JP2017168291A

JP2017168291A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2017168291A
Application number: JP2016052241A
Authority: JP
Inventors: 慶大山上; Yoshihiro Yamagami; 山田　貴史; Takashi Yamada; 貴史山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP6759640B2

Abstract

【課題】燃料電池システムの冷却性能を向上させるとともに、消費電力増加やＮＶ悪化を抑制する。【解決手段】車両に用いられる燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却媒体を吐出するポンプと、前記冷却媒体が流通する熱交換器と、冷却媒体を冷却するファンと、燃料電池で加熱された冷却媒体を、熱交換器を介して燃料電池に循環させる放熱経路と、燃料電池で加熱された冷却媒体を、熱交換器を介さずに燃料電池に循環させるバイパス経路と、燃料電池で加熱された冷却媒体の出力経路を切り替えるバルブと、ファン、ポンプ及びバルブを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、車両の登坂状態を判定する登坂判定部と、登坂状態にある場合、冷却媒体が放熱経路を流れるようバルブを制御するとともに、登坂状態によらずに、ファン及びポンプを制御する冷却制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと参加ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池は、温度特性を有するため、所定の温度範囲となるように制御する必要がある。そのため、燃料電池システムでは、燃料電池に冷却水を循環させ、ラジエータを介して放熱することが行われる。

ところで、燃料電池は、エンジンに比較して発熱量が小さいため、冷却水と外気との温度差が小さく、ラジエータによる冷却能力が低い。また、燃料電池では、目標温度から動作温度上限までの温度差が小さい。そのため、外気温上昇時や高負荷運転時において、冷却水の温度が上限を超えないように、発電能力を調整する場合がある。

発電能力の調整は、車両走行性能に影響するため好ましくない。そこで、例えば、特許文献１には、ナビゲーション装置等の外部情報提供手段から提供される、冷却水の温度に影響を与える情報に基づいて冷却水の温度の予測値を算出し、当該予測値に基づいて冷却水を所定温度に制御する手法が開示されている。これにより、冷却水の温度が上限に達するまでの時間を長くし、車両走行性能への影響を抑制することができる。

特開２００５−３４３３９６号公報

たしかに、特許文献１に開示される手法によれば、冷却水の温度が上限に達するまでの時間を長くすることが可能である。しかしながら、冷却水の温度の予測値に基づいて、冷却水の目標温度を低下させるだけでは、ウォータポンプやファン等の消費電力増加や、ＮＶ（ＮｏｉｓｅＶｉｂｒａｔｉｏｎ）の悪化を招く可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの冷却性能を向上させるとともに、消費電力増加やＮＶ悪化を抑制するものである。

本発明の一側面に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却媒体を吐出するポンプと、冷却媒体が流通する熱交換器と、冷却媒体を冷却するファンと、燃料電池で加熱された冷却媒体を、熱交換器を介して燃料電池に循環させる放熱経路と、燃料電池で加熱された冷却媒体を、熱交換器を介さずに燃料電池に循環させるバイパス経路と、燃料電池で加熱された冷却媒体の出力経路を切り替えるバルブと、ファン、ポンプ及びバルブを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、車両の登坂状態を判定する登坂判定部と、登坂状態にある場合、冷却媒体が放熱経路を流れるようバルブを制御するとともに、登坂状態によらずに、ファン及びポンプを制御する冷却制御部と、を備える。

本発明によれば、燃料電池システムの冷却性能を向上させるとともに、消費電力増加やＮＶ悪化を抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態である燃料電池システム１０の構成を示す図である。冷却水の温度及び冷却水の目標温度の変化を示すグラフである。車速及び勾配の変化を示すグラフである。アクセル開度の変化を示すグラフである。登坂状態の判定結果を示すグラフである。ロータリバルブ３２の制御状態を示すグラフである。ファン２４及びウォータポンプ２６の制御状態を示すグラフである。燃料電池システム１０における冷却制御の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０の構成を示す図である。燃料電池システム１０は、移動体である車両に搭載され、動力源として用いられる。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池（ＦＣスタック）２０、ラジエータ（熱交換器）２２、ファン２４、ウォータポンプ２６、放熱経路２８、バイパス経路３０、ロータリバルブ３２、温度センサ３４、及び制御装置３６を備える。

