JP7567961B1 - 流体制御装置、燃料電池車両及び流体制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を燃料とした燃料電池ユニットの水素消費を抑制しつつ、燃料電池ユニットの温度を所定の温度範囲に昇温することができる流体制御装置、燃料電池車両及び流体制御方法を提供すること。【解決手段】流体制御装置は、冷却水を加熱するヒータと、前記ヒータで加熱された冷却水によって温められるヒータコアと、燃料電池を含む燃料電池ユニットと、前記冷却水と熱交換を行うラジエータと、前記ヒータ、前記ヒータコア及び前記燃料電池ユニットを前記冷却水が通過して循環する第１流路を前記ヒータで加熱された前記冷却水が循環する第１制御モードと、前記ヒータ及び前記ヒータコアを前記冷却水が通過して循環する第２流路、並びに、前記燃料電池ユニット及び前記ラジエータを前記冷却水が通過して循環する、前記第２流路と独立する第３流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる第２制御モードと、を含む複数の制御モードのうちいずれかで、前記冷却水の循環を制御する制御部と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、水素を燃料とした燃料電池ユニットを含む流体制御装置、燃料電池車両及び流体制御方法に関する。

水素を燃料とした燃料電池で動作する車両が知られている。燃料電池から発生した熱を放熱するため、冷却水（冷却媒体）を循環させて、燃料電池を含む燃料電池ユニットであるＦＣ（Fuel Cell）スタックの温度を調整する技術が知られている。

また、車両内部（キャビン）の空調のため、ヒータを用いて加熱した水をヒータコアに供給し、車両内部に放熱する技術も知られている。また、特許文献１では、燃料電池を冷却するための冷却水の流路と、車両内部の空調のための流路の一部を共有する流路構成が開示されている。

一方で、燃料電池は、低温環境下では、発電効率が低下することが知られている。先行文献では、低温時に燃料電池スタック（ＦＣスタック）の発熱量を増加させて熱を発生させて、燃料電池スタックの温度を上昇させる。しかしながら、発熱させるために燃料電池スタックを動作させると、水素消費が増加し、車両としての航続可能距離が短くなる懸念がある。

特開2022-122631

本発明は、水素を燃料とした燃料電池ユニットの水素消費を抑制しつつ、燃料電池ユニットの温度を所定の温度範囲に昇温することができる流体制御装置、燃料電池車両及び流体制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る流体制御装置は、冷却水を加熱するヒータと、前記ヒータで加熱された冷却水によって温められるヒータコアと、燃料電池を含む燃料電池ユニットと、前記冷却水と熱交換を行うラジエータと、前記ヒータ、前記ヒータコア及び前記燃料電池ユニットを前記冷却水が通過して循環し、前記ラジエータを通過しない第１流路を前記ヒータで加熱された前記冷却水が循環する第１制御モードと、前記ヒータ及び前記ヒータコアを前記冷却水が通過して循環する第２流路、並びに、前記燃料電池ユニット及び前記ラジエータを前記冷却水が通過して循環する、前記第２流路と独立する第３流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる第２制御モードと、前記第２流路、並びに、前記第２流路と独立する前記第３流路のうち前記ラジエータを通過させずにバイパス流路を通過させる流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる前記冷却水が通過して循環する第３制御モードと、を含む複数の制御モードのうちいずれかで、前記冷却水の循環を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池ユニットの温度が、前記燃料電池ユニットの発電効率が低下する温度より低い温度値である閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１より低いと判定すると、前記第１制御モードで制御処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１以上と判定すると、前記燃料電池ユニットの温度が冷却を要する温度である閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２以上であると判定すると、前記第２制御モードで制御処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２未満であると判定すると、前記第３制御モードで制御処理を行う。

本発明の一態様に係る燃料電池車両は、上記の流体制御装置を備える。

本発明の一態様に係る流体制御方法は、上述する流体制御装置の流体制御方法であって、前記燃料電池ユニットの温度が、前記燃料電池ユニットの発電効率が低下する温度より低い温度値である閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１より低いと判定すると、前記第１制御モードで前記冷却水の循環の制御処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１以上と判定すると、前記燃料電池ユニットの温度が冷却を要する温度である閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２以上であると判定すると、前記第２制御モードで前記冷却水の循環の制御処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２未満であると判定すると、前記第３制御モードで前記冷却水の循環の制御処理を行う。

本発明によれば、水素を燃料とした燃料電池ユニットの水素消費を抑制しつつ、燃料電池ユニットの温度を所定の温度範囲に昇温することができる流路制御装置、車両及び流路制御方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両の構成を概略的に示す説明図。 第１実施形態に係る燃料電池車両の構成を概略的に示すブロック図。 第１実施形態に係る燃料電池車両に用いられる流体制御装置の第１制御モードを示す説明図。 第１実施形態に係る流体制御装置の第２制御モードを示す説明図。 第１実施形態に係る流体制御装置を用いた制御の一例を示す流れ図。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池車両の流体制御装置の構成を概略的に示す説明図。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池車両の流体制御装置の構成を概略的に示す説明図。

以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両１の流体制御装置２の構成を図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両１の構成を概略的に示す説明図であり、図２は、燃料電池車両１の構成を概略的に示すブロック図である。図３は、燃料電池車両１に用いられる流体制御装置２の第１制御モードを示す説明図であり、図４は、流体制御装置２の第２制御モードを示す説明図である。図５は、流体制御装置２を用いた制御の一例を示す流れ図である。

