(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に燃料が供給され酸化剤極に酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電しかつ前記酸化剤極で生成水が生成するタイプである燃料電池と、該燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、該熱媒体循環回路上に設けられて前記熱媒体を循環させるポンプと、前記熱媒体循環回路を循環する前記熱媒体の温度を調整する調温手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の酸化剤極に導入される酸化剤ガスは水蒸気飽和またはドライエアであり、かつ前記酸化剤極から排出される酸化剤オフガスは水蒸気飽和である場合に、前記酸化剤極の導入口および導出口の温度から算出される前記酸化剤極に導入される水量および前記酸化剤極から排出される水量を用いて作成され、前記燃料電池の発電電流値に対して、前記算出された前記酸化剤極内に導入される水量および前記燃料電池の生成水量と前記算出された前記酸化剤極から排出される水量との差である酸化剤極内の水収支がゼロとなる前記熱媒体の温度を求める演算式またはマップを記憶する記憶手段と、
前記燃料電池の出力可能な電流量であって、予め決められ記憶されている前記燃料電池の発電開始電流値を読み出す読出手段と、
前記読出手段により読み出された発電開始電流値において前記水収支がゼロとなる前記熱媒体の温度を前記演算式またはマップから算出し、その算出した前記熱媒体の温度を暖機規定温度とする暖機規定温度演算手段と、
前記熱媒体循環回路を流通する前記熱媒体の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池システムの起動開始後から前記熱媒体温度が前記暖機規定温度に到達するまでは、前記調温手段によって前記熱媒体を昇温する昇温手段と、
前記熱媒体温度が暖機規定温度に到達した後であって定常運転温度に到達する前に、前記燃料電池の発電を開始する発電開始手段と、
前記燃料電池の発電に伴う自己発熱により同燃料電池が昇温されることにより、前記熱媒体温度が前記定常運転温度に到達すると、前記熱媒体温度を前記定常運転温度に維持する温度維持手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時の温度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
この燃料電池システムとしては、燃料極および空気極にそれぞれ燃料および空気が供給されそれらの化学反応によって発電する燃料電池１０と、この燃料電池１０との間で熱交換する熱媒体が循環する熱媒体循環回路２０と、この熱媒体循環回路２０上に設けられて熱媒体を循環させるポンプ２４と、熱媒体循環回路２０を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段（ラジエータ２１、温調弁２３、流路制御弁３１、ヒータ３２）とを備えたものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、この燃料電池においては発電に伴い内部で水分が発生する。また、燃料電池は、燃料極と空気極との間に介在されている電解質の機能を確保する目的で、燃料電池に供給される改質ガスおよび空気を加湿している。低温環境下においては、これら水分が凍結し燃料電池が起動しないあるいは出力が低下するという問題があり、これに対処するために、燃料電池の一部を集中的に電気ヒータなどで加熱することによりその一部において発電を可能とし、その一部の発電による自己発熱を利用して残りの部分を加熱する起動方法が実施されている。具体的には、燃料電池温度Ｔｆｃが運転可能温度（燃料電池バイパス温度Ｔｆｂ）未満の場合には電気ヒータ３２で加熱し、燃料電池バイパス温度Ｔｆｂ以上になると、発電可能となった一部で発電を開始してその発電による自己発熱と電気ヒータ３２による加熱とによりさらに加熱し、ラジエータバイパス温度Ｔｒｂ以上となると、燃料電池全体で発電が可能であると判断して定常運転時の制御を行っている。
【特許文献１】特開２００３−２４９２５１号公報（第７−９頁、図１，３）
【特許文献２】特開２００２−４２８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した燃料電池システムにおいては、発電可能である一部分にて発電が開始されると水が生成され、これにより水収支がゼロを上回ってその他の温度が低い発電不能部分にてフラッディングが発生し安定した起動が不可能となる。特に、定置用燃料電池システムなどの低圧運転のシステムにおいては、燃料電池内でフラッディングが生じるとその凝縮水を排出することが困難であるため安定起動・発電は不可能である。
