(57)【要約】【課題】ヒートポンプを用いて冷暖房を行う燃料電池システムにおいて、暖房時の即効性を向上させるとともに、簡易な構成でヒートポンプの効率向上を図る。【解決手段】冷媒と燃料電池１０から排出される酸化剤ガスを熱交換させる排気熱交換器４４と、冷媒経路を、暖房運転時には排気熱交換器４４→室外器４２に切り替え、冷房運転時には暖房用減圧器４３→室外器４２→排気熱交換器４４に切り替える冷媒経路切替手段４５とを設ける。冷房運転時には、圧縮機４１から吐出される冷媒が、排気熱交換器４４で冷却され、室外器４２で冷却され、冷房用減圧器４６で減圧され、冷却用室内器３２で空調用空気を冷却し、圧縮機４１の吸入口側に戻る。暖房運転時には、圧縮機４１から吐出される冷媒が、第２加熱用室内器３４で空調用空気を加熱し、暖房用減圧器４３で減圧され、室外器４２で加熱され、排気熱交換器４４で加熱され、圧縮機４１の吸入口側に戻る。【選択図】図３
2008153168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）と、
冷媒を圧縮する圧縮機（４１）と、
空調用空気と前記圧縮機（４１）から吐出される冷媒とを熱交換させる第１熱交換器（３４）と、
外気と冷媒とを熱交換させる第２熱交換器（４２）と、
前記第２熱交換器（４２）から流出した冷媒を減圧させる第１減圧器（４６）と、
前記第１減圧器（４６）で減圧された冷媒を蒸発させて空調用空気を冷却する第３熱交換器（３２）と、
前記圧縮機（４１）で圧縮された冷媒を減圧させる第２減圧器（４３）と、
冷媒と前記燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスとを熱交換させる第４熱交換器（４４）と、
冷媒経路を、空調用空気による冷房が行われる冷房運転時には前記第４熱交換器（４４）→前記第２熱交換器（４２）に切り替え、空調用空気による暖房が行われる暖房運転時には前記第２減圧器（４３）→前記第２熱交換器（４２）→第４熱交換器（４４）に切り替える冷媒経路切替手段（４５）とを備え、
前記冷房運転時には、前記圧縮機（４１）から吐出される冷媒が、前記第４熱交換器（４４）で前記燃料電池（１０）の排出酸化剤ガスにより冷却され、前記第２熱交換器（４２）で外気により冷却され、前記第１減圧器（４６）で減圧され、前記第３熱交換器（３２）によって蒸発されて空調用空気を冷却し、前記圧縮機（４１）の吸入口側に戻るようになっており、
前記暖房運転時には、前記圧縮機（４１）から吐出される冷媒が、前記第１熱交換器（３４）で空調用空気を加熱し、前記第２減圧器（４３）で減圧され、前記第２熱交換器（４２）で外気により加熱され、前記第４熱交換器（４４）で前記燃料電池（１０）の排出酸化剤ガスにより加熱され、前記圧縮機（４１）の吸入口側に戻るようになっていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスが前記第４熱交換器に流入する前に、前記酸化剤ガスに含まれる水分のミスト化を促進するミスト化促進手段（１５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）の冷却水と空調用空気とを熱交換し、空調用空気を加熱する第５熱交換器（３３）を備えることを特徴とする請求項１または２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、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、空調のための冷凍サイクルを搭載している車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムと空調用ヒートポンプシステムを熱的に結合したシステムが提案されている（特許文献１参照）。このシステムでは、暖房時には低圧側蒸発器で燃料電池の冷却水の熱により冷媒を加熱して蒸発を促進させ、冷媒圧力を上昇させることでヒートポンプシステムの効率向上を図っている。また冷房時においては、燃料電池の冷却水を高圧側放熱器の表面で蒸発させることで冷媒温度を低下させ、冷媒圧力を低下させヒートポンプシステムの効率向上を図っている。
