JP2003317754A

JP2003317754A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003317754A
Application number: JP2002122122A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukuda; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】循環水を汚染することがなく、コスト的にも
安価な燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素リッチガス及び空気が供給されて発
電を行う燃料電池本体１０を有する燃料電池システムで
あって、空気を浄化する空気浄化手段４２を有し、その
浄化空気を燃料電池本体１０に供給する空気供給系４０
と、水を貯留する貯留手段５２，６３を有し、その水を
燃料電池本体１０に循環させる水循環系５０，６０と、
空気供給系４０と貯留手段５２，６３とを連通させて、
浄化空気を貯留手段５２，６３に通気可能にする通気手
段５８，６７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、自動車等の
移動体に好適に使用することができる燃料電池システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムにおいて、燃料電池シ
ステム内の水通路に設けられるタンクは、タンク内の水
量増減を可能にするため、従来は、タンク上部空間を大
気に開放していた。

【０００３】また、特開平１１−２７３７０４には、純
水の凍結防止に関する技術について記載されており、シ
ステム停止時においては、バルブ１２２を開放すること
で水配管に外部空気を導入し、ドレンバルブ５０を開放
することにより配管中の水抜きを行うことにより、配管
内での純水の凍結を防止するとともに、回収された純水
を断熱タンクに貯蔵することにより凍結を防止してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の燃料電池システムでは、タンクが大気開放されていた
ので、空気中に存在する微生物、粉塵、種々のイオンを
含む不純物が水系統内に導入されるため、水の劣化が促
進される。

【０００５】また、特開平１１−２７３７０４では、水
抜きを行う際に外部空気をシステム内の水系統に導入す
るため、空気中に存在する微生物や、粉塵、等種々のイ
オンを含むもの等が水系統内に導入されるため、水の劣
化が促進される可能性があるという問題点があった。

【０００６】本発明の課題は、循環水を汚染することが
なく、コスト的にも安価な燃料電池システムを提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下のような
解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容
易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付
して説明するが、これに限定されるものではない。

【０００８】第１の発明は、水素リッチガス及び空気が
供給されて発電を行う燃料電池本体（１０）を有する燃
料電池システムであって、空気を浄化する空気浄化手段
（４２）を有し、その浄化空気を前記燃料電池本体に供
給する空気供給系（４０）と、水を貯留する貯留手段
（５２，６３）を有し、その水を前記燃料電池本体に循
環させる水循環系（５０，６０）と、前記空気供給系と
前記貯留手段とを連通させて、前記浄化空気を前記貯留
手段に通気可能にする通気手段（５８，６７）とを備え
ることを特徴とする。

【０００９】第２の発明は、第１の発明において、前記
水循環系（６０）は、前記燃料電池本体を冷却する冷却
水を循環させることを特徴とする。

【００１０】第３の発明は、第１又は第２の発明におい
て、前記貯留手段（６３）は、冷却水を貯留する冷却水
リザーバタンクであることを特徴とする。

【００１１】第４の発明は、第１の発明おいて、前記水
循環系（５０）は、空気浄化手段で浄化された浄化空気
を加湿する加湿水を循環させることを特徴とする。

【００１２】第５の発明は、第１又は第４の発明におい
て、前記貯留手段（５２）は、加湿水を貯留する加湿水
リザーバタンクであることを特徴とする。

【００１３】第６の発明は、第４の発明において、前記
空気供給系（４０）は、前記空気浄化手段で浄化され、
前記燃料電池本体に供給される前記浄化空気を、前記水
循環系の貯留手段からの循環水によって加湿する加湿手
段（４３）を備えることを特徴とする。

【００１４】第７の発明は、第４又は第６の発明におい
て、前記通気手段に設けられ、前記空気供給系と前記貯
留手段と通気不能にすると同時にその貯留手段を外気と
通気可能にし、また、前記空気供給系と前記貯留手段と
通気可能にすると同時にその貯留手段を外気と通気不能
にする三方切り替え弁手段（５５）を備えることを特徴
とする。

