燃料電池システム
【課題】燃料電池の温度上昇要求時において、低温であっても、燃料電池を昇温させることが可能な技術を提供すること。
【解決手段】燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池は、燃料電池内に配され、燃料電池内で電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス供給流路を備え、燃料電池システムは、燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を反応ガス供給流路に供給するための発熱物質供給部を備える。
【解決手段】燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池は、燃料電池内に配され、燃料電池内で電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス供給流路を備え、燃料電池システムは、燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を反応ガス供給流路に供給するための発熱物質供給部を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムの起動処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池では、触媒電極層であるアノードおよびカソードに、それぞれ、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行する。そして、この電気化学反応の進行に伴って、カソードで水が生じる。このようにカソードで生じた水は、燃料電池の外部に排出されるが、一部が燃料電池内の流路に滞留する場合がある。このような状態であって、外気温度が氷点下というような低温時に、燃料電池システムを起動した場合には、滞留水が凍結している場合があり、そのため、カソードにおいて、酸化ガスの供給量が抑制されるおそれがあった。その結果、電気化学反応の進行が抑制され、燃料電池システムの起動に時間がかかるおそれがあった。なお、カソードで生じた水が、アノード側へと移動する場合があり、上記問題は、アノード側においても同様に生じ得る。
【０００３】
また、燃料電池システムを低温起動した場合において、その場合の外気温度によっては触媒電極層の触媒活性が十分でなく、それに伴い電気化学反応の進行が抑制され、燃料電池システムの起動に時間がかかるおそれがあった。
【０００４】
以上のような問題を解決する手段として、例えば、燃料電池システムの低温起動時において、水素と酸素との混合ガスを触媒電極層に供給し、そこで混合ガスを燃焼触媒反応によって燃焼させることにより、燃料電池（触媒電極層）を昇温させる技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８１０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来技術のように、燃料電池システムの低温起動時において、混合ガスを触媒電極層で燃焼させることにより燃料電池を昇温させる場合に、一定温度以下では触媒電極層の燃焼触媒活性が低く混合ガスを触媒電極層で十分に燃焼させることができないおそれがあり、そのため、燃料電池を十分に昇温できないおそれがあった。
【０００７】
なお、上記問題は、燃料電池システムの起動時に限られず、間欠運転状態、すなわち、燃料電池システムが起動中ではあるが、燃料電池の発電を一時的に停止している状態から燃料電池の運転を開始する際にも同様に生じ得る。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の温度上昇要求時において、低温であっても、燃料電池を昇温させることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムでは、
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、前記燃料電池内で電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を前記反応ガス流路に供給するための発熱物質供給部を備えることを要旨とする。
【００１０】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度上昇要求時において、発熱物質が反応ガス供給流路内の滞留水と反応して発熱するので、燃料電池を十分に昇温させることができ、すなわち、燃料電池を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。なお、燃料電池の温度上昇要求時とは、燃料電池システムの起動時や、間欠運転状態（燃料電池システムが起動中ではあるが、燃料電池の発電を一時的に停止している状態）から燃料電池の運転を開始する時などを含む概念である。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、ガスであり、水に溶解すると発熱する物質であることが好ましい。
【００１２】
このように発熱物質がガスであれば、発熱物質を反応ガス供給流路に供給することが容易となる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＢｒＨ）、および、フッ化水素（ＦＨ）のいずれかであることが好ましい。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、電気化学反応に供された後の反応ガスを前記燃料電池の外部に排出するための反応ガス排出流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記発熱物質を貯蔵する貯蔵部と、
前記反応ガス排出流路から前記反応ガスと共に排出される排出物質から、前記発熱物質を抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出した前記発熱物質を前記貯蔵部に戻すための発熱物質回収部と、
を備えるようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、発熱物質を燃料電池システムの外部に排出することを抑制することができ、また、環境にやさしく経済的である。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、
前記排出物質は、前記反応ガス供給流路に供給された前記発熱物質が前記燃料電池内の水と反応した後に生じた反応物質、または、前記燃料電池内の水と反応しなかった前記発熱物質を含むようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、上記反応物質、または、水と未反応の発熱物質を燃料電池システムの外部に排出することを抑制することができ、また、環境にやさしく経済的である。
【００１８】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第２の燃料電池システムでは、
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水経路と、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を、前記冷却水経路を通る前記冷却水に混入するための発熱物質混入部と、
を備えることを要旨とする。
【００１９】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度上昇要求時において、水と発熱物質との反応熱によって暖められた冷却水によって、燃料電池を十分に昇温させることができ、すなわち、燃料電池を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。なお、燃料電池の温度上昇要求時とは、燃料電池システムの起動時や、間欠運転状態（燃料電池システムが起動中ではあるが、燃料電池の発電を一時的に停止している状態）から燃料電池の運転を開始する時などを含む概念である。
【００２０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応物質を、前記冷却水から除去するためのトラッパ部を備えるようにしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、冷却水経路を通る冷却水から反応物質が除去されるので、冷却水経路において、反応物質によって冷却水の流れが抑制されないようにすることが可能となる。
【００２２】
上記燃料電池システムにおいて、
前記トラッパ部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることが好ましい。
【００２３】
このようにすれば、燃料電池内の冷却水経路において、反応物質によって冷却水の流れが抑制されないようにすることが可能となる。
【００２４】
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応イオンを、前記冷却水から除去するためのイオン除去部を備えることが好ましい。
【００２５】
このようにすれば、冷却水経路を通る冷却水から反応イオンが除去されるので、冷却経路を通る冷却水が導電性を持つことを抑制することができ、その結果、漏電を抑制することができる。
【００２６】
上記燃料電池システムにおいて、
前記イオン除去部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることが好ましい。
【００２７】
このようにすれば、冷却水経路を通る冷却水から反応イオンが除去されるので、冷却経路を通る冷却水が導電性を持つことを抑制することができ、その結果、漏電を抑制することができる。
【００２８】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、および、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のいずれかであることが好ましい。
【００２９】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池システムの暖機方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００３０】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
Ａ２．塩化水素供給・回収処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム１０００Ａの構成：
Ｂ２．暖機装置５５０の構成：
Ｂ３．アルミ混入・除去処理：
Ｃ．変形例：
【００３２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素タンク２０と、ブロワ３０と、水素遮断弁２００と、調圧弁２２０と、パージ弁２４０と、循環ポンプ２５０と、塩化水素タンク３００と、塩化水素抽出部３１０と、塩化水素遮断弁３２０と、塩化水素回収コンプレッサ３３０と、塩化水素回収遮断弁３５５と、制御回路４００と、ラジエータ５００と、冷却水循環ポンプ５１０などを備えている。
【００３３】
ブロワ３０は、空気を取り込み圧縮する装置であり、酸化ガス流路３４を介して燃料電池１００（後述する酸化ガス供給流路３５）と接続されており、圧縮した空気（酸素）を酸化ガスとして、燃料電池１００（後述する酸化ガス供給流路３５）に供給する。
【００３４】
水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素遮断弁２００、燃料ガス流路２４を介して燃料電池１００（後述する燃料ガス供給流路２５）に接続されている。また、燃料ガス流路２４において、水素タンク２０から供給される水素ガスの圧力を調圧するための調圧弁２２０が設けられている。後述する制御回路４００は、水素遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１００（後述する燃料ガス供給流路２５）に水素ガスを燃料ガスとして供給する。
