JP5453915B2 - 燃料電池システムの冷却水温制御装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムの冷却水温制御装置に関する。

従来の燃料電池システムの冷却水温制御装置として、燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を実施するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１３０４７０号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムの冷却水温制御装置は、冷却水温が低いときに燃料電池冷却系と空調冷却系を切り離して、燃料電池冷却系と空調冷却系をそれぞれ独立に機能させていた。つまり、燃料電池冷却系を循環する冷媒と、空調冷却系を循環する冷媒と、をそれぞれ個別に加熱することで、各冷却系の冷媒温度を速やかに上昇させえて、暖機性能と暖房性能とを確保していた。

そのため、冷却系ごとに冷媒を加熱するための加熱装置や冷媒を循環させるためのポンプなどが必要となり、部品点数の増大によってコスト、車両重量及び搭載スペースが増大するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、暖機性能及び暖房性能を確保しつつ、燃料電池冷却系及び空調冷却系の部品点数を削減することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水通路と、冷却水通路に設けられて冷却水を圧送する燃料電池用ポンプと、冷却水通路に設けられて通過する冷却水の温度を低下させるラジエータと、ラジエータをバイパスするように冷却水通路に接続されるバイパス通路と、バイパス通路に流入する冷却水の流量を調整する燃料電池用流量調整弁と、燃料電池の冷却水出口からバイパス通路の入口までの間の冷却水通路と、ラジエータの出口と燃料電池の冷却水入口までの間の冷却水通路と、を接続する空調用冷却水通路と、空調用冷却水通路を流れる冷却水を加熱する加熱器と、加熱装置よりも下流の前記空調用冷却水通路に設けられ、室内に供給する空気を加熱する熱交換器と、を備える燃料電池システムの冷却水温制御装置である。本発明による燃料電池システムの冷却水温制御装置は、室内に供給する空気の加熱要求の有無を判定し、燃料電池の暖機が完了したか否かを判定し、燃料電池の暖機が完了していないときは、燃料電池から排出された冷却水のうち、空調用冷却水通路に流入しなかった冷却水がバイパス通路に流入するように燃料電池用流量制御弁の開度を調整するとともに、加熱要求の有無にかかわらず加熱器を作動させることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水温が低いときは、燃料電池スタックから排出された冷却水のうち、空調冷却水通路に流入しなかった分をバイパス通路に流して燃料電池スタックに再び流入させる。そして、空調用冷却水通路に流入した分を加熱器で加熱してバイパス通路を流れてきた冷却水と合流させる。

このように、冷却水温が低いときは、空調スイッチのオンオフにかかわらず、ラジエータをバイパスさせた冷却水とヒータを通過して高温になった冷却水とを合流させるので、燃料電池スタックに流入する冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。特に空調スイッチがオフのときは、熱交換器で熱交換されることがないのでより速やかに燃料電池スタックに流入する冷却水の温度を上昇させることができる。したがって、燃料電池の暖機性能を確保できる。

また、冷却水温が低いときに空調スイッチがオンにされた場合であっても、加熱器で加熱された冷却水と空気との間の熱交換を熱交換器で実施できる。したがって、冷却水温が低いときの暖房性能を確保できる。

そして、燃料電池冷却系と空調冷却系を独立して運転させることがないので、加熱器及びポンプが１つで済み、部品点数を削減することができる。

第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態による冷却水の温度制御について説明するフローチャートである。 第１実施形態による冷間時処理について説明するフローチャートである。 第１実施形態による通常時処理について説明するフローチャートである。 第２実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態による冷間時処理について説明するフローチャートである。 第２実施形態による通常時処理について説明するフローチャートである。 第３実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態による燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略側面図である。 第４実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 第４実施形態による冷間時処理について説明するフローチャートである。 第４実施形態による通常時処理について説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を冷却する冷却装置３と、車室の室内温度を調節する空調装置４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック２は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック２にアノードガス及びカソードガスを供給するガス供給装置については、本発明の主要部ではないので、発明の理解を容易にするため図示を省略した。

