JP4710111B2 - 冷却系の凍結防止を考慮した燃料電池システム - Google Patents
冷却系の凍結防止を考慮した燃料電池システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの冷却系の凍結防止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池は、次世代のエネルギ源として期待されている。燃料電池の運転時（発電時）には、電気化学反応に伴ってかなりの熱が発生する。そこで、通常の燃料電池システムは、燃料電池を冷却するための冷却装置を備えている。
【０００３】
燃料電池システムの冷却装置としては、例えば本出願人により開示された特開平８−１８４８７７号公報に記載されたものが知られている。この装置では、水とエチレングリコールとを含む不凍性の冷却材を用いて燃料電池を冷却している。また、この燃料電池システムは、水分離装置を用いて不凍性冷却材から水を分離し、分離した水を燃料ガスの加湿に用いている点に特徴がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術では、燃料電池システムの運転中は、加湿用の水を得るために、常に不凍液から水を分離しなければならないという問題があった。このため、例えば、水分離装置における分離が不完全で、分離された水の中にエチレングリコールがわずかに混入するような場合には、不凍液の濃度（エチレングリコールの濃度）が次第に低下してしまい、この結果、冷却材の凍結防止効果も低下してしまうという問題があった。
【０００５】
また、この従来の技術では、改質装置において使用される水は、冷却系とは別個に設けられた水タンクから供給されている。このため、その水タンクの凍結防止対策を別途行う必要があるという問題もあった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の冷却に用いる不凍性冷却材から水を分離して、燃料電池用の水として利用するための新たな技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池内における電気化学反応に用いられる反応ガスを供給するための反応ガス供給部と、水と不凍化剤とを含む不凍性冷却材を用いて前記燃料電池を冷却するための冷却部と、前記反応ガス供給部に水を供給するための水供給部と、を備えている。水供給部は、前記不凍性冷却材から水を分離するための水分離部を有しており、（ｉ）所定の第１の運転状態においては、前記水分離部を用いて前記不凍性冷却材から水を分離して、分離された水を前記反応ガス供給部に供給し、（ｉｉ）所定の第２の運転状態においては、前記不凍性冷却材からの水の分離を停止するとともに、前記燃料電池内の電気化学反応で生成された水を前記反応ガス供給部に供給するものであり、前記水供給部は、前記第１の運転状態において、前記水分離部の入口側と出口側の少なくとも一方における前記不凍性冷却材の圧力を調整することによって、前記水分離部において分離される水量を調整する水量調整部を有する。
【０００８】
この燃料電池システムでは、第１の運転状態では不凍性冷却材から水を分離して反応ガス供給部に供給するが、第２の運転状態では不凍性冷却材からの水の分離を停止して、燃料電池内の電気化学反応で生成された水を反応ガス供給部に供給するので、第２の運転状態において常に水分離部を運転し続ける必要が無い、という利点がある。また、水分離部によって生成される水の量を制御することが可能であり、燃料電池システム内に存在する水の量を調整することが可能である。
【０００９】
なお、前記第１の運転状態は、前記燃料電池システムの始動時を含むものとすることができる。このとき、始動時を含む第１の運転状態において、不凍性冷却材から水を分離し、分離された水を用いて反応ガス供給部に供給することになるので、始動時において燃料電池システム内に水が少ない場合にも、必要な量の水を不凍性冷却材から分離して供給することが可能である。
【００１０】
また、前記第１の運転状態は所定の第１の温度が第１のしきい値未満である状態を含み、前記第２の運転状態は前記第１の温度が前記第１のしきい値を超える状態を含むようにしてもよい。第１のしきい値を０℃に近い温度に設定すれば、水が凍結する可能性が高いか否かに応じて、水の供給形態を変更することができ、この結果、水の凍結をより容易に防止することが可能である。
【００１２】
また、前記水供給部は、さらに、前記不凍性冷却材を収容するための冷却材タンクと、前記水分離部から排出される不凍性冷却材を前記冷却材タンクに回収するための配管系とを有することが好ましい。この形態では、不凍性冷却材の収容や回収をより容易に行うことができる。
【００１３】
前記水供給部は、さらに、前記水分離部で分離された水を収容するための水タンクを有しており、前記水タンク内の水を前記反応ガス供給部に供給することが好ましい。水タンクを設けるようにすれば、水の収容や供給、回収をより容易に行うことができる。
【００１４】
前記水供給部は、前記燃料電池の運転が停止した後に、前記水タンク内の水を前記冷却部内の前記不凍性冷却材中に回収することが好ましい。また、前記水供給部は、前記燃料電池の運転が停止した後に、前記燃料電池内の電気化学反応で生成されていた水を前記冷却部内の前記不凍性冷却材中に回収することが好ましい。このような形態では、燃料電池システムの運転が停止しているときには、燃料電池システム内に水が単独で存在することが無いので、凍結防止効果をより高めることが可能である。
【００１５】
なお、前記水供給部は、前記不凍性冷却材中への水の回収を、前記燃料電池の運転が停止した後に所定の第２の温度が第２のしきい値以下になったときに実行するようにしてもよい。こうすれば、水の凍結防止のために必要なときにのみ、不凍性冷却材中への水の回収を行うことができる。従って、凍結の恐れが少ないときには、燃料電池システムの始動時において不凍性冷却材から水を分離する必要性を低減することが可能である。
【００１６】
また、前記水供給部は、前記燃料電池システムの始動時においても、前記水供給部内に所定量以上の水が存在するときには、前記不凍性冷却材からの水の分離を中止するようにしてもよい。こうすれば、水の分離のための時間を省略できるので、燃料電池システムの始動期間を短縮することが可能である。
【００１７】
前記水供給部は、さらに、凍結防止のために前記水分離部を加熱する加熱部を有するようにしてもよい。この形態では、凍結防止をより確実に行うことが可能である。
【００１８】
なお、燃料電池システムは、さらに、前記不凍性冷却材中の前記不凍化剤の濃度を実質的に示す濃度指標値を測定するための濃度測定部と、前記不凍化剤の濃度の測定値に応じて、前記不凍化剤と水のいずれかを前記冷却部に補給する必要があることを示す警告を行う警告部と、を備えるようにしてもよい。この形態では、使用者に不凍化剤や水の補給を警告することが可能である。
【００１９】
なお、前記警告部は、前記不凍化剤の濃度の測定値から前記不凍化剤を補給する必要があると判断される場合においても、所定の第３の温度が第３のしきい値以上のときには前記警告の発生を中止するようにしてもよい。この形態では、凍結の恐れが少ないときに警告が中止されるので、使用者に不要な心配を与える回数を低減することが可能である。
