JP2007038950A - 燃料電池を搭載した車両の空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、システムに必要な機器からの廃熱を利用し、新たな熱源を設けることのない燃料電池を搭載した車両の空調装置を実現することを目的としている。
【解決手段】このため、暖房手段と、コンプレッサと、冷却機能部と加熱機能部を有する冷却器とを備えた燃料電池を搭載した車両の空調装置において、冷却水通路は、燃料電池の冷却水排出側と冷却器を連結する連絡通路と、冷却器と冷却水ポンプを連結する通路途中に３つの並列通路とを備え、３つの通路は、暖房手段と連結する第１の通路と、冷却水冷却用ラジエータと連結する第２の通路と、第２の通路をバイパスする第３の通路とから構成され、第１の通路の暖房手段より冷却器側に開閉弁を設け、冷却水を第２と第３の通路の一方にだけ流す切換弁を設け、開閉弁は冷却水温が第１設定値より高くかつ暖房使用時に開放され、切換弁は暖房使用状態でかつ冷却水温の値に応じて切り換えられる。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池を搭載した車両の空調装置に係り、特に燃料電池を搭載したシステムに必要な機器からの廃熱を利用し、新たな熱源を設けることのない燃料電池を搭載した車両の空調装置に関するものである。

車両に搭載される燃料電池、例えば固体高分子電解質膜型燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて電気化学反応により発電するものである。前記電気化学反応の結果、排出される物質は水のみであり、クリーンな発電装置として注目されている。

特許第３１４１６０６号公報 特開２００４−２４３８２９号公報 特開２００３−１１８３９６号公報

ところで、従来の燃料電池を搭載した車両の空調装置において、通常、四輪自動車においては、冬季の暖房及びデフロストの熱源として内燃機関の廃熱を利用している。

しかし、燃料電池を搭載した車両においては、廃熱温度が内燃機関と比較して低く（約６０度±１０度）、熱源として不十分となる。

改質システム等を持たない純水素型の場合には、その傾向は特に顕著となる。

このような問題を解決するものとして、補助熱源を追加する方策がある。例えば、上述の特許文献１では、バーナ加熱を用いている。

しかし、このように新たに熱源を追加したのでは、暖房時の車両効率を低下させ、燃費を低下させてしまうという不都合がある。

また、上述の特許文献２では、空調の除湿のために利用している。

更に、上述の特許文献３では、熱源として利用することも考えられている。

しかし、このような場合には、冷却用ラジエータと圧縮空気冷却用クーラとを一体化した特別な部品を用意する必要があるという不都合がある。

この発明の目的は、燃料電池を搭載したシステムに必要な機器からの廃熱を利用し、新たな熱源を設けることのない燃料電池を搭載した車両の空調装置を実現するにある。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、燃料電池を冷却するための冷却水通路から排出される熱を熱源として用いた暖房手段と、前記燃料電池へ供給する空気を圧縮するコンプレッサと、このコンプレッサに圧縮された空気を冷却する冷却機能部と、空気を冷却するときに排出される熱により前記冷却水通路内の冷却水を加熱する加熱機能部とを有する冷却器とを備えた燃料電池を搭載した車両の空調装置において、前記冷却水通路は、前記燃料電池の冷却水排出側と前記冷却器とを連結する連絡通路と、冷却器と冷却水ポンプとを連結する通路の途中に３つの並列通路とを備え、３つの通路は、前記暖房手段と連結する第１の通路と、冷却水冷却用ラジエータと連結する第２の通路と、この第２の通路をバイパスする第３の通路とから構成され、前記第１の通路の暖房手段より冷却器側に開閉弁を設け、冷却水が、前記第２の通路と前記第３の通路とのいずれか一方にしか流れないように切り換える切換弁を設け、前記開閉弁は、冷却水温が第１設定値より高く、かつ暖房使用時に開放されるとともに、前記切換弁は、暖房使用状態で、かつ冷却水温の値に応じて切り換えられることを特徴とする。

