JP7020239B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池車両に関する。
燃料電池車両において、車両前部の先端部分に形成された空気取入口としてのフロントグリルと、冷媒循環回路に設けられたラジエータと、の間にグリルシャッターが接地された構成が知られている。グリルシャッターの開度を調節することにより、ラジエータに取り込む空気の流量を調節することができる。
特許文献１には、温度センサによる水素燃料電池の測定温度を予め用意された水素燃料電池の目標温度と比較し、その差分を解消するようにグリルシャッターを制御する燃料電池車両が記載されている。
特開２０１３－０４９３５０号公報
ところで、固体高分子形などの燃料電池の電解質膜は、適切に湿潤した状態において良好なプロトン伝導性を示す。このため、燃料電池システムの運転中において、電解質膜が適切な湿潤状態となるよう燃料電池内部を湿潤状態に保つことが好ましい。しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池車両のように燃料電池の温度に基づいてグリルシャッターの開閉制御を行うと、燃料電池を適切な湿潤状態に保てない場合が生ずるおそれがある。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、最適な湿潤状態で発電することができる燃料電池車両を提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池車両であって、燃料電池と、前記燃料電池を冷却したことにより暖められた冷却液を冷却し、再び燃料電池に送り込むラジエータと、空気取入口からラジエータに取り込む空気の流量を調節するグリルシャッターと、前記燃料電池のインピーダンスを測定するセンサと、前記グリルシャッターの開閉を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記インピーダンスの測定値が所定の閾値以上になったときに前記グリルシャッターを開けるようにするものである。
燃料電池の具備する電解質膜の湿潤度はインピーダンスに基づいて得ることができる。すなわち、インピーダンスが所定の閾値以上に上昇したときには、電解質膜が乾き気味であると判断することができる。インピーダンスを測定するセンサにより燃料電池のインピーダンスを測定し、インピーダンスの測定値が所定の閾値以上になったときにグリルシャッターを開けることで、燃料電池を適切な湿潤状態に維持することができる。
さらに、前記制御部は、前記インピーダンスの測定値に応じて前記グリルシャッターの開度を調節するようにしてもよい。グリルシャッターを開けてフロントグリルから走行風を流入させると、燃料電池の具備する電解質膜の湿潤度を上昇させることができるが、一方で、燃料電池車両の走行抵抗が上昇する。このため、フロントグリルから流入させる走行風の流量を必要十分にするのが好ましい。燃料電池の具備する電解質膜のインピーダンスが所定の閾値以上に上昇した場合に、インピーダンスの値に応じてグリルシャッターの開度を調節することで、燃料電池の湿潤状態をより適切に維持することができる。
さらに、前記所定の閾値は、前記インピーダンスと前記燃料電池の湿潤状態との関係から設定されるものである。燃料電池車両において、インピーダンスと燃料電池の湿潤状態との関係を予め試験し、この試験結果に基づいて所定の閾値を設定することで、燃料電池の湿潤状態をより適切に維持することができる。
本発明によれば、最適な湿潤状態で発電することができる。
本実施の形態にかかる燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態にかかる燃料電池車両における、ラジエータ、ラジエータファン及びグリルシャッターの配置の一例を示す模式図である。 燃料電池を冷却するための冷却液の温度とインピーダンスとの関係について説明する模式図である。 グリルシャッターの制御処理の流れを示すフローチャートである。 変形例１にかかる、グリルシャッターの制御処理の流れを示すフローチャートである。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
まず、図１を参照して本実施の形態にかかる燃料電池車両に組み込まれる燃料電池システム１の構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、冷却液供給流路２０と、冷却液ポンプ３０と、冷却液排出流路４０と、バイパス流路５０と、ラジエータ流路６０と、ラジエータ６７と、グリルシャッター６８と、ロータリーバルブ７０と、システム制御用ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８０と、を備えている。また、燃料電池システム１は、インピーダンスセンサ１２、温度センサ４１及びポンプセンサ３２などのセンサ類や、信号配線などを有している。
