(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から供給される燃料のエネルギを変換して熱を発生させるとともに、前記熱が除去されるように構成された変換部（１）と、
熱を系外へ放出する放熱部（４２）とを備え、
前記変換部（１）で発生した熱を、液体状の熱媒体を介して前記放熱部（４２）へ輸送することで、前記変換部（１）から前記熱が除去される熱輸送システムであって、
前記変換部（１）は、当該変換部（１）で発生した熱の熱量に対して、前記熱媒体を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されており、
前記熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（６０）とを有する溶液により構成されており、
前記少なくとも１種類の溶質（６０）は、
前記熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、前記溶媒の固液界面（７０）に選択的に近接する第１部位（６１）と、
前記第１部位（６１）に接続されるとともに、前記溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（６２）とを備える分子により構成されており、
さらに、前記熱媒体が流通する熱媒体流路（４０）に設けられるとともに、熱を蓄える蓄熱部（８１）と、
前記熱媒体の有する熱を前記蓄熱部（８１）に蓄熱する蓄熱モードと、前記蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を伝熱対象に放出する放熱モードとを切り替えるモード切替手段（８２、８３）と、
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（９１）と、前記圧縮機（９１）から吐出された高圧冷媒を放熱させる冷媒放熱器（９２）とを有するヒートポンプサイクル（９）とを備え、
前記冷媒放熱器（９２）は、前記高圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて、前記高圧冷媒の有する熱を前記熱媒体に放出させるように構成されており、
前記モード切替手段（８２、８３）は、前記圧縮機（９１）が作動している場合に、前記蓄熱モードに切り替えて、前記冷媒放熱器（９２）にて前記熱媒体に対して放出された前記高圧冷媒の有する熱を、当該熱媒体を介して前記蓄熱部（８１）に蓄熱させることを特徴とする熱輸送システム。
【請求項２】
外部から供給される燃料のエネルギを変換して熱を発生させるとともに、前記熱が除去されるように構成された変換部（１）と、
熱を系外へ放出する放熱部（４２）とを備え、
前記変換部（１）で発生した熱を、液体状の熱媒体を介して前記放熱部（４２）へ輸送することで、前記変換部（１）から前記熱が除去される熱輸送システムであって、
前記変換部（１）は、当該変換部（１）で発生した熱の熱量に対して、前記熱媒体を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されており、
前記熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（６０）とを有する溶液により構成されており、
前記少なくとも１種類の溶質（６０）は、
前記熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、前記溶媒の固液界面（７０）に選択的に近接する第１部位（６１）と、
前記第１部位（６１）に接続されるとともに、前記溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（６２）とを備える分子により構成されており、
さらに、前記熱媒体が流通する熱媒体流路（４０）に設けられるとともに、熱を蓄える蓄熱部（８１）と、
前記熱媒体の有する熱を前記蓄熱部（８１）に蓄熱する蓄熱モードと、前記蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を伝熱対象に放出する放熱モードとを切り替えるモード切替手段（８２、８３）と、
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（９１）と、前記圧縮機（９１）から吐出された高圧冷媒を放熱させる冷媒放熱器（９２）とを有するヒートポンプサイクル（９）とを備え、
前記冷媒放熱器（９２）は、前記高圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて、前記高圧冷媒の有する熱を前記熱媒体に放出させるように構成されており、
前記モード切替手段（８２、８３）は、前記変換部（１）の負荷が予め定めた第３基準負荷よりも小さく、かつ、前記圧縮機（９１）が停止している場合に、前記放熱モードに切り替えて、前記蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を前記熱媒体を介して前記放熱部（４２）から系外へ放出させることを特徴とする熱輸送システム。
