JP2015064938A - 燃料電池車両及び燃料電池車両の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池車両の効率を良くする。
【解決手段】燃料電池車両は、燃料電池と、冷却水を用いて燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、冷却水の熱を用いて燃料電池車両の車内を暖房する暖房用冷却水回路と、燃料電池用冷却回路の冷却水の温度を制御する制御部と、外気温センサと、を備える。制御部は、燃料電車両の暖房の設定に基づいて暖房用冷却水回路の冷却水の目標温度を設定し、（ａ１）外気温が予め定められた温度以上、または、（ａ２）目標温度が予め定められた温度未満の場合には、冷却水の燃料電池出口における冷却水出口水温を第１の水温にする第１の制御処理を実行し、（ｂ１）外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）目標温度が予め定められた温度以上の場合に、冷却水出口水温を第１の水温よりも温度の高い第２の水温とする第２の制御処理を実行する。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池車両及び燃料電池車両の制御方法に関する。

燃料電池車両の燃料電池を冷却する冷却回路の冷却水を熱源として空調用空気を加熱するヒータコアを備える燃料電池車両が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１３−１４２６８号公報

燃料電池車両は、走行状況により燃料電池の負荷が大きく変動する。燃料電池に高負荷がかかる場合には、燃料電池の温度が上がり、冷却水の温度が上昇する。冷却水の熱は、暖房用のヒータコアを加熱するために用いられる。過剰な熱は、ラジエータから放熱される。一方、燃料電池の負荷が小さくなると、燃料電池の温度が下がり、冷却水の温度が下降し、ヒータコアの温度が下がる。ここで、冷却水からの加熱では十分な空調温度を維持できない場合には、空調系に設けられた電熱ヒータにより加熱する。このように、高負荷では熱を捨て、低負荷では足りない熱を電熱ヒータにより加熱するため、全体として燃料電池車両の効率を高め難い、という問題があった。

本発明は、上述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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池と、冷却水を用いて前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、前記冷却水の熱を用いて前記燃料電池車両の車内を暖房する暖房用冷却水回路と、前記燃料電池用冷却回路の冷却水の温度を制御する制御部と、外気温センサと、を備え、前記制御部は、（ａ１）外気温が予め定められた温度以上、または、（ａ２）暖房用冷却水回路の冷却水の目標温度が予め定められた温度未満の場合には、前記冷却水の前記燃料電池出口における冷却水出口水温を第１の水温にする第１の制御処理を実行し、（ｂ１）前記外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が前記予め定められた温度以上である場合に、前記冷却水出口水温を前記第１の水温よりも温度の高い第２の水温とする第２の制御処理を実行する。この形態の燃料電池車両によれば、（ｂ１）前記外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が前記予め定められた温度以上である場合に冷却水の温度を高くすることにより、冷却水に熱を蓄熱して暖房に用い、燃料電池の発熱が少なくなった場合には、冷却水に蓄熱された熱を暖房に用いるので、捨てる熱が少なくて済み、全体として燃料電池車両の熱効率を高めることが可能となる。

（２）上記形態の燃料電池車両において、前記制御部は、（ａ１）前記外気温が前記予め定められた温度以上、（ａ２）前記目標温度が予め定められた温度未満、（ａ３）前記燃料電池の負荷が予め定められた値未満、のうちの少なくとも一つを満たす場合には、前記第１の制御処理を実行し、（ｂ１）外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が予め定められた温度以上であり、且つ、（ｂ３）前記燃料電池の負荷が予め定められた値以上である場合に、前記第２の制御処理を実行してもよい。燃料電池が予め定められた出力以上の出力を発生させているときは、発熱量も大きいため、効率的に冷却水に熱をためることが可能となる。

（３）上記形態の燃料電池車両において、さらに、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部を備え、前記制御部は、請求項１又は２に記載の前記第２の制御処理を実行する条件が成立した場合であっても、前記インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値以上の場合には、前記第１の制御処理を実行し、請求項１又は２に記載の前記第２の制御処理を実行する条件が成立し、且つ、前記インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値未満の場合には、前記第２の制御処理を実行してもよい。燃料電池は、電解質膜が乾燥すると効率が悪くなる。インピーダンスの抵抗成分は、電解質膜の乾燥の度合いに依存し、乾燥状態では高くなり、湿潤状態では低くなる。この形態の燃料電池車両によれば、制御部は、インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値以下の場合（十分に湿潤しており、燃料電池の温度を上げて電解質膜の水分が蒸発しても乾燥しにくい場合）には第２の制御処理を実行して冷却水の温度を上げ、インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値を越える場合（十分に湿潤しておらず、燃料電池の温度を上げて電解質膜の水分が蒸発すると乾燥するおそれがある場合）には、第１の制御処理を実行して冷却水の温度を上げない。すなわち、燃料電池の温度を上げても電解質膜が乾燥しにくい場合に、冷却水の温度を上げることにより、冷却水により多くの熱をため、この熱を暖房に用いるので、燃料電池車両の熱効率を高めることが可能となる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両の他、燃料電池車両における制御方法、燃料電池の冷却制御方法等の形態で実現することができる。

