JP2006244928A - 燃料電池冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックを冷却する冷却液の凍結の可能性を減じることが可能な燃料電池冷却システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池冷却システム１は、エンジンルームの前方から室外ガスクーラ１４、ラジエータ２３及びラジエータファン２４の順番でこれらが設けられている。そして、燃料電池スタック２１を冷却する冷却液が過冷却となって凍結するおそれがあるときには、ラジエータファン２４を制御してラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に空気が流れるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池冷却システムに関する。

従来、エンジンルーム前方にラジエータを設け、ラジエータの前方に室外コンデンサを設置し、ラジエータの後方にラジエータファンを設置し、これらをラジエータファンの通風方向に直列に配置したヒートポンプ式暖房装置が知られている。この空調装置では、暖房時にラジエータにて熱交換する冷却液の温度に応じて、ラジエータファンを正回転、逆回転、及び停止させるようになっている。すなわち、ヒートポンプ式暖房装置は、ラジエータファンを正回転、逆回転、及び停止を適宜行うことで、暖房能力の向上させ、且つ暖房始動時において速やかに暖房性能を高めることができるようになっている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３２８４１７号公報

しかしながら、従来のヒートポンプ式暖房装置を燃料電池システムに適用する場合（従来装置のエンジンを燃料電池に代替させる場合）、燃料電池の発熱量がエンジンの発熱量に比較して低いことから、冷却液の温度は従来装置に比較して低くなる傾向にある。さらに、燃料電池の冷却システムでは、冷却液として純水が用いられることが多いため、燃料電池冷却システムに用いられる冷却液は、従来装置などに用いられる冷却液よりも凝固点が高く凍りやすい。このような事情から、ヒートポンプ式暖房装置を備える燃料電池システムでは、冬季などに冷却液が凍結してしまう可能性がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタックを冷却する冷却液の凍結の可能性を減じることが可能な燃料電池冷却システムを提供することにある。

本発明の燃料電池冷却システムは、暖められた冷媒を取り込んで周囲の気体と熱交換することにより周囲の気体を暖めて室内を暖める車室内熱交換器と、車室内熱交換器にて周囲の気体と熱交換したことにより温度低下した冷媒を再び暖めて車室内熱交換器に送り込む車室外熱交換器とを備えている。また、燃料電池冷却システムは、冷却液によって冷却される燃料電池スタックと、燃料電池スタックを冷却したことで暖められた冷却液を冷却し、再び燃料電池スタックに送り込むラジエータと、車両前方又は後方に向かって送風してラジエータの熱交換を促進させるためのラジエータファンと、ラジエータファンの送風方向を制御する制御装置とを備えている。さらに、上記の車室外熱交換器、ラジエータ、及びラジエータファンは、エンジンルーム内の車両前方側からこの順番で配置されており、上記制御装置は、冷却液が過冷却であるか否か判断し、過冷却であると判断したときには、ラジエータから車室外熱交換器に向かって送風されるようにラジエータファンを制御する構成となっている。

本発明によれば、冷却液が過冷却であるか否か判断し、過冷却であると判断したときには、ラジエータから車室外熱交換器に向かって送風されるようにラジエータファンを制御するようにしている。ここで、車室外熱交換器、ラジエータ、及びラジエータファンは、エンジンルーム内の車両前方側からこの順番で配置されている。このため、車室外熱交換器の熱交換性能低下を防止するために、ラジエータファンを正回転させた場合は、エンジンルーム内の空気は車室外熱交換器からラジエータに向かって流れる。故に、室外熱交換器にて熱交換された周辺の冷たい空気がラジエータに当たって、ラジエータ内の冷却液が冷やされることとなり、冷却液の過冷却を促進させることとなるが、過冷却であると判断したときには逆方向に送風するため、冷たい空気がラジエータに当たることを防止できる。さらに、その送風によってエンジンルーム内の比較的暖かい空気をラジエータに当てることとなる。従って、燃料電池スタックを冷却する冷却液の凍結の可能性を減じることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略するものとする。