燃料電池２０は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池であり、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。燃料電池システム１０では、燃料電池２０を動作に適切な温度とするため、放熱経路２８及びバイパス経路３０を流れる冷却水（冷却媒体）により、燃料電池２０が冷却される。

ラジエータ２２は、冷却水を冷却するために設けられている。放熱経路２８を流れる冷却水がラジエータ２２を流通し、ラジエータ２２で放熱することにより、冷却水が冷却される。ファン２４は、ラジエータ２２の表面に強制的に風を送り出すことにより、ラジエータ２２における冷却水の冷却能力を向上させる。ファン２４の回転数は、制御装置３６により制御される。ファン２４の回転数が高くなるほど、ラジエータ２２の冷却能力は高くなる。

ウォータポンプ２６は、冷却水を吐出するポンプである。ウォータポンプ２６から吐出された冷却水が燃料電池２０を通ることにより、燃料電池２０が冷却される。燃料電池２０を冷却した冷却水は、放熱経路２８又はバイパス経路３０を介して循環する。ウォータポンプ２６による冷却水の吐出量（単位時間あたり）は、制御装置３６により制御される。ウォータポンプ２６による冷却水の吐出量が大きくなるほど、ラジエータ２２の冷却能力は高くなる。

放熱経路２８は、燃料電池２０で加熱された冷却水の温度を低下させるために、ラジエータ２２経由で冷却水を循環させるための経路である。バイパス経路３０は、ラジエータ２２を経由せずに冷却水を循環させるための経路である。ロータリバルブ３２は、冷却水の経路を制御するために設けられている。具体的には、ロータリバルブ３２は、燃料電池２０で加熱された冷却水の出力経路を切り替えることができる。例えば、冷却水を全て放熱経路２８に出力することもできるし、冷却水を全てバイパス経路に出力することもできる。また例えば、冷却水の一部を放熱経路２８に出力し、残りをバイパス経路３０に出力することもできる。ロータリバルブ３２の開閉は、制御装置３６により制御される。放熱経路２８に流れる冷却水の割合が大きくなるほど、ラジエータ２２の冷却能力は高くなる。

温度センサ３４は、冷却水の温度を検出するためのセンサである。温度センサ３４は、図１に示すように、冷却水の循環経路における燃料電池２０からの出口付近に設けられている。なお、温度センサ３４の配設位置はこれに限られない。例えば、冷却水の循環経路における燃料電池２０の入口付近に設けられていてもよい。

制御装置３６は、燃料電池システム１０において冷却水を冷却するための制御を行う電子制御ユニットである。制御装置３６は、例えば、プロセッサ及びメモリを備え、メモリに格納されたプログラムをプロセッサが実行することにより各種機能を実現することができる。具体的には、制御装置３６は、登坂判定部３８及び冷却制御部４０を備える。

登坂判定部３８は、ナビゲーション装置から取得されるナビゲーション情報や、車両に関する様々な情報である車両情報等に基づいて、登坂状態（上り坂を進む状態）であるかどうかを判定する。ナビゲーション情報には、例えば、地図情報や経路情報が含まれる。地図情報には、例えば、道路（リンク・ノード）に関する情報や、道路の勾配に関する情報が含まれる。また、地図情報には、例えば、車両の現在位置や進行方向を示す情報が含まれる。経路情報には、出発地、目的地、及び経路に関する情報が含まれる。車両情報には、例えば、車両の速度を示す車速情報や、アクセルの開度を示すアクセル開度情報、車両の出力トルクを示すトルク情報が含まれる。

登坂判定部３８は、例えば、地図情報又は経路情報に基づいて、車両の進行方向の道路の勾配を検出し、その検出結果に基づいて、登坂状態を判定することができる。なお、登坂判定部３８は、車両が上り坂にさしかかることを予測した時点（車両が実際に上り坂にさしかかる前の時点）で、登坂状態であると判定してもよい。

