JP2004345426A - 燃料電池車用空調装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高圧水素の膨張時に生じる低温を空調装置に利用させることで、水素供給部材の不具合の発生防止および空調装置の省動力化が可能な燃料電池車用空調装置を実現する。
【解決手段】高圧水素を用いて発電する燃料電池装置１０と、冷凍サイクルＳから構成され、車室内の空気を空調する空調装置３０とを備える燃料電池車用空調装置において、燃料電池装置１０には、高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段１９が設けられ、空調装置３０は、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器２１と、冷凍サイクルＳに構成され、減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する蒸発器３１とが設けられた。これにより、水素供給部材の不具合の発生防止および空調装置の省動力化ができる。
【選択図】 図１
【解決手段】高圧水素を用いて発電する燃料電池装置１０と、冷凍サイクルＳから構成され、車室内の空気を空調する空調装置３０とを備える燃料電池車用空調装置において、燃料電池装置１０には、高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段１９が設けられ、空調装置３０は、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器２１と、冷凍サイクルＳに構成され、減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する蒸発器３１とが設けられた。これにより、水素供給部材の不具合の発生防止および空調装置の省動力化ができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧水素を用いて発電する燃料電池装置と車室内の空気を空調する空調装置とを備える燃料電池車用空調装置に関するものであり、特に、高圧水素が減圧する際に発生する低温度の水素の利用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーから電気エネルギーに変換して発電するこの種の燃料電池装置においては、一般的に高圧タンクに収容された高圧水素を減圧して燃料電池本体に供給するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧タンク内の水素を０．３ＭＰａ程度まで減圧させると、水素が断熱膨張するため周囲から熱を吸熱し、約１００℃程度、周囲の温度を低下させる。このため、水素を燃料電池本体に供給する水素供給経路に配設される水素配管、開閉弁、燃料電池本体内の電極板、電解質膜などの水素供給部材が冷却されて、結露や凍結による機能不良などの不具合が発生する問題がある。
【０００４】
特に、開閉弁では凍結すると弁の開閉ができなくなる。また、燃料電池本体では、イオン交換膜である電解質膜の温度が０℃以下となると電解質膜中の水分が凍結して発電できなくなる問題がある。なお、この種の燃料電池装置では、燃料電池本体内の電解質膜の温度が８０℃程度であれば発電効率が最良であり、それ以下の温度であると発電効率が低下すると知られている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、高圧水素の膨張時に生じる低温を空調装置に利用させることで、水素供給部材の不具合の発生防止および空調装置の省動力化が可能な燃料電池車用空調装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、高圧水素を用いて発電する燃料電池装置（１０）と、冷凍サイクル（Ｓ）から構成され、車室内の空気を空調する空調装置（３０）とを備える燃料電池車用空調装置において、
燃料電池装置（１０）には、高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段（１９）が設けられ、空調装置（３０）は、第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水が、冷凍サイクル（Ｓ）と組み合わせて車室内の空気を空調する際の冷却源として利用されるように構成したことを特徴としている。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、第１熱交換手段（１９）により高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換することにより、低温の水素を温めることで、水素を供給する水素供給回路（１３）に配設される図示しない水素供給部材の結露、凍結による機能不良などの不具合の発生防止が図れる。
【０００８】
また、高圧水素の減圧によって発生する低温の水素と冷却水とを熱交換して車室内の空気を空調する際の冷却源として利用するように構成したことにより、冷凍サイクル（Ｓ）から構成される空調装置（３０）の省動力化が図れる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、空調装置（３０）は、第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器（２１）と、冷凍サイクル（Ｓ）に構成され、減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する冷却手段（３１）とが設けられたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、具体的には、低温度の水素と熱交換することで得られる冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器（２１）と減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する冷却手段（３１）とが設けられたことにより、冷却器（２１）と冷却手段（３１）とを組み合わせることで、冷却手段（３１）が構成される冷凍サイクル（Ｓ）側の空調動力が低減できるため空調装置（３０）の省動力化が図れる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、空調装置（３０）は、第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水と冷凍サイクル（Ｓ）の高圧冷媒とが熱交換されるように構成したことを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、冷凍サイクル（Ｓ）に構成される凝縮器（４２）の放熱量が軽減されるため凝縮器（４２）の小型化が図れる。しかも、凝縮器（４２）の空気側条件が同一であれば、冷媒側の圧力および温度が低下することで空調動力の低減が図れる。
【００１２】
また、上述のように冷凍サイクル（Ｓ）側の凝縮器（４２）の放熱量が低減するため、凝縮器（４２）と一体に配設された燃料電池装置（１０）を冷却するためのラジエータ（１５）の入口空気温度が低下する。これにより、ラジエータ（１５）の放熱に余裕が生ずるのでラジエータ（１５）を小型にできる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、燃料電池装置（１０）は、冷却水と外気とを熱交換するラジエータ（１５）を有し、その冷却水を流通させて燃料電池本体（１１）を冷却する燃料電池冷却水回路（１２）と、減圧された水素と冷却水とを熱交換する第２熱交換手段（１６）とが設けられるとともに、空調装置（３０）は、燃料電池冷却水回路（１２）に接続され、冷却水と車室内の空気とを熱交換する加熱手段（３４）が設けられることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池冷却水回路（１２）と、第２熱交換手段（１６）とが設けられることにより、燃料電池本体（１１）に供給される水素が所定の温度に加熱される。これにより、燃料電池本体（１１）に構成される電解質膜近傍の温度が凍結温度にならないため凍結による機能不良が防止できる。また、減圧された水素が上記所定温度に加熱されることで発電効率の低下を招くこともない。