JPH09147892A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寒冷地で使用したとしても、速やかに起動す
ることができる燃料電池システムを提供すること。 【解決手段】 燃料電池システム停止時に、開閉弁８
８、８５を閉弁、開閉弁８７、８３、８４、８６を開弁
した状態で、空気ポンプ９３を起動することによって、
運転時に電池本体１０の冷却のために循環していた冷却
水を、その循環水路である配管６５、６６、６７及び冷
却プレート１３内に残存させることなくほぼ冷却水タン
ク２０に回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
及びその運転方法に関し、特に寒冷地での使用を可能に
するための改良技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、発電に伴って燃料電池本体
において熱が発生するが、自然冷却だけでは冷却力が小
さいので、所定の温度に保つため、水冷や空冷方式で強
制的に冷却している。水冷の場合は、一般的に燃料電池
積層体内に数セル毎に冷却水が流通できる専用の通路が
形成された冷却プレートを介して燃料電池本体を強制冷
却しながら運転されている。

【０００３】また、固体高分子型燃料電池は、一般的
に、上記した冷却器の他に、固体高分子膜を保湿するた
めに、電池本体に供給される燃料ガスや酸化剤ガスに対
して加湿を行う加湿器を備えている。ところで、本出願
人は、上記した固体高分子型燃料電池の改良を目的とし
て、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿器等を用いて加湿しな
くても固体高分子膜が保湿され、且つ、電池本体に冷媒
用の通路を別個設けなくても高い冷却力を得ることので
きる固体高分子型燃料電池システムの開発を行いその発
明について特許出願をおこなった（特願平７ー１１９４
１８号）。

【０００４】その固体高分子型燃料電池システムの概略
について、図１０を参照しながら説明する。気液分離器
は、電池本体から回収された気液混合物を、燃料ガス層
と水層とに分離し、燃料ガスタンクは気液分離器の燃料
ガス層に燃料ガスを供給して、回収された燃料ガスと混
合する。気液混合ユニットは、この混合された燃料ガス
を、水循環ポンプで送りこまれる水に吹き込んで気液混
合物を生成する。生成された気液混合物は、アノード側
チャネルに供給される。一方、空気供給ファンは、カソ
ード側チャネルに空気を供給する。なお、上記した固体
高分子型燃料電池システム（以下「気液混合型燃料電池
システム」とも呼ぶ）において、気液混合物はアノード
に燃料ガスを供給する燃料ガス供給媒体であり、且つ、
電池本体を冷却する冷却媒体である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した冷
却用プレートを有した従来の燃料電池システムや気液混
合型燃料電池システムでは、運転終了時に冷却水や気液
混合物が燃料電池本体内（冷却用プレートまたはアノー
ド側チャネル）やそれに接続している配管内に残存し、
冬期の寒冷地等のように低温となる場所で使用した場
合、残存した水が運転停止中に凍結することがあった。
このため、次の使用時に、速やかに、冷却水または気液
混合物を燃料電池本体に供給することが出来なくなる関
係上、燃料電池システムの起動が困難になるといったこ
とがあった。

【０００６】本発明は、上記した課題に鑑み、冷却水や
気液混合物を用いる燃料電池システムであって、寒冷地
で使用したとしても速やかに起動することができる燃料
電池システム及びその運転方法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】上記の目的を達成するた
め、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料電池本体
と、冷却水を貯留するタンクと、前記タンクに貯留され
ている冷却水を前記燃料電池本体に導いた後、前記タン
クに還流させる水路と、前記水路に設けられ冷却水を前
記水路に循環させる水循環ポンプと、前記水循環ポンプ
停止時に、前記水路内に残存する冷却水を前記タンクに
回収させる冷却水回収手段とを備えることを特徴として
いる。

【０００８】請求項１記載の燃料電池システムによれ
ば、タンクに貯留されている冷却水を燃料電池本体に導
いた後、タンクに還流させる水路を水循環ポンプによっ
て冷却水が循環し、水循環ポンプ停止時に、前記水路内
に残存する水が前記タンクに回収される。また、請求項
２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池
システムに対して、タンクは、密閉容器からなり、燃料
電池本体よりも下方に位置し、水路は、その最上部から
前記タンクに向かっては、どの部位をとっても、その部
位よりタンク側のどの部位よりも低くならないように設
けられており、前記水路中に空気を導入する空気導入手
段と、前記タンクから空気を流出させる空気流出手段と
を備えたことを特徴としている。

【０００９】請求項２記載の燃料電池システムによれ
ば、タンクは密閉容器からなっているが、水路中には空
気が導入され、タンクからは空気が流出されるので、タ
ンク内と水路内は大気圧に開放される関係上、水路内の
冷却水は、タンクへ向かって流れこむ。しかも、水路
は、その最上部から燃料電池本体よりも下方に位置する
タンクに向かっては、どの部位をとっても、その部位よ
りタンク側のどの部位よりも低くならないように設けら
れてるので、冷却水は、水路内に残存することなく、ほ
ぼ前記タンクに回収される。

【００１０】また、請求項３記載の燃料電池システム
は、請求項１記載の燃料電池システムに対して、さら
に、前記タンクに貯留されている冷却水を加熱するため
の加熱手段を備えたことを特徴としている。請求項３記
載の燃料電池システムによれば、タンクに貯留されてい
る冷却水が加熱されるので、冷却水は昇温される。

【００１１】また、請求項４記載の燃料電池システム
は、請求項１記載の燃料電池システムに対して、冷却水
回収手段は、タンクが大気圧に開放された状態で、水路
に圧搾空気を送り込む空気吹き込み部であることを特徴
としている。請求項４記載の燃料電池システムによれ
ば、タンクに貯留されている冷却水を燃料電池本体に導
いた後、タンクに還流させる水路に、タンクが大気圧に
開放された状態で、圧搾空気が送り込まれるので、水循
環ポンプ停止時に水路に残存する冷却水は、送り込まれ
た空気によって、タンクに回収される。

