(57)【要約】【課題】燃料電池本体を冷却する不凍液の劣化及びラジエータの放熱負荷を軽減する。【解決手段】冷間起動時に、バルブＡをＡ１Ａ３連通、バルブＢをＢ１Ｂ３連通、バルブＣのＣ１を閉、バルブＤを閉とし、水素燃焼器８の燃焼ガスで熱交換器９を加熱する。熱交換器９で加熱された不凍液は、不凍液循環ポンプ１２で循環され燃料電池スタック４の温度を運転可能な状態または運転効率が高い状態まで上昇させる。不凍液が所定の温度まで達した後に、バルブＣをＣ１Ｃ３連通、バルブＤを開として、空気コンプレッサ１から熱交換器９へ空気を導入する。これにより熱交換器９内部の熱交換媒体を不凍液から空気へ入れ替える。熱交換器９内の不凍液は、不凍液ドレインタンク１０へ排出され、後に不凍液回収ポンプ１１により不凍液リザーバタンクへ回収される。【選択図】　　　図１
2004039560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電するとともに不凍液で冷却される燃料電池本体と、
少なくとも該燃料電池本体の燃料極排ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させる燃焼器と、
該燃焼器による燃焼ガスで前記不凍液を加熱する熱交換器と、を備え、
燃料電池起動後に、前記不凍液が所定の温度に達した後は、前記熱交換器内の熱交換媒体の一つを空気に入れ替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気に入れ替える熱交換媒体の一つを不凍液とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
不凍液ドレインタンクを備え、前記熱交換器内の熱交換媒体を不凍液から空気に替える時は、空気によるパージを行い、前記熱交換器から排出した不凍液を前記不凍液ドレインタンクに蓄えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記不凍液と入れ替えられた空気は、燃焼排ガス管路に接続した管路を経て排気することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池本体内の前記不凍液の温度を検出する温度検出手段と、
該温度検出手段による検出温度に基づいて前記熱交換媒体の入れ替えを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池本体の燃料ガス一掃時に、前記熱交換器の熱交換媒体として空気を供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱交換器は、前記燃焼器の燃焼ガスと前記不凍液とを中間媒体を介して熱交換する熱交換器であり、
前記空気に入れ替える熱交換媒体の一つを前記中間媒体とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
中間媒体のタンクを備え、前記熱交換器内の中間媒体を空気に替える時は、空気によるパージを行い、前記熱交換器から排出した中間媒体を前記中間媒体のタンクに蓄えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記熱交換器で加熱された空気は、前記燃焼排ガス管路に接続した管路を経て排気することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記中間媒体を純水とすることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池本体の燃料ガス一掃時に、前記熱交換器の中間媒体として空気を供給することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記空気に入れ替える熱交換媒体の一つを燃焼ガスとすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
純水を蓄える純水タンクと、
前記燃焼器の燃焼ガスで前記熱交換器を加熱した後に排出される排燃焼ガスで更に前記純水タンクを加熱する純水タンク加熱手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記純水タンク内の純水または氷の温度を検出する純水温度検出手段と、
該純水温度検出手段が検出した温度に基づいて純水タンクの加温を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、冷却性能を向上させた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する装置である。これにより、燃料の持つ化学エネルギーを運動エネルギー等の他の形態のエネルギーへの変換過程を経ることなく直接電気エネルギーに変換するので、エネルギー変換効率が高い。
【０００３】
この燃料電池は、電解質の種類により種々あるが、固体高分子電解質膜を用いたものは、取り扱いが容易で運転温度も比較的低く、車両用電源として期待されている。
【０００４】
固体高分子電解質膜としては、プロトン（水素イオン）交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ナフィオンＲ　：米国、デュポン社）が知られている。このプロトン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池は、通常、８０℃程度の動作温度で作動する。通常運転時には、燃料電池本体で発生する反応熱を冷却液を介して外部に放熱して運転温度を維持するとともに、冷間起動時には、速やかに冷却液を運転温度まで加熱する必要がある。
【０００５】
このような冷間起動時に冷却媒体を加熱するため、燃料ガスである水素を燃焼させる水素燃焼器の反応熱を利用する熱交換器が使用されている。例えば、特開２０００−１６４２３３号公報には、燃焼器によって燃料ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させてその反応熱で不凍液（冷却媒体）を加熱する不凍液加熱手段（熱交換器）と、不凍液加熱手段から排出される燃焼廃ガスを、固体高分子型燃料電池スタックの燃料ガス供給経路または酸化剤ガス供給経路の少なくとも一方に供給する燃焼廃ガス供給手段とを備えた燃料電池システムが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムの通常運転時には、燃料ガス（水素リッチガス）中の不純物ガス成分が蓄積して燃料電池スタックの発電効率が低下するため、数分から数１０分間隔で燃料系回路内ガスを一掃する水素パージが必要となる。
