(57)【要約】【課題】運転中において、反応ガス中の水分が結露しにくい燃料電池システム、及び、その運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０と、第１冷媒流路を有すると共に、第１冷媒流路及び燃料電池スタック１０を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段２０と、燃料電池スタック１０を保温する保温槽３０と、第１冷媒流路の一部を迂回すると共に保温槽３０を経由するように、冷媒を流通させる第２冷媒流路を有するサブ冷媒流路手段４０と、燃料電池スタック１０に供給される空気の実測空気入口温度Ｔ２を検出する温度センサ６２と、燃料電池スタック１０から排出された冷媒の実測冷媒出口温度Ｔ１を検出する温度センサ６１と、第１三方弁５１及び第２三方弁５２と、実測空気入口温度Ｔ２及び実測冷媒出口温度Ｔ１に基づいて、第１三方弁５１及び第２三方弁５２を制御するＥＣＵ７０と、を備えた燃料電池システム１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、
第１冷媒流路を有すると共に、当該第１冷媒流路及び前記燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記燃料電池スタックを保温する保温機器と、
前記第１冷媒流路の一部を迂回すると共に前記保温機器を経由するように、冷媒を流通させる第２冷媒流路を有する第２冷媒流路手段と、
前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの反応ガス入口温度を検出する反応ガス入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックから排出された冷媒の冷媒出口温度を検出する冷媒出口温度検出手段と、
冷媒の流れを第２冷媒流路に切り替える切替手段と、
反応ガス入口温度及び冷媒出口温度に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
起動時において、冷媒出口温度が反応ガス入口温度以下である場合、
前記制御手段は、前記保温機器の冷媒が流出するように前記切替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】
起動時において、冷媒出口温度が反応ガス入口温度よりも高い場合、
前記制御手段は、冷媒が前記第２冷媒流路及び前記保温機器を経由するように前記切替手段を制御し、前記保温機器に冷媒を溜めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記保温機器内の冷媒の冷媒保温機器内温度を検出する冷媒保温機器内温度検出手段を、さらに備え、
前記保温機器に冷媒が溜まった後、前記保温機器に冷媒を溜めつつ、冷媒が前記保温機器及び前記第２冷媒流路を経由して循環している状態において、
冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度以上である場合、
前記制御手段は、当該循環を継続させる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】
前記保温機器内の冷媒の冷媒保温機器内温度を検出する冷媒保温機器内温度検出手段を、さらに備え、
前記保温機器に冷媒が溜まった後、前記保温機器に冷媒を溜めつつ、冷媒が前記保温機器及び前記第２冷媒流路を経由して循環している状態において、
冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度よりも低い場合、
前記制御手段は、冷媒が前記第１冷媒流路の一部を経由するように前記切替手段を制御し、当該制御を冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度以上となるまで継続する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６】
前記保温機器内の冷媒の冷媒保温機器内温度を検出する冷媒保温機器内温度検出手段と、
外気温を検出する外気温検出手段と、をさらに備え、
停止時において、冷媒保温機器内温度が外気温以下である場合、
前記制御手段は、前記保温機器内の冷媒が流出するように前記切替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７】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、
第１冷媒流路を有すると共に、当該第１冷媒流路及び前記燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記燃料電池スタックを保温する保温機器と、
前記第１冷媒流路の一部を迂回すると共に前記保温機器を経由するように、冷媒を流通させる第２冷媒流路を有する第２冷媒流路手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの反応ガス入口温度と、前記燃料電池スタックから排出された冷媒の冷媒出口温度とに基づいて、冷媒の流れを第２冷媒流路に切り替えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池スタックを良好に発電させるには、これに内蔵される固体高分子膜の湿潤性を確保する必要がある。そのため、燃料電池スタックに供給される水素（燃料ガス）、空気（酸化剤ガス）の反応ガスは、一般に、加湿器等によって加湿される。一方、燃料電池スタックが発電すると、そのカソードで水（水蒸気）が生成し、生成水の一部は固体高分子膜を透過してアノード側に移動する。よって、燃料電池スタックから多湿なオフガスが排出される。
【０００３】
そこで、例えば、燃料電池スタックの発電停止後に、乾燥した空気（掃気ガス）を送り込み、燃料電池スタック内に残留する水分を、外部に押し出す技術が提案されている（特許文献）。なお、このように掃気ガスによって、水分を押し出すことは掃気と称される。
【０００４】
また、燃料電池スタックに供給される水素の利用効率を高めるため、アノード側において、水素循環系が採用される場合が多い。ところが、燃料電池スタックの発電が進むと、循環するガスの湿度が高くなり、燃料電池スタックの出力が低下するので、適宜に循環するガスの排出（パージ）がなされる。
