(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える車両に搭載される冷媒回路調整装置であって、
冷媒が流れる回路であって、前記燃料電池が配置される燃料電池用回路と、
冷媒が流れる回路であって、ラジエータが配置される冷却用回路と、
冷媒が流れる回路であって、車室内の暖房用のヒータコアが配置される空調用回路と、
前記燃料電池用回路と前記空調用回路とが接続される第１回路形態と、前記第１回路形態にさらに前記冷却用回路が接続される第２回路形態とを少なくとも含む複数の回路形態の間で、回路の切り換えを行う回路切換部と
を備え、
前記回路切換部は、
冷媒の温度が第１温度以上となったときに流路を切り換えることにより、前記第１回路形態への回路の切り換えを行う第１サーモスタットと、
冷媒の温度が第１温度よりも高い第２温度以上となったときに流路を切り換えることにより、前記第２回路形態への回路の切り換えを行う第２サーモスタットと
を備える冷媒回路調整装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷媒回路調整装置であって、
前記燃料電池と前記ラジエータとの間で冷媒を循環する循環路と、
前記ラジエータをバイパスするラジエータ側バイパス流路と、
前記ラジエータをバイパスする燃料電池側バイパス流路と
を、前記燃料電池用回路と前記冷却用回路を構成する流路として備え、
前記第１サーモスタットは、前記燃料電池側バイパス流路の上流側の前記循環路との接続部に設けられ、
前記第２サーモスタットは、前ラジエータ側バイパス流路の上流側の前記循環路との接続部に設けられ、
前記循環路における前記第１サーモスタットと前記第２サーモスタットとの間に、前記空調用回路を接続した、冷媒回路調整装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷媒回路調整装置であって、
前記第２温度は、前記燃料電池が定常運転するに必要となる負荷を受けたときの前記燃料電池の発熱量に基づいて定められた温度である、冷媒回路調整装置。
【請求項４】
請求項３に記載の冷媒回路調整装置であって、
前記燃料電池を流れる冷媒の温度が、第１温度と第２温度との間の高温側の所定範囲内にある状態が、所定時間以上継続したか否かを判定する高温判定部と、
前記高温判定部により、前記状態が所定時間以上継続したと判定されたときに、前記燃料電池の負荷を増大させる負荷増大部と
を備える冷媒回路調整装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の冷媒回路調整装置であって、
車室内に連通するとともに、ファン、ヒートポンプに備えられるエバポレータ、開閉シャッタ、前記暖房用のヒータコアが配置されるダクト部と、
前記前記燃料電池を流れる冷媒の温度を検出する冷媒温度検出部と、
前記検出された冷媒の温度に基づいて、前記暖房用のヒータコア、ヒートポンプ、および開閉シャッタのうちの少なくとも一つを制御する制御部と
を備える冷媒回路調整装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の冷媒回路調整装置であって、
車室内に連通するとともに、ファン、ヒートポンプに備えられるエバポレータ、開閉シャッタ、前記暖房用のヒータコアが配置されるダクト部と、
前記ヒートポンプを用いた冷房時において、前記燃料電池を流れる冷媒の温度が前記第１温度と前記第２温度との間の所定の範囲内にあるとき、前記開閉シャッタを開状態に制御する制御部と
を備える冷媒回路調整装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の冷媒回路調整装置であって、
前記第１および第２サーモスタットは、
前記第１サーモスタットのヒステリシス幅が、第２サーモスタットのヒステリシス幅より狭い構成である、冷媒回路調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える車両に搭載される冷媒回路調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の廃熱を車室内の温度調節の熱源に利用する技術が知られている。詳しくは、燃料電池が途中に配置された冷却水循環路を流れる冷却水をヒータコアに供給し、ヒータコアにより温度調節された空気を車室内に供給する。なお、ヒータコアへの冷却水の供給は、制御装置によって開閉駆動される三方弁によって制御される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３１５５２４号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術においては、三方弁と、三方弁を制御する制御装置とが必要になることから、構成が複雑であるという問題を備えていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、構成を簡素にして、コストダウンを図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］  燃料電池を備える車両に搭載される冷媒回路調整装置であって、冷媒が流れる回路であって、前記燃料電池が配置される燃料電池用回路と、冷媒が流れる回路であって、ラジエータが配置される冷却用回路と、冷媒が流れる回路であって、車室内の暖房用のヒータコアが配置される空調用回路と、前記燃料電池用回路と前記空調用回路とが接続される第１回路形態と、前記第１回路形態にさらに前記冷却用回路が接続される第２回路形態とを少なくとも含む複数の回路形態の間で、回路の切り換えを行う回路切換部とを備え、前記回路切換部は、冷媒の温度が第１温度以上となったときに流路を切り換えることにより、前記第１回路形態への回路の切り換えを行う第１サーモスタットと、冷媒の温度が第１温度よりも高い第２温度以上となったときに流路を切り換えることにより、前記第２回路形態への回路の切り換えを行う第２サーモスタットとを備える冷媒回路調整装置。
