(57)【要約】【課題】  動力用ガスの冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減することができる。【解決手段】  燃料電池スタック２０の冷却水が循環する冷却水流路４１には、バイパス流路６１が接続されている。このバイパス流路６１には、バイパス流路６１を循環可能とする循環流路６１ａが接続され、更にバイパス流路６１を循環する冷却水と断熱膨張弁２３により断熱膨張して低温になった燃料用の水素ガスとの間で熱交換を行う熱交換器６４が配設されている。そして、冷却用コントローラ６０は、冷却水流路４１を循環する冷却水が所定の上限温度（燃料電池が効率よく発電可能な温度）を超えたときには、バイパス流路６１を循環している冷却水が冷却水流路４１に流通するように切替バルブ６３を制御する。すると、バイパス流路６１を循環して水素ガスにより低温にされた冷却水が燃料電池スタック２０を流通するようになり、これを冷却する。【選択図】        図１
2006073404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源に動力用ガスを供給する供給手段と、
前記供給手段から前記動力源までの間に配置され前記動力用ガスを断熱膨張させるガス断熱膨張手段と、
前記動力源を冷却する動力用冷媒と前記断熱膨張した動力用ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段と、
を備えた動力源冷却装置。
【請求項２】
動力源に動力用ガスを供給する供給手段と、
前記供給手段から前記動力源までの間に配置され前記動力用ガスを断熱膨張させるガス断熱膨張手段と、
前記断熱膨張した動力用ガスにより蓄冷する蓄冷手段と、
前記動力源を冷却する動力用冷媒と前記蓄冷手段との間で熱交換を行う熱交換手段と、
を備えた動力源冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された動力源冷却装置であって、
前記動力源に接続され前記動力用冷媒が流通するように形成されている動力用冷媒流路と、
前記動力用冷媒が前記動力用冷媒流路から前記熱交換手段を経て再び前記動力用冷媒流路に流通するように形成されているバイパス流路と、
前記バイパス流路に接続され前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通するか前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通しないかを切り替える切替手段と、
を備えた動力源冷却装置。
【請求項４】
前記バイパス流路は、前記切替手段により該バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通しないように切り替えられたときには前記熱交換手段により熱交換する動力用冷媒が循環する循環流路を備えた、
請求項３に記載の動力源冷却装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載された動力源冷却装置であって、
前記動力源の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が所定の上限値以下であるときには、前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通しないように前記切替手段を制御し、前記温度検出手段により検出された温度が所定の上限値を超えたときには、前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通するように前記切替手段を制御する切替制御手段と、
を備えた動力源冷却装置。
【請求項６】
請求項３又は４に記載された動力源冷却装置であって、
前記動力源の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が所定の温度範囲に入るように、前記温度検出手段により検出された温度が高いときには前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に流通する前記動力用冷媒の量が大きくなるように前記切替手段を制御し、前記温度検出手段により検出された温度が低いときには前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に流通する前記動力用冷媒の量が小さくなるか又はゼロになるように前記切替手段を制御する切替制御手段と、
