JP2005050638A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池から給電されて作動する加熱手段により、燃料電池の運転を開始する前に燃料電池を加熱する燃料電池システムにおいて、燃料電池を作動可能温度以上まで確実に加熱可能にする。
【解決手段】キースイッチがオフ位置に操作された場合、燃料電池２０の運転を継続させて蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最大値に達するまで蓄電池３０の充電を継続する。これにより、次にキースイッチがオン位置に操作されて燃料電池２０の暖機運転を開始する時には、加熱手段は蓄電池３０の電力を最大限使用することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により発電を行う燃料電池を備える車両用燃料電池システムに関する。

車両等の移動体用として考えられている高分子電解質型の燃料電池においては、０℃以下の温度条件では、電極近傍に存在している水分が凍結し、反応ガスの拡散が阻害されたり、電解質膜の電気伝導率が低下する。したがって、燃料電池の温度が０℃以下のときには、燃料電池を作動可能温度（０℃以上の温度で電池が発電可能な温度）以上までに加熱する必要がある。

燃料電池を加熱する方法として、ヒートポンプを車室の暖房と燃料電池の加熱とに用いるものが提案されている。具体的には、ヒートポンプは冷媒を圧縮する電動圧縮機を備え、電動圧縮機から吐出された高温高圧冷媒の熱にて車室の暖房や燃料電池の加熱を行うようになっている（例えば、特許文献１参照）。そして、燃料電池の運転を開始する前に燃料電池の加熱を行う際には、電動圧縮機には蓄電池から電力を供給するのが一般的である。
特開２００２−９８４３０号公報

しかしながら、蓄電池は低温時の性能低下が著しく、一般的に０℃時に放電可能な電力量は常温時の１／２以下に低下する。また、蓄電池は、一般的にＳＯＣ（state of charge、以下蓄電池の充電状態という）がある範囲内になるようにして使用され、燃料電池を停止した時点での蓄電池の充電状態が最低値に近かった場合には、放電可能な電力量が少ない。因みに、蓄電池の充電状態は、完全に充電された蓄電池に蓄えられた電力量に対する、実際に蓄電池に蓄えられた電力量の割合である。

したがって、従来のように、蓄電池から給電されて作動して燃料電池の運転を開始する前に燃料電池を加熱する燃料電池システムにおいては、低温時や蓄電池の充電状態が低い場合には、電力不足により、燃料電池を作動可能温度以上まで加熱することができない恐れがあった。

本発明は上記点に鑑みて、蓄電池から給電されて作動して燃料電池の運転を開始する前に燃料電池を加熱する燃料電池システムにおいて、燃料電池を作動可能温度以上まで確実に加熱可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池（２０）と、前記燃料電池により充電される蓄電池（３０）と、前記蓄電池から給電されて作動して、前記燃料電池の運転を開始する前に前記燃料電池を加熱する加熱手段とを備える車両用燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転を停止させる要求が乗員から出された後に、所定の間、前記燃料電池の運転を継続させて前記蓄電池の充電を行わせることを特徴とする。

これによると、燃料電池の運転を停止する前に蓄電池の充電を行うため、燃料電池起動前の蓄電池の充電状態を高くすることができる。したがって、燃料電池起動前に燃料電池を加熱するための電力が確保され、燃料電池を作動可能温度以上まで確実に加熱することができる。

請求項２に記載の発明では、車室内の空調を行うヒートポンプを備える車両に搭載される燃料電池システムであって、前記ヒートポンプが前記加熱手段として用いられることを特徴とする。

これによると、空調を行うヒートポンプを，燃料電池を加熱する加熱手段としても用いるため、構成部品の増加を抑制することができる。また、ヒートポンプは成績係数（ＣＯＰ）が２以上を期待できるため、電気ヒータ（成績係数＝１）を加熱手段として用いる場合よりも少ない電力で大きな加熱能力を得ることができる。

請求項３に記載の発明のように、前記ヒートポンプは冷媒を圧縮する電動圧縮機を備え、前記電動圧縮機から吐出された冷媒にて加熱された熱媒体が前記燃料電池に循環される構成とすることができる。また、請求項４に記載の発明のように、前記冷媒として二酸化炭素を用いることができる。

