(57)【要約】【課題】  燃料電池とヒータユニットとを備えた熱交換システムにおいて、効率的な熱電供給を行う。【解決手段】  熱交換システム１００において、冷却水は、低温領域で作動する、発電効率の高い低温型燃料電池スタック２０と、高温領域で作動する、熱回収効率の高い高温型燃料電池スタック３０と、熱源アシスト機構としてのヒートポンプ９４を備えた暖房用のヒータユニット９０との間を循環する。熱交換システム１００の運転制御ユニット６０は、ヒータユニット９０の電力出力要求に応じて低温型燃料電池スタック２０を制御することで、同時に、低温型燃料電池スタック２０から高温型燃料電池スタック３０に供給される冷却水の温度を上昇させ、ヒータユニット９０における冷却水の入口温度が高温となるように制御する。【選択図】図１
2008277017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源を有し、該熱源からの熱を熱交換するヒータユニットを備えた熱交換システムであって、
前記熱源は、所定温度領域で発電する第１の燃料電池と、該第１の燃料電池より発電時の作動温度が高い温度領域にある第２の燃料電池とからなり、更に、
前記第１、第２の燃料電池及び前記ヒータユニットに冷却媒体を供給して、前記第１、第２の燃料電池で発生した熱を前記ヒータユニットにおける前記熱交換に供する冷却媒体供給機構と、
前記ヒータユニットを流れる前記冷却媒体の温度に基づいて、少なくとも前記第１の燃料電池または前記第２の燃料電池を制御する運転制御ユニットと
を備えた熱交換システム。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換システムであって、
前記冷却媒体供給機構は、前記第１の燃料電池を冷却する冷却路を流れた後、前記第２の燃料電池の冷却路を流れた冷却媒体を、前記ヒータユニットに供給して前記熱交換に供した後、前記第１の燃料電池に循環させる
熱交換システム。
【請求項３】
請求項２記載の熱交換システムであって、
前記第２の燃料電池における前記冷却媒体の出口と入口との温度差は、前記第１の燃料電池における前記冷却媒体の出口と入口との温度差よりも大きい
熱交換システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の熱交換システムであって、
前記ヒータユニットは、前記熱交換による回収熱量が必要な熱量に対して不足する場合に、不足する熱量を補助するアシスト機構を備えた
熱交換システム。
【請求項５】
請求項４記載の熱交換システムであって、
前記アシスト機構は、少なくとも前記第１の燃料電池で発生した電力を利用して、前記不足する熱量を補助する機構であり、
前記運転制御ユニットは、前記アシスト機構の電力出力要求の変動に対して、前記第１の燃料電池の出力を変化させて対応する
熱交換システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか記載の熱交換システムであって、
前記第１の燃料電池及び前記第２の燃料電池は、固形高分子形燃料電池である
熱交換システム。
【請求項７】
請求項６記載の熱交換システムであって、
前記第１の燃料電池に供給された酸化ガスの排ガスを、前記第２の燃料電池に酸化反応用として供給する酸化ガス流路を備えた
熱交換システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７記載の熱交換システムであって、
前記運転制御ユニットは、前記第１の燃料電池が停止し、前記第２の燃料電池が稼働している状態において、前記ヒータユニットで必要な熱量が所定値以下になったとき、前記第２の燃料電池における前記冷却媒体の出口と入口の温度差が小さくなるように制御する
熱交換システム。
【請求項９】
請求項１記載の熱交換システムに用いられる第２の燃料電池であって、
該第２の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、
該所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる前記第２の燃料電池を構成する部材の厚みの変化を、該第２の燃料電池を構成する積層体の積層面に沿って吸収可能な構造体を用いて締結した
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１記載の熱交換システムに用いられる第２の燃料電池であって、
該第２の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、
該所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる前記第２の燃料電池を構成する部材の厚みの変化に応じて、該第２の燃料電池の締結荷重を、前記温度分布の低温側で大きくなるように変化させる手段を備えた
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源を有し、該熱源からの熱を熱交換するヒータユニットを備えた熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電気化学反応により生じた電気エネルギーの他に、排熱をエネルギーとして利用することが可能である。このように電気エネルギーと熱エネルギーとを利用する技術としては、種々のものが開発されている。例えば、下記の特許文献１は、燃料電池の排熱を利用しつつ、不足する熱量を電気エネルギーにより補う熱電併給システムを開示している。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−６５８４９号公報