【請求項３】
前記モード切替手段（８２、８３）は、前記変換部（１）の負荷が予め定めた第１基準負荷よりも大きい場合に、前記蓄熱モードに切り替えて、前記変換部（１）で発生した熱を前記熱媒体を介して前記蓄熱部（８１）に蓄熱させることを特徴とする請求項１または２に記載の熱輸送システム。
【請求項４】
前記モード切替手段（８２、８３）は、前記変換部（１）の負荷が予め定めた第２基準負荷よりも小さい場合に、前記放熱モードに切り替えて、前記蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を前記熱媒体を介して前記放熱部（４２）から系外へ放出させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
【請求項５】
前記モード切替手段（８２、８３）は、前記変換部（１）の負荷が予め定めた第３基準負荷よりも小さく、かつ、前記圧縮機（９１）が停止している場合に、前記放熱モードに切り替えて、前記蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を前記熱媒体を介して前記放熱部（４２）から系外へ放出させることを特徴とする請求項１に記載の熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状熱媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両等のエネルギ変換システムにおいては、例えば燃料のエネルギを動力や電気に変換する際に、不可避的に熱が発生する。エネルギ変換器における変換効率の低下やオーバーヒートを抑制するために、エネルギ変換により発生した熱を積極的に除去する必要がある。一般的に、このようなシステムでは、エネルギ変換の際に発生した熱を輸送して、その熱を放熱器から系外へ放熱するように構成されている。
【０００３】
ところで、エネルギ変換器の冷却手法としては、その排熱温度に応じて種々の方策がとられている。例えば、エネルギ変換部として、燃料を燃焼させるエンジン（内燃機関）を用いる場合、シリンダ内が高温となるため、排気系および冷却水系の双方を介して熱を除去している。
【０００４】
ここで、冷却水系に用いられる冷却水（熱媒体）は、不凍性を有している必要がある。これに対し、凝固点降下剤であるエチレングリコールを水に対して５割程度加えた液体を冷却水として用いることにより、不凍性を確保する手法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−０２０２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、エネルギ変換器として燃料電池（特に、固体高分子電解質型の燃料電池（ＰＥＦＣ））が注目されている。燃料電池では、エネルギ変換により電気を生成する際に燃料の酸化反応が行われている。
【０００７】
このような燃料電池を搭載した燃料電池システムでは、冷却水系のみを介して熱を除去する場合が多い。このため、燃料電池システムが車両に搭載される場合、膨大な熱量が冷却水系に放出されることになる。
【０００８】
ところで、上記特許文献１に記載の冷却水のように、凝固点降下現象を用いて冷却水の不凍性能を確保する場合、エチレングリコール等の凝固点降下剤は比熱や熱伝導率等の熱物性が悪いため、熱を除去および輸送する性能が低下する。その結果、放熱器や熱媒体配管等の体格が大きくなったり、冷却水を流動させるポンプの動力が大きくなったりという問題がある。
【０００９】
特に、冷却水系に膨大な熱量が放出される燃料電池システムの冷却水として、上記特許文献１に記載の冷却水を用いると、放熱器のさらなる大型化や、ポンプの負荷の増大が避けられない。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、エネルギ変換部からの熱の除去が主として液状熱媒体を介して行われる熱輸送システムにおいて、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、外部から供給される燃料のエネルギを変換して熱を発生させるとともに、熱が除去されるように構成された変換部（１）と、熱を系外へ放出する放熱部（４２）とを備え、変換部（１）で発生した熱を、液体状の熱媒体を介して放熱部（４２）へ輸送することで、変換部（１）から熱が除去される熱輸送システムにおいて、変換部（１）は、当該変換部（１）で発生した熱の熱量に対して、熱媒体を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されており、熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（