JP2001118593A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車に適した燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 車両に搭載されたメタノール燃料タンク
３００内に蓄えられた燃料（メタノール）により燃焼式
ヒータ４４０を稼働させる。これにより、メタノール燃
料タンク３００内に燃料が残留している間は、燃料電池
システム以外の系から燃料の供給を受けることなく、燃
料電池システムを良好に起動する（立ち上げる）ことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により発生する電気エネルギーを動力源として移
動する移動体の燃料電池システムに関するもので、車
両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有
効である。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、高圧タンクや水素吸蔵合金
タンクに蓄えられた純水素ガスやあるいは改質器にて炭
化水素系の燃料を改質した水素リッチガスを電池スタッ
ク（ＦＣスタック）にて空気と化学反応させて電気エネ
ルギーを取り出す（発電）ものである。

【０００３】ところで、車両等の移動体の駆動源として
考えられている高分子電解質型燃料電池においては、０
℃以下の温度条件では、電極近傍に存在している水分が
凍結し、反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気
伝導率が低下すると言う問題がある。したがって、燃料
電池の温度が０℃以下のときには、燃焼式ヒータ等の加
熱手段により燃料電池を作動可能温度（０℃以上の温度
で電池が発電可能な温度）以上までに加熱する必要があ
る。

【０００４】そこで、特公昭５９−７３８５８号公報に
記載の発明では、電池スタックを適正温度、つまり作動
可能温度（この公報では、リン酸型燃料電池であるの
で、１２０℃〜１３０℃以上）まで加熱するために、燃
料電池システム系外から電源や熱源（温水等）の供給を
受けている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載の発明は、燃料電池システム全体を建物等の建造物に
据え付けした定置型の燃料電池システムであり、加熱用
の電源や熱源は燃料電池システム系外から供給を受けて
いる。また、初期状態において蓄熱部に利用可能な熱が
蓄えられていない場合、蓄熱した熱が完全に放熱した場
合、又は蓄熱量が不十分な場合には、外部から加熱用の
電源や熱源を供給する必要がある。つまり、上記公報に
記載の燃料電池システムはエネルギー的に独立した系に
なっていない。

【０００６】このため、上記公報に記載の燃料電池シス
テムをそのまま車両等の移動体に適用することはできな
い。

【０００７】本発明は、上記点に鑑み、移動体に適した
燃料電池システムを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、移動体に搭
載された水素製造器（１００）を加熱するための加熱用
燃料が貯蔵された燃料タンク（３００）と、燃料電池
（２００）内に流体を循環させるポンプ（４１０）と、
燃料タンク（３００）に蓄えられた燃料を燃焼させて流
体を加熱する燃焼式ヒータ（４４０）とを備えることを
特徴とする。

【０００９】これにより、燃料タンク（３００）内に燃
料が残留している間は、燃料電池システム以外の系から
燃料の供給を受けることなく、燃料電池システムを良好
に起動する（立ち上げる）ことができる。

【００１０】請求項２、４〜１１に記載の発明では、移
動体に搭載され、水素が蓄えられた水素タンク（Ｈ１０
５）と、水素タンク（Ｈ１０５）に蓄えられた水素と空
気とを反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池
（２００）と、燃料電池（２００）内に流体を循環させ
るポンプ（４１０）と、燃料電池（２００）で発生する
熱を蓄える蓄熱手段（４２０）と、水素タンク（Ｈ１０
５）に蓄えられた水素を燃焼させて熱を発生する燃焼式
ヒータ（Ｈ１０１）とを備え、燃料電池（２００）の温
度が所定温度以下のときに、前記蓄熱手段（４２０）及
び燃焼式ヒータ（Ｈ１０１）のうち少なくとも一方にて
前記流体を加熱することを特徴とする。

【００１１】これにより、蓄熱手段（４２０）の蓄熱量
が不足しているときであっても、燃料タンク（３００）
内に燃料が残留している間は、燃料電池システム以外の
系から燃料の供給を受けることなく、燃料電池システム
を良好に起動する（立ち上げる）ことが可能となる。

【００１２】請求項３〜１１に記載の発明では、移動体
に搭載された水素製造器（１００）を加熱するための加
熱用燃料が貯蔵された燃料タンク（３００）と、燃料電
池（２００）内に流体を循環させるポンプ（４１０）
と、燃料電池（２００）で発生する廃熱を蓄える蓄熱手
段（４２０）と、燃料タンク（３００）に蓄えられた燃
料を燃焼させて熱を発生する燃焼式ヒータ（４４０）と
を備え、燃料電池（２００）の温度が所定温度以下のと
きに、蓄熱手段（４２０）及び燃焼式ヒータ（４４０）
のうち少なくとも一方にて流体を加熱することを特徴と
する。

【００１３】これにより、蓄熱手段（４２０）の蓄熱量
が不足しているときであっても、燃料タンク（３００）
内に燃料が残留している間は、燃料電池システム以外の
系から燃料の供給を受けることなく、燃料電池システム
を良好に起動する（立ち上げる）ことが可能となる。

【００１４】請求項４に記載の発明では、蓄熱手段（４
２０）を迂回させて流体を流通させる第１バイパス流路
（４４１）と、燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）を迂
回させて流体を流通させる第２バイパス流路（４４４）
とを備え、燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）の燃焼熱
により流体を加熱するときには、第１バイパス流路（４
４１）に流体を流通させ、蓄熱手段（４２０）に蓄えら
れた廃熱により流体を加熱するときには、第２バイパス
流路（４４４）に流体を流通させることを特徴とする。

【００１５】これにより、燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１
０１）の燃焼熱により流体を加熱するときには、熱容量
の大きい蓄熱手段（４２０）を迂回して流体を循環させ
ることとなるので、燃焼式ヒータ（４４０）で発生した
熱を効率的に燃料電池（２００）に与えることができ、
効率的に燃料電池（２００）を昇温加熱することができ
る。

【００１６】なお、請求項５に記載の発明のごとく、燃
焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）及び蓄熱手段（４２
０）により流体を加熱するときには、第１バイパス流路
（４４１）及び前記第１バイパス流路（４４１）を閉じ
てもよい。

【００１７】また、請求項６に記載の発明のごとく、燃
料電池（２００）の温度が所定温度以下であって、か
つ、蓄熱手段（４２０）に前記燃料電池（２００）を加
熱するに十分な熱量が蓄熱されている場合には、第１バ
イパス流路（４４１）を閉じ、かつ、前記第２バイパス
流路（４４４）を開き、さらに、燃料電池（２００）の
温度が所定温度以下であって、かつ、蓄熱手段（４２
０）に燃料電池（２００）を加熱するに十分な熱量が蓄
熱されていない場合には、第１バイパス流路（４４１）
開き、かつ、第２バイパス流路（４４４）を閉じた状態
で燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）を稼働させてもよ
いまた、請求項７に記載の発明のごとく、燃料電池（２
００）の温度が所定温度以下であって、かつ、蓄熱手段
（４２０）に燃料電池（２００）を加熱するに十分な熱
量が蓄熱されている場合には、第１バイパス流路（４４
１）を閉じ、かつ、第２バイパス流路（４４４）を開
き、さらに、燃料電池（２００）の温度が所定温度以下
であって、かつ、蓄熱手段（４２０）に燃料電池（２０
０）を加熱するに十分な熱量が蓄熱されていない場合に
は、両バイパス流路（４４１、４４４）を閉じた状態で
前記燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）を稼働させても
よい。

【００１８】また、請求項８に記載の発明のごとく、バ
ッテリ（９００）から電力を得て流体を加熱する電気ヒ
ータ（４５０）を設けてもよい。

【００１９】また、請求項９に記載の発明のごとく、蓄
熱手段（４２０）に蓄熱された熱量が所定値以下となっ
たときに、燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）及び電気
ヒータ（４５０）のうち少なくとも一方を稼働させて蓄
熱手段（４２０）の蓄熱量を増加させてもよい。

【００２０】また、請求項１０に記載のごとく、加熱蓄
熱モードを作動させるか否かを手動操作にて選択するよ
うにしてもよい。さらに、請求項１１に記載のごとく、
燃料タンク（３００）内の燃料量、蓄熱手段（４２０）
に蓄熱された熱量のうち少なくとも１つを表示する表示
手段（９１０）を設けてもよい。

【００２１】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００２２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係る燃料電池システムを電気自動車（以下、車
両と略す。）に適用したものであり、図１は第１実施形
態に係る燃料電池システムを示す模式図である。

