JP2013119272A - 燃料電池車両用空調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】車両燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池車両の通常運転時の暖房を行うことができる燃料電池車両用空調装置を提供する。
【解決手段】燃料電池２の温度を調整する冷却システム５００と、冷却システム５００を介して燃料電池２の排熱の少なくとも一部を回収して燃料電池車両の車室内の暖房に用いるヒータコア６１と、燃料電池車両の暖房用の熱を創出する熱創出手段２とを備え、燃料電池２が暖房用発電量および走行用発電量の和である総発電量（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）を発電するために必要な燃料の消費量を算出し、燃料の消費量が最小となる際の燃料電池２の温度である最適温度Ｔｆｃｃを算出し、燃料電池２の温度が最適温度Ｔｆｃｃとなるように冷却システム５００を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池車両に適用される燃料電池車両用空調装置に関するものである。
従来、燃料電池を走行用駆動源として備える燃料電池車両の空調装置には、燃料電池を冷却した高温の冷却水の熱、すなわち燃料電池の排熱を車室内暖房用のヒータコアに供給することで、暖房効果を向上させているものがある。
このような燃料電池車両用空調装置において、車両の停止状態を検知または予測する運転状態検知手段と、燃料電池温度、および暖房に用いることができる燃料電池システムの蓄熱量の少なくとも一方を検出する熱状態検出手段とを備え、運転中に車両の停止状態を検知または予測した際に、ヒータコアにおいて回収する燃料電池の排熱量を熱状態検出手段の出力に応じて変化させるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
このような特許文献１に記載の従来技術によれば、燃料電池システムの熱状態に応じて暖房に用いる排熱量を変化させるので、燃料電池システムから過度に熱を取り出すのを避けることができる。これにより、燃料電池を効率のよい運転ができる温度に維持することができ、一時停止後に速やかに燃料電池の運転を再開し、車両の動力を取り出すことができる。したがって、簡素な構成で、アイドルストップ時の暖房を行うことが可能となる。
特開２００４−１４６１４４号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術においては、燃料電池自動車の通常運転時に、燃料電池システムに蓄熱された排熱を暖房利用することは想定していない。
また、燃料電池自動車の通常運転時に、余剰した燃料電池の排熱を燃料電池システムに単純に蓄熱すると、燃料電池の温度が上昇し、効率のよい運転ができる温度を超えてしまう。これにより、燃料電池の発電効率が低下して、車両燃費が悪化するという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、車両燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池車両の通常運転時の暖房を行うことができる燃料電池車両用空調装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池（２）を備える燃料電池車両用空調装置において、燃料電池（２）の温度を調整する冷却システム（５００）と、冷却システム（５００）を介して燃料電池（２）の排熱の少なくとも一部を回収して燃料電池車両の車室内の暖房に用いる排熱回収手段（６１）と、燃料電池（２）の蓄熱量（Ｑｆｃ）を算出する蓄熱量算出手段（Ｓ５）と、燃料電池車両の暖房用の熱を創出する熱創出手段（２）と、予め定めた基準時間に要求される暖房を行うのに必要な熱量である要求暖房熱量（Ｑａｃ）を算出する基準時間要求暖房熱量算出手段（Ｓ４）と、要求暖房熱量（Ｑａｃ）および燃料電池（２）の蓄熱量（Ｑｆｃ）に基づいて、熱創出手段（２）による暖房に必要な燃料電池（２）の発電量である暖房用発電量（Ｐｅｈ）を算出する暖房用発電量算出手段（Ｓ７）と、燃料電池車両の走行に必要な燃料電池（２）の発電量である走行用発電量（Ｐｖ）を算出する走行用発電量算出手段（Ｓ８）と、燃料電池（２）が暖房用発電量および走行用発電量の和である総発電量（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）を発電するために必要な燃料の消費量を算出するとともに、燃料の消費量が最小となる際の燃料電池（２）の温度である最適温度（Ｔｆｃｃ）を算出する最適温度算出手段（Ｓ１０）と、燃料電池（２）の温度が最適温度（Ｔｆｃｃ）となるように冷却システム（５００）を制御する制御手段（８）とを備えることを特徴とする燃料電池車両用空調装置。
