空調装置および空調制御方法
【課題】空調に際し電気ヒータの熱を利用する場合と燃料電池の廃熱を利用する場合とを適切に判断し、エネルギー効率の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】要求される暖房能力の暖房を第１運転モード（連携状態）で行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定し（Ｓ１５０、Ｓ１６０）、前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モード（独立状態）で行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定し（Ｓ１７０）、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に（Ｓ１８０，ＹＥＳ）、前記第１運転モードを採用し、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に（Ｓ１８０，ＮＯ）、前記第２運転モードを採用する（Ｓ１９５）。
【解決手段】要求される暖房能力の暖房を第１運転モード（連携状態）で行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定し（Ｓ１５０、Ｓ１６０）、前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モード（独立状態）で行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定し（Ｓ１７０）、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に（Ｓ１８０，ＹＥＳ）、前記第１運転モードを採用し、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に（Ｓ１８０，ＮＯ）、前記第２運転モードを採用する（Ｓ１９５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置、および燃料電池搭載装置の空調制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の廃熱を車室内の温度調節の熱源に利用する技術が知られている。詳しくは、燃料電池が途中に配置された冷却水循環路を流れる冷却水をヒータコアに供給し、ヒータコアにより温度調節された空気を車室内に供給する（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
さらに、特許文献２では、ヒータコアの上流側に電気ヒータを設けることで、ヒータコアに流入する冷却水を補助的に加熱可能とする構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１５５２４号公報
【特許文献２】特開２００４−９８９９１号公報
【０００５】
前記従来の技術において、燃料電池から発生する電気によって電気ヒータを駆動する構成とすれば、電気ヒータ駆動用の別電源を設ける必要がない。しかしながら、この場合、電気ヒータを使えば燃料電池の発電量が増えることから、エネルギー効率が必ずしもよいとは限らない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、空調に際し電気ヒータの熱を利用する場合と燃料電池の廃熱を利用する場合とを適切に判断し、エネルギー効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］ 燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と前記運転モード切換部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定する第１演算部と、前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定する第２演算部と、前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部とを備えることを特徴とする空調装置。
【０００９】
ここで、「連携」とは、第１循環回路と前記第２循環回路との間で熱のやりとりを行わせることである。適用例１に記載の空調装置によれば、要求される暖房能力の暖房を燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードで行うとしたときの燃料電池の消費電力の変化量と、要求される暖房能力の暖房を電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードで行うとしたときの電気ヒータの消費電力とを比較して、前者が後者より小さい場合に、燃料電池の廃熱を利用して暖房がなされ、前者が後者以上である場合に、電気ヒータの熱を利用して暖房がなされることになる。このために、燃料電池と電気ヒータのうちから、消費電力が少ない方の熱源を選択して利用することができる。したがって、本実施例の空調装置によれば、装置全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００１０】
［適用例２］ 燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と前記運転モード切換部を制御する制御部と、前記燃料電池の冷媒の温度を検出する温度センサと、を備え、前記制御部は、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が所定値より大きいか否かを判定する判定部と、前記判定部により前記冷媒の温度が所定値より大きいと判定された場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部とを備えることを特徴とする空調装置。
【００１１】
適用例２に記載の空調装置によれば、燃料電池の冷媒の温度が所定値より大きい場合に、燃料電池の廃熱を利用して暖房がなされ、燃料電池の冷媒の温度が所定値以下である場合に、電気ヒータの熱を利用して暖房がなされることになる。一般に、燃料電池の廃熱を熱源として利用する場合、燃料電池の冷媒の温度が低くなればなるほど暖房効率が低下する。これに対して、適用例２に記載の空調装置によれば、燃料電池の廃熱を熱源として利用したときに効率の悪い冷却水温の領域では、電気ヒータの熱を利用することから、装置全体でのエネルギー効率を高めることができ、電費を向上することができる。
【００１２】
［適用例３］ 適用例２に記載の空調装置であって、前記燃料電池の冷却水温と燃料電池の消費電力との相関において、燃料電池の消費電力が最小となるときの冷却水温を、前記所定値として予め定めた、空調装置。
【００１３】
適用例３に記載の空調装置によれば、燃料電池の消費電力が最小となる適正温度以下の領域で、電気ヒータの熱を利用することから、よりエネルギー効率を高めることができる。
【００１４】
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の空調装置であって、前記燃料電池搭載装置は、燃料電池搭載車両であり、前記電気ヒータは、燃料電池から発生する電気によって駆動される構成である、空調装置。
【００１５】
一般に、燃料電池から発生する電気によって駆動される電気ヒータの熱を利用して車室内を暖房しようとしたとき、燃料電池の発電量を増加する必要があるが、適用例４に記載の空調装置では、燃料電池搭載車両全体としてエネルギー効率を高めることができる。
【００１６】
［適用例５］ 燃料電池と、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部とを備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定し、前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定し、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【００１７】
［適用例６］ 燃料電池と、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部とを備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、前記燃料電池の冷媒の温度を検出し、前記検出された前記冷媒の温度が所定値より大きい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【００１８】
適用例５に記載の空調制御方法によれば、適用例１に記載の空調装置と同様に、全体でのエネルギー効率を高めることができる。適用例６に記載の空調制御方法によれば、適用例２に記載の空調装置と同様に、全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の空調装置を車両以外の移動体や定置用装置に設けた形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例としての空調システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】空調システム１０における冷媒流路の独立状態の一態様を示す説明図である。
【図３】空調システム１０における冷媒流路の連携状態を示す説明図である。
【図４】運転モード切換処理を示すフローチャートである。
【図５】ＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷと要求暖房熱量Ｑとの相関を示すグラフである。
【図６】ＦＣ冷却水温とＦＣ消費電力との相関を示すグラフである。
【図７】第２実施例における運転モード切換処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．ハードウェア構成：
図１は、本発明の第１実施例としての空調システム１０の構成を示す説明図である。この空調システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載されて用いられる。空調システム１０は、燃料電池（以下「ＦＣとも呼ぶ）スタック２０と、第１循環回路Ｃ１と、第２循環回路Ｃ２と、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を接続させる２つの冷媒流路（第５，９冷媒流路）６５，６９と、空調機構５０と、制御ユニット１００とを備えている。
【００２３】
燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有する単セルが複数積層された構成を備えている。燃料電池スタック２０には、図示しない水素ガスタンクから、燃料ガスとしての水素ガスが燃料ガス流路２２を介して供給される。また、燃料電池スタック２０には、図示しないエアコンプレッサにより、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス流路２４を介して供給される。燃料電池スタック２０には、上述した燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて、冷却媒体（以下、単に「冷媒」とも呼ぶ）が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが冷媒によって冷却される。本実施例では、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を冷媒としてもよい。
