(57)【要約】【課題】  加湿タンクの省スペース化と、加湿タンク内の水温制御を応答性良く行うこと。【解決手段】 固体高分子形燃料電池２と、水素をバブリングにより加湿して燃料電池２へ供給する加湿タンク９とを備える燃料電池システムにおいて、加湿タンク９への給水を加熱するヒータ１４を有する給水タンク１０と、給水タンク１０内の給水を加湿タンク９へ循環させながら供給する加湿水循環路１１と、燃料電池２の冷却部７で得た熱で給水タンク１０内の給水を加熱する冷却水循環路１２と、燃料電池２の起動時、ヒータ１４に通電するとともに加湿水循環路１１の第一循環ポンプ１７を駆動し、燃料電池２の起動後、冷却水循環路１２の第二循環ポンプ１８を駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池と、水素をバブリングにより加湿して前記燃料電池へ供給する加湿タンクとを備える燃料電池システムにおいて、
第一循環ポンプを備え、前記給水タンク内の給水を前記加湿タンクへ循環させながら供給する加湿水循環路と、
第二循環ポンプを備え、前記燃料電池の冷却部で得た熱で前記給水タンク内の給水を加熱する冷却水循環路と、
前記燃料電池の起動時、前記ヒータに通電するとともに前記第一循環ポンプを駆動することにより、前記給水タンク内の給水を加温し、前記燃料電池の起動後、前記第二循環ポンプを駆動することにより、前記燃料電池を冷却するとともに前記給水タンク内の給水を加温する制御器とを備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却水循環路に放熱量調整手段を有する放熱器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の起動後、前記第二循環ポンプの回転数制御および／または前記放熱量調整手段の制御により前記冷却部出口の冷却水の温度を制御する
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】
前記給水タンクへの給水手段と、
前記給水タンクの水位を検出する水位検出手段とを備え、
前記制御器は、前記水位検出手段により前記給水手段を制御し、前記給水タンク内の水位を設定水位に制御することで、前記加湿タンク内の水位を設定水位に制御する
ことを特徴とする請求項１または請求項２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】
この発明は、固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池と、水素をバブリングして加湿して前記燃料電池へ供給する加湿タンクとを備える燃料電池システムは、特許文献１などで知られている。
【０００３】
この特許文献１においては、起動時に加湿タンク内に設けたヒータに通電して、加湿タンク内の水を加温することにより、水素ガスを加温するように構成している。また、特許文献１においては、燃料電池の冷却部で得た熱で加湿タンク内の水を加温する熱交換器を加湿タンク内に設けている。
【０００４】
この特許文献１の構成では、容量の大きいヒータと熱交換器を加湿タンクに内蔵させる必要があるので、加湿タンクが大型化してしまい、省スペース化ができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５０３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明が解決しようとする課題は、加湿タンクを小型化して省スペース化を可能とするとともに、加湿タンク内の水温制御を応答性良く行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池と、水素をバブリングにより加湿して前記燃料電池へ供給する加湿タンクとを備える燃料電池システムにおいて、前記加湿タンクへの給水を貯留し、この給水を加熱するヒータを備える給水タンクと、第一循環ポンプを備え、前記給水タンク内の給水を前記加湿タンクへ循環させながら供給する加湿水循環路と、第二循環ポンプを備え、前記燃料電池の冷却部で得た熱で前記給水タンク内の給水を加熱する冷却水循環路と、前記燃料電池の起動時、前記ヒータに通電するとともに前記第一循環ポンプを駆動することにより、前記給水タンク内の給水を加温し、前記燃料電池の起動後、前記第二循環ポンプを駆動することにより、前記燃料電池を冷却するとともに前記給水タンク内の給水を加温する制御器とを備えることを特徴としている。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、特許文献１の従来技術と比較して、前記加湿タンク内に前記ヒータおよび熱交換器を設けることなく、前記燃料電池の起動時および起動後において前記加湿タンク内の水を加温することができるので、前記加湿タンクを小型化して省スペース化を実現できる。また、前記給水タンクと前記加湿タンクとを前記加湿水循環路で接続しているので、前記給水タンク内の水温変化を速やかに前記加湿タンクに伝えることができ、前記加湿タンク内の水温制御を応答性良く行うことができるという効果を奏する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記冷却水循環路に放熱量調整手段を有
