燃料電池搭載車輌の冷却システム
【課題】燃料電池の冷却系と電動駆動系の冷却系とを統合し、同一のポンプで両冷却系に冷却媒体を循環させる技術を提供する。
【解決手段】電動駆動系用ラジエータ１０１の後に燃料電池用ラジエータ１０２を配置し、燃料電池用ラジエータ１０２で冷却された冷却水をポンプ１１０から電動駆動系用ラジエータ１０１と燃料電池用ラジエータ１０７に分岐して供給する。電動駆動系１０４は、燃料電池用ラジエータ１０２と電動駆動系用ラジエータ１０１の両方で冷却された冷却水により冷却され、燃料電池１０７は、燃料電池用ラジエータ１０２によって冷却された冷却水によって冷却される。これにより、相対的に低温に冷却する必要がある電動駆動系１０４と、それよりも高い温度での冷却でよい燃料電池１０７の冷却が一つのポンプ１１０によってバランス良く行われる。
【解決手段】電動駆動系用ラジエータ１０１の後に燃料電池用ラジエータ１０２を配置し、燃料電池用ラジエータ１０２で冷却された冷却水をポンプ１１０から電動駆動系用ラジエータ１０１と燃料電池用ラジエータ１０７に分岐して供給する。電動駆動系１０４は、燃料電池用ラジエータ１０２と電動駆動系用ラジエータ１０１の両方で冷却された冷却水により冷却され、燃料電池１０７は、燃料電池用ラジエータ１０２によって冷却された冷却水によって冷却される。これにより、相対的に低温に冷却する必要がある電動駆動系１０４と、それよりも高い温度での冷却でよい燃料電池１０７の冷却が一つのポンプ１１０によってバランス良く行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池搭載車輌の冷却システムに係り、特に、システムを簡素化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した車輌における燃料電池の冷却に関する技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載された技術が公知である。燃料電池は、発電に際して発熱するが、発電の効率を高めるためには、その温度は管理する必要がある。また、電動駆動系の冷却もモータの過熱やモータを駆動する駆動回路の半導体デバイスの熱破壊を避けるために必要となる。
【０００３】
燃料電池と電動駆動系の適切な冷却温度は、異なっている。例えばある種の固体高分子型燃料電池は、９５℃程度の温度に保つことが、発電効率の観点から適切となる。一方、半導体デバイスは、熱破壊や熱暴走を防ぐために７０℃程度以下に保つ必要がある。このため、従来の車載型の冷却システムでは、燃料電池の冷却系と、電動駆動系の冷却系とは、別系統とされ、２系統の冷却系を備えていた。
【０００４】
図６は、従来技術における燃料電池を搭載した車輌の冷却系の概要を示すブロック図である。図６には、車輌に搭載された冷却系５００が示されている。図６において、図の上方が車輌の前方となる。冷却系５００は、燃料電池用ラジエータ５０１を備えている。燃料電池用ラジエータ５０１は、冷却水を空冷する。空冷された冷却水は、ポンプ５０２によって循環経路５０３内を流され、燃料電池５０４に供給される。燃料電池５０４から熱（反応熱）を奪った冷却水は、燃料電池用ラジエータ５０１に戻され、そこで再び冷却される。
【０００５】
燃料電池５０８の冷却系では、燃料電池５０４から排出された部分における冷却水の温度が、例えば９５℃となるように、ポンプ５０２の出力が調整される。
【０００６】
他方において、冷却系５００は、電動駆動系用ラジエータ５０５を備えている。電動駆動系用ラジエータ５０５は、冷却水を空冷し、空冷された冷却水は、ポンプ５０６によって循環経路５０７内を流され、電動駆動系５０８に供給される。電動駆動系５０８には、例えば駆動力を発生するモータや、このモータを駆動する駆動回路の半導体デバイス等が含まれ、それらが冷却水によって冷却される。電動駆動系を冷却した冷却水は、電動駆動系用ラジエータ５０５に戻され、そこで再び冷却される。
【０００７】
電動駆動系５０８の冷却系では、電動駆動系５０８から排出された部分における冷却水の温度が、例えば７０℃となるように、ポンプ５０６の出力が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３１５５１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図６に示す冷却システムは、燃料電池と電動駆動系とにそれぞれポンプ（５０２、５０６）が必要となり構成が複雑となる。また、ポンプ２台分の電源電力が必要となる。このことは、乗用車のように小形化、軽量化、低消費エネルギー化、低コスト化が要求されるシステムに適用する場合に障害となる。
【００１０】
そこで本発明は、燃料電池の冷却系と電動駆動系の冷却系とを統合し、同一のポンプで両冷却系に冷却媒体を循環させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、燃料電池を搭載し電動により走行可能な車輌にあって、燃料電池を冷却するための第１のラジエータと、電動駆動系の要素を冷却するための第２のラジエータと、前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記第２のラジエータに供給する第１の流路と、前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記燃料電池に供給する第２の流路と、前記冷媒に流れを与える冷媒用ポンプとを備えることを特徴とする燃料電池搭載車輌の冷却システムである。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、第１のラジエータで冷却された冷媒が、燃料電池と第２のラジエータに向けて２系統に分岐されて供給される。そして、第１のラジエータで冷却された冷媒の内、燃料電池に向けて分岐された冷媒により燃料電池が冷却され、第２のラジエータに向けて分岐された冷媒が第２のラジエータで更に冷却された後に電動駆動系の要素を冷却する。
【００１３】
この仕組みによれば、２系統の冷却系を一つの冷媒用ポンプにより動作させることができる。また、電動駆動系の要素への冷媒が２段階に渡りラジエータで冷却されるので、電動駆動系の要素をより低温に維持することができる。また、分岐される比率を設定あるいは調整することで、異なる冷却能力が要求される２系統の冷却系の冷却機能のバランスをとることができる。
【００１４】
なお、電動駆動系の要素というのは、電動による駆動を行う系を構成する要素のことであり、具体的には、車輌を動かすためのモータ、このモータを駆動するための駆動回路、この駆動回路を構成する電子デバイス、この駆動回路に電力を供給するための電源回路、この電源回路を構成する電子デバイスといったものが挙げられる。この要素は、一つであってもよいし、複数であってもよい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、冷媒は、前記燃料電池、前記第１のラジエータ、前記冷媒用ポンプ、前記第２のラジエータを順に通過した後に前記電動駆動系の要素の冷却を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池を通過した昇温した冷媒が、第１のラジエータで冷却され、その後冷媒用ポンプにより第２のラジエータに送られ更に冷却される。そして、この２段階に渡って冷却された冷媒によって、燃料電池よりも低い温度に保たなければならない電動駆動系の要素の冷却が行われる。このため、一つの冷媒用ポンプに頼った冷媒の供給方法でありながら、異なる冷却能力が必要な２箇所の冷却を適切に行うことができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、車輌の前進による空気の流れに沿って、前記第２のラジエータ、前記第１のラジエータの順に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に比較して相対的に低い温度に冷却が必要とされる電動駆動系用の冷媒をより優先的に冷却できる。この構成では、第１のラジエータは、第２のラジエータから熱を奪った空気の流れによって冷却される。この際、第１のラジエータの冷却効率は、第２のラジエータに比較して低いが、燃料電池用の冷媒の温度は、電動駆動系用に比較して相対的に高い温度でもよいので、問題は生じない。