【００２４】
燃料電池スタック２０には、負荷４０が電気的に接続されており、燃料電池スタック２０における電気化学反応により生じた電力が負荷４０に供給される。ここで、負荷４０とは、例えば、図示しない電気自動車の駆動用モータ、後述する２つの電動ファン３１，３２、電気ヒータ５５、および２つのポンプ３２，５４等を意味する。
【００２５】
第１循環回路Ｃ１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒の流通路であり、第１〜４冷媒流路６１，６２，６３，６４により構成されている。第１循環回路Ｃ１には、第１ポンプ３２と、ラジエータ３０と、第１三方弁３３とが接続されている。
【００２６】
第１冷媒流路６１の一方端は第１三方弁３３と接続され、他方端は燃料電池スタック２０の冷媒流入口と接続されており、第１三方弁３３から流出される冷媒を燃料電池スタック２０に流入させる。第２冷媒流路６２の一方端は燃料電池スタック２０の冷媒流出口と接続され、他方端は第３，４冷媒流路６３，６４に分岐しており、燃料電池スタック２０から流出される冷媒を、第３冷媒流路６３および第４冷媒流路６４に流入させる。また、第２冷媒流路６２は、第５冷媒流路６５および第９冷媒流路６９とも接続されており、燃料電池スタック２０から流出される冷媒を第２循環回路Ｃ２に送出すると共に、第２循環回路Ｃ２から流出される冷媒を第３冷媒流路６３または第４冷媒流路６４に流入させる。
【００２７】
第３冷媒流路６３の下流側の端部（第２冷媒流路６２と反対側の端部）と第４冷媒流路６４の下流側の端部（第２冷媒流路６２と反対側の端部）とは、第１三方弁３３に接続されている。
【００２８】
第１三方弁３３は、３つの冷媒流路６１，６３，６４に接続された電磁弁であり、弁の開度を調整することにより、第３冷媒流路６３から第１冷媒流路６１へ流通する冷媒と、第４冷媒流路６４から第１冷媒流路６１へ流通する冷媒との流量比を調整する。
【００２９】
ラジエータ３０は、第３冷媒流路６３に配置されている。ラジエータ３０の近傍には、第１電動ファン３１が配置されている。ラジエータ３０は、第２冷媒流路６２を介して燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、第１電動ファン３１からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。ここで、第４冷媒流路６４にはラジエータが配置されていないことからも分かるように、第４冷媒流路６４は、ラジエータ３０をバイパスして、第２冷媒流路６２と第１冷媒流路６１とを接続するバイパス回路である。したがって、第４冷媒流路６４を通過する冷媒の放熱量は、第３冷媒流路６３を通過する冷媒の放熱量に比べて少ない。
【００３０】
第１ポンプ３２は、第１冷媒流路６１に配置され、第３冷媒流路６３および第４冷媒流路６４から送られてきた冷媒を燃料電池スタック２０へと送出する。図１において、太い実線の矢印は、冷媒の流れを示している。図１の例では、冷媒は、第１循環回路Ｃ１において、燃料電池スタック２０，第２冷媒流路６２，第３冷媒流路６３，第１冷媒流路６１の順序で循環している。なお、図２に示すように、空調システム１０では、第２冷媒流路６２から流出された冷媒が第３冷媒流路６３に流入せず、全て第４冷媒流路６４に流入する場合もある。第３冷媒流路６３へ流入させるか第４冷媒流路６４へ流入させるかは、第１三方弁３３を制御することで切り換えることができる。
【００３１】
第２循環回路Ｃ２は、空調機構５０に用いられる冷媒の流通路であり、第６〜８冷媒流路６６，６７，６８により構成されている。第２循環回路Ｃ２には、第２三方弁５８と、第２ポンプ５４と、電気ヒータ５５と、ヒータコア５１とが接続されている。ヒータコア５１は、空調機構５０に含まれる暖房用熱交換器である。
【００３２】
第６冷媒流路６６の一方端は第２三方弁５８と接続され、他方端はヒータコア５１の冷媒流入口と接続されており、第２三方弁５８から流出される冷媒を、ヒータコア５１に流入させる。第７冷媒流路６７の一方端はヒータコア５１の冷媒流出口と接続され、他方端は第８，９冷媒流路６８，６９に分岐しており、ヒータコア５１から流出される冷媒を、第８冷媒流路６８または第９冷媒流路６９に流入させる。
【００３３】
なお、第５冷媒流路６５は、第２冷媒流路６２および第２三方弁５８と接続されており、第２冷媒流路６２から流出される冷媒を第２三方弁５８に流入させる。第９冷媒流路６９は、第７冷媒流路６７および第２冷媒流路６２と接続されており、第７冷媒流路６７から流出される冷媒を第２冷媒流路６２に流入させる。すなわち、第５冷媒流路６５および第９冷媒流路６９は、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とを接続させる。
【００３４】
第２三方弁５８は、３つの冷媒流路６５，６６，６８に接続された電磁弁であり、弁の開度を調整することにより、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５とを接続し、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８を接続しない状態と、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８とを接続し、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５を接続しない状態とのいずれかに切り替える。
【００３５】
第２ポンプ５４は、第６冷媒流路６６に配置され、第５冷媒流路６５または第８冷媒流路６８から送られてきた冷媒をヒータコア５１へと送出する。電気ヒータ５５は、第２ポンプ５４とヒータコア５１との間に配置されており、第６冷媒流路６６を流通する冷媒を温める。
【００３６】
空調機構５０は、前述したヒータコア５１と、第２電動ファン５２と、ケーシング５３とを備えている。ヒータコア５１は、加熱用熱交換機であり、第２循環回路Ｃ２を流通する冷媒の熱によって昇温される。第２電動ファン５２は、ヒータコア５１に対して送風することにより、ケーシング５３の外部（車室内）に向けてヒータコア５１により温められた空気を送出する。なお、空調機構５０は、図示しないダクトを介して、各種吹出口（ベンチレーター，フット，デフロスタ等）と接続され、これら吹出口から温風を送出する。
【００３７】
図１の例では、第２三方弁５８は、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８とを接続し、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５を接続しない状態となっており、冷媒は、第２循環回路Ｃ２において、第６冷媒流路６６、電気ヒータ５５、ヒータコア５１、第７冷媒流路６７、第８冷媒流路６８の順序で循環している。すなわち、図１の例では、第１循環回路Ｃ１および第２循環回路Ｃ２において、それぞれ独立して冷媒が循環されている。以下、このように、空調システム１０において、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とで互いに独立して冷媒が循環されている状態を「独立状態」と呼ぶ。
【００３８】
なお、この独立状態においても、前述したように、第４冷媒流路６４が閉じて第３冷媒流路６３が開いている態様（以下、「図１の態様」と呼ぶ）と、第３冷媒流路６３が閉じて第４冷媒流路６４が開いている態様（以下、「図２の態様」と呼ぶ）とがある。すなわち、独立状態であってラジエータ３０が利用される図１の態様と、独立状態であってラジエータ３０の利用されない図２の態様とがある。
【００３９】
一方、図３に示すように、第２三方弁５８を制御することにより、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とが物理的に接続され、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で冷媒のやりとりが行われる構成とすることができる。詳しくは、このときには、第２三方弁５８は、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５とを接続し、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８を接続しない状態となっており、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で冷媒のやりとりが行われる。この構成を、以下「連携状態」と呼ぶ。この連携状態時においては、燃料電池スタック２０の廃熱を利用してヒータコア５１による暖房を行うことができる。
【００４０】
なお、この連携状態時には、第１三方弁３３を制御することで、第１循環回路Ｃ１においては、第２冷媒流路６２から流出された冷媒が第３冷媒流路６３に流入せず、全て第４冷媒流路６４に流入する構成としている。これは、ヒータコア５１に流入する冷媒が、ラジエータ３０で冷却されることを防いでいる。
【００４１】
制御ユニット１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、メモリ１０２と、入出力回路１０３とを主に備えている。入出力回路１０３は、各種アクチュエータや各種センサを制御用信号線（図示せず）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、２つの電動ファン３１，３２、電気ヒータ５５、２つのポンプ３２，５４、２つの三方弁３３，３８等がある。各種センサとしては、各種の温度センサや電圧センサ（図示せず）や電流センサ（図示せず）等がある。本実施例では、燃料電池スタック２０の冷媒流入口に設けられた第１温度センサ３４、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５、ヒータコア５１の冷媒流入口に設けられた第３温度センサ５６、ヒータコア５１の冷媒流出口に設けられた第４温度センサ５７、車内温度センサ（図示せず）、車外温度センサ（図示せず）、日射量センサ（図示せず）等が各種温度センサとして設けられている。
【００４２】
メモリ１０２には、主として空調システム１０を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ１０１は、このコンピュータプログラム（例えば、後述する運転モード切換処理のコンピュータプログラム）を実行することにより、第１演算部１１１，第２演算部１１２，および指令制御部１１３として機能する。また、メモリ１０２には、後述する第１マップＭＰ１と第２マップＭＰ２とが予め格納されている。
【００４３】
Ａ２．ソフトウェア構成：