【００２３】１００（一点鎖線で囲まれたもの）は、水
とメタノールとの混合溶液（以下、この混合溶液をメタ
ノール混合溶液と呼ぶ。）から水素が多量に含まれた水
素リッチガスを製造（生成）する水素製造器であり、こ
の水素製造器１００は、メタノール混合溶液を蒸発させ
る水素製造用燃料蒸発器（以下、蒸発器と略す。）１１
０、及び蒸発器１１０にて蒸発（気化）したメタノール
蒸気と水蒸気とを化学反応させて、水素と二酸化炭素と
少量の一酸化炭素とに改質する水素製造用燃料改質器
（以下、改質器と略す。）１２０等を有して構成されて
いる。

【００２４】なお、１３０は車両に搭載されてメタノー
ル混合溶液を貯蔵するメタノール混合溶液タンクであ
り、１３１はメタノール混合溶液タンク１３０内のメタ
ノール混合溶液を蒸発器１１０に向けて送る第１ポンプ
である。

【００２５】２００は、水素製造器１００にて製造され
た水素リッチガスと空気（酸素）とを化学反応させて発
電する電池スタック（以下、ＦＣスタックと表記す
る。）であり、このＦＣスタック２００にて発電された
電力により走行用電動モータ（図示せず）を駆動させ
る。

【００２６】なお、ＦＣスタック２００中の電極触媒
は、一酸化炭素により触媒機能が低下し易いので、本実
施形態では、改質器１２０にて発生する一酸化炭素を酸
化させて二酸化炭素に変化させる一酸化炭素低減器１４
０を水素製造器１００に設けている。

【００２７】２１０は、ＦＣスタック２００から排出さ
れる未使用の水素リッチガスから水蒸気（水分）を除去
する凝縮器であり、この凝縮器２１０により水分が除去
された水素リッチガスは、蒸発器１１０の加熱用燃料と
して再利用される。なお、凝縮器２１０にて分離除去さ
れた水分は、凝縮水タンク２１１にて貯蔵される。

【００２８】２２１は、凝縮水分タンク２１１等に蓄え
られた水分によりＦＣスタック２００に送風される空気
を加湿する空気加湿器であり、２２２はＦＣスタック２
００から排出される排気（水蒸気及び空気）を冷却して
水分を除去回収する除湿器である。

【００２９】そして、除湿器２２２にて分離除去された
水分は、凝縮水戻り通路２２３を経由して空気加湿器２
２１に戻され、ＦＣスタック２００に送風される空気の
加湿に再利用される。

【００３０】３００は、車両に搭載されて蒸発器１１０
及び後述する燃焼式ヒータ４４０の加熱用燃料（本実施
形態では、メタノール）を貯蔵するメタノール燃料タン
クであり、３１０はメタノール燃料タンク３００に貯蔵
されたメタノール（燃料）を蒸発器１１０及び燃焼式ヒ
ータ４４０に送る第２ポンプである。因みに、３１１は
第２ポンプ３１０から吐出されたメタノールの一部をメ
タノール燃料タンク３００に戻すメタノール戻し通路３
１２を開閉する燃料戻り弁である。

【００３１】なお、蒸発器１１０には、メタノール燃料
タンク３００のメタノール及びＦＣスタック２００から
の未使用水素リッチガスが供給されるが、燃料電池シス
テム（ＦＣスタック２００）の起動時には、ＦＣスタッ
ク２００から未使用水素含有リッチガスが供給されない
ので、主に、メタノール燃料タンク３００のメタノール
を加熱燃料として水素製造器１００を稼働させる。

【００３２】一方、燃料電池システムが稼働し、ＦＣス
タック２００から未使用水素含有リッチガスが供給され
始めた後は、主に、ＦＣスタック２００からの未使用水
素含有リッチガスを加熱燃料として水素製造器１００を
稼働させる。

【００３３】ところで、４１０はＦＣスタック２００内
に熱媒体（本実施形態では、水にエチレングリコール等
を添加した流体）を循環させる第３ポンプであり、４２
０はＦＣスタック２００で発生した廃熱を蓄える蓄熱器
である。なお、蓄熱器４２０の構造については、後述す
る。

【００３４】４３０は熱媒体と空気との間で熱交換を行
い、ＦＣスタック２００で発生した廃熱を大気中に放熱
するラジエータであり、４４０はメタノール燃料タンク
３００に貯蔵されたメタノールを燃焼させてＦＣスタッ
ク２００内を循環する熱媒体を加熱する燃焼式ヒータで
ある。なお、４３１はラジエータ４３０に冷却空気を送
風する電動式のラジエータファンであり、燃焼式ヒータ
４４０とラジエータ４３０とは、熱媒体流れに対して互
いに並列となるように熱媒体回路４００に配設されてい
る。

【００３５】そして、４４１は蓄熱器４２０を迂回させ
て流通させる蓄熱部バイパス通路（以下、第１バイパス
通路と呼ぶ。）であり、４４２はＦＣスタック２００を
迂回させて熱媒体を流通させるスタックバイパス通路
（以下、第４バイパス通路と呼ぶ。）である。

【００３６】また、４４３は蓄熱器４２０、ラジエータ
４３０及び燃焼式ヒータ４４０を迂回させて熱媒体を流
通させる低熱容量用バイパス通路（以下、第３バイパス
通路と呼ぶ。）であり、４４４は燃焼式ヒータ４４０及
びラジエータ４３０を流通する熱媒体流れに対して並列
に設けられたラジエータ／ヒータバイパス通路（以下、
第２バイパス通路と呼ぶ。）である。

【００３７】また、５００は、外部から空気を吸入して
水素製造器１００（蒸発器１１０及び改質器１２０）、
ＦＣスタック２００及び燃焼式ヒータ４４０に空気を送
風するエアポンプ（以下、第４ポンプと呼ぶ。）であ
り、水素製造器１００及び燃焼式ヒータ４４０で発生し
た燃焼排気ガス、並びにＦＣスタック２００で発生した
排気は、排気通路５１１〜５１４を流通して大気中に放
出される。

【００３８】なお、６０１は第４ポンプ５００から吐出
される送風空気を水素製造器１００、ＦＣスタック２０
０及び燃焼式ヒータ４４０に分配するとともに、その分
配量を調節する第１空気分配バルブであり、この第１空
気分配バルブ６０１により水素製造器１００側に分配さ
れた空気は、第２、３空気分配バルブ６０２、６０３に
よって蒸発器１１０、改質器１２０及び一酸化炭素低減
器１４０に分配されるとともに、その分配量が調節され
る。

【００３９】６０４はメタノール燃料タンク３００から
供給されるメタノールを蒸発器１１０、改質器１２０に
供給するとともに、その供給量を調節するメタノールバ
ルブである。７０１は第４バイパス通路４４２を流通す
る熱媒体の流量を調節する第１流量制御バルブであり、
７０２は第３バイパス通路４４３を流通する熱媒体の流
量を調節する第２流量制御バルブである。７０３は燃焼
式ヒータ４４０内を流通する熱媒体の流量を調節する第
３流量制御バルブであり、７０４は第２バイパス通路４
４４を流通する熱媒体の流量を調節する第４流量制御バ
ルブである。

【００４０】次に、蓄熱器４２０について、図２に基づ
いて述べる。

【００４１】図２中、４２１は熱媒体が保温貯蔵される
とともに、ステンレス製の第１、２タンク４２１ａ、４
２１ｂからなる二重タンク構造を有する保温タンクであ
り、第１、２タンク４２１ａ、４２１ｂ間は、保温タン
ク４２１の断熱性（保温性）を向上させるべく、略真空
となっている。

【００４２】また、保温タンク４２１の下方側には、第
１、２タンク４２１ａ、４２１ｂに貫通して第２タンク
４２１ｂ内で開口する流入管４２２ａ及び流出管４２２
ｂが設けられている。そして、流入管４２２ａは、第２
タンク４２１ｂ内において流出管４２２ｂより下方側で
開口して熱媒体を第２タンク４２１ｂ（保温タンク４２
１）内に導き、一方、流出管４２２ｂは、第２タンク４
２１ｂ内において流入管４２２ａより上方側で開口して
第２タンク４２１ｂ（保温タンク４２１）内に保温貯蔵
された熱媒体を外部に流出させる。

【００４３】４２３ａは流入管４２２ａを開閉する開閉
バルブであり、４２３ｂは流出管４２２ｂを開閉する開
閉バルブであり、４２４は蓄熱器４２０及び第１バイパ
ス通路４４１それぞれに流すＦＣスタック２００からの
熱媒体の流量を調節する流量調整弁である。４２６は、
熱媒体に比べて高い温度の融点を有し、主に融解潜熱に
より熱を蓄える蓄熱材（本実施形態ではナフタレン）か
らなる補助蓄熱材である。つまり、本実施形態に係る蓄
熱器４２０では、ＦＣスタック２００の廃熱は、保温貯
蔵された熱媒体及び補助蓄熱材４２６の顕熱、並びに補
助蓄熱材４２６の潜熱として蓄熱される。

