JP6262481B2 - 燃料電池車両及び燃料電池車両の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池車両及び燃料電池車両の制御方法に関する。

燃料電池車両の燃料電池を冷却する冷却回路（燃料電池用冷却回路）の冷却水を空調用回路に移動させて空調用回路（暖房用水回路）の熱源とし、空調用空気を加熱するヒータコアを備える燃料電池車両が知られている（例えば特許文献１）。この燃料電池車両では、燃料電池車両の廃熱を利用して暖房の熱源とすることで、暖房能力と燃費の向上を実現できる。

特開２０１３−１４２６８号公報

燃料電池車両では、燃料電池の始動直後は、燃料電池が暖まっていない。一般に、温度が高い方が燃料電池の効率が良いので、燃料電池を早く暖気するために、燃料電池用冷却回路の冷却水が所定の温度に達するまでは、燃料電池用冷却回路の冷却水と、暖房用水回路の冷却水と、を混ぜないようにそれぞれの回路を別個に動作させていた。そして、燃料電池冷却回路の冷却水の温度が所定の温度に達すると、燃料電池用冷却回路の冷却水を暖房用水回路に流し、燃料電池の熱を暖房の熱源としていた。ここで、燃料電池用冷却回路の冷却水と、暖房用水回路の冷却水と、の間に温度差があると、燃料電池用冷却回路から暖房用水回路に冷却水を流したときに暖房用水回路の冷却水の温度が大きく変動する。空調（エアコン）の吹き出し温度は、暖房用水回路の冷却水の温度に連動するため、エアコンの吹き出し温度も大きく変動し、乗員に不快な感じ感じさせる場合があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、の燃料電池車両は、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、前記燃料電池車両の車内を暖房するために用いられる暖房用水回路と、前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への冷却水の供給の制御を行う弁と、前記燃料電池車両の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の始動直後から、暖房のスイッチのオンに応じて、前記弁を開けて前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させる動作を開始する。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池の始動後暖房のスイッチのオンに応じて、前記燃料電池が非凍結状態であれば前記冷却水の温度によらず前記弁を開けて燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を暖房用水回路に回流する。このとき、燃料電池用冷却回路を流れる冷却水と、暖房用水回路を流れる冷却水の温度はほぼおなじであり、回流後もほぼ同じように変化するので、暖房用水回路を流れる冷却水の温度が大きく変動し、暖房温度が急変し、乗員に不快な感じを感じさせるおそれが少ない。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、前記燃料電池車両の車内を暖房するために用いられる暖房用水回路と、前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への冷却水の供給の制御を行う弁と、前記燃料電池車両の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池が非凍結状態の場合で前記燃料電池車両において暖房する場合、前記燃料電池の始動直後から、暖房のスイッチのオンに応じて、前記弁を開けて前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させる動作を開始する。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池の始動後暖房のスイッチのオンに応じて、弁を開けて燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を暖房用水回路に回流する。このとき、燃料電池用冷却回路を流れる冷却水と、暖房用水回路を流れる冷却水の温度はほぼおなじであり、回流後もほぼ同じように変化するので、暖房用水回路を流れる冷却水の温度が大きく変動し、暖房温度が急変し、乗員に不快な感じを感じさせるおそれが少ない。

（２）上記形態の燃料電池車両において、前記制御部は、前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させるときに、前記燃料電池の効率を、前記燃料電池車両の通常運転時における効率よりも低くする低効率運転を実行してもよい。燃料電池の始動後から弁を開けて燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を暖房用水回路に回流する場合、流さない場合に比べて燃料電池用冷却回路を流れる冷却水の温度は上がりにくいが、燃料電池の効率を、燃料電池車両の通常運転時における効率よりも低下させる低効率運転を実行させることにより、燃料電池を発熱させて、燃料電池用冷却回路を流れる冷却水の温度を早く上げることが可能となる。

（３）上記形態の燃料電池車両において、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス回路と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス回路と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大することによって前記低効率運転を実行してもよい。この形態の燃料電池車両によれば、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大させることで、燃料電池の発電効率を低下させる低効率運転を実行することが可能となる。

（４）上記形態の燃料電池車両において、前記燃料電池車両の始動時において、前記燃料電池が凍結状態にある場合には、前記燃料電池が解凍された後、前記制御部は、前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池の解凍前は燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を暖房用水回路に流さずに解凍に専念し、燃料電池が解凍されてから、燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を暖房用水回路に回流することができる。

