(57)【要約】【課題】本来の目的の発電に使用する以外の余分な電力や燃料電池の燃料消費を防止する。【解決手段】電池部の各電極に供給される水素と空気の供給ガスの反応により発電を行う燃料電池（１）と、水タンク（３１）からの水を用いて供給ガスを加湿する加湿装置（３４）と、燃料電池（１）の温度を制御するために燃料電池（１）の内部を流すクーラントの温度調整を行うクーラント温度調整手段（２１、２２、２５、２６、２７、２８、５１）とを備え、燃料電池（１）の起動時に水タンク（３１）内の水が凍っているとき、燃料電池（１）内部において燃料電池（１）の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントを用いて水タンク（３１）内の氷を解凍する氷解凍装置（６１）を備える。【選択図】　　図１
2004139771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池部の各電極に供給される水素と空気の供給ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
水タンクと、
この水タンクからの水を用いて供給ガスを加湿する加湿装置と、
燃料電池の温度を制御するために燃料電池の内部を流すクーラントの温度調整を行うクーラント温度調整手段と
を備える燃料電池システムにおいて、
燃料電池の起動時に水タンク内の水が凍っているとき、燃料電池内部において燃料電池の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントを用いて水タンク内の氷を解凍する氷解凍装置
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水タンクは燃料電池の下流に位置し、氷解凍装置は水タンク内にあって、かつ燃料電池の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントと、水タンク内の氷とで熱交換を行う熱交換器であり、この熱交換器を出たクーラントを加熱する加熱装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
クーラント温度調整手段が、燃料電池内部とラジエータとをクーラントが循環するクーラント循環通路と、このクーラント循環通路にあってクーラントを圧送するクーラントポンプと、クーラント循環通路より分岐しラジエータをバイパスする第１バイパス通路と、クーラント循環通路をクーラントが流れる流れと第１バイパス通路経由でクーラントが流れる流れとを切換え得る流路切換装置と、この流路切換装置を用いて燃料電池内部のクーラント温度を制御するためにこれら２つの流れを選択的に切換える切換制御手段とからなる場合に、加熱装置は第１バイパス通路に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水タンクは第１バイパス通路が分岐する位置よりも上流のクーラント循環通路に位置することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、この燃料電池の温度検出値が０℃未満の領域で加熱装置を作動させ、燃料電池の温度検出値が０℃以上となったとき加熱装置の作動を停止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水タンクの上流より分岐して水タンクをバイパスする第２バイパス通路と、水タンク内の熱交換器をクーラントが流れる流れと第２バイパス通路経由でクーラントが流れる流れとを切換え得る流路切換装置とを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、この燃料電池の温度検出値が０℃未満のとき流路切換装置を用いて第２バイパス通路経由でクーラントが流れる流れに切換え、燃料電池の温度検出値が０℃以上となったとき流路切換装置を用いて水タンク内の熱交換器をクーラントが流れる流れに切換えることを特徴とする請求項６に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】
この発明は燃料電池システム、特に燃料電池の起動時の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池車両の起動方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２５６９８９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池は、電解質にプロトン導電性を有する高分子膜を用い、この膜の両側に薄い多孔質触媒電極を有する。そして、それぞれの電極に水素と空気（または酸素）を供給し、水素と空気中の酸素との反応により発電させるものである。
【０００５】
