JP2010135101A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器に冷媒を導入するための流路のレイアウト性を向上させることができるとともに、熱交換器を効率的に加温することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷却機構１２は、燃料電池スタック１１の前端側に接続され、燃料電池スタック１１に冷媒を導入する冷媒供給流路４７、および燃料電池スタック１１から冷媒を導出する冷媒排出流路５２と、燃料電池スタック１１内において、冷媒供給流路４７と冷媒排出流路５２との間に連通する冷媒流路と、冷媒供給流路４７と冷媒排出流路５２との間で冷媒流路から分岐して設けられ、燃料電池スタック１１内を流通して、燃料電池スタック１１の後端側に冷媒を導く冷媒バイパス路５５とを備え、熱交換器３１は、燃料電池スタック１１の後側に配置され、冷媒バイパス路５５から熱交換器３１に冷媒を導入することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体（以下、ＭＥＡという）を形成し、このＭＥＡの両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガス（アノードガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化剤ガス（カソードガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

そして、上述した燃料電池を車両に搭載する際は、車両の前後方向中央部に燃料電池スタックを配置するとともに、燃料電池スタックを間に挟んで車両前部にラジエータ等の冷却機構や駆動系、車両後部に燃料ガスの供給系や燃料ガス供給補機（例えば、熱交換器や各種バルブ）等を配置することが一般的である（例えば、特許文献１）。

ところで、この種の燃料電池では、低温域における補機類の凍結や、常温域における燃料ガスの供給系での結露水の発生を防止して発電の安定化を図るために、燃料電池の起動直後に暖機を行っている。この場合、車両後部に配置された熱交換器等の補機や、熱交換器に流通するアノードガスを加温するために、燃料電池スタックとラジエータとの間で循環する冷媒を用いることがある。具体的には、冷媒が循環する流路を燃料電池スタックの外側から補機まで引き回し、この引き回した流路に冷媒を循環させることにより、補機類や、熱交換器に流通するアノードガスを加温できるようになっている。
特開２００７−８７７６１号公報

しかしながら、上述した燃料電池では、車両前部に配置された冷却機構から車両後部に配置された補機まで、流路を引き回さなければならない。この場合、車両における流路の設置スペースは限られているため、補機まで流路を引き回す際のレイアウトが複雑になるとともに、流路を設置するための部品点数（引き回し配管や分岐配管）の増加に繋がるという問題がある。
さらに、車両前部から補機まで流路を引き回す際、冷媒が流通する流路は、燃料電池スタックの外部に露出した状態で引き回されることになり、流路内を流通する冷媒は補機に到達するまでに熱量を奪われる。そのため、補機に到達した際には、冷媒の温度が低下しており、補機を効率的に加温することができないという問題がある。

