JP4131308B2 - 燃料電池の温度調節装置及び燃料電池の温度調節装置における燃料電池の起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の温度調節装置に関し、詳しくは、燃料電池の温度を調節する温度調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池の温度調節手段としては、燃料電池の冷却系統に燃料電池の熱を利用する暖房装置と、冷却系統の熱交換媒体を加熱するバーナーとを備えるものが提案されている（例えば、特開平６−２６０１９６号公報など）。この装置では、燃料電池，暖房装置，バーナーの順に熱交換媒体が循環する循環路を備え、燃料電池が定常運転状態にあるときには、燃料電池が生じる熱を用いて暖房を行なうことができるようになっている。また、燃料電池を始動するときには、熱交換媒体をバーナーによって加熱し、燃料電池を加温することができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この装置では、燃料電池を始動し、燃料電池が運転可能な状態となっても暖房装置によって十分な暖房効果を得ることができない場合を生じるという問題があった。バーナーにより加熱された熱交換媒体は、まず燃料電池に送られるから、燃料電池が運転は可能であるが定常運転状態に至っていないときには、暖房装置には十分な熱が供給されない。また、この装置では、暖房装置に必要な熱量が燃料電池が生じる熱量より大きいときには、十分に暖房装置を機能させることができないという問題もあった。必要な熱を生じるのにバーナーにより熱交換媒体を加熱すればよいが、燃料電池が定常運転状態にある場合、燃料電池の冷却の必要のために、熱交換媒体を加熱することができない。
【０００４】
本発明の燃料電池の温度調節装置は、始動時に燃料電池を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の温度調節装置は、運転中の燃料電池の温度を適正な運転温度範囲内になるようにすることを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池の温度調節装置は、燃料電池から生じる熱を有効に利用することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の温度調節装置は、燃料電池から生じるの熱を有効利用する際の熱量の不足を補うことを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池の温度調節装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池の温度調節装置は、燃料電池の温度を調節する温度調節装置であって、熱交換媒体により前記燃料電池と熱交換可能な循環路と、前記熱交換媒体を前記循環路に正逆のいずれかの方向に切り換えて循環させる媒体循環手段と、前記循環路に設けられ、前記熱交換媒体を冷却する冷却手段と、前記熱交換媒体が前記冷却手段をバイパスするよう前記循環路を切り換える冷却バイパス手段と、前記循環路に設けられ、前記熱交換媒体の熱を利用して仕事をする熱利用手段と、前記熱交換媒体が前記熱利用手段をバイパスするよう前記循環路を切り換える熱利用バイパス手段と、前記燃料電池と前記熱利用手段との間に管路を介して接続され、前記熱交換媒体を加熱可能な加熱手段と、を備え、前記媒体循環手段が前記熱交換媒体の循環方向を切り換えることにより、前記加熱手段から前記燃料電池に前記熱交換媒体を流すことができ、前記加熱手段から前記熱利用手段にも前記熱交換媒体を流すことができることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池の温度調節装置では、冷却バイパス手段や熱利用バイパス手段により冷却手段や熱利用手段を循環路に取り込んだりバイパスさせたりすることができる。この結果、燃料電池の温度を調節することができると共に燃料電池の熱を利用することができる。また、熱交換媒体を加熱することができるから、燃料電池を加温したり、熱利用手段に必要な熱量を補うことができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記燃料電池の始動状態と始動後の運転可能状態とを検出する状態検出手段と、該検出された状態に基づいて前記媒体循環手段と前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の状態を所望の状態とすることができる。
【０００９】
この状態検出手段と制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記状態検出手段が前記燃料電池の始動状態を検出したとき、前記循環路が前記冷却手段および前記熱利用手段をバイパスするよう前記冷却バイパス手段および前記熱利用バイパス手段を制御すると共に、前記熱交換媒体が加熱されるよう前記加熱手段を制御し、前記熱交換媒体が前記加熱手段，前記燃料電池の順に前記循環路を循環するよう該媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を迅速に加温することができる。
【００１０】
また、状態検出手段と制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記状態検出手段が前記燃料電池の運転可能状態を検出したとき、前記循環路に前記冷却手段および／または前記熱利用手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段および前記熱利用バイパス手段を制御すると共に、前記熱交換媒体がまず前記燃料電池，前記加熱手段の順に流れ、その後に前記冷却手段と前記熱利用手段の少なくともいずれか一方を流れるよう該媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を冷却することができると共に、熱利用手段に必要な熱が不足するときには熱を補うことができる。この態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記状態検出手段は前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度が運転可能な温度となるよう前記媒体循環手段と前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を所定範囲の温度で運転することができる。
【００１１】
燃料電池を運転可能な温度で運転する態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記熱利用手段の状態を検出する熱利用状態検出手段を備え、前記制御手段は、前記熱利用状態検出手段により検出された前記熱利用手段の状態に基づいて前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱利用手段を所望の状態とすることができる。
【００１２】
この熱利用状態検出手段を備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記熱利用状態検出手段により前記熱利用手段が熱を利用する状態を検出したとき、前記循環路に前記熱利用手段が取り組まれるよう前記熱利用バイパス手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱利用手段により熱を有効に利用することができる。
【００１３】
この循環路に熱利用手段が取り込まれた態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記熱利用手段は必要な熱量の過不足に関する情報を検出する情報検出手段を備え、前記制御手段は、前記情報検出手段により検出された情報に基づいて前記加熱手段と前記冷却バイパス手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱利用手段を十分に機能させることができる。
【００１４】
