(57)【要約】【課題】燃料電池が発電するときに生成する生成水が多量のときでも、生成水を貯蔵するタンクが満水になることを防止するとともに、一度に多量の生成水を車外に排出することのない燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１で生成された生成水を純水タンク２に貯蔵し、この水位を純水タンク水位センサ３で検出して制御部５が第１の排水弁４の開閉を制御するとともに、水位制御により純水タンク２から排出した生成水をバッファタンク６に貯蔵する。このバッファタンク６にはオリフィス９が設けられているので、生成水はバッファタンク６から流量を制限されながら車外に排出される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料側電極及び酸化剤側電極にそれぞれ燃料及び酸化剤の供給を受けて電力を発電する燃料電池と、前記燃料電池が発電するときに生成した生成水を貯蔵する純水タンクと、前記純水タンクに貯蔵された生成水を排出する第１の排水弁と、前記純水タンクの水位に基づいて前記第１の排水弁の開閉を制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、
前記第１の排水弁から排出された生成水を貯蔵するバッファタンクと、
前記バッファタンクに外気を取り入れる外気取り入れ口と、
前記バッファタンクに貯蔵されている生成水を排水する第１の排水配管と、
前記第１の排水配管の流量を制限する圧損手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧損手段における圧力損失は、前記バッファタンクからの排水量が所定流量未満となる値に設定され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】
前記バッファタンクに貯蔵されている生成水を排水する第２の排水配管をさらに備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の排水配管は、前記バッファタンクが満水になったときに生成水の排水が開始される位置に設置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の排水配管は、前記外気取り入れ口の大気開放部よりも低い位置に設置されていることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バッファタンクの水位を検出するバッファタンク水位検出手段と、前記第２の排水配管に設置された第２の排水弁とをさらに備え、
前記制御手段は、前記バッファタンク水位検出手段で検出された前記バッファタンクの水位に基づいて前記第２の排水弁の開閉を制御することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１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、燃料電池システムに係り、特に燃料電池が発電するときに生成した生成水の排水制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車に搭載されている従来の燃料電池システムでは、水素リッチな燃料ガスと空気とを燃料電池に流入させて電気化学反応によって起電力を発生させている。そして、この燃料電池で発生した起電力と燃料電池に並列に接続されているバッテリからの電力とをインバータに供給し、モータを駆動して電気自動車の推進力を得ている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池で水素と酸素とを反応させて電力を取り出すと水が生成される。この生成された水はタンクに貯蔵され、一部を供給ガスの加湿などに使用したりするが、余った生成水は車両外部に排出している。
【０００４】
ここで、車外への生成水の排出制御を行う燃料電池システムの従来例として、例えば特開昭６２−１６５８７０号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００５】
この従来例では、生成水を貯蔵するタンクの水位を検出して排出弁を開いて生成水を車両外部に排出する際に、タンク内の水位の低下によってタンクの内容積が変化し、タンク内圧が急激に変動してしまうことを防ぐために、排出弁の後に圧損部を設けて排水量を制限している。
【特許文献１】特開昭６２−１６５８７０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、上述した特許文献１に開示された従来例では、圧損部によってタンクからの排水量が制限されているので、排水量に対して生成水の水量が上回ると、タンクの水位は増加傾向となり水位の上昇を回避できなくなってしまうという課題があった。
【０００７】
