(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に通流する冷媒を循環させて当該燃料電池を冷却すると共に、当該燃料電池を通流した冷媒の排熱により空調ラインの空調気体を加熱可能な燃料電池システムであって、
冷媒を冷却する第１の熱交換器を有し、冷媒を前記燃料電池に循環させる冷却ラインと、
冷媒を前記空調ラインの空調気体と熱交換する第２の熱交換器を有し、冷媒を前記燃料電池に循環させる排熱利用ラインと、
前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御する流動制御手段と、を備え、
前記流動制御手段は、前記冷却ラインでの冷媒の流動を開始した後で、前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する燃料電池システム。
【請求項２】
前記空調ラインの空調気体の送風を実行するための指示をユーザが入力可能な入力手段を、更に備え、
前記流動制御手段は、前記入力手段の入力結果に基づいて、前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流動制御手段は、前記入力手段への入力があったときに、前記冷却ラインでの冷媒の流動を前記排熱利用ラインでの流動に優先して開始し、前記入力手段への入力がないときに、前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を遮断して前記冷却ラインで冷媒を流動させる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流動制御手段は、前記燃料電池の始動時には、前記入力手段への入力がないときでも、前記冷却ラインでの冷媒の流動の開始後に前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始して、前記排熱利用ラインで冷媒を所定時間だけ流動させる請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流動制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記冷却ラインでの冷媒の流動を開始した後で、前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の停止から次の始動までの時間を計測するタイマ手段を更に備え、
前記流動制御手段は、前記タイマ手段の計測結果に基づいて、前記燃料電池の始動時における前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する開始時間を可変する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
冷媒の温度を検出する温度センサを更に備え、
前記流動制御手段は、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記燃料電池の始動時における前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する開始時間を可変する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流動制御手段は、前記燃料電池の間欠運転時に、前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインの少なくとも一方で冷媒を流動させる請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記流動制御手段は、前記燃料電池の間欠運転時に、前記冷却ラインでの冷媒の流動を前記排熱利用ラインでの流動に優先して開始する請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記流動制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記排熱利用ラインでの流動を前記冷却ラインでの冷媒の流動に優先して停止する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記流動制御手段は、
前記冷却ラインで冷媒を圧送する冷却側ポンプと、
前記排熱利用ラインで冷媒を圧送する排熱利用側ポンプと、
前記冷却側ポンプおよび前記排熱利用側ポンプの駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記冷却側ポンプの駆動を開始した後で、前記排熱利用側ポンプの駆動を開始する請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記冷却側ポンプによる冷媒の流量が前記排熱利用側ポンプによる冷媒の流量よりも大きくなるように流量制御する請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
冷媒の温度を検出する温度センサを更に備え、
前記制御手段は、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記冷却側ポンプ及び前記排熱利用側ポンプの駆動を制御する請求項１１又は１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記排熱利用ラインは、前記燃料電池の冷媒出口側において前記冷却ラインとの分岐点及び合流点に接続されており、
前記合流点より上流の前記冷却ラインに設けられ、当該合流点から前記燃料電池の冷媒出口への冷媒の流れを阻止する逆止弁を、更に備えた請求項１１ないし１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記流動制御手段は、
前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインで冷媒を圧送する単一のポンプと、
前記ポンプの駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記冷却ラインでの流路抵抗は、当該冷却ラインの冷媒が前記排熱利用ラインの冷媒よりも優先して前記燃料電池に通流し始めるように、前記排熱利用ラインでの流路抵抗よりも低く設定されている請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記流動制御手段は、
前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインで冷媒を圧送する単一のポンプと、
前記燃料電池に対して、前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインの冷媒の通流を切り替える切替え弁と、
前記ポンプの駆動および前記切替え弁を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に対して前記排熱利用ラインの冷媒の通流を開始する場合には、前記切替え弁を前記冷却ライン側に切り替えて、前記燃料電池に対して前記冷却ラインの冷媒の通流を開始する請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインには、前記燃料電池の冷媒入口側で冷媒を合流させるための合流点が構成されていると共に、前記燃料電池の冷媒出口側で冷媒を分岐させるための分岐点が構成されている請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池に通流する冷媒を循環させて当該燃料電池を冷却すると共に、当該燃料電池を通流した冷媒の排熱により空調ラインの空調気体を加熱可能な燃料電池システムであって、
冷媒を冷却する第１の熱交換器を有し、冷媒を前記燃料電池に循環させる冷却ラインと、
冷媒を前記空調ラインの空調気体と熱交換する第２の熱交換器を有し、冷媒を前記燃料電池に循環させる排熱利用ラインと、
前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御する流動制御手段と、を備え、
前記流動制御手段は、前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインの冷媒を合流させて前記燃料電池に通流する際に、前記排熱利用ラインよりも前記冷却ラインの冷媒の流量が大きくなるように流量制御する燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池に通流する冷媒を循環させて当該燃料電池を冷却すると共に、当該燃料電池を通流した冷媒の排熱により空調ラインの空調気体を加熱可能な燃料電池システムであって、
冷媒を冷却する第１の熱交換器を有し、冷媒を前記燃料電池に循環させる冷却ラインと、
冷媒を前記空調ラインの空調気体と熱交換する第２の熱交換器を有し、前記燃料電池の冷媒入口側で前記冷却ラインに合流し且つ前記燃料電池の冷媒出口側で前記冷却ラインから分岐する排熱利用ラインと、
前記燃料電池をバイパスして冷媒を流動させるバイパスラインと、
前記冷却ライン、前記排熱利用ラインおよび前記バイパスラインでの冷媒の流動を制御する流動制御手段と、を備え、
前記流動制御手段は、前記バイパスラインで冷媒を流動させて、前記冷却ラインおよび前記排熱利用ラインの冷媒を混合した後、前記バイパスラインでの冷媒の流動を遮断して前記燃料電池に冷媒を循環させる燃料電池システム。
【請求項２０】
冷媒を冷却する熱交換器と、
前記熱交換器と燃料電池との間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、
前記熱交換器をバイパスして、前記循環通路の冷媒を前記燃料電池に供給するバイパス通路と、
前記熱交換器および前記バイパス通路への冷媒の通流を設定する流体弁と、
前記流体弁および前記ポンプを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記流体弁の開度を当該始動前の初期開度から所定開度に変更した後、前記ポンプの駆動を開始させるものであり、
前記初期開度は、前記流体弁が前記熱交換器および前記バイパス通路への少なくとも一方に冷媒を通流可能な開度であり、
前記所定開度は、前記流体弁が少なくとも前記バイパス通路への冷媒を通流可能な開度である燃料電池の冷却装置。
【請求項２１】
冷媒の温度を検出する温度センサを更に備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記温度センサの検出結果に基づいて前記流体弁を前記所定開度に設定する請求項２０に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２２】
前記温度センサは、前記循環通路および前記バイパス通路に亘って複数が設けられ、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記複数の温度センサの検出結果に基づいて前記流体弁を前記所定開度に設定する請求項２１に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２３】
前記燃料電池における冷媒の温度を検出する第１の温度センサと、
前記熱交換器における冷媒の温度を検出する第２の温度センサと、を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサによる検出結果の温度差に基づいて、前記流体弁を前記所定開度に設定する請求項２０に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２４】
前記制御手段は、前記温度差が閾値以上のときに、前記流体弁の前記所定開度として、当該流体弁が前記熱交換器への冷媒の通流を遮断し且つ前記バイパス通路への冷媒を通流可能な開度に設定する請求項２３に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２５】
前記所定開度は、前記流体弁が前記バイパス通路側に対して全開状態となる開度であり、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記流体弁を前記全開状態とするゼロ点調整後に、前記ポンプの駆動を開始させる請求項２４に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２６】
前記所定開度は、前記流体弁が前記熱交換器側に対して全閉状態となる開度である請求項２０ないし２２のいずれか一項に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２７】
前記所定開度は、前記流体弁が前記バイパス通路に対して全開状態となる開度であり、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記流体弁を前記全開状態とするゼロ点調整後に、前記ポンプの駆動を開始させる請求項２０ないし２２のいずれか一項に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２８】
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記初期開度の前記流体弁のゼロ点調整後に当該流体弁を前記所定開度に変更する請求項２０ないし２２のいずれか一項に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項２９】
前記制御手段は、前記流体弁のゼロ点調整として、前記流体弁を前記バイパス通路側に対して全開状態にする請求項２８に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３０】
前記制御手段は、前記流体弁のゼロ点調整として、前記流体弁を前記熱交換器側に対して全開状態にする請求項２８に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３１】