また、登坂判定部３８は、車両情報に基づいて、登坂状態を判定してもよい。例えば、登坂判定部３８は、アクセル開度が所定値以上である場合に、登坂状態であると判定してもよい。なお、登坂判定部３８は、アクセル開度に加えて、ファン２４及びウォータポンプ２６が所定レベル以上で動作していることを、登坂状態と判定する際の条件としてもよい。また例えば、登坂判定部３８は、車速情報及びトルク情報に基づいて、登坂状態を判定してもよい。具体的には、登坂判定部３８は、平地走行時の車速及び出力トルクの関係を算出し、現在の車速及び出力トルクと比較することにより、登坂状態を判定してもよい。

また、登坂判定部３８は、温度センサ３４から出力される温度情報に基づいて、登坂状態を判定してもよい。具体的には、登坂判定部３８は、冷却水の温度が所定値以上である状態が所定時間以上継続すると、高負荷運転の状態であると判断し、登坂状態であると判定することができる。

また、登坂判定部３８は、登坂状態であると判定した後、ナビゲーション情報や車両情報、冷却水の温度情報等に基づいて、登坂状態の解除を判定することができる。例えば、登坂判定部３８は、地図情報又は経路情報に基づいて、車両の進行方向の道路の勾配を検出し、その検出結果に基づいて、登坂状態が解除されたと判定することができる。また例えば、登坂判定部３８は、冷却水の温度が所定値未満である状態が所定時間以上継続すると、低負荷運転の状態であると判断し、登坂状態が解除されたと判定することができる。

冷却制御部４０は、車両情報に基づいて、冷却水の温度が目標温度となるように、ファン２４、ウォータポンプ２６、及びロータリバルブ３２を制御する。例えば、冷却制御部４０は、車速の上昇や冷却水の温度の上昇に応じて、ファン２４の回転数やウォータポンプ２６の吐出量を上昇させたり、より多くの冷却水が放熱経路２８に流れるようロータリバルブ３２を制御したりすることができる。また、冷却制御部４０は、登坂判定部３８の判定結果に基づいて、ロータリバルブ３２を制御することができる。具体的には、登坂状態であると判定されると、冷却制御部４０は、冷却水の目標温度を低下させるとともに、冷却水が全て放熱経路２８を流れるようにロータリバルブ３２を制御することができる。なお、冷却制御部４０は、ファン２４及びウォータポンプ２６については、登坂状態によらずに、例えば、冷却水の目標温度や車速に応じた制御を行うことができる。

図２Ａ〜図２Ｆは、燃料電池システム１０における冷却制御の一例を示す図である。図２Ａ〜図２Ｆに示すグラフの横軸は時刻である。図２Ａは、冷却水の温度及び冷却水の目標温度の変化を示すグラフである。図２Ｂは、車速及び勾配の変化を示すグラフである。図２Ｃは、アクセル開度の変化を示すグラフである。図２Ｄは、登坂状態の判定結果を示すグラフである。図２Ｅは、ロータリバルブ３２の制御状態を示すグラフである。図２Ｆは、ファン２４及びウォータポンプ２６の制御状態を示すグラフである。

図２Ａ〜図２Ｆに示す例では、登坂判定部３８は、冷却水の温度が基準値（上限）以上である状態が所定時間継続され、かつ、アクセル開度が基準値以上である場合に、登坂状態であると判定している。また、登坂判定部３８は、冷却水の水温が基準値（下限）以下である状態が所定時間継続されると、登坂状態が解除されたと判定している。従って、図２Ｄに示すように、登坂状態の判定結果を示す値が、時刻Ｔ１に「ＯＦＦ」から「ＯＮ」に変化し、時刻Ｔ２に「ＯＮ」から「ＯＦＦ」に変化している。なお、登坂状態の判定手法はこれに限られず、前述したように、様々な手法を採用することができる。

そして、時刻Ｔ１に登坂状態が「ＯＮ」になると、冷却制御部４０は、図２Ａに示すように、冷却水の目標温度を低下させる。そして、冷却制御部４０は、図２Ｅに示すように、ロータリバルブ３２の制御状態を、車速等に応じて制御する通常状態から、冷却水を全て放熱経路２８に流す状態（放熱経路固定）に変化させる。一方、冷却制御部４０は、図２Ｆに示すように、登坂状態によらずに、ファン２４及びウォータポンプ２６を制御する（通常制御）。これにより、ロータリバルブ３２の制御によって冷却性能を向上させるとともに、ファン２４及びウォータポンプ２６を通常制御とすることにより、消費電力増加やＮＶ悪化を抑制することができる。

