(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を含む燃料電池システムと、前記燃料電池の冷却水等と空気との間で熱交換させるヒータコアと、該ヒータコア側への流入空気量を制御する空調用エアミックス用のエアダンパと、を含む移動体において、前記燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路とを接続するバルブを制御することにより、温度制御対象領域の温度調整を行う空調制御方法であって、
前記エアダンパが閉状態の場合に、前記燃料電池の出口水温と前記ヒータコアの出口水温を比較し、前記ヒータコアの出口水温が高い場合は前記燃料電池から前記ヒータコアへ冷却水を流入させ、前記ヒータコアの出口水温が低い場合には前記燃料電池の冷却回路と前記空調用の冷却回路を独立に制御する、空調制御方法。
【請求項２】
燃料電池を含む燃料電池システムと、前記燃料電池の冷却水等と空気との間で熱交換させるヒータコアと、該ヒータコア側への流入空気量を制御する空調用エアミックス用のエアダンパと、を含む移動体において、前記燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路とを接続するバルブを制御手段によって制御することにより、温度制御対象領域の温度調整を行う空調制御システムであって、
前記制御手段は、前記エアダンパが閉状態の場合に、前記燃料電池の出口水温と前記ヒータコアの出口水温を比較し、前記ヒータコアの出口水温が高い場合は前記燃料電池から前記ヒータコアへ冷却水を流入させ、前記ヒータコアの出口水温が低い場合には前記燃料電池の冷却回路と前記空調用の冷却回路を独立に制御するものである、空調制御システム。
【請求項３】
前記燃料電池を搭載した燃料電池車の室内空調を対象とする、請求項２に記載の空調制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調制御方法および空調制御システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を含むシステムにおける空調制御の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を含むシステムにおいて、該燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路を接続するバルブを制御して燃料電池の排熱を利用することが行われている。
【０００３】
例えば、燃料電池冷却回路と空調用回路とを備え、これら２つを切替バルブによって連結し、またはそれぞれ独立の回路として構成することができるシステムにおいては、燃料電池の冷却水出口温度センサによる検出結果に応じ、連結許可温度以上であれば両回路を連結し、連結許可温度未満であればそれぞれを独立の回路として運転することが行われている（例えば特許文献１参照）。このようなシステムにおいては、冷房時、ヒータコアに高温の冷却水が流れるとヒータコアをバイパスするよう制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８２８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のごとく、冷房時、ヒータコアに高温の冷却水が流れると当該ヒータコアをバイパスするよう制御が行われるが、このとき、温度調節された空気がヒータコアの近傍を通るために空調送風温度が上昇するので、エバポレータを冷却するためのコンプレッサ電力量が大きくなる。要は、従来の制御技術は、燃料電池出口水温がある所定の温度以上であれば三方弁を開き、空調側に燃料電池の排熱を供給するというものであるが、必ずしも、空調側を考慮した最適省燃費制御にはなっていない。
【０００６】
そこで、本発明は、電力量をさらに低減した省燃費制御を可能とした空調制御方法および空調制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するべく、本発明者は検討した。従来は、燃料電池の出口温度が所定温度以上（連結許可温度以上）であればいつでも三方弁を開け、燃料電池回路と空調回路とを連結させ、空調回路に燃料電池冷却水を流入させることが行われている。このような従来技術では、暖房時に燃料電池の排熱を利用し、電気ヒータの消費電力を小さくすることが意図されている。ところが、従来技術では、冷房時の悪影響が考慮されていない。つまり、冷房時には、ヒータコアに高温の冷却水が流れ込むと、エバポレータで冷やした空気はヒータコアをバイパスするものの、ヒータコア近傍を通ることにより、空調送風温度が上昇し、吹き出し温も上昇する。その温度上昇分だけ、さらにエバポレータを冷却する必要があるため、コンプレッサの消費電力量が大きくなる。このような点に着目して検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００８】
