(57)【要約】【課題】システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化剤ガス流路３１と冷却液流路２１とを接続する連結流路４１を備え、連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液をガス流路に流入させる。このため、酸化剤ガス流路３１は不凍液によって凍結することがない。また、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることがない。さらに、凍結防止にあたり、連結流路４１とその周囲部品４２，４３とを追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された供給ガスを反応させて発電する燃料電池と、
不凍液を循環させる流路となる冷却液流路と、
前記燃料電池に供給する供給ガス及び前記燃料電池から排出されるガスが流れるガス流路と、
前記ガス流路と前記冷却液流路とを接続する連結流路と、
前記連結流路を介して前記冷却液流路の不凍液を前記ガス流路に流入させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記連結流路に流れる不凍液の流量を調整可能な連結流路バルブと、
前記冷却液流路において不凍液を循環させる駆動源となる冷却液循環手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、システム停止時に前記連結流路バルブを制御して前記連結流路に不凍液が流れる状態にし、且つ前記冷却液循環手段を駆動させることにより前記連結流路を介して前記冷却液流路の不凍液を前記ガス流路に流入させる
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、ガス流路に不凍液を流入させた後、不凍液を前記ガス流路内に封入する
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】
前記燃料電池に供給ガスを供給するガス供給手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記連結流路バルブについて前記連結流路に不凍液が流れる状態であるときに、前記ガス供給手段に供給ガスを供給させることで、前記ガス流路に封入されていた不凍液を前記冷却液流路に戻す
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】
前記制御手段は、前記連結流路を介して前記冷却液流路の不凍液を前記ガス流路に流入させるか否かを、システムの停止継続時間とシステムの周囲の外気温度とに基づいて判断する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却液流路は前記ガス流路よりも高い位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス流路は前記冷却液流路よりも高い位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池での発電によって生成される水を含んだことにより濃度低下した不凍液から、水を分離して不凍液を所定濃度とする水分離膜をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜請求項７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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための原燃料であるメタノールを貯留するメタノールタンクと、燃料電池から排出された酸化排ガスが流れる酸化排ガス路と、メタノールタンクと酸化排ガス路とを接続するメタノール添加路とを備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、メタノール添加路を介して酸化排ガス路内にメタノールを供給し、酸化排ガス路内で凝縮する生成水にメタノールを混合させるようにしている。このように生成水にメタノールを混合することによって、生成水の融点を低下させ、燃料電池の運転停止中に外気温度が低下した場合であっても生成水の凍結による酸化排ガス路の凍結を防止する構成となっている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２３２４９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、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素である必要があり、純水素を燃料ガスとする燃料電池システムではメタノールタンクやメタノール供給装置などを別途搭載する必要がある。また、従来の燃料電池システムでは、複雑なシステム構成となってしまい、この結果、部品点数が多く、コスト高となり、さらにはシステム容積が大きくなってしまう。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することが可能な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】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、冷却液流路と、ガス流路と、連結流路と、制御手段とを備えている。