JP2002246052A

JP2002246052A - 燃料電池装置及びその起動方法

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Publication number: JP2002246052A
Application number: JP2001044192A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 康二小林; Kenji Kato; 憲二加藤; Masataka Ueno; 正隆上野
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】【課題】低温時、特に氷点下においても燃料電池への
加熱液体水の供給により、燃料電池装置の迅速かつ安定
した起動を可能とする。【解決手段】燃料電池装置は、燃料電池セルの酸素極
通路に冷却水を熱媒体として液体の状態で通流させる水
供給手段と、冷却水を回収し貯蔵する水タンク４０とを
含む冷却水の循環系を備える。水タンクは、メインタン
ク４０１と、該メインタンクより小容量の凍結用タンク
４０２とから成り、該凍結用タンクに加熱手段４７が配
置された。低温時に燃料電池セルを液体の状態で暖める
ために小容量の水の加熱又は保温で足りるため、起動が
迅速化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置及び
その起動方法に関し、特に酸素極側を直接水冷する形式
を採る燃料電池における冷却水の供給技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の一形式として、高分子固体電
解質膜を用いるものがある。こうした形式の燃料電池で
は、電極を構成する燃料極と酸素極との間に高分子固体
電解質膜が挟持され、酸素極と電解質膜との間に触媒を
含む反応層が介在される。燃料電池では、燃料極側に水
素で代表される燃料ガス、酸素極側に空気で代表される
酸化ガスをそれぞれ供給することで、燃料極側で得られ
る水素イオンが水分を含んだ電解質膜中を酸素極側に移
動し、燃料極側で得られた電子が外部負荷を経て酸素極
側に移動して、酸化ガス中の酸素と反応して水を生成す
る電気化学反応の進行で、外部負荷に対する起電力が得
られる。

【０００３】こうした反応に際して、酸素極側に発生す
る熱が水分を蒸発させて水素イオンの移動を鈍らせるた
め、酸素極側を効率良く冷却することが燃料電池の発電
能力を高めるのに重要である。このことから、従来、燃
料電池セパレータ内に冷却用の溝を設け、該溝を冷却水
の循環路に接続し、溝を流れる冷却水により燃料電池セ
ルを冷却する技術がある。しかしながら、こうした冷却
構成を採ると、冷却系の配管等の引き回しから装置の大
型化が避けられない。そこで、出願人は、燃料電池セル
の酸素極側に供給空気の流れに乗せて冷却水を供給する
ことで、電池セルを収容する筐体内の水供給配管をなく
して装置を小型化する技術を特開平１１−３１７２３６
号公報において提案している。この技術では、電解質膜
を酸素極と燃料極とで挟持した構成のセルを複数重ねた
スタックとし、このセルスタックを通る溝に送風ファン
から送られる空気に水を混合させて供給する構成を採っ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池装
置の低温始動時において、前記のように供給される冷却
水は、それがセルスタック部分に残留することで凍結
し、燃料電池の始動を遅らせ、あるいは始動の妨げとな
ることが懸念される。また、低温時は燃料電池セルの電
力効率が悪いため、セル温度が上昇するまでの間、出力
が低くなってしまうことから、セル温度を迅速に上昇さ
せるには、加温した冷却水を熱媒体とする加熱が有効で
ある。こうした低温時の迅速な始動の面から従来技術を
みると、タンク内で冷却水を加熱して循環させるものが
あるが、この形式では、大量の冷却水全体を暖めるのに
時間がかかり、水の加熱に要する消責電力も多くなる。
またセルに達する手前の循環路の凍結により早期の循環
が妨げられることが懸念される。また、冷却水に不凍液
を使う例もあるが、この場合、冷却水をセル温度の上昇
手段に利用することはできない。更に別の例として、供
給する空気に、水を加熱して得た水蒸気を混合して燃料
電池に供給する形式を採るものもあるが、この場合、液
体状の水供給に比べて、冷媒の密度、比熱、熱伝導率が
低いため、急速な加熱を期待できない。

【０００５】そこで本発明は、低温時、特に氷点下にお
いても燃料電池への加熱液体水の供給により、燃料電池
装置の迅速かつ安定した起動を可能とすることを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的は、零下雰囲
気における燃料電池装置の起動時に、水素燃料の供給に
先立ち、予め非凍結状態に保たれた水を燃料電池電極の
酸素極通路に通流させる方法により達成される。