（５）上記形態の燃料電池車両において、さらに、前記制御部は、前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水の温度が予め定められた温度になってから前記弁を開けて前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流してもよい。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池用冷却回路を流れる冷却水の温度が予め定められた温度になって燃料電池が出力を出せて発熱するようになってから、燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させるので、燃料電池用冷却回路や暖房用水回路を流れる冷却水を早く暖めることができる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両の他、燃料電池車両における制御方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す説明図である。 三方弁が非連携モード状態のときの冷却水の流れを示す説明図である。 三方弁の状態と冷却水の流れを示す説明図である。 空調ダクトの構成を示す説明図である。 本願発明における一実施形態の制御フローチャートの一例である。 燃料電池の通常運転時のＩＶ特性と低効率運転時のＩＶ特性とを示す説明図である。 比較例における冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５と、吹き出し温度Ｔ３９０と、を示す説明図である。 本実施形態における冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５と、吹き出し温度Ｔ３９０と、を示す説明図である。

図１は、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両１０の構成を示す説明図である。燃料電池車両１０は、燃料電池１００と、燃料ガス回路５００と、酸化ガス回路６００と、燃料電池用冷却回路２００と、暖房用の水回路（「暖房用水回路３００」あるいは「空調用水回路３００」とも呼ぶ。）と、制御部４００（Electronic control unit：ＥＣＵ４００）と、を備える。燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電を行う装置である。燃料電池１００は、多数のセルを有し、多数のセルは積層されている。また、燃料電池１００には、燃料電池１００の温度を測定する温度センサ１１０が取り付けられている。温度センサ１１０は、燃料電池１００の中央近傍のセル、あるいは、端部のセルのいずれに配置されていても良い。

燃料ガス回路５００は、燃料ガスタンク５１０と、燃料ガス供給管５２０と、燃料ガス排気管５５０、５６０と、燃料ガス還流管５７０と、開閉バルブ５３０と、レギュレータ５４０と、水素ポンプ５８０と、排気バルブ５９０と、を備える。燃料ガスタンク５１０は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク５１０と、燃料電池１００とは、燃料ガス供給管５２０で接続されている。燃料ガス供給管５２０上には、燃料ガスタンク５１０からの燃料ガスの供給をオンオフするための開閉バルブ５３０と、燃料電池１００に供給される燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ５４０が設けられている。

燃料電池１００には、燃料排ガスを排出するための燃料ガス排気管５５０が接続されている。燃料ガス排気管５５０は、また、燃料ガス排気管５６０と、燃料ガス還流管５７０に接続されている。燃料ガス還流管５７０は、燃料ガス供給管５２０に接続されている。燃料ガス還流管５７０上には、水素ポンプ５８０が配置されている。燃料ガス排気管５５０に排気される燃料排ガスには、未反応の燃料ガスが含まれているが、未反応の燃料ガスは、燃料ガス還流管５７０及び水素ポンプ５８０により還流されて、再び燃料電池１００に供給される。

酸化ガス回路６００は、コンプレッサ６１０と、酸化ガス供給管６２０と、酸化ガス排気管６３０と、加湿装置６４０と、背圧弁６５０と、を備える。本実施形態では、酸化ガスとして空気を用いる。コンプレッサ６１０は、大気中の空気を取り込んで圧縮する。コンプレッサ６１０は、酸化ガス供給管６２０により、燃料電池１００に接続されている。燃料電池１００には、酸化排ガスを排出するための酸化ガス排気管６３０が接続されている。ここで、酸化ガス供給管６２０には、酸化ガス排気管６３０の水分を利用した加湿装置６４０が設けられている。本実施形態の燃料電池１００は、上述したように、水素と、空気中の酸素と、を反応させて発電を行い、水が生成する。生成した水は、酸化排ガスとともに燃料電池１００から酸化ガス排気管６３０に排出される。加湿装置６４０は、酸化排ガス中に含まれる水分を、燃料電池１００に供給される酸化ガスに移動させることで、酸化ガスを加湿する。加湿装置６４０は、例えば、酸化ガス流路と、酸化排ガス流路とを備え、その２つの流路の間に加湿膜を備える構成であってもよい（図示せず）。これにより、加湿膜を介して、酸化排ガス流路の酸化排ガス中の水分を、酸化ガス流路の酸化ガスに移動させることが可能である。酸化ガス排気管６３０には、背圧弁６５０が設けられている。背圧弁６５０は、燃料電池１００内の空気の圧力を調整するために用いられる。