【００３５】
燃料電池１００の運転中において、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガス（以下では、酸化排ガスとも呼ぶ。）は、酸化ガス排出流路３６を介して塩化水素抽出部３１０に供給される。塩化水素抽出部３１０についての詳細は、後述する。
【００３６】
燃料電池１００の運転中において、アノードで電気化学反応に供された後の燃料ガス（以下では、燃料排ガスとも呼ぶ。）は、定期的に、燃料ガス排出流路２６を介し、パージ弁２４０から燃料電池１００の外部へ排出される。また、燃料排ガスは、循環ポンプ２５０によりガス循環流路２８を介して、燃料ガス流路２４に再度供給される。このようにして、燃料排ガスに含まれる水素は、循環して、燃料ガスとして再び発電に使用される。
【００３７】
また、燃料電池１００（後述する燃料電池内冷却水流路１７５）には、燃料電池１００に冷却水を供給し、回収するための冷却水流路５０５が接続される。そして、冷却水流路５０５には、ラジエータ５００と、冷却水循環ポンプ５１０が設けられる。冷却水は、ラジエータ５００で冷却され、冷却水循環ポンプ５１０によって、燃料電池１００（後述する燃料電池内冷却水流路１７５）に供給され、再び、ラジエータ５００に戻って冷却される。
【００３８】
図２は、本実施例の燃料電池システム１０００が備える燃料電池１００の概略断面構成を表わす説明図である。この燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であって、図２に示す単セル１０を複数枚積層したスタック構造を有している。燃料電池１００は、各々の単セル１０のアノード側に燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１００は、生じた電力を燃料電池１００に接続される所定の負荷（例えば、モータや蓄電池。）に供給する。なお、図２は、燃料電池１００の分解断面構成を表わしており、燃料電池１００は、実際には、図の横方向に詰めて形成される。
【００３９】
単セル１０は、電解質膜１を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ）を、アノード側セパレータ１３０およびカソード側セパレータ１４０で挟持することによって構成されている。ここで、ＭＥＡは、電解質膜１と、電解質膜１を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２およびアノード３と、これら触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層４，５とを備えている。なお、カソード２の面に平行な方向を面方向とも呼び、面方向と直交する方向であって、カソード２やアノード３が積層される方向を積層方向とも呼ぶ。
【００４０】
電解質膜１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００４１】
カソード２およびアノード３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備える多孔質体である。
【００４２】
ガス拡散層４，５は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。このガス拡散層４，５において、内部の細孔によって形成される空間に、反応ガスが拡散する。ガス拡散層４では、その内部の細孔によって形成される空間が、酸化ガスが拡散する酸化ガス拡散流路として機能し、ガス拡散層５では、その内部の細孔によって形成される空間が、燃料ガスが拡散する燃料ガス拡散流路として機能する。
【００４３】
カソード側セパレータ１４０およびアノード側セパレータ１３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。
【００４４】
燃料電池１００は、各単セル１０に対して電気化学反応に供される酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールド１３（図２）と、各単セル１０に対して電気化学反応に供される燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と、各単セル１０に対して各単セル１０を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給マニホールド（図示せず）とを備えており、これらは、それぞれ、各単セル１０を積層方向に貫通するように形成されている。また、燃料電池１００は、各単セル１０から酸化排ガスを燃料電池１００の外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド１４（図２）と、各単セル１０から燃料排ガスを燃料電池１００の外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド（図示せず）と、単セル内冷却水流路１７０から各単セル１０の冷却に供された冷却水を燃料電池１００の外部に排出するための冷却水排出マニホールド（図示せず）とを備えており、これらは、それぞれ、各単セル１０を積層方向に貫通するように形成されている。なお、酸化ガス供給マニホールド１３は、酸化ガス流路３４と接続され、酸化ガス排出マニホールド１４は、酸化ガス排出流路３６と接続される。燃料ガス供給マニホールドは、燃料ガス流路２４と接続され、燃料ガス排出マニホールドは、燃料ガス排出流路２６と接続される。また、冷却水供給マニホールドおよび冷却水排出マニホールドは、冷却水流路５０５と接続される。
【００４５】
各単セル１０は、カソード側セパレータ１４０とＭＥＡとの間に、酸化ガス受渡流路１５０を備える。この酸化ガス受渡流路１５０は、酸化ガス供給マニホールド１３からの酸化ガスをカソード２（ガス拡散層４）へ供給し、電気化学反応後の酸化排ガスを酸化ガス排出マニホールド１４へ排出するための流路である。
【００４６】
また、各単セル１０は、アノード側セパレータ１３０とＭＥＡとの間に燃料ガス受渡流路１６０を備える。この燃料ガス受渡流路１６０は、燃料ガス供給マニホールドからの燃料ガスをアノード３（ガス拡散層５）へ供給し、電気化学反応後の燃料排ガスを燃料ガス排出マニホールドへ排出するためのするための流路である。
【００４７】
さらに、燃料電池１００は、各単セル１０の間に、各単セル１０を冷却するための冷却水が流れる単セル内冷却水流路１７０を備える。この単セル内冷却水流路１７０は、冷却水供給マニホールドから供給される冷却水によって単セル１０を冷却し、冷却後に冷却水を冷却水排出マニホールドに排出するための流路である。
【００４８】
また、各単セル１０は、図２に示すように、アノード側セパレータ１３０とカソード側セパレータ１４０との間の絶縁や、酸化ガスまたは燃料ガスのシールをガスケット６と、冷却水のシールのためのパッキン８を備えている。
【００４９】
なお、燃料電池１００としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。
【００５０】
燃料電池１００において、ブロワ３０（酸化ガス流路３４）から供給される酸化ガスは、まず、酸化ガス供給マニホールド１３に流入し、酸化ガス受渡流路１５０を流れ、そして、ガス拡散層４で拡散しつつ、カソード２へ供給される。このように、燃料電池１００において、酸化ガスがカソード２へ供給されるまでの流路である、酸化ガス供給マニホールド１３、酸化ガス受渡流路１５０、および、ガス拡散層４（酸化ガス拡散流路）を総じて、酸化ガス供給流路３５Ａとも呼ぶ。また、カソード２で電気化学反応に供された後の酸化排ガスは、ガス拡散層４を通り、酸化ガス排出マニホールド１４を介して、酸化ガス排出流路３６に排出される。このように、燃料電池１００において、酸化排ガスが酸化ガス排出流路３６へ排出されるまでの流路を酸化ガス排出流路３５Ｂとも呼ぶ。そして、これら酸化ガス供給流路３５Ａおよび酸化ガス排出流路３５Ｂ、すなわち、燃料電池１００内を酸化ガス（酸化排ガス）が流れる流路を総じて酸化ガス供給流路３５とも呼ぶ。
【００５１】
燃料電池１００において、水素タンク２０から供給される燃料ガスは、まず、燃料ガス供給マニホールドに流入し、燃料ガス受渡流路１６０を流れ、そして、ガス拡散層５で拡散しつつ、アノード３へ供給される。このように、燃料電池１００において、燃料ガスがアノード３へ供給されるまでの流路である、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス受渡流路１６０、および、ガス拡散層５（燃料ガス拡散流路）を総じて、燃料ガス供給流路２５Ａとも呼ぶ。また、アノード３で電気化学反応に供された後の燃料排ガスは、ガス拡散層５を通り、燃料ガス排出マニホールドを介して、燃料ガス排出流路２６に排出される。このように、燃料電池１００において、燃料排ガスが燃料ガス排出流路２６へ排出されるまでの流路を燃料ガス排出流路２５Ｂとも呼ぶ。そして、これら燃料ガス供給流路２５Ａおよび燃料ガス排出流路２５Ｂ、すなわち、燃料電池１００内を燃料ガス（燃料排ガス）が流れる流路を総じて燃料ガス供給流路２５とも呼ぶ。
【００５２】
燃料電池１００において、冷却水流路５０５から供給される冷却水は、冷却水供給マニホールドに流入し、単セル内冷却水流路１７０を流れ、冷却水排出マニホールドを介して、再び、冷却水流路５０５に排出される。このように、燃料電池１００内において、冷却水が流れる流路である冷却水供給マニホールド、単セル内冷却水流路１７０、および、冷却水排出マニホールドを総じて燃料電池内冷却水流路１７５とも呼ぶ。
【００５３】
本実施例の燃料電池システム１０００が備える塩化水素タンク３００は、高圧の塩化水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、塩化水素遮断弁３２０、塩化水素供給流路３４０を介して酸化ガス流路３４に接続されている。後述する制御回路４００（制御部４１０）は、塩化水素遮断弁３２０を開弁することにより、酸化ガス流路３４に塩化水素ガスを供給する。酸化ガス流路３４に供給された塩化水素ガスは、酸化ガスと共に、酸化ガス供給流路３５（酸化ガス供給流路３５Ａ）に供給される。なお、塩化水素は、水に溶解する際（水と反応する際）発熱を伴う性質がある。
【００５４】
塩化水素抽出部３１０は、酸化ガス排出流路３６と接続され、酸化ガス排出流路３６を介して燃料電池１００から排出されるガス（酸化ガス供給流路３５をそのまま通過した塩化水素ガスを含む）、および、後述のごとく生じる塩酸が流入する。そして、塩化水素抽出部３１０は、それらから塩化水素ガスを抽出し、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵する。また、塩化水素抽出部３１０は、塩化水素ガスを抽出後、残ったガスや液体（水）を外部排出流路３９を介して燃料電池システム１０００の外部に排出する。なお、この塩化水素抽出部３１０において、塩化水素ガスを抽出する方法についての詳細は、後述の塩化水素供給・回収処理で説明する。
【００５５】
また、塩化水素抽出部３１０の塩化水素貯蔵部３１５と塩化水素タンク３００は、塩化水素回収流路３５０、塩化水素回収遮断弁３５５を介して接続されている。そして、塩化水素回収流路３５０上には、塩化水素回収コンプレッサ３３０が設けられ、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵された塩化水素ガスを塩化水素タンク３００内の圧力よりも高く圧縮して塩化水素タンク３００に導く。
【００５６】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、ブロワ３０、循環ポンプ２５０、水素遮断弁２００、パージ弁２４０、塩化水素遮断弁３２０と、塩化水素回収コンプレッサ３３０と、塩化水素回収遮断弁３５５と、冷却水循環ポンプ５１０などの燃料電池システム１０００に関する種々の制御を行う。
