(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側に燃料ガスが供給されカソード側に酸化ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路を備え、その冷却流路が、燃料電池スタックのカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置される加湿器を通らない構成を有する燃料電池の冷却システムであって、
冷却流路に対し燃料電池スタック及びラジエータに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、
冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプと、
制御部と、
を備え、
制御部は、
冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタックがある方式と、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータのみがあり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器と燃料電池スタックとがある方式のいずれかによって燃料電池の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
燃料電池は車両に搭載される車両用燃料電池であって、
車室内の空調のための空調熱交換器が燃料電池スタックと並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流されることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
制御部は、
冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と空調熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタックと空調熱交換器とがある方式と、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと空調熱交換器と第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては、燃料電池スタックのみがある方式のいずれかによって燃料電池の運転状況または車両の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項４】
アノード側に燃料ガスが供給されカソード側に酸化ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路を備え、その冷却流路が、燃料電池スタックのカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置される加湿器を通る構成を有する燃料電池の冷却システムであって、
冷却流路に対し燃料電池スタック及びラジエータに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、
冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプと、
制御部と、
を備え、
制御部は、
冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして加湿器と燃料電池スタックとがある方式と、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータのみがあり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器と加湿器と燃料電池スタックとがある方式と、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器と加湿器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタックのみがある方式と、
のいずれか１によって燃料電池の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
燃料電池は車両に搭載される車両用燃料電池であって、
車室内の空調のための空調熱交換器が燃料電池スタックと並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流されることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
制御部は、
冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と空調熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして加湿器と燃料電池スタックと空調熱交換器がある方式と、
循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと空調熱交換器と第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては加湿器と燃料電池スタックがある方式のいずれかによって燃料電池の運転状況または車両の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
第２熱交換器は、酸化ガス供給用のガス圧縮器から燃料電池スタックに供給される圧縮供給ガスの流路に対して熱交換を行い酸化ガスの温度を調整することを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項８】
請求項２または５に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプを第１冷媒循環ポンプとして、
冷却流路から分流された冷媒が流れる分流流路であって、空調熱交換器とヒータと第２冷媒循環ポンプとを含む空調分流流路と、
空調分流流路と並列に配置される循環流路と、
空調分流流路について冷却流路と循環流路とに対する接続関係を切り換える空調分流切換手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
空調分流切換手段は、
空調分流流路と循環流路とが閉ループとなるように接続し、それぞれを冷却流路から分離する閉ループ接続状態と、
空調分流流路と冷却流路とを直接接続し、それぞれを循環流路から分離する直接接続状態と、
の間で接続関係を切り換えることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の燃料電池の冷却システムにおいて、
第２循環ポンプは、第１循環ポンプより低流量作動効率が良好なポンプであり、
さらに、
燃料電池の運転状態に応じ、第１循環ポンプの作動と第２循環ポンプの作動とを関連付けて制御する手段であって、燃料電池が低負荷運転状態の場合に、第１循環ポンプの作動を停止させ、第２循環ポンプで燃料電池スタックに冷媒を循環させるポンプ作動制御手段を備えることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の冷却システムに係り、特に、アノード側に燃料ガスが供給されカソード側に酸化ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池の冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。この反応のために燃料電池は発熱し、その冷却のために燃料電池スタック内に冷却水等の冷媒を流し、これをラジエータ等で冷却することが行われる。また燃料電池の起動時に低温であると、燃料電池を暖めるために、ヒータ等で冷媒を適当な温度に加熱することが行われる。このように、燃料電池スタックに冷媒を流し、その温度を調整することが行われる。
【０００３】
また、燃料電池スタックのカソード側に供給される酸化ガスを適当な圧力とするためにエアーコンプレッサ（ＡＣＰ）等のガス圧縮器が用いられる。このＡＣＰも作動に応じて発熱するので、インタクーラと呼ばれる熱交換器で冷却される。さらに、車両には、その車室内の空調のための熱交換器が設けられる。このように、車両には目的と対象の相違する様々な熱交換器が設けられているので、これらの相互利用は検討に値する。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池のカソード側に設けられる加湿器に不足する加湿量を補いながら水詰まりを防止する燃料電池システムが開示されている。ここでは、カソード供給ガスを冷却するための冷媒と燃料電池スタックを冷却する冷媒とが共有され、カソード供給ガス冷却用熱交換器と燃料電池スタックとが冷媒流路で直列に接続されている。そして冷媒流路の途中に２つの三方弁が設置され、燃料電池の温度が高いときと、低いときとで、冷媒の流れ方向を変更可能としている。
【０００５】
また、特許文献２には、高い外気温度において快適な空調と燃料電池装置の十分な冷却との両方を可能にし、低い外気温度において、熱不足を容易に補償する、空調装置と熱源としての燃料電池とを有する自動車の冷暖房方法が開示されている。ここでは、熱源の冷却と自動車の空調との両方が共通冷媒を使用し、単一の冷媒回路を用いている。媒体回路は分岐点において第１のサブ回路と第２のサブ回路とに分岐し、第１のサブ回路は燃料電池装置に割り当てられ、第２のサブ回路は自動車の空調装置に割り当てられ、それぞれを経由して、結合点で再び結合する。すなわち、１つのループの中に燃料電池装置の熱交換と空調装置の熱交換とが直列に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−７９００７号公報
【特許文献２】特表２００５−５１４２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術において、各熱交換器のそれぞれを独立に制御する場合には、冷媒回路及びその制御がそれぞれ独立となり、不便である。燃料電池スタックの冷却系と、カソード供給ガスの冷却系とを独立に行うとすると、燃料電池スタックへ入るカソード供給ガスの温度がカソード供給ガスの冷却系で決まり、燃料電池スタックから出てくるカソード供給ガス（いわゆるカソードオフガス）の温度がほぼ燃料電池スタックの冷却系で決まる。ここで２つの冷却系がそれぞれ独立に制御されると、燃料電池スタックに入るカソード供給ガスの温度と、カソードオフガスの温度との温度差が大きくなりすぎることが生じ得る。
【０００８】
この結果、例えば、次のような不具合が生じ得る。すなわち、カソード供給ガスを適度に加湿して燃料電池スタックに供給するため、燃料電池スタックに並列に加湿器が設けられるが、この加湿器の両端の温度差が大きくなることが生じ得ることになる。加湿器は周知の中空糸構造のものを用いることがあるが、この構造のものは、両端の温度差が大きいと損傷し、十分に作動しなくなることがある。このように、燃料電池の各熱交換器について冷媒回路及びその制御をそれぞれ独立にすることは、複雑な構造となり、冷媒の利用も効率的でなく、さらに上記のような不具合が生じ得る。
【０００９】
特許文献１，２に記載される従来技術においては、カソード供給ガスを冷却するための冷媒と燃料電池スタックを冷却する冷媒との共有や、熱源である燃料電池の冷却と自動車の車室内空調との両方が共通冷媒を使用することが開示されている。これらの技術においては、直列冷却流路の中に燃料電池スタックと他の冷却用熱交換器とが配置されて冷媒の共有化が図られているので、燃料電池スタックの冷却等の温度調節と、カソード供給ガスや車室内の温度調節とが相互に依存する。したがって、これらの技術において、冷媒利用の効率は向上するが、それぞれを独立して制御できないので、それぞれの温度調節適正化を図ることが困難なことは、各冷却系を独立に制御する場合と同様である。
