JP2005100694A - 燃料電池の暖機システム - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱手段を燃料電池の高効率電力で駆動し、駆動のための発電に使用する燃料消費量を低減できる燃料電池の暖機システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１２の発電電力を蓄える蓄電池１３を備え、燃料電池温度センサ９ｒが所定温度以下を検出した場合であって、蓄電池１３の残電力量が少ない（所定量以下）場合には、燃料電池１２の発電する電力により電動圧縮機１７の駆動を行うとともに蓄電池１３の充電を行い、蓄電池１３の残電力量が所定量より多い場合には蓄電池１３の電力を使用して電動圧縮機１７を駆動する。そして、電動圧縮機１７で高温高圧となった冷媒が水冷媒熱交換器２４で第２冷却水循環経路１５ｂの冷却水を加熱し、加熱された冷却水が燃料電池１２内循環中に燃料電池１２に熱を伝えて燃料電池１２を暖機する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池の暖機システムに関し、特に燃料電池が発電をしていない時の暖機に関する。

冬季等の気温が低い場合に燃料電池内において、電極近傍に存在している水分が凍結すると反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下したりするために燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池が起動しないという問題が生じる。この問題を解消するため、特許文献１の車両用暖房装置のように、ヒートポンプサイクル中の圧縮機で高圧となった冷媒の熱により燃料電池の暖機を行うシステムが知られている。

この特許文献１の暖房装置には、図１０に示すように冷媒の循環経路３１が備えられている。この冷媒循環経路３１には、気相冷媒を圧縮して高温高圧状態にする圧縮機１７が配置され、圧縮機１７の冷媒流れ下流側には、高温高圧となった気相冷媒が室内に吹き出す空気へ放熱する放熱器５１が配置されている。

さらに、放熱器５１の冷媒流れ下流側には冷媒を減圧膨脹して低温低圧の液相冷媒にする減圧器５４が配置され、減圧器５４の冷媒流れ下流側には低温低圧となった液相冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する蒸発器５２が配置されている。さらに、蒸発器５２の冷媒流れ下流側には冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を蓄えるとともに、分離した気相冷媒を圧縮機５３の吸入側に流出させるアキュムレータ２５が配置されている。

これによると、減圧器５４で低温低圧となった液相冷媒が蒸発器５２で室外空気から吸熱して蒸発し、一方、圧縮機５３で高温高圧となった冷媒が放熱器５１で室内への吹き出し空気を加熱するため、車室内への吹き出し空気の加熱、つまり車室内の暖房をすることができる。

また、燃料電池１２の作動時には電気エネルギと共に熱が発生するが、効率よく発電するためには、燃料電池１２を適切な温度に維持する必要がある。そのため、特許文献１の暖房装置には燃料電池１２と、熱媒体である冷却水の熱を放熱する放熱器１４ａ、１４ｂとの間で冷却水を循環させる２つの冷却水循環経路１５ａ、１５ｂが備えられている。

より詳しく述べると、第１循環経路１５ａでは、燃料電池１２から吸熱して高温になった冷却水が外気に熱を放熱する放熱器であるラジエータ１４ａと燃料電池１２の間を循環する。一方、第２循環経路１５ｂでは、燃料電池１２から吸熱して高温になった冷却水が車室内への空気を加熱する温水ヒータ１４ｂと燃料電池１２の間を循環する。なお、この循環経路１５ａ、１５ｂには循環手段である水ポンプ５５が備えられている。

ところで、特許文献１では、冷媒循環経路３１のうち圧縮機５３と放熱器５１の間の部位には、圧縮機５３から吐出される高圧冷媒と第２循環経路１５ｂの冷却水を熱交換させる水冷媒熱交換器２４が配置されている。この水冷媒熱交換器２４では圧縮機５３で高温高圧となった冷媒が冷却水循環経路１５ｂの冷却水を加熱する。さらに、加熱された冷却水が燃料電池１２内循環中に燃料電池１２に熱を伝えることにより、燃料電池１２を加熱、つまり暖機することができる。
特開２００２−０９８４３０号公報

ところで、燃料電池のシステム効率は発電電力（燃料電池出力）が変化すると図７に示すように変化する。ここで、図７の縦軸のシステム効率とは概略すると発電電力を使用水素量で割ったものであり、システム効率が低いほど水素の消費量が増えることを意味している。図７の横軸は、燃料電池の最高発電電力に対する発電電力の比率を示しており、最高発電電力時が１００％となる。

図７中の領域Ａは、システム効率が高い燃料電池の発電電力領域を示しており、この高効率の発電電力域Ａは、燃料電池の発電電力が最高発電電力の約７％〜約７０％の範囲である。以下、システム効率が高い発電電力領域Ａを高効率領域と称し、この高効率領域での発電電力を高効率電力と称す。

本発明者らは、特許文献１の車両用暖房装置の水ポンプ５５、圧縮機５３および減圧器５４を燃料電池１２の発電電力により駆動して燃料電池１２の暖機を行うことを検討した。車両用の燃料電池１２は最高発電電力が約１００ｋＷ程度であり、車両用空調装置に使われるヒートポンプにおける圧縮機５３および減圧器５４ならびに冷却水循環のための水ポンプ５５の合計消費電力は約３ｋＷである。

この時、燃料電池の暖機のためのヒートポンプの駆動を燃料電池１２の発電電力により行うと、燃料電池の発電を高効率電力以外である約３％の発電電力で行うことになる（図７中黒三角印）。そのため、発電に水素を多く消費してしまい、例えば燃料がタンク等に一定量しかない燃料電池車両の場合には燃料電池１２の発電可能時間が短くなってしまうという問題が本発明者らの検討により判った。

