燃料電池車両の暖房装置
【課題】燃料電池のアノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システムの廃熱を暖房に利用することができ、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システムをそのまま用いて車室内を暖房することができる燃料電池車両の暖房装置を実現。
【解決手段】酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池２と、導入した外気を前記燃料電池２のカソード極に供給し発電反応に用いるとともに、燃料電池２から排出された空気が通るカソード排気通路１２と燃料電池２から排出された水素が通るアノード排気通路１４とを備えた燃料電池車両の暖房装置において、カソード排気通路１２の分岐点１７から分岐し燃料電池から排出された空気を車室に供給する分岐通路１８を設け、分岐点１７よりも下流側のカソード排気通路１２にアノード排気通路１４を合流させる。
【解決手段】酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池２と、導入した外気を前記燃料電池２のカソード極に供給し発電反応に用いるとともに、燃料電池２から排出された空気が通るカソード排気通路１２と燃料電池２から排出された水素が通るアノード排気通路１４とを備えた燃料電池車両の暖房装置において、カソード排気通路１２の分岐点１７から分岐し燃料電池から排出された空気を車室に供給する分岐通路１８を設け、分岐点１７よりも下流側のカソード排気通路１２にアノード排気通路１４を合流させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池車両の暖房装置に係り、特に、空冷式の燃料電池システムを用いて車両の室内を暖房する燃料電池車両の暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。燃料電池システムの燃料電池は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して燃料電池（スタック）を構成している。通常の固体高分子型燃料電池において、図７に示すように、セル２０１は、水素および空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極２０２とカソード極２０３に挟まれて拡散層２０４・２０５および反応活性化のための触媒層２０６・２０７、そして中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜２０８を配している。
アノード極２０２に供給された水素分子は、アノード極２０２の電解質膜２０８の表面にある触媒層２０６において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。図７において、（１）で示されるこの反応は、以下の式１で表される。
・Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （式１）
式１により発生した水素イオンは、電解質膜２０８に含まれる水分を伴ってアノード極２０２側からカソード極２０３側へと電解質膜２０８中を移動し、また電子は外部回路２０９を通じてカソード極２０３に移動する。この電子の移動により、外部回路２０９に介装された負荷（例えば、車両の走行用モータ）２１０には、電流が流れる。
一方、カソード極２０３に供給された空気中の酸素分子は、触媒層２０７において外部回路２０９から供給された電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜２０８を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図７において、（２）で示されるこの反応は、以下の式２で表される。
・1/2 ０２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２０ （式２）
このようにして生成された水分の一部は、濃度拡散によりカソード極２０３からアノード極２０２へと移動する。
上述の化学反応において、セル２０１内部では電解質膜２０８や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層２０４・２０５中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。
【０００３】
上記セル２０１を備えた燃料電池システムであって、従来の燃料電池車両の一般的な水冷式の燃料電池システムの構成を図８に示す。図８に示す燃料電池システム３０１においては、前述最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池３０２を備え、高圧水素タンク３０３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路３０４により減圧弁３０５を介して燃料電池３０２のアノード吸気部３０６に導入し、一方、フィルタ３０７を通してカソード吸気通路３０８に吸入した外気をコンプレッサ３０９により圧縮して燃料電池３０２のカソード吸気部３１０に導入することにより、燃料電池３０２内に多数積層したセルで発電が行われる。
燃料電池３０２のカソード排気部３１１からカソード排気通路３１２に排気されたカソード排気は、気水分離器３１３により排気中の水分の一部が分離された後、カソード系の圧力制御を目的とした背圧弁３１４を介して外気に放出される。また、燃料電池３０２のアノード排気部３１５からアノード排気通路３１６に排気されたアノード排気も同様に、気水分離器３１７を通り、パージ弁３１８を経て、カソード排気通路３１２の途中に接続されたアノード排気通路３１６によりカソード排気に混入される。
アノード排気部３１５からのパージ水素排気量は、カソード排気量に比べて十分に相対的に流量が小さい。このため、カソード排気により、アノードパージ水素を可燃下限濃度である４％以下として外気に放出することができる。なお、システムによっては、水素の利用率を向上させるため、アノード排気通路３１６をアノード吸気部３０６にアノード戻し通路３１９により接続し、アノード戻し通路３１９に設けた水素ポンプ３２０を用いて、アノード排気をアノード吸気部３０６に再循環させるものもある。
【０００４】
ここで、水冷式の燃料電池システム３０１の冷却システム３２１について説明する。冷却システム３２１の冷却ループの冷却水導入通路３２２には、燃料電池３０２の前段あるいは後段に水ポンプ３２３を備え、冷却水をラジエータ３２４に圧送する。燃料電池３０２を冷却した冷却水は、ラジエータ３２４において大気と熱交換した後、冷却ループの冷却水導出通路３２５により再度燃料電池３０２に戻される。
冷却システム３２１には、暖房装置３２６を設けている。暖房装置３２６は、冷却水導入通路３２２と冷却水導出通路３２５との間を接続する暖房通路３２７を備え、暖房通路３２７にラジエータ３２４と並列に調整弁３２８を介して車室内暖房のためのヒータコア３２９を備えている。暖房装置３２６は、暖房が必要な場合は調整弁３２８を開けることでヒータコア３２９に高温冷却水を供給し、送風のためのファン３３０を駆動することにより車室内の暖房に供する。ただし、燃料電池３０２の廃熱量は、エンジンが発生する廃熱量に比べて非常に小さいため、この他に電気ヒータなど他の補助熱源を併用するのが一般的である。
【０００５】
上述のように、水冷式の燃料電池車両システム３０１においては、燃料電池３０２の出力密度を向上させるために、導入空気を圧縮するコンプレッサ３０９を始めとして多くの補機類を備えている。このため、水冷式の燃料電池システム３０１は、システムの複雑化、大型化、重量化、高コスト化に繋がる。これに対して、コンプレッサなどの補機類を極力廃し、燃料電池の冷却に空冷方式を採用し、システムを簡素化した空冷式の燃料電池システムがある。
図９に示すように、空冷式の燃料電池システム４０１は、前述最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池４０２を備え、高圧水素タンク４０３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路４０４の減圧弁４０５により降圧した後に燃料電池４０２のアノード吸気部４０６に導入する。一方、燃料電池システム４０１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ４０７を通してカソード吸気通路４０８に吸気した外気を、低圧の空気供給用ファン４０９によって燃料電池４０２のカソード吸気部４１０に供給する。
