JP2007149352A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を冷却する冷媒の温度が許容範囲よりも低下するのを抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１と、燃料電池用冷却系６を構成する第１の冷却水循環経路２１と、電力変換装置７と、電力変換装置用冷却系８を構成する第２の冷却水循環経路３１とを備える燃料電池システムにおいて、第１、第２の冷却水循環経路２１、３１を接続する第１、第２の接続経路４１、４２と、第１、第２の接続経路４１、４２に接続されている第１、第２の三方弁４３、４４とを設ける。第１、第２の三方弁４３、４４により、第１の冷却水循環経路２１と第２の冷却水循環経路３１で、それぞれ、独立して冷却水が流れる第１の状態と、冷却水が第１の冷却水循環経路２１から、第１の接続経路４１を介して、電力変換装置７内を流れた後、第２の接続経路４２を介して、第１の冷却水循環経路２１に戻って流れる第２の状態とを切り替え可能とする。
【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。

従来の燃料電池システムは、燃料電池が発電に伴い発熱することから、燃料電池を冷却するための冷却水を燃料電池に循環供給する冷却系を備えている。

この冷却系は、冷却水の熱を放熱するラジエータと、燃料電池に接続され、燃料電池とラジエータとの間を冷却水が循環して流れる冷却水循環経路と、三方弁を介して、冷却水循環経路に接続され、ラジエータを迂回して冷却水を流すためのバイパス等により構成される。

そして、従来の燃料電池システムでは、冷却水の温度が高い場合、ラジエータに冷却水を流し、冷却水の温度が低い場合、バイパスに冷却水を流すように、三方弁を作動させることで、冷却水の温度を許容温度範囲内に維持している（例えば、特許文献１参照）。

なお、他の燃料電池システムとして、冷却水循環経路を流れる冷却水を加熱するために、電気ヒータを備えるものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−２５３２１３号公報 特開２００１−３１５５２４号公報

上記した前者の燃料電池システムでは、例えば、燃料電池の低負荷運転時のように、燃料電池の発熱量が小さい場合であって、外気温が低い場合には、冷却水経路を構成する配管等からの放熱量の方が、燃料電池の発熱量よりも多くなり、冷却水の温度が許容範囲よりも低くなる。

このような場合では、バイパスに冷却水を流し、ラジエータを迂回させても、冷却水温度が許容範囲よりも低くなってしまい、冷却水温度を許容範囲内に維持できなくなってしまう。

そして、燃料電池は発電時に水を発生し、発生した水は、燃料電池内で蒸発し、燃料電池内の空気通路を空気とともに流れることで、燃料電池の外部に放出されるところ、冷却水温度が許容範囲よりも低い場合、燃料電池内での蒸発量が少なくなり、燃料電池内に水分が多く存在してしまうことから、通常、燃料電池の運転停止時に行われる燃料電池内の水分を除去する水分除去処理の時間が長くなるという問題が生じる。

なお、冷却水の温度が低いとき、上記した後者の燃料電池システムのように、電気ヒータを用いて冷却水を加熱する方法が考えられる。しかし、この方法では、電気ヒータが電力を消費することから、燃料電池システム全体での燃費が悪くなるため、好ましくない。

また、燃料電池を冷却する冷却系として、冷却水の代わりに他の冷媒を用いる燃料電池システムにおいても、上記した問題と同様の問題が言える。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池を冷却する冷媒の温度が許容範囲よりも低下するのを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池（１）の内部と外部との間を循環して流れる第１の冷媒循環経路（２１）と、電力変換装置（７）を冷却する冷媒が循環して流れる第２の冷媒循環経路（３１）と、 第１の冷媒循環経路（２１）と第２の冷媒循環経路（３１）で、それぞれ、独立して冷媒が流れる第１の状態と、冷媒が第１の冷媒循環経路（２１）から、第１の接続経路（４１）を介して、電力変換装置（７）内を流れた後、第２の接続経路（４２）を介して、第１の冷媒循環経路（２１）に戻って流れる第２の状態との間を切り替え可能とする切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、第１の温度検出手段（２７）が検出した第１の冷媒循環経路（２１）を流れる冷媒の温度が第１の所定温度よりも低い場合に、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が第１の状態から第２の状態への切り替えを行うことで、電力変換装置自体の発熱を利用して、第１の冷媒循環経路の冷媒を加熱することができる。これにより、第１の冷媒循環経路の冷媒温度が許容範囲よりも低下するのを抑制できる。