【０００４】
上述の熱電併給システムの具体例として、例えば、車両の車室内の暖房を行うための、ヒータコアとヒートポンプを備えたヒータユニットがある。このようなヒータユニットでは、ヒータコアで燃料電池冷却水と送風空気とを熱交換して暖房用の温風を発生させるが、ヒータコアのみでは必要な暖房能力が得られない場合には、電気エネルギーを用いて、ヒートポンプが補助することにより、暖房能力の向上が図られる。
【０００５】
ここで、燃料電池が固体高分子形燃料電池である場合、高出力を得られる作動温度域が一般的には８０℃前後であることから、ヒータユニットでの熱交換に供される燃料電池冷却水は、例えば７５℃程度となる。この場合、上述のヒータユニットの例では、ヒートコアで７５℃程度の燃料電池冷却水と熱交換が行われることとなる。一方、同様のヒータユニットがエンジン車両に搭載された場合、ヒートコアでは、１２０℃程度のエンジン冷却水と熱交換が行われる。したがって、固形高分子燃料電池を搭載した燃料電池車では、エンジン車と比べて、ヒータコアでの熱交換効率が低いといえる。
【０００６】
このように、固形高分子形燃料電池を用いたヒータユニットにおいては、燃料電池の排熱温度が低いことに起因して、ヒートポンプの補助負担が大きくなり、熱源にエンジン等の熱機関を用いる場合と比べて、燃料効率が低くなってしまうという問題があった。この問題は、ヒータユニットで相当量の熱量が必要となる場合、例えば、車両の運転開始時などに急速暖房を行う場合などには、特に顕著であった。
【０００７】
かかる問題は、上述の固形高分子形燃料電池を搭載した燃料電池車の暖房用ヒータユニットに限るものではない。低温域で作動する燃料電池と、当該燃料電池の排熱や発電による電力エネルギーを利用して温風や温水を発生させるヒータユニットとを備えた熱交換システムに共通する問題となっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池とヒータユニットとを備えた熱交換システムの効率を高くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の熱交換システムは、
熱源を有し、該熱源からの熱を熱交換するヒータユニットを備えた熱交換システムであって、
前記熱源は、所定温度領域で発電する第１の燃料電池と、該第１の燃料電池より発電時の作動温度が高い温度領域にある第２の燃料電池とからなり、更に、
前記第１、第２の燃料電池及び前記ヒータユニットに冷却媒体を供給して、前記第１、第２の燃料電池で発生した熱を前記ヒータユニットにおける前記熱交換に供する冷却媒体供給機構と、
前記ヒータユニットを流れる前記冷却媒体の温度に基づいて、少なくとも前記第１の燃料電池または前記第２の燃料電池を制御する運転制御ユニットと
を備えたことを要旨とする。
【００１０】
かかる構成の熱交換システムは、運転制御ユニットが、ヒータユニットを流れる冷却媒体の温度に基づいて、少なくとも第１の燃料電池または第２の燃料電池を制御する。したがって、第１の燃料電池に、所定温度領域で作動する、発電効率が高いタイプ、第２の燃料電池に、高温域で作動する、排熱温度が高いタイプを用いれば、ヒータユニットの状況に応じて、効率的な熱電供給を行うことができる。
【００１１】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、冷却媒体供給機構は、第１の燃料電池を冷却する冷却路を流れた後、第２の燃料電池の冷却路を流れた冷却媒体を、ヒータユニットに供給して熱交換に供した後、第１の燃料電池に循環させるものとしてもよい。このような構成とすれば、ヒータユニットでの熱交換により低い温度となった冷却媒体が、第１の燃料電池で暖められた後に、第１の燃料電池よりも高温で作動する第２の燃料電池に供給されるので、第２の燃料電池が冷却媒体により過度に冷却されることがない。したがって、熱回収効率の高い第２の燃料電池を高温側で安定的に作動させることができる。また、冷却媒体供給機構は、第１の燃料電池と第２の燃料電池の２段階で熱を回収した高温の冷却媒体をヒータユニットに供給するので、効率的に利用可能な熱エネルギーを供給できる。
【００１２】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、第２の燃料電池における冷却媒体の出口と入口との温度差は、第１の燃料電池における冷却媒体の出口と入口との温度差よりも大きいものとしてもよい。このような構成とすれば、第１の燃料電池では、狭い温度域で作動することとなるので、安定的かつ効率的な発電を行える。また、第２の燃料電池では、広い温度域で作動することとなるので、熱回収量を大きくとれる。したがって、互いの特長を活かした効率的な熱電供給が可能となる。
