(57)【要約】【課題】車両用の燃料電池において、燃料電池停止時の暖機に有効で、冷却システムの小型化が可能な燃料電池の冷却装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池用の冷却装置の具備する冷却回路において、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を液化する外部熱交換器と、外部熱交換器の下流に設置される減圧手段と、燃料電池のスタック本体を冷却した冷媒を収容するアキュムレータとが具備される。スタック本体は、減圧手段とアキュムレータの間において冷却回路に接続しており、冷却回路において、四方弁がコンプレッサと外部熱交換器との間、及びスタック本体とアキュムレータとの間に設置されて、四方弁は、コンプレッサから出る冷媒の流れを、冷却運転時にはその後外部熱交換器へ導き、暖機運転時にはその後スタック本体へ導く。【選択図】      図１
2004259615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の冷却装置がスタック本体を沸騰冷却により冷却しており更に前記スタック本体の暖機も可能な冷却装置において、この冷却装置は、
冷却回路を具備しており、前記冷却回路において、
気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、
冷却運転時に前記コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を液化する外部熱交換器と、
冷却運転時に前記外部熱交換器の下流に設置される減圧手段と、
前記スタック本体を冷却した冷媒を収容するアキュムレータと、
が具備されており、
前記スタック本体は、前記減圧手段と前記アキュムレータの間において前記冷却回路に接続しており、
前記冷却回路において、四方弁が前記コンプレッサと前記外部熱交換器との間の冷媒配管路、及び前記スタック本体と前記アキュムレータとの間の冷媒配管路に共に介在して接続するように設置されて、前記四方弁は、前記コンプレッサから出る冷媒の流れを、冷却運転時にはその後前記外部熱交換器へ導き、暖機運転時にはその後前記スタック本体へ導くことを特徴とする燃料電池用の冷却装置。
【請求項２】
前記冷却回路が更に蓄熱器を具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項３】
前記蓄熱器は前記四方弁と前記外部熱交換器との間に具備されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項４】
冷却運転時の前記外部熱交換器内の冷媒温度を、例えば１５０℃以上等の高い温度に設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項５】
冷媒圧力と冷媒温度の種類の組み合わせにより、−３５℃程度でも凍結しない、例えばプロピレン、クロロジフルオロメタン、プロパン等の冷媒を使用することにより、例えば−３０℃等の低外気温で燃料電池システムが起動可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項６】
冷却運転時において、冷媒封入量と圧力を調整して約８０℃で沸騰する、例えばプロピレン、クロロジフルオロメタン、プロパン等の冷媒を使用することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項７】
暖機運転において、前記蓄熱器に蓄熱した熱を、燃料電池システムの前記スタック本体以外の別の部位へ供給することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項８】
前記別の部位は、例えば高圧水素のボンベ本体、バルブ、及び配管、液体水素のボンベ本体、バルブ、及び配管、水素吸蔵のタンク本体、バルブ、及び配管、燃料改質器の本体、バルブ、及び配管、等であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項９】
前記燃料電池用の冷却装置は、空調装置に対しても共用されて、これらの両装置に共用されるデュアルシステムを構築することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項１０】
車両に使用されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項１１】
前記冷却回路が、熱交換器であるスーパーヒータを更に具備しており、
前記スーパーヒータは、前記コンプレッサに隣接して設置されていて、第１の熱交換部と第２の熱交換部とを具備しており、
前記第１の熱交換部には、前記アキュムレータから前記コンプレッサへ流れる前記コンプレッサの吸い込み側の冷媒が導入され、前記第２の熱交換部には前記コンプレッサから前記四方弁へ流れる前記コンプレッサの吐出側の冷媒の少なくとも一部が導入されており、
