(57)【要約】【課題】燃料電池システムを熱源として用いるように構成された空調システムにおいて、その廃熱をより有効に活用する。【解決手段】本発明の空調システム１０は、燃料電池システム１２の燃料電池から排出される排気が流れるように構成された排気流路１４と、該排気流路１４の排気と車室と連通する空調ダクト１６内の空気との間で熱交換を生じさせるように構成されている第１熱交換器１８とを備える。更に、空調システム１０は、第１熱交換器１８での熱交換により排気流路１４の排気中の水分が凝縮することで生じた水を排気流路から取り出し、取り出した水を蒸発させて車室に供給するように構成された加湿システム２６を備える。【選択図】図１
2019026011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出される排気が流れるように構成された排気流路と、
該排気流路の排気と、空調空間と連通する領域の空気との間で熱交換を生じさせるように構成されている第１熱交換器と
を備えた、
空調システム。
【請求項２】
送風手段であって、前記第１熱交換器の上流側から該第１熱交換器の下流側の前記空調空間への空気流を少なくとも生じさせることができる、送風手段と、
該送風手段の作動を制御するように構成された送風制御部と
を更に備える、請求項１に記載の空調システム。
【請求項３】
前記第１熱交換器を迂回するように前記排気流路に設けられたバイパス流路と、
該バイパス流路に流れる排気の流量を可変とするように設けられたバイパス弁と、
該バイパス弁の開度を制御するように構成されたバイパス弁制御部と
を更に備える、
請求項１または請求項２に記載の空調システム。
【請求項４】
前記第１熱交換器での前記熱交換により前記排気流路の排気中の水分が凝縮することで生じた水を前記排気流路から取り出し、取り出した前記水を蒸発させて前記空調空間に供給するように構成された加湿システムを更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の空調システム。
【請求項５】
前記加湿システムは、
前記第１熱交換器における前記熱交換により排気中の水分が凝縮することで生じた水を前記排気流路の外部に排出させるように設けられた排出弁と、
該排出弁の開度を制御するように構成された排出弁制御部と、
前記空調空間と連通する領域において、前記排出弁を介して排出された水を蒸発可能に貯める貯留部と、
該貯留部の水に加熱するように構成された加熱手段であって、前記第１熱交換器に至る前の前記燃料電池の排気の熱を前記貯留部の水に伝えるように構成された加熱手段と
を備える、
請求項４に記載の空調システム。
【請求項６】
前記燃料電池の冷却媒体が循環する冷却媒体循環路と、
該冷却媒体循環路の冷却媒体と前記空調空間に取り込まれる空気との間で熱交換を生じさせるように構成されている第２熱交換器であって、前記第１熱交換器から独立している、第２熱交換器と
を更に備える、
請求項１から５のいずれか一項に記載の空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの排気の熱を用いるように構成された空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システム（Ｆ／Ｃ）を搭載した車両（燃料電池車（ＦＣＶ））が実用化されている。このような燃料電池車の燃料電池システムでは、冷却水を循環させて燃料電池の冷却を行っていて、この冷却水の廃熱利用で車内空調を行うことが種々提案されている。例えば、特許文献１に開示の燃料電池車用の空調システムでは、暖房モードのときで燃料電池システムの廃熱を利用できるときは、冷却水を燃料電池と通風ダクトに配設されたヒータコアとの間で循環させ、通風ダクトから車室内に流入する空気を加熱するようにしている。更に、そのようなときに燃料電池システムで必要としない熱が少ない場合には、その空調装置は、燃料電池の下流側かつヒータコアの上流側に設けた電気ヒータを駆動し、ヒータコアに流入する前の冷却水を電気ヒータで補充加熱するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９８９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１のシステムでは、上で述べたように、冷却水からの廃熱が少ない場合、付加的に設けた電気ヒータによる熱を利用する。例えば、車両の始動直後など燃料電池システムの始動時に暖房要求があるとき、燃料電池システムの冷却水の温度は低いので、特許文献１のシステムでは、電気ヒータの駆動が必要になる。しかし、このような電気ヒータの駆動は、バッテリの残容量によっては行えない場合があり、また、省エネルギーの観点から改善の余地がある。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池システムを熱源として用いるように構成された空調システムにおいて、その廃熱をより有効に活用することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、燃料電池から排出される排気が流れるように構成された排気流路と、該排気流路の排気と、空調空間と連通する領域の空気との間で熱交換を生じさせるように構成されている第１熱交換器とを備えた、空調システムが提供される。
【０００７】
かかる構成を備える空調システムによれば、燃料電池システムの排気の熱で、空調空間に取り込まれる空気を直接的に加熱することが可能になる。例えば、当該空調システムが車両に設けられていて、その車両の始動直後に燃料電池システムを作動させた場合、燃料電池システムの排気の温度は、同システムの冷却媒体の温度よりも早期に高まる。それ故、そのような場合に暖房要求があったとき、燃料電池の排気の熱を第１熱交換器を介して空調空間への空気に伝えることで、燃料電池システムの廃熱を有効に活用して、空調空間の空調を効果的に行うことができる。
【０００８】
