特開2017-224578(P2017-224578A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-224578(P2017-224578A)
(43)【公開日】2017年12月21日
(54)【発明の名称】車両用燃料電池の暖機装置
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/04701 20160101AFI20171124BHJP
   H01M 8/04 20160101ALI20171124BHJP
   B60L 11/18 20060101ALI20171124BHJP
   B60K 11/04 20060101ALI20171124BHJP
   H01M 8/10 20160101ALN20171124BHJP
【FI】
   H01M8/04 T
   H01M8/04 J
   H01M8/04 G
   B60L11/18 G
   B60L11/18 C
   B60K11/04
   H01M8/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2016-121032(P2016-121032)
(22)【出願日】2016年6月17日
(71)【出願人】
【識別番号】000006286
【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100174366
【弁理士】
【氏名又は名称】相原 史郎
(72)【発明者】
【氏名】平光 雄介
(72)【発明者】
【氏名】中根 一芳
(72)【発明者】
【氏名】田代 圭介
【テーマコード(参考)】
3D038
5H026
5H125
5H126
5H127
【Fターム(参考)】
3D038AA10
3D038AB01
3D038AC22
3D038AC23
5H026AA06
5H125AA01
5H125AC07
5H125AC12
5H125AC22
5H125BA09
5H125BC19
5H125BD04
5H125CD09
5H125DD02
5H125EE25
5H125EE37
5H125FF24
5H125FF26
5H125FF27
5H126BB06
5H127AA06
5H127AB04
5H127AB29
5H127AC18
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA52
5H127BA59
5H127BB02
5H127BB32
5H127BB39
5H127CC07
5H127DB47
5H127DB99
5H127DC74
5H127DC76
5H127DC80
5H127DC96
5H127FF02
5H127FF04
(57)【要約】
【課題】運用コストに優れると共に、燃料電池を迅速に暖機して早期に車両走行を開始できる車両用燃料電池の暖機装置を提供する。
【解決手段】燃料電池4aを冷却するFC冷却回路16と2次電池3及び充電器31を冷却する充電補機冷却回路18とを接続路50a,50bを介して接続し、切換弁48a,48b,49a,49bの切換に応じて互いに連通可能とする。2次電池3の充電中において切換弁48a,48b,49a,49bの切換によりFC冷却回路16と充電補機冷却回路18とを連通させ、2次電池3及び充電器31が発生する熱により加熱された充電補機冷却回路18の水を接続路50a,50bを経てFC冷却回路16に移送して燃料電池4aを暖機する。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池及び2次電池を搭載し、該2次電池の充電を要するときに前記燃料電池の運転を停止して充電器により外部電源からの電力を前記2次電池に充電する電動車両において、
前記2次電池の充電中に、該2次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させる暖機制御手段を備えた
ことを特徴とする車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項2】
前記2次電池の冷却回路は、該2次電池と共に前記充電器も冷却する
ことを特徴とする請求項1に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項3】
前記暖機制御手段は、前記2次電池の充電に伴い該2次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記2次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項4】
前記2次電池の充電中に、該2次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路との間で前記接続路を経て冷却液を循環させるポンプを備えた
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項5】
