JP5432650B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に冷媒を循環させて燃料電池の温度制御を行う燃料電池車両に関する。

燃料電池車等の電力源として用いられる燃料電池は、発電に伴い発熱するため、燃料電池内に冷媒を循環させ、燃料電池を適宜冷却する必要がある。燃料電池を冷却する冷却システムとして、発電時に冷媒ポンプを作動させることによって、燃料電池の温度に応じて、燃料電池とラジエータとの間で冷媒を循環させるとともに、必要に応じてラジエータをバイパスする配管と燃料電池との間で冷媒を循環させることが一般に行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−４４５１号公報（図４）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の冷却システムでは、ラジエータの放熱制御が十分ではなく、さらに燃料電池の暖機時などの保温性を確保できないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の温度制御を精度よく行うことが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、前記冷媒循環路中に設けられるラジエータと、前記ラジエータに冷却風を通流させるラジエータファンと、を備えた燃料電池の冷却装置が搭載された燃料電池車両において、前記ラジエータを収容するボックスと、前記ボックスに設けられ、前記ボックス内に外気を取り入れ可能な第１フラップと、前記ボックスに設けられ、前記ボックス内から外気を取り出し可能な第２フラップと、前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を調整可能なフラップ制御手段と、少なくとも前記燃料電池の温度を含む前記燃料電池の運転状態を検知する運転状態検知手段と、を備え、前記冷却風の流れ方向に対して上流側から、前記第１フラップ、前記ラジエータ、前記ラジエータファン、前記第２フラップの順に配置され、前記フラップ制御手段は、前記運転状態検知手段によって判断される前記燃料電池の運転状態の情報に基づいて前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を調整することを特徴とする。

これによれば、ラジエータと冷媒循環配管（冷媒循環路）をボックス内に収容し、前記ボックスに外気を取り入れ可能なフラップ（第１フラップ、第２フラップ）を設けて、運転状態検知手段によって検知された燃料電池の運転状態（運転モード）に基づいてフラップの開度を調整することにより、それぞれの運転状態に適した温度に燃料電池を制御することが可能になる。すなわち、フラップの開度を調整することにより、ラジエータの放熱性能を細かく制御することが可能になり、燃料電池の温度制御を従来よりも精度よく行うことが可能になる。

また、前記燃料電池の運転状態は、複数の運転モードを含み、前記運転状態検知手段は、前記複数の運転モードを、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号状態と、前記燃料電池の温度とに基づいて判断することを特徴とする。

これによれば、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号によって、燃料電池が起動しているか停止しているか、また、燃料電池の温度（冷媒の温度、発熱状態、発電量など）によって、燃料電池を暖機する必要があるかどうか、燃料電池を保温する必要があるかどうか、などの複数の運転モードを容易に判断できる

また、前記燃料電池の温度から目標冷媒温度を算出する目標冷媒温度算出手段を備え、前記フラップ制御手段は、前記目標冷媒温度算出手段で算出された目標冷媒温度と、前記運転状態検知手段からの前記燃料電池の温度と、に基づいて前記燃料電池の冷却装置の冷媒の温度が目標冷媒温度となるように前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を調整することを特徴とする。

これによれば、目標冷媒温度と実際の冷媒温度（本実施形態の実冷媒温度）の大小を比較することで、現在の冷媒温度が冷た過ぎるのか、熱過ぎるのかを判断でき、燃料電池の温度制御を精度よく行うことが可能になる。

また、前記燃料電池車両の車速を検出する車速検知手段を備え、前記フラップ制御手段は、前記車速検知手段により検知される車速に基づいて前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を補正することを特徴とする。

これによれば、さらに車速検知手段により検知される車速をフィードバックして、フラップを制御（フラップ開度補正）することにより、燃料電池の温度制御をより高精度に行うことが可能になる。

また、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記フラップ制御手段は、前記運転状態検知手段により前記燃料電池の運転モードが前記燃料電池の発電が停止している停止モードと判断された場合、前記外気温度検出手段により検出される外気温度が所定温度を超えているときに、前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を開として前記燃料電池の冷却装置を停止することを特徴とする。

これによれば、外気温度が所定温度を超えている場合に、フラップを開くことで、燃料電池を次回起動したときにオーバーヒートするのを防止できる。

また、前記冷却装置の冷媒を循環させる冷媒ポンプを備え、前記フラップ制御手段は、前記運転状態検知手段により前記燃料電池の運転モードが前記燃料電池の発電が停止している停止モードと判断された場合、前記外気温度検出手段により検出される外気温度が所定温度以下であるときに、前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を開として、前記冷媒ポンプを作動するとともに、前記ラジエータファンを作動する燃料電池急速冷却処理を行うことを特徴とする。

これによれば、外気温度が所定温度以下である場合に、フラップを開いて、ラジエータによる冷媒の放熱を促進（冷却を促進）させて、燃料電池が急速に冷却されるように制御することで、つまり、燃料電池に対して、最大氷結晶生成帯の温度領域（マイナス１℃〜マイナス５℃）を速やかに通過するように制御することで、燃料電池の膜（ＭＥＡ）の劣化を抑制することが可能になる。