本発明は、上記点に鑑み、加熱手段により燃料電池を暖機するシステムにおいて、加熱手段を燃料電池の高効率電力で駆動し、駆動のための発電に使用する燃料消費量を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との反応により発電する燃料電池（１２）と、燃料電池（１２）の温度を検出する温度検出手段（９ｇ、９ｒ）と、
燃料電池（１２）を加熱する加熱手段（２４、３２）と、燃料電池（１２）の発電した電力を蓄える蓄電手段（１３）とを備え、
温度検出手段（９ｇ、９ｒ）が所定温度（Ｔ１）以下を検出した場合であって、蓄電手段（１３）の残電力量が所定量（Ｂ２）より多い場合には、蓄電手段（１３）の電力を使用して加熱手段（２４、３２）を駆動し、
温度検出手段（９ｇ、９ｒ）が所定温度（Ｔ１）以下を検出した場合であって、蓄電手段（１３）の残電力量が所定量（Ｂ２）以下の場合には、燃料電池（１２）の発電する電力により、加熱手段（２４、３２）を駆動するとともに蓄電手段（１３）の充電を行う燃料電池の暖機システムを特徴としている。

これによると、燃料電池（１２）の発電電力により、加熱手段（２４、３２）を駆動するとともに蓄電手段（１３）の充電を行う、換言すると発電電力の一部を加熱手段（２４、３２）の駆動に使用し、残りを蓄電池（１３）の充電に使用するため、燃料電池（１２）を高効率電力（燃料電池のシステム効率が高い領域での発電電力）で発電させることができる。

そのため、加熱手段（２４、３２）の消費電力が燃料電池（１２）のシステム効率が低い電力の場合であっても、燃料電池（１２）を高効率電力で発電させることができ、加熱手段（１２）駆動のための発電に使用する燃料の消費量を低減することができる。

なお、蓄電手段（１３）の残電力量が所定量（Ｂ２）より多い場合には、蓄電手段（１３）の電力を使用して加熱手段（２４、３２）を駆動する。この時、燃料電池（１２）は加熱手段（２４、３２）の駆動のための発電を行わないため、当然に燃料は消費しない。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１において、冷媒が循環する冷媒循環経路（３１）を有し、冷媒循環経路（３１）に、冷媒と室外空気を熱交換させる室外熱交換器（１８）と、冷媒と室内に吹き出す空気を熱交換させる室内熱交換器（１９）と、燃料電池（１２）または蓄電手段（１３）の電力により駆動され、冷媒を高圧状態に圧縮する電動圧縮機（１７）と、高圧冷媒を減圧する減圧手段（２２、２３）とが配置されるヒートポンプを備え、電動圧縮機（１７）から吐出された高圧冷媒の熱により燃料電池（１２）を加熱してもよい。

また、請求項３の発明では、請求項２において、燃料電池（１２）は燃料電池（１２）を冷却する冷却水の循環経路（１５ａ、１５ｂ）を備えており、加熱手段は電動圧縮機（１７）から吐出された高圧冷媒と冷却水を熱交換させる熱交換器（２４）であり、
熱交換器（２４）が冷却水を介して燃料電池（１２）を加熱するようになっている燃料電池の暖機システムを特徴としている。

これによると、熱交換器（２４）は、電動圧縮機（１７）から吐出された高圧冷媒の熱を使用して循環経路（１５ａ、１５ｂ）の冷却水を加熱し、この冷却水が燃料電池（１２）内を循環中に燃料電池（１２）を加熱するため、燃料電池（１２）の暖機を行うことができる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１において、加熱手段に通電により発熱する電気ヒータ（３２）を使用して燃料電池（１２）を加熱してもよい。

ところで、従来の燃料電池の暖機システムにおいても、燃料電池（１２）の高効率領域の消費電力を有する電気ヒータ（３２）を使用すれば、燃料電池（１２）の発電を高効率電力（燃料電池の最高発電電力の約７％〜約７０％の電力）で行うことが可能である。ところが、最高発電電力が大きい燃料電池（１２）の場合には、当然に消費電力が大きい電気ヒータ（３２）を使用することになる。電気ヒータ（３２）は、消費電力が大きくなるに従って大型化するため、最高発電電力が大きい燃料電池（１２）の場合には、電気ヒータ（３２）を搭載する空間が増加してしまうという問題がある。

しかし、請求項５によると、請求項１で述べた理由により消費電力が小さい加熱手段、つまり電気ヒータ（３２）が使用できるため、電気ヒータ（３２）の搭載空間の増加を防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る燃料電池の暖機システムを電気自動車用燃料電池に適用したものであり、図１は本実施形態の燃料電池の暖機システムの模式図である。

本実施形態では、電気自動車を走行用電動モータ１１の駆動により走行させており、この電動モータ１１駆動のための電力は、酸素と水素とを化学反応させることにより発電する燃料電池（ＦＣスタック）１２から供給されている。本実施形態では、比較的低温（例えば６０〜８０℃）で効率良く発電動作する高分子膜電解質タイプの燃料電池１２を採用している。なお、燃料電池１２における空気給排気系および水素給排気系の図示は省略している。さらに、燃料電池１２には、燃料電池１２で発電した電力を蓄える蓄電手段である蓄電池１３が接続されている。なお、本実施形態の燃料電池１２の最高発電電力は約１００ｋＷである。

ところで、燃料電池１２の発電時には電気エネルギと共に熱が発生する。効率よく発電させるためには、燃料電池１２を冷却して適切な温度（本実施形態では約８０℃、図６中でのＴ３に相当する）に維持する必要がある。そのため、本実施形態には燃料電池１２と、冷却水の熱を放熱する放熱器１４ａ、１４ｂとの間で冷却水を循環させる２つの冷却水循環経路１５ａ、１５ｂが備えられている。

より詳しく述べると、冷却水は第１循環経路１５ａでは、燃料電池１２と高温になった冷却水から外気に熱を放熱する放熱器であるラジエータ１４ａとの間を循環する。一方、冷却水は第２循環経路１５ｂでは、燃料電池１２と高温になった冷却水が車室内への空気を加熱する温水ヒータ１４ｂとの間を循環している。ラジエータ１４ａおよび温水ヒータ１４ｂは、高温になった冷却水と空気とを熱交換する熱交換器であり、周知の車両用エンジン冷却水を冷却するラジエータとほぼ同様の構造を持っている。