を備えた動力源冷却装置。
【請求項７】
前記動力源は、電気化学反応により発電する燃料電池である、
請求項１〜６のいずれかに記載の動力源冷却装置。
【請求項８】
前記動力用ガスは、水素ガスである、
請求項１〜７のいずれかに記載の動力源冷却装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の動力源冷却装置を搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力源冷却装置及びそれを搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、動力源冷却装置としては、燃料ガスである水素ガスと燃料電池の冷却水との間で熱交換するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された装置は、水素タンクから燃料電池までの間に配置された複数の加湿器により水素ガスに水を与え、このうち下流側の加湿器によりこの水素ガスと燃料電池により暖められた冷却水との間で熱交換を行うことにより、水素ガスを暖めて加湿すると共に冷却水の温度を低くする。したがって、温度を低くした冷却水を用いて燃料電池の冷却の負荷を低減することができる。
【特許文献１】特開２００４−１１１３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、高圧で貯蔵された水素ガスを燃料電池に供給する際に断熱膨張すると、この水素ガスの温度は、断熱膨張する前の水素ガスの温度に比べて低下する。この特許文献１に記載された装置では、上流側の加湿器により燃料電池から排出される水素を燃焼した燃焼熱を利用して水素ガスを暖めて加湿するため、下流側の加湿器により冷却水との間で熱交換を行う際にはこの水素ガスは既に暖められていた。つまり、断熱膨張による水素ガスの温度低下を燃料電池の冷却に利用することは考えられていなかった。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、動力用ガスの冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減することができる動力源冷却装置を提供することを目的の一つとする。また、そのような動力源冷却装置を搭載した車両を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
即ち、本発明の動力源冷却装置は、
動力源に動力用ガスを供給する供給手段と、
前記供給手段から前記動力源までの間に配置され前記動力用ガスを断熱膨張させるガス断熱膨張手段と、
前記動力源を冷却する動力用冷媒と前記断熱膨張した動力用ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段と、
を備えたものである。
【０００７】
この動力源冷却装置では、動力用ガスを断熱膨張させ、断熱膨張して低温となった動力用ガスと動力源を冷却する動力用冷媒との間で熱交換を行い動力用冷媒の温度を低くし、温度を低くした動力用冷媒により動力源を冷却する。したがって、動力用ガスの冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減することができる。ここで、「供給手段」は、例えば動力用ガスを貯蔵する容器であってもよいし、別の場所に貯蔵された動力用ガスを供給する配管であってもよいし、動力用ガスを発生させるガス発生器であってもよい。
【０００８】
なお、「断熱膨張」とは、本明細書では、積極的に断熱しているか否かにかかわらず、ガスが膨張する際にガスの温度が低くなるような膨張のことをいう。
【０００９】
本発明の動力源冷却装置は、
動力源に動力用ガスを供給する供給手段と、
前記供給手段から前記動力源までの間に配置され前記動力用ガスを断熱膨張させるガス断熱膨張手段と、
前記断熱膨張した動力用ガスにより蓄冷する蓄冷手段と、
