CN102137771A - 车辆用燃料电池冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆用燃料电池冷却系统。设有：散热器侧流路(9)，其向散热器(5)供应对燃料电池堆栈(1)进行了冷却的冷却液；旁路流路(7)，其使燃料电池堆栈(1)进行了冷却的冷却液绕过散热器(5)；温控阀(8)，与冷却液的温度低时相比，当冷却液的温度高时该温控阀(8)使流到散热器侧流路(9)的冷却液的流量增加；电加热器(10)，其用于对冷却液进行加温；根据外界气压和冷却液的温度，对电加热器(10)进行控制，与外界气压低时相比，从而当外界气压高时使流入燃料电池堆栈(1)的冷却液的温度高。

Description

车辆用燃料电池冷却系统
技术领域
本发明涉及一种向安装在车辆上的燃料电池循环供应冷却液而对燃料电池进行温度调整的车辆用燃料电池冷却系统。
背景技术
以往，作为向安装在车辆上的燃料电池循环供应冷却液而对燃料电池进行温度调整的车辆用燃料电池冷却系统，例如公知有专利文献1所记载的车辆用燃料电池冷却系统。该车辆用燃料电池冷却系统包括通过散热来冷却冷却液的散热器、使冷却液在燃料电池与散热器之间循环的冷却液循环回路、使冷却液绕过散热器流动的旁路通道、以及根据冷却液的温度进行切换使冷却液流向散热器和旁路通道的任意一者的温控阀，通过利用温控阀进行的冷却液流路的切换，对向燃料电池供应的冷却液的温度进行控制，从而将燃料电池保持在适当的温度。
专利文献1：日本特开2004-158279号公报
但是，在车辆在地势高处行驶的情况和在地势低处行驶的情况之间，饱和蒸气压因外界气压的变化而发生变化，因此在地势高处燃料电池的膜容易干燥。另一方面，在地势低处燃料电池的膜容易变得水分过多。因而，在仅通过温控阀的工作来对向燃料电池供应的冷却液的温度进行控制的情况下，有时难以将燃料电池的膜的湿润状态维持在适当的范围。
发明内容
本发明的车辆用燃料电池冷却系统包括：第1冷却液流路，其用于向散热器供应对燃料电池进行了冷却的冷却液；第2冷却液流路，其用于使对燃料电池进行了冷却的冷却液绕过上述散热器；温控阀，其根据冷却液的温度在第1和第2冷却液流路之间进行切换，从而与冷却液的温度低时相比，当冷却液的温度高时使流到第1冷却液流路的冷却液的流量增加；以及加温装置，其用于对冷却液进行加温；该车辆用燃料电池冷却系统中，根据冷却液的温度和外界气压对上述加温装置进行控制，从而与外界气压低时相比，当外界气压高时使流入燃料电池的冷却液的温度升高，从而解决上述问题。
根据本发明的车辆用燃料电池冷却系统，在气压低的地势高处，能够通过将向燃料电池供应的冷却液温度控制得较低来防止由膜的干燥引起的脱水(dry-out)；在气压高的地势低处，能够通过将向燃料电池供应的冷却液温度控制得较高来防止由水分过多引起的液泛浸水(flooding)，因此能够将燃料电池的膜的湿润状态与车辆的行驶环境无关地始终维持在适当的范围。
附图说明
图1是表示第1实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的结构的结构图；
图2是表示第1实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的由ECU进行的控制流程的流程图；
图3是说明第1实施方式的车辆用燃料电池冷却系统下的冷却液的温度控制的概要的图，是表示在地势低处行驶时和在地势高处行驶时的、堆栈入口温度与固体高分子电解质膜的膜湿度间关系的特性图；
图4是表示温控阀与堆栈入口温度的工作状态之间关系和电加热器与堆栈入口温度的工作时机之间关系的一个例子的图；
图5是表示冷却液在设置于冷却液循环流路上的各个部中的温度变化情况的图；
图6是表示第2实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的由ECU进行的控制流程的流程图；
图7是说明第2实施方式的车辆用燃料电池冷却系统下的冷却液的温度控制的概要图，是表示在地势低处行驶时和在地势高处行驶时的、堆栈入口温度与固体高分子电解质膜的膜湿度间关系的特性图；
图8是表示第3实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的结构的结构图；
图9是表示第3实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的由ECU进行的控制流程的流程图；
图10是说明第3实施方式的车辆用燃料电池冷却系统下的冷却液的温度控制的概要图，是表示在地势低处行驶时和在地势高处行驶时的、堆栈入口温度与固体高分子电解质膜的膜湿度间关系的特性图；
图11是表示温控阀与堆栈入口温度的工作状态之间关系和电加热器与堆栈入口温度的工作时机之间关系的一个例子的图；
图12是表示冷却液在设置于冷却液循环流路上的各个部中的温度变化情况的图；
图13是表示在第4实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中ECU使电加热器工作时的电加热器的输出功率控制曲线的一个例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的具体实施方式。
