(57)【要約】【課題】冷却液が冷やされすぎるのを防止し、燃料電池の水収支や効率などの性能を維持しながら、燃料電池と他の放熱手段でラジエタファンを共用する。【解決手段】三方弁５は、冷却液をラジエタ方向とラジエタバイパス方向に分流調整する。燃料電池の冷却液が循環するラジエタ３と、強電冷却系ラジエタ３ｂと、エアコン用コンデンサ３ｃとは、ラジエタファン４を共用する。ラジエタファン駆動判別手段１５は、ラジエタファン４が燃料電池１の要求で作動しているか燃料電池以外の要求で作動しているかを判別し、ラジエタファン４が燃料電池１以外の要求で作動していると判別されたときには、ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているときよりもラジエタバイパス方向への流量が増加するように三方弁制御手段１２が三方弁５の開度を設定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液をラジエタ方向とラジエタバイパス方向に分流調整する三方弁を備えた燃料電池の冷却系制御装置において、
前記ラジエタ及び前記ラジエタとは異なる少なくとも１つの放熱手段へ同時に送風するラジエタファンと、
該ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているか燃料電池以外の要求で作動しているかを判別するラジエタファン駆動判別手段と、
該ラジエタファン駆動判別手段によって、ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときには、ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているときよりもラジエタバイパス方向への流量が増加するように三方弁の開度を設定する三方弁制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の冷却系制御装置。
【請求項２】
ラジエタファンの回転速度を検出するラジエタファン回転速度検出手段を備え、
ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときに、前記三方弁制御手段は、ラジエタファン回転速度に基づいて前記三方弁の開度を設定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系制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池は車両用であり、
車速を検出する車速検出手段を備え、
前記三方弁制御手段は、ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときには、車速に基づいて前記三方弁の開度を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の冷却系制御装置。
【請求項４】
前記ラジエタファン駆動判別手段は、ラジエタファンの作動の有無を判別し、
前記三方弁制御手段は、ラジエタファンが作動していないと判別されたときには、車速に基づいて三方弁開度を設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却系制御装置。
【請求項５】
外気温を検出する外気温検出手段を備え、
前記三方弁制御手段は、ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときには、外気温に基づいて前記三方弁の開度を設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池の冷却系制御装置。
【請求項６】
前記ラジエタファン駆動判別手段は、ラジエタファンの作動の有無を判別し、
前記三方弁制御手段は、ラジエタファンが作動していないと判別されたときには、外気温に基づいて三方弁開度を設定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の冷却系制御装置。
【請求項７】
前記ラジエタとは異なる少なくとも１つの放熱手段とは、
燃料電池の負荷または負荷へ供給する電力の変換装置を含む強電システムを冷却する強電システム冷却系のラジエタ、あるいは空気調和系のコンデンサであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池の冷却系制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載された燃料電池とラジエタ間に冷却液を循環させて冷却する燃料電池の冷却系制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
燃料電池には、使用する電解質や電極部材によって最適運転温度があり、この温度よりも低温域では発電効率が低下し、高温では部材の劣化等が生じる。このため燃料電池の運転時には、反応熱等に由来する熱量を外部へ取り出して燃料電池本体を冷却する必要がある。
【０００４】
このような燃料電池を冷却するために、ラジエタファンで冷却される冷却液をラジエタ方向とラジエタバイパス方向とに分流可能な三方弁を備え、三方弁の分流比を調整することにより、冷却水の温度調整を行う冷却システムが特許文献１に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２２号公報（第４頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池車両等の搭載スペースが限られている場所に燃料電池を適用するためには、燃料電池冷却用のラジエタファンは、モータやコンバータ等の強電装置からの発熱を除去する強電冷却系、空気調和系のコンデンサ用冷却ファンとしても共通に用いることが望ましい。
