特開 2024-171791 水電解・燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024171791

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】水電解・燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/021 20210101AFI20241205BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241205BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20241205BHJP

   H01M 8/0656 20160101ALI20241205BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241205BHJP

   H01M 8/043 20160101ALI20241205BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241205BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241205BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20241205BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241205BHJP

【ＦＩ】

C25B15/021

H01M8/04 N

H01M8/04029

H01M8/0656

H01M8/04746

H01M8/043

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B15/00 303

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023089001

(22)【出願日】2023-05-30

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊澤 康浩

(72)【発明者】

【氏名】芳賀 美祐

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC05

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB21

5H127BA02

5H127BA14

5H127BA46

5H127BA57

5H127BA59

5H127BB02

5H127CC06

5H127DA13

5H127DC80

5H127DC85

5H127EE12

5H127EE15

5H127EE19

5H127EE22

(57)【要約】

【課題】本開示は、水電解モジュール（ＷＥＭ）と燃料電池モジュール（ＦＣＭ）に熱媒体を循環させる熱媒体流路の圧力損失を低減するととともに、ＷＥＭの機能低下を抑制可能な水電解・燃料電池システムを提供する。
【解決手段】熱媒体流路４１は、熱媒体とＷＥＭ２とを熱交換させる流路４１１と、その流路４１１よりも熱媒体の流れの下流側で熱媒体とＦＣＭ３とを熱交換させる流路４１２と、ＷＥＭ２を迂回する流路４１３と、ＦＣＭ３を迂回する流路４１４と、を有する。制御装置は、ＷＥＭ２の運転中かつＦＣＭ３の停止中に、制御弁４２１により流路４１１を開いて流路４１３を閉じ、第２制御弁４２２により流路４１２を閉じて流路４１４を開く。また、制御装置は、ＷＥＭ２の停止中かつＦＣＭ３の運転中に、制御弁４２１により流路４１１を閉じて流路４１３を開き、制御弁４２２により流路４１２を開いて流路４１４を閉じる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解モジュールと、燃料電池モジュールと、前記水電解モジュールおよび前記燃料電池モジュールと熱交換する熱媒体を循環させる熱媒体循環装置と、前記熱媒体循環装置を制御する制御装置と、を備えた水電解・燃料電池システムであって、
前記熱媒体循環装置は、前記熱媒体が循環する熱媒体流路と、前記制御装置によって制御されて前記熱媒体流路を開閉する複数の制御弁と、を有し、
前記熱媒体流路は、前記熱媒体と前記水電解モジュールとを熱交換させる第１熱交換流路と、前記第１熱交換流路よりも前記熱媒体の流れの下流側で前記熱媒体と前記燃料電池モジュールとを熱交換させる第２熱交換流路と、前記水電解モジュールを迂回する第１迂回流路と、前記燃料電池モジュールを迂回する第２迂回流路と、を有し、
前記複数の制御弁は、前記第１熱交換流路および前記第１迂回流路を開閉可能な第１制御弁と、前記第２熱交換流路および前記第２迂回流路を開閉可能な第２制御弁とを有し、
前記制御装置は、前記水電解モジュールの運転中かつ前記燃料電池モジュールの停止中に、前記第１制御弁により前記第１熱交換流路を開いて前記第１迂回流路を閉じ、前記第２制御弁により前記第２熱交換流路を閉じて前記第２迂回流路を開き、前記水電解モジュールの停止中かつ前記燃料電池モジュールの運転中に、前記第１制御弁により前記第１熱交換流路を閉じて前記第１迂回流路を開き、前記第２制御弁により前記第２熱交換流路を開いて前記第２迂回流路を閉じることを特徴とする水電解・燃料電池システム。

【請求項2】

前記第１制御弁は、前記第１熱交換流路を開閉する第１熱交換弁と、前記第１迂回流路を開閉する第１迂回弁と、を有し、
前記第２制御弁は、前記第２熱交換流路を開閉する第２熱交換弁と、前記第２迂回流路を開閉する第２迂回弁と、を有し、
前記制御装置は、前記水電解モジュールの停止前かつ前記燃料電池モジュールの起動前に前記第２迂回弁を閉じて前記第２熱交換弁を開き、前記水電解モジュールの起動前かつ前記燃料電池モジュールの停止前に前記第１迂回弁を閉じて前記第１熱交換弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の水電解・燃料電池システム。

【請求項3】

前記熱媒体は、燃料電池用クーラントであり、
前記水電解モジュールは、水電解スタックと、該水電解スタックに純水を供給する純水流路とを有することを特徴とする請求項１に記載の水電解・燃料電池システム。