【０００５】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池の低温起動時において、燃料電池内の水収支を考慮して燃料電池を起動することにより、安定した起動・発電が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に燃料が供給され酸化剤極に酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電しかつ酸化剤極で生成水が生成するタイプである燃料電池と、該燃料電池との間で熱交換する熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、該熱媒体循環回路上に設けられて熱媒体を循環させるポンプと、熱媒体循環回路を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸化剤極に導入される酸化剤ガスは水蒸気飽和またはドライエアであり、かつ酸化剤極から排出される酸化剤オフガスは水蒸気飽和である場合に、酸化剤極の導入口および導出口の温度から算出される酸化剤極に導入される水量および酸化剤極から排出される水量を用いて作成され、燃料電池の発電電流値に対して、算出された酸化剤極内に導入される水量および燃料電池の生成水量と算出された酸化剤極から排出される水量との差である酸化剤極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度を求める演算式またはマップを記憶する記憶手段と、燃料電池の出力可能な電流量であって、予め決められ記憶されている燃料電池の発電開始電流値を読み出す読出手段と、読出手段により読み出された発電開始電流値において水収支がゼロとなる熱媒体の温度を演算式またはマップから算出し、その算出した熱媒体の温度を暖機規定温度とする暖機規定温度演算手段と、熱媒体循環回路を流通する熱媒体の温度を検出する温度センサと、燃料電池システムの起動開始後から熱媒体温度が暖機規定温度に到達するまでは、調温手段によって熱媒体を昇温する昇温手段と、熱媒体温度が暖機規定温度に到達した後であって定常運転温度に到達する前に、燃料電池の発電を開始する発電開始手段と、燃料電池の発電に伴う自己発熱により同燃料電池が昇温されることにより、熱媒体温度が定常運転温度に到達すると、熱媒体温度を定常運転温度に維持する温度維持手段とを備えたことである。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、暖機規定温度演算手段が、燃料電池の出力可能な電流量であって、予め決められ記憶されている燃料電池の発電開始電流値を読み出す読出手段により読み出された発電開始電流値において水収支がゼロとなる熱媒体の温度を演算式またはマップから算出し、その算出した熱媒体の温度を暖機規定温度とし、昇温手段が、燃料電池システムの起動開始後から熱媒体温度が暖機規定温度に到達するまでは、調温手段によって熱媒体を昇温し、発電開始手段が、熱媒体温度が暖機規定温度に到達した後であって定常運転温度に到達する前に、燃料電池の発電を開始し、温度維持手段が、燃料電池の発電に伴う自己発熱により同燃料電池が昇温されることにより、熱媒体温度が定常運転温度に到達すると、熱媒体温度を定常運転温度に維持する。これにより、燃料電池システムの起動時において、起動が開始されて熱媒体温度が暖機規定温度以上であって定常運転温度に到達する前に燃料電池の発電が開始され、燃料電池は自己発熱によって加熱が開始される。このとき、暖機規定温度は、燃料電池の発電電流値に対して同燃料電池の酸化剤極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度となるように設定されているので、燃料電池の酸化剤極内でフラッディングが生じることはない。したがって、安定した起動・発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
さらに、水収支は燃料電池の酸化剤極内に導入される水量および燃料電池の生成水量と酸化剤極から排出される水量との差であることにより、確実かつ容易に発電開始電流値に対する熱媒体の温度である暖機規定温度を示す演算式またはマップを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２０を備えている。
