JP5040596B2 - 燃料電池車両用空調システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両用空調システムに関する。

従来、燃料電池システムを用いる燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）のなかには、燃料電池の廃熱で上昇させた冷却水の熱を暖房用ヒータコアに供給することで、車室内の暖房効果を向上させているものがある（下記特許文献１および２参照）。
特開２００１−３１５５２４号公報 特開２００５−２６３２００号公報

ところで、上述した従来技術では、冷却水の温度が低下した場合には、暖房用ヒータコアへの冷却水の供給を制限するとともに、別途設けられた電気ヒータ等を用いて暖房を補助する必要があった。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池の廃熱を利用して効率よく暖房させることができる燃料電池車両用空調システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池車両用空調システムは、空調用のヒートポンプに接続される第一のヒータコアと、燃料電池に冷却水を循環供給する冷却水循環供給流路と、冷却水の熱交換を行う第二のヒータコアと、冷却水の温度を検出する温度センサと、冷却水循環供給流路から第二のヒータコアへの冷却水の供給を遮断または許容する制御弁と、温度センサにより検出される温度が所定の冷却水供給温度以上である場合に、制御弁を開弁させる制御手段と、弁制御手段によって制御弁が開弁された後に、温度センサにより検出される温度が冷却水供給温度以上に設定された所定の閾値以下になった場合に、燃料電池から放出される熱を増加させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、空調用のヒートポンプに接続される第一のヒータコアの他に、燃料電池の冷却水の熱交換を行う第二のヒータコアを設け、冷却水の温度が、所定の冷却水供給温度以上である場合に、第二のヒータコアに冷却水を供給させ、その後、冷却水の温度が、冷却水供給温度以上に設定された所定の閾値以下になった場合には、燃料電池から放出される熱を増加させることができるため、燃料電池からの廃熱がある場合には、この廃熱が供給された第二のヒータコアを、第一のヒータコアの補助として活用することができる。また、冷却水の温度が閾値以下になった場合でも、冷却水の温度を上昇させることができるため、燃料電池からの廃熱を利用して暖房を効率よく補助させることを継続させることができる。

上記燃料電池車両用空調システムにおいて、上記制御手段は、燃料電池から放出される熱を増加させるために必要な燃料の消費量と、ヒートポンプの駆動量を増加させるために必要な燃料の消費量とを算出し、暖房に必要な電力を発生させる際に、各消費量の合計値が最小となるように、燃料電池から放出される熱およびヒートポンプの駆動量を制御することができる。これにより、車両全体の電力を効率よく利用して暖房効果を向上させることができる。

本発明によれば、燃料電池の廃熱を利用して効率よく暖房させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）用空調システムの好適な実施形態について説明する。

本実施形態における燃料電池車両用空調システムは、暖房用のヒータコアを、空調装置側と燃料電池側との二箇所に設け、燃料電池からの廃熱がある場合に、燃料電池側のヒータコアを、空調装置側のヒータコアの補助として機能させることで、燃料電池の廃熱を利用して効率よく暖房させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池車両用空調システムの構成および動作について詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池車両用空調システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における空調システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池車両用空調システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却系３（冷却水循環供給流路）と、車室内の空気を冷暖するための複数の熱交換器を有する熱交換系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、反応ガス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る。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）によって降圧され、バッテリーである二次電池（不図示）に充電される。燃料電池２には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡと、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶとが設けられている。

冷却系３は、冷却水を冷却するラジエータ３３と、冷却水を燃料電池２およびラジエータ３３に循環供給する冷却水循環流路３１と、冷却水のラジエータ３３への流入を回避させるバイパス流路３２と、冷却水を冷却水循環流路３１やバイパス流路３２に循環させる冷却水循環ポンプ３４と、冷却水を循環させる流路を制御する三方弁３５と、冷却水に含まれるイオン性の不純物を除去することで冷却水を浄化するイオン交換器３６とを有する。冷却水循環流路３１のうち、燃料電池２の出口側および入口側ならびにラジエータ３３の出口側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３がそれぞれ設けられている。

三方弁３５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３５の第一入口は、ラジエータ３３の出口側に冷却水循環流路３１を介して接続されており、三方弁３５の第二入口は、バイパス流路３２の出口に接続されている。三方弁３５の出口は冷却水循環ポンプ３４の入口側に冷却水循環流路３１を介して接続されている。具体的に、三方弁３５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３３を経由することなくバイパス流路３２を通って循環するため、冷却水の温度が上がる。一方、冷却水の温度が高い場合（例えば、燃料電池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３３によって冷却されるため、冷却水の温度が下がる。