この場合、プロトンが高分子膜を移動する際には電気浸透効果により数個の水分子を伴って移動するため高分子膜のアノード側が乾燥しがちになり、このことが高分子膜の電気伝導度を低下させ、発電能力を低下させてしまう。これを防ぐには、水素ガスを加湿して、また空気も加湿して電極へと供給することであり、このため、水（純水）タンクからの水を用いて水素と空気の供給ガスを加湿している。このように、電池への供給ガスを加湿する部分（加湿部）が燃料電池の外部にあるのが、外部加湿方式の固体高分子型燃料電池である。
【０００６】
こうした燃料電池システムを０℃以下の外気中に放置すると水タンク内の水が凝結するためこの状態では水素と空気の供給ガスを加湿することができない。従ってこの場合には、容器内の氷が解凍するのを待ってからでないと燃料電池を起動させることができない。
【０００７】
そこで上記の従来装置では、外気温が０℃未満である場合に、燃料電池のオフガス（燃料電池からの排出ガス）中の水を回収する水回収装置や、この水回収装置の回収水により供給ガスを加湿する補助加湿手段を電気ヒータにより加熱することによって回収水の凍結を防止するようにしている。
【０００８】
しかしながら、従来装置のように水の凍結防止に電気ヒータを用いるのでは、そのぶんバッテリの負担が大きくなる。特に寒冷地においては温暖地よりバッテリが大型化する傾向にあるので、このようなバッテリ負担に耐えるためにはさらにバッテリが大型化し、大型化しないとすればバッテリ上がりが生じかねない。
【０００９】
また、氷の解凍を電気エネルギを用いて行うのでは解凍に非常に大きな電力が必要となるためその分燃料電池で発電しなければならない電力が増大して燃費が悪化してしまう。
【００１０】
一方、燃料電池にはこれ以上高温になってはいけない上限温度があり、この温度に燃料電池を保つため、燃料電池の内部を流すクーラントの温度調整を行うクーラント温度調整手段を備えており、燃料電池の起動時に燃料電池の発電で発生する廃熱により、この燃料電池内部に存在するクーラントの温度が上昇する。
【００１１】
そこで本発明は、燃料電池の起動時に水タンク内の水が凍っているとき、燃料電池内部において燃料電池の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇する、このクーラントを用いて水タンク内の氷を解凍することにより、本来の目的の発電に使用する以外の余分な電力や燃料電池の燃料消費を防止することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電池部の各電極に供給される水素と空気の供給ガスの反応により発電を行う燃料電池と、水タンクからの水を用いて供給ガスを加湿する加湿装置と、燃料電池の温度を制御するために燃料電池の内部を流すクーラントの温度調整を行うクーラント温度調整手段とを備え、燃料電池の起動時に水タンク内の水が凍っているとき、燃料電池内部において燃料電池の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントを用いて水タンク内の氷を解凍する氷解凍装置を備える。
【００１３】
また本発明では、水タンクを燃料電池の下流に位置して設け、氷解凍装置は水タンク内にあって、かつ燃料電池の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントと、水タンク内の氷とで熱交換を行う熱交換器であり、この熱交換器を出たクーラントを加熱する加熱装置を備える。
【００１４】
【発明の効果】
水タンク内の氷の解凍のために燃料電池の発電する電力を用いるのでは、燃料消費が大きくなるが、本発明によれば、発電時に発生する燃料電池自体の発熱（廃熱）を利用して水タンク内で凝結している水の解凍を行うようにしたので、本来の目的の発電に使用する以外の余分な電力や燃料電池の燃料消費を防止することが可能となり、燃料電池システムの燃料消費を低減できる。
【００１５】
また、氷点下でそれまでに発電を行って得た発熱の大部分を燃料電池の温度上昇に使うことができるため、大電力の発電が可能となる状態になるまでの時間（燃料電池の起動時間）を短縮できる。
【００１６】
また、本発明によれば、加熱装置で加熱したクーラントの熱はまず燃料電池本体に伝えられ、燃料電池本体の温度上昇が最優先され、燃料電池内部で熱交換されたクーラントが水タンク内の熱交換器ヘと流れる。この場合、燃料電池を出たクーラントの温度は燃料電池温度以上になることがないため、結局、燃料電池本体の温度が０℃以上になるまで燃料電池を出たクーラントの温度が０℃以上になることが防止できる。これにより燃料電池が大電力の発電を開始するまでに必要なエネルギを増大させることなく燃料電池の起動を迅速に行うことできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図を示す。
【００１９】
図において、燃料電池１はその内部に空気通路、水素通路、クーラント通路を備える外部補助加湿装置を備えた固体高分子型燃料電池である。すなわち、基本的には多孔質のセパレータ内に取り込まれた反応生成水で空気通路、水素通路の供給ガスを加湿する。そして、負荷の増大に伴って燃料電池１の温度が上昇し、燃料電池１内部の加湿水だけでは加湿量が不足する場合（例えば図５において所定値Ｔ３以上の温度域）に補助的に加湿するため、水（純水）タンク３１からの水を用いて水素と空気の供給ガスを加湿し、加湿した水素と空気の供給ガスを電池部の各電極に供給し、これら供給ガスの反応により発電を行わせるようになっている。