【００１５】第８の発明は、第７の発明において、前記
三方切り替え弁手段に接続され、外気の流入を防止する
逆流防止手段（５６）を備えることを特徴とする。

【００１６】第９の発明は、第７又は第８の発明におい
て、前記三方切り替え弁手段を外気と通気可能に切り替
えて、前記水循環系内に残留している残留水を前記貯留
手段に排水するようにしたことを特徴とする。

【００１７】第１０の発明は、第４又は第６の発明にお
いて、前記通気手段に設けられ、前記空気供給系と前記
貯留手段とを通気可能又は通気不能にする第１の通気切
り替え手段（５５ａ）と、前記通気手段に設けられ、前
記貯留手段と外気とを通気可能又は通気不能にする第２
の通気切り替え手段（５５ｂ）とを備えることを特徴と
する。

【００１８】第１１の発明は、第１０の発明において、
前記第２の通気切り替え手段に接続され、外気の流入を
防止する逆流防止手段（５６）を備えることを特徴とす
る。

【００１９】第１２の発明は、第１０又は第１１の発明
において、前記第１の通気切り替え手段を通気不能に切
り替え、前記第２の通気切り替え手段を通気可能に切り
替えて、前記水循環系内に残留している残留水を前記貯
留手段に排水するようにしたことを特徴とする。

【００２０】

【作用・効果】第１の発明では、水循環系に空気中の微
生物等の混入を防止することができる。

【００２１】具体的には、第２及び第３の発明では、冷
却水に微生物等の混入を防止することができ、第４及び
第５の発明では、加湿水に微生物等の混入を防止するこ
とができる。

【００２２】第６の発明では、空気浄化手段で浄化さ
れ、燃料電池本体に供給される浄化空気を加湿すること
ができ、これによって、燃料電池本体での発電反応を高
めることができる。

【００２３】第７の発明では、空気圧を利用して水循環
系内に残留している残留水を排水することが可能にな
る。

【００２４】第８の発明では、外気の流入を防止でき、
さらに確実に水循環系に空気中の微生物等の混入を防止
することができる。

【００２５】第９の発明では、空気圧を利用して水循環
系内に残留している残留水を排水可能であり、特別な排
水装置を使用する必要がなく、コストを安価に抑えるこ
とができる。

【００２６】第１０の発明では、空気圧を利用して水循
環系内に残留している残留水を排水することが可能にな
る。

【００２７】第１１の発明では、外気の流入を防止で
き、さらに確実に水循環系に空気中の微生物等の混入を
防止することができる。

【００２８】第１２の発明では、空気圧を利用して水循
環系内に残留している残留水を排水可能であり、特別な
排水装置を使用する必要がなく、コストを安価に抑える
ことができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面等を参照して、本発明
の実施の形態について、さらに詳しく説明する。（第１実施形態）図１は、本発明による燃料電池システ
ムの第１実施形態を示すシステム構成図である。

【００３０】燃料電池システム１は、ＦＣスタック本体
１０と、アノード系２０と、カソード系３０と、冷却系
６０と、制御系７０とを備える。

【００３１】ＦＣスタック本体１０はアノード系２０か
ら供給された水素とカソード系３０から供給された空気
とに基づいて発電を行う燃料電池本体である。また、Ｆ
Ｃスタック本体１０は発電時に高温になるので、スタッ
ク温度センサ７２で温度が測定され、冷却系６０によっ
て冷却される。

【００３２】アノード系２０は、水素タンク２１と、圧
力制御弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４とを備
え、それらが、燃料供給配管２５、排水素配管２６、循
環配管２７によって接続されている。

【００３３】水素タンク２１は燃料となる水素を貯蔵す
る。水素タンク２１には燃料供給配管２５が接続されて
いる。

【００３４】燃料供給配管２５は、水素タンク２１に貯
蔵されている水素をＦＣスタック本体１０へ供給する配
管であり、一端が水素タンク２１に接続され他端がＦＣ
スタック本体１０に接続される。

【００３５】圧力制御弁２２は、燃料供給配管２５の途
中に設けられ、水素タンク２１の水素の圧力を所望圧ま
で減圧してＦＣスタック本体１０へ供給する。

【００３６】エゼクタ２３は、燃料供給配管２５の経路
中であって、圧力制御弁２２とＦＣスタック本体１０と
の間に設けられている。また、エゼクタ２３は循環配管
２７を接続している。エゼクタ２３は、燃料水素が燃料
供給配管２５を流れるときに、エゼクタ２３内が負圧と
なる現象を利用して、循環配管２７内の水素（排水素）
を吸入し、その排水素を新規水素に混合させる。

