(57)【要約】【課題】水循環手段の凍結による性能低下を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸素含有ガスを加湿するためのインジェクタ２７、２８と、加湿水を貯蔵する水タンク５からインジェクタ２７、２８に水を供給する水通路１１と、水通路１１にパージ空気を供給するパージ空気供給弁４と、水通路１１内に水を流通させる水ポンプ８と、水ポンプ８を配置した範囲に水が流入しないように水通路１１を遮断する水通路遮断弁７と、を備える。このようなシステムの停止時に、水通路遮断弁７により水の流入が遮断される範囲よりも広い範囲にパージ空気を供給してから、水通路遮断弁７により水通路１１を遮断する。【選択図】　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給する燃料ガスと酸素含有ガスの少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、
前記加湿手段で加湿に用いる水を貯蔵する水タンクと、
前記加湿手段に前記水タンクの水を供給するための水通路と、
前記水通路にパージガスを供給して前記水通路中の水を抜く水抜き手段と、
前記水通路内の水の流通を調整する水循環手段と、
前記水通路の少なくとも前記水循環手段の一部を配置した範囲に水が流入しないように前記水通路を遮断する遮断手段と、を備え、
システム停止時に、前記遮断手段により水の流入が遮断される範囲よりも広い範囲に前記水抜き手段を用いてパージガスを供給してから、前記遮断手段により水通路を遮断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
システムが保有する水の凍結する可能性を検知する凍結検知手段を備え、
水が凍結する可能性があると判断された場合にのみ、前記水抜き手段により前記水通路にパージガスを供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水タンクから前記水通路に水を導入する水吸出口より上方に前記水循環手段を配置する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水通路の一部を底辺部に対して頂辺部が上方に突起した凸部配管から構成し、
前記凸部配管の頂辺部に前記水循環手段を配置し、
前記凸部配管の底辺部の一端に前記水吸出口を形成し、
少なくとも前記頂辺部を前記遮断手段により水の流入が遮断される範囲とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記頂辺部の前記水タンクと反対側の一端を上方に延びる供給側と下方に延びる排水側との分岐部とし、
前記供給側に前記加湿手段を配置し、前記排水側に前記水通路内の水を排水する排水弁を配置する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記頂辺部にパージガスを開放するパージガス開放手段を設置する請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水通路内の前記パージガス開放手段より前記水タンク側の水温を測定する水通路温度センサと、
前記パージガス開放弁付近に配置したパージガス開放管温度センサと、
前記パージガス配管温度センサの出力と前記水通路温度センサの出力を比較する比較手段と、を備え、
システム起動時に、前記パージガス開放手段付近の温度と前記水タンク側の前記底辺部の水温が同等であると判断されたときに、前記パージガス開放手段によるパージガスの開放を終了する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の温度を調整する冷媒を流通する冷媒通路と、
液体燃料あるいは燃料ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成した燃焼ガスを熱源として前記冷媒を加熱する熱交換器と、
を備え、
前記水通路の少なくとも一部とシステム内を流通する冷媒通路の一部を併設する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水吸出口を前記水タンク内部に形成し、