【００２０】
詳細には水素タンク２からの水素は常閉の遮断弁３を開くと水素供給通路６を介してイジェクタ５に供給され、イジェクタ５より燃料電池１の水素通路入口７に導入される。燃料電池１の水素通路出口８は水素循環通路９を介してイジェクタ５と接続されている。空気はコンプレッサ１１により加圧され、空気供給通路１２より燃料電池１の空気通路入口１３に流入する。
【００２１】
また、水タンク３１内の水は水供給ポンプ３２により水供給通路３３を介して水インジェクタ３４（加湿装置）へと圧送され、この水インジェクタ３４から空気供給通路１２内と水素供給通路６内とに向けて水噴射することで、燃料電池１に導入される供給空気と供給水素とを加湿する。
【００２２】
水供給通路３３には水供給圧を一定に保つプレッシャレギュレータバルブ３５が介装され、プレッシャレギュレータバルブ３５からの戻り通路３６は水供給ポンプ３２の上流側に接続されている。水ポンプ３２下流の水供給通路３３より分岐して水タンク３１に戻るリターン通路３７には常閉の遮断弁３８が、またプレッシャレギュレータバルブ３５の戻り通路３６より分岐して水タンク３１に戻るリターン通路３９にも常閉の遮断弁４０が設けられ、これら遮断弁３８、４０を共に開いたときこれらリターン通路３７、３９を介して水が水タンク３１へとドレンされる。
【００２３】
パワープラントコントローラ５１では、燃料電池１による大電力の発電が可能となった後には水素供給通路６に設けた圧力制御弁４を制御することにより要求発電量に応じて水素供給通路６を流れる水素流量を調整し、また、その水素流量と、空気供給通路１２を流れる空気流量とをそれぞれ検出する流量センサ５２、５３からの信号に基づいて、要求発電量が変化しても発電に最適な水素と空気の流量比（一定値）が得られるようにコンプレッサ１１からの吐出空気流量を制御する。
【００２４】
一方、燃料電池１による大電力の発電が可能となった後には燃料電池１の温度がほぼ一定の温度となるように燃料電池１内部を流れるクーラントの温度調整を行うクーラント温度調整手段を備える。すなわち、燃料電池１内部のクーラント通路と、車両走行時の風を受けて空気との間で熱交換を行うラジエータ２６とが一対のクーラント通路２２、２５により接続され、クーラントポンプ２１により圧送されるクーラントが、クーラントポンプ２１出口よりクーラント通路２２、燃料電池１内部のクーラント通路、クーラント通路２５、ラジエータ２６へと流れ、再びクーラントポンプ２１入口に戻る１つの循環通路を形成している。
【００２５】
また、燃料電池１下流のクーラント通路２５より、ラジエータ２６をバイパスする通路２７（第１バイパス通路）が分岐して設けられ、このバイパス通路２７がクーラント通路２２と合流する部位に三方弁２８（流路切換装置）が設けられている。
【００２６】
三方弁２８は例えば非通電時にポートＡとポートＣを連通し、ポートＢとポートＣの連通を遮断しているが、通電時にはポートＡとポートＣの連通を遮断し、ポートＢとポートＣを連通するものである。この三方弁２８を非通電または通電とすることにより、ラジエータ２６経由でクーラントが流れる流れと、バイパス通路２７経由でクーラントが流れる流れとが切換えられる。
【００２７】
パワープラントコントローラ５１（切換制御手段）では、燃料電池１による大電力の発電が可能となった後にはこの三方弁２８を用いて燃料電池１内部のクーラント温度が目標温度（ほぼ一定値）となるように、つまりクーラント温度が目標温度より高いときにはラジエータ２６経由で、この逆にクーラント温度が目標温度より低いときにはバイパス通路２７経由でクーラントが流れるようにこれら２つの流れを選択的に切換えると共に、クーラント通路入口２３のクーラント温度とクーラント圧力を検出する温度センサ５４、圧力センサ５５及びクーラント通路出口２４のクーラント温度を検出する温度センサ８３からの信号に基づいてクーラントポンプ２１の吐出クーラント流量を制御する。ここで、目標温度は、燃料電池の仕様により予め定まっている。
【００２８】
こうした燃料電池システムが図示しない車両に搭載されており、燃料電池１による大電力の発電が可能となった後に燃料電池１で発生した電力は図示しない走行用電動モータやバッテリ等の電気機器に供給される。
【００２９】
このような燃料電池システムを備える車両（燃料電池車）を前提として、この燃料電池車を０℃以下の外気中に放置すると水タンク３１内の水が凝結して供給空気と供給水素（供給ガス）とを加湿することができなくなるので、本実施形態では、燃料電池の起動時に水タンク３１内の水が凍っているとき、燃料電池１内部において燃料電池１の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントの熱を用いて水タンク３１内の氷を解凍する氷解凍装置を備える。
【００３０】