図４は、運転モード切換処理を示すフローチャートである。この運転モード切換処理は、制御ユニット１００のＣＰＵ１０１により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。処理が開始されると、ＣＰＵ１０１は、まず、暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、「暖房要求」とは、暖房が必要であるという要求である。詳しくは、ユーザにより図示しない操作パネルから行われたエアコンスイッチのオン操作と室内温度設定の操作とを受けて、暖房が必要であると判断されたときに、暖房要求があったものと判断する。
【００４４】
ステップＳ１１０で、暖房要求がないと判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第３運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ１２０）。第３運転モードとは、冷媒流路の態様を図１の態様とした上で、電気ヒータ５５をオフ状態とするモードである。詳しくは、ＣＰＵ１０１は、第１三方弁３３と第２三方弁２５を制御して、独立状態で、かつ第４冷媒流路６４を閉じて第３冷媒流路６３を開いた状態とし、その上で、電気ヒータ５５をオフ状態とする。この第３運転モードによれば、燃料電池スタック２０にはラジエータ３０で冷却された冷媒が流入し、ヒータコア５１には加熱されていない冷媒が流入する。なお、第３運転モードにおいては、第２ポンプ５４の運転を停止して、ヒータコア５１への冷媒の流入を停止する構成とすることもできる。
【００４５】
一方、ステップＳ１１０で、暖房要求があると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、要求暖房熱量Ｑを算出する処理を行う（ステップＳ１３０）。要求暖房熱量Qは、要求される暖房能力の暖房を行うのに必要な熱量であり、周知の方法にて演算する。例えば、車内温度とユーザによる設定温度との差に、車外温度、日射量等を考慮して要求暖房熱量Ｑを算出する。
【００４６】
ステップＳ１３０の実行後、ＣＰＵ１０１は、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５から冷媒の温度ＴＷを取り込む（ステップＳ１４０）。本実施例では、この第２温度センサ３５の検出値を燃料電池の冷却水温の温度とするもので、上記冷媒の温度ＴＷを、以下、ＦＣ冷却水温ＴＷと呼ぶ。
【００４７】
続いて、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１３０で算出された要求暖房熱量ＱとステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷに基づいて、要求される暖房能力の暖房を連携状態（図３に示す状態で、前述したようにラジエータ３０が関与しない状態。以下、同様）で行うとしたときのＦＣ冷却水温ＴＷ＊を推定する処理を行う（ステップＳ１５０）。連携状態では、燃料電池スタック２０から流出した冷媒がヒータコア５１に送られることから、燃料電池スタック２０を循環する冷媒の温度は低下する。この低下量（以下、「ＦＣ冷却水温低下量」と呼ぶ）ΔＴＷは、要求暖房熱量Ｑと相関がある。
【００４８】
図５は、ＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷと要求暖房熱量Ｑとの相関を示すグラフである。横軸は要求暖房熱量Ｑを示し、縦軸はＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷを示す。図示するように、要求暖房熱量Ｑが大きくなるほど、ＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷは漸次上昇する。このグラフは、実験等により予め求めることができ、第１マップＭＰ１としてメモリ１０２に記憶される。ステップＳ１５０では、ステップＳ１３０で算出された要求暖房熱量Ｑを第１マップＭＰ１に照らし合わせて、要求暖房熱量Ｑに対応するＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷを求め、その後、ステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷからＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷを引くことで、連携後のＦＣ冷却水温ＴＷ＊を推定する。
【００４９】
続いて、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温（すなわち現在のＦＣ冷却水温）ＴＷとステップＳ１６０で求めた連携後の冷却水温ＴＷ＊とに基づいて、ＦＣ冷却水温低下で増加するＦＣ消費電力変化分ΔＰを算出する（ステップＳ１６０）。
【００５０】
図６は、燃料電池における冷却水温と消費電力との相関を示すグラフである。図６において、横軸は冷却水温（ＦＣ冷却水温）を示し、縦軸は消費電力（ＦＣ消費電力）を示す。ＦＣ冷却水温は、ステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷに相当する。ここで、ＦＣ消費電力は燃料電池の発生電力と同義である。
【００５１】
図示するように、ＦＣ冷却水温ＴＷが所定の温度（以下、「適正温度」と呼ぶ）ＴＷαのとき、ＦＣ消費電力は最も小さくて済む。適正温度ＴＷαは、予め定められた温度である。ＦＣ冷却水温ＴＷが適正温度ＴＷαより小さいとき、小さくなるほどＦＣ消費電力は大きくなり、ＦＣ冷却水温ＴＷが適正温度ＴＷαより大きいとき、大きくなるほどＦＣ消費電力は大きくなる。これは、燃料電池の発電性能は温度に依存し、適正温度ＴＷαからずれると（大きくなっても小さくなっても）、発電性能が低下するためである。
【００５２】
図６に示すグラフは、実験等により予め求めることができ、第２マップＭＰ２としてメモリ１０２に記憶される。ステップＳ１６０では、ステップＳ１４０およびＳ１５０で取り込んだ現在のＦＣ冷却水温ＴＷと連携後のＦＣ冷却水温ＴＷ＊とを第２マップＭＰ２に照らし合わせて、連携後のＦＣ冷却水温ＴＷ＊に対応するＦＣ消費電力Ｐ２から、現在のＦＣ冷却水温ＴＷに対応するＦＣ消費電力Ｐ１を引くことにより、ＦＣ冷却水温低下で変化するＦＣ消費電力変化分ΔＰを求める。図６の例では、ＦＣ消費電力変化分ΔＰは正の値となる。
【００５３】
その後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１３０で算出された要求暖房熱量Ｑに基づいて、要求される暖房能力の暖房を独立状態で行うとしたときの電気ヒータ５５の消費電力Ｅを推定する処理を行う（ステップＳ１７０）。要求暖房熱量Ｑと電気ヒータ消費電力Ｅとは相関の関係があることから、ステップＳ１７０では、要求暖房熱量Ｑに正の定数αを掛けることにより電気ヒータ消費電力Ｅを求める。なお、電気ヒータ消費電力Ｅには上限があり、要求暖房熱量Ｑが所定の上限熱量Ｑｍａｘを上回ったときには、上限値Ｅｍａｘとする。
【００５４】
ステップＳ１７０の実行後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１６０で算出したＦＣ消費電力変化分ΔＰが、ステップＳ１７０で算出した電気ヒータ消費電力Ｅを下回るか否かを判定する（ステップＳ１８０）。ここで、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅを下回ると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第１運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ１９０）。第１運転モードとは、冷媒流路の態様を図３に示した連携状態とした上で、電気ヒータをオフ状態とするモードである。詳しくは、ＣＰＵ１０１は、第１三方弁３３と第２三方弁２５を制御して、連携状態で、かつ第３冷媒流路６３を閉じて第４冷媒流路６４を開いた状態とし、その上で、電気ヒータをオフ状態とする。この第１運転モードによれば、燃料電池スタック２０の廃熱を利用してヒータコア５１による暖房を行うことができる。
【００５５】
すなわち、ステップＳ１８０で、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅを下回ると判定されたということは、暖房に際してＦＣ消費電力を利用した方が、消費電力が少なくて済むということであることから、ステップＳ１９０で、連携状態とすることで、燃料電池スタック２０の廃熱を利用するように構成している。
【００５６】
一方、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅ以上であると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第２運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ１９５）。第２運転モードとは、冷媒流路の態様を図２の態様とした上で、電気ヒータ５５をオン状態とするモードである。詳しくは、ＣＰＵ１０１は、第１三方弁３３と第２三方弁２５を制御して、独立状態で、かつ第３冷媒流路６３を閉じて第４冷媒流路６４を開いた状態とし、その上で、電気ヒータ５５をオフ状態とする。この第２運転モードによれば、燃料電池スタック２０にはラジエータ３０を介していない冷媒が流入し、ヒータコア５１には電気ヒータ５５により加熱された冷媒が流入する。
【００５７】
すなわち、ステップＳ１８０で、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅ以上であると判定されたということは、暖房に際して電気ヒータ５５を利用した方が、消費電力が少なくて済むということであることから、ステップＳ１９５で、独立状態とした上で電気ヒータ５５の熱を利用するように構成している。
【００５８】
ステップＳ１２０、Ｓ１９０、またはＳ１９５の実行後、ＣＰＵ１０１は、処理を「リターン」に進めて、この運転モード切換処理を一旦終了する。
【００５９】
以上のように構成した運転モード切換処理におけるステップＳ１５０およびＳ１６０の処理が第１演算部１１１（図１）に、ステップＳ１７０の処理が第２演算部１１２（図１）に、ステップＳ１８０ないしＳ１９５の処理が指令制御部１１３（図１）にそれぞれ相当する。また、本実施例における第１三方弁３３と第２三方弁２５と電気ヒータ５５等が適用例１における「運転モード切換部」に相当する。
【００６０】
Ａ３．実施例効果：
以上、詳述したように、第１実施例の空調システム１０によれば、要求される暖房能力の暖房を燃料電池スタック２０の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードで行うとしたときのＦＣ消費電力変化量ΔＰと、要求される暖房能力の暖房を電気ヒータ５５の熱を利用して暖房を行う第２運転モードで行うとしたときの電気ヒータ５５の消費電力とを比較して、前者が後者より小さい場合に、燃料電池スタック２０の廃熱を利用して暖房がなされ、前者が後者以上である場合に、電気ヒータ５５の熱を利用して暖房がなされることになる。このために、燃料電池スタック２０と電気ヒータ５５のうちから、消費電力が少ない方の熱源を選択して利用することができる。したがって、本実施例の空調システム１０によれば、システム全体でのエネルギー効率を高めることができ、電費を向上することができる。