６０）とを有する溶液により構成されており、少なくとも１種類の溶質（６０）は、熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面（７０）に選択的に近接する第１部位（６１）と、第１部位（６１）に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（６２）とを備える分子により構成されており、さらに、前記熱媒体が流通する熱媒体流路（４０）に設けられるとともに、熱を蓄える蓄熱部（８１）と、熱媒体の有する熱を蓄熱部（８１）に蓄熱する蓄熱モードと、蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を伝熱対象に放出する放熱モードとを切り替えるモード切替手段（８２、８３）と、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（９１）と、圧縮機（９１）から吐出された高圧冷媒を放熱させる冷媒放熱器（９２）とを有するヒートポンプサイクル（９）とを備え、冷媒放熱器（９２）は、高圧冷媒と熱媒体とを熱交換させて、高圧冷媒の有する熱を熱媒体に放出させるように構成されており、モード切替手段（８２、８３）は、圧縮機（９１）が作動している場合に、蓄熱モードに切り替えて、冷媒放熱器（９２）にて熱媒体に対して放出された高圧冷媒の有する熱を、当該熱媒体を介して蓄熱部（８１）に蓄熱させることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、変換部（１）を、当該変換部（１）で発生した熱の熱量に対して、熱媒体を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成することで、変換部（１）からの熱の除去を主として液状熱媒体を介して行うことができる。
【００１３】
また、熱媒体は、熱媒体の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質（６０）の第１部位（６１）が溶液の固液界面に選択的に近接して吸着する。これにより、溶媒の固液界面（７０）に吸着した第１部位（６１）により、溶媒の凝固核の成長が阻害されるため、凍結の進行を抑制できる。さらに、溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（６２）により、溶媒が固液界面（７０）に近づくことが抑制されるので、凍結の進行をより抑制できる。
【００１４】
このため、熱媒体にエチレングリコール等の凝固点降下剤を含有させなくても、熱媒体の凍結の進行を遅らせることができる。また、熱媒体の凝固点を低下させるために過冷却状態を維持する必要はないので、外乱により熱媒体の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。
【００１５】
したがって、変換部（１）からの熱の除去が主として液状熱媒体を介して行われる熱輸送システムにおいて、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保することが可能となる。
また、請求項２に記載の発明では、外部から供給される燃料のエネルギを変換して熱を発生させるとともに、熱が除去されるように構成された変換部（１）と、熱を系外へ放出する放熱部（４２）とを備え、変換部（１）で発生した熱を、液体状の熱媒体を介して放熱部（４２）へ輸送することで、変換部（１）から熱が除去される熱輸送システムにおいて、変換部（１）は、当該変換部（１）で発生した熱の熱量に対して、熱媒体を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されており、熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（６０）とを有する溶液により構成されており、少なくとも１種類の溶質（６０）は、熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面（７０）に選択的に近接する第１部位（６１）と、第１部位（６１）に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（６２）とを備える分子により構成されており、さらに、熱媒体が流通する熱媒体流路（４０）に設けられるとともに、熱を蓄える蓄熱部（８１）と、熱媒体の有する熱を蓄熱部（８１）に蓄熱する蓄熱モードと、蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を伝熱対象に放出する放熱モードとを切り替えるモード切替手段（８２、８３）と、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（９１）と、圧縮機（９１）から吐出された高圧冷媒を放熱させる冷媒放熱器（９２）とを有するヒートポンプサイクル（９）とを備え、冷媒放熱器（９２）は、高圧冷媒と熱媒体とを熱交換させて、高圧冷媒の有する熱を熱媒体に放出させるように構成されており、モード切替手段（８２、８３）は、変換部（１）の負荷が予め定めた第３基準負荷よりも小さく、かつ、圧縮機（９１）が停止している場合に、放熱モードに切り替えて、蓄熱部（８１）に蓄えられた熱を熱媒体を介して放熱部（４２）から系外へ放出させることを特徴とする。
