JP4374799B2

JP4374799B2 - Fuel cell vehicle

Info

Publication number: JP4374799B2
Application number: JP2001148251A
Authority: JP
Inventors: 祐一坂上; 和通越智; 直人堀田; 博邦佐々木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JP2002343396A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を走行用動力源とする燃料電池自動車に関し、特に燃料電池を始めとする発熱体の冷却性能向上を図る燃料電池自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池を動力源として搭載した燃料電池自動車が提案されている。燃料電池では、発電時の化学反応により水分および熱が発生する。
【０００３】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）では所定の許容温度以上に温度上昇すると、燃料電池内部の高分子膜が高温により破壊される。このため、燃料電池システムでは、発電時に発生する熱のほとんどを、冷却水を介してラジエータ（空冷式の冷却装置）により大気に放出する冷却システムが設けられている。
【０００４】
このような冷却システムの水温制御を行うものとして、例えばデンソー公開技報１２２−００９にて、カーナビゲーションシステムからの情報を内燃機関の冷却水温制御に用いたものが提案されているが、燃料電池自動車においてはこのような冷却水温制御を行うものはない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は内燃機関に比較して発熱量が小さいため、冷却水と外気との気水温度差が小さく、ラジエータによる冷却には不利である。また、ラジエータ搭載スペースの問題からラジエータの容量増大による冷却性能向上は困難である。さらに、燃料電池自動車ではラジエータ以外からの放熱が少ない等の理由から、高負荷条件下（例えば傾斜の急な坂道）において燃料電池の冷却能力を確保することが難しい。
【０００６】
このため、高負荷運転時には、冷却水温度が許容上限温度を超えないように燃料電池の発電能力を調整する必要があるため、車両走行性能に影響が生じるという問題がある。
【０００７】
また、燃料電池にて発電時に生じる生成水を貯蔵しておき、この貯蔵水を必要に応じてラジエータ表面に散布し、水の蒸発潜熱によりラジエータの冷却性能を向上させる方法があるが、ラジエータの冷却が必要なときに生成水が確保できないこともあり、有効に活用することが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池を走行用動力源とする燃料電池自動車において、走行負荷により発熱する燃料電池等の発熱体の冷却系の冷却性能を向上させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、走行負荷に応じて発熱を生じる発熱体（１０）と、冷却水を介して発熱体（１０）と熱交換して発熱体（１０）を冷却する熱交換器（２２）と、電気化学反応で発生する水分を回収して貯蔵する水分貯蔵部（３０）と、水の蒸発潜熱を利用して熱交換器（２２）を冷却するために、水分貯蔵部（３０）に貯蔵された水分を熱交換器（２２）に散布する散布手段（３５）と、冷却水の温度に影響を与える情報を提供する外部情報提供手段（４０）とを備え、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外部情報に基づいて冷却水温度の予測値を算出し、冷却水温度予測値に基づいて水分貯蔵部（３０）では水分を所定量貯蔵することを特徴としている。
【００１２】
これにより、高負荷走行時に先立って水分貯蔵部（３０）に水が確保され、高負荷走行時に熱交換器（２２）に対する水の散布量を増加させることができ、熱交換器（２２）の冷却能力を向上させることができる。この結果、冷却水温度が許容上限温度に到達するまでの時間を長くすることができ、走行能力への影響を抑えることができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明のように、発熱体を燃料電池とすることで、燃料電池内部の電解質膜が高温により破壊されるのを防ぐことができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、外部情報は、目的地に至るまでの道路勾配に関する地形情報を含んでいることを特徴としている。これにより、目的地までの経路において勾配の急な道路が存在し高負荷運転が予測される場合には、予め冷却水温度を低下させておくか、生成水の貯蔵量を増加させておくことができるので、熱交換器の冷却能力を向上させることができる。このような地形情報は、請求項４に記載の発明のように、ナビゲーション装置から得ることができる。また、外部情報として、さらに目的地に至るまでの渋滞情報、天気、湿度、外気温等の各種交通情報、気象情報等を用いることもできる。
