JP2008173992A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式の空調用熱交換器を暖房時に使用する場合に、着雪等による空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの熱交換効率の低下を防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】車両の空調用熱交換器４と、燃料電池用ラジエータ５とを車両フロント室１４内に直列に配置し、電動ファン６により車両フロント室１４内に空気を流通させる燃料電池システム１において、車両フロント室１４内を流通する空気の流路１９，２０を制御し、車両フロント室１４内のＰＣＵ１８等の熱源から発生する排熱の空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５への供給量を可変とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両の空調用熱交換器と、燃料電池用ラジエータとを車両フロント室内に直列に配置し、電動ファンにより車両フロント室内に空気を流通させる燃料電池システムに関する。

例えば、燃料電池車、電気自動車等の燃料電池を動力源とした車両は、ヒートポンプの原理を用いて室内の冷房及び暖房といった空調を行うのが一般的である。図８に、このヒートポンプの原理による車内空調システムの概略構成を示す。燃料電池システム１のヒートポンプ空調システム２は、車両の車両フロント室１４内に設けられた空調用熱交換器４と、室内に設けられたエバポレータ７と、圧縮機８と、減圧弁９とが室内空調配管１０により接続され、この室内空調配管１０内を冷媒が循環して熱交換を行うシステムである。ここで、車両フロント室１４とは、車両客室の前方の車体内の空間をいう。冷房時には、エバポレータ７において冷媒を蒸発させて室内送風ファン１３により送風される室内空気から吸熱し、車両の車両フロント室１４側の空調用熱交換器４において冷媒を凝縮させて室外の電動ファン６より送風される外気に放熱する。暖房時には、室内空調配管１０内の冷媒が逆方向に循環し、車両の車両フロント室１４側で冷媒を蒸発させて室外の電動ファン６により送風される外気から吸熱し、冷媒を凝縮させて室内送風ファン１３より送風される室内空気に放熱する。

このヒートポンプ空調システム２では、冷房時には、車外から外気を取り込み、それよりも高い温度の空気を車外に放出して車内の温度を下げるシステムである。一方、暖房時には、車外から外気を取り込み、それよりも低い温度の空気を車外に放出して車内の温度を上げるシステムである。

また、図８に燃料電池冷却システムの概略構成を示す。燃料電池冷却システム３は、燃料電池スタック１１、モータ（図示せず）、インバータ（図示せず）等の機器に発生した排熱を燃料電池用ラジエータ５により冷却するシステムである。このヒートポンプ空調システム２の空調用熱交換器４と、燃料電池冷却システム３とは、車両の車両フロント室１４内に直列に配置され、電動ファン６により外気を引き込み冷却するのが一般的である。また、空調用熱交換器４と、燃料電池用ラジエータ５と、電動ファン６とは、図８のような位置関係に配置されるのが一般的である。

上述のように、ヒートポンプ空調システム２は、本来冷房時及び暖房時のいずれにも適応可能なシステムである。しかし、車両に搭載されたヒートポンプ空調システム２の場合は、冷房時に最適化されるように構成されているのが一般的である。例えば、空調用熱交換器４は、車外の空気を積極的に取込むことが可能なように車両の車両フロント室１４においてその車両の進行方向の最前面に設置される。また、電動ファン６は、車外から車両フロント室１４へ外気を取込む、いわゆる引き込みタイプとなっている。これは、空調用熱交換器４及び燃料電池用のラジエータ５の熱交換を効率化させるため、電動ファン６の羽根の形状が外気の引き込み風量を上げるように設計されていることによる。従って、この電動ファン６を逆回転させて空気の押し込みに用いると風量が低下する。

また、空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５の周囲には、閉鎖板が設置されている。これは、車両フロント室１４内の熱源から発生した排熱が空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５の給気側に回り込むのを防止するためである。この閉鎖板により、冷房時には、空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５の風上側に車両フロント室１４内の熱源から発生した排熱が回り込まず、より低い温度の空気が空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５に供給され、冷房効率の低下が防止される。

一方、特許文献１には、車両床面に対して垂直に燃料電池ラジエータ及び補機ラジエータが配置され、車両床面に対して平行に冷房用冷媒放熱器が配置され、放熱器を通過する風を干渉させずに燃料電池用冷媒放熱器及び冷房用冷媒放熱器の放熱効率を高めるシステムが開示されている。また、特許文献２には、冷房を機能させながら冷房用冷媒の冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減する冷却装置が開示されている。