上記空調システムは、送風手段であって、前記第１熱交換器の上流側から該第１熱交換器の下流側の前記空調空間への空気流を少なくとも生じさせることができる送風手段と、該送風手段の作動を制御するように構成された送風制御部とを更に備えるとよい。送風手段を作動させることで、第１熱交換器周囲を経て暖められた空気を空調空間へより効果的に送ることが可能になる。
【０００９】
上記空調システムは、前記第１熱交換器を迂回するように前記排気流路に設けられた排気バイパス流路と、該排気バイパス流路に流れる排気の流量を可変とするように設けられたバイパス弁と、該バイパス弁の開度を制御するように構成されたバイパス弁制御部とを更に備えるとよい。当該構成を更に備えることで、排気を第１熱交換器を迂回させて外部に排出することが可能になる。
【００１０】
上記空調システムは、好ましくは、前記第１熱交換器での前記熱交換により前記排気流路の排気中の水分が凝縮することで生じた水を前記排気流路から取り出し、取り出した前記水を蒸発させて前記空調空間に供給するように構成された加湿システムを更に備える。この加湿システムは、前記第１熱交換器における熱交換により排気中の水分が凝縮することで生じた水を前記排気流路の外部に排出させるように設けられた排出弁と、該排出弁の開度を制御するように構成された排出弁制御部と、前記空調空間に連通する領域において、前記排出弁を介して排出された水を蒸発可能に貯める貯留部と、該貯留部の水に加熱するように構成された加熱手段であって、前記第１熱交換器に至る前の前記燃料電池の排気の熱を前記貯留部の水に伝えるように構成された加熱手段とを備えるとよい。当該構成の加湿システムを備えることにより、排気における廃熱を利用して、排気中の水分を空調空間に効果的に供給し、空調空間を加湿することができる。
【００１１】
好ましくは、上記空調システムは、前記燃料電池の冷却媒体が循環する冷却媒体循環路と、該冷却媒体循環路の冷却媒体と前記空調空間に取り込まれる空気との間で熱交換を生じさせるように構成されている第２熱交換器であって、前記第１熱交換器から独立している、第２熱交換器とを更に備える。これにより、燃料電池システムの排気の熱に加えて、冷却媒体の熱を有効に活用して、空調空間の空調を効果的に行うことができる。また、第２熱交換器は第１熱交換器から独立しているので、相互に制約を受けることなく、排気の熱と、冷却媒体の熱とを、それぞれ空調に利用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の上記一態様に係る空調システムによれば、燃料電池システムの排気の熱つまり廃熱を有効に活用して、空調空間の空調を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空調システムの概略構成図である。
【図２】図１の空調システムの暖房制御のフローである。
【図３】図１の空調システムの加湿制御のフローである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る空調システムの概略構成図である。
【図５】図４の空調システムの暖房制御のフローである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態を図に基づいて説明する。まず、本発明に係る第１実施形態を説明する。
【００１５】
本第１実施形態は、本発明の空調システムを、燃料電池システムを電源として走行する電気自動車つまり燃料電池車（ＦＣＶ）に適用した例である。図１に、第１実施形態に係る空調システム１０の概略構成を示す。
【００１６】
空調システム１０は、燃料電池システム（以下、Ｆ／Ｃと称し得る。）１２を備える。本第１実施形態においてＦ／Ｃ１２は、燃料ガスとしての水素（水素ガス）と、酸化剤ガスとしての酸素（空気）との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池を備えているが、その詳細説明は省略する。ここでは、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。なお、本発明において、燃料電池システムの燃料電池は、固体高分子型以外であってもよい。
【００１７】
Ｆ／Ｃ１２には、燃料電池の水素極（アノード）に供給される水素が流れる水素供給流路（不図示）と、燃料電池の酸素極に供給される酸素（空気）が流れる空気供給流路（不図示）とが設けられている。そして、水素や酸素との反応に伴い燃料電池から排出される排気が流れる排気流路１４がＦ／Ｃ１２に設けられている。排気流路１４は、燃料電池つまり燃料電池スタックとしての構成を備える燃料電池本体１２ａに接続されている。排気流路１４の下流端１４Ｅは、外気に開放している（図１中矢印Ｅで表すように排気は外気に放出される）。排気流路１４に排気処理装置等が設けられ得るが、ここでの説明は省略する。なお、Ｆ／Ｃ１２は、後述する冷却水の循環による温度管理システムを備える。
【００１８】
排気流路１４は、その一部（以下、加熱用排気流路と称し得る）１４ａが通風ダクト（通風管）１６内を通過するように配置されている。通風ダクト１６の最下流には、図示を省略するが、以下において説明するようにＦ／Ｃ１２の排気の熱（廃熱）を活用して温度調節された空気が噴き出すことが可能な、空調空間である車室（不図示）が連通している。つまり、通風ダクト１６内は、空調空間としての車室内と連通する領域である。なお、車室への通風ダクト１６からの吹出口としては、フロントガラスへ向かって吹き出すデフロスタ吹出口、乗員の上半身へ向かって吹き出すフェイス吹出口、および乗員の足元へ向かって吹き出すフット吹出口などがある。
【００１９】
通風ダクト１６内には、排気流路１４の一部である加熱用排気流路１４ａの排気と通風ダクト１６内の空気との間で熱交換を生じさせるように構成された排気ヒータコア１８が設けられている。排気ヒータコア１８は、本発明における第１熱交換器に相当する。図１に模式的に示すように、排気流路１４の一部１４ａと排気ヒータコア１８とは接触状態ここでは特に接続状態にあり、排気の熱が排気ヒータコア１８に伝わるように構成されている。
【００２０】
