(57)【要約】【課題】本明細書は、圧力変動に基づかずに適切に排水処理を行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックから残留ガスを排気する排気管と、排気管に取り付けられている気液分離器と、気液分離器内の残留ガスを加熱する加熱器と、気液分離器内の残留水分を排出する排水弁と、加熱前後の気液分離器内の温度差と所定の温度差閾値の比較により排水弁の開閉制御を行うコントローラと、を備えている。加熱前後の気液分離器内の温度差は、内部の残留水分量により異なる。温度差が温度差閾値を下回っていた場合は、残留水分が存在すると判定することができるため、排水弁を開くことで残留水分を排出することができる。この燃料電池システムによれば、圧力変動に頼ることなく適切に排水処理を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから残留ガスを排気する排気管と、
前記排気管に取り付けられている気液分離器と、
前記気液分離器内の前記残留ガスを加熱する加熱器と、
前記気液分離器内の残留水分を排出する排水弁と、
加熱前後の前記気液分離器内の温度差が所定の温度差閾値を下回っている場合に前記排水弁を開き、前記温度差が前記温度差閾値を超えている場合には前記排水弁を閉じるコントローラと、
を備えている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムに関する。特に、残留ガスに含まれる水分を排出する気液分離器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、水素と酸素の電気反応によって水が生成される。この生成された水が、低温下において燃料電池システム内において凍結してしまうと、燃料電池システムにダメージを与えるおそれがある。このため、通常の燃料電池システムは、生成された水を貯留して、排水処理を行っている。また、生成された水が無い状態で排水処理を行ってしまうと燃料電池システム内の水素を排気することになる。これにより燃料電池システム内の水素濃度を下げてしまい、燃料電池システムの燃料電池スタックのセル耐久性能に影響を及ぼすおそれがある。このため、燃料電池システム内に水が存在しない場合には、排水処理を行わないことが望ましい。上記のような排水処理制御を実現するため、特許文献１においては、燃料電池システムのガス流路内の圧力変動により燃料電池システム内の水の有無の判定を行っている。そして、水があると判定された場合に、排水処理を行い、水が無いと判定された場合には、排水処理を行わないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４２３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガス流路内の圧力は、水の有無だけでなく、他の要因、例えばポンプの動作などによっても変動する。それゆえ、圧力変動に基づいては、排水処理を適切に行えない場合が起こり得る。本明細書は、圧力変動に基づかずに排水処理を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、気液分離器と、排水弁を備える燃料電池システムを開示する。
【０００６】
本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックから残留ガスを排気する排気管と、排気管に取り付けられている気液分離器と、気液分離器内の残留ガスを加熱する加熱器と、気液分離器内の残留水分を排出する排水弁と、加熱前後の気液分離器内の温度差が所定の温度差閾値を下回っている場合に排水弁を開き、温度差が温度差閾値を超えている場合には排水弁を閉じるコントローラと、を備えている。なお、コントローラは、排水弁を開いた後、一定時間が経過した後に排水弁を閉じる。
【０００７】
加熱前後の気液分離器内の温度差は、内部の残留水分量により異なる。残留水分量が多ければ多いほど温度差は小さくなる。温度差が温度差閾値を超えていた場合は、水が無い（あるいは少ない）と判定することができるため、排水弁を閉めることで内部の水素が排出されるのを防止することができる。また、温度差が温度差閾値を下回っていた場合は、残留水分が多く残っていると判定することができるため、排水弁を開くことで内部の残留水分を排水することができる。このように、上記の燃料電池システムによれば、圧力変動に頼ることなく排水処理を行うことができる。
【０００８】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】残留水分の有無を判定する、加熱前後の流体温度差の閾値を示すグラフである。
【図３】コントローラの実行処理を示すフローチャートである。