【０００５】
さらに、燃料電池スタックにおいて、これを構成する複数の単セルに反応ガスを均等に供給するため、また、複数の単セルから均等にオフガスを排出するため、単セルの積層方向に供給用流路や排出用流路が複数で形成される場合がある。この場合において、複数の供給用流路に反応ガスを分配するため、又は、複数の排出用流路からのオフガスを集合させるため、供給側及び排出側においてマニホールドが使用される。また、複数基の燃料電池スタックが使用される場合、これに反応ガスを分配するため、又は、オフガスを集合させるため、マニホールドが使用される。
【特許文献１】特開２００３−２０３６６５号公報（図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、燃料電池スタックは、燃料電池の種類等に応じて、好適に発電可能な温度（例えば、ＰＥＦＣでは７０〜９０℃）を固有している。そして、その温度を維持するため、発電により自己発熱する燃料電池スタックを経由するように冷却液を循環させ、適宜に冷却する技術がある。
【０００７】
ところが、生成水等によって、また、使用環境や外気温度の変化によって、燃料電池スタック全体を前記好適な温度に維持することは難しい。したがって、燃料電池の表面側や、燃料電池に接続するマニホールドを含む配管は、外気温度の影響を受けやすい。
【０００８】
したがって、例えば、外気温度が低く、燃料電池スタックの温度が低い場合において、圧縮によって高温となり、さらに加湿された、高温かつ多湿の空気が燃料電池スタックに供給されると、燃料電池スタック内やその入口で、結露水が発生する。そして、この結露水によって、燃料電池スタックの出力が下がってしまい、パージ回数を増加させる必要があった。
【０００９】
そこで、本発明は、運転中において、反応ガス中の水分が結露しにくい燃料電池システム、及び、その運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、第１冷媒流路を有すると共に、当該第１冷媒流路及び前記燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、前記燃料電池スタックを保温する保温機器と、前記第１冷媒流路の一部を迂回すると共に前記保温機器を経由するように、冷媒を流通させる第２冷媒流路を有する第２冷媒流路手段と、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの温度である反応ガス入口温度を検出する反応ガス入口温度検出手段と、前記燃料電池スタックから排出された冷媒の温度である冷媒出口温度を検出する冷媒出口温度検出手段と、冷媒の流れを第２冷媒流路に切り替える切替手段と、反応ガス入口温度及び冷媒出口温度に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、保温機器によって、燃料電池スタック及びこれに接続するマニホールド等の配管を保温することができる。そして、制御手段が、反応ガス入口温度及び冷媒出口温度に基づいて、切替手段を制御するので、反応ガス中の水分が結露することを防止できる。
【００１２】
また、起動時において、冷媒出口温度が反応ガス入口温度以下である場合、前記制御手段は、前記保温機器の冷媒が流出するように前記切替手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、保温機器の冷媒を流出させるので、燃料電池スタックを速やかに暖機することができる。
【００１４】
また、起動時において、冷媒出口温度が反応ガス入口温度よりも高い場合、前記制御手段は、冷媒が前記第２冷媒流路及び前記保温機器を経由するように前記切替手段を制御し、前記保温機器に冷媒を溜めることを特徴とする。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、保温機器に溜められる暖かい冷媒によって、燃料電池スタック及びこれに接続した配管を暖めることができる。これにより、反応ガス中の水分が結露しにくくなる。
【００１６】
また、前記保温機器内の冷媒の温度である冷媒保温機器内温度を検出する冷媒保温機器内温度検出手段を、さらに備え、前記保温機器に冷媒が溜まった後、前記保温機器に冷媒を溜めつつ、冷媒が前記保温機器及び前記第２冷媒流路を経由して循環している状態において、冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度以上である場合、前記制御手段は、当該循環を継続させること特徴とする。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、発電による自己発熱によって暖められた冷媒が、保温機器を連続的に流通するので、保温機器によって、燃料電池スタック等を継続して保温することができる。
【００１８】
また、前記保温機器内の冷媒の温度である冷媒保温機器内温度を検出する冷媒保温機器内温度検出手段を、さらに備え、前記保温機器に冷媒が溜まった後、前記保温機器に冷媒を溜めつつ、冷媒が前記保温機器及び前記第２冷媒流路を経由して循環している状態において、冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度よりも低い場合、前記制御手段は、冷媒が前記第１冷媒流路の一部を経由するように前記切替手段を制御し、当該制御を冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度以上となるまで継続することを特徴とする。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、低温の冷媒が保温機器に導入されないので、保温機器の温度が維持されやすくなる。これにより、保温機器によって、燃料電池スタックを継続的に保温することができる。
【００２０】
また、前記保温機器内の冷媒の温度である冷媒保温機器内温度を検出する冷媒保温機器内温度検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段と、をさらに備え、停止時において、冷媒保温機器内温度が外気温以下である場合、前記制御手段は、前記保温機器内の冷媒が流出するように前記切替手段を制御することを特徴とする。
【００２１】
このような燃料電池システムによれば、保温機器内の低温の冷媒を流出させることにより、次回起動時において、この低温の冷媒に発電による自己発熱を奪われずに、燃料電池スタックを速やかに暖機することができる。
