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】直列に接続された第１のラジエータと第２のラジエータからの冷却水を分岐点１０６で２分し、一方を電動駆動系１０７から燃料電池１１１に供給し、他方を流量分配制御弁１０８から燃料電池１１１に供給する。電動駆動系１０７には、ラジエータで冷却された冷却水が供給され、燃料電池には、ラジエータで冷却された冷却水と、ラジエータで冷却された後に、電動駆動系１０７から熱を奪った冷却水とが混合されて供給される。これにより、相対的に低温に維持する必要がある電動駆動系１０７の冷却と、相対的に高温に維持する必要のある燃料電池１１１との冷却に必要な冷却水の循環を一つのポンプ１１０で賄うことができる。
【解決手段】直列に接続された第１のラジエータと第２のラジエータからの冷却水を分岐点１０６で２分し、一方を電動駆動系１０７から燃料電池１１１に供給し、他方を流量分配制御弁１０８から燃料電池１１１に供給する。電動駆動系１０７には、ラジエータで冷却された冷却水が供給され、燃料電池には、ラジエータで冷却された冷却水と、ラジエータで冷却された後に、電動駆動系１０７から熱を奪った冷却水とが混合されて供給される。これにより、相対的に低温に維持する必要がある電動駆動系１０７の冷却と、相対的に高温に維持する必要のある燃料電池１１１との冷却に必要な冷却水の循環を一つのポンプ１１０で賄うことができる。
【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、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、車輌の幅方向に延在する複数のラジエータと、前記複数のラジエータからの冷媒の流れの下流側に配置された冷却対象となる電動駆動系の要素と、前記電動駆動系の要素を冷却した後の冷媒により冷却される燃料電池と、前記冷媒に流れを与える冷媒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、維持温度を相対的に低くする必要のある冷却対象である電動駆動系を冷却した後の冷媒により、維持温度を相対的に高くしてもよい燃料電池の冷却が行われるので、冷媒ポンプが一つであっても冷却バランスを確保することができる。言い替えると、冷却温度が異なる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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、前記複数のラジエータは、車輌の前進による空気の流れ方向に沿って多段に配置されていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、制限された車輌の内部空間を有効に利用した冷媒の冷却を行うことができる。
【００１５】
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、前記電動駆動系の要素の上流側に配置され、冷媒の流れを分けるための分岐と、前記分岐から分かれた冷媒を前記電動駆動系の要素をバイパスさせ、その下流側において前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒と合流させる冷媒バイパス流路と、前記分岐から分かれた２つの流路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。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、流量比調整手段である、例えば流量分配調整弁の開度を調整することで、燃料電池の温度調整を精密に行える。これにより、燃料電池の発電効率を高く維持できる。また、冷媒ポンプが一つであっても、電動駆動系と燃料電池の温度制御が適切に行える。すなわち、冷媒ポンプが一つであっても、流量分配調整弁の開度を調整することで、分岐から分かれる２系統の流路の流量比が調整され、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。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３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。
【００１８】
請求項４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流量と、電動駆動系をバイパスする冷媒の流量との比率が調整される。この構成では、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、前者の流量が増加される。また、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、後者の流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。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、燃料電池から排出された冷媒を前記複数のラジエータを通さずに前記電動駆動系の要素に供給する供給手段を更に備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５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、電動駆動系の要素にラジエータを通さない冷媒を供給し、さらに電動駆動系の要素で昇温した冷媒が燃料電池に供給される。これにより燃料電池に熱量が供給され、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】
【００２１】
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】
【００２２】
【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】
【００２３】
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。
【００２４】
冷却システム１００は、第１のラジエータ１０１と第２のラジエータ１０２を備えている。第１のラジエータ１０１は、車輌の進行方向前方から見て前側に配置され、その後側に第２２のラジエータ１０２が配置されている。これら２つのラジエータは、車輌の幅方向に延在した構造を有している。冷却水は、冷媒経路１０３からまず第２のラジエータに供給され、そこで空冷された後、第１のラジエータ１０１に送られ、そこで更に空冷される。
