JP5477163B2 - 冷媒回路調整装置および冷媒回路調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる冷媒回路調整装置および冷媒回路調整方法に関する。

従来、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の廃熱を車室内の温度調節の熱源に利用する技術が知られている。詳しくは、燃料電池が途中に配置された冷却液循環路（以下、「燃料電池側冷却液循環路」と呼ぶ）と、ヒータコアが途中に配置された冷却液循環路（以下、「空調側冷却液循環路」と呼ぶ）とを連携することにより、燃料電池から排出された冷却液をヒータコアに供給し、ヒータコアにより温度調節された空気を車室内に供給する（例えば、特許文献１）。

なお、特許文献１には、燃料電池の間欠運転時に、燃料電池側冷却液循環路に含まれるポンプにより、空調側冷却液循環路に含まれるポンプの負荷を軽減させることが記載されている。

特開２００８−９４２０７号公報

前記従来の技術においては、燃料電池側冷却液循環路および空調側冷却液循環路は、切り離されて個別に動作させる場合も多いが、この場合に、空調側冷却液循環路に含まれるポンプが故障して空調側冷却液循環路の流れが悪くなったとき、ヒータコアに熱を供給することができず、暖房のききが悪くなる。一方、燃料電池側冷却液循環路に含まれるポンプが故障して燃料電池側冷却液循環路の流れが悪くなったときに、燃料電池を冷却することができない。このように、ポンプが故障した場合に、故障したポンプを含む冷却液循環路において冷媒の流れが悪くなるという問題が発生した。

本発明は、ポンプが故障した場合に、故障したポンプを含む冷却液循環路において冷媒の流れの悪化を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる冷媒回路調整装置であって、冷媒の循環回路であって、前記燃料電池と第１のウォーターポンプとが配置される第１循環回路と、冷媒の循環回路であって、ヒータコアと第２のウォーターポンプとが配置される第２循環回路と、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで前記燃料電池の廃熱を前記ヒータコアに伝達しうる連携状態と、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離すことで前記燃料電池の廃熱が前記ヒータコアに伝達しない独立状態との間で、冷媒回路の切り換えを行う回路切換部と、前記燃料電池の温度に応じて前記回路切換部を制御する回路切換制御部と、前記第１および第２のウォーターポンプのいずれか一方が故障したことを検出する故障検出部と、前記故障検出部により故障が検出されたときに、前記回路切換部を制御して冷媒回路を前記連携状態に切り換える故障時制御部とを備える冷媒回路調整装置。

適用例１に記載の冷媒回路調整装置によれば、燃料電池の温度に応じて、連携状態か独立状態かの切り換えがなされる。さらに、第１および第２のウォーターポンプのいずれか一方が故障したときに、連携状態に強制的に切り換えられる。このために、第１および第２のウォーターポンプのいずれか一方が故障した場合に、他方側のウォーターポンプの働きにより、故障したウォーターポンプを含む循環回路において冷媒の流れを高めることができる。したがって、故障したポンプを含む冷却液循環路において、冷媒の流れが悪化することを防止することができる。すなわち、故障検出部が、第１のウォーターポンプが故障したことを検出する構成である場合に、第１循環回路において冷媒の流れが悪化することを防止することができ、この結果、燃料電池を冷却することができなくなることを防止することができる。また、故障検出部が、第２のウォーターポンプが故障したことを検出する構成である場合に、第２循環回路において冷媒の流れが悪化することを防止することができ、この結果、ヒータコアに熱を供給することができなって暖房のききが悪化することを防止することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の冷媒回路調整装置であって、前記故障時制御部は、前記故障検出部により故障が検出されたときに、前記第１および第２のウォーターポンプのうちで故障が検出されていない側のウォーターポンプの吐出量を増大させる吐出量増大部を備える冷媒回路調整装置。

故障が検出されていない側のウォーターポンプの吐出量によって、第１および第２循環回路の双方の循環を担うために、適用例２の構成とすることで、より確実に、冷媒を循環させることができる。

［適用例３］ 適用例２に記載の冷媒回路調整装置であって、前記故障時制御部は、前記吐出量増大部により前記吐出量の増大を行ったときに、前記燃料電池の運転状態を変化させて前記燃料電池の温度を上昇させる燃料電池温度制御部を、さらに備える冷媒回路調整装置。

吐出量増大部により、故障が検出されていない側のウォーターポンプの吐出量を増大させたことで、熱量の持ち出し量が増加するが、適用例３の構成とすることで、第１および第２循環回路内を流れる冷媒の温度の低下を抑えることができる。

［適用例４］ 適用例２に記載の冷媒回路調整装置であって、前記故障時制御部は、前記吐出量増大部により前記吐出量の増大を行ったときに、前記ヒータコアを用いた暖房で利用する冷媒の熱量を減少させる暖房低下部を、さらに備える冷媒回路調整装置。