また、本実施形態では、酸化ガス排気管６３０には、燃料ガス排気管５６０が接続され、燃料ガス排気管５６０には、排気バルブ５９０が設けられている。上述のように本実施形態では、燃料ガス排気管５５０は、燃料ガス還流管５７０を介して燃料ガス供給管５２０に接続されており、燃料ガス（水素）を還流して再利用している。ここで、燃料電池１００を長時間運転すると、燃料排ガス中に、反応に寄与しない窒素が増えてくる。この窒素は、酸化ガス（空気中）の窒素が、燃料電池１００の電解質膜（図示せず）を透過してきたものと考えられる。燃料排ガス中に窒素が増えると、燃料ガス中にも窒素が増え、燃料電池１００の反応性が落ちる。そこで、本実施形態では、燃料排ガス中の窒素の量が増えた場合には、排気バルブ５９０を開け、燃料排ガスを酸化ガス排気管６３０に流し、燃料ガス中の窒素を排気する。なお、このとき水素も一部が酸化ガス排気管６３０に流れる。水素は、酸化ガス排気管６３０中の酸化排ガスにより希釈されて大気に放出される。

燃料電池用冷却回路２００は、冷却水供給管２１０と、冷却水排出管２１５と、三方弁２４５と、ラジエータ管２２０と、ラジエータ２３０と、バイパス管２４０と、ウォーターポンプ２２５と、を備える。冷却水供給管２１０は、燃料電池１００に冷却水を供給するための管であり、冷却水供給管２１０にはウォーターポンプ２２５が配置されている。冷却水排出管２１５は、燃料電池１００から冷却水を排出するための管である。冷却水排出管２１５の下流部は、三方弁２４５を介して、ラジエータ管２２０と、バイパス管２４０と、に接続されている。ラジエータ管２２０には、ラジエータ２３０が設けられている。ラジエータ２３０には、ラジエータファン２３５が設けられている。ラジエータファン２３５は、ラジエータ２３０に風を送り、ラジエータ２３０からの放熱を促進する。ラジエータ管２２０の下流部と、バイパス管２４０の下流部とは、冷却水供給管２１０に接続されている。冷却水供給管２１０のウォーターポンプ２２５の上流側（ラジエータ管２２０の下流部）及び、冷却水排出管２１５には、それぞれ温度センサ２５０、２５５が設けられている。

冷却水は、ウォーターポンプ２２５により、冷却水供給管２１０を通して燃料電池１００に供給され、燃料電池１００を冷却する。冷却水は、燃料電池１００から熱を回収することで暖められ、冷却水排出管２１５から排出される。暖められた冷却水は三方弁２４５により、ラジエータ管２２０とバイパス管２４０に分配して流される。ラジエータ管２２０に流された冷却水は、ラジエータ２３０により冷却されるが、バイパス管２４０に流された冷却水は冷却されない。三方弁２４５によるラジエータ管２２０とバイパス管２４０への冷却水の分配割合と、外気温と、ラジエータファン２３５からの風量と、により、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度が制御される。例えば、燃料電池１００の始動直後などにおいては、冷却水の大部分をバイパス管２４０に流すことにより、燃料電池用冷却回路２００の冷却水の温度を急速に上げることが可能となる。

暖房用水回路３００は、分岐管３０５と、三方弁３４０と、温水供給管３１０と、ウォーターポンプ３２５と、電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０と、温水排出管３１５と、温水還流管３３５と、を備える。分岐管３０５は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５に接続されており、燃料電池１００から排出される暖められた冷却水の一部を暖房用水回路３００に分配する。三方弁３４０は、燃料電池用冷却回路２００から暖房用水回路３００への冷却水の流入を制御する。電熱ヒータ３３０は、暖房用水回路３００を流れる冷却水を加熱する。ヒータコア３２０は、暖房用水回路３００を流れる冷却水の熱を用いて空気を暖める。暖められた空気は、燃料電池車両１０の車内に送られて車内の暖房に用いられる。温水排出管３１５は、ヒータコア３２０からの排水を燃料電池用冷却回路２００に戻す。温水還流管３３５は、温水排出管３１５と、三方弁３４０との間を接続しており、ヒータコア３２０からの排水を、温水供給管３１０に戻す。電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０との間には、温度センサ３４５が配置されている。