【請求項4】

前記水電解モジュールは、前記純水を貯留する純水タンクを備え、
前記熱媒体流路は、前記第２熱交換流路よりも前記熱媒体の流れの下流側に設けられて前記熱媒体と前記純水タンクに貯留された前記純水とを熱交換させる第３熱交換流路を有することを特徴とする請求項３に記載の水電解・燃料電池システム。

【請求項5】

前記熱媒体流路は、前記第１熱交換流路において前記水電解モジュールよりも前記熱媒体の流れの上流側に設けられた熱交換器を有し、
前記熱交換器は、前記第１熱交換流路を流れる前記熱媒体と熱交換する冷媒を流通させる冷媒流路を有することを特徴とする請求項１に記載の水電解・燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水電解モジュールと燃料電池モジュールとを備えた水電解・燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から冷媒冷却装置と、複数の燃料電池モジュールを有する燃料電池システムが知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された燃料電池システムは、複数の燃料電池本体を流れる冷媒の流量のばらつきを抑えつつ、各燃料電池本体の状態に応じた冷媒流量の調整を可能とする。

【0003】

また、固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルとを一体型にした可逆セルを用いた充放電システムが知られている（下記特許文献２を参照）。特許文献２に記載された充放電システムは、水電解運転時において原料水が供給されかつ酸素が発生する酸素発生極に対して、燃料電池運転時には水素を供給し、水電解運転時に水素が発生する水素発生極に対して、燃料電池運転時には酸化剤を供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－１１８９４７号公報

【特許文献2】特開２０１４－１９４９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池モジュールの少なくとも一つを水電解モジュールに置き換えることを想定する。この場合、燃料電池モジュールと熱交換する熱媒が流れる熱媒体流路と、水電解モジュールと熱交換する熱媒体が流れる熱媒体流路とを直列に接続すると、圧力損失が大きくなる。また、水電解モジュールと熱交換する熱媒が流れる熱媒体流路に水電解モジュールの作動温度よりも高温の熱媒体が流入し、水電解モジュールの機能が低下するおそれがある。

【0006】

本開示は、水電解モジュールと燃料電池モジュールに熱媒体を循環させる熱媒体流路の圧力損失を低減するととともに、水電解モジュールの機能低下を抑制可能な水電解・燃料電池システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、水電解モジュールと、燃料電池モジュールと、前記水電解モジュールおよび前記燃料電池モジュールと熱交換する熱媒体を循環させる熱媒体循環装置と、前記熱媒体循環装置を制御する制御装置と、を備えた水電解・燃料電池システムであって、前記熱媒体循環装置は、前記熱媒体が循環する熱媒体流路と、前記制御装置によって制御されて前記熱媒体流路を開閉する複数の制御弁と、を有し、前記熱媒体流路は、前記熱媒体と前記水電解モジュールとを熱交換させる第１熱交換流路と、前記第１熱交換流路よりも前記熱媒体の流れの下流側で前記熱媒体と前記燃料電池モジュールとを熱交換させる第２熱交換流路と、前記水電解モジュールを迂回する第１迂回流路と、前記燃料電池モジュールを迂回する第２迂回流路と、を有し、前記複数の制御弁は、前記第１熱交換流路および前記第１迂回流路を開閉可能な第１制御弁と、前記第２熱交換流路および前記第２迂回流路を開閉可能な第２制御弁とを有し、前記制御装置は、前記水電解モジュールの運転中かつ前記燃料電池モジュールの停止中に、前記第１制御弁により前記第１熱交換流路を開いて前記第１迂回流路を閉じ、前記第２制御弁により前記第２熱交換流路を閉じて前記第２迂回流路を開き、前記水電解モジュールの停止中かつ前記燃料電池モジュールの運転中に、前記第１制御弁により前記第１熱交換流路を閉じて前記第１迂回流路を開き、前記第２制御弁により前記第２熱交換流路を開いて前記第２迂回流路を閉じることを特徴とする水電解・燃料電池システムである。

【発明の効果】

【0008】

本開示の上記一態様によれば、水電解モジュールと燃料電池モジュールに熱媒体を循環させる熱媒体流路の圧力損失を低減するととともに、水電解モジュールの機能低下を抑制可能な水電解・燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態１を示す概略構成図。

【図2】図１の水電解・燃料電池システムの変形例を示す概略構成図。

【図3】図１の水電解・燃料電池システムの動作を説明するタイムチャート。

【図4】本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態２を示す概略構成図。

【図5】本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態３を示す概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態を説明する。

