(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池及び２次電池を搭載し、該２次電池の充電を要するときに前記燃料電池の運転を停止して充電器により外部電源からの電力を前記２次電池に充電する電動車両において、
前記２次電池の充電中に、該２次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させる暖機制御手段を備えた
ことを特徴とする車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項２】
前記２次電池の冷却回路は、該２次電池と共に前記充電器も冷却する
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項３】
前記暖機制御手段は、前記２次電池の充電に伴い該２次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記２次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項４】
前記２次電池の充電中に、該２次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路との間で前記接続路を経て冷却液を循環させるポンプを備えた
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項５】
前記暖機制御手段は、前記２次電池の充電に伴い該２次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記ポンプの作動を開始する
ことを特徴とする請求項４に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項６】
前記２次電池及び前記燃料電池の各冷却回路と前記接続路とには冷却液として水が封入され、前記２次電池は絶縁流体により冷却され、該絶縁流体と前記２次電池の冷却回路の水との間で熱交換器を介して熱交換する
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項７】
前記２次電池の冷却回路に放熱器が付設され、
前記暖機制御手段は、前記燃料電池が所定温度以上のときに、前記２次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に流通させ、前記燃料電池が所定温度未満のときには、前記２次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に対しバイパスさせる
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池と共に電動車両に搭載される車両用燃料電池の暖機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境意識の高まりに伴い、化石燃料に頼ることのないクリーンエネルギー発電の一つとして燃料電池システムが注目されている。例えば車両に搭載される燃料電池システムには固体高分子型燃料電池が用いられており、固体高分子膜の両側に触媒として白金（Ｐｔ）を担持した燃料極及び空気極を貼り合わせてＭＥＡを構成し、そのＭＥＡをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作されている。燃料極には湿度調整した燃料ガスが供給され、空気極には湿度調整した空気が供給され、これにより燃料極及び空気極の触媒層で発電反応が進行して燃料電池の発電が開始される。
【０００３】
このような燃料電池システムは電動車両に搭載されて、走行用動力源であるモータの電源として２次電池と併用される場合がある。例えば電動車両のモータには２次電池から電力供給し、燃料電池システムは主に２次電池を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータの駆動にも利用される。モータへの電力供給により２次電池のＳＯＣ（充電率：State Of Charge）が低下した場合には充電スタンド等での充電が必要になり、２次電池の充電中には燃料電池の運転を停止させている。運転停止により燃料電池の温度が次第に低下して定格温度を下回ると暖機が必要になることから、再始動後に燃料電池が定格温度及び定格出力に回復するまで時間を要し、要求出力に対して即座に応答できないという問題がある。
【０００４】
