(57)【要約】【課題】水タンク２２内に存在する液水の量を精度良く推定する燃料電池システム３４を提供する。【解決手段】燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行い、且つ冷却あるいは燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿を行うための水通路１７を備える燃料電池スタック３と、水通路１７に水を循環させる水循環装置１８と、水通路１７を循環する水を貯留する水タンク２２と、水タンク２２内に貯留されている水の量を推定する水位推定手段１９と、水タンク２２内の水が凍結した場合に解凍を行う解凍手段２５とを有し、水位推定手段１９が、水タンク２２内に貯留されている水の凍結状態及び解凍状態を推定する。【選択図】図１
2006140044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行い、且つ冷却あるいは前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの加湿を行うための水通路を備える燃料電池スタックと、
前記水通路に水を循環させる水循環装置と、
前記水通路を循環する前記水を貯留する水タンクと、
前記水タンク内に貯留されている前記水の量を推定する水位推定手段と、
水タンク内の水が凍結した場合に解凍を行う解凍手段とを有し、
前記水位推定手段が、前記水タンク内に貯留されている前記水の凍結状態及び解凍状態を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水位推定手段は、前記水タンク全体或いは前記水タンク内の一部の静電容量を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水位推定手段は、前記静電容量から前記水タンク内に貯留されている前記水が凍結しているか否かを判断し、解凍した前記水（以後、「液水」という）の量を推定し、
前記液水の量が所定値以上であると推定された時点で、前記水通路への前記水の供給を開始することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定値は、水通路内へ前記水を循環させるのに必要な量であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定値は、前記水タンク内に貯留されている前記水の全量であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水位推定手段は、前記水タンク内の前記水が凍結しているか否かを推定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に、水タンク内の凍結した水を解凍する解凍手段を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に、自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源、あるいは動力源として、燃料電池技術が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、その燃料となる水素あるいは水素濃度の高いガスおよび酸化剤となる酸素あるいは酸素を含んだ空気を電解質と電極触媒との複合体である燃料電池スタックに供給し、電気化学反応を起こして、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるエネルギー変換システムである。燃料電池システムの中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池は、スタック温度が８５℃以下になるよう制御されるのが一般的なため、冷媒には水を用いることが多い。また、電解質は加湿状態で使用され、更に発電に伴い水が生成される。
【０００４】
従来から、燃料電池システムの水供給系、特に燃料電池システム内で凍結した水の解凍に関する技術が盛んに研究されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１では、燃料電池スタックの排出空気から水を回収する水循環系であって、水タンク、水を放出する放出手段、及びこれらをつなぐ水供給管路とを有する水直噴タイプの燃料電池システムの水循環系において、燃料電池システム停止時に水が充填された状態で維持される水供給管路を加熱するヒータが設けられている。ここで凍結検出手段として温度センサやレーザセンサなどを用いることができ、凍結検出手段により水供給管路内の氷が解凍されたことを確認した後、ポンプを稼動させて水の供給を開始する。
