特許 7490489 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04029 20160101AFI20240520BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240520BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04029

H01M8/0432

H01M8/04701

H01M8/04746

H01M8/04 J

H01M8/10 101

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020130378

(22)【出願日】2020-07-31

(65)【公開番号】P2022026761

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松岡 敬

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 陽介

(72)【発明者】

【氏名】石井 恵奈

(72)【発明者】

【氏名】吉永 典裕

(72)【発明者】

【氏名】山下 恭平

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２３４５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－６４５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－８７６３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池部を含む燃料電池システムであって、
燃料電池部を介して冷却水が循環する冷却水循環系と、
海水と前記冷却水循環系を循環する前記冷却水との間の熱交換を行うための熱交換系と、
前記熱交換を制御するための制御部と
を備え、
前記制御部は、前記冷却水循環系に関する温度が第１閾値以下であって、前記熱交換系において前記熱交換のために用いる前記海水の温度が前記第１閾値よりも高い第２閾値以上である場合に、前記熱交換によって前記冷却水を加熱する、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記冷却水循環系は、
前記燃料電池部に前記冷却水を供給するための冷却水ポンプ
を有し、
前記熱交換系は、
前記海水と前記冷却水循環系を循環する前記冷却水との間の熱交換を行うための海水熱交換器と、
前記海水を前記海水熱交換器に供給するための海水ポンプと
を有し、
前記制御部は、前記冷却水ポンプと前記海水ポンプとの少なくとも一つを駆動させることによって、前記熱交換による熱交換量を増加させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記海水熱交換器に前記冷却水が流入する冷却水流入温度と前記海水熱交換器から前記冷却水が流出する冷却水流出温度との間の温度差が、予め設定した設定温度差になるように、前記冷却水ポンプと前記海水ポンプとの少なくとも一つの動作を制御する、
請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記冷却水循環系は、
前記燃料電池部に前記冷却水を供給するための冷却水ポンプ
を有し、
前記熱交換系は、
前記冷却水との間で熱交換を行うための熱交換媒体が循環する熱交換媒体循環系と、
前記熱交換媒体と前記海水との間の熱交換を行うための海水熱交換器と
前記海水を前記海水熱交換器に供給するための海水ポンプと
を有し、
前記熱交換媒体循環系は、
前記熱交換媒体と前記冷却水との間の熱交換を行うための一次熱交換器と、
前記熱交換媒体を前記一次熱交換器に供給するための熱交換媒体ポンプと
を有し、
前記制御部は、前記冷却水ポンプと前記海水ポンプと前記熱交換媒体ポンプとの少なくとも一つを駆動させることによって、前記熱交換による熱交換量を増加させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御部は、前記海水熱交換器に前記熱交換媒体が流入する熱交換媒体流入温度と前記海水熱交換器から前記熱交換媒体が流出する熱交換媒体流出温度との間の温度差が、予め設定した設定温度差になるように、前記冷却水ポンプと前記海水ポンプと前記熱交換媒体ポンプとの少なくとも一つの動作を制御する、
請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記熱交換媒体循環系は、
前記一次熱交換器から排出された前記熱交換媒体が流れる第１熱源と、
前記第１熱源から流出した前記熱交換媒体が前記海水熱交換器を迂回して前記一次熱交換器へ流れる第１の海水熱交換器バイパス流路と、
前記第１の海水熱交換器バイパス流路に設けられた第１の海水熱交換器バイパス弁と、
前記第１熱源から前記海水熱交換器へ流入する前記熱交換媒体の流路において、前記海水熱交換器バイパス流路の入口よりも下流側であって、前記海水熱交換器よりも上流側に設けられている海水熱交換器入口弁と
を備え、
前記制御部は、前記第１の海水熱交換器バイパス弁の動作および前記海水熱交換器入口弁の動作を更に制御することによって、前記熱交換を調整する、
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記熱交換系は、
前記海水ポンプから排出された前記海水が流れる第２熱源と、
前記第２熱源から流出した前記海水が前記海水熱交換器を迂回して流れる第２の海水熱交換器バイパス流路と、
前記第２の海水熱交換器バイパス流路に設けられた第２の海水熱交換器バイパス弁と
を備え、
前記制御部は、前記第２の海水熱交換器バイパス弁の動作を更に制御することによって、前記熱交換を調整する、
請求項４から請求項６のいずれか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】