前記暖機制御手段は、前記2次電池の充電に伴い該2次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記ポンプの作動を開始する
ことを特徴とする請求項4に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項6】
前記2次電池及び前記燃料電池の各冷却回路と前記接続路とには冷却液として水が封入され、前記2次電池は絶縁流体により冷却され、該絶縁流体と前記2次電池の冷却回路の水との間で熱交換器を介して熱交換する
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【請求項7】
前記2次電池の冷却回路に放熱器が付設され、
前記暖機制御手段は、前記燃料電池が所定温度以上のときに、前記2次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に流通させ、前記燃料電池が所定温度未満のときには、前記2次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に対しバイパスさせる
ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の車両用燃料電池の暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、2次電池と共に電動車両に搭載される車両用燃料電池の暖機装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の環境意識の高まりに伴い、化石燃料に頼ることのないクリーンエネルギー発電の一つとして燃料電池システムが注目されている。例えば車両に搭載される燃料電池システムには固体高分子型燃料電池が用いられており、固体高分子膜の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極及び空気極を貼り合わせてMEAを構成し、そのMEAをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作されている。燃料極には湿度調整した燃料ガスが供給され、空気極には湿度調整した空気が供給され、これにより燃料極及び空気極の触媒層で発電反応が進行して燃料電池の発電が開始される。
【0003】
このような燃料電池システムは電動車両に搭載されて、走行用動力源であるモータの電源として2次電池と併用される場合がある。例えば電動車両のモータには2次電池から電力供給し、燃料電池システムは主に2次電池を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータの駆動にも利用される。モータへの電力供給により2次電池のSOC(充電率:State Of Charge)が低下した場合には充電スタンド等での充電が必要になり、2次電池の充電中には燃料電池の運転を停止させている。運転停止により燃料電池の温度が次第に低下して定格温度を下回ると暖機が必要になることから、再始動後に燃料電池が定格温度及び定格出力に回復するまで時間を要し、要求出力に対して即座に応答できないという問題がある。
【0004】
その対策として、例えば特許文献1に記載された技術では、電動車両に搭載されている空調システムと燃料電池の冷却回路とを熱交換器を介して接続した上で、外部電源からの電力により空調システムをヒートポンプサイクルとして機能させて燃料電池を暖機している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−213942号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1の技術では外部電源からの電力供給を必要とするため、運用コスト面で問題があるだけでなく、2次電池の充電を完了した後にさらに燃料電池を暖機し終えるまで、電動車両を駐車させ続ける必要があるため、車両の走行開始が遅れてしまう。しかも、本来車室内の空調を目的とした空調システムの能力では熱量が不足して燃料電池を迅速に暖機できず、この点も走行開始を遅延させる要因になる。このため特許文献1の技術は現実的とは言い難く、従来からより抜本的な対策が要望されていた。
【0007】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、運用コストに優れると共に、燃料電池を迅速に暖機して早期に車両走行を開始することができる車両用燃料電池の暖機装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の目的を達成するため、本発明の車両用燃料電池の暖機装置は、燃料電池及び2次電池を搭載し、該2次電池の充電を要するときに前記燃料電池の運転を停止して充電器により外部電源からの電力を前記2次電池に充電する電動車両において、前記2次電池の充電中に、該2次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させる暖機制御手段を備えたことを特徴とする。