まず、実施形態に係る燃料電池冷却システムを説明するに先立って、本願発明者らが実施形態に係る燃料電池冷却システムを創作するに至った経緯を説明する。本願発明者らが実施形態に係る燃料電池冷却システムを創作するに至ったのは、燃料電池スタックにて発生する熱量がエンジンにて発生する熱量よりも低く、且つ冷却液として純水を用いているため、冷却液が凍結してしまう可能性が少なからずあるためである。

特に、従来装置では、車両走行時において冷却液の温度が所定温度未満である場合、室外熱交換器からラジエータに向かって送風されるようにラジエータファンを駆動している。これにより、従来装置では、エンジンの廃熱などを室外熱交換器に導き、室外熱交換器周辺の雰囲気温度を高めるようにしている。しかし、このような制御を行うと、室外熱交換器にて熱交換器された周辺の冷たい空気がラジエータに当たってしまうこととなる。このため、ラジエータ内の冷却液は冷やされることとなり、従来装置を燃料電池システムに適用する場合には、冷却液の凍結の可能性が高まってしまう。

さらに、一般的な燃料電池システムでは、暖機中や燃料電池スタックなどの発熱量が少ない場合には、ラジエータ迂回するバイパス配管に冷却液を流すことがあり、この場合にはラジエータ内の冷却液はほとんど循環しないこととなる。このような場合では、ラジエータ内の冷却液は、燃料電池スタックに流入して暖められることが無く、過冷却状態となり凍結する可能性が高まってしまう。

なお、ラジエータ内の冷却液が凍結した場合には、冷却液がラジエータ内を流れることができなくなり、最悪の場合、意図せずバイパス配管のみを冷却液が循環して、燃料電池スタックの放熱効率に影響を与えてしまう可能性もある。また、冷却液が凍結してしまうと、ラジエータ自体の破損の可能性も無いとは言えない。

このような事情のもと、本願発明者らは以下の実施形態に係る燃料電池冷却システムを創作し、冷却液の凍結の可能性を減じることとしている。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池冷却システム１は、ヒートポンプ式暖房装置１０と、燃料電池冷却機構２０とを備えている。

ヒートポンプ式暖房装置１０は、ヒートポンプサイクルを利用し、車室外の熱で車室内に暖めるものであって、コンプレッサ１１と、室内ガスクーラ（車室内熱交換器）１２と、膨張弁１３と、室外ガスクーラ（車室外熱交換器）１４とからなっている。コンプレッサ１１は、冷媒を高温高圧状態とし室内ガスクーラ１２に送り込むものである。ここで、冷媒としては例えば毒性又は可燃性のない二酸化炭素が用いられる。

室内ガスクーラ１２は、暖められた冷媒を取り込んで周囲の気体（空気）と熱交換することにより、周囲の空気を暖めて室内を暖めるものである。膨張弁１３は、冷媒を膨張させて低温常圧状態とするものである。室外ガスクーラ１４は、室内ガスクーラ１２にて周囲の気体が暖められたことにより温度低下し、さらに膨張弁１３による膨張によって温度低下した冷媒を再び暖めて室内ガスクーラ１２に送り込むものである。

このような構成を有するため、コンプレッサ１１により高温高圧状態とされた冷媒は、室内ガスクーラ１２にて室内の空気と熱交換されて常温高圧の状態となり、膨張弁１３に送られる。そして、冷媒は膨張弁１３において膨張されて低温常圧となり、室外ガスクーラ１４に送られ、室外ガスクーラ１４において周囲の空気と熱交換されて常温常圧となり、コンプレッサ１１に送られる。そして、冷媒はコンプレッサ１１によって高温高圧状態とされ、再度室内ガスクーラ１２に送り込まれる。以後、ヒートポンプ式暖房装置１０は、上記の循環を繰り返すことで、室内の暖房を行う。

燃料電池冷却機構２０は、発電部（後述の燃料電池スタック２１）を冷却するためのものであって、燃料電池スタック２１と、冷却液循環配管２２と、ラジエータ２３と、ラジエータファン２４と、ポンプ２５とを有している。

