出可能である。このような手法は、公知であるので、ここでは説明を省略する。
【００８５】
そして、その目標湿潤状態に対する実湿潤状態の偏差に応じて冷却液ポンプ７０の回転速度を調整する。
【００８６】
このようにして、冷却液ポンプ７０の回転速度を制御することで、より精緻に湿潤状態を調整できるのである。したがって燃料電池を適切な湿潤状態で運転できる。
【００８７】
（第７実施形態）
図１２は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第７実施形態を説明する図である。
【００８８】
本実施形態では、第６実施形態に対して、要求出力に応じて冷却液ポンプ７０の回転速度を補正する。具体的には、要求出力が高いほど、冷却液ポンプ７０の回転速度を大きく補正する。
【００８９】
図１２(Ｂ)に示されるように、燃料電池の出力が大きいほど、出力変化に対する温度変化も大きい。すなわち、燃料電池の出力が大きいほど、温度の上昇速度が速い。これに対して本実施形態では、要求出力が高いほど、冷却液ポンプ７０の回転速度を大きく補正するようにした。すなわちゲインを大きくした。このようにすれば、フィードバック制御するときのオーバーシュートを抑制できるのである。
【００９０】
（第８実施形態）
図１３は、本発明による燃料電池の冷却液温度調整システムの第８実施形態を説明する図である。
【００９１】
本実施形態では、第６実施形態に対して、冷却液ポンプ７０の下限回転速度を設定する。具体的には、システムの耐熱性能などから設定される目標上限温度と、燃料電池の出口温度と、の偏差に応じて冷却液ポンプ７０の回転速度を演算する。そしてその回転速度を、第６実施形態と同様に演算された冷却液ポンプ７０の回転速度が下回るときには、その回転速度を、冷却液ポンプ７０の回転速度とする。下回らなければ、第６実施形態と同様に演算された回転速度を、冷却液ポンプ７０の回転速度とする。
【００９２】
図１３(Ｂ)に示されるように、冷却液ポンプ７０の回転速度が小さくなると、燃料電池の入口温度及び出口温度が上がる。この場合に、第６実施形態のように制御することで湿潤状態は適切になっても、システムの耐熱温度を超えてしまうことがあり得る。これに対して、本実施形態のように冷却液ポンプ７０の回転速度の下限を制限することで、システムの耐熱温度を超えることを防止できるのである。
【００９３】
（第９実施形態）
本実施形態では、前述した第１実施形態から第８実施形態で使用したサーモスタットバルブ５０の他の実施形態について説明する。
【００９４】
図１４は、本実施形態によるサーモスタットバルブ５００の構造を示す断面図であり、メインバルブ５２が閉じ、バイパスバルブ５３が開いているときの状態を示した図である。本実施形態によるサーモスタットバルブ５００は、バイパスバルブ５３に中温部５１ｃと高温側開口５１ｅとを連通する連通孔５３１を設けた点で、サーモスタットバルブ５０と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、本実施形態によるサーモスタットバルブ５００において、サーモスタットバルブ５０と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００９５】
図１４に示すように、サーモスタットバルブ５００は、バイパスバルブ５３に中温部５１ｃと高温側開口５１ｅとを連通する連通孔５３１を備える。本実施形態ではバイパスバルブ５３に連通孔５３１を複数個形成したが、１個であっても良い。
【００９６】
次に、図１５を参照し、サーモスタットバルブ５００の作用効果について説明する。
【００９７】
図１５は、メインバルブ５２が開き、バイパスバルブ５３が閉じているときのサーモスタットバルブ５００を示した図である。図１５において、破線の矢印Ａは低温の冷却液の流れを示し、実線の矢印Ｂは高温の冷却液の流れを示す。
【００９８】
図１５に矢印Ａで示すように、メインバルブ５２の開弁時には、放熱器２０から流れてきた低温の冷却液が、メインバルブ５２と低温側開口５１ｄとの隙間から中温部５１ｃへ流入する。中温部５１ｃに流入した低温の冷却液は、バイパスバルブ５３の開弁時に放熱器バイパス流路４０から中温部５１ｃに流入していた高温の冷却液と混合されて流出路５１ｆから排出される。
【００９９】
ここで、本実施形態によるサーモスタットバルブ５００は、バイパスバルブ５３に連通孔５３１が設けられている。そのため、図１５に矢印Ｂで示すように、バイパスバルブ５３の閉弁後も連通孔５３１から高温の冷却液が中温部５１ｃに流入し、低温部５１ａ側から中温部５１ｃに流入してきた低温の冷却液と混合されて流出路５１ｆから排出される。
【０１００】
燃料電池１０は出力が大きくなるほど発熱量が大きくなるので、燃料電池１０の出口１２から流出する冷却液の温度も高くなる。つまり、放熱器バイパス流路４０を経由して連通孔５３１から中温部５１ｃに流入してくる高温の冷却液の温度は、燃料電池１０の出力が大きくなるほど高くなる。
【０１０１】
したがって、本実施形態のように、燃料電池１０の出力が大きくなるほど温度が高くなる高温の冷却液を、連通孔５３１を介して中温部５１ｃに流入させることで、燃料電池１０の出力が大きくなるほど燃料電池１０に供給される冷却液の温度を上昇させることができる。
【０１０２】
その結果、本実施形態によるサーモスタット５００を使った冷却系においても、要求出力に応じて増加する生成水量に対応して、積極的に燃料電池１０に供給する冷却水温度を上昇させる特性を持ったシステムを実現することができる。
【０１０３】
また、バイパスバルブ５３に連通孔５３１を設けたことによって、前述した燃料電池１０の出力が大きくなるほど燃料電池１０に供給される冷却液の温度を上昇させることができるという効果のほかにも以下のような効果を得ることができる。
【０１０４】
図２を参照して第１実施形態で説明した一般的なサーモスタットバルブ５０の場合、メインバルブ５２が開き始めると、中温部５１ｃに低温の冷却液が流入する一方で、バイパスバルブ５３が閉じられて中温部５１ｃには高温の冷却液が流入しなくなる。
