(57)【要約】【課題】貯水タンク内の水や静電容量式水位センサが凍結した場合でも、完全に解凍される前に排水制御を行えるようにする。【解決手段】燃料電池システムのシステム停止時に、静電容量式水位センサ２３の検出値を読み込んで停止時水位Ｌｎとして記憶しておく。そして、次回のシステム起動時に、そのときの静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌｍと、前回のシステム停止時に記憶したおいた停止時水位Ｌｎとの差を、凍結によるセンサ検出値のオフセット量ΔＬとして算出する。そして、その後、所定の制御周期ごとに読み込まれる静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌに上記のオフセット量ΔＬを加算して、その値が所定の最低水位Ｌｍｉｎと最高水位Ｌｍａｘとの間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉を制御する。【選択図】図４
2010123370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を貯留する貯水タンクと、
前記貯水タンク内の水を外部に排出する排水バルブと、
前記貯水タンク内の水位を検出する静電容量式水位センサと、
前記貯水タンク内の水位が最低水位と最高水位との間に維持されるように、前記排水バルブの開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、制御開始時における前記静電容量式水位センサの検出値と前回の制御停止時における前記貯水タンク内の水位との差を凍結によるセンサ検出値のオフセット量として算出し、制御開始後の前記静電容量式水位センサの検出値と、前記最低水位及び最高水位と、前記オフセット量とに基づいて、前記排水バルブの開閉を制御することを特徴とする排水装置。
【請求項２】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された水を貯留する貯水タンクと、
前記貯水タンク内の水を外部に排出する排水バルブと、
前記貯水タンク内の水位を検出する静電容量式水位センサと、
前記貯水タンク内の水位が最低水位と最高水位との間に維持されるように、前記排水バルブの開閉を制御する排水制御手段とを備え、
前記排水制御手段は、システム起動時における前記静電容量式水位センサの検出値と前回のシステム停止時における前記貯水タンク内の水位との差を凍結によるセンサ検出値のオフセット量として算出し、システム起動後の前記静電容量式水位センサの検出値と、前記最低水位及び最高水位と、前記オフセット量とに基づいて、前記排水バルブの開閉を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記排水制御手段は、システム停止時に前記静電容量式水位センサにより検出された停止時水位を記憶し、システム起動時における前記静電容量式水位センサの検出値と前記停止時水位との差を前記オフセット量として算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排水制御手段は、システム停止時に前記貯水タンク内の水位が規定値となるように前記排水バルブの開閉を制御し、システム起動時における前記静電容量式水位センサの検出値と前記規定値との差を前記オフセット量として算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排水制御手段は、前記静電容量式水位センサの検出値に前記オフセット量を加算した値が、前記最低水位と最高水位との間に維持されるように、前記排水バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排水制御手段は、前記静電容量式水位センサの検出値が、前記最低水位から前記オフセット量を減算した水位と前記最高水位から前記オフセット量を減算した水位との間に維持されるように、前記排水バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排水制御手段は、システム起動時からの経過時間が長くなるに従い前記オフセット量の値を減少させることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯水タンクを加熱するヒータと、
前記貯水タンクの温度を検出する温度センサとをさらに備え、
前記排水制御手段は、前記貯水タンクの温度が所定値以上となった後は前記オフセット量をゼロとして、前記静電容量式水位センサの検出値が前記最低水位と最高水位との間に維持されるように、前記排水バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排水制御手段は、前記静電容量式水位センサの検出値が０ｍｍ以下の場合に凍結状態にあると判断して前記オフセット量の算出を行うことを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯水タンク内の水位を静電容量式水位センサを用いて検出する排水装置及びこれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムに用いられる排水装置として、燃料電池から排出される水を貯水タンクに貯留し、この貯水