(57)【要約】【課題】  冷却水の昇温時間を短くして短時間で暖気を終えることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２を冷却する冷却液の流路であって、冷却液を冷却するラジエータ４と燃料電池３の間で冷却液が循環する循環路５と、ラジエータ４を迂回する冷却液の流路であって、両端が循環路５に接続する迂回路６と、ラジエータ４を通る流路および迂回路６を通る流路のいずれか一方に冷却水の流路を切り替えるサーモバルブ７とを有する。また、冷却水の流路には、冷却水が迂回路６を通って循環するときに冷却水の一部を堰き止めて循環量を調整する堰８が設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却液の流路であって、該冷却液を冷却する熱交換器と前記燃料電池の間で前記冷却液が循環する循環路と、
前記熱交換器を迂回する前記冷却液の流路であって、両端が前記循環路に接続する迂回路と、
前記熱交換器を通る流路および前記迂回路を通る流路のいずれか一方に前記冷却液の流路を切り替える切替弁とを有し、
前記冷却液の流路には、前記冷却液が前記迂回路を通って循環するときに前記冷却液の一部を堰き止めて循環量を調整する堰が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換器はラジエータである請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記堰は前記迂回路に設けられている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
複数の前記堰を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却液の重力方向に対して下方の流れが前記堰によって堰き止められる請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記堰はバタフライバルブである請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、冷却液の流路であってラジエータを迂回する迂回路を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。
【０００３】
一般に、燃料電池では起電力を生じる際に熱も発生する。このため、燃料電池システムでは、ラジエータによって大気中に熱を放出している。しかし、燃料電池での起電力が大きくなることによって、発熱量がラジエータの冷却能力を上回ると、燃料電池が過熱して出力電圧の降下や燃料電池の破壊などの不具合を招く。このため、従来より、燃料電池の過熱を防止する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の発熱量がラジエータの冷却能力を超えない範囲となるように、燃料電池の発電量を調整することによって、燃料電池を過熱から保護する燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−８３６２２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７８８２６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５８２７９号公報
【特許文献４】特開２００３−３３１８８６号公報
【特許文献５】特開２００４−１４３２４号公報
【特許文献６】特開２００４−２２０８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、必要に応じて、冷却水がラジエータを迂回するようになっている。すなわち、ラジエータを通る冷却水の流量と、迂回路を通る冷却水の流量とを調節することによって、燃料電池に送られる冷却水の温度が一定に保たれるようにしている。
【０００７】
一方、燃料電池の発電量は低温では小さいものであるが、暖気を行うことにより所望の発電効率を得ることができるようになる。ここで、暖気時間はできるだけ短い方が好ましい。しかし、迂回路を設けた場合には、迂回路内の冷却水も全て昇温しなければならないため、暖気に時間を要するという問題があった。
【０００８】
迂回路内における冷却水の流量は、迂回路の配管径を小さくすることによって少なくできる。しかし、ラジエータを通る冷却水の流量が相対的に増すため、燃料電池に送られる冷却水の温度変化が大きくなるという問題があった。また、配管径が小さくなることにより圧損が増大するので、冷却水を循環させるポンプの効率が低下するという問題もあった。
