(57)【要約】【課題】燃料電池の継続的な冷却に有効な冷却手法を提案する。【解決手段】燃料電池システム２０は、第１ヒートポンプ１１０の吸熱機能で第１循環路１３０の冷媒冷却を図って燃料電池１００を冷却し、この冷却の間に、第２ヒートポンプ１２０に発熱反応を起こして吸熱機能回復を図る。また、それまで電池冷却に関与していた第１ヒートポンプ１１０のヒートポンプの吸熱機能が所定の程度まで低下すれば、この第１ヒートポンプ１１０では発熱反応を起こして吸熱機能回復を図り、それまでに発熱反応を起こして吸熱機能回復がなされた第２ヒートポンプ１２０を吸熱反応として吸熱機能による冷媒冷却を図って燃料電池１００を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
吸熱反応に伴う吸熱機能と発熱反応に伴う吸熱機能回復とを図る第１と第２のヒートポンプと、
該第１、第２のヒートポンプを前記燃料電池に対して並列に接続する電池冷却用の第１循環流路と、
ラジエーターに対して前記第１、第２のヒートポンプを並列に接続する機能回復用の第２循環流路と、
前記第１、第２のヒートポンプにおける前記吸熱反応と前記発熱反応を制御する第１制御部と、
前記第１循環流路における前記第１、第２のヒートポンプの冷媒通過と前記第２循環流路における前記第１、第２のヒートポンプの冷媒通過とを制御する第２制御部とを備え、
前記第１制御部は、前記第１のヒートポンプを前記吸熱反応としている間は、前記第２のヒートポンプを前記発熱反応とし、前記第１のヒートポンプを前記発熱反応としている間は前記第２のヒートポンプを前記吸熱反応とする反応制御を繰り返し、
前記第２制御部は、前記第１制御部により前記吸熱反応とされている前記ヒートポンプに前記第１循環流路において冷媒を通過させ、前記第１制御部により前記発熱反応とされている前記ヒートポンプに前記第２循環流路において冷媒を通過させる
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電池化学反応の継続の上から、所定の温度にて発電運転を行うことが望まれるので、燃料電池を冷却する手法が提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２８９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の冷却手法では、燃料電池の冷媒循環経路に蓄熱部材を配設して、この蓄熱部材での蓄熱により冷媒を冷却している。そこで、本願は、蓄熱部材の蓄熱能力の物理的な限界に鑑み、燃料電池の継続的な冷却に有効な冷却手法を提案することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、吸熱反応に伴う吸熱機能と発熱反応に伴う吸熱機能回復とを図る第１と第２のヒートポンプと、該第１、第２のヒートポンプを前記燃料電池に対して並列に接続する電池冷却用の第１循環流路と、ラジエーターに対して前記第１、第２のヒートポンプを並列に接続する機能回復用の第２循環流路と、前記第１、第２のヒートポンプにおける前記吸熱反応と前記発熱反応を制御する第１制御部と、前記第１循環流路における前記第１、第２のヒートポンプの冷媒通過と前記第２循環流路における前記第１、第２のヒートポンプの冷媒通過とを制御する第２制御部とを備え、前記第１制御部は、前記第１のヒートポンプを前記吸熱反応としている間は、前記第２のヒートポンプを前記発熱反応とし、前記第１のヒートポンプを前記発熱反応としている間は前記第２のヒートポンプを前記吸熱反応とする反応制御を繰り返し、前記第２制御部は、前記第１制御部により前記吸熱反応とされている前記ヒートポンプに前記第１循環流路において冷媒を通過させ、前記第１制御部により前記発熱反応とされている前記ヒートポンプに前記第２循環流路において冷媒を通過させる。
【０００７】
この形態の燃料電池システムは、吸熱反応しているヒートポンプの吸熱機能で冷媒冷却を図って燃料電池を冷却しつつ、この間に、残余のヒートポンプでは発熱反応を起こして吸熱機能回復を図る。また、それまで吸熱反応としていたヒートポンプの吸熱機能が低下もしくは喪失すれば、このヒートポンプで発熱反応を起こして吸熱機能回復を図り、それまでに発熱反応を起こして吸熱機能回復がなされたヒートポンプを吸熱反応として吸熱機能による冷媒冷却を図って燃料電池を冷却する。この結果、上記形態の燃料電池システムによれば、ヒートポンプで継続的に冷媒冷却を図ることで、燃料電池についても継続的に冷却できる。
【０００８】