[第1实施方式]
图1中示出应用本发明的车辆用燃料电池冷却系统的一结构例。该车辆用燃料电池冷却系统用于向作为燃料电池车辆的动力源安装的燃料电池堆栈1循环供应冷却液而对燃料电池堆栈1进行温度调整。
燃料电池堆栈1是通过将多个发电单元层组成多节而构成的。构成燃料电池堆栈1的各个发电单元例如为利用隔离件(separator)夹持膜电极接合体的结构，该膜电极接合体是隔着固体高分子电解质膜地相对配置接受燃料气体的供应的燃料极和接受氧化剂气体的供应的氧化剂极而构成的。在该发电单元的隔离件上，在燃料极侧设有供燃料气体流动的燃料气体流路，在氧化剂极侧设有供氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。另外，燃料电池堆栈1向各个发电单元的燃料极侧供应含氢气的燃料气体，向氧化剂极侧供应含氧的氧化剂气体(空气)，从而各个离子以水分为介质在固体高分子电解质膜中移动并相接触，进行发电。
关于如上所述的燃料电池堆栈1，为了将各个发电单元的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围，同时使该燃料电池堆栈1以最佳状态持续发电，将燃料电池堆栈1的温度保持在适当的温度是重要的。因此，通过设置如图1所示的冷却系统并向燃料电池堆栈1循环供应冷却液，以对燃料电池堆栈1进行温度调整。另外，在燃料电池堆栈1上连接有用于向该燃料电池堆栈1供应燃料气体的燃料气体供应系统、用于供应氧化剂气体的氧化剂气体供应系统、用于对燃料电池堆栈1进行加湿的加湿系统等，但作为这些燃料气体供应系统、氧化剂气体供应系统、加湿系统等，采用公知结构即可，在图1中省略这些图示。
在该图1所示的车辆用燃料电池冷却系统中，在燃料电池堆栈1上连接有冷却液循环流路2，该冷却液循环流路2成为向该燃料电池堆栈1循环供应的冷却液的流路。另外，在该冷却液循环流路2上设有对冷却液给予动能的泵3、回收并贮存剩余的冷却液的贮存罐4、将被燃料电池堆栈1加热了的冷却液的热量散热到大气中而进行冷却的散热器5等，在散热器5的附近设置有散热器风扇6。
另外，在冷却液循环流路2上设有绕过散热器5的旁路流路7，在该旁路流路7的分支位置处配设有温控阀8。温控阀8根据流入该温控阀8的冷却液的温度工作，在通过散热器5的流路(以下，将该流路称作散热器侧流路9)和绕过散热器5的旁路流路7之间切换从燃料电池堆栈1排出的冷却液的流路。另外，在流入该温控阀8的冷却液温度为温控阀8的工作温度附近时，温控阀8的开度成为中间开度，从燃料电池堆栈1排出的冷却液以预定的比例向散热器侧流路9与旁路流路7这两者流动。
另外，特别是在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，在冷却液循环流路2上的温控阀8的出口侧与燃料电池堆栈1的冷却液入口之间、更详细地说是在燃料电池堆栈1的冷却液入口的跟前位置处配设有电加热器10。该电加热器10是由ECU(Electronic Control Unit)11对其工作进行控制，如后详细所述，其用于，在燃料电池车辆当在地势低处行驶时供应到燃料电池堆栈1的冷却液的温度不够热的情况下，对向燃料电池堆栈1供应的冷却液进行加温使其成为最佳温度。另外，作为该电加热器10，可以设置如上所述那样工作的专用装置，但在这种车辆用燃料电池冷却系统中，设置为了在零下起动等时向燃料电池堆栈1供应高温的冷却液并促进暖机而对冷却液进行加温的电加热器的情况也是较多的，也可以借用这种电加热器。由此，不需要添加新的装置，能够防止成本上涨。
另外，在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，在燃料电池堆栈1的冷却液入口设置有对通过该位置并流入燃料电池堆栈1的冷却液的温度(以下，称作堆栈入口温度)进行检测的温度传感器12，并且设有检测燃料电池车辆外部的气压的外界气压传感器13，将这些温度传感器12的检测值和外界气压传感器13的检测值输入ECU11。
ECU11是以微型计算机为中心并混装有各种数字电路、模拟电路、电子原件等的控制装置，对包含本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的燃料电池系统整体的动作进行统一控制。特别是该ECU11具有根据由温度传感器12检测出的堆栈入口温度和由外界气压传感器13检测出的燃料电池车辆的行驶环境中的外界气压来对电加热器10的工作进行控制的功能。