特開２００６−７６３８０号公報 特開２００６−２５８８号公報

車両に搭載されたヒートポンプ空調システムの空調用熱交換器は、外気を取り込みそれよりも高い温度の空気を車外に放出する冷房システムを基準としている。このヒートポンプ空調システムを暖房時に適用すると、ヒートポンプ式の原理上、空調用熱交換器は、外気を取込みそれよりも低い温度の空気を車外に放出する。そのため、外気温が氷点下の場合には、空調用熱交換器は常に氷点下以下となり、空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータに付着した雪や氷は溶けることなく堆積する。

また、空調用熱交換器は、冷房システムに最適化させるように、車両最前面に設置される。これによりラジエータグリルからラム圧を受けつつ雪や氷を取込むため、空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータに付着した雪や氷は溶けることなく堆積する。

空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータに雪や氷が堆積すると目詰まりが生じて熱交換効率が低下する。また、車両にはこの雪や氷を取り除く機能が設けられているが、その機能が作動している間は車内の暖房機能が停止するため、室内の快適性が一時的に損なわれる。また、熱交換のために電動ファンが作動すると電動ファンの騒音が発生する。

また、空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータの背後の車両フロント室内には外気よりも低い温度の空気が送風されるため、燃料電池のような水を扱うシステムにおいては、機器の凍結等により燃料電池用ラジエータの暖機効率が低下する。

本願の目的は、かかる課題を解決し、ヒートポンプ式の空調用熱交換器を暖房時に使用する場合に、着雪等による空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの熱交換効率の低下を防止する燃料電池システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、車両の空調用熱交換器と、燃料電池用ラジエータとを車両フロント室内に直列に配置し、電動ファンにより車両フロント室内に空気を流通させる燃料電池システムにおいて、車両フロント室内を流通する空気の流路を制御し、車両フロント室内の熱源から排出される排熱の空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータへの供給量を可変とすることを特徴とする。

また、燃料電池システムは、空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータの周囲に設置され、車両フロント室内の熱源からの排熱が空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの給気側に回り込むのを防止する閉鎖板を開閉可能な可動式とし、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの給気側に循環させることが好ましい。

また、燃料電池システムは、車外の空気を引き込む電動ファンを逆回転させ、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータに送風することが好ましい。

また、燃料電池システムは、複数の電動ファンが直列に配置され、少なくとも２つの電動ファンはファンの回転方向が異なることが好ましい。

また、燃料電池システムは、複数の電動ファンが並列に配置され、少なくとも２つの電動ファンは回転方向が異なり、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を車両フロント室内で循環させることが好ましい。

また、燃料電池システムは、ラジエータグリルの開度を調節し、車両フロント室内の熱源から発生する排熱の空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータへの供給量を調節することが好ましい。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、車両の空調用熱交換器と、燃料電池用ラジエータとを車両フロント室内に直列に配置し、電動ファンにより車両フロント室内の空気を流通させる燃料電池システムにおいて、燃料電池の低効率発電による排熱を、燃料電池用ラジエータから放熱することを特徴とする。

上記構成により、燃料電池システムは、車両フロント室内を流通する空気の流路を制御し、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を車両の空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータへ供給する。これにより、暖房時の空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの熱交換効率を向上させることが可能となる。

また、燃料電池システムは、冷房時に車両の燃料電池用ラジエータ及び空調用熱交換器の熱交換効率を上げるために構成された閉鎖板及び電動ファンを、暖房時にもその熱交換効率を上げるように改良することで、冷房時及び暖房時共に高い熱交換効率とすることが可能となる。

さらに、燃料電池システムは、燃料電池の急速暖機に用いる低効率発電により発生した排熱を、燃料電池用ラジエータを通じて放熱し、その熱源により空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータに付着した雪や氷を溶かす。これにより、暖房時において着雪による空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータの効率低下を解消することが可能となる。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムによれば、ヒートポンプ式の空調用熱交換器を暖房時に使用する場合に、着雪等による空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの熱交換効率の低下を防止することが可能となる。

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。

図１に、本発明に係る燃料電池システムの一つの実施形態の概略の平面構成を示す。図１中に説明用として前後左右の方向を示す。また、図２にその概略の側面構成を示す。図２中に説明用として前後上下の方向を示す。さらに、図３に図１のＡ−Ａ断面図を示す。図３中に説明用として上下左右の方向を示す。本実施形態では、燃料電池システム１は、車両の車両フロント室１４内に、空調用熱交換器４、燃料電池用ラジエータ５、及び電動ファン６が直列に配置され、燃料電池用ラジエータ５の両端部の支柱１７との間隙には閉鎖板１６が取り付いている。車両の車両フロント室１４内の電動ファン６の後方には、図２に示すように、ＰＣＵ１８，燃料電池スタック１１等の熱源がおよそ上下方向に並んで設置されている。また、車両の前方のフロントバンパ２１の上下には開閉可能なラジエータグリル１５が設けられている。ここで、車両フロント室１４とは、車両客室の前方の車体内の空間をいう。