その対策として、例えば特許文献１に記載された技術では、電動車両に搭載されている空調システムと燃料電池の冷却回路とを熱交換器を介して接続した上で、外部電源からの電力により空調システムをヒートポンプサイクルとして機能させて燃料電池を暖機している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１３９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では外部電源からの電力供給を必要とするため、運用コスト面で問題があるだけでなく、２次電池の充電を完了した後にさらに燃料電池を暖機し終えるまで、電動車両を駐車させ続ける必要があるため、車両の走行開始が遅れてしまう。しかも、本来車室内の空調を目的とした空調システムの能力では熱量が不足して燃料電池を迅速に暖機できず、この点も走行開始を遅延させる要因になる。このため特許文献１の技術は現実的とは言い難く、従来からより抜本的な対策が要望されていた。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、運用コストに優れると共に、燃料電池を迅速に暖機して早期に車両走行を開始することができる車両用燃料電池の暖機装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の車両用燃料電池の暖機装置は、燃料電池及び２次電池を搭載し、該２次電池の充電を要するときに前記燃料電池の運転を停止して充電器により外部電源からの電力を前記２次電池に充電する電動車両において、前記２次電池の充電中に、該２次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させる暖機制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成した車両用燃料電池の暖機装置によれば、２次電池の冷却回路で２次電池により冷却液が加熱され、その冷却液が接続路を経て燃料電池の冷却回路に移送されて燃料電池が暖機される。充電中の２次電池が発生する熱により燃料電池を暖機することから運用コストを必要とせず、また充電中の２次電池は多量の熱を発生すると共に、２次電池の充電と並行して燃料電池の暖機を実施可能なため、結果として２次電池の充電中に燃料電池の暖機を完了可能となる。
【００１０】
その他の態様として、前記２次電池の冷却回路が、該２次電池と共に前記充電器も冷却することが好ましい。
この態様によれば、充電器が発生する熱も燃料電池の暖機に利用され、より迅速な暖機完了が可能となる。
その他の態様として、前記暖機制御手段が、前記２次電池の充電に伴い該２次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記２次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させることが好ましい。
【００１１】
この態様によれば、充電開始当初の低温の冷却液が燃料電池の冷却回路に移送されて燃料電池の温度を低下させてしまう事態が回避される。
その他の態様として、前記２次電池の充電中に、該２次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路との間で前記接続路を経て冷却液を循環させるポンプを備えることが好ましい。
【００１２】
この態様によれば、２次電池の冷却回路で加熱された水を迅速且つ確実に燃料電池の冷却回路に導くことが可能となる。
その他の態様として、前記暖機制御手段が、前記２次電池の充電に伴い該２次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記ポンプの作動を開始することが好ましい。
【００１３】
この態様によれば、充電開始当初の低温の冷却液が燃料電池の冷却回路に移送されて燃料電池の温度を低下させてしまう事態が回避される。
その他の態様として、前記２次電池及び前記燃料電池の各冷却回路と前記接続路とには冷却液として水が封入され、前記２次電池は絶縁流体により冷却され、該絶縁流体と前記２次電池の冷却回路の水との間で熱交換器を介して熱交換することが好ましい。
【００１４】
この態様によれば、水漏れ発生時の感電等のトラブルが防止されると共に、このような形式の燃料電池システムにも２次電池の熱を利用した燃料電池の暖機が可能となる。
その他の態様として、前記２次電池の冷却回路に放熱器が付設され、前記暖機制御手段が、前記燃料電池が所定温度以上のときに、前記２次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に流通させ、前記燃料電池が所定温度未満のときには、前記２次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に対しバイパスさせることが好ましい。
【００１５】
