(57)【要約】【課題】  構成の大型化や複雑化を招くことなく、燃料電池のアノード系の残留水分を除去して凍結を防止することを課題とする。【解決手段】  燃料電池システムの停止時に、燃料電池のアノード極側から排出されるオフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段１０５に溜められた液水を、第２液水排出手段１０８ｂを介して、燃料電池システムの起動時ならびに運転時に反応ガスが流通しない液水貯蔵手段１０６に排水し、気液分離手段１０５に液水が残留しない状態で燃料電池システムの運転を停止して構成される。【選択図】  図１
2007026893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のアノード極側から排出されるオフガスに含まれる水分を分離し、得られた液水を一時的に溜める気液分離手段と、
前記気液分離手段に溜められた液水が流入し、流入した液水を貯蔵し、前記燃料電池システムの起動時ならびに運転時に反応ガスが流通しない液水貯蔵手段と、
前記気液分離手段に溜められた液水を前記液水貯蔵手段に選択的に排水制御する第２液水排出手段と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、前記第２液水排出手段を介して前記気液分離手段に溜められた液水を前記液水貯蔵手段に排水制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離手段に溜められた液水を前記燃料電池システム外に選択的に排水制御する第１液水排出手段と、
前記気液分離手段に溜められた液水の液水量を検出する第１液水量検出手段と、
前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水の液水量を検出する第２液水量検出手段と
を備え、
前記制御手段は、前記第１液水量検出手段で検出された前記気液分離手段に溜められた液水量と、前記第２液水量検出手段で検出された前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水量とに基づいて、前記第１液水排出手段と前記第２液水排出手段の排水を制御する
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】
前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水を前記燃料電池システム外に選択的に排水制御する第３液水排出手段を備え、
前記制御手段は、前記第２液水量検出手段で検出された前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水量に基づいて、前記第３液水排出手段の排水を制御し、前記液水貯蔵手段に貯蔵される液水量を所定の液水量に設定する
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】
前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているか否かを判断する凍結判断手段と、
前記液水貯蔵手段内の凍結した液水を解凍する解凍手段と
を備え、
前記制御手段は、前記凍結判断手段で前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断した場合には、前記燃料電池システム起動後に前記解凍手段で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記凍結判断手段は、前記液水貯蔵手段内に設置された温度センサで構成され、
前記温度センサで検出された温度が所定値以下の場合には、前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記解凍手段は、前記液水貯蔵手段に設置された電気ヒータで構成され、
前記制御手段は、前記凍結判断手段で前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断した場合には、前記燃料電池システム起動後に前記電気ヒータを駆動して、前記液水貯蔵手段を加熱して凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記解凍手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段で構成され、
前記冷却手段は、前記燃料電池と熱交換して冷却する冷却水を前記燃料電池に供給する冷却装置と、
前記燃料電池に供給される冷却水が流通し、配管の一部が前記液水貯蔵手段と接触して配置された冷却水配管とで構成され、