カソード吸気部４１０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池４０２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池４０２における廃熱を奪い、燃料電池４０２を冷却する役割を有している。水素との反応後の空気及び燃料電池４０２を冷却後の空気は、燃料電池４０２のカソード排気部４１１からカソード排気通路４１２に排気され、外気に放出される。燃料電池４０２のアノード排気部４１３からアノード排気通路４１４に排気されたアノード排気は、パージ弁４１５を経て、カソード排気通路４１２の途中に接続されたアノード排気通路４１４によりカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
この空冷式の燃料電池システム４０１には、図８に示す水冷式の燃料電池システム３０１のような冷却システム３２１を有していないため、水冷式の燃料電池システム３０１と同様の暖房装置３２６を実現することはできない。
【０００６】
従来の燃料電池車両の暖房装置には、燃料電池のカソード排気を車室内に直接排出するもの（特許文献１）、燃料電池のカソード排気を車室内に直接排出するとともに車室の暖房装置の熱交換器に導くもの（特許文献２）、燃料電池のカソード排気を車室の暖房装置の熱交換器に導くもの（特許文献３）、がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０８５３８号公報
【特許文献２】特開２００２−５４７８号公報
【特許文献３】特開２００１−３０７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、従来の燃料電池車両の燃料電池システムとしては、図８に示すように、複数のセルを積層した燃料電池３０２が発生する廃熱を、車両用のエンジンの廃熱と同様に冷却水で冷却する水冷式の燃料電池システム３０１が一般的である。水冷式の燃料電池システム３０１を用いた燃料電池車両においては、燃料電池３０２を冷却して相対的に温度の上昇した冷却水を、車両の暖房装置３２６のヒータコア３２９（熱交換器）に導くことにより、その廃熱を車室内の暖房に利用している。
一方で、水冷式の燃料電池システム３０１と異なり、図９に示すよう、補機類を最小限として非常にシンプルなシステム構成を実現可能な空冷式の燃料電池システム４０１が知られている。空冷式の燃料電池システム４０１を用いた燃料電池車両は、その構成がシンプルであり、小型・軽量・低コストなどメリットが多い。
しかし、空冷式の燃料電池システム４０１は、車室内の暖房に燃料電池４０２の冷却水の廃熱を利用できず、これまでに有効な暖房方法・装置に関する提案がなかった。
【０００９】
この発明は、燃料電池のアノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システムの廃熱を暖房に利用することができ、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システムをそのまま用いて車室内を暖房することができる燃料電池車両の暖房装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池と、導入した外気を前記燃料電池のカソード極に供給し発電反応に用いるとともに、前記燃料電池から排出された空気が通るカソード排気通路と前記燃料電池から排出された水素が通るアノード排気通路とを備えた燃料電池車両の暖房装置において、前記カソード排気通路の分岐点から分岐し前記燃料電池から排出された空気を車室に供給する分岐通路を設け、前記分岐点よりも下流側の前記カソード排気通路に前記アノード排気通路を合流させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の燃料電池車両の暖房装置は、アノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈することができるとともに、燃料電池システムの廃熱を車室の暖房に利用することができる。
また、この発明の燃料電池車両の暖房装置は、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システムにおいて、暖房要求された車室内にカソード排気を直接導入するので、シンプルな構成のままとすることができる。
さらに、この発明の燃料電池車両の暖房装置は、カソード排気を暖房用とパージ水素希釈用とに分岐させているので、アノード排気中の排気水素ガスが暖房要求された車室内に侵入することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池車両の暖房装置のブロック図である。（実施例１）
【図２】燃料電池車両の暖房装置のフローチャートである。（実施例１）
【図３】燃料電池車両の暖房装置のブロック図である。（実施例２）
【図４】燃料電池車両の暖房装置の暖房空気流量調整のフローチャートである。（実施例２）
【図５】燃料電池車両の暖房装置の暖房吹き出し温度調整のフローチャートである。（実施例２）
【図６】燃料電池車両の暖房装置のブロック図である。（変形例）
【図７】燃料電池のセルの断面図である。
【図８】水冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例）
【図９】空冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１・図２は、この発明の実施例１を示すものである。図１において、１は燃料電池車両に搭載された空冷式の燃料電池システムである。燃料電池システム１は、前述のように、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層した燃料電池２を備え、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。燃料電池システム１は、高圧水素タンク３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路４の減圧弁５により降圧した後に燃料電池２のアノード吸気部６に導入する。一方、燃料電池システム１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ７を通してカソード吸気通路８に吸気した外気を、低圧の空気供給用ファン９によって燃料電池２のカソード吸気部１０に供給する。
カソード吸気部１０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池２における廃熱を奪い、燃料電池２を冷却する役割を有している。水素との反応後の空気及び燃料電池２を冷却後の空気は、燃料電池２のカソード排気部１１からカソード排気通路１２に排気され、外気に放出される。燃料電池２のアノード排気部１３から排気されるアノード排気は、アノード排気通路１４に導入される。アノード排気通路１４は、途中にパージ弁１５を配設し、カソード排気通路１２に接続している。アノード排気通路１４のアノード排気は、パージ弁１５を経て、カソード排気通路１２のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
【００１５】
燃料電池車両は、燃料電池システム１の廃熱を利用した暖房装置１６を備えている。暖房装置１６は、カソード排気通路１２の分岐点１７で分岐する分岐通路１８を設け、分岐通路１８に調整弁１９を設けている。分岐通路１８は、調整弁１９を介してカソード排気通路１２を車室内に連通している。暖房装置１６は、カソード排気通路１２のカソード排気を、分岐通路１８で車室に導いて室内暖房に利用する。分岐点１７よりも下流側のカソード排気通路１２には、前記アノード排気通路１４が接続され、アノード排気の排気水素ガス希釈用に使用する。
前記調整弁１９は、暖房装置１６の制御部２０に接続されている。制御部２０には、操作者の操作による暖房の要求の有無および要求熱量を入力する暖房要求入力手段２１を接続している。制御部２０は、暖房要求入力手段２１の入力に基づいて、分岐通路１８に配設した調整弁１９の無段階開閉制御を行う。
燃料電池車両の暖房装置１６は、図２に示すように、制御部２０の制御がスタートすると（Ａ０１）、暖房要求入力手段２１による暖房要求が有るかを判断する（Ａ０２）。この判断（Ａ０２）がＹＥＳの場合は、暖房要求に応じて調整弁１９の開度を無段階に調整し（Ａ０３）、スタート（Ａ０１）に戻る。この判断（Ａ０２）がＮＯの場合は、調整弁１９を閉じ（Ａ０４）、スタート（Ａ０１）に戻る。なお、制御部２０は、暖房要求入力手段２１にる暖房要求が無くなると、調整弁１９を閉じて制御をエンドにする。