【００６１】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例におけるハードウェア構成は第１実施例と同一である。第１実施例と比較して相違するのは、ソフトウェア構成である運転モード切換処理の内容だけである。運転モード切換処理について、以下に詳しく説明する。なお、説明において、第１実施例と同一の構成については第１実施例と同一の符号を用いる。
【００６２】
図７は、運転モード切換処理を示すフローチャートである。この運転モード切換処理は、第１実施例と同じく、制御ユニット１００のＣＰＵ１０１により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。処理が開始されると、ＣＰＵ１０１は、まず、暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。このステップＳ２１０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１１０の処理と同一である。
【００６３】
ステップＳ２１０で、暖房要求がないと判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第１実施例と同じく、第３運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ２２０）。一方、ステップＳ２１０で、暖房要求があると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５から冷媒の温度（ＦＣ冷却水温）ＴＷを取り込む（ステップＳ２３０）。このステップＳ２３０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１４０の処理と同一である。
【００６４】
ステップＳ２３０の実行後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ２３０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷが、予め定めた所定値ＴＷαより大きいか否かを判定し（ステップＳ２４０）、ＦＣ冷却水温ＴＷが所定値ＴＷαより大きいと判定されたときには、第１運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ２５０）。このステップＳ２５０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１９０の処理と同一である。一方、ステップＳ２４０で、ＦＣ冷却水温ＴＷが所定値ＴＷα以下であると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第２運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ２６０）。このステップＳ２６０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１９５の処理と同一である。
【００６５】
前記所定値ＴＷαは、第１実施例の図６において説明した適正温度ＴＷαに相当する。一般に、燃料電池の廃熱をヒータコアの熱源として利用する場合、ＦＣ冷却水温が低くなればなるほど暖房効率が低下する。このため、本実施例では、適正温度ＴＷα、すなわち、消費電力が最も小さくなる適正温度ＴＷαよりＦＣ冷却水温ＴＷが大きいときには、ステップＳ２５０により第１運転モードに切り換えることにより、燃料電池スタック２０の廃熱をヒータコア５１の熱源として利用する構成とし、一方、ＦＣ冷却水温ＴＷが適正温度ＴＷα以下であるときには、ステップＳ２６０により第２運転モードに切り換えることにより、電気ヒータ５５の熱をヒータコア５１の熱源として利用する構成とした。
【００６６】
したがって、この第２実施例によれば、燃料電池スタック２０の廃熱をヒータコア５１の熱源として利用したときに効率の悪い冷却水温の領域では、電気ヒータ５５の熱を利用することから、システム全体でのエネルギー効率を高めることができ、電費を向上することができる。
【００６７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の第１および第２実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６８】
・第１変形例：
上記各実施例では、燃料電池スタック２０の冷却水温を、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５の検出値としているが、必ずしもこれに限る必要はなく、例えば、燃料電池スタック２０の冷媒流入口に設けられた第１温度センサ３４の検出値でもよく、燃料電池スタック２０の冷却水温に対応するパラメータであればいずれのパラメータとすることもできる。
【００６９】
・第２変形例：
上記第２実施例では、ＦＣ冷却水温ＴＷの閾値を、ＦＣ消費電力が最も小さくなる適正温度ＴＷαとしていたが、必ずしもこれに限る必要はなく、燃料電池スタック２０の廃熱を熱源として利用したときに効率の悪くなる領域を判定可能な閾値であれば、どのような所定値とすることもできる。
【００７０】
・第３変形例：
上記各実施例では、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を連携するために、第２三方弁５８を制御して、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とを物理的に接続して、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２間で冷媒を行き来させていたが、本発明はこれに限定されるものではない。第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とに接続された熱交換機を配置し、かかる熱交換器を介して２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を互いに連携させる（熱のやりとりを行わせる）こともできる。この場合、第１循環回路Ｃ１，Ｃ２の少なくとも一方において、熱交換機をバイパスする流路を設け、かかるバイパス流路に冷媒を流通させることによって、独立状態を形成することもできる。
【００７１】
・第４変形例：
上記各実施例では、制御ユニット１００は、燃料電池スタック２０を有する冷却装置用、および車室内の送風に利用される空調機構５０用の両方に利用されていたが、それぞれ個別の制御ユニットにより構成してもよい。この場合、各制御ユニット間で必要な情報（温度センサ３５の検出値等）を通信する構成とするのが好ましい。
【００７２】
・第５変形例：
上記各実施例では、空調システム１０は、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに換えて、ハイブリッド自動車、船舶、ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック２０を定置型電源として用い、空調システム１０をビルや一般住宅等の建物における空調装置として適用することもできる。
【００７３】
・第６変形例：
上記各実施例では、電気ヒータ５５は、燃料電池スタック２０から発生する電気によって駆動される構成としていたが、これに換えて、電気ヒータ用の別電源を設ける構成としてもよい。この構成においても、前記別電源を含めたシステム全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００７４】
・第７変形例：
上記各実施例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
【００７５】
・第８変形例：
上記各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【００７６】
なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０…空調システム
２０…燃料電池スタック
２２…燃料ガス流路
２４…酸化剤ガス流路
２５…第２三方弁
３０…ラジエータ
３１…第１電動ファン
３２…第１ポンプ
３３…第１三方弁
３４…第１温度センサ
３５…第２温度センサ
４０…負荷
５０…空調機構
５１…ヒータコア
５２…第２電動ファン
５３…ケーシング
５４…第２ポンプ
５５…電気ヒータ
５６…第３温度センサ
５７…第４温度センサ
５８…第２三方弁
６１…第１冷媒流路
６２…第２冷媒流路
６３…第３冷媒流路
６４…第４冷媒流路
６５…第５冷媒流路
６６…第６冷媒流路
６７…第７冷媒流路
６８…第８冷媒流路
６９…第９冷媒流路
１００…制御ユニット
１０１…ＣＰＵ
１０２…メモリ
１０３…入出力回路
１１１…第１演算部
１１２…第２演算部
１１３…指令制御部
Ｑ…要求暖房熱量
Ｅ…電気ヒータ消費電力
Ｃ１…第１循環回路
Ｃ２…第２循環回路
ＴＷ…ＦＣ冷却水温
ＴＷα…適正温度
ＭＰ１…第１マップ
ＭＰ２…第２マップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置、および燃料電池搭載装置の空調制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の廃熱を車室内の温度調節の熱源に利用する技術が知られている。詳しくは、燃料電池が途中に配置された冷却水循環路を流れる冷却水をヒータコアに供給し、ヒータコアにより温度調節された空気を車室内に供給する（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
さらに、特許文献２では、ヒータコアの上流側に電気ヒータを設けることで、ヒータコアに流入する冷却水を補助的に加熱可能とする構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１５５２４号公報
【特許文献２】特開２００４−９８９９１号公報
【０００５】
前記従来の技術において、燃料電池から発生する電気によって電気ヒータを駆動する構成とすれば、電気ヒータ駆動用の別電源を設ける必要がない。しかしながら、この場合、電気ヒータを使えば燃料電池の発電量が増えることから、エネルギー効率が必ずしもよいとは限らない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、空調に際し電気ヒータの熱を利用する場合と燃料電池の廃熱を利用する場合とを適切に判断し、エネルギー効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］ 燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と前記運転モード切換部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定する第１演算部と、前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定する第２演算部と、前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部とを備えることを特徴とする空調装置。
【０００９】
