JP3641591B2 - 燃料電池を搭載した車両の冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源として燃料電池を用いた燃料電池車両を冷却する冷却装置に関し、特に、駆動系部品の冷却系と、燃料電池の冷却系と分離して構成した燃料電池を搭載した車両の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池を駆動源とし、燃料電池での発電電力を利用して駆動モータを駆動する燃料電池車両が知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成されたスタック構造体が、セパレータを介して複数積層されてなり、燃料電池スタックと呼ばれている。
【０００３】
従来の燃料電池車両としては、特開平１１−３５０９５６号公報に開示されているように、車両の駆動用電動機に電力を供給する電源装置、及び電動機を車両停止後などに速やかに冷却することを目的とした冷却装置を備えているものが知られている。
【０００４】
この燃料電池車両の冷却装置は、電源装置を冷却する第１水冷冷却系と、駆動用電動機を冷却する第２水冷冷却系と、これら第１水冷冷却系及び第２水冷冷却系に連通する中間リザーバタンクとを備える。この中間リザーバタンクは、第１水冷冷却系の冷却水が流入する第１リザーバタンクと、第２水冷冷却系の冷却水が流入する第２リザーバタンクとを一体化した構成となっており、内部の弁体により第１リザーバタンクと第２リザーバタンクとの間を連通又は遮断する。そして、この冷却装置は、中間リザーバタンク内の弁体を開閉制御することで、第１水冷冷却系の冷却水温度と、第２水冷冷却系の冷却水温度とを予め定められた水温とする。
【０００５】
また、従来より、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとの間の加圧空気系統に分離型ヒートパイプ熱交換器を設置すると共に、ＤＣモジュール系統の冷却媒体系に分離型ヒートパイプ熱交換器を設置し、各分離型ヒートパイプ熱交換器の間をヒートパイプ配管で接続し、空気供給系統及びＤＣモジュール系統から除去した廃熱を共通の発熱放散冷却器を介して大気中へ放散する燃料電池発電プラントが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池を冷却する冷却装置では、内燃機関エンジン搭載自動車のラジエータを用いた冷却装置と比較して、ラジエータで放熱しなければならない廃熱量が非常に多く、且つ、車両を駆動する駆動系部品を冷却する冷却水温度の管理温度と燃料電池本体を冷却する冷却水温度の管理温度とが異なるために同じ熱交換器を利用した廃熱処理が困難であり、且つ、熱交換器により制御しなければならない冷却水の温度上限値が非常に低いという条件が課せられている。
【０００７】
更に、内燃機関エンジン搭載車と同様に、外気温度が高いほど、燃料電池搭載車両の冷却システムにとって更に厳しい条件が課せられ、その結果、冷却システムを大型化せざるを得ないという問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の冷却系と駆動系部品の冷却系との間で放熱量の最適化を行うことができる燃料電池を搭載した車両の冷却装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池と、この燃料電池の発電電力により駆動される駆動系部品とを備えた燃料電池を搭載した車両の冷却装置において、第１冷却水を循環する第１冷却水ポンプと、この第１冷却水ポンプにより第１冷却水が循環される第１熱交換器と、この第１熱交換器に空気を通過させる第１熱交換器冷却ファンとを有し、第１の設定温度以下に上記駆動系部品を冷却する第１冷却系と、上記第１冷却系と分割され、第２冷却水を循環する第２冷却水ポンプと、この第２冷却水ポンプにより第２冷却水が循環される第２熱交換器と、この第２熱交換器に空気を通過させる第２熱交換器冷却ファンとを有し、上記第１の設定温度より高い第２の設定温度以下に上記燃料電池を冷却する第２冷却系と、第１冷却水温度を検出する第１冷却水温度検出手段と、第２冷却水温度を検出する第２冷却水温度検出手段と、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて上記第１冷却系の冷却能力を制御する第１冷却能力制御手段と、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて上記第２冷却系の冷却能力を制御する第２冷却能力制御手段とを備える。
【００１０】
請求項２に係る発明では、上記第１冷却能力制御手段は、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプの吐出流量及び上記第１熱交換器冷却ファンの送風量に対する上記第１冷却系の冷却能力を判定して上記第１冷却水ポンプ及び上記第１熱交換器冷却ファンの駆動量を制御して、上記第１冷却系の冷却能力を制御し、上記第２冷却能力制御手段は、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第２冷却水ポンプの吐出流量及び上記第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する上記第２冷却系の冷却能力を判定して上記第２冷却水ポンプ及び上記第２熱交換器冷却ファンの駆動量を制御して、上記第２冷却系の冷却能力を制御する。
【００１１】
請求項３に係る発明では、上記第１熱交換器及び第２熱交換器に取り込まれる外気温度を検出する外気温度検出手段を更に備え、上記第１冷却能力制御手段は、上記外気温度検出手段で検出された外気温度に基づいて上記第１冷却系の冷却能力を制御し、上記第２冷却能力制御手段は、上記外気温度検出手段で検出された外気温度に基づいて上記第２冷却系の冷却能力を制御する。
【００１２】
請求項４に係る発明では、上記第１冷却系内で第１冷却水を循環させる流路及び上記第２冷却系内で第２冷却水を循環させる流路に設けられ、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をする第３熱交換器と、上記第１冷却水の流路及び／又は上記第２冷却水の流路に設けられ、上記第３熱交換器を通過する流路と上記第３熱交換器を通過しない流路とで流路を切り替える流路切り替え手段とを更に備える。
【００１３】
請求項５に係る発明では、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して、第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御する第１流路切り替え制御手段と、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して、第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御する第２流路切り替え制御手段とを更に備える。
【００１４】
請求項６に係る発明では、上記第１流路切り替え制御手段は、車両を起動するに際して、起動時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を昇温させ、上記第２流路切り替え制御手段は、車両を起動するに際して、起動時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を昇温させる。
【００１５】
請求項７に係る発明では、上記第１流路切り替え制御手段は、車両を停止するに際して、停止時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を降温させ、上記第２流路切り替え制御手段は、車両を停止するに際して、停止時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を降温させる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、第１冷却水温度と、第２冷却水温度とに基づいて、第１冷却系の冷却能力と第２冷却系の冷却能力とを、相互の間で他の一方の状態を判断したうえで、それぞれ独立して制御するので、燃料電池の負荷などに応じた車両の走行パターンに応じて、第１熱交換器及び第２熱交換器での放熱量の最適化を行うことができる。また、燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、冷却ファン及び冷却水ポンプの消費電力を押さえることで、省燃費化を実現することができる。
【００１７】
請求項２に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、請求項１と同様に、車両の走行パターンに応じて、第１熱交換器及び第２熱交換器での放熱量の最適化を行うことができ、更に冷却ファン及び冷却水ポンプの消費電力を押さえることで、省燃費化を実現することができる。
【００１８】
請求項３に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、外気温度に基づいて第１冷却系の冷却能力と第２冷却系の冷却能力とを独立して制御するので、環境条件を含めて、第１冷却系及び第２冷却系を個々に独立して制御でき、第１熱交換器及び第２熱交換器での放熱量の最適化を行うことができる。
【００１９】
請求項４に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をする第３熱交換器と、第３熱交換器を通過する流路と第３熱交換器を通過しない流路とで流路を切り替える手段とを更に備えるので、第１冷却系と第２冷却系との間で熱量の移動をすることができ、放熱量の最適化を行うことができる。
【００２０】
請求項５に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して流路切り替えを制御して、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をさせるので、第１冷却系と第２冷却系との間で熱量の移動をすることができ、放熱量の最適化を行うことができる。
【００２１】
請求項６に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、車両を起動するに際しての流路切り替えを制御して燃料電池の温度を昇温させるので、燃料電池の昇温を速やかに行って車両の起動時間を短縮することができる。
【００２２】
請求項７に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、車両を停止するに際しての流路切り替えを制御して燃料電池の温度を降温させるので、燃料電池システムの停止後に燃料電池の温度が所定値以上に昇温することを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
［燃料電池システムの冷却装置の構成］
図１に、本発明を適用した車両冷却装置の構成を示す。この車両冷却装置は、燃料電池スタック１、車両を構成する駆動系部品２を冷却するものである。
【００２５】
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を、酸化剤極と燃料極とを対にして設置した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、さらに複数積層した構造である。燃料電池スタック１は、その酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、燃料極側に燃料ガスが供給されて発電をする。本発明を適用した燃料電池システムの燃料電池スタック１では、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用いる。