【００１１】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介装された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、燃料電池１０の空気極１２には、空気を供給する供給管６１およびカソードオフガスを排出する排出管６２が接続されており、これら供給管６１および排出管６２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が設けられている。この加湿器１４は水蒸気交換型であり、排出管６２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管６１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
【００１２】
改質器２０は、天然ガス、ＬＰガス、灯油、メタノールなどの燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、バーナ２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。
【００１３】
バーナ２１は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後燃焼ガス用凝縮器３４を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。
【００１４】
改質部２２は、外部から供給された燃料に蒸発器２５からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。
【００１５】
ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。
【００１６】
ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。
【００１７】
蒸発器２５は、一端が貯水器５０内に配置され他端が改質部２２に接続された改質水供給管６８の途中に配設されている。改質水供給管６８には改質水用ポンプ５３が設けられている。このポンプ５３は制御装置９０によって制御されており、貯水器５０内の改質水として使用する回収水を蒸発器２５に圧送している。蒸発器２５は例えばバーナ２１から排出される燃焼ガス、改質部２２、ＣＯシフト部２３などの熱によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。
【００１８】
改質器２０のＣＯ選択酸化部２４と燃料電池１０の燃料極１１とを連通する配管６４の途中には、凝縮器３０が設けられている。この凝縮器３０は改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２、カソードオフガス用凝縮器３３および燃焼ガス用凝縮器３４が一体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器３１は配管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０のバーナ２１とを連通する配管６５の途中に設けられており、その配管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器３３は、排出管６２の加湿器１４の下流に設けられており、その排出管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。
【００１９】
上述した凝縮器３１〜３４は配管６６を介して純水器４０に連通しており、各凝縮器３１〜３４にて凝縮された凝縮水は、純水器４０に導出され回収されるようになっている。純水器４０は、凝縮器３０および燃焼ガス用凝縮器３４から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器５０に導出するものである。なお、貯水器５０は純水器４０から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器４０には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器４０内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
【００２０】
燃料電池システムは、第１熱交換器７１と、第１熱交換器７１と燃料電池１０との間に設けられて熱媒体が循環される熱媒体循環回路７２と、熱媒体循環回路７２上に熱媒体を循環させる第１ポンプ７３が設けられている。これにより、熱媒体が燃料電池１０を通過する際には熱媒体と燃料電池１０との間で熱交換が行われる。また、熱媒体循環回路７２の燃料電池１０の出口付近には熱媒体の温度を検出する温度センサ８５が設けられている。
【００２１】