【００５７】
また、制御回路４００は、制御部４１０として機能し、後述する塩化水素供給・回収処理の少なくとも一部を実行する。
【００５８】
ところで、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソード２で、電気化学反応によって水が生じ、燃料電池システム１０００の駆動終了後に、酸化ガス供給流路３５内に水が滞留水として残るおそれがある。そして、このような状態であって、外気温度が氷点下というような低温時に、燃料電池システム１０００を起動した場合には、滞留水が凍結している場合がある。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００は、起動時において、以下に説明する塩化水素供給・回収処理を実行して、燃料電池１００を暖機するようにしている。
【００５９】
Ａ２．塩化水素供給・回収処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１０００が行う塩化水素供給・回収処理のフローチャートである。この処理の前提条件として、塩化水素遮断弁３２０は閉弁されており、塩化水素回収コンプレッサ３３０は、駆動していない。また、以下の本処理の説明は、外気温度が氷点下というような低温時に、燃料電池システム１０００を起動した場合であり、滞留水が凍結している場合を想定して説明する。
【００６０】
制御部４１０は、燃料電池システム１０００の起動時において、制御回路４００によってブロワ３０などが制御され燃料電池１００の発電が開始されると、塩化水素遮断弁３２０を開弁し、塩化水素ガスを酸化ガス流路３４に供給する（ステップＳ１０）。酸化ガス流路３４に供給された塩化水素ガスは、酸化ガスと共に燃料電池１００の酸化ガス供給流路３５に流入する。ところで、以下の図４に示すように、燃料電池１００内（酸化ガス供給流路３５内）が氷点下という状態でほとんどの滞留水が凍っていた場合であっても、滞留水の一部は、過冷却水として液体で存在し得る。
【００６１】
図４は、塩化水素ガスが酸化ガス供給流路３５Ａのガス拡散層４に到達した際の様子を拡大して示した説明図である。図４（ａ）は、塩化水素ガスがガス拡散層４に到達した直後の様子を表し、図４（ｂ）は、塩化水素ガスが過冷却水に溶解し（塩化水素ガスが過冷却水と反応し）、塩酸となった際の様子を表している。
【００６２】
図４（ａ）に示すように、ガス拡散層４に至った塩化水素ガスは、滞留水の一部の過冷却水に溶解し、塩化水素ガスが溶解した過冷却水は、塩酸となり、その際、反応熱が生じる（図４（ｂ）参照）。なお、この場合の反応式は、以下の式（１）の通りである。
ＨＣｌ→Ｈ+＋Ｃｌ-＋ΔＨ・・・（１）
ΔＨ：発熱量
【００６３】
なお、ガス拡散層４以外の酸化ガス供給流路３５においても、カソード２で生じた生成水が滞留し、凍結する場合がある。このような場合、塩化水素ガスは、これらの流路を通過する際においても、滞留水の一部の過冷却水に溶解して塩酸となり、その際、反応熱が生じる。
【００６４】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、外気温度が氷点下という低温時に起動した場合であっても、塩化水素ガスが酸化ガス供給流路３５内の過冷却水に溶解する際に放熱がなされ、燃料電池１００を十分に昇温させ、すなわち、燃料電池１００を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池１００において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システム１０００の起動時間を短縮することが可能となる。
【００６５】
また、燃料電池システム１０００が、外気温度が氷点下より高い温度の場合、すなわち、滞留水が凍結していない場合に、以上の処理が実行されると、酸化ガス供給流路３５内の滞留水は、ほとんどが液水として存在しているので、酸化ガス供給流路３５内に流入した塩化水素ガスは、その滞留水に溶解し、その際、放熱がなされる。従って、この場合には、燃料電池システム１０００を外気温度が氷点下という低温時に起動した場合と比べて、燃料電池１００を速やかに昇温させることができ、すなわち、燃料電池１００を速やかに暖機することが可能となる。
【００６６】
塩化水素ガスが供給された後、酸化ガス供給流路３５で生じた塩酸は、酸化排ガスと滞留水に溶解しなかった塩化水素ガスとの混合ガスと共に、酸化ガス排出流路３６に排出され、さらに、塩化水素抽出部３１０に流入する。塩化水素抽出部３１０では、酸化排ガスと塩化水素ガスとの混合ガス、および、塩酸から、塩化水素ガスを抽出し、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵すると共に、抽出に伴って生じる酸化排ガスや水を外部排出流路３９を介して燃料電池システム１０００の外部に排出する（ステップＳ２０）。この塩化水素ガスの抽出工程を具体的に説明すると、まず、塩化水素抽出部３１０は、酸化排ガスと塩化水素ガスとの混合ガスを水に通し、塩化水素ガスを水に溶かして塩酸を生成する。この際、酸化排ガスは、水にあまり溶けないので、気体として分離され、外部排出流路３９を介して排出される。そして、塩化水素抽出部３１０は、混合ガスから生成した塩酸と、酸化ガス排出流路３６から流入した塩酸とを混合し、それを燃料電池１００などの所定の熱源を利用して暖めて塩化水素ガスを抽出する。また、塩酸は、塩化水素ガスを抽出後、一定濃度以下になると、外部排出流路３９を介して燃料電池システム１０００の外部に排出する。
【００６７】
そして、制御部４１０は、塩化水素遮断弁３２０を開弁後、一定時間経つと、塩化水素回収コンプレッサ３３０を駆動する。これにより、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵された塩化水素ガスが、塩化水素回収コンプレッサ３３０に圧縮されて塩化水素タンク３００に回収される（ステップＳ３０）。
【００６８】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、塩化水素タンク３００から供給した塩化水素ガスを、燃料電池１００から排出される排ガス・排液から抽出して、塩化水素タンク３００に再び回収し、再利用するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００に供給した塩化水素を燃料電池システム１０００の外部に排出することを抑制することができると共に、経済的である。
【００６９】
なお、本実施例の燃料電池システム１０００では、起動時において、塩化水素ガスを酸化ガス流路３４を介して、燃料電池１００の酸化ガス供給流路３５（酸化ガス供給流路３５Ａ）に供給するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。燃料電池１００において、アノード側にも滞留水が生じる場合があり、燃料電池システム１０００の起動時において、塩化水素ガスを燃料ガス流路２４を介して、燃料電池１００の燃料ガス供給流路２５（燃料ガス供給流路２５Ａ）に供給するようにしてもよい。このようにしても上記と同様の効果を奏することができる。
【００７０】
塩化水素タンク３００は、請求項における貯蔵部に該当し、酸化ガス流路３４は、請求項における発熱物質供給部に該当し、酸化ガス供給流路３５Ａは、請求項における反応ガス供給流路に該当し、酸化ガス排出流路３５Ｂは、請求項における反応ガス排出流路に該当し、塩化水素ガスは、請求項における発熱物質に該当し、塩化水素抽出部３１０は、請求項における抽出部に該当し、塩化水素回収コンプレッサ３３０、若しくは、塩化水素回収流路３５０は、請求項における発熱物質回収部に該当する。
【００７１】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム１０００Ａの構成：
図５は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００と類似する構成を有し、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００と比較して、塩化水素タンク３００など塩化水素ガスを酸化ガス流路３４に供給するための装置、および、塩化水素抽出部３１０など酸化排ガス中に含有する塩化水素を抽出する装置を備えていない点で相違し、また、冷却水流路５０５において、暖機装置５５０を備える点で相違する。
【００７２】
Ｂ２．暖機装置５５０の構成：
図６は、暖機装置５５０の概略構成図である。暖機装置５５０は、冷却水流路５０５において、冷却水循環ポンプ５１０と燃料電池１００との間であって、冷却水循環ポンプ５１０よりも冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられ、アルミ混入部５２０と、トラッパ部５３０と、イオン除去部５４０とを備えている。
【００７３】
アルミ混入部５２０は、アルミニウム粉が充填されているアルミ粉カートリッジＣＬが挿入されるアルミ混合部５２５と、混入部遮断弁５２２とから構成される。このアルミ混合部５２５は、混合エリア５２５Ａと、アルミ粉カートリッジＣＬが挿入され、アルミ粉カートリッジＣＬの挿入部分にアルミ粉カートリッジＣＬの先端部分を開閉してアルミ粉カートリッジＣＬ内のアルミニウム粉を混合エリア５２５Ａに導入可能な開閉可動部５２５Ｂとを備えている。
【００７４】
トラッパ部５３０は、分離部５３５と、分離部５３５の下部に設けられる沈殿物排出弁５３２とを備えている。イオン除去部５４０は、イオン交換膜を備えており、冷却水流路５０５を流れる冷却水中の所定イオンを除去する。
【００７５】
制御部４１０は、冷却水循環ポンプ５１０と、混入部遮断弁５２２と、開閉可動部５２５Ｂと、沈殿物排出弁５３２とを制御し、後述するアルミ混入・除去処理の少なくとも一部を実行する。
【００７６】
第１実施例の燃料電池システム１０００では、起動時において、塩化水素供給・回収処理を実行して、燃料電池１００を暖機するようにしていたが、本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、起動時において、以下のアルミ混入・除去処理を実行して、燃料電池１００を暖機するようにしている。
【００７７】
Ｂ３．アルミ混入・除去処理：
アルミ混入・除去処理の前提条件として、アルミ粉カートリッジＣＬは、アルミ混合部５２５に挿入されており、混入部遮断弁５２２、および、沈殿物排出弁５３２は、閉弁されている。
【００７８】
まず、制御部４１０は、燃料電池システム１０００Ａの起動時において、冷却水循環ポンプ５１０を駆動する。これにより、冷却水は、冷却水流路５０５、および、燃料電池内冷却水流路１７５を循環する。
【００７９】
そして、制御部４１０は、開閉可動部５２５Ｂを開閉させてアルミ粉カートリッジＣＬから混合エリア５２５Ａ内にアルミニウム粉を導入させる。その後、制御部４１０は、混入部遮断弁５２２を開弁させて、冷却水流路５０５を流れる冷却水を混合エリア５２５Ａに導入させる。これにより、混合エリア５２５Ａにおいて、アルミニウム粉と冷却水とが反応し、この反応熱によって冷却水が暖められる（下記式（２）参照）。なお、このアルミニウムと冷却水との反応によって、水酸化アルミニウムや、各イオン（アルミニウムイオン等）が生じる（下記式（３）参照）。反応熱によって暖められた冷却水に、水酸化アルミニウム、および、各イオンが含まれる液体を混合液とも呼ぶ。
２Ａｌ＋６Ｈ2Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）3＋３Ｈ2Ｏ＋ΔＨ’・・・（２）
Ａｌ（ＯＨ）3→Ａｌ+＋３ＯＨ-・・・（３）
ΔＨ’：発熱量
【００８０】
この混合液は、アルミ混合部５２５から冷却水流路５０５を介して分離部５３５（トラッパ部５３０）に流入する。混合液中の水酸化アルミニウムは、分離部５３５の下部に沈殿し、分離部５３５において、混合液中から除去される。なお、制御部４１０は、沈殿物排出弁５３２を定期的に開弁して、分離部５３５に沈殿した水酸化アルミニウムを燃料電池システム１０００Ａの外部に排出する。
