(57)【要約】【課題】空気調和対象の空気からの除湿と、燃料電池スタックに供給する空気の加湿とをエネルギー消費を伴うことなく行い、燃料電池車両のエネルギー効率を高める。【解決手段】車室内空調系１０の空気を湿潤ガス入口１４ａへ供給し、スタック吸気系２０のエアコンプレッサ２１で圧縮した空気を非加湿ガス入口１４ｂへ供給する。水蒸気交換装置１４は、水蒸気分圧の高い空調系の空気から水蒸気分圧の低いスタック吸気系の空気へ水蒸気を選択的に透過させる。水蒸気交換装置１４で除湿された空気は、湿潤ガス出口１４ｂからエアミックスドア１６へ流れる。水蒸気交換装置１４で加湿された圧縮空気は、非加湿ガス出口１４ｄからアフタークーラ２２へ送られる。アフタークーラ２２で冷却され、加湿器２３で不足分の加湿が行われた空気は、燃料電池スタック２４へ供給される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた車両の車室内除湿構造であって、
２つのガス系間で水蒸気の交換を行う水蒸気交換装置を備え、
該水蒸気交換装置が水蒸気を交換する一方のガス系を空気調和対象の空気とするとともに、他方のガス系を前記燃料電池に供給する空気としたことを特徴とする車室内除湿構造。
【請求項２】
前記水蒸気交換装置は、２つのガス系におけるそれらの水蒸気分圧差を主たる駆動力として、一方のガス系から他方のガス系へ水蒸気を選択的に透過させることを特徴とする請求項１記載の車室内除湿構造。
【請求項３】
前記燃料電池へ供給する空気は、燃料電池の吸気系におけるエアコンプレッサとアフタークーラとの間から導出されたバイパス経路によって前記水蒸気交換装置へ他方のガス系として導入されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車室内除湿構造。
【請求項４】
車室内空気調和系におけるブロアファンモータと蒸発器の間に、前記水蒸気交換装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の車室内除湿構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を備えた車両における車室内除湿構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。
【０００３】
すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
燃料電池車両の空気調和に関する従来の技術としては、燃料電池車両と同様に電動機を駆動源とする電気自動車等を想定した車両用ヒートポンプ式冷暖房装置として、特許文献１記載の技術がある。
【０００５】
この冷暖房装置の空気通路は、内気と外気とを切り換えるインテークドアの下流に、ブロアファン、エバポレータ（蒸発器）、エアミックスドアを順次配置し、エアミックスドア後段の温風通路側にサブコンデンサと補助ヒータとを備えている。
【０００６】
また、この冷暖房装置の冷媒回路は、冷媒コンプレッサの吐出側に、メインコンデンサとそのバイパス経路とを切り換えることにより冷房運転と暖房運転とを切り換える三方弁を備えている。冷房時には、コンプレッサ、三方弁、車室外のメインコンデンサ、サブコンデンサ、エバポレータを経てコンプレッサへ戻る冷媒回路が構成される。暖房時には、コンプレッサ、三方弁、バイパス経路、サブコンデンサ、エバポレータを経てコンプレッサへ戻る冷媒回路が構成される。
【０００７】
この冷暖房装置が従来の内燃機関車両用の冷暖房装置と大きく異なる点は、従来車室内温風の熱源として用いるヒータコアの代わりに、エアコンサイクル内に追加したサブコンデンサを用いた点と、メインコンデンサとバイパス経路とを切り換える三方弁を設けた点と、冷媒コンプレッサが電動モータで駆動される点にある。
【０００８】