在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，如上所述，温控阀8根据流入该温控阀8的冷却液的温度来工作，在散热器侧流路9和旁路流路7之间切换从燃料电池堆栈1排出的冷却液的流路，从而调整向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度，但考虑存在燃料电池车辆在气压低的地势高处行驶的情况和在气压高的地势低处行驶的情况，则饱和蒸气压会根据气压变化而改变，因此仅靠由温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制，有时难以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围。即，因为温控阀8的工作温度是预先设定的固定值，所以例如如果以地势高处行驶为基准设定温控阀8的工作温度，则当在气压高的地势低处行驶时，供应到燃料电池堆栈1的冷却液的温度会过低，促进在燃料电池堆栈1内生成冷凝水，燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态过度，有时会产生液泛(积水)。另外，考虑有如果代替温控阀8而采用能够电控极细的开度的电控三通阀，则能够对冷却液的温度进行控制，使得在地势高处行驶和地势低处行驶这两者中将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围，但是如果代替温控阀8而采用电控三通阀，则需要改变阀构造、致动器、控制电路等复杂的构造，进行复杂的控制，导致成本上涨。
因此，在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，作为温控阀8，以采用以将供应到燃料电池堆栈1的冷却液的温度控制为在地势高处将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的温度的方式设定其工作温度的阀为前提，当在地势低处行驶时，如果供应到燃料电池堆栈1的冷却液的温度低于根据在地势低处不使燃料电池堆栈1发生液泛的观点而设定的液泛防止温度(第1阀值)，则通过ECU11使电加热器10工作，对冷却液进行加温，防止在燃料电池堆栈1中发生液泛。
图2是表示在本实施方式中由特征性的ECU11进行的控制流程的流程图。
ECU11首先在步骤S101中根据燃料电池车辆的油门开度计算燃料电池堆栈1所要求的输出，在步骤S102中，根据在步骤S101中计算出的堆栈输出要求，一边控制燃料电池堆栈1的运转压力、理论空燃比、加湿量，一边进行在燃料电池堆栈1中的发电。
另外，ECU11与步骤S102的处理并行地在步骤S103中读入外界气压传感器13的检测值，在步骤S104中，根据在步骤S103读入的外界气压传感器13的检测值来判断当前的燃料电池车辆的行驶环境是地势低处还是地势高处。
然后，当判断为燃料电池车辆在地势低处行驶时，ECU11在步骤S105中，根据当前的燃料电池堆栈1的运转压力、理论空燃比、加湿量、饱和蒸气压来计算燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度，并且在步骤S106中，计算作为用于阻止在燃料电池堆栈1中发生液泛的冷却液温度的液泛防止温度(第1阀值)。另外，例如将液泛临界温度乘以安全率(例如1.05～1.10)后的值作为该液泛防止温度而求出，该液泛临界温度是燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态过度而在燃料电池堆栈1中开始发生液泛的临界点的温度，该安全率用于抵消从电加热器10开始工作到燃料电池堆栈1温度开始上升的控制延迟。
接着，ECU11在步骤S107中读入由温度传感器12检测出的堆栈入口温度，在步骤S108中，比较在步骤S107中读入的堆栈入口温度和在步骤S106中计算出的液泛防止温度。然后，当堆栈入口温度低于液泛防止温度时，在步骤S109中，使电加热器10工作，利用电加热器10的热量对向燃料电池堆栈1供应的冷却液进行加温。然后，如果堆栈入口温度上升至超过液泛防止温度，则在步骤S110中停止电加热器10工作。
图3是说明如上所述的本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中的冷却液的温度控制的概要的图，是表示地势低处行驶时及地势高处行驶时的堆栈入口温度与固体高分子电解质膜的膜湿度间的关系的特性图。另外，在该图3中，纵轴表示燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度，横轴表示堆栈入口温度。
在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，作为温控阀8，采用在饱和蒸气压低的地势高处以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式工作的阀，因此燃料电池车辆在地势高处行驶的期间，仅靠由该温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制，就能够防止燃料电池堆栈1的液泛及脱水。另一方面，在地势低处，与地势高处相比饱和蒸气压较高，因此如图3所示，即使堆栈入口温度相同，也存在燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度比在地势高处时高的倾向，仅靠由温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制，有时会导致在燃料电池堆栈1中发生液泛。因此，在燃料电池车辆在地势低处行驶的情况下，当堆栈入口温度低于地势低处行驶时的液泛防止温度时，使电加热器10工作，利用该电加热器10的热量对冷却液进行加温，从而防止燃料电池堆栈1的液泛。由此，在燃料电池车辆在地势低处行驶的情况和在地势高处行驶的情况这两种情况下，能够将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围，从而能够防止燃料电池堆栈1的液泛及脱水。
