JP2003297404A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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Yukihiro Yoshizawa
幸大 吉澤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】極低温環境下で、起動エネルギ消費量を低減
し、起動時間を短縮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１１の電解質膜に供給するガス
を加湿する加湿器１２と、加湿器１２に水を供給する少
なくとも一つの水供給系と、を備えた燃料電池システム
において、起動時に燃料電池システムの凍結状態を判断
する凍結判断手段１と、起動時に燃料電池システムが凍
結状態であると判断された際には、加湿器１２を停止さ
せた状態で燃料電池１１の稼動を開始する凍結制御手段
３、４と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システムに関
し、特に低温時において、システムの起動に要するエネ
ルギ消費量の低減と起動時間の短縮を図る燃料電池シス
テムに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池システムは、燃料が有する化学
エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。電
解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素
を含有する燃料ガスを、陰極に酸素を含有する酸化剤ガ
スを供給して、これら一対の電極の電解質膜側の表面で
生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネ
ルギを取り出すものである。
【０００３】
【化１】 陽極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（１） 陰極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（２） 燃料ガスを陽極に供給する方法としては、水素貯蔵装置
から直接供給する方法、水素を含有する燃料から改質反
応により生成した水素含有ガスを供給する方法が知られ
ている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化
水素タンク、水素吸蔵合金タンク等が考えられる。改質
反応により水素含有ガスを生成する燃料としては、天然
ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。一方、陰
極に供給する酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いら
れている。
【０００４】このような燃料電池においては、電解質膜
の性能を引き出して発電効率を向上させるために、電解
質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。そのため、燃
料電池に導入する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、純水に
より加湿されてから発電に用いられている。ここで、加
湿に純水を用いるのは、水中に含まれた不純物が膜に蓄
積して燃料電池の性能が低下するのを防ぐためである。
【０００５】しかしながら、燃料電池システムの環境温
度が０℃以下になった場合には、この加湿に用いられる
純水が凍結する。この場合には、解凍する際に潜熱に相
当する氷の融解熱が必要となり、燃料電池システムの起
動に多くのエネルギが必要になると共に、システムの起
動時間が長くなるという問題があった。
【０００６】そこで、燃料電池の起動時間を短縮するた
めの従来技術として、特開２０００−１７３６３８号公
報のようなものが知られている。これは、燃料電池本体
を二つの発電部に分解して、熱容量が小さい発電部を先
に暖機して起動するというものである。燃料電池を加熱
する循環水を熱容量が小さい発電部のみに流すことによ
り、前記発電部を先に起動させて起動時間の短縮を行っ
ている。
【０００７】また、加湿に要するエネルギを低減し、起
動時間を短縮する方法として、特開２０００−８２８４
１号公報のようなものが知られている。これは、加湿用
の水タンクを二つ有し、昇温時と暖機後とで使用する水
タンクを切換えるというものである。起動時には、燃料
電池内に備えた水タンクを使用することによって燃料電
池の発電を利用できるため、加湿に要するエネルギが低
減し、起動の短縮を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
特開２０００−１７３６３８号公報や特開２０００−８
２８４１号公報においては、循環水や水タンク内の水が
凍結する０℃以下の極低温の条件については言及してい
ない。
【０００９】そこで本発明は、純水が凍結する０℃以下
の極低温環境下でシステムを起動する際に、システム起
動に要するエネルギ消費量を低減し、起動時間を短縮す
ることができる燃料電池システムを提供することを目的
とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】第１の発明は、燃料電
池に供給するガスを加湿する少なくとも一つの加湿手段
と、前記加湿手段に水を供給する少なくとも一つの水供
給系と、を備えた燃料電池システムにおいて、起動時に