排気流路１４には、排気ヒータコア１８を迂回するようにバイパス流路１４ｂが設けられている。バイパス流路１４ｂは、図１では、通風ダクト１６内を通過するように表されているが、通風ダクト１６内を通過しても、あるいは、全く通過しないように設けられてもよい。
【００２１】
バイパス流路１４ｂの上流側に位置する分岐部１４ｃには、バイパス弁２０が設けられている。バイパス弁２０は、電磁弁であり、後述する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）４０からの制御信号に基づいてその開度が制御されるように構成されている。バイパス弁２０は、バイパス流路１４ｂに流れる排気の流量を可変とするように設けられ、ここではより具体的には、加熱用排気流路１４ａの排気の流量とバイパス流路１４ｂの排気の流量とを調節するように設けられている。なお、ここでは、バイパス弁２０は三方弁である。
【００２２】
また、空調システム１０は、送風手段としての送風ファン２２を備える。通風ダクト１６への空気取り入れ口（不図示）をその上流側とし、通風ダクト１６から車室への吹出口を通風ダクト１６の下流側とすると、送風ファン２２は、通風ダクト１６内において、排気ヒータコア１８の上流側に設けられている。更に、エアフィルタ（不図示）が、通風ダクト１６内において、空気取り入れ口の下流側かつ送風ファン２２の上流側に設けられている。したがって、送風ファン２２は、その作動時、空気取り入れ口、エアフィルタ、排気ヒータコア１８を順に通過した空気流を車室へ送ることができる。このように、送風ファン２２は、排気ヒータコア１８の上流側からその下流側の車室への空気流を生じさせることができる。送風ファン２２は、ＥＣＵ４０からの制御信号に基づいてその作動が制御されるように構成されている。送風ファン２２は、その作動および非作動のみならず、その送風量をも調整可能に構成されている。したがって、送風ファン２２の作動状態に応じた空気が、排気ヒータコア１８の周囲を通って、車室内へ流れることができる。送風ファン２２から送られてくる空気は、排気ヒータコア１８の周囲を通過することで、排気ヒータコア１８により加熱されることができる。つまり、排気流路１４の加熱用排気流路１４ａを流れる排気と通風ダクト１６内の空気とは、排気ヒータコア１８を介して、熱交換することができる。
【００２３】
更に、空調システム１０は、上記したような構成を主に備える排気暖房システム２４に加えて、加湿システム２６を備える。加湿システム２６は、Ｆ／Ｃ１２の排気中に含まれる水分が（排気と空気との間での）排気ヒータコア１８での熱交換に伴い凝縮することで生じる凝縮水を排気流路１４から取り出し、それを更に蒸発させて車室へ供給するように構成されている。
【００２４】
加湿システム２６は、排気流路１４内の水分を排気流路の外部に排出させるための排出弁２８を備える。排出弁２８は、排気流路１４内の水溜り部１４ｄに設けられている。水溜り部１４ｄは、図１に示すように、排気流路の一部１４ａの中で鉛直方向で最も下側に位置し、水が溜まり易いように凹部を有している。ただし、水溜り部１４ｄは、そのような凹部を有することに限定されず、排気流路１４内の凝縮水が単に溜まり易い箇所であってもよい。なお、図１から理解できるように、排出弁２８の設置個所は、ここでは、排気が流れ込み難い箇所に定められている。排出弁２８は、ＥＣＵ４０からの制御信号に基づいてその開度が全開から全閉の間の任意の開度に制御されるように構成されている。
【００２５】
排出弁２８から水が排出される排気流路１４の外側の箇所は、通風ダクト１６内であり、そこには排出された水が溜まることができる蒸発皿３０が設けられている。蒸発皿３０は、本発明における貯留部に相当する。蒸発皿３０は、排出された水を溜めるとともに、その水が通風ダクト１６内で蒸発可能なように構成されている。つまり、蒸発皿３０は、通風ダクト１６内に開いている。蒸発皿３０は、通風ダクト１６内において、排気流路１４の一部１４ａの近傍に設けられ、それと概ね同じ領域に配置されている。しかし、蒸発皿３０は、排気流路１４や排気ヒータコア１８から離れて設けられてもよい。
【００２６】
更に、蒸発皿３０内の水に加熱するための構成としてヒートパイプ３２が設けられている。ヒートパイプ３２は、本発明における加熱手段に相当する。ヒートパイプ３２は、排気流路１４の排気の熱を蒸発皿３０に導く（つまり伝える）ように構成されている。ここでは、ヒートパイプ３２の一端３２ａは、排気流路１４の一部１４ａのうちで、排気ヒータコア１８の上流側に位置する箇所に接続されていて、ヒートパイプ３２の他端３２ｂは、蒸発皿３０に接続されている。つまり、加熱手段であるヒートパイプ３２は、排気ヒータコア１８に至る前のＦ／Ｃ１２の排気の熱を蒸発皿の水に伝えるように設けられている。排気流路１４や蒸発皿３０は、更にヒートパイプの取付部材（不図示）は、ヒートパイプ３２を介した伝熱が好適に行われるように、熱伝導率の高い材料、例えば銅系材料から作製されるとよい。なお、ヒートパイプ３２の一端３２ａは、Ｆ／Ｃ１２の排気の熱を活用して水を蒸発可能にする箇所であれば、排気流路１４の他の箇所あるいは排気ヒータコア１８に接続されてもよい。
【００２７】
このような空調システム１０は、上述のＥＣＵ４０を備える。ＥＣＵ４０は、演算装置、記憶装置、入出力ポート等を備え、いわゆるコンピュータとしての構成を備える。ＥＣＵ４０には、暖房スイッチ４２、排気温センサ４４、車内温度センサ４６、外気温センサ４８、加湿要求スイッチ５０、車内湿度センサ５２、水素センサ５４等が接続されていて、それぞれのセンサ等からの出力が入力される。また、ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｃ１２、バイパス弁２０、送風ファン２２、排出弁２８の各作動を制御するように、記憶する所定のプログラム（所定の演算式を含む）やデータ（マップを含む）等にしたがって、それら（例えばそれらのアクチュエータ）に作動信号を出力する。なお、以下の説明から明らかなように、ＥＣＵ４０は、燃料電池制御部、送風制御部、バイパス弁制御部、排出弁制御部のそれぞれに相当する機能部を有する。これら機能部は、互いに関連付けられている。ただし、ここでは、電子制御ユニットが１つであるかのように図示しているが、電子制御ユニットは複数のユニットから構成されてもよく、その場合には、それら複数のユニットはそれらユニット間での信号の授受が可能に構成される。