そこで、本発明は、熱交換器に冷媒を導入するための流路のレイアウト性を向上させることができるとともに、熱交換器を効率的に加温することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック１１）と、前記燃料電池スタックに供給する前記反応ガスを加温する熱交換器（例えば、実施形態における熱交換器３１）と、冷媒を流通させて前記燃料電池スタックを冷却する冷却機構（例えば、実施形態における冷却機構１２）とを備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）において、前記冷却機構は、前記燃料電池スタックの一端側に接続され、前記燃料電池スタックに冷媒を導入する冷媒導入部（例えば、実施形態における冷媒供給流路４７）、および前記燃料電池スタックから冷媒を導出する冷媒導出部（例えば、実施形態における冷媒排出流路５２）と、前記燃料電池スタック内において、前記冷媒導入部と前記冷媒導出部との間に連通する冷媒流路（例えば、実施形態における冷媒流路７５）と、前記冷媒導入部と前記冷媒導出部との間で前記冷媒流路から分岐して設けられ、前記燃料電池スタック内を流通して、前記燃料電池スタックの他端側に冷媒を導く中間冷媒導出部（例えば、実施形態における冷媒バイパス路５５）とを備え、前記熱交換器は、前記燃料電池スタックの他端側に配置され、前記中間冷媒導出部から前記熱交換器に冷媒を導入することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記中間冷媒導出部は、前記燃料電池スタック内における前記冷媒流路の上端部に位置することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記燃料電池スタックは、前方にラジエータ（例えば、実施形態におけるラジエータ４５）を配置する車両（例えば、実施形態における燃料電池車両１５）に搭載されるものであって、前記燃料電池スタックの一端側を前記車両の前方側に指向したことを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、熱交換器を加温するための中間冷媒導出部を燃料電池スタック内の冷媒流路から分岐させて形成し、燃料電池スタックの他端側に冷媒を導くことで、燃料電池スタックの他端側と熱交換器との間に流路を引き回すのみで、熱交換器への冷媒の供給が可能となる。そのため、従来のように燃料電池スタックの外側を回り込んで流路を引き回す構成に比べて、流路を短縮することができ、レイアウト性を向上させることができる。これに伴って、流路を設置するための部品点数を削減することができるとともに、流路に流通する冷媒量を短縮流路分だけ削減することが可能になり、製造コスト及びシステム重量を削減することができる。
また、熱交換器に導入される冷媒は、燃料電池スタックとの熱交換により熱量を受け取るとともに、燃料電池スタック内の中間冷媒導出部を流通した後に導入される。そのため、熱交換器への導入時における冷媒の熱量は、従来のように燃料電池スタックの外側から回り込んで熱交換器に導入される冷媒の熱量に比べて、高くなっている。これにより、熱交換器に導入されるアノードガスを効率的に加温することができ、燃料電池システムの起動時の暖気時間を短縮することができる。

請求項２に記載した発明によれば、冷媒流路の上端部に中間冷媒導出部が位置するため、この中間冷媒導出部を冷却機構への冷媒充填時のエア抜き孔としても用いることが可能である。すなわち、冷媒充填時に中間冷媒導出部を開放しておくことで、その開放部分からエアを抜くことが可能になり、冷却機構におけるエア混入を防止することができる。その結果、冷却機構の冷却性能低下を防止することができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池スタックの一端側を車両前方に指向させた状態で車両に搭載しているため、ラジエータと冷媒導入部及び冷媒導出部との間の距離を短縮することができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システムが搭載される燃料電池車両の概略側面図であり、図２は燃料電池システムを主体にした燃料電池車両の平面図である。なお、図中ＵＰは上方、ＦＲは前方、ＬＨは左方を示している。
図１，２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１を冷却するとともに、後述する補機を加温するための冷却機構１２と、燃料電池スタック１１に空気等の酸化剤ガス（カソードガス）を供給するためのカソードガス供給機構１３と、燃料電池スタック１１に水素ガス等の燃料ガス（アノードガス）を供給するためのアノードガス供給機構１４とを備えている。

燃料電池スタック１１は、固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、燃料電池車両１５の前後方向及び幅方向の中央部、すなわちセンターコンソール１６に配置され、かつ単位燃料電池としてのセル６０（図４参照）を車両の前後方向に沿って複数積層して構成されている。
セル６０は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「ナフィオン」）等の固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ）を備え、このＭＥＡの外側を一対のセパレータ（アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）６１（図４参照）で挟持して形成されている。なお、セパレータ６１は、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されている。また、セル６０の具体的な構成については後述する。

図３は燃料電池システムの概略構成図である。
図１〜３に示すように、カソードガス供給機構１３は、カソードガスである空気を所定圧力に加圧して燃料電池スタック１１に向けて供給するエアポンプ（ＡＰ）２０を備えている。このエアポンプ２０は、燃料電池車両１５の前側に配置されており、エアポンプ２０と燃料電池スタック１１との間には、エアポンプ２０から送出される空気を燃料電池スタック１１に供給するためのカソードガス供給路２１が接続されている。このカソードガス供給路２１は、エアポンプ２０から後方に向けて延出し、燃料電池スタック１１の後方に回り込んで燃料電池スタック１１の後側から接続されている。