【００１５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本第１実施形態の燃料電池自動車は、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）である。
【００１７】
図１は、本第１実施形態の燃料電池自動車の全体構成を示している。図１に示すように、燃料電池自動車は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、図示しないインバータ等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータは、燃料電池１０から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ（負荷）に供給してモータを駆動する。
【００１８】
本第１実施形態では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
また、空気経路１１および水素経路１２を介して、燃料電池１０に酸素および水素が供給され、上記化学反応に用いられなかった未反応の酸素および水素は、排気ガスとして燃料電池１０から排出される。
【００１９】
上記電気化学反応のためには、燃料電池１０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、後述のように燃料電池１０に供給される空気および水素に加湿を行い、これらの加湿されたガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０内の電解質を加湿するように構成されている。また、燃料電池１０内部では上記電気化学反応により生成水が発生し、この水分は排気ガスに含まれた状態で、燃料電池１０外部に排出される。
【００２０】
燃料電池１０は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１０は発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１０内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１０温度を許容温度以下に保持する必要がある。このため、燃料電池システムには燃料電池１０で発生した熱を系外に放出するための冷却システム（冷却手段）２０〜２５が設けられている。この冷却システムによって、通常運転時には燃料電池１０が所定の目標温度（例えば８０℃）Ｔｏとなるように温度制御される。
【００２１】
冷却システムは、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水循環路２０、冷却水循環路２０に冷却水を循環させるウォータポンプ２１、外気（大気）と熱交換し冷却水を冷却するラジエータ（熱交換器）２２を備えている。ラジエータ２２は送風冷却用ファン２３を備えており、ファン２３の周囲にはファンシュラウドが設けられている。ファン２３により送風が行われ、ラジエータ２３での熱交換を補助する。
【００２２】
また、冷却システムには、冷却水をラジエータ２２をバイパスさせるためのバイパス経路２４が設けられている。バイパス経路２４はラジエータ２２と並列的に設けられ、流路切替バルブ２５により冷却水をラジエータ２２側あるいはバイパス経路２４側に流すかを切り替えることができる。
【００２３】
冷却システムによる冷却水の温度制御は、ウォータポンプ２１による流量制御、ラジエータ２２とバイパス経路２４への流量配分制御、冷却ファン２３の送風量制御によって行われる。
【００２４】
冷却水循環路２０の燃料電池１０上流側、バイパス経路２４、冷却水循環路２０のラジエータ２２下流側には、それぞれの箇所において冷却水温度を検出する水温センサ２６〜２８が設けられている。また、車両前方部には、外気温を検出するための外気温センサ２９が設けられている。
【００２５】
本第１実施形態の燃料電池システムには、空気通路１１における燃料電池１０の下流側に、発電の際に発生して空気に含まれた状態で排出される生成水を回収するための気液分離器（水分貯蔵部）３０が設けられている。気液分離器３０で分離された水は気液分離器３０内に貯蔵される。気液分離器３０内に貯蔵された水は、燃料電池１０内への水分補給と、ラジエータ２２の冷却に用いられる。気液分離器３０には、気液分離器３０内における貯蔵水の液面の高さ（液面レベル）を検出するための液面センサ３１が設けられている。
【００２６】