上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第１制御部は、前記第２循環流路における前記ヒートポンプからの出口の冷媒温度が前記第１循環流路における前記燃料電池からの出口の冷媒温度より高くなるように、前記発熱反応を制御するようにしてもよい。こうすれば、吸熱機能が低下もしくは喪失したヒートポンプの吸熱機能を、発熱反応に伴い確実に回復できる。
【０００９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の冷却方法や冷却システム、あるいは、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における燃料電池システム２０を搭載した車両１０を車両上方から概略的に示す説明図である。
【図２】電池冷却制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図３】第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０とにおける冷媒冷却への寄与の推移を概略的に示す説明図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池システム２０Ａを搭載した車両１０を車両上方から概略的に示す説明図である。
【図５】第３実施形態における燃料電池システム２０Ｂを搭載した車両１０を車両上方から概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は第１実施形態における燃料電池システム２０を搭載した車両１０を車両上方から概略的に示す説明図である。図示するように、車両１０の搭載する燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、第１ヒートポンプ１１０と、第２ヒートポンプ１２０と、第１循環路１３０と、ラジエーター１４０と、第２循環路１５０と、制御装置２００とを備える。燃料電池１００は、図示しない水素ガス供給系からの水素ガス供給と図示しない酸化ガス供給系からの空気（酸素）の供給を受けて発電し、その発電電力を燃料電池システム２０の駆動モーター（図示略）に供給する。なお、燃料電池１００の搭載に当たっては、車体幅方向左右において車両前後に延びる図示しないサイドフレームや、これに掛け渡された図示しないクロスフレームが用いられる。
【００１２】
第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプは、例えば、アルカリ土類金属塩と水との可逆的な反応や、水素貯蔵合金への水素の貯蔵と放出を利用して、吸熱反応に伴う吸熱機能と発熱反応に伴う吸熱機能回復とを図ることが可能に構成されている。この吸熱反応と吸熱機能回復は、第１ヒートポンプ１１０に内蔵される反応コントロール部１１０ｃでの吸熱反応の進行、或いは発熱反応の進行でなされ、反応コントロール部１１０ｃは、後述の制御装置２００からの制御信号を受けて、吸熱反応或いは発熱反応を進行させる。第２ヒートポンプ１２０の反応コントロール部１２０ｃも同様である。よって、反応コントロール部１１０ｃ，１２０ｃは、後述の制御装置２００と共に、本願における第１制御部を構築する。
【００１３】
第１循環路１３０は、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプを燃料電池１００に対して並列に接続する循環流路であって、燃料電池１００への入口流路側に循環ポンプ１３２を備え、燃料電池１００からの出口流路に温度センサー１３３を備える。循環ポンプ１３２は、後述の制御装置２００にて駆動制御され、第１循環路１３０において冷媒を循環環流させる。温度センサー１３３は、燃料電池１００からの出口流路を流れる冷媒温度、即ち燃料電池温度を制御装置２００に出力する。第１循環路１３０は、並列配設された上記の両ヒートポンプの入口側流路に、開閉バルブ１１１と開閉バルブ１２１とを備える。この両開閉バルブは、後述の制御装置２００にて開閉制御され、対応するヒートポンプに冷媒を通過させる。開閉バルブ１１１或いは開閉バルブ１２１により管路開放された第１ヒートポンプ１１０或いは第２ヒートポンプ１２０は、通過する冷媒を、反応コントロール部１１０ｃ，１２０ｃでなされる吸熱反応に伴う吸熱機能により冷却し、この冷却済み冷媒が燃料電池１００を含む第１循環路１３０で循環する。これにより、燃料電池１００の冷却が進む。
【００１４】