この態様によれば、冷却液の放熱器への流通時には２次電池が確実に保護され、放熱器のバイパス時には燃料電池の暖機がより促進され、最適な内容で暖機制御を実施可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の車両用燃料電池の暖機装置によれば、運用コストに優れると共に、燃料電池を迅速に暖機して早期に車両走行を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の燃料電池の暖機装置を搭載した電動車両を示す全体構成図である。
【図２】燃料電池の暖機を行うための回路構成を示す回路図である。
【図３】車両ＥＣＵが実行する暖機制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した車両用燃料電池の暖機装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の燃料電池の暖機装置を搭載した電動車両を示す全体構成図である。
本実施形態の電動車両１は、モータ２を走行用動力源とすると共に、その電源として２次電池３及び燃料電池システム４を備えたハイブリッド燃料電池車両である。周知のように２次電池３は、化学反応により直流電力を充放電可能な電池であり、燃料電池システム４は、燃料電池４ａでの水素ガスを用いた電気化学反応により発電するシステムである。基本的にモータ２は２次電池３からの電力により駆動され、燃料電池システム４は主に２次電池３を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータ２の駆動にも利用される。
【００１９】
モータ２にはインバータ５を介して２次電池３が接続され、インバータ５は直流・交流間の変換機能を奏する。即ち、モータ２の力行制御時には、２次電池３や燃料電池システム４からの直流電力がインバータ５により三相交流電力に変換されてモータ２を駆動し、モータ２の回生制御時には、モータ２からの三相交流電力がインバータ５により直流電力に変換されて２次電池３に充電される。
【００２０】
また、２次電池３及びインバータ５には燃料電池システム４が接続されている。燃料電池システム４に備えられた固体高分子型燃料電池４ａは、固体高分子膜の両側に触媒として白金（Ｐｔ）を担持した燃料極（負極）及び空気極（正極）を貼り合わせてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜/電極接合体）を構成し、そのＭＥＡをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作されている。
【００２１】
燃料電池４ａの動作原理は周知であるため、詳細は説明しないが、燃料極に水素タンク７からの水素ガスを湿度調整して供給すると共に、空気極に湿度調整した空気を供給することで運転される。燃料極に供給された水素ガスは触媒作用により水素イオンと電子に分解され、水素イオンは固体高分子膜を透過して空気極に到達し、電子は図示しない外部回路を経て空気極に到達し、これにより燃料極をマイナス、空気極をプラスとして直流電圧が発生する。また空気極では、空気供給ラインを経て供給された空気、固体高分子膜を透過した水素イオン、及び外部回路を経てきた電子が反応して水が生成される。
【００２２】
燃料電池４ａの出力端子にはDC-DCコンバータ８が接続され、DC-DCコンバータ８は２次電池３、インバータ５及び充放電装置６に接続されている。これにより燃料電池４ａの出力電力が２次電池３及び充放電装置６の充電やモータ２の駆動に利用可能となっている。
このような燃料電池４ａの運転のために燃料電池システム４を構成する各機器（例えば、水素ガス及び空気を切換制御する制御弁やガス加湿用の加湿装置等）はＦＣ-ＥＣＵ９に接続され、このＦＣ-ＥＣＵ９より燃料電池４ａの運転状態が制御される。
【００２３】
一方、インバータ５にはモータＥＣＵ１０が接続され、このモータＥＣＵ１０によりモータ２の駆動制御が実行される。例えばモータＥＣＵ１０はインバータ５を駆動制御し、２次電池３や燃料電池４ａ或いは充放電装置６から供給される出力電力によりモータ２を駆動する一方、モータ２の回生制御時には回生電力を２次電池３や充放電装置６に供給する。
【００２４】
また、２次電池３にはバッテリＥＣＵ１１が接続され、このバッテリＥＣＵ１１により２次電池３の充放電制御が実行されると共に、バッテリＥＣＵ１１は２次電池３のＳＯＣ（充電率：State Of Charge）の算出等も実行する。
以上のＦＣ-ＥＣＵ９、モータＥＣＵ１０、バッテリＥＣＵ１１は、上位ユニットに相当する車両ＥＣＵ１３に接続されており、各ＥＣＵ９〜１１，１３は、それぞれ入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等から構成されている。
【００２５】
車両ＥＣＵ１３は、電動車両１の総合的な制御を行うための制御ユニットであり、この車両ＥＣＵ１３からの指令を受けた下位の各ＥＣＵ９〜１１により、上記のような燃料電池４ａの運転制御、モータ２の駆動制御や２次電池３の充電制御等が実行される。