【特許文献１】特開２００２−８１７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載のシステムのように、暖房時に燃料電池の冷却水を利用して低圧側蒸発器を加熱する構成では、冷却水と冷媒とを熱交換する熱交換器を増設する必要があるのに加えて、顕熱による加熱が前提のため燃料電池の温度が上昇するまでは冷媒を加熱できず、即効性の面で問題がある。一方、冷房時に燃料電池の冷却水の蒸発潜熱を利用する構成では、冷却水を高圧側放熱器に供給するための専用の経路に増設する必要があり、さらに冷却水の噴霧手段や蒸発できない冷却水を排出するための排水ドレン等を設ける必要があり、システムが複雑化することが懸念される。
【０００４】
本発明は上記点に鑑み、ヒートポンプを用いて冷暖房を行う燃料電池システムにおいて、暖房時の即効性を向上させるとともに、簡易な構成でヒートポンプの効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池（１０）と、冷媒を圧縮する圧縮機（４１）と、空調用空気と圧縮機（４１）から吐出される冷媒とを熱交換させる第１熱交換器（３４）と、外気と冷媒とを熱交換させる第２熱交換器（４２）と、第２熱交換器（４２）から流出した冷媒を減圧させる第１減圧器（４６）と、第１減圧器（４６）で減圧された冷媒を蒸発させて空調用空気を冷却する第３熱交換器（３２）と、圧縮機（４１）で圧縮された冷媒を減圧させる第２減圧器（４３）と、冷媒と燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスとを熱交換させる第４熱交換器（４４）と、冷媒経路を、空調用空気による冷房が行われる冷房運転時には第４熱交換器（４４）→第２熱交換器（４２）に切り替え、空調用空気による暖房が行われる暖房運転時には第２減圧器（４３）→第２熱交換器（４２）→第４熱交換器（４４）に切り替える冷媒経路切替手段（４５）とを備え、
冷房運転時には、圧縮機（４１）から吐出される冷媒が、第４熱交換器（４４）で燃料電池（１０）の排出酸化剤ガスにより冷却され、第２熱交換器（４２）で外気により冷却され、第１減圧器（４６）で減圧され、第３熱交換器（３２）によって蒸発されて空調用空気を冷却し、圧縮機（４１）の吸入口側に戻るようになっており、暖房運転時には、圧縮機（４１）から吐出される冷媒が、第１熱交換器（３４）で空調用空気を加熱し、第２減圧器（４３）で減圧され、第２熱交換器（４２）で外気により加熱され、第４熱交換器（４４）で燃料電池（１０）の排出酸化剤ガスにより加熱され、圧縮機（４１）の吸入口側に戻るようになっていることを特徴としている。
【０００６】
これにより、暖房時には、圧縮機（４１）で圧縮され高温となった冷媒の熱を第１熱交換器（３４）を介して空調用空気に伝えることができるので、燃料電池（１０）の運転開始直後から車室内の暖房を行うことができる。さらに、第２熱交換器（４２）の上流側または下流側で燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスと冷媒とを熱交換させる第４熱交換器（４４）と、第２熱交換器（４２）の冷媒経路を切り替える冷媒経路切替弁４５とを設けるという簡易な構成で、燃料電池（１０）の排出ガスの顕熱と排出ガスに含まれる燃料電池（１０）の生成水の潜熱を冷媒に伝えることができ、暖房効率および冷房効率を向上させることができる。
【０００７】
つまり、冷房時には、冷媒が第４熱交換器（４４）から第２熱交換器（４２）に流れるようにすることで、冷媒が第２熱交換器（４２）で冷却される前に、冷媒を燃料電池（１０）の排出ガスの顕熱および生成水の蒸発潜熱により予め冷却することができる。これにより、冷媒温度を効果的に低下させ冷媒圧力を低減することができ、第２熱交換器（４２）における凝縮液化を促進し、冷房効率を高めることができる。また、暖房時には冷媒が第２熱交換器（４２）から第４熱交換器（４４）に流れるようにすることで、第２熱交換器（４２）で加熱された冷媒を燃料電池（１０）の排出ガスによる顕熱と生成水の凝縮潜熱によりさらに加熱することができる。これにより、冷媒圧力の上昇させ、圧縮機（４１）の負荷を低減することができ、システム効率を向上させることができる。
【０００８】
また、燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスが第４熱交換器に流入する前に、酸化剤ガスに含まれる水分のミスト化を促進するミスト化促進手段（１５）を設けることで、排出ガス中における水分のミスト化を促進させることができ、排気ガス中で微粒な液滴として存在する水分が増加し、第４熱交換器（４４）にて蒸発する水分量が増加することとなる。これにより、冷房時における蒸発潜熱を増大させることができ、第４熱交換器（４４）における冷媒の冷却効率を向上させることができ、システム効率を向上させることができる。
