(57)【要約】【課題】システム起動時に冷却水による急激な温度変化が燃料電池に加わることを防止する。【解決手段】燃料電池１に冷却水を供給する前に、制御部５が、温度センサ９ｂ、９ｃを用いて、冷却器２内及びバイパス流路３ｃ内の冷却水の温度を検出する。制御部５は、検出した温度に従って、冷却器２からの冷却水とバイパス流路３ｃからの冷却水との混合比を三方弁８で制御して、燃料電池１へ供給される冷却水温度を適正な範囲にする。これにより、例えば極度に高温又は低温の冷却水が燃料電池１に供給されることを防ぐことができるので、システム起動時に冷却水によって燃料電池１に急激な温度変化が加わることを防止することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に電力を供給する燃料電池と、
冷却水を冷却する冷却器と、
前記燃料電池と前記冷却器との間で冷却水を循環させる冷却水流路と、
前記冷却器をバイパスして冷却水を流すバイパス流路と、
前記冷却器を流れる冷却水流量と前記バイパス流路を流れる冷却水流量との比率を変化させる三方弁と、
前記冷却器内の冷却水温度に関する情報を検出する第１温度センサと、
前記バイパス流路内の冷却水温度に関する情報を検出する第２温度センサと、
前記冷却水の循環を開始する前に、第１温度センサの検出値及び第２温度センサの検出値に基づいて、前記三方弁の初期開度を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、第１温度センサによる前記冷却器内の冷却水温度が所定の下限温度より低い場合には、前記冷却器の冷却水流量より前記バイパス流路の冷却水流量の比率が大きくなるように前記三方弁の開度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システム。
【請求項３】
前記所定の下限温度は、前記燃料電池内部の温度より所定値低い温度であること
を特徴とする請求項２に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、第２温度センサによる前記バイパス流路内温度が所定の上限温度より高い場合には、前記バイパス流路の冷却水流量より前記冷却器の冷却水流量の比率が大きくなるように前記三方弁の開度を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定の上限温度は、前記燃料電池内部の温度より所定値高い温度であること
を特徴とする請求項４に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、第１温度センサによる前記冷却器内の冷却水温度と、第２温度センサによる前記バイパス流路内の冷却水温度と、前記冷却器の圧損と、前記バイパス流路の圧損とに従って、前記三方弁の開度を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記燃料電池に供給される冷却水の温度が燃料電池の温度となるように前記三方弁の開度を制御すること
を特徴とする請求項６に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の温度は、燃料電池出口付近における冷却水の温度であること
を特徴とする請求項７に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項９】
第１温度センサは、前記冷却器の出口付近における冷却水の温度を検出して前記冷却器内の冷却水温度とすること
を特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記冷却水の循環開始後、前記燃料電池の発電量に基づいて燃料電池に供給すべき冷却水の目標温度を算出し、
第１温度センサが検出した前記冷却器内の冷却水温度及び第２温度センサが検出した前記バイパス流路内の冷却水温度を参照して、前記燃料電池に供給する冷却水温度が前記目標温度となるように前記三方弁の開度を制御すること
を特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の車両用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に電力を供給する車両用燃料電池システムに係り、特に、起動時の熱的な衝撃を抑制することができる車両用燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池を利用して車両を駆動させる車両用燃料電池システムに関する研究が盛んに行われている。このような車両用燃料電池システムでは、冷却水のバイパス経路をラジエタ（冷却器）に対して並列に配設し、切り換え弁によって冷却水の流路をラジエタとバイパス流路とを選択的に切り換えることにより、燃料電池の運転温度を適正な状態に保持している（例えば、特許文献１）。
【０００３】