前記動力源を冷却する動力用冷媒と前記蓄冷手段との間で熱交換を行う熱交換手段と、
を備えたものである。
【００１０】
この動力源冷却装置では、動力用ガスを断熱膨張させ、断熱膨張して低温となった動力用ガスにより蓄冷手段に蓄冷し、この蓄冷手段と動力源を冷却する動力用冷媒との間で熱交換を行い動力用冷媒の温度を低くし、温度を低くした動力用冷媒により動力源を冷却する。したがって、動力用ガスの冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減することができる。ここで、「供給手段」は、例えば動力用ガスを貯蔵して供給する貯蔵容器であってもよいし、別に貯蔵された動力用ガスを供給する配管であってもよいし、動力用ガスを発生させるガス発生器であってもよい。
【００１１】
本発明の動力源冷却装置は、前記動力源に接続され前記動力用冷媒が流通するように形成されている動力用冷媒流路と、前記動力用冷媒が前記動力用冷媒流路から前記熱交換手段を経て再び前記動力用冷媒流路に流通するように形成されているバイパス流路と、前記バイパス流路に接続され前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通するか前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通しないかを切り替える切替手段と、を備えていてもよい。こうすれば、切替手段を切り替えることにより必要に応じて動力用ガスの冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減することができる。このとき、前記バイパス流路は、前記切替手段により該バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通しないように切り替えられたときには前記熱交換手段により熱交換する動力用冷媒が循環する循環流路を備えていてもよい。こうすれば、バイパス流路から動力用冷媒が動力用冷媒流路に流通しないときには、循環流路を介してバイパス流路内で動力用冷媒を循環し断熱膨張した動力用ガスによりこの動力用冷媒を予め低温とし、必要に応じてこの低温とした動力用冷媒を動力用冷媒流路に流通させるため、迅速に動力源を冷却することができる。
【００１２】
本発明の動力源冷却装置は、前記動力源の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度が所定の上限値以下であるときには、前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通しないように前記切替手段を制御し、前記温度検出手段により検出された温度が所定の上限値を超えたときには、前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に前記動力用冷媒が流通するように前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えていてもよい。こうすれば、動力用ガスの冷却能力を利用して所定の上限値以上になった動力源の温度上昇を抑制することができる。ここで、「所定の上限値」は、動力源が効率よくエネルギを発生する温度としてもよい。また、「温度検出手段」は、動力源の温度を把握できるものであればよく、例えば直接的に動力源の温度を検出するものであってもよいし、動力用冷媒や動力用冷媒流路の温度などから間接的に検出するものであってもよい。また、動力用冷媒や動力用冷媒流路の温度などを動力源の温度とみなしてもよい。
【００１３】
本発明の動力源冷却装置は、前記動力源の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度が所定の温度範囲に入るように、前記温度検出手段により検出された温度が高いときには前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に流通する前記動力用冷媒の量が大きくなるように前記切替手段を制御し、前記温度検出手段により検出された温度が低いときには前記バイパス流路から前記動力用冷媒流路に流通する前記動力用冷媒の量が小さくなるか又はゼロになるように前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えていてもよい。