燃料電池システム
【課題】循環ポンプの上流側の管路を可撓性のあるホースで形成しても、その管路が負圧によって潰れることを回避することが可能であって、コストアップの要因も生じさせず組み付け性も悪化させない燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、起動時若しくは管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った際に、冷却水ポンプＣＳ２の回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で冷却水ポンプＣＳ２を運転する。
【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、起動時若しくは管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った際に、冷却水ポンプＣＳ２の回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で冷却水ポンプＣＳ２を運転する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。
【０００３】
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）が供給され、カソードには酸化剤として酸素を含む酸化ガス（一例として空気）が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
【０００４】
このような燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料電池の冷却のため、燃料電池に冷却水を供給するための管路と、その管路に循環ポンプと、を設けることが一般的に行われている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流に基づいて循環ポンプの回転数を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１００３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところでこのような燃料電池システムを車両に搭載するにあたっては、循環ポンプから燃料電池とラジエータとを経由する流路が形成されるように管路を構成すると共に、ラジエータをバイパスすることができるように三方弁を配置した構成とすることが一般的に行われている。燃料電池システムを搭載した車両は、従来のエンジンを搭載した車両のようにシリンダブロックがないため、循環ポンプ、燃料電池、ラジエータ、三方弁をホースのような可撓性のある管路で繋ぐ必要がある。一方、このような管路構成で冷却水の循環をさせようとすると、循環ポンプの出口から燃料電池、ラジエータ、三方弁と水圧が降下し、三方弁と循環ポンプとの間の水圧が最も低下する。更に車両に搭載した場合の燃料電池システムの特徴として、特定の状況下で循環ポンプの回転数を上げたいというニーズがある。具体的には、低温起動時において余分に発電した電気を捨てるため、循環ポンプを高回転で動作させるニーズがある。更に、高温の状態から水温が下がった場合にも、循環ポンプを高回転で動作させるニーズがある。
【０００７】
このように循環ポンプの回転数を上げると、三方弁と循環ポンプとの間の負圧が大きくなり、ホースが閉塞する恐れがある。そこで、ホースが閉塞しないように、三方弁と循環ポンプとの距離を短くしたり、三方弁と循環ポンプとの間に金属管を介在させたり、三方弁と循環ポンプとを直接繋いだりすることが考えられる。しかしながら、三方弁と循環ポンプとの距離を短くすれば搭載自由度が低く、ホースが差し込みにくくなり組み付け性が悪くなる。また、三方弁と循環ポンプとの間に金属管を介在させると、部品点数が多くなりコストアップの要因となるうえに、ホースの差込難さは改善されず組み付け性の悪さも改善されない。また、三方弁と循環ポンプとを直接繋ぐためにはクイックコネクタが必要となるため、更にコストアップの要因となる。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、循環ポンプの上流側の管路を可撓性のあるホースで形成しても、その管路が負圧によって潰れることを回避することが可能であって、コストアップの要因も生じさせず組み付け性も悪化させない燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムであって、前記燃料電池に冷却水を供給するための管路に設けられてなる循環ポンプと、前記循環ポンプの回転数を制御するための制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時若しくは前記管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った際に、前記循環ポンプの回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で前記循環ポンプを運転することを特徴とする。
【００１０】
本発明では、燃料電池システムの起動時若しくは管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った場合に、管路の閉塞を起こすような負圧の発生を抑制するため、循環ポンプの回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で循環ポンプを運転する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、循環ポンプの上流側の管路を可撓性のあるホースで形成しても、その管路が負圧によって潰れることを回避することが可能であって、コストアップの要因も生じさせず組み付け性も悪化させない燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】起動時における温度と圧力との関係を示す図である。
【図３】高温から温度が低下した場合における温度と圧力との関係を示す図である。
【図４】起動時の循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。
【図５】図４の制御時において、循環ポンプの回転数の遷移と温度の遷移とを示す図である。
【図６】圧力と回転数との関係を示す図である。
