(57)【要約】【課題】  効率を向上した燃料燃料電池車両を提供する。【解決手段】  水素と空気とを用いて発電する燃料電池１と、車室内を所定温度に制御するための空調装置８と、水透過性膜の両面にそれぞれ流通する、燃料電池に流入する流入空気と燃料電池から流出した排空気との間で熱交換を行う熱交換器６と、を備えた燃料電池車両において、前記熱交換器は、車室内の空気または前記空調装置を外気導入モードで運転した時に車室内から排出される空気または前記空調装置内の空気の少なくとも一つを前記流入空気として取り入れ、前記流入空気と排空気との間の熱交換により凝縮し、前記水透過性膜を透過した排空気中の水分で前記流入空気を加湿する。【選択図】    図１
2005073360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気とを用いて発電する燃料電池と、
車室内を所定温度に制御するための空調装置と、
水透過性膜の両面にそれぞれ流通する、燃料電池に流入する流入空気と燃料電池から流出した排空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
を備えた燃料電池車両において、
前記熱交換器は、車室内の空気または前記空調装置を外気導入モードで運転した時に車室内から排出される空気または前記空調装置内の空気の少なくとも一つを前記流入空気として取り入れ、
前記流入空気と排空気との間の熱交換により凝縮し、前記水透過性膜を透過した排空気中の水分で前記流入空気を加湿することを特徴とする燃料電池車両。
【請求項２】
前記車室内の空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、前記空調装置の車室内を循環する内気の取入口の近傍に前記空調装置と一体に設けたことを特徴とする請求口１に記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記車室内から排出される空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、内装部材と一体に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両。
【請求項４】
前記車室内から排出される空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、外板と一体に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両。
【請求項５】
前記車室内から排出される空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、外気が車室内に逆流することを防止する逆流防止手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池車両。
【請求項６】
前記車室内の空気が前記燃料電池に取り込まれるときに、前記逆流防止手段が、外気が車室内に逆流することを防止することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両。
【請求項７】
前記空調装置は、空気を浄化するフィルタを備え、
前記空調装置内から空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、前記フィルタの下流に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項８】
前記空調装置は、車室内に空気を圧送する送風装置を備え、
前記空調装置内から空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、前記送風装置の下流に設けられることを特徴とする請求項１または７に記載の燃料電池車両。
【請求項９】
前記空調装置は、空気を冷却するための冷却装置を備え、
前記空調装置内から空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、前記冷却装置の下流に設けられることを特徴とする請求項１または８に記載の燃料電池車両。
【請求項１０】