【００４４】次に、本実施形態に係る燃料電池システム
の制御系について述べる。

【００４５】図３は燃料電池システムの制御系を示すブ
ロック図であり、８００は燃料電池システム全体を制御
するＦＣシステム制御装置（以下、ＦＣＣＵと表記す
る。）であり、このＦＣＣＵ８００は、ＦＣスタック２
００の温度を制御するＦＣ温度調節システム制御部８０
１、ＦＣスタック２００での発電量を制御するＦＣスタ
ック発電制御部８０２、及びメタノール混合溶液から生
成される水素リッチガスの量を制御する水素製造装置制
御部８０３、並びにＦＣ温度調節システム制御部８０
１、ＦＣスタック発電制御部８０２及水素製造装置制御
部８０３を統合制御するＦＣシステム統合制御部８０４
から構成されている。

【００４６】ここで、ＦＣ温度調節システム制御部８０
１には、ＦＣスタック２００の温度を検出するスタック
温度センサ８０５、蓄熱器４２０に保温貯蔵された熱媒
体の温度を検出する蓄熱温度センサ８０６、ラジエータ
４３０に配設されてラジエータ４３０から流出する熱媒
体の温度を検出するラジエータ温度センサ８０７、燃焼
式ヒータ４４０に配設されて燃焼式ヒータ４４０にて加
熱された熱媒体の温度を検出するヒータ温度センサ８０
８、熱媒体回路４００を構成する配管の温度を検出する
熱媒体経路温度センサ８０９、及び第３ポンプ４１０の
温度を検出するポンプ温度センサ８１０からの検出信号
が入力されている。

【００４７】なお、ＦＣスタック２００の温度及び蓄熱
器４２０に保温貯蔵された熱媒体の温度は、ＦＣスタッ
ク２００及び蓄熱器４２０内の熱媒体には温度分布があ
るため、スタック温度センサ８０５及び蓄熱温度センサ
８０６それぞれは、ＦＣスタック２００及び蓄熱器４２
０にそれぞれに複数個配設されており、ＦＣスタック２
００の蓄熱量、蓄熱器４２０の蓄熱量をより正確に求め
ることができるようになっている。

【００４８】そして、ＦＣ温度調節システム制御部８０
１は、ＦＣシステム統合制御部８０４からの指令信号及
び各センサ８０５〜８１０の入力信号に基づいて予め設
定されたプログラムに従って、第３ポンプ４１０の吐出
流量、燃焼式ヒータ４４０での発熱量、ラジエータ４３
０での放熱量（ラジエータファン４３１の回転数）、第
１〜４流量制御バルブ７０１〜７０４及び流量調整弁４
２４、並びに第３ポンプ４１０、第１空気分配バルブ６
０１及び水素分配バルブ６０４の作動を制御する。

【００４９】また、ＦＣスタック発電制御部８０２及水
素製造装置制御部８０３には、車両の走行状態及びバッ
テリ９００の充電状態等の燃料電池システムで必要とす
る電力に関する情報を検出する各種のセンサ（図示せ
ず）からの信号が入力されており、ＦＣスタック発電制
御部８０２及水素製造装置制御部８０３それぞれは、Ｆ
Ｃシステム統合制御部８０４からの指令信号及び各種の
センサからの信号に基づいて予め設定されたプログラム
に従って、ＦＣスタック２００及び水素製造装置１００
の作動を制御する。

【００５０】なお、Ｓ１は外気温度を検出する外気温度
センサであり、Ｓ２は外気の湿度を検出する湿度センサ
であり、Ｓ３は外気圧を検出する気圧センサであり、Ｓ
４は車両に対する外気の風速を検出する風速センサであ
り、これらセンサＳ１〜Ｓ４の検出信号は、ＦＣシステ
ム統合制御部８０４に入力されている。

【００５１】ところで、図４は、ＦＣＣＵ８００からの
信号に基づいて乗員に向けて燃料電池システムに関する
情報を表示する表示パネル（表示手段）９１０を示して
おり、この表示パネル９１０は車室内の前方側（計器板
近傍）に配設されている。

【００５２】そして、表示パネル９１０には、蓄熱器４
２０に蓄熱された熱量を表示する蓄熱量表示部９１１、
蓄熱器４２０に熱を蓄熱する方法（蓄熱モード）を表示
する蓄熱モード表示部９１２、蓄熱モード表示部９１２
に表示された蓄熱モードの開始予定時刻を表示する蓄熱
モード開始時刻表示部９１３、並びにメタノール混合溶
液タンク１３０内の残量メタノール混合溶液及びメタノ
ール燃料タンク３００内の残量メタノールを切換表示す
る残存燃料表示部９１４が設けられている。

【００５３】また、蓄熱モード表示部９１２は、タッチ
スイッチ（蓄熱モード設定手段）を兼ねており、この蓄
熱モード表示部９１２に乗員が触れて手動操作すること
により、後述する第１、２加熱蓄熱モード及び自然放熱
モードの選択を行うことができる。

【００５４】次に、図５、６に示すフローチャートに基
づいて本実施形態に係る燃料電池システム（ＦＣＣＵ８
００）の特徴的作動を述べる。

【００５５】車両のスタータスイッチ（図示せず）が投
入されると、センサＳ１〜Ｓ４の検出信号から外気温
度、湿度、気圧及び風速等の外部環境条件、昇温対象機
器（ＦＣスタック２００）の温度（スタック温度センサ
８０５の検出温度）、蓄熱器４２０に保温貯蔵された熱
媒体の温度（蓄熱温度センサ８０６の検出温度）、熱媒
体回路４００を構成する配管の温度（熱媒体経路温度セ
ンサ８０９の検出温度）及び第３ポンプ４１０の温度
（ポンプ温度センサ８１０の検出温度）を読み込む（Ｓ
１００〜Ｓ１３０）。

【００５６】次に、外部環境条件（特に、外気温度）、
ＦＣスタック２００の温度及び外気温度とＦＣスタック
２００の温度との温度差等に基づいてＦＣスタック２０
０を昇温（加熱）する必要があるか否かを判定し（Ｓ１
４０）、ＦＣスタック２００を昇温（加熱）する必要が
ないと判定されたときには、水素製造装置１００を起動
させ、次に、ＦＣスタック２００を稼働させて発電を始
める（Ｓ１５０）。

【００５７】一方、ＦＣスタック２００を昇温（加熱）
する必要があると判定されたときには、Ｓ１００〜Ｓ１
３０にて読み込んだ検出値に基づいて、ＦＣスタック２
００を所定温度Ｔｏまで昇温させるに必要な熱量（以
下、この熱量を第１必要熱量と呼ぶ。）を演算する（Ｓ
１６０）。

【００５８】なお、所定温度Ｔｏとは、ＦＣスタック２
００内の電解質膜が発電することができる最低温度以上
の温度を言い、現状の高分子電解質膜では、約０℃〜９
０℃の間の温度である。

【００５９】したがって、ＦＣスタック２００を昇温す
る必要があるか否かの判定（Ｓ１４０）も、ＦＣスタッ
ク２００の温度が所定温度Ｔｏ以上であるか否かを基準
に判断される。

【００６０】次に、蓄熱器４２０に保温貯蔵された熱媒
体の温度に基づいて蓄熱器４２０に蓄熱された熱量（以
下、この熱量を蓄熱量と呼ぶ。）を演算するとともに、
この蓄熱量と第１必要熱量とを比較する（Ｓ１７０）。

【００６１】そして、蓄熱量が第１必要熱量より大きい
ときには、外気温度、熱媒体経路温度センサ８０９の検
出温度及びポンプ温度センサ８１０の検出温度等に基づ
いて、仮に熱媒体が図７の太線で示されるように、ＦＣ
スタック２００→蓄熱器４２０→第２バイパス通路４４
４→第３ポンプ４１０の順に循環させた場合に（以下、
このように熱媒体を循環させる場合を循環モードＡと呼
ぶ。）、熱媒体回路４００の配管や第３ポンプ４１０等
の熱媒体回路４００中に存在する機器での放熱量（以
下、この放熱量を第１熱損失量と呼ぶ。）を演算し（Ｓ
１８０）、この第１熱損失量に第１必要熱量を加算した
値（以下、この値を第２必要熱量と呼ぶ。）と蓄熱量と
を比較する（Ｓ１９０）。

