JP6613755B2

JP6613755B2 - 燃料電池、作動方法及びプログラム

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Publication number: JP6613755B2
Application number: JP2015184506A
Authority: JP
Inventors: 佳昭深津
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: JP2017059454A

Description

本発明は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を備える燃料電池、作動方法及びプログラムに関する。

近年、燃料電池を、パーソナルコンピュータ、携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途に使用することが検討されている。燃料電池は、外部から供給される水素及び酸素を化学反応させることにより発電する発電部としてのスタックと、該スタックに水素を供給する水素供給部とを備える。スタックにおいては、複数積層されたセルがパッケージ化されている。セルにおいては、負極、固体高分子膜、および正極が貼り合わされて一体化され、導電板で挟み込まれている。水素供給部としては、例えば、水素吸蔵合金を充填したＭＨ（Metal Hydride ）ボンベが使用される。

スタックにおいては、発電時に熱が発生するので、冷却を行う必要がある。スタックの冷却は、例えば、熱媒体としての水が循環する流路を配管により形成することにより行う。該流路を循環する水は、スタックに流入し、スタックの内部を通流し、熱を伝導された後、流出する。スタックから熱を伝導された水は、ラジエータにより放熱されることで冷却された後、再度スタックを通流する。また、ＭＨボンベは所定の温度以上でなければ水素の供給を行うことができないため、ＭＨボンベを用いる燃料電池では、スタックを通流した水の熱をＭＨボンベに伝導し、ＭＨボンベを加熱する場合がある。

ここで、燃料電池を、外気の温度が氷点下である場所で使用又は保管する場合、前記流路を循環する水が凍結する場合がある。水が凍結した場合、前記流路の配管内で膨脹することにより前記流路が破損する虞がある。したがって、水の凍結を防止する必要がある。

特許文献１に記載の燃料電池（燃料電池コージェネレーションシステム）は、燃料電池内部において、設置面側に設けられた凍結防止用ヒータと、設置面の反対側に設けられた換気用ファンと、外気温検出器（温度検出手段）と、運転スイッチとを備える。特許文献１に記載の燃料電池は、運転待機中、又は運転スイッチがオフである運転停止中の場合に、外気温検出器が閾値以下の温度を検出したとき、凍結防止用ヒータ及び換気用ファンを作動させる。これにより、特許文献１に記載の燃料電池は、凍結防止用ヒータで発生した熱が換気用ファンにより対流し、循環する水の凍結が防止される。

特開２００５−２５９４９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池では、燃料電池の内部の空間全体を加熱しているので、必要以上に電力等のエネルギーを費やすという問題がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱媒体の凍結防止に必要なエネルギーを低減することができる燃料電池を提供することにある。

本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路と、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路と、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱媒体の熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器に取り付けられたヒータと、前記第１熱媒体流路に設けられ、熱媒体の循環を行う第１ポンプと、前記第２熱媒体流路に設けられ、熱媒体の循環を行う第２ポンプと、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータの動作を制御する制御部と、外気の温度を検出する外気温検出器と、前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器とを備え、前記制御部は、前記外気温検出器が検出した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させ、前記第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、前記第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環する熱媒体を熱交換器において、熱交換器に取り付けられたヒータにより加熱することができる。これにより、熱媒体の凍結を防止することができる。ヒータは熱交換器に取り付けられているので凍結防止のための熱媒体の加熱を局所的に行うことができ、熱媒体の凍結防止に必要なエネルギーを低減することができる。

また、熱交換器により、第１熱媒体流路において発電部から伝導された熱媒体の熱を第２熱媒体流路の熱媒体に伝導し、水素供給部を加熱することができる。即ち、発電部における排熱により水素供給部を加熱することができる。外気の温度が所定温度以下である場合に、第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させる。ヒータの作動により、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環する熱媒体を熱交換器において、ヒータにより加熱することができる。また、第１ポンプ及び第２ポンプの作動により熱媒体が循環し、熱媒体全体を加熱することができる。したがって、例えば、所定温度を０℃以上の温度に適宜設定することにより、熱媒体の凍結を防止することができる。第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合に、第１ポンプによる熱媒体の循環量を増加する。よって、熱媒体の凍結をより的確に防止することができる。第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合に、ヒータによる加熱量を増加する。よって、水素供給部を使用温度に至るまでより的確に加熱することができる。第２温度検出器が検出した温度と、第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合に、第２ポンプによる熱媒体の循環量を増加する。よって、水素供給部の加熱が十分でない場合に加熱を促進することができる。

