JP6153771B2

JP6153771B2 - 廃熱回収システム

Info

Publication number: JP6153771B2
Application number: JP2013113915A
Authority: JP
Inventors: 和実山崎; 一孝中井; 士郎矢川; 大貴永田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: US20140356748A1; JP2014232684A; US9331349B2

Description

本発明は、燃料電池の廃熱を回収する廃熱回収システムに関する。

アノードに燃料ガス（水素）が供給され、カソードに酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されることで発電する燃料電池は、電極反応が起こる際に発熱する。そこで、車室等を温める暖房運転の熱源として、燃料電池の廃熱を利用する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、燃料電池から流出する冷媒が循環する冷却回路と、この冷却回路から分岐する空調用回路と、を備えた冷却システムについて記載されている。前記した冷却回路は、冷媒がラジエータを迂回する際に通流するバイパス流路を有している。また、前記した空調用回路は、燃料電池から排出された冷媒が通流する冷媒排出流路において、バイパス流路との接続箇所よりも上流側に接続されている。

特開２０１２−２３７９５号公報

特許文献１に記載の発明では、冷却回路と空調用回路とを連結した場合、空調用回路のヒータコアで放熱した冷媒が、冷媒排出流路とバイパス流路との接続箇所よりも上流側に戻される。そうすると、ヒータコアにおける冷媒の温度変化や、燃料電池の発電状態等に応じて制御モードを切り替える必要があり、システム全体の制御が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、簡単な制御で燃料電池の廃熱を回収できる廃熱回収システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明に係る廃熱回収システムは、反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記冷媒流路から流出する冷媒を、前記冷媒流路に戻して循環させる冷媒循環流路と、前記冷媒循環流路に配設され、空気との熱交換によって冷媒を放熱させる第１熱交換器と、前記冷媒循環流路に配設され、冷媒を循環させる第１冷媒循環手段と、前記冷媒循環流路に配設され、前記燃料電池の温度が所定値以上である場合、前記第１熱交換器を介して冷媒が通流するように冷媒の通流方向を切り替える第１切替手段と、前記冷媒循環流路を介して循環する冷媒を分流させ、前記燃料電池の廃熱を空気との熱交換によって回収するための廃熱回収流路と、前記廃熱回収流路に配設され、空調用の空気と冷媒とを熱交換する第２熱交換器と、前記廃熱回収流路に配設され、冷媒を循環させる第２冷媒循環手段と、を備える廃熱回収システムであって、前記第１熱交換器は、前記冷媒流路から流出した冷媒を貯留する入口冷媒貯留部と、前記入口冷媒貯留部から流出する冷媒を空気との熱交換によって放熱させる放熱部と、前記放熱部において放熱した冷媒を貯留する出口冷媒貯留部と、を有し、前記冷媒循環流路は、前記出口冷媒貯留部と前記冷媒流路の流入口とに接続され、前記冷媒流路に供給される冷媒が通流する第１冷媒供給流路と、前記冷媒流路の流出口と前記入口冷媒貯留部とに接続され、前記冷媒流路から排出される冷媒が通流する第１冷媒排出流路と、前記第１熱交換器をバイパスするように、前記第１冷媒供給流路と前記第１冷媒排出流路とに接続される第１バイパス流路と、を有し、前記廃熱回収流路の上流端は、前記第１バイパス流路との接続箇所よりも下流側の前記第１冷媒排出流路、又は前記入口冷媒貯留部に接続され、前記廃熱回収流路の下流端は、前記入口冷媒貯留部に接続されることを特徴とする。

このような構成によれば、燃料電池の温度が所定値以上である場合、第１切替手段は第１熱交換器を介して冷媒が通流するように冷媒の通流方向を切り替える。この場合、燃料電池の冷媒流路から排出された高温の冷媒は、第１冷媒排出流路を介して第１熱交換器に流入する。なお、第１熱交換器に流入する冷媒の熱は、燃料電池を適温で維持するための廃熱（余剰熱）である。
一方、廃熱回収流路の上流端は、第１バイパス流路との接続箇所よりも下流側の第１冷媒排出流路又は入口冷媒貯留部に接続される。したがって、第２冷媒循環手段が駆動した場合、燃料電池からの高温の冷媒が廃熱回収流路に流入し、第２熱交換器において空調用の空気と熱交換する。

また、廃熱回収流路の下流端は、入口冷媒貯留部に接続される。したがって、空調用の空気と熱交換して放熱した冷媒は、第１冷媒供給流路を介して燃料電池の冷媒流路に還流し、再び燃料電池から吸熱する。
このように、本発明によれば、制御モードを切り替えるといった複雑な制御を行うことなく、燃料電池の廃熱を容易に回収できる。また、燃料電池の廃熱のみを回収する（つまり、燃料電池を過剰に発熱させる必要がない）ため、システム全体のエネルギ効率を高めることができる。

また、前記廃熱回収流路の前記上流端は、前記入口冷媒貯留部に接続されることが好ましい。
さらに、前記第１冷媒排出流路と前記入口冷媒貯留部との接続箇所と、前記上流端との距離は、前記上流端と前記下流端との距離よりも短いことが好ましい。

このような構成によれば、入口冷媒貯留部の内部において冷媒の圧力は略均一であるため、廃熱回収流路の上流端と下流端との間で差圧が生じない。したがって、前記した差圧を考慮することなく第２冷媒循環手段を駆動させればよく、燃料電池の廃熱を回収する際の制御を簡単化できる。
また、第１冷媒排出流路と入口冷媒貯留部との接続箇所と、廃熱回収流路の上流端との距離は、廃熱回収流路の上流端と下流端との距離よりも短い。したがって、第１冷媒排出流路を介して入口冷媒貯留部に流入する高温の冷媒と、廃熱回収流路を介して入口冷媒貯留部に流入する低温の冷媒と、が混ざり合って互いに熱交換することを抑制できる。その結果、入口冷媒貯留部から廃熱回収流路を介して高温の冷媒が供給され、燃料電池の廃熱を高効率で回収できる。