そのために、車両ＥＣＵ１３の入力側には、アクセル開度ＡＰＳを検出するアクセルセンサ１４等のセンサ類が接続されると共に、ＦＣ-ＥＣＵ９、モータＥＣＵ１０、バッテリＥＣＵ１１が接続されており、アクセル開度ＡＰＳ等の検出情報と共に、燃料電池システム４、モータ２、２次電池３のそれぞれの運転情報、例えば燃料電池４ａの温度Ｔfc、２次電池３の温度Ｔb、後述する充電器３１の温度Ｔc等が入力される。
【００２６】
そして車両ＥＣＵ１３は、アクセルセンサ１４により検出されたアクセル開度ＡＰＳ等に基づき電動車両１の走行に必要な要求出力を算出し、その要求出力を達成するようにモータＥＣＵ１０に指令信号を出力する。この指令信号に基づき、モータＥＣＵ１０によりモータ２が駆動されて要求トルクが達成される。
また車両ＥＣＵ１３は、２次電池３のＳＯＣや車両走行のための要求出力に基づき燃料電池システム４の出力電力を算出し、その出力電力を達成するようにＦＣ-ＥＣＵ９に指令信号を出力する。例えば、２次電池３のＳＯＣが低下して充電を要する場合、或いは２次電池３からの電力供給のみではモータ２が要求出力を達成不能と判定した場合、車両ＥＣＵ１３は燃料電池４ａの出力電力を増加側に設定する。
【００２７】
ＦＣ-ＥＣＵ９側では、出力電力の達成のために燃料極に供給すべき水素ガス量及び空気極に供給すべき空気量を算出し、算出したガス供給量に調整することにより要求出力電力を達成する。無論、このような水素ガス及び空気の供給制御と並行して、水素ガスや空気の湿度、セル圧力やセル温度等に関しても最適制御する。例えば上記のように出力電力が増加側に制御された場合には、水素ガス量及び空気量が増加側に調整されて出力電力が増加され、その電力増加分が２次電池３に充電やモータ２の駆動に利用される。
【００２８】
ところで、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、充電スタンド等で２次電池３を充電する際には燃料電池４ａの運転を停止させるため、再始動後に燃料電池４ａを暖機する必要があり、外部電源を利用して車載空調システムにより暖機を行う特許文献１の技術では、運用コスト面で問題がある上に、熱量不足により走行開始が遅延するという問題を抱えている。
【００２９】
このような点を鑑みて本発明者は、２次電池３が充電中に発生する熱を燃料電池４ａの暖機に利用可能なことに着目した。即ち、無駄に大気中に捨てられる２次電池３の熱を利用すれば、外部電源を利用する場合のような運用コストは不要であり、且つ充電中の２次電池３は多量の熱を発生すると共に、２次電池３の充電と並行して燃料電池４ａの暖機を実施可能であることから、２次電池３の充電完了と共に即座に電動車両１の走行を開始できる。
【００３０】
以下、この知見の下に充電中の２次電池３が発生する熱を利用した燃料電池４ａの暖機処理について説明するが、それに先立って、２次電池３の熱を燃料電池４ａに伝達するための回路構成について述べる。
図２は燃料電池４ａの暖機を行うための回路構成を示す回路図である。
図２中の回路は、燃料電池４ａを定格温度に保つための冷却回路１６（以下、ＦＣ冷却回路と称する）、車室内を暖房するための温水回路１７、２次電池３を充電する充電補機の冷却回路１８（以下、充電補機冷却回路と称する）、及び２次電池３の充電及び各回路への電力供給のための電気系統に大別できる。
【００３１】
まず、ＦＣ冷却回路１６について述べると、燃料電池４ａは一対の冷却ライン２０ａ，２０ｂを介してラジエータ２１と接続され、一方の冷却ライン２０ａにはポンプ２２が介装されている。結果として燃料電池４ａ、他方の冷却ライン２０ｂ、ラジエータ２１、一方の冷却ライン２０ａ（及びポンプ２２）からなる環状のＦＣ冷却回路１６が形成され、内部に封入された水（冷却液）がポンプ２２の駆動により循環する。
【００３２】
他方の冷却ライン２０ｂに介装された切換弁２３はバイパス路２４を介して一方の冷却ライン２０ａと接続され、切換弁２３の切換に応じて水がラジエータ２１を流通或いはバイパスする。この切換弁２３の切換制御やポンプ２２の流量制御等により水温が調整され、運転中の燃料電池４ａが所期の定格温度に保たれる。
次いで、暖房用の温水回路１７について述べると、図示しない車室内に設置された熱交換器２５は一対の温水ライン２６ａ，２６ｂを介して温水ヒータ２７と接続され、一方の温水ライン２６ａにはポンプ２８が介装されている。結果として熱交換器２５、他方の温水ライン２６ｂ、温水ヒータ２７、一方の温水ライン２６ａ（及びポンプ２８）からなる環状の温水回路１７が形成され、内部に封入された水（冷却液）がポンプ２８の駆動により循環する。
【００３３】
