(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源及び熱源として使用される燃料電池（１）であって、
この燃料電池（１）は、熱サイクル回路（１０）における送出/圧縮装置（２）に直接接続され、かつ前記燃料電池（１）から供給される電気は、前記熱サイクル回路（１０）の前記送出/圧縮装置（２）に電力供給するために使用され、かつ前記燃料電池（１）は少なくとも１つの熱交換器（６、１５、１７、２０）に流体を供給するための冷却回路に直接接続された自動車用の独立型空調装置において、
該自動車用の独立型空調装置は、前記燃料電池（１）に直接接続された蓄熱及び／又は廃熱交換器（８）を備え、
車内の加熱の際には、  燃料電池（１）で発生した熱は前記熱交換器（６、１５、１７、２０）を通して空気に伝達され、
車内の冷却の際には、  燃料電池（１）を使用して、前記熱サイクル回路（１０）の前記送出/圧縮装置（２）に電力供給し、かつ燃料電池（１）で発生した熱は前記蓄熱及び／又は廃熱交換器（８）に伝達されることを特徴とする自動車用の独立型空調装置。
【請求項２】
熱交換器（６、１５、１７、２０）は、流体/流体熱交換器または流体/流体/空気熱交換器となっている、請求項１に記載の独立型空調装置。
【請求項３】
熱サイクル回路（１０）は、可逆式となっている、請求項２記載の独立型空調装置。
【請求項４】
燃料電池（１）は、抵抗発熱体、特にＰＴＣ型の電気ヒータ（５）に接続されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の独立型空調装置。
【請求項５】
燃料電池（１）は、さらに電気ユニット、特にファン（３）（４）に接続されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の独立型空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の空調装置は、通常、エンジンの冷却回路に接続された加熱回路と、冷却用の補助的な熱サイクル回路とを備えている。これらの回路は、ともに、冷却用放熱器や廃熱交換器として用いられるエバポレータを備えている。
【０００３】
自動車の空調に必要とされる性能は、年々高くなっている。より詳しく言うと、最近の自動車用空調装置は、いかなる運転状況でも、十分に暖房しうるように、応答時間が短くなくてはならない。このことを実現するために、最近では、いわゆる再加熱器、例えばＰＴＣ型の電気ヒータが用いられている。この電気ヒータは、自動車が停止している際の加熱用として利用されることもある。
【０００４】
冷却用の補助的な熱サイクル回路は、通常、冷却流体を送出及び圧縮する機械式コンプレッサにより駆動されている。また、エンジンの回転速度が低い時、またはエンジンが停止した時にも十分に冷却しうるように、最近では、自動車の交流発電回路用に切り換えられる電動式コンプレッサが用いられている。
【０００５】
欧州特許公開第0638712号公報には、自動車の冷却回路に燃料電池を組み込む方法が記載されている。それによると、自動車が発生する熱に、燃料電池からの廃熱を混合できるようになっている。
【０００６】
しかし、自動車の動作状態とは関係なしに、十分に空調しうる方策は、従来知られていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、従来の欠点の少なくとも一部分を減少させることにある。
【０００８】
また、本発明の目的は、自動車の室内温度を、高効率で申し分なく制御できるようにした、自動車用の独立型空調装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、自動車の駆動方式にかかわらず、既存の自動車に組み込むことができる独立型空調装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電源及び熱源として使用される燃料電池を備え、かつこの燃料電池は、燃料電池のための冷却回路と、少なくとも１つの熱交換器に流体を供給するための少なくとも１つの流体回路とを有する熱サイクル回路における送出/圧縮装置に接続されている、自動車用の独立型空調装置が提供される。
【００１１】
換言すれば、一体化された加熱/動力装置が提供され、自動車の動作状態及び特性とは無関係に、温度調節を高効率で行えるようになっている。現在利用可能な燃料電池は、通常、燃料電池の短絡を防止するために、通常、脱イオン水により冷却されている。本発明によると、自動車のエンジン冷却回路から、流体的に分離できるという利点が得られる。
【００１２】
本発明の空調装置は、流体を必要に応じて供給しうる廃熱交換器を備えているのが好ましい。この廃熱交換器は、燃料電池の過熱を防止するのに使用するものである。これとは別に、あるいはこれに加えて、冷却時には、冷却回路で発生する熱を発散させるようにすることもできる。
【００１３】