また、前記廃熱回収流路は、前記上流端を介して前記第２熱交換器に供給される冷媒が通流する第２冷媒供給流路と、前記第２熱交換器から排出される冷媒が前記下流端に向かって通流する第２冷媒排出流路と、一端が前記第２冷媒供給流路に接続され、他端が前記第２冷媒排出流路に接続される第２バイパス流路と、を有し、前記第２冷媒排出流路から流出する冷媒を、前記第２バイパス流路及び前記第２冷媒供給流路を介して前記第２熱交換器に戻すか、又は、前記下流端に向けて通流させるかを切り替える第２切替手段を備えることが好ましい。

このような構成によれば、第２冷媒排出流路、第２バイパス流路、第２冷媒供給流路、及び第２熱交換器を含む流路において冷媒を循環させるか、又は、廃熱回収流路の下流端に向けて冷媒を通流させるか、を第２切替手段によって切り替えることができる。したがって、例えば、第１切替手段によって冷媒が第１熱交換器を迂回する（つまり、燃料電池の温度が所定値未満である）場合、入口冷媒貯留部に貯留されている比較的低温の冷媒が第２熱交換器を流入することを防止できる。

本発明によれば、簡単な制御で燃料電池の廃熱を回収する廃熱回収システムを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る廃熱回収システムの構成図である。廃熱回収システムの動作の流れを示すフローチャートである。本発明の参考形態に係る廃熱回収システムの構成図である。廃熱回収システムの動作の流れを示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る廃熱回収システムの構成図である。

≪第１実施形態≫
＜廃熱回収システムの構成＞
廃熱回収システムＳは、燃料電池１０の廃熱（余剰熱）を回収し、暖房運転を行う際の熱源として利用するシステムである。以下では、一例として、廃熱回収システムＳを燃料電池車に適用する場合について説明する。

図１に示す廃熱回収システムＳは、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対してアノードガス（水素）を供給するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対してカソードガス（酸素を含む空気）を供給するカソード系と、燃料電池１０を経由するように冷媒を循環させるＦＣ（Fuel Cell）側冷媒系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、ヒータコア６３を経由するように冷媒を循環させる空調側冷媒系と、これらを制御するＥＣＵ８０と、を備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、膜／電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）を複数積層して構成されている。
燃料電池１０の各セパレータには、各膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がアノード流路１１、カソード流路１２として機能する。なお、反応ガス（水素、酸素を含む空気）が供給される「反応ガス流路」は、アノード流路１１と、カソード流路１２と、を含んで構成される。
また、前記したセパレータには、燃料電池１０を冷却するための冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が通流する冷媒流路１３が形成されている。

燃料電池１０では、アノード流路１１を介して水素（反応ガス）が供給されると（式１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して酸素を含む空気（反応ガス）が供給されると（式２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）が発生する。

２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-・・・（式１）
Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・（式２）

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、を備えている。
水素タンク２１は、高純度の水素が圧縮充填されたタンクであり、配管ａ１を介して遮断弁２２に接続されている。
遮断弁２２は、ＥＣＵ８０からの指令に従って開閉することで水素タンク２１の水素を燃料電池１０に対して供給／遮断する弁であり、配管ａ２を介してアノード流路１１に接続されている。

その他、遮断弁２２を介して供給される水素を減圧する減圧弁（図示せず）が配管ａ２に設置され、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスを希釈する希釈器（図示せず）が配管ａ３に設置されている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１を備えている。
コンプレッサ３１は、ＥＣＵ８０からの指令に従って内部の羽根車（図示せず）を回転させることで車外から空気を吸引・圧縮し、配管ｂ１を介してカソード流路１２に供給するものである。

その他、配管ｂ１を介して供給される低湿潤の空気と、配管ｂ２を介して排出される高湿潤のカソードオフガスと、の間で水分交換するための加湿器（図示せず）が設置されている。また、カソード流路１２を通流する空気の圧力（背圧）を制御する背圧弁（図示せず）が配管ｂ２に設置されている。

＜ＦＣ側冷媒系＞
ＦＣ側冷媒系は、冷媒ポンプ４１と、ラジエータ４２と、サーモスタットバルブ４３と、温度センサ４４と、を備えている。
冷媒ポンプ４１（第１冷媒循環手段）は、ＥＣＵ８０からの指令に従って駆動し、冷媒流路１３に向けて冷媒を圧送するポンプである。冷媒ポンプ４１は、その吸入側が配管ｃ２を介してサーモスタットバルブ４３に接続され、吐出側が配管ｃ３を介して冷媒流路１３の流入口に接続されている。

ラジエータ４２（第１熱交換器）は、冷媒流路１３から流出した高温の冷媒を放熱させるための熱交換器である。ラジエータ４２は、冷媒流路１３から流出した冷媒を空気との熱交換によって放熱させる放熱部４２１と、放熱部４２１の上流端に接続されるロアタンク４２２と、放熱部４２１の下流端に接続されるアッパタンク４２３と、を有している。

放熱部４２１は、ロアタンク４２２からの冷媒が通流（上昇）する複数のチューブ（図示せず）と、各チューブが貫通する孔が形成された複数の放熱フィン（図示せず）と、を有している。
前記した複数のチューブは、鉛直方向に延びる筒状部材であり、所定の伝熱性を有している。各チューブは、その上流端（鉛直方向の下端）がロアタンク４２２に接続され、下流端（鉛直方向の上端）がアッパタンク４２３に接続されている。