第２循環路１５０は、冷媒冷却を図るラジエーター１４０に対して第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプを並列に接続する循環流路であって、両ヒートポンプへの入口流路側に循環ポンプ１５２を備え、両ヒートポンプからの出口流路に温度センサー１５３を備える。循環ポンプ１５２は、後述の制御装置２００にて駆動制御され、第２循環路１５０において冷媒を循環環流させる。温度センサー１５３は、両ヒートポンプからの出口流路を流れる冷媒温度を制御装置２００に出力する。第２循環路１５０は、並列配列された上記の両ヒートポンプの入口側流路に、開閉バルブ１１２と開閉バルブ１２２とを備える。この両開閉バルブは、後述の制御装置２００にて開閉制御され、対応するヒートポンプに冷媒を通過させる。開閉バルブ１１２或いは開閉バルブ１２２により管路開放された第１ヒートポンプ１１０或いは第２ヒートポンプ１２０は、通過する冷媒を、反応コントロール部１１０ｃ，１２０ｃでなされる発熱反応により昇温させて吸熱機能回復を図り、昇温済み冷媒は、第２循環路１５０のラジエーター１４０を通過する際に冷却される。なお、ラジエーター１４０は、ファン１４２を備え、このファンの回転および車両１０の走行に伴う走行風により、第２循環路１５０の冷媒を冷却する。
【００１５】
制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、燃料電池システム２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、図示しない負荷センサーからの入力を受けて燃料電池１００への水素・空気の供給量を定め、その定めた供給量での水素供給と空気供給ができるよう、図示しないバルブ等を駆動制御する。この他、制御装置２００は、第１循環路１３０における温度センサー１３３や、第２循環路１５０における温度センサー１５３の他、図示しないシステム起動スイッチ等からの入力を受けて、循環ポンプ１３２や循環ポンプ１５２、および開閉バルブ１１１等のバルブを駆動制御する。こうした機器制御の他、制御装置２００は、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプにおける反応コントロール部１１０ｃ，１２０ｃでのアルカリ土類金属塩への水の供給停止や供給量制御、或いは、水素貯蔵合金への水素の供給停止や供給量制御をセンサー出力に基づいて行うことで、両ヒートポンプにおける吸熱反応と発熱反応を制御する。これにより、両ヒートポンプは、吸熱反応に伴う吸熱機能と発熱反応に伴う吸熱機能回復とを図ることができる。よって、第１循環路１３０と第２循環路１５０とでの上記の両ヒートポンプへの冷媒通過をバルブ操作にて図る制御装置２００は、本願における第２制御部を構築する。
【００１６】
次に、上記した燃料電池システム２０の制御装置２００にて実行される電池冷却制御について説明する。図２は電池冷却制御の制御手順を示すフローチャートである。この電池冷却制御は、図示しないイグニッションスイッチがＯＮされてから繰り返し実行され、まず、第１循環路１３０における燃料電池１００の出口側の流路を流れる冷媒温度ＴＷＬ（燃料電池温度）を基準冷媒温度ＴＷＰと対比する（ステップＳ１１０）。この基準冷媒温度ＴＷＰは、燃料電池１００での電気化学反応の円滑な進行を図る上で規定される温度である。よって、上記の冷媒温度ＴＷＬが基準冷媒温度ＴＷＰを越えていなければ、そのままの冷媒による循環冷却で燃料電池１００の発電運転に特段の支障は無い。こうしたことから、制御装置２００は、ステップＳ１１０にて否定判定した場合、この否定判定の間に、ヒートポンプの吸熱機能回復を図るべく、吸熱機能が低下もしくは喪失したヒートポンプに発熱反応を誘起すると共に、この発熱反応に伴う冷媒昇温のためのバルブ制御を行い（ステップＳ１２０）、本ルーチンを一旦、終了する。
【００１７】
ステップＳ１２０での吸熱機能回復の対象となるヒートポンプは、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプの時もあれば、一方のヒートポンプの時もあり、両ヒートポンプとも吸熱機能回復が不要の場合がある。こうしたことを考慮して、制御装置２００は、ステップＳ１２０において、吸熱機能が低下もしくは喪失したヒートポンプを、その有するアルカリ土類金属塩と水との反応の進行状況や、水素貯蔵合金への水素の貯蔵状況或いは放出状況から特定し、特定したヒートポンプ、例えば両ヒートポンプ、或いは一方のヒートポンプについて、発熱反応の誘起とバルブ制御を行う。発熱反応は、吸熱機能回復の対象となったヒートポンプにおいて、アルカリ土類金属塩と水との反応促進や水素貯蔵合金への水素の貯蔵促進を図ることで、誘起される。アルカリ土類金属塩と水との反応促進や水素貯蔵合金への水素の貯蔵促進は、制御装置２００の制御を受けた反応コントロール部１１０ｃ，１２０ｃでなされる。バルブ制御については、次のようになる。