吐出量増大部により、故障が検出されていない側のウォーターポンプの吐出量を増大させたことで、熱量の持ち出し量が増加するが、適用例４の構成とすることで、第１および第２循環回路内を流れる冷媒の温度の低下を抑えることができる。

［適用例５］ 冷媒の循環回路であって、燃料電池と第１のウォーターポンプとが配置される第１循環回路と、冷媒の循環回路であって、ヒータコアと第２のウォーターポンプとが配置される第２循環回路と、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで前記燃料電池の廃熱を前記ヒータコアに伝達しうる連携状態と、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離すことで前記燃料電池の廃熱が前記ヒータコアに伝達しない独立状態との間で、冷媒回路の切り換えを行う回路切換部とを備える燃料電池搭載装置における冷媒回路調整方法であって、前記燃料電池の温度に応じて前記回路切換部を制御し、前記第１および第２のウォーターポンプのいずれか一方が故障したことを検出し、前記故障が検出されたときに、前記回路切換部を制御して冷媒回路を前記連携状態に切り換える、冷媒回路調整方法。

適用例５に記載の冷媒回路調整方法によれば、適用例１に記載の冷媒回路調整装置と同様に、故障したポンプを含む冷却液循環路において、冷媒の流れが悪化することを防止することができる。

さらに、本発明は、上記適用例１ないし５以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の冷媒回路調整装置を車両以外の移動体や定置用装置に設けた形態で実現することが可能である。

第１実施例の冷媒回路調整装置としての空調システム１０の構成を示す説明図である。 空調システム１０における冷媒流路の独立状態の一態様を示す説明図である。 空調システム１０における冷媒流路の連携状態の一態様を示す説明図である。 回路切換制御ルーチンを示すフローチャートである。 故障時制御ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施例における故障時制御ルーチンを示すフローチャートである。 第４実施例の冷媒回路調整装置としての空調システム２１０の構成を示す説明図である。 第４実施例における故障時制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．ハードウェア構成：
図１は、本発明の第１実施例の冷媒回路調整装置としての空調システム１０の構成を示す説明図である。この空調システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載されて用いられる。空調システム１０は、燃料電池（以下「ＦＣとも呼ぶ）スタック２０と、第１循環回路Ｃ１と、第２循環回路Ｃ２と、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を接続させる２つの冷媒流路（以下、「循環回路接続用冷媒流路」と呼ぶ）６５，６９と、空調機構５０と、制御ユニット１００とを備えている。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有する単セルが複数積層された構成を備えている。燃料電池スタック２０には、図示しない水素ガスタンクから、燃料ガスとしての水素ガスが燃料ガス流路２２を介して供給される。また、燃料電池スタック２０には、図示しないエアーコンプレッサにより、酸化剤ガスとしての空気（エアー）が酸化剤ガス流路２４を介して供給される。燃料電池スタック２０には、上述した燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて、冷却媒体（以下、単に「冷媒」とも呼ぶ）が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが冷媒によって冷却される。本実施例では、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を冷媒としてもよい。

燃料電池スタック２０には、負荷が電気的に接続されており、燃料電池スタック２０における電気化学反応により生じた電力が負荷に供給される。ここで、負荷とは、例えば、図示しない電気自動車の駆動用モータ、後述する２つの電動ファン３１，５２、電気ヒータ５５、および２つのウォーターポンプ（以下、単に「ポンプ」と呼ぶ）３２，５４等を意味する。

第１循環回路Ｃ１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒の環状の流路である。この第１循環回路Ｃ１に、前述した燃料電池スタック２０と、ラジエータ３０と、第１ポンプ３２とが、この順に配置されている。第１循環回路Ｃ１には、ラジエータ３０をバイパスするバイパス流路３４が設けられている。第１循環回路Ｃ１におけるラジエータ３０の流出口と第１ポンプ３２の流入口とを結ぶ流路とバイパス流路３４との接続部に、第１三方弁３３が設けられている。すなわち、バイパス流路３４の一方端３４ａは、第１循環回路Ｃ１における燃料電池スタック２０の流出口とラジエータ３０の流入口とを結ぶ流路の途中に接続され、バイパス流路３４の他方端３４ｂは、第１三方弁３３に接続される。

第１三方弁３３は、電磁弁であり、弁の開度を調整することにより、ラジエータ３０の流出口側から第１ポンプ３２の流入口側へ流通する冷媒と、バイパス流路３４から第１ポンプ３２の流入口側へ流通する冷媒との流量比を調整する。

ラジエータ３０の近傍には、第１電動ファン３１が配置されている。ラジエータ３０は、第１循環回路Ｃ１において燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、第１電動ファン３１からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。バイパス流路３４は、前述したようにラジエータ３０をバイパスする流路であることから、バイパス流路３４を通過する冷媒の放熱量は、第１循環回路Ｃ１を通過する冷媒の放熱量に比べて少ない。