これによれば、燃料電池（２）が暖房用発電量および走行用発電量の和である総発電量（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）を発電するために必要な燃料消費量が最小となる際の燃料電池（２）の温度である最適温度（Ｔｆｃｃ）を算出し、燃料電池（２）の温度が最適温度（Ｔｆｃｃ）となるように冷却システム（５００）を制御することで、燃料消費量を低減することができるので、車両燃費の悪化を抑制できる。また、この制御は、車両のアイドルストップ時だけでなく、通常運転時にも行われるので、燃料電池車両の通常運転時の暖房を行うことができる。したがって、車両燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池車両の通常運転時の暖房を行うことが可能となる。
なお、請求項における「燃料電池（２）の蓄熱量」とは、燃料電池（２）単体の蓄熱量を意味するだけではなく、燃料電池（２）および冷却システム（５００）の蓄熱量を含む意味である。
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池車両用空調装置において、燃料電池（２）の温度が最適温度（Ｔｆｃｃ）を上回っている場合に、制御手段（８）にて、最適温度（Ｔｆｃｃ）まで燃料電池（２）の温度を低下させるようにしてもよい。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池車両用空調装置において、制御手段（８）は、燃料電池（２）の温度が最適温度（Ｔｆｃｃ）を下回っている場合に、燃料電池（２）の排熱を燃料電池（２）に蓄熱させることを特徴とする。
これによれば、燃料電池（２）の温度が最適温度（Ｔｆｃｃ）を下回っている場合に、燃料電池（２）の排熱を燃料電池（２）に蓄熱させることで、燃料電池（２）の温度を上昇させて、最適温度（Ｔｆｃｃ）に近づけることができる。このため、車両燃費の悪化をより確実に抑制することが可能となる。
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車両用空調装置において、熱創出手段は、燃料電池（２）の発電効率を通常運転時より低下させることで、燃料電池（２）から放出される熱を増加させてもよい。
また、請求項５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車両用空調装置において、熱創出手段は、電気ヒータであってもよい。また、請求項６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車両用空調装置において、熱創出手段は、燃料を燃焼させることにより熱を発生する燃焼式ヒータであってもよい。
また、請求項７に記載の発明のように、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池車両用空調装置において、要求暖房熱量算出手段（Ｓ４）は、乗員の操作によって車室内の目標温度（Ｔｓｅｔ）を設定する目標温度設定手段（９２）によって設定された目標温度（Ｔｓｅｔ）、車室外の温度である車室外温度（Ｔａｍ）、車室内の温度である車室内温度（Ｔｒ）、および、車室内の日射量（Ｔｓ）のうち少なくとも１つに基づいて、要求暖房熱量（Ｑａｃ）を算出してもよい。
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車両用空調装置において、蓄熱量算出手段（Ｓ５）は、燃料電池（２）の温度（Ｔｆｃ）、冷却システム（５００）の熱容量（Ｑｍａｓｓ）、および、燃料電池（２）の予め定めた発電能力を確保可能な最低温度（Ｔｆｃ０）のうち、少なくとも１つに基づいて燃料電池（２）の蓄熱量（Ｑｆｃ）を算出してもよい。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。