ロアタンク４２２（入口冷媒貯留部）は、配管ｃ４を介して流入する冷媒を一時的に貯留する細長のタンクであり、配管ｃ４を介して冷媒流路１３の流出口に接続されている。なお、冷媒流路１３の流出口とロアタンク４２２とを接続し、冷媒流路１３から排出される冷媒が通流する「第１冷媒排出流路」は、配管ｃ４を含んで構成される。

アッパタンク４２３（出口冷媒貯留部）は、各チューブを介して流入する冷媒を一時的に貯留する細長のタンクであり、配管ｃ１を介してサーモスタットバルブ４３に接続されている。なお、アッパタンク４２３と冷媒流路１３の流入口とを接続し、冷媒流路１３に供給される冷媒が通流する「第１冷媒供給流路」は、配管ｃ１，ｃ２，ｃ３を含んで構成される。
なお、ラジエータ４２の近傍には、ＥＣＵ８０からの指令に応じて駆動し、ラジエータ４２に向けて送風するラジエータファン（図示せず）が設置されている。

サーモスタットバルブ４３（第１切替手段）は、冷媒の温度に応じてラジエータ４２への冷媒の通流／迂回を切り替え、燃料電池１０の温度を調整する温度調整機構である。サーモスタットバルブ４３は、冷媒の温度が所定値以上になると膨張するワックス（図示せず）と、ワックスの膨張に伴って移動する弁体（図示せず）と、を有している。
サーモスタットバルブ４３は、一方の入口ポートが配管ｃ１を介してアッパタンク４２３に接続され、他方の入口ポートがバイパス配管ｃ５に接続されている。また、サーモスタットバルブ４３の出口ポートは、配管ｃ２を介して冷媒ポンプ４１の吸入口に接続されている。

サーモスタットバルブ４３を通流する冷媒の温度（つまり、燃料電池１０の温度）が所定値以上である場合、前記したワックスが膨張して配管ｃ１，ｃ２が連通し、バイパス配管ｃ５を介した流路が遮断される。一方、サーモスタットバルブ４３を通流する冷媒の温度が所定値未満である場合、ワックスは膨張しないため、バイパス配管ｃ５と配管ｃ２とが連通し、配管ｃ１を介した流路が遮断される。

なお、ラジエータ４２への冷媒の通流／迂回を切り替える際の温度閾値（つまり、サーモスタットバルブ４３のワックスが膨張するか否かの温度閾値）は、燃料電池１０の電極反応が適切に継続するように予め設定されている。

バイパス配管ｃ５（第１バイパス流路）は、ラジエータ４２をバイパスするように、その一端がサーモスタットバルブ４３に接続され、他端が配管ｃ４に接続されている。なお、燃料電池１０の冷媒流路１３から流出する冷媒を循環させ、冷媒流路１３に戻す「冷媒循環流路」は、配管ｃ１〜ｃ４と、バイパス配管ｃ５と、を含んで構成される。
温度センサ４４は、配管ｃ４を通流する冷媒の温度を燃料電池１０の温度として検出し、ＥＣＵ８０に出力する機能を有している。

＜電力消費系＞
電力消費系は、ＶＣＵ５１と、走行モータ５２と、を備えている。
ＶＣＵ５１（Voltage Control Unit）は、燃料電池１０の発電電力やバッテリ（図示せず）の充放電を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ（図示せず）、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）等の電子回路が内蔵されている。
走行モータ５２は、例えば、永久磁石同期式の三相交流モータであり、３相交流電力で燃料電池車の駆動輪を回転駆動させる。

＜空調側冷媒系＞
空調側冷媒系は、冷媒ポンプ６１と、冷媒加熱用ヒータ６２と、ヒータコア６３と、温度センサ６４と、を備えている。
冷媒ポンプ６１（第２冷媒循環手段）は、ＥＣＵ８０からの指令に従って駆動し、ヒータコア６３に向けて冷媒を圧送するポンプである。冷媒ポンプ６１は、吸入側が配管ｄ１を介してロアタンク４２２に接続され、吐出側が配管ｄ２を介して冷媒加熱用ヒータ６２に接続されている。

冷媒加熱用ヒータ６２は、配管ｄ２を介して流入する冷媒を、ＥＣＵ８０からの指令に応じて加熱する電気ヒータである。冷媒加熱用ヒータ６２の下流側は、配管ｄ３を介してヒータコア６３の流入口に接続されている。なお、ヒータコア６３に供給される冷媒が通流する「第２冷媒供給流路」は、配管ｄ１〜ｄ３を含んで構成される。

ヒータコア６３（第２熱交換器）は、配管ｄ３を介して流入する高温の冷媒と、エアミックスドア７４によって案内されダクト７１内を通流する空気と、を熱交換する熱交換器である。ヒータコア６３は、ダクト７１内においてエボパレータ７３よりも下流側に設置されている。
ヒータコア６３の流出口は、配管ｄ４を介してロアタンク４２２に接続されている。なお、ヒータコア６３から排出される冷媒が通流する「第２冷媒排出流路」は、配管ｄ４を含んで構成される。

また、配管ｃ１〜ｃ４を含む冷媒循環流路を循環する冷媒を分流させ、燃料電池１０の廃熱を回収するための「廃熱回収流路」は、配管ｄ１〜ｄ４を含んで構成される。図１に示すように、廃熱回収流路の上流端Ｐ２及び下流端Ｐ３は、ラジエータ４２のロアタンク４２２に接続されている。
温度センサは６４は、冷媒加熱用ヒータ６２から流出した冷媒の温度を検出し、ＥＣＵ８０に出力する機能を有している。

