JP2004179123A - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、燃料電池の発熱量がラジエータの冷却能力（放熱量）を大きく上回った場合であっても、燃料電池のオーバーヒートを未然に防止することができる燃料電池の冷却装置を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料電池の冷却装置１０は、燃料電池スタック１とラジエータ６との間で冷却水を循環させる冷却水流路１０ａと、ラジエータ６に強制冷却風を供給するラジエータファン７と、このラジエータファン７を冷却水の温度に基づいて制御するＥＣＵ８とを備える。ＥＣＵ８は、ラジエータ６による放熱量と燃料電池スタック１の発熱量とを比較し、発熱量が放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じてラジエータファン７からの風量を増大させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池をラジエータで冷却された冷却水で冷却する燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車は電気自動車の一種であり、搭載した燃料電池から電力の供給を受け、走行モータを駆動するものである。燃料電池は、空気供給系から酸化剤ガスとしての空気の供給を受けると共に、水素供給系から燃料ガスとしての水素の供給を受け、その酸素と水素との電気化学反応により発電し、発電した電力を走行モータ他、コンプレッサ等の補機類から成る電力消費系に供給している。
【０００３】
ところで、前記した燃料電池は、発電時の発電量に応じて発熱が生じる。このため、燃料電池には冷却装置が設けられ、この冷却装置によってラジエータで冷却された冷却水を循環させることによって発電時に生じる熱を放出している。このような冷却装置では、燃料電池の発熱量がラジエータの冷却能力（放熱量）を上回ってしまうと、燃料電池がオーバーヒートするという問題があった。特に、燃料電池自動車においては、燃料電池の温度が内燃機関などと比べて低く、外気との温度差がとれないため冷却能力が不足することがあり、この問題を解決することが望まれていた。
【０００４】
このような問題に対して、従来では、冷却水の温度に基づいてラジエータファンを制御することによって、燃料電池の発熱量よりもラジエータの冷却能力が下回らないようにしていた。ちなみに、その他にも、ラジエータの冷却能力を推定し、燃料電池の発熱量がラジエータの冷却能力を超える場合は燃料電池から取り出す電流の量を、燃料電池の発熱量が冷却能力を超えない範囲における最大発電量以下となるように調整するものがある（たとえば、特許文献１参照）。この技術は、言い換えると、燃料電池の発熱量がラジエータの冷却能力を超えそうな場合は、燃料電池から取り出す電流の量を押さえることで、それ以上の発熱量の上昇を防止するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２２号公報（〔００２６〕、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来技術のうち前者の方では、燃料電池の発熱量が急激に上昇してラジエータの冷却能力（放熱量）より著しく高くなった場合に冷却水の温度も急激に上昇するが、ラジエータファンはこの温度上昇にすぐには対応せずに元の冷却水の温度に対応した低い回転速度で回るため、燃料電池がすぐにオーバーヒートするおそれがあった。また、後者の技術では、燃料電池の発熱量が放熱量を上回る場合に、その発電量が押さえられるので、所望する発電量を得ることができない問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、燃料電池の発熱量がラジエータの冷却能力（放熱量）を大きく上回った場合であっても、燃料電池のオーバーヒートを未然に防止することができる燃料電池の冷却装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させる循環流路と、前記ラジエータに強制冷却風を供給するラジエータファンと、このラジエータファンを前記冷却水の温度に基づいて制御する制御装置とを備える燃料電池の冷却装置において、前記制御装置が、前記ラジエータによる放熱量と前記燃料電池の発熱量とを比較し、前記発熱量が前記放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じて前記ラジエータファンからの風量を増大させることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の発熱量が放熱量を上回ると、制御装置が、その熱量の差に応じてラジエータファンの回転速度を上げて、ラジエータへの送風量を増大させるので、冷却水温度が上昇する前にこの冷却水を先行して冷却することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成において、前記制御装置は、前記燃料電池の発電電力をパラメータとして前記発熱量を算出し、前記冷却水の温度、外気温、車速をパラメータとして前記放熱量を算出し、前記発熱量と前記放熱量の差から熱収支を判定して、その結果前記発熱量が前記放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じて決まる増量分を前記ラジエータファンの回転指令値に加えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用に加え、制御手段は、発熱量と放熱量を所定のパラメータに基づいて算出し、これらの差から熱収支を判定する。