【００２２】
また、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、第１冷媒流路を有すると共に、当該第１冷媒流路及び前記燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、前記燃料電池スタックを保温する保温機器と、前記第１冷媒流路の一部を迂回すると共に前記保温機器を経由するように、冷媒を流通させる第２冷媒流路を有する第２冷媒流路手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの反応ガス入口温度と、前記燃料電池スタックから排出された冷媒の冷媒出口温度とに基づいて、冷媒の流れを第２冷媒流路に切り替えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
【００２３】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、保温機器によって、燃料電池スタック及びこれに接続するマニホールド等の配管を保温しつつ、反応ガス入口温度及び冷媒出口温度に基づいて制御するので、反応ガス中の水分が結露することを防止できる。
【００２４】
また、起動時において、冷媒出口温度が反応ガス入口温度以下である場合、前記保温機器の冷媒を流出させることを特徴とする。
このような燃料電池システムの運転方法によれば、保温機器の冷媒を流出させるので、燃料電池スタックを速やかに暖機することができる。
【００２５】
また、起動時において、冷媒出口温度が反応ガス入口温度よりも高い場合、前記第２冷媒流路及び前記保温機器を経由させて、前記保温機器に冷媒を溜めることを特徴とする。
このような燃料電池システムの運転方法によれば、保温機器に溜められる暖かい冷媒によって、燃料電池スタック及びこれに接続した配管を暖めることができ、反応ガス中の水分が結露しにくくなる。
【００２６】
また、前記保温機器に冷媒が溜まった後、前記保温機器に冷媒を溜めつつ、冷媒が前記保温機器及び前記第２冷媒流路を経由して循環している状態において、冷媒出口温度が前記の保温機器内の冷媒保温機器内温度以上である場合、当該循環を継続すること特徴とする。
【００２７】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、発電による自己発熱によって暖められた冷媒が、保温機器を連続的に流通するので、保温機器によって、燃料電池スタック等を継続して保温することができる。
【００２８】
また、前記保温機器に冷媒が溜まった後、前記保温機器に冷媒を溜めつつ、冷媒が前記保温機器及び前記第２冷媒流路を経由して循環している状態において、冷媒出口温度が前記の保温機器内の冷媒保温機器内温度よりも低い場合、冷媒を前記第１冷媒流路の一部を経由させて、冷媒出口温度が冷媒保温機器内温度以上となるまで継続することを特徴とする。
【００２９】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、低温の冷媒が保温機器に導入されないので、保温機器の温度が維持されやすくなる。これにより、保温機器によって、燃料電池スタックを継続的に保温することができる。
【００３０】
また、停止時において、前記の保温機器内の冷媒保温機器内温度が外気温以下である場合、前記保温機器内の冷媒を流出させることを特徴とする。
【００３１】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、保温機器内の低温の冷媒を流出させることにより、次回起動時において、この低温の冷媒に発電による自己発熱を奪われずに、燃料電池スタックを速やかに暖機することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、運転中において、反応ガス中の水分が結露しにくい燃料電池システム、及び、その運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図８を参照して説明する。
【００３４】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、１基の燃料電池スタック１０と、メイン冷媒流路（第１冷媒流路）を有すると共に燃料電池スタック１０を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段２０と、燃料電池スタックを保温する保温槽３０（保温機器）と、配管２１ｂ（メイン流路の一部）を迂回すると共に保温槽３０を経由するサブ冷媒流路（第２冷媒流路）を有するサブ冷媒流路手段４０（第２冷媒流路手段）と、冷媒の流れを適宜にサブ冷媒流路側に切り替える第１三方弁５１及び第２三方弁５２（切替手段）と、温度センサ６１、６２、６３、６４と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。ただし、燃料電池スタック１０が複数基であり、マニホールドによって、水素及び空気が分配、オフガスが集合される構成であってもよい。
このような燃料電池システム１は、燃料電池自動車（図示しない）に搭載されている。そして、この燃料電池自動車は、燃料電池スタック１０の出力端子に接続した電動式の走行モータ（図示しない）を動力源として、走行するようになっている。
【００３５】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、１価の陽イオン交換膜からなる電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素又は酸素を含む空気を供給するための溝や、全単セルに水素、空気を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１、カソード流路１２として機能している。その他、各セパレータには、燃料電池スタック１０を適宜に冷却するための冷媒が流通する冷媒流路１３が形成されている。
【００３６】
アノード流路１１の上流側は、配管１１ａを介して、水素（燃料ガス、反応ガス）を燃料電池スタック１０に供給する水素供給手段（図示しない）に接続されている。水素供給手段は、水素タンク、遮断弁、減圧弁等によって構成されている。そして、ＥＣＵ７０によって遮断弁が開かれると、水素タンクから減圧弁によって減圧された水素が、燃料電池スタック１０に供給されるようになっている。
