JP2012023795A - 冷却システム及び冷却システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率を安定に保ちつつ、燃料電池が配置された冷却回路を流れる冷却水を、効率良く上昇させることのできる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】冷却システムは、流量制御部の制御モードとして、燃料電池の発電状態に応じて冷却回路を流れる冷媒の流量である第１の流量を制御する第１の流量制御モードと、燃料電池の発電状態に応じて第１の流量を制御する第２の流量制御モードであって、所定の発電状態における第１の流量が第１の流量制御モードに比べ小さい第２の流量制御モードと、を有する。冷却システムの流量制御部は、非連結状態から連結状態に切り替える連結要求があった場合に、燃料電池の出口水温が所定値より小さい場合は、流量制御部に第２の流量制御モードでの運転を実行させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷却システム及び冷却システムの制御方法に関する。

従来、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の廃熱を車室内の温度調節の熱源に利用する技術が知られている。例えば、燃料電池が配置された冷却回路（冷却水循環供給流路）を流れる冷却水を空調用のヒータコアが配置された流路に供給し、該冷却水を空調のための熱源として利用する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１１３５３９号公報 特開２００５−２６３２００号公報 特開昭６２−１９８０５８号公報

冷却回路を流れる冷却水の温度が低い場合は、空調の熱源として利用可能な温度まで冷却水の温度を上昇させる必要がある。特許文献１の技術では、冷却水の温度が所定の閾値以下になった場合に、燃料電池から放出される熱を増加させることで冷却水の温度を上昇させている。より具体的には、比較的発電効率の高い通常運転から比較的発電効率の低い低効率運転に切り替えることで電力損失を大きくし燃料電池の温度を上昇させている。

しかしながら、燃料電池の廃熱を空調のための熱源に利用するために、燃料電池の発電効率を変化させることで、冷却水の温度を上昇させる技術では、車両の出力に影響を与える場合があった。また、このような問題は、車両に限らず、燃料電池の廃熱を室内の空調に利用する各種システムに共通する問題であった。

従って、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電効率を安定に保ちつつ、燃料電池が配置された冷却回路を流れる冷却水を、効率良く上昇させることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することができる。

[適用例１]冷却システムであって、燃料電池と、前記燃料電池を通過する冷媒を循環させるための冷却回路と、冷媒を循環させるための空調用回路であって、冷媒と室内に送風する空気との間で熱交換を行う熱交換器を有する空調用回路と、前記燃料電池出口の冷媒の温度である出口温度を検出するための第１の温度検出部と、前記燃料電池から流出した冷媒が前記空調用回路に流入し、前記熱交換器を通過して前記冷却回路に流入する連結状態と、前記冷却回路と前記空調用回路との冷媒の流通を遮断する非連結状態とを切り替え可能な切替部と、前記冷却回路を循環する冷媒の流量である第１の流量を制御する流量制御部と、を備え、
さらに、前記流量制御部の制御モードとして、前記燃料電池の発電状態に応じて前記第１の流量を制御する第１の流量制御モードと、前記燃料電池の発電状態に応じて前記第１の流量を制御する第２の流量制御モードであって、所定の発電状態における前記第１の流量が前記第１の流量制御モードに比べ小さい第２の流量制御モードと、を有し、
非連結状態から連結状態に切り替える連結要求があった場合に、前記出口温度が所定値より小さい場合は、前記流量制御部に前記第２の流量制御モードでの運転を実行させる、冷却システム。

適用例１の冷却システムによれば、出口温度が所定値より小さい場合は、流量を低減させた第２の流量制御モードで運転を実行するため、燃料電池の発電効率を安定に保ちつつ冷却回路の冷媒の温度を効率良く上昇させることができる。ここで、所定値は、空調側の暖房要求に対して冷却回路の冷媒を空調の熱源として利用することが可能な最低値以上を設定する。例えば、所定値は４０℃〜６０℃の範囲で設定することができる。

［適用例２］適用例１に記載の冷却システムであって、前記発電状態は、前記燃料電池の電流値と電圧値に基づいて定められる発電量である、冷却システム。
適用例２の冷却システムによれば、ある所定の発電量において、第１の流量制御モードよりも第１の流量を小さく制御する第２の流量制御モードで運転を実行することで、冷却回路の冷媒の温度を効率良く上昇させることができる。

［適用例３］適用例１又は適用例２に記載の冷却システムであって、さらに、前記燃料電池入口の冷媒の温度である入口温度を検出するための第２の温度検出部を有し、前記第１の流量制御モードは、前記入口温度と、前記出口温度との差である温度差が、第１の目標値となるように制御される制御モードであり、前記第２の流量制御モードは、前記温度差が、前記第１の目標値よりも大きい第２目標値となるように制御される制御モードである、冷却システム。
適用例３の冷却システムによれば、第１と第２の流量制御モードでの流量制御を、所定の温度差を設定することで容易に行うことができる。具体的には、例えば、以下の式（１）に基づいて流量を制御することができる。
Ｑ＝Ｃ×ｍ×△Ｔ （１）
ここで、Ｑは燃料電池の発熱量（ｋＷ）、ｍは第１の流量（ｋｇ／ｓ）、Ｃは燃料電池を通過する冷媒の比熱（ｋＪ／ｇ・℃）、△Ｔは燃料電池に流入する冷却水と燃料電池から流出する冷却水の温度差（℃）。