【0009】
このように構成した車両用燃料電池の暖機装置によれば、2次電池の冷却回路で2次電池により冷却液が加熱され、その冷却液が接続路を経て燃料電池の冷却回路に移送されて燃料電池が暖機される。充電中の2次電池が発生する熱により燃料電池を暖機することから運用コストを必要とせず、また充電中の2次電池は多量の熱を発生すると共に、2次電池の充電と並行して燃料電池の暖機を実施可能なため、結果として2次電池の充電中に燃料電池の暖機を完了可能となる。
【0010】
その他の態様として、前記2次電池の冷却回路が、該2次電池と共に前記充電器も冷却することが好ましい。
この態様によれば、充電器が発生する熱も燃料電池の暖機に利用され、より迅速な暖機完了が可能となる。
その他の態様として、前記暖機制御手段が、前記2次電池の充電に伴い該2次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記2次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路とを接続路を介して連通させることが好ましい。
【0011】
この態様によれば、充電開始当初の低温の冷却液が燃料電池の冷却回路に移送されて燃料電池の温度を低下させてしまう事態が回避される。
その他の態様として、前記2次電池の充電中に、該2次電池の冷却回路と前記燃料電池の冷却回路との間で前記接続路を経て冷却液を循環させるポンプを備えることが好ましい。
【0012】
この態様によれば、2次電池の冷却回路で加熱された水を迅速且つ確実に燃料電池の冷却回路に導くことが可能となる。
その他の態様として、前記暖機制御手段が、前記2次電池の充電に伴い該2次電池の温度が上昇して前記燃料電池の温度以上になったときに、前記ポンプの作動を開始することが好ましい。
【0013】
この態様によれば、充電開始当初の低温の冷却液が燃料電池の冷却回路に移送されて燃料電池の温度を低下させてしまう事態が回避される。
その他の態様として、前記2次電池及び前記燃料電池の各冷却回路と前記接続路とには冷却液として水が封入され、前記2次電池は絶縁流体により冷却され、該絶縁流体と前記2次電池の冷却回路の水との間で熱交換器を介して熱交換することが好ましい。
【0014】
この態様によれば、水漏れ発生時の感電等のトラブルが防止されると共に、このような形式の燃料電池システムにも2次電池の熱を利用した燃料電池の暖機が可能となる。
その他の態様として、前記2次電池の冷却回路に放熱器が付設され、前記暖機制御手段が、前記燃料電池が所定温度以上のときに、前記2次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に流通させ、前記燃料電池が所定温度未満のときには、前記2次電池の冷却回路の冷却液を前記放熱器に対しバイパスさせることが好ましい。
【0015】
この態様によれば、冷却液の放熱器への流通時には2次電池が確実に保護され、放熱器のバイパス時には燃料電池の暖機がより促進され、最適な内容で暖機制御を実施可能となる。
【発明の効果】
【0016】
本発明の車両用燃料電池の暖機装置によれば、運用コストに優れると共に、燃料電池を迅速に暖機して早期に車両走行を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
図1】実施形態の燃料電池の暖機装置を搭載した電動車両を示す全体構成図である。
図2】燃料電池の暖機を行うための回路構成を示す回路図である。
図3】車両ECUが実行する暖機制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明を具体化した車両用燃料電池の暖機装置の一実施形態を説明する。
図1は本実施形態の燃料電池の暖機装置を搭載した電動車両を示す全体構成図である。
本実施形態の電動車両1は、モータ2を走行用動力源とすると共に、その電源として2次電池3及び燃料電池システム4を備えたハイブリッド燃料電池車両である。周知のように2次電池3は、化学反応により直流電力を充放電可能な電池であり、燃料電池システム4は、燃料電池4aでの水素ガスを用いた電気化学反応により発電するシステムである。基本的にモータ2は2次電池3からの電力により駆動され、燃料電池システム4は主に2次電池3を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータ2の駆動にも利用される。
【0019】
モータ2にはインバータ5を介して2次電池3が接続され、インバータ5は直流・交流間の変換機能を奏する。即ち、モータ2の力行制御時には、2次電池3や燃料電池システム4からの直流電力がインバータ5により三相交流電力に変換されてモータ2を駆動し、モータ2の回生制御時には、モータ2からの三相交流電力がインバータ5により直流電力に変換されて2次電池3に充電される。
【0020】
