(57)【要約】【課題】過冷却状態の水の影響による開閉弁の応答性の悪化、流路閉塞等を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスが通過するガス排出流路と、前記ガス排出流路を開閉させる開閉手段と、前記開閉手段より上流側のガス排出流路に設けられ、前記ガス排出流路内を流れる水を貯留する貯留部と、を有する燃料電池システムであって、前記貯留部に貯留した水の温度を推定又は取得する温度検知手段と、前記温度検知手段により推定又は取得した水の温度推移に基づいて、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により過冷却状態にあると判断された場合に、前記貯留部に貯留した水を凍結させる凝固手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスが通過するガス排出流路と、前記ガス排出流路を開閉させる開閉手段と、前記開閉手段より上流側のガス排出流路に設けられ、前記ガス排出流路内を流れる水を貯留する貯留部と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池のパージ又は前記燃料電池の発電の際に、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあるか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により過冷却状態にあると判断された場合に、前記貯留部に貯留した水を凝固させる凝固手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記貯留部に貯留した水の温度を検知する温度検知手段を備え、前記判断手段は、前記温度検知手段により取得した水の温度推移に基づいて、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあるか否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記凝固手段は、前記貯留部に貯留した水に振動を与えて、前記貯留部に貯留した水を凝固させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記凝固手段は、ガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを前記ガス排出流路に導入させ、前記開閉手段側から前記貯留部に貯留した水へ吹き付けるガス導入路と、を備え、
前記ガス導入路から前記貯留部に貯留した水へガスを吹き付けることによって、前記貯留部に貯留した水を凝固させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池システムであって、前記ガス排出流路内の圧力及び大気圧を検知する圧力検知手段を有し、前記判断手段は、さらに、圧力検知手段により検知された圧力に応じて、前記開閉手段の開閉を制御するものであり、
前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあり、かつ前記圧力検知手段により検知されたガス排出路内の圧力が大気圧より低い場合には、前記判断手段は、前記開閉手段を開放させ、前記開閉手段から前記貯留部側へ大気を流入させることによって、前記凝固手段に代えて前記貯留部に貯留した水を凝固させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３又は４記載の燃料電池システムであって、前記ガス排出流路内の圧力及び大気圧を検知する圧力検知手段を有し、前記判断手段は、さらに、圧力検知手段により検知された圧力に応じて、前記開閉手段の開閉を制御するものであり、
前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあり、かつ前記圧力検知手段により検知されたガス排出路内の圧力が大気圧より低い場合には、前記判断手段は、前記開閉手段を開放させ、前記開閉手段から前記貯留部側へ大気を流入させることによって、前記凝固手段と共に前記貯留部に貯留した水を凝固させることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの凍結防止の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池のアノード極に反応ガスとしてのアノードガス（例えば、水素ガス）を供給し、カソード極に反応ガスとしてのカソードガス（例えば、空気）を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電させ、電力を得るものである。このような、燃料電池システムは、例えば、自動車等の動力源として実用化に大きな期待が寄せられており、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