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを備える。燃料電池セルは、燃料極と空気極との間に電解質膜が介在している。燃料電池セルにおいては、水素を含む燃料極ガスが燃料極に供給されると共に、空気が空気極（酸化剤極）に供給されることによって、電気化学反応が生じて発電が行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開2006-236734号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池システムは、たとえば、海洋を移動する船舶において動力源などとして用いられる場合がある。燃料電池システムは、たとえば、船舶の甲板に設置される。このような場合において、燃料電池の停止時に環境温度が低下したときには、燃料電池の冷却の際に用いる冷却水が凍結する可能性がある。

【0005】

冷却水の凍結防止のために、従来においては、ヒーターを用いて加熱すること等が行われている。しかしながら、この場合には、消費電力が大きく、多くの機器が必要になる。

【0006】

上記のような事情により、従来においては、冷却水の凍結防止を容易かつ効率的に実施することが困難であった。

【0007】

したがって、本発明が解決しようとする課題は、冷却水の凍結防止を容易かつ効率的に実施可能な燃料電池システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態の燃料電池システムは、燃料電池部を含むと共に、燃料電池部を介して冷却水が循環する冷却水循環系と、海水と冷却水循環系を循環する冷却水との間の熱交換を行うための熱交換系と、熱交換を制御するための制御部とを備える。制御部は、冷却水循環系に関する温度が第１閾値以下であって、熱交換系において熱交換のために用いる海水の温度が第１閾値よりも高い第２閾値以上である場合に、熱交換によって冷却水を加熱する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態において、燃料電池部の全体構成を模式的に示す斜視図である。

【図3】図３は、第１実施形態において、燃料電池部の一部断面を拡大して示す断面図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【図5】図５は、第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【図6】図６は、第４実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜第１実施形態＞
［Ａ］構成
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【0011】

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池部１を含む。また、燃料電池システムは、冷却水循環系Ｓ１と熱交換系Ｓ２と制御部８０とを備える。
本実施形態の燃料電池システムは、たとえば、海洋を移動する船舶において動力源などとして用いられ、船舶の甲板に設置される。燃料電池システムを構成する各部について順次説明する。

【0012】

［Ａ－１］燃料電池部１
まず、燃料電池システムを構成する燃料電池部１の一例に関して、図２および図３を用いて説明する。

【0013】

図２は、第１実施形態において、燃料電池部の全体構成を模式的に示す斜視図である。図３は、第１実施形態において、燃料電池部の一部断面を拡大して示す断面図である。図２において、ｙ軸は、鉛直方向に沿っており、ｚ軸は、第１水平方向に沿っており、ｘ軸は、第１水平方向に直交する第２水平方向に沿っている。図３では、図２において水平面（ｘｚ面）に対応する断面の一部を示している。

【0014】

燃料電池部１は、図２に示すように、燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１と複数のセパレータ１２とを含み、燃料電池セル１１とセパレータ１２とが積層方向において交互に積層されている。燃料電池スタック１０は、積層方向において一対の締付板１５（エンドプレート）の間に介在しており、一対の締付板１５の間は、タイロッドやバンドなどの締結部材（図示省略）を用いて締め付けられている。

【0015】

［Ａ－１－１］燃料電池セル１１
燃料電池スタック１０において、燃料電池セル１１は、高分子電解質型であって、図３に示すように、高分子電解質膜１１０と燃料極１１１と空気極１１２とを含む。燃料電池セル１１は、高分子電解質膜１１０が燃料極１１１と空気極１１２との間に介在している膜／電極接合体である。