さらに、第２循環経路１５ｂのうち、燃料電池１２と温水ヒータ１４ｂとの間の部位には、水冷媒熱交換器２４が配置されている。この水冷媒熱交換器２４については後述する。また、冷却水循環経路１５ａ、１５ｂのうち燃料電池１２への冷却水入口（流入）側部位には、冷却水を循環させる循環手段である電動式水ポンプ１６が配置されている。

ところで、燃料電池１２発電時とは逆に、燃料電池１２停止時で例えば冬季の朝等には燃料電池１２の温度が氷点下になる場合がある。このような場合には、燃料電池１２内において、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下したりするため燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池１２が起動しないという問題が生じる。したがって、作動可能温度Ｔ１（０℃以上の温度で燃料電池１２が発電可能な温度、本実施形態では約５℃）以上まで燃料電池１２を加熱（暖機）する必要がある。

そのため、本実施形態では、電気自動車の室内空調を行う車両用空調装置の熱を利用して燃料電池１２を暖機している。本実施形態の車両用空調装置を図１に基づいて説明すると、本実施形態ではヒートポンプを使用して空調を行っており、このヒートポンプには冷媒が循環する冷媒循環経路３１が備えられている。そして、この冷媒循環経路３１には、電動圧縮機１７、水冷媒熱交換器２４、切替弁２１、減圧器２２、２３、２つの熱交換器１８、１９、内部熱交換器２０およびアキュムレータ２５が配置されている。

電動圧縮機１７は冷媒循環経路３１の冷媒を吸入圧縮するポンプ手段であり、本実施形態では電動圧縮機１７にインバータ制御方式の電動圧縮機を採用している。なお、本実施形態では二酸化炭素を冷媒として使用している。

室外熱交換器１８は、冷媒循環経路３１の冷媒と室外空気とを熱交換する熱交換器であり、室内熱交換器１９は室内に吹き出す空気と冷媒循環経路３１の冷媒とを熱交換する熱交換器である。内部熱交換器２０は電動圧縮機１７に吸引される低圧冷媒と第１減圧器２２で減圧される前の高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。

切替弁２１は電動圧縮機１７から吐出される高圧冷媒を室外熱交換器１８側に循環させる場合（後述の冷房運転モード）と室内熱交換器１９側に循環させる場合（後述の暖房運転モード）とを切り替えるバルブである。第１減圧器２２および第２減圧器２３は、電気式のアクチュエータにより圧力損失が殆ど発生しない全開状態から冷媒を減圧膨脹させる所定開度まで連続的に絞り開度を変化させることができるようになっている。

水冷媒熱交換器２４は、電動圧縮機１７から吐出される高温高圧の冷媒と燃料電池１２から流出した冷却水のうち、温水ヒータ１４ｂに供給される冷却水とを熱交換する熱交換器である。なお、図１では、水冷媒熱交換器２４において冷媒と冷却水とは並行流となっているが、実際の水冷媒熱交換器２４では、両者を対向流として熱交換効率を高めている。

また、アキュムレータ２５は、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を電動圧縮機１７の吸入側に供給するものである。

ところで、空調ケーシング２６は室内に吹き出す空気の通路を形成しており、空調ケーシング２６内には室内熱交換器１９が収納されている。この空調ケーシング２６内のうち室内熱交換器１９よりも空気流れ下流側部位には、冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱する温水ヒータ１４ｂが配置されている。

また、エアミックスドア２７は、室内熱交換器１９を通過した空気のうち温水ヒータ１４ｂを通過して加熱される温風と温水ヒータ１４ｂを迂回して流れる冷風との風量割合を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節するものである。

また、空調ケーシング２６の空気流れ最上流側の部位には、空調ケーシング２６内に導入する室内空気量と室外空気量と調節する内外気切換ユニット２８および室内に空気を送風する送風機２９が配置されている。一方、空調ケーシング２６の空気流れ最下流側の部位には、車室内へ空調空気を吹出す吹出口を選択開閉する吹出モード切換装置（図示せず。）が配置されている。

次に本実施形態の電子部品を図１と図２を使用して説明すると、本実施形態には電動圧縮機１７から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度センサ９ａ、電動圧縮機１７から吐出する冷媒の圧力検出する吐出冷媒圧力センサ９ｂ、水冷媒熱交換器２４から流出する冷媒の温度を検出する中間熱交換器冷媒温度センサ９ｃ、室外熱交換器１８から流出する冷媒の温度を検出する室外熱交換器冷媒温度センサ９ｄ、室内熱交換器１９から流出した冷媒の圧力を検出する室内熱交換器冷媒圧力センサ９ｅ、室内熱交換器１９から流出した冷媒の温度を検出する室内熱交換器冷媒温度センサ９ｆ、水冷媒熱交換器２４に流入する冷却水の温度を検出する水温センサ９ｇ、車室外空気温度を検出する外気温センサ９ｈ、車室外空気の相対湿度を検出する外気湿度センサ９ｊ、室内空気温度を検出する内気温センサ９ｋ、室内に注がれる日射を検出する日射センサ９ｍ、車室内空気の相対湿度を検出する内気湿度センサ９ｎ、室内熱交換器１９通過直後の空気温度を検出する室内熱交換器空気温度センサ９ｐおよび燃料電池１２の温度を検出する燃料電池温度センサ９ｒが配置されている。

そして、これらの電子部品９ａ〜９ｒの検出値は電子制御装置（ＥＣＵ）３０に入力される。この入力値に基づいて電子制御装置３０は、電動式水ポンプ１６の送水量、電動圧縮機１７の回転数、切替弁２１の流路、両減圧器２２、２３の絞り開度、エアミックスドア２７のドア開度、内外気切換ユニット２８、送風機２９の送風量および吹出モード切換装置を制御する。なお、３０ａは燃料電池１２の発電電力による駆動回路を示しており、３０ｂは蓄電池１３の電力による駆動回路を示している。