図３は、燃料電池システム１０における冷却制御の一例を示すフローチャートである。まず、冷却制御部４０は、外気温度が所定温度（例えば２５℃）以上であるかどうかを判定する（Ｓ３０１）。外気温度が所定温度未満である場合（Ｓ３０１：Ｎ）、冷却制御部４０は、冷却水の目標温度や車速に応じて、ファン２４、ウォータポンプ２６、及びロータリバルブ３２を通常状態で制御する（Ｓ３０６）。

外気温度が所定温度以上である場合（Ｓ３０１：Ｙ）、登坂判定部３８は、登坂状態であるかどうかを判定する（Ｓ３０２）。登坂状態ではない場合（Ｓ３０２：Ｎ）、冷却制御部４０は、冷却水の目標温度や車速に応じて、ファン２４、ウォータポンプ２６、及びロータリバルブ３２を制御する（Ｓ３０６）。

登坂状態である場合（Ｓ３０２：Ｙ）、冷却制御部４０は、冷却水の目標温度を低下させる（Ｓ３０３）。そして、冷却水が全て放熱経路２８を流れるようにロータリバルブ３２を制御する（Ｓ３０４）。このとき、冷却制御部４０は、冷却水の目標温度や車速に応じて、ファン２４及びウォータポンプ２６を制御する（通常制御）。この状態は、登坂状態が継続している間（Ｓ３０５：Ｎ）、維持される。

登坂状態が解除されると（Ｓ３０５：Ｎ）、冷却制御部４０は、冷却水の目標温度を元に戻し、冷却水の目標温度や車速に応じて、ファン２４、ウォータポンプ２６、及びロータリバルブ３２を通常状態で制御する（Ｓ３０６）。

以上の処理が、車両が走行（稼働）している間継続され（Ｓ３０７：Ｎ）、車両の走行が終了に伴い（Ｓ３０７：Ｙ）、終了する。

以上、本実施形態の燃料電池システム１０について説明した。本実施形態の燃料電池システム１０によれば、登坂状態にある場合、冷却制御部４０は、冷却水が全て放熱経路２８を流れるようロータリバルブ３２を制御するとともに、登坂状態によらずに、ファン２４及びウォータポンプ２６を制御する。これにより、登坂状態時に冷却性能を向上させるとともに、消費電力増加やＮＶ悪化を抑制することができる。

以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０燃料電池システム
２０燃料電池（ＦＣスタック）
２２ラジエータ（熱交換器）
２４ファン
２６ウォータポンプ
２８放熱経路
３０バイパス経路
３２ロータリバルブ
３４温度センサ
３６制御装置
３８登坂判定部
４０冷却制御部

Claims

車両に用いられる燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却媒体を吐出するポンプと、
前記冷却媒体が流通する熱交換器と、
前記冷却媒体を冷却するファンと、
前記燃料電池で加熱された前記冷却媒体を、前記熱交換器を介して前記燃料電池に循環させる放熱経路と、
前記燃料電池で加熱された前記冷却媒体を、前記熱交換器を介さずに前記燃料電池に循環させるバイパス経路と、
前記燃料電池で加熱された前記冷却媒体の出力経路を切り替えるバルブと、
前記ファン、ポンプ及びバルブを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記車両の登坂状態を判定する登坂判定部と、
前記登坂状態にある場合、前記冷却媒体が前記放熱経路を流れるよう前記バルブを制御するとともに、前記登坂状態によらずに、前記ファン及び前記ポンプを制御する冷却制御部と、
を備える、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記登坂判定部は、
ナビゲーション装置からの情報に基づいて前記登坂状態を判定する、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記登坂判定部は、
前記車両のアクセルの開度を示すアクセル開度情報に基づいて前記登坂状態を判定する、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記登坂判定部は、
前記車両の車速を示す車速情報と、前記車両の出力トルクを示すトルク情報とに基づいて、前記登坂状態を判定する、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記登坂判定部は、
前記冷却媒体の温度を示す温度情報に基づいて前記登坂状態を判定する、
燃料電池システム。