【００３７】排水素配管２６は、ＦＣスタック本体１０
から排出される余剰の水素（排水素）を送給する配管で
あり、一端がＦＣスタック本体１０に接続され他端が排
水素燃焼器４６（後述）に接続される。

【００３８】パージ弁２４は、排水素配管２６の経路中
であって、ＦＣスタック本体１０と排水素燃焼器４６と
の間に設けられている。パージ弁２４は、通常は、閉状
態であり、アノード系２０内において、窒素やＣＯ等の
不純物濃度が高くなった場合に開き、循環水素をパージ
して、排水素燃焼器４６に導出させる。

【００３９】循環配管２７は、ＦＣスタック本体１０の
排水素をエゼクタ２３に戻して循環させる配管であり、
一端がＦＣスタック本体１０とパージ弁２４との間の排
水素配管２６に接続され他端がエゼクタ２３に接続され
ている。

【００４０】以上のようなアノード系２０の構成によっ
て、水素タンク２１に貯蔵されている水素は、以下のよ
うにして、ＦＣスタック本体１０へ供給される。

【００４１】すなわち、水素タンク２１内で高圧で貯蔵
されている水素は、圧力制御弁２２で所望圧まで減圧さ
れて燃料供給配管２５を通過する。そして、その途中の
エゼクタ２３で排水素が混合されＦＣスタック本体１０
へ供給される。そして、その水素は、ＦＣスタック本体
１０を通過した後、循環配管２７によって再びエゼクタ
２３へ戻され循環する。そして、窒素やＣＯ等の不純物
濃度が高くなったらパージ弁２４が開弁されて排水素燃
焼器４６へと導出（パージ）される。そして、そのパー
ジされた排水素は、排水素燃焼器４６内でスタック排空
気（後述）と混合され、燃焼、浄化された後、車外へ排
出される。

【００４２】カソード系３０は、空気供給系４０と、加
湿水循環系５０とを備える。空気供給系４０は、コンプ
レッサ４１と、フィルタ４２と、加湿器４３と、水分凝
縮装置４４と、圧力制御弁４５と、排水素燃焼器４６と
を備え、それらが、空気供給配管４７、空気排出配管４
８によって接続されている。また、加湿水循環系５０
は、バルブ５１と、水タンク５２と、ポンプ５３と、バ
ルブ５４と、三方弁５５と、チェック弁５６とを備え、
それらが、水通路５７（５７ａ，５７ｂ）と、空気配管
５８とによって接続されている。

【００４３】コンプレッサ４１は外気を吸入して圧送す
る。

【００４４】空気供給配管４７はコンプレッサ４１から
圧送された空気をＦＣスタック本体１０へ供給する空気
供給手段であり、一端がコンプレッサ４１に接続され他
端がＦＣスタック本体１０に接続される。

【００４５】フィルタ４２は空気供給配管４７の経路中
に設けられ、コンプレッサ４１によって圧送された空気
中に含まれるマイクロダスト、硫黄等や、コンプレッサ
４１から排出されるオイル等をトラップ（除去）して清
浄化する空気浄化手段である。

【００４６】加湿器４３はＦＣスタック本体１０での発
電反応を高めるためにフィルタ４２によって清浄化され
た空気（ガス）を加湿して、その加湿ガスをＦＣスタッ
ク本体１０に供給する加湿手段である。加湿器４３は、
空気供給配管４７の経路中であって、フィルタ４２とＦ
Ｃスタック本体１０との間に設けられている。

【００４７】空気排出配管４８はＦＣスタック本体１０
に接続され、ＦＣスタック本体１０から排出された空気
（スタック排空気）を送給する。

【００４８】水分凝縮装置４４は空気排出配管４８の経
路中に設けられ、ＦＣスタック本体１０で消費されずに
残った空気中の水分、およびＦＣスタック本体１０で生
成された水分を凝縮する。この水分凝縮装置４４は、た
とえば、本実施形態では空冷式の熱交換器を使用する
が、水分離膜や冷却水を利用したもの等、他の手段を使
用することもできる。

