JP2011008916A - 燃料電池冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の温度が氷点以下時の発電運転開始時には、冷却媒体の循環経路を通常経路から切り替えることによって燃料電池の昇温を促進する。
【解決手段】燃料電池冷却システム６０は、複数の燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂからなる燃料電池１２と、燃料電池１２に冷却水を循環流通させることにより燃料電池１２を冷却するための冷却水ポンプ６４および冷却水循環通路６６とを備える。冷却水循環通路６６は、燃料電池１２の温度が氷点以下のとき、冷却水ポンプ６４から送り出された冷却水が第１燃料電池ブロック１２ａおよび第２燃料電池ブロック１２ｂを並列に流れる並列経路から、冷却水が第１燃料電池ブロック１２ａから第２燃料電池ブロック１２ｂに直列に流れてから冷却水ポンプ６４に還流する直列経路に切り替えられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池冷却システムに係り、特に、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池に冷却媒体を循環流通させることにより冷却する燃料電池冷却システムに関する。

従来、燃料ガスである水素および酸化ガスである酸素（空気）を反応ガスとして供給されて発電を行う燃料電池が知られている。このような燃料電池は、発電時に地球温暖化ガスである二酸化炭素を排出しないクリーンな発電装置であることから、例えばモータを走行用動力源とする電動車両等の電源として搭載されることが期待されている。

上記燃料電池では、発電運転時に水素と酸素とが電気化学反応することによって水が生成される。この生成水は、燃料電池から排出される空気オフガスまあは水素オフガスと共に燃料電池から排出（排水）されて、車外に放出されることになる。

しかし、燃料電池が発電運転を停止した状態で車両が氷点下の低温環境下に長時間止め置かれた場合には、燃料電池の温度も氷点下以下に低下する。この状態で車両を起動し、燃料電池に反応ガスを供給して発電運転を開始すると、発電に伴って生じる水が燃料電池内で凍結することによって空気極側のガス拡散層に付着し、これによりガス拡散層における酸素の拡散および触媒によるイオン化が阻害され、ひいては水素および酸素の電気化学反応が妨げられて発電効率が上がらないことが起こり得る。

このような事態を迅速に解消するには、燃料電池を可及的速やかに氷点を超える温度へと昇温させて、燃料電池内の氷を溶かして空気オフガスとともに排水することが有効である。そのため、通常の発電運転中には燃料電池を冷却するために燃料電池内に循環供給される冷却媒体、典型的には冷却水を用いて燃料電池の昇温を促進することが考えられる。

例えば、特許文献１には、発電運転時に昇温した冷却水の一部をタンク内に溜めておき、氷点下時の燃料電池の発電運転開始時には、熱容量が大きいために水温が低下しにくいタンク内の冷却水を先ず燃料電池に循環流通させることによって燃料電池の昇温時間を短縮するようにした燃料電池冷却システムが開示されている。

また、特許文献２には、燃料電池の内部温度が０℃以下のときの起動時には、冷却水ポンプを作動させない制御を実行し、これにより冷たい冷却水が燃料電池内を循環流通することによって燃料電池の昇温を却って妨げることがないようにした燃料電池システムが開示されている。

特開２００７−１３４２４１号公報 特開２００３−３６８７４号公報

ところで、車両に搭載される燃料電池システムでは、電気的に直列接続された複数の燃料電池ブロックによって燃料電池が構成され、これらの燃料電池ブロックを冷却するための冷却水が各ブロックに並列に流されて循環流通させる場合がある。

このように複数の燃料電池ブロックからなる燃料電池についても同様に、氷点下時の発電運転開始時には、できるだけ速くに燃料電池を氷点より高い温度に昇温させることが望まれる。

本発明の目的は、複数の燃料電池ブロックから構成される燃料電池と、各燃料電池ブロックに対して冷却媒体を並列に循環流通させる冷却媒体通路とを有する燃料電池冷却システムにおいて、燃料電池の温度が氷点以下時の発電運転開始時には、冷却媒体の循環経路を通常経路から切り替えることによって燃料電池の昇温を促進することにある。