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、第２熱交換手段（１６）および加熱手段（３４）が互いに並列に配置した上で、ラジエータ（１５）に対して直列に配設され、かつそれぞれに流通する冷却水の流量が制御されるように構成したことを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、第２熱交換手段（１６）および加熱手段（３４）に流通する冷却水の流量が制御されるように構成したことにより、燃料電池本体（１１）に構成される電解質膜近傍の温度を、例えば約８０℃程度の所定温度に容易に加熱することができるため燃料電池装置（１０）の発電効率が最良の状態を維持することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、作動により発熱する発熱補機（１１ａ）と、この発熱補機（１１ａ）に冷却水を流通させて発熱補機（１１ａ）を冷却する発熱補機冷却水回路（１２ｃ）とが設けられるとともに、燃料電池装置（１０）は、減圧された水素と冷却水とを熱交換する第３熱交換手段（１６ａ）が設けられることを特徴としている。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、車両には、燃料電池本体（１１）の他に、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機（１１ａ）があり、これらの発熱分を回収する発熱補機冷却水回路（１２ｃ）と、第３熱交換手段（１６ａ）とが設けられることにより、減圧された水素を加熱することができるとともに、発熱補機（１１ａ）の冷却が容易にできる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態の燃料電池車用空調装置を図１に基づいて説明する。図１は、燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図であり、高圧水素を用いて発電する燃料電池装置１０と、冷凍サイクルＳから構成され車室内の空気を空調する空調装置３０とから構成されている。
【００２１】
まず、燃料電池装置１０は、燃料電池本体１１、この燃料電池本体１１を冷却する燃料電池冷却水回路１２、燃料電池本体１１に水素を供給する水素供給回路１３、および燃料電池本体１１に酸素を供給する酸素供給回路（図示せず）等から構成されている。
【００２２】
燃料電池本体１１は、図示しないが水素や酸素を供給する二つのセパレータと、二つの電極（燃料極、空気極）と、電解質膜（イオン交換膜）とから構成され、水素と酸素を供給することにより、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。
【００２３】
燃料電池冷却水回路１２は、発電により発熱する燃料電池本体１１を冷却する冷却回路であり、水にエチレングリコールを添加した冷却水を燃料電池本体１１に循環させている。また、燃料電池冷却水回路１２は、冷却水を循環させる循環ポンプ１４、その冷却水を冷却するラジエータ１５、および減圧された水素と冷却水とを熱交換する第２熱交換手段１６から構成されている。
【００２４】
なお、ラジエータ１５は外気と冷却水とを熱交換するものであり、ラジエータ１５の後方に設けられた送風機１５ａによりラジエータ１５の放熱効果が高められてラジエータ１５内の冷却水の冷却が促進される。第２熱交換手段１６は、減圧された水素を燃料電池冷却水回路１２内に循環する冷却水の温度に加熱する熱交換器であり、本実施形態では、後述する水素供給回路１３の流れ方向と対向するように配設され、かつ後述する加熱手段であるヒータコア３４と直列に配設されている。
【００２５】
水素供給回路１３には、高圧水素を収容する水素タンク１７、高圧水素を減圧する減圧器１８、減圧された水素と冷却水とが熱交換する第１熱交換手段１９、および上述した第２熱交換手段１６から構成されている。第１熱交換手段１９は、水素タンク１７内の高圧水素が減圧器１８により減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換するための熱交換器であり、水にエチレングリコールを添加した冷却水を第１熱交換手段１９に循環させて、その冷却水と低温の水素とを熱交換するようにしている。
【００２６】
２０は、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水を後述する冷却手段である蒸発器３１と組み合わせて車室内の空気を空調する際の冷却源として利用するための冷却水回路であり、第１熱交換手段１９、冷却器２１、および冷却水を循環させる循環ポンプ２２から構成されている。なお、第１熱交換手段１９は、第２熱交換手段１６と同じように、水素供給回路１３の流れ方向と対向するように配設されている。また、冷却器２１は冷却水回路２０を循環する冷却水と車室内の空気とを熱交換して車室内の空気を冷却するための熱交換器であり、後述する空調装置３０に配設されている。
【００２７】
次に、本実施形態の空調装置３０は、冷媒を用いた冷凍サイクルＳからなる空調システムであり、冷凍サイクルＳに構成される冷媒を蒸発する冷却手段である蒸発器３１と上記冷却器２１とを組み合わせて車室内の空気を空調するように構成している。
【００２８】
本実施形態の空調装置３０は、車室内へ送風空気を導く空調ケース３２、この空調ケース３２内に空気を導入して車室内へ送る送風手段である送風機３３、空調ケース３２内に配設された蒸発器３１を含む冷凍サイクルＳ、空調ケース３２内で蒸発器３１の空気流れ下流側に配設された加熱手段であるヒータコア３４、および空調ケース３２内で蒸発器３１の空気流れ上流側に配設された上記冷却器２１を備えたものである。
【００２９】
空調ケース３２は、その上流端に内気導入口３５および外気導入口３６が設けられ、各導入口３５、３６は、選択された内外気モードに応じて作動する内外気切替ドア３７によって開閉される。そして、空調ケース３２の下流端には、車室内に開口する各吹出口（車室内のフロントガラスに向かって開口するデフロスタ吹出口、乗員の足元に開口するフット吹出口、乗員の上半身に向かって開口するフェイス吹出口など）に送風空気を導くための図示しない分岐ダクトがそれぞれ接続されている。また、各分岐ダクト（図示せず）の上流側開口部には、選択された吹出口モードに応じて各分岐ダクを開閉する吹出口開閉手段（図示せず）が設けられている。
【００３０】
次に、冷凍サイクルＳは、図示しない電動モータにより駆動される圧縮機である電動圧縮機４１、電動圧縮機４１で圧縮された高温高圧の冷媒を送風機１５ａの送風を受けて凝縮液化する凝縮器４２、この凝縮器４２より導かれた冷媒を一時蓄えて液冷媒のみを流すレシーバ４３、レシーバ４３より導かれた冷媒を減圧膨脹する膨脹弁４４、この膨脹弁４４で減圧された冷媒を送風機３３の送風を受けて蒸発させる蒸発器３１より構成され、それぞれ冷媒配管４５によって環状に接続されている。
【００３１】
電動圧縮機４１は、冷媒の吸入、圧縮、吐出を行なうもので、例えば、電動モータ（図示せず）と一体的に密封ケース内に配設されている。凝縮器４２は、上述したラジエータ１５の空気流れ上流側に配設され、送風機１５ａにより外気と冷媒とが熱交換されるように構成されている。
【００３２】
次に、ヒータコア３４は、温水配管１２ａを介して燃料電池本体１１の燃料電池冷却水回路１２と接続されており、燃料電池本体１１を冷却して加熱された冷却水を熱源として、ヒータコア３４を通過する空気を加熱する。このヒータコア３４を通過する空気量は切替ドア３８によって調節される。なお、本実施形態では、第２熱交換手段１６の下流側にヒータコア３４を配設したが、これに限らず、第２熱交換手段１６の上流側にヒータコア３４を配設しても良い。
【００３３】
また、図示しないが冷却器２１および蒸発器３１の空気流れ下流側には、冷却器２１および蒸発器３１を通過した空気の温度を検出する温度センサが設けられ、図示しない制御装置に温度情報を入力するように構成している。なお、上記の内外気切替ドア３７、吹出口開閉手段（図示せず）、切替ドア３８は、それぞれ各アクチュエータ（図示せず）によって操作され、その各アクチュエータ（図示せず）は、それぞれ各駆動回路（図示せず）を介して、図示しない制御装置からの制御信号に基づいて制御される。
【００３４】
また、制御装置（図示せず）には、操作パネル（図示せず）で選択された選択信号が入力されるとともに、上記温度センサ（図示せず）のほかに各センサ（車室内の温度を検出する内気温センサ、車室外の温度を検出する外気温センサ、車室内に差し込む日射量を検出する日射センサ、燃料電池冷却水の温度を検出する水温センサなど）からの検出信号が入力インターフェイスを介して入力される。
【００３５】