前記空調装置は、車室内への空気の温度を調整するエアミックスドアを備え、
前記空調装置内から空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口は、前記冷却装置の下流で、かつ前記エアミックスドアの上流に設けられることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池車両。
【請求項１１】
前記車室内の空気または前記空調装置を外気導入モードで運転した時に車室内から排出される空気または前記空調装置内の空気を前記燃料電池に取り込むための吸気口を設け、これら吸気口は、車両の運転条件に応じて選択されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池車両。
【請求項１２】
車両の運転条件に応じて前記空調装置の運転条件を変更することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池車両。
【請求項１３】
前記空調装置の運転条件は、空気の循環率と車室内への風量の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池車両。
【請求項１４】
前記空調装置は、車室内に空気を圧送する送風装置を備え、
前記空調装置の運転条件は、前記送風装置の運転状態であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池車両。
【請求項１５】
前記車両の運転条件は、実車速、推定車速、燃料電池の実出力、燃料電池の要求出力、燃料電池の推定要求出力の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の移動体の動力源として、燃料電池が注目されている。移動体用の燃料電池として特に有力と目されているもののひとつに、８０℃前後という比較的低い温度で運転される高分子電解質膜（以降、ＰＥＭと称する）型の燃料電池（以降、ＰＥＦＣと称する）がある。
【０００３】
ＰＥＦＣは水素を燃料ガスとし、酸化ガス（通常は酸素）との反応により電気を取り出すものであり、燃料ガス極の水素がプロトンとなってＰＥＭ中を酸化ガス極まで移動して酸化ガスと反応するというメカニズムのため、ＰＥＭは湿潤な状態である必要があり、ＰＥＦＣに供給される空気を加湿しなけければならないことがある。
【０００４】
また、ＰＥＦＣの燃料ガスである水素を改質によって生成するシステムにおいては、改質反応に水を必要とすることがある。
【０００５】
改質反応について、簡単に説明すると、改質とはガソリン等の液体燃料や水、空気等から水素を生成するものである。以下に水蒸気改質反応と部分酸化反応の反応式を示す。
（水蒸気改質反応）  ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ⇒ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ2
（部分酸化反応）    ＣnＨm＋（ｎ／２）Ｏ2⇒ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ2
部分酸化反応に必要な酸素も、移動体用としては空気が用いられることが多い。吸熱反応である水蒸気改質反応と、発熱反応である部分酸化反応を組み合わせるオートサーマル（ＡＴＲ）反応も知られている。
【０００６】
以上で示した式では、オクタンＣ8Ｈ18のような炭化水素（ＣnＨm）を改質原燃料としているが、メタノールＣＨ3ＯＨのように、炭素原子と水素原子以外を含むものも原燃料になりうる。
【０００７】
上記で生成されたＣＯ（一酸化炭素）は、以下のシフト反応の原料となる。
（シフト反応）  ＣＯ＋Ｈ2Ｏ⇔ＣＯ2＋Ｈ2
シフト反応で低減し切れなかったＣＯはＰＥＭを劣化させる恐れがあるため、ＣＯを選択的に酸化させる触媒を用いて、二酸化炭素に転化させることもある。
【０００８】
すなわち、水蒸気改質反応やシフト反応で水が必要となる。
【０００９】
従来の改質反応を用いた燃料電池システムとして、燃料電池の作動のための水を自動車の中で得るために、ラジエータまたは空調システムの冷却回路が、熱交換器を介して、燃料電池システムの排出ガス流に結合する構成がある（特許文献１を参照）。