燃料電池スタック１１の後端側（他端側）には、燃料電池スタック１１のカソード電極を通過したカソードガス（カソードオフガス）を外部に排出するための、カソードオフガス排出路２２（図３参照）が接続されている。カソードオフガス排出路２２は、希釈ＢＯＸ２３に接続されており、燃料電池スタック１１において発電に供されたカソードガス（カソードオフガス）は、カソード電極側に滞留する生成水とともに、カソードオフガス排出路２２を通って希釈ＢＯＸ２３に供給された後、車外へ排出されるようになっている。

一方、アノードガス供給機構１４は、アノードガスが貯留される高圧タンク２５を備えている。この高圧タンク２５は、燃料電池車両１５における燃料電池スタック１１よりも後側に配置されており、高圧タンク２５と燃料電池スタック１１との間には、燃料電池スタック１１に向けてアノードガスを供給するためのアノードガス供給路３０が接続されている。このアノードガス供給路３０は、高圧タンク２５から前方に向けて延出しており、燃料電池スタック１１の後端側（入口側）に接続されている。アノードガス供給路３０における高圧タンク２５と燃料電池スタック１１との間には、後述する冷媒との熱交換によってアノードガスを加温する熱交換器（Ｈ_２熱交換器）３１と、燃料電池スタック１１から排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給路３０に再び合流させるエゼクタ３２とが設けられている。

燃料電池スタック１１の後端側には、アノードガス循環路３４が接続されている。アノードガス循環路３４は、燃料電池スタック１１の後端側から延出し、ドレインバルブ４１及びパージバルブ４２を介してエゼクタ３２に接続されており、燃料電池スタック１１において消費されなかった未反応のアノードガスは、ドレインバルブ４１及びパージバルブ４２を介してエゼクタ３２に吸引され、再び燃料電池スタック１１のアノードガス供給路３０に供給されようになっている。
なお、ドレインバルブ４１は、アノードガス供給機構１４に滞留した生成水を排出するものである。また、パージバルブ４２は、アノードガス循環路３４を流通するアノードガス中の不純物（カソード電極から電解質膜を介してアノード電極に透過した空気に含まれる窒素等）の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開弁してアノードオフガスを排出するものである。

ドレインバルブ４１及びパージバルブ４２には、アノードオフガス排出路３５が接続されている。アノードオフガス排出路３５は、希釈ＢＯＸ２３に接続されており、この希釈ＢＯＸ２３を介してアノードオフガスや上述した不純物、水分等が車外へと排気されるようになっている。

冷却機構１２は、燃料電池スタック１１との間で冷媒を循環させ、燃料電池スタック１１の各セル６０を冷却するものであり、燃料電池車両１５の前後方向前端側（矢印Ｌ１方向）に配置されたラジエータ４５を備えている。このラジエータ４５には、ウォータポンプ（ＷＰ）４６を介して冷媒供給流路（冷媒導入部）４７が接続されている。この冷媒供給流路４７は、燃料電池スタック１１に向けて冷媒が流通する流路であり、ラジエータ４５から車両後方に向けて延出し、燃料電池スタック１１の前端側（一端側）の入口部４８に接続されている。

入口部４８には、燃料電池スタック１１内を連通する冷媒連通路（冷媒流路）５０（図３参照）が接続されている。この冷媒連通路５０は、ウォータポンプ４６から送出された冷媒を燃料電池スタック１１（各セル６０）内で流通させるものであり、一端が上述した入口部４８で冷媒供給流路４７に接続され、他端が燃料電池スタック１１の前端に形成された第１出口部５１で冷媒排出流路（冷媒導出部）５２に接続されている。この冷媒排出流路５２は、燃料電池スタック１１から排出された冷媒が、ラジエータ４５に向けて流通する流路であり、燃料電池スタック１１から車両前方に向けて延出し、その先端がラジエータ４５に接続されている。本実施形態では、車両の前側に入口部４８及び第１出口部５１を指向させた状態で、燃料電池スタック１１が車両に搭載されているため、ラジエータ４５と入口部４８及び第１出口部５１との距離を短縮することができ、冷媒供給流路４７及び冷媒排出流路５２の距離を短縮することができる。