図１２は、一般的な燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１２に示すように、燃料電池システム５は、燃料電池６４と、アノードガスボンベ６６と、エアコンプレッサ６８と、アノードガス供給流路７０と、アノードガス排出流路７２と、カソードガス供給流路７４と、カソードガス排出流路７６と、アノードガス排出流路を開閉させる開閉弁７８と、貯留部８０と、を有する。
【０００４】
燃料電池１０の発電時には、水が生成し、生成した水は燃料電池１０から各ガス排出流路へ排水される。上記水がアノードガス排出流路７２を流れ、開閉弁７８内に滞留し又は氷点下環境に曝され凍結すると、開閉弁７８の応答性の悪化、流路閉塞等が起こる場合がある。このような水の影響による開閉弁７８の応答性の悪化等を抑制するために、開閉弁７８より上流側のアノードガス排出流路７２には、ガス排出流路内を流れる水を貯留する貯留部８０が設けられている（カソードガス排出流路７６にも開閉弁が設けられている場合には、カソードガス排出流路７６にも貯留部が設けられる）。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池のカソード極からアノード極へリークする空気中の窒素を除去するために、アノードガス排出流路に設けられた開閉弁を開き、燃料電池にアノードガスを供給し、燃料電池のガスパージを行う燃料電池システムが提案されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献２には、燃料電池から排水される水が凍結する可能性がある場合に、開閉弁の開閉制御を変更する燃料電池システムが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１９３１０７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８４１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池システムが低温環境下に曝されると、貯留部内の水が過冷却状態となる場合がある。過冷却状態とは、液体が凝固点を過ぎても固体化せず、液体の状態を保持する状態をいう。この過冷却状態の水に衝撃等を加えると凝固する。そのため、過冷却状態の水のまま、特許文献１の燃料電池システムのように、燃料電池のガスパージを行うと、過冷却状態にある水がアノードガスにより飛ばされ、開閉弁又はその付近で凝固（凍結）する場合がある。このような状態になると、開閉弁の応答性の悪化、流路閉塞を引き起こす場合がある。
【０００９】
また、特許文献２の燃料電池システムのように、開閉弁の開閉制御を変更するだけでは、過冷却状態の水が開閉弁で凝固（凍結）することを抑制することは困難である。
【００１０】
本発明の目的は、過冷却状態の水の影響による開閉弁の応答性の悪化、流路閉塞等を抑制することができる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】
【００１１】
燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスが通過するガス排出流路と、前記ガス排出流路を開閉させる開閉手段と、前記開閉手段より上流側のガス排出流路に設けられ、前記ガス排出流路内を流れる水を貯留する貯留部と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池のパージ又は前記燃料電池の発電の際に、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により過冷却状態にあると判断された場合に、前記貯留部に貯留した水を凝固させる凝固手段と、を備える。
【００１２】
、