燃料電池は供給された供給ガスを反応させて発電するものであり、冷却液流路は不凍液を循環させる流路となるものである。ガス流路は燃料電池に供給する供給ガス及び燃料電池から排出されるガスが流れるものであり、連結流路はガス流路と冷却液流路とを接続するものである。制御手段は連結流路を介して冷却液流路の不凍液をガス流路に流入させるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ガス流路と冷却液流路とを接続する連結流路を備え、連結流路を介して冷却液流路の不凍液をガス流路に流入させる。このように、不凍液をガス流路に流入させるため、ガス流路は生成水の凍結によって凍結することがない。特に、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、凍結を防止できることとなる。さらに、凍結防止にあたり、連結流路とその周囲部品とを燃料電池システムに追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。従って、システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、冷却液循環系２０と、酸化剤ガス供給系３０と、不凍液移動系４０と、コントローラ（制御手段）５０とを備えている。
【０００９】
燃料電池１０は、燃料ガス（水素ガス）の供給を受ける燃料極と、酸化剤ガス（酸素）の供給を受ける酸化剤極とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとからなる供給ガスを反応させて発電するものである。また、燃料極と酸化剤極とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池１０は、これら発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
【００１０】
冷却液循環系２０は、燃料電池１０の温度が高温となり過ぎないように温度を抑制するためのものである。冷却液循環系２０は、冷却液流路２１と、ラジエータ２２と、リザーバタンク２３と、ポンプ（冷却液循環手段）２４とからなっている。冷却液流路２１は、冷却液循環系２０において不凍液（例えばエチレングリコール水溶液や、シリコンオイル等絶縁油など）を循環させる流路となるものであり、不凍液は燃料電池１０、ラジエータ２２、リザーバタンク２３、およびポンプ２４の順に通過して再度燃料電池１０に流入するようになっている。ラジエータ２２は外気との熱交換により不凍液を冷却するためのものである。リザーバタンク２３は、不凍液の余剰分を蓄えておくものである。ポンプ２４は、冷却液流路２１において不凍液を循環させる循環源となるものである。
【００１１】
酸化剤ガス供給系３０は、酸化剤ガス流路（ガス流路）３１と、コンプレッサ（ガス供給手段）３２と、切替バルブ３３とからなっている。酸化剤ガス流路３１は、燃料電池１０に供給する供給ガスのうちの酸化剤ガスが流れる流路となるものである。また、酸化剤ガス流路３１は、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスが流れるものである。コンプレッサ３２は、酸化剤ガス流路３１に設けられ、燃料電池１０に供給ガスを供給するものであり、空気を圧縮して燃料電池１０の酸化剤極に送り込む構造となっている。切替バルブ３３は、コンプレッサ３２の上流側の酸化剤ガス流路３１に設けられ、開閉動作することにより酸化剤ガス流路３１を開放したり、遮断したりするようになっている。
【００１２】
不凍液移動系４０は、冷却液循環系２０の不凍液を酸化剤ガス供給系３０に流入させたり、酸化剤ガス供給系３０に流入した不凍液を冷却液循環系２０に戻したりするものである。不凍液移動系４０は、連結流路４１と、第１連結流路バルブ（連結流路バルブ）４２と、第２連結流路バルブ（連結流路バルブ）４３とからなっている。連結流路４１は、冷却液流路２１と酸化剤ガス流路３１とを接続するものである。この連結流路４１は、一端が燃料電池１０からラジエータ２２に至るまでの区間の冷却液流路２１に接続され、他端が燃料電池１０の下流側の酸化剤ガス流路３１に接続されている。第１連結流路バルブ４２は、連結流路４１の一端側、すなわち冷却液流路２１と連結流路４１との接続部に設けられている。この第１連結流路バルブ４２は、三方弁によって構成され、冷却液流路２１と連結流路４１とを連通させたり遮断したりする構成となっている。第２連結流路バルブ４３は、連結流路４１の他端側、すなわち酸化剤ガス流路３１と連結流路４１との接続部に設けられている。この第２連結流路バルブ４３は、三方弁によって構成され、酸化剤ガス流路３１と連結流路４１とを連通させたり遮断したりする構成となっている。また、これら連結経路バルブ４２，４３は、開度を調節することにより連結流路４１に流れる不凍液の流量を調整可能となっている。
【００１３】
コントローラ５０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、本実施形態では特にポンプ２４およびコンプレッサ３２の回転数、切替バルブ３３の開閉、及び連結経路バルブ４２，４３の開度を制御する構成となっている。このコントローラ５０は、連結経路バルブ４２，４３の開度を制御することで、連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させるようになっている。
【００１４】