また、冷媒供給流路４７と冷媒排出流路５２との間には、ラジエータ４５への冷媒の流通量を調整して燃料電池スタック１１へ供給される冷媒の温度を調整する温度制御機構であるサーモバルブ５３が接続されている。なお、冷却機構１２を流通する冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール、不凍液などの液体冷媒や、フロン（登録商標）などのフッ化炭素系冷媒等でもよい。

ここで、燃料電池スタック１１内の冷媒連通路５０には、冷媒バイパス路（中間冷媒導出部）５５が分岐している。この冷媒バイパス路５５は、燃料電池スタック１１内において車両後方に向かって連通し、燃料電池スタック１１の後端側に形成された第２出口部５６に接続されている。そして、第２出口部５６には、加温流路５７が接続されている。この加温流路５７は、冷媒バイパス路５５を流通した冷媒が流通する流路であり、この冷媒を用いて熱交換器３１、ドレインバルブ４１、パージバルブ４２及びイオン交換器４３（ＩＯＮ交換器）等からなる補機の暖機を行うようになっている。加温流路５７は、第２出口部５６から車両後方に向けて延出した後、各補機を通りながら車両前方に向けて延出し、燃料電池スタック１１の外側を回り込んで冷媒排出流路５２に接続されている。そして、本実施形態では、熱交換器３１、ドレインバルブ４１、パージバルブ４２及びイオン交換器４３等の各補機が加温流路５７によって直列に接続されている。

このように、本実施形態では、燃料電池スタック１１の冷却に用いる冷媒を用いて、アノードガスの加温や補機の暖機を行えるようになっている。すなわち、本実施形態の冷却機構１２は、燃料電池スタック１１との間で熱交換を行って燃料電池スタック１１内を冷却するとともに、燃料電池スタック１１との熱交換によって冷媒が受け取った熱量によって、熱交換器３１においてアソードガスを加温したり、ドレインバルブ４１やパージバルブ４２、イオン交換器４３を暖機したりするようになっている。そして、ドレインバルブ４１を流通した冷媒は、イオン交換器４３において、冷媒中に存在するイオンが除去され、冷媒中の導電率が低下するようになっている。

（セル）
次に、上述した燃料電池スタック１１のセル６０の構成について具体的に説明する。図４は、セルの平面図である。
セル６０は、上述したようにＭＥＡ（不図示）の両側を一対のセパレータ６１で挟持して形成され、長辺方向を燃料電池車両１２の高さ方向と一致させた状態で配置された平面視長方形状のものである。セル６０の高さ方向の上縁部には、セル６０の厚さ方向（燃料電池車両１２の前後方向）に連通して、カソードガスを供給するためのカソードガス入口連通孔６２ａと、アノードガスを供給するためのアノードガス入口連通孔６３ａとが形成されている。

一方、セル６０の下縁部には、セル６０の厚さ方向に連通して、カソードガスを排出するためのカソードガス出口連通孔６２ｂと、アノードガスを排出するためのアノードガス出口連通孔６３ｂとが形成されている。これらカソードガス入口連通孔６２ａ、カソードガス出口連通孔６２ｂ、アノードガス入口連通孔６３ａ及びアノードガス出口連通孔６３ｂは、バッファ部６５ａ，６５ｂの形状に対応して開口断面略台形状に形成されている。

なお、図示しないが一対のセパレータ６１のうち、一方のセパレータ６１（カソード側セパレータ）のＭＥＡに対向する面６１ａ（図４における裏面）側には、セパレータ６１の上下部に形成された平面視三角形状のバッファ部６５ａ，６５ｂを介して、カソードガス入口連通孔６２ａとカソードガス出口連通孔６２ｂとに連通するカソードガス流路が形成されている。また、他方のセパレータ６１（アノード側セパレータ）のＭＥＡに対向する面６１ａには、バッファ部６５ａ，６５ｂを介してアノードガス入口連通孔６３ａとアノードガス出口連通孔６３ｂとに連通するアノードガス流路（不図示）が形成されている。これにより、アノードガス及びカソードガスは、各セパレータ６１とＭＥＡとの間をセル６０の上部（カソードガス入口連通孔６２ａ及びアノードガス入口連通孔６３ａ）から、下部（カソードガス出口連通孔６２ｂ及びアノードガス出口連通孔６３ｂ）に向かって高さ方向に流通するようになっている。