【００１０】
また、気体流量の分配を均一にし、かつ加湿能力を要求に応じて制御できる加湿装置を提供するために、中空糸膜を複数筐体に備え、水分の含有量が異なる２つの気体を、前記筐体に設けられた複数の開口部を介して前記中空糸膜の外側と内側とにそれぞれ通流させて、前記２つの気体間で前記水分の交換を行う加湿装置において、少なくとも１つの前記開口部は、複数の孔で形成され、前記複数の孔のうち、何れかの前記気体が前記筐体に対し導入及び導出される入出部に近い孔は小さく、遠い孔は大きく形成し、また、前記筐体の軸心を挟んで前記入出部に対向して、近い孔は大きく、遠い孔は小さくなる位置に何れかの前記気体が前記筐体に対し導入及び導出される第２入出部を設け、前記入出部及び前記第２入出部のうち少なくとも一方を選択して、何れかの前記気体を通流させる切り換え手段を設ける技術がある（特許文献２を参照）。
【００１１】
また、全熱交換器、室内コイル及び加湿器によって暖房・加湿運転を行うためのシステムが複雑化するのを避けるために、空気極排気の一部からなる利用排気を三方弁を用いて熱交換器流入ガスと排気放出器流入ガスへの流量を制御して、受け取る熱量と水分のバランスを調整する技術がある（特許文献３を参照）。
【特許文献１】特開２００１−２８３８９１号公報
【特許文献２】特開２００２−６６２６５号公報
【特許文献３】特開２００２−５４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、第１の従来例ではその水を、燃料電池システムからの排出ガスに含まれる水分をラジエータを用いて凝縮させて得るものとしているが、水蒸気を凝縮させて水を得るには、水蒸気から大量の熱を奪う必要があり、ラジエータの放熱負荷が大きくなる。大きな放熱負荷に応えるためには、ラジエータを大型化したり、強力なラジエータファンモータを使う必要があるが、ラジエータの大型化はレイアウト性を悪化させたり、車体デザインの自由度を奪うという問題があった。
【００１３】
第２の従来例は冷却装置による放熱を用いないで、ガス−ガス間で水分の交換を行える水分回収装置（以降、ＷＲＤと称する）として、中空糸膜を用いたものである。
【００１４】
この中空糸膜による水分の分離原理は、次の通り説明される。すなわち、湿潤気体を中空糸膜の内側に通流すると、中空糸膜の毛管中で蒸気圧が低下するので毛管中で水蒸気の凝縮が起こり凝縮水となる。この凝縮水が毛管現象により吸い出されて中空糸膜の外側に通流する乾燥気体側に透過するという中空糸膜の毛管作用を利用したものである。中空糸膜の内側に通流される湿潤気体の水蒸気が毛管中で凝縮する過程は、熱力学的には第１の従来例の水蒸気の凝縮と同じであるから、凝縮熱を何らかの手段で放熱する必要がある。
【００１５】
したがって、中空糸膜の外側の乾燥気体の温度が低いほど、多くの水分を中空糸膜の内側の湿潤気体から外側の乾燥気体に移動できる。言い換えれば、湿潤気体である燃料電池排ガスに対して、乾燥気体である外からの空気が低温であることが望ましく、外気温が高い場合には十分な水分の移動が期待できないおそれがある。
【００１６】
第３の従来例は燃料電池の排気の熱と水分を用いて居室の暖房を行うものであり、熱や水分は燃料電池の運転に用いられるものではない。もし、この従来例を応用して、燃料電池の排気を燃料電池の酸化ガスとして利用したとしても、燃料電池の排気中に含まれる酸素は燃料電池の発電に用いられて少なくなっているので、燃料電池を効率的に運転できないことは明らかである。
【００１７】
上記の問題を鑑み、本発明は、排気の熱と水分を用いて燃料電池への酸素と水分の供給を効率よく行う燃料電池車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、燃料電池車両において、燃料電池と、車室内を所定温度に制御するための空調装置と、水透過性膜の両面にそれぞれ流通する、燃料電池に流入する流入空気と燃料電池から流出した排空気との間で熱交換を行う熱交換器と、を備え、前記熱交換器は、車室内の空気または前記空調装置を外気導入モードで運転した時に車室内から排出される空気または前記空調装置内の空気の少なくとも一つを前記流入空気として取り入れ、前記流入空気と排空気との間の熱交換により凝縮し、前記水透過性膜を透過した排空気中の水分で前記流入空気を加湿する。
