JP2008130468A

JP2008130468A - 燃料電池と空調の協調冷却システム

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Publication number: JP2008130468A
Application number: JP2006316451A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Ishikawa; 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: JP5011980B2

Abstract

【課題】燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、ヒートコアを放熱器としても利用可能とすることである。
【解決手段】燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、ヒートコアに関する送風方向切換は次のように実行される。まずＦＣ冷却水温度θ_FCが閾値水温θ_Hを超えるか否かが判断され（Ｓ１０）、判断が肯定されると、三方弁が連結状態とされる（Ｓ１２）。そして、空調系において冷房要求があるか否かが判断され（Ｓ１４）、冷房要求がある場合は、ヒートコアによって放熱された送風を車室内に送り込めないので、ブロワの風向を車室外へ向けさせる放熱モードの送風方向とする（Ｓ１６）。Ｓ１４の判断が肯定されない場合は、ヒートコアによって放熱された送風を車室内に送り込むことができるので、ブロワの風向を車室内へ向けさせる暖房モードの送風方向とする（Ｓ１８）。
【選択図】図６

Description

本発明は燃料電池と空調の協調冷却システムに係り、特に、燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を行う燃料電池と空調の協調冷却システムに関する。

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。この反応のために燃料電池は発熱し、その冷却のために燃料電池スタック内に冷却水等の冷媒を流し、これをラジエータ等で冷却することが行われる。また燃料電池の起動時に低温であると、燃料電池を暖めるために、ヒータ等で冷媒を適当な温度に加熱することが行われる。このように、燃料電池スタックに冷媒を流し、その温度を調整することが行われる。

また、車両の室内の冷暖房のためには、一般的に、冷媒ガスの圧縮と蒸発のサイクルを行うヒートポンプ式を用いることができるが、燃料電池スタックの冷却に用いた冷却水等の冷媒の廃熱を利用することもできる。

例えば、特許文献１には、燃料電池の冷却水循環系と、車両室内空調用冷媒循環系とを用いた車両用空調装置の構成が述べられている。車両室内空調は、空調用冷媒が通る室内熱交換器と、温水によって空気を暖める温水式ヒータコアとで行なわれ、冷暖房の切換は、四方弁の操作により室内熱交換器に高圧冷媒を通して暖房し、低圧冷媒を通して冷房することで行われる。ここでは、燃料電池の冷却水循環系を２つの開閉弁の開閉によって第１温水回路と第２温水回路との２つに分離することも、これらの温水回路を接続状態にすることもできることが開示されている。分離されたときに、第１温水回路は、燃料電池から出た冷却水が再び燃料電池に戻るので、燃料電池の廃熱で水温を上昇させることができる。また分離されたときに第２温水回路は、循環水と車室内空調用の高圧冷媒との間で熱交換する水冷媒熱交換器と、温水式ヒータコアとを循環するので、高圧冷媒の放熱により冷却水が加熱され温水式ヒータコアの温水の温度を上昇させることができる。２つの温水回路が接続されるときは、冷却水は空調用高圧冷媒の放熱に加えて燃料電池の廃熱によっても加熱され、温水式ヒータコアに供給される。なお、ここではヒータコアの名称が用いられているが、電気式のいわゆるヒータが設けられているのではなく、温水の熱を用いて送風をあたためるもので、その意味では、むしろヒートコアと呼ぶことができる。

特開２００５−２６３２００号公報

このように、温水式ヒートコアを用いて、燃料電池の冷却水循環系の廃熱を車両室内空調に利用する燃料電池と空調の協調制御が行われている。ここでは、ヒートコアは、温水の熱を用いて送風を温める暖房器として機能しているが、別の観点からみれば、暖房と同時に、燃料電池の冷却水の熱を放熱している放熱器の機能も有している。そこで、夏場のように、燃料電池側の冷却系であるラジエータの放熱能力が不足するときに、ヒートコアの放熱機能を利用できれば便利である。しかし、ヒートコアは暖房器でもあるので、そのままでは、例えば夏場に暖房が入ることになり、不都合である。

本発明は、ヒートコアを放熱器としても利用可能とする燃料電池と空調の協調冷却システムを提供することである。

本発明に係る燃料電池及び空調の協調冷却システムは、燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を行う協調冷却システムであって、燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる燃料電池側循環流路と、冷媒を流して送風との間で熱交換するヒートコアを配置する空調側熱交換流路と、空調側熱交換流路の両端を接続する接続流路とを有する空調側循環流路と、燃料電池側循環流路と、空調側循環流路との間に設けられる制御弁であって、燃料電池側循環流路と空調側循環流路とを遮断する遮断状態と、空調側循環流路の接続流路を開放して空調側熱交換流路を燃料電池側循環流路に並列に連結して燃料電池側冷媒と空調側冷媒とを共通化する連結状態との間を切り換える制御弁と、ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、室内と室外とに切り換える送風切換手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池及び空調の協調制御システムにおいて、制御弁は、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させることが好ましい。

また、送風切換手段は、送風の方向を室外に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を外気に放熱させることが好ましい。