【０００７】前記の方法において、水の非凍結状態は、
温度制御可能な断熱容器への貯蔵により保たれるのが有
効である。

【０００８】また、前記の目的は、酸素極と燃料極とを
備えた燃料電池装置において、前記酸素極のガス拡散層
に面した酸素極通路と、該酸素極通路の酸素供給の上流
側から下流側に熱媒体を液状の状態で供給する液体供給
手段と、該液体供給手段の供給する液体を加熱する加熱
手段と、前記燃料電池の加熱の必要の有無を判断する判
定手段と、該判定手段により加熱の必要が判定された場
合に、前記加熱手段により液体を加熱する加熱制御手段
とを備えた構成により達成される。

【０００９】前記の目的達成のためのより具体的な構成
としては、燃料電池セルの酸素極通路に冷却水を液体の
状態で通過させる水供給手段と、前記冷却水を回収し貯
蔵する水タンクとを含む冷却水の循環系を備え、前記水
タンクに加熱手段が設けられた燃料電池装置において、
前記水タンクは、メインタンクと、該メインタンクより
小容量の凍結用タンクとから成り、該凍結用タンクに前
記加熱手段が配置された構成を採るのが有効である。

【００１０】前記の構成において、凍結用タンクは、水
タンク内を区画する仕切りによりメインタンクと分離さ
れた構成とすることができる。

【００１１】あるいは前記の構成において、メインタン
クと凍結用タンクは、互いに独立したタンクで構成する
のも有効である。

【００１２】前記の構成において、凍結用タンクは、断
熱構造とすると更に有効である。

【００１３】更に前記いずれかの構成において、凍結用
タンクは、メインタンクの下流に配置された構成を採る
のも有効である。

【００１４】

【発明の作用及び効果】前記請求項１記載の構成では、
通常時に水が供給される酸素極への直接の不凍結水の供
給により、熱容量の大きな液状の水からの伝熱で、迅速
に電極を加温することができるため、燃料電池装置の零
下雰囲気での起動を迅速化することができる。

【００１５】更に、請求項２に記載の構成とすると、容
器の断熱性により水の温度低下が防がれるため、容器内
温度制御のための電力消費等のエネルギ消費を抑えるこ
とができる。

【００１６】次に、請求項３に記載の構成では、燃料電
池の酸素極通路に液体の状態で供給される熱媒体を、燃
料電池の加熱の必要の有無に応じて加熱することで、燃
料電池の温度条件を常に最適な状態に保つことができ
る。したがって、低温時にも加熱した熱媒体の酸素極通
路への液体状態での供給により、熱容量の大きな液状か
らの伝熱で、迅速に電極を加温することができるため、
燃料電池装置の起動を迅速化することができる。

【００１７】次に、請求項４に記載の構成では、燃料電
池セルの酸素極通路への直接の不凍結水の供給により、
熱容量の大きな液状の水からの伝熱で、迅速に電極を加
温することができるため、燃料電池装置の起動を迅速化
することができる。しかも、水タンク全体の水量に対し
て小量の水を加熱することで足りるため、起動を迅速化
と併せて、加熱のためのエネルギ消費を少なくすること
ができる。

【００１８】更に、請求項５に記載の構成とすると、冷
却水の加熱に要する時間を短縮しながら、タンク全体の
容量を増やす必要がないことから、装置の大型化を防ぐ
ことができる。

【００１９】また、請求項６に記載の構成とすると、凍
結用タンクを別構造とすることで、該タンクのみの保温
構造の採用が可能となり、しかも水タンク全体の容量と
しては，特に増加させる必要がないため、装置の大型化
も避けることができる。

【００２０】そして、請求項７に記載の構成とすると、
加熱のための冷却水が保温されるため、加熱時間が不用
となり又は短縮されるため、燃料電池装置の起動の一層
迅速化とエネルギ消費の削減が可能となる。