本発明の実施形態に係る燃料電池車両用空調装置を示す全体構成図である。 燃料電池車両用空調装置の電気制御部を示すブロック図である。 燃料電池車両用空調装置の制御処理を示すフローチャートである。 図３中のステップＳ４で用いる基準時間暖房要求熱量Ｑａｃの算出を示す図である。 図３中のステップＳ７で用いる低効率運転モード平均出力Ｐｅｈを算出するための制御マップを示す図である。 燃料電池温度と燃料電池２の総出力との関係を示す特性図である。 図３中のステップＳ１０で用いる最適温度Ｔｆｃｃを算出するための制御マップを示す図である。
以下、本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池車両用空調装置を示す全体構成図である。この燃料電池車両用空調装置１は、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されている。
図１に示すように、燃料電池車両用空調装置１は、空気（酸化剤ガス）と水素（燃料ガス）との電気化学反応により電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、空気および水素の供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成されている。
燃料電池２にて生じた直流の電力の一部は、第１インバータ２１を介して交流電流に変換されて車両走行用電動モータ２２等の各種電気負荷に供給される。また、燃料電池２にて生じた直流の電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって昇降圧され、電力貯蔵手段である二次電池２４に充電される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって昇降圧された電力の一部は、第２インバータ２５を介して交流電流に変換されて、後述する空気ポンプ４２の空気ポンプ用電動モータ２６に供給される。
なお、本実施形態の燃料電池車両は、減速時や降坂時に車両走行用電動モータ２２等を用いて回生制動を行わせ、回生制動により得られる回生電力を二次電池２４に蓄えられるようになっている。
燃料電池２には、各単セルに水素を供給するための水素供給配管３０、および各単セルの内部に存する生成水や窒素を未反応水素と共に燃料電池２の外部に排出する水素排出配管３１が接続されている。そして、本実施形態の水素供給配管３０および水素排出配管３１は、水素循環配管３２を介して接続されている。
水素供給配管３０には、その最上流部に、高圧水素が充填された高圧水素タンク３３が設けられている。また、水素供給配管３０における高圧水素タンク３３と燃料電池２との間には、燃料電池２に供給される水素の圧力を所定の圧力に調整可能な水素調圧弁３４が設けられている。
水素排出配管３１には、水素を燃料電池２の外部に排出するための排出弁３５が設けられている。この排出弁３５は、開放された際に、燃料電池２の水素極側から水素排出配管３１を介して、水素、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。
水素循環配管３２は、水素排出配管３１の排出弁３５上流側から分岐して水素供給配管３０の水素調圧弁３４下流側に接続されている。これにより、燃料電池２から流出した未反応水素を含む燃料オフガスを、燃料電池２に循環させて再供給している。さらに、水素循環配管３２には、燃料オフガスを水素供給配管３０に循環させる水素循環ポンプ３６が配置されている。
また、燃料電池２には、各単セルに空気を供給するための空気供給配管４０、および各単セルの内部に存する生成水を空気と共に燃料電池２の外部に排出する空気排出配管４１が接続されている。
空気供給配管４０には、燃料電池２に空気を圧送して供給する圧送手段としての空気ポンプ４２が設けられている。空気ポンプ４２は、ポンプ室を形成するケーシング内に配置された羽根車を空気ポンプ用電動モータ２６で駆動する電動式のポンプである。
空気ポンプ用電動モータ２６は、第２インバータ２５から出力される交流電圧によって、その作動（回転数）が制御される交流モータである。また、第２インバータ２５は、後述する制御装置８から出力される制御信号に応じた周波数の交流電圧を出力する。そして、この回転数制御によって、空気ポンプ４２の空気圧送能力が制御される。
また、空気排出配管４１には、燃料電池２の空気極側における空気の圧力（背圧）を所定の圧力に調整する空気調圧弁４３が設けられている。空気調圧弁４３は、制御装置８から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
ところで、燃料電池車両用空調装置１は、燃料電池２に冷却水を供給することで燃料電池２の温度を制御する冷却システム５００を備えている。冷却システム５００は、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却水循環回路５を有して構成されている。