【図７】高温から温度が低下した場合における循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。
【図８】図７の制御時において、循環ポンプの回転数の遷移と温度の遷移とを示す図である。
【図９】本発明の実施形態である燃料電池車両における各部の配置を模式的に示す図である。
【図１０】図９のＩ-Ｉ断面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１４】
最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。
【００１５】
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣは、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。
【００１６】
燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００１７】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （３）
【００１８】
酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
【００１９】
酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
【００２０】
酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。
【００２１】
燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。
【００２２】
燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。
【００２３】
燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
【００２４】
レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
【００２５】
インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００２６】
インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００２７】
循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００２８】
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。
【００２９】
電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。
【００３１】
バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。
【００３２】
トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００３３】
補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類を総称するものである。
【００３４】
冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２（循環ポンプ）と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４と、三方弁ＣＳ５と、ラジエータキャップＣＳ６と、リザーブタンクＣＳ７とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、三方弁ＣＳ５と、冷却液ポンプＣＳ２と、水温センサＳ８とが設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。また、三方弁ＣＳ５は、冷却液往路ＣＳ３と冷却液復路ＣＳ４とを繋ぐ流路と、冷却液往路ＣＳ３による流路とを切り替えることができるように構成されている。三方弁ＣＳ５を切り替えることで、ラジエータＣＳ１を経由する流路と経由しないバイパス流路とが選択可能なように構成されている。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ７が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。
【００３５】
コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００３６】
ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００３７】
そして、コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１を制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。
【００３８】
続いて、本実施形態の燃料電池システムＦＣＳにおいて、循環ポンプとしての冷却液ポンプＣＳ２がどのように駆動されることで、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の極端な圧力低下が回避されているかについて説明する。図２は、起動時における温度と圧力との関係を示す図である。図２に示されるように、起動時においては、起動当初の水温Ｔ０（水温は、水温センサＳ７及び水温センサＳ８のいずれで測定してもよいものである。以下同じ）から、閾値温度Ｔ１に至るまで、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の水圧がＰｓとなるように冷却液ポンプＣＳ２の回転数が抑制されている。
【００３９】
図３は、水温Ｔａから水温Ｔ２まで温度が上昇し、その後水温Ｔ３まで温度低下した場合の、温度と圧力との関係を示す図である。図３に示されるように、本実施形態特有の制御を行わなければ、水温は水温Ｔａから水温Ｔ２まで上昇し、その後水温Ｔ３から水温Ｔ４，水温Ｔ４まで低下するものである。しかしながら、水温が水温Ｔ３まで下がった段階で、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の水圧がＰｓとなるように冷却液ポンプＣＳ２の回転数が抑制されている。水温は、水温Ｔ４と水温Ｔ５との間の水温Ｔ４´まで低下するように調整される。