ここで、「連携」とは、第１循環回路と前記第２循環回路との間で熱のやりとりを行わせることである。適用例１に記載の空調装置によれば、要求される暖房能力の暖房を燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードで行うとしたときの燃料電池の消費電力の変化量と、要求される暖房能力の暖房を電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードで行うとしたときの電気ヒータの消費電力とを比較して、前者が後者より小さい場合に、燃料電池の廃熱を利用して暖房がなされ、前者が後者以上である場合に、電気ヒータの熱を利用して暖房がなされることになる。このために、燃料電池と電気ヒータのうちから、消費電力が少ない方の熱源を選択して利用することができる。したがって、本実施例の空調装置によれば、装置全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００１０】
［適用例２］ 燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と前記運転モード切換部を制御する制御部と、前記燃料電池の冷媒の温度を検出する温度センサと、を備え、前記制御部は、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が所定値より大きいか否かを判定する判定部と、前記判定部により前記冷媒の温度が所定値より大きいと判定された場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部とを備えることを特徴とする空調装置。
【００１１】
適用例２に記載の空調装置によれば、燃料電池の冷媒の温度が所定値より大きい場合に、燃料電池の廃熱を利用して暖房がなされ、燃料電池の冷媒の温度が所定値以下である場合に、電気ヒータの熱を利用して暖房がなされることになる。一般に、燃料電池の廃熱を熱源として利用する場合、燃料電池の冷媒の温度が低くなればなるほど暖房効率が低下する。これに対して、適用例２に記載の空調装置によれば、燃料電池の廃熱を熱源として利用したときに効率の悪い冷却水温の領域では、電気ヒータの熱を利用することから、装置全体でのエネルギー効率を高めることができ、電費を向上することができる。
【００１２】
［適用例３］ 適用例２に記載の空調装置であって、前記燃料電池の冷却水温と燃料電池の消費電力との相関において、燃料電池の消費電力が最小となるときの冷却水温を、前記所定値として予め定めた、空調装置。
【００１３】
適用例３に記載の空調装置によれば、燃料電池の消費電力が最小となる適正温度以下の領域で、電気ヒータの熱を利用することから、よりエネルギー効率を高めることができる。
【００１４】
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の空調装置であって、前記燃料電池搭載装置は、燃料電池搭載車両であり、前記電気ヒータは、燃料電池から発生する電気によって駆動される構成である、空調装置。
【００１５】
一般に、燃料電池から発生する電気によって駆動される電気ヒータの熱を利用して車室内を暖房しようとしたとき、燃料電池の発電量を増加する必要があるが、適用例４に記載の空調装置では、燃料電池搭載車両全体としてエネルギー効率を高めることができる。
【００１６】
［適用例５］ 燃料電池と、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部とを備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定し、前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定し、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【００１７】
［適用例６］ 燃料電池と、ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部とを備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、前記燃料電池の冷媒の温度を検出し、前記検出された前記冷媒の温度が所定値より大きい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【００１８】
適用例５に記載の空調制御方法によれば、適用例１に記載の空調装置と同様に、全体でのエネルギー効率を高めることができる。適用例６に記載の空調制御方法によれば、適用例２に記載の空調装置と同様に、全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の空調装置を車両以外の移動体や定置用装置に設けた形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例としての空調システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】空調システム１０における冷媒流路の独立状態の一態様を示す説明図である。
【図３】空調システム１０における冷媒流路の連携状態を示す説明図である。
【図４】運転モード切換処理を示すフローチャートである。
【図５】ＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷと要求暖房熱量Ｑとの相関を示すグラフである。
【図６】ＦＣ冷却水温とＦＣ消費電力との相関を示すグラフである。
【図７】第２実施例における運転モード切換処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．ハードウェア構成：
図１は、本発明の第１実施例としての空調システム１０の構成を示す説明図である。この空調システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載されて用いられる。空調システム１０は、燃料電池（以下「ＦＣとも呼ぶ）スタック２０と、第１循環回路Ｃ１と、第２循環回路Ｃ２と、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を接続させる２つの冷媒流路（第５，９冷媒流路）６５，６９と、空調機構５０と、制御ユニット１００とを備えている。
【００２３】
燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有する単セルが複数積層された構成を備えている。燃料電池スタック２０には、図示しない水素ガスタンクから、燃料ガスとしての水素ガスが燃料ガス流路２２を介して供給される。また、燃料電池スタック２０には、図示しないエアコンプレッサにより、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス流路２４を介して供給される。燃料電池スタック２０には、上述した燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて、冷却媒体（以下、単に「冷媒」とも呼ぶ）が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが冷媒によって冷却される。本実施例では、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を冷媒としてもよい。
【００２４】
燃料電池スタック２０には、負荷４０が電気的に接続されており、燃料電池スタック２０における電気化学反応により生じた電力が負荷４０に供給される。ここで、負荷４０とは、例えば、図示しない電気自動車の駆動用モータ、後述する２つの電動ファン３１，３２、電気ヒータ５５、および２つのポンプ３２，５４等を意味する。
【００２５】
第１循環回路Ｃ１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒の流通路であり、第１〜４冷媒流路６１，６２，６３，６４により構成されている。第１循環回路Ｃ１には、第１ポンプ３２と、ラジエータ３０と、第１三方弁３３とが接続されている。
【００２６】
第１冷媒流路６１の一方端は第１三方弁３３と接続され、他方端は燃料電池スタック２０の冷媒流入口と接続されており、第１三方弁３３から流出される冷媒を燃料電池スタック２０に流入させる。第２冷媒流路６２の一方端は燃料電池スタック２０の冷媒流出口と接続され、他方端は第３，４冷媒流路６３，６４に分岐しており、燃料電池スタック２０から流出される冷媒を、第３冷媒流路６３および第４冷媒流路６４に流入させる。また、第２冷媒流路６２は、第５冷媒流路６５および第９冷媒流路６９とも接続されており、燃料電池スタック２０から流出される冷媒を第２循環回路Ｃ２に送出すると共に、第２循環回路Ｃ２から流出される冷媒を第３冷媒流路６３または第４冷媒流路６４に流入させる。
【００２７】
第３冷媒流路６３の下流側の端部（第２冷媒流路６２と反対側の端部）と第４冷媒流路６４の下流側の端部（第２冷媒流路６２と反対側の端部）とは、第１三方弁３３に接続されている。
【００２８】
第１三方弁３３は、３つの冷媒流路６１，６３，６４に接続された電磁弁であり、弁の開度を調整することにより、第３冷媒流路６３から第１冷媒流路６１へ流通する冷媒と、第４冷媒流路６４から第１冷媒流路６１へ流通する冷媒との流量比を調整する。
【００２９】
ラジエータ３０は、第３冷媒流路６３に配置されている。ラジエータ３０の近傍には、第１電動ファン３１が配置されている。ラジエータ３０は、第２冷媒流路６２を介して燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、第１電動ファン３１からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。ここで、第４冷媒流路６４にはラジエータが配置されていないことからも分かるように、第４冷媒流路６４は、ラジエータ３０をバイパスして、第２冷媒流路６２と第１冷媒流路６１とを接続するバイパス回路である。したがって、第４冷媒流路６４を通過する冷媒の放熱量は、第３冷媒流路６３を通過する冷媒の放熱量に比べて少ない。
【００３０】
第１ポンプ３２は、第１冷媒流路６１に配置され、第３冷媒流路６３および第４冷媒流路６４から送られてきた冷媒を燃料電池スタック２０へと送出する。図１において、太い実線の矢印は、冷媒の流れを示している。図１の例では、冷媒は、第１循環回路Ｃ１において、燃料電池スタック２０，第２冷媒流路６２，第３冷媒流路６３，第１冷媒流路６１の順序で循環している。なお、図２に示すように、空調システム１０では、第２冷媒流路６２から流出された冷媒が第３冷媒流路６３に流入せず、全て第４冷媒流路６４に流入する場合もある。第３冷媒流路６３へ流入させるか第４冷媒流路６４へ流入させるかは、第１三方弁３３を制御することで切り換えることができる。
【００３１】
第２循環回路Ｃ２は、空調機構５０に用いられる冷媒の流通路であり、第６〜８冷媒流路６６，６７，６８により構成されている。第２循環回路Ｃ２には、第２三方弁５８と、第２ポンプ５４と、電気ヒータ５５と、ヒータコア５１とが接続されている。ヒータコア５１は、空調機構５０に含まれる暖房用熱交換器である。
【００３２】
第６冷媒流路６６の一方端は第２三方弁５８と接続され、他方端はヒータコア５１の冷媒流入口と接続されており、第２三方弁５８から流出される冷媒を、ヒータコア５１に流入させる。第７冷媒流路６７の一方端はヒータコア５１の冷媒流出口と接続され、他方端は第８，９冷媒流路６８，６９に分岐しており、ヒータコア５１から流出される冷媒を、第８冷媒流路６８または第９冷媒流路６９に流入させる。
