(57)【要約】【課題】空調回路の加熱部において余剰電力を消費できないことを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、蓄電池と、モータジェネレータと、第１切り替え部を有する燃料電池冷却回路と、第２切り替え部とを有する空調回路と、充電処理と補機消費処理とを実行可能な制御部であって、補機消費処理において、空調回路における熱媒体の温度が予め定められた第１温度以上である場合、及び、空調回路における熱媒体の温度が第１温度よりも低く、かつ、第１回路における熱媒体の温度が予め定められた第２温度よりも低い場合には、第２切り替え部に空調回路と第１回路とを連通させ、空調回路における熱媒体の温度が第１温度以上であり、かつ、第１回路における熱媒体の温度が第２温度以上である場合には、第２切り替え部に空調回路と第１回路とを連通させるとともに、第１切り替え部に第１回路と第２回路とを連通させる制御部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池と並列に接続されている蓄電池と、
前記燃料電池と前記蓄電池の少なくとも一方からの電力によって回転動力を発生し、また、回生電力を発生させることが可能なモータジェネレータと、
前記燃料電池を冷却するための熱媒体が循環する燃料電池冷却回路であって、前記燃料電池と連通する第１回路と、放熱器を有する第２回路と、前記第１回路と前記第２回路とを連通又は非連通とする第１切り替え部とを有する燃料電池冷却回路と、
空調のための熱媒体が循環する空調回路であって、前記熱媒体を加熱する加熱部と、空調回路と前記第１回路とを連通又は非連通とする第２切り替え部とを有する空調回路と、
前記モータジェネレータからの前記回生電力を前記蓄電池に充電する充電処理と、前記回生電力のうちで前記蓄電池の受入可能電力を超える電力を前記加熱部に消費させる補機消費処理とを実行可能な制御部であって、
前記補機消費処理において、
前記空調回路における前記熱媒体の温度が予め定められた第１温度以上である場合、及び、前記空調回路における前記熱媒体の温度が前記第１温度よりも低く、かつ、前記第１回路における前記熱媒体の温度が予め定められた第２温度よりも低い場合には、前記第２切り替え部に前記空調回路と前記第１回路とを連通させ、
前記空調回路における前記熱媒体の温度が前記第１温度以上であり、かつ、前記第１回路における前記熱媒体の温度が前記第２温度以上である場合には、前記第２切り替え部に前記空調回路と前記第１回路とを連通させるとともに、前記第１切り替え部に前記第１回路と前記第２回路とを連通させる制御部と、
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】
燃料電池システムにおいて、走行用モータによる回生電力を二次電池に充電する際、回生電力のうちで二次電池受入可能電力を超える電力（以下、「余剰電力」と呼ぶ）を燃料電池の冷却水経路に設けられた電気ヒータに消費させる技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１９５２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電気ヒータは冷却水の加熱に用いられるため、冷却水の温度によっては、余剰電力を消費できない場合がある。本発明の発明者は、余剰電力は、空調回路に設けられて熱媒体を加熱するための加熱部によって消費されることも可能であり、この場合にも空調回路の熱媒体の温度によっては、余剰電力を消費できない場合があることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池と並列に接続されている蓄電池と、前記燃料電池と前記蓄電池の少なくとも一方からの電力によって回転動力を発生し、また、回生電力を発生させることが可能なモータジェネレータと、前記燃料電池を冷却するための熱媒体が循環する燃料電池冷却回路であって、前記燃料電池と連通する第１回路と、放熱器を有する第２回路と、前記第１回路と前記第２回路とを連通又は非連通とする第１切り替え部とを有する燃料電池冷却回路と、空調のための熱媒体が循環する空調回路であって、前記熱媒体を加熱する加熱部と、空調回路と前記第１回路とを連通又は非連通とする第２切り替え部とを有する空調回路と、前記モータジェネレータからの前記回生電力を前記蓄電池に充電する充電処理と、前記回生電力のうちで前記蓄電池の受入可能電力を超える電力を前記加熱部に消費させる補機消費処理とを実行可能な制御部であって、前記補機消費処理において、前記空調回路における前記熱媒体の温度が予め定められた第１温度以上である場合、及び、前記空調回路における前記熱媒体の温度が前記第１温度よりも低く、かつ、前記第１回路における前記熱媒体の温度が予め定められた第２温度よりも低い場合には、前記第２切り替え部に前記空調回路と前記第１回路とを連通させ、前記空調回路における前記熱媒体の温度が前記第１温度以上であり、かつ、前記第１回路における前記熱媒体の温度が前記第２温度以上である場合には、前記第２切り替え部に前記空調回路と前記第１回路とを連通させるとともに、前記第１切り替え部に前記第１回路と前記第２回路とを連通させる制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、空調回路における熱媒体の温度が第１温度以上である場合には、空調回路と第１回路が連通するので、加熱部が空調回路と第１回路とを循環する熱媒体を昇温させることにより余剰電力を消費できる。