JP6125961B2 - 燃料電池車両及び燃料電池車両の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池車両及び燃料電池車両の制御方法に関する。

冬などの外気温が低いときに人が車両に乗ると、窓ガラスが曇りやすい。窓ガラスの曇りは、車内の水蒸気が、外気により冷やされた窓ガラスに接触して結露することにより生じる。また、早朝などでは、夜の気温低下や放射冷却により冷やされた窓ガラスに霜が付着する場合がある。一般に、窓ガラスに霜が付着したり曇ったりした場合には、人は、デフロスターを起動して、暖かい空気を窓ガラスに吹きつけ、窓ガラスを暖めることにより霜や曇りを取る。ところで、燃料電池車両の燃料電池を冷却する冷却回路（燃料電池用冷却回路）の冷却水を熱源とし、空調用空気を加熱するヒータコアを備える燃料電池車両が知られている（例えば特許文献１）。この燃料電池車両では、空調用空気の一部は、デフロスターから吹き出されて窓ガラスの霜や曇りを取るために用いられる。

特開２０１３−１４２６８号公報

しかし、燃料電池車両（燃料電池）の起動直後は、燃料電池が暖まっていないため、燃料電池用冷却回路の冷却水の温度が低い。その結果、燃料電池用冷却回路の冷却水を熱源として空調用空気を加熱出来ず、暖かい空気を窓ガラスに吹きつけることが困難であるという問題があった。

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なされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、前記燃料電池車両の車内を暖房するために用いられる暖房用水回路と、前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への冷却水の供給の制御を行う弁と、前記暖房用水回路の冷却水の熱を用いて前記燃料電池車両の窓のデフロストを行うデフロスターと、前記燃料電池車両の動作を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、デフロストの要求を受けた場合に、前記デフロストの要求を受けていない場合に比べて前記燃料電池の発電効率を低下させて前記燃料電池を発熱させ、前記弁を開けてその熱を前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路の冷却水に移動させて、前記デフロスターに前記デフロストを実行させる第１の制御を実行し、前記デフロストの要求を受けていない場合に、前記第１の制御よりも前記燃料電池の発電効率の高い第２の制御を実行する。この形態の燃料電池車両によれば、デフロストの要求を受けた場合、燃料電池の発電効率を、デフロストの要求を受けていない通常運転時よりも低下させて運転させることにより燃料電池に熱を発生させ、弁を開けて熱を燃料電池用冷却回路から暖房用水回路の冷却水へ移動させるので、燃料電池の発電効率を通常運転時で維持する場合に比べて、デフロスト用の熱を容易に発生させることが可能となる。

（２）上記形態の燃料電池車両において、さらに、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス回路と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス回路と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大させることによって、前記燃料電池の発電効率を下げて温度を上げてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま燃料電池の電流を増大させることによって、燃料電池の発電効率を下げる。その結果、電気エネルギーの一部を熱エネルギーとして発生させることができる。

（３）上記形態の燃料電池車両において、さらに、補機を備え、前記制御部は、前記補機による損失を上げて前記燃料電池の電流を増大させることによって、前記燃料電池の発電効率を低下させてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、補機による損失を上げることで電流を増大できる。

（４）上記形態の燃料電池車両において、燃料電池用冷却回路は、冷却水を循環させるウォーターポンプを備え、前記燃料ガス回路は、前記燃料電池から排出された燃料ガスを循環させて前記燃料電池に供給する水素ポンプを備え、前記制御部は、前記ウォーターポンプと前記水素ポンプの少なくとも一方の補機損失を上げることにより、前記燃料電池の発電効率を低下させてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、ウォーターポンプと水素ポンプの少なくとも一方の補機損失を上げることで電流を増大させて燃料電池の発電効率を低下させることができる。また、水素ポンプで水素を燃料電池に供給することで、燃料電池の電流を大きく出来る。また、ウォーターポンプは冷却水と接触しているので、ウォーターポンプの損失によりウォーターポンプに生じた熱を直接冷却水に伝えることができる。

（５）上記形態の燃料電池車両において、さらに、外気温センサを備え、さらに、外気温が予め定められた温度以下の場合に、前記制御部は、前記デフロスト要求に応じて前記第１の制御を実行し、前記外気温が予め定められた温度を越える場合には、前記制御部は、前記デフロスト要求がある場合にも、前記第２の制御を実行してもよい。燃料電池の発電効率を下げた運転は燃費を悪くするが、この形態の燃料電池車両によれば、外気温が予め定められた温度以下の場合に第１の制御を実行するので、全体として燃料電池車両の燃費を悪くすること無くデフロストを実行できる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両の他、燃料電池車両における制御方法、燃料電池車両の霜取り、曇り取り方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す説明図である。 三方弁が非連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。 三方弁が連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。 空調ダクトの構成を示す説明図である。 本願発明における一実施形態の制御フローチャートの一例である。 燃料電池の通常運転時のＩＶ特性と低効率運転時のＩＶ特性とを示す説明図である。 ステップＳ１９０における冷却水出口水温Ｔ２５５と判定Ｊ０との関係を説明するグラフである。 ステップＳ２００における冷却水出口水温Ｔ２５５とヒータコア入口水温Ｔ３４５との差と判定Ｊ１との関係を説明するグラフである。 燃料電池車両始動後の冷却水出口水温Ｔ２５５とヒータコア入口水温Ｔ３４５の変化を示すグラフである。

