(57)【要約】【課題】燃料電池の運転停止中の水の減少を解決する。【解決手段】水タンク４からの水を用いて燃料を改質する改質器１と、燃料電池２の排気から水を回収するコンデンサ３と、コンデンサ出口に取り付けられた可変絞り１１、１２と、コンデンサ温度センサ１０とを備え、コンデンサ３で回収された水を水タンク４に戻す共に、システム内の水収支を平衡するべくコンデンサ温度センサ１０の検出温度を基に可変絞り１１、１２を制御するようにした燃料電池システムにおいて、外気温度センサ９と、外気温度を基に、停止時にコンデンサ温度が外気温に下がるまでに減少する水量を予測する運転停止時減少水量予測手段と、この予測減少水量に応じて、起動後の運転時に所定時間コンデンサ内圧力を水収支を平衡する圧力よりも所定圧力高くするように可変絞り１１、１２を制御する増水制御手段とを備える。【選択図】　　　　図１
2004047209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水タンクからの水を用いて燃料を改質し改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスと空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池の排気から水を冷却凝縮して回収するコンデンサと、コンデンサ内の圧力を制御するためにコンデンサの出口に取り付けられた可変絞りと、コンデンサ内の温度を検出するコンデンサ温度センサとを備え、
コンデンサで回収された水を水タンクに戻す共に、システム内の水収支を平衡するべくコンデンサ温度センサの検出温度を基に可変絞りを制御するようにした燃料電池システムにおいて、
外気温を測定する外気温度センサと、
外気温度センサの検出温度を基に、停止時にコンデンサ内温度が外気温に下がるまでに回収不能となって減少する水量を予測する運転停止時減少水量予測手段と、
この予測減少水量に応じて、運転時に所定時間コンデンサ内圧力を水収支を平衡する圧力よりも所定圧力高くするように可変絞りを制御する増水制御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】
水タンクからの水を用いて水素を加湿する加湿器と、加湿された水素と空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池の排気から水を冷却凝縮して回収するコンデンサと、コンデンサ内の圧力を制御するためにコンデンサの出口に取り付けられた可変絞りと、コンデンサ内の温度を検出するコンデンサ温度センサとを備え、
コンデンサで回収された水を水タンクに戻す共に、システム内の水収支を平衡するべくコンデンサ温度センサの検出温度を基に可変絞りを制御するようにした燃料電池システムにおいて、
外気温を測定する外気温度センサと、
外気温度センサの検出温度を基に、停止時にコンデンサ内温度が外気温に下がるまでに回収不能となって減少する水量を予測する運転停止時減少水量予測手段と、
この予測減少水量に応じて、運転時に所定時間コンデンサ内圧力を水収支を平衡する圧力よりも所定圧力高くするように可変絞りを制御する増水制御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３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
水タンク内の水量を検出するレベルセンサと、前回の停止時と今回の起動時のレベルセンサの検出水量を基に前記停止時減少水量予測手段による予測減少水量を補正する学習制御手段とを備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の排気から水を回収して再利用する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおける可変型水回収制御として、特開２００１−２３６７８号のようなものがある。これは、コンデンサの排気温度を検出する排気温度センサの検出温度に応じて、コンデンサでの水回収量を決めるコンデンサ内圧力を変化させることによって、システム内の水収支を平衡させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システムにおける可変型水回収制御にあっては、キーＯＮ状態では、常にコンデンサ内温度に応じたコンデンサ内圧力を確保し、水収支の平衡を成り立たせることができるが、運転後のキーＯＦＦ状態では、コンデンサ内温度が高い状態でコンデンサ内圧力が低下するようになり、そのため水が蒸発し、テールパイプから排出されたり、配管等で結露して、コンデンサに戻ることができずに、システムで保持すべき水が減少してしまう。したがって、運転のＯＮ−ＯＦＦを繰り返すと、システムで保持すべき水が図１０のようにだんだんに減少してしまうという問題があった。