本発明に係る燃料電池冷却システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に冷却媒体を循環流通させることにより燃料電池を冷却する冷却装置とを備える燃料電池冷却システムであって、前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層してなる第１燃料電池ブロックと、複数の燃料電池セルを積層してなる第２燃料電池ブロックとを電気的に直列接続して構成されており、前記冷却装置は、冷却媒体を循環させる循環ポンプと、循環ポンプと前記燃料電池との間に設けられる冷却媒体循環通路とを含み、前記冷却媒体循環通路は、燃料電池の温度が氷点以下のとき、循環ポンプから送り出された冷却媒体が前記第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックを並列に流れて循環ポンプに還流する並列経路から、循環ポンプから送り出された冷却媒体が前記第１燃料電池ブロックから前記第２燃料電池ブロックに直列に流れてから循環ポンプに還流する直列経路に切り替えられるものである。

本発明に係る燃料電池冷却システムは、燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出された燃料電池の温度が氷点以下のときに前記冷却媒体循環通路を前記並列経路から前記直列経路に切り替える制御部とをさらに備えてもよい。

また、本発明に係る燃料電池冷却システムにおいて、前記冷却媒体循環通路は、循環ポンプから送り出された冷却媒体が燃料電池に向かって流れる送出通路と、送出通路から二股に分岐して第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックの各冷却媒体入口にそれぞれ接続される第１導入通路および第２導入通路と、第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックの各冷却媒体出口にそれぞれ接続される第１排出通路および第２排出通路と、第１排出通路および第２排出通路の合流点から循環ポンプまで接続する還流通路と、前記第２導入通路に設けられる第１開閉弁と、前記還流通路に設けられる第２開閉弁と、第１開閉弁および第２燃料電池ブロック間の第２導入通路と第２開閉弁および循環ポンプ間の還流通路とを接続する接続通路と、接続通路に設けられる第３開閉弁とから構成され、前記制御部からの指令に基づいて、第１開閉弁および第２開閉弁がそれぞれ開弁されて第３開閉弁が閉弁されることにより前記並列経路が形成され、一方、第１開閉弁および第２開閉弁が閉弁されて第３開閉弁が開弁されることにより前記直列経路が形成されてもよい。

さらに、本発明に係る燃料電池冷却システムにおいて、前記接続経路は、第２開閉弁の下流側の還流経路に設けられるラジエータを迂回するバイパス通路であってもよい。

本発明に係る燃料電池冷却システムによれば、燃料電池の温度が氷点以下のとき、冷却媒体循環通路が、冷却媒体が第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックを並列に流れる並列経路から、冷却媒体が第１燃料電池ブロックから第２燃料電池ブロックに直列に流れる直列経路に切り替えられる。

これにより、冷却媒体は、第１燃料電池ブロック内を通過する際に発電によって生じた熱を受け取って若干昇温した状態で、続いて第２燃料電池ブロック内を流れることになるため、各燃料電池ブロックに冷却媒体が並列に流れる場合に比べて、第２燃料電池ブロックを氷点超えの温度へと昇温させるのを促進できる。

また、第２燃料電池ブロックの昇温が早くなって発電効率が良くなるに伴って発熱量も大きくなるため、その分、冷却媒体の昇温も早くなる。これにより、各燃料電池ブロックに冷却媒体が並列に流れる場合に比べて、第１燃料電池ブロックの昇温も早くすることができる。

その結果、第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックのいずれについても、各燃料電池ブロックに冷却媒体が並列に流れる場合に比べて、氷点超え温度に昇温するまでの時間を短縮することができる。

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池冷却システムを含む燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、上記燃料電池冷却システムにおいて、２つの燃料電池ブロックに冷却水が並列に流れる通常冷却時の様子を示す図である。 図３は、上記燃料電池冷却システムにおいて、２つの燃料電池ブロックに冷却水が直列に流れる氷点下昇温制御時の様子を示す図である。 図４は、ラジエータを迂回して冷却水が冷却水ポンプに還流する上記燃料電池冷却システムの変形例を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、交流モータを走行用動力源として有する電動車両に搭載される燃料電池システム１０の全体構成を概略的に示す図であり、図２は図１中の燃料電池冷却システム６０の構成を示す図である。

燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化ガスである酸素（空気）の供給を受けて発電する燃料電池１２と、車外の大気から取り込んだ空気を燃料電池１２に供給するための空気供給系１４と、水素を燃料電池１２に供給するための水素供給系１６と、発電に供された後に燃料電池１２から排出される空気をシステム１０から車外に排気するための空気排気系１８と、燃料電池１２内に冷却媒体の典型例である冷却水を循環流通させて燃料電池１２を冷却する燃料電池冷却システム６０とを備える。

燃料電池１２は、複数の燃料電池セルを電気的に直列接続した状態で積層してなるセルスタックである。本実施形態における燃料電池１２は、図２に示すように、例えばｎ個（ｎは２以上の整数）の燃料電池セルを所定方向に積層してなる第１の燃料電池ブロック１２ａと、例えばｎ個の燃料電池セルを所定方向に積層してなる第２燃料電池ブロック１２ｂとから構成されている。第１燃料電池ブロック１２ａと第２燃料電池ブロック１２ｂとは、各々の積層方向が略平行となるように横並びで配置されて、電気的に直列に接続されている。

なお、本実施形態では、第１燃料電池ブロック１２ａと第２燃料電池ブロック１２ｂをそれぞれ構成する燃料電池セルを同数ｎとしたが、異なる数としてもよい。また、第１燃料電池ブロック１２ａと第２燃料電池ブロック１２ｂの配置は、各積層方向が平行な横並びの関係に限定されるものではない。例えば、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの積層方向が一直線上に沿うように燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂが配置されてもよいし、あるいは、上下の位置関係で積層方向が平行となるように配置されてもよい。

各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂを構成する燃料電池セルは、固体高分子電解質膜と、アノード側（燃料極側）電極と、カソード側（空気極側）電極と、セパレータとから構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、高分子電解質膜を両側から挟持してサンドイッチ構造をなす拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータは、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持しつつ、アノード側電極及びカソード側電極との間にそれぞれ複数の溝状凹部からなる水素及び空気の流路を形成している。また、互いに隣接する２つの燃料電池セルのセパレータ間には、燃料電池１２を冷却するための冷却水が流れる流路が形成されている。

燃料電池セルのアノード側電極は、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、固体高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有する。同様に、カソード側電極は、触媒層とガス拡散層とを有する。例えば、触媒層は、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷して形成されている。また、ガス拡散層は、例えば、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、又はカーボンフェルトにより形成されている。高分子電解質膜は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。

このように構成される各燃料電池セルにおいて、アノード側電極に水素が供給されてＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-で表される酸化反応が生じ、カソード側電極に空気が供給されて（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏで表される還元反応が生じ、燃料電池セル全体としてはＨ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏで表される電気化学反応が生じることになる。そして、各燃料電池セルのアノード側電極で水素から放出された電子が集電されて発電電力として燃料電池１２から出力され、図示しないモータの駆動電力として利用される。

図１を再び参照して、空気供給系１４は、燃料電池１２の空気極に供給される空気が流れる空気供給通路２０を含む。空気供給通路２０には、エアフィルタ２２を介して大気中から空気を取り込むエアコンプレッサ２４と、燃料電池１２に供給される空気を適度に加湿する加湿器２６と、燃料電池１２の空気入口部２９ａに導入される空気の圧力を検出する圧力センサ２８とが設けられている。空気入口部２９ａから燃料電池１２内に流入した空気は、それに含まれる酸素の一部が各燃料電池セルにおいて発電に供された後、空気出口部２９ｂから排気される。この排気される空気には、燃料電池１２での電気化学反応により生じた水が含まれる。

水素供給系１６は、例えば高圧水素タンクなどからなる水素供給源３０と、水素供給源３０から燃料電池１２の水素入口部３９ａを介して燃料電池１２に供給される水素ガスが流れる水素供給通路３２と、燃料電池１２の水素出口部３９ｂから排気される水素オフガスが流れる水素排気通路３４と、水素排気通路３４に排出された水素オフガスを循環ポンプ３６の作動により水素供給通路３２へと循環供給するための循環通路３８とを含む。

なお、水素供給源は、高圧水素タンクに限定されるものはなく、水素吸蔵合金を用いたものであってもよい。また、水素供給源は、天然ガス等の燃料ガスを水蒸気等で改質することにより水素を生成する構成のものであってもよい。

