(57)【要約】【課題】氷点下において燃料電池を始動しても、生成水が凍結しないようにして、発電を継続することができるようにする。【解決手段】固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに水素が供給され前記カソードに空気が供給されて発電をする燃料電池１を備えた発電システムであって、  燃料電池１を摂氏０度以下の状態で始動およびまたは停止するときに、空気供給流路２１の途中に設けられた蒸発器３にアルコールを供給し、アルコールの蒸気を空気とともに燃料電池１のカソードに供給して、発電に伴って生成される生成水を不凍液化する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池を備えた発電システムであって、
前記燃料電池を摂氏０度以下の状態で始動およびまたは停止するときに、水の凝固点を降下させる化学物質を前記カソードに供給することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池を備えた発電システムであって、
前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路と、
水の凝固点を降下させる化学物質を前記酸化剤供給流路に供給する凝固点降下剤供給手段と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記凝固点降下剤供給手段は、前記化学物質を蒸発させる蒸発器を備え、この蒸発器で蒸発させた前記化学物質を酸化剤供給流路に供給することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を除去する除去手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項５】
前記除去手段は、前記化学物質を燃焼させる燃焼手段であることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を燃焼可能な燃焼手段を備え、この燃焼手段で発生した熱を前記蒸発器の熱源としたことを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項７】
前記カソードから排出されるカソードオフガスの少なくとも一部を前記酸化剤供給流路に戻すカソードオフガス循環流路を備えることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項８】
前記カソードに供給される前記化学物質の供給量は温度に応じて設定されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の発電システム。
【請求項９】
前記化学物質は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンのアルコール類のうち少なくとも一つから構成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１０】
固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の発電によって生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下する化学物質を前記カソードに供給することによって、前記生成水に前記化学物質を溶存させ、生成水を不凍液にすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜型燃料電池を備えた発電システムと燃料電池の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、アノードで水素がイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっており、発電には水の生成を伴う。
【０００３】
そのため、燃料電池内に生成水を残したまま燃料電池を停止させた状態で氷点下などの外気温度が低い場所に長時間放置されると、残留する生成水が凍結して反応ガス（燃料および酸化剤）の流路や拡散層を閉塞し、始動性能を悪化させる。これに対処するに、燃料電池内の生成水を排出してから燃料電池を停止する技術がある。
しかしながら、燃料電池の停止前に生成水を排出した場合であっても、氷点下において燃料電池の発電を開始すると、発電によって新たに生成された生成水が凍結して反応ガスの流路や拡散層を閉塞してしまう場合があり、そのようになると発電の継続が困難になるという問題があった。
【０００４】
そのため、従来は、氷点下における始動時には、燃料電池の発電部周辺の温度が０°Ｃ以上になるまで加熱した後に、燃料電池の発電を開始し、発電の継続を可能にしている。
ここで、燃料電池を加熱する方法としては、一般に、電気ヒータによる方法や、加熱した冷却液を燃料電池に供給する方法が採用される。また、別の加熱方法として、カソード触媒上あるいはアノード触媒上で水素と酸素を発熱反応させる方法もある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、凝固点を降下する技術として、燃料電池に供給される反応ガス（燃料ガスあるいは酸化剤ガス）を加湿するための加湿水に凝固点降下剤を混合して加湿水の凍結を防止するもの（例えば、特許文献２参照）や、燃料電池を冷却するための冷却液に凝固点降下剤を混合して冷却液の凍結を防止するもの（例えば、特許文献３参照）がある。しかしながら、これらの技術は、燃料電池で生成される生成水の凍結を防止する技術ではなく、また、これら技術を用いて加湿水や冷却液の凍結を防止することができたとしても、だからといって氷点下における燃料電池の発電継続が可能になるわけではない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８９１６４号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０８１５６号公報