前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部との間で熱交換されて、コンプレッサの吸い込み側の冷媒が加熱されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【請求項１２】
前記冷却回路が、熱交換器であるスーパーヒータと、前記減圧手段に隣接して設置される減圧手段用四方弁とを更に具備しており、
前記スーパーヒータは、前記コンプレッサと前記アキュムレータとの間の冷却回路に設置されていて、第１の熱交換部と第２の熱交換部とを具備しており、
前記減圧手段用四方弁には、前記減圧手段に前後で接続する前記冷却回路の２つの冷媒配管がそれぞれ接続しており、更に前記冷媒通路からの冷媒配管と前記外部熱交換器からの冷媒配管がそれぞれ接続しており、
前記第１の熱交換部には、前記アキュムレータから前記コンプレッサへ流れる前記コンプレッサの吸い込み側の冷媒が導入され、前記第２の熱交換部には前記減圧手段用四方弁から前記減圧手段へ流れる前記コンプレッサの吐出側からの冷媒の少なくとも一部が導入されており、
前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部との間で熱交換されて、コンプレッサの吸い込み側の冷媒が加熱されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池用の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係り、より特別には車両搭載用の燃料電池に係わり、更には該燃料電池の暖機運転可能な冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池はその低公害性、高効率等の面から注目されており、車両のエネルギ源としても開発されつつある。車両において、その駆動源として燃料電池が使用される場合には、車両停止時からの始動において素速く燃料電池自体を所定の稼動適正温度まで暖機することが必要である。
車両搭載用の燃料電池の暖機システムとしてヒータにより燃料電池の冷却水を温めるシステム（装置）（例えば、特許文献１参照）が、従来技術において提案されている。この燃料電池の暖機システムは通常運転時は効率が良く優れたシステムである。しかし、電解質膜の耐久性を確保するために燃料電池が８０℃以下で運転されることで、通常運転時に外気へ放熱するために必要な外気温度との差が大きく取れないこと、並びに燃料電池の放熱量が過大であることのため、現状ではラジエータが２台必要であり、搭載上好ましくない。また、停止時に燃料電池本体が冷え切った後の再起動時には、通常運転温度まで加熱するために、膨大なエネルギーが必要となる。したがって、短時間で起動することが困難であり、効率も悪化するという問題が生じている。
また、燃料電池用の別の暖機システム（例えば、特許文献２参照）も提案されている。
【特許文献１】
特開平第７−９４２０２号（第３頁）
【特許文献２】
特開第２０００−１９５５３３号（第４頁）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の燃料電池の暖機システムにおいては種々の問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、燃料電池システムにおいて燃料電池停止時に、運転時より燃料電池自体の温度が低下する場合に適用可能で、燃料電池の冷却システムにおける放熱器の小型化のため適用されることが可能な燃料電池の冷却装置を提供する。
【０００４】
本発明の別の目的は燃料電池において、ヒートポンプ（冷却装置）と蓄熱器を適用することで、再起動時の使用電力を低減すること、並びに、ヒートポンプの外部熱交換器を小型化することが可能な燃料電池の冷却装置を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の形態では、上述した目的を達成するために、燃料電池用の冷却装置がスタック本体を沸騰冷却により冷却しており更に前記スタック本体の暖機も可能な冷却装置は、冷却回路を具備する。前記冷却回路において、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、冷却運転時に前記コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を液化する外部熱交換器と、冷却運転時に前記外部熱交換器の下流に設置される減圧手段と、前記スタック本体を冷却した冷媒を収容するアキュムレータとが具備される。前記スタック本体は、前記減圧手段と前記アキュムレータの間において前記冷却回路に接続する。前記冷却回路において、四方弁が前記コンプレッサと前記外部熱交換器との間の配管路、及び前記スタック本体と前記アキュムレータとの間の配管路に共に介在して接続するように設置されて、前記四方弁は、前記コンプレッサから出る冷媒の流れを、冷却運転時にはその後前記外部熱交換器へ導き、暖機運転時にはその後前記スタック本体へ導くことが特徴とされる。
【０００６】