【００６２】次に、第２必要熱量より蓄熱量が大きいと
きには、ＦＣスタックを加熱するに十分な熱量が蓄熱器
４２０に蓄えられているものとみなして、第１〜４流量
制御バルブ７０１〜７０４、流量調整弁４２４を作動さ
せて熱媒体回路４００を循環モードＡとした状態でＦＣ
スタック２００の温度が所定温度Ｔｏとなるまで熱媒体
をＦＣスタック２００内に循環させる（Ｓ２００〜Ｓ２
２０）。なお、第２必要熱量が蓄熱量以上であるときに
は、後述するＳ２４０に移行する。

【００６３】一方、Ｓ１７０にて蓄熱量が第１必要熱量
以下であると判定されたときには、蓄熱量が０（ゼロ）
であるか否かを判定する（Ｓ２３０）。ここで、蓄熱量
が０とは、例えば蓄熱器４２０の温度がＦＣスタック２
００の温度以下の場合のように、蓄熱器４２０からＦＣ
スタック２００に熱を供給することができない場合を言
うものである。

【００６４】そして、蓄熱量が０（ゼロ）でないと判定
されたときには、熱媒体が図８の太線で示されるよう
に、ＦＣスタック２００→蓄熱器４２０→燃焼式ヒータ
４４０→第３ポンプ４１０の順に循環する（以下、この
ように熱媒体を循環する場合を循環モードＢと呼ぶ。）
ように第１〜４流量制御バルブ７０１〜７０４、流量調
整弁４２４を作動させるとともに（Ｓ２４０）、外気温
度、熱媒体経路温度センサ８０９の検出温度及びポンプ
温度センサ８１０の検出温度等に基づいて、熱媒体を循
環モードＢで循環させた場合に熱媒体回路４００の配管
や第３ポンプ４１０等の熱媒体回路４００中に存在する
機器での放熱量（以下、この放熱量を第２熱損失量と呼
ぶ。）を演算し、かつ、その第２熱損失量に第１必要熱
量を加えた値（以下、この値を第３必要熱量と呼ぶ。）
を演算する（Ｓ２５０）。

【００６５】次に、第３必要熱量及び蓄熱量に基づいて
燃焼式ヒータ４４０での加熱量を演算し（Ｓ２６０）、
燃焼式ヒータ４４０及び第３ポンプ４１０を稼働させて
ＦＣスタック２００の温度が所定温度Ｔｏとなるまで熱
媒体をＦＣスタック２００内に循環させる（Ｓ２７０〜
Ｓ２９０）。

【００６６】一方、Ｓ２１０にて蓄熱量が０（ゼロ）で
あると判定されたときには、熱媒体が図９の太線で示さ
れるように、ＦＣスタック２００→第１バイパス通路４
４１→燃焼式ヒータ４４０→第３ポンプ４１０の順に循
環する（以下、このように熱媒体を循環する場合を循環
モードＣと呼ぶ。）ように第１〜４流量制御バルブ７０
１〜７０４、流量調整弁４２４を作動させるとともに
（Ｓ３００）、外気温度、熱媒体経路温度センサ８０９
の検出温度及びポンプ温度センサ８１０の検出温度等に
基づいて、熱媒体を循環モードＣで循環させた場合に熱
媒体回路４００の配管や第３ポンプ４１０等の熱媒体回
路４００中に存在する機器での放熱量（以下、この放熱
量を第３熱損失量と呼ぶ。）を演算し、かつ、その第３
熱損失量に第１必要熱量を加えた値（以下、この値を第
４必要熱量と呼ぶ。）を演算する（Ｓ３１０）。

【００６７】次に、第４必要熱量に基づいて燃焼式ヒー
タ４４０での加熱量を演算し（Ｓ３２０）、燃焼式ヒー
タ４４０及び第３ポンプ４１０を稼働させてＦＣスタッ
ク２００の温度が所定温度Ｔｏとなるまで熱媒体をＦＣ
スタック２００内に循環させる（Ｓ３３０〜Ｓ３５
０）。

【００６８】次に、ＦＣスタック２００の温度が所定温
度Ｔｏ以上となり、ＦＣスタック２００の昇温が完了し
た後について述べる。循環モードＡ、Ｂでは、蓄熱器４
２０に保温貯蔵された高温の熱媒体を循環させることに
よりＦＣスタック２００を昇温するので、蓄熱器４２０
の蓄熱量が低下してしまい、次回、燃料電池システムを
起動時に蓄熱量が不足するおそれが高い。

【００６９】一方、ＦＣスタック２００は、発電時に発
熱するとともに、その温度が過度（例えば、９０℃以
上）に上昇すると、電解質膜中の水分が減少して電気伝
導率が低下し、発電能力が低下するので、ＦＣスタック
２００の温度が過度に上昇した場合は、熱媒体にてＦＣ
スタック２００で発生する熱（余剰熱）を吸収除去して
ＦＣスタック２００を冷却する必要がある。

【００７０】そこで、本実施形態では、循環モードＡ、
Ｂ、Ｃによらず、ＦＣスタック２００の昇温が完了し、
さらに余剰熱が発生して蓄熱が可能となった後は、図１
０に示すように、熱媒体をＦＣスタック２００→蓄熱器
４２０→第２バイパス通路４４４→第３ポンプ４１０の
順に循環させる（以下、この状態を第１蓄熱循環モード
と呼ぶ。）。

【００７１】これにより、ＦＣスタック２００で発生す
る廃熱が熱媒体に吸収されてＦＣスタック２００の温度
が過度に上昇することが防止されるとともに、熱媒体に
吸収された余剰熱が蓄熱器４２０に蓄えられる。

【００７２】また、蓄熱器４２０に蓄熱する熱量の時間
変化（蓄熱速度）を調節する場合は、図１１に示すよう
に、第１バイパス通路４４１及び蓄熱部４２０それぞれ
に分配して流すＦＣスタック２００からの熱媒体の量を
調節することにより可能となる（以下、この状態を第２
蓄熱循環モードと呼ぶ。）。

【００７３】そしてさらに、ＦＣスタック２００からの
余剰熱量が増大したときには、図１２に示すように、ラ
ジエータ４３０に熱媒体を流通させて、余剰熱を外部に
放熱させる。また、放熱量はラジエータファン４３１の
回転数の調節以外にラジエータ４３０及び第２バイパス
通路４４４それぞれに分配する熱媒体の量を調節するこ
とにより行うことも可能である（以下、この状態を第３
蓄熱循環モードと呼ぶ。）。

【００７４】ところで、第１蓄熱循環モードにおいて、
蓄熱器４２０内に残留している熱媒体温度が低く、蓄熱
器４２０から流出する熱媒体の温度が過度に低下する
と、ＦＣスタック２００の温度が低下し、ＦＣスタック
２００での発電能力が低下してしまうおそれがある。

【００７５】そこで、このようなときには、蓄熱器４２
０に蓄えられた熱媒体の平均温度が低い場合であって
も、熱媒体流れを第２蓄熱循環モードと同様にして、蓄
熱器４２０に流入する熱媒体の流量を低下させてＦＣス
タック２００に流入する熱媒体の温度が過度に低下する
ことを防止する（以下、この状態を第４蓄熱循環モード
と呼ぶ。）。

【００７６】また、ＦＣスタック２００の温度を発電可
能温度に昇温後に、さらに短時間で発電効率の最も良い
温度（６０〜９０℃）までＦＣスタック２００の自己発
熱のみで昇温したいときは、図１３に示すように、熱媒
体をＦＣスタック２００→第３バイパス通路４４３→第
３ポンプ４１０の順に循環させてもよい（以下、この状
態を第１急速昇温モードと呼ぶ。）。

【００７７】さらに、第１急速昇温モードよりも、さら
に短時間でＦＣスタック２００を発電効率の最も良い温
度（６０〜９０℃）に昇温したときは、燃焼式ヒータ４
４０を稼働させた状態で、図１４に示すように、熱媒体
をＦＣスタック２００→第１バイパス通路４４１→燃焼
式ヒータ４４０→第３ポンプ４１０の順に循環させても
よい（以下、この状態を第２急速昇温モードと呼
ぶ。）。

【００７８】なお、図１５に示すように、熱媒体をＦＣ
スタック２００→第１バイパス通路４４１及び蓄熱器４
２０→燃焼式ヒータ４４０→第３ポンプ４１０の順に循
環させれば（以下、この状態を第５蓄熱循環モードと呼
ぶ。）、ＦＣスタック２００に流入する熱媒体の温度が
過度に低下することを防止しつつ、素早く蓄熱器４２０
に熱を蓄えることができる。