【０００４】
この発明は、このような燃料電池の運転停止中の水の減少を解決することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水タンクからの水を用いて燃料を改質し改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスと空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池の排気から水を冷却凝縮して回収するコンデンサと、コンデンサ内の圧力を制御するためにコンデンサの出口に取り付けられた可変絞りと、コンデンサ内の温度を検出するコンデンサ温度センサとを備え、コンデンサで回収された水を水タンクに戻す共に、システム内の水収支を平衡するべくコンデンサ温度センサの検出温度を基に可変絞りを制御するようにした燃料電池システムにおいて、外気温を測定する外気温度センサと、外気温度センサの検出温度を基に、停止時にコンデンサ内温度が外気温に下がるまでに回収不能となって減少する水量を予測する運転停止時減少水量予測手段と、この予測減少水量に応じて、運転時に所定時間コンデンサ内圧力を水収支を平衡する圧力よりも所定圧力高くするように可変絞りを制御する増水制御手段とを備える。
【０００６】
第２の発明は、水タンクからの水を用いて水素を加湿する加湿器と、加湿された水素と空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池の排気から水を冷却凝縮して回収するコンデンサと、コンデンサ内の圧力を制御するためにコンデンサの出口に取り付けられた可変絞りと、コンデンサ内の温度を検出するコンデンサ温度センサとを備え、コンデンサで回収された水を水タンクに戻す共に、システム内の水収支を平衡するべくコンデンサ温度センサの検出温度を基に可変絞りを制御するようにした燃料電池システムにおいて、外気温を測定する外気温度センサと、外気温度センサの検出温度を基に、停止時にコンデンサ内温度が外気温に下がるまでに回収不能となって減少する水量を予測する運転停止時減少水量予測手段と、この予測減少水量に応じて、運転時に所定時間コンデンサ内圧力を水収支を平衡する圧力よりも所定圧力高くするように可変絞りを制御する増水制御手段とを備える。
【０００７】
第３の発明は、第１、第２の発明において、水タンク内の水量を検出するレベルセンサと、前回の停止時と今回の起動時のレベルセンサの検出水量を基に前記停止時減少水量予測手段による予測減少水量を補正する学習制御手段とを備える。
【０００８】
【発明の効果】
第１、第２の発明では、停止時に外気とコンデンサの温度差により予想される水の減少量に応じて、運転時に所定時間コンデンサ内圧力を水収支を平衡する圧力よりも高くして運転することによって、システムの水収支を成立させることができ、したがって、水タンクへの水の補給が不要となり、高い実用性を確保することができる。
【０００９】
第３の発明では、システムの水収支をより正確に平衡させることが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は第１の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す。これは、原料として、メタノール等の炭化水素系燃料（以下、メタノールと称す）と水を用いた、自動車等の移動体用の燃料電池システムを示す。
【００１２】
改質器１は、燃料タンク（図示しない）から供給されるメタノールを、水タンク４から水ポンプ８によって供給される水を用いて水蒸気改質させると共に、コンプレッサ７から供給される空気と反応させて改質ガスを生成する。
【００１３】
燃料電池２は、アノード側に改質器１からの改質ガスが供給され、カソード側にコンプレッサ７からの空気が供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素とによって発電を行う。