燃料電池車両の燃料電池用冷却回路と暖房用冷却水回路とを模式的に示す説明図である。 三方弁が非連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。 三方弁が連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。 空調ダクトの構成を示す説明図である。 本願発明における一実施形態の制御フローチャートの一例である。 外気温と判定パラメータＪ１との関係を示す説明図である。 ヒータコア入口水温の目標温度と判定パラメータＪ２との関係を示す説明図である。 インピーダンスと冷却水出口水温の目標温度との関係を示す説明図である。 冷却水出口水温と三方弁の状態との関係を示す説明図である。 ヒータコア入口水温Ｔと三方弁の状態との関係を示す説明図である。 本実施形態の効果を模式的に示す説明図である。

図１は、燃料電池車両の燃料電池用冷却回路２００と、暖房用冷却水回路３００とを模式的に示す説明図である。燃料電池車両１０は、燃料電池１００と、燃料電池用冷却回路２００と、暖房用冷却水回路３００と、制御部４００（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を備える。

燃料電池１００は、例えば、水素と、酸素とを反応させて発電する発電装置である。燃料電池１００には、インピーダンス測定部１１０と負荷１２０とが接続されている。インピーダンス測定部１１０は、例えば交流インピーダンス法を用いて燃料電池１００のインピーダンスの抵抗成分（以下、「内部抵抗」とも呼ぶ。）を測定する。例えば、特開２００９−２５２７０６によれば、印加する電流の周波数が大きい場合（ω＝∞）、インピーダンスとして電解質膜抵抗を取得でき、印加する電流の周波数が小さい場合（ω＝０）インピーダンスとして電解質膜抵抗と電気化学反応による反応抵抗との和を取得できる。本実施形態では、インピーダンス測定部１１０は、インピーダンスの抵抗成分として電解質膜抵抗を取得することが好ましい。負荷１２０には、燃料電池車両１０を動かす電気モーター（図示せず）等、燃料電池１００の電気エネルギーを使用する装置が含まれる。

燃料電池用冷却回路２００は、冷却水供給管２１０と、冷却水排出管２１５と、三方弁２４５と、ラジエータ管２２０と、ラジエータ２３０と、バイパス管２４０と、ポンプ２２５と、を備える。冷却水供給管２１０は、燃料電池１００に冷却水を供給するための管であり、冷却水供給管２１０にはポンプ２２５が配置されている。冷却水排出管２１５は、燃料電池１００から冷却水を排出するための管である。冷却水排出管２１５の下流部は、三方弁２４５を介して、ラジエータ管２２０と、バイパス管２４０と、に接続されている。ラジエータ管２２０には、ラジエータ２３０が設けられている。ラジエータ２３０には、ラジエータファン２３５が設けられている。ラジエータファン２３５は、ラジエータ２３０に風を送り、ラジエータ２３０からの放熱を促進する。ラジエータ管２２０の下流部と、バイパス管２４０の下流部とは、冷却水供給管２１０に接続されている。冷却水供給管２１０のポンプ２２５の上流側（ラジエータ管２２０の下流部）及び、冷却水排出管２１５には、それぞれ温度センサ２５０、２５５が設けられている。

冷却水は、ポンプ２２５により、冷却水供給管２１０を通して燃料電池１００に供給され、燃料電池１００を冷却する。冷却水は、燃料電池１００から熱を回収することで暖められ、冷却水排出管２１５から排出される。暖められた冷却水は三方弁２４５により、ラジエータ管２２０とバイパス管２４０に分配して流される。ラジエータ管２２０に流された冷却水は、ラジエータ２３０により冷却される。三方弁２４５によるラジエータ管２２０とバイパス管２４０への冷却水の分配割合と、外気温と、ラジエータファン２３５からの風量と、により、冷却水の温度が制御される。例えば、燃料電池１００の起動直後などにおいては、冷却水の大部分をバイパス管２４０に流すことにより、冷却水の温度を急速に上げることが可能となる。