廃熱交換器に、空調装置からの流体及び自動車のエンジン冷却回路からの流体を供給するようにし、かつ、それを板状構造体を兼用させることにより、必要な構成部材の数を減らすことができる。
【００１４】
好ましい一実施例において、熱交換器は、熱蓄積器となっている。これに、客室の温度を調節するのに不必要な熱を蓄積させることにより、例えば内燃機関を、始動時に効果的に動作させることができる。また、熱蓄積器により、空調装置が停止した時に、燃料電池を動作温度に保つことができる。
【００１５】
少なくとも１つの熱交換器を、加熱用とし、流体、例えばエンジンの冷却液を任意に供給しうるようにするのが好ましい。いわゆる高温燃料電池、または常温で動作する燃料電池を用いた場合、燃料電池からの廃熱は、加熱のために直接的に使用される。
【００１６】
好ましい一実施例においては、少なくとも１つの熱交換器は、流体/流体熱交換器、または流体/流体/空気熱交換器とされる。流体/流体熱交換器とした場合、燃料電池からの廃熱は、熱ポンプとして動作する熱サイクル回路に、殆んど損失なしで送られる。一方、流体/流体/空気熱交換器とした場合、燃料電池は、熱ポンプ回路及び冷却回路として動作する可逆式の熱サイクル回路に直接に接続される。
【００１７】
好ましい一実施例では、熱サイクル回路を、例えば送出/圧縮装置を可逆とすることにより、可逆式としてある。また、制御要素、例えばいくつかの多方バルブにより、熱サイクル回路を可逆式とすることもできる。
【００１８】
好ましい他の実施例では、燃料電池を、抵抗発熱体、特にＰＴＣ型の電気ヒータに接続してある。加熱処理の際、燃料電池の熱により、空気が予熱され、その空気は、さらに、ＰＴＣ型の抵抗発熱体により、所望の温度に加熱される。それにより、燃料電池が発生する電力の一部を、ＰＴＣ型の抵抗発熱体に用いることができる。
【００１９】
燃料電池により発生した電力を、各種の副次的なユニット、例えばファンや制御機器やスイッチ要素等の駆動に用いるのが好ましい。
【００２０】
次に、本発明の詳細を、図面に示すいくつかの単なる例示的な実施例に基づいて説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、自動車用の独立型空調装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【００２２】
この独立型空調装置は、電源及び熱源としての燃料電池（１）を備えている。燃料電池（１）は、熱サイクル回路（１０）の送出/圧縮装置（２）に接続されている。熱サイクル回路（１０）は、従来のように、熱交換器（１４）、緩和装置（１６）、及び冷却用のエバポレータ（１２）を備えている。エバポレータ（１２）及び熱交換器（１４）には、ファン（３）（４）により、所望通りに送風される。
【００２３】
燃料電池（１）は、冷却回路を介して、加熱用の熱交換器（６）と、廃熱交換器（８）とを選択的に動作させる。廃熱交換器（８）を、熱蓄積器として用いることもでき、また、破線で示すように、熱交換器（６）及び廃熱交換器（８）を、エンジン冷却回路とのインタフェースとして用いることができる。さらに、燃料電池（１）は、本実施例では抵抗発熱体であるＰＴＣ型の電気ヒータ（５）に接続されている。
【００２４】
次に、本実施例における自動車用の独立型空調装置の動作モードの概略を示す。
【００２５】
客室を暖房する場合には、燃料電池（１）には、燃料タンク（図示しない）から燃料が供給されて、電気及び熱を発生する。その熱は、熱交換器（６）において、ファン（３）により送風された空気と混合されて送られる。熱交換器（６）から出るやや予熱された空気は、燃料電池（１）に接続された電気ヒータ（５）により、所望の温度に加熱される。
【００２６】
客室を冷房する場合には、熱サイクル回路（１０）の送出/圧縮装置（２）が、燃料電池（１）により駆動され、客室の温度を調節するのに必要な冷却電力が、エバポレータ（１２）に供給される。
【００２７】
発電中に燃料電池（１）が発生する熱は、例えば、いわゆる再加熱処理を行ったり、燃料電池（１）または自動車の他の電力ユニットの温度を調節する廃熱交換器（８）に蓄えられる。本実施例において、廃熱交換器（８）は熱蓄積器の機能も備えており、燃料電池（１）が過熱すると、周囲の空気に熱を発散するようになっている。
【００２８】
図２は、燃料電池（１）を電源/熱源として用いた自動車用の独立型空調装置の第２の実施例を示すブロック図である。燃料電池（１）は、図１に示した第１の実施例と同様に、熱サイクル回路（１０）の送出/圧縮装置（２）を駆動するように接続されている。
【００２９】
図１の実施例と比べると、図２の熱サイクル回路（１０）は、可逆的となっている。そのため、熱サイクル回路（１０）を、通常の冷却回路として、また、加熱作業では熱ポンプとして用いることができる。
【００３０】
これら２つの機能を達成するために、流体/流体/空気熱交換器（１５）が設けられ、冷却処理では、熱サイクル回路（１０）からの熱を吸収し、加熱処理では、燃料電池（１）の冷却回路からの熱を熱サイクル回路（１０）に送ることができるようになっている。