タンク内の水位を静電容量式水位センサにより検出して、貯水タンク内の水位が最低水位と最高水位との間に維持されるように、貯水タンクに設けられた排水バルブの開閉を制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００７−２０７５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の排水装置では、貯水タンク内に貯留されている水や静電容量式水位センサ自体が凍結した状態となると、静電容量式水位センサで貯水タンク内の水位を正しく検出することができず、貯水タンク内の水や静電容量式水位センサが解凍されるまで排水制御を行うことができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る排水装置は、制御開始時における静電容量式水位センサの検出値と前回の制御停止時における貯水タンク内の水位との差を凍結によるセンサ検出値のオフセット量として算出し、制御開始後の静電容量式水位センサの検出値と、貯水タンク内の水位の最低水位及び最高水位と、算出したオフセット量とに基づいて、排水バルブの開閉を制御することにより、上記の課題を解決する。
【０００５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、システム起動時における静電容量式水位センサの検出値と前回のシステム停止時における貯水タンク内の水位との差を凍結によるセンサ検出値のオフセット量として算出し、システム起動後の静電容量式水位センサの検出値と、貯水タンク内の水位の最低水位及び最高水位と、算出したオフセット量とに基づいて、排水バルブの開閉を制御することにより、上記の課題を解決する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、凍結によるセンサ検出値のオフセット量を算出してこのオフセット量を用いて排水バルブの開閉を制御するようにしているので、貯水タンク内の水や静電容量式水位センサが凍結した場合でも、完全に解凍される前に排水制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。
【０００９】
図１に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の駆動源として車載され、燃料電池車両の駆動モータやシステム内部の補機などの電気負荷装置に電力供給するものであり、複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１を備える。
【００１０】
燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルは、例えば、燃料ガスの供給を受ける燃料極（アノード）と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極（カソード）とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。この燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセパレータには、アノード側に燃料ガスが流れる燃料ガス流路、カソード側には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、各燃料電池セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスが供給され、カソード側に酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給されることで、以下式（１）及び式（２）に示す電気化学反応によって発電が行われる。
アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
【００１１】
燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１のほかに、燃料電池スタック１に燃料ガス（以下、燃料ガスとして純水素を用いるものとする。）を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給系と、システム全体の動作を統括的に制御するコントロールユニット２とを備える。
【００１２】
水素供給系は、例えば、燃料ガスである水素を貯蔵する水素タンク３を有し、この水素タンク３から取り出した水素を水素供給流路４を通じて燃料電池スタック１のアノード側に供給する。水素供給流路４内の圧力は水素圧力センサ５により検出され、コントロールユニット２がこの水素圧力センサ５の検出値に基づいて水素供給流路４に設けられた水素調圧弁６を制御することによって、燃料電池スタック１のアノード側に供給される水素の流量が制御され、燃料電池スタック１のアノード側の入口圧力が制御される。
【００１３】
燃料電池スタック１のアノード側出口には、燃料電池スタック１から排出された反応ガスが流れる循環流路７が接続されており、この循環流路７に循環ポンプ８が設けられている。循環ポンプ８は、その動作がコントロールユニット２により制御され、燃料電池スタック１から排出された反応ガス内の未使用水素を吐出して、水素タンク３からの水素と混合して再度燃料電池スタック１のアノード側に供給する。