前記燃料電池と熱交換された冷却水が前記冷却水配管を流通して前記液水貯蔵手段と熱交換し、冷却水の熱で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記解凍手段は、前記燃料電池のアノード極出口側から排出されて前記気液分離手段で分離された液水であり、
前記第２液水排出手段を介して前記解凍手段の液水を前記液水貯蔵手段に排水し、排水した液水の熱で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料電池システムを停止する際に、前記凍結判断手段で前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断した場合には、前記解凍手段で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項４，５，６，７及び８のいずれか１項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、燃料電池のアノード系に残留する水分を除去する機能を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す各文献に記載されたものが知られている（特許文献１〜３参照）。このように、燃料電池に供給される燃料ガスがシステム内で流通するアノード系に残留する水分を除去して水分の凍結を防止する技術として、例えば低温環境下で燃料電池システムを放置することが予測できるときには、燃料電池システムの停止時に燃料電池のアノード系に対して水素ガス等の燃料ガスを循環させ、これにより集められた水分を気液分離装置で燃料ガスと分離し、分離した水分をシステム外に排水する手法が知られている。
【０００３】
このような手法にあっては、気液分離装置内の液水をすべて排水し、かつ所定値以上の濃度の燃料ガスを燃料電池システム外に放出しないようにするには、燃料電池システム外に放出する燃料ガスを希釈して濃度を下げるために、システムに能力の高い希釈手段の搭載が必要となっていた。
【特許文献１】特開２００２−３１３３７６
【特許文献２】特開２００４−９５３８４
【特許文献１】特開２００４−１７２０３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記希釈手段や、気液分離装置の液水量を高精度に検出するセンサを備えていないシステムにあっては、水分とともに燃料ガスをシステム外に放出させないために、気液分離装置内に液水を残した状態で燃料電池システムを停止する必要があった。このため、低温環境下では気液分離装置内に残留した水分が凍結するおそれがあり、残留水分が凍結した場合には、システムの再起動が不能になるといった不具合を招くおそれがあった。
【０００５】
このような、不具合を回避するためには、燃料電池システムの起動前に電気ヒータ等の加熱手段により、凍結箇所を加熱して氷結水を解凍する必要がある。この場合には、この加熱解凍処理に時間を要し、システムの起動に要する時間が長くなってしまう。
【０００６】
また、凍結した箇所を加熱解凍する手段として、電気エネルギーを使用する電気ヒータ等を使用する場合には、燃料電池システム起動前に電気ヒータで消費される解凍用電力が必要となる。このため、燃料電池システム外からこの電力を受給できるシステム構成としなければならないが、このような構成ではシステムの構成が複雑になっていた。一方、システムの外部から解凍用の電力を受給できない構成では、燃料電池システムの起動が極めて困難になるといった問題がある。
【０００７】
これに対して、燃料電池システムに搭載されている二次バッテリから解凍用電力を供給することが考えられるが、この場合には、低温環境下では二次バッテリは開放電圧が低下しているので、二次バッテリの総電圧が低下し、燃料電池システムの起動に必要な電力を取り出せなくなるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化や複雑化を招くことなく、燃料電池のアノード系の残留水分を除去して凍結を防止した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のアノード極側から排出されるオフガスに含まれる水分を分離し、得られた液水を一時的に溜める気液分離手段と、前記気液分離手段に溜められた液水が流入し、流入した液水を貯蔵し、前記燃料電池システムの起動時ならびに運転時に反応ガスが流通しない液水貯蔵手段と、前記気液分離手段に溜められた液水を前記液水貯蔵手段に選択的に排水制御する第２液水排出手段と、前記燃料電池システムの運転停止時に、前記第２液水排出手段を介して前記気液分離手段に溜められた液水をすべて前記液水貯蔵手段に排水制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、システムの運転停止時に、気液分離手