前記水通路の一部を、前記水タンク内で前記水吸出口から上方にのびる配管により構成した請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水タンク内に前記冷媒通路の一部を配置した請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給する燃料ガスと酸素含有ガスの少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、
前記加湿手段で加湿に用いる水を貯蔵する水タンクと、
前記加湿手段に前記水タンクの水を供給するための水通路と、
前記水通路にパージガスを供給して前記水通路中の水を抜く水抜き手段と、
前記水通路内に水を流通させる、または水の流通を停止させる水循環手段と、を備え、
前記水通路の一部を底辺部に対して頂辺部が上方に突起した凸部配管により構成し、
前記凸部配管の頂辺部に前記水循環手段を配置し、
前記水通路にパージガスを供給する供給口を前記頂辺部に形成することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システム、特に低温環境下において燃料電池システム内に保有する水の凍結によるシステムの破損を防止するための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとして、特開平６−２２３８５５号公報のようなものが知られている。
【０００３】
これは、水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電する燃料電池と、燃料電池の温度を調整する冷却水が循環する冷却水循環路とを備える。この冷却水循環路には気体を圧送する抜取用気体圧送手段を接続し、燃料電池の作動停止時には、この抜取用気体圧送手段により冷却水循環路内の冷却水を別設の断熱冷却水貯留容器に収容する。抜取用気体圧送手段は、燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素供給源から、開閉弁を介して冷却水循環路に酸素もしくは空気を供給する構成となっている。このように構成することにより、燃料電池停止時に冷却水循環路内で水が凍結するのを防いでいる。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
特開平６−２２３８５５号公報においては、別設の断熱貯留容器を設置して冷却水を貯留することにより冷却水循環路内の凍結を防止しているために、冷却水循環路の水を、循環路を構成する水の配管系外に完全に排出しなければならない。しかしながら、水の配管は複雑に上下しながら配置されるため、水が配管内に残留し、水循環手段が設けられた位置で凍結すると、水循環手段を構成する部品の性能低下をもたらす恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明は水循環手段を構成する部品付近の凍結によるそれらの部品の性能低下を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給する燃料ガスと酸素含有ガスの少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、前記加湿手段で加湿に用いる水を貯蔵する水タンクと、前記加湿手段に前記水タンクの水を供給するための水通路と、を備える。さらに前記水通路にパージガスを供給して前記水通路中の水を抜く水抜き手段と、前記水通路内の水の流通を調整する水循環手段と、前記水通路の少なくとも前記水循環手段の一部を配置した範囲に水が流入しないように前記水通路を遮断する遮断手段と、を備える。
【０００７】
このような燃料電池システムの停止時に、前記遮断手段により水の流入が遮断される範囲よりも広い範囲に前記水抜き手段を用いてパージガスを供給してから、前記遮断手段により水通路を遮断する。
【０００８】
また、前記水通路の一部を底辺部に対して頂辺部が上方に突起した凸部配管により構成し、前記凸部配管の頂辺部に前記水循環手段を配置し、前記水通路にパージガスを供給する供給口を前記頂辺部に形成する。
【０００９】
【作用及び効果】
遮断手段により水の流入が遮断される範囲よりも広い範囲に水抜き手段を用いてパージガスを供給してから、遮断手段により水通路を遮断する。これにより、システム内に保有する水が凍結した場合でも、凍結する水の体積膨張による水循環手段の性能低下を抑制することができる。
【００１０】