【００２１】更に、請求項８に記載の構成とすると、タ
ンク相互の位置関係で加熱水の供給後に自ずと冷却水の
供給に切換わるため、起動運転から通常運転への切換え
制御が単純化される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る
燃料電池装置のシステム構成を示す。この装置は、燃料
電池セルスタック（実施形態の説明において、セルスタ
ックと略記する）１と、セルスタック１に燃料としての
水素を供給する燃料供給系２と、同じくセルスタック１
に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給系３と、セ
ルスタック１を含むシステムの各部に主として冷却のた
めの水を供給する水供給系４とから構成されている。

【００２３】セルスタック１は、セルモジュールを多数
積層集合させたスタックとして構成されている。各セル
モジュールは、図２に模式断面で示すように、固体高分
子電解質１１を燃料極１２と酸素極１３とで挟持したも
のを、更にカーボンブラックのセパレータ１４，１５で
挟持した構成とされている。セパレータ１４の燃料極１
２に面する側には、セパレータをその厚さ方向に貫通す
る孔１４ａを導入部とし、それにつながって交差する方
向に延びる多数の水素ガス導入溝１４ｂが形成され，セ
パレータ１５の酸素極１３に面する側には、セパレータ
の縁部を導入部とする多数の空気導入溝１５ａが形成さ
れている。こうした構成からなる板状の各セルモジュー
ルは、空気導入溝１５ａを上下方向に向け、板を立てた
状態で板厚方向に多数積層させた形態で複数のブロック
に分けて、その収容部としての筐体内に収容配置されて
いる。そして、積層により連続する孔とされた燃料極１
２側の導入部が、図１に示す燃料供給系２の後記する燃
料供給路Ｈに連通され、酸素極１３側の導入部は、酸素
極通路として筐体内に開放されて空気供給路Ａにつなが
る。

【００２４】図１に略号Ｖ，ｖで示す要素１８は、電圧
センサ及びモジュール電圧センサを示し、前記各ブロッ
クにおける電圧センサとモジュール電圧センサの接続関
係は、図３に示すようになされている。すなわち、電圧
センサＶは、各ブロック１０ごとにシリーズ接続された
セルモジュール全体の起電電圧を検出すべく、ブロック
１０両端のセルモジュールの燃料極と酸素極とに接続さ
れている。また、モジュール電圧センサｖは、複数のセ
ルモジュールを１組とする単位ユニットの起電電圧を検
出すべく、各単位ユニットの両端の燃料極と酸素極とに
接続されている。

【００２５】燃料供給系２は、燃料としての水素を吸蔵
させる水素吸蔵合金を貯蔵部２０として構成され、該貯
蔵部２０とセルスタック１をつなぐ燃料供給路Ｈの途中
に、セルスタック１への供給圧を調節する水素調圧弁２
１と、供給遮断を制御する水素供給電磁弁２２が直列に
介挿されている。この燃料供給路Ｈには、更に水素吸蔵
合金に水素を補給する補給路（図示せず）が別途接続さ
れている。なお、図に略号Ｐで示す要素２３は、水素調
圧弁２１による調圧後のガス圧すなわちセルスタック１
に加わる水素元圧を計測する水素元圧センサである。こ
の燃料供給系２に関連して、セルスタック１にはそれか
ら必要に応じて水素を抜くための水素排気路Ｅが設けら
れ、その途中に、排気路開閉のための水素排気電磁弁２
７と、外気の吸込みを防ぐ水素排気逆止弁２８とが介挿
されている。この水素排気電磁弁２７は間欠的に駆動さ
せて無害化されたガスを排出すべく設けられており、こ
の無害化のために、排気路Ｅ内には、燃焼手段としての
図示しない触媒燃焼器が配され、セルスタック１から排
出された水素と外部から導入される空気とを触媒燃焼さ
せる構成が採られている。

【００２６】空気供給系３は、外気を空気マニホールド
３３を経てセルスタック１に送り込む空気供給ファン３
２を配置した導入路Ａを備える構成とされ、セルスタッ
ク１通過後の空気が図示しないダクトを経て水凝縮器６
０に入り、更に図示しない排気ダクトを経て外気に放出
される経路とされている。なお、図に略号Ｔで示す要素
１９は、セルスタック１通過後の空気の温度を検出する
排気温度センサである。