水素供給源３０から燃料電池１２の水素入口部３９ａに接続する水素供給通路３２には、水素ガス供給方向の上流側から順に、水素供給源３０からの水素ガスの流出を遮断する遮断弁４０と、水素供給源３０から噴出する水素ガスを適度に減圧する減圧弁４１と、減圧弁４１により減圧された水素のガス圧力およびガス流量を調節して燃料電池１２への水素供給量を制御するインジェクタ４２、および、燃料電池１２の水素入口部３９ａに導入される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４４が設置されている。

一方、燃料電池１２の水素出口部３９ｂに接続する水素排気通路３４は、気液分離器３５を介して循環通路３８に接続されている。気液分離器３５には、例えばサイクロン式のものが好適に用いられる。水素排気通路３４から気液分離器３５内に流入した水素オフガス中に含まれる水は、遠心分離作用によってガスと分離されて、気液分離器３５の下部から排気排水通路４５およびパージ弁４６を介して希釈器４８へと送られる。

気液分離器３５において水分が除去された水素オフガスの大部分は、循環通路３８および循環ポンプ３６を介して水素供給通路３２に合流し、水素供給源３０から送られてきたフレッシュ（濃度１００％）の水素ガスと混合して燃料電池１２に循環供給される。一方、燃料電池１２の水素出口部３９ｂから排気された水素オフガスの一部は、気液分離器３５において分流され、分離された水と共に排気排水通路４５およびパージ弁４６を介して希釈器４８へと排出される。

空気排気系１８は、燃料電池１２の各セルにおいて発電に供された後に燃料電池１２から排気される空気が流れる空気排気通路５０を含む。空気排気通路５０は、その一端が燃料電池１２の空気出口部２９ｂに接続され、他端が車外に向けて水素混合空気を排気する排気口５１となっている。空気排気通路５０には、空気排気方向に沿って順に、空気調圧弁５２、加湿器２６、希釈器４８およびマフラ５４が設けられている。

空気調圧弁５２は、内部に含まれる弁体の開度を調整することにより、空気排気通路５０を流れる空気の流量や圧力、すなわち燃料電池１２に供給される空気の流量や圧力を制御するためのものである。加湿器２６は、燃料電池１２から排出される空気オフガス中に含まれる生成水の一部を回収して、空気供給通路２０を介して燃料電池１２に供給される空気に加湿に用いる機能を有する。

また、希釈器４８は、排気排水通路４５から導入される水素オフガスを燃料電池１２から空気排気通路５０を介して排出された空気と混合して希釈する機能を有する。マフラ５４は、サイレンサまたは消音器とも呼ばれ、システム１０から排気される空気と共に騒音が車外に放散されるのを抑制する機能を有する公知構成のものである。

上記燃料電池システム１０に含まれる遮断弁４０およびパージ弁４６には、図示しないコントローラからの指令を受けて開弁または閉弁する電磁弁などが好適に用いられる。また、減圧弁４１、空気調圧弁５２およびインジェクタ４２には、例えばモータ駆動力や電磁駆動力により開閉可能な弁体を有する開閉弁などにより好適に構成され、弁体の開度や開弁時間が制御されることによって通過する空気および水素のガス流量やガス圧を調整できるようになっている。

続いて、上記構成からなる燃料電池システム１０の発電運転について、簡単に説明する。車両のユーザが起動スイッチをオン操作することにより、燃料電池システム１０の発電運転が開始される。燃料電池１２には、エアコンプレッサ２４の作動により空気が供給されるとともに、それぞれ開弁された遮断弁４０、減圧弁４１およびインジェクタ４２を介して水素供給源３０から水素が供給される。これにより、燃料電池１２を構成する各燃料電池セルにおいて、上述したような電気化学反応が生じて発電が行われる。

発電に供された後の空気は燃料電池１２から排出されて空気排出通路５０を介して希釈器４８に送られる。また、発電に供されて燃料電池１２から排出された水素オフガスは、循環ポンプ３６の作動により気液分離器３５および循環経路３８を介して燃料電池１２に循環供給されるが、所定のタイミング、例えば、燃料電池１２の水素オフガス出口３９ｂから排気される水素オフガス中に含まれる窒素濃度が高くなって水素濃度が所定値以下になったとき、パージ弁４６が一時的に開弁されることで、水素オフガスの一部が気液分離器３５に溜まった水と共に希釈器４８へと排気および排水される。