本発明に係る作動方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路に設けられた第１ポンプと、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路に設けられた第２ポンプと、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱交換を行う熱交換器に取り付けられたヒータとを作動する作動方法であって、外気の温度を取得し、取得した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動し、前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、外気の温度が所定温度以下である場合に、第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させる。ヒータの作動により、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環する熱媒体を熱交換器において加熱することができる。また、第１ポンプ及び第２ポンプの作動により熱媒体が循環するので、熱媒体全体を加熱することができる。したがって、例えば、所定温度を０℃以上の温度に適宜設定することにより、熱媒体の凍結を防止することができる。第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合に、第１ポンプによる熱媒体の循環量を増加する。よって、熱媒体の凍結をより的確に防止することができる。第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合に、ヒータによる加熱量を増加する。よって、水素供給部を使用温度に至るまでより的確に加熱することができる。第２温度検出器が検出した温度と、第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合に、第２ポンプによる熱媒体の循環量を増加する。よって、水素供給部の加熱が十分でない場合に加熱を促進することができる。

本発明に係るプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路に設けられた第１ポンプの動作と、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路に設けられた第２ポンプの動作と、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱交換を行う熱交換器に取り付けられたヒータの動作とを制御するコンピュータに、外気の温度を取得し取得した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動し、前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくする処理を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、熱媒体の加熱を局所的に行うので熱媒体の凍結防止に必要なエネルギーを低減することができる。

実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を示すブロック図である。冷却水流路の配管の模式的断面図である。第２熱交換部を示す模式的斜視図である。凍結防止プログラムに係るＣＰＵの動作を示すフローチャートである。実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る燃料電池の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池の概略構成を示すブロック図である。燃料電池は、発電を行う発電装置１００及び水素供給装置２００を備える。

発電装置１００は、スタック１と、水素供給路２ａと、水素循環路２ｂと、空気流路３と、冷却水流路４と、放熱液流路５と、ラジエータ５１と、ファン５２と、加熱水流路６と、第１熱交換部７と、第２熱交換部８と、制御装置９とを備える。空気流路３は、エアポンプ３０を有する。空気流路３は、エアポンプ３０の作動により空気がスタック１を通流し、発電装置１００の外部に排出されるように形成されている。空気流路３において、スタック１の空気流入側には第１空気遮断弁３１が設けられており、スタック１の空気流出側には、第２空気遮断弁３２が設けられている。第１空気遮断弁３１及び第２空気遮断弁３２の開放により、エアポンプ３０からスタック１に空気が流入し、酸素が供給される。

水素供給装置２００は、水素吸蔵合金を充填し、水素を貯蔵する複数のＭＨボンベ２０，２０，・・２０（図では六本）を有する。水素供給路２ａは、ＭＨボンベ２０，２０，・・２０の水素を、水素循環路２ｂを介してスタック１に供給するように形成されている。水素供給装置２００において、水素供給路２ａには、ＭＨボンベ２０、２０、・・２０側から水素一次遮断弁２１及びレギュレータ２２が設けられている。水素一次遮断弁２１の開放により、水素供給装置２００から発電装置１００に水素が供給され、レギュレータ２２により供給する水素の圧力が調整される。

発電装置１００において、水素供給路２ａには、水素供給装置２００のレギュレータ２２側から水素循環路２ｂに向けて、第１水素二次遮断弁２３、第２水素二次遮断弁２４、逆止弁２５が設けられている。第１水素二次遮断弁２３、第２水素二次遮断弁２４の開放により、水素供給装置２００から供給された水素が水素供給路２ａを介して水素循環路２ｂに流入する。また、水素循環路２ｂには、スタック１から水素及び不純物を含むガスが流入するが、逆止弁２５により、水素循環路２ｂから、水素供給路２ａに前記ガスの逆流することが防止されている。

水素循環路２ｂは、水素循環ポンプ２６及び気液分離器２７を有する。水素循環路２ｂは、水素循環ポンプ２６が送出した水素が、スタック１を通流した後、気液分離器２７を通流し、水素循環ポンプ２６に戻るように形成されている。水素供給路２ａを通流する水素は、水素循環路２ｂにおいて、水素循環ポンプ２６からスタック１に水素が通流する部分に流入する。気液分離器２７は、水素循環路２ｂ内を流れる前記ガス及び水を滞留させ、内部に滞留したガス及び水を発電装置１００の外部に定期的に排出する。