また、本発明では、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が第１の状態から第２の状態への切り替えを行った場合、第２の冷媒循環手段（３２）が停止し、第１の冷媒循環手段（２２）が作動することにより、冷媒が流れるようになっていることを他の特徴としている。

このように第２の冷媒循環手段を停止させることで、第２の冷媒循環手段を常に運転させる場合と比較して、燃料電池システムの消費動力を低減することができる
また、本発明では、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が、第２の冷媒循環手段（３２）が停止した後に、第１の状態から第２の状態への切り替えを行うようになっていることを他の特徴としている。

また、本発明では、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が第２の状態にしている場合であって、第２の温度検出手段（２７）が検出した温度が第２の所定温度よりも高い場合に、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が第２の状態から第１の状態への切り替えを行うようになっていることを他の特徴としている。

これにより、燃料電池（１）の負荷が増加して、冷媒温度が電力変換装置（７）の許容温度を上回りそうなときには、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が第２の状態から第１の状態への切り替えを行うことで、電力変換装置（７）の温度を許容範囲内に維持することができる。

なお、第２の温度検出手段として、第１の温度検出手段を用いたり、第１の温度検出手段とは別の温度検出手段を用いたりすることができる。

また、本発明では、切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が第２の状態から第１の状態への切り替えを行った後、第２の冷媒循環手段（３２）が作動するようになっていることを他の特徴としている。

なお、特許請求の範囲およびこの欄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一例である。

（第１実施形態）
本実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用した場合を例として説明する。図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１に供給される空気が流れる空気供給経路２と、燃料電池１から排出される空気が流れる空気排出経路３と、燃料電池１に循環供給される水素ガスが流れる水素循環供給経路４と、水素ガス循環供給経路４から排出されるオフ水素ガスが流れる水素排出経路５と、燃料電池１を冷却する燃料電池用冷却系６と、電力変換装置７と、電力変換装置７を冷却する電力変換装置用冷却系８と、制御部９とを備えている。

燃料電池１は、電気化学反応により電力を発生させ、図示しない燃料電池が本来対象とする電気負荷、例えば、車両走行駆動源としての電動モータや、燃料電池システムを作動させる電気機器、例えば、図中の空気ポンプ、水素ポンプ等に電力を供給するものである。

燃料電池１は、下記に示す化学式のように、空気中の酸素と水素ガスとを電気化学反応させて電力を発生させる。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
なお、燃料電池１としては、例えば、固体高分子電解質型燃料電池を用いることができ、他の燃料電池を用いることもできる。

空気供給経路２と空気排出経路３は、例えば、配管により構成されている。空気供給経路２には、燃料電池１に空気を供給する空気ポンプ１１が設けられており、空気排出経路３には、空気排出経路３内の圧力を調整する調圧バルブ１２が設けられている。なお、空気ポンプ１１のモータは、燃料電池１から電力変換装置７を介して供給される電力によって、作動するようになっている。

水素循環供給経路４と水素排出経路５は、例えば、配管により構成されている。水素循環供給経路４には、水素ガスを供給する水素タンク１３と、調圧バルブ１４と、水素ガスを循環させるために水素ガスを送り出す水素ポンプ１５とが設けられており、水素排出経路５には、水素排気バルブ１６が設けられている。なお、水素ポンプ１５のモータは、燃料電池１から電力変換装置７を介して供給される電力によって、作動するようになっている。

燃料電池用冷却系６は、燃料電池１を適切な温度に維持するために、燃料電池１を冷却するシステムである。固体高分子型燃料電池では、電解質膜の耐熱温度や効率の点から、この冷却系６によって、燃料電池内が８０℃前後に維持される。