【０００８】
適用例１に記載の冷媒回路調整装置によれば、燃料電池用冷媒の冷却を空調用回路を利用して行う第１回路形態と、燃料電池用冷媒の冷却を空調用回路とラジエータを利用して行う第２回路形態との回路切換を、２つのサーモスタットで行うことができる。サーモスタットは、温度に応じて自動的に流路切り替えがなされることから、従来技術のように三方弁やその三方弁を制御する制御装置を必要としない。このため、構成を簡素化することができる。したがって、製造コストを低減することができる。
【０００９】
［適用例２］  適用例１に記載の冷媒回路調整装置であって、前記燃料電池と前記ラジエータとの間で冷媒を循環する循環路と、前記ラジエータをバイパスするラジエータ側バイパス流路と、前記ラジエータをバイパスする燃料電池側バイパス流路とを、前記燃料電池用回路と前記冷却用回路を構成する流路として備え、前記第１サーモスタットは、前記燃料電池側バイパス流路の上流側の前記循環路との接続部に設けられ、前記第２サーモスタットは、前ラジエータ側バイパス流路の上流側の前記循環路との接続部に設けられ、前記循環路における前記第１サーモスタットと前記第２サーモスタットとの間に、前記空調用回路を接続した、冷媒回路調整装置。
【００１０】
適用例２に記載の冷媒回路調整装置によれば、回路構成を、シンプルな好適なものとすることができる。
【００１１】
［適用例３］  適用例１または２に記載の冷媒回路調整装置であって、前記第２温度は、前記燃料電池が定常運転するに必要となる負荷を受けたときの前記燃料電池の発熱量に基づいて定められた温度である、冷媒回路調整装置。
【００１２】
適用例３に記載の冷媒回路調整装置によれば、前記燃料電池の定常運転時に前記第２サーモスタットが開かずに、冷媒の温度が高い状態が継続されることを防止することができる。冷媒温度が高い状態が継続されると、燃料電池の発電状態に悪影響を与えるが、これを回避することができる。
【００１３】
［適用例４］  適用例３に記載の冷媒回路調整装置であって、前記燃料電池を流れる冷媒の温度が、第１温度と第２温度との間の高温側の所定範囲内にある状態が、所定時間以上継続したか否かを判定する高温判定部と、前記高温判定部により、前記状態が所定時間以上継続したと判定されたときに、前記燃料電池の負荷を増大させる負荷増大部とを備える冷媒回路調整装置。
【００１４】
適用例４に記載の冷媒回路調整装置によれば、第１温度と第２温度との間である中温域の高温側で、冷媒の温度が停滞する場合に、燃料電池の負荷が増大されることで、強制的に冷媒の温度を引き下げることができる。この結果、燃料電池の耐久性に優れた温度域に燃料電池を制御することが可能となる。
【００１５】
［適用例５］  適用例１に記載の冷媒回路調整装置であって、車室内に連通するとともに、ファン、ヒートポンプに備えられるエバポレータ、開閉シャッタ、前記暖房用のヒータコアが配置されるダクト部と、前記前記燃料電池を流れる冷媒の温度を検出する冷媒温度検出部と、前記検出された冷媒の温度に基づいて、前記暖房用のヒータコア、ヒートポンプ、および開閉シャッタのうちの少なくとも一つを制御する制御部とを備える冷媒回路調整装置。
【００１６】
適用例５に記載の冷媒回路調整装置によれば、ヒータコア、ヒートポンプ、および開閉シャッタのうちの少なくとも一つを制御することにより、第１および第２サーモスタットについてのヒステリシス特性の影響を受けることなく、冷媒の温度制御が可能となる。
【００１７】
［適用例６］  適用例１に記載の冷媒回路調整装置であって、車室内に連通するとともに、ファン、ヒートポンプに備えられるエバポレータ、開閉シャッタ、前記暖房用のヒータコアが配置されるダクト部と、前記ヒートポンプを用いた冷房時において、前記燃料電池を流れる冷媒の温度が前記第１温度と前記第２温度との間の所定の範囲内にあるとき、前記開閉シャッタを開状態に制御する制御部とを備える冷媒回路調整装置。
【００１８】
適用例６に記載の冷媒回路調整装置によれば、冷房時に開閉シャッタを制御することにより、空調の冷房風によって冷媒を冷却することができる。
【００１９】
［適用例７］  適用例１に記載の冷媒回路調整装置であって、前記第１および第２サーモスタットは、前記第１サーモスタットのヒステリシス幅が、第２サーモスタットのヒステリシス幅より狭い構成である、冷媒回路調整装置。
【００２０】
適用例７に記載の冷媒回路調整装置によれば、第１サーモスタットの開動作温度と第２サーモスタットの閉動作温度との間を広くとることが可能となる。このために、第１回路形態と第２回路形態との間で回路が切り換わる際に、両者への移行が細かく繰り返される不具合を防止することができる。
【００２１】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし７以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の冷媒回路調整装置を車両制御装置の一部として設けた形態等で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例としての冷媒回路調整装置１０の構成を示す説明図である。
【図２】第１サーモスタット３４の拡大断面図である。
【図３】冷媒回路の独立状態の態様を示す説明図である。