【図４】コントローラの実行処理の変形例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して実施例の燃料電池システム１を説明する。図１に、燃料電池システム１のブロック図を示す。燃料電池システム１は、自動車に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に燃料ガス（本実施例においては水素ガス）と空気を供給することにより発電する。図１において、矢印線は水素ガスの流れ方向と空気の流れ方向を示している。燃料電池スタック１０で発電された電力が、自動車走行用のモータに供給されることで自動車が走行する。燃料電池スタック１０には、本実施例においては固体高分子形スタックを用いているが、これに限らず種々のタイプを利用可能である。
【００１１】
燃料電池スタック１０には、エア給気管９０を介して酸素を含有した空気が供給される。このエア給気管９０には、エアコンプレッサや、封止弁が設けられているが、これらの図は省略している。
【００１２】
水素タンク２０には、水素ガスが貯留されている。水素タンク２０に貯留された水素ガスは、水素ガス給気管３０を介して、燃料電池スタック１０に供給される。
【００１３】
上述したエア給気管９０を介して燃料電池スタック１０に供給された空気に含まれる酸素と、水素ガス給気管３０を介して燃料電池スタック１０に供給された水素ガスが、互いに電気化学反応を起こす。これによって、発電が行われる。
【００１４】
上記反応後の空気は、燃料電池スタック１０からエア排気管１００を介して外部へ排気される。
【００１５】
上記反応後の水素ガス（以下、残留ガスという）には、反応で生じた水分が含まれている。残留ガスは、燃料電池スタック１０から残留ガスを排気する水素ガス排気管４０を介して気液分離器５０に入る。気液分離器５０では、残留ガスから残留水分が分離される。気液分離器５０には、循環用配管６０が接続されており、循環用配管６０には、循環用ポンプ６１が設けられている。この循環用ポンプ６１が加圧することにより、残留ガス中の未反応の水素が循環用配管６０を介して圧送され、残留ガス中の未反応の水素を再び水素ガス給気管３０に供給することができる。
【００１６】
気液分離器５０には、内部の残留ガスを加熱する加熱器５１と、内部の温度を測定する温度センサ５２が設けられている。さらに気液分離器５０には、内部の残留水分を排出する排水弁７０が接続されている。
【００１７】
コントローラ８０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所定の演算を実行して、加熱器５１の加熱開始／停止の制御や、排水弁７０の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。コントローラ８０は、加熱前の気液分離器５０の内部温度と、所定時間加熱した後の内部温度との差に基づいて、残留水分の量を推定し、排水弁７０を制御する。
【００１８】
コントローラ８０は、加熱前後の気液分離器５０の内部の温度差を温度差閾値と比較し、比較結果に基づいて排水弁７０を制御する。図２を用いて、所定時間の加熱前後の気液分離器５０の内部の温度差の閾値（温度差閾値ｄＴｔｈ）について説明する。
【００１９】
図２では、横軸に加熱時間を示し、縦軸に温度センサ５２の温度（即ち気液分離器５０の内部温度）を示している。Ｔａは気液分離器５０の加熱前の内部温度を示している。グラフＧ１は、残留水分の貯留空間の全てが水で満たされたときの加熱時の温度変化を示している。温度Ｔｂｗは、残留水分の貯留空間の全てが水で満たされているときに所定時間ｔｐだけ加熱した後の内部温度を示している。温度差（Ｔｂｗ−Ｔａ）は、貯留空間の全てが水で満たされたときの加熱前後の温度差を表す。グラフＧ２は、残留水分の貯留空間の全てが乾燥水素ガス（水未含有水素ガス）で満たされたときの加熱時の温度変化を示している。温度Ｔｂｈは、残留水分の貯留空間の全てが乾燥水素ガスで満たされているときに所定時間ｔｐだけ加熱した後の温度を示している。温度差（Ｔｂｈ−Ｔａ）は、貯留空間の全てが乾燥水素ガスで満たされたときの加熱前後の温度差を表す。従って、水分を含有している水素ガス（残留ガス）を所定時間ｔｐだけ加熱した前後の温度差（Ｔｂ−Ｔａ）は、温度差（Ｔｂｈ−Ｔａ）と温度差（Ｔｂｗ−Ｔａ）の間に存在することになる。水分含有量が多いほど、残留ガスの加熱前後の温度差は温度差（Ｔｂｗ−Ｔａ）に近づく。
【００２０】
グラフＧ３は、排水処理を行うか否かの分岐点に相当する水量が残っているときの加熱時の温度変化を示している。排水処理を行うか否かの分岐点に相当する水量を以下では基準量と称する。残留ガスの加熱前後の温度差が温度差閾値ｄＴｔｈ（＝Ｔｂｃ−Ｔａ）を下回っている場合、基準量を超える水量が貯留していると判定することができる。残留ガスの加熱前後の温度差が温度差閾値ｄＴｔｈ（＝Ｔｂｃ−Ｔａ）を上回っている場合、基準量を下回る水量しか貯留していないと判定することができる。コントローラ８０は、所定時間ｔｐの加熱前後の残留ガスの温度差（気液分離器５０の内部の温度差）を温度差閾値ｄＴｔｈと比較し、排水弁を開くか閉じるか判定する。温度差閾値ｄＴｔｈや基準量は、気液分離器５０の熱容量や、水分貯留空間のサイズなどに応じて予め定められる。