図１は、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両１０の構成を示す説明図である。燃料電池車両１０は、燃料電池１００と、燃料ガス回路５００と、酸化ガス回路６００と、燃料電池用冷却回路２００と、暖房用水回路３００（「空調用冷却水回路３００」とも呼ぶ。）と、制御部４００（Electronic control unit：ＥＣＵ４００）と、を備える。

燃料ガス回路５００は、燃料ガスタンク５１０と、燃料ガス供給管５２０と、燃料ガス排気管５５０、５６０と、燃料ガス還流管５７０と、開閉バルブ５３０と、レギュレータ５４０と、水素ポンプ５８０と、排気バルブ５９０と、を備える。燃料ガスタンク５１０は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク５１０と、燃料電池１００とは、燃料ガス供給管５２０で接続されている。燃料ガス供給管５２０上には、燃料ガスタンク５１０からの燃料ガスの供給をオンオフするための開閉バルブ５３０と、燃料電池１００に供給される燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ５４０が設けられている。

燃料電池１００には、燃料排ガスを排出するための燃料ガス排気管５５０が接続されている。燃料ガス排気管５５０は、また、燃料ガス排気管５６０と、燃料ガス還流管５７０に接続されている。燃料ガス還流管５７０は、燃料ガス供給管５２０に接続されている。燃料ガス還流管５７０上には、水素ポンプ５８０が配置されている。燃料ガス排気管５５０に排気される燃料排ガスには、未反応の燃料ガスが含まれているが、未反応の燃料ガスは、燃料ガス還流管５７０及び水素ポンプ５８０により還流されて、再び燃料電池１００に供給される。

酸化ガス回路６００は、コンプレッサ６１０と、酸化ガス供給管６２０と、酸化ガス排気管６３０と、加湿装置６４０と、背圧弁６５０と、を備える。本実施形態では、酸化ガスとして空気を用いる。コンプレッサ６１０は、大気中の空気を取り込んで圧縮する。コンプレッサ６１０は、酸化ガス供給管６２０により、燃料電池１００に接続されている。燃料電池１００には、酸化排ガスを排出するための酸化ガス排気管６３０が接続されている。ここで、酸化ガス供給管６２０には、酸化ガス排気管６３０の水分を利用した加湿装置６４０が設けられている。本実施形態の燃料電池１００は、上述したように、水素と、空気中の酸素と、を反応させて発電を行い、水が生成する。生成した水は、酸化排ガスとともに燃料電池１００から酸化ガス排気管６３０に排出される。加湿装置６４０は、酸化排ガス中に含まれる水分を、燃料電池１００に供給される酸化ガスに移動させることで、酸化ガスを加湿する。加湿装置６４０は、例えば、酸化ガス流路と、酸化排ガス流路とを備え、その２つの流路の間に加湿膜を備える構成であってもよい（図示せず）。これにより、加湿膜を介して、酸化排ガス流路の酸化排ガス中の水分を、酸化ガス流路の酸化ガスに移動させることが可能である。酸化ガス排気管６３０には、背圧弁６５０が設けられている。背圧弁６５０は、燃料電池１００内の空気の圧力を調整するために用いられる。

また、本実施形態では、酸化ガス排気管６３０には、燃料ガス排気管５６０が接続され、燃料ガス排気管５６０には、排気バルブ５９０が設けられている。上述のように本実施形態では、燃料ガス排気管５５０は、燃料ガス還流管５７０を介して燃料ガス供給管５２０に接続されており、燃料ガス（水素）を還流して再利用している。ここで、燃料電池１００を長時間運転すると、燃料排ガス中に、反応に寄与しない窒素が増えてくる。この窒素は、酸化ガス（空気中）の窒素が、燃料電池１００の電解質膜（図示せず）を透過してきたものと考えられる。燃料排ガス中に窒素が増えると、燃料ガス中にも窒素が増え、燃料電池１００の反応性が落ちる。そこで、本実施形態では、燃料排ガス中の窒素の量が増えた場合には、排気バルブ５９０を開け、燃料排ガスを酸化ガス排気管６３０に流し、燃料ガス中の窒素を排気する。なお、このとき水素も一部が酸化ガス排気管６３０に流れる。水素は、酸化ガス排気管６３０中の酸化排ガスにより希釈されて大気に放出される。