また、水通路の一部を構成する凸部配管の頂辺部に水循環手段を配置し、水通路にパージガスを供給する供給口を頂辺部に形成する。これにより、パージガスによる水抜きを行う際に、頂辺部の水を確実に排除することができるので、水の凍結による水循環手段の性能低下を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。
【００１２】
燃料電池１７のアノード極１７ａには水素ボンベ３７から水素ガスを、カソード極１７ｂにはコンプレッサ２から空気を供給する。水素ガスおよび空気は、アノード加湿用インジェクタ２７、カソード加湿用インジェクタ２８（以下、インジェクタ２７、２８）により、水タンク５に貯蔵された水を用いて加湿されてから燃料電池１７に供給される。また、水素ガスおよび空気の供給流量は、水素制御弁２９ａ、空気制御弁３０ａにより調整する。
【００１３】
燃料電池１７において発電を行った後、それぞれの極１７ａ、１７ｂからの排出ガスをアノード流路４３、カソード流路４４に流通させる。アノード流路４３、カソード流路４４上に配置したアノード気水分離器３３、カソード気水分離器３４において、排出ガス中の水分を回収する。アノード極１７ａから排出された余剰水素ガスはアノード側排出ガスの圧力を調整するアノード側オフガス圧力調整弁３１を介して燃焼器９に供給する。また、カソード極１７ｂから排出されたガスも、水を回収した後、カソード側排出ガスの圧力を調整するカソード側オフガス圧力調整弁３２を介して燃焼器９に供給する。
【００１４】
燃焼器９では供給された燃料電池１７からの排出ガスを用いて燃焼ガスを生成する。生成した燃焼ガスを熱交換器１０に供給して熱源として利用する。ここでは、燃焼ガスを燃料電池１７の冷却システムに用いる冷媒の加熱に利用してからシステム外部に排出する。燃焼器９に要求される発熱量を排出ガスのみでは賄いきれない場合や、起動時に燃料電池１７における発電反応が行われていない時点では、水素ボンベ３７、コンプレッサ２から水素、空気を直接供給することにより必要な熱を生成する。このときの流量は、水素タンク３７およびコンプレッサ２から燃料電池１７に延びる配管から分岐して燃焼器９に接続する配管上に配置した水素制御弁２９ｂ、空気制御弁３０ｂにより調整する。
【００１５】
また、アノード気水分離器３３およびカソード気水分離器３４において排出ガスから回収した水を、アノード凝縮水回収弁３５、カソード凝縮水回収弁３６を介して水タンク５内に回収する。
【００１６】
次に燃料電池１７の温度を調整するための冷却システムについて説明する。ここでは、冷媒が循環する冷媒通路１５、冷媒を循環させる冷媒ポンプ１６、冷媒を冷却する冷媒冷却装置３８、冷媒を加熱する熱交換器１０を備える。さらに冷媒を冷媒冷却装置３８に供給するか、熱交換器１０に供給するかを切り替える冷媒流路切替え弁３９を備える。燃料電池１７が所定より昇温した場合には冷媒冷却装置３８において冷媒温度を低下させ、所定より低温になった場合には熱交換器１０において冷媒温度を上昇させるように冷媒流路切替え弁３９を切り替える。
【００１７】
冷媒通路１５は燃料電池１７を介して循環し、燃料電池１７内を冷媒が循環することにより燃料電池１７の温度を調整する。さらに冷媒通路１５は水タンク５内を通過させることにより、冷媒温度を調整することで、水タンク５内に貯蔵された水の温度を調整する。
【００１８】
次に、燃料電池１７に供給する水素ガスおよび空気の加湿構造について、図３を用いて説明する。
【００１９】
水タンク５から水通路１１を通ってインジェクタ２７、２８に水を供給する。水通路１１は、水タンク５の下方部に構成した水吸出口４６から延び、凸部配管１２、分岐部４９を介してインジェクタ２７、２８に接続する。
【００２０】
凸部配管１２を構成する上方に位置する部分を頂辺部１２ａ、頂辺部１２ａの下方両端に形成される部分を底辺部１２ｂとする。本実施形態では、頂辺部１２ａに、水通路遮断弁７と水循環手段である水ポンプ８を配置する。ここでは、水循環手段を水ポンプ８のみで構成しているが、複数の部品から構成してもよい。例えば、水圧を調整する水圧調整弁や水を浄化するフィルタ等を備える場合もある。
【００２１】
また、水通路遮断弁７と水ポンプ８の間からパージ空気配管３を分岐させ、パージ空気供給弁４を介してコンプレッサ２と接続させる。これによりパージガスとしてのパージ空気を、このパージ空気配管３と凸部配管１２の接続部である供給口３ａを介して水通路１１内に供給する。さらに、パージ空気供給弁４と凸部配管１２との間から分岐するパージ空気開放配管１４ａを配置し、パージ空気開放弁１４ｂを介して外部と接続する。このように、本実施形態では、パージガスを供給するための水抜き手段をコンプレッサ２、パージ空気配管３、供給口３ａ、パージ空気供給弁４から構成する。
