(57)【要約】【課題】純水循環系の排水を適切に行える燃料電池システムを提供する。【解決手段】純水循環系３として、純水を流通する配管１５、純水を貯蔵する貯水タンク１１、純水を循環する純水ポンプ１２を備える。また、加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去器１３を備える。また、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器１３の上流側を選択的に大気開放する大気開放弁２１と、イオン除去器１３の下流側で配管１５を選択的に遮断する流路遮断弁２２を備える。さらに、イオン除去器１３と流路遮断弁２２との間に、圧縮空気を導入するか否かを選択する空気遮断弁２３を備える。純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁２１、流路遮断弁２２、空気遮断弁２３を、所定の順序で開閉することにより、純水循環系３の水抜きを行う。【選択図】      図１
2005158434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水による加湿または冷却が行われる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記純水の循環系として、
純水を流通する純水流路と、
前記純水流路を流れる純水を貯蔵する貯水手段と、
前記貯水手段から純水を取出して前記純水流路に循環させる循環手段と、
加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去手段と、
通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の上流側を選択的に大気開放する大気開放手段と、
通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の下流側で選択的に前記純水流路を遮断する流路遮断手段と、
前記イオン除去手段と前記流路遮断手段との間に圧縮ガスを選択的に導入する圧縮ガス遮断手段と、を備え、
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、所定の順序で開閉することにより、前記純水循環系の水抜きを行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧縮ガスとして、圧縮された空気を用い、
前記圧縮ガス遮断手段を開とした状態で、前記大気開放手段を開とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記イオン除去手段により導電率を調整した純水を、直接前記燃料電池に流通させるように構成し、
前記流路遮断手段を、通常運転時の純水の流通方向についての前記燃料電池の下流側で前記純水流路を遮断するように設け、
前記圧縮ガス遮断手段を、通常運転時の純水の流通方向についての前記燃料電池の下流側、かつ、前記流路遮断手段の上流側に、圧縮ガスを供給するか否かを選択するように設ける請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
前記圧縮ガス遮断手段が開の状態で、前記大気開放手段を閉とした後に、前記流路遮断手段を開とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
前記圧縮ガス遮断手段が開の状態で、前記流路遮断手段を開とした後に、前記圧縮ガス遮断手段を閉として圧縮ガスの供給を停止する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
前記圧縮ガス遮断手段を閉として圧縮ガスの供給を停止した後に、前記流路遮断手段を再び閉とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
前記流路遮断手段を閉、前記圧縮ガス遮断手段を開、前記大気開放手段を開、前記大気開放手段を閉、前記流路遮断手段を開、前記圧縮ガス遮断手段を閉、前記流路遮断手段を閉、という順番で動作させる請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、所定の順序で、予め設定した所定のタイミングで開閉する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
水抜き開始から前記大気開放手段を開とするまでの時間を、
前記純水流路の内部容積と、前記圧縮ガス遮断手段により選択的に供給される圧縮ガス流量から予め求められた、前記純水循環系の主な純水が回収される時間より長い時間とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記貯水手段内の純水量を検出する貯水量検出手段と、を備え、