この熱利用手段が情報検出手段を備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記情報検出手段が必要な熱量の不足に関する情報を検出したとき、前記熱交換媒体が加熱されるよう前記加熱手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、必要な熱量を補うことができる。
【００１５】
また、熱利用手段が情報検出手段を備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記情報検出手段が必要な熱量の過剰に関する情報を検出したとき、前記熱交換媒体が加熱されないよう前記加熱手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば過剰な熱の供給を停止することができる。この態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記熱交換媒体が加熱されないよう前記加熱手段を制御しているにも拘わらず前記情報検出手段が必要な熱量の過剰に関する情報を検出したとき、前記循環路に前記冷却手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば熱利用手段による熱の利用を適正に行なうことができる。さらに、この態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記循環路に前記冷却手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段を制御している状態で前記情報検出手段が必要な熱量の不足に関する情報を検出したとき、前記加熱手段による前記熱交換媒体の加熱に先立って前記循環路が前記冷却手段をバイパスするよう前記冷却バイパス手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱を効率的に利用することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池の温度調節装置における燃料電池の起動方法は、前記冷却手段と前記熱利用手段とをバイパスするように前記循環路を切り換え、熱交換媒体が前記加熱手段、燃料電池の順に前記循環路を循環するように前記媒体循環手段を切り換えて燃料電池を加温するための循環路を形成する加温用循環路形成ステップと、燃料電池が運転可能な温度になるまで、前記加熱手段により熱交換媒体を加熱する加熱ステップと、燃料電池が運転可能な温度になると、前記加熱手段の加熱と熱交換媒体の循環とを停止する停止ステップと、熱交換媒体が前記冷却手段に流れるように前記循環路を切り換え、熱交換媒体が燃料電池、前記加熱手段の順に前記循環路を循環するように前記媒体循環手段を切り換えて燃料電池を冷却するための循環路を形成する冷却用循環路形成ステップと、を含むことを特徴とする。また、別の発明の燃料電池の温度調節装置は、熱交換媒体により燃料電池と熱交換を行なう燃料電池の熱交換部と、熱交換媒体の熱を利用して仕事をする熱利用手段と、熱交換媒体が前記熱利用手段をバイパスするバイパス管と、前記熱交換部と前記熱利用手段との間に管路を介して接続され、熱交換媒体を加熱可能な加熱手段と、管路に熱交換媒体を圧送するポンプと、前記ポンプが圧送する熱交換媒体の流向を切り換える流向切換手段と、を備え、前記流向切換手段によって熱交換媒体が前記加熱手段、前記熱交換部、そして前記バイパス管の順に循環するように形成された第一循環路と、前記流向切換手段によって熱交換媒体が前記熱交換部、前記加熱手段、そして前記熱利用手段の順に循環するように形成された第二循環路と、を含むことを特徴とする。これらの発明の燃料電池の温度調節装置において、前記熱利用手段は、前記熱交換媒体との熱交換により暖房する暖房装置であるものとすることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である車載用の燃料電池１０の温度調節装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の温度調節装置２０は、燃料電池１０の温度を調節する装置として構成されており、図示するように、燃料電池１０と熱交換を行なう熱交換部２３と共に熱交換媒体としての水の循環路を形成する循環管路２２と、この循環管路２２に熱交換媒体を循環させる循環ポンプ２４と、熱交換媒体の循環管路２２における流向を切り換える流向切換機構２６と、熱交換媒体を外気により冷却するラジエータ４０と、熱交換媒体を加熱するヒータ５０と、熱交換媒体の熱を利用して車室の暖房を行なう暖房装置６０と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。
【００１８】
燃料電池１０は、実施例では、高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体を電解質として構成される単電池を複数積層してなる固体高分子型燃料電池として構成されており、７０〜１１０℃程度で定常運転される。
【００１９】
循環ポンプ２４は、逆転運転ができない一方向運転（図１では左から右に熱交換媒体を圧送する方向への運転）のポンプとして構成されている。流向切換機構２６は、循環管路２２の循環ポンプ２４の前後に取り付けられた二つの電磁弁３２，３４と、電磁弁３２と循環ポンプ２４とをバイパスする第１バイパス管路２８と、この第１バイパス管路２８に設けられた電磁弁３６と、循環ポンプ２４と電磁弁３４とをバイパスする第２バイパス管路３０と、この第２バイパス管路３０に設けられた電磁弁３８とから構成されている。熱交換媒体は、電磁弁３２と電磁弁３４とを開成すると共に電磁弁３６と電磁弁３８とを閉成すれば、第１バイパス管路２８および第２バイパス管路３０には流れずに循環管路２２を循環ポンプ２４から燃料電池１０，ヒータ５０の順に流れ、電磁弁３２と電磁弁３４とを閉成すると共に電磁弁３６と電磁弁３８とを開成すれば、ヒータ５０，燃料電池１０から第２バイパス管路３０を介して循環ポンプ２４に至り、循環ポンプ２４から第１バイパス管路２８を介してラジエータ４０側に流れる。
【００２０】
ラジエータ４０は、外気により熱交換媒体を冷却する熱交換器として構成されており、循環管路２２に設けられた三方弁４２により熱交換媒体がラジエータ４０を流れるかラジエータバイパス管４４を流れるかを選択できるようになっている。また、循環管路２２には、ラジエータバルブとしての電磁弁４６も取り付けられており、熱交換媒体がラジエータ４０にもラジエータバイパス管４４にも流れないようにすることができる。
【００２１】
ヒータ５０は、燃料電池１０に隣接して設けられており、図示しないバッテリから電力の供給を受けて熱交換媒体を加熱する電気ヒータとして構成されている。なお、ヒータ５０は、電子制御ユニット７０によりオンオフ制御を受ける。循環管路２２のヒータ５０を挟んで燃料電池１０と反対側には三方弁５２が取り付けられており、加熱時バイパス管５６によりラジエータ４０や暖房装置６０をバイパスできるようになっている。
【００２２】
暖房装置６０は、熱交換媒体の熱を利用して車室の暖房を行なう装置であり、熱交換媒体と熱交換をする熱交換器６２と、暖房装置６０をコントロールする暖房装置用電子制御ユニット６４とを備える。暖房装置６０は、この他、車室内に設けられた温風吹き出し口や温度センサや目標温度設定スイッチなど車室の暖房に必要な各種センサや機器を備えるが、本発明の中核をなさないから、その図示と説明は省略する。なお、循環管路２２には、暖房装置６０の熱交換器６２に熱交換媒体を供給する熱供給管６６が分岐しており、この熱供給管６６には電磁弁６８が取り付けられている。
【００２３】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、暖房装置用電子制御ユニット６４と通信を行なう図示しない通信ポートと、図示しない入出力ポートとを備える。この電子制御ユニット７０には、燃料電池１０に取り付けられた温度センサ７９からの燃料電池１０の温度Ｔｆｃや燃料電池１０が始動されるときにオンとされる始動スイッチ７８からの始動信号などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、各電磁弁３２，３４，３６，３８，４６，６８のアクチュエータ３３，３５，３７，３９，４７，６９への駆動信号や三方弁４２，５２のアクチュエータ４３，５３への駆動信号，ヒータ５０への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２４】