【００２０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料電池システムの運転方法、燃料電池のための反応ガス生成方法、燃料電池のための冷却材の処理方法等の種々の態様で実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２２】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池５０と、燃料電池５０に燃料ガスＦＧを供給するための燃料ガス供給部１１０と、不凍性冷却材ＣＬを用いて燃料電池５０を冷却するための冷却部１２０と、不凍性冷却材ＣＬから水を抽出して燃料ガス供給部１１０に水を供給する水供給部１３０と、を備えている。これらの各部の動作は、図示しないコントローラによって制御されている。後述する各種の動作は、このコントローラの制御の下で自動的に実行される。
【００２３】
燃料ガス供給部１１０は、改質のための原燃料ＯＦを貯蔵する原燃料タンク２０と、原燃料ＯＦを改質して水素リッチガス（「改質ガス」とも呼ぶ）ＨＲＧを生成する改質器３０と、水素リッチガスＨＲＧを加湿するための加湿器４０と、を備えている。なお、原燃料ＯＦとしては、メタノールやガソリン、天然ガス、エーテルなどのような炭素水素系化合物（炭化水素を含む化合物）を使用することができる。
【００２４】
加湿器４０で加湿された燃料ガスＦＧは、配管４２を経由して燃料電池５０内の燃料ガス通路に導入される。また、燃料電池５０内の空気通路には、図示しないエアーポンプによって空気ＡＲが供給される。燃料電池５０内では、燃料ガスＦＧ内の水素と、空気ＡＲ内の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
【００２５】
冷却部１２０は、不凍性冷却材ＣＬの熱を大気中に放出するための熱交換器６０と、冷却材ＣＬを収容する冷却材タンク７０と、循環路７２に沿って冷却材ＣＬを循環させるポンプ７４と、を備えている。不凍性冷却材ＣＬとしては、例えば水と、エチレングリコールなどの不凍化剤（凝固点降下剤）とを含む水溶液が使用可能である。
【００２６】
水供給部１３０は、冷却部１２０で用いられている不凍性冷却材ＣＬから水を分離するための水分離部８０と、水分離部８０で分離された分離水ＳＷを一時的に収容するための水タンク９０とを有している。水分離部８０としては、例えば中空糸膜などの濾過膜を用いて水溶液から水を抽出する装置を利用することができる。水分離部８０の原水側８０ａには、冷却材タンク７０内の不凍性冷却材ＣＬが、配管８２を経由してポンプ８４によって供給される。水分離後の排水ＣＬａは、戻り配管８３を経由して冷却材タンク７０内に回収される。なお、戻り配管８３には、圧力や流量を調整するための電動調整弁８６が設けられている。
【００２７】
水分離部８０の分離水側８０ｂに浸みだした分離水ＳＷは、配管８９を経由して水タンク９０に収容される。また、燃料電池５０の電気化学反応の結果として生成された水（以下、「ＦＣ生成水」と呼ぶ）ＦＣＷも、配管９２を経由して水タンク９０内に収容される。水タンク９０に収容された水ＷＲは、ポンプ３６によって配管３４を経由して改質器３０に供給され、また、他のポンプ４６によって配管４４を経由して加湿器４０にも供給される。改質器３０に供給される水ＷＲは、改質器３０内の水蒸気改質反応に利用される。加湿器４０に供給される水ＷＲは水素リッチガスＨＲＧの加湿に利用され、加湿後のガスが燃料ガスＦＧとして燃料電池５０に供給される。
【００２８】
なお、水タンク９０の底部には、水タンク９０内の水を冷却材タンク７０に回収するための戻し配管９４が設けられている。この戻し配管９４には、電動開閉弁９６が設けられている。燃料電池５０の発電中は、この電動開閉弁９６は閉状態に保たれる。従って、水タンク９０に注入された水は水タンク９０内に収容され、ポンプ３６，４６によって燃料ガス供給部１１０に供給される。一方、燃料電池システム１００が完全に停止した状態では、通常は、水タンク９０内の水ＷＲは戻し配管９４を経由して冷却材タンク７０に戻される。従って、燃料電池システム１００が停止した状態では、この燃料電池システム１００内に純水は存在しない。なお、本明細書における「純水」は、完全な純水である必要は無く、ある程度の不純物が混入しているものも含む広い意味を有する。換言すれば、「純水」とは、水溶液でない水を意味している。なお、本明細書中では、「純水」を単に「水」と呼ぶこともある。
【００２９】
水分離部８０の周囲は、凍結防止用のヒータ８８が巻かれている。このヒータ８８は、分離水側８０ｂの配管８９を加熱するように配置されていてもよい。また、水タンク９０や、他の水用の配管３４，４４，９２にも、凍結防止用のヒータを設けるようにしてもよい。
【００３０】
図２は、第１実施例の燃料電池システム１００の始動期間における水の供給状態を示す説明図である。ここで、「始動期間」とは、始動時以後のある程度の長さの期間を意味している。太線で描かれている配管系は水の供給のために使用されている配管系を示しており、破線で描かれている配管系は現在使用されていない配管系を示している。前述したように、燃料電池システム１００が停止した状態では、水タンク９０内に純水は存在しない。そこで、燃料電池システム１００の始動時には、水分離部８０を用いて不凍性冷却材ＣＬから水を分離して、水タンク９０内に収容する。
【００３１】
水分離部８０による純水の分離量は、原水側８０ａの入口側圧力と出口側圧力とに依存する。従って、純水の分離量は、入口側圧力と出口側圧力とのうちの少なくとも一方を調整することによって制御することができる。例えば、入口側配管８２に設けられたポンプ８４を制御することによって、原水側８０ａの入口側圧力を調整することが可能である。また、出口側配管に設けられた調整弁８６の開度を調整することによって、原水側８０ａの出口側圧力を調整することが可能である。なお、入口側配管８２に、調整弁や可変オリフィスなどのような流体抵抗を調整できる装置を設けてもよい。また、出口側の調整弁９６の代わりに、ポンプや可変オリフィスを用いることも可能である。
【００３２】
水タンク９０内にある程度の水が溜まると、ポンプ３６，４６によって水ＷＲを改質器３０と加湿器４０に供給し、燃料ガス供給部１１０を運転して燃料ガスＦＧの生成を開始する。この時点を判断するためには、水タンク９０に水位計を設けておくことが好ましい。燃料ガスＦＧの供給が始まると、燃料電池５０が始動する。この後、燃料電池５０の始動期間が終了すると、燃料電池システム１００が以下に説明する通常運転に移行する。
【００３３】
図３は、第１実施例の燃料電池システム１００の通常運転時における水の供給状態を示す説明図である。通常運転状態では、燃料ガスＦＧ内の水蒸気の一部は、排気ガスとともに外部に放出されて消失する。しかし、燃料電池５０内の電気化学反応によってＦＣ生成水ＦＣＷが常に生成されており、このＦＣ生成水ＦＣＷは、燃料電池システム１００からの水の消失量を上回っているのが普通である。そこで、通常運転時には、水分離部８０による水の分離処理を停止し、ＦＣ生成水ＦＣＷを改質器３０と加湿器４０に供給する。
【００３４】
ところで、水分離部８０による水の分離は完全ではなく、分離水ＳＷ側にエチレングリコールなどの凝固点降下剤がわずかに漏れ出す可能性もある。しかし、本実施例では、通常運転時には、不凍性冷却材ＣＬから水を分離しないので、水の分離を継続することによって不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤の濃度が過度に低下してしまい、冷却材ＣＬの不凍性が損なわれる、という心配が無い。また、通常運転時には、水分離部８０のためのポンプ８４を停止するので、このポンプ８４を運転するための動力を節約できるという利点もある。
【００３５】