また、2次電池3及びインバータ5には燃料電池システム4が接続されている。燃料電池システム4に備えられた固体高分子型燃料電池4aは、固体高分子膜の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極(負極)及び空気極(正極)を貼り合わせてMEA(Membrane Electrode Assembly:膜/電極接合体)を構成し、そのMEAをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作されている。
【0021】
燃料電池4aの動作原理は周知であるため、詳細は説明しないが、燃料極に水素タンク7からの水素ガスを湿度調整して供給すると共に、空気極に湿度調整した空気を供給することで運転される。燃料極に供給された水素ガスは触媒作用により水素イオンと電子に分解され、水素イオンは固体高分子膜を透過して空気極に到達し、電子は図示しない外部回路を経て空気極に到達し、これにより燃料極をマイナス、空気極をプラスとして直流電圧が発生する。また空気極では、空気供給ラインを経て供給された空気、固体高分子膜を透過した水素イオン、及び外部回路を経てきた電子が反応して水が生成される。
【0022】
燃料電池4aの出力端子にはDC-DCコンバータ8が接続され、DC-DCコンバータ8は2次電池3、インバータ5及び充放電装置6に接続されている。これにより燃料電池4aの出力電力が2次電池3及び充放電装置6の充電やモータ2の駆動に利用可能となっている。
このような燃料電池4aの運転のために燃料電池システム4を構成する各機器(例えば、水素ガス及び空気を切換制御する制御弁やガス加湿用の加湿装置等)はFC-ECU9に接続され、このFC-ECU9より燃料電池4aの運転状態が制御される。
【0023】
一方、インバータ5にはモータECU10が接続され、このモータECU10によりモータ2の駆動制御が実行される。例えばモータECU10はインバータ5を駆動制御し、2次電池3や燃料電池4a或いは充放電装置6から供給される出力電力によりモータ2を駆動する一方、モータ2の回生制御時には回生電力を2次電池3や充放電装置6に供給する。
【0024】
また、2次電池3にはバッテリECU11が接続され、このバッテリECU11により2次電池3の充放電制御が実行されると共に、バッテリECU11は2次電池3のSOC(充電率:State Of Charge)の算出等も実行する。
以上のFC-ECU9、モータECU10、バッテリECU11は、上位ユニットに相当する車両ECU13に接続されており、各ECU9〜11,13は、それぞれ入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央演算処理装置(CPU)等から構成されている。
【0025】
車両ECU13は、電動車両1の総合的な制御を行うための制御ユニットであり、この車両ECU13からの指令を受けた下位の各ECU9〜11により、上記のような燃料電池4aの運転制御、モータ2の駆動制御や2次電池3の充電制御等が実行される。
そのために、車両ECU13の入力側には、アクセル開度APSを検出するアクセルセンサ14等のセンサ類が接続されると共に、FC-ECU9、モータECU10、バッテリECU11が接続されており、アクセル開度APS等の検出情報と共に、燃料電池システム4、モータ2、2次電池3のそれぞれの運転情報、例えば燃料電池4aの温度Tfc、2次電池3の温度Tb、後述する充電器31の温度Tc等が入力される。
【0026】
そして車両ECU13は、アクセルセンサ14により検出されたアクセル開度APS等に基づき電動車両1の走行に必要な要求出力を算出し、その要求出力を達成するようにモータECU10に指令信号を出力する。この指令信号に基づき、モータECU10によりモータ2が駆動されて要求トルクが達成される。
また車両ECU13は、2次電池3のSOCや車両走行のための要求出力に基づき燃料電池システム4の出力電力を算出し、その出力電力を達成するようにFC-ECU9に指令信号を出力する。例えば、2次電池3のSOCが低下して充電を要する場合、或いは2次電池3からの電力供給のみではモータ2が要求出力を達成不能と判定した場合、車両ECU13は燃料電池4aの出力電力を増加側に設定する。
【0027】
FC-ECU9側では、出力電力の達成のために燃料極に供給すべき水素ガス量及び空気極に供給すべき空気量を算出し、算出したガス供給量に調整することにより要求出力電力を達成する。無論、このような水素ガス及び空気の供給制御と並行して、水素ガスや空気の湿度、セル圧力やセル温度等に関しても最適制御する。例えば上記のように出力電力が増加側に制御された場合には、水素ガス量及び空気量が増加側に調整されて出力電力が増加され、その電力増加分が2次電池3に充電やモータ2の駆動に利用される。
【0028】
ところで、[発明が解決しようとする課題]で述べたように、充電スタンド等で2次電池3を充電する際には燃料電池4aの運転を停止させるため、再始動後に燃料電池4aを暖機する必要があり、外部電源を利用して車載空調システムにより暖機を行う特許文献1の技術では、運用コスト面で問題がある上に、熱量不足により走行開始が遅延するという問題を抱えている。