【００１２】また、請求項５記載の燃料電池システム
は、固体高分子膜にアノード層及びカソード層を配した
セルと、前記アノード層と対向して形成されたアノード
側通路と、前記カソード層と対向して形成されたカソー
ド側通路とを備える燃料電池本体と、冷却水および燃料
ガスを貯留する、密閉容器からなるタンクと、前記タン
クに貯留されている冷却水を前記アノード側通路の入口
に導く第１の配管と前記アノード側通路と前記アノード
側通路の出口から前記タンクに冷却水を還流させる第２
の配管とからなる水路と、前記水路に設けられ、冷却水
を前記水路に循環させる水循環ポンプと、前記タンクに
貯留されている燃料ガスを、前記アノード側通路の入口
手前の前記水路に吹き込む、燃料ガス吹き込み手段と、
前記第２の配管に挿設された開閉弁とを備えることを特
徴としている。

【００１３】請求項５記載の燃料電池システムによれ
ば、水循環ポンプを停止し、開閉弁を開弁した状態で、
タンクに貯留されている冷却水を前記アノード側通路の
入口に導く第１の配管と前記アノード側通路と前記アノ
ード側通路の出口から前記タンクに冷却水を還流させる
第２の配管とからなる水路のアノード側通路の入口手前
に、燃料ガスを吹込むと、アノード側通路及び第２の配
管内の冷却水がタンクに回収され、水循環ポンプを停止
し、開閉弁を閉弁した状態で、燃料ガスを吹込むと、第
１の配管内の冷却水がタンクに回収される。

【００１４】また、請求項６記載の燃料電池システムの
運転方法は、固体高分子膜にアノード層及びカソード層
を配したセルと、前記アノード層と対向して形成された
アノード側通路と、前記カソード層と対向して形成され
たカソード側通路とを備える燃料電池本体と、冷却水お
よび燃料ガスを貯留する、密閉容器からなるタンクと、
前記タンクに貯留されている冷却水を前記アノード側通
路の入口に導く第１の配管と前記アノード側通路と前記
アノード側通路の出口から前記タンクに冷却水を還流さ
せる第２の配管とからなる水路と、前記水路に設けら
れ、冷却水を前記水路に循環させる水循環ポンプと、前
記タンクに貯留されている燃料ガスを、前記アノード側
通路の入口手前の前記水路に吹き込む、燃料ガス吹き込
み手段と、前記第２の配管に挿設された開閉弁とを備え
た燃料電池システムにおいて、前記水循環ポンプ停止時
に、前記開閉弁を開弁した状態で、前記燃料ガス吹き込
み手段を起動し、前記アノード側通路及び第２の配管内
の冷却水を前記タンクに回収する第１のステップと、前
記開閉弁を閉弁した状態で、前記燃料ガス吹き込み手段
を起動し、第１の配管内の冷却水を前記タンクに回収す
る第２のステップとを有することを特徴としている。

【００１５】請求項６記載の燃料電池システムの運転方
法によれば、水循環ポンプを停止時において、第１ステ
ップでは、開閉弁を開弁した状態で、タンクに貯留され
ている冷却水を前記アノード側通路の入口に導く第１の
配管と前記アノード側通路と前記アノード側通路の出口
から前記タンクに冷却水を還流させる第２の配管とから
なる水路のアノード側通路の入口手前に、燃料ガスを吹
込ますことにより、アノード側通路及び第２の配管内の
冷却水をタンクに回収させ、第２ステップでは、水循環
ポンプを停止時において、開閉弁を閉弁した状態で、燃
料ガスを吹込升ことにより、第１の配管内の冷却水をタ
ンクに回収させる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら具体的に説明する。 （実施の形態１）図１は、実施の形態１に係る燃料電池
システムの概略構成図である。図に示すように、本燃料
電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極１１
と、空気の供給を受ける空気極１２と、前記の供給によ
り行われる発電によって発生する熱を吸収するための冷
却プレート１３とからなる燃料電池本体１０と、前記冷
却プレート１３に供給する冷却水や冷却プレート１３か
ら還流してきた冷却水を貯留する冷却水タンク２０と、
燃焼触媒が充填され、燃料ガスと空気との混合体の供給
を受けて触媒燃焼させ、前記冷却水タンク２０を加熱す
る触媒燃焼器３０と、前記燃料極１１及び触媒燃焼器３
０に供給する燃料ガスの供給源である燃料ガスタンク４
０と、前記空気極１２または触媒燃焼器３０に空気を供
給する空気供給ファン５０等から構成されている。

【００１７】そして、燃料ガスタンク４０と燃料極１１
とは配管６０で、燃料ガスタンク４０と触媒燃焼器３０
とは配管６１で夫々連結されており、各々の配管中に
は、流量調整弁７５、７６が設けられている。空気供給
ファン５０と空気極１２とは配管６２で連結されており
当該配管中には開閉弁８０が設けてられている。また、
空気供給ファン５０から触媒燃焼器３０に空気を供給す
るための配管６３は、その一方が空気供給ファン５０
に、もう一方が前記配管６１の流量調整弁７６と触媒燃
焼器３０の中間部６１ｊに接続されており、配管６３中
には開閉弁８１が設けられている。

【００１８】上記した配管６３を流れてきた空気と配管
６１を流れてきた燃料ガスとは中間部６１ｊで合流し、
中間部６１ｊから触媒燃焼器３０の入口３０ｉに至る間
に混合され、触媒燃焼器３０に流入する。流入した混合
ガスは、触媒燃焼器３０内で触媒燃焼し、燃焼後の排ガ
スは、触媒燃焼器３０の配管６１とは反対側に接続され
た配管６４を通じて排出される。なお、配管６４には、
開閉弁８２が設けられている。