こうすれば、動力源の温度が高いときには熱交換して温度が低くなった動力用冷媒を多く利用し、動力源の温度が低いときには熱交換して温度が低くなった動力用冷媒を少なく利用するため、適切に動力源を冷却することができる。ここで、「所定の温度範囲」は、動力源が効率よくエネルギを発生する温度範囲としてもよい。また、「温度検出手段」は、動力源の温度を把握できるものであればよく、例えば直接的に動力源の温度を検出するものであってもよいし、動力用冷媒や動力用冷媒流路の温度などから間接的に検出するものであってもよい。また、動力用冷媒や動力用冷媒流路の温度などを動力源の温度とみなしてもよい。
【００１４】
本発明の動力源冷却装置において、前記動力源は、電気化学反応により発電する燃料電池であってもよい。燃料電池では、高圧の燃料ガスや酸化ガスを用い、これらのうちいずれかのガスを断熱膨張させることがある。また、燃料電池は、内燃機関に比べて作動温度が低く、低温の動力用冷媒を必要とするため、冷却の負荷を低減させる要請が大きい。したがって、本発明を適用する意義が高い。
【００１５】
本発明の動力源冷却装置において、前記動力用ガスは、水素ガスであってもよい。水素ガスは、高圧で貯蔵され、断熱膨張させて使用することが多いため、本発明を適用する意義が高い。
【００１６】
本発明の車両は、上述した種々の態様のいずれかの動力源冷却装置を搭載したものである。本発明の動力源冷却装置は、動力用ガスの冷却能力を利用して動力源の冷却の負荷を低減することができるから、これを搭載した車両も同様の効果を奏するものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１８】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池搭載車両１０の概略を示すブロック図であり、図２は燃料電池冷却装置１２の概略を示すブロック図である。燃料電池搭載車両１０は、所定の電気化学反応により発電する燃料電池２１（図２参照）が複数積層された燃料電池スタック２０（本発明の動力源に相当する）と、電力を蓄電又は放電可能な蓄電装置３４と、電力により駆動輪１８，１８を駆動させる駆動用モータ３５と、システム全体をコントロールするパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）３０と、燃料電池スタック２０の冷却を行う燃料電池冷却装置１２とを備える。
【００１９】
燃料電池スタック２０は、周知の固体高分子電解質型の燃料電池２１（図２参照）の単セルを複数積層したスタック構造を有し、高電圧電源（数百Ｖ）として機能する。燃料電池スタック２０の各単セルでは、水素ボンベ２２（本発明の供給手段に相当する）から水素ガス（本発明の動力用ガスに相当する）がアノードに供給され、エアコンプレッサである空気供給器２６から圧力が調節された圧縮空気（酸化ガス）中の酸素がカソードに供給され、所定の電気化学反応が進行することにより起電力が生じる。
【００２０】
水素ボンベ２２は、燃料電池３０へ供給する燃料ガスとしての水素ガスが圧縮されて高圧（例えば数十ＭＰａなど）で貯蔵されている容器である。この水素ボンベ２２には、水素ボンベ２２から燃料電池スタック２０に水素ガスを供給する水素供給管２２ａが接続されている。水素供給管２２ａには、高圧に収容された水素ガスを断熱膨張させて減圧する断熱膨張弁２３（本発明のガス断熱膨張手段に相当する）が配設されている。この断熱膨張弁２３は、水素ガスの圧力を減圧調整して燃料電池スタック２０のガス圧による破損などを防止するものである。この断熱膨張弁２３の下流には、後述するバイパス流路６１を循環する冷却水と断熱膨張した水素ガスとの間で熱交換を行う熱交換器６４（本発明の熱交換手段に相当する）が配置されている。なお、燃料電池スタック２０で反応しなかった余剰水素は、水素供給管２２ａのうち熱交換器６４の下流に送られ燃料ガスとして再利用される。
【００２１】