【特許文献３】
米国特許第６３１６１３５号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、氷点下における始動時に、燃料電池の発電部周辺の温度が０°Ｃ以上になるまで加熱するとなると、燃料電池の熱容量が大きいため必要な熱量が大量となり、加熱手段に電気ヒータ、加熱した冷却液、触媒上での発熱反応、のいずれを採用したにせよ、加熱に長時間を要する。これは、特に、燃料電池自動車等のように、燃料電池を移動体のエネルギー源として利用する場合に、始動に長時間を要すると利便性を欠くという問題が生じる。
そこで、この発明は、発電で生成した生成水を不凍液化することによって、氷点下での発電の継続を可能にする発電システムと燃料電池の運転方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）を備えた発電システムであって、  前記燃料電池を摂氏０度以下の状態で始動およびまたは停止するときに、水の凝固点を降下させる化学物質を前記カソードに供給することを特徴とする発電システムである。
このように構成することにより、摂氏０度以下の状態での始動時およびまたは停止時に発電によって生成された生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質が含まれるようになり、生成水の凝固点が降下し、その結果、生成水の凍結を防止することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）を備えた発電システムであって、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路（例えば、後述する実施の形態における空気供給流路２１）と、水の凝固点を降下させる化学物質を前記酸化剤供給流路に供給する凝固点降下剤供給手段（例えば、後述する実施の形態における蒸発器３、インジェクタ６、アルコール供給流路２４）と、を備えることを特徴とする発電システムである。
このように構成することにより、発電により生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下させる化学物質を燃料電池のカソードに供給することができ、これにより、生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質を含ませることができ、生成水の凝固点を降下させて、生成水の凍結を防止することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記凝固点降下剤供給手段は、前記化学物質を蒸発させる蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器３）を備え、この蒸発器で蒸発させた前記化学物質を酸化剤供給流路に供給することを特徴とする。
このように構成することにより、化学物質の蒸気が持つ顕熱および該蒸気が凝縮する際の凝縮熱で発電部位周辺を加熱することができる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を除去する除去手段（例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器４）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を除去することが可能になる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記除去手段は、前記化学物質を燃焼させる燃焼手段（例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器４）であることを特徴とする。
このように構成することにより、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を燃焼させて除去することが可能になる。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を燃焼可能な燃焼手段（例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器４）を備え、この燃焼手段で発生した熱を前記蒸発器の熱源としたことを特徴とする。
このように構成することにより、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を前記燃焼手段で燃焼させて除去することができ、前記蒸発器において前記燃焼手段で発生した熱で凝固点降下の化学物質を蒸発させることができるので、前記化学物質を有効に利用することができる。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項２から請求項６のいずれかに記載の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガスの少なくとも一部を前記酸化剤供給流路に戻すカソードオフガス循環流路（例えば、後述する実施の形態におけるカソードオフガス循環流路２５）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、凝固点降下の化学物質と生成水の混合を促進することができ、また、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を循環再利用することができる。
【００１５】
請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の発明において、前記カソードに供給される前記化学物質の供給量は温度に応じて設定されることを特徴とする。
このように構成すると、生成水の凍結防止に必要な量の化学物質を確実にカソードに供給することができる。