（ラジエータと各配管との接続位置）
ここで、ラジエータ４２のロアタンク４２２と、配管ｃ４，ｄ１，ｄ４と、の接続箇所について説明する。細長のロアタンク４２２において、配管ｃ４とロアタンク４２２との接続箇所Ｐ１、配管ｄ１とロアタンク４２２との接続箇所Ｐ２、配管ｄ４とロアタンク４２２との接続箇所Ｐ３が、紙面左から順に並んでいる。また、接続箇所Ｐ１，Ｐ２間の距離ΔＬ１が、接続箇所Ｐ２，Ｐ３間の距離ΔＬ２よりも短くなるように、配管ｃ４，ｄ１，ｄ４がロアタンク４２２に接続されている。

これによって、配管ｃ４を介してロアタンク４２２に流入した高温の冷媒が配管ｄ１に流入しやすくなる。また、配管ｄ４を介してロアタンク４２２に戻った低温の冷媒が、配管ｃ４を介してロアタンク４２２に流入した高温の冷媒と混ざりにくくなる。その結果、燃料電池１０の廃熱を高効率で回収し、暖房運転の熱源として利用できる。

（その他機器）
図１に示すダクト７１は、上流端が開口して車内外に連通し、下流端が開口して車室に連通するように設置される筒状部材である。ダクト７１内には、上流側から順に、送風機７２、エボパレータ７３、エアミックスドア７４、及びヒータコア６３が設置されている。

送風機７２は、車内外からの空気を吸入してダクト７１内に送り込む機能を有し、ダクト７１の上流端付近に設けられている。
エボパレータ７３は、送風機７２から送り込まれる空気を冷却するものであり、冷房運転時に蒸発器として機能する。なお、図１では図示を省略したが、圧縮機（図示せず）、コンデンサ（凝縮器：図示せず）、膨張弁（図示せず）、及びエボパレータ７３が配管（図示せず）を介して環状に順次接続されている。そして、前記した圧縮機を駆動し、膨張弁の開度を絞ることで、エボパレータ７３に低温低圧の冷媒が流入する。

エアミックスドア７４は、例えば回動式のドアにより構成され、ＥＣＵ８０からの指令に従って回動軸Ｋを中心として回動する。これによって、ヒータコア６３に流入する空気とヒータコア６３を迂回する空気との流量比（つまり、車室に送り込まれる空気の温度）が調整される。なお、図１に示す回動式のエアミックスドア７４に代えて、スライド式のエアミックスドアを用いてもよい。

温度センサ７５は、エボパレータ７３の下流側、かつ、ヒータコア６３の上流側に設置されている。温度センサ７５は、エボパレータ７３を通流する冷媒と熱交換した空気の温度を検出し、ＥＣＵ８０に出力する。
空調スイッチ７６は、例えば、車内のセンタクラスタ（図示せず）に設置され、操作者による操作に応じて空調運転のＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ８０に出力する。

＜制御系＞
ＥＣＵ８０（Electric Control Unit）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ＥＣＵ８０は、ＩＧ（Ignition Switch：図示せず）から入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号、温度センサ４４，６４からの温度情報、空調スイッチ７６から入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号、操作者によって設定される設定温度等に応じて、各機器の駆動を制御する。すなわち、ＥＣＵ８０は、自身に入力される各信号に応じて、遮断弁２２、コンプレッサ３１、冷媒ポンプ４１，６１、ＶＣＵ５１、冷媒加熱用ヒータ６２、送風機７２、エアミックスドア７４等の動作を統括制御する。
なお、ＥＣＵ８０は、空調制御用ＥＣＵと、燃料電池システム制御用ＥＣＵと、を別体で構成してもよいし、一体で構成してもよい。

＜廃熱回収システムの動作＞
図２に示すように、ＩＧ（図示せず）からＯＮ信号が入力されると（ＳＴＡＲＴ）、ＥＣＵ８０は燃料電池１０の温度等に基づいて、ＦＣ側冷媒系の冷媒ポンプ４１の駆動要否を判定し、駆動が必要である場合にステップＳ１０１でＦＣ側冷媒系の冷媒ポンプ４１を駆動する。通常、ＩＧ−ＯＮ時において燃料電池１０の温度は、発電に適した所定温度（例えば、６５℃）よりも低くなっている。したがって、サーモスタットバルブ４３は閉じた状態になっている（つまり、配管ｃ１を介した流路が遮断され、バイパス配管ｃ５を介した流路が連通している）。

なお、図２のフローチャートでは省略したが、ＩＧ−ＯＮの後、ＥＣＵ８０はコンプレッサ３１を駆動すると共に、遮断弁２２を開弁する。これによって、燃料電池１０のアノード流路１１に水素が供給され、カソード流路１２に酸素を含む空気が供給される。そうすると、膜／電極接合体において前記した電極反応が起こり、燃料電池１０が発熱する。

前記した状態で冷媒ポンプ４１が駆動すると、燃料電池１０の冷媒流路１３から流出した比較的低温の冷媒は、ラジエータ４２を迂回して配管ｃ４、バイパス配管ｃ５、配管ｃ２，ｃ３を順次通流し、冷媒流路１３に戻る。

その後、燃料電池１０が発熱することによって冷媒温度が所定温度以上になると、サーモスタットバルブ４３が開く。つまり、配管ｃ１を介した流路が連通し、バイパス配管ｃ５を介した流路が遮断される。なお、前記したサーモスタットバルブ４３の開閉は、内部のワックスが冷媒温度に応じて体積変化することで行われる。