前記燃料電池システムの凍結状態を判断する凍結判断手
段を有し、前記燃料電池システムの凍結状態に応じて供
給可能な加湿量を切換える凍結制御手段と、を備える。
【００１１】第２の発明は、第１の発明において、前記
凍結制御手段は、起動時に前記燃料電池システムが凍結
状態であると判断された際に、前記加湿手段の少なくと
も一つを停止させた状態で前記燃料電池の稼動を開始す
る。
【００１２】第３の発明は、第２の発明において、前記
凍結制御手段は、起動時に前記燃料電池システムが凍結
状態であると判断された際に、すべての前記加湿手段を
停止させた状態で前記燃料電池の稼動を開始する。
【００１３】第４の発明は、第２または３の発明におい
て、前記凍結制御手段は、起動時に前記燃料電池システ
ムが凍結状態であると判断された際に、停止させた前記
加湿手段、およびその加湿手段を含む水供給系を、前記
燃料電池の廃熱により解凍する。
【００１４】第５の発明は、第１または２の発明におい
て、前記水供給系を複数備えた。
【００１５】第６の発明は、第５の発明において、前記
水供給系として、第１の水供給系と、保有する水量が前
記第１の純粋系よりも少ない第２の水供給系を備え、前
記凍結制御手段は、前記燃料電池システムが凍結状態で
あると判断された際に、前記燃料電池稼動直後には前記
第２の水供給系により加湿を行う。
【００１６】第７の発明は第６の発明において、前記第
１の水供給系に第１の加湿手段、前記第２の水供給系に
第２の加湿手段を備え、前記第１の加湿手段を、バブリ
ング型加湿器、膜型加湿器、またはポーラスプレート型
加湿器のいずれか一つの加湿手段とし、前記第２の加湿
手段を水インジェクタまたは水スプリンクラー型の加湿
手段とする。
【００１７】第８の発明は、第６または７の発明におい
て、燃料電池システムの暖機状態を検出する暖機判断手
段を備え、前記凍結制御手段は、前記燃料電池システム
が凍結状態であると判断された際に、前記燃料電池シス
テム暖機終了後に、第２の水供給系から第１の水供給系
に切換えて加湿を行う。
【００１８】第９の発明は、第６から８のいずれか一つ
の発明において、前記凍結制御手段は、前記燃料電池停
止時に、前記燃料電池の停止状態に応じて、前記第２の
水供給系の保有する水量を変える。
【００１９】第１０の発明は、第９の発明において、前
記燃料電池システムの外気温度を測定する外気温度測定
手段を備え、前記凍結制御手段は、前記燃料電池停止時
に、外気温度が低いほど前記第２の水供給系に保有する
水量を多くする。
【００２０】第１１の発明は、第６から１０のいずれか
一つの発明において、前記水供給系に保有される水を解
凍する熱供給手段を備え、前記凍結制御手段は、前記燃
料電池システムが凍結状態であると判断された際に、前
記熱供給手段により前記第２の水供給系を解凍し、前記
第２の水供給系を用いた前記燃料電池の発電で生じる廃
熱により前記第１の水供給系を解凍する。
【００２１】
【作用及び効果】第１の発明によれば、燃料電池システ
ムの凍結状態に応じて供給可能な加湿量を切換えること
で、燃料電池システムの凍結状態に応じた起動を行うこ
とができ、起動時間を短縮し、起動時に消費するエネル
ギ量を低減することができる。
【００２２】第２の発明によれば、燃料電池が凍結して
いると判断されたときには、加湿手段の少なくとも一つ
を停止させておくことで、起動時に停止させておく加湿
手段を解凍する必要がなくなり、起動時間を短縮できる
と共に消費エネルギ量を低減することができる。
【００２３】第３の発明によれば、燃料電池システムが
凍結状態であると判断されたときに、すべての加湿手段
が停止した状態で燃料電池を稼動することで、起動時に
加湿手段の解凍を行わずに燃料電池の稼動を開始するこ
とができるので、起動時間を短縮することができると共
に消費エネルギ量を低減することができる。
【００２４】第４の発明によれば、加湿手段を含む水供
給系を、燃料電池の廃熱により解凍することで、消費エ
ネルギ量を低減することができる。
【００２５】第５の発明によれば、水供給系を複数備え
ることで、条件に応じて起動時間が短く、消費エネルギ
量の少ない水供給系を使用することができる。
【００２６】第６の発明によれば、燃料電池システムが
凍結状態であると判断されたときには、燃料電池稼動直
後には保有水量の少ない第２の水供給系により加湿を行
うことで、水供給系を解凍するために消費するエネルギ
を抑えることができると共に、解凍に要する時間も短縮
することができる。
【００２７】第７の発明によれば、第２の加湿手段を水
インジェクタまたは水スプリンクラー型の加湿手段とす
ることで、燃料電池稼動直後に用いる第２の加湿手段を
簡単な構造とすることができる。
【００２８】第８の発明によれば、燃料電池システム暖
機終了後に、第２の水供給系から第１の水供給系に切換
えて加湿を行うことで、十分な水量をもった加湿器を用
いることができるので、加湿器に供給されるガス流量が
増加しても加湿することができる。または、性能のよい
加湿器を使用することで、効率のよい発電を行うことが
できる。
【００２９】第９の発明によれば、燃料電池の停止状態
に応じて、第２の水供給系の保有する水量を変えること
で、起動時に燃料電池の状態に応じた加湿を行うことが
できる。
【００３０】第１０の発明によれば、外気温度が低いほ
ど前記第２の水供給系に保有する水量を多くすること
で、第２の水供給系を用いた加湿運転で水が不足するの
を防ぐことができる。
【００３１】第１１の発明によれば、第１の水供給系お
よび第１の加湿手段については、第２の水供給系および
第２の加湿手段を用いた燃料電池の発電で生じる廃熱に