これについて説明すると、水タンク３１は燃料電池１の下流に配置される。そして、燃料電池１のクーラント通路出口２４に接続されているクーラント通路２５の一部が、この水タンク３１内の水中を貫通して設けられ、この水タンク３１内を貫通するクーラント通路部分を例えばコイル状に形成すること等によりクーラントと水タンク３１内の水との間で熱交換を行い得る熱交換部６１（熱交換器）が形成されている。すなわち、熱交換部６１が氷解凍装置である。
【００３１】
また、バイパス通路２７の途中には、そのバイパス通路２７内のクーラントと燃焼ガスとの間で熱交換を行い得る熱交換器６５（加熱装置）を備える。この熱交換器６５は触媒燃焼器（ＣＡＴ）６６、電熱触媒（ＥＨＣ）６７と一体に構成され、電熱触媒６７には水素循環通路９より分岐された水素通路６８と、燃料電池１の空気通路出口１４に一端が接続されている廃空気通路６９の他端とが接続され、水素循環通路９には常閉の遮断弁７０が、また分岐水素通路６８には常閉の流量制御弁７１が介装され、廃空気通路６９にも常閉の圧力制御弁７２が介装されている。
【００３２】
ここで、水素供給通路６の遮断弁３と圧力制御弁４を開き、水素循環通路９の遮断弁７０を閉じ、分岐水素通路６８の流量制御弁７１を開き、かつコンプレッサ１１をＯＮにし、廃空気通路６９の圧力制御弁７２を開くと、水素タンク２内の水素が、水素供給通路６、燃料電池１内の水素通路、分岐水素通路６８を介して触媒燃焼器６６へと供給されると共に、コンプレッサ１１により吐出される空気が空気供給通路１２、燃料電池１内の空気通路、廃空気通路６９を介して触媒燃焼器６６へと供給される。これら水素と空気中の酸素とは触媒燃焼器６６で燃焼し、この燃焼したガスは熱交換器６５内を流れてクーラントとの間で熱交換を行いクーラントを加熱した後、外部へと排出される。
【００３３】
電熱触媒６７は、触媒燃焼器６６の触媒が活性化するまで水素と空気中の酸素とを反応（燃焼）させることができないので、水素と空気とからなるガスの温度を触媒燃焼器６６で着火可能となる温度にまで上昇させるためのものである。
【００３４】
次に、パワープラントコントローラ５１により行われる燃料電池１の起動時の制御を以下のフローチャートに従って説明する。
【００３５】
図２は氷点下起動モードフラグを設定するためのもので、イグニッションスイッチ８５（図では「ＩＧＮ　ＳＷ」で略記）からの信号がＯＦＦよりＯＮへと切換わったとき（つまり起動タイミング）に１回だけ実行する。燃料電池車においても車両の起動時にはイグニッションスイッチ８５をＯＦＦよりＯＮへと切換えるので、このイグニッションスイッチ８５からの信号がＯＦＦよりＯＮへと切換わったときが燃料電池１の起動タイミングである。
【００３６】
図２においてステップ１では温度センサ８１（図１参照）により検出される水タンク３１内の水温度Ｔｔｎｋ［℃］を読み込み、ステップ２でこれと０℃とを比較する。水タンク３１内水温度Ｔｔｎｋが０℃以下であれば水タンク３１内の水が氷点下にある、つまり水タンク３１内の水が凍っていると判断し、ステップ３に進んで、氷点下起動モードフラグ＝１とした後、ステップ４で電熱触媒６７に通電し電熱触媒６７の温度を上昇させる。
【００３７】
また、このときには燃料電池１に大電力の発電を行わせることができず、車両走行を行わせることができないので、ステップ５で走行許可フラグ＝０とする。この走行許可フラグ＝０を受けて運転席では例えば車両走行禁止を示すランプが点灯する。
【００３８】
一方、水タンク内水温度Ｔｔｎｋが０℃を超えているときには水タンク３１内の水が凍っていないと判断し、このときには即座に供給ガスへの加湿が可能であり通常モードに移行して燃料電池１に大電力の発電を行わせることができるため、ステップ２よりステップ６、７に進んで氷点下起動モードフラグ＝０とすると共に、走行許可フラグ＝１とする。この走行許可フラグ＝１を受けて運転席では車両走行禁止を示すランプが消灯する。
【００３９】
図３は氷点下起動処理（氷点下起動処理１）を行うためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００４０】
図３においてステップ１１では、氷点下起動モードフラグをみる。氷点下起動モードフラグ＝０であるときには氷点下起動処理を行う必要がないので、そのまま処理を終了する。
【００４１】
氷点下起動モードフラグ＝１であるときにはステップ１２に進み触媒燃焼器着火可能フラグをみる。この触媒燃焼器着火可能フラグは燃料電池１の起動時にゼロに初期設定されているので、ステップ１３に進み温度センサ８２（図１参照）により検出される電熱触媒６７の温度Ｔｅｈｃ［℃］を読み込み、ステップ１４でこれと所定値Ｔ１［℃］を比較する。ここで、所定値Ｔ１は水素と空気からなるガスが触媒燃焼器６６で着火可能となる温度の最低値（例えば７０〜８０℃）である。
【００４２】
電熱触媒６７の温度Ｔｅｈｃが所定値Ｔ１未満であればそのまま今回の処理を終了する。このときも、電熱触媒６７への通電は行われており、電熱触媒６７の温度Ｔｅｈｃが上昇してゆく。
【００４３】
やがて電熱触媒６７の温度Ｔｅｈｃが所定値Ｔ１以上となったときには水素と空気を触媒燃焼器６６に流してやれば燃焼すると判断し、ステップ１４よりステップ１５に進んで触媒燃焼器着火可能フラグ＝１とし、ステップ１６で空気を触媒燃焼器６６に供給するためコンプレッサ１１をＯＮとし圧力制御弁７２を開く。また水素を触媒燃焼器６６に供給するため遮断弁３と圧力制御弁４を開き、遮断弁７０を閉じ、流量制御弁７１を開く。
