本発明は、特に寒冷地方で用いられる燃料電池システムの改良に関するものである。

一般に、燃料電池の発電中には、水素極を水素イオンが移動するため水素極および酸素極に供給されるガスは水分を含んでいる必要があり、また酸素極側では発電により水が生成する。 このため、燃料電池システム内の様々なガス配管経路には水または水蒸気が存在している。 燃料電池の発電中には、発電による発熱および補機等からの発熱によりこれらの水は、水または水蒸気の状態で存在している。 しかしながら、外気温度低下時には、燃料電池が発電を停止した場合または発電中でも燃料電池システム筺体内換気のための換気風入口付近等外気温度低下の影響を受ける箇所では、これらの水または水蒸気が凍結してしまう可能性があり、燃料電池は寒冷地方での運転に支障をきたす恐れがある。

燃料電池システムは短時間で発電準備を終え、発電に至ることで効率を高めることができるが、外気温度低下により各種ガスの供給／遮断を制御する電磁式開閉弁が開状態を保持したままあるいは閉状態を保持したまま凍結してしまう場合がある。 その場合には、外気温度の上昇または何らかの手段により熱を供給し、解凍する必要性が生じるため、始動および停止指令に対し円滑な処理が出来ずに燃料電池システムの運転効率を大きく低下させることになる。

燃料電池システムにおいて、凍結した電磁式開閉弁を解凍する従来の技術として、始動時の処理で通電により解凍するもの（例えば、特許文献１参照）。 また、電磁式開閉弁に第１、第２のコイルを備え多くの発熱量を得て解凍するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

上述した技術では、電磁式開閉弁が凍結した場合、都度始動時に解凍処理が必要となる。 そのため電磁式開閉弁の凍結判定および解凍判定のための機器を必要とし、システム構成が複雑化する。

また、電磁式開閉弁に第１、第２のコイルを備える場合、機器が大型化し消費電力が大きくなり、燃料電池システムの効率を低下させるという課題を解決することはできない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電磁式開閉弁の凍結を防止し、特に寒冷地に適用可能な、円滑に始動停止する燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは電磁式開閉弁への供給電力量を制御することで、電磁式開閉弁の自己発熱量を変化させ凍結を防止し短時間で始動停止処理を終え、燃料電池システムを円滑に運転することができる。

これによって、寒冷地等での気温低下時の毎始動時に解凍処理を実施する必要がなくなるだけではなく発電中の凍結防止のためのヒータ等の消費電力を抑制することができ、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、設置される外気温度の判定および発電停止からの経過時間よりシステム筺体内の残潜熱を判定し、電磁式開閉弁への供給電力量を加減して制御し、自己発熱のための電力量が過剰または不足とならないようにすることで、凍結防止のための消費電力を抑制しつつ確実な凍結防止機能を提供することができる。

これによって、電磁式開閉弁の凍結防止のための消費電力を抑制し、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、始動、発電、停止および待機等の燃料電池システムの全ての動作工程において、電磁式開閉弁によりガス経路を開閉する場合、開閉動作に必要な電力量とあわせて自己発熱のための電力量を供給することで、別途凍結防止のために運転・動作等を行う必要がなくなり、本来の発電を目的とした動作以外に燃料電池システムが動くことを抑制できる。

これによって、発電以外の燃料電池システムの動作による電力消費を低減し、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

本発明の燃料電池システムは、電磁式開閉弁の凍結を防止し、かつ、凍結防止に要する消費電力を抑制することが可能となり、寒冷地でも円滑な運転が可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムのシステム構成図