この様に構成することにより、過大な燃料電池の放熱量をカバーするために大きくなったラジエータが冷凍サイクルシステム（装置）により代替されるので、燃料電池用の冷却装置を小型化可能である。更に停止時の冷えた燃料電池の暖機も可能であり、始動時間の短縮、及び暖機効率の向上による燃料電池自体の効率の改善が可能である。
【０００７】
本発明の請求項２の形態では、上記請求項１の形態において、前記冷却回路が更に蓄熱器を具備することを特徴とする。
本形態によれば、蓄熱器を組み込むことにより、通常時である冷却時に蓄熱、起動時に放熱することで、起動時の二次電池の消費電力を低減し、暖機時間を更に短縮し、冷却装置の小型化にも寄与する。
【０００８】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項２の形態において、前記蓄熱器は前記四方弁と前記外部熱交換器との間に具備されることを特徴とする。
本形態によれば、蓄熱器の設置位置をより具体化する。
【０００９】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項１から３の形態のいずれか一項において、冷却運転時の前記外部熱交換器内の冷媒温度を、例えば１５０℃以上等の高い温度に設定することを特徴とする。
本形態によれば、蓄熱量を大きくすると共に外部熱交換器の小型化を図る。
【００１０】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項１から４の形態のいずれか一項において、冷媒圧力と冷媒温度の種類の組み合わせにより、−３５℃程度でも凍結しない、例えばプロピレン、クロロジフルオロメタン、プロパン等の冷媒を使用することにより、暖機運転時において、例えば−３０℃等の低外気温で燃料電池システムが起動可能であることを特徴とする。
本形態によれば、冷媒が−３５℃程度でも凍結しないので、暖機運転時において、例えば−３０℃等の低外気温で燃料電池システムが起動可能である。
【００１１】
本発明の請求項６の形態では、上記請求項１から５の形態のいずれか一項において、冷却運転時において、冷媒封入量と圧力を調整して約８０℃で沸騰する、例えばプロピレン、クロロジフルオロメタン、プロパン等の冷媒を使用することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の電解質膜を効果的に働かせることが可能である。
【００１２】
本発明の請求項７の形態では、上記請求項２から６の形態のいずれか一項において、暖機運転において、前記蓄熱器に蓄熱した熱を、燃料電池システムの前記スタック本体以外の別の部位へ供給することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の廃熱を多数の構成要素に供給することにより、廃熱の有効利用が可能であり、燃料電池全体の効率の改善を図る。
【００１３】
本発明の請求項８の形態では、上記請求項７の形態において、前記別の部位は、例えば高圧水素のボンベ本体、バルブ、及び配管、液体水素のボンベ本体、バルブ、及び配管、水素吸蔵のタンク本体、バルブ、及び配管、燃料改質器の本体、バルブ、及び配管、等であることを特徴とする。
本形態によれば、前記請求項７の形態の前記別の部位をより具体化する。
【００１４】
本発明の請求項９の形態では、上記請求項１から８の形態のいずれか一項において、前記燃料電池用の冷却装置は、空調装置に対しても共用されて、これらの両装置に共用されるデュアルシステムを構築することを特徴とする。
本形態によれば、構成部品を低減すると共に、デュアルシステムの構築により、燃料電池と空調装置を含む装置全体の体格を小型化し、更にコストの低減を図る。
【００１５】
本発明の請求項１０の形態では、上記請求項１から９の形態のいずれか一項において、本冷却装置を具備する燃料電池が、車両に使用されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の用途をより具体化する。
【００１６】
本発明の請求項１１の形態では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記冷却回路が、熱交換器であるスーパーヒータを更に具備する。前記スーパーヒータは、前記コンプレッサに隣接して設置されていて、第１の熱交換部と第２の熱交換部とを具備する。前記第１の熱交換部には、前記アキュムレータから前記コンプレッサへ流れる前記コンプレッサの吸い込み側の冷媒が導入され、前記第２の熱交換部には前記コンプレッサから前記四方弁へ流れる前記コンプレッサの吐出側の冷媒の少なくとも一部が導入されており、前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部との間で熱交換されて、コンプレッサの吸い込み側の冷媒が加熱されることを特徴とする。
本形態によれば、コンプレッサの吸い込み側の冷媒を確実にガス化して、液冷媒を圧縮することを回避して、コンプレッサの故障を防ぐ。
【００１７】