また、タンクから車両外部への排水量が多量であると、システムの故障による水漏れなのか、それとも正常な動作による排水なのかを区別することが難しく、運転者に誤解を与えてしまうという課題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料側電極及び酸化剤側電極にそれぞれ燃料及び酸化剤の供給を受けて電力を発電する燃料電池と、前記燃料電池が発電するときに生成した生成水を貯蔵する純水タンクと、前記純水タンクに貯蔵された生成水を排出する第１の排水弁と、前記純水タンクの水位に基づいて前記第１の排水弁の開閉を制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、前記第１の排水弁から排出された生成水を貯蔵するバッファタンクと、前記バッファタンクに外気を取り入れる外気取り入れ口と、前記バッファタンクに貯蔵されている生成水を排水する第１の排水配管と、前記第１の排水配管の流量を制限する圧損手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムでは、純水タンクに圧損部のような排水流量を制限する手段を設けることなくバッファタンクに排水し、さらにバッファタンクには外気取り入れ口を設けたので、純水タンクの水位に応じて任意の排水量をバッファタンクへ即座に排出することができる。これによって生成水の量が増加しても純水タンクの排水量に対して生成水の水量が上回るような事態を避けることができ、純水タンクの水位上昇を回避することができる。
【００１０】
また、バッファタンクには圧損部を設けたので、バッファタンクからの排水量を制限することができ、これによって運転者がシステムの故障による水漏れと誤解するような一度に多量の排水を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施例の燃料電池システムは、水素と酸素を原料として発電する燃料電池１と、燃料電池１が発電するときに生成した生成水を貯蔵する純水タンク２と、純水タンク２の水位を検出する純水タンク水位センサ３と、純水タンク２に貯蔵された生成水を排出する第１の排水弁４と、純水タンク２の水位に基づいて第１の排水弁４の開閉を制御する制御部（制御手段）５と、第１の排水弁４から排出された生成水を貯蔵するバッファタンク６と、バッファタンク６に外気を取り入れる外気取り入れ口７と、バッファタンク６に貯蔵されている生成水を排水する第１の排水配管８と、第１の排水配管の流量を制限するオリフィス（圧損手段）９とを備えている。
【００１４】
ここで、燃料電池１は、燃料側電極及び酸化剤側電極にそれぞれ燃料及び酸化剤の供給を受けて電力を発電し、この発電によって燃料電池１は水を生成する。生成された水は純水タンク２へと送られる。
【００１５】
純水タンク２は、燃料電池１で生成された生成水を貯蔵しており、この生成水の水位は純水タンク水位センサ３によって検出され、制御部５に出力されている。ただし、純水タンク水位センサ３は、純水タンク２の水位を検出できる手段であればよく、例えばレベルスイッチなどを用いてもよい。
【００１６】
第１の排水弁４は、制御部５からの開閉信号によって制御されており、純水タンク２に貯蔵されている生成水をバッファタンク６に排水する。
【００１７】
制御部５は、純水タンク水位センサ３によって検出された純水タンク２の水位に基づいて、第１の排水弁４に開閉信号を送信して、純水タンク２の水位を所定の範囲内となるようにコントロールしている。このとき、制御部５は生成水を純水タンク２から排水したことによって、純水タンク２における空間の容積が変化し、燃料電池システムに影響が出ないような範囲に制御している。
【００１８】
バッファタンク６は、純水タンク２から排出された生成水を貯蔵しており、外気取り入れ口７が設置されている。このため、水量が増加したときに内圧が上昇して生成水の流れ込みが抑えられることがなく、純水タンク２から排出された生成水は即座にバッファタンク６に流入する。
【００１９】
第１の排水配管８は、バッファタンク６に貯蔵されている生成水を車外に排水しており、このときオリフィス９によって排水する水の流量を制限しながら排水している。
【００２０】
オリフィス９は、第１の排水配管８の途中に挿入されて流路を絞る穴のあいた円板で、この円板の下流側では、上流側と比較して圧力が低下して圧力損失を生じる。そして、本実施例のオリフィス９では円板の穴の径を調節することによって、圧力損失の値をバッファタンク６からの排水量が所定流量未満となるような値に設定する。これによって、車外へ一度に多量の生成水を排出してしまうことがないように設定することができる。ただし、ここでは排水量を制限するための手段として、オリフィスを例示しているが、バッファタンク６からの排水量が所定流量未満となるように制限できるものであれば、可変弁などその他の装置や方法であってもよい。