励磁状態で開弁する電磁式開閉弁の凍結防止動作フローチャート

外気温度＞Ｔ１の場合の励磁状態で開弁する電磁式開閉弁の通電処理の模式図

Ｔ１＞外気温度＞Ｔ２の場合の励磁状態で開弁する電磁式開閉弁の通電処理の模式図

外気温度＜Ｔ３の場合の励磁状態で開弁する電磁式開閉弁の通電処理の模式図

外気温度＜Ｔ３の場合の励磁状態で閉弁する電磁式開閉弁の通電処理の模式図

外気温度＜Ｔ３の場合の励磁状態で開弁する電磁式開閉弁の開弁動作通電処理の模式図

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料電池および前記燃料ガス供給部を連通する燃料ガス供給経路と、前記燃料電池および前記酸化剤ガス供給部を連通する酸化剤ガス供給経路と、発電に使用しなかった残余燃料ガスを前記燃料電池から排出する燃料ガス排出経路と、発電に使用しなかった残余酸化剤ガスを前記燃料電池から排出する酸化剤ガス排出経路と、前記燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と、前記燃料ガス供給経路上と、前記酸化剤ガス供給経路上と、前記燃料ガス排出経路と、前記酸化剤ガス排出経路の少なくとも１つに設けられた前記経路を開閉する電磁式開閉弁と、前記電磁式開閉弁の制御を行う制御器と、を備え、前記制御器は、前記電磁式開閉弁ヘの供給電力量を変更する制御手段を、備えることを特徴とする燃料電池システムである。 係る構成にすることにより、制御器は電磁式開閉弁への供給電力量を制御し、電磁式開閉弁の自己発熱量を変えることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が収納される筺体と、前記筺体の内側もしくは外側の大気の温度を検知する温度検知器と、を備え、前記制御器は、前記温度検知器の検知温度により外気温度を判定する制御手段を、備えることを特徴とする燃料電池システムである。 係る構成にすることにより、制御器は燃料電池システムの外気温度の判定結果から、電磁式開閉弁への供給電力量を変更し、外気温度の低下にあわせた電磁式開閉弁の自己発熱を得て凍結を防止し、かつ、凍結防止のための消費電力を抑制することができる。

第３の発明は、前記第１または第２の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記燃料電池が発電停止してからの時間を判定する制御手段を、備えることを特徴とする燃料電池システムである。 係る構成にすることにより、制御器は燃料電池システムの外気温度とあわせて発電中に発生した燃料電池システム筺体内の残潜熱を判定し、電磁式開閉弁への供給電力量を変更し、外気温度の低下および燃料電池システム筺体内の残潜熱にあわせた電磁式開閉弁の自己発熱を得て凍結を防止し、かつ、凍結防止のための消費電力を抑制することができる。

第４の発明は、前記第１〜第３の発明の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記燃料電池の始動、発電、停止および待機等の工程中に、前記経路を開閉する場合に、前記電磁式開閉弁に、前記電磁弁の開閉動作に必要な電力量とあわせて自己発熱のための電力量を供給することを特徴とする燃料電池システムである。 係る構成にすることにより、制御器は燃料電池システムの外気温度とあわせて発電中に発生した燃料電池システム筺体内の残潜熱を判定し、ガス経路を開閉する必要が生じた場合に、電磁式開閉弁に開閉動作に必要な電力量とあわせて自己発熱分を上乗せした電力量を供給し、外気温度の低下および燃料電池システム筺体内の残潜熱の変化にあわせた電磁式開閉弁の自己発熱を得て凍結を防止し、かつ、凍結防止のための消費電力を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムのシステム構成図である。

図１に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素を酸化剤ガスとして用い発電を行なう燃料電池１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス供給部２と、燃料電池１へ空気を供給する酸化剤ガス供給部３と、燃料ガス供給部２からの燃料ガスを燃料電池１に通連する燃料ガス供給経路４と、酸化剤ガス供給部３からの酸化剤ガスを燃料電池１に通連する酸化剤ガス供給経路５と、燃料電池１からの残余燃料ガスを通連する燃料ガス排出経路６と、燃料電池１からの残余酸化剤ガスを通連する酸化剤ガス排出経路７と、燃料ガス供給部２から燃料電池１に供給する燃料ガスの供給／遮断を行う燃料ガス弁８と、酸化剤ガス供給部３から燃料電池１に供給する酸化剤ガスの供給／遮断を行う酸化剤ガス弁９と、残余燃料ガスの排出／遮断を行う残余燃料ガス弁１０と、残余酸化剤ガスの排出／遮断を行う残余酸化剤ガス弁１１と、機器の運転制御を行う制御器１２と、燃料電池１を収納する筺体１３と、外気の大気温度を検知する温度検知器１４と、を備える。