また、前記燃料電池システムにおいて、前記貯留部に貯留した水の温度を検知する温度検知手段を備え、前記判断手段は、前記温度検知手段により検知した水の温度推移に基づいて、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあるか否かを判断することが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記凝固手段は、前記貯留部に貯留した水に振動を与えて、前記貯留部に貯留した水を凝固させることが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記凝固手段は、ガス供給源と、前記ガス供給源から供給されるガスを前記ガス排出流路に導入させ、前記開閉手段側から前記貯留部に貯留した水へ吹き付けるガス導入路と、を備え、前記ガス導入路から前記貯留部に貯留した水へガスを吹き付けることによって、前記貯留部に貯留した水を凝固させることが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス排出流路内の圧力及び大気圧を検知する圧力検知手段を有し、前記判断手段は、さらに、圧力検知手段により検知された圧力に応じて、前記開閉手段の開閉を制御するものであり、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあり、かつ前記検知手段により検知されたガス排出路内の圧力が大気圧より低い場合には、前記判断手段は、前記開閉手段を開放させ、前記開閉手段から前記貯留部側へ大気を流入させることによって、前記凝固手段に代えて前記貯留部に貯留した水を凝固させることが好ましい。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス排出流路内の圧力及び大気圧を検知する圧力検知手段を有し、前記判断手段は、さらに、圧力検知手段により検知された圧力に応じて、前記開閉手段の開閉を制御するものであり、前記貯留部に貯留した水が過冷却状態にあり、かつ前記検知手段により検知されたガス排出路内の圧力が大気圧より低い場合には、前記判断手段は、前記開閉手段を開放させ、前記開閉手段から前記貯留部側へ大気を流入させることによって、前記凝固手段と共に前記貯留部に貯留した水を凝固させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガス排出流路内を流れる水を貯留する貯留部内の水が過冷却状態にあるか否かを判断する判断手段により過冷却状態にあると判断された場合には、凝固手段により貯留部に貯留した水を凝固させることによって、過冷却状態の水の影響による開閉弁の応答性の悪化、ガス流路の閉塞を抑制することができる燃料電池システム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】
【００１８】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、アノードガスボンベ１２と、エアコンプレッサ１４と、燃料電池１０に供給されるアノードガスが通過するアノードガス供給流路１６と、燃料電池１０から排出されるアノードガスが通過するアノードガス排出流路１８と、燃料電池１０に供給されるカソードガスが通過するカソードガス供給流路２０と、燃料電池１０から排出されるカソードガスが通過するカソードガス排出流路２２と、開閉弁２４と、貯留部２６と、温度センサ２８と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）３０と、アクチュエータ３２と、を有するものである。
【００２０】
アノードガス供給流路１６は、燃料電池１０のアノードガス導入口（不図示）とアノードガスボンベ１２の排出口（不図示）とを接続するものであり、アノードガス排出流路１８は、燃料電池１０のアノードガス排出口（不図示）に接続するものである。また、カソードガス供給流路２０は、燃料電池１０のカソードガス導入口（不図示）とエアコンプレッサ１４の吐出口（不図示）とを接続するものであり、カソードガス排出流路２２は、燃料電池１０のカソードガス排出口（不図示）に接続するものである。
【００２１】
開閉弁２４は、アノードガス排出流路１８に設けられ、アノードガス排出流路１８を開閉させる開閉手段として機能するものである。アノードガス排出流路１８を開閉させることによって、燃料電池１０に供給排出されるガスの圧力を調整し、燃料電池１０の発電状態（高負荷発電、低負荷発電等）を制御することができる。開閉弁２４は、ＥＣＵ３０と電気的に接続されており、ＥＣＵ３０の開閉制御信号によって、開閉する。本実施形態では、開閉弁２４をアノードガス排出流路１８に設けた燃料電池システムを例として説明するが、必ずしもこれに制限されるものではなく、カソードガス排出流路２２又は両排出流路に設けてもよい。
【００２２】
貯留部２６は、開閉弁２４より上流側のアノードガス排出流路１８に設けられ、アノードガス排出流路１８内を流れる水を貯留することができるものである。アノードガス排出流路１８内を流れる水は、主に燃料電池１０の発電時に生成した水が燃料電池１０から排出されたものである。貯留部２６を設けることによって、アノードガス排出流路１８内を流れる水が開閉弁２４まで流れることを抑制することができる。そのため、上記水が開閉弁２４内に滞留し又は氷点下環境に曝され凍結することを抑制することができる。カソードガス排出流路２２に開閉弁が設けられている場合には、当該開閉弁より上流側のカソードガス排出流路２２に、カソードガス排出流路２２内を流れる水を貯留する貯留部を設けることが好ましい。