上記構成により、暖房時はエバポレータで除湿し、サブコンデンサにて再昇温することで暖房するという除湿暖房をエアコンサイクルを用いて実現している。したがって内燃機関車両におけるエンジン冷却水の様な大きな熱源や十分な駆動力を期待しづらい電気自動車においても、冷暖房装置による消費電力を極力抑えることができ、車両性能への影響を最小限にすることが可能となった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１３８７３５号公報（第６頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の冷暖房装置にあっては、除湿のみが目的で車室温度はそのまま保ちたい場合においても、エアコンサイクルのために冷媒コンプレッサを作動させることが不可欠であり、これにより電力消費が発生する。特に保持可能なエネルギが限られている燃料電池車両においては、これにより車両としてのエネルギ効率が低下し、車両の航続可能距離が低下するという問題点があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料電池を備えた車両の車室内除湿構造であって、２つのガス系間で水蒸気の交換を行う水蒸気交換装置を備え、該水蒸気交換装置が水蒸気を交換する一方のガス系を空気調和対象の空気とするとともに、他方のガス系を前記燃料電池に供給する空気としたことを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、水蒸気交換装置により空気調和対象の空気と燃料電池に供給する空気との水蒸気交換が可能となり、空気調和対象の空気から除湿と燃料電池へ供給する空気の加湿とをエネルギー消費を伴うことなく実現し、燃料電池を備えた車両の航続距離を伸延することができるという効果がある。
【００１３】
また、従来の蒸発器を用いた場合の様ないたずらな温度低下を招くことなく、車室内空調系の除湿が可能となる。
【００１４】
さらに、燃料電池スタックへ供給する空気を加湿する加湿器の負荷が下がり、結果として水マネジメント効率向上及び燃料電池車両としての消費エネルギの減少が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
次に図面を参照して、本発明に係る車室内除湿構造の第一実施形態を詳細に説明する。図１は、第一実施形態の燃料電池車両の車室内除湿構造を示したものであり、車室内空気調和系（以下、車室内空調系と略す）１０と、燃料電池システムの一部であるスタック吸気系２０とを備えている。燃料電池システムは、好ましくは固体高分子型燃料電池であり、図示しない水素供給系から供給される燃料ガスである水素ガスと、スタック吸気系２０から供給される酸化剤ガスである空気とを用いて発電するものとする。
【００１６】
車室内空調系１０は、内気と外気の切替用インテークドア１１と、インテークドア１１で選択された吸気を送風するブロアファン１２と、切替ドア１３と、水蒸気交換装置１４と、蒸発器（エバポレータ）１５と、エアミックスドア１６と、サブコンデンサ１７と、ＰＴＣヒータ１８とを、それぞれ上流側より設置したものである。
【００１７】
ここで、切替ドア１３の下流には、水蒸気交換装置１４と蒸発器１５とが並列に配置され、切替ドア１３の位置により、水蒸気交換装置１４を経由した空気と蒸発器１５を経由した空気とを任意の割合で混合又は切替できるようになっている。
【００１８】
蒸発器１５とエアミックスドア１６は、通常の車室内空調系の蒸発器及びエアミックスドアと同様である。
【００１９】
サブコンデンサ１７は、従来技術の特許文献１に示したサブコンデンサと同様のもので、ヒートポンプ式の暖房を行う場合の熱源となるとともに、蒸発器１５を使用して除湿を行う場合に、低下した空気温度を上昇させるものである。
【００２０】
ＰＴＣヒータ１８は、電気抵抗値が正の温度係数を有する半導体感温素子（ＰＴＣサーミスタ）を用いた電気ヒータである。このＰＴＣヒータ１８は、サブコンデンサ１７からの熱源供給が不足する場合に作動させる前記特許文献１記載の補助ヒータに相当する。
【００２１】
またスタック吸気系２０は、外気を圧縮するエアコンプレッサ２１と、圧縮した空気を冷却するアフタークーラ２２と、空気を加湿する加湿器２３と、加湿器２３で加湿した空気が酸化剤ガスとして供給される燃料電池スタック２４とを、それぞれ上流側より設置したものである。
【００２２】