段に溜まった液水を液水分離手段に排水して、気液分離手段に液水が残留しないようにすることが可能となり、低温環境下で気液分離手段内の液水が凍結することを防止し、低温環境下でのシステムの起動性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１において、燃料電池システムは、発電を行う燃料電池１００と、この燃料電池１００に供給される燃料ガス（例えば水素あるいは水素リッチガス）がシステム内を流通する燃料ガス流通系（アノード系）と、燃料電池１００に供給される酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）がシステム内を流通する酸化剤ガス流通系とを有している。
【００１３】
燃料電池１００は、水素ガスが供給される水素極（アノード極）と酸素（空気）が供給される空気極（カソード極）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素ガスと酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。
【００１４】
燃料電池１００の水素極では、水素ガスが供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１５】
燃料ガス流通系では、燃料ガス供給源である高圧燃料ガス供給装置１０１から排出される水素ガスは、燃料電池１００の水素極に供給される。このとき、燃料電池１００の水素極及び水素極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、供給される水素ガスの圧力が調整される。
【００１６】
燃料電池１００では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池１００から排出された水素オフガスは、水素循環配管１０２を通って水素循環ポンプ等で構成された燃料ガス加圧手段１０３により循環され、エゼクタ１０４で高圧燃料ガス供給装置１０１側から新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池１００の水素極に供給される。これにより、水素のストイキ比（ＳＲ：供給流量／消費流量）を１以上にすることができ、セル電圧が安定化する。
【００１７】
このように、水素ガスを循環させる構成を備えたシステムにおいて、この実施例１では、気液分離手段１０５、液水貯蔵手段１０６、電気ヒータ１０７、第１液水排出手段１０８ａ、第２液水排出手段１０８ｂ、第３液水排出手段１０８ｃ、ならびにコントローラ１０９を備えている。
【００１８】
気液分離手段１０５は、燃料電池１００から排出された水素オフガスを受けて、この水素オフガスに含まれる水分を水素オフガスから分離する手段であり、例えば凝縮器等で構成される。気液分離手段１０５で分離された水分は一時的に気液分離手段１０５に溜まる一方、水素オフガスは水素循環配管１０２に導入される。
【００１９】
気液分離手段１０５には、気液分離手段１０５に溜まった液水量を検出し、検出した液水量をコントローラ１０９に与える第１液水量検出手段１１０が設けられている。
【００２０】
液水貯蔵手段１０６は、気液分離手段１０５に溜まった液水が導入されて、導入された液水を一時的貯蔵する。液水貯蔵手段１０６には、液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水量を検出し、検出した液水量をコントローラ１０９に与える第２液水量検出手段１１１が設けられている。また、液水貯蔵手段１０６には、液水貯蔵手段１０６内の温度を検出し、検出した温度をコントローラ１０９に与える温度センサ１１２が設けられている。また、液水貯蔵手段１０６には、液水貯蔵手段１０６と気液分離手段１０５とを連結し、気液分離手段１０５から液水貯蔵手段１０６に液水を排出する際に、液水貯蔵手段１０６内の気体成分を気液分離手段１０５に導出するエア抜き手段１１３が設けられいる。
【００２１】
電気ヒータ１０７は、液水貯蔵手段１０６に設けられ、システム起動後に発電で得られた電力が給電されてコントローラ１０９の制御の下に出力調整され、液水貯蔵手段１０６を加熱昇温し、液水貯蔵手段１０６に貯蔵されて凍結した液水を解凍する。
【００２２】
第１液水排出手段１０８ａは、気液分離手段１０５に設けられて、コントローラ１０９の制御の下で流通／遮断制御され、気液分離手段１０５に溜まった液水をシステム外に排出制御する。第２液水排出手段１０８ｂは、気液分離手段１０５と液水貯蔵手段との間に設けられて、コントローラ１０９の制御の下に流通／遮断制御され、気液分離手段１０５に溜まった液水を液水貯蔵手段１０６に排水制御する。第３液水排出手段１０８ｃは、液水貯蔵手段１０６に設けられ、コントローラ１０９の制御の下に流通／遮断制御され、液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水をシステム外に排出制御する。