冷却装置３は、冷却水通路３１と、ラジエータ３２と、バイパス通路３３と、三方弁３４と、リザーバタンク３５と、メインポンプ３６と、第１水温センサ３７と、を備える。

冷却水通路３１は、燃料電池スタック２を冷却する冷却水が流れる通路である。冷却水通路３１は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２１と冷却水入口孔２２とに接続される。以下では便宜上、燃料電池スタック２の冷却水出口孔側を冷却水通路３１の上流として扱い、燃料電池スタック２の冷却水入口孔側を冷却水通路３１の下流として扱う。

ラジエータ３２は、冷却水通路３１に設けられる。ラジエータ３２は、通過する冷却水の温度を下げる。

バイパス通路３３は、ラジエータ３２よりも上流側の冷却水通路３１と下流側の冷却水通路３１とを接続する通路である。

三方弁３４は、上流側の冷却水通路３１とバイパス通路３３との接続部に設けられる。三方弁３４は、コントローラ５によってバルブ開度が制御され、ラジエータ３２に流入する冷却水の流量とバイパス通路３３に流入する冷却水の流量を調節する。

リザーバタンク３５は、ラジエータ３２よりも下流側の冷却水通路３１に接続される。リザーバタンク３５は、キャップ３５ａと、大気解放口３５ｂと、を備える。

キャップ３５ａは冷却水通路３１との接続部に設けられる。キャップ３５ａの内部にはバネが設けられており、冷却水に圧力をかける。このキャップ３５ａによって冷却水にかけられる圧力（以下「キャップ圧」という）は、冷却水温に応じて変化する。

冷却水温の上昇によって冷却水通路内の圧力が増加し、キャップ圧が所定圧を超えると、キャップ３５ａが開いてリザーバタンク３５に冷却水が一旦貯蔵され、冷却水通路内の圧力が調整される。一方で冷却水通路内の圧力が低下したときは貯蔵された冷却水を冷却水通路３１に戻し、冷却水通路内の圧力を調節する。

メインポンプ３６は、リザーバタンク３５よりも下流側の冷却水通路３１に設けられる。メインポンプ３６は、冷却水通路３１の冷却水を循環させる。メインポンプ３６は、回転速度によって吐出流量が連続的に変化する。メインポンプ３６の吐出流量は、コントローラ５によって制御される。

第１水温センサ３７は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２１の近傍の冷却水通路３１に設けられる。第１水温センサ３７は、冷却水通路３１を流れる冷却水の温度を検出する。

空調装置４は、空調用冷却水通路４１と、ヒータ４２と、空調ダクト４３と、電動ブロアファン４４と、ヒータコア４５と、第２水温センサ４６と、を備える。

空調用冷却水通路４１は、三方弁３４よりも上流の冷却水通路３１と、冷却水通路３１とバイパス通路３３の下流側接続部３３ａよりも下流であってメインポンプ３６よりも上流の冷却水通路３１と、を接続する。空調用冷却水通路４１には、冷却水通路３１を流れる冷却水流量の１０分の１程度が流入する。

ヒータ４２は、空調用冷却水通路４１に設けられる。ヒータ４２は電気によって冷却水を加熱して冷却水の温度を上げる。

空調ダクト４３は、一方の開口端に外気又は内気を導入する空気取入口４３ａを備え、他方の開口端に車室内に連通する吹き出し口４３ｂを備える。

電動ブロアファン４４は、空調ダクト４３の内部に設けられ、吹き出し口４３ｂから車室内に導入される空気の量を調節する。電動ブロアファン４４は、運転者によって空調スイッチがオンにされたときに通電されて作動する。

ヒータコア４５は、電動ブロアファン４４よりも下流の空調ダクト４３の内部に設けられるとともに、ヒータ４２よりも下流の空調冷却水通路３１に接続される。ヒータコア４５は、燃料電池スタック２から排出された高温の冷却水と空調ダクト４３を流れる低温の空気との間で熱交換させて空気の温度を上げる。

第２水温センサ４６は、ヒータ４２とヒータコア４５との間の空調用冷却水通路４１に設けられる。第２水温センサ４６は、空調用冷却水通路４１を流れる冷却水の温度を検出する。

コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、第１水温センサ３７及び第２水温センサ４６の他にも燃料電池スタック２の運転状態を検出する種々のセンサからの信号が入力される。コントローラ５は、これらの入力信号に基づいて三方弁３４などを制御し、冷却水通路３１及び空調用冷却水通路４１を流れる冷却水の温度を制御する。以下では、この冷却水の温度制御について説明する。

図２は、本実施形態による冷却水の温度制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、本ルーチンを燃料電池スタック２の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ５は、冷間フラグが１にセットされているか否かを判定する。コントローラ５は、冷間フラグが１にセットされていればステップＳ３に処理を移行し、０にセットされていればステップＳ２に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラ５は、冷間時か否かを判定する。具体的には、燃料電池スタック２の冷却水出口孔側の冷却水温度が、所定の冷間時判別温度より低ければ冷間時と判定する。冷間時判定温度は０℃から５℃の間で設定するのが望ましい。コントローラ５は、冷間時であればステップＳ３に処理を移行し、冷間時でなければステップＳ４に処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ５は、冷間時処理を実施する。具体的な内容については図３を参照して後述する。

ステップＳ４において、コントローラ５は、通常時処理を実施する。具体的な内容については図４を参照して後述する。

図３は、冷間時処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３０において、コントローラ５は、メインポンプ３６を作動させる。すでにメインポンプ３６が作動していれば引き続きメインポンプ３６を作動させる。

ステップＳ３１において、コントローラ５は、三方弁３４のラジエータ側の開度を全閉にし、バイパス通路側の開度を全開にする。

ステップＳ３２において、コントローラ５は、ヒータ４２を作動させる。すでにヒータ４２が作動していれば引き続きヒータ４２を作動させる。

ステップＳ３３において、コントローラ５は、空調スイッチがオンになっているか否かを判定する。コントローラ５は、空調スイッチがオンになっていればステップＳ３４に処理を移行する。一方で、空調スイッチがオフになっていればステップＳ３５に処理を移行する。

ステップＳ３４において、コントローラ５は、電動ブロアファン４４を作動させる。すでに電動ブロアファン４４が作動していれば引き続き電動ブロアファン４４を作動させる。

ステップＳ３５において、コントローラ５は、電動ブロアファン４４を停止させる。すでに電動ブロアファン４４が作動を停止していれば、そのまま停止状態とする。

ステップＳ３６において、コントローラ５は、暖機が終了したか否かを判定する。具体的には、燃料電池スタック２の冷却水出口孔側の冷却水温度が、燃料電池スタック２が効率良く発電できる温度（以下「スタック要求温度」という）よりも高くなっていれば暖機が終了したと判定する。本実施形態ではスタック要求温度を６０℃に設定している。コントローラ５は、暖機が終了していればステップＳ３７に処理を移行し、暖機が終了していなければステップＳ３９に処理を移行する。

ステップＳ３７において、コントローラ５は、ヒータ４２を停止させる。

ステップＳ３８において、コントローラ５は、冷間フラグを０にセットする。

ステップＳ３９において、コントローラ５は、冷間フラグを１にセットする。

図４は、通常時処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ４０において、コントローラ５は、メインポンプ３６を作動させる。すでにメインポンプ３６が作動していれば引き続きメインポンプ３６を作動させる。

ステップＳ４１において、コントローラ５は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔側の冷却水温度が、スタック要求温度となるように、三方弁３４のラジエータ側の開度及びバイパス通路側の開度を制御する。

ステップＳ４２において、コントローラ５は、空調スイッチがオンになっているか否かを判定する。コントローラ５は、空調スイッチがオンになっていればステップＳ４３に処理を移行する。一方で、空調スイッチがオフになっていればステップＳ４４に処理を移行する。

