(57)【要約】【課題】ヒートポンプを用いて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、暖房時のヒートポンプの効率向上を図る。【解決手段】燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路１３と、酸化剤ガス供給経路１３に設けられ、酸化剤ガスを燃料電池１０に圧送する酸化剤ガス供給装置１５と、冷媒を圧縮する圧縮機４１と、圧縮機４１から吐出される冷媒と、空調用空気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、前記酸化剤ガス供給装置１５から吐出され、燃料電池１０に供給される前の酸化剤ガスと、空調用空気とを熱交換させる第３熱交換器３３とを備え、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するとともに、酸化剤ガス供給装置１５から吐出される酸化剤ガスが第３熱交換器３３で空調用空気を加熱する。【選択図】図１
2008262852.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、
前記燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路（１３）と、
前記酸化剤ガス供給経路（１３）に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池（１０）に圧送する酸化剤ガス供給装置（１５）と、
冷媒を圧縮する圧縮機（４１）と、
前記圧縮機（４１）から吐出される冷媒と、空調用空気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、
前記酸化剤ガス供給装置（１５）から吐出され、前記燃料電池（１０）に供給される前の前記酸化剤ガスと、空調用空気とを熱交換させる第３熱交換器（３３）とを備え、
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するとともに、前記酸化剤ガス供給装置（１５）から吐出される前記酸化剤ガスが、前記第３熱交換器（３３）で空調用空気を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１熱交換器（３４）は、前記第３熱交換器（３３）の空調用空気流れ下流側に配置されており、前記第３熱交換器（３３）を通過した空調用空気が前記第１熱交換器（３４）を通過す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。
【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、燃料電池を走行用駆動源とする燃料電池車両では、空調用ヒートポンプを構成する圧縮機から吐出された高温冷媒により、燃料電池の冷却水を昇温させ、高温となった冷却水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（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池の廃熱を利用して車室内を暖房す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。
【特許文献１】特開２００５−３０６３００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に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の始動時や燃料電池の負荷が小さい場合に、冷却水温度が低い状態となり充分な暖房能力が得られないことがある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑み、ヒートポンプを用いて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、暖房時の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、本発明では、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（１０）と、燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路（１３）と、酸化剤ガス供給経路（１３）に設けられ、酸化剤ガスを燃料電池（１０）に圧送する酸化剤ガス供給装置（１５）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、空調用空気と酸化剤ガス供給装置（１５）から吐出され、燃料電池（１０）に供給される前の酸化剤ガスとを熱交換させる第３熱交換器（３３）とを備え、空調用空気による暖房が行われる暖房運転時には、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するとともに、酸化剤ガス供給装置（１５）から吐出される酸化剤ガスが、第３熱交換器（３３）で空調用空気を加熱することを特徴とする。
【０００６】
これにより、暖房時には、酸化剤ガス供給装置（１５）で断熱圧縮され高温となった酸化剤ガスの熱、および圧縮機（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。さらに、これまで廃棄されていた酸化剤ガス供給装置（１５）で断熱圧縮され高温となった酸化剤ガスの熱を有効利用して、空調用空気を加熱することで、圧縮機（４１）の負荷を低減することができ、暖房時のシステム効率を向上させることができる。
【０００７】
通常、圧縮機（４１）により圧縮され高温となった冷媒の温度は、酸化剤ガス供給装置（１５）により加圧され高温になった酸化剤ガスの温度よりも高温となる。そのため、空調用空気流れ上流側から第３熱交換器（３３）、第１熱交換器（３４）の順に配置し、第３熱交換器（３３）を通過した空調用空気が第１熱交換器（３４）を通過するように構成することで、空調用空気の加熱を効率よく行なうことができる。
【０００８】
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】
【０００９】
以下、本発明の一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１０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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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（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１５が設けられている。空気供給装置１５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。なお、空気供給経路１３が、本発明の酸化剤ガス供給経路に相当し、空気供給装置１５が、本発明の酸化剤ガス供給装置に相当している。
【００１４】
空気供給経路１３における空気供給装置１５の下流側には、後述する第１加熱用室内器３３が設けられている。第１加熱用室内器３３は、空気供給装置１５により断熱圧縮された空気の熱と後述する空調装置の空調ケース３０内を流れる空調用空気とを熱交換するための熱交換器である。そのため、空気は、空気供給装置１５により圧縮され、第１加熱用室内器３３を介して燃料電池１０に供給される。
【００１５】
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２熱交換器に相当し、第１加熱用室内器３３が本発明の第３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。