一方の温水ライン２６ａに介装された切換弁２９はバイパス路３０を介して他方の温水ライン２６ｂと接続され、切換弁２９の切換に応じて水は熱交換器２５を流通或いはバイパスする。温水ヒータ２７がＯＮされて加熱された温水が熱交換器２５を流通すると、図示しないファンにより熱交換器２５のフィンを通過して暖められた空気が車室内に供給されて暖房がなされる。
【００３４】
次いで、充電補機冷却回路１８（以下の予備冷却回路３５を含む）について述べると、本実施形態では、この冷却回路１８により充電補機として２次電池３及び充電器３１が冷却されるようになっている。２次電池３は一対の冷却ライン３２ａ，３２ｂを介して熱交換器３３と接続され、一方の冷却ライン３２ａにはポンプ３４が介装されている。結果として２次電池３、一方の冷却ライン３２ａ（及びポンプ３４）、熱交換器３３、他方の冷却ライン３２ｂからなる環状の予備冷却回路３５が形成され、内部に封入された絶縁流体がポンプ３４の駆動により循環する。
【００３５】
熱交換器３３は一対の冷却ライン３６ａ，３６ｂを介してラジエータ３７（放熱器）と接続され、一方の冷却ライン３６ａにはポンプ３８が介装され、他方の冷却ライン３６ｂには充電器３１が介装されている。結果として熱交換器３３、一方の冷却ライン３６ａ（及びポンプ３８）、ラジエータ３７、他方の冷却ライン３６ｂ（及び充電器３１）からなる環状の充電補機冷却回路１８が形成され、内部に封入された水（冷却液）がポンプ３８の駆動により循環する。一方の冷却ライン３６ａに介装された切換弁３９はバイパス路４０を介して他方の冷却ライン３６ｂと接続され、切換弁３９の切換に応じて水がラジエータ３７を流通或いはバイパスする。
【００３６】
充電中の２次電池３が発生する熱により予備冷却回路３５の絶縁流体は加熱されて熱交換器３３へと移送され、充電補機冷却回路１８を循環する水は熱交換器３３で絶縁流体との熱交換により加熱されると共に、充電器３１が発生する熱によっても加熱され、その後にラジエータ３７により放熱される。以上の過程を送り返すことにより２次電池３及び充電器３１が冷却されて温度上昇を抑制される。なお、予備冷却回路３５で絶縁流体により２次電池３を冷却しているのは、水漏れ発生時の感電等のトラブル防止のためである。
【００３７】
次いで電気系統について述べると、２次電池３と充電器３１とは電気的に接続されており、充電器３１には充電ソケット３１ａが備えられている。２次電池３の充電は充電ステーション等で実施され、充電ステーションに備えられた外部電源４１の充電プラグ４１ａを充電ソケット３１ａに接続することにより、外部電源４１からの交流電力が充電器３１により直流電力に変換されて２次電池３に充電される。２次電池３にはDC-DCコンバータ４２を介して補機駆動用の低電圧の補助２次電池４３が接続されている。
【００３８】
２次電池３からの電力がDC-DCコンバータ４２により降圧されて補助２次電池４３に適宜充電され、これにより補助２次電池４３が所定のＳＯＣに保たれる。補助２次電池４３は各回路１６〜１８，３５のポンプ２２，２８，３４，３８及び温水ヒータ２７等の補機類と電気的に接続されており、これらの補機類の作動に必要な電力を供給するようになっている。なお、補助２次電池４３は他の補機類にも電力供給しているが、本発明の要旨とは関係ないため説明を省略する。
【００３９】
そして、以上のように構成された温水回路１７及び充電補機冷却回路１８の熱を燃料電池４ａの暖機に利用するために、これらの温水回路１７及び充電補機冷却回路１８は、以下に述べるように接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂを介してＦＣ冷却回路１６と接続されている。
温水回路１７の一方の温水ライン２６ａには一対の切換弁４５ａ，４５ｂが介装され、これらの切換弁４５ａ，４５ｂは、ＦＣ冷却回路１６の一方の冷却ライン２０ａに介装された一対の切換弁４６ａ，４６ｂに対し接続路４７ａ，４７ｂを介して接続されている。同様に、充電補機冷却回路１８の一方の冷却ライン３６ａには一対の切換弁４８ａ，４８ｂが介装され、これらの切換弁４８ａ，４８ｂは、ＦＣ冷却回路１６の一方の冷却ライン２０ａに介装された一対の切換弁４９ａ，４９ｂに対し接続路５０ａ，５０ｂを介して接続されている。
【００４０】
通常時の各切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂは、冷却ライン２０ａ，３６ａや温水ライン２６ａでの水の流通を許容する方向に切り換えられており、温水回路１７及び充電補機冷却回路１８はＦＣ冷却回路１６から切り離されている（非連通状態）。これにより各切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂでは図中の矢印Ａ方向に水が流通し、暖房のための温水回路１７での温水の循環、或いは２次電池３や充電器３１の冷却のための充電補機冷却回路１８での水の循環がなされる。以下、このときの各切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂの切換状態をＡ側と表現する。