次に、以上の構成による燃料電池車用空調装置の作動について説明する。本実施形態の空調装置３０では、燃料電池本体１１に供給する水素の圧力や消費量によって作動が異なる。つまり、水素タンク１７の内圧が高く、かつ消費量が多いときには、減圧器１８により断熱膨張する際の温度低下が著しいため、第１熱交換手段１９による熱交換量が大である。逆に、水素タンク１７の内圧が低く、かつ消費量が少ないときには、減圧器１８により断熱膨張する際の温度低下が僅かとなるため、第１熱交換手段１９による熱交換量が小である。
【００３６】
そこで、本発明では、第１熱交換手段１９による熱交換で得られる熱交換量、すなわち、冷却水温度と循環量とが車室内冷房必要量に対して多い場合の第１運転モードと、逆に、熱交換量、すなわち、冷却水温度と循環量とが車室内冷房必要量に対し不足する場合の第２運転モードとを有している。まず、第１運転モードにおいては、冷却水回路２０の冷却器２１のみで車室内の空気を冷却するものであり、冷却水回路２０の循環ポンプ２２および送風機３３を稼動させて第１熱交換手段１９により得られる低温の冷却水を冷却器２１に循環させて車室内の空気を冷房する。
【００３７】
さらに、燃料電池冷却水回路１２の循環ポンプ１４および送風機１５ａを稼動させて、燃料電池本体１１により発熱される熱を第２熱交換手段１６、ヒータコア３４、ラジエータ１５の順に循環させて燃料電池本体１１を冷却するとともに、第２熱交換手段１６により、燃料電池冷却水回路１２を循環する冷却水と減圧された水素とが熱交換されて水素が所定温度（例えば、８０℃程度）に加熱される。なお、ラジエータ１５および送風機１５ａは燃料電池冷却水回路１２を循環する冷却水の水温が所定温度以上となったときに放熱するようにしている。
【００３８】
ここで、ヒータコア３４は、切替ドア３８の開度を制御することで、暖房、もしくは除湿の加熱ができるようになっており、冷房のみのときには、送風機３３の送風空気がヒータコア３４を迂回するように切替ドア３８の開度を制御するものである。次に、第２運転モードにおいては、上述の冷却器２１のみによる車室内の空気の冷却に加えて、冷凍サイクルＳを稼動させて蒸発器３１により送風機３３から送風された空気の冷房必要量分だけ冷却するものである。つまり、冷凍サイクルＳは冷房必要量に応じて稼動／停止させるようにしている。
【００３９】
具体的には、蒸発器３１および冷却器２１を通過した空気の温度を検出する温度センサ（図示せず）に基づいて冷凍サイクルＳを駆動させるようにしている。因みに、冷凍サイクルＳおよび循環ポンプ２２を稼動させて車室内を冷房もしくは除湿運転を行なって、蒸発器３１を通過した温度が次第に下降していく場合には、冷却器２１を通過した空気の温度が、例えば、１５℃以下のときは冷凍サイクルＳを停止させる。すなわち、上述した第１運転モードとなる。
【００４０】
また、例えば、冷却器２１を通過した空気の温度が３℃以下のときは、冷却器２１のフロスト防止のため循環ポンプ２２を停止させて冷却水回路２０による冷房運転を中断させる。なお、ここで、除湿運転のときは冷却した空気の一部のみヒータコア３４を通過させて加熱した空気と、ヒータコア３４を迂回した空気と混合させて車室内に吹き出す。
【００４１】
一方、車室内を冷房もしくは除湿運転を行なって、蒸発器３１を通過した温度が次第に上昇していく場合には、冷却器２１を通過した空気の温度が、例えば、５℃未満のときは冷凍サイクルＳおよび循環ポンプ２２を停止しておくが、冷却器２１を通過した空気の温度が５℃以上のときは循環ポンプ２２を稼動させる。これにより、冷却器２１によって車室内の空気を冷却する。
【００４２】
また、このときに、冷却器２１もしくは蒸発器３１通過した空気の温度が、例えば、２０℃以下を維持することができないときには冷凍サイクルＳを稼動させる。すなわち、上述した第２運転モードとなる。ここで、除湿運転のときは冷却した空気の一部のみヒータコア３４を通過させて加熱した空気と、ヒータコア３４を迂回した空気と混合させて車室内に吹き出す。
【００４３】
以上の第１実施形態の燃料電池車用空調装置によれば、燃料電池装置１０には、高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段１９が設けられ、空調装置３０は、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水が冷却器２１によって車室内の空気を空調する際の冷却源として利用されることにより、蒸発器３１が構成される冷凍サイクルＳ側の空調動力が低減できるため空調装置３０の省動力化が図れる。
【００４４】
また、第１熱交換手段１９により高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換することにより、低温の水素を暖めることで、水素を供給する水素供給回路１３に配設される図示しない水素供給部材の結露、凍結による機能不良などの不具合の発生防止が図れる。
【００４５】
また、燃料電池冷却水回路１２と、第２熱交換手段１６とが設けられることにより、発電により発熱する燃料電池本体１１からの熱により燃料電池本体１１に供給する減圧された水素が所定の温度に加熱される。これにより、燃料電池本体１１に構成される電解質膜近傍の温度が凍結温度にならないため凍結による機能不良が防止できる。さらに、減圧された水素が所定の温度に加熱されることで、電解質膜近傍の温度を発電効率が最良となる温度を保つため、燃料電池本体１１の発電効率の低下を招くこともない。
【００４６】
（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、燃料電池冷却水回路１２において、第２熱交換手段１６、ヒータコア３４およびラジエータ１５を直列に配設させたが、これに限らず、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を互いに並列に配置した上で、ラジエータ１５に対して直列に配設し、それぞれに循環する冷却水の流量を制御するように構成させても良い。
【００４７】
具体的には、図２に示すように、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を互いに並列に配置した上で、ラジエータ１５に対して直列に配設するとともに、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を迂回するバイパス通路１２ｂを設けている。しかも、それぞれの経路には流量調整弁１４ｂが設けられている。これにより、ラジエータ１５、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４に循環する冷却水の流量調節が容易に制御することができる。なお、図中に示す符号は、第１実施形態と同じ構成のものは同一符号を付して説明は省略する。
【００４８】
以上の構成による燃料電池用空調装置によれば、発電により発熱する燃料電池本体１１からの熱を用途に応じて分配が可能となる。従って、燃料電池本体１１に構成される電解質膜近傍の温度を、例えば、約８０℃程度の所定温度に容易に加熱することができるため燃料電池装置１０の発電効率が最良の状態を維持することができる。また、第１実施形態では、ヒータコア３４を通過する送風機３３からの送風空気を切替ドア３８により制御させていたが、ヒータコア３４を循環する流量を調節することでも良い。
【００４９】
（第３実施形態）
以上の第１、第２実施形態では、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気と熱交換する冷却器２１により車室内の空気を空調する際の冷却源として利用させたが、これに限らず、冷凍サイクルＳの高圧冷媒と熱交換させるように構成させても良い。
【００５０】
具体的には、図３に示すように、凝縮器４２の下流側に第２凝縮器４２ａを設けたものである。この第２凝縮器４２ａは、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水と冷凍サイクルＳ内の高圧冷媒と熱交換するように冷却水回路２０により構成したものである。これによれば、冷凍サイクルＳに構成される凝縮器４２の放熱量が軽減されるため凝縮器４２の小型化が図れる。
【００５１】
しかも、凝縮器４２の空気側条件が同一であれば、冷媒側の圧力および温度が低下することで冷凍サイクルＳの空調動力の低減が図れる。従って、空調装置３０の省動力化が図れる。また、凝縮器４２の放熱量が低減するため、凝縮器４２の空気流れの下流側に設けられたラジエータ１５の入口空気温度が低下する。これにより、ラジエータ１５の放熱に余裕が生ずるのでラジエータ１５を小型にできる。
