(57)【要約】【課題】エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、走行用モータ（２０）に電力を供給する第１の燃料電池（２１）と、この第１の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房装置（３１）にこの出力電力を供給する第２の燃料電池（２２）と、この第２の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、熱媒体を車室内空気と熱交換させる室内熱交換器（４０）へ、第２の燃料電池から送出される冷却液を熱媒体として送る第１の冷却液循環経路（４、５、６）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行用モータに電力を供給する第１の燃料電池と、
前記第１の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房装置にこの出力電力を供給する第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、熱媒体を車室内空気と熱交換させる室内熱交換器へ、前記第２の燃料電池から送出される冷却液を熱媒体として送る第１の冷却液循環経路と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の冷却液循環経路は、
前記第２の燃料電池から送出された冷却液を前記車室暖房装置により熱処理された冷媒と熱交換器において熱交換させた後、この冷却液を前記室内熱交換器に送り、
前記第１の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、前記第２の燃料電池から送出された冷却液と熱交換させるために、前記第１の燃料電池から送出される冷却液を前記熱交換器に送る第２の冷却液循環経路、
を更に備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の冷却液循環経路内の冷却液温度を計測する温度計測手段と、
前記第２の冷却液循環経路に含まれる経路のうち、前記第１の燃料電池から送出される冷却液が前記熱交換器を通過して循環する経路と該冷却液が前記熱交換器を迂回して循環する経路とを切り替える切替弁と、
前記温度計測手段により計測された冷却液温度が所定温度より高い場合に、前記切替弁を、前記第１の燃料電池から送出される冷却液が前記熱交換器を通過して循環するように切り替える制御手段と、
を更に備える請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の燃料電池と前記走行用モータとを接続する電力線に設けられた接続点と、前記第２の燃料電池と前記車室暖房装置とを接続する電力線に設けられた接続点とを接続する中継電力線の途中に直流・直流コンバータを更に備える請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の燃料電池から出力される電力のうち前記直流・直流コンバータを通過する電力を前記直流・直流コンバータの損失特性に基づいて制御する電力制御手段を更に備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電力制御手段は、
前記走行用モータの要求電力のうち前記第１の燃料電池により供給されるべき電力の不足電力及び前記第２の燃料電池から出力される電力のうち前記車室暖房装置により消費されない余剰電力をそれぞれ得ることにより、前記直流・直流コンバータを通過する電力を算出する通過電力算出手段と、
前記直流・直流コンバータの損失特性に基づいて、前記通過電力算出手段により算出された通過電力の前記直流・直流コンバータにおける電力損失が大きくならないように前記車室暖房装置における消費電力を制御する消費電力制御手段と、
を有する請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車室暖房システムと連携する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の各セルは、電解質膜の両面をガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成される。燃料電池は、このような各セルにおいて、アノード側に設けられた流路に供給される燃料ガスとカソード側に設けられた流路に供給される酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行っている。
【０００３】
各セルにおける酸化剤ガスと燃料ガスとの反応時には発熱が生じる。この発熱によりセルが高温に成り過ぎると、電解質膜の乾燥等により燃料電池の発電効率が低下する。これにより、燃料電池システムでは冷却液循環経路が設けられ、この経路から燃料電池スタック内に供給される冷却液により各セルで生じた熱がスタック外に運搬される。なお、各セルで加熱された冷却液は、この冷却液循環経路上に設けられたラジエータ等の冷却手段により大気と熱交換を行う。
【０００４】
一方、各セルの運転温度が低い場合にも、各セル内の水分が凍結する等により燃料電池の発電効率が低下する。そこで、燃料電池の運転開始前に効率よく暖機する手法が提案されている。下記特許文献１では、燃料電池により蓄電池を充電しこの蓄電池により給電されるヒートポンプを用いて、車室内の空調と共に運転開始前の燃料電池を暖機する手法が提案されている。下記特許文献２では、複数の燃料電池スタックにおいて、所定の燃料電池スタックにおいて加熱された循環水を他の燃料電池スタックの暖機に利用する手法が提案されている。
【０００５】
その他、本願発明に係る先行技術文献として以下のような文献が開示されている。
【０００６】