【０００７】
ただし、その場合、ラジエタファンが強電冷却系、空気調和系の要求で作動しているときには、燃料電池が冷えすぎるという問題が生じる場合がある。
【０００８】
強電冷却系、空気調和系は冷やしすぎても問題はないが、燃料電池はその温度が水収支や効率などの性能に関わるため、冷やしすぎは好ましくない。
【０００９】
燃料電池を冷やしすぎると凝縮水が生成され、燃料電池内部で水つまりを起こし易くなり、取出電力が制限されるばかりか、燃料電池自体の効率も悪くなり燃費に影響を及ぼすという問題点があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、冷却液をラジエタ方向とラジエタバイパス方向に分流調整する三方弁を備えた燃料電池の冷却系制御装置において、前記ラジエタ及び前記ラジエタとは異なる少なくとも１つの放熱手段へ同時に送風するラジエタファンと、該ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているか燃料電池以外の要求で作動しているかを判別するラジエタファン駆動判別手段と、該ラジエタファン駆動判別手段によって、ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときには、ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているときよりもラジエタバイパス方向への流量が増加するように三方弁の開度を設定する三方弁制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、ラジエタファンを燃料電池の冷却系とその他の放熱手段との間で共用し、ラジエタファン駆動判別手段によって、ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときには、ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているときよりもラジエタバイパス方向への流量が増加するように三方弁の開度を設定するので、冷却液の温度がラジエタファンによって冷やされすぎるのを防止することができ、燃料電池の水収支や効率などの性能を維持しながら、ラジエタファンを共用することができるという効果がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池の冷却系制御装置の一実施形態を説明する構成図である。本実施形態は、特に限定されないが燃料電池車両に適用した場合を示し、燃料電池用のラジエタとは異なる放熱手段として、強電システム冷却系のラジエタとエアコン用コンデンサとを備え、これらと燃料電池用ラジエタとでラジエタファンを共用している。
【００１３】
尚、図中の燃料電池システムは、燃料電池の冷却系のみを示し、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系、負荷系統等は省略してある。
【００１４】
図１において、燃料電池システムは、内部に冷却液通路を備えた燃料電池（燃料電池本体、または燃料電池スタック）１と、冷却液を循環させるポンプ２と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエタ３と、ラジエタ３に送風するラジエタファン４と、冷却液通路をラジエタとラジエタバイパス通路とに切替又は分流比を制御する三方弁５と、冷却液の温度を検出する温度検出手段６と、強電システム冷却系１３と、エアコン冷却系１４と、強電冷却系ラジエタ３ｂと、エアコン用コンデンサ３ｃと、冷却系制御装置２１とを備えている。
【００１５】
燃料電池１は、アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１６】
【化１】
アノード（水素極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                  …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ    …（２）
ポンプ２は、冷却系制御装置２１によって回転速度制御がなされ、冷却液を燃料電池１やラジエタ３に循環させる。
【００１７】
ラジエタ３は、冷却液がここを循環して、ラジエタファン４がラジエタ３にあてる風量を制御することによって、冷却液が冷やされる。
【００１８】
ラジエタ３と強電冷却系ラジエタ３ｂとエアコン用コンデンサ３ｃとは、ラジエタファン４によって共に冷却されるように配置されている。言い換えれば、ラジエタ３と強電冷却系ラジエタ３ｂとエアコン用コンデンサ３ｃとは、ラジエタファン４を共用している。
【００１９】
強電システム冷却系１３は、燃料電池車両の場合、燃料電池の直流電圧を駆動用モータの交流電圧に変換するインバータ、燃料電池の直流電圧をバッテリの電圧に変換するコンバータ、駆動用モータ等の強電システムを冷却する冷却系であり、強電冷却系ラジエタ３ｂを備えている。
【００２０】
