(57)【要約】【課題】燃料電池の排出空気の廃熱を冷凍サイクルに回収する際に、排出空気中の水分が凍結することを防止する。【解決手段】燃料電池１００から排出された酸化剤ガスと冷凍サイクルの冷媒との間で熱交換を行う酸化剤−冷媒熱交換器５０８と、酸化剤−冷媒熱交換器５０８の上流側で冷媒の減圧を行う第１減圧弁５０９と、酸化剤−冷媒熱交換器５０８の下流側で冷媒の減圧を行う第２減圧弁５１０とを設け、酸化剤−冷媒熱交換器５０８により酸化剤ガスから冷媒に伝熱される場合に、第１減圧弁で減圧された冷媒の温度が酸化剤ガスに含まれる水分が凍結しない所定温度以上となるように、第１減圧弁による冷媒の減圧量を制御する。【選択図】図１
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【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（１００）と、
前記燃料電池（１００）に供給された酸化剤ガスのうち前記電気化学反応に用いられなかった酸化剤ガスが外部に排出される際に通過する酸化剤ガス排出経路（３０１）と、
冷媒が循環する冷媒循環経路（５００）と、
前記冷媒を前記冷媒循環経路に圧送する冷媒圧縮機（５０１）と、
外気と前記冷媒圧縮機から吐出された前記冷媒との間で熱交換する外気−冷媒熱交換器（５０２）と、
前記酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスと前記冷媒循環経路を流れる冷媒との間で熱交換を行う酸化剤−冷媒熱交換器（５０８）と、
前記冷媒循環経路における前記冷媒圧縮機と前記酸化剤−冷媒熱交換器との間で前記冷媒の減圧を行う第１減圧弁（５０９）と、
前記冷媒循環経路における前記酸化剤−冷媒熱交換器と前記冷媒−外気熱交換器との間で前記冷媒の減圧を行う第２減圧弁（５１０）とを備え、
前記酸化剤−冷媒熱交換器により前記酸化剤ガスから前記冷媒に伝熱される場合に、前記第１減圧弁で減圧された前記冷媒の温度が前記酸化剤ガスに含まれる水分が凍結しない所定温度以上となるように、前記第１減圧弁による前記冷媒の減圧が行われることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定温度は０℃であ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】
前記酸化剤−冷媒熱交換器で前記酸化剤ガスから前記冷媒に伝熱する場合に、前記第２減圧弁で減圧された前記冷媒の温度が外気温以下となるように、前記第２減圧弁による前記冷媒の減圧が行われ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。
【請求項４】
前記冷媒−外気熱交換器の出口側冷媒を減圧する第３減圧弁（５０４）と、
前記第３減圧弁により減圧された低圧冷媒を蒸発させ、室内に供給される空調用空気を冷却するように構成された蒸発器（５０５）とを備え、
前記第１減圧弁と前記第２減圧弁は、それぞれ開度が調整可能に構成されており、
前記蒸発器により前記空調用空気の冷却が行われる場合に、前記第１減圧弁と前記第２減圧弁は全開にされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤ガス排出経路に設けられ、前記酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスの熱を外気に放出する酸化剤ガス放熱器（３０５）を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤ガス放熱器に外気を送風する送風ファン（３０６）を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスが前記酸化剤ガス放熱器をバイパスすることができる第１バイパス経路（３０８）を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスが前記酸化剤ガス−冷媒熱交換器をバイパスすることができる第２バイパス経路（３１７）を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸化剤ガス排出経路から外部に排出された酸化剤ガスに含まれる水分により結露が発生することを検出する結露検出センサ（３１６）を備え、
前記結露検出センサ（３１６）により結露が発生することが検知された場合には、前記酸化剤ガス放熱器での放熱量を増大させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記結露検出センサが露点計であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記結露検出センサは、前記酸化剤ガス排出経路から外部に排出される酸化剤ガスが通過する配管（３１６ａ）と、前記配管の内壁に設けられた鏡面（３１６ｄ）と、前記鏡面に対して発光する発光部（３１６ｅ）と、前記鏡面で反射した光を受光する受光部（３１６ｆ）と、前記鏡面と外気温との間で伝熱を行う伝熱手段（３１６ｂ、３１６ｃ）とを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記鏡面が前記配管における鉛直方向の上部の内壁に設けられていることを特徴とする請求項１１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電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、空調等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】
燃料電池を走行用駆動源とする燃料電池車両では、燃料電池の冷却水温度が約８０℃であり、内燃機関の冷却水温度（約１００℃）と比較すると低くなっている。このため、車室内の暖房用熱源として燃料電池の冷却水のみを用いる場合には、充分な暖房能力が得られないことがある。
【０００３】
また、冷凍サイクル（ヒートポンプ）を車室内の暖房用熱源として用いるシステムが知られている（特許文献１参照）。このシステムでは、暖房時の暖房能力を向上させるために、過給空気の廃熱を冷凍サイクルに回収するようになっている。
【特許文献１】特表２００５−５１１３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、燃料電池に供給される空気（酸化剤ガス）は過給され高温となっているため、燃料電池から排出される排出空気の廃熱を冷凍サイクルに回収することが考えられる。しかしながら、燃料電池の排出空気には水分が多く含まれるため、冷凍サイクルの冷媒温度が氷点以下となった場合には、排出空気中の水分が凍結して熱交換率が低下したり、最終的には排出空気が通過する配管が閉塞して燃料電池が運転できなくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、燃料電池の排出空気の廃熱を冷凍サイクルに回収する際に、排出空気中の水分が凍結することを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、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（１００）と、燃料電池（１００）に供給された酸化剤ガスのうち電気化学反応に用いられなかった酸化剤ガスが外部に排出される際に通過する酸化剤ガス排出経路（３０１）と、冷媒が循環する冷媒循環経路（５００）と、冷媒を冷媒循環経路に圧送する冷媒圧縮機（５０１）と、外気と冷媒圧縮機から吐出された冷媒とを熱交換する外気−冷媒熱交換器（５０２）と、酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスと冷媒循環経路を流れる冷媒との間で熱交換を行う酸化剤−冷媒熱交換器（５０８）と、冷媒循環経路における冷媒圧縮機と酸化剤−冷媒熱交換器との間で冷媒の減圧を行う第１減圧弁（５０９）と、冷媒循環経路における酸化剤−冷媒熱交換器と冷媒−外気熱交換器との間で冷媒の減圧を行う第２減圧弁（５１０）とを備え、酸化剤−冷媒熱交換器により酸化剤ガスから冷媒に伝熱される場合に、第１減圧弁で減圧された冷媒の温度が酸化剤ガスに含まれる水分が凍結しない所定温度以上となるように、第１減圧弁による冷媒の減圧が行われることを特徴としている。