【０００９】
また、燃料電池（１０）の冷却水と空調用空気とを熱交換し、空調用空気を加熱する第５熱交換器（３３）を設けることで、燃料電池（１０）の発電で発生した熱を利用して暖房を行うことができる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１、図２に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した例であり、冷凍サイクルにより車室内の暖房および冷房を行うように構成されている。
【００１２】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。本実施形態では燃料電池１０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、本発明は固体高分子型以外の燃料電池にも適用可能である。
【００１３】
燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり発電する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。
【００１４】
アノード（水素極）２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-
カソード（酸素極）４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
全体              ２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極（アノード）に供給される水素ガスが通過する水素供給経路１１と、燃料電池１０の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路１２が設けられている。水素供給経路１１の最上流部には、燃料電池１０の水素極に水素ガスを供給するための水素供給装置（図示せず）が設けられている。水素供給装置として、例えば高圧の水素が充填された水素タンクを用いることができる。
【００１５】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（カソード）に供給される酸素ガス（空気）が通過する空気供給経路１３と、燃料電池１０の酸素極から排出される排出空気が通過する空気排出経路１４が設けられている。空気供給経路１３には、空気を供給するための空気供給装置（図示せず）が設けられている。空気供給装置として、例えば空気を圧送するコンプレッサ機を用いることができる。
【００１６】
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が効率の良い温度（８０℃前後）となるよう冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路２０、冷却水経路２０に冷却水を圧送するウォータポンプ２１、放熱器２２が設けられている。冷却水としては、例えばエチレングリコール水溶液を用いることができる。
【００１７】
冷却水経路２０には、冷却水を放熱器２２をバイパスさせるためのバイパス経路２３が設けられている。冷却水経路２０とバイパス経路２３との合流点には、バイパス経路２３に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁２４が設けられている。流路切替弁２４は、電動制御弁を好適に用いることができるが、サーモスタットのような機械式弁を用いてもよい。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介して放熱器２２で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ２１による流量制御、流路切替弁２４による放熱器２２でのバイパス流量制御等により、燃料電池１０の温度制御を行うことができる。
【００１８】
冷却水経路２０には、後述の第１加熱用室内器３３に冷却水を循環させる温調用冷却水経路２５が設けられている。温調用冷却水経路２５は、冷却水経路２０における燃料電池１０の下流側から分岐し、冷却水経路２０におけるウォータポンプ３１の上流側に合流している。ウォータポンプ２１を作動させることで、燃料電池１０から熱を受け取って昇温した冷却水が温調用冷却水経路２５を介して第１加熱用室内器３３に循環する。