次に、本実施形態における燃料電池１２の加熱時（暖機時）の作動を図３の電子制御装置３０の制御流れ図に基づいて説明する。まず、ステップＳ１００では、電気自動車のＩＧ（イグニッションスイッチ）がオフ、つまり燃料電池１２の発電が停止する。次に、ステップＳ１１０で燃料電池温度センサ９ｒの検出した燃料電池（ＦＣ）１２温度がＴ１以下か否かを判断する。ステップＳ１１０がＮＯの場合はステップＳ１１０を繰り返し、ＹＥＳの場合はステップＳ１２０へ進む。

ステップＳ１２０では、蓄電池１３の残電力量がＢ２以下か否かを判断し、ＹＥＳの場合にはステップＳ１３０へ進む。ステップＳ１２０がＮＯの場合は後述する。なお、電子制御装置３０による蓄電池１３の残電力量の判定方法は以下のようなものである。蓄電池１３の充電・放電の各電流値と、充電時間・放電時間とを積算することにより充電残量を算出（推定）する方法、または蓄電池１３の電解液の比重変化を検出するセンサを設け、この比重検出センサの検出信号に基づいて充電残量の判定する方法等を用いることができる。また、本実施形態では蓄電池としてリチウムイオン電池を使用しているが、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等を使用してもよい。

ステップＳ１３０では燃料電池１２が起動し、さらにステップＳ１４０では電動水ポンプ１６と、加熱手段、本実施形態での電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３が起動する。この時、燃料電池１２の発電力により、電動水ポンプ１６および加熱手段が駆動しており、それと同時に燃料電池１２の発電力による蓄電池１３への充電も行われている。なお、Ｓ１４０の作動は、図２中の燃料電池１２発電電力による駆動回路３０ａにより駆動制御されている。

ここで、図１の構成模式図を使用して燃料電池１２が加熱（暖機）されるメカニズムについて説明すると、まず電動圧縮機１７の起動により高温高圧となった冷媒が水冷媒熱交換器２４に流入する。水冷媒熱交換器２４では、第２循環経路の冷却水が冷媒により加熱されて高温となる。この冷却水は電動水ポンプ１６により第２循環経路１５ｂを循環し、燃料電池１２内を循環中に燃料電池１２に熱を伝えることにより、燃料電池１２を加熱、つまり暖機を行っている。この時、切替弁２１および減圧器２２、２３は後述の暖房運転モード時と同様の作動をしているが、送風機２９は車室内に送風をする必要が無いので駆動していない。

そして、ステップＳ１５０では燃料電池温度センサ９ｒの検出した燃料電池１２の温度がＴ２以上か否かを判断し、ＮＯの場合にはステップＳ１２０〜ステップＳ１５０を繰り返す。ステップＳ１５０がＹＥＳの場合には、ステップＳ１６０へ進み、電動水ポンプ１６および加熱手段、本実施形態では電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３をオフにする。さらにステップＳ１７０で燃料電池１２をオフにしてステップＳ１１０へと戻る。

一方、ステップＳ１２０での判断がＮＯ、つまり蓄電池１３の残電力量がＢ２より多い場合には、ステップＳ２１０へと進み、電動水ポンプ１６と、加熱手段、本実施形態での電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３を起動する。この時、蓄電池１３の電力により、電動水ポンプ１６および加熱手段が駆動している。なお、Ｓ２１０の作動は、図２中の蓄電池１３の電力による駆動回路３０ｂにより駆動制御されている。

そして、ステップＳ２２０で燃料電池温度センサ９ｒの検出した燃料電池１２の温度がＴ２以上か否かを判断し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ２４０へ進み電動水ポンプ１６および加熱手段、本実施形態では電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３をオフにしてステップＳ１１０へ戻る。

一方、ステップＳ２２０の判断がＮＯの場合にはステップＳ２３０へ進み、蓄電池１３の残電力量がＢ１以下か否かを判断する。なお、このＢ１は前述のＢ２よりも小さい値である。ステップＳ２３０の判断がＮＯ（蓄電池１３の残電力量がＢ１より多い）の場合には、Ｓ２１０〜Ｓ２３０を繰り返し、一方ＹＥＳの場合には、ステップＳ２４０へ進み電動水ポンプ１６および加熱手段、本実施形態では電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３をオフにしてステップＳ１１０へと戻る。

なお、図４は温度Ｔ１以下で加熱手段が起動し、Ｔ２で加熱手段がオフするという加熱手段の制御特性を示している。また、図５は蓄電池１３の残電力量がＢ２以上の場合には、蓄電池１３の電力により加熱手段を駆動し、残電力量がＢ１以下の場合には、燃料電池１２の発電電力により加熱手段を駆動するという加熱手段の電源制御特性を示している。なお、残電力量がＢ１以下の場合には、燃料電池１２の発電力による加熱手段の駆動とともに蓄電池１３への充電も行われている。

上述した作動による燃料電池１２の温度の変化の一例を図６に示す。図６中ＦＣ−ＯＦＦは燃料電池１２停止時を、ＦＣ−ＯＮは燃料電池１２発電時を示している。燃料電池１２は、発電を開始（Ａ１）すると発電時に発生する熱により温度が上昇する。本実施形態では前述したように燃料電池１２が所定温度（Ｔ３、本発明では約８０℃）を超えないように冷却水循環経路を１５ａ、１５ｂを配置して燃料電池１２がＴ３を超えて温度上昇することを防止している。

