JP2002343396A

JP2002343396A - 燃料電池自動車

Info

Publication number: JP2002343396A
Application number: JP2001148251A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sakagami; 祐一坂上; Kazumichi Ochi; 和通越智; Naoto Hotta; 直人堀田; Hirokuni Sasaki; 佐々木　　博邦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2002-11-29
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JP4374799B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を走行用動力源とする燃料電池自動
車において、走行負荷により発熱する燃料電池等の発熱
体の冷却系の冷却性能を向上させる。【解決手段】走行負荷に応じて発熱を生じる燃料電池
１０と、冷却水を介して発熱体１０と熱交換して燃料電
池１０を冷却するとともに、冷却水の温度を調整可能な
冷却手段２０〜２５と、冷却水の温度に影響を与える外
部情報を提供する外部情報提供手段４０とを備え、外部
情報提供手段からの情報に基づいて冷却水温度の予測値
を算出し、冷却水温度予測値に基づいて冷却水の温度を
所定冷却温度に制御する。さらに、冷却水温度予測値に
基づいて熱交換器１０に散布する水分の貯蔵量を増加さ
せる。外部情報は、車両用ナビゲーション装置から得る
ことができ、目的地に至るまでの道路勾配に関する地形
情報を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池を走行用
動力源とする燃料電池自動車に関し、特に燃料電池を始
めとする発熱体の冷却性能向上を図る燃料電池自動車に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素と酸素の電気化学反応に
より電気エネルギを発生する燃料電池を動力源として搭
載した燃料電池自動車が提案されている。燃料電池で
は、発電時の化学反応により水分および熱が発生する。

【０００３】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）では所
定の許容温度以上に温度上昇すると、燃料電池内部の高
分子膜が高温により破壊される。このため、燃料電池シ
ステムでは、発電時に発生する熱のほとんどを、冷却水
を介してラジエータ（空冷式の冷却装置）により大気に
放出する冷却システムが設けられている。

【０００４】このような冷却システムの水温制御を行う
ものとして、例えばデンソー公開技報１２２−００９に
て、カーナビゲーションシステムからの情報を内燃機関
の冷却水温制御に用いたものが提案されているが、燃料
電池自動車においてはこのような冷却水温制御を行うも
のはない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池は内燃機関に
比較して発熱量が小さいため、冷却水と外気との気水温
度差が小さく、ラジエータによる冷却には不利である。
また、ラジエータ搭載スペースの問題からラジエータの
容量増大による冷却性能向上は困難である。さらに、燃
料電池自動車ではラジエータ以外からの放熱が少ない等
の理由から、高負荷条件下（例えば傾斜の急な坂道）に
おいて燃料電池の冷却能力を確保することが難しい。

【０００６】このため、高負荷運転時には、冷却水温度
が許容上限温度を超えないように燃料電池の発電能力を
調整する必要があるため、車両走行性能に影響が生じる
という問題がある。

【０００７】また、燃料電池にて発電時に生じる生成水
を貯蔵しておき、この貯蔵水を必要に応じてラジエータ
表面に散布し、水の蒸発潜熱によりラジエータの冷却性
能を向上させる方法があるが、ラジエータの冷却が必要
なときに生成水が確保できないこともあり、有効に活用
することが難しいという問題がある。

【０００８】本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池を
走行用動力源とする燃料電池自動車において、走行負荷
により発熱する燃料電池等の発熱体の冷却系の冷却性能
を向上させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化
学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池を走行
用動力源とする燃料電池自動車であって、走行負荷に応
じて発熱を生じる発熱体（１０）と、冷却水を介して発
熱体（１０）と熱交換して発熱体（１０）を冷却する熱
交換器（２２）を有するとともに、冷却水の温度を調整
可能な冷却手段（２０〜２５）と、冷却水の温度に影響
を与える外部情報を提供する外部情報提供手段（４０）
とを備え、外部情報提供手段から提供される冷却水の温
度に影響を与える情報に基づいて冷却水温度の予測値を
算出し、冷却水温度予測値に基づいて冷却水の温度を所
定冷却温度に制御することを特徴としている。

【００１０】このように、冷却水温度予測値に基づいて
冷却水温度を制御することで、高負荷運転に先立ち冷却
水温度を予め低下させることができる。これにより、冷
却水温度が許容上限温度に到達するまでの時間を長くす
ることができるため、走行能力への影響を抑えることが
できる。