【００１０】
このように、従来技術においては、燃料電池スタックの冷却等の温度調節と、カソード供給ガスや車室の温度調節とが、協調的に制御されていない。
【００１１】
本発明の目的は、燃料電池スタックの冷却系と他の熱交換系との協調的制御を可能にする燃料電池の冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池の冷却システムは、アノード側に燃料ガスが供給されカソード側に酸化ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路を備え、その冷却流路が、燃料電池スタックのカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置される加湿器を通らない構成を有する燃料電池の冷却システムであって、冷却流路に対し燃料電池スタック及びラジエータに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプと、制御部と、を備え、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタックがある方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータのみがあり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器と燃料電池スタックとがある方式のいずれかによって燃料電池の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池の冷却システムにおいて、燃料電池は車両に搭載される車両用燃料電池であって、車室内の空調のための空調熱交換器が燃料電池スタックと並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流されることが好ましい。
また、本発明に係る燃料電池の冷却システムにおいて、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と空調熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタックと空調熱交換器とがある方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと空調熱交換器と第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタックのみがある方式のいずれかによって燃料電池の運転状況または車両の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムは、アノード側に燃料ガスが供給されカソード側に酸化ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路を備え、その冷却流路が、燃料電池スタックのカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置される加湿器を通る構成を有する燃料電池の冷却システムであって、冷却流路に対し燃料電池スタック及びラジエータに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプと、制御部と、を備え、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして加湿器と燃料電池スタックがある方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータのみがあり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器と加湿器と燃料電池スタックとがある方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器と加湿器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタックのみがある方式と、のいずれか１によって燃料電池の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことが好ましい。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と空調熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして加湿器と燃料電池スタックと空調熱交換器がある方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと空調熱交換器と第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては加湿器と燃料電池スタックがある方式のいずれかによって燃料電池の運転状況または車両の運転状況に応じた冷媒量の分配を行うことが好ましい。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、第２熱交換器は、酸化ガス供給用のガス圧縮器から燃料電池スタックに供給される圧縮供給ガスの流路に対して熱交換を行い酸化ガスの温度を調整することが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池の冷却システムにおいて、冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプを第1冷媒循環ポンプとして、冷却流路から分流された冷媒が流れる分流流路であって、空調熱交換器とヒータと第２冷媒循環ポンプとを含む空調分流流路と、空調分流流路と並列に配置される循環流路と、空調分流流路について冷却流路と循環流路とに対する接続関係を切り換える空調分流切換手段と、を備えることが好ましい。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池の冷却システムにおいて、空調分流切換手段は、空調分流流路と循環流路とが閉ループとなるように接続し、それぞれを冷却流路から分離する閉ループ接続状態と、空調分流流路と冷却流路とを直接接続し、それぞれを循環流路から分離する直接接続状態と、の間で接続関係を切り換えることが好ましい。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池の冷却システムにおいて、第２循環ポンプは、第１循環ポンプより低流量作動効率が良好なポンプであり、さらに、燃料電池の運転状態に応じ、第１循環ポンプの作動と第２循環ポンプの作動とを関連付けて制御する手段であって、燃料電池が低負荷運転状態の場合に、第１循環ポンプの作動を停止させ、第２循環ポンプで燃料電池スタックに冷媒を循環させるポンプ作動制御手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路を備え、その冷却流路が、燃料電池スタックのカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置される加湿器を通らない構成を有する燃料電池の冷却システムは、燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路と、冷却流路に対し燃料電池スタックに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、を備える。また、上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路と、ラジエータに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、を備える。したがって、冷媒は、燃料電池スタックの冷却と第２熱交換器との間で共用される。そして、ラジエータを通る本流の冷却流路と、第２熱交換器を通る分流の冷却流路とは並列であるので、その分流比を制御することで、燃料電池スタックの冷却系と第２熱交換器系との協調的制御が可能になる。分流比は、本流の冷却流路と分流の冷却流路との間の流路抵抗比の設定あるいは変更や、冷媒供給ポンプの設置位置の設定あるいは変更によって制御することができる。
そして、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタックがある第１の方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータのみがあり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器と燃料電池スタックとがある第２の方式のいずれかによって燃料電池の運転状況に応じた冷媒量の分配を行う。
第１の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタックを流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタックにかなり多くの冷媒量を供給できる。
第２の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（第２熱交換器を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタックを流れる冷媒量）となるので、ラジエータに最も多くの冷媒量を供給できる。
【００３２】
また、車室内の空調のための空調熱交換器が燃料電池スタックと並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流されることとするので、燃料電池スタックの冷却系と車室内の空調系とを統合的に協調制御することができる。また、燃料電池スタックの冷却系と酸化ガス供給用のガス圧縮器の冷却系と車室内の空調系とを統合的に協調制御することができる。
そして、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と空調熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタックと空調熱交換器とがある第４の方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと空調熱交換器と第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタックのみがある第５の方式のいずれかによって燃料電池の運転状況または車両の運転状況に応じた冷媒量の分配を行う。
第４の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタックを流れる冷媒量）＋（空調熱交換器を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタックに適当な冷媒量を供給しながら空調熱交換器に冷媒を供給できる。
第５の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（空調熱交換器を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタックを流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタックに最も多くの冷媒量を供給できる。