サーモスタットバルブ４３が開状態になると、冷媒流路１３から流出した高温の冷媒は、配管ｃ４を介してラジエータ４２のロアタンク４２２に流入する。そして、複数のチューブ（図示せず）を通流する際に冷媒は、このチューブ及び放熱フィン（図示せず）を介して空気（例えば、走行風）と熱交換する。熱交換によって放熱した冷媒は、アッパタンク４２３及び配管ｃ１〜ｃ３を介して冷媒流路１３に戻る。これによって、燃料電池１０を適温で維持できる。なお、空調側冷媒系における冷媒の循環については後記する。

ステップＳ１０２においてＥＣＵ８０は、暖房運転を開始する必要があるか否かを判定する。当該判定処理は、空調スイッチ７６からＯＮ信号が入力された場合において、車室の温度を検出する温度センサ（図示せず）、車外の温度を検出する複数の温度センサ（図示せず）、操作者によって設定される設定温度等に基づいて行われる。
暖房運転を開始する必要がある場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、暖房運転を開始する必要がない場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ８０はステップＳ１０２の処理を繰り返す。

ステップＳ１０３においてＥＣＵ８０は、目標温度を設定する。すなわち、ＥＣＵ８０は、操作者によって設定される設定温度等に基づいて、温度センサ７５（図１参照）の設置箇所における目標温度を設定する。

ステップＳ１０４においてＥＣＵ８０は、空調側冷媒系の冷媒ポンプ６１及び送風機７２を駆動する。そうすると、燃料電池１０から流出した高温の冷媒が、配管ｃ４、ロアタンク４２２、及び配管ｄ１〜ｄ３を介して分流し、ヒータコア６３に流入する。

ここで、図１に示すように、接続箇所Ｐ１，Ｐ２間の距離ΔＬ１は、接続箇所Ｐ２，Ｐ３間の距離ΔＬ２よりも短い。したがって、配管ｄ４を介してロアタンク４２２に流入する低温の冷媒が、配管ｃ４を介してロアタンク４２２に流入する高温の冷媒と混ざり合うことが抑制され、燃料電池１０の廃熱を高効率で回収できる。また、ロアタンク４２２内は略同圧であるため、接続箇所Ｐ２，Ｐ３間において差圧がほとんど生じない。したがって、空調側の冷媒ポンプ６１に余計な負荷がかかることもない。
なお、ＦＣ側冷媒系の冷媒ポンプ４１も駆動しているため（Ｓ１０１）、ラジエータ４２での熱交換も継続している。

ステップＳ１０５においてＥＣＵ８０は、ステップＳ１０３で設定した目標温度等に基づいてエアミックスドア７４の開度を調整する。その結果、送風機７２によってダクト７１内に送り込まれた空気のうち、エアミックスドア７４の開度に応じた流量の空気がヒータコア６３を通流する。
配管ｄ１を介してロアタンク４２２から流出した冷媒は、配管ｄ２，ｄ３を介してヒータコア６３に流入する。ヒータコア６３を通流する高温の冷媒は、送風機７２によって送風される空気に対して放熱する。したがって、燃料電池１０の廃熱（余剰熱）を暖房運転の熱源として利用し、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。

一方、ヒータコア６３を通流する空気は冷媒から吸熱した後、ダクト７１を介し車室に向けて送風される。また、ヒータコア６３から流出した低温の冷媒は、配管ｄ４を介してロアタンク４２２に戻った後、燃料電池１０の冷媒流路１３に向けて圧送される。

Ｓ１０６においてＥＣＵ８０は、温度センサ６４によって検出される冷媒の温度Ｔ_refが所定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。前記した所定温度Ｔ１は、暖房運転を適切に行うことができるように予め設定されている。
冷媒の温度Ｔ_refが所定温度Ｔ１以上である場合（Ｓ１０６→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７においてＥＣＵ８０は、冷媒加熱用ヒータ６２をＯＦＦにする。

一方、冷媒の温度Ｔ_refが所定温度Ｔ１未満である場合（Ｓ１０６→Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８においてＥＣＵ８０は、冷媒加熱用ヒータ６２をＯＮにする。これによって、ヒータコア６３に流入する冷媒の温度を、暖房運転に適した温度で維持できる。

ステップＳ１０９においてＥＣＵ８０は、空調スイッチ７６からＯＦＦ信号が入力されたか否かを判定する。空調スイッチ７６からＯＦＦ信号が入力された場合（Ｓ１０９→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０においてＥＣＵ８０は、冷媒ポンプ６１、送風機７２、及び冷媒加熱用ヒータ６２の駆動を停止させ、処理を終了する（ＥＮＤ）。一方、空調スイッチ７６からＯＦＦ信号が入力されていない場合（Ｓ１０９→Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０４に戻る。

＜効果＞
本実施形態に係る廃熱回収システムＳにおいて、ラジエータ４２のロアタンク４２２に流入する高温の冷媒の熱は、燃料電池１０の温度上昇に伴って生じた廃熱である。このように燃料電池１０の廃熱のみを暖房運転の熱源として利用することで、燃料電池１０に過剰な負担をかける（例えば、暖房に必要となる熱の不足分を燃料電池１０での発電で補う）必要がなくなる。その結果、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。

また、廃熱回収流路（配管ｄ１〜ｄ４を含む）の上流端Ｐ２及び下流端Ｐ３が接続されるロアタンク４２２内は、略同圧である。すなわち、前記した上流端Ｐ２と下流端Ｐ３との間で差圧がほとんど生じない。したがって、前記した差圧を打ち消すための余分な負荷が冷媒ポンプ６１にかからず、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池１０の廃熱を回収するための余分な機器（例えば、冷媒の逆流を防止するための弁）を追加する必要がない。したがって、廃熱回収システムＳに要するコストを低減できる。
また、必要に応じて冷媒加熱用ヒータ６２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで温度調整できるため、燃料電池１０の廃熱を暖房運転に利用する際の制御を非常に簡単化できる。