【００１１】また、請求項２に記載の発明では、走行負
荷に応じて発熱を生じる発熱体（１０）と、冷却水を介
して発熱体（１０）と熱交換して発熱体（１０）を冷却
する熱交換器（２２）と、電気化学反応で発生する水分
を回収して貯蔵する水分貯蔵部（３０）と、水の蒸発潜
熱を利用して熱交換器（２２）を冷却するために、水分
貯蔵部（３０）に貯蔵された水分を熱交換器（２２）に
散布する散布手段（３５）と、冷却水の温度に影響を与
える情報を提供する外部情報提供手段（４０）とを備
え、外部情報提供手段から提供される冷却水の温度に影
響を与える外部情報に基づいて冷却水温度の予測値を算
出し、冷却水温度予測値に基づいて水分貯蔵部（３０）
では水分を所定量貯蔵することを特徴としている。

【００１２】これにより、高負荷走行時に先立って水分
貯蔵部（３０）に水が確保され、高負荷走行時に熱交換
器（２２）に対する水の散布量を増加させることがで
き、熱交換器（２２）の冷却能力を向上させることがで
きる。この結果、冷却水温度が許容上限温度に到達する
までの時間を長くすることができ、走行能力への影響を
抑えることができる。

【００１３】また、請求項３に記載の発明のように、発
熱体を燃料電池とすることで、燃料電池内部の電解質膜
が高温により破壊されるのを防ぐことができる。

【００１４】また、請求項４に記載の発明では、外部情
報は、目的地に至るまでの道路勾配に関する地形情報を
含んでいることを特徴としている。これにより、目的地
までの経路において勾配の急な道路が存在し高負荷運転
が予測される場合には、予め冷却水温度を低下させてお
くか、生成水の貯蔵量を増加させておくことができるの
で、熱交換器の冷却能力を向上させることができる。こ
のような地形情報は、請求項５に記載の発明のように、
ナビゲーション装置から得ることができる。また、外部
情報として、さらに目的地に至るまでの渋滞情報、天
気、湿度、外気温等の各種交通情報、気象情報等を用い
ることもできる。

【００１５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）次に、本発明の
第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。
本第１実施形態の燃料電池自動車は、燃料電池を電源と
して走行する電気自動車（燃料電池車両）である。

【００１７】図１は、本第１実施形態の燃料電池自動車
の全体構成を示している。図１に示すように、燃料電池
自動車は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力
を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えてい
る。燃料電池１０は、図示しないインバータ等の電気機
器に電力を供給するように構成されている。インバータ
は、燃料電池１０から供給された直流電流を交流電流に
変換して走行用モータ（負荷）に供給してモータを駆動
する。

【００１８】本第１実施形態では、燃料電池１０として
固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位と
なるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、
電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃
料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起
こり電気エネルギが発生する。（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏまた、空気経路１１および水素経路１２を介して、燃料
電池１０に酸素および水素が供給され、上記化学反応に
用いられなかった未反応の酸素および水素は、排気ガス
として燃料電池１０から排出される。

【００１９】上記電気化学反応のためには、燃料電池１
０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている
必要がある。このため、後述のように燃料電池１０に供
給される空気および水素に加湿を行い、これらの加湿さ
れたガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１
０内の電解質を加湿するように構成されている。また、
燃料電池１０内部では上記電気化学反応により生成水が
発生し、この水分は排気ガスに含まれた状態で、燃料電
池１０外部に排出される。

【００２０】燃料電池１０は発電の際、上記電気化学反
応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１０は発
電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に
維持する必要がある。また、燃料電池１０内部の電解質
膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊
されるため、燃料電池１０温度を許容温度以下に保持す
る必要がある。このため、燃料電池システムには燃料電
池１０で発生した熱を系外に放出するための冷却システ
ム（冷却手段）２０〜２５が設けられている。この冷却
システムによって、通常運転時には燃料電池１０が所定
の目標温度（例えば８０℃）Ｔｏとなるように温度制御
される。

【００２１】冷却システムは、燃料電池１０に冷却水
（熱媒体）を循環させる冷却水循環路２０、冷却水循環
路２０に冷却水を循環させるウォータポンプ２１、外気
（大気）と熱交換し冷却水を冷却するラジエータ（熱交
換器）２２を備えている。ラジエータ２２は送風冷却用
ファン２３を備えており、ファン２３の周囲にはファン
シュラウドが設けられている。ファン２３により送風が
行われ、ラジエータ２３での熱交換を補助する。

【００２２】また、冷却システムには、冷却水をラジエ
ータ２２をバイパスさせるためのバイパス経路２４が設
けられている。バイパス経路２４はラジエータ２２と並
列的に設けられ、流路切替バルブ２５により冷却水をラ
ジエータ２２側あるいはバイパス経路２４側に流すかを
切り替えることができる。