【００２３】
コントローラ１０９は、本燃料電池システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ１０９は、本燃料電池システムにおける上記各センサ、ならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本燃料電池システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池システムのアノード系に残留する水分の除去処理を含む、本燃料電池システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２４】
このような構成において、図２に示すフローチャートにしたがって、処理動作が行われる。図２を参照して、先ず燃料電池システムがシステムの起動を指令する燃料電池システム起動信号を受けると（ステップＳ２１）、これによりシステムが起動されて発電が行われ（ステップＳ２２）、続いて後述する水分の解凍／排水処理制御を行なう（ステップＳ２３）。この処理制御が終了して、システムが燃料電池システムの運転停止を指令する燃料電池システム停止信号を受けると（ステップＳ２４）、発電を停止した後水素循環配管１０２を経由して水素ガスを循環させて燃料ガス流通系に残存する水分を水素ガスとともに気液分離手段１０５を流通させ、気液分離手段１０５で水分を分離し、分離した水分を気液分離手段１０５に一時的に溜める。
【００２５】
その後、気液分離手段１０５に溜まった水分を排出する液水排出処理制御を行う（ステップＳ２５）。液水排出処理制御が終了すると、燃料電池システムの運転を停止する（ステップＳ２６）。
【００２６】
上記図２に示すステップＳ２３で行われる解凍／排水処理制御は、図３のフローチャートにしたがって実行される。図３を参照して、先ず液水貯蔵手段１０６に設けられた温度センサ１１２で検出された信号に基づいて、コントローラ１０９で液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水の温度Ｔ１を求める（ステップＳ３１）。続いて液水の温度Ｔ１が予め設定された第１の所定値以下であるか否かを判別し（ステップＳ３２）、貯蔵された液水が凍結しているか否かを推定する。したがって、上記第１の所定値は０℃程度に設定される。
【００２７】
判別の結果、以上である場合には後述するステップＳ３５の処理を実行する一方、以下である場合には、発電で得られた電力を給電して電気ヒータ１０７を駆動制御し（ステップＳ３３）、電気ヒータ１０７で液水貯蔵手段１０６を加熱し、液水貯蔵手段１０６内の凍結した液水の解凍を開始する。その後、温度センサ１１２で検出された液水貯蔵手段１０６の温度が上記第１の所定値以上か否かを判別する（ステップＳ３４）。
【００２８】
判別の結果、以下である場合は、解凍は不十分であると判断し、先のステップＳ３３の処理を行い解凍処理を継続する。一方、以上である場合には、解凍されたものと判断して、第３液水排出手段１０８ｃを開放し（ステップＳ３５）、液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水をシステム外に排出する処理を開始する。その後、第２液水量検出手段１１１で検出された液水貯蔵手段１０６の液水量が第２の所定値以下であるか否かを判別する（ステップＳ３６）。ここで、第２の所定値は、後述するように、液水貯蔵手段１０６から液水を排出する際に液水貯蔵手段１０６内に存在する水素ガスが液水貯蔵手段１０６からシステム外に放出されないような液量に設定される。
【００２９】
判別の結果、以下でない場合には、第３液水排出手段１０８ｃを介して液水の排出処理を継続する一方、以下になった場合には、第３液水排出手段１０８ｃを遮断して排水を停止する（ステップＳ３７）。
【００３０】
ここで、上記第２の所定値について、第３液水排出手段１０８ｃの開放後の時間と液水貯蔵手段１０６の液水量との関係を示す図４を参照して説明する。先ず第２液水量検出手段１１１の応答時間をＴ１（ｓｅｃ）とし、コントローラ１０９が第２液水量検出手段１１１の信号を受けて、第３液水排出手段１０８ｃに遮断指令を与えるまでの時間をＴ２（ｓｅｃ）とし、第３液水排出手段１０８ｃが遮断指令を受信し、第３液水排出手段１０８ｃを遮断するまでの応答時間をＴ３（ｓｅｃ）とすると、これらの時間の和（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）を第３液水排出手段１０８ｃの応答時間Ｔｓとする。上記Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は実験等で予め求められたものである。
