JP2006260788A - 燃料電池システムにおける反応ガスの保温および加熱 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおいて、反応ガスの流路内における水の凍結によって生じうる弊害を低減する技術を提供する。
【解決手段】 この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給され、または燃料電池から排出される反応ガスが流れる反応ガス流路と、燃料電池を冷却した冷却水が流れる冷却水路と、を備える。そして、冷却水路は、反応ガス流路の少なくとも一部を覆うように構成される。このような態様とすることで、燃料電池システムの反応ガス流路を冷却水で保温または加熱することができる。よって、燃料電池システムにおいて、反応ガスの流路内における水の凍結によって生じうる弊害を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池システムにおいて、反応ガスの流路内における水の凍結によって生じうる弊害を低減する技術に関する。

従来より、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池システムが開発されている。電解質膜による燃料電池においては、電解質膜を通じてカソード側で生じた水がアノード側に浸透する。このため、燃料電池システムの燃料ガス循環経路内には、水が存在する。特許文献１の燃料電池システムは、燃料ガス循環経路に設けられた気液分離器により、燃料ガス循環経路内の過剰な水を系外に排出している。

特開２００２−２８９２３７号公報 特開２００２−２１６８１２号公報 特開第２８５４０８７号公報 特開２０００−３０６５９３号公報

しかし、特許文献１の技術においては、すべての燃料ガス循環経路内の水を完全に除去しうるものではない。そして、除去しきれなかった燃料ガス循環経路内の水が、低温環境下で燃料電池システムの運転を停止しているときに配管内で凍結し、運転再開時に燃料ガスの流通を阻害する可能性がある。このような問題は、酸化ガスの排出経路についても同様に生じる。

本発明は、上記の問題点を取り扱うためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、反応ガスの流路内における水の凍結によって生じうる弊害を低減する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池システムにおいて、以下のような構成を採用する。すなわち、この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給され、または燃料電池から排出される反応ガスが流れる反応ガス流路と、燃料電池を冷却した冷却水が流れる冷却水路と、を備える。そして、冷却水路は、反応ガス流路の少なくとも一部を覆うように構成される。

このような態様とすれば、燃料電池システムの反応ガス流路を冷却水で保温または加熱することができる。よって、燃料電池システムにおいて、反応ガスの流路内における水の凍結によって生じうる弊害を低減することができる。

なお、冷却水路は、冷却水を冷却するための冷却部と、燃料電池と冷却部との間に設けられる冷却水滞留部であって、冷却水路の燃料電池に接続されている部分に比べて断面積が大きい冷却水滞留部と、を有している態様とすることができる。そして、燃料電池システムは、反応ガス流路の少なくとも一部が冷却水滞留部内を通るような構成とすることができる。このような態様とすれば、燃料電池における反応によって温度が上昇した冷却水の熱を、効率的に反応ガスに伝えることができる。なお、冷却水滞留部は、燃料電池に近接して設けられていることが好ましい。

また、燃料電池システムは、さらに、反応ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素貯蔵部を備える態様とすることができる。そして、反応ガス流路は、水素貯蔵部から供給される水素ガスを燃料電池に向かって流通させる反応ガス供給路と、燃料電池から排出される水素ガスの少なくとも一部を再び燃料電池に供給する反応ガス循環路と、を備える態様とすることができる。そのような態様において、反応ガス循環路の少なくとも一部が冷却水路に覆われていることが好ましい。

このような態様とすれば、燃料電池内において水を含んだ水素ガスが流通する反応ガス循環路を、冷却水で保温または加熱することができる。よって、反応ガス流路のうち水の凍結が起こりやすい流路を保温または加熱することで、水の凍結によって生じうる弊害を効果的に低減することができる。

なお、冷却水路は、冷却水を冷却するための冷却部と、冷却部から排出される冷却水を再び燃料電池に供給する冷却水循環路と、冷却水を冷却部を通さずに再び燃料電池に供給する冷却部迂回路と、冷却部および冷却部迂回路への冷却水の流通を選択的に遮断することができる流路切換部と、を備える態様とすることができる。そのような態様においては、燃料電池システムが発電を行わないときには、流路切換部によって冷却部への冷却水の流通を遮断することが好ましい。

このような態様とすることで、燃料電池システムが発電を行わないときには、冷却水が冷却部で冷却されるのを防止することができる。よって、燃料電池システムが発電を行わないときにも冷却水が冷却部を流通する態様に比べて、燃料電池システムの反応ガス流路を長時間、高温の冷却水で保温または加熱することができる。

なお、反応ガス循環路を構成する管の表面の６０％以上が冷却水路に覆われていることが好ましい。このような態様とすれば、反応ガス循環路を構成する管の表面から放出される熱を低減することができる。その結果、水の凍結によって生じうる弊害を効果的に低減することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池を動力源とする原動機等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の全体構成：
Ａ２．運転停止時および運転開始時の燃料ガスの温度：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表すブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池２２は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。