【００２７】水供給系４は、水タンク４０を中心とし
て、該水タンク４０から水噴射ポンプ４１により送り出
される水を、空気マニホールド３３に水噴射ノズル４２
により供給し、かつ、セルスタック１で回収及び生成さ
れた水と、水凝縮器６０での凝縮により生じた水を直接
水タンク４０に戻す循環路で構成されている。循環路の
供給側を構成する水噴射ポンプ４１から水噴射ノズル４
２に至る水路Ｗの途中には、噴射量を調節する図示しな
い直噴水電磁弁と、ノズル４２の詰りを防止するための
フィルタが介挿されている。循環路の回収側は、セルス
タック１から水タンク４０に戻る図示しない水路と、水
凝縮器６０から電磁弁４３を経て水タンク４０に戻る水
路とで構成されている。なお、図示を省略するが、水タ
ンク４０へ水を補給するための給水口と給水電磁弁が別
途配設されている。

【００２８】燃料電池装置の出力系５は、セルスタック
１からリレー５１及びダイオード５２を経てモータ５３
につながる導線で構成されている。このシステムでは、
燃料電池装置の空気供給ファン３２、水凝縮器６０のフ
ァン、水噴射ポンプ４１、水タンク４０の後記する伝熱
ヒータ、各種電磁弁等の付帯設備の駆動電源として、更
に燃料電池装置故障時のモータ５３駆動電源確保のため
に、蓄電池からなる２次電池５４が設けられており、２
次電池５４は出力導線とアースとの間に介挿され、燃料
電池に対して並列に接続されている。

【００２９】こうした構成からなる燃料電池システムで
は、図示しない前記補給路を介する水素ガスの供給で、
水素吸蔵合金への水素の吸蔵が行われる。また、水供給
系４への水の供給は、同じく図示しない補給路から水タ
ンク４０へ水を供給することにより行われる。そして、
通常の発電状態では、水素供給電磁弁２２を開いて、水
素調圧弁２１による調圧下で水素吸蔵合金に吸蔵させた
水素をセルスタック１に供給する一方、空気供給ファン
３２を起動させて、空気マニホールド３３経由でセルス
タック１に空気を送り込む操作が行われる。この発電状
態で、必要に応じて連続又は間歇的に水供給系４の水直
噴ポンプ４１を運転して水噴射ノズル４２から空気マニ
ホールド３３内に水を噴射させることで、セルスタック
１の冷却が行われる。

【００３０】上記のようにしてセルスタック１に送り込
まれ、セルスタック１で加熱された空気と水蒸気状態の
水は、そこを抜けた後、水凝縮器６０に導かれ、乾燥状
態の空気と凝縮水とに分けられ、乾燥状態の空気は外気
に放出され、凝縮水は開放状態の電磁弁４３を経て水タ
ンク４０に戻る。また、液状のままセルスタック１を抜
けた水は、直接水タンク４０に戻る。

【００３１】図４は前記燃料電池装置の水タンク部分の
構造を模式化して示す。水タンク４０は、メインタンク
を構成する直噴水タンク４０１と、低温時の冷却水温度
を制御する凍結用タンク４０２とを備える。凍結用タン
ク４０２は、直噴水タンク４０１より小容量とされ、そ
の内部に冷却水温度を制御する加熱手段として電熱ヒー
タ４７が配置されている。この形態では、凍結用タンク
４０２は、水タンク４０内を区画する堰状の仕切り４０
３により直噴水タンク４０１と分離されている。そし
て、水タンク４０の上部に水凝縮器６０に電磁弁４３
（図１参照）を経てつながる冷却水の戻り管Ｗ３の出口
が開口し、凍結用タンク４０２の電熱ヒータ４７より下
方にポンプ４１につながる供給管Ｗ１の入口が開口して
いる。水タンク４０内の水位レベルを検出する水位セン
サ４８は、直噴水タンク４０１側に配置され、水温を監
視する加熱の必要の有無の判定手段としての温度センサ
４９は、凍結用タンク４０２側に配置されている。

【００３２】次に、こうした構成からなる燃料電池装置
の起動制御について説明する。まず、図５は起動のメイ
ンフローを示す。このフローは、車載の装置を想定して
いることから、ステップＳ１の車両のキーオン操作によ
り開始するものとされ、以下、ステップＳ２の始動時空
気、水供給制御と、ステップＳ３の水素圧判定制御と、
ステップＳ４の始動時水素供給制御を実行するものとさ
れている。