燃料電池１０は、燃料電池車両の発電源であり、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うＦＣスタック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ）を含んでいる。ＦＣスタックは、例えば固体ポリマーイオン交換膜などの電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって両側から挟み込んで形成された燃料電池セルを複数枚積層して構成される。ＦＣスタックは、燃料電池セルを数百枚積層して構成することにより、車両の駆動に必要な大電力を出力することができる。燃料電池セルは、アノード電極に水素を含有するアノードガスを供給し、カソード電極に酸素を含む空気を供給すると、触媒反応によりアノード電極で発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード電極へと移動し、カソード電極で水素イオンと酸素とが化学反応を起こすことで発電する。燃料電池システム１において、水素は、水素タンクから取り入れ、酸素は大気中から取り入れる。
燃料電池１０は、上述した燃料電池セルのカソード電極で水素イオンと酸素とが化学反応を起こした際、水が生成されるとともに熱が発生する。燃料電池１０は、反応により発生した熱により温度が過度に上昇すると発電効率が悪くなる。このため燃料電池１０を冷却する機構が必要である。
燃料電池１０の内部には燃料電池流路１１が設けられており、燃料電池流路１１に冷却液３１を流すことにより、燃料電池１０を冷却する。冷却液３１は、例えば、エチレングリコールを含む水溶液である。燃料電池システム１では、冷却液循環流路を介して燃料電池１０に冷却液を循環させる。冷却液循環流路は、冷却液供給流路２０、燃料電池流路１１、冷却液排出流路４０、バイパス流路５０、ラジエータ流路６０を含み、冷却液ポンプ３０によって冷却液３１を循環させる。また、冷却液循環流路の途中には、ラジエータ６７が設けられている。
冷却液供給流路２０は、燃料電池１０の内部の燃料電池流路１１に冷却液３１を供給するための流路であり、例えば、管状の部材である。冷却液供給流路２０における、一端２０ａは燃料電池１０に接続され、他端２０ｂは、バイパス流路５０の一端５０ａ及びラジエータ流路６０の一端６０ａに接続されている。
冷却液ポンプ３０は、上述したように、冷却液３１を循環させるポンプである。冷却液ポンプ３０は、冷却液供給流路２０に配置されている。すなわち、冷却液ポンプ３０の流入口及び流出口は、冷却液供給流路２０の途中に連結されている。冷却液ポンプ３０の動作は、システム制御用ＥＣＵ８０によって制御されている。
ポンプセンサ３２は、冷却液ポンプ３０に取り付けられている。ポンプセンサ３２は、冷却液ポンプ３０の回転数及び消費電力の情報を取得する。ポンプセンサ３２は、取得した回転数及び消費電力の情報をシステム制御用ＥＣＵ８０に対して出力する。
冷却液排出流路４０は、燃料電池１０に供給された冷却液３１を排出する流路である。冷却液排出流路４０は、例えば、管状の部材であり、冷却液３１が流れる流路となっている。燃料電池１０から冷却液排出流路４０に冷却液３１が排出される。冷却液排出流路４０の一端４０ａは、燃料電池１０に接続され、他端４０ｂは、ロータリーバルブ７０に接続されている。
インピーダンスセンサ１２は、燃料電池１０におけるインピーダンスを検出するためのセンサである。燃料電池１０におけるインピーダンスは高周波の交流を用いて求める。インピーダンスセンサ１２は、取得したインピーダンスの情報を、信号線を介してシステム制御用ＥＣＵ８０の制御部８１に対して出力する。
温度センサ４１は、冷却液排出流路４０における燃料電池１０側に配置されている。温度センサ４１は、冷却液排出流路４０を流れる冷却液３１の温度の情報を取得する。温度センサ４１は、取得した温度の情報を、信号線を介してシステム制御用ＥＣＵ８０に対して出力する。
バイパス流路５０は、例えば、管状の部材であり、冷却液３１が流れる流路となっている。バイパス流路５０の一端５０ａは、冷却液供給流路２０の他端２０ｂ及びラジエータ流路６０の一端６０ａに接続されている。バイパス流路５０の他端５０ｂは、ロータリーバルブ７０に接続されている。バイパス流路５０は、冷却液供給流路２０と冷却液排出流路４０とを繋いでいる。
ラジエータ流路６０は、ラジエータ６７に冷却液３１を供給する流路である。ラジエータ流路６０は、例えば、管状の部材であり、冷却液３１が流れる流路となっている。ラジエータ流路６０の一端６０ａは、冷却液供給流路２０の他端２０ｂ及びバイパス流路５０の一端５０ａに接続されている。ラジエータ流路６０の他端６０ｂは、ロータリーバルブ７０に接続されている。ラジエータ流路６０は、バイパス流路５０と並列に配置され、ラジエータ６７を流通している。