ここで、燃料電池１０は発電により水を生成するようになっている。この生成水は酸化剤ガス流路３１に溜まることがあり、低温環境下において燃料電池システム１を停止した場合、生成水が凍結して酸化剤ガス流路３１を凍結させることがある。
【００１５】
ところが、本実施形態では、コントローラ５０が不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させる。これにより、酸化剤ガス流路３１は生成水が存在しても不凍液によって凍結しないこととなる。特に、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、凍結を防止できることとなる。さらに、凍結防止にあたり、連結流路とその周囲部品とを燃料電池システムに追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。
【００１６】
なお、上記燃料電池システム１において、冷却液流路２１とリザーバタンク２３との容積の合計は、酸化剤ガス流路３１の容積よりも大きいことが望ましい。これにより、酸化剤ガス流路３１を不凍液で満たすことができ、一層凍結を防止することができるからである。
【００１７】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム１の停止時における動作を示している。
【００１８】
まず、燃料電池システム１のポンプ２４およびコンプレッサ３２は作動状態にあるものとする。図２に示すようにシステム停止信号が入力されると（ＳＴ１）、コントローラ５０はコンプレッサ３２を停止させる（ＳＴ２）。次いで、コントローラ５０は切替バルブ３３を閉じる（ＳＴ３）。
【００１９】
そして、コントローラ５０は、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１とを連通させる（ＳＴ４）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して酸化剤ガス流路３１と連結流路４１とを連通させる（ＳＴ４）。このように、コントローラ５０は、システム停止時に第１および第２連結流路バルブ４２，４３を制御して連結流路４１に不凍液が流れる状態にし、且つポンプ２４を駆動させることにより連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることとしている。その後、コントローラ５０はポンプ２４を停止させる（ＳＴ５）。そして、図２に示す処理は終了することとなる。
【００２０】
なお、ステップＳＴ５におけるポンプ２４の停止判断は以下のようにして行われる。すなわち、コントローラ５０は、例えば酸化剤ガス流路３１に設置された圧力センサの検出値に基づいて、圧力低下がなくなったことを検出したときにポンプ２４を停止させる。また、コントローラ５０は、リザーバタンク２３に設置された水位センサの検出値に基づいて、水位が減少しなくなったことを検出したときにポンプ２４を停止させるようにしてもよい。
【００２１】
図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム１の起動時における動作を示している。まず、燃料電池システム１のポンプ２４およびコンプレッサ３２は停止状態にあるものとする。図３に示すようにシステム起動信号が入力されると（ＳＴ１１）、コントローラ５０は切替バルブ３３を開ける（ＳＴ１２）。その後、コントローラ５０はコンプレッサ３２を作動させる（ＳＴ３）。このように、コントローラ５０は、第１および第２連結流路バルブ４２，４３について連結流路４１に不凍液が流れる状態であるときに、コンプレッサ３２に供給ガスである空気を供給させることで、酸化剤ガス流路３１に封入されていた不凍液を冷却液流路２１に戻すこととしている。
【００２２】
そして、コントローラ５０は、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１との連通を遮断する（ＳＴ１４）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して酸化剤ガス流路３１と連結流路４１との連通を遮断とする（ＳＴ１４）。その後、コントローラ５０はポンプ２４を作動させる（ＳＴ１５）。そして、図３に示す処理は終了することとなる。
【００２３】
なお、ステップＳＴ１４における第１及び第２連結流路バルブ４２，４３の流路遮断判断は以下のようにして行われる。すなわち、コントローラ５０は、例えば冷却液流路２１に設置された圧力センサの検出値に基づいて、圧力低下がなくなったことを検出したときに流路を遮断する。また、コントローラ５０は、リザーバタンク２３に設置された水位センサの検出値に基づいて、水位が上昇しなくなったことを検出したときに流路を遮断するようにしてもよい。
【００２４】
また、ステップＳＴ１２において切替バルブ３３を開けたときに不凍液が外部に漏れ出さないようにするために、酸化剤ガス流路３１は入口Ａに向かって上りになったレイアウトとすることが望ましい。また、ステップＳＴ１２とステップＳＴ１３との処理をほぼ同時に行うことで、不凍液が外部に漏れ出すことを防止するようにしてもよい。
【００２５】
さらに、上記実施形態のように、不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させた場合、冷却液流路２１の不凍液が少なくなり又は冷却液流路２１の不凍液が無くなることとなるが、冷却液流路２１には発電によって生じる生成水が存在せず、たとえ冷却液流路２１の不凍液が少なくなったり無くなったりしても冷却液流路２１は凍結しないと言える。