【００４４】
これにより、コンプレッサ１１からの吐出空気は燃料電池１、圧力制御弁７２を通って、また水素は遮断弁３、圧力制御弁４、燃料電池１、流量制御弁７１を通ってそれぞれ電熱触媒６７に供給され、ここで加熱されたあと触媒燃焼器６６に導かれると、活性温度にある触媒により水素が空気中の酸素を用いて燃焼する。この燃焼したガスは熱交換器６５に導かれ、クーラントの間で熱交換を行って熱を奪われ、温度低下した燃焼ガスは外部へと排出される。なお、遮断弁７０は閉じられているので、イジェクタ５の水素循環通路９に水素は循環しない。
【００４５】
熱交換器６５において燃焼ガスにより加熱したクーラントをバイパス通路２７を介して燃料電池１へと循環させるため、ステップ１７ではクーラントポンプ２１をＯＮとし、三方弁２８に通電してポートＡとポートＣの連通を遮断し、ポートＢとポートＣを連通させる。これにより、熱交換器６５で加熱されたクーラントが、バイパス通路２７よりクーラント通路２２を経て燃料電池入口２３より燃料電池１内部へと流入し、燃料電池１に熱を奪われて温度低下したクーラントは燃料電池出口２４よりクーラント通路２５を辿ってバイパス通路２７の熱交換器６５へと戻る。
【００４６】
また、触媒燃焼器６６での燃焼が開始されたので、ステップ１８で電熱触媒６７への通電をやめ、バッテリの電力消費を抑える。
【００４７】
触媒燃焼器着火可能フラグ＝１となったことより次回にはステップ１２よりステップ１９に進んで温度センサ８３（図１参照）により検出される燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔ［℃］を読み込み、このクーラント温度Ｔｏｕｔと０℃とをステップ２０で比較する。
【００４８】
燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが０℃未満であれば、ステップ２１に進み、流量センサ５２により検出される実際の水素流量が目標水素流量と一致するように流量制御弁７１を流れる水素流量を制御する。ここで、目標水素流量は触媒燃焼器６６において所定の発熱が行われるように予め定めている。これによって触媒燃焼器発熱量は例えば一定で推移する（図５最上段の実線参照）。
【００４９】
ここで、図５は水タンク内の水が氷点下にある状態で燃料電池１をｔ１のタイミングで起動した後、触媒燃焼器発熱量、発電量、燃料電池出口のクーラント温度、氷解凍量がどのように変化するのかをモデル的に示したものである。
【００５０】
また、ステップ２２では温度センサ８４（図１参照）により検出される実際の燃焼温度が目標温度となるように、コンプレッサ１１の吐出流量と圧力制御弁７２を制御する。実際の燃焼温度が目標温度より低いときには例えば触媒燃焼器６６に導かれる空気流量を少なくして、空気流量と水素流量の割合である空燃比を濃くし、これによって燃焼温度を上昇させ、この逆に実際の燃焼温度が目標温度より高いときには空気流量を多くして空燃比を薄くし、これによって燃焼温度を下降させる。
【００５１】
このときクーラントポンプ２１は作動しており、触媒燃焼器６６で発生する熱が熱交換器６５によりクーラントに与えられ、クーラントの温度が上昇する。その温度上昇したクーラントはバイパス通路２７より三方弁２８を通過し燃料電池１に流入する。すなわち、触媒燃焼器６６で発生した熱はクーラントの循環を介して燃料電池１に伝えられるため、燃料電池１はどんどん昇温することが可能である。
【００５２】
燃料電池１は燃料電池１内のクーラント通路を流れるクーラントと非常に効率よく熱交換されるため、燃料電池１のクーラント出口２４では、クーラントの温度はほぼ燃料電池１の温度まで低下する。このため、燃料電池１はこの状態でどんどん熱が加えられて温度上昇するが、燃料電池出口２４のクーラント温度は燃料電池の温度にほぼ等しい。言い換えると燃料電池１が０℃以上にならなければ、燃料電池出口２４のクーラント温度も０℃以上にならない。すなわち、燃料電池１が極く氷点下（例えば−２０℃）の場合に大電力を発電させても、その発電により生成される水が、氷点下にある燃料電池１で冷やされ再凍結してしまうため、生成水が再凍結しない温度まで燃料電池１を加熱しないと燃料電池１に大電力を発電させることは困難である。従って、燃料電池出口２４のクーラント温度が０℃を超えてから大電力の発電（図５では「本格発電」で表示）を行わせる（つまり車両走行を許可する）必要がある。
【００５３】
この場合、燃料電池１の下流にある水タンク３１に０℃未満のクーラントが入ってくると、水タンク３１内の熱交換部６１で少しずつ氷に熱を加えることにはなるが、氷の温度を上昇させるのみで氷を解凍するには至らない。つまり、氷の解凍量はゼロである（図５最下段参照）。言い換えると水タンク３１内の熱交換部６１では、クーラントはあまり熱は奪われない。そのため、触媒燃焼器６６で発生する熱量を効率よく燃料電池１に与えることができ、燃料電池１の０℃近傍への加温が可能となる。