【０００９】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、冷却水の昇温時間を短くして短時間で暖気を終えることのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷却液の流路であって、この冷却液を冷却する熱交換器と燃料電池の間で冷却液が循環する循環路と、熱交換器を迂回する冷却液の流路であって、両端が循環路に接続する迂回路と、熱交換器を通る流路および迂回路を通る流路のいずれか一方に冷却液の流路を切り替える切替弁とを有し、冷却液の流路には、冷却液が迂回路を通って循環するときに冷却液の一部を堰き止めて循環量を調整する堰が設けられていることを特徴とするものである。本発明において、熱交換器はラジエータとすることができる。
【００１２】
堰は、迂回路に設けられていることが好ましい。
【００１３】
堰は、複数設けることができる。
【００１４】
冷却液の重力方向に対して下方の流れが堰によって堰き止められるとすることができる。
【００１５】
堰は、バタフライバルブとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、冷却水の流路に冷却水の循環量を調整する堰を設けるので、循環する冷却水の昇温時間を短くして、燃料電池システムの暖気を短時間で終えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの部分構成図である。尚、図では、燃料電池のカソードおよびアノードにガスを供給する部分、例えば、カソードに圧縮空気を供給するコンプレッサ、燃料電池から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池に供給する空気を加湿する加湿器、および、コンプレッサから送られる空気の圧力を調整する調圧弁など、並びに、アノードにガスを供給する燃料ガス供給系などは省略している。また、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化ガスとを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池システム１の内部で冷却水を循環させる循環ポンプ３と、冷却水を冷却するラジエータ４と、燃料電池２とラジエータ４の間で冷却水が循環する循環路５と、ラジエータ４を迂回する流路であって、両端が循環路５に接続する迂回路６と、所定の温度で、冷却水の流路を、ラジエータ４を通る流路および迂回路６を通る流路のいずれか一方に切り替えるサーモバルブ７とを有する。ここで、サーモバルブ７は、本発明における切替弁に対応する。また、本実施の形態においては、冷却水以外の他の冷却液を用いて燃料電池２を冷却してもよい。さらに、ラジエータ４以外の他の熱交換器を用いることもできる。
【００１９】
暖気の際には、冷却水が迂回路６を通って燃料電池システム１内を循環するようにする。すなわち、暖気時間を短くするには、冷却水を速く昇温させることが必要となるので、ラジエータ４を通らないようにして冷却水を循環させるのが有効である。また、冷却水の流路には、冷却水が迂回路６を通って循環するときに冷却水の一部を堰き止めて循環量を調整する堰８が設けられている。堰８としては、例えば、バタフライバルブ、ソレノイドまたはロータリーバルブなどを用いることができる。特に、圧損が小さいことからバタフライバルブが好適である。
【００２０】
図２（ａ）は、バタフライバルブの平面図である。図に示すように、バタフライバルブ８１は、円形の弁体８２が弁軸８３の回りに回動し、バルブケーシング８４の内周面に嵌装したリングパッキン８５に弁体８２の外周縁が当接することによって閉弁状態となるものである。
【００２１】
また、図３は迂回路６の断面模式図であり、堰８として図２（ａ）のバタフライバルブ８１を用いた場合について示している。尚、図３の矢印は、冷却水が流れる方向を示している。
【００２２】
図２において、迂回路６を構成する配管１１の底部には段差１２が設けられている。そして、弁体８２が弁軸８３の周りに回動すると、弁体８２は、図のＡ点とＢ点の間を段差１２に沿って移動する。弁体８２がＡ点で停止したとき、バタフライバルブ８１は閉弁状態にある。一方、弁体８２がＢ点の方向に移動するとバタフライバルブ８１は開弁し、Ｂ点で停止したときに最も大きく開弁した状態となる。
【００２３】