【００２８】
ここで、まず、空調システム１０（特に排気暖房システム２４）による暖房制御について図２に基づいて説明する。図２は、空調システム１０の暖房制御を表したフローである。
【００２９】
まず、ＥＣＵ４０（の暖房要求判定部）は、暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。暖房要求の有無は、暖房スイッチ４２がＯＮ状態にあるか否かで判定する。なお、空調がオート制御される空調システムでは、車内温度センサ４６の出力に基づいて検出される車内温度等に応じて暖房モードがＯＮと判断したときに、ＥＣＵ４０は暖房要求があると判定することができる。例えば、車内温度が所定温度（例えば１５℃）以下のとき、ＥＣＵ４０は暖房モードをＯＮ状態にすることができる。
【００３０】
ステップＳ２０１で暖房要求があると判定されたとき（ステップＳ２０１で肯定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ２０３に進み、暖房用Ｆ／ＣモードをＯＮにする。ただし、初期状態では、暖房用Ｆ／ＣモードはＯＦＦである。暖房用Ｆ／ＣモードがＯＮ状態になると、ＥＣＵ４０は、（初期状態では開通状態にある）バイパス通路１４ｂを閉じるとともに排気ヒータコア１８に向けて排気を流すように、バイパス弁２０を制御する。また、暖房用Ｆ／ＣモードがＯＮ状態になると、暖房用にＦ／Ｃ１２が起動される。ただし、既にＦ／Ｃ１２が起動されていて発電状態にあるときには、Ｆ／Ｃの再起動は行われず、次のステップＳ２０５へ進む。他方、ステップＳ２０１で暖房要求がないと判定されたとき（ステップＳ２０１で否定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ２０７に進み、暖房用Ｆ／ＣモードをＯＦＦにする。これにより、ＥＣＵ４０は、後述する加湿用Ｆ／ＣモードがＯＮでないならば（加湿用Ｆ／ＣモードがＯＦＦであるならば）、バイパス通路１４ｂを開通させるとともに排気ヒータコア１８に向けて排気を流さないように、バイパス弁２０を制御する。そして、この場合、ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｃ１２の排気の熱を熱源とする排気暖房システム２４とは関係なしに、バッテリ（不図示）の残容量および車両の運転状態に応じて、予め定められたプログラム等にしたがって、Ｆ／Ｃ１２の作動や非作動を制御する。なお、ステップＳ２０７を経ることで、当該ルーチンは終了する。
【００３１】
ステップＳ２０５では、ＥＣＵ４０（の燃料電池制御部）は、暖房用Ｆ／Ｃモードのプログラムやデータ等にしたがって、Ｆ／Ｃ１２つまり燃料電池の作動（つまり発電状態）を制御する。具体的には、暖房用に、排気温を上げるために、効率重視の通常用Ｆ／Ｃモードのときとは異なり、ＥＣＵ４０は低効率でＦ／Ｃ１２を作動させる。これは、バッテリ残容量や車両の運転状態等に応じて補正しつつ、好ましくは排気温を暖房に適した温度（つまり所定温度以上）にするように、Ｆ／Ｃ１２の作動を制御することに向けられている。ここでの所定温度は、暖房要求のレベル、例えば強弱に応じて可変とされるとよい。なお、ここで記したステップＳ２０５での制御は、暖房用Ｆ／ＣモードがＯＮ状態のとき継続して行われるので、図２のフローから省かれてもよい。
【００３２】
ステップＳ２０５の次のステップＳ２０９では、排気温が暖房用温度以上か否かが判定される。これは、ＥＣＵ４０の排気温判定部により行われる。排気温は、排気流路１４に設けた排気温センサ４４からの出力に基づいて検出される。排気温センサを備えない場合、排気温はＦ／Ｃ１２の作動制御に応じて予め定めたプログラムやデータにしたがって見積もられてもよい。暖房用温度は所定温度であり、ステップＳ２０５において上述した所定温度よりも低い温度であるとよいが、ステップＳ２０５での所定温度以上の温度であってもよく、特定の温度域の温度であってもよい。暖房用温度は、排気ヒータコア１８での熱交換の効率などに応じて定められるとよい。また、暖房用温度は、外気温、車内温度などに応じて、補正されてもよい。
【００３３】
ステップＳ２０９で排気温が暖房用温度に達していないと判定されたとき（ステップＳ２０９で否定判定）、ＥＣＵ４０（の送風制御部）はステップＳ２１１で送風ファン２２の作動を停止状態にする（ＯＦＦにする）。これにより、当該ルーチンは終了する。他方、ステップＳ２０９で排気温が暖房用温度以上であると判定されたとき（ステップＳ２０９で肯定判定）、ＥＣＵ４０（の送風制御部）はステップＳ２１３で送風ファン２２を作動状態にする（ＯＮにする）。これにより、排気ヒータコア１８により熱を受けた空気は、図１中矢印Ａ１で表すように、車室内に積極的に送られて、空調空間である車室内の暖房が行われる。ここでは、送風ファン２２の作動は、具体的には送風の強さは、暖房要求のレベルに応じて、制御される。なお、ステップＳ２１３を経ることで、当該ルーチンは終了する。
【００３４】
次に、空調システム１０（特に加湿システム２６）による加湿制御について図３に基づいて説明する。図３は、空調システム１０の加湿制御を表したフローである。
【００３５】
まず、ＥＣＵ４０（の加湿要求判定部）は、加湿要求があるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。加湿要求の有無は、加湿要求スイッチ５０がＯＮ状態にあるか否かで判定する。なお、空調がオート制御される空調システムでは、車内湿度センサ５２の出力に基づいて検出される車内湿度等に応じて加湿モードがＯＮと判断したときに、ＥＣＵ４０は加湿要求があると判定することができる。例えば、車内湿度が所定湿度（例えば２０％）以下のとき、ＥＣＵ４０は加湿モードをＯＮ状態にすることができる。