【００２３】
ＥＣＵ３０は、燃料電池１０のパージ又は燃料電池１０の発電の際に、貯留部２６に貯留した水３４が過冷却状態にあるか否かを判断する判断手段として機能するものである。水が過冷却状態にあるか否かは、水の温度、電導度、透過率等に基づいて判断することができる。例えば、水の電導度を測定することができる測定器等により、貯留部２６に貯留した水３４の電導度を測定し、その電導度が所定範囲にある場合には、水が過冷却状態であると判断する。また、水の透過率を測定することができるレーザー等により、貯留部２６に貯留した水３４の透過率を測定し、その透過率が所定範囲にある場合には、水が過冷却状態であると判断する。
【００２４】
しかし、水が過冷却状態にあるか否かを正確に判断することができる点で、温度センサ等の温度検知手段により検知した温度に基づいて判断することが好ましい。図２は、水の温度と時間との関係を表す図である。外気温度が氷点下環境下では、図２に示すように、時間経過と共に水の温度は低下していき、水の凝固点（０℃）よりも低くなる。その後、水の凝固点（０℃）まで急激に上昇し、また次第に低下する。この水の凝固点までの急激な上昇は、水が固体化する際の凝固熱によるものである。凝固点以下から凝固熱による急激な温度上昇までの範囲（図２に示すＡの領域）は、水の過冷却状態であり、水が凝固点を過ぎても固体化せず、液体の状態を保持する状態である。水の過冷却状態である温度範囲（図２に示すＡの領域）は、０℃〜約２０℃の範囲である。ＥＣＵ３０は、後述する温度センサ２８により送信される温度データの推移から、貯留部２６に貯留した水３４の温度が図２に示すＡ領域にあれば、上記水が過冷却状態にあると判断する。ＥＣＵ３０が貯留部２６に貯留した水３４が過冷却状態にあると判断すれば、後述するアクチュエータ３２に駆動信号を送信し、アクチュエータ３２を駆動させる。
【００２５】
温度センサ２８は、貯留部２６に貯留した水３４の温度を検知する温度検知手段として機能するものである。貯留部２６に貯留した水３４の温度検知は、貯留部２６に貯留した水３４の温度を直接検知（取得）するものであっても、間接的に検知（推定）するものであってもよい。図１に示す燃料電池システム１に用いられる温度センサ２８は、燃料電池１０へ供給される冷却水温度を検出し、実験的に求められた冷却水温度と貯留部２６に貯留した水３４の温度との関係を表すマップに上記検出した冷却水温度を当てはめて、貯留部２６に貯留した水３４の温度を推定することができるものである。
【００２６】
また、貯留部２６に温度センサ２８を設け、貯留部２６に貯留した水３４の温度を取得（直接検知）してもよい。
【００２７】
図１に示すように、温度センサ２８とＥＣＵ３０とは電気的に接続されており、温度センサ２８により検知した温度データは、ＥＣＵ３０に送信されるようになっている。
【００２８】
アクチュエータ３２は、ＥＣＵ３０と電気的に接続されている。ＥＣＵ３０による駆動信号を受けたアクチュエータ３２は、貯留部２６に振動を加え、貯留部２６内の水３４に振動を与えるものである。これにより、貯留部２６内で水３４を凝固させることができる。また、貯留部２６内の水に直接振動を与えることができるように、貯留部２６内の水３４中にアクチュエータ３２等の凝固手段を設けてもよい。
【００２９】
本実施形態の凝固手段は、貯留部２６内の水３４に振動を与えることができるものであれば、アクチュエータ３２に限定されるものではない。例えば、後述する循環ポンプ等の貯留部２６周辺に配置される補機、超音波振動器等であってもよい。後述する循環ポンプが稼働することによっても、稼働時の振動が、貯留部２６に伝達し、貯留部２６内の水３４に振動を与えることができる。
【００３０】
このように、貯留部２６内の過冷却状態にある水３４を積極的に凍結させることで、燃料電池１０のパージ又は燃料電池１０の発電時に、アノードガス排出流路１８から排出されるアノードガスによって、過冷却状態にある水が開閉弁２４まで飛ばされて凝固することを抑制することができる。その結果として、開閉弁２４の応答性の悪化、流路閉塞等を抑制することができる。
【００３１】