する放熱器を備え、前記制御器は、前記燃料電池の起動後、前記第二循環ポンプの回転数制御および／または前記放熱量調整手段の制御により前記冷却部出口の冷却水の温度を制御することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記冷却部出口の冷却水の温度を制御するので、前記燃料電池の冷却を効果的に行うことができるという効果を奏する。
【００１１】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２において、前記給水タンクへの給水手段と、前記給水タンクの水位を検出する水位検出手段とを備え、前記制御器は、前記水位検出手段により前記給水手段を制御し、前記給水タンク内の水位を設定水位に制御することで、前記加湿タンク内の水位を設定水位に制御することを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明による効果に加えて、前記給水タンクに設けた水位制御手段により、前記加湿タンク内の水位を適切に制御でき、安定した加湿を行うことができるとともに、新たに水位検出手段を設ける必要が無いので、システム構成の簡素化と前記加湿タンクを一層小型化できるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、加湿タンクを小型化して省スペース化を可能とするとともに、加湿タンク内の水温制御を応答性良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態の概略構成を説明する説明図である。
【図２】同実施の形態の制御手順を説明するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の燃料電池システムの実施の形態を図面に従い説明する。
＜実施の形態の構成＞
この実施の形態の燃料電池システム１は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池という。）２と、燃料電池２へ水素を供給する水素供給路３と、燃料電池２へ酸素を供給する酸素供給路４とを備えている。
【００１６】
燃料電池２は、公知のもので、イオン交換膜（図示省略）を挟んで、酸素極５と、水素極６と、燃料電池の冷却部７とを備え、酸素極５に酸化剤としての酸素を、水素極６に還元剤としての水素を供給することにより発電するように構成されている。
【００１７】
水素供給路３には、水素を吹出部８からバブリングにより加湿して燃料電池２へ供給する加湿タンク９を備えている。
【００１８】
さらに、燃料電池システム１には、給水タンク１０と、加湿水循環路１１と、冷却水循環路１２と、制御器１３とを主要部として備えている。
【００１９】
給水タンク１０は、加湿タンク９への給水を貯留し、この給水を加熱するヒータ１４と、給水タンク１０の水位を検出する水位検出手段としての水位センサ１５と、給水タンク１０への給水手段としての逆浸透膜濾過装置からなる純水製造器１６とを備えている。純水製造器１６は、原水を純水化して給水タンク１０内へ供給する機能を有する。
【００２０】
加湿水循環路１１は、第一循環ポンプ１７を備え、給水タンク１０内の給水を加湿タン
ク９へ循環させながら供給するように構成されている。
【００２１】
冷却水循環路１２は、第二循環ポンプ１８を備え、燃料電池２の冷却部７で燃料電池２を冷却するとともに、冷却部７で得た熱で給水タンク１０内の水を加熱するように構成されている。また、この冷却水循環路１２には、放熱量調整手段としてのファン１９を有する放熱器２０を備えている。
【００２２】
制御器１３は、水位センサ１５および冷却水循環路１２の冷却部７出口の水温を検出する水温センサ２１などの信号を入力して、予め記憶した制御手順に基づき、ヒータ１４，純水製造器１６，第一循環ポンプ１７，第二循環ポンプ１８，ファン１９などを制御するように構成されている。
【００２３】
制御器１３の制御手順には、燃料電池２の起動時の給水温度制御手順と、起動後の電池冷却・給水加温制御手順と、給水タンク１０および加湿タンク９の水位制御手順を含んでいる。給水温度制御手順および電池冷却・給水加温制御手順の一例を図２に示しているが、これに限定されるものではない。
【００２４】
給水温度制御手順は、燃料電池２の起動時、ヒータ１４に通電するとともに第一循環ポンプ１７を駆動することにより、給水タンク１０内の給水を加温する手順である。
【００２５】
また、電池冷却・給水加温制御手順は、燃料電池２の起動後、第二循環ポンプ１８を駆動することにより、燃料電池２を冷却するとともに、給水タンク１０内の給水を加温する手順である。第二循環ポンプ１８は、燃料電池２の起動時から駆動することができる。この電池冷却・給水加温制御手順には、燃料電池２の冷却を給水タンク１０の給水加温よりも優先するように、燃料電池２の起動後、ファン１９の制御により冷却部７出口の冷却水の温度を一定範囲に制御する冷却調整手順を含んでいる。この冷却調整手順は、ファン１９の制御に代わる第二循環ポンプ１８の回転数制御によって、またはファン１９の制御と第二循環ポンプ１８の回転数制御との組合せにより、冷却部７出口の冷却水の温度を一定範囲に制御するように構成できる。
【００２６】