【００１８】
第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプが共に吸熱機能回復の対象であれば、循環ポンプ１５２の駆動状況下で、第２循環路１５０における開閉バルブ１１２と開閉バルブ１２２の両バルブを開弁駆動する。一方のヒートポンプ（例えば、第１ヒートポンプ１１０）が吸熱機能回復の対象であれば、循環ポンプ１５２の駆動状況下で、第２循環路１５０における開閉バルブ１１２を開弁駆動し、吸熱機能回復の対象ではない第２ヒートポンプ１２０については開閉バルブ１２２を閉弁駆動する。両ヒートポンプとも吸熱機能回復の対象でなければ、両開閉バルブを閉弁駆動し、循環ポンプ１５２についてはこれを停止する。なお、両ヒートポンプとも吸熱機能回復の対象でない場合、循環ポンプ１５２の駆動状況下で、両開閉バルブを開弁駆動してもよい。なお、第１循環路１３０においては、循環ポンプ１３２の駆動状況下で、開閉バルブ１１１と開閉バルブ１２１を共に開弁駆動しておけばよい。
【００１９】
ステップＳ１１０において、上記の冷媒温度ＴＷＬが基準冷媒温度ＴＷＰを越えていると肯定判定すると、制御装置２００は、電池冷却を促進すべく、まず、第１ヒートポンプ１１０が吸熱可能か否かを判定する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０の判定は、第１ヒートポンプ１１０におけるアルカリ土類金属塩と水との反応の進行状況や水素貯蔵合金への水素の貯蔵状況或いは放出状況から下される。制御装置２００は、第１ヒートポンプ１１０が吸熱可能であるとステップＳ１３０で肯定判定すると、第１ヒートポンプ１１０に、吸熱機能による冷媒冷却（電池冷却）のための吸熱反応を反応コントロール部１１０ｃを介して誘起し、吸熱機能の低下もしくは喪失も予想され得る残余の第２ヒートポンプ１２０については、吸熱機能回復のための発熱反応を反応コントロール部１２０ｃを介して誘起するよう、ヒートポンプを使い分け、この使い分けに対応したバルブ制御を行い（ステップＳ１４０）、本ルーチンを一旦、終了する。
【００２０】
ステップＳ１４０では、上記したヒートポンプの使い分けにより、制御装置２００は、第１ヒートポンプ１１０において、アルカリ土類金属塩と水との可逆反応促進や水素貯蔵合金からの水素の放出促進を図ることで、吸熱反応を誘起する。第２ヒートポンプ１２０については、アルカリ土類金属塩と水との反応促進や水素貯蔵合金への水素の貯蔵促進を図ることで、発熱反応を誘起する。これに伴い、制御装置２００は、ステップＳ１３０で吸熱可能と判定した第１ヒートポンプ１１０に対応する開閉バルブ１１２を、第２循環路１５０における循環ポンプ１５２の駆動状況下で閉弁駆動すると共に、吸熱機能の回復対象の第２ヒートポンプ１２０に対応する開閉バルブ１２２を開弁駆動する。このバルブ制御と共に、制御装置２００は、吸熱可能と判定した第１ヒートポンプ１１０に対応する開閉バルブ１１１を、第１循環路１３０における循環ポンプ１３２の駆動状況下で開弁駆動すると共に、吸熱機能の回復対象の第２ヒートポンプ１２０に対応する開閉バルブ１２１を閉弁駆動する。
【００２１】
ステップＳ１４０での吸熱・発熱制御とバルブ制御により、第１循環路１３０においては、第１ヒートポンプ１１０を冷媒が通過し、第１ヒートポンプ１１０の吸熱機能により冷却された冷媒は、燃料電池１００を含む第１循環路１３０で循環する。その一方、第２循環路１５０においては、第２ヒートポンプ１２０を冷媒が通過し、第２ヒートポンプ１２０は、通過する冷媒を発熱反応により昇温させて吸熱機能を回復する。こうして昇温された冷媒は、第２循環路１５０のラジエーター１４０にて冷却され、再び、第２ヒートポンプ１２０に到る。本実施形態の燃料電池システム２０では、第１ヒートポンプ１１０にて電池冷却を図っている際に第２ヒートポンプ１２０に発熱反応を誘起して吸熱機能を回復するに当たり、第２循環路１５０におけるヒートポンプ出口側で温度センサー１５３で検出した冷媒温度が、第１循環路１３０における燃料電池出口側で温度センサー１３３で検出した冷媒温度ＴＷＬより高くなるように、第２ヒートポンプ１２０に発熱反応を誘起する。なお、ステップＳ１４０において、第２ヒートポンプ１２０にあっても吸熱可能であれば、上記した発熱反応の誘起を介した吸熱機能回復を行わないようにしてもよい。
【００２２】
