(57)【要約】【課題】  燃料電池の冷却媒体が凍結する可能性がある環境で燃料電池を起動する場合であっても、燃料電池の起動に長い時間を要する事態を抑制する。【解決手段】  水タンク１９内の純水が凍結している状態でシステムを起動するに際して、コントローラ２では、水素タンク１１及び空気供給装置１５から燃料電池スタック１に水素及び空気を導入することによって燃焼器１４によって燃焼ガスを発生させて冷却媒体循環ポンプ２２によって循環される冷却媒体を解凍すると共に、ガス開閉弁２５を開状態にしてバイパス配管Ｌ１４を介して圧縮空気を水タンク１９、冷却水循環流路１ｃに導入する。またコントローラ２では、アノード極１ａ及びカソード極１ｂと冷却水循環流路１ｃとの差圧が所定範囲内になるようにガス開閉弁２５や圧力調整弁２６の開度を調整し、純水が解凍した場合に冷却水ポンプ２４によって冷却水循環流路１ｃ内に純水を循環させて通常運転に移行する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、水を通過させる水流路とを備え、燃料ガス及び酸化剤ガスを使用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の水流路に供給する水を貯蔵する水タンクを備え、当該水タンクに貯蔵した水を前記燃料電池の水流路に循環させる水循環手段と、
前記燃料電池の水流路内にガスを供給するガス供給手段と、
システムの起動時に、前記水流路内にガスを供給するように前記ガス供給手段を制御した後に、前記燃料電池の水流路に水を循環させるように前記水循環手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給手段は、前記水流路内のガス圧力を調整する圧力調整手段を更に備え、
前記制御手段は、前記水流路内にガスを供給するように前記ガス供給手段を制御している場合に、前記水タンク、前記水循環手段を構成する配管又は前記水流路のガス圧力を調整するように前記圧力調整手段を制御す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】
前記制御手段は、前記燃料電池の酸化剤極又は燃料極の圧力と、前記水流路の圧力との差圧が所定範囲内となるように前記圧力調整手段を制御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】
前記制御手段は、前記水タンクに貯蔵されている水が凍結している可能性があることを検出した場合に、前記水流路内にガスを供給するように前記ガス供給手段を制御した後に、前記燃料電池の水流路に水を循環させるように前記水循環手段を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス供給手段は、前記酸化剤ガスの少なくとも一部を前記水流路に導入することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス供給手段は、前記酸化剤ガスの少なくとも一部を前記水タンクに供給して、前記水流路に酸化剤ガスを導入することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガス供給手段は、空気を圧縮して前記酸化剤ガスとして前記燃料電池に供給するように構成され、
前記ガス供給手段は、前記酸化剤ガス供給手段により圧縮された空気を前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池とを接続する配管から分岐して、前記水流路に導入することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス供給手段は、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記水流路に導入することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ガス供給手段は、外気を取り込んで前記水流路に導入することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガス供給手段は、空気を圧縮して前記酸化剤ガスとして前記燃料電池に供給するように構成され、
前記ガス供給手段は、前記酸化剤ガス供給手段により圧縮された空気を前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池とを接続する配管から分岐して、前記水タンクと前記水流路とを接続する配管に導入することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電させるときに、燃料電池に純水を循環させて、燃料電池温度の調整や燃料電池内部の加湿を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、下記の特許文献１に記載されているように、燃料電池の発電作動を停止する時に、燃料電池内の冷却水循環路に空気を圧送することにより冷却水循環路内の水を冷却水貯留容器に戻し、燃料電池の起動時には冷却水を冷却水循環路に戻す技術が知られている。