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、前記貯水量検出手段の出力に応じて所定の順序で開閉することにより、前記純水循環系の水抜きを行う請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
水抜き開始後、前記貯水量検出手段の出力の上昇率が、所定の値を下回った時点で、前記純水循環系の主な純水が回収されたと判断する請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、
水抜きを開始して大気開放を行い、さらに前記流路遮断手段を開とした後、前記貯水量検出手段の出力の上昇率が、所定の値を下回ってから、前記圧縮ガス遮断手段を閉とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の下流側の、前記純水流路内の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記大気開放手段を開とした後、前記圧力検出手段の出力が、予め設定した所定値を下回った場合に、前記大気開放手段を閉とする請求項１から７のいずれか一つ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、燃料電池システムに関する。特に、システム内に純水循環系を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
純水循環系を備えた燃料電池システムにおいては、低温環境下に長時間放置されることで純水の凍結が生じて膨張し、純水循環系を始め、燃料電池システムを破損する可能性がある。このような破損を防ぐために、従来の燃料電池システムとして以下のようなものが知られている。
【０００３】
燃料電池装置の運転を終了させ、凍結防止ボタンを押すと、温度センサで外気温が凍結温度（氷点下）以下かどうか判断される。肯定されると、電磁弁Ａ，Ｂが開放され、循環ポンプが一定時間駆動される。電磁弁Ａを開放することで、メインタンクが大気と通じ、メインタンクの底に設けられた電磁弁Ｂから水が排出される。また、循環ポンプが駆動して、給水管、燃料電池モジュール、及び排水管に滞留した水がメインタンクへ還流される。つまり、燃料電池装置内の水循環系内の水がメインタンクを通じて外部へ排出されるため、凍結する水が存在しなくなり、装置が破損するようなことがなくなる（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開平１１−２７３７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
背景技術に提示したような、システム内の水をポンプで排出する方法は、システム内に大きな抵抗要素がない場合に非常に有効である。しかしながら、純水を循環使用するようなシステムの場合、純水の導電率を低く保つためのイオン除去手段等、水抜きの抵抗となる要素を備えている。そのため、従来のシステムでは、水抜きを十分に行うのは困難であり、低温環境下では水の凍結による破損が生じる可能性があるという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、純水循環系の排水を適切に行う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】
【０００６】
本発明は、純水による加湿または冷却が行われる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記純水の循環系として、純水を流通する純水流路と、前記純水流路を流れる純水を貯蔵する貯水手段と、前記貯水手段から純水を取出して前記純水流路に循環させる循環手段と、を備える。また、加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去手段と、通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の上流側を選択的に大気開放する大気開放手段と、を備える。さらに、通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の下流側で選択的に前記純水流路を遮断する流路遮断手段と、前記イオン除去手段と前記流路遮断手段との間に圧縮ガスを選択的に導入する圧縮ガス遮断手段と、を備える。前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、所定の順序で開閉することにより、前記純水循環系の水抜きを行う。
【発明の効果】
【０００７】
イオン除去手段の上流側に純水循環系内を選択的に大気開放する大気開放手段を有し、下流側に圧縮ガスを選択的に導入する圧縮ガス遮断手段を備えるので、圧縮ガスをイオン除去手段の下流側から上流側に向かって流通させることができる。これにより、構成上、水が滞留しやすいイオン除去手段の水を適切に除去することができ、ひいては純水循環系の排水を適切に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