【００３７】
一方、アノード流路１１の下流側は、配管１１ｂに接続されており、アノードから排出されたアノードオフガスが、配管１１ｂを通って外部に排出されるようになっている。また、配管１１ｂにはパージ弁（図示しない）が設けられると共に、パージ弁の上流側の配管１１ｂと配管１１ａ上のエゼクタ（図示しない）とは、循環配管（図示しない）によって接続されている。そして、通常時は、前記パージ弁は閉じられ、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、前記循環配管及びエゼクタを介して、燃料電池スタック１０の上流側に戻される構成となっている。一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が多くなった場合、前記パージ弁が開かれる構成となっている。すなわち、燃料電池システム１は、水素循環系を備えており、水素の利用効率を図っている。
【００３８】
カソード流路１２の上流側は、配管１２ａを介して、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を燃料電池スタック１０に供給する空気供給手段（図示しない）に接続されている。空気供給手段は、コンプレッサ、インタークーラ（熱交換器）、加湿器等によって構成されている。そして、ＥＣＵ７０の指令を受けてコンプレッサが作動すると、インタークーラによって冷却され、加湿器によって加湿された空気が、燃料電池スタック１０に供給されるようになっている。
一方、カソード流路１２の下流側は、配管１２ｂに接続されており、カソードから排出されたカソードオフガスが、配管１２ｂを通って外部に排出されるようになっている。
【００３９】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差（いわゆるＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧））が発生するようになっている。次いで、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池スタック１０に対して、走行モータ等の外部負荷から発電要求があり、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００４０】
なお、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、保温槽３０内に配置されている。そして、後記するように、保温槽３０内には冷媒が適宜に貯溜されるため、燃料電池スタック１０は、各種シール材、防水カバー等によって、防水仕様となっている。
【００４１】
＜冷媒循環手段＞
冷媒循環手段２０は、発電に伴う自己発熱によって過昇温しないように冷却するため、燃料電池スタック１０を経由して、冷媒を循環させる手段である。因みに、冷媒は、いわゆるラジエータ液であって、エチレングリコール等を主成分とする不凍液から構成される。
【００４２】
冷媒循環手段２０は、ポンプ２１と、ラジエータ２２（放熱器）と、サーモスタット弁２３と、を主に備えている。そして、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３の出口から順に、配管２１ａ、第１三方弁５１、配管２１ｂ、第２三方弁５２、配管２１ｃ、ポンプ２１、配管２１ｄ、サーモスタット弁２３、配管２１ｅ、冷媒流路１３の入口に接続されている。すなわち、特許請求の範囲における第１冷媒流路（メイン冷媒流路）は、配管２１ａと、配管２１ｂと、配管２１ｃと、配管２１ｄと、配管２１ｅとを備えて構成されている。
そして、ＥＣＵ７０の指令に従ってポンプ２１が作動すると、燃料電池スタック１０とポンプ２１との間で冷媒が循環するようになっている。
【００４３】
サーモスタット弁２３は、循環する冷媒が所定温度以上の場合に開く弁である。そして、サーモスタット弁２３が開けば、高温の冷媒がラジエータ２２に導かれ、ラジエータ２２にて冷却された後、配管２１ｅに戻るように構成されている。
【００４４】
＜保温槽＞
保温槽３０は、燃料電池スタック１０を密閉状態で収容する容器である。そして、保温槽３０内には適度に暖かい冷媒が適宜に貯溜され、保温槽３０は、燃料電池スタック１０を適宜に保温する保温機器として機能するようになっている。また、保温槽３０の内底面は漏斗状となっており、保温槽３０内の冷媒が好適に排出されるようになっている。
【００４５】
さらに、保温槽３０の上壁には、保温槽３０内と外部とを適宜に連通させるための第１開閉弁３１が設けられている。第１開閉弁３１はＥＣＵ７０によって適宜に開／閉され、このように開／閉されることで、保温槽３０内への冷媒の貯溜や、保温槽３０内からの冷媒の排出が、速やかに行われるように設計されている。
【００４６】
＜サブ冷媒流路手段＞
サブ冷媒流路手段４０は、第１三方弁５１と第２三方弁５２との間に配置され、配管２１ｂ（第１冷媒流路の一部）を迂回すると共に保温槽３０を経由するサブ冷媒流路を有する手段である。具体的に、サブ冷媒流路手段４０は、サブタンク４１と、水位センサ４２と、二方弁４３と、第２開閉弁４４と、これらを接続する配管４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと、を主に備えている。
【００４７】
これらの接続状態について説明すると、第１三方弁５１は、配管４１ａを介して、保温槽３０における底側の周壁に接続されている。保温槽３０の底は、配管４１ｂ、二方弁４３、配管４１ｃを介して、サブタンク４１の底に接続されている。サブタンク４１の底は、配管４１ｄを介して、第２三方弁５２に接続されている。すなわち、特許請求の範囲における第２冷媒流路（サブ冷媒流路）は、配管４１ａと、配管４１ｂと、二方弁４３と、配管４１ｃと、サブタンク４１と、配管４１ｄとを備えて構成されている。
【００４８】
そして、後記するように、ポンプ２１を作動させながら、第１三方弁５１及び第２三方弁５２と、二方弁４３と、第２開閉弁４４とを、適宜に制御することで、（１）保温槽３０への冷媒の貯溜、（２）保温槽３０に冷媒を貯溜しつつ、サブ冷媒流路を経由して循環、（３）保温槽３０からの冷媒の排出等、が行われるようになっている。
【００４９】