燃料電池用冷却系６は、冷媒としての冷却水が流れる第１の冷却水循環経路２１、冷却水を圧送する第１の冷却水ポンプ２２、冷却水の放熱を行う第１のラジエータ２３および第１のファン２４等から構成されている。なお、第１の冷却水ポンプ２２が冷媒を強制的に循環させる第１の冷媒循環手段に相当する。

ここで、図２に、第１の冷却水循環経路２１における冷却水の流れ方向を示す。なお、図２には、後述する第２の冷却水循環経路３１における冷却水の流れ方向も示している。また、図２では、図１と同一の構成部には図１と同一の符号を付している。

第１の冷却水循環経路２１は、燃料電池１の冷却水入口１ａおよび冷却水出口１ｂに接続されており、原則として、図２中の矢印で示すように、燃料電池１の内部とその外部に配置されている第１のラジエータ２３との間で冷却水を循環して流すものである。なお、冷却水循環経路２１は、例えば、配管により構成されている。

また、図１、２に示すように、第１の冷却水循環経路２１には第１のラジエータ２３を迂回させて、冷却水を流すためのバイパス２５が設けられている。バイパス２５と冷却水循環経路２１とは、温調弁２６を介して接続されている。温調弁２６は、冷却水の温度調整を行うために、第１のラジエータ２３に流れる冷却水流量とバイパス２５に流れる冷却水流量とを調整可能に構成されている。この温調弁２６によって、冷却水は、例えば、７０〜９０℃の範囲に制御される。

また、図１に示すように、第１の冷却水循環経路２１には、冷却水の温度を検出する温度センサ２７が設けられている。この温度センサ２７は、例えば、燃料電池１の冷却水出口１ｂの近傍に配置されている。この温度センサ２７は、検出結果を制御部９に出力するようになっている。

電力変換装置７は、燃料電池１から出力された直流電力を交流電力に変換する装置（インバータ）である。そして、電力変換装置用冷却系８は、電力変換装置７を構成する電子部品が発熱するので、この発熱する電子部品を冷却するシステムである。

電力変換装置用冷却系８は、冷媒としての冷却水が流れる第２の冷却水循環経路３１、冷却水を圧送する第２の冷却水ポンプ３２、冷却水の放熱を行う第２のラジエータ３３および第２のファン３４等から構成されている。なお、第２の冷却水ポンプ３２が冷媒を強制的に循環させる第２の冷媒循環手段に相当する。

第２の冷却水循環経路３１は、原則として、図２中の矢印で示すように、第１の冷却水循環経路２１と独立して、電力変換装置７の内部とその外部に配置されている第２のラジエータ３３との間で冷却水を循環して流すものである。この電力変換装置用冷却系８での冷却水の温度は、電力変換装置７の電子部品の温度が所定温度以上にならないように、６０〜７０℃以下に設定されている。

このように、燃料電池用冷却系６の冷却水は、最大許容温度が８０〜９０℃であるところ、電力変換装置用冷却系８の冷却水は、最大許容温度が６０〜７０℃と低いため、電力変換装置用冷却系８は、燃料電池冷却系６とは別に、設けられている。なお、本実施形態では、燃料電池用冷却系６での冷却水の最小許容温度と、電力変換装置用冷却系８での冷却水の最大許容温度とが、同じ７０℃であるが、異なる場合もある。

さらに、本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、これら２つの冷却系６、８を接続する第１、第２の接続経路４１、４２を備えている。第１の接続経路４１は、燃料電池用冷却系６の冷却水を電力変換装置用冷却系８に向けて流す経路であり、第２の接続経路４２は、電力変換装置用冷却系８の冷却水を燃料電池用冷却系６に向けて流す経路である。

ここで、第１の接続経路４１の一端４１ａは、第１の冷却循環経路２１のうち、第１の冷却水ポンプ２２よりも図２に示す冷却水流れの下流側部分に、第１の三方弁４３を介して、接続されている。一方、第１の接続経路４１の他端４１ｂは、第２の冷却水循環経路３１のうち、電力変換装置７よりも図２に示す冷却水流れの上流側部分であって、第２のラジエータ３３よりも図２に示す冷却水流れの下流側部分に接続されている。

