JP2005178524A - Heat pump device having fuel cell heating function - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置に関するもので、車両、船舶等の移動体用燃料電池、あるいは家庭用燃料電池に適用して有効である。 The present invention relates to a heat pump device having a heating function of a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a fuel cell for a moving body such as a vehicle or a ship, or a household fuel cell. is there.
従来、燃料電池が停止する前に燃料電池内に空気または燃料ガスを流して水分を押し流す、いわゆるパージ時に加熱部が燃料電池を加熱し、燃料電池のセルの温度を高くして燃料電池内の相対湿度を下げることにより、水分の除去を短時間で行うものが特許文献1にて知られている。 Conventionally, a heating unit heats a fuel cell during so-called purging by flowing air or a fuel gas into the fuel cell before the fuel cell stops, so that the temperature of the fuel cell is increased. Patent Document 1 discloses that moisture is removed in a short time by lowering the relative humidity.
この従来例1の燃料電池加熱装置は、燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水回路と、この冷却水回路から分岐する分岐回路と、分岐回路に配置されて冷却水を加熱する加熱部と、冷却水を冷却水回路と分岐回路とで切替える回路切替弁とを備えている。 The conventional fuel cell heating device of Example 1 includes a cooling water circuit in which cooling water for cooling the fuel cell circulates, a branch circuit branched from the cooling water circuit, and a heating unit arranged in the branch circuit for heating the cooling water. And a circuit switching valve for switching the cooling water between the cooling water circuit and the branch circuit.
これによると、パージ時に回路切替弁が分岐回路に冷却水を流し、分岐回路の加熱部で加熱された冷却水が燃料電池を加熱する。これにより、パージ時の燃料電池内の相対湿度を下げて水分の除去を短時間で行うことができる。また、燃料電池内に凍結する水分が少ない状態で燃料電池を停止するため、当然に燃料電池の再起動時の温度が凍結温度であっても、燃料電池を起動(発電)することができる。しかし、従来例1では燃料電池加熱のために分岐回路、回路切替弁および加熱部を配置しなければならない。 According to this, at the time of purging, the circuit switching valve causes the cooling water to flow through the branch circuit, and the cooling water heated by the heating part of the branch circuit heats the fuel cell. Thereby, the relative humidity in the fuel cell at the time of purging can be lowered, and water can be removed in a short time. In addition, since the fuel cell is stopped in a state where the amount of water frozen in the fuel cell is small, naturally the fuel cell can be started (power generation) even if the temperature at the time of restarting the fuel cell is the freezing temperature. However, in Conventional Example 1, a branch circuit, a circuit switching valve, and a heating unit must be disposed for heating the fuel cell.
この問題を解消した燃料電池の加熱装置として、図5の特許文献2のように室内を空調するヒートポンプを利用して、燃料電池の暖機(加熱)を行うものが知られている。この従来例2のヒートポンプ装置は、冷媒循環経路37、圧縮機17、切替弁21、室内熱交換器19、減圧器22、室外熱交換器18および室内熱交換器19等により構成されている。
As a fuel cell heating apparatus that solves this problem, there is known a device that warms up (heats) a fuel cell using a heat pump that air-conditions a room as in Patent Document 2 in FIG. The heat pump device of the conventional example 2 includes a
また、従来例2の燃料電池12には発電時に発熱する燃料電池12を最適温度に維持するため、放熱器14a、14bと燃料電池12との間で冷却水を循環させる第1、第2冷却水循環経路15a、15bが備えられている。さらに、この第2冷却水循環経路15bの冷却水と冷媒循環経路37の冷媒とを熱交換させる水冷媒熱交換器24が、冷媒循環経路37中の切替弁21と圧縮機17の間の部位に配置されている。
In addition, in the
この従来例2では、図5のように冷媒を圧縮機17→水冷媒熱交換器24→切替弁21→室内熱交換器19→減圧器22→室外熱交換器18→切替弁21→圧縮機17の順に流すことにより、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の冷却水を加熱する。さらに、加熱された冷却水が燃料電池12内の循環中に燃料電池12に熱を伝えるため、燃料電池12を加熱することができる。
しかし、従来例2の加熱装置は燃料電池12が凍結するような外気温が低い(凍結温度0℃以下)場合には、冷媒が室外熱交換器18において空気(外気)から吸熱できる熱量が少なくなる。このため、ヒートポンプがサイクル外に与えることができる熱量、つまり水冷媒熱交換器24において冷媒が冷却水に与える熱量も少なくなる。したがって、冷媒の熱による冷却水、つまり燃料電池12の加熱能力が低下してしまう。
However, when the outside air temperature at which the
本発明は、上記点に鑑み、パージ時に冷媒の熱を利用して燃料電池を加熱する機能を有するヒートポンプ装置において、外気温が低い場合における加熱能力の低下を防止することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to prevent a decrease in heating capacity when the outside air temperature is low in a heat pump device having a function of heating the fuel cell using the heat of the refrigerant during purging.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、車両用の燃料電池(12)の温度を検出する温度検出手段(9g、9r)と、燃料電池(12)を冷却する冷却水の循環経路(15a、15b)と、
ヒートポンプサイクルの冷媒を圧縮する圧縮機(17)と、圧縮機(17)の冷媒吐出側部位に配置され、冷媒が冷却水を加熱する水冷媒熱交換器(24)と、ヒートポンプサイクルの低圧側回路に配置され、車室内の空気から冷媒が吸熱して蒸発する室内熱交換器(19)とを備え、
燃料電池(12)は、車両停止動作に伴って内部の水分を除去するパージ運転を行うようになっており、さらに、パージ運転時に温度検出手段(9g、9r)が所定温度(T1)以下を検出した場合には、圧縮機(17)を駆動するようになっていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell, the temperature detection means (9g, 9r) for detecting the temperature of the vehicle fuel cell (12); A cooling water circulation path (15a, 15b) for cooling the fuel cell (12);
A compressor (17) that compresses the refrigerant of the heat pump cycle, a water refrigerant heat exchanger (24) that is disposed in a refrigerant discharge side portion of the compressor (17), and the refrigerant heats the cooling water, and a low pressure side of the heat pump cycle An indoor heat exchanger (19) that is arranged in a circuit and absorbs and evaporates refrigerant from the air in the passenger compartment,
The fuel cell (12) is configured to perform a purge operation for removing internal moisture in accordance with the vehicle stop operation. Further, during the purge operation, the temperature detection means (9g, 9r) does not exceed a predetermined temperature (T1). If detected, the compressor (17) is driven.