【００１３】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、ヒータユニットは、熱交換による回収熱量が必要な熱量に対して不足する場合に、不足する熱量を補助するアシスト機構を備えたものとしてもよい。このような構成とすれば、第１の燃料電池との組合せにより効率的に立ち上がった第２の燃料電池が、効率的に利用可能な熱エネルギーをヒータユニットに供給するので、早期に、アシスト機構の負荷を低減、または停止することができる。したがって、熱交換システムの燃費を向上できる。
【００１４】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、アシスト機構は、少なくとも第１の燃料電池で発生した電力を利用して、不足する熱量を補助する機構であり、運転制御ユニットは、アシスト機構の電力出力要求の変動に対して、第１の燃料電池の出力を変化させて対応するものとしてもよい。このような構成とすれば、効率的な発電を行える第１の燃料電池がアシスト機構の電力出力要求の変動に対応するので、効率的な熱電供給が行える。また、アシスト機構の電力出力要求が、熱交換システムの立ち上げ時に大きく、その後減少していく場合には、その電力出力要求の推移は、ヒータユニットに供給される冷却媒体の温度をコントロールするために第１の燃料電池に求められる運転の推移と適合する。したがって、効率的な熱電供給を行うことができる。
【００１５】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、第１の燃料電池及び第２の燃料電池は、固形高分子形燃料電池としてもよい。このような構成とすれば、比較的低温領域で作動する固形高分子形燃料電池においても、高温の排熱を供給して、効率的な熱電供給を行うことができる。
【００１６】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、第１の燃料電池に供給された酸化ガスの排ガスを、第２の燃料電池に酸化反応用として供給する酸化ガス流路を備えたものとしてもよい。このような構成とすれば、第１の燃料電池における燃料電池反応で生成された水により加湿された酸化ガスが、高温で作動し、乾きやすい第２の燃料電池に供給されるので、第２の燃料電池のドライアップを抑制し、安定的に作動することができる。
【００１７】
また、かかる構成の熱交換システムにおいて、運転制御ユニットは、第１の燃料電池が停止し、第２の燃料電池が稼働している状態において、ヒータユニットが必要な熱量が所定値以下になったとき、第２の燃料電池における冷却媒体の出口と入口の温度差が所定値以下となるように制御するものとしてもよい。このような構成とすれば、第１の燃料電池が停止し、ヒータユニットで必要な熱量が所定値以下になったとき、第２の燃料電池における冷却媒体の出口と入口の温度差が小さくなるように制御するので、第２の燃料電池の作動温度域が狭くなることで、運転が安定し、効率的な熱電供給を行うことができる。
【００１８】
また、本発明の熱交換システムに用いる燃料電池は、
第２の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる第２の燃料電池を構成する部材の厚みの変化を、第２の燃料電池を構成する積層体の積層面に沿って吸収可能な構造体を用いて締結したことを要旨とする。
【００１９】
あるいは、第２の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる第２の燃料電池を構成する部材の厚みの変化に応じて、第２の燃料電池の締結荷重を、温度分布の低温側で大きくなるように変化させる手段を備えたことを要旨とする。
【００２０】
かかる構成の燃料電池は、熱回収効率が高い、すなわち、冷却媒体の出入口の温度差が大きい場合であっても、所定の一方向に形成された温度分布により生じる燃料電池を構成する部材の厚みの変化を吸収できる。あるいは、部材の厚みの変化に応じて、燃料電池の締結荷重を、前記温度分布の低温側で大きくなるように変化させる。したがって、燃料電池を構成する各積層体の面圧の偏重を緩和し、燃料ガス等の漏洩を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施例について、以下の手順で説明する。
Ａ．熱交換システムの構成：
Ｂ．熱交換システムの運転：
Ｃ．高温型燃料電池スタックの構成：
【００２２】
Ａ．熱交換システムの構成：
図１は、本発明の実施例としての熱交換システム１００の概略構成を示す説明図である。本実施例の熱交換システム１００は、燃料電池車に搭載された暖房用ヒータユニットに燃料電池反応の排熱及び電気エネルギーを供給するためのシステムであり、駆動系の燃料電池システムとは別に設置された燃料電池を熱源とするものである。
【００２３】
熱交換システム１００は、燃料電池システム１０とヒータユニット９０とから構成される。ヒータユニット９０は、燃料電池車に搭載された、車室内用の暖房システムであり、ヒータコア９２とヒートポンプ９４を備えている。ヒータコア９２は、暖房のための送風空気を燃料電池システム１０の排熱を回収した冷却水と熱交換を行い、温風を発生させるための熱交換器である。ヒートポンプ９４は、上述のヒータコア９２だけでは、暖房に必要な温風が十分に得られない場合に、燃料電池システム１０で発電した電気エネルギーを用いて、補助的に熱を供給するヒートポンプシステムであり、図示しない蒸発器、凝縮器、コンプレッサなどを備えている。なお、本実施例においては、ヒータコア９２の熱源アシスト機構として、ヒートポンプ９４を用いたが、これに限られるものではない。電熱ヒータなど、種々の熱源装置が利用できる。