【００３６】
ステップＳ３０１で加湿要求があると判定されたとき（ステップＳ３０１で肯定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ３０３に進み、加湿用Ｆ／ＣモードをＯＮにする。ただし、初期状態では、加湿用Ｆ／ＣモードはＯＦＦである。加湿用Ｆ／ＣモードをＯＮ状態にすると、ＥＣＵ４０は、バイパス通路１４ｂを閉じるとともに排気ヒータコア１８に向けて排気を流すように、バイパス弁２０を制御する。また、加湿用Ｆ／ＣモードがＯＮ状態にされると、加湿用にＦ／Ｃ１２が起動される。ただし、既にＦ／Ｃ１２が起動されていて発電状態にあるときには、Ｆ／Ｃの再起動は行われず、次のステップＳ３０５へ進む。なお、加湿用Ｆ／Ｃモードでは、原則、効率重視でＦ／Ｃ１２の作動は制御される。しかし、加湿用Ｆ／Ｃモードと暖房用Ｆ／ＣモードとがともにＯＮ状態であるとき、暖房用Ｆ／Ｃモードが優先される。他方、ステップＳ３０１で加湿要求がないと判定されたとき（ステップＳ３０１で否定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ３０７に進み、加湿用Ｆ／ＣモードがＯＦＦにされる。これにより、ＥＣＵ４０は、上述の暖房用Ｆ／ＣモードがＯＮでないならば（暖房用Ｆ／ＣモードがＯＦＦであるならば）、バイパス通路１４ｂを開通させるとともに排気ヒータコア１８に向けて排気を流さないように、バイパス弁２０を制御する。これにより、排気流路１４における凝縮水の生成を抑制することができる。そして、この場合、ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｃ１２の排気の熱を熱源とする加湿システム２６とは関係なしに、バッテリ（不図示）の残容量および車両の運転状態に応じて、予め定められたプログラム等にしたがって、Ｆ／Ｃ１２の作動や非作動を制御する。なお、ステップＳ３０７を経ることで、当該ルーチンは終了する。
【００３７】
ステップＳ３０５では、ＥＣＵ４０（の排気成分判定部）は、排気成分が正常であるか、つまり、排気成分に異常がないか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ４０は、排気流路１４に設けた水素センサ５４の出力に基づいて所定量以上の水素が検出されているか否かを判断し、所定量以上の水素が検出されているとき、排気成分が正常でない、つまり、異常があると判定する。なお、排気成分が正常であるか否かは、他のガス成分を含めて判定されてもよい。車内に水素等の可燃性成分が流れ込むことをより確実に防ぐためである。
【００３８】
ステップＳ３０５で排気成分が正常でないと判定されたとき（ステップＳ３０５で否定判定）、ステップＳ３０９で排出弁２８が全閉状態に閉じるようにＥＣＵ４０は排出弁２８のアクチュエータを制御する。なお、初期状態では、排出弁２８は全閉状態にある。ステップＳ３０９を経ることで、当該ルーチンは終了する。
【００３９】
ステップＳ０５で排気成分が正常であると判定されたとき（ステップＳ３０５で肯定判定）、ステップＳ３１１に進み、ＥＣＵ４０（の結露判定部）は、結露の可能性が低いか否かを判定する。結露の可能性は、車内温度センサ４６の出力に基づいて検出される車内温度、外気温センサ４８の出力に基づいて検出される外気温、車内湿度センサ５２の出力に基づいて検出される車内湿度に基づいて、予め定めたプログラムやデータにしたがってＥＣＵ４０により求められる指標値により評価される。ここでは、その指標値が所定の閾値以下のとき、ＥＣＵ４０は、結露の可能性が低いと判定する。
【００４０】
ステップＳ３１１で結露の可能性が低くないと判定されたとき（ステップＳ３１１で否定判定）、前述のステップＳ３０９に進み、ＥＣＵ４０（の排出弁制御部）は排出弁２８を全閉状態に制御する。他方、ステップＳ３１１で結露の可能性が低いと判定されたとき（ステップＳ３１１で肯定判定）、ステップＳ３１３に進み、ＥＣＵ４０（の排出弁制御部）は、排出弁２８を開くように制御する。具体的には、加湿要求のレベル、例えば、車内湿度や、結露の可能性を表す指標値に基づいて、予め定めたプログラムやデータにしたがって、排出弁２８の開度を定め、その開度になるようにＥＣＵ４０は排出弁２８のアクチュエータを制御する。これにより、蒸発皿３０に排気流路１４の凝縮水が排出され、ヒートパイプ３２を介して伝えられる熱によりその水は加熱されて蒸発され、加湿が行われる。ただし、排出弁は、加湿要求があったとき、原則開かれてもよいが、上記したように、加湿要求があったときであって、排気成分が正常でありかつ結露の可能性が低いときに開かれることでより高い安全性を得ることができる。なお、排出弁２８が開かれて加湿が行われるとき、送風ファン２２が送風作動するように、ＥＣＵ４０は送風ファン２２を制御してもよい。これにより、より積極的に、車室の加湿を行うことができる。
【００４１】
以上説明したように、上記構成を備える上記第１実施形態の空調システム１０によれば、Ｆ／Ｃ１２の排気の熱（廃熱）を有効に活用して、車内の暖房と加湿とを行うことができる。特に、Ｆ／Ｃの冷却水に比べて、Ｆ／Ｃ１２が作動され始めてからその排気の温度は早期に高まる（高めることができる（ステップＳ２０５参照））。したがって、車両の始動直後などＦ／Ｃの冷却水の温度が低いときに暖房要求があったとしても、空調システム１０は、冷却水を単に熱源として用いる場合に比べて、排気の熱を熱源として、より早くに空調空間である車室の空調を行うことができる。また、それ故に、空調システム１０は、特許文献１のような付加的な構成（電気ヒータ）を必要せず、省エネルギーの点でも優れる。なお、本発明は、上記空調システム１０を暖房のためだけに燃料電池車に適用することを許容し、あるいは、上記空調システム１０を加湿のためだけに燃料電池車に適用することを許容する。例えば、上記空調システム１０を暖房のためだけに燃料電池車に適用する場合、排出弁２８、蒸発皿３０、ヒートパイプ３２を設けなくてもよい。また、上記空調システム１０を加湿のためだけに燃料電池車に適用する場合、送風ファン２２を設けなくてもよい。