【００３３】次に示す図６は、ステップＳ２の始動時空
気、水供給制御の内容を詳細に示す。この制御では、当
初のステップＳ２１で、温度センサ４９（図４参照。以
下同様に各要素については図１及び図４参照）の情報に
基づき、タンク内の冷却水温度を判定する。この判定で
の基準値は、０°Ｃとされており、この温度基準を超え
る場合は、ステップＳ２４以降の通常の始動制御を実行
する。この判断が不成立のときに、ステップＳ２２によ
り凍結用タンク内のパイプヒータ４７をオンとし、冷却
水の加熱を開始し、次のステップＳ２３により冷却水温
度を監視する。これら２つのステップは、本発明におけ
る加熱制御手段を構成する。この場合の判定基準値は、
例えば３°Ｃとされる。こうして冷却水の加熱を継続
し、判断が成立となったところで、ステップＳ２４によ
り空気供給ファン３２のオンによりセルスタック１への
空気供給を開始する。次のステップＳ２５は、水位セン
サ４８で監視する水タンク内の水位が低下したときに運
転を停止するためのものである。この判定の基準値は、
例えば最大容量の１０％の水量に対する水位とされる。

【００３４】次に、前記のステップＳ２５による水位判
断の成立を条件として、ステップＳ２６により直噴水ポ
ンプをオンとし、先のステップＳ２４によるセルスタッ
ク１への空気供給の流れ中にノズル４２から水を噴射す
る。こうしてセルスタック１を暖めながら、次のステッ
プＳ２７により、排気温度センサ１９の検出温度を基に
排気温度の監視を行なう。この場合の判定基準値は、例
えば０°Ｃとされる。ステップＳ２７の温度判断が成立
したところで、冷却水の役割を加温の熱媒体から冷却の
冷媒に切換えるべく、ステップＳ２８により凍結用タン
ク内のヒータをオフとする処理を行ない、次いでステッ
プＳ２９によりポンプをオフとして冷却水の供給も一時
停止させる。この処理は、加温かつ一通り電極を濡らす
に十分な水量、例えば１００ｃｃ程度を供給する主旨の
ものである。

【００３５】前記の制御によりセルスタック１の温度条
件が調ったところで、次に水素圧判定制御を行なう。図
７に示すこの制御は、システムの故障による事故を回避
する主旨のものである。水素圧判定制御の当初のステッ
プＳ３１では、水素排気弁２７を所定時間開き、その時
間内にステップＳ３２により水素供給弁２２を開いてセ
ルスタック１に水素を供給する処理を行う。この処理
は、燃料供給路Ｈに残留する空気を水素ガスでパージす
るためのものである。本例ではこの時間を３秒に設定
し、次のステップＳ３３でこの時間経過を判定してい
る。こうして時間経過が確認されると、ステップＳ３４
により水素排気弁を閉じ、ステップＳ３５で水素元圧セ
ンサ２３が検出する圧力により、水素元圧が所定の圧力
範囲にあるか否かを判断する。この判断で水素元圧が所
定値（２０ｋｐｓ）以下の場合には、シール不良等でガ
スが漏れている可能性があり、所定値（９０ｋｐｓ）以
上の場合には、圧力で電解質膜が破壊される可能性があ
るため、運転を停止する。前記ステップＳ３５の判断が
成立となると、ステップＳ３６により一旦水素供給弁２
２を閉じる。この状態で次のステップＳ３７により所定
時間（本例において１０秒）の経過を待つ。この処理
は、密閉されている中で、水素圧の変化を測定するため
のものである。この時間経過後に、次のステップＳ３８
により再度水素元圧センサが検出する圧力により水素元
圧を判定する。このステップでの判定は、元圧が所定圧
を超えているか否かの判定であり、この値が下がってし
まった場合には、セルモジュールでの電解反応の他に電
解質膜の劣化によるリークの可能性が考えられる。そこ
で、この判断の不成立時にも運転を停止する。こうして
水素圧判定制御が終わると、次の始動時水素供給制御に
移行する。