冷却水循環回路５は、冷却水を燃料電池２および後述するラジエータ５５に循環供給する冷却水循環流路５１と、冷却水のラジエータ５５への流入を回避させるバイパス流路５２と、冷却水を冷却水循環流路５１やバイパス流路５２等に循環させる冷却水循環ポンプ５３と、冷却水を循環させる流路を制御する電気式の三方弁５４等を備えている。
冷却水循環流路５１には、送風ファン５５ａから送風された送風空気と冷却水とを熱交換させて冷却水を放熱させる放熱用熱交換器としてのラジエータ５５が設けられている。また、冷却水循環流路５１のうち燃料電池２の出口側には、冷却水温度Ｔｗを検出する冷却水温度センサ５６が設けられている。
冷却水循環ポンプ５３は、冷却水循環回路５において冷却水を燃料電池２へ圧送する電動式のポンプであり、制御装置８から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。
三方弁５４は、冷却水循環流路５１とバイパス流路５２とを切り替える回路切替手段である。この三方弁５４は、制御装置８から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。
具体的には、三方弁５４は、第一入口、第二入口および出口を形成する三つの弁を有する。三方弁５４の第一入口は、ラジエータ５５の出口側に冷却水循環流路５１を介して接続されており、三方弁５４の第二入口は、バイパス流路５２の出口に接続されている。三方弁５４の出口は冷却水循環ポンプ５３の入口側に冷却水循環流路５１を介して接続されている。
そして、三方弁５４は、冷却水の温度が低い場合（例えば、燃料電池２の暖機が必要な場合）には、第一入口が閉弁され、第二入口が開弁される。これにより、冷却水がラジエータ５５を経由することなくバイパス流路５２を通って循環するため、冷却水の温度が上昇する。一方、冷却水の温度が高い場合（例えば、燃料電池２が安定して運転できる上限温度を超える場合）には、第一入口を開弁し、第二入口を閉弁する。これにより、冷却水がラジエータ５５によって冷却されるため、冷却水の温度が低下する。
冷却水循環回路５には、ヒータコア６１に冷却水を供給するヒータコア循環流路６が接続されている。ヒータコア循環流路６は、冷却水循環回路５におけるバイパス流路５２への分岐点よりも冷却水流れ上流側から分岐している。すなわち、ヒータコア循環流路６の入口側は、冷却水循環回路５におけるバイパス流路５２への分岐点と冷却水温度センサ５６との間に接続されている。ヒータコア循環流路６の出口側は、冷却水循環回路５における三方弁５４と冷却水循環ポンプ５３との間に接続されている。
また、ヒータコア循環流路６には、ヒータコア６１およびシャット弁６２が設けられている。シャット弁６２およびヒータコア６１は、ヒータコア循環流路６の冷却水流れ上流側から、この順に配置されている。
ヒータコア６１は、送風機（図示せず）により送風された送風空気（空調用空気）と冷却水とを熱交換させて、送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。換言すると、ヒータコア６１は、冷却システム５００を介して燃料電池２の排熱の少なくとも一部を回収して燃料電池車両の暖房に用いる排熱回収手段である。
シャット弁６２は、冷却水循環流路５１からヒータコア６１への冷却水の供給を遮断または許容する電気式の制御弁であり、制御装置８から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。
次に、図２により、本実施形態の電気制御部について説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池車両用空調装置の電気制御部を示すブロック図である。
図２に示すように、制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種機器の作動を制御する。
制御装置８の出力側には、各種インバータ２１、２５、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、各種調圧弁３４、４３、排出弁３５、各種循環ポンプ３６、５３、空気ポンプ４２、三方弁５４、送風ファン５５ａ、シャット弁６２等が接続されている。