このような知見に基づく本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムと、燃料電池の冷却水等と空気との間で熱交換させるヒータコアと、該ヒータコア側への流入空気量を制御する空調用エアミックス用のエアダンパと、を含む移動体において、燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路とを接続するバルブを制御することにより、温度制御対象領域の温度調整を行う空調制御方法であって、暖機をせずにエアダンパが閉状態の場合に、燃料電池の出口水温とヒータコアの出口水温を比較し、ヒータコアの出口水温が高い場合は燃料電池からヒータコアへ冷却水を流入させ、ヒータコアの出口水温が低い場合には燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路を独立に制御する、というものである。
【０００９】
また、本発明に係る空調制御システムは、燃料電池を含む燃料電池システムと、燃料電池の冷却水等と空気との間で熱交換させるヒータコアと、該ヒータコア側への流入空気量を制御する空調用エアミックス用のエアダンパと、を含む移動体において、燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路とを接続するバルブを制御手段によって制御することにより、温度制御対象領域の温度調整を行う空調制御システムであって、制御手段は、暖機をせずにエアダンパが閉状態の場合に、燃料電池の出口水温とヒータコアの出口水温を比較し、ヒータコアの出口水温が高い場合は燃料電池からヒータコアへ冷却水を流入させ、ヒータコアの出口水温が低い場合には燃料電池の冷却回路と空調用の冷却回路を独立に制御するものである。
【００１０】
例えば、車両用のＨＶＡＣ（エアコンサイクル、ヒータコア、制御ＥＣＵ（制御部）を備えたハイブリッド用空調システム）における空調制御を考えてみると、ブロワを通った空気がエバポレータで冷やされ（または除湿され）、ヒータコアで再加熱され、車室内に吹き出されている。また、エアミックスダンパの開度によってヒータコアへの流入空気量が制御され、吹き出し温度が制御されている。例えば、外気温が高く、あるいは日射しが強くて空調負荷が高い場合には、エアミックスダンパを完全に閉じることにより、ヒータコアへの風流れを遮断し、車室内に冷たい風が吹き出されるようにしている。このように外気温が高い等の場合において、エアミックスダンパを完全に閉じたとしても、ヒータコアはＨＶＡＣの中で完全に断熱されてはいないため、周りの空気を暖め、また熱伝導によりダクトを緩め、その影響で空調送風の温度を上昇させている。
【００１１】
この点、本発明では、暖房によって空調送風をリヒート（再加熱）する必要がない場合、ヒータコアに低水温の冷却水を流すことにより、ヒータコアからの受熱によるエネルギーロスを最小限に抑え、空調用エアコンプレッサの消費電力を小さくする。
【００１２】
本発明は、例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車の室内空調を対象として好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電力量をさらに低減した省燃費制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成の一部を概略的に示す図である。
【図２】空調制御システムを構成する空調用ダクト部分の構成例を示す図である。
【図３】燃料電池システムを搭載した燃料電池車ＦＣＨＶの一例を示す図である。
【図４】空調制御方法の一例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】
【００１５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１、図２に本実施形態における燃料電池システム１の構成の一部を概略的に示し、図３に、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車ＦＣＨＶの一例を示す。燃料電池車ＦＣＨＶは、燃料電池２にて発電した電力によってトラクションモータ１１５を駆動して走行する。図示するように、本実施形態の燃料電池車ＦＣＨＶは、燃料電池２の他、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、当該車両のボデー１１８、変速装置１１９、燃料となる水素の充填口１２１、ブレーキペダル１２４、水素タンク２００等を備えている（図３参照）。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系（図示省略）と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系（図示省略）と、燃料電池２に冷媒（冷却媒体）を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系（図示省略）と、システム全体を統括制御する制御部（制御ＥＣＵ）７と、を備えている。図１では、これらのうち、冷媒配管系５を中心に図示している。