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。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式空調装置を搭載した電気自動車に適用される。図１は本実施形態に係る燃料電池システムおよび空調装置の模式図である。

本実施形態に係る電気自動車は、酸素と水素とを化学反応させることにより発電する燃料電池（ＦＣスタック）２０から走行用電動モータ（図示せず。）や蓄電池３０に電力を供給するものであり、ラジエータ２１は燃料電池２０を加熱又は冷却するための冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却する熱交換器であり、ポンプ２２は冷却水を循環させる電動ポンプである。

圧縮機１は冷媒を吸入圧縮するポンプ手段であり、本実施形態では、蓄電池３０から給電されて作動するインバータ制御方式の電動圧縮機を採用している。第１室外熱交換器２は圧縮機１から吐出した冷媒と燃料電池２０から流出した冷却水のうち、後述するヒータ１２に供給される冷却水とを熱交換する熱交換器であり、第２室外熱交換器３は冷媒と室外空気とを熱交換する熱交換器である。なお、圧縮機１および第１室外熱交換器２は、本発明における加熱手段の主要部をなしている。

因みに、図１では、第１室外熱交換器２において冷媒と冷却水とは並行流となっているが、実際の第１室外熱交換器２では、両者を対向流として熱交換効率を高めている。

室内熱交換器４は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する熱交換器であり、内部熱交換器５は圧縮機１に吸引される低圧冷媒と減圧される前の高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。

切替弁６は圧縮機１から吐出した減圧される前の高圧冷媒を第２室外熱交換器３側に循環させる場合と室内熱交換器４側に循環させる場合とを切り替えるバルブである。

第１減圧器７及び第２減圧器８は、圧力損失が殆ど発生しない全開状態から冷媒を減圧膨脹させる所定開度まで連続的に絞り開度を変化させることができる減圧器であり、両減圧器７、８の絞り開度は、電子制御装置（図示せず。）により制御される。

そして、電子制御装置には、圧縮機１から吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度センサ９ａ、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力検出する吐出冷媒圧力センサ９ｂ、第１室外熱交換器２から流出する冷媒の温度を検出する第１室外熱交換器冷媒温度センサ９ｃ、第２室外熱交換器３から流出する冷媒の温度を検出する第２室外熱交換器冷媒温度センサ９ｄ、室内熱交換器４から流出した冷媒の圧力を検出する室内熱交換器冷媒圧力センサ９ｅ、室内熱交換器４から流出した冷媒の温度を検出する室内熱交換器冷媒温度センサ９ｆ、第１室外熱交換器２に流入する冷却水の温度を検出する水温センサ９ｇ、車室外空気温度を検出する外気温センサ９ｈ、車室外空気の相対湿度を検出する外気湿度センサ９ｊ、室内空気温度を検出する内気温センサ９ｋ、室内に注がれる日射を検出する日射センサ９ｍ、車室内空気の相対湿度を検出する内気湿度センサ９ｎ、及び室内熱交換器４を通過した直後の空気温度を検出する室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出値が入力されている。

なお、アキュムレータ１０は、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１の吸入側に供給するものである。

ところで、空調ケーシング１１は、室内熱交換器４を収納して室内に吹き出す空気の通路を構成するもので、この空調ケーシング１１内の通路のうち室内熱交換器４より空気流れ下流側には、冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータ１２が配置されている。

エアミックスドア１３は、室内熱交換器４を通過した空気のうちヒータ１２を通過して加熱される温風とヒータ１２を迂回して流れる冷風との風量割合を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節するものである。

また、空調ケーシング１１の最上流側には、空調ケーシング１１内に導入する室内空気量と室外空気量とを調節する内外気切換ユニット１４、及び室内に空気を送風する送風機１５が設けられ、空調ケーシング１１の最下流側には、空気を吹き出させる吹出口を選択開閉する吹出モード切換装置（図示せず。）が設けられている。

なお、圧縮機１の回転数、エアミックスドア１３、内外気切換ユニット１４、送風機１５及び吹出モード切換装置も電子制御装置にて制御されている。

また、電子制御装置には、乗員によって操作されるキースイッチ（図示せず。）の操作位置の信号が入力されている。そして、電子制御装置は、キースイッチがオン位置に操作されると燃料電池２０の運転を開始させ、キースイッチがオフ位置に操作されると燃料電池２０の運転を停止させるようになっている。

