JP2008130470A - 燃料電池と空調の協調冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と空調の協調冷却システムによって、燃料電池の暖機を早期に行うことである。
【解決手段】燃料電池冷却系と空調冷却系との間に制御弁を設け、冷媒を共通化して協調制御を行う協調冷却システムにおいて、燃料電池スタックのためのＦＣ循環流路と、空調システムのためのＡＣ循環流路との間に設けられ、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路とを遮断する遮断状態と、ＡＣ循環流路を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との間を切り換える三方弁が設けられる。そして、ＦＣ側冷媒の温度θ_FCが制御弁連結温度θ₁を超えるときに制御弁を連結状態（Ｓ１２）とし、θ_FCが制御弁遮断温度θ₂未満のときに制御弁を遮断状態（Ｓ１６）とし、θ_FCがθ₁以下θ₂以上の中間温度範囲のときに、ＦＣ側冷媒温度を上昇させる昇温制御を実行する（Ｓ２０）。
【選択図】図５

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、燃料電池スタックのカソード側に供給される酸化ガスを適当な圧力とするためにエアーコンプレッサ（ＡＣＰ）等のガス圧縮器が用いられる。このＡＣＰも作動に応じて発熱するので、インタクーラと呼ばれる熱交換器で冷却される。さらに、車両には、その車室内の空調のための熱交換器が設けられる。

また、車両の室内の冷暖房のためには、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、ここでは、室内熱交換器によって室内空気との熱交換が行われ、一方で室外熱交換器によって廃熱等が室外に放出される。

このように、車両には目的と対象の相違する様々な熱交換器が設けられているので、これらの相互利用は検討に値する。

例えば、特許文献１には、燃料電池の冷却水を用いた車両用暖房装置において、この暖められた冷却水を利用するヒートコアと、燃焼式ヒータとを用い、冷却水温度によって、三方弁等を制御して冷却水ルートを変更することが開示されている。ここでは、冷却水温度が低いときは三方弁を閉じて、燃料電池の冷却水ルートと、燃焼式ヒータを含む冷却水ルートとを遮断し、それぞれを独立とする。一方、冷却水温度が高くなると、三方弁を開いて、燃料電池の冷却水の一部をヒートコアに供給し、これを車室内の暖房に利用する。

特開２００２−１２７７３４号公報

上記のように、燃料電池によって暖められた冷却水の熱をヒートコアによって車室内の暖房に利用する場合、冷却水温度によって、三方弁の開閉を行い、冷却水ルートを変更することが行われる。このように、冷却水温度によって三方弁を開閉するものとすると、冷却水温度が低いときに空調系を独立させることになり、燃料電池系のみで冷却水の温度上昇を図らねばならず、燃料電池の暖機に時間がかかる。

本発明の目的は、燃料電池の暖機を早期に行うことができ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と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、燃料電池本体であるＦＣスタックとＦＣラジエータとの間をＦＣ冷媒ポンプによってＦＣ側冷媒を循環させるＦＣ循環流路と、空調用ヒートポンプであるＡＣヒートポンプとＡＣ側冷媒との間で熱交換を行うＡＣ熱交換器と、ＡＣ熱交換器を配置するＡＣ熱交換流路と、熱交換流路の両端を接続する接続流路と、ＡＣ冷媒ポンプとを有し、ＡＣ側冷媒を循環させるＡＣ循環流路と、ＦＣ循環流路と、ＡＣ循環流路との間に設けられる制御弁であって、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路とを遮断する遮断状態と、ＡＣ循環流路の接続流路を開放してＡＣ熱交換流路を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との間を切り換える制御弁と、ＦＣ側冷媒の温度が、任意に設定される制御弁連結温度を超えるときに制御弁を連結状態とし、ＦＣ側冷媒の温度が、任意に設定される制御弁遮断温度未満のときに制御弁を遮断状態とし、ＦＣ側冷媒の温度が制御弁遮断温度以上で制御弁連結温度以下の中間温度範囲のときに、ＦＣ側冷媒温度を上昇させる昇温制御を実行する制御部と、を備えることを特徴とする。