このため、前方から見て車輌内部での占有面積が問題となるラジエータを前後に重ねて配置することができる設計上の優位性が得られ、且つ、電動駆動系の要素を冷却する冷媒の温度と燃料電池の冷却を行う冷媒の温度とをそれぞれ適切に得ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または３に記載の発明において、前記冷媒用ポンプは、第１のラジエータから冷媒が排出される流路または第１のラジエータに冷媒が流入する流路に配置され、前記第１のラジエータからの冷媒の流路を前記第１の流路と前記第２の流路に分ける分岐と、前記第１の流路と前記第２の流路を流れる前記冷媒の流量比を調整する流量比調整手段とを更に備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、第１のラジエータにおいて冷却された冷媒が分岐され、一方が第２のラジエータに送られ、他方が燃料電池に送られる。この分岐される冷媒の流量の分配比率が流量比調整手段により調整されることで、燃料電池の冷却具合と第２のラジエータの下流側に配置された電動駆動系の要素の冷却具合とのバランスの調整が行われる。すなわち、電動駆動系の要素の冷却を優先するか、燃料電池の冷却を優先するかの調整が行われる。このため、各冷却対象に適した温度管理を行うことができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒の温度を検出する第１の温度センサと、前記燃料電池を冷却した冷媒の温度を検出する第２の温度センサと、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの出力に基づいて前流流量比調整手段の制御を行う制御手段とを更に備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、２つの温度センサの出力に基づいて、電動駆動系の要素に供給される冷媒の供給量と、燃料電池に供給される冷媒の供給量との比率（流量比）が調整される。これにより、電動駆動系の要素の温度が上昇し、その更なる冷却の必要があれば、前者の供給量が増加され、燃料電池の温度が上昇し、その更なる冷却が必要であれば、後者の供給量が増加される制御が行われる。これにより、冷媒用ポンプが一つであっても、２系統の冷却機能の管理が適切に行われる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒を冷却せずに前記燃料電池に供給する供給手段を更に備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、燃料電池の温度が、発電効率が低下する低い温度にある場合、電動駆動系の要素を冷却し、温度が上昇した冷媒が冷却されずに燃料電池に供給される。この際、電動駆動系の要素から奪われた熱が冷媒を介して燃料電池に供給され、上述した燃料電池の低温状態の解消が計られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池の冷却系と電動駆動系の冷却系とを統合し、同一のポンプで両冷却系に冷却媒体を循環させる技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態の冷却システムの概要を示すブロック図である。
【図２】実施形態の制御系の概要を示すブロック図である。
【図３】実施形態の制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】車輌の状態と各パラメータの関係を示すグラフである。
【図５】実施形態の冷却システムの概要を示すブロック図である。
【図６】従来の冷却システムの概要を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
１．第１の実施形態
（冷却システムの構成）
以下、図１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、車輌に搭載された冷却システムの概要が示されている。図１において、図の上方が車輌の進行方向前方となる。図１には、冷却システムの冷却系の構成が主に示されている。図１には、冷却システム１００が示されている。なお、車輌は、電動により走行する電動機構を備えたものであれば、特に構造が限定されるものではないので、車輌の構造についての説明は省略する。
【００２８】
冷却システム１００は、電動駆動系用ラジエータ１０１を備えている。電動駆動系用ラジエータ１０１には、冷媒となる冷却水が冷媒流路１１５から供給される。冷媒流路１１５から供給された冷却水は、電動駆動系用ラジエータ１０１で空冷され、冷媒流路１０３に排出される。電動駆動系用ラジエータ１０１から冷媒流路１０３に排出された冷却水は、電動駆動系１０４に含まれる要素に供給され、この要素を冷却する。
【００２９】
この例では、電動駆動系１０４に含まれる車輌駆動用のモータ、およびこのモータを駆動する駆動回路の半導体デバイスの冷却が行われる。なお、冷却の対象は、他の発熱部分であってもよい。
【００３０】
電動駆動系１０４から熱を奪った冷却水は、電動駆動系１０４から冷媒流路１０６に排出される。冷媒流路１０６に排出された冷却水は、そこで温度センサ１（１０５）により、温度が検出される。冷媒流路１０６は、燃料電池１０７から排出された冷却水の排出経路である冷媒流路１０８に接続されている。燃料電池１０７は、複数のセルを積層した構造を有し、内部に冷却水を流す冷媒流路を備えている。
【００３１】
また、冷却システム１００は、燃料電池用ラジエータ１０２を備えている。燃料電池用ラジエータ１０２は、車輌の進行方向前方から見て電動駆動系用ラジエータ１０１の後側に配置されている。この構成では、電動駆動系用ラジエータ１０１を冷却した空気が、更に燃料電池用ラジエータ１０２に当たり、燃料電池ラジエータ１０２の冷却が行われる。
【００３２】
燃料電池用ラジエータ１０２には、冷媒流路１０８から冷媒である冷却水が供給される。燃料電池用ラジエータ１０２に供給された冷却水は、そこで空冷により冷却され、サーモ弁１０９に向かって排出される。サーモ弁１０９は、冷媒流路１０８から燃料電池用ラジエータ１０２に向かう冷却水を燃料電池用ラジエータ１０２に送らず、バイパス経路１０８’を介して後述のポンプ１１０にバイパスすることが可能なバイパス弁の機能を有している。
【００３３】
サーモ弁を上述のバイパス状態としない場合、冷媒流路１０８を流れる冷却水は、燃料電池用ラジエータ１０２に供給され、そこからサーモ弁１０９に向かって排出され、さらにポンプ１１０に至る。
【００３４】
ポンプ１１０は、冷却水に流れを与える装置であり、図示省略したモータにより駆動され、サーモ弁１０９からの冷却水を電動駆動系用ラジエータ１０１および流量分配制御弁１１１に向かって送り出す機能を有する。この流量分配制御弁１１１は、開け閉めが可能な構造を有し、通過する流量を調整する機能を有する。ポンプ１１０と流量分配制御弁１１１との間には、冷媒流路の分岐点１１３があり、ポンプ１１０から排出された冷却水は、流量分配制御弁１１１の方向（燃料電池１０７の方向）と電動駆動系用ラジエータ１０１の方向の２つの方向に向けて分岐される。流量分岐制御弁１１１から排出された冷却水は、冷媒流路１１２を流れ、燃料電池１０７に供給される。
【００３５】
また、冷媒流路１０８には、燃料電池１０７から排出された冷却水の温度を検出する温度センサ２（１１４）が配置されている。
【００３６】
（冷却水の流れの概要）
まず、サーモ弁１０９をバイパス状態とせず、冷媒流路１０８→燃料電池用ラジエータ１０２→サーモ弁１０９→ポンプ１１０と流路が設定されている場合における冷却水の流れの概要を簡単に説明する。この場合、冷媒流路１０８から燃料電池用ラジエータ１０２に供給された冷却水は、そこで冷却され、更にサーモ弁１０９を経てポンプ１１０に至り、ポンプ１１０でポンピングされる。
【００３７】
ポンプ１１０から排出された冷却水は、分岐点１１３で２つの流路に分岐され、一方が冷媒流路１１５を経て電動駆動系用ラジエータ１０１に供給され、他方が流量分配制御弁１１１（冷媒流路１１２）を経て燃料電池１０７に供給される。
【００３８】
冷媒流路１１５を経て電動駆動系用ラジエータ１０１に供給された冷却水は、燃料電池用ラジエータ１０２における冷却に加えて再度冷却され、冷媒流路１０３に排出される。冷媒流路１０３に排出された冷却水は、電動駆動系１０４内の冷却対象物を冷却し、冷媒流路１０６および１０８を経て燃料電池用ラジエータ１０２に送られる。
【００３９】
冷媒流路１１２を経て燃料電池１０７に供給された冷却水は、燃料電池１０７を冷却し、その後冷媒流路１０８に排出されて燃料電池用ラジエータ１０２に送られる。
【００４０】
サーモ弁１０９をバイパス状態とした場合、冷媒流路１０８を流れる冷却水は、バイパス経路１０８’にバイパスされ、燃料電池用ラジエータ１０２を通らず、サーモ弁１０９からポンプ１１０に供給される。その後の流路は、冷媒流路１０８から燃料電池用ラジエータ１０２に冷却水が供給されず、冷媒流路１０８からバイパス経路１０８’を通ってサーモ弁１０９に冷却水が流れる点を除いて、サーモ弁１０９をバイパス状態としない場合と同じである。