前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記流体弁を前記初期開度に設定する請求項２０ないし３０のいずれか一項に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３２】
冷媒を冷却する熱交換器と、
前記熱交換器と燃料電池との間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、
前記熱交換器をバイパスして、前記循環通路の冷媒を前記燃料電池に供給するバイパス通路と、
前記熱交換器および前記バイパス通路への冷媒の通流を設定する流体弁と、
前記流体弁および前記ポンプを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記ポンプの駆動を停止した後に前記流体弁を所定の初期開度に設定するものであり、
前記初期開度は、前記流体弁が前記熱交換器への冷媒を通流可能な開度である燃料電池の冷却装置。
【請求項３３】
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記流体弁を前記初期開度から所定開度に変更した後、前記ポンプの駆動を開始させるものであり、
前記所定開度は、前記流体弁が少なくとも前記バイパス通路への冷媒を通流可能な開度である請求項３２に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３４】
冷媒を冷却する熱交換器と、
前記熱交換器と燃料電池との間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、
前記熱交換器をバイパスして、前記循環通路の冷媒を前記燃料電池に供給するバイパス通路と、
前記熱交換器および前記バイパス通路への冷媒の通流を設定する流体弁と、
前記流体弁および前記ポンプを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記ポンプの駆動の開始に優先して、前記流体弁をゼロ点調整すると共にこのゼロ点調整後の開度を所定開度に変更するものであり、
前記所定開度は、前記流体弁が少なくとも前記バイパス通路への冷媒を通流可能な開度である燃料電池の冷却装置。
【請求項３５】
前記流体弁は、ロータリバルブである請求項２０ないし３４のいずれか一項に記載の燃料電池の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を循環供給して燃料電池を冷却する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電気化学反応は発熱反応である。この発電時の燃料電池の温度を一定に保つために、燃料電池システムには燃料電池の冷却装置が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
この冷却装置は、燃料電池とラジエータとの間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、ラジエータをバイパスするバイパス通路と、ラジエータ側およびバイパス通路側のどちらに冷媒を流すかを切り替えるサーモスタットバルブと、を有している。サーモスタットバルブは、このサーモスタットバルブを流れる冷媒の温度に基づいて切替え動作を行う。また、この冷却装置では、燃料電池の暖機運転時（始動時）における冷媒の放熱を抑制するために、単一のケースに、燃料電池、バイパス通路およびサーモスタットバルブを収容している。
また、燃料電池を通流した冷媒を熱源として空調に利用する燃料電池システムも知られている。例えば特許文献２に記載の燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載され、燃料電池を通流した冷媒の排熱を車室内の暖房に使用する。この燃料電池システムは、燃料電池に冷媒を循環させるライン（冷媒循環系）として、ラジエータを有する冷却ラインと、冷媒を空調気体と熱交換可能なヒータコアを有する排熱利用ラインと、を備える。車室内の暖房需要がある場合には、冷却ラインおよび排熱利用ラインで冷媒が流動する。これにより、ラジエータを通過した冷媒とヒータコアを通過した冷媒とが合流して燃料電池に流入する。
【特許文献１】特開２００４−１５８２７９号公報（第４頁および第１図）
【特許文献２】特開２００１−３１５５２４号公報（第１図）
【発明の開示】
【０００３】
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の始動時は、冷媒が低温であることを前提としている。このため、始動時には、低温の冷媒によりサーモスタットバルブがバイパス通路側に切替え動作する一方、このときにポンプを駆動するようにしている。そして、燃料電池の発電に伴い冷媒が比較的高温となると、サーモスタットバルブがラジエータ側に切替え動作する。
しかしながら、燃料電池の始動時であっても、冷媒の温度が高い場合がある。具体的には、燃料電池の停止から短時間後では、ケース内の燃料電池とケース外のラジエータとの間では冷媒の放熱量に差がある。このため、燃料電池側では比較的高温の冷媒が存在し、ラジエータ側では比較的低温の冷媒が存在する。
この両者の温度差が大きい状態で燃料電池を再始動すると、サーモスタットバルブには燃料電池側の比較的高温の冷媒が流入する。すると、サーモスタットバルブがラジエータ側に切替え動作してしまい、本来の仕様に反する事態となるおそれがあった。また、サーモスタッドバルブがラジエータ側に切替え動作してしまうと、ラジエータ側の比較的低温の冷媒が燃料電池に流入する。このため、燃料電池で急激な温度変化が生じる。この結果、燃料電池に熱衝撃を与え、燃料電池のセパレータに歪が生じるおそれがあった。
このように、従来の燃料電池の冷却装置では、燃料電池の再始動を考慮して流体弁（サーモスタットバルブ）の切替えを含む開度設定を行うものでなかった。しかも、流体弁が仕様外の開度の状態で冷媒の流動（ポンプの駆動）が行われることにより、燃料電池に温度変化に起因した悪影響を与えるおそれがあった。
一方、特許文献２の燃料電池システムでは、暖房需要がない場合には、冷却ラインのみを流動した冷媒が燃料電池を循環する。この場合、排熱利用ラインの冷媒の温度は、変化しないため、冷却ラインの冷媒の温度に比べて低いままとなる。ここで、燃料電池システムの運転を一旦停止し、その後に再起動した場合に暖房需要があると、排熱利用ラインの比較的低温の冷媒が、比較的高温の冷媒が残留する燃料電池に流入する。このため、燃料電池内で急激な温度変化が生じてしまう。この結果、燃料電池に熱衝撃を与えることになり、燃料電池のセパレータに歪が生じたり、水蒸気の凝縮によるフラッディングが生じたりするなど、燃料電池に温度変化に起因した悪影響を与えるおそれがあった。
本発明は、冷媒に起因した燃料電池の温度変化を抑制できる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
具体的には、本発明は、排熱利用ラインの冷媒に起因した燃料電池の温度変化を抑制することできる燃料電池システムを提供することと、燃料電池の始動時に燃料電池での温度変化を抑制することができる燃料電池システム（燃料電池の冷却装置）を提供することとをその目的とする。
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に通流する冷媒を循環させて燃料電池を冷却すると共に、燃料電池を通流した冷媒の排熱により空調ラインの空調気体を加熱可能な燃料電池システムであって、冷媒を冷却する第１の熱交換器を有し、冷媒を燃料電池に循環させる冷却ラインと、冷媒を空調ラインの空調気体と熱交換する第２の熱交換器を有し、冷媒を燃料電池に循環させる排熱利用ラインと、冷却ラインおよび排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御する流動制御手段と、を備え、流動制御手段は、冷却ラインでの冷媒の流動を開始した後で、排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始するものである。
この構成によれば、排熱利用ラインでの冷媒の流動が冷却ラインでの冷媒の流動よりも遅れるため、燃料電池に通流が開始される冷媒は冷却ラインの冷媒となる。これにより、冷却ライン（燃料電池）と排熱利用ラインとの間で冷媒に温度差が大きかったとしても、燃料電池の温度変化を抑制することが可能となる。特に、冷却ラインでの冷媒の流量が十分に増大してから、排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始すれば、燃料電池の温度変化を好適に抑制することができる。この排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する際、その流量が徐々に上昇するように設定することで、さらに好適に燃料電池の温度変化を抑制することができる。
好ましくは、空調ラインの空調気体の送風を実行するための指示をユーザが入力可能な入力手段を更に備え、流動制御手段は、入力手段の入力結果に基づいて、冷却ラインおよび排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御するとよい。
この構成によれば、ユーザの暖房需要の有無に応じて、冷却ラインおよび排熱利用ラインで冷媒を適切に流動させることができる。
好ましくは、流動制御手段は、入力手段への入力があったときに、冷却ラインでの冷媒の流動を排熱利用ラインでの流動に優先して開始するとよい。また、入力手段への入力がないときに、排熱利用ラインでの冷媒の流動を遮断して冷却ラインで冷媒を流動させるとよい。
この構成によれば、ユーザが暖房を使用するために入力手段に入力したときには、冷媒は排熱利用ラインに優先して冷却ラインで流動し始めるため、上記のように、燃料電池の温度変化を抑制し得る。また、ユーザが暖房を使用しないために入力手段への入力がなされなかったときには、排熱利用ラインでは冷媒が流動しないため、空調気体を加熱せずに済むと共に、冷却ラインで流動する冷媒によって燃料電池を適切に冷却することができる。
好ましくは、流動制御手段は、燃料電池の始動時には、入力手段への入力がないときでも、冷却ラインでの冷媒の流動の開始後に排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始して、排熱利用ラインで冷媒を所定時間だけ流動させるとよい。
例えば夏場など、暖房を使用する頻度が低い場合に暖房を長期間使用しないと、排熱利用ラインの冷媒はそこに滞留し得る。このため、排熱利用ラインに異物が堆積したり、藻が発生したりするなど不具合が生じるおそれがある。上記構成によれば、燃料電池の始動時には、いったん排熱利用ラインの冷媒を流動させるため、暖房需要の有無を問わず、上記の不具合を適切に回避することができる。また、排熱利用ラインに冷媒を流動させるタイミングを燃料電池の始動時としているため、この制御を燃料電池の運転時に行う場合に比べて、制御を単純化することができる。
好ましくは、流動制御手段は、燃料電池の始動時に、冷却ラインでの冷媒の流動を開始した後で、排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始するとよい。
この構成によれば、冷却ライン（燃料電池）と排熱利用ラインとの間で冷媒の温度差が大きくなり易い燃料電池の始動時（上記の課題で述べた再始動時）に、排熱利用ラインの冷媒に起因した燃料電池の温度変化を抑制できる。また、排熱利用ラインの冷媒が滞留することによる不具合を、制御性よく回避できる。
好ましくは、燃料電池システムは、燃料電池の停止から次の始動までの時間を計測するタイマ手段を更に備え、流動制御手段は、タイマ手段の計測結果に基づいて、燃料電池の始動時における排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する開始時間を可変するとよい。
この構成によれば、燃料電池の停止時間（停止時の放置時間）に応じて、排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する開始時間を可変することができる。これにより、例えば、その停止時間が比較的長い場合には、排熱利用ラインおよび冷却ラインの冷媒の流動を同時に開始することができる。また、停止時間が比較的短い場合には、排熱利用ラインでの冷媒の流動開始を冷却ラインに比べて十分に遅らせることができる。
好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、冷媒の温度を検出する温度センサを更に備え、流動制御手段は、温度センサの検出結果に基づいて、燃料電池の始動時における排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する開始時間を可変してもよい。
この構成によれば、冷媒の温度に応じて、排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始する開始時間を可変することができる。これにより、燃料電池での温度変化を好適に抑制することができる。なお、温度センサは複数の箇所に設けられることが好ましく、例えば冷却ラインおよび排熱利用ラインの両者に設けられることが好ましい。
好ましくは、流動制御手段は、燃料電池の間欠運転時に、冷却ラインおよび排熱利用ラインの少なくとも一方で冷媒を流動させるとよい。
ここで、燃料電池の間欠運転とは、燃料電池から負荷への電力供給を一時的に停止し、二次電池から負荷への電力供給を行うものである。間欠運転は、燃料電池に間欠的（断続的）に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、燃料電池の開放端電圧を所定範囲内に維持することで行われる。