【００１６】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態におけるセルの概略構成図である。
【図３】第１実施形態における燃料電池システムの電気制御部を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態における冷却水の構成を説明するための説明図である。
【図５】第２実施形態における燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図６】第３実施形態における燃料電池システムを示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る熱輸送システムを、燃料電池を走行用駆動源として走行する燃料電池自動車の燃料電池システム（より詳細には燃料電池の冷却システム）に適用している。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、二次電池、走行用モータ、補機等の各種電気負荷２に電力を供給するものである。
【００２１】
本実施形態の燃料電池１は、固体高分子電解質型の燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用している。ＰＥＦＣでは、基本単位となる電池セル１０（以下、単にセル１０と称する）が複数積層され、各セル１０が電気的に直列に接続されている。
【００２２】
ここで、図２に示すように、各セル１０は、プロトン伝導性のイオン交換膜（固体高分子）からなる電解質膜１１および電解質膜１１の外側両面を狭持する一対の電極１２、１３で構成される膜電極接合体と、これを両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。
【００２３】
一対の電極１２、１３のうち、一方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極１２（アノード）として構成され、他方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極１３（カソード）として構成されている。なお、各電極１２、１３は、触媒層およびガス拡散層にて構成されている。
【００２４】
また、一対のセパレータそれぞれは、水素極１２と対向する面に水素極１２に水素を供給するための水素流路１４が形成され、空気極１３と対向する面に空気極１３に空気を供給するための空気流路１５が形成されている。
【００２５】
燃料電池１に水素および空気といった反応ガスが供給されると、各セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応して、電気エネルギを出力する。
【００２６】
（水素極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（空気極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
この際、水素極１２では、内部に供給された水素が触媒層における触媒反応によって、電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）とに電離され、プロトン（Ｈ+）は、水（随伴水）を随伴して空気極１３側に移動する。
【００２７】
一方、空気極１３では、水素極１２側から移動してきたプロトン（Ｈ+）、外部から流通してきた電子、および空気中の酸素（Ｏ2）が反応して、水（生成水）が生成される。空気極１３側で生成された生成水は、空気流れ上流側から下流側へと流れる際に、空気極１３側から水素極１２側へと拡散する。つまり、水素極（アノード）１２および空気極（カソード）１３の間を水が循環する（図２の電解質膜１１付近に示す矢印参照）。
【００２８】
図１に戻り、燃料電池システムには、燃料電池１の水素極１２側に供給される水素ガスが通過する水素供給配管２０、および燃料電池１の水素極１２側から排出される排ガスが通過する水素排出配管２１が設けられている。
【００２９】
水素供給配管２０の最上流部には、燃料電池１の水素極１２に水素ガスを供給するための水素供給装置２２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置２２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。
【００３０】