【０００７】
この時、パージされた水素を水素燃焼器で燃焼させて安全な水蒸気として系外に放出している。従来技術では、水素燃焼器は、冷間起動時の不凍液を加熱する構造であるため、この燃焼器で水素パージ時の水素を燃焼させると、燃焼排ガスが不凍液を加熱し、運転温度を維持するため、車両系のラジエータに余計な負荷をかけてしまうという問題点があった。
【０００８】
これを防ぐため、通常運転時には、不凍液が熱交換器を通らないように不凍液経路を構成することが考えられるが、下記の２つの問題点が生じる。
【０００９】
まず第１の問題点は、不凍液経路を一方閉にして不凍液が循環しないようにした場合には、停留した不凍液が過熱され、不凍液の劣化が促進されてしまう。燃料電池スタック内での漏電を防止するために、不凍液には導電率を増大させる安定剤や酸化防止剤の添加が困難であるので、この時の加熱による劣化は顕著である。また、加熱された不凍液を介しての熱伝達は避けられないため、車両系のラジエータに余計な負荷をかけてしまうことは避けられない。
【００１０】
第２の問題点は、不凍液経路を両方閉にして不凍液が循環しないようにした場合には、不凍液を介しての熱伝達は防止できるが、閉じ込められた不凍液の劣化は促進され、また加熱して圧力増大した不凍液の漏れ、および熱交換器や管路が破損する恐れもある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電するとともに不凍液で冷却される燃料電池本体と、少なくとも該燃料電池本体の燃料極排ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させる燃焼器と、該燃焼器による燃焼ガスで前記不凍液を加熱する熱交換器と、を備え、燃料電池起動後に、前記不凍液が所定の温度に達した後は、前記熱交換器内の熱交換媒体の一つを空気に入れ替えることを要旨とする燃料電池システムである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池起動後に、不凍液温度が所定の温度に達した後は、熱交換器内の熱交換媒体の一つを空気に入れ替えるため、水素パージ時の燃焼熱を空気に伝えて放出することができ、不凍液の劣化を防止し、ラジエータや不凍液ポンプの大型化を防止することができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図１，図２、図３を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を詳細に説明する。図１は、燃料電池システムの全体構成図、図２は不凍液（以下、ＬＣＣとも呼ぶ）を加熱する熱交換器の媒体経路を簡易的に示す断面図、図３は燃料電池システムの制御ロジックを示すフローチャートである。
【００１４】
本実施形態及び以下の実施形態で説明する燃料電池システムは、氷点下まで温度が下がる屋外での使用を考慮したもので、特に自動車用電源として好適なものである。
【００１５】
まず、図１に基づいて燃料電池システムの全体構成を説明する。燃料電池システムは、空気を圧送する空気コンプレッサ（または空気ブロア）１と、水素を供給する水素供給手段２と、空気コンプレッサ１から圧送された空気及び水素供給手段２から供給された水素を加湿する加湿器３と、加湿器３からの空気及び水素を用いて発電する燃料電池スタック（燃料電池本体）４と、燃料電池スタック４の空気極の空気圧力を調整する空気圧調整弁５と、燃料電池スタック４の燃料極から不純物を含んだ燃料ガスを放出する（一掃する）パージバルブ６と、燃料電池スタック４を適温に保つ不凍液の熱を外部に放出するラジエータ７と、水素供給手段２又は燃料電池スタック４の燃料極からの水素リッチガスを燃焼する水素燃焼器（燃焼器）８と、水素燃焼器８の燃焼ガスで不凍液を加熱する熱交換器９と、熱交換器９から排燃焼ガスを外部へ導く排気ダクト２０と、熱交換器９から排出された不凍液を蓄える不凍液ドレインタンク１０と、不凍液ドレインタンクに蓄えた不凍液を図外の不凍液リザーバタンクへ送出する不凍液回収ポンプ１１と、不凍液を燃料電池スタック４を含む流路に循環させる不凍液循環ポンプ１２と、燃料電池スタック４の内部の不凍液温度を検出する温度センサ（温度検出手段）１３と、バルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、燃料電池システム全体及びバルブＡ〜Ｄを制御するコントローラ１４と、を備えている。
【００１６】
水素供給手段２は、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンク、液化水素タンク等に貯蔵した水素を取り出し、水素ガス圧力を調整して加湿器３に供給するものである。加湿器３は、空気コンプレッサ１からの空気、および水素供給源２からの水素をそれぞれ加湿して燃料電池スタック４へ供給する。
【００１７】
燃料電池スタック４は、供給された空気及び水素により直接発電して、図示しない外部負荷へ電力を供給する。燃料電池スタック４は、内部に不凍液流路を備え、燃料電池スタック４で発生する反応熱を不凍液に伝えて放熱するようになっている。また燃料電池スタック４内部の不凍液流路には、不凍液温度を検出する温度検出手段である温度センサ１３が設けられ、この検出信号はコントローラ１４へ入力されている。コントローラ１４は、温度センサ１３の検出信号に基づいて、バルブＡ〜Ｄを制御することにより、熱交換器９内の熱交換媒体の入れ替えを制御する（制御手段）。
【００１８】
バルブＡ，Ｂ，Ｃは、３方弁であり、バルブＤは開閉弁または全閉とすることができる絞り弁である。バルブＡ，Ｂは、協同して燃料電池スタック４を循環する不凍液の流路を、ラジエータ７と熱交換器９とに切り替える。バルブＣは、熱交換器９内の不凍液を密閉したり、同不凍液を不凍液ドレインタンク１０へ排出させたり、熱交換器９内の加熱された空気を外部へ排出させる。バルブＤが開くと、空気コンプレッサ１からの圧送空気が熱交換器９に導入される。
【００１９】
コントローラ１４は、例えば、マイクロプロセッサ等で構成され、その内部に記憶したプログラムの制御により、燃料電池システム及びバルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの切り替え又は開閉を制御する。
【００２０】