燃料電池スタック２１は、発電機能を有し、発電を行って得られた発電電力を図示しない負荷に供給するものである。また、燃料電池スタック２１は、冷却液を導入して自己を冷却することで、発電により生じる熱によって高温となりすぎないになっている。この燃料電池スタック２１は、冷却液を導入するための冷却液通路を内部に有し、冷却液通路は、冷却液循環配管２２に接続されている。

冷却液循環配管２２は、燃料電池スタック２１からラジエータ２３を介して再び燃料電池スタック２１に冷却液を循環させる流路となるものである。ラジエータ２３は、燃料電池スタック２１を冷却したことにより温度上昇した冷却液を冷却して、再度燃料電池スタック２１に送り込むためのものである。ラジエータファン２４は、ラジエータ２３の車両後方側に設けられ、車両前方又は後方に向かって送風してラジエータ２３の熱交換を促進させるためのものである。ポンプ２５は、冷却液循環配管２２上に設けられ、冷却液循環配管内の冷却液を循環させるものである。

このような構成であるため、冷却液は、ポンプ２５によって冷却液循環配管２２を通じて燃料電池スタック２１及びラジエータ２３の間を循環させられることとなる。また、燃料電池スタック２１にて暖められて排出された冷却液は、冷却液循環配管２２を通じてラジエータ２３に至り、ラジエータ２３にて冷却される。そして、ラジエータ２３にて冷却された冷却液は、再び冷却液循環配管２２を通じて燃料電池スタック２１に至り、燃料電池スタック２１を冷却することとなる。

また、燃料電池冷却機構２０は、バイパス配管２６と、三方弁（流量制御弁）２７とを備えている。バイパス配管２６は、冷却液循環配管２２のラジエータ上流側と下流側とに接続され、冷却液循環配管２２から冷却液を導入し、ラジエータ２３を迂回して、冷却液を再度冷却液循環配管２２に戻すものである。また、三方弁２７は、バイパス配管２６の一端側（冷却液導入側）に接続され、ラジエータ２３に流す冷却液とバイパス配管２６に流す冷却液との流量を制御するものである。

このような構成を有するため、例えば冷却液の温度が低い場合などにおいて、三方弁２７はバイパス配管２６を通じて冷却液を循環させるように駆動する。これにより、燃料電池冷却機構２０は、ラジエータ２３によって冷却液を冷却せず、燃料電池スタック２１の発熱により冷却液の温度を速やかに上昇させるなどできるようになっている。

ここで、本実施形態において、室外ガスクーラ１４は冷房時にも使われる。そして、冷房時の性能向上のため、室外ガスクーラ１４とラジエータ２３とラジエータファン２４とは、エンジンルーム内の車両前方側からこの順番で設けられている。すなわち、室外ガスクーラ１４はラジエータ２３の車両前方側に設けられ、ラジエータファン２４はラジエータ２３の車両後方側に設けられていることとなる。しかも、ラジエータファン２４は、車両前方又は後方に向かって送風するようになっている。このため、室外ガスクーラ１４とラジエータ２３とラジエータファン２４とは、エンジンルーム内の車両前方側からラジエータファン２４の送風方向に直列に設けられていることとなる。

また、上記した燃料電池冷却システム１は、冷却液温度センサ（冷却液温度検出手段）３０、制御装置４０と、エアコンユニット５０と、エンジンルーム温度センサ（エンジンルーム温度検出手段）６０と、外気温度センサ（外気温検出手段）７０とを有している。

冷却液温度センサ３０は、燃料電池スタック２１の入口側に設けられ、燃料電池スタック２１に流入する冷却液の温度を検出する構成となっている。また、冷却液温度センサ３０からの信号は制御装置４０に送信されるようになっている。

制御装置４０は、冷却液温度センサ３０からの信号を入力する他に、エアコンユニット５０（以下Ａ／Ｃユニット５０と称する）からの信号を入力して、ヒートポンプ式暖房装置１０による暖房が作動しているか否かを判断する機能を有している。また、制御装置４０は、三方弁２７の開度を制御できるようになっている。三方弁２７の制御は、冷却液温度センサ３０からの温度情報に基づいて行われる。すなわち、制御装置４０は、予め実験又は計算で求められた冷却液の温度に応じた３方弁２７の開度状態を示すマップを記憶し、その記憶したマップを参照することで、３方弁２７の開度状態を制御する。