接着，参照图4及图5，说明通过如上所述的本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统来使堆栈入口温度接近最佳值的控制的具体例子。另外，图4是表示温控阀8与堆栈入口温度的工作状态之间关系和电加热器10与堆栈入口温度的工作时机之间关系的一个例子的图，图5是表示冷却液在设置于冷却液循环流路2上的各个部中的温度变化的情况的图。
根据实验可知，在电解质中采用固体高分子电解质膜的燃料电池堆栈1在地势低(外界气压100kPa左右)处，将堆栈入口温度控制为约60度左右，这样能够高效地发电。另外，一旦是地势高处，外界气压就降低至70～80kPa左右，因此被要求将堆栈入口温度控制在例如约50度左右。因此，例如采用以使堆栈入口温度接近50度的方式工作的温控阀8，同时在地势低处，如图4及图5所示那样实施由电加热器10的工作进行的冷却液的加温，从而控制堆栈入口温度使其接近60度。另外，在图4所示的例子中，作为电加热器10，借用用于当在零下起动等时促进燃料电池堆栈1暖机的电加热器，因此当在零下起动时，虽然使电加热器10在地势低处和地势高处这两情况下都工作，但在零下起动时之外，当在地势低处行驶时为了使堆栈入口温度接近60度，使电加热器10工作。在此，如果向燃料电池堆栈1供应的冷却液的流量为15L/min，则要想通过电加热器10的工作使冷却液的温度上升10度，需要10kW左右的加热器输出功率。
如该图4及图5所示那样可知，在地势高处通过温控阀8的工作控制堆栈入口温度使其接近50度，同时在地势低处除了温控阀8的工作还增加电加热器10的工作，从而能够控制堆栈入口温度使其接近60度。
以上，如列举具体例子来详细说明的那样，根据本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统，不仅通过温控阀8的工作切换冷却液的流路而对向燃料电池堆栈1供应的冷却液进行温度控制，还在冷却液循环流路2上设置电加热器10，由ECU11根据由外界气压传感器13检测出的燃料电池车辆的行驶环境中的外界气压和由温度传感器12检测出的堆栈入口温度，控制电加热器10的工作，因此在燃料电池车辆在地势低处行驶的情况和在地势高处行驶的情况这两种情况下，能够将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围，从而能够防止燃料电池堆栈1的液泛及脱水。
尤其，作为温控阀8，采用在地势高处以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式工作的阀，在燃料电池车辆在地势低处行驶的情况下，当堆栈入口温度低于地势低处行驶时的液泛防止温度时，由ECU11进行使电加热器10工作的控制，从而能够可靠地防止在地势低处行驶时的燃料电池堆栈1的液泛。
另外，本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统是采用简单的温控阀8进行冷却液流路的切换，而没有采用构造及控制复杂的电控三通阀，因此能够以低成本实现上述功能，而且，作为电加热器10，借用为了促进零下起动时的暖机而已经设置的电加热器，从而不需要添加新的装置，能够防止成本上涨。
另外，本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统是将温控阀8配设在燃料电池堆栈1的冷却液出口侧，根据该温控阀8的工作和电加热器10的工作来控制堆栈入口温度，因此能够避免在将温控阀8配设在燃料电池堆栈1的冷却液入口侧(即、散热器侧流路9与旁路流路7的合流位置)时所让人担心的、负压在泵3的入口侧处增大这种情况，从而能够大幅抑制由气蚀引起的泵3破损。
[第2实施方式]
接着，说明本发明的第2实施方式。本实施方式是上述第1实施方式的变形例，以在地势高处是以将燃料电池堆栈1的运转压力降低至不发生脱水的范围内的状态进行运转为前提，与第1实施方式相比，较高地设定温控阀8的工作温度。另外，系统的结构及控制的概要与第1实施方式相同，因此以下在本实施方式中仅说明特征部分，省略与第1实施方式重复的说明。
作为燃料电池车辆的行驶环境，一般认为在地势低处行驶的情况比在地势高处行驶的情况多，因此在如第1实施方式所述那样设定温控阀8的工作温度时，多发在地势低处行驶时被要求使电加热器10工作的情况，电耗变大。因此，在本实施方式中，以当在地势高处行驶时降低燃料电池堆栈1的运转压力并进行运转，在该状态下将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式设定温控阀8的工作温度，从而能够较高地设定温控阀8的工作温度，与其相应地降低当在地势低处行驶时使电加热器10工作的频度，从而降低所消耗的电力。