水素供給手段２またはパージバルブ６から水素リッチガスが水素燃焼器８に供給される。ここで水素を燃焼させた燃焼ガスは、燃料電池システムの冷間起動時に不凍液を加熱する熱交換器９に供給される。熱交換器９から排出した燃焼ガスは外部へ排出される。
【００２１】
通常運転時には、コントローラ１４の制御により、バルブＡはＡ１とＡ２が連通し、バルブＢはＢ１とＢ２が連通する。これにより、不凍液循環ポンプ１２から送り出された不凍液は、バルブＡ、ラジエータ７、バルブＢ、燃料電池スタック４、不凍液循環ポンプ１２の経路を循環して、燃料電池スタック４の反応熱をラジエータ７から外部へ放出する。
【００２２】
燃料電池システムの冷間起動時には、不凍液が低温であるので、通常約８０℃程度の運転温度まで上昇させる必要がある。この場合、コントローラ１４の制御により、バルブＡはＡ１とＡ３が連通し、バルブＢはＢ１とＢ３が連通する。これにより、不凍液循環ポンプ１２から送り出された不凍液は、バルブＡ、熱交換器９、バルブＢ、燃料電池スタック４、不凍液循環ポンプ１２の経路を循環して、熱交換器９により加熱される。
【００２３】
このとき、パージバルブ６から、または図示しない経路により水素供給手段２から直接に、水素燃焼器８へ水素リッチガスが供給される。そして、この水素と、図示しない空気供給源から供給される空気中の酸素とが水素燃焼器８で燃焼し、この燃焼排ガスを熱交換器９に供給して、熱交換器９に不凍液加熱用の熱を供給する。
【００２４】
次いで、上記不凍液の加熱が終了、即ち温度センサ１３が検出する燃料電池スタック４内部の不凍液温度が所定の運転温度まで上昇したときに、コントローラ１４は、バルブＡのＡ１とＡ２、バルブＢのＢ１とＢ２をそれぞれ連通させ、通常運転時の不凍液循環路を構成する。その後バルブＤを開くと共に、バルブＣのＣ１とＣ３を連通させる。これにより、空気コンプレッサ１から供給された空気は、バルブＤを介して熱交換器９に供給される。この空気により熱交換器９内の不凍液は、バルブＣを経由して、不凍液ドレインタンク１０へ排出され、熱交換器９内部の熱交換媒体が不凍液から空気へ入れ替わる。
【００２５】
熱交換器９内部の不凍液が排出された後、コントローラ１４は、バルブＣのＣ１とＣ２とを連通させ、熱交換器９で加熱された空気の系外排出経路を開く。尚、不凍液ドレインタンク１０に排出された不凍液は、後に不凍液回収ポンプ１１により、図外の不凍液リザーバタンクへ戻される。
【００２６】
こうして、冷間起動時に不凍液温度が所定の温度に達した後には、熱交換器９の内部の熱交換媒体が不凍液から空気へ入れ替えられる。このため、以後、燃料極パージにより燃料極から放出された水素リッチガスが水素燃焼器８で燃焼されても、不凍液が加熱されることが無くなり、不凍液の劣化を防止すると共に、ラジエータ７の負荷が大きくなることはなく、ラジエータ７や不凍液循環ポンプ１２の大型化を防止することができる。
【００２７】
図２は、本実施形態で用いる熱交換器９の概略構造を説明する模式断面図である。熱交換器９は、例えば熱交換器を介して熱交換する二つの熱交換媒体が互いに直角方向に流れる直交流形（直交形）のプレートフィン型の熱交換器である。対向する２枚のプレート９ｂは、その間に浪板型又は葛折り型のフィン９ｃを挟み込んで一体に接合されている。このフィン９ｃにより伝熱面積が増大され、燃焼ガスからプレート９ｂへの熱伝導性が向上する。そして、このプレート対を一定の間隔で複数配列して、熱交換器９を構成している。
【００２８】
このフィン９ｃを含むプレート９ｂ間の空間部分には、紙面に垂直な方向に加熱媒体である燃焼ガスが流れる加熱媒体流路９ｅが形成され、その入口は水素燃焼器８に、その出口は排気ダクト２０に、それぞれ接続されている。
【００２９】
フィンを含まないプレート９ｂ間の空間には、図中右から左へ被加熱媒体である不凍液または空気が流れる被加熱媒体流路９ｆが形成され、２つの熱交換媒体の流路は互いに直交する形で交互に設けられている。
【００３０】
次に、本実施形態の動作を説明する。図１のバルブＡ，Ｂ，Ｃの作動状態は大別して、モード▲１▼冷間起動時：〔Ａ１Ａ３連通，Ｂ１Ｂ３連通、Ｃ１閉（Ｃ２Ｃ３連通）、Ｄ閉〕と、モード▲２▼通常運転時：〔Ａ１Ａ２連通，Ｂ１Ｂ２連通、Ｃ１Ｃ２連通、Ｄ開〕との２通りのモードがある。
【００３１】
冷間起動時のモード▲１▼においては、バルブはＡ１Ａ３連通，Ｂ１Ｂ３連通、Ｃ１閉（Ｃ２Ｃ３連通）、Ｄ閉となっており、不凍液が燃料電池スタック４〜熱交換器９間を循環する回路が構成される。そして水素燃焼器８の燃焼ガスを加熱媒体として熱交換器９で加温された不凍液が燃料電池スタック４を循環することにより、燃料電池スタック４を発電可能、もしくは発電効率が良くなる温度まで加温する。
【００３２】
燃料電池車両のように、燃料電池システムが発電停止状態で、長時間屋外に放置される場合、冬季であれば、零下数十度までシステム温度が低下することもある。このため、燃料電池スタック内の凝結水は凍結して氷となり、反応ガス通路の流通を妨げることがある。燃料電池の発電を開始するためには、このような氷を融解する必要がある。また燃料電池の特性や運用方法によっては、運転開始可能温度よりも高い温度である所定温度まで、予め燃料電池スタック等を加温してから発電開始することもある。このように、燃料電池特性や運用方法によって、冷間と判断する温度を決定することができる。
【００３３】
通常運転時のモード▲２▼においては、バルブＡ〜Ｄは、Ａ１Ａ２連通，Ｂ１Ｂ２連通、Ｃ１Ｃ２連通、Ｄ開となっており、不凍液が燃料電池スタック４〜ラジエータ７間を循環する回路が構成される。これにより、不凍液循環ポンプ１２の吐出量を制御しながら燃料電池スタック４の発熱をラジエータ７で放熱し、燃料電池スタック４の温度が目標運転温度となるように調整する。また、熱交換器９の熱交換媒体流路にはＤ１より供給された空気が流通し、加熱された空気はＣ１Ｃ２を経て、外部に放出されるので、不凍液を加熱することがない。
【００３４】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態におけるコントローラ１４の制御ロジックを説明する。尚、図３のフローチャートでは、冷間時か否かをを示すフラグである冷間ＦＬＧを使用し、冷間時は冷間ＦＬＧ＝１、非冷間時（起動初期、および通常運転時）は冷間ＦＬＧ＝０とする。また、このフローチャートの開始時の燃料電池システムの初期状態は、モード▲２▼のバルブ状態とし、冷間ＦＬＧ＝０とする。
【００３５】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、温度センサ１３の検出値を読み込んで、燃料電池スタック４内の不凍液（ＬＬＣ）温度Ｔ１を計測する。次いで、Ｓ１２で冷間ＦＬＧを読み取る。Ｓ１４で、ＬＬＣ温度Ｔ１を冷間判断温度Ｔ１０と比較することで、冷間か否かを判断する。