【００８１】
分離部５３５で水酸化アルミニウムが除去された混合液は、イオン除去部５４０を通過する。この際、イオン除去部５４０において、混合液中の各イオン（アルミニウムイオン等）は、イオン交換膜によって除去される。そして、イオンが除去され、上記のごとく暖められた冷却水は、冷却水流路５０５を介して、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）に供給される。
【００８２】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、起動時に行うアルミ混入・除去処理において、冷却水にアルミニウム粉を混入させ、その反応熱によって冷却水を暖め、その水を燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）に供給するようにしている。このようにすれば、反応熱によって暖められた冷却水によって、燃料電池１００を十分に昇温させることができ、すなわち、燃料電池１００を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池１００において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システム１０００の起動時間を短縮することが可能となる。
【００８３】
また、以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、アルミ混入・除去処理において、冷却水とアルミニウム粉との反応によって生じる水酸化アルミニウムをトラッパ部５３０の分離部５３５で沈殿させて混合液から除去するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）、ラジエータ５００、または、冷却水循環ポンプ５１０などに、水酸化アルミニウムが供給されることを抑制することができ、これらの流路内で水酸化アルミニウムが詰まり、冷却水の流れが妨げられることを抑制することができる。また、冷却水流路５０５においても水酸化アルミニウムが詰まり、冷却水の流れが妨げられることを抑制することができる。
【００８４】
さらに、以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、アルミ混入・除去処理において、混合液中の各イオンをイオン除去部５４０で除去するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）や冷却水流路５０５中を流れる冷却水が導電性を持つことを抑制することができ、その結果、漏電を抑制することができる。
【００８５】
なお、冷却水流路５０５、または、燃料電池内冷却水流路１７５は、請求項における冷却水経路に該当し、アルミ混入部５２０は、請求項における発熱物質混入部に該当し、トラッパ部５３０は、請求項におけるトラッパ部に該当し、イオン除去部５４０は、請求項におけるイオン除去部に該当し、アルミニウム粉は、請求項における発熱物質に該当する。
【００８６】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００８７】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００を暖機するための物質として、塩化水素ガスを用いているが、本発明は、これに限られるものではない。燃料電池１００を暖機するための物質として、塩化水素ガスの代わりに、例えば、臭化水素（ＢｒＨ）、フッ化水素（ＦＨ）などを用いてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８８】
Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、冷却水を暖める物質として、アルミニウムを用いているが、本発明は、これに限られるものではない。冷却水を暖める物質として、例えば、カルシウム（Ｃａ）、ナトリウム（Ｎａ）、鉄（Ｆｅ）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）などを用いてもよい。この場合、上記第２実施例のように、粉末状とすることが望ましい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。また、このように冷却水を暖める物質が固体物質ではなく、液体物質を用いるようにしてもよい。このような液体物質として、例えば、硫酸や塩酸などを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８９】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、アルミ混入・除去処理では、暖機装置５５０によって暖機された冷却水は、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）を流れた後、ラジエータ５００に流入するようになっているが（図５参照）、本発明は、これに限られるものではない。例えば、冷却水流路５０５において、ラジエータ５００を迂回するバイパス流路を設け、暖機装置５５０によって暖機された冷却水は、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）を流れた後、ラジエータ５００を流れずに、このバイパス流路を流れるようにしてもよい。このようにすれば、暖機装置５５０によって暖機された冷却水は、ラジエータ５００で冷却されることなく、再び燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）に流入することになり、燃料電池１００の暖機効率を向上させることができる。
【００９０】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、アルミ混入・除去処理では、分離部５３５に沈殿した水酸化アルミニウムを沈殿物排出弁５３２を介して定期的に排出するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、分離部５３５に沈殿した水酸化アルミニウムを沈殿物排出弁５３２を介して回収し、加熱してアルミニウムを抽出し、それを再利用するようにしてもよい。この場合、加熱手段として燃料電池１００で生じる熱を利用するようにしてもよい。
【００９１】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００において、塩化水素供給・回収処理では、燃料電池１００から排出された塩化水素ガス若しくは塩酸から塩化水素を回収して、再利用するようにしているが、本発明は、これに限られるものではなく、燃料電池１００から排出された塩化水素ガスや塩酸を燃料電池システム１０００の外部に排出するようにしてもよいし、回収のみを行うようにしてもよい。
【００９２】
Ｃ６．変形例６：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、アルミ混入・除去処理で、アルミニウム粉を、冷却水流路５０５を流れる冷却水に混入するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、アルミニウム粉を、燃料電池内冷却水流路１７５を流れる冷却水に直接混入するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００９３】
Ｃ７．変形例７：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００において、塩化水素供給・回収処理では、塩化水素タンク３００から塩化水素を、酸化ガス流路３４を介して酸化ガス供給流路３５に供給するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０００は、塩化水素タンク３００と、酸化ガス供給マニホールド１３、酸化ガス受渡流路１５０、または、ガス拡散層４とを結ぶ所定の流路を備えており、塩化水素供給・回収処理において、塩化水素タンク３００から酸化ガス供給マニホールド１３、酸化ガス受渡流路１５０、または、ガス拡散層４に直接塩化水素ガスを供給するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１０００が備える燃料電池１００の概略断面構成を表わす説明図である。
【図３】第１実施例の燃料電池システム１０００が行う塩化水素供給・回収処理のフローチャートである。
【図４】塩化水素ガスが酸化ガス供給流路３５Ａのガス拡散層４に到達した際の様子を拡大して示した説明図である。
【図５】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成図である。
【図６】暖機装置５５０の概略構成図である。
【符号の説明】
【００９５】
２５…燃料ガス供給流路
３５…酸化ガス供給流路
１００…燃料電池
１７５…燃料電池内冷却水流路
３００…塩化水素タンク
３１０…塩化水素抽出部
３２０…塩化水素遮断弁
３３０…塩化水素回収コンプレッサ
３４０…塩化水素供給流路
３５０…塩化水素回収流路
３５５…塩化水素回収遮断弁
４００…制御回路
４１０…制御部
５００…ラジエータ
５０５…冷却水流路
５１０…冷却水循環ポンプ
５２０…アルミ混入部
５３０…トラッパ部
５４０…イオン除去部
５５０…暖機装置
１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムの起動処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池では、触媒電極層であるアノードおよびカソードに、それぞれ、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行する。そして、この電気化学反応の進行に伴って、カソードで水が生じる。このようにカソードで生じた水は、燃料電池の外部に排出されるが、一部が燃料電池内の流路に滞留する場合がある。このような状態であって、外気温度が氷点下というような低温時に、燃料電池システムを起動した場合には、滞留水が凍結している場合があり、そのため、カソードにおいて、酸化ガスの供給量が抑制されるおそれがあった。その結果、電気化学反応の進行が抑制され、燃料電池システムの起動に時間がかかるおそれがあった。なお、カソードで生じた水が、アノード側へと移動する場合があり、上記問題は、アノード側においても同様に生じ得る。
【０００３】
また、燃料電池システムを低温起動した場合において、その場合の外気温度によっては触媒電極層の触媒活性が十分でなく、それに伴い電気化学反応の進行が抑制され、燃料電池システムの起動に時間がかかるおそれがあった。
【０００４】
以上のような問題を解決する手段として、例えば、燃料電池システムの低温起動時において、水素と酸素との混合ガスを触媒電極層に供給し、そこで混合ガスを燃焼触媒反応によって燃焼させることにより、燃料電池（触媒電極層）を昇温させる技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８１０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来技術のように、燃料電池システムの低温起動時において、混合ガスを触媒電極層で燃焼させることにより燃料電池を昇温させる場合に、一定温度以下では触媒電極層の燃焼触媒活性が低く混合ガスを触媒電極層で十分に燃焼させることができないおそれがあり、そのため、燃料電池を十分に昇温できないおそれがあった。
【０００７】
なお、上記問題は、燃料電池システムの起動時に限られず、間欠運転状態、すなわち、燃料電池システムが起動中ではあるが、燃料電池の発電を一時的に停止している状態から燃料電池の運転を開始する際にも同様に生じ得る。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の温度上昇要求時において、低温であっても、燃料電池を昇温させることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムでは、