【００４１】
上記の冷却水の流れにおいて、流量分配制御弁１１１の開度（弁の開きの程度）を調整すると、分岐点１１３で分岐される冷却水の流量比が変化する。例えば、流量分配制御弁１１１の開度を大きくすると（弁の開き加減を大きくすると）、冷媒流路１１２に流れる冷却水の流量が相対的に大きくなり、冷媒流路１１５に流れる冷却水の流量が相対的に小さくなる。逆に、流量分配制御弁１１１の開度を小さくすると（弁の開き加減を小さくすると）、冷媒流路１１２に流れる冷却水の流量が相対的に小さくなり、冷媒流路１１５に流れる冷却水の流量が相対的に大きくなる。
【００４２】
（制御系の構成）
図２は、図１に示すシステムの制御系を示すブロック図である。図１に示す制御系は、コントローラ２０１を備えている。コントローラ２０１は、コンピュータとしての機能を有し、ＣＰＵ、メモリ、インタフェース回路を備えている。コントローラ２０１は、後述する制御手順を実行し、冷却システム１００における冷却制御を行う。
【００４３】
図２の制御系は、図１にも示したサーモ弁１０９、ポンプ１１０、流量分配制御弁１１１、温度センサ１（１０５）および温度センサ２（１１４）を備えている。コントローラ２０１は、温度センサ１（１０５）および温度センサ２（１１４）の検出信号に基づき、サーモ弁１０９、ポンプ１１０および流量分配制御弁１１１の制御を行う。この制御の具体例について後述する。
【００４４】
（制御の一例）
図３は、図２の制御系において行われる制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。図３に示す制御は、図２のコントローラ２０１内のメモリに記憶された制御プログラムに基づいて、コントローラ２０１によって実行される。
【００４５】
例えば、冷却システム１００を搭載した車輌のスタートキーが回された（ＯＮにされた）状態で、ブレーキを解除し、アクセルを踏めば走行が可能な状態とされた場合に、図３の処理が開始される。処理が開始されると（ステップＳ３０１）、ポンプ１１０が始動され（ステップＳ３０２）、冷却水の循環が開始される。なお、初期状態において、流量分配制御弁１１１は、予め実験的に求められた開度に設定されているものとする。
【００４６】
次に、温度センサ２（１１４）の検出温度が参照され、燃料電池１０７から排出される冷却水の温度が、予め決められた低温範囲（この例では、１０℃以下の範囲）にあるか否かの判定が行われる（ステップＳ３０３）。燃料電池１０７からの冷却水の温度が予め決められた低温範囲であれば、冷媒流路１０８を流れる冷却水が、燃料電池用ラジエータ１０２を通らず、ポンプ１１０にバイパスするように、サーモ弁１０９を切り換える。こうして、冷媒流路１０８からの冷却水が、燃料電池用ラジエータ１０２を通らず、バイパス経路１０８’およびサーモ弁１０９を通ってポンプ１１０にバイパスされる状態とされる（ステップＳ３０４）。
【００４７】
ステップＳ３０３において、燃料電池１０７から排出される冷却水の温度が１０℃以下の範囲でなければ、ステップＳ３０５に進み、冷媒流路１０８→燃料電池用ラジエータ１０２→サーモ弁１０９と流路が繋がるように、サーモ弁１０９を切り換える。この際、バイパス経路１０８’は閉鎖される。
【００４８】
ステップＳ３０４またはステップＳ３０５の後に、温度センサ１（１０５）が検出した温度が予め決められた上限値（この例では、７０℃）を超えたか否かの判定が行われる（ステップＳ３０６）。温度センサ１（１０５）が検出する温度が７０℃を超えていれば、流量分配制御弁１１１を閉じる方向（開度小）に制御し、ポンプ１１０から送り出される冷却水がより冷媒流路１１５の方に流れるように調整を行う（ステップＳ３０７）。この閉じる方向への制御は、予め決められた変化幅で行われる。またこの際、ポンプ１１０の出力を増加させる制御を併用してもよい。ステップＳ３０７の処理を行った後、ステップＳ３０３以下の処理を繰り返す。
【００４９】
ステップＳ３０６において、温度センサ１（１０５）の検出温度が７０℃以下であれば、ステップＳ３０８に進み、温度センサ２（１１４）の検出温度が予め決められた上限値（この場合は９５℃）を超えているか否かの判定が行われる。温度センサ２（１１４）の検出温度が９５℃を超えている場合、流路１１２を流れる冷却水の流量がより多くなるように、流量分配制御弁１１１を開放する方向（開度大）に調整する（ステップＳ３０９）。この開放する方向への制御は、予め決められた変化幅で行われる。またこの際、ポンプ１１０の出力を増加させる制御を併用してもよい。
【００５０】
ステップＳ３０９の後、あるいはステップＳ３０８において、温度センサ２（１１４）の検出温度が９５℃を超えていない場合、ステップＳ３１０に進み、処理を終了するか否かの判定が行われる。例えば、スタートキーが抜かれた（ＯＦＦにされた）場合にステップＳ３１０の判定はＹＥＳとなり、制御は終了する（ステップＳ３１１）。制御を継続するのであれば、ステップＳ３０３の前段階に戻り、ステップＳ３０３以下の処理が繰り返される。
【００５１】
（機能）
燃料電池１０７の温度が低い場合、発電のための反応が低効率となり、燃料電池１０７の出力が規定の値より低くなる。このような場合、燃料電池を冷却することは適切でない。図３に示す制御では、ステップＳ３０３において、この低温の状態が検出され、ステップＳ３０４に進むことで、燃料電池用ラジエータ１０２から燃料電池１０７への冷却水の供給を遮断し、電動駆動系１０４から熱を奪って温度が高くなった冷却水を冷媒流路１０６→冷媒流路１０８→バイパス経路１０８’→サーモ弁１０９→ポンプ１１０→流量分配制御弁１１１→冷媒流路１１２→燃料電池１０７と流す。これにより、燃料電池１０７は、電動駆動系１０４の排熱によって加熱され、反応効率が高められる。この作用は、冬季や寒冷地における車輌の始動時に特に有効となる。
【００５２】
電動駆動系１０４の特に半導体デバイスは、高温に弱く、その温度を設定した上限以下とすることが重要となる。図３に例示する制御では、温度センサ１（１０５）により、電動駆動系１０４の温度を監視し、その温度が予め決められた温度を超えた場合にステップＳ３０６からステップＳ３０７に進み、電動駆動系１０４の冷却のための冷却水の流量が増加され、その冷却機能が強められる。このため、電動駆動系１０４の過熱が防止される。
【００５３】
燃料電池１０７は、適切な温度範囲よりも温度が高いと、電解質膜の乾燥等に起因する発電効率の低下が生じる。このため、燃料電池１０７は、規定の発電能力を発揮させるために、ある温度を超えないようにすることが重要となる。
【００５４】
図３に示す制御では、温度センサ２（１１４）が、燃料電池１０７から排出される冷却水の温度を監視し、燃料電池の温度が予め決められた温度を超えた場合にステップＳ３０８からステップＳ３０９に進み、燃料電池１０７を冷却する冷却水の流量が増加され、その冷却機能が強められる。このため、燃料電池１０７の過熱による発電効率の低下が抑えられる。
【００５５】
（優位性）
以上述べたように、本実施形態では、冷却水の流れで考えて、電動駆動系用ラジエータ１０１の下流側に燃料電池用ラジエータ１０２を配置し、燃料電池用ラジエータ１０２で冷却された冷却水をポンプ１１０から電動駆動系用ラジエータ１０１と燃料電池１０７に分岐して供給する。電動駆動系１０４は、燃料電池用ラジエータ１０２と電動駆動系用ラジエータ１０１の両方で冷却された冷却水により冷却され、燃料電池１０７は、燃料電池用ラジエータ１０２によって冷却された冷却水によって冷却される。これにより、相対的に低温に冷却する必要がある電動駆動系１０４と、それよりも高い温度での冷却でよい燃料電池１０７の冷却が一つのポンプ１１０によってバランス良く行われる。
【００５６】
本実施形態では、流量分配制御弁１１１を用いることで、上述した機能を実現するのに必要なポンプは、ポンプ１１０一つでよい。すなわち、一つポンプから送り出される冷却水を流量分配制御弁１１１により分配し、その分配比率を変えることで、管理温度の異なる電動駆動系における冷却水の循環と、燃料電池系における冷却水の循環とを制御し、それぞれ適切な温度となるように冷却水の供給量の調整がされる。このため、ポンプ系の構成が簡素化され、小形化、低コスト化、低重量化といった優位性が得られる。
【００５７】