【０１０５】
そのため、メインバルブ５２の開弁時に一時的に中温部５１ｃ内の冷却液の温度が低下し、いったん開いたメインバルブ５２が再び閉じてしまうという現象が繰り返し起こることがある。このように、冷温側弁体５２の開閉が連続するハンチングが起きると、中温部５１ｃ内の冷却液の温度が上下するので、結果として流出路５１ｆから排出される冷却液の温度も上下してしまう。
【０１０６】
第１実施形態で説明したサーモスタットバルブ５０でも、本実施形態によるサーモスタットバルブ５００でも、流出路５１ｆから排出される冷却液の温度を所望の温度に保持する機能（以下「温調機能」という。）が求められる。そのため、流出路５１ｆから排出される冷却液の温度の上下動は好ましくない。また、冷温側弁体５２のハンチングは、冷温側弁体５２及びバイパスバルブ５３の劣化にもつながるため、耐久性にとっても好ましくない。
【０１０７】
以上の通り、第１実施形態のように、一般的なサーモスタットバルブ５０に、単に高温部５１ｂと流出路５１ｆとを接続するバイパス流路６０を設けたものでは、メインバルブ５２の開弁時における温調機能が低下しやすい。また、サーモスタットバルブ５０自体の耐久性も低下しやすい。
【０１０８】
これに対し、本実施形態によるサーモスタットバルブ５００は、メインバルブ５２の開弁時（すなわちバイパスバルブ５３の閉弁時）において、第１実施形態ではバイパス流路６０を経由して流出路５１ｆに合流させていた高温の冷却液を、バイパスバルブ５３の連通孔５３１を介して中温部５１ｃに流入させた後に流出路５１ｆに合流させている。
【０１０９】
これにより、メインバルブ５２の開弁時において、中温部５１ｃに低温の冷却液が流入してきたとしても、バイパスバルブ５３の連通孔５３１を介して中温部５１ｃに流入してくる高温の冷却液によって、中温部５１ｃ内の冷却液の温度低下を抑えることができる。
【０１１０】
よって、冷温側弁体５２のハンチングを抑制することができるので、サーモスタットバルブ５００の温調機能及び耐久性を向上させることができる。
【０１１１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１１２】
たとえば、上記実施形態では、サーモスタットバルブ５０は、冷却液循環流路３０を流れた冷却液と放熱器バイパス流路４０を流れた冷却液とが合流する合流部分に設けられていた。しかしながらこれに限られない。図１６に示されるように、サーモスタットバルブ５０は、冷却液循環流路３０を流れた冷却液の一部が放熱器バイパス流路４０に分岐する分岐部分に設けられてもよい。そして、バルブバイパス流路６０は、冷却液がサーモスタットバルブ５０をバイパスするように、冷却液循環流路３０と放熱器バイパス流路４０とを結ぶとよい。
【０１１３】
このような構成であっても、同様の作用効果を得ることができる。
【０１１４】
また第１実施形態では、バイパス流路６０は、サーモスタットバルブ５０のハウジング５１に形成されていたが、ハウジング５１に形成されなくてもよい。バイパス流路６０が、放熱器バイパス流路４０と冷却液循環流路３０とを結ぶパイプであってもよい。
【０１１５】
また第９実施形態では、バイパスバルブ５３に連通孔５３１を設けることで、バイパスバルブ５３の閉弁後も連通孔５３１から高温の冷却液が中温部５１ｃに流入するようにしていたが、例えば図１７に示すように、バイパスバルブ５３に切り欠き５３２を形成しても良い。また、図１８に示すように、高温側開口５１ｅを形成するハウジング５１に切り欠き５１１を形成しても良い。
【０１１６】
このような切り欠き５３２、５１１を形成することでも、第９実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１７】
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０１１８】
１      燃料電池の冷却液温度調整システム
１０    燃料電池
１１    冷却液入口
１２    冷却液出口
２０    放熱器(ラジエーター)
３０    冷却液循環流路
４０    放熱器バイパス流路
５０    サーモスタットバルブ
５１    ハウジング
５１ａ  低温部
５１ｂ  高温部
５１ｃ  中温部（混合通路）
５１ｄ  低温側開口
５１ｅ  高温側開口
５２    メインバルブ（弁体）（低温側弁体）
５３    バイパスバルブ（弁体）（高温側弁体）
５４    伸縮体
６０    バルブバイパス流路
７０    冷却液ポンプ
５１１  切り欠き（ハウジングに形成された切り欠き）
５３１  連通孔（バイパス流路）（連通路）
５３２  切り欠き（高温側弁体に形成された切り欠き）
【図１】
0005929347.tif 000003
【図２】
0005929347.tif 000004
【図３】
0005929347.tif 000005
【図４】
0005929347.tif 000006
【図５】
0005929347.tif 000007
【図６】
0005929347.tif 000008
【図７】
0005929347.tif 000009
【図８】
0005929347.tif 000010
【図９】
0005929347.tif 000011
【図１０】
0005929347.tif 000012
【図１１】
0005929347.tif 000013
【図１２】
0005929347.tif 000014
【図１３】
0005929347.tif 000015
【図１４】
0005929347.tif 000016
【図１５】
0005929347.tif 000017
【図１６】
0005929347.tif 000018
【図１７】
0005929347.tif 000019
【図１８】
0005929347.tif 000020
【図１９】
0005929347.tif 000021