【００３６】始動時水素供給制御では、図８に示すよう
に、ステップＳ４１により水素供給弁を開き、次のステ
ップＳ４２で時間経過監視のためのタイマをスタートさ
せる。次いで、ステップＳ４３により水素排気弁２７を
開き、更に次のステップＳ４４で第一の電圧条件を満た
したか否かの判断を行なう。

【００３７】ここで、このステップＳ４４の第一の電圧
条件判断を行なう趣旨は、セルスタックの状態を全体的
かつ詳細に確認することにある。この趣旨に沿い、本実
施形態では、以下の３条件全ての成立を以って第一の電
圧条件成立とする。セルスタック１０の電圧＞所定電位単位ユニットＵ１の電圧＞所定電位単位ユニットＵ２〜Ｕ５の電圧＞所定電位上記の条件は、全体のモニターを意図し、は特定の
セルのモニターを意図し、は全体の詳細なモニターを
意図する。したがって、単位ユニットＵ１には、水素供
給路（配管及びセパレータの水素ガス導入溝）の構造上
の関係から特に水素が行き渡りにくい単位ユニットを選
択する。

【００３８】この判断が順当に成立した場合は、定常運
転により燃料電池発電開始となる。ステップＳ４４の判
断が不成立の場合には、ステップＳ４５の時間経過判断
（１秒）に進み、今度はステップＳ４６により水素排気
弁２７を閉じ、この状態でステップＳ４７により先のス
テップＳ４４と同様の判断を行なう。この判断が成立と
なると、定常運転により燃料電池発電開始となる。この
判断が不成立の場合は、次のステップＳ４８のタイマ判
断成立まで第一の電圧条件を満たしたか否かの判断を繰
り返す。この判断が不成立のまま所定時間（２秒）を経
過したときは、先のステップＳ４２に戻り、以下以降の
ステップを繰り返す。こうして定常運転により燃料電池
発電開始に移行しないままにステップＳ４２のタイマ
（本例において６０秒）が経過した場合には、運転を停
止する。なお、このタイマは、水素配管経路中の空気を
パージするに十分な時間であり、かつ早計な判断で異常
判定を誤るのを防ぐに十分な時間として設定される。

【００３９】次の図９に示すフローは、定常運転時の水
供給フローを示す。この場合、当初のステップＳ５１の
燃料電池排気温度判断により冷却水の加熱の要否を峻別
する。この場合の判断基準も先の場合と同様に例えば０
°Ｃを超える温度とする。ステップＳ５１の排気温度判
断が不成立で、冷却水の加熱を必要とする場合は、ステ
ップＳ５３に進み、凍結用タンク内ヒータをオンとし、
次のステップＳ５４により冷却水温度の所定値までの上
昇を監視する。この場合の判断基準も先の場合と同様に
例えば３°Ｃを超える温度とする。こうして温度上昇が
確認されると、ステップＳ５５による第２の燃料電池排
気温度判断に移行する。

【００４０】一方、前記ステップＳ５１の燃料電池排気
温度判断により冷却水の加熱が不要となった場合には、
ステップＳ５２で凍結用タンク内ヒータをオフとし、次
のステップＳ５５に進む。ステップＳ５５の第２の燃料
電池排気温度判断では、排気の上限を定める所定値との
比較を行なう。この場合の値は、例えば５０°Ｃ未満と
する。この判断が成立のときには、ステップＳ５６に進
み、直噴水ポンプを所定時間オンとした後、所定時間オ
フとする処理を実行する。この場合のオンの所定時間
は、例えば３秒とし、オフの所定時間は１０秒とする。
そして、この処理は前記ステップＳ５５の判断成立の条
件下で、次のステップＳ５７の停止信号入力判断が成立
するまで継続される。また、前記ステップＳ５５の第２
の燃料電池排気温度判断が不成立の場合には、ステップ
Ｓ５８により更に高い上限温度との比較を行なう。この
場合の上限温度は、例えば７０°Ｃ未満とする。そして
この判断が成立の場合には、ステップＳ５９により直噴
水ポンプをオンとし、冷却水を連続供給状態とする。こ
の処理も前記ステップＳ５５の判断不成立かつステップ
Ｓ５８の上限温度判断成立の条件下で、次のステップＳ
６０の停止信号入力判断が成立するまで継続される。前
記いずれの場合も停止信号入力判断が成立するとステッ
プＳ６１により直噴水ポンプをオフとし、運転を停止さ
せる。

