燃料电池系统

技术领域

本发明的实施方式涉及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统具备层叠有多个燃料电池单电池的燃料电池组。燃料电池单电池在燃料极与空气极之间夹设电解质膜。在燃料电池单电池中，包含氢的燃料极气体被供给至燃料极，并且空气被供给至空气极(氧化剂极)，由此产生电化学反应而进行发电。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-236734号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

燃料电池系统例如有时作为动力源等被用于在海洋中移动的船舶中。燃料电池系统例如被设置在船舶的甲板上。在这样的情况下，在燃料电池停止时环境温度降低时，燃料电池的冷却时所使用的冷却水有可能冻结。

为了防止冷却水的冻结，以往，进行使用加热器加热的处理等。但是，在该情况下，消耗电力大，需要很多设备。

根据如上述那样的情况，在以往，难以容易且高效地实施冷却水的冻结防止。

因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种能够容易且高效地实施冷却水的冻结防止的燃料电池系统。

用于解决技术问题的手段

实施方式的燃料电池系统包含燃料电池部，并且具备：冷却水循环系统，供冷却水经由燃料电池部循环；热交换系统，用于进行海水与在冷却水循环系统中循环的冷却水之间的热交换；以及控制部，用于控制热交换。在与冷却水循环系统有关的温度为第一阈值以下、且在热交换系统中为了热交换而使用的海水的温度为比第一阈值高的第二阈值以上的情况下，控制部通过热交换对冷却水进行加热。

附图说明

图1是示意性地表示第一实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

图2是示意性地表示第一实施方式中的燃料电池部的整体结构的立体图。

图3是在第一实施方式中将燃料电池部的局部截面放大表示的剖视图。

图4是示意性地表示第二实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

图5是示意性地表示第三实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

图6是示意性地表示第四实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

具体实施方式

＜第一实施方式＞

[A]结构

图1是示意性地表示第一实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

如图1所示，本实施方式的燃料电池系统包括燃料电池部1。另外，燃料电池系统具备冷却水循环系统S1、热交换系统S2以及控制部80。

本实施方式的燃料电池系统例如作为动力源等被用于在海洋中移动的船舶中，被设置在船舶的甲板上。对构成燃料电池系统的各部分依次进行说明。

[A-1]燃料电池部1

首先，使用图2及图3对构成燃料电池系统的燃料电池部1的一例进行说明。

图2是示意性地表示第一实施方式中的燃料电池部的整体结构的立体图。图3是将第一实施方式中的燃料电池部的局部截面放大表示的剖视图。在图2中，y轴沿着铅垂方向，z轴沿着第一水平方向，x轴沿着与第一水平方向正交的第二水平方向。在图3中，示出了与在图2中的水平面(xz面)对应的截面的一部分。

如图2所示，燃料电池部1具备燃料电池组10。燃料电池组10包括多个燃料电池单电池11和多个隔膜12，燃料电池单电池11与隔膜12在层叠方向上交替地层叠。燃料电池组10在层叠方向上夹设于一对紧固板15(端板)之间，一对紧固板15之间使用拉杆、带等紧固部件(省略图示)紧固。

[A-1-1]燃料电池单电池11

在燃料电池组10中，燃料电池单电池11是高分子电解质型，如图3所示，包括高分子电解质膜110、燃料极111和空气极112。燃料电池单电池11是高分子电解质膜110夹设于燃料极111与空气极112之间的膜/电极接合体。

高分子电解质膜110例如由具有磺酸基的氟系高分子材料构成。燃料极111及空气极112例如通过在碳黑载体上负载铂催化剂而构成。

[A-1-2]隔膜12

在燃料电池组10中，隔膜12通过由导电性材料形成的多孔质体构成。在隔膜12中形成有燃料极气体流路F121和空气极气体流路F122。

燃料极气体流路F121形成于隔膜12中的燃料极111侧的面。燃料极气体流路F121以沿着铅垂方向(y轴方向)的方式形成，供向燃料电池单电池11的燃料极111供给的燃料极气体流动。燃料极气体流路F121为多个，多个燃料极气体流路F121在第二水平方向(x轴方向)上隔开间隔地设置。

空气极气体流路F122形成于隔膜12中的空气极112侧的面。空气极气体流路F122以沿着与沿着层叠方向的第一水平方向(z轴方向)正交的第二水平方向(x轴方向)的方式形成，供向燃料电池单电池11的空气极112供给的空气极气体流动。虽然省略了图示，但空气极气体流路F122为多个，多个空气极气体流路F122在第一水平方向(y轴方向)上隔开间隔地设置。