【００１６】
請求項９に係る発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発明において、前記化学物質は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンのアルコール類のうち少なくとも一つから構成されることを特徴とする。
このように構成することにより、固体高分子電解質膜に悪影響を与えることなく、生成水の凍結を防止することが可能になる。また、カソードに供給されたアルコール類からなる化学物質の一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱する。
なお、カソードに供給される化学物質は、これらアルコール類のうちの一種類だけで構成されていてもよいし、二種類以上の混合物で構成されていてもよい。
【００１７】
請求項１０に係る発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の運転方法において、前記燃料電池の発電によって生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下する化学物質を前記カソードに供給することによって、前記生成水に前記化学物質を溶存させ、生成水を不凍液にすることを特徴とする。
このように構成することにより、生成水が凍結する虞があるときにも、生成水の凍結を防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る発電システムおよび燃料電池の運転方法の実施の形態を図１から図８の図面を参照して説明する。
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る発電システムおよび燃料電池の運転方法の第１の実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態における発電システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらにその両側から一対のセパレータで挟み込んで形成された単位燃料電池（単位セル）を複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１９】
図示しない燃料供給装置から供給される水素ガスは、エゼクタ１１および水素供給流路１２を通って、燃料電池１のアノードに供給される。燃料電池１に供給された水素ガスの一部は発電に供され、発電に供されなかった未反応の水素ガスは燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス循環流路１３を通ってエゼクタ１１に吸引され、前記燃料供給装置から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池１のアノードに供給される。
【００２０】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧され、蒸発器３および空気供給流路（酸化剤供給流路）２１を通って燃料電池１のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出され、カソードオフガス排出流路２２および触媒燃焼器（燃焼器、除去器）４を通って排出される。触媒燃焼器４よりも上流におけるカソードオフガス排出流路２２には、触媒燃焼器４の燃料を供給可能にする燃料供給流路２３が接続されている。触媒燃焼器４の燃料に特に限定はないが、燃料電池１の燃料である水素や後述する凝固点降下用のアルコールを用いるのが、システム構成が容易になり好ましい。
【００２１】
蒸発器３には、水の凝固点を降下させる化学物質としてのアルコールを供給可能にするアルコール供給流路２４が接続されており、蒸発器３は、アルコール供給流路２４からインジェクタノズル等を介して供給されるアルコールを蒸発させ、そのアルコール蒸気をコンプレッサ２から供給されてくる空気と混合する。なお、前記アルコールとしては、水との溶解度が高い、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンのうちの一つ、あるいは、これらのうちの二つ以上の混合物が採用可能である。
なお、この実施の形態において、蒸発器３とアルコール供給流路２４は凝固点降下剤供給手段を構成する。
【００２２】
触媒燃焼器４は蒸発器３の熱源であり、燃料供給流路２３からカソードオフガスに供給された燃料を触媒燃焼させ、発生する熱を蒸発器３に熱源として供給する。また、燃料電池１から排出されるカソードオフガス中にアルコールが残存している場合には、この残存するアルコールも触媒燃焼器４において触媒燃焼するので、カソードオフガスから凝固点降下用のアルコールを除去することができる。したがって、触媒燃焼器４は蒸発器３の熱源としての機能と、カソードオフガス中に残存する凝固点降下用のアルコールを除去する除去器としての機能を併有している。
【００２３】
このように構成された発電システムにおいては、発電によって生成される生成水が凍結する虞があるとき、例えば、氷点下（摂氏０度以下）の状態で燃料電池１を始動するときや燃料電池１を停止するときに、前記アルコール供給流路２４から所定量のアルコールを蒸発器３に供給するとともに、燃料供給流路２３から所定量の燃料をカソードオフガスに供給する（以下、この処理を「不凍液化処理」と称す）。
【００２４】
燃料供給流路２３からカソードオフガスに供給された燃料は触媒燃焼器４において触媒燃焼し、これによって発生した熱が蒸発器３に供給されて、アルコール供給流路２４から蒸発器３に供給されたアルコールが蒸発せしめられる。蒸発器３において蒸発したアルコールはアルコール蒸気となって、コンプレッサ２から圧送されてくる空気と混合され、空気とともに空気供給流路２１を通って燃料電池１のカソードに供給され、発電に供される。この発電の際に生成水が生成されるが、この生成水中にはアルコールが含まれるため、生成水の凝固点が降下し、生成水は不凍液化される。その結果、生成水の凍結が防止される。