图6是表示在本实施方式中由特征性的ECU11进行的控制流程的流程图。另外，该图6的流程图是对第1实施方式所述的图2的流程图追加了步骤S201～步骤S205的处理，其他步骤的处理与第1实施方式相同，因此在此仅说明步骤S201～步骤S205的处理。
当在步骤S104中的判断结果是判断为燃料电池车辆在地势高处行驶时，ECU11在步骤S201中根据当前的燃料电池堆栈1的运转压力、理论空燃比、加湿量、饱和蒸气压计算燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度，并且在步骤S202中，计算作为用于阻止在燃料电池堆栈1中发生脱水的冷却液温度的脱水防止温度。另外，例如，将脱水临界温度乘以预定的安全率(例如0.90～0.95)后得到的值求出作为该脱水防止温度，该脱水临界温度是燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜成为过度干燥状态而在燃料电池堆栈1中开始发生脱水的临界点的温度。
接着，ECU11在步骤S203中读入由温度传感器12检测出的堆栈入口温度，在步骤S204中，比较在步骤S203中读入的堆栈入口温度和在步骤S202中计算出的脱水防止温度。然后，当堆栈入口温度高于脱水防止温度时，在步骤S205中，使燃料电池堆栈1的运转压力降低，之后返回步骤S202，以降低的运转压力进行在燃料电池堆栈1中的发电。
当判断为燃料电池车辆在地势高处行驶时，ECU11重复以上处理直至堆栈入口温度与脱水防止温度相等，从而在使燃料电池堆栈1的运转压力下降至不发生脱水的范围内的状态下，进行燃料电池堆栈1的运转。由此，即使较高地设定了温控阀8的工作温度，在地势高处行驶时，也能够通过该温控阀8的工作而将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围，另外，通过较高地设定温控阀8的工作温度，能够降低在地势低处行驶时的电加热器10的工作频度，从而降低所消耗的电力。
图7是说明如上所述的本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中的冷却液的温度控制的概要的图，是表示在地势低处行驶时和在地势高处行驶时的、堆栈入口温度与固体高分子电解质膜的膜湿度间关系的特性图。另外，在该图7中，纵轴表示燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度，横轴表示堆栈入口温度。
在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，在燃料电池车辆行驶在地势高处的期间，以使燃料电池堆栈1的运转压力下降至不发生脱水的范围内的状态进行运转，因此如图7所示，与一般运转压力的情况相比，用于将固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的堆栈入口温度较高地移位。因此，作为温控阀8，采用与第1实施方式相比较高地设定其工作温度的阀。由此，在燃料电池车辆行驶在地势高处的期间，仅靠由该温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制，就能够防止燃料电池堆栈1的液泛及脱水。另一方面，在燃料电池车辆行驶在地势低处的期间，与第1实施方式相同，在堆栈入口温度低于地势低处行驶时的液泛防止温度时，需要使电加热器10工作而防止燃料电池堆栈1的液泛，但由于较高地设定了温控阀8的工作温度，因此会大幅降低使电加热器10工作的频度，能够降低所消耗的电力。
如上所述，根据本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统，以在地势高处是在将燃料电池堆栈1的运转压力降低至不发生脱水的范围内的状态下进行运转为前提，与第1实施方式相比较高地设定温控阀8的工作温度，因此能够大幅降低燃料电池车辆在地势低处行驶时使电加热器10工作的频度，从而能够降低所消耗的电力。
[第3实施方式]
接着，说明本发明的第3实施方式。本实施方式是，作为温控阀8，采用在地势低处以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式进行工作的阀，当在地势高处行驶时向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度过高而让人担心脱水时，通过电加热器10的工作对流入温控阀8的冷却液进行加温，从而强制性地使温控阀8工作，通过将冷却液的流路切换到散热器5侧，使向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度下降，由此防止脱水。
图8是本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统的的结构图。如图8所示，在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，电加热器10配设在冷却液循环流路2上的燃料电池堆栈1的冷却液出口与温控阀8的入口侧之间，更详细地说，配设在温控阀8的入口侧的跟前位置。另外，作为温控阀8，采用在地势低处以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式进行工作的阀。另外，其他的结构与上述第1实施方式相同。