従来、この閉鎖板１６は、冷房時に車両フロント室１４内の熱源であるＰＣＵ１８、燃料電池スタック１１等からの排熱が空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５の前方に回り込むのを防止するために設けられていた。本実施形態では、この閉鎖板１６を開閉可能な可動式とする。すなわち、図１の右側の閉鎖板１６に示すように冷房時には閉の状態となる。これにより、ラジエータグリル１５から引き込まれた外気は、ＰＣＵ１８，燃料電池スタック１１等の熱源により熱風となっても閉鎖板１６により遮断され、空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５の前方には回り込まない。

一方、図１の左側の閉鎖板１６に示すように暖房時には開の状態となる。これにより、ラジエータグリル１５から引き込まれた外気は、ＰＣＵ１８，燃料電池スタック１１等の熱源により熱風となるが、閉鎖板１６により遮断されずに、空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５の前方に回り込み、排熱を暖房時の熱源として回収することができる。また、空調用熱交換器４又は燃料電池用ラジエータ５に雪や氷が堆積していても、それらを溶解し低下している熱交換効率を回復することが可能となる。さらには、ラジエータグリルを閉とすることで車両フロント室１４内に循環する排熱を効率的に回収できる。

図３（ａ）に示すように、燃料電池用ラジエータ５は、上下のサポート２２及び支柱１７から構成されるフレーム２７により取り囲まれて設置される。そして、開閉板１６は、燃料電池用ラジエータ５の左右の支柱１７との間隙に取付けられる。本実施形態では、開閉板１６は、燃料電池用ラジエータ５に対してヒンジ２８により取付けられて開閉される機構とするが、支柱１７にヒンジ２８が取付けられる機構として開閉されても良い。また、図３（ａ）の開閉板１６は、図３（ｂ）に示すように、上下のサポート２２間に取付けられた回転軸２９回りに回転する機構により開閉しても良い。また、開閉板１６は、空調用熱交換器４に取付けられても良い。

図４に他の実施形態を示す。本実施形態では、暖房時、若しくは空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５に雪や氷が堆積した場合に、電動ファン６を逆回転させて排熱の流路２３を発生させ、ＰＣＵ１８，燃料電池スタック１１等の熱源を空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５に向かって押し込み、ラジエータグリル１５より放出させる。これにより、排熱を暖房時の熱源として回収することができる。また、空調用熱交換器４及び燃料電池用ラジエータ５に雪や氷が堆積していても、それらを溶かして低下している熱交換効率を回復することが可能となる。

このように電動ファン６を逆回転とすることで、通常は引き込みタイプで使用される電動ファン６を押し込み用として使用することが可能である。しかし、一般的に電動ファン６の羽根は引き込みタイプとして使用する場合に風量が出やすいように最適化されている。従って、この羽根を逆回転させて空気の押し込みに用いた場合には風量が低下する。

図５〜図７に、２台の電動ファン６を用いた場合の実施形態を示す。図５は、引き込みタイプ電動ファン６ａ及び押し込みタイプ電動ファン６ｂの軸を一致させ直列に配置した場合である。この実施形態では、冷房時には、より風量の多い引き込みタイプ電動ファン６ａ及びより風量の少ない押し込みタイプ電動ファン６ｂが共に動作し、引き込み流路２４が発生し、暖房時には、より風量の少ない引き込みタイプ電動ファン６ａ及びより風量の多い押し込みタイプ電動ファン６ｂが共に動作し押し込み流路２５が発生する。従って、暖房時においても冷房時とほぼ同様な風量を得ることが可能となり、暖房時の排熱の回収効率が向上する。

図６には、図５の２台の電動ファン６のうちの１台を空調用熱交換器４の前方に設置した場合を示す。この場合にも、冷房時には、より風量の多い引き込みタイプ電動ファン６ａ及びより風量の少ない押し込みタイプ電動ファン６ｂが共に動作し、暖房時には、より風量の少ない引き込みタイプ電動ファン６ａ及びより風量の多い押し込みタイプ電動ファン６ｂが共に動作する。従って、暖房時においても冷房時とほぼ同様な風量を得ることが可能となり、暖房時の排熱の回収効率が向上する。