図１及び図２に示すように、燃料電池車両１は、水素ステーション１００等においてタンク１５に充填された水素と、外気等から取り入れた酸素とを用いて燃料電池ユニット３１で発電するＦＣＶ（Fuel Cell Vehicle）である。燃料電池車両１は、発電した電力を用いて、各種構成要素を駆動制御する。例えば、燃料電池車両１は、モータ１４を駆動して走行するとともに、空調システム１１を駆動して、キャビン（車両内部）７の空調を行う。なお、燃料電池車両には、トラック、バス、乗用車、特殊用途自動車等が含まれる。以下、燃料電池車両１の具体例を説明する。

図１に示すように、燃料電池車両１は、シャーシ３及び車体４を備える。シャーシ３は、フレームと、４つ以上の車輪５と、を備える。また、図１及び図２に示すように、燃料電池車両１は、空調システム１１と、燃料電池システム１２と、バッテリ１３と、モータ１４と、タンク１５と、外気温センサ１６と、制御装置１７と、を備える。

燃料電池車両１は、シャーシ３及び車体４に、空調システム１１と、燃料電池システム１２と、バッテリ１３と、モータ１４と、タンク１５と、外気温センサ１６と、制御装置１７を搭載する。また、空調システム１１、燃料電池システム１２、外気温センサ１６及び制御装置１７は、流体制御装置２を構成する。

空調システム１１は、車体４の空調用の空気を加熱し、ブロア等によって車体４内部に加熱した空気を送風することで、車体４内の温度を調整する。図２は、燃料電池車両１の流体制御装置２の要部の構成を概略的に示すブロック図である。空調システム１１は、例えば、ヒータ２１と、ヒータコア２２と、三方弁２３と、ポンプ２４と、循環流路２５と、を備える。空調システム１１の循環流路２５を流れる媒体は、例えば、冷却水である。

ヒータ２１は、例えば、冷却水を加熱する電気ヒータである。ヒータコア２２は、車体４のキャビン７の空調器の空気を加熱するための熱交換器である。

三方弁２３は、３つのポート２３ａ、２３ｂ、２３ｃを有する。三方弁２３は、ボディ内に設けられた弁体を切り替えることで、３つのポート（ポート２３ａ、ポート２３ｂ、ポート２３ｃ）のうちいずれか２つのポートを開き、開いた２つのポートを流体的に接続する。本実施形態において、三方弁２３は、３つのポート２３ａ、２３ｂ、２３ｃのうち、ポート２３ａ及びポート２３ｂが循環流路２５に接続され、ポート２３ｃが、燃料電池システム１２と接続される後述する連絡流路５１に接続される。三方弁２３は、例えば、制御装置１７に電気的に接続され、制御装置１７から出力される信号に基づいて、接続する２つのポートを切り替える。

ポンプ２４は、冷却水を圧送する。ポンプ２４は、制御装置１７に電気的に接続され、制御装置１７から出力される駆動信号に基づいて駆動する。循環流路２５は、ヒータ２１、ヒータコア２２、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｂ、並びに、ポンプ２４を接続する。循環流路２５は、ポンプ２４から圧送された冷却水がヒータ２１、ヒータコア２２、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｂを通過してポンプ２４に戻る流路を形成する管である。このように、循環流路２５は、ポンプ２４から圧送された冷却水を、ヒータ２１及びヒータコア２２を通過させて循環させる。

燃料電池システム１２は、燃料電池ユニット３１と、三方弁３２と、ラジエータ３３と、ポンプ３４と、循環流路３５と、バイパス流路３６と、水温センサ（温度センサ）３７と、を備える。燃料電池システム１２は、三方弁３２、ラジエータ３３、ポンプ３４、循環流路３５に冷却水を通過させることで、燃料電池ユニット３１の冷却を行う。

燃料電池ユニット３１は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）４１と、ＦＣ温度センサ（温度センサ）４２と、を備える。燃料電池スタック４１は、例えば固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック４１は、複数の単セルを積層したスタック構造を有する。ここで、単セルは、例えば、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電界質膜の他方の面に形成された燃料極とを接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）と、を備える。膜電極接合体は、一対のセパレータにより挟まれることで形成される。燃料電池スタック４１は、酸化ガス（酸素）を空気極に、燃料ガス（水素）を燃料極に供給することによって発電する。

ＦＣ温度センサ４２は、燃料電池スタック４１の温度を検出する。ＦＣ温度センサ４２は、制御装置１７に接続され、検出した温度に対応する信号を制御装置１７に出力する。

三方弁３２は、燃料電池ユニット３１の下流側に設けられ、循環流路３５の、燃料電池ユニット３１の下流側を開閉する。三方弁３２は、３つのポート３２ａ、３２ｂ、３２ｃを有する。三方弁３２は、ボディ内に設けられた弁体を切り替えることで、３つのポート（ポート３２ａ、ポート３２ｂ、ポート３２ｃ）のうちいずれか２つのポートを開き、開いた２つのポートを流体的に接続する。本実施形態において、三方弁３２は、３つのポート３２ａ、３２ｂ、３２ｃのうち、ポート３２ａ及びポート３２ｃが循環流路２５に接続され、ポート３２ｂが、バイパス流路３６に接続される。三方弁３２は、例えば、制御装置１７に電気的に接続され、制御装置１７から出力される信号に基づいて、接続する２つのポートを切り替える。なお、三方弁３２は、サーミスタによって３つのポートを切り替え可能に形成され、所定の温度以上の場合にポート３２ａ及びポート３２ｃを接続し、所定の温度未満の場合にポート３２ａ及びポート３２ｂを接続する構成であってもよい。