下記特許文献３には、車両の駆動モータの発電用に用いられるメイン燃料電池と、エアコンプレッサ、車両電気部品等の補機駆動の発電用に用いられるサブ燃料電池と、の２つの燃料電池を搭載する車両が提案されている。下記特許文献４には、第１の燃料電池と第２の燃料電池とを備え、第２の燃料電池により第１の燃料電池のために備えられたブロア、ポンプ等の補機を駆動する手法が提案されている。下記特許文献５には、各燃料電池スタック間の接続状態をリレー等で切り替えることにより、停止時又は緊急時の燃料電池の出力電圧を電力消費なく低下させる手法が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−５０６３８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７５９７号公報
【特許文献３】特開２００４−３９５２４号公報
【特許文献４】特開２００４−３３５３７６号公報
【特許文献５】特開２００５−２２２８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献２で提案されているような燃料電池の排熱を有効利用する手法等、燃料電池システム全体としてのエネルギー効率を高める技術が研究されている。例えば、燃料電池を駆動モータ等の発電用に利用する車両において、この燃料電池の排熱を車室暖房等に利用する手法が考えられる。この手法では、燃料電池の排熱が高温に保たれることが望ましい。
【０００８】
しかしながら、燃料電池システムとして、燃料電池の排熱温度を高温に保つようにすることは難しい。燃料電池の排熱温度は発電量に依存し、この発電量は主に駆動モータ等の負荷装置からの要求により変動する。
【０００９】
従って、燃料電池システムの排熱温度を一定に保つためには、強力な断熱機能を付与する手法や所定量の発電を継続させる手法が考えられる。
【００１０】
しかしながら、前者の手法では、燃料電池システム全体に断熱機能を付与することはシステムとして実現性が困難である。後者の方法では、排熱温度を高温に保つために出力される電力の消費先の問題等、エネルギー効率の低下が懸念される。
【００１１】
本発明の目的は、エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明に係る燃料電池システムは、走行用モータに電力を供給する第１の燃料電池と、この第１の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房装置にこの出力電力を供給する第２の燃料電池と、この第２の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、熱媒体を車室内空気と熱交換させる室内熱交換器へ、第２の燃料電池から送出される冷却液を熱媒体として送る第１の冷却液循環経路と、を備える。
【００１３】
本発明では、第１の燃料電池と第２の燃料電池とが別々に設けられ、第１の燃料電池により走行用モータを駆動させるための電力が発電され、第２の燃料電池により車室暖房システムに含まれる車室暖房装置を駆動させるための電力が発電される。更に、第２の燃料電池を冷却するために第１の冷却液循環経路を循環される冷却液は、この第２の燃料電池の排熱を含んだ状態で室内熱交換器へ送られ、車室内空気との熱交換に利用される。
【００１４】
これにより、本発明によれば、車室暖房システムに依存することなく走行用モータの要求電力に応じて、第１の燃料電池の効率運転を独自に行うことができ、かつ、第２の燃料電池の排熱を車室暖房システムで利用することができる。よって、本発明に係る燃料電池システムは、エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせることができる。
【００１５】
更に、本発明によれば、第２の燃料電池は、第１の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房システムの電力を供給するためのものであるため例えば略定常の発電を行うようにすれば、この第２の燃料電池の発電に関する制御装置を簡易な構成で実現することができ、システムを小型化することができる。
【００１６】
本発明において好ましくは、上記第１の冷却液循環経路を、第２の燃料電池から送出された冷却液が上記車室暖房装置により熱処理された冷媒と熱交換器において熱交換した後に上記室内熱交換器に送られるように形成し、第１の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、第２の燃料電池から送出された冷却液と熱交換させるために第１の燃料電池から送出される冷却液を当該熱交換器に送る第２の冷却液循環経路を更に備えるように構成する。
【００１７】
このような構成では、室内熱交換器の熱媒体として利用される第２の燃料電池からの冷却液は、この第２の燃料電池から出力される電力で動作する車室暖房装置により熱処理された冷媒と共に第１の燃料電池を循環する冷却液と熱交換される。
【００１８】
従って、このような構成によれば、第２の燃料電池からの出力電力及び排熱を共に車室暖房システムで効率よく利用することができ、更に、第１の燃料電池の排熱も車室暖房システムで利用することができる。このとき、第２の燃料電池からの出力電力及び排熱を利用することで暖房性能を維持することは可能であることから、第１の燃料電池の排熱は予備的に利用することができる。よって、暖房性能を確保するために第１の燃料電池の排熱温度を維持する制御を行わなくてもよい。
【００１９】
更に、本発明において好ましくは、上記第２の冷却液循環経路内の冷却液温度を計測する温度計測手段と、上記第２の冷却液循環経路に含まれる経路のうち、第１の燃料電池から送出される冷却液が上記熱交換器を通過して循環する経路と同冷却液が上記熱交換器を迂回して循環する経路とを切り替える切替弁と、当該温度計測手段により計測された冷却液温度が所定温度より高い場合に、この切替弁を、第１の燃料電池から送出される冷却液が上記熱交換器を通過して循環するように切り替える制御手段とを更に備えるように構成する。
【００２０】
このような構成では、第１の燃料電池の排熱を含む冷却液の温度が所定温度より高い場合に、この第１の燃料電池からの冷却液が、室内熱交換器の熱媒体として利用される第２の燃料電池からの冷却液との熱交換に利用される。
【００２１】
従って、このような構成によれば、第１の燃料電池の排熱を選択的に車室暖房システムで利用することが可能となるため、より効率の良い暖房を行うことができる。