【００３６】
本実施形態においては、冷間判断温度Ｔ１０は、燃料電池スタック４内の氷の融解を確認できる温度とし、少ない計測位置で燃料電池スタック４全体の氷解を判断するため、０℃に多少の余裕（例えば、２〜５℃）を加算した値に設定するのが望ましい。
【００３７】
Ｓ１４でＴ１≦Ｔ１０の場合は冷間と判断し、Ｓ１６へ進む。Ｓ１６では、冷間ＦＬＧが０か否かを判定する。Ｓ１６で冷間ＦＬＧ＝０の場合は、Ｓ１８で冷間ＦＬＧ＝１とした後に、Ｓ２０で、モード▲２▼の初期状態からモード▲１▼の冷間起動時状態に移行し、Ｓ１０へ戻る。
【００３８】
すなわち、Ｓ２０では、次の（１）〜（３）の処理を行う。（１）バルブＤを閉じ、熱交換器９及びＬＣＣ通路への空気供給を止める。（２）Ｃ１を閉じ（Ｃ２Ｃ３連通）、ＬＬＣのドレイン口を閉じる。（３）Ａ１Ａ３、Ｂ１Ｂ３を連通し、熱交換器９〜燃料電池スタック４間を循環するＬＬＣ回路を構成する。
【００３９】
Ｓ１６で冷間ＦＬＧ≠０の場合は、既にモード▲１▼冷間起動時状態への移行が完了していると判断して、Ｓ２２へ移り、そのモード▲１▼状態を継続させ、Ｓ１０へ戻る。
【００４０】
Ｓ１４の判定で、Ｔ１≦Ｔ１０でない場合は、冷間ではないと判断してＳ２４へ移る。Ｓ２４では、冷間ＦＬＧ＝１か否かを判定し、冷間ＦＬＧ＝１の場合は、Ｓ２６で、モード▲１▼冷間起動時状態からモード▲２▼通常運転時状態に移行する。
【００４１】
すなわち、Ｓ２６では、次の（１）〜（３）の処理を行う。（１）Ａ１Ａ２、Ｂ１Ｂ２を連通し、ラジエータ７〜燃料電池スタック４間を循環するＬＬＣ回路を構成する。（２）Ｃ１Ｃ３連通し、ＬＬＣのドレイン口を開ける。（３）Ｄを開け、熱交換器９の熱交換媒体流路や管路中のＬＬＣを空気パージにより不凍液ドレインタンク１０に回収する。
【００４２】
次いで、Ｓ２８で、ＬＬＣの回収に必要な時間が経過した後に、Ｃ１Ｃ２を連通し、加熱空気の外部放出経路を確保する。なお、ＬＬＣ回収に必要な時間は実験により確定させる。Ｓ２８の操作後に、Ｓ３０で冷間ＦＬＧ＝０として、Ｓ１０へ戻る。
【００４３】
Ｓ２４の判定で、冷間ＦＬＧ≠１（冷間ＦＬＧ＝０）の場合は、既にモード▲２▼通常運転時状態への移行が完了していると判断して、Ｓ３２へ移り、その状態モード▲２▼を継続させ、終了する。
【００４４】
なお、通常運転時は、燃料電池スタック４の反応熱により燃料電池スタック４内ＬＬＣ温度Ｔ１＞Ｔ１０となるため、この制御は起動時のみに実行することもできる。
【００４５】
以上説明したように、第１実施形態によれば、燃料電池起動後に不凍液が所定の温度に達した後は、熱交換器内の熱交換媒体を空気に入れ替えるため、水素パージ時に燃焼ガスが不凍液を加熱することがないので、ラジエータに余計な負荷をかけることがなく、ラジエータや不凍液循環ポンプの大型化を防止することができる。
【００４６】
また、不凍液加熱頻度が減るため、不凍液の劣化や導電率の上昇、また不凍液の圧力増大による漏れ、および熱交換器や管路の破損を防止できる。
【００４７】
また、空気パージにより不凍液を不凍液ドレインタンクに排出するので、無駄に外部へ排出することなく不凍液を容易に回収でき、不凍液量を減少させることなく熱交換媒体を空気に替えることができる。
【００４８】
また、水素パージ時に加熱された空気は、燃焼排ガス管路に接続した管路を経て排気されるので、排気経路を簡素化でき、システムの大型化を防止することができる。
【００４９】
また、燃料電池スタック内の不凍液温度に基づいて熱交換媒体の入れ替えを制御するので、不凍液の劣化防止と燃料電池スタックの起動時間短縮を両立できる、即ち、熱交換器による不凍液加熱時間を最適化できる。
【００５０】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する。図４は、第２実施形態の燃料電池システムの制御ロジックを示すフローチャートである。燃料電池システムの全体構成及び熱交換器の構成は、図１、図２に示した第１実施形態と同様である。
【００５１】
第２実施形態におけるバルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの作動状態は大別して、モード▲１▼冷間起動時：〔Ａ１Ａ３連通，Ｂ１Ｂ３連通、Ｃ１閉（Ｃ２Ｃ３連通）、Ｄ閉〕と、モード▲３▼通常運転時：〔Ａ１Ａ２連通，Ｂ１Ｂ２連通、Ｃ１Ｃ２連通、Ｄ閉〕と、モード▲４▼通常運転中の水素パージ時：〔Ａ１Ａ２連通，Ｂ１Ｂ２連通、Ｃ１Ｃ２連通、Ｄ開〕との３モードがある。
【００５２】
モード▲１▼冷間起動時は、第１実施形態のモード▲１▼と同じである。モード▲３▼通常運転時は、第１実施形態のモード▲２▼とバルブＤが閉である点が異なっている。すなわち、不凍液が燃料電池スタック４〜ラジエータ７間を循環する回路が構成され、燃料電池スタック４の反応熱をラジエータ７で放熱し、燃料電池スタック４を温調するが、熱交換器９の熱交換媒体流路にはＣ１Ｃ２より自然流入した空気がある。モード▲４▼通常運転中の水素パージ時は、第１実施形態のモード▲２▼と同じである。
【００５３】
次に、図４のフローチャートを参照して、これらのバルブ作動を切替える制御ロジックについて、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。尚、第１実施形態と同様の冷間ＦＬＧ及び冷間判断温度Ｔ１０に加えて、水素パージＦＬＧを使用する。この水素パージＦＬＧは燃料電池発電システムの制御において、水素パージを実施する場合に１、そうでない場合には０に設定されている。
【００５４】
まず、モード▲３▼のバルブ状態と、冷間を判断する冷間ＦＬＧ＝０と、水素パージＦＬＧ＝０と、を初期状態とする。
【００５５】
Ｓ１０からＳ２２までは、第１実施形態と同様である。Ｓ１４のＬＬＣ温度Ｔ１と冷間判断温度Ｔ１０との比較判断で、Ｔ１≦Ｔ１０でない場合は冷間ではないと判断し、Ｓ２４へ進むことも第１実施形態と同様である。
【００５６】
Ｓ２４の冷間ＦＬＧ＝１か否かの判断で、冷間ＦＬＧ＝１の場合は、Ｓ４２へ進む。Ｓ４２では、モード▲１▼冷間起動時状態からモード▲３▼通常運転時状態に移行する。すなわち、Ｓ４２では、次の（１）〜（３）の処理を行う。（１）Ａ１Ａ２、Ｂ１Ｂ２を連通し、ラジエータ７〜燃料電池スタック４間を循環するＬＬＣ回路を構成する。（２）Ｃ１Ｃ３連通し、ＬＬＣのドレイン口を開ける。（３）バルブＤを開け、熱交換器９の熱交換媒体流路や管路中のＬＬＣを空気パージにより不凍液ドレインタンク１０に回収する。