そして、その結果発熱量が放熱量を上回ったときに、この制御手段は、その熱量の差に応じて増量分を決定し、この増量分をラジエータファンの回転指令値に加えて、このラジエータファンを制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明における燃料電池の冷却装置の一実施形態を示す図である。図１において、燃料電池スタック１は、固体高分子型燃料電池を複数積層したもので、空気供給系２から酸化剤ガスとしての空気の供給を受けると共に、水素供給系３（水素タンクＨ２）から燃料ガスとしての水素の供給を受け、酸素と水素との電気化学反応により発電する。発電した電力は、空気供給系２のスーパーチャージャ（Ｓ／Ｃ）４、冷却装置１０の循環ポンプ（Ｗ／Ｐ）５、ラジエータ６に空気を送るラジエータファン７等の補機類や、図示せぬ走行モータなどの電力消費系に供給される。
【００１３】
燃料電池スタック１の冷却装置１０は、循環ポンプ５、ラジエータ６、ラジエータファン７および冷却水流路（循環流路）１０ａで主に構成されており、このうち循環ポンプ５とラジエータファン７がＥＣＵ（制御装置）８で制御されるようになっている。循環ポンプ５は、冷却水流路１０ａ内の冷却水を一方向に循環させている。ラジエータ６は、ラジエータファン７によって取り込まれる外気（たとえば、走行風など）と冷却水流路１０ａを循環する冷却水との間で熱交換を行っている。ラジエータファン７は、ラジエータ６に強制冷却風を供給している。冷却水流路１０ａは、燃料電池スタック１とラジエータ６との間で冷却水を循環させている。また、この冷却水流路１０ａ内の冷却水の温度は、ラジエータ６の出入口付近に設けられる温度センサ１１，１２により検出されている。そして、このように構成される冷却装置１０は、冷却水流路１０ａ内においてラジエータ６で冷却された冷却水を循環ポンプ５により循環させることによって燃料電池スタック１を冷却している。
【００１４】
ＥＣＵ８は、主に循環ポンプ５とラジエータファン７の制御を行っている。特に、このＥＣＵ８は、通常時においてラジエータ６の入口側にある温度センサ１１からの検出信号に基づいてラジエータファン７を制御するとともに、燃料電池スタック１の発熱量とラジエータ６による放熱量とを常に比較している。そして、このＥＣＵ８は、燃料電池スタック１の発熱量がラジエータ６による放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じてラジエータファン７からの風量を増大させるように、このラジエータファン７を制御している。
【００１５】
このＥＣＵ８を具体的に説明すると、図２に示すように、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック１の発電電力である発電電流量ＩＦＣをパラメータとして発熱量を算出し、冷却水の温度、外気温、車速をパラメータとして放熱量を算出している。
そして、このように算出した発熱量と放熱量の差から熱収支を判定して、その結果発熱量が放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じて決まる増量分（ラジエータファン指令増量値）をラジエータファン回転指令値に加えて最終指令値とし、この最終指令値をラジエータファン７に出力している。
【００１６】
図２は、本実施形態の動作を説明するために引用した図であり、ＥＣＵ８の処理手順をブロックチャートで示した図である。以下、図２に示すブロックチャートを参照しながら図１に示す本発明における燃料電池の冷却装置の動作について詳細に説明する。
【００１７】
図２に示すように、ＥＣＵ８は、先ず、発電電流ＩＦＣから発熱量を推定する（ステップＳ２１）。ここで、この推定方法としては、発電電流量と発熱量との関係を示すマップを利用してもよく、また、発電電流量に基づいて適宜発熱量を算出するようにしてもよい。
【００１８】
なお、燃料電池スタック１における出入口に温度センサや流量測定センサを設け、これから検出される冷却水の温度と、冷却水の流量とから発熱量を算出することもできる。この場合は燃料電池スタック１から実際に冷却水に伝達された熱量を発熱量として算出するので、その値をより正確に求めることができる。
【００１９】
一方、ＥＣＵ８は、外気温、車速、温度センサ１１，１２で検出される冷却水の温度の差をパラメータとし、これらパラメータから放熱量を算出する（ステップＳ２２）。そして、ステップＳ２１で得られた発熱量とステップＳ２２で算出された放熱量とを比較することにより熱収支の判定を行う（ステップＳ２３）。
そして、発熱量が放熱量を上回ったとき（発熱量−放熱量＞判定値）に内部のフラグに“１”をセットし、発熱量が放熱量以下であるとき（発熱量−放熱量≦判定値）に内部のフラグに“０”をセットする。後述するように、このフラグによりラジエータファン７の風量制御が行なわれる。なお、放熱量を算出するためのパラメータとして使用する外気温、車速は図示しないセンサにより検出される。
【００２０】
ＥＣＵ８は、前記したフラグチェックの結果、“１”になっていたとき、別途用意されるマップＭを参照して、ステップＳ２３で算出した発熱量と放熱量の差（ΔＱ）に基づいてラジエータファン指令増量値（ΔＲ）を決定し（Ｓ２４）、これを別途供給されるラジエータファン回転指令値に付加することで最終指令値としてラジエータファン７に供給する（Ｓ２５）。ここで使用されるマップＭは、図にグラフ表示されるように、発熱量と放熱量の差（ΔＱ）が大きくなるほどラジエータファン指令増量値（ΔＲ）が増えるようになっている。また、フラグが“０”の場合はマップＭからラジエータファン指令増量値（ΔＲ）が決定されず、ラジエータファン回転指令値がそのまま最終指令値として出力される。