【００２２】
本発明では、第２の燃料電池は、第２の燃料電池の排熱温度や車室内温度等によっては出力電力を上記車室暖房装置で全て消費する必要のない場合がある。このような場合における第２の燃料電池から出力される電力のうちの余剰電力を消費する方法としては、当該車室暖房装置に含まれ得る例えばヒートポンプや膨張弁等の制御により消費する方法がある。しかしながら、このような消費方法では、第２の燃料電池からの出力電力を有効に利用していないとも言える。
【００２３】
そこで、本発明は、第１の燃料電池と走行用モータとを接続する電力線に設けられた接続点と、第２の燃料電池と車室暖房装置とを接続する電力線に設けられた接続点とを接続する中継電力線の途中に直流・直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータを更に備えるように構成する。
【００２４】
このような構成では、この直流・直流コンバータが、第２の燃料電池からの出力電力のうちの余剰電力が走行用モータの駆動のための電力として必要に応じて利用されるように制御する。
【００２５】
従って、このような構成によれば、第１の燃料電池及び第２の燃料電池において出力される電力を共に有効に利用することができ、エネルギー効率を高めることができる。
【００２６】
更に、このような構成において好ましくは、第２の燃料電池から出力される電力のうち上記直流・直流コンバータを通過する電力を直流・直流コンバータの損失特性に基づいて制御する電力制御手段を更に備えるように構成する。
【００２７】
このような構成によれば、直流・直流コンバータの損失特性を加味して電力損失が少なくなるように第２の燃料電池からの出力電力を選択的に利用することができるため、一層エネルギー効率を高めることができる。
【００２８】
このような電力制御手段は、具体的には例えば次のような構成で実現することができる。
【００２９】
すなわち、上記電力制御手段が、走行用モータの要求電力のうち第１の燃料電池により供給されるべき電力の不足電力及び第２の燃料電池から出力される電力のうち車室暖房装置により消費されない余剰電力をそれぞれ得ることにより、上記直流・直流コンバータを通過する電力を算出する通過電力算出手段と、上記直流・直流コンバータの損失特性に基づいて、当該通過電力算出手段により算出された通過電力の直流・直流コンバータにおける電力損失が大きくならないように車室暖房装置の消費電力を制御する消費電力制御手段とを有するように構成する。
【００３０】
なお、当該通過電力算出手段により算出される上記直流・直流コンバータを通過する電力は、電流・電圧計等により計測されるように構成してもよく、上記直流・直流コンバータの損失特性については通過電力と電力損失との関係情報をメモリ等に予め保持されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、本発明における各実施形態の燃料電池システムについてそれぞれ説明する。なお、以下に述べる各実施形態の構成はそれぞれ例示であり、本発明は以下の実施形態の構成に限定されるものではない。
【００３３】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及びヒートポンプ式暖房システム（以降、単に暖房システムとも表記する）について説明する。本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムは共に自動車等の車両に搭載される。
【００３４】
〔システム構成〕
図１は、本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
【００３５】
〈燃料電池システム〉
本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池メインスタック（以降、メインＦＣと表記する）２１、燃料電池サブスタック（以降、サブＦＣと表記する）２２、エアコンプレッサ２４及び２５、レギュレータ２３、圧力調整弁２６、温度センサ２８、三方弁２９、メインＦＣ２１用のＥＣＵ（Electric Control Unit）（以降、メインＥＣＵと表記
する）５１、サブＦＣ２２用のＥＣＵ（以降、サブＥＣＵと表記する）５２等を備える。
【００３６】
本実施形態における燃料電池システムは、車両の推進力を得るための走行用駆動モータ２０等の負荷装置への電力を供給するメインＦＣ２１（本発明の第１の燃料電池に相当する）と、本実施形態における暖房システムを構成するヒートポンプ等の負荷装置への電力を供給するサブＦＣ２２（本発明の第２の燃料電池に相当する）とを備える。
【００３７】
メインＦＣ２１及びサブＦＣ２２は、電解質膜を燃料ガス電極（以降、アノードと表記する）と酸化剤ガス電極（以降、カソードと表記する）とで挟み、更にそれら電極の両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むように形成されるセルが所定数積層されたセルスタックをそれぞれ備えている。メインＦＣ２１及びサブＦＣ２２は、燃料ガス入口、
燃料ガス出口、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、冷却液入口、冷却液出口をそれぞれ有している。
【００３８】
燃料ガスタンク（図示せず）等から送出されレギュレータ２３により圧力調整された燃料ガス（例えば水素ガス）は、配管６１を通り、燃料ガス入口からメインＦＣ２１及びサブＦＣ２２内部へそれぞれ流入し、各セルのアノードにそれぞれ供給される。一方、エアフィルタ等を介して大気から取り込まれ、エアコンプレッサ２４で圧縮された酸化剤ガス（例えば圧縮空気）は、配管６２を通り、酸化剤ガス入口からメインＦＣ２１内部へ流入し、各セルのカソードに供給される。同様に、エアコンプレッサ２５で圧縮された酸化剤ガスは、配管６３を通り、酸化剤ガス入口からサブＦＣ２２内部へ流入し、各セルのカソードに供給される。
【００３９】