【００２６】
燃料電池スタック１は、空気が図示しないコンプレッサで圧縮されて供給され、必要に応じて加湿されて供給される。また、燃料電池スタック１は、水素ガスが図示しない水素貯蔵タンクや水素生成装置から供給され、必要に応じて加湿されて供給される。これにより、燃料電池スタック１は、起電力を得て、車両を構成する駆動モータを駆動する電力を生成し、このときに熱を発生する。したがって、燃料電池スタック１には、外部からスタック冷却水が供給される。燃料電池スタック１は、高効率で運転するために、スタック冷却水温度が８０℃〜９０℃で管理されることが望ましい。
【００２７】
駆動系部品２は、燃料電池スタック１からの電力により駆動する車両用駆動モータ、パワーヘッド、パワーマネージャ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、空気コンプレッサ、空気冷却器や水回収用コンデンサ等が含まれ、主として半導体素子から構成されている。そのため、駆動系部品２は、燃料電池スタック１と比較して低温で管理される必要があり、駆動系冷却水が約６５℃以下で管理されることが望ましい。
【００２８】
本発明を適用した車両冷却装置では、燃料電池スタック１を冷却するためのスタック冷却系１１と、駆動系部品２を冷却するための駆動系冷却系１２とを有し、スタック冷却系１１と駆動系冷却系１２とを分割して構成し、スタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２を構成する各部を制御する制御装置１３を備えている。
【００２９】
また、この車両冷却装置では、スタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２から外気への放熱手段として、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２と、第１ラジエータ２１に対応した第１冷却ファン２３と、第２ラジエータ２２に対応した第２冷却ファン２４と、駆動系冷却系１２内で駆動系冷却水を循環させる駆動系冷却水ポンプ２５と、スタック冷却系１１内でスタック冷却水を循環させるスタック冷却水ポンプ２６とを備える。
【００３０】
第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４、並びに駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６は、制御装置１３からの制御信号により、その動作が制御される。
【００３１】
更に、この車両冷却装置は、スタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２を構成する双方の管と挿通し、燃料電池スタック１及び駆動系部品２からのスタック冷却水及び駆動系冷却水が供給されて、第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１に供給する熱交換器２７を備える。この熱交換器２７は、燃料電池スタック１からのスタック冷却水と、駆動系部品２からの駆動系冷却水との間で熱交換をして、スタック冷却水を第２ラジエータ２２に供給すると共に、駆動系冷却水を第１ラジエータ２１に供給する。
【００３２】
更にまた、この車両冷却装置は、燃料電池スタック１からのスタック冷却水を直接熱交換器２７に供給すると共に、熱交換器２７をバイパスして直接第２ラジエータ２２に供給する循環通路切替弁２８を備える。この循環通路切替弁２８は、制御装置１３からの制御信号に従って、開閉動作が制御され、スタック冷却水を熱交換器２７に供給、又はバイパスして第２ラジエータ２２に供給する。
【００３３】
第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１内で熱交換させることにより昇温された駆動系冷却水及びスタック冷却水の温度を下げるものである。この第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、車両の前端部内に備えられ、外気を取り込み可能な構造を有し、ラジエータ１枚或いは２枚で１枚として構成されている。第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、第２冷却ファン２４及び第１冷却ファン２３からの送風を受けて通過する駆動系冷却水及びスタック冷却水を冷却する構造を有している。第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、外気が通過することで、外気とスタック冷却水及び駆動系冷却水との間で熱交換させる。
【００３４】
駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１で発熱した熱量を第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で冷却するために、駆動系冷却水及びスタック冷却水を吐出するものである。制御装置１３は、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６の回転数を制御することで、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で必要な熱交換量が得られるように、停止状態から最大吐出流量までの間で無段階に制御する。
【００３５】
更にまた、この車両冷却装置では、第１ラジエータ２１と駆動系冷却水ポンプ２５とを挿通する管に設けられた第１冷却水温度センサ３１と、駆動系部品２と熱交換器２７とを挿通する管に設けられた第２冷却水温度センサ３２と、第２ラジエータ２２とスタック冷却水ポンプ２６とを挿通する管に設けられた第３冷却水温度センサ３３と、燃料電池スタック１と循環通路切替弁２８とを挿通する管に設けられた第４冷却水温度センサ３４と、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２の外気取り込み面側に設けられた外気温度センサ３５とを備える。これら第１冷却水温度センサ３１、第２冷却水温度センサ３２、第３冷却水温度センサ３３、第４冷却水温度センサ３４及び外気温度センサ３５は、それぞれスタック冷却水、駆動系冷却水及び外気温度を検出し、検出したセンサ信号（Ｔ１〜Ｔ５）を制御装置１３に出力する。
【００３６】
制御装置１３は、第２冷却ファン２４及び第１冷却ファン２３に制御信号を出力することで、第２冷却ファン２４及び第１冷却ファン２３の回転数を制御し、第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１での熱交換を促進させる。ただし、車両の走行時は車速風により第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４での駆動力が軽減される。制御装置１３は、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で必要な熱交換量が得られるように、無段階に第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の回転数を制御する。
【００３７】
また、制御装置１３は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１の駆動系冷却水及びスタック冷却水を、第２冷却水温度センサ３２及び第４冷却水温度センサ３４により検出される冷却水温度Ｔ２、Ｔ４がそれぞれ所定温度範囲となるように、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６での吐出流量を制御する。
【００３８】
制御装置１３は、駆動系部品２の発熱量と、燃料電池スタック１の発熱量から、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４、並びに駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６での消費電力が最小となるように制御する。
【００３９】
更に、制御装置１３は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１の出力要求を行っている外部装置からの出力要求値、第１冷却水温度センサ３１と第２冷却水温度センサ３２、及び第３冷却水温度センサ３３と第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の回転数、並びに、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６での吐出流量とから駆動系部品２及び燃料電池スタック１の発熱量を算出する。そして、制御装置１３は、予め内部に格納しておいた熱容量データマップを参照して、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で要求される発熱量を演算して判定し、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４、並びに駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６の駆動量を制御する。
【００４０】
上記熱容量データマップとは、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、駆動系冷却系１２とスタック冷却系１１とで別個に保持しており、図２（ｃ）に示すように、駆動系冷却系１２及びスタック冷却系１１を組み合わせて使用したときのラジエータを通過する流量、冷却ファンによる風量と、ラジエータでの放熱量との関係である。すなわち、熱容量データマップとは、スタック冷却系１１での冷却能力（図２（ａ））、駆動系冷却系１２での冷却能力（図２（ｂ））、車両冷却装置全体での冷却能力（図２（ｃ））を示す。
【００４１】
［駆動系冷却系の冷却動作］
図３に、制御装置１３により駆動系冷却系１２を動作させるときのフローチャートを示す。図３の処理を行うに際して、制御装置１３は、駆動系冷却系１２の冷却能力を制御する冷却能力制御手段として機能する。
【００４２】
図３によれば、先ず、ステップＳ１において、制御装置１３は、第２冷却水温度センサ３２からのセンサ信号を検出し、駆動系冷却水温度Ｔ２が予め設定した温度Ｔ２ｍａｘより大きいか否かの判定をする。駆動系冷却水温度Ｔ２が予め設定した温度Ｔ２ｍａｘより大きいと判定したときにはステップＳ２に処理を進め、大きくないと判定したときにはステップＳ３に処理を進める。
【００４３】
ステップＳ２において、制御装置１３は、吐出流量を増加させるように駆動系冷却水ポンプ２５の回転数ＰＲ１を増加させる制御してステップＳ４に処理を進める。一方ステップＳ３において、制御装置１３は、吐出流量を減少させるように駆動系冷却水ポンプ２５の回転数ＰＲ１を減少させる制御をしてステップＳ４に処理を進める。
【００４４】
ステップＳ４において、制御装置１３は、冷却水温度センサ３１，３２のセンサ信号を検出して駆動系冷却水温度Ｔ１，Ｔ２を読み込み、次のステップＳ５において、検出した駆動系冷却水温度Ｔ１，Ｔ２と駆動系冷却水ポンプ２５の吐出流量とから熱流量Ｑ１を算出して、ステップＳ６に処理を進める。すなわち、制御装置１３は、駆動系部品２で発熱している熱量を算出する。
【００４５】
ステップＳ６において、制御装置１３は、算出した熱流量Ｑ１と、図２（ａ）での第１ラジエータ２１の放熱量Ｒ１との比較をし、熱流量Ｑ１が放熱量Ｒ１より大きいときにはステップＳ７に処理を進め、大きくないときにはステップＳ８に処理を進める。
【００４６】