【００２２】
凸部配管１２の下流側の底辺部１２ｂには分岐部４９を設け、システム外部に水を排出する排水側４９ａと、各インジェクタ２７、２８へ水を供給する供給側４９ｂとに分岐する。排水側４９ａは下方向に伸びる配管により構成し、この配管上に排水弁４２を配置する。この排水弁４２を開くことにより、水をシステム外部に排出する。
【００２３】
分岐部４９から供給側４９ｂに分岐する配管を介してインジェクタ２７、２８に水を供給する。このときの水の圧力は、インジェクタ２７、２８の下流側に配置した水圧調整弁２０により調整する。余剰水分は水圧調整弁２０を介して水通路１１を通って水タンク５の上方部から回収される。
【００２４】
このような燃料電池システム中の水を管理するために、以下のような温度センサを設ける。
【００２５】
まず、水タンク５側の底辺部１２ｂに配置した水通路１１内の水温を測定する水通路温度センサ２１、水タンク５内の水温を測定する水タンク温度センサ２２を設ける。また、燃焼器９の温度を測定する燃焼器温度センサ２３、熱交換器１０の温度を測定する熱交換器温度センサ２４、熱交換器１０から排出された排出燃焼ガス温度を測定する燃焼ガス温度センサ２５を設ける。さらに、パージ空気の温度を測定するパージ空気開放管温度センサ２６をパージ空気開放配管１４ａ上のパージ空気開放弁１４ｂの下流側に配置する。このようなセンサにより各部の温度を測定し、この測定結果に応じてコントローラ４８において、弁、ポンプ等の制御を行う。
【００２６】
次に、燃料電池システム停止時における水管理の制御方法について図２に示すフローチャートを用いて説明する。本実施形態では、通常の運転停止時には、図３に示すように、弁４、６、７、１４ｂ、２０、４２を閉じている。これにより、水通路１１のうち水タンク５の水吸出口４６から水圧調整弁２０の間、パージ空気配管３のうち凸部配管１２とパージ空気供給弁４間、パージ空気開放配管１４ａのうちパージ空気配管３とパージ空気開放弁１４ｂ間には水が滞留している。このような状態でシステムが停止している場合に、図２に示されるような以下の制御フローを行う。
【００２７】
ステップＳ１において、燃料電池システムが凍結する可能性があるかどうかを判断する。これは、水通路１１内に配置する凍結検知手段、ここでは水通路温度センサ２１により測定された水通路１１に滞留する水の温度から判断する。測定された温度が、凍結する可能性があると判断される温度、例えば０℃より大きければ、水通路１１内の水は凍結しないと判断して、所定時間経過後にステップＳ１に戻る。一方、測定された温度が、０℃以下であれば凍結する可能性があると判断してステップＳ２に進む。
【００２８】
ステップＳ２〜Ｓ４においては、アノード流路４３およびカソード流路４４中に含まれる凝縮水を回収し、アノード流路４３とカソード流路４４が水の凍結により閉塞するのを防止する。
【００２９】
ステップＳ２ではアノード凝縮水回収弁３５、アノード凝縮排水弁４０を開放する。また、ステップＳ３に進み、カソード凝縮水回収弁３６、カソード凝縮排水弁４１を開放する。ステップＳ４において、弁３５、３６、４０、４１を全て開放してから所定時間が経過したかどうかを判断する。所定時間が経過していなければ、所定時間が経過するまで弁３５、３６、４０、４１の開度を維持し、所定時間が経過したらステップＳ５に進む。ここで、ステップＳ４における所定時間は各流路４３、４４中の凝縮水を排水するのに必要な時間で、これは予め実験等で求めておく。
【００３０】
次にステップＳ５において、アノード凝縮水回収弁３５、アノード凝縮排水弁４０を閉じる。ステップＳ６において、カソード凝縮水回収弁３６、カソード凝縮排水弁４１を閉じて、アノード流路４３およびカソード流路４４内の水の除去を終了する。
【００３１】
次に、ステップＳ７〜Ｓ１２においては、水通路１１内の水の回収を行う。このときの作動図として図４を示す。
【００３２】
ステップＳ７において、パージ空気配管３上に配置したパージ空気供給弁４を開く。ステップＳ８において水通路１１上に配置した水圧調整弁２０を開く。ステップＳ９において水通路遮断弁７を開き、ステップＳ１０において水タンク５内の圧力を開放するガス開放弁６を開く。次にステップＳ１１においてコンプレッサ２を稼動する。ステップＳ１２において所定時間が経過したかどうかを判断する。所定時間が経過するまでは各弁４、２０、７を開いたままコンプレッサ２を運転し、所定時間が経過したらステップＳ１３に進む。ここで、ステップＳ１２における所定時間は、空気により水通路１１内の水を水タンク５に回収するまでに必要な時間であり、予め実験等で求めておく。