また、第２の接続経路４２の一端４２ａは、第２の冷却循環経路３１のうち、電力変換装置７よりも図２に示す冷却水流れの下流側部分であって、第２のラジエータ３３よりも図２に示す冷却水流れの上流側部分に、第２の三方弁４４を介して、接続されている。一方、第２の接続経路４２の他端４２ｂが第１の冷却水循環経路２１のうち、第１の三方弁４３よりも図２に示す冷却水流れの下流側部分に接続されている。

そして、第１の三方弁４３において、第１の接続経路４１側の弁を閉じ、その他の弁を開け、第２の三方弁４４において、第２の接続経路４２側の弁を閉じ、その他の弁を開けた第１の状態のとき、図２に示すように、２つの冷却系６、８では、それぞれ、独立して冷却水が流れるようになっている。

一方、第１の三方弁４３において、燃料電池１の冷却水入口１ａ側の弁を閉じ、その他の弁を開け、第２の三方弁４４において、第２のラジエータ３３側の弁を閉じ、その他の弁を開けた第２の状態のとき、図３中の矢印で示すように、第１の冷却水循環経路２１から第１の接続経路４１を介して、電力変換装置７内を流れた後、第２の接続経路４２を介して、第１の冷却水循環経路２１を冷却水が流れるようになっている。なお、図３では、本実施形態の２つの冷却系６、８を流れる冷却水の流れ方向を示している。

制御部９は、主に、第１の三方弁４３、第２の三方弁４４、第２の冷却水ポンプ３２等の作動制御を行うものであり、これらに指示信号を出力するようになっている。また、制御部９は、温度センサ２７から入力される検出温度に基づいて、後述する第１、第２の三方弁の切り替え制御を実行するようになっている。なお、制御部９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路により構成されている。

次に、制御部９が実行する第１、第２の三方弁の切り替え制御について説明する。図４に、この第１、第２の三方弁の切り替え制御のフローチャートを示す。この第１、第２の三方弁の切り替え制御処理は、燃料電池１の運転中に、所定の周期で実行される。また、燃料電池１の運転が停止したときに、この処理は終了する。

燃料電池１の通常運転時では、第１の三方弁４３と第２の三方弁４４は、上記した第１の状態にされており、図２中の矢印のように、２つの冷却系６、８で、独立して冷却水が流れるようになっている。このとき、燃料電池用冷却系６の冷却水の温度は、例えば、７０〜９０℃である。

そのような状態において、ステップＳ１では、第１の温度検出手段としての温度センサ２７から入力された検出結果と、あらかじめ記憶されている所定温度とを比較して、燃料電池用冷却系６の冷却水温度が第１の所定温度よりも低いか否か判定される。この第１の所定温度は、燃料電池用冷却系６の冷却水温度が許容温度範囲よりも低下しないように、任意に設定される温度であり、例えば、燃料電池用冷却系６の冷却水の許容下限温度である７０℃に設定されている。

そして、燃料電池１の通常運転時では、冷却水温度が７０℃よりも高いので、ＮＯと判定され、ステップＳ１が再び実行される。

一方、燃料電池１の低負荷運転時のように、燃料電池１の発熱量が小さい場合であって、外気温が低い場合では、冷却水温度が７０℃よりも低いので、ＹＥＳと判定され、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、電力変換装置用冷却系８の第２の冷却水ポンプ３２に対して、指示信号を出力することで、第２の冷却水ポンプ３２を停止させる。

続いて、ステップＳ３では、第１、第２の三方弁４３、４４に対して、指示信号を出力することで、第１、第２の三方弁４３、４４を作動させる。具体的には、第１、第２の三方弁４３、４４を上記した第１の状態から上記した第２の状態にする。

これにより、冷却水温度が７０℃よりも低くなったとき、図２中の矢印のように、冷却水が２つの冷却系６、８で独立して流れる状態から、図３中の矢印のように、冷却水が第１の冷却水循環経路２１から第１の接続経路４１を介して、電力変換装置７内を流れた後、第２の接続経路４２を介して、再び、第１の冷却水循環経路２１を流れる状態に切り替わる。なお、このときでは、冷却水は、第１の冷却水ポンプ２２によって、流れる。

