(57)【要約】【課題】冷却ループにおける冷却水の不足状態を正確、かつ迅速にモニターリングできる燃料電池車両の冷却系水位感知装置及び方法を提供する。【解決手段】冷却系水位感知装置は、冷却水の補充のためのリザーバを、ラジエーターの上端に連結し、燃料電池スタックの入口に連結された冷却水循環ラインに圧力センサを装着し、圧力センサで冷却水流れ圧力をリアルタイムに測定して制御機に伝送すると、制御機では、圧力センサから伝送された冷却水流れの圧力変化の勾配及び圧力の変化幅を用いて冷却水が不足しているか否かを判断する。好ましい形態では、リザーバに連結されたラジエーターの上端に加圧キャップが装着される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水の補充のためのリザーバを、ラジエーターの上端に連結し、燃料電池スタックの入口に連結された冷却水循環ラインに圧力センサを装着し、前記圧力センサで冷却水流れ圧力をリアルタイムに測定して制御機に伝送すると、前記制御機では、前記圧力センサから伝送された冷却水流れの圧力変化の勾配及び圧力の変化幅を用いて冷却水が不足しているか否かを判断することを特徴とする燃料電池車両の冷却系水位感知装置。
【請求項２】
前記リザーバに連結されたラジエーターの上端には、加圧キャップが装着されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の冷却系水位感知装置。
【請求項３】
燃料電池スタックに入る冷却水流れ圧力を圧力センサで測定する段階と、
前記冷却水流れ圧力を測定して得られた圧力変化の勾配及び圧力の変化幅のデータを用いて冷却水が不足しているか否かを判断する段階と、
冷却水が不足していると１次判定された場合、クラスタの警告灯を点灯して警告する段階と、
警告段階後にも冷却水が不足していると２次判定された場合、燃料電池車両の出力を制限する段階と、
を含むことを特徴する燃料電池車両の冷却系水位感知方法。
【請求項４】
前記圧力センサでリアルタイムに測定された連続データの圧力変化の勾配の符号変化が基準回数以上であると共に、前後データの圧力差が臨界圧力値以上であるとき、冷却水が不足していると１次判定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の冷却系水位感知方法。
【請求項５】
前記冷却水が不足しているという１次判定回数が臨界回数以上であるとき、燃料電池車両の出力を制限することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の冷却系水位感知方法。
【請求項６】
前記圧力センサでリアルタイムに測定された５つ以上の連続データの圧力測定値が常圧であるが、ポンプの回転数が基準値以上であるとき、燃料電池車両の出力を制限することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の冷却系水位感知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両の冷却系水位感知装置及び方法に関するものであり、より詳しくは、圧力センサの測定値を用いて燃料電池車両の冷却水の不足を正確、かつ迅速に感知できる燃料電池車両の冷却系水位感知装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池スタックに水素（燃料）を供給する水素供給システムと、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤、すなわち空気中の酸素を供給する空気供給システムと、水素及び酸素の電気化学的な反応により電気を生成する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電気化学的な反応熱を除去すると共に燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水管理システムなどを有して構成される。
【０００３】
図４は、燃料電池スタックを冷却させて燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水管理システムの冷却水循環ループの概要を示している。熱及び水管理システムは、基本的に、燃料電池スタック１０で温度が高くなって排出された冷却水を冷却させるラジエーター１２と、冷却された冷却水を再び燃料電池スタック１０に循環させるポンプ１１とでなる冷却ループを作っている。