【０００７】
このように、酸化剤−冷媒熱交換器の上流側と下流側で二段階の減圧を行い、一段目の減圧では冷媒が所定温度以上となるように冷媒圧力を調整することで、酸化剤−冷媒熱交換器で熱交換を行った際に、酸化剤ガスに含まれる水分が凍結することを防止できる。これにより、燃料電池から排出された酸化剤ガスに含まれる水分が配管内で凍結することによる不具合を回避できる。
【０００８】
また、所定温度は０℃とすることで、酸化剤−冷媒熱交換器により酸化剤ガスから冷媒に伝熱される場合に、第１減圧弁で減圧された冷媒の温度が酸化剤ガスに含まれる水分が凍結しないようにすることができる。
【０００９】
また、酸化剤−冷媒熱交換器で酸化剤ガスから冷媒に伝熱する場合に、第２減圧弁で減圧された冷媒の温度が外気温以下となるように、第２減圧弁による冷媒の減圧が行われるようにすることで、外気から冷媒に吸熱することができる。
【００１０】
また、冷媒−外気熱交換器の出口側冷媒を減圧する第３減圧弁（５０４）と、第３減圧弁により減圧された低圧冷媒を蒸発させ、室内に供給される空調用空気を冷却するように構成された蒸発器（５０５）とを備え、第１減圧弁と第２減圧弁は、それぞれ開度が調整可能に構成されており、蒸発器により空調用空気の冷却が行われる場合に、第１減圧弁と第２減圧弁は全開にされるようにすることができる。これにより、冷凍サイクルを冷房用に用いる場合に、冷媒−外気熱交換器（５０２）に高温高圧の冷媒を流入させることができる。
【００１１】
また、酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスの熱を外気に放出する酸化剤ガス放熱器（３０５）を酸化剤ガス排出経路に設けることで、酸化剤ガスを冷却することができる。これにより、冷凍サイクルを冷房用に用いる場合に、酸化剤ガスに伝熱させて冷媒温度を低下させることができ、サイクル効率を向上させることができる。
【００１２】
また、酸化剤ガス放熱器に外気を送風する送風ファン（３０６）を設けることで、酸化剤ガスを効率よく冷却することができる。
【００１３】
また、酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスが酸化剤ガス放熱器をバイパスすることができる第１バイパス経路（３０８）を設けることで、例えば冷凍サイクルを暖房用に用いる場合に、酸化剤ガスの温度が低下させることがないので、酸化剤ガスの廃熱を有効利用することができる。
【００１４】
また、酸化剤ガス排出経路を流れる酸化剤ガスが酸化剤ガス−冷媒熱交換器をバイパスすることができる第２バイパス経路（３１７）を設けることで、第１減圧弁で減圧された冷媒の温度が第１所定温度より低温となった場合に、酸化剤ガス−冷媒熱交換器をバイパスさせて酸化剤ガスに含まれる水分が凍結することを防止できる。
【００１５】
また、酸化剤ガス排出経路から外部に排出された酸化剤ガスに含まれる水分により結露が発生することを検出する結露検出センサ（３１６）を備え、結露検出センサ（３１６）により結露が発生することが検知された場合には、酸化剤ガス放熱器での放熱量を増大させることで、酸化剤ガスが外部に排出された際に白霧を発生させることを防止できる。これにより、燃料電池システムを車両に搭載した場合には、視界が悪化して安全性が低下することを防止できる。結露検出センサとしては、露点計を用いることができる。
【００１６】
また、結露検出センサは、酸化剤ガス排出経路から外部に排出される酸化剤ガスが通過する配管（３１６ａ）と、配管の内壁に設けられた鏡面（３１６ｄ）と、鏡面に対して発光する発光部（３１６ｅ）と、鏡面で反射した光を受光する受光部（３１６ｆ）と、鏡面と外気との間で伝熱を行う伝熱手段（３１６ｂ、３１６ｃ）とを設けることで、鏡面は外気温と同じ温度となる。これにより、簡易な構成で酸化剤ガスが外部に排出された際に結露が発生するかどうかを検出可能となる。
【００１７】
また、鏡面を配管における鉛直方向の上部の内壁に設けることで、配管の内壁に水滴が付着した場合にも、水滴による誤検知を防ぐことができる。
【００１８】
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】
【００１９】
（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８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）に適用した例である。
【００２０】
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１００を備えている。本実施形態では燃料電池１００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。
【００２１】
燃料電池１００では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。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。
【００２２】
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、車外の気温を検出する外気温センサ１０１と車内の気温を検出する内気温センサ１０２が設けられている。
【００２３】
燃料電池システムには、燃料電池１００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２００と、燃料電池１００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２０１が設けられている。水素供給経路２００の最上流部には、燃料電池１００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、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。
【００２４】
水素供給経路２００には水素供給弁２０２が設けられ、水素排出経路２０１には、水素排出弁２０３が設けられている。燃料電池１００に水素を供給する際には、図示しない水素供給装置からの水素が水素供給経路２００に導入され、燃料電池１００に適した圧力に水素供給弁２０２で調圧され、燃料電池１００の水素極（アノード）に水素ガスが供給される。未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極から固体高分子膜を通過して混入した窒素、酸素などは、水素排出弁２０３を開くことで水素排出経路２０１から排出される。