燃料電池１２が発電を停止（Ａ２）すると、温度は下降していく。燃料電池１２の温度が所定温度（Ｔ１、本発明では約５℃）よりも低くなると、加熱手段、本実施形態では電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３ならびに電動水ポンプ１６が駆動する。そして、水冷媒熱交換器２４において高温高圧の冷媒で加熱された冷却水により燃料電池１２が加熱（暖機）される（Ａ３〜Ａ４間）。燃料電池１２の温度が所定温度Ｔ２まで上昇すると加熱を止める（Ａ４）ため、燃料電池１２の温度が下降していく（Ａ４〜Ａ３）。そして、燃料電池１２の温度が所定温度（Ｔ１、本発明では約５℃）よりも低くなると、再び加熱手段による加熱を開始する。

本実施形態では、上述のように燃料電池１２の過熱を防止する冷却水とヒートポンプを使用した車両用空調装置を利用して燃料電池１２の暖機を行ったが、この車両用空調装置は、燃料電池１２の暖機のために備えられているのではなく、本来、電気自動車の車室内の空調を行うものである。そこで、車両用空調装置の作動を説明する。

１．冷房運転モード
外気温センサ９ｈ、内気温センサ９ｋおよび日射センサ９ｍの検出値ならびに乗員が設定入力した希望室内温度（設定温度）等に基づいて算出された目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以下のときに実行されるもので、エアミックスドア２７にて温水ヒータ１４ｂのコア面を閉じて温水ヒータ１４ｂに流れ込む風量を０とした状態で、冷媒を電動圧縮機１７→水冷媒熱交換器２４→第２減圧器２３→切替弁２１→室外熱交換器１８→内部熱交換器２０→第１減圧器２２→室内熱交換器１９→切替弁２１→アキュムレータ２５→内部熱交換器２０→電動圧縮機１７の順で循環させている。

このとき、第２減圧器２３は冷媒が減圧されないように第２減圧器２３の絞り開度を全開とする。同時に、第１減圧器２２は吐出冷媒圧力センサ９ｂでの検出圧力が室外熱交換器冷媒温度センサ９ｄによって決定される目標高圧圧力Ｐｏとなるように第１減圧器２２の絞り開度を制御する。これにより、冷媒は室内熱交換器１９では室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発し、その熱を水冷媒熱交換器２４および室外熱交換器１８にて放熱する。

なお、エアミックスドア２７により温水ヒータ１４ｂのコア面が閉じられているので、冷媒が室内熱交換器１９で吸熱した熱のうち水冷媒熱交換器２４で放熱した熱は、室内に吹き出す空気中に放出されることなく、ラジエータ１４ａに放熱される。

ちなみに、目標高圧圧力Ｐｏとは蒸気圧縮式冷凍機の成績係数が略最大となる圧力であり、この目標高圧圧力Ｐｏは高圧側での放熱能力によって変化するため、冷房運転時では、室外熱交換器冷媒温度センサ９ｄの検出温度に基づいて決定する。

また、室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出温度が目標吹出温度ＴＡＯとなるように電動圧縮機１７の回転数が制御される。

２．暖房運転モード
冷房運転とは逆に目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上ときに実行されるもので、エアミックスドア２７を開いて室内への空気を温水ヒータ１４ｂへ導いている状態で、冷媒を、電動圧縮機１７→水冷媒熱交換器２４→第２減圧器２３→切替弁２１→室内熱交換器１９→第１減圧器２２→内部熱交換器２０→室外熱交換器１８→切替弁２１→アキュムレータ２５→電動圧縮機１７の順に循環させる。

このとき、第２減圧器２３は冷媒が減圧されないように第２減圧器２３の絞り開度を全開とする。同時に、第１減圧器２２は室内熱交換器冷媒圧力センサ９ｅでの検出圧力が室内熱交換器冷媒温度センサ９ｆによって決定される目標高圧圧力Ｐｏとなるように第１減圧器２２の絞り開度を制御する。これにより、冷媒は室外熱交換器１８にて室外空気から吸熱して蒸発し、その熱を水冷媒熱交換器２４および室内熱交換器１９にて放熱する。このため、室内に吹き出す空気は室内熱交換器１９および温水ヒータ１４ｂにて加熱されて室内に吹き出される。

また、温水ヒータ１４ｂに供給される冷却水（温水）は、燃料電池１２および水冷媒熱交換器２４にて加熱されており、温水ヒータ１４ｂに供給される冷却水の温度は水冷媒熱交換器２４の加熱能力で決定されることから、本実施形態では温水ヒータ１４ｂに供給される冷却水の温度が目標吹出温度ＴＡＯに温水ヒータ１４ｂでの熱交換効率γを乗じた目標水温ＴＷＯ（＝ＴＡＯ×γ）となるように電動圧縮機１７の回転数を制御している。

具体的には、目標水温ＴＷＯと水温センサ９ｇの検出温度との温度差および温度差の変化率からファジー理論に基づいて電動圧縮機１７の回転数変化量Δｆを決定するものである。なお、内部熱交換器２０の電動圧縮機１７側および第１減圧器２２側には、共に減圧後の冷媒が流れるため、実質的に熱交換が行われない。

ちなみに、目標水温ＴＷＯと水温センサ９ｇの検出温度との温度差が所定温度以下のとき、または水温センサ９ｇの検出温度が目標水温ＴＷＯ以上であるときには、電動圧縮機１７を停止して蒸気圧縮式冷凍機による暖房補助、つまり蒸気圧縮式冷凍機によって温水ヒータ１４ｂに流入する冷却水を加熱することは行わない。

３．第１除湿暖房モード
室外空気温度（外気温センサ９ｈの検出温度）が所定温度（例えば、２０℃）以上で空調負荷が比較的に小さいときであって、目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上のときに実行されるもので、エアミックスドア２７を開いて室内への空気を温水ヒータ１４ｂへ導いている状態で、冷媒を冷房運転時と同様な経路で循環させる。

具体的には、電動圧縮機１７→水冷媒熱交換器２４→第２減圧器２３→切替弁２１→室外熱交換器１８→内部熱交換器２０→第１減圧器２２→室内熱交換器１９→切替弁２１→アキュムレータ２５→電動圧縮機１７の順である。