【００２１】
次に、本実施例の燃料電池システムの動作を説明する。
【００２２】
まず、燃料電池１で発電が行われて水が生成されると、この生成水は純水タンク２に貯蔵されていき、この水位を純水タンク水位センサ３が検出して制御部５に送信する。
【００２３】
制御部５では図２に示す制御ロジックに基づいて、第１の排水弁４の開閉を制御するための開閉信号を生成する。図２は純水タンク２と開閉信号との関係を示す制御ロジックであり、同図に示すように、制御ロジックはヒステリシスを持っている。図２において、純水タンク２の水位がＬ２になるまでの間、制御部５は開閉信号「０」を出力し、この開閉信号を受けて第１の排水弁４は閉じたままの状態となる。
【００２４】
そして、純水タンク２の水位がＬ２より高くなると、制御部５は開閉信号「１」を出力し、この開閉信号を受けて第１の排水弁４が開き、生成水がバッファタンク６へ排出される。このとき、バッファタンク６には外気取り入れ口７が設置されているので、生成水は即座にバッファタンク６に排出されることになる。
【００２５】
そして、純水タンク２の水位がＬ１より低くなると、制御部５は開閉信号「０」を出力し、この開閉信号を受けて第１の排水弁４は閉じる。
【００２６】
ここで、水位Ｌ１、Ｌ２は、生成水を純水タンク２から排水したことによって、純水タンク２における空間の容積が変化し、燃料電池システムに影響が出ないような値に予め設定されている。
【００２７】
こうして生成水がバッファタンク６に排水されると、生成水はバッファタンク６に貯蔵され、オリフィス９によって流量を制限されながら第１の排水配管８を通じて車外に排出されていく。
【００２８】
ここで、図３に多量の生成水を排水しないための上限の排水流量と車速との関係を示す。Ｖｍａｘは車両の最高速度である。図３に示すように、車速がＶｍａｘのときに上限排水流量は最小値Ｑｍｉｎになる。したがって、オリフィス９の出口流量がＱｍｉｎ以下となるように、オリフィス９の径を設定しておけば、車両から一度に多量の生成水を排水してしまうことを防ぐことができる。
【００２９】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、純水タンク２に圧損部のような排水流量を制限する手段を設けることなくバッファタンク６に排水し、さらにバッファタンク６には外気取り入れ口７を設けたので、純水タンク２の水位に応じて任意の排水量をバッファタンク６へ即座に排出することができる。これによって生成水の量が増加しても、純水タンク２の水位上昇を回避することができる。
【００３０】
また、バッファタンク６にはオリフィス９を設けたので、バッファタンク６からの排水流量を所定値以下に制限することができる（請求項１の効果）。
【００３１】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、オリフィス９における圧力損失を、バッファタンク６からの排水量が所定流量未満となる値に設定するので、運転者がシステムの故障による水漏れと誤解するような一度に多量の排水を防止することができる（請求項２の効果）。
【実施例２】
【００３２】
次に、本発明の実施例２を図４に基づいて説明する。図４は、本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示すように、本実施例の燃料電池システムは、バッファタンク６に貯蔵されている生成水を排水するための第２の排水配管１０をさらに備えていることが実施例１と異なっている。ただし、その他の構成については、実施例１と同様なので詳しい説明は省略する。
【００３３】
ここで、第２の排水配管１０は、第１の排水配管８から排水される水量よりも純水タンク２から流入する水量のほうが多くなる状態が続いて、バッファタンク６が満水になった場合に余剰水を排水するために設置されている。そして、第２の排水配管１０の設置位置は、バッファタンク６が満水になったときに生成水の排出が開始される位置に設置されている。例えば、図４に示すようにバッファタンク６の上面から排水されるように設置してもよいし、バッファタンク６側面の最上部に設置するようにしてもよい。
【００３４】
これにより、第２の排水配管１０からの排水が開始されまでの時間をより長くすることができ、バッファタンク６の容量を有効に活用することができる。
【００３５】
また、第２の排水配管１０は、外気取り入れ口７の大気開放部１１よりも低い位置を通るように設置する。これにより、バッファタンク６の水位が上昇してきた場合に、外気取り入れ口７よりも先に第２の排水配管１０から生成水が排水されることになるので、外気取り入れ口７から生成水が排出されることを防止することができる。例えば、図４の場合ではバッファタンク６が満水になると、水位は図中矢印Ａで示す位置までは上昇するが、それ以上は第２の排水配管１０から排水されるので、上昇することはない。
