(57)【要約】【課題】  低温始動する際に、消費電力を低減しつつ、気液分離器の機能を確保して、燃料電池の出力低下を防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流路に、ガス中から液滴を除去可能な気液分離器を設け、該気液分離器に温度センサを設置した。特に、前記温度センサは、前記気液分離器における、発電開始時に貯水される貯水部に接触するように設置されることが好ましい。または、前記温度センサは、前記気液分離器における、前記オフガス流路から排出されるオフガスに晒される部位またはその近傍に設置されることが好ましい。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流路に、ガス中から液滴を除去可能な気液分離器を設け、
該気液分離器に温度センサを設置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度センサは、前記気液分離器における、発電開始時に貯水される貯水部に接触するように設置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】
前記温度センサは、前記気液分離器における、前記オフガス流路から排出されるオフガスに晒される部位またはその近傍に設置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４】
前記温度センサの測定温度に基づいて、燃料電池の暖機制御を行う始動時運転モードと通常運転モードとの切り換えを行う制御手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか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、ガス中から液滴を除去可能な気液分離器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。
【０００３】
燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電停止時には燃料電池内には水分が含有されている。低温環境下では、燃料電池内で残留水が凍結して、始動時間が長くなってしまうため、低温時に燃料電池を迅速に起動することが求められる。
例えば、特許文献１には、通常発電時の燃料電池を冷却する冷却水を熱媒体として通流させる水供給手段と、冷却水を回収し貯蔵する水タンクとを備え、水タンクの水温を監視する温度センサにより燃料電池の加熱の必要の有無を判定する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２４６０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、水素オフガスを水素ガス供給流路に再度供給して燃費の向上を図る燃料電池システムにおいては、発電時に生じた生成水等の液滴を水素オフガスから除去する気液分離器を水素オフガス流路に設けることが好ましい。しかしながら、気液分離器は燃料電池よりも下流側に配設されるので、低温環境下で燃料電池を始動するときには、燃料電池内の氷は解凍されたものの、気液分離器内の氷は解凍されていない場合も生じうる。このような状況で、通常の発電制御を開始すると、気液分離器の排水処理が行えない状態で、発電により生じた生成水や解凍された残留水が気液分離器内に流入し、気液分離器の機能を発揮できなくなってしまう。その結果、気液分離器で水素オフガスから液滴を十分に除去できないまま、水素オフガスが水素ガス供給流路に供給され、燃料電池に過剰な水分が蓄積され、出力を低下させる虞がある、という問題がある。
【０００５】
また、従来の技術においては、低温始動時において、燃料電池システムの各デバイスに温度センサを個別に設け、各温度センサでの検出値に基づいて、各デバイスの制御を行っているが、温度センサの数自体が多くなってしまう、温度センサの制御についてＥＣＵに負担が重くなってしまう、温度センサのそれぞれに通電する必要があり、消費電力が増大してしまう、という問題がある。特に、燃料電池システムを車両に適用した場合には、走行時に確保すべき電力が減少してしまい、走行性能の向上を妨げてしまう、という問題がある。
【０００６】
従って、本発明は、低温始動する際に、少数の温度センサを用いることにより消費電力を低減しつつ、気液分離器の機能を確保して、燃料電池の出力低下を防止することができる燃料電池システム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】
【０００７】
請求項１に係る発明は、燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流路（例えば、実施の形態における水素オフガス循環流路２０）に、ガス中から液滴を除去可能な気液分離器（例えば、実施の形態におけるキャッチタンク７）を設け、該気液分離器に温度センサ（例えば、実施の形態における温度センサ１４）を設置したことを特徴とする。
この発明によれば、前記温度センサにより検出した温度により、気液分離器の解凍判断を行うことができる。従って、気液分離器の排水処理が可能か否か、また、気液分離器がその機能を発揮できる状態か否かを、前記温度センサでの検出結果に基づいて判断することができる。ゆえに、気液分離器がその機能を発揮できる状態であると判断した後に、燃料電池を通常運転させることで、気液分離器により水素オフガスから液滴を十分に除去することができるので、水素オフガスを水素ガス供給流路に供給したときに、燃料電池に過剰な水分が供給されることを防止でき、燃料電池の出力低下を防止することができる。
【０００８】
また、気液分離器は燃料電池よりも下流側に配設されるので、前記気液分離器には前記燃料電池の加熱に供されたガスが流入する。従って、前記燃料電池は前記気液分離器に先立って解凍されるので、前記気液分離器が解凍されたと判断できるときには前記燃料電池も解凍されていると判断できる。ゆえに、前記燃料電池の他のデバイスに温度センサを設けていない場合であっても、前記気液分離器に設置した温度センサにより前記燃料電池の解凍状態も併せて判断することができ、温度センサの通電による消費電力を低減することもできる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記温度センサは、前記気液分離器における、発電開始時に貯水される貯水部（例えば、実施の形態における貯水部１５）に接触するように設置されることを特徴とする。
