JP6850069B2 - 燃料電池車両の熱管理システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両の熱管理システム及び方法に係り、より詳しくは、ラジエーターにおける冷却水の流量及び放熱量を増加させて高温電流制限モードへの進入頻度を低減できる燃料電池車両の熱管理システム及び方法に関する。

燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、反応気体の電気化学反応から電気エネルギーを発生させる燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料の水素を供給する水素供給装置と、燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給装置と、燃料電池スタックの熱を外部に放出して運転温度の最適温度に制御し、水管理機能を行う熱及び水管理システムと、を含む。
燃料電池スタックは、反応気体の水素と酸素の電気化学反応過程で反応副産物として熱と水を排出するが、燃料電池スタックが最適の出力性能を発揮するためには始動や運転中に燃料電池スタックの温度を最適温度に管理しなければならない。
したがって、始動時は燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させ、運転中は燃料電池スタックの温度を最適温度に維持するために熱管理システムを利用することが必須である。

このような燃料電池車両の熱管理システムを図１に示した。
図１は、燃料電池車両の熱管理システムにおいて、冷却水ループを示す概略図であって、燃料電池車両の熱管理システムは、燃料電池スタック１の発電時に発生する熱を外部に放出するためのラジエーター２、燃料電池スタック１とラジエーター２との間に冷却水が循環するように連結される冷却水循環ライン３、ラジエーター２を通過しないように選択的に冷却水をバイパスするためのバイパスライン４及び三方弁５、冷却水をくみ上げて循環させるためのウォーターポンプ６、スタックのウオーミングアップのために冷却水温度を昇温させるヒータ７を含む。
また、冷却水の電気伝導度を一定水準以下に維持するために、冷却水に存在するイオンをフィルターリングするイオンフィルター（Ｄｅ−Ｍｉｎｅｒａｌｉｚｅｒ、ＤＭＮ）９が冷却水ループの分岐ライン８に設置される。

このような熱管理システムでは、ラジエーター２→三方弁５→ウォーターポンプ６→ヒータ７→燃料電池スタック１の経路で冷却水を循環させることで、スタックの発電時に発生する熱を外部に放出する。
一方、車両に搭載される輸送用燃料電池（ＰＥＦＭＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は運転温度が低いため、大きな放熱面積を有するラジエーターが用いられるが、酷暑期には燃料電池スタックの発熱量に比べてラジエーターの放熱量が足りないという問題がある。
したがって、図２に示すように、スタック出口の冷却水温度が上昇して設定温度に到達する場合、燃料電池の制御ユニット（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＦＣＵ）が燃料電池スタックを保護するためにスタックの電流出力を制限してこれ以上冷却水温度が高まることを防止するが、これを高温電流制限という。

酷暑期に車両の急加速、高出力運転が持続するか（例えば、高速道路走行や登板路走行）、冷却水の流量が不足すると、冷却水が高温に上昇して高温電流制限がよく発生するようになり、このような電流制限によって加速ペダルを踏んでもスタックの出力が充分でない。
このような高温電流制限の頻繁な発生を防止するためには、足りない放熱量を増大しなければならないため、ラジエーターの放熱面積をさらに増加させる方法があるが、これは車両のレイアウトの特性を考慮すると限界がある。
また、高性能／高流量のポンプを用いて放熱性能を極大化することもあるが、スタックの構造上、ポンプを高流量運転してスタックの耐圧水準を超えると、スタックそのものに漏水が発生するという問題があり、ポンプの流量を増やすことも限界がある。

特開２００１−２９８８０７号公報

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであって、ラジエーターにおける冷却水の流量及び放熱量を増加させて高温電流制限モードへの進入頻度を低減できる燃料電池車両の熱管理システム及び方法を提供することにその目的がある。
また、燃料電池車両の放熱性能を改善することで、電流制限到達時間の遅延及び制限時間の縮小が可能となり、車両性能及び品質の向上に寄与できる燃料電池車両の熱管理システム及び方法を提供することにその目的がある。