水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。なお、水素ガス供給路６０には、ＦＣ入口シャットバルブ６１が設けられている。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び水素ガス供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。アノード排ガスを循環させるために、水素ガス供給路６０には、ポンプモータ６５ａを備える水素ポンプ６５が設けられている。

また、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じる。カソードで生じた水は、電解質膜を介してアノード側のガス内にも導入される。この水は、燃料電池２２内のアノード側の電極に付着し、電極と水素ガスとの接触を阻害する。その結果、燃料電池２２における電気化学反応が阻害され、燃料電池２２の出力電圧が低下してしまう。これを「フラッディング」という。本実施例の燃料電池システム１０では、このフラッディングを防止するため、アノード排ガス中に溜まった水蒸気を、気液分離器２７によってアノード排ガス路６３中において凝縮させ、系外に排出する。なお、ここでいう「系」とは、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路６０と、燃料電池２２内の燃料ガスの流路と、燃料電池２２から排出されるアノード排ガスを再び燃料ガス供給路６０に供給するアノード排ガス路６３と、から構成されるガス流路をいう。

なお、アノード排ガス中の水は、気液分離器２７によって完全に除去されるわけではない。このため、アノード排ガス路６３のうち気液分離器２７から水素ガス供給路６０との合流箇所までの部分、および水素ガス供給路６０のうちアノード排ガス路６３との合流箇所から燃料電池２２側の部分６０ｊにおいては、流通するガスは少量の水を含む。

気液分離器２７には、開閉弁５０が設けられており、さらに開閉弁５０を介して気液排出路６４が接続されている。そして、気液排出路６４は、希釈器２６に接続されている。開閉弁５０を開状態とすることで、気液分離器２７内で凝縮された水、およびアノード排ガス路６３を流通するアノード排ガスの一部が、希釈器２６を通じて大気中に排出される。

本実施例の燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３を水素ガス供給路６０に接続して、アノード排ガスを再び電気化学反応に供する構成となっている。燃料電池２２においては、カソード側からアノード側に電解質膜を通じて窒素が浸透する。このため、燃料電池２２とアノード排ガス路６３との間で水素ガスを循環させると、時間の経過とともに、アノード側の窒素濃度が上昇する。そこで、燃料電池システム１０では、所定の時間間隔で開閉弁５０を介して、アノード排ガスの一部を流路外に排出している。こうすることによって、アノード排ガス路６３内の不純物濃度の低下を図り、アノードに供給するガス中の窒素等の不純物濃度の上昇を防止している。

エアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。エアコンプレッサ２４が空気を圧縮する際には、フィルタを備えたマスフロメータ２８を介して、外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。

カソード排ガス路６８には、前述の希釈器２６が設けられている。希釈器２６には、気液分離器２７に接続された開閉弁５０ならびに気液排出路６４を介してアノード排ガスが流入する。希釈器２６に流入したアノード排ガスは、希釈器２６においてカソード排ガスと混合されることによって希釈される。その後、混合されたアノード排ガスとカソード排ガスとは、カソード排ガス路６８から大気中に排出される。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池２２の運転温度が所定温度となるように燃料電池２２を冷却するための冷却部４０を備えている。冷却部４０は、冷却水路４１と、冷却ポンプ４２と、ラジエータ２９とを備えている。冷却水路４１は、燃料電池２２の内部とラジエータ２９との間で冷却水が循環するように、冷却水を導く流路である。なお、冷却水はエチレングリコールと水の混合物であり、純粋な水ではなく、いわゆる不凍液である。冷却ポンプ４２は、冷却水路４１内で冷却水を循環させる。ラジエータ２９は、冷却ファンを備えており、燃料電池２２内を経由して昇温した冷却水を冷却する。なお、燃料電池２２の発電を停止しているときには、制御部７０は、冷却ポンプ４２を停止する。その結果、冷却水の循環も停止される。

図２は、冷却水路４１の熱交換部４１ｔの構成を模式的に示す斜視図である。冷却水路４１は、燃料電池２２の下流であってラジエータ２９の上流の位置に、熱交換部４１ｔを有する（図１参照）。熱交換部４１ｔは、冷却水路４１と燃料電池２２との接続部分など、冷却水路４１の他の部分に比べて内部の断面積が大きく設けられている。このため、熱交換部４１ｔでは、冷却水の流速が遅くなり、冷却水が滞留する。なお、この熱交換部４１ｔ内の冷却水は、ラジエータ２９によって冷やされる前の冷却水である。図１においては、熱交換部４１ｔは、燃料電池２２からやや離れて記載されているが、実際には、熱交換部４１ｔは燃料電池２２に近接して設けられており、燃料電池２２と熱交換部４１ｔの間の部分の冷却水路４１はごく短い。