上記構成により、燃料電池及び空調の協調冷却システムは、ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、室内と室外とに切り換える送風切換手段を有する。たとえば、ヒートコアの暖房器としての機能を利用するか否かで送風を切り換えることで、ヒートコアの放熱機能を十分に利用できるようになる。

また、制御弁は、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させるので、燃料電池側の冷却系であるラジエータの放熱能力が不足するとき等に、ヒートコアを第２のラジエータとして用いることができる。

また、送風の方向を室外に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を外気に放熱させるので、空調系が暖房を要求していないときでも、ヒートコアの放熱機能を利用することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池と空調の協調冷却システムに用いられる共通化冷媒として、冷却水を用いるものとして説明するが、冷却水以外の流体冷媒であってもよい。また、燃料電池スタック側の冷却系にエアコンプレッサ（ＡＣＰ）に関して協調的な冷却を行うものとしたが、ＡＣＰに関する協調的な冷却を含まない構成とすることもできる。また、空調側の冷却系に、共通化冷媒と空調用ヒートポンプとの間で熱交換するＡＣ熱交換器と、ヒートコアとが配置されるものとして説明するが、これら以外の要素を空調側冷却系に含む構成とすることもできる。例えば、補助ヒータ等を空調側冷却系に含むものとしてもよい。また、場合によってはＡＣ熱交換器を省略してもよい。

燃料電池と空調の協調冷却システムは、燃料電池の運転システムに適用される冷却システムであるので、最初に燃料電池の運転システムの構成を説明し、その後に、燃料電池と空調の協調冷却システムを述べる。

図１は燃料電池と空調の協調冷却システムが適用される燃料電池運転システム１０の構成図である。燃料電池運転システム１０は、運転システム本体部２０と、運転システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御部７０とを含んで構成されている。

運転システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。

燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、発電された電力は、ＦＣ発電電力検出部６８によって検出され、検出された発電電力のデータは、制御部７０に伝送される。

アノード側の水素ガス源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源２４に接続されるレギュレータ２６は、水素ガス源２４からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ２６の出力口に設けられる圧力計２８は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ２６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。

燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器３２は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３４を通して希釈器６４に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器３２の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３０は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。フィルタ４２の後に設けられる流量計４４は、酸化ガス源４０からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ４２の後に設けられる酸化ガス温度計４６は、酸化ガス源４０からのガスの温度を検出する機能を有する。

エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４８は、モータ５０によって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４８は、制御部７０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータ５０の回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータ５０の回転速度を下げる。ＡＣＰ消費電力検出部５２は、ＡＣＰ４８の消費電力、具体的にはモータ５０の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モータ５０は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。

加湿器５４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５４に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。

ここで、上記の酸化ガス源４０と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。酸化ガスの経路である酸化ガス経路６６は、酸化ガス源４０から加湿器５４を経由して入口側流路より燃料電池スタック２２の内部に入り、出口側流路から加湿器５４を経由して外気へと延びる。

出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計５６は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調圧弁６０は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。調圧弁６０の出力口は、上記の加湿器５４に接続されるので、調圧弁６０を出たガスは加湿器５４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器６４に入り、その後外部に排出される。

希釈器６４は、アノード側の排気バルブ３４からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。

制御部７０は、運転システム本体部２０の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。例えば、制御部７０は、要求発電量と、ＦＣ発電電力検出部６８から伝送される発電電力のデータとに基づいて、ＡＣＰ４８の回転数制御を行い、また、調圧弁６０の制御を行う機能を有する。なお、制御部７０は、後述の協調冷却制御部１５０の機能を併せ持つことができる。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。

このような燃料電池運転システム１０において、燃料電池スタック２２は燃料ガスと酸化ガスとの間の反応により発熱する。また、ＡＣＰ４８もその運転に伴い、モータ５０等が発熱する。さらに、燃料電池スタック２２のカソード側に供給される酸化ガスの温度は適当であることが好ましい。

また、燃料電池運転システム１０が車両に搭載されるときは、車室内の空調のために空調システムが設けられるが、例えば車室内が冷え切っているときなど、燃料電池スタック２２の廃熱が利用できるならば、それを用いて車室内を短時間で適度な温度にすることが望まれる。一方、燃料電池スタック２２の起動時において、低温の燃料電池スタック２２を空調システムの要素を用いて暖機できれば、燃料電池スタック２２の早期の稼動が可能になる。

このように、燃料電池運転システム１０を構成する要素と、空調システムを構成する要素との間で、その冷却等について協調的に制御を行うことで、燃料電池の運転と空調運転とを全体として効率的なものとすることができる。そのために燃料電池と空調の協調冷却システムが設けられる。

なお、以下において、燃料電池スタックをラジエータで冷却する冷却流路を主冷却流路とし、主冷却流路に並列に冷媒を分流する冷却流路を分流冷却流路として説明する。主冷却流路と分流冷却流路を流れる冷媒は、水を主成分とするものである。そして、分流冷却流路に設けられる熱交換器として、ＡＣＰ４８の冷却用のものと、車室内空調に用いられるものとを説明する。