【0016】

高分子電解質膜１１０は、たとえば、スルフォン酸基を有するフッ素系高分子材料で構成されている。燃料極１１１および空気極１１２は、たとえば、カーボンブラック担体に白金触媒が担持されることで構成されている。

【0017】

［Ａ－１－２］セパレータ１２
燃料電池スタック１０において、セパレータ１２は、導電性材料で形成された多孔質体で構成されている。セパレータ１２には、燃料極ガス流路Ｆ１２１と空気極ガス流路Ｆ１２２とが形成されている。

【0018】

燃料極ガス流路Ｆ１２１は、セパレータ１２のうち燃料極１１１側の面に形成されている。燃料極ガス流路Ｆ１２１は、鉛直方向（ｙ軸方向）に沿うように形成されており、燃料電池セル１１の燃料極１１１へ供給する燃料極ガスが流れる。燃料極ガス流路Ｆ１２１は、複数であって、複数の燃料極ガス流路Ｆ１２１が、第２水平方向（ｘ軸方向）において間を隔てて設けられている。

【0019】

空気極ガス流路Ｆ１２２は、セパレータ１２のうち空気極１１２側の面に形成されている。空気極ガス流路Ｆ１２２は、積層方向に沿った第１水平方向（ｚ軸方向）に直交する第２水平方向（ｘ軸方向）に沿うように形成されており、燃料電池セル１１の空気極１１２へ供給する空気極ガスが流れる。図示を省略しているが、空気極ガス流路Ｆ１２２は、複数であって、複数の空気極ガス流路Ｆ１２２が、第１水平方向（ｙ軸方向）において間を隔てて設けられている。

【0020】

［Ａ－２］冷却水循環系Ｓ１
冷却水循環系Ｓ１は、図１に示すように、燃料電池部１を介して冷却水ＣＷが循環するように構成されている。

【0021】

ここでは、冷却水循環系Ｓ１は、冷却水ポンプＰ１を有する。冷却水ポンプＰ１は、燃料電池部１に冷却水ＣＷを供給するために設置されている。

【0022】

冷却水ＣＷは、たとえば、純水であって、燃料電池部１において、鉛直方向（ｙ軸方向）の上方から供給され、下方へ排出される。具体的には、冷却水ＣＷは、多孔質体で構成されているセパレータ１２の微細孔の内部に流入する。冷却水ＣＷは、燃料極ガスの圧力および空気極ガスの圧力よりも低い圧力で供給される。これにより、燃料電池部１での発電反応で生成された生成水および燃料電池部１の内部で凝縮された凝縮水を燃料電池部１の外部へ除去できると共に、高分子電解質膜１１０の加湿および蒸発潜熱による冷却を行うことができる。

【0023】

［Ａ－３］熱交換系Ｓ２
熱交換系Ｓ２は、図１に示すように、海水ＳＷと冷却水循環系Ｓ１を循環する冷却水ＣＷとの間の熱交換を行うために設けられている。

【0024】

ここでは、熱交換系Ｓ２は、海水熱交換器２と海水ポンプＰ２とを有する。海水熱交換器２は、海水ＳＷと冷却水循環系Ｓ１を循環する冷却水ＣＷとの間の熱交換を行うために設置されている。海水ポンプＰ２は、海水ＳＷを海水熱交換器２に供給するために設置されている。熱交換系Ｓ２は、海水循環系であって、海水ポンプＰ２を用いて海洋（図示省略）から汲み上げた海水ＳＷが海水熱交換器２を通過後に、海洋へ戻るように構成されている。