本発明は、燃料電池スタックで発生する熱を冷却水を用いて外部に放出するためのラジエーターと、冷却水を循環させるためのウォーターポンプと、燃料電池スタックとラジエーターとの間を連結する冷却水循環ラインから分岐された分岐ラインに設置され、冷却水を通過させるイオンフィルターと、冷却水状態情報を検出する状態検出部と、イオンフィルターへの冷却水の流れを選択的に遮断するように設けられる流動制御弁と、状態検出部から検出された冷却水状態情報によって流動制御弁の作動を制御する制御部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、冷却水がウォーターポンプによって燃料電池スタックとラジエーターとの間の冷却水循環ラインに沿って循環するうちに、状態検出部から冷却水状態情報が検出される過程と、制御部が前記状態検出部から検出された冷却水状態情報によって流動制御弁の作動を制御する過程と、を含み、前記流動制御弁は、イオンフィルターへの冷却水の流れを選択的に遮断するように設けられることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水の電気伝導度または冷却水の温度によってイオンフィルターが選択的に用いられるため、イオンフィルターの耐久性が改善され、長寿命を図ることができる。
また、イオンフィルターによる冷却水経路を遮断してラジエーターにおける冷却水の流量及び放熱量を増加させるため、高温電流制限モードへの進入頻度を低減することができる。
また、イオンフィルター経路の冷却水を制御することによって燃料電池車両の放熱性能を改善するため、電流制限到達時間の遅延及び制限時間の縮小が可能となり、車両性能及び品質の向上に寄与することができる。
また、電気伝導度が高くない条件では、ラジエーターに流れる冷却水の流量を増加できるため、ウォーターポンプの駆動損失を減らし、燃料電池車両の燃費を向上させることができる。

燃料電池車両の熱管理システムで冷却水ループを示す概略図である。 燃料電池システムの電流制限プロセスを示す図面である。 本発明の実施例による熱管理システムを示す概略図である。 実施例による熱管理システムで弁制御のためのシステム構成を示すブロック図である。

以下、添付した図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図３は、本発明の実施例による熱管理システムを示す概略図であって、燃料電池車両の冷却水ループの構成を示す図面であり、図４は、実施例による熱管理システムで弁制御のための構成を示すブロック図である。
図面に示すように、熱管理システムは、燃料電池スタック１の発電時に発生する熱を外部に放出するためのラジエーター２、スタック１とラジエーター２との間に冷却水が循環するように連結される冷却水循環ライン３、ラジエーター２を通過しないように冷却水を選択的にバイパスするためのバイパスライン４及び三方弁５、冷却水を循環させるためのウォーターポンプ６、そして冷却水温度を昇温させるためのヒータ７を含む。

このような構成において、冷却水循環ライン３から分岐された分岐ライン８にイオンフィルター９が設置される。
それと共に、分岐ライン８及びイオンフィルター９による冷却水の流れを選択的に遮断するための流動制御弁３１をさらに含む。
流動制御弁３１は、制御部、すなわち燃料電池制御ユニット（ＦＣＵ）２０の制御信号により作動してイオンフィルター９が設置された分岐ライン８の流路を開閉する電子式制御弁にすることができ、遮断作動時にはイオンフィルター９への冷却水の流入を遮断する位置、すなわち分岐ライン８におけるイオンフィルター９の前端位置に設置される。

燃料電池制御ユニット２０は、冷却水状態情報によって流動制御弁３１の作動を制御し、冷却水状態情報は状態検出部から取得される。
また、冷却水状態情報を取得するための状態検出部として冷却水の電気伝導度を検出する電気伝導度センサ１１を含み、この電気伝導度センサ１１の検出値は燃料電池制御ユニット２０に入力される。
燃料電池システムにおいて、安全センサとして、スタックの出口位置、すなわち燃料電池スタック１の冷却水出口マニホールドに電気伝導度センサが設置されているが、別のセンサを加えることなく、既に設置されている電気伝導度センサ１１を用いてもよい。

図４に示すように、燃料電池制御ユニット２０は、電気伝導度センサ１１の信号を受信し、電気伝導度センサから検出された冷却水の電気伝導度によって流動制御弁３１の開閉作動を制御する。
この時、燃料電池制御ユニット２０は、検出された電気伝導度が所定の基準値以上の条件で流動制御弁３１を開放し、電気伝導度が前記基準値未満の条件では流動制御弁３１を遮断するように制御する。
すなわち、冷却水の電気伝導度が基準値に到達して高い状態であれば、流動制御弁３１を開放して冷却水がイオンフィルター９を通過するようにし、それによって冷却水の電気伝導度を下げる。
反面、電気伝導度が基準値未満で低い状態であれば、イオンの除去が不要であるため、流動制御弁３１を閉じて分岐ライン８及びイオンフィルター９に冷却水が流れないように遮断する。