暖房用冷却水回路３００は、分岐管３０５と、三方弁３４０と、温水供給管３１０と、ポンプ３２５と、電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０と、温水排出管３１５と、温水還流管３３５と、を備える。分岐管３０５は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５に接続されており、燃料電池１００から排出される暖められた冷却水の一部を暖房用冷却水回路３００に分配する。三方弁３４０は、燃料電池用冷却回路２００から暖房用冷却水回路３００への冷却水の流入を制御する。電熱ヒータ３３０は、暖房用冷却水回路３００を流れる冷却水を加熱する。ヒータコア３２０は、暖房用冷却水回路３００を流れる冷却水の熱を用いて空気を暖める。暖められた空気は、燃料電池車両１０の車内に送られて車内の暖房に用いられる。温水排出管３１５は、ヒータコア３２０からの排水を燃料電池用冷却回路２００に戻す。温水還流管３３５は、温水排出管３１５と、三方弁３４０との間を接続しており、ヒータコア３２０からの排水を、温水供給管３１０に戻す。電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０との間には、温度センサ３４５が配置されている。

制御部４００には、エアコン設定部４１０と、外気温センサ４２０と、車内温度センサ４３０と、が接続されている。制御部４００は、エアコン設定部４１０の設定と、外気温と、車内温度と、燃料電池用冷却回路２００の温水供給管３１０のポンプ２２５の上流部の水温と、燃料電池用冷却回路２００の燃料電池１００の出口における冷却水の温度（以下「冷却水出口水温Ｔ２５５」と呼ぶ。）と、暖房用冷却水回路３００のヒータコア３２０の入口における冷却水の温度（以下「ヒータコア入口水温Ｔ３４５」と呼ぶ。）と、に基づいて、三方弁２４５、３４０と、ポンプ２２５、３２５と、ラジエータファン２３５と、電熱ヒータ３３０の動作を制御する。

図２は、三方弁３４０が非連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。本実施形態において、非連携モード状態とは、三方弁３４０の３つの弁体のうちの、分岐管３０５に接続された弁体が閉状態となり、温水供給管３１０に接続された弁体と温水還流管３３５に接続された弁体とが開状態となる状態を言う。非連携モード状態では、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水は、冷却水供給管２１０と、燃料電池１００と、冷却水排出管２１５と、三方弁２４５と、ラジエータ管２２０（またはバイパス管２４０）と、ポンプ２２５を循環する。暖房用冷却水回路３００の冷却水は、温水供給管３１０と、ポンプ３２５と、電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０と、温水排出管３１５と、温水還流管３３５と、三方弁３４０と、を循環する。非連携モード状態では、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５から暖房用冷却水回路３００に冷却水が流入せず、暖房用冷却水回路３００から燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５へ冷却水が流出しない。燃料電池用冷却回路２００と、暖房用冷却水回路３００とは、独立状態にあり、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水と、暖房用冷却水回路３００を流れる冷却水は、混合しない。例えば、燃料電池１００の始動直後のように燃料電池１００の温度が低い場合には、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水の温度は低い。そのため、制御部４００は、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水を暖房用冷却水回路３００に分配して暖房の熱源として使用するよりは、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水と、暖房用冷却水回路３００を流れる冷却水とを独立させ、電熱ヒータ３３０を用いて暖房用冷却水回路３００を流れる冷却水のみを加熱させる方が、効率が良い。

図３は、三方弁３４０が連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。連携モード状態には、部分連携モードと完全連携モードとがある。図３（ａ）は、部分連携モード状態を示し、図３（ｂ）は、完全連携モードを示す。本実施形態において、部分連携モード状態とは、分岐管３０５に接続された弁体と、温水供給管３１０に接続された弁体と、温水還流管３３５に接続された弁体とのいずれもが開状態となる状態を言う。完全連携モードとは、分岐管３０５に接続された弁体と、温水供給管３１０に接続された弁体とが開状態となり、温水還流管３３５に接続された弁体が閉状態となる状態を言う。

三方弁３４０が部分連携モード状態のとき場合、燃料電池１００から排出された暖められた冷却水の一部が三方弁３４０を通って温水供給管３１０に供給される。また、温水排出管３１５を流れる冷却水の一部は、燃料電池用冷却回路２００（図１）の冷却水排出管２１５に流され、残部は温水還流管３３５、三方弁３４０を通って、温水供給管３１０に還流される。完全連携モードでは、燃料電池１００から排出された暖められた冷却水の一部が三方弁３４０を通って温水供給管３１０に供給される点は部分連携モードと共通するが、温水排出管３１５を流れる冷却水の全量は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５に流れる。

制御部４００は、上述したように、三方弁３４０のモード状態の制御により、燃料電池用冷却回路２００から暖房用冷却水回路３００への冷却水及び熱の移動を制御する。連携モードでは、燃料電池１００の廃熱を車内の暖房に用いることができる。なお、部分連携モードと完全連携モードは、いずれか一方のみが採用される形態であってもよい。