【0011】

［実施形態１］
図１は、本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態１を示す概略構成図である。図２は、図１の水電解・燃料電池システム１の変形例を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、特に必要な場合を除いて、水電解モジュール２を「ＷＥＭ２」と略記し、燃料電池モジュール３を「ＦＣＭ３」と略記する。

【0012】

図１および図２に示す本実施形態の水電解・燃料電池システム１，１Ａは、ＷＥＭ２と、ＦＣＭ３と、熱媒体循環装置４と、図示を省略する制御装置と、を備えている。ＷＥＭ２とＦＣＭ３は、たとえば、同時には運転せず、交互に運転する。

【0013】

ＷＥＭ２は、たとえば、複数の水電解セルが積層された水電解スタック２１によって構成されている。水電解セルは、たとえば、固体高分子形水電解セルであり、水を電気分解して水素を製造する。ＷＥＭ２は、たとえば、水電解スタック２１に水を供給する水供給系と、水電解スタック２１に電力を供給する電力供給系と、水電解スタック２１で生成される水素を回収する水素回収系と、を含む。

【0014】

ＦＣＭ３は、たとえば、ＷＥＭ２と同様に、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタック３１によって構成されている。燃料電池セルは、たとえば、固体高分子形燃料電池セルであり、水素と酸素が供給されて発電する。ＦＣＭ３は、たとえば、燃料電池スタック３１に水素を供給する水素供給系と、燃料電池スタック３１に空気を供給する空気供給系と、燃料電池スタック３１から排出されるオフガスを回収するオフガス回収系と、を含む。

【0015】

熱媒体循環装置４は、ＷＥＭ２およびＦＣＭ３と熱交換する熱媒体を循環させる装置である。熱媒体循環装置４は、熱媒体が循環する熱媒体流路４１と、制御装置によって制御されて熱媒体流路４１を開閉する複数の制御弁４２と、を有している。また、熱媒体循環装置４は、たとえば、ポンプ４３と、イオン交換器４４と、冷却装置４５と、を有している。

【0016】

図１に示す水電解・燃料電池システム１において、熱媒体循環装置４に循環させる熱媒体は、たとえば、純水である。また、図２に示す水電解・燃料電池システム１Ａにおいて、熱媒体循環装置４に循環させる熱媒体は、たとえば、燃料電池用クーラント（ＦＣＣ）である。燃料電池用クーラントは、不凍性を有し、パワーコントロールユニットに使用されるロングライフクーラント（ＬＬＣ）と比較して高い電気絶縁性を有している。

【0017】

熱媒体がＦＣＣである場合、ＷＥＭ２の水供給系は、たとえば、図２に示すように、純水を貯留する純水タンク２２と、純水タンク２２からＷＥＭ２へ純水を供給する純水流路２３と、その純水流路２３に設けられて純水を圧送する純水ポンプ２４とを有している。

【0018】

熱媒体流路４１は、第１熱交換流路４１１と、第２熱交換流路４１２と、第１迂回流路４１３と、第２迂回流路４１４と、を有している。

【0019】

第１熱交換流路４１１は、たとえば、ＷＥＭ２の水電解スタック２１を構成する複数の水電解セルの間を通るセル間流路と、そのセル間流路のマニホールドの入口と出口にそれぞれ接続される配管とを含む。第１熱交換流路４１１は、熱媒体を流通させることで、熱媒体とＷＥＭ２とを熱交換させる。

【0020】

より具体的には、第１熱交換流路４１１を流れる熱媒体の温度がＷＥＭ２の温度よりも低い場合には、ＷＥＭ２が熱媒体によって冷却される。一方、第１熱交換流路４１１を流れる熱媒体の温度がＷＥＭ２の温度よりも高い場合には、ＷＥＭ２が熱媒体によって温められる。

【0021】

第２熱交換流路４１２は、たとえば、ＦＣＭ３の燃料電池スタック３１を構成する複数の燃料電池セルの間に形成されるセル間流路と、そのセル間流路のマニホールドの入口と出口にそれぞれ接続される配管とを含む。第２熱交換流路４１２は、熱媒体を流通させることで、第１熱交換流路４１１よりも熱媒体の流れの下流側で、熱媒体とＦＣＭ３とを熱交換させる。

【0022】

より具体的には、第２熱交換流路４１２を流れる熱媒体温度がＦＣＭ３の温度よりも低い場合には、ＦＣＭ３が熱媒体によって冷却される。一方、第２熱交換流路４１２を流れる熱媒体の温度がＦＣＭ３の温度よりも高い場合には、ＦＣＭ３が熱媒体によって温められる。