【００１９】冷却水タンク２０は、密閉容器２１の上部
に回収冷却水入口２２と空気流出口２３と後述する配管
６４の挿入口２４とが取り付けられて構成されている。
そして、配管６５が、その密閉性を損なわないように密
閉容器２１の挿入口２４に挿入され、挿入側の端部が冷
却水タンク２０内の冷却水に没するように取り付けられ
ている。配管６５のもう一方の端部は、後述する配管６
６の中間部６６ｍに接続され、配管６５の挿入口２４と
中間部６６ｍの間には、冷却水タンク２０内の冷却水を
吸い上げて中間部６６ｍに流し込むための水循環ポンプ
９０が、配管６５の水循環ポンプ９０の冷却水出口側の
少し上部には、レベルセンサー９１が設けられている。
レベルセンサー９１は、それが取り付けられた位置にお
ける配管６５内の冷却水の有無を検出するためのセンサ
ーである。その中間部６６ｍに配管６５が接続された配
管６６は、その一方が冷却プレートの冷却水入口１３ｉ
に、もう一方が後述する配管７０の中間部７０ａに接続
されており、冷却水入口１３ｉと中間部７０ａの間には
開閉弁８３が設けられている。冷却水タンク２０の回収
冷却水入口２２とそれよりも高い位置に設置されている
燃料電池本体１０を構成する冷却プレート１３の冷却水
出口１３ｅとが配管６７で連結されている。なお、配管
６７は、自然な状態では、そのなかを通る冷却水が冷却
水出口１３ｅから回収冷却水入口２２へ流れるように適
当な傾斜をもって取り付けられている。以上説明した、
配管６５、６６、６７で冷却水の循環路が形成され、燃
料電池本体の運転時には、水循環ポンプ９０で吸い上げ
られた冷却水が、配管６５〜配管６６（弁８３）〜冷却
プレート１３〜配管６７の順に流れ、冷却水タンク２０
に還流するといった具合に循環する。また、冷却水タン
ク２０内には、冷却水の温度を検出する温度センサー９
２が設けられている。

【００２０】密閉容器２１の空気流出口２３と後述する
配管７０の中間部７０ｂとを開閉弁８４、８５が途中に
介在する配管６８で連結し、配管６８には、開閉弁８４
と開閉弁８５との間に、配管６９が接続されている。配
管６９には、開閉弁８６が設けられている。開閉弁８４
と開閉弁８６とを同時に開弁することによって、密閉容
器２１内は、配管６８と配管６９を介して、大気圧に開
放される。

【００２１】その中間部７０ａに配管６６が、中間部７
０ｂに配管６８が接続された配管７０には、中間部７０
ａと中間部７０ｂとの間に開閉弁８７が、中間部７０ａ
に対して開閉弁８７の反対側には開閉弁８８が、中間部
７０ｂに対して開閉弁８７の反対側には空気ポンプ９３
がそれぞれ設けられている。なお、図示はしないが、本
燃料電池システムは、制御部と起動用補助電源としての
蓄電池とを備えている。制御部には、レベルセンサー９
１や温度センサー９２の検出結果が入力され、その入力
結果等を基に、制御部は、流量調整弁７５、７６の開閉
と開度調整、開閉弁８０〜８８の開閉、空気ポンプ９
３、水循環ポンプ９０の起動、停止、空気供給ファン５
０の空気供給量等の制御を行う。蓄電池は、燃料電池本
体が定常運転状態になるまでの、空気供給ファン５０の
駆動や開閉弁の開閉等のための補助電源として働き、燃
料電池本体が定常運転状態になった以降は、燃料電池か
ら電力が供給されて、次の使用に備えて充電がなされ
る。

【００２２】上記のように構成された本燃料電池システ
ムの動作を（１）起動時、（２）停止時に分けて、図
２、図３を参照しながら説明する。なお、図２、図３中
の弁を表す記号において、白塗りのものは開弁状態を、
黒塗りのものは閉弁状態を表すものとする。 （１）起動時 燃料電池システムを使用していない停止状態では、図２
（ａ）に示すように、流量調整弁７５、７６、開閉弁８
０〜８２、８４〜８８は閉弁、開閉弁８３は開弁されて
いる。

【００２３】温度センサー９２で検出した温度が氷点以
下の場合は、図２（ａ）に示す状態から、蓄電池の電力
によって、流量調整弁７６、開閉弁８１、８２が開弁さ
れ、空気供給ファン５０が起動される（図２（ｂ））。
すると、触媒燃焼器３０には、燃料ガスと空気とからな
る混合ガスが流入し、触媒燃焼によって熱が発生し、冷
却水タンク２０が加熱される。したがって、冷却水タン
ク２０内の冷却水は、たとえ凍結していたとしても、こ
の加熱によって、融解されることになる。

【００２４】加熱によって、水温が所定温度（例えば４
℃）以上に達すると、図２（ｂ）に示す状態から、流量
調整弁７６、開閉弁８１、８２が閉弁され、空気供給フ
ァンが停止され、開閉弁８４、８５、８８が開弁され、
空気ポンプ９３が起動される（図２（ｃ））。空気ポン
プ９３によって送りこまれる空気は、配管７０、配管６
８を介して、冷却水タンク２０の気層の圧力を上昇させ
る。圧力が上昇した気層は、水層の水面を押し下げ、そ
の結果、冷却水が配管６５内に送り込まれ、配管６５内
を上昇する。上昇した冷却水は、水循環ポンプ９０内に
流入し、水循環ポンプ９０の呼び水となる。なお、起動
開始時に、温度センサー９２で検出した温度が氷点を超
えている場合は、冷却水は凍結していないと判断される
ので、図２（ｂ）の状態を経ることなく、図２（ｃ）の
状態となる。

【００２５】配管６１内を上昇した冷却水の存在をレベ
ルセンサー９１が検出すると、図２（ｃ）に示す状態か
ら、空気ポンプ９３が停止され、開閉弁８４、８８が閉
弁され、開閉弁８３、８０、流量調整弁７５が開弁さ
れ、空気供給ファン５０、水循環ポンプ９０が起動され
る（図３（ａ））。この状態で、燃料電池本体１０の空
気極１２には空気供給ファン５０から配管６２を介して
空気が、燃料極１１には燃料タンク４０から配管６０を
介して燃料ガスが供給され発電が行われる。発電に伴っ
て熱が発生するが、冷却水が流通する冷却プレート１３
を介して冷却される。 （２）停止時 図３（ａ）に示す運転状態から、空気供給ファン５０、
水循環ポンプ９０が停止され、開閉弁８０、流量調整弁
７５が閉弁され、開閉弁８７、８４、８６が開弁され、
空気ポンプ９３が起動される（図３（ｂ））。開閉弁８
４、８６を開弁することにより、冷却水タンク２０の密
閉容器２１内の圧力は、配管６８、６９を介して、大気
圧に開放される。この状態で、空気ポンプ９３から送り
こまれる空気は、配管７０から配管６６、６７または配
管６５を経て冷却水タンク２０に至り、冷却水タンク２
０に至った空気は、配管６８、６９を通って燃料電池シ
ステム外に放出される。このとき、水循環ポンプ９０の
停止時に配管６５、６６、６７および冷却プレート１３
内にあった冷却水は、空気ポンプ９３から送りこまれる
空気の流れと自重とによって、冷却水タンク２０にほぼ
回収される。したがって、燃料電池の運転時に電池本体
の冷却のために循環していた冷却水は、その循環水路で
ある配管６５、６６、６７および冷却プレート１３内に
残存することなくほぼ回収されるので、次の使用時まで
に、冷却水がその循環水路で凍結するといった事態を回
避することができる。