メインＦＣ２１及びサブＦＣ２２は、各セルにおいてこのように供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行う。発電に供されなかった燃料ガス（以降、アノードオフガスと表記する）は燃料ガス出口から排出され、発電に供されなかった酸化剤ガス（以降、カソードオフガスと表記する）は酸化剤ガス出口から排出される。なお、圧力調整弁２６及び２７は、メインＦＣ２１及びサブＦＣ２２の酸化剤ガス出口に繋がる配管にそれぞれ配置され、酸化剤ガスの背圧を調整する。
【００４０】
なお、本発明は、このようなメインＦＣ２１及びサブＦＣ２２における、酸化剤ガスの供給手法及びカソードオフガスの排出手法、燃料ガスの供給手法及びアノードオフガスの排出手法、発電量の制御手法を限定するものではない。よって、燃料ガスの循環経路が設けられていてもよいし、各経路に他の制御機器が備えられていてもよい。
【００４１】
メインＦＣ２１は、蓄電池７１と共にインバータ１９に対して並列に接続される。これにより、メインＦＣ２１により供給される直流電圧は、蓄電池７１及びインバータ１９に印加される。インバータ１９は、メインＦＣ２１から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、駆動モータ２０へ送る。駆動モータ２０は、この交流電力によって車輪軸を回転させる。メインＦＣ２１により発電された電力は、主にこの駆動モータ２０の動力源として利用される。蓄電池７１は、例えば二次電池であり、メインＦＣ２１から出力される電力を充電し、充電された電力を放電する。なお、本発明は、この蓄電池７１の有無を限定するものでも、メインＦＣ２１の負荷装置を走行用駆動モータ２０に限定するものでもない。
【００４２】
更に、メインＦＣ２１とインバータ１９とを繋ぐ電力線と蓄電池７１とインバータ１９とを結ぶ電力線の間には直流・直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ（以降、単にコンバータ若しくはＤＣ／ＤＣと表記する）７２が接続される。コンバータ７２は、昇降圧電圧変換器として動作し、メインＦＣ２１から蓄電池７１への電力供給の制御、メインＦＣ２１と蓄電池５５とのインバータ１９への出力電力比の制御等を行う。
【００４３】
メインＦＣ２１は、駆動モータ２０からの要求電力量に応じた電力が発電されるようにメインＥＣＵ５１により制御される。メインＥＣＵ５１は、メインＦＣ２１の発電量を制御するべく、レギュレータ２３、エアコンプレッサ２４、圧力調整弁２６等を制御する。
【００４４】
サブＦＣ２２は、後述する暖房システムで利用されるヒートポンプのための駆動モータ３１にインバータ３２を介して接続される。サブＦＣ２２により発電された電力は、このヒートポンプ用駆動モータ３１の動力源として利用される。インバータ３２は、サブＦＣ２２から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、モータ３１へ送る。
【００４５】
サブＦＣ２２は、本実施形態における暖房システムへの電力供給を目的としているため
、メインＦＣ２１の出力電力よりも小さい電力を発電すればよいように構成される。これは、サブＦＣ２２のセル数及びセル面積の少なくとも１つをメインＦＣ２１のものよりも少なく（小さく）することで実現することができるため、サブＦＣ２２自体を小型化することができる。
【００４６】
同目的のため、サブＦＣ２２は、所定の目標電力量を発電すればよいように略定常運転される。従って、サブＦＣ２２の発電量を調整するためのエアコンプレッサ２５、圧力調整弁２７等に対する制御は、サブＦＣ２２の発電量が当該目標電力量となるように制御されればよいため、簡易なものとすることができる。但し、このような利点を捨て、サブＦＣ２２の発電量が負荷装置の要求電力に応じて制御されるように構成してもよい。なお、サブＦＣ２２は、暖房システムを構成するヒートポンプ以外の他の負荷装置への電力を供給するように構成されてもよい。
【００４７】
更に、メインＦＣ２１及びサブＦＣ２２は、発電時の発熱によりスタック自体が高温となるのを防ぐために、冷却水等の冷却液の循環経路をそれぞれ備える。この循環経路から各燃料電池スタック内に供給される冷却液により各セルで生じた熱が各燃料電池スタック外にそれぞれ運搬される。メインＦＣ２１の冷却液循環経路が本発明の第２の冷却液循環経路に相当し、サブＦＣ２２の冷却液循環経路が本発明の第１の冷却液循環経路に相当する。
【００４８】
メインＦＣ２１の冷却液循環経路は、メインＦＣ２１内部を循環した冷却液が排出される冷却液出口と繋がる配管１とこの配管１から分岐する配管３と配管１及び３と三方弁２９を介して繋がり当該冷却液を燃料電池内へ再供給する配管２とから構成される。ここで、配管１には、配管３と分岐されてから三方弁２９に繋がるまでの間に後述する暖房システムを構成する熱交換器３０が設置される。
【００４９】
更に、メインＦＣ２１の冷却液循環経路には、メインＦＣ２１の冷却液出口近辺の配管１に温度センサ２８が設けられている。この温度センサ２８は、本発明の温度計測手段に相当し、冷却液の温度を計測し、計測結果をメインＥＣＵ５１へ送る。
【００５０】
三方弁２９は、熱交換器３０を通過した冷却液が配管１から流入する口と、メインＦＣ２１の冷却液出口から排出された冷却液が配管３から流入する口と、流入する冷却液を配管２へ送る口とを有する。三方弁２９は、本発明の切替弁に相当し、メインＥＣＵ５１によりこれら流入口及び送出口の開閉を制御される。これにより、メインＦＣ２１から排出された冷却液が、熱交換器３０を通りメインＦＣ２１へ再供給されるか、配管３を経由することで熱交換器３０を通らずメインＦＣ２１へ再供給されるかが切り替えられる。
【００５１】
メインＥＣＵ５１は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェ
ース等により構成されており、ＣＰＵがメモリに格納された制御プログラムを実行することによってメインＦＣ２１の冷却液循環経路における流路制御を行う。メインＥＣＵ５１は、本発明の制御手段に相当する。具体的には、メインＥＣＵ５１は、以下のように冷却液流路制御を行う。メインＥＣＵ５１は、温度センサ２８からの出力により冷却液が所定閾値温度より高いと判断すると、冷却液が熱交換器３０を通過して循環するように三方弁２９を制御する。逆に、メインＥＣＵ５１は、冷却液が所定閾値温度より低いと判断すると、冷却液が熱交換器３０を通らず循環するように三方弁２９を制御する。このような制御により、メインＦＣ２１の排熱を当該暖房システムで有効に利用する。
【００５２】
一方、サブＦＣ２２の冷却液循環経路は、サブＦＣ２２内部を循環した冷却液が排出される冷却液出口と繋がり当該冷却液を熱交換器３０に送り込む配管４と、熱交換器３０を通過した冷却液が送出され当該冷却液をエバポレータ４０に送り込む配管５と、エバポレ
ータ４０を通過した冷却液が送出され当該冷却液をサブＦＣ２２内へ再供給する配管６と、から構成される。このような構成により、サブＦＣ２２の冷却液循環経路を循環する冷却液は、サブＦＣ２２自体の冷却媒体としてのみでなく、車室空間に熱を搬送する熱媒体としても利用される。このような構成により、サブＦＣ２２の排熱が暖房システムで有効に利用される。サブＦＣ２２の冷却液循環経路の詳細については後述する。
【００５３】
〈暖房システム〉
本実施形態における暖房システムは、熱交換器３０、ヒートポンプを構成するモータ３１及びコンプレッサ３３、外部熱交換器３５、三方弁３６及び３８、膨張弁３７及び３９、エバポレータ４０、フラップ４１、サブＥＣＵ５２等を備える。
【００５４】
本実施形態における暖房システムは、ＣＯ2等の冷媒が循環される冷媒循環経路を持つ
。この冷媒循環経路を循環する冷媒は、メインＦＣ２１の冷却液循環経路を循環する冷却液と共に、熱交換器３０において、サブＦＣ２２の冷却液循環経路を循環する冷却液と熱交換を行う。以下、本実施形態における暖房システムが備える冷媒循環経路を構成する各機器についてそれぞれ説明する。
【００５５】
ヒートポンプは、本発明の車室暖房装置に相当し、コンプレッサ３３及びモータ３１等から構成される。ヒートポンプでは、モータ３１がサブＦＣ２２により発電された電力により駆動し、このモータ３１の動力でコンプレッサ３３が作動する。
【００５６】
ヒートポンプは、三方弁３６により外部熱交換器３５を通過した冷媒がそのままヒートポンプに送り込まれるように制御されている場合には、外部熱交換器３５を通過した冷媒を配管１２から受ける。一方で、ヒートポンプは、三方弁３６により外部熱交換器３５を通過した冷媒が膨張弁３９及び熱交換器３０を通過するように制御されている場合には、熱交換器３０を通過した冷媒を配管１１及び１２を経由して受ける。ヒートポンプは、このようにして送り込まれた冷媒をコンプレッサ３３により圧縮し送出する。ヒートポンプは、その回転数等がサブＥＣＵ５２により制御される。ヒートポンプにより圧縮された冷媒は、配管１３へ送出される。
【００５７】
三方弁３８は、ヒートポンプにより圧縮された冷媒が配管１３から流入する口と、この流入してきた冷媒を配管１４へ送り出す口と、この流入してきた冷媒を配管１５へ送り出す口と、を有する。三方弁３８は、サブＥＣＵ５２により、これら流入口及び送出口の開閉を制御される。これにより、冷媒は、配管１４を経由して熱交換器３０を通過するか、配管１５を経由することにより熱交換器３０を通過せず循環するかが切り替えられる。配管１４に送り出された冷媒は、熱交換器３０でサブＦＣ２２を循環する冷却液と熱交換した後、膨張弁３７に送り込まれる。一方、配管１５を流れる冷媒は、その後、配管７に送り込まれる。
【００５８】
膨張弁３７は、熱交換器３０を通過した冷媒の通る配管１４と配管７との間に設置される。膨張弁３７は、熱交換器３０により熱交換され送り込まれた冷媒を減圧する。膨張弁３７により減圧された冷媒は、配管７に送り出される。
【００５９】
外部熱交換器３５は、配管７と配管８との間に設置される。外部熱交換器３５は、三方弁３８により冷媒が熱交換器３０を通過するように制御されている場合には、膨張弁３７により減圧された冷媒を配管７から受ける。一方、外部熱交換器３５は、三方弁３８により冷媒が熱交換器３０を通過しないように制御されている場合には、ヒートポンプにより加圧された冷媒を配管１５を経由して配管７から受ける。外部熱交換器３５は、この冷媒と外気とを熱交換させる。外気との熱交換により外気温度と略同等となった冷媒は、配管８に送り出される。
【００６０】
三方弁３６は、外気との熱交換により外気温度と略同等となった冷媒が配管８から流入する口と、この流入する冷媒を配管９へ送り出す口と、この流入してきた冷媒を配管１２へ送り出す口と、を有する。三方弁３６は、サブＥＣＵ５２により、これら流入口及び送出口の開閉を制御される。すなわち、三方弁３６は、冷媒がそのままヒートポンプに送り込まれるように当該冷媒を配管１２へ送り出すか、冷媒が膨張弁３９及び熱交換器３０を経由してヒートポンプに送り込まれるように当該冷媒を配管９へ送り出すかを切り替える。
【００６１】
膨張弁３９は、配管９と配管１０との間に設置される。膨張弁３９は、外気温度と略同等の温度となった冷媒を配管９から受け、この冷媒を減圧する。膨張弁３９により減圧された冷媒は、配管１０へ送り出される。膨張弁３９により減圧された冷媒は、配管１０を通り、熱交換器３０へ送り込まれる。冷媒は、熱交換器３０でサブＦＣ２２を循環する冷却液と熱交換を行い、配管１１へ送り出される。配管１１へ送り出された冷媒は、配管１１２を経由してヒートポンプに送り込まれる。
【００６２】
冷媒循環経路は、概略として、加熱時循環経路と冷却時循環経路とを有する。もちろん、これら加熱時循環経路及び冷却時循環経路が共に作用する場合もある。
【００６３】
ここで、加熱時循環経路とは、熱交換器３０へ送り込まれる冷媒が外気温度よりも高くなるように循環される経路であり、三方弁３８が冷媒をより多く配管１４へ送り出すように制御され、三方弁３６が冷媒をより多く配管１２へ送り出すように制御される。これにより、加熱時循環経路では冷媒は次のように循環される。膨張弁３７により減圧された冷媒が、外部熱交換器３５により外気温度と略同等温度とされ、その後、ヒートポンプで加圧される。よって、ヒートポンプから送出され熱交換器３０へ送り込まれる冷媒は、高圧状態かつ外気温度よりも高温状態となっている。