なお、通常運転時においても水分離部８０の運転を停止せずに続行しておき、余分な水は、水タンク９０から配管９４を経由して冷却材タンク７０に戻すようにしてもよい。このときも、分離された水が冷却材ＣＬ中に戻されるので、実質的には冷却材ＣＬからの水の分離処理を停止しているものと考えることができる。
【００３６】
なお、通常運転時に水分離部８０の運転を停止している場合にも、必要に応じて水分離部８０の運転を再開して、水タンク９０に分離水ＳＷを補給するようにしてもよい。例えば、水タンク９０に水位計を設けておき、水タンク９０内の水位がある程度以下になったときに、水分離部８０を運転するようにしてもよい。こうすれば、改質器３０や加湿器４０に供給すべき水が不足することがないという利点がある。
【００３７】
燃料電池５０による発電が停止すると、システム１００内の純水を水タンク９０内に貯蔵しておく必要が無くなる。また、凍結防止のためには、純水がシステム１００内に存在しないことが好ましい。そこで、燃料電池５０の運転が停止した後には、電動開閉弁９６が開き、これによって、水タンク９０内の水が配管９４を経由して冷却材タンク７０に回収される。また、水分離部８０の分離水側８０ｂの水も、水タンク９０と配管９４を経由して冷却材タンク７０に回収される。なお、水分離部８０の分離水側８０ｂの底部にも、冷却材タンク７０に水を戻すための配管を設けておくようにしてもよい。このように、水タンク９０と水分離部８０内の水を冷却材タンク７０に回収すれば、燃料電池システム１００内に純水が存在しなくなるので、気温が低下しても純水が凍結するおそれがないという利点がある。
【００３８】
なお、燃料電池５０の運転の停止後においても、特定の温度（気温や水温など）が０℃に近い所定のしきい値よりも高いときには水タンク９０の水をそのまま貯蔵しておき、特定の温度がそのしきい値以下になったときに冷却材タンク７０への水の回収を初めて行うようにしてもよい。こうすれば、水が凍結しない程度の温度（気温または水温）のときに、水タンク９０内に水が貯蔵されたままで保たれるので、その後の燃料電池システム１００の始動の際に、水分離部８０を用いて水を分離する必要がなくなるという利点がある。この結果、燃料電池システム１００の始動時間を短縮することができる。なお、「０℃に近い温度」とは、好ましくは約０℃〜約＋５℃の範囲の温度を意味する。
【００３９】
以上のように、第１実施例では、燃料電池システム１００の始動時には不凍性冷却材ＣＬから水を分離した水を用いて改質器３０や加湿器４０に水を供給し、一方、通常運転時には不凍性冷却材ＣＬからの水の分離を停止して、燃料電池５０からのＦＣ生成水ＦＣＷを改質器３０や加湿器４０に供給するようにしている。従って、通常運転時において、水分離部８０を常に運転させる必要がないという利点がある。この結果、仮に水分離部８０の分離水側８０ｂに凝固点降下剤が浸み出しているとしても、不凍性冷却材ＣＬの濃度が過度に低下することがないという利点がある。
【００４０】
また、第１実施例では、燃料電池システム１００の停止後に、システム内の水を不凍性冷却材ＣＬ中に回収するようにしたので、気温が低下してもシステム内の水が凍結する恐れが少ないという利点がある。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００ａでは、水分離部８０の不凍性冷却材ＣＬの入口側配管８２と出口側配管８３に、それぞれ流量計８５，８７が設けられている。また、燃料電池５０から水タンク９０に至るＦＣ生成水用の配管９２にも流量計９３が設けられている。さらに、冷却材タンク７０には、不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤（凝固点降下剤）の濃度を測定するための濃度センサ７６が設けられている。冷却部１２０は、外気温を測定するための温度センサ７７と、センサ７６，７７からの信号に応じて警報を表示する警報パネル７８とを有している。第２実施例の燃料電池システム１００ａのその他の構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１００と同じである。
【００４２】
第２実施例の燃料電池システム１００ａでは、流量計８５，８７での流量の差から、分離水ＳＷの生成量を精度良く推定することが可能である。従って、ポンプ８４や調整弁８６等を用いて、分離水ＳＷの生成量を精度良く制御することができる。
【００４３】
また、流量計９３を用いてＦＣ生成水ＦＣＷの生成量を測定できるので、ここで測定されたＦＣ生成水ＦＣＷの量が所定値に達しているか否かを容易に判断することができる。従って、例えば、ＦＣ生成水ＦＣＷの量の測定値が所定値以上になったときに、水分離部８０の運転を停止させることが可能である。なお、流量計９３が無い場合にも、燃料電池５０の発電量からＦＣ生成水ＦＣＷの量を予測することは可能である。従って、燃料電池５０の発電量からＦＣ生成水ＦＣＷの生成量を予測し、その予測量が所定値以上になったときに、水分離部８０の運転を停止するようにしてもよい。
【００４４】
ところで、不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤の濃度には、適正な範囲がある。すなわち、不凍化剤の濃度が高すぎると、冷却部１２０の循環特性が低下する可能性がある。一方、不凍化剤の濃度が低すぎると、不凍性が低下する。そこで、第２実施例では、濃度センサ７６を用いて不凍化剤の濃度を測定し、その測定値が所定の適正範囲外になると、警報パネル７８に警告を表示する。例えば、燃料電池システム１００ａが車両に搭載されている場合には、運転席のインストルメントパネル上にこの警告が表示される。
【００４５】
この警告は、不凍化剤（例えばエチレングリコール）を補給する必要があることや、水を補給する必要があることを運転者に通知するためのものである。なお、不凍化剤を補給する必要があることを示す警告は、温度センサ７７で測定された外気温が０℃に近い所定のしきい値（例えば５℃）以上のときには、その警告の発生が中止されるようにしてもよい。この理由は、このような場合には不凍化剤を補給しなくても冷却材ＣＬが凍結する恐れが少ないためである。なお、警告の発生を中止するための条件としては、上記以外の種々の条件を設定することが可能である。例えば、外気温が０℃に近い所定のしきい値（例えば５℃）以上である時間が、所定期間（例えば２４時間）以上継続しているときに、警告の発生を中止するようにしてもよい。
【００４６】
なお、濃度センサ７６以外のセンサを用いて、不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤の濃度を実質的に示す濃度指標値（例えば導電率など）を測定することも可能である。
【００４７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｃ１．変形例１：
上記各実施例の構成要素の一部は省略することが可能である。例えば、水タンク９０を省略し、水分離部８０で分離された分離水を、そのまま配管を経由して改質器３０や加湿器４０に供給するようにしてもよい。但し、水タンク９０を設けるようにすれば、水の回収や分配が容易になるという利点がある。
【００４９】
Ｃ２．変形例２：
燃料ガス供給部１１０としては、改質器３０を用いて原燃料ガスを改質するタイプの装置に限らず、水素ガスを供給する任意の装置を利用することが可能である。例えば、原燃料タンク２０と改質器３０の代わりに、水素ガスタンクや水素貯蔵合金などのように水素を貯蔵する水素貯蔵部を利用することができる。この場合には、改質用の水は不要なので、不凍性冷却材ＣＬから分離された水は主に加湿用に用いられる。