【００４９】圧力制御弁４５は空気排出配管４８の経路
中であって水分凝縮装置４４の下流に設けられており、
空気供給系の圧力を所望の圧力に制御する制御手段であ
る。

【００５０】排水素燃焼器４６は空気排出配管４８の経
路中であって圧力制御弁４５の下流に設けられており、
前述の通り、パージ弁２４からパージされた排水素を、
圧力制御弁４５によって圧力調整された排空気と混合し
て、燃焼し、浄化させた後、車外に排出する。

【００５１】水通路５７ａは一端が凝縮水分凝縮装置４
４に接続され他端が水タンク５２に接続され、凝縮水分
凝縮装置４４で凝縮、回収された回収水を水タンク５２
へ導く。

【００５２】バルブ５１は水通路５７ａの経路中に設け
られ、水通路５７ａの連通、非連通を切り替える。

【００５３】水タンク５２は凝縮水分凝縮装置４４で回
収され、水通路５７ａを通ってきた回収水を貯留する貯
留手段である。

【００５４】水通路５７ｂは一端が水タンク５２に接続
され他端が加湿器４３に接続され、水タンク５２に貯留
される水分を加湿器４３に返戻する。

【００５５】ポンプ５３は水通路５７ｂの経路中に設け
られており、ＦＣスタック本体１０の運転状態に応じ
て、空気を所望の加湿にするために必要な量の水を水タ
ンク５２から加湿器４３に送る。すなわち、前述の通
り、温湿度センサ７３（後述）の計測値に基づいてポン
プ５３の作動が制御されて、必要な量の水を加湿器４３
に送る。

【００５６】バルブ５４は水通路５７ｂの経路中であっ
てポンプ５３と加湿器４３との間に設けられ、その間の
連通、非連通を切り替える。

【００５７】空気配管５８は水タンク５２の上部の空気
溜まり部５２ａと空気供給配管４７とを連通して通気さ
せる通気手段である。

【００５８】三方弁５５は空気配管５８の経路中に設け
られ水タンク５２と空気供給配管４７との連通、及び水
タンク５２と外気との連通を切り替える三方切り替え弁
手段である。

【００５９】チェック弁５６は三方弁５５に連通され、
外気方向にのみ排気可能として外気の流入を防止する逆
流防止手段である。

【００６０】なお、本実施例では、水循環の過程で特に
フィルタを設けてないが、必要に応じて設置してもよ
い。

【００６１】以上のようなカソード系３０の構成によっ
て、コンプレッサ４１から圧送された空気は、以下のよ
うにして、ＦＣスタック本体１０へ供給される。

【００６２】すなわち、コンプレッサ４１から圧送され
た空気は、フィルタ４２によってマイクロダスト等が除
去されて、加湿器４３で加湿された後、ＦＣスタック本
体１０に供給される。ＦＣスタック本体１０で消費され
ずに残った空気（スタック排空気）、および生成された
水は、その下流の水分凝縮装置４４に送られ、水分が分
離除去される。スタック排空気は、圧力制御弁４５を経
由して、排水素燃焼器４６に送られ、パージ弁２４から
パージされた排水素を混合して、燃焼、浄化させられた
後、車外に排出される。一方、水分凝縮装置４４で凝縮
された水分は、バルブ５１を経由して水タンク５２に送
られ、さらに、ポンプ５３で加湿器４３に送られる。こ
のとき、水タンク５２の上部の空気溜まり部５２ａが空
気配管５８を介して空気供給配管４７と連通させられて
いるので、水タンク５２の水位はスムーズに移動する。

【００６３】冷却系６０は、凍結防止剤（たとえば、エ
チレングリロール等）の混入水を、ＦＣスタック本体１
０内の冷却水通路に流して冷却を行う。冷却系６０は、
三方切り替え弁６１と、ラジエータ６２と、リザーバタ
ンク６３と、冷却水ポンプ６４とを備え、冷却通路６
５、バイパス通路６６及び空気配管６７によって連接さ
れている。

【００６４】冷却通路６５は、一端がＦＣスタック本体
１０に接続され、途中に設けられた三方切り替え弁６１
を経由してラジエータ６２に達し、さらに、途中でリザ
ーバタンク６３を接続した後、冷却水ポンプ６４を介し
て、再び、ＦＣスタック本体１０に接続される。