上記構成とすることで、間欠運転時に燃料電池に冷媒を通流させることができる。つまり、間欠運転時に、燃料電池への冷媒の通流を続行することができるため、燃料電池の温度管理を適切に行い得る。
好ましくは、流動制御手段は、燃料電池の間欠運転時に、冷却ラインでの冷媒の流動を排熱利用ラインでの流動に優先して開始するとよい。
この構成によれば、間欠運転時に排熱利用ラインの冷媒を流動させるなら、冷却ラインの冷媒を先に流動させることができる。これにより、間欠運転時の燃料電池の温度変化を好適に抑制し得る。
好ましくは、流動制御手段は、燃料電池の停止時に、排熱利用ラインでの流動を冷却ラインでの冷媒の流動に優先して停止することが、好ましい。
この構成によれば、上記同様に、燃料電池の停止時に排熱利用ラインおよび冷却ラインの冷媒を流動させているなら、先ず排熱利用ラインの冷媒の流動を停止させることができる。これにより、停止時の燃料電池の温度変化を好適に抑制し得る。
好ましくは、流動制御手段は、冷却ラインで冷媒を圧送する冷却側ポンプと、排熱利用ラインで冷媒を圧送する排熱利用側ポンプと、冷却側ポンプおよび排熱利用側ポンプの駆動を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、冷却側ポンプの駆動を開始した後で、排熱利用側ポンプの駆動を開始するとよい。
この構成によれば、冷却ラインおよび排熱利用ラインに個別のポンプを設けているので、各ラインでの冷媒の流動を適切に制御することができる。また、二つのポンプを協調して駆動開始タイミングを制御することで、上記した冷却ラインの冷媒の流動を開始後に排熱利用ラインの冷媒の流動開始を実行することができる。
好ましくは、制御手段は、冷却側ポンプによる冷媒の流量が排熱利用側ポンプによる冷媒の流量よりも大きくなるように流量制御するとよい。
この構成によれば、ポンプによる流量制御により、冷却ラインでの冷媒の流量が十分に増大してから、排熱利用ラインでの冷媒の流動を開始することができ、燃料電池の温度変化を好適に抑制することができる。この種の流量制御としては、ポンプの回転数制御や、デューティー比制御がある。
好ましくは、燃料電池システムは、冷媒の温度を検出する温度センサを更に備え、制御手段は、温度センサの検出結果に基づいて、冷却側ポンプ及び排熱利用側ポンプの駆動を制御するとよい。
この構成によれば、冷媒の温度に応じて、各ポンプの駆動条件を変更することができる。こうすることで、例えば、冷却ラインと排熱利用ラインとの間で温度差がない場合には、各ポンプの駆動を同時に開始することもできる。なお、温度センサは複数の箇所に設けられることが好ましく、例えば冷却ラインおよび排熱利用ラインの両者に設けられることが好ましい。
好ましくは、排熱利用ラインは、燃料電池の冷媒出口側において冷却ラインとの分岐点及び合流点に接続されており、この合流点より上流の冷却ラインには、合流点から燃料電池の冷媒出口への冷媒の流れを阻止する逆止弁が設けられていることが、好ましい。
この構成によれば、排熱利用ラインを流れる冷媒が燃料電池の冷媒出口へと流入することを阻止できる。これにより、排熱利用ラインの冷媒の温度が燃料電池の温度よりも低い場合でも、燃料電池に温度変化を与えなく済む。
好ましい一態様によれば、流動制御手段は、冷却ラインおよび排熱利用ラインで冷媒を圧送する単一のポンプと、ポンプの駆動を制御する制御手段と、を備え、冷却ラインでの流路抵抗は、冷却ラインの冷媒が排熱利用ラインの冷媒よりも優先して燃料電池に通流し始めるように、排熱利用ラインでの流路抵抗よりも低く設定されていてもよい。
この構成によれば、上記構成に比べてポンプを一つ削減することができ、制御手段によるポンプの制御を簡素化することができる。一つのポンプで冷却ラインおよび排熱利用ラインの両者で冷媒を圧送するようにしたため、両者の流路抵抗を上記のように設定することで、冷却ラインでの冷媒の流動を排熱利用ラインに優先して開始させることが可能となる。
ここで、流路抵抗を設定する圧損チューニングとして、例えば、排熱利用ラインの管径を冷却ラインの管径よりも十分に小さくすればよい。あるいは、排熱利用ラインの途中に、冷媒が流れにくくなるようなオリフィスなどの絞り部を設けてもよい。
好ましい一態様によれば、流動制御手段は、冷却ラインおよび排熱利用ラインで冷媒を圧送する単一のポンプと、燃料電池に対して、冷却ラインおよび排熱利用ラインの冷媒の通流を切り替える切替え弁と、ポンプの駆動および切替え弁を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、燃料電池に対して排熱利用ラインの冷媒の通流を開始する場合には、切替え弁を冷却ライン側に切り替えて、燃料電池に対して冷却ラインの冷媒の通流を開始してもよい。
この構成によれば、冷却ラインおよび排熱利用ラインの圧損チューニングによらなくとも、切替え弁の制御により、燃料電池に対して冷却ラインの冷媒の通流を排熱利用ラインに優先して開始させることが可能となる。
好ましくは、冷却ラインおよび排熱利用ラインには、燃料電池の冷媒入口側で冷媒を合流させるための合流点が構成されていると共に、燃料電池の冷媒出口側で冷媒を分岐させるための分岐点が構成されているとよい。
この構成によれば、冷媒は燃料電池の出口側で分岐して冷却ラインおよび排熱利用ラインを流動し、再び燃料電池の入口側で合流して燃料電池に通流する。
上記目的を達成するべく、本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池に通流する冷媒を循環させて燃料電池を冷却すると共に、燃料電池を通流した冷媒の排熱により空調ラインの空調気体を加熱可能な燃料電池システムであって、冷媒を冷却する第１の熱交換器を有し、冷媒を燃料電池に循環させる冷却ラインと、冷媒を空調ラインの空調気体と熱交換する第２の熱交換器を有し、冷媒を燃料電池に循環させる排熱利用ラインと、冷却ラインおよび排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御する流動制御手段と、を備える。そして、流動制御手段は、冷却ラインおよび排熱利用ラインの冷媒を合流させて燃料電池に通流する際に、排熱利用ラインよりも冷却ラインの冷媒の流量が大きくなるように流量制御する。
この構成によれば、冷却ライン（燃料電池）と排熱利用ラインとの間で冷媒に温度差があったとしても、排熱利用ラインよりも冷却ラインの冷媒の流量が大きいため、両者の合流した冷媒の温度は、冷却ラインの冷媒に近い温度になる。これにより、冷媒の温度差が大きかったとしても、排熱利用ラインの冷媒に起因した燃料電池の温度変化を抑制することが可能となる。
上記目的を達成するべく、本発明の別の燃料電池システムは、燃料電池に通流する冷媒を循環させて燃料電池を冷却すると共に、燃料電池を通流した冷媒の排熱により空調ラインの空調気体を加熱可能な燃料電池システムであって、冷媒を冷却する第１の熱交換器を有し、冷媒を燃料電池に循環させる冷却ラインと、冷媒を空調ラインの空調気体と熱交換する第２の熱交換器を有し、燃料電池の冷媒入口側で冷却ラインに合流し且つ燃料電池の冷媒出口側で冷却ラインから分岐する排熱利用ラインと、燃料電池をバイパスして冷媒を流動させるバイパスラインと、冷却ライン、排熱利用ラインおよびバイパスラインでの冷媒の流動を制御する流動制御手段と、を備える。そして、流動制御手段は、バイパスラインで冷媒を流動させて、冷却ラインおよび排熱利用ラインの冷媒を混合した後、バイパスラインでの冷媒の流動を遮断して燃料電池に冷媒を循環させる。
この構成によれば、冷却ライン（燃料電池）と排熱利用ラインとの間で冷媒に温度差があったとしても、先ずはバイパスラインに冷媒を流動させることで冷却ラインおよび排熱利用ラインの冷媒が混合される。これにより、冷却ラインおよび排熱利用ラインにおいて、部分的に冷媒の温度が異なっていても、冷媒の温度が平準化される。このため、上記同様に、排熱利用ラインの冷媒に起因した燃料電池の温度変化を抑制することが可能となる。
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、冷媒を冷却する熱交換器と、熱交換器と燃料電池との間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、熱交換器をバイパスして、循環通路の冷媒を燃料電池に供給するバイパス通路と、熱交換器およびバイパス通路への冷媒の通流を設定する流体弁と、流体弁およびポンプを制御する制御手段と、を備える。そして、制御手段は、燃料電池の始動時に、流体弁の開度を当該始動前の初期開度から所定開度に変更した後、ポンプの駆動を開始させる。
この構成によれば、燃料電池の始動時に、流体弁は初期開度から所定開度へと開度設定され、その後でポンプが駆動を開始する。このため、流体弁が仕様に適した開度になったところで、循環される冷媒を燃料電池に供給することができ、燃料電池での温度変化を抑制することが可能となる。
ここで、「所定開度に変更した後」には、この変更に遅延してポンプの駆動開始となる場合のほか、この変更と同時にポンプの駆動開始となる場合が含まれる。
好ましくは、燃料電池システムは、冷媒の温度を検出する温度センサを更に備え、制御手段は、燃料電池の始動時に、温度センサの検出結果に基づいて流体弁を所定開度に設定するとよい。
この構成によれば、冷媒の温度に応じて流体弁を所定開度に設定することができ、燃料電池での温度変化を好適に抑制することができる。
好ましくは、温度センサは、循環通路およびバイパス通路に亘って１つまたは複数が設けられ、制御手段は、燃料電池の始動時に、複数の温度センサの検出結果に基づいて流体弁を所定開度に設定するとよい。
この構成によれば、複数の温度センサにより複数の位置で冷媒の温度を検出することができる。これにより、複数の検出結果を加味して流体弁を所定開度に設定することができ、冷却装置の制御性および信頼性を高めることができる。
ここで、複数の温度センサは、燃料電池の冷媒流入口側およびその冷媒流出口側、並びに熱交換器の上流側およびその下流側などに設ければよい。燃料電池の冷媒流出口側の温度センサによれば、燃料電池内の冷媒の温度を好適に反映することができる。また、熱交換器の下流側の温度センサによれば、熱交換器内の冷媒の温度を好適に反映することができる。
好ましくは、燃料電池システムは、燃料電池における冷媒の温度を検出する第１の温度センサと、熱交換器における冷媒の温度を検出する第２の温度センサと、を更に備え、制御手段は、燃料電池の始動時に、第１の温度センサおよび第２の温度センサによる検出結果の温度差に基づいて、流体弁を所定開度に設定するとよい。
この構成によれば、燃料電池側の冷媒と熱交換器側の冷媒との温度差に応じて流体弁を所定開度に設定することができる。
ここで、第１の温度センサは、燃料電池における冷媒の温度を反映する温度を検出可能であればよい。このため、第１の温度センサを燃料電池内に設けずに、燃料電池の冷媒流出口側の循環通路に設ければよい。同様に、第２の温度センサは、熱交換器における冷媒の温度を反映する温度を検出可能であればよい。このため、第２の温度センサを熱交換器内に設けずに、熱交換器の下流側の循環通路に設ければよい。
好ましくは、制御手段は、温度差が閾値以上のときに、流体弁の所定開度として、流体弁が熱交換器への冷媒の通流を遮断し且つバイパス通路への冷媒を通流可能な開度に設定するとよい。
この構成によれば、温度差が大きい場合に、熱交換器側の比較的低温の冷媒を燃料電池側の比較的高温の冷媒に合流させなくて済むため、燃料電池での温度変化を好適に抑制できる。
ここで、「バイパス通路への冷媒を通流可能な開度」には、流体弁がバイパス通路側に対して全開状態となる開度のみならず、一部開いた状態となる開度が含まれる。
好ましくは、所定開度は、流体弁がバイパス通路側に対して全開状態となる開度であり、制御手段は、燃料電池の始動時に、流体弁を全開状態とするゼロ点調整後に、ポンプの駆動を開始させるとよい。
この構成によれば、ポンプの駆動開始に優先して、流体弁がバイパス通路側に全開状態となっており、このとき流体弁のゼロ点調整が行われる。すなわち、上記の温度差が閾値以上のときには、流体弁のゼロ点調整を兼ねて、バイパス通路側にのみ冷媒を通流可能な状態にすることができる。ゼロ点調整により、燃料電池の発電時には、流体弁の開度を高精度に制御することが可能となる。
好ましい一態様によれば、所定開度は、流体弁が少なくともバイパス通路への冷媒を通流可能な開度であってもよい。
この構成によれば、燃料電池の始動時には、少なくともバイパス通路側に流した冷媒を燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池での温度変化を良好に抑制することができる。
なお、「少なくともバイパス通路への冷媒を通流可能」とする場合には、バイパス通路側にのみ、またはバイパス通路側および熱交換器側の両方に、冷媒を通流させる場合を意味する。後者の場合の比率（通流比）は、例えば上記の冷媒温度に応じて適宜設定可能である。
好ましくは、所定開度は、流体弁が熱交換器側に対して全閉状態となる開度である。
この構成によれば、燃料電池の始動時に、熱交換器側の冷媒を燃料電池に確実に供給させなくて済む。このため、燃料電池での温度変化を確実に抑制することができる。
好ましい一態様によれば、所定開度は、流体弁がバイパス通路に対して全開状態となる開度であり、制御手段は、燃料電池の始動時に、流体弁を全開状態とするゼロ点調整後に、ポンプの駆動を開始させてもよい。
この構成によれば、バイパス通路側にのみ冷媒を通流させる流体弁の設定をポンプの駆動開始に優先して行う際に、流体弁のゼロ点調整を兼ねることができる。また、ゼロ点調整により、燃料電池の発電時の流体弁の開度制御を高精度にし得る。
好ましい一態様によれば、制御手段は、燃料電池の始動時に、初期開度の流体弁のゼロ点調整後に流体弁を所定開度（すなわち、流体弁が少なくともバイパス通路への冷媒を通流可能な開度。）に変更してもよい。
この構成によれば、燃料電池の始動時には、少なくともバイパス通路側に流した冷媒を燃料電池に供給することができる。このため、燃料電池での温度変化を良好に抑制することができる。また、この前に流体弁のゼロ点調整を行うため、燃料電池の発電時に流体弁の開度制御を高精度に行い得る。