より解凍することで、第１の水供給系および第１の加湿
手段を解凍するためのエネルギを抑えることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】第１の実施形態における燃料電池
システムの構成を図１に示す。本実施形態で、起動時に
純水供給系の凍結状態を検出し、純水供給系が凍結して
いる場合には解凍できるまで加湿器１２を非稼動として
無加湿運転を行う。また、純水供給系の解凍にはヒータ
等の外部のエネルギを利用せずに、燃料電池１１の廃熱
を利用する。
【００３３】燃料電池１１は、アノード極側には燃料供
給手段により燃料ガスが、カソード極側には空気供給手
段により酸化剤ガスが供給され、これらの電気化学反応
により発電を行う。燃料ガスとしては、水素を直接供給
するタイプの燃料電池システムでは水素貯蔵装置から送
られる水素を用い、改質型燃料電池システムにおいては
メタノール等の燃料を改質することにより生成した水素
リッチガスを用いる。カソード極側に供給される酸化剤
ガスとしては空気を用いる。
【００３４】燃料電池１１の上流側には、供給される燃
料ガスおよび酸化剤ガスを加湿するための加湿装置１２
を配置する。また、燃料電池１１の下流側には、加湿に
用いた、または、燃料電池１１における反応により生成
された水を再び加湿に用いるために回収する水回収装置
１３を配置した。
【００３５】水回収装置１３により回収した水を加湿器
１２に供給するための純水供給系を有し、これを純水タ
ンク１４および純水ポンプ１５により構成する。純水タ
ンク１４では、前述の水回収装置１３で回収した水およ
び燃料電池１１内に液相として存在する過剰水分を貯蔵
する。この貯蔵した水分を、純水ポンプ１５を用いて加
湿器１２に循環させることにより燃料ガスおよび酸化剤
ガスの加湿を行う。
【００３６】また、システムの温度を調整するためにＬ
ＬＣ（ロングライフクーラント）系を備え、これにエチ
レングリコール等を含む不凍液を循環させる。ＬＬＣ系
としては、燃料電池１１を循環する小循環ラインＡと、
燃料電池１１と純水供給系を循環する大循環ラインＢと
の二つの循環ラインを備える。小循環ラインＡでは、不
凍液は、貯蔵されているＬＬＣタンク１６からＬＬＣポ
ンプ１７を介して燃料電池１１に供給され、再びＬＬＣ
タンク１６に貯蔵される。一方、大循環ラインＢでは、
ＬＬＣタンク１６からＬＬＣポンプ１７を介して水回収
装置１３に供給される。その後、燃料電池１１、加湿器
１２、純水タンク１４に供給されてから再びＬＬＣタン
ク１６に供給される。小循環ラインＡと大循環ラインＢ
との切換えは、ＬＬＣポンプ１７の下流に配置したバル
ブ１８により行う。
【００３７】ＬＬＣ系には不凍液を加熱するために、燃
料電池１１に使用される燃料を利用する燃焼器、触媒ヒ
ータあるいは電気を利用する電気ヒータ等からなるヒー
タ２０を設置する。ここでは、ヒータ２０はＬＬＣタン
ク１６に隣接して配置する。また、不凍液の温度が過剰
に上昇した場合に熱を外部に排出するためのラジエータ
１９を、ＬＬＣタンク１６を迂回するバイパス３３上に
配置する。不凍液をＬＬＣタンク１６側に供給するか、
ラジエータ１９側に供給するかは、バイパス３３の分岐
点に配置したバルブ２３により制御する。
【００３８】このような燃料電池システムでは、燃料電
池１１の加湿に用いる水管理を容易にするために純水が
用いられているため、外気温の低下により燃料電池１１
が０℃以下になった場合には純水供給系が凍結する。こ
のため、燃料電池システム内に存在する水は、システム
停止時には純水タンク１４に回収される。ここで、純水
タンク１４は貯蔵する水が凍結しても破損しない構造と
する。
【００３９】また、燃料電池システムの凍結を判断する
ための温度検出手段として、純水供給系に純水供給系温
度検出手段２１を、燃料電池１１に燃料電池温度検出手
段２２を配置する。ここでは、純水供給系温度検出手段
２１を純水タンク１４に配置したが、純水供給系上のそ
の他の位置に配置してもよい。
【００４０】このような燃料電池システムを制御するた
めにシステム制御ユニット１０を配置する。システム制
御ユニット１０には、起動制御を行うために、外部から
の起動信号および温度検出手段２１、２２による測定値
に基づいてシステムの凍結を判断するシステム凍結判断
手段２、この判断結果に応じて加湿、解凍を制御する加
湿制御手段３、解凍制御手段４を備える。本実施形態に
おいては、凍結制御手段をシステム制御ユニット１０と
し、特にシステム制御ユニット１０の加湿制御手段３、
解凍制御手段４とする。ここでは、外部からの起動信号
により制御を開始する。
【００４１】システム制御ユニット１０において行う起
動時の制御フローを図２に示す。
【００４２】ステップＳ１において、燃料電池温度検出
手段２２により燃料電池１１の温度を測定、入力する。
次にステップＳ２において、ステップＳ１において読み
込んだ温度から燃料電池１１が凍結しているかどうかを
判断する。このときの判断値を例えば０℃、あるいは温
度分布があることを考慮して２℃等とする。
【００４３】燃料電池１１が凍結していないと判断され
たら、ステップＳ８に進み、燃料電池１１の運転を開始
する。ステップＳ２において凍結していると判断された
ら、燃料電池１１を稼動するために解凍する必要がある
ので、ステップＳ３に進み、不凍液の循環を開始する。
このときには、消費エネルギを抑え、また解凍時間を短
縮するために燃料電池１１のみの解凍を行うので、ＬＬ
Ｃ系としては小循環ラインＡを採用する。
【００４４】次にステップＳ４に進み、不凍液を加熱す
るためのヒータ２０を稼動させる。これにより温度の高