次に、こうして構成された実施例の温度調節装置２０の動作、特に燃料電池１０の始動時の動作と、定常運転時に暖房を用いる際の動作について説明する。図２は、燃料電池１０を始動する際に実施例の電子制御ユニット７０で実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、始動スイッチ７８からの信号がオンとされたときに実行される。
【００２５】
この始動時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、燃料電池１０を加温するための循環管路（加温用循環路）を形成する処理を実行する（ステップＳ１００）。加温用循環路の形成は、具体的には、電子制御ユニット７０から三方弁５２のアクチュエータ５３に駆動信号を出力して熱交換媒体がラジエータ４０や暖房装置６０をバイパスして加熱時バイパス管５６を流れるようにし、電磁弁３２，３４のアクチュエータ３３，３５に駆動信号を出力して電磁弁３２，３４を閉成し、さらに電磁弁３６，３８のアクチュエータ３７，３９に駆動信号を出力して電磁弁３６，３８を開成することにより行なわれる。加温用循環路を形成したときの様子を図３に示す。図示するように、加温循環路を形成すると、循環ポンプ２４により圧送される熱交換媒体は、第１バイパス管路２８，加熱時バイパス管５６を通ってヒータ５０，燃料電池１０に至り、第２バイパス管路３０を通って循環ポンプ２４に戻る。
【００２６】
こうして加温用循環路を形成すると、続いて循環ポンプ２４を駆動すると共に（ステップＳ１０２）、ヒータ５０をオンとする処理を実行する（ステップＳ１０４）。こうした処理によりヒータ５０で加熱された熱交換媒体が燃料電池１０内の熱交換部２３で燃料電池１０を加温する。そして、温度センサ７９により検出される燃料電池１０の温度Ｔｆｃが閾値Ｔｓｅｔ以上となるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１０６，Ｓ１０８）。ここで、閾値Ｔｓｅｔは、燃料電池１０が運転可能な温度に設定されるものであり、運転可能な温度であれば定常運転状態の温度としなくてもよい。
【００２７】
燃料電池１０の温度Ｔｆｃが閾値Ｔｓｅｔ以上になると、ヒータ５０をオフすると共に（ステップＳ１１０）、循環ポンプ２４を停止し（ステップＳ１１２）、燃料電池１０を冷却するための循環管路（冷却用循環路）を形成する処理を実行して（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了する。冷却用循環路の形成は、具体的には、電子制御ユニット７０から三方弁５２のアクチュエータ５３に駆動信号を出力して熱交換媒体がラジエータ４０側を流れるようにし、電磁弁３２，３４のアクチュエータ３３，３５に駆動信号を出力して電磁弁３２，３４を開成し、さらに電磁弁３６，３８のアクチュエータ３７，３９に駆動信号を出力して電磁弁３６，３８を閉成することにより行なわれる。冷却用循環路を形成したときの様子を図４に示す。図示するように、冷却用循環路を形成すると、循環ポンプ２４により圧送される熱交換媒体は、燃料電池１０を通ってヒータ５０に至り、ラジエータ４０かラジエータバイパス管４４を通って循環ポンプ２４に戻る。ここで、熱交換媒体がラジエータ４０を流れるかラジエータバイパス管４４を流れるかは、三方弁４２を切り換えることによって選択するのであるが、この選択は、電子制御ユニット７０が実行する図示しないルーチンにより、温度センサ７９により検出される燃料電池１０の温度Ｔｆｃに基づいて熱交換媒体の冷却が必要か否かによって行なわれる。なお、図２の始動時処理ルーチンにおいて、ステップＳ１０８の閾値Ｔｓｅｔが燃料電池１０の定常運転の温度より低く設定されているときには、燃料電池１０はまだ十分に加温されていないから、冷却用循環路における三方弁４２はラジエータバイパス管４４を選択するよう切り換えられることになる。
【００２８】
次に、暖房装置６０を駆動させたときの処理について説明する。図５は、暖房装置６０を駆動させたときに実施例の電子制御ユニット７０により実行される暖房時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、暖房装置用電子制御ユニット６４から暖房装置６０を始動させる信号を通信ポートを介して入力し、熱供給管６６に取り付けられた電磁弁６８を開成した後に、所定時間毎（例えば、１秒毎）に繰り返し実行される。
【００２９】
この暖房時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、暖房装置用電子制御ユニット６４から出力される熱要求を読み込む処理を実行する（ステップＳ２００）。熱要求は、実施例では、車室内に設けられた温度センサにより検出される車室内の温度と目標温度との偏差などに基づいて暖房装置用電子制御ユニット６４が電子制御ユニット７０に向けて「適正」と「熱の不足」と「熱の過剰」の３値の信号として出力されるものである。
【００３０】
熱要求を読み込むと、その要求を判定し（ステップＳ２０２）、判定結果が「適正」のときには、暖房装置６０に必要十分な熱の供給を行なっていると判断し、何もせずにそのまま本ルーチンを終了する。
【００３１】
判定結果が「熱の不足」のときには、まず、ラジエータフラグＦＲを調べる処理を実行する（ステップＳ２０４）。ラジエータフラグＦＲは、ラジエータ４０側に熱交換媒体を流しているか否かを値として持つフラグであり、本ルーチンの後段の処理で設定される。ラジエータフラグＦＲが値１のときには、熱交換媒体をラジエータ４０側に流していると判断し、熱交換媒体をすべて熱供給管６６を介して熱交換器６２に供給するようラジエータバルブとしての電磁弁４６を閉成し（ステップＳ２０６）、ラジエータフラグＦＲに値０を設定して（ステップＳ２０８）、本ルーチンを終了する。このように熱交換媒体をすべて暖房装置６０の熱交換器６２に供給することにより、ラジエータ４０側に流れていた熱量を暖房装置６０側に供給するのである。ラジエータバルブとしての電磁弁４６が開成されている状態の熱交換媒体の流れの様子を図６に、電磁弁４６が閉成された状態の熱交換媒体の流れの様子を図７に示す。なお、図６中の三方弁４２の切り換えは、電子制御ユニット７０により温度センサ７９により検出される燃料電池１０の温度Ｔｆｃに基づいて行なわれるのは前述した。
【００３２】
一方、ラジエータフラグＦＲが値０のときには、熱交換媒体をすべて熱交換器６２に供給しているが、熱が不足していると判断し、ヒータ５０をオンとして（ステップＳ２１０）、ヒータフラグＦＨに値１を設定して（ステップＳ２１２）、本ルーチンを終了する。このように、ヒータ５０をオンとして熱交換媒体を加熱することにより暖房装置６０で必要な熱量を供給するのである。なお、ヒータフラグＦＨは、ヒータ５０のオンオフ状態を値として持つフラグであり、本ルーチンにより設定されるものである。
【００３３】
ステップＳ２０２の判定結果が「熱の過剰」のときには、まず、ヒータフラグＦＨを調べる処理を実行する（ステップＳ２１４）。ヒータフラグＦＨが値１のときには、熱交換媒体は図７に示すように流れてヒータ５０により加熱されている状態と判断し、ヒータ５０をオフとし（ステップＳ２１６）、ヒータフラグＦＨに値０を設定して（ステップＳ２１８）、本ルーチンを終了する。この処理により、ヒータ５０がオフとされるから、暖房装置６０に供給される熱量は減少する。一方、ヒータフラグＦＨが値０のときには、ヒータ５０をオフとしていても熱が過剰であると判断し、ラジエータバルブとしての電磁弁４６を開成し（ステップＳ２２０）、ラジエータフラグＦＲに値１を設定して（ステップＳ２２２）、本ルーチンを終了する。この処理により、熱交換媒体は図６に示すように流れ、暖房装置６０に供給される熱は減少される。
【００３４】