以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、燃料電池を冷却するための冷却水通路から排出される熱を熱源として用いた暖房手段と、燃料電池へ供給する空気を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサに圧縮された空気を冷却する冷却機能部と、空気を冷却するときに排出される熱により冷却水通路内の冷却水を加熱する加熱機能部とを有する冷却器とを備えた燃料電池を搭載した車両の空調装置において、冷却水通路は、燃料電池の冷却水排出側と冷却器とを連結する連絡通路と、冷却器と冷却水ポンプとを連結する通路の途中に３つの並列通路とを備え、３つの通路は、暖房手段と連結する第１の通路と、冷却水冷却用ラジエータと連結する第２の通路と、第２の通路をバイパスする第３の通路とから構成され、第１の通路の暖房手段より冷却器側に開閉弁を設け、冷却水が、第２の通路と第３の通路とのいずれか一方にしか流れないように切り換える切換弁を設け、開閉弁は、冷却水温が第１設定値より高く、かつ暖房使用時に開放されるとともに、切換弁は、暖房使用状態で、かつ冷却水温の値に応じて切り換えられることにより、冷却水温の値に応じて弁の切換を制御しているので、冷却器から廃熱されて熱源を暖房用熱源と燃料電池を暖機する機能とに適切に振り分けることが可能であるとともに、燃料電池を搭載したシステムに必要な機器からの廃熱を利用しているため、新たな熱源を設ける必要がなく、これによってシステムの簡素化と、エネルギ消費の観点からの効率を高めることが可能である。

上述の如く発明したことにより、開閉弁を、冷却水温が第１設定値より高く、かつ暖房使用時に開放させるとともに、切換弁を、暖房使用状態で、かつ冷却水温の値に応じて切り換え、冷却水温の値に応じて弁の切換を制御し、冷却器から廃熱されて熱源を暖房用熱源と燃料電池を暖機する機能とに適切に振り分けるとともに、燃料電池を搭載したシステムに必要な機器からの廃熱を利用しているため、新たな熱源を設ける必要がなく、これによってシステムの簡素化と、エネルギ消費の観点からの効率を高めている。

以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図３はこの発明の実施例を示すものである。図２において、２は燃料電池を搭載した車両の空調装置、４は燃料電池である。

前記空調装置２は、図２に示す如く、燃料電池４を冷却するための冷却水通路６から排出される熱を熱源として用いた暖房手段８と、前記燃料電池４へ供給する空気を圧縮するコンプレッサ１０と、このコンプレッサ１０に圧縮された空気を冷却する冷却機能部と、空気を冷却するときに排出される熱により前記冷却水通路６内の冷却水を加熱する加熱機能部とを有する冷却器１２とを備えている。

そして、前記暖房手段８は、ヒータコア１４と、このヒータコア１４に送風する送風機１６とからなる。

また、前記コンプレッサ１０の上流側に、図２に示す如く、空気を導入する空気導入通路１８を接続して設けるとともに、コンプレッサ１０の下流側には、圧縮された圧縮空気を前記燃料電池４に導入する圧縮空気導入通路２０を接続して設ける。

つまり、前記燃料電池４を搭載した車両においては、燃料電池４の出力密度を向上させるために圧縮空気を供給するが、コンプレッサ１０よる断熱圧縮によって圧縮直後には１８０度以上の高温となるため、前記燃料電池４への供給時にはコンプレッサ１０にて圧縮された圧縮空気を適正な温度、例えば６０度±１０度に冷却する必要がある。

これに対処すべく前記コンプレッサ１０の直下流部位に前記冷却器１２を配設する。この冷却器１２は、コンプレッサ１０に圧縮された空気を冷却する冷却機能部と空気を冷却するときに排出される熱により前記冷却水通路６内の冷却水を加熱する加熱機能部とを有し、熱交換器として機能している。

更に、前記冷却水通路６は、前記燃料電池４の冷却水排出側と前記冷却器１２とを連結する連絡通路２２と、冷却器１２と冷却水ポンプ２４とを連結する通路の途中に３つの並列通路２６とを備え、３つの通路である並列通路２６は、前記暖房手段８と連結する第１の通路２８と、冷却水冷却用ラジエータ３０と連結する第２の通路３２と、この第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４とから構成され、前記第１の通路２８の暖房手段８より冷却器１２側に開閉弁３６を設け、冷却水が、前記第２の通路３２と前記第３の通路３４とのいずれか一方にしか流れないように切り換える切換弁３８を設け、前記開閉弁３６は、冷却水温が第１設定値より高く、かつ暖房使用時に開放されるとともに、前記切換弁３８は、暖房使用状態で、かつ冷却水温の値に応じて切り換えられる構成とする。