サブタンク４１は、密閉式のタンクであって、保温槽３０に冷媒を貯溜しない場合、貯溜されない冷媒を一時的に溜めるタンクである。したがって、サブタンク４１の容量は、貯溜された場合における保温槽３０内の冷媒の量よりも大きく設定されるが、図１では作図上小さく記載している。また、サブタンク４１の底面は、保温槽３０と同様に、漏斗状であることが好ましい。
【００５０】
さらに、鉛直方向において、サブタンク４１は、保温槽３０よりも下方に配置されており、二方弁４３が開かれた場合、保温槽３０内の冷媒がその自重によってサブタンク４１に流出するように構成されている。
【００５１】
水位センサ４２は、レーザ照射式の液面センサであって、サブタンク４１内における冷媒の実際の液面レベル（実測液面レベルＬ１）を検出するようになっている。また、水位センサ４２はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は実測液面レベルＬ１を監視するようになっている。ただし、これに限定されず、水位センサ４２はフロート等によって構成されてもよい。
【００５２】
二方弁４３は、いわゆる止め弁である。そして、ＥＣＵ７０によって二方弁４３が開かれると、配管４１ｂと配管４１ｃとが連通するようになっている。
第２開閉弁４４は、サブタンク４１内と外部とを適宜に連通させるための開閉弁であって、サブタンク４１の上壁に設けられている。また、第２開閉弁４４は、ＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０によって開／閉される。
【００５３】
＜第１三方弁、第２三方弁＞
第１三方弁５１は、配管２１ａと配管２１ｂと配管４１ａとの合流点に設けられている。そして、第１三方弁５１は、配管２１ａと配管２１ｂとを連通（メイン側を連通）させる機能と、配管２１ａと配管４１ａとを連通（サブ側を連通）させる機能と、を備えている。なお、配管２１ａと配管２１ｂとを連通させる場合を、「第１三方弁５１のメイン側を開く」とし、配管２１ａと配管４１ａとを連通させる場合を、「第１三方弁５１のサブ側を開く」とする。
【００５４】
第２三方弁５２は、配管２１ｂと配管２１ｃと配管４１ｄとの合流点に設けられている。そして、第２三方弁５２は、配管２１ｂと配管２１ｃとを連通（メイン側を連通）させる機能と、配管４１ｄと配管２１ｃとを連通（サブ側を連通）させる機能と、配管２１ｂと配管２１ｃと配管４１ｄとを連通（全配管を連通）させる機能と、を備えている。なお、配管２１ｂと配管２１ｃとを連通させる場合を、「第２三方弁５２のメイン側を開く」とし、配管４１ｄと配管２１ｃとを連通させる場合を、「第２三方弁５２のサブ側を開く」とし、配管２１ｂと配管２１ｃと配管４１ｄとを連通させる場合を、「第２三方弁５２のメイン・サブ側を開く」する。
【００５５】
＜温度センサ等＞
温度センサ６１（冷媒出口温度検出手段）は、配管２１ａに設けられており、燃料電池スタック１０から排出された直後の冷媒の実際の温度（実測冷媒出口温度Ｔ１）を検出するようになっている。そして、温度センサ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は実測冷媒出口温度Ｔ１を監視するようになっている。
【００５６】
温度センサ６２（反応ガス入口温度検出手段）は、配管１２ａに設けられており、燃料電池スタック１０に供給される直前の空気の実際の温度（実測空気入口温度Ｔ２）を検出するようになっている。そして、温度センサ６２はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は実測空気入口温度Ｔ２を監視するようになっている。
【００５７】
温度センサ６３（冷媒保温機器内温度検出手段）は、保温槽３０内に設けられており、保温槽３０内の実際の冷媒の温度（実測冷媒保温槽内温度Ｔ３、冷媒保温機器内温度）を検出するようになっている。そして、温度センサ６３はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は実測冷媒保温槽内温度Ｔ３を監視するようになっている。
【００５８】
温度センサ６４（外気温検出手段）は、燃料電池自動車のボディ等に設けられており、実際の外気温度（実測外気温度Ｔ４）を検出するようになっている。そして、温度センサ６４はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は実測外気温度Ｔ４を監視するようになっている。
【００５９】
ＩＧ６５は、燃料電池システム１（燃料電池自動車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、ＩＧ６５はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６５のＯＮ信号／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００６０】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、実測冷媒出口温度Ｔ１、実測空気入口温度Ｔ２、実測冷媒保温槽内温度Ｔ３、実測外気温度Ｔ４、及び、実測液面レベルＬ１に基づいて、第１三方弁５１、第２三方弁５２等を後記するように制御する機能を備えている。
【００６１】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作と共に、燃料電池システム１の運転方法について、図１に加えて、図２から図８を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法は、実測空気入口温度Ｔ２と、実測冷媒出口温度Ｔ１とに基づいて、第１三方弁５１及び第２三方弁５２を制御し、冷媒の流れをサブ冷媒流路に切り替えることを特徴とする。
なお、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６５のＯＮ信号を検知すると図２の起動時の処理をスタートし、ＩＧ６５のＯＦＦ信号を検知すると図７の停止時の処理をスタートするように設定されている。また、図３から図６、及び、図８では、冷媒の流れを太線で記載している。
【００６２】
＜起動時＞
図２を主に参照して、燃料電池システム１の起動時の動作を説明する。