ラジエータ３３は、熱交換器である。ラジエータ３３は、内部を通過する冷却水を冷却風と熱交換することで、冷却水を冷却する。

ポンプ３４は、冷却水を圧送する。ポンプ３４は、制御装置１７に電気的に接続され、制御装置１７から出力される駆動信号に基づいて駆動する。

循環流路３５は、燃料電池ユニット３１、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｃ、ラジエータ３３、及び、ポンプ３４を接続する。循環流路３５は、ポンプ３４から圧送された冷却水が燃料電池ユニット３１、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｃ、ラジエータ３３を通過してポンプ３４に戻る流路を形成する管である。このように、循環流路３５は、ポンプ３４から圧送された冷却水を、燃料電池ユニット３１、ラジエータ３３を通過させて循環させる。

バイパス流路３６は、循環流路３５の、燃料電池ユニット３１の下流側に設けられる三方弁３２のポート３２ｂと、ラジエータ３３の下流側であって、且つ、ポンプ３４の上流側と、を流体的に接続する管である。バイパス流路３６は、燃料電池ユニット３１とポンプ３４とをバイパスし、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｂが開いたときに、燃料電池ユニット３１を通過した冷却水を、ラジエータ３３を通過させずに、ポンプ３４に戻す。

水温センサ３７は、例えば、循環流路３５を流れる冷却水、具体例として、燃料電池ユニット３１を通過した冷却水の温度を検出する。水温センサ３７は、制御装置１７に接続され、検出した温度に対応する信号を制御装置１７に出力する。

また、空調システム１１及び燃料電池システム１２は、循環流路２５及び循環流路３５を接続する連絡流路５１と、開閉弁５２と、を備える。連絡流路５１は、例えば、連絡流路５１ａと、連絡流路５１ｂと、を備える。

連絡流路５１ａは、循環流路３５のラジエータ３３の下流側及びバイパス流路３６の下流側であって、且つ、ポンプ３４の上流側と、循環流路２５の三方弁２３のポート２３ｂの下流側であって、且つ、ポンプ２４の上流側と、を流体的に接続する管である。

連絡流路５１ｂは、三方弁２３のポート２３ｃと、循環流路３５のポンプ３４の下流側であって、且つ、燃料電池ユニット３１の上流側と、を流体的に接続する管である。

開閉弁５２は、連絡流路５１ａに設けられ、連絡流路５１ａを開閉する。開閉弁５２は、制御装置１７に接続され、制御装置１７から出力される信号により、連絡流路５１ａを開閉する。

このように構成された空調システム１１及び燃料電池システム１２は、三方弁２３、三方弁３２及び開閉弁５２を制御することで、燃料電池ユニット３１を昇温する昇温流路（第１流路）Ｃ１、空調用の加温流路（第２流路）Ｃ２及び燃料電池ユニット３１を冷却する冷却流路（第３流路）Ｃ３を形成する。なお、図３中において、冷却水が循環する昇温流路Ｃ１を実線の矢印で示し、図４中において、冷却水が循環する加温流路Ｃ２及び冷却流路Ｃ３を実線の矢印で示す。また、図３及び図４中において、冷却水が流れないか、又は、冷却水が流れても循環しない流路を破線で示す。

昇温流路Ｃ１は、循環流路２５の一部及び循環流路３５の一部、バイパス流路３６及び連絡流路５１により形成される。図３に示すように、昇温流路Ｃ１は、冷却水がポンプ２４、ヒータ２１、ヒータコア２２、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｃ、燃料電池ユニット３１、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｂ、バイパス流路３６、連絡流路５１ａを通過し、ポンプ２４に戻る循環流路である。開閉弁５２が開き、ポート２３ａ及びポート２３ｃが接続するように三方弁２３が切り替えられ、ポート３２ａ及びポート３２ｂが接続するように三方弁３２が切り替えられ、ポンプ２４が駆動することで、昇温流路Ｃ１を冷却水が循環する。

加温流路Ｃ２は、循環流路２５により形成される。加温流路Ｃ２は、冷却水が、ポンプ２４、ヒータ２１、ヒータコア２２、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｂを通過し、ポンプ２４に戻る循環流路である。ポート２３ａ及びポート２３ｂが接続するように三方弁２３が切り替えられ、開閉弁５２が閉じ、ポンプ２４が駆動することで、加温流路Ｃ２を冷却水が循環する。

冷却流路Ｃ３は、循環流路３５により形成される。冷却流路Ｃ３は、冷却水が、ポンプ３４、燃料電池ユニット３１、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｃ、ラジエータ３３を通過し、ポンプ３４に戻る循環流路である。ポート３２ａ及びポート３２ｃが接続するように三方弁３２が切り替えられ、開閉弁５２が閉じ、ポンプ３４が駆動することで、冷却流路Ｃ３を冷却水が循環する。

バッテリ１３は、二次電池である。バッテリ１３は、燃料電池システム１２で発電した電力を蓄電する。バッテリ１３は、ポンプ２４、ポンプ３４、モータ１４、制御装置１７及び各種電装品等に給電する。

モータ１４は、制御装置１７に接続され、制御装置１７により駆動制御される。モータ１４は、走行のために車輪５を駆動する。

タンク１５は、水素を圧縮して貯蔵する。
外気温センサ（温度センサ）１６は、外気の温度を検出する。外気温センサ１６は、制御装置１７に接続され、検出した温度に対応する信号を制御装置１７に出力する。

制御装置１７は、例えば、パワースイッチ（パワーSW）６１と、ＧＰＳ（Global Positioning System）センサ６２と、入力インターフェース６３と、メモリ６４と、制御部６５と、を備える。

パワースイッチ６１は、運転者が操作することで、操作した情報を制御部６５に出力する。パワースイッチ６１は、燃料電池車両１の停止時に操作を受け付けると、パワーＯＮ受付として、制御部６５に信号を出力する。また、パワースイッチ６１は、燃料電池車両１の駆動時に操作を受け付けると、パワーＯＦＦ受付として、制御部６５に信号を出力する。