【0029】
このような点を鑑みて本発明者は、2次電池3が充電中に発生する熱を燃料電池4aの暖機に利用可能なことに着目した。即ち、無駄に大気中に捨てられる2次電池3の熱を利用すれば、外部電源を利用する場合のような運用コストは不要であり、且つ充電中の2次電池3は多量の熱を発生すると共に、2次電池3の充電と並行して燃料電池4aの暖機を実施可能であることから、2次電池3の充電完了と共に即座に電動車両1の走行を開始できる。
【0030】
以下、この知見の下に充電中の2次電池3が発生する熱を利用した燃料電池4aの暖機処理について説明するが、それに先立って、2次電池3の熱を燃料電池4aに伝達するための回路構成について述べる。
図2は燃料電池4aの暖機を行うための回路構成を示す回路図である。
図2中の回路は、燃料電池4aを定格温度に保つための冷却回路16(以下、FC冷却回路と称する)、車室内を暖房するための温水回路17、2次電池3を充電する充電補機の冷却回路18(以下、充電補機冷却回路と称する)、及び2次電池3の充電及び各回路への電力供給のための電気系統に大別できる。
【0031】
まず、FC冷却回路16について述べると、燃料電池4aは一対の冷却ライン20a,20bを介してラジエータ21と接続され、一方の冷却ライン20aにはポンプ22が介装されている。結果として燃料電池4a、他方の冷却ライン20b、ラジエータ21、一方の冷却ライン20a(及びポンプ22)からなる環状のFC冷却回路16が形成され、内部に封入された水(冷却液)がポンプ22の駆動により循環する。
【0032】
他方の冷却ライン20bに介装された切換弁23はバイパス路24を介して一方の冷却ライン20aと接続され、切換弁23の切換に応じて水がラジエータ21を流通或いはバイパスする。この切換弁23の切換制御やポンプ22の流量制御等により水温が調整され、運転中の燃料電池4aが所期の定格温度に保たれる。
次いで、暖房用の温水回路17について述べると、図示しない車室内に設置された熱交換器25は一対の温水ライン26a,26bを介して温水ヒータ27と接続され、一方の温水ライン26aにはポンプ28が介装されている。結果として熱交換器25、他方の温水ライン26b、温水ヒータ27、一方の温水ライン26a(及びポンプ28)からなる環状の温水回路17が形成され、内部に封入された水(冷却液)がポンプ28の駆動により循環する。
【0033】
一方の温水ライン26aに介装された切換弁29はバイパス路30を介して他方の温水ライン26bと接続され、切換弁29の切換に応じて水は熱交換器25を流通或いはバイパスする。温水ヒータ27がONされて加熱された温水が熱交換器25を流通すると、図示しないファンにより熱交換器25のフィンを通過して暖められた空気が車室内に供給されて暖房がなされる。
【0034】
次いで、充電補機冷却回路18(以下の予備冷却回路35を含む)について述べると、本実施形態では、この冷却回路18により充電補機として2次電池3及び充電器31が冷却されるようになっている。2次電池3は一対の冷却ライン32a,32bを介して熱交換器33と接続され、一方の冷却ライン32aにはポンプ34が介装されている。結果として2次電池3、一方の冷却ライン32a(及びポンプ34)、熱交換器33、他方の冷却ライン32bからなる環状の予備冷却回路35が形成され、内部に封入された絶縁流体がポンプ34の駆動により循環する。
【0035】
熱交換器33は一対の冷却ライン36a,36bを介してラジエータ37(放熱器)と接続され、一方の冷却ライン36aにはポンプ38が介装され、他方の冷却ライン36bには充電器31が介装されている。結果として熱交換器33、一方の冷却ライン36a(及びポンプ38)、ラジエータ37、他方の冷却ライン36b(及び充電器31)からなる環状の充電補機冷却回路18が形成され、内部に封入された水(冷却液)がポンプ38の駆動により循環する。一方の冷却ライン36aに介装された切換弁39はバイパス路40を介して他方の冷却ライン36bと接続され、切換弁39の切換に応じて水がラジエータ37を流通或いはバイパスする。
【0036】
充電中の2次電池3が発生する熱により予備冷却回路35の絶縁流体は加熱されて熱交換器33へと移送され、充電補機冷却回路18を循環する水は熱交換器33で絶縁流体との熱交換により加熱されると共に、充電器31が発生する熱によっても加熱され、その後にラジエータ37により放熱される。以上の過程を送り返すことにより2次電池3及び充電器31が冷却されて温度上昇を抑制される。なお、予備冷却回路35で絶縁流体により2次電池3を冷却しているのは、水漏れ発生時の感電等のトラブル防止のためである。
【0037】
次いで電気系統について述べると、2次電池3と充電器31とは電気的に接続されており、充電器31には充電ソケット31aが備えられている。2次電池3の充電は充電ステーション等で実施され、充電ステーションに備えられた外部電源41の充電プラグ41aを充電ソケット31aに接続することにより、外部電源41からの交流電力が充電器31により直流電力に変換されて2次電池3に充電される。2次電池3にはDC-DCコンバータ42を介して補機駆動用の低電圧の補助2次電池43が接続されている。