【0025】

［Ａ－４］制御部８０
制御部８０は、図１に示すように、海水ＳＷと冷却水ＣＷとの間の熱交換を制御するために設けられている。図示を省略しているが、制御部８０は、演算器（図示省略）とメモリ装置（図示省略）とを含み、メモリ装置が記憶しているプログラムを用いて演算器が演算処理を行うように構成されている。制御部８０は、温度センサＴ１１，Ｔ１２ａ，Ｔ１２ｂ，Ｔ２１ａが検知した温度データ等が入力信号として入力され、その入力信号に基づいて演算処理を行うことで得た制御信号を各部に出力することで各部の動作を制御する。

【0026】

ここでは、制御部８０は、燃料電池部１の温度が予め定めた温度になるように、海水ＳＷと冷却水ＣＷとの間の熱交換を制御する。たとえば、燃料電池部１について通常運転を行う際に、燃料電池部１を冷却するための冷却水ＣＷの温度が予め定めた値以上であるときには、海水ＳＷで冷却水ＣＷを冷却するように、海水ＳＷと冷却水ＣＷとの間の熱交換を制御する。

【0027】

また、本実施形態では、制御部８０は、冷却水ＣＷの凍結を防止するために凍結防止運転を行う際には、海水ＳＷの熱を用いて冷却水ＣＷを加熱するように構成されている。具体的には、制御部８０は、冷却水循環系Ｓ１に関する温度が第１閾値ＴＨ１以下であって、熱交換系Ｓ２において熱交換のために用いる海水ＳＷの温度が第１閾値ＴＨ１よりも高い第２閾値ＴＨ２以上である場合（ＴＨ１＜ＴＨ２）に、熱交換による熱交換量を増加させることによって冷却水ＣＷを加熱する。

【0028】

第１閾値ＴＨ１は、たとえば、３～４℃であって、燃料電池部１の温度を検知する温度センサＴ１１によって計測された温度データに基づいて、第１閾値ＴＨ１以下であるか否かの判断を制御部８０が行う。また、第２閾値ＴＨ２は、たとえば、５～１０℃であって、海水ポンプＰ２で汲み上げた海水ＳＷの温度を検知する温度センサＴ２１ａによって計測された温度データに基づいて、第２閾値ＴＨ２以上であるか否かの判断を制御部８０が行う。
る。

【0029】

制御部８０は、冷却水ポンプＰ１と海水ポンプＰ２との少なくとも一つを駆動させることによって、熱交換による熱交換量を増加させる。つまり、冷却水ポンプＰ１と海水ポンプＰ２との少なくとも一つの吐出量を増加させることによって、冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換による熱交換量を増加させる。

【0030】

このとき、制御部８０は、海水熱交換器２に流入する冷却水ＣＷに関する冷却水流入温度と海水熱交換器２から流出する冷却水ＣＷに関する冷却水流出温度との間の温度差が、予め設定した設定温度差になるように、冷却水ポンプＰ１と海水ポンプＰ２との少なくとも一つの動作を制御する。冷却水流入温度は、温度センサＴ１２ａによって計測され、冷却水流出温度は、温度センサＴ１２ｂによって計測される。冷却水流入温度と冷却水流出温度との間の温度差が予め設定した設定温度差から大きく相違しているほど、冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換による熱交換量が大きくなるように、制御部８０が制御を行う。

【0031】

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水ＣＷが凍結し得る場合に、冷却水ＣＷよりも温度が高い海水ＳＷの熱を用いて冷却水ＣＷを加熱する。このため、本実施形態は、冷却水ＣＷの凍結防止を容易かつ効率的に実施可能である。

【0032】

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池セル１１が高分子電解質型（内部加湿型）であるため、発電性能を向上させるためには、高分子電解質膜１１０の含水率を高めることによって、高分子電解質膜１１０のプロトン抵抗を低下させる必要がある。このため、冷却水ＣＷは、冷却の他に、高分子電解質膜１１０を加湿するために、供給される。それゆえ、冷却水ＣＷは、燃料電池セル１１に悪影響を及ぼすことがない純水であることが好ましく、燃料電池セル１１に悪影響を及ぼす不凍液を用いることは好適でない。したがって、燃料電池セル１１が高分子電解質型である場合には、本実施形態のように、冷却水ＣＷよりも温度が高い海水ＳＷで冷却水ＣＷを加熱することによって、冷却水ＣＷの凍結防止を実施することが好ましい。