これによると、パージ運転時に温度検出手段(9g、9r)が所定温度(T1)以下を検出した場合には、圧縮機(17)が駆動してヒートポンプが室内熱交換器(19)において車室内の空気から吸熱する。一方、水冷媒熱交換器(24)では圧縮機(17)から吐出された高温高圧の冷媒が冷却水循環経路(15a、15b)の冷却水を加熱する。そして、この冷却水の熱が冷却水循環経路(15a、15b)中の燃料電池(12)に伝わることにより燃料電池(12)が加熱される。 According to this, when the temperature detection means (9g, 9r) detects the predetermined temperature (T1) or less during the purge operation, the compressor (17) is driven and the heat pump is installed in the vehicle interior in the indoor heat exchanger (19). Absorbs heat from the air. On the other hand, in the water refrigerant heat exchanger (24), the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor (17) heats the cooling water in the cooling water circulation path (15a, 15b). The heat of the cooling water is transmitted to the fuel cell (12) in the cooling water circulation path (15a, 15b), thereby heating the fuel cell (12).
したがって、ヒートポンプが外気の温度が低い場合であっても外気より温度の高い室内の空気から吸熱できるため、水冷媒熱交換器(24)においてより多くの熱で冷却水を加熱できる。つまり、冷却水の加熱能力の低下を防止することができる。 Therefore, since the heat pump can absorb heat from indoor air having a higher temperature than the outside air even when the temperature of the outside air is low, the cooling water can be heated with more heat in the water / refrigerant heat exchanger (24). That is, it is possible to prevent the cooling water from being heated.
ここで、パージとは燃料電池(12)に燃料ガス(水素)または空気(酸素)を過剰に供給して、燃料電池(12)内部の水分を押し流し、最終的には残留水分を少なくすることである。 Here, purging refers to excessively supplying fuel gas (hydrogen) or air (oxygen) to the fuel cell (12) to flush away moisture inside the fuel cell (12), and finally reducing residual moisture. It is.
また、請求項2に記載の発明のように、請求項1に記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、パージ運転時に温度検出手段(9g、9r)が所定温度(T1)より高い温度を検出した場合には、ヒートポンプによる燃料電池(12)の加熱を行わずにパージ運転のみを行っても、燃料電池(12)内部の温度が高く、つまり電池内部の相対湿度が下がっているため、短時間で燃料電池(12)内部の水分を除去することができる。 Moreover, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell according to claim 1, as in the invention according to claim 2, the temperature detecting means (9g, 9r) is a temperature higher than a predetermined temperature (T1) during the purge operation. Is detected, even if only the purge operation is performed without heating the fuel cell (12) by the heat pump, the temperature inside the fuel cell (12) is high, that is, the relative humidity inside the cell is lowered. The water inside the fuel cell (12) can be removed in a short time.
また、請求項3に記載の発明のように、請求項1または2に記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、パージ運転時に燃料電池(12)の発電作動を継続させれば、燃料電池(12)の発電電力でパージ運転時の加熱に使用する電動部品等を駆動することができる。 Moreover, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell according to claim 1 or 2 as in the invention according to claim 3, if the power generation operation of the fuel cell (12) is continued during the purge operation, the fuel The electric parts used for heating at the time of the purge operation can be driven by the generated power of the battery (12).
また、請求項4に記載の発明のように、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、車室内へ流れる空気の通路を形成する空調用のケース(26)を備え、室内熱交換器(19)をケース(26)内に配置すれば、室内熱交換器(19)において冷媒と車室内へ流れる空気とを熱交換させることができる。これにより、室内空気からの吸熱専用の吸熱器を配置しなくても、冷媒と車室内へ流れる空気とを熱交換して室内空間を空調する室内熱交換器(19)に室内の空気から吸熱させることができる。 Moreover, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, as in the invention according to claim 4, the air-conditioning air passage that forms a passage for air flowing into the vehicle interior is provided. If the case (26) is provided and the indoor heat exchanger (19) is arranged in the case (26), heat can be exchanged between the refrigerant and the air flowing into the vehicle interior in the indoor heat exchanger (19). As a result, the heat absorption from the indoor air to the indoor heat exchanger (19) for air-conditioning the indoor space by exchanging heat between the refrigerant and the air flowing into the passenger compartment is possible without arranging a heat absorber dedicated to the heat absorption from the indoor air. Can be made.
また、請求項5に記載の発明では、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、車室内へ流れる空気の通路を形成する空調用のケース(26)と、ケース(26)内に導入される空気を、車室内の空気と車室外の空気とに切替える内外気切替ドア(28)と、ケース(26)の空気流れ最下流部位に配置され、車室内へ空気を吹き出す開口部(30、31、32)とを備え、
室内熱交換器(19)は、内外気切替ドア(28)の空気流れ下流側部位に配置されており、パージ運転時に内外気切替ドア(28)は、ケース(26)内に車室内の空気を導入するようになっていることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell according to any one of the first to third aspects, an air conditioning case that forms a passage for air flowing into the vehicle interior ( 26), the inside / outside air switching door (28) for switching the air introduced into the case (26) into the air inside the vehicle compartment and the air outside the vehicle compartment, and the air flow downstream of the case (26). And openings (30, 31, 32) for blowing air into the passenger compartment,
The indoor heat exchanger (19) is disposed at the downstream side of the air flow of the inside / outside air switching door (28), and the inside / outside air switching door (28) is placed inside the case (26) during the purge operation. It is characterized by introducing.
これによると、パージ運転時に内外気切替ドア(28)がケース(26)内に車室内の空気を導入するため、具体的にケース(26)内の室内熱交換器(19)に車室内空気から吸熱させることができる。そして、パージ時以外でヒートポンプが車室内を空調する時には、内外気切替ドア(28)により車室内または車室外の空気を任意にケース(26)内に導入し、この空気と冷媒とを室内熱交換器(19)で熱交換させることができる。 According to this, since the inside / outside air switching door (28) introduces the air in the passenger compartment into the case (26) during the purge operation, specifically, the air in the passenger compartment is introduced into the indoor heat exchanger (19) in the case (26). Can absorb heat. When the heat pump air-conditions the interior of the vehicle except when purging, air inside or outside the vehicle is arbitrarily introduced into the case (26) by the inside / outside air switching door (28), and this air and refrigerant are transferred to the indoor heat. Heat can be exchanged in the exchanger (19).