本発明の請求項１２の形態では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記冷却回路が、熱交換器であるスーパーヒータと、前記減圧手段に隣接して設置される減圧手段用四方弁とを更に具備する。前記スーパーヒータは、前記コンプレッサと前記アキュムレータとの間の冷却回路に設置されていて、第１の熱交換部と第２の熱交換部とを具備する。前記減圧手段用四方弁には、前記減圧手段に前後で接続する前記冷却回路の２つの冷媒配管がそれぞれ接続しており、更に前記冷媒通路からの冷媒配管と前記外部熱交換器からの冷媒配管がそれぞれ接続する。前記第１の熱交換部には、前記アキュムレータから前記コンプレッサへ流れる前記コンプレッサの吸い込み側の冷媒が導入され、前記第２の熱交換部には前記減圧手段用四方弁から前記減圧手段へ流れる前記コンプレッサの吐出側からの冷媒の少なくとも一部が導入されており、前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部との間で熱交換されて、コンプレッサの吸い込み側の冷媒が加熱されることを特徴とする。
本形態によれば、コンプレッサの吸い込み側の冷媒を確実にガス化して、液冷媒を圧縮することを回避して、コンプレッサの故障を防ぐと共に、蒸発部の入口出口間のエンタルピ差を拡大することで効率（又は成績係数：ＣＯＰ）を増大する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の装置を詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第１の実施の形態を図解的に示しており、図１は本発明の冷却装置の概略的な構成とその通常運転時（冷却運転時）の概要を示し、図２は本発明の冷却装置の暖機運転時の概要を示す。
【００１９】
まず図１を参照すると、本実施の形態の冷却装置８が自動車用の燃料電池のスタック本体９に接続されており、通常運転時である冷却運転時の運転状態が図解的に示されている。冷却装置８は、冷却回路を具備しており、本実施の形態においてはこの冷却回路において、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサ３と、通常運転時に冷媒の熱を吸熱して蓄熱する蓄熱器５と、通常運転時にコンデンサとして作用する外部熱交換器６と、冷媒を膨張させて冷媒の気化に寄与する減圧手段７と、気化された冷媒を貯蔵し且つ液体の冷媒と分離するアキュムレータ２と、を図１に示すように更に具備する。
【００２０】
コンプレッサの吐出側と蓄熱器５の間には四方弁４が更に具備される。スタック本体９の冷媒通路１は、減圧手段７と四方弁４との間で、この冷却回路に接続する。従って、四方弁４には、コンプレッサ３からの冷媒配管と、蓄熱器５からの冷媒配管と、スタック本体９からの冷媒配管と、アキュムレータ２からの冷媒配管とが接続する。従って四方弁４は後に詳しく説明するように、通常運転である冷却運転と、暖機運転とで冷却回路を切り替える働きをする。四方弁４については、電磁式又は空気式等の遠隔作動式のものが好ましいが、手動式や温度等によって作動する自動式等のその他の種々の形式のものであっても良い。
【００２１】
冷媒については種々のものが使用可能であるが、燃料電池システム（装置）が外気温−３０℃等の低温でも起動できるように、停止時の冷媒圧力（負圧又は加圧下でも良い）と冷媒の種類を組み合わせることにより、例えば−３５℃程度でも凍結しない状態に設定可能な冷媒を使用することが好ましい。
また冷媒は、燃料電池の冷媒通路１において、通常運転時（冷却運転時）の冷媒封入量と圧力の調整で、電解質膜が効果的に働く温度約８０℃に冷媒の沸騰冷却状態で保てるような冷媒を使用することが好ましい。
上記の条件を満たす冷媒としては、例えばプロピレン（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ／Ｒ１２７０）、クロロジフルオロメタン（ｃｈｌｏｒｏｄｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅ／Ｒ２２）、プロパン（ｐｒｏｐａｎｅ／Ｒ２９０）等が考えられる。
しかし上記以外の冷媒を使用しても良い。
【００２２】
プロピレン（Ｒ１２７０）の場合は、通常運転時にはコンプレッサ３による圧縮後の外部熱交換器６の入口において圧力３８ｂａｒ以上、温度９０℃以上で、更にスタック本体９の冷媒通路１入口で８０℃以下で使用されることが好ましく、より好適には実質的に、外部熱交換器６の入口において圧力６０ｂａｒ、温度１２５℃で、スタック本体９の冷媒通路１入口で７５℃の気液二相状態で使用されることが好ましい。暖機運転時には圧縮後のスタック本体９の冷媒通路１の入口において温度６０℃以上８０℃以下の範囲で、外部熱交換器６の入口で−３５℃以下で使用されることが好ましく、より好適には実質的に、スタック本体９の冷媒通路１の入口において圧力１７．２ｂａｒ、温度８０℃で、外部熱交換器６の入口で−４０℃の気液二相状態で使用されることが好ましい。
