WO2006098467A1 - 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

　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。

Description

明細書

燃料電池システムにおける反応ガスの保温および加熱

技術分野

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。

背景技術

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。 ある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。 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。 なお、日本国特許出願 2 0 0 5 - 7 2 4 6 3号の開示内容は、参考のために、 この明細書に組み込まれる。 発明の開示

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 6 0 %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。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施例である燃料電池システム 1 0の構成の概略を表すプロ ック図である。

図 2は、 冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tを示す斜視図である。 図 3は、 実施例の燃料電池システム 1 0の運転停止後の水素ガスの温度 T h i 1、アノード排ガスの温度 T h 0 1、および冷却水温 T w 1を示すグラフである。 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 T h i 2、 アノード排ガスの温度 T h 0 2、 および冷却水温 T w 2を示すグラフである。 図 5は、 実施例の燃料電池システム 1 0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 T h i 1、 アノード排ガスの温度 T h 0 1、 およ び冷却水温 T w 1を示すグラフである。

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 T h i 2、 アノード排ガスの温度 T h o 2、 および冷 却水温 T w 2を示すグラフである。

図 7は、 本発明の第 2実施例である燃料電池システム 1 O bの構成の概略を表 すブロック図である。

図 8は、 冷却水路の切り替えの処理を示すフローチヤ一卜である。

図 9は、 第 3実施例の燃料電池システムの冷却水路 4 1 cの熱交換部 4 1 t 3 を示す斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