ステップＳ４３において、コントローラ５は、電動ブロアファン４４を作動させる。すでに電動ブロアファン４４が作動していれば引き続き電動ブロアファン４４を作動させる。

ステップＳ４４において、コントローラ５は、電動ブロアファン４４を停止させる。すでに電動ブロアファン４４が作動を停止していれば、そのまま停止状態とする。

ステップＳ４５において、コントローラ５は、空調用冷却水通路４１の冷却水温度が、車室内の暖房に必要な温度（以下「空調要求温度」という）よりも低いか否かを判定する。本実施形態では空調要求温度を７０℃に設定している。コントローラ５は、空調用冷却水通路４１の冷却水温度が空調要求温度よりも低ければステップＳ４６に処理を移行する。一方で、空調用冷却水通路４１の冷却水温度が空調要求温度よりも高ければステップＳ４７に処理を移行する。

ステップＳ４６において、コントローラ５は、ヒータ４２を作動させる。すでにヒータ４２が作動していれば引き続きヒータ４２を作動させる。

ステップＳ４７において、コントローラ５は、ヒータ４２を停止させる。すでにヒータ４２が作動を停止していれば、そのまま停止状態とする。

次に本実施形態による燃料電池システム１の作用効果について説明する。

燃料電池スタック２で発電が開始されると、コントローラ５はメインポンプ３６を駆動させて冷却水を循環させる。燃料電池スタック２から排出された冷却水は、その一部が空調用冷却水通路４１へと流入し、残りは三方弁３４の開度に応じてラジエータ側の冷却水通路３１及びバイパス通路３３のいずれか一方又は双方に流入する。前述したように、燃料電池スタック２から排出された冷却水うちの１０分の１程度が空調用冷却水通路４１へと流入する。

ここで、燃料電池スタック２の冷却水出口孔側の冷却水温度が冷間時判別温度より低い冷間時には、冷却水温度を早期に燃料電池スタック２が効率良く発電できるスタック要求温度まで上昇させる必要がある。

そこで本実施形態では、このような冷間時には、三方弁３４のラジエータ側の開度を全閉にしてバイパス通路側の開度を全開にするとともに、空調用冷却水通路４１に設けられたヒータ４２を作動させる。

これにより、空調用冷却水通路４１に流入しなかった冷却水は、その全てがラジエータ３２を通過せずにバイパス通路３３を流れて下流側の冷却水通路３１に流入する。

一方で、空調用冷却水通路４１に流入した冷却水は、ヒータ４２によって暖められた後に下流側の冷却水通路３１に流入する。このとき、空調用冷却水通路４１を流れる冷却水の流量は相対的に少ないので、ヒータ４２を通過する冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。

したがって、冷間時に空調スイッチがオンにされた場合であっても、始動直後からヒータ４２を通過して高温になった冷却水と空気との間の熱交換をヒータコア４５で実施することできる。そのため、冷間時の暖房性能を確保することができる。

また、冷間時には空調スイッチのオンオフにかかわらず、ラジエータ３２をバイパスさせた冷却水とヒータ４２を通過して高温になった冷却水とを合流させるので、燃料電池スタック２に流入する冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。

特に空調スイッチがオフのときは、ヒータコア４５で熱交換されることがないのでより速やかに燃料電池スタック２に流入する冷却水の温度を上昇させることができる。したがって、燃料電池スタック２の暖機を促進させることができる。また、空調スイッチがオンのときであってもヒータ４２の消費電力を燃料電池スタック２で発電するので、その分燃料電池スタック２の暖機を促進させることができる。

一方で、暖機が終了した後の通常運転時には、燃料電池スタック２の冷却水出口孔側の冷却水温度がスタック要求温度となるように三方弁３４の開度を制御する。そして、空調スイッチがオンになったときは、空調用冷却水通路４１の冷却水温度が空調要求温度より低ければ、ヒータ４２によって空調用冷却水通路４１の冷却水温度が空調要求温度となるように制御する。これにより、暖機完了後の空調性能を確保できる。

このように、本実施形態によれば、冷却水を加熱する装置として１つの電気ヒータ４２を用いるだけで、燃料電池スタック２の暖機性能と車両の空調性能とを満足させることができる。したがって、冷却装置３と空調装置４のそれぞれに冷却水の加熱装置を設ける場合と比較して部品点数の削減や車両重量の軽減などを図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、空調用冷却水通路４１にサブポンプ４７を備える点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図５は本実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