熱交換部４１ｔの内部には、水素ガス供給路６０およびアノード排ガス路６３の一部がそれぞれ通っている。すなわち、水素ガス供給路６０およびアノード排ガス路６３は、それぞれ一部が冷却水路４１の熱交換部４１ｔで覆われている。なお、図２においては、冷却水路４１内を通る冷却水、水素ガス供給路６０を通る水素ガス、およびアノード排ガス路６３内を通るアノード排ガスの流通方向を、それぞれ矢印Ａｗ，Ａｈ，Ａｈｅで示している。

水素ガス供給路６０のうち、アノード排ガス路６３との合流箇所から燃料電池２２までの部分を、第１の循環路６０ｊとする（図１参照）。本実施例においては、第１の循環路６０ｊの一部が冷却水路４１の熱交換部４１ｔに覆われている。このため、水を含むアノード排ガスが環流される第１の循環路６０ｊ、およびその内部のガスは、冷却水によって暖められる。なお、第１の循環路６０ｊと区別するため、水素ガス供給路６０のうち、水素タンク２３からアノード排ガス路６３との合流箇所までの部分を、新規ガス供給路６０ｐとして図１に示す。

アノード排ガス路６３のうち、燃料電池２２から気液分離器２７までの部分を第２の循環路６３ｗとする（図１参照）。本実施例においては、第２の循環路６３ｗを構成する配管のうち熱交換部４１ｔ内に位置する配管の表面積は、第２の循環路６３ｗ全体の表面積の約７０％である。また、水素ガスを循環させるアノード排ガス路６３および第１の循環路６０ｊを構成する配管のうち、熱交換部４１ｔ内に位置する配管の表面積は、第１の循環路６０ｊとアノード排ガス路６３全体の表面積の約６５％である。

既述したエアコンプレッサ２４や冷却ポンプ４２、あるいはラジエータファンや流路に設けた弁など、燃料電池２２の発電に伴って動作する装置を、以後、燃料電池補機と呼ぶ。これらの燃料電池補機は、燃料電池２２から電力を供給されて動作する。

燃料電池２２には、燃料電池２２から電力を供給される電力消費装置である負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０には、たとえば、燃料電池２２から電力を供給されて動作する電動機が含まれる。なお、図１では、負荷装置３０は、燃料電池システム１０から独立した負荷として表わしているが、この負荷装置３０には、既述した燃料電池補機も含まれる。すなわち、図１では、エアコンプレッサ２４等の燃料電池補機を含めて、燃料電池２２から電力を供給される装置を負荷装置３０として表す。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される。詳しくは、制御部７０は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。

この制御部７０は、燃料電池システム１０の各部に設けられた電流計３５、電圧計３６、インピーダンス計３７、温度センサ４３，６６ａ，６６ｂなど（図１参照）の各センサの検出信号や、負荷装置３０における負荷要求に関する情報を取得する。また、制御部７０は、燃料電池システム１０が備えるポンプや流路に設けられた弁やラジエータファンなど、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、図１では、燃料電池システム１０の構成要素と制御部７０との間で信号のやり取りがなされる様子を表すために、制御部７０を燃料電池システム１０の外部に記載している。

Ａ２．運転停止時および運転開始時の燃料ガスの温度：
図３は、実施例の燃料電池システム１０の運転停止後の水素ガスの温度Ｔｈｉ１、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ１、および冷却水温Ｔｗ１を示すグラフである。図３において、縦軸は温度（℃）である。そして、横軸は、燃料電池システム１０の運転停止後の経過時間である。Ｔｏは、外気温である。水素ガス供給路６０の水素ガスの温度Ｔｈｉ１は、冷却水路４１の熱交換部４１ｔと燃料電池２２との間の水素ガス供給路６０に設けられた温度センサ６６ａ（図１参照）によって測定される。また、アノード排ガス路６３のアノード排ガスの温度Ｔｈｏ１は、燃料電池２２と熱交換部４１ｔとの間のアノード排ガス路６３に設けられた温度センサ６６ｂによって測定される。なお、冷却水温Ｔｗ１は、燃料電池２２と熱交換部４１ｔとの間の冷却水路４１に設けられた温度センサ４３によって測定される。