【００２５】
第１のラジエータ１０１で冷却された冷却水は、サーモ弁１０４（供給手段）に送られる。サーモ弁１０４は、冷却水を冷媒流路１０３から第２のラジエータ１０２に送らず、バイパス経路１０５を介して分岐点１０６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。サーモ弁１０４を上述のバイパス状態としない場合、バイパス経路１０５は閉鎖され、冷媒流路１０３を流れる冷却水は、第２のラジエータ１０２に供給される。
【００２６】
サーモ弁１０４の下流側には、流路を２分割する分岐点１０６が配置されている。分岐点１０６から分岐される一方の流路は、電動駆動系１０７に冷却水を導く。分岐点１０６から分岐される他方の流路は、電動駆動系１０７をバイパスするバイパス流路であり、流量分配制御弁１０８（流量比調整手段）に冷却水を導く。
【００２７】
電動駆動系１０７は、冷却水により冷却される要素（被冷却物）とな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が含まれている。流量分配制御弁１０８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。
【００２８】
電動駆動系１０７の下流側に温度センサ１（１０９）が配置されている。電動駆動系１０７を冷却し、そこから熱を奪った冷却水の温度が、温度センサ１（１０９）によって検出される。温度センサ１（１０９）で温度が検出された冷却水は、流量分配制御弁１０８からの冷却水と合流し、ポンプ１１０に送られる。ポンプ１１０は、冷却水に流れを与えるための装置であり、図示省略したモータにより駆動され、電動駆動系１０７および流量分配制御弁１０８から排出される冷却水を燃料電池１１１に向かって送り出し、冷却システム１００内において冷却水を循環させる。
【００２９】
燃料電池１１１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。燃料電池１１１を冷却した冷却水は、冷媒流路１０３に排出される。冷媒流路１０３の燃料電池１１１の近くには、温度センサ２（１１２）が配置されている。温度センサ２（１１２）は、燃料電池１１１から排出される冷却水の温度を検出する。
【００３０】
（冷却水の流れの概要）
まず、サーモ弁１０４をバイパス状態とせず、冷媒流路１０３→第２のラジエータ１０２→第１のラジエータ１０１→サーモ弁１０４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１０３を流れる冷却水は、第２のラジエータ１０２において冷却された後に、第１のラジエータ１０１に送られてそこで更に冷却され、サーモ弁１０４に向かって排出される。
【００３１】
サーモ弁１０４を通過した冷却水は、分岐点１０６で２経路に分岐され、一方は、電動駆動系１０７を冷却した後に、ポンプ１１０に送られる。また分岐された他方は、流量分配制御弁１０８を通った後に、電動駆動系１０７を冷却した冷却水と合流し、ポンプ１１０に送られる。ポンプ１１０でポンピングされた冷却水は、燃料電池１１１に送られ、燃料電池１１１を冷却した後に冷媒流路１０３に送り出される。
【００３２】
サーモ弁１０４をバイパス状態とした場合、冷媒流路１０３を流れる冷却水は、バイパス経路１０５にバイパスされ、第２のラジエータ１０２および第１のラジエータ１０１を通らず、サーモ弁１０４から分岐点１０６に供給される。その後の冷却水の流れは、サーモ弁１０４をバイパス状態としない場合と同じである。
【００３３】
上記の冷却水の流れにおいて、流量分配制御弁１０８の開度（弁の開きの程度）を調整すると、分岐点１０６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１０８の開度を大きくすると（弁の開き加減を大きくすると）、流量分配制御弁１０８を流れる冷却水の流量が増加し、電動駆動系１０７を流れる冷却水の流量が減少する。電動駆動系１０７を通過した後の冷却水は、流量分配制御弁１０８を通過した後の冷却水よりも温度が高いので、この場合、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度は低下する。
【００３４】
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）、流量分配制御弁１０８を流れる冷却水の流量が減少し、電動駆動系１０７を流れる冷却水の流量が増加する。この場合、電動駆動系１０７を冷却する能力は高まるが、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度は上昇する。
【００３５】
（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（制御手段）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。
【００３６】
図２には、図１にも示したサーモ弁１０４、ポンプ１１０、流量分配制御弁１０８、温度センサ１（１０９）および温度センサ２（１１２）を備えている。コントローラ２０１は、温度センサ１（１０９）および温度センサ２（１１２）の検出信号に基づき、サーモ弁１０４、ポンプ１１０および流量分配制御弁１０８の制御を行う。この制御の具体例について後述する。
【００３７】
（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。
【００３８】
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１０８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。
【００３９】
次に、温度センサ２（１１２）の検出温度が参照され、燃料電池１１１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１１１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１０３を流れる冷却水が、第２のラジエータ１０２および第１のラジエータ１０１を通らず、サーモ弁１０４から分岐点１０６に流れるように、サーモ弁１０４を切り換える（ステップＳ３０４）。こうして、冷媒流路１０３からの冷却水が、ラジエータで冷却されない状態とされる。