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：

A 1 . 装置の全体構成：

A 2 · 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： に 第 1実施例：

A 1 . 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 1 0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 1 0は、発電の本体である燃料電池 2 2と、 燃料電池 2 2に供給する水素を貯蔵する水素タンク 2 3と、 燃料電池 2 2に圧縮 空気を供給するためのエアコンプレッサ 2 4と、 を備えている。 燃料電池 2 2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 2 2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 2 2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 2 3は、 例えば、 高圧水素を貯 it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 つて水素を貯蔵するタンクとしても良い。 水素タンク 2 3に貯蔵された水素ガス は、 水素ガス供給路 6 0に放出された後、 圧力調整弁 6 2によって所定の圧力に 調整されて、 燃料電池 2 2のアノードに供給される。 なお、 水素ガス供給路 6 0 には、 F C入口シャツ卜バルブ 6 1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 6 3に導かれて再び水素ガス供給路 6 0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 6 0には、 ポンプモー夕 6 5 aを備える水素ポンプ 6 5が設けられている。 また、 アノード排ガス路 6 3には、 気液分離器 2 7が設けられている。 電気化 学反応の進行に伴って力ソードでは水が生じる。 力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 2 2内のァ 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 2 2における電気化学反応が阻害され、 燃料電池 2 2の出力電圧が低下して しまう。 これを 「フラッデイング」 という。 本実施例の燃料電池システム 1 0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 2 7によってアノード排ガス路 6 3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 6 0と、 燃料電池 2 2内の燃料ガスの流路と、 燃料電池 2 2から排出される アノード排ガスを再び燃料ガス供給路 6 0に供給するアノード排ガス路 6 3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 2 7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 6 3のうち気液分離器 2 7から水素ガ ス供給路 6 0との合流箇所までの部分、 および水素ガス供給路 6 0のうちァノー ド排ガス路 6 3との合流箇所から燃料電池 2 2側の部分 6 0 jにおいては、 流通 するガスは少量の水を含む。 気液分離器 2 7には、 開閉弁 5 0が設けられており、 さらに開閉弁 5 0を介し て気液排出路 6 4が接続されている。 そして、 気液排出路 6 4は、 希釈器 2 6に 接続されている。 開閉弁 5 0を開状態とすることで、 気液分離器 2 7内で凝縮さ れた水、 およびアノード排ガス路 6 3を流通するアノード排ガスの一部が、 希釈 器 2 6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 1 0は、 アノード排ガス路 6 3を水素ガス供給路 6 0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 2 2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 2 2とアノード排ガス路 6 3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 1 0では、 所定の時間間隔で開閉弁 5 0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 6 3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 2 4は、 加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路 6 7 を介して燃料電池 2 2のカソードに供給する。 エアコンプレッサ 2 4が空気を圧 縮する際には、 フィルタを備えたマスフロメ一夕 2 8を介して、 外部から空気を 取り込む。 力ソードから排出される力ソード排ガスは、 力ソード排ガス路 6 8に 導かれて外部に排出される。 力ソード排ガス路 6 8には、 前述の希釈器 2 6が設けられている。 希釈器 2 6 には、 気液分離器 2 7に接続された開閉弁 5 0ならびに気液排出路 6 4を介して アノード排ガスが流入する。 希釈器 2 6に流入したアノード排ガスは、 希釈器 2 6において力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 6 8から大気中 に排出される。 燃料電池システム 1 0は、 さらに、 燃料電池 2 2の運転温度が所定温度となる ように燃料電池 2 2を冷却するための冷却部 4 0を備えている。 冷却部 4 0は、 冷却水路 4 1 と、 冷却ポンプ 4 2と、 ラジェ一夕 2 9とを備えている。 