【図４】冷媒回路の連携状態のラジエータなしの態様を示す説明図である。
【図５】冷媒回路の連携状態のラジエータありの態様を示す説明図である。
【図６】車室内暖房時における冷媒回路調整装置１０の動作を示す説明図である。
【図７】車室内冷房時における冷媒回路調整装置１０の動作を示す説明図である。
【図８】温度強制シフト処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２４】
Ａ．全体の構成：
図１は、本発明の一実施例としての冷媒回路調整装置１０の構成を示す説明図である。この冷媒回路調整装置１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載されて用いられる。冷媒回路調整装置１０は、燃料電池スタック２０と、冷却システム３０と、空調システム１００と、制御ユニット２００とを備える。
【００２５】
燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有する単セルが複数積層された構成を備えている。燃料電池スタック２０には、図示しない水素ガスタンクから、燃料ガスとしての水素ガスが燃料ガス流路２２を介して供給される。また、燃料電池スタック２０には、図示しないエアコンプレッサにより、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス流路２４を介して供給される。燃料電池スタック２０には、上述した燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて、冷媒が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが冷媒によって冷却される。本実施例では、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を冷媒としてもよい。
【００２６】
燃料電池スタック２０には、負荷６０が電気的に接続されており、燃料電池スタック２０における電気化学反応により生じた電力が負荷６０に供給される。ここで、負荷６０とは、例えば、図示しない電気自動車の駆動用モータ、後述する２つの電動ファン３８，３２、電気ヒータ５５、および２つのポンプ３６，１１５等を意味する。
【００２７】
Ｂ．冷却システムの構成：
冷却システム３０は、冷却媒体（以下、単に「冷媒」とも呼ぶ）を循環する循環回路Ｃ１を備え、この循環回路Ｃ１に燃料電池スタック２０とラジエータ３１とが配置される。循環回路Ｃ１には、ラジエータ３１をバイパスする２本のバイパス流路３２、３３が設けられている。すなわち、バイパス流路３２、３３は、ラジエータ３１に対して並列となるように設けられている。各バイパス流路３２、３３の上流側の循環回路Ｃ１との接続部には、サーモスタット３４、３５がそれぞれ設けられている。
【００２８】
以下、燃料電池スタック２０に近い側に設けられたバイパス流路３２を「第１バイパス流路」と呼び、この第１バイパス流路３２に設けられるサーモスタット３４を「第１サーモスタット」と呼ぶ。また、ラジエータ３１に近い側に設けられたバイパス流路３３を「第２バイパス流路」と呼び、この第２バイパス流路３３に設けられるサーモスタット３５を「第２サーモスタット」と呼ぶ。さらに、循環回路Ｃ１を「冷却用循環回路」と呼ぶ。
【００２９】
ラジエータ３１の近傍には、第１電動ファン３７が配置されている。ラジエータ３１は、冷却用循環回路Ｃ１を介して燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、第１電動ファン３７からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。
【００３０】
冷却用循環回路Ｃ１には、冷媒を循環させるための第１ポンプ３６が設けられている。詳しくは、第１ポンプ３６は、燃料電池スタック２０の冷媒流入口２０ａの近傍に配置されている。図示の例では、冷却用循環回路Ｃ１において、冷媒は図中右回りに循環する。
【００３１】
サーモスタット３４、３５の構造と動作について次に説明する。図２は、第１サーモスタット３４の拡大断面図である。
【００３２】
図２に示すように、第１サーモスタット３４は、サーモスタット本体４０とサーモスタット本体４０を収容するケース４１とを備える。ケース４１には、第１から第３の開口部４２，４４，４６が形成される。第１の開口部４２は、冷却用循環回路Ｃ１を介して燃料電池スタック２０の冷媒流出口２０ｂ（図１）に接続される。第２の開口部４４は、第１バイパス流路３２（図１）に接続される。また、第３の開口部４６は、冷却用循環回路Ｃ１におけるラジエータ３１側の冷媒流路３９（図１）に接続される。即ち、ケース４１において、第１の開口部４２が冷媒の流入口となり、第２の開口部４４と第３の開口部４６がそれぞれ流出口となる。
【００３３】
サーモスタット本体４０は、感温部４８に封入されたワックス５０の熱膨張を利用した、公知のワックスペレット型のサーモスタットである。サーモスタット本体４０の構造と動作について簡単に説明すると、感温部４８には、第１の開口部４２と第３の開口部４６の間を封止するバルブ５２と、第１の開口部４２と第２の開口部４４の間を封止するバイパスバルブ５４とが一体的に設けられる。これら感温部４８とバルブ５２とバイパスバルブ５４とから、直線変位自在な可動部５６が構成される。可動部５６が図中左方向に駆動されることにより、バルブ５２が閉弁される一方、バイパスバルブ５４が開弁される。逆に、可動部５６が図中右方向に駆動されることにより、バルブ５２が開弁される一方、バイパスバルブ５４が閉弁される。可動部５６は通常、バルブ５２が閉弁されると共に、バイパスバルブ５４が開弁される方向（図中左方向）に、バネ５８によって付勢される。