水素供給配管２０には、水素供給装置２２の下流側に水素調圧弁２３が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、水素調圧弁２３によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。
【００３１】
水素排出配管２１には、シャット弁２４が設けられている。必要に応じてシャット弁２４を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出配管２１を介して、微量の水素、蒸気（あるいは水）および空気極１３側から電解質膜１１を通過して水素極１２側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。
【００３２】
本実施形態の水素排出配管２１には、シャット弁２４の上流側に、水素排出配管２１を通過する未反応水素（未反応燃料ガス）や水分等を燃料電池１に再循環させるための水素循環配管２５が接続されている。具体的には、水素循環配管２５は、水素排出配管２１のシャット弁２４の上流側と、水素供給配管２０の水素調圧弁２３の下流側との間に接続されている。
【００３３】
水素循環配管２５には、水素排出配管２１中の未反応水素等を水素供給配管２０に戻すための循環ポンプ２６が設けられている。なお、循環ポンプ２６に代えて、流量可変式のエジェクタを利用して、水素排出配管２１中の未反応水素等を水素供給配管２０に戻す構成としてもよい。
【００３４】
また、燃料電池システムには、燃料電池１の空気極１３に供給される空気が通過する空気供給配管３０、および燃料電池１の空気極１３から排出される排ガスが通過する空気排出配管３１が設けられている。
【００３５】
空気供給配管３０には、空気を圧縮して吐出するための空気供給装置３２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置３２として圧送ポンプを用いている。また、空気排出配管３１には、所望の圧力になるよう空気流路１５内の空気の圧力を調整する背圧調整弁３３が設けられている。
【００３６】
ところで、燃料電池１は、外部から供給される燃料（水素）のエネルギを電気に変換する、すなわち発電する際に、熱を発生させる。したがって、本実施形態の燃料電池１は、本発明の変換部に相当している。
【００３７】
燃料電池システムには、燃料電池１の発電に伴い発生する熱を除去するため、燃料電池１を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４が設けられている。換言すると、燃料電池１は、発電（エネルギ変換）に伴い発生する熱が除去されるように構成されている。
【００３８】
冷却システム４には、冷却水配管４０、ウォータポンプ４１、ラジエータ４２が設けられている。冷却水配管４０は、液体状の熱媒体である冷却水を燃料電池１に循環させる冷却水流路を構成している。ウォータポンプ４１は、冷却水流路における冷却水の流動を制御する流動制御手段である。ラジエータ４２は、冷却水と送風ファン４３から送風された空気とを熱交換させて、冷却水の有する熱を系外へ放出する放熱部である。
【００３９】
この冷却システム４により、燃料電池１で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外に排出される。すなわち、冷却システム４は、燃料電池１で発生した熱を冷却水を介してラジエータ４２へ輸送することで、燃料電池１から熱を除去している。
【００４０】
燃料電池システムは、燃料電池１で発電に伴い発生した熱の熱量に対して、冷却システム４により冷却水を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されている。本実施形態では、燃料電池１で発電に伴い発生した熱の熱量のうち、自然放熱分を除いたほぼ全ての熱量が、冷却システム４により冷却水を介して除去される。
【００４１】
図３に示すように、本実施形態の燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御装置５０は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種制御機器の作動を制御するものである。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等の記憶部に記憶された制御プログラムに従って各種演算等の処理を実行する。
【００４２】
具体的には、制御装置５０の入力側には、各種電気負荷２からの要求電力信号等が入力される。一方、制御装置５０の出力側には、水素調圧弁２３、シャット弁２４、循環ポンプ２６、空気供給装置３２、背圧調整弁３３、ウォータポンプ４１、送風ファン４３等が接続され、各種制御機器に制御信号を出力する。なお、制御装置５０は、基本的に、電気負荷２からの要求電力信号に応じて、燃料電池１に供給する各反応ガス（水素および空気）の供給量を制御している。
【００４３】