【０００４】
ラジエーター１２の出口から燃料電池スタック１０に延びるラインには３方向弁１３及びＣＯＤ１４が並んで配列され、燃料電池スタック１０の冷却水排出側からポンプ１１に延びるラインには、リザーバ１５から延びる冷却水補充ラインが連結されている。
【０００５】
冷却水循環ループは、燃料電池スタック１０の温度に応じて冷却ループと昇温ループに分けられ、さらに冷却水内のイオンを除去するイオンフィルタ１６を設けるフィルタループを作っている。
【０００６】
冷却ループは、３方向弁１３がラジエーター１２からの冷却水を燃料電池スタック１０に流れるようにするもので、ラジエーター１２で冷却された冷却水が燃料電池スタック１０に供給されるように構成される。一方、昇温ループは、３方向弁１３がラジエーター１２からの冷却水を遮断し、ポンプ１１からの冷却水を直接燃料電池スタック１０に流れるようにするものである。
【０００７】
フィルタループは、冷却水がポンプ１１の後端ラインからイオンフィルタ１６に流れた後、イオンがフィルタリングされた後に冷却水をポンプ１１の前端ラインに流れるように構成される。
【０００８】
このような熱及び水管理システム（ＴＭＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ）の構成において、ラジエーター１２の上端には常圧キャップ１７が装着され、リザーバ１５は大気に開放されて内部に水位センサ１８を備えている。
【０００９】
冷却水循環ループの冷却ループと昇温ループにおいて、冷却水が少なくなったときには、ポンプ１１の前端ラインに負圧がかかってリザーバ１５内の冷却水が冷却水補充ラインを介してポンプ１１の前端ラインに速かに流れ込んで冷却水を補充する。しかし、リザーバ１５から補充の冷却水が出る時、気泡の発生や水の遥動などにより、リザーバ１５内の水位を感知する水位センサ１８が誤動作する問題があった。
【００１０】
また、冷却水の水位を感知する水位センサ１８をリザーバ１５内に装着するためには約２０×１５×４０ｍｍのパッケージ空間が必要となるが、そのパッケージ空間を確保するに難しい問題もある。
【００１１】
さらに、冷却水に空気が混ざって循環する（例えば、冷却水が約１〜２リットル消失して、その分空気が混合された場合）ことがあり、この場合、水位センサが、冷却ループまたは昇温ループでの冷却水の減少を正しく感知せず、正常な冷却水量であると認識してしまうという誤動作問題がある。
【００１２】
燃料電池の冷却水系に関しては、水蒸気分離器のレベルセンサからの信号に基いて給水弁を開放して冷却水系に補給する燃料電池冷却水系への給水方法〔特許文献１参照〕、補給水の給水時間として予想給水時間を求めておき、実際の給水時間と予想給水時間を比較し、その比較値が予め設定された値を越えた場合に警報を発し、燃料電池冷却水補給水系の異常検出方法〔特許文献２参照〕などの報告がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平０８−３３５４６４号公報
【特許文献２】特開平１１−０１６５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記のような問題点を考慮してなされた本発明の目的は、冷却ループにおける冷却水の不足状態を正確、かつ迅速にモニターリングできる燃料電池車両の冷却系水位感知装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の冷却系水位感知装置は、冷却水の補充のためのリザーバを、ラジエーターの上端に連結し、燃料電池スタックの入口に連結された冷却水循環ラインに圧力センサを装着し、圧力センサで冷却水流れ圧力をリアルタイムに測定して制御機に伝送すると、制御機では、圧力センサから伝送された冷却水流れの圧力変化の勾配及び圧力の変化幅を用いて冷却水が不足しているか否かを判断する。
【００１６】
リザーバに連結されたラジエーターの上端には、加圧キャップが装着されるのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の冷却系水位感知方法は、燃料電池スタックに入る冷却水流れ圧力を圧力センサで測定する段階と、冷却水流れ圧力を測定して得られた圧力変化の勾配及び圧力の変化幅のデータを用いて冷却水が不足しているか否かを判断する段階と、冷却水が不足していると１次判定された場合、クラスタの警告灯を点灯して警告する段階と、警告段階後にも冷却水が不足していると２次判定された場合、燃料電池車両の出力を制限する段階とを含んで構成される。