【００５０】
Ｃ３．変形例３：
上記各実施例では、始動時には水分離部８０を用いて分離した水を燃料ガス供給部１１０に供給し、通常運転時には水の分離を停止してＦＣ生成水ＦＣＷを燃料ガス供給部１１０に供給していた。しかし、このような運転状態による水の供給態様の切り替えは、これ以外の条件を用いて行うことも可能である。例えば、特定箇所の温度（外気温や冷却材ＣＬの温度など）が、０℃に近い所定のしきい値よりも低いときには、通常運転時においても、水分離部８０を用いて分離した水を燃料ガス供給部１１０に供給するようにしてもよい。また、その特定箇所の温度がしきい値よりも高いときには、通常運転時においては水の分離を停止し、ＦＣ生成水ＦＣＷを燃料ガス供給部１１０に供給するようにすればよい。このような態様によれば、外気温が低いときにＦＣ生成水が凍結してしまい、燃料ガス供給部１１０に水を供給できなくなることを防止できるという利点がある。
【００５１】
また、燃料電池システム１００の始動時においても、水供給部１３０内に（すなわち水タンク９０内に）ある程度以上の水が貯蔵されている場合には、水分離部８０による水の分離を行わないようにしてもよい。こうすれば、始動期間を短縮することができるという利点がある。
【００５２】
以上の説明から理解できるように、水供給部１３０は、所定の第１の運転状態においては不凍性冷却材から水を分離して、分離された水を燃料ガス供給部に供給し、一方、所定の第２の運転状態においては、不凍性冷却材からの水の分離を停止するとともに、ＦＣ生成水を燃料ガス供給部に供給するようにすればよい。
【００５３】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、水素リッチガスＨＲＧを加湿器４０で加湿する構成例を示したが、加湿器４０無しの構成も可能である。この場合、水タンク９０からの水ＷＲの供給は、改質器３０のみとなる。加湿器４０を省略できる理由は、改質器３０で生成される水素リッチガスＨＲＧには水分がもともと含まれているからである。すなわち、改質器３０で生成される水素リッチガスＨＲＧに新たに水分を添加すること無く燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムの構成が可能である。
【００５４】
一方では、燃料電池に供給される空気ＡＲを加湿するシステムも提案されている。上記実施例では、水素リッチガスＨＲＧの供給路（すなわち燃料ガスＦＧの供給路）に加湿器４０を設けていたが、これに加えて、燃料電池用の空気ＡＲの供給路にも加湿器を設けるようにしてもよい。この場合には、水供給部１３０は、不凍性冷却材ＣＬから分離された水やＦＣ生成水を、空気ＡＲの供給部（酸化ガス供給部）にも供給することになる。なお、燃料ガスＦＧの供給路には加湿器を設けずに、空気ＡＲの供給路にのみ加湿器を設けるようにしてもよい。また、燃料ガスＦＧの供給路と、空気ＡＲの供給路のいずれにも加湿器が設けられていない構成としてもよい。
【００５５】
上述の説明から理解できるように、本発明の水供給部は、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給部に、不凍性冷却材ＣＬから分離された水やＦＣ生成水を供給するように構成されていればよい。ここで、「反応ガス」とは、燃料電池内の電気化学反応に利用されるガスを意味しており、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとを含んでいる。また、「反応ガス供給部」は、水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給部とを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１００の始動期間における水の供給状態を示す説明図。
【図３】第１実施例の燃料電池システム１００の通常の運転時における水の供給状態を示す説明図。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
２０…原燃料タンク
３０…改質器
３４…配管
３６…ポンプ
４０…加湿器
４４…配管
４６…ポンプ
５０…燃料電池
６０…熱交換器
７０…冷却材タンク
７２…循環路
７４…ポンプ
７６…濃度センサ
７７…温度センサ
７８…警報パネル
８０…水分離部
８０ａ…原水側
８０ｂ…分離水側
８２…入口側配管
８３…出口側配管
８４…ポンプ
８５…流量計
８６…電動調整弁
８７…流量計
８８…ヒータ
８９…配管
９０…水タンク
９２…配管
９３…流量計
９４…配管
９６…電動開閉弁
１００，１００ａ…燃料電池システム
１１０…燃料ガス供給部
１２０…冷却部（冷却系）
１３０…水供給部
ＡＲ…空気
ＣＬ…不凍性冷却材
ＦＣＷ…ＦＣ生成水
ＦＧ…燃料ガス
ＨＲＧ…水素リッチガス
ＯＦ…原燃料
ＳＷ…分離水
ＷＲ…水
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの冷却系の凍結防止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池は、次世代のエネルギ源として期待されている。燃料電池の運転時（発電時）には、電気化学反応に伴ってかなりの熱が発生する。そこで、通常の燃料電池システムは、燃料電池を冷却するための冷却装置を備えている。
【０００３】
燃料電池システムの冷却装置としては、例えば本出願人により開示された特開平８−１８４８７７号公報に記載されたものが知られている。この装置では、水とエチレングリコールとを含む不凍性の冷却材を用いて燃料電池を冷却している。また、この燃料電池システムは、水分離装置を用いて不凍性冷却材から水を分離し、分離した水を燃料ガスの加湿に用いている点に特徴がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術では、燃料電池システムの運転中は、加湿用の水を得るために、常に不凍液から水を分離しなければならないという問題があった。このため、例えば、水分離装置における分離が不完全で、分離された水の中にエチレングリコールがわずかに混入するような場合には、不凍液の濃度（エチレングリコールの濃度）が次第に低下してしまい、この結果、冷却材の凍結防止効果も低下してしまうという問題があった。
【０００５】
また、この従来の技術では、改質装置において使用される水は、冷却系とは別個に設けられた水タンクから供給されている。このため、その水タンクの凍結防止対策を別途行う必要があるという問題もあった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の冷却に用いる不凍性冷却材から水を分離して、燃料電池用の水として利用するための新たな技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池内における電気化学反応に用いられる反応ガスを供給するための反応ガス供給部と、水と不凍化剤とを含む不凍性冷却材を用いて前記燃料電池を冷却するための冷却部と、前記反応ガス供給部に水を供給するための水供給部と、を備えている。水供給部は、前記不凍性冷却材から水を分離するための水分離部を有しており、（ｉ）所定の第１の運転状態においては、前記水分離部を用いて前記不凍性冷却材から水を分離して、分離された水を前記反応ガス供給部に供給し、（ｉｉ）所定の第２の運転状態においては、前記不凍性冷却材からの水の分離を停止するとともに、前記燃料電池内の電気化学反応で生成された水を前記反応ガス供給部に供給するものであり、前記水供給部は、前記第１の運転状態において、前記水分離部の入口側と出口側の少なくとも一方における前記不凍性冷却材の圧力を調整することによって、前記水分離部において分離される水量を調整する水量調整部を有する。