【特許文献１】特開２００３−０８６２１４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、特許文献１に開示された技術では、水を貯蔵する水タンク内で凍結した水を解凍するための時間を短縮することができない。したがって、燃料電池システムの起動のために水タンク内の水を解凍する必要がある場合、氷点下での起動時間が比較的長くなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特徴は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行い、且つ冷却あるいは燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿を行うための水通路を備える燃料電池スタックと、水通路に水を循環させる水循環装置と、水通路を循環する水を貯留する水タンクと、水タンク内に貯留されている水の量を推定する水位推定手段と、水タンク内の水が凍結した場合に解凍を行う解凍手段とを有する燃料電池システムであって、水位推定手段が、水タンク内に貯留されている水の凍結状態及び解凍状態を推定することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水タンク内に存在する液水の量を精度良く推定する燃料電池システムを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム３４は、燃料ガス（水素ガス）中の水素と酸化剤ガス（空気）中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行い、且つ水素ガス及び空気の加湿を行うための水通路１７を備える燃料電池スタック３と、水通路１７に水を循環させる水循環装置１８と、水通路１７を循環する水を貯留する水タンク２２と、水タンク２２内に貯留されている水の量を推定する水位推定手段としての水位推定部１９と、水タンク２２内の水が凍結した場合に解凍を行う解凍手段としてのヒータ２５と、水素ガスを供給する水素供給装置１と、空気を供給する空気供給装置２と、燃料電池スタック３で消費されずに残った排水素ガス（アノードオフガス）を水素供給装置１からの供給水素ガスと混合して再度燃料電池スタック３へ供給するアノードオフガス循環装置６と、燃料電池スタック３から排出される排空気（カソードオフガス）に含まれる水を用いて空気供給装置２からの供給空気を加湿する加湿装置１０と、燃料電池スタック３内を循環する冷媒を冷却する冷媒冷却装置９と、燃料電池スタック３内に冷媒を循環させる冷媒ポンプ２１とを有する。燃料電池システム３４の運転状態はシステムコントローラ７により制御され、システムコントローラ７の起動は運転者によるイグニッションスイッチのオン／オフにより制御される。
【００１１】
燃料電池スタック３は、水素ガスが供給されるアノード極４と、空気が供給されるカソード極５と、水通路１７とを備える。水素供給装置１は水素供給配管１１を通じて水素ガスをアノード極４へ供給し、空気供給装置２は空気供給配管１４を通じて空気をカソード極５に供給する。供給された水素と酸素はアノード極４とカソード極５の間に挟持された電解質膜を介して反応して発電する。その際、アノード極４からは消費されずに残った排水素ガス（アノードオフガス）がアノードオフガス配管１３へ排出され、カソード極５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した生成水を含んだ排空気（カソードオフガス）がカソードオフガス配管１６から排出される。
【００１２】
アノードオフガス循環装置６は、アノードオフガス循環配管１２を通じてアノードオフガスを水素供給配管１１に全量循環させる。アノードオフガスは供給水素と混合されてアノードガスを形成して再度アノード極４へ供給される。一方、加湿装置１０は、カソードオフガス中の水を回収して、空気供給配管１４内の供給空気を加湿する。カソードオフガスは、その後、カソード圧力調整弁３６を介して排出される。
【００１３】