【００１８】
好ましい形態として、圧力センサでリアルタイムに測定された連続データの圧力変化の勾配の符号変化が基準回数以上であると共に、前後データの圧力差が臨界圧力値以上であるとき、冷却水が不足していると１次判定する。
【００１９】
さらに好ましくは、冷却水が不足しているという１次判定回数が臨界回数以上であるとき、燃料電池車両の出力を制限する。
また、圧力センサでリアルタイムに測定された５つ以上の連続データの圧力測定値が常圧であるが、ポンプの回転数が基準値以上であるとき、燃料電池車両の出力を制限する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱及び水管理システム（ＴＭＳ）のリザーバに装着された水位センサを利用せず、熱及び水管理システム（ＴＭＳ）の冷却系最上端位置に圧力センサを装着し、圧力センサによる冷却水の圧力変化の勾配及び圧力の変化幅の測定データから冷却水が不足しているか否かをリアルタイムに、迅速・正確にモニターリングすることができる。
また、ラジエーターの上端にリザーバを連結し、リザーバとの連結部のフィラーネックに加圧キャップを装着することで、冷却水の流動騒音をなくし、冷却水の高温時に蒸気がリザーバ内に流れて蒸発による冷却水のロスを小さくすることができる。また、別途のリザーバ内の水位センサが不要であるため、パッケージに有利であり、原価低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による燃料電池車両の冷却系水位感知装置を示す構成図である。
【図２】冷却水が充分あるときの燃料電池システムの運転状態を示すグラフである。
【図３】冷却水が不足である時のポンプ回転数（ＲＰＭ）と圧力センサによる圧力変化を示すグラフである。
【図４】従来の燃料電池車両の冷却系水位感知装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の冷却系水位感知装置を添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、熱及び水管理システムの冷却水循環ループを流れる冷却水が蒸発や漏洩により不足な状態になった時に、従来のリザーバ内の水位センサを用いて冷却水の不足を判定することとは異なり、圧力センサの測定値を用いて冷却水の不足を正確・迅速に感知できるようにした点に主眼点がある。
【００２３】
そこで、本発明の冷却系水位感知装置では、図１に示すように、熱及び水管理システム（ＴＭＳ）における冷却系の上端位置、すなわち冷却水循環ループ区間において、燃料電池スタック１０の入口に連結して圧力センサ２０を装着し、ラジエーター１２の加圧キャップ２２にリザーバ１５を連結する。圧力センサ２０を上記の位置に装着することにより、冷却水の不足時に、冷却水と気泡の混合流動による圧力センサ２０の信号振動（圧力変化の勾配及び圧力の変化幅）を感知し、冷却水の不足量をリアルタイムに知ることができる。
【００２４】
従って、この位置で圧力センサ２０により冷却水流れ圧力を測定すると、冷却水の不足時には圧力センサ２０で測定された圧力変化の勾配の符号（＋と−）が頻繁に変わり、同時に圧力の変化幅が大きくなるので、これを用いて冷却水不足のロジックが構成できる。
より詳しくは、冷却水が不足して冷却水に気泡が混合されたとき、圧力センサ２０に冷却水が接する場合と、気泡が接する場合が繰り返し行われるため、圧力センサ２０で測定された圧力が頻繁に変化し、すなわち、測定値でみると圧力変化の勾配の符号が変わり、圧力の変化幅が大きくなる。本発明は、この測定値の変化に基いて、冷却水不足の判定方法としている。
【００２５】
本発明における冷却水不足の判定方法を具体的に説明する。
先ず、燃料電池スタック１０の入口に連結して装着された圧力センサ２０で冷却水流れ圧力を測定する。冷却水が充分あるとき（正常時）の圧力は、図２に示すように、ポンプ１１の回転数（ＲＰＭ）が増加すると、冷却水流れの圧力も増加する。すなわち、このような状態では、冷却水不足ではないと判定する。
【００２６】