【0038】
2次電池3からの電力がDC-DCコンバータ42により降圧されて補助2次電池43に適宜充電され、これにより補助2次電池43が所定のSOCに保たれる。補助2次電池43は各回路16〜18,35のポンプ22,28,34,38及び温水ヒータ27等の補機類と電気的に接続されており、これらの補機類の作動に必要な電力を供給するようになっている。なお、補助2次電池43は他の補機類にも電力供給しているが、本発明の要旨とは関係ないため説明を省略する。
【0039】
そして、以上のように構成された温水回路17及び充電補機冷却回路18の熱を燃料電池4aの暖機に利用するために、これらの温水回路17及び充電補機冷却回路18は、以下に述べるように接続路47a,47b,50a,50bを介してFC冷却回路16と接続されている。
温水回路17の一方の温水ライン26aには一対の切換弁45a,45bが介装され、これらの切換弁45a,45bは、FC冷却回路16の一方の冷却ライン20aに介装された一対の切換弁46a,46bに対し接続路47a,47bを介して接続されている。同様に、充電補機冷却回路18の一方の冷却ライン36aには一対の切換弁48a,48bが介装され、これらの切換弁48a,48bは、FC冷却回路16の一方の冷却ライン20aに介装された一対の切換弁49a,49bに対し接続路50a,50bを介して接続されている。
【0040】
通常時の各切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bは、冷却ライン20a,36aや温水ライン26aでの水の流通を許容する方向に切り換えられており、温水回路17及び充電補機冷却回路18はFC冷却回路16から切り離されている(非連通状態)。これにより各切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bでは図中の矢印A方向に水が流通し、暖房のための温水回路17での温水の循環、或いは2次電池3や充電器31の冷却のための充電補機冷却回路18での水の循環がなされる。以下、このときの各切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bの切換状態をA側と表現する。
【0041】
また、このA側から各切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bが接続路47a,47b,50a,50b側に切り換えられると、温水回路17や充電補機冷却回路18は接続路47a,47b,50a,50bを介してFC冷却回路16と連通し、1つの大きな回路を形成する。
例えば温水回路17の各切換弁45a,45b及び対応するFC冷却回路16の各切換弁46a,46bが接続路47a,47b側に切り換えられると、図中の矢印B方向に水が流通する。FC冷却回路16のポンプ22から吐出された水は、切換弁46a、接続路47a、切換弁45aを経て温水回路17に移送され、ポンプ28から熱交換器25を流通或いはバイパスして温水ヒータ27により加熱された後、切換弁45b、接続路47b、切換弁46bを経てFC冷却回路16に戻され、燃料電池4aを流通して昇温する。
【0042】
なお、このとき温水回路17のポンプ28は作動させてもよいし、温水の流通を妨げることが無ければ停止させたままとしてもよい。また、温水回路17のポンプ28を作動させる場合には、FC冷却回路16のポンプ22を停止させてもよい。
同様に、充電補機冷却回路18の各切換弁48a,48b及び対応するFC冷却回路16の各切換弁49a,49bが接続路50a,50b側に切り換えられると、図中の矢印B方向に水が流通する。FC冷却回路16のポンプ22から吐出された水は、切換弁49a、接続路50a、切換弁48aを経て充電補機冷却回路18に移送され、ラジエータ37を流通或いはバイパスして充電器31により加熱され、さらに熱交換器33により加熱され、ポンプ34から切換弁48b、接続路50b、切換弁49bを経てFC冷却回路16に戻され、燃料電池4aを流通して昇温する。以上の接続路47a,47b,50a,50b側に切り換えられたときの各切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bの切換状態をB側と表現する。
【0043】
なお、このとき充電補機冷却回路18のポンプ38は作動させてもよいし、水の流通を妨げることが無ければ停止させたままとしてもよい。また、充電補機冷却回路18のポンプ38を作動させる場合には、FC冷却回路16のポンプ22を停止させてもよい。
次に、以上のような回路構成を利用して車両ECU13により実行される燃料電池4aの暖機処理について説明する。
【0044】
図3は車両ECU13が実行する暖機制御ルーチンを示すフローチャートであり、2次電池3の充電中に当該ルーチンが所定の制御インターバルで実行される。