このとき、第２減圧器２３の絞り開度を調節することにより室外熱交換器１８での冷媒からの放熱量を調節し、第１減圧器２２の絞り開度を調節することにより室内熱交換器１９の冷媒温度を調節して冷却除湿量を調節する。ちなみに、電動圧縮機１７の制御は、冷房運転時と同じである。

これによると、水冷媒熱交換器２４にて冷却水を介して間接的に室内に吹き出す空気を加熱するとともに、室内熱交換器１９にて冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却することができるので、室内熱交換器１９にて除湿冷却された空気が温水ヒータ１４ｂにて再加熱されるため、除湿しながら暖房を行うことができる。

４．第２除湿暖房モード
室外空気温度（外気温センサ９ｈの検出温度）が所定温度（例えば、２０℃）未満で空調負荷が比較的に大きいときであって、目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上のときに実行されるもので、エアミックスドア２７を開いて室内への空気を温水ヒータ１４ｂへ導いている状態で、冷媒を暖房運転時と同様な経路で循環させる。

具体的には、電動圧縮機１７→水冷媒熱交換器２４→第２減圧器２３→切替弁２１→室内熱交換器１９→第１減圧器２２→内部熱交換器２０→室外熱交換器１８→切替弁２１→アキュムレータ２５→電動圧縮機１７の順である。

このとき、第２減圧器２３の絞り開度を調節することにより室内熱交換器１９の冷媒温度を調節して冷却除湿量を調節し、第１減圧器２２の絞り開度を調節することにより室外熱交換器１８での冷媒の吸熱量を調節する。ちなみに、電動圧縮機１７の制御は、暖房運転時と同じである。

これにより、水冷媒熱交換器２４を介して間接的に室内に吹き出す空気を加熱するとともに、室内熱交換器１９にて冷媒を蒸発（冷媒に吸熱）させて室内に吹き出す空気を冷却することができ、さらに室内熱交換器１９では除湿冷却された空気が温水ヒータ１４ｂにて再加熱されるため、除湿しながら暖房を行うことができる。

５．エアミックスモード
本実施形態に係る空調装置は、原則的に温水ヒータ１４ｂのコア面を全閉または全開とした状態で、電動圧縮機１７の回転数および減圧器２２、２３の絞り開度を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節するが、例えば冷房運転から暖房運転に切り替わった直後等の過渡期や目標吹出温度ＴＡＯが急変したときには、エアミックスドア２７の開度を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節する。

具体的には、目標吹出温度ＴＡＯが急変したときには、目標吹出温度ＴＡＯと室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出温度ＴＥとの温度差（ＴＡＯ−ＴＥ）と、温水ヒータ１４ｂを通過した直後の空気温度ＴＧＯと室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出温度ＴＥとの温度差（ＴＡＧ−ＴＥ）との比（＝（ＴＡＯ−ＴＥ）／（ＴＡＧ−ＴＥ））に基づいてエアミックスドア２７の開度を調節する。

次に、上述の構成による作用効果を列挙すると（１）燃料電池１２の暖機のための発電を高効率電力で行うことができるため、使用する燃料の消費を抑えることができる。

従来、燃料電池１２の発電電力により加熱手段２４を駆動して、燃料電池１２の暖機を行う場合があった（図７中黒三角）。本実施形態における加熱手段（ヒートポンプを使用した車両用空調装置のうち、主として電動圧縮機１７、切替弁２１および減圧器２２、２３ならびに第２循環経路１５ｂの冷却水を循環させる電動水ポンプ１６）の駆動による消費電力は、約３ｋＷである。本実施形態の燃料電池１２の最高発電電力は約１００ｋＷ程度であるため、加熱手段の消費電力は最高発電電力の約３％となり、図７に示すようにシステム効率が低い（燃料の消費が多い）。

しかし、本実施形態では燃料電池１２の発電した電力を蓄える蓄電池１３を備え、蓄電池１３の残電力量が少ない（電力量がＢ２以下）場合には、燃料電池１２をシステム効率が高い約７ｋＷで発電し（図７中黒丸印）、そのうちの約３ｋＷで加熱手段を駆動に使用し、残りを蓄電池１３の充電に使用している。

そのため、加熱手段の消費電力が燃料電池１２のシステム効率が低い約３ｋＷであっても、燃料電池１２を高効率電力約７ｋＷで発電させることができ、加熱手段駆動、つまり燃料電池１２暖機のための発電に使用する燃料の消費量を低減することができる。

なお、蓄電池１３の残電力量が多い（残電力量がＢ２より多い）場合には、加熱手段は蓄電池１３の電力により駆動されるため当然に燃料は消費しない。

（２）燃料電池１２の暖機のための部品を追加することなく燃料電池１２を暖機することができる。より詳しく述べると、本実施形態のようなヒートポンプを使用した車両用空調装置では、電動圧縮機１７で圧縮された高温高圧の冷媒が発生する。一方、燃料電池１２には発電時の過熱を防止する冷却水の循環経路１５ａ、１５ｂが備えられている。本実施形態には、後述する作用効果（４）を発揮させるために、電動圧縮機１７からの吐出冷媒（高温高圧）と冷却水とを熱交換させる水冷媒熱交換器２４が配置されている。

そして、燃料電池１２の暖機時には電動圧縮機１７の駆動により冷媒を高温高圧にし、水冷媒熱交換器２４で冷媒が循環経路１５ａ、１５ｂの冷却水を加熱する。さらに、この冷却水が燃料電池１２内の循環中に燃料電池１２に熱を伝えることにより、燃料電池１２を加熱、つまり暖機することができる。したがって、特別な部品や構成要素を追加せずに燃料電池１２の加熱（暖機）を行うことができる。