ステップＳ７において、制御装置１３は、駆動系部品２での発熱量が現在の駆動系冷却系１２の冷却能力より大きいと判定して、回転数ＦＲ１を増加させるように第１冷却ファン２３を制御してステップＳ９に処理を進める。これにより、制御装置１３は、駆動系冷却系１２での冷却能力を増加させることで、駆動系冷却水の温度を所定の温度とする。
【００４７】
一方ステップＳ８において、制御装置１３は、駆動系部品２での発熱量が現在の駆動系冷却系１２の冷却能力より小さいと判定して、駆動系冷却系１２での消費電力を最小にするために、回転数ＦＲ１を減少させるように第１冷却ファン２３を制御してステップＳ９に処理を進める。
【００４８】
ステップＳ９において、制御装置１３は、駆動系冷却水ポンプ２５の回転数ＰＲ１と予め設定した駆動系冷却水ポンプ２５の最大回転数ＰＲ１ｍａｘとの大小比較をすると共に、第１冷却ファン２３の回転数ＦＲ１と予め設定した第１冷却ファン２３の最大回転数ＦＲ１ｍａｘとの大小比較をする。そして、制御装置１３は、回転数ＰＲ１が最大回転数ＰＲ１ｍａｘより大きく、且つ、回転数ＦＲ１が回転数ＦＲ１ｍａｘより大きいと判定したときには駆動系冷却系１２の制御処理を終了して通常動作に戻り、大きくないと判定したときには再度ステップＳ１〜ステップＳ８までの処理を行うために処理をステップＳ１に戻す。
【００４９】
これにより、制御装置１３では、駆動系冷却水の温度が所定温度以下になるまで、ステップＳ１〜ステップＳ８までの処理を繰り返し行って、駆動系冷却系１２の冷却能力を制御する。
【００５０】
［スタック冷却系の冷却動作］
図４に、制御装置１３によりスタック冷却系１１を動作させるときのフローチャートを示す。図４の処理を行うに際して、制御装置１３は、スタック冷却系１１の冷却能力を制御する冷却能力制御手段として機能する。
【００５１】
図４によれば、先ず、ステップＳ１１において、制御装置１３は、第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号を検出し、スタック冷却水温度Ｔ４が予め設定した温度Ｔ４ｍａｘより大きいか否かの判定をする。スタック冷却水温度Ｔ４が予め設定した温度Ｔ４ｍａｘより大きいと判定したときにはステップＳ１２に処理を進め、大きくないと判定したときにはステップＳ１３に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ１２において、制御装置１３は、吐出流量を増加させるようにスタック冷却水ポンプ２６の回転数ＰＲ２を増加させる制御してステップＳ１４に処理を進める。一方ステップＳ１３において、制御装置１３は、吐出流量を減少させるようにスタック冷却水ポンプ２６の回転数ＰＲ２を減少させる制御をしてステップＳ１４に処理を進める。
【００５３】
ステップＳ１４において、制御装置１３は、冷却水温度センサ３３，３４のセンサ信号を検出してスタック冷却水温度Ｔ３，Ｔ４を読み込み、次のステップＳ１５において、検出したスタック冷却水温度Ｔ３，Ｔ４とスタック冷却水ポンプ２６の吐出流量とから熱流量Ｑ２を算出して、ステップＳ１６に処理を進める。すなわち、制御装置１３は、燃料電池スタック１で発熱している熱量を算出する。
【００５４】
ステップＳ１６において、制御装置１３は、算出した熱流量Ｑ２と、図２（ｂ）での第２ラジエータ２２の放熱量Ｒ２との比較をし、熱流量Ｑ２が放熱量Ｒ２より大きいときにはステップＳ１７に処理を進め、大きくないときにはステップＳ１８に処理を進める。
【００５５】
ステップＳ１７において、制御装置１３は、燃料電池スタック１での発熱量が現在のスタック冷却系１１の冷却能力より大きいと判定して、回転数ＦＲ２を増加させるように第２冷却ファン２４を制御してステップＳ１９に処理を進める。これにより、制御装置１３は、スタック冷却系１１での冷却能力を増加させることで、スタック冷却水の温度が所定の温度とする。
【００５６】
一方ステップＳ１８において、制御装置１３は、燃料電池スタック１での発熱量が現在のスタック冷却系１１の冷却能力より小さいと判定して、スタック冷却系１１での消費電力を最小にするために、回転数ＦＲ２を減少させるように第２冷却ファン２４を制御してステップＳ１９に処理を進める。
【００５７】
ステップＳ１９において、制御装置１３は、スタック冷却水ポンプ２６の回転数ＰＲ２と予め設定したスタック冷却水ポンプ２６の最大回転数ＰＲ２ｍａｘとの大小比較をすると共に、第２冷却ファン２４の回転数ＦＲ２と予め設定した第２冷却ファン２４の最大回転数ＦＲ２ｍａｘとの大小比較をする。そして、制御装置１３は、回転数ＰＲ２が最大回転数ＰＲ２ｍａｘより大きく、且つ、回転数ＦＲ２が回転数ＦＲ２ｍａｘより大きいと判定したときにはスタック冷却系１１の制御処理を終了して通常動作に戻り、大きくないと判定したときには再度ステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理を行うために処理をステップＳ１１に戻す。
【００５８】
これにより、制御装置１３では、スタック冷却水の温度が所定温度以下になるまで、ステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理を繰り返し行って、スタック冷却系１１の冷却能力を制御する。
【００５９】
［流路切り替え動作］
以下に説明する図５〜図７の流路切り替え動作を行うに際して、制御装置１３は、スタック冷却水の流路を熱交換流路Ｌ１とバイパス流路Ｌ２との間で切り替え制御する流路切り替え制御手段として機能する。
【００６０】
「起動時」
図５に、車両冷却装置の起動時における流路切り替え動作を行うときのフローチャートを示す。
【００６１】
例えば車両運転者がイグニッションスイッチを操作して車両を起動するとステップＳ２１から処理を開始し、制御装置１３は、第２冷却水温度センサ３２及び第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号を読み込んで、駆動系冷却水温度Ｔ２及びスタック冷却水温度Ｔ４を検出してステップＳ２２に処理を進める。
【００６２】
ステップＳ２２において、制御装置１３は、ステップＳ２１で検出した駆動系冷却水温度Ｔ２とスタック冷却水温度Ｔ４との比較をして駆動系冷却水温度Ｔ２がスタック冷却水温度Ｔ４よりも高く、且つ、スタック冷却水温度Ｔ４と予め設定した駆動系冷却水温度の最高温度Ｔ２ｍａｘとの比較をしてスタック冷却水温度Ｔ４が最高温度Ｔ２ｍａｘよりも低いと判定したときにはステップＳ２３に処理を進め、大きくないと判定したときにはステップＳ２４に処理を進める。
【００６３】
ステップＳ２３において、制御装置１３は、循環通路切替弁２８を制御することで、スタック冷却水を循環通路切替弁２８を介して熱交換器２７に導く。これにより、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換をさせて、燃料電池スタック１の昇温を早めることができる。
【００６４】
一方、ステップＳ２４において、制御装置１３は、熱交換器２７を通過させずにバイパス流路Ｌ２によりスタック冷却水を第２ラジエータ２２に導く。
【００６５】
このような流路切り替え動作を行う車両冷却装置では、循環通路切替弁２８を制御することにより熱交換器２７にスタック冷却水を通過させ、駆動系部品２で発熱した熱量をスタック冷却水に移して速やかに昇温させることができ、起動時に燃料電池スタック１が高効率で運転する領域までスタック冷却水を速やかに昇温させる必要性に対応することができる。
【００６６】
また、この車両冷却装置では、制御装置１３によりステップＳ２２での判定を行うことで、スタック冷却水の温度が所定温度以上となればバイパス流路Ｌ２を通過させることができる。
【００６７】
「停止時」
図６に、車両冷却装置の停止時における流路切り替え動作を行うときのフローチャートを示す。
【００６８】
例えば車両運転者がイグニッションスイッチを操作して車両を停止するとステップＳ３１から処理を開始し、制御装置１３は、第２冷却水温度センサ３２及び第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号を読み込んで、駆動系冷却水温度Ｔ２及びスタック冷却水温度Ｔ４を検出してステップＳ３２に処理を進める。
【００６９】
ステップＳ３２において、制御装置１３は、駆動系冷却水温度Ｔ２とスタック冷却水温度Ｔ４との比較をして駆動系冷却水温度Ｔ２がスタック冷却水温度Ｔ４よりも低く、且つ、スタック冷却水温度Ｔ４と予め設定した駆動系冷却水温度の最高温度Ｔ２ｍａｘとの比較をしてスタック冷却水温度Ｔ４が最高温度Ｔ２ｍａｘよりも高いと判定したときにはステップＳ３３に処理を進め、高くないと判定したときにはステップＳ３４に処理を進める。
【００７０】
ステップＳ３３において、制御装置１３は、循環通路切替弁２８を制御することで、スタック冷却水を循環通路切替弁２８を介して熱交換器２７に導く。これにより、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換をさせて、スタック冷却水の温度を速やかに所定温度以下とする。
【００７１】
一方、ステップＳ３４において、制御装置１３は、熱交換器２７を通過させずにバイパス流路Ｌ２によりスタック冷却水を第２ラジエータ２２に導く。
【００７２】
ここで、燃料電池スタック１は一旦温度が上昇して、燃料電池スタック１本体がスタック冷却水の管理上限温度まで上昇してしまうと、その総熱量は非常に大きくなる。そのため、燃料システムの停止時に、速やかにスタック冷却水ポンプ２６及び第２冷却ファン２４の動作を停止すると、燃料電池スタック１が停止時に持っている熱量により、燃料電池スタック１内部で急速な温度上昇が発生し、燃料電池スタック１の保証温度を超える場合が予想される。
【００７３】
これに対し、図６に示す動作を行う車両冷却装置によれば、車両停止時に循環通路切替弁２８を制御することでスタック冷却水を熱交換器２７に通過させてスタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行い、更に、第１冷却ファン２３、駆動系冷却水ポンプ２５、第２冷却ファン２４及びスタック冷却水ポンプ２６を動作させるので、スタック冷却水を速やかに所定温度以下まで降温させることができ、燃料電池スタック１を保証温度以上とすることなく、安全に停止させることができる。
【００７４】
「起動時、停止時以外」
図７に、車両冷却装置の起動時及び停止時外における流路切り替え動作を行うときのフローチャートを示す。
【００７５】
車両が走行している時や定常状態のときなど、起動時及び停止時以外のとき、制御装置１３は、ステップＳ４１において、第２冷却水温度センサ３２、第４冷却水温度センサ３４及び外気温度センサ３５からのセンサ信号を読み込んで、駆動系冷却水温度Ｔ２、スタック冷却水温度Ｔ４及び外気温度Ｔ５を検出してステップＳ４２に処理を進める。
【００７６】
ステップＳ４２において、制御装置１３は、現在の駆動系冷却水ポンプ２５、スタック冷却水ポンプ２６、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の制御値を読み出すことで、駆動系冷却水ポンプ回転数ＰＲ１、スタック冷却水ポンプ回転数ＰＲ２、第１冷却ファン回転数ＦＲ１、第２冷却ファン回転数ＦＲ２を読み出して、ステップＳ４３及びステップＳ４４に処理を進める。
【００７７】
ステップＳ４３では、上述の図３に示す処理を行って、駆動系冷却系１２を用いた駆動系部品２の冷却を行うと共に、ステップＳ４４では、上述の図４に示す処理を行って、スタック冷却系１１を用いた燃料電池スタック１の冷却を行って、ステップＳ４５に処理を進める。
【００７８】