【００２１】
なお、排水弁の開閉を気液分離器５０の絶対温度ではなく、加熱前後の温度差で判定するのは、加熱前温度に依存しない判定が行えるからである。
【００２２】
次に、コントローラ８０が実行する処理について図３を用いて説明する。コントローラ８０は、図３の処理を一定期間ごとに繰り返し実行する。なお、図３の処理は、排水弁７０が閉じている状態で開始される。まず、コントローラ８０は、温度センサ５２により、気液分離器５０の内部温度（Ｔａ）を計測する（ステップＳ２）。そして、コントローラ８０は、一定時間（ｔｐ）の間、加熱器５１で気液分離器５０を加熱する（ステップＳ３）。次いでコントローラ８０は、加熱後の気液分離器５０の内部温度（Ｔｂ）を計測する（ステップＳ４）。コントローラ８０は、気液分離器５０の加熱前後の温度差（Ｔｂ−Ｔａ）を温度差閾値（ｄＴｔｈ）と比較する（ステップＳ５）。温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が温度差閾値（ｄＴｔｈ）を下回っている場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、上述した通り、基準量を超える残留水分が気液分離器５０に存在すると判定することができる。従って、コントローラ８０は、一定時間の間、排水弁７０を開く（ステップＳ６）。即ち、コントローラ８０は、排水処理を実行する。コントローラ８０は、一定時間が経過した後、排水弁７０を閉じる（ステップＳ７）。一方、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が所定の温度差閾値（ｄＴｔｈ）を超えている場合（ステップＳ５：ＮＯ）は、基準量の残留水分が気液分離器５０に存在しないと判定することができる。従って、コントローラ８０は、排水弁７０が閉じている状態を保持する。なお、ステップＳ５の判定がＮＯの場合のステップＳ７の「排水弁を閉じる」の処理は、排水弁の閉状態を保持することを意味する。
【００２３】
次に、図３の処理の一部を変更した変更例の処理について説明する。図４は、変更例の処理を示している。図４に示す処理も、図３に示す処理同様、コントローラ８０が一定期間ごとに繰り返し実行する。変更例の処理は、図３の処理と異なり、コントローラ８０は、最初に気液分離器５０の残留水分量予測を行う（ステップＳ１２）。この残留水分量予測は、燃料電池システム１の発電量等に基づいて予測される。
【００２４】
続いて、コントローラ８０は、予測された残留水分量（以下、予測残留水分量とする）が例えば第１容量Ｖ１［ｍｌ］を超えているか否かを判定する（ステップＳ１３）。第１容量Ｖ１［ｍｌ］は、前述した基準量よりもはるかに小さい値に設定されており、第１容量Ｖ１［ｍｌ］の残留水分は、燃料電池システム１に影響を与えない。予測残留水分量が第１容量Ｖ１［ｍｌ］を超えていないと判定された場合（ステップＳ１３：ＮＯ）は、コントローラ８０は処理を終了する。これにより、予測残留水分量が第１容量Ｖ１［ｍｌ］を超えていないと判定された場合（ステップＳ１３：ＮＯ）に、コントローラ８０が、ステップＳ１４以降の処理を実行する時間を節約することができる。
【００２５】
予測残留水分量が第１容量Ｖ１［ｍｌ］を超えていると判定された場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）は、コントローラ８０は、予測残留水分量が第２容量Ｖ２［ｍｌ］を超えているか否かを判定する（ステップＳ１４）。予測残留水分量が第２容量Ｖ２を超えている場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）は、コントローラ８０は、排水弁７０を開く（ステップＳ１５）。第２容量Ｖ２は、前述した基準量よりもはるかに大きい値に設定されている。ステップＳ１５が実行されることで、多量の残留水分が貯留していると予測された場合には直ちに排水弁７０が開かれ、残留水分が排水される。予測残留水分量が第２容量Ｖ２を超えていない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）は、コントローラ８０は、ステップＳ１５をスキップし、ステップＳ２２に処理を移す。
【００２６】