以上説明した実施例の温度調節装置２０によれば、燃料電池１０を始動するときには、加熱時バイパス管５６によりラジエータ４０側をバイパスすると共に流向切換機構２６により熱交換媒体をヒータ５０，燃料電池１０の順に流し、ヒータ５０をオンとして熱交換媒体を加熱することにより、燃料電池１０を効率よく加温することができる。また、実施例の温度調節装置２０によれば、燃料電池１０を始動した後は、この燃料電池１０を加温する装置として機能するものを燃料電池１０を冷却する装置として機能させることができる。
【００３５】
また、実施例の温度調節装置２０によれば、燃料電池１０により生じる熱を利用して車室を暖房することができる。しかも、車室の暖房に更に熱が必要なときには、熱交換媒体をすべて暖房装置６０の熱交換器６２に流したり、ヒータ５０により熱交換媒体を加熱することによって不足する熱を補うことができる。この結果、燃料電池１０により生じる熱では不足する場合、例えば燃料電池１０が充分に暖まっていない場合や外気により車室から奪われる熱が多く定常運転状態にある燃料電池１０により生じる熱では不足する場合などでも、車室を十分に暖房することができる。
【００３６】
実施例の温度調節装置２０では、熱交換媒体として水を用いたが、熱交換媒体として機能する流体であれば如何なる流体でもよく、例えば、アルコール系の不凍液やオイルなどを用いるものとしてもよい。
【００３７】
実施例の温度調節装置２０では、一方向運転の循環ポンプ２４を用いたが、逆転可能な双方向運転のポンプを用いるものとしてもよい。この場合、流向切換機構２６は不要となる。
【００３８】
実施例の温度調節装置２０では、ヒータ５０を電気ヒータとして構成したが、燃料電池１０に用いる燃料やその他の燃料を燃焼して熱を得て熱交換媒体を加熱するものとしてもよい。
【００３９】
実施例の温度調節装置２０では、ラジエータ４０を外気と熱交換する熱交換器として構成したが、熱交換媒体を冷却可能なものであれば如何なるものであっても差し支えない。
【００４０】
実施例の温度調節装置２０では、燃料電池１０により生じる熱を利用して仕事をする熱利用装置として車室を暖房する暖房装置６０を用いたが、燃料電池１０により生じる熱を利用して仕事をするものであれば他の如何なる熱利用装置であってもよい。なお、この場合の仕事は、機械仕事を意味するものではなく、エネルギ的な意味合いのものである。
【００４１】
実施例の温度調節装置２０では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池など他の燃料電池を持ちいるものとしてもよい。また、実施例の温度調節装置２０では、車載される燃料電池１０に適用するものとしたが、車載用の燃料電池以外の燃料電池の温度を調節するものに適用する構成としてもよい。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池１０の温度調節装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 燃料電池１０を始動する際に実施例の電子制御ユニット７０で実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】 加温用循環路を形成したときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【図４】 冷却用循環路を形成したときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【図５】 暖房装置６０を駆動させたときに実施例の電子制御ユニット７０により実行される暖房時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図６】 暖房装置６０が駆動されたときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【図７】 暖房装置６０が熱の不足を要求したときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池、２０ 温度調節装置、２２ 循環管路、２３ 熱交換部、２４ 循環ポンプ、２６ 流向切換機構、２８ 第１バイパス管路、３０ 第２バイパス管路、３２，３４，３６，３８，４６，６８ 電磁弁、３３，３５，３７，３９，４７，６９ アクチュエータ、４０ ラジエータ、４２，５２ 三方弁、４３，５３ アクチュエータ、４４ ラジエータバイパス管、５０ ヒータ、５６ 加熱時バイパス管、６０ 暖房装置、６２ 熱交換器、６４ 暖房装置用電子制御ユニット、６６ 熱供給管、７０ 電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、７８ 始動スイッチ、７９ 温度センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の温度調節装置に関し、詳しくは、燃料電池の温度を調節する温度調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池の温度調節手段としては、燃料電池の冷却系統に燃料電池の熱を利用する暖房装置と、冷却系統の熱交換媒体を加熱するバーナーとを備えるものが提案されている（例えば、特開平６−２６０１９６号公報など）。この装置では、燃料電池，暖房装置，バーナーの順に熱交換媒体が循環する循環路を備え、燃料電池が定常運転状態にあるときには、燃料電池が生じる熱を用いて暖房を行なうことができるようになっている。また、燃料電池を始動するときには、熱交換媒体をバーナーによって加熱し、燃料電池を加温することができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この装置では、燃料電池を始動し、燃料電池が運転可能な状態となっても暖房装置によって十分な暖房効果を得ることができない場合を生じるという問題があった。バーナーにより加熱された熱交換媒体は、まず燃料電池に送られるから、燃料電池が運転は可能であるが定常運転状態に至っていないときには、暖房装置には十分な熱が供給されない。また、この装置では、暖房装置に必要な熱量が燃料電池が生じる熱量より大きいときには、十分に暖房装置を機能させることができないという問題もあった。必要な熱を生じるのにバーナーにより熱交換媒体を加熱すればよいが、燃料電池が定常運転状態にある場合、燃料電池の冷却の必要のために、熱交換媒体を加熱することができない。
【０００４】
本発明の燃料電池の温度調節装置は、始動時に燃料電池を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の温度調節装置は、運転中の燃料電池の温度を適正な運転温度範囲内になるようにすることを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池の温度調節装置は、燃料電池から生じる熱を有効に利用することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の温度調節装置は、燃料電池から生じるの熱を有効利用する際の熱量の不足を補うことを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池の温度調節装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池の温度調節装置は、燃料電池の温度を調節する温度調節装置であって、熱交換媒体により前記燃料電池と熱交換可能な循環路と、前記熱交換媒体を前記循環路に正逆のいずれかの方向に切り換えて循環させる媒体循環手段と、前記循環路に設けられ、前記熱交換媒体を冷却する冷却手段と、前記熱交換媒体が前記冷却手段をバイパスするよう前記循環路を切り換える冷却バイパス手段と、前記循環路に設けられ、前記熱交換媒体の熱を利用して仕事をする熱利用手段と、前記熱交換媒体が前記熱利用手段をバイパスするよう前記循環路を切り換える熱利用バイパス手段と、前記燃料電池と前記熱利用手段との間に管路を介して接続され、前記熱交換媒体を加熱可能な加熱手段と、を備え、前記媒体循環手段が前記熱交換媒体の循環方向を切り換えることにより、前記加熱手段から前記燃料電池に前記熱交換媒体を流すことができ、前記加熱手段から前記熱利用手段にも前記熱交換媒体を流すことができることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池の温度調節装置では、冷却バイパス手段や熱利用バイパス手段により冷却手段や熱利用手段を循環路に取り込んだりバイパスさせたりすることができる。この結果、燃料電池の温度を調節することができると共に燃料電池の熱を利用することができる。また、熱交換媒体を加熱することができるから、燃料電池を加温したり、熱利用手段に必要な熱量を補うことができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記燃料電池の始動状態と始動後の運転可能状態とを検出する状態検出手段と、該検出された状態に基づいて前記媒体循環手段と前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の状態を所望の状態とすることができる。