ステップＳ４５では、制御装置１３は、駆動系冷却水ポンプ回転数ＰＲ１が予め設定した駆動系冷却水ポンプ２５の最大回転数ＰＲ１ｍａｘより低く、且つ第１冷却ファン回転数ＦＲ１が予め設定した第１冷却ファン２３の最大回転数ＦＲ１ｍａｘより低い場合、或いはスタック冷却水ポンプ回転数ＰＲ２が予め設定したスタック冷却水ポンプ２６の最大回転数ＰＲ２ｍａｘより低く、且つ第２冷却ファン回転数ＦＲ２が予め設定した第２冷却ファン２４の最大回転数ＦＲ２ｍａｘより低い場合には、現在のスタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２の冷却能力で駆動系部品２及び燃料電池スタック１が冷却可能と判定して、ステップＳ４１に処理を戻す。一方、そうでない場合には、熱交換器２７によりスタック冷却系１１と駆動系冷却系１２との間で熱量を交換するために、ステップＳ４６に処理を進める。
【００７９】
ステップＳ４６において、制御装置１３は、駆動系冷却水温度Ｔ１，Ｔ２と駆動系冷却水ポンプ２５の流量とに基づいて駆動系冷却系１２の熱流量Ｑ１、スタック冷却水温度Ｔ３，Ｔ４とスタック冷却水ポンプ２６の流量とに基づいてスタック冷却系１１の熱流量Ｑ２を演算する。更に、制御装置１３は、外気温度Ｔ５、駆動系冷却水温度Ｔ２、第１冷却ファン２３の回転数、駆動系冷却水ポンプ２５の流量とに基づいて駆動系冷却系１２の冷却能力Ｃ１を算出すると共に、外気温度Ｔ５、スタック冷却水温度Ｔ４、第２冷却ファン２４の回転数、スタック冷却水ポンプ２６の流量とに基づいてスタック冷却系１１の冷却能力Ｃ２を演算する。
【００８０】
次のステップＳ４７において、制御装置１３は、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より小さく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より大きい場合、或いは冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より大きく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より小さい場合には、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換器２７による熱交換を行うためにステップＳ４８に処理を進め、そうでない場合にはステップＳ４９に処理を進める。すなわち、いずれかの冷却系で冷却能力より熱量が大きいときには、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行う。
【００８１】
ステップＳ４８では、制御装置１３は、循環通路切替弁２８を制御して、スタック冷却水を熱交換器２７に導いてスタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行い、ステップＳ４９では、スタック冷却水をバイパス流路Ｌ２に導いて、ステップＳ５０に処理を進める。
【００８２】
ステップＳ５０において、制御装置１３は、再度駆動系冷却水温度Ｔ２、スタック冷却水温度Ｔ４及び外気温度Ｔ５を読み込んで、ステップＳ５１に処理を進める。
【００８３】
ステップＳ５１において、制御装置１３は、再度駆動系冷却水ポンプ回転数ＰＲ１、スタック冷却水ポンプ回転数ＰＲ２、第１冷却ファン回転数ＦＲ１及び第２冷却ファン回転数ＦＲ２を読み込んで、ステップＳ５２に処理を進める。
【００８４】
ステップＳ５２において、制御装置１３は、上述のステップＳ４６と同様に、駆動系冷却系１２の冷却能力Ｃ１、スタック冷却系１１の冷却能力Ｃ２、駆動系冷却系１２の熱流量Ｑ１、スタック冷却系１１の熱流量Ｑ２を算出して、ステップＳ５３に処理を進める。
【００８５】
ステップＳ５３において、制御装置１３は、ステップＳ５２で算出した冷却能力、熱流量を用いて、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より大きく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より大きいか否かを判定する。制御装置１３は、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より大きく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より大きいと判定したときにはステップＳ４１に処理を戻し、そうでない場合にはステップＳ５４に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ５４において、制御装置１３は、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より小さく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２よりも小さいと判定した場合には、熱交換器２７により熱交換を行っても冷却できないと判定してステップＳ５５に処理を進め、燃料電池スタック１の発電量を低下させて処理を終了する。一方、そうでない場合には、再度ステップＳ４７に処理を戻して、ステップＳ４７〜ステップＳ５４までの処理を行う。
【００８７】
このような動作をする車両冷却装置では、ステップＳ４７でいずれかの冷却系で冷却能力より熱量が大きいと判定したときにはスタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行うことにより、スタック冷却系１１から駆動系冷却系１２、或いは駆動系冷却系１２からスタック冷却系１１に熱量を移動させることができる。したがって、この車両冷却装置では、環境条件や運転条件に拘わらず、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２の熱交換能力を最大限に生かすことができる。
【００８８】
更に、通常の車両では、搭載可能なラジエータの大きさには限界があり、環境条件（環境温度）も変化するため、予め設定されたラジエータの大きさ、冷却水ポンプの吐出流量、冷却ファンの送風量によりラジエータの放熱量が制限されてしまう。これに対し、本発明を適用した車両冷却装置では、外気温度Ｔ５に基づいて循環通路切替弁２８を制御してスタック冷却系１１と駆動系冷却系１２との間で熱交換を行うことにより第１ラジエータ２１と第２ラジエータ２２の放熱量の最適な配分を行うことができ、環境条件や運転条件、走行パターンによってラジエータの熱交換能力を最大限に生かし、例えばいずれか一方の冷却系の冷却能力不足によって車両走行性能が制限されることを防止することができる。
【００８９】
更にまた、この車両冷却装置によれば、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２での放熱量の最適化を行うので、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の消費電力を抑制することが可能となり、車両の省燃費化を実現することができる。
【００９０】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９１】
例えば１つの冷却系で単数、あるいは３個以上の冷却水温度センサが適用される場合や、冷却水温度に代えて、その中の１つがラジエタ周囲温度を検知する方法なども考えられる。
【００９２】
また、本例では、スタック冷却系１１に循環通路切替弁２８が設けられている場合について説明したが、駆動系冷却系１２を構成する挿通管にのみ設けられていても良く、更にはスタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２の双方の挿通管に設けられていても良い。このとき、流路切り替え動作時において、制御装置１３は、駆動系冷却系１２及び／又はスタック冷却系１１に設けられた循環通路切替弁を制御することで、上述と同様の効果を発揮させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した車両冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は駆動系冷却水の流量及び風速に対する第１ラジエータの放熱量を示し、（ｂ）はスタック冷却水の流量及び風速に対する第２ラジエータの放熱量を示し、（ｃ）は車両冷却装置におけるラジエータを通過する流量及び風速に対する放熱量を示す。
【図３】駆動系冷却系の冷却動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】スタック冷却系の冷却動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】車両の起動時における流路切り替え動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】車両の停止時における流路切り替え動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】車両の起動時、停止時外における流路切り替え動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 駆動系部品
１１ スタック冷却系
１２ 駆動系冷却系
１３ 制御装置
２１ 第１ラジエータ
２２ 第２ラジエータ
２３ 第１冷却ファン
２４ 第２冷却ファン
２５ 駆動系冷却水ポンプ
２６ スタック冷却水ポンプ
２７ 熱交換器
２８ 循環通路切替弁
３１ 第１冷却水温度センサ
３２ 第２冷却水温度センサ
３３ 第３冷却水温度センサ
３４ 第４冷却水温度センサ
３５ 外気温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源として燃料電池を用いた燃料電池車両を冷却する冷却装置に関し、特に、駆動系部品の冷却系と、燃料電池の冷却系と分離して構成した燃料電池を搭載した車両の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池を駆動源とし、燃料電池での発電電力を利用して駆動モータを駆動する燃料電池車両が知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成されたスタック構造体が、セパレータを介して複数積層されてなり、燃料電池スタックと呼ばれている。
【０００３】
従来の燃料電池車両としては、特開平１１−３５０９５６号公報に開示されているように、車両の駆動用電動機に電力を供給する電源装置、及び電動機を車両停止後などに速やかに冷却することを目的とした冷却装置を備えているものが知られている。
【０００４】
この燃料電池車両の冷却装置は、電源装置を冷却する第１水冷冷却系と、駆動用電動機を冷却する第２水冷冷却系と、これら第１水冷冷却系及び第２水冷冷却系に連通する中間リザーバタンクとを備える。この中間リザーバタンクは、第１水冷冷却系の冷却水が流入する第１リザーバタンクと、第２水冷冷却系の冷却水が流入する第２リザーバタンクとを一体化した構成となっており、内部の弁体により第１リザーバタンクと第２リザーバタンクとの間を連通又は遮断する。そして、この冷却装置は、中間リザーバタンク内の弁体を開閉制御することで、第１水冷冷却系の冷却水温度と、第２水冷冷却系の冷却水温度とを予め定められた水温とする。
【０００５】
また、従来より、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとの間の加圧空気系統に分離型ヒートパイプ熱交換器を設置すると共に、ＤＣモジュール系統の冷却媒体系に分離型ヒートパイプ熱交換器を設置し、各分離型ヒートパイプ熱交換器の間をヒートパイプ配管で接続し、空気供給系統及びＤＣモジュール系統から除去した廃熱を共通の発熱放散冷却器を介して大気中へ放散する燃料電池発電プラントが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池を冷却する冷却装置では、内燃機関エンジン搭載自動車のラジエータを用いた冷却装置と比較して、ラジエータで放熱しなければならない廃熱量が非常に多く、且つ、車両を駆動する駆動系部品を冷却する冷却水温度の管理温度と燃料電池本体を冷却する冷却水温度の管理温度とが異なるために同じ熱交換器を利用した廃熱処理が困難であり、且つ、熱交換器により制御しなければならない冷却水の温度上限値が非常に低いという条件が課せられている。