ラジエータ６７は、燃料電池１０を冷却したことにより暖められた冷却液３１の熱を放出する装置である。すなわち、ラジエータ６７は、内部を流れる冷却液３１の熱を、周囲の空気等に熱伝導を用いて放熱する。ラジエータ６７は、内部を流れる冷却液３１と接触する表面積を大きくするために、例えば、多数の細管内に冷却液３１を流す構造や、蛇行した管内に冷却液３１を流す構造、平板状の放熱板内に冷却液３１を流す構造等を有する。
ラジエータ６７と対向する一方の側にはラジエータファン６５が隣接して配置されている。ラジエータファン６５は、システム制御用ＥＣＵ８０により制御されている。また、ラジエータ６７と対向する他方の側にはグリルシャッター６８が隣接して配置されている。グリルシャッター６８は、シャッター機構で、システム制御用ＥＣＵ８０の制御部８１により制御されている。燃料電池車両における、ラジエータ６７、ラジエータファン６５及びグリルシャッター６８の配置については後述する。また、制御部８１によるグリルシャッター６８の制御方法については後述する。
ロータリーバルブ７０は、冷却液排出流路４０、バイパス流路５０及びラジエータ流路６０に接続されている。ロータリーバルブ７０は、例えば、一つの流入口７０ａ及び２つの流出口７０ｂ、７０ｃを有している。流入口７０ａは、冷却液排出流路４０の他端４０ｂに接続し、２つの流出口７０ｂ、７０ｃは、それぞれ、バイパス流路５０の他端５０ｂ、ラジエータ流路６０の他端６０ｂに接続されている。ロータリーバルブ７０の開閉は、システム制御用ＥＣＵ８０により制御されている。
ロータリーバルブ７０は、冷却液排出流路４０に流れる冷却液３１をバイパス流路５０側またはラジエータ流路６０側へ切り分ける。これにより、ロータリーバルブ７０は、冷却液排出流路４０に流れる冷却液３１を、バイパス流路５０側またはラジエータ流路６０側に供給する。例えば、ロータリーバルブ７０を、バイパス流路５０側またはラジエータ流路６０側に全開にして、冷却液排出流路４０に流れる冷却液３１を、バイパス流路５０側またはラジエータ流路６０側に供給する。
ラジエータ流路６０側に全開にした場合には、冷却液排出流路４０に流れる冷却液３１は、バイパス流路５０側には流れず、ラジエータ流路６０側に流れる。一方、バイパス流路５０側に全開にした場合には、冷却液排出流路４０に流れる冷却液３１は、ラジエータ流路６０側には流れず、バイパス流路５０側に流れる。
なお、システム制御用ＥＣＵ８０は、冷却液３１を切り分ける割合を制御して、冷却液３１の一部をバイパス流路５０側に分配し、その他の部分を、ラジエータ流路６０側に分配するように、ロータリーバルブ７０を制御してもよい。
システム制御用ＥＣＵ８０は、温度センサ４１と信号線により接続されている。これにより、システム制御用ＥＣＵ８０は、冷却液３１の温度の情報を取得する。また、システム制御用ＥＣＵ８０は、ポンプセンサ３２と信号線により接続されている。これにより、システム制御用ＥＣＵ８０は、冷却液ポンプ３０の回転数及び消費電力の情報を取得する。さらに、システム制御用ＥＣＵ８０は、ロータリーバルブ７０及び冷却液ポンプ３０と信号線により接続されている。これにより、システム制御用ＥＣＵ８０は、ロータリーバルブ７０の開閉の動作及び冷却液ポンプ３０の動作を制御する。
システム制御用ＥＣＵ８０は、冷却液３１の温度の情報に基づいて、冷却液排出流路４０に流れる冷却液３１を、バイパス流路５０側またはラジエータ流路６０側へ切り分ける。例えば、システム制御用ＥＣＵ８０は、冷却液３１の温度が高くなるほど、ラジエータ流路６０に流れる冷却液３１の割合を大きくするようにロータリーバルブ７０の開閉を制御する。また、システム制御用ＥＣＵ８０は、燃料電池１０の発熱量が大きくなったとき等もラジエータ流路６０に流れる冷却液３１の割合を大きくするようにロータリーバルブ７０の開閉を制御する。
燃料電池システム１では、燃料電池車両のイグニッションスイッチ（キースイッチ）がオフ（ＩＧ－ＯＦＦ）された後、燃料電池１０の発電を停止し、燃料電池終了処理を行う。燃料電池終了処理では、次回の始動性の確保のための燃料電池１０の内部や水素配管内・各バルブ内の掃気（パージ）や、水素タンクと燃料電池１０を接続する水素配管の漏れチェックなどを行う。
次に、燃料電池車両における、ラジエータ６７、ラジエータファン６５及びグリルシャッター６８の配置について説明する。
図２は、燃料電池車両９０における、ラジエータ６７、ラジエータファン６５及びグリルシャッター６８の配置の一例を示す模式図である。図２において、Ｘ軸正方向を車両前方、Ｘ軸負方向を車両後方、Ｙ軸正方向を車両左方、Ｙ軸負方向を車両右方、Ｚ軸正方向を車両上方、Ｚ軸負方向を車両下方、としている。