図４は、空調ダクト３５０の構成を示す説明図である。空調ダクト３５０は、車内空気取入部３５５と、外気取入部３６０と、車内循環・外気導入切換ドア３６５と、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５と、仕切板３８０と、エアミックスドア３８５と、車内吹出部３９０と、を備える。加熱流路３７０には、ヒータコア３２０（図１）が配置されている。車内循環・外気導入切換ドア３６５は、エアコン設定部４１０（図１）の設定により、空調ダクト３５０に、車内空気取入部３５５から空気を取り入れるか、外気取入部３６０から空気を取り入れるか、を切り換える。仕切板３８０は、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５と、を分離する。エアミックスドア３８５は、取り入れた空気を、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５に分配する。加熱流路３７０に分配された空気は、ヒータコア３２０により暖められるが、非加熱流路３７５に分配された空気は暖められない。加熱流路３７０と、非加熱流路３７５に分配された空気は、車内吹出部３９０で合流し、車内に吹き出される。制御部４００（図１）は、エアコン設定部４１０（図１）の設定と、車内の温度と、暖房用冷却水回路３００中の冷却水の温度（ヒータコア入口水温Ｔ３４５）、に基づいて、エアミックスドア３８５における加熱流路３７０と、非加熱流路３７５とへの空気の分配割合を制御し、車内へ吹き出す空気の温度を制御し、車内温度を制御する。例えば、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が高い場合には、ヒータコア３２０の温度も高いため、制御部４００は、エアミックスドア３８５の開度を変更して加熱流路３７０を流れる空気の量を減少させることにより、車内温度が上がりすぎないようにする。

図５は、本願発明における一実施形態の制御フローチャートの一例である。ステップＳ１００では、制御部４００は、燃料電池１００の負荷が予め定められた値以上か否かを判断する。制御部４００は、燃料電池１００の電圧と電流とを用いて負荷を算出できる。負荷が予め定められた値未満の場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１１０に移行し、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の目標温度を予め定められた値（後述するＴＬ）に設定する。一方、負荷が予め定められた値以上の場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１２０に移行する。

ステップＳ１２０では、制御部４００は、外気温を取得し、外気温に基づいて判定パラメータＪ１を決定する。図６は、外気温と判定パラメータＪ１との関係を示す説明図である。外気温が予め定められた温度であるＴ２以上の場合には、制御部４００は、判定パラメータＪ１を０とする。一方、外気温が予め定められた温度であるＴ１以下（Ｔ１＜Ｔ２）の場合には、制御部４００は、判定パラメータＪ１を１とする。外気温がＴ１〜Ｔ２の間の場合には、外気温の変化と、判定パラメータＪ１の前の値と、に依存する。外気温が下がる場合であって、判定パラメータＪ１が０の時には、外気温がＴ２未満であってもＴ１に下がるまでは、判定パラメータＪ１は０のままであり、外気温がＴ１に達すると判定パラメータＪ１は１になる。外気温がＴ１に達する前に外気温が下がる方向から上がる方向に変化すると、判定パラメータＪ１は０のままである。外気温が上がる場合であって、判定パラメータＪ１が１の時には、外気温がＴ１を越えていてもＴ２に上がるまでは、判定パラメータＪ１は１であり、外気温がＴ２に達すると判定パラメータＪ１は０になる。外気温がＴ２に達する前に外気温が上がる方向から下がる方向に変化すると、判定パラメータＪ１は１のままである。このよう外気温と判定パラメータＪ１との間にヒステリシスを持たせないように、例えば、外気温がＴ２より高いか低いかで判定パラメータＪ１を決定すると、外気温がＴ２を横切って上がる変化、Ｔ２を横切って下がる変化、のいずれにおいても、判定パラメータＪ１は変動する。一方、本実施形態では、外気温と判定パラメータＪ１との関係にヒステリシスを持たせているので、外気温がＴ２を横切って上がるような変化の場合には判定パラメータＪ１は変化するが、外気温がＴ２を横切って下がる変化の場合には判定パラメータＪ１は変化しない。したがって、判定パラメータＪ１の頻繁な変動を抑制できる。本実施形態では、例えば温度Ｔ１として２０℃、Ｔ２として２５℃を採用している。Ｔ２として２５℃とした理由は、自動車用エアコンの場合、シーズンを通して２５℃に設定される場合が多く、外気温がこの温度（２５℃）よりも高い場合には、暖房される可能性が低いので蓄熱する必要性に乏しい。また、蓄熱の効果も小さいからである。Ｔ１を２０℃とした理由は、Ｔ１＝Ｔ２、あるいはＴ１とＴ２の温度差が小さいと、上述したように判定パラメータＪ１が頻繁に変動するため、Ｔ２との間で５℃の温度差を設けたものである。なお、Ｔ１、Ｔ２の温度は、それぞれ２０℃、２５℃で無くても良い。