蓄電装置３４は、ニッケル水素蓄電池を複数個直列に接続した構造を有し高電圧電源（数百Ｖ）として機能する。この蓄電装置３４は、ＰＣＵ３０の制御によって、車両の始動時に駆動用モータ３５を駆動したり、加速時に駆動用モータ３５をアシストしたり、その他の補機類などに電力を供給したりする。また、この蓄電装置３４は、減速回生時に駆動用モータ３５から回生電力を回収したり、負荷に応じて燃料電池スタック２０によって充電されたりする。なお、この蓄電装置３４は、電気二重層コンデンサ（キャパシタ）などでもよい。
【００２２】
駆動用モータ３５は、三相同期モータであり、車両後方に配置され、燃料電池スタック２０の出力する直流電流がＰＣＵ３０によって三相交流に変換されて供給されて回転駆動力を発生する。この駆動用モータ３５によって発生した駆動力は、駆動軸１４及びディファレンシャルギア１６を介して最終的には、駆動輪１８，１８に出力され、燃料電池搭載車両１０を走行させる。なお、燃料電池搭載車両１０の車速ｖは、車速センサ３７によって検出されて冷却用コントローラ６０に出力される。
【００２３】
ＰＣＵ３０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されたコントローラ部３１と  燃料電池スタック２０や蓄電装置３４の高電圧直流電流と駆動用モータ３５の交流電流との変換を行うインバータ部３２とを備えている。このＰＣＵ３０のコントローラ部３１は、駆動用モータ３５の負荷や蓄電装置３４の蓄電量に応じて、燃料電池スタック２０で発生した電力を駆動用モータ３５や蓄電装置３４に供給したり、蓄電装置３４に蓄積された電力を駆動用モータ３５に供給したりする制御を行う。また、減速時や制動時等において、駆動用モータ３５から得られる回生電力を蓄電装置３４に供給する。このＰＣＵ３０は、入出力ポート（図示せず）を備え、後述の冷却用コントローラ６０からの各種制御信号などが入力ポートを介してコントローラ部３１に入力され、コントローラ部３１からの各種制御信号などが出力ポートを介して冷却用コントローラ６０に出力されている。
【００２４】
燃料電池冷却装置１２は、燃料電池スタック２０を冷却する冷却水（動力用冷媒）を放熱させる燃料電池ラジエータ４０と、水素ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換器６４と、燃料電池システムの冷却を制御する冷却用コントローラ６０とを備える。
【００２５】
燃料電池ラジエータ４０は、燃料電池スタック２０を流通する冷却水を通風により放熱させるものであり、車両前方に配置されている。燃料電池ラジエータ４０には、燃料電池ラジエータ４０から燃料電池スタック２０の内部を経由し燃料電池ラジエータ４０へ冷却水を循環させる冷却水流路４１が接続されている。この冷却水流路４１には、循環ポンプ４２が設けられ、この循環ポンプ４２により所定量の冷却水（例えば５０〜１５０Ｌ／分）が循環する。また、冷却水流路４１には、燃料電池スタック２０の出口近傍に冷却水温センサ３６（本発明の温度検出手段に相当する）が配設されている。この冷却水温センサ３６は、冷却水温Ｔｆを検出し冷却用コントローラ６０に出力する。また、燃料電池ラジエータ４０を通過する風の下流には、冷却ファン４６が配置されている。冷却ファン４６は、燃料電池ラジエータ４０へ外気を強制的に通風させる樹脂製のファンであり、図示しないモータによって回転駆動される。この冷却ファン４６は、冷却用コントローラ６０と電気的に接続されている。
【００２６】
この冷却水流路４１には、燃料電池スタック２０の下流から燃料電池ラジエータ２０の上流に冷却水が流通するバイパス流路６１が接続されている。このバイパス流路６１には、熱交換器６４が配設されている。また、バイパス流路６１には、バイパス流路６１から冷却水流路４１に冷却水が流通するかバイパス流路６１から冷却水流路４１に冷却水が流通しないかを切り替える切替バルブ６３（本発明の切替手段に相当する）が配設されている（図２参照）。この切替バルブ６３は、図示しないモータにより回転するロータリ式の三方バルブであり、冷却水流路４１とバイパス流路６１とが接続されている部分において、冷却水流路４１側に切替バルブ６３ａ，６３ｂが、バイパス流路６１側に切替バルブ６３ｃ，６３ｄがそれぞれ設けられている。このバイパス流路６１は、切替バルブ６３によりバイパス流路６１から冷却水流路４１に冷却水が流通しないように切り替えられたときには熱交換器６４により熱交換された冷却水が循環する循環流路６１ａが形成されている。