燃料電池用冷却回路２００は、冷却水供給管２１０と、冷却水排出管２１５と、三方弁２４５と、ラジエータ管２２０と、ラジエータ２３０と、バイパス管２４０と、ウォーターポンプ２２５と、を備える。冷却水供給管２１０は、燃料電池１００に冷却水を供給するための管であり、冷却水供給管２１０にはウォーターポンプ２２５が配置されている。冷却水排出管２１５は、燃料電池１００から冷却水を排出するための管である。冷却水排出管２１５の下流部は、三方弁２４５を介して、ラジエータ管２２０と、バイパス管２４０と、に接続されている。ラジエータ管２２０には、ラジエータ２３０が設けられている。ラジエータ２３０には、ラジエータファン２３５が設けられている。ラジエータファン２３５は、ラジエータ２３０に風を送り、ラジエータ２３０からの放熱を促進する。ラジエータ管２２０の下流部と、バイパス管２４０の下流部とは、冷却水供給管２１０に接続されている。冷却水供給管２１０のウォーターポンプ２２５の上流側（ラジエータ管２２０の下流部）及び、冷却水排出管２１５には、それぞれ温度センサ２５０、２５５が設けられている。

冷却水は、ウォーターポンプ２２５により、冷却水供給管２１０を通して燃料電池１００に供給され、燃料電池１００を冷却する。冷却水は、燃料電池１００から熱を回収することで暖められ、冷却水排出管２１５から排出される。暖められた冷却水は三方弁２４５により、ラジエータ管２２０とバイパス管２４０に分配して流される。ラジエータ管２２０に流された冷却水は、ラジエータ２３０により冷却されるが、バイパス管２４０に流された冷却水は冷却されない。三方弁２４５によるラジエータ管２２０とバイパス管２４０への冷却水の分配割合と、外気温と、ラジエータファン２３５からの風量と、により、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度が制御される。例えば、燃料電池１００の起動直後などにおいては、冷却水の大部分をバイパス管２４０に流すことにより、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度を急速に上げることが可能となる。

暖房用水回路３００は、分岐管３０５と、三方弁３４０と、温水供給管３１０と、ウォーターポンプ３２５と、電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０と、温水排出管３１５と、温水還流管３３５と、を備える。分岐管３０５は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５に接続されており、燃料電池１００から排出される暖められた冷却水の一部を暖房用水回路３００に分配する。三方弁３４０は、燃料電池用冷却回路２００から暖房用水回路３００への冷却水の流入を制御する。電熱ヒータ３３０は、暖房用水回路３００を流れる冷却水を加熱する。ヒータコア３２０は、暖房用水回路３００を流れる冷却水の熱を用いて空気を暖める。暖められた空気は、燃料電池車両１０の車内に送られて車内の暖房や、霜取り、曇り取りに用いられる。本明細書では、霜取りと曇り取りとを総称して「デフロスト」と呼ぶ。温水排出管３１５は、ヒータコア３２０からの排水を燃料電池用冷却回路２００に戻す。温水還流管３３５は、温水排出管３１５と、三方弁３４０との間を接続しており、ヒータコア３２０からの排水を、温水供給管３１０に戻す。電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０との間には、温度センサ３４５が配置されている。

制御部４００には、エアコン設定部４１０と、外気温センサ４２０と、車内温度センサ４３０と、が接続されている。制御部４００は、エアコン設定部４１０の設定と、外気温と、車内温度と、燃料電池用冷却回路２００の温水供給管３１０のウォーターポンプ２２５の上流部の水温と、燃料電池用冷却回路２００の燃料電池１００の出口における冷却水の温度（以下「冷却水出口水温Ｔ２５５」と呼ぶ。）と、暖房用水回路３００のヒータコア３２０の入口における冷却水の温度（以下「ヒータコア入口水温Ｔ３４５」と呼ぶ。）と、に基づいて、三方弁２４５、３４０と、ウォーターポンプ２２５、３２５と、ラジエータファン２３５と、電熱ヒータ３３０の動作を制御する。なお、本実施形態では、ウォーターポンプ２２５、３２５や水素ポンプ５８０などの補機類の電源として、燃料電池１００が使用される。また、本実施形態では、エアコン設定部４１０のスイッチの一つとしてデフロスターのスイッチが設けられている。デフロスターは、温風を窓ガラスに吹き付けることにより窓ガラスを暖め、デフロストを行う。