図５のステップＳ１２０において、判定パラメータＪ１が０のときには、制御部４００は、処理をステップＳ１１０に移行し、判定パラメータＪ１が１のときには、制御部４００は、処理をステップＳ１３０に移行する。外気温が高い場合には、暖房要求の可能性が低いため、制御部４００は、判定パラメータＪ１を０とし、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の目標温度を予め定められた値（後述するＴＬ）に設定する。

ステップＳ１３０では、制御部４００は、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度を用いて、次の処理ステップを判断する。ヒータコア入口水温Ｔ３４５とは、ヒータコア３２０に入る直前の冷却水の温度を言う。なお、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、温度センサ３４５により測定可能である。ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度は、外気温と、車内温度と、エアコン設定部４１０における設定温度の少なくとも１つを用いて、予め定められたマップに従って、制御部４００が設定してもよい。

図７は、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度と判定パラメータＪ２との関係を示す説明図である。ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度がＴ４以上の場合には、制御部４００は、判定パラメータＪ２を１とする。一方、ヒータ水温目標温度がＴ３以下（Ｔ３＜Ｔ４）の場合には、制御部４００は、判定パラメータＪ２を０とする。なおヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度がＴ３からＴ４の間では、図６のグラフと同様に、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度と判定パラメータＪ２との関係にヒステリシスを持たせてある。本実施形態では、例えば温度Ｔ３として３５℃（Ｔ３＝Ｔ１＋１５℃）、Ｔ４として４０℃（Ｔ４＝Ｔ２＋１５℃）を採用している。車内を暖房する場合、ヒータコア３２０から空気を暖める。ここで、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、エアコン設定温度（例えば２５℃）よりもある程度温度が高くなければ、暖房の効率が悪い。そのため、Ｔ４を２５℃よりも１５℃高い４０℃とし、ヒステリシスを持たせるためＴ３をＴ４より５℃低い３５℃としたものである。なお、Ｔ３、Ｔ４の温度は、それぞれ３５℃、４０℃で無くても良い。なお、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度は、冷房か、暖房かを判断するパラメータでもある。したがって、ステップＳ１３０では、制御部４００は、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度の代わりに、エアコン設定部４１０における、冷房・暖房の切り替えスイッチにより判定パラメータＪ２を判断しても良い。

図５のステップＳ１３０において、判定パラメータＪ２が０のときには、制御部４００は、処理をステップＳ１１０に移行し、判定パラメータＪ２が１のときには、制御部４００は、処理をステップＳ１４０に移行する。冷房の場合には、冷却水を温めておく必要がないため、制御部４００は、判定パラメータＪ２を０とし、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の目標温度を予め定められた値（後述するＴＬ）に設定する。

図８は、インピーダンスと冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度との関係を示す説明図である。図５のステップＳ１４０では、制御部４００は、燃料電池１００のインピーダンスの抵抗成分（内部抵抗）に基づいて、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度を設定する。インピーダンスの抵抗成分が予め定められた値であるＲ２以上の場合、制御部４００は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度の目標値を初期値であるＴＬに設定する。一方、インピーダンスの抵抗成分が予め定められた値であるＲ１（Ｒ１＜Ｒ２）以下の場合、制御部４００は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度の目標値をＴＨ（ＴＨ＞ＴＬ）に設定する。燃料電池１００のインピーダンスの抵抗成分は、特開２００９−２５２７０６に示されているように、燃料電池１００の電解質膜（図示せず）の水分量（湿潤状態）に依存する。すなわち、インピーダンスが小さい場合には、電解質膜は、十分に湿潤している。かかる場合、燃料電池１００の温度がＴＬからＴＨに多少上がって電解質膜から水分が蒸発しても、電解質膜は乾燥しにくい。Ｒ１の値は、電解質膜の水分量と、温度による電解質膜の乾きの進捗の程度から実験的に求めることが可能である。なお、Ｒ１よりも大きな抵抗値のＲ２を設定することで、燃料電池１００のインピーダンスの抵抗成分と冷却水の目標温度との間にも、ヒステリシスが設定されてもよい。また、温度ＴＬ、ＴＨは、燃料電池１００の適切な運転温度範囲であり、温度ＴＨは、その適切な運転温度範囲のうちの上限近くであってもよい。

なお、外気温がＴ１以上であり、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度がＴ４未満の場合には、冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度を第２の水温（ＴＨ）よりも低い第１の水温（ＴＬ）とするように構成されていても良い。外気温が高い（Ｔ１以上）ため、車内の暖房が行われる可能性が低い。従って車内の暖房の為に冷却水出口水温Ｔ２５５を第２の温度（ＴＨ）まで温度を上げて蓄熱しなくてもよい。また、外気温が高いため燃料電池１００の停止時（アイドル時）においても、冷却水温の低下量が低い。従って、車内の暖房のための熱を要求されたときに備えて、冷却水にあらかじめ蓄熱しておく必要性が低い。