制御部４００には、エアコン設定部４１０と、外気温センサ４２０と、車内温度センサ４３０と、が接続されている。制御部４００は、エアコン設定部４１０の設定と、外気温と、車内温度と、燃料電池用冷却回路２００の温水供給管３１０のウォーターポンプ２２５の上流部の水温（以下「ウォーターポンプ上流部水温Ｔ２５０」と呼ぶ。）と、燃料電池用冷却回路２００の燃料電池１００の出口における冷却水の温度（以下「冷却水出口水温Ｔ２５５」と呼ぶ。）と、暖房用水回路３００のヒータコア３２０の入口における冷却水の温度（以下「ヒータコア入口水温Ｔ３４５」と呼ぶ。）と、に基づいて、三方弁２４５、３４０と、ウォーターポンプ２２５、３２５と、ラジエータファン２３５と、電熱ヒータ３３０の動作を制御する。なお、本実施形態では、ウォーターポンプ２２５、３２５や水素ポンプ５８０などの補機類の電源として、燃料電池１００が使用される。エアコン設定部４１０には、暖房のスイッチと、冷房のスイッチと（あるいはエアコンのスイッチと）が設けられている。また、温度設定ボタンが設けられていても良い。

図２及び図３は、三方弁３４０の状態と冷却水の流れを示す説明図である。図２は、三方弁３４０が非連携モード状態のときの冷却水の流れを示す。本実施形態において、非連携モード状態とは、三方弁３４０の３つの弁体のうちの、分岐管３０５に接続された弁体が閉状態となり、温水供給管３１０に接続された弁体と温水還流管３３５に接続された弁体とが開状態となる状態を言う。非連携モード状態では、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水は、冷却水供給管２１０と、燃料電池１００と、冷却水排出管２１５と、三方弁２４５と、ラジエータ管２２０（またはバイパス管２４０）と、ウォーターポンプ２２５を循環する。暖房用水回路３００の冷却水は、温水供給管３１０と、ウォーターポンプ３２５と、電熱ヒータ３３０と、ヒータコア３２０と、温水排出管３１５と、温水還流管３３５と、三方弁３４０と、を循環する。非連携モード状態では、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５から暖房用水回路３００に冷却水が回流せず、暖房用水回路３００から燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５へ冷却水が流出しない。燃料電池用冷却回路２００と、暖房用水回路３００とは、独立状態にあり、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水は、暖房用水回路３００に回流しない。例えば、燃料電池１００の始動直後のように燃料電池１００の温度が低い場合には、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水の温度は低い。そのため、制御部４００は、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水を暖房用水回路３００に回流して暖房の熱源として使用するよりは、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水と、暖房用水回路３００を流れる冷却水とを独立させ、電熱ヒータ３３０を用いて暖房用水回路３００を流れる冷却水のみを加熱させる方が、効率が良い。

図３は、三方弁３４０が連携モード状態のときの冷却水の流れを示す。連携モード状態には、部分連携モードと完全連携モードとがある。図３（ａ）は、部分連携モード状態を示し、図３（ｂ）は、完全連携モードを示す。本実施形態において、部分連携モード状態とは、分岐管３０５に接続された弁体と、温水供給管３１０に接続された弁体と、温水還流管３３５に接続された弁体とのいずれもが開状態となる状態を言う。完全連携モードとは、分岐管３０５に接続された弁体と、温水供給管３１０に接続された弁体とが開状態となり、温水還流管３３５に接続された弁体が閉状態となる状態を言う。

三方弁３４０が部分連携モード状態のとき場合、燃料電池１００から排出された暖められた冷却水の一部が三方弁３４０を通って温水供給管３１０に回流される。また、温水排出管３１５を流れる冷却水の一部は、燃料電池用冷却回路２００（図１）の冷却水排出管２１５に流され、残部は温水還流管３３５、三方弁３４０を通って、温水供給管３１０に還流される。