上記式（１）に各流量制御モードにおける目標とする温度差と、既値の冷媒の比熱と、発電量から算出した発熱量とを代入する。これにより、各流量制御モードでの第１の流量ｍを容易に決定することができる。ここで、第１の目標値は、冷媒により燃料電池を冷却することができ、かつ、燃料電池の耐久性をより確実に維持できる温度範囲で設定することが好ましい。例えば、第１の目標値は１０℃〜１５℃の範囲で設定することができる。また、第２の目標値は、第１の目標値よりも大きい値であって、かつ、燃料電池の耐久性を維持できる温度範囲で設定することが好ましい。例えば、第２の目標値は２０℃〜２５℃の範囲で設定することができる。

［適用例４］適用例１乃至適用例３のいずれか１つに記載の冷却システムであって、前記流量制御部の制御モードとして、さらに、前記出口温度が前記所定値よりも大きい第１の基準値を維持するように前記第１の流量を制御する第３の流量制御モードを有し、前記燃料電池の所定の発電量における前記第３の流量制御モードにより制御される前記第１の流量は、前記第２の流量制御モードにより制御される前記第１の流量より大きく、かつ、前記第１の流量制御モードにより制御される前記第１の流量よりも小さく、前記流量制御部に前記第２の流量制御モードでの運転を実行させた後、前記出口温度が前記第１の基準値に達した場合は、前記第２の流量制御モードから前記第３の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる、冷却システム。
適用例４の冷却システムによれば、出口温度が不必要に上昇することを抑制することができる。また、出口温度は、一般に燃料電池の内部温度と考えることができる。燃料電池の内部温度を一定に維持することで、一定に維持しない場合に比べ発電状態を安定に維持することができる。

［適用例５］適用例３に従属する適用例４に記載の冷却システムであって、前記流量制御部に前記第３の流量制御モードでの運転を実行させた後、前記温度差が前記第１の目標値に達した場合は、前記第３の流量制御モードから前記第１の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる、冷却システム。
適用例５の冷却システムによれば、温度差をより低減させた運転を行うことで、燃料電池に生じる不具合を低減することができる。例えば、温度差をより小さくすることで、燃料電池内部の温度分布のばらつきを低減することができる。これにより、燃料電池を構成する各部材に生じる歪みを低減し、燃料電池内部を通過するガス（燃料ガスや酸化剤ガス）や冷媒が外部へ漏れ出す可能性を低減できる。

［適用例６］適用例４又は適用例５に記載の冷却システムであって、前記第１の基準値は、前記燃料電池が安定的に運転可能な上限温度以下である、冷却システム。
適用例６の冷却システムによれば、冷却回路の冷媒の温度を効率良く上昇させると共に、燃料電池を安定的に運転することができる。ここで、燃料電池が安定的に運転可能な状態とは、燃料電池の少なくとも１つ以上のセル電圧が０Ｖ以下にならない状態を意味する。例えば、燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合、上限温度は８０℃〜９５℃付近である。

［適用例７］適用例３に記載の冷却システムであって、前記第２の目標値は、前記燃料電池を構成する各部材が熱応力により歪むことで前記燃料電池の内部を流通する流体が外部へ漏れることを防止できる範囲で定められる、冷却システム。
適用例７の冷却システムによれば、さらに、冷却回路の冷媒の温度を効率良く上昇させる場合であっても、燃料電池に生じる不具合を低減することができる。

［適用例８］冷却システムの制御方法であって、当該冷却システムは、燃料電池と、前記燃料電池を通過する冷媒を循環させるための冷却回路と、冷媒を循環させるための空調用回路であって、冷媒と室内に送風する空気との間で熱交換を行う熱交換器を有する空調用回路と、前記燃料電池出口の冷媒の温度である出口温度を検出するための第１の温度検出部と、前記燃料電池から流出した冷媒が前記空調用回路に流入し、前記熱交換器を通過して前記冷却回路に流入する連結状態と、前記冷却回路と前記空調用回路との冷媒の流通を遮断する非連結状態とを切り替え可能な切替部と、前記冷却回路を循環する冷媒の流量である第１の流量を制御する流量制御部と、を有し、
非連結状態から連結状態に切り替える連結要求を受け付ける受付工程と、前記連結要求を受け付けた後に、前記出口温度が所定値よりも小さいか否かを判定する判定工程と、前記出口温度が所定値より小さいと判定した場合に、前記出口温度が所定値以上の場合よりも、前記燃料電池の所定の発電状態における前記第１の流量を低減させることで、前記冷却回路を流れる冷媒の温度を上昇させる工程と、を有する制御方法。
適用例８の制御方法によれば、出口温度が所定値より小さい場合は、流量を低減させているため、燃料電池の発電効率を安定に保ちつつ冷却回路の冷媒の温度を効率良く上昇させることができる。

本発明の実施例としての冷却システム１の構成を示す図である。 連結状態と非連結状態の冷却水の流れを示した図である。 流量制御モードを説明するための図である。 冷却システム１の流量制御を説明するためのフローチャートである。 冷却システム１の各種状態の時間変化を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ−１：システムの構成：
図１は、本発明の実施例としての冷却システム１の構成を示す図である。本実施例において、冷却システム１は車両に搭載されている。