更に車室内空調系１０とスタック吸気系２０とをバイパス経路２５ａ、２５ｂにて接続する。バイパス経路２５ａは、エアコンプレッサ２１とアフタークーラ２２の間から分岐し、その先は水蒸気交換装置１４の被加湿ガス入口１４ｃにつながれており、更にその経路途中にバルブ２６を有している。
【００２３】
一方バイパス経路２５ｂは、水蒸気交換装置１４の被加湿ガス出口１４ｄから発し、その先はエアコンプレッサ２１とアフタークーラ２２の間で且つバイパス経路２５ａよりも下流側に接続される。また水蒸気交換装置１４の湿潤ガス入口１４ａ及び湿潤ガス出口１４ｂはそれぞれ、車室内空調系１０の空気流れに沿う形で位置している。
【００２４】
上述の構成による作用を説明する。まず車室空調系１０で内気循環或いは外気導入された空気は、インテークドア１１、ブロアファン１２、切替ドア１３を介して水蒸気交換装置１４の湿潤ガス入口１４ａに導かれる。一方スタック吸気系２０で吸入された外気は、エアコンプレッサ２１、バルブ２６、バイパス経路２５ａを介して水蒸気交換装置１４の被加湿ガス入口１４ｃに導かれる。
【００２５】
この際、外気はエアコンプレッサ２１にて圧縮されて吸気系に取り込まれる為、常圧以上に加圧されて高温になっており、相対湿度も低くなっている。水蒸気交換装置１４において、車室内空調ラインの空気とスタック吸気系の外気は対向流形式で流れて水蒸気交換を行うが、スタック吸気系外気の方が高温で水蒸気分圧も低いので、車室内空調ラインの空気から水蒸気を奪う形となる。これにより車室内空調系の除湿がいたずらに温度を下げられることなく実現する作用が得られる。
【００２６】
但し、スタック吸気系の外気はエアコンプレッサ２１にて加圧されているため高温である為、水蒸気交換装置１４において水蒸気のみならず熱交換も行われる。これは、車室内を暖房する際には、熱源が不足している燃料電池車両にとって有利であるが、冷房が必要な状況にあっては車室内空調温が必要以上に高くなる可能性はある。これを回避する為に、従来の蒸発器１５を用いた温度低下を伴う除湿と併用可能とした構造とし、これらの空気流量配分は切替ドア１３を用いて行う。
【００２７】
また、水蒸気交換装置１４にて水蒸気を供給されたスタック吸気系の外気は、水蒸気交換装置の被加湿ガス出口１４ｄからバイパス経路２５ｂを経てスタック吸気系に合流し、アフタークーラ２２を経て加湿器２３へ導かれるが、水蒸気交換装置１４において車室内空調系の空気より得られた水蒸気量分だけ加湿器２３の作動負荷が軽減されることは言うまでもない。この様に燃料電池車両全体の省電力化をもたらす作用も得られる。
【００２８】
尚、本発明における水蒸気交換装置としては、例えば、特開平７−７１７９５号公報等に示されている中空糸膜を用いた加湿器を利用することができる。
【００２９】
この中空糸膜式加湿器は、ハウジング内に中空糸膜の束を収容している。中空糸膜は、ポリイミド系やフッ素系の高分子膜を中空糸形状にしたものである。ハウジングの一端部には第１の流体の入口（図１の１４ａに相当）、ハウジングの他端部には第１の流体の出口（同１４ｂ）を有している。中空糸膜の束は、その一端が第１の流体の入口へ、その他端が第１の流体の出口へ、それぞれ開口する様にポッティング材により固定されている。ポッティング材は主にウレタンやシリコン系の樹脂材等で形成されている。これにより、ハウジングの第１の流体の入口から流入した第１の流体は、中空糸膜の一端から中空糸膜内部を通って他端に達し、第１の流体の出口からハウジング外部へ流出することができる。
【００３０】
また、ハウジングには、中空糸膜の他端がポッテイングされた位置から中央寄りに、ハウジング内部と連通する第２の流体入口（図１の１４ｃに相当）が設けられ、中空糸膜の一端がポッテイングされた位置から中央寄りに、ハウジング内部と連通する第２の流体出口（同１４ｄ）が設けられている。
【００３１】
これにより、第２の流体入口からハウジング内に流入した第２の流体は、中空糸膜の外部を第２の流体の出口まで流れる間に、中空糸膜の内部を流れる第１の流体と水蒸気交換をすることができるようになっている。
【００３２】