【００１４】
空気供給系は、周囲の空気を吸い込み加圧して吐出するコンプレッサ９を有し、このコンプレッサ９が吐出した空気を空気供給流路１０を通じて燃料電池スタック１のカソード側に供給する。空気供給流路１０内の圧力は空気圧力センサ１１により検出され、コントロールユニット２がこの空気圧力センサ１１の検出値に基づいて燃料電池スタック１のカソード出口側に設けられた空気調圧弁１２を制御し、またコンプレッサ９の回転数を制御することによって、燃料電池スタック１のカソード側に供給される空気の流量が制御され、燃料電池スタック１のカソード側の入口圧力が制御される。
【００１５】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給系の循環流路７に、燃料電池スタック１から排出された水（例えば、燃料電池スタック１での発電により生成された生成水）を貯留する貯水タンク２０が設けられている。この貯水タンク２０には、排水バルブ２１を有する排水流路２２が接続されており、コントロールユニット２による制御に従って排水バルブ２１を開くことで、貯水タンク２０内の水が排水流路２２から外部に排出される。貯水タンク２０内の水位は、静電容量式水位センサ２３により検出される。コントロールユニット２は、この静電容量式水位センサ２３の検出値をもとに貯水タンク２０内の水位を把握し、貯水タンク２０内の水位が最低水位（水位制御範囲の下限値）と最高水位（水位制御範囲の上限値）との間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉を制御する。
【００１６】
図２は、本実施形態の燃料電池システムが備える貯水タンク２０及びその周辺を拡大して示す図である。
【００１７】
貯水タンク２０は、例えば円筒形状に成形された金属製容器よりなり、その上端側に循環流路７を構成する配管が接続されている。燃料電池スタック１から排出された水は反応ガスの流れによって循環流路７内を移動し、貯水タンク２０に到達すると液水が自重により容器下部に導かれて貯留される。貯水タンク２０の下端には排水流路２２を構成する配管が接続されており、この配管にコントロールユニット２によって開閉制御される排水バルブ２１が設置されている。
【００１８】
貯水タンク２０の下端側及び排水流路２２を構成する配管の周囲には、例えば電熱線などを用いたヒータ２４が配設されている。また、貯水タンク２０の下端側には、当該貯水タンク２０の温度を検出するための温度センサ２５が設置されている。
【００１９】
静電容量式水位センサ２３は、貯水タンク２０の上端側から下端側に亘って中心電極２３ａが垂直に配置されるように貯水タンク２０に取り付けられている。この静電容量式水位センサ２３は、貯水タンク２０内の水位に応じて中心電極２３ａと貯水タンク２０の金属製容器（外電極）との間の静電容量が変化することを利用して、この静電容量を計測することによって貯水タンク２０内の水位を検出する。この静電容量式水位センサ２３の検出値は、コントロールユニット２に随時入力される。
【００２０】
ところで、燃料電池車両が寒冷地に長時間駐車している場合など、燃料電池システムが低温環境下で長時間に亘って放置されていると、次のシステム起動時には、貯水タンク２０内に貯留されている水や静電容量式水位センサ２３が凍結した状態となっていることが考えられる。このような場合、ヒータ２４の加熱によって貯水タンク２０内の解凍を促進させるが、ヒータ２４は貯水タンク２０の下端側及び排水流路２２の周囲に集中的に配設されているため、静電容量式水位センサ２３の中心電極２３ａに付着した氷は最後に解凍されることになる。静電容量式水位センサ２３は、中心電極２３ａに氷が付着した状態では貯水タンク２０内の水位を正確に検出することができなくなるため、これまでは、貯水タンク２０内の解凍が完全に終了するまでは排水制御を行えず、排水バルブ２１を閉じたままの状態としていた。ここで、排水バルブ２１を閉じたままの状態で燃料電池車両の運転を開始しようとすると、燃料電池スタック１の出力を大きくとった場合などに生成水が貯水タンク２０からオーバーフローして気液分離ができなくなり、発電に必要な燃料ガス（水素）を燃料電池スタック１に供給できなくなって、発電が停止する可能性がある。このため、これまでは、貯水タンク２０内の解凍が完全に終了するまでは暖機運転のみを行い、貯水タンク２０内の解凍が完全に終了してから燃料電池スタック１から出力の取り出しを行うようにしており、燃料電池車両を運転できるようになるまで時間がかかるという問題があった。
【００２１】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、静電容量式水位センサ２３の中心電極２３ａに氷が付着している凍結時においては静電容量式水位センサ２３の検出値が実際の水位よりも低い水位を示すものとなることを利用して、コントロールユニット２が、凍結時における静電容量式水位センサ２３の検出値と実際の水位との差分であるオフセット量を求め、このオフセット量を用いて排水制御を行うことで、貯水タンク２０内の解凍が完全に終了する前に排水制御を行うことを可能とし、システムを起動してから比較的速やかに燃料電池車両の運転を行えるようにしている。
【００２２】