また、請求項6に記載の発明では、請求項5に記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、ケース(26)内において、室内熱交換器(19)の空気流れ下流側部位に配置され、冷却水の熱によりケース内(26)の空気を加熱する温水ヒータ(14b)と、ケース(26)内の空気が加熱される温水ヒータ(14b)側の通路とケース(26)内の空気が温水ヒータ(14b)をバイパスする通路を開閉するドア手段(27)とを備え、
パージ運転時にドア手段(27)は温水ヒータ(14b)側の通路を全閉するようになっていることを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell according to the fifth aspect, the heat pump device is disposed in the downstream portion of the indoor heat exchanger (19) in the case (26). A hot water heater (14b) for heating the air in the case (26) by the heat of the cooling water, a passage on the hot water heater (14b) side where the air in the case (26) is heated, and the case (26) Door means (27) for opening and closing a passage for air to bypass the hot water heater (14b),
During the purge operation, the door means (27) is characterized in that the passage on the hot water heater (14b) side is fully closed.
ところで、パージ運転時には水冷媒熱交換器(24)で冷却水循環経路(15a、15b)の冷却水が加熱され、さらに加熱された冷却水が冷却水循環経路(15a、15b)中の燃料電池(12)に熱を伝えている。この時、冷却水が燃料電池(12)以外で熱を奪われる(放熱する)と燃料電池(12)を加熱する熱量が少なくなる。 By the way, during the purge operation, the cooling water in the cooling water circulation path (15a, 15b) is heated by the water / refrigerant heat exchanger (24), and the heated cooling water is further supplied to the fuel cell (12 in the cooling water circulation path (15a, 15b)). ) At this time, if the cooling water is deprived of heat other than the fuel cell (12) (dissipates heat), the amount of heat for heating the fuel cell (12) decreases.
しかし、請求項6では、パージ運転時にドア手段(27)が水ヒータ(14b)側の通路を全閉しており、ケース(26)内の全ての空気が温水ヒータ(14b)をバイパスするようになっている。つまり、温水ヒータ(14b)で熱交換する空気が無い、言い換えると冷却水が放熱しないようにしているため、燃料電池(12)を加熱する熱量の減少を防止することができ、燃料電池の加熱能力の低下を防止できる。 However, in claim 6, the door means (27) fully closes the water heater (14b) side passage during the purge operation, so that all the air in the case (26) bypasses the hot water heater (14b). It has become. That is, since there is no air to exchange heat with the hot water heater (14b), in other words, the cooling water is prevented from radiating heat, it is possible to prevent a decrease in the amount of heat for heating the fuel cell (12), and to heat the fuel cell. Capability can be prevented from decreasing.
また、請求項7に記載の発明では、請求項5または6に記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、開口部は、空調空気を車窓に向けて吹き出すデフロスタ開口部(30)、乗員の上半身に向けて吹き出すフェイス開口部(31)および乗員の足元に向けて吹き出すフット開口部(32)であり、
デフロスタ開口部(30)、フェイス開口部(31)およびフット開口部(32)を開閉する吹出モード切替機構(33、34、35)を備え、
パージ運転時に吹出しモード切替機構(33、34、35)は、デフロスタ開口部(30)またはフェイス開口部(31)を開口状態とするようになっていることを特徴としている。
According to a seventh aspect of the present invention, in the heat pump device having the fuel cell heating function according to the fifth or sixth aspect, the opening includes a defroster opening (30) for blowing out conditioned air toward the vehicle window, and an occupant A face opening (31) that blows out toward the upper body of the body and a foot opening (32) that blows out toward the feet of the passenger,
A blow mode switching mechanism (33, 34, 35) for opening and closing the defroster opening (30), the face opening (31) and the foot opening (32);
The blow mode switching mechanism (33, 34, 35) is characterized in that the defroster opening (30) or the face opening (31) is in the open state during the purge operation.
ところで、一般的には内外気切替ドア(28)が車室内の空気をケース(26)まで導く時の車室内空気の吸込み口は、乗員の足元に配置されることが多い。この時、燃料電池(12)のパージをして乗員の足元のフット開口部(32)から室内熱交換器(19)で吸熱された空気を吹き出すと、吹き出した空気がすぐに吸込み口からケース(26)に送られるため、車室内の空気の熱がケース(26)内の室内熱交換器(19)に吸熱されにくくなる。 By the way, in general, the air inlet for the passenger compartment air when the inside / outside air switching door (28) guides the passenger compartment air to the case (26) is often arranged at the foot of the passenger. At this time, when the fuel cell (12) is purged and the air absorbed by the indoor heat exchanger (19) is blown out from the foot opening (32) at the foot of the occupant, the blown air is immediately discharged from the suction port to the case. Since it is sent to (26), the heat of the air in the passenger compartment is less likely to be absorbed by the indoor heat exchanger (19) in the case (26).
しかし、請求項7では、パージ運転時には吹出しモード切替機構(33、34、35)がデフロスタ開口部(30)またはフェイス開口部(31)から室内熱交換器(19)で吸熱された空気を吹き出す。このため、車室内の空気をデフロスタ開口部(30)またはフェイス開口部(31)と車室内空気の吸込み口との間で大きく循環させることができ、より多くの車室内の空気の熱を室内熱交換器(19)に吸熱させることができる。 However, in the seventh aspect, during the purge operation, the blowing mode switching mechanism (33, 34, 35) blows out the air absorbed by the indoor heat exchanger (19) from the defroster opening (30) or the face opening (31). . For this reason, the air in the vehicle interior can be circulated greatly between the defroster opening (30) or the face opening (31) and the air intake of the vehicle interior, and more heat of the air in the vehicle interior can be The heat exchanger (19) can absorb heat.