【発明の効果】
【００１９】
熱交換器に、車室内の空気または空調装置を外気導入モードで運転した時に車室内から排出される空気または空調装置内の空気の少なくとも一つを流入させ、燃料電池の排空気と熱交換させるため、燃料電池から排出される排空気の熱と水分を効率よく回収することができ、燃料電池車両の熱効率を向上することができるとともに、燃料電池の水不足を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に本発明を適用する燃料電池システムの構成を示す。
【００２１】
車両の電力供給源としての燃料電池１は、供給された水素と酸素とを用いて発電し、発電した電力を図示しない駆動モータに供給し、駆動モータが車両の駆動輪を回転、車両を走行させる。
【００２２】
燃料電池１を備える燃料電池システムの運転は、コントローラ２によって統合制御されており、さらにコントローラ２は、車両の空調装置を制御する空調コントローラ３と接続されている。空調コントローラ３はコントローラ２の制御信号に基づき、例えばインテークドア４を用いて車両の車室内への導入空気の制御や空調コンプレッサ５の運転制御を行う。
【００２３】
燃料電池１に酸化ガスとして取り込まれる空気は、エントロピリカバリデバイス（以下、ＥＲＤと示す）６を介して燃料電池１に送られる。ここで、ＥＲＤは水透過性の発泡金属の薄板によって、ＥＲＤ６に流入した空気が流通する通路と燃料電池１から排出された排空気が流通する通路とが形成され、流入空気（吸気）と排空気（排気）とが熱交換できる構成となっている。
【００２４】
固体高分子膜型の燃料電池では、排気温度が通常８０℃から１００℃前後であり、外部から取り込まれる空気は通常それよりも低い外気温であるため、発泡金属板で吸気と排気が熱交換すると共に、排気に含まれる水分が水透過性の発泡金属板上で凝縮し、吸気側に移動する。
【００２５】
したがって、その原理から分かるとおり、吸気と排気との温度差が大きいほど排気中の水分が凝縮しやすく、多くの水分が排気から吸気に移動する。あるいは、吸気があらかじめ適切な水分を含んでいれば、吸気と排気との温度差が比較的小さく、そのために多くの水分が排気から吸気へ移動しなくてもよいということになる。
【００２６】
吸気側に移動した水分は蒸発して吸気と共に燃料電池１に取り込まれ、燃料電池１の加湿に用いられる。
【００２７】
また、ガソリンやメタノール等の改質反応として代表的な水蒸気改質反応や、水蒸気改質反応と部分酸化反応をバランスさせたオートサーマル反応は改質原料として水を必要とするので、燃料電池システムが燃料改質型燃料電池を備えている場合、上記のようにして吸気と共に取り込まれた水分は、改質反応に用いることができる。
【００２８】
燃料電池システムを統合制御するコントローラ２は後述する燃料電池１への吸気の導入を制御する吸気口の切り換えを吸気口切換器７を介して行い、吸気口切換器７には、例えば３つの吸気口７ａ〜７ｃが接続される。
【００２９】
次に図２を用いて吸気口、インテークドア及び空調コンプレッサを備えた空調ユニット８の構成を説明する。
【００３０】
空調ユニット８は、空調ユニット８内に導入される空気の外部から導入される外気と車室内を循環する内気との混合割合を調整するインテークドア４と、混合された空気の塵や埃等を除去するクリーンフィルタ１０と、空気を車室内に圧送するコンプレッサ５と、コンプレッサ５により送られた空気を冷却するエバポレータ（冷却装置）１２と、エバポレータ１２によって冷却された空気を所定温度に加熱するヒータコア１３と、エバポレータ１２によって冷却された空気とヒータコア１３により加熱された空気とを混合して所定温度に調整するためのエアミックスドア１４、ＭＡＸ−ＣＯＯＬドア１５とを備える。ここで、エアミックスドア１４はヒートコア１３の上流に設置される。
【００３１】
温度調整された空気は、デフロスタ吹き出し口から車室内に送風される空気量を制御するデフドア１６と、ベンチレータ吹き出し口または足元吹き出し口から車室内に送風される空気量を制御するベントドア１７とを通じて車室内に送風される。コンプレッサ４の負荷、所定温度の設定や空気の吹き出し先は、運転者やコントローラ３によって所定の条件が設定される。