【０００９】
この状態検出手段と制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記状態検出手段が前記燃料電池の始動状態を検出したとき、前記循環路が前記冷却手段および前記熱利用手段をバイパスするよう前記冷却バイパス手段および前記熱利用バイパス手段を制御すると共に、前記熱交換媒体が加熱されるよう前記加熱手段を制御し、前記熱交換媒体が前記加熱手段，前記燃料電池の順に前記循環路を循環するよう該媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を迅速に加温することができる。
【００１０】
また、状態検出手段と制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記状態検出手段が前記燃料電池の運転可能状態を検出したとき、前記循環路に前記冷却手段および／または前記熱利用手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段および前記熱利用バイパス手段を制御すると共に、前記熱交換媒体がまず前記燃料電池，前記加熱手段の順に流れ、その後に前記冷却手段と前記熱利用手段の少なくともいずれか一方を流れるよう該媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を冷却することができると共に、熱利用手段に必要な熱が不足するときには熱を補うことができる。この態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記状態検出手段は前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度が運転可能な温度となるよう前記媒体循環手段と前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を所定範囲の温度で運転することができる。
【００１１】
燃料電池を運転可能な温度で運転する態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記熱利用手段の状態を検出する熱利用状態検出手段を備え、前記制御手段は、前記熱利用状態検出手段により検出された前記熱利用手段の状態に基づいて前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱利用手段を所望の状態とすることができる。
【００１２】
この熱利用状態検出手段を備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記熱利用状態検出手段により前記熱利用手段が熱を利用する状態を検出したとき、前記循環路に前記熱利用手段が取り組まれるよう前記熱利用バイパス手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱利用手段により熱を有効に利用することができる。
【００１３】
この循環路に熱利用手段が取り込まれた態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記熱利用手段は必要な熱量の過不足に関する情報を検出する情報検出手段を備え、前記制御手段は、前記情報検出手段により検出された情報に基づいて前記加熱手段と前記冷却バイパス手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱利用手段を十分に機能させることができる。
【００１４】
この熱利用手段が情報検出手段を備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記情報検出手段が必要な熱量の不足に関する情報を検出したとき、前記熱交換媒体が加熱されるよう前記加熱手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、必要な熱量を補うことができる。
【００１５】
また、熱利用手段が情報検出手段を備える態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記情報検出手段が必要な熱量の過剰に関する情報を検出したとき、前記熱交換媒体が加熱されないよう前記加熱手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば過剰な熱の供給を停止することができる。この態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記熱交換媒体が加熱されないよう前記加熱手段を制御しているにも拘わらず前記情報検出手段が必要な熱量の過剰に関する情報を検出したとき、前記循環路に前記冷却手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば熱利用手段による熱の利用を適正に行なうことができる。さらに、この態様の本発明の燃料電池の温度調節装置において、前記制御手段は、前記循環路に前記冷却手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段を制御している状態で前記情報検出手段が必要な熱量の不足に関する情報を検出したとき、前記加熱手段による前記熱交換媒体の加熱に先立って前記循環路が前記冷却手段をバイパスするよう前記冷却バイパス手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱を効率的に利用することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池の温度調節装置における燃料電池の起動方法は、前記冷却手段と前記熱利用手段とをバイパスするように前記循環路を切り換え、熱交換媒体が前記加熱手段、燃料電池の順に前記循環路を循環するように前記媒体循環手段を切り換えて燃料電池を加温するための循環路を形成する加温用循環路形成ステップと、燃料電池が運転可能な温度になるまで、前記加熱手段により熱交換媒体を加熱する加熱ステップと、燃料電池が運転可能な温度になると、前記加熱手段の加熱と熱交換媒体の循環とを停止する停止ステップと、熱交換媒体が前記冷却手段に流れるように前記循環路を切り換え、熱交換媒体が燃料電池、前記加熱手段の順に前記循環路を循環するように前記媒体循環手段を切り換えて燃料電池を冷却するための循環路を形成する冷却用循環路形成ステップと、を含むことを特徴とする。また、別の発明の燃料電池の温度調節装置は、熱交換媒体により燃料電池と熱交換を行なう燃料電池の熱交換部と、熱交換媒体の熱を利用して仕事をする熱利用手段と、熱交換媒体が前記熱利用手段をバイパスするバイパス管と、前記熱交換部と前記熱利用手段との間に管路を介して接続され、熱交換媒体を加熱可能な加熱手段と、管路に熱交換媒体を圧送するポンプと、前記ポンプが圧送する熱交換媒体の流向を切り換える流向切換手段と、を備え、前記流向切換手段によって熱交換媒体が前記加熱手段、前記熱交換部、そして前記バイパス管の順に循環するように形成された第一循環路と、前記流向切換手段によって熱交換媒体が前記熱交換部、前記加熱手段、そして前記熱利用手段の順に循環するように形成された第二循環路と、を含むことを特徴とする。これらの発明の燃料電池の温度調節装置において、前記熱利用手段は、前記熱交換媒体との熱交換により暖房する暖房装置であるものとすることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である車載用の燃料電池１０の温度調節装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の温度調節装置２０は、燃料電池１０の温度を調節する装置として構成されており、図示するように、燃料電池１０と熱交換を行なう熱交換部２３と共に熱交換媒体としての水の循環路を形成する循環管路２２と、この循環管路２２に熱交換媒体を循環させる循環ポンプ２４と、熱交換媒体の循環管路２２における流向を切り換える流向切換機構２６と、熱交換媒体を外気により冷却するラジエータ４０と、熱交換媒体を加熱するヒータ５０と、熱交換媒体の熱を利用して車室の暖房を行なう暖房装置６０と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。