暖気は、バタフライバルブ８１が所定量の冷却水を循環させる程度に開弁された状態で開始される。例えば、弁体８２がＣ点で停止している状態で、暖気が開始されるとする。このとき、図の右方向から流れてきた冷却水は、バタフライバルブ８１によって流れを妨げられる。具体的には、冷却水の重力方向に対して下方の流れが妨げられて滞留する。一方、重力方向に対して上方の流れは、バタフライバルブ８１を通って左方向へと進んでいく。したがって、バタフライバルブ８１を設けることにより、迂回路６を通って燃料電池システム１内を循環する冷却水の量を少なくすることができる。また、一般に、冷却水は温度分布を有しており、上方の水温は下方の水温よりも高い傾向にある。したがって、バタフライバルブ８１を設けて下方の冷却水の流れを妨げることにより、温かい上方の冷却水のみを循環させることができる。
【００２４】
このように、本実施の形態によれば、迂回路から流出する冷却水の量を少なくし、さらに、冷たい冷却水を滞留させて温かい冷却水が循環するようにしているので、循環する冷却水の昇温時間を短くして短時間で暖気を終えることが可能となる。
【００２５】
循環している冷却水の温度は次第に上昇していくので、水温が所定の温度に達した後は、バタフライバルブ８１を開弁して、滞留している水温の低い冷却水も循環するようにする。この際、バタフライバルブ８１は、連続的（または、間欠的）に弁開度が大きくなるようにすることが好ましい。具体的には、弁体８２をＣ点からＢ点の方向へ徐々に移動させることによって、弁開度が次第に大きくなるようにする。
【００２６】
バタフライバルブ８１を一気に開弁すると、温かい冷却水に大量の冷たい冷却水が混合することになり、循環する冷却水の温度が急激に低下するおそれがある。一方、連続的（または、間欠的）に弁開度が大きくなるようにバタフライバルブ８１を開弁すれば、温かい冷却水に冷たい冷却水が少しずつ混合して行くので、循環する冷却水の温度が急激に低下するのを防ぐことができる。
【００２７】
図４（ａ）は、冷却水の循環量の制御を示すフローチャートの一例である。また、図４（ｂ）は、循環ポンプの回転数および冷却水の温度と、バタフライバルブの弁開度との関係を示す図である。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、燃料電池の起動時は冷却水の温度が低く、この状態で暖気が開始される（ステップ１）。まず、冷却水を循環させる循環ポンプの回転数を燃料電池の発電量に応じた値に設定する（ステップ２）。尚、発電量に代えて水温に応じた回転数としてもよい。この場合、温度センサは、図１に示す燃料電池２の冷却水流出口２ｂ付近に設けることが好ましい。
【００２９】
次いで、予め求めた等開度線マップ（図４（ｂ））を参照し、循環ポンプの回転数と水温から、バタフライバルブ８１の弁開度を決定する（ステップ３）。そして、発電量または水温に応じて、循環ポンプの回転数を再度設定する（ステップ１）。
【００３０】
上記のステップ１〜３を繰り返した後、弁開度が等開度線マップの上限を超える値となったところで、バタフライバルブ８１を全開になるまでゆっくりと開弁して行く（ステップ４）。そして、バタフライバルブ８１が全開となった状態で、バタフライバルブ８１の起動を終了する（ステップ５）。
【００３１】
以上は、バタフライバルブ８１の開弁について述べたものである。一方、バタフライバルブ８１を完全に閉弁することによって、次のような効果を得ることができる。
【００３２】
例えば、燃料電池２の発電量が急増した場合には、燃料電池２の過熱を抑制するために、低温の冷却水を大量に循環させる必要が生じる。このとき、サーモバルブ７が作動して、冷却水の流路が、迂回路６を通る流路からラジエータ４を通る流路に切り替わるには、ある程度の時間を要する。このため、サーモバルブ７による制御だけでは、燃料電池２の発電量の急増への対応には限度があり、ある幅でしか対処できない。一方、バタフライバルブ８１を完全に閉弁すれば、冷却水は必ずラジエータ４を経由するようになる。ここで、バタフライバルブ８１は短時間での開閉が可能である。したがって、サーモバルブ７による流路の切り替えに代えてバタフライバルブ８１を閉弁すれば、燃料電池２の発電量の急増に迅速に対応することが可能となる。
【００３３】
燃料電池２の発電量の変動は、例えば、電流値で観測することができる。具体的には、単位時間あたりの電流値の変化が所定の範囲を超えた場合には、バタフライバルブ８１を動かしてＡ点で停止させる。これにより、迅速にバタフライバルブ８１を閉弁することができる。尚、電流値に代えて水温の変動を観測し、水温が所定値を超えた場合にバタフライバルブ８１が閉弁するようにしてもよい。そして、電流値または水温が安定値になった後は、再びバタフライバルブ８１を開弁する。そして、これ以降の冷却水の流路は、サーモバルブ７によって制御すればよい。