い不凍液が小循環ラインＡを循環するので、燃料電池１
１の解凍が促進される。ステップＳ５において、再び燃
料電池検出手段２２により燃料電池１１の温度を測定
し、ステップＳ６において燃料電池１１の解凍が終了し
たかどうか、つまり燃料電池１１の温度がステップＳ２
における判断値以上であるかどうかを判断する。燃料電
池１１が解凍されるまでステップＳ５、Ｓ６を繰り返
し、解凍されたと判断されたらステップＳ７に進み、ヒ
ータ２０を停止する。
【００４５】次にステップＳ８に進み、燃料電池１１の
運転を開始する。このとき、純水供給系は凍結している
可能性があるので、燃料電池１１が暖機するまでは無加
湿運転を行う。
【００４６】ここで、図５に燃料電池システムの温度に
対する水回収量を示す。水回収量とは、排気ガスに含ま
れる水蒸気として燃料電池１１から排出されずに燃料電
池１１内に残留する水分量とする。燃料電池システムが
凍結するような温度が低い条件においては、飽和蒸気圧
が低いために排出ガスとともに燃料電池１１から排出さ
れる水は少ない。そのため、燃料電池１１の加湿に必要
な水は生成水によって充分に提供されるので、燃料ガス
および酸化剤ガスを加湿する必要がない。よって、加湿
器１２が稼動されなくても燃料電池１１を運転すること
が可能となる。
【００４７】ステップＳ８において燃料電池１１を稼動
すると自己発熱により昇温する。そこで、ステップＳ９
において再び燃料電池１１の温度を読み込み、ステップ
Ｓ１０において燃料電池１１が暖機しているかどうかを
判断する。ここでは、例えば６５℃より高くなった時に
燃料電池１１が暖機されたと判断し、６５℃に達するま
では自己発熱により暖機を継続する。
【００４８】燃料電池１１が暖機されたと判断された
ら、ステップＳ１１に進み、ＬＬＣの循環ラインを小循
環ラインＡから純水供給系を含んだ大循環ラインＢに切
換えるために、バルブ１８を制御する。これにより、大
循環ラインＢを流れる不凍液は、水回収装置１３、燃料
電池１１、純水供給系の加湿器１２および純水タンク１
４を循環する。このときヒータ２０はＯＦＦになってい
るが、燃料電池１１の廃熱を利用して純水供給系に熱を
供給することができる。純水供給系が凍結している場合
には、燃料電池１１の発電に伴う発熱により解凍が促進
される。
【００４９】次に、ステップＳ１２に進み、純水供給系
温度検出手段２１により純水供給系の温度を測定し、ス
テップＳ１３において、純水供給系が凍結しているかど
うかを判断する。このとき、ステップＳ１２の測定値が
０℃以下、温度分布を考慮するならば２℃以下等であれ
ば凍結していると判断してステップＳ１２に戻る。燃料
電池１１の廃熱により解凍が進み、所定の温度以上とな
ったら加湿運転が可能となるので、ステップＳ１４に進
み、加湿器１２の稼動を開始して加湿運転を開始する。
【００５０】ステップＳ１５に進み、ラジエータ１９に
よるＬＬＣ系の冷却が必要かどうかを判断する。ＬＬＣ
系の温度が過剰に上がると、燃料電池１１の温度を適温
に維持出来なくなる。これを防ぐために、ラジエータ１
９によるＬＬＣ系の冷却が必要だと判断されたら、ステ
ップＳ１６に進み、循環ラインＢにバイパス３３に配置
したラジエータ１９が加えられるようにバルブ２３を制
御する。
【００５１】このような制御を行った場合の燃料電池シ
ステム起動時の起動時純水供給系温度に対する起動エネ
ルギの関係を図３に示す。
【００５２】起動時の温度が０℃以下の場合には純水供
給系が凍結している可能性がある。このとき従来のよう
に加湿運転を行うためには、純水供給系を解凍する必要
があり、そのために水の融解熱が必要となる。これによ
り、システム解凍時には起動エネルギが大幅に増加する
ので、起動エネルギとして用いる燃料や電気エネルギの
消費量が増大し、システムの燃料効率が悪化する。一
方、燃料電池１１の暖機後には、燃料電池１１発生した
余分な熱をラジエータ１９で外部に排出する。
【００５３】これに対して、本実施形態のように、燃料
電池１１の稼動開始直後には加湿器１２を用いずに無加
湿運転を行う場合には、燃料電池１１が稼動するまでに
純水を解凍する必要がない。純水供給系の解凍は、燃料
電池１１の暖機後にＬＬＣ系により供給される燃料電池
１１の廃熱を利用するので、解凍によるシステムの燃料
効率の悪化を防ぐことができる。そのため、図３に示す
ように、起動エネルギは燃料電池１１を稼動できる状態
にまで加熱するのに必要なエネルギとなり、起動による
燃料消費を低減することができる。
【００５４】次に、起動に用いるヒータを同じ出力とし
た場合の起動時純水供給系温度に対する起動時間を図４
に示す。図３と同様に、従来例においては純水が凍結す
る０℃以下では起動時間が大幅に増加する。これに対し
て、本実施形態では起動時に純水供給系を解凍する必要
がないため、起動時間を大幅に短縮することができる。
【００５５】このように、燃料電池システムの凍結状態
に応じて供給可能な加湿量を切換えることで、例えば凍
結している際には供給可能な加湿量を減少することで、
解凍の対象となる純水量を低減することができるので、
起動時間を短縮し、消費エネルギを低減することができ
る。ここでは、システムが凍結している場合には燃料電
池１１のみを解凍し、解凍後には無加湿運転を行うこと
で、システム起動から燃料電池１１を稼動するまでの時
間を短縮することができる。また、純水供給系の解凍に
は、燃料電池１１の廃熱を利用するので、起動時に消費
するエネルギを低減することができる。
【００５６】なお、本実施形態では、燃料電池１１が０
℃以下の場合には生成水が凍結するために燃料電池１１
を稼動しないとしたが、要求出力が小さい場合には生成