【００５７】
その後、ＬＬＣの回収に必要な時間が経過した後に、Ｓ４４で、Ｃ１Ｃ２を連通し、加熱空気の外部放出経路を確保し、Ｄを閉とし空気供給を止める。なお、ＬＬＣ回収に必要な時間は実験により確定させる。このＳ４４の操作後に、Ｓ４６で冷間ＦＬＧ＝０として、Ｓ１０へ戻る。
【００５８】
Ｓ２４の判定で、冷間ＦＬＧ≠１の場合は、通常運転時にあると判断して、Ｓ４８へ進み、水素パージＦＬＧを読込む。Ｓ５０で水素パージＦＬＧ＝１か否かの判断を行う。水素パージＦＬＧ＝１の場合は、Ｓ５２へ進み、モード▲４▼通常運転水素パージ時の作動を実施する。すなわちバルブＤを開として、空気を熱交換器９の熱交換媒体流路へ送る。加熱された空気はＣ１Ｃ２を経て外部に排出される。
【００５９】
その後、パージされた水素の燃焼に伴う発熱の外部排出に必要な時間が経過した後に、Ｓ５４で、バルブＤを閉としてモード▲４▼作動を終了させて、Ｓ１０へ戻る。このモード▲４▼終了時には、システム状態は、モード▲３▼通常運転状態となる。なお、水素燃焼に伴う発熱の外部排出に必要な時間は水素パージ時間に依り、決定される。
【００６０】
Ｓ５０の判定で、水素パージＦＬＧ≠１の場合は、Ｓ５６へ進み、モード▲３▼通常運転時の作動を継続させて、Ｓ１０へ戻る。
【００６１】
以上説明したように第２実施形態によれば、通常運転中の燃料ガス一掃時（水素パージ時）に、熱交換器へ空気を供給するので、空気を圧送するブロアーやコンプレッサの負荷を必要最小限にしてシステムの効率低下を最小限に抑えることができる。
【００６２】
〔第３実施形態〕
次に、図５、図６を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を詳細に説明する。図５は、第３実施形態の燃料電池システムの要部構成図、図６は、第３実施形態の制御ロジックの要部を示すフローチャートである。
【００６３】
図５では、空気コンプレッサ１，水素供給手段２，加湿器３，燃料電池スタック４，空気圧調整弁５，パージバルブ６，温度センサ１３，コントローラ１４は図示を省略しているが、図外に第１実施形態と同様なこれらの構成要素を備えているものとする。
【００６４】
図５において、本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した第１実施形態の構成に加えて、純水を貯蔵する純水タンク１５と、純水タンク１５に熱的に接して設けられ熱交換器９の排ガスで純水タンク１５を加熱する純水タンク加熱管（純水タンク加熱手段）１６と、熱交換器９から排出される燃焼ガスを系外へ直接排出するか、純水タンク加熱管１６を介して排出するかを切り替える３方弁であるバルブＥと、を備えている。
【００６５】
純水タンク１５は、図外の加湿器３により空気または水素を加湿するための純水を貯蔵するものであり、純水タンク内の純水または氷の温度を測定する図示しない純水温度センサ（純水温度検出手段）を備えている。純水温度センサの検出値は、コントローラ（制御手段）１４へ入力され、純水タンク内の純水または氷の温度に基づく純水タンクの加温制御に使用している。
【００６６】
熱交換器９から排出した燃焼ガスは、バルブＥを経て外部へ排出、または純水タンク１５に熱的に接触して配置された純水タンク加熱管１６を介して純水タンク１５を加熱したのち外部へ排出される。なお、燃料電池スタック４の起動時間の短縮が目的である場合は、本実施形態のように不凍液を加熱して燃料電池スタック４の加温を優先させるべきである。
【００６７】
バルブＥの作動状態は大別して、モード▲５▼純水タンク加熱時：〔Ｅ１Ｅ２連通〕、モード▲６▼純水タンク非加熱時：〔Ｅ１Ｅ３連通〕の２通りがある。
【００６８】
モード▲５▼純水タンク加熱時においては、熱交換器９から排出した燃焼ガスはＥ１Ｅ２を経て、純水タンク加熱管１６を介して純水タンク１５を加熱したのち外部へ排出される。
【００６９】
モード▲６▼純水タンク非加熱時においては、熱交換器９から排出した燃焼ガスはＥ１Ｅ３を経て、外部へ直接排出される。
【００７０】
次に、図６のフローチャートを参照して、これらの作動を切替える制御ロジックを説明する。このフローチャートの開始時に、初期状態として、モード▲６▼のバルブ状態にあるものとする。
【００７１】
まず、Ｓ６０で純水タンク内の純水（または氷）の温度Ｔ２を純水温度センサにより計測する。
【００７２】
次いでＳ６２で、温度Ｔ２を解凍判断温度Ｔ２０と比較することで純水の解凍を判断する。解凍判断温度Ｔ２０は、少ない計測位置でタンク全体の解凍を判断するため、０℃に多少の余裕（例えば、２〜５℃）を加算した値に設定するのが望ましい。
【００７３】
Ｓ６２の判断で、Ｔ２≧Ｔ２０の場合は、純水タンク内が解凍していると判断して、Ｓ６４へ進み、モード▲６▼作動〔Ｅ１Ｅ３連通〕を実施または継続する。
【００７４】
Ｓ６２の判断で、Ｔ２≧Ｔ２０でない場合は、純水タンク内が未解凍と判断して、Ｓ６６へ進み、モード▲５▼作動〔Ｅ１Ｅ２連通〕を実施または継続する。
【００７５】
以上説明した本実施形態によれば、熱交換器で不凍液を加熱した後の燃焼器排ガスで、さらに純水タンクを加熱するので、水素燃焼器の反応熱を有効に使い、システムの効率を向上させることができる。
【００７６】
また、純水タンク内の純水または氷の温度により純水タンクの加温を実施するので、水温上昇による純水の気化促進に由来する純水量の減少や、イオン溶け込み量増加による純水導電率の上昇を防止することができる。
【００７７】
〔第４実施形態〕
次に、図７、図８、図９を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を詳細に説明する。図７は、第４実施形態の燃料電池システムの要部構成図、図８は、熱交換器２９の熱交換媒体経路を簡易的に表した断面図、図９は、第４実施形態の制御ロジックを示すフローチャートである。
【００７８】
図７では、空気コンプレッサ１，水素供給手段２，加湿器３，燃料電池スタック４，空気圧調整弁５，パージバルブ６，温度センサ１３，コントローラ１４、及び純水タンク１５は図示を省略しているが、図外に第１実施形態と同様なこれらの構成要素を備えているものとする。
【００７９】
まず、回路構成を説明する。水素供給手段２、またはパージバルブ６を介して燃料電池スタック４の燃料極から水素リッチガスが水素燃焼器８に供給される。この水素リッチガスは、空気と共に水素燃焼器８で燃焼させ、燃焼ガスは熱交換器２９に供給される。熱交換器２９から排出した燃焼ガスは、排気ダクト２０を介して外部へ排出される。