【００４２】
また、上記空調システム１０は、排気流路１４の一部１４ａが通風ダクト１６内を通過するように構成された。このように排気流路１４の少なくとも一部が通風ダクト内を通過するように排気流路等を構成することは、上記の如く排気流路の凝縮水を加湿のために通風ダクト１６内に取り出すときに有効である。しかし、空調システムから加湿システムとしての機能を省く場合、排気流路１４は通風ダクト内を全く通らなくてもよい。この場合、排気ヒータコア１８を介して排気流路１４の排気と通風ダクト内の空気とが熱交換可能である種々の変形例を本発明は許容する。例えば、通風ダクト内に少なくとも一部が張り出すように排気ヒータコアを設け、その排気ヒータコアに通風ダクトの外部から排気流路は接続されてもよい。
【００４３】
また、上記空調システム１０では、送風ダクト１６の送風ファン２２よりも上流側に、エバポレータを設けていない。周知の一般的な車両用空調システムでは、送風ダクト１６の上流端側に、周知の冷凍サイクルのエバポレータが配設される（例えば特許文献１参照）。上記空調システム１０においても、排気ヒータコア１８や送風ファン２２の上流側に、周知の冷凍サイクルのエバポレータが設けられてもよい。また、エバポレータが設けられるとき、エバポレータの下流側において、エバポレータを通過した空気が排気ヒータコア１８を通過する割合を調整するようにエアミックスドアを設けるとよい。ＥＣＵの制御によりエアミックスドアの開度を制御することで、エバポレータを通過することで生じた冷風が排気ヒータコアで加熱される割合を変えることができ、これにより、車室へ供給される空気流の温度をより適切に制御することが可能になる。なお、この場合、エアミックスドアの開度は、ＥＣＵにより、暖房要求のレベルや、エバポレータ下流側かつエアミックスドア上流側の空気の温度に応じて制御されるとよい。周知の冷凍サイクルのエバポレータおよびエアミックスドアを、以下の本発明の第２実施形態に係る空調システム１１０は備える。
【００４４】
次に、本発明に係る第２実施形態を説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と同様に、本発明の空調システムを、燃料電池システムを電源として走行する電気自動車つまり燃料電池車（ＦＣＶ）に適用した例である。図４に、第２実施形態に係る空調システム１１０の概略構成を示す。なお、以下の説明では、既に説明した構成要素と同じまたはそれに相当する構成要素には、同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００４５】
第２実施形態の空調システム１１０は、第１実施形態の空調システム１０の上記構成つまり、排気暖房システム２４と加湿システム２６とを備えることに加えて、冷却媒体暖房システム１１２を備える。冷却媒体暖房システム１１２は、Ｆ／Ｃ１２の冷却媒体としての冷却水を熱源として活用するシステムである。なお、図４では、排気暖房システム２４および加湿システム２６を簡略化して表している。
【００４６】
Ｆ／Ｃ１２には、冷却媒体としての冷却水が循環するように構成された冷却水循環路（冷却媒体循環路）１１４が設けられている。冷却水循環路１１４は、図４中燃料電池本体１２ａの左方に冷却水が循環する第１冷却水通路１１６と、図４中燃料電池本体１２ａの右方で冷却水ヒータコア１１８を含む回路に冷却水が循環する第２冷却水通路１２０とを含んで構成されている。そして、冷却水循環路１１４にウォータポンプ１２２が設けられており、その作動により冷却水を冷却水循環路１１４において循環させる。ウォータポンプ１２２の作動はＥＣＵ４０により制御される。この冷却水によりＦ／Ｃ１２の燃料電池本体１２ａは発電効率が良好な温度範囲（例えば７２〜８０℃）に温度管理される。なお、このような冷却水の循環によるＦ／Ｃ１２の温度管理システムを、第１実施形態におけるＦ／Ｃ１２も同様に備える。
【００４７】
冷却水ヒータコア１１８は送風ダクト１６内に設けられている。冷却水ヒータコア１１８は、本発明における第２熱交換器に相当し、冷却水循環路１１４の冷却水と空調空間である車室に取り込まれる空気との間で熱交換を生じさせるように構成されている。通風ダクト１６内には、その内部を２つの流路に分けるようにエアミックスドア１２４が設けられている。冷却水ヒータコア１１８の配設領域は、エアミックスドア１２４により分けられる２つの流路の一方にあり、他方の流路を流れた空気が実質的に流れない（混ざらない）領域にある。エアミックスドア１２４は、（エアミックスドア駆動用のモータ（不図示）に対する制御により）ＥＣＵ４０により駆動制御されて、送風ダクト１６の２つの流路の開度を変えることができるように構成されていて、２つの流路を通過する空気の割合を調節することができる。エアミックスドア１２４により分けられる一方の流路のうち、冷却水ヒータコア１１８が配設されている領域をここでは加熱領域１２４ａと称し、他方の流路のうちの、対応する領域を送風領域１２４ｂと称する。図４では、加熱領域１２４ａ側の流路を最も開くとともに送風領域１２４ｂ側の流路を最も閉じた状態のエアミックスドア１２４を実線で表し、それと開閉状態が逆の状態のエアミックスドア１２４を破線で示す。
【００４８】
加熱領域１２４ａには、上記排気暖房システム２４の排気ヒータコア１８とともに、冷却水ヒータコア１１８が配設されている。ここでは、排気ヒータコア１８は冷却水ヒータコア１１８の横方向で隣に位置付けられているが、それらはいずれか一方の下流側に他方が位置するように直列的に配置されてもよい。送風領域１２４ｂには、排気ヒータコア１８や冷却水ヒータコア１１８のような加熱のための熱交換器は設けられていない。したがって、送風領域１２４ｂはそれよりも上流側からの送風がそのまま通過する。
【００４９】