図４は、比較例の燃料電池システムの運転停止後の水素ガスの温度Ｔｈｉ２、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ２、および冷却水温Ｔｗ２を示すグラフである。比較例の燃料電池システムは、水素ガス供給路やアノード排ガス路の配管を覆う冷却水路４１の熱交換部４１ｔを有していない。その結果、比較例の燃料電池システムにおいては、水素ガス供給路およびその中を通る水素ガス、ならびにアノード排ガス路およびその中を通るアノード排ガスは、冷却水から水素ガス供給路やアノード排ガス路の配管を介して熱を受け取ることがない。比較例の燃料電池システムの他の点は、実施例の燃料電池システム１０（図１参照）と同じである。また、図４の各グラフの温度も、実施例の燃料電池システム１０と同じ箇所にそれぞれ設けられた温度センサによって測定される。

図３に示すように、実施例の燃料電池システム１０においては、燃料電池２２の運転によって暖められた冷却水の温度Ｔｗ１は、外気温が０℃以下の場合であっても、燃料電池２２の運転停止後、急速には低下しない。すなわち、冷却水の温度Ｔｗ１は、燃料電池２２の運転停止後、徐々に低下する。よって、熱交換部４１ｔを通じて冷却水から熱を供給される水素ガスおよびアノード排ガスの温度Ｔｈｉ１，Ｔｈｏ１も徐々に低下する。

また、水素ガス供給路６０は、一部が冷却水路４１の熱交換部４１ｔに覆われている。このため、水素ガス供給路６０のうち熱交換部４１ｔに覆われている部分については、水素ガス供給路６０の配管から直接外部に熱が放出されない。すなわち、単に水素ガス供給路６０の一部が冷却水路４１と接触している態様に比べて、熱が外部に放出されにくい。よって、この点からも、水素ガス供給路６０およびその内部の水素ガスの温度の急速な低下が防止される。

同様に、アノード排ガス路６３は、一部が冷却水路４１の熱交換部４１ｔに覆われている。このため、アノード排ガス路６３のうち熱交換部４１ｔに覆われている部分については、アノード排ガス路６３の配管から直接外部に熱が放出されない。すなわち、単にアノード排ガス路６３の一部が冷却水路４１と接触している態様に比べて、熱が外部に放出されにくい。よって、この点からも、アノード排ガス路６３およびその内部のアノード排ガスの温度の急速な低下が防止される。

その結果、本実施例においては、水素ガス供給路６０の水素ガスの温度Ｔｈｉ１およびアノード排ガス路６３のアノード排ガスの温度Ｔｈｏ１は、外気温が０℃以下の場合であっても、燃料電池システム１０の運転停止後、急速に０℃以下に低下しない。よって、実施例の燃料電池システム１０においては、外気温が０℃以下の環境下において運転を停止しても、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内において水分が凍結して、運転再開時にガスの流通を阻害するという問題が生じにくい。

一方、比較例の燃料電池システムにおいては、水素ガスおよびアノード排ガスが配管を通して冷却水から熱を受け取らない。また、比較例の燃料電池システムにおいては、水素ガス供給路およびアノード排ガス路が、冷却水路４１の熱交換部４１ｔに覆われていない。このため、燃料電池システムの運転停止後は、水素ガス供給路およびアノード排ガス路から直接熱が放出される。このため、比較例の燃料電池システムにおいては、図４に示すように、水素ガスおよびアノード排ガスの温度Ｔｈｉ２，Ｔｈｏ２は、燃料電池２２の運転停止後、急速に低下して外気温に近づき、氷点下となる。よって、比較例の燃料電池システムにおいては、水素ガス供給路内およびアノード排ガス路内において水分が凍結し、運転再開時にガスの流通を阻害するという問題が生じやすい。

図５は、実施例の燃料電池システム１０を氷点下で長時間放置した後、運転を再開したときの水素ガスの温度Ｔｈｉ１、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ１、および冷却水温Ｔｗ１を示すグラフである。各グラフの温度は、図３の場合と同様にして測定される。

図５に示すように、実施例の燃料電池システム１０においては、燃料電池２２の運転によって暖められた冷却水の温度は、外気温が０℃以下の場合であっても、急速に上昇する。そして、熱交換部４１ｔを通じて冷却水から熱を供給される水素ガスおよびアノード排ガスの温度Ｔｈｉ１，Ｔｈｏ１も急速に上昇する。すなわち、実施例においては、水素ガス供給路６０の水素ガスの温度Ｔｈｉ１およびアノード排ガス路６３のアノード排ガスの温度Ｔｈｏ１は、外気温が０℃以下の場合であっても、燃料電池システム１０の運転再開後、短時間で０℃以上となる。

また、水素ガス供給路６０とアノード排ガス路６３は、一部が冷却水路４１の熱交換部４１ｔに覆われている。このため、単に水素ガス供給路６０やアノード排ガス路６３の一部が冷却水路４１と接触している態様に比べて、熱交換部４１ｔから受け取った熱が外部に放出されにくい。よって、本実施例においては、この点からも、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３およびそれらの内部のガスが効率的に加熱される。