【００３４】
第１の開口部４２から流入される冷媒の温度が、第１サーモスタット３４の作動温度（以下「第１の作動温度」という）未満のときは、バネ５８の付勢力によってバルブ５２が閉弁される一方、バイパスバルブ５４が開弁される。したがって、第１の開口部４２から流入された冷媒は、温度が第１の作動温度未満であれば第２の開口部４４を介して第１バイパス流路３２に流出される。
【００３５】
他方、第１の開口部４２から流入される冷媒の温度が第１の作動温度以上になると、ワックス５０が熱膨張し、バネ５８の付勢力に抗して可動部５６が図中右方向に駆動され、バルブ５２が開弁されると共に、バイパスバルブ５４が閉弁される。したがって、第１の開口部４２から流入された冷媒は、温度が第１の作動温度以上であれば第３の開口部４６を介して冷却用循環回路Ｃ１（詳しくは冷媒流路３９）へと流出される。このように、第１サーモスタット３４は、冷媒の温度に応じて冷媒の流路を第１バイパス流路３２と冷却用循環回路Ｃ１との間で切り替える。なお、冷媒の流路が第１バイパス流路３２側にあるときを、「オフ状態」と呼び、冷媒の流路が冷却用循環回路Ｃ１側にあるときを、「オン状態」と呼ぶ。また、この実施例では、第１の作動温度は、例えば６５℃に設定される。
【００３６】
図１の説明に戻ると、冷却用循環回路Ｃ１において第１サーモスタット３４の部位に冷媒が至ると、冷媒の温度が第１の作動温度未満の時には、第１サーモスタット３４はオフ状態となって、冷媒は第１バイパス流路３２を流れる（冷媒流路３９へは流れない）。一方、冷媒の温度が第１の作動温度以上の時には、第１サーモスタット３４はオン状態となって、冷媒は冷却用循環回路Ｃ１を介して冷媒流路３９へ流れる（第１バイパス流路３２へは流れない）。
【００３７】
ラジエータ３１側に設けられた第２サーモスタット３５は、前記構造の第１サーモスタット３４とほぼ同一の構成を備え、相違するのは、作動温度が第１の作動温度とは異なる。第２サーモスタット３５における第２の作動温度は、例えば７５℃に設定され、第１の作動温度よりも高い。この結果、冷却用循環回路Ｃ１において第２サーモスタット３５の部位に冷媒が至ると、冷媒の温度が第２の作動温度未満の時には、第２サーモスタット３５はオフ状態となって、冷媒は第２バイパス流路３３を流れる（ラジエータ３１へは流れない）。一方、冷媒の温度が第２の作動温度以上の時には、第２サーモスタット３５はオン状態となって、冷媒は冷却用循環回路Ｃ１を介してラジエータ３１へ流れる（第２バイパス流路３３へは流れない）。
【００３８】
なお、冷却用循環回路Ｃ１における第１サーモスタット３４と第２サーモスタット３５との間の冷媒流路３９には、後述するＦＣ冷媒空調用循環回路１６０が接続されている。
【００３９】
Ｃ．空調システムの構成：
空調システム１００は、空調用の冷媒（以下、「空調冷媒」と呼ぶ）と車室内への送風との間で熱交換させることにより、車室内の空調（暖房または冷房）を実行する。また、空調システム１００は、車室内の暖房の際には、さらに、燃料電池スタック２０のための前述してきた冷媒（以下、「ＦＣ冷媒」と呼ぶ）と車室内への送風との間の熱交換を利用する。後者のＦＣ冷媒を用いて熱交換を行う構成について、まず説明する。
【００４０】
空調システム１００は、ＦＣ冷媒を循環させるＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２を備える。ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２は、ＦＣ冷媒のための２つの冷媒流路１１１，１１２と、各冷媒流路１１１、１１２の一方端１１１ａ、１１２ａに接続されるヒータコア（室内熱交換器）１１４とを備える。各冷媒流路１１１、１１２の他方端１１１ｂ、１１２ｂは、冷却用循環回路Ｃ１における第１サーモスタット３４と第２サーモスタット３５との間の冷媒流路３９に接続される。他方端１１１ｂ、１１２ｂの各接続点は、所定の距離Ｌだけ離間している。上流側の冷媒流路１１１には、第２ポンプ１１５と、電気ヒータ１１６とが配置されている。第２ポンプ１１５により、ＦＣ冷媒は、冷媒流路１１１→ヒータコア１１４→冷媒流路１１２の順に流れる。この結果、燃料電池スタック２０の廃熱により昇温したＦＣ冷媒がヒータコア１１４に流通することになり、ＦＣ冷媒の熱によりヒータコア１１４は昇温される。
【００４１】
ヒータコア１１４は、送風部１２０に設けられている。送風部１２０は、車室内に連通するダクト部１２１と、ダクト部１２１の上流側において車室内に送り出す送風を発生させるための第２電動ファン１２２とを有する。ダクト部１２１の内部空間１３０にヒータコア１１４が配置される。これにより、ダクト部１２１には、ヒータコア１１４により温められた空気が通り、ダクト部１２１に接続される各種吹出口（ベンチレーター，フット，デフロスタ等）から温風を送出する。
【００４２】
ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２へのＦＣ冷媒の流れは、第１サーモスタット３４によってオンオフ制御される。すなわち、第１サーモスタット３４がオフ状態にあるときには、ＦＣ冷媒はＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２へ流れず、第１サーモスタット３４がオン状態にあるときには、ＦＣ冷媒はＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２へ流れる。なお、第１サーモスタット３４がオン状態にあるときには、ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２に加えて、冷却用循環回路Ｃ１をそのまま直進して第２サーモスタット３５へ向かう方向にもＦＣ冷媒は流れる。