【００４１】前記各フローを総合して分かるように、冷
却水の供給は、排気温度が凍結判断値（０°Ｃ）以下の
場合には、凍結用ヒータのオンで冷却水温度を所定温度
（３°Ｃ）より高くして供給し、凍結判断値（０°Ｃ）
を超える第１上限温度（５０°Ｃ）未満の温度範囲では
加熱を行なわずに冷却水を間歇供給とし、第１上限温度
（５０°Ｃ）以上で第２上限温度（７０°Ｃ）未満の範
囲では連続供給とし、第２上限温度（７０°Ｃ）以上の
場合には停止する制御が行われる。

【００４２】かくして第１実施形態によれば、燃料電池
セルの酸素極１３表面への直接の不凍結水の供給によ
り、熱容量の大きな液状の水からの伝熱で、迅速に電極
を加温することができるため、燃料電池装置の起動を迅
速化することができる。しかも、水タンク４０全体の水
量に対して小量の水を加熱することで足りるため、起動
を迅速化と併せて、加熱のためのエネルギ消費を少なく
することができる。更に、冷却水の加熱に要する時間を
短縮しながら、水タンク４０全体の容量を増やす必要が
ないことから、装置の大型化を防ぐことができる。

【００４３】次に、図１０は水タンク部分の構成を変更
した第２実施形態を示す。この形態では、水タンク４０
内において凍結用タンク４０２は隔壁状の仕切り４０３
により直噴水タンク４０１に対して完全に分離されてい
る。そして、この変更に伴い、凍結用タンク４０２内の
水位を別途計測する必要から、水位センサ４８’が追加
されている。また、凍結用タンク４０２には専用の供給
管Ｗ１’が設けられ、これが供給管Ｗ１に合流する連結
関係とされている。なお、図には凍結用タンク４０２に
対する補給路が示されていないが、この補給路について
は、凍結用タンク４０２専用のものを設けてもよいし、
直噴水タンク４０１から凍結用タンク４０２への流入の
みを許容する逆止弁を介して凍結用タンク４０２を直噴
水タンク４０１に連結することで補給路としてもよい。

【００４４】次に、図１１は水タンク部分の構成を更に
変更した第３実施形態を示す。この形態では、水タンク
４０は完全に独立する直噴水タンク４０１と凍結用タン
ク４０２で構成されている。更にこの形態では、凍結用
タンク４０２は中間に断熱材を介在させた二重壁、壁間
部を真空とした魔法瓶状等の断熱構造とされている。ま
た、凍結用タンク４０２は直噴水タンク４０１に対して
下流側につながる直列の配列とされている。したがっ
て、戻り管Ｗ３が直噴水タンク４０１の上部に接続さ
れ、直噴水タンク４０１と凍結用タンク４０２は連絡路
Ｗ４で接続され、凍結用タンク４０２の下部が供給管Ｗ
１で電磁弁４２（図１参照）に接続されている。なお、
凍結用タンク４０２の補給路Ｗ５は、専用のものを設け
てもよいし、戻り管Ｗ３から分岐したものとしてもよ
い。

【００４５】こうした第２及び第３実施形態の水タンク
構成を採る場合、始動時空気、水供給制御は図１２に示
すフローに変更される。この場合、直噴水タンクと凍結
用タンクが独立することから、凍結用タンク内の水が所
定温度に達した後は加熱の必要がなくなるので、第１実
施形態におけるステップＳ２８の処理は、ステップＳ２
８’の処理に移される。また、第１実施形態におけるス
テップＳ２７の処理はそのままとしてもよいが、処理を
簡略化する意味で、ステップＳ２７’のタイマ判断に置
換えられる。その余の処理については、前記第１実施形
態の場合と同様であるので、該当するステップに同様の
ステップ番号を付して説明に代える。