より具体的には、この車両用燃料電池システムでは、例えば燃料電池の起動時等、燃料電池の冷却水温度が所定の温度よりも低い時には、切り換え弁を制御して冷却水の全量をバイパス経路側に流すことにより速やかに燃料電池の暖機を行い、暖機完了後は、燃料電池の発熱量とラジエタの放熱量とのバランスに従って切り換え弁を制御することにより、燃料電池の運転温度を適正な状態に保持する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２１号公報（第４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の車両用燃料電池システムでは、燃料電池の暖機を行う際、冷却水の全量がバイパス経路を流れるために、ラジエタ内には燃料電池からの暖かい冷却水が流れ込まず、燃料電池の内部温度が上昇してもラジエタ内の冷却水温度は上昇せず低い状態が続いていた。そして、このような状態で車両用燃料電池システムの動作を停止させた場合には、燃料電池の内部温度は、暖機途中であったことから冷却水の温度よりもさらに高くなる。
【０００６】
従って、従来の車両用燃料電池システムによれば、例えば外気温が非常に低い状況下で且つ、燃料電池の内部温度が暖機終了温度近くまで上昇している時に、車両用燃料電池システムが停止し、その後再起動された場合には、ラジエタ内の冷え切った冷却水が燃料電池内に一気に供給され、燃料電池の電解質膜やスタックシール等の部材がサーマルショック（熱衝撃）によって劣化するという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車両用燃料電池システムは、上記問題点を解決するため、車両に電力を供給する燃料電池と、冷却水を冷却する冷却器と、前記燃料電池と前記冷却器との間で冷却水を循環させる冷却水流路と、前記冷却器をバイパスして冷却水を流すバイパス流路と、前記冷却器を流れる冷却水流量と前記バイパス流路を流れる冷却水流量との比率を変化させる三方弁と、前記冷却器内の冷却水温度に関する情報を検出する第１温度センサと、前記バイパス流路内の冷却水温度に関する情報を検出する第２温度センサと、前記冷却水の循環を開始する前に、第１温度センサの検出値及び第２温度センサの検出値に基づいて、前記三方弁の初期開度を制御する制御部と、を備えたことを要旨とする車両用燃料電池システムである。
【０００８】
【発明の効果】
本発明に係る車両用燃料電池システムによれば、システム起動時に燃料電池に冷却水を循環させる前に、冷却器内及びバイパス流路内の冷却水の温度を検出し、検出した温度に従って三方弁の初期開度を調整することにより、燃料電池へ流入する冷却水の温度を制御するので、燃料電池がサーマルショックを受けて劣化することを防止できるという効果がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、例えば図１に示すような車両用燃料電池システムに適用することができる。
【００１０】
［車両用燃料電池システムの構成］
図１において、本実施形態の車両用燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて車両に供給する電力を発生させる燃料電池１と、冷却水の熱をシステム外へ放熱して冷却水を冷却するラジエータ等の冷却器２と、燃料電池１と冷却器２との間で冷却水を循環させる冷却水流路３と、冷却器２をバイパスして冷却水を流すバイパス流路３ｃと、冷却水流路３内で冷却水を循環させる循環ポンプ４と、冷却器２を流れる冷却水流量とバイパス流路３ｃを流れる冷却水流量との比率を変化させる三方弁８と、冷却器２内の冷却水温度として冷却器出口付近の冷却水温度を検出する第１温度センサである温度センサ９ｂと、バイパス流路３ｃ内の冷却水の温度を検出する第２温度センサである温度センサ９ｃと、冷却水の循環を開始する前に、温度センサ９ｂの検出値及び温度センサ９ｃの検出値に基づいて、三方弁８の初期開度を制御する制御部５と、を備えている。
【００１１】
燃料電池１は、固体高分子膜等の電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対向配置された構成となっている。また、冷却器２は、モータ６で駆動される冷却ファン７を備え、冷却ファン７により冷却器２へ送風することにより放熱効率を高めている。
【００１２】
冷却水流路３は、燃料電池１の内部に冷却水を流す燃料電池内流路３ａと、冷却器２の内部に冷却水を流す冷却器内流路３ｂとを備える。なお、ここでは図示していないが、バイパス流路３ｃにヒータ等の熱源を設け、燃料電池１内に加熱された水を流すことにより暖機を促進してもよい。
【００１３】
バイパス流路３ｃの上流側には、開度を変化させることにより冷却器２とバイパス流路３ｃとの冷却水の分流比率を制御する三方弁８が設けられている。
【００１４】
この実施形態では、三方弁８によるバイパス流路３ｃ側への分流比率を開度と呼び、開度が０％及び１００％の時にそれぞれ、冷却器２及びバイパス流路３ｃに冷却水を全量流すように構成されている。そして、制御部５から三方弁８に対して、開度０％から１００％までの間で所望の開度を設定できるようになっている。
【００１５】
また、燃料電池内流路３ａの下流側には、燃料電池１の温度を検出するための温度センサ９ａが設けられている。
【００１６】
制御部５には、温度センサ９ａ，９ｂ、９ｃがそれぞれ接続され、燃料電池内流路３ａ，冷却器内流路３ｂ，及びバイパス流路３ｃを流れる冷却水の温度を検出できるように構成されている。