【００２３】冷却システムによる冷却水の温度制御は、
ウォータポンプ２１による流量制御、ラジエータ２２と
バイパス経路２４への流量配分制御、冷却ファン２３の
送風量制御によって行われる。

【００２４】冷却水循環路２０の燃料電池１０上流側、
バイパス経路２４、冷却水循環路２０のラジエータ２２
下流側には、それぞれの箇所において冷却水温度を検出
する水温センサ２６〜２８が設けられている。また、車
両前方部には、外気温を検出するための外気温センサ２
９が設けられている。

【００２５】本第１実施形態の燃料電池システムには、
空気通路１１における燃料電池１０の下流側に、発電の
際に発生して空気に含まれた状態で排出される生成水を
回収するための気液分離器（水分貯蔵部）３０が設けら
れている。気液分離器３０で分離された水は気液分離器
３０内に貯蔵される。気液分離器３０内に貯蔵された水
は、燃料電池１０内への水分補給と、ラジエータ２２の
冷却に用いられる。気液分離器３０には、気液分離器３
０内における貯蔵水の液面の高さ（液面レベル）を検出
するための液面センサ３１が設けられている。

【００２６】燃料電池システムには、気液分離器３０内
の貯蔵水を空気経路１１および水素経路１２に供給する
ための加湿用経路３２が設けられている。貯蔵水は、加
湿用経路３２を介してガス通路１１、１２に供給され、
燃料電池１０に供給される空気および水素の加湿に用い
られる。

【００２７】また、燃料電池システムには、気液分離器
３０に貯蔵された生成水をラジエータ２２に散布するた
めの散布用経路３３が設けられている。散布用経路３３
の先端部には、ラジエータ２２表面に水を散布（噴射）
するための散水ノズル（散水装置）３５が設けられてい
る。ノズル３５は、ラジエータ２２等の風上（車両前方
側）に配置されている。また、散布用通路３３には、水
をノズル３５に供給するためのウォータポンプ３４が設
けられている。

【００２８】本第１実施形態の燃料電池自動車には、ナ
ビゲーション装置４１が設けられている。ナビゲーショ
ン装置４０は、冷却水温度に影響を与える各種外部情報
を提供する外部情報提供手段を構成する。ナビゲーショ
ン装置４１は、ナビゲーション制御部、ＧＰＳ受信機等
を備えた位置検出部、地図データを入力する地図データ
入力部、地図データ等を表示する表示部等を備えてい
る。

【００２９】ナビゲーション装置４０では、地図データ
より目的地に至るまでの地形情報（距離、標高、高速道
路の有無等）を得ることができる。地形情報に含まれる
距離と標高は、道路勾配に関する情報を構成し、これら
から目的地に至るまでの道路勾配を求めることができ
る。

【００３０】これらの情報は、燃料電池１０を冷却する
ための冷却水の温度に影響を与える要因として用いられ
る。具体的には、燃料電池自動車では、道路勾配が急な
場合や高速走行の場合に高負荷運転となって燃料電池１
０の発熱量が増大し、冷却水温度が上昇する。

【００３１】図２は本第１実施形態の制御ブロック図で
ある。図２に示すように、制御部４０は、水温センサ２
６〜２８、外気温センサ２９、液面センサ３１、ナビゲ
ーション装置４０から情報を取り込み、これらの入力さ
れた情報に基づいてファンモータ２３、ウォータポンプ
２１、噴射ポンプ３５、バルブモータ２５の制御を行う
ように構成されている。

【００３２】次に、本第１実施形態の冷却水温度制御を
図３、図４に基づいて説明する。図３は冷却水温度制御
の手順を示すフローチャートである。

【００３３】まず、水温センサ２６〜２８、外気温セン
サ２９によって、冷却水温度および外気温を検出する
（ステップＳ１０）。次に、ナビゲーション装置４０に
て目的地（行き先）を設定する（ステップＳ１１）。次
に、ナビゲーション装置４０の地理情報に基づいて、目
的地までの経路における道路の勾配、高速道路の有無等
を算出し、目的地までの経路における燃料電池自動車の
走行負荷を算出する（ステップＳ１２）。

【００３４】次に、走行負荷に基づいて、目的地までの
経路における燃料電池１０の発熱量を算出する（ステッ
プＳ１３）。走行負荷の増大に伴って、燃料電池１０の
発熱量は増大する。次に、ステップＳ１０で検出した現
在の冷却水温度、外気温等の情報と、ステップＳ１３で
算出した燃料電池発熱量とに基づいて、目的地までの経
路における冷却水温度予測値Ｔａを算出する（ステップ
Ｓ１４）。