【００４１】
また、このＡ側から各切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂが接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂ側に切り換えられると、温水回路１７や充電補機冷却回路１８は接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂを介してＦＣ冷却回路１６と連通し、１つの大きな回路を形成する。
例えば温水回路１７の各切換弁４５ａ,４５ｂ及び対応するＦＣ冷却回路１６の各切換弁４６ａ,４６ｂが接続路４７ａ,４７ｂ側に切り換えられると、図中の矢印Ｂ方向に水が流通する。ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２から吐出された水は、切換弁４６ａ、接続路４７ａ、切換弁４５ａを経て温水回路１７に移送され、ポンプ２８から熱交換器２５を流通或いはバイパスして温水ヒータ２７により加熱された後、切換弁４５ｂ、接続路４７ｂ、切換弁４６ｂを経てＦＣ冷却回路１６に戻され、燃料電池４ａを流通して昇温する。
【００４２】
なお、このとき温水回路１７のポンプ２８は作動させてもよいし、温水の流通を妨げることが無ければ停止させたままとしてもよい。また、温水回路１７のポンプ２８を作動させる場合には、ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２を停止させてもよい。
同様に、充電補機冷却回路１８の各切換弁４８ａ,４８ｂ及び対応するＦＣ冷却回路１６の各切換弁４９ａ,４９ｂが接続路５０ａ,５０ｂ側に切り換えられると、図中の矢印Ｂ方向に水が流通する。ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２から吐出された水は、切換弁４９ａ、接続路５０ａ、切換弁４８ａを経て充電補機冷却回路１８に移送され、ラジエータ３７を流通或いはバイパスして充電器３１により加熱され、さらに熱交換器３３により加熱され、ポンプ３４から切換弁４８ｂ、接続路５０ｂ、切換弁４９ｂを経てＦＣ冷却回路１６に戻され、燃料電池４ａを流通して昇温する。以上の接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂ側に切り換えられたときの各切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂの切換状態をＢ側と表現する。
【００４３】
なお、このとき充電補機冷却回路１８のポンプ３８は作動させてもよいし、水の流通を妨げることが無ければ停止させたままとしてもよい。また、充電補機冷却回路１８のポンプ３８を作動させる場合には、ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２を停止させてもよい。
次に、以上のような回路構成を利用して車両ＥＣＵ１３により実行される燃料電池４ａの暖機処理について説明する。
【００４４】
図３は車両ＥＣＵ１３が実行する暖機制御ルーチンを示すフローチャートであり、２次電池３の充電中に当該ルーチンが所定の制御インターバルで実行される。
まず、ステップＳ１で燃料電池４ａの温度Ｔfcが、２次電池３の温度Ｔbと充電器の温度Ｔcとの何れか高い側以上であるか否かを判定する。判定がＹes（肯定）のときには、ステップＳ２でＦＣ冷却回路１６のポンプ２２を停止保持（ＦＣ停止で既に停止）すると共に、全ての切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂをＡ側に切り換えて、温水回路１７及び充電補機冷却回路１８を共にＦＣ冷却回路１６から切り離す。充電開始の当初には２次電池３も充電器３１も熱をほとんど発生しておらず、充電補機冷却回路１８を循環する水も低温のため、この状態で充電補機冷却回路１８をＦＣ冷却回路１６に連通させることにより、かえって燃料電池４ａの温度を低下させてしまう事態を回避する処理である。
【００４５】
なお、ＦＣ冷却回路１６と充電補機冷却回路１８とは水を媒体として熱交換することから、燃料電池４ａの温度Ｔfcに代えてＦＣ冷却回路１６の水温を用い、２次電池３及び充電器３１の温度Ｔb,Ｔcに代えて充電補機冷却回路１８の水温を用いてもよい。これらのＦＣ冷却回路１６の水温も本発明の燃料電池４ａの温度に含まれ、充電補機冷却回路１８の水温も本発明の２次電池３の温度に含まれるものとする。
【００４６】