【００５４】
以上によって、同じ水素消費量で考えた場合、燃料電池１を早く大電力の発電が可能な状態（車両走行が可能な状態）に持っていくことができるので、起動時間の低減、起動消費エネルギの低減が可能になる。
【００５５】
このようにして、燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが０℃以上になると、燃料電池１が大電力を発電可能な状態になったと判断し、氷点下起動モードを終了して車両走行を可能とするため、ステップ２０よりステップ２３、２４に進み、氷点下起動モードフラグ＝０とすると共に走行許可フラグ＝１とする。この走行許可フラグ＝１を受けて運転席では車両走行禁止を示すランプが消灯する。
【００５６】
このランプ消灯を受けて運転者が車両を走行させたとすると、その走行に見合う電力を燃料電池１が発電し、その燃料電池１の発電により燃料電池１内部を流れるクーラントの加熱が可能であるので、ステップ２５では遮断弁７０を開き、流量制御弁７１を閉じて、触媒燃焼器６６への水素供給をやめ、水素循環通路９に水素を循環させる。これによって、触媒燃焼器６６での燃焼が終了し、燃焼器発熱量がゼロになる（図５最上段の実線参照）。
【００５７】
ただし、このタイミング（図５ではｔ２のタイミング）では水タンク３１内の氷は解凍されていないので、ステップ２６で解凍未終了フラグ（燃料電池１の起動時にゼロに初期設定）＝１とする。
【００５８】
さて、車両走行禁止を示すランプが消灯したので、すぐに車両を走行させたとすると、燃料電池１の発電量は例えば図５最上段の破線で示したようにｔ２より増えてゆく。
【００５９】
また、車両走行が行われると、燃料電池１の発電で燃料電池１の温度が上昇し、この燃料電池１の発熱した熱（廃熱）で燃料電池１の内部を流れるクーラントが加熱されるので、燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが０℃よりさらに高い温度へと上昇してゆく（図５第２段目の実線参照）。この０℃を超える高い温度のクーラントにより水タンク３１内の熱交換部６１で氷に対して熱（融解熱）が与えられ、氷が解凍してゆく。氷の解凍量でみれば、図５最下段に示したようにｔ２のタイミングではゼロであったものが時間経過と共に増えてゆき、水タンク３１内の総ての氷の解凍が終了するｔ４のタイミングより一定となる。なお、水タンク３１内の氷の解凍が総て終了したｔ４のタイミングからは、燃料電池出口２４のクーラント温度はそれまでよりも急激に上昇してゆく。
【００６０】
このようにして、燃料電池１内部において燃料電池１の発電で発生する熱（廃熱）との熱交換を行って温度上昇するクーラントを用いて、まず燃料電池１を０℃以上まで加熱した後には、同じクーラントを用いて今度は水タンク内の氷の解凍を行うのであり、水タンク３１内の総ての氷の解凍が終了すれば通常のモードに移行させる必要がある。
【００６１】
図４はもう一つの氷点下起動処理（氷点下起動処理２）を行うためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００６２】
図４においてステップ３１、３２では走行許可フラグと解凍未終了フラグをみる。走行許可フラグ＝１かつ解凍未終了フラグ＝１であるときにはステップ３３に進んで温度センサ８３（図１参照）により検出される燃料電池出口のクーラント温度Ｔｏｕｔ［℃］を読み込み、この温度と所定値Ｔ２［℃］をステップ３４で比較する。
【００６３】
ここで、所定値Ｔ２は水タンク３１内の総ての氷の解凍を終了するときの温度である。所定値Ｔ２は燃料電池１の発電量に依存するので、燃料電池１の発電量に応じたＴ２のテーブル特性を予め定めておき、燃料電池１の発電量を実際に検出して、その検出値からＴ２のテーブルを検索して求めるようにすればよい。Ｔ２は簡単には一定値でもよい。また、ステップ３４での温度比較に限定されるものでなく、例えば燃料電池の発電量に基づいて水タンク３１内の総ての氷の解凍が終了したか否かを判定させてもかまわない。
【００６４】
燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔ２未満であるときにはまだ水タンク３１内の総ての氷の解凍が終了していないのでそのまま処理を終了し、やがて燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔ２以上となったとき（図５ではｔ４のタイミング）には水タンク３１内の総ての氷の解凍が終了したと判断し、ステップ３５に進んで解凍未終了フラグ＝０とし、ステップ３６では三方弁２８への通電をやめてポートＢとポートＣの連通を遮断し、ポートＡとポートＣを連通する。これにより、通常モードに移行しクーラントはラジエータ２６を経由して流れる。
【００６５】
ここで本実施形態の作用を説明する。
【００６６】
