JP6900750B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と、冷却水を用いて燃料電池を冷却する冷却水回路と、当該冷却水により空調空気を暖房する暖房用冷却水回路とを有する燃料電池システムに関する。

従来、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが種々開発されている。燃料電池では、発電時の化学反応により水分及び熱が発生する。燃料電池は、発電効率のため所定の温度範囲（８０℃程度）に維持する必要があり、発電時に発生する熱は、冷却水を用いた冷却水回路等によって放熱されている。

このような燃料電池システムに関する技術として、特許文献１に記載された発明が知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に発生する熱を冷却水によって冷却する冷却水回路と、冷却水回路の冷却水を熱源として空調用空気を加熱するヒータコアを含む暖房用冷却水回路とを有して構成されている。

特許文献１の燃料電池システムでは、冷却水回路と暖房用冷却水回路との間に三方弁が配置されており、この冷却水回路と暖房用冷却水回路との間における冷却水の流れを切替可能に構成されている。そして、冷却水に対する燃料電池からの廃熱がある場合、この三方弁で冷却水の流れを切り替えることで、燃料電池からの廃熱を空調用空気の暖房に利用することができるように構成されている。

特開２０１５−６４９３８号公報

ここで、燃料電池システムの周辺には、特許文献１のような暖房用冷却水回路のみならず、様々な熱源（温熱源、冷熱源）が存在している。従って、燃料電池システムにおいては、暖房用冷却水回路だけではなく、これら様々な熱源を有効に活用することが要望されている。

本発明は、これらの点に鑑みてなされており、燃料電池と、冷却水を用いて燃料電池を冷却する冷却水回路と、当該冷却水により空調空気を暖房する暖房用冷却水回路とを有する燃料電池システムに関し、冷却水及び空調空気の熱を状況に応じて有効に利用可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の燃料電池システムは、
水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
冷却水を用いて燃料電池を冷却する冷却水回路（１０）と、
冷却水を熱源として空調対象空間に対して送風される空調空気を加熱するヒータコア（２７）を有する暖房用冷却水回路（２０）と、
冷却水回路と暖房用冷却水回路との間における冷却水の流れを許容する第１状態と、冷却水回路と暖房用冷却水回路との間における冷却水の流れを遮断する第２状態とに切り替え可能な切替部（２４）と、
ヒータコアに対して空調空気の流れの上流側に配置され、冷媒の蒸発によって空調空気を冷却する冷房用熱交換器（３５）を有する冷凍サイクル（３１）と、
空調空気が流れる空気通路において、ヒータコアに対して空調空気の流れの下流側に配置され、ヒータコアを通過した空調空気を排気可能な排気口（４８）と、
排気口を開放すると共に、当該排気口に対する空調空気の下流側で空気通路を閉塞可能な排気用部材（４９）と、
切替部の作動を制御する制御部（５０）と、を有し、
制御部は、燃料電池が高温となった場合に、第２状態から第１状態に切り替えるように切替部の作動を制御する。

当該燃料電池システムによれば、燃料電池と、冷却水回路と、暖房用冷却水回路と、切替部と、冷凍サイクルと、制御部とを有しており、燃料電池の冷却と、空調対象空間の空調とを連動させて行うことができる。

具体的には、当該燃料電池システムにおいては、切替部を第２状態にすると、冷却水回路と暖房用冷却水回路との間における冷却水の流れが遮断されるので、燃料電池の冷却は冷却水回路によって行われる。この時、冷凍サイクルの冷房用熱交換器で冷却された空調空気を、暖房用冷却水回路のヒータコアへ流すことができるので、暖房用冷却水回路に対して、冷凍サイクルで生じた冷熱の一部を蓄熱できる。

切替部を第１状態にすると、冷却水回路と暖房用冷却水回路との間における冷却水の流れが許容されるので、燃料電池の冷却は冷却水回路に加えて、暖房用冷却水回路に蓄熱されている冷熱を用いて行われる。つまり、当該燃料電池システムによれば、切替部を第１状態に変更することによって、燃料電池に対する冷却性能を向上させることができる。

そして、当該燃料電池システムによれば、燃料電池が高温となった場合に、第２状態から第１状態に切り替えるように構成されている為、燃料電池の温度や発電負荷の状態に応じて、当該燃料電池システムの各熱源を有効に活用することができる。特に高負荷状態の燃料電池の冷却にも対応することができるので、当該燃料電池システムは、高負荷状態における燃料電池の発電の安定性を向上させることができる。

尚、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、後述する実施態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。 第１実施形態における非連携状態の暖房用冷却水回路を示す模式図である。 第１実施形態における連携状態の暖房用冷却水回路を示す模式図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 第３実施形態における通常時の空調ケースを示す模式図である。 第３実施形態における非連携状態の空調ケースを示す模式図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
先ず、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照しつつ説明する。第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用されており、走行用電動モータやバッテリ等の電気機器（図示せず）に対して、燃料電池１で発電された電力を供給するように構成されている。

図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１と、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０と、車両用空調ユニット３０と、制御装置５０とを有しており、制御装置５０によって各構成の作動が制御されるように構成されている。

第１実施形態に係る燃料電池１は、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）であり、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）によって構成されている。当該燃料電池１は、多数のセルを組み合わせて構成されており、各セルは電解質膜を一対の電極で挟み込んで形成されている。

そして、燃料電池１には、図示しない空気通路及び水素通路を介して、酸素を含む空気及び水素が供給される。当該燃料電池１では、供給された酸素及び水素によって、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。従って、当該燃料電池１は、本発明における燃料電池として機能する。この電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素及び水素は、燃料電池１から排出される。
（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
当該電気化学反応の為には、燃料電池１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。当該燃料電池システム１００は、燃料電池１に供給される空気及び水素に加湿を行い、これらの加湿されたガスを燃料電池１に供給することで、燃料電池１内の電解質膜を加湿するように構成されている。

又、燃料電池１では、発電の際の電気化学反応により熱及び水分が発生する。当該燃料電池１の発電効率を考慮すると、燃料電池１は、燃料電池システム１００が作動している間、一定温度（例えば８０℃程度）に維持されている必要がある。又、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されてしまう。この為、燃料電池１の温度が許容温度以下となるようにしておく必要がある。

第１実施形態に係る燃料電池システム１００には、燃料電池１を冷却する為に、冷却水回路１０が配置されている。この冷却水回路１０は、熱媒体としての冷却水を用いて、燃料電池１を冷却して当該燃料電池１の温度を制御する役割を果たしている。この熱媒体である冷却水としては、低温時における凍結を防止する為に、例えば、エチレングリコールと水の混合溶液を用いることができる。

図１に示すように、冷却水回路１０は、燃料電池１とラジエータ１１の間で冷却水が循環する冷却水流路１４に、ラジエータ１１と、冷却水ポンプ１２と、三方弁１３と、バイパス流路１５と、水温センサ１６とを配置して構成されている。

尚、燃料電池１の外部ケーシング内には、熱媒体としての冷却水が流通する冷却水流路１４の一部が形成されており、流通する冷却水によって、燃料電池１の温度が一定温度以下に調節（冷却）されるようになっている。