【0023】

第１迂回流路４１３は、ＷＥＭ２を迂回するように設けられている。より具体的には、第１迂回流路４１３は、たとえば、熱媒体流路４１における熱媒体の流れ方向において、第１熱交換流路４１１の上流側の端部から分岐して、第１熱交換流路４１１の下流側の端部に連結され、第１熱交換流路４１１およびＷＥＭ２を迂回している。

【0024】

第２迂回流路４１４は、ＦＣＭ３を迂回するように設けられている。より具体的には、第２迂回流路４１４は、たとえば、熱媒体流路４１における熱媒体の流れ方向において、第２熱交換流路４１２の上流側の端部から分岐して、第２熱交換流路４１２の下流側の端部に連結され、第２熱交換流路４１２およびＦＣＭ３を迂回している。

【0025】

複数の制御弁４２は、第１制御弁４２１と、第２制御弁４２２と、を有している。第１制御弁４２１は、第１熱交換流路４１１および第１迂回流路４１３をそれぞれ開閉可能に設けられ、第２制御弁４２２は、第２熱交換流路４１２および第２迂回流路４１４をそれぞれ開閉可能に設けられている。

【0026】

より具体的には、第１制御弁４２１は、第１熱交換流路４１１を開閉する第１熱交換弁４２１ａと、第１迂回流路４１３を開閉する第１迂回弁４２１ｂと、を有している。また、第２制御弁４２２は、第２熱交換流路４１２を開閉する第２熱交換弁４２２ａと、第２迂回流路４１４を開閉する第２迂回弁４２２ｂと、を有している。

【0027】

なお、第１制御弁４２１は、たとえば、第１熱交換流路４１１を開いて第１迂回流路４１３を閉じた第１熱交換状態と、第１熱交換流路４１１を閉じて第１迂回流路４１３を開いた第１迂回状態とを切り替え可能な三方弁であってもよい。また、第２制御弁４２２は、第２熱交換流路４１２を開いて第２迂回流路４１４を閉じた第２熱交換状態と、第２熱交換流路４１２を閉じて第２迂回流路４１４を開いた第２迂回状態とを切り替え可能な三方弁であってもよい。

【0028】

ポンプ４３は、たとえば、熱媒体流路４１の途中に設けられ、熱媒体を圧送する。より詳細には、ポンプ４３は、たとえば、冷却装置４５とイオン交換器４４との間の熱媒体流路４１に設けられ、冷却装置４５の出口からイオン交換器４４の入口へ熱媒体を圧送する。

【0029】

イオン交換器４４は、たとえば、イオン交換樹脂を用いてＦＣＣまたは純水中の不純物イオンを取り除き、ＦＣＣおよび純水の電気絶縁性を維持する。イオン交換器４４は、たとえば、熱媒体流路４１を流れる熱媒体の流れ方向において、第１熱交換流路４１１よりも上流側に設けられている。

【0030】

冷却装置４５は、たとえば、ＷＥＭ２またはＦＣＭ３との熱交換によって温度が上昇した熱媒体の熱を、冷却装置４５を通過する空気に放熱することによって熱媒体を冷却するラジエータである。

【0031】

図示を省略する水電解・燃料電池システム１，１Ａの制御装置は、ＷＥＭ２およびＦＣＭ３に熱媒体を循環させる熱媒体循環装置４を制御する。制御装置は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリと、タイマと、入出力部と、を備える一つ以上のマイクロコントローラによって構成することができる。制御装置は、たとえば、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵによって実行することで、第１制御弁４２１および第２制御弁４２２を含む熱媒体循環装置４の複数の制御弁４２の開閉を制御する。

【0032】

以下、図３を参照して、水電解・燃料電池システム１，１Ａの動作を説明する。図３は、図１および図２の水電解・燃料電池システム１，１Ａの動作を説明するタイムチャートである。より詳細には、図３の上段の４つのチャートは、ＷＥＭ２の運転中および暖機中にそれぞれＯＮになるＷＥＭ運転中フラグおよびＷＥＭ暖機中フラグと、ＦＣＭ３の運転中および暖機中にそれぞれＯＮになるＦＣＭ運転中フラグおよびＦＣＭ暖機中フラグと、を示している。