図２及び図３は、三方弁３４０の状態と冷却水の流れを示す説明図である。図２は、三方弁３４０が非連携モード状態のときの冷却水の流れを示す。本実施形態において、非連携モード状態とは、三方弁３４０の３つの弁体のうちの、分岐管３０５に接続された弁体が閉状態となり、温水供給管３１０に接続された弁体と温水還流管３３５に接続された弁体とが開状態となる状態を言う。非連携モード状態では、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水は、冷却水供給管２１０と、燃料電池１００と、冷却水排出管２１５と、三方弁２４５と、ラジエータ管２２０（またはバイパス管２４０）と、ウォーターポンプ２２５を循環する。暖房用水回路３００の冷却水は、温水供給管３１０と、ウォーターポンプ３２５と、電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０と、温水排出管３１５と、温水還流管３３５と、三方弁３４０と、を循環する。非連携モード状態では、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５から暖房用水回路３００に冷却水が流入せず、暖房用水回路３００から燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５へ冷却水が流出しない。燃料電池用冷却回路２００と、暖房用水回路３００とは、独立状態にあり、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水と、暖房用水回路３００を流れる冷却水は、混合しない。例えば、燃料電池１００の始動直後のように燃料電池１００の温度が低い場合には、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水の温度は低い。そのため、制御部４００は、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水を暖房用水回路３００に分配して暖房の熱源として使用するよりは、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水と、暖房用水回路３００を流れる冷却水とを独立させ、電熱ヒータ３３０を用いて暖房用水回路３００を流れる冷却水のみを加熱させる方が、効率が良い。

図３は、三方弁３４０が連携モード状態のときの冷却水の流れを示す。連携モード状態には、部分連携モードと完全連携モードとがある。図３（ａ）は、部分連携モード状態を示し、図３（ｂ）は、完全連携モードを示す。本実施形態において、部分連携モード状態とは、分岐管３０５に接続された弁体と、温水供給管３１０に接続された弁体と、温水還流管３３５に接続された弁体とのいずれもが開状態となる状態を言う。完全連携モードとは、分岐管３０５に接続された弁体と、温水供給管３１０に接続された弁体とが開状態となり、温水還流管３３５に接続された弁体が閉状態となる状態を言う。

三方弁３４０が部分連携モード状態のとき場合、燃料電池１００から排出された暖められた冷却水の一部が三方弁３４０を通って温水供給管３１０に供給される。また、温水排出管３１５を流れる冷却水の一部は、燃料電池用冷却回路２００（図１）の冷却水排出管２１５に流され、残部は温水還流管３３５、三方弁３４０を通って、温水供給管３１０に還流される。

完全連携モードでは、燃料電池１００から排出された暖められた冷却水の一部が三方弁３４０を通って温水供給管３１０に供給される点は部分連携モードと共通するが、温水排出管３１５を流れる冷却水の全量は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５に流れる。

制御部４００は、上述したように、三方弁３４０のモード状態の制御により、燃料電池用冷却回路２００から暖房用水回路３００への冷却水及び熱の移動を制御する。連携モードでは、燃料電池１００の廃熱を車内の暖房に用いることができる。なお、部分連携モードと完全連携モードは、いずれか一方のみが採用される形態であってもよい。

図４は、空調ダクト３５０の構成を示す説明図である。空調ダクト３５０は、車内空気取入部３５５と、外気取入部３６０と、車内循環・外気導入切換ドア３６５と、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５と、仕切板３８０と、エアミックスドア３８５と、車内吹出部３９０と、を備える。加熱流路３７０には、ヒータコア３２０（図１）が配置されている。車内循環・外気導入切換ドア３６５は、エアコン設定部４１０（図１）の設定により、空調ダクト３５０に、車内空気取入部３５５から空気を取り入れるか、外気取入部３６０から空気を取り入れるか、を切り換える。仕切板３８０は、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５と、を分離する。エアミックスドア３８５は、取り入れた空気を、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５に分配する。加熱流路３７０に分配された空気は、ヒータコア３２０により暖められるが、非加熱流路３７５に分配された空気は暖められない。加熱流路３７０と、非加熱流路３７５に分配された空気は、車内吹出部３９０より、車内に吹き出される。車内吹出部３９０には、下部吹出部３９２と、上部吹出部３９４と、デフロスター３９６と、が設けられている。下部吹出部３９２は乗員の足下を冷暖房し、上部吹出部３９４は乗員の頭部を冷暖房する。下部吹出部３９２と、上部吹出部３９４と、デフロスター３９６とには、それぞれ扉３９３、３９５、３９７が設けられていても良い。デフロスター３９６は窓ガラスに温風を吹きつける。制御部４００（図１）は、エアコン設定部４１０（図１）の設定と、車内の温度と、暖房用水回路３００中の冷却水の温度（ヒータコア入口水温Ｔ３４５）、に基づいて、エアミックスドア３８５における加熱流路３７０と、非加熱流路３７５とへの空気の分配割合を制御し、車内へ吹き出す空気の温度を制御し、車内温度を制御する。例えば、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が高い場合には、ヒータコア３２０の温度も高いため、制御部４００は、エアミックスドア３８５の開度を変更して加熱流路３７０を流れる空気の量を減少させることにより、車内温度が上がりすぎないようにする。