【特許文献１】特開平６−２２３８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の従来の技術においては、燃料電池の起動時に冷却水が凍結している場合には、冷却水を冷却水循環路に導入できなくなってしまう。
【０００４】
これに対し、燃料電池に冷却水を導入しなくても、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給することにより発電させることができるが、冷却水を冷却水循環路に供給せずに水素及び酸素のみを供給すると、燃料電池内の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の圧力が上昇することに対して、冷却水流路の圧力が上昇しないという現象が発生する。
【０００５】
このとき、燃料電池内においては、燃料ガス流路及び酸素ガス流路と、冷却水流路との間に過度な圧力差が生じる可能性があり、当該圧力差により燃料電池内部のシール性能を低下させる可能性があるという問題点があった。
【０００６】
したがって、従来では、冷却水が解凍されて、燃料電池内に冷却水を導入することができる状態とならないと燃料電池を発電させることができず、燃料電池の起動に長時間を要してしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の冷却水が凍結する可能性がある環境で燃料電池を起動する場合であっても、燃料電池の起動に長い時間を要する事態を抑制することができる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】
【０００８】
本発明では、燃料ガスが供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、水を通過させる水流路とを備え、燃料ガス及び酸化剤ガスを使用して発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の水流路に供給する水を貯蔵する水タンクを備え、当該水タンクに貯蔵した水を前記燃料電池の水流路に循環させる水循環手段と、前記燃料電池の水流路内にガスを供給するガス供給手段とを備えた燃料電池システムであって、システムの起動時に、制御手段により、水流路内にガスを供給するようにガス供給手段を制御した後に、燃料電池の水流路に水を循環させるように水循環手段を制御することにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の水流路に供給する水が低温度であって暖機を必要とする時にシステムを起動する場合、ガス供給手段によって水流路内にガスを供給した後に、水循環手段によって燃料電池の水流路に水を循環させるので、水流路内にガスを供給して、燃料極及び酸化剤極と水流路との差圧を小さくするので、燃料電池のシール性能を低下させることなく水を暖機することができ、燃料電池の起動に長い時間を要する事態を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の第１実施形態〜第４実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１及び図２に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。
【００１２】
［燃料電池システムの構成］
「燃料電池システムの通常動作」
この第１実施形態における説明では、先ず燃料電池システムの構成及び通常動作を説明した後に、当該燃料電池システムの構成により燃料電池スタック１を発電停止及び発電開始する動作について説明する。
【００１３】
この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１に発電反応を行わせ、当該燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷に供給することにより、車両の走行トルクを発生させる。なお、図１は、通常動作時の燃料電池システムの動作を示し、図２は、車両周囲の温度環境が燃料電池スタック１に循環させる純水が凍結する可能性がある場合（例えば氷点下温度）の燃料電池システムの動作を示している。
【００１４】
燃料電池スタック１は、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで、燃料ガスとして水素が供給されるアノード極（水素極）１ａと酸化剤ガスとして空気が供給されるカソード極（空気極）１ｂとを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、アノード極１ａにて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過してカソード極１ｂに到達し、この水素イオンがカソード極１ｂにて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。また、この燃料電池スタック１には、冷却水としての純水を循環させる冷却水循環流路１ｃが内部に形成されている。