図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。燃料電池システムの運転方法は、図１に示す燃料電池システム１を例に説明する。図３に示すように、ステップＳ１０では、ＥＣＵ３０に燃料電池１０のガスパージ又は燃料電池１０の発電指令（以下、これらを燃料電池１０の稼働指令と呼ぶ。）が入力される。稼働指令が入力されると、ステップＳ１２では、温度センサ２８により貯留部２６に貯留した水３４の温度が検知される。温度センサ２８により検知された水の温度推移に基づいて、ＥＣＵ３０により貯留部２６に貯留した水３４が過冷却状態にあると判断されれば、ステップＳ１４において、ＥＣＵ３０からアクチュエータ３２に駆動信号が送られ、アクチュエータ３２を駆動させる。これにより、貯留部２６内の水が振動し、水が凍結する。そして、ステップＳ１６に進み、燃料電池１０を稼働させる。また、ＥＣＵ３０により貯留部２６に貯留した水３４が過冷却状態にないと判断されれば、アクチュエータ３２を駆動させずに、ステップＳ１６に進み、燃料電池１０を稼働させる。
【００３２】
これにより、燃料電池１０の稼働時に、アノードガス排出流路１８へ排出される反応ガスによって貯留部２６に貯留した水３４が飛ばされて、開閉弁２４（又はその付近）で凝固することを抑制することができる。
【００３３】
次に、本実施形態の燃料電池１０の構成、ガスパージ運転、燃料電池１０の発電等について説明する。
【００３４】
まず、本実施形態の燃料電池システム１に用いられる燃料電池１０の構成について説明する。燃料電池１０は、水素イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極と、アノード極及びカソード極の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、を有するものを単位セルとして、当該単位セルを少なくとも１層以上積層したものである。
【００３５】
次に、燃料電池１０のガスパージについて説明する。燃料電池１０の発電停止時においては、外部付加への電力供給は遮断されるが、燃料電池１０内に残留している反応ガスはアノード極及びカソード極で消費されるため、アノード極とカソード極との間に圧力差が生じる。これにより、カソード極に残留している空気、特にカソード極によって消費されない窒素がカソード極からアノード極へリークしたり、アノード極に残留している水素がアノード極からカソード極へリークする場合がる。このような状態では、燃料電池１０の稼働時の発電性能が低下する場合があるため、燃料電池１０をガスパージして、アノード極から窒素（又は空気）又はカソード極から水素を除去する必要がある。
【００３６】
ガスパージを行う場合には、アノードガス排出流路１８に設けられた開閉弁２４が開放され、アノードガスボンベ１２からアノードガスが排出される。排出されたアノードガスは、アノードガス供給流路１６を通り、燃料電池１０（アノード極）に供給される。供給されたアノードガスと共にアノード極内の窒素が、アノードガス排出流路１８から燃料電池システム１外へ排出される。また、カソード極へ水素がリークする場合には、エアコンプレッサ１４が稼働し、エアコンプレッサ１４からカソードガスが吐出される。カソードガスが、燃料電池１０に供給されることによって、上記同様にカソード極内の水素を燃料電池システム１外へ排出させることができる。このように燃料電池１０を稼働させる際に、ガスパージを行うことによって、燃料電池１０内の不純物ガス（アノード極では窒素、カソード極では水素等）が除去される。ガスの供給時間、量等は適宜設定されればよい。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０内の不純物ガスを除去して、燃料電池１０の発電性能を向上させることができる点で、燃料電池１０にガスパージを行った後、燃料電池１０を発電させることが好ましいが、ガスパージを行わず、燃料電池１０を発電させるものであってもよい。
【００３８】
燃料電池１０を発電させる場合には、アノードガス排出流路１８に設けられた開閉弁２４が開放され、アノードガスボンベ１２からアノードガスが排出される。また、エアコンプレッサ１４が稼働し、エアコンプレッサ１４からカソードガスが吐出される。アノードガスはアノードガス供給流路１６を通り、燃料電池１０のアノード極に供給され、カソードガスはカソードガス供給流路２０を通り、燃料電池１０のカソード極に供給され、それぞれ燃料電池１０の発電に利用される。発電に利用されなかったアノードガスは燃料電池１０から排出され、アノードガス排出流路１８を通り燃料電池システム１外へ排出され、カソードガスは、燃料電池１０から排出され、カソードガス排出流路２２を通り、燃料電池システム１外へ排出される。
【００３９】
次に、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００４０】