ＧＰＳセンサ６２は、パワースイッチ６１が操作され、パワーＯＮ受付をすると、燃料電池車両１の現在位置情報を取得する。ＧＰＳセンサ６２は、取得した現在位置情報を制御部６５に出力する。

入力インターフェース６３は、操作者、例えば、運転者からの指令を入力する入力装置である。例えば、入力インターフェース６３は、キャビン７に設けられるインストルメントパネル等に設けられるスイッチ、ダイヤル、タッチパネル等の入力手段である。

メモリ６４は、記憶媒体である。メモリ６４は、燃料電池車両１を制御するための各種制御設定値や各種制御プログラムを記憶する。また、メモリ６４は、温度センサとしての水温センサ３７、ＦＣ温度センサ４２及び外気温センサ１６を含む各種センサで検出した情報を記憶する。また、メモリ６４は、水素の使用量、取り込んだ酸素量、燃料電池ユニット３１における発電量、バッテリ１３における蓄電量及び使用電力等の、取得した各種情報を記憶する。

制御部６５は、演算装置である。制御部６５は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部６５は、シャーシ制御、モータ制御、ヘッドライト制御、空調システム制御、燃料電池システム制御、ブレーキシステム制御、車線維持システム制御、車間距離制御システム制御、カーナビ制御等の種々の電装品の制御のうち、少なくともいずれかの制御を行う。

制御部６５は、例えば、空調システム制御及び燃料電池システム制御の一部として、冷却水を制御する流体制御を行う。制御部６５は、燃料電池ユニット３１の温度に基づいて、第１制御モード及び第２制御モードにより、冷却水を循環させて、燃料電池ユニット３１の昇温（加熱）及び冷却を行う制御を行う。また、制御部６５は、燃料電池ユニット３１の温度に基づいて、第３制御モードにより、燃料電池ユニット３１の温度を維持する制御を行ってもよい。

ここで、第１制御モードは、燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃが、メモリ６４に記憶された、燃料電池ユニット３１の昇温を要する温度である閾値Ｔｈ１よりも低い場合に行われる、燃料電池ユニット３１の昇温を行う動作制御である。例えば、第１制御モードは、パワースイッチ６１により燃料電池車両１の起動時に行われる制御である。ここで、閾値Ｔｈ１は、例えば、燃料電池ユニット３１の発電効率が低下する燃料電池ユニット３１の温度である。

ここで、燃料電池ユニット３１の温度とは、例えば、燃料電池スタック４１の温度である。燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃは、ＦＣ温度センサ４２で直接取得した燃料電池スタック４１の温度値であってもよく、水温センサ３７で取得した冷却水の温度値、又は、外気温センサ１６で取得した外気温を燃料電池ユニット３１の温度と推定してもよい。また、燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃは、ＦＣ温度センサ４２、水温センサ３７及び外気温センサ１６のいずれかで取得してもよく、ＦＣ温度センサ４２、水温センサ３７及び外気温センサ１６のいくつか又は全てで取得してもよい。

図３に示すように、第１制御モードは、ポンプ２４を駆動し、昇温流路Ｃ１に冷却水を循環させるとともに、ヒータ２１で冷却水を加熱することで、加熱された冷却水により燃料電池ユニット３１を加熱する動作制御である。

第２制御モードは、燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃが、閾値Ｔｈ１以上である場合に行われる、燃料電池ユニット３１を冷却する動作制御である。例えば、第２制御モードは、燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃが、閾値Ｔｈ１以上であって、且つ、メモリ６４に記憶された、燃料電池ユニット３１の冷却を要する温度である閾値Ｔｈ２以上である場合に行われる。

図４に示すように、第２制御モードは、ポンプ３４を駆動し、冷却流路Ｃ３に冷却水を循環させるとともに、ラジエータ３３により冷却水を冷却することで、燃料電池ユニット３１を冷却する動作制御である。また、図４に示すように、第２制御モードは、例えば、冷却流路Ｃ３に循環させることに加え、ポンプ２４を駆動し、加温流路Ｃ２に冷却水を循環させるとともに、ヒータ２１により冷却水を加熱する、動作制御である。

第３制御モードは、燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃが、閾値Ｔｈ１以上であって、且つ、閾値Ｔｈ２以上である場合に行われる。第３制御モードは、ポンプ３４を駆動し、ラジエータ３３を通過させずに、バイパス流路３６に冷却水を通過させて冷却水を循環させることで、燃料電池ユニット３１を所定の温度に維持する動作制御である。また、第３制御モードは、例えば、ポンプ２４を駆動し、加温流路Ｃ２に冷却水を循環させるとともに、ヒータ２１により冷却水を加熱する処理を含む構成としてもよい。

次に、このように構成された燃料電池車両１の流体制御装置２を用いた流体制御方法の一例を、図３乃至図５を用いて説明する。図３は流体制御装置２の第１制御モードを示す説明図である。図４は流体制御装置２の第２制御モードを示す説明図である。図５は流体制御装置２を用いた流体制御方法の一例を示す流れ図である。なお、図５中、三方弁２３及び三方弁３２のポート２３ａ、３２ａ、ポート２３ｂ、３２ｂ及びポート２３ｃ、３２ｃを、それぞれａポート、ｂポート及びｃポートとして示す。

停止中における燃料電池車両１において、運転者がパワースイッチ６１を操作すると、制御部６５は、パワーＯＮ受付を行い、バッテリ１３から各電装品に電力を供給する。そして、制御部６５は、水温センサ３７、ＦＣ温度センサ４２及び／又は外気温センサ１６による検出値から、燃料電池ユニット３１の燃料電池スタック４１の温度値Ｔｆｃを取得する（ステップＳＴ１）。制御部６５は、取得した燃料電池スタック４１の温度値Ｔｆｃを閾値Ｔｈ１と比較し、閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ２）。即ち、制御部６５は、判定手段として機能し、燃料電池スタック４１の温度が昇温を要する低温であるか否かを判定する判定処理を行う。

