JP2007157616A - 熱媒体制御システム、暖房制御システム、燃料電池車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と暖房装置とが熱媒体を共有するシステムにおいて、燃料電池を熱的に保護する。
【解決手段】燃料電池車１０は、燃料電池１６から熱を奪ってその冷却を行う冷却水を循環させる流路１４と、流路１４から分流し、暖房装置２４を経由して、流路１４に合流する暖房用流路２６とを備える。暖房用流路２６は、ポンプ２８によって分流した冷却水を駆動し、その熱を暖房装置２４に供給するものである。制御装置３２は、暖房装置２４が起動された場合に、暖房用流路２６に溜まっている冷たい冷却水が燃料電池１６に熱衝撃を与えないように、暖房用流路２６に設けられた温度センサ３０と、流路１４に設けられた温度センサ３４の温度出力に基づいて、ポンプ２８の出力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を使用したシステム、特に、燃料電池と暖房装置とで共通の熱媒体を利用するための技術に関する。

燃料電池車においては、燃料電池の冷却水（つまり熱媒体として用いられる水）を熱交換器に供給し、放熱させることで車室内の暖房を行う技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、冷却排水の一部を分流させてヒータで加熱し、室内暖房装置で利用する技術が開示されている。

特開２００５−１００７５２号公報

燃料電池が高温化した状態で、暖房装置を起動させると、暖房装置内の冷却水が燃料電池の冷却水と混合する。このため、特に、寒冷な条件下においては、暖房装置内に溜まっていた非常に冷たい冷却水が燃料電池に流入し、燃料電池に対し（寒冷な）熱衝撃を与える。これにより、発電量の一時的低下や、燃料電池の劣化による寿命の低下などを生じる虞がある。なお、この問題は、燃料電池車以外において燃料電池を利用する場合にも同様に発生しうるものである。

本発明の目的は、燃料電池と暖房装置とが熱媒体を共有するシステムにおいて、燃料電池を熱的に保護することにある。

本発明の別の目的は、燃料電池と暖房装置とが熱媒体を共有するシステムにおいて、熱媒体循環の新たな制御態様を確立することにある。

本発明のさらに別の目的は、寒冷地における操作性を向上させた燃料電池車を実現することにある。なお、寒冷地とは、冬季において、少なくとも気温が氷点下に達する地域をいう。

本発明の熱媒体制御システムは、燃料電池から熱を奪う熱媒体を循環させる第１流路と、第１流路から分流し、暖房装置を経由して、第１流路に合流する流路であって、分流した熱媒体によって暖房装置に熱供給が行われる第２流路と、第２流路から第１流路に合流する熱媒体が燃料電池に与える熱衝撃を緩和するように、合流する熱媒体の流量の制御を行う制御機構と、を備える。

燃料電池は、カソードとアノードと呼ばれる対となる電極を備え、各電極に供給されるガス（気体）の化学反応を利用して、電力を取り出す装置である。例えば、リン酸形燃料電池や個体高分子形燃料電池では、アノードにアノードガスとして水素を含むガスが、カソードにカソードガスとして酸素を含むガスが供給され、化学反応により水素と酸素から水が生成される過程で、電気エネルギが取り出される。燃料電池は、一般に高温状態で良好に作動し、また、動作の過程で熱を発生して高温化する。そこで、燃料電池には、その冷却を行うための熱媒体たる流体を循環させ、燃料電池を適温に保つ冷却システムが設けられる。第１流路は、この冷却システムを構成する流路である。一般的には、第１流路上に流体ポンプが設けられて、その内部の熱媒体を循環させる。また、熱媒体としては、典型的には、水や、水に凍結防止剤を混入させた水溶液などの液体が用いられるが、空気等の気体であってもよい。

第２流路は、第１流路から分流し、暖房装置を経由して、第１流路に合流する流路である。この第２流路を流される熱媒体は、暖房装置に対して熱の供給を行う。そして、制御機構は、第２流路から第１流路に合流する熱媒体の流量（これは通常、第１流路から第２流路に流される熱媒体の流量を調節することでもある）を調節する機構である。第２流路に流される熱媒体の流量調整は、合流した熱媒体による燃料電池への熱衝撃を緩和するように行われる。ここで、熱衝撃は、急激に与えられる熱的変化をいい、典型的には熱媒体の急激な温度変化によってもたらされる。