ＩＧ６５のＯＮ信号を検知したＥＣＵ７０は、燃料電池システム１の起動時の動作をスタートさせ、遮断弁（図示しない）を開いて水素を、コンプレッサ（図示しない）を作動させて空気を、燃料電池スタック１０にそれぞれ供給する。これに並行して、ＥＣＵ７０はポンプ２１をＯＮ（作動）する。そして、ＥＣＵ７０は、走行モータ等の外部負荷の発電要求に対応して、燃料電池スタック１０を発電させる。
【００６３】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測空気入口温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。
実測冷媒出口温度Ｔ１が実測空気入口温度Ｔ２以下である場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。この場合は、例えば、低温環境下（０℃未満）における燃料電池システム１の起動直後であって、燃料電池スタック１０の暖機が不十分であり、燃料電池スタック１０の温度が低い場合である。
【００６４】
一方、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測空気入口温度Ｔ２以下でない場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ１０４に進む。この場合は、例えば、燃料電池システム１の停止後、実測冷媒出口温度Ｔ１が下がる前に、再び起動された場合である。
【００６５】
［メイン側で循環、冷媒流出］
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、第１三方弁５１及び第２三方弁５２について、メイン側を開く。これにより冷媒がメイン側（配管２１ａ、配管２１ｂ、配管２１ｃ…のメイン側のルート）で循環する。つまり、保温槽３０内及びサブタンク４１を経由するサブ側の循環による、低温の冷媒の長期的な循環によって、燃料電池スタック１０の暖機が阻害されることは防止される（図３参照）。そして、燃料電池スタック１０の暖機が進むに伴って、実測冷媒出口温度Ｔ１が上昇する。
【００６６】
これに並行して、ＥＣＵ７０は、二方弁４３と、第１開閉弁３１及び第２開閉弁４４とを開く。そうすると、保温槽３０内の冷媒が、その自重によって、サブタンク４１に流出する（図３参照）。これにより、保温槽３０内の低温の冷媒に阻害されることなく、燃料電池スタック１０の暖機を進めることができる。
なお、このステップＳ１０２の直後に、排出完了判定に係る後記するステップＳ２０４を新たに設ける構成としてもよい。
【００６７】
［冷媒温度上昇］
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測空気入口温度Ｔ２よりも高いか否かを判定する。
実測冷媒出口温度Ｔ１が実測空気入口温度Ｔ２よりも高い場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に進む。この場合は、例えば、燃料電池スタック１０の暖機が完了し、実測冷媒出口温度Ｔ１が良好に上昇した場合である。
一方、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測空気入口温度Ｔ２よりも高くない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。この場合は、未だ、燃料電池スタック１０の暖機が完了していない場合である。
【００６８】
［貯溜開始］
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、第１三方弁５１及び第２三方弁５２のサブ側を開き、二方弁４３を閉じる。また、ＥＣＵ７０は、第１開閉弁３１及び第２開閉弁４４を開く。
そうすると、ポンプ２１の作動によって、サブタンク４１の冷媒が吸引され、サブタンク４１から流出する。そして、燃料電池スタック１０を経由した後の冷媒は、配管２１ａ、配管４１ａを介して、保温槽３０内に流入し、保温槽３０への冷媒の貯溜が開始される（図４参照）。
【００６９】
［貯溜判定］
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、サブタンク４１内の実測液面レベルＬ１が、第１所定液面レベルＬ２以下であるか否かを判定する。
第１所定液面レベルＬ２は、このレベル以下に実測液面レベルＬ１に下がれば、冷媒が流通する系は閉じているので、保温槽３０内に燃料電池スタック１０を好適に保温可能な所定量の冷媒が貯溜されたと推定される液面レベルである。このような第１所定液面レベルＬ２は、保温槽３０及びサブタンク４１の容量、形状等に関係し、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ７０に記憶されている。また、サブ側で循環する場合、サブタンク４１を経由することになるので、第１所定液面レベルＬ２は、サブタンク４１内が空になって、ポンプ２１により空気が吸引されない液面レベルに設定される。
【００７０】
［貯溜完了］
実測液面レベルＬ１が第１所定液面レベルＬ２以下である場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。この場合は、保温槽３０への冷媒の貯溜が完了した場合である。
一方、実測液面レベルＬ１が第１所定液面レベルＬ２以下でない場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ステップＳ１０５の判定を繰り返す。この場合は、保温槽３０に冷媒の貯溜中の場合である。
【００７１】
［貯留しつつサブ側で循環］
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、第１三方弁５１及び第２三方弁５２のサブ側を開き、二方弁４３を開く。これに並行して、ＥＣＵ７０は、第１開閉弁３１及び第２開閉弁４４を閉じる。そうすると、ポンプ２１の作動によって、冷媒は、保温槽３０及びサブタンク４１を経由するサブ側で循環する（図５参照）。なお、ポンプ２１の作動回転速度は、保温槽３０内に冷媒が継続して貯溜されるように設定される。
【００７２】
したがって、発電する燃料電池スタック１０によって暖められた冷媒が、一時的に保温槽３０内に貯溜されることになる。よって、保温槽３０内の暖かい冷媒が、燃料電池スタック１０と、配管１１ａ、配管１１ｂ、配管１２ａ、及び、配管１２ｂの燃料電池スタック１０側（マニホールド等を含む）を暖めることになる。
【００７３】