図２に示すように、燃料電池車両９０における車両前方には、空気取入口としてのフロントグリル９１が設けられている。ラジエータ６７は、フロントグリル９１に対して車両後方側に配置されている。グリルシャッター６８は、フロントグリル９１とラジエータ６７との間に配置されている。すなわち、燃料電池車両９０の走行中にグリルシャッター６８を開くことで、フロントグリル９１からラジエータ６７に対して走行風が流入し、グリルシャッター６８を閉じると、フロントグリル９１からラジエータ６７への走行風の流入が遮断される。
ラジエータファン６５は、ラジエータ６７に対して車両後方側に設けられ、車両前方から車両後方へ向かう気流を形成する。ラジエータファン６５により形成された気流は、ラジエータ６７を通り抜ける。これにより、ラジエータ６７における冷却液３１の放熱を効率よく行うことができる。
次に、インピーダンスによるグリルシャッター６８の制御について説明する。なお、以下の説明では、図１についても適宜参照する。
燃料電池１０におけるＦＣスタックに具備される電解質膜は、適切に湿潤した状態において良好なプロトン伝導性を示す。このため、燃料電池システム１の運転中には、燃料電池１０の内部を適切な湿潤状態に保つ必要がある。電解質膜の湿潤度は、インピーダンスから把握できる。すなわち、電解質膜の湿潤度が小さいほど(電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど)、インピーダンスは大きくなる。電解質膜の湿潤度が大きいほど(電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど)、インピーダンスは小さくなる。この特性を利用して、燃料電池スタックの発電電流を、例えば１ｋＨｚの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして、１ｋＨｚの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することでインピーダンスを求め、このインピーダンスに基づいて電解質膜の湿潤度を得ることができる。
図３は、燃料電池１０を冷却するための冷却液３１の温度とインピーダンスとの関係について説明する模式図である。グラフにおいて、横軸は冷却液３１の温度、縦軸はインピーダンスを表す。また、所定のセル電圧において、燃料電池１０の電流密度が相対的に大きい場合を実線Ｌ１で、燃料電池１０の電流密度が相対的に小さい場合を一点鎖線Ｌ２で示す。所定の閾値Ｐは、燃料電池１０の具備する電解質膜が適切な湿潤状態であるか否かを判断するための基準値であり、インピーダンスと燃料電池の湿潤状態との関係から設定される。なお、電流密度は、燃料電池セルの単位面積当たりの発電による電流量［Ａ／ｃｍ２］である。
図３に示すように、インピーダンスが所定の閾値まで上昇したときの冷却液３１の温度は、燃料電池１０の電流密度が相対的に大きい場合Ｌ１ではＴ１であるのに対し、燃料電池１０の電流密度が相対的に小さい場合Ｌ２ではＴ２である（Ｔ１＞Ｔ２）。つまり、燃料電池１０の電流密度が相対的に小さい場合Ｌ２には、燃料電池１０の電流密度が相対的に大きい場合Ｌ１と比べて、より低い冷却液３１の温度で燃料電池１０の具備する電解質膜中の水分が乾き気味になってしまう。
インピーダンスを下げる、すなわち、電解質膜の湿潤度を上昇させるためには、グリルシャッター６８を開けてフロントグリル９１からラジエータ６７に対して走行風を流入させ、ラジエータ６７を冷却する必要がある。しかしながら、仮に、グリルシャッター６８を冷却液３１の温度で制御すると、上述したように、燃料電池１０の電流密度が異なったときに燃料電池１０を適切な湿潤状態に保てない場合が生ずるおそれがある。そこで、本実施の形態にかかる燃料電池車両９０では、インピーダンスに基づいてグリルシャッター６８を制御する。
次に、グリルシャッター６８の制御処理の流れについて以下で説明する。なお、以下の説明においては図１も適宜参照する。
図４は、グリルシャッター６８の制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、まず、インピーダンスセンサ１２により燃料電池１０のインピーダンスを測定する（ステップＳ１）。続いて、制御部８１において、インピーダンスの測定値が所定の閾値以上か否かを判定する（ステップＳ２）。
ステップＳ２においてインピーダンスの測定値が所定の閾値以上であると判断された場合（ＹＥＳの場合）、制御部８１が、グリルシャッター６８を開ける、または、開けた状態で維持するよう制御する（ステップＳ３）。ステップＳ２においてインピーダンスの測定値が所定の閾値未満であると判断された場合（ＮＯの場合）、制御部８１が、グリルシャッター６８を閉じる、または、閉じた状態で維持するよう制御する（ステップＳ４）。
ステップＳ３、ステップＳ４に続いて、制御部８１において、燃料電池車両９０の運転を終了したか判断する（ステップＳ５）。ここで、燃料電池車両９０の運転を終了した、とは、イグニッションスイッチがオフされたことを意味する。ステップＳ５において燃料電池車両９０の運転を終了したと判断された場合（ＹＥＳ）の場合、処理を終了する。ステップＳ５において燃料電池車両９０の運転を終了していないと判断された場合（ＹＥＳ）の場合、処理をステップＳ１に戻す。