この構成によれば、燃料電池と暖房装置とが熱媒体を共有する場合であっても、燃料電池を熱衝撃から保護することが可能となる。すなわち、暖房の動作よりも、燃料電池の熱的保護を優先して熱媒体の流れを制御することで、発電量の一時的低下や、燃料電池の寿命の低下などを防止することが可能となる。

本発明の熱媒体制御システムの一態様においては、制御機構は、合流した熱媒体に起因する第１流路の熱媒体の温度変化幅を所定値以下に抑制することで前記制御を行う。また、本発明の熱媒体制御システムの一態様においては、制御機構は、合流した熱媒体に起因する第１流路の熱媒体の温度変化率を所定値以下に抑制することで前記制御を行う。温度変化幅とは、当初の熱媒体の温度と、合流によって温度が最も大きく異なった時点での熱媒体の温度との差の絶対値をいう。温度変化幅に基づいて制御を行うことで、燃料電池の一時的な発電量低下を防ぐことができる。また、温度変化率とは、合流によって温度が変化する場合における単位時間あたりの温度変化の大きさをいう。温度変化率に基づいて制御を行うことで、燃料電池の部材にあたえる温度ショックを防止し、部材の劣化を防ぐことができる。

なお、これらの制御は、例えば、第２流路を流れる熱媒体の温度を測定するセンサを一つ又は複数設け、その測定結果に基づくことで精度よく実施できる。また、第１流路を流れる熱媒体の温度を測定するセンサを一つ又は複数設けることでも、制御精度を高めることが可能となる。もちろん、両流路に温度センサを設けることで、一層精度を向上させることが可能となる。温度変化幅や温度変化率は、例えば、こうした温度センサの値とポンプ回転数（流量）との関係を予め求めておくことで、容易に推定することができる。推定値が予め設定した所定値を上回るような場合には、所定値以下となるように、流量を調節すればよい。なお、温度センサとポンプ回転数（流量）との関係は、実験的に求めることも可能であるし、各温度センサ設置位置での配管容積や燃料電池を起動してからの時間等を考慮して、理論的に求めることも可能である。

本発明の熱媒体制御システムの一態様においては、第１流路に合流する熱媒体の流量を変化させるポンプ又は弁を備え、制御機構は、このポンプ又は弁を調節して前記制御を行う。

本発明の熱媒体制御システムの一態様においては、第１流路には、熱媒体の熱を放熱する放熱器が設けられ、第２流路は、燃料電池の下流かつ放熱器の上流において第１流路から分流し、燃料電池の上流かつ放熱器の下流において第１流路に合流する。なお、第１流路には、燃料電池を初期に暖気させる際に、放熱器を迂回して熱媒体を流すバイパス流路を設けることも可能である。また、第１流路に対し、他の加熱・冷却対象部品に熱媒体を流す流路を、直列的、または並列的に設けることもできる。

本発明の暖房制御システムは、前記熱媒体制御システムと、前記暖房装置を備え、制御機構は、この暖房装置がユーザ指示に基づいて起動された時に前記制御を行う。暖房装置を燃料電池とともに起動させた場合には、一般に、第１流路と第２流路の熱媒体は、同じような温度変化（通常は温度上昇）をするため、熱衝撃は発生しない。しかし、暖房装置は、通常、ユーザ指示に基づいて、任意のタイミングで起動できるように設計される。このため、燃料電池を起動してから十分な時間が経過した後で暖房装置を起動すると、暖房装置内の低温の熱媒体が、突然、第１流路に流されることとなり、熱衝撃を発生させる。そこで、このような場合に、制御機構による制御が有効となる。

本発明の暖房制御システムの一態様においては、制御機構は、暖房装置の初期出力を制限することで前記制御を行う。つまり、暖房装置が起動された直後においては、暖房装置の出力を犠牲にしてでも、燃料電池における熱衝撃の発生を防止することとした。なお、出力制限が必要となる期間は、第１流路や第２流路の容積等によって変化しうるが、典型的には、数十秒から数分程度である。