第１ポンプ３２は、第１三方弁３３から送られてきた冷媒を燃料電池スタック２０へと送出する。図１において、太い実線の矢印は、冷媒の流れを示している。図１の例では、冷媒は、第１循環回路Ｃ１において、燃料電池スタック２０とラジエータ３０との間で循環している。なお、図２に示すように、空調システム１０では、冷媒がラジエータ３０に流入せず、燃料電池スタック２０とバイパス流路３４との間で循環している場合もある。図１の冷媒の流れと図２の冷媒の流れとは、第１三方弁３３を制御することで切り換えることができる。

第２循環回路Ｃ２は、空調機構５０に用いられる冷媒の環状の流路である。第２循環回路Ｃ２には、第２ポンプ５４と、電気ヒータ５５と、ヒータコア５１とが、この順に接続されている。ヒータコア５１は、空調機構５０に含まれる暖房用熱交換器である。なお、この第２循環回路Ｃ２側に設けられた第２ポンプ５４を「空調側ポンプ」と呼ぶ。第１循環回路Ｃ１側に設けられた第１ポンプ３２は、「燃料電池側ポンプ」と呼ぶ。

第２循環回路Ｃ２における空調側ポンプ５４の上流側には、第２三方弁５８が配置されている。第２三方弁５８における第２循環回路Ｃ２以外の接続端５８ａは、一方の循環回路接続用冷媒流路６９と接続されている。第２循環回路Ｃ２におけるヒータコア５１の流出口と第２三方弁５８の流入口とを結ぶ流路の途中５９は、他方の循環回路接続用冷媒流路６５と接続されている。各循環回路接続用冷媒流路６５、６９の他方端６５ａ、６９ａは、第１循環回路Ｃ１における、燃料電池スタック２０の流出口と、バイパス流路３４の一方端３４ａとの間の流路部分に接続されている。循環回路接続用冷媒流路６９の他方端６９ａは、循環回路接続用冷媒流路６５の他方端６５ａよりも上流側にあり、両他方端６５ａ、６９ａの間の距離はＬとなっている。

距離Ｌは、第１循環回路Ｃ１における燃料電池スタック２０とラジエータ３０との間の距離に比べて、かなり短い。これにより、第１循環回路Ｃ１側では、圧損が少ないので制御容易となる効果がある。第２循環回路Ｃ２では、ＦＣ冷媒温度の急激な変化の影響を受け難いことから、暖房能力の変化が、燃料電池負荷の変化に伴って発生し難いという効果がある。

前記途中５９と第２三方弁５８の間の流路６６を、以下、「第２循環回路内所定流路」と呼ぶ。第２三方弁５８は、電磁弁であり、弁の開度を調整することにより、第２循環回路内所定流路６６を開いて循環回路接続用冷媒流路６９を閉じる状態と、第２循環回路内所定流路６６を閉じて循環回路接続用冷媒流路６９を開く状態とのいずれかに切り替える。

空調側ポンプ５４は、第２三方弁５８と電気ヒータ５５との間に配置され、第２循環回路内所定流路６６または循環回路接続用冷媒流路６９から送られてきた冷媒をヒータコア５１へと送出する。電気ヒータ５５は、空調側ポンプ５４とヒータコア５１との間に配置されており、流通する冷媒を温める。

空調機構５０は、前述したヒータコア５１と、第２電動ファン５２と、ケーシング５３とを備えている。ヒータコア５１は、加熱用熱交換機であり、第２循環回路Ｃ２を流通する冷媒の熱によって昇温される。第２電動ファン５２は、ヒータコア５１に対して送風することにより、ケーシング５３の外部（車室内）に向けてヒータコア５１により温められた空気を送出する。なお、空調機構５０は、図示しないダクトを介して、各種吹出口（ベンチレーター，フット，デフロスタ等）と接続され、これら吹出口から温風を送出する。

図１の例では、第２三方弁５８は、第２循環回路内所定流路６６を開いて循環回路接続用冷媒流路６９を閉じる状態となっており、冷媒は、第２循環回路Ｃ２において、第２循環回路内所定流路６６、電気ヒータ５５、ヒータコア５１の順序で循環している。すなわち、図１の例では、第１循環回路Ｃ１および第２循環回路Ｃ２において、それぞれ独立して冷媒が循環されている。以下、このように、空調システム１０において、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とで互いに独立して冷媒が循環されている状態を「独立状態」と呼ぶ。

なお、この独立状態においても、前述したように、第１循環回路Ｃ１において燃料電池スタック２０とラジエータ３０との間で冷媒が循環している態様（以下、「図１の態様」と呼ぶ）と、第１循環回路Ｃ１において燃料電池スタック２０とバイパス流路３４との間で冷媒が循環している態様（以下、「図２の態様」と呼ぶ）とがある。すなわち、独立状態であってラジエータ３０が利用される図１の態様と、独立状態であってラジエータ３０の利用されない図２の態様とがある。