冷却水流路４は、冷却水ポンプ４０を備え、該冷却水ポンプ４０の作動により熱媒体としての純水である冷却水が循環する。冷却水流路４は、冷却水の循環によりスタック１を冷却する。冷却水流路４は、冷却水が、冷却水ポンプ４０から送出された後、スタック１、第１熱交換部７、第２熱交換部８を順に通流し、冷却水ポンプ４０に戻るように形成されている。冷却水流路４は、配管４１によって形成されている。図２は、冷却水流路４の
配管４１の模式的断面図である。図２に示すように冷却水流路４の配管４１は、断熱材４２に覆われており断熱されている。ここで、配管の断熱が行われている箇所は図１において、太線で示している。冷却水流路４には、第２熱交換部８の流入側に冷却水流入側温度センサ４３が設けられ、流出側に冷却水流出側温度センサ４４が設けられている。冷却水流入側温度センサ４３及び冷却水流出側温度センサ４４は、冷却水の温度を検出する。

放熱液流路５は放熱液ポンプ５０を備え、該放熱液ポンプ５０の作動により熱媒体としての不凍液である放熱液が循環する。放熱液流路５は、放熱液ポンプ５０から送出された放熱液がラジエータ５１を通流した後、第１熱交換部７を通流し、放熱液ポンプ５０に戻るように形成されている。放熱液流路５の配管は冷却水流路４の配管４１と同様に断熱材に覆われている。放熱液は、第１熱交換部７において冷却水と熱交換を行う。ラジエータ５１は、循環する放熱液の放熱を行い、ファン５２はラジエータ５１による放熱を促進する。放熱液流路５において熱媒体として不凍液を用いることにより、燃料電池を動作させないで保管している等、熱媒体を循環させていない場合に熱媒体の凍結を防止できる。

加熱水流路６は、加熱水ポンプ６０を備え、該加熱水ポンプ６０の作動により熱媒体としての水である加熱水が循環する。加熱水流路６は、加熱水の循環によりＭＨボンベ２０，２０，・・，２０の加熱を行う。なお、ＭＨボンベ２０，２０，・・，２０の加熱は、水の循環により行う構成に限られず、他の熱媒体の循環により行う構成であってもよい。加熱水流路６は、加熱水ポンプ６０から送出された加熱水が水素供給部２００を通流した後、第２熱交換部８を通流し、加熱水ポンプ６０に戻るように形成されている。また、加熱水流路６は、水素供給装置２００内において、ＭＨボンベ２０に沿って複数の経路（図では六本）に分岐している。加熱水流路６は、冷却水流路４と同様に断熱材に覆われた配管により形成されている。なお、ＭＨボンベ２０に熱を伝導する部分、即ち、前記複数の経路に分岐した部分には断熱材は設けられていない。従って、ＭＨボンベ２０に近接又は接触している加熱水流路６から放出される熱により、ＭＨボンベが効率よく加熱される。加熱水は、第２熱交換部８において冷却水と熱交換を行う。加熱水流路６において、第２熱交換部８の流入側には加熱水流入側温度センサ６１が設けられている。また、第２熱交換部８の加熱水流出側には、加熱水流出側温度センサ６２が設けられている。加熱水流入側温度センサ６１及び加熱水流出側温度センサ６２は加熱水の温度を検出する。

第１熱交換部７は、プレート式の熱交換器７０を有する。熱交換器７０は、冷却水流路４の冷却水と、放熱液流路５の放熱液との熱交換を行う。また、第２熱交換部８は、プレート式の熱交換器８０と、該熱交換器８０に取り付けられたヒータ８１とを有する。熱交換器８０は、冷却水流路４の冷却水と、加熱水流路５の加熱水との熱交換を行う。図３は、第２熱交換部８を示す模式的斜視図である。図３Ａは熱交換器８０の表面を示し、図３Ｂは熱交換器８０の裏面側を示している。熱交換器８０は、ヒータ８１と共に断熱材８２（点線で示す）に覆われている。図３Ａに示すように、熱交換器８０の表面には、冷却水流入口８０ａと、冷却水流出口８０ｂと、加熱水流入口８０ｃと、加熱水流入口８０ｄとが設けられている。冷却水流入口８０ａ及び冷却水流出口８０ｂは、冷却水流路４に接続され、加熱水流入口８０ｃ及び加熱水流入口８０ｄは、加熱水流路６に接続されている。ヒータ８１は、熱交換器８０の両面に張り付けられている。なお、熱交換器７０及び熱交換器８０は、プレート式に限られず、多管式の熱交換器その他の熱交換器であってもよい。