水素含有ガスである燃料ガスと、酸素含有ガスである酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２を備える。例えば、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる。また、燃料電池２としては、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池を用いる。
【００１０】
また、燃料電池２に空気を供給する空気供給手段１を備える。空気供給手段１には、空気を流通する配管やコンプレッサ等を備える。また、ここでは図示しないが、水素ガスを燃料電池２に供給する燃料供給手段を備える。
【００１１】
さらに、燃料電池２の冷却または加湿を行う純水を循環する純水循環系３を備える。ここでは、純水を燃料電池２内の純水流路に循環させることにより、燃料電池２内の反応ガス、ひいては固体高分子電解質膜の湿潤状態の調整を行う。
【００１２】
純水循環系３としては、純水を流通する配管１５、純水を貯水する貯水タンク１１、純水を循環させる純水ポンプ１２、純水中のイオンを除去するイオン除去器１３、純水の導電率を検出する導電率検出手段１４を備える。貯水タンク１１から取り出された純水は、純水ポンプ１２、イオン除去器１３、導電率検出手段１４、燃料電池２の順番で循環し、再び貯水タンク１１に回収される。
【００１３】
また、純水循環系３を大気に開放するか否かを選択する大気開放弁２１を備える。大気開放弁２１は、純水ポンプ１２とイオン除去器１３との間から分岐し、端部が大気に開放された配管に設ける。なお、通常運転時の純水の循環方向からみると、大気開放弁２１は純水ポンプ１２の下流側に配置されるが、後述するように水抜き時のガス流通方向からみると、イオン除去器１３の下流側に配置される。
【００１４】
また、配管１５の少なくとも一部を選択的に遮断する流路遮断弁２２を備える。流路遮断弁２２を、通常運転時の純水の循環方向からみて、イオン除去器１３の下流側に配置する。特にここでは、流路遮断弁２２を、燃料電池２の下流側、かつ貯水タンク１１の上流側に配置する。さらに、空気供給手段１から圧縮空気を分岐し純水循環系３に供給するか否かを選択する空気遮断弁２３を備える。ここでは、燃料電池２から排出された圧縮空気を、空気遮断弁２３の開閉により選択的に純水供給系３に供給する。このとき、圧縮空気が通常運転時の純水の循環方向からみてイオン除去器１３の下流側、かつ流路遮断弁２３の上流側となる位置に導入されるように構成する。特に、ここでは、燃料電池２と流路遮断弁２３との間に圧縮空気が導入されるように構成する。
【００１５】
また、貯水タンク１１内の貯水量を検出する貯水量検出手段２４と、純水循環系３内の圧力を検出する圧力検出手段２５を備える。圧力検出手段２５により、イオン除去器１３の下流側の圧力を検出する。ここでは、イオン除去器１３と導電率検出手段１４との間の純水配管１５内を流通する流体の圧力を検出する。さらに、このような燃料電池システムの制御を行うコントローラ３０を備える。コントローラ３０は、予め設定された順序およびタイミングで、大気開放弁２１、流路遮断弁２２、空気遮断弁２３の開閉を行う。
【００１６】
次に、このような燃料電池システムの通常運転時の状態を説明する。
【００１７】
燃料電池２に空気供給系１から空気が、図示しない燃料供給系から燃料ガスが供給される。このとき、燃料電池２の効率を維持するために、燃料電池２に用いた固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。そこで、純水循環系３の純水を燃料電池２内部に流通させることにより、固体高分子電解質膜の湿潤状態を調整する。
【００１８】
純水循環系３において、通常運転時には、大気開放弁２１、空気遮断弁２３を閉とし、流路遮断弁２２を開とする。純水ポンプ１２を稼動させることにより貯水タンク１１から純水を取り出し、イオン除去器１３に導入する。イオン除去器１３では、燃料電池２の劣化原因とならない程度まで、純水中のイオンを除去する。ここで、例えば、イオン除去器１３から排出された純水の導電率を検出する導電率検出手段１４の出力に応じてイオン除去手段１３の劣化度合いを知ることができる。
【００１９】
このように導電率を調整した純水を燃料電池２に導入する。例えば、燃料電池２内の反応ガス流路を、ポーラス材のプレートに形成した溝により構成し、その裏面に純水の流通路を設ける。ポーラス材のプレートには生成水等の水が含有され、乾燥状態にある部分ではこれが蒸発することにより固体高分子膜の加湿を行う。また、水が過剰となって凝縮水が生じる部分では、その凝縮水をポーラス材に吸収し、これによりフラッディングを抑制する。このとき、反応ガス流路の裏面に形成した純水の流通路を流れる純水が、ポーラス材内に移動することにより、ポーラス材に含まれる水の過不足が調整される。その結果、反応ガスの湿度が適切に維持され、ひいては固体高分子電解質膜の湿潤状態が適切に維持される。