【００３３】
これにより、コンプレッサ２からパージ空気供給弁４を介して水通路１１にパージ空気を供給して水の回収を行う。供給されたパージ空気は、パージ空気配管３から凸部配管１２に供給される際に水通路遮断弁７側と水ポンプ８側に分岐する。通路遮断弁７側に分岐した空気は配管内の水分を押し出しながら水タンク５の水吸出口４６から水タンク５内に回収される。一方、水ポンプ８側に分岐した空気は、水圧調整弁２０を介して配管内の水分を押し出しながら水タンク５の上方部から回収される。このとき、ガス開放弁６を開くことで水タンク５内は外気に開放されるので、水タンク５内に速やかに水を回収できる。
【００３４】
次に、ステップＳ１３〜Ｓ１５において、水通路１１内の回収しきれなかった水の排出を行う。
【００３５】
ステップＳ１３において、水圧調整弁２０を閉じる。ステップＳ１４において排水弁４２を開く。ステップＳ１５において、所定時間が経過したかどうかを判断する。所定時間が経過するまでは各弁４、７、４２を開いたままに維持し、所定時間が経過したと判断されたらステップＳ１６に進む。
【００３６】
このように、水圧調整弁２０を閉じ、排水弁４２を開くことにより、分岐部４９と排水弁４２との間（排水側４９ａ）の排出されなかった水分を系外に排出し、水通路１１の水の凍結による閉塞を防ぐ。
【００３７】
次にステップＳ１６〜Ｓ１８において、水通路１１から水を除去する制御を終了する。
【００３８】
ステップＳ１６において、水流路遮断弁７を閉じる。続いてステップＳ１７でコンプレッサ２を停止するとともにパージ空気供給弁４を閉じ、ステップＳ１８において排水弁４２を閉じて、停止時の凍結防止のための制御を終了する。
【００３９】
このときの作動図を図６に示す。水通路遮断弁７を閉じる際に、パージ空気は水吸出口４６まで供給されている。そのため、水通路遮断弁７を閉じると、水吸出口４６と水通路遮断弁７間にはパージ空気の層が形成される。このとき、水タンク５内の水位に応じてこの空気層に圧力がかかるため、水タンク５内の水が水通路１１側に入り込む。しかし、水タンク５の水位と凸部配管１２の高さとの差で決まるヘッド圧力Ｐｈと密封されたパージ空気が圧縮してなる圧力ＰａがＰｈ＝Ｐａとなる位置までしか水は水通路１１内に入り込まない。そのため、これらを考慮して水タンク５の形状、貯蔵水量、凸部配管１２の高さを設定することで、水通路遮断弁７を水から隔離した状態で停止することができる。これにより、水通路遮断弁７および水ポンプ８周囲での水の凍結を避けることができる。
【００４０】
次に、停止中に上記の凍結防止処理が行われた後に、燃料電池システムを起動する場合の制御方法を、図７に示したフローチャートを用いて説明する。
【００４１】
ステップＳ２１において、起動を開始する命令を受けたら、起動スイッチをＯＮにする。ステップＳ２２において燃料電池システムの温度が凍結の基準となる温度、ここでは０℃以下であるかどうかを判断する。０℃より大きい場合には凍結していないと判断して通常起動手順によりシステムの起動を行う。一方、燃料電池システムの温度が０℃以下であれば、ステップＳ２３に進む。
【００４２】
ステップＳ２３で空気制御弁３０ｂを開き、ステップＳ２４においてコンプレッサ２を稼動することにより、燃焼器９へ空気の供給を開始する。また、ステップＳ２５において水素制御弁２９ｂを開くことにより、燃焼器９に水素の供給を開始する。
【００４３】
次にステップＳ２６において、供給された空気と水素を用いて燃焼器９で燃焼を開始する。このとき燃焼器９に供給する空気および水素の流量は、燃焼温度が燃焼器９および熱交換器１０の耐熱温度以下となる混合割合で燃焼を開始する。さらに、ステップＳ２７において冷媒システムにおける冷媒循環の動力となる冷却ポンプ１６を稼動する。これにより、燃焼器９で発生した燃焼ガスによって、熱交換器１０および熱交換器１０に所定流量で流通される燃料電池１７の冷却に用いる冷媒を加熱する。このような加熱冷媒による暖機の作動図を図８に示す。
【００４４】
加熱された冷媒は、冷媒通路１５を通り、水タンク５、燃料電池１７をそれぞれ加熱する。その際、水吸出口４６から水通路１１側に水が浸入している部分と冷媒通路１５とは、熱の授受を行うことのできる程度の範囲に併設する。これにより、水タンク５内の圧力により水通路１１内に滞留する水の凍結を、加熱された冷媒により解凍することができる。ここでは、水吸出口４６付近から分岐点４９にかけて、水通路１１と冷却流路１５を併設する。