さらに、電子制御装置は、蓄電池３０の充放電量を演算して蓄電池３０の充電状態（ＳＯＣ）を求め、蓄電池３０の充電状態が所定範囲になるように蓄電池３０への充電を制御するようになっている。

次に、本実施形態の作動を述べる。まず、空調装置の作動について説明する。

１．冷房運転（図２参照）
外気温センサ９ｈ、内気温センサ９ｋ及び日射センサ９ｍの検出値、並びに乗員が設定入力した希望室内温度（設定温度）等に基づいて算出された目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以下のときに実行されるもので、エアミックスドア１３にてヒータ１２のコア面を閉じて室内に流れ込む温風量を０とした状態で、冷媒を、圧縮機１→第１室外熱交換器２→第２減圧器８→切替弁６→第２室外熱交換器３→内部熱交換器５→第１減圧器７→室内熱交換器４→アキュムレータ１０→内部熱交換器５→圧縮機１の順で循環させる。

このとき、第２減圧器８にて冷媒が減圧されないように第２減圧器８の絞り開度を全開とするとともに、吐出冷媒圧力センサ９ｂの検出圧力が第２室外熱交換器冷媒温度センサ９ｄによって決定される目標高圧圧力Ｐｏとなるように第１減圧器７の絞り開度を制御することにより、室内熱交換器４にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒の熱を第１室外熱交換器２及び第２室外熱交換器３にて放熱する。

なお、エアミックスドア１３にてヒータ１２のコア面が閉じられているので、室内熱交換器４にて吸熱した熱のうち第１室外熱交換器２で放熱された熱は、室内に吹き出す空気中に放出されることなく、ラジエータ２１に放熱される。

因みに、目標高圧圧力Ｐｏとは、ヒートポンプの成績係数が略最大となる圧力であり、この目標高圧圧力Ｐｏは高圧側での放熱能力によって変化するため、冷房運転時では、第２室外熱交換器冷媒温度センサ９ｄの検出温度に基づいて決定する。

また、室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出温度が目標吹出温度ＴＡＯとなるように圧縮機１の回転数が制御される。

２．暖房運転（図３参照）
目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上のときに実行されるもので、エアミックスドア１３にてヒータ１２を迂回する空気通路を閉じた状態で、冷媒を、圧縮機１→第１室外熱交換器２→第２減圧器８→切替弁６→室内熱交換器４→第１減圧器７→内部熱交換器５→第２室外熱交換器３→切替弁６→アキュムレータ１０→圧縮機１の順に循環させる。

このとき、第２減圧器８にて冷媒が減圧されないように第２減圧器８の絞り開度を全開とするとともに、室内熱交換器冷媒圧力センサ９ｅの検出圧力が室内熱交換器冷媒温度センサ９ｆによって決定される目標高圧圧力Ｐｏとなるように第１減圧器７の絞り開度を制御することにより、第２室外熱交換器３にて室外空気から吸熱して蒸発した冷媒の熱を第１室外熱交換器２及び室内熱交換器４にて放冷する。このため、室内に吹き出す空気は室内熱交換器４及びヒータ１２にて加熱されて室内に吹き出される。

また、ヒータ１２に供給される冷却水（温水）は、燃料電池２０及び第１室外熱交換器２にて加熱されており、ヒータ１２に供給される冷却水の温度は第１室外熱交換器２の加熱能力で決定されることから、本実施形態では、ヒータ１２に供給される冷却水の温度が、目標吹出温度ＴＡＯにヒータ１２での熱交換効率γを乗じた目標水温ＴＷＯ（＝ＴＡＯ×γ）となるように圧縮機１の回転数を制御する。

具体的には、目標水温ＴＷＯと水温センサ９ｇの検出温度との温度差、及び温度差の変化率からファジー理論に基づいて圧縮機１の回転数変化量Δｆを決定するものである。

なお、内部熱交換器５の圧縮機１側及び第１減圧器７側には、共に減圧後の冷媒が流れるため、実質的に熱交換が行われない。

因みに、目標水温ＴＷＯと水温センサ９ｇの検出温度との温度差が所定温度以下のとき、又は水温センサ９ｇの検出温度が目標水温ＴＷＯ以上であるときには、圧縮機１を停止してヒートポンプによる暖房補助、つまりヒートポンプによってヒータ１２に流入する冷却水を加熱することは行わない。