【００１９】
燃料電池システムには、車室内の空調を行う空調装置が設けられている。空調装置は、車室内に供給される空調用空気が流れる送風路を構成する空調ケース３０を備えている。空調ケース３０内には、送風機３１、室内熱交換器（以下、「室内器」という。）３２〜３４、エアミックスドア３５が設けられている。室内器３２〜３４は、冷却用室内器３２と第１加熱用室内器３３と第２加熱用室内器３４からなる。なお、冷却用室内器３２が本発明の第３熱交換器に相当し、第１加熱用室内器３３が本発明の第５熱交換器に相当し、第２加熱用室内器３４が本発明の第１熱交換器に相当している。
【００２０】
これらの機器は、上流側から送風機３１、冷却用室内器３２、エアミックスドア３５、第１加熱用室内器３３、第２加熱用室内器３４の順で配置されている。冷却用室内器３２と第２加熱用室内器３４は、後述する冷凍サイクル内に設けられており、冷媒と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。第１加熱用室内器３３は、上述のように燃料電池１０の冷却系に設けられており、燃料電池１０の冷却水と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。エアミックスドア３５は、加熱用室内器３３、３４の上流側に設けられており、図示しない電気モータ等によって作動するように構成されている。エアミックスドア３５は、開度調整により加熱用室内器３３、３４を通過する風量割合を調整でき、後述の制御部１００により開度制御が行われる。
【００２１】
燃料電池システムには、車室内の暖房および冷房を行うための冷凍サイクルを備えている。冷凍サイクルには、冷媒が循環する冷媒循環経路４０が設けられている。冷媒循環経路４０は、内部に冷媒が封入された配管として構成されている。冷媒としては、例えばＨＦＣ−１３４ａやＣＯ2などを用いることができる。
【００２２】
冷媒循環経路４０の経路内には、冷媒流れ上流側から順に、圧縮機４１、第２加熱用室内器３４、室外用熱交換器（以下、「室外器」という。）４２、暖房用減圧器４３、排気熱交換器４４、冷房用減圧器４６、冷却用室内器３２等が設けられている。圧縮機４１は、気体状態の冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。第２加熱用室内器３４には、圧縮機４１により圧縮され高温となった冷媒が流入する。室外器４２は冷媒と外気との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させるように構成されている。
【００２３】
冷媒循環経路４０には、室外器４２を挟んで暖房用減圧器４３と排気熱交換器４４とが設けられている。冷媒循環経路４０には、室外器４２に対する冷媒の流入方向を変更する冷媒経路切替弁４５が設けられている。冷媒経路切替弁４５は、室外器４２への冷媒の流入方向を車室内の暖房時と冷房時で変更するように構成されており、例えば四方弁を用いることができる。冷媒経路切替弁４５は、暖房時には冷媒の流れ方向を暖房用減圧器４３→室外器４２→排気熱交換器４４に切り替え、冷房時には冷媒の流れ方向を排気熱交換器４４→室外器４２→暖房用減圧器４３に切り替えるように構成されている。なお、暖房用減圧器４３が本発明の第２減圧器に相当し、冷房用減圧器４６が本発明の第１減圧器に相当し、冷媒経路切替弁４５が本発明の冷媒経路切替手段に相当している。
【００２４】
暖房用減圧器４３は、開度調整が可能であり、全開機能を有する電動式膨張弁である。暖房時には、暖房用減圧器４３が室外器４２の上流側に位置し、室外器４２に低温低圧の冷媒を流入させるために絞り弁として用いられる。一方、冷房時には、暖房用減圧器４３が室外器４２の下流側に位置し、室外器４２から流出した高圧の冷媒を下流側の冷房用絞り弁４６に供給するために全開状態で用いられる。
【００２５】
排気熱交換器４４は、燃料電池１０の酸素極から排出されて空気排出経路１４を通過する排出空気と冷媒循環経路４０を通過する冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。燃料電池１０の排出空気は、燃料電池１０の廃熱を受け取ることで例えば６０〜８０℃程度となっている。暖房時には、排気熱交換器４４が室外器４２の下流側に位置し、室外器４２にて外気から熱を受け取って昇温した冷媒を、燃料電池１０の排出空気によりさらに加熱する。冷房時には、排気熱交換器４４が室外器４２の上流側に位置し、圧縮機４１から排出された高温の冷媒を燃料電池１０の排出空気と熱交換して冷媒を冷却する。