【００２４】
燃料電池システム１０は、２種類の燃料電池スタック、すなわち、低温型燃料電池スタック２０と、高温型燃料電池スタック３０を備えている。また、燃料電池システム１０は、低温型用水素供給機構２２、低温型用水素排出機構２４、高温型用水素供給機構３２、高温型用水素排出機構３４、冷却水循環機構４０、空気供給機構５２、空気排出機構５４、運転制御ユニット６０を備えている。
【００２５】
これらの燃料電池システム１０を構成する要素の内、まず、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０について説明する。これらは、いずれも固形高分子形の燃料電池スタックであり、複数積層された積層体アセンブリを、その両端からターミナル、インシュレータ、エンドプレートにより挟持して構成される。上述の積層体アセンブリは、触媒層及び撥水層を備えた電極、固形高分子部材の電解質膜、燃料ガス及び酸化ガスの流路となるガス拡散層、隔壁として機能し、その内部に冷却媒体の流路を備えたセパレータから構成される。これらの燃料電池スタックは、上述の通り、暖房用として、駆動系の燃料電池システムとは別に設置されるものであり、その出力は、例えば、両スタックを合わせて３ｋＷ程度である。したがって、駆動系の燃料電池スタックと比べて、例えば、１／３０〜１／４０程度の小規模なスタックであるといえる。
【００２６】
本願において、上述の燃料電池スタックにおける「低温型」、「高温型」とは、各燃料電池の出力が最大となる作動温度の高低をいい、その高低は、燃料電池システム１０を構成する複数の燃料電池の中での相対的なものである。
【００２７】
本実施例における低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０について、作動温度と電圧（出力）との関係を表す温度−出力特性の一例を図２に示す。この例では、低温型燃料電池スタック２０は、作動温度８０℃において最高出力Ｖ１を発揮することができるが、作動温度が８０℃から離れるに従って、出力は著しく低下するという特徴を持っている。一方、高温型燃料電池スタック３０は、作動温度１２０℃において最高出力Ｖ２を発揮することができる。この出力は低温型燃料電池スタック２０の最高出力Ｖ１と比べて小さいが、作動温度が１２０℃から変動しても、出力は緩やかに低下する特徴を持っている。
【００２８】
このような温度−出力特性の違いは、燃料電池の部材の選択や、運転条件の選択により実現することができる。例えば、拡散層の厚みを厚くしたり、電極に形成される撥水層を緻密にしたり、燃料ガスや酸化ガスを加圧（例えば、１００ｋＰａゲージ）して運転したりすれば、最高出力点が高温側に移動する。
【００２９】
また、燃料電池反応により取り出せる、水素の持つ化学エネルギーと、得られる電気エネルギー及び熱エネルギーとの関係を図３に示す。燃料電池反応は、いわば、水素の持つ化学エネルギーを電気エネルギー及び熱エネルギーに変換する反応である。また、燃料電池反応により取り出せる、水素の持つ化学エネルギーは一定である。一方で、燃料電池反応においては、図示するとおり、電流密度が大きくなるに従い、電圧降下が大きくなり、電圧が小さくなる。したがって、電流密度が大きくなるに従い、水素の持つ化学エネルギーのうち、電気エネルギーに変換される割合が小さくなり、熱エネルギーに変換される割合は大きくなる。
【００３０】
したがって、図２に示した燃料電池スタックの温度−出力特性と、図３に示したエネルギーの関係とを踏まえれば、低温型燃料電池スタック２０は、高温型燃料電池スタック３０と比べて、水素の持つ化学エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる（発電効率が高い）が、生み出す熱エネルギーは少ない（熱回収効率は高くない）タイプの燃料電池スタックであるといえる。一方で、高温型燃料電池スタック３０は、低温型燃料電池スタック２０と比べて、発電効率はさほど高くないが、熱回収効率が高く、また、排熱が高温であるため利用しやすいタイプの燃料電池スタックであるといえる。
【００３１】
次に、燃料電池システム１０を構成する他の要素について説明する。低温型用水素供給機構２２は、低温型燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素を供給する機構であり、図示しない水素タンク、シャットバルブ、レギュレータ、循環ポンプ、配管などによって構成される。低温型用水素排出機構２４は、低温型燃料電池スタック２０からの排ガス（アノードオフガス）を系外に排出させる機構であり、配管などによって構成される。同様に、高温型用水素供給機構３２及び高温型用水素排出機構３４も、高温型燃料電池スタック３０に水素を供給し、または排出する機構である。
【００３２】
冷却水循環機構４０は、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０を冷却するための冷却媒体（ここでは冷却水）を循環させ、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０の運転温度を調節するための機構であり、冷却水循環ポンプ４２、冷却水循環配管４４、ラジエータ４６、弁４７，４８を備えている。