[A-2]冷却水循环系统S1

如图1所示，冷却水循环系统S1构成为冷却水CW经由燃料电池部1循环。

在此，冷却水循环系统S1具有冷却水泵P1。冷却水泵P1是为了向燃料电池部1供给冷却水CW而设置的。

冷却水CW例如是纯水，在燃料电池部1中，从铅垂方向(y轴方向)的上方被供给，并向下方被排出。具体而言，冷却水CW流入由多孔质体构成的隔膜12的微细孔的内部。以比燃料极气体的压力及空气极气体的压力低的压力来供给冷却水CW。由此，能够将在燃料电池部1的发电反应中生成的生成水以及在燃料电池部1的内部冷凝的冷凝水向燃料电池部1的外部去除，并且能够进行高分子电解质膜110的加湿以及蒸发潜热导致的冷却。

[A-3]热交换系统S2

如图1所示，热交换系统S2是为了进行海水SW与在冷却水循环系统S1中循环的冷却水CW之间的热交换而设置的。

在此，热交换系统S2具有海水热交换器2和海水泵P2。海水热交换器2是为了进行海水SW与在冷却水循环系统S1中循环的冷却水CW之间的热交换而设置的。海水泵P2是为了将海水SW供给至海水热交换器2而设置的。热交换系统S2是海水循环系统，构成为使用海水泵P2从海洋(省略图示)汲取的海水SW在通过海水热交换器2之后返回海洋。

[A-4]控制部80

如图1所示，控制部80是为了控制海水SW与冷却水CW之间的热交换而设置的。虽然省略了图示，但控制部80构成为包括运算器(省略图示)和存储器装置(省略图示)，运算器使用存储器装置所存储的程序来进行运算处理。控制部80将由温度传感器T11、T12a、T12b、T21a检测出的温度数据等作为输入信号输入，并将通过基于该输入信号进行运算处理而得到的控制信号向各部输出，由此控制各部的动作。

在此，控制部80以使燃料电池部1的温度成为预先确定的温度的方式控制海水SW与冷却水CW之间的热交换。例如，在燃料电池部1进行通常运转时，在用于使燃料电池部1冷却的冷却水CW的温度为预先决定的值以上时，以利用海水SW冷却冷却水CW的方式控制海水SW与冷却水CW之间的热交换。

另外，在本实施方式中，控制部80构成为，在为了防止冷却水CW的冻结而进行冻结防止运转时使用海水SW的热对冷却水CW进行加热。具体而言，控制部80在与冷却水循环系统S1有关的温度为第一阈值TH1以下、且在热交换系统S2中为了热交换而使用的海水SW的温度为比第一阈值TH1高的第二阈值TH2以上的情况下(TH1＜TH2)，使基于热交换的热交换量增加，由此对冷却水CW进行加热。

第一阈值TH1例如是3～4℃，控制部80基于由用于检测燃料电池部1的温度的温度传感器T11计测出的温度数据，进行是否为第一阈值TH1以下的判断。另外，第二阈值TH2例如是5～10℃，控制部80基于由对由海水泵P2汲取的海水SW的温度进行检测的温度传感器T21a计测出的温度数据，进行是否为第二阈值TH2以上的判断。

控制部80通过驱动冷却水泵P1和海水泵P2中的至少一个，使热交换引起的热交换量增加。即，通过使冷却水泵P1和海水泵P2中的至少一个的排出量增加，由此使冷却水CW与海水SW之间的热交换导致的热交换量增加。

此时，控制部80以使与流入海水热交换器2的冷却水CW有关的冷却水流入温度和与从海水热交换器2流出的冷却水CW有关的冷却水流出温度之间的温度差成为预先设定的设定温度差的方式控制冷却水泵P1和海水泵P2中的至少一个的动作。冷却水流入温度由温度传感器T12a计测，冷却水流出温度由温度传感器T12b计测。控制部80进行控制，使得冷却水流入温度与冷却水流出温度之间的温度差与预先设定的设定温度差差异越大则冷却水CW与海水SW之间的热交换导致的热交换量越大。

[B]总结

如上所述，在本实施方式的燃料电池系统中，在冷却水CW可能冻结的情况下，使用温度比冷却水CW高的海水SW的热来加热冷却水CW。因此，本实施方式能够容易且高效地实施冷却水CW的冻结防止。