３．第１除湿暖房（図４参照）
室外空気温度（外気温センサ９ｈの検出温度）が所定温度（例えば、２０℃）以上で空調負荷が比較的に小さいときであって、目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上のときに実行されるもので、エアミックスドア１３にてヒータ１２を迂回する空気通路を閉じた状態で、冷媒を冷房運転時と同様な経路で循環させる。

具体的には、圧縮機１→第１室外熱交換器２→第２減圧器８→切替弁６→第２室外熱交換器３→内部熱交換器５→第１減圧器７→室内熱交換器４→切替弁６→アキュムレータ１０→圧縮機１の順である。

このとき、第２減圧器８の絞り開度を調節することにより第２室外熱交換器３での放熱量、つまりヒータ１２での放熱量を調節し、第１減圧器７の絞り開度を調節することにより室内熱交換器４の温度を調節して冷却除湿量を調節する。因みに、圧縮機１の制御は、冷房運転時と同じである。

これにより、第１室外熱交換器２にて冷却水を介して間接的に室内に吹き出す空気を加熱するとともに、室内熱交換器４にて冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却することができるので、室内熱交換器４にて除湿冷却された空気がヒータ１２にて再加熱されるため、除湿しながら暖房を行うことができる。

４．第２除湿暖房（図５参照）
室外空気温度（外気温センサ９ｈの検出温度）が所定温度（例えば、２０℃）未満で空調負荷が比較的に大きいときであって、目標吹出温度ＴＡＯが所定温度以上のときに実行されるもので、エアミックスドア１３にてヒータ１２を迂回する空気通路を閉じた状態で、冷媒を暖房運転時と同様な経路で循環させる。

具体的には、圧縮機１→第１室外熱交換器２→第２減圧器８→切替弁６→室内熱交換器４→第１減圧器７→内部熱交換器５→第２室外熱交換器３→切替弁６→アキュムレータ１０→圧縮機１の順である。

このとき、第２減圧器８の絞り開度を調節することにより室内熱交換器４の温度を調節して冷却除湿量を調節し、第１減圧器７の絞り開度を調節することにより第２室外熱交換器３での吸熱量を調節する。因みに、圧縮機１の制御は、暖房運転時と同じである。

これにより、第１室外熱交換器２にて介して間接的に室内に吹き出す空気を加熱するとともに、室内熱交換器４にて冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却することができるので、室内熱交換器４にて除湿冷却された空気がヒータ１２にて再加熱されるため、除湿しながら暖房を行うことができる。

５．エアミックスモード
本実施形態に係る空調装置は、原則、ヒータ１２のコア面を全閉又は全開とした状態で、圧縮機１の回転数及び減圧器７、８の絞り開度を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節するが、例えば冷房運転から暖房運転に切り替わった直後等の過渡期や目標吹出温度ＴＡＯが急変したときには、エアミックスドア１３の開度を調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節する。

具体的には、目標吹出温度ＴＡＯが急変したときには、目標吹出温度ＴＡＯと室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出温度ＴＥとの温度差（ＴＡＯ−ＴＥ）と、ヒータ１２を通過した直後の空気温度ＴＧＯと室内熱交換器空気温度センサ９ｐの検出温度ＴＥとの温度差（ＴＡＧ−ＴＥ）との比（＝（ＴＡＯ−ＴＥ）／（ＴＡＧ−ＴＥ））に基づいてエアミックスドア１３の開度を調節する。

次に、燃料電池２０の暖機運転時の作動について説明する。

燃料電池２０の温度が低いときに燃料電池２０を始動させるには、燃料電池２０を作動可能温度（０℃以上の温度で電池が発電可能な温度）以上まで加熱昇温させる（暖機運転する）必要がある。