【００３１】
また、第３液水排出手段１０８ｃを介して液水貯蔵手段１０６から液水を排出する際に、第３液水排出手段１０８ｃを介して液水貯蔵手段１０６に存在する燃料ガスが液水貯蔵手段１０６から燃料電池システム外に放出されないようにするために、液水貯蔵手段１０６内にある程度の液水を残留させる。このとき液水貯蔵手段１０６に残す液水の液水量Ｈｌｉｍｉｔを予め実験で求める。さらに、第３液水排出手段１０８ｃを遮断状態から開放状態にして液水貯蔵手段１０６から液水の排出が開始された後の液水貯蔵手段１０６の液水量と時間との図４に示すような関係を予め実験で求める。
【００３２】
上述したように、第３液水排出手段１０８ｃを介して排水する際に水素ガスを液水貯蔵手段１０６から燃料電池システム外に放出させないようするためには、液水貯蔵手段１０６にはＨｌｉｍｉｔ以上の液水量が必要となる。したがって、上記で求めた第３液水排出手段１０８ｃの応答時間Ｔｓと図４の関係を参照して、液水貯蔵手段１０６から排水を開始した後、液水貯蔵手段１０６の液水量がＨｌｉｍｉｔとなる時間Ｔｌｉｍｉｔから上記応答時間Ｔｓを差し引いた時間Ｔｃｌｏｓｅ（＝Ｔｌｉｍｉｔ−Ｔｓ）に対応する液水量Ｈｃｌｏｓｅを求める。
【００３３】
したがって、液水貯蔵手段１０６の液水量がこの液水量Ｈｃｌｏｓｅになったときに第３液水排出手段１０８ｃを開放状態から遮断状態にする指令をコントローラ１０９から第３液水排出手段１０８ｃに与えるようにすれば、排出作業を終了したときに液水貯蔵手段１０６には液水量Ｈｌｉｍｉｔの液水が残ることになる。これにより、燃料ガスを液水貯蔵手段１０６からシステム外に排出することなく液水貯蔵手段１０６の排水作業を行うことができるようになる。したがって、上記第２の所定値は上記Ｈｃｌｏｓｅの値に設定される。
【００３４】
次に、図５のフローチャートを用いて、先の図２のステップＳ２５に示す液水排水処理について説明する。図５を参照して、先ず第１液水量検出手段１１０の検出信号をコントローラ１０９に読み込み、気液分離手段１０５に溜まった液水の液水量を求める（ステップＳ５１）。続いて第２液水量検出手段１１１の検出信号をコントローラ１０９に読み込み、液水貯蔵手段１０６に残留する液水量を求める。その後求めた液水量と液水貯蔵手段１０６の貯蔵容量とに基づいて、現在液水貯蔵手段１０６に貯蔵できる液水の液水量（貯蔵許容量）を算出する（ステップＳ５２）。
【００３５】
続いて、気液分離手段１０５の液水量が上記貯蔵許容量以下であるか否かを判別する（ステップＳ５３）。判別の結果、以下である場合には、第２液水排出手段１０８ｂを開放し、第２液水排出手段１０８ｂを介して気液分離手段１０５に溜まったすべての液水を液水貯蔵手段１０６に排出し（ステップＳ５４）、気液分離手段１０５を液水が残留していない空の状態にする。
【００３６】
第２液水排出手段１０８ｂを介して気液分離手段１０５に溜まったすべて液水を液水貯蔵手段１０６に排出する際には、液水貯蔵手段１０６に流入した液水の体積に相当する気体成分が液水貯蔵手段１０６からエア抜き手段１１３を介して気液分離手段１０５に流入する。ここで、エア抜き手段１１３が十分太く短い配管で構成されているのであれば、気液分離手段１０５内の気圧と液水貯蔵手段１０６内の気圧はほぼ同じ値（＝燃料電池１００の出口の水素ガス圧力）となる。このような状態で、第２液水排出手段１０８ｂを開放して気液分離手段１０５から液水貯蔵手段１０６に液水が流入すると、液水が流入する力は、以下のように表される。
【００３７】
（数１）
Ｐ＋ｍｇ
ここで、Ｐは気液分離手段１０５内の圧力、ｍは気液分離手段１０５内の液水の質量、ｇは重力加速度である。
【００３８】
上述したように、液水貯蔵手段１０６内の気圧も気液分離手段１０５内の気圧とほぼ同じ値（Ｐ）であるので、液水はｍｇの力で気液分離手段１０５から液水貯蔵手段１０６に流入される。この液水が流入する力により、流入した液水の体積に相当する水素ガスを含む気体成分が、エア抜き手段１１３を介して液水貯蔵手段１０６から気液分離手段１０５に導出される。したがって、気液分離手段１０５内に存在する水素ガスが第２液水排出手段１０８ｂを介して液水貯蔵手段１０６に流入しても、上述したように気液分離手段１０５に戻されるので、水素ガスがシステム外に放出されることは防止される。
【００３９】