【０００８】
この燃料電池システムでは、第１の運転状態では不凍性冷却材から水を分離して反応ガス供給部に供給するが、第２の運転状態では不凍性冷却材からの水の分離を停止して、燃料電池内の電気化学反応で生成された水を反応ガス供給部に供給するので、第２の運転状態において常に水分離部を運転し続ける必要が無い、という利点がある。また、水分離部によって生成される水の量を制御することが可能であり、燃料電池システム内に存在する水の量を調整することが可能である。
【０００９】
なお、前記第１の運転状態は、前記燃料電池システムの始動時を含むものとすることができる。このとき、始動時を含む第１の運転状態において、不凍性冷却材から水を分離し、分離された水を用いて反応ガス供給部に供給することになるので、始動時において燃料電池システム内に水が少ない場合にも、必要な量の水を不凍性冷却材から分離して供給することが可能である。
【００１０】
また、前記第１の運転状態は所定の第１の温度が第１のしきい値未満である状態を含み、前記第２の運転状態は前記第１の温度が前記第１のしきい値を超える状態を含むようにしてもよい。第１のしきい値を０℃に近い温度に設定すれば、水が凍結する可能性が高いか否かに応じて、水の供給形態を変更することができ、この結果、水の凍結をより容易に防止することが可能である。
【００１２】
また、前記水供給部は、さらに、前記不凍性冷却材を収容するための冷却材タンクと、前記水分離部から排出される不凍性冷却材を前記冷却材タンクに回収するための配管系とを有することが好ましい。この形態では、不凍性冷却材の収容や回収をより容易に行うことができる。
【００１３】
前記水供給部は、さらに、前記水分離部で分離された水を収容するための水タンクを有しており、前記水タンク内の水を前記反応ガス供給部に供給することが好ましい。水タンクを設けるようにすれば、水の収容や供給、回収をより容易に行うことができる。
【００１４】
前記水供給部は、前記燃料電池の運転が停止した後に、前記水タンク内の水を前記冷却部内の前記不凍性冷却材中に回収することが好ましい。また、前記水供給部は、前記燃料電池の運転が停止した後に、前記燃料電池内の電気化学反応で生成されていた水を前記冷却部内の前記不凍性冷却材中に回収することが好ましい。このような形態では、燃料電池システムの運転が停止しているときには、燃料電池システム内に水が単独で存在することが無いので、凍結防止効果をより高めることが可能である。
【００１５】
なお、前記水供給部は、前記不凍性冷却材中への水の回収を、前記燃料電池の運転が停止した後に所定の第２の温度が第２のしきい値以下になったときに実行するようにしてもよい。こうすれば、水の凍結防止のために必要なときにのみ、不凍性冷却材中への水の回収を行うことができる。従って、凍結の恐れが少ないときには、燃料電池システムの始動時において不凍性冷却材から水を分離する必要性を低減することが可能である。
【００１６】
また、前記水供給部は、前記燃料電池システムの始動時においても、前記水供給部内に所定量以上の水が存在するときには、前記不凍性冷却材からの水の分離を中止するようにしてもよい。こうすれば、水の分離のための時間を省略できるので、燃料電池システムの始動期間を短縮することが可能である。
【００１７】
前記水供給部は、さらに、凍結防止のために前記水分離部を加熱する加熱部を有するようにしてもよい。この形態では、凍結防止をより確実に行うことが可能である。
【００１８】
なお、燃料電池システムは、さらに、前記不凍性冷却材中の前記不凍化剤の濃度を実質的に示す濃度指標値を測定するための濃度測定部と、前記不凍化剤の濃度の測定値に応じて、前記不凍化剤と水のいずれかを前記冷却部に補給する必要があることを示す警告を行う警告部と、を備えるようにしてもよい。この形態では、使用者に不凍化剤や水の補給を警告することが可能である。
【００１９】
なお、前記警告部は、前記不凍化剤の濃度の測定値から前記不凍化剤を補給する必要があると判断される場合においても、所定の第３の温度が第３のしきい値以上のときには前記警告の発生を中止するようにしてもよい。この形態では、凍結の恐れが少ないときに警告が中止されるので、使用者に不要な心配を与える回数を低減することが可能である。
【００２０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料電池システムの運転方法、燃料電池のための反応ガス生成方法、燃料電池のための冷却材の処理方法等の種々の態様で実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２２】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池５０と、燃料電池５０に燃料ガスＦＧを供給するための燃料ガス供給部１１０と、不凍性冷却材ＣＬを用いて燃料電池５０を冷却するための冷却部１２０と、不凍性冷却材ＣＬから水を抽出して燃料ガス供給部１１０に水を供給する水供給部１３０と、を備えている。これらの各部の動作は、図示しないコントローラによって制御されている。後述する各種の動作は、このコントローラの制御の下で自動的に実行される。
【００２３】
燃料ガス供給部１１０は、改質のための原燃料ＯＦを貯蔵する原燃料タンク２０と、原燃料ＯＦを改質して水素リッチガス（「改質ガス」とも呼ぶ）ＨＲＧを生成する改質器３０と、水素リッチガスＨＲＧを加湿するための加湿器４０と、を備えている。なお、原燃料ＯＦとしては、メタノールやガソリン、天然ガス、エーテルなどのような炭素水素系化合物（炭化水素を含む化合物）を使用することができる。
【００２４】
加湿器４０で加湿された燃料ガスＦＧは、配管４２を経由して燃料電池５０内の燃料ガス通路に導入される。また、燃料電池５０内の空気通路には、図示しないエアーポンプによって空気ＡＲが供給される。燃料電池５０内では、燃料ガスＦＧ内の水素と、空気ＡＲ内の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
【００２５】
冷却部１２０は、不凍性冷却材ＣＬの熱を大気中に放出するための熱交換器６０と、冷却材ＣＬを収容する冷却材タンク７０と、循環路７２に沿って冷却材ＣＬを循環させるポンプ７４と、を備えている。不凍性冷却材ＣＬとしては、例えば水と、エチレングリコールなどの不凍化剤（凝固点降下剤）とを含む水溶液が使用可能である。
【００２６】
水供給部１３０は、冷却部１２０で用いられている不凍性冷却材ＣＬから水を分離するための水分離部８０と、水分離部８０で分離された分離水ＳＷを一時的に収容するための水タンク９０とを有している。水分離部８０としては、例えば中空糸膜などの濾過膜を用いて水溶液から水を抽出する装置を利用することができる。水分離部８０の原水側８０ａには、冷却材タンク７０内の不凍性冷却材ＣＬが、配管８２を経由してポンプ８４によって供給される。水分離後の排水ＣＬａは、戻り配管８３を経由して冷却材タンク７０内に回収される。なお、戻り配管８３には、圧力や流量を調整するための電動調整弁８６が設けられている。
【００２７】