【００１６】
このように、燃料電池車両の暖房装置１６は、カソード排気通路１２の分岐点１７から分岐し燃料電池２から排出された空気を車室に供給する分岐通路１８を設け、分岐点１７よりも下流側のカソード排気通路１２にアノード排気通路１４を合流させている。
これにより、暖房装置１６は、アノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システム１の廃熱を車室の暖房に利用することができる。また、この暖房装置１６は、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システム１において、暖房要求された車室内にカソード排気を直接導入するので、シンプルな構成のままとすることができる。さらに、この暖房装置１６は、カソード排気を暖房用とパージ水素希釈用とに分岐させているので、アノード排気中の排気水素ガスが暖房要求された車室内に侵入することを防止することができる。
また、暖房装置１６は、分岐通路１８に調整弁１９を設け、暖房要求量に応じてカソード排気流量が変わるように調整弁１９の開度を変えるので、要求された暖房量に応じたカソード排気流量を得ることができる。
なお、暖房装置１６は、車室内に水素濃度を検出する水素センサ２２を設け、この水素センサ２２を制御部２０に接続し、水素センサ２２が水素漏れを検知した時に、制御部２０によって調整弁１９の全閉制御を行うことで、水素ガスが暖房要求された車室内に漏れることを防ぐことができる。
【実施例２】
【００１７】
図３〜図５は、この発明の実施例２を示すものである。
上記実施例１の燃料電池システム１の燃料電池２冷却後の排気が有する熱量は、水冷式の燃料電池システムの燃料電池冷却後の冷却水が有する熱量に比較して小さく、車室内暖房の熱源としては十分でないことが多い。このため、上述した実施例１では、車室内の暖房としては不十分となる場合がある。実施例２においては、実施例１の暖房が不十分となる場合の改善を図っている。
図３において、１０１は燃料電池車両に搭載された空冷式の燃料電池システムである。実施例２の燃料電池システム１０１は、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層した燃料電池１０２を備えている。燃料電池システム１０１は、高圧水素タンク１０３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路１０４の減圧弁１０５により降圧した後に燃料電池１０２のアノード吸気部１０６に導入する。一方、燃料電池システム１０１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ１０７を通してカソード吸気通路１０８に吸気した外気を、低圧の空気供給用ファン１０９によって燃料電池１０２のカソード吸気部１１０に供給する。
カソード吸気部１１０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池１０２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池１０２における廃熱を奪い、燃料電池１０２を冷却する役割を有している。水素との反応後の空気及び燃料電池１０２を冷却後の空気は、燃料電池１０２のカソード排気部１１１からカソード排気通路１１２に排気され、外気に放出される。燃料電池１０２のアノード排気部１１３から排気されるアノード排気は、アノード排気通路１１４に導入される。アノード排気通路１１４は、途中にパージ弁１１５を配設し、カソード排気通路１１２に接続している。アノード排気通路１１４のアノード排気は、パージ弁１１５を経て、カソード排気通路１１２のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
【００１８】
燃料電池車両は、燃料電池システム１０１の廃熱を利用した暖房装置１１６を備えている。実施例２の暖房装置１１６は、カソード排気通路１１２の分岐点１１７で分岐する分岐通路１１８を設け、分岐通路１１８に調整弁１１９を設けている。分岐通路１１８は、調整弁１１９を介してカソード排気通路１１２を車室内に連通している。暖房装置１１６は、カソード排気通路１１２のカソード排気を、分岐通路１１８で車室に導いて室内暖房に利用する。分岐点１１７よりも下流側のカソード排気通路１１２には、前記アノード排気通路１１４が接続され、アノード排気の排気水素ガス希釈用に使用する。
また、暖房装置１１６は、調整弁１１９よりも下流側の分岐通路１１８の合流部１２０に、外気に開放した外気通路１２１を接続している。外気通路１２１には、外気を導入する押し込み型のファン１２２を設けている。外気通路１２１は、ファン１２２により導入された外気を、合流部１２０を経て分岐通路１１８に導入させ、調整弁１１９を通過したカソード排気と合流させ、車室内に導入する。さらに、暖房装置１１６は、合流部１２０よりも下流側の分岐通路１１８に、ＰＴＣヒータなど、補助熱源となる電気ヒータ１２３を設けている。
前記調整弁１１９と、ファン１２２と、電気ヒータ１２３とは、暖房装置１１６の制御部１２４に接続されている。制御部１２４には、分岐通路１１８から車室内へ吹き出される空気の流量を検出する空気流量検出手段１２５を接続し、分岐通路１１８から車室内へ吹き出される空気の温度を検出する空気温度検出手段１２６を接続し、操作者の操作による暖房の要求の有無および要求熱量を入力する暖房要求入力手段１２７を接続している。空気流量検出手段１２５及び空気温度検出手段１２６は、車室内の分岐通路１１８の暖房吹き出し部１２８に備えられている。
制御部１２４は、空気流量検出手段１２５により検出された実空気流量と暖房要求入力手段１２７により設定された暖房要求量に基づく目標空気流量とを比較し、この比較結果に基づいて調整弁１１９の開度とファン１２２の回転数とを変える。また、制御部１２４は、空気温度検出手段１２６により検出された実空気温度と暖房要求入力手段１２７により設定された暖房要求量に基づく目標空気温度とを比較し、この比較結果に基づいて電気ヒータ１２３への供給電流を変える。
【００１９】
燃料電池車両の暖房装置１１６は、図４に示すように暖房空気流量を調整し、また、図５に示すように暖房吹き出し温度を調整する。これらの制御は、制御部１２４により以下のように並列に処理される。
【００２０】
暖房空気流量の調整は、図４に示すように、制御部１２４による暖房空気流量の調整の制御がスタートすると（Ｂ０１）、暖房要求入力手段１２７による暖房要求が有るかを判断する（Ｂ０２）。この判断（Ｂ０２）がＹＥＳの場合は、実空気流量が目標空気流量未満であるかを判断する（Ｂ０３）。
この判断（Ｂ０３）がＹＥＳの場合は、調整弁１１９が全開であるかを判断する（Ｂ０４）。この判断（Ｂ０４）がＮＯの場合は、調整弁１１９を徐々に開き（Ｂ０５）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ０６）。この判断（Ｂ０４）がＹＥＳの場合は、ファン１２４の回転数を徐々に増加し（Ｂ０７）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ０８）。
これに対して、前記判断（Ｂ０３）がＮＯの場合は、ファン１２２が停止しているかを判断する（Ｂ０９）。この判断（Ｂ０９）がＹＥＳの場合は、調整弁１１９を徐々に閉じ（Ｂ１０）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ１１）。この判断（Ｂ０９）がＮＯの場合は、ファン１２２の回転数を徐々に減少し（Ｂ１２）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ１３）。
一方、前記判断（Ｂ０２）がＮＯの場合は、電気ヒータ１２３を停止し（Ｂ１４）、ファン１２２を停止し（Ｂ１５）、調整弁１１９を閉じ（Ｂ１６）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ１７）。
【００２１】
このように、暖房装置１１６の制御部１２４は、暖房要求を検知した場合、車室内の分岐通路１１８の暖房吹き出し部１２８に備える空気流量検出手段１２５により測定された実空気流量と、暖房要求入力手段１２７による操作者の要求に基づいた目標空気流量とを比較する。制御部１２４は、実測空気流量が目標空気流量に満たない場合、調整弁１１９が全開でなければ、調整弁１１９を徐々に開くことにより供給空気流量を増加させる。制御部１２４は、調整弁１１９が全開であっても、まだ流量が不足する場合はファン１２２の回転数を徐々に増加させて空気流量を増加させる。