在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，以在地势低处行驶为基准设定了温控阀8的工作温度，因此仅靠由该温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制，会导致在饱和蒸气压低的地势高处行驶时，向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度过高，燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜成为过度干燥状态而有时发生脱水。因此，在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，当在地势高处行驶时，在向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度超过根据在地势高处防止燃料电池堆栈1发生脱水的观点而设定的脱水防止温度(第2阀值)时，通过由ECU11使电加热器10工作来对流入温控阀8的冷却液进行加温，强制性地使温控阀8工作而将冷却液的流路切换到散热器侧，从而使向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度下降，防止在燃料电池堆栈1中发生脱水。
图9是表示由本实施方式的特征性的ECU11进行的控制流程的流程图。
ECU11首先在步骤S301中根据燃料电池车辆的油门开度计算燃料电池堆栈1所要求的输出功率，在步骤S302中，根据在步骤S301中计算出的堆栈输出功率要求，一边控制燃料电池堆栈1的运转压力、理论空燃比、加湿量，一边使得在燃料电池堆栈1中进行发电。
另外，ECU11与步骤S302的处理并行地在步骤S303中读入外界气压传感器13的检测值，在步骤S304中，根据在步骤S303中读入的外界气压传感器13的检测值，判断当前的燃料电池车辆的行驶环境是地势低还是地势高。
然后，当判断为燃料电池车辆在地势高处行驶时，ECU11在步骤S305中，根据当前的燃料电池堆栈1的运转压力、理论空燃比、加湿量、饱和蒸气压，计算燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度，并且在步骤S306中，计算作为用于防止燃料电池堆栈1发生脱水的冷却液温度的脱水防止温度(第2阀值)。另外，例如将脱水临界温度乘以预定的安全率(例如0.90～0.95)后得到的值求出作为该脱水防止温度，该脱水临界温度是燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜成为过度干燥状态而在燃料电池堆栈1中开始发生脱水的临界点的温度。
接着，ECU11在步骤S307中读入由温度传感器12检测出的堆栈入口温度，在步骤S308中，比较在步骤S307中读入的堆栈入口温度和在步骤S306中计算出的脱水防止温度。然后，当堆栈入口温度高于脱水防止温度时，在步骤S309中，使电加热器10工作，利用电加热器10的热量对流入温控阀8的冷却液进行加温。然后，如果堆栈入口温度下降至低于脱水防止温度，则在步骤S310中停止电加热器10的工作。
图10是说明如上所述的本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中的冷却液的温度控制的概要的图，是表示在地势低处行驶时和在地势高处行驶时的堆栈入口温度与固体高分子电解质膜的膜湿度间关系的特性图。另外，在该图10中，纵轴表示燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度，横轴表示堆栈入口温度。
在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中，作为温控阀8，采用在饱和蒸气压高的地势低处以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式进行工作的阀，因此在燃料电池车辆行驶在地势低处的期间，仅靠由该温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制，就能够防止燃料电池堆栈1的液泛及脱水。另一方面，在地势高处，与地势低处相比饱和蒸气压较低，因此如图10所示，即使堆栈入口温度相同，也存在燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的膜湿度比在地势低处时低的倾向，仅靠由温控阀8的工作进行的冷却液的温度控制有时会导致使燃料电池堆栈1发生脱水。因此，当燃料电池车辆在地势高处行驶时，在堆栈入口温度高于地势高处行驶时的脱水防止温度时，使电加热器10工作，强制性地使温控阀8工作而将冷却液的流路切换到散热器5侧，使向燃料电池堆栈1供应的冷却液的温度下降，从而防止燃料电池堆栈1脱水。由此，在燃料电池车辆在地势低处行驶的情况和在地势高处行驶的情况这两种情况下，能够将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围，从而能够防止燃料电池堆栈1的液泛及脱水。