水が少ないため凍結による障害（氷により流路が閉塞す
る等）が発生しない可能性もある。よって、要求出力に
応じて、起動開始時から燃料電池１１を稼動させてもよ
い。
【００５７】また、本実施形態では、燃料電池１１内で
は小循環ラインＡと大循環ラインＢは独立した流路をも
っているが、燃料電池１１内の流路を共通として、燃料
電池１１の下流側のそれぞれのラインにバルブを配置
し、不凍液を流通させたいラインのバルブのみを開くこ
とによりＬＬＣ系を制御し、燃料電池１１内のＬＬＣ系
が接触する面積を増加することもできる。
【００５８】次に、第２の実施形態における燃料電池シ
ステムの構成を図６に示す。
【００５９】本実施形態に用いる燃料電池１１を、加湿
および水回収機能を備えた燃料電池とする。そのため、
第１の実施形態に用いた加湿器１２、水回収装置１３を
備える必要がなく、燃料電池システムの構成を簡略化す
ることができる。
【００６０】このように加湿装置および水回収装置を燃
料電池内に備えた燃料電池システムとしては、例えばポ
ーラスタイプのバイポーラプレートを通して電解質膜を
加湿する燃料電池（特開平８−２５０１３０号公報等）
を用いることができる。このような燃料電池システムに
おいても、燃料電池１１に充分な水分を供給する必要が
あるため、純水供給系が保有する純水量は多い。
【００６１】このように構成することで、純水供給系を
純水タンク１４および純水ポンプ１５、燃料電池１１内
の加湿装置を循環する循環ラインとする。またＬＬＣ系
を、ＬＬＣタンク１６からＬＬＣポンプ１７、燃料電池
１１をとおり再びＬＬＣタンク１６に供給される小循環
ラインＡと、小循環ラインＡの燃料電池１１の下流で純
水タンク１４に供給される大循環ラインＢとする。この
循環ラインＡ、Ｂの切換えは燃料電池１１の下流側に配
置したバルブ１８で行う。
【００６２】本実施形態の制御は第１の実施形態の制御
と同様に図２のフローチャートで示すことができる。
【００６３】起動時純水供給系温度に対する起動エネル
ギを図７に示す。第１の実施系値と同様に、０℃以下の
起動では、従来の燃料電池システムにおける起動に必要
なエネルギは増大する。これに対して、本実施形態では
起動時に純水供給系を解凍しないため、起動時に必要な
エネルギを大幅に低減することができる。但し、本実施
形態ではバイポーラプレートにポーラス材を用いてお
り、ポーラス内の水は燃料電池停止時に排水することは
困難である。図７において、０℃以下で起動エネルギが
増加するのは、このバイポーラプレート内に残った水を
解凍するためのエネルギが必要となるためである。
【００６４】起動時純水供給系温度に対する起動時間を
図８に示す。第１の実施形態と同様に、従来例に対して
起動時を大幅に低減することができる。但し、ポーラス
内の氷を解凍する必要があるので、０℃以下では第１の
実施形態に対して起動時間は長くなっている。
【００６５】このように、燃料電池１１内に加湿装置お
よび水回収装置が備えられている燃料電池システムにお
いても、純水供給系が凍結していると判断されたときに
無加湿運転を行って、燃料電池１１の廃熱で純水供給系
を解凍することで、起動エネルギを低減すると共に、起
動時間を短縮することができる。
【００６６】第３の実施形態に用いる燃料電池システム
の構成を図９に示す。本実施形態では、第１の実施形態
における純水供給系を第１の純水供給系としたとき、こ
れに加えて第２の純水供給系を配置する。第２の純水供
給系は、第２純水タンク２６、第２の純水ポンプ２７、
第２の加湿器２５により構成する。第２の純水タンク２
６を第１の純水供給系における第１の純水タンク１４と
第１の加湿器１２間に配置する。また、第２の純水供給
系の凍結状態を判断するために、第２の純水タンク２６
に第２純水供給系温度検出手段３２を備える。
【００６７】本実施形態では、燃料電池１１の水管理手
段としては第１の加湿器１２と第２の加湿器２５を備え
ており、通常の起動と凍結状態からの起動で使用する加
湿器を換えることを特徴とする。
【００６８】第１の加湿器１２は膜タイプの加湿器また
はバブリングタイプの加湿器を使用する。よって、加湿
が水蒸気の形で行われるので加湿されたガスの品質が高
く、加湿のコントロールが精度よく行われる。一方、第
２の加湿器２５はインジェクションによる加湿、あるい
はスプリンクラータイプの加湿器を使用する。水のイン
ジェクションには水インジェクタを用いる。また、スプ
リンクラータイプの加湿では水シャワーを用いる。よっ
て、水は充分に気化されないこともあるため、加湿され
たガスの品質は低い。但し、加湿器の構成はシンプルと
なる。
【００６９】ここで図１３に、燃料電池本体の性能とし
て電流密度に対する効率を示す。前述したように、本実
施形態では第２の加湿器２５として第１の加湿器１２よ
り性能が低いものを用いる。また、第１の純水供給系の
保有する純水量を多くして、第２の純水供給系の保有す
る純水量を起動時に使用する程度の純水量とする。これ
により、システム凍結時には純水量の少ない第２の純水
供給系を解凍して加湿運転を行うことで、解凍によるエ
ネルギ消費を低減することができる。また燃料電池１１
が暖機されて第１の純水供給系が解凍された後には、第
２の加湿器２５を停止し、第１の加湿器１２を用いるこ
とにより効率のよい運転を行うことができる。
【００７０】このときＬＬＣ系を、第１の純水供給系を
含まない小循環ラインＣと、第１の純水供給系を含む大
循環ラインＤとから構成する。小循環ラインＣでは、不
凍液はＬＬＣタンク１６からＬＬＣポンプ１７、燃料電
池１１、第２の加湿器２５、第２の純水タンク２６を通