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、前記燃料電池内で電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を前記反応ガス流路に供給するための発熱物質供給部を備えることを要旨とする。
【００１０】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度上昇要求時において、発熱物質が反応ガス供給流路内の滞留水と反応して発熱するので、燃料電池を十分に昇温させることができ、すなわち、燃料電池を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。なお、燃料電池の温度上昇要求時とは、燃料電池システムの起動時や、間欠運転状態（燃料電池システムが起動中ではあるが、燃料電池の発電を一時的に停止している状態）から燃料電池の運転を開始する時などを含む概念である。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、ガスであり、水に溶解すると発熱する物質であることが好ましい。
【００１２】
このように発熱物質がガスであれば、発熱物質を反応ガス供給流路に供給することが容易となる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＢｒＨ）、および、フッ化水素（ＦＨ）のいずれかであることが好ましい。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、電気化学反応に供された後の反応ガスを前記燃料電池の外部に排出するための反応ガス排出流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記発熱物質を貯蔵する貯蔵部と、
前記反応ガス排出流路から前記反応ガスと共に排出される排出物質から、前記発熱物質を抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出した前記発熱物質を前記貯蔵部に戻すための発熱物質回収部と、
を備えるようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、発熱物質を燃料電池システムの外部に排出することを抑制することができ、また、環境にやさしく経済的である。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、
前記排出物質は、前記反応ガス供給流路に供給された前記発熱物質が前記燃料電池内の水と反応した後に生じた反応物質、または、前記燃料電池内の水と反応しなかった前記発熱物質を含むようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、上記反応物質、または、水と未反応の発熱物質を燃料電池システムの外部に排出することを抑制することができ、また、環境にやさしく経済的である。
【００１８】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第２の燃料電池システムでは、
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水経路と、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を、前記冷却水経路を通る前記冷却水に混入するための発熱物質混入部と、
を備えることを要旨とする。
【００１９】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度上昇要求時において、水と発熱物質との反応熱によって暖められた冷却水によって、燃料電池を十分に昇温させることができ、すなわち、燃料電池を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。なお、燃料電池の温度上昇要求時とは、燃料電池システムの起動時や、間欠運転状態（燃料電池システムが起動中ではあるが、燃料電池の発電を一時的に停止している状態）から燃料電池の運転を開始する時などを含む概念である。
【００２０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応物質を、前記冷却水から除去するためのトラッパ部を備えるようにしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、冷却水経路を通る冷却水から反応物質が除去されるので、冷却水経路において、反応物質によって冷却水の流れが抑制されないようにすることが可能となる。
【００２２】
上記燃料電池システムにおいて、
前記トラッパ部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることが好ましい。
【００２３】
このようにすれば、燃料電池内の冷却水経路において、反応物質によって冷却水の流れが抑制されないようにすることが可能となる。
【００２４】
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応イオンを、前記冷却水から除去するためのイオン除去部を備えることが好ましい。
【００２５】
このようにすれば、冷却水経路を通る冷却水から反応イオンが除去されるので、冷却経路を通る冷却水が導電性を持つことを抑制することができ、その結果、漏電を抑制することができる。
【００２６】
上記燃料電池システムにおいて、
前記イオン除去部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることが好ましい。
【００２７】
このようにすれば、冷却水経路を通る冷却水から反応イオンが除去されるので、冷却経路を通る冷却水が導電性を持つことを抑制することができ、その結果、漏電を抑制することができる。
【００２８】
上記燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、および、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のいずれかであることが好ましい。
【００２９】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池システムの暖機方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００３０】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
Ａ２．塩化水素供給・回収処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム１０００Ａの構成：
Ｂ２．暖機装置５５０の構成：
Ｂ３．アルミ混入・除去処理：
Ｃ．変形例：
【００３２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素タンク２０と、ブロワ３０と、水素遮断弁２００と、調圧弁２２０と、パージ弁２４０と、循環ポンプ２５０と、塩化水素タンク３００と、塩化水素抽出部３１０と、塩化水素遮断弁３２０と、塩化水素回収コンプレッサ３３０と、塩化水素回収遮断弁３５５と、制御回路４００と、ラジエータ５００と、冷却水循環ポンプ５１０などを備えている。
【００３３】
ブロワ３０は、空気を取り込み圧縮する装置であり、酸化ガス流路３４を介して燃料電池１００（後述する酸化ガス供給流路３５）と接続されており、圧縮した空気（酸素）を酸化ガスとして、燃料電池１００（後述する酸化ガス供給流路３５）に供給する。
【００３４】
水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素遮断弁２００、燃料ガス流路２４を介して燃料電池１００（後述する燃料ガス供給流路２５）に接続されている。また、燃料ガス流路２４において、水素タンク２０から供給される水素ガスの圧力を調圧するための調圧弁２２０が設けられている。後述する制御回路４００は、水素遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１００（後述する燃料ガス供給流路２５）に水素ガスを燃料ガスとして供給する。
【００３５】
燃料電池１００の運転中において、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガス（以下では、酸化排ガスとも呼ぶ。）は、酸化ガス排出流路３６を介して塩化水素抽出部３１０に供給される。塩化水素抽出部３１０についての詳細は、後述する。
【００３６】
燃料電池１００の運転中において、アノードで電気化学反応に供された後の燃料ガス（以下では、燃料排ガスとも呼ぶ。）は、定期的に、燃料ガス排出流路２６を介し、パージ弁２４０から燃料電池１００の外部へ排出される。また、燃料排ガスは、循環ポンプ２５０によりガス循環流路２８を介して、燃料ガス流路２４に再度供給される。このようにして、燃料排ガスに含まれる水素は、循環して、燃料ガスとして再び発電に使用される。
【００３７】
また、燃料電池１００（後述する燃料電池内冷却水流路１７５）には、燃料電池１００に冷却水を供給し、回収するための冷却水流路５０５が接続される。そして、冷却水流路５０５には、ラジエータ５００と、冷却水循環ポンプ５１０が設けられる。冷却水は、ラジエータ５００で冷却され、冷却水循環ポンプ５１０によって、燃料電池１００（後述する燃料電池内冷却水流路１７５）に供給され、再び、ラジエータ５００に戻って冷却される。
【００３８】
図２は、本実施例の燃料電池システム１０００が備える燃料電池１００の概略断面構成を表わす説明図である。この燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であって、図２に示す単セル１０を複数枚積層したスタック構造を有している。燃料電池１００は、各々の単セル１０のアノード側に燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１００は、生じた電力を燃料電池１００に接続される所定の負荷（例えば、モータや蓄電池。）に供給する。なお、図２は、燃料電池１００の分解断面構成を表わしており、燃料電池１００は、実際には、図の横方向に詰めて形成される。
【００３９】
単セル１０は、電解質膜１を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ）を、アノード側セパレータ１３０およびカソード側セパレータ１４０で挟持することによって構成されている。ここで、ＭＥＡは、電解質膜１と、電解質膜１を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２およびアノード３と、これら触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層４，５とを備えている。なお、カソード２の面に平行な方向を面方向とも呼び、面方向と直交する方向であって、カソード２やアノード３が積層される方向を積層方向とも呼ぶ。
【００４０】
電解質膜１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００４１】
カソード２およびアノード３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備える多孔質体である。
【００４２】
ガス拡散層４，５は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。このガス拡散層４，５において、内部の細孔によって形成される空間に、反応ガスが拡散する。ガス拡散層４では、その内部の細孔によって形成される空間が、酸化ガスが拡散する酸化ガス拡散流路として機能し、ガス拡散層５では、その内部の細孔によって形成される空間が、燃料ガスが拡散する燃料ガス拡散流路として機能する。