【００４０】
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１０３→第２のラジエータ１０２→第１のラジエータ１０１→サーモ弁１０４と流路が繋がるように、サーモ弁１０４を切り換える。この際、バイパス経路１０５は閉鎖される。
【００４１】
ステップＳ３０４またはステップＳ３０５の後に、温度センサ１（１０９）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（１０９）が検出する温度が７０℃を超えていれば、流量分配制御弁１０８を閉じる方向（開度小）に制御し、電動駆動系１０７に供給される冷却水が増大するように調整が行われる（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。
【００４２】
ステップＳ３０６において、温度センサ１（１０９）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（１１２）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（１１２）の検出温度が９５℃を超えている場合、流量分配制御弁１０８を流れる冷却水の流量が増加するように、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）。
【００４３】
この場合、電動駆動系１０７を流れる冷却水の流量が減少し、他方においてラジエータで冷却され、流量分配制御弁１０８を通過した冷却水の流量が増大するので、ポンプ１１０に流れ込む電動駆動系１０７からの熱量が減少し、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度が低下する。このため、燃料電池１１１の冷却効率が高くなる。
【００４４】
なお、ステップＳ３０９における流量分配制御弁１０８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。
【００４５】
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（１１２）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。
【００４６】
（機能）
燃料電池１１１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１１１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た場合にステップＳ３０４に進み、ラジエータへの冷却水の供給を遮断する。これにより、電動駆動系１０４に供給される冷却水のラジエータによる冷却作用が停止され、電動駆動系１０７から排出される冷却水の温度が上昇し、ポンプ１１０から燃料電池１１１に送り出される冷却水の温度が上昇する。この結果、燃料電池１１１は、電動駆動系１０７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になる。
【００４７】
電動駆動系１０７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（１０９）により、電動駆動系１０７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１０７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１０７の過熱が防止される。
【００４８】
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。
【００４９】
図３に示す制御では、温度センサ２（１１２）が、燃料電池１１１から排出される冷却水の温度を監視し、燃料電池１１１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温度を下げる。これにより、燃料電池１１１の冷却効率が高められ、燃料電池１１１の過熱による発電効率の低下が抑えられる。
【００５０】
（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、第２のラジエータ１０２および第１のラジエータ１０１の下流側で流路を分岐し、一方を電動駆動系１０７に供給し、他方を流量分配制御弁１０８に供給する。そして、電動駆動系１０７から熱を奪った冷却水と流量分配制御弁１０８を通過した冷却水を、ポンプ１１０の手前で合流させ、ポンプ１１０でポンピングして燃料電池１１１に供給する。
【００５１】
この構成では、電動駆動系１０７には、ラジエータで冷却された冷却水がそのまま供給され、燃料電池には、ラジエータで冷却された冷却水と、ラジエータで冷却された後に、電動駆動系１０７から熱を奪った冷却水とが混合されて供給される。このため、相対的に低温に維持する必要がある電動駆動系１０７の冷却と、相対的に高温に維持する必要のある燃料電池１１１との冷却に必要な冷却水の循環を一つのポンプ１１０で賄うことができる。また、分岐されたものを再び混交する際の混合の比率を、流量分配制御弁１０８により調整することで、ポンプ１１０から燃料電池１１１に供給される冷却水の温度が調整される。この調整は精密に行うことができるので、燃料電池の温度を発電に適した温度に維持する制御を容易に行える。
【００５２】
本実施形態では、流量分配制御弁１０８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、一つポンプにより循環させられる冷却水を分配し、その分配比率を変えることで、電動駆動系１０７に供給される冷却水の流量と、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度とを制御し、それぞれが適切な冷却機能となるように調整される。このため、ポンプ系の構成が簡素化され、冷却システムの小形化、低コスト化、低重量化といった優位性が得られる。
【００５３】
また、車輌の進行方向の前から順に、第１のラジエータ１０１、第２のラジエータ１０２と配置することで、限られた車輌内部のスペースを利用した効果的な空冷構造を得ることができる。
【００５４】
（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。
【００５５】