【００２６】
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の第１変形例を説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の第１変形例の構成図である。同図に示すように、第１変形例に係る燃料電池システム１は、燃料ガス供給系６０を備え、連結流路４１が冷却液流路２１と燃料ガス供給系６０の燃料ガス流路６１とを接続するように構成されている。
【００２７】
具体的に燃料ガス供給系６０は、燃料ガス流路（ガス流路）６１と、水素ポンプ（ガス供給手段）６２と、切替バルブ６３とを有している。燃料ガス流路６１は、燃料電池１０に供給する供給ガスのうちの燃料ガスが流れる流路となるものである。また、燃料ガス流路６１は、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスが流れるものである。水素ポンプ６２は、燃料ガス流路６１に設けられ、燃料電池１０に燃料ガスを送り込むものである。切替バルブ６３は、水素ポンプ６２の上流側の燃料ガス流路６１に設けられ、開閉動作することにより燃料ガス流路６１を開放したり、遮断したりするようになっている。また、第１変形例において第２連結流路バルブ４３は、燃料ガス流路６１と連結流路４１との接続部に設けられている。
【００２８】
次に、第１変形例に係る燃料電池システム１の動作を説明する。図５は、第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム１の停止時における動作を示している。
【００２９】
まず、燃料電池システム１のポンプ２４および水素ポンプ６２は作動状態にあるものとする。図５に示すようにシステム停止信号が入力されると（ＳＴ２１）、コントローラ５０は水素ポンプ６２を停止させる（ＳＴ２２）。次いで、コントローラ５０は切替バルブ６３を閉じる（ＳＴ２３）。
【００３０】
そして、コントローラ５０は、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１とを連通させる（ＳＴ２４）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して燃料ガス流路６１と連結流路４１とを連通させる（ＳＴ２４）。その後、コントローラ５０はポンプ２４を停止させる（ＳＴ２５）。そして、図５に示す処理は終了することとなる。
【００３１】
図６は、第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム１の起動時における動作を示している。まず、燃料電池システム１のポンプ２４および水素ポンプ６２は停止状態にあるものとする。図６に示すようにシステム起動信号が入力されると（ＳＴ３１）、コントローラ５０は切替バルブ６３を開ける（ＳＴ３２）。その後、コントローラ５０は水素ポンプ６２を作動させる（ＳＴ３３）。
【００３２】
そして、コントローラ５０は、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１との連通を遮断する（ＳＴ３４）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して燃料ガス流路６１と連結流路４１との連通を遮断とする（ＳＴ３４）。その後、コントローラ５０はポンプ２４を作動させる（ＳＴ３５）。そして、図６に示す処理は終了することとなる。
【００３３】
以上、第１変形例のように燃料ガス流路６１に不凍液を流入させて燃料ガス流路６１の凍結を防止するようにしてもよい。さらに、燃料ガス流路６１と酸化剤ガス流路３１との双方に不凍液を流入させるようにしてもよい。また、双方に不凍液を流入させる場合、システム停止時の処理およびシステム起動時の処理は、酸化剤ガス流路３１に関して先に行ってもよいし、燃料ガス流路６１に関して先に行ってもよい。また、双方を同時に行うようにしてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の第２変形例を説明する。第２変形例に係る燃料電池システム１において、冷却液流路２１は酸化剤ガス流路３１よりも高い位置に設けられている。このため、不凍液は連結流路４１を通じて自重により冷却液流路２１から酸化剤ガス流路３１に流れることとなる。これにより、ポンプ２４により不凍液を圧送することなく、不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることができる。
【００３５】
また、第２変形例に係る燃料電池システム１において、酸化剤ガス流路３１は冷却液流路２１よりも高い位置に設けられている構成であってよい。これにより、不凍液は連結流路４１を通じて自重により酸化剤ガス流路３１から冷却液流路２１に流れることとなり、コンプレッサ３２によって不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路２１に戻すことができる。
【００３６】