燃料電池システムには、気液分離器３０内の貯蔵水を空気経路１１および水素経路１２に供給するための加湿用経路３２が設けられている。貯蔵水は、加湿用経路３２を介してガス通路１１、１２に供給され、燃料電池１０に供給される空気および水素の加湿に用いられる。
【００２７】
また、燃料電池システムには、気液分離器３０に貯蔵された生成水をラジエータ２２に散布するための散布用経路３３が設けられている。散布用経路３３の先端部には、ラジエータ２２表面に水を散布（噴射）するための散水ノズル（散水装置）３５が設けられている。ノズル３５は、ラジエータ２２等の風上（車両前方側）に配置されている。また、散布用通路３３には、水をノズル３５に供給するためのウォータポンプ３４が設けられている。
【００２８】
本第１実施形態の燃料電池自動車には、ナビゲーション装置４１が設けられている。ナビゲーション装置４０は、冷却水温度に影響を与える各種外部情報を提供する外部情報提供手段を構成する。ナビゲーション装置４１は、ナビゲーション制御部、ＧＰＳ受信機等を備えた位置検出部、地図データを入力する地図データ入力部、地図データ等を表示する表示部等を備えている。
【００２９】
ナビゲーション装置４０では、地図データより目的地に至るまでの地形情報（距離、標高、高速道路の有無等）を得ることができる。地形情報に含まれる距離と標高は、道路勾配に関する情報を構成し、これらから目的地に至るまでの道路勾配を求めることができる。
【００３０】
これらの情報は、燃料電池１０を冷却するための冷却水の温度に影響を与える要因として用いられる。具体的には、燃料電池自動車では、道路勾配が急な場合や高速走行の場合に高負荷運転となって燃料電池１０の発熱量が増大し、冷却水温度が上昇する。
【００３１】
図２は本第１実施形態の制御ブロック図である。図２に示すように、制御部４０は、水温センサ２６〜２８、外気温センサ２９、液面センサ３１、ナビゲーション装置４０から情報を取り込み、これらの入力された情報に基づいてファンモータ２３、ウォータポンプ２１、噴射ポンプ３５、バルブモータ２５の制御を行うように構成されている。
【００３２】
次に、本第１実施形態の冷却水温度制御を図３、図４に基づいて説明する。図３は冷却水温度制御の手順を示すフローチャートである。
【００３３】
まず、水温センサ２６〜２８、外気温センサ２９によって、冷却水温度および外気温を検出する（ステップＳ１０）。次に、ナビゲーション装置４０にて目的地（行き先）を設定する（ステップＳ１１）。次に、ナビゲーション装置４０の地理情報に基づいて、目的地までの経路における道路の勾配、高速道路の有無等を算出し、目的地までの経路における燃料電池自動車の走行負荷を算出する（ステップＳ１２）。
【００３４】
次に、走行負荷に基づいて、目的地までの経路における燃料電池１０の発熱量を算出する（ステップＳ１３）。走行負荷の増大に伴って、燃料電池１０の発熱量は増大する。次に、ステップＳ１０で検出した現在の冷却水温度、外気温等の情報と、ステップＳ１３で算出した燃料電池発熱量とに基づいて、目的地までの経路における冷却水温度予測値Ｔａを算出する（ステップＳ１４）。
【００３５】
次に、目的地までの経路において、冷却水温度予測値Ｔａが予め設定された所定の許容上限温度Ｔｂを超えるか否かを判定する（ステップＳ１５）。所定の許容上限温度Ｔｂは、燃料電池１０内部の電解質膜の耐熱温度（例えば１２０℃程度）から決定されるものであり、任意に設定可能な値である。
【００３６】
この結果、冷却水温度予測値Ｔａが許容上限温度Ｔｂを超えないと判定される場合には、冷却システムにより冷却水温度が所定の目標温度（例えば８０℃）Ｔｏになるように温度制御される。上述のように目標温度Ｔｏは、燃料電池１０の発電効率が最もよくなる温度である。
【００３７】
一方、冷却水温度予測値Ｔａが許容上限温度Ｔｂを超えると判定される場合、すなわち高負荷運転が予測される場合には、高負荷運転に先立って、冷却水温度を所定目標温度Ｔｏより低い所定冷却温度Ｔｃまで低下させておく（ステップＳ１６）。所定冷却温度Ｔｃは、少なくとも冷却水の凍結温度より高く設定する必要があり、冷却水温度予測値Ｔａに応じて決定されるものである。具体的には、冷却水温度予測値Ｔａがより高い場合には、所定冷却温度Ｔｃをより低く設定する。なお、燃料電池１０の発電効率の点で、所定冷却温度Ｔｃはできるだけ目標温度Ｔｏに近い方が望ましい。
【００３８】
図４は燃料電池１０の発熱量と冷却水温度との関係を示す特性図である。図４中の破線は、本第１実施形態の冷却水温度制御を行わない場合の冷却水温度を示している。この図４中の破線で示すように、高負荷運転が続いて燃料電池１０の発熱量が増大すると、ラジエータ２２の冷却能力が不足し、冷却水温度が許容上限温度Ｔｂを超えてしまう場合がある。
【００３９】