第１冷却水通路１１６には、ラジエータ１２６が設けられている。ラジエータ１２６の第１冷却水通路１１６との上流側接続部には、第１冷却水通路１１６を流れる冷却水の温度が所定温度（例えば８０℃）以上になるとラジエータ１２６に冷却水を流入させるように開弁するサーモスタットバルブ１２８が設けられている。これにより、第１冷却水通路１１６を流れる冷却水はその所定温度以上になると、ラジエータ１２６により放熱し、Ｆ／Ｃ１２の燃料電池本体１２ａは発電効率が良好な温度範囲を超えないようになっている。
【００５０】
図４に示すように、第２冷却水通路１２０の燃料電池本体１２ａと冷却水ヒータコア１１８との間には、補充加熱ヒータである電気ヒータ１３０が設けられている。電気ヒータ１３０はＥＣＵ４０によりその作動が制御され、作動時には、冷却水ヒータコア１１８に至る前のその上流側を流れる冷却水を加熱することができる。
【００５１】
更に、第２冷却水通路１２０の電気ヒータ１３０の上流側の部分には、流路切替弁１４０が設けられている。流路切替弁１４０はＥＣＵ４０により制御される電磁弁であり、ここでは三方弁である。流路切替弁１４０に対する制御で、ウォータポンプ１２２の作動中、図４中矢印Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３で示すように冷却水が冷却水ヒータコア１１８を通らない（冷却水が冷却水ヒータコア１１８を介して通風ダクト１６内の空気と熱交換しない）で循環する場合と、図４中矢印Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７で示すように冷却水が冷却水ヒータコア１１８を通って（冷却水が冷却水ヒータコア１１８を介して通風ダクト１６内の空気と熱交換して）循環する場合とを選択的に切り替えることができる。
【００５２】
一方、通風ダクト１６内には、エアミックスドア１２４よりも上流側つまりヒータコア１８、１１８よりも上流側かつエアフィルタの下流側において、通風ダクト１６を塞ぐようにエバポレータ１４２が配設されている。エバポレータ１４２は、周知の冷凍サイクルの構成要素であり、冷凍サイクルのうちエバポレータのみを図示している。この冷凍サイクルは、エバポレータ１４２の他に、圧縮機としてのコンプレッサ、等を備える。エバポレータ１４２は、その上流側に配置された（ＥＣＵ４０により制御される）送風ファン１４４からの空気流（図４中矢印Ａ２参照）を冷却する。したがって、ヒータコア１８、１１８は、それぞれ、エバポレータ１２を通過した冷風を再加熱するように設けられている。
【００５３】
本第２実施形態において、ＥＣＵ４０には、上記センサ等４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４の他、温度センサ１４６および水温センサ１５０が接続されている。温度センサ１４６は、エバポレータ１４２を通過した空気の温度を検出するために設けられていて、ここでは通風ダクト１６のうち、エバポレータ１４２の下流側かつエアミックスドア１２４の上流側に設けられている。また、水温センサ１５０は、冷却水温測定用に冷却水循環路１１４に設けられていて、ここでは、燃料電池本体１２ａ下流側かつ流路切替弁１４０の上流側に設けられている。そして、これらの出力に基づいて、記憶する所定のプログラム（所定の演算式を含む）やデータ（マップを含む）等にしたがって、ＥＣＵ４０は、Ｆ／Ｃ１２、バイパス弁２０、送風ファン２２、排出弁２８の各作動の他、ウォータポンプ１２２、エアミックスドア１２４、電気ヒータ１３０、流路切替弁１４０の作動を制御する。したがって、本第２実施形態において、ＥＣＵ４０は、ウォータポンプ１２２、エアミックスドア１２４、電気ヒータ１３０、流路切替弁１４０のそれぞれの制御部に相当する機能部を有する。
【００５４】
ここで、空調システム１１０の暖房制御について図５に基づいて説明する。図５は、空調システム１１０の暖房制御のフローである。なお、冷房制御および除湿制御においては、ＥＣＵ４０は、エバポレータ１４２を通過した空気の温度や要求されている空調の強さに応じて、予め定めたプログラムやデータにしたがって、エアミックスドア１２４や送風ファン１４４等を制御する。冷房制御および除湿制御に関しては、更なる説明を省略する。また、空調システム１１０での加湿制御については、概ね、図３で既に説明した通りであるので、ここでの重複説明を省略する。
【００５５】
まず、ＥＣＵ４０（の暖房要求判定部）は、暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ５０１）。この判定では上記ステップＳ２０１での判定と同じく、暖房要求の有無は、暖房スイッチ４２がＯＮ状態にあるか否かで判定される。なお、空調がオート制御される空調システムでは、車内温度センサ４６の出力に基づいて検出される車内温度等に応じて暖房モードがＯＮと判断したときに（例えば車内温度が所定温度以下のとき）、ＥＣＵ４０は暖房要求があると判定することができる。
【００５６】
ステップＳ５０１で暖房要求があると判定されたとき（ステップＳ５０１で肯定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ５０３に進み、ＥＣＵ４０（の冷却水温判定部）は、Ｆ／Ｃ１２の冷却水温が所定温度未満か否かを判定する。車両やＦ／Ｃ１２の始動直後など、Ｆ／Ｃ１２の冷却水の温度が低くてその廃熱が少ないときか否かを判断するためである。ここでは、ＥＣＵ４０は、冷却水温測定用に冷却水循環路１１４に設けられた水温センサ１５０からの出力に基づいて検出される冷却水温を、所定温度と比較する。
【００５７】