また、制御装置４０は、燃料電池スタック２１から電流及び電圧信号を入力し、燃料電池スタック２１における発熱量を推定する機能を有している。このため、制御装置４０は、燃料電池スタック２１の発熱量を推定する発熱量検出手段として機能することとなる。また、制御装置４０は、燃料電池スタック２１を含む燃料電池システムにて放熱される放熱量推定する機能を有している。このため、制御装置４０は、燃料電池スタック２１の放熱量を推定する放熱量検出手段として機能することとなる。さらに、制御装置４０は、エンジンルーム内の温度を検出するエンジンルーム温度センサ６０と、外気の温度を検出する外気温度センサ７０とからの信号を入力するようになっている。

また、制御装置４０は、ラジエータファン２４の送風方向を制御するようになっている。特に、本実施形態における制御装置４０は、冷却液が過冷却となっているか否かを判断し、過冷却であると判断できるときにはラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御することとしている。

次に、本実施形態に係る燃料電池冷却システム１におけるラジエータファン２４の制御処理を説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池冷却システム１におけるラジエータファン２４の制御処理の一例を示すフローチャートである。

同図に示すように、まず、制御装置４０は、暖房運転がオン状態か否かを判断する（ＳＴ１０）。ここで、例えば運転者からＡ／Ｃユニット５０に対し暖房を指示する操作がされておらず、Ａ／Ｃユニット５０から制御装置４０に暖房動作を示す信号が送信されていない場合、制御装置４０は、暖房運転がオン状態でないと判断する（ＳＴ１０：ＮＯ）。そして、制御装置４０は、室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１１）。そして、処理は終了する。

一方、Ａ／Ｃユニット５０から制御装置４０に暖房動作を示す信号が送信されている場合、制御装置４０は、暖房運転がオン状態であると判断する（ＳＴ１０：ＹＥＳ）。そして、制御装置４０は、冷却液温度センサ３０からの温度情報を入力し、その温度Ｔ１が予め実験により求めた燃料電池スタック２１の目標作動温度（所定温度）Ｔｍｉｎ以下であるか否かを判断する（ＳＴ１２）。ここで、冷却液の温度Ｔ１が目標作動温度Ｔｍｉｎ以下であると判断した場合（ＳＴ１２：ＹＥＳ）、制御装置４０は冷却液が過冷却であると判断し、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１３）。

ここで、冷却液の温度Ｔ１が目標作動温度Ｔｍｉｎ以下である場合、冷却液が過冷却となって凍結を生じる可能性がある。特に、車両走行時には走行風がエンジンルーム内に吹き込む。このため、エンジンルーム内の空気は室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって流れ、室外ガスクーラ１４にて熱交換された周辺の冷たい空気がラジエータ２３に当たる。このような事情から、ラジエータ内の冷却液は冷やされることとなり、冷却液の過冷却を促進させることとなる。

そこで、本システム１では、ステップＳＴ１３に示すように、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する。これにより、室外ガスクーラ１４の周辺の冷たい空気がラジエータ２３に当たることを防止してラジエータ２３内の冷却液の凍結を防止することとなる。さらには、エンジンルーム内の比較的暖かい空気をラジエータ２３に当てることとなり、ラジエータ２３内の冷却液の凍結を防止することとなる。そして、送風方向をラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かう方向とした後、処理はステップＳＴ１７に移行する。

一方、冷却液の温度Ｔ１が目標作動温度Ｔｍｉｎ以下でないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、制御装置４０は、三方弁２７の開度Ｄ１がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上であるか否かを判断する（ＳＴ１４）。三方弁２７の開度Ｄ１がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上であると判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、制御装置４０は冷却液が過冷却であると判断し、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１３）。

ここで、三方弁２７がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上開いている場合、冷却液が過冷却となって凍結を生じる可能性がある。すなわち、三方弁２７がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上開いている場合、冷却液の多くがラジエータ２３を迂回していることとなる。そして、冷却液の多くがラジエータ２３を迂回している場合、ラジエータ２３を通る冷却液の流量が少なくなることから、ラジエータ内の冷却液は動きが少なく、しかも燃料電池スタック２１において暖められることがないため、過冷却となる可能性が高まる。