燃料電池スタック３が発電する際に生じる熱は冷媒により除去される。燃料電池スタック３内には冷媒が流通する冷媒流路が形成されており、冷媒流路は冷媒配管２０に接続されている。冷媒は、冷媒ポンプ２１により冷媒流路及び冷媒配管２０内を循環する。その際、冷媒は、冷媒通路切替弁３３を介して冷媒冷却装置９に流入して比較的温度が低い外気との間で熱交換が行われて温度が低減され、その後、冷媒ポンプ２１で圧送されて再び燃料電池スタック３内に流入する。このようにして、燃料電池スタック３の温度は、冷媒により管理される。なお、燃料電池システム３４を起動する時など、燃料電池スタック３の温度が比較的低い場合には、システムコントローラ７は、冷媒通路切替弁３３の開度を調整して冷媒が冷媒冷却装置９をバイパスすることにより、燃料電池スタック３の温度を短時間で所定温度に高めるよう制御する。
【００１４】
水通路１７は、燃料電池スタック３内においてカソード極５に供給された空気及びアノード極４に供給された水素ガスを加湿し、燃料電池スタック３での発電に伴い生成した生成水が吸収するために設けられている。水通路１７は燃料電池スタック３外部において上流水配管１５及び下流水配管２３を介して水タンク２２に接続されている。水タンク２２は、生成水を所定量貯留することを目的とする。水ポンプ１８を動作させることにより、水タンク２２と燃料電池スタック３との間で水が循環する。なお、下流水配管２３上には水圧力推定手段２６とオリフィス２７が順に配置されており、水圧力推定手段２６が推定する水の圧力が所定値以上である場合に水が循環していると判断する。
【００１５】
水タンク２２内の上部には、大気開放配管２８及び大気開放遮断弁３１が配置されている。燃料電池システム３４が運転されている時は、大気開放遮断弁３１は開かれ、水タンク２２内に貯留されている生成水量が変化しても水タンク２２の内圧を大気圧に保たれ、水の供給圧力の変動を抑制している。燃料電池システム３４の運転が停止されている時は、大気開放遮断弁３１は閉じている。水タンク２２内の水が気化することにより大気中に放出されて貯留水量が減少することを防止できる。
【００１６】
水タンク２２内に配置されている水位推定部１９は、水タンク２２内の水位を推定する。具体的には、水タンク２２全体或いは水タンク２２内の一部の静電容量を推定する。詳細は図３を参照して後述する。水タンク２２の水量は、水位推定部１９が推定する水位に基づいて、所定範囲内を維持するように制御される。水位が予め設定される基準水位下限値よりも低い場合には温度、圧力などの燃料電池システム３４の運転条件を変更して車外に排出される水分量よりも水タンク２２に回収される生成水量を増やすように制御する。逆に水位が基準水位上限値よりも高い場合には水タンク２２に設置される生成水排出手段（２９、３０）により生成水を車外に排出して、水位が所定範囲内となるように制御される。
【００１７】
また、水タンク２２の周囲には、加熱手段の一例としてのヒータ２５が設置されている。ヒータ２５は、システム温度が氷点下となり水タンク２２内の水が凍結する場合に水タンク２２を加熱して氷を解凍する。システムコントローラ７は、システム起動時において水タンク２２内に設置される水タンク温度推定部３９の出力値に基づき、水タンク２２が凍結している可能性があると判断された場合には、ヒータ２５に通電して水タンク２２内の氷を解凍する。
【００１８】
図２は図１の水タンク２２内に液水４１と氷４０が混在する様子を示す。水位推定部１９は水タンク２２の上部から底部にかけて配置され、氷４０と液水４１に接している。水位推定部１９は、水タンク２２の中で最も加熱され難い部位である中心部に設置することが望ましい。また、水位推定部１９は、水タンク２２外に独立して隣接する位置に設置しても構わない。水タンク温度推定部３９は水タンク２２内の底部の液水４１の温度を測定する。水タンク２２の底面には排水配管３０が接続され、排水遮断弁２９が配置されている。排水遮断弁２９を開くことにより排水配管３０から水タンク２２内の水が排出される。水ポンプ１８は水タンク２２内の底部から液水４１を取込み、燃料電池スタック３へ圧送している。水タンク２２の外周はヒータ２５により覆われている。
【００１９】