【００２５】
燃料電池システムには、燃料電池１００の酸素極に供給される酸素ガス（空気）が通過する空気供給経路３００と、燃料電池１００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３０１が設けられている。なお、空気排出経路３０１が本発明の酸化剤ガス排出経路に相当している。
【００２６】
空気供給経路３００には、空気を供給するための空気供給装置３０２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置３０２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置３０２は図示しないモータにより回転駆動される。
【００２７】
また、発電時における電気化学反応のために、燃料電池１００内の固体高分子膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、空気供給経路３００における空気供給装置３０２の下流側には、燃料電池１００に供給される空気に加湿するための加湿装置３０３が設けられている。加湿装置３０３は、空気排出経路３０１を通過する燃料電池１００から排出空気に含まれる水分を用いて、空気供給装置３０２の吐出後の空気を加湿する。
【００２８】
空気排出経路３０１には、燃料電池１００の空気極が所望の圧力になるよう空気の排気圧力（燃料電池１００の背圧）を調整する調圧弁３０４が設けられている。空気排出経路３０１には、燃料電池１００から排出された空気の放熱を行うための空気用放熱器３０５が設けられている。空気用放熱器３０５は、車両走行時の走行風による動圧（ラム圧）を受ける位置に配置されており、外気と空気排出経路３０１内の排出空気との熱交換を行い、空気排出経路３０１内の排出空気の熱を外部に放出するように構成されている。なお、空気用放熱器３０５が本発明の酸化剤ガス放熱器に相当している。
【００２９】
空気用放熱器３０５には、モータ３０７により回転される送風ファン３０６が設けられている。空気排出経路３０１には、空気用放熱器３０５をバイパスする放熱器バイパス経路３０８が設けられている。空気排出経路３０１と放熱器バイパス経路３０８との分岐点には、空気の流路を空気用放熱器３０５または放熱器バイパス経路３０８に切り替える空気流路切替弁３０９が設けられている。なお、放熱器バイパス経路が本発明の第１バイパス経路に相当している。
【００３０】
空気排出経路３０１における空気用放熱器３０５の下流側には、後述の空気−冷媒熱交換器５０８が設けられている。空気−冷媒熱交換器５０８は、空気排出経路３０１内の空気と、後述する冷凍サイクルの冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。なお、空気−冷媒熱交換器５０８が本発明の酸化剤−冷媒熱交換器に相当している。
【００３１】
空気排出経路３０１には、空気用放熱器３０５の下流側であって空気−冷媒熱交換器５０８の上流側に第１気液分離器３１０が設けられ、空気−冷媒熱交換器５０８の下流側に第２気液分離器３１１が設けられている。これらの気液分離器３１０、３１１は、熱交換器３０５、空気−冷媒熱交換器５０８で空気排出経路３０１内の排出空気が冷却されることに伴って凝縮する水分を排出空気から分離するように構成されている。気液分離器３１０、３１１で分離された水分は、水分回収経路３１２、３１３を介して貯水タンク３１４に貯められる。貯水タンク３１４に貯められた水は、燃料電池１００の加湿に用いることができ、さらに改質装置を用いて燃料電池１００の燃料である水素を発生させる場合には、改質装置に用いることもできる。貯水タンク３１４には、貯水量を検出する貯水量検出センサ３１５が設けられている。貯水量検出センサ３１５は、例えば液面を検出する液面センサとして構成することができ、液面センサとしては、静電容量式、光学式、フロート式などを用いることができる。
【００３２】
空気排出経路３０１内の空気が外気に放出されたときに、空気中の水分が結露した場合には、白霧となって視界が悪化する。このため、本実施形態では、空気排出経路３０１における最下流部に結露検出センサ３１６が設けられている。結露検出センサ３１６は、空気排出経路３０１内の空気が外気に放出された場合に、空気中の水分が結露するかどうかを判定するためのものである。結露検出センサ３１６は、公知の露点計から構成されている。
【００３３】
燃料電池１００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１００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１００に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却用冷却水経路４００、冷却用冷却水経路４００に冷却水を圧送する第１ウォータポンプ４０１、モータ４０４により回転されるファン４０３を備えた冷却水用放熱器４０２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。
【００３４】
第１ウォータポンプ４０１は図示しないモータにより所望の回転数に制御され、燃料電池１００に冷却水を循環させる。冷却水用放熱器４０２は、後述する冷凍サイクルの冷媒−外気熱交換器５０２とともに、車両走行時の走行風による動圧（ラム圧）を受ける位置（例えば車両前端）に配置されており、冷却水用放熱器４０２および冷媒−外気熱交換器５０２に供給される空気を増加させている。冷却水用放熱器４０２とファン４０３の周囲にはファンシュラウド４０５が設けられている。ファンシュラウド４０５は、ファン４０３による誘起される空気流が冷却水用放熱器４０２および冷媒−外気熱交換器５０２に流れるように空気流をガイドしてファン４０５の送風効率を向上させるものである。
【００３５】
冷却用冷却水経路４００には、冷却水を冷却水用放熱器４０２をバイパスさせるための冷却水バイパス経路４０６が設けられている。冷却用冷却水経路４００と冷却水バイパス経路４０６との合流点には、冷却水バイパス経路４０６に流れる冷却水流量を調整するための冷却水流路切替弁４０７が設けられている。冷却水流路切替弁４０７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。また、冷却用冷却水経路４００における燃料電池１００の出口側近傍には、燃料電池１００から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４０８が設けられている。
【００３６】
燃料電池１００で発生した熱は、冷却水を介して冷却水用放熱器４０２で系外に排出される。このような冷却系によって、第１ウォータポンプ４０１による流量制御、ファン４０３による風量制御、冷却水流路切替弁４０７による冷却水用放熱器４０２でのバイパス流量制御により、燃料電池１００の温度制御を行うことができる。
【００３７】