ステップＳ１３０において、第１ヒートポンプ１１０が吸熱可能でないと否定判定すると、制御装置２００は、電池冷却の促進を確保すべく、第２ヒートポンプ１２０が吸熱可能か否かを判定する（ステップＳ１５０）。ステップＳ１５０の判定にあっても、ステップＳ１３０での判定と同様、第２ヒートポンプ１２０におけるアルカリ土類金属塩と水との反応の進行状況や水素貯蔵合金への水素の貯蔵状況或いは放出状況から下される。制御装置２００は、第２ヒートポンプ１２０が吸熱可能であるとステップＳ１５０で肯定判定すると、第２ヒートポンプ１２０に、吸熱機能による冷媒冷却（電池冷却）のための吸熱反応を誘起し、吸熱機能の低下もしくは喪失も予想され得る第１ヒートポンプ１１０については、吸熱機能回復のための発熱反応を誘起して、ヒートポンプを使い分け、この使い分けに対応したバルブ制御を行い（ステップＳ１６０）、本ルーチンを一旦、終了する。つまり、このステップＳ１６０では、先のステップＳ１４０でのヒートポンプの使い分けと逆の使い分けがなされる。
【００２３】
ステップＳ１６０では、制御装置２００は、ステップＳ１３０と同様に、第２ヒートポンプ１２０での吸熱反応の誘起と、第１ヒートポンプ１１０での発熱反応の誘起を図る。これに伴い、制御装置２００は、ステップＳ１５０で吸熱可能と判定した第２ヒートポンプ１２０に対応する開閉バルブ１２２を、第２循環路１５０における循環ポンプ１５２の駆動状況下で閉弁駆動すると共に、吸熱機能の回復対象の第１ヒートポンプ１１０に対応する開閉バルブ１１２を開弁駆動する。このバルブ制御と共に、制御装置２００は、吸熱可能と判定した第２ヒートポンプ１２０に対応する開閉バルブ１２１を、第１循環路１３０における循環ポンプ１３２の駆動状況下で開弁駆動すると共に、吸熱機能の回復対象の第１ヒートポンプ１１０に対応する開閉バルブ１１１を閉弁駆動する。
【００２４】
ステップＳ１６０での吸熱・発熱制御とバルブ制御により、第１循環路１３０においては、第２ヒートポンプ１２０を冷媒が通過し、第２ヒートポンプ１２０の吸熱機能により冷却された冷媒は、燃料電池１００を含む第１循環路１３０で循環する。その一方、第２循環路１５０においては、第１ヒートポンプ１１０を冷媒が通過し、第１ヒートポンプ１１０は、通過する冷媒を発熱反応により昇温させて吸熱機能を回復する。こうして昇温された冷媒は、第２循環路１５０のラジエーター１４０にて冷却され、再び、第１ヒートポンプ１１０に到る。この場合であっても、第２循環路１５０におけるヒートポンプ出口側で温度センサー１５３で検出した冷媒温度が、第１循環路１３０における燃料電池出口側で温度センサー１３３で検出した冷媒温度ＴＷＬより高くなるように、第２ヒートポンプ１２０に発熱反応を誘起する。なお、ステップＳ１６０において、第１ヒートポンプ１１０にあっても吸熱可能であれば、上記した発熱反応の誘起を介した吸熱機能回復を行わないようにしてもよい。
【００２５】
ステップＳ１５０での第２ヒートポンプ１２０が吸熱可能でないとの否定判定は、ステップＳ１３０での第１ヒートポンプ１１０が吸熱可能でないとの否定判定に続くものとなる。よって、制御装置２００は、ステップＳ１５０で否定判定すると、燃料電池１００の発電運転に制限を掛けて、高温環境下での発電運転を控えるようにすると共に、運転に制限が掛かった旨を運転者に報知して（ステップＳ１７０）、既述したステップＳ１２０に移行する。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システム２０は、燃料電池１００の出口側の流路を流れる冷媒温度ＴＷＬ（燃料電池温度）が基準冷媒温度ＴＷＰを越えていない状況（ステップＳ１１０での否定判定）において、予め、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプ、或いは吸熱機能回復が必要なヒートポンプを、発熱反応誘起を経て吸熱機能を回復させておく。よって、ステップＳ１３０での否定判定に続いてステップＳ１５０でも否定判定されることは、車両１０の走行中において、希にしか起き得ないと想定される。こうした希有の場合であっても、ステップＳ１２０に移行して、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプ、或いは吸熱機能回復が必要なヒートポンプを、発熱反応誘起を経て吸熱機能を回復させる。
【００２７】