なお、水位制御手順は、図示しないが、水位センサ１５により純水製造器１６を制御（ＯＮすると給水開始、ＯＦＦすると給水停止）し、給水タンク１０内の水位Ｈ１を第一設定水位Ｈ１０に制御するとともに、給水タンク１０内の水位制御により、間接的に加湿タンク９内の水位Ｈ２を第二設定水位Ｈ２０に制御するように構成されている。この加湿タンク９の間接的な水位制御の原理はつぎの通りである。給水タンク１０と加湿タンク９の水位差ΔＨは、次式で求めることができる。
ΔＨ(＝Ｈ１−Ｈ２)∝Ｐ１
但し、Ｐ１は、加湿タンク９内の圧力で、加湿タンク９以降の水素供給路３の圧損と水素極６での圧損の和により算出できる。
【００２７】
＜実施の形態の動作＞
以上の構成を備える実施の形態の動作を図面に基づき説明する。
（燃料電池の起動時）
図２を参照して、処理ステップＳ１（以下、処理ステップＳＮは、単にＳＮと称する。）において、運転開始スイッチ（図示省略）が操作されたかどうかを判定する。ＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、第一循環ポンプ１７，第二循環ポンプ１８およびヒータ１４をＯＮする。なお、Ｓ２の前に、給水タンク１０内の水位を設定水位とする制御が行われる。Ｓ２では、給水タンク１０内の給水をヒータ１４により加温しつつ、給水タンク１０内の給水が加湿水循環路１１および冷却水循環路１２を並列的に循環する。
【００２８】
（燃料電池の運転）
Ｓ３において、水温センサ２１の検出温度が設定温度Ｔ１となると、Ｓ４へ移行して水素供給路３を通しての水素供給と、酸素供給路４を通しての酸素供給とが行われ、燃料電池２の発電（運転）が開始される。
【００２９】
加湿タンク９内では、吹出部８からバブリングにより水素が給水内に供給されて、水素が加湿される。この加湿は、加湿タンク９内の水位と水温に支配される。すなわち、水位が低いと加湿効果が悪くなり、水温が低いと加湿効果が悪くなる。この実施の形態では、給水タンク１０内の水位を制御することで、加湿タンク９内の水位が設定範囲に制御されるとともに、加湿水循環路１１による加湿水の循環により、加湿タンク９内の水が安定的に加温されるので、安定した加湿が行われる。
【００３０】
Ｓ３でＹＥＳが判定されてから設定時間ｔ１が経過すると、Ｓ５で、ＹＥＳが判定され、ヒータ１４をＯＦＦするとともに、それまでＯＦＦしていたファン１９をＯＮして、放熱量制御を開始する。
【００３１】
この放熱量制御は、冷却部７出口の水温センサ２１の検出温度が設定温度Ｔ１となるように、ファン１９の回転数を制御して行われる。この放熱量制御によって、冷却部７を通過する冷却水により、燃料電池２を効果的に冷却することができ、冷却不良による燃料電池２の故障を防止することができる。
【００３２】
（燃料電池の運転停止）
運転停止スイッチ（図示省略）が操作されると、Ｓ７で、ＹＥＳが判定され、Ｓ８とＳ９の処理が実行される。Ｓ８では、水素供給および酸素供給が停止され、Ｓ９では、第一循環ポンプ１７，第二循環ポンプ１８およびファン１９をＯＦＦする。
【００３３】
以上の実施の形態によれば、加湿タンク９内にヒータおよび加温用の熱交換器を設けることなく、燃料電池２の起動時および起動後において加湿タンク９内の水を加温することができる。このため、加湿タンク９を小型化して、省スペース化を実現できる。また、給水タンク１０と加湿タンク９とを加湿水循環路１１で接続しているので、給水タンク１０内の水温変化を速やかに加湿タンク９に与えることができる。その結果、加湿タンク１０内の水温制御を応答性良く行うことができる。
【００３４】
この発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、前記実施の形態では、冷却水循環路１２の循環水が直接給水タンク１０を通過するように構成しているが、給水タンク１０内に、冷却水循環路１２の循環水と給水タンク１０内の給水が間接的に熱交換する熱交換部（図示省略）を設けて、冷却部７で得た熱を給水タンク１０内の給水へ伝えるように構成することができる。また、加湿タンク９内の水位を給水タンク１０の水位で間接的に制御するように構成しているが、加湿タンク９に水位センサ（図示省略）を設けて、水位制御するように構成できる。さらに、放熱器２０は、水冷式熱交換器とすることができ、その場合の放熱量調整手段は、放熱器２０の冷却水量を調整するものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１          燃料電池システム
２          固体高分子形燃料電池
３          水素供給手段
７          冷却部
９          加湿タンク
１０          給水タンク
１１          加湿水循環路
１２          冷却水循環路
１３          制御器
１６          純水製造器（給水手段）
１７          第一循環ポンプ
１８          第二循環ポンプ
１９          ファン（放熱量調整手段）
２０          放熱器
【図１】
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【図２】
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