ここで、燃料ガス供給部２に供給される原料として、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。 また前述の有機化合物の混合ガスである都市ガス、ＬＰガスから付臭成分除去したものを使用することもできる。 またここで、燃料ガス供給部２への原料供給源としては原料を充填したボンベ、ガスインフララインを用いることができる。

また、酸化剤ガス供給部３と燃料電池１の間の酸化剤ガス供給経路５には、酸化剤ガスを加湿するための加湿器を備えている（図示しない）。 燃料ガス供給部２からの燃料ガスを、燃料電池１をバイパスして、燃料ガス排出経路６に通連するために、燃料ガス供給経路４と燃料ガス排出経路６の間に燃料ガスバイパス経路を設け、燃料バイパス経路を遮断するための弁を備える構造としてもよい。 また、温度検知器１４は筺体外に設置し直接外気温度を測る構成としてもよい。

次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。

図１に示す燃料電池システムでは、燃料電池１発電の際には燃料ガス弁８および残余燃料ガス弁１０を開弁状態にすることにより、燃料ガス供給経路４を通じて燃料電池１に燃料ガスが供給され、発電に使用されなかった燃料ガスは燃料ガス排出経路６を通じて排出される。 また、酸化剤ガス弁９および残余酸化剤ガス弁１１を開弁状態にすることにより、酸化剤ガス供給経路５を通じて燃料電池１に酸化剤ガスが供給され、発電に使用されなかった酸化剤ガスは残余酸化剤ガス排出経路を通じて排出される。 燃料電池１に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、水または水蒸気を含んでいる。 また、発電中の燃料電池１では水が生成されることから残余燃料ガスおよび残余酸化剤ガスともに、水または水蒸気を含んでいる。

これらのことから、燃料電池１が氷点下で運転した場合に、燃料ガス弁８、酸化剤ガス弁９、残余燃料ガス弁１０及び残余酸化剤ガス弁１１は、開弁状態あるいは閉弁状態で凍結する場合がある。 本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１の始動、発電、停止および待機等の燃料電池システムの全ての動作工程においてこれらの各弁（電磁式開閉弁）が凍結することを防止することができる。

図を参照して本実施の形態における燃料電池システムの電磁式開閉弁の凍結防止動作を説明する。 まず、温度検知器１４で温度を検知する。 このとき検知温度が凍結防止通電開始温度閾値（ここではＴ１とした）以上であると検知された時は、電磁式開閉弁に凍結防止のための自己発熱を目的とした電力量の供給は行わない（図２参照）。 温度検知器１４は、機器凍結リスクを判定できれば、燃料電池システム外部の外気温度を直接測定する構成としてもよいし、燃料電池システム内部の雰囲気温度または内部機器等の温度を代用する構成とすることも可能である。 図３に検知温度＞Ｔ１のとき、励磁状態で開弁する形式の電磁式開閉弁を（ａ）開弁状態で保持および（ｂ）閉弁状態で保持した場合の通電処理の模式図を示す。 検知温度が凍結防止通電開始温度閾値Ｔ１以上であるため、（ａ）の場合には開弁状態保持に必要な最低電力量を供給する（以下、本実施の形態では、電磁式開閉弁に供給する電力量の制御はパルス電流の幅の変更［デューティ比の変更］により行う場合を例示して説明するが、電圧変更による電力量の変更にも応用が可能である。ここでは開弁状態保持に必要な最低電力量となるパルス電流の幅をｔ１とした）。 一方、（ｂ）の場合には非励磁状態で閉弁状態が保持されるため電力量の供給を行わない（ここでは電力量の供給を行わない状態をパルス幅ｔ１´＝０とした）。