図５は、本願発明における一実施形態の制御フローチャートの一例である。なお、このフローチャートが実行されるのは、冬場などの気温の低い時期である。ステップＳ１００では、乗員（人）より燃料電池車両１０の始動スイッチが入れられると、制御部４００は、燃料電池１００を始動する。このとき、乗員は、暖房スイッチもオンするものとする。ステップＳ１１０では、制御部４００は、燃料電池１００を通常運転し、暖房用水回路３００の電熱ヒータ３３０をオンし、三方弁３４０のモード状態を非連携モードとする。燃料電池車両１０の始動直後では、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水も、暖房用水回路３００中の冷却水も、いずれも温度が低い。そのため、三方弁３４０のモード状態を、非連携モードとした方が、連携モードとするよりも、暖房用水回路３００中の冷却水を暖めやすい。

ステップＳ１２０において、デフロスター３９６のスイッチが入れられたこと（デフロスト要求があったこと）を検知すると、制御部４００は、処理をステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０では、制御部４００は、ヒータコア３２０のヒータコア入口水温Ｔ３４５（「ヒータコア入口水温Ｔ３４５」と呼ぶ。）が、予め定められた温度Ｔ１以上か否かを判断する。ヒータコア入口水温Ｔ３４５が温度Ｔ１以上の場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１７０に移行し、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が温度Ｔ１未満の場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１４０に移行する。温度Ｔ１は、燃料電池１００を、発電効率を下げた運転（「低効率運転」と呼ぶ。）をさせなくても、暖房用水回路３００中の冷却水の温度を、デフロストを実行できる温度Ｔ３まで短時間で上げることが可能な温度であり、Ｔ３より少し低い温度である。なお、温度Ｔ１、Ｔ３は、実験的に求めることが可能である。

ステップＳ１４０では、制御部４００は、三方弁３４０のモード状態を連携モードとし、また、燃料電池１００の低効率運転を実行する。連携モードでは、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水が暖房用水回路３００に供給されるため、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水が暖められると、暖房用水回路３００中の冷却水も暖められる。次に、低効率運転について説明する。

図６は、燃料電池の通常運転時のＩＶ特性と低効率運転時のＩＶ特性とを示す説明図である。燃料電池１００の電圧は、電流密度（電流）がゼロのとき最も高く（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage））、電流密度（電流）が増加するにつれて低くなる。ここで、燃料ガス（水素）、酸化ガス（空気）の供給量を維持したまま、電流を増大させると、燃料電池１００の電圧は急激に下がり、動作点は、図６の点Ｐ１に移動する。このとき、燃料電池１００は発熱し、この熱によって燃料電池１００の温度が高くなる。燃料電池１００の化学反応により生じるエネルギーは、電気エネルギーと熱エネルギーとに分配される。制御部４００が、酸化ガスの供給量を維持したまま、電流を増大させる制御を行うと、電気エネルギーの割合が低くなり、熱エネルギーの割合が高くなる。燃料電池車両１０は、電気エネルギーを用いて動作するので、電気エネルギーの割合を低め、熱エネルギーの割合を高めることは、燃料電池車両１０（あるいは燃料電池１００）の効率を低くする（低効率にする）ことに相当する。本実施形態では、通常の運転よりも、電気エネルギーの割合を低め、熱エネルギーの割合を高める運転を、「低効率運転」と呼ぶ。低効率運転では、熱エネルギーの割合が高くなるので、燃料電池１００の発熱量が増大し、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水及び暖房用水回路３００中の冷却水の温度が上昇する。

図６において、制御部４００は、水素ポンプ５８０をより強く駆動して水素ポンプ５８０の損失（補機損失）を増大させてもよい。このとき水素ポンプ５８０の消費電流の増加に伴って燃料電池１００の電流量も増加するため、動作点が点Ｐ１から点Ｐ２に移動する。なお、還流させる水素が増加することにより、燃料電池１００の化学反応により生じるエネルギーが増加し、熱エネルギーが増加する効果もある。その結果、燃料電池１００の温度が高くなって、冷却水の温度を早く上昇させる。

図６において、制御部４００は、ウォーターポンプ２２５をより強く駆動してウォーターポンプ２２５の損失（補機損失）を増大させてもよい。このときウォーターポンプ２２５の消費電流の増加に伴って、燃料電池１００の電流量も増加するため、動作点が点Ｐ２から点Ｐ３に移動する。なお、ウォーターポンプ２２５は動作すると発熱し、ウォーターポンプ２２５自身は冷却水と接しているため、ウォーターポンプ２２５に生じた熱を、冷却水に直接移動させることが出来る、という効果もある。その結果、冷却水の温度を早く上昇させることが可能となる。なお、水素ポンプ５８０とウォーターポンプ２２５は、どちらを先により強く動作させても良い。なお、水素ポンプ５８０とウォーターポンプ２２５は、請求項における補機の一例である。