図１に示すように、本実施例の冷却システム１は、燃料電池スタック１００（単に「ＦＣ１００」ともいう。）と、燃料電池スタック１００を通過する冷却水を循環させるための冷却回路１０と、車室内４０の空調に利用される冷却水を循環させるための空調用回路２０と、第１と第２の連通流路２１６，２１８と、バルブＶ３と、冷却システム１の運転を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御装置）３０とを主に備える。なお、図示は省略するが、冷却システム１は、燃料ガスとしての水素を給排する水素給排系と、酸化剤ガスとしての空気を給排する空気給排系とを備える。水素給排系は、燃料電池スタック１００のアノードに水素を供給すると共に、燃料電池スタック１００から排出されるアノード排ガスをシステム１の外部へ排出する。空気給排系は、燃料電池スタック１００のカソードに空気を供給すると共に、燃料電池スタック１００から排出されるカソード排ガスをシステム１の外部へ排出する。

燃料電池スタック１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気に含まれる酸素が、各電極において電気化学反応を起こすものである。燃料電池スタック１００は、セパレータ（図示しない）を介在させて単セル（図示しない）を複数積層したスタック構造を成し、その積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００には、負荷１４０が電気的に接続されており、燃料電池スタック１００の電気化学反応により生じた電力が負荷１４０に供給される。燃料電池スタック１００と負荷１４０との間には、電流センサ１４２及び電圧センサ１４４が配置されている。なお、負荷１４０には、例えば、車両の駆動用モータや、後述する各種アクチュエータ（ウォーターポンプＷＰ１，ＷＰ２、バルブＶ１，Ｖ２、ファン１１２、ブロア２２０、電気ヒータ２０２）がある。

冷却回路１０は、第１の冷却流路１２０と、第２の冷却流路１２６と、第３の冷却流路１２８とを備える。冷却回路１０は、バルブＶ１の弁の開閉を制御することで、第１の冷却流路１２０と第２の冷却流路１２６による循環流路、又は、第１の冷却流路１２０と第３の冷却流路１２８による循環流路を形成する。詳細には、バルブＶ１は、３つの冷却流路１２０、１２６、１２８に接続されている。バルブＶ１は、弁の開度を調整することにより、第１の冷却流路１２０の出口側流路１２４から第２の冷却流路１２６へ流入する冷却水と、出口側流路１２４から第３の冷却流路１２８へ流入する冷却水との流量比を調整する。このように、冷却回路１０は、燃料電池スタック１００を通過する冷媒を循環させるための循環流路である。

第１の冷却流路１２０は、燃料電池スタック１００を途中に配置している。また、第１の冷却流路１２０は、燃料電池スタック１００に流入する冷却水が流れる入口側流路１２２と、燃料電池スタック１００から流出する冷却水が流れる出口側流路１２４とを有する。入口側流路１２２は、冷却回路１０内に冷却水を循環させるためのウォーターポンプＷＰ１（以下、単に「ポンプＷＰ１」ともいう。）と、温度センサ１３０とを配置している。温度センサ１３０は、入口側流路１２２の部分のうち、燃料電池スタック１００の冷却水入口近傍に配置されている。また、出口側流路１２４の部分のうち、燃料電池スタック１００の冷却水出口近傍には温度センサ１３２が配置されている。温度センサ１３０は、主に、燃料電池スタック１００の冷却水入口の冷却水温度（「冷却水入口温度Ｔｉｎ」ともいう。）を検出するために用いられる。温度センサ１３２は、主に、燃料電池スタック１００の冷却水出口の冷却水温度（「冷却水出口温度Ｔｏｕｔ」ともいう）を検出するために用いられる。すなわち、温度センサ１３０は、主に、燃料電池スタック１００に流入する冷却水の温度を検出するために用いられ、温度センサ１３２は、主に、燃料電池スタック１００から流出する冷却水の温度（詳細には、後述する連結状態において、燃料電池スタック１００から流出し、空調用回路２０に流入する冷却水の温度）を検出するために用いられる。なお、温度センサ１３０の配置位置はこれに限定されるものではない。例えば、入口側流路１２２のいずれかの部分に温度センサ１３０を配置することができる。また、温度センサ１３２の配置位置はこれに限定されるものではない。例えば、出口側流路１２４の部分のうち、燃料電池スタック１００が配置された地点と、第１の連通流路２１６が出口側流路１２４に接続された地点との間に温度センサ１３２を配置することができる。ここで、温度センサ１３２が課題を解決するための手段に記載の「第１の温度検出部」に相当し、温度センサ１３０が課題を解決するための手段に記載の「第２の温度検出部」に相当する。

第２の冷却流路１２６は、第１の冷却流路１２０の両端に接続されている。第２の冷却流路１２６は、冷却水を冷却するためのラジエータ１１０と、温度センサ１３４とを有する。ＥＣＵ３０は、温度センサ１３４の検出値に基づいて、ファン１１２の運転を制御することで燃料電池スタック１００に流入する冷却水の温度を調節する。

第３の冷却流路１２８は、出口側流路１２４を流れる冷却水を第２の冷却流路１２６を通過させることなく入口側流路１２２に流入させるためのバイパス流路である。

ポンプＷＰ１は、燃料電池スタック１００の発電量に応じて、冷却回路１０を循環する冷却水の流量（「第１の流量ｍ」ともいう。）を可変させる。この具体的態様については後述する。

空調用回路２０は、第１の空調用流路２１０と、第１の空調用流路２１０の両端に接続されている第２の空調用流路２１４とを有する。この第１の空調用流路２１０と第２の空調用流路２１４とにより冷却水の循環流路を形成することが可能となっている。