具体的には、コントロールユニット２は、燃料電池システムのシステム停止時に、そのときの静電容量式水位センサ２３の検出値をコントロールユニット２内部又は別途設けた不揮発性メモリなどに停止時水位として記憶しておく。そして、次回のシステム起動時に静電容量式水位センサ２３の検出値を読み込んで、システム起動時に読み込んだ静電容量式水位センサ２３の検出値と、停止時水位として記憶しておいたシステム停止時の静電容量式水位センサ２３の検出値との差を、凍結によるセンサ検出値のオフセット量として算出する。そして、その後、所定の制御周期ごとに読み込まれる静電容量式水位センサ２３の検出値に上記のオフセット量を加算して、その値が所定の水位制御範囲の下限値（最低水位）と上限値（最高水位）との間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉を制御する。
【００２３】
図３は、排水制御に関わるコントロールユニット２の処理手順の一例を示すフローチャートである。この図３に示す一連の処理は、燃料電池システムの起動とともに開始される。
【００２４】
燃料電池システムが起動すると、コントロールユニット２は、まずステップＳ１において、貯水タンク２０に設置されている温度センサ２５の検出値（タンク温度）Ｔｔを読み込んで、温度センサ２５の検出値Ｔｔが所定の凍結判断温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。ここで、温度センサ２５の検出値Ｔｔが凍結判断温度Ｔ１以下であれば貯水タンク２０が凍結状態にあると判断し、ステップＳ２に進む。一方、温度センサ２５の検出値Ｔｔが凍結判断温度Ｔ１を上回っていれば貯水タンク２０は凍結していないと判断してステップＳ９に移行する。なお、凍結判断温度Ｔ１は、予め実験などにより貯水タンク２０が凍結状態にあるときの貯水タンク２０の温度を計測して、その値に設定しておけばよい。
【００２５】
貯水タンク２０が凍結状態にあると判断した場合、コントロールユニット２は、ステップＳ２においてヒータ２４を作動させ、ヒータ２４による貯水タンク２０及び排水流路２２の加熱を開始する。次に、ステップＳ３において、前回のシステム停止時に記憶しておいた停止時水位Ｌｎを読み込むとともに、ステップＳ４において、現在のシステム起動時における静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌｍを読み込む。そして、ステップＳ５において、システム起動時における静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌｍと停止時水位Ｌｎとの差分（|Ｌｍ−Ｌｎ|）を、凍結による静電容量式水位センサ２３のセンサ検出値のオフセット量ΔＬとして算出する。
【００２６】
その後、コントロールユニット２は、ステップＳ６において、所定の制御周期ごとに静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌを読み込み、この静電容量式水位センサ２３の検出値ＬにステップＳ５で算出したオフセット量ΔＬを加算した値が、水位制御範囲の下限値（最低水位Ｌｍｉｎ）と上限値（最高水位Ｌｍａｘ）との間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉制御を行う。以下、このステップＳ６における排水制御を低温専用シーケンスという。
【００２７】
図４は、低温専用シーケンスの処理の流れを示すフローチャートである。この図４に示す低温専用シーケンスは、所定の制御周期ごとに繰り返し実行されるものである。
【００２８】
低温専用シーケンスが開始されると、コントロールユニット２は、まずステップＳ１０１において、現在の静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌを読み込み、ステップＳ１０２において、現在の静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌにオフセット量ΔＬを加算してこれを水位推定値とする。そして、コントロールユニット２は、水位推定値Ｌ＋ΔＬを最高水位Ｌｍａｘ及び最低水位Ｌｍｉｎと比較し（ステップＳ１０３，Ｓ１０４）、水位推定値Ｌ＋ΔＬが最高水位Ｌｍａｘと略等しい値となっていれば排水バルブ２１を開放する（ステップＳ１０５）。また、水位推定値Ｌ＋ΔＬが最低水位Ｌｍｉｎと略等しい値となっていれば排水バルブ２１を閉じる（ステップＳ１０６）。
【００２９】
以上の低温専用シーケンスによる排水制御は、ヒータ２４の加熱による貯水タンク２０の解凍が終了するまで継続される。すなわち、コントロールユニット２は図４の低温専用シーケンスによる排水制御を行っている間、温度センサ２５の検出値Ｔｔを随時モニタリングしており、温度センサ２５の検出値Ｔｔが所定の解凍判断温度Ｔ２に達するまでの間は低温専用シーケンスによる排水制御を継続する。そして、温度センサ２５の検出値Ｔｔが解凍判断温度Ｔ２に達した段階（図３のステップＳ７でＹＥＳの判定）で低温専用シーケンスによる排水制御を終了する。なお、解凍判断温度Ｔ２は、予め実験などにより貯水タンク２０が完全に解凍されたときの貯水タンク２０の温度を計測して、その値に設定しておけばよい。
【００３０】