クロロジフルオロメタン（Ｒ２２）の場合は、通常運転時にはコンプレッサ３による圧縮後の外部熱交換器６の入口において圧力３７ｂａｒ以上、温度９０℃以上で、更にスタック本体９の冷媒通路１入口で８０℃以下で使用されることが好ましく、より好適には実質的に、外部熱交換器６の入口において圧力６０ｂａｒ、温度１２８℃で、スタック本体９の冷媒通路１入口で７５℃の気液二相状態で使用されることが好ましい。暖機運転時には圧縮後のスタック本体９の冷媒通路１の入口において温度６０℃以上８０℃以下の範囲で、外部熱交換器６の入口で−３５℃以下で使用されることが好ましく、より好適には実質的に、スタック本体９の冷媒通路１の入口において圧力９．７ｂａｒ、温度８０℃で、外部熱交換器６の入口で−４０℃の気液二相状態で使用されることが好ましい。
プロパン（Ｒ２９０）の場合は、通常運転時にはコンプレッサ３による圧縮後の外部熱交換器６の入口において圧力３２ｂａｒ以上、温度９０℃以上で、更にスタック本体９の冷媒通路１入口で８０℃以下で使用されることが好ましく、より好適には実質的に、外部熱交換器６の入口において圧力５０ｂａｒ、温度１２０℃で、スタック本体９の冷媒通路１入口で７５℃の気液二相状態で使用されることが好ましい。暖機運転時には圧縮後のスタック本体９の冷媒通路１の入口において温度６０℃以上８０℃以下の範囲で、外部熱交換器６の入口で−３５℃以下で使用されることが好ましく、より好適には実質的に、スタック本体９の冷媒通路１の入口において圧力１９．１ｂａｒ、温度８０℃で、外部熱交換器６の入口で−４０℃の気液二相状態で使用されることが好ましい。
【００２３】
減圧手段７については、冷媒を減圧して膨張させることが出来る装置であれば良く、例えば通常の減圧弁、キャピラリ、絞り等が使用可能である。コンプレッサ３、蓄熱器５、外部熱交換器６、アキュムレータ２等の冷却装置８の構成要素についても、それぞれ各種の既知なタイプの装置が使用可能であり、それらのタイプ等を限定するものではない。またそれらの機器の仕様についても、燃料電池システムの設計条件に合わせて適当に設定され、選定される。燃料電池システム自体の設計条件、仕様等は様々に変化可能であり、本発明は種々の仕様の燃料電池システムに適用可能である。
【００２４】
次に、本実施の形態の作動について説明する。図１は通常運転時（冷却運転時）の作動状態を示し、図２は暖機運転時の作動状態を示す。
先ず図１の通常運転時において、コンプレッサ３は気体の冷媒を圧縮する。冷媒はコンプレッサ３により断熱圧縮されて、加圧されると共に外気温と十分な温度差（例えば１００℃程度）を確保出来るまでその温度が上昇する。通常運転時において図１に示すように、四方弁４はコンプレッサ３と蓄熱器５を連絡し、燃料電池スタック本体９の冷媒通路１とアキュムレータ２を連絡する状態に設定される。従って高圧高温の冷媒は、蓄熱器５に導かれ、蓄熱器５は冷媒から吸熱し熱を蓄える。更に冷媒は外部熱交換器６に導かれる。この際外部熱交換器６内の冷媒の温度を、例えば１５０℃以上等に高く設定して蓄熱量を大きくすることが好ましく、これにより外部熱交換器６は小型化出来る。冷媒は蓄熱器５及び外部熱交換器６において放熱し冷却され液化される。
【００２５】
液化された冷媒は、減圧手段７を通り減圧されて適当な圧力に設定され更にスタック本体９の冷媒通路１に導かれ、ここでスタック本体９と熱交換することにより液体の冷媒は加熱されて沸騰する。この様に冷却装置８の実施するヒートポンプサイクルは、燃料電池スタック本体９の冷媒通路１で冷媒が沸騰することで、スタック本体９の熱を奪い冷却して燃料電池自体を電解質膜の適度な作動温度（例えば８０℃程度）に保つ。冷媒は更に四方弁４を通りアキュムレータ２に導かれ貯められると共に、ここで気化された冷媒に含まれる液体冷媒を分離する。コンプレッサ３は気体の冷媒を吸引し圧縮する。この様に冷媒は冷却装置（ヒートポンプ）８の冷却回路を循環する。上記で説明したように、冷却装置８の通常運転時のヒートポンプサイクルは、通常の冷凍サイクルである。
【００２６】
次に図２を参照して暖機運転時の作動を説明する。図２の暖機運転時において、ヒートポンプサイクルは四方弁４で通常運転時に対して流れを切り換えることで、熱交換部分が通常運転時と逆に作動する。すなわち、外部熱交換器６の作動は、外気から熱を吸収するエバポレータとなり、燃料電池スタック本体９の冷媒通路１では冷媒は凝縮して燃料電池に熱を与えるコンデンサの作動となる。
図２の暖機運転時において、四方弁４はコンプレッサ３と燃料電池スタック本体９の冷媒通路１を連絡すると共に、蓄熱器５とアキュムレータ２を連絡する状態に設定される。やはりコンプレッサ３は気体の冷媒を断熱圧縮し、冷媒は加圧されると共にその温度が適切な温度まで上昇する。高圧高温の冷媒は、スタック本体９の冷媒通路１に導かれ、ここでスタック本体９と熱交換してスタック本体９を加熱する。ここで冷媒の少なくとも一部は冷却されて凝縮し液化可能である。
【００２７】