また、車輌の進行方向の前から順に、電動駆動系用ラジエータ１０１、燃料電池用ラジエータ１０２と配置することで、より低温に冷却水を冷却する必要がある電動駆動系ラジエータ１０１をまず空冷する。そして、電動駆動系ラジエータ１０１を冷却した空気の流れを利用して、電動駆動系よりも管理温度が高くてよい燃料電池用ラジエータ１０２の冷却を行う。こうすることで、車輌内部の狭いスペースを有効に利用してラジエータを配置することができ、且つ、必要な箇所を効率よく適切に冷却することができる。つまり、スペースの有効利用と、冷却による温度維持のバランスをとることができる。
【００５８】
（具体例）
図４は、車輌の状態と各パラメータの関係を概念的に示したグラフである。なおグラフの軸の単位は、相対値である。図４（Ａ）には、横軸に時間軸が示され、縦軸に走行している車輌の車速（破線）と車輌の傾斜の状態（実線）が示されている。図４（Ａ）には、最初坂を上り、ついて坂を登り切ったところで平坦となり、直ぐに下り坂となり、下り坂を下りきった段階で水平に走行する状態が示されている。そして、この場合の車速の変化が示されている。
【００５９】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）と時間軸（横軸）を共有するもので、縦軸に温度がとられている。ここで、電動駆動系１０４におけるモータを駆動する駆動回路の半導体デバイスの温度が実線により示され、燃料電池１０７内部の温度が破線により示されている。
【００６０】
図４（Ｃ）は、図４（Ａ）と時間軸（横軸）を共有するもので、縦軸に流量分配制御弁１１１の開度が示されている。
【００６１】
この例では、最初に坂を上っている段階で、図４（Ｃ）に示すように、燃料分配制御弁１１１の開度はさほど大きくない開度に設定されており、燃料電池１０７の冷却は電動駆動系の半導体デバイスの冷却に比べ、さほどではなく、燃料電池１０７の温度が登坂時の発電増加とともに上昇していく。一方、電動駆動系の半導体デバイスの温度は充分冷却されてたいへん緩やかに上昇していく。
【００６２】
坂を図４（Ａ）の上り切った段階では、電動モータに加わる負荷が急に低下するので、図４（Ｂ）に示すように、半導体デバイスの温度は上昇しなくなる。一方、燃料電池１０７は、電流の取り出しが少なくなることで、反応熱の発生がいくぶん収まるものの熱の発生が続き、内部温度が上昇してゆるやかながら温度が高くなっていく。
【００６３】
この例では、燃料電池１０７内部の温度があるレベルに上昇した段階（時刻ｔ１）で、燃料分配制御弁１１１の開度が大きくされ、燃料電池１０７に供給される冷却水の流量が増加する制御が行われる。このため、図４（Ｂ）に示すとおり、燃料電池１０７内部の熱は増加した冷却水で確実に奪われ、その内部温度は上昇から下降に転じる。
【００６４】
また、燃料電池１０７への冷却水の供給比率は高くされた影響で、電動駆動系１０４の半導体デバイスの温度が徐々に上昇していく様子が図４（Ｂ）に示されている。そして図４（Ａ）の通り、下り坂となり、車速が上っていくにしたがい、電動駆動系１０４の負荷が大きくなり、その半導体デバイスの温度は所定の管理水温上限に近づいていく。
【００６５】
このとき、図４（Ｃ）の時刻ｔ２で流量分配制御弁１１１の開度が絞られる。これにより、電動駆動系１０４への冷却水の供給量が増え、その半導体デバイスの温度上昇が抑制されて温度が下がっていく。一方で、燃料電池１０７ではゆるやかな温度上昇から、やや急な温度上昇へと転じる。
【００６６】
ここで図４（Ａ）に示すように、車輌は水平走行となりその車速も一定となった状態で、図４（Ｃ）の時刻ｔ３を迎える。時刻ｔ３では、電動駆動系１０４の半導体デバイスの温度は、所定の管理水温上限から相当量低下しており、ここで燃料分配制御弁１１１の開度は絞り過ぎない位置で固定される。こうすることにより、電動駆動系１０４の半導体デバイスの温度は一定値に安定する。
【００６７】
なお、時刻ｔ３において、燃料電池１０７の温度上昇が抑制されて一定の値となる様子が図４（Ｂ）に示されている。これは、車速が一定となるなか図１には図示されていないバッテリーへの燃料電池１０７からの充電量が増加し、バッテリーから電動駆動系１０４への電力供給の割合が高まり、それに伴って燃料電池１０７の負荷量が低下し、反応熱の発生が抑えられるためである。
【００６８】
２．第２の実施形態
図５は、実施形態の他の態様を示すブロック図である。図５には、冷却システム６００が示されている。冷却システム６００は、冷却システム１００に流量分配制御弁６０１、６０２および６０３を追加した構成とされている。この構成では、流量分配制御弁１１１の制御に加えて、流量分配制御弁６０１〜６０３から選ばれた少なくとも一つの流量分配制御弁を調整することで、図３のステップＳ３０７および／またはステップ３０９の制御が行われる。
【００６９】
３．その他
図１に示す構成において、流量分配制御弁１１１を冷媒流路１１５に配置してもよい。この場合、冷媒流路１１５に配置した流量分配制御弁１１１を開放する方向に制御すると、電動駆動系ラジエータ１０１への冷却水の流量が増加し、その分、燃料電池１０７への冷却水の流量は減少する。また、冷媒流路１１５に配置した流量分配制御弁１１１を閉鎖する方向に制御すると、その逆となる。
【００７０】
流量分配制御弁１１１を備えない構成も考えられる。この場合、冷媒流路１１２と１１５への冷却水の分配比は固定となる。この場合、分配比は、各流路を流れる冷却水の流れのコンダクタンスを調整することで設定される。この調整は、配管の内径の設定や冷媒流路途中に配置した図示省略したバルブの調整により行うことができる。
【００７１】
温度センサ１および２が検出し、管理がされる温度の閾値は、燃料電池の規模や種類、電動駆動系の規模や回路構成等に応じて、変更が可能である。車輌は、乗用車、トラック、バス、その他人や荷物を運搬する目的で電動により走行するものであれば、特に限定されない。冷媒は、冷却を行う流体であればよく、水に限定されない。
【００７２】
図１に示す構成において、ポンプの位置は、冷媒流路１０８における冷媒流路１０６が合流した位置の下流側で、且つ、バイパス経路１０８’への分岐点の上流側であってもよい。この場合、ポンプから押し出された冷却水は、分配経路１０８‘または燃料電池用ラジエータ１０２に流れ、さらにサーモ弁１０９から分岐点１１３に至って２流路に分岐される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、車載用冷却システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１００…冷却システム、１０１…電動駆動系用ラジエータ、１０２…燃料電池用ラジエータ、１０３…冷媒流路、１０４…電動駆動系、１０５…温度センサ１、１０６…冷媒流路、１０７…燃料電池、１０８…冷媒流路、１０８’…バイパス経路、１０９…サーモ弁、１１０…ポンプ、１１１…流量分配制御弁、１１２…冷媒流路、１１４…温度センサ２、１１５…冷媒流路、６００…冷却システム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池搭載車輌の冷却システムに係り、特に、システムを簡素化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した車輌における燃料電池の冷却に関する技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載された技術が公知である。燃料電池は、発電に際して発熱するが、発電の効率を高めるためには、その温度は管理する必要がある。また、電動駆動系の冷却もモータの過熱やモータを駆動する駆動回路の半導体デバイスの熱破壊を避けるために必要となる。
【０００３】
燃料電池と電動駆動系の適切な冷却温度は、異なっている。例えばある種の固体高分子型燃料電池は、９５℃程度の温度に保つことが、発電効率の観点から適切となる。一方、半導体デバイスは、熱破壊や熱暴走を防ぐために７０℃程度以下に保つ必要がある。このため、従来の車載型の冷却システムでは、燃料電池の冷却系と、電動駆動系の冷却系とは、別系統とされ、２系統の冷却系を備えていた。
【０００４】
図６は、従来技術における燃料電池を搭載した車輌の冷却系の概要を示すブロック図である。図６には、車輌に搭載された冷却系５００が示されている。図６において、図の上方が車輌の前方となる。冷却系５００は、燃料電池用ラジエータ５０１を備えている。燃料電池用ラジエータ５０１は、冷却水を空冷する。空冷された冷却水は、ポンプ５０２によって循環経路５０３内を流され、燃料電池５０４に供給される。燃料電池５０４から熱（反応熱）を奪った冷却水は、燃料電池用ラジエータ５０１に戻され、そこで再び冷却される。
【０００５】
燃料電池５０８の冷却系では、燃料電池５０４から排出された部分における冷却水の温度が、例えば９５℃となるように、ポンプ５０２の出力が調整される。
【０００６】