このバイパス流路６１には、循環ポンプ６２が設けられ、この循環ポンプ６２により所定量の冷却水（例えば５０〜１５０Ｌ／分）が循環流路６１ａを介して循環する。このバイパス流路６１や循環流路６１ａには、低温となった冷却水が外気で暖まらないように、断熱処理が施されている。なお、本実施例において、図１に示すように、冷却水流路４１では、燃料電池ラジエータ４０から切替バルブ６３及び燃料電池スタック２０を経て燃料電池ラジエータ４０へと冷却水を流通させるものとしたが、冷却水をこれの逆向きに流通させてもよい。また、バイパス流路６１においても同様に冷却水を図１に示すものの逆向きに流通させてもよい。
【００２７】
熱交換器６４は、バイパス流路６１を循環する冷却水と断熱膨張弁２３により断熱膨張した水素ガスとの間で熱交換を行うものであり、バイパス流路６１に配置され、且つ水素供給管２２ａの断熱膨張弁２３から燃料電池スタック２０までの間に配置されている。
【００２８】
冷却用コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭにより構成されたコントローラであり、燃料電池スタック２０の冷却の制御を行う。この冷却用コントローラ６０は、入出力ポート（図示せず）を備え、冷却水温センサ３６からの信号、ＰＣＵ３０からの信号などが入力ポートを介して入力され、切替バルブ６３への駆動信号、冷却ファン４６への駆動信号、循環ポンプ４２，６２への駆動信号、ＰＣＵ３０への信号、切替バルブ６３への信号などが出力ポートを介して出力されている。この冷却用コントローラ６０が本発明の切替制御手段に相当する。
【００２９】
次に、こうして構成された本実施例の燃料電池搭載車両１０の燃料電池冷却装置１２の動作について説明する。まず、燃料電池搭載車両１０が起動すると、水素ボンベ２２から断熱膨張弁２３を介して断熱膨張した水素ガスが燃料電池スタック２０に供給され、空気供給器２６から圧縮空気が燃料電池スタック２０に供給され、所定の電気化学反応が進行することにより発電する。また、所定量の冷却水が冷却水流路４１及びバイパス流路６１を循環するように循環ポンプ４２及び循環ポンプ６２を作動させ、冷却水流路４１を循環する冷却水がバイパス流路６１に流通しないように切替バルブ６３を切り替える（図１参照）。
【００３０】
次に、冷却用コントローラ６０は、図３に示す燃料電池冷却制御ルーチンを開始する。このルーチンは、冷却用コントローラ６０のＲＯＭ（図示せず）に記憶され、冷却用コントローラ６０のＣＰＵ（図示せず）により所定のタイミング（例えば数ｍｓｅｃ）ごとに繰り返し実行される。このルーチンが開始されると、まず、冷却用コントローラ６０は、冷却水温Ｔｆ及び車速ｖを取得し（ステップＳ１１０）、取得した冷却水温Ｔｆ及び車速ｖに基づいて冷却ファン４６の電圧Ｖを設定し（ステップＳ１２０）、設定された電圧Ｖで冷却ファン４６を駆動させる（ステップＳ１３０）。ここで、電圧Ｖは、冷却水温Ｔｆ及び車速ｖが高くなるほど電圧が高くなるように設定された冷却マップを用いて設定する。
【００３１】
続いて、冷却用コントローラ６０は、冷却水温Ｔｆが所定の上限値Ｔｍａｘ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ここで、所定の上限値Ｔｍａｘは、燃料電池スタック２０が効率よく発電可能な冷却水の温度（例えば８０℃など）として定められている。冷却水温Ｔｆが所定の上限値Ｔｍａｘ以下であるときには、バイパス流路６１を循環している冷却水が冷却水流路４１に流通しないように切替バルブ６３を制御する（ステップＳ１５０）。このとき、循環流路６１ａを介してバイパス流路６１を循環する冷却水と断熱膨張弁２３により断熱膨張して低温となった水素ガスとの間で熱交換が行われることにより、冷却水の温度は徐々に低くなり、燃料電池スタック２０に供給される水素は暖められる。
【００３２】
一方、ステップＳ１４０で、冷却水温Ｔｆが所定の上限値Ｔｍａｘを超えたときには、図２に示すように、バイパス流路６１を循環している冷却水が冷却水流路４１に流通するように切替バルブ６３を制御し（ステップＳ１６０）、このルーチンを終了する。この結果、切替バルブ６３を切り替えた当初は、バイパス流路６１を循環している低温の冷却水が冷却水流路４１に流通するようになり、所定の上限値Ｔｍａｘを超えていた冷却水温Ｔｆが低下する。また、その後、冷却水は燃料電池ラジエータ４０のみならず熱交換器６４でも冷却されるようになる。