本实施方式的燃料电池系统中，燃料电池单电池11为高分子电解质型(内部加湿型)，因此为了提高发电性能，需要通过提高高分子电解质膜110的含水率来降低高分子电解质膜110的质子电阻。因此，冷却水CW除了冷却之外，还为了对高分子电解质膜110进行加湿而被供给。因此，冷却水CW优选为不会对燃料电池单电池11造成不良影响的纯水，使用对燃料电池单电池11产生不良影响的不冻液并不优选。因此，在燃料电池单电池11为高分子电解质型的情况下，优选如本实施方式那样，利用温度比冷却水CW高的海水SW对冷却水CW进行加热，由此实施冷却水CW的冻结防止。

＜第二实施方式＞

[A]结构

图4是示意性地表示第二实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

如图4所示，在本实施方式的燃料电池系统中，热交换系统S2的结构与第一实施方式的情况(参照图1)不同。除了这一点以及与此关联的点以外，本实施方式与第一实施方式的情况相同。因此，对于重复的事项，适当地省略说明。

在本实施方式中，热交换系统S2包括热交换介质循环系统S21和海水循环系统S22。

在热交换系统S2中，热交换介质循环系统S21构成为供用于在与冷却水CW之间进行热交换的热交换介质PW进行循环。热交换介质循环系统S21具有一次热交换器3和热交换介质泵P3。一次热交换器3是为了进行热交换介质PW与冷却水CW之间的热交换而设置的。热交换介质泵P3是为了将热交换介质PW供给至一次热交换器3而设置的。热交换介质PW例如是水。

在热交换系统S2中，海水循环系统S22具有海水热交换器2和海水泵P2。海水热交换器2是为了进行海水SW与在冷却水循环系统S1中循环的冷却水CW之间的热交换而设置的。海水泵P2是为了将海水SW供给至海水热交换器2而设置的。海水循环系统S22构成为，使用海水泵P2从海洋(省略图示)汲取的海水SW在通过海水热交换器2之后返回海洋。

控制部80与第一实施方式的情况同样地，为了防止冷却水CW的冻结，使用海水SW的热来加热冷却水CW。即，控制部80与第一实施方式的情况同样地，在与冷却水循环系统S1有关的温度为第一阈值TH1以下、且在热交换系统S2中为了热交换而使用的海水SW的温度为比第一阈值TH1高的第二阈值TH2以上的情况下(TH1＜TH2)，使热交换引起的热交换量增加，由此对冷却水CW进行加热。

在本实施方式中，控制部80通过驱动冷却水泵P1、海水泵P2和热交换介质泵P3中的至少一个，使热交换引起的热交换量增加。即，通过增加海水泵P2和热交换介质泵P3中的至少一个的排出量，使热交换介质PW与海水SW之间的热交换引起的热交换量增加。另外，通过使冷却水泵P1和热交换介质泵P3中的至少一个的排出量增加，由此使冷却水CW与热交换介质PW之间的热交换引起的热交换量增加。这样，在本实施方式中，经由热交换介质PW进行冷却水CW与海水SW之间的热交换，从而防止冷却水CW的冻结。

此时，控制部80以使与流入海水热交换器2的热交换介质PW有关的热交换介质流入温度和与从海水热交换器2流出的热交换介质PW有关的热交换介质流出温度之间的温度差成为预先设定的设定温度差的方式，控制冷却水泵P1、海水泵P2和热交换介质泵P3中的至少一个的动作。热交换介质流入温度由温度传感器T12a计测，热交换介质流出温度由温度传感器T12b计测。控制部80进行控制，使得热交换介质流入温度与热交换介质流出温度之间的温度差与预先设定的设定温度差的差异越大则热交换介质PW与海水SW之间的热交换引起的热交换量越大。

[B]总结

如上所述，在本实施方式的燃料电池系统中，经由热交换介质PW进行冷却水CW与海水SW之间的热交换，从而防止冷却水CW的冻结。因此，本实施方式能够容易且高效地实施冷却水CW的冻结防止。另外，在本实施方式中，在热交换介质PW为纯水的情况下，即使一次热交换器3破损而热交换介质PW与冷却水CW混合，燃料电池部1也不会破损。在第一实施方式的情况下，海水热交换器2破损，海水SW与冷却水CW混合，燃料电池部1可能破损。在本实施方式中，具有减少上述可能性的效果。

＜第三实施方式＞

[A]结构

图5是示意性地表示第三实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

如图5所示，在本实施方式的燃料电池系统中，热交换系统S2与第二实施方式的情况(参照图4)同样地，包括热交换介质循环系统S21和海水循环系统S22。但是，在本实施方式中，热交换介质循环系统S21以及海水循环系统S22的结构的一部分与第二实施方式的情况(参照图4)不同。除了这一点以及与此关联的点以外，本实施方式与第二实施方式的情况相同。因此，对于重复的事项，适当地省略说明。