【００１８】
燃料電池１０は、実施例では、高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体を電解質として構成される単電池を複数積層してなる固体高分子型燃料電池として構成されており、７０〜１１０℃程度で定常運転される。
【００１９】
循環ポンプ２４は、逆転運転ができない一方向運転（図１では左から右に熱交換媒体を圧送する方向への運転）のポンプとして構成されている。流向切換機構２６は、循環管路２２の循環ポンプ２４の前後に取り付けられた二つの電磁弁３２，３４と、電磁弁３２と循環ポンプ２４とをバイパスする第１バイパス管路２８と、この第１バイパス管路２８に設けられた電磁弁３６と、循環ポンプ２４と電磁弁３４とをバイパスする第２バイパス管路３０と、この第２バイパス管路３０に設けられた電磁弁３８とから構成されている。熱交換媒体は、電磁弁３２と電磁弁３４とを開成すると共に電磁弁３６と電磁弁３８とを閉成すれば、第１バイパス管路２８および第２バイパス管路３０には流れずに循環管路２２を循環ポンプ２４から燃料電池１０，ヒータ５０の順に流れ、電磁弁３２と電磁弁３４とを閉成すると共に電磁弁３６と電磁弁３８とを開成すれば、ヒータ５０，燃料電池１０から第２バイパス管路３０を介して循環ポンプ２４に至り、循環ポンプ２４から第１バイパス管路２８を介してラジエータ４０側に流れる。
【００２０】
ラジエータ４０は、外気により熱交換媒体を冷却する熱交換器として構成されており、循環管路２２に設けられた三方弁４２により熱交換媒体がラジエータ４０を流れるかラジエータバイパス管４４を流れるかを選択できるようになっている。また、循環管路２２には、ラジエータバルブとしての電磁弁４６も取り付けられており、熱交換媒体がラジエータ４０にもラジエータバイパス管４４にも流れないようにすることができる。
【００２１】
ヒータ５０は、燃料電池１０に隣接して設けられており、図示しないバッテリから電力の供給を受けて熱交換媒体を加熱する電気ヒータとして構成されている。なお、ヒータ５０は、電子制御ユニット７０によりオンオフ制御を受ける。循環管路２２のヒータ５０を挟んで燃料電池１０と反対側には三方弁５２が取り付けられており、加熱時バイパス管５６によりラジエータ４０や暖房装置６０をバイパスできるようになっている。
【００２２】
暖房装置６０は、熱交換媒体の熱を利用して車室の暖房を行なう装置であり、熱交換媒体と熱交換をする熱交換器６２と、暖房装置６０をコントロールする暖房装置用電子制御ユニット６４とを備える。暖房装置６０は、この他、車室内に設けられた温風吹き出し口や温度センサや目標温度設定スイッチなど車室の暖房に必要な各種センサや機器を備えるが、本発明の中核をなさないから、その図示と説明は省略する。なお、循環管路２２には、暖房装置６０の熱交換器６２に熱交換媒体を供給する熱供給管６６が分岐しており、この熱供給管６６には電磁弁６８が取り付けられている。
【００２３】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、暖房装置用電子制御ユニット６４と通信を行なう図示しない通信ポートと、図示しない入出力ポートとを備える。この電子制御ユニット７０には、燃料電池１０に取り付けられた温度センサ７９からの燃料電池１０の温度Ｔｆｃや燃料電池１０が始動されるときにオンとされる始動スイッチ７８からの始動信号などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、各電磁弁３２，３４，３６，３８，４６，６８のアクチュエータ３３，３５，３７，３９，４７，６９への駆動信号や三方弁４２，５２のアクチュエータ４３，５３への駆動信号，ヒータ５０への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２４】
次に、こうして構成された実施例の温度調節装置２０の動作、特に燃料電池１０の始動時の動作と、定常運転時に暖房を用いる際の動作について説明する。図２は、燃料電池１０を始動する際に実施例の電子制御ユニット７０で実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、始動スイッチ７８からの信号がオンとされたときに実行される。
【００２５】
この始動時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、燃料電池１０を加温するための循環管路（加温用循環路）を形成する処理を実行する（ステップＳ１００）。加温用循環路の形成は、具体的には、電子制御ユニット７０から三方弁５２のアクチュエータ５３に駆動信号を出力して熱交換媒体がラジエータ４０や暖房装置６０をバイパスして加熱時バイパス管５６を流れるようにし、電磁弁３２，３４のアクチュエータ３３，３５に駆動信号を出力して電磁弁３２，３４を閉成し、さらに電磁弁３６，３８のアクチュエータ３７，３９に駆動信号を出力して電磁弁３６，３８を開成することにより行なわれる。加温用循環路を形成したときの様子を図３に示す。図示するように、加温循環路を形成すると、循環ポンプ２４により圧送される熱交換媒体は、第１バイパス管路２８，加熱時バイパス管５６を通ってヒータ５０，燃料電池１０に至り、第２バイパス管路３０を通って循環ポンプ２４に戻る。
【００２６】
こうして加温用循環路を形成すると、続いて循環ポンプ２４を駆動すると共に（ステップＳ１０２）、ヒータ５０をオンとする処理を実行する（ステップＳ１０４）。こうした処理によりヒータ５０で加熱された熱交換媒体が燃料電池１０内の熱交換部２３で燃料電池１０を加温する。そして、温度センサ７９により検出される燃料電池１０の温度Ｔｆｃが閾値Ｔｓｅｔ以上となるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１０６，Ｓ１０８）。ここで、閾値Ｔｓｅｔは、燃料電池１０が運転可能な温度に設定されるものであり、運転可能な温度であれば定常運転状態の温度としなくてもよい。
【００２７】
燃料電池１０の温度Ｔｆｃが閾値Ｔｓｅｔ以上になると、ヒータ５０をオフすると共に（ステップＳ１１０）、循環ポンプ２４を停止し（ステップＳ１１２）、燃料電池１０を冷却するための循環管路（冷却用循環路）を形成する処理を実行して（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了する。冷却用循環路の形成は、具体的には、電子制御ユニット７０から三方弁５２のアクチュエータ５３に駆動信号を出力して熱交換媒体がラジエータ４０側を流れるようにし、電磁弁３２，３４のアクチュエータ３３，３５に駆動信号を出力して電磁弁３２，３４を開成し、さらに電磁弁３６，３８のアクチュエータ３７，３９に駆動信号を出力して電磁弁３６，３８を閉成することにより行なわれる。冷却用循環路を形成したときの様子を図４に示す。図示するように、冷却用循環路を形成すると、循環ポンプ２４により圧送される熱交換媒体は、燃料電池１０を通ってヒータ５０に至り、ラジエータ４０かラジエータバイパス管４４を通って循環ポンプ２４に戻る。ここで、熱交換媒体がラジエータ４０を流れるかラジエータバイパス管４４を流れるかは、三方弁４２を切り換えることによって選択するのであるが、この選択は、電子制御ユニット７０が実行する図示しないルーチンにより、温度センサ７９により検出される燃料電池１０の温度Ｔｆｃに基づいて熱交換媒体の冷却が必要か否かによって行なわれる。なお、図２の始動時処理ルーチンにおいて、ステップＳ１０８の閾値Ｔｓｅｔが燃料電池１０の定常運転の温度より低く設定されているときには、燃料電池１０はまだ十分に加温されていないから、冷却用循環路における三方弁４２はラジエータバイパス管４４を選択するよう切り換えられることになる。