一方、図３に示すように、第２三方弁５８を制御することにより、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とが物理的に接続され、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で冷媒のやりとりが行われる構成とすることができる。詳しくは、このときには、第２三方弁５８は、空調側ポンプ５４の流入口側の流路６７と循環回路接続用冷媒流路６９とを接続し、空調側ポンプ５４の流入口側の流路６７と第２循環回路内所定流路６６とを接続しない状態となっており、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で冷媒のやりとりが行われる。この構成を、以下「連携状態」と呼ぶ。この連携状態時においては、燃料電池スタック２０の廃熱を利用してヒータコア５１による暖房を行うことができる。

なお、この連携状態時においても、前述したように、第１循環回路Ｃ１において燃料電池スタック２０とラジエータ３０との間で冷媒が循環している態様（図３）と、第１循環回路Ｃ１において燃料電池スタック２０とバイパス流路３４との間で冷媒が循環している態様（図示せず）とがある。すなわち、連携状態であってラジエータ３０が利用される図３の態様と、連携状態であってラジエータ３０が利用されない態様とがある。

話しを整理すると、第１および第２三方弁３３、５８を制御することにより、以下の４つのモードのいずれかに切り換えがなされることになる。
（ｉ）独立状態で、ラジエータ利用なし（図２の状態）
（ii）独立状態で、ラジエータ利用あり（図１の状態）
（iii）連携状態で、ラジエータ利用なし（図示せず）
（iv）連携状態で、ラジエータ利用あり（図３の状態）

上記（ｉ）を第１モードと、上記（ii）を第２モードと、上記（iii）を第３モードと、上記（iv）を第４モードと、以下、それぞれ呼ぶ。

制御ユニット１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１０と、メモリ１２０と、入出力回路１３０とを主に備えている。入出力回路１３０は、各種アクチュエータや各種センサを、制御用信号線（図示せず）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、２つの電動ファン３１，５２、電気ヒータ５５、２つのポンプ３２，５４、２つの三方弁３３，５８等がある。

各種センサとしては、各種の温度センサや電圧センサ（図示せず）や電流センサ（図示せず）等がある。本実施例では、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられ、冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ３５、空調機構５０に接続された吹出口に設けられ、吹き出される空気の温度を検出する吹出口温度センサ３７、車外温度センサ（図示せず）、日射量センサ（図示せず）等が各種温度センサとして設けられている。

メモリ１２０には、主として空調システム１０を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ１１０は、このコンピュータプログラムを実行することにより、回路切換制御部１１１，故障検出部１１２，および故障時制御部１１３として機能する。このＣＰＵ１１０により実行される処理、すなわちソフトウェアの構成について、次に説明する。

Ａ２．ソフトウェア構成：
図４は、ソフトウェア構成の１つである回路切換制御ルーチンを示すフローチャートである。この回路切換制御ルーチンは、制御ユニット１００のＣＰＵ１１０により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。処理が開始されると、ＣＰＵ１１０は、まず、冷媒温度センサ３５により検出された冷媒の温度ＴＷの取り込みを行う（ステップＳ１１０）。冷媒温度センサ３５は、前述したように、燃料電池スタック２０の冷媒流出口から流出された冷媒の温度を検出するものであることから、ここでは、この冷媒の温度ＴＷを「ＦＣ冷媒温度ＴＷ」と呼ぶ。

次いで、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１１０で取り込んだＦＣ冷媒温度ＴＷを、第３、第２、および第１の各温度ＴＷ３、ＴＷ２、ＴＷ１と比較する処理を行う（ステップＳ１２０ないしＳ１５０）。なお、第１温度ＴＷ１は５０℃、第２温度ＴＷ２は６５℃、第３温度ＴＷ３は７５℃である。各値は、一例ではあるが、必ず、第１温度ＴＷ１＜第２温度ＴＷ２＜第３温度ＴＷ３の関係を満たす。

ＦＣ冷媒温度ＴＷが第３温度ＴＷ３を上回るときには、ステップＳ１２０で肯定判定されて、第４モードへの切り換えを行う処理を行う（ステップＳ１２５）。すなわち、ＣＰＵ１１０は、第１および第２三方弁３３、５８を制御して、連携状態で、ラジエータ利用あり（図３）の状態への切り換えを行う。

ＦＣ冷媒温度ＴＷが、第２温度ＴＷ２を上回り、第３温度ＴＷ３以下であるときには、ステップＳ１２０で否定判定され、ステップＳ１３０で肯定判定されて、第３モードへの切り換えを行う処理を行う（ステップＳ１３５）。すなわち、ＣＰＵ１１０は、第１および第２三方弁３３、５８を制御して、連携状態で、ラジエータ利用なしの状態への切り換えを行う。

ＦＣ冷媒温度ＴＷが、第１温度ＴＷ１を上回り、第２温度ＴＷ２以下であるときには、ステップＳ１２０で否定判定され、ステップＳ１３０で否定判定され、ステップＳ１４０で肯定判定されて、第２モードへの切り換えを行う処理を行う（ステップＳ１４５）。すなわち、ＣＰＵ１１０は、第１および第２三方弁３３、５８を制御して、独立状態で、ラジエータ利用あり（図１）の状態への切り換えを行う。