ＡＣＰ４８の冷却用のものは、ラジエータを第１の熱交換器と考えて、第２熱交換器と呼ぶことにする。この場合の第２熱交換器は、従来ＡＣＰ４８を独立して冷却するためのインタクーラを、分流された冷媒で熱交換することにして、冷却システムとして統合を図った形態となっているが、もちろん、インタクーラを従来通り独立の冷却系のままとし、第２熱交換器を他の要素の冷却に用いるものとしてもよい。

車室内空調に用いられるものは、分流された冷媒の熱をブロワからの送風との間で熱交換を行うものと、空調システムの冷媒ガスと分流冷却流路の冷媒との間で熱交換を行うものとを用いるが、これらを区別し、前者をヒートコア、後者をＡＣ熱交換器と呼ぶことにする。なお、ＡＣとは、ＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒの頭文字を用いたもので、空調系を指す。

また、空調システムは、冷媒ガスの圧縮と膨張のサイクルを行って冷暖房を行ういわゆるヒートポンプを用いる。例えば冷房を行うときは、コンプレッサによって冷媒ガスを圧縮し、高温化して室外熱交換器で送風と熱交換し、膨張弁で低温化して室内熱交換器で送風と熱交換して冷風を室内に送り込む。なお、暖房を行うときはその逆に、圧縮して高温化した冷媒ガスを室内熱交換器で送風と熱交換して温風を室内に送り込む。以下では、ヒートポンプを冷房に用い、室内熱交換器は送風と熱交換して冷風を車室内に送り込むものとする。そして、室外熱交換器と直列にＡＣ熱交換器を配置し、高温化した冷媒ガスをＡＣ熱交換器に流す構成をとる。このように、ヒートポンプ式の空調システムには、室内熱交換器と室外熱交換器とが用いられるが、これらは、主冷却流路または分流冷却流路に用いられる冷媒である冷却水と熱交換するものではない。ＡＣ熱交換器は、空調システムの冷媒ガスと、分流冷却流路に用いられる冷媒である冷却水と熱交換するもので、室内熱交換器、室外熱交換器とは別に設けられる。

図２は、燃料電池と空調の協調冷却システム８０の構成を示す図である。燃料電池と空調の協調冷却システム８０は、協調冷却システム本体部８２と、協調冷却制御部１５０とを含んで構成される。ここで、図２は、車両用燃料電池システムについて、協調冷却のための要素を抜き出して示したもので、図１で説明した燃料電池運転システム１０と、この燃料電池と空調の協調冷却システムとは、あいまって、１つの車両用燃料電池システムを構成するものである。したがって、図２の協調冷却システム本体部８２は、図１の運転システム本体部２０と共に、車両用燃料電池システムにおけるシステム本体部を構成するものである。また、上記のように、協調冷却制御部１５０は、図１で説明した制御部７０の一部として構成されることができる。

図２に示されるように、協調冷却システム本体部８２は、燃料電池運転システム１０におけるカソード側の冷却システムと、空調システム１３０とを含んで構成される。もちろん、場合によっては、アノード側の冷却システムを含むものとしてもよい。なお、協調冷却システム本体部８２を構成するものではないが、空調された空気が供給される対象として、車室内８が図２に示されている。

図２において、燃料電池運転システム１０の要素としては、燃料電池スタック２２と、カソード側の要素として、ＡＣＰ４８、モータ５０、加湿器５４、酸化ガス経路６６が示されている。酸化ガス経路６６は細い線で示され、これに対して、冷媒の流れる流路が太い線で示してある。

冷媒の流れる流路は、大別して、燃料電池スタック２２とラジエータ１００との間で冷媒を循環させる燃料電池側循環流路と、空調システム１３０に関連して空調のために冷媒を循環させる空調側循環流路とに分けることができる。ここで、両者を区別して、前者をＦＣ循環流路、後者をＡＣ循環流路と呼ぶことにする。ＦＣは、ＦｕｅｌＣｅｌｌの頭文字をとったもので、燃料電池系を指す。協調冷却においては、燃料電池スタック２２の運転状況、空調システム１３０の運転状況等に応じ、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路との間を遮断し、あるいは両者を連結することが行われる。両者を遮断するときは、冷媒はそれぞれの循環流路を相互に独立して流れることになる。したがって、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路を流れる冷媒は物質的には同じものであるが、温度、流量、流速等が異なることがあるので、両者を区別し、ＦＣ循環流路を流れる冷媒をＦＣ側冷媒、ＡＣ循環流路を流れる冷媒をＡＣ側冷媒と呼ぶことができる。

別の見方をすると、協調冷却システム本体部８２は、冷媒の流れる流路として、主冷却流路８４が設けられ、さらに、この主冷却流路８４に並列に配置され、同じ冷媒を分流する分流冷却流路８６、９０が設けられる。分流冷却流路８６は、ＡＣＰ４８のためのものであり、分流冷却流路９０は、空調のためのものである。ここで、主冷却流路８４と、ＡＣＰ４８のための分流冷却流路８６とは、ＦＣ循環流路を構成する。空調のための分流冷却流路９０は、ＡＣ循環流路を構成する。