水分離部８０の分離水側８０ｂに浸みだした分離水ＳＷは、配管８９を経由して水タンク９０に収容される。また、燃料電池５０の電気化学反応の結果として生成された水（以下、「ＦＣ生成水」と呼ぶ）ＦＣＷも、配管９２を経由して水タンク９０内に収容される。水タンク９０に収容された水ＷＲは、ポンプ３６によって配管３４を経由して改質器３０に供給され、また、他のポンプ４６によって配管４４を経由して加湿器４０にも供給される。改質器３０に供給される水ＷＲは、改質器３０内の水蒸気改質反応に利用される。加湿器４０に供給される水ＷＲは水素リッチガスＨＲＧの加湿に利用され、加湿後のガスが燃料ガスＦＧとして燃料電池５０に供給される。
【００２８】
なお、水タンク９０の底部には、水タンク９０内の水を冷却材タンク７０に回収するための戻し配管９４が設けられている。この戻し配管９４には、電動開閉弁９６が設けられている。燃料電池５０の発電中は、この電動開閉弁９６は閉状態に保たれる。従って、水タンク９０に注入された水は水タンク９０内に収容され、ポンプ３６，４６によって燃料ガス供給部１１０に供給される。一方、燃料電池システム１００が完全に停止した状態では、通常は、水タンク９０内の水ＷＲは戻し配管９４を経由して冷却材タンク７０に戻される。従って、燃料電池システム１００が停止した状態では、この燃料電池システム１００内に純水は存在しない。なお、本明細書における「純水」は、完全な純水である必要は無く、ある程度の不純物が混入しているものも含む広い意味を有する。換言すれば、「純水」とは、水溶液でない水を意味している。なお、本明細書中では、「純水」を単に「水」と呼ぶこともある。
【００２９】
水分離部８０の周囲は、凍結防止用のヒータ８８が巻かれている。このヒータ８８は、分離水側８０ｂの配管８９を加熱するように配置されていてもよい。また、水タンク９０や、他の水用の配管３４，４４，９２にも、凍結防止用のヒータを設けるようにしてもよい。
【００３０】
図２は、第１実施例の燃料電池システム１００の始動期間における水の供給状態を示す説明図である。ここで、「始動期間」とは、始動時以後のある程度の長さの期間を意味している。太線で描かれている配管系は水の供給のために使用されている配管系を示しており、破線で描かれている配管系は現在使用されていない配管系を示している。前述したように、燃料電池システム１００が停止した状態では、水タンク９０内に純水は存在しない。そこで、燃料電池システム１００の始動時には、水分離部８０を用いて不凍性冷却材ＣＬから水を分離して、水タンク９０内に収容する。
【００３１】
水分離部８０による純水の分離量は、原水側８０ａの入口側圧力と出口側圧力とに依存する。従って、純水の分離量は、入口側圧力と出口側圧力とのうちの少なくとも一方を調整することによって制御することができる。例えば、入口側配管８２に設けられたポンプ８４を制御することによって、原水側８０ａの入口側圧力を調整することが可能である。また、出口側配管に設けられた調整弁８６の開度を調整することによって、原水側８０ａの出口側圧力を調整することが可能である。なお、入口側配管８２に、調整弁や可変オリフィスなどのような流体抵抗を調整できる装置を設けてもよい。また、出口側の調整弁９６の代わりに、ポンプや可変オリフィスを用いることも可能である。
【００３２】
水タンク９０内にある程度の水が溜まると、ポンプ３６，４６によって水ＷＲを改質器３０と加湿器４０に供給し、燃料ガス供給部１１０を運転して燃料ガスＦＧの生成を開始する。この時点を判断するためには、水タンク９０に水位計を設けておくことが好ましい。燃料ガスＦＧの供給が始まると、燃料電池５０が始動する。この後、燃料電池５０の始動期間が終了すると、燃料電池システム１００が以下に説明する通常運転に移行する。
【００３３】
図３は、第１実施例の燃料電池システム１００の通常運転時における水の供給状態を示す説明図である。通常運転状態では、燃料ガスＦＧ内の水蒸気の一部は、排気ガスとともに外部に放出されて消失する。しかし、燃料電池５０内の電気化学反応によってＦＣ生成水ＦＣＷが常に生成されており、このＦＣ生成水ＦＣＷは、燃料電池システム１００からの水の消失量を上回っているのが普通である。そこで、通常運転時には、水分離部８０による水の分離処理を停止し、ＦＣ生成水ＦＣＷを改質器３０と加湿器４０に供給する。
【００３４】
ところで、水分離部８０による水の分離は完全ではなく、分離水ＳＷ側にエチレングリコールなどの凝固点降下剤がわずかに漏れ出す可能性もある。しかし、本実施例では、通常運転時には、不凍性冷却材ＣＬから水を分離しないので、水の分離を継続することによって不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤の濃度が過度に低下してしまい、冷却材ＣＬの不凍性が損なわれる、という心配が無い。また、通常運転時には、水分離部８０のためのポンプ８４を停止するので、このポンプ８４を運転するための動力を節約できるという利点もある。
【００３５】
なお、通常運転時においても水分離部８０の運転を停止せずに続行しておき、余分な水は、水タンク９０から配管９４を経由して冷却材タンク７０に戻すようにしてもよい。このときも、分離された水が冷却材ＣＬ中に戻されるので、実質的には冷却材ＣＬからの水の分離処理を停止しているものと考えることができる。
【００３６】
なお、通常運転時に水分離部８０の運転を停止している場合にも、必要に応じて水分離部８０の運転を再開して、水タンク９０に分離水ＳＷを補給するようにしてもよい。例えば、水タンク９０に水位計を設けておき、水タンク９０内の水位がある程度以下になったときに、水分離部８０を運転するようにしてもよい。こうすれば、改質器３０や加湿器４０に供給すべき水が不足することがないという利点がある。
【００３７】
燃料電池５０による発電が停止すると、システム１００内の純水を水タンク９０内に貯蔵しておく必要が無くなる。また、凍結防止のためには、純水がシステム１００内に存在しないことが好ましい。そこで、燃料電池５０の運転が停止した後には、電動開閉弁９６が開き、これによって、水タンク９０内の水が配管９４を経由して冷却材タンク７０に回収される。また、水分離部８０の分離水側８０ｂの水も、水タンク９０と配管９４を経由して冷却材タンク７０に回収される。なお、水分離部８０の分離水側８０ｂの底部にも、冷却材タンク７０に水を戻すための配管を設けておくようにしてもよい。このように、水タンク９０と水分離部８０内の水を冷却材タンク７０に回収すれば、燃料電池システム１００内に純水が存在しなくなるので、気温が低下しても純水が凍結するおそれがないという利点がある。
【００３８】
なお、燃料電池５０の運転の停止後においても、特定の温度（気温や水温など）が０℃に近い所定のしきい値よりも高いときには水タンク９０の水をそのまま貯蔵しておき、特定の温度がそのしきい値以下になったときに冷却材タンク７０への水の回収を初めて行うようにしてもよい。こうすれば、水が凍結しない程度の温度（気温または水温）のときに、水タンク９０内に水が貯蔵されたままで保たれるので、その後の燃料電池システム１００の始動の際に、水分離部８０を用いて水を分離する必要がなくなるという利点がある。この結果、燃料電池システム１００の始動時間を短縮することができる。なお、「０℃に近い温度」とは、好ましくは約０℃〜約＋５℃の範囲の温度を意味する。
【００３９】
以上のように、第１実施例では、燃料電池システム１００の始動時には不凍性冷却材ＣＬから水を分離した水を用いて改質器３０や加湿器４０に水を供給し、一方、通常運転時には不凍性冷却材ＣＬからの水の分離を停止して、燃料電池５０からのＦＣ生成水ＦＣＷを改質器３０や加湿器４０に供給するようにしている。従って、通常運転時において、水分離部８０を常に運転させる必要がないという利点がある。この結果、仮に水分離部８０の分離水側８０ｂに凝固点降下剤が浸み出しているとしても、不凍性冷却材ＣＬの濃度が過度に低下することがないという利点がある。