【００３３】
冷却水の流路は、低温型燃料電池スタック２０と高温型燃料電池スタック３０とを、高温型燃料電池スタック３０が下流側となるように直列的に接続しており、さらにその下流側で、ヒータユニット９０に接続している。冷却水は、冷却水循環ポンプ４２により、この低温型燃料電池スタック２０、高温型燃料電池スタック３０、ヒータユニット９０の間を循環し、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０での燃料電池反応により発生した熱を回収して、ヒータユニット９０のヒータコア９２で放熱する。また、冷却水循環配管４４には、ラジエータ４６へのバイパスラインが設けられており、弁４７，４８を開閉することで、状況に応じて冷却水の温度を調節できる構成となっている。
【００３４】
空気供給機構５２は、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０に酸化ガスとしての空気を供給する機構であり、図示しないエアクリーナ、エアコンプレッサ、配管などによって構成される。空気排出機構５４は、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０からの排ガス（カソードオフガス）を系外に排出させる機構であり、図示しない希釈器、配管などによって構成される。空気供給機構５２及び空気排出機構５４は、低温型燃料電池スタック２０と高温型燃料電池スタック３０とに共通して用いられる機構であり、空気の流路は、低温型燃料電池スタック２０と高温型燃料電池スタック３０とを、高温型燃料電池スタック３０が下流側になるように直列的に接続している。
【００３５】
運転制御ユニット６０は、ヒータユニット９０からの出力要求と各種センサからの入力信号を受けて、各種負荷への指示信号を送り、熱交換システム１００の機能全般を制御するマイクロコンピュータである。
【００３６】
Ｂ．熱交換システムの運転：
次に、熱交換システム１００の運転例について、図４を用いて説明する。このシステムでは、運転制御ユニット６０が、ヒータユニット９０の出力要求を受け付けると、燃料電池システム１０が稼働を開始する。すなわち、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０に水素及び空気が供給され、発電が開始される。発電が開始され、燃料電池反応が進むと、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０は徐々に暖機される。
【００３７】
このときの低温型燃料電池スタック２０、高温型燃料電池スタック３０及びヒータユニット９０を循環する冷却水の位置と温度との関係の例を図４（ａ）に示す。図中の実線部に示すように、温度Ｔ０１の冷却水は、低温型燃料電池スタック２０に供給されて熱を回収して温度Ｔ０２まで暖められ、さらに、高温型燃料電池スタック３０に供給されて熱を回収して温度Ｔ０３まで暖められた後、ヒータユニット９０に供給されてヒータコア９２と熱交換して、温度Ｔ０１まで冷却され、再度、低温型燃料電池スタック２０に供給される。そして、徐々に車室内が暖まり、ヒータユニット９０での必要熱量が低下してくると、図中の一点鎖線部に示すように、循環する冷却水の温度は全体的に上昇していく。この時の冷却水の温度は、例えば、低温型燃料電池スタック２０の入口温度Ｔ１１が６５℃、高温型燃料電池スタック３０の入口温度Ｔ１２が７５℃、ヒータユニット９０の入口温度Ｔ１３が１０５℃となる。
【００３８】
ここで、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０における冷却水の出入口の温度差は、図４（ａ）に示すように、低温型燃料電池スタック２０よりも、高温型燃料電池スタック３０が大きくなるように運転している。このように運転するためには、例えば、積層体アセンブリの積層枚数を低温型燃料電池スタック２０よりも高温型燃料電池スタック３０で多くすればよい。冷却水持出熱量Ｑは、冷却水の出入口の温度差ΔＴ、積層体アセンブリの積層数ｎ、積層体アセンブリ当たりの冷却水流量Ｌ、水の比熱容量Ｃを用いて、次式（１）で表せることから、積層体アセンブリ当たりの冷却水流量Ｌを少なくすることで、冷却水の出入口の温度差ΔＴを大きくすることができるのである。
【００３９】
Ｑ＝ΔＴ×ｎ×Ｌ×Ｃ・・・（１）
【００４０】
このように、低温型燃料電池スタック２０における冷却水の出入口の温度差を小さくすることで、図２に示した温度−出力特性の出力のピークの周辺で、安定的かつ効率的な発電を行うことができる。また、高温型燃料電池スタック３０では、広い温度域で作動することになるので、低温型燃料電池スタック２０ほどの安定的かつ効率的な発電は行えないが、冷却水の出入口の温度差を大きくとるので、熱回収量を大きくすることができる。したがって、発電効率に優れる低温型燃料電池スタック２０と、熱回収効率に優れる高温型燃料電池スタック３０の互いの特長を活かして、効率的な熱電供給が可能となる。
【００４１】