逆に、制御部１２４は、実空気流量が目標空気流量よりも大きくなった場合、ファン１２２が回転中であれば、その回転数を徐々に低減させ、ファン１２２が停止している時には、調整弁１１９を徐々に閉じることにより実空気流量を目標空気流量に合わせるように制御する。暖房要求入力手段１２７による暖房要求が無い場合には、電気ヒータ１２３およびファン１２２を停止し、調整弁１１９は閉じるように制御する。
これにより、この燃料電池車両の暖房装置１１６は、暖房要求された車室内への目標空気流量に合わせて、空気流量を変えることができる。なお、暖房吹き出し部１２８に空気流量検出手段１２５を設けたが、ファン１２２の回転数や燃料電池システム１０１の運転状態から空気流量を予測可能な場合は、空気流量検出手段１２５を省略することが可能である。
【００２２】
また、暖房吹き出し温度の調整は、図５に示すように、制御部１２４による暖房吹き出し温度の調整の制御がスタートすると（Ｃ０１）、暖房要求入力手段１２７による暖房要求が有るかを判断する（Ｃ０２）。この判断（Ｃ０２）がＹＥＳの場合は、実空気温度が目標空気温度未満であるかを判断する（Ｃ０３）。
この判断（Ｃ０３）がＹＥＳの場合は、電気ヒータ１２３への供給電流を徐々に増加し（Ｃ０４）、スタート（Ｃ０１）に戻る（Ｃ０５）。この判断（Ｃ０３）がＮＯの場合は、電気ヒータ１２３への供給電流を徐々に減少し（Ｃ０６）、スタート（Ｃ０１）に戻る（Ｃ０７）。
一方、前記判断（Ｃ０２）がＮＯの場合は、電気ヒータ１２３を停止し（Ｃ０８）、ファン１２２を停止し（Ｃ０９）、調整弁１１９を閉じ（Ｃ１０）、スタート（Ｃ０１）に戻る（Ｃ１１）。
【００２３】
このように、暖房装置１１６の制御部１２４は、暖房要求を検知した場合、暖房吹き出し部１２８に備える空気温度検出手段１２６により測定された実空気温度と、暖房要求入力手段１２７による操作者の要求に基づいた目標空気温度とを比較する。制御部１２４は、実空気温度が目標空気温度に満たない場合、電気ヒータ１２３ヘの供給電流を徐々に増加させることにより吹き出し空気温度を上昇させる。逆に、制御部１２４は、実空気温度が目標空気温度を上回る場合、電気ヒータ１２３への供給電流を徐々に減少させ、吹き出し空気温度を下げる。暖房要求入力手段１２７による暖房要求が無い場合には、電気ヒータ１２３およびファン１２２を停止し、調整弁１１９は閉じるように制御する。
これにより、この燃料電池車両の暖房装置１１６は、暖房要求された車室内への目標空気温度に合わせて、吹き出し空気温度を変えることができる。
【００２４】
ここで、燃料電池システム１０１のカソード排気について説明する。上述の通り、燃料電池システム１０１のカソード排気は、水素と酸素の電気化学反応に伴って生じた水分を含むため、吸気に比較して相対的に湿度が上昇している。したがい、冬季や雨天時の暖房時において、フロントウィンドウなど車室内の窓の曇りが懸念される。
この懸念を解決するため、実施例２の燃料電池車両の暖房装置１１６においては、制御部１２４により以下のような制御を行う。すなわち、暖房装置１１６は、車室のフロントウィンドウの曇りを検知するウィンドウ曇り検知手段１２９を設け、制御部１２４に接続する。制御部１２４は、ウィンドウ曇り検知手段１２９によりフロントウィンドウの曇りが検知された時には、調整弁１１９の開度を予め設定された開度以下にしてカソード排気を減少させ、ファン１２２により導入される外気量を増加させる。
このように、暖房装置１１６は、フロントウィンドウの曇りが発生し、それをウィンドウ曇り検知手段１２９が検知し、曇り検知信号が制御部１２４に伝達されると、制御部１２４によって調整弁１１９の最大開度をある特定の閾値に制限する。暖房装置１１６の配管径や、燃料電池１０２の排気流量とファン１２２による吸入空気流量との関係などから定められた閾値を調整弁１１９の最大開度とすることにより、燃料電池１０２のカソード排気流量最大値が減少する。それにより、外気からの温度の低いファン１２２による吸入空気流量が相対的に増加し、フロントウィンドウの曇りを解消することができる。なお、制御部１２４に入力される曇り検知信号は、フロントウィンドウの曇りを視覚的に検知した乗員が、何らかのスイッチを操作するなどにより制御部１２４に伝達される構成とすることもできる。
また、この実施例２の暖房装置１１６においては、車室内に水素濃度を検出する水素センサ１３０を設け、この水素センサ１３０を制御部１２４に接続し、水素センサ１３０が水素漏れを検知した時に、制御部１２４によって調整弁１１９の全閉制御を行うことで、水素ガスが暖房要求された車室内に漏れることを防ぐことができる。
なお、実施例２の燃料電池車両の暖房装置１１６においては、電気ヒータ１２３前段の外気通路１２１に外気導入用の押し込み型のファン１２２を設けたが、図６に示すように、電気ヒータ１２３後段の分岐通路１１８に吸い込み型のファン１３１を設けてもよい。
【００２５】
この実施例２の燃料電池車両の暖房装置１１６においても、前述実施例１と同様に、カソード排気通路１１２の分岐点１１７から分岐し燃料電池１０２から排出された空気を車室に供給する分岐通路１１８を設け、分岐点１１７よりも下流側のカソード排気通路１１８にアノード排気通路１１４を合流させているので、アノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システム１の廃熱を車室の暖房に利用することができる。
また、この実施例２の暖房装置１１６は、前述実施例１と同様に、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システム１０１において、暖房要求された車室内にカソード排気を直接導入するので、シンプルな構成のままとすることができ、カソード排気を暖房用とパージ水素希釈用とに分岐させているので、アノード排気中の排気水素ガスが暖房要求された車室内に侵入することを防止することができる。さらに、この実施例２の暖房装置１１６は、分岐通路１１８に調整弁１１９を設け、暖房要求量に応じてカソード排気流量が変わるように調整弁１１９の開度を変えるので、要求された暖房量に応じたカソード排気流量を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
この発明は、燃料電池車両に搭載した燃料電池システムの暖房装置に関するものであるが、住宅用など定置型空冷式の燃料電池システムを用いた室内暖房への適用も可能なものである。
【符号の説明】
【００２７】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 高圧水素タンク
４ アノード吸気通路
５ 減圧弁
６ アノード吸気部
７ フィルタ
８ カソード吸気通路
９ 空気供給用ファン
１０ カソード吸気部
１１ カソード排気部
１２ カソード排気通路
１３ アノード排気部
１４ アノード排気通路
１５ パージ弁
１６ 暖房装置
１７ 分岐点
１８ 分岐通路
１９ 調整弁
２０ 制御部
２１ 暖房要求入力手段
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池車両の暖房装置に係り、特に、空冷式の燃料電池システムを用いて車両の室内を暖房する燃料電池車両の暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。燃料電池システムの燃料電池は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して燃料電池（スタック）を構成している。通常の固体高分子型燃料電池において、図７に示すように、セル２０１は、水素および空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極２０２とカソード極２０３に挟まれて拡散層２０４・２０５および反応活性化のための触媒層２０６・２０７、そして中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜２０８を配している。
アノード極２０２に供給された水素分子は、アノード極２０２の電解質膜２０８の表面にある触媒層２０６において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。図７において、（１）で示されるこの反応は、以下の式１で表される。
・Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （式１）