【００５２】
なお、本実施形態では、第１実施形態と同じように、燃料電池冷却水回路１２において、第２熱交換手段１６、ヒータコア３４およびラジエータ１５を直列に配設させたが、これに限らず、図４に示すように、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を互いに並列に配置した上で、ラジエータ１５に対して直列に配設し、それぞれに循環する冷却水の流量を制御するように構成させても良い。図中に示す符号は、第１、第２実施形態と同じ構成のものは同一符号を付して説明は省略する。
【００５３】
（第４実施形態）
本実施形態では、作動により発熱する電動モータ、インバータ、循環ポンプなどの発熱補機１１ａからの熱を回収して減圧された水素を第２熱交換手段１６のように加熱させたものである。具体的には、図５に示すように、水素供給回路１３に第３熱交換手段１６ａを設けるとともに、作動により発熱する発熱補機１１ａを冷却する発熱補機冷却水回路１２ｃを設けたものである。
【００５４】
この発熱補機冷却水回路１２ｃは、発熱補機１１ａに水にエチレングリコールを添加した冷却水を循環させて冷却する冷却水回路であり、発熱補機１１ａと冷却水を循環させる循環ポンプ１４ａ、減圧された水素と冷却水とを熱交換する第３熱交換手段１６ａから構成されている。また、第３熱交換手段１６ａは、減圧された水素を発熱補機冷却水回路１２ｃ内に循環する冷却水の温度に加熱する熱交換器であり、本実施形態では、第２熱交換手段１６と同じように水素供給回路１３の流れ方向と対向するように配設されている。
【００５５】
これにより、燃料電池本体１１の他に、車両には、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機１１ａがあり、これらの発熱分を回収する発熱補機冷却水回路１２ｃと、第３熱交換手段１６ａとが設けられることにより、減圧された水素を加熱することができるとともに、発熱補機１１ａの冷却が容易にできる。
【００５６】
なお、本実施形態では、減圧され低温になった水素を加熱するために、燃料電池本体１１からの熱に加えるように配設したが、燃料電池本体１１の代わりにこれらの発熱補機１１ａからの熱のみでも良い。
【００５７】
（他の実施形態）
以上の第１、第２実施形態では、蒸発器３１の空気流れの上流側に冷却器２１を空調ケース２２内に配設したが、これに限らず、図６に示すように、蒸発器３１および冷却器２１が送風機３３の空気流れに対して並列となるように配設しても良い。
【００５８】
また、以上の第３実施形態では、凝縮器４２の下流側に第２凝縮器４２ａを設けたが、これに限らず、図７および図８に示すように、凝縮器４２の上流側に第２凝縮器４２ａを設けても良い。これにより、第３実施形態と同様の効果を奏する。
【００５９】
また、以上の実施形態では、凝縮器４２の下流側にレシーバ４３を用いた冷凍サイクルＳを構成させたが、レシーバ４３の代わりに、電動圧縮機４１の上流側にアキュームレータを用いて冷凍サイクルＳを構成しても良い。また、膨張弁４４の代わりに減圧手段としてエゼクタを用いて冷凍サイクルＳを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第４実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図６】他の実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図７】他の実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図８】他の実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池装置
１１…燃料電池本体
１１ａ…発熱補機
１２…燃料電池冷却水回路
１２ｃ…発熱補機冷却水回路
１５…ラジエータ
１６…第２熱交換手段
１６ａ…第３熱交換手段
１９…第１熱交換手段
２１…冷却器
３０…空調装置
３１…蒸発器（冷却手段）
３４…ヒータコア（加熱手段）
Ｓ…冷凍サイクル
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧水素を用いて発電する燃料電池装置と車室内の空気を空調する空調装置とを備える燃料電池車用空調装置に関するものであり、特に、高圧水素が減圧する際に発生する低温度の水素の利用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーから電気エネルギーに変換して発電するこの種の燃料電池装置においては、一般的に高圧タンクに収容された高圧水素を減圧して燃料電池本体に供給するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧タンク内の水素を０．３ＭＰａ程度まで減圧させると、水素が断熱膨張するため周囲から熱を吸熱し、約１００℃程度、周囲の温度を低下させる。このため、水素を燃料電池本体に供給する水素供給経路に配設される水素配管、開閉弁、燃料電池本体内の電極板、電解質膜などの水素供給部材が冷却されて、結露や凍結による機能不良などの不具合が発生する問題がある。
【０００４】
特に、開閉弁では凍結すると弁の開閉ができなくなる。また、燃料電池本体では、イオン交換膜である電解質膜の温度が０℃以下となると電解質膜中の水分が凍結して発電できなくなる問題がある。なお、この種の燃料電池装置では、燃料電池本体内の電解質膜の温度が８０℃程度であれば発電効率が最良であり、それ以下の温度であると発電効率が低下すると知られている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、高圧水素の膨張時に生じる低温を空調装置に利用させることで、水素供給部材の不具合の発生防止および空調装置の省動力化が可能な燃料電池車用空調装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、高圧水素を用いて発電する燃料電池装置（１０）と、冷凍サイクル（Ｓ）から構成され、車室内の空気を空調する空調装置（３０）とを備える燃料電池車用空調装置において、
燃料電池装置（１０）には、高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段（１９）が設けられ、空調装置（３０）は、第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水が、冷凍サイクル（Ｓ）と組み合わせて車室内の空気を空調する際の冷却源として利用されるように構成したことを特徴としている。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、第１熱交換手段（１９）により高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換することにより、低温の水素を温めることで、水素を供給する水素供給回路（１３）に配設される図示しない水素供給部材の結露、凍結による機能不良などの不具合の発生防止が図れる。
【０００８】
また、高圧水素の減圧によって発生する低温の水素と冷却水とを熱交換して車室内の空気を空調する際の冷却源として利用するように構成したことにより、冷凍サイクル（Ｓ）から構成される空調装置（３０）の省動力化が図れる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、空調装置（３０）は、第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器（２１）と、冷凍サイクル（Ｓ）に構成され、減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する冷却手段（３１）とが設けられたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、具体的には、低温度の水素と熱交換することで得られる冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器（２１）と減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する冷却手段（３１）とが設けられたことにより、冷却器（２１）と冷却手段（３１）とを組み合わせることで、冷却手段（３１）が構成される冷凍サイクル（Ｓ）側の空調動力が低減できるため空調装置（３０）の省動力化が図れる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、空調装置（３０）は、第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水と冷凍サイクル（Ｓ）の高圧冷媒とが熱交換されるように構成したことを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、冷凍サイクル（Ｓ）に構成される凝縮器（４２）の放熱量が軽減されるため凝縮器（４２）の小型化が図れる。しかも、凝縮器（４２）の空気側条件が同一であれば、冷媒側の圧力および温度が低下することで空調動力の低減が図れる。