【００６５】バイパス通路６６は一端が三方切り替え弁
６１に接続され他端が冷却通路６５に接続されている。
このバイパス通路６６を通る冷却水はラジエータ６２を
迂回（バイパス）することとなる。

【００６６】三方切り替え弁６１は冷却通路６５の経路
中に設けられている。三方切り替え弁６１はコントロー
ルユニット７１の指令によってＦＣスタック本体１０の
熱を奪った冷却水の通路を切り替え可能な弁であり、そ
の冷却水を冷却通路６５又はバイパス通路６６に通過さ
せる。

【００６７】ラジエータ６２はＦＣスタックから吸熱し
た冷却水から熱を放熱するための放熱器であり、コント
ロールユニット７１の信号によって制御されるラジエー
タファン（不図示）を作動させることによってラジエー
タ出口水温を所望の温度に調整する。

【００６８】リザーバタンク６３はラジエータ６２の下
流に設けられ、温度調整された冷却水の熱膨張、熱収縮
分の吸収や、冷却水の補給等を行う。リザーバタンク６
３の上部の空気溜まり部６３ａは、空気配管６７を介し
て空気供給配管４７と連通されているので、リザーバタ
ンク６３内の水位がスムーズに移動可能になっている。

【００６９】冷却水ポンプ６４はリザーバタンク６３の
下流に設けられ、スタック温度センサ７２の出力に応じ
てコントロールユニット７１で判断された流量となるよ
うに冷却水の送り量を制御してＦＣスタック本体１０に
圧送する。

【００７０】制御系７０は、コントロールユニット７１
によって、スタック温度センサ７２、温湿度センサ７
３、外気温度センサ７４、アクセル開度センサ１００の
測定値を入力し、その入力値に基づいて演算を行い、圧
力制御弁２２、パージ弁２４、コンプレッサ４１、圧力
制御弁４５、バルブ５１、ポンプ５３、バルブ５４、三
方弁５５、三方切り替え弁６１、冷却水ポンプ６４に信
号を出力して作動を制御する。

【００７１】スタック温度センサ７２はＦＣスタック本
体１０の温度を計測する。

【００７２】温湿度センサ７３は、空気供給配管４７の
経路中であって、加湿器４３とＦＣスタック本体１０と
の間に設けられている。温湿度センサ７３は、空気供給
配管４７を通過する空気の温度及び湿度を計測する検知
器である。その計測結果に基づいて、ポンプ５３の作動
が制御される。

【００７３】図２は、コントロールユニットによる制御
を中心として、本実施形態の燃料電池システムの動作を
説明するフローチャートである。

【００７４】Ｓ１において、各種センサ（外気温度セン
サ７４、スタック温度センサ７２、温湿度センサ７３、
アクセル開度センサ１００）からの値を読み込む。

【００７５】Ｓ２において、イグニッションキーがＯＮ
か否かを判定する。このとき、ＯＮの場合（すなわち、
運転中の場合）はＳ３へ進み、ＯＦＦの場合（すなわ
ち、システム停止中の場合）はＳ５へ進む。

【００７６】Ｓ３において、バルブ５１及びバルブ５４
を開弁させる。これは、前回のシステム停止時に閉弁し
ていたものをシステム起動に伴い開弁させるものであ
る。また、三方弁５５を切り替えて、空気供給配管４７
と水タンク５２とを連通させる。

【００７７】Ｓ４において、通常運転を行う。具体的に
は、以下の制御を行う。

【００７８】すなわち、運転者のアクセル開度に応じた
出力（電力）に相応な燃料および空気量に応じて、スタ
ックのアノード側では、圧力制御弁２２を制御して燃料
の供給を行い、また、スタックのカソード側では、コン
プレッサ４１を制御して空気を供給し、さらに、加湿器
４３によって、スタック温度センサ７２で検出されたス
タック温度と温湿度センサ７３とから、スタック入り口
の湿度が所望の湿度になるように加湿ポンプ５３を制御
して加湿量を調整する。