次に、本実施形態に係る冷却システム４で用いられる冷却水について説明する。本実施形態の冷却水は、溶媒と１種類の溶質６０とを有する溶液により構成されている。
【００４４】
図４に示すように、冷却水の溶質６０は、第１部位であるヘッド６１と、第２部位であるテール６２とを備える分子により構成されている。ヘッド６１は、冷却水の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面７０に選択的に近接する部位である。テール６２は、ヘッド６１に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する部位である。
【００４５】
本実施形態では、溶媒として水が採用されている。また、溶質６０のヘッド６１として、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかが採用されている。また、溶質６０のテール６２として、複数の炭素を主鎖とするとともに、各炭素と結合される親水基が４個以下であるものが採用されている。
【００４６】
具体的には、本実施形態の溶質６０として、ヘッド６１がトリメチルアンモニウム基であるとともに、テール６２が炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基である化合物を採用している。具体的には、溶質６０として、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（以下、Ｃ16ＴＡＢともいう）を採用している。
【００４７】
なお、本実施形態の溶質６０としては、Ｃ16ＴＡＢの他に、ポリオキシエチレン（１０）オクチルフェニルエーテル（Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００）、ポリオキシエチレン（２５）オクチルドデシルエーテル（エマルゲン（登録商標）２０２５Ｇ）、オレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（Ｔｗｅｅｎ（登録商標）８０）、ステアリン酸ＰＥＧ−１５０、ミリスチルスルホベタイン、コール酸ナトリウムを採用することができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１で発生した熱の熱量に対して、冷却水を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１からの熱の除去を主として冷却水を介して行っている。
【００４９】
そして、本実施形態では、冷却水の溶質６０を、冷却水温度が基準温度以下になった場合に、水の固液界面７０に選択的に近接するヘッド６１と、ヘッド６１に接続されるとともに、水に対して疎となる関係を有するテール６２とを備える分子により構成している。これによれば、冷却水の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質６０のヘッド６１が水の固液界面７０に選択的に近接して吸着する。そして、水の固液界面７０に吸着したヘッド６１により、水の氷核（凝固核）の成長が阻害されるため、凍結の進行を抑制できる。さらに、水に対して疎となる関係を有するテール６２により、水が固液界面７０に近づくことが抑制されるので、凍結の進行をより抑制できる。
【００５０】
したがって、冷却水に凝固点降下剤（チレングリコール）を含有させなくても、冷却水の凍結の進行を遅らせる、すなわち冷却水の凝固点を低下させることができる。このため、冷却水の熱物性悪化および粘度増加を抑制できる。
【００５１】
また、本実施形態では、冷却水の凝固点を低下させるために、過冷却状態を維持する必要はない。すなわち、本実施形態の冷却水の溶質６０は、過冷却を促進させるものではなく、上述したように、氷核の成長を阻害するものである。このため、外乱により冷却水の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。
【００５２】
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池１からの熱の除去が主として冷却水を介して行われる燃料電池システムにおいて、冷却水の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、冷却水の不凍性能を充分に確保することが可能となる。これにより、ラジエータ４２の大型化およびウォータポンプ４１の負荷の増大を抑制することが可能となる。
【００５３】
特に、本実施形態のように、変換部である燃料電池１で発生した熱の熱量に対して、冷却水を介して除去される熱量の割合が最も大きくなるように構成されているシステムにおいて、冷却水の熱物性悪化および粘度増大を抑制することは特に効果的である。
【００５４】