【００４５】
このように、燃料電池１７、水タンク５および水吸出口４６付近の水の解凍を開始したら、解凍時の運転が適切かどうかを判断するために、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８において、燃焼ガスの温度の監視を開始する。ここでは、燃焼器温度センサ２３、熱交換器温度センサ２４、燃焼ガス温度センサ２５により測定する。ステップＳ２９において燃焼ガスの温度が過剰に上昇する等の温度異常はないかどうかを判断し、異常がある場合には、ステップＳ３０に進んで、燃焼器９への供給ガスおよび冷媒の流量を調整する。ステップＳ２９において暖機運転が正常であると判断されるまで流量の調整を行い、運転が正常であると判断されたらステップＳ３１に進む。
【００４６】
ステップＳ３１において、水通路温度センサ２１、水タンク温度センサ２２の測定結果に応じて、水通路１１および水タンク５内の水が解凍されたかどうかを判断する。ここでは、水通路１１内の水および水タンク５内の水の温度が解凍温度より大きいかどうかで判断する。水通路１１および水タンク５内の水が解凍されるまで暖機運転を継続し、解凍されたと判断されたらステップＳ３２に進む。
【００４７】
ステップＳ３２からは図９に示すようなパージ空気の排出動作を行う。ステップＳ３２において、水通路遮断弁７を開き、ステップＳ３３においてパージ空気開放弁１４ｂを開く。この際、水タンク５の貯蔵水位から、水吸出口４６とパージ空気開放弁１４ｂ間の水通路１１内の容積分低下した水位よりも低い部分にパージ空気開放弁１４ｂを設置する。これにより、パージ空気配管３、パージ空気開放配管１４ａ内に滞留するパージ空気をパージ空気開放弁１４ｂから水のヘッド圧Ｐｈにより押し出すことができる。
【００４８】
そこで、ステップＳ３４においてパージ空気開放管温度センサ２６により測定した温度が水通路温度センサ２１と同等の温度であるかどうかを判断する。パージ空気開放管温度センサ２６により測定される温度と、水通路温度センサ２１により測定される温度との間に差がある場合は、パージ空気が完全に排出されていないので、パージ空気の排出動作を継続する。排出動作を継続し両者による測定結果に差がないと判断されたらパージ空気の排出が完了したと判断して、ステップＳ３５に進む。
【００４９】
次に、暖機運転から通常運転に移行するための制御を行う。
【００５０】
ステップＳ３５において、パージ空気開放弁１４ｂを閉塞する。ステップＳ３６において水圧調整弁２０の開度調整を行って水通路１１を開通する。ステップＳ３７において水ポンプ８を稼動させて、水タンク５内の水を水通路１１に循環させる。これより、図１０に示すように、水タンク５内に貯蔵された水をインジェクタ２７、２８に供給する。
【００５１】
ステップＳ３８において、水素制御弁２９ｂを閉じ、水素制御弁２９ａを開くことにより水素ガスを燃料電池１７のアノード極１７ａに供給する。ステップＳ３９において、空気制御弁３０ｂを閉じ、空気制御弁３０ａを開くことにより、空気を燃料電池１７のカソード極１７ｂに供給する。ステップＳ４０において、インジェクタ２７、２８により、燃料電池１７に供給する水素ガスおよび空気の加湿を開始する。これにより燃料電池１７では発電が開始されるので、ステップＳ４１において燃料電池１７から電力を取り出し、この電力に応じてステップＳ４２において各種の流量を調整する。これにより起動運転を終了し、通常運転を開始する。
【００５２】
このように燃料電池システムを構成、制御することで、本実施形態は以下のような効果を得ることができる。
【００５３】
水通路１１にパージ空気を供給するパージ空気供給弁４と、水循環手段としての水ポンプ８と、水通路１１の少なくとも水ポンプ８を配置した範囲に水が流入するのを防ぐ水通路遮断弁７と、を備える。このとき、システム停止時に、水通路遮断弁７により遮断される位置より広い範囲にパージ空気を供給してから、水通路遮断弁７により水通路１１を遮断する。これにより、水と水通路遮断弁７との間に空気層が形成されるので、水ポンプ８および水通路遮断弁７との周囲で水が凍結するのを防ぐことができる。これにより水循環手段としての水ポンプ８および水通路遮断弁７の凍結による性能低下を防止することができる。
【００５４】