【００３４】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷却流路を備え、その冷却流路が、燃料電池スタックのカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置される加湿器を通る構成を有する燃料電池の冷却システムは、冷却流路に対し燃料電池スタック及びラジエータに並列に設けられ、冷却流路の冷媒が分流される第２熱交換器と、冷却流路に直列に配置される冷媒循環ポンプと、制御部とを備える。そして、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして加湿器と燃料電池スタックがある第６の方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータのみがあり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器と加湿器と燃料電池スタックとがある第７の方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器と加湿器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタックのみがある第８の方式と、のいずれか１によって燃料電池の運転状況に応じた冷媒量の分配を行う。
第６の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタックを流れる冷媒量）＋（加湿器を流れる冷媒量）となるので、（加湿器を流れる冷媒量）が少ないとすれば、燃料電池スタックにかなり多くの冷媒量を供給できる。
【００３５】
第７の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（第２熱交換器を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタックを流れる冷媒量）＋（加湿器を流れる冷媒量）となるので、ラジエータに最も多くの冷媒量を供給できる。
【００３６】
第８の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＋（加湿器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタックを流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタックに最も多くの冷媒量を供給できる。
【００３７】
また、制御部は、冷却流路における第２熱交換器に対する分流位置と空調熱交換器に対する分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとして加湿器と燃料電池スタックと空調熱交換器がある第９の方式と、循環ポンプの上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータと空調熱交換器と第２熱交換器があり、循環ポンプの下流側において冷媒が流れるものとしては加湿器と燃料電池スタックがある第１０の方式のいずれかによって燃料電池の運転状況または車両の運転状況に応じた冷媒量の分配を行う。
また、第２熱交換器は、酸化ガス供給用のガス圧縮器から燃料電池スタックに供給される圧縮供給ガスの流路に対して熱交換を行い酸化ガスの温度を調整するので、燃料電池スタックの冷却系と酸化ガス供給用のガス圧縮器の冷却系とを統合的に協調制御することができる。
第９の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（加湿器を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタックを流れる冷媒量）＋（空調熱交換器を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタックに適当な冷媒量を供給しながら空調熱交換器に冷媒を供給できる。
【００３８】
第１０の方式では、（ラジエータを流れる冷媒量）＋（空調熱交換器を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（加湿器を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタックを流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタックにかなりの冷媒量を供給しながら、他の要素に冷媒を供給できる。
【００４１】
また、冷却流路から空調熱交換器に冷媒を分流する場合に、空調熱交換器とヒータと第２冷媒循環ポンプとを含む空調分流流路と、空調分流流路と並列に配置される循環流路とを設け、空調分流流路について冷却流路と循環流路とに対する接続関係を切り換える。これにより、空調分流流路を、燃料電池スタックの冷却に関わる冷却流路との接続関係を協調的にも独立的にも切り換えることができ、冷却システムの自由度が増す。例えば、燃料電池スタックが低温のときに、暖まっていない冷媒を空調分流流路に流さないようにし、燃料電池スタックが暖まってから暖かい冷媒を空調熱交換器に供給するようにできる。
【００４２】
また、空調分流流路は、これを冷却流路から分離して循環流路と閉ループとなるように接続することができ、また、循環流路と分離して、空調分流流路と冷却流路と直接接続することができる。前者の場合、空調熱交換器とヒータとの間でのみ冷媒を循環でき、独立的に車室内を暖めることができる。後者の場合、冷媒流路と協調的に冷媒を共通化することができる。
【００４３】
また、第２循環ポンプは、第１循環ポンプより低流量作動効率が良好であり、燃料電池が低負荷運転状態の場合に、第１循環ポンプの作動を停止させ、第２循環ポンプで燃料電池スタックに冷媒を循環させる。燃料電池スタックが低負荷運転状態の場合は、ラジエータによる冷却が必要なく、低流量で冷媒を循環させて足りることが多い。この場合に第２循環ポンプを用いることで、少ない電力ですみ、システム全体の燃費性能を向上させることができる。
【００４８】
上記のように、本発明に係る燃料電池の冷却システムによれば、燃料電池スタックの冷却系と他の熱交換系との協調的制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池の冷却システムが適用される燃料電池運転システムの構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【図３】他の実施の形態を示す図である。
【図４】さらに他の実施の形態を示す図である。
【図５】空調熱交換器との協調制御についての実施の形態を示す図である。
【図６】空調熱交換器との協調制御についての他の実施の形態を示す図である。
【図７】空調熱交換器との協調制御についての別の実施の形態を示す図である。
【図８】図７の実施の形態において、空調分流流路の接続状態の例を示す図である。
【図９】図７の実施の形態において、空調分流流路の接続状態の他の例を示す図である。
【図１０】図７の実施の形態において、循環ポンプの作動を説明する図である。
【図１１】別の実施の形態の燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【図１２】他の実施の形態を示す図である。
【図１３】さらに他の実施の形態を示す図である。
【図１４】空調熱交換器との協調制御についての別の実施の形態を示す図である。
【図１５】空調熱交換器との協調制御についての他の実施の形態を示す図である。
【図１６】空調熱交換器との協調制御についてのさらに他の実施の形態を示す図である。
【図１７】図１６の実施の形態において、空調分流流路の接続状態の例を示す図である。
【図１８】図１６の実施の形態において、空調分流流路の接続状態の他の例を示す図である。
【図１９】図１６の実施の形態において、循環ポンプの作動を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。燃料電池の冷却システムは、燃料電池の運転システムに適用される冷却システムであるので、最初に燃料電池の運転システムの構成を説明し、その後に、その冷却システムを述べる。図１は燃料電池の冷却システムが適用される燃料電池運転システム１０の構成図である。燃料電池運転システム１０は、システム本体部２０と、システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御部７０とを含んで構成されている。
【００５１】
システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。
【００５２】
アノード側の水素ガス源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源２４は、レギュレータ２６に接続される。レギュレータ２６は、水素ガス源２４からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ２６の出力口に設けられる圧力計２８は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ２６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。
【００５３】
燃料電池スタック２２のアノード側出口から排出されるガスは、発電で水素が消費されて水素濃度が低くなり、また、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を通してカソード側の空気の成分である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなっている。また、ＭＥＡを通して、反応生成物の水も透過してくる。
【００５４】
燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器３２は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３４を通して希釈器６４に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器３２の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３０は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００５５】
カソード側の酸素供給源４０は、実際には大気を用いることができる。酸素供給源４０である大気はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。フィルタ４２の後に設けられる流量計４４は、酸素供給源４０からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ４２の後に設けられる温度計４６は、酸素供給源４０からのガスの温度を検出する機能を有する。
【００５６】
エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４８は、モータ５０によって供給ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ（４８）は、制御部７０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の供給ガスを提供する機能を有する。すなわち、供給ガスの所要流量が大きいときは、モータ５０の回転速度を上げ、逆に供給ガスの所要流量が小さいときは、モータ５０の回転速度を下げる。ＡＣＰ消費電力検出部５２は、ＡＣＰ（４８）の消費電力、具体的にはモータ５０の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モータ５０は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは供給ガス流量に密接に関連する。