式１により発生した水素イオンは、電解質膜２０８に含まれる水分を伴ってアノード極２０２側からカソード極２０３側へと電解質膜２０８中を移動し、また電子は外部回路２０９を通じてカソード極２０３に移動する。この電子の移動により、外部回路２０９に介装された負荷（例えば、車両の走行用モータ）２１０には、電流が流れる。
一方、カソード極２０３に供給された空気中の酸素分子は、触媒層２０７において外部回路２０９から供給された電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜２０８を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図７において、（２）で示されるこの反応は、以下の式２で表される。
・1/2 ０２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２０ （式２）
このようにして生成された水分の一部は、濃度拡散によりカソード極２０３からアノード極２０２へと移動する。
上述の化学反応において、セル２０１内部では電解質膜２０８や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層２０４・２０５中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。
【０００３】
上記セル２０１を備えた燃料電池システムであって、従来の燃料電池車両の一般的な水冷式の燃料電池システムの構成を図８に示す。図８に示す燃料電池システム３０１においては、前述最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池３０２を備え、高圧水素タンク３０３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路３０４により減圧弁３０５を介して燃料電池３０２のアノード吸気部３０６に導入し、一方、フィルタ３０７を通してカソード吸気通路３０８に吸入した外気をコンプレッサ３０９により圧縮して燃料電池３０２のカソード吸気部３１０に導入することにより、燃料電池３０２内に多数積層したセルで発電が行われる。
燃料電池３０２のカソード排気部３１１からカソード排気通路３１２に排気されたカソード排気は、気水分離器３１３により排気中の水分の一部が分離された後、カソード系の圧力制御を目的とした背圧弁３１４を介して外気に放出される。また、燃料電池３０２のアノード排気部３１５からアノード排気通路３１６に排気されたアノード排気も同様に、気水分離器３１７を通り、パージ弁３１８を経て、カソード排気通路３１２の途中に接続されたアノード排気通路３１６によりカソード排気に混入される。
アノード排気部３１５からのパージ水素排気量は、カソード排気量に比べて十分に相対的に流量が小さい。このため、カソード排気により、アノードパージ水素を可燃下限濃度である４％以下として外気に放出することができる。なお、システムによっては、水素の利用率を向上させるため、アノード排気通路３１６をアノード吸気部３０６にアノード戻し通路３１９により接続し、アノード戻し通路３１９に設けた水素ポンプ３２０を用いて、アノード排気をアノード吸気部３０６に再循環させるものもある。
【０００４】
ここで、水冷式の燃料電池システム３０１の冷却システム３２１について説明する。冷却システム３２１の冷却ループの冷却水導入通路３２２には、燃料電池３０２の前段あるいは後段に水ポンプ３２３を備え、冷却水をラジエータ３２４に圧送する。燃料電池３０２を冷却した冷却水は、ラジエータ３２４において大気と熱交換した後、冷却ループの冷却水導出通路３２５により再度燃料電池３０２に戻される。
冷却システム３２１には、暖房装置３２６を設けている。暖房装置３２６は、冷却水導入通路３２２と冷却水導出通路３２５との間を接続する暖房通路３２７を備え、暖房通路３２７にラジエータ３２４と並列に調整弁３２８を介して車室内暖房のためのヒータコア３２９を備えている。暖房装置３２６は、暖房が必要な場合は調整弁３２８を開けることでヒータコア３２９に高温冷却水を供給し、送風のためのファン３３０を駆動することにより車室内の暖房に供する。ただし、燃料電池３０２の廃熱量は、エンジンが発生する廃熱量に比べて非常に小さいため、この他に電気ヒータなど他の補助熱源を併用するのが一般的である。
【０００５】
上述のように、水冷式の燃料電池車両システム３０１においては、燃料電池３０２の出力密度を向上させるために、導入空気を圧縮するコンプレッサ３０９を始めとして多くの補機類を備えている。このため、水冷式の燃料電池システム３０１は、システムの複雑化、大型化、重量化、高コスト化に繋がる。これに対して、コンプレッサなどの補機類を極力廃し、燃料電池の冷却に空冷方式を採用し、システムを簡素化した空冷式の燃料電池システムがある。
図９に示すように、空冷式の燃料電池システム４０１は、前述最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池４０２を備え、高圧水素タンク４０３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路４０４の減圧弁４０５により降圧した後に燃料電池４０２のアノード吸気部４０６に導入する。一方、燃料電池システム４０１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ４０７を通してカソード吸気通路４０８に吸気した外気を、低圧の空気供給用ファン４０９によって燃料電池４０２のカソード吸気部４１０に供給する。
カソード吸気部４１０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池４０２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池４０２における廃熱を奪い、燃料電池４０２を冷却する役割を有している。水素との反応後の空気及び燃料電池４０２を冷却後の空気は、燃料電池４０２のカソード排気部４１１からカソード排気通路４１２に排気され、外気に放出される。燃料電池４０２のアノード排気部４１３からアノード排気通路４１４に排気されたアノード排気は、パージ弁４１５を経て、カソード排気通路４１２の途中に接続されたアノード排気通路４１４によりカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
この空冷式の燃料電池システム４０１には、図８に示す水冷式の燃料電池システム３０１のような冷却システム３２１を有していないため、水冷式の燃料電池システム３０１と同様の暖房装置３２６を実現することはできない。
【０００６】
従来の燃料電池車両の暖房装置には、燃料電池のカソード排気を車室内に直接排出するもの（特許文献１）、燃料電池のカソード排気を車室内に直接排出するとともに車室の暖房装置の熱交換器に導くもの（特許文献２）、燃料電池のカソード排気を車室の暖房装置の熱交換器に導くもの（特許文献３）、がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０８５３８号公報
【特許文献２】特開２００２−５４７８号公報
【特許文献３】特開２００１−３０７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、従来の燃料電池車両の燃料電池システムとしては、図８に示すように、複数のセルを積層した燃料電池３０２が発生する廃熱を、車両用のエンジンの廃熱と同様に冷却水で冷却する水冷式の燃料電池システム３０１が一般的である。水冷式の燃料電池システム３０１を用いた燃料電池車両においては、燃料電池３０２を冷却して相対的に温度の上昇した冷却水を、車両の暖房装置３２６のヒータコア３２９（熱交換器）に導くことにより、その廃熱を車室内の暖房に利用している。
一方で、水冷式の燃料電池システム３０１と異なり、図９に示すよう、補機類を最小限として非常にシンプルなシステム構成を実現可能な空冷式の燃料電池システム４０１が知られている。空冷式の燃料電池システム４０１を用いた燃料電池車両は、その構成がシンプルであり、小型・軽量・低コストなどメリットが多い。
しかし、空冷式の燃料電池システム４０１は、車室内の暖房に燃料電池４０２の冷却水の廃熱を利用できず、これまでに有効な暖房方法・装置に関する提案がなかった。
【０００９】