【００２６】所定時間（例えば１〜２分間）、空気ポン
プ９３の運転を行った後、図３（ｂ）に示す状態から、
空気ポンプ９３が停止され、開閉弁８７、８４、８６を
閉弁して（図２（ａ））、システムの停止処理が終了す
る。 （実施の形態２）図４は、実施の形態２に係る燃料電池
システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、
固体高分子型の燃料電池システムである。

【００２７】図に示すように、本固体高分子型燃料電池
システムは、燃料ガス（水素リッチな改質ガス）と水と
の気液混合物及び空気の供給を受けて発電を行う電池本
体１００と、電池本体１００から気液混合物を回収して
燃料ガス層と水層とに分離する気液分離器２００と、水
の補給を行うための水補給タンク３００と、燃焼触媒が
充填され、燃料ガスと空気とからなる混合ガスの供給を
受けて発熱し、気液分離器２００と水補給タンク３００
とを加熱する触媒燃焼器４００と、燃料ガスの供給源で
ある燃料ガスタンク５００と、燃料ガスと水とを混合し
て気液混合物を生成するため電池本体１００に取り付け
られた気液混合ユニット６００と、気液混合ユニット６
００に燃料ガスを送り込む燃料ガスポンプ７００と、シ
ステム内で水の循環等をさせるための水循環ポンプ８０
０と、循環する水を冷却するための熱交換器９００と、
電池本体１００及び触媒燃焼器４００に空気を供給する
空気供給ファン１０００等から構成されている。

【００２８】図６は、電池本体１００及び気液混合ユニ
ット６００の構成を示す分解斜視図である。電池本体１
００は、固体高分子膜１２１にアノード層１２２（図４
参照）とカソード層１２３とを配してなる複数枚（本実
施例では６枚）のセル１２０と、セパレータ１３０とが
互いに積層され、一対の端板１４０，１４１（図７参
照）で押さえられて構成されている。セパレータ１３０
のアノード層１２２と対向する側には複数のアノード側
チャネル１３１が形成され、カソード層１２３と対向す
る側には複数のカソード側チャネル１３２（図４参照）
が形成されている。なお、図６では、アノード層１２２
及びカソード側チャネル１３２は、カソード層１２３及
びアノード側チャネル１３１の背面にあって見えない。
また、図示はしないが、アノード層１２２とアノード側
チャネル１３１との間には、溌水処理を施した集電体が
介挿され、カソード層１２３とカソード側チャネル１３
２との間にも集電体が介挿されている。

【００２９】固体高分子膜１２１は、長方形状の薄膜で
あって、ナフィオン１１５（ＵＳＡＤｕ Ｐｏｎｔ社
製、厚み：０．１３ｍｍ）が用いられている。アノード
層１２２，カソード層１２３は、共に白金担持カーボン
を材料とした所定の厚さの層であって、固体高分子膜１
２１の中央部にホットプレスによって密着されており、
所定の白金担持量（０．７ｍｇ／ｃｍ2）に調整されて
いる。そして、固体高分子膜１２１の４つ角の部分に
は、内部マニホールドを形成するための４つの円形の窓
１２４〜１２７が形成されている。

【００３０】セパレータ１３０は、固体高分子膜１２１
と同等の大きさであって、アノード側チャネル１３１は
上下方向に、カソード側チャネル１３２は水平方向に形
成されている。また、セパレータ１３０にも、同様に内
部マニホールドを形成するための４つの円形の窓１３４
〜１３７が形成されている。窓１３４と窓１３５とはセ
パレータ１３０の対角線方向に位置しており、窓１３４
とアノード側チャネル１３１と窓１３５とを連通させる
ために、アノード側チャネル１３１の上端に沿ったマニ
ホールド溝１３８及びアノード側チャネル１３１の下端
に沿ったマニホールド溝１３９とが形成されている。

【００３１】同様に、窓１３６と窓１３７ともセパレー
タ１３０の対角線方向に位置し、カソード側チャネル１
３２の両横端に沿って、窓１３６及び窓１３７を連通す
るマニホールド溝が設けられている。また、一方の端板
１４０にも同様の窓１４３〜１４７（図５参照）が開設
されており、これらの孔によって、電池本体１００に
は、積層方向に長く端板１４０側に開口部を有する４つ
の円筒状のマニホールド、即ち、窓１２４，１３４，１
４４からなる上部マニホールド１１４と、窓１３５，１
４５等からなる下部マニホールド１１５と、窓１２６，
１３６，１４６からなる上部マニホールド１１６と、窓
１２７，１３７，１４７からなる下部マニホールド１１
７とが形成されている。

【００３２】本実施例では、上部マニホールド１１４が
混合物供給用、下部マニホールド１１５が混合物排出
用、上部マニホールド１１６が空気供給用、下部マニホ
ールド１１７が空気排出用として用いられる。気液混合
ユニット６００は、混合物供給用の上部マニホールド１
１４に装着されており、上部マニホールド１１４内に滞
留している水に燃料ガスを吹き込む円柱状のバブラー１
５１と、バブラー１５１を上部マニホールド１１４内に
支持するための円筒支持枠１５２と、上部マニホールド
１１４の入口を閉じる円筒蓋部１５３とから構成されて
いる。

【００３３】図７は、上部マニホールド１１４及び気液
混合ユニット６００の内部構造を示す断面図である。図
６，７に示すように、バブラー１５１は、上部マニホー
ルド１１４とほぼ同等の長さを有し、メッシュ径５μｍ
の焼結金属で形成されており、円筒蓋部１５３を貫通す
るガス入口部１５４から送り込まれる燃料ガスを、円筒
支持枠１５２内に滞留する水に細かく分散することがで
きるようになっている。