温度検知器１４で検知した温度が凍結防止通電開始温度閾値Ｔ１以下であることを検知すると（Ｓ１）、制御器１２は燃料電池１が発電停止してからの経過時間が凍結防止通電開始時間閾値（ここではｔ時間とした）以上であるかを判断する（Ｓ２）。 ここで、経過時間がｔ時間以内であれば検知温度および経過時間の判定を継続する。 経過時間がｔ時間以上であると判定された時は、温度検知器１４で検知した温度がＴ１より低い第２の温度閾値（ここではＴ２とした）以下であるかを判定する（Ｓ３）。 一般に、燃料電池システムは発電停止直後からある程度の時間が経過するまで、筺体内に多くの熱が残る、この残潜熱の影響により筺体内温度が外気温度と比して十分に高く筺体内部機器の凍結リスクが低い場合には、電磁式開閉弁の自己発熱による凍結防止を実施する必要が無くなる。 残潜熱の変化は、発電停止直後からの経過時間および外気温度に依存するため、経過時間ｔの設定は、設置地域および燃料電池システムの構成等から任意に決定できる（例えば、寒冷地ではｔ＝２時間 非寒冷地ではｔ＝５時間）。 図４にＴ１＞検知温度＞Ｔ２のとき、発電停止からの経過時間ｔを考慮に入れた励磁状態で開弁する形式の電磁式開閉弁を（ａ）開弁状態で保持および（ｂ）閉弁状態で保持した場合の通電処理の模式図を示す。 検知温度が凍結防止通電開始温度閾値Ｔ１以下であるため、発電停止からの経過時間＞ｔが成立すると、（ａ）の場合には開弁状態保持分電力量に、凍結防止のための自己発熱分電力量をあわせた電力量を供給する（ここではパルス電流の幅をｔ２とした）。 一方、（ｂ）の場合には凍結防止のための自己発熱分電力量のみを供給する（ここではパルス電流の幅をｔ２´とした、ｔ２´は開弁状態を保持するための電力量よりも小さな電力量となるように設定し、閉弁状態を維持したまま凍結防止のための自己発熱をさせる［ｔ２´＜ｔ１］）。

図２において、温度検知器１４で検知した温度がＴ２以下であった場合、さらに第３の温度閾値（ここではＴ３とした）以下であるかを判定する（Ｓ４）。 図５に検知温度がＴ３以下まで低下した場合の、励磁状態で開弁する形式の電磁式開閉弁を（ａ）開弁状態で保持および（ｂ）閉弁状態で保持した場合の通電処理の模式図を示す。 図４と同様に、検知温度が閾値Ｔ１以下および発電停止からの経過時間＞ｔが成立すると凍結防止のための自己発熱分電力量の供給を開始する。 （ａ）の場合、閾値Ｔ２以下が成立すると上記ｔ２より大きなパルス電流の幅ｔ３で電力量を供給し、より大きな自己発熱を得る。 さらに、検知温度が閾値Ｔ３以下となったら上記ｔ３より大きなパルス電流の幅ｔ４で電力量を供給する。 （ｂ）の場合も同様に、閾値Ｔ２以下が成立すると上記ｔ２´より大きなパルス電流の幅ｔ３´で電力量を供給し、同様により大きな自己発熱を得る。 閾値Ｔ３以下となったら上記ｔ３´より大きなパルス電流の幅ｔ４´で電力量を供給する。 閉弁状態を保持する場合、ｔ１´〜ｔ４´いずれのパルス電流の幅でも開弁状態に至らない電力量となるようパルス電流の幅を設定（ｔ４´＜ｔ１）する。