り、再びＬＬＣタンク１６に供給される。大循環ライン
Ｄでは、ＬＬＣポンプ１７を通過した後水回収装置１３
を通り燃料電池１１、第１の加湿器１２、第２の純水タ
ンク２６、第１の純水タンク１４を通ってＬＬＣタンク
１６に再び供給される。
【００７１】このような燃料電池システムの制御方法を
図１０に示したフローチャートを用いて説明する。
【００７２】ステップＳ３１、３２において、燃料電池
温度検出手段２２、第２純水供給系温度検出手段３２に
より燃料電池１１および第２の純水供給系に凍結がある
かどうかを判断する。ここで、システムを簡略化するた
めに第２純水供給系の凍結を燃料電池温度検出器２２の
検出結果から推定してもよいが、本実施形態では、より
正確な制御を行うために第２純水供給系温度検出手段３
２により判断する。
【００７３】凍結がないと判断されたら、ステップＳ４
７に進み、第１純水供給系温度検出手段２１（第１、２
の実施形態における純水供給系温度検出手段）により第
１の純水供給系の温度を検出する。ステップＳ４８に進
み、検出結果から第１の純水供給系の凍結状態を判断す
る。第１の純水供給系が凍結していない場合には、ステ
ップＳ４９に進み、燃料電池１１の稼動を開始すると共
に、第１の加湿器も稼動して加湿制御を開始する。ステ
ップＳ５０では、ＬＬＣ系を大循環ラインＤに設定し、
不凍液を流すことで燃料電池１１の温度を制御し、ステ
ップＳ４５、Ｓ４６においてラジエータ１９の要否を判
断する。ステップＳ４８において、第１の純水供給系が
凍結していると判断された場合には、ステップＳ３８に
進み、後述するような第２の加湿器２５による加湿制御
を開始する。
【００７４】一方、ステップＳ３２において、燃料電池
１１または第２の純水供給系に凍結があると判断された
らステップＳ３３に進み、燃料電池１１および第２の純
水供給系の解凍制御を開始する。ステップＳ３３におい
ては、ＬＬＣ系の小循環ラインＣに不凍液を循環させた
後、ステップＳ３４においてヒータ２０をＯＮにする。
【００７５】ステップＳ３５、３６において、ヒータ２
０の熱で加熱された小循環ラインＣを循環する不凍液に
より燃料電池１１および第２の純水供給系の解凍を行
う。ステップＳ３６において燃料電池１１と第２の純水
供給系の温度が０℃超となり解凍されたと判断された
ら、燃料電池１１の稼動および第２の純水供給系を用い
た加湿制御が可能となる。そこで、ステップＳ３７に進
みヒータ２０をＯＦＦにした後、ステップＳ３８に進
み、燃料電池１１と第２の加湿器２５を稼動して、第２
の加湿器２５による加湿制御を開始する。
【００７６】ステップＳ３９、Ｓ４０において、燃料電
池１１の温度を読み込んで、燃料電池１１と第２の純水
供給系の温度が所定値、ここでは６５℃超であるかどう
かを判断する。燃料電池１１および第２の純水供給系が
所定の温度より大きくなり、暖機されたと判断された
ら、ステップＳ４１に進む。ステップＳ４１においてＬ
ＬＣ系の循環に第１の純水供給系を加えるために、バル
ブ１８を切換えて不凍液を大循環ラインＤに供給する。
【００７７】次に、ステップＳ４２、Ｓ４３において、
燃料電池１１の廃熱により加熱された大循環ラインＤを
循環する不凍液により、第１の純水供給系が解凍された
かどうかを判断する。解凍されるまで第２の純水供給系
による加湿運転を継続し、解凍されたと判断されたらス
テップＳ４４に進み、第１の純水供給系による加湿運転
に切換える。これにより、大量の改質ガスに対応して加
湿を行うことができるとともに、精度のよい加湿を行う
ことができる。
【００７８】ステップＳ４５において、ラジエータ１９
の要否を判断し、必要であればバルブ２３を制御してＬ
ＬＣ系にラジエータ１９を追加する。
【００７９】次に、このような制御における起動時純水
供給系温度（第２の純水供給系温度）に対する起動エネ
ルギを図１１に、起動時純水供給系温度（第２の純水供
給系温度）に対する起動時間を図１２に示す。従来例に
比べて、第２の純水供給系のみを解凍することにより、
解凍する純水量が少ないために、凍結のある０℃以下で
起動エネルギを低減することができるとともに起動時間
を短縮することができる。
【００８０】このように、燃料電池システムに複数の加
湿手段を用いることで、条件に応じて起動時間が短く、
燃料効率のよい加湿手段を用いることができる。システ
ムの構成あるいは起動条件によって無加湿運転が困難な
場合には、本実施形態のようにシンプルな加湿手段（第
２の加湿器２５）で簡易的に加湿を行うと効率のよい起
動を行うことができる。また、起動後には、保有水量が
多く精度の優れた加湿手段（第１の加湿器１２）を用い
ることで、燃料電池１１における効率を向上することが
できる。
【００８１】本実施形態では燃料電池１１と第２の純水
タンク内のＬＬＣ系を、小循環ラインＣと大循環ライン
Ｄとで独立したものとしているが、燃料電池１１および
第２の純水タンク２６内の流路を共通として簡略化する
ことができる。このときは、燃料電池１１と第２の加湿
器２５の下流側の小循環ラインＣおよび大循環ラインＤ
のそれぞれにバルブを配置することで、ＬＬＣ系を選択
することができる。
【００８２】次に、第４の実施形態について図１４を用
いて説明する。
【００８３】本実施形態の構成は、第２の実施形態にお
ける純水供給系を第１の純水供給系とし、これに第２の
純水供給系を追加する。第２の純水供給系は、第２の純
水タンク２６、第２の純水ポンプ２７、第２の加湿器２
５から構成する。したがって、本実施形態は、燃料電池
１１内の加湿手段と、第２の加湿器２５との二つの加湿
手段を有することになる。
【００８４】燃料電池１１内の加湿手段はポーラス材を