【００３４】
尚、本実施の形態においては、迂回路６でなく、迂回路６と循環路５の合流点９，１０から燃料電池２までの流路に堰８が設けられていてもよい。（図１では、合流点９にサーモバルブ７が設けられている。）この場合にも上記と同様の効果を得ることができる。但し、冷却水は、暖気の際には迂回路６を通って循環するが、通常の動作時にはラジエータ４を通って循環するので、暖気時における冷却水の昇温に有効な堰８は、循環路５に設けられるよりも迂回路６に設けられた方が好ましい。また、通常の動作時には、燃料電池２の発電量の急増などによって、冷却水を大量に循環させる必要が生じる場合もあることから、冷却水が循環する流路には、圧損を生じさせる部材ができるだけ少ないことが好ましい。迂回路６に堰８を設ければ、循環路５に設けた場合に比較して、通常の動作時の圧損を低減することができる。
【００３５】
また、本実施の形態においては複数の堰を設けてもよい。
【００３６】
図５は、冷却水の流れる方向に沿って、迂回路６にバラフライバルブを２つ設けた例である。このようにすることによって、流れを妨げられた下方の冷却水は、第１のバタフライバルブ８１ａと第２のバタフライバルブ８１ｂのそれぞれ上流側に滞留する。この場合、第１のバタフライバルブ８１ａの上流側には、第２のバタフライバルブ８１ｂが設けられているので、第１のバタフライバルブ８１ａによって流れを妨げられた冷却水はこれらの間に滞留する。したがって、バタフライバルブが１つだけである場合に比較すると、より効果的に下方の冷却水を滞留させておくことができるので、下方の冷却水が、第１のバタフライバルブ８１ａを越えて流れ出てしまうのを抑制することができる。
【００３７】
また、堰を２箇所に設ける場合には、これらの間の距離が大きくなるようにして配置することが好ましい。このようにすると、温度の低い下方の冷却水を滞留させる領域が大きくなるので、より効果的に温かい冷却水を優先して循環させることができる。したがって、循環する冷却水の昇温時間を一層短くして、より短時間で暖気を終えることが可能となる。
【００３８】
また、上記の場合において、迂回路６と循環路５の合流点９，１０から燃料電池２までの流路に、２つの堰を設ける際には、図１に示すように、燃料電池２の冷却水流入口２ａの付近に循環ポンプ３を配置した上で、一方を合流点９と循環ポンプ３の間に設け、他方を合流点１０と燃料電池２の冷却水流出口２ｂとの間に設けることが好ましい。尚、循環ポンプ３の下流側に堰を設けないのは、冷却水の滞留が循環ポンプ３によって妨げられるのを防ぐためである。
【００３９】
さらに、堰を２箇所に設ける場合には、上流側の堰の方が、下流側の堰よりも先に開弁するようにすることが好ましい。このようにすると、まず、上流側の堰によって流れを妨げられていた低温の冷却水が、徐々に下流側に流れ出すようになる。このとき、低温の冷却水は高温の冷却水と一緒になって流れて行く。そして、下流側の堰によって再び流れを妨げられて、下方の冷却水が滞留する。次に、下流側の堰が開弁すると、滞留していた冷却水も次第に循環するようになる。このように、開弁のタイミングをずらすことによって、水温の低い冷却水が徐々に流れ出すようにすることができるので、循環する冷却水の温度が急激に変化するのを防ぐことができる。
【００４０】
また、堰として、サーモバルブ７より低温で開弁する他のサーモバルブを用いてもよい。
【００４１】
例えば、１０℃以下の水温では、所定量の冷却水が循環する程度でしか開弁されない第１のサーモバルブを迂回路６に設ける。また、サーモバルブ７として、６０℃で作動して冷却水の流路を切り替える第２のサーモバルブを設ける。水温が１０℃以下である場合には、迂回路６における冷却水の流れは第１のサーモバルブによって妨げられて、比較的温度の高い上方の冷却水が燃料電池システム１内を循環する。そして、水温が１０℃を超えると、第１のサーモバルブはさらに開弁する。このとき、冷却水の温度が急変するのを防ぐために、水温の上昇に応じて徐々に（または、間欠的に）開弁するようにしておくことが好ましい。さらに、水温が６０℃になると第２のサーモバルブが作動し、冷却水は迂回路６ではなく、ラジエータ４を通って燃料電池システム１内を循環するようになる。
【００４２】