【００３４】円筒支持枠１５２は、上部マニホールド１
１４に丁度はまり込む大きさの円筒状枠体であって、マ
ニホールド溝１３８と対面する側には、開口部１５２ａ
が開設されており、バブラー１５１は円筒支持枠１５２
によって上部マニホールド１１４の中心付近に支持され
ている。円筒蓋部１５３は、端板１４０の窓１４４には
め込まれることによって固定され上部マニホールド１１
４の入口を塞ぐように形成されており、円筒支持枠１５
２内に水を取り入れる水入口１５５が取り付けられてい
る。

【００３５】再び図４、５を参照して説明する。気液分
離器２００は、密閉容器２６０の側部に回収混合物入口
２６１と燃料ガス入口２６３と補給水入口２６２とが、
また上部に燃料ガス出口２６４と配管挿入口２６５とが
取り付けられて構成されており、その内部には冷却水の
温度を検出する温度センサーＴｓ２９１が設けられてい
る。

【００３６】また、下部マニホールド１１５と回収混合
物入口２６１とは、開閉弁１９１が途中に挿設された配
管１７１で連結され、燃料ガス出口２６４と気液混合ユ
ニット６００のガス入口部１５４とは、燃料ガスポンプ
７００が途中に挿設された配管１７２で連結され、熱交
換器９００と水循環ポンプ８００と開閉弁１９２とが途
中に挿設された配管１７３の一方側が、その開口端部１
７３ｅが冷却水に没するように、配管挿入口２６５に挿
入され、もう一方側が気液混合ユニット６００の水入口
１５５に連結されている。配管１７３の水循環ポンプ８
００の少し上部には、レベルセンサー４９１が設けられ
ている。レベルセンサー４９１は、それが取り付けられ
た位置における配管１７３内の冷却水の有無を検出する
ためのセンサーである。

【００３７】また、燃料ガスタンク５００と燃料ガス入
口２６３とは、圧力調節弁５００ａを介して配管１７４
で連結されている。水補給タンク３００は、密閉容器３
６０の側部に補給水出口３６２が、上部に呼び水回収口
３６１と空気抜き口３６３とが取り付けられて構成され
ており、その内部には冷却水の温度を検出する温度セン
サーＴｒ３９１が設けられている。

【００３８】また、気液分離器２００の補給水入口２６
２と補給水出口３６２とは、開閉弁１９３が途中に挿設
された配管１７４で連結され、呼び水回収口３６１と配
管１７３の開閉弁１９２と水循環ポンプ８００との中間
部１７３ｍとは、開閉弁１９４が途中に挿設された配管
１７５で連結され、空気抜き口３６３には、開閉弁１９
５を備えた配管１７６が接続されている。

【００３９】触媒燃焼器４００は、気液分離器２００及
び水補給タンク３００の側部と底部とを取り囲むように
配された燃焼触媒を密閉保持する密閉容器４６０の側部
に混合ガス入口４６１と、排ガス出口４６２とが取り付
けられて構成されている。また、燃料ガスタンク５００
と混合ガス入口４６１とは、流量調節弁１９６が途中に
挿設された配管１７７で連結されており、排ガス出口４
６２には、開閉弁１９７を備えた配管１７８が接続され
ている。

【００４０】配管１７７の流量調節弁１９６と混合ガス
入口４６１との中間部１７７ｍと空気供給ファン１００
０とは、途中に開閉弁１９８が挿設された配管１７９で
連結されている。配管１７９を通じて供給された空気と
配管１７７を通じて供給された燃料ガスとは、中間部１
７７ｍで合流し、中間部１７７ｍから混合ガス入口４６
１に至る間に混合されて触媒燃焼器４００内に流入す
る。

【００４１】空気供給ファン１０００と電池本体のカソ
ード側チャネルとを連結する配管１８０には、開閉弁１
９９が挿設されている。なお、図示はしないが、本固体
高分子型燃料電池システムは、制御部と起動用補助電源
としての蓄電池とを備えている。制御部には、レベルセ
ンサー４９１や温度センサー２９１、３９１の検出結果
が入力され、その入力結果等を基に、制御部は、流量調
整弁１９６の開閉と開度調整、開閉弁１９１〜１９９の
開閉、燃料ガスポンプ７００、水循環ポンプ８００の起
動、停止、空気供給ファン１０００の空気供給量等の制
御を行う。蓄電池は、燃料電池本体が定常運転状態にな
るまでの、空気供給ファン１０００の駆動や開閉弁の開
閉等のための補助電源として働き、燃料電池本体が定常
運転状態になった以降は、燃料電池から電力が供給され
て、次の使用に備えて充電がなされる。

【００４２】上記のように構成された本固体高分子型燃
料電池システムの動作について、主に図８、図９を参照
しながら説明する。図８、図９は、本燃料電池システム
の概略構成図である図４を更に簡略した図である。な
お、図８、図９中の弁を表す記号において、実施の形態
１の説明と同様、白塗りのものは開弁状態を、黒塗りの
ものは閉弁状態を表すものとする。 （１）起動時 燃料電池システムを使用していない停止状態では、図８
（ａ）に示すように、流量調整弁１９６、開閉弁１９
１、１９４〜１９９は閉弁、開閉弁１９２、１９３は開
弁されている。

【００４３】温度センサー２９１、３９１で検出した温
度のどちらか一方でも氷点以下の場合は、図８（ａ）に
示す状態から、蓄電池の電力によって、流量調整弁１９
６、開閉弁１９８、１９７が開弁され、空気供給ファン
１０００が起動される（図８（ｂ））。すると、触媒燃
焼器４００には、燃料ガスと空気とからなる混合ガスが
流入し、触媒燃焼によって熱が発生し、気液分離器２０
０および水補給タンク３００が加熱される。したがっ
て、気液分離器２００内または水補給タンク３００内の
冷却水は、たとえ凍結していたとしても、この加熱によ
って、融解されることになる。