また、前記目標冷媒温度と前記燃料電池の温度との差に基づいて前記ラジエータファンの回転速度を制御するラジエータファン制御手段を備えたことを特徴とする。

これによれば、ラジエータファンの回転速度を制御することにより、ラジエータでの放熱量を精度よく行うことが可能になる。
また、前記ラジエータファンは、前記ラジエータの背面に左右一対に設けられ、前記第１フラップおよび前記第２フラップは、左右それぞれの前記ラジエータファンに対応して配置され、前記フラップ制御手段は、前記燃料電池の温度制御を実行する場合、左右一方の前記第１フラップおよび前記第２フラップを開放することを特徴とする。
また、前記第２フラップは、前記ボックスの上面側に配置される上フラップ、前記ボックスの下面に配置される下フラップおよび前記ボックスの後面側に配置される後フラップを備え、前記ボックスの後方には前記燃料電池が配置され、前記フラップ制御手段は、前記燃料電池急速冷却処理を行う際、前記上フラップおよび前記後フラップを開き、かつ、前記下フラップを閉じることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の温度制御を精度よく行うことが可能な燃料電池車両を提供できる。

本実施形態の燃料電池車両のシステム構成を示す概略側面図である。 全フラップが開いた状態のボックスを示す外観斜視図を示し、（ａ）は斜め前方から見たとき、（ｂ）は斜め後方から見たときである。 全フラップが閉じた状態のボックスを示す外観斜視図を示し、（ａ）は斜め前方から見たとき、（ｂ）は斜め後方から見たときである。 ボックス内の燃料電池の冷却装置を後方から見たときの斜視図である。 図４のＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。 イオン交換器と冷媒ポンプの配置を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池車両に搭載される冷却系のシステム図である。 本実施形態の燃料電池車両の各運転モードにおける制御の一例を示すフローチャートである。 急速冷却制御における温度変化の一例を示すグラフである。 燃料電池の膜内部の状態を模式的に示した図であり、（ａ）は急速冷却したときの状態、（ｂ）はゆっくり冷却したときの状態である。 走行モードにおけるフラップ制御を示すフローチャートである。 車速に基づいてフラップの開度を補正する補正係数を求めるマップである。 フラップの別の制御を示す外観斜視図であり、（ａ）は斜め前方から見たとき、（ｂ）は斜め後方から見たときである。

以下、本実施形態の燃料電池車両について図１ないし図１３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池車両Ｖ（以下、車両Ｖと略記する）は、内部に燃料電池の冷却装置１が収容されたボックス１０、燃料電池ＦＣ、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００、温度センサ１０１、外気温度センサ１０２（外気温度検出手段）、車速センサ１０３（車速検知手段）、ＩＧ１０４、温度センサ１０５（図７参照）などで構成されている。

ボックス１０は、車両Ｖの前部のモータルームＭＲ内、さらに具体的には、モータルームＭＲ内の、車両Ｖのフロントグリル（不図示）の後方に位置している。また、ボックス１０は、車両Ｖの車体（バルクヘッド、フレームなど）にボルトなどで固定されている。なお、ボックス１０の詳細な構造については後記する。また、ボックス１０の後方には、燃料電池ＦＣが配置されている。

なお、本実施形態では、燃料電池ＦＣの設置位置は特に限定されるものではない。また、本実施形態は、四輪車に限定されるものではなく、二輪車、列車などにも適用できる。

燃料電池ＦＣは、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。

燃料電池ＦＣの内部には、燃料電池ＦＣを冷却する冷媒が通流する冷媒流路６が形成されている。冷媒は、例えば、エチレングリコール、水などの混合液からなる。

このような燃料電池ＦＣでは、アノードに高圧水素タンク（不図示）から水素が供給され、カソードに空気（酸素）が供給されることにより、触媒上で化学反応が起こり、燃料電池ＦＣが発電可能な状態となる。また、燃料電池ＦＣは、外部負荷（走行モータなど）と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池ＦＣが発電するようになっている。

図２（ａ），（ｂ）および図３（ａ），（ｂ）に示すように、ボックス１０は、側面視で略山型に形成された筐体１１と、フラップ装置１２とで構成されている。

筐体１１は、後記するラジエータ２１の傾斜に対応して、その前面は後傾している。一方、後面は前傾するように形成され、筐体１１の内部空間にデッドスペースが少なくなるように設定している。なお、筐体１１は、フラップ装置１２が取り付けられる面（前面、上面、下面、後面）に開口部が形成され、フラップ装置１２が取り付けられない左側面および右側面は、板状の部材などで閉塞されている。

また、ボックス１０の筐体１１には、後面の下端に、燃料電池ＦＣの冷媒流路６から延びる冷媒循環配管２７（図４参照）が挿通される貫通孔１１ａ，１１ｂが形成されている（図２（ｂ）および図３（ｂ）参照）。貫通孔１１ａからは、冷媒循環配管２７の配管２７ａ（図１参照）の端部が接続される導入口２６ａが突出し、貫通孔１１ｂからは、冷媒循環配管２７の配管２７ｆ（図１参照）の端部が接続される導出口２４ａが突出している。

フラップ装置１２は、ボックス１０の前面側に前フラップ１２ａ、上面側に上フラップ１２ｂ、下面側に下フラップ１２ｃ（一部のみ図示）、後面側に後フラップ１２ｄを有している。前フラップ１２ａは、四角形状の枠部１２ａ１，１２ａ２が左右に分割して形成され、枠部１２ａ１内に水平方向に長く形成された複数枚の羽根１２ａ３が上下方向に所定の間隔で回動自在に支持され、同様に枠部１２ａ２内に複数枚の羽根１２ａ４が上下方向に所定の間隔で回動自在に支持されることによって構成されている。また、上フラップ１２ｂも同様にして、左側に複数枚の羽根１２ｂ３、右側に複数枚の羽根１２ｂ４が配置されて構成されている。また、後フラップ１２ｄも同様にして、左側に複数枚の羽根１２ｄ３、右側に複数枚の羽根１２ｄ４が配置されて構成されている。なお、下フラップ１２ｃについても、同様にして、左側に複数枚の羽根（不図示）、右側に複数枚の羽根１２ｃ４が配置されて構成されている。