また、充電により２次電池３や充電器３１の温度Ｔb,Ｔcが次第に上昇してステップＳ１の判定がＮo（否定）になると、それらの熱を利用して燃料電池４ａを暖機可能と判断し、ステップＳ３に移行して燃料電池４ａの温度Ｔfcが予め設定された第１判定値Ｔ1以上であるか否かを判定する。ステップＳ３の判定がＹesのときにはステップＳ４に移行し、ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２の作動を開始した上で、充電補機冷却回路１８の各切換弁４８ａ,４８ｂ、及び対応するＦＣ冷却回路１６の各切換弁４９ａ,４９ｂをＢ側に切り換える。これにより、充電補機冷却回路１８が接続路５０ａ,５０ｂを介してＦＣ冷却回路１６と連通する。同時に充電補機冷却回路１８の水がラジエータ３７を流通するように切換弁３９を切り換える。
【００４７】
第１判定値Ｔ1はある程度高い温度、例えば３０℃に設定されているため、この場合の燃料電池４ａはそれほど早急に暖機する必要がないと見なせる。よって、まず充電補機冷却回路１８で発生した熱だけにより燃料電池４ａを暖機すると共に、ラジエータ３７での放熱により水の温度上昇を適度に抑制して、２次電池３及び充電器３１の保護を図っているのである。
【００４８】
また、ステップＳ３の判定がＮoのときにはステップＳ５に移行し、燃料電池４ａの温度Ｔfcが予め設定された第２判定値Ｔ2（＜Ｔ1）以上であるか否かを判定する。ステップＳ５の判定がＹesのときにはステップＳ６に移行し、ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２の作動を開始した上で、充電補機冷却回路１８の各切換弁４８ａ,４８ｂ、及び対応するＦＣ冷却回路１６の各切換弁４９ａ,４９ｂをＢ側に切り換えると共に、充電補機冷却回路１８を循環中の水がラジエータ３７をバイパスするように切換弁３９を切り換える。
【００４９】
第２判定値Ｔ2は比較的低い温度、例えば５℃に設定されているため、この場合の燃料電池４ａはある程早急に暖機する必要があると見なせる。上記ステップＳ４の場合と同様に、充電補機冷却回路１８で発生した熱だけにより燃料電池４ａを暖機するが、ラジエータ３７での放熱が中止されるため燃料電池４ａの暖機はより促進される。
以上のステップＳ１〜７の処理を実行するときの車両ＥＣＵ１３が、本発明の暖機制御手段として機能する。
【００５０】
また、ステップＳ５の判定がＮoのときにはステップＳ７に移行し、ステップＳ６と同じく、ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２の作動を開始した上で、充電補機冷却回路１８の各切換弁４８ａ,４８ｂ、及び対応するＦＣ冷却回路１６の各切換弁４９ａ,４９ｂをＢ側に切り換えると共に、充電補機冷却回路１８を循環中の水がラジエータ３７をバイパスするように切換弁３９を切り換える。続くステップＳ８では温水ヒータ２７をＯＮした上で、温水回路１７の各切換弁４５ａ,４５ｂ、及び対応するＦＣ冷却回路１６の各切換弁４６ａ,４６ｂをＢ側に切り換えると共に、温水回路１７を循環中の水が熱交換器２５をバイパスするように切換弁２９を切り換える。
【００５１】
これにより、温水回路１７及び充電補機冷却回路１８が共に接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂを介してＦＣ冷却回路１６と連通し、双方の回路１７，１８において熱交換器２５やラジエータ３７の放熱が中止される。この場合には燃料電池４ａの温度Ｔfcが第１判定値Ｔ1未満のため、燃料電池４ａを早急に暖機する必要があるが、温水回路１７及び充電補機冷却回路１８の双方で発生した全ての熱が、熱交換器２５やラジエータ３７で放熱されずに燃料電池４ａの暖機に無駄なく利用されることから、燃料電池４ａは迅速に暖機される。
【００５２】
このように２次電池３の充電開始の当初において、２次電池３や充電器３１の熱で燃料電池４ａを暖機可能な場合には、燃料電池４ａの温度Ｔfcに応じてステップＳ４、ステップＳ６またはステップＳ７，８の何れかの処理により燃料電池４ａが暖機される。そして、燃料電池４ａの暖機が進行して温度Ｔfcが上昇すると、ステップＳ７，８からステップＳ６、さらにステップＳ４の処理に切り替わる。本実施形態の２次電池３及び充電器３１の仕様では、充電時に発生する熱により燃料電池４ａを定格温度まで昇温可能であると共に、定格温度で平衡状態となって温度上昇が抑制される。よって、ステップＳ４の処理の実行中に燃料電池４ａの暖機が完了すると共に、その時点の燃料電池４ａの温度が保たれ、その状態で２次電池３の充電が終了する。
【００５３】
但し、これに限るものではなく、例えば充電中の２次電池３及び充電器３１が発生する熱だけで燃料電池４ａが定格温度を超えてしまう場合には、予め設定した上限温度で燃料電池４ａの暖機を終了するようにしてもよい。