【００３２】
さらに空調ユニット８には、ＥＲＤ６に空気を導入する吸気口が備えられている。吸気口は、車室内の空気を空調ユニット８内に取り込む内気取入口１８近傍に一体に形成され、燃料電池１に車室内の空気を導入する第１吸気口７ａと、エバポレータ１２とエアミックスドア１４との間に形成されて、空調ユニット８内で最も低温の空気をＥＲＤ６に導入する第２吸気口７ｂと、空調ユニットを外気モードで運転した時に車室内の空気の一部を外部に排出するドラフタに形成され、車室内から排出された空気をＥＲＤ６に導入する第３吸気口７ｃからなる。第１〜第３吸気口７ａ〜７ｃから燃料電池１に向かう空気は、吸気口切換器７において制限され、運転条件に応じてＥＲＤ６に供給される。
【００３３】
第１吸気口７ａは、内気取入口１８近傍に一体に形成されるため、簡潔な方法でＥＲＤ６に空気を導入することができる。
【００３４】
第２吸気口７ｂは、コンプレッサ５の下流から空気を取り入れるため、加圧された空気をＥＲＤ６に供給することができ、比較的少ないエネルギで燃料電池に空気を供給できる。また第２吸気口７ｂは、エバポレータ１２の下流から空気を取り入れるため、冷却された空気をＥＲＤ６に送り込むことができ、排気との温度差を大きくでき、一層効率よく熱交換することができる。
【００３５】
ここで、ＥＲＤ６での熱交換を考えると、吸気と排気との温度差が大きいほど熱交換と水の凝縮が促進されるから、最も空気の温度が低温となるエバポレータ１２直下流に第２吸気口７ｂを設置することが望ましい。
【００３６】
図３は第３吸気口７ｃの構成を説明する図であり、車室内の空気が排出される開口部２２が内装トリム２３と一体に形成される。第３吸気口７ｃは、車室内の空気が取り入れられる開口部２２が形成された内装トリム２３と一体に形成される。内装トリム２３にはリアインテークドア２４が設置され、リアインテークドア２４の開度によって空気は、ドラフタとＥＲＤ６とに所定割合で供給される。ここで、リアインテークドア２４は外部から車室内に空気が逆流することを防止する機能を兼ねており、リアインテークドア２４は、車室内の空気が第１吸気口７ａからＥＲＤ６に供給される時に外気が車室内に逆流しないように制御される。また第３吸気口７ｃは、内装トリム２３と一体に形成したが、車体の外板に一体に設けるようにしてもよい。
【００３７】
第３の吸気口７ｃは、内装トリム２３と一体に形成したので、簡潔な方法でＥＲＤ６に空気を供給することができる。なお、外板に一体に形成した場合にも同様の効果を得ることができる。また第３吸気口７ｃをリアインテークドア２４の上流に形成したので、燃料電池１に外気が逆流することを防止できる。
【００３８】
リアインテークドア２４を閉じることにより、第１吸気口７ａからＥＲＤ６に車室内の空気が供給される時に外気が車室内に逆流することがないという効果も生じる。
【００３９】
図４は、吸気口の切り換え制御の一例を示すフローチャートである。
【００４０】
まずステップ１（図中、Ｓ１と示す。）で車両の要求負荷の変動が第１所定変動量Ｌ１以上かどうかを判定する。車両の要求負荷は、実車速（または車速推定値）、燃料電池実出力、アクセルペダル開度に基づく燃料電池の要求出力（または要求推定出力）の少なくとも一つに基づき算出できる。第１所定変動量Ｌ１以下であれば制御を終了し、大きければ負荷変動が大きく燃料電池１により多くの水分を必要としていると判断し、ステップ２に進む。ステップ２では、外気温と車室内温とが図示しないセンサから読み込まれ、例えば、冬のように車室内温が外気温より高い場合には、乗員の呼気により車室内の湿度が高く、内気中の水分量が高いと考えられるため、ステップ３に進み、第３吸気口７ｃから空気がＥＲＤ６に導入されるように制御する。
【００４１】
一方、車室内温が外気温以下の場合には、ステップ４に進み、要求負荷の変動が第２所定変動量Ｌ２以上かどうかを判定する（ここでＬ２＞Ｌ１）。Ｌ２以上であればステップ５に進み、Ｌ２より小さければステップ６に進む。ステップ６では、車室内温が外気温より低いため、第１吸気口７ａから空気がＥＲＤ６に導入されるように制御する。
【００４２】