【００４６】かくしてこれら第２及び第３実施形態によ
れば、凍結用タンク４０２を別構造とすることで、該タ
ンクのみの保温構造の採用が可能となり、しかも水タン
ク４０全体の容量としては，特に増加させる必要がない
ため、装置の大型化も避けることができる。そして、特
に第３実施形態の水タンク構造を採る場合、加熱のため
の冷却水が保温されるため、加熱時間が不要となり又は
短縮され、燃料電池装置の起動の一層迅速化とエネルギ
消費の削減が可能となる。また、凍結用タンク４０２の
水量を使い尽くしたときに自動的に直噴水タンク４０１
からの補給状態となるため、起動運転から通常運転への
切換え制御が単純化される。

【００４７】以上、本発明を専ら冷却水を水タンクに回
収して循環させる形式の実施形態を参照して詳述した
が、本発明はこの形態に限定されることなく、特許請求
の範囲に記載の事項に基づき、更に種々の改変が可能な
ものである。例えば、加熱用の水については、寒冷起動
専用として非循環状態に断熱容器に保持しておくことも
できる。

【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装置のシ
ステム構成図である。

【図２】燃料電池装置の各セルの構造を示す模式断面図
である。

【図３】燃料電池装置のセルスタックと起電力の関係を
示す模式図である。

【図４】燃料電池装置の水タンクの詳細を示す模式断面
図である。

【図５】燃料電池装置起動のメインフローを示すフロー
チャートである。

【図６】始動時空気、水供給制御のフローチャートであ
る。

【図７】始動時水素圧判定制御のフローチャートであ
る。

【図８】始動時水素供給制御のフローチャートである。

【図９】定常運転時水供給制御のフローチャートであ
る。

【図１０】本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の
水タンクの詳細を示す模式断面図である。

【図１１】本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置の
水タンクの詳細を示す模式断面図である。

【図１２】第２実施形態及び第３実施形態における始動
時空気、水供給制御のフローチャートである。

【符号の説明】

１セルスタック（燃料電池セル）４水供給手段１２燃料極１３酸素極１５ａ空気導入溝（酸素極通路）４０水タンク４７パイプヒータ（加熱手段）４９温度センサ（判定手段）４０１直噴水タンク（メインタンク）４０２凍結用タンク（断熱容器）４０３仕切りＳ２２，Ｓ２３加熱制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上野正隆東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA14 BC20 CC06 KK46 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】零下雰囲気における燃料電池装置の起動
時に、水素燃料の供給に先立ち、予め非凍結状態に保た
れた水を燃料電池電極の酸素極通路に通流させることを
特徴とする燃料電池装置の起動方法。
【請求項２】前記水の非凍結状態は、温度制御可能な
断熱容器への貯蔵により保たれる、請求項１記載の燃料
電池装置の起動方法。
【請求項３】酸素極と燃料極とを備えた燃料電池装置
において、前記酸素極のガス拡散層に面した酸素極通路
と、該酸素極通路の酸素供給の上流側から下流側に熱媒
体を液状の状態で供給する液体供給手段と、該液体供給
手段の供給する液体を加熱する加熱手段と、前記燃料電
池の加熱の必要の有無を判断する判定手段と、該判定手
段により加熱の必要が判定された場合に、前記加熱手段
により液体を加熱する加熱制御手段とを備えた燃料電池
装置。
【請求項４】燃料電池セルの酸素極通路に冷却水を液
体の状態で通過させる水供給手段と、前記冷却水を回収
し貯蔵する水タンクとを含む冷却水の循環系を備え、前
記水タンクに加熱手段が設けられた燃料電池装置におい
て、前記水タンクは、メインタンクと、該メインタンクより
小容量の凍結用タンクとから成り、該凍結用タンクに前
記加熱手段が配置されたことを特徴とする燃料電池装
置。
【請求項５】前記凍結用タンクは、水タンク内を区画
する仕切りによりメインタンクと分離された、請求項４
記載の燃料電池装置。
【請求項６】前記メインタンクと凍結用タンクは、互
いに独立したタンクで構成される、請求項４又は５記載
の燃料電池装置。
【請求項７】前記凍結用タンクは、断熱構造とされ
た、請求項６記載の燃料電池装置。
【請求項８】前記凍結用タンクは、前記メインタンク
の下流に配置された、請求項４〜７のいずれか１項記載
の燃料電池装置。