そこで、本第１実施形態のように、冷却水温度予測値Ｔａに基づいて高負荷運転に先立ち予め冷却水温度を低下させておくことにより、冷却水温度が許容上限温度Ｔｂに到達するまでの時間を長くすることができる。これにより、走行能力への影響を抑えることができる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５、図６に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して冷却水温度制御の方法が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図５は本第２実施形態の冷却水温度制御の手順を示すフローチャートであり、図６は燃料電池１０の発熱量と冷却水温度との関係を示す特性図である。図５のステップＳ２０〜Ｓ２５は、上記第１実施形態のステップＳ１０〜Ｓ１５と同様であるので説明を省略する。
【００４２】
本第２実施形態では、冷却水温度予測値Ｔａが許容上限温度Ｔｂを超える場合には、高負荷運転が行われる一定時間ｔ１前から、予め気液分離器３０にて燃料電池１０の生成水を所定量貯蔵しておく（ステップＳ２６）。これにより、燃料電池自動車が高負荷走行に入る際に、気液分離器３０には水が確保され、高負荷走行時にラジエータ２２に対する水の散布量を増加させることができ、ラジエータ２２の冷却能力を向上させることができる。この結果、冷却水温度が許容上限温度Ｔｂに到達するまでの時間を長くすることができ、走行能力への影響を抑えることができる。
【００４３】
（他の実施形態）
上記第１実施形態と第２実施形態は組み合わせて行ってもよい。これらを組み合わせて行うことで、ラジエータ２２の冷却性能をより向上させることができる。
【００４４】
また、上記各実施形態では、燃料電池１０冷却する冷却水温度を制御したが、これに限らず、例えば、走行用モータやインバータといった高負荷運転時に高温となる他の発熱体の温度制御にも適用することもできる。
【００４５】
また、上記各実施形態では、冷却水温度に影響を与える情報を提供する外部情報提供手段としてナビゲーション装置を用いたが、これに限らず、他の情報源をさらに用いてもよい。例えばＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）等を利用して、目的地に至るまでの渋滞情報、天気、湿度、外気温等の各種交通情報、気象情報を得ることができるように構成してもよい。例えば交通渋滞や気温が高い場合には、ラジエータ２２による冷却に不利な条件となることが考えられる。これらの情報を複合的に用いることで、冷却水温度予測値Ｔａをより精度よく算出することができる。
【００４６】
また、上記各実施形態では、気液分離器３０に貯蔵した水をラジエータに散布するように構成したが、これに限らず、他の用途に用いてもよい。例えば車載空調装置における冷凍サイクルの高圧側熱交換器（コンデンサ）の表面に散布するように構成してもよい。コンデンサを冷却することで、冷凍サイクルの効率を上げ、冷凍サイクルの圧縮機の動力を減少させることができる。
【００４７】
また、ナビゲーション装置４０にて予め設定された経路から外れた場合、あるいは目的地が変更された場合には、最適な制御パターンを算出し直す。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記第１実施形態の燃料電池自動車の全体構成を示す概念図である。
【図２】上記第１実施形態の燃料電池自動車の制御ブロック図である。
【図３】上記第１実施形態の冷却水温度制御を示すフローチャートである。
【図４】上記第１実施形態の燃料電池発熱量と冷却水温度との関係を示す特性図である。
【図５】上記第２実施形態の冷却水温度制御を示すフローチャートである。
【図６】上記第２実施形態の燃料電池発熱量と冷却水温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１１…空気経路、１２…水素経路、２０…冷却水循環路、２１…ウォータポンプ、２２…ラジエータ、２３…冷却ファン、２６〜２８…水温センサ、２９…外気温センサ、３０…気液分離器、３５…散水ノズル、４０…ナビゲーション装置、４１…制御部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell vehicle that uses a fuel cell as a driving power source, and more particularly to a fuel cell vehicle that improves the cooling performance of a heating element such as a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen as a power source has been proposed. In a fuel cell, moisture and heat are generated by a chemical reaction during power generation.