【００１４】
この改質ガスと空気は、水素と酸素が燃料電池２内で全てが消費される訳ではなく、一部を残してコンデンサ３に排気され、その排出改質ガス、排出空気はコンデンサ３の出口にコンデンサ３内の圧力を制御するために設けられた可変絞り１１、１２を介して燃焼器（図示しない）に送られる。
【００１５】
コンデンサ３は、燃料電池２から排気される排出改質ガスと排出空気をラジエータ６からの冷却水と熱交換して冷却し、それらに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、回収された回収水を水タンク４に戻す。
【００１６】
燃焼器では、排出改質ガスと排出空気を燃焼させて、メタノールや水を気化するための熱源として再利用される。
【００１７】
コンデンサ３内には、コンデンサ３内の温度を検出するコンデンサ温度センサ１０を設けている。
【００１８】
ラジエータ６の前面には、外気温を測定する外気温度センサ９を設けている。
【００１９】
制御装置１５は、燃料電池２に要求される発電電力量（負荷）に基づき、改質器１への燃料タンクからのメタノール供給量、水タンク４からの水供給量、コンプレッサ７からの空気供給量を制御する。
【００２０】
また、制御装置１５は、コンデンサ温度センサ１０の検出温度および外気温度センサ９の検出温度を監視して、可変絞り１１、１２の開度を制御して、コンデンサ３内の圧力を制御する。
【００２１】
次に、制御装置１５の可変絞り１１、１２の制御内容を図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２２】
燃料電池システムを運転つまりキースイッチをＯＮすると、スタートする。
【００２３】
ステップ１では、外気温センサ９で外気温Ｔを測定する。
【００２４】
ステップ２では、燃料電池２の通常運転温度とコンデンサ３の熱容量を基に、通常運転より運転を停止したときにコンデンサ３内温度Ｓが外気温Ｔに下がるまでの冷却時間を予測する。
【００２５】
これは、通常スタック（燃料電池２）運転温度と外気温Ｔを基に、図３のように設定してある冷却時間マップから、予測冷却時間を読み込む。通常スタック運転温度は、予め定めた基準値を用いる。
【００２６】
ステップ３では、予測冷却時間を基に、運転停止時にシステムから減少（蒸発し、テールパイプから排出されたり、配管等で結露したりして減少）する水の量を予測する。
【００２７】
この場合、予測冷却時間を求めずに、外気温Ｔを基に、図４のように設定した減少水量マップから、減少水量を求めて良い。
【００２８】
ステップ４では、コンデンサ３内温度Ｓを基に、可変絞り１１、１２の開度を制御して、運転を開始する。
【００２９】
この場合、コンデンサ３内圧力が図５で示される水収支平衡圧力線より所定圧力△Ｐだけ高い圧力になるように可変絞り１１、１２の開度を制御する。この水収支平衡圧力線は、燃料電池システム内の水の収支が平衡する運転圧力、つまり水タンク４から改質器１への水供給量とコンデンサ３で回収された水回収量との収支が平衡するコンデンサ３内圧力で、コンデンサ３内温度Ｓを基に予め設定してある。また、コンデンサ３内温度Ｓを基に所定圧力を得る可変絞り１１、１２の開度を定めてある。
【００３０】
即ち、コンデンサ３内圧力を高めると、コンデンサ３の効率が高まり、コンデンサ３での水回収量が増加する。
【００３１】
ステップ５では、サンプリング時間毎に、コンプレッサ７の送風空気量（負荷相当）と△Ｐから、コンデンサ３での水回収量の増加量を演算し、加算する。
【００３２】
ステップ６では、増加量と前記予測減少水量を比較し、増加量が予測減少水量に満たない場合は、ステップ４に戻る。
【００３３】
そして、増加量が予測減少水量に達すると、ステップ７にて、コンデンサ３内圧力を図５で示される水収支平衡圧力線の圧力にするように可変絞り１１、１２の開度を制御して、運転を行う。
【００３４】
このように、燃料電池システムの運転の初期に、運転停止時に予想される水の減少分を過剰に回収することによって、システムの水収支を成立させる。この運転による水タンク４の水量の時間変化を図６に示す。
【００３５】
したがって、燃料電池システムの運転のＯＮ−ＯＦＦを繰り返すうちに、システム内の水が減少してしまうといったことはなく、この結果、水タンク４への水の補給が不要となり、高い実用性を確保することができる。
【００３６】