【００２８】
次に、暖房装置６０を駆動させたときの処理について説明する。図５は、暖房装置６０を駆動させたときに実施例の電子制御ユニット７０により実行される暖房時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、暖房装置用電子制御ユニット６４から暖房装置６０を始動させる信号を通信ポートを介して入力し、熱供給管６６に取り付けられた電磁弁６８を開成した後に、所定時間毎（例えば、１秒毎）に繰り返し実行される。
【００２９】
この暖房時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、暖房装置用電子制御ユニット６４から出力される熱要求を読み込む処理を実行する（ステップＳ２００）。熱要求は、実施例では、車室内に設けられた温度センサにより検出される車室内の温度と目標温度との偏差などに基づいて暖房装置用電子制御ユニット６４が電子制御ユニット７０に向けて「適正」と「熱の不足」と「熱の過剰」の３値の信号として出力されるものである。
【００３０】
熱要求を読み込むと、その要求を判定し（ステップＳ２０２）、判定結果が「適正」のときには、暖房装置６０に必要十分な熱の供給を行なっていると判断し、何もせずにそのまま本ルーチンを終了する。
【００３１】
判定結果が「熱の不足」のときには、まず、ラジエータフラグＦＲを調べる処理を実行する（ステップＳ２０４）。ラジエータフラグＦＲは、ラジエータ４０側に熱交換媒体を流しているか否かを値として持つフラグであり、本ルーチンの後段の処理で設定される。ラジエータフラグＦＲが値１のときには、熱交換媒体をラジエータ４０側に流していると判断し、熱交換媒体をすべて熱供給管６６を介して熱交換器６２に供給するようラジエータバルブとしての電磁弁４６を閉成し（ステップＳ２０６）、ラジエータフラグＦＲに値０を設定して（ステップＳ２０８）、本ルーチンを終了する。このように熱交換媒体をすべて暖房装置６０の熱交換器６２に供給することにより、ラジエータ４０側に流れていた熱量を暖房装置６０側に供給するのである。ラジエータバルブとしての電磁弁４６が開成されている状態の熱交換媒体の流れの様子を図６に、電磁弁４６が閉成された状態の熱交換媒体の流れの様子を図７に示す。なお、図６中の三方弁４２の切り換えは、電子制御ユニット７０により温度センサ７９により検出される燃料電池１０の温度Ｔｆｃに基づいて行なわれるのは前述した。
【００３２】
一方、ラジエータフラグＦＲが値０のときには、熱交換媒体をすべて熱交換器６２に供給しているが、熱が不足していると判断し、ヒータ５０をオンとして（ステップＳ２１０）、ヒータフラグＦＨに値１を設定して（ステップＳ２１２）、本ルーチンを終了する。このように、ヒータ５０をオンとして熱交換媒体を加熱することにより暖房装置６０で必要な熱量を供給するのである。なお、ヒータフラグＦＨは、ヒータ５０のオンオフ状態を値として持つフラグであり、本ルーチンにより設定されるものである。
【００３３】
ステップＳ２０２の判定結果が「熱の過剰」のときには、まず、ヒータフラグＦＨを調べる処理を実行する（ステップＳ２１４）。ヒータフラグＦＨが値１のときには、熱交換媒体は図７に示すように流れてヒータ５０により加熱されている状態と判断し、ヒータ５０をオフとし（ステップＳ２１６）、ヒータフラグＦＨに値０を設定して（ステップＳ２１８）、本ルーチンを終了する。この処理により、ヒータ５０がオフとされるから、暖房装置６０に供給される熱量は減少する。一方、ヒータフラグＦＨが値０のときには、ヒータ５０をオフとしていても熱が過剰であると判断し、ラジエータバルブとしての電磁弁４６を開成し（ステップＳ２２０）、ラジエータフラグＦＲに値１を設定して（ステップＳ２２２）、本ルーチンを終了する。この処理により、熱交換媒体は図６に示すように流れ、暖房装置６０に供給される熱は減少される。
【００３４】
以上説明した実施例の温度調節装置２０によれば、燃料電池１０を始動するときには、加熱時バイパス管５６によりラジエータ４０側をバイパスすると共に流向切換機構２６により熱交換媒体をヒータ５０，燃料電池１０の順に流し、ヒータ５０をオンとして熱交換媒体を加熱することにより、燃料電池１０を効率よく加温することができる。また、実施例の温度調節装置２０によれば、燃料電池１０を始動した後は、この燃料電池１０を加温する装置として機能するものを燃料電池１０を冷却する装置として機能させることができる。
【００３５】
また、実施例の温度調節装置２０によれば、燃料電池１０により生じる熱を利用して車室を暖房することができる。しかも、車室の暖房に更に熱が必要なときには、熱交換媒体をすべて暖房装置６０の熱交換器６２に流したり、ヒータ５０により熱交換媒体を加熱することによって不足する熱を補うことができる。この結果、燃料電池１０により生じる熱では不足する場合、例えば燃料電池１０が充分に暖まっていない場合や外気により車室から奪われる熱が多く定常運転状態にある燃料電池１０により生じる熱では不足する場合などでも、車室を十分に暖房することができる。
【００３６】
実施例の温度調節装置２０では、熱交換媒体として水を用いたが、熱交換媒体として機能する流体であれば如何なる流体でもよく、例えば、アルコール系の不凍液やオイルなどを用いるものとしてもよい。
【００３７】
実施例の温度調節装置２０では、一方向運転の循環ポンプ２４を用いたが、逆転可能な双方向運転のポンプを用いるものとしてもよい。この場合、流向切換機構２６は不要となる。
【００３８】
実施例の温度調節装置２０では、ヒータ５０を電気ヒータとして構成したが、燃料電池１０に用いる燃料やその他の燃料を燃焼して熱を得て熱交換媒体を加熱するものとしてもよい。
【００３９】
実施例の温度調節装置２０では、ラジエータ４０を外気と熱交換する熱交換器として構成したが、熱交換媒体を冷却可能なものであれば如何なるものであっても差し支えない。
【００４０】
実施例の温度調節装置２０では、燃料電池１０により生じる熱を利用して仕事をする熱利用装置として車室を暖房する暖房装置６０を用いたが、燃料電池１０により生じる熱を利用して仕事をするものであれば他の如何なる熱利用装置であってもよい。なお、この場合の仕事は、機械仕事を意味するものではなく、エネルギ的な意味合いのものである。
【００４１】
実施例の温度調節装置２０では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池など他の燃料電池を持ちいるものとしてもよい。また、実施例の温度調節装置２０では、車載される燃料電池１０に適用するものとしたが、車載用の燃料電池以外の燃料電池の温度を調節するものに適用する構成としてもよい。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池１０の温度調節装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 燃料電池１０を始動する際に実施例の電子制御ユニット７０で実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】 加温用循環路を形成したときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【図４】 冷却用循環路を形成したときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【図５】 暖房装置６０を駆動させたときに実施例の電子制御ユニット７０により実行される暖房時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図６】 暖房装置６０が駆動されたときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【図７】 暖房装置６０が熱の不足を要求したときの熱交換媒体が流れる様子を例示する説明図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池、２０ 温度調節装置、２２ 循環管路、２３ 熱交換部、２４ 循環ポンプ、２６ 流向切換機構、２８ 第１バイパス管路、３０ 第２バイパス管路、３２，３４，３６，３８，４６，６８ 電磁弁、３３，３５，３７，３９，４７，６９ アクチュエータ、４０ ラジエータ、４２，５２ 三方弁、４３，５３ アクチュエータ、４４ ラジエータバイパス管、５０ ヒータ、５６ 加熱時バイパス管、６０ 暖房装置、６２ 熱交換器、６４ 暖房装置用電子制御ユニット、６６ 熱供給管、７０ 電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、７８ 始動スイッチ、７９ 温度センサ。