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１０７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１１１内部の温度が破線により示されている。
【００５６】
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。
【００５７】
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１０８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１１１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１１１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１０７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。
【００５８】
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１１１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。
【００５９】
この例では、燃料電池１１１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１０８の開度が大きくされ、燃料電池１１１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１１１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。
【００６０】
また、燃料電池１１１への冷却水の供給比率は高くされた影響で、電動駆動系１０７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１０７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。
【００６１】
このとき、図４（Ｃ）の時刻ｔ２で流量分配制御弁１０８の開度が絞られる。これにより、電動駆動系１０７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１１１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。
【００６２】
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１０７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１０８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。
【００６３】
なお、時刻ｔ３において、燃料電池１１１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１１１からの充電量が増加し、バッテリーから電動駆動系１０７への電力供給の割合が高まり、それに伴って燃料電池１１１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。
【００６４】
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、流量分配制御弁の位置が図１の冷却システム１００と異なっている。この例では、電動駆動系１０７の下流側で、且つ、分岐点１０６からの分岐経路が合流する上流側に流量分配制御弁１１３が配置されている。
【００６５】
この構成では、流量分配制御弁１１３の開度を大きくすると、電動駆動系１０７への冷却水の流量が増加し、電動駆動系１０７の冷却効果が大きくなる。また、流量分配制御弁１１３の開度を小さくすると、電動駆動系１０７への冷却水の流量が減少し、燃料電池１１１に送られる冷却水の温度が低下し、燃料電池１１１の冷却効果が高くなる。
【００６６】
３．その他
分岐点１０６から分岐される２系統の流路の両方に流量調整制御弁を配置してもよい。この場合、この２つの流量調整制御弁の少なくとも一方の開度が調整されることで、図３のステップＳ３０７およびステップ３０９の処理が実行される。
【００６７】
図１に示す構成において、流量分配制御弁１０８を備えない構成も考えられる。この場合、電動駆動系１０７と流量分配制御弁１０８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。
【００６８】
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。また、ラジエータは、２つに限定されず３つ以上であってもよい。ポンプの位置は、冷媒流路１０３やサーモ弁１０４と分岐点１０６との間であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
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】
【００７０】
１００…冷却システム、１０１…第１のラジエータ、１０２…第２のラジエータ、１０３…冷媒流路、１０４…サーモ弁、１０５…バイパス経路、１０６…分岐点、１０７…電動駆動系、１０８…流量分配制御弁、１０９…温度センサ１、１１０…ポンプ、１１１…燃料電池、１１２…温度センサ２、２０１…コントロータ、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、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、車輌の幅方向に延在する複数のラジエータと、前記複数のラジエータからの冷媒の流れの下流側に配置された冷却対象となる電動駆動系の要素と、前記電動駆動系の要素を冷却した後の冷媒により冷却される燃料電池と、前記冷媒に流れを与える冷媒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、維持温度を相対的に低くする必要のある冷却対象である電動駆動系を冷却した後の冷媒により、維持温度を相対的に高くしてもよい燃料電池の冷却が行われるので、冷媒ポンプが一つであっても冷却バランスを確保することができる。言い替えると、冷却温度が異なる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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、前記複数のラジエータは、車輌の前進による空気の流れ方向に沿って多段に配置されていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、制限された車輌の内部空間を有効に利用した冷媒の冷却を行うことができる。