本発明の燃料電池車は、前記熱媒体制御システム、前記燃料電池及び前記暖房装置、又は、前記暖房制御システム及び前記燃料電池と、これらを搭載し、前記燃料電池が発電する電力により駆動される車両と、を備える。燃料電池車は、恒常的に寒冷地で使用されたり、運転されて一時的に寒冷地で使用されたりする。しかも、寒冷地での使用の際には、通常、暖房装置も利用される。このため、暖房装置の利用に起因した熱衝撃の防止機構を備えることが極めて有効となる。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池車１０の構成を示す概略図である。ここでは、燃料電池車１０が備える一般的な構成は省略し、本実施の形態に特徴的な部分を中心に図示している。なお、燃料電池車１０は、内燃機関を併用するハイブリッド車として実用化される場合があるが、こうした内燃機関等もここでは省略する。

燃料電池車１０は、ラジエタ１２を備える。ラジエタ１２は、熱媒体の流路１４（第１流路に相当する）上に設けられ、熱媒体のもつ熱を外気に放出する放熱器である。流路１４は、燃料電池１６とラジエタ１２との間を循環する経路を構成している。そして、流路１４においては、ポンプ１８によって熱媒体としての冷却水が駆動され、燃料電池１６から熱を奪い、ラジエタ１２でその熱を放出する過程が繰り返される。

流路１４には、ラジエタ１２を迂回する迂回流路２０が設けられている。そして、流路１４に設けられた弁２２によって、冷却水をラジエタ１２に流すのか、迂回流路２０に流すのかを切り替えられるようになっている。迂回流路２０に冷却水が流される場合には、ラジエタ１２を通らず、燃料電池１６の側だけで閉じた循環が形成される。この循環は、燃料電池１６の起動時に、燃料電池１６の動作に適した温度まで速やかに温度上昇を図る（暖気とも呼ばれる）ために使用される。

流路１４には、さらに、暖房装置２４に冷却水（暖房装置２４にとっては熱源となる）を流し、暖房装置２４から流路１４に冷却水を戻すための暖房用流路２６（第２流路に相当する）が設けられている。暖房用流路２６は、燃料電池１６の暖気時にも暖かい冷却水を暖房装置２４に送り込めるように、迂回流路２０の内側において、流路１４に接続されている。すなわち、燃料電池１６の下流側において、流路１４から分流して暖房装置２４に至り、燃料電池１６の上流側で流路１４に復帰する経路をなしている。

暖房用流路２６の途上には、暖房装置２４に流す冷却水の流量を調節するポンプ２８が設けられている。また、暖房用流路２６の途上には、冷却水の温度を測定する温度センサ３０が設けられている。温度センサは、暖房用流路２６の途上に複数設けてもよい。

温度センサ３０の出力は、制御装置３２に入力される。制御装置３２は、演算機能を備えたハードウエアの動作を、ソフトウエア（プログラム）によって規定することで、燃料電池１６や暖房装置２４等を制御するものである。制御装置３２には、流路１４に流入する冷却水の温度を測定するための温度センサ３４からも温度入力が行われる。精度よい情報を得るため、流路１４の途上にさらに一つ又は複数の温度センサを設けることも可能である。制御装置３２は、燃料電池１６の運転中に暖房装置２４が起動された場合に、入力された温度に基づいて、暖房装置２４内の冷たい冷却水が燃料電池１６に熱衝撃を与えるか否かを判定する。そして、熱衝撃を与えると判定した場合には、熱衝撃を与えない限度で暖房用流路２６に流すことのできる最大の冷却水量を計算し、ポンプ２８の出力をこの冷却水量に抑制する。

続いて、図２のフローチャートを参照しながら、この燃料電池車１０における冷却水の制御について説明する。

ドライバが燃料電池車１０の運転を行う場合、まず、燃料電池１６が起動される（Ｓ１０）。すなわち、燃料電池１６に対し、アノードガス及びカソードガスが送られて、発電が開始されるとともに、ポンプ１８によって燃料電池１６の内部を流れる冷却水の循環が行われる。燃料電池１６の起動当初においては、冷却水は、弁２２の制御によってラジエタ１２へは流されず、迂回流路２０に流される。これによって、効率的に燃料電池１６の暖気が行われる。そして、燃料電池１６が十分高温に達した後には、弁２２が徐々に調整されて冷却水がラジエタ１２の側に流されはじめ、やがて、全冷却水がラジエタ１２の側に流されるようになる。