本実施形態による燃料電池システム１は、空調用冷却水通路４１にサブポンプ４７を備える。

このような構成とすることで、アイドル中などメインポンプ３６を停止したときに、サブポンプ４７を駆動させ、かつ、三方弁３４のラジエータ側の開度を全閉にしてバイパス通路側の開度を全開にすることで、空調装置４の単独運転が可能となる。

すなわち、サブポンプ４７から吐出された冷却水がヒータ４２及びヒータコア４５を通過して冷却水通路３１に流入した後、自然にバイパス通路３３を逆流して空調用冷却水通路４１に流入し、再びサブポンプ４７から吐出される状態となる。図中の一点鎖線の矢印は、メインポンプ３６を停止したときの冷却水の流れを示す。

図６は、本実施形態による冷間時処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３０からステップＳ３９までの処理は第１実施形態と同様である。

ステップＳ３０１において、コントローラ５は、サブポンプ４７を作動させる。すでにサブポンプ４７が作動していれば引き続きサブポンプ４７を作動させる。

ステップＳ３０２において、コントローラ５は、サブポンプ４７を停止させる。

図７は、本実施形態による通常時処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ４０からステップＳ４７までの処理は第１実施形態と同様である。

ステップＳ４０１において、コントローラ５は、アイドル中か否かを判定する。コントローラ５は、アイドル中であればステップＳ４０２に処理を移行し、アイドル中でなければステップＳ４０に処理を移行する。なお、ここでいうアイドル中とは、燃料電池スタック２を駆動するために必要な補機類が消費する電力のみを発電する状態のことをいう。

ステップＳ４０２において、コントローラ５は、メインポンプ３６を停止させる。すでにメインポンプ３６が作動を停止していれば、そのまま停止状態とする。

ステップＳ４０３において、コントローラ５は、三方弁３４のラジエータ側の開度を全閉にし、バイパス通路側の開度を全開にする。

ステップＳ４０４において、コントローラ５は、サブポンプ４７を作動させる。すでにサブポンプ４７が作動していれば引き続きサブポンプ４７を作動させる。

ステップＳ４０５において、コントローラ５は、サブポンプ４７を停止させる。すでにサブポンプ４７が停止していればそのまま停止状態とする。

次に本実施形態による燃料電池システム１の作用効果について説明する。

冷間時には、メインポンプ３６及びサブポンプ４７を共に駆動し、三方弁３４をバイパス通路側に切り替えてヒータ４２を作動させる。サブポンプ４７を駆動することで、空調用冷却水通路４１の通気抵抗（圧力損失）が大きい場合であっても空調用冷却水通路４１に冷却水を流すことができる。

また、通常運転時には、アイドル中であればメインポンプ３６を停止して三方弁３４をバイパス通路側に切り替える。そして、空調スイッチがオンになれば電動ブロアファン４４及びサブポンプ４７を駆動する。

これにより、メインポンプ３６を停止させた状態であっても空調装置４を単独運転させて、空調性能を確保できる。また、空調用冷却水通路４１の流量は冷却水通路３１の流量よりも少ないので、サブポンプ４７の消費電力はメインポンプ３６の消費電力よりも少ない。そのため、アイドル中にメインポンプ３６を駆動せずにサブポンプ４７を駆動することで燃費を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、空調用冷却水通路４１の下流側をリザーバタンク３５より上流であってラジエータ３２より下流の冷却水通路３１に接続する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図８は本実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

本実施形態による燃料電池システム１は、空調用冷却水通路４１の下流側接続部４１ａをリザーバタンク３５より上流であってラジエータ３２より下流の冷却水通路３１に接続している。

図９は、本実施形態による燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両の概略側面図である。

図９に示すように、本実施形態による燃料電池スタック２は、車両室内空間６１とアンダーカバー６２との間に形成された床下スペース６３に搭載される。そして、車両の前方に形成されたエンジンルーム６４にラジエータ３２、リザーバタンク３５、ヒータ４２及びヒータコア４５が搭載される。