ところで、図４に示すように、本実施形態の冷却水において、溶質６０のヘッド６１が水の固液界面７０に吸着した際に、テール６２はヘッド６１を基点として運動する。このとき、隣り合う溶質分子のテール６２同士が接触しないようになっている。したがって、溶質分子のテール６２の長さが長すぎると動径も大きくなり、隣り合う溶質分子同士の距離ｄが長くなるので、氷核の成長を阻害し難くなる。これにより、冷却水の凍結の進行抑制効果が低下してしまう。
【００５５】
これに対し、上述したように、溶質分子のテール６２を、炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基とすることで、テール６２の長さが長くなりすぎることを抑制できる。このため、隣り合う溶質分子同士の距離ｄを短くすることができるので、氷核の成長を阻害し易くなり、冷却水の凍結の進行を確実に抑制することができる。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、冷却システムに蓄熱部を設けた点が異なるものである。
【００５７】
図５に示すように、本実施形態の冷却システム４は、燃料電池１で発電に伴い発生した熱を、冷却水を介して蓄える蓄熱部８１を有している。冷却システム４の冷却水配管４０には、蓄熱部８１に冷却水を循環させる冷却水流路を形成する蓄熱用配管８０が接続されている。
【００５８】
具体的には、蓄熱用配管８０は、冷却水配管４０におけるウォータポンプ４１の吐出側とラジエータ４２の入口側との間に接続されている。蓄熱用配管８０と冷却水配管４０との接続部には、三方弁８２、８３が配置されている。三方弁８２、８３は、冷却水が蓄熱部８１を流れる状態と流れない状態とを切り替える冷却水流れ切替手段である。三方弁８２、８３の作動は、制御装置５０によって制御される。
【００５９】
次に、上記構成における本実施形態の冷却システム４の作動を説明する。
【００６０】
制御装置５０は、燃料電池１に対する各種電気負荷２からの要求出力が高負荷状態となっている場合、すなわち燃料電池１の負荷が予め定めた第１基準負荷よりも大きい場合に、燃料電池１で発電に伴い発生した熱を蓄熱部８１にて蓄える蓄熱モードを実行する。
【００６１】
具体的には、制御装置５０は、燃料電池１の負荷が第１基準負荷よりも大きい場合に、三方弁８２、８３を切り替えて冷却水が蓄熱部８１を流れる状態にする。これにより、燃料電池１で発電に伴い発生した熱は、冷却水を介して蓄熱部８１に蓄熱される。
【００６２】
また、制御装置５０は、燃料電池１に対する各種電気負荷２からの要求出力が低負荷状態となっている場合、すなわち燃料電池１の負荷が予め定めた第２基準負荷よりも小さい場合に、蓄熱部８１に蓄えられた熱を伝熱対象である冷却水に放出する放熱モードを実行する。
【００６３】
具体的には、制御装置５０は、燃料電池１の負荷が第２基準負荷よりも小さい場合に、三方弁８２、８３を切り替えて冷却水が蓄熱部８１を流れる状態にする。これにより、蓄熱部８１に蓄えられた熱は、冷却水を介してラジエータ４２から系外へ放出される。なお、第２基準負荷は、第１基準負荷よりも小さく設定されている。
【００６４】
また、制御装置５０は、燃料電池１が定常運転状態である際、すなわち燃料電池１の負荷が第２基準負荷以上、第１基準負荷以下になっている場合に、三方弁８２、８３を切り替えて冷却水が蓄熱部８１を流れない状態にする。これにより、燃料電池１が定常運転状態である際には、蓄熱部８１での蓄熱および蓄熱部８１からの放熱は行われない。
【００６５】
このように、三方弁８２、８３の動作を制御することにより、蓄熱モードおよび放熱モードを切り替えることができる。したがって、本実施形態の三方弁８２、８３が、本発明のモード切替手段に相当している。
【００６６】
ところで、燃料電池１が高負荷状態のとき、燃料電池１で発電に伴い発生する熱量は定常時よりも増大する。このため、高負荷状態のときに発生した熱量をラジエータ４２で放熱するためには、ラジエータ４２を大型化する必要がある。
【００６７】
これに対し、本実施形態では、冷却システム４に、燃料電池１で発電に伴い発生した熱を蓄える蓄熱部８１を設けるとともに、燃料電池１が高負荷状態のときに蓄熱モードを実行するように冷却システム４を構成している。これにより、燃料電池１が高負荷状態の場合、燃料電池１で発電に伴い発生した熱を蓄熱部８１にて蓄えることができるので、ラジエータ４２の大型化を抑制できる。
【００６８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、燃料電池自動車（車両）に車両用空調装置を搭載した点が異なるものである。
【００６９】
車両用空調装置を構成する冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）９は、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を果たす。冷凍サイクル９は、圧縮機９１、冷媒放熱器９２、膨張弁９３、および蒸発器９４を有している。これら構成部品は、配管９０によって環状に接続され、冷媒循環路を構成する。