【００１２】
また、上述のように冷凍サイクル（Ｓ）側の凝縮器（４２）の放熱量が低減するため、凝縮器（４２）と一体に配設された燃料電池装置（１０）を冷却するためのラジエータ（１５）の入口空気温度が低下する。これにより、ラジエータ（１５）の放熱に余裕が生ずるのでラジエータ（１５）を小型にできる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、燃料電池装置（１０）は、冷却水と外気とを熱交換するラジエータ（１５）を有し、その冷却水を流通させて燃料電池本体（１１）を冷却する燃料電池冷却水回路（１２）と、減圧された水素と冷却水とを熱交換する第２熱交換手段（１６）とが設けられるとともに、空調装置（３０）は、燃料電池冷却水回路（１２）に接続され、冷却水と車室内の空気とを熱交換する加熱手段（３４）が設けられることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池冷却水回路（１２）と、第２熱交換手段（１６）とが設けられることにより、燃料電池本体（１１）に供給される水素が所定の温度に加熱される。これにより、燃料電池本体（１１）に構成される電解質膜近傍の温度が凍結温度にならないため凍結による機能不良が防止できる。また、減圧された水素が上記所定温度に加熱されることで発電効率の低下を招くこともない。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、第２熱交換手段（１６）および加熱手段（３４）が互いに並列に配置した上で、ラジエータ（１５）に対して直列に配設され、かつそれぞれに流通する冷却水の流量が制御されるように構成したことを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、第２熱交換手段（１６）および加熱手段（３４）に流通する冷却水の流量が制御されるように構成したことにより、燃料電池本体（１１）に構成される電解質膜近傍の温度を、例えば約８０℃程度の所定温度に容易に加熱することができるため燃料電池装置（１０）の発電効率が最良の状態を維持することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、作動により発熱する発熱補機（１１ａ）と、この発熱補機（１１ａ）に冷却水を流通させて発熱補機（１１ａ）を冷却する発熱補機冷却水回路（１２ｃ）とが設けられるとともに、燃料電池装置（１０）は、減圧された水素と冷却水とを熱交換する第３熱交換手段（１６ａ）が設けられることを特徴としている。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、車両には、燃料電池本体（１１）の他に、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機（１１ａ）があり、これらの発熱分を回収する発熱補機冷却水回路（１２ｃ）と、第３熱交換手段（１６ａ）とが設けられることにより、減圧された水素を加熱することができるとともに、発熱補機（１１ａ）の冷却が容易にできる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態の燃料電池車用空調装置を図１に基づいて説明する。図１は、燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図であり、高圧水素を用いて発電する燃料電池装置１０と、冷凍サイクルＳから構成され車室内の空気を空調する空調装置３０とから構成されている。
【００２１】
まず、燃料電池装置１０は、燃料電池本体１１、この燃料電池本体１１を冷却する燃料電池冷却水回路１２、燃料電池本体１１に水素を供給する水素供給回路１３、および燃料電池本体１１に酸素を供給する酸素供給回路（図示せず）等から構成されている。
【００２２】
燃料電池本体１１は、図示しないが水素や酸素を供給する二つのセパレータと、二つの電極（燃料極、空気極）と、電解質膜（イオン交換膜）とから構成され、水素と酸素を供給することにより、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。
【００２３】
燃料電池冷却水回路１２は、発電により発熱する燃料電池本体１１を冷却する冷却回路であり、水にエチレングリコールを添加した冷却水を燃料電池本体１１に循環させている。また、燃料電池冷却水回路１２は、冷却水を循環させる循環ポンプ１４、その冷却水を冷却するラジエータ１５、および減圧された水素と冷却水とを熱交換する第２熱交換手段１６から構成されている。
【００２４】
なお、ラジエータ１５は外気と冷却水とを熱交換するものであり、ラジエータ１５の後方に設けられた送風機１５ａによりラジエータ１５の放熱効果が高められてラジエータ１５内の冷却水の冷却が促進される。第２熱交換手段１６は、減圧された水素を燃料電池冷却水回路１２内に循環する冷却水の温度に加熱する熱交換器であり、本実施形態では、後述する水素供給回路１３の流れ方向と対向するように配設され、かつ後述する加熱手段であるヒータコア３４と直列に配設されている。
【００２５】
水素供給回路１３には、高圧水素を収容する水素タンク１７、高圧水素を減圧する減圧器１８、減圧された水素と冷却水とが熱交換する第１熱交換手段１９、および上述した第２熱交換手段１６から構成されている。第１熱交換手段１９は、水素タンク１７内の高圧水素が減圧器１８により減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換するための熱交換器であり、水にエチレングリコールを添加した冷却水を第１熱交換手段１９に循環させて、その冷却水と低温の水素とを熱交換するようにしている。
【００２６】
２０は、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水を後述する冷却手段である蒸発器３１と組み合わせて車室内の空気を空調する際の冷却源として利用するための冷却水回路であり、第１熱交換手段１９、冷却器２１、および冷却水を循環させる循環ポンプ２２から構成されている。なお、第１熱交換手段１９は、第２熱交換手段１６と同じように、水素供給回路１３の流れ方向と対向するように配設されている。また、冷却器２１は冷却水回路２０を循環する冷却水と車室内の空気とを熱交換して車室内の空気を冷却するための熱交換器であり、後述する空調装置３０に配設されている。
【００２７】
次に、本実施形態の空調装置３０は、冷媒を用いた冷凍サイクルＳからなる空調システムであり、冷凍サイクルＳに構成される冷媒を蒸発する冷却手段である蒸発器３１と上記冷却器２１とを組み合わせて車室内の空気を空調するように構成している。
【００２８】
本実施形態の空調装置３０は、車室内へ送風空気を導く空調ケース３２、この空調ケース３２内に空気を導入して車室内へ送る送風手段である送風機３３、空調ケース３２内に配設された蒸発器３１を含む冷凍サイクルＳ、空調ケース３２内で蒸発器３１の空気流れ下流側に配設された加熱手段であるヒータコア３４、および空調ケース３２内で蒸発器３１の空気流れ上流側に配設された上記冷却器２１を備えたものである。
【００２９】
空調ケース３２は、その上流端に内気導入口３５および外気導入口３６が設けられ、各導入口３５、３６は、選択された内外気モードに応じて作動する内外気切替ドア３７によって開閉される。そして、空調ケース３２の下流端には、車室内に開口する各吹出口（車室内のフロントガラスに向かって開口するデフロスタ吹出口、乗員の足元に開口するフット吹出口、乗員の上半身に向かって開口するフェイス吹出口など）に送風空気を導くための図示しない分岐ダクトがそれぞれ接続されている。また、各分岐ダクト（図示せず）の上流側開口部には、選択された吹出口モードに応じて各分岐ダクを開閉する吹出口開閉手段（図示せず）が設けられている。
【００３０】