【００７９】また、冷却水ポンプ６４を制御して、ＦＣ
スタック本体１０の発熱量（スタック温度センサ７２に
よるスタック温度）に基づいて冷却水の流量を調整す
る。なお、ＦＣスタック本体１０の温度が低温であり、
冷却水を冷やす必要がないときは、三方切り替え弁６１
を切り替えてバイパス通路６６を通過させることによ
り、ラジエータ６２には通過させない。

【００８０】また、スタック温度センサ７２で検出され
た温度に応じてラジエータファン（不図示）の流量を制
御して、ラジエータ出口温度をほぼ一定の温度に保つよ
うに制御する。

【００８１】運転中には、スタックカソード系の水分凝
縮装置４４によってＦＣスタック本体１０から排出され
た空気中の水分を凝縮させる。この水分は、水通路５７
ａを通って、水タンク５２に導かれ、加湿用水として貯
蔵される。

【００８２】スタックアノード系においては、ＦＣスタ
ック本体１０からの排気は、循環配管２７およびエゼク
タ２３によって循環させられている。このとき、スタッ
ク膜の透過等により空気中の窒素等の不純物の燃料中の
濃度が次第に増加する。そこで、所定間隔ごとにパージ
弁２４を開弁して循環経路内の水素をパージし、その下
流の排水素燃焼器４６内の触媒で空気と混合させて燃焼
浄化し排気する。

【００８３】以上のような通常時動作によって、運転者
のアクセル操作に応じた出力が燃料電池システムから電
力として出力され、図示せぬモータにより車両が駆動さ
れる。

【００８４】Ｓ５では、停止時動作のサブルーチンであ
り、後述する。

【００８５】図３は、コントロールユニットによる制御
を中心として、本実施形態の燃料電池システムの停止動
作を説明するフローチャートである。

【００８６】Ｓ１０では、コントロールユニット７１内
に内蔵されたタイマＴ１をイグニションキーがＯＦＦさ
れた後の時間に基づいてインクリメントする。

【００８７】Ｓ１１では、タイマＴ１が所定時間１（Ｔ
ｔｈ１）（Ｔｔｈｌ＜Ｔｔｈ２＜Ｔｔｈ３）を超えたか
否かの判定を行っている。所定時間経過した場合はＳ１
４へ進み、所定時間未満の場合はＳ１２へ進む。

【００８８】この所定値Ｔｔｈ１からＴｔｈ３は、各バ
ルブ操作から水等が移動する時間を配管に応じて決定し
ており、本実施例では、たとえばＴｔｈ１は１０秒、Ｔ
ｔｈ２は２０秒、Ｔｔｈ３は３０秒に設定されている。

【００８９】Ｓ１２では、バルブ５４を閉弁している。

【００９０】Ｓ１３では、三方弁５５を外気と連通さ
せ、水分凝縮装置４４から水タンク５２までの水通路５
７ａ内の水分をスタックカソード系の空気圧を利用して
パージする（第１の残留水排水工程）。

【００９１】Ｓ１４では、タイマＴ１が所定時間２（Ｔ
ｔｈ２）を超えたか否かの判定を行っている。所定時間
経過した場合はＳ１７へ進み、所定時間未満の場合はＳ
１５へ進む。

【００９２】Ｓ１５では、バルブ５１を閉弁している。

【００９３】Ｓ１６では、バルブ５４を開弁し、加湿器
４３から水タンク５２までの水経路中の水をコンプレッ
サ４１の空気圧を利用してパージする（第２の残留水排
水工程）。

【００９４】Ｓ１７では、タイマＴ１が所定時間３（Ｔ
ｔｈ３）を超えたか否かの判定を行っている。所定時間
経過した場合はＳ２１へ進み、所定時間未満の場合はＳ
１８へ進む。

【００９５】Ｓ１８では、空気及び水素の供給を停止し
ている。なお、ここでは、水素もここまでの期間供給す
ることとしたが、スタック内のカソードとアノードとの
耐差圧性能等によっては、アノードの水素をイグニッシ
ョンキーＯＦＦと同時に停止させてもよい。