【０００７】
更に、内燃機関エンジン搭載車と同様に、外気温度が高いほど、燃料電池搭載車両の冷却システムにとって更に厳しい条件が課せられ、その結果、冷却システムを大型化せざるを得ないという問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の冷却系と駆動系部品の冷却系との間で放熱量の最適化を行うことができる燃料電池を搭載した車両の冷却装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池と、この燃料電池の発電電力により駆動される駆動系部品とを備えた燃料電池を搭載した車両の冷却装置において、第１冷却水を循環する第１冷却水ポンプと、この第１冷却水ポンプにより第１冷却水が循環される第１熱交換器と、この第１熱交換器に空気を通過させる第１熱交換器冷却ファンとを有し、第１の設定温度以下に上記駆動系部品を冷却する第１冷却系と、上記第１冷却系と分割され、第２冷却水を循環する第２冷却水ポンプと、この第２冷却水ポンプにより第２冷却水が循環される第２熱交換器と、この第２熱交換器に空気を通過させる第２熱交換器冷却ファンとを有し、上記第１の設定温度より高い第２の設定温度以下に上記燃料電池を冷却する第２冷却系と、第１冷却水温度を検出する第１冷却水温度検出手段と、第２冷却水温度を検出する第２冷却水温度検出手段と、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて上記第１冷却系の冷却能力を制御する第１冷却能力制御手段と、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて上記第２冷却系の冷却能力を制御する第２冷却能力制御手段とを備える。
【００１０】
請求項２に係る発明では、上記第１冷却能力制御手段は、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプの吐出流量及び上記第１熱交換器冷却ファンの送風量に対する上記第１冷却系の冷却能力を判定して上記第１冷却水ポンプ及び上記第１熱交換器冷却ファンの駆動量を制御して、上記第１冷却系の冷却能力を制御し、上記第２冷却能力制御手段は、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第２冷却水ポンプの吐出流量及び上記第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する上記第２冷却系の冷却能力を判定して上記第２冷却水ポンプ及び上記第２熱交換器冷却ファンの駆動量を制御して、上記第２冷却系の冷却能力を制御する。
【００１１】
請求項３に係る発明では、上記第１熱交換器及び第２熱交換器に取り込まれる外気温度を検出する外気温度検出手段を更に備え、上記第１冷却能力制御手段は、上記外気温度検出手段で検出された外気温度に基づいて上記第１冷却系の冷却能力を制御し、上記第２冷却能力制御手段は、上記外気温度検出手段で検出された外気温度に基づいて上記第２冷却系の冷却能力を制御する。
【００１２】
請求項４に係る発明では、上記第１冷却系内で第１冷却水を循環させる流路及び上記第２冷却系内で第２冷却水を循環させる流路に設けられ、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をする第３熱交換器と、上記第１冷却水の流路及び／又は上記第２冷却水の流路に設けられ、上記第３熱交換器を通過する流路と上記第３熱交換器を通過しない流路とで流路を切り替える流路切り替え手段とを更に備える。
【００１３】
請求項５に係る発明では、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して、第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御する第１流路切り替え制御手段と、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して、第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御する第２流路切り替え制御手段とを更に備える。
【００１４】
請求項６に係る発明では、上記第１流路切り替え制御手段は、車両を起動するに際して、起動時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を昇温させ、上記第２流路切り替え制御手段は、車両を起動するに際して、起動時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を昇温させる。
【００１５】
請求項７に係る発明では、上記第１流路切り替え制御手段は、車両を停止するに際して、停止時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を降温させ、上記第２流路切り替え制御手段は、車両を停止するに際して、停止時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を降温させる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、第１冷却水温度と、第２冷却水温度とに基づいて、第１冷却系の冷却能力と第２冷却系の冷却能力とを、相互の間で他の一方の状態を判断したうえで、それぞれ独立して制御するので、燃料電池の負荷などに応じた車両の走行パターンに応じて、第１熱交換器及び第２熱交換器での放熱量の最適化を行うことができる。また、燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、冷却ファン及び冷却水ポンプの消費電力を押さえることで、省燃費化を実現することができる。
【００１７】
請求項２に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、請求項１と同様に、車両の走行パターンに応じて、第１熱交換器及び第２熱交換器での放熱量の最適化を行うことができ、更に冷却ファン及び冷却水ポンプの消費電力を押さえることで、省燃費化を実現することができる。
【００１８】
請求項３に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、外気温度に基づいて第１冷却系の冷却能力と第２冷却系の冷却能力とを独立して制御するので、環境条件を含めて、第１冷却系及び第２冷却系を個々に独立して制御でき、第１熱交換器及び第２熱交換器での放熱量の最適化を行うことができる。
【００１９】
請求項４に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をする第３熱交換器と、第３熱交換器を通過する流路と第３熱交換器を通過しない流路とで流路を切り替える手段とを更に備えるので、第１冷却系と第２冷却系との間で熱量の移動をすることができ、放熱量の最適化を行うことができる。
【００２０】
請求項５に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して流路切り替えを制御して、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をさせるので、第１冷却系と第２冷却系との間で熱量の移動をすることができ、放熱量の最適化を行うことができる。
【００２１】
請求項６に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、車両を起動するに際しての流路切り替えを制御して燃料電池の温度を昇温させるので、燃料電池の昇温を速やかに行って車両の起動時間を短縮することができる。
【００２２】
請求項７に係る燃料電池を搭載した車両の冷却装置によれば、車両を停止するに際しての流路切り替えを制御して燃料電池の温度を降温させるので、燃料電池システムの停止後に燃料電池の温度が所定値以上に昇温することを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
［燃料電池システムの冷却装置の構成］
図１に、本発明を適用した車両冷却装置の構成を示す。この車両冷却装置は、燃料電池スタック１、車両を構成する駆動系部品２を冷却するものである。
【００２５】
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を、酸化剤極と燃料極とを対にして設置した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、さらに複数積層した構造である。燃料電池スタック１は、その酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、燃料極側に燃料ガスが供給されて発電をする。本発明を適用した燃料電池システムの燃料電池スタック１では、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用いる。
【００２６】
燃料電池スタック１は、空気が図示しないコンプレッサで圧縮されて供給され、必要に応じて加湿されて供給される。また、燃料電池スタック１は、水素ガスが図示しない水素貯蔵タンクや水素生成装置から供給され、必要に応じて加湿されて供給される。これにより、燃料電池スタック１は、起電力を得て、車両を構成する駆動モータを駆動する電力を生成し、このときに熱を発生する。したがって、燃料電池スタック１には、外部からスタック冷却水が供給される。燃料電池スタック１は、高効率で運転するために、スタック冷却水温度が８０℃〜９０℃で管理されることが望ましい。
【００２７】
駆動系部品２は、燃料電池スタック１からの電力により駆動する車両用駆動モータ、パワーヘッド、パワーマネージャ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、空気コンプレッサ、空気冷却器や水回収用コンデンサ等が含まれ、主として半導体素子から構成されている。そのため、駆動系部品２は、燃料電池スタック１と比較して低温で管理される必要があり、駆動系冷却水が約６５℃以下で管理されることが望ましい。
【００２８】
本発明を適用した車両冷却装置では、燃料電池スタック１を冷却するためのスタック冷却系１１と、駆動系部品２を冷却するための駆動系冷却系１２とを有し、スタック冷却系１１と駆動系冷却系１２とを分割して構成し、スタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２を構成する各部を制御する制御装置１３を備えている。
【００２９】
また、この車両冷却装置では、スタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２から外気への放熱手段として、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２と、第１ラジエータ２１に対応した第１冷却ファン２３と、第２ラジエータ２２に対応した第２冷却ファン２４と、駆動系冷却系１２内で駆動系冷却水を循環させる駆動系冷却水ポンプ２５と、スタック冷却系１１内でスタック冷却水を循環させるスタック冷却水ポンプ２６とを備える。
【００３０】
第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４、並びに駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６は、制御装置１３からの制御信号により、その動作が制御される。
【００３１】