【００６４】
一方、冷却時循環経路とは、熱交換器３０へ送り込まれる冷媒が外気温度よりも低くなるように循環される経路であり、三方弁３８が冷媒をより多く配管１５へ送り出すように制御され、三方弁３６が冷媒をより多く配管９へ送り出すように制御される。これにより、冷却時循環経路では冷媒は次のように循環される。ヒートポンプにより加圧された冷媒が、外部熱交換器３５により外気温度と略同等温度とされ、その後、膨張弁３９により減圧される。よって、膨張弁３９から送出され熱交換器３０へ送り込まれる冷媒は、低圧状態かつ外気温度よりも低温状態となっている。
【００６５】
熱交換器３０は、本発明の熱交換器に相当し、メインＦＣ２１の排熱を回収し配管１から送り込まれる冷却液及び上述の冷媒循環経路を循環する冷媒に、サブＦＣ２２において循環される冷却液と熱交換させる。熱交換器３０により冷媒等と熱交換され過熱されたサブＦＣ２２において循環される冷却液は、エバポレータ４０に送られる。
【００６６】
エバポレータ４０は、本発明の室内熱交換器に相当し、サブＦＣ２２の冷却液循環経路を構成する配管５と配管６との間に設置される。エバポレータ４０は、サブＦＣ２２の冷却液循環経路を循環する冷却液を配管５から受け、この冷却液を車両室内の空気と熱交換させる。
【００６７】
フラップ４１は、エバポレータ４０を通過する風量を調節する。フラップ４１の開度により、エバポレータ４０を通過する風量が増えれば熱交換される空気が多くなり、エバポレータ４０を通過する風量が減れば熱交換される空気が少なくなる。フラップ４１の開度は、サブＥＣＵ５２により制御される。
【００６８】
サブＥＣＵ５２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェー
ス等により構成されており、ＣＰＵがメモリに格納された制御プログラムを実行することによって本実施形態における暖房システムを制御する。具体的には、例えば、サブＥＣＵ５２は、エバポレータ４０からの吐出温度を計測する吐出温度センサ（図示せず）、車室内温度を計測する室内温度センサ（図示せず）等からの計測値、及び室内設定温度等に基づいて、吐出温度目標値を決定する。サブＥＣＵ５２は、吐出温度センサの計測値がこの吐出温度目標値となるように、三方弁３６及び３８、ヒートポンプの回転数、並びにフラップ４１の開度等を制御する。サブＥＣＵ５２は、本発明の電力制御手段、通過電力算出手段及び消費電力制御手段に相当する。なお、本発明は、サブＥＣＵ５２による暖房システムの制御手法を限定するものではないため、制御手法の詳細については説明を省略する。
【００６９】
〔第一実施形態の作用及び効果〕
以下、上述した第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの作用及び効果について述べる。
【００７０】
本実施形態における燃料電池システムでは、メインＦＣ２１が車両の車輪等を回転させるための駆動モータ２０等の負荷装置への電力を供給し、サブＦＣ２２が暖房システムを構成する負荷装置への電力を供給する。
【００７１】
これにより、車両の動力源となるメインＦＣ２１は、暖房システムの制御状態に関わらず、駆動モータ２０の要求発電量に応じた電力を発電するように、メインＥＣＵ５１により制御される。一方、サブＦＣ２２は、暖房システムを構成するヒートポンプ内のモータ３１の動力源として、所定の目標電力量を定常運転により供給する。
【００７２】
従って、本実施形態における燃料電池システムによれば、車両の動力源となる電力を供給するメインＦＣ２１と暖房システムの動力源となる電力を供給するサブＦＣ２２とが独立して動作するため、各々が担当する負荷装置に対して効率の良い発電を行うことが可能である。
【００７３】
更に、サブＦＣ２２は、目標電力量を発電可能な定常発電を行えばよく、サブＦＣ２２の発電量に関連するエアコンプレッサ等への制御を簡易化することができるため、サブＦＣ２２の燃料電池システムを簡易な構成で実現することができる。
【００７４】
ここで、サブＦＣ２２により供給される電力により作動するヒートポンプは、本実施形態における暖房システムを構成する冷媒循環経路の冷媒を圧縮等することにより熱を生じさせる。ヒートポンプにより熱処理された冷媒は、熱交換器３０に送られる。
【００７５】
本実施形態における燃料電池システムでは、サブＦＣ２２自体の熱を冷却するための冷却液循環経路に本実施形態における暖房システムを構成する熱交換器３０及びエバポレータ４０が設けられることにより、サブＦＣ２２を循環する冷却液を空調空間に熱を運搬する熱媒体としても利用する。これにより、サブＦＣ２２内の排熱を回収した冷却液は、熱交換器３０により当該冷媒と熱交換を行うことにより更に加熱された状態で、エバポレータ４０により車室内空気と熱交換を行う。
【００７６】
本実施形態における暖房システムは、サブＦＣ２２により生成された電力により作動するヒートポンプの作用で生じた熱とこのサブＦＣ２２の排熱とを併せて暖房システムで利用することにより、高いエネルギー効率で効率よく暖房を行う。
【００７７】
更に、メインＦＣ２１自体の熱を冷却するために循環される冷却液もメインＥＣＵ５１
においてこの冷却液温度が所定温度より高いと判断された場合に当該熱交換器３０に送られる。これにより、熱交換器３０では、冷媒と共にメインＦＣ２１を循環する冷却液が選択的に、空調空間に熱を搬送するサブＦＣ２２の冷却液と熱交換する。
【００７８】
従って、本実施形態における暖房システムによれば、メインＦＣ２１の排熱も更に有効利用され、高いエネルギー効率で効率よく暖房を行うことができる。
【００７９】
［第二実施形態］
以下、本発明の第二実施形態としての燃料電池システム及びヒートポンプ式暖房システム（以降、単に暖房システムとも表記する）について説明する。
【００８０】