セル６０の幅方向一側（右側）には、セル６０内に冷媒を導入するための複数（例えば、３つ）の冷媒入口連通孔７０ａが形成されるとともに、他側（左側）にはセル６０から冷媒を排出するための、複数（例えば、３つ）の冷媒出口連通孔７０ｂが形成されている。すなわち、これら冷媒入口連通孔７０ａ及び冷媒出口連通孔７０ｂは、平面視矩形状で同一の開口断面積に形成されており、それぞれセル６０の高さ方向に沿って３つずつ配列されている。

また、各セパレータ６１における隣接するセル６０のセパレータ６１に対向する面６１ｂ（図４における表面）には、冷媒入口連通孔７０ａと冷媒出口連通孔７０ｂとに連通する冷媒流路７５が形成されている。そして、セパレータ６１の面６１ｂには、冷媒入口連通孔７０ａと冷媒流路７５とを連通する複数の入口連結路７６ａと、冷媒出口連通孔７０ｂと冷媒流路７５とを連通する複数の出口連結路７６ｂとが形成されている。これにより、冷媒入口連通孔７０ａから導入された冷媒は、冷媒流路７５を介して冷媒出口連通孔７０ｂから排出されることになり、セパレータ６１を幅方向に沿って流通するようになっている。なお、各セル６０が積層されることで、各セル６０の冷媒入口連通孔７０ａ、入口連結路７６ａ、冷媒出口連通孔７０ｂ、出口連結路７６ｂ、及び冷媒流路７５により、燃料電池スタック１１内で冷媒が流通する上述した冷媒連通路５０（図３参照）を構成している。

ここで、冷媒流路７５の上端部、すなわちセパレータ６１のバッファ部６５ａの上部には、セル６０の厚さ方向に沿って貫通する貫通孔８０が形成されている。この貫通孔８０は、冷媒連通路５０（冷媒流路７５）に流通する冷媒が分岐して流通可能とされており、各セル６０が積層されることで、各セル６０の貫通孔８１が積層され、冷媒連通路５０から分岐する上述した冷媒バイパス路５５を構成している。そして、冷媒バイパス路５５は、セル６０の積層方向に沿って燃料電池スタック１１内を連通し、燃料電池スタック１１の後端側に形成された第２出口部５６に接続されるようになっている。

（燃料電池システムの作動方法）
次に、上述した本実施形態の燃料電池システム１０の作動方法について説明する。
ところで、上述した燃料電池システム１０では、低温域における補機類の凍結や、常温域におけるアノードガス供給機構１４での結露水の発生を防止して発電の安定化を図るために、燃料電池システム１０の起動直後に冷却機構１２を流通する冷媒を用いて暖機を行っている。そこで、以下の説明では主として燃料電池システム１０の起動時における補機の暖機方法について説明する。 まず図３，４に示すように、燃料電池システム１０を起動すると、エアポンプ２０からカソードガス供給路２１を介してカソードガスが供給されるとともに、高圧タンク２５からアノードガス供給路３０を介してアノードガスが供給される。さらに、ウォータポンプ４６が作動して冷却機構１２中の冷媒が、燃料電池スタック１１及び補機内を循環する。

そして、燃料電池スタック１１内に供給されたカソードガスは、カソードガス入口連通孔６２ａからカソードガス流路に導入され、ＭＥＡのカソード電極に供給される。一方、アノードガスは、アノードガス入口連通孔６３ａからアノードガス流路に導入され、ＭＥＡのアノード電極に供給される。その結果、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極でカソードガスと電気化学反応を起こして発電する。
その後、カソードに供給されたカソードオフガスは、カソードガス出口連通孔６２ｂからカソードオフガス排出路２２を流通し、希釈ＢＯＸ２３を通って車外へ排出される。同様に、アノードに供給されたアノードガスは、アノードガス出口連通孔６３ｂからアノードオフガス排出路５７を流通し、希釈ＢＯＸ２３を通って車外へ排出される。