図５のステップＳ１５０では、制御部４００は、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が予め定められた温度Ｔ２以上か否かを判断する。ヒータコア入口水温Ｔ３４５が予め定められた温度Ｔ２以上の場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１６０に移行し、燃料電池１００の低効率運転を停止し、通常の運転に移行する。なお、低効率運転は燃費を悪くするので、比較的短い時間の方が好ましい。窓ガラスに霜が付着している場合や曇りが出来ている場合には、燃料電池車両の運転は困難である。仮に、制御部４００が低効率運転を行わずにデフロストを行う場合、デフロストが完了するまでは、アイドリング状態が比較的長い時間維持される。両者の燃費を考慮すると、短時間の低効率運転であれば、アイドリング状態を比較的長い時間維持する場合に比べ、燃費は大きくは悪化せず、燃料電池車両１０の始動後、比較的短時間でデフロストを完了して燃料電池車両の運転が可能となる利点がある。

ステップＳ１７０では、制御部４００は、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が予め定められた温度Ｔ３以上か否かを判断する。ヒータコア入口水温Ｔ３４５が予め定められた温度Ｔ３以上の場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１８０に移行し、デフロスター３９６から暖かい空気を吹き出して、窓ガラスのデフロストを実行する。

ステップＳ１２０において、デフロスターのスイッチがオンされない場合、制御部４００は、処理をステップＳ１９０に移行する。デフロスターのスイッチがオンされない場合は、窓ガラスに霜が付着しておらず、曇りも出来ていない状態であり、ヒータコア入口水温Ｔ３４５を急激に上げる必要性が乏しい。ステップＳ１９０では、冷却水出口水温Ｔ２５５を判定する。

図７は、ステップＳ１９０における冷却水出口水温Ｔ２５５と判定Ｊ０との関係を説明するグラフである。冷却水出口水温Ｔ２５５が予め定められた温度Ｔ４Ｈ以上の場合には、制御部４００は、ステップＳ１９０における判定Ｊ０を１とする。一方、冷却水出口水温Ｔ２５５が予め定められた温度Ｔ４Ｌ以下（Ｔ４Ｌ＜Ｔ４Ｈ）の場合には、制御部４００は、ステップＳ１９０における判定Ｊ０を０とする。なお、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ４Ｌ〜Ｔ４Ｈの間の場合には、制御部４００は、前の判定結果を踏襲する。前回の判定Ｊ０が１であって、冷却水出口水温Ｔ２５５が下がる場合には、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ４Ｌを下回らない限り１の判定は０の判定に変わらない。逆に、前回の判定Ｊ０が０であって、冷却水出口水温Ｔ２５５が上がる場合には、冷却水出口水温Ｔ２５５がＴ４Ｈを上回らない限り０の判定は１の判定に変わらない。このようにヒステリシスを持たせることにより、冷却水出口水温Ｔ２５５が判定温度近傍で細かに変動する場合であっても、判定結果の頻繁な変動を抑制できる。本実施形態においては、Ｔ４Ｌ、Ｔ４Ｈの値は、冷却水出口水温Ｔ２５５がどの程度の温度になったときに、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水の熱を暖房用水回路３００中の冷却水に伝えるか、という判定を行うための判定値であり、実験的に求めても良い。例えば、Ｔ４Ｌを３０℃、Ｔ４Ｈを３５℃としてもよい。

制御部４００は、ステップＳ１９０において、判定Ｊ０が１の場合には、処理をステップＳ２００に移行し、冷却水出口水温Ｔ２５５とヒータコア入口水温Ｔ３４５との差が予め定められた値以上か否かを判断する。

図８は、ステップＳ２００における冷却水出口水温Ｔ２５５とヒータコア入口水温Ｔ３４５との差（以後「ΔＴ」と呼ぶ。）と判定Ｊ１との関係を説明するグラフである。図８においても、ΔＴと、判定Ｊ１との間には、ヒステリシスが設けられている。ΔＴが予め定められた値Ｔ５Ｈ以上の場合には、判定Ｊ１は１と判定され、ΔＴが予め定められた値Ｔ５Ｌ未満の場合には、判定Ｊ１は０と判定される。ΔＴがＴ５Ｌ〜Ｔ５Ｈの間に場合には、制御部４００は、前の判定結果を踏襲する。冷却水出口水温Ｔ２５５に比べヒータコア入口水温Ｔ３４５が低いと、ΔＴが大きくなる。暖房の場合であって、かつ、ΔＴが大きい場合、制御部４００は、三方弁３４０を連携モードとして燃料電池用冷却回路２００の暖かい冷却水を暖房用水回路３００に供給して、ヒータコア入口水温Ｔ３４５の温度をなるべく早く上昇させることが好ましい。この観点からＴ５Ｌ、Ｔ５Ｈが定められている。例えば、Ｔ５Ｌを−５℃とし、Ｔ５Ｈを０℃としてもよい。なお、ΔＴがマイナスの場合は、冷却水出口水温Ｔ２５５よりもヒータコア入口水温Ｔ３４５の方が、温度が高い。そのため、制御部４００は、三方弁３４０を連携モードとしなくても良い。

ステップＳ２００において、判定Ｊ１が１の場合、制御部４００は、処理をステップＳ２１０に移行して、三方弁３４０を連携モードに設定し、燃料電池用冷却回路２００の暖かい冷却水を暖房用水回路３００に供給する。一方、ステップＳ１９０において判定Ｊ０が０の場合、又は、ステップＳ２００において判定Ｊ１が０の場合、制御部４００は、処理をステップＳ２２０に移行し、三方弁３４０を非連携モードに設定する。