【００２６】
冷媒循環経路４０における冷却用室内器３２の上流側には冷房用減圧器４６が設けられている。冷房用減圧器４６は、液体状態の冷媒を低圧に減圧し、低圧の気液２相状態とするように構成されている。冷房用減圧器４６は機械式膨張弁であり、冷却用室内器３２の出口冷媒温度に応じて冷媒流量を調整し、冷却用室内器３２の出口冷媒の過熱度が所定の値に近づくようにしている。冷房用減圧器４６からの低圧冷媒は冷却用室内器３２に流入する。冷却用室内器３２に流入した低圧冷媒は空調ケース３０内の空気から吸熱して蒸発する。
【００２７】
冷媒循環経路４０には、冷却用室内器３２をバイパスさせるための冷媒バイパス経路４７が設けられている。冷媒の流路を冷却用室内器３２側あるいは冷媒バイパス経路４７側に切り替えるために、冷媒循環経路４０における冷媒バイパス経路４７との分岐点と冷房用減圧器４６との間に第１冷媒流路切替弁４８が設けられ、冷媒バイパス経路４７に第２冷媒流路切替弁４９が設けられている。暖房時には、第１冷媒流路切替弁４８を開放し、第２冷媒流路切替弁４９を閉鎖して、冷媒が冷媒バイパス経路４７を流れるようにし、冷房時には、第１冷媒流路切替弁４８を閉鎖し、第２冷媒流路切替弁４９を開放して、冷媒が冷却用室内器３２を流れるようにする。
【００２８】
図２は、燃料電池システムに設けられた制御部（ＥＣＵ）１００の入出力を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムには各種制御を行う制御手段としての制御部１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部１００には、各種センサからのセンサ信号等が入力される。また、制御部１００は、演算結果に基づいて、ウォータポンプ２１、流路切替弁２４、送風機３１、エアミックスドア３５、圧縮機４１、暖房用減圧器４３、冷媒経路切替弁４５、冷媒流路切替弁４８、４９等に制御信号を出力する。なお、本実施形態では、燃料電池システムの制御および空調制御を同一の制御部１００で制御しているが、それぞれ個別にＥＣＵを設けて異なるＥＣＵ間で通信を行うようにしてもよい。
【００２９】
次に、暖房時と冷房時における燃料電池システムの作動を説明する。図３（ａ）は暖房時における冷凍サイクルの冷媒の流れを示し、図３（ｂ）は冷房時における冷凍サイクルの冷媒の流れを示している。暖房モードと冷房モードを含む空調モード切替処理は、乗員が空調モード切替スイッチ（図示せず）を操作することにより行われる。あるいは、空調コントロールパネルに設けられた温度コントロールレバー（図示せず）の値、冷凍サイクルスイッチ（図示せず）の状態、検出した外気温度、内気温度等により、空調モードを演算により自動判定してもよい。なお、空調制御に先立って燃料電池１０は運転開始されており、燃料電池１０の冷却水が第２加熱用室内器３４に循環しているものとする。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示す暖房時について説明する。暖房時には、送風機３１を駆動するとともに、エアミックスドア３５の開度を目標空調温度に応じて制御し、加熱用熱交換器３３、３４を通過する空調用空気の割合を調整する。空調用空気が第１加熱用熱交換器３３を通過することで、燃料電池１０で発電に伴って発生した熱が冷却水を介して空調用空気に伝熱され空調用空気が加熱される。これにより、燃料電池１０で発生した熱を利用して車室内の暖房を行うことができる。
【００３１】
第１加熱用熱交換器３３にて放熱された冷却水は、温調用冷却水経路２５を通って、冷却水経路２０に戻る。このような作動を行うことで、燃料電池１０の発電に伴い発生した廃熱を暖房に用いることができるので、暖房に必要な消費エネルギーを削減でき、結果として車両効率を向上できる。
【００３２】