また、ウォータポンプ４６から送出された冷媒は、冷媒供給流路４７を通って入口部４８から燃料電池スタック１１内へ導入され、冷媒連通路５０内を流通する。冷媒連通路５０内を流通する冷媒は、各セル６０の冷媒入口連通孔７０ａを通ってセル６０の積層方向へ流通するとともに、冷媒入口連通孔７０ａから各セル６０の冷媒流路７５に導入される。

冷媒流路７５内に導入された冷媒は、セパレータ６１の幅方向に沿って流通する（図４中矢印Ａ参照）。セパレータ６１の幅方向に沿って流通する冷媒は、冷媒流路７５内でＭＥＡとの間で熱交換を行い、ＭＥＡを冷却するようになっている。そして、冷媒は冷媒出口連通孔７０ｂから排出された後、燃料電池スタック１１の冷媒排出流路５２に排出され、再び燃料電池スタック１１内を循環するようになっている。
なお、燃料電池システム１０の起動時等、燃料電池スタック１１の温度が比較的低い場合においては、燃料電池スタック１１の温度を速やかに上昇させるために、サーモバルブ５３を切り替えてラジエータ４５に冷媒を循環させないようになっている。そのため、冷媒排出流路５２から排出された冷媒は、サーモバルブ５３を介して直接冷媒供給流路４７に流通するようになっている。

ここで、冷媒流路７５を流通する冷媒の一部は、燃料電池スタック１１内で冷媒バイパス路５５に導入され、燃料電池スタック１１の後端側の第２出口部５６から排出される。具体的には、図４に示すように、セル６０の冷媒入口連通孔７０ａから冷媒流路７５に導入された冷媒のうち、一部の冷媒は冷媒流路７５の途中で分岐して上方に向かって流れる。そして、分岐した冷媒は、各セル６０のバッファ部６５ａに形成された冷媒バイパス路５５（貫通孔８０）内に導入される（図４中矢印Ｂ参照）。
この時、冷媒入口連通孔７０ａから導入された冷媒の温度をＴ１、冷媒バイパス路５５に導入される冷媒の温度をＴ２、冷媒出口連通孔７０ｂから排出される冷媒の温度Ｔ３とすると、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３となっている。すなわち、冷媒バイパス路５５に導入される冷媒は、冷媒流路７５への導入初期段階でＭＥＡとの熱交換により加温された後、冷媒バイパス路５５を通って第２出口部５６から排出される。

そして、第２出口部５６から排出された冷媒は、燃料電池スタック１１の後端に接続された加温流路５７に導入される。加温流路５７に導入された冷媒は、始めに熱交換器３１に導入され、熱交換器３１において高圧タンク２５から供給されるアノードガスとの間で熱交換を行い、アノードガスを加温する。この場合に熱交換器３１に導入される冷媒は、ＭＥＡとの熱交換により熱量を受け取るとともに、燃料電池スタック１１内の流路バイパス路５５を流通した後に加温流路５７に導入される。そのため、熱交換器３１への導入時における冷媒の熱量は、従来のように燃料電池スタック１１の外側から回り込んで熱交換器３１に導入される冷媒の熱量に比べて、高くなっている。これにより、熱交換器３１に導入されるアノードガスを効率的に加温することが可能である。

さらに、熱交換器３１を流通した冷媒は、その後、パージバルブ４２、ドレインバルブ４１及びイオン交換器４３等の各補機に順に導入され、これら各補機を加温する。そして、ドレインバルブ４１を加温した冷媒は、イオン交換器４３でイオンを除去された後、冷媒排出流路５２に導入され、再び燃料電池スタック１１内を循環するようになっている。なお、本実施形態では、各補機が加温流路５７によって直列に接続されているため、最も暖気が必要な熱交換器３１に対して、冷媒が最初に流通することになる。そのため、熱交換器３１の暖気を効果的に行うことができる。