[0003]
In a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), when the temperature rises above a predetermined allowable temperature, the polymer membrane inside the fuel cell is broken at a high temperature. For this reason, the fuel cell system is provided with a cooling system that releases most of the heat generated during power generation to the atmosphere through a radiator (air cooling type cooling device) via cooling water.
[0004]
As a device for controlling the water temperature of such a cooling system, for example, DENSO Open Technical Report 122-009 proposes using information from a car navigation system for cooling water temperature control of an internal combustion engine. There is no automobile that performs such cooling water temperature control.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Since the fuel cell has a smaller calorific value than that of the internal combustion engine, the difference in temperature between the cooling water and the outside air is small, which is disadvantageous for cooling by the radiator. Moreover, it is difficult to improve the cooling performance by increasing the capacity of the radiator due to the problem of the radiator mounting space. Further, in a fuel cell vehicle, it is difficult to ensure the cooling capacity of the fuel cell under high load conditions (for example, a steep slope) due to low heat radiation from other than the radiator.
[0006]
For this reason, at the time of high load operation, it is necessary to adjust the power generation capacity of the fuel cell so that the coolant temperature does not exceed the allowable upper limit temperature.
[0007]
In addition, there is a method of storing the generated water generated during power generation in the fuel cell, and spraying this stored water on the radiator surface as necessary to improve the cooling performance of the radiator by the latent heat of water evaporation. There is a problem that the generated water cannot be secured when cooling is required, and it is difficult to effectively use it.
[0008]
In view of the above problems, an object of the present invention is to improve the cooling performance of a cooling system of a heating element such as a fuel cell that generates heat due to a running load in a fuel cell vehicle using a fuel cell as a driving power source.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, heat is generated between the heating element (10) that generates heat according to the traveling load and the heating element (10) through cooling water, thereby generating the heating element (10). ), A moisture storage unit (30) for collecting and storing moisture generated by the electrochemical reaction, and cooling the heat exchanger (22) using the latent heat of evaporation of water. For this purpose, a spraying means (35) for spraying the water stored in the water storage part (30) to the heat exchanger (22), and an external information providing means (40) for providing information affecting the temperature of the cooling water. And calculating a predicted value of the cooling water temperature based on the external information that affects the temperature of the cooling water provided from the external information providing means, and the moisture storage unit (30) based on the predicted cooling water temperature value. It is characterized by storing a predetermined amount of moisture.
[0012]
Thereby, water is ensured in the moisture storage unit (30) prior to high load traveling, and the amount of water sprayed on the heat exchanger (22) can be increased during high load traveling. The cooling capacity can be improved. As a result, the time until the cooling water temperature reaches the allowable upper limit temperature can be lengthened, and the influence on the running ability can be suppressed.
[0013]
Further, as in the invention described in claim 2 , by using the heating element as a fuel cell, it is possible to prevent the electrolyte membrane inside the fuel cell from being broken by a high temperature.
[0014]
Further, the invention according to claim 3 is characterized in that the external information includes terrain information related to the road gradient to the destination. As a result, when there is a road with a steep slope in the route to the destination and high load operation is predicted, the cooling water temperature should be lowered in advance or the amount of generated water stored should be increased. Therefore, the cooling capacity of the heat exchanger can be improved. Such terrain information can be obtained from a navigation device as in the invention described in claim 4 . Further, as external information, it is also possible to use traffic information to reach the destination, various traffic information such as weather, humidity, and outside temperature, weather information, and the like.
[0015]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell vehicle of the first embodiment is an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.
[0017]
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell vehicle according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell vehicle includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 is configured to supply electric power to an electric device such as an inverter (not shown). The inverter converts the direct current supplied from the fuel cell 10 into an alternating current and supplies the alternating current to the driving motor (load) to drive the motor.
[0018]
In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.
(Negative electrode side) H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
(Positive electrode side) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
Also, oxygen and hydrogen are supplied to the fuel cell 10 via the air path 11 and the hydrogen path 12, and unreacted oxygen and hydrogen that have not been used for the chemical reaction are discharged from the fuel cell 10 as exhaust gas. .