ただし、高温型燃料電池スタック３０については、電解質膜の湿潤具合を極力均一化して安定的な稼働を行うために、出力の温度依存性が小さいタイプを採用することが望ましい。温度依存性は、例えば、高温型燃料電池スタック３０を構成する拡散層の厚みを厚くしたり、電極に形成される撥水層を緻密にしたりすることで、小さくすることができる。
【００４２】
また、冷却水のヒータユニット９０の入口での温度の変化と、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０の出力の変化との関係の例を図４（ｂ）に示す。運転開始当初は、車室内が暖まっておらず、急速に暖房を行う必要があること、冷却水の温度が低く、ヒートポンプ９４のアシストの必要性が大きいこと、効率的な熱電供給のためには、冷却水の温度を早急に上げて、熱エネルギーの供給を中心としたいことから、運転制御ユニット６０は、発電効率が高い低温型燃料電池スタック２０の出力（図中の低温型出力）、熱回収効率が高い高温型燃料電池スタック３０の出力（図中の高温型出力）共に最大値となるように制御する。このとき、低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０から得られる出力は、熱源アシスト機構としてのヒートポンプ９４に充てられ、冷却水を介して回収される熱エネルギーは、ヒータコア９２で熱交換に供される。
【００４３】
そして、運転時間の経過と共に、ヒータユニット入口温度が上昇してくると、車室内が徐々に暖まってヒータユニット９０の必要熱量が低下していくこと、冷却水の温度が上昇し、効率的に熱回収できるようになっていくこと、これらに伴って、必要なアシスト熱源が減少していくことから、運転制御ユニット６０は、低温型燃料電池スタック２０の出力を徐々に低下させる。そして、車室内が十分に暖まり、ヒータユニット９０における冷却水の入口温度が所定の温度に達すると、運転制御ユニット６０は、高温型燃料電池スタック３０で発生する熱エネルギーと電力エネルギーのみで、ヒータユニット９０を制御する。
【００４４】
そして、低温型燃料電池スタック２０が停止し、ヒータユニット９０で必要な熱量が所定値以下になると、運転制御ユニット６０は、高温型燃料電池スタック３０を流れる冷却水の流量を増加させる。このように冷却水の流量を増加させるのは、ヒータユニット９０が、高温型燃料電池スタック３０の排熱の供給のみで制御できる状態になり、これ以上冷却水の温度を上げる必要がなくなったため、高温型燃料電池スタック３０における冷却水の出入口の温度差を小さくし、高温型燃料電池スタック３０の作動温度域を狭くすることで、発電を安定させ、効率的な電力回収を行うことができるからである。
【００４５】
かかる構成の熱交換システム１００では、冷却水のヒータユニット９０への入口温度に基づいて、少なくとも低温型燃料電池スタック２０または高温型燃料電池スタック３０を制御する。低温型燃料電池スタック２０は、発電効率が高いタイプ、高温型燃料電池スタック３０は、高温域で作動する（排熱温度が高い）タイプであるため、ヒータユニット９０が必要とする熱エネルギーまたは電気エネルギーに応じて、効率的な熱電供給を行うことができる。
【００４６】
また、かかる構成の熱交換システム１００では、冷却水循環機構４０は、冷却水を、低温型燃料電池スタック２０、高温型燃料電池スタック３０、ヒータユニット９０の順に循環させる。したがって、低温型燃料電池スタック２０がヒートポンプ９４のアシスト熱源となる電気エネルギーを生成する機能の他に、ヒータユニット９０での熱交換により低い温度となった冷却水を暖めて、高温型燃料電池スタック３０に供給する機能をも果たす。その結果、高温型燃料電池スタック３０を高温側で安定的に作動させることができる。また、低温型燃料電池スタック２０と高温型燃料電池スタック３０の２段階で熱を回収することで、より高温の冷却水をヒータユニット９０に供給するので、効率的に利用可能な熱エネルギーをヒータユニットに供給できる。
【００４７】
また、かかる構成の熱交換システム１００では、ヒートポンプ９４の電力出力要求の変動に対して、発電効率に優れる低温型燃料電池スタック２０の出力を変化させて対応するので、効率的な熱電供給が行える。また、アシスト熱源としてのヒートポンプ９４の電力出力要求は、急速暖房を行う必要があり、また、温度の低い冷却水から回収できる熱量を補助する必要性が大きいことから、熱交換システム１００の立ち上げ時に大きく、その後減少していくが、この電力出力要求の推移は、高温型燃料電池スタック３０に供給する冷却水を暖める機能を果たす低温型燃料電池スタック２０に求められる運転の推移と適合する。したがって、効率的な熱供給を行うことができる。
【００４８】
また、かかる構成の熱交換システム１００では、酸化ガスとしての空気が、空気供給機構５２によって低温型燃料電池スタック２０に供給される。そして、低温型燃料電池スタック２０で燃料電池反応により生成された水を含んで加湿された空気が、高温型燃料電池スタック３０に供給される。したがって、高温領域で作動し、電解質膜が乾きやすい高温型燃料電池スタック３０に、加湿された空気を供給することができるため、電解質膜のドライアップを抑制し、安定的な稼働を行うことができる。
【００４９】