【００１５】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電反応に使用される水素ガスを循環させる水素循環系、燃料電池スタック１の発電反応に使用される空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１の温度調整に使用される冷却媒体を循環させる冷却媒体循環系、燃料電池スタック１の加湿及び冷却に使用される純水を循環させる純水循環系を備える。これらの各系は、後述するコントローラ２により動作が制御される。
【００１６】
水素循環系は、燃料電池スタック１の水素ガス入口と接続された水素供給経路Ｌ１に水素タンク１１が設けられ、燃料電池スタック１の水素ガス出口と水素供給経路Ｌ１とを接続する水素循環経路Ｌ２に水素循環装置１２が設けられ、水素循環経路Ｌ２から分岐した水素排出経路Ｌ３にパージ弁１３が設けられて構成されている。また、この水素循環系では、燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力を調整するための水素圧力調整弁（図示せず）が水素供給経路Ｌ１に設けられている。
【００１７】
このような水素循環系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、水素圧力調整弁の開度が調整されることにより水素ガス圧力を調整して、水素タンク１１に貯蔵しておいた水素を燃料電池スタック１の水素ガス入口に送る。このとき、水素供給系では、加湿装置１６により水素供給経路Ｌ１を流れる水素ガスに水分が与えられ、燃料電池スタック１に供給する水素ガスを加湿させる。
【００１８】
そして、燃料電池スタック１は、一部の水素を発電反応に使用し、発電反応に使用されなかった一部の水素を水素ガス出口から水素循環経路Ｌ２に排出する。この燃料電池スタック１の水素ガス出口から排出された水素ガスは、水素循環経路Ｌ２を介して水素循環装置１２に取り込まれ、循環水素として再度水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１の水素ガス入口に送られる。
【００１９】
また、この水素循環系では、水素供給経路Ｌ１及び水素循環経路Ｌ２内のガスをパージするに際して、コントローラ２によりパージ弁１３を開動作させる。これにより、水素循環系では、水素循環経路Ｌ２に蓄積していた水素以外の不純物等を水素排出経路Ｌ３を介して燃焼器１４に送る。
【００２０】
空気供給系は、燃料電池スタック１の空気入口と接続された空気供給流路Ｌ４に空気供給装置１５が設けられ、燃料電池スタック１の空気出口と接続された空気排出経路Ｌ５に加湿装置１６及び空気供給圧力調整弁１７が設けられて構成されている。このような空気供給系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、空気供給装置１５により外気を圧縮して空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１から排出された空気を空気供給圧力調整弁１７を介して燃焼器１４に送る。
【００２１】
このとき、コントローラ２は、例えばコンプレッサモータにコンプレッサ制御信号を供給することにより空気供給装置１５を構成するコンプレッサの回転数を制御して燃料電池スタック１に供給する酸素流量を制御すると共に、空気供給圧力調整弁１７の開度を調整して燃料電池スタック１内の空気圧力を制御する。
【００２２】
このような水素供給系及び空気供給系においては、パージ弁１３が開状態となされると、燃料電池スタック１の発電反応に使用されずに排出されるガスを燃焼器１４に供給する。この燃焼器１４は、空気供給圧力調整弁１７からの排空気（カソードオフガス）及びパージ弁１３からの排水素（アノードオフガス）が送られると、ミキサ３１によりカソードオフガスとアノードオフガスを混合して、ガス全体に亘って均一の水素濃度にした混合ガスとしてヒータ３２に送る。ヒータ３２は、酸化触媒を担持した電気ヒータで構成され、ミキサ３１から送られた混合ガスを暖機して燃焼触媒３３に送る。燃焼触媒３３では、酸化触媒を担持し、ヒータ３２から送られた混合ガスを燃焼して燃焼ガスとして熱交換器１８に送る。これにより、燃焼器１４及び熱交換器１８では、燃料電池スタック１から排出されたガスの水素濃度を低下させて、ガス排出経路Ｌ６を介して外部に排出する。
【００２３】