また、接続箇所Ｐ１，Ｐ２間の距離ΔＬ１は、接続箇所Ｐ２，Ｐ３間の距離ΔＬ２よりも短い。したがって、配管ｃ４を介してロアタンク４２２に流入する高温の冷媒が、配管ｄ４を介してロアタンク４２２に流入する低温の冷媒と混ざり合うことを抑制できる。その結果、燃料電池１０の廃熱を暖房運転の熱源として高効率で回収できる。

≪参考形態≫
参考形態に係る廃熱回収システムＳは、バイパス配管ｄ６及び三方弁６５が設置されている点と、配管ｄ１〜ｄ５を含む廃熱回収流路の上流端Ｑ２及び下流端Ｑ３の接続箇所が異なるが、その他の構成については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。

＜廃熱回収システムの構成＞
図３に示すバイパス配管ｄ６（第２バイパス流路）は、一端が三方弁６５に接続され、他端が配管ｄ５に接続されている。すなわち、バイパス配管ｄ６は、一端が前記した第２冷媒供給流路（配管ｄ１〜ｄ４）に接続され、他端が第２冷媒排出流路（配管ｄ５）に接続されている。

三方弁６５（第２切替手段）は、ヒータコア６３から流出した冷媒を、バイパス配管ｄ６及び配管ｄ２〜ｄ４を介してヒータコア６３に戻すか、又は、配管ｄ５の下流端Ｑ３（廃熱回収流路の下流端）に向けて通流させるかを切り替える機能を有している。
三方弁６５は、その入口ポートが配管ｄ１を介し、前記した上流端Ｑ２で配管ｃ４に接続されている。また、三方弁６５は、一方の出口ポートが配管ｄ２を介して冷媒ポンプ６１の吸入口に接続され、他方の出口ポートがバイパス配管ｄ６に接続されている。

また、配管ｄ１の上流端Ｑ２は、図３に示す配管ｃ４のうちバイパス配管ｃ５との接続箇所よりも下流側に接続されている。配管ｄ５の下流端Ｑ３は、冷媒ポンプ４１よりも上流側の配管ｃ１に接続されている。

＜廃熱回収システムの動作＞
図４のステップＳ１０１〜Ｓ１０３は、第１実施形態（図２参照）の場合と同様であるから説明を省略する。
ステップＳ１０３の処理を実行した後、ステップＳ２０１においてＥＣＵ８０は、温度センサ４４によって検出される燃料電池１０の温度Ｔ_FCが所定温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。前記した所定温度Ｔ２とは、燃料電池１０において回収すべき廃熱が発生しているか否か（つまり、サーモスタットバルブ４３が開状態となっているか否か）の判定基準であり、予め設定されている。

燃料電池１０の温度Ｔ_FCが所定温度Ｔ２以上である場合（Ｓ２０１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２においてＥＣＵ８０は三方弁６５を開状態とし、配管ｄ１，ｄ２を連通させる。このとき、サーモスタットバルブ４３も開状態であるため（Ｓ２０１→Ｙｅｓ）、燃料電池１０の冷媒流路１３から流出した高温の冷媒が、ラジエータ４２のロアタンク４２２に流入している。

配管ｄ１を介してロアタンク４２２から流出した高温の冷媒は、配管ｄ２〜ｄ４を介してヒータコア６３に流入する。ヒータコア６３を通流する高温の冷媒は、送風機７２によって送風される空気に対して放熱する。ヒータコア６３から流出した低温の冷媒は、配管ｄ５を介してロアタンク４２２に戻った後、燃料電池１０の冷媒流路１３に向けて圧送される。

一方、燃料電池１０の温度Ｔ_FCが所定温度Ｔ２未満である場合（Ｓ２０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３においてＥＣＵ８０は三方弁６５を閉状態とし、配管ｄ１を介した流路を遮断し、配管ｄ２とバイパス配管ｄ６とを連通させる。冷媒ポンプ６１が駆動すると（Ｓ１０４）、冷媒はラジエータ４２を迂回し、配管ｄ２〜ｄ４、ヒータコア６３、配管ｄ５の一部、及びバイパス配管ｄ６を介して循環する。

このように、燃料電池１０で廃熱が生じない場合（Ｓ２０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ８０は空調側冷媒系においてラジエータ４２を迂回するように冷媒を循環させる。なお、ヒータコア６３で必要な熱は、冷媒加熱用ヒータ６２に電流を流すことで発生させる（Ｓ１０６→Ｎｏ，Ｓ１０８）。
したがって、燃料電池１０で廃熱（余剰熱）が発生していない場合において、配管ｃ４，ｄ１を介して低温の冷媒がヒータコア６３に向かうことを防止し、冷媒加熱用ヒータ６２の負荷を低減できる。

＜効果＞
本参考形態では、燃料電池の温度Ｔ_FCが所定温度Ｔ２以上になった場合（Ｓ２０１→Ｙｅｓ）、サーモスタットバルブ４３によって高温の冷媒がロアタンク４２２に流入する。前記したように、サーモスタットバルブ４３は、内部のワックスの体積変化によって冷媒の通流方向を切り替える。したがって、ＥＣＵ８０が複雑な制御を行う必要はなく、燃料電池１０の廃熱を回収する際の制御を簡単化できる。

また、配管ｄ５は、冷媒ポンプ４１よりも上流側に位置する配管ｃ１に接続される。したがって、燃料電池１０の廃熱を暖房運転の熱源として利用する際、冷媒ポンプ４１の吸入側で生じる負圧によって、配管ｄ１〜ｄ５での冷媒の通流をアシストできる。