ここで、上記第１実施形態、第１変形例および第２変形例においてコントローラ５０は、冷却液流路２１の不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させた後に、第１および第２連結流路バルブ４２，４３の少なくとも一方を制御して、連結流路４１と連通を遮断し、不凍液を酸化剤ガス流路３１に封入することが望ましい。これにより、不凍液が冷却液流路２１に戻ることなく、確実に凍結を防止することができる。なお、冷却液流路２１が酸化剤ガス流路３１よりも高い場合には、この構成により不凍液を酸化剤ガス流路３１に封入することとなる。すなわち、不凍液が冷却液流路２１に戻ってしまわない構成であることが望ましい。
【００３７】
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の第３変形例を説明する。図７は、第１実施形態の第３変形例に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム１の停止時における動作を示している。なお、図７に示すステップＳＴ４１〜ＳＴ４５の処理は、図２に示したステップＳＴ１〜ＳＴ５の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００３８】
ステップＳＴ４５においてポンプ２４を停止させた後、コントローラ５０は切替バルブ３３を開ける（ＳＴ４６）。その後、コントローラ５０はコンプレッサ３２を作動させる（ＳＴ４７）。そして、コントローラ５０は、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１との連通を遮断する（ＳＴ４８）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して酸化剤ガス流路３１と連結流路４１との連通を遮断とする（ＳＴ４８）。その後、コントローラ５０はコンプレッサ３２を停止させる（ＳＴ４９）。そして、図７に示す処理は終了することとなる。
【００３９】
以上、第３変形例のようにシステム停止時において、酸化剤ガス流路３１に不凍液を流入させ、その後酸化剤ガス流路３１の不凍液を冷却液流路２１に戻すようにしてもよい。これにより、酸化剤ガス流路３１の生成水を一旦不凍液によって洗い流すこととなり、燃料電池システム１が低温環境下にさらされても凍結の可能性を低減することができる。また、システム起動時に起動フロー（例えば図３のような処理）を行う必要がなくなり、起動時間を短縮することができる。
【００４０】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１およびその変形例によれば、ガス流路３１，６１と冷却液流路２１とを接続する連結流路４１を備え、連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液をガス流路３１，６１に流入させる。このように、不凍液をガス流路３１，６１に流入させるため、ガス流路は生成水の凍結によって凍結することがない。特に、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、凍結を防止できることとなる。さらに、凍結防止にあたり、連結流路４１とその周囲部品４２，４３とを燃料電池システム１に追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。従って、システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することができる。
【００４１】
また、システム停止時に第１および第２連結流路バルブ４２，４３を制御して連結流路４１に不凍液が流れる状態にし、且つポンプ２４を駆動させることにより連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液をガス流路３１，６１に流入させることとしている。このように、第１および第２連結流路バルブ４２，４３の制御とポンプ２４の駆動とを行うだけで、システム停止時に不凍液をガス流路３１，６１に流入させることができる。
【００４２】
また、ガス流路３１，６１に不凍液を流入させた後、不凍液をガス流路３１，６１内に封入するため、不凍液が冷却液流路２１に戻ることなく、確実に凍結を防止することができる。
【００４３】
また、第１および第２連結流路バルブ４２，４３について連結流路４１に不凍液が流れる状態であるときに、コンプレッサ３２や水素ポンプ６２によって供給ガスを供給させることで、ガス流路３１，６１に封入されていた不凍液をガス流路３１，６１に戻すこととしている。このため、ガス流路３１，６１に流入させた不凍液を冷却液流路２１に戻して再度燃料電池１０の冷却用として用いることができる。
【００４４】
また、冷却液流路２１はガス流路３１，６１よりも高い位置に設けられている。このため、不凍液は連結流路４１を通じて自重により冷却液流路２１からガス流路３１，６１に流れることとなり、ポンプ２４などにより不凍液を圧送することなく、不凍液をガス流路３１，６１に流入させることができる。
【００４５】
また、ガス流路３１，６１は冷却液流路２１よりも高い位置に設けられている。このため、不凍液は連結流路４１を通じて自重によりガス流路３１から冷却液流路２１に流れることとなり、コンプレッサ３２などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路２１に戻すことができる。
【００４６】