燃料電池スタック４１の温度が昇温を要する低温（Ｔｆｃ＜Ｔｈ１）である場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）には、制御部６５は、流体制御装置２を第１制御モードで制御する（ステップＳＴ３）。

第１制御モード（ステップＳＴ３）の具体例として、制御部６５は、先ず、開閉弁５２を開制御し（ステップＳＴ３１）、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｂを開制御し（ステップＳＴ３２）、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｃを開制御する（ステップＳＴ３３）。なお、ステップＳＴ３１、ＳＴ３２、ＳＴ３３の各弁の切り替えは、同時であってもよく、順次行っても良い。

そして、制御部６５は、ポンプ２４を駆動制御し（ステップＳＴ３４）、ヒータ２１により冷却水を加熱する。これにより、冷却水は、ヒータ２１より加熱され、図３に示すように、昇温流路（第１流路）Ｃ１を循環し、加熱した冷却水と燃料電池ユニット３１の燃料電池スタック４１とを熱交換させて、燃料電池スタック４１を昇温させる。

制御部６５は、第１制御モードにより流体制御装置２を制御するとともに、パワースイッチ６１の操作を監視する（ステップＳＴ４）。パワースイッチ６１が操作され、パワーＯＦＦ受付をする（ステップＳＴ４のＹＥＳ）と、制御部６５は、電装品への電力の供給を停止し、燃料電池車両１の運転を停止する。パワースイッチ６１が操作されない場合（ステップＳＴ４のＮＯ）には、制御部６５は、ステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ２において、燃料電池スタック４１の温度が昇温を要する低温でない（Ｔｆｃ≧Ｔｈ１）場合（ステップＳＴ２のＮＯ）には、制御部６５は、取得した燃料電池スタック４１の温度値Ｔｆｃを閾値Ｔｈ２と比較し、閾値Ｔｈ２未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ５）。即ち、制御部６５は、燃料電池スタック４１の温度が冷却を要する高温であるか否かを判定する判定処理を行う。

燃料電池スタック４１の温度が冷却を要する高温（Ｔｆｃ≧Ｔｈ２）である場合（ステップＳＴ５のＹＥＳ）には、制御部６５は、流体制御装置２を第２制御モードで制御する（ステップＳＴ６）。

第２制御モードの具体例として、制御部６５は、先ず、開閉弁５２を閉制御し（ステップＳＴ６１）、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｃを開制御し（ステップＳＴ６２）、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｂを開制御する（ステップＳＴ６３）。なお、ステップＳＴ６１、ＳＴ６２、ＳＴ６３の各弁の切り替えは、同時であってもよく、順次行っても良い。

そして、制御部６５は、ポンプ２４及びポンプ３４を駆動制御し（ステップＳＴ６４）、加温流路（第２流路）Ｃ２を流れる冷却水をヒータ２１により加熱するとともに、冷却流路（第３流路）Ｃ３を流れる冷却水をラジエータ３３で冷却する。冷却流路Ｃ３を流れる冷却水と燃料電池スタック４１とが熱交換を行うことで、燃料電池スタック４１が冷却されるとともに、燃料電池スタック４１で加熱された冷却水はラジエータ３３で熱交換を行うことで冷却される。これらのように、第２制御モードとして、図４に示すように、加温流路Ｃ２を冷却水が循環することで、ヒータコア２２によりキャビン７を加温可能となるとともに、燃料電池スタック４１を冷却する。

なお、第２制御モードは、例えば、外気温が高い場合等の所定の条件下において、ヒータ２１を駆動せず、加温流路Ｃ２を流れる冷却水をヒータ２１により加熱しないか、又は、ポンプ２４及びヒータ２１を駆動しない構成としてもよい。

制御部６５は、第２制御モードにより流体制御装置２の構成要素を制御するとともに、パワースイッチ６１の操作を監視する（ステップＳＴ４）。パワースイッチ６１が操作され、パワーＯＦＦ受付をすると、制御部６５は、電装品への電力の供給を停止し、燃料電池車両１の駆動を停止する。パワースイッチ６１が操作されない場合には、制御部６５は、ステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ５において、燃料電池スタック４１の温度が冷却を要する高温でない（Ｔｆｃ＜Ｔｈ１）場合（ステップＳＴ５のＮＯ）には、制御部６５は、流体制御装置２を３制御モードで制御する（ステップＳＴ７）。

第３制御モードの具体例として、制御部６５は、先ず、開閉弁５２を閉制御し（ステップＳＴ７１）、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｂを開制御し（ステップＳＴ７２）、三方弁２３のポート２３ａ及びポート２３ｂを開制御する（ステップＳＴ７３）。なお、ステップＳＴ７１、ＳＴ７２、ＳＴ７３の各弁の切り替えは、同時であってもよく、順次行っても良い。

そして、制御部６５は、ポンプ２４及びポンプ３４を駆動制御し（ステップＳＴ７４）、加温流路（第２流路）Ｃ２を流れる冷却水をヒータ２１により冷却水を加熱するとともに、冷却流路（第３流路）Ｃ３側を流れる冷却水を、ラジエータ３３を通過させずにバイパス流路３６を通過させる。これにより、冷却流路Ｃ３を流れる冷却水は、燃料電池スタック４１と熱交換を行うが、ラジエータ３３で冷却されないことから、燃料電池スタック４１が冷却されずに、燃料電池スタック４１の温度が維持される。これらのように、第３制御モードとして、加温流路（第２流路）Ｃ２を冷却水が循環することで、ヒータコア２２によりキャビン７を加温可能となるとともに、燃料電池スタック４１の冷却を行わない。なお、第３制御モードは、例えば、外気温が高い場合等の所定の条件下において、ヒータ２１を駆動せず、加温流路Ｃ２を流れる冷却水をヒータ２１により加熱しないか、又は、ポンプ２４及びヒータ２１を駆動しない構成としてもよい。