但し、水蒸気交換装置は、上記中空糸膜式加湿器に限らず、双方の水蒸気分圧差を主たるドライビングフォースとして、二系統間の水蒸気交換を行う機能を有するものは、総じてこれに含むものとする。具体例としては、ゼオライト膜やポリビニール膜に代表される一連のパーベーパーレーション分離手法に用いるモジュール等は、これに該当する。
【００３３】
このように水蒸気交換装置として、２つのガス系における双方の水蒸気分圧差を主たる駆動力とした水蒸気交換装置を用いているので、車室内空調ラインと燃料電池への供給空気との間の水蒸気交換に使用するエネルギが不要となるため、さらに燃料電池車両としての消費エネルギの減少が可能となる。
【００３４】
〔第二実施形態〕
次に図２を参照して、本発明に係る車室内除湿構造の第二実施形態を詳細に説明する。但し、第二実施形態においては、第一実施形態と異なる部分の説明のみを行うことにする。
【００３５】
車室内空調系５０は、内気と外気の切替用インテークドア１１と、ブロアファン１２と、水蒸気交換装置１４と、蒸発器１５と、エアミックスドア１６と、サブコンデンサ１７と、ＰＴＣヒータ１８とを、上流側よりそれぞれ直列に設置したものである。
【００３６】
第１実施形態との相違は、第２実施形態では、切替ドア１３がなく、水蒸気交換装置１４の後段に蒸発器１５が直列に配置されている点である。その他の構成要素は、第１実施形態と同様であり、同じ構成要素には、同じ符号を付与している。
【００３７】
スタック吸気系２０は、図１に示した第１実施系形態のスタック吸気系２０と同様のものである。更に車室内空調系５０とスタック吸気系２０をバイパス経路２５ａ、２５ｂにて接続する。
【００３８】
バイパス経路２５ａは、エアコンプレッサ２１とアフタークーラ２２の間から分岐し、その先は水蒸気交換装置１４の被加湿ガス入口１４ｃにつながれており、更にその経路途中にバルブ２６を有している。
【００３９】
一方バイパス経路２５ｂは水蒸気交換装置１４の被加湿ガス出口１４ｄから発し、その先はエアコンプレッサ２１とアフタークーラ２２の間で且つバイパス経路２５ａよりも下流側に接続される。また水蒸気交換装置１４の湿潤ガス入口１４ａ及び湿潤ガス出口１４ｂはそれぞれ、車室内空調系５０の空気流れに沿う形で位置している。
【００４０】
上述の構成による作用を説明する。まず車室内空調系５０で内気循環或いは外気導入された空気は、インテークドア１１、ブロアファン１２を介して水蒸気交換装置１４の湿潤ガス入口１４ａに導かれる。この時に本実施形態では、車室内空調系５０を流れる空気全量が水蒸気交換装置１４にて除湿されるので、車室内空調系５０を流れる空気の水蒸気分圧がより低く、即ち含み得る水蒸気量がより少なくなる。
【００４１】
それ故、その後の蒸発器１５を通した際にも露点以下、即ち結露することがほとんどなく車室内へと導かれる。換言すれば、本来蒸発器１５を用いて除湿したことにより発生するはずの凝縮水を、燃料電池車両の吸気ラインにおける空気の加湿に再利用したことを意味している。従って、燃料電池車両における水マネジメント効率の更なる向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車室内除湿構造の第一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る車室内除湿構造の第二実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０、５０…車室内空調系
１１…インテークドア
１２…ブロアファン
１３…切替ドア
１４…水蒸気交換装置
１４ａ…湿潤ガス入口
１４ｂ…湿潤ガス出口
１４ｃ…被加湿ガス入口
１４ｄ…被加湿ガス出口
１５…蒸発器
１６…エアミックスドア
１７…サブコンデンサ
１８…ＰＴＣヒータ
２０…スタック吸気系
２１…エアコンプレッサ
２２…アフタークーラ
２３…加湿器
２４…燃料電池スタック
２５ａ…バイパス経路（往路）
２５ｂ…バイパス経路（復路）
２６…バルブ
【図１】
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【図２】
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