接着，参照图11及图12，说明通过如上所述的本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统来使堆栈入口温度接近最佳值的控制的具体例子。另外，图11是表示温控阀8对堆栈入口温度的工作状态和电加热器10对堆栈入口温度的工作时机的一个例子的图，图12是表示冷却液在设置于冷却液循环流路2上的各个部中的温度变化情况的图。
如在第1实施方式中所说明的那样，为了高效地使采用了固体高分子电解质膜的燃料电池堆栈1发电，期望将堆栈入口温度控制成在地势低处为60度左右、在地势高处为50度左右。因此，在本例子中，采用以使堆栈入口温度接近60度的方式进行工作的温控阀8，同时在地势高处如图11及图12所示，通过电加热器10的工作对温控阀8入口侧的冷却液进行加温，从而控制成使堆栈入口温度接近60度。另外，在图11所示的例子中，作为电加热器10，借用用于在零下起动等时促进燃料电池堆栈1暖机的电加热器，因此在零下起动时，使电加热器10在地势低处和地势高处这两者下工作，但在零下起动时之外，当在地势高处行驶时为了使堆栈入口温度接近50度，使电加热器10工作。在此，如果向燃料电池堆栈1供应的冷却液的流量为15L/min，则要想通过电加热器10的工作使冷却液的温度上升10度，需要10kW左右的加热器输出功率。
如这些图11及图12所示可知，在地势低处通过温控阀8的工作将堆栈入口温度控制成使其接近60度，同时在地势高处除了温控阀8的工作还相加电加热器10的工作，从而能够进行使堆栈入口温度接近50度的控制。
以上，如列举具体例子同时详细说明的那样，根据本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统，作为温控阀8，采用在地势低处以将燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态维持在适当范围的方式进行工作的阀，当燃料电池车辆在地势高处行驶时，在堆栈入口温度高于地势高处行驶时的脱水防止温度时，由ECU11进行控制以使电加热器10工作，从而能够可靠地防止在地势高处行驶时燃料电池堆栈1脱水。
另外，本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统采用简单的温控阀8进行冷却液的流路的切换，而没有采用构造及控制复杂的电控三通阀，因此能够以低成本实现，而且，作为电加热器10，借用为了促进零下起动时的暖机而已经设置的电加热器，从而不需要添加新的装置，能够防止成本上涨。
另外，本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统是将温控阀8配设在燃料电池堆栈1的冷却液出口侧，通过该温控阀8的工作与电加热器10的工作来控制堆栈入口温度，因此能够避免在将温控阀8配设在燃料电池堆栈1的冷却液入口侧(即，散热器侧流路9与旁路流路7的合流位置)时所让人担心的、负压在泵3的入口侧处增大，从而能够有效地抑制由气蚀引起的泵3破损。
[第4实施方式]
接着，说明本发明的第4实施方式。本实施方式是上述第1至第3实施方式的变形例，在由ECU11使电加热器10工作而控制堆栈入口温度时，根据此时的堆栈入口温度与地势低处行驶下的液泛防止温度间的差值或此时的堆栈入口温度与地势高处行驶下的脱水防止温度间的差值，控制电加热器10的输出功率。
如第1实施方式、第2实施方式所述那样，在作为温控阀8，采用以地势高处行驶为基准而设定了工作温度的阀，并将电加热器10配设在燃料电池堆栈1的冷却液入口的跟前位置处的结构的情况下，当在地势低处行驶时堆栈入口温度低于液泛防止温度时，ECU11使电加热器10工作而防止燃料电池堆栈1的液泛。另外，如第3实施方式中所说明的那样，在作为温控阀8，采用以地势低处行驶为基准而设定了工作温度的阀，并将电加热器10配设在温控阀8的入口侧的跟前位置处的结构的情况下，当在地势高处行驶时堆栈入口温度高于脱水防止温度时，ECU11使电加热器10工作而防止燃料电池堆栈1的脱水。
在此，使电加热器10工作时的、冷却液的温度上升依赖于电加热器10的输出功率的大小，电加热器10的输出功率越大，越能够提高冷却液的温度上升率。因此，在本实施方式中，在由ECU11使电加热器10工作而控制堆栈入口温度时，在第1实施方式、第2实施方式中所说明的结构的情况下，根据此时的堆栈入口温度与地势低处行驶下的液泛防止温度间的差值控制电加热器10的输出功率，另外，在第3实施方式中所说明的结构的情况下，根据此时的堆栈入口温度与地势高处行驶下的脱水防止温度间的差值控制电加热器10的输出功率，从而使堆栈入口温度收敛于目标温度，从而能够更适当地控制燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态。
图13是表示在本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统中由ECU11使电加热器10工作时的电加热器10的输出功率控制曲线的一个例子的图。