【００５７】
このように燃料電池スタック２２のカソード側には酸素を含む空気がＡＣＰ（４８）によって制御部７０の制御の下で供給されるので、以後、酸素を含む空気のことをカソード側の供給ガス、あるいは単に供給ガスと呼ぶことにする。したがって、酸素供給源４０からＡＣＰ（４８）までの要素を、酸素供給装置と呼ぶことができる。
【００５８】
加湿器５４は、供給ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５４により適度に湿らせられた供給ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５４に供給され、供給ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５４は、供給ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。すなわち、加湿器５４は、ＡＣＰ（４８）からのガスが流れる流路と、水蒸気が流れる流路との間でガス交換できる構成となっている。例えば、中空糸の内側流路をＡＣＰ（４８）からの供給ガスの流路とし、中空糸の外側流路を燃料電池スタック２２のカソード側出口からの水蒸気とすることで、燃料電池スタック２２のカソード側入口への供給ガスを適度に湿らせることができる。
【００５９】
ここで、上記の酸素供給装置と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。
【００６０】
出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計５６は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調圧弁６０は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への供給ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。
【００６１】
調圧弁６０の出力口は、上記の加湿器５４に接続されるので、調圧弁６０を出たガスは加湿器５４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器６４に入り、その後外部に排出される。
【００６２】
バイパス弁６２は、入口側流路と出口側流路を接続して燃料電池スタック２２と並列に配置されるバイパス流路に設けられる弁で、主に、排気における水素濃度を希釈するための空気を希釈器６４に供給する機能を有する。すなわち、バイパス弁６２を開くことで、ＡＣＰ（４８）からの供給ガスを、燃料電池スタック２２へ流れる成分とは別に、燃料電池スタック２２を流れずにバイパス流路を経由して、希釈器６４に供給することができる。バイパス弁６２としては、エンジンの排気ガス希釈のために用いられる排気バイパス弁と同様な構成のものを用いることができる。かかる排気バイパス弁はＥＧＲ弁と呼ばれることもある。
【００６３】
希釈器６４は、アノード側の排気バルブ３４からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。そして、水素濃度が適当な濃度を超えるときは、バイパス弁６２を開けることで燃料電池スタック２２を経由せずに提供される供給ガスを用いてさらに適度な希釈を行うことができる。
【００６４】
制御部７０は、システム本体部２０の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。例えば、制御部７０は、燃料電池の運転状況に応じ調圧弁とバイパス弁の協調制御を行う機能を有する。また、燃料電池の運転状況に応じて、燃料電池スタック２２の温度、ＡＣＰ４８の温度、カソード側の供給ガスの温度等を適度に維持するために、後述の冷却システムを制御する機能を有する。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム、燃料電池冷却プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。
【００６５】
このような燃料電池運転システム１０において、燃料電池スタック２２は燃料ガスと供給ガスとの間の反応により発熱する。また、ＡＣＰ（４８）もその運転に伴い、モータ５０等が発熱する。さらに、燃料電池スタック２２のカソード側に供給される供給ガスの温度は適当であることが好ましい。そして、燃料電池運転システム１０が車両に搭載されるときは、車室内の空調のために空調システムが設けられるが、例えば車室内が冷え切っているときなど、燃料電池スタック２２の廃熱が利用できるならば、それを用いて車室内を短時間で適度な温度にすることが望まれる。このように、燃料電池運転システム１０を構成する要素について、その冷却等の温度調節が必要であり、そのために燃料電池の冷却システムが設けられる。
【００６６】
なお、以下において、燃料電池スタックをラジエータで冷却する冷却流路を主冷却流路とし、主冷却流路に並列に冷媒を分流する冷却流路を分流冷却流路として説明する。そして、分流冷却流路に設けられる熱交換器として、ＡＣＰ（４８）の冷却用のものと、車室内空調に用いられるものとを説明する。前者は、ラジエータを第１の熱交換器と考えて、第２熱交換器と呼ぶことにし、後者は空調熱交換器と呼ぶことにしている。この場合の第２熱交換器は、従来ＡＣＰ（４８）を独立して冷却するためのインタクーラを、分流された冷媒で熱交換することにして、冷却システムとして統合を図った形態となっているが、もちろん、インタクーラを従来通り独立の冷却系のままとし、第２熱交換器を他の要素の冷却に用いるものとしてもよい。
【実施例１】
【００６７】
図２は、燃料電池の冷却システム１００の構成を示す図である。ここでは、燃料電池運転システムにおけるカソード側の冷却システムが示されている。ＡＣＰ（４８）から加湿器５４を経て燃料電池スタック２２に入り、燃料電池スタック２２から出る供給ガスの流路８０が細い線で示され、これに対して、冷媒の流れる流路が太い線で示してある。燃料電池の冷却システム１００は、冷媒の流れる流路として、主冷却流路１０２と、この主冷却流路１０２に並列に配置され、同じ冷媒を分流する分流冷却流路１０４とが設けられる。冷媒としては、水を主体としたＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）等を用いることができる。
【００６８】
主冷却流路１０２には、空冷用ファンを備えるラジエータ１１０と、加熱用のヒータ１１２と、ヒータ１１２に冷媒を適当に分流するための三方弁１１４と、冷媒を循環させるための循環ポンプ（ＷＰ）１３０が配置される。主冷却流路１０２を流れる冷媒は、ラジエータ１１０と燃料電池スタック２２との間で循環し、温度が上昇した燃料電池スタック２２の熱を冷媒によって運び出し、ラジエータ１１０で冷却し、再び燃料電池スタック２２に戻す機能を有する。また、加湿器５４は、上記のように燃料電池スタック２２のカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置されるが、その冷却も主冷却流路１０２によって行われる。
【００６９】
分流冷却流路１０４は、主冷却流路１０２に並列に配置される。そして、主冷却流路１０２の冷媒が燃料電池スタック２２からラジエータ１１０に向かって戻される排出側流路から冷媒が取り入れられ、主冷却流路１０２の冷媒がラジエータ１１０から燃料電池スタック２２に向かって流れる供給側流路に向かって戻される。分流冷却流路１０４は、ＡＣＰ（４８）の第２熱交換器１２０に至り、そこで、ＡＣＰ（４８）から加湿器５４及び燃料電池スタック２２に供給される圧縮供給ガスの流路８０に対しても熱交換を行い、その後主冷却流路１０２に戻される。したがって、第２熱交換器１２０は、供給ガスの温度を調整する機能を有する。従来、この機能は、インタクーラと呼ばれる独立の冷却系で実行されているが、図２の構成では、この従来のインタクーラの機能を、ラジエータ１１０から燃料電池スタック２２に至る冷却系と冷媒を共通化して統合する形態となっている。
【００７０】
ここで、循環ポンプ１３０は、主冷却流路１０２の供給側流路に設けられ、加湿器５４の上流側で、分流冷却流路１０４の冷媒戻し分流位置の下流側に設けられる。図２に即して述べれば、加湿器５４は、循環ポンプ１３０の下流側で燃料電池スタック２２の上流側に配置され、第２熱交換器１２０は、ラジエータ１１０の上流側であって燃料電池スタック２２の下流側から冷媒が取り入れられる。つまり、循環ポンプ１３０の上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータ１１０と第２熱交換器１２０があり、循環ポンプ１３０の下流側において冷媒が流れるものとして、加湿器５４と燃料電池スタック２２とがある。
【００７１】
したがって、この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）＋（加湿器５４を流れる冷媒量）となるので、（加湿器５４を流れる冷媒量）が少ないとすれば、燃料電池スタック２２にかなり多くの冷媒量を供給できる。加湿器５４を流れる冷媒量と、燃料電池スタック２２を流れる冷媒量との比率は、これらの流路抵抗の比率等で定めることができる。例えば、加湿器５４を流れる冷媒量：燃料電池スタック２２を流れる冷媒量＝２：９８等にする場合には、冷媒総量の９８％を燃料電池スタック２２に供給できる。これにより、燃料電池スタック２２の温度が高すぎるときは迅速にその熱をラジエータ１１０側に運び出すことができる。また、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）と（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）との比率も、これらの流路抵抗の比率等で定めることができ、あるいは、分流比率を制御する制御弁を用いて、これらを流れる冷媒量を定め、ラジエータ１１０と、第２熱交換器１２０とを協調的に作動させることができる。
【００７２】
また、分流冷却流路１０４が主冷却流路１０２と並列に設けられるので、第２熱交換器１２０から排出される冷媒の温度と、燃料電池スタック２２から排出される冷媒の温度との差を少なくすることができる。前者は、加湿器５４の供給ガス入口側の供給ガス温度を規定し、後者は、加湿器５４の供給ガス出口の温度を規定するので、これにより、加湿器５４のガス入口両端の温度差を少なくすることができ、中空糸構造のものを用いる場合でも両端温度差による損傷を抑制することができる。
【実施例２】
【００７３】
燃料電池の冷却システムにおいて、主冷却流路から分流冷却流路が分流する態様、及び循環ポンプ１３０の配置態様によって、冷媒の分配の仕方を変更できる。図３は、ラジエータ１１０に最も多くの冷媒量を送ることができる燃料電池の冷却システム１４０の構成を示す図である。図２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７４】
図３の燃料電池の冷却システム１４０において、循環ポンプ１３０は、主冷却流路１０２の供給側流路に設けられ、ラジエータ１１０の下流側で、分流冷却流路１４４の冷媒取り入れ分流位置の上流側に設けられる。図３に即して述べれば、加湿器５４は、循環ポンプ１３０の下流側で燃料電池スタック２２の上流側に配置され、第２熱交換器１２０は、ラジエータ１１０の下流側であって循環ポンプ１３０の下流側から冷媒が取り入れられる。つまり、循環ポンプ１３０の上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータ１１０のみがあり、循環ポンプ１３０の下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器１２０と加湿器５４と燃料電池スタック２２とがある。