【００１８】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００１９】
冷媒配管系（冷却系）５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定するレリーズ弁４５と、冷媒流路から分岐する空調用冷却水回路４６と、該空調用冷却水回路４６の途中に設けられた三方弁４７、ポンプ４８、水加熱ヒータ４９を備えている（図１参照）。空調用冷却水回路４６は、空調制御システム８のヒータコア８１と連結されている。冷媒流路４１の所定位置には、燃料電池出口水温ＴFCを検出する燃料電池出口値水温センサ５１が配置されている。
【００２０】
三方弁４７は、開閉することにより、空調用冷却水回路４６と燃料電池２（の冷媒配管系５）とを連結し、あるいは、これら空調用冷却水回路４６と燃料電池２（の冷媒配管系５）とを分離する。具体的には、三方弁４７が開くと、空調用冷却水回路４６と燃料電池２とが連結された状態となり、燃料電池２の出口から出た冷却水の一部は、冷媒流路４１から空調用冷却水回路４６へと流れ込み、三方弁４７、ポンプ４８、水加熱ヒータ４９、ヒータコア８１を通り、冷媒流路４１へと戻るように流れる（図１中の斜線を付した矢印参照）。一方、三方弁４７が閉じると、空調制御システム８と燃料電池２（の冷媒配管系５）とが切り離され、それぞれにおいて冷却水（冷媒）が循環する状態となる。つまり、燃料電池２の出口から出た冷却水は、冷媒流路４１を循環して燃料電池２に戻る。また、空調用冷却水回路４６においては、ヒータコア８１を通った冷却水はバイパス流路５０を通って三方弁４７へ戻り、再びヒータコア８１へ向け、空調用冷却水回路４６を循環するように流れる（図１中の白い矢印参照）。
【００２１】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、上述した三方弁の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、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。制御部７は、ガス系統（酸化ガス配管系、燃料ガス配管系）や冷媒配管系５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００２２】
空調制御システム８は、燃料電池車ＦＣＨＶの車室内の空調を行うためのシステムで、上述したヒータコア８１の他、エアミックスダンパ８２、エバポレータ８３、空調ブロワ８４、空調用ダクト８５、コンデンサ８６、電動コンプレッサ８７、ヒータコア温度センサ８９、ヒータコア出口水温センサ９０等を備える（図１、図２参照）。ヒータコア８１、エアミックスダンパ８２、エバポレータ８３、空調ブロワ８４は、空調用ダクト８５内に配置されている（図２等参照）。エバポレータ８３、コンデンサ８６および電動コンプレッサ８７は、それぞれ空調用冷媒流路８８に接続されている。ヒータコア温度ＴWを検出するためのヒータコア温度センサ８９は、例えば冷却配管４６上の所定位置に設置されている。また、ヒータコア出口水温ＴHCを検出するためのヒータコア出口水温センサ９０も冷却配管４６上の所定位置に設置されている。エアミックスダンパ８２は、アクチュエータ（図示省略）により開閉動作する（図１参照）。
【００２３】
続いて、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車ＦＣＨＶにおける空調制御方法を説明する（図４参照）。本実施形態では、燃料電池ＦＣＨＶの車室内を空調するにあたり、暖房によって空調送風をリヒート（再加熱）する必要がない場合、ヒータコア８１に低水温の冷却水を流すことにより、ヒータコア８１からの受熱によるエネルギーロスを最小限に抑え、電動コンプレッサ（空調用エアコンプレッサ）８７の消費電力を小さくする。
【００２４】
具体的制御としては、まず、空調用のエアミックスダンパ８２が完全に閉じた状態のとき（図４のステップＳＰ１においてＹＥＳ）、燃料電池出口水温ＴFCとヒータコア出口水温ＴHCの関係が  ＴFC＜ＴHC  であれば（ステップＳＰ２においてＹＥＳ）、三方弁４７を開き（ステップＳＰ３）、燃料電池２側からヒータコア８１側へと冷却水を流入させる（図４参照）。こうした場合には、燃料電池２の排熱を空調制御システム８（の空調用ダクト８５）において利用することができる。
【００２５】