冷却水路 4 1は、燃料電池 2 2の内部とラジェ一夕 2 9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 4 2は、 冷却水路 4 1 内で冷却水を循環させる。 ラジェ一夕 2 9は、 冷却ファンを備えており、 燃料 電池 2 2内を経由して昇温した冷却水を冷却する。 なお、 燃料電池 2 2の発電を 停止しているときには、 制御部 7 0は、 冷却ポンプ 4 2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 4 1の熱交換部 4 1 tの構成を模式的に示す斜視図である。 冷却水路 4 1は、 燃料電池 2 2の下流であってラジェ一夕 2 9の上流の位置に、 熱交換部 4 1 t .を有する （図〗参照） 。 熱交換部 4 1 tは、 冷却水路 4 1 と燃料 電池 2 2との接続部分など、 冷却水路 4 1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 4 1 t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 4 1 t内の冷却水は、 ラジェ一夕 2 9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 4 1 tは、 燃料 電池 2 2からやや離れて記載されているが、 実際には、 熱交換部 4〗 tは燃料電 池 2 2に近接して設けられており、 燃料電池 2 2と熱交換部 4〗 tの間の部分の 冷却水路 4 1はごく短い。 熱交換部 4 1 tの内部には、 水素ガス供給路 6 0およびアノード排ガス路 6 3 の一部がそれぞれ通っている。 すなわち、 水素ガス供給路 6 0およびアノード排 ガス路 6 3は、 それぞれ一部が冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tで覆われている。 なお、 図 2においては、 冷却水路 4 1 内を通る冷却水、 水素ガス供給路 6 0を通 る水素ガス、 およびアノード排ガス路 6 3内を通るアノード排ガスの流通方向を、 それぞれ矢印 A w , A h , A h eで示している。 水素ガス供給路 6 0のうち、 アノード排ガス路 6 3との合流箇所から燃料電池 2 2までの部分を、 第 1の循環路 6 0 j とする （図 1参照） 。 本実施例において は、第 1の循環路 6 0 jの一部が冷却水路 4 1の熱交換部 4〗 t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 6 0 j、 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 6 0 j と区別 するため、 水素ガス供給路 6 0のうち、 水素タンク 2 3からアノード排ガス路 6 3との合流箇所までの部分を、 新規ガス供給路 6 0 pとして図 1 に示す。 アノード排ガス路 6 3のうち、 燃料電池 2 2から気液分離器 2 7までの部分を 第 2の循環路 6 3 wとする （図 1参照） 。 本実施例においては、 第 2の循環路 6 3 wを構成する配管のうち熱交換部 4 1 t内に位置する配管の表面積は、 第 2の 循環路 6 3 w全体の表面積の約 7 0 %である。 また、 水素ガスを循環させるァノ 一ド排ガス路 6 3および第 1の循環路 6 0 jを構成する配管のうち、 熱交換部 4 1 t内に位置する配管の表面積は、 第 1の循環路 6 0 j とアノード排ガス路 6 3 全体の表面積の約 6 5 %である。 既述したエアコンプレッサ 2 4や冷却ポンプ 4 2、 あるいはラジェ一夕ファン や流路に設けた弁など、 燃料電池 2 2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 2 2から電力を供給され て動作する。 燃料電池 2 2には、 燃料電池 2 2から電力を供給される電力消費装置である負 荷装置 3 0が接続されている。 負荷装置 3 0には、 たとえば、 燃料電池 2 2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 3 0は、 燃料電池システム 1 0から独立した負荷として表わしているが、 この負荷装置 3 0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 2 4等の燃料電池補機を含めて、 燃料電池 2 2から電力を供給される装置を 負荷装置 3 0として表す。 燃料電池システム 1 0は、 さらに、 燃料電池システム 1 0の各部の動きを制御 する制御部 7 0を備えている。 制御部 7 0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 7 0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 C P Uと、 C P U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 R O Mと、 同じく C P U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 R A Mと、 各種の信号を入出力する入出力ポー卜等を備える。 この制御部 7 0は、 燃料電池システム 1 0の各部に設けられた電流計 3 5、 電 圧計 3 6、 インピーダンス計 3 7、 温度センサ 4 3， 6 6 a , 6 6 bなど （図 1 参照） の各センサの検出信号や、 負荷装置 3 0における負荷要求に関する情報を 取得する。 また、 制御部 7 0は、 燃料電池システム 1 0が備えるポンプや流路に 設けられた弁やラジェ一夕ファンなど、 燃料電池 2 2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〗 0の構成要素と制御部 7 0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 7 0を燃料電池 システム 1 0の外部に記載している。