冷却された冷媒は、減圧手段７を通り減圧されて適当な圧力に設定され更に外部熱交換器６を介して蓄熱器５に導かれ、ここで蓄熱器５は通常運転時に蓄えた熱を放熱して冷媒を加熱し、液化された冷媒は沸騰気化する。例え外部熱交換器６での加熱量が少なくても、この様に蓄熱器５は暖機を助け速めると共に、燃料電池が十分な発電を始めるまで２次電池の電力消費量を低減する。冷媒は更に四方弁４を通りアキュムレータ２に導かれ貯められると共に、ここで気化された冷媒に含まれる液体冷媒を分離する。コンプレッサ３は気体の冷媒を吸引し圧縮する。やはりこの様に冷媒は冷却装置（ヒートポンプ）８の冷却回路を循環する。上記で説明したように、冷却装置８の暖気運転時のヒートポンプサイクルは加熱のサイクルである。
図１及び図２において冷却回路に付された矢印は冷媒の流れの方向を示している。
【００２８】
図２の冷却回路は、冷媒が減圧手段７と外部熱交換器６とをバイパスして流れるように、バイパス回路及びそのために必要な弁等配管付属品を具備しても良い。あるいは、減圧手段７として例えば減圧弁等が使用される場合には、弁等を回路に配設して図１と同じ方向で減圧手段７を冷媒が流れるように回路が切り替えられても良い。もちろん減圧手段７は可逆で流すことが可能なタイプであっても良い。
【００２９】
ここで、燃料電池スタック本体９の冷媒通路１は、種々の構成が考えられるが、好適な例を図３と４に示す。図３においては、スタック本体９の燃料電池単体において複数の冷媒通路１は全て平行に（パラレル）配置されており、冷媒は燃料電池単体の一方の端部から入りそれの他方の端部から出る。一方図４においては、スタック本体９の燃料電池単体において平行に配置された複数の冷媒通路１の群が、燃料電池単体の一方の端部から入り、それの他方の端部で折り返し、この配置を繰り返し、図４に示すように折り返しの直列的に（シリーズ）配置されても良い。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態では、上記第１の実施の形態において、蓄熱器５の熱を燃料電池システムの水素供給系等の別の構成要素へ供給し暖機する構成であり、これを図５に示す。ここでは図５を参照すると、図１に開示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図５の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００３１】
図５の第２の実施の形態において第１の実施の形態に加えて、蓄熱器５と四方弁４との間に分岐ライン１３と電磁弁等の分岐弁１２を設け、分岐ライン１３を介して冷媒を別の装置１１に供給し、通常運転時において蓄熱器５に蓄えられた熱により、暖機運転時において燃料電池システムに含まれる構成要素である別の装置１１を更に暖機する。別の装置１１は、例えば燃料電池システムの水素供給系の各部であって良い。従って別の装置１１は、高圧水素ボンベ本体、バルブ、配管等や、液体水素ボンベ本体、バルブ、配管等や、水素吸蔵タンク本体、バルブ、配管等や、燃料改質器本体、バルブ、配管等、あるいは車室内空間等を含んでも良い。別の装置１１は前記のもの以外のもの又は装置を含んでも良い。
【００３２】
別の装置１１を暖機した冷媒はアキュムレータ２に戻り、やはり冷却回路を循環する。
上記の実施の形態とは別に、分岐ライン１３及び分岐弁１２は四方弁４と燃料電池スタック本体９との間に設けられても良く、あるいは燃料電池スタック本体９と減圧手段７との間に設けられても良い。分岐ライン１３及び分岐弁１２は必要に応じて冷却回路の適当な位置に設置されることが可能である。本実施の形態の作動は第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
本発明の第３の実施の形態では、上記第１の実施の形態において、冷凍サイクルを実施可能な冷却装置８を車室の空調システム（装置）に共用して、ヒートポンプである冷却装置８と車室内空調システムを１つのコンプレッサ３で稼動するデュアルシステムとする構成であり、これを図６に示す。ここでは図６を参照すると、図１に開示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図６の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００３４】
図６の第３の実施の形態において第１の実施の形態に加えて、減圧手段７とスタック本体９との間に分岐ライン２３と電磁弁等の分岐弁２２を設け、分岐ライン２３を介して冷媒を空調システム（装置）２１に供給し、通常（冷却）運転時において、燃料電池スタック本体９を冷却すると共に、コンプレッサ３等を使用して車両室冷房用の空調システムにも冷媒を供給し空調を行う。本デュアルシステムは、燃料電池の暖気運転及び空調の暖房運転にも使用可能である。
【００３５】
空調システムで稼動した冷媒はアキュムレータ２に戻り、やはり冷却回路を循環する。
上記の実施の形態とは別に、分岐ライン２３及び分岐弁２２は四方弁４と蓄熱器５との間に設けられても良い。あるいは分岐ライン２３及び分岐弁２２は必要に応じて冷却回路の適当な位置に設置されることが可能である。
本実施の形態の作動は第１の実施の形態と同様である。
【００３６】