図４は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図４に示すように、燃料電池システム２は、燃料電池１０と、アノードガスボンベ１２と、エアコンプレッサ１４と、アノードガス供給流路１６と、アノードガス排出流路１８と、カソードガス供給流路２０と、カソードガス排出流路２２と、開閉弁２４と、温度センサ２８と、ＥＣＵ３０と、気液分離器３６と、循環ポンプ３８と、循環流路４０と、を有するものである。図４に示す燃料電池システム２において、図１に示す燃料電池システム１と同様の構成については、同一の符合を付している。本実施形態では、気液分離器３６と、循環ポンプ３８と、循環流路４０をアノード極側に設けたが、カソード極側又は両方に設けてもよい。
【００４１】
図５は、本実施形態に用いられる気液分離器の構成の一例を示す模式断面図である。図５に示すように、気液分離器３６は、本体４２、流入口４４、第１排出口４６、第２排出口４８、イオン交換器５０、を有する。本体４２内部は、アノードガスに含まれる水分を分離する場所であり、また、燃料電池１０から排出されるアノードガスが通過するアノードガス排出流路でもある。貯留部２６は、本体４２内部でアノードガスから分離された水及び燃料電池１０から排出されアノードガス排出流路１８を流れる水を貯留するものである。イオン交換器５０は、アノードガスに含まれる不純物ガス（窒素等）を除去するためのものである。
【００４２】
循環流路４０は、気液分離器３６の第１排出口４６とアノードガス供給流路１６とを接続するものであり、循環ポンプ３８が配置されている。循環ポンプ３８は、ＥＣＵ３０と電気的に接続されている。そして、循環ポンプ３８が稼働することにより、気液分離器３６の本体４２内部にあるアノードガスが吸引され、アノードガス供給流路１６から燃料電池１０へ供給される。また、後述する循環ポンプ３８が稼働することにより、稼働する際の振動が、貯留部２６に伝達し、貯留部２６内の水３４に振動を与えることができる。循環ポンプ３８等の補機を凝固手段として用いることにより、別途アクチュエータ等の凝固手段を設ける必要がなく、省スペース化が可能となる。
【００４３】
ＥＣＵ３０によって貯留部２６の水が過冷却状態であると判断された場合には、ＥＣＵ３０によって循環ポンプ３８を稼働させ、貯留部２６内の水３４に振動を与え、貯留部２６内の水３４を凝固させることができる。
【００４４】
本実施形態においてガスパージを行う場合には、図４に示すアノードガス排出流路１８に設けられた開閉弁２４が開放され、アノードガスボンベ１２からアノードガスが排出される。排出されたアノードガスは、アノードガス供給流路１６を通り、燃料電池１０（アノード極）に供給される。供給されたアノードガスと共にアノード極内の窒素が、燃料電池からアノードガス排出流路１８へ排出される。図４に示すアノードガス排出流路１８を通るアノードガスは、図５に示す流入口４４から気液分離器３６の本体４２内部を通り、第２排出口４８を介して、図４に示すアノードガス排出流路１８を通り、燃料電池システム２外へ排出される。カソード極側は、上記同様である。
【００４５】
また、本実施形態において燃料電池を発電させる場合には、図４に示すアノードガス排出流路１８に設けられた開閉弁２４が閉じられ、アノードガスボンベ１２からアノードガスが排出される。アノードガスはアノードガス供給流路１６を通り、燃料電池１０のアノード極に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。発電に利用されなかったアノードガスは燃料電池１０から排出され、アノードガス排出流路１８を通り、図５に示す流入口４４を介して気液分離器３６の本体４２内部へ導入される。循環ポンプ３８を稼働させることによって、本体４２内部のアノードガスは、イオン交換器５０及び第１排出口４６を介して、図４に示す循環流路４０、アノードガス供給流路１６を通り、再度燃料電池１０へ供給される。また、カソード側は、上記説明した通りである。
【００４６】
図６は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図６に示すように、燃料電池システム３は、燃料電池１０と、アノードガスボンベ１２と、エアコンプレッサ１４と、アノードガス供給流路１６と、アノードガス排出流路１８と、カソードガス供給流路２０と、カソードガス排出流路２２と、開閉弁２４と、貯留部２６と、温度センサ２８と、ＥＣＵ３０と、減圧弁５２と、凝固手段としてのガス導入装置５４と、を有するものである。図６に示す燃料電池システム３において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については、同一の符合を付している。本実施形態では、ガス導入装置５４をアノード極側に設けているが、貯留部２６がカソード側に設けられる場合には、ガス導入装置５４をカソード極側に設ける。
【００４７】