なお、前フラップ１２ａ、上フラップ１２ｂ、下フラップ１２ｃおよび後フラップ１２ｄには、それぞれ図示しないモータが減速ギア（不図示）を介して接続されており、後記するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００の制御によって、各モータが駆動されることにより、開閉、またはその開度が制御される。図２（ａ）および（ｂ）が、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄが全開した状態であり、図３（ａ）および（ｂ）が、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄが全閉した状態である。

図４に示すように、ボックス１０内には、ラジエータ２１、ラジエータファン２２，２２、冷媒ポンプ２３，２４、イオン交換器２５、サーモスタット弁２６、冷媒循環配管２７（冷媒循環路の一部）が収容されている。なお、図４は、ボックス１０からフラップ装置１２を取り外して、後方の斜め上方から見た状態を図示している。

ラジエータ２１は、外気を取り入れて、燃料電池ＦＣの発電によって生じた熱を、冷媒を介して放熱させるものである。また、ラジエータ２１は、前フラップ１２ａ（図２、図３参照）の背面全体を覆う表面積を有している。

また、ラジエータ２１は、冷媒の入口ポート２１ａ、冷媒の出口ポート２１ｂが設けられている（図４および図５参照）。また、ラジエータ２１は、ボックス１０内の前面に沿って、後傾した状態で配置されている（図５参照）。

ラジエータファン２２，２２は、後記するＥＣＵ１００によって制御される電動式のもので構成され、所定の外気をラジエータ２１の全面に強制通風させるためラジエータ２１の背面に、左右に並んで配置されている。

また、ラジエータ２１の入口ポート２１ａには、配管２７ｃ、冷媒ポンプ２３、配管２７ｂ、サーモスタット弁２６、配管２７ａ（図１参照）を介して燃料電池ＦＣの冷媒流路６（図１参照）の出口と接続されている。

また、ラジエータ２１の出口ポート２１ｂには、配管２７ｄ、ジョイント２８、配管２７ｅ、冷媒ポンプ２４、配管２７ｆ（図１参照）を介して燃料電池ＦＣの冷媒流路６（図１参照）の入口と接続されている。なお、本実施形態でのサーモスタット弁２６は、電気的な制御によって流路の切換えがなされるものである。なお、後記する急速冷却処理を必要としない車両Ｖであれば、サーモスタット弁として、内部のワックスの体積が温度によって変化することにより流路の切換えがなされるもので構成することも可能である。

なお、ラジエータ２１は、燃料電池ＦＣを冷却するＦＣ（Fuel Cell）用のみのラジエータが配置されたものであってもよいが、これに限定されず、ＦＣ用とエアコンディショナ（いわゆるエアコン）用とモータ（走行モータ３を含む駆動系を冷却するもの）用が前後方向に積層された構成であってもよい。例えば、前側からエアコン用、モータ用、ＦＣ用の順番で配置される。ちなみに、ＦＣ用、エアコン用、モータ用の冷却要求は、ほぼ同条件であると考えられるため、３枚が厚さ方向で重なっていても問題はなく、このように積層配置することにより、レイアウト効率を向上できる。

冷媒ポンプ２３，２４は、冷媒を循環させる電動式のものであり、後記するＥＣＵ１００によって循環流量が制御される。ちなみに、本実施形態では、２つの冷媒ポンプ２３，２４を備えることにより、単一の冷媒ポンプで構成する場合と較べて、それぞれの冷媒ポンプ２３，２４を小型かつ消費電力の少ないものとすることができる。また、冷媒ポンプ２３，２４は、ボックス１０内の底面に配置され、ボックス１０の筐体１１の底面に設けられた支持部材（不図示）にボルトなどを介して固定されている。

イオン交換器２５は、ポリプロピレン等から形成される円筒状のケース内に、イオン交換樹脂（陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂）が充填され、ボックス１０内の底面に車幅方向に沿って横置きの状態で配置されている。なお、イオン交換器２５の軸方向の両端部は、図示しないブラケットを介してボックス１０の底面に配設された支持部材１０ａ（図５参照）上にボルトなどを介して固定されている。

また、イオン交換器２５は、軸方向の一端側に、バイパス配管２７ｇ（配管接続部材、冷媒循環路）の一端が接続され、他端がサーモスタット弁２６の排出ポートに接続されている。また、イオン交換器２５は、軸方向の他端側に、バイパス配管２７ｈ（配管接続部材、冷媒循環路）の一端が接続され、他端がジョイント２８の戻りポートに接続されている。

図６に示すように、イオン交換器２５は、ボックス１０内の底面に、横置きで、かつ、左端（出口２５ｄ）が右端（入口２５ｃ）より車両Ｖの前後方向の前方に位置するように斜めに配置されている。また、イオン交換器２５は、ボックス１０内の底面の、左右方向（車幅方向）の中央に配置されている（図４参照）。

また、冷媒ポンプ２３，２４は、イオン交換器２５の入口２５ｃおよび出口２５ｄに接続されるバイパス配管２７ｇ，２７ｈの延長線Ｓに対して交差する位置（延長線Ｓ上のバイパス配管２７ｇ，２７ｈと重ならない位置）に配置されるとともに、イオン交換器２５を前後で挟むように配置されている。また、イオン交換器２５の前方の冷媒ポンプ２３は、イオン交換器２５に対して右寄りに配置され、イオン交換器２５の後方の冷媒ポンプ２４は、イオン交換器２５に対して左寄りに配置されている。