【００９６】Ｓ１９では、三方弁５５を空気通路５８と
連通させ、外気との連通を遮断している。

【００９７】Ｓ２０では、バルブ５１を開弁し水配管５
７ａと水タンク５２とを連通している。

【００９８】Ｓ２１では、全電源をＯＦＦする。

【００９９】本実施形態によれば、水タンク５２及びリ
ザーバタンク６３に導入される空気は、カソード系３０
の空気供給系４０に設けられたフィルタ４２で浄化され
ているので、外気に含まれる微生物等が水タンク５２及
びリザーバタンク６３に混入することがなく、加湿水循
環系５０、冷却系６０内の水が汚染されない。したがっ
て、水を浄化する装置を設ける必要がなく、また、設け
たとしても、その運転頻度を従来品に比べて大幅に減少
させることができる。

【０１００】また、水タンク５２及びリザーバタンク６
３へ導入する空気を洗浄するフィルターは、カソード系
３０の空気供給系４０に設けられたものを使用するの
で、コストを安価に押さえることが可能である。

【０１０１】さらに、バルブ５１、バルブ５４及び三方
弁５５を設け、所定の制御を行うことで、カソード系３
０の加湿水循環系５０に残留した水を外気との気圧差に
よって容易に水タンク５２へ戻すことができる。また、
このように簡素な構造であるので重量の軽量化を図るこ
とができ、ひいては燃費向上にもつながる。さらに、故
障を生じにくい。

【０１０２】さらにまた、システム運転中において、冷
却水を加圧するために空気系の圧力を利用することがで
きるため、冷却水圧を所定圧に調整するための冷却水ポ
ンプ６４の負担を小さくすることができ、エネルギー効
率の高い燃料電池システムが構成できる。

【０１０３】同様に、加湿水を供給するために加湿水の
加圧を行うためのエネルギーの一部を空気系の圧力で分
担できるため、加湿水を供給するためのポンプの負担を
小さくすることができ、エネルギー効率の高い燃料電池
システムとすることができる。（第２実施形態）図４は、本発明による燃料電池システ
ムの第２実施形態を示すシステム構成図である。

【０１０４】なお、前述した第１実施形態と同様の機能
を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明
を省略する。

【０１０５】本実施形態の燃料電池システム１は、三方
弁５５の代わりに、第１通気バルブ５５ａ及び第２通気
バルブ５５ｂを備える点で、第１実施形態と相違する。

【０１０６】第１通気バルブ５５ａは空気配管５８に設
けられ、水タンク５２の上部の空気溜まり部５２ａと空
気供給配管４７とを通気可能又は通気不能に切り替える
第１の通気切り替え手段である。

【０１０７】第２通気バルブ５５ｂは、第１通気バルブ
５５ａと水タンク５２の空気溜まり部５２ａとの間に設
けられ、水タンク５２の空気溜まり部５２ａと外気とを
通気可能又は通気不能に切り替える第２の通気切り替え
手段である。

【０１０８】本実施形態の燃料電池システム１では、第
１通気バルブ５５ａ及び第２通気バルブ５５ｂを組み合
わせることで、第１実施形態の三方弁５５と同様の機能
を発揮させる。すなわち、第１通気バルブ５５ａを通気
不能にするとともに第２通気バルブ５５ｂを通気可能と
し、また、第１通気バルブ５５ａを通気可能にするとと
もに第２通気バルブ５５ｂを通気不能とすることで、第
１実施形態の三方弁５５と同様の作動をさせる。

【０１０９】本実施形態によっても、第１実施形態と同
様の効果を得ることができる。

【０１１０】以上説明した実施形態に限定されることな
く、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明
の均等の範囲内である。

【０１１１】例えば、上記実施形態では、水の凍結判断
を特に行うことなく、毎回、水を抜いて凍結防止を行う
こととして説明しているが、凍結の恐れがある場合にの
み、水を抜くようにしてもよい。例えば、イグニッショ
ンが切られたタイミング等の外気温度センサの値が所定
温度（例えば１５℃）以下のときに、本サブルーチンの
ように制御して水抜きを行わせるようにしてもよい。こ
のようにすれば、水が凍結するおそれのない夏季等にお
いては、イグニッションがＯＦＦされた直後にシステム
を停止可能である。