【００４０】
続いて、起動時の具体的な制御について、図４を参照しながら説明する。図４は、起動時の循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。ステップＳ０１では、温度ＴＡを計測する。温度ＴＡとは、水温センサＳ７及び水温センサＳ８のいずれかで測定される水温である。温度ＴＡが図２に示す水温Ｔ０であれば、ステップＳ０２の処理に進む。ステップＳ０２では、冷却液ポンプＣＳ２の回転数の上限を制限回転数Ｒ１に設定し、冷却液ポンプＣＳ２を回転させる。ステップＳ０３では、温度ＴＡが、水温Ｔ１（水温Ｔ０よりもＴだけ高温）となっているか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ１となっていれば、冷却液ポンプＣＳ２の上限回転数を解除し、温度ＴＡが水温Ｔ１に到達していなければステップＳ０２の処理を継続する。
【００４１】
図５に、図４の制御時における、冷却液ポンプＣＳ２の回転数の遷移と水温の遷移とを示す。また、図６に、水圧と冷却液ポンプＣＳ２の回転数との関係を示す。図６に示されるように、冷却液ポンプＣＳ２の回転数が上昇すると、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の水圧は低下する。本実施形態では、冷却液ポンプＣＳ２の回転数が、Ｒ１（Ｒ２）である場合に、下限水圧Ｐｓとなるように設定している。尚、図５において二点鎖線で示すように、負圧限界閉塞を起こさない程度に、徐々に冷却液ポンプＣＳ２の回転数を上げることも好ましいものである。
【００４２】
続いて、水温が高温から低下した場合における制御について、図７を参照しながら説明する。図７は、水温が高温から低下した場合における循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。図７を参照しながらする説明では、適宜図３を参照するものとする。
【００４３】
図３に示されるように、温度ＴＡが水温Ｔａを越えたものとし、ステップＳ１１の処理を開始する。ステップＳ１１では、温度ＴＡが水温Ｔ３まで下降したか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ３まで下降していればステップＳ１２の処理に進み、温度ＴＡが水温Ｔ３まで下降していなければステップＳ１１の処理を続ける。
【００４４】
ステップＳ１２では、冷却液ポンプＣＳ２の回転数の上限を制限回転数Ｒ２（図６参照）に設定し、冷却液ポンプＣＳ２を回転させる。ステップＳ１２に続くステップｓ３では、温度の狙い値を、水温Ｔ４から水温Ｔ５へ変更する。ステップＳ１４では、温度ＴＡが水温Ｔ５まで低下したか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ５まで低下していればステップＳ１５の処理に進み、温度ＴＡが水温Ｔ５まで低下していなければステップＳ１４の処理を続ける。
【００４５】
ステップＳ１５では、温度の狙い値を、水温Ｔ５から水温Ｔ４まで戻す。ステップＳ１５に続くステップＳ１６では、温度ＴＡが水温Ｔ４´まで戻ったか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ４´まで戻っていれば冷却液ポンプＣＳ２の回転数制限を解除し、温度ＴＡが水温Ｔ４´まで戻っていなければステップＳ１６の処理を続ける。図８に、図７の制御時において、循環ポンプの回転数の遷移と温度の遷移とを示す。図８において二点鎖線で示すように、負圧限界閉塞を起こさない程度に、徐々に冷却液ポンプＣＳ２の回転数を上げることも好ましいものである。
【００４６】
続いて、本発明の実施形態である燃料電池システムＦＣＳを搭載した燃料電池車両における、各部の配置について図９を参照しながら説明する。図９に示されるように、ラジエータＣＳ１は，サイドメンバーＳＭとサイドメンバーＳＭとの間の前方に配置されている。サイドメンバーＳＭの外側にはフロントタイヤＴＲ，ＴＲが配置されている。フロントタイヤＴＲ，ＴＲは、ドライブシャフト１４によって繋がっている。
【００４７】
ラジエータＣＳ１の後方には、トランスアクスルＴＡが配置されている。トランスアクスルＴＡは、図示されているのとは反対側のサイドメンバーＳＭ側に配置されていても構わない。トランスアクスルＴＡには、エアコンコンプレッサ１０と、エアコンプレッサモータ１２と、エアコンプレッサ圧縮部１１と、冷却液ポンプＣＳ２とが繋がれている。冷却ポンプＣＳ２と三方弁ＣＳ５とは、冷却液往路ＣＳ３によってつながれている。
【００４８】
図９のＩ-Ｉ断面を模式的に示す図を図１０に示す。図９に示されるように、エアコンプレッサ圧縮部１１の上方にはインタークーラー１５が配置されており、インタークーラー１５から延びるエアホース１３は後方に延び、冷却液往路ＣＳ３の上方を通っている。
【００４９】
このように、トランスアクスルＴＡ、エアコンプレッサモータ１２、冷却液ポンプＣＳ２、及びエアコンコンプレッサ１０を、それぞれの軸の向きを合わせた上で一体に搭載することで、ＮＶ低減効果を発揮することができる。
【００５０】
また、燃料電池ＦＣをドライブシャフト１４よりも後方に配置した際に、エアコンコンプレッサ１０及びエアコンプレッサモータ１２よりも後方に冷却液ポンプＣＳ２を配置することで、三方弁ＣＳ５と冷却液復路ＣＳ４とを繋ぐバイパス流路を短くすることができ、暖機を早く行うことができる。
【００５１】
また、エアコンプレッサ圧縮部１１の上方にインタークーラー１５を配置することで、インタークーラー１５から延びるエアホース１３と、ドライブシャフト１４との干渉を回避することができる。
【００５２】
また、インタークーラー１５から延びるエアホース１３を挟むように、冷却液ポンプＣＳ２と三方弁ＣＳ５とを配置することで、エアホース１３と、冷却液ポンプＣＳ２と三方弁ＣＳ５とを繋ぐ管路との干渉を回避することができる。
【符号の説明】
【００５３】
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＣ：燃料電池
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＣ：コントローラ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４，Ｓ６：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。
【０００３】