また、制御部は、中間温度範囲のときに、空調要求の有無に関わらず、ヒートポンプの駆動を実行させることが好ましい。

また、制御部は、空調要求があるときには、ヒートポンプの出力を空調要求よりも増大させる駆動を実行させることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、ＡＣ循環流路は、ＡＣ熱交換流路に配置され、ＡＣ側冷媒を流してブロワによる送風との間で熱交換を行うヒートコアを有し、制御部は、中間温度範囲のときに、空調が暖房時である場合には、暖気を送風するブロワの送風量を任意に定める所定風量に低下させ、暖房用に持ち出される熱量を抑制することが好ましい。

また、制御部は、中間温度範囲のときに、補機の損失を大きくして発熱を増大させることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、制御部は、ヒートポンプの室外熱交換器への送風のためのファンの送風量を任意に定める所定風量に低下させ、ヒートポンプの効率を低下させて発熱を増大させることが好ましい。

本発明に係る燃料電池と空調の協調冷却システムによれば、ＦＣ側冷媒の温度が、任意に設定される制御弁連結温度を超えるときに制御弁を連結状態とし、ＦＣ側冷媒の温度が、任意に設定される制御弁遮断温度未満のときに制御弁を遮断状態とするが、さらに、ＦＣ側冷媒の温度が制御弁遮断温度以上で制御弁連結温度以下の中間温度範囲のときに、ＦＣ側冷媒温度を上昇させる昇温制御を実行する。したがって、燃料電池の暖機を早期に行うことができる。

ここで、ＦＣ側冷媒温度を上昇させる昇温制御としては、ヒートポンプの駆動、ブロワの送風量、補機の損失、送風ファンの送風量の制御が行われる。このように、燃料電池の冷却系の制御のみならず、空調系を構成する要素の制御も行うことで、燃料電池の暖機を早期に行うことができる。

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。

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（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）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、Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ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、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ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（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）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り込む。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からの送風の向きを変更する機構を設けることができる。送風の向きの変更機構は、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。このような送風の向きの変更機構は、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。

また、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とに対して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、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、ＦＣ側冷媒の温度を上昇させる昇温制御モジュール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、協調冷却制御部１５０の機能について、図５を用いて説明する。なお、以下では、図１から図４における符号を用いて説明する。図５は、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。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。

燃料電池と空調の協調冷却の制御の手順の初期状態は、三方弁９６が連結状態である。その初期状態において、まず燃料電池スタック２２の冷媒温度である冷却水温度θ_FCを取得し、予め定めておいた制御弁連結温度θ₁を超えるか否かを判断する（Ｓ１０）。この機能は、協調冷却制御部１５０の昇温制御モジュール１５４によって実行される。具体的には、ＦＣ冷却水温度計１１２によって検出された冷却水温度のデータを取得し、そのデータと、制御弁連結温度θ₁と比較する。制御弁連結温度θ₁は、燃料電池スタック２２が十分運転され、その電池化学反応による熱が冷却水を十分暖め、これをヒートコア１２０に供給すれば、車室内８を暖房できる程度の温度として設定される。例えば、θ₁＝６５℃とすることができる。

Ｓ１０において、判断が肯定のときは、制御弁である三方弁９６が連結状態のままとされる（Ｓ１２）。連結状態の維持によって、燃料電池スタック２２によって暖められた冷却水をＡＣ循環流路に分流し、ヒートコア１２０を通し、ブロワ１２２からの送風を暖め、車室内８に送り込んで暖房を行うことができる。この状態が、燃料電池と空調の協調冷却の通常の状態であり、この状態であれば、協調冷却の手順はそのまま終了する。

Ｓ１０において、判断が否定のときは、次に、取得された冷却水温度θ_FCが制御弁遮断温度θ₂未満であるか否かが判断される（Ｓ１４）。制御弁遮断温度θ₂は、予め設定される値で、制御弁連結温度θ₁よりも適当に低い温度である。制御弁遮断温度θ₂は、これ未満の低温であれば、三方弁９６を開くと、冷たい冷却水がＡＣ循環流路に入り込み、十分な空調ができず、また、燃料電池スタック２２が運転して冷却水を少し暖めてもその熱が空調側に回されてしまい、燃料電池スタック２２の温度が中々上がらず、暖機に時間がかかると判断される温度に設定される。例えば、θ₂＝６０℃とすることができる。もっとも、θ₁、θ₂の上記の値は、一例であって、燃料電池スタック２２、空調システム１３０の具体的構成に応じて、これらと異なる値とすることができる。