そこで、本システム１では、ステップＳＴ１３に示すように、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御して、凍結を防止している。そして、送風方向をラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かう方向とした後、処理はステップＳＴ１７に移行する。

また、三方弁２７の開度Ｄ１がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上でないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、制御装置４０は、推定した燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が所定発熱量Ｑｍｉｎ以下であるか否かを判断する（ＳＴ１５）。ここで、推定した燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が所定発熱量Ｑｍｉｎ以下であると判断した場合（ＳＴ１５：ＹＥＳ）、制御装置４０は冷却液が過冷却であると判断し、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１３）。

ここで、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が所定発熱量Ｑｍｉｎ以下である場合、燃料電池スタック２１の発熱量が少なく、冷却液が過冷却となって凍結を生じる可能性がある。すなわち、発熱量が少ないため冷却液が全体的に暖まり難く、このような状況で室外ガスクーラ１４にて熱交換された周辺の冷たい空気がラジエータ２３に当たると、ラジエータ内の冷却液は冷やされることとなり、冷却液の過冷却を招くこととなる。

そこで、本システム１では、ステップＳＴ１３に示すように、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御して、凍結を防止している。そして、送風方向をラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かう方向とした後、処理はステップＳＴ１７に移行する。

一方、推定した燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が所定発熱量Ｑｍｉｎ以下でないと判断した場合（ＳＴ１５：ＮＯ）、制御装置４０は、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が燃料電池システム全体の放熱量Ｑ２よりも小さいか否かを判断する（ＳＴ１６）。燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が燃料電池システム全体の放熱量Ｑ２よりも小さいと判断した場合（ＳＴ１６：ＹＥＳ）、制御装置４０は冷却液が過冷却であると判断し、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１３）。

ここで、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が燃料電池システム全体の放熱量Ｑ２よりも小さい場合、熱量の収支はマイナスとなって熱が奪われる方向に作用していることとなり、冷却液の凍結の可能性が高まる。このような状況で室外ガスクーラ１４にて熱交換された周辺の冷たい空気がラジエータ２３に当たると、ラジエータ内の冷却液は冷やされることとなり、冷却液の凍結の可能性を一層高めてしまう。

そこで、本システム１では、ステップＳＴ１３に示すように、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御して、凍結を防止している。そして、送風方向をラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かう方向とした後、処理はステップＳＴ１７に移行する。

一方、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が燃料電池システム全体の放熱量Ｑ２よりも小さいと判断した場合（ＳＴ１６：ＹＥＳ）、制御装置４０は室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１１）。そして、処理は終了する。

また、ステップＳＴ１７において、制御装置４０は、エンジンルーム温度センサ６０により検出された温度Ｔ２が外気温度センサ７０により検出された温度Ｔ３以上であるか否かを判断する（ＳＴ１７）。そして、エンジンルーム温度センサ６０により検出された温度Ｔ２が外気温度センサ７０により検出された温度Ｔ３以上であると判断した場合（ＳＴ１７：ＹＥＳ）、処理は終了する。

他方、エンジンルーム温度センサ６０により検出された温度Ｔ２が外気温度センサ７０により検出された温度Ｔ３以上でないと判断した場合（ＳＴ１７：ＹＥＳ）、すなわち、外気温度センサ７０により検出された温度Ｔ３がエンジンルーム温度センサ６０により検出された温度Ｔ２よりも高い場合、制御装置４０は室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する（ＳＴ１１）。すなわち、制御装置４０は、外気の温度がエンジンルーム内の温度よりも高い場合、冷却液が過冷却であると判断したとしても、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御することを禁止することとしている。そして、処理は終了する。

ここで、外気の温度がエンジンルーム内の温度よりも高い場合、エンジンルーム内の空気をラジエータ２３に当てるよりも、外気をラジエータ２３に当てた方がよりラジエータ２３により暖かい空気を供給できる。このため、外気の温度がエンジンルーム内の温度よりも高い場合、制御装置４０は、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風することを禁止して冷却液の凍結の可能性を一層減じるようにしている。