この発明は、燃料電池のアノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システムの廃熱を暖房に利用することができ、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システムをそのまま用いて車室内を暖房することができる燃料電池車両の暖房装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池と、導入した外気を前記燃料電池のカソード極に供給し発電反応に用いるとともに、前記燃料電池から排出された空気が通るカソード排気通路と前記燃料電池から排出された水素が通るアノード排気通路とを備えた燃料電池車両の暖房装置において、前記カソード排気通路の分岐点から分岐し前記燃料電池から排出された空気を車室に供給する分岐通路を設け、前記分岐点よりも下流側の前記カソード排気通路に前記アノード排気通路を合流させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の燃料電池車両の暖房装置は、アノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈することができるとともに、燃料電池システムの廃熱を車室の暖房に利用することができる。
また、この発明の燃料電池車両の暖房装置は、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システムにおいて、暖房要求された車室内にカソード排気を直接導入するので、シンプルな構成のままとすることができる。
さらに、この発明の燃料電池車両の暖房装置は、カソード排気を暖房用とパージ水素希釈用とに分岐させているので、アノード排気中の排気水素ガスが暖房要求された車室内に侵入することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池車両の暖房装置のブロック図である。（実施例１）
【図２】燃料電池車両の暖房装置のフローチャートである。（実施例１）
【図３】燃料電池車両の暖房装置のブロック図である。（実施例２）
【図４】燃料電池車両の暖房装置の暖房空気流量調整のフローチャートである。（実施例２）
【図５】燃料電池車両の暖房装置の暖房吹き出し温度調整のフローチャートである。（実施例２）
【図６】燃料電池車両の暖房装置のブロック図である。（変形例）
【図７】燃料電池のセルの断面図である。
【図８】水冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例）
【図９】空冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１・図２は、この発明の実施例１を示すものである。図１において、１は燃料電池車両に搭載された空冷式の燃料電池システムである。燃料電池システム１は、前述のように、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層した燃料電池２を備え、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。燃料電池システム１は、高圧水素タンク３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路４の減圧弁５により降圧した後に燃料電池２のアノード吸気部６に導入する。一方、燃料電池システム１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ７を通してカソード吸気通路８に吸気した外気を、低圧の空気供給用ファン９によって燃料電池２のカソード吸気部１０に供給する。
カソード吸気部１０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池２における廃熱を奪い、燃料電池２を冷却する役割を有している。水素との反応後の空気及び燃料電池２を冷却後の空気は、燃料電池２のカソード排気部１１からカソード排気通路１２に排気され、外気に放出される。燃料電池２のアノード排気部１３から排気されるアノード排気は、アノード排気通路１４に導入される。アノード排気通路１４は、途中にパージ弁１５を配設し、カソード排気通路１２に接続している。アノード排気通路１４のアノード排気は、パージ弁１５を経て、カソード排気通路１２のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
【００１５】
燃料電池車両は、燃料電池システム１の廃熱を利用した暖房装置１６を備えている。暖房装置１６は、カソード排気通路１２の分岐点１７で分岐する分岐通路１８を設け、分岐通路１８に調整弁１９を設けている。分岐通路１８は、調整弁１９を介してカソード排気通路１２を車室内に連通している。暖房装置１６は、カソード排気通路１２のカソード排気を、分岐通路１８で車室に導いて室内暖房に利用する。分岐点１７よりも下流側のカソード排気通路１２には、前記アノード排気通路１４が接続され、アノード排気の排気水素ガス希釈用に使用する。
前記調整弁１９は、暖房装置１６の制御部２０に接続されている。制御部２０には、操作者の操作による暖房の要求の有無および要求熱量を入力する暖房要求入力手段２１を接続している。制御部２０は、暖房要求入力手段２１の入力に基づいて、分岐通路１８に配設した調整弁１９の無段階開閉制御を行う。
燃料電池車両の暖房装置１６は、図２に示すように、制御部２０の制御がスタートすると（Ａ０１）、暖房要求入力手段２１による暖房要求が有るかを判断する（Ａ０２）。この判断（Ａ０２）がＹＥＳの場合は、暖房要求に応じて調整弁１９の開度を無段階に調整し（Ａ０３）、スタート（Ａ０１）に戻る。この判断（Ａ０２）がＮＯの場合は、調整弁１９を閉じ（Ａ０４）、スタート（Ａ０１）に戻る。なお、制御部２０は、暖房要求入力手段２１にる暖房要求が無くなると、調整弁１９を閉じて制御をエンドにする。
【００１６】
このように、燃料電池車両の暖房装置１６は、カソード排気通路１２の分岐点１７から分岐し燃料電池２から排出された空気を車室に供給する分岐通路１８を設け、分岐点１７よりも下流側のカソード排気通路１２にアノード排気通路１４を合流させている。
これにより、暖房装置１６は、アノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システム１の廃熱を車室の暖房に利用することができる。また、この暖房装置１６は、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システム１において、暖房要求された車室内にカソード排気を直接導入するので、シンプルな構成のままとすることができる。さらに、この暖房装置１６は、カソード排気を暖房用とパージ水素希釈用とに分岐させているので、アノード排気中の排気水素ガスが暖房要求された車室内に侵入することを防止することができる。
また、暖房装置１６は、分岐通路１８に調整弁１９を設け、暖房要求量に応じてカソード排気流量が変わるように調整弁１９の開度を変えるので、要求された暖房量に応じたカソード排気流量を得ることができる。
なお、暖房装置１６は、車室内に水素濃度を検出する水素センサ２２を設け、この水素センサ２２を制御部２０に接続し、水素センサ２２が水素漏れを検知した時に、制御部２０によって調整弁１９の全閉制御を行うことで、水素ガスが暖房要求された車室内に漏れることを防ぐことができる。
【実施例２】
【００１７】
図３〜図５は、この発明の実施例２を示すものである。
上記実施例１の燃料電池システム１の燃料電池２冷却後の排気が有する熱量は、水冷式の燃料電池システムの燃料電池冷却後の冷却水が有する熱量に比較して小さく、車室内暖房の熱源としては十分でないことが多い。このため、上述した実施例１では、車室内の暖房としては不十分となる場合がある。実施例２においては、実施例１の暖房が不十分となる場合の改善を図っている。
図３において、１０１は燃料電池車両に搭載された空冷式の燃料電池システムである。実施例２の燃料電池システム１０１は、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層した燃料電池１０２を備えている。燃料電池システム１０１は、高圧水素タンク１０３に貯蔵した圧縮水素ガスを、アノード吸気通路１０４の減圧弁１０５により降圧した後に燃料電池１０２のアノード吸気部１０６に導入する。一方、燃料電池システム１０１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ１０７を通してカソード吸気通路１０８に吸気した外気を、低圧の空気供給用ファン１０９によって燃料電池１０２のカソード吸気部１１０に供給する。