好ましくは、制御手段は、流体弁のゼロ点調整として、流体弁をバイパス通路側に対して全開状態にするとよい。
この構成によれば、ゼロ点調整後に、流体弁をバイパス通路側への上記の所定開度に迅速に設定することができる。
好ましい一態様によれば、制御手段は、流体弁のゼロ点調整として、流体弁を熱交換器側に対して全開状態にしてもよい。
この構成によれば、例えばゼロ点調整後に流体弁が故障により開度設定不能になったとしても、燃料電池の発電時には、熱交換器で冷却された冷媒が燃料電池に供給される。これにより、燃料電池のオーバーヒートを防止することができる。すなわち、フェイルセーフを達成することができる。
好ましくは、初期開度は、流体弁が熱交換器への冷媒を通流可能な開度である。
この構成によれば、燃料電池の停止時に、燃料電池側の冷媒の自然放熱を促進することができる。また、例えば熱交換器側へのゼロ点調整を迅速に行うことが可能となる。流体弁が固着した場合などの故障時に、燃料電池のオーバーヒートを防止し得る。
好ましい一態様によれば、初期開度は、流体弁がバイパス通路への冷媒を通流可能な開度であってもよい。
この構成によれば、例えばバイパス通路側へのゼロ点調整を迅速に行うことが可能となる。
好ましい一態様によれば、初期開度は、流体弁が熱交換器およびバイパス通路への両方に冷媒を通流可能な開度であってもよい。
この構成によれば、流体弁の故障時に、発電中の燃料電池の過冷却および過熱を抑制することができ、フェイルセーフを好適に達成することができる。また、例えば熱交換器側およびバイパス通路側のどちら側にもゼロ点調整を迅速に行い得る。
好ましくは、制御手段は、燃料電池の停止時に、流体弁を初期開度に設定するとよい。
この構成によれば、燃料電池の始動時に流体弁を所望の初期開度に適切に設定することができる。なお、燃料電池の停止時に、ポンプの駆動を停止した後に流体弁を初期開度に設定することが好ましい。
上記目的を達成するべく、本発明の他の燃料電池システムは、冷媒を冷却する熱交換器と、熱交換器と燃料電池との間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、熱交換器をバイパスして、循環通路の冷媒を燃料電池に供給するバイパス通路と、熱交換器およびバイパス通路への冷媒の通流を設定する流体弁と、流体弁およびポンプを制御する制御手段と、を備える。そして、制御手段は、燃料電池の停止時に、ポンプの駆動を停止した後に流体弁を所定の初期開度に設定する。この場合、初期開度は、流体弁が熱交換器への冷媒を通流可能な開度であることが、好ましい。
これらの構成によれば、燃料電池の停止時にポンプの駆動を停止して冷媒の循環を停止し、その後で流体弁が所定の初期開度に設定される。燃料電池の停止時に、流体弁が故障により開度設定不能になったとしても、燃料電池の発電時には、熱交換器で冷却された冷媒が燃料電池に供給されるため、燃料電池のオーバーヒートを防止することができる。すなわち、燃料電池での温度変化を抑制して、フェイルセーフを達成することができる。
好ましくは、制御手段は、燃料電池の始動時に、流体弁を初期開度から所定開度に変更した後、ポンプの駆動を開始させるとよい。
この構成によれば、燃料電池の始動時に、流体弁は初期開度から所定開度へと開度設定され、その後でポンプが駆動を開始する。このため、流体弁が仕様に適した開度になったところで、冷媒を燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池の始動時に、その温度変化を抑制することが可能となる。
上記目的を達成するべく、本発明の別の燃料電池システムは、冷媒を冷却する熱交換器と、熱交換器と燃料電池との間で冷媒をポンプにより循環させる循環通路と、熱交換器をバイパスして、循環通路の冷媒を燃料電池に供給するバイパス通路と、熱交換器およびバイパス通路への冷媒の通流を設定する流体弁と、流体弁およびポンプを制御する制御手段と、を備える。そして、制御手段は、燃料電池の始動時に、ポンプの駆動の開始に優先して、流体弁をゼロ点調整すると共にこのゼロ点調整後の開度を所定開度に変更する。
この構成によれば、燃料電池の始動時に、流体弁はゼロ点調整されると共に所定開度へと開度設定され、その後でポンプが駆動を開始する。このため、燃料電池の始動時には、流体弁が仕様に適した開度になったところで、冷媒を燃料電池に供給することができ、燃料電池での温度変化を抑制することが可能となる。また、ゼロ点調整により、燃料電池の発電時の流体弁の開度制御を高精度に行うことができる。
好ましくは、流体弁はロータリバルブであることが、好ましい。
この構成によれば、温度制御にセンシティブな燃料電池に、適切に且つ精度良く対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図５は、第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図６は、第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図７は、第６実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図８は、第７実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図９は、第８実施形態に係る燃料電池システムに設けられた燃料電池の冷却装置を示す構成図である。
図１０は、第８実施形態に係る燃料電池の冷却装置の処理フローを示しており、燃料電池の始動時におけるフローチャートである。
図１１は、第９実施形態に係る燃料電池の冷却装置の処理フローを示しており、燃料電池の停止時におけるフローチャートである。
図１２は、第１０実施形態に係る流体弁としてのロータリバルブを模式的に示す斜視図である。
図１３（Ａ）〜（Ｃ）は、図１２に示すロータリバルブの開度について模式的に説明する断面図である。
図１４は、第１１実施形態に係る燃料電池の冷却装置のタイムチャートである。
図１５は、第１２実施形態に係る燃料電池の冷却装置のタイムチャートである。
図１６は、第１３実施形態に係る燃料電池の冷却装置のタイムチャートである。
図１７は、第１４実施形態に係る燃料電池の冷却装置のタイムチャートである。
図１８は、第１５実施形態に係る燃料電池の冷却装置のタイムチャートである。
図１９は、第１６実施形態に係る燃料電池システムに設けられた燃料電池の冷却装置を示す構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、燃料電池に冷媒を循環供給する冷媒循環系を備え、冷媒循環系は、燃料電池と所定の温度差がある冷媒が燃料電池に流入するのを抑制するものである。以下では、排熱利用を考慮した構成の燃料電池システムと、排熱利用とは別の観点を考慮した構成の燃料電池システムとについて説明する。
具体的には、第１実施形態〜第７実施形態（図１〜図８）では、燃料電池を冷却した冷媒の排熱を利用する燃料電池システムについて説明する。概要を簡単に説明すると、この燃料電池システムは、自動車などの燃料電池車両に搭載されるものである。そして、燃料電池システムは、メインの冷却ラインの冷媒により燃料電池を冷却すると共に、燃料電池を冷却した冷媒の排熱を例えば車室内を暖房するのに利用するものである。この本発明の燃料電池システムの特徴部分は、冷却ラインおよび排熱利用ラインでの冷媒の流動を制御することで、排熱利用ラインの低温の冷媒によって燃料電池に熱衝撃を与えないようにしたことである。
また、第８実施形態〜第１６実施形態（図９〜図１９）では、排熱利用とは別の観点を考慮した他の燃料電池システムについて説明する。概要を簡単に説明すると、燃料電池システムは燃料電池の冷却装置を有し、この冷却装置は、発電に伴う燃料電池の温度を低減して、発電時の燃料電池の温度管理を行うものである。本発明の燃料電池システムの主な特徴部分は、燃料電池の冷却装置が流体弁およびポンプについて所定の制御を行うことで、発電時はもとより、燃料電池の始動時（暖機時）に燃料電池の温度変化を好適に抑制したことである。
＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池システムの冷却系を示すシステム図である。
燃料電池システム１は、基本単位となる多数の単セルを積層したスタック構造の燃料電池２と、システム全体を統括制御する制御装置３（図２参照）と、を有している。燃料電池２は、その周辺の検出機器などと一緒にスタックケース５に収容されている。スタックケース５は、金属や硬質樹脂により形成され、車室の床下などにブラケット等を介して固定される。燃料電池２には、図外の配管ラインにより、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池２は、これら両ガスの電気化学反応によって発電すると共に、発熱する。
燃料電池２としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載に好適な固体高分子電解質型で構成されている。図示省略したが、燃料電池２の単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）をメタルなどの一対のセパレータで挟持して構成されている。スタック構造の燃料電池２の内部流路としては、燃料ガスの流路、酸化剤ガスの流路、および冷却水の流路が設けられている。これらの流路は、主としてセパレータの面内に形成されている。燃料電池２は、その冷却水の内部流路に冷媒としての冷却水を通流されて、冷却される。
燃料電池システム１は、燃料電池２に冷却水を循環させるライン（冷媒循環系）として、図示左側の冷却ライン１０と、図示右側の排熱利用ライン１１と、を有している。冷却ライン１０と排熱利用ライン１１とには、燃料電池２の冷却水入口２ａ側で冷却水を合流させるための合流点１３が構成されていると共に、燃料電池２の冷却水出口２ｂ側で冷却水を分岐させるための分岐点１４が構成されている。なお、合流点１３および分岐点１４に三方弁などの弁を設けて、合流点１３での冷却水の合流の遮断や、分岐点１４での冷却水の一方側のみへの分岐などを行える構成としてもよい。
冷却ライン１０には、燃料電池２から排出される冷却水を冷却するラジエータ２１と、ラジエータ２１をバイパスするバイパス通路２２と、冷却ライン１０の冷却水を圧送する冷却側ポンプ２３と、ラジエータ２１およびバイパス通路２２への冷却水の通流を設定する切替え弁２４と、が設けられている。冷却ライン１０は、燃料電池２の冷却水出口２ｂからラジエータ２１の入口までの第一通路３１と、ラジエータ２１の出口から切替え弁２４の第一ポート２４ａまでの第二通路３２と、切替え弁２４の第二ポート２４ｂから燃料電池２の冷却水入口２ａまでの第三通路３３と、により主として構成されている。
ラジエータ２１（第１の熱交換器）は、燃料電池２の発電反応により昇温した冷却水を導く通路を内部に有しており、冷却水は、ラジエータ２１内の通路を通過することで外気と熱交換される（放熱される）。ラジエータ２１は、例えば車両の前部に設けられる。ラジエータ２１には、その内部の通路に外気を送風するためのファン２６が併設されている。ファン２６は、ラジエータ２１での冷却水の冷却を促進する。ファン２６は、制御装置３に接続されており、その駆動を制御装置３に制御される。
バイパス通路２２は、その上流端が第一通路３１の冷却側ポンプ２３の下流側に接続され、下流端が切替え弁２４の第三ポート２４ｃに接続されている。バイパス通路２２には、冷却作用のある補助機器は設けられていない。
冷却側ポンプ２３は、制御装置３に接続されており、制御装置３によりその駆動を制御される。冷却側ポンプ２３の駆動が開始されることで冷却ライン１０の冷却水が流動し、燃料電池２の温度が所定範囲内に保たれるようになる。そして、冷却側ポンプ２３の駆動が停止されることで冷却ライン１０の冷却水の流動が停止する。なお、冷却側ポンプ２３の位置をラジエータ２１の上流側としたが、もちろんラジエータ２１や切替え弁２４の下流側としてもよい。
切替え弁２４は、上記の第一ポート２４ａ、第二ポート２４ｂおよび第三ポート２４ｃを有する三方弁構造を有している。切替え弁２４は、例えばロータリバルブからなり、冷却水をラジエータ２１およびバイパス通路２２の一方に、またはこの両方に切り替えることができるように構成されている。
例えば、切替え弁２４がラジエータ２１側に切り替えられたときには、冷却ライン１０はラジエータ２１と燃料電池２との間で冷却水を循環させる循環通路として機能する。一方、切替え弁２４がバイパス通路２２側に切り替えられたときには、冷却ライン１０は、ラジエータ２１を迂回して冷却水を燃料電池２に循環供給する循環通路として機能する。この場合には、ラジエータ２１による放熱効果を受けない冷却水が燃料電池２に流入する。
切替え弁２４は、弁の開度を調整可能に構成され、ラジエータ２１およびバイパス通路２２への冷却水の流入量を調整可能に構成されている。切替え弁２４は、制御装置３に接続されており、制御装置３からの出力信号によって切替え動作を含む弁の開度を制御される。この種の切替え弁２４は、例えばソレノイドによって駆動される電磁弁タイプや、モータによって駆動される電動弁タイプや、圧電素子や磁歪素子などの電気・磁気力によって駆動されるタイプで構成することができる。
排熱利用ライン１１には、燃料電池２から排出される冷却水を空調気体と熱交換するヒータコア４１（第２の熱交換器）と、排熱利用ライン１１の冷却水を圧送する排熱利用側ポンプ４２と、が設けられている。排熱利用ライン１１は、燃料電池２から排出される冷却水の排熱を利用して、空調気体を加熱して冷却水を冷却するラインであり、ヒータコア４１と燃料電池２との間で冷却水を循環させる循環通路として機能する。
排熱利用側ポンプ４２は、制御装置３に接続されており、制御装置３によりその駆動を制御される。後述するように、排熱利用側ポンプ４２は、冷却側ポンプ２３と協調制御される。排熱利用側ポンプ４２の駆動が開始されることで排熱利用ライン１１の冷却水が流動し、ヒータコア４１で熱交換された冷却水が燃料電池２に流入する。そして、排熱利用側ポンプ４２の駆動が停止されることで排熱利用ライン１１の冷却水の流動が停止する。なお、排熱利用側ポンプ４２の位置をヒータコア４１の上流側としたが、もちろんヒータコア４１の下流側としてもよい。