よって、本実施例においては、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内において水分が凍結していた場合にも、その氷は燃料電池システム１０の運転再開後、短時間で融解する。よって、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内の氷が運転時にガスの流通を阻害する、という問題による影響を低減することができる。

図６は、比較例の燃料電池システムを氷点下で長時間放置した後、運転を再開したときの水素ガスの温度Ｔｈｉ２、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ２、および冷却水温Ｔｗ２を示すグラフである。比較例の燃料電池システムにおいては、水素ガス供給路およびアノード排ガス路は、冷却水から熱を供給されることがない。このため、比較例の燃料電池システムにおいては、図６に示すように、水素ガスおよびアノード排ガスの温度Ｔｈｉ２，Ｔｈｏ２は、燃料電池システムの運転再開後、０℃以上となるまでに長時間を要する。よって、比較例の燃料電池システムにおいては、水素ガス供給路内およびアノード排ガス路内において凍結していた水分がガスの流通を阻害するという問題が生じやすい。

なお、本実施例においては、水分を含む燃料ガスが循環するアノード排ガス路６３および第１の循環路６０ｊの一部が、冷却水路４１の熱交換部４１ｔで覆われている（図１参照）。そして、アノード排ガス路６３および第１の循環路６０ｊを構成する配管のうち熱交換部４１ｔ内に位置する配管の表面積の割合は、約６０％である。このため、燃料電池システム１０の運転時には、水分を含む燃料ガスが流通する配管（アノード排ガス路６３および第１の循環路６０ｊ）を、冷却水を利用して効率的に加熱することができる。そして、燃料電池システム１０の運転停止時には、水分を含む燃料ガスが流通する配管を、冷却水を利用して効率的に保温することができる。

また、本実施例においては、気液分離器２７で水が除かれる前のアノード排ガスが流通する第２の循環路６３ｗが、冷却水路４１の熱交換部４１ｔで覆われている（図１参照）。そして、第２の循環路６３ｗを構成する配管のうち熱交換部４１ｔ内に位置する配管の表面積の割合は、約７５％である。このため、水素ガスが流通する流路のうちもっとも水分を多く含むガスが流れる第２の循環路６３ｗを、冷却水で効率的に保温し、加熱することができる。

Ｂ．第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例である燃料電池システム１０ｂの構成の概略を表すブロック図である。第２実施例の燃料電池システム１０ｂの冷却水路４１ｂは、燃料電池２２の下流であってラジエータ２９の上流の位置に、冷却水タンク４４を備えている。冷却水タンク４４は、所定量の冷却水を蓄えているタンクである。そして、気液分離器２７でアノード排ガスから分離された生成水が、開閉弁５０および気液排出路６４ｂを介して冷却水タンク４４に供給される。また、冷却水路４１ｂは、三方弁４１ｃと、ラジエータ２９を迂回するバイパス路４１ｄとを備えている。第２実施例の燃料電池システム１０ｂの他の点は、第１実施例の燃料電池システム１０（図１参照）と同じである。

燃料電池２２から排出された冷却水が冷却水タンク４４に送られ、また、冷却水タンク４４からラジエータ２９に冷却水が送られる。その後、ラジエータ２９で冷却された冷却水は、冷却水路４１ｂ２を通って、燃料電池２２に戻される。すなわち、冷却水タンク４４は、冷却水路の一部である。なお、冷却水タンク４４内の冷却水は、ラジエータ２９によって冷やされる前の冷却水である。

冷却水タンク４４の内部には、水素ガス供給路６０およびアノード排ガス路６３の一部がそれぞれ通っている。すなわち、水素ガス供給路６０およびアノード排ガス路６３は、それぞれ一部が冷却水タンク４４で覆われている。

このような構成においても、第１実施例と同様に以下のような効果が奏される。すなわち、水素ガス供給路６０の水素ガスの温度Ｔｈｉ１およびアノード排ガス路６３のアノード排ガスの温度Ｔｈｏ１は、外気温が０℃以下の環境下において燃料電池システム１０の運転停止した後、急速に０℃以下に低下しない（図３参照）。よって、外気温が０℃以下の環境下において燃料電池システム１０ｂの運転を停止しても、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内において水分が凍結して、運転再開時にガスの流通を阻害するという問題が生じにくい。

また、外気温が０℃以下の環境下で燃料電池システム１０ｂの運転を開始する際にも、水素ガス供給路６０の水素ガスの温度Ｔｈｉ１およびアノード排ガス路６３のアノード排ガスの温度Ｔｈｏ１は、冷却水から熱を受け取ることによって短時間で０℃以上となる（図５参照）。よって、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内に氷が存在する場合にも、その氷が運転時にガスの流通を阻害するという問題の影響を低減することができる。