このように、ボックス１０の筐体１１の形状を山型として、燃料電池ＦＣの冷却装置１の主要部品をボックス１０の底面に配置したので、ボックス１０内のデッドスペースを少なくして、ボックス１０を小型化し、車両ＶのモータルームＭＲ内のデッドスペースを少なくしている。

なお、ボックス１０内には、余剰冷媒を一時的に貯留するリザーバタンク２９が設けられている。このリザーバタンク２９は、ボックス１０内の右端に位置し、右側のラジエータファン２２と前後方向において重ならないように湾曲して形成された湾曲面２９ｂを有する縦長の容器２９ａで構成されている。また、リザーバタンク２９は、配管（図示せず）を介してラジエータ２１に接続されている。

また、本実施形態の車両Ｖは、制御系として、ＥＣＵ１００、温度センサ１０１、外気温度センサ１０２、温度センサ１０５（図７参照）、ＩＧ（イグニッションスイッチ）１０４を備えている（図１参照）。

なお、燃料電池ＦＣの温度は、冷媒の温度に限定されるものではなく、燃料電池ＦＣの発熱状態、発熱状態を表す発電量に基づいて判断してもよい。

ＥＣＵ１００は、図７に示すように、フラップ装置１２の各モータ（不図示）を制御して各フラップ１２ａ〜１２ｄの開度を調整し、またラジエータファン２２，２２の各モータ（不図示）の回転速度を制御し、冷媒ポンプ２３，２４の各モータ（不図示）の回転速度を制御して冷媒の流量を調整する。また、ＥＣＵ１００は、運転状態検知手段、目標冷媒温度決定手段、フラップ制御手段（フラップ制御装置）、ラジエータファン制御手段を備えている。

運転状態検知手段は、燃料電池ＦＣの現在の運転モードを判断する機能を有し、例えば、燃料電池ＦＣの温度およびＩＧ１０４のＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて判断する。運転モードとしては、例えば、燃料電池ＦＣの起動（ＩＧ−ＯＮ）から暖機までの暖機モード、暖機完了後の通常走行である走行モード、ＩＧ１０４がＯＦＦされたときの停止モードなどである。このようにして現在の運転モードを判断し、この運転モードの情報に基づいてフラップ制御手段によってフラップ装置１２の各フラップ１２ａ〜１２ｄの開度を制御する。

目標冷媒温度決定手段は、燃料電池ＦＣの発電状態、温度などから冷媒の目標冷媒温度を決定し、目標冷媒温度と温度センサ１０１から得られる現在の冷媒温度（実冷媒温度）とを比較することで、冷媒を昇温させる必要があるのか（要受熱）、冷媒を冷却する必要があるのか（要放熱）を判断でき、さらに目標冷媒温度と外気温度とを比較することで、フラップ制御手段によってフラップ装置１２の各フラップ１２ａ〜１２ｄの開度を設定する。

フラップ制御手段は、運転状態検知手段によって判断された運転モード（車両状態）に基づいて各フラップ１２ａ〜１２ｄの開度を設定する。

ラジエータファン制御手段は、目標冷媒温度決定手段によって決定された目標冷媒温度と、燃料電池ＦＣの温度（実冷媒温度）との差に基づいてラジエータファン２２，２２の回転速度を制御する。例えば、目標冷媒温度が実冷媒温度よりも低い場合には、ラジエータファン２２，２２の回転速度を高めて、ラジエータ２１の冷却能力を高め、逆に目標冷媒温度が実冷媒温度よりも高い場合には、ラジエータファン２２，２２の回転速度を低め、または停止させる。

次に、本実施形態の車両Ｖにおけるフラップ制御の一例について図８および図１２を参照して説明する。ステップＳ１において、ＥＣＵ１００は、車両状態が停止モード（ＩＧ−ＯＦＦ）であるか、起動モード（ＩＧ−ＯＮ）であるかを判断する。停止モードは、複数の運転モードのうちのひとつであり、燃料電池ＦＣの発電が停止している状態である。停止モードであるか否かは、ＩＧ１０４のＯＮ／ＯＦＦ信号によって判断することができ、ＥＣＵ１００によってＩＧ−ＯＦＦ信号が検知された場合には（Ｓ１、Ｙｅｓ）、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、ＥＣＵ１００は、外気温度センサ１０２によって外気温度Ｔ３を検出する。そして、ステップＳ３に進み、ＥＣＵ１００は、外気温度Ｔ３が保温判定温度（所定温度、例えば、５℃）より低いか否かを判断する。このステップＳ３は、ボックス１０内の冷媒を保温するか否か、換言すると通常の停止か冬期の停止かを判断するステップである。

ステップＳ３において、ＥＣＵ１００は、外気温度Ｔ３が保温判定温度より低くない場合には（Ｎｏ）、ボックス１０内の冷媒を保温しないと判断して、ステップＳ４に進み、また、外気温度Ｔ３が保温判定温度よりも低い場合には（Ｙｅｓ）、ボックス１０内の冷媒を保温する必要があると判断して、ステップＳ５に進む。

ステップＳ４において、ＥＣＵ１００は、フラップを開く制御を行う。例えば、夏場など外気温度Ｔ３が高い場合には、フラップを開いておくことにより、外気に対して通常の放熱状態とする。具体的には、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄを開き、ラジエータファン２２，２２および冷媒ポンプ２３，２４を停止する（停止モード）。