また、制御部６５は、第３制御モードにより流体制御装置２の構成要素を制御するとともに、パワースイッチ６１の操作を監視する（ステップＳＴ４）。パワースイッチ６１が操作され、ＯＦＦ受付をすると、制御部６５は、電装品への電力の供給を停止し、燃料電池車両１の駆動を停止する。パワースイッチ６１が操作されない場合には、制御部６５は、ステップＳＴ１に戻る。

これらのように、制御部６５は、制御手段として機能し、パワースイッチ６１の操作によりＯＦＦ受付を行うまで、第１制御モード、第２制御モード及び第３制御モードのいずれかで、流体制御装置２の制御処理を行う。

このように構成された燃料電池車両１及び流体制御装置２によれば、燃料電池ユニット３１の発電効率が低下する低温環境下において、第１制御モードとして、ヒータ２１で加熱した冷却水で、燃料電池ユニット３１を加熱する。このように、燃料電池ユニット３１は、発電時における燃料電池スタック４１の発熱による昇温でなく、ヒータ２１で加熱された冷却水と熱交換することで燃料電池スタック４１を昇温させることができる。よって、流体制御装置２は、水素の消費量を増加させることがなく、燃料電池スタック４１を高い発電効率となる所定の温度範囲とすることができる。燃料電池車両１は、燃料電池スタック４１における水素の消費量を抑えることができるため、航続可能距離が短くなることを抑制できる。

また、燃料電池車両１及び流体制御装置２は、循環流路２５及び循環流路３５を連絡流路５１により接続し、空調システム１１に用いるヒータ２１により燃料電池スタック４１を昇温させる。このため、燃料電池システム１２に燃料電池スタック４１の昇温用のヒータを設ける必要がない。また、第１制御モードにおいて、三方弁３２のポート３２ａ及びポート３２ｂを開くことで、ヒータ２１で加熱され、そして、燃料電池スタック４１と熱交換を行った冷却水がラジエータ３３を通過せずに、バイパス流路３６を通過して、ヒータ２１に戻る。よって、燃料電池スタック４１を加温する冷却水がラジエータ３３により冷却されないことから、燃料電池スタック４１を加温する冷却水の温度が低下することを防止できるため、ヒータ２１の消費電力を抑制できるとともに、ＦＣスタック４１の昇温効率を向上させることができる。

また、第２制御モードにおいて、ヒータ２１及びヒータコア２２でキャビン７を加熱する系統としての加温流路（第２流路）Ｃ２と、ラジエータ３３を用いて燃料電池スタック４１を冷却する系統としての冷却流路（第３流路）Ｃ３とを、流体的に独立する構成とする。これにより、第２制御モードにおいては、各系統において、温度を高精度で制御することができる。

上述したように、第１実施形態に係る燃料電池車両１及び流体制御装置２によれば、水素を燃料とした燃料電池ユニット３１の水素消費を抑制しつつ、燃料電池ユニット３１の温度を所定の温度範囲に昇温することができる。

なお、本発明は上述した第１実施形態に限定されない。例えば、上述した例では、燃料電池車両１（流体制御装置２）が第１制御モードを行うために判定する燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃを、ＦＣ温度センサ４２、水温センサ３７及び外気温センサ１６の少なくともいずれかで取得する構成を説明した。しかしながら、燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃは、ＦＣ温度センサ４２、水温センサ３７及び外気温センサ１６に加え、又は、ＦＣ温度センサ４２、水温センサ３７及び外気温センサ１６に変えて、ＧＰＳセンサ６２から取得した位置情報や制御部６５のカレンダ機能や時計機能により、燃料電池車両１の環境温度を推定し、推定した環境温度を燃料電池ユニット３１の温度Ｔｆｃとして、第１制御モードを行うか否かを判定してもよい。また、第１制御モードは、入力インターフェース６３からユーザにより入力された指令に応じて実行可能とする構成としてもよい。また、燃料電池車両１は、無線通信機器を有し、無線通信機器を介して、ユーザの携帯端末等の外部から、環境温度等を取得し、取得した環境温度に基づいて第１制御モードを行うか否かを判定してもよい。

また、流体制御装置２の空調システム１１の流路（循環流路２５）及び燃料電池システム１２の流路（循環流路３５）により形成される昇温流路Ｃ１は、上述した例に限定されない。即ち、上述した昇温流路Ｃ１は、三方弁２３、三方弁３２及び開閉弁５２により形成される構成を説明したがこれに限定されない。例えば、図６に示すように、三方弁２３及び三方弁３２を設けず、複数の開閉弁やバイパス流路により昇温流路Ｃ１を形成する構成としてもよい。