以上説明した本実施形態の燃料電池システム２０によれば、次の利点がある。図３は第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０とにおける冷媒冷却への寄与の推移を概略的に示す説明図である。この図３では、第１循環路１３０における燃料電池出口側の冷媒温度ＴＷＬが基準冷媒温度ＴＷＰを越えた昇温時点Ｃｓの前後での第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の吸熱機能の喪失推移の状況が燃料電池１００（図１）の運転の継続時間に対応して示されており、縦軸方向に進むほど、吸熱機能の喪失が進むことになる。この場合の吸熱機能の喪失は、冷媒冷却への関与が進むほど大きくなることになる。また、図では、第１ヒートポンプ１１０についての吸熱機能の喪失推移を、吸熱喪失推移１ＨＰｗと表し、第２ヒートポンプ１２０についての吸熱機能の喪失推移を、吸熱喪失推移２ＨＰｗで表している。この他、昇温時点Ｃｓ以前の各ヒートポンプの吸熱機能推移は、初期吸熱機能状況１ＨＰｗｓ，２ＨＰｗｓで表されている。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）の相違点は、次の通りである。
【００２８】
図３（Ａ）は、昇温時点Ｃｓの以前において、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプが、共に吸熱機能を喪失している状況を表している。そうすると、図２のステップＳ１１０での否定判定を経て、制御装置２００は、上記の両ヒートポンプにおける発熱反応誘起と対応する既述したバルブ制御を行うので（ステップＳ１２０）、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプは、吸熱機能を回復する。よって、両ヒートポンプについての初期吸熱機能状況１ＨＰｗｓと初期吸熱機能状況２ＨＰｗｓは、共に下降し、機能回復時点で、所定の吸熱機能を有することを意味する縦軸最下段値となる。
【００２９】
図３（Ｂ）は、昇温時点Ｃｓの以前において、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプが、共に吸熱機能の喪失を起こしていない状況を表している。よって、両ヒートポンプの吸熱機能回復は無用であると共に、両ヒートポンプは、いつでも吸熱機能による冷媒冷却（電池冷却）に対応できることになる。そして、両ヒートポンプについての初期吸熱機能状況１ＨＰｗｓと初期吸熱機能状況２ＨＰｗｓは、既述した縦軸最下段値のまま推移する。
【００３０】
図３（Ｃ）は、昇温時点Ｃｓの以前において、第１ヒートポンプ１１０は吸熱機能の喪失を起こしておらず、第２ヒートポンプ１２０が、吸熱機能を所定程度まで低下させている状況を表している。そうすると、図２のステップＳ１１０での否定判定を経て、制御装置２００は、第２ヒートポンプ１２０については発熱反応を誘起し、既述したバルブ制御を行うので（ステップＳ１２０）、第２ヒートポンプ１２０は吸熱機能を回復して、初期吸熱機能状況２ＨＰｗｓは下降し、機能回復時点で、既述した縦軸最下段値となる。これに対し、第１ヒートポンプ１１０は吸熱機能を所定程度まで低下させていないことから、初期吸熱機能状況１ＨＰｗｓは、既述した縦軸最下段値のまま推移する。
【００３１】
図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）と逆に、昇温時点Ｃｓの以前において、第２ヒートポンプは吸熱機能の喪失を起こしておらず、第１ヒートポンプ１１０が、吸熱機能を所定程度まで低下させている状況を表している。そうすると、図２のステップＳ１１０での否定判定を経て、制御装置２００は、第１ヒートポンプ１１０については発熱反応を誘起し、既述したバルブ制御を行うので（ステップＳ１２０）、第１ヒートポンプ１１０は吸熱機能を回復して、初期吸熱機能状況１ＨＰｗｓは下降し、機能回復時点で、既述した縦軸最下段値となる。これに対し、第２ヒートポンプ１２０は吸熱機能を所定程度まで低下させていないことから、初期吸熱機能状況２ＨＰｗｓは、既述した縦軸最下段値のまま推移する。
【００３２】
よって、本実施形態の燃料電池システム２０は、第１循環路１３０における燃料電池出口側の冷媒温度ＴＷＬが基準冷媒温度ＴＷＰを越えた昇温時点Ｃｓの以前において、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプを、昇温時点Ｃｓ以降の燃料電池冷却に備えて、吸熱機能を発揮できる状態とする。このため、本実施形態の燃料電池システム２０によれば、昇温時点Ｃｓ以降の燃料電池冷却を、両ヒートポンプの吸熱機能に基づいて効果的に行うことができる。
【００３３】