Ｆ／Ｃ１２の冷却水温が所定温度未満のとき（ステップＳ５０３で肯定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ５０５に至り、排気暖房用Ｆ／ＣモードをＯＮにする（このとき、後述する冷却水暖房用Ｆ／Ｃモード、および、排気・冷却水暖房用Ｆ／Ｃモードは共にＯＦＦにされる）。ただし、初期状態では排気暖房用Ｆ／ＣモードはＯＦＦである。排気暖房用Ｆ／Ｃモードは図２の暖房用Ｆ／Ｃモードに対応し、図２に基づいて既に説明したように排気を熱源とした暖房制御が同様に実行される。これは、Ｆ／Ｃ１２の始動直後などでは、その冷却水の温度よりも排気の温度の方が、通常、早期に高まり、または、早期に高めることができるからである。このとき、ＥＣＵ４０は、排気ヒータコア１８に空気流が送られるようにエアミックスドア１２４を制御するとともに、送風ファン２２、１４４を作動させる。これにより、排気ヒータコア１８には、エバポレータ１２を通過した冷風が、送風ファン２２によりその流量を調整されつつ送られる。なお、エアミックスドア１２４の制御、送風ファン２２の制御、送風ファン１４４の制御は、それぞれ、エバポレータ１４２を通過した空気の温度および後述する暖房要求レベル等に基づいて、予め定めたプログラムやデータにしたがって行われるとよい。なお、ＥＣＵ４０は、エバポレータ１４２を通過した空気の温度を、温度センサ１４６からの出力に基づいて検出することができる。一方で、このとき、冷却水の熱を熱源とした暖房は行われないので、ＥＣＵ４０による制御により、流路切替弁１４０は、冷却水が冷却水ヒータコア１１８を通らないで循環するように切り替えられる。なお、ステップＳ５０５を経ることで当該ルーチンは終了する。
【００５８】
そして、Ｆ／Ｃ１２の冷却水温が所定温度以上であるとき（ステップＳ５０３で否定判定）、ステップＳ５０７へ進み、ＥＣＵ４０（の暖房要求レベル判定部）は、暖房要求レベルが所定レベル未満か否かを判定する。暖房要求レベルは、暖房スイッチ４２で選択されている暖房の強弱等に基づいて求められる暖房用指標値に基づいて判定される。暖房要求レベルが所定レベル未満のとき（ステップＳ５０７で肯定判定）、ステップＳ５０９に至り、ＥＣＵ４０は、冷却水暖房用Ｆ／ＣモードをＯＮにする（このとき、前述の排気暖房用Ｆ／Ｃモード、および、後述の排気・冷却水暖房用Ｆ／Ｃモードは共にＯＦＦにされる）。ただし、初期状態では冷却水暖房用Ｆ／ＣモードはＯＦＦである。冷却水暖房用Ｆ／Ｃモードでは、排気暖房システム２４での暖房は行わずに、冷却水暖房システム１１２での暖房が行われる。つまり、このとき、排気暖房システム２４では、バイパス弁２０が開かれて、排気ヒータコア１８における排気熱と空気との熱交換が行われないようになる。そして、冷却水暖房用Ｆ／Ｃモードでは、冷却水暖房システム１１２での切替弁１４０は冷却水が冷却水ヒータコア１１８を通過するようにＥＣＵ４０により制御される。更に、ＥＣＵ４０は、冷却水ヒータコア１１８に空気流が送られるようにエアミックスドア１２４を制御するとともに、送風ファン１４４を作動させる。このとき、暖房要求レベルや、検出される冷却水温、検出されるエバポレータ１４２を通過した空気の温度などに基づいて、予め定めたプログラムやデータにしたがってＥＣＵ４０は、エアミックスドア１２４の開度および送風ファンを制御する。なお、ステップＳ５０９を経ることで当該ルーチンは終了する。
【００５９】
更に、暖房要求レベルが所定レベル以上のとき（ステップＳ５０７で否定判定）、ＥＣＵ４０はステップＳ５１１で排気・冷却水暖房用Ｆ／ＣモードをＯＮにする（このとき、前述の排気暖房用Ｆ／Ｃモード、および、冷却水暖房用Ｆ／Ｃモードは共にＯＦＦにされる）。ただし、初期状態では、排気・冷却水暖房用Ｆ／ＣモードはＯＦＦである。これにより、排気暖房システム２４での上記暖房制御と、冷却水暖房システム１１２での上記暖房制御とが組み合わせて実行される。なお、このとき、ここでは電気ヒータ１３０がバッテリ残容量を考慮しつつ、適宜作動させられ得る。このような暖房の組み合わせ実行は、予め定めたプログラムやデータにしたがう。なお、ステップＳ５１１を経ることで当該ルーチンは終了する。
【００６０】
他方、暖房要求がないと判定されたとき（ステップＳ５０１で否定判定）、ＥＣＵ４０は、ステップ５１３で全ての暖房用Ｆ／ＣモードをＯＦＦにする。これにより、排気ヒータコア１８や冷却水ヒータコア１１８による空気の加熱が行われないように各種バルブなどが制御され、Ｆ／Ｃ１２は効率よく運転状態等に基づいて作動制御される。なお、ステップＳ５１３を経ることで当該ルーチンは終了する。
【００６１】
以上、本発明に係る第２実施形態を説明したが、種々の変更が許容される。例えば、第２実施形態の空調システム１１０においては、送風ファン２２は省略されてもよい。ただし、空調システム１１０では、エアミックスドア１２４の下流側に送風ファン２２が設けられているので、エアミックスドアの状態にかかわらず、必要に応じて送風ファン２２を作動させることで、好適に上記加湿を行うことができる。また、第２実施形態では、排気暖房システム２４での暖房と、冷却水暖房システム１１２での暖房とを組み合わせて実行させるときがあったが、これらの暖房の内のいずれか一方のみが選択的に実行されてもよい。
【００６２】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は種々の変更が可能である。本願の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、種々の置換、変更が可能である。
【００６３】
例えば、上記２つの実施形態では、本発明の空調システムを車両に適用したが、車以外の船舶等にも本発明は適用可能である。また、住宅用の燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０、１１０  空調システム
１２  燃料電池システム（Ｆ／Ｃ）
１２ａ  燃料電池本体
１４  排気流路
１４ａ  加熱用排気流路
１４ｂ  バイパス流路
１６  通風ダクト
１８  排気ヒータコア（第１熱交換器）
２０  バイパス弁
２４  排気暖房システム
２６  加湿システム
２８  排出弁
３０  蒸発皿
３２  ヒートパイプ
４０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１１２  冷却媒体暖房システム
１１８  冷却水ヒータコア（第２熱交換器）
【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】
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