この発明によれば、前記温度センサは、前記気液分離器内に蓄えられた水の温度を直接検出するため、解凍判断をより正確に行うことができる。ここで、前記温度センサは、気液分離器の底面またはその近傍に設置することが好ましい。このようにすると、前記気液分離器内に蓄えられた水に確実に接触させることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記温度センサは、前記気液分離器における、前記オフガス流路から排出されるオフガスに晒される部位またはその近傍に設置されることを特徴とする。
この発明によれば、前記オフガスの温度をより正確に測定できるため、燃料電池の解凍判断をより高い精度で行うことができる。前記温度センサを、前記気液分離器内に貯留される水から離間されることで、劣化を防止でき、温度センサの使用期間を延ばすことができる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記温度センサの測定温度に基づいて、燃料電池の暖機制御を行う始動時運転モードと通常運転モードとの切り換えを行う制御手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１０）を備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、気液分離器の排水処理が可能か否か、また、気液分離器がその機能を発揮できる状態か否かを、前記温度センサでの検出結果に基づいて前記制御手段により判断することができる。ゆえに、気液分離器がその機能を発揮できる状態であると前記制御手段で判断した後に、始動時運転モードから通常運転モードに切り換えることで、水素オフガスを水素ガス供給流路に循環させたときに、燃料電池に気液分離器をあふれた過剰な水分が供給されることを防止でき、燃料電池の出力低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、水素オフガスを水素ガス供給流路に供給したときに、燃料電池に過剰な水分が供給されることを防止でき、燃料電池の出力低下を防止することができる。また、前記燃料電池の他のデバイスに温度センサを設けていない場合であっても、前記気液分離器に設置した温度センサにより前記燃料電池の解凍状態も併せて判断することができ、温度センサの通電による消費電力を低減することもできる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、解凍判断をより正確に行うことができる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の解凍判断をより高い精度で行うことができ、温度センサの使用期間を延ばすことができる。
請求項４に係る発明によれば、水素オフガスを水素ガス供給流路に供給したときに、燃料電池に過剰な水分が供給されることを防止でき、燃料電池の出力低下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】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
以下、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の実施の形態をの図面を参照して説明する。図１は水素ガス循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
【００１６】
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動して、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜２ａを透過してアノード２ｂ側にも移動する。
【００１７】
高圧水素タンク３に収容された水素ガスは、水素ガス供給流路２１を流通し、燃料電池２内のアノード側ガス流路２ｄを通って各セルのアノード２ｂに供給される。水素ガス供給流路２１には、高圧水素タンク３に近い側から順に、水素ガス遮断弁Ｖ１、エゼクタ４が設けられている。水素ガス遮断弁Ｖ１は、高圧水素タンク３の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧するものである。エゼクタ４は燃料電池２のアノード側ガス流路２ｄから排出されるアノードオフガスを水素ガス供給流路２１に戻すためのものである。
【００１８】
燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。すなわち、燃料電池２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２２、およびエゼクタ４よりも下流の水素ガス供給流路２１を通って、燃料電池２を循環する。なお、この実施の形態においては、エゼクタ４よりも下流の水素ガス供給流路２１とアノードオフガス流路２２によって、水素オフガス循環流路２０が構成される。
【００１９】
アノードオフガス流路２２には、アノードオフガス中の水分を分離し集水するためのキャッチタンク（気液分離タンク）７が設置されている。図２はキャッチタンク７に温度センサ１４を設置した一例を示す概略断面図である。同図に示すように、キャッチタンク７は、内部を中空に形成された略直方体形状をなし、アノードオフガスを導入するオフガス導入口１６と、導入されたアノードオフガスを排出するオフガス排出口１７とを開口形成している。オフガス導入口１６は、キャッチタンク７の一側面（図２の左側側面）上部から側方に突出するように形成され、燃料電池２のアノード側ガス流路２ｄ側のアノードオフガス流路２２に接続されている。オフガス排出口１７は、キャッチタンク７の上面の他側面（図２の右側）から上方に突出するように形成され、エゼクタ４側のアノードオフガス流路２２に接続されている。また、キャッチタンク７の底面には、排水通路２４が接続され、排水通路２４に排水弁Ｖ４が設けられている（図１参照）。キャッチタンク７の底面から所定高さ以内の領域は、発電開始時に水が貯留される貯水部１５とされている。そして、温度センサ１４は、前記キャッチタンク７における、発電開始時に貯水される貯水部１５に接触するように設置される。