ＦＣ冷媒温度ＴＷが第１温度ＴＷ１以下であるときには、ステップＳ１２０で否定判定され、ステップＳ１３０で否定判定され、ステップＳ１４０で否定判定されて、第１モードへの切り換えを行う処理を行う（ステップＳ１５０）。すなわち、ＣＰＵ１１０は、第１および第２三方弁３３、５８を制御して、独立状態で、ラジエータ利用なし（図２）の状態への切り換えを行う。

ステップＳ１２５、ステップＳ１３５、ステップＳ１４５、またはステップＳ１５０の実行後、ＣＰＵ１１０は、「リターン」に処理を進めて、この回路切替制御ルーチンを一旦終了する。なお、ステップＳ１２５、ステップＳ１３５、ステップＳ１４５、ステップＳ１５０の各処理は、対応するモードへの切り換えの処理を行うとしたが、そのモードへの切り換えが既になされている場合には、そのモードの状態を維持するものである。

以上のように構成された回路切換制御ルーチンによれば、ＦＣ冷媒温度ＴＷが第１温度Ｔ１以下という低温時には、燃料電池スタック２０の廃熱を利用することができないことから、独立状態とし、さらに、ラジエータ３０でＦＣ冷媒が冷やされないように、ラジエータ利用なしとする。ＦＣ冷媒温度ＴＷが第１温度Ｔ１を上回ると、独立状態で、ラジエータ利用ありとする。ＦＣ冷媒温度ＴＷがさらに上昇して第２温度Ｔ２を上回ると、連携状態として、燃料電池スタック２０の廃熱を空調に利用することができるようにする。このときには、ラジエータの利用はなしとする。ＦＣ冷媒温度ＴＷがさらに上昇し第３温度Ｔ３を上回るような時には、連携状態として、ラジエータの利用はありとして、積極的に燃料電池スタック２０の温度を低下させる。この回路切換制御ルーチンに従って行われる処理が、回路切換制御部１１１（図１）の機能に対応する。

なお、本実施例では、ＦＣ冷媒温度ＴＷに応じて各モードを切り換える構成としたが、ＦＣ冷媒温度ＴＷに換えて、燃料電池スタック２０に設置される温度センサとしてもよい。要は、燃料電池の温度に応じて各モードを切り換える構成であればよく、燃料電池の温度を直接検出するか、間接的に検出するかを問わない。また、必ずしも、燃料電池の温度だけでモードの切換えを行なう必要もなく、燃料電池の温度と暖房要求等他のパラメータとに応じてモードの切換えを行う構成としてもよい。

図５は、ソフトウェア構成の他の１つである故障時制御ルーチンを示すフローチャートである。この故障時制御ルーチンは、制御ユニット１００のＣＰＵ１１０により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。

処理が開始されると、ＣＰＵ１１０は、まず、第２循環回路Ｃ２に設けられた空調側ポンプ５４が故障をしているか否かを診断する処理を行う（ステップＳ２１０）。具体的には、空調機構５０に接続された吹出口に設けられた吹出口温度センサ３７により検出された温度（以下、「吹出口温度」と呼ぶ）を取り込み、この吹出口温度が、所定の閾値（すなわち、空調システム１０の運転状態から推定される熱量から定まる閾値）を下回ったときに、空調側ポンプ５４が故障したと判断する。すなわち、吹出口温度から見て、空調システム１０で望むだけの熱量が得られないと判断されたときに、空調側ポンプ５４が故障したものと判断する。

ＣＰＵ１１０は、ステップＳ２１０による故障診断の結果が「正常」であるときには（ステップＳ２２０：ＮＯ）、「リターン」に抜けて、この故障時制御ルーチンを一旦終了する。

一方、ステップＳ２１０による故障診断の結果が「故障」であるときには（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１０は、第２三方弁５８を制御して、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とが接続される連携状態への切換を行う（ステップＳ２３０）。この切換処理は、回路切換制御ルーチンに従う処理に優先して行われるものであり、回路切換制御ルーチンにおいて独立状態と判定されている場合にも、連携状態へ切り換えられる。回路切換制御ルーチンにおいて連携状態に既に切り換えられている場合には、連携状態を維持する。なお、この故障時制御ルーチンにおいては、ラジエータを利用する／利用しないの切換は行なわない。