なお、図２に示すフローチャートは例えば車両の電源がオフされるまで、一定時間（例えば０．５ｓｅｃ）毎に繰り返されることとなる。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池冷却システム１によれば、冷却液が過冷却であるか否か判断し、過冷却であると判断したときには、ラジエータから室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御するようにしている。ここで、室外ガスクーラ１４、ラジエータ２３、及びラジエータファン２４は、エンジンルーム内の車両前方側からこの順番で配置されている。このため、車室外熱交換器の熱交換性能低下を防止するために、ラジエータファン２４を正回転させた場合は、エンジンルーム内の空気は室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって流れる。故に、室外ガスクーラ１４にて熱交換された周辺の冷たい空気がラジエータ２３に当たって、ラジエータ内の冷却液が冷やされることとなり、冷却液の過冷却を促進させることとなるが、過冷却であると判断したときには逆方向に送風するため、冷たい空気がラジエータ２３に当たることを防止できる。さらに、その送風によってエンジンルーム内の比較的暖かい空気をラジエータ２３に当てることとなる。従って、燃料電池スタック２１を冷却する冷却液の凍結の可能性を減じることができる。なお、暖かい空気を当てることとなるため、冷媒の温度が上昇し易く、暖房性能が向上するという副次的効果もある。

また、冷却液の温度Ｔ１が所定温度Ｔｍｉｎ以下である場合に、冷却液が過冷却であると判断している。このため、冷却液の温度を直接的に検出してその温度が低いときにはラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御することとなり、過冷却時に確実に送風を行うことができる。従って、冷却液の凍結の可能性を一層減じることができる。

また、三方弁２７がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上で開いている場合、冷却液が過冷却であると判断している。ここで、冷却液の多くについてラジエータ２３を迂回させている場合、ラジエータ２３を通る冷却液の流量が少なくなることから、冷却液は動きが少なく、過冷却となる可能性が高まる。ところが、三方弁２７がバイパス配管側に所定開度Ｄｍａｘ以上で開いている場合に上記送風を行うため、ラジエータ２３に暖かい空気を当ててラジエータ内の冷却液の凍結を防止することができる。従って、冷却液の凍結の可能性を一層減じることができる。

また、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が所定発熱量Ｑｍｉｎ以下である場合、冷却液が過冷却であると判断している。ここで、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が少ないときには過冷却となって冷却液の凍結の可能性が高まる。このため、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が少ないときには冷却液が過冷却であると判断し、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する。これにより、冷却液の凍結の可能性を一層減じることができる。

また、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１が燃料電池システム全体の放熱量Ｑ２よりも小さい場合、冷却液が過冷却であると判断している。ここで、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１がシステム全体として放熱される放熱量Ｑ２よりも小さい場合、熱量の収支はマイナスとなり熱が奪われる方向に作用していることから、冷却液の凍結の可能性が高まる。このため、燃料電池スタック２１の発熱量Ｑ１がシステム全体として放熱される放熱量Ｑ２よりも小さいときには冷却液が過冷却であると判断して、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御する。これにより、冷却液の凍結の可能性を一層減じることができる。

また、外気の温度がエンジンルーム内の温度よりも高い場合、冷却液が過冷却であると判断したとしても、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御することを禁止することとしている。ここで、外気の温度がエンジンルーム内の温度よりも高い場合、エンジンルーム内の空気をラジエータ２３に当てるよりも、外気をラジエータ２３に当てた方がよりラジエータ２３により暖かい空気を供給できることとなる。従って、冷却液の凍結の可能性を一層減じることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２の構成図である。同図に示すように、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２は、新たに車速センサ（車速検出手段）８０と、シャッター（シャッター手段）９０とを備えている。

車速センサ８０は、車速を検出するものであって、例えば車輪近傍に設けられて車輪の回転を検出するセンサなどを含んで構成されている。シャッター９０は、エンジンルームの前方に設けられており、開閉動作を行って車両前進走行時にエンジンルーム内に吹き込む走行風を遮断又は導入する構成となっている。また、上記構成を備えるため、制御装置４０は、車速センサにより検出された車速Ｖ１が所定速度Ｖｍａｘ以上である場合に、シャッター９０を閉じて走行風を遮断するようになっている。