ヒータコア４１は、ラジエータ２１と同様に例えば車両の前部に設けられる。ヒータコア４１は、燃料電池２の発電反応により昇温した冷却水を導く通路を内部に有しており、冷却水は、ヒータコア４１内の通路を通過することで空調気体と熱交換される（放熱される）。このため、ヒータコア４１は、空調気体の通路となる空調装置５０の空調ライン５１（ダクト）内に配設されている。
空調装置５０は、例えば車室内の空気（内気）または車室外の空気（外気）を取り込み、これを調整して車室内に送風する。空調装置５０は、いずれも図示省略したが、空調ライン５１におけるヒータコア４１の上流側に設けられたエバポレータと、エバポレータの上流側に設けられて、空調気体をヒータコア４１に向かって圧送するブロワと、を有している。そして、空調ライン５１の最下流には、例えば車室内に空調気体を供給する吹出し口が設けられている。
また、空調装置５０は、スイッチなどのユーザが入力操作可能な入力手段５２を有している（図２参照）。ユーザは、入力手段５２によって、空調ライン５１の空調気体の送風を実行することについて指示することができる。すなわち、入力手段５２への入力があったときには、空調装置５０が暖房運転する。このとき、冷却水は冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の両方を流動し、ヒータコア４１で加熱された空調気体が車室内に供給される。一方、入力手段５２への入力がないときには、空調装置５０は運転せず、車室内への空調気体の供給が遮断されると共に、冷却水は冷却ライン１０のみを流動する。なお、入力手段５２によって空調装置５０を冷房運転に切替え可能な構成としてもよい。
冷却ライン１０および排熱利用ライン１１には、これらに亘って複数の温度センサ６１〜６５が分散して設けられている。具体的には、ラジエータ２１の下流側の温度センサ６１と、バイパス通路２２上の温度センサ６２と、燃料電池２の冷却水入口２ａ側の温度センサ６３と、その冷却水出口２ｂ側の温度センサ６４と、ヒータコア４１の下流側の温度センサ６５と、が配設されている。燃料電池２の冷却水入口２ａおよび冷却水出口２ｂに近い各温度センサ６３，６４は、スタックケース５内に収容されている。もっとも、これらの温度センサ６３，６４をスタックケース５外に設けてもよい。
ラジエータ２１の下流側の温度センサ６１は、ラジエータ２１の出口における冷却水の温度を反映した温度を検出する。また、冷却水出口２ｂ側の温度センサ６４は、燃料電池２内の冷却水の温度を反映した温度を検出する。ヒータコア４１の下流側の温度センサ６５は、ヒータコア４１を通過した冷却水の温度を反映した温度を検出する。これらの複数の温度センサ６１〜６５は、制御装置３に接続されており、その検出結果を制御装置３に入力する。
図２は、燃料電池システム１の制御構成を示すブロック図である。制御装置３（ＥＣＵ）は、いずれも図示省略したが、ＣＰＵ、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶したＲＯＭ、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ、および入出力インターフェースを有し、これらは互いにバスを介して接続されている。
入出力インターフェースには、冷却側ポンプ２３、切替え弁２４および排熱利用側ポンプ４２等を駆動する各種ドライバのほか、複数の温度センサ６１〜６５などの各種センサや、空調装置５０の入力手段５２が接続されている。制御装置３は、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２と協働して、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１での冷却水の流動を制御する流動制御手段として機能する。この流動制御手段は、後述するように、燃料電池２と所定の温度差がある冷却水が燃料電池２に流入するのを抑制する。
ＣＰＵは、ＲＯＭ内の制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して温度センサ６１〜６５等の検出信号や入力手段５２の入力信号を入力し、ＲＡＭ内の各種データ等を処理した後、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２を協調制御するなど、燃料電池システム１全体を統括制御している。
上記したように、燃料電池システム１の運転中に車室内の暖房需要がない場合には、冷却水は冷却ライン１０のみを流動する。このため、排熱利用ライン１１の滞留した冷却水は、冷却ライン１０や燃料電池２内の冷却水に比べて低温である。ここで、燃料電池システム１の運転を一旦停止し、短時間後に再起動した際に暖房需要があった場合に、排熱利用ライン１１の冷却水が冷却ライン１０の冷却水よりも先に燃料電池２に通流してしまうと、冷却水の温度差によって燃料電池２に熱衝撃を与えてしまう。そこで本実施形態では、冷却ライン１０での冷却水の流動を開始した後で、排熱利用ライン１１での冷却水の流動を開始するように制御している。
１．始動時
具体的には、制御装置３は、燃料電池２の始動時（暖機時）に入力手段５２への暖房需要の入力があったときには、冷却側ポンプ２３の駆動を開始した後で、排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始する。これにより、排熱利用ライン１１の冷却水の流動が冷却ライン１０の冷却水の流動よりも遅れるため、冷却ライン１０の冷却水を先に燃料電池２に通流させることができる。したがって、冷却ライン１０と排熱利用ライン１１との間の冷却水の温度差が大きかったとしても、燃料電池２の温度変化が抑制される。
このとき、制御装置３は、冷却側ポンプ２３による冷却水の流量が十分に上昇してから、排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始するようにすれば、燃料電池２の温度変化をより一層抑制することができる。すなわち、制御装置３は、両ポンプ２３，４２を協調制御する駆動初期においては、冷却側ポンプ２３による冷却水の流量が排熱利用側ポンプ４２による冷却水の流量よりも大きくなるように流量制御することが好ましい。また、排熱利用ライン１１での冷却水の流量が徐々に上昇するように、排熱利用側ポンプ４２の駆動を制御することが好ましい。
排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始するタイミングは、冷却側ポンプ２３の駆動を開始してから、例えばＲＯＭに予め記憶させた所定時間が経過したタイミングであってもよいし、冷却ライン１０における例えば燃料電池２の冷却水入口２ａ側に設けた図外の流量センサの検出結果に基づいたタイミングであってもよい。また、別の態様では、冷却側ポンプ２３の回転数が所定数以上になったとき、例えば冷却側ポンプ２３が完全に立ち上がったときに、排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始するようにしてもよい。なお、冷却側ポンプ２３の回転数は、冷却側ポンプ２３に接続した回転数センサで検出すればよい。
また、流量センサと協働してあるいは独立して、制御装置３に組み込んだタイマにより、燃料電池２の停止から次の始動までの時間を計測し、その計測時間の長さに応じて排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始する開始時間を可変してもよい。これにより、燃料電池２の停止時間が比較的長い場合には、冷却側ポンプ２３の駆動開始に対して排熱利用側ポンプ４２の駆動開始を遅延させなくて済む。また、燃料電池２の停止時間が比較的短い場合には、冷却ライン１０の冷却水の流量が十分に増大するまで、排熱利用側ポンプ４２の駆動の開始を十分に遅らせることができる。
そして好ましくは、流量センサやタイマと協働してあるいは独立して、上記の温度センサ６１〜６５による検出結果に基づいて、排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始する開始時間を可変する。例えば燃料電池車両がおかれる環境によって冷却水の各部の放熱条件が変動するため、タイマのみで排熱利用側ポンプ４２の駆動の開始時間を設定するよりも、冷却水の温度を検出する複数の温度センサ６１〜６５の検出結果に基づくことで、燃料電池２の温度変化をより一層抑制することが可能となる。
例えば、複数の温度センサ６１〜６５のうち、特に燃料電池２の冷却水出口２ｂ側の温度センサ６４と排熱利用ライン１１の温度センサ６５との検出結果により、燃料電池２内の冷却水と排熱利用ライン１１内の冷却水との温度差に基づいて、排熱利用側ポンプ４２の駆動の開始時間を設定する。あるいは、温度センサ６１と温度センサ６５との検出結果により、冷却ライン１０と排熱利用ライン１１との冷却水の温度差に基づいて、排熱利用側ポンプ４２の駆動の開始時間を設定する。このとき、温度差がない場合には、冷却側ポンプ２３及び排熱利用側ポンプ４２を同時に駆動開始してもよい。このように、冷却水の温度に応じて冷却側ポンプ２３及び排熱利用側ポンプ４２の駆動条件を変更してもよい。
また上記の制御構成に代えて、制御装置３は、燃料電池２の始動時に入力手段５２への暖房需要の入力があったときに、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の駆動を同時に開始してもよい。もっとも、燃料電池２に通流する冷却水の温度変化を回避するために、冷却側ポンプ２３による冷却水の流量が排熱利用側ポンプ４２による冷却水の流量よりも大きくなるように、流量制御する必要がある。このような流量制御をすることで、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の合流した冷却水の温度を、冷却ライン１０の冷却水に近い温度にすることができる。この種の流量制御は、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の回転数制御やデューティー比制御で実行することができる。
また上記の制御構成に代えて、制御装置３は、燃料電池２の始動時に入力手段５２への暖房需要の入力がないときでも、この始動時には常に、冷却側ポンプ２３の駆動を開始後に排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始し、排熱利用側ポンプ４２の駆動を所定時間だけ行うようにしてもよい。もちろんこのとき、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の駆動を同時に開始しつつ、冷却側ポンプ２３による流量が大きくなるように流量制御してもよい。
このような制御構成とすることで、入力手段５２への入力がない場合に一律に排熱利用ライン１１の冷却水を流動させない構成に比べて有用となる。具体的には、夏場など暖房を長期間使用しないと、排熱利用ライン１１の冷却水はここに滞留し得るため、排熱利用ライン１１に異物が堆積したり、藻が発生したりするなど不具合が生じ得る。上記制御構成のように、燃料電池２の始動時に、暖房需要の有無を問わず（入力手段５２の入力の有無を問わず）、排熱利用側ポンプ４２を一時的に駆動することで、排熱利用ライン１１の冷却水が流動するため、上記の不具合を適切に回避することができる。
以上のように、各種の流量制御を行うことで、燃料電池２の始動時に排熱利用ライン１１の冷却水によって燃料電池２に熱衝撃を与えることを回避することができる。なお、燃料電池２の停止時に冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の両方を駆動している場合には、先ず排熱利用側ポンプ４２の駆動を停止し、その後冷却側ポンプ２３の駆動を停止するとよい。これにより、排熱利用ライン１１での冷却水の流動を冷却ライン１０での冷却水の流動に優先して停止することができ、燃料電池２の温度変化を好適に抑制し得る。
２．間欠運転時
次に、燃料電池２の間欠運転時における冷却水の流動制御について、簡単に説明する。燃料電池２の間欠運転とは、燃料電池２から負荷への電力供給を一時的に停止し、二次電池から負荷への電力供給を行うものである。間欠運転は、燃料電池２に間欠的に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、燃料電池２の開放端電圧を所定範囲内に維持することで行われる。間欠運転時には、ポンプの駆動を止めて、燃料電池２に通流させる冷却水の流動を停止させることが行われる場合もある。
本実施形態の燃料電池システム１では、制御装置３は、燃料電池２の間欠運転時に、二次電池からの電力供給により冷却側ポンプ２３の駆動を続行して、燃料電池２への冷却水の通流を続行するようにしている。これにより、間欠運転時にも燃料電池２の温度管理を適切に行うことができる。
もっとも、間欠運転時に、冷却側ポンプ２３でなく排熱利用側ポンプ４２を駆動することで、排熱利用ライン１１の冷却水を燃料電池２に通流させることもできる。ただし、間欠運転時に、排熱利用側ポンプ４２を駆動する場合には、冷却側ポンプ２３の駆動開始後に排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始することが好ましい。もちろんこのとき、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の駆動を同時に開始しつつ、冷却側ポンプ２３による流量が大きくなるように流量制御してもよい。間欠運転時においても、上記同様に、排熱利用ライン１１の冷却水によって燃料電池２に熱衝撃を与えることを回避するためである。