【００１７】
このように、燃料電池１から出てくる冷却水の温度を検出し、冷却水の温度から燃料電池１の温度を推測できるようにすることにより、燃料電池１の内部に温度センサを新たに設ける必要性が無くなる。また、冷却器２から出てくる冷却水の温度を検出し、冷却水の温度から冷却器２の温度を推測できるようにすることにより、冷却器２の内部に温度センサを新たに設ける必要性が無くなる。
【００１８】
制御部５は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路により構成され、主な構成要素として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）５ａ，ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）５ｂ，ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）５ｃ，及び入出力ポート５ｄを備える。
【００１９】
ＲＯＭ５ａは、後述する開度制御処理を含む各種処理を定義するコンピュータプログラム及びデータ、各種設定値を記憶する。ＣＰＵ５ｂは、ＲＯＭ５ａ内に記憶されたコンピュータプログラムやデータを用いて各種処理を実行する。ＲＡＭ５ｂは、ＣＰＵ５ｂが各種処理を実行する際のワーキングエリアを提供する。入出力ポート５ｄは、温度センサ９ａ，９ｂ，９ｃが検出した温度情報をＲＡＭ５ｂ内に入力すると共に、ＣＰＵ５ｂが生成した制御信号を循環ポンプ４，モータ６，及び三方弁８に出力する。
【００２０】
［車両用燃料電池システムの動作］
上記システムでは、制御部５が、起動時及び燃料電池の暖機完了後にそれぞれ、以下に示す初期開度制御処理及び開度制御処理を実行することにより、燃料電池１の運転温度を適正な状態に保持する。以下、図２，図３に示すフローチャートを参照して、初期開度制御処理及び開度制御処理を実行する際の制御部５の動作について説明する。
【００２１】
なお、以下に示す制御部５の動作は、上記システムが起動されるのに応じて、制御部５が、ＲＯＭ５ａからＲＡＭ５ｃ内にロードしたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。
【００２２】
〔初期開度制御処理〕
次に、図２に示すフローチャートを参照して、燃料電池システムの起動時に制御部５が実行する三方弁の初期開度制御処理の動作について説明する。
【００２３】
まずステップＳ１の処理では、制御部５が、温度センサ９ａ，９ｂ，９ｃが検出した温度に従って、燃料電池内流路３ａ，冷却器内流路３ｂ，及びバイパス流路３ｃの冷却水の温度を検出する。
【００２４】
次いで、ステップＳ２の処理では、制御部５が、燃料電池内流路３ａ，冷却器内流路３ｂ，及びバイパス流路３ｃの冷却水の温度に従って、三方弁８の初期開度を決定する。
【００２５】
なお、上記ステップ２の処理では、具体的には、冷却器内流路３ｂの冷却水温度（以下、温度Ｔ１と表記）が所定温度（例えば２０℃）以下である場合、制御部５は、冷却器内流路３ｂよりもバイパス流路３ｃに冷却水を多く流すように、三方弁８の開度を大きな値（例えば９０％）に決定する。これにより、制御部５は、冷え切った冷却水が燃料電池１に供給されることを防止し、燃料電池１がサーマルショックを受けて劣化することを防止できる。
【００２６】
また、温度Ｔ１が燃料電池内流路３ａの冷却水の温度（以下、温度Ｔ３と表記）より所定温度（例えば２０℃）以上低かった場合には、制御部５は、冷却器内流路３ｂよりもバイパス流路３ｃに冷却水を多く流すように、三方弁８の開度を大きな値（例えば９０％）に決定する。これにより、制御部５は、冷え切った冷却水が燃料電池１に供給されることを防止し、燃料電池１がサーマルショックを受けて劣化することを防止できる。
【００２７】
また、バイパス流路３ｃの冷却水の温度（以下、温度Ｔ２と表記）が所定温度（例えば７０℃）以上である場合には、制御部５は、バイパス流路３ｃよりも冷却器経路３ｂに冷却水を多く流すように、三方弁８の開度を小さな値（例えば１０％）に決定する。これにより、制御部５は、高温の冷却水が燃料電池１に供給されることを防止し、燃料電池１がサーマルショックを受けて劣化することを防止できる。
【００２８】
また、温度Ｔ２が温度Ｔ３より所定温度（例えば２０℃）以上高かった場合には、制御部５は、バイパス流路３ｃよりも冷却器内経路３ｂに冷却水を多く流すように、三方弁８の開度を小さな値（例えば１０％）に決定する。これにより、制御部５は、高温の冷却水が燃料電池１に供給されることを防止し、燃料電池１がサーマルショックを受けて劣化することを防止できる。
【００２９】
さらに、冷却水流路３の圧損によって決まる流量特性と三方弁８の開度の関係を予め計測しておき、制御部５が、温度Ｔ１，Ｔ２，及び流量特性に基づいて、燃料電池内経路３ａに供給する冷却水の温度（以下、温度Ｔ４と表記）を推測し、温度Ｔ４が所定の温度以上になるように三方弁８の開度を決定してもよい。すなわち、この方法では、制御部５は、温度Ｔ１，Ｔ２と、冷却水が冷却器２及びバイパス流路３ｃ内を流れた時の冷却水流路３の圧損に従って、温度Ｔ４が所定の温度以上になるように三方弁８の開度を決定する。これにより、制御部５は、過度に高温若しくは低温である冷却水が燃料電池１に供給されることを防止し、燃料電池１がサーマルショックを受けて劣化することを防止できる。