在本实施方式中，热交换介质循环系统S21如图5所示那样，还具有热源50(第一热源)、海水热交换器旁通流路BP1(第一海水热交换器旁通流路)、海水热交换器旁通阀BV1(第一海水热交换器旁通阀)和海水热交换器入口阀V1。

从一次热交换器3排出的热交换介质PW流过热源50。热源50例如是蓄积由燃料电池部1发电的电力的蓄电池。此外，热源50也可以是逆变器、制冷循环冷凝器、冷却介质(冷却装置)的热交换器等设备。

海水热交换器旁通流路BP1构成为，从热源50流出的热交换介质PW绕过海水热交换器2流向一次热交换器3。

海水热交换器旁通阀BV1设置于海水热交换器旁通流路BP1。

海水热交换器入口阀V1在从热源50向海水热交换器2流入的热交换介质PW的流路中，设置在比海水热交换器旁通流路BP1的入口靠下游侧且比海水热交换器2靠上游侧的位置。

在本实施方式中，用于计测热交换介质流入温度的温度传感器T12a在热交换介质PW的流动中设置于比海水热交换器旁通流路BP1的入口靠上游侧的位置。

另外，在本实施方式中，用于计测与流入海水热交换器2的海水SW有关的海水流入温度的温度传感器T21b设置在海水热交换器2与海水泵P2之间。

而且，在本实施方式中，控制部80通过进一步控制海水热交换器旁通阀BV1的动作及海水热交换器入口阀V1的动作，来调整经由热交换介质PW进行的冷却水CW与海水SW之间的热交换。

具体而言，控制部80在对燃料电池部1进行启动运转时，在使热交换介质泵P3的驱动开始时，打开海水热交换器旁通阀BV1，并且将海水热交换器入口阀V1全部关闭。然后，在由对燃料电池部1的温度进行检测的温度传感器T11计测出的温度上升到燃料电池部1的运转温度(例如，60℃～80℃)时，控制部80将海水热交换器旁通阀BV1全部关闭，并且打开海水热交换器入口阀V1。由此，能够使燃料电池部1的启动运转早完成。

在执行冻结防止运转时，在温度传感器T12a的测定温度t12a为温度传感器T21b的测定温度t21b以上的情况下(t21a≥t21b)，控制部80打开海水热交换器旁通阀BV1，并将海水热交换器入口阀V1全部关闭。由此，热交换介质PW通过热交换介质泵P3，不经由海水热交换器2而经由海水热交换器旁通流路BP1流向一次热交换器3。

另一方面，在执行冻结防止运转时，在温度传感器T12a的测定温度t12a小于温度传感器T21b的测定温度t21b的情况下(t21a＜t21b)，控制部80将海水热交换器旁通阀BV1全部关闭，打开海水热交换器入口阀V1。由此，热交换介质PW通过热交换介质泵P3，不经由海水热交换器旁通流路BP1而经由海水热交换器2流向一次热交换器3。

[B]总结

如上所述，在本实施方式的燃料电池系统中，与第二实施方式的情况同样地，经由热交换介质PW进行冷却水CW与海水SW之间的热交换，由此防止冷却水CW的冻结。因此，本实施方式能够容易且高效地实施冷却水CW的冻结防止。

另外，在本实施方式中，在对燃料电池部1进行启动运转时，如上所述那样控制海水热交换器旁通阀BV1的动作及海水热交换器入口阀V1的动作，因此能够早完成启动运转。

而且，在本实施方式中，在执行冻结防止运转时，如上所述那样适当地使用热源50的热，因此能够有效地执行冻结防止。

＜第四实施方式＞

[A]结构

图6是示意性地表示第四实施方式的燃料电池系统的整体结构的图。

如图6所示，在本实施方式的燃料电池系统中，热交换系统S2与第三实施方式的情况(参照图5)同样地，包括热交换介质循环系统S21和海水循环系统S22。但是，在本实施方式中，海水循环系统S22的结构的一部分与第三实施方式的情况(参照图4)不同。除了这一点以及与此关联的点以外，本实施方式与第三实施方式的情况相同。因此，对于重复的事项，适当地省略说明。

在本实施方式中，海水循环系统S22如图6所示那样，还具有热源60(第二热源)、海水热交换器旁通流路BP2(第二海水热交换器旁通流路)和海水热交换器旁通阀BV2(第二海水热交换器旁通阀)。