【００４３】
第１サーモスタット３４がオフ状態にあるときには、ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２においては、冷媒流路１１１→冷媒流路１１２→冷媒流路３９の順にＦＣ冷媒は循環する。この結果、図３に示すように、ＦＣ冷媒の温度ＴＷが第１の作動温度Ｔ１未満となって第１サーモスタット３４がオフ状態にあるときには、燃料電池スタック２０と第１バイパス流路３２との間を循環する循環路と、ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２側の冷媒流路１１１→冷媒流路１１２→冷媒流路３９といった循環路とが個別に存在することになる。換言すれば、ＦＣ冷媒の温度ＴＷが第１の作動温度Ｔ１未満であるときには、冷却用循環回路Ｃ１とＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２とが接続していない独立状態となる。
【００４４】
一方、ＦＣ冷媒の温度ＴＷが第１の作動温度Ｔ１以上であるときには、第１サーモスタット３４がオン状態となることから、図４に示すように、ＦＣ冷媒はＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２へ流れ、冷却用循環回路Ｃ１とＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２とが接続した連携状態となる。なお、図４のＦＣ冷媒の流れの状態は、ＦＣ冷媒の温度ＴＷが第１の作動温度Ｔ１以上で、かつ第２の作動温度Ｔ２未満であるときの場合のものである。この場合には、ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２において、ＦＣ冷媒は第２バイパス流路３３を通って、ラジエータ３１を迂回する。この図４の状態が、適用例１に記載の「第１回路形態」に相当する。
【００４５】
ＦＣ冷媒の温度ＴＷが、第１の作動温度Ｔ１より大きい第２の作動温度Ｔ２以上であるときには、第１サーモスタット３４、第２サーモスタット３５が共にオン状態となることから、図５に示すように、冷却用循環回路Ｃ１とＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２とが接続した連携状態となり、かつ、ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２において、ＦＣ冷媒はラジエータ３１を循環する。この図５の状態が、適用例１に記載の「第２回路形態」に相当する。
【００４６】
ＦＣ冷媒の冷却の程度を考えると、図３に示した独立状態では、燃料電池スタック２０から排出されたＦＣ冷媒は第１バイパス流路３２を循環するだけであることから、ＦＣ冷媒の冷却の程度は極めて低い。これに対して、図４に示した連携状態では、燃料電池スタック２０から排出されたＦＣ冷媒はヒータコア１１４により冷却されることから、ＦＣ冷媒の冷却の程度は大きい。図５に示した連携状態では、燃料電池スタック２０から排出されたＦＣ冷媒はヒータコア１１４により冷却され、さらにラジエータ３１を循環することから、図４の場合よりもさらにＦＣ冷媒の冷却の程度は大きい。すなわち、ＦＣ媒体の冷却の程度は、図３、図４、図５の順に大きくなる。
【００４７】
図１に戻って、前述したように、空調システム１００は、ＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２の他に、空調冷媒を用いて熱交換を行う構成を備える。この構成について次に説明する。
【００４８】
空調システム１００は、空調冷媒を循環させる空調冷媒空調用循環回路１４０を備える。空調冷媒空調用循環回路１４０には、エバポレータ（蒸発器）１４１と、室内コンデンサ１４２と、室外熱交換器１４３とがこの順に配置されている。また、エバポレータ１４１と室内コンデンサ１４２とを結ぶ冷媒流路１５１にはエアコンコンプレッサ１４５が配置され、室内コンデンサ１４２と室外熱交換器１４３とを結ぶ冷媒流路１５２には三方弁１４６が配置され、室外熱交換器１４３とエバポレータ１４１とを結ぶ冷媒流路１５３には開閉バルブ１４７とエキスパンションバルブ１４８が配置されている。
【００４９】
室外熱交換器１４３と開閉バルブ１４７との間は、冷媒流路１５４に分岐しており、冷媒流路１５６は三方弁１４６に接続されている。冷媒流路１５４には、エキスパンションバルブ１４９が設けられている。室外熱交換器１４３と三方弁１４６との間は、冷媒流路１５５に分岐しており、冷媒流路１５５は、エバポレータ１４１とエアコンコンプレッサ１４５とを結ぶ冷媒流路１５６に接続されている。冷媒流路１５５には、開閉バルブ１５８が設けられている。
【００５０】
エバポレータ１４１は、送風部１２０のダクト部１２１の内部空間１３０において、第２電動ファン１２２とヒータコア１１４との間に設けられている。エバポレータ１４１は、冷房の際に、第２電動ファン１２２からの送風との間で熱交換をして送風を冷却する。室内コンデンサ１４２は、内部空間１３０において、ヒータコア（室内熱交換器）１１４よりさらに下流側に設けられている。室内コンデンサ１４２は、暖房の際に、第２電動ファン１２２からの送風との間で熱交換をして送風を昇温する。室外熱交換器１４３は、車両の前方部において、外気と接触可能に設けられており、内部に流入した空調用冷媒と外気とを熱交換させる。
【００５１】