冷却水循環流路３１には、後述する熱交換系４に含まれる補助暖房用ヒータコア４１に冷却水を供給するヒータコア循環流路３７が接続されている。冷却水循環流路３１から分岐したヒータコア循環流路３７には、冷却水循環流路３１から補助暖房用ヒータコア４１への冷却水の供給を遮断または許容するシャットバルブ３８（制御弁）と、冷却水をヒータコア循環流路３７に循環させるヒータコア用循環ポンプ３９とが設けられている。ヒータコア循環流路３７のうち、補助暖房用ヒータコア４１の出口側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴ４が設けられている。

熱交換系４は、燃料電池２の冷却系３に接続する補助暖房用ヒータコア４１と、空調装置のヒートポンプシステム４９に接続する暖房用ヒータコア４２および冷房用エバポレータ４３とを有する。暖房用ヒータコア４２は、暖房時にヒートポンプシステム４９に含まれるヒートポンプ４９ａを駆動させて熱交換する熱交換器である。補助暖房用ヒータコア４１は、燃料電池２からの廃熱がある場合に、暖房用ヒータコア４２を補助するアシスト用の熱交換器である。

制御部５（弁制御手段）は、温度センサＴ１により検出される温度が、所定の冷却水供給温度以上である場合に、シャットバルブ３８を開弁させる。所定の冷却水供給温度としては、例えば、補助暖房用ヒータコア４１が、冷却水が供給されることによって放熱することが可能となる温度が該当する。なお、制御部５は、シャットバルブ３８を開弁させる前に、冷却水の温度を通常よりも高く（例えば、＋５℃）してから、シャットバルブ３８を開弁させることとしてもよい。これにより、冷却水の急激な低下を防止することができる。

制御部５（制御手段）は、シャットバルブ３８を開弁させた後に、温度センサＴ１により検出される温度が、所定の閾値以下になった場合に、燃料電池２から放出される熱を増加させる。所定の閾値は、冷却水供給温度以上に設定される。燃料電池２から放出される熱を増加させる方法としては、例えば、以下の方法を採用することができる。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に発電効率の低い運転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からの廃熱を吸収する冷却水の温度を上昇させることができるため、冷却水の温度が低下することを防止することができ、補助暖房用ヒータコア４１からの放熱を継続させることが可能となる。

図２は、燃料電池２の出力電流と出力電圧との関係を示す図である。図２は、燃料電池システムが比較的発電効率の高い運転（以下、通常運転という。）を行った場合を実線で示し、燃料電池システムが比較的発電効率の低い運転（以下、低効率運転という。）を行った場合を点線で示している。

燃料電池システムを通常運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比をおよそ１．５〜２．０（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池２に供給する酸化ガス量と、燃料電池２で消費される酸化ガス量との比を意味し、エアストイキ比＝供給酸化ガス量／消費酸化ガス量で示される。

これに対し、燃料電池２から放出される熱を増加させる場合には、電力損失を大きくして燃料電池２の温度を上昇させるべく、エアストイキ比をおよそ１．０〜１．２（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、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大させることができる。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、温度センサＴ１〜Ｔ４、電流センサＡおよび電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、冷却水循環ポンプ３４、三方弁３５、シャットバルブ３８、ヒータコア用循環ポンプ３９およびヒートポンプ４９ａ等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して温度センサＴ１等における各種の検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池車両用空調システム１における暖房処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池車両用空調システム１全体を制御する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池車両用空調システムにおける暖房処理について説明する。この暖房処理は、暖房がＯＮされてからＯＦＦされるまでの間に繰り返し行われる。

最初に、制御部５は、温度センサＴ１により検出された温度が冷却水供給温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１；ＮＯ）には、ステップＳ１の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１において温度センサＴ１の検出温度が冷却水供給温度以上であると判定された場合（ステップＳ１；ＹＥＳ）に、制御部５は、シャットバルブ３８を開弁させる（ステップＳ２）。

続いて、制御部５は、温度センサＴ１により検出された温度が所定の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３；ＮＯ）には、ステップＳ３の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ３において温度センサＴ１の検出温度が所定の閾値以下であると判定された場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）に、制御部５は、燃料電池２から放出される熱量を増加させ（ステップＳ４）、処理を上述したステップＳ３に移行する。

これにより、燃料電池２からの廃熱を吸収する冷却水の温度を上昇させることができるため、冷却水が供給されることで熱交換をする補助暖房用ヒータコア４１による放熱を継続させることができる。つまり、冷却水の温度が閾値以下に低下した場合であっても、補助暖房用ヒータコア４１による暖房用ヒータコア４２の補助を継続させることが可能となる。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池車両用空調システム１によれば、空調用のヒートポンプ４９ａに接続される暖房用ヒータコア４２の他に、燃料電池２の冷却水の熱交換を行う補助暖房用ヒータコア４１を設け、冷却水の温度が所定の冷却水供給温度以上である場合に、補助暖房用ヒータコア４１に冷却水を供給させるとともに、その後、冷却水の温度が所定の閾値以下になった場合には、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、燃料電池からの廃熱がある場合には、この廃熱が供給された補助暖房用ヒータコア４１を、暖房用ヒータコア４２の補助として活用することができる。また、冷却水の温度が閾値以下になった場合でも、冷却水の温度を上昇させることができるため、燃料電池２からの廃熱を利用して暖房を効率よく補助させることを継続させることができる。