また、ステップＳ３において、ＥＣＵ１００は、外気温度Ｔ３が保温判定温度以上と判断した場合には（Ｙｅｓ）、ボックス１０内の冷媒を保温する必要があると判断し、ステップＳ５に進み、燃料電池ＦＣの温度（冷媒温度：以下、ＦＣ冷媒温度とする）Ｔ２を検出する。そして、ステップＳ６に進み、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が急速冷却準備開始温度（例えば、１℃）より低いか否かを判断する。なお、１℃に限定されるものではなく、０℃や２℃などであってもよい。

ステップＳ６において、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が急速冷却準備開始温度以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、保温が必要である、または保温中であると判断して、ステップＳ１２に進み、フラップを閉じる制御を行う。具体的には、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄを閉じる制御を行う。また、ステップＳ６において、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が急速冷却準備開始温度よりも低いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、急速冷却の準備が必要であると判断して、ステップＳ７に進み、フラップを開く制御を行う。なお、ここで設定される急速冷却準備開始温度は、最大氷結晶生成帯の温度領域（マイナス１℃〜マイナス５℃）よりも高い温度に設定される。

そして、ステップＳ８において、ＥＣＵ１００は、急速冷却を実行する前の急速冷却準備処理に移行する。この急速冷却準備処理は、例えば、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄを開き、ラジエータファン２２，２２を作動させる制御を行う。なお、冷媒ポンプ２３，２４は停止している。

これにより、外気をボックス１０内に強制的に取り込むことによって、ボックス１０内が冷やされて、ボックス１０内の冷媒が冷却される。すなわち、外気がラジエータ２１のフィン間を通過することにより、ラジエータ２１内の冷媒が冷却され、また、ボックス１０内に外気を取り込むことによって、配管２７ｂ〜２７ｅ、バイパス配管２７ｇ，２７ｈ内の冷媒が冷却される。

なお、ステップＳ８での処理は、ボックス１０内の冷媒のみを冷やす処理であるため、例えば、後フラップ１２ｄのみを閉じて、ボックス１０の後方に位置する燃料電池ＦＣに冷却風が当たらないようにしてもよい。

そして、ステップＳ９に進み、ＥＣＵ１００は、ボックス１０内の冷媒温度Ｔ４（図７参照）を検出する。そして、ステップＳ１０に進み、ＥＣＵ１００は、冷媒温度Ｔ４がＦＣ冷媒温度Ｔ２よりも低いか否かを判断する。ステップＳ１０は、ボックス１０内の冷媒温度Ｔ４が、ＦＣ冷媒温度Ｔ２より低下したかどうかを判断する処理である。ステップＳ１０において、ＥＣＵ１００は、ボックス１０内の冷媒温度Ｔ４がＦＣ冷媒温度Ｔ２より低くはないと判断した場合には（Ｎｏ）、急速冷却を実行することなくリターンし、冷媒温度Ｔ４がＦＣ冷媒温度Ｔ２よりも低いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に進む。なお、ステップＳ１０の判断としては、冷媒温度Ｔ４に限定されるものではなく、タイマを用いて経過時間によって判断してもよい。

そして、ステップＳ１１において、ＥＣＵ１００は、燃料電池ＦＣを急速冷却する処理（燃料電池急速冷却処理）を実行する。すなわち、ＥＣＵ１００は、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄを開き、冷媒ポンプ２３，２４を作動させ、全量の冷媒がラジエータ２１側に流れるようにサーモスタット弁２６を電気的に制御する。

図９においてグラフで示すように、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が急速冷却準備開始温度よりも低くなった場合には（Ｓ６、Ｙｅｓ）、フラップを開いて急速冷却準備を開始することで、ボックス１０内の冷媒が保温状態から解除されるので、一点鎖線のグラフで示すように、ボックス１０内の冷媒温度Ｔ４が途中から急速に低下する（Ｓ７、Ｓ８）。なお、ＦＣ冷媒温度Ｔ２は、冷媒ポンプ２３，２４が作動していないので、実線のグラフで示すように、温度低下率を変化させることなく徐々に低下する。そして、ボックス１０内の冷媒温度Ｔ４がＦＣ冷媒温度Ｔ２よりも低くなった場合には、燃料電池ＦＣの急速冷却が開始される。急速冷却が開始されると、ボックス１０内で冷やされた冷媒が燃料電池ＦＣに供給され、燃料電池ＦＣとラジエータ２１との間で冷媒が循環することで、燃料電池ＦＣが急速冷却される。

これにより、燃料電池ＦＣを、最大氷結晶生成帯（マイナス１℃〜マイナス５℃）の温度領域を通過する際の時間が短縮化（燃料電池急速冷却処理を行わない場合より短縮化）されて、燃料電池ＦＣが急速冷却される。

なお、ステップＳ１１の急速冷却において、前フラップ１２ａ、上フラップ１２ｂおよび後フラップ１２ｄを開き、下フラップ１２ｃを閉じ、冷媒ポンプ２３，２４を作動させるようにしてもよい。これにより、前フラップ１２ａから吸引されてラジエータ２１の背面から排出された排風（冷却風）が、上フラップ１２ｂおよび後フラップ１２ｄから排出され、ボックス１０の後方に位置するセンタトンネルＳＴ（図１参照）内を通ることで、センタトンネルＳＴ内の燃料電池ＦＣが冷却される。なお、このとき、下フラップ１２ｃを閉じることによって、ラジエータファン２２，２２の排風が、燃料電池ＦＣ側に流れ易くなる。つまり、ラジエータファン２２の排風がボックス１０の底面から地面側に漏れないようにしている。これによって、冷媒の循環と排風とによって燃料電池ＦＣが急速冷却される。