冷却用冷却水経路４００には、ヒータコア４１０に冷却水を循環させる温調用冷却水経路４０９が設けられている。温調用冷却水経路４０９は、冷却用冷却水経路４００における第１ウォータポンプ４０１の下流側から分岐し、冷却用冷却水経路４００における燃料電池１００の下流側に合流している。温調用冷却水経路４０９には、温調用冷却水経路４０９に冷却水を圧送する第２ウォータポンプ４１１が設けられている。第２ウォータポンプ４１１は、図示しないモータにより所望の回転数に制御され、ヒータコア４１０に冷却水を循環させる。
【００３８】
温調用冷却水経路４０９には、ヒータコア４１０と冷却用冷却水経路４００とを分離して、冷却水をヒータコア４１０のみ循環させる温調用冷却水バイパス経路４１２が設けられている。温調用冷却水経路４０９と温調用冷却水バイパス経路４１２との分岐点には、ヒータコア４１０側に流れる冷却水の供給元を冷却用冷却水経路４００側あるいは温調用冷却水バイパス経路４１２側に切り替える温調用流路切替弁４１３が設けられている。温調用冷却水経路４０９におけるヒータコア４１０の下流側であって温調用冷却水バイパス経路４１２との分岐点との上流側には、後述の冷凍サイクルの水−冷媒熱交換器５０７が設けられている。
【００３９】
温調用流路切替弁４１３を温調用冷却水バイパス経路４１２側に切り替えた場合には、第２ウォータポンプ４１１を駆動することによって温調用冷却水経路４０９→ヒータコア４１０→温調用冷却水経路４０９→温調用冷却水バイパス経路４１２→温調用流路切替弁４１３→第２ウォータポンプ４１１の順に冷却水が流れる閉ループ回路を形成することができる。温調用流路切替弁４１３を冷却用冷却水経路４００側に切り替えた場合には、第２ウォータポンプ４１１を駆動しなくても、第１ウォータポンプ４０１を駆動することで、燃料電池１００を循環している冷却水の一部をヒータコア４１０や水−冷媒熱交換器５０７に供給することができる。第１ウォータポンプ４０１のみを駆動させた場合に温調用冷却水経路４０９での冷却水流量が少ない場合は、第１ウォータポンプ４０１と同時に第２ウォータポンプ４１１を駆動してもよい。
【００４０】
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５００が設けられている。冷媒循環経路５００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。
【００４１】
冷媒循環経路５００には、その経路内に、冷媒圧縮機５０１、冷媒−外気熱交換器５０２、アキュムレータ５０３、冷房用膨張弁５０４、蒸発器５０５等が設けられている。冷媒圧縮機５０１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。冷媒−外気熱交換器５０２は冷媒と外気とを熱交換する室外熱交換器であり、冷却系の冷却水用放熱器４０２と重なるように配置されている。アキュムレータ５０３は、気体状態の冷媒と液体状態の気体を分離し、気体状態の冷媒を冷媒圧縮機５０１に導入させる機能を有している。アキュムレータ５０３内部には余分な冷媒が貯蔵される。アキュムレータ５０３は、Ｕ字状配管の下部にオイル流入用の孔があいており、潤滑のためのオイルが冷媒圧縮機５０１に供給されるようになっている。
【００４２】
冷媒循環経路５００における蒸発器５０５の上流側には冷房用膨張弁５０４が設けられている。冷房用膨張弁５０４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。冷房用膨張弁５０４は機械式膨張弁であり、蒸発器５０５の出口冷媒温度に応じて冷媒流量を調整し、蒸発器５０５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。冷房用膨張弁５０４からの低圧冷媒は蒸発器５０５に流入する。蒸発器５０５に流入した低圧冷媒は空調ケース６００内の空気から吸熱して蒸発する。なお、冷房用膨張弁５０４が本発明の第３減圧弁に相当している。
【００４３】
冷媒循環経路５００には、冷凍サイクルの効率を向上させるための内部熱交換器５０６が設けられている。内部熱交換器５０６は、冷媒圧縮機５０１の上流側の低圧冷媒と冷媒−外気熱交換器５０２の下流側の高圧冷媒との熱交換を行って、蒸発器５０５の出入口間の冷媒エンタルピ差を増加させるように構成されている。内部熱交換器５０６は、冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）を向上させるため必要に応じて設ければよく、省略することもできる。
【００４４】
冷媒循環経路５００における冷媒圧縮機５０１と冷媒−外気熱交換器５０２の間には、水−冷媒熱交換器５０７が設けられている。水−冷媒熱交換器５０７は、冷却用冷却水経路４００内を流れる冷却水と冷媒循環経路５００内を流れる冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。冷媒循環経路５００における水−冷媒熱交換器５０７と冷媒−外気熱交換器５０２との間には、空気−冷媒熱交換器５０８が設けられている。空気−冷媒熱交換器５０８は、空気排出経路３０１内を流れる空気と、冷媒循環経路５００内を流れる冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。
【００４５】
冷媒循環経路５００における水−冷媒熱交換器５０７と冷媒−外気熱交換器５０２との間には、２つの膨張弁５０９、５１０が設けられている。上流側膨張弁５０９と下流側膨張弁５１０との間には、上述の空気−冷媒熱交換器５０８が設けられている。これらの膨張弁５０９、５１０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。冷凍サイクルで冷房を行う場合には、冷媒−外気熱交換器５０２に高温高圧の冷媒を流入させる必要があり、膨張弁５０９、５１０で減圧する必要がないので、膨張弁５０９、５１０を全開状態にする。なお、上流側膨張弁５０９が本発明の第１減圧弁に相当し、下流側膨張弁５１０が本発明の第２減圧弁に相当している。
【００４６】
冷媒循環経路５００には、蒸発器５０５をバイパスさせるためのバイパス経路５１１が設けられている。冷媒循環経路５００とバイパス経路５１１との分岐点には、冷媒の流路を蒸発器５０５側あるいはバイパス経路５１１側に切り替える冷媒流路切替弁５１２が設けられている。
【００４７】
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気が通過する空調ケース６００を備えている。空調ケース６００の上流部には送風ファン６０１が設けられており、送風ファン６０１は送風用モータ６０２により回転駆動される。空調ケース６００における送風ファン６０１の上流側には、空調ケース６００内に吸入される空気を内気（車室内空気）と外気（車室外空気）とに切り替える内外気切替ドア６０３が設けられている。
【００４８】
空調ケース６００内における送風ファン６０１の直後の部位に、冷凍サイクルの冷媒が循環する蒸発器５０５が配置されている。空調ケース６００内における蒸発器５０５の下流側には、冷却系の冷却水が循環するヒータコア４１０が設けられている。空調ケース６００内におけるヒータコア４１０が設けられている部位は、エアミックスドア６０４が設けられている。エアミックスドア６０４は、ヒータコア４１０を通過する空気量を調整することで空気の加熱量をコントロールするためのものであり、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。