また、温水を貯留する温水貯留槽である貯湯槽７４が設けられており、第１熱交換器７１と貯湯槽７４との間に熱媒体である温水が循環される温水循環回路７５と、温水循環回路７５上に温水を循環させる第２ポンプ７６が設けられている。これにより、第１熱交換器７１においては、熱媒体循環回路７２を通過中の熱媒体と温水循環回路７５を通過中の温水との間で熱交換が行われる。温水循環回路７５の一端および他端は貯湯槽７４の上部および下部に接続されており、温水循環回路７５の他端部側すなわち貯湯槽７４の下部側部位には一端が貯湯槽７４の上部に接続された配管７７の他端が接続されている。配管７７には第１バルブ７８が設けられている。配管７７との接続部位と貯湯槽７４との間の温水循環回路７５には第２バルブ７９が設けられている。これにより、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ開状態、閉状態にして第２ポンプ７６を駆動すると、貯湯槽７４の上部の温度の高い温水が第１熱交換器７１に供給され、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ閉状態、開状態にして第２ポンプ７６を駆動すると、貯湯槽７４の下部の温度の低い温水が第１熱交換器７１に供給される。
【００２２】
また、配管７７には追い炊きバーナ８１が設けられており、追い炊きバーナ８１は貯湯槽７４の上部から導出される温水をさらに加熱するものである。
【００２３】
また、温水循環回路７５上に第２熱交換器８２が設けられている。この第２熱交換器８２、凝縮器３０との間には凝縮器熱媒体が循環する凝縮器熱媒体循環回路８３が設けられている。凝縮器熱媒体循環回路８３上に凝縮器熱媒体を循環させる第３ポンプ８４が設けられている。これにより、第２熱交換器８２においては、凝縮器熱媒体循環回路８３を通過中の凝縮器熱媒体と温水循環回路７５を通過中の温水との間で熱交換が行われて、温水より高温である凝縮器熱媒体により温水が昇温される。
【００２４】
なお、本実施の形態においては、貯湯槽７４、温水循環回路７５、第１熱交換器７１、および第２ポンプ７６から、熱媒体循環回路７２を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段が構成されている。
【００２５】
また、上述した温度センサ８５、第１〜第３ポンプ７３，７６，８３、第１および第２バルブ７８，７９は制御装置９０に接続されている（図２参照）。制御装置９０は記憶部９１に接続されている。記憶部９１は、図３に示す燃料電池１０の発電電流値Ｉに対して同燃料電池１０の空気極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度である暖機規定温度Ｔａを示す演算式またはマップを記憶している。
【００２６】
この演算式またはマップは次のようにして求めることができる。図４に示すように、燃料電池１０の出力電流値を一定（例えばＩ２）にして燃料電池の冷却水（熱媒体）の温度を所定の温度レンジにて変化させた場合、その温度に対する水収支を計算してあるいは計測して求める。そして、水収支が０となる温度（例えばＴ２）を出力電流値Ｉ２に対する暖機規定温度Ｔａとして導出する。そして、出力電流値を所定の範囲にて変化させて前述と同様の方法でその出力電流値に対する暖機規定温度をそれぞれ導出して、導出した出力電流値に対する暖機規定温度の関係を示すものが図３の発電電流値Ｉに対して同燃料電池１０の空気極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度である暖機規定温度Ｔａを示す演算式またはマップである。
【００２７】
なお、水収支は、燃料電池１０の空気極１２内に導入される水量および燃料電池１０の生成水量と燃料電池１０から排出される水量との差で定義される。導入される水量および排出される水量は、カソードエアおよびカソードオフガスは水蒸気飽和であるとしてそれぞれ空気極１２の導入口および導出口の温度によって導出することができる。なお、導入される空気がドライエアの場合には導入される水量はほぼゼロとする。生成水量は燃料電池１０の出力電流によって導出される。
【００２８】
制御装置９０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図４のフローチャートに対応したプログラムを実行して、設定された発電開始電流Ｉに対応する暖機規定温度Ｔａを演算し、図５のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの起動制御を実行している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００２９】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図４および図５を参照して説明する。制御装置９０は、予め作業者によって入力され記憶されている燃料電池１０の発電開始電流値Ｉを読み出し、その発電開始電流値Ｉに対する暖機規定温度Ｔａを図３に示す演算式またはマップから演算する（ステップ１０２，１０４）。例えば発電開始電流値ＩがＩ２である場合、発電電流Ｉ２に対する暖機規定温度ＴａはＴ２となる。なお、導出した暖機規定温度Ｔａは記憶部９１または制御装置９０に記憶するのが好ましい。