エアコンコンプレッサ１４５は、空調用冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にする。第１と第２のエキスパンションバルブ１４８，１４９はそれぞれ、空調用冷媒を断熱膨張させて低温・低圧の霧状の状態でエバポレータ１４１内または室外熱交換器１４３内に噴射する。三方弁１４６および２つの開閉バルブ１４７，１５８はそれぞれ、空調用冷媒の流れを制御するためのバルブである。
【００５２】
なお、送風部１２０のダクト部１２１の内部空間１３０において、ヒータコア１１４の前方（上流側方向）には、ロール式の開閉シャッタ１６１が設けられている。また、室内コンデンサ１４２の前方には、翼式の開閉シャッタ１６２が設けられている。
【００５３】
空調システム１００では、いわゆるヒートポンプが構成され、各バルブ１４６，１４７，１５８の開閉が調整されることにより、暖房運転時と冷房運転時とで、空調冷媒空調用循環回路１４０における空調用冷媒の流れが切り替えられる。また、開閉シャッタ１６１、１６２の開閉が調整されることにより、ヒータコア１１４、室内コンデンサ１４２への送風が実行／停止される。
【００５４】
Ｄ．制御ユニットの構成：
制御ユニット２００は、冷却システム３０と空調システム１００の運転を制御する、いわゆるコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリ２０２と、入出力回路２０３とを主に備えている。入出力回路２０３は、各種センサや、各種スイッチや、各種アクチュエータを制御用信号線（図示せず）を介して接続している。
【００５５】
各種センサとしては、各種の温度センサや電圧センサ（図示せず）や電流センサ（図示せず）等がある。本実施例では、燃料電池スタック２０の冷媒流入口２０ａに設けられた第１温度センサ６１、燃料電池スタック２０の冷媒流出口２０ｂに設けられた第２温度センサ６２や、車内温度センサ（図示せず）、車外温度センサ（図示せず）、日射量センサ（図示せず）等が各種温度センサとして設けられている。各種スイッチとしては、エアコンの設定温度の指定のためのスイッチを含む操作パネル（図示せず）等が設けられている。
【００５６】
各種アクチュエータとしては、冷却システム３０に設けられた第１電動ファン３７および第１ポンプ３６等と、空調システム１００に設けられた電気ヒータ１１６、第２ポンプ１１５、各バルブ１４６，１４７，１５８、エアコンコンプレッサ１４５、第２電動ファン１２２、および開閉シャッタ１６１、１６２等がある。
【００５７】
メモリ２０２には、主として冷却システム３０と空調システム１００を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ２０１は、このコンピュータプログラムを実行することにより、各種センサの検出値や操作パネルの出力信号等に基づいて各種アクチュエータを駆動して、ＦＣ冷媒の温度を制御するとともに、車室内の温度を制御する。
【００５８】
Ｅ．各部の動作：
以上のように構成された冷媒回路調整装置１０の動作を次に説明する。図６は、車室内暖房時における冷媒回路調整装置１０の動作を示す説明図である。図７は、車室内冷房時における冷媒回路調整装置１０の動作を示す説明図である。図６および図７において、横軸にはＦＣ冷媒の温度がとられている。縦軸には、（１）冷却用循環回路Ｃ１とＦＣ冷媒空調用循環回路１６０との接続の態様、（２）燃料電池スタック２０の発熱量、（３）電気ヒータ１１６の消費電力、（４）空調システム１００での空調冷媒を用いた熱交換（ヒートポンプ）の消費電力、（５）ヒータコア１１４に設けられた開閉シャッタ１６１の開閉位置、（６）第１および第２サーモスタット３４、３５の開閉がとられている。
【００５９】
両図の（６）に示すように、第１および第２サーモスタット３４、３５は、開閉のタイミングがヒステリシスを持つ性質を備える。第１サーモスタット３４は、前述したようにＦＣ冷媒の温度ＴＷが第１の作動温度Ｔ１（以下、「第１の開温度」とも呼ぶ）以上であるときに、オン状態となり、第１の開温度Ｔ１より低い第１の閉温度Ｔ３以下であるときに、オフ状態となる。第２サーモスタット３５は、前述したようにＦＣ冷媒の温度ＴＷが第２の作動温度Ｔ２（以下、「第２の開温度」と呼ぶ）以上であるときに、オン状態となり、第２の開温度Ｔ２より低い第２の閉温度Ｔ４以下であるときに、オフ状態となる。なお、本実施例では、第１サーモスタット３４のヒステリシス幅（＝Ｔ１−Ｔ３）は、第２サーモスタット３５のヒステリシス幅（＝Ｔ２−Ｔ４）より狭くなっている。
【００６０】
第１および第２サーモスタット３４、３５の開閉を受けて、両図の（１）に示すように、冷却用循環回路Ｃ１とＦＣ冷媒空調用循環回路１６０との接続の態様は、ＦＣ冷媒の温度の上昇に応じて、独立状態、連携でかつラジエータを迂回する状態、連携でかつラジエータを通過する状態に順に移行する。
【００６１】
暖房時において、電気ヒータ１１６およびヒートポンプは、図６の（３）および（４）に示すように制御される。すなわち、ＦＣ冷媒の温度が例えば６０［℃］といった低温時には、電気ヒータ１１６およびヒートポンプは高い電力で駆動される。ＦＣ冷媒の温度が、第１の閉温度Ｔ３近傍の所定の温度となると、電気ヒータ１１６およびヒートポンプの各消費電力は低下し始めて、ＦＣ冷媒の温度の上昇と共に各消費電力は徐々に低下し、ＦＣ冷媒の温度が第１の開温度Ｔ１近傍の所定の温度となったときに、各消費電力は値０となる。なお、上記近傍の各所定の温度は、近傍に限らず、第１の閉温度Ｔ３または第１の開温度Ｔ１と一致する温度としてもよい。ヒータコア１１４に設けられた開閉シャッタ１６１は、図６の（５）に示すように、ＦＣ冷媒の温度にかかわらず開状態に制御される。