（３）水冷媒熱交換器２４を冷媒流れにおいて電動圧縮機１７の次に配置し、電動圧縮機１７での圧縮により冷媒経路中で最も高温高圧となった冷媒が流入するようにしたため、より早く冷却水の加熱、つまり燃料電池１２の加熱（暖機）を行うことができる。

（４）第２除湿モードを備えているため、外気温度が低く空調負荷が大きいときであっても、十分な暖房能力を発揮させながら、室内に吹き出す空気を除湿することができる。

本実施形態において第１除湿運転時には、冷媒の圧力が室内熱交換器１９で最も低圧となるのに対して、第２除湿運転時では、室内熱交換器１９では室外熱交換器１８より高圧となる。

したがって、第２除湿運転時では、室内熱交換器１９の温度を室外熱交換器１８の温度より高く設定することができるので、室内熱交換器１９をフロストしないような温度（例えば、２℃〜３℃）に制御しても室外熱交換器１８にて室外空気から吸熱させることができ、室外熱交換器１８および室内熱交換器１９で吸熱された熱が水冷媒熱交換器２４、つまり温水ヒータ１４ｂから室内に吹き出す空気中に放出される。

一方、第１除湿運転時では、室内熱交換器１９が最も低圧側に位置するので、特許文献１に記載の発明と同様に、室外熱交換器１８の温度が室内熱交換器１９より高くなるため、外気温度が０℃程度の場合には、室外熱交換器１８の温度が室外空気温度より高くなるため、室外熱交換器１８は、吸熱器として稼動することなく、放熱器として稼動してしまう。

以上に述べたように、本実施形態では、外気温度が低く空調負荷が大きいときには、第２除湿運転とすることで、十分な暖房能力を発揮させながら、室内に吹き出す空気を除湿することができる。

また、外気温度が比較的に高く空調負荷が小さいときには、第１除湿運転とすることで、十分な暖房能力を発揮させながら、室内に吹き出す空気を除湿することができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態と同構成であるが、第１実施形態では燃料電池温度センサ９ｒが直接的に行っている燃料電池１２の温度の検出を、冷却水循環経路１５ａ、１５ｂ中に配置した水温センサ９ｇにより間接的に行っている。

図８は、本実施形態における燃料電池１２の加熱時（暖機時）の電子制御装置３０の制御流れ図で、第１実施形態との違いは、ステップＳ１１０での水温検出および判断の前にステップＳ１０５で電動水ポンプ１６を起動している部分である。この電動水ポンプ１６の起動により循環経路１５ａ、１５ｂ内の冷却水を循環させ、水温センサ９ｇが配置されている配管（温度が低下しやすい）と燃料電池１２（温度が低下しにくい）との温度差が少なくなるようにしている。

これによると、燃料電池１２の温度を冷却水循環経路１５ｂに配置されている水温センサ９ｇにより検出できるため、第１実施形態のように直接燃料電池１２の温度を検出する温度センサ９ｒを廃止することができる。

なお、本実施形態においても第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（４）を発揮することができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、燃料電池１２を暖機する加熱手段として通電により発熱する電気ヒータ３２を使用している。本実施形態では第１、第２実施形態とは異なり、燃料電池１２が断熱構造の筐体である断熱ケース３３内に配置されており、燃料電池１２を保温することができるようになっている。

燃料電池１２には、燃料電池１２を加温あるいは冷却するための冷却水を燃料電池１２の外部に循環するための循環回路（冷却水循環回路）１５ａが配置されている。循環回路１５ａには、循環回路１５ａ内に冷却水を循環する循環手段としてのポンプ１７と、冷却水から熱を外部に放出する放熱手段としてのラジエータ１４ａとが設けられている。

循環回路１５ａの最上流側部には、燃料電池１２から流出する冷却水の温度を検出する温度検出手段としての水温センサ９ｇが配置されている。水温センサ９ｇは、冷却水の温度を電子制御装置（ＥＣＵ）３０に出力するようになっている。また、循環回路１５ａのポンプ１７およびラジエータ１４ａ配置部位より下流側には、冷却水を加熱する加熱手段である電気ヒータ３２が備えられている。

燃料電池１２の図示しない端子には配線が延設されており、この配線を介して、車両に搭載されたモータ１１、燃料電池１２が発電した電力を蓄える蓄電手段としての蓄電池１３および前述の電気ヒータ３２等が接続している。なお、モータ１１、蓄電池１３、電気ヒータ３２等は、燃料電池１２に電気的に常時接続しているのではなく、図示しないスイッチ手段により、電気回路は適宜開閉されるようになっている。

本実施形態では、電子制御装置３０が第２実施形態と同様の制御（図８参照）を行うことにより、燃料電池１２の暖機を行っている。ここで図８中の加熱手段は当然に電気ヒータ３２となる。

次に、本実施形態の作用効果を述べると、第１実施形態の作用効果（１）と同様の理由により、燃料電池１２を高効率電力で発電させることができ、加熱手段の駆動、つまり燃料電池１２暖機のための発電に使用する燃料の消費量を低減することができる。

さらに、燃料電池１２の暖機に必要な最小限の消費電力の電気ヒータ３２を加熱手段として使用できる。電気ヒータ３２は、消費電力に比例して搭載空間が変化するため、消費電力が小さい電気ヒータ３２を使用すれば電気ヒータ３２の搭載空間を小さくすることができる。

また、燃料電池１２を断熱ケース３３内に配置したため、燃料電池１２が低温環境下に置かれたとしても、外部に放熱しにくい。したがって、燃料電池１２の温度を所定温度以上に保つことが容易となる。

（他の実施形態）
上述の第１、第２実施形態では、中間熱交換器で高温高圧の冷媒の熱を使用して冷却水を加熱し、この冷却水が燃料電池に熱を伝えて燃料電池の暖機を行った例を示したが、例えば、ラジエータのように高温高圧の冷媒の熱を空気へ放熱し、その空気で燃料電池を加熱するものであってもよい。