ラジエータ１１は、燃料電池１で発生した熱を燃料電池システム１００外部に放熱するように構成された熱交換器である。当該燃料電池システム１００において、冷却水流路１４の冷却水は、燃料電池１を流れる過程で、電気化学反応で発生した熱を吸熱して流出し、冷却水流路１４を介して、ラジエータ１１へ流入する。ラジエータ１１では、冷却水と大気との熱交換が行われ、冷却水の熱が大気に放熱される。その後、冷却水は、ラジエータ１１から燃料電池１へ向かって流れ、基本的には、冷却水回路１０の冷却水流路１４を循環する。

即ち、ラジエータ１１は、熱媒体としての冷却水との熱交換によって、燃料電池１の電気化学反応で生じた熱を放熱して、燃料電池１を冷却している。又、当該ラジエータ１１には、図示しないファンが配置されている。当該ファンは、ラジエータ１１における熱交換対象である外気をラジエータ１１に送風することで、ラジエータ１１における冷却水の熱交換を補助している。

冷却水ポンプ１２は、図示しない電動モータによって駆動される電動式の流体機械である。冷却水ポンプ１２は、その作動によって、冷却水回路１０における冷却水を循環させている。当該燃料電池システム１００において、冷却水回路１０における冷却水の温度制御は、冷却水ポンプ１２による冷却水の流量制御、ラジエータ１１におけるファンの送風量制御によって行われる。

そして、冷却水流路１４における燃料電池１の流出口側とラジエータ１１の流入口側との間には、バイパス流路１５が接続されている。バイパス流路１５は、冷却水流路１４においてラジエータ１１をバイパスする流路として構成されている。即ち、図１に示すように、バイパス流路１５は、燃料電池１からラジエータ１１の流入口へ向かう冷却水流路１４上で分岐し、ラジエータ１１の流出口側から冷却水ポンプ１２の吸入口側との間で冷却水流路１４に合流するように接続されている。

三方弁１３は、冷却水回路１０における冷却水の流路をラジエータ１１側、或いはバイパス流路１５側に切り替える為に、冷却水流路１４からバイパス流路１５が分岐する分岐点に配置されている。三方弁１３の作動は、制御装置５０によって制御されており、冷却水ポンプ１２から吐出された冷却水をラジエータ１１側に流通させる場合と、冷却水ポンプ１２から吐出された冷却水を、ラジエータ１１側を介さずに、バイパス流路１５側に流通させる場合とに切り替えられる。

尚、この三方弁１３は、上述のように冷却水の流れを切り替えることができればよく、流路を切り替える構成として、様々な態様を採用することができる。例えば、複数の開閉弁の集合体として、各開閉弁の開度を独立して調整可能に構成しても良いし、冷却水の温度に応じて内部バルブの開度が変化するサーモスタットによって構成しても良い。

そして、冷却水流路１４における燃料電池１の流出口側には、水温センサ１６が配置されている。当該水温センサ１６は、燃料電池１の流出口側から流出する冷却水温度を検出する。冷却水流路１４によって検出された冷却水温度の検出信号は、制御装置５０に対して出力される。

当該冷却水温度は、燃料電池１内部の冷却水流路１４を通過する際に、燃料電池１における電気化学反応で生じた熱を吸熱する為、燃料電池１の温度状態を判定する為の指標として利用できる。

図１に示すように、暖房用冷却水回路２０は、暖房用冷却水流路２１と、分岐流路２２と、還流路２３と、切替弁２４と、暖房用冷却水ポンプ２５と、電熱ヒータ２６と、ヒータコア２７とを有している。

ヒータコア２７は、車両用空調ユニット３０の空調ケース４１内に配置されており、暖房用冷却水回路２０の暖房用冷却水流路２１に接続されている。ヒータコア２７は、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水を通過させる際に、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水と、空調ケース４１を流れる空調空気との間で熱交換させる為の熱交換器である。従って、ヒータコア２７は、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水を熱源として、空調ケース４１内を流れる空調空気を加熱する暖房用加熱手段として機能することができる。

分岐流路２２は、冷却水回路１０の冷却水流路１４と、暖房用冷却水回路２０の暖房用冷却水流路２１とを接続している。当該分岐流路２２によれば、冷却水回路１０で燃料電池１から吸熱して温められた冷却水の一部を、暖房用冷却水回路２０に分岐させることができる。又、暖房用冷却水流路２１の端部は、冷却水流路１４に接続されており、分岐流路２２から流入した冷却水を、冷却水流路１４に合流させることができる。

切替弁２４は、暖房用冷却水流路２１と、分岐流路２２と、還流路２３の合流部分に配置された三方弁によって構成されており、分岐流路２２を介した暖房用冷却水回路２０に対する冷却水の流入を制御する。当該切替弁２４は、本発明における切替部として機能する。

具体的には、当該切替弁２４は、暖房用冷却水回路２０における冷却水の流れを、図３に示す非連携状態と、図４に示す連携状態とに切り替える為の流路切替部である。連携状態、非連携状態については後に詳細に説明する。

尚、切替弁２４は、分岐流路２２を介した暖房用冷却水回路２０に対する冷却水の流入を制御することができればよく、必ずしも三方弁で構成する必要はない。例えば、本発明における切替部を、複数の開閉弁の集合体として、各開閉弁の開度を独立して調整可能に構成しても良いし、冷却水の温度に応じて内部バルブの開度が変化するサーモスタットによって構成しても良い。

暖房用冷却水回路２０の暖房用冷却水流路２１上において、切替弁２４とヒータコア２７の流入口側の間には、暖房用冷却水ポンプ２５と、電熱ヒータ２６が配置されている。暖房用冷却水ポンプ２５は、図示しない電動モータによって駆動される電動式の流体機械である。暖房用冷却水ポンプ２５は、その作動によって、暖房用冷却水流路２１に流入した冷却水を圧送する。

電熱ヒータ２６は、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水を加熱する加熱手段である。従って、ヒータコア２７は、燃料電池１に由来する冷却水の温熱に加えて、電熱ヒータ２６で冷却水に加えられた温熱を用いて、空調空気を温めることができる。

暖房用冷却水流路２１におけるヒータコア２７の流出口側から冷却水流路１４との合流部との間には、還流路２３が接続されている。上述したように、還流路２３の一端部は、切替弁２４に接続されている為、暖房用冷却水流路２１上のヒータコア２７から流出した冷却水を、還流路２３及び切替弁２４を介して、暖房用冷却水流路２１上の暖房用冷却水ポンプ２５に戻すことができる。

即ち、当該暖房用冷却水回路２０は、暖房用冷却水流路２１と還流路２３によって、暖房用冷却水回路２０のみで冷却水を循環させる循環流路を構成することができる。

図１に示すように、車両用空調ユニット３０は、冷凍サイクル装置３１と、室内ユニット４０とを有しており、電気自動車（燃料電池車両）の車室内に対する空調を行う。つまり、車両用空調ユニット３０による空調対象空間は、電気自動車の車室内である。

当該車両用空調ユニット３０は、室内ユニット４０によって車室内に供給される空調空気を、冷凍サイクル装置３１等を用いて加熱又は冷却することにより車室内の快適性を向上させている。