ステップＳ１５０では、制御部４００は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度（燃料電池１００から排出される冷却水の温度（冷却水出口水温Ｔ２５５）と、暖房用冷却水回路３００中の冷却水の温度（ヒータコア入口水温Ｔ３４５）と、に基づいて、三方弁３４０の状態を制御する。なお、請求項の第１の制御処理は、ステップＳ１４０、Ｓ１５０の処理を合わせた処理である。

図９は、冷却水出口水温と、三方弁３４０の状態との関係を示す説明図である。三方弁３４０の状態としては、値０（上述した非連携モード）、値１（上述した部分連携モード）、値２（上述した完全連携モード）の３つの状態がある。冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ７以下のとき、三方弁３４０は非連携モード（図２の状態）であり、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ１０以上の時は、三方弁３４０は完全連携モード（図３（Ｂ）の状態）である。図９のグラフは、ヒステリシスを有している。三方弁３４０が非連携モードで冷却水出口水温Ｔ２５５が上がるときは、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ９になると三方弁３４０は部分連携モード（図３（Ａ）の状態）となり、Ｔ１０になると、完全連携モードとなる。逆に、三方弁３４０が完全連携モードで冷却水出口水温Ｔ２５５が下がるときは、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ８になると三方弁３４０は部分連携モードとなり、Ｔ７になると、非連携モードとなる。

図１０は、ヒータコア入口水温Ｔ３４５と三方弁３４０の状態との関係を示す説明図である。ヒータコア入口水温Ｔ３４５がＴ１１以下のとき、三方弁３４０は非連携モード（図２の状態）であり、ヒータコア入口水温Ｔ３４５がＴ１４以上の時は、三方弁３４０は完全連携モード（図３（Ｂ）の状態）である。なお、図１０においても、ヒステリシスを有している。

三方弁３４０が完全連携モードあるいは部分完全連携モードの状態では、燃料電池用冷却回路２００の冷却水が暖房用冷却水回路３００に流れ込むため、冷却水出口水温Ｔ２５５とヒータコア入口水温Ｔ３４５の動きは連動し、冷却水出口水温Ｔ２５５が上がる場合には、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が上がり、冷却水出口水温Ｔ２５５下がる場合には、ヒータコア入口水温Ｔ３４５も下がる。本実施形態では、図９と図１０により得られる三方弁の状態が矛盾する場合は、三方弁の状態は、以下の様に決定される。制御部４００は、冷却水出口水温Ｔ２５５が下がる場合には、制御部４００は、優先度を完全連携モード、部分連携モード、非連携モードの順にする。すなわち、いずれか一方の判断で完全連携モードとなっていれば、他方の判断が部分連携モード、あるいは非連携モードであっても、完全連携モードとする。一方、冷却水出口水温Ｔ２５５が上がる場合には、優先度を非連携モード、部分連携モード、完全連携モードの順にする。すなわち、いずれか一方の判断で非連携モードとなっていれば、他方の判断が部分連携モード、あるいは完全連携モードであっても、非連携モードとする。なお、制御部４００は、三方弁３４０の状態の判断を、冷却水出口水温Ｔ２５５のみに基づいて行っても良い。

ステップＳ１６０では、制御部４００は、エアミックスドア３８５を開閉し、車内温度が、エアコン設定部４１０で設定された目標温度に近づくように制御する。例えば、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が高く、ヒータコア３２０の温度が高い場合には、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が低い場合 に比べて加熱流路３７０を通る空気の量を減らし、非加熱流路３７５を通る空気の量を減らすことにより、同じ温度の空気を車内吹出部３９０から吹き出すことが可能である。

図１１は、本実施形態の効果を模式的に示す説明図である。燃料電池１００の出力（負荷）が大きくなっていくと、燃料電池１００の発熱が大きくなり、冷却水出口水温Ｔ２５５が上がっていく。冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ１０になると、制御部４００は、三方弁３４０を完全連携モードとし、電熱ヒータ３３０による暖房用冷却水回路３００中の冷却水の加熱を停止する。比較例の場合、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴＬを越えないように制御され、余分の熱は、ラジエータ２３０から放熱される。一方、本実施形態では、インピーダンスが小さい場合には、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴＨを越えないように、制御され、余分の熱は、ラジエータ２３０から放熱される。本実施形態では、比較例と比較すると、ハッチングＸに対応する熱量を、余分に冷却水にためることができる。