本発明の第４の実施の形態では、上記第１の実施の形態において、スーパーヒータ３０をヒートポンプである冷却装置８が追加で具備する構成であり、これを図７に示す。ここでは図７を参照すると、図１に開示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図７の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００３７】
図７の第４の実施の形態において、第１の熱交換部３１と第２の熱交換部３２を具備するスーパーヒータ３０が図７に示すように、コンプレッサ３に隣接するヒートポンプサイクル回路に設置される。第１の熱交換部３１は、コンプレッサ３の吸い込み側とアキュムレータ２との間に設置されてコンプレッサ３の吸い込み側の低温の冷媒が導入されており、第２の熱交換部３２は、コンプレッサ３の吐出側と四方弁４との間に設置されてコンプレッサ３の吐出側の高温の冷媒の少なくとも一部が導入される。第１の熱交換部３１と第２の熱交換部３２との間で、即ち既に熱交換して低圧低温になった冷媒と、コンプレッサ３により圧縮された高圧高温の冷媒との間で、熱交換が行われて、コンプレッサ３の吸い込み側の低温の冷媒は加熱される。この様にアキュムレータ２直後のコンプレッサ３の吸い込み側の低温冷媒をコンプレッサ後の高温冷媒で加熱することで、吸い込み側冷媒の温度上昇を１０℃程度確保して、吸い込み側の冷媒を確実にガス化するように構成することにより、コンプレッサ３が液状冷媒を吸引することを防止して、コンプレッサ３の故障を防止する。第２の熱交換部３２にバイパスライン等が設けられて、第２熱交換部３２を流れるコンプレッサ３の吐出側の冷媒の流量が調整可能に構成されても良い。
本実施の形態のその他の構成及び作動は、第１の実施の形態と同様である。
【００３８】
本発明の第５の実施の形態では、上記第１の実施の形態において、スーパーヒータ３０をヒートポンプである冷却装置８がやはり追加で具備する構成であり、これを図８に示す。ここでは図８を参照すると、図１に開示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図８の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００３９】
図８の第５の実施の形態において、第１の熱交換部３１と第２の熱交換部３２を具備するスーパーヒータ３０が図８に示すように、コンプレッサ３の吸い込み側のヒートポンプサイクル回路に設置される。更に、減圧手段用四方弁３３が、減圧手段７に隣接するヒートポンプサイクル回路に図８に示されるように設置されており、通常（冷却）運転時と暖機運転時で減圧手段７を通る高圧高温の冷媒の向きが同じになるように構成される。従って、第１の熱交換部３１は、コンプレッサ３の吸い込み側とアキュムレータ２との間に設置されてコンプレッサ３の吸い込み側の低温の冷媒が導入されており、第２の熱交換部３２は、第２の四方弁３３と減圧手段７との間に設置されてコンプレッサ３の吐出側の高温の冷媒で減圧手段７を通る前の冷媒の少なくとも一部が導入される。第１の熱交換部３１と第２の熱交換部３２との間で、即ち既に熱交換して低圧低温になった冷媒と、コンプレッサ３により圧縮された後に冷却されて液化されたまだ高圧高温の冷媒との間で、熱交換が行われて、コンプレッサ３の吸い込み側の低温の冷媒は加熱される。この様にアキュムレータ２直後のコンプレッサ３の吸い込み側の低温冷媒をコンプレッサ後の高温冷媒で加熱することで、吸い込み側冷媒の温度上昇を１０℃程度確保して、吸い込み側の冷媒を確実にガス化するように構成することにより、コンプレッサ３が液状冷媒を吸引することを防止して、コンプレッサ３の故障を防止する。
【００４０】
本実施の形態に関連する作動についてより詳しく説明する。暖機運転時において、コンプレッサ３で圧縮された高圧高温の冷媒は、四方弁４を介して燃料電池のスタック本体９の冷媒通路１に導入されてスタック本体９を暖機した後に、減圧手段用四方弁３３を介して第２の熱交換部３２に導入されて第１の熱交換部３１を通る冷媒を加熱して、減圧手段７に導入される。その後、冷媒は減圧手段用四方弁３３、外部熱交換器６、蓄熱器５、四方弁４の経路を辿りアキュムレータ２に戻る。
一方、通常運転時において、コンプレッサ３で圧縮された高圧高温の冷媒は、四方弁４を介して蓄熱器５、外部熱交換器６に導入されてこれらの機器で放熱した後に、減圧手段用四方弁３３を介して第２の熱交換部３２に導入されて第１の熱交換部３１を通る冷媒を加熱して、減圧手段７に導入される。その後、冷媒は減圧手段用四方弁３３、燃料電池のスタック本体９の冷媒通路１、四方弁４の経路を辿りアキュムレータ２に戻る。この様に本実施の形態においては、コンプレッサ３の吐出側冷媒が最初の熱交換器において放熱した後で減圧手段７により減圧される前の、より高圧でより高温の高エンタルピの冷媒が、第２の熱交換部３２に導入されるように構成される。
前記第４の実施の形態と同様に、第２の熱交換部３２にバイパスラインが設けられて、第２の熱交換部３２を流れる冷媒の流量が調整可能に構成されても良い。