このように、本実施形態では、燃料電池スタック１１内で冷媒が流通する冷媒連通路５０（冷媒流路７５）に分岐して設けられ、燃料電池スタック１１内を通って燃料電池スタック１１の後端側に冷媒を導く冷媒バイパス路５５を備える構成とした。
この構成によれば、熱交換器３１や、ドレインバルブ４１、パージバルブ４２、イオン交換器４３等の補機を加温するための流路を燃料電池スタック１１内に形成することで、燃料電池スタック１１の後端側の第２出口部５１と各補機との間に流路を引き回すのみで、各補機への冷媒の供給が可能になる。そのため、従来のように車両前方から燃料電池スタックの外側を回り込んで流路を引き回す構成に比べて、レイアウト性を向上させることができる。これに伴って、流路を設置するための部品点数を削減することができるとともに、流路に流通する冷媒量を短縮流路分だけ削減することが可能になり、製造コスト及びシステム重量を削減することができる。

さらに、燃料電池スタック１１内で流路を分岐させて冷媒バイパス路５５を形成し、燃料電池スタック１１の後端側へ冷媒を導くことで、燃料電池スタック１１内に冷媒を流通させた後に、燃料電池スタック１１の後端側から直接熱交換器３１に流路を引き回すことが可能であるため、ウォータポンプ４６により送出される冷媒の全流量が、燃料電池スタック１１に導入されることになる。そのため、燃料電池スタック１１内での熱交換効率を向上させることができる。
また、燃料電池スタック１１の外側に流路を引き回す構成に比べて、流路内の圧力損失を低減させることができるため、ウォータポンプ４６の小型化が可能になり、燃料電池システム１０のシステム重量を削減することができる。

ここで、冷媒供給流路４７を流通する冷媒の圧力をＰ１、冷媒排出流路５２を流通する冷媒の圧力をＰ２、加温流路５７を流通する冷媒の圧力をＰ３とすると、ウォータポンプ４６から送出される圧力によって、冷媒の圧力はＰ１＞Ｐ３＞Ｐ２となる。
この場合、補機への加温を促進するために冷媒に熱量を多く取り入れるには、第１出口部５１近傍に流路を設け、この流路を熱交換器３１に引き回す構成も考えられる。しかしながら、セル６０内の圧力損失が大きいため、車両前方から熱交換器３１まで、冷媒を引き回すだけの圧力を取り出すことができない。
これに対して、本実施形態のように燃料電池スタック１１内における冷媒流路７５の途中で分岐させることにより、冷媒の熱量と、冷媒を循環させるための圧力との双方を確実に確保した状態で、各補機へ冷媒を導入することが可能である。

このように、本実施形態では補機の加温を行うために、燃料電池スタック１１内で熱交換が行われた冷媒を分岐させて用いることになるため、従来に比べて熱量の高い冷媒を補機に供給することができる。これにより、熱交換器３１に導入されるアノードガスを効率的に加温することができるとともに、各補機も効率的に加温することができる。したがって、燃料電池システム１０の起動時における暖気時間を短縮することができるとともに、例えば低温域での起動時において補機の凍結解凍を促進することができる。

ところで、アノードガスは、燃料電池スタック１１から排出され、アノードオフガス循環路３４を通ったガスと、高圧タンク２５から直接供給されたガスとが、エゼクタ３２で交じり合った後、燃料電池スタック１１に供給される。この時、一度燃料電池スタック１１内を通ったアノードガスは、高圧タンク２５から供給されるアノードガスに比べて加湿されている。
一方、高圧タンク２５から供給されたアノードガスは、熱交換器３１に導入されて加温された後に、エゼクタ３２を介して燃料電池スタック１１に供給されるが、上述したように従来の構造では熱交換器３１に導入される冷媒の熱量が低かった。そのため、燃料電池システム１０の起動時における暖気中等において、熱交換器３１によるアノードガスの加温が遅く、高圧タンク２５から導入された低温のアノードガスと、一度燃料電池スタック１１内を流通したアノードガスとでは、温度の差が大きく、アノードガス供給機構１４内で結露水が発生していた。
これに対して、本実施形態では、上述したように熱交換器３１に導入されるアノードガスを効率的に加温することができるため、一度燃料電池スタック１１内を流通したアノードガスとの温度の差が縮まり、アノードガス供給機構１４内での結露水の発生を抑制することが可能である。