【００７９】次に、車両が停止（ＦＣスタック２００が
停止）しているときの蓄熱器４２０の制御について述べ
る。蓄熱器４２０は、前述のごとく、主にＦＣスタック
２００の廃熱を蓄えるものであるので、ＦＣスタック２
００が停止すると、蓄熱器４２０内に蓄えられた熱媒体
の平均温度は、図１６の太い波線で示すように、時間と
共に外気温（Ｔｅｎｖｉｒｏｎ）まで低下していく。し
たがって、ＦＣスタック２００が停止した後、長時間、
蓄熱器４２０を放置しておく（以下、この状態を自然放
熱モードと呼ぶ。）と、次回のＦＣスタック（車両）起
動時に、蓄熱器４２０に蓄えられた熱量では、ＦＣスタ
ック２００を十分に昇温加熱することができなくなって
しまう。

【００８０】そこで、本実施形態では、車両が停止（Ｆ
Ｃスタック２００が停止）した後であっても、蓄熱器４
２０内に蓄えられた熱媒体の温度（蓄熱量）が第１所定
値（Ｔｓｅｔ）以下となったときには、蓄熱器４２０内
に蓄えられた熱媒体の温度（蓄熱量）が第１所定値（Ｔ
ｓｅｔ）より大きい第２所定値（Ｔｍａｘ）となるまで
は、燃焼式ヒータ４４０を稼働させるとともに、図１７
に示すように、熱媒体を第２バイパス通路４４２→蓄熱
器４２０→燃焼式ヒータ４４０→第３ポンプ４１０の順
に循環させる機能（以下、この状態を第１加熱蓄熱モー
ドと呼ぶ。）、並びに車両停止後所定時間が経過したと
きに、燃焼式ヒータ４４０を稼働させるとともに、熱媒
体を第４バイパス通路４４２→蓄熱器４２０→燃焼式ヒ
ータ４４０→第３ポンプ４１０の順に循環させる機能
（以下、この状態を第２加熱蓄熱モードと呼ぶ。）を有
している。

【００８１】したがって、第１加熱蓄熱モードを選択す
れば、車両が停止（ＦＣスタック２００が停止）した後
であっても、蓄熱器４２０内の温度（蓄熱量）を、図１
６の太い実線に示されるように、第１所定値（Ｔｓｅ
ｔ）と第２所定値（Ｔｍａｘ）との間に保温することが
できる。一方、第２加熱蓄熱モードを選択すれば、車両
が停止（ＦＣスタック２００が停止）して長時間経過し
たときであっても、図１６の細い波線で示されるよう
に、予め設定した時間の経過後に蓄熱器４２０内の温度
（蓄熱量）を第１所定値Ｔｓｅｔと第２所定値Ｔｍａｘ
との間に復帰させておくことができる。

【００８２】次に、本実施形態の特徴を述べる。

【００８３】本実施形態によれば、車両に搭載されたメ
タノール燃料タンク３００内に蓄えられた燃料（メタノ
ール）により燃焼式ヒータ４４０を稼働させるので、メ
タノール燃料タンク３００内に燃料が残留している間
は、燃料電池システム以外の系から燃料の供給を受ける
ことなく、燃料電池システムを良好に起動する（立ち上
げる）ことができる。

【００８４】また、循環モードＣにおいては、熱容量の
大きい蓄熱器４２０を迂回して熱媒体を循環させるの
で、燃焼式ヒータ４４０で発生した熱を効率的にＦＣス
タック２００に与えることができ、効率的にＦＣスタッ
ク２００を昇温加熱することができる。

【００８５】（第２実施形態）本実施形態は、第１実施
形態に対して、図１８に示すように、第１バイパス通路
４４１を廃止したものである。これにより、流量調整弁
４２４を廃止できるので、燃料電池システムの構成部品
を減らすことができるので、燃料電池システムの製造原
価低減を図ることができる。

【００８６】（第３実施形態）本実施形態は、図１９に
示すように、第２実施形態に対して、第４、３バイパス
通路４４２、４４３及び第１、２流量制御バルブ７０
１、７０２を廃止したものである。これにより、燃料電
池システムの製造原価低減をさらに図ることができる。

【００８７】（第４実施形態）本実施形態は、図２０に
示すように、第３実施形態に対して、第１バイパス通路
４４１及び流量調整弁４２４を付加したものである。

【００８８】（第５実施形態）本実施形態は、図２１に
示すように、第４実施形態に対して、第４バイパス通路
４４４を廃止したものである。

【００８９】（第６実施形態）第１実施形態では、第３
ポンプ４１０がＦＣスタック２００の熱媒体入口側に設
けられていたが、本実施形態は、図２２に示すように、
第３ポンプ４１０をＦＣスタック２００の熱媒体出口側
に設けたものである。

【００９０】（第７実施形態）本実施形態は、図２３に
示すように、第６実施形態に対して、第４、３バイパス
通路４４２、４４３及び第１、２流量制御バルブ７０
１、７０２を廃止したものである。

【００９１】（第８実施形態）本実施形態は、図２４に
示すように、第７実施形態に対して、第１バイパス通路
４４１を廃止したものである。

【００９２】（第９実施形態）本実施形態は、図２５に
示すように、第７実施形態に対して、第２バイパス通路
４４４を廃止したものである。

【００９３】（第１０実施形態）本実施形態は、図２６
に示すように、第１実施形態に対して、蓄熱器４２０を
ＦＣスタック２００の熱媒体出口側に設けたものであ
る。

【００９４】（第１１実施形態）本実施形態は、図２７
に示すように、第１０実施形態に対して、第３ポンプ４
１０をＦＣスタック２００の熱媒体入口側に設けたもの
である。

【００９５】（第１２実施形態）上述の実施形態では、
蓄熱器４２０の第１、２タンク４２１ａ、４２１ｂ間は
略真空であったが、本実施形態は、図２８に示すよう
に、第１、２タンク４２１ａ、４２１ｂ間にグラスウー
ル等の保温断熱材を封入したものである。

【００９６】（第１３実施形態）本実施形態は、図２９
に示すように、第１２実施形態に係る蓄熱器４２０にお
いて、補助蓄熱材４２６を廃止したものである。

【００９７】（第１４実施形態）上述の実施形態では、
熱媒体を加熱する発熱源は燃焼式ヒータ４４０のみであ
ったが、本実施形態は、図３０、３１に示すように、発
熱源として、バッテリ９００から電力を得て発熱する電
気ヒータ４５０を設けたものである。

【００９８】ところで、図３０は、電気ヒータ４５０を
蓄熱器４２０に内蔵した例であり、この例によれば、電
気ヒータ４５０の熱を蓄熱器４２０内の熱媒体に対して
直接に与えることができるので、効率良く熱媒体を加熱
することができる。また、図３１は、電気ヒータ４５０
を蓄熱器４２０外に設けた例であり、この例によれば、
蓄熱器４２０の構造を図３０に示す構造に比べて簡素化
することができるので、蓄熱器４２０の製造原価低減を
図ることができる。

【００９９】さらに、図３１に示す例では、第１、２タ
ンク４２１ａ、４２１ｂ間を貫通する部位を図３０に示
す構造に比べて減らすことができるので、蓄熱器４２０
からの放熱能力を減少させることができ、蓄熱器４２０
の放熱能力を向上させることができる。

【０１００】なお、図３１中、４５１は蓄熱器４２０と
電気ヒータ４５０との間に熱媒体を循環させる電動式の
第５ポンプである。４５２、４５４、４５５は、蓄熱器
４２０と電気ヒータ４５０との間を循環する熱媒体の流
通状態を制御する第１〜３流路切換バルブであり、これ
ら流路切換バルブ４５２、４５４、４５５により、電気
ヒータ４５０にて加熱された熱媒体をＦＣスタック２０
０に向けて流通させる場合と、蓄熱器４２０と電気ヒー
タ４５０との間を循環させる場合とに切り替える。

【０１０１】（第１５実施形態）上述の実施形態では、
炭化水素系燃料（メタノール）を燃料改質器（水素製造
装置）にて水素リッチガスに改質し、ＦＣスタック２０
０に供給する方式であったが、本実施形態は、図３２に
示すように、水素タンクＨ１０５内の水素吸蔵合金に水
素を蓄える方式に本発明を適用したものである。

【０１０２】そして、本実施形態では、水素タンクＨ１
０５に蓄えられた水素（燃料）を燃焼させる水素燃焼ヒ
ータＨ１０１によりＦＣスタック２００内を流通する熱
媒体を加熱する。なお、その他は、第１実施形態と同じ
であるので、説明を省略する。

【０１０３】以下、水素タンクＨ１０５へ水素を供給す
る方法の概略を述べる。

【０１０４】水素タンクＨ１０５内の水素は水素燃料ス
テーション（ガソリンエンジン車両におけるガソリンス
タンドに相当するもの）において補給される。水素補給
時に、水素燃料ステーションに設置してある水素補給時
用熱媒体冷却装置（図示せず。）と通路Ｈ３２１、Ｈ３
２２とを接続する。