ここで、電力変換装置７を構成する電子部品は、燃料電池１の低負荷運転時においても、定常的な発熱がある。したがって、電力変換装置７内を冷却水が流れるとき、電力変換装置７の電子部品が有する熱により、冷却水が加熱され、このように加熱された冷却水が第１の冷却水循環経路２１に戻ることとなる。

続いて、ステップＳ４では、第２の温度検出手段としての温度センサ２７から入力された検出結果と、あらかじめ記憶されている第２の所定温度とを比較して、燃料電池用冷却系６の冷却水温度が所定温度よりも高いか否か判定される。このときの第２の所定温度は、電力変換装置用冷却系８の冷却水温度が許容温度範囲よりも高くならないように、任意に設定される温度であり、例えば、電力変換装置用冷却系８の冷却水の許容上限温度である７０℃に設定されている。そして、冷却水温度が７０℃よりも低ければ、ＮＯと判定され、図３中の矢印のように、冷却水が流れる状態のままとなり、その後、再び、ステップＳ４が実行される。一方、冷却水温度が７０℃よりも高ければ、ＹＥＳと判定され、ステップＳ５に進む。

なお、ここでは、温度センサ２７の検出結果に基づいて判定しているが、温度センサ２７とは別の温度センサの検出結果に基づいて判定することもできる。すなわち、第１、第２の温度検出手段として、温度センサ２７を用いているが、第１、第２の温度検出手段を別々に設けることもできる。この場合、第２の温度検出手段としての温度センサを、燃料電池１から流出し、電力変換装置７に流入する前の冷却水の温度を検出できる位置に設ければ良く、例えば、図示しないが、第２の冷却循環経路３１のうち、電力変換装置７の冷却水入口付近に設けることができる。

また、本実施形態では、燃料電池用冷却系６での冷却水の最小許容温度と、電力変換装置用冷却系８での冷却水の最大許容温度とが同じ７０℃であるため、第２の所定温度が第１の所定温度と同じであるが、燃料電池用冷却系６での冷却水の最小許容温度と、電力変換装置用冷却系８での冷却水の最大許容温度とが異なる場合、第２の所定温度は第１の所定温度とは異なる温度となる。

ステップＳ５では、第１、第２の三方弁４３、４４に対して、指示信号を出力することで、第１、第２の三方弁４３、４４を作動させる。具体的には、第１、第２の三方弁４３、４４を上記した第２の状態から上記した第１の状態に戻す。

続いて、ステップＳ６では、電力変換装置用冷却系８の第２の冷却水ポンプ３２に対して、指示信号を出力することで、第２の冷却水ポンプ３２を運転させる。

これにより、冷却水温度が例えば７０℃よりも高くなったとき、図２中の矢印のように、冷却水が２つの冷却系６、８で独立して流れる状態に戻る。その後、燃料電池用冷却系６と電力変換装置用冷却系８は、それぞれ。独立した状態で制御される。

本実施形態では、上記したステップＳ１〜Ｓ６が、燃料電池の運転が停止するまで繰り返される。

なお、ここでは、燃料電池１の通常運転時において、冷却水の温度が低下した場合に、制御部９が第１、第２の三方弁４３、４４等の切り替え制御を実行する場合を例として説明したが、燃料電池の暖機運転過程においても、上記した切り替え制御を実行することもできる。

通常、暖機運転過程では、燃料電池自身の発熱によって、燃料電池内部が低い温度から運転に適切な温度まで上昇する。そこで、上記した切り替え制御を実行することで、燃料電池冷却系６の冷却水を、電力変換装置７により加熱し、加熱された冷却水を用いて、燃料電池１の内部を加熱することもできる。

これにより、燃料電池の内部温度を早期に昇温させることができ、短い時間で安定発電域にすることができる。

次に、本実施形態の主な効果について説明する。

（１）本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池用冷却系６を構成する第１の冷却水循環経路２１と、電力変換装置７と、電力変換装置用冷却系８を構成する第２の冷却水循環経路３１と、第１の冷却水循環経路２１と第２の冷却水循環経路３１とを接続する第１、第２の接続経路４１、４２と、第１、第２の接続経路４１、４２に接続されている第１、第２の三方弁４３、４４とを備えている。