図８は、冷却水路の切り替えの処理を示すフローチャートである。第２実施例においては、制御部７０は、燃料電池２２で発電を行っているか否かに応じて、冷却水路を切り換える。ステップＳ１０では、制御部７０は、燃料電池２２において発電を行っているか否かを判定する。燃料電池２２において発電を行っているときには、制御部７０は、三方弁４１ｃを制御して、冷却水をラジエータ２９に流通させる（ステップＳ２０）。そして、バイパス路４１ｄを遮断して、バイパス路４１ｄには冷却水を流通させない。このため、燃料電池２２において発電を行うときには、冷却水はラジエータ２９で冷却させる。

一方、制御部７０は、燃料電池２２において発電を行わないときには、三方弁４１ｃを制御して、冷却水路をバイパス路４１ｄにつなげる（ステップＳ３０）。そして、ラジエータ２９に向かう冷却水路を遮断して、ラジエータ２９には冷却水を流通させない。このため、燃料電池２２において発電を行うときには、冷却水の熱はラジエータ２９を通じて放出されない。

第２実施例においても、第１実施例と同様に、発電停止時には冷却水は循環されない。このため、発電停止時には、冷却水を循環させている発電時と同程度に冷却水が冷却されるわけではない。しかし、冷却水が積極的に循環されないにしても、燃料電値２２の発電停止時にラジエータ２９に冷却水が流通しうる状態となっていると、以下のような問題が発生しうる。すなわち、ラジエータ２９で熱を放出した冷えた冷却水が、伝導によって、または冷却水路４１ｂ内を流通することによって、冷却水路４１ｂ内の他の冷却水から熱を奪う可能性がある。

しかし、第２実施例の燃料電池システム１０ｂは、燃料電池２２において発電を行わないときには、ラジエータ２９に向かう冷却水路を遮断することによって（ステップＳ３０参照）、冷却水が全体としてラジエータ２９によって冷却されるのを防止している。その結果、水素ガスおよびアノード排ガスは、燃料電池２２の運転停止時において長時間、高温を保っている冷却水によって、熱交換部４１ｔを通じて暖められる。このため、第２実施例によれば、外気温が０℃以下の環境下において燃料電池システム１０の運転停止した後も、長い時間にわたって水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内における水の凍結を防止することができる。

Ｃ．第３実施例：
第１および第２実施例では、水素ガス供給路６０とアノード排ガス路６３とが冷却水路４１に覆われていた。しかし、第３実施例の燃料電池システムでは、それらに加えて、カソード排ガス路６８も冷却水路４１ｃに覆われている。他の点は、第１実施例の燃料電池システム１０と同じである。

図９は、第３実施例の燃料電池システムの冷却水路４１ｃの熱交換部４１ｔ３を示す斜視図である。各符号の表記は、図２と同じである。ただし、矢印Ａａｅは、カソード排ガスの流通方向を示す矢印である。第１実施例の熱交換部４１ｔはほぼ円筒形の管であったが（図２参照）、第３実施例の熱交換部４１ｔ３はほぼ直方体の外形形状をしている。熱交換部４１ｔ３は、冷却水路４１ｃの一部である。そして、第１実施例の熱交換部４１ｔと同様、燃料電池２２の下流であってラジエータ２９の上流の位置に設けられている。

熱交換部４１ｔ３の内部には、水素ガス供給路６０およびアノード排ガス路６３の一部がそれぞれ通っている。そして、カソード排ガス路６８の一部も、熱交換部４１ｔ３の内部を通っている。すなわち、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３およびカソード排ガス路６８は、それぞれ一部が冷却水路４１ｃに覆われている。

このような構成においても、第１実施例と同様に以下のような効果が奏される。すなわち、外気温が０℃以下の環境下において運転を停止しても、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内において水分が凍結して、運転再開時にガスの流通を阻害するという問題が生じにくい。また、外気温が０℃以下の環境下で燃料電池システム１０の運転を開始する際に、水素ガス供給路６０内およびアノード排ガス路６３内の氷が運転時にガスの流通を阻害する、という問題による影響を低減することができる。

さらに、第３実施例においては、外気温が０℃以下の環境下において燃料電池システム１０の運転停止した後、カソード排ガス路６８内のカソード排ガスの温度も、急速に０℃以下に低下しない。よって、外気温が０℃以下の環境下において運転を停止しても、カソード排ガス路６８内において、カソード排ガスに含まれる水分が凍結して、運転再開時にカソード排ガスの流通を阻害するという問題が生じにくい。