また、本実施例の熱交換システム１００では、ヒータユニット９０の熱源として、上述の通り、駆動系の燃料電池スタックとは別に設置される小規模な低温型燃料電池スタック２０及び高温型燃料電池スタック３０を用いている。したがって、熱源として駆動系の燃料電池スタックを用いる場合と比べて、燃料電池スタックの熱容量が非常に小さいことから、暖気を速やかに行えると共に、ヒータユニット９０の急速な立ち上げが可能となり、熱交換システム１００の効率的な運転が行える。
【００５０】
Ｃ．高温型燃料電池スタックの構成：
Ｃ−１．高温型燃料電池スタックの特徴：
高温型燃料電池スタック３０の構成の前提として、高温型燃料電池スタック３０における温度分布と熱膨張について、図５及び図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施例の高温型燃料電池スタック３０を構成する積層体アセンブリ３５に用いられるセパレータ３８の内部に設けられた冷却水流路３７を示す説明図である。図示するとおり、複数の冷却水流路３７は、それぞれセパレータの長辺方向（ａ−ｂ方向）を直線的に流れる構造となっている。この冷却水流路３７を流れる冷却水は、冷却水入口側（ａ−ｄ側）からセパレータに供給され、燃料電池反応により生じる熱を吸収して、次第に温度を上げながら、冷却水出口側（ｂ−ｃ側）に排出される。
【００５１】
ここでの冷却水の出入口の温度差は、上述した運転例では、３０℃（入口：７５℃、出口：１０５℃）となる。この温度差は、一般的に、固体高分子形燃料電池において安定した出力を得るための温度差が１０〜１５℃程度（上述の運転例では、低温型燃料電池スタック２０における冷却水の出入口の温度差は１０℃）であるのと比べ、非常に大きな温度差となっている。これは、上述の通り、高温型燃料電池スタック３０では、効率的に熱を回収して、ヒータユニット９０に高温で効率的な利用が可能な熱エネルギーを供給するために、冷却水の出入口の温度差を大きく確保しているからである。
【００５２】
このように、冷却水が一方向に向かって流れ、また、冷却水の出入口の温度差を大きくとることにより、高温型燃料電池スタック３０では、図５に示すように、積層体アセンブリ３５において、冷却水流路３７の流れ方向（図中のａからｂに向かう方向）に、冷却水の出口側（ｂ−ｃ側）が高温となる大きな温度分布が形成される。その結果、高温型燃料電池スタック３０での発電に伴い発生する熱による積層体アセンブリ３５を構成する部材の熱膨張は、冷却水入口側（ａ−ｄ側）では小さく、冷却水出口側（ｂ−ｃ側）で大きくなる。この現象は、積層体アセンブリ３５を多数積層した積層体３６の全てで生じるため、全体として見れば、熱膨張量に大きな偏重を生み出すこととなる。
【００５３】
なお、上述のように、冷却水の入口側と出口側での熱膨張の偏重現象を生じるのは、図６（ａ）に示した直線的な冷却水流路に限られるものではない。例えば、図６（ｂ）に示すサーペンタイン型の流路のようであってもよい。図６（ｂ）では、冷却水がａ−ｂ方向に流れる箇所とａ−ｄ方向に流れる箇所とがあるものの、全体的に見て、総じてａ−ｂ方向に流れるといえる。このように、全体的に見て、総じて所定の一方向に向かって流れていれば、同様の偏重現象が起こりうる。
【００５４】
Ｃ−２．実施例：
上述の高温型燃料電池スタック３０の特徴を踏まえて、実施例としての高温型燃料電池スタック３０の構成について図７を用いて説明する。図示するように、高温型燃料電池スタック３０は、積層体アセンブリ３５が多数積層された積層体３６の両端をターミナル７３ａ，７３ｂ、インシュレータ７２ａ，７２ｂ、エンドプレート７１ａ，７１ｂで挟持して構成されている。
【００５５】
高温型燃料電池スタック３０の両端を構成するエンドプレート７１ａ，７１ｂの上部には、締結部７４ａ，７４ｂが設けられ、これらは、連結ロッド７７ａと連結している。また、エンドプレート７１ａ，７１ｂの下部にも、上部と同じ構造の締結部７４ｃ，７４ｄ（図示せず）、連結ロッド７７ｂ（図示せず）が設けられている。この連結ロッド７７ａ，７７ｂの長さを調整することにより、エンドプレート７１ａ，７１ｂが、挟持するターミナル７３ａ，７３ｂ、インシュレータ７２ａ，７２ｂ及び積層体３６を両端から加圧して、高温型燃料電池スタック３０全体を固定している。
【００５６】
エンドプレート７１ａ，７１ｂの上部に設けられた締結部７４ａ，７４ｂ及び連結ロッド７７ａについては、図８を用いて、さらに詳述する。図８は、図７に示した高温型燃料電池スタック３０の上面視を示す説明図である。図示するように、締結部７４ｂは、連結ロッド７７ａの先端部が貫通する穴を有している。この穴を貫通した連結ロッド７７ａの先端部にナット７６ｂを締結することによって、締結部７４ｂと連結ロッド７７ａとが固定的に連結されている。一方、締結部７４ａは、球状の凹部を有している。連結ロッド７７ａの先端部には、この凹部に嵌合して回転可能なボールジョイント７５ａが取り付けられており、このボールジョイント７５ａを介して、締結部７４ａと連結ロッド７７ａとが左右方向に回転可能に連結されている。なお、エンドプレート７１ａ，７１ｂの下部に設けられた締結部７４ｃ、７４ｄ（図示せず）、連結ロッド７７ｂ（図示せず）についても、締結部７４ａ，７４ｂ及び連結ロッド７７ａと同様の構造である。
【００５７】