使用して加湿を水蒸気の状態で行う。これにより、精度
のよい加湿を行うことができる。一方、第２の加湿器２
５には、第３の実施形態と同様に、インジェクションに
よる加湿あるいはスプリンクラータイプの加湿器等の精
度は高くないが、構成はシンプルな加湿手段を使用す
る。また、第２の純水供給系には起動に必要な程度の純
水量を保有する。このような加湿手段を用いて、通常起
動時には燃料電池１１内の加湿手段を使用し、純水供給
系が凍結している場合には第２の加湿器２５を用いる。
【００８５】またＬＬＣ系としては、ＬＬＣタンク１６
から、ＬＬＣポンプ１７、燃料電池１１、第２の加湿２
５、第２の純水タンク２６を通ってＬＬＣタンク１６に
循環する小循環ラインＣと、これに加えて第２の純水タ
ンク２６の下流で第１の純水タンク１４に供給される大
循環ラインＤを配置する。この切換えは、第２の純水タ
ンク２６の下流に配置したバルブ１８により行う。
【００８６】第３の実施形態で示したように、燃料電池
１１および第２の純水供給系が凍結している場合には、
ヒータ２０をＯＮにして不凍液を小循環ラインＣに循環
させることにより、燃料電池１１および第２の純水供給
系の解凍を行う。解凍後にはヒータ２０をＯＦＦにし
て、燃料電池１１による第２の純水供給系を用いた加湿
運転を行う。同時にＬＬＣ系を大循環ラインＤに切換え
ることにより、燃料電池１１の廃熱で第１の純水供給系
の解凍を行い、解凍後には燃料電池１１内の加湿手段に
よる加湿運転に切換える。このような制御は、第３の実
施形態で用いた図１０に示す制御フローにより行うこと
ができる。ここで、図１０における第１の加湿器は、本
実施形態においては燃料電池１１内の加湿手段を指す。
【００８７】このように、凍結時には解凍する純水量の
少ない第２の加湿器２５を用いるので、起動エネルギを
低減することができると共に、起動時間を短縮すること
ができる。また、燃料電池１１の発電効率で比較した場
合、第３の実施形態と同様に第２の加湿器２５による加
湿運転は燃料電池１１内部の加湿手段に対して性能が劣
る。そこで、燃料電池１１の暖機後、第１の純水供給系
が解凍されたら第２の加湿器２５は停止して燃料電池１
１内の加湿手段を用いることで、性能のよい加湿手段を
用いることができ、効率のよい発電を行うことができ
る。
【００８８】次に、第５の実施形態における燃料電池シ
ステムの構成を図１５に示す。本実施形態では、第３の
実施形態に、外気温度センサ２８と第２の純水タンク２
６の水位センサ２９を配置する。また、第２の純水供給
系タンク２６の下流にバルブ３１を配置する。ここで
は、燃料電池システム停止時に第２の純水タンク２６に
保有する純水量を、停止時の外気温度によって変えるこ
とを特徴とする。
【００８９】起動時の純水温度が低いほど、燃料電池１
１の暖機後に、第１の純水供給系が解凍するまでの時間
が長くなるので、第２の加湿器２５ではより多くの純水
量が必要となる。そこで図１６に、本実施形態の停止時
外気温度に対する第２の純水タンク２６の目標保有純水
量を示す。停止時の気温が低いほど、次回に起動する再
に必要な純水量が多くなることを考慮して保有純水量を
多くする。
【００９０】このような燃料電池システムの保有純水量
を制御するフローを図１７に示す。本制御フローは、シ
ステムの停止信号により開始する。
【００９１】ステップＳ５１において、外気温度センサ
２８により外気温度を測定する。ステップＳ５２におい
て、外気温度より図１６を用いて目標純水保有量を算出
する。ステップＳ５３に進み、水位センサ２９の測定結
果に基づいて第２の純水タンク２６に保有される純水量
を検出する。
【００９２】ステップＳ５４において、検出した純水量
と目標純水量を比較する。検出した純水量が目標保有純
水量より多ければ、ステップＳ５５に進み、バルブ３１
を開けることにより保有純水量を低減させる。一方Ｓ５
４において、検出した純水量が目標保有純水量より少な
いと判断されたら、ステップＳ５６において、バルブ３
１を閉じて第１の純水ポンプ１５を稼動させることによ
り第１の純水タンク１４に保有している純水を第２の純
水タンク２６に供給する。
【００９３】ステップＳ５４において、検出された純水
量が目標純水保有量の所定値内、例えば±５％以内と判
断された場合には、目標範囲内にあると判断してステッ
プＳ５７に進み、システムを停止する。
【００９４】このように、システム停止時の外気温度を
検出し、外気温度に応じて第２の純水供給系に保有する
純水量を制御することで、起動に必要な純水量を第２の
純水供給系に保有することができる。特に低温時のよう
に起動用の純水量が多く必要な場合にも、第２の純水供
給系で用いる純水が不足するのを防ぐことができる。ま
た、起動時に解凍する対象となる第２の純水供給系の保
有する純水量が過剰となることを避けることができるの
で、起動時に余分な水を解凍することにより消費エネル
ギ量が増大するのを防ぐことができる。
【００９５】なお、本発明は上記の実施の形態に限定さ
れるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思
想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもな
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構
成図である。
【図２】第１の実施形態における制御方法を示すフロー
チャートである。
【図３】第１の実施形態の起動時純水温度に対する起動
エネルギを示す図である。
【図４】第１の実施形態の起動時純水温度に対する起動
時間を示す図である。