【００２５】
したがって、氷点下の状態で燃料電池１を停止する直前に不凍液化処理を実行すると、発電で生成される生成水が不凍液化されて凍結が防止され、燃料電池１を停止した時に燃料電池１内に生成水が残留しても、残留した生成水が凍結することがない。その結果、生成水凍結に起因する燃料電池１内における反応ガス（水素や空気）の流路や拡散層の閉塞を防止することができ、次回、燃料電池１を始動する際の始動性が向上する。
【００２６】
また、氷点下の状態で燃料電池１を始動するときに不凍液化処理を実行すると、始動後の発電で生成される生成水が不凍液化されて凍結防止されるので、始動後の生成水凍結に起因する燃料電池１内における前記反応ガスの流路や拡散層の閉塞が起こらなくなり、発電を継続することができる。
また、カソードに供給されたアルコールの一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱するので、低温始動時間を短縮することができる。
また、カソードに供給されるアルコールが蒸気であることから、該蒸気が持つ顕熱および該蒸気が凝縮する際の凝縮熱で燃料電池１の発電部位周辺を加熱することができ、これによっても低温始動時間を短縮することができる。
【００２７】
なお、アルコールは燃料電池１の固体高分子電解質膜に悪影響を及ぼさず、発電性能および寿命を損ねることはない。
また、燃料電池１から排出されるカソードオフガス中にアルコールの一部が残存している場合にも、その残存するアルコールは触媒燃焼器４において触媒燃焼されるので、カソードオフガスからアルコールを除去することができる。しかも、残存するアルコールを燃焼して得られる熱は蒸発器３の熱源の一部として利用されることとなるので、蒸発器３に供給したアルコールを最大限に有効利用することができる。
また、触媒燃焼器４で発生させた熱で、燃料電池１に供給される冷却水を加熱したり、燃料電池１に供給される水素および空気を加熱することも可能であり、そのようにすると燃料電池１の暖機を速めることができ、低温始動時間をさらに短縮することができる。
【００２８】
前述した不凍液化処理において必要なアルコール添加量は次のようにして求めることができる。
発電によって生成される生成水量ｎｗ（ｍｏｌ／ｓ）は、取り出し電流Ｉ（Ａ）との関係により次式から算出される。
ｎｗ＝Ｉ／２／Ｆ  ・・・（１）式
（１）式においてＦはＦａｒａｄａｙ定数である。
また、取り出し電流は燃料電池１の温度と相関があり、使用する燃料電池１の特性によって決定される。図２は、燃料電池の温度と取り出し可能な電流との関係の一例を示した図である。
【００２９】
したがって、所定温度まで凍結しないアルコール濃度をｘ（ｗｔ％）、水の分子量をＭｗとすると、必要添加量ｍｍ（ｇ／ｓ）は次式から算出される。
ｍｍ＝Ｍｗ・ｎｗ・ｘ／（１００−ｘ）  ・・・（２）式
なお、凍結しないアルコール濃度は、温度とアルコールの種類によって異なる、そのアルコールに固有の濃度である。
したがって、アルコールの種類が決まり、凍結させない所定温度が決まれば、（２）式に基づいて、図３に示すような、取り出し電流からアルコール添加量を算出するためのマップを作成することができる。なお、図３のマップにおいて、必要添加量とは（２）式に基づいて算出された添加量であり、実添加量とは実際に添加する添加量であって、実添加量は必要添加量よりも若干大きく設定する。
【００３０】
燃料電池１の始動時に不凍液化処理を実行する場合は、上述のように、始動時の燃料電池１の温度から取り出し可能な電流を求め、この取り出し可能な電流に基づいてアルコールの実添加量を求める。
一方、燃料電池１の停止時に不凍液化処理を実行する場合には、燃料電池１を始動してからの燃料電池１の温度および電流の経時変化の傾向に基づいて予めアルコール添加量を計算するか、あるいは、前記経時変化の実測データに基づいて作成したマップを検索してアルコール添加量を決定する。
燃料電池１を始動してからの燃料電池１の温度および電流の経時変化の実測データに基づいて作成するマップについて、以下に詳述する。
【００３１】
図４は、燃料電池１の始動時の温度が摂氏０度以下のある温度ｔの時の始動後の温度および電流の経時変化を示しており、始動時の温度がいずれの温度であっても同様な傾向にあることが実験的に確認されている。
そこで、始動時の温度を多数設定して、図４に示すような温度と電流の経時変化を求め、それぞれの始動時温度の場合について、温度が摂氏０度になるまでの電流積算値（図４において斜線部分）を求め、これから、図５に示すような始動時温度と前記電流積算値の関係を示すマップを作成する。
したがって、予測される始動時温度から、図５のマップを検索して電流積算値を求めれば、前記（１）式と（２）式から必要添加量を算出することができる。
【００３２】
次に、この実施の形態における不凍液化制御について、図６のフロチャートに従って説明する。
図６のフローチャートに示す不凍液化制御ルーチンは、図示しないＥＣＵによって一定時間毎に実行される
まず、ステップＳ１０１において、燃料電池１の運転モードが始動モードか否かを判定する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（始動モード）である場合は、ステップＳ１０２に進み、温度が第１の所定値ｔ１よりも低いか否かを判定する。なお、この場合の温度は、気温、水温、燃料電池温度のいずれかを採用することができ、第１の所定値ｔ１は摂氏０度以下である。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（温度≧所定値ｔ１）である場合は、不凍液化処理を行う必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３３】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（温度＜第１の所定値ｔ１）である場合は、ステップＳ１０３に進んで、温度に応じたアルコール添加量（噴射量）を、計算またはマップ検索により求める。