希釈器４８に導入された水素オフガスは、空気排気通路５０から流入した空気オフガスによって十分に希釈された後、生成水と共にマフラ５４を介して排気口５１から車外に放出される。

次に、図２および図３を参照して、上記燃料電池冷却システム６０について詳細に説明する。図２は、燃料電池冷却システム６０において、２つの燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂに冷却水が並列に流れる通常冷却時の様子を示し、図３は、燃料電池冷却システム６０において、２つの燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂに冷却水が直列に流れる氷点下昇温制御時の様子を示す。

図２に示すように、燃料電池冷却システム６０は、第１燃料電池ブロック１２ａおよび第２燃料電池ブロック１２ｂからなる燃料電池１２と、燃料電池に冷却水を循環流通させることにより燃料電池を冷却する冷却装置６２と、各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂにそれぞれ取り付けられて温度を検出する温度センサ６８ａ，６８ｂと、冷却水ポンプ６４の作動制御および冷却システムに含まれる開閉弁７０，７２，７４の開閉制御を行う制御部７６とを含む。

なお、本実施形態では、各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度を検出する温度センサ６８ａ，６８ｂをブロック外面に配置した例を図示するが、これに限定されるものではなく、各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの内部に温度センサをそれぞれ埋設して、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの内部温度を検出してもよい。また、温度センサは、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂのうちいずれか一方にだけ設置してもよい。さらに、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度を直接検出するのではなく、制御部７６が外気温や冷却水の温度に基づいて燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度を推定してもよい。

冷却装置６２は、冷却水を循環させる冷却水ポンプ（循環ポンプ）６４と、冷却水ポンプ６４と燃料電池１２との間に設けられる冷却水循環通路６６とを含んで構成される。冷却水循環通路６６は、冷却水ポンプ６４から送り出された冷却水が燃料電池１２に向かって流れる送出通路７８と、送出通路７８から二股に分岐して第１燃料電池ブロック１２ａおよび第２燃料電池ブロック１２ｂの各冷却水入口１３ａ，１５ａにそれぞれ接続される第１導入通路８０および第２導入通路８２と、第１燃料電池ブロック１２ａおよび第２燃料電池ブロック１２ｂの各冷却水出口１３ｂ，１５ｂにそれぞれ接続される第１排出通路８４および第２排出通路８６と、第１排出通路８４および第２排出通路８６の合流点８８から冷却水ポンプ６４まで接続する還流通路９０と、第２導入通路８２に設けられる第１開閉弁７０と、還流通路９０に設けられる第２開閉弁７２と、第１開閉弁７０および第２燃料電池ブロック１２ｂ間の第２導入通路８２と第２開閉弁７２および冷却水ポンプ６４間の還流通路９０とを接続する接続通路９２と、接続通路９２に設けられる第３開閉弁７４とから構成される。

制御部７６は、ＣＰＵ、ＲＡＭやＲＯＭ等のメモリ、入出力インターフェース等を含むマイクロコンピュータとして構成されることができる。制御部７６には、温度センサ６８ａ，６８により検出された各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度は、制御部７６へそれぞれ入力されるようになっている。また、制御部７６は、外部のＥＣＵ（Electronic Control Unit）から燃料電池システムの発電運転開始指令を受信すると、冷却水ポンプ６４を作動させて冷却水を燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂに対して循環流通させるとともに、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度に基づいて開閉弁７０，７２，７４を開閉制御することにより冷却水循環通路６６を並列経路および直列経路との間で切り替える制御を実行する。

続いて、上記構成からなる燃料電池冷却システム６０の動作について説明する。燃料電池システム１０の発電運転が開始されると、制御部７６は、温度センサ６８ａ，６８ｂからの入力に基づき、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度が氷点（すなわち０℃）以下か否かを判定する。そして、氷点を超える温度であると判定されれば、第１開閉弁７０および第２開閉弁７２を開弁するとともに第３開閉弁７４を閉弁し、冷却水循環通路６６を並列経路として形成する。