エアコン冷却系１４は、車室内冷房用の空気を冷媒の気化熱で冷却するエバポレータと、冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮した冷媒の熱を放熱するコンデンサ３ｃとを備えている。
【００２１】
三方弁５は、冷却液をラジエタ方向とラジエタバイパス方向に切り替えあるいは分流することによって、冷却液の放熱量を調整して温度を制御する。
温度検出手段６は、冷却液の温度を検出して冷却系制御装置２１へ出力する。
冷却系制御装置２１は、燃料電池１の出力に基づいて発熱量を予測する燃料電池発熱量予測手段７と、燃料電池発熱量予測手段７が予測した発熱量に基づいてポンプ２を制御するポンプ制御手段８と、車両の速度（以下、車速）を検出する車速検出手段９と、外気の温度（以下、外気温）を検出する外気温検出手段１０と、燃料電池の要求によるラジエタファン４の回転速度指令信号を出力するラジエタファン制御手段１１と、三方弁５の開度を制御する三方弁制御手段１２と、ラジエタファン４からの回転パルス信号に基づいてラジエタファン回転速度を検出するラジエタファン回転速度検出手段１７と、ラジエタファン制御手段１１からの回転速度指令及び強電システム冷却系１３からの回転速度指令及びエアコン冷却系１４からの回転速度指令を選択してラジエタファン４の駆動電流指令を生成するラジエタファン回転速度選定・制御手段１６と、ラジエタファン４が燃料電池の要求で作動しているか燃料電池以外の要求で作動しているかを判別するラジエタファン駆動判別手段１５とを備えている。
【００２２】
冷却系制御装置２１は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭとワーク用ＲＡＭとＩ／Ｏインタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２３】
次に、図２乃至図４の冷却系の制御ブロック図を参照して、本実施形態における冷却系の制御を説明する。
【００２４】
まず、図２を参照して、ポンプ２の回転速度制御を説明する。最初に燃料電池発熱量予測手段７によって、燃料電池１の出力（電圧・電流）に応じて、燃料電池１の単位時間当たりの予測発熱量を算出する。予測発熱量は、出力電流に比例する化学反応熱と電圧降下ロス分のジュール熱との和して計算してもよいし、予め記憶したマップにより出力電力から予測発熱量を求めてもよい。
【００２５】
次いで、ポンプ制御手段８によって、燃料電池１の出入口の冷却液温度差が規定の温度になるように、予測発熱量に応じて冷却液の目標流量を定め、ポンプ２の回転速度を決定する。ポンプ制御手段８は、予測発熱量からポンプ２の目標流量を求める発熱量流量マップ２３と、目標流量からポンプ回転速度を求めるポンプ回転速度マップ２５とを備えている。
【００２６】
また、予測発熱量は、図３のラジエタファン制御手段１１へ出力され、ポンプ２の目標流量は、ラジエタファン制御手段１１と図３の三方弁制御手段１２へ出力される。
【００２７】
次に、図３を参照して、ラジエタファン４の制御方法について説明する。
燃料電池１の使用材料によって決まる適切な運転温度から燃料電池１の入口における冷却液の目標温度である燃料電池入口冷却液目標温度が設定されている。減算手段２７は、この燃料電池入口冷却液目標温度から、温度検出手段６で検出した燃料電池１入口における冷却液温度を減じて温度制御誤差を求め、この温度制御誤差からＰＩ制御部２９で目標ラジエタ放熱量補正量を算出する。
【００２８】
冷却液の温度を目標温度に一定に保つために、図２の燃料電池発熱量予測手段７によって算出された予測発熱量を目標ラジエタ放熱量とする。
【００２９】
この目標ラジエタ放熱量には、燃料電池入口冷却液目標温度と温度検出手段６によって検出された温度の制御誤差をフィードバックして、加算器３１で補正される。
【００３０】
次いで、この補正された目標ラジエタ放熱量と、図２のポンプ制御手段で計算された冷却液目標流量と、外気温検出手段１０が検出した外気温とに応じて、ラジエタ特性（ラジエタ放熱量−冷却液流量−風量）マップ３３を検索して、ラジエタ３への必要風量を算出する。ラジエタ特性マップ３３は、外気温に応じた特性を数パターン用意しておき、外気温検出手段１０によって検出された温度に応じてこれらのマップを切り替える。
【００３１】
この必要風量と車速検出手段９で検出された車速に応じて、ラジエタファン回転速度演算部３５が式（３）により、燃料電池が冷却要求する場合のラジエタファン回転速度を計算する。
【００３２】
【数１】
ラジエタファン回転速度＝ａ×（風量−ｂ×車速）          …（３）
ここで係数ａは、単位風量当たりのラジエタファン回転速度であり、係数ｂは、走行風による風量を車速から換算する係数である。
【００３３】
ラジエタファン回転速度は、ラジエタファン回転速度演算部３５からの要求以外に、強電システム冷却系１３とエアコン冷却系１４からも要求指令があり、ラジエタファン回転速度選定・制御手段１６のセレクトハイ３７によって１番高い回転速度が選択される。そして選択された回転速度に応じたラジエタファン駆動電流を電流制御マップ３９を参照して求め、駆動電流指令をラジエタファン４へ出力している。
【００３４】
尚、ラジエタファン制御手段１１から図４の三方弁制御手段１２に対して、目標ラジエタ放熱量と、燃料電池冷却要求ラジエタファン回転速度と、ラジエタファン回転速度とが出力されている。
【００３５】
次に、図４を参照して、三方弁５の制御方法について説明する。