なお、本実施形態では、各セル６０におけるバッファ部６５ａの上端部に冷媒バイパス路５５や加温流路５７を設けているため、冷却機構１２への冷媒充填時のエア抜き孔としても用いることが可能である。すなわち、冷媒充填時に冷媒バイパス路５５や加温流路５７を開放しておくことで、その開放部分からエアが可能になり、冷却機構１２におけるエア混入を防止することができる。その結果、冷却機構１２の冷却性能低下を防止することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上述の実施形態は、燃料電池車両に本発明に係る燃料電池システムを適用したものであるが、本発明は燃料電池車両以外の機器に適用することも可能である。

また、上述した実施形態では、熱交換器３１、ドレインバルブ４１、パージバルブ４２及びイオン交換器４３等の補機が直列に接続されている場合について説明したが、各補機が並列に接続されていてもよい。
図５は、燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。なお、図５では補機周辺の構成のみを示しており、それ以外の構成については、上述した実施形態と同様である。
図５に示すように、加温流路１５７は、補機の前段で４つの分岐流路１００〜１０２に分岐されている。各分岐流路１００〜１０２は、各補機（熱交換器３１、パージバルブ４２、ドレインバルブ４１）にそれぞれ接続された後、下流側において合流流路１０５に接続され、再び合流されている。そして、合流流路１０５には、イオン交換器４３が接続されており、分岐流路１００〜１０２から合流流路１０５に流入した冷媒は、イオン交換器４３を流通して、冷媒中に存在するイオンが除去された後、再びその後冷媒排出流路５２を流通するようになっている。また、各分岐流路１００〜１０２と各補機との間には、それぞれバルブ１１０〜１１２が設けられ、燃料電池スタック１１の冷媒バイパス路５５から排出された冷媒は、バルブ１１０〜１１２を介して各補機に導入されるようになっている。
この場合、各分岐流路１００〜１０２に流通する冷媒の流量を各バルブ１１０〜１１２や、流路径等によって調整し、各補機における熱交換量を設定することも可能である。

本発明の実施形態における燃料電池システムが搭載される燃料電池車両の概略側面図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムを主体にした燃料電池車両の平面図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 セルの平面図である。 本発明の他の構成を示す燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １１…燃料電池スタック １２…冷却機構 １５…燃料電池車両（車両） ３１…熱交換器 ４５…ラジエータ ４７…冷媒供給流路（冷媒導入部） ５０…冷媒連通路（冷媒流路） ５２…冷媒排出流路（冷媒導出部） ５５…冷媒バイパス路（中間冷媒導出部） ７５…冷媒流路

Claims (3)

1. 反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給する前記反応ガスを加温する熱交換器と、
   冷媒を流通させて前記燃料電池スタックを冷却する冷却機構とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記冷却機構は、前記燃料電池スタックの一端側に接続され、前記燃料電池スタックに冷媒を導入する冷媒導入部、および前記燃料電池スタックから冷媒を導出する冷媒導出部と、
   前記燃料電池スタック内において、前記冷媒導入部と前記冷媒導出部との間に連通する冷媒流路と、
   前記冷媒導入部と前記冷媒導出部との間で前記冷媒流路から分岐して設けられ、前記燃料電池スタック内を流通して、前記燃料電池スタックの他端側に冷媒を導く中間冷媒導出部とを備え、
   前記熱交換器は、前記燃料電池スタックの他端側に配置され、前記中間冷媒導出部から前記熱交換器に冷媒を導入することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記中間冷媒導出部は、前記燃料電池スタック内における前記冷媒流路の上端部に位置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックは、前方にラジエータを配置する車両に搭載されるものであって、前記燃料電池スタックの一端側を前記車両の前方側に指向したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。

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