ここで、燃料電池スタック２を床下スペース６３に搭載するときには、ラジエータ３２及びヒータコア４５が燃料電池スタック２よりも高い位置に搭載されることになる。

そこで本実施形態のように空調用冷却水通路４１の下流側をリザーバタンク３５より上流であってラジエータ３２より下流の冷却水通路３１に接続することで、ラジエータ３２及びヒータコア４５に溜まった空気をリザーバタンク３５に放出することができる。これにより、冷却水中に空気が混入したままの状態のときに起こる流水音の発生を抑制することができる。

また、空調装置４を単独運転した場合であってもリザーバタンク３５のキャップ圧が変わらないため、単独運転に切り替える前後で冷却水通路内の圧力変動が少なく、圧力変動に起因する振動等によって冷却水通路３１及び空調用冷却水通路４１の耐久性が低下するのを抑制できる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、空調用冷却水通路４１にサブポンプ４７とサブ三方弁４８とを備え、サブ三方弁４８と空調用冷却水通路４１とを接続する循環通路４９を備える点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図１０は、本実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

本実施形態による燃料電池システム１は、空調用冷却水通路４１にサブポンプ４７とサブ三方弁４８とを備え、サブ三方弁４８と空調用冷却水通路４１とを接続する循環通路４９を備える。

サブポンプ４７は、ヒータ４２より上流の空調用冷却水通路４１に設けられる。サブポンプ４７は、空調スイッチがオンになったときに駆動されて空調用冷却水通路４１の冷却水を圧送する。

サブ三方弁４８は、サブポンプ４７よりも上流の空調用冷却水通路４１に設けられる。サブ三方弁４８は、コントローラ５によって開閉される。サブ三方弁４８が開状態のときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水の一部は空調用冷却水通路４１へと流入し、再び燃料電池スタック２に流入する。一方で、サブ三方弁４８が閉状態のときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水は空調用冷却水通路４１へと流入せず、サブポンプ４７が駆動していれば冷却水は空調用冷却水通路４１及び循環通路４９を流れて循環し、空調装置４が単独運転することになる。

図１１は、本実施形態による冷間時処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３０からステップＳ３９、ステップＳ３０１及びステップＳ３０２までの処理は第１実施形態と同様である。

ステップＳ３１１において、コントローラ５は、サブ三方弁４８を開状態とする。

図１２は、本実施形態による通常時処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ４０からステップＳ４４及びステップＳ４０１からステップＳ４０５までの処理は前述した実施形態と同様である。

ステップＳ４１１において、コントローラ５は、冷却水通路３１の冷却水温度が、空調要求温度よりも低いか否かを判定する。コントローラ５は、冷却水通路３１の冷却水温度が空調要求温度よりも低ければステップＳ４１２に処理を移行する。一方で、冷却水通路３１の冷却水温度が空調要求温度よりも高ければステップＳ４１４に処理を移行する。

ステップ４１２において、コントローラ５は、ヒータ４２を作動させる。すでにヒータ４２が作動していれば引き続きヒータ４２を作動させる。

ステップＳ４１３において、コントローラ５は、サブ三方弁４８を閉状態とする。

ステップＳ４１４において、コントローラ５は、ヒータ４２を停止させる。すでにヒータ４２が作動を停止していれば、そのまま停止状態とする。

ステップＳ４１５において、コントローラ５は、サブ三方弁４８を開状態とする。

ステップＳ４１６において、コントローラ５は、三方弁３４をバイパス通路側に切り替える。

ステップＳ４１７において、コントローラ５は、ヒータ４２を停止させる。すでにヒータ４２が作動を停止していれば、そのまま停止状態とする。

ステップＳ４１８において、コントローラ５は、サブ三方弁４８を閉状態とする。

次に本実施形態による燃料電池システム１の作用効果について説明する。

冷間時には、メインポンプ３６及びサブポンプ４７を共に駆動し、三方弁３４をバイパス通路側に切り替え、サブ三方弁４８を開状態としてヒータ４２を作動させる。

これにより、空調用冷却水通路４１に流入しなかった冷却水は、その全てがラジエータ３２を通過せずにバイパス通路３３を流れて下流側の冷却水通路３１に流入する。

一方で、空調用冷却水通路４１へ流入した冷却水は、ヒータ４２によって暖められた後にヒータコア４５を通って下流側の冷却水通路３１に流入する。このとき、空調用冷却水通路４１を流れる冷却水の流量は相対的に少ないので、ヒータ４２を通過する冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。