例えば、図６に示す第２実施形態の燃料電池車両１（流体制御装置２）の例においては、連絡流路５１は、循環流路２５のヒータコア２２の上流側及び下流側と、循環流路３５のＦＣスタック４１及びラジエータ３３の間の流路と、を連絡流路５１ａ及び連絡流路５１ｂで接続する。燃料電池車両１（流体制御装置２）は、連絡流路５１ａに設けられた開閉弁５２に加え、連絡流路５１ｂに開閉弁５３を有する。制御部６５は、第１制御モードにおいては、開閉弁５２及び開閉弁５３を開き、ポンプ２４を駆動することで、ヒータ２１、燃料電池ユニット３１、ラジエータ３３を通過して循環する昇温流路Ｃ１を形成し、この昇温流路Ｃ１により燃料電池ユニット３１を昇温させる第１制御モードで動作制御を行う。また、第２制御モードにおいては、制御部６５は、開閉弁５２及び開閉弁５３を閉じて、ポンプ２４及びポンプ３４を駆動して、加温流路Ｃ２及び冷却流路Ｃ３で冷却水を循環させる。

また、例えば、図７に示す第３実施形態の燃料電池車両１（流体制御装置２）の例においては、連絡流路５１は、循環流路２５のヒータコア２２の上流側及び下流側と、循環流路３５のＦＣスタック４１及びラジエータ３３の間の流路と、を連絡流路５１ａ及び連絡流路５１ｂで接続する。燃料電池車両１（流体制御装置２）は、連絡流路５１ｂに設けられた開閉弁５３、ヒータ２１の上流側及び開閉弁５３をバイパスするバイパス流路５４、バイパス流路５４に設けられた開閉弁５５、並びに、燃料電池ユニット３１及びラジエータ３３の間に設けられた開閉弁５６を備える。

制御部６５は、第１制御モードにおいては、開閉弁５３及び開閉弁５６を閉じ、開閉弁５２及び開閉弁５５を開く。これにより、制御部６５は、燃料電池ユニット３１、バイパス流路５４ヒータ２１、ヒータコア２２、ラジエータ３３、を通過して循環する昇温流路Ｃ１を形成し、この昇温流路Ｃ１により燃料電池ユニット３１を昇温させる第１制御モードで動作制御を行う。また、制御部６５は、第２制御モードにおいては、開閉弁５２、開閉弁５３及び開閉弁５５を閉じ、開閉弁５６を開き、ポンプ２４及びポンプ３４を駆動して、加温流路Ｃ２及び冷却流路Ｃ３で冷却水を循環させる。

即ち、これら異なる複数の実施形態に示す様に、燃料電池車両１及び流体制御装置２は、第１制御モードとして、ＦＣスタック４１を昇温させる冷却水を、ラジエータ３３を通過させて循環する構成としてもよい。上述した複数の実施形態のように、第１制御モードは、空調システム１１の循環流路２５及び燃料電池システム１２の循環流路３５を選択的に接続し、空調システム１１のヒータ２１により加熱した冷却水により、燃料電池ユニット３１を加熱（昇温）できる構成であれば、適宜設定可能である。但し、ＦＣスタック４１の昇温のために加熱した冷却水の不要な冷却を抑制するために、第１制御モードにおいて、昇温流路Ｃ１は、冷却水がラジエータ３３を通過しない構成が好ましい。

また、上述した例では、燃料電池車両１（流体制御装置２）の制御部６５が制御する冷却水の循環の制御処理として、第１制御モード、第２制御モード及び第３制御モードを含む構成を説明したがこれに限定されない。例えば、燃料電池車両１（流体制御装置２）３制御モードを含まず、第１制御モード及び第２制御モードにより、冷却水の循環を制御処理する構成としてもよく、また、第１制御モード、第２制御モード及び第３制御モード以外の制御モードを有する構成としてもよい。

また、上述した例では、第２制御モードは、加温流路Ｃ２に冷却水を循環させてヒータ２１により加温流路Ｃ２の冷却水を加熱するとともに、冷却流路Ｃ３に冷却水を循環させて、ラジエータ３３で冷却水を冷却する構成とした。しかしながら、第２制御モードにおいては、冷却流路Ｃ３に冷却水を循環させて、燃料電池ユニット３１の冷却のみを行い、加温流路Ｃ２に冷却水を循環させるが、ヒータ２１で冷却水を加熱しないか、又は、加温流路Ｃ２に冷却水を循環させない構成としてもよい。このような場合には、他の制御モードとして、空調用パネル等の入力インターフェース６３をユーザが操作した場合や、外気温に基づいて、ポンプ２４を駆動し、加温流路Ｃ２に冷却水を循環させるとともに、ヒータ２１により冷却水を加熱する動作制御を行う構成としてもよい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明と同等の記載を付記する。
［１］ 冷却水を加熱するヒータと、
前記ヒータで加熱された冷却水によって温められるヒータコアと、
燃料電池を含む燃料電池ユニットと、
前記冷却水と熱交換を行うラジエータと、
前記ヒータ、前記ヒータコア及び前記燃料電池ユニットを前記冷却水が通過して循環する第１流路を前記ヒータで加熱された前記冷却水が循環する第１制御モードと、前記ヒータ及び前記ヒータコアを前記冷却水が通過して循環する第２流路、並びに、前記燃料電池ユニット及び前記ラジエータを前記冷却水が通過して循環する、前記第２流路と独立する第３流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる第２制御モードと、を含む複数の制御モードのうちいずれかで、前記冷却水の循環を制御する制御部と、
を備える流体制御装置。
［２］ 前記第１流路は、前記ラジエータを通過しない、［１］に記載の流体制御装置。
［３］ 前記制御部は、前記燃料電池ユニットの温度が、前記燃料電池ユニットの発電効率が低下する温度より低い温度値である閾値未満であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値より低いと判定すると、前記第１制御モードで制御処理を行う［１］に記載の流体制御装置。
［４］ 前記燃料電池ユニットの温度を検出する温度センサを有し、
前記制御部は、前記温度センサで検出した前記燃料電池ユニットの温度に基づいて前記判定処理を行う［３］に記載の流体制御装置。
［５］ 前記第３流路を循環する前記冷却水の温度を検出する温度センサを有し、
前記制御部は、前記温度センサで検出した温度を前記燃料電池ユニットの温度として前記判定処理を行う、［３］に記載の流体制御装置。
［６］ 外気温を検出する温度センサを有し、
前記制御部は、前記温度センサで検出した温度を前記燃料電池ユニットの温度として前記判定処理を行う、［３］に記載の流体制御装置。
［７］ 前記制御部は、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値以上と判定すると、前記第２制御モードで制御処理を行う、［３］に記載の流体制御装置。
［８］ ［１］乃至［７］のいずれか一項に記載の流体制御装置を備える燃料電池車両。
［９］ 冷却水を加熱するヒータと、前記ヒータで加熱された冷却水によって温められるヒータコアと、燃料電池を含む燃料電池ユニットと、前記冷却水と熱交換を行うラジエータと、を備える流体制御装置の流体制御方法であって、
前記ヒータ、前記ヒータコア及び前記燃料電池ユニットを前記冷却水が通過して循環する第１流路を前記ヒータで加熱された前記冷却水が循環する第１制御モードと、前記ヒータ及び前記ヒータコアを前記冷却水が通過して循環する第２流路、並びに、前記燃料電池ユニット及び前記ラジエータを前記冷却水が通過して循環する、前記第２流路と独立する第３流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる第２制御モードと、を含む複数の制御モードのうちいずれかを選択し、
選択した前記制御モードで、前記冷却水の循環の制御処理を行う、
流体制御方法。