他方において、冷却系５００は、電動駆動系用ラジエータ５０５を備えている。電動駆動系用ラジエータ５０５は、冷却水を空冷し、空冷された冷却水は、ポンプ５０６によって循環経路５０７内を流され、電動駆動系５０８に供給される。電動駆動系５０８には、例えば駆動力を発生するモータや、このモータを駆動する駆動回路の半導体デバイス等が含まれ、それらが冷却水によって冷却される。電動駆動系を冷却した冷却水は、電動駆動系用ラジエータ５０５に戻され、そこで再び冷却される。
【０００７】
電動駆動系５０８の冷却系では、電動駆動系５０８から排出された部分における冷却水の温度が、例えば７０℃となるように、ポンプ５０６の出力が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３１５５１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図６に示す冷却システムは、燃料電池と電動駆動系とにそれぞれポンプ（５０２、５０６）が必要となり構成が複雑となる。また、ポンプ２台分の電源電力が必要となる。このことは、乗用車のように小形化、軽量化、低消費エネルギー化、低コスト化が要求されるシステムに適用する場合に障害となる。
【００１０】
そこで本発明は、燃料電池の冷却系と電動駆動系の冷却系とを統合し、同一のポンプで両冷却系に冷却媒体を循環させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、燃料電池を搭載し電動により走行可能な車輌にあって、燃料電池を冷却するための第１のラジエータと、電動駆動系の要素を冷却するための第２のラジエータと、前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記第２のラジエータに供給する第１の流路と、前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記燃料電池に供給する第２の流路と、前記冷媒に流れを与える冷媒用ポンプとを備えることを特徴とする燃料電池搭載車輌の冷却システムである。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、第１のラジエータで冷却された冷媒が、燃料電池と第２のラジエータに向けて２系統に分岐されて供給される。そして、第１のラジエータで冷却された冷媒の内、燃料電池に向けて分岐された冷媒により燃料電池が冷却され、第２のラジエータに向けて分岐された冷媒が第２のラジエータで更に冷却された後に電動駆動系の要素を冷却する。
【００１３】
この仕組みによれば、２系統の冷却系を一つの冷媒用ポンプにより動作させることができる。また、電動駆動系の要素への冷媒が２段階に渡りラジエータで冷却されるので、電動駆動系の要素をより低温に維持することができる。また、分岐される比率を設定あるいは調整することで、異なる冷却能力が要求される２系統の冷却系の冷却機能のバランスをとることができる。
【００１４】
なお、電動駆動系の要素というのは、電動による駆動を行う系を構成する要素のことであり、具体的には、車輌を動かすためのモータ、このモータを駆動するための駆動回路、この駆動回路を構成する電子デバイス、この駆動回路に電力を供給するための電源回路、この電源回路を構成する電子デバイスといったものが挙げられる。この要素は、一つであってもよいし、複数であってもよい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、冷媒は、前記燃料電池、前記第１のラジエータ、前記冷媒用ポンプ、前記第２のラジエータを順に通過した後に前記電動駆動系の要素の冷却を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池を通過した昇温した冷媒が、第１のラジエータで冷却され、その後冷媒用ポンプにより第２のラジエータに送られ更に冷却される。そして、この２段階に渡って冷却された冷媒によって、燃料電池よりも低い温度に保たなければならない電動駆動系の要素の冷却が行われる。このため、一つの冷媒用ポンプに頼った冷媒の供給方法でありながら、異なる冷却能力が必要な２箇所の冷却を適切に行うことができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、車輌の前進による空気の流れに沿って、前記第２のラジエータ、前記第１のラジエータの順に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に比較して相対的に低い温度に冷却が必要とされる電動駆動系用の冷媒をより優先的に冷却できる。この構成では、第１のラジエータは、第２のラジエータから熱を奪った空気の流れによって冷却される。この際、第１のラジエータの冷却効率は、第２のラジエータに比較して低いが、燃料電池用の冷媒の温度は、電動駆動系用に比較して相対的に高い温度でもよいので、問題は生じない。このため、前方から見て車輌内部での占有面積が問題となるラジエータを前後に重ねて配置することができる設計上の優位性が得られ、且つ、電動駆動系の要素を冷却する冷媒の温度と燃料電池の冷却を行う冷媒の温度とをそれぞれ適切に得ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または３に記載の発明において、前記冷媒用ポンプは、第１のラジエータから冷媒が排出される流路または第１のラジエータに冷媒が流入する流路に配置され、前記第１のラジエータからの冷媒の流路を前記第１の流路と前記第２の流路に分ける分岐と、前記第１の流路と前記第２の流路を流れる前記冷媒の流量比を調整する流量比調整手段とを更に備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、第１のラジエータにおいて冷却された冷媒が分岐され、一方が第２のラジエータに送られ、他方が燃料電池に送られる。この分岐される冷媒の流量の分配比率が流量比調整手段により調整されることで、燃料電池の冷却具合と第２のラジエータの下流側に配置された電動駆動系の要素の冷却具合とのバランスの調整が行われる。すなわち、電動駆動系の要素の冷却を優先するか、燃料電池の冷却を優先するかの調整が行われる。このため、各冷却対象に適した温度管理を行うことができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒の温度を検出する第１の温度センサと、前記燃料電池を冷却した冷媒の温度を検出する第２の温度センサと、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの出力に基づいて前流流量比調整手段の制御を行う制御手段とを更に備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、２つの温度センサの出力に基づいて、電動駆動系の要素に供給される冷媒の供給量と、燃料電池に供給される冷媒の供給量との比率（流量比）が調整される。これにより、電動駆動系の要素の温度が上昇し、その更なる冷却の必要があれば、前者の供給量が増加され、燃料電池の温度が上昇し、その更なる冷却が必要であれば、後者の供給量が増加される制御が行われる。これにより、冷媒用ポンプが一つであっても、２系統の冷却機能の管理が適切に行われる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒を冷却せずに前記燃料電池に供給する供給手段を更に備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、燃料電池の温度が、発電効率が低下する低い温度にある場合、電動駆動系の要素を冷却し、温度が上昇した冷媒が冷却されずに燃料電池に供給される。この際、電動駆動系の要素から奪われた熱が冷媒を介して燃料電池に供給され、上述した燃料電池の低温状態の解消が計られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池の冷却系と電動駆動系の冷却系とを統合し、同一のポンプで両冷却系に冷却媒体を循環させる技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態の冷却システムの概要を示すブロック図である。
【図２】実施形態の制御系の概要を示すブロック図である。
【図３】実施形態の制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】車輌の状態と各パラメータの関係を示すグラフである。
【図５】実施形態の冷却システムの概要を示すブロック図である。