冷媒としては、水を主体としたＬＬＣ（ＬｏｎｇＬｉｆｅＣｏｏｌａｎｔ）等を用いることができる。以下では、空調システム１３０の冷媒ガスと区別するため、ＬＬＣ等を用いる冷媒を、単に冷却水と呼ぶことにする。

主冷却流路８４には、ファン１０２を備えるラジエータ１００と、加熱用のヒータ１０４と、ヒータ１０４に冷却水を適当に分流するための三方弁１０６と、ＦＣ側冷媒である冷却水を循環させるためのＦＣ冷媒ポンプ（ＷＰ１）１０８が配置される。主冷却流路８４を流れる冷却水は、ラジエータ１００と燃料電池スタック２２との間で循環し、温度が上昇した燃料電池スタック２２の熱を冷却水によって運び出し、ラジエータ１００で冷却し、再び燃料電池スタック２２に戻す機能を有する。

主冷却流路８４の燃料電池スタック２２の出口側には、ＦＣ側冷媒の温度である冷却水温度を検出するためのＦＣ冷媒温度検出手段として、ＦＣ冷却水温度計１１２が設けられる。ＦＣ冷却水温度計１１２の検出データは、協調冷却制御部１５０に伝送される。

なお、加湿器５４は、上記のように燃料電池スタック２２のカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置されるが、主冷却流路８４の冷却水は加湿器５４を通らない。すなわち、加湿器５４は、主冷却流路８４の冷却水によっては冷却されない。もっとも、加湿器５４に冷却が必要な場合等において、主冷却流路８４を加湿器５４の中を通過させ、主冷却流路８４の冷却水によって加湿器との間で熱交換を行うものとしてもよい。

ＡＣＰ４８のための分流冷却流路８６は、主冷却流路８４に並列に配置される。そして、主冷却流路８４の冷却水が燃料電池スタック２２からラジエータ１００に向かって戻される排出側流路から冷却水が取り入れられ、主冷却流路８４の冷却水がラジエータ１００から燃料電池スタック２２に向かって流れる供給側流路に分流された冷却水が戻される。分流冷却流路８６は、ＡＣＰ４８のモータ５０側から第２熱交換器１１０に入り、そこで、ＡＣＰ４８から加湿器５４及び燃料電池スタック２２に供給される圧縮酸化ガスが流れる酸化ガス経路６６に対しても熱交換を行い、その後主冷却流路８４に戻される。したがって、第２熱交換器１１０は、酸化ガスの温度を調整する機能を有する。従来、この機能は、インタクーラと呼ばれる独立の冷却系で実行されているが、図２の構成では、この従来のインタクーラの機能を、ラジエータ１００から燃料電池スタック２２に至る冷却系と冷却水を共通化して統合する形態となっている。

ここでＦＣ冷媒ポンプ１０８は、主冷却流路８４の供給側流路に設けられ、分流冷却流路８６の冷却水戻し分流位置の下流側に設けられる。図２に即して述べれば、第２熱交換器１１０は、ラジエータ１００の下流側であってＦＣ冷媒ポンプ１０８の上流側から冷却水が取り入れられる。つまり、ＦＣ冷媒ポンプ１０８の上流側において冷却水が流れるものとして、ラジエータ１００と第２熱交換器１１０があり、ＦＣ冷媒ポンプ１０８の下流側において冷却水が流れるものとして燃料電池スタック２２がある。

したがって、この構成で、仮に空調のための分流冷却流路９０を分離するものとすれば、（ラジエータ１００を流れる冷却水量）＋（第２熱交換器１１０を流れる冷却水量）＝冷却水総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷却水量）となるので、燃料電池スタック２２にかなり多くの冷却水量を供給できる。これにより、燃料電池スタック２２の温度が高すぎるときは迅速にその熱をラジエータ１００側に運び出すことができる。また、（ラジエータ１００を流れる冷却水量）と（第２熱交換器１１０を流れる冷却水量）との比率も、これらの流路抵抗の比率等で定めることができ、あるいは、分流比率を制御する制御弁を用いて、これらを流れる冷却水量を定め、ラジエータ１００と、第２熱交換器１１０とを協調的に作動させることができる。

また、分流冷却流路８６が主冷却流路８４と並列に設けられるので、第２熱交換器１１０から排出される冷却水の温度と、燃料電池スタック２２から排出される冷却水の温度との差を少なくすることができる。前者は、加湿器５４の酸化ガス入口側の酸化ガス温度を規定し、後者は、加湿器５４の酸化ガス出口の温度を規定するので、これにより、加湿器５４のガス入口両端の温度差を少なくすることができ、中空糸構造のものを用いる場合でも両端温度差による損傷を抑制することができる。