また、第１〜第３実施形態では蓄電手段として蓄電池を使用した例を示したが、電力を蓄える手段であればよく、例えばキャパシタ等を使用してもよい。また、キャパシタ等に一時的に電力を蓄え、その電力を最終的に蓄電池に充電するものであってもよい。

また、第１〜第３実施形態では蓄電手段に燃料電池の発電電力を蓄電する例を示したが、燃料電池の発電電力に加えて、ブレーキ時に発生する回生電力等を蓄電してもよいのは当然である。

また、第１〜第３実施形態では燃料電池の作動可能温度Ｔ１が約５℃の例を示したが、Ｔ１は０℃以上で燃料電池の起動が可能な温度であれば何℃でもよい。また、燃料電池の限度温度Ｔ３が約８０℃の例を示したが、燃料電池の発電効率が落ちない温度であればよい。

また、第１、第２実施形態においても、第３実施形態と同様に燃料電池を断熱ケース内に配置してもよい。

また、第１〜第３実施形態では燃料電池を電源とする電気自動車に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池の発電電力を他の目的に利用するものにも適用することができる。

また、第１、第２実施形態では、ヒートポンプを使用して車室内を空調する空調装置の例を示したが、ヒートポンプを使用した空調装置は車両用のものに限られるものではない。また、空調装置は冷媒循環経路を切替える切替弁を備えずに室内熱交換器から放熱のみを行う暖房装置、室内熱交換器から吸熱のみを行う冷房装置であってもよい。この時の冷媒を減圧する減圧器は、電気式のアクチュエータにより連続的に絞り開度を変化させるものに限らず、固定した絞り開度を有するものであってもよい。

また、第１、第２実施形態では、第１除湿暖房運転と第２除湿暖房運転とを有していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも第２除湿暖房運転を備えていればよい。

また、第１、第２実施形態では、第１除湿運転時に第２減圧器２３にて室外熱交換器１８に流入する冷媒を減圧したが、空調負荷によっては第２減圧器２３にて冷媒を減圧しなくてもよい。

また、上述の、第１、第２実施形態では、第２除湿運転時に第１減圧器２２にて室外熱交換器１８に流入する冷媒を減圧したが、空調負荷によっては第１減圧器２２にて冷媒を減圧しなくてもよい。

また、上述の、第１、第２実施形態の内部熱交換器２０を廃止してもよい。

第１実施形態に係る燃料電池の暖機システムを示す模式図である。 図１の暖機システムの電気制御ブロック図である。 図１の暖機システムにおける電子制御装置の制御を示す流れ図である。 第１実施形態での燃料電池の温度による加熱手段の制御を示す制御特性図である。 第１実施形態での蓄電池の残電力量による加熱手段の電源制御を示す制御特性図である。 第１実施形態の暖機システムの作動と燃料電池の温度との関係を示す図である。 燃料電池の発電電力の違いによるシステム効率の変化を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の暖機システムの電子制御装置の制御を示す流れ図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池の暖機システムを示す模式図である。 特許文献１に係る燃料電池の暖機システムを示す模式図である。

符号の説明

９ｇ…水温センサ（温度検出手段）、９ｒ…燃料電池温度センサ（温度検出手段）、
１２…燃料電池、１３…蓄電池（蓄電手段）、１５ａ、１５ｂ…冷却水循環経路、
１７…電動圧縮機、１８…室外熱交換器、１９…室内熱交換器、
２２…第１減圧器（減圧手段）、２３…第２減圧器（減圧手段）、
２４…水冷媒熱交換器（加熱手段）、３１…冷媒循環経路、
３２…電気ヒータ（加熱手段）。

Claims (4)

1. 水素と酸素との反応により発電する燃料電池（１２）と、
   前記燃料電池（１２）の温度を検出する温度検出手段（９ｇ、９ｒ）と、
   前記燃料電池（１２）を加熱する加熱手段（２４、３２）と、
   前記燃料電池（１２）の発電した電力を蓄える蓄電手段（１３）とを備え、
   前記温度検出手段（９ｇ、９ｒ）が所定温度（Ｔ１）以下を検出した場合であって、前記蓄電手段（１３）の残電力量が所定量（Ｂ２）より多い場合には、前記蓄電手段（１３）の電力を使用して前記加熱手段（２４、３２）を駆動し、
   前記温度検出手段（９ｇ、９ｒ）が所定温度（Ｔ１）以下を検出した場合であって、前記蓄電手段（１３）の残電力量が所定量（Ｂ２）以下の場合には、前記燃料電池（１２）の発電する電力により、前記加熱手段（２４、３２）を駆動するとともに前記蓄電手段（１３）の充電を行うことを特徴とする燃料電池の暖機システム。
2. 冷媒が循環する冷媒循環経路（３１）を有し、
   前記冷媒循環経路（３１）において、前記冷媒と室外空気を熱交換させる室外熱交換器（１８）と、
   前記冷媒と室内に吹き出す空気を熱交換させる室内熱交換器（１９）と、
   前記燃料電池（１２）または前記蓄電手段（１３）の電力により駆動され、前記冷媒を高圧状態に圧縮する電動圧縮機（１７）と、
   前記高圧冷媒を減圧する減圧手段（２２、２３）とが配置されるヒートポンプを備え、
   前記加熱手段は、前記電動圧縮機（１７）から吐出された前記高圧冷媒の熱により前記燃料電池（１２）を加熱するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
3. 前記燃料電池（１２）は、前記燃料電池（１２）を冷却する冷却水の循環経路（１５ａ、１５ｂ）を備えており、
   前記加熱手段は、前記電動圧縮機（１７）から吐出された前記高圧冷媒と前記冷却水を熱交換させる熱交換器（２４）であり、
   前記熱交換器（２４）が前記冷却水を介して前記燃料電池（１２）を加熱するようになっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の暖機システム。
4. 前記加熱手段は、通電により発熱する電気ヒータ（３２）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。

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