次に、ステップＳ１０４に進んで、ステップＳ１０３で求めたアルコール添加量だけ蒸発器３にアルコールを噴射する。
さらに、ステップＳ１０５に進み、温度に応じた電流を燃料電池１から取り出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３４】
一方、ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（始動モード以外）である場合は、ステップＳ１０６に進み、燃料電池１の運転モードが停止モードか否かを判定する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（停止モード以外）である場合は、不凍液化処理を行う必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（停止モード）である場合は、ステップＳ１０７に進み、燃料電池１の温度が第２の所定値ｔ２よりも低いか否かを判定する。なお、この場合の温度は、ステップＳ１０２における温度と同じであり、第２の所定値ｔ２は摂氏０度以下である。
【００３５】
また、ステップＳ１０２における閾値ｔ１とステップＳ１０７における閾値ｔ２の大小関係に特に規定はなく、ｔ１＝ｔ２、ｔ１＞ｔ２、ｔ１＜ｔ２のいずれの設定も考えられる。また、ステップＳ１０２で閾値ｔ１と比較すべき温度の検出箇所と、ステップＳ１０７で閾値ｔ２と比較すべき温度の検出箇所は異なっていてもよい。例えば、ステップＳ１０２において閾値ｔ１と比較すべき温度は、燃料電池１に取り付けた温度センサで検出した「機関温度」とし、ステップＳ１０７において閾値ｔ２と比較すべき温度は、コンプレッサ２の空気取り入れ口に取り付けた温度センサで検出した「吸入空気温度」としてもよい。
【００３６】
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（温度≧所定値ｔ２）である場合は、不凍液化処理を行う必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（温度＜第２の所定値）である場合は、ステップＳ１０８に進んで、温度に応じたアルコール添加量（噴射量）を、計算またはマップ検索により求める。
次に、ステップＳ１０９に進んで、ステップＳ１０８で求めたアルコール添加量だけ蒸発器３にアルコールを噴射する。
さらに、ステップＳ１１０に進み、発電システムを停止して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３７】
なお、この実施の形態では、所定の温度条件下において燃料電池１の始動時と停止時の両方で不凍液化処理を実行するようにしているが、いずれか一方の時だけ不凍液化処理を実行することも可能である。例えば、発電システムの停止時にシステム内の生成水を総て排出する処理が行われる場合には、停止時の不凍液化処理を省略し、始動時のみ不凍液化処理を実行することで目的を達成することができる。また、燃料電池１の停止時に不凍液化処理を実行することによって、始動時に必要なアルコール添加量を燃料電池１内あるいは空気供給流路２１内に保有させることができる場合には、始動時の不凍液化処理を省略することができる。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
図７は、第２の実施の形態における発電システムの概略構成図である。
第２の実施の形態の発電システムが第１の実施の形態のものと相違する点は、燃料供給流路２３との接続部よりも上流のカソードオフガス排出流路２２からカソードオフガスの少なくとも一部を蒸発器３よりも上流の空気供給流路２１に戻すカソードオフガス循環流路２５を備え、このカソードオフガス循環流路２５に循環ポンプ５が設けられている点だけである。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
この第２の実施の形態のシステムでは、前述した第１の実施の形態のシステムの作用に加えて、以下の作用がある。
この第２の実施の形態においては、不凍液化処理の実行中に循環ポンプ５を運転することによって、触媒燃焼器４の燃料が供給される前のカソードオフガスの一部あるいは全部を、蒸発器３よりも上流の空気供給流路２１に戻し、これによりカソードオフガス中に含まれる生成水を蒸発器３に戻す。
このようにすると、アルコールと生成水の混合を促進することができるので、生成水の凝固点降下をより促進することができる。また、カソードオフガス中に凝固点降下を目的として供給したアルコールが残存している場合には、残存しているアルコールを凝固点降下のために循環再利用することができるので、凝固点降下用のアルコールの消費量を低減することができる。
【００４０】
〔第３の実施の形態〕
図８は、第３の実施の形態における発電システムの概略構成図である。
第３の実施の形態の発電システムが第１の実施の形態のものと相違する点は、蒸発器３を備えず、アルコール供給流路２４から供給される凝固点降下用のアルコールを、燃料電池１のカソード入口近くの空気供給流路２１に、インジェクタ６で直接噴射している点にある。この実施の形態において、インジェクタ６とアルコール供給流路２４は凝固点降下剤供給手段を構成する。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
この第３の実施の形態の発電システムによっても、氷点下の状態で燃料電池１を停止する直前に不凍液化処理を実行することにより、発電で生成される生成水を不凍液化して凍結を防止することができるので、燃料電池１の運転停止中も燃料電池１内における反応ガス（水素や空気）の流路や拡散層の閉塞を防止することができ、次回、燃料電池１を始動する際の始動性を向上することができる。