次に、冷凍サイクルＳは、図示しない電動モータにより駆動される圧縮機である電動圧縮機４１、電動圧縮機４１で圧縮された高温高圧の冷媒を送風機１５ａの送風を受けて凝縮液化する凝縮器４２、この凝縮器４２より導かれた冷媒を一時蓄えて液冷媒のみを流すレシーバ４３、レシーバ４３より導かれた冷媒を減圧膨脹する膨脹弁４４、この膨脹弁４４で減圧された冷媒を送風機３３の送風を受けて蒸発させる蒸発器３１より構成され、それぞれ冷媒配管４５によって環状に接続されている。
【００３１】
電動圧縮機４１は、冷媒の吸入、圧縮、吐出を行なうもので、例えば、電動モータ（図示せず）と一体的に密封ケース内に配設されている。凝縮器４２は、上述したラジエータ１５の空気流れ上流側に配設され、送風機１５ａにより外気と冷媒とが熱交換されるように構成されている。
【００３２】
次に、ヒータコア３４は、温水配管１２ａを介して燃料電池本体１１の燃料電池冷却水回路１２と接続されており、燃料電池本体１１を冷却して加熱された冷却水を熱源として、ヒータコア３４を通過する空気を加熱する。このヒータコア３４を通過する空気量は切替ドア３８によって調節される。なお、本実施形態では、第２熱交換手段１６の下流側にヒータコア３４を配設したが、これに限らず、第２熱交換手段１６の上流側にヒータコア３４を配設しても良い。
【００３３】
また、図示しないが冷却器２１および蒸発器３１の空気流れ下流側には、冷却器２１および蒸発器３１を通過した空気の温度を検出する温度センサが設けられ、図示しない制御装置に温度情報を入力するように構成している。なお、上記の内外気切替ドア３７、吹出口開閉手段（図示せず）、切替ドア３８は、それぞれ各アクチュエータ（図示せず）によって操作され、その各アクチュエータ（図示せず）は、それぞれ各駆動回路（図示せず）を介して、図示しない制御装置からの制御信号に基づいて制御される。
【００３４】
また、制御装置（図示せず）には、操作パネル（図示せず）で選択された選択信号が入力されるとともに、上記温度センサ（図示せず）のほかに各センサ（車室内の温度を検出する内気温センサ、車室外の温度を検出する外気温センサ、車室内に差し込む日射量を検出する日射センサ、燃料電池冷却水の温度を検出する水温センサなど）からの検出信号が入力インターフェイスを介して入力される。
【００３５】
次に、以上の構成による燃料電池車用空調装置の作動について説明する。本実施形態の空調装置３０では、燃料電池本体１１に供給する水素の圧力や消費量によって作動が異なる。つまり、水素タンク１７の内圧が高く、かつ消費量が多いときには、減圧器１８により断熱膨張する際の温度低下が著しいため、第１熱交換手段１９による熱交換量が大である。逆に、水素タンク１７の内圧が低く、かつ消費量が少ないときには、減圧器１８により断熱膨張する際の温度低下が僅かとなるため、第１熱交換手段１９による熱交換量が小である。
【００３６】
そこで、本発明では、第１熱交換手段１９による熱交換で得られる熱交換量、すなわち、冷却水温度と循環量とが車室内冷房必要量に対して多い場合の第１運転モードと、逆に、熱交換量、すなわち、冷却水温度と循環量とが車室内冷房必要量に対し不足する場合の第２運転モードとを有している。まず、第１運転モードにおいては、冷却水回路２０の冷却器２１のみで車室内の空気を冷却するものであり、冷却水回路２０の循環ポンプ２２および送風機３３を稼動させて第１熱交換手段１９により得られる低温の冷却水を冷却器２１に循環させて車室内の空気を冷房する。
【００３７】
さらに、燃料電池冷却水回路１２の循環ポンプ１４および送風機１５ａを稼動させて、燃料電池本体１１により発熱される熱を第２熱交換手段１６、ヒータコア３４、ラジエータ１５の順に循環させて燃料電池本体１１を冷却するとともに、第２熱交換手段１６により、燃料電池冷却水回路１２を循環する冷却水と減圧された水素とが熱交換されて水素が所定温度（例えば、８０℃程度）に加熱される。なお、ラジエータ１５および送風機１５ａは燃料電池冷却水回路１２を循環する冷却水の水温が所定温度以上となったときに放熱するようにしている。
【００３８】
ここで、ヒータコア３４は、切替ドア３８の開度を制御することで、暖房、もしくは除湿の加熱ができるようになっており、冷房のみのときには、送風機３３の送風空気がヒータコア３４を迂回するように切替ドア３８の開度を制御するものである。次に、第２運転モードにおいては、上述の冷却器２１のみによる車室内の空気の冷却に加えて、冷凍サイクルＳを稼動させて蒸発器３１により送風機３３から送風された空気の冷房必要量分だけ冷却するものである。つまり、冷凍サイクルＳは冷房必要量に応じて稼動／停止させるようにしている。
【００３９】
具体的には、蒸発器３１および冷却器２１を通過した空気の温度を検出する温度センサ（図示せず）に基づいて冷凍サイクルＳを駆動させるようにしている。因みに、冷凍サイクルＳおよび循環ポンプ２２を稼動させて車室内を冷房もしくは除湿運転を行なって、蒸発器３１を通過した温度が次第に下降していく場合には、冷却器２１を通過した空気の温度が、例えば、１５℃以下のときは冷凍サイクルＳを停止させる。すなわち、上述した第１運転モードとなる。
【００４０】
また、例えば、冷却器２１を通過した空気の温度が３℃以下のときは、冷却器２１のフロスト防止のため循環ポンプ２２を停止させて冷却水回路２０による冷房運転を中断させる。なお、ここで、除湿運転のときは冷却した空気の一部のみヒータコア３４を通過させて加熱した空気と、ヒータコア３４を迂回した空気と混合させて車室内に吹き出す。
【００４１】
一方、車室内を冷房もしくは除湿運転を行なって、蒸発器３１を通過した温度が次第に上昇していく場合には、冷却器２１を通過した空気の温度が、例えば、５℃未満のときは冷凍サイクルＳおよび循環ポンプ２２を停止しておくが、冷却器２１を通過した空気の温度が５℃以上のときは循環ポンプ２２を稼動させる。これにより、冷却器２１によって車室内の空気を冷却する。
【００４２】
また、このときに、冷却器２１もしくは蒸発器３１通過した空気の温度が、例えば、２０℃以下を維持することができないときには冷凍サイクルＳを稼動させる。すなわち、上述した第２運転モードとなる。ここで、除湿運転のときは冷却した空気の一部のみヒータコア３４を通過させて加熱した空気と、ヒータコア３４を迂回した空気と混合させて車室内に吹き出す。
【００４３】
以上の第１実施形態の燃料電池車用空調装置によれば、燃料電池装置１０には、高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段１９が設けられ、空調装置３０は、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水が冷却器２１によって車室内の空気を空調する際の冷却源として利用されることにより、蒸発器３１が構成される冷凍サイクルＳ側の空調動力が低減できるため空調装置３０の省動力化が図れる。
【００４４】
また、第１熱交換手段１９により高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換することにより、低温の水素を暖めることで、水素を供給する水素供給回路１３に配設される図示しない水素供給部材の結露、凍結による機能不良などの不具合の発生防止が図れる。
【００４５】
また、燃料電池冷却水回路１２と、第２熱交換手段１６とが設けられることにより、発電により発熱する燃料電池本体１１からの熱により燃料電池本体１１に供給する減圧された水素が所定の温度に加熱される。これにより、燃料電池本体１１に構成される電解質膜近傍の温度が凍結温度にならないため凍結による機能不良が防止できる。さらに、減圧された水素が所定の温度に加熱されることで、電解質膜近傍の温度を発電効率が最良となる温度を保つため、燃料電池本体１１の発電効率の低下を招くこともない。
【００４６】
（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、燃料電池冷却水回路１２において、第２熱交換手段１６、ヒータコア３４およびラジエータ１５を直列に配設させたが、これに限らず、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を互いに並列に配置した上で、ラジエータ１５に対して直列に配設し、それぞれに循環する冷却水の流量を制御するように構成させても良い。
【００４７】
具体的には、図２に示すように、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を互いに並列に配置した上で、ラジエータ１５に対して直列に配設するとともに、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を迂回するバイパス通路１２ｂを設けている。しかも、それぞれの経路には流量調整弁１４ｂが設けられている。これにより、ラジエータ１５、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４に循環する冷却水の流量調節が容易に制御することができる。なお、図中に示す符号は、第１実施形態と同じ構成のものは同一符号を付して説明は省略する。