【0033】

また、図３の中段の３つのグラフは、水電解モジュール（ＷＥＭ）２の上流側と下流側の熱媒体温度と、燃料電池モジュール（ＦＣＭ）３の上流側と下流側の熱媒体温度と、冷却装置４５の上流側と下流側の熱媒体温度を、それぞれ一点鎖線（上流側の熱媒体温度）と破線（下流側の熱媒体温度）で示している。また、図３の下段の４つのチャートは、第１制御弁４２１および第２制御弁４２２、すなわち、第１迂回弁４２１ｂおよび第１熱交換弁４２１ａならびに第２迂回弁４２２ｂおよび第２熱交換弁４２２ａの開閉状態を示している。

【0034】

図３に示すように、水電解・燃料電池システム１，１Ａは、たとえば、時刻ｔ０において、ＷＥＭ２が運転中（ＷＥＭ運転中フラグ：ＯＮ）かつＦＣＭ３が停止中（ＦＣＭ運転中フラグ：ＯＦＦ）である。この状態で、水電解・燃料電池システム１，１Ａの制御装置は、第１制御弁４２１により第１熱交換流路４１１を開いて第１迂回流路４１３を閉じ、第２制御弁４２２により第２熱交換流路４１２を閉じて第２迂回流路４１４を開いている。より具体的には、制御装置は、たとえば、図３の下段の４つのチャートに示すように、第１熱交換弁４２１ａを開いて第１迂回弁４２１ｂを閉じ、第２熱交換弁４２２ａを閉じて第２迂回弁４２２ｂを開いている。

【0035】

これにより、熱媒体流路４１を流れる熱媒体は、第１熱交換流路４１１を通り、運転中のＷＥＭ２と熱交換することで、ＷＥＭ２を冷却して温度が上昇する。その後、第１熱交換流路４１１を通過した熱媒体は、停止中のＦＣＭ３と熱交換することなくＦＣＭ３を迂回する第２迂回流路４１４を通り、冷却装置４５へ流入し、冷却装置４５で冷却されて温度が低下する。

【0036】

その結果、図３の中段のグラフに示すように、ＷＥＭ２の下流側の熱媒体温度（破線）が、ＷＥＭ２の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）よりも高くなる。また、熱媒体が第２迂回流路４１４を通ることで、ＦＣＭ３の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）とＦＣＭ３の下流側の熱媒体温度（破線）が概ね等しくなる。また、冷却装置４５の下流側の熱媒体温度（破線）は、冷却装置４５の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）よりも低くなっている。

【0037】

その後、制御装置は、たとえば、ＷＥＭ２の停止前かつＦＣＭ３の起動前の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、図３の上段に示すＦＣＭ暖機中フラグをＯＮにしてＦＣＭ３を暖機する。この時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、制御装置は、たとえば、図３の下段に示すように、第２迂回弁４２２ｂを閉じて第２熱交換弁４２２ａを開く。

【0038】

これにより、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、第１熱交換流路４１１を通過して温度が上昇した熱媒体が第２熱交換流路４１２に流入し、図３の中段に示すＦＣＭ３の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）が所定の温度まで上昇する。そして、温度が上昇した熱媒体が第２熱交換流路４１２を通過することで、起動前のＦＣＭ３と熱交換してＦＣＭ３を暖機する。その結果、起動前のＦＣＭ３の温度が上昇することで、ＦＣＭ３の下流側の熱媒体温度（破線）が徐々に上昇して、ＦＣＭ３の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）と概ね等しくなる。

【0039】

制御装置は、たとえば、時刻ｔ２において、図３の中段に示すＦＣＭ３の上流側と下流側の熱媒体温度の差が所定値以下になると、図３の上段のグラフに示すように、ＦＣＭ暖機中フラグをＯＦＦにして、ＦＣＭ運転中フラグをＯＮにする。また、制御装置は、ＷＥＭ運転中フラグをＯＦＦにする。同時に、制御装置は、たとえば、ＷＥＭ２の運転を停止させ、ＦＣＭ３を起動させる。

【0040】

また、制御装置は、たとえば、ＷＥＭ２が停止中かつＦＣＭ３が運転中である時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、第１制御弁４２１により第１熱交換流路４１１を閉じて第１迂回流路４１３を開き、第２制御弁４２２により第２熱交換流路４１２を開いて第２迂回流路４１４を閉じる。より具体的には、制御装置は、たとえば、図３の下段の４つのチャートに示すように、第１熱交換弁４２１ａを閉じて第１迂回弁４２１ｂを開き、第２熱交換弁４２２ａを開いて第２迂回弁４２２ｂを閉じている。