在本实施方式中，在由ECU10使电加热器10工作时，求出堆栈入口温度与地势低处行驶下的液泛防止温度间的差值、或者堆栈入口温度与地势高处行驶下的脱水防止温度间的差值，该差值越大电加热器10的输出越大，随着差值变小，使电加热器10的输出功率下降。另外，关于此时的电加热器10的输出功率的大小，还考虑向燃料电池堆栈1供应的冷却液的流量而决定，向燃料电池堆栈1供应的冷却液的流量越大，电加热器10的输出功率就越大。由ECU10如上所述那样控制电加热器10的输出功率，从而发挥反馈控制的作用，使堆栈入口温度向目标温度收敛。
如上所述，根据本实施方式的车辆用燃料电池冷却系统，在由ECU11使电加热器10工作而控制堆栈入口温度时，根据此时的堆栈入口温度与地势低处行驶下的液泛防止温度间的差值或堆栈入口温度与地势高处行驶下的脱水防止温度间的差值，控制电加热器10的输出功率，因此能够使堆栈入口温度收敛于目标温度，从而能够更适当地控制燃料电池堆栈1的固体高分子电解质膜的湿润状态，并且能够抑制由电加热器10引起的电力浪费。
以上，作为应用了本发明的车辆用燃料电池冷却系统的具体例子，详细说明了第1至第4实施方式，但以上各个实施方式只是本发明的一个例子，并不意味着本发明的技术范围限定于以上各个实施方式中所说明的内容。即，本发明的技术范围并不限于以上各个实施方式所公开的具体技术内容，也包含根据该公开能够容易地导出的各种变形、变更、替代技术等。
工业实用性
本发明能够用作与安装有燃料电池的车辆的行驶环境无关地将燃料电池的膜的湿润状态维持在适当范围的技术。
附图标记说明
1、燃料电池堆栈
5、散热器(放热器)
7、旁路流路(第2流路)
8、温控阀
9、散热器侧流路(第1流路)
10、电加热器(加温装置)
11、ECU(控制部件)

Claims (6)

1.一种车辆用燃料电池冷却系统，用于向安装在车辆上的燃料电池循环供应冷却液而对上述燃料电池进行温度调整，其特征在于，上述车辆用燃料电池冷却系统包括：
温度传感器，其用于检测上述冷却液的温度；
外界气压传感器，其用于检测外界气压；
散热器，其用于将上述冷却液的热量散热到大气中；
第1冷却液流路，其向上述散热器供应对上述燃料电池进行了冷却的冷却液；
第2冷却液流路，其使对上述燃料电池进行了冷却的冷却液绕过上述散热器；
温控阀，其根据上述冷却液的温度在上述第1冷却液流路和上述第2冷却液流路之间进行切换，从而与上述冷却液的温度低时相比，当上述冷却液的温度高时使流到上述第1冷却液的冷却液的流量增加；
加温装置，其用于对上述冷却液进行加温；以及
控制部件，其根据上述冷却液的温度和外界气压对上述加温装置进行控制，从而与外界气压低时相比，当外界气压高时使流入上述燃料电池的上述冷却液的温度高。
2.根据权利要求1所述的车辆用燃料电池冷却系统，其特征在于，
上述控制部件根据上述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度和外界气压，对上述加温装置的工作进行控制。
3.根据权利要求2所述的车辆用燃料电池冷却系统，其特征在于，
以向上述燃料电池供应的冷却液的温度成为在地势高处将上述燃料电池的膜湿润状态维持在适当范围的温度的方式，预先设定了上述温控阀的工作温度，
上述加温装置配设在上述温控阀的出口侧与上述燃料电池的冷却液入口之间，
当外界气压表示处于地势低处并且上述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度低于第1阀值时，上述控制部件使上述加温装置工作，上述第1阀值是根据在地势低处阻止在上述燃料电池中发生液泛的观点而规定的。
4.根据权利要求3所述的车辆用燃料电池冷却系统，其特征在于，
上述温控阀的工作温度设定为，在地势高处使上述燃料电池的运转压力下降了的状态下，使向上述燃料电池供应的冷却液的温度成为将上述燃料电池的膜湿润状态维持在适当范围的温度。
5.根据权利要求2所述的车辆用燃料电池冷却系统，其特征在于，
以向上述燃料电池供应的冷却液的温度成为在地势低处将上述燃料电池的膜湿润状态维持在适当范围的温度的方式，预先设定了上述温控阀的工作温度，
上述加温装置配设在上述燃料电池的冷却液出口与上述温控阀的入口侧之间，
当外界气压表示处于地势高处并且上述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度高于第2阀值时，上述控制部件使上述加温装置工作，上述第2阀值是根据在地势高处阻止在上述燃料电池中发生脱水的观点而规定的。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的车辆用燃料电池冷却系统，其特征在于，
上述控制部件根据上述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度与上述第1阀值间的差值或上述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度与上述第2阀值间的差值，对上述加温装置的输出功率进行控制。
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