【００４０】
また、第１実施例では、燃料電池システム１００の停止後に、システム内の水を不凍性冷却材ＣＬ中に回収するようにしたので、気温が低下してもシステム内の水が凍結する恐れが少ないという利点がある。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００ａでは、水分離部８０の不凍性冷却材ＣＬの入口側配管８２と出口側配管８３に、それぞれ流量計８５，８７が設けられている。また、燃料電池５０から水タンク９０に至るＦＣ生成水用の配管９２にも流量計９３が設けられている。さらに、冷却材タンク７０には、不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤（凝固点降下剤）の濃度を測定するための濃度センサ７６が設けられている。冷却部１２０は、外気温を測定するための温度センサ７７と、センサ７６，７７からの信号に応じて警報を表示する警報パネル７８とを有している。第２実施例の燃料電池システム１００ａのその他の構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１００と同じである。
【００４２】
第２実施例の燃料電池システム１００ａでは、流量計８５，８７での流量の差から、分離水ＳＷの生成量を精度良く推定することが可能である。従って、ポンプ８４や調整弁８６等を用いて、分離水ＳＷの生成量を精度良く制御することができる。
【００４３】
また、流量計９３を用いてＦＣ生成水ＦＣＷの生成量を測定できるので、ここで測定されたＦＣ生成水ＦＣＷの量が所定値に達しているか否かを容易に判断することができる。従って、例えば、ＦＣ生成水ＦＣＷの量の測定値が所定値以上になったときに、水分離部８０の運転を停止させることが可能である。なお、流量計９３が無い場合にも、燃料電池５０の発電量からＦＣ生成水ＦＣＷの量を予測することは可能である。従って、燃料電池５０の発電量からＦＣ生成水ＦＣＷの生成量を予測し、その予測量が所定値以上になったときに、水分離部８０の運転を停止するようにしてもよい。
【００４４】
ところで、不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤の濃度には、適正な範囲がある。すなわち、不凍化剤の濃度が高すぎると、冷却部１２０の循環特性が低下する可能性がある。一方、不凍化剤の濃度が低すぎると、不凍性が低下する。そこで、第２実施例では、濃度センサ７６を用いて不凍化剤の濃度を測定し、その測定値が所定の適正範囲外になると、警報パネル７８に警告を表示する。例えば、燃料電池システム１００ａが車両に搭載されている場合には、運転席のインストルメントパネル上にこの警告が表示される。
【００４５】
この警告は、不凍化剤（例えばエチレングリコール）を補給する必要があることや、水を補給する必要があることを運転者に通知するためのものである。なお、不凍化剤を補給する必要があることを示す警告は、温度センサ７７で測定された外気温が０℃に近い所定のしきい値（例えば５℃）以上のときには、その警告の発生が中止されるようにしてもよい。この理由は、このような場合には不凍化剤を補給しなくても冷却材ＣＬが凍結する恐れが少ないためである。なお、警告の発生を中止するための条件としては、上記以外の種々の条件を設定することが可能である。例えば、外気温が０℃に近い所定のしきい値（例えば５℃）以上である時間が、所定期間（例えば２４時間）以上継続しているときに、警告の発生を中止するようにしてもよい。
【００４６】
なお、濃度センサ７６以外のセンサを用いて、不凍性冷却材ＣＬ中の不凍化剤の濃度を実質的に示す濃度指標値（例えば導電率など）を測定することも可能である。
【００４７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｃ１．変形例１：
上記各実施例の構成要素の一部は省略することが可能である。例えば、水タンク９０を省略し、水分離部８０で分離された分離水を、そのまま配管を経由して改質器３０や加湿器４０に供給するようにしてもよい。但し、水タンク９０を設けるようにすれば、水の回収や分配が容易になるという利点がある。
【００４９】
Ｃ２．変形例２：
燃料ガス供給部１１０としては、改質器３０を用いて原燃料ガスを改質するタイプの装置に限らず、水素ガスを供給する任意の装置を利用することが可能である。例えば、原燃料タンク２０と改質器３０の代わりに、水素ガスタンクや水素貯蔵合金などのように水素を貯蔵する水素貯蔵部を利用することができる。この場合には、改質用の水は不要なので、不凍性冷却材ＣＬから分離された水は主に加湿用に用いられる。
【００５０】
Ｃ３．変形例３：
上記各実施例では、始動時には水分離部８０を用いて分離した水を燃料ガス供給部１１０に供給し、通常運転時には水の分離を停止してＦＣ生成水ＦＣＷを燃料ガス供給部１１０に供給していた。しかし、このような運転状態による水の供給態様の切り替えは、これ以外の条件を用いて行うことも可能である。例えば、特定箇所の温度（外気温や冷却材ＣＬの温度など）が、０℃に近い所定のしきい値よりも低いときには、通常運転時においても、水分離部８０を用いて分離した水を燃料ガス供給部１１０に供給するようにしてもよい。また、その特定箇所の温度がしきい値よりも高いときには、通常運転時においては水の分離を停止し、ＦＣ生成水ＦＣＷを燃料ガス供給部１１０に供給するようにすればよい。このような態様によれば、外気温が低いときにＦＣ生成水が凍結してしまい、燃料ガス供給部１１０に水を供給できなくなることを防止できるという利点がある。
【００５１】
また、燃料電池システム１００の始動時においても、水供給部１３０内に（すなわち水タンク９０内に）ある程度以上の水が貯蔵されている場合には、水分離部８０による水の分離を行わないようにしてもよい。こうすれば、始動期間を短縮することができるという利点がある。
【００５２】
以上の説明から理解できるように、水供給部１３０は、所定の第１の運転状態においては不凍性冷却材から水を分離して、分離された水を燃料ガス供給部に供給し、一方、所定の第２の運転状態においては、不凍性冷却材からの水の分離を停止するとともに、ＦＣ生成水を燃料ガス供給部に供給するようにすればよい。
【００５３】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、水素リッチガスＨＲＧを加湿器４０で加湿する構成例を示したが、加湿器４０無しの構成も可能である。この場合、水タンク９０からの水ＷＲの供給は、改質器３０のみとなる。加湿器４０を省略できる理由は、改質器３０で生成される水素リッチガスＨＲＧには水分がもともと含まれているからである。すなわち、改質器３０で生成される水素リッチガスＨＲＧに新たに水分を添加すること無く燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムの構成が可能である。
【００５４】
一方では、燃料電池に供給される空気ＡＲを加湿するシステムも提案されている。上記実施例では、水素リッチガスＨＲＧの供給路（すなわち燃料ガスＦＧの供給路）に加湿器４０を設けていたが、これに加えて、燃料電池用の空気ＡＲの供給路にも加湿器を設けるようにしてもよい。この場合には、水供給部１３０は、不凍性冷却材ＣＬから分離された水やＦＣ生成水を、空気ＡＲの供給部（酸化ガス供給部）にも供給することになる。なお、燃料ガスＦＧの供給路には加湿器を設けずに、空気ＡＲの供給路にのみ加湿器を設けるようにしてもよい。また、燃料ガスＦＧの供給路と、空気ＡＲの供給路のいずれにも加湿器が設けられていない構成としてもよい。