【００１５】
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、前記電動駆動系の要素の上流側に配置され、冷媒の流れを分けるための分岐と、前記分岐から分かれた冷媒を前記電動駆動系の要素をバイパスさせ、その下流側において前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒と合流させる冷媒バイパス流路と、前記分岐から分かれた２つの流路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。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、流量比調整手段である、例えば流量分配調整弁の開度を調整することで、燃料電池の温度調整を精密に行える。これにより、燃料電池の発電効率を高く維持できる。また、冷媒ポンプが一つであっても、電動駆動系と燃料電池の温度制御が適切に行える。すなわち、冷媒ポンプが一つであっても、流量分配調整弁の開度を調整することで、分岐から分かれる２系統の流路の流量比が調整され、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。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３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。
【００１８】
請求項４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流量と、電動駆動系をバイパスする冷媒の流量との比率が調整される。この構成では、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、前者の流量が増加される。また、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、後者の流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。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、燃料電池から排出された冷媒を前記複数のラジエータを通さずに前記電動駆動系の要素に供給する供給手段を更に備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５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、電動駆動系の要素にラジエータを通さない冷媒を供給し、さらに電動駆動系の要素で昇温した冷媒が燃料電池に供給される。これにより燃料電池に熱量が供給され、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】
【００２１】
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】
【００２２】
【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】
【００２３】
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。
【００２４】
冷却システム１００は、第１のラジエータ１０１と第２のラジエータ１０２を備えている。第１のラジエータ１０１は、車輌の進行方向前方から見て前側に配置され、その後側に第２２のラジエータ１０２が配置されている。これら２つのラジエータは、車輌の幅方向に延在した構造を有している。冷却水は、冷媒経路１０３からまず第２のラジエータに供給され、そこで空冷された後、第１のラジエータ１０１に送られ、そこで更に空冷される。
【００２５】
第１のラジエータ１０１で冷却された冷却水は、サーモ弁１０４（供給手段）に送られる。サーモ弁１０４は、冷却水を冷媒流路１０３から第２のラジエータ１０２に送らず、バイパス経路１０５を介して分岐点１０６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。サーモ弁１０４を上述のバイパス状態としない場合、バイパス経路１０５は閉鎖され、冷媒流路１０３を流れる冷却水は、第２のラジエータ１０２に供給される。
【００２６】
サーモ弁１０４の下流側には、流路を２分割する分岐点１０６が配置されている。分岐点１０６から分岐される一方の流路は、電動駆動系１０７に冷却水を導く。分岐点１０６から分岐される他方の流路は、電動駆動系１０７をバイパスするバイパス流路であり、流量分配制御弁１０８（流量比調整手段）に冷却水を導く。
【００２７】
電動駆動系１０７は、冷却水により冷却される要素（被冷却物）とな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が含まれている。流量分配制御弁１０８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。
【００２８】
電動駆動系１０７の下流側に温度センサ１（１０９）が配置されている。電動駆動系１０７を冷却し、そこから熱を奪った冷却水の温度が、温度センサ１（１０９）によって検出される。温度センサ１（１０９）で温度が検出された冷却水は、流量分配制御弁１０８からの冷却水と合流し、ポンプ１１０に送られる。ポンプ１１０は、冷却水に流れを与えるための装置であり、図示省略したモータにより駆動され、電動駆動系１０７および流量分配制御弁１０８から排出される冷却水を燃料電池１１１に向かって送り出し、冷却システム１００内において冷却水を循環させる。
【００２９】
燃料電池１１１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。燃料電池１１１を冷却した冷却水は、冷媒流路１０３に排出される。冷媒流路１０３の燃料電池１１１の近くには、温度センサ２（１１２）が配置されている。温度センサ２（１１２）は、燃料電池１１１から排出される冷却水の温度を検出する。
【００３０】
（冷却水の流れの概要）