図３に示すように、水位推定部１９は、水タンク２２の上部から底部にかけて配置された中央電極４２と接地電極４３とを備える。中央電極４２の周囲に接地電極４３が一定の間隔をおいて平行に配置されている。前述したように、水位推定部１９は、水タンク２２全体或いは水タンク２２内の一部における中央電極４２と接地電極４３の間の静電容量を推定することにより、水タンク２２内の水位を推定する静電容量式水位センサ或いは静電容量式液面センサである。中央電極４２と接地電極４３の間に水が存在する場合と空気が存在する場合との比誘電率の違いから水位を推定する。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態では、水位推定部１９が、水タンク２２内に貯留されている水の凍結状態及び解凍状態を推定する。ここで、「水の凍結状態」とは、水タンク２２内に貯蔵されている水が凍結しているか否かの状態を示し、「水の解凍状態」とは、水タンク２２内で凍結した水がヒータ２５によりどの程度（割合）まで解凍したかの状態、つまり、氷と液水との割合を示す。「液水」とは凍結していない水を示す。
【００２１】
水タンク２２内の水が全量凍結している場合、つまり総ての水が氷である場合では、氷の比誘電率（＝約３．２）が液水の比誘電率（＝約８１）に対して比較的小さいことにより、同量の水であっても水位推定部１９が推定する水位値は全量が液水（凍結していない水）の場合と比較して水位が低いと判断されることになる。逆に、水タンク２２内の水が全量解凍している場合、つまり総ての水が液水である場合では、同量の水であっても水位推定部１９が推定する水位値は全量が氷の場合と比較して水位が高いと判断されることになる。
【００２２】
図２及び図３に示すように、水タンク２２内に液水４１と氷４０が共存する場合では、液水４１と氷４０の割合に応じて水タンク２２内の水が全量液水の場合と全量氷の場合との中間的な水位面推定値が出力される。したがって、凍結する以前の水タンク２２内の水位及び前記水位に基づき推定される水タンク２２内の水量を予め把握しておくことにより、解凍運転中での水タンク２２内の液水４１の量を推定することができる。図４に示すように、水位推定部１９が推定する水位が上昇すると共に、氷に対する液水の割合が増加し、水タンク２２内の液水の量が増加する。水タンク２２内の液水の量が水循環に必要な量に達した時点において、水循環を開始することができる。ここで、「水循環に必要な量」とは、少なくとも水タンク２２から上流水配管１５、燃料電池スタック３内の水通路１７、下流水配管２３、及び併設される部品の内容積の合計容積分の水量を示す。
【００２３】
これにより、水タンク２２内の水の総てが解凍できていなくても、燃料電池システム３４内への水循環に必要な量以上の水が解凍されていると判断された時点で水循環を開始することにより、起動時間を短縮することができる。
【００２４】
従来における問題点として次に示すものがある。即ち、ヒータ２５は氷の融解温度以上の加熱温度で水タンク２２を加熱するため、ヒータ２５に当接して部分的に解凍された水は、０℃以上に加熱されることになるが、燃料電池システム３４のように急速なシステム起動のために急速加熱が必要な場合には、加熱のために供給する熱量と比較して解凍した水と氷の間で伝達される熱量が比較的低いために、主には水だけが加熱され続け、水と氷の温度差が大きくなる可能性が高い。その際、水タンク温度推定部３９により水タンク２２内の水の解凍判断を行う場合は、解凍完了判断のための温度閾値を０℃よりも大きく設定しなければならず、比較的高い温度にまで加熱することになるために水タンク２２の解凍には長時間及び多くの熱量を要する。
【００２５】
また、予め実験的に求められる解凍時間などで解凍判断を行う場合では、例えば０℃付近からの起動を行う場合にはどの程度の氷が存在するか把握しにくく、氷の融解に要する熱量がどの程度必要か把握しにくいため、解凍判断が正確に行われにくく、最悪の場合は水ポンプ１８が氷を吸い込み、吐出性能の低下を招く可能性がある。
【００２６】
これに対して、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムによれば、水位推定部１９としての静電容量式水位センサを用いて、液水４１と氷４０の比誘電率の違いにより解凍された水量を推定できるため、燃料電池システム３４の起動開始時における水タンク２２の温度が何℃であっても、比較的精度良く水タンク２２内の液水量を推定して燃料電池システム３４の起動時間を短縮することができる。
【００２７】
図５を参照して、図１に示した燃料電池システム３４の運転状態を制御するシステムコントローラ７の動作を説明する。
【００２８】
（イ）先ずＳ１０段階において、運転者が自らの意思のもとにイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）をオフ状態からオン状態へとする。Ｓ２０段階において、ＩＧＮのオンによりシステムコントローラ７が起動される。