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）が供給され、カソードには酸化剤として酸素を含む酸化ガス（一例として空気）が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
【０００４】
このような燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料電池の冷却のため、燃料電池に冷却水を供給するための管路と、その管路に循環ポンプと、を設けることが一般的に行われている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流に基づいて循環ポンプの回転数を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１００３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところでこのような燃料電池システムを車両に搭載するにあたっては、循環ポンプから燃料電池とラジエータとを経由する流路が形成されるように管路を構成すると共に、ラジエータをバイパスすることができるように三方弁を配置した構成とすることが一般的に行われている。燃料電池システムを搭載した車両は、従来のエンジンを搭載した車両のようにシリンダブロックがないため、循環ポンプ、燃料電池、ラジエータ、三方弁をホースのような可撓性のある管路で繋ぐ必要がある。一方、このような管路構成で冷却水の循環をさせようとすると、循環ポンプの出口から燃料電池、ラジエータ、三方弁と水圧が降下し、三方弁と循環ポンプとの間の水圧が最も低下する。更に車両に搭載した場合の燃料電池システムの特徴として、特定の状況下で循環ポンプの回転数を上げたいというニーズがある。具体的には、低温起動時において余分に発電した電気を捨てるため、循環ポンプを高回転で動作させるニーズがある。更に、高温の状態から水温が下がった場合にも、循環ポンプを高回転で動作させるニーズがある。
【０００７】
このように循環ポンプの回転数を上げると、三方弁と循環ポンプとの間の負圧が大きくなり、ホースが閉塞する恐れがある。そこで、ホースが閉塞しないように、三方弁と循環ポンプとの距離を短くしたり、三方弁と循環ポンプとの間に金属管を介在させたり、三方弁と循環ポンプとを直接繋いだりすることが考えられる。しかしながら、三方弁と循環ポンプとの距離を短くすれば搭載自由度が低く、ホースが差し込みにくくなり組み付け性が悪くなる。また、三方弁と循環ポンプとの間に金属管を介在させると、部品点数が多くなりコストアップの要因となるうえに、ホースの差込難さは改善されず組み付け性の悪さも改善されない。また、三方弁と循環ポンプとを直接繋ぐためにはクイックコネクタが必要となるため、更にコストアップの要因となる。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、循環ポンプの上流側の管路を可撓性のあるホースで形成しても、その管路が負圧によって潰れることを回避することが可能であって、コストアップの要因も生じさせず組み付け性も悪化させない燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムであって、前記燃料電池に冷却水を供給するための管路に設けられてなる循環ポンプと、前記循環ポンプの回転数を制御するための制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時若しくは前記管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った際に、前記循環ポンプの回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で前記循環ポンプを運転することを特徴とする。
【００１０】
本発明では、燃料電池システムの起動時若しくは管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った場合に、管路の閉塞を起こすような負圧の発生を抑制するため、循環ポンプの回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で循環ポンプを運転する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、循環ポンプの上流側の管路を可撓性のあるホースで形成しても、その管路が負圧によって潰れることを回避することが可能であって、コストアップの要因も生じさせず組み付け性も悪化させない燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】起動時における温度と圧力との関係を示す図である。
【図３】高温から温度が低下した場合における温度と圧力との関係を示す図である。
【図４】起動時の循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。
【図５】図４の制御時において、循環ポンプの回転数の遷移と温度の遷移とを示す図である。
【図６】圧力と回転数との関係を示す図である。
【図７】高温から温度が低下した場合における循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。
【図８】図７の制御時において、循環ポンプの回転数の遷移と温度の遷移とを示す図である。
【図９】本発明の実施形態である燃料電池車両における各部の配置を模式的に示す図である。
【図１０】図９のＩ-Ｉ断面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１４】
最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。
【００１５】
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣは、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。
【００１６】
燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００１７】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （３）
【００１８】
酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
【００１９】
酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
【００２０】
酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。
【００２１】
燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。
【００２２】
燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。
【００２３】
燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
【００２４】
レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
【００２５】
インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００２６】
インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００２７】
循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００２８】
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。
【００２９】
電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。
【００３１】
バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。
【００３２】
トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００３３】
補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類を総称するものである。
【００３４】
冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２（循環ポンプ）と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４と、三方弁ＣＳ５と、ラジエータキャップＣＳ６と、リザーブタンクＣＳ７とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、三方弁ＣＳ５と、冷却液ポンプＣＳ２と、水温センサＳ８とが設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。また、三方弁ＣＳ５は、冷却液往路ＣＳ３と冷却液復路ＣＳ４とを繋ぐ流路と、冷却液往路ＣＳ３による流路とを切り替えることができるように構成されている。三方弁ＣＳ５を切り替えることで、ラジエータＣＳ１を経由する流路と経由しないバイパス流路とが選択可能なように構成されている。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ７が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。
【００３５】
コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００３６】
ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００３７】
そして、コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１を制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。
【００３８】
続いて、本実施形態の燃料電池システムＦＣＳにおいて、循環ポンプとしての冷却液ポンプＣＳ２がどのように駆動されることで、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の極端な圧力低下が回避されているかについて説明する。図２は、起動時における温度と圧力との関係を示す図である。図２に示されるように、起動時においては、起動当初の水温Ｔ０（水温は、水温センサＳ７及び水温センサＳ８のいずれで測定してもよいものである。以下同じ）から、閾値温度Ｔ１に至るまで、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の水圧がＰｓとなるように冷却液ポンプＣＳ２の回転数が抑制されている。
【００３９】
図３は、水温Ｔａから水温Ｔ２まで温度が上昇し、その後水温Ｔ３まで温度低下した場合の、温度と圧力との関係を示す図である。図３に示されるように、本実施形態特有の制御を行わなければ、水温は水温Ｔａから水温Ｔ２まで上昇し、その後水温Ｔ３から水温Ｔ４，水温Ｔ４まで低下するものである。しかしながら、水温が水温Ｔ３まで下がった段階で、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の水圧がＰｓとなるように冷却液ポンプＣＳ２の回転数が抑制されている。水温は、水温Ｔ４と水温Ｔ５との間の水温Ｔ４´まで低下するように調整される。
【００４０】
続いて、起動時の具体的な制御について、図４を参照しながら説明する。図４は、起動時の循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。ステップＳ０１では、温度ＴＡを計測する。温度ＴＡとは、水温センサＳ７及び水温センサＳ８のいずれかで測定される水温である。温度ＴＡが図２に示す水温Ｔ０であれば、ステップＳ０２の処理に進む。ステップＳ０２では、冷却液ポンプＣＳ２の回転数の上限を制限回転数Ｒ１に設定し、冷却液ポンプＣＳ２を回転させる。ステップＳ０３では、温度ＴＡが、水温Ｔ１（水温Ｔ０よりもＴだけ高温）となっているか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ１となっていれば、冷却液ポンプＣＳ２の上限回転数を解除し、温度ＴＡが水温Ｔ１に到達していなければステップＳ０２の処理を継続する。
【００４１】
図５に、図４の制御時における、冷却液ポンプＣＳ２の回転数の遷移と水温の遷移とを示す。また、図６に、水圧と冷却液ポンプＣＳ２の回転数との関係を示す。図６に示されるように、冷却液ポンプＣＳ２の回転数が上昇すると、三方弁ＣＳ５と冷却液ポンプＣＳ２との間の水圧は低下する。本実施形態では、冷却液ポンプＣＳ２の回転数が、Ｒ１（Ｒ２）である場合に、下限水圧Ｐｓとなるように設定している。尚、図５において二点鎖線で示すように、負圧限界閉塞を起こさない程度に、徐々に冷却液ポンプＣＳ２の回転数を上げることも好ましいものである。