热源60供从海水泵P2排出的海水SW流动。热源60是制冷循环冷凝器、冷却介质(冷却装置)的热交换器等设备。

海水热交换器旁通流路BP2构成为从热源60流出的海水SW绕过海水热交换器2而流动。

海水热交换器旁通阀BV2设置于海水热交换器旁通流路BP2。

另外，在本实施方式中，用于对与流入海水热交换器2的海水SW有关的海水流入温度进行计测的温度传感器T21b设置在海水热交换器旁通流路BP2的入口与海水热交换器2之间。

而且，在本实施方式中，控制部80进一步控制海水热交换器旁通阀BV2的动作，由此调整经由热交换介质PW进行的冷却水CW与海水SW之间的热交换。

具体而言，控制部80在对燃料电池部1进行通常运转时，在温度传感器T21b的测定温度t21b比预先确定的设定温度(例如，20℃至40℃)高时，使海水泵P2的排出量增加，并且打开海水热交换器旁通阀BV2。由此，即使在从热源60流出的海水SW的温度由于热源60中的热交换而比设定温度高的情况下，也能够适当地保持海水热交换器2中的热交换量。能够防止因过剩的流量在海水热交换器2中流动而导致的泵的负荷增大，并且能够使热交换量适当。

在执行冻结防止运转时，控制部80原则上将海水热交换器旁通阀BV2全部设为关闭的状态。并且，在温度传感器T12a的测定温度t12a为温度传感器T21b的测定温度t21b以下的情况下(t12a≤t21b)，控制部80继续进行海水泵P2的驱动，直至温度传感器T11的测定温度t11成为冷却水CW不冻结的设定温度(例如，10℃)以上。

在温度传感器T12a的测定温度t12a比温度传感器T21b的测定温度t21b高的情况下(t12a＞t21b)，控制部80进行海水泵P2的驱动，但打开海水热交换器旁通阀BV1，并且关闭海水热交换器入口阀V1。即，在海水热交换器2中，不进行热交换介质PW与海水SW之间的热交换。

在由温度传感器T21b测定的测定温度t21b(从热源60流出的热交换介质PW的温度)比预先设定的设定温度高的情况下，控制部80以成为该设定温度的方式提高海水泵P2的流量，并且控制海水热交换器旁通阀BV2的动作。

[B]总结

如上所述，在本实施方式的燃料电池系统中，与第三实施方式的情况同样地，经由热交换介质PW进行冷却水CW与海水SW之间的热交换，从而防止冷却水CW的冻结。因此，本实施方式能够容易且高效地实施冷却水CW的冻结防止。

另外，在本实施方式中，在对燃料电池部1进行通常运转时，如上所述那样控制海水泵P2的动作和海水热交换器旁通阀BV2的动作。因此，如上所述，能够适当地保持海水热交换器2中的热交换量。

而且，在本实施方式中，在执行冻结防止运转时，如上所述，适当地使用热源60的热，因此能够有效地执行冻结防止。

[C]变形例

在本实施方式中，与第三实施方式的情况(参照图5)同样地，示出了热交换介质循环系统S21具有热源50、海水热交换器旁通流路BP1、海水热交换器旁通阀BV1以及海水热交换器入口阀V1的情况，但不限于此。也可以不将热源50、海水热交换器旁通流路BP1、海水热交换器旁通阀BV1以及海水热交换器入口阀V1设置在热交换介质循环系统S21中。

＜其他＞

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

[附图标记说明]

1：燃料电池部，2：海水热交换器，3：一次热交换器，10：燃料电池组，11：燃料电池单电池，12：隔膜，15：紧固板，50：热源(第一热源)，60：热源(第二热源)，80：控制部，110：高分子电解质膜，111：燃料极，112：空气极，BP1：海水热交换器旁通流路(第一海水热交换器旁通流路)，BP2：海水热交换器旁通流路(第二海水热交换器旁通流路)，BV1：海水热交换器旁通阀(第一海水热交换器旁通阀)，BV2：海水热交换器旁通阀(第二海水热交换器旁通阀)，CW：冷却水，F121：燃料极气体流路，F122：空气极气体流路，P1：冷却水泵，P2：海水泵，P3：热交换介质泵，PW：热交换介质，S1：冷却水循环系统，S2：热交换系统，S21：热交换介质循环系统，S22：海水循环系统，SW：海水，T11：温度传感器，T12a：温度传感器，T12b：温度传感器，T21a：温度传感器，T21b：温度传感器，V1：海水热交换器入口阀。