まず、サーモ弁１０４をバイパス状態とせず、冷媒流路１０３→第２のラジエータ１０２→第１のラジエータ１０１→サーモ弁１０４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１０３を流れる冷却水は、第２のラジエータ１０２において冷却された後に、第１のラジエータ１０１に送られてそこで更に冷却され、サーモ弁１０４に向かって排出される。
【００３１】
サーモ弁１０４を通過した冷却水は、分岐点１０６で２経路に分岐され、一方は、電動駆動系１０７を冷却した後に、ポンプ１１０に送られる。また分岐された他方は、流量分配制御弁１０８を通った後に、電動駆動系１０７を冷却した冷却水と合流し、ポンプ１１０に送られる。ポンプ１１０でポンピングされた冷却水は、燃料電池１１１に送られ、燃料電池１１１を冷却した後に冷媒流路１０３に送り出される。
【００３２】
サーモ弁１０４をバイパス状態とした場合、冷媒流路１０３を流れる冷却水は、バイパス経路１０５にバイパスされ、第２のラジエータ１０２および第１のラジエータ１０１を通らず、サーモ弁１０４から分岐点１０６に供給される。その後の冷却水の流れは、サーモ弁１０４をバイパス状態としない場合と同じである。
【００３３】
上記の冷却水の流れにおいて、流量分配制御弁１０８の開度（弁の開きの程度）を調整すると、分岐点１０６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１０８の開度を大きくすると（弁の開き加減を大きくすると）、流量分配制御弁１０８を流れる冷却水の流量が増加し、電動駆動系１０７を流れる冷却水の流量が減少する。電動駆動系１０７を通過した後の冷却水は、流量分配制御弁１０８を通過した後の冷却水よりも温度が高いので、この場合、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度は低下する。
【００３４】
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）、流量分配制御弁１０８を流れる冷却水の流量が減少し、電動駆動系１０７を流れる冷却水の流量が増加する。この場合、電動駆動系１０７を冷却する能力は高まるが、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度は上昇する。
【００３５】
（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（制御手段）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。
【００３６】
図２には、図１にも示したサーモ弁１０４、ポンプ１１０、流量分配制御弁１０８、温度センサ１（１０９）および温度センサ２（１１２）を備えている。コントローラ２０１は、温度センサ１（１０９）および温度センサ２（１１２）の検出信号に基づき、サーモ弁１０４、ポンプ１１０および流量分配制御弁１０８の制御を行う。この制御の具体例について後述する。
【００３７】
（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。
【００３８】
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１０８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。
【００３９】
次に、温度センサ２（１１２）の検出温度が参照され、燃料電池１１１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１１１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１０３を流れる冷却水が、第２のラジエータ１０２および第１のラジエータ１０１を通らず、サーモ弁１０４から分岐点１０６に流れるように、サーモ弁１０４を切り換える（ステップＳ３０４）。こうして、冷媒流路１０３からの冷却水が、ラジエータで冷却されない状態とされる。
【００４０】
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１０３→第２のラジエータ１０２→第１のラジエータ１０１→サーモ弁１０４と流路が繋がるように、サーモ弁１０４を切り換える。この際、バイパス経路１０５は閉鎖される。
【００４１】
ステップＳ３０４またはステップＳ３０５の後に、温度センサ１（１０９）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（１０９）が検出する温度が７０℃を超えていれば、流量分配制御弁１０８を閉じる方向（開度小）に制御し、電動駆動系１０７に供給される冷却水が増大するように調整が行われる（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。
【００４２】
ステップＳ３０６において、温度センサ１（１０９）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（１１２）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（１１２）の検出温度が９５℃を超えている場合、流量分配制御弁１０８を流れる冷却水の流量が増加するように、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）。
【００４３】
この場合、電動駆動系１０７を流れる冷却水の流量が減少し、他方においてラジエータで冷却され、流量分配制御弁１０８を通過した冷却水の流量が増大するので、ポンプ１１０に流れ込む電動駆動系１０７からの熱量が減少し、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度が低下する。このため、燃料電池１１１の冷却効率が高くなる。
【００４４】
なお、ステップＳ３０９における流量分配制御弁１０８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。
【００４５】
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（１１２）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。
【００４６】
（機能）