Claims (15)
- 燃料電池の温度を調節する温度調節装置であって、
熱交換媒体により前記燃料電池と熱交換可能な循環路と、
前記熱交換媒体を前記循環路に正逆のいずれかの方向に切り換えて循環させる媒体循環手段と、
前記循環路に設けられ、前記熱交換媒体を冷却する冷却手段と、
前記熱交換媒体が前記冷却手段をバイパスするよう前記循環路を切り換える冷却バイパス手段と、
前記循環路に設けられ、前記熱交換媒体の熱を利用して仕事をする熱利用手段と、
前記熱交換媒体が前記熱利用手段をバイパスするよう前記循環路を切り換える熱利用バイパス手段と、
前記燃料電池と前記熱利用手段との間に管路を介して接続され、前記熱交換媒体を加熱可能な加熱手段と、
を備え、
前記媒体循環手段が前記熱交換媒体の循環方向を切り換えることにより、前記加熱手段から前記燃料電池に前記熱交換媒体を流すことができ、前記加熱手段から前記熱利用手段にも前記熱交換媒体を流すことができる、
ことを特徴とする燃料電池の温度調節装置。 - 請求項１記載の燃料電池の温度調節装置であって、
前記燃料電池の始動状態と始動後の運転可能状態とを検出する状態検出手段と、
該検出された状態に基づいて前記媒体循環手段と前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する制御手段と、
を備える燃料電池の温度調節装置。 - 前記制御手段は、前記状態検出手段が前記燃料電池の始動状態を検出したとき、前記循環路が前記冷却手段および前記熱利用手段をバイパスするよう前記冷却バイパス手段および前記熱利用バイパス手段を制御すると共に、前記熱交換媒体が加熱されるよう前記加熱手段を制御し、前記熱交換媒体が前記加熱手段，前記燃料電池の順に前記循環路を循環するよう該媒体循環手段を制御する手段である請求項２記載の燃料電池の温度調節装置。
- 前記制御手段は、前記状態検出手段が前記燃料電池の運転可能状態を検出したとき、前記循環路に前記冷却手段および／または前記熱利用手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段および前記熱利用バイパス手段を制御すると共に、前記熱交換媒体がまず前記燃料電池，前記加熱手段の順に流れ、その後に前記冷却手段と前記熱利用手段の少なくともいずれか一方を流れるよう該媒体循環手段を制御する手段である請求項２記載の燃料電池の温度調節装置。
- 請求項４記載の燃料電池の温度調節装置であって、
前記状態検出手段は、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度が運転可能な温度となるよう前記媒体循環手段と前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する手段である
燃料電池の温度調節装置。 - 請求項５記載の燃料電池の温度調節装置であって、
前記熱利用手段の状態を検出する熱利用状態検出手段を備え、
前記制御手段は、前記熱利用状態検出手段により検出された前記熱利用手段の状態に基づいて前記冷却バイパス手段と前記熱利用バイパス手段と前記加熱手段とを制御する手段である
燃料電池の温度調節装置。 - 前記制御手段は、前記熱利用状態検出手段により前記熱利用手段が熱を利用する状態を検出したとき、前記循環路に前記熱利用手段が取り組まれるよう前記熱利用バイパス手段を制御する手段である請求項６記載の燃料電池の温度調節装置。
- 請求項７記載の燃料電池の温度調節装置であって、
前記熱利用手段は、必要な熱量の過不足に関する情報を検出する情報検出手段を備え、
前記制御手段は、前記情報検出手段により検出された情報に基づいて前記加熱手段と前記冷却バイパス手段とを制御する手段である燃料電池の温度調節装置。 - 前記制御手段は、前記情報検出手段が必要な熱量の不足に関する情報を検出したとき、前記熱交換媒体が加熱されるよう前記加熱手段を制御する手段である請求項８記載の燃料電池の温度調節装置。
- 前記制御手段は、前記情報検出手段が必要な熱量の過剰に関する情報を検出したとき、前記熱交換媒体が加熱されないよう前記加熱手段を制御する手段である請求項８記載の燃料電池の温度調節装置。
- 前記制御手段は、前記熱交換媒体が加熱されないよう前記加熱手段を制御しているにも拘わらず前記情報検出手段が必要な熱量の過剰に関する情報を検出したとき、前記循環路に前記冷却手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段を制御する手段である請求項１０記載の燃料電池の温度調節装置。
- 前記制御手段は、前記循環路に前記冷却手段が取り組まれるよう前記冷却バイパス手段を制御している状態で前記情報検出手段が必要な熱量の不足に関する情報を検出したとき、前記加熱手段による前記熱交換媒体の加熱に先立って前記循環路が前記冷却手段をバイパスするよう前記冷却バイパス手段を制御する手段である請求項１１記載の燃料電池の温度調節装置。
- 請求項１に記載の燃料電池の温度調節装置における燃料電池の起動方法であって、
前記冷却手段と前記熱利用手段とをバイパスするように前記循環路を切り換え、熱交換媒体が前記加熱手段、燃料電池の順に前記循環路を循環するように前記媒体循環手段を切り換えて燃料電池を加温するための循環路を形成する加温用循環路形成ステップと、
燃料電池が運転可能な温度になるまで、前記加熱手段により熱交換媒体を加熱する加熱ステップと、
燃料電池が運転可能な温度になると、前記加熱手段の加熱と熱交換媒体の循環とを停止する停止ステップと、
熱交換媒体が前記冷却手段に流れるように前記循環路を切り換え、熱交換媒体が燃料電池、前記加熱手段の順に前記循環路を循環するように前記媒体循環手段を切り換えて燃料電池を冷却するための循環路を形成する冷却用循環路形成ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の温度調節装置における燃料電池の起動方法。 - 燃料電池の温度を調節する温度調節装置であって、
熱交換媒体により燃料電池と熱交換を行なう燃料電池の熱交換部と、
熱交換媒体の熱を利用して仕事をする熱利用手段と、
熱交換媒体が前記熱利用手段をバイパスするバイパス管と、
前記熱交換部と前記熱利用手段との間に管路を介して接続され、熱交換媒体を加熱可能な加熱手段と、
管路に熱交換媒体を圧送するポンプと、
前記ポンプが圧送する熱交換媒体の流向を切り換える流向切換手段と、
を備え、
前記流向切換手段によって熱交換媒体が前記加熱手段、前記熱交換部、そして前記バイパス管の順に循環するように形成された第一循環路と、
前記流向切換手段によって熱交換媒体が前記熱交換部、前記加熱手段、そして前記熱利用手段の順に循環するように形成された第二循環路と、
を含む、
ことを特徴とする燃料電池の温度調節装置。 - 前記熱利用手段は、前記熱交換媒体との熱交換により暖房する暖房装置である請求項１ないし１４いずれか記載の燃料電池の温度調節装置。
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