【図６】従来の冷却システムの概要を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
１．第１の実施形態
（冷却システムの構成）
以下、図１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、車輌に搭載された冷却システムの概要が示されている。図１において、図の上方が車輌の進行方向前方となる。図１には、冷却システムの冷却系の構成が主に示されている。図１には、冷却システム１００が示されている。なお、車輌は、電動により走行する電動機構を備えたものであれば、特に構造が限定されるものではないので、車輌の構造についての説明は省略する。
【００２８】
冷却システム１００は、電動駆動系用ラジエータ１０１を備えている。電動駆動系用ラジエータ１０１には、冷媒となる冷却水が冷媒流路１１５から供給される。冷媒流路１１５から供給された冷却水は、電動駆動系用ラジエータ１０１で空冷され、冷媒流路１０３に排出される。電動駆動系用ラジエータ１０１から冷媒流路１０３に排出された冷却水は、電動駆動系１０４に含まれる要素に供給され、この要素を冷却する。
【００２９】
この例では、電動駆動系１０４に含まれる車輌駆動用のモータ、およびこのモータを駆動する駆動回路の半導体デバイスの冷却が行われる。なお、冷却の対象は、他の発熱部分であってもよい。
【００３０】
電動駆動系１０４から熱を奪った冷却水は、電動駆動系１０４から冷媒流路１０６に排出される。冷媒流路１０６に排出された冷却水は、そこで温度センサ１（１０５）により、温度が検出される。冷媒流路１０６は、燃料電池１０７から排出された冷却水の排出経路である冷媒流路１０８に接続されている。燃料電池１０７は、複数のセルを積層した構造を有し、内部に冷却水を流す冷媒流路を備えている。
【００３１】
また、冷却システム１００は、燃料電池用ラジエータ１０２を備えている。燃料電池用ラジエータ１０２は、車輌の進行方向前方から見て電動駆動系用ラジエータ１０１の後側に配置されている。この構成では、電動駆動系用ラジエータ１０１を冷却した空気が、更に燃料電池用ラジエータ１０２に当たり、燃料電池ラジエータ１０２の冷却が行われる。
【００３２】
燃料電池用ラジエータ１０２には、冷媒流路１０８から冷媒である冷却水が供給される。燃料電池用ラジエータ１０２に供給された冷却水は、そこで空冷により冷却され、サーモ弁１０９に向かって排出される。サーモ弁１０９は、冷媒流路１０８から燃料電池用ラジエータ１０２に向かう冷却水を燃料電池用ラジエータ１０２に送らず、バイパス経路１０８’を介して後述のポンプ１１０にバイパスすることが可能なバイパス弁の機能を有している。
【００３３】
サーモ弁を上述のバイパス状態としない場合、冷媒流路１０８を流れる冷却水は、燃料電池用ラジエータ１０２に供給され、そこからサーモ弁１０９に向かって排出され、さらにポンプ１１０に至る。
【００３４】
ポンプ１１０は、冷却水に流れを与える装置であり、図示省略したモータにより駆動され、サーモ弁１０９からの冷却水を電動駆動系用ラジエータ１０１および流量分配制御弁１１１に向かって送り出す機能を有する。この流量分配制御弁１１１は、開け閉めが可能な構造を有し、通過する流量を調整する機能を有する。ポンプ１１０と流量分配制御弁１１１との間には、冷媒流路の分岐点１１３があり、ポンプ１１０から排出された冷却水は、流量分配制御弁１１１の方向（燃料電池１０７の方向）と電動駆動系用ラジエータ１０１の方向の２つの方向に向けて分岐される。流量分岐制御弁１１１から排出された冷却水は、冷媒流路１１２を流れ、燃料電池１０７に供給される。
【００３５】
また、冷媒流路１０８には、燃料電池１０７から排出された冷却水の温度を検出する温度センサ２（１１４）が配置されている。
【００３６】
（冷却水の流れの概要）
まず、サーモ弁１０９をバイパス状態とせず、冷媒流路１０８→燃料電池用ラジエータ１０２→サーモ弁１０９→ポンプ１１０と流路が設定されている場合における冷却水の流れの概要を簡単に説明する。この場合、冷媒流路１０８から燃料電池用ラジエータ１０２に供給された冷却水は、そこで冷却され、更にサーモ弁１０９を経てポンプ１１０に至り、ポンプ１１０でポンピングされる。
【００３７】
ポンプ１１０から排出された冷却水は、分岐点１１３で２つの流路に分岐され、一方が冷媒流路１１５を経て電動駆動系用ラジエータ１０１に供給され、他方が流量分配制御弁１１１（冷媒流路１１２）を経て燃料電池１０７に供給される。
【００３８】
冷媒流路１１５を経て電動駆動系用ラジエータ１０１に供給された冷却水は、燃料電池用ラジエータ１０２における冷却に加えて再度冷却され、冷媒流路１０３に排出される。冷媒流路１０３に排出された冷却水は、電動駆動系１０４内の冷却対象物を冷却し、冷媒流路１０６および１０８を経て燃料電池用ラジエータ１０２に送られる。
【００３９】
冷媒流路１１２を経て燃料電池１０７に供給された冷却水は、燃料電池１０７を冷却し、その後冷媒流路１０８に排出されて燃料電池用ラジエータ１０２に送られる。
【００４０】
サーモ弁１０９をバイパス状態とした場合、冷媒流路１０８を流れる冷却水は、バイパス経路１０８’にバイパスされ、燃料電池用ラジエータ１０２を通らず、サーモ弁１０９からポンプ１１０に供給される。その後の流路は、冷媒流路１０８から燃料電池用ラジエータ１０２に冷却水が供給されず、冷媒流路１０８からバイパス経路１０８’を通ってサーモ弁１０９に冷却水が流れる点を除いて、サーモ弁１０９をバイパス状態としない場合と同じである。
【００４１】
上記の冷却水の流れにおいて、流量分配制御弁１１１の開度（弁の開きの程度）を調整すると、分岐点１１３で分岐される冷却水の流量比が変化する。例えば、流量分配制御弁１１１の開度を大きくすると（弁の開き加減を大きくすると）、冷媒流路１１２に流れる冷却水の流量が相対的に大きくなり、冷媒流路１１５に流れる冷却水の流量が相対的に小さくなる。逆に、流量分配制御弁１１１の開度を小さくすると（弁の開き加減を小さくすると）、冷媒流路１１２に流れる冷却水の流量が相対的に小さくなり、冷媒流路１１５に流れる冷却水の流量が相対的に大きくなる。
【００４２】
（制御系の構成）
図２は、図１に示すシステムの制御系を示すブロック図である。図１に示す制御系は、コントローラ２０１を備えている。コントローラ２０１は、コンピュータとしての機能を有し、ＣＰＵ、メモリ、インタフェース回路を備えている。コントローラ２０１は、後述する制御手順を実行し、冷却システム１００における冷却制御を行う。
【００４３】
図２の制御系は、図１にも示したサーモ弁１０９、ポンプ１１０、流量分配制御弁１１１、温度センサ１（１０５）および温度センサ２（１１４）を備えている。コントローラ２０１は、温度センサ１（１０５）および温度センサ２（１１４）の検出信号に基づき、サーモ弁１０９、ポンプ１１０および流量分配制御弁１１１の制御を行う。この制御の具体例について後述する。
【００４４】
（制御の一例）
図３は、図２の制御系において行われる制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。図３に示す制御は、図２のコントローラ２０１内のメモリに記憶された制御プログラムに基づいて、コントローラ２０１によって実行される。
【００４５】
例えば、冷却システム１００を搭載した車輌のスタートキーが回された（ＯＮにされた）状態で、ブレーキを解除し、アクセルを踏めば走行が可能な状態とされた場合に、図３の処理が開始される。処理が開始されると（ステップＳ３０１）、ポンプ１１０が始動され（ステップＳ３０２）、冷却水の循環が開始される。なお、初期状態において、流量分配制御弁１１１は、予め実験的に求められた開度に設定されているものとする。
【００４６】
次に、温度センサ２（１１４）の検出温度が参照され、燃料電池１０７から排出される冷却水の温度が、予め決められた低温範囲（この例では、１０℃以下の範囲）にあるか否かの判定が行われる（ステップＳ３０３）。燃料電池１０７からの冷却水の温度が予め決められた低温範囲であれば、冷媒流路１０８を流れる冷却水が、燃料電池用ラジエータ１０２を通らず、ポンプ１１０にバイパスするように、サーモ弁１０９を切り換える。こうして、冷媒流路１０８からの冷却水が、燃料電池用ラジエータ１０２を通らず、バイパス経路１０８’およびサーモ弁１０９を通ってポンプ１１０にバイパスされる状態とされる（ステップＳ３０４）。
【００４７】
ステップＳ３０３において、燃料電池１０７から排出される冷却水の温度が１０℃以下の範囲でなければ、ステップＳ３０５に進み、冷媒流路１０８→燃料電池用ラジエータ１０２→サーモ弁１０９と流路が繋がるように、サーモ弁１０９を切り換える。この際、バイパス経路１０８’は閉鎖される。
【００４８】
