(57)【要約】【課題】本発明では、冷却水の流路を切り替える際に発生する圧力損失による影響をなくし、燃料電池を効率的に冷却することができる燃料電池の冷却装置を提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池の冷却装置は、循環流路Ａとバイパス循環流路Ｂとを切り替える流路切替バルブ８と、この流路切替バルブ８が切り替わったことを検知する温度センサ１１と、この温度センサ１１の検知結果に応じて循環ポンプ５の流量指令値を変化させ、燃料電池スタック１へ供給する冷却水の流量を燃料電池スタック１の必要流量に制御するＥＣＵ９とを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環ポンプによって燃料電池とラジエータ間に冷却水を循環させる循環流路と、前記ラジエータをバイパスして前記燃料電池に前記冷却水を循環させるバイパス循環流路と、前記バイパス循環流路と循環流路を切り替える流路切替手段とを備えた燃料電池の冷却装置において、
前記流路切替手段が切り替わったことを検知する流路切替検知手段と、
前記流路切替検知手段の検知結果に応じて前記循環ポンプへの流量指令値を変化させることにより、前記燃料電池へ供給する冷却水の流量を前記燃料電池の必要流量に制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
【請求項２】
前記流量制御手段は、
前記燃料電池の発電電力に基づいて前記燃料電池の冷却に必要な冷却水の必要流量を設定し、
前記流路切替手段によって前記バイパス循環流路に切り替えられたときには前記冷却水の必要流量に基づいて第１の回転速度指令値を設定し、
前記流路切替手段によって前記循環流路に切り替えられたときには前記冷却水の必要流量に基づいて前記第１の回転速度指令値よりも大きな第２の回転速度指令値を設定して前記循環ポンプを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池をラジエータで冷却された冷却水で冷却する燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車は電気自動車の一種であり、搭載した燃料電池から電力の供給を受け、走行モータを駆動するものである。燃料電池は、空気供給系から酸化剤ガスとしての空気の供給を受けると共に、水素供給系から燃料ガスとしての水素の供給を受け、その酸素と水素との電気化学反応により発電し、発電した電力を走行モータ他、コンプレッサ等の補機類から成る電力消費系に供給している。
【０００３】
ところで、前記した燃料電池は、発電時の発電量に応じて発熱が生じる。このため、燃料電池自動車では、発電時に生じる熱をラジエータで冷却された冷却水を循環させることによって放出している。更に、この燃料電池は、燃料電池の低温起動時等に冷却水の流路を切り替えることでラジエータをバイパスし、燃料電池の発電時に生じる熱を外部に放出しないようにしている（特許文献１参照）。このように、燃料電池自動車の冷却系は、燃料電池とラジエータの間に設けられる循環流路に冷却水を循環ポンプで循環させ、この冷却水に燃料電池の発電に伴った発熱を伝熱し、冷却水の温度を調整することによって燃料電池の温度を調整する機能を備えている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２２号公報（第４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで前記した従来技術によれば、冷却水の水温などに応じて冷却水の流路が切り替えられるため燃料電池の温度を効率的に調整できるが、この流路をラジエータ側の流路に切り替えたときに発生するラジエータの圧力損失については考慮されていない。
具体的には、低温時にラジエータを通らない冷却水が高温時にラジエータを通るため、前者に比較して後者は圧力損失が大きくなり、循環ポンプに対して同じ指令値を出力しても燃料電池へ供給される流量は少なくなる。従って、流路切替バルブが切り替わったときに冷却水の流量が不足して燃料電池が冷却不足に陥ることも考えられる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、流路切替バルブの切替時に発生する圧力損失による影響をなくすことで、燃料電池を効率的に冷却することができる燃料電池の冷却装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために請求項１に記載の発明は、循環ポンプによって燃料電池とラジエータ間に冷却水を循環させる循環流路と、前記ラジエータをバイパスして前記燃料電池に前記冷却水を循環させるバイパス循環流路と、前記バイパス循環流路と循環流路を切り替える流路切替手段とを備えた燃料電池の冷却装置において、前記流路切替手段が切り替わったことを検知する流路切替検知手段と、前記流路切替検知手段の検知結果に応じて前記循環ポンプへの流量指令値を変化させることにより、前記燃料電池へ供給する冷却水の流量を前記燃料電池の必要流量に制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、流量制御手段が、流路切替検知手段の検知結果に応じて循環ポンプへの流量指令値を変化させ、燃料電池へ供給する冷却水の流量を燃料電池の必要流量に制御する。