[0019]
For the electrochemical reaction, the electrolyte membrane in the fuel cell 10 needs to be in a wet state containing moisture. Therefore, the air and hydrogen supplied to the fuel cell 10 are humidified as will be described later, and the humidified gas is supplied to the fuel cell 10 so that the electrolyte in the fuel cell 10 is humidified. Has been. In addition, generated water is generated in the fuel cell 10 by the electrochemical reaction, and this moisture is discharged to the outside of the fuel cell 10 while being contained in the exhaust gas.
[0020]
The fuel cell 10 is a heating element that generates heat by the electrochemical reaction during power generation. The fuel cell 10 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) during operation for power generation efficiency. Moreover, since the electrolyte membrane inside the fuel cell 10 exceeds the predetermined allowable upper limit temperature and is destroyed by the high temperature, it is necessary to keep the temperature of the fuel cell 10 below the allowable temperature. For this reason, the fuel cell system is provided with cooling systems (cooling means) 20 to 25 for releasing heat generated in the fuel cell 10 out of the system. By this cooling system, the temperature of the fuel cell 10 is controlled so as to reach a predetermined target temperature (for example, 80 ° C.) To during normal operation.
[0021]
The cooling system includes a cooling water circulation path 20 that circulates the cooling water (heat medium) in the fuel cell 10, a water pump 21 that circulates the cooling water in the cooling water circulation path 20, and a radiator that exchanges heat with the outside air (atmosphere) to cool the cooling water. (Heat exchanger) 22 is provided. The radiator 22 includes a blower cooling fan 23, and a fan shroud is provided around the fan 23. The fan 23 blows air to assist heat exchange in the radiator 23.
[0022]
Further, the cooling system is provided with a bypass path 24 for bypassing the cooling water to the radiator 22. The bypass path 24 is provided in parallel with the radiator 22, and the flow path switching valve 25 can switch whether the cooling water flows to the radiator 22 side or the bypass path 24 side.
[0023]
The temperature control of the cooling water by the cooling system is performed by flow control by the water pump 21, flow distribution control to the radiator 22 and the bypass path 24, and air flow control of the cooling fan 23.
[0024]
On the upstream side of the fuel cell 10 in the cooling water circulation path 20, the bypass path 24, and the downstream side of the radiator 22 in the cooling water circulation path 20, water temperature sensors 26 to 28 for detecting the cooling water temperature are provided at each location. Further, an outside air temperature sensor 29 for detecting the outside air temperature is provided in the front part of the vehicle.
[0025]
In the fuel cell system of the first embodiment, a gas-liquid for recovering generated water that is generated during power generation and discharged in a state of being generated in the air downstream of the fuel cell 10 in the air passage 11. A separator (water storage unit) 30 is provided. The water separated by the gas / liquid separator 30 is stored in the gas / liquid separator 30. The water stored in the gas-liquid separator 30 is used for supplying water into the fuel cell 10 and cooling the radiator 22. The gas-liquid separator 30 is provided with a liquid level sensor 31 for detecting the level (liquid level) of the stored water in the gas-liquid separator 30.
[0026]
The fuel cell system is provided with a humidification path 32 for supplying the stored water in the gas-liquid separator 30 to the air path 11 and the hydrogen path 12. The stored water is supplied to the gas passages 11 and 12 through the humidification path 32 and is used for humidification of air and hydrogen supplied to the fuel cell 10.
[0027]
Further, the fuel cell system is provided with a spraying path 33 for spraying the produced water stored in the gas-liquid separator 30 to the radiator 22. A watering nozzle (watering device) 35 for spraying (spraying) water on the surface of the radiator 22 is provided at the tip of the spraying path 33. The nozzle 35 is arranged on the windward side (vehicle front side) of the radiator 22 or the like. The spray passage 33 is provided with a water pump 34 for supplying water to the nozzle 35.
[0028]
A navigation device 41 is provided in the fuel cell vehicle of the first embodiment. The navigation device 40 constitutes external information providing means for providing various types of external information that affects the cooling water temperature. The navigation device 41 includes a navigation control unit, a position detection unit including a GPS receiver, a map data input unit that inputs map data, a display unit that displays map data, and the like.