【００３０】
また、上記のように圧損を考慮して三方弁８の開度を決定する場合には、制御部５は、温度Ｔ４が温度Ｔ３と同じなるように、三方弁８の開度を決定してもよい。これにより、制御部５は、過度に高温若しくは低温である冷却水が燃料電池１に供給されることを防止し、燃料電池１がサーマルショックを受けて劣化することを防止できる。
【００３１】
ステップＳ３の処理では、制御部５が、決定した開度に調整するように三方弁８を制御する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、一連の初期開度制御処理は終了する。
【００３２】
〔開度制御処理〕
次に、図３に示すフローチャートを参照して、三方弁の開度制御処理を実行する際の制御部５の動作について説明する。
【００３３】
図２に示すフローチャートは、上記システムの暖機完了後の所定のタイミング毎に開始となり、開度制御処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００３４】
ステップＳ１１の処理では、制御部５が、燃料電池１の発電量を参照して、燃料電池１の発熱量Ｑを推定する。この発熱量の推定には、燃料電池の出力電流対発熱量のマップを予め記憶しておいて、これを参照してもよいし、例えば発熱量を反応熱とジュール熱との和として、出力電流及び出力電圧から発熱量Ｑを算出する近似式を利用してもよい。
【００３５】
次いで、ステップＳ１２の処理では、制御部５が、温度センサ９ａ，９ｂ，９ｃが検出した温度に従って、燃料電池内流路３ａ，冷却器内流路３ｂ，及びバイパス流路３ｃを流れる冷却水の温度を検出する。
【００３６】
次いで、ステップＳ１３の処理では、制御部５が、推定した発熱量Ｑに従って、燃料電池１に供給する冷却水の目標温度Ｔｔを算出する。この目標温度Ｔｔは、例えば、燃料電池出口の冷却水温度Ｔ３と、伝熱係数ｋを用いて次の式（１）により表される。
【００３７】
【数１】
Ｔｔ＝Ｔ３−ｋＱ      …（１）
次いで、ステップＳ１４の処理では、制御部５が、算出した冷却水の目標温度Ｔｔを参照して、冷却器内流路３ｂを流れてくる冷却水（温度Ｔ１）とバイパス流路３ｃを流れてくる冷却水（温度Ｔ２）との混合比を算出する。
【００３８】
ここで、混合比α（０≦α≦１）の定義をバイパス流路３ｃ側の分流率とし、（１−α）を冷却器２側の分流率とすれば、目標温度Ｔｔと混合比αは、次の式（２）で示される。
【００３９】
【数２】
Ｔｔ＝α×Ｔ２＋（１−α）×Ｔ１    …（２）
次いで、ステップＳ１５の処理では、制御部５が、算出した混合比αとなる三方弁の開度を決定する。バイパス流路３ｃを通る冷却水経路の圧損と、冷却器２を通る冷却水経路の圧損とが等しければ、三方弁８の開度は、混合比αそのものとなるが、等しくない場合には、混合比から開度を求めるマップや、混合比と各圧損から開度を求める関係式により、開度を求める。
【００４０】
次いで、ステップＳ１６の処理では、制御部５が、決定した開度に調整するように三方弁８を制御する。これにより、一連の開度制御処理は終了する。
【００４１】
このように、上記開度制御処理では、制御部５が、燃料電池の発電量に基づいて、燃料電池１に供給すべき冷却水の目標温度を算出し、この目標温度になるように冷却器側の冷却水とバイパス経路側の冷却水との混合比を算出して、その混合比になるように、三方弁８の開度を決定するので、燃料電池１に流入する冷却水の温度を測定するために、燃料電池１の冷却水入口近傍に温度センサを設ける必要がなくなる。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車両用燃料電池システムの一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】実施形態における三方弁の初期開度制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】実施形態における三方弁の開度制御処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…冷却器、３…冷却水流路、３ａ…燃料電池内流路、３ｂ…冷却器内流路、３ｃ…バイパス流路、４…循環ポンプ、５…制御部、５ａ…ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、５ｂ…ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、５ｃ…ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、５ｄ…入出力ポート、６…モータ、７…冷却ファン、８…三方弁、９ａ，９ｂ，９ｃ…温度センサ
【図１】
2004281201.tif 000003
【図２】
2004281201.tif 000004
【図３】
2004281201.tif 000005