図１に示すように、冷凍サイクル装置３１は、圧縮機３２と、凝縮器３３と、膨張弁３４と、蒸発器３５とを冷媒流路３６によって接続しており、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成している。即ち、冷凍サイクル装置３１は、本発明における冷凍サイクルとして機能する。

具体的には、当該冷凍サイクル装置３１では、冷媒としてＨＦＣ系冷媒（具体的には、Ｒ１３４ａ）を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない蒸気圧縮式の亜臨界冷凍サイクルを構成している。もちろん、冷媒としてＨＦＯ系冷媒（例えば、Ｒ１２３４ｙｆ）や自然冷媒（例えば、Ｒ７４４）等を採用してもよい。更に、冷媒には圧縮機３２を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。

圧縮機３２は、冷凍サイクル装置３１において冷媒を吸入し、圧縮して吐出するものであり、車両ボンネット内に配置されている。圧縮機３２は、吐出容量が固定された固定容量型の圧縮機構を電動モータにて駆動する電動圧縮機として構成されている。

そして、圧縮機３２の圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用することができる。又、圧縮機３２を構成する電動モータは、制御装置５０から出力される制御信号によって、その作動（回転数）が制御される。この電動モータとしては、交流モータ、直流モータの何れの形式を採用してもよい。

圧縮機３２の吐出口には、凝縮器３３の冷媒入口側が接続されている。凝縮器３３は、圧縮機３２から吐出された高温高圧の吐出冷媒と空気とを熱交換させ、吐出冷媒の熱を空気に放熱する。

そして、凝縮器３３の冷媒流出口側には、膨張弁３４が配置されている。膨張弁３４は、絞り開度を変更可能に構成された弁体と、この弁体の絞り開度を変化させるステッピングモータからなる電動アクチュエータとを有する可変絞り機構を有して構成されており、凝縮器３３から流出した冷媒を減圧させる。膨張弁３４は、制御装置５０から出力される制御信号（制御パルス）によって、その作動が制御される。

膨張弁３４の出口側には、蒸発器３５が接続されている。当該蒸発器３５は、室内ユニット４０の空調ケース４１内において、ヒータコア２７の空調空気流れ上流側に配置されており、膨張弁３４から流出した冷媒と空調ケース４１内を流れる空調空気とを熱交換させる。即ち、蒸発器３５では、膨張弁３４にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させることによって空調空気を冷却する。従って、当該蒸発器３５は、本発明における冷房用熱交換器として機能する。

蒸発器３５の冷媒出口には、圧縮機３２の吸入口側が接続されている。これにより、蒸発器３５から流出した冷媒は、再び圧縮機３２によって圧縮され、凝縮器３３へ流出することになる。

尚、上述した冷凍サイクル装置３１には、図示は省略しているが、アキュムレータ等の種々の構成機器が接続されている。例えば、アキュムレータは、蒸発器３５の冷媒出口側と圧縮機３２の吸入口側の間に配置されており、蒸発器３５から流出した冷媒の気液を分離して液相冷媒を溜め、気相ガス冷媒を圧縮機３２へ吸入させる。

次に、冷凍サイクル装置３１と共に車両用空調ユニット３０を構成する室内ユニット４０について説明する。室内ユニット４０は、冷凍サイクル装置３１によって温度調整された空調空気を車室内へ吹き出すためのものである。この室内ユニット４０は、車室内最前部の計器盤（インストルメントパネル）の内側に配置されている。

図１に示すように、室内ユニット４０は、その外殻を形成する空調ケース４１内に送風機４４、蒸発器３５、ヒータコア２７等を収容することによって構成されている。空調ケース４１は、車室内に送風される空調空気の空気通路を形成するものである。空調ケース４１は、或る程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂（例えば、ポリプロピレン）にて成形されている。

空調ケース４１の空調空気流れ最上流側には、内気導入口４２と、外気導入口４３とが形成されている。内気導入口４２は、空調ケース４１内へ内気（車室内空気）を導入する為の開口部であり、外気導入口４３は、空調ケース４１内へ外気（車室外空気）を導入する為の開口部である。

この空調ケース４１内における内気導入口４２、外気導入口４３近傍には、図示しない内外気切替ドアが配置されており、制御装置５０からの制御信号によって、内気導入口及び外気導入口の開口面積を連続的に調整可能に構成されている。即ち、当該室内ユニット４０は、空調ケース４１内へ内気を導入させる内気の風量と外気の風量との風量割合を連続的に変化させることができる。

そして、空調ケース４１における内気導入口４２及び外気導入口４３の空調空気流れ下流側には、送風機（ブロワ）４４が配置されている。この送風機４４は、内気導入口４２や外気導入口４３を介して導入された空気を、空調対象空間である車室内へ向けて送風する。

送風機４４は、遠心多翼ファン（シロッコファン）を電動モータにて駆動する電動送風機である。送風機４４における遠心多翼ファンの回転数（送風量）は、制御装置５０から出力される制御電圧によって制御される。

送風機４４の空調空気流れ下流側には、冷凍サイクル装置３１を構成する蒸発器３５が配置されている。従って、車両用空調ユニット３０は、送風機４４によって送風された空調空気を、冷凍サイクル装置３１の蒸発器３５によって冷却することができる。

そして、蒸発器３５の空調空気流れ下流側は、加熱流路４６と、非加熱流路４７とに区分されている。加熱流路４６には、暖房用冷却水回路２０を構成するヒータコア２７が配置されている。従って、加熱流路４６を流れる空調空気は、ヒータコア２７内部を流れる冷却水と熱交換することができる。従って、車両用空調ユニット３０は、ヒータコア２７の温熱によって空調空気を温めることもできる。

一方、非加熱流路４７は、ヒータコア２７をバイパスさせて、送風機４４による空調空気を流す流路である。この場合、非加熱流路４７を流れる空調空気は、蒸発器３５によって冷却された状態で、冷風Ｃとして車室内に供給される。

又、蒸発器３５の空調空気流れ下流側であって、加熱流路４６及び非加熱流路４７の上流側には、エアミックスドア４５が配置されている。エアミックスドア４５は、蒸発器３５通過後の空調空気のうちヒータコア２７を通過させる風量割合を調整する際に用いられる。従って、車両用空調ユニット３０は、エアミックスドア４５によって、非加熱流路４７を全開開度とし加熱流路４６を全閉にすることで、車室内に最も冷却された状態の空調空気を供給することができる。

尚、図示は省略するが、加熱流路４６及び非加熱流路４７の下流側には、混合空間が設けられている。混合空間では、ヒータコア２７にて加熱された空調空気と、非加熱流路４７を通過して空調空気とが混合される。更に、空調ケース４１の空調空気流れ最下流部には、複数の開口穴が配置されている。混合空間にて混合された空調空気（空調風）は、これらの開口穴を介して、空調対象空間である車室内へ吹き出される。

これらの開口穴としては、具体的に、フェイス開口穴、フット開口穴、デフロスタ開口穴（いずれも図示せず）が設けられている。フェイス開口穴は、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出す為の開口穴である。フット開口穴は、乗員の足元に向けて空調風を吹き出す為の開口穴である。デフロスタ開口穴は、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出す為の開口穴である。