カソード吸気部１１０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池１０２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池１０２における廃熱を奪い、燃料電池１０２を冷却する役割を有している。水素との反応後の空気及び燃料電池１０２を冷却後の空気は、燃料電池１０２のカソード排気部１１１からカソード排気通路１１２に排気され、外気に放出される。燃料電池１０２のアノード排気部１１３から排気されるアノード排気は、アノード排気通路１１４に導入される。アノード排気通路１１４は、途中にパージ弁１１５を配設し、カソード排気通路１１２に接続している。アノード排気通路１１４のアノード排気は、パージ弁１１５を経て、カソード排気通路１１２のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
【００１８】
燃料電池車両は、燃料電池システム１０１の廃熱を利用した暖房装置１１６を備えている。実施例２の暖房装置１１６は、カソード排気通路１１２の分岐点１１７で分岐する分岐通路１１８を設け、分岐通路１１８に調整弁１１９を設けている。分岐通路１１８は、調整弁１１９を介してカソード排気通路１１２を車室内に連通している。暖房装置１１６は、カソード排気通路１１２のカソード排気を、分岐通路１１８で車室に導いて室内暖房に利用する。分岐点１１７よりも下流側のカソード排気通路１１２には、前記アノード排気通路１１４が接続され、アノード排気の排気水素ガス希釈用に使用する。
また、暖房装置１１６は、調整弁１１９よりも下流側の分岐通路１１８の合流部１２０に、外気に開放した外気通路１２１を接続している。外気通路１２１には、外気を導入する押し込み型のファン１２２を設けている。外気通路１２１は、ファン１２２により導入された外気を、合流部１２０を経て分岐通路１１８に導入させ、調整弁１１９を通過したカソード排気と合流させ、車室内に導入する。さらに、暖房装置１１６は、合流部１２０よりも下流側の分岐通路１１８に、ＰＴＣヒータなど、補助熱源となる電気ヒータ１２３を設けている。
前記調整弁１１９と、ファン１２２と、電気ヒータ１２３とは、暖房装置１１６の制御部１２４に接続されている。制御部１２４には、分岐通路１１８から車室内へ吹き出される空気の流量を検出する空気流量検出手段１２５を接続し、分岐通路１１８から車室内へ吹き出される空気の温度を検出する空気温度検出手段１２６を接続し、操作者の操作による暖房の要求の有無および要求熱量を入力する暖房要求入力手段１２７を接続している。空気流量検出手段１２５及び空気温度検出手段１２６は、車室内の分岐通路１１８の暖房吹き出し部１２８に備えられている。
制御部１２４は、空気流量検出手段１２５により検出された実空気流量と暖房要求入力手段１２７により設定された暖房要求量に基づく目標空気流量とを比較し、この比較結果に基づいて調整弁１１９の開度とファン１２２の回転数とを変える。また、制御部１２４は、空気温度検出手段１２６により検出された実空気温度と暖房要求入力手段１２７により設定された暖房要求量に基づく目標空気温度とを比較し、この比較結果に基づいて電気ヒータ１２３への供給電流を変える。
【００１９】
燃料電池車両の暖房装置１１６は、図４に示すように暖房空気流量を調整し、また、図５に示すように暖房吹き出し温度を調整する。これらの制御は、制御部１２４により以下のように並列に処理される。
【００２０】
暖房空気流量の調整は、図４に示すように、制御部１２４による暖房空気流量の調整の制御がスタートすると（Ｂ０１）、暖房要求入力手段１２７による暖房要求が有るかを判断する（Ｂ０２）。この判断（Ｂ０２）がＹＥＳの場合は、実空気流量が目標空気流量未満であるかを判断する（Ｂ０３）。
この判断（Ｂ０３）がＹＥＳの場合は、調整弁１１９が全開であるかを判断する（Ｂ０４）。この判断（Ｂ０４）がＮＯの場合は、調整弁１１９を徐々に開き（Ｂ０５）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ０６）。この判断（Ｂ０４）がＹＥＳの場合は、ファン１２４の回転数を徐々に増加し（Ｂ０７）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ０８）。
これに対して、前記判断（Ｂ０３）がＮＯの場合は、ファン１２２が停止しているかを判断する（Ｂ０９）。この判断（Ｂ０９）がＹＥＳの場合は、調整弁１１９を徐々に閉じ（Ｂ１０）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ１１）。この判断（Ｂ０９）がＮＯの場合は、ファン１２２の回転数を徐々に減少し（Ｂ１２）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ１３）。
一方、前記判断（Ｂ０２）がＮＯの場合は、電気ヒータ１２３を停止し（Ｂ１４）、ファン１２２を停止し（Ｂ１５）、調整弁１１９を閉じ（Ｂ１６）、スタート（Ｂ０１）に戻る（Ｂ１７）。
【００２１】
このように、暖房装置１１６の制御部１２４は、暖房要求を検知した場合、車室内の分岐通路１１８の暖房吹き出し部１２８に備える空気流量検出手段１２５により測定された実空気流量と、暖房要求入力手段１２７による操作者の要求に基づいた目標空気流量とを比較する。制御部１２４は、実測空気流量が目標空気流量に満たない場合、調整弁１１９が全開でなければ、調整弁１１９を徐々に開くことにより供給空気流量を増加させる。制御部１２４は、調整弁１１９が全開であっても、まだ流量が不足する場合はファン１２２の回転数を徐々に増加させて空気流量を増加させる。
逆に、制御部１２４は、実空気流量が目標空気流量よりも大きくなった場合、ファン１２２が回転中であれば、その回転数を徐々に低減させ、ファン１２２が停止している時には、調整弁１１９を徐々に閉じることにより実空気流量を目標空気流量に合わせるように制御する。暖房要求入力手段１２７による暖房要求が無い場合には、電気ヒータ１２３およびファン１２２を停止し、調整弁１１９は閉じるように制御する。
これにより、この燃料電池車両の暖房装置１１６は、暖房要求された車室内への目標空気流量に合わせて、空気流量を変えることができる。なお、暖房吹き出し部１２８に空気流量検出手段１２５を設けたが、ファン１２２の回転数や燃料電池システム１０１の運転状態から空気流量を予測可能な場合は、空気流量検出手段１２５を省略することが可能である。
【００２２】
また、暖房吹き出し温度の調整は、図５に示すように、制御部１２４による暖房吹き出し温度の調整の制御がスタートすると（Ｃ０１）、暖房要求入力手段１２７による暖房要求が有るかを判断する（Ｃ０２）。この判断（Ｃ０２）がＹＥＳの場合は、実空気温度が目標空気温度未満であるかを判断する（Ｃ０３）。
この判断（Ｃ０３）がＹＥＳの場合は、電気ヒータ１２３への供給電流を徐々に増加し（Ｃ０４）、スタート（Ｃ０１）に戻る（Ｃ０５）。この判断（Ｃ０３）がＮＯの場合は、電気ヒータ１２３への供給電流を徐々に減少し（Ｃ０６）、スタート（Ｃ０１）に戻る（Ｃ０７）。
一方、前記判断（Ｃ０２）がＮＯの場合は、電気ヒータ１２３を停止し（Ｃ０８）、ファン１２２を停止し（Ｃ０９）、調整弁１１９を閉じ（Ｃ１０）、スタート（Ｃ０１）に戻る（Ｃ１１）。
【００２３】
このように、暖房装置１１６の制御部１２４は、暖房要求を検知した場合、暖房吹き出し部１２８に備える空気温度検出手段１２６により測定された実空気温度と、暖房要求入力手段１２７による操作者の要求に基づいた目標空気温度とを比較する。制御部１２４は、実空気温度が目標空気温度に満たない場合、電気ヒータ１２３ヘの供給電流を徐々に増加させることにより吹き出し空気温度を上昇させる。逆に、制御部１２４は、実空気温度が目標空気温度を上回る場合、電気ヒータ１２３への供給電流を徐々に減少させ、吹き出し空気温度を下げる。暖房要求入力手段１２７による暖房要求が無い場合には、電気ヒータ１２３およびファン１２２を停止し、調整弁１１９は閉じるように制御する。
これにより、この燃料電池車両の暖房装置１１６は、暖房要求された車室内への目標空気温度に合わせて、吹き出し空気温度を変えることができる。
【００２４】
ここで、燃料電池システム１０１のカソード排気について説明する。上述の通り、燃料電池システム１０１のカソード排気は、水素と酸素の電気化学反応に伴って生じた水分を含むため、吸気に比較して相対的に湿度が上昇している。したがい、冬季や雨天時の暖房時において、フロントウィンドウなど車室内の窓の曇りが懸念される。
この懸念を解決するため、実施例２の燃料電池車両の暖房装置１１６においては、制御部１２４により以下のような制御を行う。すなわち、暖房装置１１６は、車室のフロントウィンドウの曇りを検知するウィンドウ曇り検知手段１２９を設け、制御部１２４に接続する。制御部１２４は、ウィンドウ曇り検知手段１２９によりフロントウィンドウの曇りが検知された時には、調整弁１１９の開度を予め設定された開度以下にしてカソード排気を減少させ、ファン１２２により導入される外気量を増加させる。