上述の第一実施形態における燃料電池システム及び暖房システムでは、サブＦＣ２２により生成された電力の受け入れ先は主にヒートポンプであったため、サブＦＣ２２により生成された電力が暖房システムにとって過大となる場合には、三方弁３８及び３６の開閉制御等により暖房システム内の熱制御の効率を下げることで対応されていた。すなわち、ヒートポンプの回転数を上げながらも、上記加熱時循環経路と冷却時循環経路とを併せて動作させることにより、結果として車室内温度が設定温度となるように制御されていた。これは、第一実施形態の暖房システムが、冷媒の冷却時循環経路の配管１０及び１１と、冷媒の加熱時循環経路の配管１４とをいずれも熱交換器３０へ繋げる構成を持つことにより実現されていた。
【００８１】
しかしながら、このような制御では、サブＦＣ２２により発電された電力が有効に利用されているとは言えずエネルギー損失が生じていた。従って、本発明の第二実施形態としての燃料電池システムでは、サブＦＣ２２により生成された電力をメインＦＣ２１の負荷装置へ受け渡すことにより、エネルギー損失を低減する。
【００８２】
〔システム構成〕
図２は、本発明の第二実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
【００８３】
〈燃料電池システム〉
第２実施形態としての燃料電池システムは、メインＦＣ２１とインバータ１９とを繋ぐ電力線に設けられた接続点８１とサブＦＣ２２とインバータ３２とを繋ぐ電力線に設けられた接続点８２との間をコンバータ７５を介する中継電力線で接続する。すなわち、インバータ１９に対してメインＦＣ２１とサブＦＣ２２とが並列に接続される。コンバータ７５は、メインＦＣ２１からの出力電力とサブＦＣ２２からの出力電力との間の出力比を制御する。コンバータ７２は、蓄電池７１の出力（充電時には入力）とコンバータ７５により制御されたメインＦＣ２１及びサブＦＣ２２間の総出力との間の出力比を制御する。
【００８４】
このような構成により、サブＦＣ２２から出力される電力であって暖房システムで消費しきらず余った電力（以降、サブＦＣ２２の余剰電力と表記する）をインバータ１９（駆動モータ２０）で消費することができる。
【００８５】
〈暖房システム〉
本実施形態としての暖房システムは、上述の燃料電池システムにおいてサブＦＣ２２の余剰電力が駆動モータ２０により消費されることから、このサブＦＣ２２の余剰電力を消費するための構成をなくすことができる。すなわち、本実施形態における暖房システムは、冷媒の加熱時循環経路の配管１４のみを熱交換器３０へ繋げ、冷媒の冷却時循環経路を冷房用エバポレータ４６に繋げる構成を備える。
【００８６】
よって、第二実施形態における暖房システムは、第一実施形態の暖房システムに対して、暖房用エバポレータ４５、冷房用エバポレータ４６を更に備え、この冷房用エバポレータ４６に冷媒の冷却時循環経路の配管１０及び１１が接続される構成を持つ。このように冷房用エバポレータ４６を更に備えることにより、第二実施形態における暖房システムでは、除湿暖房を実現することができる。なお、本暖房システムを構成するその他の機能部については第一実施形態と同様のため、ここでは説明を省略する。
【００８７】
〔ＥＣＵによる制御〕
更に、第二実施形態としての燃料電池システムは、コンバータ７５の特性を加味して選択的にサブＦＣ２２の余剰電力が駆動モータ２０で利用されるように構成されてもよい。コンバータ７５は、通過電力が所定の電力を超えると電力損失の増加率が高くなり、エネルギー効率が下がる特性を持つものがある。第二実施形態における燃料電池システムは、このようなコンバータ７５における電力損失を少なくし、よりエネルギー効率の高いシステムを実現するために、メインＦＣ２１を制御するメインＥＣＵ５１とサブＦＣ２２及び暖房システムを制御するサブＥＣＵ５２とを連携させる。
【００８８】
第二実施形態では、メインＥＣＵ５１及びサブＥＣＵ５２は次のように制御する。
【００８９】
メインＥＣＵ５１は、駆動モータ２０の要求電力、蓄電池７１の充電状態、メインＦＣ２１の発電量等を取得して、駆動モータ２０の要求電力のうちメインＦＣ２１で供給すべき電力で現状足りない電力（以降、メインＦＣ２１の不足電力と表記する）を算出する。駆動モータ２０の要求電力、蓄電池７１の充電状態、メインＦＣ２１の発電量は、それぞれ図示されていないセンサ等により計測され、メインＥＣＵ５１に送られるようにしてもよい。メインＥＣＵ５１は、このメインＦＣ２１の不足電力に関する情報をサブＥＣＵ５２へ送る。
【００９０】
サブＥＣＵ５２は、ヒートポンプの回転数の計測値を得ることにより、ヒートポンプの消費電力を算出する。サブＥＣＵ５２は、更に、サブＦＣ２２の発電量を得る。サブＦＣ２２の発電量は、電力量計（図示せず）等により計測されてもよいし、サブＦＣ２２が定常発電であることからその目標電力量を予め保持するようにしてもよい。サブＥＣＵ５２は、サブＦＣ２２の発電量からヒートポンプの消費電力を差し引いて、サブＦＣ２２の余剰電力を算出する。
【００９１】
サブＥＣＵ５２は、このサブＦＣ２２の余剰電力とメインＥＣＵ５１から送られるメインＦＣ２１の不足電力とからサブＦＣ２２側からメインＦＣ２１側へ通過する電力を算出する。
【００９２】
サブＥＣＵ５２は、コンバータ７５の損失特性に関するデータをメモリ等に保持する。コンバータ７５の損失特性に関するデータとは、例えば、通過電力と電力損失との相対表である。これにより、サブＥＣＵ５２は、上述のように算出された通過電力がコンバータ７５においてエネルギー効率を下げる（電力損失が増加する）電力となるか否かを判断する。サブＥＣＵ５２は、この判断により当該電力がコンバータ７５においてエネルギー効率を下げる（電力損失が増加する）電力量となると判断すると、ヒートポンプの回転数を上げるように制御する。
【００９３】
このような制御により、サブＦＣ２２からコンバータ７５へ通過する電力に応じて電力損失が増加する場合には、暖房システムで余剰電力を消費するように制御される。これにより、メインＦＣ２１で発電される電力及びサブＦＣ２２で発電される電力をコンバータ７５によるエネルギー損失を加味しつついずれもシステム全体として有効利用することができ、ひいてはシステム全体としてエネルギー損失を低減させることができる。
【００９４】
なお、コンバータ７５を通過する電力を計測する電力量計を当該中継電力線に設置し、サブＥＣＵ５２は、この計測された通過電力に応じて、暖房システムでの消費電力を制御するようにしてもよい。
【００９５】