【００４３】
カソード側セパレータ１４０およびアノード側セパレータ１３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。
【００４４】
燃料電池１００は、各単セル１０に対して電気化学反応に供される酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールド１３（図２）と、各単セル１０に対して電気化学反応に供される燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と、各単セル１０に対して各単セル１０を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給マニホールド（図示せず）とを備えており、これらは、それぞれ、各単セル１０を積層方向に貫通するように形成されている。また、燃料電池１００は、各単セル１０から酸化排ガスを燃料電池１００の外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド１４（図２）と、各単セル１０から燃料排ガスを燃料電池１００の外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド（図示せず）と、単セル内冷却水流路１７０から各単セル１０の冷却に供された冷却水を燃料電池１００の外部に排出するための冷却水排出マニホールド（図示せず）とを備えており、これらは、それぞれ、各単セル１０を積層方向に貫通するように形成されている。なお、酸化ガス供給マニホールド１３は、酸化ガス流路３４と接続され、酸化ガス排出マニホールド１４は、酸化ガス排出流路３６と接続される。燃料ガス供給マニホールドは、燃料ガス流路２４と接続され、燃料ガス排出マニホールドは、燃料ガス排出流路２６と接続される。また、冷却水供給マニホールドおよび冷却水排出マニホールドは、冷却水流路５０５と接続される。
【００４５】
各単セル１０は、カソード側セパレータ１４０とＭＥＡとの間に、酸化ガス受渡流路１５０を備える。この酸化ガス受渡流路１５０は、酸化ガス供給マニホールド１３からの酸化ガスをカソード２（ガス拡散層４）へ供給し、電気化学反応後の酸化排ガスを酸化ガス排出マニホールド１４へ排出するための流路である。
【００４６】
また、各単セル１０は、アノード側セパレータ１３０とＭＥＡとの間に燃料ガス受渡流路１６０を備える。この燃料ガス受渡流路１６０は、燃料ガス供給マニホールドからの燃料ガスをアノード３（ガス拡散層５）へ供給し、電気化学反応後の燃料排ガスを燃料ガス排出マニホールドへ排出するためのするための流路である。
【００４７】
さらに、燃料電池１００は、各単セル１０の間に、各単セル１０を冷却するための冷却水が流れる単セル内冷却水流路１７０を備える。この単セル内冷却水流路１７０は、冷却水供給マニホールドから供給される冷却水によって単セル１０を冷却し、冷却後に冷却水を冷却水排出マニホールドに排出するための流路である。
【００４８】
また、各単セル１０は、図２に示すように、アノード側セパレータ１３０とカソード側セパレータ１４０との間の絶縁や、酸化ガスまたは燃料ガスのシールをガスケット６と、冷却水のシールのためのパッキン８を備えている。
【００４９】
なお、燃料電池１００としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。
【００５０】
燃料電池１００において、ブロワ３０（酸化ガス流路３４）から供給される酸化ガスは、まず、酸化ガス供給マニホールド１３に流入し、酸化ガス受渡流路１５０を流れ、そして、ガス拡散層４で拡散しつつ、カソード２へ供給される。このように、燃料電池１００において、酸化ガスがカソード２へ供給されるまでの流路である、酸化ガス供給マニホールド１３、酸化ガス受渡流路１５０、および、ガス拡散層４（酸化ガス拡散流路）を総じて、酸化ガス供給流路３５Ａとも呼ぶ。また、カソード２で電気化学反応に供された後の酸化排ガスは、ガス拡散層４を通り、酸化ガス排出マニホールド１４を介して、酸化ガス排出流路３６に排出される。このように、燃料電池１００において、酸化排ガスが酸化ガス排出流路３６へ排出されるまでの流路を酸化ガス排出流路３５Ｂとも呼ぶ。そして、これら酸化ガス供給流路３５Ａおよび酸化ガス排出流路３５Ｂ、すなわち、燃料電池１００内を酸化ガス（酸化排ガス）が流れる流路を総じて酸化ガス供給流路３５とも呼ぶ。
【００５１】
燃料電池１００において、水素タンク２０から供給される燃料ガスは、まず、燃料ガス供給マニホールドに流入し、燃料ガス受渡流路１６０を流れ、そして、ガス拡散層５で拡散しつつ、アノード３へ供給される。このように、燃料電池１００において、燃料ガスがアノード３へ供給されるまでの流路である、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス受渡流路１６０、および、ガス拡散層５（燃料ガス拡散流路）を総じて、燃料ガス供給流路２５Ａとも呼ぶ。また、アノード３で電気化学反応に供された後の燃料排ガスは、ガス拡散層５を通り、燃料ガス排出マニホールドを介して、燃料ガス排出流路２６に排出される。このように、燃料電池１００において、燃料排ガスが燃料ガス排出流路２６へ排出されるまでの流路を燃料ガス排出流路２５Ｂとも呼ぶ。そして、これら燃料ガス供給流路２５Ａおよび燃料ガス排出流路２５Ｂ、すなわち、燃料電池１００内を燃料ガス（燃料排ガス）が流れる流路を総じて燃料ガス供給流路２５とも呼ぶ。
【００５２】
燃料電池１００において、冷却水流路５０５から供給される冷却水は、冷却水供給マニホールドに流入し、単セル内冷却水流路１７０を流れ、冷却水排出マニホールドを介して、再び、冷却水流路５０５に排出される。このように、燃料電池１００内において、冷却水が流れる流路である冷却水供給マニホールド、単セル内冷却水流路１７０、および、冷却水排出マニホールドを総じて燃料電池内冷却水流路１７５とも呼ぶ。
【００５３】
本実施例の燃料電池システム１０００が備える塩化水素タンク３００は、高圧の塩化水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、塩化水素遮断弁３２０、塩化水素供給流路３４０を介して酸化ガス流路３４に接続されている。後述する制御回路４００（制御部４１０）は、塩化水素遮断弁３２０を開弁することにより、酸化ガス流路３４に塩化水素ガスを供給する。酸化ガス流路３４に供給された塩化水素ガスは、酸化ガスと共に、酸化ガス供給流路３５（酸化ガス供給流路３５Ａ）に供給される。なお、塩化水素は、水に溶解する際（水と反応する際）発熱を伴う性質がある。
【００５４】
塩化水素抽出部３１０は、酸化ガス排出流路３６と接続され、酸化ガス排出流路３６を介して燃料電池１００から排出されるガス（酸化ガス供給流路３５をそのまま通過した塩化水素ガスを含む）、および、後述のごとく生じる塩酸が流入する。そして、塩化水素抽出部３１０は、それらから塩化水素ガスを抽出し、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵する。また、塩化水素抽出部３１０は、塩化水素ガスを抽出後、残ったガスや液体（水）を外部排出流路３９を介して燃料電池システム１０００の外部に排出する。なお、この塩化水素抽出部３１０において、塩化水素ガスを抽出する方法についての詳細は、後述の塩化水素供給・回収処理で説明する。
【００５５】
また、塩化水素抽出部３１０の塩化水素貯蔵部３１５と塩化水素タンク３００は、塩化水素回収流路３５０、塩化水素回収遮断弁３５５を介して接続されている。そして、塩化水素回収流路３５０上には、塩化水素回収コンプレッサ３３０が設けられ、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵された塩化水素ガスを塩化水素タンク３００内の圧力よりも高く圧縮して塩化水素タンク３００に導く。
【００５６】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、ブロワ３０、循環ポンプ２５０、水素遮断弁２００、パージ弁２４０、塩化水素遮断弁３２０と、塩化水素回収コンプレッサ３３０と、塩化水素回収遮断弁３５５と、冷却水循環ポンプ５１０などの燃料電池システム１０００に関する種々の制御を行う。
【００５７】
また、制御回路４００は、制御部４１０として機能し、後述する塩化水素供給・回収処理の少なくとも一部を実行する。
【００５８】
ところで、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソード２で、電気化学反応によって水が生じ、燃料電池システム１０００の駆動終了後に、酸化ガス供給流路３５内に水が滞留水として残るおそれがある。そして、このような状態であって、外気温度が氷点下というような低温時に、燃料電池システム１０００を起動した場合には、滞留水が凍結している場合がある。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００は、起動時において、以下に説明する塩化水素供給・回収処理を実行して、燃料電池１００を暖機するようにしている。
【００５９】
Ａ２．塩化水素供給・回収処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１０００が行う塩化水素供給・回収処理のフローチャートである。この処理の前提条件として、塩化水素遮断弁３２０は閉弁されており、塩化水素回収コンプレッサ３３０は、駆動していない。また、以下の本処理の説明は、外気温度が氷点下というような低温時に、燃料電池システム１０００を起動した場合であり、滞留水が凍結している場合を想定して説明する。
【００６０】
制御部４１０は、燃料電池システム１０００の起動時において、制御回路４００によってブロワ３０などが制御され燃料電池１００の発電が開始されると、塩化水素遮断弁３２０を開弁し、塩化水素ガスを酸化ガス流路３４に供給する（ステップＳ１０）。酸化ガス流路３４に供給された塩化水素ガスは、酸化ガスと共に燃料電池１００の酸化ガス供給流路３５に流入する。ところで、以下の図４に示すように、燃料電池１００内（酸化ガス供給流路３５内）が氷点下という状態でほとんどの滞留水が凍っていた場合であっても、滞留水の一部は、過冷却水として液体で存在し得る。
【００６１】
図４は、塩化水素ガスが酸化ガス供給流路３５Ａのガス拡散層４に到達した際の様子を拡大して示した説明図である。図４（ａ）は、塩化水素ガスがガス拡散層４に到達した直後の様子を表し、図４（ｂ）は、塩化水素ガスが過冷却水に溶解し（塩化水素ガスが過冷却水と反応し）、塩酸となった際の様子を表している。
【００６２】
図４（ａ）に示すように、ガス拡散層４に至った塩化水素ガスは、滞留水の一部の過冷却水に溶解し、塩化水素ガスが溶解した過冷却水は、塩酸となり、その際、反応熱が生じる（図４（ｂ）参照）。なお、この場合の反応式は、以下の式（１）の通りである。
ＨＣｌ→Ｈ+＋Ｃｌ-＋ΔＨ・・・（１）
ΔＨ：発熱量
【００６３】
なお、ガス拡散層４以外の酸化ガス供給流路３５においても、カソード２で生じた生成水が滞留し、凍結する場合がある。このような場合、塩化水素ガスは、これらの流路を通過する際においても、滞留水の一部の過冷却水に溶解して塩酸となり、その際、反応熱が生じる。
【００６４】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、外気温度が氷点下という低温時に起動した場合であっても、塩化水素ガスが酸化ガス供給流路３５内の過冷却水に溶解する際に放熱がなされ、燃料電池１００を十分に昇温させ、すなわち、燃料電池１００を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池１００において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システム１０００の起動時間を短縮することが可能となる。
【００６５】