また、空調回路における熱媒体の温度が第１温度以上であり、かつ、第１回路における熱媒体の温度が第２温度以上である場合には、空調回路と第１回路と第２回路が連通するので、加熱部が空調回路と第１回路と第２回路とを循環する熱媒体を昇温させることにより余剰電力を消費できる。加えて、空調回路における熱媒体の温度が第１温度よりも低く、かつ、第１回路における熱媒体の温度が第２温度よりも低い場合には、空調回路と第１回路が連通するので、加熱部を利用して燃料電池の暖機を早めることができる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す図。
【図２】第１実施形態における熱媒体循環回路の切替処理を表すフローチャート。
【図３】第２実施形態における熱媒体循環回路の切替処理を表すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
・第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す図である。燃料電池システム１０は、例えば、動力源として車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、電力回路２００と、燃料電池冷却回路５００と、空調回路６００と、制御部７００と、図示しないアノードガス供給流路や、カソードガス供給排出流路等を備える。
【００１０】
燃料電池１００は、例えばカソードガスとアノードガスとを利用して発電する固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池１００は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックによって構成される。
【００１１】
電力回路２００は、燃料電池１００からの電力を利用及び蓄積する回路である。電力回路２００は、蓄電池２１０と、バッテリコンバータ２２０と、ＦＣ昇圧コンバータ２３０と、インバータ２４０と、モータジェネレータ２５０と、を備える。
【００１２】
ＦＣ昇圧コンバータ２３０は、燃料電池１００の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータである。ＦＣ昇圧コンバータ２３０は、制御部７００からの制御信号に応じて燃料電池１００の出力電圧をモータジェネレータ２５０で利用可能な高電圧に昇圧する。インバータ２４０は、ＦＣ昇圧コンバータ２３０によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するものであり、制御部７００からの制御信号に応じて交流電圧の周波数と電圧を調整してモータジェネレータ２５０に供給し、モータジェネレータ２５０を制御する。モータジェネレータ２５０は、燃料電池１００と蓄電池２１０の少なくとも一方からの電力によって回転動力を発生し、車両の車輪を駆動することが可能である。一方、モータジェネレータ２５０は、例えば車両の減速時に回生して回生電力を発生させることが可能である。
【００１３】
バッテリコンバータ２２０は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。すなわち、バッテリコンバータ２２０は、制御部７００からの制御信号に応じて、ＦＣ昇圧コンバータ２３０によって昇圧された直流電圧を降圧し、又は、蓄電池２１０の電圧を昇圧する。蓄電池２１０は、燃料電池１００と並列に接続されている。蓄電池２１０は、燃料電池１００からの電力や、モータジェネレータ２５０からの回生電力によって充電される。一方、蓄電池２１０は、モータジェネレータ２５０に電力を供給することが可能である。蓄電池２１０は、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が採用可能である。
【００１４】
なお、電力回路２００には、後述する空調回路６００の加熱部６６０がスイッチ２６０を介して電気的に接続されている。加熱部６６０は、蓄電池２１０からの電力や、モータジェネレータ２５０からの回生電力を消費できる。スイッチ２６０は、制御部７００からの制御信号に応じて、加熱部６６０に電力を消費させる場合には、スイッチオンの状態とされ、加熱部６６０に電力を消費させない場合には、スイッチオフの状態とされる。
【００１５】