本実施の形態のその他の構成及び作動は、第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により以下の効果が期待できる。
・  過大な燃料電池の放熱量をカバーするために大きくなったラジエータを冷凍サイクルシステム（装置）により代替することにより、燃料電池用の冷却装置を小型化可能である。
・  停止時の冷えた燃料電池の迅速な暖機が可能であり、始動時間の短縮が可能である。
・  蓄熱器を冷却装置に組み込むことにより、通常時である冷却時に蓄熱し、起動時に放熱することで、起動時の二次電池の消費電力を低減し、冷却装置の小型化にも寄与する。
・  蓄熱量を大きくした蓄熱器を採用することにより、外部熱交換器の小型化を図る。
・  冷媒が−３５℃程度でも凍結しないよう出来るので、暖機運転時において、例えば−３０℃等の低外気温で燃料電池システムが起動可能である。
・  冷却運転時において、冷媒封入量と圧力を調整して約８０℃で沸騰する冷媒を使用して、燃料電池の電解質膜が効果的に働く温度である約８０℃に保つことで、燃料電池全体を効率良く働かせることが可能である。
【００４２】
本発明の第２の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。
・  燃料電池の廃熱を多数の構成要素に供給することにより、廃熱の有効利用が可能であり、燃料電池システム全体の効率の改善が可能である。
【００４３】
本発明の第３の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。
・  空調と燃料電池システムの全体から見ると、構成部品を低減可能である。
・  デュアルシステムの構築により、燃料電池と空調装置を含む装置全体の体格を小型化する。
・  燃料電池システム、空調システムを含む車両等の設備全体のコストを低減可能である。
【００４４】
本発明の第４の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。
・  コンプレッサの吸い込み側の冷媒を確実にガス化して、液冷媒の圧縮を回避して、コンプレッサの故障を防ぐ。
【００４５】
本発明の第５の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。
・  コンプレッサの吸い込み側の冷媒を確実にガス化して、液冷媒の圧縮を回避して、コンプレッサの故障を防ぐと共に、蒸発部の入口出口間のエンタルピ差を拡大することで効率（又は成績係数：ＣＯＰ）を増大する。
【００４６】
また、本実施例では本発明が車両用の燃料電池に適用される例を示したが、車両用以外の燃料電池に適用されても良く、本発明の適用対象を車両用に限定するものではない。
上記実施例に示す冷却回路の構成は、基本的なものを示しており、保守、安全、制御、機能上から種々の追加の構成要素が追加的に具備されても良く、また構成機器及び要素の位置又は順序を一部を変えて構成されても良く、この様な変形形態は当業者には明らかである。
【００４７】
上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第１の実施の形態の概略的な構成とその通常運転時（冷却運転時）の概要を図解的に示す。
【図２】図２は、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第１の実施の形態の概略的な構成とその暖機運転時の概要を図解的に示す。
【図３】図３は、燃料電池スタック本体９の冷媒通路１の構成の好適な例を示す。
【図４】図４は、燃料電池スタック本体９の冷媒通路１の構成の別の好適な例を示す。
【図５】図５は、蓄熱器５の熱を燃料電池システムの水素供給系等の別の構成要素へ供給し暖機する構成を具備する、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第２の実施の形態の概略的な構成とその運転の概要を図解的に示す。
【図６】図５は、デュアルシステムの構成を具備する、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第３の実施の形態の概略的な構成とその運転の概要を図解的に示す。
【図７】図７は、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第４の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【図８】図８は、本発明に係る燃料電池用の冷却装置の第５の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【符号の説明】
１…冷媒通路
２…アキュムレータ
３…コンプレッサ
４…四方弁
５…蓄熱器
６…外部熱交換器
７…減圧手段
８…冷却装置（ヒートポンプ）
９…燃料電池スタック本体
【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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