【0041】

これにより、熱媒体流路４１を流れる熱媒体は、ＷＥＭ２と熱交換することなくＷＥＭ２を迂回する第１迂回流路４１３を通過する。また、第１迂回流路４１３を通過した熱媒体は、第２熱交換流路４１２を流れ、ＦＣＭ３と熱交換することで、ＦＣＭ３を冷却して温度が上昇する。その後、第２熱交換流路４１２を通過した熱媒体は、冷却装置４５へ流入し、冷却装置４５で冷却されて温度が低下する。

【0042】

その結果、図３の中段のグラフに示すように、時刻ｔ２後に停止中のＷＥＭ２の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）とＷＥＭ２の下流側の熱媒体温度（点線）とが概ね等しくなる。また、熱媒体が第２熱交換流路４１２を通ることで、運転中のＦＣＭ３の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）よりもＦＣＭ３の下流側（破線）の熱媒体温度が高くなる。また、冷却装置４５の下流側の熱媒体温度（破線）は、冷却装置４５の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）よりも低くなっている。

【0043】

その後、制御装置は、たとえば、ＷＥＭ２の起動前かつＦＣＭ３の停止前の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、図３の上段に示すＷＥＭ暖機中フラグをＯＮにしてＷＥＭを暖機する。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、制御装置は、たとえば、図３の下段に示すように、第１迂回弁４２１ｂを閉じて第１熱交換弁４２１ａを開く。

【0044】

これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、第２熱交換流路４１２を通過して温度が上昇した熱媒体は、冷却装置４５で冷却され、イオン交換器４４を通過して第１熱交換流路４１１に流入する。これにより、図３の中段に示すＷＥＭ２の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）が所定の温度まで上昇する。そして、温度が上昇した熱媒体が第１熱交換流路４１１を通過することで、起動前のＷＥＭ２と熱交換してＷＥＭ２を暖機する。

【0045】

その結果、起動前のＷＥＭ２の温度が上昇することで、ＷＥＭ２の下流側の熱媒体温度（破線）が徐々に上昇して、ＷＥＭ２の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）に近づく。なお、ＷＥＭ２の暖機中は、第１熱交換流路４１１のＷＥＭ２よりも上流側を流れる熱媒体の温度、すなわち、冷却装置４５の出口における熱媒体の温度は、ＷＥＭ２の耐熱温度以下である必要がある。

【0046】

制御装置は、たとえば、時刻ｔ４において、図３の中段に示すＷＥＭ２の上流側と下流側の熱媒体温度の差が所定値以下になると、図３の上段のグラフに示すＷＥＭ暖機中フラグをＯＦＦにして、ＷＥＭ運転中フラグをＯＮにする。また、制御装置は、ＦＣＭ運転中フラグをＯＦＦにする。同時に、制御装置は、たとえば、ＷＥＭ２を起動させ、ＦＣＭ３を停止させる。制御装置は、ＷＥＭ２が運転中かつＦＣＭ３が停止中である場合、第１制御弁４２１により第１熱交換流路４１１を開いて第１迂回流路４１３を閉じ、第２制御弁４２２により第２熱交換流路４１２を閉じて第２迂回流路４１４を開く。

【0047】

より具体的には、制御装置は、たとえば、図３の下段の４つのチャートに示すように、第１熱交換弁４２１ａを開いて第１迂回弁４２１ｂを閉じ、第２熱交換弁４２２ａを閉じて第２迂回弁４２２ｂを開く。これにより、熱媒体は、第１熱交換流路４１１を通り、ＷＥＭ２と熱交換することで、ＷＥＭ２を冷却して温度が上昇する。また、第１熱交換流路４１１を通過した熱媒体は、ＦＣＭ３と熱交換することなくＦＣＭ３を迂回する第２迂回流路４１４を通り、冷却装置４５へ流入し、冷却装置４５で冷却されて温度が低下する。

【0048】

その結果、図３の中段のグラフに示すように、ＷＥＭ２の下流側の熱媒体温度（破線）が、ＷＥＭ２の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）よりも高くなる。また、熱媒体が停止中のＦＣＭ３を迂回する第２迂回流路４１４を通り、ＦＣＭ３の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）と下流側の熱媒体温度（破線）が低下して概ね等しくなる。また、冷却装置４５の下流側の熱媒体温度（破線）は、冷却装置４５の上流側の熱媒体温度（一点鎖線）よりも低くなっている。時刻ｔ５以降の水電解・燃料電池システム１，１Ａの動作は、時刻ｔ１以降と同様である。