燃料電池冷却回路５００は、燃料電池１００を冷却するための熱媒体が循環する回路である。熱媒体は、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水等を採用可能である。燃料電池冷却回路５００は、第１回路３００と、第２回路４００とを有する。
【００１６】
第１回路３００は、燃料電池１００と連通している。すなわち、燃料電池１００は、第１回路３００の途中に設けられている。第１回路３００は、導入管３１０と、導出管３２０と、第１バイパス管３３０とを有する。導入管３１０は、熱媒体を燃料電池１００に導入するための配管である。導入管３１０には、ポンプ３５０が設けられている。ポンプ３５０は、熱媒体を圧送して循環させる。導出管３２０は、熱媒体を燃料電池１００から導出するための配管である。導出管３２０において、燃料電池１００の熱媒体出口１１０より下流側には、第２温度センサ３９０が設置されている。第２温度センサ３９０は、第１回路３００における熱媒体の温度を測定する。第１バイパス管３３０は、導入管３１０のポンプ３５０より上流側に接続しており、三方弁３８０を介して導出管３２０に接続している。第１バイパス管３３０には、イオン交換器３６０が設けられている。イオン交換器３６０は、各部品から熱媒体に溶出したイオンを吸着する機能を有する。イオン交換器３６０は、省略されてもよい。
【００１７】
第２回路４００は、第２バイパス管４１０によって構成されている。第２バイパス管４１０の一端は、第１回路３００の導入管３１０と第１バイパス管３３０とに接続しており、他端は、三方弁３８０を介して第１回路３００の導出管３２０と第１バイパス管３３０とに接続している。第２バイパス管４１０には、放熱器４５０が設けられている。放熱器４５０は、ファン４４０の送風により、放熱器４５０を流れる熱媒体の熱量を放出する。
【００１８】
三方弁３８０は、第１切り替え部として、制御部７００のからの制御信号に応じて、第１回路３００と第２回路４００とを連通又は非連通とする。三方弁３８０は、第１回路３００と第２回路４００とを連通とする場合には、導出管３２０から第２バイパス管４１０への通路を開き、導出管３２０から第１バイパス管３３０への通路を閉じる。この結果、導出管３２０から流れてきた熱媒体は、第２バイパス管４１０を流れた後に、導入管３１０に還流する。一方、三方弁３８０は、第１回路３００と第２回路４００とを非連通とする場合には、導出管３２０から第２バイパス管４１０への通路を閉じ、導出管３２０から第１バイパス管３３０への通路を開く。この結果、導出管３２０から流れてきた熱媒体は、第２バイパス管４１０を流れることなく、第１バイパス管３３０を流れて導入管３１０に還流する。
【００１９】
空調回路６００は、空調のための熱媒体が循環する回路である。空調回路６００における熱媒体は、燃料電池冷却回路５００における熱媒体と同一のものを用いてもよいし、異なるものを用いてもよい。空調回路６００と燃料電池冷却回路５００との熱媒体で異なるものを用いる場合は、両者を混合してそれぞれの熱媒体としての効果を失わないものを用いることが好ましい。
【００２０】
空調回路６００は、第１連結管６１０と、第２連結管６２０と、空調用管６３０と、第３バイパス管６３５とを有する。第１連結管６１０と第２連結管６２０は、空調回路６００を燃料電池冷却回路５００の第１回路３００と連通させるための配管である。第１連結管６１０の一端は、燃料電池冷却回路５００の第１回路３００の導出管３２０に接続しており、他端は、三方弁６４０を介して空調用管６３０の上流側と第３バイパス管６３５の一端とに接続している。第２連結管６２０の一端は、燃料電池冷却回路５００の第１回路３００の導出管３２０に接続しており、他端は、空調用管６３０の下流側と第３バイパス管６３５の他端とに接続している。空調用管６３０には、三方弁６４０側から、ポンプ６５０と、加熱部６６０と、ヒータコア６７０とが設けられている。ポンプ６５０は、熱媒体を圧送して循環させる。加熱部６６０は、熱媒体を加熱する。ヒータコア６７０は、加熱部６６０によって加熱された熱媒体を熱源として、ヒータコア６７０を通過する空気を加熱する。空調用管６３０において、ポンプ６５０と加熱部６６０との間には、入口温度センサ６８０が設置されており、加熱部６６０とヒータコア６７０との間には、第１温度センサ６９０が設置されている。入口温度センサ６８０は、ヒータコア６７０に流入する熱媒体の温度を測定する。入口温度センサ６８０は、省略されてもよい。第１温度センサ６９０は、空調回路６００における熱媒体の温度を測定する。
【００２１】