完全連携モードでは、燃料電池１００から排出された暖められた冷却水の一部が三方弁３４０を通って温水供給管３１０に供給される点は部分連携モードと共通するが、温水排出管３１５を流れる冷却水の全量は、燃料電池用冷却回路２００の冷却水排出管２１５に流される。

制御部４００は、上述したように、三方弁３４０のモード状態の制御により、燃料電池用冷却回路２００から暖房用水回路３００への冷却水及び熱の移動を制御する。連携モードでは、燃料電池１００の廃熱を車内の暖房に用いることができる。なお、部分連携モードと完全連携モードは、いずれか一方のみが採用される形態であってもよい。

図４は、空調ダクト３５０の構成を示す説明図である。空調ダクト３５０は、車内空気取入部３５５と、外気取入部３６０と、車内循環・外気導入切換ドア３６５と、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５と、仕切板３８０と、エアミックスドア３８５と、車内吹出部３９０と、を備える。加熱流路３７０には、ヒータコア３２０（図１）が配置されている。車内循環・外気導入切換ドア３６５は、エアコン設定部４１０（図１）の設定により、空調ダクト３５０に、車内空気取入部３５５から空気を取り入れるか、外気取入部３６０から空気を取り入れるか、を切り換える。仕切板３８０は、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５と、を分離する。エアミックスドア３８５は、取り入れた空気を、加熱流路３７０と、非加熱流路３７５に分配する。加熱流路３７０に分配された空気は、ヒータコア３２０により暖められるが、非加熱流路３７５に分配された空気は暖められない。加熱流路３７０と、非加熱流路３７５に分配された空気は、車内吹出部３９０より、車内に吹き出される。制御部４００（図１）は、エアコン設定部４１０（図１）の設定と、車内の温度と、暖房用水回路３００中の冷却水の温度（ヒータコア入口水温Ｔ３４５）、に基づいて、エアミックスドア３８５における加熱流路３７０と、非加熱流路３７５とへの空気の分配割合を制御し、車内へ吹き出す空気の温度を制御し、車内温度を制御する。例えば、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が高い場合には、ヒータコア３２０の温度も高いため、制御部４００は、エアミックスドア３８５の開度を変更して加熱流路３７０を流れる空気の量を減少させることにより、車内温度が上がりすぎないようにする。

図５は、本願発明における一実施形態の制御フローチャートの一例である。なお、このフローチャートが実行されるのは、冬場などの気温の低い時期である。ステップＳ１００では、乗員（人）より燃料電池車両１０の始動スイッチが入れられると、制御部４００は、燃料電池１００を始動する。ステップＳ１１０では、制御部４００は、燃料電池１００を通常運転（低効率運転でない運転）し、三方弁３４０の動作モードを非連携モードとする。燃料電池１００を早く暖めるには、制御部は、三方弁３４０の動作モードを非連携モードとした方が好ましく、燃費の観点から、制御部４００は燃料電池１００を通常運転した方が好ましい。

ステップＳ１２０において、乗員から暖房のスイッチがオンされたことを検知すると、制御部４００は処理をステップＳ１３０に移行し、電熱ヒータ３００をオンする。

ステップＳ１４０では、制御部４００は、燃料電池１４０の温度が所定の判定値以上となったか、否か、を判断する。例えば、制御部４００は、ウォーターポンプ上流部水温Ｔ２５０と、冷却水出口水温Ｔ２５５と、ウォーターポンプ２２５の回転数（冷却水供給量）と、を用いて、燃料電池１００の温度を算出する。制御部４００は、燃料電池１００の温度が所定の判定値以上となった場合に、処理をステップＳ１５０に移行する。燃料電池１００が凍結状態になっている場合を考慮し、燃料電池１００のすべてのセルが解凍してから、後述する低効率運転をさせることとしたものである。例えば、制御部４００は、燃料電池１００の端部のセルの温度を温度センサ１１０で測定し、が０℃以上となったときに、燃料電池１００のすべてのセルが解凍したと判断しても良い。なお、燃料電池１００の中央部近傍のセルの温度を測定しても良い。燃料電池１００は、燃料電池の運転による熱によって解凍されてもよく、図示しない燃料電池用ヒータによって過熱されることにより解凍されてもよい。