低温専用シーケンスによる排水制御を終了すると、コントロールユニット２は、ステップＳ８においてヒータ２４の作動を停止させ、ヒータ２４による貯水タンク２０及び排水流路２２の加熱を終了する。その後、コントロールユニット２は、ステップＳ９において、所定の制御周期ごとに静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌを読み込み、この静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌが最低水位Ｌｍｉｎと最高水位Ｌｍａｘとの間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉制御を行う。以下、このステップＳ９における排水制御を通常シーケンスという。この通常シーケンスによる排水制御は、静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌにオフセット量ΔＬを加算した水位推定値ではなく、静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌをそのまま用いて（つまりオフセット量ΔＬをゼロとして）排水バルブ２１の開閉制御を行う以外は、上述の低温専用シーケンス（図４参照）と同様である。なお、システム起動時において貯水タンク２０が凍結していないと判断した場合（ステップＳ１でＮＯの判定）には、上述の低温専用シーケンスによる排水制御を行うことなく、ステップＳ９の通常シーケンスによる排水制御を行う。
【００３１】
通常シーケンスによる排水制御は、燃料電池システムの動作中は継続され、燃料電池システムのシステム停止指令が入力された段階で（ステップＳ１０でＹＥＳの判定）、通常シーケンスによる排水制御を終了する。
【００３２】
通常シーケンスによる排水制御を終了すると、コントロールユニット２は、ステップＳ１１において、現在のシステム停止時における静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌを読み込んで、この検出値Ｌを停止時水位Ｌｎとして不揮発性メモリに記憶し、一連の処理を終了する。
【００３３】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントロールユニット２が、システム起動時における静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌｍと前回のシステム停止時に記憶した停止時水位Ｌｎとの差分を、凍結によるセンサ検出値のオフセット量ΔＬとして算出するようにしている。そして、貯水タンク２０が凍結している場合には、その後に読み込む静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌにオフセット量ΔＬを加算した値を水位推定値として用い、この水位推定値が最低水位Ｌｍｉｎと最高水位Ｌｍａｘとの間に維持されるように、開閉バルブ２１の開閉を制御するようにしている。したがって、ヒータ２４の加熱による貯水タンク２０内の解凍が完全に終了する前に排水制御を行うことができ、システムを起動してから比較的速やかに燃料電池車両の運転を行うことが可能となる。
【００３４】
また、燃料電池車両の運転開始までの時間を短縮するためにヒータ２４を大型化する必要がないため、システムをコンパクトにすることができ、また、ヒータ２４の加熱による電力消費量を低減することができる。
【００３５】
なお、以上説明した本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット２が、システム停止時における静電容量式水位センサ２３の検出値を停止時水位として記憶しておき、次のシステム起動時に、静電容量式水位センサ２３の検出値と停止時水位との差を、凍結による静電容量式水位センサ２３のオフセット量ΔＬとして算出するようにしているが、システム停止時に貯水タンク２内の水位が予め定めた規定値（例えば、最低水位Ｌｍｉｎ）となるように排水バルブ２１の開閉を制御しておき、次のシステム起動時に、静電容量式水位センサ２３の検出値と予め定めた規定値との差を、凍結による静電容量式水位センサ２３のオフセット量ΔＬとして算出するようにしてもよい。この場合は、システム起動時におけるコントロールユニット２の処理を、より簡便化することが可能になる。
【００３６】
また、以上説明した本実施形態の燃料電池システムにおいては、システム起動時に温度センサ２５によって検出されるタンク温度Ｔｔが所定の凍結判断温度Ｔ１以下である場合に、貯水タンク２０が凍結状態にあると判断してオフセット量ΔＬの算出を行うようにしているが、システム起動時における静電容量式水位センサ２３の検出値が０ｍｍ以下の場合に貯水タンク２０が凍結状態にあると判断してオフセット量ΔＬの算出を行うようにしてもよい。すなわち、静電容量式水位センサ２３自体が凍結した状態となるとこの静電容量式水位センサ２３の検出値は０ｍｍ以下となるので、これを利用して凍結の有無を判断することで、システム起動時におけるコントロールユニット２の処理をより簡便化することが可能になる。
【００３７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態で説明した低温専用シーケンスによる排水制御の変形例に相当するものである。燃料電池システムの構成及び低温専用シーケンス以外のコントロールユニット２による処理は第１の実施形態と同様（図１乃至図３参照）であるので、以下、第１の実施形態と重複する説明は省略して、本実施形態に特徴的な低温専用シーケンスによる排水制御についてのみ説明する。