ステップ５では、コンプレッサ４が運転されているかどうかを判定する。運転されていればステップ７に進み、運転されていなければステップ８に進みコンプレッサ４を運転してステップ７に進む。ステップ７では、第２吸気口７ｂから空気をＥＲＤ６に導入するように制御する。第２吸気口７ｂからＥＲＤ６に導入される空気は空調ユニット８中、最も低温の空気であるため、ＥＲＤ６で排気との熱交換時の温度差が大きくなり、熱の伝達と水の凝縮を効率よく行うことができる。
【００４３】
図５は、循環率とコンプレッサの風量調整に関するフローチャートである。なお、ここでいう循環率とは、空調ユニットに供給される空気流量のうち、車室内を循環する空気流量のことであり、循環率を低下させることで外気が増加する。
【００４４】
まずステップ１１で、ステップ１と同様にして要求負荷変動が第１所定変動量Ｌ１より大きいかどうかを判定する。第１所定変動量Ｌ１以下であれば制御を終了し、大きければ負荷変動が大きく燃料電池１により多くの空気を必要としていると判断し、ステップ１２に進む。
【００４５】
ステップ１２では、負荷変動量に応じて燃料電池１への空気流量を制御する。負荷変動量がＬ１より大きい第３所定変動量Ｌ３以下であれば、ステップ１４に進む。負荷変動量がＬ３より大きく、Ｌ３よりさらに大きい第４所定変動量Ｌ４以下であればステップ１３に進み、コンプレッサ４からの風量を増大してステップ１４に進み、ステップ１４で循環率を低下させ、外気を増加させる。負荷変動量が、Ｌ４より大きければステップ１５に進み、空調ユニット９のすべての空気流量を燃料電池１に導入するように制御する。
【００４６】
したがって、本発明では、熱交換器（ＥＲＤ６）に燃料電池の排気を導入するとともに、車室内の空気または車室から排出される空気または空調装置内の空気のうち少なくとも一つを熱交換器（ＥＲＤ６）に導入する。これにより燃料電池の排気との間で熱交換が促進され、排気中の水分が凝縮し、凝縮水は熱交換器内の水透過性膜を通過して空気の湿度を上昇させて、高湿の空気は燃料電池に供給される。
【００４７】
また、熱交換器に空気を送り込む吸気口を複数設け、車両の運転条件に応じて吸気口を選択するようにしたので、車両の運転条件から要求される燃料電池の運転条件に適した温度や湿度の空気を燃料電池に供給することができる。
【００４８】
また、車両の運転条件に応じて吸気口が切り換えられたとき、空調装置（空調ユニット８）の運転条件を変更するため、乗員の快適性を損なうことがない。
【００４９】
空調装置の運転条件が車室内の空気循環率と風量の少なくとも一方であるため、燃料電池が取り込む空気量と空調装置に要求される空気量とを両立することができる。
【００５０】
車両の運転条件は、実車速、推定車速、燃料電池の実出力、燃料電池の要求出力、燃料電池の推定要求出力の少なくとも一つであるため、吸気口の選択や空調装置の運転状態を適切に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明を適用した燃料電池車両は、燃料電池の熱効率と水分不足を防止することができるため、長距離走行車両等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の空調ユニットの説明図である。
【図３】本発明の空調ユニットのドラフタ部の説明図である。
【図４】吸気口切り換え制御を説明するフローチャートである。
【図５】循環率と空気流量切換の制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料電池
２  コントローラ
３  空調コントローラ
４  インテークドア
５  空調コンプレッサ
６  ＥＲＤ
７  吸気口切換器
７ａ〜７ｃ  第１〜第３吸気口
８  空調ユニット
１０  クリーンフィルタ
１２  エバポレータ
１３  ヒータコア
１４  エアミックスドア
１５  ＭＡＸ−ＣＯＯＬドア
１６  デフドア
１７  ベントドア
１８  内気取入口
２２  開口部
２３  内装トリム
２４  リアインテークドア
【図１】
2005073360.tif 000003
【図２】
2005073360.tif 000004
【図３】
2005073360.tif 000005
【図４】
2005073360.tif 000006
【図５】
2005073360.tif 000007