【００３０】
そして、制御装置９０は、制御装置９０は図示しない起動スイッチがオンされると、図６に示すプログラムを実行する。ステップ２０２において、燃料電池システムの起動が開始される。具体的には、燃焼用燃料および燃焼用空気がバーナ２１に供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部２２が所定温度になると、燃料および改質水が改質部２２に供給される。またＣＯ選択酸化部２４に酸化用空気が供給される。しかし、改質装置２０から導出される改質ガスは燃料電池１０には供給されていない。
【００３１】
また、制御装置９０は、燃料電池の冷却水温度Ｔｈを温度センサ８５によって検出し、その温度に基づいて冷却水の温度を昇温している（ステップ２０４，２０６）。具体的には、貯湯槽７１の温水を利用して冷却水を昇温している。すなわち、第１および第２バルブをそれぞれ開状態および閉状態とし第２ポンプ７６を駆動させて温水を第１熱交換器７１に送出する。また第１ポンプ７３を駆動させ燃料電池１０内の冷却水（熱媒体）を第１熱交換器７１に送出する。これにより第１交換機７１にて冷却水（熱媒体）が温水によって昇温される（昇温手段）。
【００３２】
そして、燃料電池の冷却水温度Ｔｈが暖機規定温度Ｔａ（本実施の形態ではＴ２）に到達した時点（図７の時刻ｔ１）より後であって、改質装置２０の暖機が完了した時点（図７の時刻ｔ２）に、燃料電池１０の発電を開始する（ステップ２０８〜２１０）。ステップ２０８にて、冷却水温度Ｔｈが暖機規定温度Ｔａに到達したか否かを判定し、到達するまでステップ２０４〜２０８の処理を繰り返し実行し、到達したならばプログラムをステップ２０９に進める。ステップ２０９にて、改質装置２０から導出される改質ガス中の水素量および一酸化炭素濃度が規定値に到達しているか否かを判定し、到達するまでステップ２０４〜２０９の処理を繰り返し実行し、到達したならばプログラムをステップ２１０に進める。
【００３３】
制御装置９０は、ステップ２１０にて、改質装置２０から導出される改質ガスを燃料電池１０に供給するようにして、燃料電池１０の発電を開始する。このときの発電電流Ｉすなわち発電開始電流値は予め決められたＩ２であり、一方発電開始時（時刻ｔ２）の冷却水温度Ｔｈは発電開始電流値Ｉ２に対応する冷却水温度Ｔ２よりΔＴだけ高い温度となっているので、水収支はゼロより小さい状態すなわち乾き気味となるので、燃料電池１０内でフラッディングは生じない。
【００３４】
また、上述した昇温手段による加熱に加えて、燃料電池１０の発電による自己発熱によって燃料電池１０は昇温し、これにより冷却水も昇温する。制御装置９０は、燃料電池の冷却水温度Ｔｈを温度センサ８５によって検出し、燃料電池の冷却水温度Ｔｈが定常運転温度Ｔｂ（具体的には６０〜８０℃）に到達すると（図７の時刻ｔ３）、それ以降はシステムが停止されるまで、冷却水温度Ｔｈが定常運転温度Ｔｂに維持されるように調整される（ステップ２１２〜２１６）。具体的には、制御装置９０は、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ開状態および閉状態とし第２ポンプ７６を駆動させて温水を第１熱交換器７１に送出する。また第１ポンプ７３を駆動させ燃料電池１０内の冷却水（熱媒体）を第１熱交換器７１に送出する。これにより第１交換機７１にて冷却水（熱媒体）が温水によって昇温される。また、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ閉状態および開状態とし第２ポンプ７６を駆動させて温度の低い温水を第１熱交換器７１に送出する。また第１ポンプ７３を駆動させ燃料電池１０内の冷却水（熱媒体）を第１熱交換器７１に送出する。これにより第１交換機７１にて冷却水（熱媒体）が温水によって降温される。