【0033】

＜第２実施形態＞
［Ａ］構成
図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【0034】

図４に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、熱交換系Ｓ２の構成が、第１実施形態の場合（図１参照）と異なっている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項については、適宜、説明を省略する。

【0035】

本実施形態において、熱交換系Ｓ２は、熱交換媒体循環系Ｓ２１と海水循環系Ｓ２２とを含む。

【0036】

熱交換系Ｓ２において、熱交換媒体循環系Ｓ２１は、冷却水ＣＷとの間で熱交換を行うための熱交換媒体ＰＷが循環するように構成されている。熱交換媒体循環系Ｓ２１は、一次熱交換器３と熱交換媒体ポンプＰ３とを有する。一次熱交換器３は、熱交換媒体ＰＷと冷却水ＣＷとの間の熱交換を行うために設置されている。熱交換媒体ポンプＰ３は、熱交換媒体ＰＷを一次熱交換器３に供給するために設置されている。熱交換媒体ＰＷは、たとえば、水である。

【0037】

熱交換系Ｓ２において、海水循環系Ｓ２２は、海水熱交換器２と海水ポンプＰ２とを有する。海水熱交換器２は、海水ＳＷと冷却水循環系Ｓ１を循環する冷却水ＣＷとの間の熱交換を行うために設置されている。海水ポンプＰ２は、海水ＳＷを海水熱交換器２に供給するために設置されている。海水循環系Ｓ２２は、海水ポンプＰ２を用いて海洋（図示省略）から汲み上げた海水ＳＷが海水熱交換器２を通過後に、海洋へ戻るように構成されている。

【0038】

制御部８０は、第１実施形態の場合と同様に、冷却水ＣＷの凍結を防止するために、海水ＳＷの熱を用いて冷却水ＣＷを加熱するように構成されている。つまり、制御部８０は、第１実施形態の場合と同様に、冷却水循環系Ｓ１に関する温度が第１閾値ＴＨ１以下であって、熱交換系Ｓ２において熱交換のために用いる海水ＳＷの温度が第１閾値ＴＨ１よりも高い第２閾値ＴＨ２以上である場合（ＴＨ１＜ＴＨ２）に、熱交換による熱交換量を増加させることによって冷却水ＣＷを加熱する。

【0039】

本実施形態では、制御部８０は、冷却水ポンプＰ１と海水ポンプＰ２と熱交換媒体ポンプＰ３との少なくとも一つを駆動させることによって、熱交換による熱交換量を増加させる。つまり、海水ポンプＰ２と熱交換媒体ポンプＰ３との少なくとも一つの吐出量を増加させることによって、熱交換媒体ＰＷと海水ＳＷとの間の熱交換による熱交換量を増加させる。また、冷却水ポンプＰ１と熱交換媒体ポンプＰ３との少なくとも一つの吐出量を増加させることによって、冷却水ＣＷと熱交換媒体ＰＷとの間の熱交換による熱交換量を増加させる。このように、本実施形態では、熱交換媒体ＰＷを介して冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換を行うことで、冷却水ＣＷの凍結を防止する。

【0040】

このとき、制御部８０は、海水熱交換器２に流入する熱交換媒体ＰＷに関する熱交換媒体流入温度と海水熱交換器２から流出する熱交換媒体ＰＷに関する熱交換媒体流出温度との間の温度差が、予め設定した設定温度差になるように、冷却水ポンプＰ１と海水ポンプＰ２と熱交換媒体ポンプＰ３との少なくとも一つの動作を制御する。熱交換媒体流入温度は、温度センサＴ１２ａによって計測され、熱交換媒体流出温度は、温度センサＴ１２ｂによって計測される。熱交換媒体流入温度と熱交換媒体流出温度との間の温度差が予め設定した設定温度差から大きく相違しているほど、熱交換媒体ＰＷと海水ＳＷとの間の熱交換による熱交換量が大きくなるように、制御部８０が制御を行う。