更に、フェイス開口穴、フット開口穴及びデフロスタ開口穴の空調空気流れ下流側は、それぞれ空気通路を形成するダクトを介して、車室内に設けられたフェイス吹出口、フット吹出口及びデフロスタ吹出口（いずれも図示せず）に接続されている。従って、エアミックスドア４５が、加熱流路４６を通過させる風量と非加熱流路４７を通過させる風量との風量割合を調整することによって、混合空間にて混合される空調空気の温度が調整されて、各吹出口から車室内へ吹き出される空調空気の温度が調整される。

つまり、エアミックスドア４５は、車室内へ送風される空調空気の温度を調整する温度調整部としての機能を果たす。エアミックスドア４５は、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータによって駆動される。この電動アクチュエータは、制御装置５０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。

又、フェイス開口穴、フット開口穴、及びデフロスタ開口穴の空調空気流れ上流側には、それぞれ、フェイス開口穴の開口面積を調整するフェイスドア、フット開口穴の開口面積を調整するフットドア、デフロスタ開口穴の開口面積を調整するデフロスタドア（いずれも図示せず）が配置されている。

これらのフェイスドア、フットドア、デフロスタドアは、吹出口モードを切り替える吹出口モード切替ドアを構成する。フェイスドア、フットドア、デフロスタドアは、それぞれリンク機構等を介して、吹出口モードドア駆動用の電動アクチュエータに連結されており、連動して回転操作される。この電動アクチュエータも、制御装置５０から出力される制御信号によって、その作動が制御される。

吹出口モード切替ドアによって切り替えられる吹出口モードとしては、具体的に、フェイスモード、バイレベルモード、フットモード等がある。

フェイスモードは、フェイス吹出口を全開にしてフェイス吹出口から車室内乗員の上半身に向けて空気を吹き出す吹出口モードである。バイレベルモードは、フェイス吹出口とフット吹出口の両方を開口して車室内乗員の上半身と足元に向けて空気を吹き出す吹出口モードである。フットモードは、フット吹出口を全開にしてフット吹出口から車室内乗員の足元に向けて空調空気を吹き出す吹出口モードである。

更に、乗員が操作パネルに設けられた吹出モード切替スイッチをマニュアル操作することによって、デフロスタモードとすることもできる。デフロスタモードは、デフロスタ吹出口を全開してデフロスタ吹出口から車両フロント窓ガラス内面に空気を吹き出す吹出口モードである。

図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、制御装置５０を有している。当該制御装置５０は、燃料電池システム１００を構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部であり、本発明における制御部として機能する。当該制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及び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ている。

そして、制御装置５０の入力側には、冷却水回路１０の水温センサ１６と、空調制御用センサ群とが接続されている。水温センサ１６は、冷却水回路１０において、燃料電池１の流出口側における冷却水温度を検出する。従って、制御装置５０は、燃料電池１の出力や水温センサ１６で検出された冷却水温度を取得することができる。

一方、空調制御用センサ群は、内気温センサ５１、外気温センサ５２、日射センサ５３等を含んでいる。当該内気温センサ５１は、車室内温度（内気温）Ｔｒを検出する内気温検出部である。外気温センサ５２は、車室外温度（外気温）Ｔａｍを検出する外気温検出部である。日射センサ５３は、車室内へ照射される日射量Ａｓを検出する日射量検出部である。従って、制御装置５０には、これらの空調制御用のセンサ群の検出信号が入力される。

又、制御装置５０の出力側には、冷却水回路１０における三方弁１３、暖房用冷却水回路２０における切替弁２４、暖房用冷却水ポンプ２５や、車両用空調ユニット３０における圧縮機３２、膨張弁３４、送風機４４、エアミックスドア４５等の各制御対象機器が接続されている。従って、当該制御装置５０のＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、燃料電池システム１００の作動を制御することができる。

そして、制御装置５０のＲＯＭには、冷却水回路１０、暖房用冷却水回路２０及び車両用空調ユニット３０を熱源として有効利用する為の制御プログラムも記憶されている。この制御プログラム等の内容については後述する。

続いて、第１実施形態に係る燃料電池システム１００において、冷却水回路１０、暖房用冷却水回路２０及び車両用空調ユニット３０を熱源として有効利用する為の制御プログラムの内容について、図面を参照しつつ説明する。燃料電池システム１００の作動が開始されると、制御装置５０は、図２に示す制御プログラムをＲＯＭから読み出して、ＣＰＵによって実行する。

ステップＳ１において、燃料電池システム１００の作動が開始されると、先ず、燃料電池１が図示しない加熱手段によって発電可能温度まで加熱される。燃料電池１が発電可能温度になると、空気通路及び水素通路を介して、燃料電池１に対する酸素を含む空気と水素の供給が開始される。これにより、燃料電池１における発電が開始される。

この発電時における電気化学反応によって燃料電池１では水分と熱が発生する。水分は空気通路を介して空気に含まれた状態で燃料電池１から排出された後、図示しない気液分離器等を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。

この時、燃料電池１における発電開始に伴って冷却水ポンプ１２の作動が開始され、冷却水回路１０における冷却水の循環が開始される。又、電気化学反応による燃料電池１の温度に応じて、三方弁１３の作動が制御され、燃料電池１の冷却が必要な場合には、冷却水回路１０の冷却水がラジエータ１１を通過するように切り替えられる。これにより、燃料電池１で発生した熱は、冷却水回路１０の冷却水を介して、ラジエータ１１から大気中に放出される。

ステップＳ２においては、水温センサ１６によって検出された冷却水温度が制御装置５０に入力される。この冷却水温度は、燃料電池１における電気化学反応で発生した熱の吸熱によって上昇する為、燃料電池１の温度に強い相関を有しており、燃料電池１の温度状況を示すパラメータである。

ステップＳ３では、外気温センサ５２で検出された外気温が予め定められた基準外気温以上であるか否かが判断される。当該基準外気温は、ラジエータ１１の放熱性能の低下が生じる外気温よりも低い任意の温度である。外気温が基準外気温以上である場合、ステップＳ４に進み、外気温が基準外気温以上ではない場合には、ステップＳ８に移行する。

ここで、外気温が高い場合には、ラジエータ１１の放熱性能が低下してしまう。この状態で燃料電池１における発電量が増大すると、ラジエータ１１による冷却性能が不足し、冷却水回路１０における冷却水温度の高温化を招いてしまう為、燃料電池１における発電性能を低下させてしまう。即ち、ステップＳ３では、外気温と基準外気温とを比較することで、ラジエータ１１の放熱性能が低下する危険性を判断しており、ひいては、それに起因して燃料電池１の発電性能が低下する可能性を判断している。

ステップＳ４においては、暖房用冷却水回路２０の切替弁２４及び暖房用冷却水ポンプ２５の作動を制御して、燃料電池システム１００における冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態にする。尚、この時、暖房用冷却水回路２０における電熱ヒータ２６の作動は停止された状態である。

当該燃料電池システム１００における非連携状態は、冷却水回路１０の冷却水流路１４から暖房用冷却水回路２０の分岐流路２２への冷却水の流れを遮断した状態であり、冷却水回路１０及び暖房用冷却水回路２０のそれぞれにおいて、独立して冷却水を循環させる状態を意味する。即ち、この非連携状態は、本発明における第２状態に相当する。