三方弁６４０は、第２切り替え部として、制御部７００のからの制御信号に応じて、空調回路６００と燃料電池冷却回路５００の第１回路３００とを連通又は非連通とする。三方弁６４０は、空調回路６００と第１回路３００とを連通とする場合には、第１連結管６１０から空調用管６３０への通路を開き、第１連結管６１０から第３バイパス管６３５への通路を閉じる。この結果、第１回路３００から第１連結管６１０に流れてきた熱媒体は、空調用管６３０を流れた後に、第２連結管６２０を経て再度第１回路３００に流れ込む。一方、三方弁６４０は、空調回路６００と第１回路３００とを非連通とする場合には、第１連結管６１０から空調用管６３０への通路を閉じ、第３バイパス管６３５から空調用管６３０への通路を開く。この結果、第１回路３００内の熱媒体は第１連結管６１０を流れることなく、燃料電池冷却回路５００内で循環し、空調回路６００内の熱媒体は空調用管６３０と第３バイパス管６３５とが成す回路内で循環する。
【００２２】
制御部７００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部７００は、図示しない互いに通信可能な燃料電池ＥＣＵや、空調ＥＣＵ、電力制御ＥＣＵ等を備える統合ＥＣＵである。制御部７００は、例えば車両が減速する場合に、モータジェネレータ２５０からの回生電力を蓄電池２１０に充電する充電処理を実行可能である。本明細書において、「回生電力」とは、運転者が要求した回生制動を満たすための要求回生電力である。また、制御部７００は、回生電力のうちで蓄電池２１０の受入可能電力を超える電力（以下、「余剰電力」と呼ぶ）を空調回路６００の加熱部６６０に消費させる補機消費処理を実行可能である。
【００２３】
図２は、制御部７００が補機消費処理を実行する際、熱媒体の循環回路を切り替えるための処理を表すフローチャートである。この例では、図２に示す処理を実行する前には、燃料電池冷却回路５００の第１回路３００と第２回路４００と、及び、空調回路６００と燃料電池冷却回路５００の第１回路３００とは、非連通とされている。
【００２４】
ステップＳ１１０において、制御部７００は、空調回路６００の第１温度センサ６９０の測定値Ｔ１ｍを取得するとともに、燃料電池冷却回路５００の第１回路３００の第２温度センサ３９０の測定値Ｔ２ｍを取得する。ステップＳ１２０において、制御部７００は、第１温度センサ６９０の測定値Ｔ１ｍ、すなわち、空調回路６００における熱媒体の温度、が予め定められた第１温度よりも低いか否かを判定する。「第１温度」とは、空調回路６００の加熱部６６０により余剰電力を消費するための空調回路６００における熱媒体の温度の上限値である。すなわち、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度より低ければ、空調回路６００における熱媒体を昇温させることによって余剰電力を消費できる。制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）には、第１回路３００の三方弁３８０及び空調回路６００の三方弁６４０に制御信号を送らず、熱媒体の循環回路を切り替えることなく、処理を終了する。この結果、空調回路６００における熱媒体が空調回路６００内で循環する状態で、加熱部６６０により余剰電力を消費できる。
【００２５】
ステップＳ１２０において、制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度以上であると判定した場合（ステップＳ１２０、Ｎｏ）には、ステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０において、制御部７００は、第２温度センサ３９０の測定値Ｔ２ｍ、すなわち、燃料電池冷却回路５００の第１回路３００における熱媒体の温度、が予め定められた第２温度よりも低いか否かを判定する。「第２温度」とは、空調回路６００と第１回路３００とを連通した状態で空調回路６００の加熱部６６０により余剰電力を消費するための第１回路３００における熱媒体の温度の上限値である。すなわち、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度より低ければ、第１回路３００における熱媒体を昇温させることによって余剰電力を消費できる。制御部７００は、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ１３０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１４０に移行する。ステップＳ１４０において、制御部７００は、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させる。こうすれば、加熱部６６０が空調回路６００と第１回路３００とを循環する熱媒体を昇温させるので、余剰電力を消費できる。この後、制御部７００は処理を終了する。
【００２６】
ステップＳ１３０において、制御部７００は、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度以上であると判定した場合（ステップＳ１３０、Ｎｏ）には、ステップＳ１５０に移行する。ステップＳ１５０において、制御部７００は、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させるとともに、三方弁３８０に第１回路３００と第２回路４００とを連通させる。こうすれば、加熱部６６０が空調回路６００と第１回路３００と第２回路４００とを循環する熱媒体を昇温させるので、余剰電力を消費できる。この後、制御部７００は処理を終了する。