特に、密封手段、ここでは水通路遮断弁７および圧力調整弁２０、排水弁４２、パージ空気開放弁１４ｂ、パージ空気供給弁４により、水通路１１にパージ空気を密封している。このように、水通路１１の少なくとも水循環手段（水ポンプ８）を配置した範囲を密封するかどうかを切り替える密封手段とを備えることで、水循環手段の凍結による性能劣化を防止する。このとき、さらに水と密封手段である弁（ここでは、水通路遮断弁７）との間に空気層を形成することで凍結による弁の性能劣化を抑制することができる。
【００５５】
また、水の凍結する可能性を検知する凍結検知手段、ここでは水通路温度センサ２１を備え、水が凍結する可能性があると判断された場合にのみ、水通路１１にパージ空気を供給することで、必要以上に電力、水の消費を低減することができる。
【００５６】
また、水ポンプ８を水吸出口４６より上方に配置することで、水タンク５から水通路１１に水を導入する水吸出口４６を水タンク５の下方部に形成した場合にも水通路遮断弁７と水の間に空気層を確実に形成することができるので凍結による水通路遮断弁７の劣化を抑制することができる。
【００５７】
さらに、凸部配管１２の頂辺部１２ａに水ポンプ８を配置し、底辺部１２ｂの一端に水吸出口４６を形成し、少なくとも頂辺部１２ａを水通路遮断手段７により水の流入が遮断される範囲とする。これにより水通路遮断弁７と水の間に空気層を確実に形成することができるので、水通路遮断弁７の凍結による劣化を確実に抑制することができる。
【００５８】
また、頂辺部１２ａにパージ空気を開放するパージ空気開放弁１４ｂを設置することで、パージ空気が上方の頂辺部１２ａから下方の底辺部１２ｂに供給されるので、水の除去を効率的に行うことができる。
【００５９】
システム起動時には、パージ空気開放弁１４ｂ付近の温度と水タンク５側の底辺部１２ｂの水温が同等であると判断されたら、ヘッド圧Ｐｈによるパージ空気の排出が終了と判断できるので、パージ空気開放弁１４ｂを閉じて重力によるパージ空気の排出を終了することができる。
【００６０】
また、冷媒通路１５内の冷媒を加熱する燃焼器９および熱交換器１０を備え、水通路１１の少なくとも一部と冷媒通路１５の一部を併設することにより、システム内の水が凍結した際の起動時に、水通路１１の少なくとも一部を暖機することができる。これにより、水通路１１内に水が流通した際の再凍結を抑制することができる。ここでは、特に、水タンク５から水通路１１に水が入り込む部分と冷媒通路１５とを併設させるので、水通路１１内に入り込んだ水の解凍を行うことができる。
【００６１】
さらに冷媒通路１５の一部を水タンク５内に配置することで、システム内の水が凍結した際の起動時に、冷媒温度を調整することで水タンク５内の水を解凍することができる。
【００６２】
また、水通路１１の一部を凸形状の凸部配管１２により構成し、凸部配管１２の頂辺部１２ａに水循環手段としての水ポンプ８を配置し、水通路１１にパージ空気を供給する供給口３ａを頂辺部１２ａに形成することで、水循環手段を配置した部分の水を効果的に除去することができる。
【００６３】
次に第２の実施形態に用いる燃料電池システムの水管理のシステム構造を図１１に示す。図１１は、燃料電池システム停止時の凍結が生じる可能性がある場合に水通路１１内の水を排出した後のガス密封停止時を示している。
【００６４】
水通路１１を水吸出口４６から水ポンプ８にかけてのぼり勾配となる配管レイアウトにする。ここでは、凸部配管１２の頂辺部１２ａの水タンク５と反対側の一端に分岐部４９を形成し、分岐部４９から上方側に供給側４９ｂ、下方側に排水側４９ａを構成する。これにより、水吸出口４６が最も低く、水通路遮断弁７および水ポンプ８、分岐点４９が水吸出口４６より高い場所に、ここでは、水通路遮断弁７、水ポンプ８、分岐点４９が同じ高さに形成される。その他の構成は第１の実施形態と同様の構成とする。
【００６５】
このように構成することで、頂辺部１２ａの水タンク５と反対側の一端を分岐部４９とし、供給側４９ｂに加湿手段であるインジェクタ２７、２８を配置し、排水側４９ａに水通路１１内の水を排水する排水弁４２を配置することで、簡素な構成の水通路１１を用いて、凍結による水ポンプ８および水通路遮断弁７の性能劣化を抑制することができる。また、水通路１１が簡略化することにより、水の圧損を低減することができ、水ポンプ８の消費電力を低減することができる。
【００６６】
第３の実施形態に用いる燃料電池システムの水管理のシステム構造を図１２に示す。図１２は、燃料電池システム停止時の凍結が生じる可能性がある場合に水通路１１内の水を排出した後のガス密封時を示している。