また、制御装置８の入力側には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサ２７、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサ２８、車室外温度（外気温）Ｔａｍを検出する外気温センサ（車室外温度検出手段）８１、車室内温度（内気温）Ｔｒを検出する内気温センサ（車室内温度検出手段）８２、車室内への日射量Ｔｓを検出する日射センサ（日射量検出手段）８３等が接続されている。
さらに、制御装置８の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された操作パネル９に設けられた各種空調操作スイッチからの操作信号が入力される。操作パネル９には、具体的に、燃料電池車両用空調装置１の作動スイッチ９１、車室内温度設定スイッチ９２、現在の燃料電池車両用空調装置１の作動状態等を表示する表示部９３等が設けられている。車室内温度設定スイッチ９２は、乗員の操作によって車室内目標温度Ｔｓｅｔを設定する目標温度設定手段である。
なお、制御装置８は、その出力側に接続された各種制御対象機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、それぞれの制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が、それぞれの制御対象機器の作動を制御する制御手段を構成している。
次に、図３により、上記構成における本実施形態の燃料電池車両用空調装置１の作動を説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池車両用空調装置の制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、燃料電池車両用空調装置１の作動スイッチ９１が投入されるとスタートする。
まず、ステップＳ１では、燃料電池の温度（以下、燃料電池温度Ｔｆｃという）を検出する。具体的には、冷却水温度センサ５６により燃料電池２の出口側の冷却水温度Ｔｗを検出する。続いて、ステップＳ２では、ステップＳ１で検出された燃料電池温度Ｔｆｃが、予め定めた基準温度Ｔｆｃ０を下回っているか否か判定する。
燃料電池２は必要発電能力が確保できる最適運転温度範囲が限られており、その範囲外では性能が大幅に低下する。これを防止するため、基準温度Ｔｆｃ０を定め、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔｆｃ０を下回らないように制御する。ここで、Ｔｆｃ０は、燃料電池２の最適運転温度範囲の下限値であってもよいし、最適運転温度範囲の下限値よりも高い値でもよい。
ステップＳ２にて、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔｆｃ０を下回っていると判定された場合には、冷却水温度が充分に高くなっていないと判断し、ステップＳ３に進み、燃料電池２に通常運転時よりも発電効率の低い運転（以下、低効率発電という）を行わせ、ステップＳ１に戻る。燃料電池２に低効率発電を行わせると、燃料電池２から放出される熱を増加させることができる。したがって、燃料電池２が、燃料電池車両の暖房用の熱を創出する熱創出手段を構成している。
具体的には、空気のストイキ比Ｓｔを通常運転時（Ｓｔ＝１．５〜２．０）より小さく設定（Ｓｔ＝１．０〜１．２）する。これにより、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、燃料電池２から放出される熱を増加させることができる。このように、燃料電池２から放出される熱を増加させると、燃料電池２からの排熱を吸収する冷却水の温度を上昇させることができる。
また、他の方法としては、燃料電池２の出力電流を維持させながら、出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２３で降圧させる。これにより、同じ燃料消費量で、出力電圧を低下させることができるため、その分、燃料電池２に低効率発電を行わせることができ、燃料電池２から放出される熱を増大させることができる。
一方、ステップＳ２にて、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔｆｃ０を下回っていないと判定された場合には、燃料電池２の冷却水温度が充分に高くなっていると判断し、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、予め制御装置８に記憶された制御マップを参照して、予め定めた基準時間Ｔ０に要求される暖房を行うのに必要な熱量である基準時間要求暖房熱量Ｑａｃを算出する。なお、本実施形態のステップＳ４の算出処理は、基準時間Ｔ０に要求される暖房を行うのに必要な熱量を算出する要求暖房熱量算出手段を構成している。