以上により、本実施の形態にかかる燃料電池車両９０では、燃料電池１０のインピーダンスを測定し、インピーダンスの測定値が所定の閾値以上になったときにグリルシャッター６８を開けるようにする。上述したように、燃料電池１０の具備する電解質膜の湿潤度はインピーダンスに基づいて得ることができる。すなわち、インピーダンスが所定の閾値以上に上昇したときには、電解質膜が乾き気味であると判断することができる。インピーダンスセンサ１２により燃料電池１０のインピーダンスを測定し、インピーダンスの測定値が所定の閾値以上になったときにグリルシャッター６８を開けることで、燃料電池１０を適切な湿潤状態に維持することができる。
［変形例１］
変形例１にかかる、グリルシャッター６８の制御処理の流れについて以下で説明する。なお、以下の説明においては図１も適宜参照する。
図５は、変形例１にかかる、グリルシャッター６８の制御処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すように、まず、インピーダンスセンサ１２により燃料電池１０のインピーダンスを測定する（ステップＳ１０１）。続いて、制御部８１において、インピーダンスの測定値が所定の閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１０２）。
ステップＳ１０２においてインピーダンスの測定値が所定の閾値以上であると判断された場合（ＹＥＳの場合）、制御部８１において、インピーダンスの測定値に応じたグリルシャッター６８の開度を算出する（ステップＳ１０３）。続いて、制御部８１が、グリルシャッター６８の開度が算出した開度になるよう調節する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０２においてインピーダンスの測定値が所定の閾値未満であると判断された場合（ＮＯの場合）、制御部８１が、グリルシャッター６８を閉じる、または、閉じた状態で維持するよう制御する（ステップＳ１０５）。
ステップＳ１０４、ステップＳ１０５に続いて、制御部８１において、燃料電池車両９０の運転を終了したか判断する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において燃料電池車両９０の運転を終了したと判断された場合（ＹＥＳ）の場合、処理を終了する。ステップＳ１０６において燃料電池車両９０の運転を終了していないと判断された場合（ＹＥＳ）の場合、処理をステップＳ１０１に戻す。
グリルシャッター６８を開けてフロントグリル９１から走行風を流入させると、燃料電池１０の具備する電解質膜の湿潤度を上昇させることができるが、一方で、燃料電池車両９０の走行抵抗が上昇する。このため、フロントグリル９１から流入させる走行風の流量を必要十分にするのが好ましい。燃料電池１０の具備する電解質膜のインピーダンスが所定の閾値以上に上昇した場合に、インピーダンスの値に応じてグリルシャッター６８の開度を調節することで、燃料電池１０の湿潤状態をより適切に維持することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池流路
１２ インピーダンスセンサ
２０ 冷却液供給流路
３０ 冷却液ポンプ
３１ 冷却液
３２ ポンプセンサ
４０ 冷却液排出流路
４１ 温度センサ
５０ バイパス流路
６０ ラジエータ流路
６５ ラジエータファン
６７ ラジエータ
６８ グリルシャッター
７０ ロータリーバルブ
８０ システム制御用ＥＣＵ
８１ 制御部
９０ 燃料電池車両
９１ フロントグリル

Claims (2)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池に冷却液を循環させる冷却液循環流路の途中に設けられ、前記燃料電池を冷却したことにより暖められた冷却液の熱を放出するラジエータと、
    空気取入口からラジエータに取り込む空気の流量を調節するグリルシャッターと、
    前記燃料電池のインピーダンスを測定するセンサと、
    前記グリルシャッターの開閉を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記インピーダンスの測定値が所定の閾値以上になったときに前記グリルシャッターを開けるとともに、
    前記インピーダンスの測定値に応じて前記グリルシャッターの開度を調節する、
    燃料電池車両。
  2. 前記所定の閾値は、前記インピーダンスと前記燃料電池の湿潤状態との関係から設定される、請求項１に記載の燃料電池車両。
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