ステップＳ１５０では、制御部４００は、燃料電池１００が所定の判定値以上の出力を出力可能か、否か、を判断する。制御部４００は、燃料電池１００が判定値以上の出力が可能となった場合に、処理をステップＳ１６０に移行する。燃料電池１００が判定値以上の出力を発生できるときには、制御部４００は、燃料電池１００に対して後述する低効率運転を実行させて、燃料電池１００を暖めるようにした。例えば、この所定の出力は、通常の走行に必要な出力であっても良く、例えば、６０ｋＷ、７０ｋＷであってもよい。制御部４００は、燃料電池１００が判定値以上の出力を出力可能か、否かを、燃料電池１００の温度を用いて判断しても良い。燃料電池１００の温度が３０℃〜４０℃以上であれば、判定値以上の出力を出力可能と判断できる。

ステップＳ１６０では、制御部４００は、三方弁３４０を連携モードとし、燃料電池１００を低効率運転させる。この結果、冷却水出口水温Ｔ２５５と、ヒータコア入口水温Ｔ３４５とは、同じように温度が上昇し、冷却水出口水温Ｔ２５５と、ヒータコア入口水温Ｔ３４５との温度差を少なくすることが、可能となる。

図６は、燃料電池の通常運転時のＩＶ特性と低効率運転時のＩＶ特性とを示す説明図である。燃料電池１００の電圧は、電流密度（電流）がゼロのとき最も高く（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage））、電流密度（電流）が増加するにつれて低くなる。ここで、燃料ガス（水素）、酸化ガス（空気）の供給量を維持したまま、電流を増大させると、燃料電池１００の電圧は急激に下がり、動作点は、図６の点Ｐ１に移動する。このとき、燃料電池１００は発熱し、この熱によって燃料電池１００の温度が高くなる。燃料電池１００の化学反応により生じるエネルギーは、電気エネルギーと熱エネルギーとに分配される。制御部４００が、酸化ガスの供給量を維持したまま、電流を増大させる制御を行うと、電気エネルギーの割合が低くなり、熱エネルギーの割合が高くなる。燃料電池車両１０は、電気エネルギーを用いて動作するので、電気エネルギーの割合を低め、熱エネルギーの割合を高めることは、燃料電池車両１０（あるいは燃料電池１００）の効率を低くする（低効率にする）ことに相当する。本実施形態では、通常の運転よりも、電気エネルギーの割合を低め、熱エネルギーの割合を高める運転を、「低効率運転」と呼ぶ。低効率運転では、熱エネルギーの割合が高くなるので、燃料電池１００の発熱量が増大し、燃料電池用冷却回路２００中の冷却水及び暖房用水回路３００中の冷却水の温度が上昇する。

図６において、制御部４００は、水素ポンプ５８０をより強く駆動して水素ポンプ５８０の損失（補機損失）を増大させてもよい。このとき水素ポンプ５８０の消費電流の増加に伴って燃料電池１００の電流量も増加するため、動作点が点Ｐ１から点Ｐ２に移動する。なお、還流させる水素が増加することにより、燃料電池１００の化学反応により生じるエネルギーが増加し、熱エネルギーが増加する効果もある。その結果、燃料電池１００の温度が高くなって、冷却水の温度を早く上昇させる。

図６において、制御部４００は、ウォーターポンプ２２５をより強く駆動してウォーターポンプ２２５の損失（補機損失）を増大させてもよい。このときウォーターポンプ２２５の消費電流の増加に伴って、燃料電池１００の電流量も増加するため、動作点が点Ｐ２から点Ｐ３に移動する。なお、ウォーターポンプ２２５は動作すると発熱し、ウォーターポンプ２２５自身は冷却水と接しているため、ウォーターポンプ２２５に生じた熱を、冷却水に直接移動させることが出来る、という効果もある。その結果、冷却水の温度を早く上昇させることが可能となる。なお、水素ポンプ５８０とウォーターポンプ２２５は、どちらを先により強く動作させても良い。

図５のステップＳ１７０では、制御部４００は、車内吹出部３９０から暖かい空気を吹き出させる。ステップＳ１８０では、制御部４００は、冷却水出口温度Ｔ２４５が所定の判定値以上となったか、否かを判断する。冷却水出口温度Ｔ２４５が所定の判定値以上となった場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１９０に移行し、燃料電池１００の低効率運転を停止する。燃料電池１００が暖まれば、低効率運転により大きな熱を発生させなくてもよい。例えば、この判定値は、例えば５０℃であってもよい。この処理では、制御部４００は、温度センサ１１０を用いて燃料電池１００温度を測定して判断しても良い。

