(57)【要約】【課題】水の滞留を抑制することが可能な燃料電池システムの排水制御方法を提供すること。【解決手段】本発明は、供給する電流値Ｉｐに応じて回転数Ｋを制御する水素ポンプ２４０を備えた燃料電池システム１０の排水制御方法であって、水素ポンプ２４０は、電流値Ｉｐに応じて、単位時間当たりの回転数Ｋｐを第１回転数Ｋ１に制御する通常回転制御Ｃ１と、電流値Ｉｐに応じて、単位時間当たりの回転数Ｋｐを第１回転数Ｋ１よりも多い第２回転数Ｋ２に制御する高回転制御Ｃ２と、を有し、所定時間Ｔ１中の積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以下の場合、高回転制御Ｃ２に切替える、燃料電池システムの排水制御方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給する電流値に応じて回転数を制御する水素ポンプを備えた燃料電池システムの排水制御方法であって、
前記水素ポンプは、
前記電流値に応じて、単位時間当たりの回転数を第１回転数に制御する通常回転制御と、
前記電流値に応じて、前記単位時間当たりの回転数を前記第１回転数よりも多い第２回転数に制御する高回転制御と、を有し、
所定時間中の積算の回転数が閾値以下の場合、前記高回転制御に切替える、
燃料電池システムの排水制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの排水制御方法に関するものであり、特に、水の滞留を抑制することが可能な燃料電池システムの排水制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの性能低下を防止しつつ運転を行うためには、運転中に発生する生成水が燃料電池セル内に滞留してガス拡散を阻害すること無いように、生成水を適切にシステム系外に排水する必要がある。
【０００３】
特に、水素循環システムを用いる燃料電池システム（ＦＣシステム）では、水素循環系内をガスと共に循環する水を、各部に滞留させること無く水素循環系外に排水させる必要がある。このため、水素循環系内に気液分離器を設置し、液水をトラップするシステムが用いられる。しかし、水素循環系内を流れるガスの流速が遅いと、水素循環系内、特に、スタック・セル内に滞留した水が気液分離器まで到達せず、水素循環系内に留まったままとなる。
【０００４】
スタック・セル内のガスの流速は、システム負荷により可変であるため、留まった水が、システム負荷増加に伴うガス流速の増加によって、一気に水素循環系内を循環し、ガス分配環境、すなわち、スタック性能を悪化させるという問題があった。
【０００５】
特許文献１には、燃料電池システムにおける水の滞留の課題が示されているが、排水方法については開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−０９６０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、水の滞留を抑制することが可能な燃料電池システムの排水制御方法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】
【０００８】
本発明は、
供給する電流値に応じて回転数を制御する水素ポンプを備えた燃料電池システムの排水制御方法であって、
前記水素ポンプは、
前記電流値に応じて、単位時間当たりの回転数を第１回転数に制御する通常回転制御と、
前記電流値に応じて、前記単位時間当たりの回転数を前記第１回転数よりも多い第２回転数に制御する高回転制御と、を有し、
所定時間中の積算の回転数が閾値以下の場合、前記高回転制御に切替える、
燃料電池システムの排水制御方法である。
所定時間中の水素ポンプの積算の回転数が閾値以下の場合、水が滞留している可能性がある。そこで、このような燃料電池システムの排水制御方法により高回転制御に切替えることで、水の滞留を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水の滞留を抑制することが可能な燃料電池システムの排水制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムを例示するフローチャートである。
【図３】（Ａ）は、実施形態に係る燃料電池システムの通常回転制御を例示するグラフである。（Ｂ）は、実施形態に係る燃料電池システムの高回転制御を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。
【００１２】
［実施形態］
先ず、実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図１は、実施形態に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。
【００１３】
図１に示すように、実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１００と燃料ガス供給排出系２００と酸化剤ガス供給排出系３００とを備える。燃料電池システム１０は、後述する水素ポンプを用いて水素を循環させる燃料電池システムである。燃料電池システム１０は、運転中に発生した生成水を、後述する気液分離器にて水とオフガスとに分離し、排出する。燃料電池システム１０は、運転中の電流を監視する。尚、燃料電池システムを、ＦＣ(Fuel Cell)システムと称することもある。また、燃料電池システムの運転を、燃料電池システムの発電と称することもある。
【００１４】
燃料ガス供給排出系２００は、燃料電池１００への水素ガスの供給および燃料電池１００からのアノード側オフガスの排出を行なう。燃料ガス供給排出系２００は、水素タンク２１０と、遮断弁２２０と、インジェクタ２２１と、気液分離器２３０と、水素ポンプ２４０と、パージ弁２５０と、燃料ガス供給路２６１と、第１燃料ガス排出路２６２と、燃料ガス循環路２６３と、第２燃料ガス排出路２６４とを備える。尚、水素ポンプを循環用ポンプと称することもある。