【０１０５】次に、水素タンクＨ１０５を含む熱媒体経
路をバルブＨ２１３を切り換えることにより主熱媒体経
路から切り離す。そして、バルブＨ２１１１、Ｈ２１２
を開くとともに、通路Ｈ３２２から熱交換部Ｈ３２６に
熱媒体が流通するようにバルブＨ２１４を操作する。こ
のとき、電気ヒータＨ１０３からの熱媒体の流れは完全
に遮断される。

【０１０６】次に、水素燃料ステーションの水素供給装
置と通路Ｈ３２７を接続するとともに、バルブＨ２１７
を閉じる。なお、熱媒体の流通経路は、Ｈ３２２→Ｈ２
１２→Ｈ２１３→Ｈ１２４→Ｈ３２６→Ｈ２１１→Ｈ３
２１である。

【０１０７】ところで、水素吸蔵合金は水素を吸蔵する
際に発熱し、水素を放出する際に吸熱するので、水素タ
ンクＨ１０５に水素を補給する際に水素吸蔵合金を冷却
する必要がある。そこで、バルブＨ２１６を開いて水素
燃料ステーションの水素供給装置を操作して水素を通路
Ｈ３７２から水素タンクＨ１０５に補給する際には、水
素燃料ステーションの水素補給時用熱媒体冷却装置を作
動させて低温の熱媒体を通路Ｈ３２２からバルブＨ２１
２、Ｈ２１３、Ｈ２１４を経て水素タンクＨ１０５内の
熱交換部Ｈ３２６に供給し、水素吸蔵合金が水素を吸蔵
する際に発生する熱を熱媒体に吸熱させる。なお、吸熱
して昇温された熱媒体は、バルブＨ２２０、Ｈ２１１及
び通路Ｈ３２１を経由して水素燃料ステーションの水素
補給時用冷却装置に戻される。

【０１０８】次に、水素タンクＨ１０５から水素を取り
出す方法の概略を述べる。

【０１０９】電気ヒータＨ１０３とポンプＨ１０８とを
作動させて熱媒体を加熱し、その加熱した熱媒体により
水素タンクＨ１０５内の水素吸蔵合金を加熱して水素放
出させる。このとき、水素タンクＨ１０５内の圧力が上
昇するので、バルブＨ２１７を開いて水素を水素緩衝タ
ンクＨ１０７内に流して、水素タンクＨ１０５内の圧力
上昇を防止して放出水素量を増加させる。

【０１１０】次に、バルブＨ２１５を操作して水素を水
素循環装置Ｈ１０４に流し、加湿器Ｈ１０２にて加湿し
た状態の水素をＦＣスタック２００に水素を供給する。
なお、ＦＣスタック２００から排出される未利用水素
は、凝縮器Ｈ１０６にて除湿された後、水素循環装置１
０４に戻されて水素タンクＨ１０５から供給された水素
と共に、再びＦＣスタック２００に循環させられる。

【０１１１】なお、熱媒体の温度が水素吸蔵合金を加熱
するに十分な温度を有している場合には、バルブＨ２１
３、Ｈ２１４、Ｈ２２０を調節して水素タンクＨ１０５
に導入する熱媒体量（熱量）を調節し、水素吸蔵合金か
ら放出される水素量を調節する。一方、熱媒体の温度が
水素吸蔵合金を加熱するに十分な温度を有していない場
合には、バルブＨ２１４を調節して水素タンクＨ１０５
に導入する熱媒体量を調節しながら、電気ヒータＨ１０
３を作動させて水素タンクＨ１０５に供給する熱量を調
節する。また、水素タンクＨ１０１に蓄えられた水素に
より水素燃焼ヒータ（燃焼式ヒータ）Ｈ１０１を稼働さ
せて熱媒体を加熱してもよい。

【０１１２】（第１６実施形態）第１５実施形態では、
水素タンクＨ１０５に水素を供給する（水素吸蔵合金に
水素を吸蔵させる）際に、水素燃料ステーションの水素
補給時用冷却装置から直接に冷却用の熱媒体を水素タン
クＨ１０５内に注入して循環させたが、本実施形態は、
図３３に示すように、熱交換器Ｈ１０９にて水素補給時
用冷却装置からの冷却用の熱媒体と水素タンクＨ１０５
内を循環する熱媒体とを熱交換して水素吸蔵合金を冷却
するようにしたものである。

【０１１３】これにより、外部から注入される熱媒体と
燃料電池システム（ＦＣスタック２００）内を流通する
熱媒体とが混合しないので、燃料電池システム（ＦＣス
タック２００）内の熱媒体の急激な品質劣化及び特性変
化の心配がない。

【０１１４】（第１７実施形態）本実施形態は、図３４
に示すように、第１５実施形態（図３２）から電気ヒー
タＨ１０３及び循環用ポンプＨ１０８を廃止したもので
ある。なお、水素吸蔵合金を加熱するには、水素燃焼ヒ
ータＨ１０１を作動させて熱媒体を加熱することにより
行う。

【０１１５】（第１８実施形態）本実施形態は、図３５
に示すように、第１６実施形態（図３３）から電気ヒー
タＨ１０３及び循環用ポンプＨ１０８を廃止したもので
ある。なお、水素吸蔵合金を加熱するには、水素燃焼ヒ
ータＨ１０１を作動させて熱媒体を加熱することにより
行う。

【０１１６】（第１９実施形態）第１５〜１８実施形態
は、水素吸蔵合金にて水素タンクＨ１０５内に水素を蓄
えたが、本実施形態は、水素吸蔵合金を用いることな
く、高圧タンク内に液化水素を蓄えたものである。

【０１１７】（第２０実施形態）本実施形態は、図３７
に示すように、第１９実施形態において、水素タンクＨ
１０５内に水素を吸着・放出する際に熱の出入りが小さ
いかほとんど無視できて特別の熱処理対応システムを必
要としない水素吸着物質（例えば、カーボンナノチュー
ブ等）を配設して水素の貯蔵量を増大させたものであ
る。

【０１１８】（第２１実施形態）上述の実施形態では、
車両停止時においても車両に搭載されたメタノール燃料
タンク３００内に蓄えられた燃料（メタノール）により
燃焼式ヒータ４４０を稼働させたが、本実施形態は、長
時間に渡って車庫等の定位置に車両を停車する場合に備
えて、図３８に示すように、車庫等の定位置に据え付け
られたメタノール燃料タンクから燃料の供給を受けて燃
焼式ヒータ４４０を稼働させるようにしたものである。

【０１１９】なお、本実施形態は、車庫等の定位置に据
え付けられた電源装置から電力を得て電気ヒータ４５０
に通電するようにしてもよい。

【０１２０】（第２２実施形態）本実施形態は、第１実
施形態と同様な機器構成（図１、３参照）を有する燃料
電池システムにおいて、効率的に蓄熱器４２０から熱媒
体を供給することにより、ＦＣスタック２００を速やか
に昇温させるものである。以下、図３９に示すフローチ
ャートに基づいて本実施形態の特徴的作動を述べる。

【０１２１】車両のスタータスイッチ（図示せず）が投
入されると、センサＳ１〜Ｓ４の検出信号から外気温
度、湿度、気圧及び風速等の外部環境条件、昇温対象機
器（ＦＣスタック２００）の温度（スタック温度センサ
８０５の検出温度）、蓄熱器４２０に保温貯蔵された熱
媒体の温度（蓄熱温度センサ８０６の検出温度）、熱媒
体回路４００を構成する配管の温度（熱媒体経路温度セ
ンサ８０９の検出温度）及び第３ポンプ４１０の温度
（ポンプ温度センサ８１０の検出温度）を読み込む（Ｓ
４００〜Ｓ４３０）。

【０１２２】次に、外部環境条件（特に、外気温度）、
ＦＣスタック２００の温度及び外気温度とＦＣスタック
２００の温度との温度差等に基づいてＦＣスタック２０
０を昇温（加熱）する必要があるか否かを判定し（Ｓ４
４０）、ＦＣスタック２００を昇温（加熱）する必要が
ないと判定されたときには、水素製造装置１００を起動
させ、次に、ＦＣスタック２００を稼働させて発電を始
める（Ｓ４５０）。

【０１２３】一方、ＦＣスタック２００を昇温（加熱）
する必要があると判定されたときには、蓄熱器４２０か
ら流出する熱媒体をラジエータ４３０を流通させること
なく、第２バイパス通路４４４を流通するように第４流
量制御バルブ７０４を作動させるとともに（Ｓ４６
０）、蓄熱器４２０に保温貯蔵された熱媒体の温度（以
下、この温度を蓄熱熱媒体温度ＴＡと呼ぶ。）と現在
（初期）のＦＣスタック２００の温度（以下、この温度
をＦＣ温度ＴＳと呼ぶ。）との温度差ΔＴが所定のしき
い値ＴＢ以上であるか否かを判定する（Ｓ４７０）。