燃料電池スタック１の温度を調整するための冷却媒体循環系は、水タンク１９と燃料電池スタック１の冷却媒体入口に接続された第１冷却媒体経路Ｌ７、燃料電池スタック１の冷却媒体出口に接続された第２冷却媒体循環Ｌ８、第２冷却媒体経路Ｌ８から分岐した第３冷却媒体経路Ｌ９及び第４冷却媒体経路Ｌ１０、第３冷却媒体経路Ｌ９と第４冷却媒体経路Ｌ１０とが合流して水タンク１９と接続された第５冷却媒体経路Ｌ１１を備える。また、冷却媒体循環系では、第２冷却媒体循環Ｌ８と第３冷却媒体経路Ｌ９及び第４冷却媒体経路Ｌ１０との分岐部分に三方弁２０が設けられ、第３冷却媒体経路Ｌ９に熱交換器１８が設けられ、第４冷却媒体経路Ｌ１０にラジエータ２１及び送風ファン（図示せず）が設けられ、第５冷却媒体経路Ｌ１１に冷却媒体循環ポンプ２２が設けられて構成されている。
【００２４】
このような冷却媒体循環系は、燃料電池スタック１を発電させているときに、コントローラ２によって冷却媒体循環ポンプ２２を駆動させることにより冷却媒体を燃料電池スタック１に送り、燃料電池スタック１と冷却媒体とを熱交換させる。このとき、コントローラ２は、燃料電池スタック１を暖機する場合には、三方弁２０の第３冷却媒体経路Ｌ９側を開状態にすると共に燃焼器１４を動作させ、熱交換器１８によって冷却媒体温度を高くする。また、コントローラ２は、燃料電池スタック１の温度を低下又は維持する場合には、三方弁２０の第４冷却媒体経路Ｌ１０側を開状態にすると共に送風ファンを駆動させ、ラジエータ２１によって冷却媒体温度を低くする。
【００２５】
また、この冷却媒体循環系において、水タンク１９内には、第５冷却媒体経路Ｌ１１と第１冷却媒体経路Ｌ７との接続部分として、水タンク１９内で所定形状に形成された配管が設けられている。このような配管は、水タンク１９内の純水と熱交換をする熱交換機構１９ａとして機能する。このような熱交換機構１９ａは、第５冷却媒体経路Ｌ１１から送られる冷却媒体と水タンク１９内の純水との間で熱交換をさせて、冷却媒体を第１冷却媒体経路Ｌ７に導く。
【００２６】
純水循環系は、燃料電池スタック１の固体高分子電解質が多孔質のものからなる場合、当該多孔質の固体高分子電解質に比較的多くの純水を供給して加湿させたり、燃料電池スタック１の温度を調整するために、燃料電池スタック１内に純水を循環させる。この純水循環系は、燃料電池スタック１の冷却水循環流路１ｃと水タンク１９とを接続する冷却水供給経路Ｌ１２及び冷却水循環経路Ｌ１３を備えて構成されている。冷却水供給経路Ｌ１２には、水タンク１９、水配管遮断弁２３及び冷却水ポンプ２４が設けられている。このような純水循環系では、燃料電池スタック１が発電している時に、コントローラ２により水配管遮断弁２３が開状態とされると共に冷却水ポンプ２４が正方向に駆動される。これにより、純水循環系では、冷却水ポンプ２４により水タンク１９内の純水を取り込んで、冷却水供給経路Ｌ１２を介して冷却水循環流路１ｃに純水を供給し、冷却水循環流路１ｃから排出された純水を水タンク１９内に戻す。
【００２７】
更にまた、この燃料電池システムでは、空気供給流路Ｌ４と水タンク１９とを接続するためのバイパス配管Ｌ１４、当該バイパス配管Ｌ１４に設けられたガス開閉弁２５、外気と水タンク１９とを接続するための通気配管Ｌ１５及び圧力調整弁２６を備える。このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電時においては、ガス開閉弁２５及び圧力調整弁２６が閉状態となされて、空気供給流路Ｌ４から水タンク１９への空気供給が遮断され、水タンク１９と外気とが遮断された状態となっている。
【００２８】
更にまた、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素圧力を検出する水素圧力センサ４１、燃料電池スタック１の水素ガス出口における水素圧力を検出する水素圧力センサ４２、燃料電池スタック１の空気入口における空気圧力を検出する空気圧力センサ４３、燃料電池スタック１の空気出口における空気圧力を検出する空気圧力センサ４４、冷却水循環流路１ｃの入口付近の冷却水供給経路Ｌ１２に設けられた圧力センサ４５、冷却水循環流路１ｃの出口付近の冷却水循環経路Ｌ１３に設けられた圧力センサ４６、水タンク１９内の冷却水温度を検出する温度センサ４７を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の起動時に各種センサ４１〜４７により検出した検出値をコントローラ２により読み取る。
【００２９】
このような燃料電池システムにおいて、コントローラ２は、燃料電池スタック１の発電を停止させてシステムを停止させる時、ガス開閉弁２５を開状態とすることにより空気供給装置１５から燃料電池スタック１に供給される空気の一部を水タンク１９に導入すると共に、水配管遮断弁２３を閉状態とすることにより、冷却水循環流路１ｃ、冷却水供給経路Ｌ１２及び冷却水循環経路Ｌ１３内の冷却水を水タンク１９に回収する。
【００３０】
「燃料電池システムの氷点下起動動作」