【００３３】
なお、第５冷媒流路６５は、第２冷媒流路６２および第２三方弁５８と接続されており、第２冷媒流路６２から流出される冷媒を第２三方弁５８に流入させる。第９冷媒流路６９は、第７冷媒流路６７および第２冷媒流路６２と接続されており、第７冷媒流路６７から流出される冷媒を第２冷媒流路６２に流入させる。すなわち、第５冷媒流路６５および第９冷媒流路６９は、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とを接続させる。
【００３４】
第２三方弁５８は、３つの冷媒流路６５，６６，６８に接続された電磁弁であり、弁の開度を調整することにより、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５とを接続し、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８を接続しない状態と、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８とを接続し、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５を接続しない状態とのいずれかに切り替える。
【００３５】
第２ポンプ５４は、第６冷媒流路６６に配置され、第５冷媒流路６５または第８冷媒流路６８から送られてきた冷媒をヒータコア５１へと送出する。電気ヒータ５５は、第２ポンプ５４とヒータコア５１との間に配置されており、第６冷媒流路６６を流通する冷媒を温める。
【００３６】
空調機構５０は、前述したヒータコア５１と、第２電動ファン５２と、ケーシング５３とを備えている。ヒータコア５１は、加熱用熱交換機であり、第２循環回路Ｃ２を流通する冷媒の熱によって昇温される。第２電動ファン５２は、ヒータコア５１に対して送風することにより、ケーシング５３の外部（車室内）に向けてヒータコア５１により温められた空気を送出する。なお、空調機構５０は、図示しないダクトを介して、各種吹出口（ベンチレーター，フット，デフロスタ等）と接続され、これら吹出口から温風を送出する。
【００３７】
図１の例では、第２三方弁５８は、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８とを接続し、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５を接続しない状態となっており、冷媒は、第２循環回路Ｃ２において、第６冷媒流路６６、電気ヒータ５５、ヒータコア５１、第７冷媒流路６７、第８冷媒流路６８の順序で循環している。すなわち、図１の例では、第１循環回路Ｃ１および第２循環回路Ｃ２において、それぞれ独立して冷媒が循環されている。以下、このように、空調システム１０において、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とで互いに独立して冷媒が循環されている状態を「独立状態」と呼ぶ。
【００３８】
なお、この独立状態においても、前述したように、第４冷媒流路６４が閉じて第３冷媒流路６３が開いている態様（以下、「図１の態様」と呼ぶ）と、第３冷媒流路６３が閉じて第４冷媒流路６４が開いている態様（以下、「図２の態様」と呼ぶ）とがある。すなわち、独立状態であってラジエータ３０が利用される図１の態様と、独立状態であってラジエータ３０の利用されない図２の態様とがある。
【００３９】
一方、図３に示すように、第２三方弁５８を制御することにより、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とが物理的に接続され、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で冷媒のやりとりが行われる構成とすることができる。詳しくは、このときには、第２三方弁５８は、第６冷媒流路６６と第５冷媒流路６５とを接続し、第６冷媒流路６６と第８冷媒流路６８を接続しない状態となっており、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で冷媒のやりとりが行われる。この構成を、以下「連携状態」と呼ぶ。この連携状態時においては、燃料電池スタック２０の廃熱を利用してヒータコア５１による暖房を行うことができる。
【００４０】
なお、この連携状態時には、第１三方弁３３を制御することで、第１循環回路Ｃ１においては、第２冷媒流路６２から流出された冷媒が第３冷媒流路６３に流入せず、全て第４冷媒流路６４に流入する構成としている。これは、ヒータコア５１に流入する冷媒が、ラジエータ３０で冷却されることを防いでいる。
【００４１】
制御ユニット１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、メモリ１０２と、入出力回路１０３とを主に備えている。入出力回路１０３は、各種アクチュエータや各種センサを制御用信号線（図示せず）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、２つの電動ファン３１，３２、電気ヒータ５５、２つのポンプ３２，５４、２つの三方弁３３，３８等がある。各種センサとしては、各種の温度センサや電圧センサ（図示せず）や電流センサ（図示せず）等がある。本実施例では、燃料電池スタック２０の冷媒流入口に設けられた第１温度センサ３４、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５、ヒータコア５１の冷媒流入口に設けられた第３温度センサ５６、ヒータコア５１の冷媒流出口に設けられた第４温度センサ５７、車内温度センサ（図示せず）、車外温度センサ（図示せず）、日射量センサ（図示せず）等が各種温度センサとして設けられている。
【００４２】
メモリ１０２には、主として空調システム１０を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ１０１は、このコンピュータプログラム（例えば、後述する運転モード切換処理のコンピュータプログラム）を実行することにより、第１演算部１１１，第２演算部１１２，および指令制御部１１３として機能する。また、メモリ１０２には、後述する第１マップＭＰ１と第２マップＭＰ２とが予め格納されている。
【００４３】
Ａ２．ソフトウェア構成：
図４は、運転モード切換処理を示すフローチャートである。この運転モード切換処理は、制御ユニット１００のＣＰＵ１０１により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。処理が開始されると、ＣＰＵ１０１は、まず、暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、「暖房要求」とは、暖房が必要であるという要求である。詳しくは、ユーザにより図示しない操作パネルから行われたエアコンスイッチのオン操作と室内温度設定の操作とを受けて、暖房が必要であると判断されたときに、暖房要求があったものと判断する。
【００４４】
ステップＳ１１０で、暖房要求がないと判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第３運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ１２０）。第３運転モードとは、冷媒流路の態様を図１の態様とした上で、電気ヒータ５５をオフ状態とするモードである。詳しくは、ＣＰＵ１０１は、第１三方弁３３と第２三方弁２５を制御して、独立状態で、かつ第４冷媒流路６４を閉じて第３冷媒流路６３を開いた状態とし、その上で、電気ヒータ５５をオフ状態とする。この第３運転モードによれば、燃料電池スタック２０にはラジエータ３０で冷却された冷媒が流入し、ヒータコア５１には加熱されていない冷媒が流入する。なお、第３運転モードにおいては、第２ポンプ５４の運転を停止して、ヒータコア５１への冷媒の流入を停止する構成とすることもできる。
【００４５】
一方、ステップＳ１１０で、暖房要求があると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、要求暖房熱量Ｑを算出する処理を行う（ステップＳ１３０）。要求暖房熱量Qは、要求される暖房能力の暖房を行うのに必要な熱量であり、周知の方法にて演算する。例えば、車内温度とユーザによる設定温度との差に、車外温度、日射量等を考慮して要求暖房熱量Ｑを算出する。
【００４６】
ステップＳ１３０の実行後、ＣＰＵ１０１は、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５から冷媒の温度ＴＷを取り込む（ステップＳ１４０）。本実施例では、この第２温度センサ３５の検出値を燃料電池の冷却水温の温度とするもので、上記冷媒の温度ＴＷを、以下、ＦＣ冷却水温ＴＷと呼ぶ。
【００４７】
続いて、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１３０で算出された要求暖房熱量ＱとステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷに基づいて、要求される暖房能力の暖房を連携状態（図３に示す状態で、前述したようにラジエータ３０が関与しない状態。以下、同様）で行うとしたときのＦＣ冷却水温ＴＷ＊を推定する処理を行う（ステップＳ１５０）。連携状態では、燃料電池スタック２０から流出した冷媒がヒータコア５１に送られることから、燃料電池スタック２０を循環する冷媒の温度は低下する。この低下量（以下、「ＦＣ冷却水温低下量」と呼ぶ）ΔＴＷは、要求暖房熱量Ｑと相関がある。
【００４８】
図５は、ＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷと要求暖房熱量Ｑとの相関を示すグラフである。横軸は要求暖房熱量Ｑを示し、縦軸はＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷを示す。図示するように、要求暖房熱量Ｑが大きくなるほど、ＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷは漸次上昇する。このグラフは、実験等により予め求めることができ、第１マップＭＰ１としてメモリ１０２に記憶される。ステップＳ１５０では、ステップＳ１３０で算出された要求暖房熱量Ｑを第１マップＭＰ１に照らし合わせて、要求暖房熱量Ｑに対応するＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷを求め、その後、ステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷからＦＣ冷却水温低下量ΔＴＷを引くことで、連携後のＦＣ冷却水温ＴＷ＊を推定する。
【００４９】
続いて、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温（すなわち現在のＦＣ冷却水温）ＴＷとステップＳ１６０で求めた連携後の冷却水温ＴＷ＊とに基づいて、ＦＣ冷却水温低下で増加するＦＣ消費電力変化分ΔＰを算出する（ステップＳ１６０）。
【００５０】