なお、上述した実施形態では、温度センサＴ１の検出温度が所定の閾値以下になった場合に、燃料電池２から放出される熱を増加させているが、検出温度が所定の閾値以下になった場合に行う処理は、これに限定されない。例えば、燃料電池２から放出される熱を制御する際に、燃料の消費量が最小となるように、空調装置側のヒートポンプ４９ａの駆動量についても併せて制御することとしてもよい。

具体的に説明すると、設定温度に暖房する際に必要となる電力を発生させる場合に、燃料電池２から放出される熱を増加させて暖房したときに消費される燃料の消費量と、ヒートポンプ４９ａの駆動量を増加させて暖房したときに消費される燃料の消費量とを、それぞれ上記必要となる電力に対する割合を変化させながら算出し、各消費量の合計値が最小となるように、燃料電池２から放出される熱と、ヒートポンプの駆動量とを制御する。このように制御することで、車両全体の電力を効率よく利用して暖房効果を向上させることができる。特に、外気温が低い場合には、ヒートポンプ４９ａの駆動量を増加させても効率よく暖房することが難しいため、このような場合には、燃料電池２から熱を放出させて暖房を補助させることで効率よく暖房することが可能となる。

ここで、燃料電池２から放出される熱を増加させるよりも、ヒートポンプ４９ａの駆動量を増加させることが優先された結果、温度センサＴ１の検出温度が、例えば冷却水供給温度未満に低下した場合には、シャットバルブ３８を閉弁させることとしてもよい。この場合に、シャットバルブ３８をいきなり閉弁させると、冷却水の水温が変動（ハンチング）してしまう可能性があるため、シャットバルブ３８の開度を、例えば、補助暖房用ヒータコア４１の出口側の水温や燃料電池２の出口側の水温に応じて徐々に閉弁させることが好ましい。

また、上述した実施形態では、ヒータコア循環流路３７にヒータコア用循環ポンプ３９を設けているが、必ずしも設ける必要はない。例えば、冷却水循環流路３１の冷却水循環ポンプ３４を、ヒータコア用循環ポンプ３９の代りに使用することとしてもよい。この場合には、シャットバルブ３８が開弁している間は、冷却水循環ポンプ３４の流量を増加させることとすればよい。ただし、ヒータコア循環流路３７における圧力損失が大きい場合には、ヒータコア用循環ポンプ３９を設けることで、燃料の消費量を抑えることができる。

実施形態における燃料電池車両用空調システムを模式的に示す構成図である。 燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池車両用空調システムにおける暖房処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池車両用空調システム、２…燃料電池、３…冷却系、４…熱交換系、５…制御部、３１…冷却水循環流路、３２…バイパス流路、３３…ラジエータ、３４…冷却水循環ポンプ、３５…三方弁、３６…イオン交換器、３７…ヒータコア循環流路、３８…シャットバルブ、３９…ヒータコア用循環ポンプ、４１…補助暖房用ヒータコア、４２…暖房用ヒータコア、４３…冷房用エバポレータ、４９…ヒートポンプシステム、４９ａ…ヒートポンプ、Ｔ１〜Ｔ４…温度センサ、Ａ…電流センサ、Ｖ…電圧センサ。

Claims (2)

1. 空調用のヒートポンプに接続される第一のヒータコアと、
   燃料電池に冷却水を循環供給する冷却水循環供給流路と、
   前記冷却水の熱交換を行う第二のヒータコアと、
   前記冷却水の温度を検出する温度センサと、
   前記冷却水循環供給流路から前記第二のヒータコアへの前記冷却水の供給を遮断または許容する制御弁と、
   前記温度センサにより検出される温度が所定の冷却水供給温度以上である場合に、前記制御弁を開弁させる弁制御手段と、
   前記弁制御手段によって前記制御弁が開弁された後に、前記温度センサにより検出される温度が前記冷却水供給温度以上に設定された所定の閾値以下になった場合に、前記燃料電池から放出される熱を増加させ、前記温度センサにより検出される温度を前記冷却水供給温度以上に維持する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池車両用空調システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池から放出される熱を増加させるために必要な燃料の消費量と、前記ヒートポンプの駆動量を増加させるために必要な燃料の消費量とを算出し、暖房に必要な電力を発生させる際に、各消費量の合計値が最小となるように、前記燃料電池から放出される熱および前記ヒートポンプの駆動量を制御す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システム。

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