【００７５】
したがって、この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）＋（加湿器５４を流れる冷媒量）となるので、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）を最大にできる。これにより、例えば、燃料電池スタック２２の供給ガス入口側と出口側の温度差が大きいときに、燃料電池スタック２２からラジエータ１１０に最大の冷媒を送り込んで、その温度差を効果的に減少させることができる。
【実施例３】
【００７６】
図４は、燃料電池スタック２２に最も多くの冷媒量を送ることができる燃料電池の冷却システム１５０の構成を示す図である。図２、３と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７７】
図４の燃料電池の冷却システム１５０において、循環ポンプ１３０は、主冷却流路１０２の供給側流路に設けられ、分流冷却流路１５４の冷媒戻し分流位置及び加湿器５４の下流側で、燃料電池スタック２２のすぐ上流側に設けられる。図４に即して述べれば、加湿器５４は、循環ポンプ１３０の上流側であってラジエータ１１０の下流側に配置され、第２熱交換器１２０は、ラジエータ１１０の上流側であって加湿器５４の下流側で、燃料電池スタック２２の下流側から冷媒が取り入れられる。つまり、循環ポンプ１３０の上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータ１１０と第２熱交換器１２０と加湿器５４とがあり、循環ポンプ１３０の下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタック２２のみがある。
【００７８】
したがって、この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＋（加湿器５４を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）となるので、（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）を最大にできる。これにより、燃料電池スタック２２に最大の冷媒を送り込んで、燃料電池スタック２２からその熱を効果的に排出させることができる。
【実施例４】
【００７９】
燃料電池の冷却システムにおいて、主冷却流路から車室内空調のための空調熱交換器に冷媒を分流することもできる。図５は、空調熱交換器に冷媒を分流する燃料電池の冷却システム１６０の構成を示す図である。図２等と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００８０】
図５の燃料電池の冷却システム１６０においては、図２で説明した分流冷却流路１０４及び第２熱交換器１２０を含む冷却システムに加えてさらに、車室１６２の空調のための空調熱交換器１７０に、主冷却流路１０２から冷媒を分流する空調用分流冷却流路１６４が設けられている。空調用分流冷却流路１６４には、必要に応じ設けられるヒータ１６６と、この空調用分流冷却流路１６４への分流を開閉制御するシャット弁１６８とが設けられる。
【００８１】
主冷却流路１０２における空調熱交換器１７０のための冷媒取入分流位置は、燃料電池スタック２２への冷媒入口の直前である。図５に即して述べれば、加湿器５４は、循環ポンプ１３０の下流側であって燃料電池スタック２２の上流側に配置され、空調熱交換器１７０は、加湿器５４の下流側であって燃料電池スタック２２の上流側から冷媒が取り入れられる。そして、シャット弁１６８が開かれているときは、取り入れられた分流冷媒が、ヒータ１６６を経由し、空調熱交換器１７０に供給され、再び、主冷却流路１０２に戻される。この冷媒戻し位置は、燃料電池スタック２２からの冷媒出口の直後である。
【００８２】
この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（加湿器５４を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）＋（空調熱交換器１７０を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタック２２に適当な冷媒量を供給しながら空調熱交換器に冷媒を供給できる。
【００８３】
すなわち、この構成により、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１１０によって適当な温度に維持されて循環している冷媒を空調熱交換器１７０に供給でき、特別に独立な空調用システムを設けることなく、車室１６２を暖め、適当な空調環境とすることができる。必要があればヒータ１１２またはヒータ１６６を用いることもできる。また、燃料電池スタック２２が十分暖まっていないときにはシャット弁１６８を閉じることで、冷たい冷媒を空調熱交換器１７０に送り込まないようにできる。
【００８４】
このように、車室内の暖房が必要なときのみ、シャット弁１６８を開くように制御することで、循環ポンプ１３０の動力を低減することができる。また、図６に示すように、車室内の補助暖房用のためのヒータ１６６を空調熱交換器１７０の系の中に設けることで、シャット弁１６８が閉じている通常の燃料電池スタック２２の冷却運転のときに、ヒータ１６６における圧力損失が生じず、燃費を低減することができる。
【００８５】
上記のように、燃料電池スタック２２の冷却系と、車室空調系とについて冷媒を共通化し、燃料電池スタック２２の温度と車室内温度とに応じてシャット弁１６８の開閉を制御することで、燃料電池スタック２２の冷却系と、車室空調系とを、協調的制御の下で統合することができる。なお、図６において、第２熱交換器１２０を含む分流冷却流路１０４を備え、ラジエータ１１０、第２熱交換器１２０、空調熱交換器１７０の協調的制御を行うものとして説明したが、第２熱交換器１２０を省いて、ラジエータ１１０と空調熱交換器１７０との間で協調的制御を行うものとしてもよい。
【実施例５】
【００８６】
空調熱交換器を含む冷却システムにおいて、主冷却流路から空調用分流冷却流路が分流する態様、及び循環ポンプ１３０の配置態様によって、冷媒の分配の仕方を変更できる。図６は、主冷却流路１０２における空調熱交換器１７０のための冷媒取入分流位置をラジエータ１１０の直前に設けて冷媒を分流する燃料電池の冷却システム１８０の構成を示す図である。図５と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００８７】
図６の燃料電池の冷却システム１８０においては、主冷却流路１０２における空調熱交換器１７０のための冷媒取入分流位置は、燃料電池スタック２２の下流側で、ラジエータ１１０の上流側である。図６に即して述べれば、加湿器５４は、循環ポンプ１３０の下流側であって燃料電池スタック２２の上流側に配置され、空調熱交換器１７０は、燃料電池スタック２２の下流出口の直後であってラジエータ１１０の上流側から冷媒が取り入れられる。そして、シャット弁１６８が開かれているときは、取り入れられた分流冷媒が、空調熱交換器１７０とヒータ１６６とに供給され、再び、主冷却流路１０２に戻される。この冷媒戻し位置は、ラジエータ１１０の下流側で、循環ポンプ１３０の上流側である。
【００８８】
この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（空調熱交換器１７０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（加湿器５４を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタック２２にかなりの冷媒量を供給しながら、他の要素に冷媒を供給できる。
【００８９】
すなわち、この構成によれば、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１１０によって適当な温度に維持されて循環している冷媒を空調熱交換器１７０に供給でき、特別に独立な空調用システムを設けることなく、車室１６２を暖め、適当な空調環境とすることができる。必要があればヒータ１６６を用いることもできる。また、燃料電池スタック２２が十分暖まっていないときにはシャット弁１６８を閉じることで、冷たい冷媒を空調熱交換器１７０に送り込まないようにできる。そして、燃料電池スタックに２２にかなりの冷媒量を供給できるので、燃料電池スタック２２から速やかに熱を運び出すことができる。
【実施例６】
【００９０】
上記のように、燃料電池の冷却システムにおいて、主冷却流路から第２熱交換器のための分流冷却流路及び空調熱交換器のための空調用分流冷却流路が分流する態様、及び循環ポンプの配置態様によって、冷媒の分配の仕方を様々に変更できる。したがって、主冷却流路からの分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、燃料電池運転システム１０の運転状況あるいは車両の運転状況に応じて、燃料電池スタックの冷却、第２熱交換器によるＡＣＰ（４８）及び供給ガスの熱交換、空調熱交換器による車室内の空調等を協調的に制御し、それぞれに適した冷媒量を供給することができる。
【００９１】
例えば、冷却流路から第２熱交換器に冷媒を分流する分流流路の入口と出口の冷却流路上の位置を切り換える分流位置切換手段を備えることで、また燃料電池スタックの運転状態に応じて分流位置を切り換えることによって、燃料電池スタックにその運転状態に応じた冷媒量を供給することができる。
【００９２】
また、冷却流路から空調熱交換器に冷媒を分流する分流流路の入口と出口の冷却流路上の位置を切り換える分流位置切換手段を備えるので、車室内温度等に応じて分流位置を切り換えることで、空調熱交換器に車室内温度に応じた冷媒量を供給することができる。
【実施例７】
【００９３】
図７は、空調用分流冷却流路の構成を工夫し、空調熱交換器１７０に流す冷媒を、主冷却流路１０２と協調的に共通化もでき、あるいは空調熱交換器１７０のためのみの独立的に用いることもできる燃料電池の冷却システム２００の構成を示す図である。図５等と共通の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００９４】
図７の燃料電池の冷却システム２００においては、空調用分流冷却流路２０２は、３つの要素から構成される。すなわち、主冷却流路１０２から冷媒が取り入れられ戻される入出力流路２０４と、空調熱交換器１７０を通って冷媒が流れる空調分流流路２０６と、空調分流流路２０６と並列に配置される循環流路２０８とで、空調用分流冷却流路２０２の全体が構成される。
【００９５】
図７に示されるように、三方弁２１０，２１２が、入出力流路２０４と、空調分流流路２０６と、循環流路２０８の３つの流路の接続点に設けられる。したがって、入出力流路２０４と、空調分流流路２０６と、循環流路２０８間の接続関係は、２つの三方弁２１０，２１２によって切り換えられる。その意味で、２つの三方弁２１０，２１２は、空調分流流路２０６について、主冷却流路１０２につながる入出力流路２０４と循環流路２０８とに対する接続関係を切り換える手段である。切り換えのいくつかの態様については後述する。
【００９６】