【0049】

以上のように、本実施形態およびその変形例の水電解・燃料電池システム１，１Ａは、水電解モジュール２と、燃料電池モジュール３と、水電解モジュール２および燃料電池モジュール３と熱交換する熱媒体を循環させる熱媒体循環装置４と、その熱媒体循環装置４を制御する制御装置と、を備えている。熱媒体循環装置４は、熱媒体が循環する熱媒体流路４１と、制御装置によって制御されて熱媒体流路４１を開閉する複数の制御弁４２と、を有する。熱媒体流路４１は、熱媒体と水電解モジュール２とを熱交換させる第１熱交換流路４１１と、その第１熱交換流路４１１よりも熱媒体の流れの下流側で、熱媒体と燃料電池モジュール３とを熱交換させる第２熱交換流路４１２と、水電解モジュール２を迂回する第１迂回流路４１３と、燃料電池モジュール３を迂回する第２迂回流路４１４と、を有する。複数の制御弁４２は、第１熱交換流路４１１および第１迂回流路４１３を開閉可能な第１制御弁４２１と、第２熱交換流路４１２および第２迂回流路４１４を開閉可能な第２制御弁４２２とを有する。制御装置は、水電解モジュール２の運転中かつ燃料電池モジュール３の停止中に、第１制御弁４２１により第１熱交換流路４１１を開いて第１迂回流路４１３を閉じ、第２制御弁４２２により第２熱交換流路４１２を閉じて第２迂回流路４１４を開く。また、制御装置は、水電解モジュール２の停止中かつ燃料電池モジュール３の運転中に、第１制御弁４２１により第１熱交換流路４１１を閉じて第１迂回流路４１３を開き、第２制御弁４２２により第２熱交換流路４１２を開いて第２迂回流路４１４を閉じる。

【0050】

このような構成により、ＷＥＭ２の運転中かつＦＣＭ３の停止中に、熱媒体が第１熱交換流路４１１を流れることで、熱媒体とＷＥＭ２との熱交換によってＷＥＭ２を冷却することができる。また、第１熱交換流路４１１を通過した熱媒体が、第２迂回流路４１４を通過してＦＣＭ３を迂回することで、熱媒体が第２熱交換流路４１２を通過する場合と比較して、圧力損失が低減される。同様に、ＷＥＭ２の停止中かつＦＣＭ３の運転中に、熱媒体がＷＥＭ２を迂回する第１迂回流路４１３を流れることで、熱媒体が第１熱交換流路４１１を通過する場合と比較して、圧力損失が低減される。また、第１迂回流路４１３を通過した熱媒体が第２熱交換流路４１２を流れることで、熱媒体とＦＣＭ３との熱交換によってＦＣＭ３を冷却することができる。また、熱媒体流路４１における熱媒体の流れ方向において、第１熱交換流路４１１を第２熱交換流路４１２よりも上流側に配置することで、ＦＣＭ３を冷却して温度がＷＥＭ２の作動温度を超えて上昇した熱媒体が第１熱交換流路４１１へ流入することが防止される。これにより、ＷＥＭ２の機能低下を防止することができる。

【0051】

また、本実施形態およびその変形例の水電解・燃料電池システム１，１Ａにおいて、第１制御弁４２１は、第１熱交換流路４１１を開閉する第１熱交換弁４２１ａと、第１迂回流路４１３を開閉する第１迂回弁４２１ｂと、を有している。第２制御弁４２２は、第２熱交換流路４１２を開閉する第２熱交換弁４２２ａと、第２迂回流路４１４を開閉する第２迂回弁４２２ｂと、を有している。制御装置は、水電解モジュール２の停止前かつ燃料電池モジュール３の起動前に第２迂回弁４２２ｂを閉じて第２熱交換弁４２２ａを開き、水電解モジュール２の起動前かつ燃料電池モジュール３の停止前に第１迂回弁４２１ｂを閉じて第１熱交換弁４２１ａを開く。

【0052】

このような構成により、たとえば、図３の時刻ｔ１－ｔ２間のように、ＷＥＭ２の停止前かつＦＣＭ３の起動前に、第１熱交換流路４１１を通過してＷＥＭ２との熱交換により温度が上昇した熱媒体を第２熱交換流路４１２に流して、ＦＣＭ３を暖機することができる。同様に、たとえば、図３の時刻ｔ３－ｔ４間のように、ＷＥＭ２の起動前かつＦＣＭ３の停止前に、第２熱交換流路４１２を通過してＦＣＭ３との熱交換により温度が上昇した熱媒体を第１熱交換流路４１１に流して、ＷＥＭ２を暖機することができる。また、熱媒体流路４１の熱媒体の流れ方向において、熱媒体とＷＥＭ２とを熱交換させる第１熱交換流路４１１が、熱媒体とＦＣＭ３とを熱交換させる第２熱交換流路４１２よりも上流側に配置されている。これにより、ＷＥＭ２の暖機の際に、ＦＣＭ３からカチオン溶出物がＷＥＭ２に流入することが抑制されるだけでなく、ＷＥＭ２の作動温度の上昇が回避され、ＷＥＭ２を構成する水電解セルの性能劣化を防止することができる。