図７は、比較例における冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５と、車内吹出部３９０から吹き出される空気の温度Ｔ３９０（以下「吹き出し温度Ｔ３９０」と呼ぶ。）と、を示す説明図である。比較例では、ヒータコア入口温度Ｔ３４５と、吹き出し温度Ｔ３９０とは、別個に温度上昇するため、両方とも温度上昇するが、その上昇速度は異なっている。比較例では、ヒータコア入口温度Ｔ３４５の方が温度の上昇速度が大きい。ヒータコア入口温度Ｔ３４５が所定の温度に達すると上昇し始め、その後は、ヒータコア入口温度Ｔ３４５とほぼ同じような速度で温度上昇する。ここで、三方弁３４０が連携モードになると、燃料電池用冷却回路２００を流れる温度の高い冷却水が暖房用水回路３００中に供給されるため、ヒータコア入口温度Ｔ３４５が急に上昇する。その結果、吹き出し温度Ｔ３９０も急に上昇し、乗員に不快感を与える。

図８は、本実施形態における冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５と、吹き出し温度Ｔ３９０と、を示す説明図である。本実施形態では、三方弁３４０が連携モードであるので、燃料電池用冷却回路２００を流れる冷却水は、と暖房用水回路３００に供給される。その結果、冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５とは、ほぼ同じような速度で温度上昇する。ここで、吹き出し温度Ｔ３９０は、ヒータコア入口温度Ｔ３４５が所定の温度に達すると上昇し始め、その後は、ヒータコア入口温度Ｔ３４５とほぼ同じような速度で温度上昇する。本実施形態では、冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５がともに温度が低い状態から三方弁３４０が連携モードであり、ヒータコア入口温度Ｔ３４５は、冷却水出口温度Ｔ２４５と、ほぼ同じような速度で温度上昇する。そのため、ヒータコア入口温度Ｔ３４５が急に上昇することは無い。これに対し、比較例では、ヒータコア入口温度Ｔ３４５と、吹き出し温度Ｔ３９０とは、別個に温度上昇するため、三方弁３４０が非連携モードから連携モードに移行するときにおける、冷却水出口温度Ｔ２４５と、ヒータコア入口温度Ｔ３４５との間の温度差が比較的大きい。そのため、三方弁３４０が連携モードに移行したときに、燃料電池用冷却回路２００を流れる暖かい冷却水が暖房用水回路３００に供給されることにより、ヒータコア入口温度Ｔ３４５が大きく変動し、吹き出し温度Ｔ３９０も大きく変動する。その結果、乗員に不快感を与える。

本実施形態では、燃料電池１００は低効率運転され、比較例では、燃料電池１００は低効率運転されない。その結果、比較例よりも本実施形態の方が、燃料電池１００の発熱が大きく、比較例よりも本実施形態の方が、冷却水出口水温Ｔ２５５が早く上昇する。また、本実施形態では三方弁３４０が連携モードとされているので、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、冷却水出口水温Ｔ２５５に連動して上昇する。これに対し、比較例では、暖房用水回路３００の冷却水は電熱ヒータ３３０により温められるが、三方弁３４０は連携モードでないので、燃料電池１００の熱を暖房用水回路３００の冷却水に伝えることが出来ない。そのため、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、ゆっくりとしか上昇しない。仮に、燃料電池１００の熱を暖房用水回路３００の冷却水に伝えることが出来たとしても、燃料電池１００は効率運転されるので発熱が小さいため、ヒータコア入口水温Ｔ３４５は、ゆっくりとしか上昇しない。

本実施形態では、本実施形態では三方弁３４０を用いたが、三方弁３４０の代わりに、燃料電池用冷却回路２００と暖房用水回路３００との間に、他の種類の弁（例えば、開閉弁や流調弁）を設け、温水還流管３３５を備えない構成であってもよい。この場合にも、開閉弁（流調弁）の動作状態は、非連携モードと連携モード（完全連携モード）のいずれかとなる。

本実施形態では、ステップＳ１４０、１５０において、燃料電池１００の温度や出力の判断を行っているが、これらの判断は無くてもよい。これらの判定を行わない場合、燃料電池の始動直後から、暖房のスイッチのオンに応じて三方弁３４０は連携モードとなり、燃料電池１００は、低効率運転される。