【００３５】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、暖機規定温度演算手段（ステップ１０２，１０４）が、発電開始電流値に対する熱媒体の温度である暖機規定温度Ｔａを演算式またはマップに基づいて演算し、昇温手段（ステップ２０４〜２０８）が、燃料電池システムの起動開始後から熱媒体温度が少なくとも暖機規定温度Ｔａに到達するまでは、調温手段によって熱媒体を昇温し、発電開始手段（ステップ２１０）が、熱媒体温度が暖機規定温度Ｔａに到達した後であって定常運転温度Ｔｂに到達する前に、燃料電池の発電を開始し、温度維持手段（ステップ２１２〜２１６）が、燃料電池１０の発電に伴う自己発熱により同燃料電池１０が昇温されることにより、熱媒体温度が定常運転温度Ｔｂに到達すると、熱媒体温度を定常運転温度Ｔｂに維持する。これにより、燃料電池システムの起動時において、起動が開始されて熱媒体温度が暖機規定温度Ｔａ以上であって定常運転温度Ｔｂに到達する前に燃料電池１０の発電が開始され、燃料電池１０は自己発熱によって加熱が開始される。このとき、暖機規定温度Ｔａは、燃料電池１０の発電電流値Ｉに対して同燃料電池１０の空気極１２内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度となるように設定されているので、燃料電池１０の空気極１２内でフラッディングが生じることはない。したがって、安定した起動・発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００３６】
また、水収支は燃料電池１０の空気極１２内に導入される水および燃料電池１０の生成水と燃料電池１０から排出される水との差であることにより、確実かつ容易に発電開始電流値に対する熱媒体の温度である暖機規定温度を示す演算式またはマップを作成することができる。
【００３７】
なお、上述した実施の形態においては、冷却水温度Ｔｈが暖機規定温度Ｔａ以上となり、かつ改質装置２０の暖機が完了すれば、燃料電池１０は発電を開始するようになっていたが、冷却水温度Ｔｈが暖機規定温度Ｔａ以上となる前に、改質装置２０の暖機が完了する場合、燃料電池システムに改質装置が設けられていない場合などにも本発明を適用することができる。これら場合、図６のフローチャートに代えて、図８に示すフローチャートを実行すればよい。図８のフローチャートは図６のフローチャートからステップ２０９を削除したものである。
【００３８】
改質装置が設けられておらず、燃料として水素ガスを使用する場合で説明する。制御装置９０が図８に示すフローチャートを実行すると、図９に示すタイムチャートのように燃料電池システムは制御される。すなわち、制御装置９０は、ステップ２０２において、燃料電池システムの起動を開始し、燃料電池の冷却水温度Ｔｈを温度センサ８５によって検出し、その温度に基づいて冷却水の温度を昇温している（ステップ２０４，２０６）。そして、燃料電池の冷却水温度Ｔｈが暖機規定温度Ｔａ（本実施の形態ではＴ２）に到達すると（図９の時刻ｔ４）、燃料電池１０の発電を開始する（ステップ２０８，２１０）。すなわち、加湿された水素ガスが燃料電池１０に供給される。このときの発電電流Ｉすなわち発電開始電流値は冷却水温度Ｔ２に対応するＩ２であり、その冷却水温度Ｔ２で水収支はゼロであるので、燃料電池１０内でフラッディングは生じない。さらに、上述した昇温手段による加熱に加えて、燃料電池１０の発電による自己発熱によって燃料電池１０は昇温し、これにより冷却水も昇温する。制御装置９０は、燃料電池の冷却水温度Ｔｈを温度センサ８５によって検出し、燃料電池の冷却水温度Ｔｈが定常運転温度Ｔｂ（具体的には６０〜８０℃）に到達すると（図９の時刻ｔ５）、それ以降はシステムが停止されるまで、冷却水温度Ｔｈが定常運転温度Ｔｂに維持されるように調整される（ステップ２１２〜２１６）。
【００３９】
なお、上述した各実施の形態においては、熱媒体循環回路７２を循環する熱媒体の温度を調整する調温手段を貯湯槽７４、温水循環回路７５、第１熱交換器７１、および第２ポンプ７６から構成するようにしたが、これに限られず、熱媒体循環回路７２を循環する熱媒体の温度を調整する他の調温手段（例えば温度ヒータ）から構成するようにしてもよい。
【００４０】
また、上述した実施の形態において、図１０に示すように、貯湯槽７４の温水を利用する構成としてもよい。具体的には、温水循環回路７５の一端部側すなわち貯湯槽７４の上部側部位には一端が貯湯槽７４の上部に接続された配管７７の他端が接続されている。配管７７には第１バルブ７８が設けられている。また、配管７７には追い炊きバーナ８１が設けられている。配管７７との接続部位と貯湯槽７４との間の温水循環回路７５には第２バルブ７９が設けられている。さらに、温水循環回路７５には第２ポンプ７６と逆方向に吐出する第４ポンプ９２が設けられている。これにより、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ閉状態、開状態にして第４ポンプ９２を駆動すると、貯湯槽７４の上部の温度の高い温水が第１熱交換器７１に供給され、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ閉状態、開状態にして第２ポンプ７６を駆動すると、貯湯槽７４の下部の温度の低い温水が第１熱交換器７１に供給される。また、第１および第２バルブ７８，７９をそれぞれ開状態、閉状態にして第４ポンプ９２を駆動すると、貯湯槽７４の上部の温度の高い温水が追い炊きバーナ８１に加熱されて第１熱交換器７１に供給される。なお、図１と同一部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