まず、ステップS1で燃料電池4aの温度Tfcが、2次電池3の温度Tbと充電器の温度Tcとの何れか高い側以上であるか否かを判定する。判定がYes(肯定)のときには、ステップS2でFC冷却回路16のポンプ22を停止保持(FC停止で既に停止)すると共に、全ての切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bをA側に切り換えて、温水回路17及び充電補機冷却回路18を共にFC冷却回路16から切り離す。充電開始の当初には2次電池3も充電器31も熱をほとんど発生しておらず、充電補機冷却回路18を循環する水も低温のため、この状態で充電補機冷却回路18をFC冷却回路16に連通させることにより、かえって燃料電池4aの温度を低下させてしまう事態を回避する処理である。
【0045】
なお、FC冷却回路16と充電補機冷却回路18とは水を媒体として熱交換することから、燃料電池4aの温度Tfcに代えてFC冷却回路16の水温を用い、2次電池3及び充電器31の温度Tb,Tcに代えて充電補機冷却回路18の水温を用いてもよい。これらのFC冷却回路16の水温も本発明の燃料電池4aの温度に含まれ、充電補機冷却回路18の水温も本発明の2次電池3の温度に含まれるものとする。
【0046】
また、充電により2次電池3や充電器31の温度Tb,Tcが次第に上昇してステップS1の判定がNo(否定)になると、それらの熱を利用して燃料電池4aを暖機可能と判断し、ステップS3に移行して燃料電池4aの温度Tfcが予め設定された第1判定値T1以上であるか否かを判定する。ステップS3の判定がYesのときにはステップS4に移行し、FC冷却回路16のポンプ22の作動を開始した上で、充電補機冷却回路18の各切換弁48a,48b、及び対応するFC冷却回路16の各切換弁49a,49bをB側に切り換える。これにより、充電補機冷却回路18が接続路50a,50bを介してFC冷却回路16と連通する。同時に充電補機冷却回路18の水がラジエータ37を流通するように切換弁39を切り換える。
【0047】
第1判定値T1はある程度高い温度、例えば30℃に設定されているため、この場合の燃料電池4aはそれほど早急に暖機する必要がないと見なせる。よって、まず充電補機冷却回路18で発生した熱だけにより燃料電池4aを暖機すると共に、ラジエータ37での放熱により水の温度上昇を適度に抑制して、2次電池3及び充電器31の保護を図っているのである。
【0048】
また、ステップS3の判定がNoのときにはステップS5に移行し、燃料電池4aの温度Tfcが予め設定された第2判定値T2(<T1)以上であるか否かを判定する。ステップS5の判定がYesのときにはステップS6に移行し、FC冷却回路16のポンプ22の作動を開始した上で、充電補機冷却回路18の各切換弁48a,48b、及び対応するFC冷却回路16の各切換弁49a,49bをB側に切り換えると共に、充電補機冷却回路18を循環中の水がラジエータ37をバイパスするように切換弁39を切り換える。
【0049】
第2判定値T2は比較的低い温度、例えば5℃に設定されているため、この場合の燃料電池4aはある程早急に暖機する必要があると見なせる。上記ステップS4の場合と同様に、充電補機冷却回路18で発生した熱だけにより燃料電池4aを暖機するが、ラジエータ37での放熱が中止されるため燃料電池4aの暖機はより促進される。
以上のステップS1〜7の処理を実行するときの車両ECU13が、本発明の暖機制御手段として機能する。
【0050】
また、ステップS5の判定がNoのときにはステップS7に移行し、ステップS6と同じく、FC冷却回路16のポンプ22の作動を開始した上で、充電補機冷却回路18の各切換弁48a,48b、及び対応するFC冷却回路16の各切換弁49a,49bをB側に切り換えると共に、充電補機冷却回路18を循環中の水がラジエータ37をバイパスするように切換弁39を切り換える。続くステップS8では温水ヒータ27をONした上で、温水回路17の各切換弁45a,45b、及び対応するFC冷却回路16の各切換弁46a,46bをB側に切り換えると共に、温水回路17を循環中の水が熱交換器25をバイパスするように切換弁29を切り換える。
【0051】
これにより、温水回路17及び充電補機冷却回路18が共に接続路47a,47b,50a,50bを介してFC冷却回路16と連通し、双方の回路17,18において熱交換器25やラジエータ37の放熱が中止される。この場合には燃料電池4aの温度Tfcが第1判定値T1未満のため、燃料電池4aを早急に暖機する必要があるが、温水回路17及び充電補機冷却回路18の双方で発生した全ての熱が、熱交換器25やラジエータ37で放熱されずに燃料電池4aの暖機に無駄なく利用されることから、燃料電池4aは迅速に暖機される。
【0052】