図２の協調冷却システム本体部８２においては、ＡＣＰ４８のための分流冷却流路８６に加えてさらに、空調のための分流冷却流路９０が設けられている。空調のための分流冷却流路９０には、上記のようにＡＣ循環流路を構成するものであるが、その経路の中に２つの熱交換器と、ＡＣ側冷媒を循環させるＡＣ冷媒ポンプ（ＷＰ２）１２６とを含む。２つの熱交換器の１つは、ヒートコア１２０であり、他の１つはＡＣ熱交換器１２４である。そして、ＡＣ循環流路である分流冷却流路９０は、この２つの熱交換器が配置される流路と、その流路の両端を接続する流路とから構成される。前者をＡＣ熱交換流路９４とよび、後者を接続流路９２と呼ぶことにする。

ＡＣ熱交換流路９４の両端はそれぞれ接続流路９２に接続されるが、その２つの接続点と、ＦＣ循環流路との間は、それぞれ分岐流路８５と、延長流路９１とで接続される。そして、ＡＣ熱交換流路９４と接続流路９２と、ＦＣ循環流路からの分岐流路８５の３つの流路が集まる接続点に、三方弁９６が設けられる。なお、図２の例では、ＡＣ熱交換流路９４と接続流路９２と、ＦＣ循環流路への延長流路９１の３つの流路が集まる接続点には三方弁が設けられていないが、場合によっては、ここにも三方弁を設けることができる。
三方弁９６の作用については後述する。

ヒートコア１２０は、ＡＣ側冷媒である冷却水を流す管路部材で、その外側をブロワ１２２からの送風を流すことで、ＡＣ側冷媒と送風との間で熱交換を行うものである。例えば、ＡＣ側冷媒が暖かいときは、ブロワ１２２からの送風を暖め、これを車室内８に供給することで、車室内の暖房をすることができる。このように、ヒートコア１２０は温水の熱を利用して空調を行うもので、いわば、温水ヒータである。

ＡＣ熱交換器１２４は、空調システム１３０の冷媒ガスとＡＣ側冷媒である冷却水との間で熱交換を行うものである。空調システム１３０は、上記のように、炭酸ガス等の冷媒ガスの圧縮と蒸発のサイクルを行うヒートポンプ式のもので、膨張して低温化した冷媒ガスを用いて室内熱交換器１３８において室内空気との熱交換が行われ冷風が車室内に送り込まれ、一方で圧縮され高温化された冷媒ガスの廃熱が室外熱交換器１３４によって室外に放出される。図２では、空調システム１３０の構成要素として、冷媒ガスの圧縮を行うコンプレッサ（ＣＰ）１３２、室外熱交換器１３４、冷媒ガスを膨張させる膨張弁（ＥＶ）１３６、室内熱交換器１３８、室外熱交換器１３４における廃熱を外気に放出するためのファン１４０が示されている。そして、冷房要求があるとき、冷媒ガスは、コンプレッサ１３２とＡＣ熱交換器１２４と室外熱交換器１３４と膨張弁１３６と室内熱交換器１３８とを結ぶ循環経路の中を循環する。ＡＣ熱交換器１２４の内部には、この空調システム１３０のガス冷媒と、冷却水とが流れるので、ガス冷媒と冷却水との間で熱交換を行うことができる。例えば熱いガス冷媒の熱を冷却水に与え、冷却水を暖めることができる。

空調システム１３０に加えて、ヒートコア１２０とＡＣ熱交換器１２４とを利用する空調は次のように行うことができる。ユーザ等から冷房要求があるときは、コンプレッサ１３２を駆動する。そして圧縮された冷媒ガスを膨張弁１３６で膨張させて低温化し、室内熱交換器１３８においてブロワ１２２からの送風と熱交換し、送風の熱を奪って冷風とし、車室内８に送り込む。ユーザ等から暖房要求があるときは、燃料電池スタック２２によって暖められ主冷却流路８４から分流してきた温水をヒートコア１２０に流し、ブロワ１２２からの送風を暖めて温風とし、車室内に送り込む。このとき、ＡＣ熱交換器１２４でも熱い冷媒ガスと冷却水との間で熱交換が行われ、冷却水が暖められるので、より、効果的に温風とすることができる。ユーザ等からドライ送風の要求があるときは、コンプレッサ１３２の駆動による室内熱交換器１３８における冷風と、ヒートコア１２０からの温風とを断続的に車室内に送込む。このように、燃料電池スタック２２の廃熱、空調システム１３０の廃熱を利用し、電力を用いるヒータを設けることなく、冷房、暖房、ドライ送風を行うことができる。

なお、図２で示すように、ブロワ１２２は、ヒートコア１２０の送風用と、空調システム１３０の室内熱交換器１３８の送風用とを兼ねることができる。ヒートコア１２０の温風と、室内熱交換器１３８の冷風とが干渉することを避けるために、ブロワ１２２の送風の向きを変更する送風方向切換機構１４８を設けることができる。送風方向切換機構１４８は、例えば、ヒートコア１２０のみを経由して車室内に送風する場合、室内熱交換器１３８のみを経由して車室内に送風する場合、ヒートコア１２０と室内熱交換器１３８の双方を経由して車室内に送風する場合、の間で切換を行うものとすることができる。また、ヒートコア１２０を経由せずに送風する場合に、ヒートコア１２０を経由した送風を車室外に放出するようにすることもできる。このような送風方向切換機構１４８は、例えば、送風流路を変更する弁、あるいは送風壁の移動機構等を用いることができる。