詳述すれば、前記冷却水通路６は、前記燃料電池４の冷却水排出側と前記冷却器１２とを連結する連絡通路２２と、冷却器１２と冷却水ポンプ２４とを連結する３つの並列通路２６である第１〜第３の通路２８、３２、３４と、冷却ポンプ２４と前記燃料電池４の冷却水供給側とを連結する供給通路４０とからなる。

この供給通路４０の途中に、水温センサ４２を設ける。なお、符号４４は、前記冷却水冷却用ラジエータ３０に設けられるラジエータ用送風機である。

そして、前記開閉弁３６は、冷却水温ＴＷが第１設定値、例えば第１閾値Ｔｔｈ１のより高く、かつ暖房使用時に開放される。

また、前記切換弁３８は、ｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能とするとともに、ａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能とするａ〜ｃポートを有する三方弁からなる。

このとき、前記切換弁３８は、暖房使用状態で、かつ冷却水温ＴＷの値に応じて、つまり、冷却水温ＴＷが設定値である第２閾値Ｔｔｈ２より高い場合に、ｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能として、前記冷却器１２と第２の通路３２とが連通するように切り換えられる。

更に、前記切換弁３８は、冷却水温ＴＷが第２閾値Ｔｔｈ２より低い場合には、ａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能とするように切り換えられる。

なお、上述した第１設定値である第１閾値Ｔｔｈ１及び設定値である第２閾値Ｔｔｈ２には、図３に示す如く、ヒステリシス特性を持たせる。このようにヒステリシス特性を持たせることによって、頻繁に動作が切り替わることを防止するものである。

つまり、このヒステリシス特性で温度低下時には、図３の（３）位置の状態で冷却水温ＴＷが第２閾値Ｔｔｈ２以下となった場合に、図３の（２）位置の状態に冷却系を切り換えるとともに、いずれの動作中も冷却水温ＴＷが第１閾値Ｔｔｈ１以下となった場合には、前記開閉弁３６を閉鎖させ、かつ前記切換弁３８を切り換えてａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能とし、冷却系からの放熱を最小限に抑えるようにする。

ここで、前記冷却水通路６内の冷却水の流れについて追記すると、図２に示す如く、前記燃料電池４から排出された冷却水は、連絡通路２２を経て冷却器１２に至る。

この冷却器１２においては、冷却機能部とによってコンプレッサ１０で圧縮された空気を冷却し、加熱機能部とによって空気を冷却するときに排出される熱により前記冷却水通路６内の冷却水を加熱する、いわゆる熱交換が行われ、加熱された冷却水は、並列通路２６である第１〜第３の通路２８、３２、３４に至る。

第１の通路２８の途中に配設される前記開閉弁３６が開放状態にある場合には、第１の通路２８内を冷却水が流れることとなる。このとき、冷却水は、前記暖房手段８を構成するヒータコア１４を通過し、前記冷却水ポンプ２４に至る。

また、前記切換弁３８によって、ｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能とすると、第２の通路３２内を冷却水が流れることとなる。このとき、冷却水は、冷却水冷却用ラジエータ３０を通過し、前記冷却水ポンプ２４に至る。

更に、前記切換弁３８によって、ａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能とすると、第２の通路３２の代わりに第３の通路３４内を冷却水が流れることとなる。このとき、冷却水は、直接前記冷却水ポンプ２４に至る。

そして、冷却水ポンプ２４に到達した冷却水は、前記供給通路４０に至り、前記水温センサ４２を経て、前記燃料電池４に供給されることとなる。

次に、図１の燃料電池を搭載した車両の空調装置の制御用フローチャートに沿って作用を説明する。

制御用プログラムがスタートしてシステムが起動（１０２）すると、第１閾値Ｔｔｈ１を５５度に設定するとともに、第２閾値Ｔｔｈ２を６０度に設定（１０４）し、前記開閉弁３６を閉鎖状態とするとともに、三方弁からなる前記切換弁３８をａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能な状態とする（１０６）。