【0053】

また、図２に示す水電解・燃料電池システム１Ａにおいて、熱媒体循環装置４を循環する熱媒体は、燃料電池用クーラントである。この場合、水電解モジュール２は、水電解スタック２１と、その水電解スタック２１へ純水を供給する純水流路２３とを有している。このような構成により、熱媒体として機能性に優れたＦＣＣを使用しつつ、ＷＥＭ２の水電解スタック２１へ純水を供給することができる。

【0054】

以上説明したように、本実施形態およびその変形例によれば、水電解モジュール２と燃料電池モジュール３に熱媒体を循環させる熱媒体流路４１の圧力損失を低減するととともに、水電解モジュール２の機能低下を抑制可能な水電解・燃料電池システム１，１Ａを提供することができる。

【0055】

［実施形態２］
以下、図４を参照して本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態２を説明する。図４は、本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態２を示す概略構成図である。本実施形態の水電解・燃料電池システム１Ｂにおいて、前述の水電解・燃料電池システム１，１Ａと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0056】

本実施形態の水電解・燃料電池システム１Ｂは、図２に示す水電解・燃料電池システム１Ａと同様に、熱媒体としてＦＣＣを用いている。そのため、水電解モジュール２は、純水を貯留する純水タンク２２を備えている。また、熱媒体流路４１は、第２熱交換流路４１２よりも熱媒体の流れの下流側に設けられて熱媒体と純水タンク２２に貯留された純水とを熱交換させる第３熱交換流路４１５を有している。

【0057】

このような構成により、水電解・燃料電池システム１Ｂの外部環境の温度が氷点下となる運転条件であっても、純水タンク２２に貯留された純水と第３熱交換流路４１５を流れる熱媒体とを熱交換させ、純水タンク２２に貯留された純水を温めることができる。したがって、純水タンク２２に貯留された純水の凍結を防止することができる。

【0058】

［実施形態３］
以下、図５を参照して本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態３を説明する。図５は、本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態３を示す概略構成図である。本実施形態の水電解・燃料電池システム１Ｃにおいて、前述の水電解・燃料電池システム１，１Ａと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0059】

本実施形態の水電解・燃料電池システム１Ｃの熱媒体循環装置４を構成する熱媒体流路４１は、第１熱交換流路４１１の水電解モジュール２よりも熱媒体の流れの上流側に設けられた熱交換器６を有している。熱交換器６は、第１熱交換流路４１１を流れる熱媒体と熱交換する冷媒を流通させる冷媒流路６１を有している。

【0060】

このような構成により、ＷＥＭ２の起動前の暖機中に、第１熱交換流路４１１へ流入する熱媒体の温度がＷＥＭ２の耐熱温度よりも高くなる場合に、第１熱交換流路４１１のＷＥＭ２よりも上流側で熱交換器６によって熱媒体を冷却することができる。これにより、ＷＥＭ２と熱交換する熱媒体の温度をＷＥＭ２の耐熱温度よりも低下させることができる。したがって、ＦＣＭ３の排熱を利用しつつ、ＷＥＭ２の耐熱温度以下の温度で、ＷＥＭ２を暖機することができる。

【0061】

以上、図面を用いて本開示に係る水電解・燃料電池システムの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

【符号の説明】

【0062】

１ 水電解・燃料電池システム
１Ａ－１Ｃ 水電解・燃料電池システム
２ 水電解モジュール（ＷＥＭ）
２１ 水電解スタック
２２ 純水タンク
２３ 純水流路
３ 燃料電池モジュール（ＦＣＭ）
４ 熱媒体循環装置
４１ 熱媒体流路
４１１ 第１熱交換流路
４１２ 第２熱交換流路
４１３ 第１迂回流路
４１４ 第２迂回流路
４１５ 第３熱交換流路
４２ 複数の制御弁
４２１ 第１制御弁
４２１ａ 第１熱交換弁
４２１ｂ 第１迂回弁
４２２ 第２制御弁
４２２ａ 第２熱交換弁
４２２ｂ 第２迂回弁
６ 熱交換器
６１ 冷媒流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】