そして、この燃料電池システムでは、第１、第２の三方弁４３、４４により、第１の冷却水循環経路２１と第２の冷却水循環経路３１で、それぞれ、独立して冷却水が流れる第１の状態と、冷却水が第１の冷却水循環経路２１から、第１の接続経路４１を介して、電力変換装置７内を流れた後、第２の接続経路４２を介して、第１の冷却水循環経路２１に戻って流れる第２の状態とを切り替えることが可能となっている。

したがって、本発明によれば、第１の冷却水循環経路２１の冷却水温度が所定温度よりも低いとき、第１、第２の三方弁４３、４４により、第１の状態から第２の状態に切り替えることで、電力変換装置７自体の発熱を利用して、第１の冷却水循環経路２１の冷媒を加熱することができる。

これにより、燃料電池１の低負荷運転時のように、燃料電池１の発熱量が小さい場合であって、外気温が低い場合であっても、燃料電池用冷却系６の冷却水温度が許容範囲よりも低下するのを抑制できる。

この結果、上記背景技術の欄で説明した特許文献１等に記載されている燃料電池システムと比較して、燃料電池の運転停止時に行われる燃料電池内の水分を除去する水分除去処理の時間を短縮できる。

また、本実施形態では、別途、冷却水を加熱する電気ヒータ等の加熱手段を設けていないので、上記背景技術の欄で説明した特許文献２のように、電力を利用する冷却水専用の加熱手段を備える燃料電池システムと比較して、燃料電池システムの燃費の悪化を抑制できる。

（２）本実施形態では、ステップＳ２で、第２の冷却水ポンプ３２を停止させている。このように、第２の冷却水ポンプ３２を停止させても、第１の冷却水ポンプ２２が作動することにより、冷却水が流れるため、電力変換装置７の冷却は行われている。したがって、本実施形態によれば、例えば、燃料電池１の低負荷運転時においては、電力変換装置用冷却系８の第２の冷却水ポンプ３２を停止することで、第２の冷却水ポンプ３２を常に運転させる場合と比較して、燃料電池システムの消費動力を低減することができる。

（３）本実施形態では、冷却水温度が所定温度よりも高くなったとき、ステップＳ５、Ｓ６で、第１、第２の三方弁４３、４４を上記した第２の状態から上記した第１の状態に戻し、第２の冷却水ポンプ３２の運転を再開させるようにしている。

これにより、燃料電池１の負荷が増加して、冷却水温度が電力変換装置７の許容温度を上回りそうなときには、２つの冷却系６、８を元の状態に戻すことで、電力変換装置７の温度を許容範囲内に維持することができる。

（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す。図５では、図１と同様の構成部に、図１と同一の符号を付している。

第１実施形態では、切り替え手段として、第１、第２の三方弁４３、４４を用いる場合を例として説明したのに対して、本実施形態では、図５に示すように、第１、第２の開放弁（ＯＮ−ＯＦＦバルブ）５１、５２を用いている。このように、第１、第２の三方弁４３、４４の代わりに、第１、第２の開放弁５１、５２を用いることもできる。

この場合、例えば、第１の開放弁５１は第１の接続経路４１の途中に配置され、第２の開放弁５２は第２の接続経路４２の途中に配置される。

また、本実施形態における制御部９が実施する第１、第２の開放弁５１、５２の切り替え制御は、第１実施形態と同様である。ただし、第１、第２の開放弁５１、５２が閉じている状態が、第１実施形態における第１の状態に相当し、第１、第２の開放弁５１、５２が開いている状態が、第１実施形態における第２の状態に相当する。

（第３実施形態）
図６に、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す。図６では、図１と同様の構成部に、図１と同一の符号を付している。

第１実施形態では、切り替え手段として、２つの三方弁４３、４４を用いる場合を例として説明し、第２実施形態では、切り替え手段として、２つの開放弁５１、５２を用いる場合を例として説明したが、本実施形態では、図６に示すように、１つの切り替え弁５３を用いている。