以下に、第２実施形態〜第７実施形態について説明するが、第１実施形態で説明した制御例は、これら各実施形態に適用することができる。以下の説明では、重複した記載を避けるべく、第１実施形態との共通部分については同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態との相違点について中心に言及する。
＜第２実施形態＞
図３を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態との相違点は、冷却水を循環させるポンプ７１を一つとしたことと、それに伴い冷却ライン１０および排熱利用ライン１１について圧損チューニングをしたことである。
本実施形態のポンプ７１は、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の分岐点１４の上流側に設けられている。もっとも、ポンプ７１を合流点１３の下流側に設けてもよい。ポンプ７１は、その駆動を制御装置３に制御されて、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１で冷却水を圧送する。ポンプ７１は、制御装置３と協働して、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１での冷却水の流動を制御する流動制御手段として機能する。この流動制御手段は、第１実施形態と同様に、燃料電池２と温度差がある冷却水が燃料電池２に流入するのを抑制する。
冷却ライン１０での冷却水の流路抵抗は、排熱利用ライン１１での冷却水の流路抵抗よりも低く設定されている。この流路抵抗を設定する圧損チューニングとして、排熱利用ライン１１の管径が冷却ライン１０の管径の約１／１０に設定されている。もっともこれに代えて、排熱利用ライン１１の途中に、冷却水の流れを妨げるようなオリフィスなどの絞り部を設けることで、圧損チューニングを行ってもよい。
本実施形態によれば、燃料電池２の始動時や間欠運転時にポンプ７１を駆動しても、上記のような圧損チューニングがなされているため、冷却ライン１０の冷却水が排熱利用ライン１１の冷却水よりも優先して燃料電池２に通流し始める。これにより、ポンプを一つ削減したとしても、燃料電池２の始動時等の温度変化を抑制することが可能となる。また、一つのポンプ７１で冷却水の流動を制御するため、その制御を簡素化することができる。
なお、排熱利用ライン１１にシャットバルブを設け、暖房需要があるときにはシャットバルブを開放し、暖房需要がないときにはシャットバルブを閉塞するようにしてもよい。そして、シャットバルブの開閉動作を、上記のタイマの計測結果や、流量センサや温度センサ６１〜６５の検出結果に応じて行ってもよい。例えば、燃料電池２の始動時に入力手段５２への暖房需要の入力があったときには、タイマや各種センサの検出結果に基づいて、閉塞したシャットバルブを開放するタイミングを設定することができる。
また、第２実施形態の変形として、例えば、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の合流点１３または分岐点１４に、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の冷却水の通流を切り替える切替え弁７３を設けてもよい（図３では制御装置３からの信号線のみを示している。）。切替え弁７３は、上記したラジエータ２１側の切替え弁２４と同様に構成することができ、制御装置３に接続される。切替え弁７３は、ポンプ７１および制御装置３とともに、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１での冷却水の流動を制御する流動制御手段を構成する。
そして、燃料電池２に対して排熱利用ライン１１の冷却水の通流を開始する場合には、制御装置３は、切替え弁７３を冷却ライン１０側に切り替えて、燃料電池２に対して冷却ライン１０の冷却水の通流を先ず開始する。その後、切替え弁７３を冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の両者に切り替えて、燃料電池２に対して冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の冷却水を通流させるようにする。このような切替え弁７３の制御によっても、燃料電池２に対して冷却ライン１０の冷却水の通流を排熱利用ライン１１に優先して開始させることが可能となり、燃料電池２の温度変化を抑制することができる。また、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の複雑な圧損チューニングが不要となる。
＜第３実施形態＞
図４を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態との相違点は、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１の合流点１３および分岐点１４の位置を変更したことである。具体的には、合流点１３および分岐点１４は、燃料電池２の冷却水出口２ｂ側に設けられると共に、合流点１３は、分岐点１４の下流側であって冷却側ポンプ２３の上流側に設けられている。このような配管系統であっても、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２を第１実施形態と同様に協調制御することで、第１実施形態と同様の効果を奏することが可能となる。
特に本実施形態では、燃料電池２の始動時に、先ず切替え弁２４をバイパス通路２２側に切り替えて冷却側ポンプ２３の駆動を開始し、その後、排熱利用側ポンプ４２の駆動を開始しつつ、切替え弁２４をラジエータ２１側に切り替えることが好ましい。なお、冷却側ポンプ２３の位置をラジエータ２１の下流側としてもよいし、排熱利用側ポンプ４２の位置をヒータコア４１の下流側としてもよい。
＜第４実施形態＞
図５を参照して、第４実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態との相違点は、燃料電池２をバイパスして冷却水を流動させるバイパスライン８１を設けたことと、合流点１３の下流側と燃料電池２の冷却水入口２ａ側との間にシャットバルブ８２を設けたことと、分岐点１４の上流側と燃料電池２の冷却水出口２ｂ側との間にシャットバルブ８３を設けたこと、である。
バイパスライン８１は、上流端となる一端を冷却ライン１０における切替え弁２４の下流側に接続され、下流端となる他端を冷却ライン１０における冷却側ポンプ２３の上流側に接続されている。バイパスライン８１には、これを開閉するシャットバルブ８４が設けられている。燃料電池２の近傍の二つのシャットバルブ８２，８３は各々、例えば電磁弁で構成されており、制御装置３によりその開閉動作を制御される。バイパスライン８１および三つシャットバルブ８２，８３，８４は、排熱利用ライン１１の冷却水による燃料電池２への熱衝撃の回避のために用いられる。
例えば、燃料電池２の始動時に、入力手段５２への暖房需要の入力があった場合又はなかった場合に、制御装置３は、先ず、燃料電池２近傍の二つのシャットバルブ８２，８３を閉弁し且つバイパスライン８１のシャットバルブ８４を開弁する。その後、制御装置３は、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の両方の駆動を開始する。すると、冷却ライン１０の冷却水および排熱利用ライン１１の冷却水は、バイパスライン８１の上流端で合流し、バイパスライン８１を流動する間に混合される。そして、バイパスライン８１の冷却水は、バイパスライン８１の下流端で分岐して、燃料電池２を迂回するように冷却ライン１０および排熱利用ライン１１を再び流動する。
これにより、冷却ライン１０と排熱利用ライン１１との間で冷却水に温度差があったり、冷却ライン１０および排熱利用ライン１１において部分的に冷却水の温度が異なっていたりしても、冷却水の温度が平準化される。そして、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の駆動開始から所定時間経過後に、燃料電池２への冷却水の通流を開始する場合には、燃料電池２の近傍の二つのシャットバルブ８２，８３を開弁すると共にバイパスライン８１のシャットバルブ８４を閉弁する。このような制御を行うことで、排熱利用ライン１１の冷却水に起因した燃料電池２の温度変化を抑制することが可能となる。
なお、燃料電池２の始動時の流動制御時に、第１実施形態と同様に、タイマの計測結果や、温度センサ６１〜６５などの各種センサの検出結果に応じて、バイパスライン８１に冷却水を流動させている時間や、冷却側ポンプ２３や排熱利用側ポンプ４２の回転量を制御してもよい。また、燃料電池２の間欠運転時や停止時には、第１実施形態と同様の制御を行えばよい。また、バイパスライン８１の位置として冷却ライン１０側に設けたが、もちろん排熱利用ライン１１側に設けてもよい。
さらに、シャットバルブ８２〜８４を三つ設けたが、もちろんのその個数はこれに限るものではない。例えば、燃料電池２の近傍の二つのシャットバルブ８２，８３の一方については、省略することができる。また、バイパスライン８１にシャットバルブ８４を設けたが、シャットバルブでなくて、例えばバイパスライン８１と冷却ライン１０との接続部に、上記の切替え弁２４と同様構造の切替え弁を設けてもよい。
＜第５実施形態＞
次に、図６を参照して、第５実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態は、図４に示す第３実施形態の燃料電池システム１に逆止弁９１を追加したものである。逆止弁９１は、合流点１３と分岐点１４との間の冷却ライン１０に設けられている。逆止弁９１は、合流点１３から分岐点１４への冷却水の流れを阻止する。
本実施形態の作用について述べる。冷却側ポンプ２３が駆動していないときに、排熱利用側ポンプ４２が駆動すれば、排熱利用ライン１１を流れた冷却水の一部は、合流点１３から分岐点１４へと流れ得る。本実施形態では、逆止弁９１を設けているので、合流点１３から分岐点１４への冷却水の流動を阻止でき、燃料電池２の冷却水出口２ｂへの冷却水の流入を阻止できる。これにより、排熱利用ライン１０の冷却水の温度が燃料電池２の温度よりも低い場合でも、燃料電池２に熱衝撃を与えなく済む。
なお、本実施形態においても、第３実施形態や第１実施形態で述べた、冷却側ポンプ２３および排熱利用側ポンプ４２の協調制御を行うことで、上記実施形態と同様の効果を奏し得る。また、逆止弁９１を分岐点１４と燃料電池２の冷却水出口２ｂとの間に設けてもよい。
＜第６実施形態＞
次に、図７を参照して、第６実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態は、配管系統が図４に示す第３実施形態の燃料電池システム１と共通であるが、制御系統が異なっている。具体的には、第３実施形態は、制御系統の一例として一つの制御装置３を設けたのに対し、本実施形態は、二つの制御装置３，３´を設けることにした。なお、二つの制御装置３，３´は、特許請求の範囲に記載の「流動制御手段」の一部又は「制御手段」に相当する。
一方の制御装置３（ＥＣＵ）は、冷却側ポンプ２３の駆動を制御するものであり、冷却側ポンプ２３の回転数センサ９２が接続されている。また、制御装置３は、切替え弁２４も制御するメインの制御装置として機能し、温度センサ６１〜６５などの各種のセンサが接続されている。他方の制御装置（ＥＣＵ）３´は、排熱利用側ポンプ４２の駆動を制御するものである。制御装置３´と排熱利用側ポンプ４２との間の制御回路には、二つのリレー９３，９４が設けられている。制御装置３´は、リレー９３を開閉し、制御装置３は、リレー９４を開閉する。
本実施形態の制御系統によっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。例えば、燃料電池２の始動時に、冷却側ポンプ２３の回転数が所定数以上になった旨を回転数センサ９２が検出したとき、制御装置３は、リレー９４を閉じて、排熱利用側ポンプ４２の駆動を許可するようにしてもよい。そして、制御装置３´は、リレー９３を閉じて、排熱利用側ポンプ４２の駆動を制御すればよい。こうすることで、排熱利用ライン１１の冷却水が燃料電池２の冷却水出口２ｂ側に逆流することを抑制でき、燃料電池２の温度変化を抑制し得る。
＜第７実施形態＞
次に、図８を参照して、第７実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第６実施形態との相違点は、制御装置３が制御装置３´と通信を行うようにしたことである。例えば、燃料電池２の始動時に、制御装置３は、排熱利用側ポンプ４２の駆動を許可する旨を制御装置３´に伝え、それにより、制御装置３´は、リレー９３を閉じて、排熱利用側ポンプ４２の駆動を制御する。これにより、第６実施形態と同様の作用効果を奏することができる。第６実施形態と比べて有用となる点は、リレー（９４）が不要となり、コストを低減できることである。
なお、上記各実施形態では、燃料電池２の排熱の熱エネルギーを暖房に用いたが、例えば燃料電池システム１が定置用である場合には、燃料電池２の排熱の熱エネルギーを給湯や風呂に用いることもできる。このような場合には、排熱利用ライン１１の加熱用熱交換器（ヒータコア４１）は空調気体以外の他の媒体と熱交換するが、上記同様に、冷却水の流動について制御を行うと燃料電池２にとって有用である。
＜第８実施形態＞
図９は、燃料電池システム１の一部である、燃料電池の冷却装置を示すシステム図である。燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給される燃料電池１００は、基本単位となる多数の単セルを積層したスタック構造を有している。燃料電池１００は、その周辺の検出機器などと一緒にスタックケース２００に収容されている。スタックケース２００は、金属や硬質樹脂により形成され、車室の床下などにブラケット等を介して固定される。