図４は、ラジエータ２３の周辺の通風量と車速との相関を示したグラフである。同図に示すように、車両の速度が或る程度小さい場合、ラジエータ周囲の空気の流れは、ラジエータファン２４からの送風により、車両前方方向とすることができる。しかし、車速が所定速度Ｖｍａｘ以上となると、車両前方方向へ向かうラジエータ周囲の空気の流れは、次第に弱まってくる。そして、車速が第２の所定速度Ｖ’ｍａｘに達すると、ラジエータ周囲の空気の流れが無くなってしまう。さらに、車速が第２の所定速度Ｖ’ｍａｘを超えると、ラジエータ周囲の空気は車両後方に向かって流れてしまい、冷却液の過冷却を促進することとなってしまう。

そこで、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２では、車速Ｖ１が所定速度Ｖｍａｘ以上である場合に、シャッター９０を閉じて走行風を遮断し、ラジエータ２３に暖かい空気を供給することとしている。また、車速が所定速度Ｖｍａｘ以上となりラジエータファン２４からの送風が弱まるまえにシャッター９０を閉じるため、送風量を高いままにすることができ、空気を充分に供給して熱交換を促進させることができるようになっている。

次に、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２におけるラジエータファン２４の制御処理を説明する。図５は、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２におけるラジエータファン２４の制御処理の一例を示すフローチャートである。なお、同図に示すステップＳＴ２０〜ＳＴ２６に示す処理は、図２に示したステップＳＴ１０〜ＳＴ１６に示す処理と同様であるため、説明を省略する。

ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御した後（ＳＴ２３の後）、制御装置４０は、車速センサ８０からの信号を読み込んで、現在の車速Ｖ１が所定速度Ｖｍａｘ以上であるか否かを判断する（ＳＴ２７）。ここで、現在の車速Ｖ１が所定速度Ｖｍａｘ以上であると判断した場合（ＳＴ２７：ＹＥＳ）、図４に示した如く、ラジエータファン２４の送風方向が車両前方側であっても、通風方向は走行風の影響により車両後方側となっている可能性がある。また、通風方向が後方となっていないとしても、ラジエータファン２４からの送風が弱まっている。このため、制御装置４０は、シャッター９０を閉じて走行風を遮断する（ＳＴ２８）。これにより、走行風がエンジンルーム内に吹き込まないようにする。その後、処理は終了することとなる。

一方、現在の車速Ｖ１が所定速度Ｖｍａｘ以上でないと判断した場合（ＳＴ２７：ＮＯ）、図４に示す如くラジエータファン２４の送風によって車両前方方向への通風が保たれている。このため、制御装置４０は、シャッター９０を閉じることなく走行風の遮断を行わないこととする（ＳＴ２９）。その後、処理は終了する。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック２１を冷却する冷却液の凍結の可能性を減じることができる。また、冷却液の凍結の可能性を一層減じることができる。

さらに、第２実施形態によれば、車速Ｖ１が所定速度Ｖｍａｘ以上である場合、冷却液が過冷却であると判断したときには、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風されるようにラジエータファン２４を制御すると共に、シャッター９０より走行風を遮断させることとしている。ここで、車速Ｖ１が高いときにはエンジンルームに吹き込む走行風の風速も高くなる。このため、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって送風しても、走行風によって室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって空気が流れる可能性がある。また、室外ガスクーラ１４からラジエータ２３に向かって空気が流れないとしても、ラジエータファン２４からの送風が弱まることとなる。そこで、シャッター９０より走行風を遮断して、送風を行うことで、ラジエータ２３から室外ガスクーラ１４に向かって一定の通風量を確保することができる。従って、冷却液の凍結の可能性を一層減じつつも、ラジエータ２３にて効果的に熱交換を行うことができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、燃料電池スタック２１の発熱量は制御装置４０により推定されていたが、これに限らず、燃料電池スタック２１に温度センサなどを設け、発熱量を直接的に検知するようにしてもよい。また、放熱量についても同様に、推定する場合に限らず検知するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。 本実施形態に係る燃料電池冷却システムにおけるラジエータファンの制御処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。 ラジエータの周辺の通風量と車速との相関を示したグラフである。 第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２におけるラジエータファン２４の制御処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１，２…燃料電池冷却システム
１０…ヒートポンプ式暖房装置
１１…コンプレッサ
１２…室内ガスクーラ（車室内熱交換器）
１３…膨張弁
１４…室外ガスクーラ（車室外熱交換器）
２０…燃料電池冷却機構
２１…燃料電池スタック
２２…冷却液循環配管
２３…ラジエータ
２４…ラジエータファン
２５…ポンプ
２６…バイパス配管
２７…三方弁（流量制御弁）
３０…冷却液温度センサ（冷却液温度検出手段）
４０…制御装置（発熱量検出手段、放熱量検出手段）
５０…エアコンユニット
６０…エンジンルーム温度センサ（エンジンルーム温度検出手段）
７０…外気温度センサ（外気温検出手段）
８０…車速センサ（車速検出手段）
９０…シャッター（シャッター手段）