この状態で、冷却水ポンプ６４を作動させると、冷却水ポンプ６４から送出通路７８に送り出された冷却水は、第１導入通路８０および第２導入通路８２に分流して、冷却水入口１３ａ，１５ａから各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂ内にそれぞれ流入する。これにより、冷却水は、各燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂ内において燃料電池セル間に形成される冷却水流路を流れる際に、発電により生じた熱を受け取ることによって燃料電池セルを冷却する。それから、冷却水は、冷却水出口１３ｂ，１５ｂから第１排水通路８４および第２排水通路８６に排水され、還流通路９０を介して冷却水ポンプ６４に還流する。このように、冷却水は、通常、第１燃料電池ブロック１２ａおよび第２燃料電池ブロック１２ｂを並列に流れて、冷却水ポンプ６４と燃料電池１２との間で循環流通する。

一方、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの少なくともいずれかの温度が氷点以下であると判定されると、制御部７６は、図３に示すように、第１開閉弁７０および第２開閉弁７２を閉弁するとともに第３開閉弁７４を開弁し、冷却水循環通路６６を通常の並列経路から直列経路に切り替える。

このように直列経路に形成された冷却水循環通路６６では、冷却水ポンプ６４から送り出された冷却水は、第１開閉弁７０が閉弁されているため送出通路７８から第１導入通路８０を介して第１燃料電池ブロック１２ａに流れる。そして、第１燃料電池ブロック１２ａ内を一巡して各燃料電池セルを冷却して若干昇温した状態で、冷却水出口１３ｂから第１排水通路８４に排水される。

それから、冷却水は、第２開閉弁７２が閉弁されているため、第１排水通路８４から第２排水通路８６に流れて冷却水出口１５ｂから第２燃料電池ブロック１２ｂへと導入される。これにより、第２燃料電池ブロック１２ｂ内では、冷却水が通常時とは逆方向に燃料電池セル間の冷却水流路を流れることになる。

このとき、氷点以下の温度になっている第２燃料電池ブロック１２ｂの各燃料電池セルは、第１燃料電池ブロック１２ａの通過によって若干昇温した冷却水によって温められることで、第２燃料電池ブロック１２ｂにおける発電により生じる発熱と相まって、氷点超えの温度へと早く昇温させることができる。

第２燃料電池ブロック１２ｂ内を一巡した冷却水は、第２燃料電池ブロック１２ｂにおける発電によって生じる発熱によって導入時よりも更に昇温して冷却水入口１５ａから第２導入通路８２に排出される。そして、冷却水は、第３開閉弁７４が開弁されている接続通路９２を通って還流通路９０から冷却水ポンプ６４へと戻る。

なお、制御部７６は、燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂの温度が氷点を超える閾値以上になったときに、第１開閉弁７０および第２開閉弁７２を開弁するとともに第３開閉弁７４を閉弁し、冷却水循環通路６６を通常時の並列経路に切り替える制御を実行する。

このように本実施形態の燃料電池冷却システムによれば、通常時は並列経路にある冷却水循環通路６６を、燃料電池１２の温度が氷点以下の場合に直列経路に切り替えることで、燃料電池１２を構成する第２燃料電池ブロック１２ｂを氷点超え温度へと早期に昇温させることができる。

また、このように第２燃料電池ブロック１２ｂの温度が第１燃料電池ブロック１２ａよりも早く氷点超えの温度に昇温することで、第２燃料電池ブロック１２ｂにおける発電効率が向上して発電に伴う発熱量が大きくなることから、その分、冷却水の昇温も早くなる。これにより、通常時の直列経路の場合に比べて、第１燃料電池ブロック１２ａの昇温も早くすることができる。

その結果、第１燃料電池ブロック１２ａおよび第２燃料電池ブロック１２ｂのいずれについても、冷却水循環通路６６が並列経路に形成されている場合に比べて、氷点超え温度に昇温するまでの時間を短縮することができる。

次に、図４を参照して上記実施形態の変形例について説明する。図４に示すように、冷却水ポンプ６４に接続される還流通路９０には、ラジエータ９４が設けられることが多い。ラジエータ９４は、冷却水がそこを通過する際に外気に対して放熱させることにより、冷却水の温度を、発電運転中の燃料電池１２を冷却するのに適した温度まで低下させるための公知のものである。