Ｓ１４において、判断が肯定のときは、制御弁である三方弁９６は遮断状態に切り換えられる（Ｓ１６）。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。遮断状態に切り換えられた後は、Ｓ１４に戻る。外気温度が上昇し、あるいは燃料電池スタック２２の運転が進んで、冷却水温度θ_FCがθ₁以上となると、Ｓ１４の判断が否定され、次に、連結状態にあるか否かが判断され、連結状態にないときは連結状態とされる（Ｓ１８）。換言すれば、冷却水温度θ_FCがθ₂以上であれば、三方弁９６は連結状態である。

次に、昇温制御が実行される（Ｓ２０）。昇温制御は、冷却水温度θ_FCがθ₂以上θ₁以下の中間温度のときに、協調冷却制御部１５０の昇温制御モジュール１５４によって実行される機能で、目的は、冷却水温度θ_FCを速やかに、制御弁連結温度θ₁を超えるようにし、燃料電池スタック２２の早期暖機を実現し、その廃熱を空調用に利用し、効率的な燃料電池システムの運転状態とすることである。したがって、昇温制御のあとは、Ｓ１０に戻り、冷却水温度θ_FCが制御弁連結温度θ₁を超えるか否かが判断され、肯定されるまで、Ｓ１４，Ｓ１６の工程が繰り返される。肯定されれば、三方弁９６が連結状態のままとされて、一連の処理手順が終了する。

昇温制御は、具体的には、空調要求の有無に関らず、ヒートポンプの駆動を実行することで行われる。ここでヒートポンプの駆動の実行とは、空調システム１３０の駆動であるので、具体的には、コンプレッサ１３２を駆動することである。昇温制御のときは、Ｓ１８の工程によって、三方弁９６は連結状態にあるので、このコンプレッサ１３２の駆動によって圧縮され高温化した冷媒ガスの熱が、ＡＣ熱交換器１２４によって冷却水に与えられ、冷却水が暖められる。暖められた冷却水は、延長流路９１を経て、主冷却流路８４に戻され、燃料電池スタック２２を暖める。このようにして、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路とを連結することで、空調システム１３０のコンプレッサ１３２を駆動して、燃料電池スタック２２の早期暖機を行うことができる。

上記では、空調要求の有無に関らず、コンプレッサ１３２の駆動を行って、ＦＣ側冷媒の昇温制御を行うものとして説明したが、空調要求が既になされているときは、ヒートポンプの出力を空調要求よりも増大させる処理を行う。具体的には、コンプレッサ１３２の駆動を最大出力とする。これにより、ＡＣ熱交換器１２４によって、より迅速に冷却水が暖められる。

昇温制御は、空調が暖房時である場合に、ブロワ１２２の風量制御を行うことでも実行することができる。具体的には、空調要求を満たす風量よりも少ない所定風量に落とす制御を行う。ブロワ１２２の風量を落とすことで、ヒートコア１２０においてブロワ１２２からの送風によって持ち去られる熱量を少なくすることができ、ＡＣ循環流路を流れる冷却水の温度をあまり下げないようにできる。これによって、空調が暖房時であっても、ＦＣ側冷媒の温度を上昇させることができる。所定風量は、予め定めておくことができる。

昇温制御は、空調システム１３０を含む燃料電池運転システム１０を構成する補機の損失を増大させる制御を行うことでも実行することができる。具体的には、ＦＣ冷媒ポンプ１０８、ＡＣ冷媒ポンプ１２６の駆動を、最大効率の駆動状態からずらして、その損失によって発熱させる。これにより発生した熱によって、ＦＣ冷媒ポンプ１０８、ＡＣ冷媒ポンプ１２６を通過する冷却水を暖めることができる。あるいは、図１で説明したＡＣＰ４８の駆動を制御して、酸化ガスの圧力を高める等で、ＡＣＰ４８を発熱させる。これにより発生した熱によって、分流冷却流路８６を流れる冷却水の温度が上昇し、ＦＣ側冷媒の温度を上昇させることができる。酸化ガスの圧力を高めることは、調圧弁６０の制御によっても可能である。