以上詳述したように本実施形態の車両用燃料電池４ａの暖機装置によれば、充電中の２次電池３及び充電器３１が発生する熱により燃料電池４ａを暖機しており、無駄に大気中に捨てられる熱を利用することから、暖機を実施するための運用コストは全く必要としない。
【００５４】
また、充電中の２次電池３及び充電器３１は多量の熱を発生するため、本来はステップＳ４またはステップＳ６の処理だけで十分に迅速に燃料電池４ａを暖機できる。その意味で、ステップＳ８の温水回路１７の熱を利用した処理は補助的なものであり、必ずしも実施する必要はない。そして、このように２次電池３及び充電器３１が発生する多量の熱を利用して燃料電池４ａを迅速に暖機でき、しかも、このときの暖機は２次電池３の充電と並行して実施される。よって、２次電池３の充電中に燃料電池４ａの暖機を完了でき、結果として２次電池３の充電完了と共に即座に電動車両１の走行を開始することができる。
【００５５】
なお、特に２次電池３は充電器３１よりも多量の熱を発生するため、充電中の２次電池３の熱だけで燃料電池４ａを暖機するようにしてもよい。その場合には、充電補機冷却回路１８から充電器３１を除外またはバイパスさせればよい。
また、ＦＣ冷却回路１６に備えられた既存のポンプ２２を利用して、接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂを介して充電補機冷却回路１８や温水回路１７とＦＣ冷却回路１６との間で水を移送している。このため、充電補機冷却回路１８や温水回路１７で加熱された水を迅速且つ確実にＦＣ冷却回路１６に導くことができ、この要因も迅速な暖機完了に貢献する。
【００５６】
但し、ポンプ２２は必ずしも必要ではなく、切換弁４５ａ,４５ｂ,４６ａ,４６ｂ,４８ａ,４８ｂ,４９ａ,４９ｂのＢ側への切換により充電補機冷却回路１８や温水回路１７とＦＣ冷却回路１６とを接続路４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂを介して連通させた上で、自然対流を利用して水を移送するようにしてもよい。特に充電補機冷却回路１８や温水回路１７の直上にＦＣ冷却回路１６を配置したレイアウトでは、加熱された水が自然対流によって上方のＦＣ冷却回路１６に移送されるため、ポンプ無しでも十分に燃料電池４ａを暖機できる。
【００５７】
また、充電により２次電池３や充電器３１の温度Ｔb,Ｔc２が上昇して何れかが燃料電池４ａの温度Ｔfc以上になった時点で、ＦＣ冷却回路１６のポンプ２２の作動を開始すると共に、接続路５０ａ,５０ｂを介して充電補機冷却回路１８をＦＣ冷却回路１６と連通させている。よって、充電開始当初の低温の水がＦＣ冷却回路１６に移送されて燃料電池４ａの温度を低下させてしまう事態を未然に回避でき、より効率的な燃料電池４ａの暖機を実現することができる。
【００５８】
また、予備冷却回路３５で絶縁流体により２次電池３を冷却し、その絶縁流体と充電補機冷却回路１８の水との間で熱交換器３３を介して熱交換している。従って、水漏れ発生時の感電等のトラブルを防止できると共に、このような形式の燃料電池システムであっても、２次電池３や充電器３１の熱を利用した燃料電池４ａの暖機を実現することができる。
【００５９】
また、燃料電池４ａが第１判定値Ｔ1以上のときには充電補機冷却回路１８の水をラジエータ３７に流通させ、燃料電池４ａが第１判定値Ｔ1未満のときには水をラジエータ３７に対しバイパスさせている。水のラジエータ３７への流通時には２次電池３や充電器３１の温度上昇を抑制して確実に保護でき、ラジエータ３７のバイパス時には燃料電池４ａの暖機をより促進できることから、その時点の燃料電池４ａの温度に応じた最適な内容で暖機制御を実施することができる。
【００６０】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、充電補機冷却回路１８で２次電池３や充電器３１が発生した熱のみならず、温水回路１７の熱も燃料電池４ａの暖機に利用したが、温水回路１７の熱は利用しなくてもよい。
また上記実施形態では、２次電池３を絶縁流体により冷却する構成としたが、これに代えて充電補機冷却回路１８の水で２次電池３を直接的に冷却するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１  電動車両
３  ２次電池
４ａ  燃料電池
１３  車両ＥＣＵ（暖機制御手段）
１６  ＦＣ冷却回路（冷却回路）
１８  充電補機冷却回路（冷却回路）
２２  ポンプ
３１  充電器
３３  熱交換器
３７  ラジエータ（放熱器）
４７ａ,４７ｂ,５０ａ,５０ｂ  接続路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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