また、システム停止時に第１および第２連結流路バルブ４２，４３を制御して連結流路４１に不凍液が流れる状態にし、且つポンプ２４を駆動させることにより連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液をガス流路３１，６１に流入させ、その後、コンプレッサ３２や水素ポンプ６２によって供給ガスを供給させることで、ガス流路３１，６１の不凍液を冷却液流路２１に戻す。これにより、ガス流路３１，６１の生成水を一旦不凍液によって洗い流すこととなり、燃料電池システム１が低温環境下にさらされても凍結の可能性を低減することができる。また、システム起動時に起動フローを行う必要がなくなり、起動時間を短縮することができる。
【００４７】
また、ガス流路３１，６１に不凍液を流入させるにあたりポンプ２４を用い、冷却液流路２１に不凍液を戻すときにコンプレッサ３２や水素ポンプ６２を用いることで、素早い冷却液の流入および戻しを行うことができる。
【００４８】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、構成および処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００４９】
図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、新たに温度センサ７１と、タイマー７２と、判定部７３とを備えている。
【００５０】
温度センサ７１は燃料電池システム１の周辺の外気温度を検出するものである。タイマー７２は、計時機能を有するものであり、燃料電池システム１の停止継続時間を計時するようになっている。判定部７３は、不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させるか否かを判断し、不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させると判断したときのみに、第１および第２連結流路バルブ４２，４３などを制御して不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させるものである。
【００５１】
図９は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム２の停止時における動作を示している。まず、燃料電池システム２のポンプ２４およびコンプレッサ３２は作動状態にあるものとする。
【００５２】
図９に示すようにシステム停止信号が入力されると（ＳＴ５１）、コントローラ５０はコンプレッサ３２を停止させる（ＳＴ５２）。次いで、判定部７３は温度センサ７１に検出された外気温度の情報を読み込む（ＳＴ５３）。その後、判定部７３は、外気温度が０℃以下であるか否かを判断する（ＳＴ５４）。
【００５３】
ここで、外気温度が０℃以下であると判断した場合（ＳＴ５４：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ５８に移行し、不凍液が酸化剤ガス流路３１に流入させられることとなる。一方、外気温度が０℃以下でないと判断した場合（ＳＴ５４：ＮＯ）、判定部７３は、外気温度プロファイルを読み込む（ＳＴ５５）。次に、判定部７３は、外気温度プロファイルに基づいて、外気温度が０℃以下となる可能性があるか否かを判断する（ＳＴ５６）。
【００５４】
図１０は、外気温度プロファイルを示す図である。なお、図１０において縦軸は外気温度（℃）を示し、横軸は停止予定時間（ｈｒ）を示している。外気温度プロファイルとは、図１０に示すように、各地域および季節に応じた外気温度と停止予定時間との相関を示すものである。判定部７３は、燃料電池システム２が停止するごとに、タイマー７２によってシステム停止の継続時間を測定する。そして、判定部７３は、システム停止継続時間の情報を蓄えていく。判定部７３は、システム停止信号が入力されると、過去のシステム停止継続時間の情報に基づいて、燃料電池システム２の停止予測時間を求める。そして、判定部７３は、各地域および季節に応じた外気温度に基づいて、停止予定時間内に外気温度が０℃以下となるか否かを判断する。
【００５５】
具体的に、コントローラ５０は、図１０のラインＬ１に示すように外気温度が０℃以下となる場合、ステップＳＴ５６において「ＹＥＳ」と判断し、図１０のラインＬ２に示すように外気温度が０℃以下とならない場合、ステップＳＴ５６において「ＮＯ」と判断する。また、コントローラ５０は、図１０のラインＬ３に示すように一時的に外気温度が０℃以下となる場合にも、凍結の可能性があるため、ステップＳＴ５６において「ＹＥＳ」と判断する。
【００５６】
外気温度が０℃以下となる可能性がないと判断した場合（ＳＴ５６：ＮＯ）、コントローラ５０はポンプ２４を停止させる（ＳＴ５７）。そして、図９に示す処理は終了することとなる。このように、外気温度が０℃以下でなく且つ０℃以下となる可能性がないと判断できる場合には凍結の心配がないことから、コントローラ５０は不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることなく、処理を終了させる。
【００５７】
一方、外気温度が０℃以下となる可能性があると判断した場合（ＳＴ５６：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ５８に移行し、不凍液が酸化剤ガス流路３１に流入させられることとなる。すなわち、コントローラ５０は切替バルブ３３を閉じ（ＳＴ５８）、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１とを連通させる（ＳＴ５９）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して酸化剤ガス流路３１と連結流路４１とを連通させる（ＳＴ５９）。これにより連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させる。その後、コントローラ５０はポンプ２４を停止させ（ＳＴ５７）、図９に示す処理は終了することとなる。