Claims (7)

1. 暖められた冷媒を取り込んで周囲の気体と熱交換することにより周囲の気体を暖めて室内を暖める車室内熱交換器と、
   前記車室内熱交換器にて周囲の気体と熱交換したことにより温度低下した冷媒を再び暖めて車室内熱交換器に送り込む車室外熱交換器と、
   冷却液によって冷却される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを冷却したことで暖められた冷却液を冷却し、再び燃料電池スタックに送り込むラジエータと、
   車両前方又は後方に向かって送風して前記ラジエータの熱交換を促進させるためのラジエータファンと、
   前記ラジエータファンの送風方向を制御する制御装置と、を備え、
   前記車室外熱交換器、前記ラジエータ、及び前記ラジエータファンは、エンジンルーム内の車両前方側からこの順番で配置されており、
   前記制御装置は、前記冷却液が過冷却であるか否か判断し、過冷却であると判断したときには、ラジエータから車室外熱交換器に向かって送風されるようにラジエータファンを制御する
   ことを特徴とする燃料電池冷却システム。
2. 前記冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段をさらに備え、
   前記制御装置は、前記温度検出手段により検出された冷却液の温度が所定温度以下である場合、冷却液が過冷却であると判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
3. 前記燃料電池スタックから前記ラジエータを介して前記燃料電池スタックに冷却液を循環させるための冷却液循環配管と、
   前記冷却液循環配管から冷却液を導入し、前記ラジエータを迂回して冷却液を再度前記冷却液循環配管に戻すバイパス配管と、
   前記ラジエータと前記バイパス配管とに流す冷却液の量を制御する流量制御弁と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記流量制御弁がバイパス配管側に所定開度以上で開いている場合、冷却液が過冷却であると判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
4. 前記燃料電池スタックの発熱量を検知又は推定する発熱量検出手段をさらに備え、
   前記制御装置は、前記発熱量検出手段により検知又は推定された発熱量が所定量以下である場合、冷却液が過冷却であると判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
5. 前記燃料電池スタックの発熱量を検知又は推定する発熱量検出手段と、
   前記燃料電池スタックを含む燃料電池システムにて放熱される放熱量を検知又は推定する放熱量検出手段と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記発熱量検出手段により検知又は推定された発熱量が、前記放熱量検出手段により検知又は推定された放熱量よりも小さい場合、冷却液が過冷却であると判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
6. 外気の温度を検出する外気温検出手段と、
   エンジンルーム内の温度を検出するエンジンルーム温度検出手段と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記外気温検出手段により検出された温度が前記エンジンルーム温度検出手段により検出された温度よりも高い場合、前記冷却液が過冷却であると判断したとしても、ラジエータから車室外熱交換器に向かって送風されるようにラジエータファンを制御することを禁止する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。
7. エンジンルーム内に吹き込む車両前進走行時の走行風を遮断可能なシャッター手段と、
   車両の車速を検出する車速検出手段と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記車速検出手段により検出された車速が所定速度以上である場合に、前記冷却液が過冷却であると判断したときには、ラジエータから車室外熱交換器に向かって送風されるようにラジエータファンを制御すると共に、前記シャッター手段より走行風を遮断させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。
   

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