また、暖房時には、冷媒経路切替弁４５により、冷媒の流れ方向を暖房用減圧器４３→室外器４２→排気熱交換器４４に切り替える。さらに、第１冷媒流路切替弁４８を開放し、第２冷媒流路切替弁４９を閉鎖して、冷媒が冷却用室内器３２をバイパスして冷媒バイパス経路４７を流れるようにする。圧縮機４１にて圧縮された高圧かつ高温（例えば１５０℃程度）の冷媒は第２加熱用室内器３４に流入し、冷媒の熱が第２加熱用室内器３４を介して空調用空気に伝熱され空調用空気が加熱される。これにより、冷凍サイクルで発生した熱を利用して車室内の暖房を行うことができる。燃料電池１０の冷却水は燃料電池１０の発電開始から徐々に温度上昇するのに対し、圧縮機４１にて圧縮された冷媒は直ちに高温になる。このため、冷凍サイクルの冷媒を用いた空調用空気の加熱は即効性を有しており、燃料電池１０の運転開始直後から車室内の暖房を行うことができる。
【００３３】
第２加熱用室内器３４から流出した冷媒は、暖房用減圧器４３にて減圧され、低温（例えば−４０℃程度）となる。暖房用減圧器４３から流出した冷媒は、室外器４２にて外気から熱を受け取って温度上昇する。室外器４２から流出した冷媒は、排気熱交換器４４にて燃料電池１０の排出空気から熱を受け取りさらに昇温する。このとき、室外器４２から流出した冷媒の温度が例えば−２０℃程度とし、燃料電池１０の排出空気の温度が６０〜８０℃程度とすると、これらの温度差は８０〜１００℃であり、冷媒を排出空気の顕熱によって効率よく温度上昇させることができる。さらに、燃料電池１０の排出空気には、電気化学反応で発生した生成水が水蒸気として含まれている。排気熱交換器４４で燃料電池１０の排出空気が冷却される際に排出空気に含まれる水蒸気が凝縮するため、水蒸気の凝縮潜熱が冷媒に与えられる。
【００３４】
室外器４２と排気熱交換器４４で昇温した冷媒は、冷媒バイパス経路４７を介して圧縮機４１に循環する。冷媒は、室外器４２における外気との熱交換に加え、排気熱交換器４４にて燃料電池１０の排出空気との熱交換により温度上昇するので、冷媒圧力の上昇を促進でき、圧縮機４１の負荷を低減することができる。これにより、燃料電池１０の廃熱を有効利用することができる。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示す冷房時について説明する。冷房時には、送風機３１を駆動するとともに、エアミックスドア３５の開度を目標空調温度に応じて制御し、加熱用熱交換器３３、３４を通過する空調用空気の割合を調整する。
【００３６】
また、冷媒経路切替弁４５により、冷媒の流れ方向を排気熱交換器４４→室外器４２→暖房用減圧器４３に切り替える。暖房用減圧器４３は全開状態にする。さらに、第１冷媒流路切替弁４８を閉鎖し、第２冷媒流路切替弁４９を開放して、冷媒が冷却用室内器３２を流れるようにする。
【００３７】
圧縮機４１にて圧縮された高圧かつ高温の冷媒は第２加熱用室内器３４を通過し、排気熱交換器４４に供給される。排気熱交換器４４に流入した冷媒は、燃料電池１０の排出空気に熱を与えることで冷却される。このとき、第２加熱用室内器３４から流出した冷媒の温度が例えば１５０℃程度とし、燃料電池１０の排出空気の温度が６０〜８０℃程度とすると、これらの温度差は７０〜９０℃であり、冷媒を排出空気の顕熱によって効率よく温度低下させることができる。さらに、燃料電池１０の排出空気には、電気化学反応で発生した生成水が水蒸気に加えて、液滴として含まれている。このため、排気熱交換器４４で燃料電池１０の排出空気が昇温される際に排出空気に含まれる液滴状態の水が蒸発するため、水蒸気の蒸発潜熱により冷媒が冷却され、冷媒圧力が低下する。排気熱交換器４４から流出した冷媒は、室外器４２にて外気と熱交換することで凝縮液化する。
【００３８】
室外器４２から流出した冷媒は、全開状態の暖房用減圧器４３を通過し、冷房用減圧器４６に供給される。冷房用減圧器４６で減圧されて低温低圧となった冷媒は、冷却用室内器３２に流入し、空調用空気を冷却する。空調用空気は必要に応じて加熱用熱交換器３３、３４にて目標温度に調整され、車室内に供給される。これにより、車室内の冷房を行うことができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、暖房時には、圧縮機４１にて圧縮され高温となった冷媒の熱を利用して空調用空気を加熱することで、燃料電池１０の運転開始直後から車室内の暖房を行うことができる。これにより、暖房の即効性を向上させることができる。
【００４０】