１…燃料電池車両、２…流体制御装置、３…シャーシ、４…車体、５…車輪、７…キャビン（車両内部）、１１…空調システム、１２…燃料電池システム、１３…バッテリ、１４…モータ、１５…タンク、１６…外気温センサ（温度センサ）、１７…制御装置、２１…ヒータ、２２…ヒータコア、２３…三方弁、２３ａ…ポート、２３ｂ…ポート、２３ｃ…ポート、２４…ポンプ、２５…循環流路、３１…燃料電池ユニット、３２…三方弁、３２ａ…ポート、３２ｂ…ポート、３２ｃ…ポート、３３…ラジエータ、３４…ポンプ、３５…循環流路、３６…バイパス流路、３７…水温センサ（温度センサ）、４１…燃料電池スタック（ＦＣスタック）、４２…ＦＣ温度センサ（温度センサ）、５１…連絡流路、５１ａ…連絡流路、５１ｂ…連絡流路、５２…開閉弁、５３…開閉弁、５４…バイパス流路、５５…開閉弁、５６…開閉弁、６１…パワースイッチ（パワーＳＷ）、６２…ＧＰＳセンサ、６３…入力インターフェース、６４…メモリ、６５…制御部、１００…水素ステーション、Ｃ１…昇温流路（第１流路）、Ｃ２…加温流路（第２流路）、Ｃ３…冷却流路（第３流路）。

Claims (6)

1. 冷却水を加熱するヒータと、
   前記ヒータで加熱された冷却水によって温められるヒータコアと、
   燃料電池を含む燃料電池ユニットと、
   前記冷却水と熱交換を行うラジエータと、
   前記ヒータ、前記ヒータコア及び前記燃料電池ユニットを前記冷却水が通過して循環し、前記ラジエータを通過しない第１流路を前記ヒータで加熱された前記冷却水が循環する第１制御モードと、前記ヒータ及び前記ヒータコアを前記冷却水が通過して循環する第２流路、並びに、前記燃料電池ユニット及び前記ラジエータを前記冷却水が通過して循環する、前記第２流路と独立する第３流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる第２制御モードと、前記第２流路、並びに、前記第２流路と独立する前記第３流路のうち前記ラジエータを通過させずにバイパス流路を通過させる流路のそれぞれに前記冷却水を循環させる前記冷却水が通過して循環する第３制御モードと、を含む複数の制御モードのうちいずれかで、前記冷却水の循環を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池ユニットの温度が、前記燃料電池ユニットの発電効率が低下する温度より低い温度値である閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１より低いと判定すると、前記第１制御モードで制御処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１以上と判定すると、前記燃料電池ユニットの温度が冷却を要する温度である閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する判定処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２以上であると判定すると、前記第２制御モードで制御処理を行い、前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２未満であると判定すると、前記第３制御モードで制御処理を行う、流体制御装置。
2. 前記燃料電池ユニットの温度を検出する温度センサを有し、
   前記制御部は、前記温度センサで検出した前記燃料電池ユニットの温度に基づいて前記判定処理を行う請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記第３流路を循環する前記冷却水の温度を検出する温度センサを有し、
   前記制御部は、前記温度センサで検出した温度を前記燃料電池ユニットの温度として前記判定処理を行う、請求項１に記載の流体制御装置。
4. 外気温を検出する温度センサを有し、
   前記制御部は、前記温度センサで検出した温度を前記燃料電池ユニットの温度として前記判定処理を行う、請求項１に記載の流体制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流体制御装置を備える燃料電池車両。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流体制御装置の流体制御方法であって、
   前記燃料電池ユニットの温度が、前記燃料電池ユニットの発電効率が低下する温度より低い温度値である前記閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する判定処理を行い、
   前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１より低いと判定すると、前記第１制御モードで前記冷却水の循環の制御処理を行い、
   前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ１以上と判定すると、前記燃料電池ユニットの温度が冷却を要する温度である前記閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する判定処理を行い、
   前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２以上であると判定すると、前記第２制御モードで前記冷却水の循環の制御処理を行い、
   前記燃料電池ユニットの温度が前記閾値Ｔｈ２未満であると判定すると、前記第３制御モードで前記冷却水の循環の制御処理を行う、
   流体制御方法。