また、昇温時点Ｃｓ以降において、本実施形態の燃料電池システム２０は、まず、第１ヒートポンプ１１０に吸熱反応を誘起してこの第１ヒートポンプ１１０の吸熱機能で第１循環路１３０の冷媒冷却を図って燃料電池１００を冷却する（ステップＳ１４０）。この冷却状況は、図３において吸熱ゾーンＣＱとして示されている。しかも、残余の第２ヒートポンプ１２０で吸熱機能が所定程度まで低下していれば、第１ヒートポンプ１１０での冷媒冷却を図っている間に、第２ヒートポンプ１２０に発熱反応を起こして吸熱機能回復を図る（ステップＳ１４０）。また、それまで吸熱反応に伴って電池冷却に関与していた第１ヒートポンプ１１０の吸熱機能が所定の程度まで低下すれば、つまり、図３の吸熱喪失推移１ＨＰｗが所定の最大値まで達すれば、この第１ヒートポンプ１１０では発熱反応を起こして吸熱機能回復を図り、それまでに発熱反応を起こして吸熱機能回復がなされた第２ヒートポンプ１２０を吸熱反応として吸熱機能による冷媒冷却を図って燃料電池１００を冷却する。これにより、吸熱ゾーンＣＱは、図３において吸熱喪失推移２ＨＰｗに切り替わり、一方のヒートポンプによる冷媒冷却とこれに並列した残余のヒートポンプの吸熱機能回復とが、繰り返される。この結果、本実施形態の燃料電池システム２０によれば、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプで継続的に冷媒冷却を図ることで、燃料電池１００についても継続的に冷却できる。
【００３４】
図２におけるステップＳ１４０とステップＳ１６０の実行順を逆にすれば、まず、第２ヒートポンプ１２０による冷媒冷却と、この間の第１ヒートポンプ１１０での吸熱機能回復がなされる。そして、それ以降は、吸熱ゾーンＣＱが吸熱喪失推移２ＨＰｗから吸熱喪失推移１ＨＰｗに切り替わり、一方のヒートポンプによる冷媒冷却とこれに並列した残余のヒートポンプの吸熱機能回復とが、繰り返され、燃料電池１００の継続的な冷却がなされる。
【００３５】
昇温時点Ｃｓ以降の当初において、第１ヒートポンプ１１０による冷媒冷却がなされている間の第２ヒートポンプ１２０での吸熱機能回復は、なされていない。これは、昇温時点Ｃｓの以前において、第２ヒートポンプ１２０は、既に吸熱機能を回復済みであることによる（ステップＳ１２０）。
【００３６】
本実施形態の燃料電池システム２０は、吸熱機能を所定程度まで低下させた第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の一方のヒートポンプの機能回復を図るに当たり、第２循環路１５０におけるヒートポンプ出口側の冷媒温度が第１循環路１３０における燃料電池出口側の冷媒温度より高くなるように、機能回復のための発熱反応を制御する（ステップＳ１４０、ステップＳ１６０）。よって、本実施形態の燃料電池システム２０によれば、吸熱機能が所定程度まで低下した第１ヒートポンプ１１０或いは第２ヒートポンプ１２０のいずれかのヒートポンプの吸熱機能を、発熱反応に伴い確実に回復させて、次回以降の燃料電池冷却に寄与させることができる。
【００３７】
次に、他の実施形態について説明する。図４は第２実施形態における燃料電池システム２０Ａを搭載した車両１０を車両上方から概略的に示す説明図である。図示するように、この実施形態の燃料電池システム２０Ａは、ラジエーター１４０を含む第２循環路１５０を第１循環路１３０に接続可能とした点に特徴がある。つまり、燃料電池システム２０Ａは、温度センサー１３３の下流から分岐した分岐流路１３５をラジエーター１４０に接続し、第２循環路１５０におけるラジエーター１４０の下流側流路を循環ポンプ１３２の上流側で第１循環路１３０に合流させる。その上で、燃料電池システム２０Ａは、分岐流路１３５に開閉バルブ１３６を備え、第１循環路１３０と第２循環路１５０におけるラジエーター１４０の下流側流路との合流点より上流側に開閉バルブ１５５を備え、ラジエーター出口側に温度センサー１５４を備える。
【００３８】
この燃料電池システム２０Ａでは、開閉バルブ１３６と開閉バルブ１５５の閉弁駆動により、第１循環路１３０と第２循環路１５０とを燃料電池システム２０と同様に独立させ、既述した効果を奏することができる。この他、燃料電池システム２０Ａでは、温度センサー１５４で検出したラジエーター１４０の出口側の第２循環路１５０の冷媒温度が、温度センサー１３３で検出した燃料電池出口側の第１循環路１３０の冷媒温度より低ければ、開閉バルブ１３６と開閉バルブ１５５を開弁駆動して、第２循環路１５０の冷媒を第１循環路１３０に合流させて燃料電池１００を冷却できる。
【００３９】