このように、暖房装置１１６は、フロントウィンドウの曇りが発生し、それをウィンドウ曇り検知手段１２９が検知し、曇り検知信号が制御部１２４に伝達されると、制御部１２４によって調整弁１１９の最大開度をある特定の閾値に制限する。暖房装置１１６の配管径や、燃料電池１０２の排気流量とファン１２２による吸入空気流量との関係などから定められた閾値を調整弁１１９の最大開度とすることにより、燃料電池１０２のカソード排気流量最大値が減少する。それにより、外気からの温度の低いファン１２２による吸入空気流量が相対的に増加し、フロントウィンドウの曇りを解消することができる。なお、制御部１２４に入力される曇り検知信号は、フロントウィンドウの曇りを視覚的に検知した乗員が、何らかのスイッチを操作するなどにより制御部１２４に伝達される構成とすることもできる。
また、この実施例２の暖房装置１１６においては、車室内に水素濃度を検出する水素センサ１３０を設け、この水素センサ１３０を制御部１２４に接続し、水素センサ１３０が水素漏れを検知した時に、制御部１２４によって調整弁１１９の全閉制御を行うことで、水素ガスが暖房要求された車室内に漏れることを防ぐことができる。
なお、実施例２の燃料電池車両の暖房装置１１６においては、電気ヒータ１２３前段の外気通路１２１に外気導入用の押し込み型のファン１２２を設けたが、図６に示すように、電気ヒータ１２３後段の分岐通路１１８に吸い込み型のファン１３１を設けてもよい。
【００２５】
この実施例２の燃料電池車両の暖房装置１１６においても、前述実施例１と同様に、カソード排気通路１１２の分岐点１１７から分岐し燃料電池１０２から排出された空気を車室に供給する分岐通路１１８を設け、分岐点１１７よりも下流側のカソード排気通路１１８にアノード排気通路１１４を合流させているので、アノード排気中の排気水素ガスを可燃下限濃度以下に希釈するとともに、燃料電池システム１の廃熱を車室の暖房に利用することができる。
また、この実施例２の暖房装置１１６は、前述実施例１と同様に、シンプルなシステム構成である空冷式の燃料電池システム１０１において、暖房要求された車室内にカソード排気を直接導入するので、シンプルな構成のままとすることができ、カソード排気を暖房用とパージ水素希釈用とに分岐させているので、アノード排気中の排気水素ガスが暖房要求された車室内に侵入することを防止することができる。さらに、この実施例２の暖房装置１１６は、分岐通路１１８に調整弁１１９を設け、暖房要求量に応じてカソード排気流量が変わるように調整弁１１９の開度を変えるので、要求された暖房量に応じたカソード排気流量を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
この発明は、燃料電池車両に搭載した燃料電池システムの暖房装置に関するものであるが、住宅用など定置型空冷式の燃料電池システムを用いた室内暖房への適用も可能なものである。
【符号の説明】
【００２７】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 高圧水素タンク
４ アノード吸気通路
５ 減圧弁
６ アノード吸気部
７ フィルタ
８ カソード吸気通路
９ 空気供給用ファン
１０ カソード吸気部
１１ カソード排気部
１２ カソード排気通路
１３ アノード排気部
１４ アノード排気通路
１５ パージ弁
１６ 暖房装置
１７ 分岐点
１８ 分岐通路
１９ 調整弁
２０ 制御部
２１ 暖房要求入力手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池と、
導入した外気を前記燃料電池のカソード極に供給し発電反応に用いるとともに、前記燃料電池から排出された空気が通るカソード排気通路と前記燃料電池から排出された水素が通るアノード排気通路とを備えた燃料電池車両の暖房装置において、
前記カソード排気通路の分岐点から分岐し前記燃料電池から排出された空気を車室に供給する分岐通路を設け、
前記分岐点よりも下流側の前記カソード排気通路に前記アノード排気通路を合流させることを特徴とする燃料電池車両の暖房装置。
【請求項２】
前記分岐通路に調整弁を設け、
暖房要求量に応じてカソード排気流量が変わるように前記調整弁の開度を変えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の暖房装置。
【請求項３】
車室内に水素濃度を測定する水素センサを設け、
前記水素センサにより水素漏れが検知された時には前記調整弁を全閉とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両の暖房装置。
【請求項４】
外気を導入するファンと、
前記ファンにより導入された外気と前記調整弁を通過したカソード排気とを合流させ、車室内に導入する通路と、
車室内への空気流量を検出する空気流量検出手段とを設け、
前記空気流量検出手段により検出された実空気流量と暖房要求量に基づく目標空気流量とを比較し、この比較結果に基づいて前記調整弁の開度と前記ファンの回転数とを変えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池車両の暖房装置。
【請求項５】
フロントウィンドウの曇りを検知するウィンドウ曇り検知手段を設け、
前記ウィンドウ曇り検知手段によりフロントウィンドウの曇りが検知された時には、前記調整弁の開度を予め設定された開度以下にし、前記ファンにより導入される外気量を増加させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両の暖房装置。
きる。
【請求項１】
酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池と、
導入した外気を前記燃料電池のカソード極に供給し発電反応に用いるとともに、前記燃料電池から排出された空気が通るカソード排気通路と前記燃料電池から排出された水素が通るアノード排気通路とを備えた燃料電池車両の暖房装置において、
前記カソード排気通路の分岐点から分岐し前記燃料電池から排出された空気を車室に供給する分岐通路を設け、
前記分岐点よりも下流側の前記カソード排気通路に前記アノード排気通路を合流させることを特徴とする燃料電池車両の暖房装置。
【請求項２】
前記分岐通路に調整弁を設け、
暖房要求量に応じてカソード排気流量が変わるように前記調整弁の開度を変えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の暖房装置。
【請求項３】
車室内に水素濃度を測定する水素センサを設け、
前記水素センサにより水素漏れが検知された時には前記調整弁を全閉とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両の暖房装置。
【請求項４】
外気を導入するファンと、
前記ファンにより導入された外気と前記調整弁を通過したカソード排気とを合流させ、車室内に導入する通路と、
車室内への空気流量を検出する空気流量検出手段とを設け、
前記空気流量検出手段により検出された実空気流量と暖房要求量に基づく目標空気流量とを比較し、この比較結果に基づいて前記調整弁の開度と前記ファンの回転数とを変えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池車両の暖房装置。
【請求項５】
フロントウィンドウの曇りを検知するウィンドウ曇り検知手段を設け、
前記ウィンドウ曇り検知手段によりフロントウィンドウの曇りが検知された時には、前記調整弁の開度を予め設定された開度以下にし、前記ファンにより導入される外気量を増加させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両の暖房装置。
きる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１１９４２（Ｐ２０１２−１１９４２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５２０４９（Ｐ２０１０−１５２０４９）
【出願日】平成２２年７月２日（２０１０．７．２）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２日（２０１０．７．２）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]