【００４４】加熱によって、温度センサー２９１、３９
１で検出した水温が両方共、所定温度（例えば４℃）以
上に達すると、図８（ｂ）に示す状態から、流量調整弁
１９６、開閉弁１９８、１９７、１９２が閉弁され、空
気供給ファン１０００が停止される一方、圧力調整弁５
００ａ、開閉弁１９４、１９５が開弁される（図８
（ｃ））。圧力調整弁５００ａの開弁によって、気液分
離器２００の気層の圧力を上昇させる。圧力が上昇した
気層は、水層の水面を押し下げ、その結果、冷却水が配
管１７３内に送り込まれ、配管１７３内を上昇する。上
昇した冷却水は、水循環ポンプ８００内に流入し、水循
環ポンプ８００の呼び水となる。水循環ポンプ８００内
に流入した冷却水は、さらに配管１７３内を上昇する。
レベルセンサー４９１が上昇した冷却水を検出すると、
後述する次の動作に移行するが、その間に上昇した冷却
水は、配管１７５を介して水補給タンク３００に流れ込
む。なお、起動開始時に、温度センサー２９１、３９１
で検出した温度が両方共、氷点を超えている場合は、冷
却水は凍結していないと判断されるので、図８（ｂ）の
状態を経ることなく、図８（ｃ）の状態となる。

【００４５】配管１７３内を上昇した冷却水の存在をレ
ベルセンサー４９１が検出すると、図８（ｃ）に示す状
態から、開閉弁１９４、１９５が閉弁される一方、開閉
弁１９２、１９１、１９９、１９３が開弁され、空気供
給ファン１０００、燃料ガスポンプ７００が起動される
（図９（ａ））。この状態で、燃料電池本体１００の上
部マニホールド１１６には空気供給ファン１０００から
供給された空気が流入し、水入口１５５には水循環ポン
プ８００によって水が供給され、ガス入口部１５４に
は、燃料ガスポンプ７００によって燃料ガスが供給され
る。

【００４６】次に、運転時の主として燃料電池本体内に
おける動作について、図４、図７を参照しながら説明す
る。気液混合ユニット６００では、水入口１５５から供
給された水が、円筒支持枠１５２内（上部マニホールド
１１４内）に滞留し、ガス入口部１５４から供給される
燃料ガスがその水の中に分散されることによって気液混
合物が生成する。そして、生成した気液混合物は、各マ
ニホールド溝１３８を通ってアノード側チャネル１３１
に分配され、発電に用いられながらアノード側チャネル
１３１を通過し、各マニホールド溝１３９で合流して下
部マニホールド１１５から排出される。

【００４７】このように気液混合物がアノード側チャネ
ル１３１を通過するので、固体高分子膜１２１に水分が
補給されると共に、気液混合物が冷却水と同様の働きを
なして電池本体１００を冷却する。なお、上述したよう
にアノード層１２２とアノード側チャネル１３１との間
には、溌水処理を施した集電体が介挿されているので、
長時間運転しても、アノード層１２２が気液混合物に水
没することなく、アノード層１２２の反応サイトに燃料
ガスが供給される。

【００４８】下部マニホールド１１５から排出された気
液混合物は、配管１７１を通って回収混合物入口２６１
から気液分離器２００に入り、燃料ガス層（上層）と水
層（下層）とに分離される。また、燃料ガスタンク５０
０から供給される燃料ガスは、燃料ガス入口２６３から
気液分離器２００の燃料ガス層に入って回収された燃料
ガスと混合され、燃料ガス出口２６４から送出される。
そして、燃料ガス出口２６４から送出された燃料ガス
は、燃料ガスポンプ７００で気液混合ユニット６００の
ガス入口部１５４に送り込まれる。

【００４９】一方、気液分離器２００で分離された水
は、配管１７３の開口端部１７３ｅから流入し、熱交換
器９００を通過することによって規定の温度に冷却さ
れ、水循環ポンプ８００で気液混合ユニット６００の水
入口１５５に送り込まれる。そして、気液混合ユニット
６００では、燃料ガスポンプ７００で送り込まれた燃料
ガスが、水循環ポンプ８００で送り込まれた水に吹き込
まれ、新たな気液混合物が生成される。

【００５０】このように、本燃料電池システムにおいて
は、電池本体１００から回収された気液混合物と燃料ガ
スタンク５００からの燃料ガスを用いて、新たな気液混
合物が生成されて電池本体１００に供給されるようにな
っている。なお、気液分離器２００内の水位が低下すれ
ば、水補給タンク３００から補給水入口２６２に水が補
給されるようになっているので、セル１２０を透過して
カソード側チャネル１３２に蒸発することにより水が失
われたとしても、循環する水の量は一定に保たれれる。

【００５１】また、空気供給ファン１０００から上部マ
ニホールド１１６に供給された空気は、入口側のマニホ
ールド溝からカソード側チャネル１３２に分配され、発
電に用いられながら各カソード側チャネル１３２を通っ
て、出口側のマニホールド溝で合流し、下部マニホール
ド１１７から電池本体１００の外に排出される。 （２）停止時 再び、図９を参照して説明する。

【００５２】図９（ａ）に示す運転状態から開閉弁１９
９、圧力調整弁５００ａが閉弁され、水循環ポンプ８０
０が停止される（図９（ｂ））。この状態で、上部マニ
ホールド１１４には、燃料ガスしか供給されず、供給さ
れたガスは、アノード側チャネル１３１、配管１７１を
経て気水分離器２００に還流し、還流した燃料ガスは、
再び燃料ガスポンプによって、配管１７１を介して、上
部マニホールド１１４に供給されるといった具合に循環
する。所定時間（例えば１〜２分間）、この状態で、燃
料ガスポンプ７００の運転を続けると、燃料ガスの循環
により、燃料電池本体内および配管１７１内の冷却水が
気液分離器２００に回収される。

【００５３】上記所定時間が経過すると、図９（ｂ）に
示す状態から、開閉弁１９１が閉弁される（図９
（ｃ））。開閉弁１９１が閉弁されると、燃料ガスの流
路が変更され、今度は、気液分離器２００から、燃料ガ
スポンプ７００によって、上部マニールド１１４に送り
こまれた燃料ガスは、配管１７３を介して、気液分離器
２００に還流するといった具合に循環することになる。
この循環によって、配管１７３内の冷却水が、気液分離
器２００内に回収される。