図７には、２台の電動ファン６ａ，６ｂが左右に並置される場合を示す。この場合には、一方を引き込みタイプ電動ファン６ａとし、他方を押し込みタイプ電動ファン６ｂとする。この暖房時の引き込み流路２６と押し込み流路２５により、車両フロント室１４内に排熱の対流３０が発生する。このとき、ラジエータグリル１５を閉とすることでより強い対流となる。この排熱の対流３０による循環で車両フロント室１４内の排熱の回収効率が向上する。また、空調用熱交換器４又は燃料電池用ラジエータ５に雪や氷が堆積していても、それらを溶かして低下している熱交換効率を回復することが可能となる。

この対流の方向は、電動ファン６ａ，６ｂの回転の方向を双方とも反転させることにより逆方向となる。これにより、風の偏当たりによる排熱のむらを減少させ、排熱の回収効率をより高めることが可能となる。

本発明に係る他の実施形態は、燃料電池の急速暖気に用いる低効率発電を行い、それにより発生した熱を燃料電池冷却システム３から燃料電池用ラジエータ５を介して放熱させることである。空調用熱交換器４又は燃料電池用ラジエータ５に堆積した雪や氷を溶かすために車両フロント室１４の排熱だけでは不十分な場合に、この放熱により熱交換効率を高めることが可能となる。この燃料電池の急速暖気に用いる低効率発電とは、燃料電池の発電において、動力として取り出すエネルギ効率を意図的に低下させ、動力として取り出せないエネルギを排熱として使用し、急速に暖気する方法である。これにより、空調用熱交換器４又は燃料電池用ラジエータ５に雪や氷が堆積していても、それらを溶かして低下している熱交換効率を回復することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの１つの実施形態の概略の平面構成を示す説明図である。 図１の側面の概略構成を示す説明図である。 閉鎖板の立面構成を示す図１のＡ−Ａ断面図である。 燃料電池システムの他の実施形態の概略の平面構成を示す説明図である。 燃料電池システムの他の実施形態の概略の平面構成を示す説明図である。 燃料電池システムの他の実施形態の概略の平面構成を示す説明図である。 燃料電池システムの他の実施形態の概略の平面構成を示す説明図である。 ヒートポンプによる車内空調システム及び燃料電池冷却システムの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ ヒートポンプ空調システム、３ 燃料電池冷却システム、４ 空調用熱交換器、５ 燃料電池用ラジエータ、６ 電動ファン、６ａ 引き込みタイプ電動ファン、６ｂ 押し込みタイプ電動ファン、７ エバポレータ、８ 圧縮機、９ 減圧弁、１０ 室内空調配管、１１ 燃料電池スタック、１２ 燃料電池用冷却配管、１３ 室内送風ファン、１４ 車両フロント室、１５ ラジエータグリル、１６ 閉鎖板、１７ 支柱、１８ ＰＣＵ、１９ 冷房時の空気の流路、２０ 暖房時の空気の流路、２１ フロントバンパ、２２ サポート、２３ 排熱の流路、２４ 冷房時の引き込み流路、２５ 暖房時の押し込み流路、２６ 暖房時の引き込み流路、２７ フレーム、２８ ヒンジ、２９ 回転軸、３０ 排熱の対流。

Claims (7)

1. 車両の空調用熱交換器と、燃料電池用ラジエータとを車両フロント室内に直列に配置し、電動ファンにより車両フロント室内に空気を流通させる燃料電池システムにおいて、
   車両フロント室内を流通する空気の流路を制御し、車両フロント室内の熱源から排出される排熱の空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータへの供給量を可変とすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、空調用熱交換器又は燃料電池用ラジエータの周囲に設置され、車両フロント室内の熱源からの排熱が空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの給気側に回り込むのを防止する閉鎖板を開閉可能な可動式とし、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータの給気側に循環させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、車外の空気を引き込む電動ファンを逆回転させ、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータに送風することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、複数の電動ファンが直列に配置され、少なくとも２つの電動ファンはファンの回転方向が異なることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、複数の電動ファンが並列に配置され、少なくとも２つの電動ファンは回転方向が異なり、車両フロント室内の熱源から発生する排熱を車両フロント室内で循環させることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、ラジエータグリルの開度を調節し、車両フロント室内の熱源から発生する排熱の空調用熱交換器及び燃料電池用ラジエータへの供給量を調節することを特徴とする燃料電池システム。
7. 車両の空調用熱交換器と、燃料電池用ラジエータとを車両フロント室内に直列に配置し、電動ファンにより車両フロント室内の空気を流通させる燃料電池システムにおいて、燃料電池の低効率発電による排熱を、燃料電池用ラジエータから放熱することを特徴とする燃料電池システム。

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