このように実施例の熱管理システムでは、センサ１１からリアルタイムに検出する冷却水の電気伝導度によって冷却水がイオンフィルター９を選択的に通過するように制御し、特に電気伝導度が低くてイオンの除去が不要であれば、冷却水がイオンフィルター９を通過しないように分岐ライン８の流路を遮断して冷却水の全量がスタック１とラジエーター２との間で循環するようにする。
従来の熱管理システムでは、イオンフィルターを通過する冷却水経路（分岐ライン経路）が常に開放されている構造であったため、スタックとラジエーターとの間を循環する冷却水の一部の量が常にイオンフィルターを通過して循環する構造であった。

結局、イオンフィルターリングが要らない条件（電気伝導度が基準値未満で低い条件）であっても、イオンフィルターが常に使用されていたため（高温の冷却水がイオンフィルターを常時通過）、イオンフィルターの耐久寿命が短縮されるという問題がある。
また、冷却水の全流量の一定量が常にイオンフィルター経路（分岐ライン経路）に分配されて流れるため、イオンフィルター経路に分配される流量はラジエーターを通過する冷却水の流量から、それだけの流量損失となり、さらにラジエーターにおける放熱量の縮小をもたらす。
したがって、冷却水の電気伝導度を先行研究から検証して所定の基準値未満の条件では冷却水がイオンフィルター経路に分配されないように流動制御弁３１を遮断することで、ラジエーター２への流量の損失と放熱量の縮小を防止する。

結局、本発明の熱管理システムによれば、イオンフィルター内のイオン樹脂が高温冷却水に接触する時間を短縮してイオンフィルターの耐久性を改善し、イオンフィルターの寿命を延ばすことができる。
特に、酷暑期で、ラジエーター２の冷却水の流量及び放熱量の不足によって、冷却水が高温に上昇して車両が高温電流制限モードに進入する頻度を低減することができる。
また、イオンフィルター経路の冷却水制御によって燃料電池車両の放熱性能を改善できるため、電流制限到達時間の遅延及び制限時間の縮小が可能となり、車両性能及び品質の向上に寄与することができる。

さらに、電気伝導度が高くない条件では、ラジエーター２に流れる冷却水の流量を増加できるため、ウォーターポンプの駆動損失、すなわちウォーターポンプ６の駆動による動力損失及びエネルギー損失を低減でき、燃料電池車両の燃費向上に寄与することができる。
具体的には、ラジエーター２への流量及び放熱性能を増大させることによってウォーターポンプ６の運転量を減らし、同じ放熱要求条件で従来に比べてウォーターポンプ６の回転数が低くても、求められる冷却性能を充足させることができる。

一方、他の実施例で、熱管理システムは、状態検出部として冷却水温度を検出する温度センサ１２をさらに含んでもよく、燃料電池制御ユニット２０が、検出された冷却水温度を変数としてさらに用いることで、流動制御弁３１の開閉作動を制御するロジックが適用できる。
このような構成では、燃料電池制御ユニット２０は、温度センサ１２から検出される冷却水温度が所定の基準温度以上の条件で流動制御弁３１を遮断するように制御する。

この時、電気伝導度センサ１１から検出された電気伝導度値にかかわらず、冷却水温度が基準温度に到達すると、流動制御弁３１を閉じてラジエーター２への冷却水の流量を増加させる。
これは電気伝導度（電気安全性）より、スタックの保護と、電流制限モードの進入頻度の縮小に優先順位をおいたことで、冷却水温度が基準温度に到達する程度では、電流制限モードに直ちに進入せず、冷却水のイオンフィルター経路を優先的に遮断して放熱量を増大させ（冷却水全量をラジエーターに通過）、スタックの温度を下げる過程をまず行う。
もちろん、冷却水の温度が上昇して高温電流制限モードへの進入が予測される条件、すなわち前記基準温度到達条件で冷却水の電気伝導度に関わらず流動制御弁３１を遮断作動させるが、冷却水温度が基準温度未満の低温度条件であれば、電気伝導度センサ１１から検出された電気伝導度によって流動制御弁３１を開閉作動させる制御が行われる。

また、冷却水温度が前記基準温度よりも高く設定された温度、すなわち電流制限モードの進入設定温度に到達した場合は従来のように電流制限モードに進入する。
上述した電気伝導度よりも電流制限頻度の縮小に優先順位をおいている実施例について説明したが、優先順位はその反対にしてもよい。
具体的には、冷却水温度が前記電流制限モード進入設定温度に到達した場合、電流制限モードに進入するようにするが、電流制限モード進入設定温度に到達する前の冷却水温度において、電気伝導度（電気安全性）に優先順位をおいている場合は、電気伝導度が基準値以上であれば、冷却水温度が前記基準温度に到達したとしても燃料電池制御ユニット２０が流動制御弁３１を開放させる。