本実施の形態における燃料電池システムとすることで、電磁式開閉弁の開弁状態または閉弁状態を保持したまま、自己発熱量を変化させ凍結を防止することができ、かつ凍結防止のための消費電力を抑制することができる。

Ｔ１、Ｔ２およびＴ３の温度設定としては、電磁式開閉弁が凍結しない温度であれば任意の値に設定してよい（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３例えばＴ１＝５℃、Ｔ２＝０℃、Ｔ３＝−５℃、また温度にヒステリシスを持たせるように構成してもよい。また、本説明では温度設定をＴ１、Ｔ２およびＴ３の３点としたが、温度範囲を２点［Ｔ１およびＴ２］または３点以上［Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４・・・］に設定する構成としてもよい）。

図２〜図５では、励磁状態で開弁する形式の電磁式開閉弁を例に通電処理の模式図を示したが、本発明は励磁状態で閉弁する形式の弁にも同様に適用可能である。 図６に検知温度がＴ３以下まで低下した場合の、励磁状態で閉弁する形式の電磁式開閉弁を（ａ）閉弁状態で保持および（ｂ）開弁状態で保持した場合の通電処理の模式図を示す。 図５同様に、検知温度低下に伴って自己発熱分の電力量が大きくなるよう構成するが、（ｂ）の開弁状態保持の場合、ｔ１´〜ｔ４´いずれのパルス電流の幅での通電においても閉弁状態に至らない電力量となるようパルス電流の幅を設定（ｔ４´＜ｔ１）する必要がある。

また、図２〜図６では、電磁式開閉弁の開弁状態または閉弁状態を保持する場合の通電処理について示したが、本発明は開弁動作または閉弁動作のための通電処理時にも同様に適用が可能である。 図７に検知温度がＴ３以下まで低下した場合の、励磁状態で開弁する形式の電磁式開閉弁を開弁動作させた場合の通電処理の模式図を示す。 検知温度低下に伴って、弁動作に必要な電力量とあわせて自己発熱分の電力量が大きくなるよう構成する。 一般に、燃料電池システムは発電停止後、発電中に発生した熱等の影響により各部の圧力が大気圧よりも上昇または低下する場合がある、例えば、図１の燃料電池システム構成では、発電停止後の水素極は大気圧よりも低下するため、空気を吸い込んでしまう問題が発生する。 この問題を回避するため、燃料ガス弁８または残余燃料ガス弁１０を開弁状態にすることで系内圧力が負圧となってしまうことを避ける必要がある。 このため、燃料電池システムでは発電停止中にも、各経路の圧力調整等のために弁を開閉する必要がある。 本実施形態とすることで、通常の燃料電池システムの動作中に凍結防止ができるため、別途凍結防止のための動作、工程等を設ける必要をなくすことができ、凍結防止のための消費電力および動作を抑制し燃料電池システムの効率を高めることができる。

以上によって、外気温低下時に燃料電池システムが、凍結防止のための消費電力を抑制しながら凍結を防止し、円滑な運転を継続することができ、寒冷地等でも電磁式開閉弁の解凍処理を実施する必要がなくなる。 また、燃料電池システム運転のための電磁式開閉弁動作時に、凍結防止のための通電処理も同時に実施することで、凍結防止を目的とした動作、工程を削減し、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、電磁式開閉弁の凍結を防止し、特に寒冷地に適用可能な、円滑に始動停止することができ、例えば、モバイル用燃料電池、自動車用燃料電池、家庭用燃料電池に適用することができる。

１ 燃料電池 ２ 燃料ガス供給部 ３ 酸化剤ガス供給部 ４ 燃料ガス供給経路 ５ 酸化剤ガス供給経路 ６ 燃料ガス排出経路 ７ 酸化剤ガス排出経路 ８ 燃料ガス弁 ９ 酸化剤ガス弁 １０ 残余燃料ガス弁 １１ 残余酸化剤ガス弁 １２ 制御器 １３ 筺体 １４ 温度検知器