このような急速冷却制御によって、図９に示すように、最大氷結晶生成帯を通過する際の冷却速度が速くなり、図１０（ａ）に示すように、電極（アノード、カソード）内に氷の核（図中の○印）が存在していても、電解質膜内の不凍水（過冷却水）が氷の核に吸い寄せられることなく、電解質膜内で凍結し、氷結晶の成長が抑制される。一方、図１０（ｂ）に示すように、最大氷結晶生成帯における冷却速度がゆっくり（緩慢冷却）である場合には（比較例）、電極内に発生する氷の核に電解質膜中の不凍水（過冷却水）が吸い寄せられて、凝固して氷結晶が成長する。このとき、電極と電解質膜とに跨って氷結晶が成長することにより、氷結晶によって電解質膜が破損する事象が発生することになる。よって、燃料電池ＦＣを最大氷結晶生成帯において急速冷却することによって、氷結晶の成長を抑制できるので、燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができる。

なお、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度（実冷媒温度Ｔ２）が最大氷結晶生成帯の温度領域を下回ったときに、急速冷却制御が完了したと判断する。なお、急速冷却制御の完了条件はＦＣ冷媒温度Ｔ２に限定されるものではなく、事前の実験やシミュレーションなどにより決めた時間に基づいて判断してもよい。

なお、急速冷却制御を行う場合には、前もって、燃料電池ＦＣ内に残留する生成水を車外に排出することが好ましい。生成水を排出する方法としては、図示しないエアコンプレッサを作動させて、燃料電池ＦＣのアノード側とカソード側に掃気ガスとしての空気を送り込むことによって行うことができる。なお、エアコンプレッサの空気をアノード側に送るには、例えば、燃料電池ＦＣの上流において、カソード側の配管とアノード側の配管とを接続することによって行うことができる。

また、ステップＳ１において、ＥＣＵ１００は、ＩＧ−ＯＮである（停止モードではない）と判断した場合、ステップＳ１３に進み、ＦＣ冷媒温度Ｔ２を検出する。そして、ステップＳ１４に進み、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が暖機完了温度より低いか否かを判断する。なお、暖機とは、燃料電池ＦＣの暖機であり、低温環境下（例えば、氷点下）、常温の環境下において実行される処理である。例えば、外気温度Ｔ３やＦＣ冷媒温度Ｔ２が、所定温度（例えば、１０℃）以下の場合に実行される。また、暖機完了の条件（暖機完了温度）としては、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が所定温度（発電を効率的に行うことができる温度、例えば、３０℃）以上となったときである。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が暖機完了温度よりも低いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５に進み、フラップを閉じる制御を行う。具体的には、フラップ装置１２の全フラップ１２ａ〜１２ｄを閉じる制御を行う。また、冷媒の全量がバイパス配管２７ｇ，２７ｈ側に流れるようにサーモスタット弁２６を電気的に制御し（図４、図７参照）、冷媒ポンプ２４を作動させる。これにより、暖機が促進される。なお、ステップＳ１５において、フラップ１２ａ〜１２ｃを閉じ、後フラップ１２ｄを開くことで、モータルームＭＲ内の部品の熱をボックス１０内に取り込むようにしてもよい。

また、ステップＳ１４において、ＥＣＵ１００は、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が暖機完了温度以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６に進み、図１１に示す走行モード時の制御を実行する。すなわち、ステップＳ２１において、ＥＣＵ１００は、燃料電池ＦＣの温度、燃料電池ＦＣの現在の発熱量などから冷媒の目標冷媒温度Ｔ１を算出する。なお、走行モードでは、ＥＣＵ１００の制御によって、冷媒の温度に応じてサーモスタット弁２６の流路が、ラジエータ２１側、バイパス配管２７ｇ，２７ｈ側に切り替えられる。

そして、ステップＳ２２に進み、ＥＣＵ１００は、目標冷媒温度Ｔ１が実冷媒温度Ｔ２（現在の冷媒温度、ＦＣ冷媒温度）よりも高いか否かを判断し、目標冷媒温度Ｔ１が実冷媒温度Ｔ２よりも高いと判断した場合（Ｙｅｓ）、つまり現在の冷媒の温度が低すぎるとして、ステップＳ２３に進み、フラップの開度が小さくなるように制御を行う（要受熱）。また、ステップＳ２２において、目標冷媒温度Ｔ１が実冷媒温度Ｔ２よりも高くはないと判断した場合（Ｎｏ）、つまり現在の冷媒の温度が高すぎるとして、ステップＳ２４に進み、フラップの開度が大きくなるように制御を行う（要放熱）。

なお、同じ受熱量を望む場合、低車速ではフラップの開度を大側に補正し、高車速ではフラップの開度を小側に補正することが好ましい。例えば、図１２に示すように、基準車速を例えば、５０ｋｍ／時とした場合、車速が基準車速よりも低い場合には、補正係数を１より大きくして、フラップの開度を大側に補正する。また、車速が基準車速よりも高い場合には、補正係数を１より小さくして、フラップの開度を小側に補正する。また、同じ放熱量を望む場合には、図１２で説明したように、低車速ではフラップの開度を大側、高車速ではフラップの開度を小側に補正することが好ましい。