[0029]
The navigation device 40 can obtain terrain information (distance, altitude, presence / absence of highway, etc.) from the map data to the destination. The distance and altitude included in the terrain information constitute information about the road gradient, and the road gradient from these to the destination can be obtained.
[0030]
These pieces of information are used as factors that affect the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell 10. Specifically, in a fuel cell vehicle, when the road gradient is steep or when traveling at high speed, the fuel cell vehicle 10 becomes a high load operation, the amount of heat generated by the fuel cell 10 increases, and the coolant temperature rises.
[0031]
FIG. 2 is a control block diagram of the first embodiment. As shown in FIG. 2, the control unit 40 takes in information from the water temperature sensors 26 to 28, the outside air temperature sensor 29, the liquid level sensor 31, and the navigation device 40, and based on these input information, the fan motor 23, the water The pump 21, the injection pump 35, and the valve motor 25 are configured to be controlled.
[0032]
Next, the cooling water temperature control of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing a procedure of cooling water temperature control.
[0033]
First, the coolant temperature and the outside air temperature are detected by the water temperature sensors 26 to 28 and the outside air temperature sensor 29 (step S10). Next, a destination (destination) is set by the navigation device 40 (step S11). Next, the road gradient on the route to the destination, the presence or absence of a highway, and the like are calculated based on the geographic information of the navigation device 40, and the running load of the fuel cell vehicle on the route to the destination is calculated (step S12). ).
[0034]
Next, based on the travel load, the amount of heat generated by the fuel cell 10 along the route to the destination is calculated (step S13). As the traveling load increases, the amount of heat generated by the fuel cell 10 increases. Next, the predicted coolant temperature Ta in the route to the destination is calculated based on the information such as the current coolant temperature and the outside air temperature detected in step S10 and the fuel cell heat generation amount calculated in step S13. (Step S14).
[0035]
Next, in the route to the destination, it is determined whether or not the predicted coolant temperature value Ta exceeds a preset allowable upper limit temperature Tb (step S15). The predetermined allowable upper limit temperature Tb is determined from the heat-resistant temperature (for example, about 120 ° C.) of the electrolyte membrane inside the fuel cell 10 and is a value that can be arbitrarily set.
[0036]
As a result, when it is determined that the predicted coolant temperature value Ta does not exceed the allowable upper limit temperature Tb, the cooling system controls the temperature so that the coolant temperature becomes a predetermined target temperature (for example, 80 ° C.) To. . As described above, the target temperature To is a temperature at which the power generation efficiency of the fuel cell 10 is best.
[0037]
On the other hand, when it is determined that the predicted coolant temperature value Ta exceeds the allowable upper limit temperature Tb, that is, when high load operation is predicted, the coolant temperature is set lower than the predetermined target temperature To prior to high load operation. The temperature is lowered to the predetermined cooling temperature Tc (step S16). The predetermined cooling temperature Tc needs to be set higher than at least the freezing temperature of the cooling water, and is determined according to the predicted cooling water temperature Ta. Specifically, when the predicted coolant temperature value Ta is higher, the predetermined cooling temperature Tc is set lower. In terms of power generation efficiency of the fuel cell 10, the predetermined cooling temperature Tc is preferably as close to the target temperature To as possible.
[0038]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the calorific value of the fuel cell 10 and the cooling water temperature. The broken line in FIG. 4 has shown the cooling water temperature when not performing the cooling water temperature control of this 1st Embodiment. As indicated by the broken line in FIG. 4, when the amount of heat generated by the fuel cell 10 increases following the high load operation, the cooling capacity of the radiator 22 is insufficient, and the cooling water temperature may exceed the allowable upper limit temperature Tb. is there.
[0039]
Therefore, as in the first embodiment, the cooling water temperature is decreased in advance prior to the high load operation based on the predicted cooling water temperature Ta, so that the cooling water temperature reaches the allowable upper limit temperature Tb. The time can be lengthened. Thereby, the influence on driving ability can be suppressed.