ステップＳ２３０で、連携状態への切り換えがなされると、その後、ＣＰＵ１１０は、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大する処理を行う（ステップＳ２４０）。空調側ポンプ５４の故障時に連携状態へ切り換えるのは、燃料電池側ポンプ３２を利用して、第２循環回路Ｃ２において冷媒を循環させようとするものであるが、燃料電池側ポンプ３２で第２循環回路Ｃ２までも冷媒の循環を行なおうとすると、通常時の吐出量では不足が生じる。このため、ステップＳ２４０では、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大することで、上記の不足分を補いようにしている。なお、増大する量は一定量としてもよいし、第２循環回路Ｃ２において空調側ポンプ５４の故障前の循環量を実現するに必要な量を計算により求める構成としてもよい。ステップＳ２４０の実行後、「リターン」に抜けて、この故障時制御ルーチンを一旦終了する。この故障時制御ルーチンにおけるステップＳ２１０およびＳ２２０に従って行われる処理が故障検出部１１２（図１）の機能に対応し、ステップＳ２３０の処理が故障時制御部１１３（図１）の機能に対応する。

Ａ３．実施例効果：
以上、詳述したように、空調システム１０によれば、燃料電池の温度に応じて、連携状態か独立状態かの切り換えがなされる。さらに、空調側ポンプ５４が故障したときに、連携状態に強制的に切り換えられる。このために、空調側ポンプ５４が故障したときに、燃料電池側ポンプ３２の働きにより、空調側ポンプ５４を含む第２循環回路Ｃ２において冷媒の流れを高めることができる。したがって、故障した空調側ポンプ５４を含む第２循環回路Ｃ２において冷媒の流れが悪化することを防止することができ、この結果、ヒータコア５１に熱を供給することができなくなって、車室内の暖房のききが悪化することを防止することができる。

さらに、本実施例の空調システム１０によれば空調側ポンプ５４の故障時に連携状態に切り換えたときに、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大させる構成としていることから、連携された第１および第２循環回路Ｃ１、Ｃ２において、より確実に、冷媒を循環させることができる。

Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例におけるハードウェア構成は第１実施例と同一である。第１実施例と比較して相違するのは、ソフトウェア構成である故障時制御ルーチンの内容だけである。回路切換制御ルーチンについては第１実施例と同一である。なお、以下の説明において、第１実施例と同一の構成については第１実施例と同一の符号を用いる。

図６は、第２実施例における故障時制御ルーチンを示すフローチャートである。この故障時制御ルーチンは、第１実施例と比較して、ステップＳ３１０の処理が追加されている点が相違するだけであり、ステップＳ２１０ないしＳ２４０の処理は同一である。

ＣＰＵ１１０は、ステップＳ２４０により、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大した後に、燃料電池スタック２０に供給するエアーのストイキ比を低下させる処理を行う（ステップＳ３１０）。エアーのストイキ比を低下させると、燃料電池スタック２０の発電効率が低下し、燃料電池スタック２０の発熱量が増大する。すなわち、ステップＳ３１０では、燃料電池スタック２０の温度を上昇させる処理を行っている。なお、発熱量を増大させる量は、一定量としてもよいし、ステップＳ２４０で増大した吐出量の増大分に応じた量としてもよい。ステップＳ３１０の実行後、「リターン」に抜けて、この故障時制御ルーチンを一旦終了する。

以上のように構成された第２実施例によれば、第１実施例と同一の効果を奏する。さらに、ステップＳ２４０により、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大したことで、ラジエータ３０による熱量の持ち出し量が増加するが、ステップＳ３１０で、燃料電池スタック２０の温度を高くしていることから、第１および第２循環回路Ｃ１、Ｃ２内を流れる冷媒の温度の低下を抑えることができる。この結果、ヒータコア５１に熱を供給することができなくなって、車室内の暖房のききが悪化することを防止することができる。

なお、本実施例では、エアーのストイキ比を低下させることで、燃料電池スタック２０の温度を上昇させていたが、これに換えて、発電効率を低下させる他の手法や発電量を増加させる等して、燃料電池スタック２０の温度を上昇させる構成としてもよい。要は、燃料電池の運転状態を変化させることで、燃料電池の温度を上昇させることができる構成であれば、いずれの構成とすることもできる。
※燃料電池の温度を上昇させることのできる他の手法について、ご教示下さい。

Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について、次に説明する。第３実施例は、前記第２実施例と比較して、故障時制御ルーチンにおけるステップＳ３１０の内容が相違するだけであり、その他のソフトウェア構成、およびハードウェア構成は同一である。

第３実施例では、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大した後に、暖房についての目標吹き出し温度を低下する処理を行う。すなわち、図６におけるステップＳ３１０の処理を、暖房についての目標吹き出し温度を低下する処理に換える。目標吹き出し温度は、空調機構５０から吹き出す空気の温度の目標値であり、周知の方法にて別ルーチンにて演算される。例えば、車内温度とユーザによる設定温度との差に、車外温度、日射量等を考慮して求められる。この別ルーチンで求められた目標吹出温度を所定量だけ低下させる。この所定量は、一定量としてもよいし、ステップＳ２４０で増大した吐出量の増大分に応じた量としてもよい。