ここで、燃料電池１６が十分高温に達した後に、ドライバが、暖房装置２４を起動し（Ｓ１２）、燃料電池車１０の室内暖房を行う場合を考える。この場合には、制御装置３２は、温度センサ３０，３４から温度情報を取得し（Ｓ１４）、通常の流量の冷却水を暖房用流路２６に流した場合の温度低下量を予測する（Ｓ１６）。温度低下量の予測は、温度情報と予測値との関係を予め理論的あるいは実験的に求めておくことで行いうる。そして、予測した値が、予め設定した閾値よりも低いか否かを判定する（Ｓ１８）。その結果、閾値よりも低くなると判定された場合には、ポンプ２８の回転数の制御を行う（Ｓ２０）。一方、閾値の範囲内である場合には、処理を終了し、通常の流量の冷却水が流される（Ｓ２２）。

ステップＳ１８において、制御を行うべき閾値を具体的にどの程度に設定するかは、燃料電池１６の耐久性や、出力の温度依存性などを考慮するなどして、理論的あるいは実験的に定めればよい。また、ステップＳ２０においては、閾値の範囲を満たす最大の流量を暖房用流路２６に流すことで、初期に暖房用流路２６に含まれていた冷却水を速やかに流路１４に排出することが可能となる。なお、ステップＳ２０における制御は、設定された適当な時間が経過するまで、あるいは、温度センサの出力結果に基づいて制御が不要と判断されるまで続けられ、その後は、通常の制御に切り替えられる。通常の制御に切り替えられた後には、暖房装置２４の設定温度や設定風量を実現するために必要な量の冷却水が、暖房用流路２６に流されることとなる。

なお、本実施の態様においては、燃料電池車１０を例に挙げて説明を行ったが、燃料電池車１０以外の用途においても、この冷却水の制御技術は有効に機能する。また、この冷却水の制御技術は、特に寒冷地において威力を発揮するが、暖房装置を利用する限り、温暖な地においても、同様に有用となることは言うまでもない。

燃料電池車の構成例を説明する概略図である。 冷却水の制御の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池車、１２ ラジエタ、１４ 流路、１６ 燃料電池、１８，２８ ポンプ、２０ 迂回流路、２２ 弁、２４ 暖房装置、２６ 暖房用流路、３０，３４ 温度センサ、３２ 制御装置。

Claims (8)

1. 燃料電池から熱を奪う熱媒体を循環させる第１流路と、
   第１流路から分流し、暖房装置を経由して、第１流路に合流する流路であって、分流した熱媒体によって暖房装置に熱供給が行われる第２流路と、
   第２流路から第１流路に合流する熱媒体が燃料電池に与える熱衝撃を緩和するように、合流する熱媒体の流量の制御を行う制御機構と、
   を備える、ことを特徴とする熱媒体制御システム。
2. 請求項１に記載の熱媒体制御システムにおいて、
   制御機構は、合流した熱媒体に起因する第１流路の熱媒体の温度変化幅を所定値以下に抑制することで前記制御を行う、ことを特徴とする熱媒体制御システム。
3. 請求項１に記載の熱媒体制御システムにおいて、
   制御機構は、合流した熱媒体に起因する第１流路の熱媒体の温度変化率を所定値以下に抑制することで前記制御を行う、ことを特徴とする熱媒体制御システム。
4. 請求項１に記載の熱媒体制御システムにおいて、
   第１流路に合流する熱媒体の流量を変化させるポンプ又は弁を備え、
   制御機構は、このポンプ又は弁を調節して前記制御を行う、ことを特徴とする熱媒体制御システム。
5. 請求項１に記載の熱媒体制御システムにおいて、
   第１流路には、熱媒体の熱を放熱する放熱器が設けられ、
   第２流路は、燃料電池の下流かつ放熱器の上流において第１流路から分流し、燃料電池の上流かつ放熱器の下流において第１流路に合流する、ことを特徴とする熱媒体制御システム。
6. 請求項１に記載の熱媒体制御システムと、
   前記暖房装置を備え、
   制御機構は、この暖房装置がユーザ指示に基づいて起動された時に前記制御を行う、ことを特徴とする暖房制御システム。
7. 請求項６に記載の暖房制御システムにおいて、
   制御機構は、暖房装置の初期出力を制限することで前記制御を行う、ことを特徴とする暖房制御システム。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱媒体制御システム、前記燃料電池及び前記暖房装置、又は、請求項６若しくは７に記載の暖房制御システム及び前記燃料電池と、
   これらを搭載し、前記燃料電池が発電する電力により駆動される車両と、
   を備える、ことを特徴とする燃料電池車。
   

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