[0040]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in the method of controlling the cooling water temperature. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
[0041]
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of cooling water temperature control according to the second embodiment, and FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of heat generated by the fuel cell 10 and the cooling water temperature. Steps S20 to S25 in FIG. 5 are the same as steps S10 to S15 in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0042]
In the second embodiment, when the predicted coolant temperature value Ta exceeds the allowable upper limit temperature Tb, the generated water of the fuel cell 10 is preliminarily generated in the gas-liquid separator 30 from a predetermined time t1 before the high load operation is performed. Is stored in a predetermined amount (step S26). As a result, when the fuel cell vehicle enters high load traveling, water is secured in the gas-liquid separator 30, and the amount of water sprayed to the radiator 22 can be increased during high load traveling. Can be improved. As a result, the time until the cooling water temperature reaches the allowable upper limit temperature Tb can be lengthened, and the influence on the running ability can be suppressed.
[0043]
(Other embodiments)
The first embodiment and the second embodiment may be combined. By combining these, the cooling performance of the radiator 22 can be further improved.
[0044]
Moreover, in each said embodiment, although the cooling water temperature which cools the fuel cell 10 was controlled, it is not restricted to this, For example, also for temperature control of the other heat generating body which becomes high temperature at the time of high load driving | running | working, such as a driving motor and an inverter. It can also be applied.
[0045]
Moreover, in each said embodiment, although the navigation apparatus was used as an external information provision means which provides the information which affects a cooling water temperature, not only this but another information source may further be used. For example, using VICS (Vehicle Information and Communication System) or the like, traffic information to the destination, various traffic information such as weather, humidity, and outside temperature, and weather information may be obtained. . For example, when the traffic jam or the air temperature is high, it may be a disadvantageous condition for cooling by the radiator 22. By using these pieces of information in combination, the coolant temperature predicted value Ta can be calculated with higher accuracy.
[0046]
Moreover, in each said embodiment, although comprised so that the water stored in the gas-liquid separator 30 might be spread on a radiator, you may use it for not only this but another use. For example, you may comprise so that it may spread on the surface of the high voltage | pressure side heat exchanger (condenser) of the refrigerating cycle in a vehicle-mounted air conditioner. By cooling the condenser, the efficiency of the refrigeration cycle can be increased and the power of the compressor of the refrigeration cycle can be reduced.
[0047]
Further, when the navigation device 40 deviates from a preset route, or when the destination is changed, an optimal control pattern is recalculated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a fuel cell vehicle according to the first embodiment.
FIG. 2 is a control block diagram of the fuel cell vehicle according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing cooling water temperature control according to the first embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the fuel cell heating value and the coolant temperature in the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing cooling water temperature control of the second embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the fuel cell heating value and the coolant temperature in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell (FC stack), 11 ... Air path, 12 ... Hydrogen path, 20 ... Cooling water circulation path, 21 ... Water pump, 22 ... Radiator, 23 ... Cooling fan, 26-28 ... Water temperature sensor, 29 ... Outside temperature Sensor, 30 ... Gas-liquid separator, 35 ... Sprinkling nozzle, 40 ... Navigation device, 41 ... Control unit.

Claims

A fuel cell vehicle using a fuel cell that generates electric energy by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen as a driving power source,
A heating element (10) that generates heat in accordance with a traveling load;
A heat exchanger (22) for exchanging heat with the heating element (10) via cooling water to cool the heating element (10);
A moisture storage unit (30) for recovering and storing moisture generated by the electrochemical reaction;
A spraying means (35) for spraying moisture stored in the moisture storage unit (30) to the heat exchanger (22) in order to cool the heat exchanger (22) using latent heat of water evaporation; ,
External information providing means (40) for providing information affecting the temperature of the cooling water,
The predicted value of the cooling water temperature is calculated based on external information that affects the temperature of the cooling water provided from the external information providing means, and the moisture storage unit (30) based on the predicted cooling water temperature value. Then, a fuel cell vehicle characterized by storing a predetermined amount of the water.

The fuel cell vehicle according to claim 1 , wherein the heating element is the fuel cell.

The external information, a fuel cell vehicle according to claim 1 or 2, characterized in that it contains topographical information on the road gradient up to the destination.

The fuel cell vehicle according to any one of claims 1 to 3 , wherein the external information providing means is a vehicle navigation device.