そこで、燃料電池２０の温度が低いときにキースイッチがオン位置に操作されると、燃料電池２０の暖機運転を行うために、蓄電池３０から圧縮機１に給電して圧縮機１を運転させる。これにより、圧縮機１から吐出された高温高圧冷媒と燃料電池２０に循環される冷却水（熱媒体）とが第１室外熱交換器２内で熱交換し、第１室外熱交換器２にて加熱された冷却水により燃料電池２０が加熱昇温される。このとき、送風機１５を停止させておけばヒータ１２での放熱はないので、ヒートポンプでの放熱量はすべて燃料電池２０の加熱に利用される。

次に、蓄電池３０の充電制御について図６に基づいて説明する。

キースイッチがオン位置にあって燃料電池２０が発電を行っている際には、蓄電池３０の充電状態（ＳＯＣ）が通常制御域（所定範囲）になるように蓄電池３０への充電を制御する。具体的には、蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最小値（例えば４０％）未満になると燃料電池２０から蓄電池３０に給電して蓄電池３０の充電を開始し、蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最大値（例えば８０％）に達すると燃料電池２０から蓄電池３０への給電を停止して蓄電池３０の充電を終了する。

キースイッチがオフ位置に操作された場合、すなわち、燃料電池２０の運転を停止させる要求が乗員から出された場合、蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最大値未満（例えば図６のＡ点）であれば、燃料電池２０の運転を継続させて蓄電池３０の充電を行わせる。そして、蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最大値（図６のＢ点）に達すると、燃料電池２０の運転を停止させる。

これにより、次にキースイッチがオン位置に操作されて燃料電池２０の暖機運転を開始する時には、蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最大値から最小値（図６のＣ点）に低下するまで、蓄電池３０の電力を最大限使用することができる。

以上述べたように、本実施形態では、キースイッチがオフ位置に操作された場合、燃料電池２０の運転を停止する前に蓄電池３０の充電を行うため、燃料電池起動前の蓄電池３０の充電状態を高くすることができる。したがって、燃料電池起動前に燃料電池２０を加熱するための電力が確保され、燃料電池２０を作動可能温度以上まで確実に加熱することができる。

また、空調を行うヒートポンプを、燃料電池２０を加熱する加熱手段としても用いるため、構成部品の増加を抑制することができる。また、ヒートポンプは成績係数（ＣＯＰ）が２以上を期待できるため、電気ヒータ（成績係数＝１）を加熱手段として用いる場合よりも少ない電力で大きな加熱能力を得ることができる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、キースイッチがオフ位置に操作された場合に、燃料電池２０の運転を継続させて蓄電池３０の充電を行わせるようにしたが、キースイッチがオフ位置に操作され、且つ外気温が所定値以下のときに、燃料電池２０の運転を継続させて蓄電池３０の充電を行わせるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、キースイッチがオフ位置に操作された場合に、蓄電池３０の充電状態が通常制御域の最大値に達すると充電を終了させたが、蓄電池３０の寿命等に問題がなければ蓄電池３０の充電状態１００％の近くまで充電してもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池２０を加熱する加熱手段としてヒートポンプを用いたが、加熱手段として電気ヒータを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムおよび空調装置の模式図である。 本発明の一実施形態に係る空調装置の作動説明図である。 本発明の一実施形態に係る空調装置の作動説明図である。 本発明の一実施形態に係る空調装置の作動説明図である。 本発明の一実施形態に係る空調装置の作動説明図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの作動説明図である。

符号の説明

２０…燃料電池、３０…蓄電池。

Claims (4)

1. 水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池（２０）と、前記燃料電池により充電される蓄電池（３０）と、前記蓄電池から給電されて作動して、前記燃料電池の運転を開始する前に前記燃料電池を加熱する加熱手段とを備える車両用燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の運転を停止させる要求が乗員から出された後に、所定の間、前記燃料電池の運転を継続させて前記蓄電池の充電を行わせることを特徴とする車両用燃料電池システム。
2. 車室内の空調を行うヒートポンプを備える車両に搭載される燃料電池システムであって、前記ヒートポンプが前記加熱手段として用いられることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
3. 前記ヒートポンプは冷媒を圧縮する電動圧縮機（１）を備え、前記電動圧縮機から吐出された冷媒にて加熱された熱媒体が前記燃料電池（２０）に循環される構成であることを特徴とする請求項２に記載の車両用燃料電池システム。
4. 前記冷媒として二酸化炭素が用いられることを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池システム。
   

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