【００２７】
以上説明したように、第１実施形態では、制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度以上である場合には、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させるので、加熱部６６０が空調回路６００と第１回路３００とを循環する熱媒体を昇温させることにより余剰電力を消費できる。また、制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度以上であり、かつ、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度以上である場合には、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させるとともに、三方弁３８０に第１回路３００と第２回路４００とを連通させる。こうすれば、空調回路６００の加熱部６６０が空調回路６００と第１回路３００と第２回路４００とを循環する熱媒体を昇温させるので、余剰電力を消費できる。
【００２８】
・第２実施形態：
図３は、第２実施形態における熱媒体の循環回路を切り替えるための処理を表すフローチャートであり、図２に対応する図である。図３に示すフローチャートは、図２に示すフローチャートのステップＳ１２０の後にステップＳ１６０を加えたフローチャートである。
【００２９】
図３において、制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１６０に移行する。ステップＳ１６０において、制御部７００は、第２温度センサ３９０の測定値Ｔ２ｍ、すなわち、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度よりも低いか否かを判定する。制御部７００は、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ１６０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１４０に移行し、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させ、処理を終了する。こうすれば、空調回路６００の加熱部６６０を利用して、燃料電池１００の暖機を早めることができる。一方、ステップＳ１６０において、制御部７００は、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度以上であると判定した場合（ステップＳ１６０、Ｎｏ）には、熱媒体の循環回路を切り替えることなく、処理を終了する。
【００３０】
以上説明したように、第２実施形態では、制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度よりも低く、かつ、第１回路３００における熱媒体の温度が第２温度よりも低い場合には、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させるので、空調回路６００の加熱部６６０を利用して燃料電池１００の暖機を早めることができる。なお、第２実施形態においても、制御部７００は、空調回路６００における熱媒体の温度が第１温度以上である場合には、三方弁６４０に空調回路６００と第１回路３００とを連通させるので、加熱部６６０が空調回路６００と第１回路３００とを循環する熱媒体を昇温させることにより余剰電力を消費できる。
【００３１】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…熱媒体出口
２００…電力回路
２１０…蓄電池
２２０…バッテリコンバータ
２３０…ＦＣ昇圧コンバータ
２４０…インバータ
２５０…モータジェネレータ
２６０…スイッチ
３００…第１回路
３１０…導入管
３２０…導出管
３３０…第１バイパス管
３５０…ポンプ
３６０…イオン交換器
３８０…三方弁
３９０…第２温度センサ
４００…第２回路
４１０…第２バイパス管
４４０…ファン
４５０…放熱器
５００…燃料電池冷却回路
６００…空調回路
６１０…第１連結管
６２０…第２連結管
６３０…空調用管
６３５…第３バイパス管
６４０…三方弁
６５０…ポンプ
６６０…加熱部
６７０…ヒータコア
６８０…入口温度センサ
６９０…第１温度センサ
７００…制御部
【図１】
2019140854.tif 000003
【図２】
2019140854.tif 000004
【図３】
2019140854.tif 000005