したがって、冷間時に空調スイッチがオンにされた場合であっても、始動直後からヒータ４２を通過して高温になった冷却水と空気との間の熱交換をヒータコア４５で実施することできる。

また、冷間時には空調スイッチのオンオフにかかわらず、ラジエータ３２をバイパスさせた冷却水とヒータ４２を通過して高温になった冷却水とを合流させるので、燃料電池スタック２に流入する冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。特に空調スイッチがオフのときは、ヒータコア４５で熱交換されることがないのでより速やかに燃料電池スタック２に流入する冷却水の温度を上昇させることができる。したがって、燃料電池の暖機を促進させることができる。

通常時には、空調スイッチをオンにしたときに冷却水通路３１の冷却水温が空調要求温度よりも低ければ、燃料電池スタック２出口側の冷却水温度がスタック要求温度となるように三方弁３４の開度を制御し、サブ三方弁４８を閉状態としてヒータ４２を作動させる。

これにより、燃料電池スタック２から排出された冷却水は、空調用冷却水通路４１へと流入せずに、三方弁３４の開度に応じてラジエータ側及びバイパス通路側へと流れて冷却水通路３１を循環する。一方で、空調用冷却水通路４１の冷却水は、空調用冷却水通路４１及び循環通路４９を流れて循環し、ヒータ４２によって速やかに昇温させられる。

このように、通常時において、冷却水通路３１の冷却水温が空調要求温度よりも低い場合に空調スイッチがオンにされたときは、冷却装置３及び空調装置４をそれぞれ単独運転させる。これにより、冷却水通路３１の冷却水温をスタック要求温度に維持しつつ、空調用冷却水通路４１の冷却水温を速やかに空調要求温度まで上昇させることができる。

また、空調スイッチをオンにしたときに冷却水通路３１の冷却水温が空調要求温度よりも高ければ、三方弁３４をバイパス通路側に切り替え、サブ三方弁４８を開状態としてヒータ４２を停止させる。

これにより、空調用冷却水通路４１に流入しなかった冷却水は、その全てがラジエータ３２を通過せずにバイパス通路３３を流れて下流側の冷却水通路３１に流入する。一方で、空調用冷却水通路４１へ流入した冷却水は、そのままヒータコア４５で空気と熱交換される。ヒータコア４５で熱交換された冷却水は、下流側の冷却水通路３１に流入する。

このように、通常時において、冷却水通路３１の冷却水温が空調要求温度よりも高い場合に空調スイッチがオンにされたときは、冷却装置３及び空調装置４を一体として運転させる。これにより、ヒータ４２を作動させることなく暖房性能を確保できるので、ヒータ４２の消費電力分だけ燃費を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
３１ 冷却水通路
３２ ラジエータ
３３ バイパス通路
３４ 三方弁（燃料電池用流量調整弁）
３５ リザーバタンク
３６ メインポンプ（燃料電池用ポンプ）
４１ 空調用冷却水通路
４２ 加熱器
４５ 熱交換機
４７ サブポンプ（空調用ポンプ）
４８ サブ三方弁（空調用流量調整弁）
４９ 循環通路
Ｓ２ 暖機判定手段
Ｓ３１ 冷間時冷却水加熱手段
Ｓ３２ 冷間時冷却水加熱手段
Ｓ３３ 加熱要求判定手段