その結果として、例えば、コンプレッサ（図示しない）に圧縮されることで高温になり、さらに、加湿器（図示しない）によって加湿された、カソード流路１２に供給される高温多湿の空気が、燃料電池スタック１０内及びその直前の配管１２ａ（マニホールドを含む）で冷却されることはない。すなわち、加湿空気は、温度低下によって結露しにくくなる。
【００７４】
これにより、燃料電池スタック１０の出力は、結露水によって低下しにくくなり、好適に発電可能となる。また、カソード側における結露水の一部は、固体高分子膜を透過して、アノード側に移動するので、水素循環系を採用する燃料電池システム１では、結露水の減少によって、循環する水素に同伴する水分も下がる。よって、循環する水素の排出（パージ）回数を減らすことができ、その結果として、水素の消費を抑えることができ、燃料電池自動車の燃費の向上に繋げることができる。
【００７５】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測冷媒保温槽内温度Ｔ３よりも低いか否かを判定する。
実測冷媒出口温度Ｔ１が実測冷媒保温槽内温度Ｔ３よりも低い場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８に進む。この場合は、例えば、燃料電池自動車が低速での走行を続け、燃料電池スタック１０が低出力での発電を続けたため、発電に伴う燃料電池スタック１０の自己発熱量が低下し、燃料電池スタック１０の温度が低下した場合である。
【００７６】
一方、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測冷媒保温槽内温度Ｔ３よりも低くない場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ステップＳ１０６に進む。この場合は、保温槽３０に冷媒を貯溜しつつ、保温槽３０及びサブタンク４１を経由するサブ側での循環が継続される。
【００７７】
［メイン側で循環、冷媒温度の回復］
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、第１三方弁５１及び第２三方弁５２のメイン側を開き、二方弁４３を閉じる。また、第１開閉弁３１及び第２開閉弁４４を閉じる。
そうすると、ポンプ２１の作動によって、冷媒が配管２１ｂを経由するメイン側で循環する（図６参照）。これにより、燃料電池スタック１０から排出された低温の冷媒が、保温槽３０に導入されないので、実測冷媒保温槽内温度Ｔ３が下がりにくくなる。これにより、保温槽３０によって、燃料電池スタック１０を、継続して保温することができ、燃料電池スタック１０の温度の回復が図られる。その結果として、燃料電池スタック１０の温度が回復すれば、実測冷媒出口温度Ｔ１が回復する。
【００７８】
次に、ステップＳ１０７に戻る。そして、実測冷媒出口温度Ｔ１が回復し、実測冷媒保温槽内温度Ｔ３以上となった場合、つまり、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測冷媒保温槽内温度Ｔ３よりも低くない場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ステップＳ１０６に戻り、保温槽３０に冷媒を貯溜しつつ、保温槽３０及びサブタンク４１を経由するサブ側での循環に切り替わる。
すなわち、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測冷媒保温槽内温度Ｔ３よりも低くなった後（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）における、ステップＳ１０８でのメイン側での冷媒の循環は、実測冷媒出口温度Ｔ１が実測冷媒保温槽内温度Ｔ３以上となるまで継続される。
【００７９】
＜停止時＞
図７を主に参照して、燃料電池システム１の停止時の動作を説明する。
ＩＧ６５のＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ７０は、燃料電池システム１の停止時の動作をスタートさせ、遮断弁（図示しない）を閉じて水素の供給を停止すると共に、燃料電池スタック１０の発電を停止する。また、ＥＣＵ７０は、ポンプ２１を停止させる。
そして、アノード流路１１及びカソード流路１２に、掃気ガス（非加湿の空気）を送り込み、燃料電池スタック１０内の水分を押し出して掃気する。次いで、掃気後、コンプレッサ（図示しない）を停止する。なお、この状態において、保温槽３０には、冷媒が溜まったままである。
【００８０】
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、実測冷媒保温槽内温度Ｔ３が、実測外気温度Ｔ４以下であるか否かを判定する。
実測冷媒保温槽内温度Ｔ３が、実測外気温度Ｔ４以下である場合（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に進む。この場合は、例えば、外気温度の低い深夜に燃料電池自動車が停車されたことによって、実測冷媒保温槽内温度Ｔ３が低下し、その後、翌朝を向かえ、実測外気温度Ｔ４が上昇した場合である。
一方、実測冷媒保温槽内温度Ｔ３が、実測外気温度Ｔ４以下でない場合（Ｓ２０１・Ｎｏ）、ステップＳ２０１の判定を繰り返す。この場合は、例えば、燃料電池自動車の停止直後である。
【００８１】
［冷媒排出開始］
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、第１三方弁５１のメイン側を開き、配管２１ａと配管２１ｂとを連通させる。また、ＥＣＵ７０は、第２三方弁５２のメイン・サブ側を開き、配管２１ｂと配管２１ｃと配管４１ｄとを連通させる。
さらに、ＥＣＵ７０は、二方弁４３を開き、第１開閉弁３１及び第２開閉弁４４を開く。そうすると、保温槽３０内の冷媒は、その自重によって、サブタンク４１に流れ込む。すなわち、保温槽３０内の冷媒の排出が開始される（図８参照）。
【００８２】
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、ポンプ２１を作動させる。そうすると、冷媒がメイン側で循環する。そして、第２三方弁５２においては、メイン側で循環する冷媒によって、配管４１ｄ内の冷媒が吸引される。これにより、保温槽３０内からサブタンク４１への冷媒の排出が促進される（図８参照）。
【００８３】