【００５８】
なお、第２実施形態では酸化剤ガス流路３１に不凍液を流入させる例を説明したが、これに限らず、不凍液を燃料ガス流路６１に流入させる場合についても適用可能である。
【００５９】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、生成水によるシステム凍結を防止することができる。また、システム停止時に不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることができ、確実に凍結を防止することができる。また、酸化剤ガス流路３１に流入させた不凍液を冷却液流路２１に戻して再度燃料電池１０の冷却用として用いることができる。また、ポンプ２４などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることができ、コンプレッサ３２などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路２１に戻すことができる。
【００６０】
さらに、第２実施形態によれば、連結流路４１を介して冷却液流路２１の不凍液をガス流路３１，６１に流入させるか否かを、システムの停止継続時間とシステムの周囲の外気温度とに基づいて判断することとしている。ここで、システムの停止継続時間が短いと例えば燃料電池システム２が低温環境下にあっても、凍結の可能性は少ない。また、システムの周囲の外気温度が高ければ、そもそも凍結の可能性がない場合もあり得る。従って、システムの停止継続時間とシステムの周囲の外気温度とに基づいて不凍液をガス流路３１，６１へ流入させるか否かを判断することで、必要時に不凍液をガス流路３１，６１に流入させることができる。
【００６１】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、構成および処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００６２】
図１１は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システム３は、不凍液移動系４０が新たに第２連結流路（連結流路）４４と、水分離装置４５と、第３連結流路バルブ（連結流路バルブ）４６と、第４連結流路バルブ（連結流路バルブ）４７とを備えている。
【００６３】
第２連結流路４４は、連結流路４１と同様に、冷却液流路２１と酸化剤ガス流路３１とを接続するものである。水分離装置４５は、第２連結流路４４を流れる不凍液から水を分離するものであり、水分離膜を有している。この水分離膜は、燃料電池１０での発電によって生成される水を含んだことにより濃度低下した不凍液から、水を分離して不凍液を所定濃度とするものである。この水分離膜は、例えばペーバーパレーション法（ＰＶ法）を利用したものである。ＰＶ法とは、孔のない均質膜を介して供給液を蒸発させ、透過蒸気として濃縮液を得る方法である。また、水分離装置４５は、分離した水を外部へ排出する機構を有している。なお、不凍液は水分離膜によって所定濃度にされ余剰分の水分が分離されることとなる。ここで、初期の不凍液は所定濃度であることから、分離される水は発電により生じた生成水分であることとなる。故に、分離される水を外部へ排出したとしても、不凍液の絶対量が変わるわけではなく、不凍液の減少による問題は生じない。
【００６４】
第３連結流路バルブ４６は、第１連結流路バルブ４２と同様に、第２連結流路４４の一端側、すなわち冷却液流路２１と第２連結流路４４との接続部に設けられている。この第３連結流路バルブ４６は、三方弁によって構成され、冷却液流路２１と第２連結流路４４とを連通させたり遮断したりする構成となっている。第４連結流路バルブ４７は、第２連結流路４４の他端側、すなわち酸化剤ガス流路３１と第２連結流路４４との接続部に設けられている。この第４連結流路バルブ４７は、三方弁によって構成され、酸化剤ガス流路３１と第２連結流路４４とを連通させたり遮断したりする構成となっている。また、これら連結経路バルブ４６，４７は、開度を調節することにより第２連結流路４４に流れる不凍液の流量を調整可能となっている。
【００６５】
図１２は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム３の起動時における動作を示している。まず、燃料電池システム３のポンプ２４およびコンプレッサ３２は停止状態にあるものとする。
【００６６】
図１２に示すようにシステム起動信号が入力されると（ＳＴ６１）、コントローラ５０は切替バルブ３３を開ける（ＳＴ６２）。コントローラ５０は、第１連結流路バルブ４２を制御して冷却液流路２１と連結流路４１との連通を遮断する（ＳＴ６３）。さらに、コントローラ５０は、第２連結流路バルブ４３を制御して酸化剤ガス流路３１と連結流路４１との連通を遮断とする（ＳＴ６３）。
【００６７】
次に、コントローラ５０は、第３連結流路バルブ４６を制御して冷却液流路２１と第２連結流路４４とを連通させる（ＳＴ６４）。さらに、コントローラ５０は、第４連結流路バルブ４７を制御して酸化剤ガス流路３１と第２連結流路４４とを連通させる（ＳＴ６４）。その後、コントローラ５０はコンプレッサ３２を作動させる（ＳＴ６５）。これにより、不凍液は第２連結流路４４を通じて冷却液流路２１に戻されることとなる。また、第２連結流路４４には水分離装置４５が設けられていることから、不凍液は水分離装置４５によって濃度調整されたうえで冷却液流路２１に戻されることとなる。