ステップＳ２２からＳ２７の各処理は、図３のステップＳ２からＳ７の各処理と同じである。ただし、ステップＳ１５によって排水弁７０が開かれた状態でステップＳ２２が実行される場合と、ステップＳ１５が実行されずに排水弁７０が閉じた状態でステップＳ２２が実行される場合がある。いずれの場合にしても、コントローラ８０は、一定時間の間、気液分離器５０を加熱し、加熱前後の温度差（Ｔｂ−Ｔａ）を温度差閾値（ｄＴｔｈ）と比較する（ステップＳ２２−Ｓ２５）。温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が温度差閾値（ｄＴｔｈ）を上回っている場合、コントローラ８０は、排水弁７０を閉じる（ステップＳ２５：ＮＯ、Ｓ２７）。温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が温度差閾値（ｄＴｔｈ）を下回っている場合、コントローラ８０は、一定時間の間、排水弁７０を開く（ステップＳ２５：ＹＥＳ、Ｓ２６）。コントローラ８０は、一定時間の間、排水弁７０を開いた後、排水弁７０を閉じる（ステップＳ２７）。
【００２７】
図４の処理の効果は次の通りである。コントローラ８０は、気液分離器５０の残留水分量を予測する（ステップＳ１２）。コントローラ８０は、予測残留水分量が第２容量Ｖ２を超えていた場合、直ちに排水弁７０を開く（ステップＳ１４：ＹＥＳ、Ｓ１５）。コントローラ８０は、予測残留水分量が第２容量Ｖ２を下回っていた場合、排水弁７０を開かない（ステップＳ１４：ＮＯ）。予測残留水分量はあくまでも予測であるので、実際の残留水分量と異なる場合があり得る。その場合でも、ステップＳ２２からＳ２７を実行することで、予測が実際とずれている場合に、排水弁７０を適切に開く（あるいは閉じる）ことができる。
【００２８】
例えば、予測残留水分量が第２容量Ｖ２を超えており、コントローラ８０は排水弁７０を開いたが実際の残留水分が少なかった場合は、ステップＳ２６が実行されることなくステップＳ２７により直ちに排水弁７０が閉じられる。残留水分が少なかった場合には、ステップＳ１５で開いた排水弁７０がステップＳ２７により直ちに閉じられる。コントローラ８０は、排水弁７０を通じて排出されてしまう水素ガスの量を抑えることができる。逆に、予測残留水分量が第２容量Ｖ２を下回っており、コントローラ８０は排水弁７０を開かなかったが実際の残留水分が多かった場合は、ステップＳ２６により一定時間の間、排水弁７０が開かれる。コントローラ８０は、残留水分を適切に排出することができる。
【００２９】
実施例の燃料電池システム１は、気液分離器５０の内部の加熱前後の温度差に基づいて排水弁７０を制御する。即ち、燃料電池システム１は、気液分離器５０の内圧に基づかずに排水弁を制御することができる。内圧は、残留ガスの流速などによって変動する。それゆえ、内圧に基づいて排水弁を制御した場合、適切でないタイミングで排水弁が開かれてしまうおそれがある。実施例の燃料電池システム１は、内圧の変動に依存せずに適切なタイミングで排水弁７０を開閉することができる。
【００３０】
温度差と温度差閾値を比較する前、排水弁は閉じている場合と開いている場合のいずれも起こり得る。排水弁が閉じた状態において、温度差と温度差閾値を比較した結果、「排水弁を閉じる」とは、閉状態を維持することを意味する。排水弁が開いた状態において、温度差と温度差閾値を比較した結果、「排水弁を開く」とは、開状態を維持することを意味する。
【００３１】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。温度差閾値ｄＴｔｈは、例えば７［℃］に設定されている。第１容量Ｖ１は、例えば１０［ｍｌ］に設定されている。第２容量Ｖ２は、例えば２００［ｍｌ］に設定されている。加熱器の出力は、例えば１００［Ｗ］である。加熱時間は、例えば２［秒］である。ただし、これらの数値はあくまでも一例であり、残留水分予測の判定基準値や、加熱器の出力、加熱時間、温度差閾値等は、燃料電池システムが有する燃料電池スタックの容量や、気液分離器の形状、容量等により適宜に定められる。
【００３２】
また、本実施例における燃料電池システム１では、気液分離器５０から水素ガス給気管３０に循環する循環用配管６０が設けられている。しかし、気液分離器５０から残留ガスが循環しない場合においても、排水弁７０は、残留ガスが含んでいる水分を排出するため、排水処理が必要とされる。従って、循環用配管が設けられていない燃料電池システムにおいても、本明細書が開示する技術は適用できる。
【００３３】
さらに、加熱器５１については、燃料電池システム内の凍結防止用の加熱器を用いてもよい。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
１：燃料電池システム
１０：燃料電池スタック
２０：水素タンク
３０：水素ガス給気管
４０：水素ガス排気管
５０：気液分離器
５１：加熱器
５２：温度センサ
６０：循環用配管
６１：循環用ポンプ
７０：排水弁
８０：コントローラ
９０：エア給気管
１００：エア排気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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