【００３３】
以上詳述した本実施例の燃料電池搭載車両１０によれば、水素ガスを断熱膨張させ、断熱膨張して低温となった水素ガスと燃料電池スタック２０を冷却する冷却水との間で熱交換を行い冷却水の温度を低くし、温度を低くした冷却水により燃料電池スタック２０を冷却する。したがって、水素ガスの冷却能力を利用して燃料電池スタック２０の冷却の負荷を低減することができる。
【００３４】
また、切替バルブ６３を切り替えることにより必要に応じて水素ガスの冷却能力を利用して燃料電池スタック２０の冷却の負荷を低減することができる。更に、バイパス流路６１から冷却水が冷却水流路４１に流通しないときには、循環流路６１ａを介してバイパス流路６１内で冷却水を循環し、断熱膨張した水素ガスによりこの冷却水を予め低温とし、必要に応じてこの低温とした冷却水を冷却水流路４１に流通させるため、迅速に燃料電池スタック２０を冷却することができる。
【００３５】
更にまた、冷却水温Ｔｆが所定の上限値Ｔｍａｘ以下であるときには、バイパス流路６１から冷却水流路４１に冷却水が流通しないように切替バルブ６３を制御し、冷却水温Ｔｆが所定の上限値Ｔｍａｘを超えたときには、バイパス流路６１から冷却水流路４１に冷却水が流通するように切替バルブ６３を制御するため、水素ガスの冷却能力を利用して所定の上限値Ｔｍａｘ以上での冷却水温Ｔｆの温度上昇を抑制することができる。
【００３６】
そして、燃料電池スタック２０は、高圧で貯蔵された水素ガス（燃料ガス）を用い、この燃料ガスを断熱膨張させて発電する。また、燃料電池スタック２０は、内燃機関に比べて作動温度が低く低温の冷却水を必要とするため、冷却の負荷を低減させる要請が大きい。したがって燃料電池スタック２０に本発明を適用する意義が高い。また、水素ガスは、高圧で貯蔵され、断熱膨張させて使用するため、水素ガスに本発明を適用する意義が高い。
【００３７】
そしてまた、水素ガスの冷却能力を利用して燃料電池スタック２０の冷却の負荷を低減可能であるため、燃料電池ラジエータ４０の小型化を図ることができる。なお、燃料スタック２０の冷却の負荷の低減には、例えば循環ポンプ４２の冷却水の流量の低減や冷却ファン４６の駆動エネルギーの低減などが含まれる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、上述した実施例では冷却水流路４１に接続したバイパス流路６１に熱交換器６４を配置したが、バイパス流路６１を設けずに冷却水流路４１に熱交換器６４を配置して断熱膨張した水素ガスと冷却水との間で常時熱交換を行ってもよい。こうしても、水素ガスの冷却能力を利用して燃料電池スタック２０の冷却の負荷を低減することができる。
【００４０】
また、上述した実施例では、断熱膨張して低温となった水素とバイパス流路６１を流通する冷却水との間で熱交換を行い燃料電池スタック２０を冷却するとしたが、図４に示すように、断熱膨張した水素ガスにより蓄冷タンク６５に収容された蓄冷媒体（例えば水など）に蓄冷しておき、蓄冷した蓄冷媒体とバイパス流路６１を流通する冷却水との間で熱交換を行い燃料電池スタック２０を冷却してもよい。具体的には、バイパス流路１６１の外部に蓄冷タンク６５を形成し、バイパス流路１６１と蓄冷タンク６５との間で熱交換を行う熱交換器１６４を設ける。また、バイパス流路１６１のうち蓄冷タンク６５の上流に切替バルブ１６３ａを設け、蓄冷タンク６５の下流に冷却水の逆流を防止する逆止弁１６３ｂを設ける。そして、必要に応じて冷却水流路４１を循環する冷却水をバイパス流路１６１に流通させるように切替バルブ１６３ａを制御することにより予め蓄冷した蓄冷媒体とバイパス流路１６１を流通する冷却水との間で熱交換器１６４により熱交換を行う。こうすれば、水素ガスの冷却能力を利用して蓄冷媒体を冷却し、この蓄冷媒体を利用して燃料電池スタック２０の冷却の負荷を低減することができる。また、燃料電池搭載車両１０の燃料電池冷却装置１２（図１参照）のバイパス流路６１に配置された熱交換器６４にかえて、燃料電池冷却装置１１２の蓄冷タンク６５及び熱交換器１６４を配置させてもよい。こうすれば、水素ガスの冷却能力を利用して蓄冷媒体を冷却し、この蓄冷媒体を利用してバイパス流路６１を循環する冷却水を予め低温とし、必要に応じてこの低温とした冷却水を冷却水流路４１に流通させるため、蓄冷媒体に蓄冷した上で迅速に燃料電池スタック２０を冷却することができる。