ここで、図７（ａ）、（ｂ）に、図６中の切り替え弁５３の内部構造を示す。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、切り替え弁５３は、長細い管５４と、管５４の内部に所定間隔で配置され、管５４の内部空間を仕切る第１の仕切り部５５、第２の仕切り部５６、第３の仕切り部５７および第４の仕切り部５８と、これらの４つの仕切り部５５〜５８を連結させる軸５９と、この軸５９を管５４の長手方向に移動させるモータ６０とを備えている。

管５４には、図７中の左下側に位置し、第１の冷却水循環経路２１から冷却水が流入する第１の入口５４ａと、図７中の右上側に位置し、第１の冷却水循環経路２１に向けて冷却水が流出する第１の出口５４ｂと、図７中の右下側に位置し、第１の接続経路４１に向けて冷却水が流出する第２の出口５４ｃと、図７中の左上側に位置し、第２の接続経路４２から冷却水が流入する第２の入口５４ｄとを有している。

なお、これらの入口および出口は、管５４の長手方向において、図７中の上側から順に、第２の入口５４ｄ、第１の出口５４ｂ、第１の入口５４ａ、第２の出口５４ｃとなっている。

このような構成の切り替え弁５３は、図７（ａ）に示すように、管５４の長手方向で、第１の仕切り部５５が、第２の入口５４ｄよりも第２の仕切り部５７から離れた側に位置し、第２の仕切り部５６が、第２の入口５４ｄと第１の出口５４ｂの間に位置し、第３の仕切り部５７が、第１の入口５４ａと第２の出口５４ｃの間に位置し、第４の仕切り部５８が、第２の出口５４ｃよりも第３の仕切り部５７から離れた側に位置しているときが、第１実施形態における第１の状態に相当する。

このとき、第２の仕切り部５６と第３の仕切り部５７により挟まれた空間が、第１の入口５４ａと第１の出口５４ｂとをつなぐ流路となり、図７（ａ）中の矢印のように、第１の冷却水循環経路２１から流入した冷却水は、再び、第１の冷却水循環経路２１に戻る。

一方、図７（ｂ）に示すように、管５４の長手方向で、第１の仕切り部５５および第２の仕切り部５６が、第２の入口５４ｄよりも第３仕切り部５７から離れた側に位置し、第３の仕切り部５７が、第１の出口５４ｂと第１の入口５４ａの間に位置し、第４の仕切り部５８が、第２の出口５４ｃよりも第３の仕切り部５７から離れた側に位置しているときが、第１実施形態における第２の状態に相当する。

このとき、第２の仕切り部５６と第３の仕切り部５７により挟まれた空間が、第２の入口５４ｄと第１の出口５４ｂとをつなぐ流路となり、図７（ｂ）中の矢印のように、第２の接続経路４２から流入した冷却水は第１の冷却水循環経路２１に向けて流れる。また、第３の仕切り部５７と第４の仕切り部５８により挟まれた空間が、第１の入口５４ａと第２の出口５４ｃとをつなぐ流路となり、第１の冷却水循環経路２１から流入した冷却水は第１の接続経路４１に向けて流れる。

このように、切り替え手段として、第１、第２実施形態における２つの切り替え弁を一体化した機能を有する切り替え弁５３を用いることもできる。

（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、第１、第２の三方弁４３、４４の状態を、第１の三方弁４３において、燃料電池１の冷却水入口１ａ側の弁を閉じ、その他の弁を開けることで、第１の状態から第２の状態に完全に切り替える場合を例として説明したが、燃料電池１の冷却水入口１ａ側の弁を開けた状態にすることもできる。すなわち、第１の三方弁４３から、燃料電池１側と電力変換装置７側に、それぞれ、冷却水を分流させることもできる。

（２）上記した各実施形態では、接続経路として、第１の接続経路４１と第２の接続経路４２を設けた場合を例として説明したが、接続経路の数や接続箇所については、冷却水が第１の冷却水循環経路２１から、電力変換装置７内を流れた後、第１の冷却水循環経路２１に戻って流れるようになっていれば、図１に示す場合に限らず、他に変更することもできる。

（３）上記した各実施形態では、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとして、それぞれ、空気と水素ガスを用いる場合を例として説明したが、他のものを用いることもできる。例えば、酸化剤ガスとして、純粋な酸素等を用い、燃料ガスとして、天然ガス等を用いることもできる。