第１の空調用流路２１０は、電気ヒータ２０２と、熱交換器としてのヒータコア２００と、ウォーターポンプＷＰ２（以下、単に「ポンプＷＰ２」ともいう。）と、２つの温度センサ２３０，２３２とを配置している。また、第１の空調用流路２１０は、ヒータコア２００に流入する冷却水が流れる入口側空調流路２１２と、ヒータコア２００を流れた冷却水が流出する出口側空調流路２１３とを有する。

冷却システム１は、２つの連通流路２１６、２１８により、冷却回路１０中の冷却水が空調用回路２０に流入し、流入した冷却水が空調用回路２０を流れ、再び冷却回路１０に流入することが可能となっている。すなわち、冷却システム１は、冷却回路１０を流れる冷却水が空調用回路２０に流入し、流入した冷却水が空調用回路２０を流れ、再び冷却回路１０中に流入する連結状態と、冷却回路１０と空調用回路２０との冷却水の流通を遮断する非連結状態とを有する。この２つの状態の切り替えは、第２の連通流路２１６と第１の空調用流路２１０と第２の空調用流路２１４との３つの流路の接続地点に設けられたバルブＶ３の弁の開閉を切り替えることで行われる。ここで、バルブＶ３が課題を解決するための手段に記載の「切替部」に相当する。

図２は、連結状態と非連結状態の冷却水の流れを示した図である。図２（ａ）が連結状態における冷却水の流れを示した図であり、図２（ｂ）が非連結状態における冷却水の流れを示した図である。なお、図２は冷却システム１のうち、説明に必要な構成を抽出し図示している。図２（ａ）に示すように、連結状態では、第１と第２の連通流路２１６，２１８により、共通の冷却水が冷却回路１０と空調用回路２０とを循環する。一方、図２（ｂ）に示すように、非連結状態では、冷却回路１０の冷却水は冷却回路１０のみを循環し、空調用回路２０の冷却水は空調用回路２０のみを循環する。このように、連結状態は、燃料電池スタック１００の廃熱を車室内の温度調節のための熱源として利用可能な状態であり、非連結状態は、燃料電池スタック１００の廃熱を車室内４０の温度調節のための熱源として利用不可能な状態である。

図１に示すように、ヒータコア２００は、通風ダクト２４内に設置されており、通風ダクト２４の上流側に設置された送風機としてのブロア２２０から吹き出す空気を加熱する。具体的には、ヒータコア２００内部を流れる冷却水と、ブロア２２０からヒータコア２００に向かって吹き出された空気との間で熱交換を行う。熱交換された空気は、通風ダクト２４から移動体の内部である車室内４０に送られる。ＥＣＵ３０は、ユーザにより設定された目標車室内温度、現在の車室内温度、現在の車室外温度等に応じて、ポンプＷＰ２の回転数（「回転速度」ともいう。）及びブロア２２０の回転数（「回転速度」ともいう。）を制御することでヒータコア２００の放熱量を調節する。すなわち、ＥＣＵ３０は、空調側の暖房要求に応じて冷却システム１の運転を実行する。

車室内４０には温度設定器４０１が配置され、ユーザが温度設定器４０１に目標とする車室内温度を設定する。また、温度設定器４０１は、車室内４０を暖房する暖房モードを有効にする暖房スイッチ（図示せず）が配置されており、ユーザにより暖房スイッチがＯＮされると、ＥＣＵ３０がスイッチＯＮ信号を受信し、空調用回路２０を用いた暖房運転を行う。また、温度設定器４０１を用いてユーザが設定した車室内温度は、ＥＣＵ３０に出力信号として送られ、暖房運転の際の各種アクチュエータの制御に利用される。

電気ヒータ２０２は、ヒータコア２００で熱交換する冷却水の熱量が不足している場合に、ヒータコア２００へ流入する冷却水を加温するために用いられる。例えば、冷却システム１が非連結状態にある場合は、燃料電池スタック１００の廃熱を利用できないため、暖房要求に応じてヒータコア２００に流入する冷却水を加温する。

温度センサ２３０は、ヒータコア２００に流入する冷却水の温度を検出する。また、温度センサ２３２は、ヒータコア２００を通過した冷却水の温度を検出する。２つの温度センサ２３０，２３２に検出された温度は、出力信号としてＥＣＵ３０に送信され、冷却システム１の制御に利用される。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ３１０と、メモリ３２０と、入出力ポート３３０とを主に備える。入出力ポート３３０は、各種アクチュエータ及び各種センサとＥＣＵ３０とを制御用信号線を介して接続している。ここで、各種アクチュエータとしては、例えば、ファン１１２、ポンプＷＰ１，ＷＰ２、電気ヒータ２０２、ブロア２２０、バルブＶ１，Ｖ３がある。また、各種センサとしては、例えば、温度センサ１３０，１３２，１３４，２３０，２３２、温度設定器４０１、電流センサ１４２、電圧センサ１４４がある。

メモリ３２０には、ＣＰＵ３１０により実行される各種プログラムと、発熱量マップ３２２が記録されている。発熱量マップ３２２は、燃料電池スタック１００の発電量（単に「ＦＣ発電量」ともいう。）と、ＦＣ発電量に比例して変化する燃料電池スタック１００の発熱量（単に「ＦＣ発熱量Ｑ」ともいう。）とを対応付けるマップである。ＣＰＵ３１０は、メモリ３２０に記録されている各種プログラム及び発熱量マップ３２２を用いて、冷却システム１の運転を制御する。例えば、流量制御部３１２は、ポンプＷＰ１,ＷＰ２の回転数（「回転速度」ともいう。）を制御し、冷却回路１０及び空調用回路２０を流れる冷却水の流量を制御する。