図３は、送風方向切換機構１４８の詳細な構成と作用を示す図である。送風方向切換機構１４８は、ヒートコア１２０と室内熱交換器１３８との間に送風壁の移動機構を設け、送風壁を図示されていないアクチュエータによってその位置を変更するものである。必要があれば、室内熱交換器１３８の前にシャッタ機構１３９を設けてもよい。送風方向切換機構１４８の制御は、協調冷却制御部１５０によって行われ、その制御手順の詳細は後述する。

図３（ａ）は、送風方向切換機構１４８が、送風の向きをヒートコア１２０から室内熱交換器１３８の方となるように送風壁の位置を変更する場合である。ここでは、ブロワ１２２からの送風は、ヒートコア１２０と室内熱交換器１３８とを経由して暖められ、車室内８に送られるので、暖房モードと呼ぶことができる。例えば、空調が暖房要求またはドライ送風要求を受けるときは、この暖房モードの送風方向を用いることができる。

図３（ｂ）は、送風方向切換機構１４８が、送風の向きをヒートコア１２０から車室内８の方へ向かうように送風壁の位置を変更する場合である。ここでは、ブロワ１２２からの送風は、ヒートコア１２０を経由して暖められ、車室内８に送られるので、やはり暖房モードの１種であるが、ヒートポンプによる暖房を用いることなく、ヒートコア１２０からの温風のみで十分な暖房ができる場合である。

図３（ｃ）は、送風方向切換機構１４８が、送風の向きをヒートコア１２０から車室外９の方へ向かうように送風壁の位置を変更する場合である。ここでは、ヒートコア１２０が放熱器として用いられ、ヒートコア１２０の熱がブロワ１２２からの送風によって奪われて、車室外９に放出されるので、放熱モードと呼ぶことができる。例えば、車室内８は暖房を必要としないとき等で、ヒートコア１２０から冷却水の熱を放熱したい場合に、この放熱モードの送風方向を用いることができる。

再び図２に戻り、空調システム１３０の室外熱交換器１３４のためのファン１４０は、ＦＣ循環流路のためのラジエータ１００に用いられるファン１０２と兼用するものとすることができる。あるいは、ファン１４０とファン１０２とを同じ領域に並べ、共にラジエータ１００と室外熱交換器１３４とを送風するものとすることができる。この配置をとるときは、燃料電池スタック２２の運転状況、空調システム１３０の運転状況に応じて、送風量を加減することができる。例えば、ファン１０２、ファン１４０を共に駆動して、送風量を最大にし、またはいずれか一方を駆動して送風量を少なくして燃費を向上させ、また、車両が走行中で、走行風を利用することができる場合に、いずれのファンも駆動を停止するものとすることができる。

三方弁９６は、協調冷却制御部１５０の制御の下で、その接続の仕方が変更される制御弁である。上記のように、三方弁９６は、ＡＣ熱交換流路９４の一方端と、接続流路９２の一方端と、主冷却流路８４から分岐した分岐流路８５と、３つの流路が集まる合流点に設けられる。三方弁９６の接続の制御は、燃料電池スタック２２の運転状況、空調システム１３０の運転状況等に基づき、次の２つの状態を切り換えることで行われる。

１つは、ＦＣ循環流路の主冷却流路８４と、ＡＣ循環流路である分流冷却流路９０とを遮断する遮断状態である。もう１つは、ＡＣ循環流路の接続流路９２を開放し、ＡＣ熱交換流路９４をＦＣ循環流路に並列に連結してＦＣ側冷媒とＡＣ側冷媒とを共通化する連結状態である。具体的には、三方弁９６の流れる向きを、接続流路９２とＡＣ熱交換流路９４とを接続し、分岐流路８５とは接続しないようにするときが遮断状態である。また、ＡＣ熱交換流路９４と分岐流路８５とを接続し、接続流路９２を接続しないようにするときが連結状態である。

図３に遮断状態、図４に連結状態の様子を示す。遮断状態においては、燃料電池スタック２２側の冷却水が循環するＦＣ循環流路と、空調側の冷却水が循環するＡＣ循環流路との間が完全に遮断され、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路とが完全に分離される。ＦＣ循環流路には、燃料電池スタック２２とラジエータ１００との間をＦＣ冷媒ポンプ１０８によって、ＦＣ側冷媒である冷却水が循環する。そして、ＡＣＰ４８のための分流冷却流路８６が、主冷却流路８４に並列に設けられる。ＡＣ循環流路は、三方弁９６によって接続流路９２とＡＣ熱交換流路９４とが接続され、ヒートコア１２０とＡＣ熱交換器１２４とを通って、ＡＣ側冷媒である冷却水がＡＣ冷媒ポンプ１２６によって循環する。