（４）上記した各実施形態では、燃料電池用冷却系６、電力変換装置用冷却系８を流れる冷媒として、冷却水を用いる場合を例として説明したが、冷却水に限らず、他の冷媒を用いることもできる。

（５）上記した各実施形態では、本発明の燃料電池システムを、電気自動車に適用する場合を例として説明したが、電気自動車に限らず、船舶等の他の移動体用発電機あるいは家庭用、業務用発電機に適用することもできる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図１の燃料電池システムにおいて、第１の冷却水循環経路２１と第２の冷却水循環経路３１における冷却水の流れ方向の一例を示す図である。 図１の燃料電池システムにおいて、第１の冷却水循環経路２１と第２の冷却水循環経路３１における冷却水の流れ方向の他の例を示す図である。 図１中の制御部９が実行する第１、第２の三方弁の切り替え制御のフローチャートである。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図６中の切り替え弁５３の内部構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、６…燃料電池用冷却系、７…電力変換装置、
８…電力変換装置用冷却系、９…制御部、
２１…第１の冷却水循環経路、２２…第１の冷却水ポンプ、２３…第１のラジエータ、
３１…第２の冷却水循環経路、３２…第２の冷却水ポンプ、３３…第２のラジエータ、
４１…第１の接続経路、４２…第２の接続経路、４３…第１の三方弁、
４４…第２の三方弁、５１…第１の開放弁、
５２…第２の開放弁、５３…切り替え弁。

Claims (6)

1. 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電力を発生させる燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）に接続されており、前記燃料電池（１）を冷却する冷媒が、前記燃料電池（１）の内部と外部との間を循環して流れる第１の冷媒循環経路（２１）と、
   前記燃料電池（１）から発生した電力を変換する電力変換装置（７）と、
   前記電力変換装置（７）に接続され、前記電力変換装置（７）を冷却する冷媒が循環して流れる第２の冷媒循環経路（３１）と、
   前記第１の冷媒循環経路（２１）と前記第２の冷媒循環経路（３１）と接続する第１、第２の接続経路（４１、４２）と、
   前記第１、第２の接続経路（４１、４２）に接続され、前記第１の冷媒循環経路（２１）と前記第２の冷媒循環経路（３１）で、それぞれ、独立して冷媒が流れる第１の状態と、冷媒が前記第１の冷媒循環経路（２１）から、前記第１の接続経路（４１）を介して、前記電力変換装置（７）内を流れた後、前記第２の接続経路（４２）を介して、前記第１の冷媒循環経路（２１）に戻って流れる第２の状態との間を切り替え可能とする切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の冷媒循環経路（２１）を流れる冷媒の温度を検出する第１の温度検出手段（２７）を備え、
   前記第１の温度検出手段（２７）が検出した温度が第１の所定温度よりも低い場合に、前記切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が前記第１の状態から前記第２の状態への切り替えを行うようになっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１の冷媒循環経路（２１）に設けられ、冷媒を強制的に循環させる第１の冷媒循環手段（２２）と、
   前記第２の冷媒循環経路（３１）に設けられ、冷媒を強制的に循環させる第２の冷媒循環手段（３２）とを備え、
   前記切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が前記第１の状態から前記第２の状態への切り替えを行った場合、前記第２の冷媒循環手段（３２）が停止し、前記第１の冷媒循環手段（２２）が作動することにより、冷媒が流れるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）は、前記第２の冷媒循環手段（３２）が停止した後に、前記第１の状態から前記第２の状態への切り替えを行うようになっていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池（１）から流出し、前記電力変換装置（７）に流入する前の冷媒の温度を検出する第２の温度検出手段（２７）を備え、
   前記切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が前記第２の状態にしている場合であって、前記第２の温度検出手段（２７）が検出した温度が第２の所定温度よりも高い場合に、前記切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が前記第２の状態から前記第１の状態への切り替えを行うようになっていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記切り替え手段（４３、４４、５１、５２、５３）が前記第２の状態から前記第１の状態への切り替えを行った後、前記第２の冷媒循環手段（３２）が作動するようになっていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
   
   

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