【００６８】
次に、コントローラ５０は、第３連結流路バルブ４６を制御して冷却液流路２１と第２連結流路４４との連通を遮断する（ＳＴ６６）。さらに、コントローラ５０は、第４連結流路バルブ４７を制御して酸化剤ガス流路３１と第２連結流路４４との連通を遮断とする（ＳＴ６６）。その後、コントローラ５０はポンプ２４を作動させ（ＳＴ６７）、図１２に示す処理は終了することとなる。
【００６９】
このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第１実施形態と同様に、生成水によるシステム凍結を防止することができる。また、システム停止時に不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることができ、確実に凍結を防止することができる。また、酸化剤ガス流路３１に流入させた不凍液を冷却液流路２１に戻して再度燃料電池１０の冷却用として用いることができる。また、ポンプ２４などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を酸化剤ガス流路３１に流入させることができ、コンプレッサ３２などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路２１に戻すことができる。
【００７０】
また、第３実施形態によれば、燃料電池１０での発電によって生成される水を含んだことにより濃度低下した不凍液から、水を分離して不凍液を所定濃度とする水分離膜を備える。このため、不凍液と生成水が混合して不凍液の濃度が低下してしまうような場合であっても、水分離膜によって水を分離して不凍液の濃度を所定濃度に戻すことが可能となる。従って、所定濃度での不凍結性能を維持することができる。
【００７１】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態および変形例を組み合わせるようにしてもよい。
【００７２】
例えば、上記実施形態においては、水素ポンプ６２を備える構成を説明したが、水素ポンプ６２を備えず、高圧水素タンクと制御弁を備え、制御弁の開度を調整することにより、水素ガスを燃料電池１０に供給する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの停止時における動作を示している。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの起動時における動作を示している。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの第１変形例の構成図である。
【図５】第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの停止時における動作を示している。
【図６】第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの起動時における動作を示している。
【図７】第１実施形態の第３変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの停止時における動作を示している。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図９】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの停止時における動作を示している。
【図１０】外気温度プロファイルを示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図１２】第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの起動時における動作を示している。
【符号の説明】
【００７４】
１〜３…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…冷却液循環系
２１…冷却液流路
２２…ラジエータ
２３…リザーバタンク
２４…ポンプ（冷却液循環手段）
３０…酸化剤ガス供給系
３１…酸化剤ガス流路（ガス流路）
３２…コンプレッサ（ガス供給手段）
３３…切替バルブ
４０…不凍液移動系
４１…連結流路（連結流路）
４２…第１連結流路バルブ（連結流路バルブ）
４３…第２連結流路バルブ（連結流路バルブ）
４４…第２連結流路（連結流路）
４５…水分離装置
４６…第３連結流路バルブ（連結流路バルブ）
４７…第４連結流路バルブ（連結流路バルブ）
５０…コントローラ（制御手段）
６０…燃料ガス供給系
６１…燃料ガス流路（ガス流路）
６２…水素ポンプ（ガス供給手段）
６３…切替バルブ
７１…温度センサ
７２…タイマー
７３…判定部
【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】
2007280715.tif 000011
【図１０】
2007280715.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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