【００２０】
アノードオフガス流路２２には、キャッチタンク７の下流側から分岐された排出流路２３が接続され、該排出流路２３には、排出弁Ｖ２が設けられている。この排出弁Ｖ２は通常は閉じており、燃料電池２のアノード２ｂに水分等が溜まって発電状態に影響を及ぼす時などに開いて、水分等を排出するためのものである。
【００２１】
一方、空気はエアコンプレッサ５により所定圧力に加圧され、空気流路３１を通り、燃料電池２内のカソード側ガス流路２ｅを通って各セルのカソード２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス流路３２に排出され、圧力制御弁Ｖ３を介して排出される。
また、燃料電池システム１は制御装置（ＥＣＵ）１０を備え、温度センサ１４での検出値に基づいて、水素ガス遮断弁Ｖ１、排出弁Ｖ２、圧力制御弁Ｖ３、排水弁Ｖ４を制御する。
【００２２】
以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。ＥＣＵ１０に発電開始指令が入力されると、ＥＣＵ１０は水素ガス遮断弁Ｖ１を開弁するとともに、エアコンプレッサ５を作動させる。これにより、水素タンク３から水素ガス供給流路２１を介して燃料電池２のアノード２ｂに水素ガスが供給されるとともに、エアコンプレッサ５から空気流路３１を介して燃料電池２のカソード２ｃに空気が供給されて、燃料電池２での発電に供される。発電に供された空気オフガスは、カソードオフガス流路３２を介して外部に排出される。
【００２３】
このとき、ＥＣＵ１０は、キャッチタンク７に設置された温度センサ１４により、キャッチタンク７に貯留された水の解凍判断を行う。上述したように、温度センサ１４は、貯水部１５に接触するように設置されているので、前記キャッチタンク７内に蓄えられた水の温度を直接検出するため、解凍判断をより正確に行うことができる。
【００２４】
そして、ＥＣＵ１０は、温度センサ１４の測定温度に基づいて、燃料電池２の暖機制御を行う始動時運転モードＭ１と通常運転モードＭ２との切り換えを行う（図３参照）。図３は前記温度センサでの測定温度と時間との関係を示すグラフ図である。同図に示すように、ＥＣＵ１０は、温度センサ１４での測定温度が第１の所定値（例えば０℃）以下のときには、燃料電池２の暖機制御を行う始動時運転モードＭ１で運転を行う。すなわち、燃料電池２に暖機用のガスを供給したり、燃料電池２を暖機するヒータ等の暖機手段を備えている場合には、暖機手段を作動させる等の制御を行う。これらの処理により、燃料電池２は暖機されてその温度が上昇する。また、キャッチタンク７にも、燃料電池２の暖機に供されたガスが導入されるので、キャッチタンク７の温度も上昇していく。
【００２５】
温度センサ１４での測定温度が第１の所定値を超えたときには、ＥＣＵ１０は、キャッチタンク７の排水処理が可能であり、また、キャッチタンク７がその機能を発揮できる状態であると判断することができる。ゆえに、ＥＣＵ１０は、燃料電池２を通常運転モードＭ２に切り換えて運転を行う。水素オフガスを水素ガス供給流路２１に供給したときに、燃料電池２に過剰な水分が供給されることを防止でき、燃料電池２の出力低下を防止することができる。
【００２６】
また、前記燃料電池２は前記キャッチタンク７に先立って解凍されるので、前記キャッチタンク７が解凍されたと判断できるときには前記燃料電池２も解凍されていると判断できる。ゆえに、前記燃料電池２の他のデバイスに温度センサを設けていない場合であっても、前記キャッチタンク７に設置した温度センサ１４により前記燃料電池２の解凍状態も併せて判断することができ、温度センサ１４の通電による消費電力を低減することもできる。
【００２７】
図４はキャッチタンク７に温度センサ１４を設置した他の例を示す概略断面図である。同図に示すように、温度センサ１４は、前記キャッチタンク７における、前記オフガス流路２２から排出されるオフガスに晒される部位またはその近傍に設置されている。この場合には、燃料電池２から排出されるオフガスの温度をより正確に測定できるため、燃料電池２の解凍判断をより高い精度で行うことができる。また、前記温度センサ１４を、前記キャッチタンク７内に貯留される水から離間されることで、劣化を防止でき、温度センサ１４の使用期間を延ばすことができる。
【００２８】
図５は前記温度センサでの測定温度と時間との関係を示すグラフ図である。この図に示すように、温度センサ１４での検出温度が第２の所定値（例えば１０℃）以下のときには、始動時運転モードＭ１で、第２の所定値を超えたときには、通常運転モードＭ２で運転するようにＥＣＵ１０により切り換えている。この場合であっても、上述した図３の場合と同様に、キャッチタンク７の機能を発揮させて、燃料電池２の出力低下を防止することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態における燃料電池システムによれば、低温始動する際に、消費電力を低減しつつ、気液分離器の機能を確保して、燃料電池の出力低下を防止することができる。
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態における燃料電池システムは、車両の駆動源として燃料電池を搭載する燃料電池車両に特に好適に用いることができるが、車両に限られるものではない。また、上述の所定値の温度は、温度センサの設置位置によって変動するものであり、上述のものに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】キャッチタンクに温度センサを設置した一例を示す概略断面図である。
【図３】前記温度センサでの測定温度と時間との関係を示すグラフ図である。
【図４】キャッチタンクに温度センサを設置した他の例を示す概略断面図である。
【図５】前記温度センサでの測定温度と時間との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池システム
７…気液分離器（キャッチタンク）
１０…ＥＣＵ（制御手段）
１４…温度センサ
１５…貯水部
２０…水素オフガス循環流路（燃料ガス循環手段）
【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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