【００１５】
水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵しており、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料ガス供給路２６１を介して燃料電池１００に供給する。遮断弁２２０は、水素タンク２１０における燃料ガスの供給口近傍に配置され、水素タンク２１０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。インジェクタ２２１は、燃料ガス供給路２６１に配置され、燃料電池１００への水素ガスの供給量（流量）および圧力を調整する。
【００１６】
気液分離器２３０は、第１燃料ガス排出路２６２に配置され、燃料電池１００から排出されたアノード側オフガスに含まれる水を分離して第２燃料ガス排出路２６４に排出すると共に、水が分離された後のガス（水素ガス）を燃料ガス循環路２６３に排出する。水素ポンプ２４０は、燃料ガス循環路２６３に配置され、気液分離器２３０から排出された燃料ガス（水素ガス）を燃料ガス供給路２６１に供給する。水素ポンプ２４０は、例えば、コンピューターにより、水素ポンプ２４０の回転数Ｋを制御することができる。パージ弁２５０は、第２燃料ガス排出路２６４に配置され、開弁されることにより、気液分離器２３０によって分離された水やオフガスを大気中へ排出する。
【００１７】
酸化剤ガス供給排出系３００は、燃料電池１００への空気の供給および燃料電池１００からのカソード側オフガスの排出を行なう。酸化剤ガス供給排出系３００は、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、背圧弁３４０と、酸化剤ガス供給路３３１と、酸化剤ガス排出路３３２とを備える。
【００１８】
エアクリーナ３１０は、内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮して酸化剤ガス供給路３３１へ送出する。背圧弁３４０は、酸化剤ガス排出路３３２に配置され、燃料電池１００のカソード側の排出路における圧力を調整する。酸化剤ガス排出路３３２は、上述の第２燃料ガス排出路２６４と接続されており、酸化剤ガス排出路３３２を通って排出される水およびカソード側オフガスは、第２燃料ガス排出路２６４を通って排出される水およびアノード側オフガスと共に大気中へ排出される。
【００１９】
上述のように、燃料電池システムにおいては、発電に伴って燃料電池からアノード側オフガスが排出される。アノード側オフガスには、生成水が含まれる。気液分離器は、アノード側オフガスをオフガスと水に分離し、分離した水を適切にシステム系外に排水する。
【００２０】
燃料電池システムの循環系内に溜まる水の量は、循環系を流れるガスの流速と強い相関がある。水素ポンプが低回転で動作する場合、ガスの流量は低く循環系内に溜まる水の量（循環系内に溜まることが可能な水の量）は多い。一方、水素ポンプが高回転で動作する場合、ガスの流量は多く循環系内に溜まる水の量は少ない。すなわち、貯留できる水の量は少ない。尚、低回転を低負荷と称し、高回転を高負荷と称することもある。また、生成水を、単に、水と称することもある。
【００２１】
このため、水素ポンプの運転を低負荷から高負荷に急激に移行した場合、低負荷時に貯留された水が一気に循環系内に吐き出される。この大量に吐き出された水により、循環系内の管路の水詰まり、セパレータ流路の水詰まり及び水素ポンプの水噛み等が発生する。
【００２２】
また、循環系内を流れるガスの流速が遅いと、燃料電池セル内に滞留した水が気液分離器まで到達せず、素循環系内に留まったままとなる。そして、燃料電池セル内に滞留した水が、ガス拡散を阻害してしまう。
【００２３】
そこで、実施形態に係る燃料電池システム１０の排水制御方法は、燃料電池システム１０に供給する電流値Ｉｐに応じて回転数Ｋを制御する水素ポンプ２４０を備える。
【００２４】
水素ポンプ２４０は、通常回転制御Ｃ１と高回転制御Ｃ２とを有する。通常回転制御Ｃ１は、電流値Ｉｐに応じて、単位時間当たりの回転数Ｋｐを第１回転数Ｋ１に制御する。また、高回転制御Ｃ２は、電流値Ｉｐに応じて、単位時間当たりの回転数Ｋｐを第２回転数Ｋ２に制御する。第２回転数Ｋ２は、第１回転数Ｋ１よりも多い。水素ポンプ２４０は、所定時間Ｔ１中の積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以下の場合、高回転制御Ｃ２に切替える。
【００２５】
所定時間Ｔ１中の水素ポンプ２４０の積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以下の場合、水が滞留している可能性がある。そこで、そのような場合、水素ポンプ２４０は、高回転制御Ｃ２に切替えて、燃料電池システム１０内に水が滞留することを抑制する。
【００２６】
実施形態に係る燃料電池システムの排水制御方法の具体的な動作について説明する。
図２は、実施形態に係る燃料電池システムを例示するフローチャートである。
【００２７】
図２に示すように、先ず、燃料電池システム１０を運転する（ステップＳ１０１）。次に、水素ポンプ２４０の所定時間Ｔ１中の積算の回転数Ｋｔを計算する。積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以下の場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、排水処理を開始する（ステップＳ１０３）。積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈよりも大きい場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り、このままの状態で燃料電池システム１０を運転し続ける。
【００２８】