図７は第２の実施の形態を示す。これは、原料として、水素を用いた、自動車等の移動体用の燃料電池システムに前述の図２の制御を行うものである。
【００３７】
図７中、２０は水素貯蔵タンク（図示しない）等から供給される水素ガスを水タンク４からの水を用いて加湿する加湿器を示し、燃料電池２は、アノード側に加湿器２０で加湿された水素ガスが供給され、カソード側にコンプレッサ７からの空気が供給され、発電を行う。その他の構成は前図１と同じである。
【００３８】
このように、水素を加湿して用いる燃料電池システムにあっても、同様の制御を行うことによって、システム内の水が減少してしまうことはなく、システムの水収支を成立させることができる。
【００３９】
図８、図９は第３の実施の形態を示す。これは、水タンク４内の水量を検出するレベルセンサ３０を設け、その検出水量を基に、前記予測減少水量を的確に予測するようにしたものである。燃料電池システムの全体構成は、前図１のものと同様である。
【００４０】
図９のように、ステップ１１では、外気温センサ９で外気温Ｔを測定する。
【００４１】
ステップ１２では、前回の停止時のレベルセンサ３０の読み値（検出水量）と今回の起動時のレベルセンサ３０の読み値（検出水量）とから、水タンク４内の水量のズレつまりシステムの水収支のズレを計測して、学習する。この水収支のズレ量は、外気温Ｔに応じて学習補正する。
【００４２】
ステップ１３では、今回の起動時のレベルセンサ３０の読み値を前回の停止時のレベルセンサ３０の読み値として記憶する。
【００４３】
ステップ１４では、燃料電池２の通常運転温度とコンデンサ３の熱容量を基に、通常運転より運転を停止したときにコンデンサ３内温度Ｓが外気温Ｔに下がるまでの冷却時間を予測する（前図２のステップ２に対応）。
【００４４】
ステップ１５では、予測冷却時間を基に、運転停止時にシステムから減少する水の量を予測する（前図２のステップ３に対応）。
【００４５】
ステップ１６では、ステップ１２で学習補正した水収支のズレ量を基に減少水量の予測値を補正する。
【００４６】
ステップ１７では、コンデンサ３内温度Ｓを基に、コンデンサ３内圧力が図５で示される水収支平衡圧力線より所定圧力△Ｐだけ高い圧力になるように可変絞り１１、１２の開度を制御して、運転を開始する（前図２のステップ４に対応）。
【００４７】
ステップ１８では、サンプリング時間毎に、コンプレッサ７の送風空気量（負荷相当）と△Ｐから、コンデンサ３での水回収量の増加量を演算し、加算する（前図２のステップ５に対応）。
【００４８】
ステップ１９では、増加量と前記補正後の予測減少水量を比較し、増加量が補正後の予測減少水量に満たない場合は、ステップ１７に戻る。
【００４９】
そして、増加量が補正後の予測減少水量に達すると、ステップ２０にて、コンデンサ３内圧力を図５で示される水収支平衡圧力線の圧力にするように可変絞り１１、１２の開度を制御して、運転を行う。
【００５０】
このようにすれば、システムの水収支をより正確に平衡させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】制御内容を示すフローチャートである。
【図３】冷却時間マップの特性図である。
【図４】減少水量マップの特性図である。
【図５】水収支平衡圧力マップの特性図である。
【図６】水量のタイミングチャートである。
【図７】第２の実施の形態を示す構成図である。
【図８】第３の実施の形態を示す構成図である。
【図９】制御内容を示すフローチャートである。
【図１０】従来例の特性図である。
【符号の説明】
１　改質器
２　燃料電池
３　コンデンサ
４　水タンク
６　ラジエータ
７　コンプレッサ
８　水ポンプ
９　外気温度センサ
１０　コンデンサ温度センサ
１１、１２　可変絞り
１５　制御装置
２０　加湿器
３０　レベルセンサ
【図１】
2004047209.tif 000003
【図２】
2004047209.tif 000004
【図３】
2004047209.tif 000005
【図４】
2004047209.tif 000006
【図５】
2004047209.tif 000007
【図６】
2004047209.tif 000008
【図７】
2004047209.tif 000009
【図８】
2004047209.tif 000010
【図９】
2004047209.tif 000011
【図１０】
2004047209.tif 000012