図９は、燃料電池車両始動後の冷却水出口水温Ｔ２５５とヒータコア入口水温Ｔ３４５の変化を示すグラフである。比較例では、ヒータコア入口水温Ｔ３４５のみを図示している。本実施形態では、デフロスターのスイッチがオンにされた後、三方弁３４０を連携モードとして低効率運転を行う。これに対し、比較例では、デフロスターのスイッチがオンにされても、制御部４００は、三方弁３４０を連携モードとせず、低効率運転も実行しない。

本実施形態では、燃料電池１００は低効率運転され、比較例では、燃料電池１００は低効率運転されない。その結果、比較例よりも本実施形態の方が、燃料電池１００の発熱が大きく、比較例よりも本実施形態の方が、冷却水出口水温Ｔ２５５が早く上昇する。また、本実施形態では三方弁３４０が連携モードとされているので、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、冷却水出口水温Ｔ２５５に連動して上昇する。これに対し、比較例では、暖房用水回路３００の冷却水は電熱ヒータ３３０により温められるが、三方弁３４０は連携モードでないので、燃料電池１００の熱を暖房用水回路３００の冷却水に伝えることが出来ない。そのため、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、ゆっくりとしか上昇しない。仮に、燃料電池１００の熱を暖房用水回路３００の冷却水に伝えることが出来たとしても、燃料電池１００は効率運転されるので発熱が小さいため、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、ゆっくりとしか上昇しない。

本実施形態、比較例のいずれも、ヒータコア入口水温が所定の温度Ｔ３に達すると、制御部４００は、デフロスター３９６から暖かい空気を吹き出して、デフロストを実行できる。ヒータコア入口水温がこの温度Ｔ３に達するまでの時間は、本実施形態の方が比較例よりも早い。すなわち、本実施形態によれば、デフロストに必要な熱を容易に生成することが可能となる。また、デフロスト開始までの時間を短く出来る。

なお、本明細書においては、制御部４００が、デフロスト要求を受けた場合に、デフロスト要求を受けていない場合に比べて燃料電池１００の発電効率を下げて燃料電池１００を発熱させ、三方弁３４０を連携モードとして燃料電池１００の熱を、燃料電池用冷却回路２００から暖房用水回路３００の冷却水に移動させて、デフロスター３９６にデフロストを実行させる制御を「第１の制御」と呼ぶ。また、デフロスト要求を受けていない場合に、制御部４００が前記大１の制御よりも燃料電池１００の発電効率が高い状態で燃料電池１００の制御を行うことを「第２の制御」と呼ぶ。

本実施形態では、本実施形態では三方弁３４０を用いたが、三方弁３４０の代わりに、燃料電池用冷却回路２００と暖房用水回路３００との間に、他の種類の弁（例えば、開閉弁や流調弁）を設け、温水還流管３３５を備えない構成であってもよい。この場合にも、開閉弁（流調弁）の動作状態は、非連携モードと連携モード（完全連携モード）のいずれかとなる。

本実施形態では、ステップＳ１３０の判断を行っているが、この判断は無くてもよい。この場合、ステップＳ１２０の判断がＹｅｓの場合、制御部４００は、処理をステップＳ１４０に移行する。

本実施形態では、ステップＳ１３０、Ｓ１５０、Ｓ１７０の判定において、それぞれ、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を基準としたが、制御部４００は、これらの温度について２つの値を使い、ステップＳ１９０、Ｓ２００のように、ヒステリシスを持たせても良い。

本実施形態では、図５のフローチャートが実行されるのは、冬場などの気温の低い時期である、として説明した。しかし、制御部４００は、外気温を取得し、外気温が予め定められた温度以下の場合に、燃料電池１００の発電効率を下げた運転の実行を可能とし、外気温が予め定められた温度を越える場合には、他の条件を満たした場合であっても、燃料電池１００の発電効率を下げた運転を実行しないように構成されていても良い。