一方、ステップＳ５３の判別処理の結果、以下でない場合には、この状態で気液分離手段１０５に溜まった液水をすべて液水貯蔵手段１０６に排出しようとすると、液水貯蔵手段１０６に排水しきれなくなる。そこで、先ず第１液水排出手段１０８ａを開放して（ステップＳ５５）、気液分離手段１０５の液水をシステム外に排出する。この排出作業が開始されると、第１液水量検出手段１１０の検出信号をコントローラ１０９に読み込み、気液分離手段１０５に残留する液水の液水量を求める（ステップＳ５６）。その後、気液分離手段１０５の液水量が上記貯蔵許容量以下であるか否かを判別する（ステップＳ５７）。判別の結果、以下でない場合には先のステップＳ５６、ステップＳ５７に示す処理を実行する一方、以下になった場合には、第１液水排出手段１０８ａを遮断して第１液水排出手段１０８ａからの排水処理を終了した後（ステップＳ５８）、先のステップＳ５４に示す処理を実行し、第２液水排出手段１０８ｂを介して気液分離手段１０５に残留するすべての液水を液水貯蔵手段１０６に排出して（ステップＳ５４）、気液分離手段１０５を液水が残留していない空の状態にする。
【００４０】
このように、上記実施例１においては、燃料電池システムの停止時に第２液水排出手段１０８ｂを制御することにより、気液分離手段１０５からすべての液水を液水貯蔵手段１０６に排水することで、燃料電池システム停止後に低温環境下で放置しても気液分離手段１０５に液水が残留していないため、気液分離手段１０５に残留する液水が凍結することを防止することができる。これにより、気液分離手段１０５に残留する液水が凍結することにより燃料電池システムが再起動できなくなることを防止することができる。また、第１液水排出手段１０８ａ、第３液水排出手段１０８ｃを遮断状態にすることで、燃料電池システム外に水素ガスが放出されることを防止することができる。
【００４１】
第２液水排出手段１０８ｂを経由して気液分離手段１０５から排水した液水により、液水貯蔵手段１０６内の液水があふれないように、予め気液分離手段１０５の液水を液水貯蔵手段１０６で貯蔵できる液水量よりも少なくなるように、第１液水排出手段１０８ａにより燃料電池システム外に排出し、その後気液分離手段１０５に残留した液水を液水貯蔵手段１０６にすべて排水して燃料電池システムを停止するので、液水貯蔵手段１０６内で液水があふれることなく気液分離手段１０５に液水が残留することを防止することができる。
【００４２】
液水貯蔵手段１０６の液水量を常に液水貯蔵手段１０６で貯蔵できる液水量以下になるように第３液水排出手段１０８ｃを制御することで、液水貯蔵手段１０６から液水があふれることを防止することができる。
【００４３】
液水貯蔵手段１０６内の液水を排出する第３液水排出手段１０８ｃを備えることで、液水貯蔵手段１０６で貯蔵できる液水量の上限も小さくすることが可能となり、液水貯蔵手段１０６のサイズをコンパクト（燃料電池システム停止時に気液分離手段１０５から流入してくる１回分の液水量を貯蔵できるサイズ）にすることができ、燃料電池システムの軽量化を図ることができる。
【００４４】
また、液水貯蔵手段１０６で貯蔵している液水量が常に所定値以下とならないように第３液水排出手段１０８ｃを制御することにより、液水貯蔵手段１０６から第３液水排出手段１０８ｃを経由して燃料電池システム外に燃料ガスが放出されることを防止することができる。
【００４５】
温度センサ１１２で計測された温度に基づいて、液水貯蔵手段１０６内で液水が凍結していると推定した場合には、第３液水排出手段１０８ｃを経由して液水貯蔵手段１０６から液水を燃料電池システム外に排出することができなくなる。これにより、液水貯蔵手段１０６内の液水が凍結したままで燃料電池システムを停止するときには、気液分離手段１０５から第２液水排出手段１０８ｂを経由して液水貯蔵手段１０６に排水する液水が液水貯蔵手段１０６からあふれ、気液分離手段１０５に液水が残留するおそれがある。
【００４６】
そこで、液水貯蔵手段１０６で液水が凍結していると判別された場合には、液水貯蔵手段１０６から液水を燃料電池システム外に排出できるようにするために、電気ヒータ１０７を駆動して凍結している液水を解凍することにより、気液分離手段１０５に液水が残留することを防止することができる。また、液水貯蔵手段１０６内の液水が凍結していても、燃料電池システムの起動性に影響を与えないため、システムの起動前に液水貯蔵手段１０６内の凍結した液水を解凍する必要がないので、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【００４７】
温度センサ１１２で液水貯蔵手段１０６内の液水が凍結するか否かを判別し、液水貯蔵手段１０６内で液水が凍結する前に、電気ヒータ１０７を駆動することで液水貯蔵手段１０６の凍結を防止することができる。また、本システムを搭載した車両の起動時に液水貯蔵手段１０６内の温度が所定値以下の場合には、電気ヒータ１０７を駆動することで液水貯蔵手段１０６内に残留する液水の解凍、ならびに凍結を防止することができる。
【００４８】
液水貯蔵手段１０６内の凍結した液水を解凍する手段として電気ヒータ１０７を液水貯蔵手段１０６に備えることで、燃料電池システム起動制御中または燃料電池システム起動後のいずれの状態であっても、電気ヒータ１０７の出力を調整することにより、液水貯蔵手段１０６の解凍時間を短縮することができる。