【０１２４】そして、温度差ΔＴがしきい値ＴＢ以上で
あるときには、蓄熱器４２０に蓄えられた熱媒体の温度
が十分に高く、一回、ＦＣスタック２００に熱媒体を供
給するのみでＦＣスタック２００を所定温度Ｔｏまで昇
温することができるものと見なして、蓄熱器４２０から
熱媒体を流出させて、図４０（ａ）に示すように、ＦＣ
スタック２００内に流出した高温の熱媒体を充填すると
ともに、高温の熱媒体がＦＣスタック２００内に完全充
填された時に、熱媒体の充填（供給）を停止する（Ｓ４
８０）。

【０１２５】なお、高温の熱媒体がＦＣスタック２００
内に充填されることにより、それまでＦＣスタック２０
０内に存在していた低温の熱媒体がＦＣスタック２００
から流出して蓄熱器４２０内に流入するが、図４０に示
すように、蓄熱器４２０から流出する熱媒体はタンク上
方側から流出し、流入する熱媒体はタンク下方側から流
入するので、高温の熱媒体と低温の熱媒体とが大きく混
合してしまうことはない。因みに、図４０（ｂ）は、蓄
熱器４２０から熱媒体を供給し始める前の状態を示す模
式図である。

【０１２６】その後、ＦＣ温度ＴＳを検出し（Ｓ４９
０）、ＦＣ温度ＴＳが所定温度Ｔｏ以上となったとき
に、ＦＣスタック２００の昇温が完了したものと見なし
て、ＦＣスタック２００を始動する。

【０１２７】一方、Ｓ４７０にて温度差ΔＴがしきい値
ＴＢ未満であると判定されたときには、蓄熱器４２０に
蓄えられた熱媒体の温度が低く、ＦＣスタック２００に
熱媒体を一回供給するのみでは、ＦＣスタック２００を
所定温度Ｔｏまで昇温することができないものと見なし
て、ＦＣ温度ＴＳが所定温度Ｔｏ以上となるまで、Ｓ４
８０と同様な作動を繰り返す（Ｓ５００〜Ｓ５２０）。

【０１２８】具体的には、蓄熱器４２０から熱媒体を流
出させて、ＦＣスタック２００内に流出した熱媒体を充
填し、ＦＣスタック２００内にその流出した熱媒体が完
全に充填された時に、熱媒体の充填（供給）を停止す
る。

【０１２９】その後、ＦＣ温度ＴＳの温度上昇が略飽和
した時、又は充填停止後、所定時間が経過した時に、再
び、蓄熱器４２０から熱媒体を流出させて、ＦＣスタッ
ク２００内に流出した熱媒体を充填し、ＦＣスタック２
００内にその流出した熱媒体が完全に充填された時に、
熱媒体の充填（供給）を停止する。そして、この行為を
ＦＣ温度ＴＳが所定温度Ｔｏ以上となるまで行う。

【０１３０】なお、蓄熱熱媒体温度ＴＡが所定温度Ｔｏ
より低い場合には、蓄熱器４２０から供給される熱媒体
を燃焼式ヒータ４４０にて加熱昇温させて、Ｓ５００〜
Ｓ５２０と同様に、ＦＣ温度ＴＳが所定温度Ｔｏ以上と
なるまで、Ｓ４８０と同様な作動を繰り返す。

【０１３１】次に、本実施形態の特徴を述べる。

【０１３２】本実施形態によれば、蓄熱器４２０から供
給される熱媒体をラジエータ４３０を迂回させてＦＣス
タック２００に充填するので、蓄熱器４２０に蓄えられ
た熱量を無駄なく、ＦＣスタック２００の昇温に利用す
ることができる。

【０１３３】また、熱媒体がＦＣスタック２００内に充
填し、熱媒体の供給を停止させた状態でＦＣスタック２
００の昇温を行うので、熱媒体を循環（流通）させた状
態でＦＣスタック２００を加熱昇温する場合に比べて、
熱伝達量を大きくすることができ、効率良くＦＣスタッ
ク２００を昇温することができる。

【０１３４】以上に述べたように、本実施形態では、Ｆ
Ｃスタック２００を短時間で効率良く昇温することがで
きるので、蓄熱器４２０の小型化を図ることができ、燃
料電池システムの車両への搭載性を向上させることがで
きる。

【０１３５】（第２３実施形態）本実施形態は、第２２
実施形態において、ＦＣスタック２００の温度を均一に
上昇させるようにしたものである。

【０１３６】ところで、ＦＣスタック２００に熱媒体を
充填する際には、必然的に、熱媒体入口側のＦＣ温度Ｔ
Ｓが熱媒体出口側のＦＣ温度ＴＳより高くなるような温
度分布が発生する。このとき、ＦＣスタック２００中、
所定温度Ｔｏより低い温度を有する部位があると、ＦＣ
スタック２００にて発電を開始することができないの
で、暖機運転を終了することができない。そこで、本実
施形態では、熱媒体を以下のようにして循環（充填）す
る。

【０１３７】すなわち、熱媒体をＦＣスタック２００内
に充填した後、所定時間が経過した時、又はＦＣスタッ
ク２００の各部における温度上昇が略飽和した時に、熱
媒体入口側におけるＦＣ温度ＴＳより低い温度の熱媒体
（以下、この熱媒体を低温熱媒体と呼ぶ。）を熱媒体入
口側近傍にのみ充填する。

【０１３８】なお、熱媒体入口側近傍とは、熱媒体入口
からＦＣ温度ＴＳが低温熱媒体より高くなるまでの部位
を言うものである。

【０１３９】そして、その状態から所定時間が経過した
時、又は熱媒体入口側近傍におけるＦＣ温度ＴＳの温度
上昇が略飽和した時に、温度が上昇した低温熱媒体を熱
媒体出口側に移動（流通）させた後、所定時間が経過す
るまで、又は熱媒体出口側近傍におけるＦＣ温度ＴＳの
温度上昇が略飽和するまでの間、低温熱媒体の移動（流
通）を停止させる。

【０１４０】これにより、本実施形態では、ＦＣスタッ
ク２００のうち熱媒体入口側の熱量を熱媒体出口側に移
動させることができるので、新たに高温の熱媒体を供給
することなく、ＦＣスタック２００全体を速やかに所定
温度Ｔｏまで昇温することができる。

【０１４１】（第２４実施形態）本実施形態も第２２実
施形態の変形例であり、本実施形態では、熱媒体に脈動
を持たせてＦＣスタック２００に熱媒体を供給するもの
である。

【０１４２】これにより、ＦＣスタック２００内に流入
する熱媒体は、流通方向前後に振動（ストローク）する
ようにＦＣスタック２００内に流入するので、熱媒体か
らＦＣスタック２００に供給される熱伝達量を増大させ
ることができる。

【０１４３】さらに、ＦＣスタック２００内に流入する
熱媒体は、流通方向前後に振動（ストローク）するよう
にＦＣスタック２００内に流入することにより、微視的
に見ると、ＦＣスタック２００に熱を供給して温度が低
下した熱媒体が、その熱を供給して温度が上昇したＦＣ
スタック２００の部位に戻ることとなるので、第２３実
施形態と同様に、新たに高温の熱媒体を供給することな
く、ＦＣスタック２００全体を速やかに所定温度Ｔｏま
で昇温することができる。

【０１４４】（その他の実施形態）第１５〜１７実施形
態では、水素タンクＨ１０５内の水素吸蔵合金にて水素
を吸蔵・放出させたが、水素を吸蔵・放出する際に熱の
出入りがある水素吸着物質であって、水素吸蔵合金と異
なる物質（例えば、マグネシウム水素化物等）を水素タ
ンクＨ１０５内に配設してもよい。また、高圧水素タン
ク以外に液化水素タンクに水素を蓄えたシステムとして
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム
の模式図である。

【図２】第１実施形態に係る蓄熱器の模式図である。

【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム
の制御ブロック図である。

【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム
の表示パネルに関する図である。

【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム
のフローチャートである。

【図６】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム
のフローチャートである。

【図７】循環モードＡの説明図である。

【図８】循環モードＢの説明図である。

【図９】循環モードＣの説明図である。

【図１０】第１蓄熱循環モードの説明図である。

【図１１】第２蓄熱循環モードの説明図である。

【図１２】第３蓄熱循環モードの説明図である。

【図１３】第１急速昇温モードの説明図である。

【図１４】第２急速昇温モードの説明図である。

【図１５】第５蓄熱循環モードの説明図である。

【図１６】熱媒体の温度変化を示すグラフである。

【図１７】第１加熱蓄熱モードの説明図である。

【図１８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図１９】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２０】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２１】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２２】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２３】本発明の第７実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２４】本発明の第８実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２５】本発明の第９実施形態に係る燃料電池システ
ムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２６】本発明の第１０実施形態に係る燃料電池シス
テムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２７】本発明の第１１実施形態に係る燃料電池シス
テムの熱媒体回路を示す模式図である。