【００３８】
第１の実施形態で説明した低温専用シーケンスでは、所定の制御周期ごとに読み込まれる静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌにオフセット量ΔＬを加算して水位推定値とし、その水位推定値Ｌ＋ΔＬが最低水位Ｌｍｉｎと最高水位Ｌｍａｘとの間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉を制御するようにしていた。これに対して、本実施形態の低温専用シーケンスでは、最低水位Ｌｍｉｎ及び最高水位Ｌｍａｘからそれぞれオフセット量ΔＬを減算し、所定の制御周期ごとに読み込まれる静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌが、最低水位Ｌｍｉｎからオフセット量ΔＬを減算した値と、最高水位Ｌｍａｘからオフセット量ΔＬを減算した値との間に維持されるように、排水バルブ２１の開閉を制御する。
【００３９】
図５は、本実施形態における低温専用シーケンスの処理の流れを示すフローチャートである。この図５に示す低温専用シーケンスは、所定の制御周期ごとに繰り返し実行されるものである。
【００４０】
低温専用シーケンスが開始されると、コントロールユニット２は、まずステップＳ２０１において、最低水位Ｌｍｉｎからオフセット量ΔＬを減算してこの値を補正後最低水位Ｌｍｉｎ’とするとともに、最高水位Ｌｍａｘからオフセット量ΔＬを減算してこの値を補正後最高水位Ｌｍａｘ’とする。次に、ステップＳ２０２において、現在の静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌを読み込む。そして、コントロールユニット２は、静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌと補正後最高水位Ｌｍａｘ’及び補正後最低水位Ｌｍｉｎ’と比較し（ステップＳ２０３，Ｓ２０４）、静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌが補正後最高水位Ｌｍａｘ’と略等しい値となっていれば排水バルブ２１を開放して（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０２にリターンする。また、静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌが補正後最低水位Ｌｍｉｎ’と略等しい値となっていれば排水バルブ２１を閉じて（ステップＳ１０６）、ステップＳ２０２にリターンする。
【００４１】
以上の低温専用シーケンスによる排水制御は、第１の実施形態で説明した低温シーケンスによる排水制御と同様に、温度センサ２５の検出値Ｔｔが解凍判断温度Ｔ２まで上昇してヒータ２４の加熱による貯水タンク２０の解凍が終了したと判断されるまで継続される。そして、温度センサ２５の検出値Ｔｔが解凍判断温度Ｔ２に達した段階で、以上の低温専用シーケンスによる排水制御が終了する。
【００４２】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、貯水タンク２０が凍結している場合に、コントロールユニット２が、凍結によるセンサ検出値のオフセット量Δを算出し、最低水位Ｌｍｉｎからオフセット量ΔＬを減算した値を補正後最低水位Ｌｍｉｎ’、最高水位Ｌｍａｘからオフセット量ΔＬを減算した値を補正後最高水位Ｌｍａｘ’として求めるようにしている。そして、その後に読み込む静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌが補正後最低水位Ｌｍｉｎ’と補正後最高水位Ｌｍａｘ’との間に維持されるように、開閉バルブ２１の開閉を制御するようにしている。したがって、第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、ヒータ２４の加熱による貯水タンク２０内の解凍が完全に終了する前に排水制御を行うことができ、システムを起動してから比較的速やかに燃料電池車両の運転を行うことが可能となる。
【００４３】
また、燃料電池車両の運転開始までの時間を短縮するためにヒータ２４を大型化する必要がないため、システムをコンパクトにすることができ、また、ヒータ２４の加熱による電力消費量を低減することができる。
【００４４】
さらに、補正後最低水位Ｌｍｉｎ’と補正後最高水位Ｌｍａｘ’とを一度求めれば、その後は静電容量式水位センサ２３の検出値Ｌをそのまま用いて排水制御を行うことができるので、第１の実施形態と比べてコントロールユニット２による処理負荷を低減することができる。
【００４５】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は、凍結によるセンサ検出値のオフセット量ΔＬを、システム起動時からの経過時間が長くなるに従い減少させるようにした例である。燃料電池システムの構成は、図６に示すように、第１の実施形態で説明した構成（図１参照）に対して外気温を検出する外気温センサ３０を付加した構成である。また、コントロールユニット２による処理は、基本的には第１の実施形態及び第２の実施形態で説明した処理と同様であるが、本実施形態では、低温専用シーケンスによる排水制御を行う際に、第１の実施形態及び第２の実施形態で説明したように一定値のオフセット量ΔＬを用いるのではなく、システム起動時からの時間の経過に従って徐々に小さな値となる可変のオフセット量ΔＬを用いて排水制御を行うようにしている。