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水通路と、
   前記冷却水通路に設けられ、冷却水を圧送する燃料電池用ポンプと、
   前記冷却水通路に設けられ、通過する冷却水の温度を低下させるラジエータと、
   前記ラジエータをバイパスするように前記冷却水通路に接続されるバイパス通路と、
   前記バイパス通路に流入する冷却水の流量を調整する燃料電池用流量調整弁と、
   前記燃料電池の冷却水出口から前記バイパス通路の入口までの間の前記冷却水通路と、前記ラジエータの出口と前記燃料電池の冷却水入口までの間の前記冷却水通路と、を接続する空調用冷却水通路と、
   前記空調用冷却水通路を流れる冷却水を加熱する加熱器と、
   前記加熱器よりも下流の前記空調用冷却水通路に設けられ、室内に供給する空気を加熱する熱交換器と、
   を備える燃料電池システムの冷却水温制御装置であって、
   室内に供給する空気の加熱要求の有無を判定する加熱要求判定手段と、
   前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する暖機判定手段と、
   前記燃料電池の暖機が完了していないときは、前記燃料電池から排出された冷却水のうち、前記空調用冷却水通路に流入しなかった冷却水が前記バイパス通路に流入するように前記燃料電池用流量制御弁の開度を調整するとともに、前記加熱要求の有無にかかわらず前記加熱器を作動させる冷間時冷却水加熱手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの冷却水温制御装置。
2. 前記燃料電池の暖機が完了した後は、前記加熱要求があり、かつ、前記空調用冷却水通路を流れる冷却水の温度が所定の空調要求温度よりも低いときに前記加熱器を作動させる通常時制御手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの冷却水温制御装置。
3. 前記空調用冷却水通路に設けられ、冷却水を圧送する空調用ポンプを備え、
   前記バイパス通路の一端は、前記燃料電池の冷却水出口から前記ラジエータの入口までの間の前記冷却水通路に接続されるとともに、前記バイパス通路の他端は、前記ラジエータの出口から前記燃料電池用ポンプまでの間の前記冷却水通路に接続され、
   前記空調用冷却水通路の一端は、前記バイパス通路の一端と前記燃料電池の冷却水出口までの間の前記冷却水通路に接続されるとともに、前記空調用冷却水通路の他端は、前記ラジエータの出口から前記燃料電池用ポンプまでの間の前記冷却水通路に接続され、
   前記通常時制御手段は、前記燃料電池の暖機が完了した後に前記燃料電池用ポンプが停止した場合であって、前記加熱要求があったときは、ラジエータ側を閉弁し、バイパス通路側を開弁するように前記燃料電池用流量制御弁の開度を調整し、かつ、前記空調用ポンプを作動させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの冷却水温制御装置。
4. 前記空調用冷却水通路に設けられ、前記空調用冷却水通路に流入する冷却水の流量を調整する空調用流量制御弁と、
   前記熱交換器よりも下流の前記空調用冷却水通路と前記空調用流量制御弁とを接続する循環通路と、を備え、
   前記燃料電池の暖機が完了していないときは、前記空調用冷却水通路に冷却水が流入するように前記空調用流量制御弁の開度を調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの冷却水温制御装置。
5. 前記燃料電池の暖機が完了した後に通常時制御を実行する通常時制御手段と、をさらに備え、
   前記通常制御手段は、前記加熱要求があり、かつ、前記冷却水通路を流れる冷却水の温度が所定の空調要求温度より高いときに、前記加熱器を作動させず、前記空調用冷却水通路に冷却水が流入するように前記空調用流量制御弁の開度を調整する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの冷却水温制御装置。
6. 前記空調用冷却水通路に設けられ、冷却水を圧送する空調用ポンプと、
   前記燃料電池の暖機が完了した後に通常時制御を実行する通常時制御手段と、をさらに備え、
   前記通常制御手段は、前記加熱要求があり、かつ、前記冷却水通路を流れる冷却水の温度が所定の空調要求温度より低いときに、前記加熱器及び前記空調用ポンプを作動させ、前記冷却水通路から前記空調用冷却水通路に冷却水が流入しないように前記空調用流量制御弁の開度を調整する、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システムの冷却水温制御装置。
7. 前記ラジエータよりも下流の前記冷却水通路に接続されるリザーバタンクを備え、
   前記空調用冷却水通路を前記リザーバタンクよりも上流の前記冷却水通路に接続させたことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１つに記載の燃料電池システムの冷却水温制御装置。