【００６２】
上記のように電気ヒータ１１６およびヒートポンプを制御するのは、ＦＣ冷媒の温度が低い時に、独立状態であることから、電気ヒータ１１６を駆動することで、ヒータコア１１４を昇温させている。ＦＣ冷媒の温度ＴＷが、第１の開温度Ｔ１以上というように高くなると、連携状態となって燃料電池スタック２０の廃熱をヒータコア１１４に利用することができることから、電気ヒータ１１６はオフされる。ヒータコア１１４で十分に車室内暖房可能であることから、ヒートポンプはオフされる。
【００６３】
なお、燃料電池スタック２０の発熱量（ＦＣ発熱量）は、図６の（２）に示すように、ＦＣ冷媒の温度と比例する。図中の２点鎖線は、燃料電池スタック２０が定常運転時負荷を受けたときの燃料電池スタック２０の発熱量ＬＣを示す。ここで、「定常運転時負荷」とは、車両が定常走行速度６０ｋｍ／ｈで、勾配０％の平地を走行するに必要な負荷である。本実施例では、図６に示すように、ＦＣ発熱量が前記発熱量ＬＣと一致するときのＦＣ冷媒の温度に、第２サーモスタット３５についての第２の開温度Ｔ２が定められている。なお、完全に一致するものではなく、第２の開温度Ｔ２の近傍の温度としてもよい。
【００６４】
一方、冷房時において、図７の（３）に示すように、電気ヒータ１１６はオフされる。図７の（４）に示すように、ヒートポンプは、冷房のために大きな消費電力で駆動される。
【００６５】
ヒータコア１１４に設けられた開閉シャッタ１６１は、図７の（５）に示すように、ＦＣ冷媒の温度に応じて開閉制御される。すなわち、ＦＣ冷媒の温度が例えば６０［℃］といった低温時には、冷房時であることから閉状態にある。ＦＣ冷媒の温度が、第１の閉温度Ｔ３近傍の所定の温度となると、開閉シャッタ１６１は開き始めて、ＦＣ冷媒の温度の上昇と共に開度が増大し、全開状態となる。さらに、ＦＣ冷媒の温度が上昇すると、開閉シャッタ１６１は閉じ始めて、ＦＣ冷媒の温度の上昇と共に開度が減少し、ＦＣ冷媒の温度ＴＷが第１の開温度Ｔ１近傍の所定の温度となったときに、全閉状態となる。なお、上記近傍の各所定の温度は、近傍に限らず、第１の閉温度Ｔ３または第１の開温度Ｔ１と一致する温度としてもよい。
【００６６】
上記のように開閉シャッタ１６１を、第１の閉温度Ｔ３と第１の開温度Ｔ１の間で開くことで、連携状態時において、空調の冷房風によってＦＣ冷媒を冷却することができる。なお、第１の開温度Ｔ１を超えたときには、連携状態であってもラジエータ３１を利用することができることから、空調の冷房風は不要であるとして、開閉シャッタ１６１は全閉される。なお、変形例として、開閉シャッタ１６１は、第１の閉温度Ｔ３と第１の開温度Ｔ１の間の全域で全開する構成とすることもできる。
【００６７】
上記のように、制御ユニット２００により、電気ヒータ１１６、ヒートポンプ、開閉シャッタ１６１を制御することで、暖房時および冷房時において、燃料電池スタック２０の冷媒の温度を、適正制御範囲ＺＣにコントロールすることができる。特に、第１および第２サーモスタット３４、３５は、前述したようにヒステリシスを持つ性質を備えるが、前記構成によれば、ヒステリシス特性の影響を受けることなく、冷媒の温度を適正制御範囲ＺＣにコントロールすることができる。一般に、燃料電池スタック２０は、図示する適正制御範囲ＺＣよりも若干高い温度の方が発電効率の点で優れているが、燃料電池スタック２０の耐久性を考えたとき、適正制御範囲ＺＣに制御することが好ましい。このため、本実施例Ｄは、燃料電池スタック２０の耐久性を高めることができる。
【００６８】
さらに、本実施例では、制御ユニット２００は次の温度強制シフト処理を行う。図８は、温度強制シフト処理を示すフローチャートである。図示するように、制御ユニット２００のＣＰＵは、第２温度センサ６２により検出されたＦＣ冷媒の温度ＴＷを取り込んで（ステップＳ１１０）、そのＦＣ冷媒温度ＴＷが所定の高温範囲内にある状態が所定時間以上継続したか否かを判定する（ステップＳ１２０）。「所定の高温範囲」とは、第１の開温度Ｔ１と第２の開温度Ｔ２との間（中温域）の高温側の所定範囲であり、本実施例では、７０〜７５℃に定められている。なお、７０〜７５℃に限る必要はなく、上限が第２の開温度Ｔ２側であればいずれの範囲でもよい。
【００６９】
ステップＳ１２０で、ＦＣ冷媒温度ＴＷが所定の高温範囲内にある状態が所定時間以上継続したと判定された場合には、燃料電池スタック２０の負荷を増大させる処理を行う（ステップＳ１３０）。負荷としては好ましくは、燃料電池スタック２０に接続される各種の負荷６０のうちの車両の走行に影響を与える駆動用モータを除いた負荷、例えば、図示しない酸化剤ガス供給用のエアコンプレッサの駆動力を増大させる。負荷６０が増大されると、ＦＣ冷媒温度ＴＷが上昇することから、接続形態がラジエータを利用する連携状態に切り替わり、ラジエータ３１を利用することで、確実にＦＣ冷媒温度ＴＷを適正制御範囲ＺＣに引き下げることができる。
【００７０】
ステップＳ１３０の実行後、または、ステップＳ１２０で否定判定されたときに、この温度強制シフト処理は終了する。
【００７１】
こうした構成の温度強制シフト処理によれば、第１の開温度Ｔ１と第２の開温度Ｔ２との間である中温域の高温側で、ＦＣ冷媒の温度が停滞する場合に、燃料電池スタック２０の負荷が増大されることで、強制的にＦＣ冷媒の温度を引き下げることができる。この結果、燃料電池スタック２０の耐久性に優れた温度域に燃料電池スタック２０を制御することができる。また、負荷の増大としてエアコンプレッサの駆動力を増大させると、酸化剤ガス流路のガス圧力が高くなることから、水温上昇時に燃料電池スタック２０内の水の持ち去り量を低減し、燃料電池スタック２０の含水量を一定に保つ役割もある。