更に、この車両冷却装置は、スタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２を構成する双方の管と挿通し、燃料電池スタック１及び駆動系部品２からのスタック冷却水及び駆動系冷却水が供給されて、第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１に供給する熱交換器２７を備える。この熱交換器２７は、燃料電池スタック１からのスタック冷却水と、駆動系部品２からの駆動系冷却水との間で熱交換をして、スタック冷却水を第２ラジエータ２２に供給すると共に、駆動系冷却水を第１ラジエータ２１に供給する。
【００３２】
更にまた、この車両冷却装置は、燃料電池スタック１からのスタック冷却水を直接熱交換器２７に供給すると共に、熱交換器２７をバイパスして直接第２ラジエータ２２に供給する循環通路切替弁２８を備える。この循環通路切替弁２８は、制御装置１３からの制御信号に従って、開閉動作が制御され、スタック冷却水を熱交換器２７に供給、又はバイパスして第２ラジエータ２２に供給する。
【００３３】
第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１内で熱交換させることにより昇温された駆動系冷却水及びスタック冷却水の温度を下げるものである。この第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、車両の前端部内に備えられ、外気を取り込み可能な構造を有し、ラジエータ１枚或いは２枚で１枚として構成されている。第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、第２冷却ファン２４及び第１冷却ファン２３からの送風を受けて通過する駆動系冷却水及びスタック冷却水を冷却する構造を有している。第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１は、外気が通過することで、外気とスタック冷却水及び駆動系冷却水との間で熱交換させる。
【００３４】
駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１で発熱した熱量を第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で冷却するために、駆動系冷却水及びスタック冷却水を吐出するものである。制御装置１３は、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６の回転数を制御することで、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で必要な熱交換量が得られるように、停止状態から最大吐出流量までの間で無段階に制御する。
【００３５】
更にまた、この車両冷却装置では、第１ラジエータ２１と駆動系冷却水ポンプ２５とを挿通する管に設けられた第１冷却水温度センサ３１と、駆動系部品２と熱交換器２７とを挿通する管に設けられた第２冷却水温度センサ３２と、第２ラジエータ２２とスタック冷却水ポンプ２６とを挿通する管に設けられた第３冷却水温度センサ３３と、燃料電池スタック１と循環通路切替弁２８とを挿通する管に設けられた第４冷却水温度センサ３４と、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２の外気取り込み面側に設けられた外気温度センサ３５とを備える。これら第１冷却水温度センサ３１、第２冷却水温度センサ３２、第３冷却水温度センサ３３、第４冷却水温度センサ３４及び外気温度センサ３５は、それぞれスタック冷却水、駆動系冷却水及び外気温度を検出し、検出したセンサ信号（Ｔ１〜Ｔ５）を制御装置１３に出力する。
【００３６】
制御装置１３は、第２冷却ファン２４及び第１冷却ファン２３に制御信号を出力することで、第２冷却ファン２４及び第１冷却ファン２３の回転数を制御し、第２ラジエータ２２及び第１ラジエータ２１での熱交換を促進させる。ただし、車両の走行時は車速風により第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４での駆動力が軽減される。制御装置１３は、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で必要な熱交換量が得られるように、無段階に第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の回転数を制御する。
【００３７】
また、制御装置１３は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１の駆動系冷却水及びスタック冷却水を、第２冷却水温度センサ３２及び第４冷却水温度センサ３４により検出される冷却水温度Ｔ２、Ｔ４がそれぞれ所定温度範囲となるように、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６での吐出流量を制御する。
【００３８】
制御装置１３は、駆動系部品２の発熱量と、燃料電池スタック１の発熱量から、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４、並びに駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６での消費電力が最小となるように制御する。
【００３９】
更に、制御装置１３は、駆動系部品２及び燃料電池スタック１の出力要求を行っている外部装置からの出力要求値、第１冷却水温度センサ３１と第２冷却水温度センサ３２、及び第３冷却水温度センサ３３と第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の回転数、並びに、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６での吐出流量とから駆動系部品２及び燃料電池スタック１の発熱量を算出する。そして、制御装置１３は、予め内部に格納しておいた熱容量データマップを参照して、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２で要求される発熱量を演算して判定し、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４、並びに駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６の駆動量を制御する。
【００４０】
上記熱容量データマップとは、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、駆動系冷却系１２とスタック冷却系１１とで別個に保持しており、図２（ｃ）に示すように、駆動系冷却系１２及びスタック冷却系１１を組み合わせて使用したときのラジエータを通過する流量、冷却ファンによる風量と、ラジエータでの放熱量との関係である。すなわち、熱容量データマップとは、スタック冷却系１１での冷却能力（図２（ａ））、駆動系冷却系１２での冷却能力（図２（ｂ））、車両冷却装置全体での冷却能力（図２（ｃ））を示す。
【００４１】
［駆動系冷却系の冷却動作］
図３に、制御装置１３により駆動系冷却系１２を動作させるときのフローチャートを示す。図３の処理を行うに際して、制御装置１３は、駆動系冷却系１２の冷却能力を制御する冷却能力制御手段として機能する。
【００４２】
図３によれば、先ず、ステップＳ１において、制御装置１３は、第２冷却水温度センサ３２からのセンサ信号を検出し、駆動系冷却水温度Ｔ２が予め設定した温度Ｔ２ｍａｘより大きいか否かの判定をする。駆動系冷却水温度Ｔ２が予め設定した温度Ｔ２ｍａｘより大きいと判定したときにはステップＳ２に処理を進め、大きくないと判定したときにはステップＳ３に処理を進める。
【００４３】
ステップＳ２において、制御装置１３は、吐出流量を増加させるように駆動系冷却水ポンプ２５の回転数ＰＲ１を増加させる制御してステップＳ４に処理を進める。一方ステップＳ３において、制御装置１３は、吐出流量を減少させるように駆動系冷却水ポンプ２５の回転数ＰＲ１を減少させる制御をしてステップＳ４に処理を進める。
【００４４】
ステップＳ４において、制御装置１３は、冷却水温度センサ３１，３２のセンサ信号を検出して駆動系冷却水温度Ｔ１，Ｔ２を読み込み、次のステップＳ５において、検出した駆動系冷却水温度Ｔ１，Ｔ２と駆動系冷却水ポンプ２５の吐出流量とから熱流量Ｑ１を算出して、ステップＳ６に処理を進める。すなわち、制御装置１３は、駆動系部品２で発熱している熱量を算出する。
【００４５】
ステップＳ６において、制御装置１３は、算出した熱流量Ｑ１と、図２（ａ）での第１ラジエータ２１の放熱量Ｒ１との比較をし、熱流量Ｑ１が放熱量Ｒ１より大きいときにはステップＳ７に処理を進め、大きくないときにはステップＳ８に処理を進める。
【００４６】
ステップＳ７において、制御装置１３は、駆動系部品２での発熱量が現在の駆動系冷却系１２の冷却能力より大きいと判定して、回転数ＦＲ１を増加させるように第１冷却ファン２３を制御してステップＳ９に処理を進める。これにより、制御装置１３は、駆動系冷却系１２での冷却能力を増加させることで、駆動系冷却水の温度を所定の温度とする。
【００４７】
一方ステップＳ８において、制御装置１３は、駆動系部品２での発熱量が現在の駆動系冷却系１２の冷却能力より小さいと判定して、駆動系冷却系１２での消費電力を最小にするために、回転数ＦＲ１を減少させるように第１冷却ファン２３を制御してステップＳ９に処理を進める。
【００４８】
ステップＳ９において、制御装置１３は、駆動系冷却水ポンプ２５の回転数ＰＲ１と予め設定した駆動系冷却水ポンプ２５の最大回転数ＰＲ１ｍａｘとの大小比較をすると共に、第１冷却ファン２３の回転数ＦＲ１と予め設定した第１冷却ファン２３の最大回転数ＦＲ１ｍａｘとの大小比較をする。そして、制御装置１３は、回転数ＰＲ１が最大回転数ＰＲ１ｍａｘより大きく、且つ、回転数ＦＲ１が回転数ＦＲ１ｍａｘより大きいと判定したときには駆動系冷却系１２の制御処理を終了して通常動作に戻り、大きくないと判定したときには再度ステップＳ１〜ステップＳ８までの処理を行うために処理をステップＳ１に戻す。
【００４９】
これにより、制御装置１３では、駆動系冷却水の温度が所定温度以下になるまで、ステップＳ１〜ステップＳ８までの処理を繰り返し行って、駆動系冷却系１２の冷却能力を制御する。
【００５０】
［スタック冷却系の冷却動作］
図４に、制御装置１３によりスタック冷却系１１を動作させるときのフローチャートを示す。図４の処理を行うに際して、制御装置１３は、スタック冷却系１１の冷却能力を制御する冷却能力制御手段として機能する。
【００５１】
図４によれば、先ず、ステップＳ１１において、制御装置１３は、第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号を検出し、スタック冷却水温度Ｔ４が予め設定した温度Ｔ４ｍａｘより大きいか否かの判定をする。スタック冷却水温度Ｔ４が予め設定した温度Ｔ４ｍａｘより大きいと判定したときにはステップＳ１２に処理を進め、大きくないと判定したときにはステップＳ１３に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ１２において、制御装置１３は、吐出流量を増加させるようにスタック冷却水ポンプ２６の回転数ＰＲ２を増加させる制御してステップＳ１４に処理を進める。一方ステップＳ１３において、制御装置１３は、吐出流量を減少させるようにスタック冷却水ポンプ２６の回転数ＰＲ２を減少させる制御をしてステップＳ１４に処理を進める。
【００５３】
ステップＳ１４において、制御装置１３は、冷却水温度センサ３３，３４のセンサ信号を検出してスタック冷却水温度Ｔ３，Ｔ４を読み込み、次のステップＳ１５において、検出したスタック冷却水温度Ｔ３，Ｔ４とスタック冷却水ポンプ２６の吐出流量とから熱流量Ｑ２を算出して、ステップＳ１６に処理を進める。すなわち、制御装置１３は、燃料電池スタック１で発熱している熱量を算出する。