【００５４】配管１７３内の冷却水が回収できる程度の
所定時間（例えば１〜２分間）、空気ポンプ７００の運
転を行った後、空気ポンプ７００が停止されて、システ
ムの停止処理が終了する。したがって、燃料電池の運転
時に循環していた冷却水は、その循環水路である配管１
７３、電池本体内（上部マニホールド１１４、アノード
側チャネル１３１、下部マニホールド１１７）、配管１
７１に残存することなくほぼ回収されるので、つぎの使
用時までに、冷却水がその循環水路で凍結するといった
事態を回避することができる。

【００５５】また、実施の形態２に係る固体高分子燃料
電池システムにおいては、気液混合物がアノード側チャ
ネル１３１を通過するので、固体高分子膜１２１に水分
が補給される。従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿す
るための加湿器を設けたりする必要がない。さらに、気
液混合ユニット６００によって生成される気液混合物
は、水に燃料ガスが細かく分散されたものであるので、
通常の冷却水と同様に電池本体１００を効率よく冷却す
ると共に、燃料ガスがアノード層１２２に効率よく供給
される。

【００５６】以上、本発明を実施の形態に基づいて説明
したけれども、本発明は上記実施の形態に限定されない
のは勿論である。即ち、以下のようにしてもよい。 （１）上記実施の形態１の燃料電池システムでは、配管
６５、６６、６７および冷却プレート１３からなる水路
の冷却水を冷却水タンク２０に回収する際、空気ポンプ
９３を使用したが、空気ポンプ９３は停止させたまま
で、開閉弁８８および開閉弁８４、８６を開弁させても
よい。開閉弁８８を開弁することにより、前記水路内に
空気が導入可能となり、開閉弁８４、８６を開弁するこ
とにより、冷却水タンクから空気の流出が可能となるの
で、冷却水はその自重のみで冷却水タンク２０に回収さ
れることになる。 （２）上記実施の形態１の燃料電池システムでは、冷却
水タンク２０を構成する容器を密閉構造としたが、これ
は、容器の内圧を利用して水循環ポンプ９０に呼び水を
行うためである。したがって、特に呼び水が不要なポン
プを水循環ポンプとして採用した場合には、冷却水タン
ク２０を構成する容器を密閉構造とする必要はなく、例
えば容器の上部の一部が開口しているような開放構造と
してもよい。 （３）上記実施の形態１及び２の燃料電池システムで
は、触媒燃焼器を水が凍結していた場合のその融解のみ
に用いたが、水が凍結しているか否かに拘らず、さらに
冷却水の昇温に用い、昇温された（冷却）水を循環させ
ることにより、燃料電池起動時の電池本体の昇温に使用
してもよい。そうすることによって、燃料電池本体が定
常運転可能な状態になるまでの時間を短縮することが可
能となる。 （４）上記実施の形態２の燃料電池システムでは、電池
本体内のマニホールドに滞留する水に焼結金属のバブラ
ーで燃料ガスを吹き込むことによって気液混合物を生成
するようになっているが、アスピレータ等で燃料ガスを
吹き込むようにしてもよい。また、電池本体とは別個
に、水槽とバブラーからなる気液混合物の生成器を設け
て、生成した気液混合物を電池本体に送り込むようにし
てもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上、請求項１記載の発明に係る燃料電
池システムによれば、タンクに貯留されている冷却水を
燃料電池本体に導いた後、タンクに還流させる水路を水
循環ポンプによって冷却水が循環し、水循環ポンプ停止
時に、前記水路内に残存する水が前記タンクに回収され
るので、寒冷地で使用したとしても、水路内で冷却水が
凍結するといったことが防止できる関係上、燃料電池シ
ステムを速やかに起動することができるといった効果を
有する。

【００５８】また、請求項２記載の発明に係る燃料電池
システムによれば、タンクは密閉容器からなっている
が、水路中には空気が導入され、タンクからは空気が流
出されるので、タンク内と水路内は大気圧に開放される
関係上、水路内の冷却水は、タンクへ向かって流れこ
み、しかも、水路は、その最上部から燃料電池本体より
も下方に位置するタンクに向かっては、どの部位をとっ
ても、その部位よりタンク側のどの部位よりも低くなら
ないように設けられている関係上、冷却水は、水路内に
残存することなく、ほぼ前記タンクに回収されるので、
請求項１記載の発明と同様の効果を有する。

【００５９】また、請求項３記載の発明に係る燃料電池
システムによれば、タンクに貯留されている冷却水は、
加熱されるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、
寒冷地で使用した場合に、例えタンク内の冷却水が凍結
したとしても、融解することができ、その結果、燃料電
池システムを速やかに起動することができるといった効
果を有する。

【００６０】また、請求項４記載の発明に係る燃料電池
システムによれば、タンクに貯留されている冷却水を燃
料電池本体に導いた後、タンクに還流させる水路に、タ
ンクが大気圧に開放された状態で、圧搾空気が送り込ま
れる関係上、水循環ポンプ停止時に水路配に残存する冷
却水は、送り込まれた空気によって、タンクに回収され
るので、請求項１記載の発明と同様の効果を有する。

【００６１】また、請求項５記載の発明に係る燃料電池
システムによれば、水循環ポンプを停止し、開閉弁を開
弁した状態で、タンクに貯留されている冷却水を前記ア
ノード側通路の入口に導く第１の配管と前記アノード側
通路と前記アノード側通路の出口から前記タンクに冷却
水を還流させる第２の配管とからなる水路のアノード側
通路の入口手前に、燃料ガスを吹込むと、アノード側通
路及び第２の配管内の冷却水がタンクに回収され、水循
環ポンプを停止し、開閉弁を閉弁した状態で、燃料ガス
を吹込むと、第１の配管内の冷却水がタンクに回収され
るので、寒冷地で使用したとしても、水路内で冷却水が
凍結するといったことが防止できる関係上、燃料電池シ
ステムを速やかに起動することができるといった効果を
有する。