したがって、バイパス循環流路から循環流路に切り替えたときに流量制御手段が冷却水の流量を変化させることで、ラジエータでの圧力損失を考慮し、流量の過不足なく冷却水を燃料電池へ供給することができるので、燃料電池を効率的に冷却することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の冷却装置において、前記流量制御手段は、前記燃料電池の発電電力に基づいて前記燃料電池の冷却に必要な冷却水の必要流量を設定し、前記流路切替手段によって前記バイパス循環流路に切り替えられたときには前記冷却水の必要流量に基づいて第１の回転速度指令値を設定し、前記流路切替手段によって前記循環流路に切り替えられたときには前記冷却水の必要流量に基づいて前記第１の回転速度指令値よりも大きな第２の回転速度指令値を設定して前記循環ポンプを制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、流量制御手段は、流路切替手段によってバイパス流路に切り替えられたときには第１の回転速度指令値を設定し、循環流路に切り替えられたときには第１の回転速度指令値よりも大きな第２の回転速度指令値を設定して循環ポンプを制御する。そのため、冷却水がラジエータを通ったときには、その圧力損失を考慮した分だけ冷却水の流量が増加されるので、流路切替手段がいずれの状態にあっても燃料電池の要求する流量（必要流量）を正確に供給できるため、燃料電池スタックの冷却不足を確実に防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明における燃料電池の冷却装置の一実施形態を示す図である。図１において、燃料電池スタック１は、固体高分子型燃料電池を複数積層したもので、空気供給系２から酸化剤ガスとしての空気の供給を受けると共に、水素供給系３（水素タンクＨ２）から燃料ガスとしての水素の供給を受け、酸素と水素との電気化学反応により発電する。発電した電力は、空気供給系２のスーパーチャージャ（Ｓ／Ｃ）４、燃料電池冷却系（冷却装置）１０の循環ポンプ（Ｗ／Ｐ）５、ラジエータ６に空気を送るラジエータファン７等の補機類に供給される他、図示せぬ走行モータなどの電力消費系に供給される。
【００１２】
なお、冷却水の循環経路は２通り存在し、循環ポンプ５によって燃料電池スタック１とラジエータ６間に冷却水を循環させる循環流路Ａと、ラジエータ６をバイパスして燃料電池に前記冷却水を循環させるバイパス循環流路Ｂが存在する。そして、流路切替バルブ（流路切替手段）８が冷却水の温度によってバルブの開閉制御を行うことで循環流路Ａ（高温時）とバイパス循環流路Ｂ（低温時）を切り替えて前記冷却水を循環させる構成になっている。
ここで、ラジエータ６は、ラジエータファン７によって取り込まれる外気（たとえば、走行風など）と循環流路Ａを循環する冷却水との間で熱交換を行う熱交換面を有し、熱交換面での循環流路Ａはたとえば蛇行形状や並列に分岐する形状に形成され、熱交換面積を広く取れるような構成になっている。このように、ラジエータ６を循環する循環流路Ａの圧力損失は、ラジエータ６をバイパスするバイパス循環流路Ｂの圧力損失に対して大きくなっている。
【００１３】
この流路切替バルブ８は、サーモスタットによって開閉する（流路を切り替える）サーモスタットバルブであり、ラジエータ６を通る循環流路Ａを遮断する位置に取り付けられている。流路切替バルブ８は、冷却水が所定の温度以上になったときに開いて循環流路Ａを選択し、所定の温度以下になったときに閉じてバイパス流路Ｂを選択して冷却水を循環させるように制御している。
【００１４】
また、この流路切替バルブ８の近傍には、温度センサ（流路切替検知手段）１１が設けられている。この温度センサ１１は、流路切替バルブ８近傍の冷却水の温度を検知することで、この流路切替バルブ８が切り替わったことを検知している。
【００１５】
本発明における燃料電池の冷却装置は、電力制御ユニットであるＥＣＵ９によって制御され、ＥＣＵ９は、流路切替バルブ８の切替状態に応じて循環ポンプ５への流量指令値を変化させ、燃料電池スタック１へ供給する冷却水の流量を燃料電池の必要流量に制御する流量制御手段として機能する。なお、流路切替バルブ８は、本実施形態のようなサーモスタットバルブ以外に、このＥＣＵ９によって制御可能な可変バルブ（電磁バルブ）で代用しても良い。この場合は、可変バルブは、循環流路Ａとバイバス流路Ｂのそれぞれに取り付けられ、ＥＣＵ９によってその開閉（流路切替）が電気的に正確に制御されることとなる。
【００１６】
図２、図３は、本実施形態の動作を説明するために引用した図であり、流量制御手段として機能するＥＣＵ９の処理手順をフローチャートで示した図、その際に使用するマップのそれぞれを示す。
以下、図２、図３を参照しながら図１に示す本発明における燃料電池の冷却装置の動作について詳細に説明する。
【００１７】
図２に示すように、ＥＣＵ９は、まず、図３（ａ）に示すマップを参照して燃料電池スタック１を好適に冷却するのに必要な冷却水の流量（以下、この流量を燃料電池スタック１が要求する流量として「スタック要求流量（必要流量）」という。）を決定する（ステップＳ２１）。このとき使用するマップは、図３（ａ）に示されるように、燃料電池の発電電力である発電電流量（ＩＦＣ）とスタック要求流量との関係が定義されたものであり、燃料電池によって発電される発電電流量が大きければ、燃料電池の発熱量が増加し、それにつれて要求されるスタック要求流量も大きくなっている。