続くステップＳ５では、車両用空調ユニット３０の作動が制御装置５０によって制御される。具体的には、室内ユニット４０における送風機４４の作動が開始され、加熱流路４６側が開状態になるようにエアミックスドア４５の作動が制御される。そして、冷凍サイクル装置３１における圧縮機３２及び膨張弁３４の作動が制御され、膨張弁３４で減圧された冷媒を、蒸発器３５にて蒸発させて吸熱作用を発揮させる。

これにより、車両用空調ユニット３０においては、送風機４４から送風された空調空気が蒸発器３５における冷媒の蒸発潜熱で冷却され、空調空気としての冷風が加熱流路４６に配置されたヒータコア２７を通過することになる。

尚、このステップＳ５の時の加熱流路４６側の開度は全開開度である必要はなく、或る程度の空調空気が加熱流路４６内に流入するのであれば任意の開度とすることができる。

ここで、当該燃料電池システム１００における非連携状態について、図３を参照しつつ説明する。図３においては、冷却水回路１０及び暖房用冷却水回路２０における冷却水の流れを矢印Ｗで示し、車両用空調ユニット３０における空調空気としての冷風の流れを矢印Ｃで示している。

当該燃料電池システム１００における非連携状態において、切替弁２４は、分岐流路２２における冷却水の流れを遮断して、暖房用冷却水流路２１及び還流路２３における冷却水の流れを許容するように、その作動を制御されている。

これにより、非連携状態では、冷却水回路１０を流れる冷却水Ｗは、燃料電池１と、ラジエータ１１（又は、バイパス流路１５）と、三方弁１３と、冷却水ポンプ１２とを通過して冷却水流路１４を循環する。一方、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水Ｗは、暖房用冷却水流路２１及び還流路２３からなる循環流路を流れ、切替弁２４と、暖房用冷却水ポンプ２５と、電熱ヒータ２６と、ヒータコア２７とを通過しながら循環する。

つまり、当該燃料電池システム１００において、非連携状態では、冷却水回路１０を流れる冷却水が分岐流路２２を介して暖房用冷却水回路２０に流入することはなく、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水が冷却水回路１０へ流出することもない。即ち、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０とは独立した状態であり、冷却水回路１０を流れる冷却水と、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水とが混合することはない。

ここで、上述したように、ステップＳ５における車両用空調ユニット３０の作動制御によって、蒸発器３５によって冷却された空調空気としての冷風Ｃが加熱流路４６内に流入して、ヒータコア２７を通過する。この時、ヒータコア２７において、空調空気としての冷風Ｃと、ヒータコア２７内部を流れる冷却水Ｗの間で熱交換が行われる。

これにより、非連携状態の燃料電池システム１００によれば、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水Ｗを、冷凍サイクル装置３１で冷却された空調空気としての冷風Ｃによって冷却することができる。

そして、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水Ｗは、冷却水回路１０に対して流出入することなく、暖房用冷却水回路２０内を循環する為、当該燃料電池システム１００は、空調空気としての冷風Ｃを介して、冷凍サイクル装置３１で生じた冷熱を、暖房用冷却水回路２０の冷却水に蓄冷することができる。

再び図２を参照しつつ、ステップＳ６以後の処理について説明する。ステップＳ６においては、水温センサ１６で取得された冷却水温度が予め定められた基準冷却水温度以上であるか否かが判断される。この基準冷却水温度は、燃料電池１における発電に伴って燃料電池１が高温状態となっている場合の冷却水温度を示しており、例えば、９０℃である。

換言すると、ステップＳ６では、燃料電池１に生じている熱量がラジエータ１１の放熱性能を超えているか否かが判断されている。冷却水温度が基準冷却水温度以上である場合はステップＳ７に進む。一方、冷却水温度が基準冷却水温度以上でない場合は、ステップＳ２に処理を戻し、非連携状態での作動を継続することで、暖房用冷却水回路２０に対する蓄冷を続行する。

ステップＳ７に移行すると、暖房用冷却水回路２０の切替弁２４の作動を制御して、燃料電池システム１００における冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態から連携状態に変更する。連携状態では、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０の間における冷却水の流れが許容され、冷却水回路１０及び暖房用冷却水回路２０を構成する流路を冷却水が循環する状態である。この連携状態は、本発明における第１状態に相当する。

ここで、当該燃料電池システム１００における連携状態について、図４を参照しつつ説明する。図４においても、冷却水回路１０及び暖房用冷却水回路２０における冷却水の流れを矢印Ｗで示し、車両用空調ユニット３０における空調空気としての冷風の流れを矢印Ｃで示している。

ステップＳ７における切替弁２４の作動制御によって、分岐流路２２及び暖房用冷却水流路２１に対する冷却水Ｗの流れが許容され、還流路２３における冷却水Ｗの流れは遮断された状態となる。この状態が当該燃料電池システム１００における連携状態である。

この連携状態では、燃料電池１から流出した温められた冷却水Ｗの一部が分岐流路２２及び切替弁２４を通って暖房用冷却水回路２０の暖房用冷却水流路２１に供給される。当該冷却水Ｗは、暖房用冷却水流路２１を通過してヒータコア２７内に流入する。そして、ヒータコア２７から流出して暖房用冷却水流路２１を流れた冷却水Ｗの全量は、冷却水回路１０の冷却水流路１４に流入する。

即ち、当該燃料電池システム１００の連携状態では、冷却水回路１０に対する暖房用冷却水回路２０における冷却水の流出入を許容させることで、高温状態にある燃料電池１の冷却に、非連携状態において暖房用冷却水回路２０に蓄熱した冷熱を用いることができ、燃料電池システム１００としての冷却性能を向上させることができる。これにより、当該燃料電池システム１００は、発電負荷が高く高温状態になった場合であっても、燃料電池１による発電を安定して行うことができる。

又、図４に示すように、この連携状態においても、車両用空調ユニット３０では、冷凍サイクル装置３１の蒸発器３５で冷却された冷風Ｃが、加熱流路４６内のヒータコア２７を通過するように制御されている。これにより、空調空気である冷風Ｃを介して、暖房用冷却水回路２０における冷却水の冷却も並行して行われることになる為、燃料電池システム１００としての冷却性能を更に向上させることができる。

その後、ステップＳ８では、図２に示すように、燃料電池システム１００の作動を停止するか否かが判断される。この判断処理は、例えば、燃料電池システム１００の作動停止に関する操作が行われたか否かに基づいて判断される。作動停止に関する操作には、例えば、電気自動車（燃料電池車両）に対するキーオフ操作が含まれる。燃料電池システム１００の作動を停止させる場合には、この制御プログラムの実行を終了する。一方、燃料電池システム１００の作動を停止させない場合には、ステップＳ２に戻り、上述した各ステップを実行する。

以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、ステップＳ３〜ステップＳ５の処理を実行することで、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を図３に示す非連携状態にすることができる。

これにより、燃料電池システム１００は、燃料電池１が高温となる前段階で、冷凍サイクル装置３１における蒸発器３５で生じた冷熱を、空調空気を介して、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に蓄熱しておくことができ、燃料電池システム１００を構成する熱源を有効に活用することができる。