なお、燃料電池ＦＣが暖機モードである場合（Ｓ１５）、保温効果によって、暖機モードの時間を短縮できるので、燃費、発電性能、燃料電池ＦＣの耐久性の向上が図れる。また、燃料電池ＦＣが走行モードである場合には（Ｓ１６）、フラップ装置１２のフラップを可変にすることにより、冷媒の細かな温度制御が可能になるので、燃費、発電性能および燃料電池ＦＣの耐久性を向上できる。また、燃料電池ＦＣが停止モード（停止→保温）である場合には（Ｓ１２）、燃料電池ＦＣを次回起動する際の起動時間を短縮することが可能になるので、発電性能を向上でき、さらに燃料電池ＦＣが低温環境下に曝されるのを抑制できるので、燃料電池ＦＣの耐久性も向上できる。また、燃料電池ＦＣが停止モード（保温→急速冷却準備、急速冷却）である場合には（Ｓ８、Ｓ１１）、燃料電池ＦＣを最大氷結晶生成帯の温度領域で急速冷却を行うので、氷結晶の成長を抑えることができ、燃料電池ＦＣの耐久性を向上できる。

以上説明したように、本実施形態の車両Ｖでは、ボックス１０内に燃料電池ＦＣの冷却装置１の主要部品（ラジエータ２１、冷媒ポンプ２３，２４、イオン交換器２５）を集中配置したことにより、主要部品を分散配置した場合に比べて、冷媒循環配管２７の配管長を短縮することが可能になる。このように配管長を短縮できることにより、配管内を冷媒が流れるときの圧力損失が低減され、配管径を小さくすることが可能になる。これにより、配管内の保有冷媒量を低減することが可能になり、配管の軽量化およびコストの削減が可能になる。さらに、保有冷媒量を低減できることにより、低温環境下での使用において、燃料電池ＦＣを暖機する際の暖機時間（昇温時間）を短縮することが可能になる。さらに、ボックス１０からは、導入口２６ａと導出口２４ａのみが出ていることから、燃料電池ＦＣの冷却装置１をボックス１０内にコンパクトに収めてユニット化することによって、冷却装置１の車両Ｖへの取り付け、冷却装置１の交換時の作業工程数および作業時間を削減することが可能になる。さらに、配管固定用のブラケット類や接続箇所を少なくすることができ、さらに他車種への搭載など汎用性を高めることができる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、ボックス１０内への外気流入量を車両状態（暖機モード、走行モード、各停止モード）に合わせて任意に調整するフラップ装置１２を設けたので、ラジエータ２１での放熱性能の制御（燃料電池ＦＣの温度調整制御）を精度よく行うことが可能になる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、フラップ装置１２を、ボックス１０の前面、後面、上面および底面に設けたことにより、車両状態や車外の環境等に応じて、フラップ装置１２の各フラップ１２ａ〜１２ｄを調整することで、冷媒の温度をさらに精度よく制御することが可能となる。

また、ラジエータ２１以外のデバイス類（イオン交換器２５、冷媒ポンプ２３，２４）をボックス１０の底面（同一面）に配置することで、デバイス類のマウント構造の簡素化および軽量化が可能になる。

さらに、本実施形態の車両Ｖでは、ラジエータ２１と冷媒循環配管２７をボックス１０内に収容するとともに、ボックス１０内に外気を取り入れ可能なフラップ装置１２を設けて、運転状態検知手段によって検知された燃料電池ＦＣの運転状態（運転モード）に基づいてフラップ装置１２のフラップの開度を調整することにより、それぞれの運転状態（車両状態）に適した温度に燃料電池ＦＣを精度よく調整することが可能になる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、ＩＧ１０４のＯＮ／ＯＦＦ信号状態および燃料電池ＦＣの温度から複数の運転モードを判断することで、複数の運転モード（暖機モード、停止モード、走行モードなど）を容易に判断することができる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、燃料電池ＦＣの温度や発熱量などにより算出された目標冷媒温度Ｔ１と、燃料電池ＦＣの温度（実冷媒温度Ｔ２）とを比較することにより、要受熱であるか要放熱であるかを判断できる。さらに、フラップ装置１２のフラップ開度を制御することで、燃料電池ＦＣの温度制御を高精度に行うことが可能になる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、車速センサ１０３により検知される車速に基づいてフラップ装置１２を補正することにより、燃料電池ＦＣの温度制御をより高精度に行うことが可能になる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、停止モード（ＩＧ−ＯＦＦ）時に、外気温度センサ１０２により外気温度Ｔ３を検出して、外気温度Ｔ３が所定温度（保温判定温度）以上であるときに、全フラップ１２ａ〜１２ｄの開度を開として燃料電池ＦＣの冷却装置１を停止するので、ボックス１０外への放熱が促進され、冷媒が効率的に冷却される。その結果、次回燃料電池ＦＣを起動する際に、オーバーヒートするのを防止することが可能になる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、停止モード（ＩＧ−ＯＦＦ）時に、外気温度Ｔ３が保温判定温度よりも低く、かつ、ＦＣ冷媒温度Ｔ２が急速冷却準備開始温度より低いときに、フラップ装置１２のフラップを開いて、ラジエータファン２２，２２を作動させてボックス１０内の冷媒を冷却し、さらに、ボックス１０内の冷媒温度Ｔ４がＦＣ冷媒温度Ｔ２よりも低くなったときに、ラジエータファン２２，２２および冷媒ポンプ２３，２４を作動させて、燃料電池ＦＣに対して、最大氷結晶生成帯の温度領域（マイナス１℃〜マイナス５℃）を速やかに通過するように急速冷却することで、氷結晶の成長が抑えられて、燃料電池の電解質膜などの劣化を抑制することが可能になる。