それによって、冷却水がイオンフィルターを通過するようになり、イオンフィルターリングによって冷却水の電気伝導度を低減することができる。
もちろん、電気伝導度が基準値未満で、冷却水温度が基準温度に到達した場合であれば、燃料電池制御ユニット２０は、放熱量を増加させるために流動制御弁３１を遮断してイオンフィルター９への冷却水の流入を防止し、それによって、ラジエーター２への冷却水の流量を増加させる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１ 燃料電池スタック
２ ラジエーター
３ 冷却水循環ライン
４ バイパスライン
５ 三方弁
６ ウォーターポンプ
７ ヒータ
８ 分岐ライン
９ イオンフィルター
１１ 電気伝導度センサ
１２ 温度センサ
２０ 燃料電池制御ユニット（制御部）
３１ 流動制御弁

Claims (3)

1. 燃料電池スタックで発生する熱を冷却水を用いて外部に放出するためのラジエーターと、
   前記冷却水を循環させるためのウォーターポンプと、
   前記燃料電池スタックと前記ラジエーターとの間を連結する冷却水循環ラインから分岐された分岐ラインに設置され、前記冷却水を通過させるイオンフィルターと、
   冷却水状態情報を検出する状態検出部と、
   前記イオンフィルターへの前記冷却水の流れを選択的に遮断するように設けられる流動制御弁と、
   前記状態検出部から検出された前記冷却水状態情報によって前記流動制御弁の作動を制御する制御部と、
   を含み、
   前記状態検出部は、前記燃料電池スタックの出口位置に配され、前記冷却水の電気伝導度を検出する電気伝導度センサを含み、
   前記状態検出部は、さらに冷却水温度を検出する温度センサを含み、
   前記制御部は、前記電気伝導度センサから検出された前記冷却水の電気伝導度にかかわらず、前記温度センサから検出された前記冷却水温度が所定の基準温度以上の条件で前記冷却水が前記イオンフィルターを通過しないように前記流動制御弁を遮断制御し、前記分岐ライン及び前記流動制御弁が、該流動制御弁を遮断することにより、前記燃料電池スタックに流れる冷却水の流量を増加させ、
   前記制御部は、前記冷却水温度が前記基準温度未満の条件で、
   前記電気伝導度が所定の基準値未満であれば前記流動制御弁を遮断制御し、
   前記電気伝導度が前記基準値以上であれば前記冷却水が前記イオンフィルターを通過するように前記流動制御弁を開放することを特徴とする燃料電池車両の熱管理システム。
2. 前記流動制御弁は、前記分岐ラインで前記イオンフィルターの前端位置に設置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熱管理システム。
3. 冷却水がウォーターポンプによって燃料電池スタックとラジエーターとの間の冷却水循環ラインに沿って循環するうちに、状態検出部から冷却水状態情報が検出される過程と、制御部が前記状態検出部から前記検出された前記冷却水状態情報によって流動制御弁の作動を制御する過程と、を含み、
   前記流動制御弁は、イオンフィルターへの冷却水の流れを選択的に遮断するように設けられ、
   前記状態検出部は、前記燃料電池スタックの出口位置に配され、前記冷却水の電気伝導度を検出する電気伝導度センサを含み、
   前記状態検出部は、さらに冷却水温度を検出する温度センサを含み、
   前記制御部は、前記電気伝導度センサから検出された前記冷却水の電気伝導度にかかわらず前記温度センサから検出された前記冷却水温度が所定の基準温度以上の条件で前記冷却水が前記イオンフィルターを通過しないように前記流動制御弁を遮断制御し、分岐ライン及び前記流動制御弁が、該流動制御弁を遮断することにより、前記燃料電池スタックに流れる冷却水の流量を増加させ、
   前記制御部は、前記冷却水温度が前記基準温度未満の条件で、
   前記電気伝導度が所定の基準値未満であれば前記流動制御弁を遮断制御し、
   前記電気伝導度が前記基準値以上であれば前記冷却水が前記イオンフィルターを通過するように前記流動制御弁を開放することを特徴とする燃料電池車両の熱管理方法。
   

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