【００６２】また、請求項６記載の発明に係る燃料電池
システムの運転方法によれば、水循環ポンプを停止し、
開閉弁を開弁した状態で、タンクに貯留されている冷却
水を前記アノード側通路の入口に導く第１の配管と前記
アノード側通路と前記アノード側通路の出口から前記タ
ンクに冷却水を還流させる第２の配管とからなる水路の
アノード側通路の入口手前に、燃料ガスを吹込ますこと
により、アノード側通路及び第２の配管内の冷却水をタ
ンクに回収させ、水循環ポンプを停止し、開閉弁を閉弁
した状態で、燃料ガスを吹込むことにより、第１の配管
内の冷却水をタンクに回収させるので、寒冷地で使用し
たとしても、水路内で冷却水が凍結するといったことが
防止できる関係上、燃料電池システムを速やかに起動す
ることができるといった効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構
成を示す図である。

【図２】（ａ）は、上記実施の形態において、システム
の停止時の状態を示す図である。（ｂ）は、上記実施の
形態において、冷却水タンク加熱時の状態を示す図であ
る。（ｃ）は、上記実施の形態において、水循環ポンプ
に呼び水を行っている時の状態を示す図である。

【図３】（ａ）は、上記実施の形態において、燃料電池
の運転時の状態を示す図である。（ｂ）は、上記実施の
形態において、冷却水の回収を行っている時の状態を示
す図である。

【図４】実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構
成を示す図である。

【図５】上記実施の形態において、電池本体の外観を示
す斜視図である。

【図６】上記実施の形態において、電池本体及び気液混
合ユニットの構成を示す分解斜視図である。

【図７】上記実施の形態において、上部マニホールド及
び気液混合ユニットの内部構造を示す断面図である。

【図８】（ａ）は、上記実施の形態において、システム
の停止時の状態を示す図である。（ｂ）は、上記実施の
形態において、気液分離器及び水補給タンク加熱時の状
態を示す図である。（ｃ）は、上記実施の形態におい
て、水循環ポンプに呼び水を行っている時の状態を示す
図である。

【図９】（ａ）は、上記実施の形態において、燃料電池
の運転時の状態を示す図である。（ｂ）は、上記実施の
形態において、電池本体内及び配管１７１内の冷却水の
回収を行っている時の状態を示す図である。（ｃ）は、
上記実施の形態において、配管１７３内の冷却水の回収
を行っている時の状態を示す図である。

【図１０】従来技術に係る燃料電池システムの概略構成
を示す図である。

【符号の説明】

１０ 燃料電池本体 ２０ 冷却水タンク ２１ 密閉容器 ６５ 配管 ６６ 配管 ６７ 配管 ６８ 配管 ６９ 配管 ７０ 配管 ８４ 開閉弁 ８６ 開閉弁 ８８ 開閉弁 ９０ 水循環ポンプ ９３ 空気ポンプ １１４ 上部マニホールド １３１ アノード側チャネル １７１ 配管 １７２ 配管 １７３ 配管 １９１ 開閉弁 ２００ 気液分離器 ７００ 燃料ガスポンプ ８００ 水循環ポンプ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体と、 冷却水を貯留するタンクと、 前記タンクに貯留されている冷却水を前記燃料電池本体
   に導いた後、前記タンクに還流させる水路と、 前記水路に設けられ冷却水を前記水路に循環させる水循
   環ポンプと、 前記水循環ポンプ停止時に、前記水路内に残存する冷却
   水を前記タンクに回収させる冷却水回収手段とを備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記タンクは、密閉容器からなり、燃料
   電池本体よりも下方に位置し、 前記水路は、その最上部から前記タンクに向かっては、
   どの部位をとっても、その部位よりタンク側のどの部位
   よりも低くならないように設けられており、 前記水路中に空気を導入する空気導入手段と、 前記タンクから空気を流出させる空気流出手段とを備え
   たことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 さらに、前記タンクに貯留されている冷
   却水を加熱するための加熱手段を備えたことを特徴とす
   る請求項１記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記冷却水回収手段は、前記タンクが大
   気圧に開放された状態で、前記水路に圧搾空気を送り込
   む空気吹き込み部であることを特徴とする請求項１記載
   の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 固体高分子膜にアノード層及びカソード
   層を配したセルと、前記アノード層と対向して形成され
   たアノード側通路と、前記カソード層と対向して形成さ
   れたカソード側通路とを備える燃料電池本体と、 冷却水および燃料ガスを貯留する、密閉容器からなるタ
   ンクと、 前記タンクに貯留されている冷却水を前記アノード側通
   路の入口に導く第１の配管と前記アノード側通路と前記
   アノード側通路の出口から前記タンクに冷却水を還流さ
   せる第２の配管とからなる水路と、 前記水路に設けられ、冷却水を前記水路に循環させる水
   循環ポンプと、 前記タンクに貯留されている燃料ガスを、前記アノード
   側通路の入口手前の前記水路に吹き込む、燃料ガス吹き
   込み手段と、 前記第２の配管に挿設された開閉弁とを備えることを特
   徴とする燃料電池システム。
6. 【請求項６】 固体高分子膜にアノード層及びカソード
   層を配したセルと、前記アノード層と対向して形成され
   たアノード側通路と、前記カソード層と対向して形成さ
   れたカソード側通路とを備える燃料電池本体と冷却水お
   よび燃料ガスを貯留する、密閉容器からなるタンクと前
   記タンクに貯留されている冷却水を前記アノード側通路
   の入口に導く第１の配管と前記アノード側通路と前記ア
   ノード側通路の出口から前記タンクに冷却水を還流させ
   る第２の配管とからなる水路と前記水路に設けられ、冷
   却水を前記水路に循環させる水循環ポンプと前記タンク
   に貯留されている燃料ガスを、前記アノード側通路の入
   口手前の前記水路に吹き込む、燃料ガス吹き込み手段と
   前記第２の配管に挿設された開閉弁とを備えた燃料電池
   システムにおいて、 前記水循環ポンプ停止時に、 前記開閉弁を開弁した状態で、前記燃料ガス吹き込み手
   段を起動し、前記アノード側通路及び第２の配管内の冷
   却水を前記タンクに回収する第１のステップと、 前記開閉弁を閉弁した状態で、前記燃料ガス吹き込み手
   段を起動し、第１の配管内の冷却水を前記タンクに回収
   する第２のステップとを有することを特徴とする燃料電
   池システムの運転方法。