昇温制御は、空調システム１３０の室外熱交換器１３４の送風用のファン１４０の送風量を低下させる制御を実行することでも行うことができる。空調システム１３０の室外熱交換器１３４の送風用のファン１４０の送風量を、空調要求を満たす風量よりも少ない所定風量に低下させると、室外熱交換器１３４の熱交換効率が低下し、空調システム１３０のガス冷媒の温度が上昇して、ガス冷媒の圧力が上がる。したがって、コンプレッサ１３２の必要動力が増大し、コンプレッサ１３２が発熱する。これらによって、温度上昇したガス冷媒の熱が、ＡＣ熱交換器１２４によって冷却水に与えられ、ＡＣ側冷媒の温度を上昇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、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、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、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、４８ ＡＣＰ、５０ モータ、５２ ＡＣＰ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、６８ ＦＣ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、９４ ＡＣ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、１０８ ＦＣ冷媒ポンプ、１１０ 第２熱交換器、１１２ ＦＣ冷却水温度計、１２０ ヒートコア、１２２ ブロワ、１２４ ＡＣ熱交換器、１２６ ＡＣ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、１５０ 協調冷却制御部、１５２ 遮断・連結切換モジュール、１５４ 昇温制御モジュール。

Claims (6)

1. 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、
   燃料電池本体であるＦＣスタックとＦＣラジエータとの間をＦＣ冷媒ポンプによってＦＣ側冷媒を循環させるＦＣ循環流路と、
   空調用ヒートポンプであるＡＣヒートポンプとＡＣ側冷媒との間で熱交換を行うＡＣ熱交換器と、ＡＣ熱交換器を配置するＡＣ熱交換流路と、熱交換流路の両端を接続する接続流路と、ＡＣ冷媒ポンプとを有し、ＡＣ側冷媒を循環させるＡＣ循環流路と、
   ＦＣ循環流路と、ＡＣ循環流路との間に設けられる制御弁であって、ＦＣ循環流路とＡＣ循環流路とを遮断する遮断状態と、ＡＣ循環流路の接続流路を開放してＡＣ熱交換流路を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との間を切り換える制御弁と、
   ＦＣ側冷媒の温度が、任意に設定される制御弁連結温度を超えるときに制御弁を連結状態とし、
   ＦＣ側冷媒の温度が、任意に設定される制御弁遮断温度未満のときに制御弁を遮断状態とし、
   ＦＣ側冷媒の温度が制御弁遮断温度以上で制御弁連結温度以下の中間温度範囲のときに、ＦＣ側冷媒温度を上昇させる昇温制御を実行する制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池と空調の協調冷却システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、
   制御部は、中間温度範囲のときに、空調要求の有無に関わらず、ヒートポンプの駆動を実行させることを特徴とする燃料電池と空調の協調冷却システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、
   制御部は、空調要求があるときには、ヒートポンプの出力を空調要求よりも増大させる駆動を実行させることを特徴とする燃料電池と空調の協調冷却システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、
   ＡＣ循環流路は、ＡＣ熱交換流路に配置され、ＡＣ側冷媒を流してブロワによる送風との間で熱交換を行うヒートコアを有し、
   制御部は、中間温度範囲のときに、空調が暖房時である場合には、暖気を送風するブロワの送風量を任意に定める所定風量に低下させ、暖房用に持ち出される熱量を抑制することを特徴とする燃料電池と空調の協調冷却システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、
   制御部は、中間温度範囲のときに、補機の損失を大きくして発熱を増大させることを特徴とする燃料電池と空調の協調冷却システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池と空調の協調冷却システムにおいて、
   制御部は、ヒートポンプの室外熱交換器への送風のためのファンの送風量を任意に定める所定風量に低下させ、ヒートポンプの効率を低下させて発熱を増大させることを特徴とする燃料電池と空調の協調冷却システム。

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