以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池車両
１００…燃料電池
２００…燃料電池用冷却回路
２１０…冷却水供給管
２１５…冷却水排出管
２２０…ラジエータ管
２２５…ウォーターポンプ
２３０…ラジエータ
２３５…ラジエータファン
２４０…バイパス管
２４５…三方弁
２５０…温度センサ
３００…暖房用水回路（空調用冷却水回路）
３０５…分岐管
３１０…温水供給管
３１５…温水排出管
３２０…ヒータコア
３２５…ウォーターポンプ
３３０…電熱ヒータ
３３５…温水還流管
３４０…三方弁
３４５…温度センサ
３５０…空調ダクト
３５５…車内空気取入部
３６０…外気取入部
３６５…外気導入切換ドア
３７０…加熱流路
３７５…非加熱流路
３８０…仕切板
３８５…エアミックスドア
３９０…車内吹出部
３９２…下部吹出部
３９３、３９５、３９７…扉
３９４…上部吹出部
３９６…デフロスター
４００…制御部（ＥＣＵ）
４１０…エアコン設定部
４２０…外気温センサ
４３０…車内温度センサ
５００…燃料ガス回路
５１０…燃料ガスタンク
５２０…燃料ガス供給管
５３０…開閉バルブ
５４０…レギュレータ
５５０…燃料ガス排気管
５６０…燃料ガス排気管
５７０…燃料ガス還流管
５８０…水素ポンプ
５９０…排気バルブ
６００…酸化ガス回路
６１０…コンプレッサ
６２０…酸化ガス供給管
６３０…酸化ガス排気管
６４０…加湿装置
６５０…背圧弁
Ｔ２５５…冷却水出口水温
Ｔ３４５…ヒータコア入口水温

Claims (10)

1. 燃料電池車両であって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、
   前記燃料電池車両の車内を暖房するために用いられる暖房用水回路と、
   前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への冷却水の供給の制御を行う弁と、
   前記暖房用水回路の冷却水の熱を用いて前記燃料電池車両の窓のデフロストを行うデフロスターと、
   前記燃料電池車両の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   デフロストの要求を受けた場合に、前記デフロストの要求を受けていない場合に比べて前記燃料電池の発電効率を低下させて前記燃料電池を発熱させ、前記弁を開けてその熱を前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路の冷却水に移動させて、前記デフロスターに前記デフロストを実行させる第１の制御を実行し、
   前記デフロストの要求を受けていない場合に、前記第１の制御よりも前記燃料電池の発電効率の高い第２の制御を実行する、燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両において、さらに、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス回路と、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス回路と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大させることによって、前記燃料電池の発電効率を下げて温度を上げる、燃料電池車両。
3. 請求項２に記載の燃料電池車両において、さらに、
   補機を備え、
   前記制御部は、前記補機による損失を上げて前記燃料電池の電流を増大させることによって、前記燃料電池の発電効率を低下させる、燃料電池車両。
4. 請求項３に記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池用冷却回路は、冷却水を循環させるウォーターポンプを備え、
   前記燃料ガス回路は、前記燃料電池から排出された燃料ガスを循環させて前記燃料電池に供給する水素ポンプを備え、
   前記制御部は、前記ウォーターポンプと前記水素ポンプの少なくとも一方の補機損失を上げることにより、前記燃料電池の発電効率を低下させる、燃料電池車両。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池車両において、さらに、
   外気温センサを備え、
   さらに、外気温が予め定められた温度以下の場合に、前記制御部は、前記デフロストの要求に応じて前記第１の制御を実行し、
   前記外気温が予め定められた温度を越える場合には、前記制御部は、前記デフロストの要求がある場合にも、前記第２の制御を実行する、燃料電池車両。
6. 冷却水を流して燃料電池からの熱を回収する燃料電池用冷却回路と、前記燃料電池用冷却回路と接続されて前記熱を燃料電池車両の車内の空調における暖房に用いるための暖房用水回路と、前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への冷却水の供給の制御を行う弁と、前記暖房用水回路の冷却水の熱を用いて霜取りまたは曇り取りを行うデフロスターと、を備える燃料電池車両の制御方法であって、
   デフロストの要求を受けた場合、前記デフロストの要求を受けていない場合に比べて前記燃料電池の発電効率を低下させて前記燃料電池を発熱させ、前記弁を開けてその熱を前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路の冷却水に移動させて、前記デフロスターに前記デフロストを実行させる第１の制御を実行し、
   前記デフロストの要求を受けていない場合、前記第１の制御よりも前記燃料電池の発電効率の高い第２の制御を実行する、燃料電池車両の制御方法。
7. 請求項６に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大させることによって、前記燃料電池の発電効率を下げて温度を上げる、燃料電池車両の制御方法。
8. 請求項７に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池車両は、補機を備えており
   前記補機による損失を上げて前記燃料電池の電流を増大させることによって、前記燃料電池の発電効率を低下させる、燃料電池車両の制御方法。
9. 請求項８に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池車両は、
   前記燃料電池用冷却回路において冷却水を循環させるウォーターポンプと、
   前記燃料電池から排出された燃料ガスを循環させて前記燃料電池に供給する水素ポンプと、を備えており、
   前記ウォーターポンプと前記水素ポンプの少なくとも一方の補機損失を上げることにより、前記燃料電池の発電効率を低下させる、燃料電池車両の制御方法。
10. 請求項６〜９のいずれか一項に記載の燃料電池車両の制御方法において、
    さらに、外気温が予め定められた温度以下の場合に、前記デフロストの要求に応じて前記第１の制御を実行し、
    前記外気温が前記予め定められた温度を越える場合には、前記デフロストの要求がある場合にも、前記第２の制御を実行する、燃料電池車両の制御方法。

Images