発電装置１００は更に制御装置９を有する。制御装置９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）９０、ＲＯＭ（Read-Only Memory）９１、ＲＡＭ（Random-Access Memory）９２を有する。ＲＯＭ９１は、燃料電池の運転に係る運転プログラム９１ａと、配管内の熱媒体の凍結を防止するための凍結防止プログラム９１ｂとを記憶している。ＣＰＵ９０は、ＲＯＭ９１から、運転プログラム９１ａ及び凍結防止プログラム９１ｂを読み出して実
行し、ＲＡＭ９２は、ＣＰＵ９０による演算結果等を記憶する。

ＣＰＵ９０は、図示しない出力部を介して、水素一次遮断弁２１、第１水素二次遮断弁２３、第２水素二次遮断弁２４、水素循環ポンプ２６、エアポンプ３０、第１空気遮断弁３１、第２空気遮断弁３２に対して、作動命令を出力し、動作を制御する。また、制御装置９は、同様に冷却水ポンプ４０、放熱液ポンプ５０及び加熱水ポンプ６０の動作を制御する。更に、制御装置９には、冷却水流入側温度センサ４３、冷却水流出側温度センサ４４、加熱水流入側温度センサ６１及び加熱水流出側温度センサ６２夫々が検出した温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄが入力される。ＣＰＵ９には、制御装置９に入力された温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄが図示しない入力部を介して入力される。

制御装置９には、外気の温度を検出する外気温センサ１０１が接続されている。制御装置９には、検出した外気の温度が入力され、前記入力部を介してＣＰＵ９０に検出した外気の温度が入力される。

上記の構成の燃料電池は、図示しない外部装置等から発電の指示を受けた場合、ＣＰＵ９０が運転プログラム９１ａを読み出して以下の動作を実行することにより、発電を行う。ＣＰＵ９０は、第１空気遮断弁３１、第２空気遮断弁３２を開き、エアポンプ３０を作動させる。これにより、空気流路３を介して、スタック１に酸素が供給される。また、ＣＰＵ９０は、水素一次遮断弁２１、第１水素二次遮断弁２３、第２水素二次遮断弁２４を開く。これにより、ＭＨボンベ２０，２０，・・，２０に貯蔵された水素がレギュレータ２２により圧力調整されてスタック１に供給される。ここで、ＭＨボンベ２０，２０，・・，２０は、例えば、各ＭＨボンベ２０に設けられた図示しない開閉弁をＣＰＵ９０が開閉することにより、順次使用される。

更に、ＣＰＵ９０は、水素循環ポンプ２６を作動させる。これにより、スタック１において反応しなかった水素が水素循環路２ｂを循環し、再度スタック１に流入する。水素が水素循環路２ｂを循環している間、水素及び不純物を含むガスと、水とが気液分離器に滞留する。滞留したガス及び水は、例えば、ＣＰＵ９０が、気液分離器２７に設けられた図示しない排出弁を作動させることにより、発電装置１００の外部に定期的に排出される。

また、ＣＰＵ９０は、冷却水ポンプ４０、放熱液ポンプ５０及び加熱水ポンプ６０を作動させる。これにより、冷却水は冷却水流路４を循環し、放熱液は放熱液流路５を循環し、加熱水は加熱水流路６を循環する。

スタック１における発電により発生した熱は、スタック１を通流する冷却水流路４の冷却水に伝導される。熱を伝導された冷却水は、第１熱交換部７において、熱交換器７０により、放熱液流路５の放熱液に熱を伝導する。熱を伝導された放熱液は、ラジエータ５１を通流することにより放熱し、ファン５２により放熱が促進される。

第１熱交換部４０を通過した冷却水は、更に第２熱交換部８において、熱交換器８０により加熱水に熱を伝導する。熱を伝導された加熱水は、ＭＨボンベ２０，２０，・・，２０に熱を伝導する。熱を伝導されたＭＨボンベ２０，２０，・・，２０は、水素の供給に適した温度となるか又は該温度に近づく。熱交換部８０を通流した冷却水は冷却水ポンプ４０に戻り、再度スタック１に流入する。