【００４９】
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（ＥＣＵ）７００が設けられている。制御部７００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７００には、外気温センサ１０１、内気温センサ１０２、貯水量検出センサ３１５、温度センサ４０８等から検出信号が入力される。さらに制御部７００には、車室内の空調コントロールパネルに設けられた空調モード切替スイッチ（図示せず）からの信号も入力される。また、制御部７００は、演算結果に基づいて、水素供給弁２０２、水素排出弁２０３、空気供給装置３０２、調圧弁３０４、モータ３０７、空気流路切替弁３０９、ウォータポンプ４０１、４１１、モータ４０４、冷却水流路切替弁４０７、冷媒流路切替弁５１２、内外気切替ドア６０３、エアミックスドア６０４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７００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。
【００５０】
次に、本実施形態の空調制御を図２〜図８に基づいて説明する。図２、図３、図５、図７、図８のフローチャートは、制御部７００のＣＰＵがＲＯＭ等に記憶されたプログラムにしたがって行う処理を示している。図２は、空調モード切り替え処理の流れを示すフローチャートである。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、モードを演算により自動判定してもよい。
【００５１】
図２に示すように、モード切替スイッチからの信号を読み込み（Ｓ１００）、選択された空調モードが暖房モードであるか否か判定する（Ｓ２００）。この結果、選択された空調モードが暖房モードであると判定された場合には（Ｓ２００：ＹＥＳ）、暖房制御を行う（Ｓ３００）。一方、選択された空調モードが暖房モードでないと判定された場合には（Ｓ２００：ＮＯ）、選択された空調モードが冷房モードであるか否か判定する（Ｓ４００）。
【００５２】
この結果、選択された空調モードが冷房モードであると判定された場合には（Ｓ４００：ＹＥＳ）、冷房制御を行う（Ｓ５００）。一方、選択された空調モードが冷房モードでないと判定された場合には（Ｓ４００：ＮＯ）、選択された空調モードが除湿モードであるか否か判定する（Ｓ６００）。
【００５３】
この結果、選択された空調モードが除湿モードであると判定された場合には（Ｓ６００：ＹＥＳ）、除湿制御を行う（Ｓ７００）。一方、選択された空調モードが除湿モードでないと判定された場合には（Ｓ６００：ＮＯ）、空調オフ制御を行う（Ｓ８００）。
【００５４】
〔暖房モード〕
次に、暖房モード時の空調制御について説明する。図３は、暖房モード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。図４は、暖房制御時の冷凍サイクルのモリエル線図である。
【００５５】
図３に示すように、まず、温度センサ４０８で燃料電池１００出口の冷却水温度Ｔｗを検出する（Ｓ３０１）。次に、冷却水温度Ｔｗが第１所定水温Ｔ１を上回っているか否かを判定する（Ｓ３０２）。第１所定水温Ｔ１は、冷却水温度Ｔｗが車室内の暖房に利用可能な温度であるか判定を行うための基準値であり、冷却水のみを用いて車室内の暖房を行った場合に暖房感が得られる水温として設定される。第１所定水温は、例えば６０℃以上に設定することができる。
【００５６】
Ｓ３０２の判定処理の結果、冷却水温度Ｔｗが第１所定水温Ｔ１を上回っていると判定された場合には（Ｓ３０２：ＹＥＳ）、冷却水のみで暖房可能と判断できる。このため、温調用流路切替弁４１３により冷却用冷却水経路４００と温調用冷却水経路４０９とを接続し、燃料電池１００により加熱された冷却水をヒータコア４１０に流入させる（Ｓ３０３）。これにより、冷却用冷却水経路４００の冷却水がヒータコア４１０に流入することになる。上述のように、燃料電池１００の発電中は、第１ウォータポンプ４０１が駆動されているため、第１ウォータポンプ４０１によって送られた冷却水が温調用冷却水経路４０９側にも流入する。第１ウォータポンプ４０１のみでは冷却水流量が不足する場合に第２ウォータポンプ４１１を駆動すればよい。
【００５７】
さらに、送風用モータ６０２を駆動するとともに、エアミックスドア６０４の開度を目標空調温度に応じて制御し、ヒータコア４１０を通過する空調用空気の割合を調整する（Ｓ３０４）。ヒータコア４１０に空調用空気が通過することで、冷却水の熱がヒータコア４１０により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、車室内の暖房を行うことができる。
【００５８】
ヒータコア４１０にて放熱した冷却水は、温調用冷却水経路４０９を通って、冷却用冷却水経路４００に戻る。このような作動を行うことで、燃料電池１００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。
【００５９】
次に、貯水量検出センサ３１５で貯水タンク３１４の貯水量Ｖｗを検出し（Ｓ３０５）、貯水量Ｖｗが所定貯水量Ｖ１を上回っているか否かを判定する（Ｓ３０６）。所定貯水量Ｖ１は、例えば燃料電池１００の発電のために最低限確保しておく必要がある水量として設定される。
【００６０】
Ｓ３０６の判定処理の結果、貯水量Ｖｗが所定貯水量Ｖ１を上回っていると判定された場合には（Ｓ３０６：ＹＥＳ）、貯水量Ｖｗに余裕があると判断できる。このため、空気排出経路３０１内の空気が外部に排出された際に発生する結露量Ｚｓを検出し（Ｓ３０７）、結露量Ｚｓが所定結露量Ｚ１よりも大きいか判定する（Ｓ３０８）。結露量Ｚｓは、結露検出センサ３１６で検出した露点と外気温センサ１０１で検出した外気温とに基づいて求めることができる。所定結露量Ｚ１は、例えば排出空気中の水分が結露して白霧が発生した場合に走行に影響を及ぼすかどうかの閾値として設定してもよい。
【００６１】
Ｓ３０８の判定処理の結果、結露量Ｚｓが所定結露量Ｚ１よりも大きいと判定された場合には（Ｓ３０８：ＹＥＳ）、空気流路切替弁３０９を熱交換器３０５側に切り替え、ファン３０６を回転駆動させて、熱交換器３０５に送風する（Ｓ３０９）。これにより、燃料電池１００の排出空気が熱交換器３０５で冷却され、排出空気に含まれる水蒸気の一部を凝縮させることができ、車外で排出空気中の水分が結露して白霧が発生することを防止できる。
【００６２】
一方、結露量Ｚｓが所定結露量Ｚ１よりも大きくないと判定された場合には（Ｓ３０８：ＮＯ）、空気流路切替弁３０９を放熱器バイパス経路３０８側に切り替える（Ｓ３１０）。これにより、燃料電池１００の排出空気が熱交換器３０５で冷却されないまま、車外に放出される。
【００６３】
上記Ｓ３０６の判定処理の結果、貯水量Ｖｗが所定貯水量Ｖ１を上回っていないと判定された場合には（Ｓ３０６：ＮＯ）、貯水量Ｖｗに余裕がないと判断できる。このため、空気流路切替弁３０９を熱交換器３０５側に切り替え、ファン３０６を回転駆動させて、熱交換器３０５に送風する（Ｓ３０９）。これにより、燃料電池１００の排出空気に含まれる水蒸気の一部を凝縮させ、貯水タンク３１４の貯水量を増大させることができる。
【００６４】