図６は、燃料電池における冷却水温と消費電力との相関を示すグラフである。図６において、横軸は冷却水温（ＦＣ冷却水温）を示し、縦軸は消費電力（ＦＣ消費電力）を示す。ＦＣ冷却水温は、ステップＳ１４０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷに相当する。ここで、ＦＣ消費電力は燃料電池の発生電力と同義である。
【００５１】
図示するように、ＦＣ冷却水温ＴＷが所定の温度（以下、「適正温度」と呼ぶ）ＴＷαのとき、ＦＣ消費電力は最も小さくて済む。適正温度ＴＷαは、予め定められた温度である。ＦＣ冷却水温ＴＷが適正温度ＴＷαより小さいとき、小さくなるほどＦＣ消費電力は大きくなり、ＦＣ冷却水温ＴＷが適正温度ＴＷαより大きいとき、大きくなるほどＦＣ消費電力は大きくなる。これは、燃料電池の発電性能は温度に依存し、適正温度ＴＷαからずれると（大きくなっても小さくなっても）、発電性能が低下するためである。
【００５２】
図６に示すグラフは、実験等により予め求めることができ、第２マップＭＰ２としてメモリ１０２に記憶される。ステップＳ１６０では、ステップＳ１４０およびＳ１５０で取り込んだ現在のＦＣ冷却水温ＴＷと連携後のＦＣ冷却水温ＴＷ＊とを第２マップＭＰ２に照らし合わせて、連携後のＦＣ冷却水温ＴＷ＊に対応するＦＣ消費電力Ｐ２から、現在のＦＣ冷却水温ＴＷに対応するＦＣ消費電力Ｐ１を引くことにより、ＦＣ冷却水温低下で変化するＦＣ消費電力変化分ΔＰを求める。図６の例では、ＦＣ消費電力変化分ΔＰは正の値となる。
【００５３】
その後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１３０で算出された要求暖房熱量Ｑに基づいて、要求される暖房能力の暖房を独立状態で行うとしたときの電気ヒータ５５の消費電力Ｅを推定する処理を行う（ステップＳ１７０）。要求暖房熱量Ｑと電気ヒータ消費電力Ｅとは相関の関係があることから、ステップＳ１７０では、要求暖房熱量Ｑに正の定数αを掛けることにより電気ヒータ消費電力Ｅを求める。なお、電気ヒータ消費電力Ｅには上限があり、要求暖房熱量Ｑが所定の上限熱量Ｑｍａｘを上回ったときには、上限値Ｅｍａｘとする。
【００５４】
ステップＳ１７０の実行後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１６０で算出したＦＣ消費電力変化分ΔＰが、ステップＳ１７０で算出した電気ヒータ消費電力Ｅを下回るか否かを判定する（ステップＳ１８０）。ここで、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅを下回ると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第１運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ１９０）。第１運転モードとは、冷媒流路の態様を図３に示した連携状態とした上で、電気ヒータをオフ状態とするモードである。詳しくは、ＣＰＵ１０１は、第１三方弁３３と第２三方弁２５を制御して、連携状態で、かつ第３冷媒流路６３を閉じて第４冷媒流路６４を開いた状態とし、その上で、電気ヒータをオフ状態とする。この第１運転モードによれば、燃料電池スタック２０の廃熱を利用してヒータコア５１による暖房を行うことができる。
【００５５】
すなわち、ステップＳ１８０で、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅを下回ると判定されたということは、暖房に際してＦＣ消費電力を利用した方が、消費電力が少なくて済むということであることから、ステップＳ１９０で、連携状態とすることで、燃料電池スタック２０の廃熱を利用するように構成している。
【００５６】
一方、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅ以上であると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第２運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ１９５）。第２運転モードとは、冷媒流路の態様を図２の態様とした上で、電気ヒータ５５をオン状態とするモードである。詳しくは、ＣＰＵ１０１は、第１三方弁３３と第２三方弁２５を制御して、独立状態で、かつ第３冷媒流路６３を閉じて第４冷媒流路６４を開いた状態とし、その上で、電気ヒータ５５をオフ状態とする。この第２運転モードによれば、燃料電池スタック２０にはラジエータ３０を介していない冷媒が流入し、ヒータコア５１には電気ヒータ５５により加熱された冷媒が流入する。
【００５７】
すなわち、ステップＳ１８０で、ＦＣ消費電力変化分ΔＰが電気ヒータ消費電力Ｅ以上であると判定されたということは、暖房に際して電気ヒータ５５を利用した方が、消費電力が少なくて済むということであることから、ステップＳ１９５で、独立状態とした上で電気ヒータ５５の熱を利用するように構成している。
【００５８】
ステップＳ１２０、Ｓ１９０、またはＳ１９５の実行後、ＣＰＵ１０１は、処理を「リターン」に進めて、この運転モード切換処理を一旦終了する。
【００５９】
以上のように構成した運転モード切換処理におけるステップＳ１５０およびＳ１６０の処理が第１演算部１１１（図１）に、ステップＳ１７０の処理が第２演算部１１２（図１）に、ステップＳ１８０ないしＳ１９５の処理が指令制御部１１３（図１）にそれぞれ相当する。また、本実施例における第１三方弁３３と第２三方弁２５と電気ヒータ５５等が適用例１における「運転モード切換部」に相当する。
【００６０】
Ａ３．実施例効果：
以上、詳述したように、第１実施例の空調システム１０によれば、要求される暖房能力の暖房を燃料電池スタック２０の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードで行うとしたときのＦＣ消費電力変化量ΔＰと、要求される暖房能力の暖房を電気ヒータ５５の熱を利用して暖房を行う第２運転モードで行うとしたときの電気ヒータ５５の消費電力とを比較して、前者が後者より小さい場合に、燃料電池スタック２０の廃熱を利用して暖房がなされ、前者が後者以上である場合に、電気ヒータ５５の熱を利用して暖房がなされることになる。このために、燃料電池スタック２０と電気ヒータ５５のうちから、消費電力が少ない方の熱源を選択して利用することができる。したがって、本実施例の空調システム１０によれば、システム全体でのエネルギー効率を高めることができ、電費を向上することができる。
【００６１】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例におけるハードウェア構成は第１実施例と同一である。第１実施例と比較して相違するのは、ソフトウェア構成である運転モード切換処理の内容だけである。運転モード切換処理について、以下に詳しく説明する。なお、説明において、第１実施例と同一の構成については第１実施例と同一の符号を用いる。
【００６２】
図７は、運転モード切換処理を示すフローチャートである。この運転モード切換処理は、第１実施例と同じく、制御ユニット１００のＣＰＵ１０１により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。処理が開始されると、ＣＰＵ１０１は、まず、暖房要求があるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。このステップＳ２１０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１１０の処理と同一である。
【００６３】
ステップＳ２１０で、暖房要求がないと判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第１実施例と同じく、第３運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ２２０）。一方、ステップＳ２１０で、暖房要求があると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５から冷媒の温度（ＦＣ冷却水温）ＴＷを取り込む（ステップＳ２３０）。このステップＳ２３０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１４０の処理と同一である。
【００６４】
ステップＳ２３０の実行後、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ２３０で取り込んだＦＣ冷却水温ＴＷが、予め定めた所定値ＴＷαより大きいか否かを判定し（ステップＳ２４０）、ＦＣ冷却水温ＴＷが所定値ＴＷαより大きいと判定されたときには、第１運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ２５０）。このステップＳ２５０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１９０の処理と同一である。一方、ステップＳ２４０で、ＦＣ冷却水温ＴＷが所定値ＴＷα以下であると判定されたときには、ＣＰＵ１０１は、第２運転モードに運転モードを切り換える処理を行う（ステップＳ２６０）。このステップＳ２６０の処理は、第１実施例におけるステップＳ１９５の処理と同一である。
【００６５】
前記所定値ＴＷαは、第１実施例の図６において説明した適正温度ＴＷαに相当する。一般に、燃料電池の廃熱をヒータコアの熱源として利用する場合、ＦＣ冷却水温が低くなればなるほど暖房効率が低下する。このため、本実施例では、適正温度ＴＷα、すなわち、消費電力が最も小さくなる適正温度ＴＷαよりＦＣ冷却水温ＴＷが大きいときには、ステップＳ２５０により第１運転モードに切り換えることにより、燃料電池スタック２０の廃熱をヒータコア５１の熱源として利用する構成とし、一方、ＦＣ冷却水温ＴＷが適正温度ＴＷα以下であるときには、ステップＳ２６０により第２運転モードに切り換えることにより、電気ヒータ５５の熱をヒータコア５１の熱源として利用する構成とした。
【００６６】
したがって、この第２実施例によれば、燃料電池スタック２０の廃熱をヒータコア５１の熱源として利用したときに効率の悪い冷却水温の領域では、電気ヒータ５５の熱を利用することから、システム全体でのエネルギー効率を高めることができ、電費を向上することができる。
【００６７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の第１および第２実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６８】
・第１変形例：
上記各実施例では、燃料電池スタック２０の冷却水温を、燃料電池スタック２０の冷媒流出口に設けられた第２温度センサ３５の検出値としているが、必ずしもこれに限る必要はなく、例えば、燃料電池スタック２０の冷媒流入口に設けられた第１温度センサ３４の検出値でもよく、燃料電池スタック２０の冷却水温に対応するパラメータであればいずれのパラメータとすることもできる。
【００６９】
・第２変形例：
上記第２実施例では、ＦＣ冷却水温ＴＷの閾値を、ＦＣ消費電力が最も小さくなる適正温度ＴＷαとしていたが、必ずしもこれに限る必要はなく、燃料電池スタック２０の廃熱を熱源として利用したときに効率の悪くなる領域を判定可能な閾値であれば、どのような所定値とすることもできる。