【００４１】
更に、上述した実施例では、ステップＳ１６０で、冷却水温Ｔｆが所定の上限値Ｔｍａｘを超えたときには、バイパス流路６１を循環している冷却水が冷却水流路４１に流通するように切替バルブ６３を制御する（図２参照）としたが、冷却水温Ｔｆが所定の温度範囲（例えば７０〜８０℃など）になるように冷却水温Ｔｆが高いときにはバイパス流路６１から冷却水流路４１に流通する冷却水の量が大きくなるように切替バルブ６３を制御し、冷却水温Ｔｆが低いときにはバイパス流路６１から冷却水流路４１に流通する冷却水の量が小さくなるか又はゼロになるように切替バルブ６３を制御してもよい。ここで、所定の温度範囲は、燃料電池スタック２０が効率よく発電可能な温度範囲としてもよい。こうすれば、冷却水温Ｔｆが高いときには熱交換を行い低温とした冷却水を多く利用し、冷却水温Ｔｆが低いときには熱交換を行い低温とした冷却水を少なく利用するため、適切に燃料電池スタック２０を冷却することができる。あるいは、ステップＳ１６０で、図５に示すように、バイパス流路６１を循環している低温の冷却水が冷却水流路４１に流通して互いの流路を循環する冷却水が混じり合うように切替バルブ６３を制御してもよい。こうすれば、冷却水の急激な温度低下を緩和して燃料電池スタック２０の発電の安定性を保つことができる。
【００４２】
更にまた、上述した実施例では、冷却用コントローラ６０が切替バルブ６３を切り替えてバイパス流路６１を循環している冷却水を冷却水流路４１に流通させるとしたが、燃料電池搭載車両１０の使用者が手動で切替バルブ６３を切り替えてバイパス流路６１を循環している冷却水を冷却水流路４１に流通させてもよい。
【００４３】
そして、上述した実施例では、燃料ガスを水素ガスとしたが、高圧で収容され断熱膨張させて使用するものであれば特に限定されず、例えばメタンや天然ガスやＬＰＧなどであってもよい。また、上述した実施例では、動力源を燃料電池スタック２０としたが、例えば動力用ガスとして水素、天然ガス及びＬＰＧを用いるエンジンなどとしてもよい。
【００４４】
そしてまた、上述した実施例では燃料電池冷却装置１２を燃料電池搭載車両１０（自動車）に搭載したが、列車、船舶及び航空機などに搭載してもよいし、住宅や発電所などの発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施例の燃料電池搭載車両１０の概略を示すブロック図である。
【図２】本実施例の燃料電池冷却装置１２の概略を示すブロック図である。
【図３】本実施例の燃料電池冷却制御ルーチンである。
【図４】燃料電池搭載車両１１０の概略を示すブロック図である。
【図５】本実施例の燃料電池冷却装置１２の説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池搭載車両、１２  燃料電池冷却装置、１４  駆動軸、１６  ディファレンシャルギア、１８  駆動輪、２０  燃料電池スタック、２１  燃料電池、２２  水素ボンベ、２２ａ  水素供給管、２３  断熱膨張弁、２６  空気供給器、３０  ＰＣＵ、３１コントローラ部、３２インバータ部、３４  蓄電装置、３５  駆動用モータ、３６  冷却水温センサ、３７  車速センサ、４０  燃料電池ラジエータ、４１  冷却水流路、４２  循環ポンプ、４６  冷却ファン、６０  冷却用コントローラ、６１  バイパス流路、６１ａ  循環流路、６２  循環ポンプ、６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ  切替バルブ、６４  熱交換器、６５  蓄冷タンク、１１０  燃料電池搭載車両、１１２  燃料電池冷却装置、１６１  バイパス流路、１６３ａ  切替バルブ、１６３ｂ  逆止弁、１６４  熱交換器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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