【００１６】
これらの機器は、空調用空気流れ上流側から送風機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、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の空気供給経路１３に設けられており、空気供給装置１５により加圧され高温になった空気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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、冷房用減圧器４４、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、冷房時には冷媒を凝縮液化させ、暖房時には冷媒を気化させるように構成されている。冷媒循環経路４０には、室外器４２の上流側に暖房用減圧器４３が設けられている。
【００２０】
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。また、暖房用減圧器４３は、暖房時には室外器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。なお、冷房時には暖房用減圧器４３の開度を全開状態にすることで、室外器４２に高温高圧の冷媒を流入させている。
【００２１】
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４４が設けられている。冷房用減圧器４４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４４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４４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。
【００２２】
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４５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４５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４５との分岐点と冷房用減圧器４４との間に第１冷媒流路切替弁４６が設けられ、冷媒バイパス経路４５に第２冷媒流路切替弁４７が設けられている。暖房時には、第２冷媒流路切替弁４７を開放し、第１冷媒流路切替弁４６を閉鎖して、冷媒が冷媒バイパス経路４５を流れるようにし、冷房時には、第２冷媒流路切替弁４７を閉鎖し、第１冷媒流路切替弁４６を開放して、冷媒が冷却用室内器３２を流れるようにする。
【００２３】
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空気供給装置１５、送風機３１、エアミックスドア３５、圧縮機４１、暖房用減圧器４３、冷房用減圧器４４、冷媒流路切替弁４６、４７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。
【００２４】
次に、暖房時における燃料電池システムの作動を図３に基づいて説明する。図３は暖房時における冷凍サイクルの冷媒の流れを示している。
【００２５】
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、空気供給装置１５で断熱圧縮された空気が第２加熱用室内器３４に循環しているものとする。
【００２６】
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。
【００２７】
空調用空気が第１加熱用熱交換器３３を通過することで、空気供給装置で断熱圧縮された高圧かつ高温の空気の熱が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、空気供給装置１５で断熱圧縮された空気の熱を有効利用して、車室内の暖房を行うことができる。ここで、燃料電池１０の始動時等のように燃料電池１０の負荷が高い場合は、燃料電池１０の発電量を大きくする必要があり、空気供給装置１５からの空気の供給量は増大する。このとき、空気供給装置１５から供給される空気は、燃料電池１０内での圧損等によって、より高圧かつ高温の状態になる。
【００２８】
このように、空気供給装置１５で断熱圧縮された空気は、燃料電池１０の運転開始直後から直ちに高温になる。このため、空気供給装置１５で断熱圧縮された空気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なうことができる。
【００２９】
第１加熱用熱交換器３３にて放熱された空気は、燃料電池１０に供給される。このような作動を行うことで、これまで廃棄されていた空気供給装置１５で断熱圧縮された空気の熱を、暖房に用いて有効利用す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。
【００３０】
また、暖房時には、第２冷媒流路切替弁４７を開放し、第１冷媒流路切替弁４６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４５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。
【００３１】
このように、圧縮機４１にて圧縮された冷媒は、燃料電池１０の運転開始直後から直ちに高温になる。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。
【００３２】
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。
【００３３】
室外器４２で昇温した冷媒は、冷媒バイパス経路４５を介して圧縮機４１に循環する。
【００３４】
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、空気供給装置１５で断熱圧縮され高温となった空気の熱、および圧縮機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。
【００３５】
また、これまで廃棄されていた空気供給装置１５で断熱圧縮され高温となった空気の熱を有効利用して、空調用空気を加熱することで、冷凍サイクルの冷媒を用いた空調空気の加熱量を低減することができる。そのため、冷凍サイクル内の圧縮機４１の動力を低減することができ、暖房時のヒートポンプの効率向上を図ることができる。
【００３６】
また、圧縮機４１により圧縮され高温となった冷媒の温度は、空気供給装置１５により加圧され高温になった空気の温度よりも高温となるため、空調用空気流れ上流側から第１加熱用室内器３３、第２加熱用室内器３４の順に配置することで、空調用空気の加熱を効率よく行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る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】暖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。
【符号の説明】
【００３８】
１０…燃料電池、１３…空気供給経路、１５…空気供給装置、３０…空調ケース、３３…第１加熱用室内器（第３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）、４５…冷媒バイパス経路、４６、４７…冷媒流路切替弁、１００…制御部。
【図１】
2008262852.tif 000003
【図２】
2008262852.tif 000004
【図３】
2008262852.tif 000005