なお、本実施形態では発電電流量（ＩＦＣ）と必要流量の関係のマップを用いているが、発電電流量（ＩＦＣ）に代えて、燃料電池から所定の発電量を取り出すための発電指令値（目標発電量）を用いても同様のマップとなる。このような発電指令値に応じたマップを用いた場合は、燃料電池の発熱量が予測できるので、その発熱量に見合った必要流量を燃料電池の発熱前に設定することができる。また、本実施形態のような発電電流量に応じたマップを用いた場合は、燃料電池の発熱量が正確にわかるので、この正確に算出された発熱量に応じて必要流量を正確に設定することができる。
【００１８】
次に、冷却水の温度を温度センサ１１で計測することにより流路切替バルブ８の状態がチェックされる（ステップＳ２２，Ｓ２３）。ここでは、冷却水温度が所定値を越えたか否かをチェックすることにより流路切替バルブ８が開いているか否か（流路として循環流路Ａが選択されているか否か）をチェックしている。そして、流路切替バルブ８が開いている（循環流路Ａが選択されている）ことが確認されると（ステップＳ２３“Ｙｅｓ”）、図３（ｂ）に示すマップＸを参照してステップＳ２１で決定されたスタック要求流量に基づき循環ポンプ５の回転速度指令値（第２の回転速度指令値）を検索し設定する（ステップＳ２４）。また、流路切替バルブ８が閉じている（バイパス循環流路Ｂが選択されている）ことが確認されると（ステップＳ２３“Ｎｏ”）、図３（ｂ）に示すマップＹを参照してステップＳ２１で決定されたスタック要求流量に基づき循環ポンプ５の回転速度指令値（第１の回転速度指令値）を検索し設定する（ステップＳ２５）。そして、検索の結果得られる回転速度指令値を最終指令値（流量指定値）として決定し（ステップＳ２６）、この最終指令値を循環ポンプ５に出力して冷却水の流量を制御する。
【００１９】
図３（ｂ）に示すマップは、スタック要求流量（Ｌ／ｍｉｎ）と、循環ポンプ５に対する回転速度指令値（ｒｐｍ）との関係が定義されたものである。また、このマップは、冷却水がラジエータ６を通ることでその圧力損失が大きくなる場合に参照されるマップＸと、冷却水がラジエータをバイパスすることでその圧力損失が小さくなる場合に参照されるマップＹとの２種類のマップを含んで構成されている。そして、このマップＸで設定する回転速度指令値は、マップＹで設定する回転速度指令値に比較してラジエータ６での圧力損失を考慮した分だけ高く設定されている。このため、冷却水がラジエータ６を通るときには循環ポンプ５に対して高い回転速度指令値が与えられるので、圧力損失による燃料電池への流量不足を防止することができ、燃料電池の必要流量を確保できる。
【００２０】
以上によれば、流路切替バルブ８でバイパス循環流路Ｂから循環流路Ａに切り替えたとき、すなわち冷却水がラジエータ６を通ったときには、ＥＣＵ９がマップＸを参照して冷却水の流量を増加するように循環ポンプ５を制御するので、ラジエータ６での圧力損失を考慮し、流量の過不足なく冷却水を燃料電池へ供給することができ、燃料電池を効率的に冷却することができる。
【００２１】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、流路切替検知手段として温度センサ１１を採用したが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、流路切替手段としてソレノイドにより弁を開閉する可変バルブを採用した場合は、この可変バルブのソレノイドの動きを検知することで流路の切り替えを検知するセンサなどを利用してもよい。この構造によれば、可変バルブの開閉を直接検知することができるので、確実に流路の切り替えが行われたか否かを把握することができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、流量制御手段が、流路切替検知手段の検知結果に応じて循環ポンプへの流量指令値を変化させることで燃料電池へ供給する冷却水の流量を燃料電池の必要流量に制御するので、ラジエータでの圧力損失を考慮し、流量の過不足なく冷却水を燃料電池へ供給することができ、燃料電池を効率的に冷却することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、流量制御手段は、流路切替手段によってバイパス流路に切り替えられたときには第１の回転速度指令値を設定し、循環流路に切り替えられたときには第１の回転速度指令値よりも大きな第２の回転速度指令値を設定して循環ポンプを制御する。そのため、冷却水がラジエータを通ったときには、その圧力損失を考慮した分だけ冷却水の流量が増加されるので、流路切替手段がいずれの状態にあっても燃料電池の要求する流量（必要流量）を正確に供給でき、燃料電池スタックの冷却不足を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の冷却装置を示す構成図である。
【図２】本実施形態における冷却装置の動作を説明するために引用したフローチャートである。
【図３】本実施形態において使用されるマップであり、発電電流量からスタック要求流量を決定するためのマップ（ａ）と、スタック要求流量から循環ポンプの回転速度指令値を決定するためのマップ（ｂ）である。
【符号の説明】
１              燃料電池スタック
５              循環ポンプ（Ｗ／Ｐ）
６              ラジエータ
８              流路切替バルブ（流路切替手段）
９              ＥＣＵ（流量制御手段）
１１            温度センサ（流路切替検知手段）
【図１】
2004178826.tif 000003
【図２】
2004178826.tif 000004
【図３】
2004178826.tif 000005