【００３５】次に、目的地までの経路において、冷却水
温度予測値Ｔａが予め設定された所定の許容上限温度Ｔ
ｂを超えるか否かを判定する（ステップＳ１５）。所定
の許容上限温度Ｔｂは、燃料電池１０内部の電解質膜の
耐熱温度（例えば１２０℃程度）から決定されるもので
あり、任意に設定可能な値である。

【００３６】この結果、冷却水温度予測値Ｔａが許容上
限温度Ｔｂを超えないと判定される場合には、冷却シス
テムにより冷却水温度が所定の目標温度（例えば８０
℃）Ｔｏになるように温度制御される。上述のように目
標温度Ｔｏは、燃料電池１０の発電効率が最もよくなる
温度である。

【００３７】一方、冷却水温度予測値Ｔａが許容上限温
度Ｔｂを超えると判定される場合、すなわち高負荷運転
が予測される場合には、高負荷運転に先立って、冷却水
温度を所定目標温度Ｔｏより低い所定冷却温度Ｔｃまで
低下させておく（ステップＳ１６）。所定冷却温度Ｔｃ
は、少なくとも冷却水の凍結温度より高く設定する必要
があり、冷却水温度予測値Ｔａに応じて決定されるもの
である。具体的には、冷却水温度予測値Ｔａがより高い
場合には、所定冷却温度Ｔｃをより低く設定する。な
お、燃料電池１０の発電効率の点で、所定冷却温度Ｔｃ
はできるだけ目標温度Ｔｏに近い方が望ましい。

【００３８】図４は燃料電池１０の発熱量と冷却水温度
との関係を示す特性図である。図４中の破線は、本第１
実施形態の冷却水温度制御を行わない場合の冷却水温度
を示している。この図４中の破線で示すように、高負荷
運転が続いて燃料電池１０の発熱量が増大すると、ラジ
エータ２２の冷却能力が不足し、冷却水温度が許容上限
温度Ｔｂを超えてしまう場合がある。

【００３９】そこで、本第１実施形態のように、冷却水
温度予測値Ｔａに基づいて高負荷運転に先立ち予め冷却
水温度を低下させておくことにより、冷却水温度が許容
上限温度Ｔｂに到達するまでの時間を長くすることがで
きる。これにより、走行能力への影響を抑えることがで
きる。

【００４０】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について図５、図６に基づいて説明する。本第２実
施形態は、上記第１実施形態に比較して冷却水温度制御
の方法が異なるものである。上記第１実施形態と同様の
部分は同一の符号を付して説明を省略する。

【００４１】図５は本第２実施形態の冷却水温度制御の
手順を示すフローチャートであり、図６は燃料電池１０
の発熱量と冷却水温度との関係を示す特性図である。図
５のステップＳ２０〜Ｓ２５は、上記第１実施形態のス
テップＳ１０〜Ｓ１５と同様であるので説明を省略す
る。

【００４２】本第２実施形態では、冷却水温度予測値Ｔ
ａが許容上限温度Ｔｂを超える場合には、高負荷運転が
行われる一定時間ｔ１前から、予め気液分離器３０にて
燃料電池１０の生成水を所定量貯蔵しておく（ステップ
Ｓ２６）。これにより、燃料電池自動車が高負荷走行に
入る際に、気液分離器３０には水が確保され、高負荷走
行時にラジエータ２２に対する水の散布量を増加させる
ことができ、ラジエータ２２の冷却能力を向上させるこ
とができる。この結果、冷却水温度が許容上限温度Ｔｂ
に到達するまでの時間を長くすることができ、走行能力
への影響を抑えることができる。

【００４３】（他の実施形態）上記第１実施形態と第２
実施形態は組み合わせて行ってもよい。これらを組み合
わせて行うことで、ラジエータ２２の冷却性能をより向
上させることができる。

【００４４】また、上記各実施形態では、燃料電池１０
冷却する冷却水温度を制御したが、これに限らず、例え
ば、走行用モータやインバータといった高負荷運転時に
高温となる他の発熱体の温度制御にも適用することもで
きる。