そして、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１が高温状態になった場合には、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０が非連携状態から図４に示す連携状態に変更される。

これにより、当該燃料電池システム１００は、暖房用冷却水回路２０に蓄熱されていた冷熱を、燃料電池１の冷却に用いることができるので、高温状態となった燃料電池１の冷却にも対応することができ、燃料電池１による発電の安定性を向上させることができる。

又、図４に示すように、この連携状態においても、蒸発器３５により冷却された冷風Ｃを加熱流路４６内のヒータコア２７に通過させることで、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水を冷風Ｃで冷却することができる。即ち、車両用空調ユニット３０の作動制御を非連携状態から継続して実行することで、燃料電池システム１００の冷却性能を更に向上させることができ、燃料電池１による発電の安定性を更に向上させることができる。

そして、第１実施形態においては、水温センサ１６によって検出された冷却水温度を用いて、燃料電池１が高温状態であるか否かが判定されている。当該水温センサ１６は、冷却水回路１０の冷却水流路１４において、燃料電池１の流出口側部分に配置されている。

従って、水温センサ１６によって検出される冷却水温度は、燃料電池１の温度に強い相関関係を有することになる為、燃料電池システム１００は、燃料電池１が高温状態であるか否かを精度よく判定することができ、非連携状態から連携状態への変更を適切なタイミングで行うことができる。

（第２実施形態）
続いて、上述した第１実施形態とは異なる第２実施形態について、図面を参照しつつ説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００と基本的な構成をほぼ等しく構成されており、冷却水回路１０、暖房用冷却水回路２０及び車両用空調ユニット３０を熱源として有効利用する為の制御プログラムの内容が相違している。従って、以下の説明において、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態と同様に、電気自動車（燃料電池車両）に適用されており、燃料電池１と、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０と、車両用空調ユニット３０と、制御装置５０とを有している。

そして、第２実施形態においては、燃料電池システム１００の作動が開始されると、制御装置５０は、図５に示す制御プログラムを制御装置５０のＲＯＭから読み出して、ＣＰＵによって実行する。

図５に示すように、先ず、ステップＳ１１においては、燃料電池システム１００の作動が開始されると、燃料電池システム１００を構成する各制御機器の作動が開始される。このステップＳ１１における処理内容は、第１実施形態におけるステップＳ１と同様である為、詳細な説明は省略する。

ステップＳ１２では、燃料電池１における電解質膜の膜抵抗であるインピーダンスが制御装置５０に入力される。ここで、燃料電池１の電解質膜は、当該電解質膜に含まれる水分が蒸発等によって減少する程に、その膜抵抗（即ち、インピーダンス）が増加する傾向を示す。即ち、当該インピーダンスは、燃料電池１が高温状態であるか否かを判定する為のパラメータとして用いることができる。

尚、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においては、周知の交流インピーダンス法により、燃料電池１における電解質膜のインピーダンスが検出されている。この点、制御装置５０が電解質膜のインピーダンスを取得することができればよく、その取得方法は適宜変更可能である。例えば、インピーダンスに相関を有する一又は複数の物理量を用いて、電解質膜のインピーダンスを算出する構成としても良いし、インピーダンスを検出する為のセンサを配置しても良い。

ステップＳ１３では、外気温センサ５２により検出された外気温が予め定められた基準外気温以上であるか否かが判断される。この判断処理は、第１実施形態におけるステップＳ３と同様の処理である。外気温が基準外気温以上である場合はステップＳ１４に進み、そうでない場合は、ステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１４では、暖房用冷却水回路２０の切替弁２４及び暖房用冷却水ポンプ２５の作動を制御して、第２実施形態に係る燃料電池システム１００における冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態にする。

ステップＳ１５においては、室内ユニット４０における送風機４４の作動が開始され、加熱流路４６側が開状態になるようにエアミックスドア４５の作動が制御される。又、冷凍サイクル装置３１における圧縮機３２及び膨張弁３４の作動が制御され、膨張弁３４で減圧された冷媒を、蒸発器３５にて蒸発させて吸熱作用を発揮させる。

即ち、ステップＳ１４、ステップＳ１５の処理は、第１実施形態におけるステップＳ４及びステップＳ５と同様の処理である。従って、第２実施形態における非連携状態は、第１実施形態と同様に、図３に示す状態となる。

これにより、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態と同様に、燃料電池１が高温となる前段階で、冷凍サイクル装置３１における蒸発器３５で生じた冷熱を、空調空気を介して、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に蓄熱しておくことができる。

ステップＳ１６では、ステップＳ１２で取得した燃料電池１のインピーダンス（以下、取得インピーダンスという）が予め定められた基準値以上であるか否かが判断される。この基準値は、燃料電池１の電解質膜に含まれる水分が燃料電池１の熱によって一定以下に減少した状態を示しており、燃料電池１が高温状態であるか否かの判定基準を構成する。

即ち、ステップＳ１６は、燃料電池１が高温状態であるか否かを判断する為の処理である。取得インピーダンスが基準値以上であると判断された場合には、燃料電池１が高温状態である為、ステップＳ１７に進む。一方、取得インピーダンスが基準値以上でないと判断された場合には、燃料電池１が高温状態ではない為、ステップＳ２に処理を戻し、非連携状態における暖房用冷却水回路２０に対する蓄冷を継続する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１の温度状態を電解質膜のインピーダンスから直接的に把握することができるので、燃料電池１の高温状態であるか否か（即ち、冷却水回路１０による冷却性能を超えているか否か）を精度よく判断することができる。

ステップＳ１７においては、第１実施形態と同様に、切替弁２４の作動を制御することで、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態から図４に示す連携状態に変更する。これにより、当該燃料電池システム１００は、高温状態にある燃料電池１の冷却に、非連携状態において暖房用冷却水回路２０に蓄熱した冷熱を用いることができ、燃料電池システム１００としての冷却性能を向上させることができる。従って、当該燃料電池システム１００は、発電負荷が高く高温状態になった場合であっても、燃料電池１による発電を安定して行うことができる。

ステップＳ１８では、燃料電池システム１００の作動を停止するか否かが判断される。この判断処理は、第１実施形態におけるステップＳ８と同様の処理である為、その説明を省略する。

以上説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、ステップＳ１３〜ステップＳ１５の処理を実行することで、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を図３に示す非連携状態にすることができる。

これにより、当該燃料電池システム１００は、第１実施形態と同様に、燃料電池１が高温となる前段階で、冷凍サイクル装置３１における蒸発器３５で生じた冷熱を、空調空気を介して、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に蓄熱しておくことができ、燃料電池システム１００を構成する熱源を有効に活用することができる。

そして、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１が高温状態になった場合には、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０が非連携状態から連携状態に変更される。これにより、当該燃料電池システム１００は、暖房用冷却水回路２０に蓄熱されていた冷熱を、燃料電池１の冷却に用いることができるので、高温状態となった燃料電池１の冷却にも対応することができ、燃料電池１による発電の安定性を向上させることができる。

又、第２実施形態に係る連携状態においても、蒸発器３５により冷却された冷風Ｃを加熱流路４６内のヒータコア２７に通過させることで、暖房用冷却水回路２０を流れる冷却水を冷風Ｃで冷却することができる。即ち、車両用空調ユニット３０の作動制御を非連携状態から継続して実行することで、燃料電池システム１００の冷却性能を更に向上させることができ、燃料電池１による発電の安定性を更に向上させることができる。