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、実測液面レベルＬ１が、第２所定液面レベルＬ３以上であるか否かを判定する。
第２所定液面レベルＬ３は、このレベルに実測液面レベルＬ１が到達すれば、冷媒が流通する系は閉じているので、保温槽３０内から冷媒が排出されたと推定されると共に、サブタンク４１における冷媒のオーバーフローを防止する液面レベルである。このような第２所定液面レベルＬ３は、保温槽３０及びサブタンク４１の容量、形状等に関係し、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ７０に記憶されている。
【００８４】
［冷媒排出完了］
実測液面レベルＬ１が第２所定液面レベルＬ３以上である場合（Ｓ２０４・Ｙｅｓ）、ステップＳ２０５に進む。この場合は、保温槽３０から冷媒の排出が完了した場合である。そして、このように保温槽３０から低温の冷媒を排出することによって、次回起動時に、この低温の冷媒の影響を受けずに、燃料電池スタック１０を暖機することができる。
【００８５】
一方、実測液面レベルＬ１が第２所定液面レベルＬ３以上でない場合（Ｓ２０４・Ｎｏ）、ステップＳ２０４の判定を繰り返す。この場合は、保温槽３０からの冷媒の排出が継続される場合である。
【００８６】
ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、ポンプ２１を停止する。
次いで、ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、第１三方弁５１及び第２三方弁５２のメイン側を開く。これに並行して、ＥＣＵ７０は、二方弁４３と、第１開閉弁３１及び第２開閉弁４４を閉じる。
そして、ＥＮＤに進み、停止時の制御を終了する。
【００８７】
≪燃料電池システムの効果≫
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１及びその運転方法によれば、加湿された空気に含まれる水分が、燃料電池スタック１０内及びその入口近傍で結露しにくくなるので、燃料電池スタック１０の出力が低下しにくくなる。また、循環する水素に同伴する水分量が減るので、パージ回数を減らすことができ、水素の消費を抑えると共に、燃料電池自動車の燃費を向上させることができる。
【００８８】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
【００８９】
前記した実施形態では、サブタンク４１の実測液面レベルＬ１に基づいて、間接的に保温槽３０に冷媒が貯溜されたか否か（Ｓ１０５）、又は、排出されたか否か（Ｓ２０４）を判定する構成としたが、保温槽３０に水位センサを設けて、保温槽３０の実際の液面レベルを検出し、これに基づいて、貯溜又は排出を判定する構成としてもよい。
【００９０】
前記した実施形態では、切替手段は、第１三方弁５１及び第２三方弁５２によって構成されたとしたが、その他に例えば、配管４１ａ及び配管４１ｄにそれぞれ配置された開閉弁によって構成されてもよい。
【００９１】
前記した実施形態では、保温機器は、燃料電池スタック１０を収容する保温槽３０によって構成されたとしたが、その他に例えば、燃料電池スタック１０に螺旋状で巻回した配管によって構成されてもよいし、その内部に冷媒が貯溜される空間を有する保温パネルで燃料電池スタック１０を囲むことで構成してもよい。
【００９２】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０に供給される反応ガスのうちの空気の実測空気入口温度Ｔ２を検出する構成としたが、水素の入口温度検出する構成や、空気及び水素の温度を検出し平均化する構成としてもよい。
ただし、本発明は、多湿の反応ガスの結露を防止するものであるから、その上流側に加湿器が設けられたこと等により、湿度の高い反応ガスの入口温度を検出することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【図３】図２に示すステップＳ１０２の処理を行った場合における冷媒の流れを説明する図である。
【図４】図２に示すステップＳ１０４の処理を行った場合における冷媒の流れを説明する図である。
【図５】図２に示すステップＳ１０５、Ｓ１０６の処理を行った場合における冷媒の流れを説明する図である。
【図６】図２に示すステップＳ１０８の処理を行った場合における冷媒の流れを説明する図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。
【図８】図７に示すステップＳ２０２、Ｓ２０３の処理を行った場合における冷媒の流れを説明する図である。
【符号の説明】
【００９４】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１３    冷媒流路
２０    冷媒循環手段
２１    ポンプ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ  配管（第１冷媒流路）
２１ｂ  配管（第１冷媒流路の一部）
２２    ラジエータ
３０    保温槽（保温機器）
４０    サブ冷媒流路手段（第２冷媒流路手段）
４１    サブタンク
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ  配管（第２冷媒流路）
４２    水位センサ
４３    二方弁
５１    第１三方弁（切替手段）
５２    第２三方弁（切替手段）
６１    温度センサ（冷媒出口温度検出手段）
６２    温度センサ（反応ガス入口温度検出手段）
６３    温度センサ（冷媒保温機器内温度検出手段）
６４    温度センサ（外気温検出手段）
７０    ＥＣＵ（制御手段）
Ｌ１    実測液面レベル
Ｔ１    実測冷媒出口温度
Ｔ２    実測空気入口温度
Ｔ３    実測冷媒保温槽内温度
Ｔ４    実測外気温度
【図１】
2007280642.tif 000003
【図２】
2007280642.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007280642.tif 000006
【図５】
2007280642.tif 000007
【図６】
2007280642.tif 000008
【図７】
2007280642.tif 000009
【図８】
2007280642.tif 000010