A 2 . 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 1 0の運転停止後の水素ガスの温度 T h i 1、アノード排ガスの温度 T h o 1、および冷却水温 T w lを示すグラフである。 図 3において、 縦軸は温度 （°C) である。 そして、 横軸は、 燃料電池システム 1 0の運転停止後の経過時間である。 T oは、 外気温である。 水素ガス供給路 6 0 の水素ガスの温度 T h i 1は、 冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tと燃料電池 2 2と の間の水素ガス供給路 6 0に設けられた温度センサ 6 6 a (図 1参照） によって 測定される。 また、 アノード排ガス路 6 3のアノード排ガスの温度 T h 0 1は、 燃料電池 2 2と熱交換部 4 1 tとの間のアノード排ガス路 6 3に設けられた温度 センサ 6 6 bによって測定される。 なお、 冷却水温 T w "!は、 燃料電池 2 2と熱 交換部 4 1 tとの間の冷却水路 4 1 に設けられた温度センサ 4 3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 T h i 2、 アノード排ガスの温度 T h o 2、 および冷却水温 T w 2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 4 1の熱交換部 4 1 t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、 ならびにァノー 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 1 0 (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 1 0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 1 0においては、 燃料電池 2 2 の運転によって暖められた冷却水の温度 T w 1は、 外気温が 0 °C以下の場合であ つても、 燃料電池 2 2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 T w lは、 燃料電池 2 2の運転停止後、 徐々に低下する。 よって、 熱交換部 4 1 t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 T h i 1 , T h o 1 も徐々に低下する。 また、 水素ガス供給路 6 0は、 一部が冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tに覆われ ている。 このため、 水素ガス供給路 6 0のうち熱交換部 4 1 tに覆われている部 分については、 水素ガス供給路 6 0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 6 0の一部が冷却水路 4 1 と接触している態様に比 ベて、 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 6 0 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 6 3は、 一部が冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tに覆 われている。 このため、 アノード排ガス路 6 3のうち熱交換部 4 1 tに覆われて いる部分については、 アノード排ガス路 6 3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 6 3の一部が冷却水路 4 1 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 6 3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 6 0の水素ガスの温度 T h i 1およびアノード排ガス路 6 3のアノード排ガスの温度 T h 0 1は、 外気温が 0 °C以下の場合であっても、 燃料電池システム 1 0の運転停止後、 急速に o °c以下 に低下しない。 よって、 実施例の燃料電池システム 1 0においては、 外気温が 0 °C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 6 0内およびァノー ド排ガス路 6 3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 4 1の熱交換 部 4 1 t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 T h i 2 , T h o 2は、 燃料電池 2 2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ゃすい。 図 5は、 実施例の燃料電池システム 1 0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 T h i 1、 アノード排ガスの温度 T h 0 1、 およ び冷却水温 T w 1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 1 0においては、 燃料電池 2 2 の運転によつて暖められた冷却水の温度は、外気温が 0 °C以下の場合であつても、 急速に上昇する。 そして、 熱交換部 4 1 t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 T h i 1， T h 0 1 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 6 0の水素ガスの温度 T h i 1および アノード排ガス路 6 3のアノード排ガスの温度 T h 0 1 は、 外気温が 0 °C以下の 場合であっても、燃料電池システム 1 0の運転再開後、短時間で 0 °C以上となる。 また、 水素ガス供給路 6 0とアノード排ガス路 6 3は、 一部が冷却水路 4 1の 熱交換部 4 1 tに覆われている。 このため、 単に水素ガス供給路 6 0やアノード 排ガス路 6 3の一部が冷却水路 4 1 と接触している態様に比べて、 熱交換部 4 1 t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 6 0、 アノード排ガス路 6 3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 6 0内およびアノード排ガス路 6 3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 1 0の 運転再開後、 短時間で融解する。 よって、 水素ガス供給路 6 0内およびアノード 排ガス路 6 3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 T h i 2、 アノード排ガスの温度 T h o 2、 および冷 却水温 T w 2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 T h i 2 , T h o 2は、 燃料電池システムの運転再 開後、 0 °C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 厶においては、 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ゃすい。 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 6 3および第 1の循環路 6 0 jの一部が、 冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tで覆わ れている （図 1参照） 。 そして、 アノード排ガス路 6 3および第 1の循環路 6 0 jを構成する配管のうち熱交換部 4 1 t内に位置する配管の表面積の割合は、 約 6 0 %である。 このため、 燃料電池システム 1 0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 6 3および第 1の循環路 6 0 j ) 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 1 0 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 2 7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 6 3 が、 冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 tで覆われて いる （図 1参照） 。 