また、燃料電池システム１０００が、外気温度が氷点下より高い温度の場合、すなわち、滞留水が凍結していない場合に、以上の処理が実行されると、酸化ガス供給流路３５内の滞留水は、ほとんどが液水として存在しているので、酸化ガス供給流路３５内に流入した塩化水素ガスは、その滞留水に溶解し、その際、放熱がなされる。従って、この場合には、燃料電池システム１０００を外気温度が氷点下という低温時に起動した場合と比べて、燃料電池１００を速やかに昇温させることができ、すなわち、燃料電池１００を速やかに暖機することが可能となる。
【００６６】
塩化水素ガスが供給された後、酸化ガス供給流路３５で生じた塩酸は、酸化排ガスと滞留水に溶解しなかった塩化水素ガスとの混合ガスと共に、酸化ガス排出流路３６に排出され、さらに、塩化水素抽出部３１０に流入する。塩化水素抽出部３１０では、酸化排ガスと塩化水素ガスとの混合ガス、および、塩酸から、塩化水素ガスを抽出し、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵すると共に、抽出に伴って生じる酸化排ガスや水を外部排出流路３９を介して燃料電池システム１０００の外部に排出する（ステップＳ２０）。この塩化水素ガスの抽出工程を具体的に説明すると、まず、塩化水素抽出部３１０は、酸化排ガスと塩化水素ガスとの混合ガスを水に通し、塩化水素ガスを水に溶かして塩酸を生成する。この際、酸化排ガスは、水にあまり溶けないので、気体として分離され、外部排出流路３９を介して排出される。そして、塩化水素抽出部３１０は、混合ガスから生成した塩酸と、酸化ガス排出流路３６から流入した塩酸とを混合し、それを燃料電池１００などの所定の熱源を利用して暖めて塩化水素ガスを抽出する。また、塩酸は、塩化水素ガスを抽出後、一定濃度以下になると、外部排出流路３９を介して燃料電池システム１０００の外部に排出する。
【００６７】
そして、制御部４１０は、塩化水素遮断弁３２０を開弁後、一定時間経つと、塩化水素回収コンプレッサ３３０を駆動する。これにより、塩化水素貯蔵部３１５に貯蔵された塩化水素ガスが、塩化水素回収コンプレッサ３３０に圧縮されて塩化水素タンク３００に回収される（ステップＳ３０）。
【００６８】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、塩化水素タンク３００から供給した塩化水素ガスを、燃料電池１００から排出される排ガス・排液から抽出して、塩化水素タンク３００に再び回収し、再利用するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００に供給した塩化水素を燃料電池システム１０００の外部に排出することを抑制することができると共に、経済的である。
【００６９】
なお、本実施例の燃料電池システム１０００では、起動時において、塩化水素ガスを酸化ガス流路３４を介して、燃料電池１００の酸化ガス供給流路３５（酸化ガス供給流路３５Ａ）に供給するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。燃料電池１００において、アノード側にも滞留水が生じる場合があり、燃料電池システム１０００の起動時において、塩化水素ガスを燃料ガス流路２４を介して、燃料電池１００の燃料ガス供給流路２５（燃料ガス供給流路２５Ａ）に供給するようにしてもよい。このようにしても上記と同様の効果を奏することができる。
【００７０】
塩化水素タンク３００は、請求項における貯蔵部に該当し、酸化ガス流路３４は、請求項における発熱物質供給部に該当し、酸化ガス供給流路３５Ａは、請求項における反応ガス供給流路に該当し、酸化ガス排出流路３５Ｂは、請求項における反応ガス排出流路に該当し、塩化水素ガスは、請求項における発熱物質に該当し、塩化水素抽出部３１０は、請求項における抽出部に該当し、塩化水素回収コンプレッサ３３０、若しくは、塩化水素回収流路３５０は、請求項における発熱物質回収部に該当する。
【００７１】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム１０００Ａの構成：
図５は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００と類似する構成を有し、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００と比較して、塩化水素タンク３００など塩化水素ガスを酸化ガス流路３４に供給するための装置、および、塩化水素抽出部３１０など酸化排ガス中に含有する塩化水素を抽出する装置を備えていない点で相違し、また、冷却水流路５０５において、暖機装置５５０を備える点で相違する。
【００７２】
Ｂ２．暖機装置５５０の構成：
図６は、暖機装置５５０の概略構成図である。暖機装置５５０は、冷却水流路５０５において、冷却水循環ポンプ５１０と燃料電池１００との間であって、冷却水循環ポンプ５１０よりも冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられ、アルミ混入部５２０と、トラッパ部５３０と、イオン除去部５４０とを備えている。
【００７３】
アルミ混入部５２０は、アルミニウム粉が充填されているアルミ粉カートリッジＣＬが挿入されるアルミ混合部５２５と、混入部遮断弁５２２とから構成される。このアルミ混合部５２５は、混合エリア５２５Ａと、アルミ粉カートリッジＣＬが挿入され、アルミ粉カートリッジＣＬの挿入部分にアルミ粉カートリッジＣＬの先端部分を開閉してアルミ粉カートリッジＣＬ内のアルミニウム粉を混合エリア５２５Ａに導入可能な開閉可動部５２５Ｂとを備えている。
【００７４】
トラッパ部５３０は、分離部５３５と、分離部５３５の下部に設けられる沈殿物排出弁５３２とを備えている。イオン除去部５４０は、イオン交換膜を備えており、冷却水流路５０５を流れる冷却水中の所定イオンを除去する。
【００７５】
制御部４１０は、冷却水循環ポンプ５１０と、混入部遮断弁５２２と、開閉可動部５２５Ｂと、沈殿物排出弁５３２とを制御し、後述するアルミ混入・除去処理の少なくとも一部を実行する。
【００７６】
第１実施例の燃料電池システム１０００では、起動時において、塩化水素供給・回収処理を実行して、燃料電池１００を暖機するようにしていたが、本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、起動時において、以下のアルミ混入・除去処理を実行して、燃料電池１００を暖機するようにしている。
【００７７】
Ｂ３．アルミ混入・除去処理：
アルミ混入・除去処理の前提条件として、アルミ粉カートリッジＣＬは、アルミ混合部５２５に挿入されており、混入部遮断弁５２２、および、沈殿物排出弁５３２は、閉弁されている。
【００７８】
まず、制御部４１０は、燃料電池システム１０００Ａの起動時において、冷却水循環ポンプ５１０を駆動する。これにより、冷却水は、冷却水流路５０５、および、燃料電池内冷却水流路１７５を循環する。
【００７９】
そして、制御部４１０は、開閉可動部５２５Ｂを開閉させてアルミ粉カートリッジＣＬから混合エリア５２５Ａ内にアルミニウム粉を導入させる。その後、制御部４１０は、混入部遮断弁５２２を開弁させて、冷却水流路５０５を流れる冷却水を混合エリア５２５Ａに導入させる。これにより、混合エリア５２５Ａにおいて、アルミニウム粉と冷却水とが反応し、この反応熱によって冷却水が暖められる（下記式（２）参照）。なお、このアルミニウムと冷却水との反応によって、水酸化アルミニウムや、各イオン（アルミニウムイオン等）が生じる（下記式（３）参照）。反応熱によって暖められた冷却水に、水酸化アルミニウム、および、各イオンが含まれる液体を混合液とも呼ぶ。
２Ａｌ＋６Ｈ2Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）3＋３Ｈ2Ｏ＋ΔＨ’・・・（２）
Ａｌ（ＯＨ）3→Ａｌ+＋３ＯＨ-・・・（３）
ΔＨ’：発熱量
【００８０】
この混合液は、アルミ混合部５２５から冷却水流路５０５を介して分離部５３５（トラッパ部５３０）に流入する。混合液中の水酸化アルミニウムは、分離部５３５の下部に沈殿し、分離部５３５において、混合液中から除去される。なお、制御部４１０は、沈殿物排出弁５３２を定期的に開弁して、分離部５３５に沈殿した水酸化アルミニウムを燃料電池システム１０００Ａの外部に排出する。
【００８１】
分離部５３５で水酸化アルミニウムが除去された混合液は、イオン除去部５４０を通過する。この際、イオン除去部５４０において、混合液中の各イオン（アルミニウムイオン等）は、イオン交換膜によって除去される。そして、イオンが除去され、上記のごとく暖められた冷却水は、冷却水流路５０５を介して、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）に供給される。
【００８２】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、起動時に行うアルミ混入・除去処理において、冷却水にアルミニウム粉を混入させ、その反応熱によって冷却水を暖め、その水を燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）に供給するようにしている。このようにすれば、反応熱によって暖められた冷却水によって、燃料電池１００を十分に昇温させることができ、すなわち、燃料電池１００を暖機することが可能となる。その結果、燃料電池１００において、電気化学反応の進行を促進し、燃料電池システム１０００の起動時間を短縮することが可能となる。
【００８３】
また、以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、アルミ混入・除去処理において、冷却水とアルミニウム粉との反応によって生じる水酸化アルミニウムをトラッパ部５３０の分離部５３５で沈殿させて混合液から除去するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）、ラジエータ５００、または、冷却水循環ポンプ５１０などに、水酸化アルミニウムが供給されることを抑制することができ、これらの流路内で水酸化アルミニウムが詰まり、冷却水の流れが妨げられることを抑制することができる。また、冷却水流路５０５においても水酸化アルミニウムが詰まり、冷却水の流れが妨げられることを抑制することができる。
【００８４】
さらに、以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、アルミ混入・除去処理において、混合液中の各イオンをイオン除去部５４０で除去するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）や冷却水流路５０５中を流れる冷却水が導電性を持つことを抑制することができ、その結果、漏電を抑制することができる。
【００８５】
なお、冷却水流路５０５、または、燃料電池内冷却水流路１７５は、請求項における冷却水経路に該当し、アルミ混入部５２０は、請求項における発熱物質混入部に該当し、トラッパ部５３０は、請求項におけるトラッパ部に該当し、イオン除去部５４０は、請求項におけるイオン除去部に該当し、アルミニウム粉は、請求項における発熱物質に該当する。
【００８６】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００８７】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００を暖機するための物質として、塩化水素ガスを用いているが、本発明は、これに限られるものではない。燃料電池１００を暖機するための物質として、塩化水素ガスの代わりに、例えば、臭化水素（ＢｒＨ）、フッ化水素（ＦＨ）などを用いてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８８】
Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、冷却水を暖める物質として、アルミニウムを用いているが、本発明は、これに限られるものではない。冷却水を暖める物質として、例えば、カルシウム（Ｃａ）、ナトリウム（Ｎａ）、鉄（Ｆｅ）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）などを用いてもよい。この場合、上記第２実施例のように、粉末状とすることが望ましい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。また、このように冷却水を暖める物質が固体物質ではなく、液体物質を用いるようにしてもよい。このような液体物質として、例えば、硫酸や塩酸などを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００８９】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、アルミ混入・除去処理では、暖機装置５５０によって暖機された冷却水は、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）を流れた後、ラジエータ５００に流入するようになっているが（図５参照）、本発明は、これに限られるものではない。例えば、冷却水流路５０５において、ラジエータ５００を迂回するバイパス流路を設け、暖機装置５５０によって暖機された冷却水は、燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）を流れた後、ラジエータ５００を流れずに、このバイパス流路を流れるようにしてもよい。このようにすれば、暖機装置５５０によって暖機された冷却水は、ラジエータ５００で冷却されることなく、再び燃料電池１００（燃料電池内冷却水流路１７５）に流入することになり、燃料電池１００の暖機効率を向上させることができる。
【００９０】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、アルミ混入・除去処理では、分離部５３５に沈殿した水酸化アルミニウムを沈殿物排出弁５３２を介して定期的に排出するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、分離部５３５に沈殿した水酸化アルミニウムを沈殿物排出弁５３２を介して回収し、加熱してアルミニウムを抽出し、それを再利用するようにしてもよい。この場合、加熱手段として燃料電池１００で生じる熱を利用するようにしてもよい。
【００９１】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００において、塩化水素供給・回収処理では、燃料電池１００から排出された塩化水素ガス若しくは塩酸から塩化水素を回収して、再利用するようにしているが、本発明は、これに限られるものではなく、燃料電池１００から排出された塩化水素ガスや塩酸を燃料電池システム１０００の外部に排出するようにしてもよいし、回収のみを行うようにしてもよい。
【００９２】
Ｃ６．変形例６：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、アルミ混入・除去処理で、アルミニウム粉を、冷却水流路５０５を流れる冷却水に混入するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、アルミニウム粉を、燃料電池内冷却水流路１７５を流れる冷却水に直接混入するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００９３】
Ｃ７．変形例７：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００において、塩化水素供給・回収処理では、塩化水素タンク３００から塩化水素を、酸化ガス流路３４を介して酸化ガス供給流路３５に供給するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０００は、塩化水素タンク３００と、酸化ガス供給マニホールド１３、酸化ガス受渡流路１５０、または、ガス拡散層４とを結ぶ所定の流路を備えており、塩化水素供給・回収処理において、塩化水素タンク３００から酸化ガス供給マニホールド１３、酸化ガス受渡流路１５０、または、ガス拡散層４に直接塩化水素ガスを供給するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１０００が備える燃料電池１００の概略断面構成を表わす説明図である。
【図３】第１実施例の燃料電池システム１０００が行う塩化水素供給・回収処理のフローチャートである。
【図４】塩化水素ガスが酸化ガス供給流路３５Ａのガス拡散層４に到達した際の様子を拡大して示した説明図である。
【図５】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成図である。
【図６】暖機装置５５０の概略構成図である。
【符号の説明】
【００９５】
２５…燃料ガス供給流路
３５…酸化ガス供給流路
１００…燃料電池
１７５…燃料電池内冷却水流路
３００…塩化水素タンク
３１０…塩化水素抽出部
３２０…塩化水素遮断弁
３３０…塩化水素回収コンプレッサ
３４０…塩化水素供給流路
３５０…塩化水素回収流路
３５５…塩化水素回収遮断弁
４００…制御回路
４１０…制御部
５００…ラジエータ
５０５…冷却水流路
５１０…冷却水循環ポンプ
５２０…アルミ混入部
５３０…トラッパ部
５４０…イオン除去部
５５０…暖機装置
１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、前記燃料電池内で電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス供給流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を前記反応ガス供給流路に供給するための発熱物質供給部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、ガスであり、水に溶解すると発熱することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＢｒＨ）、および、フッ化水素（ＦＨ）のいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、電気化学反応に供された後の反応ガスを前記燃料電池の外部に排出するための反応ガス排出流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記発熱物質を貯蔵する貯蔵部と、
前記反応ガス排出流路から前記反応ガスと共に排出される排出物質から、前記発熱物質を抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出した前記発熱物質を前記貯蔵部に戻すための発熱物質回収部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排出物質は、前記反応ガス供給流路に供給された前記発熱物質が前記燃料電池内の水と反応した後に生じた反応物質、または、前記燃料電池内の水と反応しなかった前記発熱物質を含んでいることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水経路と、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を、前記冷却水経路を通る前記冷却水に混入するための発熱物質混入部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応物質を、前記冷却水から除去するためのトラッパ部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記トラッパ部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応イオンを、前記冷却水から除去するためのイオン除去部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記イオン除去部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、および、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、前記燃料電池内で電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス供給流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を前記反応ガス供給流路に供給するための発熱物質供給部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、ガスであり、水に溶解すると発熱することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＢｒＨ）、および、フッ化水素（ＦＨ）のいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、
前記燃料電池内に配され、電気化学反応に供された後の反応ガスを前記燃料電池の外部に排出するための反応ガス排出流路を備え、
前記燃料電池システムは、
前記発熱物質を貯蔵する貯蔵部と、
前記反応ガス排出流路から前記反応ガスと共に排出される排出物質から、前記発熱物質を抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出した前記発熱物質を前記貯蔵部に戻すための発熱物質回収部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排出物質は、前記反応ガス供給流路に供給された前記発熱物質が前記燃料電池内の水と反応した後に生じた反応物質、または、前記燃料電池内の水と反応しなかった前記発熱物質を含んでいることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水経路と、
前記燃料電池の温度上昇要求時において、水と反応すると発熱する発熱物質を、前記冷却水経路を通る前記冷却水に混入するための発熱物質混入部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応物質を、前記冷却水から除去するためのトラッパ部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記トラッパ部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質混入部によって混入された前記発熱物質が、前記冷却水と反応することで生じる反応イオンを、前記冷却水から除去するためのイオン除去部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記イオン除去部は、
前記冷却水経路において、前記発熱物質混入部と前記燃料電池との間であって、前記発熱物質混入部よりも、前記冷却水の流れ方向の下流側の位置に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記発熱物質は、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、および、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２７５８４（Ｐ２００８−２７５８４Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９５０４４（Ｐ２００６−１９５０４４）
【出願日】平成１８年７月１８日（２００６．７．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１８日（２００６．７．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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