図５は第３実施形態における燃料電池システム２０Ｂを搭載した車両１０を車両上方から概略的に示す説明図である。図示するように、この実施形態の燃料電池システム２０Ｂは、ラジエーター１４０とは別のラジエーター１６０を、温度センサー１３３の下流から分岐して循環ポンプ１３２に到る分岐流路１３５に備える。つまり、この燃料電池システム２０Ｂは、第１循環路１３０を補完する循環路を分岐流路１３５にて形成し、ラジエーター１６０でも、燃料電池１００を通過した冷媒の冷却を図る。なお、分岐流路１３５と第１循環路１３０の合流点には、三方弁１３７が配設されている。この三方弁１３７は、第１循環路１３０だけの冷媒循環を行うような第１弁駆動と、第１循環路１３０を循環する冷媒にラジエーター１６０を通過して冷却された冷媒を合流させる第２弁駆動が可能である。よって、燃料電池システム２０Ｂは、第１循環路１３０だけの冷媒循環による燃料電池１００の冷却と、ラジエーター１６０で冷却された冷媒を加えた燃料電池１００の冷却とを可能とする。
【００４０】
この燃料電池システム２０Ｂは、既述した燃料電池システム２０と同様の第２循環路１５０を第１循環路１３０から独立して備えるので、既述した効果を奏することができる。この他、燃料電池システム２０Ｂでは、分岐流路１３５におけるラジエーター出口側で温度センサー１３８で検出した冷媒温度が、温度センサー１３３で検出した燃料電池出口側の第１循環路１３０の冷媒温度より低ければ、三方弁１３７の上記した第２弁駆動により、ラジエーター１６０で冷却された分岐流路１３５の冷媒を第１循環路１３０に合流させて燃料電池１００を冷却できる。
【００４１】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【００４２】
上記の実施形態では、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の二つのヒートポンプを、燃料電池１００に対して並列に第１循環路１３０に配設するようにしたが、三つ以上のヒートポンプを燃料電池１００に対して並列に第１循環路１３０に配設してもよい。第２循環路１５０においても同様である。このように三つ以上の複数のヒートポンプを用いた場合には、少なくとも一つのヒートポンプを吸熱反応としている間は、残余のヒートポンプを発熱反応とし、少なくとも一つのヒートポンプを発熱反応としている間は残余のヒートポンプを吸熱反応とすればよい。或いは、吸熱反応が可能なヒートポンプについて吸熱反応を起こしつつ、吸熱機能回復のための発熱反応が可能なヒートポンプについて発熱反応を起こす制御を、複数のヒートポンプのうちで異なるヒートポンプの組合せで実行するようにすればよい。
【００４３】
上記の実施形態では、昇温時点Ｃｓの以前において、第１ヒートポンプ１１０と第２ヒートポンプ１２０の両ヒートポンプの吸熱機能回復を図るようにしたが、一方のヒートポンプ、例えば、第１ヒートポンプ１１０についてのみ、昇温時点Ｃｓの以前に吸熱機能回復を図るようにしてもよい。
【００４４】
上記の実施形態において、イグニッションキーのオフ操作に伴う車両１０の走行停止時や、パーキングブレーキ操作に伴う一時停止時において、吸熱機能が低下したヒートポンプについては、発熱反応に伴う吸熱機能回復を図るようにしてもよい。こうすれば、イグニッションキーのオン操作に伴う燃料電池１００の発電運転当初から、ヒートポンプは吸熱機能を発揮できるので、図２で説明したステップＳ１２０での機能回復を省略できる。
【００４５】
上記の実施形態では、車両１０に搭載された燃料電池システム２０としたが、燃料電池１００を電力発生源とする発電システムにも適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…車両
２０、２０Ａ、２０Ｂ…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…第１ヒートポンプ
１１０ｃ…反応コントロール部
１１１…開閉バルブ
１１２…開閉バルブ
１２０…第２ヒートポンプ
１２０ｃ…反応コントロール部
１２１…開閉バルブ
１２２…開閉バルブ
１３０…第１循環路
１３２…循環ポンプ
１３３…温度センサー
１３５…分岐流路
１３６…開閉バルブ
１３７…三方弁
１３８…温度センサー
１４０…ラジエーター
１４２…ファン
１５０…第２循環路
１５２…循環ポンプ
１５３…温度センサー
１５４…温度センサー
１５５…開閉バルブ
１６０…ラジエーター
２００…制御装置
１ＨＰｗ…吸熱喪失推移
１ＨＰｗｓ…初期吸熱機能状況
２ＨＰｗ…吸熱喪失推移
２ＨＰｗｓ…初期吸熱機能状況
ＣＱ…吸熱ゾーン
Ｃｓ…昇温時点
ＴＷＬ…冷媒温度
ＴＷＰ…基準冷媒温度
【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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