そして、 第 2の循環路 6 3 wを構成する配管のうち熱交換部 4 1 t内に位置する配管の表面積の割合は、 約 7 5 %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 6 3 w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 1 O bの構成の概略を表 すプロック図である。第 2実施例の燃料電池システム 1 0 bの冷却水路 4 1 bは、 燃料電池 2 2の下流であってラジェ一夕 2 9の上流の位置に、 冷却水タンク 4 4 を備えている。冷却水タンク 4 4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 2 7でアノード排ガスから分離された生成水が、 開閉弁 5 0 および気液排出路 6 4 bを介して冷却水タンク 4 4に供給される。 また、 冷却水 路 4 1 bは、 三方弁 4 1 cと、 ラジェ一夕 2 9を迂回するバイパス路 4 1 dとを 備えている。 第 2実施例の燃料電池システム 1 O bの他の点は、 第 1実施例の燃 料電池システム 1 0 (図 1参照） と同じである。 燃料電池 2 2から排出された冷却水が冷却水タンク 4 4に送られ、 また、 冷却 水タンク 4 4からラジェ一夕 2 9に冷却水が送られる。 その後、 ラジェ一夕 2 9 で冷却された冷却水は、 冷却水路 4 1 b 2を通って、 燃料電池 2 2に戻される。 すなわち、 冷却水タンク 4 4は、 冷却水路の一部である。 なお、 冷却水タンク 4 4内の冷却水は、 ラジェ一夕 2 9によって冷やされる前の冷却水である。 冷却水タンク 4 4の内部には、 水素ガス供給路 6 0およびアノード排ガス路 6 3の一部がそれぞれ通っている。 すなわち、 水素ガス供給路 6 0およびアノード 排ガス路 6 3は、 それぞれ一部が冷却水タンク 4 4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 6 0の水素ガスの温度 T h i 1およびアノード排ガス 路 6 3のアノード排ガスの温度 T h 0 〗は、 外気温が 0 °C以下の環境下において 燃料電池システム 1 0の運転停止した後、 急速に 0 °C以下に低下しない （図 3参 照） 。 よって、 外気温が 0 °C以下の環境下において燃料電池システム 1 O bの運 転を停止しても、 水素ガス供給路 6 0内およびアノード排ガス路 6 3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 °C以下の環境下で燃料電池システム 1 O bの運転を開始する 際にも、 水素ガス供給路 6 0の水素ガスの温度 T h i 1およびアノード排ガス路 6 3のアノード排ガスの温度 T h 0 1は、 冷却水から熱を受け取ることによって 短時間で 0 °C以上となる （図 5参照） 。 よって、 水素ガス供給路 6 0内およびァ ノード排ガス路 6 3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 7 0は、 燃料電池 2 2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 S 1 0では、 制御部 7 0は、 燃料電池 2 2にお いて発電を行っているか否かを判定する。 燃料電池 2 2において発電を行ってい るときには、 制御部 7 0は、 三方弁 4 1 cを制御して、 冷却水をラジェ一夕 2 9 に流通させる （ステップ S 2 0 ) 。 そして、 バイパス路 4 1 dを遮断して、 バイ パス路 4 1 dには冷却水を流通させない。 このため、 燃料電池 2 2において発電 を行うときには、 冷却水はラジェ一夕 2 9で冷却させる。 一方、 制御部 7 0は、 燃料電池 2 2において発電を行わないときには、 三方弁 4 1 cを制御して、冷却水路をバイパス路 4 1 dにつなげる（ステップ S 3 0 )。 そして、 ラジェ一夕 2 9に向かう冷却水路を遮断して、 ラジェ一夕 2 9には冷却 水を流通させない。 このため、 燃料電池 2 2において発電を行うときには、 冷却 水の熱はラジェ一夕 2 9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 2 2の発電停止時にラジェ一夕 2 9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、 ラジェ一夕 2 9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 4 1 b内を流通する ことによって、 冷却水路 4 1 b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 1 O bは、 燃料電池 2 2において発電 を行わないときには、 ラジェ一夕 2 9に向かう冷却水路を遮断することによって (ステップ S 3 0参照） 、 冷却水が全体としてラジェ一夕 2 9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 2 2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 4 1 t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 °C以下の 環境下において燃料電池システム 1 0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 6 0内およびアノード排ガス路 6 3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 6 0とアノード排ガス路 6 3とが 冷却水路 4 1 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、 力ソード排ガス路 6 8も冷却水路 4 1 c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 1 0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 4 1 cの熱交換部 4 1 t 3 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 A a e は、 力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 4 1 t はほぼ円筒形の管であつたが （図 2参照） 、 第 3実施例の熱交換部 4 1 t 3はほ ぼ直方体の外形形状をしている。 熱交換部 4 1 t 3は、 冷却水路 4 1 cの一部で ある。 そして、 第 1実施例の熱交換部 4 ^ tと同様、 燃料電池 2 2の下流であつ てラジェ一夕 2 9の上流の位置に設けられている。 熱交換部 4 1 t 3の内部には、 水素ガス供給路 6 0およびアノード排ガス路 6 3の一部がそれぞれ通っている。 そして、 力ソード排ガス路 6 8の一部も、 熱交 換部 4 1 t 3の内部を通っている。 すなわち、 水素ガス供給路 6 0、 アノード排 ガス路 6 3および力ソード排ガス路 6 8は、 それぞれ一部が冷却水路 4 1 c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 °C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 6 0内およびアノード排ガス路 6 3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 °C以下の環境 下で燃料電池システム 1 0の運転を開始する際に、 水素ガス供給路 6 0内および アノード排ガス路 6 3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 °C以下の環境下において燃料電池 システム 1 0の運転停止した後、 力ソード排ガス路 6 8内の力ソード排ガスの温 度も、 急速に 0 °C以下に低下しない。 よって、 外気温が 0 °C以下の環境下におい て運転を停止しても、 力ソード排ガス路 6 8内において、 力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 °C以下の環境下で燃料電池システム 1 0の運転を開始する際 にも、 力ソード排ガス路 6 8の力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 °C以上となる。 よって、 力ソード排ガス路 6 8内に氷 が存在する場合にも、 運転時に力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。