【００４６】
凍結時における静電容量式水位センサ２３の検出値と実際の貯水タンク２０内の水位との差は、貯水タンク２０の凍結の度合い、つまり貯水タンク２０内の氷と水との割合によって変化する。ここで、システム起動時に貯水タンク２０が凍結している場合には、第１の実施形態で説明したように、ヒータ２４を作動させて貯水タンク２０を加熱するようにしているので、凍結した貯水タンク２０は時間の経過とともに徐々に解凍が進み、これに伴って静電容量式水位センサ２３の検出値と実際の貯水タンク２０内の水位との差は徐々に小さくなる。
【００４７】
第１の実施形態及び第２の実施形態では、低温専用シーケンスによる排水制御を行う際のコントロールユニット２の処理負荷低減を考慮して、システム起動時に算出したオフセット量ΔＬをそのまま用いて低温専用シーケンスによる排水制御を行うようにしているが、このように一定値のオフセット量ΔＬを用いて低温専用シーケンスによる排水制御を行うと、貯水タンク２０の解凍がある程度進んだ段階では排水制御の精度が低下する場合がある。そこで、本実施形態では、コントロールユニット２にシステム起動時からの経過時間をカウントする機能を持たせ、例えば図７に示すように、システム起動時からの時間の経過に従ってオフセット量ΔＬを徐々に減少させながら、この可変のオフセット量ΔＬを用いて低温専用シーケンスによる排水制御を行うようにしている。
【００４８】
ここで、時間経過に伴うオフセット量ΔＬの変化の度合いは、ヒータ２４の加熱によって凍結した貯水タンク２０がどの程度の速度で解凍されていくかに依存する。そして、ヒータ２４の加熱による貯水タンク２０の解凍速度は、外気温とタンク温度との関係から推定できる。そこで、コントロールユニット２は、外気温センサ３０の検出値と貯水タンク２０に設置された温度センサ２５の検出値とに基づいて時間経過に伴うオフセット量ΔＬの変化の度合いを求め、低温専用シーケンスによる排水制御を行う際は、各制御周期ごとに、システム起動時からの経過時間とオフセット量ΔＬの変化の度合いとからその時点での正確なオフセット量ΔＬを算出して、各制御周期ごとに正確なオフセット量ΔＬを用いて排水制御を行う。これにより、ヒータ２４の加熱により貯水タンク２０の解凍がある程度進んだ段階でも精度のよい排水制御を行うことが可能となる。
【００４９】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、貯水タンク２０が凍結している場合に、コントロールユニット２が、凍結によるセンサ検出値のオフセット量Δを算出するとともに、このオフセット量ΔＬをシステム起動時からの経過時間が長くなるに従い減少させながら、この可変のオフセット量ΔＬを用いて排水制御を行うようにしているので、第１の実施形態や第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、貯水タンク２０内の解凍が完全に終了する前に排水制御を行うことができ、さらに、貯水タンク２０の解凍がある程度進んだ段階でも精度のよい排水制御を継続的に行うことができる。
【００５０】
なお、上記の各実施形態は本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲がこれら実施形態として説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
【００５１】
また、上記の各実施形態は、燃料電池システムが備える排水装置に本発明を適用した例であるが、本発明は、燃料電池システムが備える排水装置に限らず、貯水タンク内の水位を静電容量式水位センサで検出して、貯水タンク内の水位が所定の水位制御範囲内に収まるように排水制御を行うように構成されたあらゆる排水装置に対して、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。
【図２】貯水タンク及びその周辺を拡大して示す図である。
【図３】排水制御に関わるコントロールユニットの処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】低温専用シーケンスの処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】低温専用シーケンスの変形例を示すフローチャートである。
【図６】外気温センサを付加した燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。
【図７】凍結による静電容量式水位センサ検出値のオフセット量とシステム起動時からの経過時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料電池スタック
２  コントロールユニット
２０  貯水タンク
２１  排水バルブ
２３  静電容量式水位センサ
２４  ヒータ
２５  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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