上記の動作によりスタック１は発電を行い、冷却され、ＭＨボンベ２０，２０，・・，２０は加熱される。ここで、燃料電池において、運転待機又は運転オフ等、発電が行われない場合、氷点下の環境下では、冷却水流路４を流れる冷却水と、加熱水流路６を循環する加熱水とが凍結する可能性がある。また、加熱水流路６を流れる加熱水の温度が低下し
、ＭＨボンベ２０の加熱ができなくなる可能性がある。したがって、燃料電池は、以下のように、冷却水及び加熱水の温度の低下を防止し、凍結を防止する。

ＣＰＵ９０は、運転待機又は運転オフとなったときから、燃料電池が発電を行っていない間、ＲＯＭ９１から凍結防止プログラム９１ｂを読み出し、次の動作を実行し、燃料電池の発電が開始した場合に終了する。図４は、凍結防止プログラム９１ｂに係るＣＰＵ９０の動作を示すフローチャートである。ＣＰＵ９０は、外気温センサ１０１が検出した外気の温度を取得する（Ｓ１）。ＣＰＵ９０は、取得した外気の温度が１５℃以下であるか否かを判定する（Ｓ２）。ＣＰＵ９０は、外気の温度が１５℃以下であると判定した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、冷却水ポンプ４０、加熱水ポンプ６０及びヒータ８１を作動させる（Ｓ３）。一方、ＣＰＵ９０は、外気の温度が１５℃以下でないと判定した場合（Ｓ２：ＮＯ）、処理をステップＳ１に戻す。

冷却水ポンプ４０、加熱水ポンプ６０及びヒータ８１の作動後、ＣＰＵ９０は、加熱水流入側温度センサ６１が検出した温度Ｔｃを取得する（Ｓ４）。ＣＰＵ９０は、取得した温度Ｔｃが閾値Ｔｘ（Ｔｘ＝１５℃）以下であるか否かを判定する（Ｓ５）。ＣＰＵ９０は、温度ＴｃがＴｘ以下であると判定した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、ヒータ８１の熱量を増加する（Ｓ６）。ＣＰＵ９０は、温度ＴｃがＴｘ以下でないと判定した場合（Ｓ５：ＮＯ）、ヒータ８１の熱量を減少する（Ｓ７）。

その後、ＣＰＵ９０は、加熱水流出側温度センサ６２が検出した温度Ｔｄを取得する（Ｓ８）。ＣＰＵ９０は、取得した温度Ｔｃ及びＴｄからＴｄ−Ｔｃの値を算出し（Ｓ９）、Ｔｄ−Ｔｃの値がＴｙ（Ｔｙ＝２．５℃）以上であるか否かを判定する（Ｓ１０）。ＣＰＵ９０は、前記差がＴｙ以上であると判定した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、加熱水ポンプ６０による加熱水の循環量を増加させる（Ｓ１１）。ＣＰＵ９０は、前記差がＴｙ以上でないと判定した場合（Ｓ１０：ＮＯ）、加熱水ポンプ６０による加熱水の循環量を減少させる（Ｓ１２）。

加熱水が熱交換器８０において冷却水から得られる熱量は加熱水の循環量に依存しているので、加熱水の循環量が増加した場合、加熱水が熱交換器において冷却水から得られる熱量は増加し、ＭＨボンベ２０に供給される熱量が増加する。また、加熱水の循環量が減少した場合、加熱水が熱交換器８０において冷却水から得られる熱量は減少し、ＭＨボンベ２０に供給される熱量が減少する。
ここで、Ｔｄ−Ｔｃの値がＴｙ以上である場合、ＭＨボンベ２０に供給される熱量が不足していることとなり、Ｔｄ−Ｔｃの値がＴｙ以上でない場合、ＭＨボンベ２０に過剰な熱量が供給されていることとなる。
したがって、上記動作により、ＭＨボンベ２０の加熱が十分でない場合に供給される熱量を増加して加熱を促進し、ＭＨボンベ２０が過剰に加熱されている場合に供給される熱量を減少して、ＭＨボンベ２０の加熱を適度に行うことができる。

その後、ＣＰＵ９０は、冷却水流入側温度センサ４３が検出した温度Ｔａを取得する（Ｓ１３）。ＣＰＵ９０は取得した温度Ｔａが閾値Ｔｚ（Ｔｚ＝５℃）以下であるか否かを判定する（Ｓ１４）。ＣＰＵ９０は、温度ＴａがＴｚ以下であると判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、冷却水ポンプ４０による冷却水の循環量を増加させ（Ｓ１５）、処理をステップＳ４に戻す。ＣＰＵ９０は、温度がＴｚ以下でないと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、冷却水ポンプ４０による冷却水の循環量を減少させ（Ｓ１６）、処理をステップＳ４に戻す。