上述のように、エンドプレート７１ｂと連結ロッド７７ａ及び連結ロッド７７ｂ（図示せず）とを固定的に連結し、エンドプレート７１ａと連結ロッド７７ａ及び連結ロッド７７ｂ（図示せず）とを回転可能に連結することにより、エンドプレート７１ａは、横方向に所定の角度だけ回転移動できる。したがって、高温型燃料電池スタック３０の高温側（冷却水出口側）における部材の熱膨張量が、低温側（冷却水入口側）と比べて大きくなると、図示するように、エンドプレート７１ａは、高温側でエンドプレート７１ａとエンドプレート７１ｂとの間の距離が長くなる方向へ回転移動する。
【００５８】
かかる構成の高温型燃料電池スタック３０は、冷却水の出入口の温度差を大きく確保することに起因する部材の熱膨張量の偏重が生じても、エンドプレート７１ａが膨張量の偏重に追随して回転移動する。したがって、積層体アセンブリ３５の内部の面圧を均一化し、水素等の漏れを防止することができる。
【００５９】
Ｃ−３．変形例：
変形例としての高温型燃料電池スタック３０の詳細構成について、図９を用いて説明する。図示するように、高温型燃料電池スタック３０は、実施例と同様に、積層体アセンブリ３５が多数積層された積層体３６の両端をターミナル７３ａ，７３ｂ、インシュレータ７２ａ，７２ｂ、エンドプレート７１ａ，７１ｂで挟持して構成されている。実施例との違いは、エンドプレート７１ａの上部及び下部に設けられた締結部８４ａ、８４ｃの構造は、締結部７４ｂ及び７４ｄと同じであり、エンドプレート７１ａは、連結ロッド７７ａ及び７７ｂと固定的に連結している点と、エンドプレート７１ｂとインシュレータ７２ｂとの間に、スプリング８８ａ〜８８ｅが設けられている点である。
【００６０】
この例では、積層体３６の温度分布は下から上に向かって高温となるので、積層体アセンブリ３５の熱膨張量も下から上に向かって大きくなる。これに対応して、スプリング８８ａ〜８８ｅは、８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８８ｄ，８８ｅの順に大きく変位して、積層体３６の熱膨張による積層方向の厚みの変化を吸収する。
【００６１】
なお、本実施例においては、熱膨張による積層方向の厚みの変化を吸収可能な構造体として、５本のスプリングを用いたが、本数は５本に限るものではない。もとより、スプリングに限るものではなく、形状記憶合金や樹脂製の弾性体などを利用して、熱膨張による厚みの変化を吸収するものとしてもよい。
【００６２】
かかる構成の高温型燃料電池スタック３０は、スプリング８８ａ〜８８ｅが、積層体３６の積層面に沿って、熱膨張によって生じる積層体アセンブリ３５の厚みの変化を吸収する。したがって、積層体アセンブリ３５の内部の面圧の差を緩和し、水素等の漏れを防止することができる。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本実施例においては、ヒータユニット９０は、アシスト機構としてのヒータコア９２を備えるもとしたが、アシスト機構を備えないものであってもよい。もとより、燃料電池車の暖房に用いる熱交換システムに限らず、家庭での燃料電池コジェネレーションシステムを利用した暖房や給湯用の熱交換システムなど、種々の熱交換システムとして構成することができる。冷却媒体も、燃料電池とヒータユニットとの間を循環する構成に限らず、供給するのみの構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例にとしての熱交換システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタックの作動温度と電圧の関係を示す説明図である。
【図３】燃料電池反応により取り出せる水素の持つ化学エネルギーと、得られる電気エネルギー及び熱エネルギーとの関係を示す説明図である。
【図４】熱交換システム１００の運転例を示す説明図である。
【図５】燃料電池スタックにおける温度分布と部材の膨張との関係を示す説明図である。
【図６】冷却媒体の流路方向に関する説明図である。
【図７】実施例としての高温型燃料電池スタック３０の構造を示す斜視図である。
【図８】実施例としての高温型燃料電池スタック３０の構造を示す上面視図である。
【図９】変形例としての高温型燃料電池スタック３０の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…燃料電池システム
２０…低温型燃料電池スタック
２２…低温型用水素供給機構
２４…低温型用水素排出機構
３０…高温型燃料電池スタック
３２…高温型用水素供給機構
３４…高温型用水素排出機構
３５…積層体アセンブリ
３６…積層体
３７…冷却水流路
３８…セパレータ
４０…冷却水循環機構
４２…冷却水循環ポンプ
４４…冷却水循環配管
４６…ラジエータ
４７，４８…弁
５２…空気供給機構
５４…空気排出機構
６０…運転制御ユニット
７１ａ，７１ｂ…エンドプレート
７２ａ，７２ｂ…インシュレータ
７３ａ，７３ｂ…ターミナル
７４ａ〜７４ｄ…締結部
７５ａ…ボールジョイント
７６ｂ…ナット
７７ａ，７７ｂ…連結ロッド
８４ａ，８４ｃ…締結部
８８ａ〜８８ｅ…スプリング
９０…ヒータユニット
９２…ヒータコア
９４…ヒートポンプ
１００…熱交換システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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