一方で、燃料電池出口水温ＴFCとヒータコア出口水温ＴHCの関係が  ＴFC＞ＴHC  であれば（ステップＳＰ２においてＮＯ）、暖房によって空調送風をリヒートする必要がない場合であると判断し、三方弁４７を閉じる（ステップＳＰ４）。こうした場合、空調制御システム８と燃料電池２の冷媒配管系５とが切り離され、それぞれにおいて冷却水（冷媒）が循環する状態となるので、ヒータコア８１には低水温の冷却水（燃料電池２の排熱を受けていない状態の冷却水）が流れることになる。
【００２６】
上述の空調制御方法について以下でさらに詳述する。
【００２７】
空調吹き出し目標温度ＴＡＯ（図１、図２参照）は、車室内温、外気温、日射量などの環境条件とドライバの設定温度から決定される。制御部７は、空調用ダクト８５からの吹き出し温度が目標温度ＴＡＯとなるようにエバポレータ温度ＴE、ヒータコア温度ＴWとエアミックスダンパ８２の開度を制御する。例えば夏季におけるように冷房能力が必要な場合には、エアミックスダンパ８２を閉じ、ヒータコア８１に空調送風が当たらない（ヒータコア８１を通らない）ように制御するが、ＨＶＡＣ（ハイブリッド用空調システム）の構造上、ヒータコア８１からある程度の受熱がある。このとき、必要な冷房能力Ｑは、
Ｑ＝Ａ×（ＴＡＯ＋ΔＴW−Ｔ吸い込み）
となる。
【００２８】
ここで、ΔＴWはヒータコア８１からの受熱分による送風の温度上昇である。Ａは、空調ブロワ８４の風量から決まる値である。また、Ｔ吸い込みは、空調用ダクト８５に吸い込まれた後にエバポレータ８３を通過する前の送風の温度である。
【００２９】
この式からわかるように、ΔＴWを下げれば、冷房能力Ｑを低減でき、電動コンプレッサ８７の消費能力も低減可能である。ΔＴWは、ヒータコア８１に流れる冷却水温度によって変化し、ヒータコア温度ＴWが低いほどΔＴWも低くなる。このため、本実施形態では、車室内の熱負荷が大きく、エアミックスダンパ８２が閉じている場合において、ヒータコア出口水温ＴHCと燃料電池スタック出口水温ＴFCを比較し、温度が低い冷却水がヒータコア８１に流れ込むように三方弁４７を制御する。例えば、夏季冷房時の空調側の水温（空調制御システム８の冷却水の水温）が低いときには、燃料電池２からの高温の冷却水を空調制御システム８側の水路（空調用冷却水回路４６）に流すのではなく、水温が低い調制御システム８側の冷却水を再びヒータコア８１に戻したほうが、ヒータコア８１から空調送風に放熱する分が小さくなり、電動コンプレッサ８７の電力量を小さくすることができる。
【００３０】
ところで、従来は、燃料電池出口温度がある所定の温度（連結許可温度）以上であれば三方弁を開け、空調側には燃料電池の排熱を供給するようにしていたが、これだと空調側を考慮した最適省燃費制御になっていない。つまり、燃料電池回路と空調回路を連結させ、空調回路に燃料電池冷却水を常に流入させる技術は、暖房時に燃料電池の排熱を利用し、電気ヒータの消費電力を小さくすることを意図しているものの、冷房時の悪影響に関する考慮が十分でない。すなわち、冷房時には、ヒータコアに高温の冷却水が流れ込むと、エバポレータで冷やした空気はヒータコアをバイパスするものの、ヒータコア近傍を通ることにより、空調送風温度が上昇し、吹き出し温も上昇する。その温度上昇分だけ、さらにエバポレータを冷却する必要があるため、コンプレッサの消費電力量が大きくなる。このような点で、従来の空調制御技術は十分でない面がある。
【００３１】
これに対し、本実施形態においては、暖房によって空調送風をリヒートする必要がなければ、ヒータコア８１に低水温の冷却水を流すようにし、高温の冷却水がヒータコア７８１に流入しないようにしている。これによれば、ヒータコア８１からの受熱によるエネルギーロスを最小限に抑え、電動コンプレッサ８７の消費電力を小さくすることができる。
【００３２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車ＦＣＨＶに本発明を適用した例を説明したがこれは好適例にすぎず、このほか、燃料電池車以外の各種移動体（例えば船舶や飛行機など）においても本発明を適用することができる。
【００３３】
また、上述の実施形態では燃料電池２の排熱を利用するシステムに本発明を適用したが、燃料電池以外の熱源（例えば原動機）などが熱源となるシステム（または該システムを含む各種移動体）に対して本発明を適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、燃料電池システム等を搭載した移動体における空調制御技術に適用して好適である。
【符号の説明】
【００３５】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（制御手段）、８…空調制御システム、４１…冷媒流路（燃料電池の冷却回路）、４６…冷却配管（空調用の冷却回路）、４７…三方弁（バルブ）、８１…ヒータコア、８２…エアミックスダンパ（エアダンパ）、ＦＣＨＶ…燃料電池車（移動体）
【図１】
0005772660.tif 000002
【図２】
0005772660.tif 000003
【図３】
0005772660.tif 000004
【図４】
0005772660.tif 000005