三方弁制御手段１２は、車速とラジエタファン回転速度からラジエタに送られる風量を計算する車速風量演算部４１と、目標ラジエタ放熱量−風量−外気温度からラジエタへ流れる冷却液の目標流量を求めるラジエタ特性マップ４３と、三方弁の分流率を計算する分流率演算部４５と、分流率から三方弁開度を求める三方弁開度マップ４７と、三方弁開度マップから求めた三方弁開度と全量をラジエタ方向とする開度とを選択する三方弁開度選択手段４９とを備えている。
【００３６】
ラジエタ特性マップ４３は、外気温に応じた目標ラジエタ放熱量−風量−ラジエタへの目標流量の特性を示すマップを数パターン用意しておき、外気温検出手段１０によって検出された温度に応じてこれらのマップを切り替える。
【００３７】
三方弁開度選択手段４９は、ラジエタファン回転速度選定・制御手段１６で燃料電池冷却系のラジエタファン回転速度が選定されているときには、三方弁５を冷却液の全流量がラジエタ方向に流れるように駆動する。全流量をラジエタ方向へ流した方が、放熱特性がよくなるからである。
【００３８】
強電システム冷却系１３あるいはエアコン冷却系１４のラジエタファン回転速度が選定されているときには、車速風量演算部４１からの風量と目標ラジエタ放熱量と外気温からラジエタ特性マップ４３を使って、ラジエタへの冷却液目標流量を算出し、ラジエタへの目標流量と燃料電池への目標流量とから三方弁の流量分流率を求め、三方弁開度マップ４７により三方弁開度を決定する。
【００３９】
ここで、車速風量演算部４１は、ラジエタファン回転速度（ラジエタファン回転速度検出手段１７による検出値あるいはラジエタファン回転速度選定・制御手段１６による選定値）と車速検出手段９による車速から、ラジエタ３へあたる風量を算出する。
【００４０】
【数２】
風量＝ｂ×車速＋ラジエタファン回転速度÷ａ    …（４）
ここで係数ａは、単位風量当たりのラジエタファン回転速度であり、係数ｂは、走行風による風量を車速から換算する係数である。
【００４１】
また、車速が速いか目標ラジエタ放熱量が小さいときには、ラジエタファン４を停止させて三方弁５を調整することによって、放熱量を調整する。このようにラジエタファン４が停止しているときにも、ラジエタファン停止時にラジエタ３へあたる風量が算出されて、ラジエタファンが強電システム冷却系１３あるいはエアコン冷却系１４の要求で駆動されているときと同様に三方弁開度が決まる。
【００４２】
以上のように本実施形態では、ラジエタファンを燃料電池の冷却以外の放熱手段である強電システム冷却系及びエアコン冷却システムと共用したので、部品点数の削減によるコストダウン、及び省スペース化が図れ搭載スペースが限られる燃料電池車両などにも適用可能になる。
【００４３】
また、ラジエタファン駆動判別手段によって、ラジエタファンが燃料電池以外の要求で作動していると判別されたときには、ラジエタファンが燃料電池の要求で作動しているときよりもラジエタバイパス方向への流量が増加するように三方弁の開度を設定するので、冷却液の温度がラジエタファンによって冷やされすぎるのを防止することができ、燃料電池の水収支や効率などの性能を維持することができる。
【００４４】
また、この際、ラジエタファンの回転速度に基づいて三方弁の開度を設定する構成としたので、ラジエタで冷却液が冷やされる放熱量が予測でき、放熱すべき量にみあった冷却液流量をラジエタ方向へ流すように三方弁を調整することが可能となり、冷却液の温度を精度良く制御することができる。
【００４５】
また、さらに、ラジエタにあたる風量は、ラジエタファンの回転速度だけでなく車速によっても変化するので、車速で放熱量が変わってくるが、本実施形態によれば、車速に基づいて三方弁を駆動する構成としたため、温度制御性能が向上する。
【００４６】
また、ラジエタの放熱特性は外気温に応じて変わってくるが、本実施形態によれば、外気温に基づいて三方弁を駆動する構成としたため、温度制御性能がさらに向上する。
【００４７】
さらに、車速が速いあるいは外気温が低いときには、ラジエタファンが停止していてもラジエタからの放熱量が大きくなり、冷却液が冷やされすぎることがあるが、本実施形態によれば、このような状況のときに三方弁をラジエタバイパス方向に調整することによって、冷却液の温度低下を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系制御装置の一実施形態を説明する構成図である。
【図２】実施形態における冷却液循環用のポンプの制御方法を説明する制御ブロック図である。
【図３】実施形態におけるラジエタファンの制御方法を説明する制御ブロック図である。
【図４】実施形態における三方弁の制御方法を説明する制御ブロック図である。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…ポンプ
３…ラジエタ
３ｂ…強電冷却系ラジエタ
３ｃ…エアコン用コンデンサ
４…ラジエタファン
５…三方弁
６…温度検出手段
７…燃料電池発熱量予測手段
８…ポンプ制御手段
９…車速検出手段
１０…外気温検出手段
１１…ラジエタファン制御手段
１２…三方弁制御手段
１３…強電システム冷却系
１４…エアコン冷却系
１５…ラジエタファン駆動判別手段
１６…ラジエタファン回転速度選定・制御手段
１７…ラジエタファン回転速度検出手段
２１…冷却系制御装置
【図１】
2004259472.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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