図７は、図６の点線枠Ｒにおける燃料電池システムの一部拡大模式断面図である。図６に示すように、ガス導入装置５４は、ガス供給源としてガスボンベ５６と、ガス導入路５８と、ガス導入路を開閉する弁６０とを有する。ガス導入路５８は、ガスボンベ５６から供給されるガスをアノードガス排出流路１８に導入させ、開閉弁２４側から貯留部２６に貯留した水３４へ吹き付けるものである。本実施形態では、ガス導入路５８は、開閉弁２４及び貯留部２６間のアノードガス排出流路１８とガスボンベ５６とを接続している。ガスボンベ５６のガスは、燃料電池１０に供給されるガスと同一のものが好ましく、例えば、本実施形態であれば水素ガスが挙げられる。ガス導入路５８に設けられる弁６０は、ＥＣＵ３０と電気的に接続されている。
【００４８】
ガス導入装置５４の動作について説明する。ＥＣＵ３０により貯留部２６に貯留した水３４が過冷却状態であると判断された場合には、ＥＣＵ３０によりガス導入路５８の弁６０が開放され、ガスボンベ５６から供給されるガスがガス導入路５８へ流れる。そして、ガスはガス導入路５８からアノードガス排出流路１８へ導入され、開閉弁２４側から貯留部２６に貯留した水３４へ吹き付けられる。ガス吹き付け時の衝撃によって、貯留部２６に貯留した水３４を凝固させることができる。
【００４９】
本実施形態のように、ガスを貯留部２６に貯留した水３４に吹き付ける場合には、アノードガス排出流路１８に設けられている開閉弁２４は閉状態であることが好ましい。これにより、ガス導入路５８からアノードガス排出流路１８へ導入されたガスが、貯留部２６側へ流れ易くなる。アノードガス供給流路１６に設けられる減圧弁５２は、必ずしも必要ではないが、ガス導入路５８からアノードガス排出流路１８へ導入されるガスの影響によって生じる流路内の圧力変動を調整することができる点で好ましい。
【００５０】
図８は、図６の点線枠Ｒにおける燃料電池システムの他の一例を示す一部拡大模式断面図である。図８に示すように、ガス導入装置５４は、気液分離器３６が用いられる場合にも同様に適用することができる。ガス導入路５８は、上記同様にガスボンベ５６から供給されるガスをアノードガス排出流路１８（本体４２内部）に導入させ、開閉弁２４側から貯留部２６に貯留した水３４へ吹き付けるものである。本実施形態では、ガス導入路５８は、第２排出口４８及び貯留部２６間の本体４２とガスボンベ５６とを接続している。
【００５１】
図９は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。図９に示すように、ガス導入路５８をアノードガス供給流路１６に接続させることによって、燃料電池１０を発電させるためのアノードガスボンベ１２をガス導入装置５４のガスボンベ５６として用いてもよい。これにより、燃料電池システム３の省スペース化が可能となる。気液分離器３６を用いた場合も同様である。また、アノードガス供給流路１６とガス導入路５８との接続点は、弁６０の上流側と下流側との差圧が大きくなってガス供給が容易になるという点で、減圧弁５２より上流側であることが好ましい。
【００５２】
図１０は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１０に示すように、燃料電池システム４は、燃料電池１０と、アノードガスボンベ１２と、エアコンプレッサ１４と、アノードガス供給流路１６と、アノードガス排出流路１８と、カソードガス供給流路２０と、カソードガス排出流路２２と、開閉弁２４と、貯留部２６と、温度センサ２８と、ＥＣＵ３０と、凝固手段としてのアクチュエータ３２と、圧力センサ６２と、を有するものである。図１０に示す燃料電池システム４において、図１に示す燃料電池システム１と同様の構成については、同一の符合を付している。
【００５３】
圧力センサ６２は、アノードガス排出流路１８内の圧力及び大気圧を検知することができるものである。また、圧力センサ６２は、ＥＣＵ３０と電気的に接続されており、検知した圧力をＥＣＵ３０に送信するものである。アノードガス供給流路１６は、燃料電池１０を介してアノードガス排出流路１８と連通しているため、アノードガス供給流路１６内の圧力とアノードガス排出流路１８内の圧力は同じである。すなわち、本実施形態のように圧力センサ６２をアノードガス供給流路１６に設けても、アノードガス排出流路１８内の圧力を検知することができる。
【００５４】
ＥＣＵ３０は、貯留部２６内の水３４が過冷却状態にあると判断した場合であって、ガス排出流路１８内の圧力が大気圧より低い場合には、開閉弁２４に開放指示を送信し又は開閉弁２４に開放指示とアクチュエータ３２に駆動指示とを送信し、アノードガス排出流路１８内が大気圧より高い場合には、アクチュエータ３２に駆動指示を送信することができるものである。凝固手段としてアクチュエータ３２を例としたが、上記説明した循環ポンプ、ガス供給装置等であってもよい。