主冷却流路１０２に設けられる循環ポンプ１３０とは別の冷媒循環用のポンプが空調分流流路２０６に設けられる。このポンプを循環ポンプ１３０と区別して、第２循環ポンプ２２０と呼ぶことができる。空調分流流路２０６は、第２循環ポンプ２２０と、ヒータ２２２と、空調熱交換器１７０とが直列に配置される。図７においては、三方弁２１０−第２循環ポンプ２２０−ヒータ２２２−空調熱交換器１７０−三方弁２１２の順に配置されているが、三方弁２１０，２１２の間の各要素の配置の順序は、これ以外の順序であってもよく、場合によってはさらに切換弁等を含めて並列配置するものとしてもよい。
【００９７】
第２循環ポンプ２２０は、主冷却流路１０２における循環ポンプ１３０よりも小型の冷媒循環ポンプである。主冷却流路１０２における循環ポンプ１３０は、ラジエータ１１０、加湿器５４、燃料電池スタック２２を含む冷媒流路に冷媒を循環させ、迅速に熱交換させて冷媒の温度を適切に維持することができるように、大流量でも十分作動可能な容量のポンプが用いられる。これに対し、第２循環ポンプ２２０は、主に空調熱交換器１７０を中心に冷媒を循環させるためであるので、小型の容量のポンプを用いることができる。第２循環ポンプ２２０は小型であるので、主冷却流路１０２における循環ポンプ１３０と比べて、低流量において作動効率が良い。また、第２循環ポンプ２２０は、作動駆動しないときでも、冷媒が通過できるものがよい。こうすることで、第２循環ポンプ２２０を作動させないときでも、冷媒の流れの効率を低下させないことができる。
【００９８】
入出力流路２０４は、主冷却流路１０２から三方弁２１０，２１２までの冷媒流路で、その意味で、主冷却流路１０２の一部の分岐流路と考えることもできる。循環流路２０８は、空調分流流路２０６と並列接続されることによってループ流路を形成するものである。
【００９９】
次に、三方弁２１０，２１２による冷却流路の切り換えについて説明する。三方弁２１０，２１２の切り換え作動は、図示されていない冷却制御部によって、燃料電池スタック２２の運転状態に応じて行われる。なお、冷却制御部は、燃料電池運転システム１０の制御部７０がかねることもできる。図８は、三方弁２１０，２１２の切り換えによって、空調分流流路２０６と循環流路２０８とを閉ループ状に接続する状態を示す図である。このとき、入出力流路２０４は、この閉ループ状流路から分離される。なお、流路の状態を分かりやすくするため、図８では三方弁２１０，２１２の図示を省略してある。具体的には、三方弁２１０は、空調分流流路２０６の一方側と循環流路２０８の一方側とを接続するように作動され、三方弁２１２は、空調分流流路２０６の他方側と循環流路２０８の他方側とを接続するように作動されることで、この閉ループ状流路が形成される。
【０１００】
閉ループ状流路を形成することで、主冷却流路１０２とは独立に、第２循環ポンプ２２０によって、この閉ループ状流路内において冷媒を循環させることができる。つまり、ヒータ２２２と空調熱交換器１７０との間で冷媒を循環させることができる。この接続状態は、燃料電池スタック２２がまだ低温である運転状態のときに行うことがよい。これにより、燃料電池スタック２２によってまだ十分に暖められずに冷たいままの冷媒を空調熱交換器１７０に送り込まないようにできる。そして、ヒータ２２２と第２循環ポンプ２２０とを作動させることで、閉ループ状流路内の冷媒を十分暖めて空調熱交換器１７０に供給できる。これにより、車室１６２を効率よく迅速に暖めることができる。
【０１０１】
図９は、三方弁２１０，２１２の切り換えによって、循環流路２０８を分離し、入出力流路２０４と空調分流流路２０６とを接続する状態を示す図である。ここでも図８と同様に、流路の状態を分かりやすくするため、三方弁２１０，２１２の図示を省略してある。具体的には、三方弁２１０は、主冷却流路１０２の冷媒の取り入れ側と接続される入出力流路２０４の一方側と、空調分流流路２０６の一方側とを接続するように作動され、三方弁２１２は、空調分流流路２０６の他方側と、主冷却流路１０２の冷媒の戻し側と接続される入出力流路２０４の他方側とを接続するように作動される。これにより、循環流路２０８を分離し、入出力流路２０４と空調分流流路２０６とを直接接続し、空調分流流路２０６を、燃料電池スタック２２を流れる主冷却流路１０２に対し並列に配置することができる。
【０１０２】
この接続法は、基本的に図５の構成と同じである。つまり、空調用分流冷却流路２０２は、主冷却流路１０２と冷媒を共通化し、いわゆる協調制御が行われる。したがって、三方弁２１０，２１２は、空調分流流路２０６について、主冷却流路１０２と協調制御的な接続、あるいは独立制御的な接続に切り換える機能を有することになる。なお、この協調制御的な接続においては、第２循環ポンプ２２０の作動駆動は停止される。上記のように、この場合でも第２循環ポンプ２２０を自由に冷媒が通過できるので、空調分流流路２０６の冷媒の流れの効率は低下しない。
【０１０３】
協調制御が行われるのは、図５で説明したように、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１１０によって適当な温度に維持されて冷媒が循環しているときである。したがって、図８の閉ループ状流路の接続法と、協調制御の接続法とは、燃料電池スタック２２の運転状態に応じて切り換えられる。例えば、燃料電池スタック２２がまだ暖まっていないときは、図８の閉ループ状流路の接続法としてヒータ２２２と第２循環ポンプ２２０を作動させ空調熱交換器１７０に供給する冷媒の温度を上げ、燃料電池スタック２２が暖まって主冷却流路１０２の冷媒の温度が上昇してきたら、図９の直接接続法に切り換え、ヒータ２２２の作動を停止させる。これにより、車室１６２の暖気のために要する動力を低減することができ、燃費を改善できる。
【０１０４】
図８の閉ループ状流路の接続法と、図９の直接接続法との間の切り換えタイミングは、燃料電池スタック２２の冷媒の温度、例えば冷却水温が所定の目標水温に到達するときとすることができる。あるいは、さらに燃費を改善するために、それよりも早期のタイミング、例えば、熱交換が可能で、目標水温に近い５０℃に到達したタイミング等で切り換えるものとしてもよい。
【０１０５】
図１０は、図９の接続法、つまり空調分流流路２０６と主冷却流路１０２とを直接接続する場合に、第２循環ポンプ２２０を作動させ、主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０の作動を停止するときの様子を示す図である。主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０と第２循環ポンプ２２０の作動の切り換えは、図示されていない冷却制御部によって、燃料電池スタック２２の運転状態に応じて行われる。主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０が作動しないときは、主冷却流路１０２において冷媒は循環しない。その条件の下で、図９の接続状態において第２循環ポンプ２２０を作動させると、冷媒は、第２循環ポンプ２２０−ヒータ２２２−空調熱交換器１７０−燃料電池スタック２２−第２循環ポンプ２２０の閉ループ内を循環できる。
【０１０６】
図１０で説明した作動状態は、燃料電池スタック２２がアイドル運転状態、あるいは間欠運転状態のように、低負荷運転状態のときに用いられることがよい。燃料電池スタック２２が低負荷運転状態のときは発熱量が少ないので、ラジエータ１１０による冷却が必要でないことが多い。そこで、主冷却流路１０２の大容量の循環ポンプ１３０の作動を停止し、代わって、小型の第２循環ポンプ２２０によって冷媒を循環させる。第２循環ポンプ２２０は低流量のときは大容量用の循環ポンプ１３０よりも作動効率がよい。すなわち、大容量の循環ポンプ１３０に比べ少ない電力で冷媒を効率よく循環でき、低負荷のときの燃費を向上させることができる。燃料電池スタック２２が中負荷あるいは高負荷のときは、図９で説明したように、第２循環ポンプ２２０の作動駆動を停止させ、主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０の作動駆動のみによって冷媒を循環させる。これによって第２循環ポンプ２２０の駆動に要する電力を削減でき、中負荷及び高負荷のときの燃費を向上させることができる。
【０１０７】
また、図８の閉ループ状流路の接続状態で冷媒を暖め、空調熱交換器１７０によって車室１６２を暖気したのち、ユーザによって車室１６２の空調がオフされたときは、ヒータ２２２を作動させたまま、図９または図１０の直接接続状態に切り換える。空調オフによって空調熱交換器１７０から車室１６２に暖気を送るファン等がオフされるが、ヒータ２２２が作動しているので、暖かい冷媒が燃料電池スタック２２に供給され、燃料電池スタック２２を早期に暖機できる。
【０１０８】
図５から図１０において、空調熱交換器１７０を含む冷媒流路を、適当な断熱手段によって断熱することが好ましい。例えば、冷媒流路用パイプを適当な断熱材で覆うことができる。これにより、燃料電池運転システムの起動時に、空調熱交換器１７０における熱交換を効率よく行うことができ、車室１６２を早期に暖気できる。したがって、少ない電力等で車室１６２を暖気でき、燃費を向上させることができる。
【０１０９】
上記では、主冷却流路１０２が加湿器５４を通過するものとして説明したが、加湿器５４を通過しないものとする構成とすることもできる。以下に、そのような構成について説明する。なお、以下では、図１から図１０における要素と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【実施例８】
【０１１０】
図１１は、燃料電池の冷却システム３００の構成を示す図である。この燃料電池の冷却システム３００は、図２で説明した燃料電池の冷却システム１００に対し、主冷却流路１０２が加湿器５４を通過しない構成となっている。ここでは、図２で説明したのと同様に、燃料電池の冷却システム３００は、冷媒の流れる流路として、主冷却流路１０２と、この主冷却流路１０２に並列に配置され、同じ冷媒を分流する分流冷却流路１０４とが設けられる。
【０１１１】
主冷却流路１０２には、空冷用ファンを備えるラジエータ１１０と、加熱用のヒータ１１２と、ヒータ１１２に冷媒を適当に分流するための三方弁１１４と、冷媒を循環させるための循環ポンプ（ＷＰ）１３０が配置される。主冷却流路１０２を流れる冷媒は、ラジエータ１１０と燃料電池スタック２２との間で循環し、温度が上昇した燃料電池スタック２２の熱を冷媒によって運び出し、ラジエータ１１０で冷却し、再び燃料電池スタック２２に戻す機能を有する。なお、加湿器５４は、上記のように燃料電池スタック２２のカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置されるが、主冷却流路１０２は、加湿器５４の中を通過せず、加湿器５４は、主冷却流路１０２による冷媒によって冷却されない。
【０１１２】
図１１におけるイオン交換器１３２は、冷媒である冷却水のイオンを除去する機能を有する装置である。これは、冷却水の循環流路を構成する要素からイオンが冷却水の中に溶存してくるので、これを除去し、冷媒である冷却水の抵抗を高く維持するためのものである。イオン交換器１３２は、図１１に示されるように主冷却流路１０２に並列に配置されるが、場合によっては主冷却流路１０２に直列に配置されてもよい。また、イオン交換器１３２には、冷却水のイオン濃度を検出するイオン検出手段が設けられることが好ましい。
【０１１３】