D 1 . 変形例 1 ：

上記実施例では、 水素ガス供給路 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 およびカソー ド排ガス路 6 8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 4 1 t、 冷却水タンク 4 4、 または熱交換部 4 1 t 3に覆われていた。 しかし、 水素ガス供給路 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 および力ソード排ガス路 6 8は、 他の態様で冷却水路 4 1 によって覆われていてもよい。 たとえば、 冷却水路 4 1 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 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 および力ソード排ガス路 6 8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 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 および力ソード排ガス路 6 8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 4 1のうち、 水素ガス供給路 6 0、 ァ ノード排ガス路 6 3、 および力ソード排ガス路 6 8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 4 1の、 水素ガ ス供給路 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 または力ソード排ガス路 6 8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 4 1のうち、 水素ガス供給路 6 0、 アノード 排ガス路 6 3、 およびカソード排ガス路 6 8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 4 1 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。

D 2 . 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 6 3 および第 1の循環路 6 0 jの一部が、 それぞれ冷却水路 4 1の熱交換部 4 1 t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 4 1 t内に位置す る配管の表面積の割合は、 約 6 5 %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、 5 0 % 以上であることが好ましい。 そして、 その割合は、 6 0 %以上であることがより 好ましく、 7 0 %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 6 3 wの一部が、 冷却水路 4 1の 熱交換部 4 1 tで覆われていた。 第 2の循環路 6 3 wは、 アノード排ガス路 6 3 のうち、 燃料電池 2 2から気液分離器 2 7までの部分を構成する流路である。 そ して、 第 2の循環路 6 3 wを構成する配管のうち熱交換部 4 1 t内に位置する配 管の表面積の割合は、 約 7 0 %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 2 7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、 6 0 %以上であることが好ましい。 そして、 その割合は、 7 0 %以上であ ることがより好ましく、 7 5 %以上であることがさらに好ましい。

D 3 . 変形例 3 ：

上記実施例においては、 水素ガス供給路 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 および 力ソード排ガス路 6 8の一部が冷却水路 4 1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 6 7が冷却水路 4 1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 6 7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 4 1およ び酸化ガス供給路 6 7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 6 0、 アノード排ガス路 6 3、 および力ソード排ガス路 6 8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つ 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。

D 4 . 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 2 4によって燃料電池 2 2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 1 0は、 エアコンプレッサ 2 4に代えてブロワで酸化ガスとしての空気を燃料電池 2 2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、 エアコンプレツ 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、 力ソード排ガス路 6 8および酸化ガス供給路 6 7が冷却水路 4 1によって覆われる態様とすること が好ましい。

D 5 . 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ェ一夕 2 9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 あつたが、 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、 H ₂0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。 以上では、本願発明をその好ましい例示的な実施例参照して詳細に説明した。 しかし、本願発明は、以上で説明した実施例や構成に限定されるものではない。 そして、 本願発明は、 様々な変形や均等な構成を含むものである。 さらに、 開 示された発明の様々な要素は、 様々な組み合わせおよび構成で開示されたが、 それらは例示的な物であリ、各要素はより多くてもよく、また少なくてもよい。 そして、 要素は一つであってもよい。 それらの態様は本願発明の範囲に含まれ るものである。 産業上の利用可能性

この発明は、 燃料電池システム、 燃料電池を動力源とする原動機、 燃料電池シ ステ厶を利用した動力源を有する車両に適用可能である。

Claims

請求の範囲

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 厶。

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〗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。