【００５５】
図１１は、本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。燃料電池システムの運転方法は、図１０に示す燃料電池システム４を例に説明する。図１１に示すように、ステップＳ２０では、ＥＣＵ３０に燃料電池１０の稼働指令が入力される。稼働指令が入力されると、ステップＳ２２では、温度センサ２８により貯留部２６に貯留した水３４の温度が検知される。温度センサ２８により推定された水の温度推移に基づいて、ＥＣＵ３０により貯留部２６内の水が過冷却状態にあると判断されれば、ステップＳ２４において、圧力センサ６２により大気圧（Ｐ0）及びアノードガス排出流路１８内の圧力（Ｐ1）が検出される。
【００５６】
アノードガス排出流路内の圧力（Ｐ1）が大気圧（Ｐ0）より低い場合には、ステップＳ２６において、ＥＣＵ３０から開閉弁２４に開放指示が送信され開閉弁２４が開けられる。上記のような圧力状態で、開閉弁２４が開けられると、アノードガス排出流路１８内に大気が流入し、流入した大気が貯留部２６内の水３４に吹き付けられる。その結果、吹きつけ時の衝撃により、水を凝固させることができる。また、アクチュエータ３２等の凝固手段を用いないで水を凝固させることができるため、燃料電池システムの省電力化が可能となる。
【００５７】
または、ステップＳ２６において、ＥＣＵ３０から開閉弁２４に開放指示が送信され開閉弁２４が開けられると共に、アクチュエータ３２に駆動信号が送信されアクチュエータ３２を駆動させてもよい。その結果、貯留部２６内の水３４へ与える振動をより強くすることができるため、貯留部２６内の水３４をより確実に凝固させることができる。そして、ステップＳ３０に進み、燃料電池１０を稼働させる。
【００５８】
アノードガス排出流路１８内の圧力（Ｐ1）が大気圧（Ｐ0）以上の場合には、ステップＳ２８において、ＥＣＵ３０からアクチュエータ３２に駆動信号が送信され、アクチュエータ３２を駆動させる。アクチュエータ３２を駆動させて、貯留部２６内の水を振動させることにより、水を凝固させることができる。そして、ステップＳ３０に進み、燃料電池１０を稼働させる。
【００５９】
このように、貯留部内の水が過冷却状態である場合に、貯留部に貯留した水に衝撃を与え凝固させることにより、燃料電池の稼働時に、貯留部内の水が反応ガスによって飛ばされて、開閉弁又はその付近で凝固することを抑制することができる。その結果、開閉弁の応答性の悪化、流路閉塞を抑制することができる。
【００６０】
上記本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、定置用電源等として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】水の温度と時間との関係を表す図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図５】本実施形態に用いられる気液分離器の構成の一例を示す模式断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図７】図６の点線枠Ｒにおける燃料電池システムの一部拡大模式断面図である。
【図８】図６の点線枠Ｒにおける燃料電池システムの他の一例を示す一部拡大模式断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図１１】本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図１２】一般的な燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１〜５  燃料電池システム、１０，６４  燃料電池、１２，６６  アノードガスボンベ、１４，６８  エアコンプレッサ、１６，７０  アノードガス供給流路、１８，７２  アノードガス排出流路、２０，７４  カソードガス供給流路、２２，７６  カソードガス排出流路、２４，７８  開閉弁、２６，８０  貯留部、２８  温度センサ、３０  ＥＣＵ、３２  アクチュエータ、３４  水、３６  気液分離器、３８  循環ポンプ、４０  循環流路、４２  本体、４４  流入口、４６  第１排出口、４８  第２排出口、５０  イオン交換器、５２  減圧弁、５４  ガス導入装置、５６  ガスボンベ、５８  ガス導入路、６０  弁、６２  圧力センサ。
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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