また、請求項8に記載の発明のように、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、ヒートポンプの冷媒として二酸化炭素を使用してもよい。 Moreover, in the heat pump apparatus having the heating function of the fuel cell according to any one of claims 1 to 7, as in the invention according to claim 8, carbon dioxide may be used as a refrigerant of the heat pump.
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。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置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加熱機能を有するヒートポンプ装置の模式図である。
(First embodiment)
In this embodiment, a heat pump device having a heating function of a fuel cell according to the present invention is applied to a fuel cell for an electric vehicle. FIG. 1 is a schematic diagram of a heat pump device having a heating function of a fuel cell according to this embodiment. It is.
本実施形態では、電気自動車を走行用電動モータ(図示せず)の駆動により走行させており、この電動モータ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。
In this embodiment, an electric vehicle is driven by driving a driving electric motor (not shown), and the electric power for driving the electric motor is a fuel cell that generates electricity by chemically reacting oxygen and hydrogen ( (FC stack) 12. In the present embodiment, the polymer membrane electrolyte
酸素は、空気中の酸素が使用されており、酸素供給流路10のエアポンプ10aにより燃料電池12に供給される。水素は図示しない水素タンクに高圧状態で蓄えられており、水素供給流路11の水素バルブ11aを開閉することにより燃料電池12に供給される。なお、燃料である水素の消費を抑えるために発電反応で使用されなかった水素を再び燃料電池12に供給する循環経路および水素ポンプを備えてもよい。
As oxygen, oxygen in the air is used, and is supplied to the
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℃)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。
By the way, when the
より詳しく述べると、冷却水は第1冷却水循環経路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冷却水循環経路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。
More specifically, the cooling water circulates in the first cooling
なお、本実施形態では車両が低速走行している時など、ラジエータ14aへの風量が足りない場合にラジエータ14aに送風する室外送風機13を備えている。また、ラジエータ14aと後述する室外熱交換器18は略平行となるように配置されており、室外熱交換器18もラジエータ14aとともに室外送風機13から送風を受けるようになっている。
In addition, in this embodiment, when the vehicle is traveling at a low speed, the
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。
Further, a water
次に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37が備えられている。そして、この冷媒循環経路37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。
Next, the vehicle air conditioner of this embodiment will be described with reference to FIG. 1. In this embodiment, air conditioning is performed using a heat pump, and this heat pump is provided with a
電動圧縮機17は冷媒循環経路37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。
The
室外熱交換器18は、冷媒循環経路37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37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。
The
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。
The switching
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。
The water-
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。
The
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。
By the way, the
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。
Moreover, the
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内に導入する空気を室内空気と室外空気とで切替える内外気切換ドア28および室内に空気を送風する室内送風機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開口部であるデフロスタ開口部30、フェイス開口部31およびフット開口部32が形成されている。
Further, at the most upstream side of the
ここで、デフロスタ開口部30は空調空気を車両前面ガラス内面に向けて吹き出すためのものである。また、フェイス開口部31は空調空気を乗員の上半身に向けて吹き出すためのものである。さらに、フット開口部32は空調空気を乗員の足元に向けて吹き出すためのものである。さらにまた、各開口部30、31、32には、空調空気が吹き出す開口部30、31、32を選択開閉するための吹出モード切換機構であるデフロスタドア33、フェイス34およびフットドア35が配置されている。なお、これらのドア33、34、35は図示しないアクチュエータおよびリンク機構により開閉動作する。
Here, the defroster opening 30 is for blowing the conditioned air toward the inner surface of the vehicle front glass. The face opening 31 is for blowing out the conditioned air toward the upper body of the occupant. Further, the foot opening 32 is for blowing out the conditioned air toward the feet of the passengers. Furthermore, a
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。
Next, the electronic component of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In this embodiment, the discharge
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)36に入力される。この入力値に基づいて電子制御装置36は、室外送風機13、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、内外気切換ドア28、室内送風機29の送風量および吹出モード切換機構33、34、35を制御する。
The detected values of these
なお、本実施形態のエアポンプ10a、水素バルブ11a、室外送風機13、電動式水ポンプ16、電動圧縮機17、切替弁21、両減圧器22、23、エアミックスドア27、内外気切換ドア28、室内送風機29および吹出モード切換機構33、34、35は、燃料電池12の発電した電力により駆動されている。また、簡単のためにECU36を1つとして説明したが、燃料電池12の制御を燃料電池ECUが行い、ヒートポンプの制御をエアコンECUが行ってもよい。
In addition, the
次に、上記構成において第1実施形態の作動を説明する。本実施形態では、燃料電池が凍結することによる問題を解消するため、パージにより燃料電池12内部の水分を少なくしている。この作動を図1、図3および図4を用いて説明すると、まずECU36はメインスイッチ9swがOFFの信号を受けると制御をスタートさせる(S100)。次にECUは燃料電池温度センサ9rが所定温度T1温度以上を検知しているか否かを判断する(S110)。ここで、所定温度T1は前述の燃料電池12の発電に適切な温度(本実施形態では約80℃)以下でパージ時の水分の除去に時間が掛かる温度(本実施形態では約20℃)である。
Next, the operation of the first embodiment in the above configuration will be described. In the present embodiment, in order to solve the problem caused by freezing of the fuel cell, the moisture in the
燃料電池温度センサ9rの検知温度T1が所定温度以上の場合には、ECU36はS120の処理を行う。燃料電池温度センサ9rの検知温度T1が所定温度以下の場合は後述する。S120では、燃料電池12の空気供給(吸気)流路10のエアポンプ10aにより、発電に必要な量以上の空気を流して燃料電池12内の水滴を押し流し、燃料電池12内の水分を少なくする、いわゆるパージを行っている。本実施形態では、パージはほぼ空気のみで行うが燃料電池12内の形状によっては空気のみでは水分を除去できない場合もあり得る。この時、一時的に水素供給流路11の水素バルブ11aを開放して水素極側の水分を押し流してもよい。
When the detected temperature T1 of the fuel
また、本実施形態ではパージ開始後、一定時間経過すればパージが完了したとみなしてパージを終了している。しかし、パージ時間を一定とせずに例えば燃料電池12が低温時には長く、高温時には短く等、燃料電池12の温度により時間を変化させてもよい。また、燃料電池12に湿度センサ(図示せず)を配置してパージ終了を判定してもよい。パージが完了するとS140へと進み、燃料電池(FC)を停止する。
Further, in the present embodiment, the purge is terminated by assuming that the purge is completed after a certain time has elapsed after the purge is started. However, the time may be changed depending on the temperature of the