そして、第２実施形態においては、燃料電池１のインピーダンスを用いて、燃料電池１が高温状態であるか否かが判定されている。このインピーダンスは、燃料電池１の電解質膜が含む水分量が少ない程大きな値を示し、当該電解質膜の水分は、燃料電池１の温度上昇に伴って減少する。

従って、燃料電池１のインピーダンスは、燃料電池１の温度に強い相関関係を有することになる為、燃料電池システム１００は、燃料電池１が高温状態であるか否かを精度よく判定することができ、非連携状態から連携状態への変更を適切なタイミングで行うことができる。

（第３実施形態）
続いて、上述した各実施形態とは異なる第３実施形態について、図面を参照しつつ説明する。第３実施形態に係る燃料電池システム１００は、上述した実施形態と同様に、電気自動車（燃料電池車両）に適用されており、燃料電池１と、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０と、車両用空調ユニット３０と、制御装置５０とを有している。

第３実施形態に係る燃料電池システム１００においては、車両用空調ユニット３０における室内ユニット４０の構成を除いて、基本的に上述した実施形態と同様の構成である。従って、以下の説明において、上述した実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第３実施形態に係る燃料電池システム１００においても、車両用空調ユニット３０は、冷凍サイクル装置３１と、室内ユニット４０とを有している。第３実施形態に係る室内ユニット４０の空調ケース４１には、図６〜図８に示すように、排気口４８と、排気用ドア４９とが配置されている。

排気口４８は、空調ケース４１における加熱流路４６側の側面に形成されており、加熱流路４６内に配置されたヒータコア２７よりも空調空気流れ下流側に位置している。当該排気口４８は、空調ケース４１における加熱流路４６の内部と、空調ケース４１外部（即ち、燃料電池システム１００外部）とを連通している。従って、第３実施形態に係る燃料電池システム１００は、ヒータコア２７を通過した空調空気を、排気Ｅとして燃料電池システム１００外部に排出することができる。つまり、当該排気口４８は、本発明における排気口として機能する。

排気用ドア４９は、排気口４８の下流側に配置された支持軸周りに回動可能に支持された板状の部材である。排気用ドア４９は、排気口４８の開口面積及び加熱流路４６の流路面積に対応して形成されており、排気口４８及び加熱流路４６を閉塞可能に形成されている。排気用ドア４９は、電動アクチュエータの作動によって支持軸周りに回動するように構成されており、制御装置５０による作動制御によって任意の位置に回動する。

即ち、排気用ドア４９は、図７に示す排気口４８を閉塞すると共に加熱流路を開放した状態と、図８に示す排気口４８を開放すると共に加熱流路４６を閉塞した状態とを切り替えることができる。従って、当該排気用ドア４９は、本発明における排気用部材として機能する。

図７に示すように、排気用ドア４９によって排気口４８を閉塞することで、加熱流路４６を流れる空調空気は、空調ケース４１外部へ漏出することなく、空調対象空間である車室内に供給される。即ち、当該燃料電池システム１００によれば、空調ケース４１に排気口４８を形成した場合であっても、加熱流路４６の機能を充分に維持することができる。

一方、図８に示すように、排気用ドア４９によって排気口４８を開放し、加熱流路４６の下流側を閉塞すると、ヒータコア２７を通過した空調空気は、排気Ｅとして、排気口４８から燃料電池システム１００外部に排出される。

ここで、第３実施形態に係る燃料電池システム１００においては、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０が非連携状態にする場合には、排気用ドア４９の作動を制御して、図８に示すように、排気口４８を開放すると同時に加熱流路４６を閉塞した状態にする。

上述したように、非連携状態の場合、ヒータコア２７において、蒸発器３５で冷却された冷風Ｃと暖房用冷却水回路２０の冷却水との熱交換が行われ、暖房用冷却水回路２０の冷却水Ｗが冷却される。

換言すると、蒸発器３５で冷却された冷風Ｃは、ヒータコア２７における冷却水Ｗとの熱交換によって温められることになる。蒸発器３５で冷却されたにも関わらず、ヒータコア２７で温められた空調空気が空調対象空間である車室内に供給されてしまうと、車室内の快適性を損ねる可能性がある。

この点、図８に示すように、排気用ドア４９によって、排気口４８を開放すると同時に加熱流路４６を閉塞した状態にすることで、燃料電池システム１００は、ヒータコア２７を通過した空調空気を、排気Ｅとして外部に排出することができる。

又、排気口４８の下流側における加熱流路４６が排気用ドア４９で閉塞されている為、ヒータコア２７を通過した空調空気は、排気口４８側に導かれ、車室内へと向かうことはない。即ち、非連携状態に際して、排気用ドア４９を図８に示すように制御することで、当該燃料電池システム１００は、非連携状態における車室内の快適性を維持することができる。

以上説明したように、第３実施形態に係る燃料電池システム１００は、上述した実施形態と同様に、燃料電池１と、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０と、車両用空調ユニット３０と、制御装置５０とを有している。当該燃料電池システム１００によれば、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態とすることで、冷凍サイクル装置３１における蒸発器３５で生じた冷熱を、空調空気を介して、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に蓄熱しておくことができ、燃料電池システム１００を構成する熱源を有効に活用することができる。

そして、第３実施形態においては、この非連携状態において、排気用ドア４９の作動を制御して、図８に示すように、排気口４８を開放すると共に、排気口４８の下流側における加熱流路４６を閉塞する。

これにより、ヒータコア２７を通過する際に温められた空調空気を、車室内へ供給することなく、燃料電池システム１００外部に排出することができる。即ち、当該燃料電池システム１００によれば、非連携状態時に排気用ドア４９の作動を制御することで、車室内の快適性を維持することができる。

又、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１が高温状態になった場合には、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０が非連携状態から連携状態に変更される。これにより、当該燃料電池システム１００は、暖房用冷却水回路２０に蓄熱されていた冷熱を、燃料電池１の冷却に用いることができるので、高温状態となった燃料電池１の冷却にも対応することができ、燃料電池１による発電の安定性を向上させることができる。

（第４実施形態）
続いて、上述した各実施形態とは異なる第４実施形態について、図面を参照しつつ説明する。第４実施形態に係る燃料電池システム１００は、暖房用冷却水回路２０の構成を除いて、基本的に上述した各実施形態と同様の構成である。従って、以下の説明において、上述した実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第４実施形態に係る燃料電池システム１００は、電気自動車（燃料電池車両）に適用されており、図９に示すように、燃料電池１と、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０と、車両用空調ユニット３０と、制御装置５０とを有している。

第４実施形態に係る暖房用冷却水回路２０は、上述した実施形態と同様に、暖房用冷却水流路２１と、分岐流路２２と、還流路２３と、切替弁２４と、暖房用冷却水ポンプ２５と、電熱ヒータ２６と、ヒータコア２７とを有している。これらの点は、上述した各実施形態と同様である。