【００８０】
燃料電池スタック４に接続された流路から不凍液循環ポンプ１２により圧送される不凍液は、バルブＦのＦ１Ｆ２連通時はラジエータ７を経由して燃料電池スタック４を冷却し、Ｆ１Ｆ３連通時は熱交換器２９を経由して燃料電池スタック４を加熱する。
【００８１】
空気コンプレッサ１から供給された空気は、バルブＨのＨ１から供給され、熱交換器２９の中間媒体流路、バルブＧ（Ｇ１Ｇ２）を経由して、熱交換器２９の燃焼ガス排出流路に接続される。また、バルブＧのＧ３には純水ドレインタンク１７が接続され、熱交換器２９から排出された純水は、純水ドレインタンク１７に一時貯留される。純水ドレインタンク１７の純水は純水回収ポンプ１８により図外の純水タンクに戻される。
【００８２】
次に、図８の模式断面図を参照して、本実施形態で用いる熱交換器９の概略構造を説明する。熱交換器２９は、熱交換器を介して熱交換する二つの熱交換媒体が互いに直角方向に流れる直交流形（直交形）のプレートフィン型の熱交換器である。但し、加熱媒体流路２９ｅと被加熱媒体流路２９ｈとの間に、中間媒体流路２９ｇが設けられ、加熱媒体により被加熱媒体が直接加熱されないようになっている。
【００８３】
対向する２枚のプレート２９ｂは、その間に浪板型又は葛折り型のフィン２９ｃを挟み込んで一体に接合されている。このフィン２９ｃにより伝熱面積が増大され、燃焼ガスからプレート２９ｂへの熱伝導性が向上する。そして、このプレート対と、２枚のプレート２９ｄとを交互に一定の間隔で複数配列して、熱交換器２９を構成している。
【００８４】
このフィン２９ｃを含むプレート２９ｂ間の空間部分には、紙面に垂直な方向に加熱媒体である燃焼ガスが流れる加熱媒体流路２９ｅが形成され、その入口は水素燃焼器８に、その出口は排気ダクト２０に、それぞれ接続されている。
【００８５】
プレート２９ｂとプレート２９ｄとの間の空間には、図中右から左へ中間媒体である純水または空気が流れる中間媒体流路２９ｇが形成されている。隣り合う２枚のプレート２９ｄの間は、被加熱媒体である不凍液（ＬＬＣ）が流れる被加熱媒体流路９ｈが設けられている。
【００８６】
この熱交換器２９の構造により、加熱媒体の熱は、フィン２９ｃ及びプレート２９ｂを介して、中間媒体に伝えられ、中間媒体の熱は、プレート２９ｄを介して被加熱媒体に伝えられるようになっている。
【００８７】
図７のそれぞれ３方弁を用いたバルブＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉの作動状態は大別して、モード▲７▼　冷間起動時：〔Ｆ１Ｆ３連通，Ｇ１閉（Ｇ２Ｇ３連通）、Ｈ２Ｈ３連通、Ｉ１Ｉ３連通〕と、モード▲８▼　通常運転時：〔Ｆ１Ｆ２連通，Ｇ１Ｇ２連通、Ｈ１Ｈ３連通、Ｉ３閉（Ｉ１Ｉ２連通）〕と、の２通りがある。
【００８８】
モード▲７▼冷間起動時においては、バルブの状態は、Ｆ１Ｆ３連通，Ｇ１閉（Ｇ２Ｇ３連通）、Ｈ２Ｈ３連通、Ｉ１Ｉ３連通となっており、不凍液が燃料電池スタック４〜熱交換器２９間を循環する回路が構成され、燃焼ガスを加熱媒体、純水（または氷）を中間媒体とした熱交換器２９で加温された不凍液が、燃料電池スタック４を発電可能、もしくは発電効率が良くなるように加温する。
【００８９】
ここで、不凍液としてエチレングリコールの５０％水溶液を用いた場合は、熱伝導率は、およそ不凍液＝０．４３Ｗ／ｍ／Ｋに対して、水＝０．６１Ｗ／ｍ／Ｋ、氷＝２．２Ｗ／ｍ／Ｋであり、中間媒体である純水または氷を介して不凍液を加熱できる。
【００９０】
モード▲８▼通常運転時においては、バルブの状態は、Ｆ１Ｆ２連通，Ｇ１Ｇ２連通、Ｈ１Ｈ３連通、Ｉ３閉（Ｉ１Ｉ２連通）となっており、不凍液が燃料電池スタック４〜ラジエータ７間を循環する回路が構成され、燃料電池スタック４の反応熱をラジエータ７で放熱し、燃料電池スタック４を温調する。また、熱交換器２９の中間媒体流路にはＨ１より供給された空気が流通し、加熱された空気はＧ１Ｇ２を経て、外部に放出される。
【００９１】
ここで、熱伝導率は、およそ、空気＝０．０２６Ｗ／ｍ／Ｋであるため、モード▲８▼における中間媒体である空気を介して不凍液に伝えられる熱量は、モード▲７▼の状態と比べて、極めて小さくなる。
【００９２】
次に、図９のフローチャートを参照して、これらの作動を切替える制御ロジックを説明する。このフローチャートの処理が開始されるときの初期状態は、モード▲７▼のバルブ状態と、冷間を判断する冷間ＦＬＧ＝１とする。
【００９３】
まずＳ１０で、燃料電池スタック４内のＬＬＣ（＝不凍液）の温度Ｔ１を温度センサ１３により計測する。次いで、Ｓ１２で冷間ＦＬＧを読み取る。
【００９４】
次いで、Ｓ１４で、温度Ｔ１を冷間判断温度Ｔ１０と比較することで冷間を判断する。冷間判断温度Ｔ１０は、少ない計測位置で燃料電池スタック４全体の氷解を判断するため、０℃に多少の余裕（例えば、２〜５℃）を加算した値に設定するのが望ましい。
【００９５】
Ｓ１４の判定で、Ｔ１≦Ｔ１０の場合は冷間と判断して、Ｓ７０へ進み、初期状態すなわちモード▲７▼状態を継続して、Ｓ１０へ戻る。
【００９６】
Ｓ１４の判定で、Ｔ１≦Ｔ１０でない場合は冷間ではないと判断して、Ｓ７２へ進み、冷間ＦＬＧ＝１か否かを判定する。
【００９７】
Ｓ７２で冷間ＦＬＧ＝１の場合は、Ｓ７４に進み、モード▲７▼冷間起動時状態からモード▲８▼通常運転時状態に移行する。すなわち、Ｓ７４では、次の（１）〜（４）の処理を行う。（１）Ｆ１Ｆ２を連通し、ラジエータ７〜燃料電池スタック４間を循環するＬＬＣ回路を構成する。（２）Ｉ３を閉じ、中間媒体流路への水供給を止める。（３）Ｇ１Ｇ３を連通し、純水ドレイン経路を確保する。（４）Ｈ１Ｈ３を連通し、熱交換器２９の中間媒体流路や管路中の純水を空気パージによりド純水レインタンク１７に回収する。
【００９８】
その後、純水の回収に必要な時間が経過した後に、Ｓ７６で、Ｇ１Ｇ２を連通し、空気の外部経路を確保する。なお、純水回収に必要な時間は実験により確定させる。このＳ７６操作実施後に、Ｓ７８で冷間ＦＬＧ＝０として、Ｓ１０に戻る。
【００９９】
Ｓ７２の判定で、冷間ＦＬＧ≠１の場合は、既にモード▲８▼通常運転時状態への移行が完了していると判断して、Ｓ８０へ進み、その状態モード▲８▼を継続させて、Ｓ１０へ戻る。
【０１００】
なお、通常運転時は、燃料電池スタック４の反応熱により燃料電池スタック４内ＬＬＣ温度Ｔ１＞Ｔ１０となるため、この制御は起動時のみに実行することもできる。
【０１０１】