【００２９】
（ロ）Ｓ３０段階において、水タンク温度推定部３９が水タンク２２内の液水４１の温度を推定する。Ｓ４０段階において、水タンク温度推定部３９が推定した水タンク温度推定値が氷点（０℃）以下であるか否かを判断する。水タンク温度推定値が氷点（０℃）以下である場合（Ｓ４０段階においてＹＥＳ）Ｓ５０段階に進み、水タンク温度推定値が氷点（０℃）より大きい場合（Ｓ４０段階においてＮＯ）Ｓ１００段階に進む。
【００３０】
（ハ）Ｓ５０段階において、水タンク２２内の水は凍結していると判断して、加熱手段としてのヒータ２５に通電することによってヒータ２５の発熱により水タンク２２内の氷の解凍を開始する。Ｓ６０段階において、水位推定部１９が、中央電極４２と接地電極４３の間の静電容量を推定することにより、水タンク２２内に貯留されている水の凍結状態及び解凍状態を推定する。具体的には、凍結する以前の水タンク２２内の水位及び前記水位に基づき推定される水タンク２２内の水量を予め把握しておくことにより、解凍運転中での水タンク２２内の液水４１の量を推定する。例えば、前回のシステム停止時に予めシステムコントローラ7に記憶させておいた、水タンク２２内の水位と水タンク２２の形状により推定される水タンク２２内の貯留水量を用いて、解凍中の水位推定部１９の推定値を基に水タンク２２内の液水量を推定する。
【００３１】
（ニ）Ｓ７０段階において、水位推定部１９が推定する液水量が図４の水循環必要量としての所定量以上になることを監視する。液水量が所定量以上になった時点で、Ｓ８０段階に進み、水ポンプ１８の動作を開始して、燃料電池スタック３内の水通路１７へ水の循環を開始する。Ｓ９０段階において、水圧力推定部２６は下流水配管２３内の圧力が所定値以上であることを確認する。
【００３２】
（ホ）下流水配管２３内の圧力が所定値以上であることから水が循環していることを確認した後、Ｓ１００段階において、水素供給装置１、空気供給装置２、及び水ポンプ１８によりそれぞれ水素ガス、空気、及び水の供給を開始する。なお、Ｓ４０段階において温度推定値が氷点よりも大きい場合も、水素ガス、空気、及び水の供給を開始する。そして、Ｓ１１０段階において燃料電池スタック３において発電を開始し、Ｓ１２０段階においてヒータ２５への通電を停止し、通常運転に移行する。
【００３３】
以上説明したように、少なくとも燃料電池システム３４の温度が氷点下となる可能性がある場合に、水位推定部１９を用いて水タンク２２内の水の凍結・解凍状態を推定することにより、水位推定部１９を流用することができ、システム部品を増やすことなく比較的簡素な構成で水タンク２２内の水の凍結・解凍状態を推定することができる。
【００３４】
また、水位推定部１９は、水タンク２２全体或いは水タンク２２内の一部の静電容量を推定する手段とすることにより、システム温度が氷点下となる場合に、液水４１と氷４０の誘電率の差異に基づき水タンク２２内に貯留する水の凍結・解凍割合を推定することにより、水タンク２２内に存在する液水４１の量を精度良く推定することができる。
【００３５】
更に、燃料電池システム３４の温度が氷点下である場合のシステム起動時に、水位推定部１９により水タンク２２内の液水量を推定し、液水量が所定量以上であると推定された時点で、燃料電池システム３４内へ水の循環を開始することにより、氷点下からの起動であっても確実に水の循環を行いつつ起動時間を短縮することができる。
【００３６】
更に、所定液水量を、燃料電池システム３４内の水循環に必要な量とすることにより、必要最低限の水の解凍を行った時点で水を循環してシステム起動を行えるため、システム温度が氷点下である場合の起動時間を大幅に短縮することができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、燃料電池システム３４へ水循環を開始する時点を、水タンク２２内の氷が略全量解凍できた時点とする低温起動制御方法について説明する。
【００３８】
第２の実施の形態に係わる燃料電池システムは図１に示した燃料電池システム３４と同じであり、図示及び説明を省略する。同様に、第２の実施の形態に係わる低温起動制御方法は、図５に示したフローチャートと同じであり、図示及び説明を省略する。
【００３９】