以上の構成によれば、熱交換器８０に取り付けられたヒータ８１により、冷却水流路４を循環する冷却水と、加熱水流路６を循環する加熱水とを、熱交換器８０において加熱す
ることができる。また、冷却水ポンプ４０及び加熱水ポンプ６０の作動により熱媒体が循環するので、熱媒体全体を加熱することができる。また、ＣＰＵ９０は外気の温度が１５℃以下である場合に、冷却水ポンプ４０、加熱水ポンプ６０及びヒータ８１を作動させる。したがって、燃料電池が発電を行っていない場合においても、冷却水及び加熱水の凍結を防止することができる。また、ヒータ８１は熱交換器８０に取り付けられており、凍結防止のための冷却水及び加熱水の加熱を局所的に行うことができ、凍結防止に必要なエネルギーを低減することができる。

なお、外気の温度は１５℃に限られず、冷却水及び加熱水の凍結を防止できる温度であればよい。また、凍結防止プログラム９１ｂにおいて、冷却水ポンプ４０、加熱水ポンプ６０及びヒータ８１を作動させるか否かの判断は、外気の温度に基づく場合に限られない。該判断は、発電部１００内部の温度に基づいて行ってもよく、その他、冷却水及び加熱水等の熱媒体の凍結を防止できる場所の温度であれば、いかなる場所の温度に基づいて行ってもよい。また、ＣＰＵ９０は、冷却水ポンプ４０、加熱水ポンプ６０及びヒータ８１だけでなく、放熱液ポンプ５０を作動させてもよい。更に、凍結防止プログラム９１ｂは、発電を行っている間に実行してもよい。

第２熱交換部８により、冷却水流路４においてスタック１から伝導された冷却水の熱を加熱水流路６の加熱水に伝導し、ＭＨボンベ２０，２０，・・，２０を加熱することができる。即ち、スタック１における排熱によりＭＨボンベ２０，２０，・・，２０を加熱することができる。

また、冷却水流路４の配管４１を断熱材４２により覆っているので、配管４１と外部との熱移動を制限でき、より容易に冷却水の熱量を制御できる。また、配管４１の外部に熱が逃げることを防止できるので、ヒータ８１による加熱に係る熱量を低減することができる。加熱水流路６においても、冷却水流路４と同様に配管が断熱材に覆われているため、同様の効果がある。更に、熱交換器８０及びヒータ８１は断熱材８２に覆われているため、外部との熱移動を制限でき、熱交換器８０による熱交換及びヒータ８１による加熱をより効率的に行うことができる。

更に、ＴｃがＴｘ以下である場合にヒータの熱量を増加するので、ＭＨボンベ２０を使用温度に至るまでより的確に加熱することができる。Ｔｄ−Ｔｃの値がＴｙ以上である場合には、加熱水の循環量を増加するので、ＭＨボンベ２０の加熱が十分でない場合に加熱を促進することができる。更に、ＴａがＴｚ以下の場合に冷却水の循環量を増加するので、冷却水の凍結をより的確に防止することができる。なお、Ｔｃ−Ｔｄの値を算出し、その絶対値がＴｙ以上であるか否かを判定してもよい。また、閾値Ｔｘ、閾値Ｔｙ及び閾値Ｔｚは夫々、前記の温度１５℃、２．５℃、５℃に限られず、冷却水の凍結の防止と、ＭＨボンベ２０の加熱とを行える温度であればいかなる温度であってもよい。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る燃料電池の構成について、実施の形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

実施の形態２においては、加熱水流路６に代えて不凍液が循環する不凍液流路６ａが形成されている。不凍液流路６ａは、加熱水ポンプ６０に代えて不凍液ポンプ６３を有し、加熱水流入側温度センサ６１及び加熱水流出側温度センサ６２に代えて、不凍液の温度を検出する不凍液流入側温度センサ６４及び不凍液流出側温度センサ６５が設けられていること以外は、加熱水流路６と同一の構成である。