Ａ−２．流量制御モード：
図３は、流量制御モードを説明するための図である。冷却システム１は、第１の流量制御モードと第２の流量制御モードと第３の流量制御モードとを有する。各流量制御モードでは、ＦＣ発熱量Ｑが同じ場合における第１の流量ｍが異なる。冷却システム１は、通常、第１の流量制御モードで流量制御が実行される。

第１の流量制御モードは、ポンプＷＰ１の回転数を制御することで、燃料電池スタック１００の冷却水入口温度Ｔｉｎと、冷却水出口温度Ｔｏｕｔとの温度差△Ｔが、第１の目標値△Ｔ１となるようにＦＣ発熱量Ｑに応じて第１の流量ｍを制御する。本実施例では第１の目標値△Ｔ１は１０℃に設定している。なお、第１の目標値ΔＴ１は、１０℃に限定されるものではなく、燃料電池スタック１００の温度分布のばらつきにより生じる不具合（ガスや冷却水の外部への漏れ）を確実に防止できる範囲で設定可能である。例えば、第１の目標値ΔＴ１は、１０℃〜１５℃の範囲で設定することが好ましい。

ＣＰＵ３１０は、以下の式（２）に基づいて第１の流量ｍを算出し、算出した流量を満足するようポンプＷＰ１の回転数を制御する。
Ｑ＝Ｃ×ｍ×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ） （２）
ここで、Ｑは燃料電池スタック１００の発熱量（ｋＷ）、ｍは第１の流量（ｋｇ／ｓ）、Ｃは燃料電池スタックを通過する冷却水の比熱（ｋＪ／ｇ・℃）である。

具体的には、ＣＰＵ３１０は、電流センサ１４２及び電圧センサ１４４により検出した燃料電池スタック１００の電圧値Ｖと電流値Ｉを元にＦＣ発電量Ｅを算出する。ＣＰＵ３１０は、算出したＦＣ発電量Ｅを元に発熱量マップ３２２を参照し、現在のＦＣ発熱量Ｑを算出する。そしてＣＰＵ３１０は、算出したＦＣ発熱量Ｑと、既知の比熱Ｃと、第１の目標値△Ｔ１（１０℃）を元に、式（２）により第１の流量ｍを算出する。

第２の流量制御モードは、ポンプＷＰ１の回転数を制御することで、温度差△Ｔが、第１の目標値△Ｔ１よりも大きい第２の目標値△Ｔ２となるようにＦＣ発熱量Ｑに応じて第１の流量を制御する。本実施例では第２の目標値△Ｔ２は２０℃に設定している。すなわち、図３に示すように、ＦＣ発熱量Ｑが同じ値である場合に、第２の流量制御モードで制御される第１の流量ｍの方が、第１の流量制御モードで制御される第１の流量ｍよりも小さい関係にある。例えば、ＦＣ発熱量Ｑが発熱量Ｑ１の場合、第１の流量制御モードで冷却回路１０に流通させる第１の流量ｍは流量Ｌ１であるのに対し、第２の流量制御モードで冷却回路１０に流通させる第１の流量ｍは流量Ｌ１よりも小さい流量Ｌ２となる。なお、第２の目標値ΔＴ２は、２０℃に限定されるものではなく、第１の目標値ΔＴ１よりも大きい値であれば良い。なお、燃料電池スタック１００の耐久性を確実に確保するために、２５℃以下の範囲（例えば２０℃〜２５℃）で設定することが好ましい。

第３の流量制御モードは、ポンプＷＰ１の回転数を制御することで、冷却水入口温度Ｔｉｎの温度上昇にかかわらず冷却水出口温度Ｔｏｕｔを第１の基準値Ｔａに維持するようにＦＣ発熱量Ｑに応じて第１の流量ｍを制御する。本実施例の場合、第１の基準値Ｔａは、９０℃に設定している。なお、第１の基準値Ｔａは９０℃に限らず、後述する所定値Ｔｗより大きく、燃料電池スタック１００の耐熱温度以下の範囲で設定することができる。また、第１の基準値Ｔａは、燃料電池スタック１００の発電状態を安定に維持することができる範囲（例えば８０℃〜９５℃）で設定することが好ましい。具体的には、燃料電池スタック１００の少なくとも１つ以上のセル電圧が０Ｖ以下にならない範囲で設定可能である。

第３の流量制御モードは、冷却水入口温度Ｔｉｎが上昇し、第２の目標値△Ｔ２を維持した第２の流量制御モードでは冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａを超えてしまう場合に実行される流量制御モードである。第３の流量制御モードは、上記式（２）の冷却水出口温度Ｔｏｕｔを９０℃とし、算出したＦＣ発熱量Ｑと検出した冷却水入口温度Ｔｉｎを元に第１の流量ｍを算出する。このように算出される第１の流量ｍは、図３に示すように、ＦＣ発熱量Ｑが同じ値である場合、第１の流量制御モードで制御される第１の流量ｍより小さく、かつ、第２の流量制御モードで制御される第１の流量ｍよりも大きい関係にある。