このように2次電池3の充電開始の当初において、2次電池3や充電器31の熱で燃料電池4aを暖機可能な場合には、燃料電池4aの温度Tfcに応じてステップS4、ステップS6またはステップS7,8の何れかの処理により燃料電池4aが暖機される。そして、燃料電池4aの暖機が進行して温度Tfcが上昇すると、ステップS7,8からステップS6、さらにステップS4の処理に切り替わる。本実施形態の2次電池3及び充電器31の仕様では、充電時に発生する熱により燃料電池4aを定格温度まで昇温可能であると共に、定格温度で平衡状態となって温度上昇が抑制される。よって、ステップS4の処理の実行中に燃料電池4aの暖機が完了すると共に、その時点の燃料電池4aの温度が保たれ、その状態で2次電池3の充電が終了する。
【0053】
但し、これに限るものではなく、例えば充電中の2次電池3及び充電器31が発生する熱だけで燃料電池4aが定格温度を超えてしまう場合には、予め設定した上限温度で燃料電池4aの暖機を終了するようにしてもよい。
以上詳述したように本実施形態の車両用燃料電池4aの暖機装置によれば、充電中の2次電池3及び充電器31が発生する熱により燃料電池4aを暖機しており、無駄に大気中に捨てられる熱を利用することから、暖機を実施するための運用コストは全く必要としない。
【0054】
また、充電中の2次電池3及び充電器31は多量の熱を発生するため、本来はステップS4またはステップS6の処理だけで十分に迅速に燃料電池4aを暖機できる。その意味で、ステップS8の温水回路17の熱を利用した処理は補助的なものであり、必ずしも実施する必要はない。そして、このように2次電池3及び充電器31が発生する多量の熱を利用して燃料電池4aを迅速に暖機でき、しかも、このときの暖機は2次電池3の充電と並行して実施される。よって、2次電池3の充電中に燃料電池4aの暖機を完了でき、結果として2次電池3の充電完了と共に即座に電動車両1の走行を開始することができる。
【0055】
なお、特に2次電池3は充電器31よりも多量の熱を発生するため、充電中の2次電池3の熱だけで燃料電池4aを暖機するようにしてもよい。その場合には、充電補機冷却回路18から充電器31を除外またはバイパスさせればよい。
また、FC冷却回路16に備えられた既存のポンプ22を利用して、接続路47a,47b,50a,50bを介して充電補機冷却回路18や温水回路17とFC冷却回路16との間で水を移送している。このため、充電補機冷却回路18や温水回路17で加熱された水を迅速且つ確実にFC冷却回路16に導くことができ、この要因も迅速な暖機完了に貢献する。
【0056】
但し、ポンプ22は必ずしも必要ではなく、切換弁45a,45b,46a,46b,48a,48b,49a,49bのB側への切換により充電補機冷却回路18や温水回路17とFC冷却回路16とを接続路47a,47b,50a,50bを介して連通させた上で、自然対流を利用して水を移送するようにしてもよい。特に充電補機冷却回路18や温水回路17の直上にFC冷却回路16を配置したレイアウトでは、加熱された水が自然対流によって上方のFC冷却回路16に移送されるため、ポンプ無しでも十分に燃料電池4aを暖機できる。
【0057】
また、充電により2次電池3や充電器31の温度Tb,Tc2が上昇して何れかが燃料電池4aの温度Tfc以上になった時点で、FC冷却回路16のポンプ22の作動を開始すると共に、接続路50a,50bを介して充電補機冷却回路18をFC冷却回路16と連通させている。よって、充電開始当初の低温の水がFC冷却回路16に移送されて燃料電池4aの温度を低下させてしまう事態を未然に回避でき、より効率的な燃料電池4aの暖機を実現することができる。
【0058】
また、予備冷却回路35で絶縁流体により2次電池3を冷却し、その絶縁流体と充電補機冷却回路18の水との間で熱交換器33を介して熱交換している。従って、水漏れ発生時の感電等のトラブルを防止できると共に、このような形式の燃料電池システムであっても、2次電池3や充電器31の熱を利用した燃料電池4aの暖機を実現することができる。
【0059】
また、燃料電池4aが第1判定値T1以上のときには充電補機冷却回路18の水をラジエータ37に流通させ、燃料電池4aが第1判定値T1未満のときには水をラジエータ37に対しバイパスさせている。水のラジエータ37への流通時には2次電池3や充電器31の温度上昇を抑制して確実に保護でき、ラジエータ37のバイパス時には燃料電池4aの暖機をより促進できることから、その時点の燃料電池4aの温度に応じた最適な内容で暖機制御を実施することができる。
【0060】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、充電補機冷却回路18で2次電池3や充電器31が発生した熱のみならず、温水回路17の熱も燃料電池4aの暖機に利用したが、温水回路17の熱は利用しなくてもよい。
また上記実施形態では、2次電池3を絶縁流体により冷却する構成としたが、これに代えて充電補機冷却回路18の水で2次電池3を直接的に冷却するようにしてもよい。
【符号の説明】
【0061】
1 電動車両
3 2次電池
4a 燃料電池
13 車両ECU(暖機制御手段)
16 FC冷却回路(冷却回路)
18 充電補機冷却回路(冷却回路)
22 ポンプ
31 充電器
33 熱交換器
37 ラジエータ(放熱器)
47a,47b,50a,50b 接続路
図1
図2
図3