燃料電池１１１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１１１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た場合にステップＳ３０４に進み、ラジエータへの冷却水の供給を遮断する。これにより、電動駆動系１０４に供給される冷却水のラジエータによる冷却作用が停止され、電動駆動系１０７から排出される冷却水の温度が上昇し、ポンプ１１０から燃料電池１１１に送り出される冷却水の温度が上昇する。この結果、燃料電池１１１は、電動駆動系１０７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になる。
【００４７】
電動駆動系１０７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（１０９）により、電動駆動系１０７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１０７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１０７の過熱が防止される。
【００４８】
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。
【００４９】
図３に示す制御では、温度センサ２（１１２）が、燃料電池１１１から排出される冷却水の温度を監視し、燃料電池１１１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温度を下げる。これにより、燃料電池１１１の冷却効率が高められ、燃料電池１１１の過熱による発電効率の低下が抑えられる。
【００５０】
（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、第２のラジエータ１０２および第１のラジエータ１０１の下流側で流路を分岐し、一方を電動駆動系１０７に供給し、他方を流量分配制御弁１０８に供給する。そして、電動駆動系１０７から熱を奪った冷却水と流量分配制御弁１０８を通過した冷却水を、ポンプ１１０の手前で合流させ、ポンプ１１０でポンピングして燃料電池１１１に供給する。
【００５１】
この構成では、電動駆動系１０７には、ラジエータで冷却された冷却水がそのまま供給され、燃料電池には、ラジエータで冷却された冷却水と、ラジエータで冷却された後に、電動駆動系１０７から熱を奪った冷却水とが混合されて供給される。このため、相対的に低温に維持する必要がある電動駆動系１０７の冷却と、相対的に高温に維持する必要のある燃料電池１１１との冷却に必要な冷却水の循環を一つのポンプ１１０で賄うことができる。また、分岐されたものを再び混交する際の混合の比率を、流量分配制御弁１０８により調整することで、ポンプ１１０から燃料電池１１１に供給される冷却水の温度が調整される。この調整は精密に行うことができるので、燃料電池の温度を発電に適した温度に維持する制御を容易に行える。
【００５２】
本実施形態では、流量分配制御弁１０８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、一つポンプにより循環させられる冷却水を分配し、その分配比率を変えることで、電動駆動系１０７に供給される冷却水の流量と、燃料電池１１１に供給される冷却水の温度とを制御し、それぞれが適切な冷却機能となるように調整される。このため、ポンプ系の構成が簡素化され、冷却システムの小形化、低コスト化、低重量化といった優位性が得られる。
【００５３】
また、車輌の進行方向の前から順に、第１のラジエータ１０１、第２のラジエータ１０２と配置することで、限られた車輌内部のスペースを利用した効果的な空冷構造を得ることができる。
【００５４】
（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。
【００５５】
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１０７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１１１内部の温度が破線により示されている。
【００５６】
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。
【００５７】
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１０８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１１１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１１１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１０７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。
【００５８】
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１１１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。
【００５９】
この例では、燃料電池１１１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１０８の開度が大きくされ、燃料電池１１１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１１１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。
【００６０】
また、燃料電池１１１への冷却水の供給比率は高くされた影響で、電動駆動系１０７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１０７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。
【００６１】
このとき、図４（Ｃ）の時刻ｔ２で流量分配制御弁１０８の開度が絞られる。これにより、電動駆動系１０７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１１１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。
【００６２】