上記Ｓ３０２の判定処理の結果、冷却水温度Ｔｗが第１所定水温Ｔ１を上回っていないと判定された場合には（Ｓ３０２：ＮＯ）、冷凍サイクル（ヒートポンプ）による暖房が必要と判断できる。このため、温調用流路切替弁４１３により温調用冷却水バイパス経路４１２と温調用冷却水経路４０９とを接続し、温調用冷却水経路４０９のみを循環する冷却水をヒータコア４１０に流入させる（Ｓ３１１）。さらに、送風用モータ６０２を駆動するとともに、エアミックスドア６０４の開度を目標空調温度に応じて制御し、ヒータコア４１０を通過する空調用空気の割合を調整する（Ｓ３１２）。
【００６５】
次に、膨張弁５０９、５１０の制御を開始し、冷媒流路切替弁５１２をバイパス経路５１１側に切り替え、冷媒圧縮機５０１を駆動させ、冷凍サイクルを暖房用に作動させる（Ｓ３１３）。
【００６６】
ここで冷凍サイクルを暖房用に用いた場合の冷凍サイクルの作動を、図４のモリエル線図を用いて説明する。冷媒圧縮機５０１にて吐出された高温高圧の冷媒は、水−冷媒熱交換器５０７に入り、その熱を温調用冷却水経路４０９内の冷却水側に伝熱する。高温の冷媒により加熱された冷却水は、温調用冷却水経路４０９→温調用冷却水バイパス経路４１２→温調用流路切替弁４１３→温調用冷却水経路４０９→ヒータコア４１０の順に流れ、ヒータコア４１０で空調用空気に伝熱する。ヒータコア４１０で昇温された空調用空気は車室内に供給され、暖房に用いられる。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。
【００６７】
次に上流側膨張弁５０９の開度を制御して、冷媒温度が第１所定温度以上となるように冷媒圧力を制御する。第１所定温度は、空気−冷媒熱交換器５０８で冷媒循環経路５００内の冷媒と空気排出経路３０１内の空気との間で熱交換した際に、空気排出経路３０１内の空気中に含まれる水分が凍結しない温度であればよい。本実施形態では、第１所定温度を０℃としている。冷媒圧力は、冷媒が０℃以上となる範囲内で、空気−冷媒熱交換器５０８での吸熱量に応じて変化させても良い。上流側膨張弁５０９で減圧された冷媒（図４では気液二層流）は空気−冷媒熱交換器５０８に入り、燃料電池１００の排出空気の熱を潜熱として吸収する。一方、空気排出経路３０１内を流れる空気は、冷媒により冷却されて降温する。
【００６８】
冷凍サイクルによる暖房を行う場合には、冷媒が冷媒−外気熱交換器５０２で外気の熱を吸収する必要がある。このため、下流側膨張弁５１０の開度を制御して、冷媒温度が第２所定温度以下となるように冷媒圧力を制御する。本実施形態では、第２所定温度を外気温センサ１０１にて検出した外気温としている。図４のモリエル線図では、外気温が−３０℃の例を示しており、下流側膨張弁５１０では、−３０℃以下の冷媒温度になるように冷媒を減圧している。そして、冷媒−外気熱交換器５０２に入り、−３０℃の外気から熱を吸収し、バイパス経路５１１を通って、アキュムレータ５０３に入り内部熱交換器５０６を通過して冷媒圧縮機５０１に戻ることで冷凍サイクルが形成されている。なお、内部熱交換器５０６では、冷媒−外気熱交換器５０２通過後の高圧冷媒が流れていないので、熱交換は行われない。
【００６９】
次に、貯水量検出センサ３１５で貯水タンク３１４の貯水量Ｖｗを検出し（Ｓ３１４）、貯水量Ｖｗが所定貯水量Ｖ１を上回っているか否かを判定する（Ｓ３１５）。この結果、貯水量Ｖｗが所定貯水量Ｖ１を上回っていないと判定された場合には（Ｓ３１５：ＮＯ）、空気流路切替弁３０９を熱交換器３０５側に切り替え、ファン３０６を回転駆動させて、熱交換器３０５に送風する（Ｓ３１６）。これにより、燃料電池１００の排出空気に含まれる水蒸気の一部を凝縮させることができ、貯水タンク３１４の貯水量を増大させることができる。
【００７０】
一方、貯水量Ｖｗが所定貯水量Ｖ１を上回っていると判定された場合には（Ｓ３１５：ＹＥＳ）、空気流路切替弁３０９を放熱器バイパス経路３０８側に切り替える（Ｓ３１７）。これにより、燃料電池１００の排出空気が熱交換器３０５で冷却されることなく空気−冷媒熱交換器５０８に流入し、排出空気の廃熱により冷媒を加熱することができる。
【００７１】
以上の暖房制御を行うことで、燃料電池１００の排出空気に含まれる廃熱（顕熱および水蒸気凝縮による潜熱を含む）を冷凍サイクルの冷媒で回収しつつ車室内の暖房を行うことができる。さらに、空気−冷媒熱交換器５０８の上流側と下流側で二段階の減圧を行い、一段目の減圧では冷媒が０℃以上となるように冷媒圧力を調整することで、空気−冷媒熱交換器５０８で熱交換を行った際に、空気排出経路３０１内の排出空気に含まれる水分が凍結することを防止できる。これにより、燃料電池１００の排出空気に含まれる水分が配管内で凍結することによる不具合を回避できる。
【００７２】
また、冷却水に含まれる燃料電池１００の廃熱を車室内の暖房に直接利用できるときは、冷媒圧縮機５０１を駆動しないので車両効率を向上させることができる。さらに、必要に応じて排出空気を冷却することで、排出空気に含まれる水蒸気が車外で白霧となることを防止できる。これにより、視界が悪化して安全性が低下することを回避できる。冷凍サイクルによる暖房を行う場合には、空気−冷媒熱交換器５０８で空気が冷却されるので、空気中に含まれる水分を凝縮させることができ、排出空気に含まれる水蒸気が車外で白霧となることを防止できる。
【００７３】
また、貯水タンク３１４の貯水量も監視しているので、例えば燃料電池１００の加湿用の水が不足して、燃料電池１００の発電ができなくなることを回避できる。なお、本実施形態では、燃料電池１００の加湿を加湿装置３０３で行っているが、液体の水を用いて直接燃料電池１００内部に投入して、加湿と冷却を行う場合もあり、この場合貯水タンク３１４の貯水量の管理はさらに重要になる。
【００７４】
〔冷房モード〕
次に、冷却モード時の空調制御について説明する。図５は、冷房モード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。図６は、冷房制御時の冷凍サイクルのモリエル線図である。
【００７５】
図５に示すように、まず、温度センサ４０８で燃料電池１００出口の冷却水温度Ｔｗを検出する（Ｓ５０１）。次に、冷却水温度Ｔｗが第２所定水温Ｔ２を下回っているか否かを判定する（Ｓ５０２）。第２所定水温Ｔ２は、冷却水側に冷凍サイクルの熱を捨てることができるか判定を行うための基準値であり、冷却系の許容冷却水温度より低い値に設定される。第２所定水温は、例えば７５℃以下に設定することができる。
【００７６】
Ｓ５０２の判定処理の結果、冷却水温度Ｔｗが第２所定水温Ｔ２を下回っていると判定された場合には（Ｓ５０２：ＹＥＳ）、冷凍サイクルの熱を冷却水側に放熱可能と判断できる。このため、温調用流路切替弁４１３により冷却用冷却水経路４００と温調用冷却水経路４０９とを接続し、燃料電池１００により加熱された冷却水をヒータコア４１０に流入させる（Ｓ５０３）。これにより、冷却用冷却水経路４００の冷却水がヒータコア４１０に流入することになる。必要に応じて第２ウォータポンプ４１１を駆動する。
【００７７】
一方、Ｓ５０２の判定処理の結果、冷却水温度Ｔｗが第２所定水温Ｔ２を下回っていないと判定された場合には（Ｓ５０２：ＮＯ）、冷凍サイクルの熱を冷却水側に放熱不可能と判断できる。このため、流路切替弁４１３により温調用冷却水経路４０９とバイパス経路４１２とを接続する（Ｓ５０４）。このとき冷却用冷却水経路４００は、温調用冷却水経路４０９およびバイパス経路４１２とは接続していない。これにより、水−冷媒熱交換器５０７を燃料電池１００の冷却回路から切り離すことができるので、冷凍サイクルの熱が燃料電池１００の冷却回路に浸入して冷却水温度が上昇することを防止でき、燃料電池１００の冷却性能の悪化を防ぐことができる。