【００３６】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、バッファタンク６に貯蔵されている生成水を排水する第２の排水配管１０をさらに備えたので、バッファタンク６が満水になったときの余剰水を排水することができる（請求項３の効果）。
【００３７】
また、本実施例の燃料電池システムでは、第２の排水配管１０をバッファタンク６が満水になったときに生成水の排出が開始される位置に設置するので、バッファタンク６から生成水の排水が開始されるまでの時間をより長くすることができ、バッファタンク６の容量を有効に活用することができる（請求項４の効果）。
【００３８】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、第２の排水配管１０を外気取り入れ口７よりも低い位置に設置するので、外気取り入れ口７よりも先に第２の排水配管１０に生成水が流れ込み、外気取り入れ口７から生成水が排出されることを防止することができる（請求項５の効果）。
【実施例３】
【００３９】
次に、本発明の実施例３を図５に基づいて説明する。図５は、本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図５に示すように、本実施例の燃料電池システムは、バッファタンク６の水位を検出するバッファタンク水位センサ（バッファタンク水位検出手段）１２と、第２の排水配管１０に設置された第２の排水弁１３とをさらに備え、制御部５がバッファタンク水位センサ１２で検出されたバッファタンク６の水位に基づいて第２の排水弁１３の開閉を制御している。ただし、その他の構成については、実施例２と同様なので詳しい説明は省略する。
【００４０】
車両に搭載された燃料電池システムでは、運転者のアクセルやブレーキ、ハンドル操作によって横方向や縦方向からの荷重を受ける場合や、坂道などによって車体が傾く場合がある。このような場合に、実施例２の燃料電池システムではバッファタンク６内に貯蔵されている生成水が偏り、満水になっていないにも関わらず第２の排水配管１０から排水されてしまうことがある。
【００４１】
そこで、本実施例の燃料電池システムでは、バッファタンク水位センサ１２によってバッファタンク６の水位を検出し、検出されたバッファタンク６の水位が所定の値を所定時間上回った場合にのみ、制御部５が第２の排水弁１３に開閉信号を送信して第２の排水弁１３を開放するようにする。したがって、通常は第２の排水弁１３は閉じた状態になっており、無駄な排水を防止している。
【００４２】
また、バッファタンク水位センサ１２は、バッファタンク６が満水になったことを検出できる手段であればよく、例えばレベルスイッチなどを用いてもよい。さらに、バッファタンク水位センサ１２の設置位置についても、バッファタンク６が満水になったことを検出できる位置であれば、その他の位置でもよく、例えば図６に示すａ、ｂ、ｃ、ｄの各位置であってもよい。
【００４３】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、第２の排水配管１０に第２の排水弁１３を設置してバッファタンク６が満水になったときにのみ、第２の排水弁１３を開放するようにしたので、車両の加減速や転舵、坂道の走行や段差の通過などによってバッファタンク６内の生成水が偏り、満水でないにも関わらず第２の排水配管１０から排水されてしまうことを防止することができる（請求項６の効果）。
【００４４】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
燃料電池システムに係り、特に燃料電池が発電するときに生成した生成水の排水を制御するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける純水タンクの水位と開閉信号との関係を示す制御ロジックである。
【図３】車両から一度に多量の生成水を排水しないための上限の排水流量と車速との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】バッファタンク水位センサの設置位置の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池
２  純水タンク
３  純水タンク水位センサ
４  第１の排水弁
５  制御部（制御手段）
６  バッファタンク
７  外気取り入れ口
８  第１の排水配管
９  オリフィス（圧損手段）
１０  第２の排水配管
１１  大気開放部
１２  バッファタンク水位センサ（バッファタンク水位検出手段）
１３  第２の排水弁
【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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