ステップＳ３０４またはステップＳ３０５の後に、温度センサ１（１０５）が検出した温度が予め決められた上限値（この例では、７０℃）を超えたか否かの判定が行われる（ステップＳ３０６）。温度センサ１（１０５）が検出する温度が７０℃を超えていれば、流量分配制御弁１１１を閉じる方向（開度小）に制御し、ポンプ１１０から送り出される冷却水がより冷媒流路１１５の方に流れるように調整を行う（ステップＳ３０７）。この閉じる方向への制御は、予め決められた変化幅で行われる。またこの際、ポンプ１１０の出力を増加させる制御を併用してもよい。ステップＳ３０７の処理を行った後、ステップＳ３０３以下の処理を繰り返す。
【００４９】
ステップＳ３０６において、温度センサ１（１０５）の検出温度が７０℃以下であれば、ステップＳ３０８に進み、温度センサ２（１１４）の検出温度が予め決められた上限値（この場合は９５℃）を超えているか否かの判定が行われる。温度センサ２（１１４）の検出温度が９５℃を超えている場合、流路１１２を流れる冷却水の流量がより多くなるように、流量分配制御弁１１１を開放する方向（開度大）に調整する（ステップＳ３０９）。この開放する方向への制御は、予め決められた変化幅で行われる。またこの際、ポンプ１１０の出力を増加させる制御を併用してもよい。
【００５０】
ステップＳ３０９の後、あるいはステップＳ３０８において、温度センサ２（１１４）の検出温度が９５℃を超えていない場合、ステップＳ３１０に進み、処理を終了するか否かの判定が行われる。例えば、スタートキーが抜かれた（ＯＦＦにされた）場合にステップＳ３１０の判定はＹＥＳとなり、制御は終了する（ステップＳ３１１）。制御を継続するのであれば、ステップＳ３０３の前段階に戻り、ステップＳ３０３以下の処理が繰り返される。
【００５１】
（機能）
燃料電池１０７の温度が低い場合、発電のための反応が低効率となり、燃料電池１０７の出力が規定の値より低くなる。このような場合、燃料電池を冷却することは適切でない。図３に示す制御では、ステップＳ３０３において、この低温の状態が検出され、ステップＳ３０４に進むことで、燃料電池用ラジエータ１０２から燃料電池１０７への冷却水の供給を遮断し、電動駆動系１０４から熱を奪って温度が高くなった冷却水を冷媒流路１０６→冷媒流路１０８→バイパス経路１０８’→サーモ弁１０９→ポンプ１１０→流量分配制御弁１１１→冷媒流路１１２→燃料電池１０７と流す。これにより、燃料電池１０７は、電動駆動系１０４の排熱によって加熱され、反応効率が高められる。この作用は、冬季や寒冷地における車輌の始動時に特に有効となる。
【００５２】
電動駆動系１０４の特に半導体デバイスは、高温に弱く、その温度を設定した上限以下とすることが重要となる。図３に例示する制御では、温度センサ１（１０５）により、電動駆動系１０４の温度を監視し、その温度が予め決められた温度を超えた場合にステップＳ３０６からステップＳ３０７に進み、電動駆動系１０４の冷却のための冷却水の流量が増加され、その冷却機能が強められる。このため、電動駆動系１０４の過熱が防止される。
【００５３】
燃料電池１０７は、適切な温度範囲よりも温度が高いと、電解質膜の乾燥等に起因する発電効率の低下が生じる。このため、燃料電池１０７は、規定の発電能力を発揮させるために、ある温度を超えないようにすることが重要となる。
【００５４】
図３に示す制御では、温度センサ２（１１４）が、燃料電池１０７から排出される冷却水の温度を監視し、燃料電池の温度が予め決められた温度を超えた場合にステップＳ３０８からステップＳ３０９に進み、燃料電池１０７を冷却する冷却水の流量が増加され、その冷却機能が強められる。このため、燃料電池１０７の過熱による発電効率の低下が抑えられる。
【００５５】
（優位性）
以上述べたように、本実施形態では、冷却水の流れで考えて、電動駆動系用ラジエータ１０１の下流側に燃料電池用ラジエータ１０２を配置し、燃料電池用ラジエータ１０２で冷却された冷却水をポンプ１１０から電動駆動系用ラジエータ１０１と燃料電池１０７に分岐して供給する。電動駆動系１０４は、燃料電池用ラジエータ１０２と電動駆動系用ラジエータ１０１の両方で冷却された冷却水により冷却され、燃料電池１０７は、燃料電池用ラジエータ１０２によって冷却された冷却水によって冷却される。これにより、相対的に低温に冷却する必要がある電動駆動系１０４と、それよりも高い温度での冷却でよい燃料電池１０７の冷却が一つのポンプ１１０によってバランス良く行われる。
【００５６】
本実施形態では、流量分配制御弁１１１を用いることで、上述した機能を実現するのに必要なポンプは、ポンプ１１０一つでよい。すなわち、一つポンプから送り出される冷却水を流量分配制御弁１１１により分配し、その分配比率を変えることで、管理温度の異なる電動駆動系における冷却水の循環と、燃料電池系における冷却水の循環とを制御し、それぞれ適切な温度となるように冷却水の供給量の調整がされる。このため、ポンプ系の構成が簡素化され、小形化、低コスト化、低重量化といった優位性が得られる。
【００５７】
また、車輌の進行方向の前から順に、電動駆動系用ラジエータ１０１、燃料電池用ラジエータ１０２と配置することで、より低温に冷却水を冷却する必要がある電動駆動系ラジエータ１０１をまず空冷する。そして、電動駆動系ラジエータ１０１を冷却した空気の流れを利用して、電動駆動系よりも管理温度が高くてよい燃料電池用ラジエータ１０２の冷却を行う。こうすることで、車輌内部の狭いスペースを有効に利用してラジエータを配置することができ、且つ、必要な箇所を効率よく適切に冷却することができる。つまり、スペースの有効利用と、冷却による温度維持のバランスをとることができる。
【００５８】
（具体例）
図４は、車輌の状態と各パラメータの関係を概念的に示したグラフである。なおグラフの軸の単位は、相対値である。図４（Ａ）には、横軸に時間軸が示され、縦軸に走行している車輌の車速（破線）と車輌の傾斜の状態（実線）が示されている。図４（Ａ）には、最初坂を上り、ついて坂を登り切ったところで平坦となり、直ぐに下り坂となり、下り坂を下りきった段階で水平に走行する状態が示されている。そして、この場合の車速の変化が示されている。
【００５９】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）と時間軸（横軸）を共有するもので、縦軸に温度がとられている。ここで、電動駆動系１０４におけるモータを駆動する駆動回路の半導体デバイスの温度が実線により示され、燃料電池１０７内部の温度が破線により示されている。
【００６０】
図４（Ｃ）は、図４（Ａ）と時間軸（横軸）を共有するもので、縦軸に流量分配制御弁１１１の開度が示されている。
【００６１】
この例では、最初に坂を上っている段階で、図４（Ｃ）に示すように、燃料分配制御弁１１１の開度はさほど大きくない開度に設定されており、燃料電池１０７の冷却は電動駆動系の半導体デバイスの冷却に比べ、さほどではなく、燃料電池１０７の温度が登坂時の発電増加とともに上昇していく。一方、電動駆動系の半導体デバイスの温度は充分冷却されてたいへん緩やかに上昇していく。
【００６２】
坂を図４（Ａ）の上り切った段階では、電動モータに加わる負荷が急に低下するので、図４（Ｂ）に示すように、半導体デバイスの温度は上昇しなくなる。一方、燃料電池１０７は、電流の取り出しが少なくなることで、反応熱の発生がいくぶん収まるものの熱の発生が続き、内部温度が上昇してゆるやかながら温度が高くなっていく。
【００６３】
この例では、燃料電池１０７内部の温度があるレベルに上昇した段階（時刻ｔ１）で、燃料分配制御弁１１１の開度が大きくされ、燃料電池１０７に供給される冷却水の流量が増加する制御が行われる。このため、図４（Ｂ）に示すとおり、燃料電池１０７内部の熱は増加した冷却水で確実に奪われ、その内部温度は上昇から下降に転じる。
【００６４】
また、燃料電池１０７への冷却水の供給比率は高くされた影響で、電動駆動系１０４の半導体デバイスの温度が徐々に上昇していく様子が図４（Ｂ）に示されている。そして図４（Ａ）の通り、下り坂となり、車速が上っていくにしたがい、電動駆動系１０４の負荷が大きくなり、その半導体デバイスの温度は所定の管理水温上限に近づいていく。
【００６５】
このとき、図４（Ｃ）の時刻ｔ２で流量分配制御弁１１１の開度が絞られる。これにより、電動駆動系１０４への冷却水の供給量が増え、その半導体デバイスの温度上昇が抑制されて温度が下がっていく。一方で、燃料電池１０７ではゆるやかな温度上昇から、やや急な温度上昇へと転じる。
【００６６】
ここで図４（Ａ）に示すように、車輌は水平走行となりその車速も一定となった状態で、図４（Ｃ）の時刻ｔ３を迎える。時刻ｔ３では、電動駆動系１０４の半導体デバイスの温度は、所定の管理水温上限から相当量低下しており、ここで燃料分配制御弁１１１の開度は絞り過ぎない位置で固定される。こうすることにより、電動駆動系１０４の半導体デバイスの温度は一定値に安定する。