ところで、燃料電池温度センサ9rの検知温度T1が所定温度以下の場合はECU36はS130の処理を行う。S130では、上述のパージ動作に加えて燃料電池12の加熱動作を行う。この時の作動を図1および図5を用いて説明すると、まず電動圧縮機17を起動させて、高温高圧となった冷媒を水冷媒熱交換器24に流入させる。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。いいかえると、冷媒の熱が冷却水に奪われている。
By the way, when the detected temperature T1 of the fuel
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を加熱している。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。水冷媒熱交換器24から流出した冷媒は、所定の絞り開度となった第2減圧器23で減圧されて低温となる。その後、冷媒は室内熱交換器19に流入する。
This cooling water circulates through the
この時、室内送風機29は室内熱交換器19に送風する状態となっている。送風される空気は、内外気切替ドア28が内気(外気吸入口を閉じた状態、図1参照)導入状態となっているため、車室内の空気である。この車室内の空気は、本実施形態のように燃料電池12が凍結するような低温時(図4中TL)には、使用者が室内を暖房するため外気よりも温度が高くなっている(図4中のTA)。
At this time, the
この室内空気と室内熱交換器19に流入した低温冷媒が、室内熱交換器19において熱交換を行う。いいかえると、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発している。その後、冷媒は全開状態の第1減圧器22を通過して、室外熱交換器18に流入する。この時、車両は当然に停止状態、かつ室外熱交換器18に送風する室外送風機13が停止状態となっているので、室外熱交換器18への空気流れが無く、室外熱交換器18ではほとんど熱交換が行われない。室外熱交換器18を通過した冷媒は、アキュムレータ25を経て圧縮機17に再び流入する。
This indoor air and the low-temperature refrigerant flowing into the
なお、温水ヒータ14bのエアミックスドア27は温水ヒータ14bで熱交換する室内空気が無い全閉状態になっており、デフロスタ開口部30またはフェイス開口部31が開口(デフロスタドア33またはフェイスドア34の開度100%)状態になっている。
The
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パージ時に燃料電池12の加熱を行ったが、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、メインスイッチ9swがONしている時の車両用空調装置の作動を説明する。
In the present embodiment, as described above, the
1.冷房運転モード
この運転モードは、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。ECU36は切替弁21を切替駆動し、その後電動圧縮機17を駆動して冷媒を電動圧縮機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。
1. Cooling operation mode In this operation mode, the target air temperature TAO calculated based on the detected values of the outside
このとき、エアミックスドア27は温水ヒータ14bのコア面を閉じて温水ヒータ14bに流れ込む風量を0としている。また、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。これと同時に、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。
At this time, the
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。
In addition, since the core surface of the
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。
Incidentally, the target high pressure Po is a pressure at which the coefficient of performance of the vapor compression refrigerator is substantially maximized, and this target high pressure Po changes depending on the heat radiation capacity on the high pressure side. Therefore, during the cooling operation, outdoor heat exchange is performed. It is determined based on the temperature detected by the
2.暖房運転モード
この運転モードは、冷房運転とは逆に目標吹出温度TAOが所定温度以上のときに実行される。ECU36は切替弁21を切替駆動し、その後電動圧縮機17を駆動して冷媒を、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。
2. Heating operation mode This operation mode is executed when the target blowing temperature TAO is equal to or higher than a predetermined temperature, contrary to the cooling operation. The
このとき、エアミックスドア27は室内への空気を温水ヒータ14bへ導く開状態となっている。また、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。
At this time, the
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。
Moreover, the cooling water (hot water) supplied to the
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。
Specifically, the rotational speed change amount Δf of the
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。
Incidentally, when the temperature difference between the target water temperature TWO and the detected temperature of the water temperature sensor 9g is equal to or lower than the predetermined temperature, or when the detected temperature of the water temperature sensor 9g is equal to or higher than the target water temperature TWO, the
3.第1除湿暖房モード
この運転モードは、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。ECU36は切替弁21を切替駆動し、その後電動圧縮機17を駆動して冷媒を冷房運転時と同様な経路で循環させる。
3. First Dehumidifying Heating Mode This operation mode is when the outdoor air temperature (detected temperature of the outside
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。
Specifically, the
このとき、エアミックスドア27は室内への空気を温水ヒータ14bへ導いている開状態となっている。また、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。
At this time, the
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。
According to this, it is possible to heat the air blown into the room indirectly through the cooling water in the water /
4.第2除湿暖房モード
この運転モードは、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。ECU36は切替弁21を切替駆動し、その後電動圧縮機17を駆動して冷媒を暖房運転時と同様な経路で循環させる。
4). Second Dehumidifying Heating Mode This operation mode is when the outdoor air temperature (detected temperature of the outside
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。
Specifically, the
このとき、エアミックスドア27は室内への空気を温水ヒータ14bへ導いている開状態となっている。また、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。
At this time, the
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。
Thus, the air blown into the room indirectly through the water-
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。
5). Air mix mode The air conditioner according to the present embodiment adjusts the rotational speed of the
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。
Specifically, when the target outlet temperature TAO suddenly changes, the temperature difference (TAO-TE) between the target outlet temperature TAO and the detected temperature TE of the indoor heat exchanger
次に、第1実施形態による作用効果を列挙すると、(1)パージ時に燃料電池温度センサ9rが所定温度T1以下を検知した場合には、電動圧縮機17を駆動して水冷媒熱交換器24で高温高圧の冷媒が冷却水を介して燃料電池12を加熱するため、パージ時の燃料電池12内の相対湿度が低下し、水分の除去を短時間で行うことができる。一方、パージ運転時に温度検出手段9rが所定温度T1より高い温度を検出した場合には、発電により燃料電池12内部の温度が高くなっている。この時は、ヒートポンプによる燃料電池12の加熱を行わずにパージ運転のみを行うため、無駄な加熱作動を防止することができる。
Next, the actions and effects according to the first embodiment will be listed. (1) When the fuel
(2)室内熱交換器19が室内の空気から吸熱するため、ヒートポンプが冷却水を加熱する能力の低下を防止することができる。
(2) Since the
パージ時には、内外気切替ドア28がケース26内に室内の空気を導入する。この室内の空気は、水冷媒熱交換器24で冷却水を加熱した後減圧器23で低温低圧となった冷媒に、室内熱交換器19で吸熱される。これにより、ヒートポンプは外気の温度が低い場合であっても外気より温度の高い室内の空気から吸熱でき、水冷媒熱交換器24においてより多くの熱で冷却水を加熱できる。つまり、従来例2のようにヒートポンプが室外熱交換器18から吸熱する場合に比べて冷却水の加熱能力の低下を防止することができる。