【００３１】
図１の実施例の場合と同様に、燃料電池（１）は、熱蓄積器である廃熱交換器（８）と、再加熱器であるＰＴＣ型の電気ヒータ（５）とを動作させる。また、燃料電池（１）により、熱サイクル回路（１０）の送出/圧縮装置（２）、及びＰＴＣ型の電気ヒータ（５）と相互接続して動作させ、かつ、電子または電気部、例えばファン（３）（４）を、燃料電池（１）で動作させることができる。
【００３２】
客室を暖房する場合には、燃料が供給された燃料電池（１）は、送出/圧縮装置（２）を駆動し、熱サイクル回路（１０）を熱ポンプとして動作させる。熱サイクル回路（１０）の温度を下げるには、流体/流体/空気熱交換器（１５）に、燃料電池（１）から冷却剤を供給する。
【００３３】
そのため、燃料電池（１）が発生する熱により、エバポレータ（１２）を通過する空気は高温に加熱され、その後、ＰＴＣ型の電気ヒータ（５）により所望に加熱される。
【００３４】
冷却処理では、流体/流体/空気熱交換器（１５）は、燃料電池（１）により駆動されないが、熱サイクル回路（１０）からの廃熱を、従来と同じようにして、周辺空気中に発散させる。過熱防止のために、また、冷却モードにおいて、燃料電池（１）からの廃熱を利用するために、熱蓄積器である廃熱交換器（８）が、図１の場合と同様に設けられている。廃熱交換器（８）は、冷却モードにおいて、熱を蓄積したり、または、所望の場合には、熱を周辺空気中に発散することができる。
【００３５】
図３は、本発明による独立型空調装置の第３の実施例を示すブロック図であり、加熱モードと冷却モードとを選択的に切り換えることができるようにするために、上述した図１及び図２の実施例を組み合わせ、かつ、熱サイクル回路（１０）を分割したものである。
【００３６】
図２の実施例の場合とは異なり、流体/流体/空気熱交換器の代わりに、流体/流体熱交換器（１７）が設けられている。図３の実施例では、一体化された熱交換器/エバポレータ（２０）により、客室への空気温度は調節される。熱サイクル回路（１０）を、冷却モードと加熱モードとに切り換えるために、所望の温度設定に従って切り換わることができる２つの三方制御バルブ（１８）（１９）が設けられている。
【００３７】
図３に示す独立型空調装置で加熱する時には、三方制御バルブ（１８）（１９）を切り換え、熱サイクル回路（１０）の流体が、流体/流体熱交換器（１７）及び熱交換器/エバポレータ（２０）のみを流れ、一方、冷却の場合には、流体は、熱交換器/エバポレータ（２０）及び熱交換器（１４）のみを流れるようにする。
【００３８】
図３の独立型空調装置では、加熱モード時には、燃料電池（１）が発生した廃熱は、熱交換器/エバポレータ（２０）に直接送られ、熱ポンプとして用いられる熱サイクル回路（１０）で加熱された空気は、ＰＴＣ型の電気ヒータ（５）により、さらに加熱される。冷却モードでは、図１に関連して説明したように動作する。
【００３９】
このように、本発明は、自動車の動作状態とは無関係の独立型空調装置を提供するものである。本発明による独立型空調装置は、自動車の冷却回路と任意に一体化できるので、必要最低限の熱交換器を用いるだけでよい。燃料電池が発生する電気と熱とを用いることにより、効率を大幅に改善できる。燃料電池からの超過した熱、または不必要な熱を蓄積して、燃料電池、及び自動車の始動レスポンスを、再加熱処理により最適化することができる。
【００４０】
以上、本発明を、いくつかの好ましい実施例をあげて説明したが、当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内において、種々の変形が可能であることに気付くはずである。特に、各実施例の特徴を、他の実施例の特徴と組み合わせることが可能であることに注目するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による独立型空調装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】熱サイクル回路が可逆式となっている、図１と同様の第２の実施例を示す独立型空調装置のブロック図である。
【図３】熱サイクル回路が冷却モードと加熱モードとに切り換え可能となっている、図１及び図２と同様な第３の実施例を示す独立型空調装置のブロック図である。
【符号の説明】
１          燃料電池
２          送出/圧縮装置
３、４      ファン
５          電気ヒータ
６          熱交換器
８          廃熱交換器
１０        熱サイクル回路
１２        エバポレータ
１４        熱交換器
１５        流体/流体/空気熱交換器
１６        緩和装置
１７        流体/流体熱交換器
１８、１９  三方制御バルブ
２０        熱交換器/エバポレータ
【図１】
0004848087.tif 000002
【図２】
0004848087.tif 000003
【図３】
0004848087.tif 000004