このような動作を行う燃料電池システムにおいて、例えば外気が氷点下温度であって純水を凍結する可能性がある場合の起動動作について図２及び図３を参照して説明する。
【００３１】
コントローラ２は、外部から燃料電池スタック１を発電開始させてシステムを起動する信号を入力すると、図３のステップＳ１に示すように、温度センサ４７で水タンク１９内に貯蔵されている純水温度を検知して、例えば０℃以下であることを検知した場合であって純水が凍結しているか否かを判定する。そして、コントローラ２では、水タンク１９内の純水が凍結していると判断した場合には、水タンク１９内の純水を解凍する動作をさせ（ステップＳ２）、水タンク１９内の純水が凍結していないと判定した場合には通常の起動動作に移行し（ステップＳ３）、図示しない燃料電池スタック１に接続された負荷を制限して発電を開始させて（ステップＳ４）、純水が解凍していない場合にはステップＳ２及びステップＳ４の動作を繰り返す（ステップＳ５）。
【００３２】
ステップＳ２における水タンク１９内の純水が凍結している場合の起動動作では、先ず、コントローラ２により、ヒータ３２に通電することによりヒータ３２に担持する酸化触媒を活性温度まで昇温させる。
【００３３】
そして、コントローラ２では、水素供給装置１及び空気供給装置１５を制御して、水素ガス及び空気を燃料電池スタック１に供給し、次いで、燃料電池スタック１を発電開始する時刻と略同時刻にパージ弁１３を開状態にして排水素ガス及び排空気を燃焼器１４に供給して、昇温されたヒータ３２により水素を含む混合ガスを着火させて燃焼を開始させ、高温の燃焼ガスを生成する（図２の太線参照）。
【００３４】
これにより、コントローラ２では、熱交換器１８において燃焼ガスと冷却媒体の熱交換を行って冷却媒体を昇温させ、冷却媒体循環ポンプ２２で冷却媒体を流通させることにより、水タンク１９や燃料電池スタック１を含むシステム全体の暖機を行う。ここで、燃料電池システムでは、水タンク１９内の熱交換機構１９ａにより、冷却媒体循環ポンプ２２から吐出された冷却媒体と凍結した純水との間で熱交換させて凍結した純水を解凍する。
【００３５】
この時、コントローラ２では、ガス開閉弁２５を開状態とし、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される圧縮空気の一部を燃料電池スタック１からバイパスして水タンク１９に導入する。これにより、燃料電池システムでは、水タンク１９、冷却水供給経路Ｌ１２、冷却水循環流路１ｃ及び冷却水循環経路Ｌ１３が圧縮空気によって所定圧力範囲に保持される。この時、コントローラ２では、水タンク１９の通気配管Ｌ１５に設けられた圧力調整弁２６の開度を調整することにより、圧縮空気の一部を分岐して水タンク１９内に供給する流量を調整して、冷却水循環流路１ｃに印加される空気圧力を調整する。
【００３６】
具体的には、コントローラ２では、図４に示すように、冷却水循環流路１ｃ内の圧力を、例えばアノード極１ａ及びカソード極１ｂの共通圧力範囲の中央値の所定値に調整する。ここで、水タンク１９内では、純水が凍結しているために冷却水供給経路Ｌ１２及び冷却水循環経路Ｌ１３内に純水が流通することはなく、冷却水循環流路１ｃ内を一定圧力に調整できる。なお、アノード極１ａとカソード極１ｂの共通圧力範囲の中央値の所定値は、予め設定された圧力値であっても良く、更には水素圧力センサ４１及び水素圧力センサ４２のセンサ信号を読み込むことによりアノード極１ａ内の圧力を求めると共に、空気圧力センサ４３及び空気圧力センサ４４からのセンサ信号を読み込むことによりカソード極１ｂ内の圧力を求めて、アノード極１ａとカソード極１ｂの共通圧力範囲の中央値を算出し、更に圧力センサ４５及び圧力センサ４６からのセンサ信号を読み込むことにより当該中央値に冷却水循環流路１ｃ内の圧力を制御しても良い。
【００３７】
これにより、冷却水循環流路１ｃとカソード極１ｂ及びアノード極１ａとの圧力差を適正に保って、アノード極１ａ及びカソード極１ｂと冷却水循環流路１ｃとの圧力差によって燃料電池スタック１内の応力が大きくなることによるシール性能の低下を極力抑制する。
【００３８】
このように、コントローラ２では、冷却媒体を暖機して水タンク１９内の純水を解凍し、ステップＳ５において、温度センサ４７からのセンサ信号により水タンク１９内の純水が解凍されて循環可能であるか否かを判定し、循環可能でないと判定した場合にはステップＳ２及びステップＳ４の処理を繰り返し、循環可能であると判定した場合には、ステップＳ３以降の通常動作に処理を移行する。
【００３９】
通常動作においては、コントローラ２により、ガス開閉弁２５及びパージ弁１３を閉状態にした状態で、水配管遮断弁２３を開状態とすると共に冷却水ポンプ２４を駆動させて、水タンク１９内の純水を冷却水循環流路１ｃに循環させ（ステップＳ３）、燃料電池スタック１に水素ガス及び空気を供給することにより、通常発電を開始させる（ステップＳ６）。
【００４０】