【００５４】
ステップＳ１６において、制御装置１３は、算出した熱流量Ｑ２と、図２（ｂ）での第２ラジエータ２２の放熱量Ｒ２との比較をし、熱流量Ｑ２が放熱量Ｒ２より大きいときにはステップＳ１７に処理を進め、大きくないときにはステップＳ１８に処理を進める。
【００５５】
ステップＳ１７において、制御装置１３は、燃料電池スタック１での発熱量が現在のスタック冷却系１１の冷却能力より大きいと判定して、回転数ＦＲ２を増加させるように第２冷却ファン２４を制御してステップＳ１９に処理を進める。これにより、制御装置１３は、スタック冷却系１１での冷却能力を増加させることで、スタック冷却水の温度が所定の温度とする。
【００５６】
一方ステップＳ１８において、制御装置１３は、燃料電池スタック１での発熱量が現在のスタック冷却系１１の冷却能力より小さいと判定して、スタック冷却系１１での消費電力を最小にするために、回転数ＦＲ２を減少させるように第２冷却ファン２４を制御してステップＳ１９に処理を進める。
【００５７】
ステップＳ１９において、制御装置１３は、スタック冷却水ポンプ２６の回転数ＰＲ２と予め設定したスタック冷却水ポンプ２６の最大回転数ＰＲ２ｍａｘとの大小比較をすると共に、第２冷却ファン２４の回転数ＦＲ２と予め設定した第２冷却ファン２４の最大回転数ＦＲ２ｍａｘとの大小比較をする。そして、制御装置１３は、回転数ＰＲ２が最大回転数ＰＲ２ｍａｘより大きく、且つ、回転数ＦＲ２が回転数ＦＲ２ｍａｘより大きいと判定したときにはスタック冷却系１１の制御処理を終了して通常動作に戻り、大きくないと判定したときには再度ステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理を行うために処理をステップＳ１１に戻す。
【００５８】
これにより、制御装置１３では、スタック冷却水の温度が所定温度以下になるまで、ステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理を繰り返し行って、スタック冷却系１１の冷却能力を制御する。
【００５９】
［流路切り替え動作］
以下に説明する図５〜図７の流路切り替え動作を行うに際して、制御装置１３は、スタック冷却水の流路を熱交換流路Ｌ１とバイパス流路Ｌ２との間で切り替え制御する流路切り替え制御手段として機能する。
【００６０】
「起動時」
図５に、車両冷却装置の起動時における流路切り替え動作を行うときのフローチャートを示す。
【００６１】
例えば車両運転者がイグニッションスイッチを操作して車両を起動するとステップＳ２１から処理を開始し、制御装置１３は、第２冷却水温度センサ３２及び第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号を読み込んで、駆動系冷却水温度Ｔ２及びスタック冷却水温度Ｔ４を検出してステップＳ２２に処理を進める。
【００６２】
ステップＳ２２において、制御装置１３は、ステップＳ２１で検出した駆動系冷却水温度Ｔ２とスタック冷却水温度Ｔ４との比較をして駆動系冷却水温度Ｔ２がスタック冷却水温度Ｔ４よりも高く、且つ、スタック冷却水温度Ｔ４と予め設定した駆動系冷却水温度の最高温度Ｔ２ｍａｘとの比較をしてスタック冷却水温度Ｔ４が最高温度Ｔ２ｍａｘよりも低いと判定したときにはステップＳ２３に処理を進め、大きくないと判定したときにはステップＳ２４に処理を進める。
【００６３】
ステップＳ２３において、制御装置１３は、循環通路切替弁２８を制御することで、スタック冷却水を循環通路切替弁２８を介して熱交換器２７に導く。これにより、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換をさせて、燃料電池スタック１の昇温を早めることができる。
【００６４】
一方、ステップＳ２４において、制御装置１３は、熱交換器２７を通過させずにバイパス流路Ｌ２によりスタック冷却水を第２ラジエータ２２に導く。
【００６５】
このような流路切り替え動作を行う車両冷却装置では、循環通路切替弁２８を制御することにより熱交換器２７にスタック冷却水を通過させ、駆動系部品２で発熱した熱量をスタック冷却水に移して速やかに昇温させることができ、起動時に燃料電池スタック１が高効率で運転する領域までスタック冷却水を速やかに昇温させる必要性に対応することができる。
【００６６】
また、この車両冷却装置では、制御装置１３によりステップＳ２２での判定を行うことで、スタック冷却水の温度が所定温度以上となればバイパス流路Ｌ２を通過させることができる。
【００６７】
「停止時」
図６に、車両冷却装置の停止時における流路切り替え動作を行うときのフローチャートを示す。
【００６８】
例えば車両運転者がイグニッションスイッチを操作して車両を停止するとステップＳ３１から処理を開始し、制御装置１３は、第２冷却水温度センサ３２及び第４冷却水温度センサ３４からのセンサ信号を読み込んで、駆動系冷却水温度Ｔ２及びスタック冷却水温度Ｔ４を検出してステップＳ３２に処理を進める。
【００６９】
ステップＳ３２において、制御装置１３は、駆動系冷却水温度Ｔ２とスタック冷却水温度Ｔ４との比較をして駆動系冷却水温度Ｔ２がスタック冷却水温度Ｔ４よりも低く、且つ、スタック冷却水温度Ｔ４と予め設定した駆動系冷却水温度の最高温度Ｔ２ｍａｘとの比較をしてスタック冷却水温度Ｔ４が最高温度Ｔ２ｍａｘよりも高いと判定したときにはステップＳ３３に処理を進め、高くないと判定したときにはステップＳ３４に処理を進める。
【００７０】
ステップＳ３３において、制御装置１３は、循環通路切替弁２８を制御することで、スタック冷却水を循環通路切替弁２８を介して熱交換器２７に導く。これにより、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換をさせて、スタック冷却水の温度を速やかに所定温度以下とする。
【００７１】
一方、ステップＳ３４において、制御装置１３は、熱交換器２７を通過させずにバイパス流路Ｌ２によりスタック冷却水を第２ラジエータ２２に導く。
【００７２】
ここで、燃料電池スタック１は一旦温度が上昇して、燃料電池スタック１本体がスタック冷却水の管理上限温度まで上昇してしまうと、その総熱量は非常に大きくなる。そのため、燃料システムの停止時に、速やかにスタック冷却水ポンプ２６及び第２冷却ファン２４の動作を停止すると、燃料電池スタック１が停止時に持っている熱量により、燃料電池スタック１内部で急速な温度上昇が発生し、燃料電池スタック１の保証温度を超える場合が予想される。
【００７３】
これに対し、図６に示す動作を行う車両冷却装置によれば、車両停止時に循環通路切替弁２８を制御することでスタック冷却水を熱交換器２７に通過させてスタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行い、更に、第１冷却ファン２３、駆動系冷却水ポンプ２５、第２冷却ファン２４及びスタック冷却水ポンプ２６を動作させるので、スタック冷却水を速やかに所定温度以下まで降温させることができ、燃料電池スタック１を保証温度以上とすることなく、安全に停止させることができる。
【００７４】
「起動時、停止時以外」
図７に、車両冷却装置の起動時及び停止時外における流路切り替え動作を行うときのフローチャートを示す。
【００７５】
車両が走行している時や定常状態のときなど、起動時及び停止時以外のとき、制御装置１３は、ステップＳ４１において、第２冷却水温度センサ３２、第４冷却水温度センサ３４及び外気温度センサ３５からのセンサ信号を読み込んで、駆動系冷却水温度Ｔ２、スタック冷却水温度Ｔ４及び外気温度Ｔ５を検出してステップＳ４２に処理を進める。
【００７６】
ステップＳ４２において、制御装置１３は、現在の駆動系冷却水ポンプ２５、スタック冷却水ポンプ２６、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の制御値を読み出すことで、駆動系冷却水ポンプ回転数ＰＲ１、スタック冷却水ポンプ回転数ＰＲ２、第１冷却ファン回転数ＦＲ１、第２冷却ファン回転数ＦＲ２を読み出して、ステップＳ４３及びステップＳ４４に処理を進める。
【００７７】
ステップＳ４３では、上述の図３に示す処理を行って、駆動系冷却系１２を用いた駆動系部品２の冷却を行うと共に、ステップＳ４４では、上述の図４に示す処理を行って、スタック冷却系１１を用いた燃料電池スタック１の冷却を行って、ステップＳ４５に処理を進める。
【００７８】
ステップＳ４５では、制御装置１３は、駆動系冷却水ポンプ回転数ＰＲ１が予め設定した駆動系冷却水ポンプ２５の最大回転数ＰＲ１ｍａｘより低く、且つ第１冷却ファン回転数ＦＲ１が予め設定した第１冷却ファン２３の最大回転数ＦＲ１ｍａｘより低い場合、或いはスタック冷却水ポンプ回転数ＰＲ２が予め設定したスタック冷却水ポンプ２６の最大回転数ＰＲ２ｍａｘより低く、且つ第２冷却ファン回転数ＦＲ２が予め設定した第２冷却ファン２４の最大回転数ＦＲ２ｍａｘより低い場合には、現在のスタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２の冷却能力で駆動系部品２及び燃料電池スタック１が冷却可能と判定して、ステップＳ４１に処理を戻す。一方、そうでない場合には、熱交換器２７によりスタック冷却系１１と駆動系冷却系１２との間で熱量を交換するために、ステップＳ４６に処理を進める。
【００７９】
ステップＳ４６において、制御装置１３は、駆動系冷却水温度Ｔ１，Ｔ２と駆動系冷却水ポンプ２５の流量とに基づいて駆動系冷却系１２の熱流量Ｑ１、スタック冷却水温度Ｔ３，Ｔ４とスタック冷却水ポンプ２６の流量とに基づいてスタック冷却系１１の熱流量Ｑ２を演算する。更に、制御装置１３は、外気温度Ｔ５、駆動系冷却水温度Ｔ２、第１冷却ファン２３の回転数、駆動系冷却水ポンプ２５の流量とに基づいて駆動系冷却系１２の冷却能力Ｃ１を算出すると共に、外気温度Ｔ５、スタック冷却水温度Ｔ４、第２冷却ファン２４の回転数、スタック冷却水ポンプ２６の流量とに基づいてスタック冷却系１１の冷却能力Ｃ２を演算する。
【００８０】
次のステップＳ４７において、制御装置１３は、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より小さく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より大きい場合、或いは冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より大きく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より小さい場合には、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換器２７による熱交換を行うためにステップＳ４８に処理を進め、そうでない場合にはステップＳ４９に処理を進める。すなわち、いずれかの冷却系で冷却能力より熱量が大きいときには、スタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行う。
【００８１】
ステップＳ４８では、制御装置１３は、循環通路切替弁２８を制御して、スタック冷却水を熱交換器２７に導いてスタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行い、ステップＳ４９では、スタック冷却水をバイパス流路Ｌ２に導いて、ステップＳ５０に処理を進める。
【００８２】
ステップＳ５０において、制御装置１３は、再度駆動系冷却水温度Ｔ２、スタック冷却水温度Ｔ４及び外気温度Ｔ５を読み込んで、ステップＳ５１に処理を進める。
【００８３】