具体的には、ステップＳ４の算出処理では、まず、外気温Ｔａｍ、内気温Ｔｒ、日射量Ｔｓ、および車室内目標温度Ｔｓｅｔ等から要求される暖房に必要な熱量（以下、暖房要求Ｑｒｅｑという）を求める。続いて、図４に示すように、基準時間Ｔ０と暖房要求Ｑｒｅｑから基準時間要求暖房熱量Ｑａｃを算出する。すなわち、図４の斜線部の面積を求めることにより、基準時間要求暖房熱量Ｑａｃを算出する。
次のステップＳ５では、各燃料電池温度における燃料電池２の蓄熱量（以下、燃料電池蓄熱量Ｑｆｃ）を算出する。ここで、燃料電池蓄熱量Ｑｆｃは、燃料電池２および冷却システム５００の蓄熱量のことである。なお、本実施形態のステップＳ５の算出処理は、燃料電池２の蓄熱量を算出する蓄熱量算出手段を構成している。
具体的には、ステップＳ５の算出処理では、燃料電池蓄熱量Ｑｆｃは下記数式Ｆ１により算出される。
Ｑｆｃ＝Ｑｍａｓｓ×（Ｔｆｃ−Ｔｆｃ０）…（Ｆ１）
ここで、Ｑｍａｓｓは、燃料電池２および冷却システム５００の熱容量であり、予め実験により測定した値である。
次のステップＳ６では、各燃料電池温度における、燃料電池２で低効率発電を行うことにより創出される熱量Ｑｅｈを算出する。具体的には、Ｑｅｈは、下記数式Ｆ２により算出される。
Ｑｅｈ＝Ｑａｃ−Ｑｆｃ…（Ｆ２）
ただし、Ｑｅｈは０以上である。
次のステップＳ７では、各燃料電池温度における低効率発電を行う場合の基準時間Ｔ０の平均出力（以下、低効率発電平均出力Ｐｅｈという）を算出する。具体的には、予め制御装置８に記憶されたマップ（図５参照）を参照して、基準時間要求暖房熱量Ｑａｃに基づいて低効率発電平均出力Ｐｅｈを算出する。なお、本実施形態の低効率発電平均出力Ｐｅｈは、特許請求の範囲に記載された暖房用発電量に対応しており、本実施形態のステップＳ７の算出処理は、暖房用発電量算出手段を構成している。
次のステップＳ８では、走行に必要な燃料電池２の出力（以下、走行出力Ｐｖという）を算出する。具体的には、走行出力Ｐｖは、走行負荷と空調装置以外の補機負荷との和に基づいて算出される。なお、本実施形態の走行出力Ｐｖは、特許請求の範囲に記載された走行用発電量に対応しており、本実施形態のステップＳ８の算出処理は、走行用発電量算出手段を構成している。
次のステップＳ９では、各燃料電池温度における燃料電池２の総出力（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）、すなわち低効率運転モード平均出力Ｐｅｈと走行出力Ｐｖとの和を算出する。これにより、図６に示すような、燃料電池温度と燃料電池２の総出力との関係を示す特性マップが作成される。
次のステップＳ１０では、ステップＳ９にて算出した燃料電池総出力（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）を出力するために必要な燃料消費量が最小となる燃料電池２の温度（以下、最適温度Ｔｆｃｃという）を算出する。なお、本実施形態のステップＳ１０の算出処理は、最適温度算出手段を構成している。
具体的には、ステップＳ１０の算出処理では、まず、ステップＳ９にて作成された特性マップ（図６参照）を参照して、燃料電池温度毎に燃料電池総出力を算出する。例えば、図６に示すように、燃料電池温度が９０℃の場合は燃料電池総出力がＰ９０、燃料電池温度が８０℃の場合は燃料電池総出力がＰ８０、燃料電池温度が７０℃の場合は燃料電池総出力がＰ７０となる。
続いて、予め制御装置８に記憶されたマップ（図７参照）を参照して、燃料電池温度毎の燃料電池総出力に基づいて、燃料電池温度毎の燃料消費量を算出する。そして、算出された燃料電池温度毎の燃料消費量を比較して、燃料消費量が最小となる燃料電池温度を最適温度Ｔｆｃｃとして決定する。本実施形態では、図７に示すように、燃料電池温度が８０℃のときに燃料消費量が最小となるので、最適温度Ｔｆｃｃ＝８０℃となる。
なお、本実施形態では、説明の簡略化を図るべく、燃料電池温度を１０℃毎に燃料電池総出力および燃料消費量を算出した例について説明したが、燃料電池温度を１℃毎に燃料電池総出力および燃料消費量を算出してもよい。
次のステップＳ１１では、現在の燃料電池温度ＴｆｃがステップＳ１０にて算出した最適温度Ｔｆｃｃ以上になっているか否かを判定する。ステップＳ１１にて、現在の燃料電池温度Ｔｆｃが最適温度Ｔｆｃｃ以上になっていると判定された場合には、ステップＳ１２へ進み、燃料消費量を低減するために、燃料電池温度Ｔｆｃを最適温度Ｔｆｃｃまで冷却して、ステップＳ１３へ進む。具体的には、三方弁５４を切り替えて、冷却水をラジエータ５５に流入させる。これにより、冷却水がラジエータ５５によって冷却されるため、冷却水の温度が低下して、燃料電池温度Ｔｆｃが低下する。