第１〜第３の流量制御モードにおいて第１の流量ｍが制御されている間は、燃料電池スタック１００の発電効率は略一定に維持されている。すなわち、燃料電池スタック１００の発電効率のモード（発電効率が比較的高いモードと、発電効率が比較的低いモード）を切り替えることなく運転が実行される。具体的には、エアストイキ比を１．５〜２．０に設定した状態で冷却システム１の運転が実行される。ここで、「エアストイキ比」とは、燃料電池スタック１００に供給される酸化剤ガス量と、燃料電池スタック１００で消費される酸化剤ガス量との比（消費される酸化剤ガス量／供給される酸化剤ガス量）を意味する。燃料電池スタック１００に供給される酸化剤ガス中の酸素がすべて発電に利用される場合には、エアストイキ比は１．０である。

Ａ−３．制御フロー：
図４は、冷却システム１の流量制御を説明するためのフローチャートである。図５は、冷却システム１の各種状態の時間変化を示す図である。図５（ａ）は、冷却水入口温度Ｔｉｎと、冷却水出口温度Ｔｏｕｔの時間変化を示す図であり、図５（ｂ）は、第１の流量ｍの時間変化を示す図であり、図５（ｃ）は、ＦＣ発熱量Ｑの時間変化を示している。なお、図５の各図は、流量制御モードの理解を容易にするために作成した図であり、実際の流量制御モードでの冷却システム１の各種状態変化を表すものではない。なお、本実施例の場合、第２と第３の流量制御モード、及び、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに達していない条件下での第１の流量制御モードで運転を実行する場合は、冷却回路１０の冷却水は、第３の冷却流路１２８を流通し、ラジエータ１１０が配置された第２の冷却流路１２６には流通してない状態にしている。

図４に示すように、ＥＣＵ３０は、非連結状態から連結状態に切り替える要求（「連結要求」ともいう。）の有無を判断する（ステップＳ１０）。本実施例の場合、ユーザにより暖房スイッチがＯＮされたかどうかをＥＣＵ３０が判断する。連結要求が無いと判断した場合は、ステップＳ１０を繰り返し実行する。

連結要求が有ると判断した場合は、ＥＣＵ３０は冷却水出口温度Ｔｏｕｔを検出する（ステップＳ１２）。次に、ＥＣＵ３０は、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗより小さいか否かを判断する（ステップｓ３０）。所定値Ｔｗは、例えば、燃料電池スタック１００から流出した冷却水を、空調側の熱源として利用可能な最低温度に設定する。例えば、所定値Ｔｗは、４０℃〜６０℃の範囲で設定することができる。所定値Ｔｗが４０℃よりも低いと、冷却回路１０を流れる冷却水の熱を有効に利用できず、暖房要求に応じた車室内４０への送風ができない場合があるからである。なお、本実施例の場合、所定値Ｔｗは５０℃に設定している。

図４に示すように、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗ以上と判断した場合（ステップＳ１４：ＮＯ）は、ＥＣＵ３０はバルブＶ３の弁の開閉を制御し、冷却システム１を非連結状態から連結状態に切り替える（ステップＳ２２ａ）。これにより、燃料電池スタック１００の廃熱を空調側の熱源に利用することができる。この場合、流量制御部３１２は、第１の流量制御モードでの運転を継続する。なお、第１の流量制御モードでの運転を継続する場合であっても、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに到達した場合は、バルブＶ１の弁の開閉、及び、ファン１１２の回転数を制御して燃料電池スタック１００に流入する冷却水の温度を調整し、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａを維持するようにしている。

一方、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗより小さいと判断した場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）は、冷却システム１は、流量制御部３１２に第１の流量制御モードから第２の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる（ステップＳ１８）。例えば、図５（ａ）において、時間ｔ１で連結要求が有った場合、時間ｔ１では冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗよりも小さい。この場合、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、ＦＣ発熱量Ｑにおける第１の流量ｍの割合を低減させる。これにより、冷却水出口温度Ｔｏｕｔをより短時間で所定値Ｔｗまで上昇させることができ、燃料電池スタック１００から流出する冷却水をより短時間に空調側の熱源として利用可能な状態にすることができる。

図４に示すように、ステップＳ１８の後、ＥＣＵ３０は冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗに達したか否かを判断する（ステップＳ２０）。所定値Ｔｗに達していないと判断した場合（ステップＳ２０：ＮＯ）は、ステップＳ２０の判断を繰り返し行う。なお、連結要求が有った後から冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗに達するまでの間は、ユーザにより設定された目標車室内温度に応じて、電気ヒータ２０２により入口側空調流路２１２の冷却水が加熱され、加熱された冷却水が空調側の熱源に利用される。

第２の流量制御モードでの運転を実行後、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗに到達したとＥＣＵ３０が判断した場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）は、冷却システム１を非連結状態から連結状態に切り替える（ステップＳ２２）。例えば、図５（ａ）に示すように、時間ｔ２で冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗに達しているため、時間ｔ２で非連結状態から連結状態に切り替える。なお、連結状態にした後においても、必要に応じて、電気ヒータ２０２を用いて入口側空調流路２１２の冷却水を加熱する。

図４に示すように、第２の流量制御モードでの運転を実行後、ＥＣＵ３０は、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａ（９０℃）に達したかどうかを判断する（ステップＳ２４）。冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに達していないと判断した場合は、繰り返しステップＳ２４の判断を行う。