【００７０】
圧縮機９１は、車両ボンネット内に配置されており、冷凍サイクル９において冷媒を吸入し、圧縮して吐出するものである。本実施形態の圧縮機９１は、 吐出容量が固定された固定容量型の圧縮機構を電動モータにて駆動する電動圧縮機として構成されている。この電動モータは、制御装置５０から出力される制御信号によって、その作動（回転数）が制御される。そして、制御装置５０が電動モータの回転数を制御することによって、圧縮機構の冷媒吐出能力が変更される。
【００７１】
冷媒放熱器９２は、圧縮機９１から吐出した高圧冷媒と冷却水とを熱交換させて、高圧冷媒の有する熱を冷却水に放出させる熱交換器である。本実施形態の冷媒放熱器９２は、燃料電池１の出口側とウォータポンプ４１の吸入側との間に配置されている。そして、本実施形態の冷媒放熱器９２は、圧縮機９１から吐出された高圧冷媒と燃料電池１から流出した冷却水とを熱交換させて、高圧冷媒を凝縮させる。
【００７２】
膨張弁９３は、冷媒放熱器９２から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。蒸発器９４は、膨張弁９３で減圧膨張された低圧冷媒と送風空気とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる、すなわち送風空気を冷却する熱交換器である。蒸発器９４で蒸発した気相冷媒は、圧縮機９１に吸入されて圧縮される。
【００７３】
次に、上記構成における本実施形態の冷却システム４の作動を説明する。
【００７４】
制御装置５０は、圧縮機９１が作動している場合に、蓄熱モードを実行する。具体的には、圧縮機９１が作動している場合に、三方弁８２、８３を切り替えて冷却水が蓄熱部８１を流れる状態にする。これにより、燃料電池１で発電に伴い発生した熱、および、冷媒放熱器９２にて冷却水に対して放出された高圧冷媒の有する熱が、冷却水を介して蓄熱部８１に蓄熱される。
【００７５】
また、制御装置５０は、圧縮機９１の作動が停止し、かつ、燃料電池１に対する各種電気負荷２からの要求出力が低負荷状態となっている場合、すなわち燃料電池１の負荷が予め定めた第３基準負荷よりも小さい場合に、放熱モードを実行する。具体的には、制御装置５０は、圧縮機９１の作動が停止し、かつ、燃料電池１の負荷が第３基準負荷よりも小さい場合に、三方弁８２、８３を切り替えて冷却水が蓄熱部８１を流れる状態にする。これにより、蓄熱部８１に蓄えられた熱を、冷却水を介してラジエータ４２から系外へ放出させる。なお、第３基準負荷は、第１基準負荷よりも小さく設定されている。
【００７６】
ところで、本実施形態のように、冷凍サイクル９の高圧冷媒の有する熱を冷却水に放出させる冷媒放熱器９２を有する冷却システム４では、圧縮機９１の作動時、すなわち車両用空調装置の作動時、冷却水の有する熱量が定常時よりも増大する。このため、圧縮機９１の作動時に、冷却水の有する熱をラジエータ４２で放熱するためには、ラジエータ４２を大型化する必要がある。
【００７７】
これに対し、本実施形態では、冷却システム４に、燃料電池１で発電に伴い発生した熱を蓄える蓄熱部８１を設けるとともに、圧縮機９１の作動時に蓄熱モードを実行するように冷却システム４を構成している。これにより、圧縮機９１の作動時に、冷媒放熱器９２で冷却水に放出された高圧冷媒の有する熱を蓄熱部８１にて蓄えることができるので、ラジエータ４２の大型化を抑制できる。
【００７８】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、例えば以下のように種々変形可能である。
【００７９】
（１）上記実施形態では、変換部として燃料電池１を採用した例について説明したが、変換部はこれに限定されない。例えば、変換部として、バッテリ、インバータ等を採用してもよい。
【００８０】
（２）上記実施形態では、放熱部としてラジエータ４２を採用した例について説明したが、これに限定されない。例えば、放熱部として、冷却水と空調空気との間で熱交換を行うことにより空調空気を加熱するヒータコアを採用してもよい。
【００８１】
（３）上記第２、第３実施形態では、放熱モード時に蓄熱部８１から熱が放出される伝熱対象として、冷却水を採用した例について説明したが、伝熱対象はこれに限定されない。例えば、伝熱対象として、車室内へ送風される送風空気を採用し、蓄熱部８１に蓄えられた熱を車室内の暖房に利用してもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１    燃料電池（変換部）
４２  ラジエータ（放熱部）
６０  溶質
６１  ヘッド（第１部位）
６２  テール（第２部位）
７０  固液界面
【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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