【００７２】
Ｆ．実施例効果：
以上のように構成された前記実施例の冷媒回路調整装置１０によれば、ＦＣ冷媒の冷却をＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２を利用して行う図４の回路形態と、ＦＣ冷媒の冷却をＦＣ冷媒空調用循環回路Ｃ２とラジエータ３１とを利用して行う第２回路形態との回路切換を、第１および第２サーモスタット３４、３５で行うことができる。サーモスタットは、温度に応じて自動的に流路切り替えがなされることから、従来技術のように三方弁やその三方弁を制御する制御装置を必要としない。このため、第１実施例の冷媒回路調整装置１０は、構成を簡素化することができる。したがって、製造コストを低減することができる。
【００７３】
また、前記実施例の冷媒回路調整装置１０によれば、第２サーモスタット３５の作動温度Ｔ２は、燃料電池スタック２０が定常運転時負荷を受けたときの燃料電池スタック２０の発熱量ＬＣに基づいて定められた温度となっていることから、燃料電池スタック２０の定常運転時に第２サーモスタット３５が開かずに、ＦＣ冷媒温度が高い状態が継続されることを防止することができる。冷媒温度が高い状態が継続されると、燃料電池スタック２０の発電状態に悪影響を与えるが、これを回避することができる。
【００７４】
さらに、前記実施例の冷媒回路調整装置１０によれば、第１サーモスタット３４のヒステリシス幅が第２サーモスタット３５のヒステリシス幅より狭くなっていることから、第１サーモスタット３４のヒステリシス幅を小さく定めることができる。このために、図６、図７に示すように、第２の閉温度Ｔ４と第１の開温度Ｔ１との間を広くとることができる。第２の閉温度Ｔ４と第１の開温度Ｔ１との間が狭いと、連携でラジエータなしの図４の回路形態と、連携でラジエータありの図５の回路形態との間で回路が切り換わる際に、両者への移行が細かく繰り返される不具合が発生する虞があるが、これを防止することができる。
【００７５】
Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７６】
・第１変形例：
上記実施例やその変形例では、燃料電池スタック２０の冷却水温を、燃料電池スタック２０の冷媒流出口２０ｂに設けられた第２温度センサ６２の検出値としているが、必ずしもこれに限る必要はなく、例えば、燃料電池スタック２０の冷媒流入口２０ａに設けられた第１温度センサ６１の検出値でもよく、ＦＣ冷媒の温度に対応するパラメータであればいずれのパラメータとすることもできる。
【００７７】
・第２変形例：
上記実施例やその変形例では、制御ユニット２００は、冷却システム３０用と空調システム１００用の両方に利用されていたが、それぞれ個別の制御ユニットにより構成してもよい。この場合、各制御ユニット間で必要な情報（第２温度センサ６２の検出値等）を通信する構成とするのが好ましい。
【００７８】
・第３変形例：
上記実施例やその変形例では、冷媒回路調整装置１０は、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに換えて、ハイブリッド自動車などの他の車両に搭載された構成とることもできる。
【００７９】
・第４変形例：
上記実施例やその変形例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
【００８０】
・第５変形例：
上記実施例やその変形例では、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【００８１】
なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１０…冷媒回路調整装置
２０…燃料電池スタック
２０ａ…冷媒流入口
２０ｂ…冷媒流出口
２２…燃料ガス流路
２４…酸化剤ガス流路
３０…冷却システム
３１…ラジエータ
３２…第１バイパス流路
３３…第２バイパス流路
３４…第１サーモスタット
３５…第２サーモスタット
３６…第１ポンプ
３７…第１電動ファン
３９…冷媒流路
４０…サーモスタット本体
４１…ケース
４２…第１の開口部
４４…第２の開口部
４６…第３の開口部
４８…感温部
５０…ワックス
５２…バルブ
５４…バイパスバルブ
５５…電気ヒータ
５６…可動部
５８…バネ
６１…第１温度センサ
６２…第２温度センサ
１００…空調システム
１１１…冷媒流路
１１２…冷媒流路
１１４…ヒータコア
１１５…第２ポンプ
１１６…電気ヒータ
１２０…送風部
１２１…ダクト部
１２２…第２電動ファン
１３０…内部空間
１４０…空調冷媒空調用循環回路
１４１…エバポレータ
１４２…室内コンデンサ
１４３…室外熱交換器
１４５…エアコンコンプレッサ
１４６…三方弁
１４７…開閉バルブ
１４８…第１のエキスパンションバルブ
１４９…第２のエキスパンションバルブ
１５１…冷媒流路
１５２…冷媒流路
１５３…冷媒流路
１５４…冷媒流路
１５５…冷媒流路
１５６…冷媒流路
１５８…開閉バルブ
１６１…開閉シャッタ
１６２…開閉シャッタ
２００…制御ユニット
２０１…ＣＰＵ
２０２…メモリ
２０３…入出力回路
Ｃ１…冷却用循環回路
Ｔ１…第１の作動温度
Ｔ２…第２の作動温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005463982.tif 000006
【図６】
0005463982.tif 000007
【図７】
0005463982.tif 000008
【図８】
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