以上説明した本実施形態によれば、通常運転時は熱交換器の中間媒体を空気とするため、水素パージ時の燃焼ガスによる不凍液加熱を小さくできるので、車両系のラジエータに余計な負荷をかけることがなく、ラジエータや不凍液循環ポンプの大型化を防止することができる。
【０１０２】
また、不凍液加熱頻度が減るため、不凍液の劣化や導電率の上昇、また不凍液の圧力増大による漏れ、および熱交換器や管路の破損を防止できる。
【０１０３】
また、空気パージを実施して純水を純水ドレインタンクに蓄えるので、無駄に外部へ排出することなく純水を容易に回収でき、純水量を減少させることなく中間媒体を空気に替えることができる。
【０１０４】
また、水素パージ時に加熱された空気は、燃焼排ガス管路に接続した管路を経て排気されるので、経路を簡素化でき、システムの大型化を防止することができる。
【０１０５】
さらに、温度センサにより燃料電池スタック内の不凍液温度を検出し、この温度に基づいてコントローラが中間媒体の入れ替えを制御するので、不凍液の劣化防止と燃料電池スタックの起動時間短縮を両立、即ち熱交換器による不凍液加熱時間を最適化できる。
【０１０６】
〔第５実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第５実施形態を説明する。図１０は、第５実施形態の燃料電池システムの制御ロジックを示すフローチャートである。燃料電池システムの全体構成及び熱交換器の構成は、図７、図８に示した第４実施形態と同様である。
【０１０７】
第５実施形態におけるバルブＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉの作動状態は大別して、モード▲７▼冷間起動時：〔Ｆ１Ｆ３連通，Ｇ１閉（Ｇ２Ｇ３連通）、Ｈ２Ｈ３連通、Ｉ１Ｉ３連通〕と、モード▲９▼通常運転時：〔Ｆ１Ｆ２連通，Ｇ１Ｇ２連通、Ｈ１Ｈ３閉、Ｉ３閉（Ｉ１Ｉ２連通）〕と、モード（１０）通常運転中の水素パージ時：〔Ｆ１Ｆ２連通，Ｇ１Ｇ２連通、Ｈ１Ｈ３連通、Ｉ３閉（Ｉ１Ｉ２連通）〕と、の３通りがある。
【０１０８】
モード▲７▼冷間起動時は、第４実施形態のモード▲７▼と同じである。モード▲９▼通常運転時は、第４実施形態のモード▲８▼とＨ１、Ｈ３が閉である点が異なっている。すなわち、不凍液が燃料電池スタック４〜ラジエータ７間を循環する回路が構成され、燃料電池スタック４の反応熱をラジエータ７で放熱し、燃料電池スタック４を温調するが、熱交換器２９の中間媒体流路にはＣ１Ｃ２より自然流入した空気がある。　モード（１０）通常運転中の水素パージ時は、第４実施形態のモード▲８▼と同じである。
【０１０９】
次に、図１０のフローチャートを参照して、これらのバルブＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉの作動を切替える制御ロジックを第４実施形態と異なる部分を説明する。このフローチャートの処理が開始されるときの初期状態は、モード▲７▼のバルブ状態と、冷間を判断する冷間ＦＬＧ＝１と、水素パージ実施を表す水素パージＦＬＧ＝０とする。
【０１１０】
Ｓ１０からＳ７０は、図９の第４実施形態と同様である。Ｓ１４で、温度Ｔ１を冷間判断温度Ｔ１０と比較することで冷間を判断することも同様である。
【０１１１】
Ｓ１４の判定で、Ｔ１≦Ｔ１０でない場合は冷間ではないと判断して、Ｓ７２へ進み、冷間ＦＬＧ＝１か否かを判定する。
【０１１２】
Ｓ７２で、冷間ＦＬＧ＝１の場合は、Ｓ９０へ進み、モード▲７▼冷間起動時状態からモード▲９▼通常運転時状態に移行する。すなわち、Ｓ９０では、次の（１）〜（４）の処理を行う。（１）Ｆ１Ｆ２を連通し、ラジエータ７〜燃料電池スタック４間を循環するＬＬＣ回路を構成する。（２）Ｉ３を閉とする。（３）Ｇ１Ｇ３を連通し、熱交換器２９から中間媒体である純水を純水ドレインタンク１７へ導く経路を開ける。（４）Ｈ１Ｈ３を連通してコンプレッサ１から空気を導入し、熱交換器２９の中間媒体流路や管路中の純水を空気パージにより純水ドレインタンク１７に回収する。
【０１１３】
その後、純水の回収に必要な時間が経過した後に、Ｓ９２で、Ｇ１Ｇ２を連通して、加熱空気の外部放出経路を確保し、Ｈ１、Ｈ３を閉とし空気供給を止める。このＳ９２の操作実施後に、Ｓ９４で冷間ＦＬＧ＝０として、Ｓ１０へ戻る。
【０１１４】
Ｓ７２で、冷間ＦＬＧ≠１の場合は、通常運転時にあると判断して、Ｓ９６へ進み、水素パージＦＬＧを読込み、Ｓ９８で水素パージＦＬＧ＝１か否かを判定する。
【０１１５】
Ｓ９８で、水素パージＦＬＧ＝１の場合は、Ｓ１００へ進み、モード（１０）通常運転中の水素パージ時の作動を実施する。すなわちＨ１Ｈ３を連通として、空気を熱交換器の中間被加熱媒体流路へ送る。加熱された空気はＧ１Ｇ２を経て外部に排出される。
【０１１６】
その後、パージされた水素燃焼に伴う発熱の外部排出に必要な時間が経過した後に、Ｓ１０２で、Ｈ１、Ｈ３を閉としてモード（１０）作動を終了させ、Ｓ１０へ戻る。モード（１０）作動終了時には、モード▲９▼通常運転状態となる。
【０１１７】
Ｓ９８で、水素パージＦＬＧ≠１の場合は、Ｓ１０４へ進み、モード▲９▼通常運転時の作動を継続させて、Ｓ１０へ戻る。
【０１１８】
以上説明したように本実施形態によれば、通常運転の燃料ガス一掃時（水素パージ時）にのみ、空気を供給するので、空気を圧送するブロアーやコンプレッサの負荷を必要最小限にしてシステムの効率低下を最小限に抑えることができる。
【０１１９】
〔第６実施形態〕
次に、図１１、図１２、図１３を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を詳細に説明する。図１１は、第６実施形態の燃料電池システムの要部構成図、図１２，１３は、第６実施形態の制御ロジックを示すフローチャートである。
【０１２０】
図１１では、空気コンプレッサ１，水素供給手段２，加湿器３，燃料電池スタック４，空気圧調整弁５，パージバルブ６，温度センサ１３，及びコントローラ１４は図示を省略しているが、図外に第１実施形態と同様なこれらの構成要素を備えているものとする。
【０１２１】
まず、図１１を参照して回路構成を説明する。燃料電池スタック４からの不凍液は、不凍液循環ポンプ１２により圧送され、ラジエータ７及び熱交換器９に至る。ラジエータ７または熱交換器９からの不凍液は、３方弁Ｆにより選択されて、燃料電池スタック４へ帰還する。即ち３方弁Ｆの切換により、不凍液を熱交換器９で加熱するか、ラジエータ７で放熱するかを切り替えるようになっている。
【０１２２】
水素燃焼器８と熱交換器９との間には、３方弁Ｊが設けられ、水素燃焼器８による燃焼ガスを外部へ排出するか、熱交換器９へ供給するするかを切り替え可能となっている。