【００２０】
このように固体高分子電解質膜の湿潤調整に用いられた後、純水は燃料電池２から排出され、流路遮断弁２２を介して、再び貯水タンク１１に回収される。
【００２１】
次に、燃料電池２の停止時の状態を説明する。
【００２２】
燃料電池２の停止時にこのような燃料電池システムが低温環境下に放置されると、純水循環系３内の純水が凍結してしまい、燃料電池２や導電率検出手段１４、イオン除去器１３、および配管１５を破壊してしまう可能性がある。そこで、停止時に燃料電池システムが低温環境下に晒される可能性があると判断された際には、純水循環系３の水抜きを行う。
【００２３】
燃料電池システム停止時の水抜き制御について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。例えば、燃料電池２停止時に、図示しない温度検出手段により燃料電池２または外気温度が所定値以下となったと判断されたら水抜き制御を開始する。
【００２４】
水抜き開始と同時（時間Ｔ０）に、流路遮断弁２２を閉とする。次に空気遮断弁２３を開とする。これにより、空気供給手段１から純水循環系３への圧縮空気の供給が開始される。純水循環系３内の純水が、燃料電池２、導電率検出手段１４、イオン除去器１３、純水ポンプ１２の方向に移動し、貯水タンク１１内に回収される。
【００２５】
次に、大気開放弁２１を開とする。ここで、水抜き開始から純水循環系３内の水が回収されるまでに必要な時間をＴ１とし、水抜き開始から大気開放弁２１を開とするまでの時間をＴ２とした場合、Ｔ２＞Ｔ１となるように、時間Ｔ２を設定する。例えば、純水循環系３内に大量に水が残っている状態で大気開放弁２１が開とすると、純水循環系３から水が大気に排出され、次回の起動時に水が不足する可能性がある。そこで、この水不足となる事態を防ぐために、時間Ｔ１が経過して純水循環系３内の大部分の水の回収が終了した後、大気開放弁２１を開として純水循環系３を大気開放するように時間Ｔ２を設定する。
【００２６】
次に、純水循環系３を大気開放した状態を所定の時間維持する。ここでは大気開放を維持する所定時間をＴ３とする。
【００２７】
大気開放が維持されている間は、空気供給手段１からの圧縮空気は、一方的に燃料電池２、導電率検出手段１４、イオン除去器１３といった方向に流れる。そのため、充填物が格納されており、水抜き性の悪いイオン除去器１３に直接高圧空気を流すことができるため、イオン除去器１３の水抜きに有利となる。ここでは、通常運転時の純水流通方向について、イオン除去器１３内を下流側から上流側に向かって圧縮空気が流通し、大気開放弁２１を介して外部に排出される。圧縮空気は、イオン除去器１３内を流通する際に滞留する水分を除去し、水分を含んだ状態で大気開放弁２１を介して外部に排出される。
【００２８】
そこで、大気開放を維持する時間Ｔ３を、大気開放した状態で、純水循環系３の特に水が残留しやすいイオン除去器１３の排水を行うのに十分な時間に設定する。時間Ｔ３の間、大気開放弁２１を開の状態を維持し、時間Ｔ３経過後に大気開放弁２１を閉じて、大気開放を終了する。
【００２９】
次に、流路遮断弁２２を開とする。ここで、水抜き開始から流路遮断弁２２を開とするまでの時間をＴ４とすると、時間Ｔ４は、水抜き開始から大気開放が終了するまでの時間Ｔ２＋Ｔ３より大きくなるように設定する。つまり、Ｔ４＞Ｔ２＋Ｔ３。流路遮断弁２２を開とすると、空気遮断弁２３を介して純水循環系３に導入された圧縮空気は、圧力損失の小さい貯水タンク１１側に流れる。このとき、大気開放弁２１が開となっていると、圧縮空気により貯水タンク１１内の水が純水ポンプ１２側に流出し、その結果、純水ポンプ１２や純水の配管１５内に純水が残留して凍結するといった不具合が生じる可能性がある。そこで、大気開放弁２１を閉として大気開放を終了した後、流路遮断弁２２を開とするように、時間Ｔ４を設定することで、上記のような不具合を防止する。
【００３０】
このように、大気開放弁２１が閉、空気遮断弁２３が開の状態で流路遮断弁２２を開とすることで、流路遮断弁２２と貯水タンク１１との間の配管１５内の純水を、圧縮空気により貯水タンク１１に回収する。
【００３１】
次に、空気遮断弁２３を閉として圧縮空気の導入を停止する。ここで、水抜き開始から空気遮断弁２３を閉とするまでの時間をＴ５とした場合、Ｔ５＞Ｔ４となるように設定する。つまり、前述したように、流路遮断弁２２と貯水タンク１１の間の配管１５内の純水を回収するために、圧縮空気の導入がある状態で流路遮断弁２２を開とした後、空気遮断弁２３を閉として、圧縮空気の導入を終了する。なお、Ｔ４とＴ５の時間差（＝Ｔ５−Ｔ４）が、流路遮断弁２２と貯水タンク１１の間の配管１５内の純水を十分の回収できる時間となるように時間Ｔ５を設定するのが好ましい。
【００３２】