そして、冷却水温ＴＷが第１閾値Ｔｔｈ１以上であるか否かの判断（１０８）に移行し、この判断（１０８）がＮＯの場合には、第１閾値Ｔｔｈ１を５５度に設定（１１０）し、後述するフェール発生か否かの判断（１３２）に移行し、判断（１０８）がＹＥＳの場合には、第１閾値Ｔｔｈ１を５０度に設定（１１２）し、暖房要求があるか否か、つまり暖房使用時であるか否かの判断（１１４）に移行する。

この暖房要求があるか否か、つまり暖房使用時であるか否かの判断（１１４）において、暖房使用時でない「ｏｆｆ」の場合には、前記開閉弁３６を閉鎖状態とするとともに、前記切換弁３８を切り換えてｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能な状態とし（１１６）、暖房使用時である「ｏｎ」の場合には、冷却水温ＴＷが第２閾値Ｔｔｈ２以上であるか否かの判断（１１８）に移行する。

前記開閉弁３６を閉鎖状態とするとともに、前記切換弁３８を切り換えてｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能な状態とする処理（１１６）の後には、ポンプ送水量やファンである前記ラジエータ用送風機４４の風量を調整して冷却水温ＴＷを６５度まで上昇させ、この冷却水温ＴＷを維持（１２０）し、後述するフェール発生か否かの判断（１３２）に移行する。

また、冷却水温ＴＷが第２閾値Ｔｔｈ２以上であるか否かの判断（１１８）においては、判断（１１８）がＮＯの場合には、第２閾値Ｔｔｈ２を６０度に設定（１２２）し、判断（１１８）がＹＥＳの場合には、第２閾値Ｔｔｈ２を５５度に設定（１２４）する。

そして、第２閾値Ｔｔｈ２を６０度に設定する処理（１２２）の後に、前記開閉弁３６を開放状態とするとともに、前記切換弁３８を切り換えてａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能な状態とし（１２６）、後述するフェール発生か否かの判断（１３２）に移行する。

更に、第２閾値Ｔｔｈ２を５５度に設定する処理（１２４）の後には、前記開閉弁３６を開放状態とするとともに、前記切換弁３８を切り換えてｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能な状態とし（１２８）、ポンプ送水量やファンである前記ラジエータ用送風機４４の風量を調整して冷却水温ＴＷを６５度まで上昇させ、この冷却水温ＴＷを維持（１２０）し、フェール発生か否かの判断（１３２）に移行する。

このフェール発生か否かの判断（１３２）において、判断（１３２）がＹＥＳの場合には、フェール処理（１３４）を行い、後述する制御用プログラムを終了させるシステムの停止（１４０）に移行し、判断（１３２）がＮＯの場合には、車両が停止状態にあるか否かの判断（１３６）に移行する。

そして、この車両が停止状態にあるか否かの判断（１３６）において、判断（１３６）がＮＯの場合には、第２閾値Ｔｔｈ２が５５度以上であるか否かの判断（１３８）に移行し、判断（１３６）がＹＥＳの場合には、後述する制御用プログラムを終了させるシステムの停止（１４０）に移行する。

第２閾値Ｔｔｈ２が５５度以上であるか否かの判断（１３８）において、判断（１３８）がＹＥＳの場合には、前記開閉弁３６を閉鎖状態とするとともに、三方弁からなる前記切換弁３８をａポートとｂポートとを接続して第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４を使用可能な状態とする処理（１０６）に戻り、判断（１３８）がＮＯの場合には、冷却水温ＴＷが第１閾値Ｔｔｈ１以上であるか否かの判断（１０８）に戻る。