図４に示されるように、連結状態においては、ＦＣ循環流路にＡＣ循環流路が並列に連結される。すなわち、ＦＣ循環流路の主冷却流路８４において、ラジエータ１００の上流側であって、燃料電池スタック２２の下流側、ＦＣ冷却水温度計１１２の下流側のところから分岐流路８５が分岐し、三方弁９６によって、ＡＣ熱交換流路９４の一端側と分岐流路８５とが接続され、接続流路９２が分離される。ＡＣ熱交換流路９４の他端側は、延びて、ＦＣ循環流路の主冷却流路８４に接続する延長流路９１となる。延長流路９１は、ＦＣ循環流路の主冷却流路８４において、ラジエータ１００の下流側、ＦＣ冷媒ポンプ１０８の下流側であって、燃料電池スタック２２の上流側に接続される。したがって、連結状態においては、ＦＣ循環流路から取り入れられた冷却水が、分岐流路８５、ＡＣ熱交換流路９４、延長流路９１を通って、ＡＣ冷媒ポンプ１２６、ヒートコア１２０、ＡＣ熱交換器１２４を流れながら、再びＦＣ循環流路に戻される。

この連結状態における構成では、（ラジエータ１００を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１１０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）＋（ヒートコア１２０、ＡＣ熱交換器１２４を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタック２２に適当な冷媒量を供給しながら、空調のために冷媒を供給できる。

すなわち、この構成により、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１００によって適当な温度に維持されて循環している冷媒である冷却水を空調のために供給できる。なお、燃料電池スタック２２が十分暖まっていないときには、三方弁９６を遮断状態にすることで、冷たい冷媒を空調側のＡＣ循環流路に送り込まないようにできる。

このように、燃料電池スタック２２のためのＦＣ循環流路と、車室空調のためのＡＣ循環流路とについて冷媒を共通化し、燃料電池スタック２２の温度と車室内温度とに応じて三方弁９６の開閉を制御することで、燃料電池スタック２２の冷却系と、車室空調系とを、協調的制御の下で統合することができる。

再び図２に戻り、協調冷却制御部１５０は、協調冷却システム本体部８２の上記の各要素をシステム全体として制御するものである。かかる協調冷却制御部１５０はコンピュータで構成でき、上記のように、図１で説明した制御部７０の機能と共に、燃料電池ＣＰＵのような１つのコンピュータとして構成できる。

協調冷却制御部１５０は、燃料電池スタック２２の運転状況及び空調システム１３０の運転状況に応じて、燃料電池側の冷却水の循環と空調側の冷却水の循環とを、協調的に制御する機能を有する。特にここでは、協調冷却制御部１５０は、燃料電池スタック２２の運転状況、空調システム１３０の運転状況に応じて、制御弁である三方弁９６について、遮断状態と連結状態との間の切換制御を実行する遮断・連結切換モジュール１５２と、燃料電池スタック２２の冷却水温度に基づいて、送風方向切換機構１４８の送風方向を切り換える送風方向切換モジュール１５４とを含んで構成される。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池と空調の協調冷却プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。

上記構成の燃料電池と空調の協調冷却システム８０の作用に付き、特に、送風方向切換モジュール１５４の機能について、図６を用いて説明する。なお、以下では、図１から図５における符号を用いて説明する。図６は、燃料電池と空調の協調冷却において、送風方向切換の手順を示すフローチャートである。これらの手順は、燃料電池と空調の協調冷却プログラムの各処理手順に対応する。

送風方向切換機構１４８は、上記のように、暖房モードと放熱モードの送風方向を有する。制御弁である三方弁９６が遮断状態にあるときは、空調系の状況、すなわち冷房、暖房、ドライ送風の要求内容に応じて、２つの暖房モードと放熱モードの３つの送風方向の間で適切な空調となるように切換を実行することができる。

三方弁９６が遮断状態にあるときは、ＦＣ冷媒ポンプ１０８によって燃料電池スタック２２とラジエータ１００との間でＦＣ冷媒であるＦＣ冷却水が循環され、燃料電池スタック２２の温度が適切に維持される。しかし、ラジエータ１００の放熱能力には限界があるので、その放熱能力を超えると、ＦＣ冷却水の温度が燃料電池スタック２２の運転に適した温度を外れることが生じ得る。

そこで、図６に示されるように、ＦＣ冷却水温度計１１２によって検出されるＦＣ冷却水温度θ_FCが予め定めた閾値水温θ_Hを超えるか否かが判断される（Ｓ１０）。閾値水温θ_Hは、ラジエータ１００の放熱能力、ＦＣ冷媒ポンプ１０８の吐出能力等により、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路とを連結してヒートコア１２０の放熱能力を用いるほうがよい、とされる温度に設定される。たとえば、θ_FC＝７５℃程度とすることができる。

Ｓ１０において判断が肯定されるとＳ１２に進み、制御弁である三方弁９６が連結状態とされる（Ｓ１２）。これにより、高温のＦＣ冷却水が分岐流路８５を経由してＡＣ循環流路に分流される。この機能は、協調冷却制御部１５０の遮断・連結切換モジュール１５２によって実行される。