不凍液流路６ａにおいては、循環する熱媒体として不凍液を用いるので、外気温が氷点下である場合であっても、熱媒体が凍結しない。これにより、凍結の防止を要する箇所が減り、ヒータ８１による加熱に係る熱量を低減することができる。ここで、燃料電池が発電を待機している状態においては、循環する熱媒体が水又は不凍液のいずれであってもＭＨボンベ２０の加熱のために熱媒体を循環させる必要があり、該循環により熱媒体の凍結が防止される。一方で、燃料電池を動作させないで保管している場合、熱媒体は循環しない。従って、熱媒体として水を用いた場合には熱媒体は凍結するが、上記構成のように熱媒体として不凍液を用いた場合、熱媒体の凍結を防止できる。更に、不凍液には、防錆剤が入っている場合が多く、この場合には不凍液流路６において、錆の発生が防止される。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る燃料電池の概略構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る燃料電池の構成について、実施の形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

実施の形態３においては、第１熱交換部７には、第２熱交換部８と同様にヒータ７１が設けられている。なお、第１熱交換部７のヒータ７１は冷却水を主として加熱するように熱交換器７０に取り付けられる。第１熱交換部７のヒータ７１の動作は、ＣＰＵ９０に制御される。第１熱交換部７のヒータ７１は、例えば、第２熱交換部８のヒータ８１の作動のみでは、冷却水流路４の冷却水が凍結する虞がある場合に作動させる。これにより、より的確に冷却水の凍結を防止できる。また、第２熱交換部８のヒータ８１の作動のみでは、加熱水流路６の加熱水の加熱が不十分である場合に、第１熱交換部７のヒータ７１を作動させることにより、冷却水から移動する熱量を増加し、十分に加熱を行うことができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路と、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路と、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱媒体の熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器に取り付けられたヒータとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器に取り付けられたヒータにより、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環する熱媒体を、熱交換器において加熱することができる。これにより、熱媒体の凍結を防止することができる。ヒータは熱交換器に取り付けられており、凍結防止のための熱媒体の加熱を局所的に行うことができ、凍結防止に必要なエネルギーを低減することができる。

また、熱交換器により、第１熱媒体流路において発電部から伝導された熱媒体の熱を第２熱媒体流路の熱媒体に伝熱し、水素供給部を加熱することができる。即ち、発電部における排熱により水素供給部を加熱することができる。

本発明に係る燃料電池は、前記第１熱媒体流路に設けられ、熱媒体の循環を行う第１ポンプと、前記第２熱媒体流路に設けられ、熱媒体の循環を行う第２ポンプと、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータの動作を制御する制御部と、外気の温度を検出する外気温検出器とを備え、前記制御部は、前記外気温検出器が検出した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させることを特徴とする。

本発明によれば、外気の温度が所定温度以下である場合に、第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させる。ヒータの作動により、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環する熱媒体を熱交換器において、ヒータにより加熱することができる。また、第１ポンプ
及び第２ポンプの作動により熱媒体が循環し、熱媒体全体を加熱することができる。したがって、例えば、前記所定温度を０℃以上の温度に適宜設定することにより、熱媒体の凍結を防止することができる。

本発明に係る燃料電池は、前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器とを備え、前記制御部は、前記第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、前記第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合に冷却水の循環量を増加するので、冷却水の凍結をより的確に防止することができる。第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合にヒータの熱量を増加するので、水素供給部が水素吸蔵合金を充填したボンベである場合に、使用温度に至るように、より的確に加熱することができる。また、前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合には、加熱水の循環量を増加するので、水素供給部の加熱が十分でない場合に加熱を促進することができる。

本発明に係る燃料電池は、前記第２熱媒体流路を循環する熱媒体は不凍液であることを特徴とする。

本発明によれば、熱媒体として不凍液を用いることにより、外気温が氷点下である場合であっても、熱媒体が凍結しない。これにより、凍結の防止を要する箇所が減り、ヒータによる加熱に係る熱量を低減することができる。熱媒体として不凍液を用いることにより、燃料電池を動作させないで保管している等、熱媒体を循環させない場合に熱媒体の凍結を防止できる。更に、不凍液には、防錆剤が入っている場合が多く、この場合には第２熱媒体流路において錆の発生が防止される。

本発明に係る燃料電池は、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路は断熱材により覆われており、前記熱交換器は、前記ヒータと共に断熱材に覆われていることを特徴とする。

第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を断熱材により覆っているので、外部との熱移動を制限でき、より容易に熱媒体の熱量を制御できる。第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の外部に熱が逃げることを防止できるので、ヒータによる加熱に係る熱量を低減することができる。更に、熱交換器及びヒータは断熱材に覆われているため、外部との熱移動を制限でき、熱交換器による熱交換及びヒータによる加熱をより効率的に行うことができる。