これにより、前記冷却水通路６は、前記燃料電池４の冷却水排出側と前記冷却器１２とを連結する連絡通路２２と、冷却器１２と冷却水ポンプ２４とを連結する通路の途中に３つの並列通路２６とを備え、３つの通路である並列通路２６は、前記暖房手段８と連結する第１の通路２８と、冷却水冷却用ラジエータ３０と連結する第２の通路３２と、この第２の通路３２をバイパスする第３の通路３４とから構成され、前記第１の通路２８の暖房手段８より冷却器１２側に開閉弁３６を設け、冷却水が、前記第２の通路３２と前記第３の通路３４とのいずれか一方にしか流れないように切り換える切換弁３８を設け、前記開閉弁３６は、冷却水温が第１設定値より高く、かつ暖房使用時に開放されるとともに、前記切換弁３８は、暖房使用状態で、かつ冷却水温の値に応じて切り換えられることによって、冷却水温の値に応じて弁の切換を制御しているので、冷却器１２から廃熱された熱源を暖房用熱源と燃料電池４を暖機する機能とに適切に振り分けることが可能であるとともに、燃料電池４を搭載したシステムに必要な機器からの廃熱を利用しているため、新たな熱源を設ける必要がなく、これによってシステムの簡素化と、エネルギ消費の観点からの効率を高めることが可能である。

また、前記切換弁３８は、冷却水温ＴＷが設定値である第２閾値Ｔｔｈ２より高い場合に、ｂポートとｃポートとを接続して第２の通路３２を使用可能として、前記冷却器１２と第２の通路３２とが連通するように切り換えられることにより、暖房用に冷却水を使用しても、冷却水温が高いときには、通路を切り換えるだけで放熱量を制御することが可能である。

なお、この発明は上述実施例に限定されるものではなく、種々の応用改変が可能である。

例えば、この発明の実施例においては、切換弁として、単純な切替式の三方弁を使用する構成としたが、この三方弁の代わりに、調整型の弁を使用する構成とすることも可能である。

さすれば、調整型の弁によって、冷却水の温度調整をより一層細かく制御することができるものである。

この発明の実施例を示す燃料電池を搭載した車両の空調装置の制御用フローチャートである。 ヒステリシス特性を示す図である。 燃料電池を搭載した車両の空調装置のシステム構成図である。

符号の説明

２ 燃料電池を搭載した車両の空調装置、
４ 燃料電池
６ 冷却水通路
８ 暖房手段
１０ コンプレッサ
１２ 冷却器
１４ ヒータコア
１６ 送風機
１８ 空気導入通路
２０ 圧縮空気導入通路
２２ 連絡通路
２４ 冷却水ポンプ
２６ 並列通路
２８ 第１の通路
３０ 冷却水冷却用ラジエータ
３２ 第２の通路
３４ 第３の通路
３６ 開閉弁
３８ 切換弁
４０ 供給通路
４２ 水温センサ
４４ ラジエータ用送風機

Claims (2)

1. 燃料電池を冷却するための冷却水通路から排出される熱を熱源として用いた暖房手段と、前記燃料電池へ供給する空気を圧縮するコンプレッサと、このコンプレッサに圧縮された空気を冷却する冷却機能部と、空気を冷却するときに排出される熱により前記冷却水通路内の冷却水を加熱する加熱機能部とを有する冷却器とを備えた燃料電池を搭載した車両の空調装置において、前記冷却水通路は、前記燃料電池の冷却水排出側と前記冷却器とを連結する連絡通路と、冷却器と冷却水ポンプとを連結する通路の途中に３つの並列通路とを備え、３つの通路は、前記暖房手段と連結する第１の通路と、冷却水冷却用ラジエータと連結する第２の通路と、この第２の通路をバイパスする第３の通路とから構成され、前記第１の通路の暖房手段より冷却器側に開閉弁を設け、冷却水が、前記第２の通路と前記第３の通路とのいずれか一方にしか流れないように切り換える切換弁を設け、前記開閉弁は、冷却水温が第１設定値より高く、かつ暖房使用時に開放されるとともに、前記切換弁は、暖房使用状態で、かつ冷却水温の値に応じて切り換えられることを特徴とする燃料電池を搭載した車両の空調装置。
2. 前記切換弁は、冷却水温の値が設定値より高いときに、冷却器と第２の通路とが連通するように切り換えられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した車両の空調装置。

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