そして、空調系において冷房要求があるか否かが判断される（Ｓ１４）。冷房要求がある場合は、ヒートコア１２０によって放熱された送風を車室内８に送り込めないので、送風方向切換機構１４８に指令を出し、ブロワ１２２の風向を車室外９へ向けさせる放熱モードの送風方向とする（Ｓ１６）。放熱モードの送風方向は、図３（ｃ）で説明した方向である。これにより、ＦＣ循環流路から分流されてきた高温の冷却水の熱がヒートコア１２０においてブロワ１２２の送風によって奪われ、放熱して温度が低下する。温度が低下した冷却水は、延長流路９１を経由して再びＦＣ循環流路に戻され、ＦＣ循環流路を流れる冷却水の温度を全体として下げる働きをする。このようにして、ヒートコア１２０を、燃料電池スタック２２の冷却水に対する放熱器として、既にあるラジエータ１００の働きを補う第２ラジエータとして利用することができる。

Ｓ１４において冷房要求があると判断されない場合は、ヒートコア１２０によって放熱された送風を車室内８に送り込むことができるので、送風方向切換機構１４８に指令を出し、ブロワ１２２の風向を車室内８へ向けさせる暖房モードの送風方向とする（Ｓ１８）。暖房モードの送風方向は、図３（ａ），（ｂ）で説明した方向である。これにより、ＦＣ循環流路から分流されてきた高温の冷却水の熱がヒートコア１２０においてブロワ１２２の送風との間で熱交換され、暖められた風が車室内８に送込まれる。これとともに、ＦＣ循環流路から分流されてきた高温の冷却水の熱がヒートコア１２０において奪われ、放熱して温度が低下する。温度が低下した冷却水は、延長流路９１を経由して再びＦＣ循環流路に戻され、ＦＣ循環流路を流れる冷却水の温度を全体として下げる働きをする。この場合でも、ヒートコア１２０は、燃料電池スタック２２の冷却水に対する放熱器として働く。

このように、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させることで、燃料電池側冷媒の温度を適切な範囲に低下させることができる。また、その際、ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、車室内と車室外とに切り換えることで、空調系の要求と、冷却水の放熱とを両立させることができる。

本発明に係る実施の形態における燃料電池と空調の協調冷却システムが適用される燃料電池運転システムの構成図である。本発明に係る実施の形態において、燃料電池と空調の協調冷却システムの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、送風方向切換機能の構成と作用を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、三方弁が遮断状態のときの協調冷却システム本体部の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、三方弁が連結状態のときの協調冷却システム本体部の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、送風方向切換による燃料電池と空調の協調冷却の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

８車室内、９車室外、１０燃料電池運転システム、２０運転システム本体部、２２燃料電池スタック、２４水素ガス源、２６レギュレータ、２８圧力計、３０循環昇圧器、３２分流器、３４排気バルブ、４０酸化ガス源、４２フィルタ、４４流量計、４６酸化ガス温度計、４８ＡＣＰ、５０モータ、５２ＡＣＰ消費電力検出部、５４加湿器、５６圧力計、６０調圧弁、６４希釈器、６６酸化ガス経路、６８ＦＣ発電電力検出部、７０制御部、８０協調冷却システム、８２協調冷却システム本体部、８４主冷却流路、８５分岐流路、８６，９０分流冷却流路、９１延長流路、９２接続流路、９４ＡＣ熱交換流路、９６，１０６三方弁、１００ラジエータ、１０２，１４０ファン、１０４ヒータ、１０６三方弁、１０８ＦＣ冷媒ポンプ、１１０第２熱交換器、１１２ＦＣ冷却水温度計、１２０ヒートコア、１２２ブロワ、１２４ＡＣ熱交換器、１２６ＡＣ冷媒ポンプ、１３０空調システム、１３２コンプレッサ、１３４室外熱交換器、１３６膨張弁、１３８室内熱交換器、１４８送風方向切換機構、１４９シャッタ機構、１５０協調冷却制御部、１５２遮断・連結切換モジュール、１５４送風方向切換モジュール。

Claims

燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を行う協調冷却システムであって、
燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる燃料電池側循環流路と、
冷媒を流して送風との間で熱交換するヒートコアを配置する空調側熱交換流路と、空調側熱交換流路の両端を接続する接続流路とを有する空調側循環流路と、
燃料電池側循環流路と、空調側循環流路との間に設けられる制御弁であって、燃料電池側循環流路と空調側循環流路とを遮断する遮断状態と、空調側循環流路の接続流路を開放して空調側熱交換流路を燃料電池側循環流路に並列に連結して燃料電池側冷媒と空調側冷媒とを共通化する連結状態との間を切り換える制御弁と、
ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、室内と室外とに切り換える送風切換手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池及び空調の協調冷却システム。
請求項１に記載の燃料電池及び空調の協調制御システムにおいて、
制御弁は、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させることを特徴とする燃料電池及び空調の協調冷却システム。
請求項２に記載の燃料電池及び空調の協調制御システムにおいて、
送風切換手段は、送風の方向を室外に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を外気に放熱させることを特徴とする燃料電池及び空調の協調冷却システム。