【００４５】また、上記各実施形態では、冷却水温度に
影響を与える情報を提供する外部情報提供手段としてナ
ビゲーション装置を用いたが、これに限らず、他の情報
源をさらに用いてもよい。例えばＶＩＣＳ（Vehicle In
formation and Communication System）等を利用して、
目的地に至るまでの渋滞情報、天気、湿度、外気温等の
各種交通情報、気象情報を得ることができるように構成
してもよい。例えば交通渋滞や気温が高い場合には、ラ
ジエータ２２による冷却に不利な条件となることが考え
られる。これらの情報を複合的に用いることで、冷却水
温度予測値Ｔａをより精度よく算出することができる。

【００４６】また、上記各実施形態では、気液分離器３
０に貯蔵した水をラジエータに散布するように構成した
が、これに限らず、他の用途に用いてもよい。例えば車
載空調装置における冷凍サイクルの高圧側熱交換器（コ
ンデンサ）の表面に散布するように構成してもよい。コ
ンデンサを冷却することで、冷凍サイクルの効率を上
げ、冷凍サイクルの圧縮機の動力を減少させることがで
きる。

【００４７】また、ナビゲーション装置４０にて予め設
定された経路から外れた場合、あるいは目的地が変更さ
れた場合には、最適な制御パターンを算出し直す。

【図面の簡単な説明】

【図１】上記第１実施形態の燃料電池自動車の全体構成
を示す概念図である。

【図２】上記第１実施形態の燃料電池自動車の制御ブロ
ック図である。

【図３】上記第１実施形態の冷却水温度制御を示すフロ
ーチャートである。

【図４】上記第１実施形態の燃料電池発熱量と冷却水温
度との関係を示す特性図である。

【図５】上記第２実施形態の冷却水温度制御を示すフロ
ーチャートである。

【図６】上記第２実施形態の燃料電池発熱量と冷却水温
度との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１１…空気経路、１
２…水素経路、２０…冷却水循環路、２１…ウォータポ
ンプ、２２…ラジエータ、２３…冷却ファン、２６〜２
８…水温センサ、２９…外気温センサ、３０…気液分離
器、３５…散水ノズル、４０…ナビゲーション装置、４
１…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀田直人愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者佐々木博邦愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 3D035 AA03 AA06 BA01 5H027 AA02 CC06 KK41 KK48 KK52 MM16 5H115 PA08 PG04 PI18 PU01 PV09 QE04 QN13 QN28 SE06 SF03 SJ01 SJ09 TD01 TI09 TO05 TO07 TU12 TU20 UI28 UI30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素と酸素とを電気化学反応させて電気
エネルギを発生させる燃料電池を走行用動力源とする燃
料電池自動車であって、走行負荷に応じて発熱を生じる発熱体（１０）と、冷却水を介して前記発熱体（１０）と熱交換して前記発
熱体（１０）を冷却する熱交換器（２２）を有するとと
もに、前記冷却水の温度を調整可能な冷却手段（２０〜
２５）と、前記冷却水の温度に影響を与える外部情報を提供する外
部情報提供手段（４０）とを備え、前記外部情報提供手段から提供される前記冷却水の温度
に影響を与える情報に基づいて前記冷却水温度の予測値
を算出し、前記冷却水温度予測値に基づいて前記冷却水
の温度を所定冷却温度に制御することを特徴とする燃料
電池自動車。
【請求項２】水素と酸素とを電気化学反応させて電気
エネルギを発生させる燃料電池を走行用動力源とする燃
料電池自動車であって、走行負荷に応じて発熱を生じる発熱体（１０）と、冷却水を介して前記発熱体（１０）と熱交換して前記発
熱体（１０）を冷却する熱交換器（２２）と、前記電気化学反応で発生する水分を回収して貯蔵する水
分貯蔵部（３０）と、水の蒸発潜熱を利用して前記熱交換器（２２）を冷却す
るために、前記水分貯蔵部（３０）に貯蔵された水分を
前記熱交換器（２２）に散布する散布手段（３５）と、前記冷却水の温度に影響を与える情報を提供する外部情
報提供手段（４０）とを備え、前記外部情報提供手段から提供される前記冷却水の温度
に影響を与える外部情報に基づいて前記冷却水温度の予
測値を算出し、前記冷却水温度予測値に基づいて前記水
分貯蔵部（３０）では前記水分を所定量貯蔵することを
特徴とする燃料電池自動車。
【請求項３】前記発熱体は、前記燃料電池であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池
自動車。
【請求項４】前記外部情報は、目的地に至るまでの道
路勾配に関する地形情報を含んでいることを特徴とする
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池自動
車。
【請求項５】前記外部情報提供手段は、車両用ナビゲ
ーション装置であることを特徴とする請求項１ないし４
のいずれか１つに記載の燃料電池自動車。