【0041】

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、熱交換媒体ＰＷを介して冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換を行うことで、冷却水ＣＷの凍結を防止する。このため、本実施形態は、冷却水ＣＷの凍結防止を容易かつ効率的に実施可能である。なお、本実施形態において、熱交換媒体ＰＷが純水である場合、一次熱交換器３が破損して冷却水ＣＷに熱交換媒体ＰＷが混ざっても、燃料電池部１が破損しない。第１実施形態の場合、海水熱交換器２が破損して海水ＳＷと冷却水ＣＷが混ざり、燃料電池部１が破損する可能性がある。本実施形態では、上記の可能性を減らす効果がある。

【0042】

＜第３実施形態＞
［Ａ］構成
図５は、第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【0043】

図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、熱交換系Ｓ２は、第２実施形態の場合（図４参照）と同様に、熱交換媒体循環系Ｓ２１と海水循環系Ｓ２２とを含む。しかし、本実施形態では、熱交換媒体循環系Ｓ２１および海水循環系Ｓ２２の構成の一部が、第２実施形態の場合（図４参照）と異なっている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第２実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項については、適宜、説明を省略する。

【0044】

本実施形態では、熱交換媒体循環系Ｓ２１は、図５に示すように、熱源５０（第１熱源）と海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１（第１の海水熱交換器バイパス流路）と海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１（第１の海水熱交換器バイパス弁）と海水熱交換器入口弁Ｖ１とを更に有する。

【0045】

熱源５０は、一次熱交換器３から排出された熱交換媒体ＰＷが流れる。熱源５０は、たとえば、燃料電池部１で発電された電力を蓄える蓄電池である。その他、熱源５０は、インバータ、冷凍サイクル凝縮器、冷却媒体（チラー）の熱交換器などの機器であってもよい。

【0046】

海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１は、熱源５０から流出した熱交換媒体ＰＷが海水熱交換器２を迂回して一次熱交換器３へ流れるように構成されている。

【0047】

海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１は、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１に設けられている。

【0048】

海水熱交換器入口弁Ｖ１は、熱源５０から海水熱交換器２へ流入する熱交換媒体ＰＷの流路において、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１の入口よりも下流側であって、海水熱交換器２よりも上流側に設けられている。

【0049】

本実施形態において、熱交換媒体流入温度を計測するための温度センサＴ１２ａは、熱交換媒体ＰＷの流れにおいて海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１の入口よりも上流側に設置されている。

【0050】

また、本実施形態では、海水熱交換器２に流入する海水ＳＷに関する海水流入温度を計測するための温度センサＴ２１ｂが、海水熱交換器２と海水ポンプＰ２との間に設置されている。

【0051】

そして、本実施形態では、制御部８０は、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１の動作および海水熱交換器入口弁Ｖ１の動作を更に制御することによって、熱交換媒体ＰＷを介して行われる冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換を調整する。

【0052】

具体的には、制御部８０は、燃料電池部１について起動運転を行う際に、熱交換媒体ポンプＰ３の駆動を開始するときには、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１を開けると共に、海水熱交換器入口弁Ｖ１を全て閉める。その後、燃料電池部１の温度を検知する温度センサＴ１１によって計測された温度が、燃料電池部１の運転温度（たとえば、６０℃～８０℃）まで上昇したとき、制御部８０は、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１を全て閉めると共に、海水熱交換器入口弁Ｖ１を開ける。これにより、燃料電池部１の起動運転を早期に完了することができる。