【００４８】
以上の構成による燃料電池用空調装置によれば、発電により発熱する燃料電池本体１１からの熱を用途に応じて分配が可能となる。従って、燃料電池本体１１に構成される電解質膜近傍の温度を、例えば、約８０℃程度の所定温度に容易に加熱することができるため燃料電池装置１０の発電効率が最良の状態を維持することができる。また、第１実施形態では、ヒータコア３４を通過する送風機３３からの送風空気を切替ドア３８により制御させていたが、ヒータコア３４を循環する流量を調節することでも良い。
【００４９】
（第３実施形態）
以上の第１、第２実施形態では、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気と熱交換する冷却器２１により車室内の空気を空調する際の冷却源として利用させたが、これに限らず、冷凍サイクルＳの高圧冷媒と熱交換させるように構成させても良い。
【００５０】
具体的には、図３に示すように、凝縮器４２の下流側に第２凝縮器４２ａを設けたものである。この第２凝縮器４２ａは、第１熱交換手段１９により熱交換することで得られる低温の冷却水と冷凍サイクルＳ内の高圧冷媒と熱交換するように冷却水回路２０により構成したものである。これによれば、冷凍サイクルＳに構成される凝縮器４２の放熱量が軽減されるため凝縮器４２の小型化が図れる。
【００５１】
しかも、凝縮器４２の空気側条件が同一であれば、冷媒側の圧力および温度が低下することで冷凍サイクルＳの空調動力の低減が図れる。従って、空調装置３０の省動力化が図れる。また、凝縮器４２の放熱量が低減するため、凝縮器４２の空気流れの下流側に設けられたラジエータ１５の入口空気温度が低下する。これにより、ラジエータ１５の放熱に余裕が生ずるのでラジエータ１５を小型にできる。
【００５２】
なお、本実施形態では、第１実施形態と同じように、燃料電池冷却水回路１２において、第２熱交換手段１６、ヒータコア３４およびラジエータ１５を直列に配設させたが、これに限らず、図４に示すように、第２熱交換手段１６およびヒータコア３４を互いに並列に配置した上で、ラジエータ１５に対して直列に配設し、それぞれに循環する冷却水の流量を制御するように構成させても良い。図中に示す符号は、第１、第２実施形態と同じ構成のものは同一符号を付して説明は省略する。
【００５３】
（第４実施形態）
本実施形態では、作動により発熱する電動モータ、インバータ、循環ポンプなどの発熱補機１１ａからの熱を回収して減圧された水素を第２熱交換手段１６のように加熱させたものである。具体的には、図５に示すように、水素供給回路１３に第３熱交換手段１６ａを設けるとともに、作動により発熱する発熱補機１１ａを冷却する発熱補機冷却水回路１２ｃを設けたものである。
【００５４】
この発熱補機冷却水回路１２ｃは、発熱補機１１ａに水にエチレングリコールを添加した冷却水を循環させて冷却する冷却水回路であり、発熱補機１１ａと冷却水を循環させる循環ポンプ１４ａ、減圧された水素と冷却水とを熱交換する第３熱交換手段１６ａから構成されている。また、第３熱交換手段１６ａは、減圧された水素を発熱補機冷却水回路１２ｃ内に循環する冷却水の温度に加熱する熱交換器であり、本実施形態では、第２熱交換手段１６と同じように水素供給回路１３の流れ方向と対向するように配設されている。
【００５５】
これにより、燃料電池本体１１の他に、車両には、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機１１ａがあり、これらの発熱分を回収する発熱補機冷却水回路１２ｃと、第３熱交換手段１６ａとが設けられることにより、減圧された水素を加熱することができるとともに、発熱補機１１ａの冷却が容易にできる。
【００５６】
なお、本実施形態では、減圧され低温になった水素を加熱するために、燃料電池本体１１からの熱に加えるように配設したが、燃料電池本体１１の代わりにこれらの発熱補機１１ａからの熱のみでも良い。
【００５７】
（他の実施形態）
以上の第１、第２実施形態では、蒸発器３１の空気流れの上流側に冷却器２１を空調ケース２２内に配設したが、これに限らず、図６に示すように、蒸発器３１および冷却器２１が送風機３３の空気流れに対して並列となるように配設しても良い。
【００５８】
また、以上の第３実施形態では、凝縮器４２の下流側に第２凝縮器４２ａを設けたが、これに限らず、図７および図８に示すように、凝縮器４２の上流側に第２凝縮器４２ａを設けても良い。これにより、第３実施形態と同様の効果を奏する。
【００５９】
また、以上の実施形態では、凝縮器４２の下流側にレシーバ４３を用いた冷凍サイクルＳを構成させたが、レシーバ４３の代わりに、電動圧縮機４１の上流側にアキュームレータを用いて冷凍サイクルＳを構成しても良い。また、膨張弁４４の代わりに減圧手段としてエゼクタを用いて冷凍サイクルＳを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第４実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図６】他の実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図７】他の実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図８】他の実施形態における燃料電池車用空調装置の全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池装置
１１…燃料電池本体
１１ａ…発熱補機
１２…燃料電池冷却水回路
１２ｃ…発熱補機冷却水回路
１５…ラジエータ
１６…第２熱交換手段
１６ａ…第３熱交換手段
１９…第１熱交換手段
２１…冷却器
３０…空調装置
３１…蒸発器（冷却手段）
３４…ヒータコア（加熱手段）
Ｓ…冷凍サイクル
Claims (6)
- 高圧水素を用いて発電する燃料電池装置（１０）と、
冷凍サイクル（Ｓ）から構成され、車室内の空気を空調する空調装置（３０）とを備える燃料電池車用空調装置において、
前記燃料電池装置（１０）には、前記高圧水素を減圧する際に発生する低温の水素と冷却水とを熱交換する第１熱交換手段（１９）が設けられ、前記空調装置（３０）は、前記第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水が、前記冷凍サイクル（Ｓ）と組み合わせて車室内の空気を空調する際の冷却源として利用されるように構成したことを特徴とする燃料電池車用空調装置。 - 前記空調装置（３０）は、前記第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水と車室内の空気とを熱交換する冷却器（２１）と、前記冷凍サイクル（Ｓ）に構成され、減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する冷却手段（３１）とが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車用空調装置。
- 前記空調装置（３０）は、前記第１熱交換手段（１９）により熱交換することで得られる低温の冷却水と前記冷凍サイクル（Ｓ）の高圧冷媒とが熱交換されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車用空調装置。
- 前記燃料電池装置（１０）は、冷却水と外気とを熱交換するラジエータ（１５）を有し、その冷却水を流通させて燃料電池本体（１１）を冷却する燃料電池冷却水回路（１２）と、減圧された水素と前記冷却水とを熱交換する第２熱交換手段（１６）とが設けられるとともに、前記空調装置（３０）は、前記燃料電池冷却水回路（１２）に接続され、前記冷却水と車室内の空気とを熱交換する加熱手段（３４）が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池車用空調装置。
- 前記第２熱交換手段（１６）および前記加熱手段（３４）が互いに並列に配置した上で、前記ラジエータ（１５）に対して直列に配設され、かつそれぞれに流通する前記冷却水の流量が制御されるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車用空調装置。