また、外気温が０℃以下の環境下で燃料電池システム１０の運転を開始する際にも、カソード排ガス路６８のカソード排ガスの温度は、冷却水から熱を受け取ることによって短時間で０℃以上となる。よって、カソード排ガス路６８内に氷が存在する場合にも、運転時にカソードガスの流通を阻害する、という問題の影響を低減することができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８は、いずれも冷却水路の一部であって同一の筐体である熱交換部４１ｔ、冷却水タンク４４、または熱交換部４１ｔ３に覆われていた。しかし、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８は、他の態様で冷却水路４１によって覆われていてもよい。たとえば、冷却水路４１が枝分かれしており、それぞれの枝に熱交換部がもうけられ、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８が、各枝の熱交換部に覆われているような構成とすることもできる。たとえば、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８をそれぞれ二重の管で構成し、その外側部分に冷却水が流通するような態様とすることができる。

また、上記実施例においては、冷却水路４１のうち、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８がその内部を通る部分は、他の部分に比べて断面積が大きい態様であった。しかし、冷却水路４１の、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、またはカソード排ガス路６８がその内部を通る部分は、他の部分と同じ断面積で設けられていてもよい。

上記実施例においては、冷却水路４１のうち、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８がその内部を通る部分において冷却水の流れる方向は、各ガスの流れる方向と平行であった。しかし、冷却水路４１の態様はこれに限られず、冷却水が各ガスの流れる方向と交わる方向に流れる態様とすることもできる。

すなわち、燃料電池システムは、燃料電池に供給され、または燃料電池から排出される反応ガスが流れる反応ガス流路の少なくとも一部を、冷却水路が覆う態様とすることができる。なお、冷却水路が反応ガス流路を「覆う」とは、反応ガス流路と冷却水路とをある同一平面で切断したときに、反応ガス流路の断面の全周が冷却水路で囲まれているような平面が存在することをいう。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例においては、水分を含む燃料ガスが流通するアノード排ガス路６３および第１の循環路６０ｊの一部が、それぞれ冷却水路４１の熱交換部４１ｔで覆われていた。そして、それらを構成する配管のうち熱交換部４１ｔ内に位置する配管の表面積の割合は、約６５％であった。しかし、冷却水路、アノード排ガス路および水素ガス供給路は、他の構成とすることもできる。ただし、燃料ガスを循環させる配管のうち、冷却水路内に位置する配管の表面積の割合は、５０％以上であることが好ましい。そして、その割合は、６０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましい。

また、上記実施例においては、第２の循環路６３ｗの一部が、冷却水路４１の熱交換部４１ｔで覆われていた。第２の循環路６３ｗは、アノード排ガス路６３のうち、燃料電池２２から気液分離器２７までの部分を構成する流路である。そして、第２の循環路６３ｗを構成する配管のうち熱交換部４１ｔ内に位置する配管の表面積の割合は、約７０％であった。しかし、冷却水路、アノード排ガス路は、他の構成とすることもできる。ただし、気液分離器２７で水が除かれる前のアノード排ガスが流通する流路のうち、冷却水路内に位置する配管の表面積の割合は、６０％以上であることが好ましい。そして、その割合は、７０％以上であることがより好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例においては、水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８の一部が冷却水路４１内を通っていた。これに対して、燃料電池システムは、酸化ガス供給路６７が冷却水路４１内を通る態様とすることもできる。そのような態様とすれば、燃料電池システムの運転停止時に酸化ガス供給路６７内の空気が含む水分の凍結を防止し、また、燃料電池システムの運転開始後、凍結した水分を早期に融解することができる。なお、冷却水路４１および酸化ガス供給路６７について各種の態様を取りうることは、変形例１で述べた水素ガス供給路６０、アノード排ガス路６３、およびカソード排ガス路６８の場合と同様である。

冷却水路に覆われた反応ガス流路を介して燃料電池に供給され、または燃料電池から排出されるガスは、水素や空気以外のガスとすることもできる。たとえば、燃料電池システムは、酸化ガスとしての酸素を供給するガス流路を冷却水で覆っている態様とすることもできる。すなわち、燃料電池システムは、燃料電池に供給されまたは燃料電池から排出される反応ガスが流通する反応ガス流路の少なくとも一部を、冷却水路が覆っている態様であればよい。

Ｄ４．変形例４：
上記実施例においては、酸化ガスはエアコンプレッサ２４によって燃料電池２２に供給されていた（図１および図７参照）。しかし、燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２４に代えてブロワで酸化ガスとしての空気を燃料電池２２に供給する態様とすることもできる。そのような態様においては、エアコンプレッサで酸化ガスを供給する態様に比べて、一般に酸化ガスおよびカソード排ガスの温度が低くなる。よって、そのような態様においては、特に、カソード排ガス路６８および酸化ガス供給路６７が冷却水路４１によって覆われる態様とすることが好ましい。

Ｄ５．変形例５：
上記実施例においては、冷却水を冷却するためのラジエータ２９は、冷却ファンを備えていた。しかし、冷却水を冷却するための構成は他の態様とすることもできる。たとえば、他の構造物に熱を伝導させて逃がすような構成であってもよいし、冷却用のフィンを備えており外気にさらされている構造であってもよい。