【０１１２】また、空気配管５８は、加湿器４３とＦＣ
スタック本体１０との間の空気供給配管４７に連通させ
られているが、フィルタ４２で浄化された空気を水タン
ク５２の上部の空気溜まり部５２ａに通気させればよ
い。したがって、空気配管５８は、フィルタ４２と加湿
器４３との間の空気供給配管４７に連通させてもよい。

【０１１３】さらに、上記第１，第２実施形態では、冷
却系６０内に循環させる冷却水を凍結防止剤入りとした
が、加湿水循環系５０と同様に純水を用いてもよい。こ
の場合、冷却系６０内での純水凍結を防止するため、第
１，第２実施形態に示されたような水抜き構造及び制御
を適用すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池システムの第１実施形態
を示すシステム構成図である。

【図２】コントロールユニットによる制御を中心とし
て、本実施形態の燃料電池システムの動作を説明するフ
ローチャートである。

【図３】コントロールユニットによる制御を中心とし
て、本実施形態の燃料電池システムの停止動作を説明す
るフローチャートである。

【図４】本発明による燃料電池システムの第２実施形態
を示すシステム構成図である。

【符号の説明】

１燃料電池システム１０ＦＣスタック本体２０アノード系２１水素タンク２２圧力制御弁２３エゼクタ２４パージ弁３０カソード系４０空気供給系４２フィルタ４３加湿器４４水分凝縮装置４７空気供給配管５０加湿水循環系５１バルブ５２水タンク５２ａ空気溜まり部５４バルブ５５三方弁５６チェック弁５７（５７ａ，５７ｂ）水通路５８空気配管６０冷却系６１三方切り替え弁６３リザーバタンク６３ａ空気溜まり部６５冷却通路６６バイパス通路６７空気配管７０制御系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素リッチガス及び空気が供給されて発電
を行う燃料電池本体を有する燃料電池システムであっ
て、空気を浄化する空気浄化手段を有し、その浄化空気を前
記燃料電池本体に供給する空気供給系と、水を貯留する貯留手段を有し、その水を前記燃料電池本
体に循環させる水循環系と、前記空気供給系と前記貯留手段とを連通させて、前記浄
化空気を前記貯留手段に通気可能にする通気手段とを備
えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記水循環系は、前記燃料電池本体を冷却
する冷却水を循環させることを特徴とする請求項１に記
載の燃料電池システム。
【請求項３】前記貯留手段は、冷却水を貯留する冷却水
リザーバタンクであることを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記水循環系は、空気浄化手段で浄化され
た浄化空気を加湿する加湿水を循環させることを特徴と
する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】前記貯留手段は、加湿水を貯留する加湿水
リザーバタンクであることを特徴とする請求項１又は請
求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記空気供給系は、前記空気浄化手段で浄
化され、前記燃料電池本体に供給される前記浄化空気
を、前記水循環系の貯留手段からの循環水によって加湿
する加湿手段を備えることを特徴とする請求項４に記載
の燃料電池システム。
【請求項７】前記通気手段に設けられ、前記空気供給系
と前記貯留手段と通気不能にすると同時にその貯留手段
を外気と通気可能にし、また、前記空気供給系と前記貯
留手段と通気可能にすると同時にその貯留手段を外気と
通気不能にする三方切り替え弁手段を備えることを特徴
とする請求項４又は請求項６に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項８】前記三方切り替え弁手段に接続され、外気
の流入を防止する逆流防止手段を備えることを特徴とす
る請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】前記三方切り替え弁手段を外気と通気可能
に切り替えて、前記水循環系内に残留している残留水を
前記貯留手段に排水するようにしたことを特徴とする請
求項７又は請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】前記通気手段に設けられ、前記空気供給
系と前記貯留手段とを通気可能又は通気不能にする第１
の通気切り替え手段と、前記通気手段に設けられ、前記貯留手段と外気とを通気
可能又は通気不能にする第２の通気切り替え手段とを備
えることを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の燃
料電池システム。
【請求項１１】前記第２の通気切り替え手段に接続さ
れ、外気の流入を防止する逆流防止手段を備えることを
特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】前記第１の通気切り替え手段を通気不能
に切り替え、前記第２の通気切り替え手段を通気可能に
切り替えて、前記水循環系内に残留している残留水を前
記貯留手段に排水するようにしたことを特徴とする請求
項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システム。