ステップＳ５１において、制御装置１３は、再度駆動系冷却水ポンプ回転数ＰＲ１、スタック冷却水ポンプ回転数ＰＲ２、第１冷却ファン回転数ＦＲ１及び第２冷却ファン回転数ＦＲ２を読み込んで、ステップＳ５２に処理を進める。
【００８４】
ステップＳ５２において、制御装置１３は、上述のステップＳ４６と同様に、駆動系冷却系１２の冷却能力Ｃ１、スタック冷却系１１の冷却能力Ｃ２、駆動系冷却系１２の熱流量Ｑ１、スタック冷却系１１の熱流量Ｑ２を算出して、ステップＳ５３に処理を進める。
【００８５】
ステップＳ５３において、制御装置１３は、ステップＳ５２で算出した冷却能力、熱流量を用いて、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より大きく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より大きいか否かを判定する。制御装置１３は、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より大きく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２より大きいと判定したときにはステップＳ４１に処理を戻し、そうでない場合にはステップＳ５４に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ５４において、制御装置１３は、冷却能力Ｃ１が熱流量Ｑ１より小さく、且つ冷却能力Ｃ２が熱流量Ｑ２よりも小さいと判定した場合には、熱交換器２７により熱交換を行っても冷却できないと判定してステップＳ５５に処理を進め、燃料電池スタック１の発電量を低下させて処理を終了する。一方、そうでない場合には、再度ステップＳ４７に処理を戻して、ステップＳ４７〜ステップＳ５４までの処理を行う。
【００８７】
このような動作をする車両冷却装置では、ステップＳ４７でいずれかの冷却系で冷却能力より熱量が大きいと判定したときにはスタック冷却水と駆動系冷却水との間で熱交換を行うことにより、スタック冷却系１１から駆動系冷却系１２、或いは駆動系冷却系１２からスタック冷却系１１に熱量を移動させることができる。したがって、この車両冷却装置では、環境条件や運転条件に拘わらず、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２の熱交換能力を最大限に生かすことができる。
【００８８】
更に、通常の車両では、搭載可能なラジエータの大きさには限界があり、環境条件（環境温度）も変化するため、予め設定されたラジエータの大きさ、冷却水ポンプの吐出流量、冷却ファンの送風量によりラジエータの放熱量が制限されてしまう。これに対し、本発明を適用した車両冷却装置では、外気温度Ｔ５に基づいて循環通路切替弁２８を制御してスタック冷却系１１と駆動系冷却系１２との間で熱交換を行うことにより第１ラジエータ２１と第２ラジエータ２２の放熱量の最適な配分を行うことができ、環境条件や運転条件、走行パターンによってラジエータの熱交換能力を最大限に生かし、例えばいずれか一方の冷却系の冷却能力不足によって車両走行性能が制限されることを防止することができる。
【００８９】
更にまた、この車両冷却装置によれば、第１ラジエータ２１及び第２ラジエータ２２での放熱量の最適化を行うので、駆動系冷却水ポンプ２５及びスタック冷却水ポンプ２６、第１冷却ファン２３及び第２冷却ファン２４の消費電力を抑制することが可能となり、車両の省燃費化を実現することができる。
【００９０】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９１】
例えば１つの冷却系で単数、あるいは３個以上の冷却水温度センサが適用される場合や、冷却水温度に代えて、その中の１つがラジエタ周囲温度を検知する方法なども考えられる。
【００９２】
また、本例では、スタック冷却系１１に循環通路切替弁２８が設けられている場合について説明したが、駆動系冷却系１２を構成する挿通管にのみ設けられていても良く、更にはスタック冷却系１１及び駆動系冷却系１２の双方の挿通管に設けられていても良い。このとき、流路切り替え動作時において、制御装置１３は、駆動系冷却系１２及び／又はスタック冷却系１１に設けられた循環通路切替弁を制御することで、上述と同様の効果を発揮させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した車両冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は駆動系冷却水の流量及び風速に対する第１ラジエータの放熱量を示し、（ｂ）はスタック冷却水の流量及び風速に対する第２ラジエータの放熱量を示し、（ｃ）は車両冷却装置におけるラジエータを通過する流量及び風速に対する放熱量を示す。
【図３】駆動系冷却系の冷却動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】スタック冷却系の冷却動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】車両の起動時における流路切り替え動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】車両の停止時における流路切り替え動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】車両の起動時、停止時外における流路切り替え動作を行うときの制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 駆動系部品
１１ スタック冷却系
１２ 駆動系冷却系
１３ 制御装置
２１ 第１ラジエータ
２２ 第２ラジエータ
２３ 第１冷却ファン
２４ 第２冷却ファン
２５ 駆動系冷却水ポンプ
２６ スタック冷却水ポンプ
２７ 熱交換器
２８ 循環通路切替弁
３１ 第１冷却水温度センサ
３２ 第２冷却水温度センサ
３３ 第３冷却水温度センサ
３４ 第４冷却水温度センサ
３５ 外気温度センサ
Claims (7)
- 燃料電池と、この燃料電池の発電電力により駆動される駆動系部品とを備えた燃料電池を搭載した車両の冷却装置において、
第１冷却水を循環する第１冷却水ポンプと、この第１冷却水ポンプにより第１冷却水が循環される第１熱交換器と、この第１熱交換器に空気を通過させる第１熱交換器冷却ファンとを有し、第１の設定温度以下に上記駆動系部品を冷却する第１冷却系と、
上記第１冷却系と分割され、第２冷却水を循環する第２冷却水ポンプと、この第２冷却水ポンプにより第２冷却水が循環される第２熱交換器と、この第２熱交換器に空気を通過させる第２熱交換器冷却ファンとを有し、上記第１の設定温度より高い第２の設定温度以下に上記燃料電池を冷却する第２冷却系と、
第１冷却水温度を検出する第１冷却水温度検出手段と、
第２冷却水温度を検出する第２冷却水温度検出手段と、
上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて上記第１冷却系の冷却能力を制御する第１冷却能力制御手段と、
上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて上記第２冷却系の冷却能力を制御する第２冷却能力制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池を搭載した車両の冷却装置。 - 上記第１冷却能力制御手段は、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプの吐出流量及び上記第１熱交換器冷却ファンの送風量に対する上記第１冷却系の冷却能力を判定して上記第１冷却水ポンプ及び上記第１熱交換器冷却ファンの駆動量を制御して、上記第１冷却系の冷却能力を制御し、
上記第２冷却能力制御手段は、上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第２冷却水ポンプの吐出流量及び上記第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する上記第２冷却系の冷却能力を判定して上記第２冷却水ポンプ及び上記第２熱交換器冷却ファンの駆動量を制御して、上記第２冷却系の冷却能力を制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装置。 - 上記第１熱交換器及び第２熱交換器に取り込まれる外気温度を検出する外気温度検出手段を更に備え、
上記第１冷却能力制御手段は、上記外気温度検出手段で検出された外気温度に基づいて上記第１冷却系の冷却能力を制御し、
上記第２冷却能力制御手段は、上記外気温度検出手段で検出された外気温度に基づいて上記第２冷却系の冷却能力を制御すること
を特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装置。 - 上記第１冷却系内で第１冷却水を循環させる流路及び上記第２冷却系内で第２冷却水を循環させる流路に設けられ、第１冷却水と第２冷却水との間で熱交換をする第３熱交換器と、
上記第１冷却水の流路及び／又は上記第２冷却水の流路に設けられ、上記第３熱交換器を通過する流路と上記第３熱交換器を通過しない流路とで流路を切り替える流路切り替え手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装置。 - 上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して、第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御する第１流路切り替え制御手段と、
上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度と、上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度とに基づいて、上記第１冷却水ポンプ及び第２冷却水ポンプの吐出流量、及び上記第１熱交換器冷却ファン及び第２熱交換器冷却ファンの送風量に対する冷却能力を判定して、第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御する第２流路切り替え制御手段と
を更に備えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装置。 - 上記第１流路切り替え制御手段は、車両を起動するに際して、起動時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を昇温させ、
上記第２流路切り替え制御手段は、車両を起動するに際して、起動時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を昇温させること
を特徴とする請求項５記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装置。 - 上記第１流路切り替え制御手段は、車両を停止するに際して、停止時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第１冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を降温させ、
上記第２流路切り替え制御手段は、車両を停止するに際して、停止時の上記第１冷却水温度検出手段で検出した第１冷却水温度及び上記第２冷却水温度検出手段で検出した第２冷却水温度に基づいて第２冷却水の流路に設けられた上記流路切り替え手段を制御して、上記燃料電池の温度を降温させること
を特徴とする請求項５記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装置。
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