上記実施形態では、制御部４００は、燃料電池１００の始動時から三方弁３４０を連携モードとしているが、例えば、車内吹出部３９０から温風を吹き出させる前に、三方弁３４０を連携モードとしてもよい。車内吹出部３９０からの温風の吹き出し後に、三方弁３４０を非連携モードから連携モードに変えると、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が大きく変動し、吹き出し温度Ｔ３９０も大きく変動する。制御部４００が、先に、三方弁３４０を非連携モードから連携モードに変えていれば、ヒータコア入口水温Ｔ３４５が大きく変動しても、車内吹出部３９０からの温風が吹き出されていない。その結果、車内吹出部３９０からの温風が吹き出された後、吹き出し温度Ｔ３９０が大きく変動することは無い。

以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池車両
１００…燃料電池
１１０…温度センサ
２００…燃料電池用冷却回路
２１０…冷却水供給管
２１５…冷却水排出管
２２０…ラジエータ管
２２５…ウォーターポンプ
２３０…ラジエータ
２３５…ラジエータファン
２４０…バイパス管
２４５…三方弁
２５０…温度センサ
３００…暖房用水回路（空調用冷却水回路）
３０５…分岐管
３１０…温水供給管
３１５…温水排出管
３２０…ヒータコア
３２５…ウォーターポンプ
３３０…電熱ヒータ
３３５…温水還流管
３４０…三方弁
３４５…温度センサ
３５０…空調ダクト
３５５…車内空気取入部
３６０…外気取入部
３６５…外気導入切換ドア
３７０…加熱流路
３７５…非加熱流路
３８０…仕切板
３８５…エアミックスドア
３９０…車内吹出部
４００…制御部（ＥＣＵ）
４１０…エアコン設定部
４２０…外気温センサ
４３０…車内温度センサ
５００…燃料ガス回路
５１０…燃料ガスタンク
５２０…燃料ガス供給管
５３０…開閉バルブ
５４０…レギュレータ
５５０…燃料ガス排気管
５６０…燃料ガス排気管
５７０…燃料ガス還流管
５８０…水素ポンプ
５９０…排気バルブ
６００…酸化ガス回路
６１０…コンプレッサ
６２０…酸化ガス供給管
６３０…酸化ガス排気管
６４０…加湿装置
６５０…背圧弁
Ｔ２５５…冷却水出口水温
Ｔ３４５…ヒータコア入口水温

Claims (6)

1. 燃料電池車両であって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する燃料電池用冷却回路と、
   前記燃料電池車両の車内を暖房するために用いられる暖房用水回路と、
   前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への冷却水の供給の制御を行う弁と、
   前記燃料電池車両の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の始動直後から、暖房のスイッチのオンに応じて、前記燃料電池が非凍結状態であれば前記冷却水の温度によらず前記弁を開けて前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させる動作を開始する、燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両において、
   前記制御部は、前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させるときに、前記燃料電池の効率を、前記燃料電池車両の通常運転時における効率よりも低くする低効率運転を実行する、燃料電池車両。
3. 請求項２に記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス回路と、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス回路と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大することによって前記低効率運転を実行する、燃料電池車両。
4. 冷却水を流して燃料電池からの熱を回収する燃料電池用冷却回路と、前記燃料電池用冷却回路と接続されて前記熱を燃料電池車両の車内の空調における暖房に用いるための暖房用水回路と、前記燃料電池用冷却回路から前記暖房用水回路への前記冷却水の供給の制御を行う弁と、を備える燃料電池車両の制御方法であって、
   前記燃料電池の始動直後から、暖房のスイッチのオンに応じて、前記燃料電池が非凍結状態であれば前記冷却水の温度によらず前記弁を開けて前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させる動作が開始される、燃料電池車両の制御方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池用冷却回路を流れる冷却水を前記暖房用水回路に回流させるときに、前記燃料電池の効率を、前記燃料電池車両の通常運転時における効率よりも低くする低効率運転が実行される、燃料電池車両の制御方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池車両の制御方法において、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの量を維持したまま前記燃料電池の電流を増大することによって前記低効率運転が実行される、燃料電池車両の制御方法。

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