When purging, the inside / outside
図5中の点線は室外の空気(温度TL)から吸熱する場合であり、実線は室内熱交換器19が室内の空気(温度TA)から吸熱する場合である。当然に温度が低い室外空気から吸熱するには、より冷媒を低温低圧として室内熱交換器19で蒸発させなければならない。しかし、本実施形態では上述のように室内熱交換器19が室内空気から吸熱するため、蒸発後に冷媒を高温高圧とするための電動圧縮機17の駆動時間も短くなり、ヒートポンプサイクルの効率も高くする事ができる。
The dotted line in FIG. 5 is the case where heat is absorbed from the outdoor air (temperature TL), and the solid line is the case where the
また、図4は車両運転時および車両停止時の車室内の温度の変化を示しており、当然に車両停止時の室温TAは外気温TLまで低下していく。つまり、室内の熱は活用されずに外気に放熱されている。本発明では、室内熱交換器19が室内の空気から吸熱し、その熱で燃料電池12を加熱してパージ時間を短縮しているため、元々活用されていなかった車室内の熱(図中斜線部)を有効に使用することができる。
FIG. 4 shows changes in the temperature in the passenger compartment when the vehicle is operating and when the vehicle is stopped. Naturally, the room temperature TA when the vehicle is stopped decreases to the outside temperature TL. That is, indoor heat is radiated to the outside air without being utilized. In the present invention, the
(3)パージ時に所定温度T1以下を検知した場合には、内外気切替ドア28がケース26内に室内の空気を導入し、ケース26内に配置された室内熱交換器19が室内の空気から吸熱するため、室内空気から吸熱するための専用の吸熱器を不要とすることができる。
(3) When a predetermined temperature T1 or less is detected during purging, the inside / outside
(4)パージにより燃料電池12の水分を少なくしてから燃料電池12が停止するため、凍結温度時でも燃料電池12を起動することができる。さらに、パージ時にも燃料電池12が発電するため、加熱のために駆動する電子部品を燃料電池12の発電電力により駆動させることができる。
(4) Since the
ところで、本実施形態のように電動部品を燃料電池自身の発電電力で駆動する燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置において、燃料電池が凍結温度以下にならないように加熱装置を起動して燃料電池の凍結を防止する方法がある。しかし、凍結温度で長時間燃料電池を停止させた場合には、たびたび加熱装置が駆動するため、燃料電池の凍結防止のために消費する燃料が増えてしまう。 By the way, in the heat pump device having the heating function of the fuel cell that drives the electric component with the generated power of the fuel cell itself as in this embodiment, the heating device is started so that the fuel cell does not become below the freezing temperature. There are ways to prevent freezing. However, when the fuel cell is stopped for a long time at the freezing temperature, the heating device is frequently driven, so that the amount of fuel consumed for preventing the fuel cell from freezing increases.
また、凍結した燃料電池の再起動時に加熱装置が起動可能温度まで燃料電池を加熱する方法もある。しかし、凍結温度ではそもそも燃料電池が起動しないため、凍結時に加熱装置を駆動するには、蓄電池などの補助電源が必要となってしまう。 There is also a method of heating the fuel cell to a temperature at which the heating device can be activated when the frozen fuel cell is restarted. However, since the fuel cell does not start at the freezing temperature, an auxiliary power source such as a storage battery is required to drive the heating device during freezing.
本実施形態では、パージにより燃料電池12内の水分を少なくしてから燃料電池12が停止するため、凍結温度時でも燃料電池12を起動することができる。したがって、燃料電池12を凍結温度で長時間燃料電池を停止させた場合であっても、燃料電池12が凍結温度以下にならないように加熱する必要が無いため、凍結防止に要する燃料の消費を無くすことができる。
In this embodiment, since the
さらに、凍結温度であっても燃料電池12が起動できるため、加熱装置、いいかえると、加熱装置を構成するヒートポンプおよび冷却水循環経路に配置される電子部品(等)を燃料電池12のみの発電電力で駆動できる。つまり、これらの電子部品を駆動するための補助電源が無くてよい。
Furthermore, since the
なお、本実施形態ではパージ運転中も燃料電池12が発電しているため、パージ運転中も電子部品を燃料電池12の発電電力で駆動することができる。
In this embodiment, since the
(5)パージ時に燃料電池を加熱する時には、温水ヒータ14bのエアミックスドア27が全閉状態となるため、燃料電池12を加熱する熱量の減少を防止することができる。
(5) When the fuel cell is heated at the time of purging, the
パージ運転時には水冷媒熱交換器24で冷却水循環経路15a、15bの冷却水が加熱され、さらに加熱された冷却水が冷却水循環経路15a、15b中の燃料電池12に熱を伝えている。この時、冷却水が燃料電池12以外で熱を奪われる放熱すると燃料電池12を加熱する熱量が少なくなる。
During the purge operation, the cooling water in the cooling
本実施形態では、エアミックスドア27が全閉状態となり、温水ヒータ14bで熱交換する空気が無い、つまり冷却水が放熱しないようにしているため、燃料電池12を加熱する熱量の減少を防止することができ、燃料電池の加熱能力の低下を防止できる。
In the present embodiment, the
(6)パージ時に燃料電池を加熱する時には、デフロスタ開口部30またはフェイス開口部31から、室内熱交換器19で吸熱された空気を吹き出すため、より多くの室内の空気の熱を室内熱交換器19に吸熱させることができる。
(6) When the fuel cell is heated at the time of purging, the air absorbed by the
一般的には内外気切替ドア28が室内の空気をケース26内に導く時の室内の空気の吸込み口は、乗員の足元に配置されることが多い。この時、パージ運転をして乗員の足元のフット開口部32から室内熱交換器19で吸熱された空気を吹き出すと、吹き出した空気がすぐに吸込み口からケース26に送られるため、室内の空気の熱がケース26内の室内熱交換器19に吸熱されにくくなる。
In general, the indoor air intake door when the indoor / outdoor
本実施形態では、パージ時に燃料電池12を加熱する時にはデフロスタドア33またはフェイスドア34の開度が100%となり、デフロスタ開口部30またはフェイス開口部31から室内熱交換器19で吸熱された空気を吹き出す。このため、室内の空気をデフロスタ開口部30またはフェイス開口部31と室内空気の吸込み口との間で大きく循環させることができ、より多くの室内の空気の熱を室内熱交換器19に吸熱させることができる。
In this embodiment, when the
(7)燃料電池12の暖機のために特別に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(9)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。
(7) The
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。
When the
(8)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。
(8) Since the water-
(9)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。
(9) Since the second dehumidifying mode is provided, even when the outside air temperature is low and the air conditioning load is large, the air blown into the room can be dehumidified while exhibiting sufficient heating capacity. In the present embodiment, during the first dehumidifying operation, the pressure of the refrigerant is the lowest in the
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。
Therefore, at the time of the second dehumidifying operation, the temperature of the
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、室外熱交換器18の温度が室内熱交換器19より高くなり、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。
On the other hand, in the first dehumidifying operation, since the
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。 As described above, in the present embodiment, when the outside air temperature is low and the air conditioning load is large, by performing the second dehumidifying operation, the air blown into the room can be dehumidified while exhibiting sufficient heating capacity. . When the outside air temperature is relatively high and the air conditioning load is small, the first dehumidifying operation can dehumidify the air blown into the room while exhibiting sufficient heating capacity.