【００４２】
また、氷点下の状態で燃料電池１を始動するときに不凍液化処理を実行することにより、始動後の発電で生成される生成水を不凍液化して凍結を防止することができるので、前記反応ガスの流路や拡散層の閉塞が起こらなくなり、発電を継続することができる。
また、カソードに供給されたアルコールの一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱するので、低温始動時間を短縮することができる。
【００４３】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、上述した実施の形態では、アルコールを蒸発させる蒸発器の熱源として触媒燃焼器を用いているが、熱源は触媒を用いない燃焼器であってもよいし、燃焼器ではなく電気ヒータ等を用いることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、摂氏０度以下の状態での始動時およびまたは停止時に発電によって生成された生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質が含まれるようになり、生成水の凝固点が降下し、生成水の凍結を防止することができるので、氷点下において燃料電池を始動したときにも発電を継続させることができるという優れた効果が奏される。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、発電により生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下させる化学物質を燃料電池のカソードに供給することができ、これにより、生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質を含ませることができ、生成水の凝固点を降下させて、生成水の凍結を防止することができるので、氷点下において燃料電池を始動したときにも発電を継続させることができるという優れた効果が奏される。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、化学物質の蒸気が持つ顕熱および該蒸気が凝縮する際の凝縮熱で発電部位周辺を加熱することができるので、低温始動時間を短縮することができるという効果がある。
請求項４に係る発明によれば、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を除去することができるという効果がある。
請求項５に係る発明によれば、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を燃焼させて除去することができるという効果がある。
【００４７】
請求項６に係る発明によれば、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を前記燃焼手段で燃焼させて除去することができ、前記蒸発器において前記燃焼手段で発生した熱で凝固点降下の化学物質を蒸発させることができるので、前記化学物質を有効に利用することができるという効果がある。
請求項７に係る発明によれば、凝固点降下の化学物質と生成水の混合を促進することができるので、生成水の凝固点降下をより促進することができるという効果がある。また、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を循環再利用することができるので、化学物質の消費量を低減できるという効果もある。
【００４８】
請求項８に係る発明によれば、生成水の凍結防止に必要な量の化学物質を確実にカソードに供給することができるので、氷点下における燃料電池の発電を確実に継続させることができるという効果がある。
請求項９に係る発明によれば、固体高分子電解質膜に悪影響を与えることなく、生成水の凍結を防止することが可能になるという効果がある。また、カソードに供給されたアルコール類からなる化学物質の一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱するので、低温始動時間を短縮するという効果もある。
【００４９】
請求項１０に係る発明によれば、生成水が凍結する虞があるときにも、生成水の凍結を防止することができるので、燃料電池の低温始動性が向上し、氷点下において燃料電池を始動したときにも発電を継続させることができるという優れた効果が奏される。。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る発電システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】燃料電池温度と取り出し可能な電流との関係を示す図である。
【図３】取り出し電流とアルコール添加量の関係を示すマップである。
【図４】燃料電池始動後の温度と電流の経時変化を示す図である。
【図５】燃料電池の始動温度と電流積算値の関係を示すマップである。
【図６】前記第１の実施の形態における不凍液化制御を示すフローチャートである。
【図７】この発明に係る発電システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
【図８】この発明に係る発電システムの第３の実施の形態における概略構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
３  蒸発器（凝固点降下剤供給手段）
４  触媒燃焼器（燃焼器、除去器）
６  インジェクタ（凝固点降下剤供給手段）
２１  空気供給流路（酸化剤供給流路）
２４  アルコール供給流路（凝固点降下剤供給手段）
２５  カソードオフガス循環流路
【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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