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１０７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１０８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。
【００６３】
なお、時刻ｔ３において、燃料電池１１１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１１１からの充電量が増加し、バッテリーから電動駆動系１０７への電力供給の割合が高まり、それに伴って燃料電池１１１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。
【００６４】
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、流量分配制御弁の位置が図１の冷却システム１００と異なっている。この例では、電動駆動系１０７の下流側で、且つ、分岐点１０６からの分岐経路が合流する上流側に流量分配制御弁１１３が配置されている。
【００６５】
この構成では、流量分配制御弁１１３の開度を大きくすると、電動駆動系１０７への冷却水の流量が増加し、電動駆動系１０７の冷却効果が大きくなる。また、流量分配制御弁１１３の開度を小さくすると、電動駆動系１０７への冷却水の流量が減少し、燃料電池１１１に送られる冷却水の温度が低下し、燃料電池１１１の冷却効果が高くなる。
【００６６】
３．その他
分岐点１０６から分岐される２系統の流路の両方に流量調整制御弁を配置してもよい。この場合、この２つの流量調整制御弁の少なくとも一方の開度が調整されることで、図３のステップＳ３０７およびステップ３０９の処理が実行される。
【００６７】
図１に示す構成において、流量分配制御弁１０８を備えない構成も考えられる。この場合、電動駆動系１０７と流量分配制御弁１０８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。
【００６８】
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。また、ラジエータは、２つに限定されず３つ以上であってもよい。ポンプの位置は、冷媒流路１０３やサーモ弁１０４と分岐点１０６との間であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
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】
【００７０】
１００…冷却システム、１０１…第１のラジエータ、１０２…第２のラジエータ、１０３…冷媒流路、１０４…サーモ弁、１０５…バイパス経路、１０６…分岐点、１０７…電動駆動系、１０８…流量分配制御弁、１０９…温度センサ１、１１０…ポンプ、１１１…燃料電池、１１２…温度センサ２、２０１…コントロータ、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、
車輌の幅方向に延在する複数のラジエータと、
前記複数のラジエータからの冷媒の流れの下流側に配置された冷却対象となる電動駆動系の要素と、
前記電動駆動系の要素を冷却した後の冷媒により冷却される燃料電池と、
前記冷媒に流れを与える冷媒ポンプと
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】
前記複数のラジエータは、車輌の前進による空気の流れ方向に沿って多段に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車輌の冷却システム。
【請求項３】
前記電動駆動系の要素の上流側に配置され、冷媒の流れを分けるための分岐と、
前記分岐から分かれた冷媒を前記電動駆動系の要素をバイパスさせ、その下流側において前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒と合流させる冷媒バイパス流路と、
前記分岐から分かれた２つの流路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３に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項５】
燃料電池から排出された冷媒を前記複数のラジエータを通さずに前記電動駆動系の要素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１〜４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、
車輌の幅方向に延在する複数のラジエータと、
前記複数のラジエータからの冷媒の流れの下流側に配置された冷却対象となる電動駆動系の要素と、
前記電動駆動系の要素を冷却した後の冷媒により冷却される燃料電池と、
前記冷媒に流れを与える冷媒ポンプと
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】
前記複数のラジエータは、車輌の前進による空気の流れ方向に沿って多段に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車輌の冷却システム。
【請求項３】
前記電動駆動系の要素の上流側に配置され、冷媒の流れを分けるための分岐と、
前記分岐から分かれた冷媒を前記電動駆動系の要素をバイパスさせ、その下流側において前記電動駆動系の要素を冷却した冷媒と合流させる冷媒バイパス流路と、
前記分岐から分かれた２つの流路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３に記載の燃料電池搭載車輌の冷却システム。
【請求項５】
燃料電池から排出された冷媒を前記複数のラジエータを通さずに前記電動駆動系の要素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１〜４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２０１０−２７７８１６（Ｐ２０１０−２７７８１６Ａ）
【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２００９−１２８６４４（Ｐ２００９−１２８６４４）
【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）】
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