以上述べた暖気は、燃料電池の起動時に行ってもよいし、燃料電池の運転停止後に行ってもよい。起動時に行う場合には、堰を設けることによって、燃料電池の出力が制限される時間を短縮することができる。一方、運転停止後に行う場合には、燃料電池システム内に残存した水を除去する時間を短縮することができる。
【００４３】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００４４】
例えば、上記実施の形態においては、バタフライバルブの弁体は必ずしも円形である必要はない。例えば、図３（ｂ）に示すように、弁軸８３′に対して弁体８２′の上側部分とリングパッキン８５′との間に、弁体８２′の動きにかかわらず常に開口部８６を有するバタフライバルブ８１′であってもよい。これは、次の理由による。
【００４５】
上述したように、暖気の際には、冷却水は迂回路６を通って循環する。例えば、サーモバルブ７が作動して冷却水の流路を切り替える温度が６０℃であるとする。暖気開始時には温度が低く、サーモバルブ７は、冷却水が迂回路６を通って循環するようになっている。また、このとき、堰８は、所定量の冷却水を循環させる程度に開弁される。次いで、冷却水の温度上昇とともに、堰８をさらに開弁する。そして、水温が６０℃に達するとサーモバルブ７が作動して、冷却水は、迂回路６ではなくラジエータ４を通って循環するようになる。
【００４６】
このように、冷却水の流路の切替はサーモバルブ７によって行われるので、堰８が、完全に冷却水の流れを止められるような構造を有している必要は必ずしもない。むしろ、図３（ｂ）の構造のバタフライバルブ８１′のように、最初から暖気開始時に必要な量の冷却水を循環させる程度に開弁されていれば、開弁に要する時間を不要とすることができるので、暖気時間の短縮にさらに有益である。但し、この場合、燃料電池２の発電量が急増する事態に対してはサーモバルブ７による流路の切り替えで対処せざるを得ないので、いずれの構造のバタフライバルブ（８１，８１′）を選択するかは、それぞれの長所と欠点を比較考量して決定することが必要となる。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、冷却水の重力方向に対して下方の流れを滞留させる一方で、重力方向に対して上方の流れが燃料電池システム内を循環するようにしている。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、重力方向に対して上方の流れを滞留させて、重力方向に対して下方の流れが循環するようにしてもよい。これによっても、循環する冷却水の流量を少なくすることができるので、冷却水の温度を速く上昇させて、暖気を短時間で終わらせることができる。
【００４８】
具体的には、冷却水の流れの方向に沿って第１のバタフライバルブと第２のバタフライバルブを配管の上部に設け、これらのバタフライバルブによって、上方を流れる冷却水の流れが妨げられるようにすればよい。この場合、下方の流れは妨げられないので、循環する冷却水の流量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施の形態における燃料電池システムの部分構成図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態に適用可能なバタフライバルブの平面図も例である。
【図３】本実施の形態における燃料電池システムの迂回路の断面模式図の一例である。
【図４】本実施の形態において、（ａ）は冷却水の循環量の制御を示すフローチャートであり、（ｂ）は、循環ポンプの回転数および冷却水の温度と、バタフライバルブの弁開度との関係を示す図である。
【図５】本実施の形態における燃料電池システムの迂回路の断面模式図の他の例である。
【符号の説明】
【００５０】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  循環ポンプ
４  ラジエータ
５  循環路
６  迂回路
７  サーモバルブ
８  堰
９，１０  合流点
１１  配管
１２  段差
８１  バタフライバルブ
８２  弁体
８３  弁軸
８４  バルブケーシング
８５  リングパッキン
８６  開口部
【図１】
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【図２】
2007052947.tif 000004
【図３】
2007052947.tif 000005
【図４】
2007052947.tif 000006
【図５】
2007052947.tif 000007