その後、例えば、燃料電池１００がアイドリング状態となって、出力が小さくなっていくと、燃料電池１００の発熱は小さくなり、冷却水出口水温Ｔ２５５が下がっていく。燃料電池車両１０において、アイドリング状態とは、燃料電池車両１０は停車しており、燃料電池１００には走行のための負荷は掛かっていないが、燃料電池１００からエアコンなどの補機類には電力が供給されている状態を言う。燃料電池車両１０がアイドリング状態となった場合、同時刻では、本実施形態の冷却水出口水温Ｔ２５５は、比較例の冷却水出口水温Ｔ２５５よりも高い。冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ７まで下がると、三方弁３４０は非連携モードとされ、電熱ヒータ３３０がオンとなる。比較例では、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ７に落ちて電熱ヒータ３３０がオンとなる時刻はｔ１であるが、本実施形態では、ｔ２である。したがって、本実施形態では、電熱ヒータ３３０がオンとなる時刻をｔ１からｔ２に遅らせることができる。すなわち、本実施形態では、冷却水出口水温Ｔ２５５を上げることにより熱エネルギーを冷却水にため、この熱エネルギーを暖房に用いる。冷却水出口水温Ｔ２５５が下がる場合、本実施形態の方が、比較例よりも、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ７に落ちる時刻が遅くなるため、電熱ヒータ３３０のオンする時刻を遅らせることができ、その分だけ電熱ヒータ３３０を使用しないで済むため、電気エネルギーを節約できる。

本実施形態では、燃料電池１００の温度が下がりやすいアイドリング状態に変化する場合を例にとって説明したが、燃料電池１００の負荷が小さくなる状態であってもよい。

本実施形態では、三方弁３４０の動作状態を３つのモード（非連携モード、部分連携モード、完全連携モード）としたが、部分連携モード、完全連携モードは、いずれか一方のみ採用されても良い。この場合は、三方弁３４０は、非連携モードと連携モードの２つのモード状態（開閉状態）を有するものとする。また、本実施形態では三方弁３４０を用いたが、三方弁３４０の代わりに、燃料電池用冷却回路２００と暖房用冷却水回路３００との間に、他の種類の弁（例えば、開閉弁や流調弁）を設け、温水還流管３３５を備えない構成であってもよい。この場合にも、開閉弁（流調弁）の動作状態は、非連携モードと連携モード（完全連携モード）のいずれかとなる。また、本実施形態では、三方弁３４０を備えているが、三方弁３４０等の弁を設けずに、燃料電池用冷却回路２００と、暖房用冷却水回路３００とが一体となった一つの冷却水回路を備える構成であっても良い。

本実施形態では、燃料電池用冷却回路２００のうちの冷却水出口温度Ｔ２５５の温度を制御目標として構成したが、燃料電池用冷却回路２００の他の箇所における冷却水の温度を測定して制御目標として使用しても良い。

図５におけるステップＳ１００、Ｓ１２０、Ｓ１３０の３つの判断のうちの一部は省略されてもよい。

本実施形態では、ラジエータからの放熱量により冷却水の温度を制御しているが、冷却水の温度制御は、他の方法により行われてもよい。例えば、制御部４００は、燃料電池１００に流入させる冷却水の量を増減しても良い。例えば、燃料電池１００に流入させる冷却水の量を減少させれば、冷却水の温度をより高温にできる。また、制御部４００は、燃料電池１００の動作点を変更することによって、燃料電池１００の発熱量を増減しても良い。この場合にも、冷却水の温度を上昇又は下降させることができる。

本実施形態では、制御部４００は、インピーダンスの抵抗成分の大きさに基づいて、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度を設定している。上述したように、インピーダンスの抵抗成分は、燃料電池１００の電解質膜の乾燥の度合いに依存している。すなわち、本実施形態で、制御部４００がインピーダンスの抵抗成分の大きさを考慮するのは、燃料電池１００の電解質膜が乾燥しすぎるのを抑制するためである。制御部４００は、電解質膜の乾燥、すなわち、インピーダンスの抵抗成分の大きさを考慮せず、外気温と、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度に基づいて、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度を設定してもよい。具体的には、図５のステップＳ１４０において、Ｊ２＝１のときに、冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度をＴＨにしてもよい。

上記実施形態では、制御部４００は、ステップＳ１００において、燃料電池１００の負荷が予め定められた値以上か否かを判断し、燃料電池１００の負荷が予め定められた値以上の場合であり、且つ、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度が予め定められた温度以上の場合に、冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度を高く（ＴＨ）設定している。この理由は、燃料電池１００の負荷が大きいほど燃料電池１００が発熱し易く、その熱を冷却水に蓄熱しやすいからである。制御部４００は、燃料電池１００の負荷を判断せず、外気温と、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の目標温度に基づいて、冷却水出口水温Ｔ２５５の目標温度を設定してもよい。