【図２８】本発明の第１２実施形態に係る蓄熱器の模式
図である。

【図２９】本発明の第１３実施形態に係る蓄熱器の模式
図である。

【図３０】本発明の第１４実施形態に係る蓄熱器の模式
図である。

【図３１】本発明の第１４実施形態に係る蓄熱器の変形
例を示す模式図である。

【図３２】本発明の第１５実施形態に係る燃料電池シス
テムの模式図である。

【図３３】本発明の第１６実施形態に係る燃料電池シス
テムの模式図である。

【図３４】本発明の第１７実施形態に係る燃料電池シス
テムの模式図である。

【図３５】本発明の第１８実施形態に係る燃料電池シス
テムの模式図である。

【図３６】本発明の第１９実施形態に係る燃料電池シス
テムの模式図である。

【図３７】本発明の第２０実施形態に係る燃料電池シス
テムの模式図である。

【図３８】本発明の第２１実施形態に係る説明図であ
る。

【図３９】本発明の第２２実施形態に係る燃料電池シス
テムのフローチャートである。

【図４０】本発明の第２２実施形態に係る燃料電池シス
テムにおける、熱媒体流れを示す概念図である。

【符号の説明】

１００…水素製造装置、１１０…水素製造用燃料蒸発
器、１２０…水素製造用燃料改質器、１３０…メタノー
ル混合溶液タンク、２００…ＦＣスタック（燃料電
池）、３００…メタノール燃料タンク、４１０…第３ポ
ンプ、４２０…蓄熱器（蓄熱手段）、４３０…ラジエー
タ、４４０…燃焼式ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀田 直人 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐々木 博邦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 藤田 信雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 BA09 BA14 BA16 CC06 CC11 DD03 KK00 KK46 KK48 MM13 MM16

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素と酸素との化学反応により発生する
   電気エネルギーを動力源として移動する移動体の燃料電
   池システムであって、 水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造する水素製
   造器（１００）と、 前記水素製造器（１００）にて製造された水素リッチガ
   スと空気とを反応させて電気エネルギーを発生させる燃
   料電池（２００）と、 前記移動体に搭載され、前記水素製造器（１００）を加
   熱するための加熱用燃料が貯蔵された燃料タンク（３０
   ０）と、 前記燃料電池（２００）内に流体を循環させるポンプ
   （４１０）と、 前記燃料タンク（３００）に蓄えられた燃料を燃焼させ
   て前記流体を加熱する燃焼式ヒータ（４４０）とを備え
   ることを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 水素と酸素との化学反応により発生する
   電気エネルギーを動力源として移動する移動体の燃料電
   池システムであって、 前記移動体に搭載され、水素が蓄えられた水素タンク
   （Ｈ１０５）と、 前記水素タンク（Ｈ１０５）に蓄えられた水素と空気と
   を反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（２
   ００）と、 前記燃料電池（２００）内に流体を循環させるポンプ
   （４１０）と、 前記燃料電池（２００）で発生する熱を蓄える蓄熱手段
   （４２０）と、 前記水素タンク（Ｈ１０５）に蓄えられた水素を燃焼さ
   せて熱を発生する燃焼式ヒータ（Ｈ１０１）とを備え、 前記燃料電池（２００）の温度が所定温度以下のとき
   に、前記蓄熱手段（４２０）及び前記燃焼式ヒータ（Ｈ
   １０１）のうち少なくとも一方にて前記流体を加熱する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 水素と酸素との化学反応により発生する
   電気エネルギーを動力源として移動する移動体の燃料電
   池システムであって、 水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造する水素製
   造器（１００）と、 前記水素製造器（１００）にて製造された水素リッチガ
   スと空気とを反応させて電気エネルギーを発生させる燃
   料電池（２００）と、 前記移動体に搭載され、前記水素製造器（１００）を加
   熱するための加熱用燃料が貯蔵された燃料タンク（３０
   ０）と、 前記燃料電池（２００）内に流体を循環させるポンプ
   （４１０）と、 前記燃料電池（２００）で発生する熱を蓄える蓄熱手段
   （４２０）と、 前記燃料タンク（３００）に蓄えられた燃料を燃焼させ
   て熱を発生する燃焼式ヒータ（４４０）とを備え、 前記燃料電池（２００）の温度が所定温度以下のとき
   に、前記蓄熱手段（４２０）及び前記燃焼式ヒータ（４
   ４０）のうち少なくとも一方にて前記流体を加熱するこ
   とを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記蓄熱手段（４２０）を迂回させて前
   記流体を流通させる第１バイパス流路（４４１）と、 前記燃焼式ヒータ（４４０）を迂回させて前記流体を流
   通させる第２バイパス流路（４４４）とを備え、 前記燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）の燃焼熱により
   前記流体を加熱するときには、前記第１バイパス流路
   （４４１）に流体を流通させ、前記蓄熱手段（４２０）
   に蓄えられた熱により前記流体を加熱するときには、前
   記第２バイパス流路（４４４）に流体を流通させること
   を特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 前記燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）
   及び前記蓄熱手段（４２０）により前記流体を加熱する
   ときには、前記第１バイパス流路（４４１）及び前記第
   ２バイパス流路（４４４）を閉じ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。
6. 【請求項６】 前記両バイパス流路（４４１、４４４）
   の流通状態を制御する制御手段（８００）を備え、 前記制御手段（８００）は、前記燃料電池（２００）の
   温度が所定温度以下であって、かつ、前記蓄熱手段（４
   ２０）に前記燃料電池（２００）を加熱するに十分な熱
   量が蓄熱されている場合には、前記第１バイパス流路
   （４４１）を閉じ、かつ、前記第２バイパス流路（４４
   ４）を開き、 さらに、前記制御手段（８００）は、前記燃料電池（２
   ００）の温度が所定温度以下であって、かつ、前記蓄熱
   手段（４２０）に前記燃料電池（２００）を加熱するに
   十分な熱量が蓄熱されていない場合には、前記第１バイ
   パス流路（４４１）を開き、かつ、前記第２バイパス流
   路（４４４）を閉じた状態で前記燃焼式ヒータ（４４
   ０、Ｈ１０１）を稼働させ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。
7. 【請求項７】 前記両バイパス流路（４４１、４４４）
   の流通状態を制御する制御手段（８００）を備え、 前記制御手段（８００）は、前記燃料電池（２００）の
   温度が所定温度以下であって、かつ、前記蓄熱手段（４
   ２０）に前記燃料電池（２００）を加熱するに十分な熱
   量が蓄熱されている場合には、前記第１バイパス流路
   （４４１）を閉じ、かつ、前記第２バイパス流路（４４
   ４）を開き、 さらに、前記制御手段（８００）は、前記燃料電池（２
   ００）の温度が所定温度以下であって、かつ、前記蓄熱
   手段（４２０）に前記燃料電池（２００）を加熱するに
   十分な熱量が蓄熱されていない場合には、前記両バイパ
   ス流路（４４１、４４４）を閉じた状態で前記燃焼式ヒ
   ータ（４４０、Ｈ１０１）を稼働させることを特徴とす
   る請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】 前記移動体には、電力が蓄えられたバッ
   テリ（９００）が搭載されており、 さらに、前記バッテリ（９００）から電力を得て前記流
   体を加熱する電気ヒータ（４５０）を備えていることを
   特徴とする請求項２ないし７のいずれか１つに記載の燃
   料電池システム。
9. 【請求項９】 前記制御手段（８００）は、前記蓄熱手
   段（４２０）に蓄熱された熱量が所定値以下となったと
   きに、前記燃焼式ヒータ（４４０、Ｈ１０１）及び前記
   電気ヒータ（４５０）のうち少なくとも一方を稼働させ
   て前記蓄熱手段（４２０）の蓄熱量を増加させる加熱蓄
   熱モードを有していることを特徴とする請求項８に記載
   の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 前記加熱蓄熱モードを作動させるか否
    かを手動操作にて選択することができる蓄熱モード設定
    手段（９１２）を備えていることを特徴とする請求項９
    に記載の燃料電池システム。
11. 【請求項１１】 前記燃料タンク（３００）内の燃料
    量、前記蓄熱手段（４２０）に蓄熱された熱量のうち少
    なくとも１つを表示する表示手段（９１０）が設けられ
    ていることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか
    １つに記載の燃料電池システム。