コントローラ２では、冷却水循環流路１ｃ内にガスを供給した状態から冷却水循環流路１ｃ内に純水を供給する状態に移行するときに、冷却水循環流路１ｃ内の圧力変動が極力小さくなるように予め求めておいた動作パターンにより圧力調整弁２６の開度を徐々に大きくし、圧力調整弁２６が全開となった時点でガス開閉弁２５を閉止して燃料電池スタック１の負荷制限を解除して通常発電を行わせる。
【００４１】
このように、燃料電池システムでは、水タンク１９内の純水が凍結している場合に、空気供給流路Ｌ４から冷却水循環流路１ｃに空気を導入することにより冷却水循環流路１ｃ内の圧力を所定値に保持しながら、冷却媒体により純水を解凍する。
【００４２】
また、この燃料電池システムでは、空気供給装置１５により圧縮した空気を水タンク１９内に導入するので、外気と比較して温度が高い圧縮空気を水タンク１９に導入することになり、当該圧縮空気により純水、冷却水供給経路Ｌ１２や冷却水循環経路Ｌ１３の暖機を促すことができる。
【００４３】
また、この燃料電池システムでは、アノード極１ａ及びカソード極１ｂと冷却水循環流路１ｃとの圧力差を所定範囲に保持しながら、圧縮空気の圧力を高めるように空気供給装置１５の動作を制御することにより、圧縮空気の温度を更に高めて純水、冷却水供給経路Ｌ１２及び冷却水循環経路Ｌ１３の暖機を更に促進することができる。
【００４４】
更に、この燃料電池システムでは、圧縮空気の温度を高くするに際して、アノード極１ａ及びカソード極１ｂ内の圧力を高くするように、水素圧力調整弁や空気供給圧力調整弁１７を制御して、燃料電池スタック１内の差圧を管理することが望ましい。
【００４５】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、空気及び水素ガスを燃焼させて生成した燃焼ガスによって冷却媒体を暖機して水タンク１９内の純水を解凍しているときに、冷却水循環流路１ｃ内にガスを供給して、アノード極１ａ及びカソード極１ｂと冷却水循環流路１ｃとの差圧を小さくするので、燃料電池スタック１のシール性能を低下させることなく純水を解凍することができ、燃料電池スタック１の起動に長い時間を要する事態を抑制することができる。
【００４６】
また、この燃料電池システムによれば、ガス開閉弁２５の開度や圧力調整弁２６の開度を調整して、水タンク１９、冷却水供給経路Ｌ１２や冷却水循環経路Ｌ１３の圧力を調整することによって冷却水循環流路１ｃの圧力を調整することができるので、確実にアノード極１ａ及びカソード極１ｂと冷却水循環流路１ｃとの差圧を低減することができる。
【００４７】
更にまた、この燃料電池システムによれば、温度センサ４７からのセンサ信号によって純水が凍結している可能性がある場合に、冷却水循環流路１ｃに冷却水を供給する前に空気を導入することができ、確実に水タンク１９内の純水を解凍して、燃料電池スタック１の発電を開始させることができる。
【００４８】
更にまた、この燃料電池システムによれば、空気供給装置１５から燃料電池スタック１に供給する圧縮空気を冷却水循環流路１ｃに導入するように構成されているので、冷却水循環流路１ｃにガスを供給するために別個のコンプレッサやファン等のガス導入装置を使用することなく、冷却水循環流路１ｃ内にガスを導入して、燃料電池スタック１のシール性能の低下を抑制することができる。
【００４９】
更にまた、この燃料電池システムによれば、空気供給装置１５から燃料電池スタック１に送られる圧縮空気の一部を水タンク１９内に導入して冷却水循環流路１ｃ内にガスを導入するので、圧縮されて温度が上昇した空気によって水タンク１９内の純水の解凍を促すことができ、更に短期間でシステムの起動を行うことができる。
【００５０】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５１】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図５に示すように、バイパス配管Ｌ１４及びガス開閉弁２５に代えて、燃料電池スタック１の空気排出側の下流に接続された空気排出経路Ｌ５から分岐して、空気排出経路Ｌ５と水タンク１９とを接続するバイパス配管Ｌ２１を設け、当該バイパス配管Ｌ２１にガス開閉弁５１を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００５２】
このような燃料電池システムでは、水タンク１９内の純水が凍結している時にシステムを起動する場合に、コントローラ２によりガス開閉弁５１が開状態となされ、燃料電池スタック１から排出された排空気を水タンク１９内に導入する。これにより、燃料電池システムでは、水タンク１９、冷却水供給経路Ｌ１２、冷却水循環流路１ｃ及び冷却水循環経路Ｌ１３に排空気が導入されることになる。
【００５３】
このとき、コントローラ２では、圧力調整弁２６の開度を調整することにより、水タンク１９、冷却水供給経路Ｌ１２、冷却水循環流路１ｃ及び冷却水循環経路Ｌ１３内の圧力を所定値に調整する。
【００５４】