【００２１】
図３は、図２の最終指令値を縦軸に、燃料電池入口の冷却水温度を横軸にとったグラフを示す図である。図３における（◆）は燃料電池の発熱量が放熱量よりも小さい（発熱量＜放熱量）ときのグラフを示し、また、（＋）と（□）は、燃料電池の発熱量が放熱量を上回ったときのグラフを示している。（＋）と（□）では、（□）の方が発熱量と放熱量との差が大きくなっている。つまり、（◆）のときは、燃料電池の発熱量＜放熱量であるので、燃料電池の冷却水の温度に基づいたラジエータファンの指令値（図２に示すステップＳ２５においてラジエータファン指令増量値ΔＲが加えられていない最終指令値）をもって運転している。すなわち、従来のように水温でラジエータファン７を制御する場合は、たとえば（◆）に示すグラフのみで風量を決定するのと同じであり、これに対して本発明では、冷却水の水温が同じであっても発熱量と放熱量との差が大きくなればなるほど大きい増分（ΔＲ）でラジエータファン７が制御されるようになっている。
【００２２】
以上によれば、ＥＣＵ８が、発熱量と放熱量との比較により熱収支を判定するので、実際に燃料電池スタック１によって冷却水が加熱される前に、冷却水の温度上昇を予め予測することができる。また、この熱収支の判定結果が発熱量＞放熱量となった場合に、その熱量差に応じてラジエータファン７の風量を増大させるので、冷却水の温度が上昇する前に、その冷却を先行して行うことができる。
したがって、燃料電池のオーバーヒートを未然に防ぐことができるようになる。
【００２３】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、発電電流量ＩＦＣに基づいて発熱量を算出しているが、本発明はこれに限定されず、発電電流量（ＩＦＣ）に代えて、燃料電池の発電指令値（目標発電量）を用いても発熱量を算出することができる。このような発電指令値を用いた場合は、燃料電池の発熱量が予測できるので、燃料電池の発熱前に予めラジエータファン７の風量の増分を設定して冷却を行うことができる。また、発電電流量は、スーパーチャージャなどの補機の消費電力量と密接に関連があるので、これらの補機の消費電力量を用いても発熱量を算出することができる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の発熱量が放熱量を上回った場合でも、その熱量差に応じてラジエータファンの風量を増大させることができるので、冷却水温度が上昇することを予測して、その冷却を先行して行うことができることとなり、燃料電池のオーバーヒートを未然に防止することができるようになる。
【００２５】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、所定のパラメータで発熱量や放熱量を算出するので、この発熱量と放熱量の関係を正確に把握することができる。また、燃料電池の発熱量がラジエータでの放熱量を上回ったときにその熱量差に応じて決まる増量分をラジエータファンの回転指令値に加えることで、冷却水温度に応じたラジエータファンの風量を確保しつつ、熱量差（予測される冷却水温度の上昇分）に対応する増量分で冷却水を先行して冷却することができるので、燃料電池のオーバーヒートを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における燃料電池の冷却装置の一実施形態を示す図である。
【図２】ＥＣＵの処理手順をブロックチャートで示した図である。
【図３】図２の最終指令値を縦軸に、燃料電池入口の冷却水温度を横軸にとったグラフを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 空気供給系
３ 水素供給系
４ スーパーチャージャ
５ 循環ポンプ
６ ラジエータ
７ ラジエータファン
８ ＥＣＵ（制御装置）
１０ 冷却装置
１０ａ 冷却水流路（循環流路）

Claims (2)

1. 燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させる循環流路と、
   前記ラジエータに強制冷却風を供給するラジエータファンと、
   このラジエータファンを前記冷却水の温度に基づいて制御する制御装置とを備える燃料電池の冷却装置において、
   前記制御装置が、前記ラジエータによる放熱量と前記燃料電池の発熱量とを比較し、前記発熱量が前記放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じて前記ラジエータファンからの風量を増大させることを特徴とする燃料電池の冷却装置。
2. 前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電電力をパラメータとして前記発熱量を算出し、
   前記冷却水の温度、外気温、車速をパラメータとして前記放熱量を算出し、
   前記発熱量と前記放熱量の差から熱収支を判定して、その結果前記発熱量が前記放熱量を上回ったときにその熱量の差に応じて決まる増量分を前記ラジエータファンの回転指令値に加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。

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