分流冷却流路１０４は、主冷却流路１０２に並列に配置される。そして、主冷却流路１０２の冷媒が燃料電池スタック２２からラジエータ１１０に向かって戻される排出側流路から冷媒が取り入れられ、主冷却流路１０２の冷媒がラジエータ１１０から燃料電池スタック２２に向かって流れる供給側流路に向かって戻される。分流冷却流路１０４は、ＡＣＰ（４８）の第２熱交換器１２０に至り、そこで、ＡＣＰ（４８）から加湿器５４を経由して燃料電池スタック２２に供給される圧縮供給ガスの流路８０に対して熱交換を行い、その後主冷却流路１０２に戻される。したがって、第２熱交換器１２０は、供給ガスの温度を調整する機能を有する。従来、この機能は、インタクーラと呼ばれる独立の冷却系で実行されているが、図２と同様に図１１の構成では、この従来のインタクーラの機能を、ラジエータ１１０から燃料電池スタック２２に至る冷却系と冷媒を共通化して統合する形態となっている。
【０１１４】
ここで、循環ポンプ１３０は、主冷却流路１０２の供給側流路に設けられ、分流冷却流路１０４の冷媒戻し分流位置の下流側に設けられる。図１１に即して述べれば、第２熱交換器１２０は、ラジエータ１１０の上流側であって燃料電池スタック２２の下流側から冷媒が取り入れられる。つまり、循環ポンプ１３０の上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータ１１０と第２熱交換器１２０があり、循環ポンプ１３０の下流側において冷媒が流れるものとして燃料電池スタック２２がある。
【０１１５】
したがって、この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタック２２にかなり多くの冷媒量を供給できる。これにより、燃料電池スタック２２の温度が高すぎるときは迅速にその熱をラジエータ１１０側に運び出すことができる。また、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）と（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）との比率も、これらの流路抵抗の比率等で定めることができ、あるいは、分流比率を制御する制御弁を用いて、これらを流れる冷媒量を定め、ラジエータ１１０と、第２熱交換器１２０とを協調的に作動させることができる。
【０１１６】
また、分流冷却流路１０４が主冷却流路１０２と並列に設けられるので、第２熱交換器１２０から排出される冷媒の温度と、燃料電池スタック２２から排出される冷媒の温度との差を少なくすることができる。前者は、加湿器５４の供給ガス入口側の供給ガス温度を規定し、後者は、加湿器５４の供給ガス出口の温度を規定するので、これにより、加湿器５４のガス入口両端の温度差を少なくすることができ、中空糸構造のものを用いる場合でも両端温度差による損傷を抑制することができる。
【実施例９】
【０１１７】
燃料電池の冷却システムにおいて、主冷却流路から分流冷却流路が分流する態様、及び循環ポンプ１３０の配置態様によって、冷媒の分配の仕方を変更できる。図１２は、ラジエータ１１０に最も多くの冷媒量を送ることができる燃料電池の冷却システム３４０の構成を示す図である。
【０１１８】
図１２の燃料電池の冷却システム３４０において、循環ポンプ１３０は、主冷却流路１０２の供給側流路に設けられ、ラジエータ１１０の下流側で、分流冷却流路１４４の冷媒取入分流位置の上流側に設けられる。図１２に即して述べれば、第２熱交換器１２０は、ラジエータ１１０の下流側であって循環ポンプ１３０の下流側で、燃料電池スタック２２の上流側から冷媒が取り入れられる。つまり、循環ポンプ１３０の上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータ１１０のみがあり、循環ポンプ１３０の下流側において冷媒が流れるものとして、第２熱交換器１２０と燃料電池スタック２２とがある。
【０１１９】
したがって、この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＋（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）となるので、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）を最大にできる。これにより、例えば、燃料電池スタック２２の供給ガス入口側と出口側の温度差が大きいときに、燃料電池スタック２２からラジエータ１１０に最大の冷媒を送り込んで、その温度差を効果的に減少させることができる。
【実施例１０】
【０１２０】
図１３は、燃料電池スタック２２に最も多くの冷媒量を送ることができる燃料電池の冷却システム３５０の構成を示す図である。
【０１２１】
図１３の燃料電池の冷却システム３５０において、循環ポンプ１３０は、主冷却流路１０２の供給側流路に設けられ、分流冷却流路１５４の冷媒戻し分流位置の下流側で、燃料電池スタック２２のすぐ上流側に設けられる。図１３に即して述べれば、第２熱交換器１２０は、ラジエータ１１０の上流側であって燃料電池スタック２２の下流側から冷媒が取り入れられる。つまり、循環ポンプ１３０の上流側において冷媒が流れるものとして、ラジエータ１１０と第２熱交換器１２０とがあり、循環ポンプ１３０の下流側において冷媒が流れるものとしては燃料電池スタック２２のみがある。
【０１２２】
したがって、この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）となるので、（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）を最大にできる。これにより、燃料電池スタック２２に最大の冷媒を送り込んで、燃料電池スタック２２からその熱を効果的に排出させることができる。
【実施例１１】
【０１２３】
燃料電池の冷却システムにおいて、主冷却流路から車室内空調のための空調熱交換器に冷媒を分流することもできる。図１４は、空調熱交換器に冷媒を分流する燃料電池の冷却システム３６０の構成を示す図である。
【０１２４】
図１４の燃料電池の冷却システム３６０においては、図１１で説明した分流冷却流路１０４及び第２熱交換器１２０を含む冷却システムに加えてさらに、車室１６２の空調のための空調熱交換器１７０に、主冷却流路１０２から冷媒を分流する空調用分流冷却流路１６４が設けられている。空調用分流冷却流路１６４には、必要に応じ設けられるヒータ１６６と、この空調用分流冷却流路１６４への分流を開閉制御するシャット弁１６８とが設けられる。
【０１２５】
主冷却流路１０２における空調熱交換器１７０のための冷媒取入分流位置は、燃料電池スタック２２への冷媒入口の直前である。図１４に即して述べれば、空調熱交換器１７０は、燃料電池スタック２２の上流側から冷媒が取り入れられる。そして、シャット弁１６８が開かれているときは、取り入れられた分流冷媒が、ヒータ１６６を経由し、空調熱交換器１７０に供給され、再び、主冷却流路１０２に戻される。この冷媒戻し位置は、燃料電池スタック２２からの冷媒出口の直後である。
【０１２６】
この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）＋（空調熱交換器１７０を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタック２２に適当な冷媒量を供給しながら空調熱交換器に冷媒を供給できる。
【０１２７】
すなわち、この構成により、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１１０によって適当な温度に維持されて循環している冷媒を空調熱交換器１７０に供給でき、特別に独立な空調用システムを設けることなく、車室１６２を暖め、適当な空調環境とすることができる。必要があればヒータ１１２またはヒータ１６６を用いることもできる。また、燃料電池スタック２２が十分暖まっていないときにはシャット弁１６８を閉じることで、冷たい冷媒を空調熱交換器１７０に送り込まないようにできる。
【０１２８】
このように、車室内の暖房が必要なときのみ、シャット弁１６８を開くように制御することで、循環ポンプ１３０の動力を低減することができる。また、図１４に示すように、車室内の補助暖房用のためのヒータ１６６を空調熱交換器１７０の系の中に設けることで、シャット弁１６８が閉じている通常の燃料電池スタック２２の冷却運転のときに、ヒータ１６６における圧力損失が生じず、燃費を低減することができる。
【０１２９】
上記のように、燃料電池スタック２２の冷却系と、車室空調系とについて冷媒を共通化し、燃料電池スタック２２の温度と車室内温度とに応じてシャット弁１６８の開閉を制御することで、燃料電池スタック２２の冷却系と、車室空調系とを、協調的制御の下で統合することができる。なお、図１４において、第２熱交換器１２０を含む分流冷却流路１０４を備え、ラジエータ１１０、第２熱交換器１２０、空調熱交換器１７０の協調的制御を行うものとして説明したが、第２熱交換器１２０を省いて、ラジエータ１１０と空調熱交換器１７０との間で協調的制御を行うものとしてもよい。
【実施例１２】
【０１３０】
空調熱交換器を含む冷却システムにおいて、主冷却流路から空調用分流冷却流路が分流する態様、及び循環ポンプ１３０の配置態様によって、冷媒の分配の仕方を変更できる。図１５は、主冷却流路１０２における空調熱交換器１７０のための冷媒取入分流位置をラジエータ１１０の直前に設けて冷媒を分流する燃料電池の冷却システム３８０の構成を示す図である。
【０１３１】
図１５の燃料電池の冷却システム３８０においては、主冷却流路１０２における空調熱交換器１７０のための冷媒取入分流位置は、燃料電池スタック２２の下流側で、ラジエータ１１０の上流側である。図１５に即して述べれば、空調熱交換器１７０は、燃料電池スタック２２の下流出口の直後で、ラジエータ１１０の上流側から冷媒が取り入れられる。そして、シャット弁１６８が開かれているときは、取り入れられた分流冷媒が、空調熱交換器１７０とヒータ１６６とに供給され、再び、主冷却流路１０２に戻される。この冷媒戻し位置は、ラジエータ１１０の下流側で、循環ポンプ１３０の上流側である。
【０１３２】
この構成では、（ラジエータ１１０を流れる冷媒量）＋（空調熱交換器１７０を流れる冷媒量）＋（第２熱交換器１２０を流れる冷媒量）＝冷媒総量＝（燃料電池スタック２２を流れる冷媒量）となるので、燃料電池スタック２２にかなりの冷媒量を供給しながら、他の要素に冷媒を供給できる。
【０１３３】
すなわち、この構成によれば、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１１０によって適当な温度に維持されて循環している冷媒を空調熱交換器１７０に供給でき、特別に独立な空調用システムを設けることなく、車室１６２を暖め、適当な空調環境とすることができる。必要があればヒータ１６６を用いることもできる。また、燃料電池スタック２２が十分暖まっていないときにはシャット弁１６８を閉じることで、冷たい冷媒を空調熱交換器１７０に送り込まないようにできる。そして、燃料電池スタックに２２にかなりの冷媒量を供給できるので、燃料電池スタック２２から速やかに熱を運び出すことができる。
【実施例１３】
【０１３４】
上記のように、加湿器５４に主冷却流路からの冷媒を通過させない形態の燃料電池の冷却システムにおいても、主冷却流路から第２熱交換器のための分流冷却流路及び空調熱交換器のための空調用分流冷却流路が分流する態様、及び循環ポンプの配置態様によって、冷媒の分配の仕方を様々に変更できる。したがって、主冷却流路からの分流位置と循環ポンプの配置位置とを切り換えることで、燃料電池運転システム１０の運転状況あるいは車両の運転状況に応じて、燃料電池スタックの冷却、第２熱交換器によるＡＣＰ（４８）及び供給ガスの熱交換、空調熱交換器による車室内の空調等を協調的に制御し、それぞれに適した冷媒量を供給することができる。
【０１３５】
例えば、冷却流路から第２熱交換器に冷媒を分流する分流流路の入口と出口の冷却流路上の位置を切り換える分流位置切換手段を備えることで、燃料電池スタックの運転状態に応じて分流位置を切り換えることで、燃料電池スタックにその運転状態に応じた冷媒量を供給することができる。