次に、流路遮断弁２２を閉とする。ここで、水抜き開始時に流路遮断弁２２を閉とし、一度開としてから再び閉とするまでの時間をＴ６とする。このとき、時間Ｔ６を、水抜き開始から圧縮空気の導入を終了するまでの時間Ｔ５より大きくなるように設定する（Ｔ５＜Ｔ６）。流路遮断弁２２を閉としてから空気の導入を終了した場合には、流路遮断弁２２の上流側の圧力が高い状態で放置されるため、燃料電池２、導電率検出手段１４、イオン除去器１３の耐久性を低下させる可能性がある。これを避けるために、空気遮断弁２３を閉としてから流路遮断弁２２を再び閉とする（Ｔ５＜Ｔ６とする）。その結果、流路遮断弁２２の両側の圧力を均一にすることができ、特に、貯水タンク１１の上端部の一部が外気に連通している場合等には、純水循環系３内を大気圧の状態にすることができる。時間Ｔ６は、水抜き開始から水抜き終了までの時間に相当する。
【００３３】
なお、時間Ｔ１〜Ｔ６は、予め設定しておくことができる。例えば、純水ポンプ１２、イオン除去器１３、導電率検出手段１４、燃料電池２の純水通路などの容積を含めた純水循環系３の容積を予め測定する。この容積と、空気遮断弁２３を介して供給される空気量から、純水循環系３内の水を貯水タンク１１内に回収するのに必要な時間Ｔ１を予め設定することができる。なお、水抜き開始から空気遮断弁２３を開とするまでに時間差がある場合には、この時間差も加算するのが好ましい。また、大気開放を維持する時間を示すＴ３も、空気遮断弁２３を介して供給される空気量と、純水循環系３の容積から予め設定することができる。この時間Ｔ１、Ｔ３を用いて、Ｔ２、Ｔ４〜Ｔ６を予め設定することができる。または、該時間Ｔ１〜Ｔ６を実験等により予め設定しても良い。
【００３４】
または、圧力検出手段２５の出力に応じて、大気開放弁２１を制御してもよい。イオン除去器１３と導電率検出手段１４との間に備えた圧力検出手段２５の出力は、図３に示すようになる。このように、純水循環系３の一部を大気開放することで、高圧から低圧（大気圧）に急激に変化するが、このとき圧力検出手段２５の出力が所定値ＰAを下回ったらイオン除去器１３内の水が排出されたと判断して大気開放を終了することもできる。つまり、大気開放弁２１を閉とする時間Ｔ２＋Ｔ３を、圧力検出手段２５の出力に応じて決定することもできる。
【００３５】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３６】
純水による加湿または冷却が行われる燃料電池２を備えた燃料電池システムにおいて、純水の循環系３として、純水を流通する配管１５と、配管１５を流れる純水を貯蔵する貯水タンク１１を備える。また、貯水タンク１１から純水を取出して純水流路（配管１５）を循環させる純水ポンプ１２と、加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去器１３を備える。また、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器１３の上流側を選択的に大気開放する大気開放弁２１と、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器１３の下流側で選択的に配管１５を遮断する流路遮断弁２２を備える。さらに、イオン除去器１３と流路遮断弁２２との間に、開閉により圧縮空気(圧縮ガス)を選択的に導入する空気遮断弁２３を備える。燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁２１、流路遮断弁２２、空気遮断弁２３を、所定の順序で開閉することにより、純水循環系３の水抜きを行う。このように、イオン除去器１３の上流側に純水循環系３内を大気開放する大気開放弁２１を有し、下流側に圧縮空気を供給するか否かを選択する空気遮断弁２３を備えるので、水抜き時には圧縮空気をイオン除去器１３の下流側から上流側に向かって流通させることができる。これにより、構成上、水が滞留しやすいイオン除去器１３の水を適切に除去することができ、ひいては純水循環系３の排水を適切に行うことができる。また、所定の順序で大気開放弁２１、流路遮断弁１１、空気遮断弁２３を開閉することにより、純水循環系３内の水を適切に除去することができる。
【００３７】
圧縮ガスとして、圧縮された空気を用いる。ここでは、燃料電池２に空気を供給する空気供給手段１から分岐することにより、圧縮空気を純水循環系３に導入する。これにより、圧縮ガスを簡単な構成で純水循環系３に導入することができる。また、圧縮空気を用いることで、純水循環系３内の純水をより効率的に除去することができる。さらに、圧縮ガスとして、圧縮された空気を用い、空気遮断弁２３を開とした状態で、大気開放弁２１を開とする。これにより、イオン除去器１３内を高圧から低圧(大気圧)に急激に変化させることができ、イオン除去器１３内の水を低圧部（大気）へ流出させることができるので、さらに効果的に水を除去することができる。
【００３８】