【0053】

凍結防止運転を実行する際において、温度センサＴ１２ａの測定温度ｔ１２ａが温度センサＴ２１ｂの測定温度ｔ２１ｂ以上である場合には（ｔ２１ａ≧ｔ２１ｂ）、制御部８０は、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１を開けて、海水熱交換器入口弁Ｖ１を全て閉じる。これにより、熱交換媒体ＰＷは、熱交換媒体ポンプＰ３によって、海水熱交換器２を経由せずに、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１を経由して、一次熱交換器３へ流れる。

【0054】

この一方で、凍結防止運転を実行する際において、温度センサＴ１２ａの測定温度ｔ１２ａが温度センサＴ２１ｂの測定温度ｔ２１ｂ未満である場合には（ｔ２１ａ＜ｔ２１ｂ）、制御部８０は、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１を全て閉めて、海水熱交換器入口弁Ｖ１を開ける。これにより、熱交換媒体ＰＷは、熱交換媒体ポンプＰ３によって、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１を経由せずに、海水熱交換器２を経由して、一次熱交換器３へ流れる。

【0055】

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、第２実施形態の場合と同様に、熱交換媒体ＰＷを介して冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換を行うことで、冷却水ＣＷの凍結を防止する。このため、本実施形態は、冷却水ＣＷの凍結防止を容易かつ効率的に実施可能である。

【0056】

また、本実施形態では、燃料電池部１について起動運転を行う際に、上述したように、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１の動作および海水熱交換器入口弁Ｖ１の動作を制御するため、起動運転を早期に完了することができる。

【0057】

さらに、本実施形態では、凍結防止運転を実行する際に、上述したように、適宜、熱源５０の熱を用いるため、凍結防止を効果的に実行可能である。

【0058】

＜第４実施形態＞
［Ａ］構成
図６は、第４実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を模式的に示す図である。

【0059】

図６に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、熱交換系Ｓ２は、第３実施形態の場合（図５参照）と同様に、熱交換媒体循環系Ｓ２１と海水循環系Ｓ２２とを含む。しかし、本実施形態では、海水循環系Ｓ２２の構成の一部が、第３実施形態の場合（図４参照）と異なっている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第３実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項については、適宜、説明を省略する。

【0060】

本実施形態では、海水循環系Ｓ２２は、図６に示すように、熱源６０（第２熱源）と海水熱交換器バイパス流路ＢＰ２（第２の海水熱交換器バイパス流路）と海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２（第２の海水熱交換器バイパス弁）とを更に有する。

【0061】

熱源６０は、海水ポンプＰ２から排出された海水ＳＷが流れる。熱源６０は、冷凍サイクル凝縮器、冷却媒体（チラー）の熱交換器などの機器である。

【0062】

海水熱交換器バイパス流路ＢＰ２は、熱源６０から流出した海水ＳＷが海水熱交換器２を迂回して流れるように構成されている。

【0063】

海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２は、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ２に設けられている。

【0064】

また、本実施形態では、海水熱交換器２に流入する海水ＳＷに関する海水流入温度を計測するための温度センサＴ２１ｂは、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ２の入口と、海水熱交換器２との間に設置されている。

【0065】

そして、本実施形態では、制御部８０は、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２の動作を更に制御することによって、熱交換媒体ＰＷを介して行われる冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換を調整する。

【0066】

具体的には、制御部８０は、燃料電池部１について通常運転を行う際に、温度センサＴ２１ｂの測定温度ｔ２１ｂが予め定めた設定温度（たとえば、２０℃から４０℃）よりも高いときには、海水ポンプＰ２の吐出量を増加させると共に、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２を開ける。これにより、熱源６０での熱交換によって熱源６０から流出した海水ＳＷの温度が設定温度よりも高い場合であっても、海水熱交換器２での熱交換量を適正に保持することができる。海水熱交換器２に過剰な流量が流れることによるポンプの負荷増大を防ぐとともに熱交換量を適正にすることができる。