【図５】第１の実施形態で用いるシステム温度に対する
水回収量を示す図である。
【図６】第２の実施形態における燃料電池システムの構
成図である。
【図７】第２の実施形態の起動時純水温度に対する起動
エネルギを示す図である。
【図８】第２の実施形態の起動時純水温度に対する起動
時間を示す図である。
【図９】第３の実施形態における燃料電池システムの構
成図である。
【図１０】第３の実施形態における制御方法を示すフロ
ーチャートである。
【図１１】第３の実施形態の起動時純水温度に対する起
動エネルギを示す図である。
【図１２】第３の実施形態の起動時純水温度に対する起
動時間を示す図である。
【図１３】第３の実施形態の燃料電池システムにおける
加湿手段と燃料電池の効率の関係を示す図である。
【図１４】第４の実施形態における燃料電池システムの
構成図である。
【図１５】第５の実施形態における燃料電池システムの
構成図である。
【図１６】第５の実施形態における外気温度に対する第
２の純水タンクの目標保有純水量を示す図である。
【図１７】第５の実施形態における保有純水量の制御方
法のフローチャートである。
【符号の説明】
２ 凍結判断手段（凍結制御手段） ３ 加湿制御手段（凍結制御手段） ４ 解凍制御手段（凍結制御手段） １１ 燃料電池 １２ （第１の）加湿器 １３ 水回収装置 １４ （第１の）純水タンク １５ （第１の）純水ポンプ ２１ （第１）純水供給系温度検出手段 ２２ 燃料電池温度検出手段 ２５ 第２の加湿器 ２６ 第２の純水タンク ２７ 第２の純水ポンプ ２９ 第２の純水タンク水位センサ ３２ 第２純水供給系温度検出手段

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池に供給するガスを加湿する少なく
    とも一つの加湿手段と、 前記加湿手段に水を供給する少なくとも一つの水供給系
    と、を備えた燃料電池システムにおいて、 起動時に前記燃料電池システムの凍結状態を判断する凍
    結判断手段を有し、 前記燃料電池システムの凍結状態に応じて供給可能な加
    湿量を切換える凍結制御手段と、を備えることを特徴と
    する燃料電池システム。
  2. 【請求項２】前記凍結制御手段は、起動時に前記燃料電
    池システムが凍結状態であると判断された際に、前記加
    湿手段の少なくとも一つを停止させた状態で前記燃料電
    池の稼動を開始する請求項１に記載の燃料電池システ
    ム。
  3. 【請求項３】前記凍結制御手段は、起動時に前記燃料電
    池システムが凍結状態であると判断された際に、すべて
    の前記加湿手段を停止させた状態で前記燃料電池の稼動
    を開始する請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 【請求項４】前記凍結制御手段は、起動時に前記燃料電
    池システムが凍結状態であると判断された際に、停止さ
    せた前記加湿手段、およびその水供給系を、前記燃料電
    池の廃熱により解凍する請求項２または３に記載の燃料
    電池システム。
  5. 【請求項５】前記水供給系を複数備えた請求項１または
    ２に記載の燃料電池システム。
  6. 【請求項６】前記水供給系として、第１の水供給系と、
    保有する水量が前記第１の水供給系よりも少ない第２の
    水供給系を備え、 前記凍結制御手段は、前記燃料電池システムが凍結状態
    であると判断された際に、前記燃料電池稼動直後には前
    記第２の水供給系により加湿を行う請求項５に記載の燃
    料電池システム。
  7. 【請求項７】前記第１の水供給系に第１の加湿手段、前
    記第２の水供給系に第２の加湿手段を備え、 前記第１の加湿手段を、バブリング型加湿器、膜型加湿
    器、またはポーラスプレート型加湿器のいずれか一つの
    加湿手段とし、 前記第２の加湿手段を水インジェクタまたは水スプリン
    クラー型の加湿手段とする請求項６に記載の燃料電池シ
    ステム。
  8. 【請求項８】燃料電池システムの暖機状態を検出する暖
    機判断手段を備え、 前記凍結制御手段は、前記燃料電池システムが凍結状態
    であると判断された際に、前記燃料電池システム暖機終
    了後に、第２の水供給系から第１の水供給系に切換えて
    加湿を行う請求項６または７に記載の燃料電池システ
    ム。
  9. 【請求項９】前記凍結制御手段は、前記燃料電池停止時
    に、前記燃料電池の停止状態に応じて、前記第２の水供
    給系の保有する水量を変える請求項６から８のいずれか
    一つに記載の燃料電池システム。
  10. 【請求項１０】前記燃料電池システムの外気温度を測定
    する外気温度測定手段を備え、 前記凍結制御手段は、前記燃料電池停止時に、外気温度
    が低いほど前記第２の水供給系に保有する水量を多くす
    る請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 【請求項１１】前記水供給系に保有される水を解凍する
    熱供給手段を備え、 前記凍結制御手段は、前記燃料電池システムが凍結状態
    であると判断された際に、前記熱供給手段により前記第
    ２の水供給系を解凍し、前記第２の水供給系を用いた前
    記燃料電池の発電で生じる廃熱により前記第１の水供給
    系を解凍する請求項６から１０のいずれか一つに記載の
    燃料電池システム。
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