燃料電池１００としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載に好適な固体高分子電解質型で構成されている。図示省略したが、燃料電池１００の単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）をメタルなどの一対のセパレータで挟持して構成されている。スタック構造の燃料電池１００の内部流路としては、燃料ガスの流路、酸化剤ガスの流路、および冷却水の流路が設けられている。これらの流路は、主としてセパレータの面内に形成されている。燃料電池１００は、その冷却水の内部流路に冷媒としての冷却水を冷却装置１０１により通流されて、冷却される。
冷却装置１０１は、燃料電池１００から排出される冷却水を冷却するラジエータ１１０と、ラジエータ１１０と燃料電池１００との間で冷却水を循環させるための循環通路１２０と、ラジエータ１１０をバイパスするバイパス通路１３０と、燃料電池１００の下流側の循環通路１２０に位置して冷却水を圧送するポンプ１４０と、ラジエータ１１０およびバイパス通路１３０への冷却水の通流を設定する流体弁１５０と、冷却装置１０１全体を統括制御する制御装置１６０と、を備えている。循環通路１２０及びバイパス通路１３０は、燃料電池に冷媒を循環供給する冷媒循環系として機能する。
ラジエータ１１０（熱交換器）は、燃料電池１００の発電反応により昇温した冷却水を導く通路を内部に有しており、この通路を冷却水が通過することで冷却水の熱が外部に放熱される。ラジエータ１１０は、例えば車両の前部に設けられる。ラジエータ１１０には、ラジエータ１１０内の通路に外気を送風するためのファン１８０が併設されている。ファン１８０は、ラジエータ１１０での冷却水の冷却を促進する。ファン１８０は、制御装置１６０に接続されており、その駆動を制御装置１６０に制御される。
循環通路１２０は、燃料電池１００の冷却水出口１００ｂからラジエータ１１０の入口までの第一通路２１０と、ラジエータ１１０の出口から流体弁１５０の第一ポート１５０ａまでの第二通路２２０と、流体弁１５０の第二ポート１５０ｂから燃料電池１００の冷却水入口１００ａまでの第三通路２３０と、により主として構成されている。
バイパス通路１３０は、その上流端が第一通路２１０のポンプ１４０の下流側に接続され、下流端が流体弁１５０の第三ポート１５０ｃに接続されている。バイパス通路１３０は、循環通路１２０に比較して小さなまたは同等の内径の管で構成されている。バイパス通路１３０には、冷却作用のある補助機器は設けられていない。バイパス通路１３０への冷却水は、循環通路１２０の第一通路２１０からラジエータ１１０を迂回することで流れ込む。そして、バイパス通路１３０を流れた冷却水は、流体弁１５０を介して第三通路２３０を流れ、燃料電池１００に流入する。
循環通路１２０およびバイパス通路１３０には、これらに亘って複数の温度センサ３１０，３２０，３３０，３４０が分散して設けられている。具体的には、バイパス通路１３０には、流体弁１５０の近傍に一つの温度センサ３１０が設けられている。循環通路１２０上の複数の温度センサ３２０，３３０，３４０は、燃料電池１００の冷却水入口１００ａ側、その冷却水出口１００ｂ側、およびラジエータ１１０の下流側に設けられている。燃料電池１００の冷却水入口１００ａおよび冷却水出口１００ｂに近い各温度センサ３２０，３３０は、スタックケース２００内に収容されている。もっとも、これらの温度センサ３２０，３３０をスタックケース２００外に設けてもよい。
冷却水出口１００ｂ側の温度センサ３３０（第１の温度センサ）は、燃料電池１００内の冷却水の温度を反映した温度を検出する。また、ラジエータ１１０の下流側の温度センサ３４０（第２の温度センサ）は、ラジエータ１１０の出口における冷却水の温度を反映した温度を検出する。これらの複数の温度センサ３１０〜３４０は、制御装置１６０に接続されており、その検出結果を制御装置１６０に入力する。
ポンプ１４０は、制御装置１６０に接続されており、制御装置１６０によりその駆動を制御される。ポンプ１４０の駆動が開始されると、循環通路１２０の冷却水がラジエータ１１０および／またはバイパス通路１３０を流れて循環される。これにより、燃料電池１００の温度が所定範囲内に保たれるように温度管理がなされ、燃料電池１００の発電反応が効率良く進行するようになる。ポンプ１４０の駆動が停止されると、循環通路１２０の冷却水の流動が停止する。なお、ポンプ１４０の位置をラジエータ１１０および流体弁１５０の上流側としたが、もちろんラジエータ１１０および流体弁１５０の下流側としてもよい。
流体弁１５０は、上記の第一ポート１５０ａ、第二ポート１５０ｂおよび第三ポート１５０ｃを有する三方弁構造を有している。流体弁１５０は、冷却水をラジエータ１１０およびバイパス通路１３０の一方に、またはこの両方に切替えることができるように構成されている。例えば、流体弁１５０がバイパス通路１３０側に完全に切り替えられた場合には、ラジエータ１１０による放熱効果を受けない冷却水が燃料電池１００に流入する。
また、流体弁１５０は、弁の開度を調整可能に構成されており、ラジエータ１１０およびバイパス通路１３０への冷却水の流入量を調整することができる。例えば、流体弁１５０の開度として、ラジエータ１１０側への開度を１０％とし、バイパス通路１３０側への開度を９０％とすることができる。このように、流体弁１５０は、冷却水をラジエータ１１０およびバイパス通路１３０のどちらに通流させるかを切り替える切替手段として機能すると共に、その通流させる際の開度を可変することができる。
ここで、以下では、しばしば次のように「ラジ全開（ラジエータ全開）」や「バイパス全開」と略記して説明する。「ラジ全開」とは、流体弁１５０がラジエータ１１０側に対し全開状態となり且つバイパス通路１３０側に対し全閉状態となることをいう。「ラジ全開」では、ラジエータ１１０を通過した冷却水が燃料電池１００に供給され、バイパス通路１３０の冷却水が燃料電池１００に供給されることは遮断される。同様に、「バイパス全開」とは、流体弁１５０がバイパス通路１３０側に対し全開状態となり且つラジエータ１１０側に対し全閉状態となることをいう。「バイパス全開」では、バイパス通路１３０を流れた冷却水が燃料電池１００に供給され、ラジエータ１１０を通過した冷却水が燃料電池１００に供給されることは遮断される。
流体弁１５０は、制御装置１６０に接続されており、制御装置１６０からの出力信号によって切替えを含む弁の開度を制御される。この種の流体弁１５０は、例えばソレノイドによって駆動される電磁弁タイプのものや、モータによって駆動される電動弁タイプのものや、圧電素子や磁歪素子などの電気・磁気力によって駆動されるタイプのもので、構成することができる。なお、他の実施形態として後述するように、流体弁１５０をロータリバルブで構成すると好適である。
図中の符号４１０は、流体弁１５０に組み込まれた位置センサである。位置センサ４１０は、流体弁１５０の弁体の位置、すなわち弁の開度を検出するものである。位置センサ４１０の検出結果は、制御装置１６０に入力される。
一般に、位置センサ４１０のドリフトなどによりその精度が低下するおそれがあるため、位置センサ４１０をリセットする流体弁１５０のゼロ点調整が行われる。ゼロ点調整は、通常、燃料電池１００の始動時（燃料電池システム１の起動時）に行われる。ゼロ点調整をすることにより、実際の燃料電池１００の運転の前に、流体弁１５０は、制御装置１６０の指令値に基づく開度と、その指令に基づいて設定された実際の開度とのずれを解消される。これにより、燃料電池１００の発電時には、流体弁１５０の開度を高精度に制御することができる。
制御装置１６０（ＥＣＵ）は、図示省略したＣＰＵ、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶したＲＯＭ、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭなどを有している。制御装置１６０は、複数の温度センサ３１０〜３４０や位置センサ４１０などの各種センサからの検出信号を入力する。また、制御装置１６０は、各種ドライバに制御信号を出力することによりポンプ１４０や流体弁１５０等を制御するなど、冷却装置１０１全体を統括制御している。別の観点からいえば、制御装置１６０は、ポンプ１４０や流体弁１５０と協働して、燃料電池２と所定の温度差がある冷却水が燃料電池２に流入するのを抑制する流動制御手段として機能する。
図１０は、燃料電池１００の始動時における冷却装置１０１の処理フローを示すフローチャートである。燃料電池１００の始動時には、先ず、流体弁１５０のゼロ点調整が行われる（Ｓ１）。ゼロ点調整は、制御装置１６０により流体弁１５０の弁体を移動させ、その弁体の移動が移動端位置で規制されるまで、流体弁１５０のモータなどの駆動源を所定時間だけ駆動させる。本実施形態の流体弁１５０は切替え弁であるため、流体弁１５０がラジエータ１１０側およびバイパス通路１３０側の一方に完全に切り替えられるまで、制御装置１６０により流体弁１５０を制御する。
例えば、ゼロ点調整は、流体弁１５０の状態として「ラジ全開」が所定時間だけ維持されるまで行われる（Ｓ２；Ｎｏ）。ラジ全開側でゼロ点調整を行うことで、ゼロ点調整中に流体弁１５０が固着して故障したとしても、燃料電池１００の発電時には、ラジエータ１１０で降温された冷却水を燃料電池１００に供給することができる。これにより、燃料電池１００のオーバーヒートを防止することができ、フェイルセーフを達成することができる。
もっとも、「ラジ全開」でなく、「バイパス全開」でゼロ点調整を行ってもよい。この場合にも、ゼロ点調整は、流体弁１５０の状態としてバイパス全開が所定時間だけ維持されるまで行われる（Ｓ２；Ｎｏ）。こうすることで、ゼロ点調整後に、流体弁１５０の開度としてバイパス全開にしたい場合や、バイパス全開に近い開度にしたい場合に、流体弁１５０の開度を迅速に設定することができる。実際、後述するように、ラジエータ１１０側と燃料電池１００側とで冷却水の温度差が大きい場合には、流体弁１５０をバイパス全開にするため、ゼロ点調整をバイパス全開で行うことは有用である。
ゼロ点調整の完了後には（Ｓ２；Ｙｅｓ）、流体弁１５０の制御が開始される（Ｓ３）。流体弁１５０の制御は、制御装置１６０の指令により流体弁１５０の開度をゼロ点調整後の開度（ラジ全開またはバイパス全開）から所定開度に変更することで行われる。もっとも、ゼロ点調整を実行しない場合には、流体弁１５０は、燃料電池１００を始動する前の初期開度から所定開度に変更される。
すなわち、本書類にいう「初期開度」とは、燃料電池１００を始動する処理フローを実行する直前の流体弁１５０の開度をいい、ステップＳ３〜Ｓ４では、流体弁１５０の開度が、初期開度からゼロ点調整後の開度を経て所定開度に変更される。なお、「初期開度」の具体例については、第９実施形態で後述する。
また、「所定開度」とは、後のステップで燃料電池１００に流入し始める冷却水によって、燃料電池１００に急激な温度変化を生じさせない仕様に適する開度をいう。「所定開度」は、制御装置１６０のＲＯＭに予め記憶させておいた開度であってもよいし、燃料電池システム１のソーク時間（燃料電池１００の停止時の放置時間）に基づいて設定される開度であってもよい。後者については、例えば、制御装置１６０に組み込んだタイマーにより燃料電池１００の停止時から次の始動時までを計測し、そのソーク時間の長さに応じて所定開度を設定する。
これを詳述するに、ソーク時間が比較的長時間の場合には、冷却水が放熱されるのに十分な時間が経過する。このため、ラジエータ１１０内の冷却水と燃料電池１００内の冷却水とは温度が等しくなる。この場合には、燃料電池１００の始動時に流体弁１５０の開度がどの程度であるかは、燃料電池１００での温度変化の関係上、特に問題とならない。したがって、流体弁１５０の所定開度を任意に設定することができる。なお好ましくは、流体弁１５０の所定開度を「バイパス全開」などバイパス通路１３０側にすることで、燃料電池１００の暖機時間を短縮し得る。
一方、ソーク時間が比較的短時間の場合には、スタックケース２００内の燃料電池１００とスタックケース２００外のラジエータ１１０との間では冷却水の放熱量に差があり、ラジエータ１１０内の冷却水は、燃料電池１００に比して低温となる。そこで、この場合には、流体弁１５０の所定開度を「バイパス全開」などバイパス通路１３０側にすることで、ラジエータ１１０内の冷却水が燃料電池１００に流入することを防止できる。これにより、燃料電池１００での温度変化を抑制することができる。
そして好ましくは、タイマーと協働してあるいは独立して、上記の温度センサ３１０，３２０，３３０，３４０による検出結果に基づいて、流体弁１５０の所定開度を設定する。例えば燃料電池車両がおかれる環境によって冷却水の各部の放熱条件が変動するため、タイマーで一義的に流体弁１５０を所定開度に設定するよりも、冷却水の温度を検出する複数の温度センサ３１０，３２０，３３０，３４０の検出結果に基づいて所定開度に設定する。こうすることで、燃料電池１００での温度変化をより一層抑制することが可能となる。
具体的には、複数の温度センサ３１０〜３４０のうち、特に燃料電池１００の温度センサ３３０と温度センサ３４０との検出結果により、燃料電池１００内の冷却水とラジエータ１１０内の冷却水との温度差に基づいて、流体弁１５０を所定開度に設定する。例えば、その温度差が第１の所定の閾値を超える場合には、所定開度として「バイパス全開」とする。また、その温度差が第１の所定の閾値よりも低い第２の所定の閾値以下である場合には、所定開度として「ラジ全開」など任意の開度に設定することができる。
もっとも、第１の所定の閾値以上であっても、あるいは第２の所定の閾値以下であっても、バイパス通路１３０およびラジエータ１１０の両方を冷却水が通流する構成であってもよく、この場合に両者の通流比（流量比）を適宜設定してもよい。また、検出結果の温度差のみならず、一つの温度センサ（３１０〜３４０のどれか）による検出結果に基づいて、流体弁１５０を所定開度に設定してもよい。