しかし、上述したように燃料電池１２を氷点超えの温度まで昇温させるために冷却水循環通路６６を直列経路に形成しているときに、冷却水がラジエータ９４を通過する際に放熱して水温上昇の妨げとなり、ひいては燃料電池１２の昇温に要する時間が長くなることになる。

そこで、図４に示すように、冷却水循環通路６６を構成する接続通路９２を、ラジエータ９４を迂回して還流通路９０に合流するバイパス通路として機能させることが好ましい。これにより、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上記においては、燃料電池冷却システム６０を構成する燃料電池１２が２つの燃料電池ブロック１２ａ，１２ｂから構成される場合について説明したが、本発明は燃料電池が３つ以上の燃料電池ブロックから構成される場合にも当然に適用可能である。

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１２ａ 第１燃料電池ブロック、１２ｂ 第２燃料電池ブロック、１３ａ，１５ａ 冷却水入口、１３ｂ，１５ｂ 冷却水出口、１４ 空気供給系、１６ 水素供給系、１８ 空気排気系、６０ 燃料電池冷却システム、６２ 冷却装置、６４ 冷却水ポンプ、６６ 冷却水循環通路、６６ 冷却水循環通路、６８ａ，６８ｂ 温度センサ、７０ 第１開閉弁、７２ 第２開閉弁、７４ 第３開閉弁、７６ 制御部、７８ 送出通路、８０ 第１導入通路、８２ 第２導入通路、８４ 第１排出通路、８６ 第２排出通路、８８ 合流点、９０ 還流通路、９２ 接続通路、９４ ラジエータ。

Claims (4)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に冷却媒体を循環流通させることにより燃料電池を冷却する冷却装置とを備える燃料電池冷却システムであって、
   前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層してなる第１燃料電池ブロックと、複数の燃料電池セルを積層してなる第２燃料電池ブロックとを電気的に直列接続して構成されており、
   前記冷却装置は、冷却媒体を循環させる循環ポンプと、循環ポンプと前記燃料電池との間に設けられる冷却媒体循環通路とを含み、
   前記冷却媒体循環通路は、燃料電池の温度が氷点以下のとき、循環ポンプから送り出された冷却媒体が前記第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックを並列に流れて循環ポンプに還流する並列経路から、循環ポンプから送り出された冷却媒体が前記第１燃料電池ブロックから前記第２燃料電池ブロックに直列に流れてから循環ポンプに還流する直列経路に切り替えられる、燃料電池冷却システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
   燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出された燃料電池の温度が氷点以下のときに前記冷却媒体循環通路を前記並列経路から前記直列経路に切り替える制御部とをさらに備えることを特徴とする燃料電池冷却システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
   前記冷却媒体循環通路は、循環ポンプから送り出された冷却媒体が燃料電池に向かって流れる送出通路と、送出通路から二股に分岐して第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックの各冷却媒体入口にそれぞれ接続される第１導入通路および第２導入通路と、第１燃料電池ブロックおよび第２燃料電池ブロックの各冷却媒体出口にそれぞれ接続される第１排出通路および第２排出通路と、第１排出通路および第２排出通路の合流点から循環ポンプまで接続する還流通路と、前記第２導入通路に設けられる第１開閉弁と、前記還流通路に設けられる第２開閉弁と、第１開閉弁および第２燃料電池ブロック間の第２導入通路と第２開閉弁および循環ポンプ間の還流通路とを接続する接続通路と、接続通路に設けられる第３開閉弁とから構成され、
   前記制御部からの指令に基づいて、第１開閉弁および第２開閉弁がそれぞれ開弁されて第３開閉弁が閉弁されることにより前記並列経路が形成され、一方、第１開閉弁および第２開閉弁が閉弁されて第３開閉弁が開弁されることにより前記直列経路が形成されることを特徴とする燃料電池冷却システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
   前記接続経路は、第２開閉弁の下流側の還流経路に設けられるラジエータを迂回するバイパス通路であることを特徴とする燃料電池冷却システム。

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