【００７０】
・第３変形例：
上記各実施例では、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を連携するために、第２三方弁５８を制御して、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とを物理的に接続して、２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２間で冷媒を行き来させていたが、本発明はこれに限定されるものではない。第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とに接続された熱交換機を配置し、かかる熱交換器を介して２つの循環回路Ｃ１，Ｃ２を互いに連携させる（熱のやりとりを行わせる）こともできる。この場合、第１循環回路Ｃ１，Ｃ２の少なくとも一方において、熱交換機をバイパスする流路を設け、かかるバイパス流路に冷媒を流通させることによって、独立状態を形成することもできる。
【００７１】
・第４変形例：
上記各実施例では、制御ユニット１００は、燃料電池スタック２０を有する冷却装置用、および車室内の送風に利用される空調機構５０用の両方に利用されていたが、それぞれ個別の制御ユニットにより構成してもよい。この場合、各制御ユニット間で必要な情報（温度センサ３５の検出値等）を通信する構成とするのが好ましい。
【００７２】
・第５変形例：
上記各実施例では、空調システム１０は、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに換えて、ハイブリッド自動車、船舶、ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック２０を定置型電源として用い、空調システム１０をビルや一般住宅等の建物における空調装置として適用することもできる。
【００７３】
・第６変形例：
上記各実施例では、電気ヒータ５５は、燃料電池スタック２０から発生する電気によって駆動される構成としていたが、これに換えて、電気ヒータ用の別電源を設ける構成としてもよい。この構成においても、前記別電源を含めたシステム全体でのエネルギー効率を高めることができる。
【００７４】
・第７変形例：
上記各実施例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
【００７５】
・第８変形例：
上記各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【００７６】
なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０…空調システム
２０…燃料電池スタック
２２…燃料ガス流路
２４…酸化剤ガス流路
２５…第２三方弁
３０…ラジエータ
３１…第１電動ファン
３２…第１ポンプ
３３…第１三方弁
３４…第１温度センサ
３５…第２温度センサ
４０…負荷
５０…空調機構
５１…ヒータコア
５２…第２電動ファン
５３…ケーシング
５４…第２ポンプ
５５…電気ヒータ
５６…第３温度センサ
５７…第４温度センサ
５８…第２三方弁
６１…第１冷媒流路
６２…第２冷媒流路
６３…第３冷媒流路
６４…第４冷媒流路
６５…第５冷媒流路
６６…第６冷媒流路
６７…第７冷媒流路
６８…第８冷媒流路
６９…第９冷媒流路
１００…制御ユニット
１０１…ＣＰＵ
１０２…メモリ
１０３…入出力回路
１１１…第１演算部
１１２…第２演算部
１１３…指令制御部
Ｑ…要求暖房熱量
Ｅ…電気ヒータ消費電力
Ｃ１…第１循環回路
Ｃ２…第２循環回路
ＴＷ…ＦＣ冷却水温
ＴＷα…適正温度
ＭＰ１…第１マップ
ＭＰ２…第２マップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
前記運転モード切換部を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定する第１演算部と、
前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定する第２演算部と、
前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部と
を備えることを特徴とする空調装置。
【請求項２】
燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
前記運転モード切換部を制御する制御部と、
前記燃料電池の冷媒の温度を検出する温度センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が所定値より大きいか否かを判定する判定部と、
前記判定部により前記冷媒の温度が所定値より大きいと判定された場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部と
を備えることを特徴とする空調装置。
【請求項３】
請求項２に記載の空調装置であって、
前記燃料電池の冷却水温と燃料電池の消費電力との相関において、燃料電池の消費電力が最小となるときの冷却水温を、前記所定値として予め定めた、空調装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の空調装置であって、
前記燃料電池搭載装置は、燃料電池搭載車両であり、
前記電気ヒータは、燃料電池から発生する電気によって駆動される構成である、空調装置。
【請求項５】
燃料電池と、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
を備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、
要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定し、
前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定し、
前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【請求項６】
燃料電池と、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
を備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、
前記燃料電池の冷媒の温度を検出し、
前記検出された前記冷媒の温度が所定値より大きい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
前記運転モード切換部を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定する第１演算部と、
前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定する第２演算部と、
前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記第１演算部により推定された前記変化量が前記第２演算部により推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部と
を備えることを特徴とする空調装置。
【請求項２】
燃料電池を備える燃料電池搭載装置に設けられる空調装置であって、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
前記運転モード切換部を制御する制御部と、
前記燃料電池の冷媒の温度を検出する温度センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が所定値より大きいか否かを判定する判定部と、
前記判定部により前記冷媒の温度が所定値より大きいと判定された場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送る指令制御部と
を備えることを特徴とする空調装置。
【請求項３】
請求項２に記載の空調装置であって、
前記燃料電池の冷却水温と燃料電池の消費電力との相関において、燃料電池の消費電力が最小となるときの冷却水温を、前記所定値として予め定めた、空調装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の空調装置であって、
前記燃料電池搭載装置は、燃料電池搭載車両であり、
前記電気ヒータは、燃料電池から発生する電気によって駆動される構成である、空調装置。
【請求項５】
燃料電池と、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
を備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、
要求される暖房能力の暖房を前記第１運転モードで行うとしたときに、前記冷媒の温度の変化に起因する前記燃料電池の消費電力の変化量を推定し、
前記要求される暖房能力の暖房を前記第２運転モードで行うとしたときに、前記電気ヒータの消費電力を推定し、
前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力より小さい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記推定された前記燃料電池の消費電力の変化量が前記推定された前記電気ヒータの消費電力以上である場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【請求項６】
燃料電池と、
ヒータコアを通って冷媒を循環させる第１循環回路と、
前記燃料電池を通って冷媒を循環させる第２循環回路と、
前記第１循環回路に配置され、前記第１循環回路中の冷媒を加熱し得る電気ヒータと、
前記第１循環回路と前記第２循環回路とを連携することで、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う第１運転モードと、前記第１循環回路と前記第２循環回路とを切り離し前記電気ヒータをオン状態とすることで、前記電気ヒータの熱を利用して暖房を行う第２運転モードとの間で、運転モードの切り換えを行う運転モード切換部と
を備える燃料電池搭載装置の空調制御方法において、
前記燃料電池の冷媒の温度を検出し、
前記検出された前記冷媒の温度が所定値より大きい場合に、前記第１運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送り、前記冷媒の温度が所定値以下であると判定された場合に、前記第２運転モードを採用する旨の指令を前記運転モード切換部に送ることを特徴とする空調制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１７８３６５（Ｐ２０１１−１７８３６５Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７４９４（Ｐ２０１０−４７４９４）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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