また、イオン除去器１３により導電率を調整した純水を直接燃料電池２に流通させるように構成する。流路遮断弁２２を、通常運転時の純水の流通方向についての燃料電池２の下流側で配管２２を遮断するように設ける。また、空気遮断弁２３を、燃料電池２の下流側、かつ、流路遮断弁２２の上流側に、圧縮空気を供給するか否かを選択するように設ける。これにより、空気遮断弁２３を介して導入された圧縮空気は、燃料電池２を流通した後、イオン除去器１３に導入されるので、燃料電池２内の水除去の性能も向上することができ、純水の凍結による燃料電池２の損傷をさらに抑制することができる。
【００３９】
また、燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、流路遮断弁２２を閉、空気遮断弁２３を開、大気開放弁２１を開、大気開放弁２１を閉、流路遮断弁２２を開、空気遮断弁２３を閉、流路遮断弁２２を閉、という順番で動作させる。これにより、純水循環系３内を適切に水抜きすることができる。
【００４０】
また、燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁２１、流路遮断弁２２、空気遮断弁２３を、所定の順序で、予め設定した所定のタイミングで開閉する。純水循環系３内に水が滞留しないように、所定の順序、所定のタイミングを予め設定しておくことで、特別な制御を必要とすることなく、水抜きを容易に行うことができる。
【００４１】
また、燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、水抜き開始から大気開放弁２１を開とするまでの時間Ｔ２を、配管１５の内部容積と、空気遮断弁２３を介して選択的に供給される圧縮空気流量から予め求められた、純水循環系３の主な純水が回収される時間Ｔ１より長い時間とする。大気開放弁２１を開するタイミング（Ｔ２）をあらかじめ計算または実験によって決められた、純水循環系３内の主な水が回収される時間Ｔ１より後とするため、純水循環系３内の純水の大部分を貯水タンク１１に回収することができ、次回の運転時に水不足が生じるのを防ぐことができる。
【００４２】
また、燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、空気遮断弁２３が開の状態で、大気開放弁２１を閉とした後に、流路遮断弁２２を開とする。このように、流路遮断弁２２を開するタイミング（Ｔ４）を大気開放弁２１を閉するタイミング（Ｔ２＋Ｔ３）より後とするため、空気供給手段１から供給された空気の圧力によって、貯水タンク１１内の水が純水タンク１２側の純水循環系３内に再び入るのを防ぐことができる。
【００４３】
また、燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、空気遮断弁２３が開の状態で、流路遮断弁２２を開とした後に、空気遮断弁２３を閉として圧縮空気の供給を停止する。空気遮断弁２３を閉するタイミング（Ｔ５）を、流路遮断弁２２を開するタイミング（Ｔ４）より後とするため、流路遮断弁２２と貯水タンク１１間の水も貯水タンク１１内に回収することができる。
【００４４】
また、燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、空気遮断弁２３を閉として圧縮空気の供給を停止した後に、流路遮断弁２２を再び閉とする。流路遮断弁２２を二度目に閉とするタイミング（Ｔ６）を空気遮断弁２３を閉するタイミング（Ｔ５）より後とするため、水抜き後に、純水循環系３内で圧力が局所的に高い部分が生じるのを抑制することができる。
【００４５】
さらに、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器１３の下流側における、配管１５内の圧力を検出する圧力検出手段２５を備え、大気開放弁２１を開とした後、圧力検出手段２５の出力が、予め設定した所定値ＰAを下回った場合に、大気開放弁２１を閉とする。ここでは、イオン除去器１３と導電率検出手段１４の間に圧力検出手段２５を設け、圧力検出手段２５の出力が所定値ＰAを下回った場合に大気開放弁２１を閉とする。その結果、イオン除去器１３内の水を確実に排出するまで大気開放を維持することができる。また、無駄に長く大気開放を維持するのを避けることができ、最低限必要な時間で水抜きを終了することができる。
【００４６】
次に、第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
水抜き制御のタイミングチャートを図４に示す。ここでは、貯水量検出手段２４により検出した貯水タンク１１の純水量に応じてタイミングを計る。
【００４８】