また、室外器４２の上流側または下流側で燃料電池１０の排出空気と冷媒とを熱交換させる排気熱交換器４４と、室外器４２の冷媒経路を切り替える冷媒経路切替弁４５とを設けるという簡易な構成で、燃料電池１０の排出空気の顕熱と生成水の潜熱を冷媒に伝えることができ、暖房効率および冷房効率を向上させることができる。つまり、暖房時には冷媒が室外器４２から排気熱交換器４４に流れるようにすることで、室外器４２で加熱された冷媒を燃料電池１０の排出空気による顕熱と生成水の凝縮潜熱によりさらに加熱することができる。これにより、冷媒圧力の上昇させ、圧縮機４１の負荷を低減することができ、システム効率を向上させることができる。一方、冷房時には、冷媒が排気熱交換器４４から室外器４２に流れるようにすることで、冷媒が室外器４２で冷却される前に、冷媒を燃料電池１０の排出空気の顕熱および生成水の蒸発潜熱により予め冷却することができる。これにより、効果的に冷媒温度を低下させ冷媒圧力を低減することができ、室外器４２における凝縮液化を促進し、冷房効率を高めることができる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４２】
図４は、本第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。図４に示すように、本第２実施形態では、空気排出経路１４における排気熱交換器４４の上流側に、燃料電池１０の排出空気に含まれる生成水のミスト化を促進するミスト化促進装置１５が設けられている。本実施形態のミスト化促進装置１５は、超音波を発生させる超音波振動子を有する超音波発生装置として構成されており、水分を含んだ排出空気に対して超音波を発生させることで、排出空気に含まれる水分のミスト化を促進することができる。
【００４３】
燃料電池１０の排出空気は過飽和な状態であることから、冷房時にミスト化促進装置１５により水分のミスト化を促進させることで、排出空気中における水分のミスト化が促進する。これにより、排気空気中で微粒な液滴として存在する水分が増加し、排気熱交換器４４にて蒸発する水分量が増加することとなる。この結果、冷房時における蒸発潜熱を増大させることができ、排気熱交換器４４における冷媒の冷却効率を向上させることができ、システム効率を向上させることができる。
【００４４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、冷媒循環経路４０における圧縮機４１の下流側に第２加熱用熱交換器３４を設け、圧縮機４１で圧縮され高温となった冷媒を空調用空気とを熱交換させるように構成したが、第２加熱用室内器３４を省略してもよい。この場合には、例えば暖房時には圧縮機４１から吐出された冷媒が冷却用室内器３２に流入するように冷媒経路を変更し、冷却用室内器３２が加熱用室内器として機能するように構成すればよい。
【００４５】
また、上記第２実施形態では、ミスト化促進装置１５として超音波発生装置を用いたが、これに限らず、燃料電池１０の排出空気中の水分のミスト化を促進できるものであればよく、例えばディフューザ等の排出空気の圧力を増大させる手段により、水蒸気を微粒な液滴に相変化させる装置を用いることができる。あるいはミスト化促進装置１５として、燃料電池１０の排出空気と冷却用室内器３２から流出した低温冷媒とを熱交換させる熱交換器を用い、予め凝縮させた液滴を超音波発生装置などでミスト化することができる。また、空調用空気以外に外気を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】燃料電池システムに設けられた制御部の入出力を示すブロック図である。
【図３】（ａ）は暖房時における冷凍サイクルの冷媒の流れを示し、（ｂ）は冷房時における冷凍サイクルの冷媒の流れを示す概念図である。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…燃料電池、１３…空気供給経路、１４…空気排出経路、２０…冷却水経路、２１…ウォータポンプ、２２…放熱器、２５…温調用冷却水経路、３０…空調ケース、３１…送風機、３２…冷却用室内器（第３熱交換器）、３３…第１加熱用室内器（第５熱交換器）、３４…第２加熱用室内器（第１熱交換器）、４０…冷媒循環経路、４１…圧縮機、４２…室外器（第２熱交換器）、４３…暖房用減圧器（第２減圧器）、４４…排気熱交換器（第４熱交換器）、４５…冷媒経路切替弁、４６…冷房用減圧器（第１減圧器）、４７…冷媒バイパス経路、４８、４９…冷媒流路切替弁、１００…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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