具体的には、コントローラ２では、図６に示すように、カソード極１ｂから排出される排空気の圧力値を空気圧力センサ４４からのセンサ信号に基づいて認識し、圧力センサ４５及び圧力センサ４６からのセンサ信号を参照して冷却水循環流路１ｃ内の圧力値が排空気の圧力値と同値又は小さい値となるように圧力調整弁２６の開度を調整する。また、このコントローラ２では、圧力調整弁２６の開度を調整せずに圧力調整弁２６を閉状態に保持しておくだけでも、冷却水循環流路１ｃ内をカソード極１ｂの空気出口と略同一圧力又はカソード極１ｂの空気出口の圧力より小さい圧力値に保持することができる。
【００５５】
したがって、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態と比較して簡単な制御であっても、純水を解凍して起動する場合の冷却水循環流路１ｃ内の圧力をカソード極１ｂの空気出口の圧力値と略同一値に保持することができる。
【００５６】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５７】
第３実施形態に係る燃料電池システムは、バイパス配管Ｌ１４及びガス開閉弁２５に代えて、外気を水タンク１９内に取り込む通気配管Ｌ３１、及び当該通気配管Ｌ３１に設けられた空気ポンプ６１及び圧力調整弁６２を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００５８】
このような燃料電池システムでは、水タンク１９内の純水が凍結している時にシステムを起動する場合に、コントローラ２により圧力調整弁６２の開度を調整して開状態とすると共に空気ポンプ６１を駆動させる。これにより、燃料電池システムでは、水タンク１９、冷却水供給経路Ｌ１２、冷却水循環流路１ｃ及び冷却水循環経路Ｌ１３に外気が導入されることになる。
【００５９】
このとき、コントローラ２では、冷却水循環流路１ｃ内を例えばアノード極１ａとカソード極１ｂの共通圧力範囲の中央値の所定値に調整するように、空気ポンプ６１の駆動量及び圧力調整弁６２の開度を調整する。
【００６０】
このような第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態や第２実施形態に係る燃料電池システムのように燃料電池スタック１に供給する圧縮空気や燃料電池スタック１から排出された排空気を使用せずに、外気を取り込んで冷却水循環流路１ｃの圧力を調整するので、燃料電池スタック１の運転条件とは独立して、冷却水循環流路１ｃの圧力を調整することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転条件によってアノード極１ａ及びカソード極１ｂと、冷却水循環流路１ｃとの差圧を管理する所定値が変化する場合であっても、冷却水循環流路１ｃの圧力を確実に変化させることができ、更に確実に起動時における燃料電池スタック１のシール性能の低下を抑制することができる。
【００６１】
なお、この第３実施形態では、外気を取り込んで水タンク１９内に導入する場合について説明したが、これに限らず、燃料電池スタック１に供給する圧縮空気や燃料電池スタック１からの排空気などのように燃料電池スタック１の運転条件によって圧力値が変化しないガスであれば、他のガスによって冷却水循環流路１ｃの圧力を調整しても良い。例えば、燃料電池システムに窒素等の不活性ガスを充填しておくボンベなどが搭載されている場合、当該ボンベに充填されているガスを個別に冷却水循環流路１ｃに供給するようにしても、外気を冷却水循環流路１ｃに導入する場合と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６３】
第４実施形態に係る燃料電池システムは、図８に示すように、バイパス配管Ｌ１４及びガス開閉弁２５に代えて、空気供給流路Ｌ４から分岐して、空気供給流路Ｌ４と冷却水供給経路Ｌ１２とを接続するバイパス配管Ｌ４１を設け、当該バイパス配管Ｌ４１にガス開閉弁７１を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００６４】
このような燃料電池システムでは、水タンク１９内の純水が凍結している時にシステムを起動する場合に、コントローラ２によりガス開閉弁７１が開状態となされ、燃料電池スタック１に供給する圧縮空気をバイパス配管Ｌ４１を介して冷却水供給経路Ｌ１２、すなわち冷却水循環流路１ｃの上流側に導入する。これにより、燃料電池システムでは、冷却水供給経路Ｌ１２、冷却水循環流路１ｃ、冷却水循環経路Ｌ１３及び水タンク１９に圧縮空気が導入されることになる。
【００６５】
ここで、ガス開閉弁７１を開状態にした場合に、圧縮空気が多量に分岐されて燃料電池スタック１への空気供給量が減少したり、カソード極１ｂの圧力が低下しすぎることを抑制するようなガス開閉弁７１及びバイパス配管Ｌ４１の内径とする。具体的には、例えば図９に示すように、アノード極１ａとカソード極１ｂの共通圧力範囲の中央値が、冷却水循環流路１ｃ内の圧力の中央値となるようなガス開閉弁７１及びバイパス配管Ｌ４１の内径とすることが望ましい。