水タンク３１内の氷の解凍のために燃料電池１の発電する電力を用いるのでは、燃料消費が大きくなるが、本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、大電力の発電が可能な状態になって以降に発生する燃料電池１自体の廃熱を利用して水タンク３１内氷の解凍を行うようにしたので、本来の目的の発電に使用する以外の余分な電力や燃料電池１の燃料消費を防止することが可能となり、燃料電池システムの燃料消費を低減できることととなった。さらに、氷点下においてそれまでに発電を行って得た発熱の大部分を燃料電池１の温度上昇に使うことができるため、大電力の発電が可能な状態になるまでの時間（燃料電池の起動時間）を短縮できる。
【００６７】
また、本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、水タンク３１は燃料電池１の下流に位置し、氷解凍装置はこの水タンク３１内にあってかつ燃料電池１の発電で発生する廃熱との熱交換を行って温度上昇するクーラントと、水タンク３１内の氷とで熱交換を行う熱交換部６１であり、この熱交換部６１を出たクーラントを加熱する熱交換器６５を備えるので、熱交換器６５で加熱したクーラントの熱はまず燃料電池１本体に伝えられ、燃料電池１本体の温度上昇が最優先される。そして、燃料電池１内部で熱交換された後のクーラントが水タンク３１内の熱交換部６１ヘと流れる。この場合、燃料電池１を出たクーラントの温度は燃料電池１本体の温度以上になることがないため、結局、燃料電池１本体の温度が０℃以上になるまで燃料電池１を出たクーラントの温度が０℃以上になることが防止できる。これにより燃料電池１が大電力の発電を開始するまでに必要なエネルギを増大させることなく燃料電池１の起動を迅速に行うことできる。
【００６８】
外気温が高い状況での高負荷時には燃料電池１が高温となるため、このときには第１バイパス通路２７経由ではクーラントが流れないようにし、大流量のクーラントをクーラント循環通路（２２、２５）に流して燃料電池１の温度を低下させる必要がある。この場合に、加熱装置としての熱交換器６５をクーラント循環通路（２２、２５）に位置して設けたのでは、これが圧力損失となるため同じ流量を確保しようとするとその分クーラントポンプ２１の容量を大きくしなければならなくなるが、本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、加熱装置としての熱交換器６５をクーラント循環通路（２２、２５）ではなく、クーラントが流れることのないバイパス通路２７に位置して設けたので、クーラント循環通路（２２、２５）の圧力損失を抑制することが可能となり、外気温度が高い状況での高負荷時に必要な大流量のクーラントを確保しつつクーラントポンプ２１の消費電力を低減できる。
【００６９】
本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、水タンク３１はバイパス通路２７が分岐する位置よりも上流のクーラント通路２５（クーラント循環通路）に位置するので、燃料電池１の暖機中だけでなく、冷却が必要となる高温での燃料電池１の運転時にも常に燃料電池１で暖められたクーラントにより水タンク３１内の水が高温で保持される。これにより、加湿水の蒸発に必要な熱が少なくなり加湿しやすくなる上、システム停止後に水タンク３１内の水が凍結するまでの時間が長くなる。特に水タンク３１を断熱した場合にその効果は大きくなる。
【００７０】
燃料電池１の温度が０℃未満の領域では水タンク３１内の水も０℃を超えないので、燃料電池の温度検出値が０℃未満の領域で加熱装置としての熱交換器６５を作動させている本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、加熱装置としての熱交換器６５の熱エネルギが、氷の昇温に使われることはあっても氷の解凍に必要な大部分を占める熱（つまり融解熱）として使用されることはない。これによって燃料電池１の廃熱のみを使った水タンク３１内の氷の解凍が可能となり、発電に必要な燃料以外に余剰に燃料消費を増大させることがなく、実用燃費が向上する。
【００７１】
図６は第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図、図７のフローチャートは氷点下起動処理１を行うためのもので、図６は図１と、図７は図３と置き換わるものである。なお、図６において図１と同一部分には同一の番号を、図７において図３と同一部分には同一のステップ番号を付している。
【００７２】
第１実施形態との相違点を主に説明すると、第２実施形態では図６に示したように燃料電池１のクーラント通路出口２４より、水タンク３１をバイパスしバイパス通路２７（第１バイパス通路）に合流するもう一つのバイパス通路９１（第２バイパス通路）を形成し、バイパス通路９１がバイパス通路２７と合流する部位に三方弁９２を設けている。
【００７３】
ここで、三方弁９２は例えば非通電時にポートＤとポートＦを連通し、ポートＥとポートＦの連通を遮断しているが、通電時にはポートＤとポートＦの連通を遮断し、ポートＥとポートＦを連通するものである。
【００７４】