一方、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに達したと判断した場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ）は、冷却システム１は、流量制御部３１２に第２の流量制御モードから第３の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる（ステップＳ２６）。例えば、図５（ａ）では、時間ｔ３で冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに達しているため、流量制御モードを第２の流量制御モードから第３の流量制御モードに切り替える。より、具体的には、図５の時間ｔ３〜ｔ４の各種状態変化に示すように、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａを維持するために、冷却水入口温度Ｔｉｎの上昇につれ、所定のＦＣ発熱量Ｑに対する第１の流量ｍの割合を大きくしている。このように、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗよりも大きい第１の基準値Ｔａに到達するまで第２の流量制御モードでの運転を実行することで、空調側の暖房要求に利用できる熱源を、冷却回路１０を循環する冷却水に充分に保持させることができる。また、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに到達した場合は、第２の流量制御モードから第３の流量制御モードに切り替えて運転を実行することで、燃料電池スタック１００の温度を略一定に保持し、燃料電池スタック１００の発電状態を安定に保つことができる。

図４に示すように、第３の流量制御モードに切り替えた後、ＥＣＵ３０は、温度差△Ｔが第１の目標値ΔＴ１以下になったかどうかを判断する（ステップＳ２８）。ステップＳ２８は、温度差△Ｔが第１目標値△Ｔ１以下となるまで繰り返し行われる。温度差△Ｔが第１の目標値△Ｔ１以下である判断した場合（ステップＳ２８：ＹＥＳ）は、冷却システム１は流量制御部３１２に第３の流量制御モードから第１の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる（ステップＳ３０）。これにより、温度差△Ｔをより低減させた運転を行うことができ、燃料電池スタック１００を構成する各部材（セパレータ、固体高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散層）の歪みを低減し、燃料電池スタック１００を通過するガスや冷却水が外部へ漏れだす可能性を低減できる。なお、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが第１の基準値Ｔａに達した以降に、第１の流量制御モードで運転を実行する場合は、冷却水入口温度Ｔｉｎの温度上昇を抑制するために、第２の冷却流路１２６に第１の冷却水を流通させ、ラジエータ１１０とファン１１２を用いて冷却水を所定の温度まで冷却する制御を行う（図１）。

このように、本実施例の冷却システム１によれば、連結要求があった場合に、冷却水出口温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔｗよりも小さい場合は、所定のＦＣ発熱量Ｑにおける第１の流量ｍを低減させる運転（第２の流量制御モードでの運転）を実行することで、発電効率を安定に保ちつつ、冷却水出口温度Ｔｏｕｔをより短時間に所定値Ｔｗまで上昇させることができる。これにより、燃料電池スタック１００から流出する冷却水を空調側の熱源としてより短時間に利用可能となるため、電気ヒータ２０２等の他の熱源の利用を低減でき、暖房性能を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．第１変形例：
上記実施例では、第１の流量制御モードと第２の流量制御モードでは、異なる温度差△Ｔ（第１の目標値△Ｔ１と第２の目標値△Ｔ２）を設定し制御していたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、第２の流量制御モードは、温度差△Ｔの目標値を定めずに、燃料電池スタック１００の通常運転により制御される第１の流量ｍに比べ、ＦＣ発熱量Ｑが同じ値における第１の流量ｍを小さくした流量制御を行っても良い。第１の流量ｍを小さくすることで、第１の流量ｍを小さくしないで流量制御を行う場合に比べ、冷却水出口温度Ｔｏｕｔをより短時間に所定値Ｔｗまで上昇させることができる。

Ｂ−２．第２変形例：
上記実施例では、暖房の熱源として燃料電池スタック１００の廃熱と電気ヒータ２０２とヒータコア２００とを利用可能であったが、暖房の熱源に利用可能な熱源は特にこれに限定されるものではない。例えば、通風ダクト２４内にヒートポンプや空気加熱ヒータ等の熱交換器を設けても良い。

Ｂ−３．第３変形例：
上記実施例では、ＥＣＵ３０は燃料電池スタック１００を有する冷却回路１０と、車室内４０の送風に利用される空調用回路２０の双方の制御に利用されていたが、冷却回路１０を制御するためのＥＣＵと、空調用回路２０を制御するためのＥＣＵとをそれぞれ設けても良い。この場合、各ＥＣＵ間で必要な情報（温度センサ１３２の検出値等）を通信する。

Ｂ−４．第４変形例：
上記実施例では、冷媒として冷却水を用いたが、特にこれに限定されるものではなく各種流体を冷媒として用いることができる。例えば、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いても良いし、二酸化炭素などの気体を用いても良い。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。

Ｂ−５．第５変形例：
上記実施例では、冷却システム１が車両に搭載される場合を例に挙げて説明を行ったが、各種移動体用に本発明を適用することができる。例えば、列車、船舶、航空機の各種移動体に本発明に係る冷却システムを適用できる。さらには、移動体に限らず、家屋の空調の熱源として燃料電池スタック１００の廃熱を利用するシステムにも本発明の冷却システムを適用することができる。

Ｂ−６．第６変形例：
上記実施例では、燃料電池スタック１００として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。