【0067】

凍結防止運転を実行する際においては、制御部８０は、原則、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２を全て閉じた状態にする。そして、温度センサＴ１２ａの測定温度ｔ１２ａが温度センサＴ２１ｂの測定温度ｔ２１ｂ以下である場合には（ｔ１２ａ≦ｔ２１ｂ）、制御部８０は、温度センサＴ１１の測定温度ｔ１１が、冷却水ＣＷが凍結しない設定温度（たとえば、１０℃）以上になるまで、海水ポンプＰ２の駆動を継続する。

【0068】

温度センサＴ１２ａの測定温度ｔ１２ａが温度センサＴ２１ｂの測定温度ｔ２１ｂよりも高い場合には（ｔ１２ａ＞ｔ２１ｂ）、制御部８０は、海水ポンプＰ２の駆動を行うが、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１を開けると共に、海水熱交換器入口弁Ｖ１を閉じる。つまり、海水熱交換器２において、熱交換媒体ＰＷと海水ＳＷとの間の熱交換を行わない。

【0069】

温度センサＴ２１ｂで測定される測定温度ｔ２１ｂ（熱源６０から流出した熱交換媒体ＰＷの温度）が、予め設定された設定温度よりも高い場合、制御部８０は、その設定温度になるように、海水ポンプＰ２の流量を上げると共に、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２の動作を制御する。

【0070】

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、第３実施形態の場合と同様に、熱交換媒体ＰＷを介して冷却水ＣＷと海水ＳＷとの間の熱交換を行うことで、冷却水ＣＷの凍結を防止する。このため、本実施形態は、冷却水ＣＷの凍結防止を容易かつ効率的に実施可能である。

【0071】

また、本実施形態では、燃料電池部１について通常運転を行う際に、上述したように、海水ポンプＰ２の動作と海水熱交換器バイパス弁ＢＶ２の動作を制御する。このため、上述したように、海水熱交換器２での熱交換量を適正に保持することができる。

【0072】

さらに、本実施形態では、凍結防止運転を実行する際に、上述したように、適宜、熱源６０の熱を用いるため、凍結防止を効果的に実行可能である。

【0073】

［Ｃ］変形例
本実施形態では、第３実施形態の場合（図５参照）と同様に、熱交換媒体循環系Ｓ２１は、熱源５０と海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１と海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１と海水熱交換器入口弁Ｖ１とを有する場合について示しているが、これに限らない。熱源５０、海水熱交換器バイパス流路ＢＰ１、海水熱交換器バイパス弁ＢＶ１、および、海水熱交換器入口弁Ｖ１を熱交換媒体循環系Ｓ２１に設けなくてもよい。

【0074】

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0075】

１：燃料電池部、２：海水熱交換器、３：一次熱交換器、１０：燃料電池スタック、１１：燃料電池セル、１２：セパレータ、１５：締付板、５０：熱源（第１の熱源）、６０：熱源（第２の熱源）、８０：制御部、１１０：高分子電解質膜、１１１：燃料極、１１２：空気極、ＢＰ１：海水熱交換器バイパス流路（第１の海水熱交換器バイパス流路）、ＢＰ２：海水熱交換器バイパス流路（第２の海水熱交換器バイパス流路）、ＢＶ１：海水熱交換器バイパス弁（第１の海水熱交換器バイパス弁）、ＢＶ２：海水熱交換器バイパス弁（第２の海水熱交換器バイパス弁）、ＣＷ：冷却水、Ｆ１２１：燃料極ガス流路、Ｆ１２２：空気極ガス流路、Ｐ１：冷却水ポンプ、Ｐ２：海水ポンプ、Ｐ３：熱交換媒体ポンプ、ＰＷ：熱交換媒体、Ｓ１：冷却水循環系、Ｓ２：熱交換系、Ｓ２１：熱交換媒体循環系、Ｓ２２：海水循環系、ＳＷ：海水、Ｔ１１：温度センサ、Ｔ１２ａ：温度センサ、Ｔ１２ｂ：温度センサ、Ｔ２１ａ：温度センサ、Ｔ２１ｂ：温度センサ、Ｖ１：海水熱交換器入口弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】