ステップＳ１３では、燃料電池冷却水の排熱による暖房を行い、ステップＳ１に戻る。具体的には、シャット弁６２を開弁する。これにより、冷却水（温度＝最適温度Ｔｆｃｃ）がヒータコア循環流路６を介してヒータコア６１に流入するので、送風空気を冷却水の有する熱により加熱することができ、車室内の暖房を実現することができる。なお、ステップＳ１２およびＳ１３の処理を同時に行うようにしてもよい。
一方、ステップＳ１１にて、現在の燃料電池温度Ｔｆｃが最適温度Ｔｆｃｃ以上になっていない、すなわち現在の燃料電池温度Ｔｆｃが最適温度Ｔｆｃｃを下回っていると判定された場合には、ステップＳ１４へ進む、現在の燃料電池温度Ｔｆｃが予め定めた上限温度Ｔｍａｘを下回っているか否か判定する。
上述したように燃料電池２は最適運転温度範囲が限られているので、上限温度Ｔｍａｘを定め、燃料電池温度Ｔｆｃが上限温度Ｔｍａｘを上回らないように制御する。ここで、Ｔｍａｘは、燃料電池２の最適運転温度範囲の上限値であってもよいし、最適運転温度範囲の上限値よりも低い値でもよい。
ステップＳ１４にて、現在の燃料電池温度Ｔｆｃが予め定めた上限温度Ｔｍａｘを下回っていると判断された場合は、燃料電池温度を上昇させてもよいと判断され、ステップＳ１５へ進み、燃料電池２および冷却システム５００に対して冷却水排熱の蓄熱を許可して、ステップＳ１６へ進む。具体的には、三方弁５４を切り替えて、冷却水をラジエータ５５に流入させないようにする。
一方、ステップＳ１４にて、現在の燃料電池温度Ｔｆｃが予め定めた上限温度Ｔｍａｘを下回っていないと判断された場合は、燃料電池温度を上昇させることができないと判断され、そのままステップＳ１６へ進む。
ステップＳ１６では、燃料電池冷却水の排熱による暖房を行い、ステップＳ１に戻る。具体的には、シャット弁６２を開弁する。これにより、冷却水（温度＝燃料電池温度Ｔｆｃ）がヒータコア循環流路６を介してヒータコア６１に流入するので、送風空気を冷却水の有する熱により加熱することができ、暖房を実現することができる。
本実施形態の燃料電池車両用空調装置１は、以上の如く作動するので、以下のような効果を発揮することができる。
まず、制御ステップＳ１０にて説明したように、燃料電池２が低効率発電平均出力Ｐｅｈおよび走行出力Ｐｖの和である燃料電池総出力（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）を出力（発電）するために必要な燃料消費量が最小となる際の燃料電池温度である最適温度Ｔｆｃｃが算出される。
続いて、燃料電池温度が最適温度Ｔｆｃｃとなるように冷却システム５００が制御される。具体的には、制御ステップＳ１１、Ｓ１２にて説明したように、燃料電池温度Ｔｆｃが最適温度Ｔｆｃｃ以上になっている場合には、燃料電池温度Ｔｆｃが最適温度Ｔｆｃｃまで冷却される。一方、制御ステップＳ１１、Ｓ１４、Ｓ１５にて説明したように、燃料電池温度Ｔｆｃが最適温度Ｔｆｃｃを下回っており、かつ、燃料電池温度Ｔｆｃが上限温度Ｔｍａｘを下回っている場合には、燃料電池２の排熱が燃料電池２に蓄熱される。
したがって、燃料消費量を低減することができるので、車両燃費の悪化を抑制できる。また、上述した図３に示す制御は、車両のアイドルストップ時だけでなく、通常運転時にも行われるので、燃料電池車両の通常運転時の暖房を行うことができる。したがって、車両燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池車両の通常運転時の暖房を行うことが可能となる。
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
（１）上記実施形態では、熱創出手段として燃料電池２を採用し、燃料電池２に低効率発電を行わせて燃料電池２から放出される熱を増加させることで、燃料電池車両の暖房用の熱を創出した例について説明したが、熱創出手段はこれに限定されない。
例えば、熱創出手段として、ＰＴＣヒータ等の電気ヒータを採用してもよいし、燃料（水素ガス）を燃焼させることにより熱を発生する燃焼式ヒータを採用してもよい。