ステップＳ１０３の排水処理の開始後、水が燃料電池システム１０内に滞留しないようにするため、水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２に切替える（ステップＳ１０４）。
【００２９】
ここで、通常回転制御Ｃ１と高回転制御Ｃ２について説明する。
図３（Ａ）は、実施形態に係る燃料電池システムの通常回転制御を例示するグラフである。
図３（Ｂ）は、実施形態に係る燃料電池システムの高回転制御を例示するグラフである。
【００３０】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の横軸は、燃料電池システムに供給する電流値Ｉｐを示し、縦軸は、水素ポンプの単位時間当たりの回転数Ｋｐを示す。
【００３１】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、通常回転制御Ｃ１及び高回転制御Ｃ２においては、燃料電池システム１０に供給する電流値Ｉｐの増加と共に、水素ポンプ２４０の単位時間当たりの回転数Ｋｐは増加する。同じ電流値Ｉｐ１に対する高回転制御Ｃ２の単位時間当たりの回転数Ｋｐ２は、通常回転制御Ｃ１の単位時間当たりの回転数Ｋｐ１よりも多い。従って、単位時間当たりに燃料電池システム１０内を循環する生成水の量は、水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２で制御した場合の方が、通常回転制御Ｃ１で制御した場合よりも多い。
【００３２】
図２に戻り、ステップＳ１０４において水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２に切替え後、水素ポンプ２４０の所定時間Ｔ１中の積算の回転数Ｋｔを、再度、計算する。積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以上の場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２から通常回転制御Ｃ１に切替える（ステップＳ１０６）。積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈよりも低い場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、水素ポンプ２４０は、高回転制御Ｃ２のまま、燃料電池システム１０を運転し続ける。このようにして、燃料電池システム１０の水素ポンプ２４０の回転数Ｋを制御する。
【００３３】
燃料電池システム１０の循環系内に溜まる水の量は、水素ポンプ２４０の回転数Ｋと強い相関がある。水素ポンプ２４０が低回転で運転する場合、循環系内に大量の水が滞留する可能性がある。このため、実施形態においては、低回転の運転が続くような条件を検出し、それが検出された場合、水素ポンプ２４０を、より高回転で運転し、滞留した水を排水するように水素ポンプ２４０を制御する。
【００３４】
すなわち、水素ポンプ２４０の所定時間Ｔ１中の積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以下の場合、水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２に切替える。水素ポンプ２４０が高回転制御Ｃ２で制御されることにより、燃料電池システム１０内に滞留した水が排水される。よって、実施形態によれば、水の滞留を抑制することが可能な燃料電池システムの排水制御方法を提供することができる
【００３５】
尚、実施形態においては、通常回転制御Ｃ１及び高回転制御Ｃ２の２つの回転制御により、水素ポンプ２４０の回転数Ｋを制御した。これには限定されずに、３つ以上の回転制御により水素ポンプ２４０の回転数Ｋを制御してもよい。そして、低回転（低負荷）の運転が続くような条件を検出した場合、同じ電流値でも、水素ポンプ２４０が、より高回転で運転する回転制御に切替えて水素ポンプ２４０の回転数Ｋを制御する。
【００３６】
また、実施形態においては、水素ポンプ２４０の所定時間Ｔ１中の積算の回転数Ｋｔが閾値Ｋｔｈ以下の場合、水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２に切替える。すなわち、通常回転制御Ｃ１と高回転制御Ｃ２とを適切に切替える。このため、実施形態は、水素ポンプを、一定の高回転で一定時間回転させる方法と比べて、燃料電池システムの振動・騒音の違和感を緩和することができる。
【００３７】
また、実施形態においては、水素ポンプ２４０を高回転制御Ｃ２に適切に切替えるため、気液分離器２３０に溜まる生成水の量を適切に制御することができる。これにより、気液分離器２３０が生成水によってオーバーフローすることを抑制することができる。
【００３８】
尚、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池システム  １００…燃料電池  ２００…燃料ガス供給排出系  ２１０…水素タンク  ２２０…遮断弁  ２２１…インジェクタ  ２３０…気液分離器  ２４０…水素ポンプ  ２５０…パージ弁  ２６１…燃料ガス供給路  ２６２…第１燃料ガス排出路  ２６３…燃料ガス循環路  ２６４…第２燃料ガス排出路  ３００…酸化剤ガス供給排出系  ３１０…エアクリーナ  ３２０…エアコンプレッサ  ３３１…酸化剤ガス供給路  ３３２…酸化剤ガス排出路  ３４０…背圧弁  Ｃ１…通常回転制御  Ｃ２…高回転制御  Ｉｐ、Ｉｐ１…電流値  Ｋ…回転数  Ｋ１…第１回転数  Ｋ２…第２回転数  Ｋｔ…積算の回転数  Ｋｔｈ…閾値  Ｋｐ、Ｋｐ１、Ｋｐ２…単位時間当たりの回転数  Ｔ１…所定時間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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