【００６６】
また、ガス開閉弁７１を開度が調整可能な構成とした場合、コントローラ２では、燃料電池スタック１に供給する圧縮空気流量と、冷却水循環流路１ｃに供給する圧縮空気流量とを調整するようにガス開閉弁７１の開度を制御する。このとき、コントローラ２では、例えば図９に示すように、アノード極１ａとカソード極１ｂの共通圧力範囲の中央値が、冷却水循環流路１ｃ内の圧力の中央値となるようにガス開閉弁７１の開度を調整する。
【００６７】
このような第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態の効果に加えて、空気供給流路Ｌ４から分岐して導入する圧縮空気の温度によって冷却水供給経路Ｌ１２、燃料電池スタック１及び冷却水循環経路Ｌ１３を暖機することができるので、解凍された純水が冷却水供給経路Ｌ１２内で再凍結することを抑制して、更に確実にシステム全体での暖機時間を短くすることができる。
【００６８】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００６９】
また、以上の実施形態では、システム起動時において温度センサ４７により水タンク１９内の水が解凍していないと判断される場合に冷却水循環流路１ｃに空気を導入したが、これに限らず、システム起動時において温度センサ４７により水タンク１９内の水が凍結していないと判断される場合でも、水が燃料電池スタック１内に冷却水循環経路Ｌ１３全体に行渡るまでの間に、同様な制御をしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成、及び通常運転時の動作を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成、及び氷点下温度下での起動時の動作を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水分パージ処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、氷点下温度下での起動時のアノード極の圧力分布、カソード極の圧力分布及び冷却水循環流路の圧力分布を示す図である。
【図５】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成、及び氷点下温度下での起動時の動作を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、氷点下温度下での起動時のアノード極の圧力分布、カソード極の圧力分布及び冷却水循環流路の圧力分布を示す図である。
【図７】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成、及び氷点下温度下での起動時の動作を示すブロック図である。
【図８】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの構成、及び氷点下温度下での起動時の動作を示すブロック図である。
【図９】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、氷点下温度下での起動時のアノード極の圧力分布、カソード極の圧力分布及び冷却水循環流路の圧力分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  燃料電池スタック
１ａ  アノード極
１ｂ  カソード極
１ｃ  冷却水循環流路
２  コントローラ
１１  水素タンク
１２  水素循環装置
１３  パージ弁
１４  燃焼器
１５  空気供給装置
１６  加湿装置
１７  空気供給圧力調整弁
１８  熱交換器
１９  水タンク
１９ａ  熱交換機構
２０  三方弁
２１  ラジエータ
２２  冷却媒体循環ポンプ
２３  水配管遮断弁
２４  冷却水ポンプ
２５，７１，５１  ガス開閉弁
２６，６２  圧力調整弁
３１  ミキサ
３２  ヒータ
３３  燃焼触媒
４１，４２  水素圧力センサ
４３，４４  空気圧力センサ
４５，４６  圧力センサ
４７  温度センサ
６１  空気ポンプ
Ｌ１  水素供給経路
Ｌ２  水素循環経路
Ｌ３  水素排出経路
Ｌ４  空気供給流路
Ｌ５  空気排出経路
Ｌ６  ガス排出経路
Ｌ７  第１冷却媒体経路
Ｌ８  第２冷却媒体循環
Ｌ９  第３冷却媒体経路
Ｌ１０  第４冷却媒体経路
Ｌ１１  第５冷却媒体経路
Ｌ１２  冷却水供給経路
Ｌ１３  冷却水循環経路
Ｌ１４，Ｌ２１，Ｌ４１  バイパス配管
Ｌ１５，Ｌ３１  通気配管
【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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