図７において第１実施形態と相違するのは、ステップ４１を追加している点である。すなわち、図７において電熱触媒６７の温度Ｔｅｈｃが所定値Ｔ１に達して触媒燃焼器６６で着火可能となったときには、ステップ１６、１７で触媒燃焼器６６への水素と空気の供給を行うのであるが、このとき第１実施形態ではクーラントが熱交換部６１経由で流れるのに対して、第２実施形態では三方弁９２が非通電状態にあるため水タンク３１をバイパスしてクーラントが流れる。
【００７５】
そして、その後に燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが０℃以上となったことより燃料電池１による大電力の発電が可能となり車両走行を許可するときにはステップ２５で触媒燃焼器６６への水素供給を停止するが、このときクーラントが熱交換部６１経由で流れるようにステップ４１で三方弁９２に通電し、ポートＤとポートＦの連通を遮断し、ポートＥとポートＦを連通する。
【００７６】
従って、第１実施形態との相違は、燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが０℃未満である間は、クーラントを熱交換部６１経由で流さない点にある。
【００７７】
これによって、第２実施形態（請求項７に記載の発明）によれば、燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔ（燃料電池の温度検出値）が０℃未満のとき三方弁９２（流路切換装置）を用いてバイパス通路９１（第２バイパス通路）にクーラントを流すので、水タンク３１内の氷を解凍するために必要な融解潜熱だけでなく、水タンク３１内の氷を昇温するための顕熱分のエネルギも全て含めて熱交換器６５（加熱装置）で発生する熱エネルギを、水タンク３１内の熱交換部６１（熱交換器）では使わないようにすることが可能となり、これにより燃料電池１の起動時間をさらに短縮できる。
【００７８】
なお、燃料電池出口２４のクーラント温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔ２以上となり水タンク３１内の総ての氷の解凍が終了したときには三方弁２８を非通電状態としてラジエータ２６経由でクーラントを循環させるのであるが、このとき第２実施形態においても三方弁９２は通電状態にあり、クーラントは熱交換部６１経由で流れる。
【００７９】
第２実施形態では、燃料電池内のクーラントとの熱交換性能が非常に良く燃料電池温度近傍からクーラントの出口温度が離れて上昇しない場合で説明したが、燃料電池内のクーラントとの熱交換性能が悪く燃料電池温度近傍からクーラントの出口温度が離れて上昇する場合においても本発明を適用することができる。ただし、この場合には、燃料電池出口のクーラント温度に代えて、燃料電池本体の温度を検出し、この燃料電池の温度検出値が０℃以上となったとき流路切換装置を用いて水タンク３１内の熱交換部６１（熱交換器）をクーラントが流れる流れに切換えることで（請求項７に記載の発明）、燃料電池１が発電可能となる温度を正確に検出して水タンク３１内の氷の解凍を開始することが可能となり、燃料電池１内のクーラントとの熱交換性能が悪く燃料電池温度近傍からクーラントの出口温度が離れて上昇する場合においても、燃料電池１の起動時間の短縮を精度良く行うことができる。
【００８０】
２つの実施形態では、燃料電池システムを燃料電池車に適用した場合で説明したが、これに限らず定置式のものにも適用することができる。
【００８１】
２つの実施形態で燃料電池１に供給する水素は、炭化水素系原料を改質して得られる水素（改質ガス）でもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図。
【図２】氷点下起動モードフラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図３】氷点下起動処理１を説明するためのフローチャート。
【図４】氷点下起動処理２を説明するためのフローチャート。
【図５】第１実施形態の作用を説明するための波形図。
【図６】氷点下起動モードフラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図７】氷点下起動処理１を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１　燃料電池
２１　クーラントポンプ
２２、２５　クーラント通路
２６　ラジエータ
２７　バイパス通路（第１バイパス通路）
２８　三方弁（流路切換装置）
３１　水タンク
３４　水噴射弁（加湿装置）
５１　パワープラントコントローラ
６１　熱交換部（熱交換器）
６５　熱交換器（加熱装置）
６６　触媒燃焼器
６７　電熱触媒
６８　分岐水路通路
６９　廃空気通路
７０　遮断弁
７１　流量制御弁
７２　圧力制御弁
８２　温度センサ
８３　温度センサ
８４　温度センサ
８５　イグニッションスイッチ
９１　バイパス通路（第２バイパス通路）
９２　三方弁（流路切換装置）
【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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