〔第二実施形態の作用及び効果〕
以下、上述した第二実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの作用及び効果について述べる。
【００９６】
第二実施形態における燃料電池システムでは、走行用駆動モータ２０へ繋がるインバータ１９に対して、メインＦＣ２１とサブＦＣ２２とがコンバータ７５を介して並列に接続されるように中継電力線が設けられる。そして、このコンバータ７５の制御により、サブＦＣ２２により発電された電力のうち暖房システムで消費されない余剰電力が必要に応じてインバータ１９に供給され、走行用駆動モータ２０の動力源として利用される。
【００９７】
よって、本実施形態の燃料電池システムによれば、春や秋の中間季等、サブＦＣ２２の出力電力を暖房システムで全て消費する必要のない場合においても、メインＦＣ２１及びサブＦＣ２２において出力される各電力を共に有効に利用することができ、エネルギー効率を高めることができる。
【００９８】
更に、第二実施形態における燃料電池システム及び暖房システムでは、サブＥＣＵ５２により、サブＦＣ２２から出力される電力のうちコンバータ７５を通過する電力がコンバータ７５の損失特性に基づいて制御される。
【００９９】
すなわち、メインＥＣＵ５１において、駆動モータ２０の要求電力のうちメインＦＣ２１の不足電力が算出され、サブＥＣＵ５２にこの不足電力に関する情報が通知される。サブＥＣＵ５２では、例えばヒートポンプの回転数等に基づくヒートポンプの消費電力が暖房システムの消費電力として算出され、この暖房システムの消費電力とサブＦＣ２２の発電量により、サブＦＣ２２の余剰電力が算出される。
【０１００】
サブＥＣＵ５２において、サブＦＣ２２の余剰電力とメインＦＣ２１の不足電力とからコンデンサ７５を通過する通過電力が取得され、この通過電力がメモリ等に保持されるコンデンサ７５の損失特性と比較されることによりコンデンサ７５における電力損失が求められる。サブＥＣＵ５２では、この電力損失が大きくならないように当該通過電力を制御するべく、暖房システムでの消費電力を制御する。
【０１０１】
これにより、コンバータ７５の損失特性を加味して電力損失が少なくなるようにサブＦＣ２２からの出力電力が選択的に利用されることができるため、一層エネルギー効率を高めることができる。
【０１０２】
［変形例］
上述の第一実施形態及び第二実施形態としての燃料電池システムでは、メインＦＣ２１が走行用駆動モータ２０の動力源となり、サブＦＣ２２が暖房システムの動力源となっていたが、本発明は、メインＦＣ２１の代わりに燃料電池以外の他の動力生成装置を備える構成であっても同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
図３は、第一実施形態の変形例としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。図３によれば、第一実施形態における燃料電池システムのメインＦＣ２１の代わりにエンジン９１等が備えられる。エンジン９１は、ガソリンエンジン、水素エンジン等である。エンジン９１は、これら燃料を燃やして動力を得て、得られた動力により
車輪等を駆動させる。なお、エンジン９１が水素エンジンである場合には、サブＦＣ２２に供給される燃料ガスとしての水素ガス供給経路から分岐させてエンジン９１に当該水素ガスを供給するように構成してもよい。
【０１０４】
このような構成において、エンジン９１等の動力生成装置を冷却するための冷却媒体を当該熱交換器３０へ選択的に送りこむことにより、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
図４は、第二実施形態の変形例としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。図４によれば、第二実施形態における燃料電池システムのメインＦＣ２１の代わりにエンジン９１等が備えられる。この変形例では、サブＦＣ２２からヒートポンプ駆動用モータ３１へ延びる電力線に設けられた接続点８２を蓄電池７１からインバータ１９へ延びる電力線の接続点８１と接続する中継電力線が設けられる。これにより、コンバータ７２を介して蓄電池７１とサブＦＣ２２とがインバータ１９に対して並列に接続される。
【０１０６】
従って、コンバータ７２によりサブＦＣ２２の余剰電力が走行用駆動モータ２０で選択的に利用されるように制御されることで、上述の第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第二実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
【図３】第一実施形態の変形例としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
【図４】第二実施形態の変形例としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１９、３２  インバータ
２０  走行用駆動モータ
２１  燃料電池メインスタック（メインＦＣ）
２２  燃料電池サブスタック（サブＦＣ）
２８  温度センサ
２９  三方弁
３０  熱交換器
３１  ヒートポンプ用駆動モータ
３３  コンプレッサ
３５  外部熱交換器
３６、３８  三方弁
３７、３９  膨張弁
４０  エバポレータ
４５  暖房用エバポレータ
４６  冷房用エバポレータ
５１  メインＦＣ２１用のＥＣＵ（Electric Control Unit）（メインＥＣＵ）
５２  サブＦＣ２２用のＥＣＵ（サブＥＣＵ）
７１  蓄電池
７２、７５  直流・直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ
８１、８２  電力線接続点
９１  エンジン（動力生成装置）
【図１】
2008288149.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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