【００６７】
本実施形態は、第２の実施形態において、水通路１１に沿って冷媒通路１５を併設する。まず、水吸出口４９からインジェクタ２７、２８間の水通路１１に沿って併設した冷媒通路１５を燃料電池１７に接続する。また、燃料電池１７から延びる冷媒通路１５を、インジェクタ２７、２８から水タンク５に延びる水通路１１に併設する。水タンク５付近まで併設した冷媒通路１５を熱交換器１０に接続し、起動時に熱交換器１０内で冷媒通路１５を流れる冷媒の加熱を行うことのできる構成とする。さらに、加熱された冷媒が水タンク５内の水の暖機が可能なように、熱交換器１０から延びる冷媒通路１５を水タンク５内に貫通させて熱交換可能な構成とする。
【００６８】
このように、水通路１１全体に渡って冷媒通路１５を併設することにより、熱交換部１０において加熱された冷媒により水通路１１の暖機が可能となる。よって、燃料電池システム停止時に水通路１１の温度が低下した場合でも昇温することができ、水が再び流通する際の再凍結を確実に抑制することができる。
【００６９】
第４の実施形態に用いる燃料電池システムにおける水管理システムの構造を図１３に示す。図１３は、燃料電池システム停止時の凍結が生じる可能性がある場合に水通路１１内の水を排出した後のガス密封時を示している。
【００７０】
本実施形態は、第１の実施形態における凸部配管１２の端部を水タンク５内に収容した構成とする。つまり、水吸出口４６を水タンク５内部に形成し、水通路１１の一部を水タンク１１内で水吸出口４６から上方にのびる配管４６ｂにより構成とし、凸部分に水通路遮断弁７および水ポンプ８を配置する。ここでは、水通路１１の水タンク５からの出口部分と水通路遮断弁７および水ポンプ８とを同じ高さに配置する。
【００７１】
このとき、図２、図７におけるフローチャートでは、水通路温度センサ２１の代わりに水タンク温度センサ２２の出力を用いる。
【００７２】
このように、水吸出口４６を水タンク５内部に形成し、水通路１１の一部を水タンク５内で水吸出口４６から上方にのびる配管４６ｂにより構成することで、水通路１１の構成を簡略化することができる。これにより、水の圧損を低減することができ、水ポンプ８による消費電力を低減することができる。
【００７３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池システム停止時のフローチャートである。
【図３】第１の実施形態における通常停止時の水管理の状態を示す説明図である。
【図４】第１の実施形態における水回収時の水管理の状態を示す説明図である。
【図５】第１の実施形態における水排出時の水管理の状態を示す説明図である。
【図６】第１の実施形態における凍結を防止するためのガス密封状態を示す説明図である。
【図７】第１の実施形態における氷点下からの起動制御を示すフローチャートである。
【図８】第１の実施形態における加熱冷媒循環時の水管理の状態を示す説明図である。
【図９】第１の実施形態におけるパージ空気を排出する際の水管理を示す説明図である。
【図１０】第１の実施形態における水循環時の水管理を示す説明図である。
【図１１】第２の実施形態における凍結を防止するためのガス密封状態を示す説明図である。
【図１２】第３の実施形態における凍結を防止するためのガス密封状態を示す説明図である。
【図１３】第４の実施形態における凍結を防止するためのガス密封状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２　　コンプレッサ
３　　パージ空気配管
３ａ　供給口
４　　パージ空気供給弁
５　　水タンク
７　　水通路遮断弁（遮断手段）
８　　水ポンプ（水循環手段）
９　　燃焼器
１０　　熱交換器
１１　　水通路
１２　　凸部配管
１２ａ　頂辺部
１２ｂ　底辺弁
１４ｂ　パージ空気開放弁（パージガス開放手段）
１５　　冷媒通路
１７　　燃料電池
２１　　水通路温度センサ（凍結検知手段）
２６　　パージ空気開放管温度センサ（パージガス開放管温度センサ）
２７　　アノード加湿用インジェクタ（加湿手段）
２８　　カソード加湿用インジェクタ（加湿手段）
４２　　排水弁
４６　　水吸出口
４６ｂ　配管
４９　　分岐部
４９ａ　排水側
４９ｂ　供給側
比較手段・・・Ｓ３４
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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