また、上述した実施の形態において、図１１に示すように、貯湯槽７４の温水を利用する構成としてもよい。具体的には、温水循環回路７５の他端部側すなわち貯湯槽７４の下部との接続側部位に三方弁９３を設け、三方弁９３と貯湯槽７４の上部を接続する配管９４を設けている。三方弁９３は貯湯槽７４の下部と上部を連通する状態と配管９４を介して貯湯槽７４の上部どうしを連通する状態とを切換可能な弁である。また、貯湯槽７４内の上部には電気ヒータ９５が設けられている。これにより、三方弁９３を配管９４を介して貯湯槽７４の上部どうしを連通する状態に切り換えて第２ポンプ７６を駆動すると、貯湯槽７４の上部の温度の高い温水が第１熱交換器７１に供給される。このとき、電気ヒータ９５を作動させると電気ヒータ９５によって加熱された温水が第１熱交換器７１に供給される。また、三方弁９３を貯湯槽７４の下部と上部を連通する状態に切り換えて第２ポンプ７６を駆動すると、貯湯槽７４の下部の温度の低い温水が第１熱交換器７１に供給される。なお、図１と同一部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
また、上述した実施の形態において、図１２に示すように、貯湯槽７４の温水を利用する構成としてもよい。具体的には、図１１に示す構成から三方弁９３および配管９４を削除して、温水循環回路７５に第２ポンプ７６と逆方向に吐出する第５ポンプ９６を設けるようにすればよい。これにより、第５ポンプ９６のみを駆動すると貯湯槽７４の上部の温度の高い温水が第１熱交換器７１に供給され、第２ポンプ７６のみを駆動すると貯湯槽７４の下部の温度の低い温水が第１熱交換器７１に供給される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】燃料電池の発電電流値に対して同燃料電池の空気極内の水収支がゼロとなる熱媒体の温度を示す演算式またはマップである。
【図４】図３に示す演算式またはマップを求める方法の説明図である。
【図５】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図６】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図７】本発明による燃料電池システムの実施の形態の動作を示すタイムチャートである。
【図８】図２に示した制御装置にて実行される他の制御プログラムのフローチャートである。
【図９】本発明による燃料電池システムの実施の形態の他の動作を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。
【図１１】本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。
【図１２】本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…蒸発器、３０…凝縮器、３１…改質ガス用凝縮器、３２…アノードオフガス用凝縮器、３３…カソードオフガス用凝縮器、３４…燃焼ガス用凝縮器、４０…純水器、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１〜６６…配管、６８…改質水供給管、７１…第１熱交換器、７２…熱媒体循環回路、７３…第１ポンプ、７４…貯湯槽、７５…温水循環回路、７６…第２ポンプ、７７…配管、７８…第１バルブ、７９…第２バルブ、８１…追い炊きバーナ、８２…第２熱交換器、８３…凝縮器熱媒体循環回路、８４…第３ポンプ、８５…温度センサ、９０…制御装置。
【図１】
0004799827.tif 000002
【図２】
0004799827.tif 000003
【図３】
0004799827.tif 000004
【図４】
0004799827.tif 000005
【図５】
0004799827.tif 000006
【図６】
0004799827.tif 000007
【図７】
0004799827.tif 000008
【図８】
0004799827.tif 000009
【図９】
0004799827.tif 000010
【図１０】
0004799827.tif 000011
【図１１】
0004799827.tif 000012
【図１２】
0004799827.tif 000013