反対に、冷却水が蒸発や漏洩により不足した場合には、圧力センサ２０で測定された冷却水流れの圧力データが変化する。すなわち、圧力センサ２０で測定された冷却水の圧力変化の勾配の符号が頻繁に変化し、圧力の変化幅も激しく変動する。
【００２７】
従って、圧力センサ２０の測定データを受信した制御機（図示していない）で、データ上の圧力変化の勾配の符号及び圧力の変化幅を用いて冷却水が不足しているか否かを１次及び２次にわたって判断する段階を行う。
【００２８】
先ず、冷却水が不足しているという１次判定は、圧力センサ２０でリアルタイムに測定された連続データの圧力勾配の符号変化と前後データの圧力差（変化幅）を用いて行われる。
例えば、制御機で５秒間受信した圧力センサ２０の測定データ値をＸｎ〜Ｘｎ＋９とすると、「［Ｘｎ＋１−Ｘｎの符号が５回以上変わる］、ａｎｄ［ａｂｓ（Ｘｎ＋１−Ｘｎ）＞０．０３ｂａｒは４回以上］」であるとき、制御機で冷却水が不足しているという１次判定をし、運転者に警告するクラスタ警告灯を点灯する。
【００２９】
さらに具体的に、圧力センサ２０で測定された連続データの圧力勾配の符号変化が基準回数以上［Ｘｎ＋１−Ｘｎの符号が５回以上変わる］であると共に、前後データの圧力差が臨界圧力値以上［ａｂｓ（Ｘｎ＋１−Ｘｎ）＞０．０３ｂａｒ］である時、制御機で冷却水が不足しているという１次判定をし、クラスタ警告灯を点灯して運転者に警告することになる。
【００３０】
次に、運転者への警告段階後にも、冷却水が不足していると、燃料電池車両の出力を制限する段階が行われる。
一実施形態として、上述した冷却水が不足しているという１次判定回数が臨界回数以上であれば、制御機で燃料電池車両の出力を制限するロジックを行う。
例えば、総計１０回の１次判定のうち、６回以上で冷却水が不足していると判定されて警告灯が点灯され、制御機で燃料電池車両の出力を制限するロジックを行うことになる。
【００３１】
別の実施形態として、圧力センサ２０でリアルタイムに測定された５つ以上の連続データの圧力測定値が変動なく（常圧）ても、ポンプ１１の回転数（ＲＰＭ）が基準値以上であれば、制御機で燃料電池車両の出力を制限するロジックを行う。
例えば、制御機で受信した圧力センサ２０の測定データ値をＸｎ〜Ｘｎ＋９とすると、「［ａｖｇ（Ｘｎ＋５〜Ｘ  ｎ＋９）＝１、ａｎｄポンプ（ｐｍｐ）ｒｐｍ＞１６００］」であれば、制御機で燃料電池車両の出力を制限するロジックを行う。
【００３２】
さらに具体的に、圧力センサ２０でリアルタイムで測定された連続データＸｎ〜Ｘｎ＋９のうち、選択された５つの連続データ（Ｘｎ＋５〜Ｘ  ｎ＋９）の勾配が１であっても、ポンプ１１の回転数が基準値（１６００ｒｐｍ）以上であれば、冷却水が不足していると２次判定を行い、燃料電池車両の出力を制限するロジックを行う。
連続データ（Ｘｎ＋５〜Ｘ  ｎ＋９）の勾配が１であることは、正常であるように指示しているが、冷却水が不足して冷却水流れ圧力を正確に感知できない状態であることもあり得る。そこで、ポンプ１１の回転数が重要となり、ポンプ１１の回転数が基準値以上では、冷却水が不足していることを意味している。
【００３３】
このように、熱及び水管理システム（ＴＭＳ）の冷却系上端位置に圧力センサ２０を装着し、圧力センサ２０の冷却水圧力測定データの圧力変化の勾配の符号及び圧力の変化幅を用いて冷却水が不足するか否かをリアルタイムに、迅速、正確にモニターリングすることができる。
【００３４】
一方、本発明によれば、ラジエーター１２の上端にリザーバ１５を連結するが、リザーバ１５との連結部のフィラーネックに一定圧力により開放される加圧キャップ２２を装着することにより、冷却水の補充時に、リザーバ１５内の冷却水が加圧キャップ２２を通過して冷却水循環ラインに流れることで冷却水の流動騒音をなくし、冷却水の高温時に蒸気がリザーバ内に入って蒸発による冷却水のロスを小さくすることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０；燃料電池スタック
１１；ポンプ
１２；ラジエーター
１３；３方向弁
１４；ＣＯＤ
１５；リザーバ
１６；イオンフィルタ
１７；常圧キャップ
１８；水位センサ
２０；圧力センサ
２２；加圧キャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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