なお、本参考形態では、配管ｄ１，ｄ２とバイパス配管ｄ６との接続箇所に三方弁６５を設置する構成としたが、これに限らない。すなわち、図３に示す設置位置に代えて、配管ｄ５とバイパス配管ｄ６との接続箇所（つまり、バイパス配管ｄ６の紙面左側端部）に三方弁を設置する構成にしてもよい。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、ラジエータ４２Ａの入口冷媒タンク４２２Ａと出口冷媒タンク４２３Ａとを接続するチューブ（図示せず）が水平方向に沿って延在する点と、バイパス配管ｄ６及び三方弁６５を追加した点と、が第１実施形態とは異なる。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。

＜廃熱回収システムの構成＞
図５に示すラジエータ４２において、細長の入口冷媒タンク４２２Ａ（入口冷媒貯留部）と、出口冷媒タンク４２３Ａ（出口冷媒貯留部）と、が鉛直方向に沿うように設置されている。放熱部４２１Ａは、水平方向に延びる複数のチューブ（図示せず）と、各チューブが貫通する複数の孔が形成された放熱フィンと、を有している。

各チューブは、その上流端（紙面左端）が入口冷媒タンク４２２Ａに接続され、下流端（紙面右端）が出口冷媒タンク４２３Ａに接続されている。したがって、燃料電池１０の温度が上昇してサーモスタットバルブ４３が開状態になると、高温の冷媒がラジエータ４２Ａのチューブ内を水平方向に沿って紙面右向きに通流する。

また、入口冷媒タンク４２２Ａにおいて、配管ｃ４と入口冷媒タンク４２２Ａとの接続箇所Ｒ１、配管ｄ１と入口冷媒タンク４２２Ａとの接続箇所Ｒ２、配管ｄ５と入口冷媒タンク４２２Ａとの接続箇所Ｒ３が、鉛直方向に沿って上から順に並んでいる。また、接続箇所Ｒ１，Ｒ２間の距離ΔＬ１が、接続箇所Ｒ２，Ｒ３間の距離ΔＬ２よりも長くなるように配管ｃ４，ｄ１，ｄ５が入口冷媒タンク４２２Ａに接続されている。

このように配管ｃ４，ｄ１，ｄ５を接続することで、配管ｃ４を介して入口冷媒タンク４２２Ａに流入する高温の冷媒と、配管ｄ５を介して入口冷媒タンク４２２Ａに流入する低温の冷媒と、が混ざり合うことを抑制できる。
また、高温の冷媒ほど密度が小さく浮上しやすいため、入口冷媒タンク４２２Ａ内の冷媒の温度分布は、上方に向かうにつれて高温になりやすい。図５に示すように、高温の冷媒が通流する配管ｃ４を、低温の冷媒が通流する配管ｄ５よりも上方の位置で入口冷媒タンク４２２Ａに接続している。これによって、入口冷媒タンク４２２Ａ内で高温の冷媒と低温の冷媒とが混ざり合うことを効果的に抑制できる。

なお、バイパス配管ｄ６及び三方弁６５の接続関係や、ＥＣＵ８０が実行する処理については参考形態と同様であるから、説明を省略する。

＜効果＞
本実施形態によれば、チューブ（図示せず）が水平方向に沿うようにラジエータ４２Ａを設置する場合でも、簡単な制御で効率的に燃料電池１０の廃熱を回収し、暖房運転に利用できる。また、前記した接続箇所Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が上から順に並ぶように配管ｃ４，ｄ１，ｄ５を接続することで、高温の冷媒と低温の冷媒とが入口冷媒タンク４２２Ａ内で混ざり合うことを抑制できる。したがって、燃料電池１０の廃熱を高効率で回収し、暖房運転の熱源として利用できる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る廃熱回収システムＳについて前記各実施形態及び前記参考形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第１実施形態及び参考形態では、ＦＣ側冷媒系においてロアタンク４２２（アッパタンク４２３よりも鉛直方向下側に設置される）がアッパタンク４２３よりも上流側に位置するように各配管が接続される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、図１に示す配管ｃ４，ｄ１，ｄ４をアッパタンク４２３に接続し、配管ｃ１をロアタンク４２２に接続してもよい。この場合、ロアタンク４２２はアッパタンク４２３よりも下流側に位置している。

また、前記各実施形態及び前記参考形態では、冷媒の通流方向を切り替える「第１切替手段」がサーモスタットバルブ４３である場合について説明したが、これに限らない。すなわち、サーモスタットバルブ４３に代えてソレノイド及び弁体を有する三方弁を用いてもよい。また、ヒータを内蔵した電動のサーモスタットバルブを用い、燃料電池１０の温度が比較的低い場合でもヒータでワックスを加熱することで冷媒の通流方向を切替可能な構成にしてもよい。

また、冷媒の通流方向を切り替える「第１切替手段」及び／又は「第２切替手段」として、２つの開閉弁を用いてもよい。例えば、図３に示す三方弁６５に代えて、配管ｄ１と、バイパス配管ｄ６と、にそれぞれ開閉弁を設置してもよい。
また、第１実施形態では、接続箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が順に並ぶように配管ｃ１，ｄ１，ｄ４をロアタンク４２２に接続する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、接続箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の位置関係は適宜変更できる。参考形態及び第２実施形態についても同様である。

また、前記各実施形態及び前記参考形態では、ＦＣ側冷媒系の冷媒ポンプ４１が配管ｃ３を介して冷媒流路１３の流入口に接続される場合について説明したが、これに限らない。例えば、バイパス配管ｃ５との接続箇所よりも上流側の配管ｃ４に冷媒ポンプを設置してもよい。
また、前記各実施形態及び前記参考形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせ、図５に示す廃熱回収システムＳからバイパス配管ｄ６及び三方弁６５を省略してもよい。