【００４９】
また、燃料電池システム起動後に電気ヒータ１０７を駆動した場合には、燃料電池システム起動前に残存している２次バッテリ等の電力を使用することなく、燃料電池１００で発電した電力を液水解凍のエネルギーとして使えるので、燃料電池システム起動時に使用する２次バッテリの消費電力を低減することができ、システムの起動性能を確保することができることに加えて、燃料電池システム外から解凍するためのエネルギーを調達する必要がなくなる。
【実施例２】
【００５０】
図６は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図６において、この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、実施例１で説明した電気ヒータ１０７に代えて、通常の燃料電池システムに設置されている、燃料電池１００の発電により発熱した燃料電池を冷却する冷却手段で得られた熱を利用して液水貯蔵手段１０６内の凍結した液水を解凍するようにしたことにあり、他は先の図１に示す実施例と同様である。
【００５１】
冷却手段は、燃料電池１００を冷却する冷却水を燃料電池１００に供給して循環させる冷却装置６００と、冷却水の流通路となる冷却水配管６０１を備えて構成されている。冷却水配管６０１は、その一部が液水貯蔵手段１０６に接触して設置され、冷却装置６００から排出された冷却水は、冷却水配管６０１を介して燃料電池１００に供給され、発電により発熱した燃料電池１００を冷却して熱交換する。燃料電池１００を冷却して熱交換された冷却水は昇温されて暖められ、暖められた冷却水は冷却水配管６０１を介して液水貯蔵手段１０６に接触して流通し冷却装置６００に戻されて循環する。このとき、昇温された冷却水と液水貯蔵手段１０６とが熱交換され、これにより液水貯蔵手段１０６内で凍結した液水を解凍する。
【００５２】
この実施例２において、先の図２に示すステップＳ２３で行われる解凍／排水処理制御は、図７に示すフローチャートにしたがって実行される。図７を参照して、先ず液水貯蔵手段１０６に設けられた温度センサ１１２で検出された信号に基づいて、コントローラ１０９で液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水の温度Ｔ１を求める（ステップＳ７１）。続いて液水の温度Ｔ１が前述したと同じ値に設定された第１の所定値以下であるか否かを判別し（ステップＳ７２）、貯蔵された液水が凍結しているか否かを推定する。
【００５３】
判別の結果、以下である場合には、液水が凍結しているものと推定し、第３液水排出手段１０８ｃを遮断した状態で（ステップＳ７３）、燃料電池１００の発電で発生した熱で昇温された冷却水で液水貯蔵手段１０６を加熱して昇温し、凍結水の解凍処理が開始され、ステップＳ７２の判別処理が実行される。
【００５４】
ステップＳ７２の判別処理の結果、以上である場合には、液水貯蔵手段１０６内の液水は凍結していないものと判断し、第３液水排出手段１０８ｃを開放し（ステップＳ７４）、液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水をシステム外に排出する処理を開始する。その後、第２液水量検出手段１１１で検出された液水貯蔵手段１０６の液水量が第２の所定値以下であるか否かを判別する（ステップＳ７５）。ここで、第２の所定値は、先の実施例１と同様の値に設定される。
【００５５】
判別の結果、以下でない場合には、第３液水排出手段１０８ｃを介して液水の排出処理を継続する一方、以下になった場合には、第３液水排出手段１０８ｃを遮断して排水を停止する（ステップＳ７６）。
【００５６】
このように、上記実施例２においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、液水解凍手段として燃料電池システム運転時に使用する冷却水を使用し、燃料電池システム起動後に燃料電池システム各部品と熱交換した高温の冷却水が液水貯蔵手段１０６内の凍結水と熱交換する構成を採用したので、凍結水の解凍に電力を必要とせず、燃料電池システムの消費電力を低減することができる。
【実施例３】
【００５７】
次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。この実施例３の特徴とするところは、先の図１に示す構成に比べて、実施例１で説明した電気ヒータ１０７に代えて液水貯蔵手段１０６内の凍結した液水を解凍する解凍手段として、燃料電池１００の発電時に燃料電池１００のアノード極側出口から気液分離手段１０５に排出され、気液分離手段１０５で分離された高温の液水を利用したことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００５８】