【０１３６】
また、冷却流路から空調熱交換器に冷媒を分流する分流流路の入口と出口の冷却流路上の位置を切り換える分流位置切換手段を備えるので、車室内温度等に応じて分流位置を切り換えることで、空調熱交換器に車室内温度に応じた冷媒量を供給することができる。
【実施例１４】
【０１３７】
図１６は、空調用分流冷却流路の構成を工夫し、空調熱交換器１７０に流す冷媒を、主冷却流路１０２と協調的に共通化もでき、あるいは空調熱交換器１７０のためのみの独立的に用いることもできる燃料電池の冷却システム４００の構成を示す図である。
【０１３８】
図１６の燃料電池の冷却システム４００においては、空調用分流冷却流路２０２は、３つの要素から構成される。すなわち、主冷却流路１０２から冷媒が取り入れられ戻される入出力流路２０４と、空調熱交換器１７０を通って冷媒が流れる空調分流流路２０６と、空調分流流路２０６と並列に配置される循環流路２０８とで、空調用分流冷却流路２０２の全体が構成される。
【０１３９】
図１６に示されるように、三方弁２１２が、入出力流路２０４と、空調分流流路２０６と、循環流路２０８の３つの流路の接続点に設けられる。したがって、入出力流路２０４と、空調分流流路２０６と、循環流路２０８間の接続関係は、三方弁２１２によって切り換えられる。その意味で、三方弁２１２は、空調分流流路２０６について、主冷却流路１０２につながる入出力流路２０４と循環流路２０８とに対する接続関係を切り換える手段である。切り換えのいくつかの態様については後述する。
【０１４０】
主冷却流路１０２に設けられる循環ポンプ１３０とは別の冷媒循環用のポンプが空調分流流路２０６に設けられる。このポンプを循環ポンプ１３０と区別して、第２循環ポンプ２２０と呼ぶことができる。空調分流流路２０６は、第２循環ポンプ２２０と、ヒータ２２２と、空調熱交換器１７０とが直列に配置される。図１６においては、三方弁２１２−第２循環ポンプ２２０−ヒータ２２２−空調熱交換器１７０の順に配置されているが、三方弁２１２の間の各要素の配置の順序は、これ以外の順序であってもよく、場合によってはさらに切換弁等を含めて並列配置するものとしてもよい。
【０１４１】
第２循環ポンプ２２０は、主冷却流路１０２における循環ポンプ１３０よりも小型の冷媒循環ポンプである。主冷却流路１０２における循環ポンプ１３０は、ラジエータ１１０、加湿器５４、燃料電池スタック２２を含む冷媒流路に冷媒を循環させ、迅速に熱交換させて冷媒の温度を適切に維持することができるように、大流量でも十分作動可能な容量のポンプが用いられる。これに対し、第２循環ポンプ２２０は、主に空調熱交換器１７０を中心に冷媒を循環させるためであるので、小型の容量のポンプを用いることができる。第２循環ポンプ２２０は小型であるので、主冷却流路１０２における循環ポンプ１３０と比べて、低流量において作動効率が良い。また、第２循環ポンプ２２０は、作動駆動しないときでも、冷媒が通過できるものがよい。こうすることで、第２循環ポンプ２２０を作動させないときでも、冷媒の流れの効率を低下させないことができる。
【０１４２】
入出力流路２０４は、主冷却流路１０２から三方弁２１２までの冷媒流路で、その意味で、主冷却流路１０２の一部の分岐流路と考えることもできる。循環流路２０８は、空調分流流路２０６と並列接続されることによってループ流路を形成するものである。
【０１４３】
次に、三方弁２１２による冷却流路の切り換えについて説明する。三方弁２１２の切り換え作動は、図示されていない冷却制御部によって、燃料電池スタック２２の運転状態に応じて行われる。なお、冷却制御部は、燃料電池運転システム１０の制御部７０がかねることもできる。図１７は、三方弁２１２の切り換えによって、空調分流流路２０６と循環流路２０８とを閉ループ状に接続する状態を示す図である。このとき、入出力流路２０４は、この閉ループ状流路から分離される。なお、流路の状態を分かりやすくするため、図１７では三方弁２１２を破線で示してある。具体的には、三方弁２１２は、空調分流流路２０６の一方側と循環流路２０８の一方側とを接続するように作動されることで、この閉ループ状流路が形成される。
【０１４４】
閉ループ状流路を形成することで、主冷却流路１０２とは独立に、第２循環ポンプ２２０によって、この閉ループ状流路内において冷媒を循環させることができる。つまり、ヒータ２２２と空調熱交換器１７０との間で冷媒を循環させることができる。この接続状態は、燃料電池スタック２２がまだ低温である運転状態のときに行うことがよい。これにより、燃料電池スタック２２によってまだ十分に暖められずに冷たいままの冷媒を空調熱交換器１７０に送り込まないようにできる。そして、ヒータ２２２と第２循環ポンプ２２０とを作動させることで、閉ループ状流路内の冷媒を十分暖めて空調熱交換器１７０に供給できる。これにより、車室１６２を効率よく迅速に暖めることができる。
【０１４５】
図１８は、三方弁２１２の切り換えによって、循環流路２０８を分離し、入出力流路２０４と空調分流流路２０６とを接続する状態を示す図である。ここでも図１７と同様に、流路の状態を分かりやすくするため、三方弁２１２を破線で示してある。具体的には、三方弁２１２は、主冷却流路１０２の冷媒の取り入れ側と接続される入出力流路２０４の一方側と、空調分流流路２０６の一方側とを接続するように作動される。これにより、循環流路２０８を分離し、入出力流路２０４と空調分流流路２０６とを直接接続し、空調分流流路２０６を、燃料電池スタック２２を流れる主冷却流路１０２に対し並列に配置することができる。
【０１４６】
この接続法は、基本的に図６、図１５の構成と同じである。つまり、空調用分流冷却流路２０２は、主冷却流路１０２と冷媒を共通化し、いわゆる協調制御が行われる。したがって、三方弁２１２は、空調分流流路２０６について、主冷却流路１０２と協調制御的な接続、あるいは独立制御的な接続に切り換える機能を有することになる。なお、この協調制御的な接続においては、第２循環ポンプ２２０の作動駆動は停止される。上記のように、この場合でも第２循環ポンプ２２０を自由に冷媒が通過できるので、空調分流流路２０６の冷媒の流れの効率は低下しない。
【０１４７】
協調制御が行われるのは、図６、図１５で説明したように、燃料電池スタック２２の運転によって暖められラジエータ１１０によって適当な温度に維持されて冷媒が循環しているときである。したがって、図１７の閉ループ状流路の接続法と、協調制御の接続法とは、燃料電池スタック２２の運転状態に応じて切り換えられる。例えば、燃料電池スタック２２がまだ暖まっていないときは、図１７の閉ループ状流路の接続法としてヒータ２２２と第２循環ポンプ２２０を作動させ空調熱交換器１７０に供給する冷媒の温度を上げ、燃料電池スタック２２が暖まって主冷却流路１０２の冷媒の温度が上昇してきたら、図１８の直接接続法に切り換え、ヒータ２２２の作動を停止させる。これにより、車室１６２の暖気のために要する動力を低減することができ、燃費を改善できる。
【０１４８】
図１７の閉ループ状流路の接続法と、図１８の直接接続法との間の切り換えタイミングは、燃料電池スタック２２の冷媒の温度、例えば冷却水温が所定の目標水温に到達するときとすることができる。あるいは、さらに燃費を改善するために、それよりも早期のタイミング、例えば、熱交換が可能で、目標水温に近い５０℃に到達したタイミング等で切り換えるものとしてもよい。
【０１４９】
図１９は、図１８の接続法の変形例である。ここでは、空調分流流路２０６を、主冷却流路１０２における燃料電池スタック２２上流側に戻している。そして、三方弁２１２は、主冷却流路１０２の冷媒の取り入れ側と接続される入出力流路２０４の一方側と、空調分流流路２０６の一方側とを接続するように作動される。これにより、循環流路２０８を分離し、入出力流路２０４と空調分流流路２０６とが直接接続されるが、そこで、第２循環ポンプ２２０を作動させ、主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０の作動を停止させる。主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０と第２循環ポンプ２２０の作動の切り換えは、図示されていない冷却制御部によって、燃料電池スタック２２の運転状態に応じて行われる。
【０１５０】
主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０が作動しないときは、主冷却流路１０２において冷媒は循環しない。その条件の下で、図１９の接続状態において第２循環ポンプ２２０を作動させると、冷媒は、第２循環ポンプ２２０−ヒータ２２２−空調熱交換器１７０−燃料電池スタック２２−第２循環ポンプ２２０の閉ループ内を循環できる。
【０１５１】
図１９で説明した作動状態は、燃料電池スタック２２がアイドル運転状態、あるいは間欠運転状態のように、低負荷運転状態のときに用いられることがよい。燃料電池スタック２２が低負荷運転状態のときは発熱量が少ないので、ラジエータ１１０による冷却が必要でないことが多い。そこで、主冷却流路１０２の大容量の循環ポンプ１３０の作動を停止し、代わって、小型の第２循環ポンプ２２０によって冷媒を循環させる。第２循環ポンプ２２０は低流量のときは大容量用の循環ポンプ１３０よりも作動効率がよい。すなわち、大容量の循環ポンプ１３０に比べ少ない電力で冷媒を効率よく循環でき、低負荷のときの燃費を向上させることができる。燃料電池スタック２２が中負荷あるいは高負荷のときは、図９で説明したように、第２循環ポンプ２２０の作動駆動を停止させ、主冷却流路１０２の循環ポンプ１３０の作動駆動のみによって冷媒を循環させる。これによって第２循環ポンプ２２０の駆動に要する電力を削減でき、中負荷及び高負荷のときの燃費を向上させることができる。
【０１５２】
また、図１７の閉ループ状流路の接続状態で冷媒を暖め、空調熱交換器１７０によって車室１６２を暖気したのち、ユーザによって車室１６２の空調がオフされたときは、ヒータ２２２を作動させたまま、図１８または図１９の直接接続状態に切り換える。空調オフによって空調熱交換器１７０から車室１６２に暖気を送るファン等がオフされるが、ヒータ２２２が作動しているので、暖かい冷媒が燃料電池スタック２２に供給され、燃料電池スタック２２を早期に暖機できる。
【符号の説明】
【０１５３】
１０  燃料電池運転システム、２０  システム本体部、２２  燃料電池スタック、２４
水素ガス源、２６  レギュレータ、２８  圧力計、３０  循環昇圧器、３２  分流器、３４  排気バルブ、４０  酸素供給源、４２  フィルタ、４４  流量計、４６  温度計、４８  ＡＣＰ、５０  モータ、５２  ＡＣＰ消費電力検出部、５４  加湿器、５６  圧力計、６０  調圧弁、６２  バイパス弁、６４  希釈器、７０  制御部、８０  供給ガスの流路、１００，１４０，１５０，１６０，１８０，２００，３００，３４０，３５０，３６０，３８０，４００  燃料電池の冷却システム、１０２  主冷却流路、１０４，１４４，１５４  分流冷却流路、１１０  ラジエータ、１１２，１６６，２２２  ヒータ、１１４  三方弁、１２０  第２熱交換器、１３０  循環ポンプ、１３２  イオン交換器、１６２  車室、１６４，２０２  空調用分流冷却流路、１６８  シャット弁、１７０  空調熱交換器、２０４  入出力流路、２０６  空調分流流路、２０８  循環流路、２１０，２１２  三方弁、２２０  第２循環ポンプ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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