また、例えば、配管ｄ１の上流端を配管ｃ４に接続し（図３参照）、配管ｄ５の下流端をアッパタンク４２３に接続してもよい。その他、配管ｄ５の下流端を、配管ｃ１、配管ｃ２、又は配管ｃ３のいずれかに接続してもよい。
すなわち、前記した廃熱回収流路の上流端が接続される箇所は、バイパス配管ｃ５との接続箇所よりも下流側の配管ｃ４、又はロアタンク４２２のうちいずれでもよい。また、廃熱回収流路の下流端が接続される箇所は、ロアタンク４２２、アッパタンク４２３、又は配管ｃ１〜ｃ３を含む第１冷媒供給流路のうちいずれでもよい。

また、前記各実施形態及び前記参考形態では、廃熱回収システムＳを車両に搭載する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、廃熱回収システムＳを列車、船舶、航空機等の移動体に搭載してよいし、定置式のシステムに搭載してもよい。
また、前記各実施形態及び前記参考形態では、燃料ガス（反応ガス）として水素を用いる場合について説明したが、燃料ガスとして天然ガス等を用いてもよい。

Ｓ廃熱回収システム
１０燃料電池
１１アノード流路（反応ガス流路）
１２カソード流路（反応ガス流路）
１３冷媒流路
４１冷媒ポンプ（第１冷媒循環手段）
４２，４２Ａラジエータ（第１熱交換器）
４２１，４２１Ａ放熱部
４２２ロアタンク（入口冷媒貯留部）
４２２Ａ入口冷媒タンク（入口冷媒貯留部）
４２３アッパタンク（出口冷媒貯留部）
４２３Ａ出口冷媒タンク（出口冷媒貯留部）
４３サーモスタットバルブ（第１切替手段）
６１冷媒ポンプ（第２冷媒循環手段）
６３ヒータコア（第２熱交換器）
６５三方弁（第２切替手段）
８０ＥＣＵ
ｃ１，ｃ２，ｃ３配管（冷媒循環流路、第１冷媒供給流路）
ｃ４配管（冷媒循環流路、第１冷媒排出流路）
ｃ５バイパス配管（冷媒循環流路、第１バイパス流路）
ｄ１，ｄ２，ｄ３配管（廃熱回収流路、第２冷媒供給流路）
ｄ４，ｄ５配管（廃熱回収流路、第２冷媒排出流路）
ｄ６バイパス配管（廃熱回収流路、第２バイパス流路）

Claims

反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記冷媒流路から流出する冷媒を、前記冷媒流路に戻して循環させる冷媒循環流路と、
前記冷媒循環流路に配設され、空気との熱交換によって冷媒を放熱させる第１熱交換器と、
前記冷媒循環流路に配設され、冷媒を循環させる第１冷媒循環手段と、
前記冷媒循環流路に配設され、前記燃料電池の温度が所定値以上である場合、前記第１熱交換器を介して冷媒が通流するように冷媒の通流方向を切り替える第１切替手段と、
前記冷媒循環流路を介して循環する冷媒を分流させ、前記燃料電池の廃熱を空気との熱交換によって回収するための廃熱回収流路と、
前記廃熱回収流路に配設され、空調用の空気と冷媒とを熱交換する第２熱交換器と、
前記廃熱回収流路に配設され、冷媒を循環させる第２冷媒循環手段と、
を備える廃熱回収システムであって、
前記第１熱交換器は、
前記冷媒流路から流出した冷媒を貯留する入口冷媒貯留部と、
前記入口冷媒貯留部から流出する冷媒を空気との熱交換によって放熱させる放熱部と、
前記放熱部において放熱した冷媒を貯留する出口冷媒貯留部と、を有し、
前記冷媒循環流路は、
前記出口冷媒貯留部と前記冷媒流路の流入口とに接続され、前記冷媒流路に供給される冷媒が通流する第１冷媒供給流路と、
前記冷媒流路の流出口と前記入口冷媒貯留部とに接続され、前記冷媒流路から排出される冷媒が通流する第１冷媒排出流路と、
前記第１熱交換器をバイパスするように、前記第１冷媒供給流路と前記第１冷媒排出流路とに接続される第１バイパス流路と、を有し、
前記廃熱回収流路の上流端は、前記第１バイパス流路との接続箇所よりも下流側の前記第１冷媒排出流路、又は前記入口冷媒貯留部に接続され、
前記廃熱回収流路の下流端は、前記入口冷媒貯留部に接続される
ことを特徴とする廃熱回収システム。
前記廃熱回収流路の前記上流端は、前記入口冷媒貯留部に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収システム。
前記第１冷媒排出流路と前記入口冷媒貯留部との接続箇所と、前記上流端との距離は、前記上流端と前記下流端との距離よりも短い
ことを特徴とする請求項２に記載の廃熱回収システム。
前記廃熱回収流路は、
前記上流端を介して前記第２熱交換器に供給される冷媒が通流する第２冷媒供給流路と、
前記第２熱交換器から排出される冷媒が前記下流端に向かって通流する第２冷媒排出流路と、
一端が前記第２冷媒供給流路に接続され、他端が前記第２冷媒排出流路に接続される第２バイパス流路と、を有し、
前記第２冷媒排出流路から流出する冷媒を、前記第２バイパス流路及び前記第２冷媒供給流路を介して前記第２熱交換器に戻すか、又は、前記下流端に向けて通流させるかを切り替える第２切替手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の廃熱回収システム。