１…冷却システム
１０…冷却回路
２０…空調用回路
２４…通風ダクト
３０…ＥＣＵ
４０…車室内
１００…燃料電池スタック
１１０…ラジエータ
１１２…ファン
１２０…第１の冷却流路
１２２…入口側流路
１２４…出口側流路
１２６…第２の冷却流路
１２８…第３の冷却流路
１３０，１３２，１３４…温度センサ
１４０…負荷
１４２…電流センサ
１４４…電圧センサ
２００…ヒータコア
２０２…電気ヒータ
２１０…第１の空調用流路
２１２…入口側空調流路
２１３…出口側空調流路
２１４…第２の空調用流路
２１６…第１の連通流路
２１８…第２の連通流路
２２０…ブロア
２３０，２３２…温度センサ
３１０…ＣＰＵ
３１２…流量制御部
３２０…メモリ
３２２…発熱量マップ
３３０…入出力ポート
４０１…温度設定器
Ｔｉｎ…冷却水入口温度
Ｔｏｕｔ…冷却水出口温度
Ｖ１，Ｖ３…バルブ
Ｔａ…第１の基準値
Ｔｗ…所定値
ＷＰ１，ＷＰ２…ウォーターポンプ

Claims (8)

1. 冷却システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池を通過する冷媒を循環させるための冷却回路と、
   冷媒を循環させるための空調用回路であって、冷媒と室内に送風する空気との間で熱交換を行う熱交換器を有する空調用回路と、
   前記燃料電池出口の冷媒の温度である出口温度を検出するための第１の温度検出部と、
   前記燃料電池から流出した冷媒が前記空調用回路に流入し、前記熱交換器を通過して前記冷却回路に流入する連結状態と、前記冷却回路と前記空調用回路との冷媒の流通を遮断する非連結状態とを切り替え可能な切替部と、
   前記冷却回路を循環する冷媒の流量である第１の流量を制御する流量制御部と、を備え、
   さらに、前記流量制御部の制御モードとして、
   前記燃料電池の発電状態に応じて前記第１の流量を制御する第１の流量制御モードと、
   前記燃料電池の発電状態に応じて前記第１の流量を制御する第２の流量制御モードであって、所定の発電状態における前記第１の流量が前記第１の流量制御モードに比べ小さい第２の流量制御モードと、を有し、
   非連結状態から連結状態に切り替える連結要求があった場合に、前記出口温度が所定値より小さい場合は、前記流量制御部に前記第２の流量制御モードでの運転を実行させる、冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システムであって、
   前記発電状態は、前記燃料電池の電流値と電圧値に基づいて定められる発電量である、冷却システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の冷却システムであって、さらに、
   前記燃料電池入口の冷媒の温度である入口温度を検出するための第２の温度検出部を有し、
   前記第１の流量制御モードは、前記入口温度と、前記出口温度との差である温度差が、第１の目標値となるように制御される制御モードであり、
   前記第２の流量制御モードは、前記温度差が、前記第１の目標値よりも大きい第２目標値となるように制御される制御モードである、冷却システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却システムであって、
   前記流量制御部の制御モードとして、さらに、前記出口温度が前記所定値よりも大きい第１の基準値を維持するように前記第１の流量を制御する第３の流量制御モードを有し、
   前記燃料電池の所定の発電量における前記第３の流量制御モードにより制御される前記第１の流量は、前記第２の流量制御モードにより制御される前記第１の流量より大きく、かつ、前記第１の流量制御モードにより制御される前記第１の流量よりも小さく、
   前記流量制御部に前記第２の流量制御モードでの運転を実行させた後、前記出口温度が前記第１の基準値に達した場合は、前記第２の流量制御モードから前記第３の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる、冷却システム。
5. 請求項３に従属する請求項４に記載の冷却システムであって、
   前記流量制御部に前記第３の流量制御モードでの運転を実行させた後、前記温度差が前記第１の目標値に達した場合は、前記第３の流量制御モードから前記第１の流量制御モードに切り替えて運転を実行させる、冷却システム。
6. 請求項４又は請求項５に記載の冷却システムであって、
   前記第１の基準値は、前記燃料電池が安定的に運転可能な上限温度以下である、冷却システム。
7. 請求項３に記載の冷却システムであって、
   前記第２の目標値は、前記燃料電池を構成する各部材が熱応力により歪むことで前記燃料電池の内部を流通する流体が外部へ漏れることを防止できる範囲で定められる、冷却システム。
8. 冷却システムの制御方法であって、
   当該冷却システムは、燃料電池と、前記燃料電池を通過する冷媒を循環させるための冷却回路と、冷媒を循環させるための空調用回路であって、冷媒と室内に送風する空気との間で熱交換を行う熱交換器を有する空調用回路と、前記燃料電池出口の冷媒の温度である出口温度を検出するための第１の温度検出部と、前記燃料電池から流出した冷媒が前記空調用回路に流入し、前記熱交換器を通過して前記冷却回路に流入する連結状態と、前記冷却回路と前記空調用回路との冷媒の流通を遮断する非連結状態とを切り替え可能な切替部と、前記冷却回路を循環する冷媒の流量である第１の流量を制御する流量制御部と、を有し、
   非連結状態から連結状態に切り替える連結要求を受け付ける受付工程と、
   前記連結要求を受け付けた後に、前記出口温度が所定値よりも小さいか否かを判定する判定工程と、
   前記出口温度が所定値より小さいと判定した場合に、前記出口温度が所定値以上の場合よりも、前記燃料電池の所定の発電状態における前記第１の流量を低減させることで、前記冷却回路を流れる冷媒の温度を上昇させる工程と、を有する制御方法。

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