流体弁１５０が所定開度に変更された後に（Ｓ４；Ｙｅｓ）、制御装置１６０の指令に基づいてポンプ１４０が駆動を開始する（Ｓ５）。ポンプ１４０の駆動が開始されるタイミングは、流体弁１５０が所定開度に変更された直後またはこの変更と同時のいずれであってもよい。つまり、ポンプ１４０の駆動の開始処理が実行される前に、流体弁１５０の開度変更の処理が終了していればよい。ポンプ１４０の駆動の開始により、所定開度の流体弁１５０の下で冷却水が燃料電池１００に供給され、燃料電池１００の運転（発電）が開始される（Ｓ６）。
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１に設けた冷却装置１０１によれば、燃料電池１００の始動時に、ポンプ１４０の駆動の開始に優先して流体弁１５０を所定の開度に設定している。このため、燃料電池１００の温度変化を好適に抑制することができる。したがって、熱衝撃によるセパレータの歪など、燃料電池１００の始動時に与える熱的影響を回避することができ、燃料電池１００の信頼性を高めることができる。また、流体弁１５０のゼロ点調整を行うため、燃料電池１００の発電中に、流体弁１５０の開度を適宜バイパス通路１３０側やラジエータ１１０側に高精度に制御することができる。
なお、本実施形態では、流体弁１５０のゼロ点調整を行ったが、流体弁１５０が高精度な弁である場合などには、ゼロ点調整を行わなくてもよい。また、流体弁１５０をラジエータ１１０の下流側に設けたが、ラジエータ１１０の上流側に設けてもよい。
＜第９実施形態＞
次に、第９実施形態に係る燃料電池システム１の冷却装置１０１について説明する。図１１は、燃料電池１００の停止時における冷却装置１０１の処理フローを示すフローチャートである。同図に示すように、燃料電池１００の運転が停止されると（Ｓ１１）、先ず、制御装置１６０によりポンプ１４０の駆動が停止される（Ｓ１２）。続いて、流体弁１５０の制御が開始される（Ｓ１３）。流体弁１５０の制御は、制御装置１６０の指令により流体弁１５０の開度を停止前の開度から上記の「初期開度」に変更することで行われる。
ここで、初期開度として、流体弁１５０がラジエータ１１０への冷却水を通流可能な「ラジ全開」を含む開度とした場合には、燃料電池１００の停止時に、燃料電池１００内の冷却水の自然放熱を促進することができる。また、上記のゼロ点調整を「ラジ全開」側で行う場合に、迅速に行うことができる。これに代えて、初期開度として、流体弁１５０がバイパス通路１３０への冷却水を通流可能な「バイパス全開」を含む開度としてもよい。こうすることで、ゼロ点調整を「バイパス全開」側で行う場合に、迅速に行うことができる。
あるいは、これらの開度に代えて、初期開度として、流体弁１５０がラジエータ１１０およびバイパス通路１３０への両方に冷媒を通流可能な開度としてもよい。その場合の両者の比率は適宜設定することができる。この開度とすることで、流体弁１５０の故障時に、発電中の燃料電池１００の過冷却および過熱を抑制することができ、フェイルセーフを好適に達成することができる。また、ゼロ点調整を「ラジ全開」および「バイパス全開」のどちらにも迅速に行うことができる。流体弁１５０の初期開度が設定されると、この処理フローは終了する（Ｓ１４；Ｙｅｓ）。
そして、燃料電池１００の所定の停止時間後に、燃料電池１００が再び始動するときには、冷却装置１０１は図１０に示すフローに従って駆動される。つまり、流体弁１５０に着目すると、流体弁１５０は、燃料電池１００の停止時に設定された「初期開度」からゼロ点調整の開度となり、その後「所定開度」へと変更される。
＜第１０実施形態＞
次に、図１２および図１３を参照して、本発明の燃料電池システム１の冷却装置１０１の第１０実施形態として、流体弁１５０の構成例について説明する。本実施形態の流体弁１５０は、弁の開度を電気制御的に調整可能なロータリバルブ５００で構成されている。流体弁１５０をロータリバルブ５００で構成することで、温度制御にセンシティブな燃料電池１００に、適切に且つ精度良く対応することができる。
図１２は、ロータリバルブ５００の内部構造の要部を示している。ロータリバルブ５００の弁部５１０は、ラジエータ１１０からの第二通路２２０、バイパス通路１３０、および燃料電池１００に通じる第三通路２３０の合流点に位置している。ロータリバルブ５００は、弁部５１０を回転させる駆動源となるステッピングモータ５２０と、ステッピングモータ５２０からの動力を弁部５１０に伝達する歯車列５３０，５４０と、弁部５１０の回転の終端位置を規制する位置規制機構５５０と、を有している。
弁部５１０は、第二通路２２０と第三通路２３０との間やバイパス通路１３０と第三通路２３０との間を可変に連通するための開口部５７０を周方向に有している。弁部５１０の上部中心部は、歯車列５３０，５４０のファイナルギア５４０の下面の中心部に、ロッド５８０を介して同軸連結されている。ロータリバルブ５００は、弁部５１０が回転することで開口部５７０の位置が変動し、弁部５１０の回転が停止した開口部５７０の位置に対応した開度に設定される。
図１３（Ａ）は、「バイパス全開」のロータリバルブ５００の状態を示しいる。この状態では、弁部５１０の開口部５７０がバイパス通路１３０に臨み、バイパス通路１３０と第三通路２３０とが連通されている。図１３（Ｂ）は、「ラジ全開」のロータリバルブ５００の状態を示している。この状態では、弁部５１０の開口部５７０がラジエータ１１０側の第二通路２２０に臨み、第二通路２２０と第三通路２３０とが連通されている。図１３（Ｃ）は、弁部５１０の開口部５７０の半部がバイパス通路１３０に臨み且つ開口部５７０の残りの半部が第二通路２２０に臨んだ状態を示している。この状態では、バイパス通路１３０および第二通路２２０の両者が第三通路２３０に連通している。
ステッピングモータ５２０は、制御装置１６０に接続されており、正逆方向に駆動回転可能に構成されている。例えば、ステッピングモータ５２０が正方向に駆動回転すると、弁部５１０を正方向に回転させ、ロータリバルブ５００の開度が「バイパス全開」側に移行される。一方、ステッピングモータ５２０が逆方向に駆動回転すると、弁部５１０を負方向に回転させ、ロータリバルブ５００の開度が「ラジ全開」側に移行される。ステッピングモータ５２０のステップ数の制御により、弁部５１０の開口部５７０を目標とする位置（開度）に移動させることができる。
位置規制機構５５０は、ベース７１０と、ベース７１０に立設した二つのストッパ７２０，７３０と、ファイナルギア５４０に貫通形成された二つの規制溝７４０，７５０と、で構成されている。ベース７１０には、ロッド５８０を挿通させるための貫通孔が形成されている。二つの規制溝７４０，７５０は、ファイナルギア５４０の中心を挟んで対向して設けられ、この中心を曲率中心とする円弧の溝で構成されている。二つの規制溝７４０，７５０には、それぞれストッパ７２０，７３０が挿通されており、各ストッパ７２０，７３０は、各規制溝７４０，７５０内を摺動可能に構成されている。ストッパ７２０，７３０が規制溝７４０，７５０内の端に当接することで、弁部５１０の回転の終端位置が規制される。位置規制機構５５０は、ロータリバルブ５００のゼロ点調整の際に機能する。
具体的には、「バイパス全開」側でゼロ点調整する際には、ステッピングモータ５２０を正方向に駆動回転させて、一方の規制溝７４０に挿通されたストッパ７２０をその規制溝７４０の端に突き当てる。これを所定時間維持することで、ゼロ点調整が完了する（図１０のＳ２参照）。同様に、「ラジ全開」側でゼロ点調整する際には、ステッピングモータ５２０を逆方向に駆動回転させて、他方の規制溝７５０に挿通されたストッパ７３０をその規制溝７５０の端に突き当てる。これを所定時間維持することで、ゼロ点調整が完了する（同様に、図１０のＳ２参照）。
なお、ゼロ点調整でリセットされる位置センサ（第８実施形態では位置センサ４１０）を図示省略したが、位置センサは、例えば光学式のロータリエンコーダで構成することができる。この場合には、ロータリエンコーダのスリット付き回転板をファイナルギア５４０と同軸に設け、回転板のスリットに臨んで受光素子および発光素子の光路を設け、これら両素子を制御装置１６０に接続すればよい。
＜第１１実施形態＞
次に、図１４を参照して、第１１実施形態に係る燃料電池システム１の冷却装置１０１について説明する。図１４は、燃料電池１００の始動時における冷却装置１０１のタイムチャートの一例を示している。
図１４に示す「キー操作」とは、燃料電池システム１を起動する操作手段の操作をいい、例えば燃料電池自動車を駆動させるためのキー操作をいう。「バルブ開度」は、流体弁１５０の開度を意味する。
本実施形態では、燃料電池１００の停止時の流体弁１５０の開度（初期開度）は、「ラジ全開」に設定されている。燃料電池システム１を起動するためにキー操作されると、これに伴い流体弁１５０の制御として、流体弁１５０のゼロ点調整が「バイパス全開」側で行われる。流体弁１５０が第１０実施形態のロータリバルブ５００である場合には、ストッパ７２０（または７３０）の突き当てによりゼロ点調整が行われる。
ゼロ点調整が完了したかなど、燃料電池システム１のシステムチェック後に、燃料電池１００の発電が開始されると共にこれと同期してポンプ１４０の駆動が開始される。すなわち、本実施形態では、流体弁１５０の上記の「所定開度」はバイパス全開となっている。このような構成により、燃料電池１００の始動時に、その温度変化を好適に抑制することができるなど、上記実施形態（第８〜第１０実施形態）で説明した効果を奏することができる。
＜第１２実施形態＞
図１５は、燃料電池システム１の冷却装置１０１の第１２実施形態を示しており、第１２実施形態は第１１実施形態の変形例である。第１１実施形態との相違点は、ポンプ１４０の駆動を開始するタイミングを第１１実施形態よりも僅かに遅らせたことである。より詳細には、流体弁１５０のゼロ点調整が完了し、燃料電池１００の発電が開始されて所定時間後に、ポンプ１４０が駆動を開始する。本実施形態は、ゼロ点調整に比較的時間を要する場合に有用となる。
＜第１３実施形態＞
図１６は、燃料電池システム１の冷却装置１０１の第１３実施形態を示しており、第１３実施形態は第１１実施形態の変形例である。第１１実施形態との相違点は、ポンプ１４０の駆動を開始するタイミングである。
具体的には、流体弁１５０を初期開度の「ラジ全開」から「バイパス全開」にゼロ点調整する途中で、ポンプ１４０の駆動を開始するが、ポンプ１４０の駆動を開始するタイミングは、流体弁１５０がラジエータ１１０側への冷却水の通流を遮断するときである。このタイミングは、例えば流体弁１５０が第１０実施形態のロータリバルブ５００である場合には、弁部５１０の開口部５７０がラジエータ１１０側の第二通路２２０から外れた位置に臨んだときである。
ポンプ１４０の駆動を開始するタイミングのとき、流体弁１５０の開度は、「バイパス全開」となる前の開度であり、バイパス通路１３０への冷却水の通流が可能な開度となる。そして、ポンプ１４０の駆動開始後に、流体弁１５０の開度は「バイパス全開」に移行し、ゼロ点調整が実行されると共に、燃料電池１００の発電が開始される。
＜第１４実施形態＞
図１７は、燃料電池システム１の冷却装置１０１の第１４実施形態を示しており、第１４実施形態は第１１実施形態の変形例である。第１１実施形態との相違点は、流体弁１５０の「初期開度」として、流体弁１５０がラジエータ１１０およびバイパス通路１３０への両方に冷却水を通流可能な開度としたことである。例えば、第１０実施形態のロータリバルブ５００に適用した場合には、ロータリバルブ５００の開度は図１３（Ｃ）に示す状態となる。こうすることで、上述のように、「バイパス全開」へのゼロ点調整を迅速に行うことができる。
なお、本実施形態の「初期開度」は、ラジエータ１１０およびバイパス通路１３０への冷却水の通流について一方が他方よりも優先するなど、流体弁１５０の開度を適宜設計変更可能である。
＜第１５実施形態＞
図１８は、燃料電池システム１の冷却装置１０１の第１５実施形態を示しており、第１５実施形態は第１１実施形態の変形例である。第１１実施形態との相違点は、流体弁１５０の「初期開度」である。具体的には、「初期開度」として、「バイパス全開」となる前の開度であって、流体弁１５０がラジエータ１１０への冷却水の通流を遮断し且つバイパス通路１３０への冷却水の通流を可能な開度としている。こうすることで、「バイパス全開」へのゼロ点調整を第１４実施形態の場合よりも迅速に行うことができる。
＜第１６実施形態＞
次に、図１９を参照して、第１６実施形態に係る燃料電池システム１の冷却装置１０１について説明する。第８実施形態との相違点は、ポンプ１４０の位置を流体弁１５０の下流側の第三通路２３０上に変更したことと、サブラジエータとして第２のラジエータ９１０を設けたことである。
第２のラジエータ９１０は、上記したラジエータ１１０（以下、第１のラジエータという）と同様の構成からなり、制御装置１６０に接続されたファン９２０を併設している。第２のラジエータ９１０を介設した第２の循環通路９４０は、上流端を第一通路２１０に分岐接続され、その接続位置がバイパス通路１３０の上流側となっている。また、循環通路９４０の下流端は、第１のラジエータ１１０の下流側の第二通路２２０に分岐接続されている。
このような構成であっても、流体弁１５０が例えば「バイパス全開」などバイパス通路１３０側に切り替えられ、第１のラジエータ１１０側への冷却水の通流が遮断されると、冷却水は第１のラジエータ１１０および第２のラジエータ９１０を迂回して燃料電池１００に供給される。一方、流体弁１５０が例えば「ラジ全開」など第１のラジエータ１１０側に切り替えられると、第１のラジエータ１１０で冷却された冷却水および第２のラジエータ９１０で冷却された冷却水が、流体弁１５０を通って燃料電池１００に供給される。
本実施形態の燃料電池システム１の冷却装置１０１によっても同様に、燃料電池１００の始動時に、その温度変化を好適に抑制することができる。また、燃料電池１００の発電中には、二つのラジエータ１１０，９１０により、燃料電池１００をより一層適切に冷却することができる。
【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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