【００５５】
上述の説明から理解できるように、本発明の水供給部は、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給部に、不凍性冷却材ＣＬから分離された水やＦＣ生成水を供給するように構成されていればよい。ここで、「反応ガス」とは、燃料電池内の電気化学反応に利用されるガスを意味しており、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとを含んでいる。また、「反応ガス供給部」は、水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給部とを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１００の始動期間における水の供給状態を示す説明図。
【図３】第１実施例の燃料電池システム１００の通常の運転時における水の供給状態を示す説明図。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
２０…原燃料タンク
３０…改質器
３４…配管
３６…ポンプ
４０…加湿器
４４…配管
４６…ポンプ
５０…燃料電池
６０…熱交換器
７０…冷却材タンク
７２…循環路
７４…ポンプ
７６…濃度センサ
７７…温度センサ
７８…警報パネル
８０…水分離部
８０ａ…原水側
８０ｂ…分離水側
８２…入口側配管
８３…出口側配管
８４…ポンプ
８５…流量計
８６…電動調整弁
８７…流量計
８８…ヒータ
８９…配管
９０…水タンク
９２…配管
９３…流量計
９４…配管
９６…電動開閉弁
１００，１００ａ…燃料電池システム
１１０…燃料ガス供給部
１２０…冷却部（冷却系）
１３０…水供給部
ＡＲ…空気
ＣＬ…不凍性冷却材
ＦＣＷ…ＦＣ生成水
ＦＧ…燃料ガス
ＨＲＧ…水素リッチガス
ＯＦ…原燃料
ＳＷ…分離水
ＷＲ…水
Claims (13)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池内における電気化学反応に用いられる反応ガスを供給するための反応ガス供給部と、
水と不凍化剤とを含む不凍性冷却材を用いて前記燃料電池を冷却するための冷却部と、
前記反応ガス供給部に水を供給するための水供給部と、
を備えており、
前記水供給部は、前記不凍性冷却材から水を分離するための水分離部を有しており、
前記水供給部は、
（ｉ）所定の第１の運転状態においては、前記水分離部を用いて前記不凍性冷却材から水を分離して、分離された水を前記反応ガス供給部に供給し、
（ｉｉ）所定の第２の運転状態においては、前記不凍性冷却材からの水の分離を停止するとともに、前記燃料電池内の電気化学反応で生成された水を前記反応ガス供給部に供給するものであり、
前記水供給部は、前記第１の運転状態において、前記水分離部の入口側と出口側の少なくとも一方における前記不凍性冷却材の圧力を調整することによって、前記水分離部において分離される水量を調整する水量調整部を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記第１の運転状態は、前記燃料電池システムの始動時を含む、燃料電池システム。 - 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記第１の運転状態は所定の第１の温度が第１のしきい値未満である状態を含み、前記第２の運転状態は前記第１の温度が前記第１のしきい値を超える状態を含む、燃料電池システム。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、さらに、
前記不凍性冷却材を収容するための冷却材タンクと、
前記水分離部から排出される不凍性冷却材を前記冷却材タンクに回収するための配管系とを有する、燃料電池システム。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、さらに、前記水分離部で分離された水を収容するための水タンクを有しており、前記水タンク内の水を前記反応ガス供給部に供給する、燃料電池システム。 - 請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、前記燃料電池の運転が停止した後に、前記水タンク内の水を前記冷却部内の前記不凍性冷却材中に回収する、燃料電池システム。 - 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、前記燃料電池の運転が停止した後に、前記燃料電池内の電気化学反応で生成されていた水を前記冷却部内の前記不凍性冷却材中に回収する、燃料電池システム。 - 請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、前記不凍性冷却材中への水の回収を、前記燃料電池の運転が停止した後に所定の第２の温度が第２のしきい値以下になったときに実行する、燃料電池システム。 - 請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、前記燃料電池システムの始動時においても、前記水供給部内に所定量以上の水が存在するときには、前記不凍性冷却材からの水の分離を中止する、燃料電池システム。 - 請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水供給部は、さらに、凍結防止のために前記水分離部を加熱する加熱部を有する、燃料電池システム。 - 請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記不凍性冷却材中の前記不凍化剤の濃度を実質的に示す濃度指標値を測定するための濃度測定部と、
前記不凍化剤の濃度の測定値に応じて、前記不凍化剤と水のいずれかを前記冷却部に補給する必要があることを示す警告を行う警告部と、
を備える燃料電池システム。 - 請求項１１記載の燃料電池システムであって、
前記警告部は、前記不凍化剤の濃度の測定値から前記不凍化剤を補給する必要があると判断される場合においても、所定の第３の温度が第３のしきい値以上のときには前記警告の発生を中止する、燃料電池システム。 - 燃料電池と、前記燃料電池内における電気化学反応に用いられる反応ガスを供給するための反応ガス供給部と、水と不凍化剤とを含む不凍性冷却材を用いて前記燃料電池を冷却するための冷却部と、前記反応ガス供給部に水を供給するための水供給部と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
（ｉ）所定の第１の運転状態においては、前記水供給部内に設けられた水分離部を用いて前記不凍性冷却材から水を分離して、分離された水を前記反応ガス供給部に供給し、
（ｉｉ）所定の第２の運転状態においては、前記不凍性冷却材からの水の分離を停止するとともに、前記燃料電池内の電気化学反応で生成された水を前記反応ガス供給部に供給し、
前記第１の運転状態において、前記水分離部の入口側と出口側の少なくとも一方における前記不凍性冷却材の圧力を調整することによって、前記水分離部において分離される水量を調整することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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