また、本実施形態の車両Ｖでは、目標冷媒温度Ｔ１とＦＣ冷媒温度Ｔ２との差に基づいて、フラップ装置１２のフラップ制御とともにラジエータファン２２，２２の回転速度を制御することで、燃料電池ＦＣの温度制御をさらに精度よく行うことが可能になる。

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できる。例えば、図１３に示すように、左右の一方のフラップ装置１２Ａ（またはフラップ装置１２Ｂ）のみを開放して、燃料電池ＦＣの温度制御を行うようにしてもよい。このように、左右の一方のフラップ装置１２Ａ（または１２Ｂ）のラジエータファン２２のみを作動させることにより、消費電力の削減が可能となる。さらに、左右のフラップ装置１２Ａ，１２Ｂの開閉に加えて、各フラップ装置１２Ａ，１２Ｂのフラップ１２ａ〜１２ｄの開度を調整して燃料電池ＦＣの温度制御を行ってもよい。

１ 燃料電池の冷却装置
１０ ボックス
１２ フラップ装置
１２ａ 前フラップ（フラップ）
１２ｂ 上フラップ（フラップ）
１２ｃ 下フラップ（フラップ）
１２ｄ 後フラップ（フラップ）
２１ ラジエータ
２２ ラジエータファン
２３，２４ 冷媒ポンプ
２４ａ 導出口
２５ イオン交換器
２５ｃ 入口
２５ｄ 出口
２６ａ 導入口
２７ｇ，２７ｈ バイパス配管（配管接続部材）
２７ａ〜２７ｆ 配管（冷媒循環路）
１００ ＥＣＵ（運転状態検知手段、目標冷媒温度決定手段、フラップ制御手段、ラジエータファン制御手段）
１０１，１０５ 温度センサ
１０２ 外気温度センサ（外気温度検出手段）
１０３ 車速センサ（車速検知手段）
１０４ ＩＧ
ＦＣ 燃料電池
Ｖ 燃料電池車両

Claims (9)

1. 燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環路と、
   前記冷媒循環路中に設けられるラジエータと、
   前記ラジエータに冷却風を通流させるラジエータファンと、
   を備えた燃料電池の冷却装置が搭載された燃料電池車両において、
   前記ラジエータを収容するボックスと、
   前記ボックスに設けられ、前記ボックス内に外気を取り入れ可能な第１フラップと、
   前記ボックスに設けられ、前記ボックス内から外気を取り出し可能な第２フラップと、
   前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を調整可能なフラップ制御手段と、
   少なくとも前記燃料電池の温度を含む前記燃料電池の運転状態を検知する運転状態検知手段と、を備え、
   前記冷却風の流れ方向に対して上流側から、前記第１フラップ、前記ラジエータ、前記ラジエータファン、前記第２フラップの順に配置され、
   前記フラップ制御手段は、前記運転状態検知手段によって判断される前記燃料電池の運転状態の情報に基づいて前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を調整することを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記燃料電池の運転状態は、複数の運転モードを含み、
   前記運転状態検知手段は、前記複数の運転モードを、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号状態と、前記燃料電池の温度とに基づいて判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記燃料電池の温度から目標冷媒温度を算出する目標冷媒温度算出手段を備え、
   前記フラップ制御手段は、前記目標冷媒温度算出手段で算出された目標冷媒温度と、前記運転状態検知手段からの前記燃料電池の温度と、に基づいて前記燃料電池の冷却装置の冷媒の温度が目標冷媒温度となるように前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両。
4. 前記燃料電池車両の車速を検出する車速検知手段を備え、
   前記フラップ制御手段は、前記車速検知手段により検知される車速に基づいて前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を補正することを特徴する請求項３に記載の燃料電池車両。
5. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
   前記フラップ制御手段は、前記運転状態検知手段により前記燃料電池の運転モードが前記燃料電池の発電が停止している停止モードと判断された場合、前記外気温度検出手段により検出される外気温度が所定温度を超えているときに、前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を開として前記燃料電池の冷却装置を停止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
6. 前記冷却装置の冷媒を循環させる冷媒ポンプを備え、
   前記フラップ制御手段は、前記運転状態検知手段により前記燃料電池の運転モードが前記燃料電池の発電が停止している停止モードと判断された場合、前記外気温度検出手段により検出される外気温度が所定温度以下であるときに、前記第１フラップおよび前記第２フラップの開度を開として、前記冷媒ポンプを作動するとともに、前記ラジエータファンを作動する燃料電池急速冷却処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両。
7. 前記目標冷媒温度と前記燃料電池の温度との差に基づいて前記ラジエータファンの回転速度を制御するラジエータファン制御手段を備えたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池車両。
8. 前記ラジエータファンは、前記ラジエータの背面に左右一対に設けられ、
   前記第１フラップおよび前記第２フラップは、左右それぞれの前記ラジエータファンに対応して配置され、
   前記フラップ制御手段は、前記燃料電池の温度制御を実行する場合、左右一方の前記第１フラップおよび前記第２フラップを開放することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
9. 前記第２フラップは、前記ボックスの上面側に配置される上フラップ、前記ボックスの下面に配置される下フラップおよび前記ボックスの後面側に配置される後フラップを備え、
   前記ボックスの後方には前記燃料電池が配置され、
   前記フラップ制御手段は、前記燃料電池急速冷却処理を行う際、前記上フラップおよび前記後フラップを開き、かつ、前記下フラップを閉じることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池車両。

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