図６に示すように、図４と同様に、水位推定部１９が推定する水位が上昇すると共に、氷に対する液水の割合が増加し、水タンク２２内の液水の量が増加する。水タンク２２内の液水の量が水循環に必要な量に達した時点において、水循環を開始することができる。ここで、「水循環に必要な量」は、図４と異なり、水タンク２２内に貯留されている水の全量である。
【００４０】
第２の実施の形態では、図５のＳ７０段階において、水位推定部１９が推定する液水の量が「所定値」として水タンク２２内に貯留されている水の全量と実質的に一致することを監視し、Ｓ８０段階において、ほぼ総ての水が解凍された時点で、水通路１７への水の供給を開始する。
【００４１】
これにより、水の循環を行うまでに必要な起動時間を精度よく短縮し、且つ水ポンプ１８が水タンク２２内の水を吸い出す際に水ポンプ１８及び水配管１５、２３、水通路１７に氷が浸入することにより部品性能の低下が生じることを防止することができる。
【００４２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態では、水タンク２２内の水が凍結しているか否かの判断を水位推定部１９が行う低温起動制御方法について説明する。
【００４３】
図７に示すように、燃料電池システム３４を停止した後から時間が経過するにしたがって、水タンク２２内の温度は低下する。燃料電池システム３４を停止した時点では、水タンク２２内の水は液水の状態であったが、０℃を下回ると過冷却の状態を経て、液水から氷へ相変化が起こり、凍結する。
【００４４】
水タンク２２内の水は外気温度の低下に伴って凍結する際には、比較的緩やかな温度変化を示すために水タンク２２内の水のほとんどが概ね同時期に凍結する。したがって、水から氷への相変化に伴い、水位推定部１９が推定する水タンク２２内の静電容量は急激に低下する。この静電容量の変化を基に水タンク２２内の水の凍結状況を判断し、部分的にでも凍結している可能性があると判断された場合には水タンク２２のヒータ２５に通電するよう制御する。
【００４５】
これにより、水タンク温度推定部３９では温度推定誤差や、水が凍結する際に放出する融解熱による氷の温度上昇により、実際には凍結しているにも関わらず氷点以上であると判断される可能性がある場合でも、精度良く水の凍結状態を推定し、システム起動を速やかに行うことができる。
【００４６】
このように、水タンク温度推定部３９が推定する水タンク２２内の温度の変化が比較的緩やかであるのに対して、相転移前後における静電容量の変化が比較的急峻である。したがって、水タンク温度推定部３９では温度推定誤差があり、水が凍結する際に放出する融解熱による氷の温度上昇により、実際には凍結しているにも関わらず氷点以上であると判断される可能性があるが、水位推定部１９を用いることにより、精度良く水の凍結状態を推定し、システム起動を速やかに行うことができる。
【００４７】
図８を参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システム３４の運転状態を制御するシステムコントローラ７の動作を説明する。なお、図８のフローチャートは、図５に比べてＳ２２０〜Ｓ２４０段階が異なり、Ｓ２１０段階及びＳ２５０〜Ｓ３２０段階は、図５のＳ１０段階及びＳ５０〜Ｓ１２０段階と同じである。
【００４８】
（イ）先ずＳ２１０段階において、運転者が自らの意思のもとにイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）をオフ状態からオン状態へとする。Ｓ２２０段階において、ＩＧＮのオンによりシステムコントローラ７が起動される。
【００４９】
（ロ）Ｓ２３０段階において、水位推定部１９が水タンク２２内の水位を推定する。Ｓ２４０段階において、水位推定部１９が推定した水タンク２２内の水位推定値が前回システムを停止した時の水位未満であるか否かを判断する。水位推定値が前回システムを停止した時の水位未満である場合（Ｓ２４０段階においてＹＥＳ）Ｓ２５０段階に進み、水位推定値が前回システムを停止した時の水位以上である場合（Ｓ２４０段階においてＮＯ）Ｓ３００段階に進む。
【００５０】
（ハ）Ｓ２５０段階において、水タンク２２内の水は凍結していると判断して、加熱手段としてのヒータ２５に通電することによってヒータ２５の発熱により水タンク２２内の氷の解凍を開始する。Ｓ２６０段階において、水位推定部１９が、凍結する以前の水タンク２２内の水位及び前記水位に基づき推定される水タンク２２内の水量を予め把握しておくことにより、解凍運転中での水タンク２２内の液水４１の量を推定する。