例えば、図５に示すように、単位時間ΔＴあたりにおける貯水タンク１１の貯水量の増加ΔＤの変化割合により、ΔＤ／ΔＴが予め決められた所定値を下回った場合に、純水循環系３の純水が貯水タンク１１内に回収されたと判断し、この時点を時間Ｔ１とすることができる。同様に、時間Ｔ４で空気遮断弁２３を介した空気の供給を継続した状態で流路遮断弁２２を開とした後に、ΔＤ／ΔＴが予め決められた所定値を下回った場合に、流路遮断弁２２と貯水タンク１１との間の水を回収されたと判断し、この時点を時間Ｔ５とすることができる。
【００４９】
なお、ここでは、貯水量検出手段２４の出力により、Ｔ１、Ｔ５のタイミングを計る場合について説明したが、その他、Ｔ２についても貯水量検出手段２４により検出された貯水タンク１１の純水量に応じて設定することができる。または、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ６のタイミングは、それぞれとＴ１、Ｔ５との時間差を予め設定することにより決定してもよい。
【００５０】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果についてのみ説明する。
【００５１】
貯水タンク１１内の純水量を検出する貯水量検出手段２４を備える。燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁２１、流路遮断弁２２、空気遮断弁２３を、貯水量検出手段２４の出力に応じて所定の順序で開閉することにより、純水循環系３の水抜きを行う。これにより、経時的なシステムの変化や外乱によるバラツキなく水抜きのタイミングを制御することができる。その結果、無駄な時間を要することなく、且つより確実に純水循環系３内の水を排出することができる。
【００５２】
燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、水抜き開始後、貯水量検出手段２４の出力の上昇率ΔＤ／ΔＴが、所定の値を下回った時点で、純水循環系３の主な純水を回収されたと判断する。これにより、より正確に貯水タンク１１に純水が回収し終わるまでの時間Ｔ１を検知することができる。さらに、その後、大気開放弁２１を開とする。その結果、確実に純水循環系３内の水が貯水タンク１１に戻った後に、速やかに大気開放弁２１を開とでき、水抜きの時間を短縮することができる。
【００５３】
また、燃料電池２停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、水抜きを開始して大気開放を行い、さらに流路遮断弁２２を開とした後、貯水量検出手段２４の出力の上昇率ΔＤ／ΔＴが、所定の値を下回ってから、空気遮断弁２３を閉とする。つまり、空気遮断弁２３を閉とするタイミング（Ｔ５）を、貯水量検出手段２４の単位時間あたりの検出値の増加量がシーケンス中で２回目に所定値以下となったときとする。これにより、純水循環系３内の純水を貯水タンク１１に回収し終わると同時に、空気遮断弁２３を閉とすることができ、水抜き時間の短縮することができる。また、圧縮空気の導入時間を短縮することで、空気供給手段１における燃費の向上を図ることができる。
【００５４】
なお、ここでは純水を直接燃料電池２に循環させることにより、固体高分子膜の加湿に用いたが、この限りではない。例えば、直接燃料電池２を循環する純水が冷却のみに関与する場合にも同様に適用することができる。また、純水が、燃料電池２の外部に設けた加湿手段に供給され、燃料電池２に供給される反応ガスの加湿に用いられる場合にも、同様に適用することができる。
【００５５】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良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為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、純水循環系を備えた燃料電池システムに適用することができる。特に、低温環境下に晒される可能性のある、移動体搭載用の燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる水抜き制御のタイミングチャートである。
【図３】純水循環系圧力と大気開放の維持時間（Ｔ３）の関係を示す図である。
【図４】第２の実施形態に用いる水抜き制御のタイミングチャートである。
【図５】第２の実施形態に用いる貯水量の上昇率の説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
２    燃料電池
３    純水循環系
１１  貯水タンク（貯水手段）
１２  純水ポンプ（循環手段）
１３  イオン除去器（イオン除去手段）
１５  配管(純水流路)
２１  大気開放弁（大気開放手段）
２２  流路遮断弁（流路遮断手段）
２３  空気遮断弁（圧縮ガス遮断手段）
２４  貯水量検出手段
２５  圧力検出手段
【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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