(第2実施形態)
第1実施形態では、燃料電池12停止後に車室内の乗員の有無に関わらず、燃料電池12のパージを行う例を示したが、上述のようにパージ時には車室内へは室内熱交換器19で吸熱された後の冷風が吹き出す。本実施形態では、これにより乗員が不快に感じることを防止するためにECU36に運転席ドアセンサの信号を入力し、乗員が下車したことを確認した後にパージを行っている(図6参照)。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the
これにより、外気が凍結温度以下で寒い時に乗員に冷風があたる事による乗員の不快感を無くすことができる。なお、乗員の下車の確認方法としては、例えば人感センサを用いる方法などがある。また、単にメインスイッチ9swをOFFした後、所定時間経過すれば乗員が下車したものと推定して、乗員に冷風を吹き付ける確率を低くするものであってもよい。また、前述のセンサによる方法と所定時間経過させる方法を組み合わせてもよいのは当然である。 Thereby, when the outside air is cold below the freezing temperature, it is possible to eliminate the discomfort of the occupant due to the cold air hitting the occupant. In addition, as a confirmation method of a passenger | crew's unveiling, there exists a method using a human sensor, for example. Alternatively, it may be assumed that if a predetermined time elapses after the main switch 9sw is turned off, it is estimated that the occupant got off, and the probability of blowing cold air to the occupant may be reduced. Of course, the above-described sensor method and the method of allowing a predetermined time to pass may be combined.
なお、第2実施形態においても第1実施形態で列挙した(1)〜(9)の効果を発揮することができる。 In addition, also in 2nd Embodiment, the effect of (1)-(9) enumerated in 1st Embodiment can be exhibited.
(他の実施形態)
上述の第1、第2実施形態では、空気によりパージを行った例を示したが、燃料供給(吸気)流路11に設けられたバルブ11aを開放して燃料ガスでパージを行ってもよい。また、特開2002−246053号公報のように燃料電池12内の残留水分量が減少するにしたがって燃料電池12の発電電力を減少させてもよい。また、特開2002−208422号公報のように、酸素供給流路10または水素供給流路11において、空気または燃料ガス(水素)の水分を分離する水分分離手段を配置し、乾燥ガスに燃料電池12内の水分を含有させて、このガスを燃料電池から排出することにより燃料電池内の水分を除去してもよい。
(Other embodiments)
In the first and second embodiments described above, an example of purging with air has been shown. However, the
また、第1、第2実施形態では、燃料電池12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、車室内を空調するヒートポンプを備えていれば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。
Moreover, although the example which applied this invention to the electric vehicle which uses the
また、第1、第2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により間接的に行い燃料電池温度センサ9rを無くしてもよい。この時、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もよい。
In the first and second embodiments, the temperature of the
また、第1、第2実施形態では、パージ完了までヒートポンプが燃料電池12を加熱する例を示したが、加熱により燃料電池12が所定温度(例えば、前述の発電適切温度80℃)に達したことを燃料電池温度センサ9r等が検知した時に加熱を終了するようにしてもよい。
In the first and second embodiments, an example in which the heat pump heats the
また、第1、第2実施形態では、電子部品を燃料電池12の発電電力で駆動する例を示し、パージ終了後に燃料電池12の発電をOFFとした。しかし、電子部品を燃料電池12以外の電源で駆動すれば、メインスイッチ9swOFFと同時またはOFF後に燃料電池12の発電を停止し、その後にパージ運転を行ってもよい。
In the first and second embodiments, an example in which the electronic component is driven by the generated power of the
また、第2実施形態では、パージ時のみ燃料電池12を加熱した例を示したが、メインスイッチ9swOFF後、パージ開始までの間に燃料電池12の加熱を開始してもよい。また、この時、パージ開始前に加熱が完了してしまう場合も考えられる。
In the second embodiment, the
また、第1実施形態では、燃料電池12の発電に適切な温度が約80℃の例を示したが、燃料電池12の発電効率が落ちない温度であればよい。
In the first embodiment, an example in which the temperature suitable for power generation of the
また、第1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。 Moreover, in 1st Embodiment, although it had 1st dehumidification heating operation and 2nd dehumidification heating operation, this invention is not limited to this, If it has at least 2nd dehumidification heating operation, Good.