【００４２】
続いて、水温が高温から低下した場合における制御について、図７を参照しながら説明する。図７は、水温が高温から低下した場合における循環ポンプ制御のフローを示すフローチャートである。図７を参照しながらする説明では、適宜図３を参照するものとする。
【００４３】
図３に示されるように、温度ＴＡが水温Ｔａを越えたものとし、ステップＳ１１の処理を開始する。ステップＳ１１では、温度ＴＡが水温Ｔ３まで下降したか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ３まで下降していればステップＳ１２の処理に進み、温度ＴＡが水温Ｔ３まで下降していなければステップＳ１１の処理を続ける。
【００４４】
ステップＳ１２では、冷却液ポンプＣＳ２の回転数の上限を制限回転数Ｒ２（図６参照）に設定し、冷却液ポンプＣＳ２を回転させる。ステップＳ１２に続くステップｓ３では、温度の狙い値を、水温Ｔ４から水温Ｔ５へ変更する。ステップＳ１４では、温度ＴＡが水温Ｔ５まで低下したか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ５まで低下していればステップＳ１５の処理に進み、温度ＴＡが水温Ｔ５まで低下していなければステップＳ１４の処理を続ける。
【００４５】
ステップＳ１５では、温度の狙い値を、水温Ｔ５から水温Ｔ４まで戻す。ステップＳ１５に続くステップＳ１６では、温度ＴＡが水温Ｔ４´まで戻ったか判断する。温度ＴＡが水温Ｔ４´まで戻っていれば冷却液ポンプＣＳ２の回転数制限を解除し、温度ＴＡが水温Ｔ４´まで戻っていなければステップＳ１６の処理を続ける。図８に、図７の制御時において、循環ポンプの回転数の遷移と温度の遷移とを示す。図８において二点鎖線で示すように、負圧限界閉塞を起こさない程度に、徐々に冷却液ポンプＣＳ２の回転数を上げることも好ましいものである。
【００４６】
続いて、本発明の実施形態である燃料電池システムＦＣＳを搭載した燃料電池車両における、各部の配置について図９を参照しながら説明する。図９に示されるように、ラジエータＣＳ１は，サイドメンバーＳＭとサイドメンバーＳＭとの間の前方に配置されている。サイドメンバーＳＭの外側にはフロントタイヤＴＲ，ＴＲが配置されている。フロントタイヤＴＲ，ＴＲは、ドライブシャフト１４によって繋がっている。
【００４７】
ラジエータＣＳ１の後方には、トランスアクスルＴＡが配置されている。トランスアクスルＴＡは、図示されているのとは反対側のサイドメンバーＳＭ側に配置されていても構わない。トランスアクスルＴＡには、エアコンコンプレッサ１０と、エアコンプレッサモータ１２と、エアコンプレッサ圧縮部１１と、冷却液ポンプＣＳ２とが繋がれている。冷却ポンプＣＳ２と三方弁ＣＳ５とは、冷却液往路ＣＳ３によってつながれている。
【００４８】
図９のＩ-Ｉ断面を模式的に示す図を図１０に示す。図９に示されるように、エアコンプレッサ圧縮部１１の上方にはインタークーラー１５が配置されており、インタークーラー１５から延びるエアホース１３は後方に延び、冷却液往路ＣＳ３の上方を通っている。
【００４９】
このように、トランスアクスルＴＡ、エアコンプレッサモータ１２、冷却液ポンプＣＳ２、及びエアコンコンプレッサ１０を、それぞれの軸の向きを合わせた上で一体に搭載することで、ＮＶ低減効果を発揮することができる。
【００５０】
また、燃料電池ＦＣをドライブシャフト１４よりも後方に配置した際に、エアコンコンプレッサ１０及びエアコンプレッサモータ１２よりも後方に冷却液ポンプＣＳ２を配置することで、三方弁ＣＳ５と冷却液復路ＣＳ４とを繋ぐバイパス流路を短くすることができ、暖機を早く行うことができる。
【００５１】
また、エアコンプレッサ圧縮部１１の上方にインタークーラー１５を配置することで、インタークーラー１５から延びるエアホース１３と、ドライブシャフト１４との干渉を回避することができる。
【００５２】
また、インタークーラー１５から延びるエアホース１３を挟むように、冷却液ポンプＣＳ２と三方弁ＣＳ５とを配置することで、エアホース１３と、冷却液ポンプＣＳ２と三方弁ＣＳ５とを繋ぐ管路との干渉を回避することができる。
【符号の説明】
【００５３】
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＣ：燃料電池
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＣ：コントローラ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４，Ｓ６：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却水を供給するための管路に設けられてなる循環ポンプと、
前記循環ポンプの回転数を制御するための制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時若しくは前記管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った際に、前記循環ポンプの回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で前記循環ポンプを運転することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却水を供給するための管路に設けられてなる循環ポンプと、
前記循環ポンプの回転数を制御するための制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時若しくは前記管路における冷却水の温度が閾値温度を下回った際に、前記循環ポンプの回転数に上限を設け、その上限回転数を上回らない回転数で前記循環ポンプを運転することを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−９９２３７（Ｐ２０１２−９９２３７Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４３５８７（Ｐ２０１０−２４３５８７）
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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