以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池車両
１００…燃料電池
１１０…インピーダンス測定部
１２０…負荷
２００…燃料電池用冷却回路
２１０…冷却水供給管
２１５…冷却水排出管
２２０…ラジエータ管
２２５…ポンプ
２３０…ラジエータ
２３５…ラジエータファン
２４０…バイパス管
２４５…三方弁
２５０…温度センサ
３００…暖房用冷却水回路
３０５…分岐管
３１０…温水供給管
３１５…温水排出管
３２０…ヒータコア
３２５…ポンプ
３３０…電熱ヒータ
３３５…温水還流管
３４０…三方弁
３４５…温度センサ
３５０…空調ダクト
３５５…車内空気取入部
３６０…外気取入部
３６５…外気導入切換ドア
３７０…加熱流路
３７５…非加熱流路
３８０…仕切板
３８５…エアミックスドア
３９０…車内吹出部
４００…制御部
４１０…エアコン設定部
４２０…外気温センサ
４３０…車内温度センサ

Claims (6)

1. 燃料電池車両であって、
   燃料電池と、
   冷却水を用いて前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、
   前記冷却水の熱を用いて前記燃料電池車両の車内を暖房する暖房用冷却水回路と、
   前記燃料電池用冷却回路の冷却水の温度を制御する制御部と、
   外気温センサと、
   を備え、
   前記制御部は、
   （ａ１）外気温が予め定められた温度以上、または、（ａ２）暖房用冷却水回路の冷却水の目標温度が予め定められた温度未満の場合には、前記冷却水の前記燃料電池出口における冷却水出口水温を第１の水温にする第１の制御処理を実行し、
   （ｂ１）前記外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が前記予め定められた温度以上である場合に、前記冷却水出口水温を前記第１の水温よりも温度の高い第２の水温とする第２の制御処理を実行する、
   燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両において、
   前記制御部は、
   （ａ１）前記外気温が前記予め定められた温度以上、（ａ２）前記目標温度が予め定められた温度未満、（ａ３）前記燃料電池の負荷が予め定められた値未満、のうちの少なくとも一つを満たす場合には、前記第１の制御処理を実行し、
   （ｂ１）外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が予め定められた温度以上であり、且つ、（ｂ３）前記燃料電池の負荷が予め定められた値以上である場合に、前記第２の制御処理を実行する、
   燃料電池車両。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池車両において、さらに、
   前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部を備え、
   前記制御部は、
   請求項１又は２に記載の前記第２の制御処理を実行する条件が成立した場合であっても、前記インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値以上の場合には、前記第１の制御処理を実行し、
   請求項１又は２に記載の前記第２の制御処理を実行する条件が成立し、且つ、前記インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値未満の場合には、前記第２の制御処理を実行する、
   燃料電池車両。
4. 冷却水を流して燃料電池からの熱を回収する燃料電池用冷却回路と、前記冷却水の熱を燃料電池車両の車内の空調における暖房に用いる暖房用冷却水回路と、備える燃料電池車両の制御方法であって、
   外気温を測定する工程と、
   前記冷却水の前記燃料電池出口における冷却水出口水温を制御する工程と、備え、
   前記冷却水出口水温を制御する工程では、
   （ａ１）外気温が予め定められた温度以上、または、（ａ２）暖房用冷却水回路の冷却水の目標温度が予め定められた温度未満の場合には、前記冷却水の前記燃料電池出口における冷却水出口水温を第１の水温にする第１の制御処理が実行され、
   （ｂ１）前記外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が前記予め定められた温度以上である場合に、前記冷却水出口水温を前記第１の水温よりも温度の高い第２の水温とする第２の制御処理が実行される、
   燃料電池車両の制御方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池の負荷を取得する工程を備え、
   前記冷却水出口水温を制御する工程では、
   （ａ１）前記外気温が前記予め定められた温度以上、（ａ２）前記目標温度が予め定められた温度未満、（ａ３）前記燃料電池の負荷が予め定められた値未満、のうちの少なくとも一つを満たす場合には、前記第１の制御処理が実行され、
   （ｂ１）外気温が前記予め定められた温度未満であり、且つ、（ｂ２）前記目標温度が予め定められた温度以上であり、且つ、（ｂ３）前記燃料電池の負荷が予め定められた値以上である場合に、前記第２の制御処理が実行される、
   燃料電池車両の制御方法。
6. 請求項４又は５に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池のインピーダンスを測定する工程を備え、
   請求項４又は５に記載の前記第２の制御処理が実行される条件が成立し、且つ、前記インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値未満の場合には、前記第２の制御処理が実行され、
   請求項４又は５に記載の前記第２の制御処理が実行される条件が成立した場合であっても、前記インピーダンスの抵抗成分の大きさが予め定められた値以上の場合には、前記第１の制御処理が実行される、
   燃料電池車両の制御方法。

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