本発明に係る作動方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路に設けられた第１ポンプと、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路に設けられた第２ポンプと、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱交換を行う熱交換器に取り付けられたヒータとを作動する作動方法であって、外気の温度を取得し、取得した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動することを特徴とする。

本発明によれば、外気の温度が所定温度以下である場合に、第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させる。ヒータの作動により、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環
する熱媒体を、熱交換器において加熱することができる。また、第１ポンプ及び第２ポンプの作動により熱媒体が循環するので、熱媒体全体を加熱することができる。したがって、例えば、所定温度を０℃以上の温度に適宜設定することにより、熱媒体の凍結を防止することができる。

本発明に係るプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路に設けられた第１ポンプの動作と、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路に設けられた第２ポンプの動作と、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱交換を行う熱交換器に取り付けられたヒータの動作とを制御するコンピュータに、外気の温度を取得し、取得した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動する処理を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、外気の温度が所定温度以下である場合に、第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させる。ヒータの作動により、第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路を循環する熱媒体を、熱交換器において加熱することができる。また、第１ポンプ及び第２ポンプの作動により熱媒体が循環するので、熱媒体全体を加熱することができる。したがって、例えば、所定温度を０℃以上の温度に適宜設定することにより、熱媒体の凍結を防止することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１スタック（発電部）
４冷却水流路（第１熱媒体流路）
６加熱水流路（第２熱媒体流路）
６ａ不凍液流路（第２熱媒体流路）
２０ＭＨボンベ（水素供給部）
４０冷却水ポンプ（第１ポンプ）
４２断熱材
４３冷却水流入側温度センサ（第１温度検出器）
６０加熱水ポンプ（第２ポンプ）
６１加熱水流入側温度センサ（第２温度検出器）
６２加熱水流出側温度センサ（第３温度検出器）
６３不凍液ポンプ（第２ポンプ）
６４不凍液流入側温度センサ（第２温度検出器）
６５不凍液流出側温度センサ（第３温度検出器）
８０第２熱交換器
８１ヒータ
９０ＣＰＵ（制御部）
９１ｂ凍結防止プログラム
１０１外気温センサ（外気温検出器）
Ｔｘ第２閾値
Ｔｙ第３閾値
Ｔｚ第１閾値

Claims

水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路と、
前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路と、
前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱媒体の熱交換を行う熱交換器と、
該熱交換器に取り付けられたヒータと、
前記第１熱媒体流路に設けられ、熱媒体の循環を行う第１ポンプと、
前記第２熱媒体流路に設けられ、熱媒体の循環を行う第２ポンプと、
前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータの動作を制御する制御部と、
外気の温度を検出する外気温検出器と、
前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器と、
前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、
前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器と
を備え、
前記制御部は、
前記外気温検出器が検出した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動させ、
前記第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、
前記第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、
前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第３温度検出器が検出した温度との差が第
３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくする
ことを特徴とする燃料電池。
前記第２熱媒体流路を循環する熱媒体は不凍液であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路は断熱材により覆われており、
前記熱交換器は、前記ヒータと共に断熱材に覆われている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路に設けられた第１ポンプと、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路に設けられた第２ポンプと、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱交換を行う熱交換器に取り付けられたヒータとを作動する作動方法であって、
外気の温度を取得し、
取得した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動し、
前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、
前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、
前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくする
ことを特徴とする作動方法。
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する第１熱媒体流路に設けられた第１ポンプの動作と、前記発電部に水素を供給する水素供給部を熱媒体の循環により加熱する第２熱媒体流路に設けられた第２ポンプの動作と、前記第１熱媒体流路及び第２熱媒体流路の熱交換を行う熱交換器に取り付けられたヒータの動作とを制御するコンピュータに、
外気の温度を取得し、
取得した温度が所定温度以下である場合、前記第１ポンプ、第２ポンプ及びヒータを作動し、
前記第１熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第１温度検出器が検出した温度が第１閾値以下である場合、前記第１ポンプによる熱媒体の循環量を大きくし、
前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流入側における熱媒体の温度を検出する第２温度検出器が検出した温度が第２閾値以下である場合、前記ヒータによる加熱量を大きくし、
前記第２温度検出器が検出した温度と、前記第２熱媒体流路に設けられ、前記熱交換器の流出側における熱媒体の温度を検出する第３温度検出器が検出した温度との差が第３閾値以上である場合、前記第２ポンプによる熱媒体の循環量を大きくする
処理を実行させることを特徴とするプログラム。