（２）上記実施形態では、冷却水循環流路５１とバイパス流路５２とを切り替える回路切替手段として、電気式の三方弁５４を採用した例を説明したが、回路切替手段はこれに限定されない。例えば、サーモスタット弁を採用してもよい。サーモスタット弁は、温度によって体積変化するサーモワックス（感温部材）によって弁体を変位させて冷却水通路を開閉する機械的機構で構成される冷却水温度応動弁である。
２ 燃料電池（熱創出手段）
８ 制御装置（制御手段）
６１ ヒータコア（排熱回収手段）
５００ 冷却システム

Claims (8)

  1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池（２）を備える燃料電池車両用空調装置であって、
    前記燃料電池（２）の温度を調整する冷却システム（５００）と、
    前記冷却システム（５００）を介して前記燃料電池（２）の排熱の少なくとも一部を回収して前記燃料電池車両の車室内の暖房に用いる排熱回収手段（６１）と、
    前記燃料電池（２）の蓄熱量（Ｑｆｃ）を算出する蓄熱量算出手段（Ｓ５）と、
    前記燃料電池車両の暖房用の熱を創出する熱創出手段（２）と、
    予め定めた基準時間に要求される暖房を行うのに必要な熱量である要求暖房熱量（Ｑａｃ）を算出する基準時間要求暖房熱量算出手段（Ｓ４）と、
    前記要求暖房熱量（Ｑａｃ）および前記燃料電池（２）の蓄熱量（Ｑｆｃ）に基づいて、前記熱創出手段（２）による暖房に必要な前記燃料電池（２）の発電量である暖房用発電量（Ｐｅｈ）を算出する暖房用発電量算出手段（Ｓ７）と、
    前記燃料電池車両の走行に必要な前記燃料電池（２）の発電量である走行用発電量（Ｐｖ）を算出する走行用発電量算出手段（Ｓ８）と、
    前記燃料電池（２）が前記暖房用発電量および前記走行用発電量の和である総発電量（Ｐｅｈ＋Ｐｖ）を発電するために必要な燃料の消費量を算出するとともに、前記燃料の消費量が最小となる際の前記燃料電池（２）の温度である最適温度（Ｔｆｃｃ）を算出する最適温度算出手段（Ｓ１０）と、
    前記燃料電池（２）の温度が前記最適温度（Ｔｆｃｃ）となるように前記冷却システム（５００）を制御する制御手段（８）とを備えることを特徴とする燃料電池車両用空調装置。
  2. 前記制御手段（８）は、前記燃料電池（２）の温度が前記最適温度（Ｔｆｃｃ）を上回っている場合に、前記最適温度（Ｔｆｃｃ）まで前記燃料電池（２）の温度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用空調装置。
  3. 前記制御手段（８）は、前記燃料電池（２）の温度が前記最適温度（Ｔｆｃｃ）を下回っている場合に、前記燃料電池（２）の排熱を前記燃料電池（２）に蓄熱させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用空調装置。
  4. 前記熱創出手段は、前記燃料電池（２）の発電効率を通常運転時より低下させることで、前記燃料電池（２）から放出される熱を増加させ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車両用空調装置。
  5. 前記熱創出手段は、電気ヒータであ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車両用空調装置。
  6. 前記熱創出手段は、前記燃料を燃焼させることにより熱を発生する燃焼式ヒータであ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車両用空調装置。
  7. 前記要求暖房熱量算出手段（Ｓ４）は、乗員の操作によって前記車室内の目標温度（Ｔｓｅｔ）を設定する目標温度設定手段（９２）によって設定された前記目標温度（Ｔｓｅｔ）、前記車室外の温度である車室外温度（Ｔａｍ）、前記車室内の温度である車室内温度（Ｔｒ）、および、前記車室内の日射量（Ｔｓ）のうち少なくとも１つに基づいて、前記要求暖房熱量（Ｑａｃ）を算出することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池車両用空調装置。
  8. 前記蓄熱量算出手段（Ｓ５）は、前記燃料電池（２）の温度（Ｔｆｃ）、前記冷却システム（５００）の熱容量（Ｑｍａｓｓ）、および、前記燃料電池（２）の予め定めた発電能力を確保可能な最低温度（Ｔｆｃ０）のうち、少なくとも１つに基づいて前記燃料電池（２）の蓄熱量（Ｑｆｃ）を算出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池車両用空調装置。
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