以上のように構成された第３実施例によれば、第１実施例と同一の効果を奏する。さらに、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大したことで、ラジエータ３０による熱量の持ち出し量が増加するが、第３実施例では、暖房の目標吹き出し温度を低下していることから、暖房で利用する冷媒の熱量を減少させることができる。したがって、第１および第２循環回路Ｃ１、Ｃ２内を流れる冷媒の温度の低下を抑えることができる。この結果、ヒータコア５１に熱を供給することができなくなって、車室内の暖房のききが悪化することを防止することができる。

なお、本実施例では、目標吹き出し温度を低下させることで、暖房で利用する冷媒の熱量を減少させていたが、暖房で利用する冷媒の熱量を減少させることができれば、いずれの制御に換えることもできる。

Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例について、次に説明する。図７は、本発明の第４実施例の冷媒回路調整装置としての空調システム２１０の構成を示す説明図である。この空調システム２１０は、第１実施例の空調システム１０と同一のハードウェア構成を備え、さらに、ポンプ３２、５４のそれぞれに、ポンプの故障を診断するための振動ピックアップ２０１、２０２が設けられている。なお、以下の説明において、第１実施例と同一の構成については第１実施例と同一の符号を用いる。

振動ピックアップ２０１、２０２は、ポンプ３２、５４に備えられる羽根車の軸の軸受に設けられており、その軸受から発生する振動信号を検出し電気信号に変換する。各振動ピックアップ７１、７２は、制御用信号線（図示せず）を介して、制御ユニット１００の入出力回路１３０に接続されている。

ソフトウェア構成については、第１実施例と同一の回路切換制御ルーチン（図４）を実行し、第１実施例と相違する故障時制御ルーチンを実行する。図８は、第４実施例における故障時制御ルーチンを示すフローチャートである。この故障時制御ルーチンは、制御ユニット１００のＣＰＵ１１０により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。

処理が開始されると、ＣＰＵ１１０は、まず、燃料電池側ポンプ３２および空調側ポンプ５４が故障をしているか否かを診断する処理を行う（ステップＳ２１０）。この診断は、各ポンプ３２、５４に設けられた各振動ピックアップ７１、７２の検出信号を受信し、それを解析することで、各ポンプ３２、５４の故障を診断する。

ＣＰＵ１１０は、ステップＳ２１０による故障診断の結果から、空調側ポンプ５４が故障しているかを判定する（ステップＳ４２０）。空調側ポンプ５４が故障していると判定されたときには、連携状態に切り換えて（ステップＳ４３０）、燃料電池側ポンプ３２の吐出量を増大させて（ステップＳ４４０）、この故障時制御ルーチンを一旦終了する。ステップＳ４３０の処理は、第１実施例のステップＳ２３０の処理と同一である。ステップＳ４４０の処理は、第１実施例のステップＳ２４０の処理と同一である。

一方、空調側ポンプ５４が故障していないと判定され（ステップＳ４２０：ＮＯ）、かつ、燃料電池側ポンプ３２が故障していると判定されたときには（ステップＳ４５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１０は、連携状態に切り換えて（ステップＳ４６０）、空調側ポンプ５４の吐出量を増大させて（ステップＳ４７０）、この故障時制御ルーチンを一旦終了する。ステップＳ４６０の処理は、ステップＳ４３０の処理と同一である。ステップＳ４７０の処理は、空調側ポンプ５４の吐出量を増大させる処理であるが、その増大量は一定量としてもよいし、第１循環回路Ｃ１において燃料電池側ポンプ３２の故障前の循環量を実現するに必要な量を計算により求める構成としてもよい。

さらに、空調側ポンプ５４が故障していないと判定され（ステップＳ４２０：ＮＯ）、かつ、燃料電池側ポンプ３２が故障していないと判定されたときには（ステップＳ４５０：ＮＯ）、ＣＰＵ１１０は、直ちに「リターン」に抜けて、この故障時制御ルーチンを一旦終了する。

以上のように構成された第４実施例の空調システム２１０によれば、第１実施例の空調システム１０と同様に、空調側ポンプ５４が故障したときに、空調側ポンプ５４を含む第２循環回路Ｃ２において冷媒の流れが悪化することを防止することができる。さらに、この空調システム２１０によれば、燃料電池側ポンプ３２が故障したときに、燃料電池側ポンプ３２を含む第１循環回路Ｃ１において冷媒の流れが悪化することを防止することができる。この結果、この結果、燃料電池側ポンプ３２が故障して、燃料電池スタック２０を冷却することができなくなることを防止することができる。すなわち、第４実施例の空調システム２１０によれば、空調側ポンプ５４および燃料電池側ポンプ３２の双方の故障に対応することが可能となる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の第１ないし第４実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・第１変形例：
上記第１ないし第３実施例では、吹出口温度に基づいて空調側ポンプの故障を判定し、第４実施例では、ポンプに設けられた振動ピックアップの検出信号によりポンプの故障を判定していた。しかしながら、ポンプの故障の判定はこれらの手法に限る必要はなく、ポンプの故障を判定することができれば、いずれの構成に換えることもできる。