また、上記実施例においては、冷却水は、エチレングリコールと水の混合物であったが、プロピレングリコールと水の混合物など、他の構成であってもよい。また、「冷却水」は、Ｈ₂Ｏを含まないものであってもよい。すなわち、冷却水は熱を伝えることができる液体であればよい。

本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表すブロック図である。 冷却水路４１の熱交換部４１ｔを示す斜視図である。 実施例の燃料電池システム１０の運転停止後の水素ガスの温度Ｔｈｉ１、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ１、および冷却水温Ｔｗ１を示すグラフである。 比較例の燃料電池システムの運転停止後の水素ガスの温度Ｔｈｉ２、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ２、および冷却水温Ｔｗ２を示すグラフである。 実施例の燃料電池システム１０を氷点下で長時間放置した後、運転を再開したときの水素ガスの温度Ｔｈｉ１、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ１、および冷却水温Ｔｗ１を示すグラフである。 比較例の燃料電池システムを氷点下で長時間放置した後、運転を再開したときの水素ガスの温度Ｔｈｉ２、アノード排ガスの温度Ｔｈｏ２、および冷却水温Ｔｗ２を示すグラフである。 本発明の第２実施例である燃料電池システム１０ｂの構成の概略を表すブロック図である。 冷却水路の切り替えの処理を示すフローチャートである。 第３実施例の燃料電池システムの冷却水路４１ｃの熱交換部４１ｔ３を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１０ｂ…燃料電池システム
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２６…希釈器
２７…気液分離器
２８…マスフロメータ
２９…ラジエータ
３０…負荷装置
３５…電流計
３６…電圧計
３７…インピーダンス計
４０…冷却部
４１，４１ｂ，４１ｂ２，４１ｃ…冷却水路
４１ｔ，４１ｔ２，４１ｔ３…熱交換部
４２…冷却ポンプ
４３…温度センサ
４４…冷却水タンク
５０…開閉弁
６０…水素ガス供給路（燃料ガス供給路）
６１…ＦＣ入口シャットバルブ
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４，６４ｂ…気液排出路
６５…水素ポンプ
６５ａ…ポンプモータ
６６ａ…温度センサ
６６ｂ…温度センサ
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
Ａｗ…冷却水が流れる方向を示す矢印
Ａｈ…水素ガスが流れる方向を示す矢印
Ａｈｅ…アノード排ガスが流れる方向を示す矢印
Ｔｈｉ１…実施例における、熱交換部４１ｔと燃料電池２２との間の水素ガスの温度
Ｔｈｉ２…比較例における、熱交換部４１ｔと燃料電池２２との間の水素ガスの温度
Ｔｈｏ１…実施例における、熱交換部４１ｔと燃料電池２２との間のアノード排ガスの温度
Ｔｈｏ２…比較例における、熱交換部４１ｔと燃料電池２２との間のアノード排ガスの温度
Ｔｗ１…実施例における燃料電池２２の出側の冷却水温
Ｔｗ２…比較例における燃料電池２２の出側の冷却水温

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給され、または前記燃料電池から排出される反応ガスが流れる反応ガス流路と、
   前記燃料電池を冷却した冷却水が流れる冷却水路と、を備え、
   前記冷却水路は、前記反応ガス流路の少なくとも一部を覆う、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却水路は、
   前記冷却水を冷却するための冷却部と、
   前記燃料電池と前記冷却部との間に設けられた前記冷却水路の前記燃料電池に接続されている部分に比べて断面積が大きい冷却水滞留部と、を有しており、
   前記反応ガス流路の少なくとも一部が前記冷却水滞留部内を通る、燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記反応ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素貯蔵部を備え、
   前記反応ガス流路は、
   前記水素貯蔵部から供給される前記水素ガスを前記燃料電池に向かって流通させる反応ガス供給路と、
   前記燃料電池から排出される前記水素ガスの少なくとも一部を再び前記燃料電池に供給する反応ガス循環路と、を備え、
   前記反応ガス循環路の少なくとも一部が前記冷却水路に覆われている、燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却水路は、
   前記冷却水を冷却するための冷却部と、
   前記冷却部から排出される前記冷却水を再び前記燃料電池に供給する冷却水循環路と、
   前記冷却水を前記冷却部を通さずに再び前記燃料電池に供給する冷却部迂回路と、
   前記冷却部および前記冷却部迂回路への前記冷却水の流通を選択的に遮断することができる流路切換部と、を備え、
   前記流路切換部は、前記燃料電池システムが発電を行わないときには、前記冷却部への前記冷却水の流通を遮断する、燃料電池システム。

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