【０１２３】
また、熱交換器９からの燃焼ガスは、排気ダクト２０を介して３方弁ＫのＫ１に入り、そのまま系外へ排出するか（Ｋ３）、純水タンク加熱管１６を介して排出する（Ｋ２）かを切り替え可能となっている。
【０１２４】
純水タンク１５は、これに熱的に接触して配置された純水タンク加熱管１６を介して燃焼ガスにより加熱できるようになっている。
【０１２５】
次に、図１２のフローチャートを説明する。まず、Ｓ１１０で、燃料電池スタック４内のＬＬＣ（＝不凍液）の温度Ｔ１を温度センサ１３により計測する。次いで、Ｓ１１２で温度Ｔ１と冷間判断温度Ｔ１０とを比較し、冷間か否かを判断する。
【０１２６】
Ｓ１１２で、Ｔ１≦Ｔ１０の場合は、モード（１１）冷間起動時と判断して、Ｓ１１４へ進み、Ｊ１Ｊ２を連通し、燃焼ガスでＬＬＣを加熱して、Ｆ１Ｆ３を連通し、燃料電池スタック４〜熱交換器９間を循環する回路が構成され、燃焼ガスを加熱媒体とした熱交換器９で加温された不凍液が、燃料電池スタック４を発電可能、もしくは発電効率が良くなるように加温する。
【０１２７】
Ｓ１１２で、Ｔ１≦Ｔ１０でない場合は、モード（１２）通常運転時と判断して、Ｓ１１６へ進み、Ｊ１Ｊ３を連通し、水素パージ時は燃焼ガスを外部へ排出する。また、Ｆ１Ｆ２を連通し、不凍液が燃料電池スタック４〜ラジエータ７間を循環する回路が構成され、燃料電池スタック４の反応熱をラジエータ７で放熱し、燃料電池スタック４を温調する。
【０１２８】
次に、図１３のフローチャートを説明する。まず、Ｓ６０で、純水タンク内の純水（または氷）の温度Ｔ２を純水温度センサにより計測する。次に、Ｓ６２で、純水温度Ｔ２と解凍判断温度Ｔ２０とを比較し、純水タンク内が解凍しているか否かを判断する。
【０１２９】
Ｓ６２で、Ｔ２≧Ｔ２０の場合は、タンク内純水解凍と判断して、Ｓ１２０へ進み、モード（１４）作動を実施し、Ｋ１Ｋ３を連通し、燃焼ガスを外部へ排出する。
【０１３０】
Ｓ６２で、Ｔ２≧Ｔ２０でない場合は、タンク内純水未解凍と判断し、モード（１３）作動を実施し、Ｋ１Ｋ２を連通し、燃焼ガスで純水タンクを加熱する。
【０１３１】
次に、本実施形態の変形例の構成図を図１４に示す。不凍液が加熱されてＴ１０以上になった後に、純水タンク１５がいまだ凍結している場合には、純水タンク１５を加熱する必要があるので、図１４に示すように、Ｊ３側に排出された排気を再びＫ１側に導入する排気バイパス流路１９を設けてもよい。この時、Ｊ１Ｊ３およびＬ３Ｌ２を連通して排気をバイパスすると同時にＪ４Ｊ２およびＬ１Ｌ４を連通することにより、熱交換器内の燃焼ガスを空気に入れ替えることができる。
【０１３２】
以上説明した第６実施形態によれば、暖機後に熱交換器内の燃焼ガスを空気に入れ替えることにより、ラジエータに余計な負荷をかけることがなく、ラジエータや不凍液ポンプの大型化を防止することができる。また、構成の簡素化により、システムを小型化できる。
【０１３３】
また、燃料電池本体内の不凍液温度に基づいて熱交換媒体の入れ替えを制御するので、不凍液の劣化防止と燃料電池本体の起動時間短縮を両立し、熱交換器による不凍液加熱時間を最適化できる。
【０１３４】
また、熱交換器で不凍液を加熱した後の燃焼器排ガスで、さらに純水タンクを加熱するので、燃焼器反応熱を有効に利用し、システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【０１３５】
また、純水タンク内の純水または氷の温度に基づいて純水タンクの加熱を制御するので、過度な水温上昇による純水の気化や、イオン溶け込み量増加による純水導電率の上昇を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する構成図である。
【図２】第１実施形態に用いる熱交換器の媒体通路を模式的に説明する断面図である。
【図３】第１実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】第２実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を説明する構成図である。
【図６】第３実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を説明する構成図である。
【図８】第４実施形態に用いる熱交換器の媒体通路を模式的に説明する断面図である。
【図９】第４実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１０】第５実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態を説明する構成図である。
【図１２】第６実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１３】第６実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１４】第６実施形態の変形例を説明する構成図である。
【符号の説明】
１　空気コンプレッサ
２　水素供給手段
３　加湿器
４　燃料電池スタック
５　空気圧調整弁
６　パージバルブ
７　ラジエータ
８　水素燃焼器
９　熱交換器
１０　不凍液ドレインタンク
１１　不凍液回収ポンプ
１２　不凍液循環ポンプ
１３　温度センサ
１４　コントローラ
１５　純水タンク
１６　純水タンク加熱管
１７　純水ドレインタンク
１８　純水回収ポンプ
１９　排気パイパス流路
２０　排気ダクト
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ　バルブ
【図１】
2004039560.tif 000003
【図２】
2004039560.tif 000004
【図３】
2004039560.tif 000005
【図４】
2004039560.tif 000006
【図５】
2004039560.tif 000007
【図６】
2004039560.tif 000008
【図７】
2004039560.tif 000009
【図８】
2004039560.tif 000010
【図９】
2004039560.tif 000011
【図１０】
2004039560.tif 000012
【図１１】
2004039560.tif 000013
【図１２】
2004039560.tif 000014
【図１３】
2004039560.tif 000015
【図１４】
2004039560.tif 000016