図９に示すように、第４実施形態に係る暖房用冷却水回路２０では、蓄冷器２８が暖房用冷却水流路２１上に配置されている。蓄冷器２８は、暖房用冷却水流路２１の流路外周に対してロウ付け接合されており、その内部に蓄冷材が収容されている。蓄冷器２８における蓄冷材としては、例えば、パラフィン等を用いることができる。

従って、第４実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、暖房用冷却水流路２１を流れる冷却水との熱交換によって、蓄冷器２８内の蓄冷材を凝固させて冷熱を蓄えることができる。当該蓄冷器２８は、本発明における蓄熱部として機能する。

即ち、第４実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態とした場合に、暖房用冷却水回路２０に蓄冷する際に、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に加えて、蓄冷器２８にも蓄冷することができる。

これにより、当該燃料電池システム１００によれば、連携状態にした場合に、高温状態の燃料電池１の冷却に利用可能な冷熱を増大させることができるので、より高温状態となった燃料電池１の冷却にも対応することができ、燃料電池１の発電に関する安定性を高めることができる。

尚、暖房用冷却水回路２０における蓄冷器２８の配置は、図９の模式図で示す配置に限定されるものではなく、適宜変更することができる。この点、非連携状態における蓄冷と連携状態における冷熱の利用の観点から、連携状態と非連携状態の何れにおいても冷却水が流れる暖房用冷却水回路２０の流路であることが望ましい。

以上説明したように、第４実施形態に係る燃料電池システム１００は、上述した実施形態と同様に、燃料電池１と、冷却水回路１０と、暖房用冷却水回路２０と、車両用空調ユニット３０と、制御装置５０とを有している。当該燃料電池システム１００によれば、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態とすることで、冷凍サイクル装置３１における蒸発器３５で生じた冷熱を、空調空気を介して、暖房用冷却水回路２０に蓄熱しておくことができ、燃料電池システム１００を構成する熱源を有効に活用することができる。

ここで、第４実施形態に係る暖房用冷却水回路２０は、暖房用冷却水流路２１上に蓄冷器２８を有している為、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に加えて、蓄冷器２８にも、蒸発器３５で生じた冷熱を蓄熱することができる。

又、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１が高温状態になった場合には、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０が非連携状態から連携状態に変更される。これにより、当該燃料電池システム１００は、暖房用冷却水回路２０に蓄熱されていた冷熱を、燃料電池１の冷却に用いることができる。

このとき、第４実施形態においては、非連携状態において、暖房用冷却水回路２０を循環する冷却水に加えて、蓄冷器２８にも蓄冷することができるので、より高温状態となった燃料電池１の冷却にも対応することができ、燃料電池１による発電の安定性を更に向上させることができる。

（他の実施形態）
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではない。即ち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。例えば、上述した各実施形態を適宜組み合わせても良いし、上述した実施形態を種々変形することも可能である。

（１）上述した実施形態においては、燃料電池１として、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いていたが、この態様に限定されるものではない。本発明における燃料電池としては、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を用いることも可能である。

（２）そして、本発明における冷凍サイクルのサイクル構成は、上述した各実施形態に記載された構成に限定されるものではない。ヒータコア２７の空調空気流れ上流側に配置された熱交換器は、蒸発器（即ち、吸熱器）として機能する回路構成であれば、本発明を適用することができる。例えば、冷房モード、暖房モード、除湿暖房モードに切り替え可能な冷凍サイクルの回路構成を採用することができる。

（３）又、上述した実施形態においては、ステップＳ６では、水温センサ１６にて検出された冷却水回路１０における冷却水温度を用いて、燃料電池１の温度状態を判定し、ステップＳ１６では、燃料電池１における電解質膜のインピーダンスを用いて、燃料電池１の温度状態を判定していたが、この態様に限定されるものではない。燃料電池１の温度に相関を有する他の物理量に基づいて、燃料電池１の温度状態を判定しても良いし、燃料電池１の温度を測定して判定しても良い。

（４）そして、上述した実施形態においては、冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を非連携状態にする際に、ステップＳ４、ステップＳ５等の作動制御を行っていたが、この態様に限定されるものではない。例えば、非連携状態にする際に、その時点における車両用空調ユニット３０の作動状況を考慮して、車両用空調ユニット３０の作動内容を決定してもよい。

具体的には、非連携状態にする際に、操作パネル等の操作によって、車両用空調ユニット３０に対する車室内の冷房要求がなされていた場合には、エアミックスドア４５による加熱流路４６側の開度を通常時（冷房要求がない場合）よりも小さくし、非加熱流路４７側の開度を大きくするように構成しても良い。このように制御すれば、暖房用冷却水回路２０に対する蓄冷と、車室内の冷房という要求を或る程度両立させることができる。

（５）そして、上述した実施形態においては、ステップＳ７、ステップＳ１７で冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０を連携状態にした後も、図４に示すように、車両用空調ユニット３０の作動を継続させていたが、この態様に限定されるものではない。

冷却水回路１０と暖房用冷却水回路２０が非連携状態である場合に、車両用空調ユニット３０を作動させて、暖房用冷却水回路２０に蓄冷することができれば、連携状態における車両用空調ユニット３０の作動を停止してもよい。この場合であっても、暖房用冷却水回路２０に蓄熱された冷熱を、高温状態の燃料電池１の冷却に用いることができるので、燃料電池１による発電の安定性を向上させることができる。

１ 燃料電池
１０ 冷却水回路
２０ 暖房用冷却水回路
２４ 切替弁
２７ ヒータコア
３０ 車両用空調ユニット
３１ 冷凍サイクル装置
３５ 蒸発器
５０ 制御装置
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
   冷却水を用いて前記燃料電池を冷却する冷却水回路（１０）と、
   前記冷却水を熱源として空調対象空間に対して送風される空調空気を加熱するヒータコア（２７）を有する暖房用冷却水回路（２０）と、
   前記冷却水回路と前記暖房用冷却水回路との間における前記冷却水の流れを許容する第１状態と、前記冷却水回路と前記暖房用冷却水回路との間における前記冷却水の流れを遮断する第２状態とに切り替え可能な切替部（２４）と、
   前記ヒータコアに対して前記空調空気の流れの上流側に配置され、冷媒の蒸発によって前記空調空気を冷却する冷房用熱交換器（３５）を有する冷凍サイクル（３１）と、
   前記空調空気が流れる空気通路において、前記ヒータコアに対して前記空調空気の流れの下流側に配置され、前記ヒータコアを通過した前記空調空気を排気可能な排気口（４８）と、
   前記排気口を開放すると共に、当該排気口に対する前記空調空気の下流側で前記空気通路を閉塞可能な排気用部材（４９）と、
   前記切替部の作動を制御する制御部（５０）と、を有し、
   前記制御部は、前記燃料電池が高温となった場合に、前記第２状態から前記第１状態に切り替えるように前記切替部の作動を制御する燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記冷却水回路における冷却水の温度である冷却水温度が予め定められた基準冷却水温度以上である場合に、前記燃料電池が高温となったと判定する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記燃料電池のインピーダンスが予め定められた基準値以上である場合に、前記燃料電池が高温となったと判定する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記暖房用冷却水回路は、当該暖房用冷却水回路における冷却水から蓄熱する蓄熱部（２８）を有している請求項１ないし３の何れか１つに記載の燃料電池システム。

Images