・第２変形例：
上記各実施例では、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を連携するために、第２三方弁５８を制御して、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とを物理的に接続して、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２間で冷媒を行き来させていたが、本発明はこれに限定されるものではない。第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とに接続された熱交換機を配置し、かかる熱交換器を介して２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を互いに連携させる（熱のやりとりを行わせる）こともできる。この場合、第１循環回路Ｃ１，Ｃ２の少なくとも一方において、熱交換機をバイパスする流路を設け、かかるバイパス流路に冷媒を流通させることによって、独立状態を形成することもできる。

・第３変形例：
上記各実施例では、制御ユニット１００は、燃料電池スタック２０を有する冷却装置用、および車室内の暖房送風に利用される空調機構５０用の両方に利用されていたが、それぞれ個別の制御ユニットにより構成してもよい。この場合、各制御ユニット間で必要な情報（吹出口温度センサ３７の検出値等）を通信する構成とするのが好ましい。

・第４変形例：
上記各実施例では、冷媒回路調整装置としての空調システム１０は、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに換えて、ハイブリッド自動車、船舶、ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック２０を定置型電源として用い、ビルや一般住宅等の建物である燃料電池搭載装置に適用することもできる。

・第５変形例：
上記各実施例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。

・第６変形例：
上記各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。

なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。例えば、第１実施例において、ステップＳ２４０の処理を省略した構成とすることができる。

１０…空調システム
２０…燃料電池スタック
２２…燃料ガス流路
２４…酸化剤ガス流路
３０…ラジエータ
３１…第１電動ファン
３２…燃料電池側ポンプ
３３…第１三方弁
３４…バイパス流路
３４ａ…一方端
３４ｂ…他方端
３５…冷媒温度センサ
３７…吹出口温度センサ
５０…空調機構
５１…ヒータコア
５２…第２電動ファン
５３…ケーシング
５４…空調側ポンプ
５５…電気ヒータ
５８…第２三方弁
６５…循環回路接続用冷媒流路
６６…第２循環回路内所定流路
６９…循環回路接続用冷媒流路
１００…制御ユニット
１１０…ＣＰＵ
１２０…メモリ
１３０…入出力回路
２０１、２０２…振動ピックアップ
２１０…空調システム
Ｃ１…第１循環回路
Ｃ２…第２循環回路

Claims (5)

1. 燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる冷媒回路調整装置であって、
   冷媒の循環回路であって、前記燃料電池と第１のウォーターポンプとが配置される第１循環回路と、
   冷媒の循環回路であって、ヒータコアと第２のウォーターポンプとが配置される第２循環回路と、
   前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで前記燃料電池の廃熱を前記ヒータコアに伝達しうる連携状態と、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離すことで前記燃料電池の廃熱が前記ヒータコアに伝達しない独立状態との間で、冷媒回路の切り換えを行う回路切換部と、
   前記燃料電池の温度に応じて前記回路切換部を制御する回路切換制御部と、
   前記第１および第２のウォーターポンプのいずれか一方が故障したことを検出する故障検出部と、
   前記故障検出部により故障が検出されたときに、前記回路切換部を制御して冷媒回路を前記連携状態に切り換える故障時制御部と
   を備える冷媒回路調整装置。
2. 請求項１に記載の冷媒回路調整装置であって、
   前記故障時制御部は、
   前記故障検出部により故障が検出されたときに、前記第１および第２のウォーターポンプのうちで故障が検出されていない側のウォーターポンプの吐出量を増大させる吐出量増大部を、さらに備える冷媒回路調整装置。
3. 請求項２に記載の冷媒回路調整装置であって、
   前記故障時制御部は、
   前記吐出量増大部により前記吐出量の増大を行ったときに、前記燃料電池の運転状態を変化させて前記燃料電池の温度を上昇させる燃料電池温度制御部を、さらに備える冷媒回路調整装置。
4. 請求項２に記載の冷媒回路調整装置であって、
   前記故障時制御部は、
   前記吐出量増大部により前記吐出量の増大を行ったときに、前記ヒータコアを用いた暖房で利用する冷媒の熱量を減少させる暖房低下部を、さらに備える冷媒回路調整装置。
5. 冷媒の循環回路であって、燃料電池と第１のウォーターポンプとが配置される第１循環回路と、
   冷媒の循環回路であって、ヒータコアと第２のウォーターポンプとが配置される第２循環回路と、
   前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで前記燃料電池の廃熱を前記ヒータコアに伝達しうる連携状態と、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離すことで前記燃料電池の廃熱が前記ヒータコアに伝達しない独立状態との間で、冷媒回路の切り換えを行う回路切換部と
   を備える燃料電池搭載装置における冷媒回路調整方法であって、
   前記燃料電池の温度に応じて前記回路切換部を制御し、
   前記第１および第２のウォーターポンプのいずれか一方が故障したことを検出し、
   前記故障が検出されたときに、前記回路切換部を制御して冷媒回路を前記連携状態に切り換える、冷媒回路調整方法。

Images