【００６７】
なお、時刻ｔ３において、燃料電池１０７の温度上昇が抑制されて一定の値となる様子が図４（Ｂ）に示されている。これは、車速が一定となるなか図１には図示されていないバッテリーへの燃料電池１０７からの充電量が増加し、バッテリーから電動駆動系１０４への電力供給の割合が高まり、それに伴って燃料電池１０７の負荷量が低下し、反応熱の発生が抑えられるためである。
【００６８】
２．第２の実施形態
図５は、実施形態の他の態様を示すブロック図である。図５には、冷却システム６００が示されている。冷却システム６００は、冷却システム１００に流量分配制御弁６０１、６０２および６０３を追加した構成とされている。この構成では、流量分配制御弁１１１の制御に加えて、流量分配制御弁６０１〜６０３から選ばれた少なくとも一つの流量分配制御弁を調整することで、図３のステップＳ３０７および／またはステップ３０９の制御が行われる。
【００６９】
３．その他
図１に示す構成において、流量分配制御弁１１１を冷媒流路１１５に配置してもよい。この場合、冷媒流路１１５に配置した流量分配制御弁１１１を開放する方向に制御すると、電動駆動系ラジエータ１０１への冷却水の流量が増加し、その分、燃料電池１０７への冷却水の流量は減少する。また、冷媒流路１１５に配置した流量分配制御弁１１１を閉鎖する方向に制御すると、その逆となる。
【００７０】
流量分配制御弁１１１を備えない構成も考えられる。この場合、冷媒流路１１２と１１５への冷却水の分配比は固定となる。この場合、分配比は、各流路を流れる冷却水の流れのコンダクタンスを調整することで設定される。この調整は、配管の内径の設定や冷媒流路途中に配置した図示省略したバルブの調整により行うことができる。
【００７１】
温度センサ１および２が検出し、管理がされる温度の閾値は、燃料電池の規模や種類、電動駆動系の規模や回路構成等に応じて、変更が可能である。車輌は、乗用車、トラック、バス、その他人や荷物を運搬する目的で電動により走行するものであれば、特に限定されない。冷媒は、冷却を行う流体であればよく、水に限定されない。
【００７２】
図１に示す構成において、ポンプの位置は、冷媒流路１０８における冷媒流路１０６が合流した位置の下流側で、且つ、バイパス経路１０８’への分岐点の上流側であってもよい。この場合、ポンプから押し出された冷却水は、分配経路１０８‘または燃料電池用ラジエータ１０２に流れ、さらにサーモ弁１０９から分岐点１１３に至って２流路に分岐される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、車載用冷却システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１００…冷却システム、１０１…電動駆動系用ラジエータ、１０２…燃料電池用ラジエータ、１０３…冷媒流路、１０４…電動駆動系、１０５…温度センサ１、１０６…冷媒流路、１０７…燃料電池、１０８…冷媒流路、１０８’…バイパス経路、１０９…サーモ弁、１１０…ポンプ、１１１…流量分配制御弁、１１２…冷媒流路、１１４…温度センサ２、１１５…冷媒流路、６００…冷却システム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を搭載し電動により走行可能な車輌にあって、
燃料電池を冷却するための第１のラジエータと、
電動駆動系の要素を冷却するための第２のラジエータと、
前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記第２のラジエータに供給する第１の流路と、
前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記燃料電池に供給する第２の流路と、
前記冷媒に流れを与える冷媒用ポンプと
を備えることを特徴とする燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項２】
冷媒は、前記燃料電池、前記第１のラジエータ、前記冷媒用ポンプ、前記第２のラジエータを順に通過した後に前記電動駆動系の要素の冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項３】
車輌の前進による空気の流れに沿って、前記第２のラジエータ、前記第１のラジエータの順に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項４】
前記冷媒用ポンプは、第１のラジエータから冷媒が排出される流路または第１のラジエータに冷媒が流入する流路に配置され、
前記第１のラジエータからの冷媒の流路を前記第１の流路と前記第２の流路に分ける分岐と、
前記第１の流路と前記第２の流路を流れる前記冷媒の流量比を調整する流量比調整手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項５】
前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒の温度を検出する第１の温度センサと、
前記燃料電池を冷却した冷媒の温度を検出する第２の温度センサと、
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの出力に基づいて前流流量比調整手段の制御を行う制御手段と
を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項６】
前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒を冷却せずに前記燃料電池に供給する供給手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項１】
燃料電池を搭載し電動により走行可能な車輌にあって、
燃料電池を冷却するための第１のラジエータと、
電動駆動系の要素を冷却するための第２のラジエータと、
前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記第２のラジエータに供給する第１の流路と、
前記第１のラジエータで冷却された冷媒を前記燃料電池に供給する第２の流路と、
前記冷媒に流れを与える冷媒用ポンプと
を備えることを特徴とする燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項２】
冷媒は、前記燃料電池、前記第１のラジエータ、前記冷媒用ポンプ、前記第２のラジエータを順に通過した後に前記電動駆動系の要素の冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項３】
車輌の前進による空気の流れに沿って、前記第２のラジエータ、前記第１のラジエータの順に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項４】
前記冷媒用ポンプは、第１のラジエータから冷媒が排出される流路または第１のラジエータに冷媒が流入する流路に配置され、
前記第１のラジエータからの冷媒の流路を前記第１の流路と前記第２の流路に分ける分岐と、
前記第１の流路と前記第２の流路を流れる前記冷媒の流量比を調整する流量比調整手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項５】
前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒の温度を検出する第１の温度センサと、
前記燃料電池を冷却した冷媒の温度を検出する第２の温度センサと、
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの出力に基づいて前流流量比調整手段の制御を行う制御手段と
を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項６】
前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒を冷却せずに前記燃料電池に供給する供給手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２７７８１５（Ｐ２０１０−２７７８１５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２８６４２（Ｐ２００９−１２８６４２）
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]