- 作動により発熱する発熱補機（１１ａ）と、前記発熱補機（１１ａ）に冷却水を流通させて前記発熱補機（１１ａ）を冷却する発熱補機冷却水回路（１２ｃ）とが設けられるとともに、前記燃料電池装置（１０）は、減圧された水素と前記冷却水とを熱交換する第３熱交換手段（１６ａ）が設けられることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の燃料電池車用空調装置。
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006064955A1 (ja) * | 2004-12-15 | 2006-06-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム |
| JP2007273376A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Honda Motor Co Ltd | 弁の加熱システム及び弁の加熱装置の制御方法 |
| JP2007280927A (ja) * | 2005-12-12 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の冷却システム |
| WO2009078181A1 (ja) * | 2007-12-18 | 2009-06-25 | Panasonic Corporation | コージェネレーションシステム |
| CN102485516A (zh) * | 2010-12-06 | 2012-06-06 | 现代自动车株式会社 | 燃料电池车辆 |
| KR101237212B1 (ko) * | 2005-11-07 | 2013-02-26 | 한라공조주식회사 | 연료전지 냉각시스템 |
| KR101242324B1 (ko) | 2005-11-07 | 2013-03-11 | 한라공조주식회사 | 연료전지 |
| JP2013536975A (ja) * | 2010-08-30 | 2013-09-26 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト | 燃料電池システム |
| KR101437066B1 (ko) | 2012-02-24 | 2014-09-02 | 한라비스테온공조 주식회사 | 전기 자동차용 공조 장치 |
| CN110712496A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-01-21 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种燃料电池车辆的热管理*** |
| JP2020123510A (ja) * | 2019-01-31 | 2020-08-13 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| CN113276627A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-08-20 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种车辆的热管理***及车辆 |
-
2003
- 2003-05-20 JP JP2003142598A patent/JP2004345426A/ja active Pending
Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8142946B2 (en) | 2004-12-15 | 2012-03-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| WO2006064955A1 (ja) * | 2004-12-15 | 2006-06-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム |
| US8420270B2 (en) | 2004-12-15 | 2013-04-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| KR101237212B1 (ko) * | 2005-11-07 | 2013-02-26 | 한라공조주식회사 | 연료전지 냉각시스템 |
| KR101242324B1 (ko) | 2005-11-07 | 2013-03-11 | 한라공조주식회사 | 연료전지 |
| US8642219B2 (en) | 2005-12-12 | 2014-02-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Cooling system and method of a fuel cell |
| JP2007280927A (ja) * | 2005-12-12 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の冷却システム |
| US8753782B2 (en) | 2005-12-12 | 2014-06-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Cooling system and method of a fuel cell |
| JP2007273376A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Honda Motor Co Ltd | 弁の加熱システム及び弁の加熱装置の制御方法 |
| WO2009078181A1 (ja) * | 2007-12-18 | 2009-06-25 | Panasonic Corporation | コージェネレーションシステム |
| JP5309035B2 (ja) * | 2007-12-18 | 2013-10-09 | パナソニック株式会社 | コージェネレーションシステム |
| US9070912B2 (en) | 2010-08-30 | 2015-06-30 | Daimler Ag | Fuel cell system having an integral turbine/compressor unit |
| JP2013536975A (ja) * | 2010-08-30 | 2013-09-26 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト | 燃料電池システム |
| US8875531B2 (en) | 2010-12-06 | 2014-11-04 | Hyundai Motor Company | Fuel cell vehicle |
| CN102485516A (zh) * | 2010-12-06 | 2012-06-06 | 现代自动车株式会社 | 燃料电池车辆 |
| CN102485516B (zh) * | 2010-12-06 | 2016-09-07 | 现代自动车株式会社 | 燃料电池车辆 |
| KR101437066B1 (ko) | 2012-02-24 | 2014-09-02 | 한라비스테온공조 주식회사 | 전기 자동차용 공조 장치 |
| JP2020123510A (ja) * | 2019-01-31 | 2020-08-13 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| CN110712496A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-01-21 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种燃料电池车辆的热管理*** |
| CN113276627A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-08-20 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种车辆的热管理***及车辆 |
| CN113276627B (zh) * | 2021-06-11 | 2022-06-24 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种车辆的热管理***及车辆 |
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