また、第1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。
In the first embodiment, the refrigerant flowing into the
また、上述の、第1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。
Further, in the first embodiment described above, the refrigerant flowing into the
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。
Moreover, you may abolish the
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、14b…温水ヒータ、15a、15b…冷却水循環経路、
17…圧縮機、19…室内熱交換器、24…水冷媒熱交換器、26…ケース、
27…エアミックスドア(ドア手段)、28…内外気切替ドア、
30…デフロスタ開口部(開口部)、31…フェイス開口部(開口部)、
32…フット開口部(開口部)、33…デフロスタドア(吹出モード切替機構)、
34…フェイスドア(吹出モード切替機構)、
35…フットドア(吹出モード切替機構)。
9g: water temperature sensor (temperature detection means), 9r: fuel cell temperature sensor (temperature detection means),
12 ... Fuel cell, 14b ... Hot water heater, 15a, 15b ... Cooling water circulation path,
17 ... Compressor, 19 ... Indoor heat exchanger, 24 ... Water refrigerant heat exchanger, 26 ... Case,
27 ... Air mix door (door means), 28 ... Inside / outside air switching door,
30 ... Defroster opening (opening), 31 ... Face opening (opening),
32 ... Foot opening (opening), 33 ... Defroster door (blowing mode switching mechanism),
34 ... Face door (blowing mode switching mechanism),
35 ... Foot door (blowing mode switching mechanism).
Claims (8)
前記燃料電池(12)を冷却する冷却水の循環経路(15a、15b)と、
ヒートポンプサイクルの冷媒を圧縮する圧縮機(17)と、
前記圧縮機(17)の冷媒吐出側部位に配置され、冷媒が前記冷却水を加熱する水冷媒熱交換器(24)と、
前記ヒートポンプサイクルの低圧側回路に配置され、車室内の空気から冷媒が吸熱して蒸発する室内熱交換器(19)とを備え、
前記燃料電池(12)は、車両停止動作に伴って内部の水分を除去するパージ運転を行うようになっており、
さらに、前記パージ運転時に前記温度検出手段(9g、9r)が所定温度(T1)以下を検出した場合には、前記圧縮機(17)を駆動するようになっていることを特徴とする燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置。 Temperature detecting means (9g, 9r) for detecting the temperature of the vehicle fuel cell (12);
A cooling water circulation path (15a, 15b) for cooling the fuel cell (12);
A compressor (17) for compressing the refrigerant of the heat pump cycle;
A water-refrigerant heat exchanger (24) that is disposed at a refrigerant discharge side portion of the compressor (17) and in which the refrigerant heats the cooling water;
An indoor heat exchanger (19) disposed in the low-pressure side circuit of the heat pump cycle, in which refrigerant absorbs heat from the air in the passenger compartment and evaporates;
The fuel cell (12) is configured to perform a purge operation for removing moisture inside the vehicle when the vehicle stops.
Further, the fuel cell is characterized in that the compressor (17) is driven when the temperature detecting means (9g, 9r) detects a temperature equal to or lower than a predetermined temperature (T1) during the purge operation. A heat pump device having a heating function.
前記室内熱交換器(19)は、前記ケース(26)内に配置されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置。 An air conditioning case (26) that forms a passage for air flowing into the vehicle compartment;
The heat pump device having a fuel cell heating function according to any one of claims 1 to 3, wherein the indoor heat exchanger (19) is disposed in the case (26).
前記ケース(26)内に導入される空気を、前記車室内の空気と車室外の空気とに切替える内外気切替ドア(28)と、
前記ケース(26)の空気流れ最下流部位に配置され、前記車室内へ空気を吹き出す開口部(30、31、32)とを備え、
前記室内熱交換器(19)は、前記内外気切替ドア(28)の空気流れ下流側部位に配置されており、
前記パージ運転時に前記内外気切替ドア(28)は、前記ケース(26)内に前記車室内の空気を導入するようになっていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置。 An air conditioning case (26) that forms a passage for air flowing into the passenger compartment;
An inside / outside air switching door (28) for switching the air introduced into the case (26) between the air inside the vehicle compartment and the air outside the vehicle compartment;
The case (26) is disposed at the most downstream portion of the air flow, and includes openings (30, 31, 32) for blowing air into the vehicle interior,
The indoor heat exchanger (19) is arranged at a downstream side portion of the air flow of the inside / outside air switching door (28),
The inside / outside air switching door (28) introduces air in the vehicle compartment into the case (26) during the purge operation. The heat pump apparatus which has a heating function of the fuel cell of description.
前記ケース(26)内の空気が加熱される前記温水ヒータ(14b)側の通路と前記ケース(26)内の空気が前記温水ヒータ(14b)をバイパスする通路を開閉するドア手段(27)とを備え、
前記パージ運転時に前記ドア手段(27)は温水ヒータ(14b)側の通路を全閉するようになっていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置。 In the case (26), a hot water heater (14b) that is disposed in the downstream portion of the air flow of the indoor heat exchanger (19) and heats the air in the case (26) by the heat of the cooling water;
A passage on the side of the hot water heater (14b) where the air in the case (26) is heated, and door means (27) for opening and closing a passage where the air in the case (26) bypasses the hot water heater (14b); With
6. A heat pump apparatus having a heating function for a fuel cell according to claim 5, wherein the door means (27) fully closes the passage on the hot water heater (14b) side during the purge operation.
前記デフロスタ開口部(30)、前記フェイス開口部(31)および前記フット開口部(32)を開閉する吹出モード切替機構(33、34、35)を備え、
前記パージ運転時に前記吹出しモード切替機構(33、34、35)は、デフロスタ開口部(30)またはフェイス開口部(31)を開口状態とするようになっていることを特徴とする請求項5または6に記載の燃料電池の加熱機能を有するヒートポンプ装置。 The opening is a defroster opening (30) that blows air-conditioned air toward the vehicle window, a face opening (31) that blows out toward the passenger's upper body, and a foot opening (32) that blows out toward the feet of the passenger,
A blowing mode switching mechanism (33, 34, 35) for opening and closing the defroster opening (30), the face opening (31) and the foot opening (32);
The blowout mode switching mechanism (33, 34, 35) is configured to open the defroster opening (30) or the face opening (31) during the purge operation. 6. A heat pump device having a heating function of the fuel cell according to 6.
The heat pump apparatus having a heating function for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the heat pump uses carbon dioxide as a refrigerant.
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