この実施例３において、先の図２に示すステップＳ２３で行われる解凍／排水処理制御は、図８に示すフローチャートにしたがって実行される。図８を参照して、先ず液水貯蔵手段１０６に設けられた温度センサ１１２で検出された信号に基づいて、コントローラ１０９で液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水の温度Ｔ１を求める（ステップＳ８１）。続いて液水の温度Ｔ１が前述したと同じ値に設定された第１の所定値以下であるか否かを判別し（ステップＳ８２）、貯蔵された液水が凍結しているか否かを推定する。
【００５９】
判別の結果、以下である場合には、液水が凍結しているものと推定し、第２液水排出手段１０８ｂを開放する（ステップＳ８３）。これにより、燃料電池１００の発電時に燃料電池１００のアノード極側出口から気液分離手段１０５に排出され、気液分離手段１０５で分離された高温の液水を、開放された第２液水排出手段１０８ｂを介して気液分離手段１０５から液水貯蔵手段１０６に排出する。この結果、気液分離手段１０５から排出された高温の液水で液水貯蔵手段１０６内で凍結した液水の解凍処理が開始され、先のステップＳ８２の判別処理が実行される。
【００６０】
先のステップＳ８２の判別処理の結果、以上である場合には、液水貯蔵手段１０６内の液水は凍結していないものと判別し、第２液水量検出手段１１１で検出された液水貯蔵手段１０６の液水量が第２の所定値以下であるか否かを判別する（ステップＳ８４）。ここで、第２の所定値は、先の実施例１と同様の値に設定される。
【００６１】
判別の結果、以下でない場合には、第３液水排出手段１０８ｃを開放し（ステップＳ８５）、開放した第３液水排出手段１０８ｃを介してシステム外に液水貯蔵手段１０６に貯蔵された液水を排出し、以下になった場合には、第３液水排出手段１０８ｃを遮断して排水を停止する（ステップＳ８６）。
【００６２】
このように、上記実施例３においては、液水の解凍手段として、燃料電池１００のアノード電極側の出口から排出されて、気液分離手段１０５で分離された高温の液水を利用することで、先の実施例２と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、上記各実施例１〜３では、システムの起動後に液水貯蔵手段１０６内の液水が凍結していると判別された場合には、システム起動後に凍結水を解凍する処理を実行しているが、システムの起動後であってシステムの運転を停止する際に、凍結しているか否かを判別し、凍結していると判別した場合には、凍結水を解凍した後システムの運転を停止するようにしてもよい。
【００６４】
燃料電池システム停止時に液水貯蔵手段１０６内で液水が凍結していた場合には、液水貯蔵手段１０６から液水を排出できないおそれがあり、気液分離手段１０５から液水をすべて排出することなく燃料電池システムを停止してしまうおそれがあった。このため、液水解凍手段を作用させることで液水貯蔵手段１０６内の凍結水を解凍することで、気液分離手段１０５から液水をすべて排出してシステムを停止することが可能となる。
【００６５】
この結果、燃料電池システム停止後に低温環境下で放置しても気液分離手段１０５に液水が残留していないため、気液分離手段１０５が凍結することを防止することができるので、気液分離手段１０５が凍結したことにより燃料電池システムが再起動できなくなることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】図２に示す一処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】第３液水排出手段の開放後の時間と液水貯蔵手段の液水量との関係を示す図である。
【図５】図２に示す一処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施例３に係る制御処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１００…燃料電池
１０１…高圧燃料ガス供給装置
１０２…水素循環配管
１０３…燃料ガス加圧手段
１０４…エゼクタ
１０５…気液分離手段
１０６…液水貯蔵手段
１０７…電気ヒータ
１０８ａ…第１液水排出手段
１０８ｂ…第２液水排出手段
１０８ｃ…第３液水排出手段
１０９…コントローラ
１１０…第１液水量検出手段
１１１…第２液水量検出手段
１１２…温度センサ
１１３…エア抜き手段
６００…冷却装置
６０１…冷却水配管
【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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