【００５１】
（ニ）Ｓ２７０段階において、水位推定部１９が推定する液水量が図４或いは図６の水循環必要量としての所定量以上になることを監視する。液水量が所定量以上になった時点で、Ｓ２８０段階に進み、水ポンプ１８の動作を開始して、燃料電池スタック３内の水通路１７へ水の循環を開始する。Ｓ２９０段階において、水圧力推定部２６は下流水配管２３内の圧力が所定値以上であることを確認する。
【００５２】
（ホ）下流水配管２３内の圧力が所定値以上であることから水が循環していることを確認した後、Ｓ３００段階において、水素供給装置１、空気供給装置２、及び水ポンプ１８によりそれぞれ水素ガス、空気、及び水の供給を開始する。なお、Ｓ２４０段階において温度推定値が氷点よりも大きい場合も、水素ガス、空気、及び水の供給を開始する。そして、Ｓ３１０段階において燃料電池スタック３において発電を開始し、Ｓ３２０段階においてヒータ２５への通電を停止し、通常運転に移行する。
【００５３】
このように、水位推定部１９を用いて、燃料電池システム３４の温度が氷点下に推移する可能性がある際に水タンク２２内の水の凍結判断を行うことにより、システム構成を簡素に保ちつつ水タンク２２内の水の解凍判断を行えると同時に、水が氷に相変化する際の水の発熱による温度上昇や、あるいは温度検出部３９の推定誤差により、水が凍結しているにも関わらず凍結していないと誤判断することを抑制し、システム起動中に水の循環が行えないことによるシステム起動性能の低下を抑制することができる。即ち、温度ばらつき、過冷却後の凍結など、水タンク温度推定部３９では拾えない要因を低減することができる。
【００５４】
また、氷点下起動にて、氷の凍結温度あるいは水タンク２２内温度バラツキなどの要因に因らず水タンク２２内の解凍量を的確に推定して水循環開始までの時間を短縮することができる。この時、循環に必要な量を解凍した時点で水循環を開始する一方、水タンク２２内水量を減らして氷とヒータ２５との熱交換を促進させて氷解凍を促進し、システム起動時間を短縮する。
【００５５】
上記のように、本発明は、第１乃至第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１の水タンク内に液水と氷が混在する様子を示す断面図である。
【図３】図２の水位推定部の構成を示す断面図である。
【図４】水位推定部が推定する水タンク内の水位と液水／氷の割合との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示した燃料電池システムの低温起動制御方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わる、水位推定部が推定する水タンク内の水位と液水／氷の割合との関係を示すグラフである。
【図７】燃料電池システムを停止した後からの時間経過による、水タンク内の温度及び水タンク内の水位推定値の変化を示すグラフである。
【図８】第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの低温起動制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１…水素供給装置
２…空気供給装置
３…燃料電池スタック
４…アノード極
５…カソード極
６…アノードオフガス循環装置
７…システムコントローラ
９…冷媒冷却装置
１０…加湿装置
１１…水素供給配管
１２…アノードオフガス循環配管
１３…アノードオフガス配管
１４…空気供給配管
１５…上流水配管
１６…カソードオフガス配管
１７…水通路
１８…水ポンプ（水循環装置）
１９…水位推定部（水位推定手段）
２０…冷媒配管
２１…冷媒ポンプ
２２…水タンク
２３…下流水配管
２５…ヒータ（解凍手段）
２６…水圧力推定部
２７…オリフィス
２８…大気開放配管
２９…排水遮断弁
３０…排水配管
３１…大気開放遮断弁
３３…冷媒通路切替弁
３４…燃料電池システム
３６…カソード圧力調整弁
３９…水タンク温度推定部
３９…温度検出部
４０…氷
４１…液水
４２…中央電極
４３…接地電極
【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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【図８】
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