【００７８】
次に、送風用モータ６０２を駆動するとともに、エアミックスドア６０４の開度を目標空調温度に応じて制御し、ヒータコア４１０を通過する空調用空気の割合を調整する（Ｓ５０５）。
【００７９】
次に、膨張弁５０９、５１０を全開とし、冷媒流路切替弁５１２を蒸発器５０５側に切り替え、冷媒圧縮機５０１を駆動させ、冷凍サイクルを冷房用に作動させる（Ｓ５０６）。そして、空気流路切替弁３０９を熱交換器３０５側に切り替えファン３０７を駆動し、空気排出経路３０１を流れる排出空気の温度を低下させる（Ｓ５０７）。
【００８０】
ここで冷凍サイクルを冷房用に用いた場合の冷凍サイクルの作動を、図６のモリエル線図を用いて説明する。冷媒圧縮機５０１にて吐出された高温高圧の冷媒は、水−冷却水熱交換器５０７に入り、その熱を冷却水側に放熱する。次に、冷媒は空気−冷媒熱交換器５０８で排気空気に放熱し、冷媒−外気熱交換器５０２で外気に熱を放熱する。その後に、内部熱交換器５０６を通過し、冷房用膨張弁５０４にて減圧されて低温低圧冷媒（０℃程度）となり、蒸発器５０５で空調用空気を冷却する。空調用空気は必要に応じてヒータコア４１０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。
【００８１】
以上のように、水−冷媒熱交換器５０７を用いて冷媒の熱を冷却水側に放熱できるので、水−冷媒熱交換器５０７で放熱しない場合に比べて、サイクル効率（ＣＯＰ）を向上させることができる。さらに、空気−冷媒熱交換器５０８を用いて冷媒の熱を空気に放熱することによっても、サイクル効率を向上させることができる。また、サイクル効率だけでなく、冷房能力もアップできるので、急速に車室内を冷房することが可能となる。
【００８２】
また、Ｓ５０７で空気排出経路３０１の排出空気温度を低下させることで、空気−冷媒熱交換器５０８における冷媒から排出空気への伝熱量を増加でき、サイクル効率を向上させることができる。なお、冷房制御時において、上記暖房制御と同様、貯水タンク３１４の貯水量を確保する制御と排出空気中の水分が結露して車外で白霧が発生することを防止する制御（Ｓ３０５〜Ｓ３１０）を行ってもよい。
【００８３】
〔除湿モード〕
次に、除湿モード時の空調制御について説明する。図７は、除湿モード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。
【００８４】
図７に示すように、まず、温度センサ４０８で燃料電池１００出口の冷却水温度Ｔｗを検出する（Ｓ７０１）。次に、冷却水温度Ｔｗが第３所定水温Ｔ３を上回っているか否かを判定する（Ｓ７０２）。第３所定水温Ｔ３は、冷却水の熱が蒸発器５０５で冷却された空調用空気を再加熱するための熱源として利用可能かどうか判定を行うための基準値であり、再加熱可能な最低温度として設定される。第３所定水温は、例えば３０℃に設定することができる。
【００８５】
Ｓ７０２の判定処理の結果、冷却水温度Ｔｗが第３所定水温Ｔ３を上回っていると判定された場合には（Ｓ７０２：ＹＥＳ）、冷却水の熱で空調用空気を再加熱可能と判断できる。このため、温調用流路切替弁４１３により冷却用冷却水経路４００と温調用冷却水経路４０９とを接続し、燃料電池１００により加熱された冷却水をヒータコア４１０に流入させる（Ｓ７０３）。これにより、冷却用冷却水経路４００の冷却水がヒータコア４１０に流入することになる。必要に応じて第２ウォータポンプ４１１を駆動する。
【００８６】
一方、Ｓ７０２の判定処理の結果、冷却水温度Ｔｗが第３所定水温Ｔ３を上回っていないと判定された場合には（Ｓ７０２：ＮＯ）、冷却水の熱だけでは空調用空気を再加熱するための熱が不足すると判断できる。このため、流路切替弁４１３により温調用冷却水経路４０９とバイパス経路４１２とを接続し、第２ウォータポンプ４１１を駆動する（Ｓ７０４）。これにより、温調用冷却水経路４０９と温調用冷却水バイパス経路４１２のみを冷却水が流れる閉ループ回路が形成され、水−冷媒熱交換器５０７を介して再加熱用の熱を冷凍サイクルから確保することができる。
【００８７】
次に、送風用モータ６０２を駆動するとともに、エアミックスドア６０４の開度を空調用空気の再加熱温度に応じて制御し、ヒータコア４１０を通過する空調用空気の割合を調整する（Ｓ７０５）。ヒータコア４１０に空調用空気が通過することで、冷却水の熱がヒータコア４１０により空調用空気に伝熱され空調用空気が加熱される。
【００８８】
次に、膨張弁５０９、５１０を全開とし、冷媒流路切替弁５１２を蒸発器５０５側に切り替え、冷媒圧縮機５０１を駆動させ、冷凍サイクルを除湿用に作動させる（Ｓ７０６）。冷凍サイクルを除湿用に用いた場合の冷凍サイクルの作動は、上記Ｓ５０５で説明した冷凍サイクルを冷房用として作動させた場合と同様である。
【００８９】
空調用空気は蒸発器５０５で冷却されることで、水蒸気が凝縮除去され、その温度と同等の露点となる。さらに、空調用空気はヒータコア４１０において再加熱され、除湿温調された空気が車室内に供給されることになる。
【００９０】
次に、Ｓ７０７〜Ｓ７１２の貯水タンク３１４の貯水量を確保する制御と排出空気中の水分が結露して車外で白霧が発生することを防止する制御を行う。これらの制御は、上記Ｓ３０５〜Ｓ３１０の制御と同様であるので説明を省略する。
【００９１】
〔空調オフモード〕
次に、空調オフモード時の空調制御について説明する。図８は、空調オフモード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。
【００９２】
図８に示すように、Ｓ８０１〜Ｓ８０６の貯水タンク３１４の貯水量を確保する制御と排出空気中の水分が結露して車外で白霧が発生することを防止する制御を行う。これらの制御は、上記Ｓ３０５〜Ｓ３１０の制御と同様であるので説明を省略する。これにより、冷凍サイクルを用いた空調を行わない空調オフモードの場合にも、貯水量を確保しつつ、排気空気のスモークを防止することができる。
【００９３】
（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。
【００９４】
図９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９に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、空気用放熱器３０５が空気排出経路３０１における空気−冷媒熱交換器５０８より下流側に設けられている。また、気液分離器３１０が空気排出経路３０１における空気−冷媒熱交換器５０８と空気用放熱器３０５の間に設けられている。さらに、空気排出経路３０１には、空気−冷媒熱交換器５０８をバイパスする冷媒熱交換器バイパス経路３１７が設けられている。冷媒熱交換器バイパス経路３１７は、空気排出経路３０１における空気−冷媒熱交換器５０８の上流側と下流側を接続している。空気排出経路３０１における冷媒熱交換器バイパス経路３１７の上流側分岐点には、空気流路を空気−冷媒熱交換器５０８側または冷媒熱交換器バイパス経路３１７側に切り替える流路切替弁３１８が設けられている。なお、冷媒熱交換器バイパス経路３１７が本発明の第２バイパス経路に相当している。
【００９５】
以上の構成によっても上記第１実施形態と同様の構成を得ることができる。また、空気−冷媒熱交換器５０８をバイパスできる冷媒熱交換器バイパス経路３１７を設けることで、冷凍サイクルを暖房用に作動させ、上流側膨張弁５０９における減圧後の冷媒温度が０℃以下になった場合にも、空気排出経路３０１を流れる排出空気は空気−冷媒熱交換器５０８をバイパスできる。これにより、排出空気に含まれる水分が空気−冷媒熱交換器５０８で凍結した場合でも、燃料電池１００の発電を継続させることができる。
【００９６】
また、本実施形態のように空気用放熱器３０５を空気−冷媒熱交換器５０８の下流に配置した場合には、冷房制御時に空気−冷媒熱交換器５０８で冷凍サイクルの冷媒の熱により排出空気が加熱され、排出空気に含まれる水を充分に回収できない場合がある。このような場合には、冷媒熱交換器バイパス経路３１７により空気排出経路３０１を流れる排出空気が空気−冷媒熱交換器５０８をバイパスさせればよい。
【００９７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３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。
【００９８】
図１０は、本第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１０に示すように、本実施形態では、水−冷媒熱交換器５０７が設けられておらず、温調用熱交換器５１２が設けられている。温調用熱交換器５１２は、空調ケース６００内に設けられている。温調用熱交換器５１２は、温調用冷媒経路５１３を介して圧縮機５０１から吐出された高温高圧冷媒が流入し、高温冷媒により空調用空気を昇温するように構成されている。昇温された空調用空気は車室内に供給され、車室内を暖房することができる。
【００９９】
温調用冷媒経路５１３は、冷媒循環経路５００における圧縮機５０１の下流側で分岐して再合流している。冷媒循環経路５００における温調用冷媒経路５１３の分岐点には、冷媒の流路を冷媒循環経路５００側あるいは温調用熱交換器５１２側に切り替える流路切替弁５１４が設けられている。
【０１００】
以上のような構成によれば、ヒータコア４１０に供給される冷却水を介することなく、冷凍サイクルの冷媒の熱を車室内の暖房に直接利用することができる。
【０１０１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４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。
【０１０２】
図１０は、本第４実施形態の結露検出センサ３１６の構成を示す概念図である。結露検出センサ３１６は、空気排出経路３０１から排出される排出空気が通過する配管３１６ａを備えている。配管３１６ａは、外周面にフィン３１６ｂが設けられている。配管３１６ａの内部には、伝熱部材３１６ｃ、鏡面３１６ｄ、発光部３１６ｅ、受光部３１６ｆが設けられている。伝熱部材３１６ｃ、鏡面３１６ｄ、発光部３１６ｅ、受光部３１６ｆは、配管３１６ａの内壁上側に設けられている。
【０１０３】
フィン３１６ｂと伝熱部材３１６ｃにより、鏡面３１６ｄは外気とほぼ同一温度となっている。発光部３１６ｅは例えば赤外線を発光するように構成され、受光部３１６ｆで鏡面で反射した赤外線を受光するように構成されている。
【０１０４】
このような構成により、鏡面３１６ｄを外気温と同じ温度にすることができるので、排出空気が車外に放出されたときに結露して白霧になるかどうか判定できる。一般的な露点計は、鏡面を温調して鏡面の温度を検出するため複雑な構成となっているが、本実施形態の結露検出センサ３１６の構成によれば、簡易な構成で排出空気が外気に放出された際に排出空気に含まれる水分が結露するかどうか判定できる。
【０１０５】
また、伝熱部材３１６ｃ、鏡面３１６ｄ、発光部３１６ｅ、受光部３１６ｆを配管３１６ａの内壁上側に設けることで、配管３１６ａの内壁に水滴が付着した場合にも、水滴による誤検知を防ぐことができる。
【０１０６】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、空気用放熱器３０５と空気−冷媒熱交換器５０８のそれぞれの下流側に気液分離器３１０、３１１を設けたが、気液分離器３１０、３１１を省略し、空気用放熱器３０５と空気−冷媒熱交換器５０８のそれぞれに気液分離機能を持たせるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【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】空調モード切り替え処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】暖房モード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】暖房制御時の冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図５】冷房モード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】冷房制御時の冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図７】除湿モード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。
【図８】空調オフモード時の空調制御の流れを示すフローチャートである。
【図９】第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１０】第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１１】第４実施形態の結露検出センサ３１６の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１００…燃料電池、１０１…外気温センサ、１０２…内気温センサ、３００…空気供給経路、３０１…空気排出経路、３０２…空気供給装置、３０３…加湿装置、３０５…空気用放熱器、３０８…放熱器バイパス経路、３１４…貯水タンク、３１６…結露検出センサ、３１７…冷媒熱交換器バイパス経路、４００…冷却用冷却水経路、４０１…第１ウォータポンプ、４０２…冷却水用放熱器、４０９…温調用冷却水経路、４１０…ヒータコア、４１１…第２ウォータポンプ、４１２…温調用冷却水バイパス経路、５００…冷媒循環経路、５０１…冷媒圧縮機、５０２…冷媒−外気熱交換器、５０３…アキュムレータ、５０４…冷房用膨張弁、５０５…蒸発器、５０６…内部熱交換器、５０７…水−冷媒熱交換器、５０８…空気−冷媒熱交換器、５０９…上流側膨張弁、５１０…下流側膨張弁、５１１…冷媒バイパス経路、５１２…冷媒流路切替弁、６００…空調ケース、６０１…送風ファン、６０２…送風用モータ、６０３…内外気切替ドア、７００…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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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