(57)【要約】【課題】オフガス配管に設置された気液分離器内の水の凍結を判定する。【解決手段】気液分離器６０には、凍結判定機構として、電極１００ａ、１００ｂと、鉄芯１０１と、水中に設置された磁石吸引物１１０ａと、磁石吸引物１１０ａの動作を制御するガイド１０２ａ、１０２ｂとを備えている。制御ユニットは、電極に電圧を印可し、電極間に発生する磁界により鉄芯１０１を電磁石１０１に変化させる。非凍結時には、電磁石１０１と磁石吸引物１１０ａとが引き合い、接点Ａ，Ｂが閉じられ、導通状態となる。凍結時には、電磁石１０１と磁石吸引物１１０ａとが引き合ったとしても、双方の間に氷が存在するため、磁石吸引物１１０ａは浮き上がることが困難となる。制御ユニットは、電極に電圧印加後、所定時間経過後においても導通状態が検出されない場合には、気液分離器６０内の水Ｗａは凍結していると判定する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
発電に用いられるガスを、該燃料電池に給排するガス配管系と、
前記ガス配管系の少なくとも一部に設置され、前記ガス中の水を回収する気液分離器と、
前記気液分離器内の凍結を判定する凍結判定手段とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記凍結判定手段による凍結判定は、前記燃料電池システムの起動前に行われ、前記水の凍結が検出された場合には、前記燃料電池システムの起動を禁止するシステム起動禁止手段とを備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、前記凍結判定手段は、前記気液分離器内の水の、凍結時と非凍結時とにおける流動性の相違に基づき凍結を判定する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器内の水中を可動する可動部材と、
前記可動部材を作動させる作動手段と、
前記可動部材の動作状態を検出する動作検出手段とを備え、
前記凍結判定手段は、前記動作検出手段による検出結果に基づき、凍結を判定する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記可動部材の動作によって導通状態が変化する接点を備え、
前記動作検出手段は、前記導通状態の変化を検出する燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが、再び、前記燃料電池へ供給されるアノードオフガス循環系に、
前記気液分離器と、
前記燃料電池システムの発電に用いられる水素ガスを排出するアノードオフガス配管と、
前記アノードオフガス配管から分岐して、前記気液分離器内の水面下に連結する連結バイパスと、
前記水素ガスの経路を、前記アノードオフガス配管と前記連結バイパスとのいずれかに切り換える切換手段と、
前記アノードオフガス配管の圧力を測定する圧力測定手段とを備え、
前記凍結判定手段は、前記経路を前記連結バイパス側に切り換えた状態での、前記圧力測定手段により測定される圧力値に基づき、凍結を判定する燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、前記凍結判定手段は、前記気液分離器内の水の凍結時と非凍結時とにおける体積の相違に基づき凍結を判定する燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器内の水面より下部の圧力を測定する圧力測定手段を備え、
前記凍結判定手段は、前記測定された圧力値に基づき凍結を判定する燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器内の水面より下部のいずれかの部分に設けられ、圧力によって変形する弾性部材を備え、
前記凍結判定手段は、前記弾性部材の変形状態に基づき凍結を判定す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】
本発明は、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の凍結判定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは電気化学反応によって水が生成される。生成された水は、燃料電池システム内部の冷却に使用されたり、排水管から外部へ排出されていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３１３３８３号公報；
【特許文献２】
特開２００２−９３４４５号公報；
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池システムが、外気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間運転を停止されると、システム内の部品、例えば、気液分離器に回収された水が凍結し、排水管から外部への排出を不能としたり、ガスの滞留を発生させ、燃料電池システムが運転不能となったり、寿命を縮めたりする恐れがある。
【０００５】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムが、気液分離器で凍結することにより発生しうる弊害を回避することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述した課題の少なくとも一つを解決するために、本発明の燃料電池システムにおいて、以下に示す構成を設ける。すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、発電に用いられるガスを、該燃料電池に給排するガス配管系と、前記ガス配管系の少なくとも一部に設置され、前記ガス中の水を回収する気液分離器と、前記気液分離器内の凍結を判定する凍結判定手段とを備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明によれば、気液分離器内の水の凍結を検出することができる。従って、凍結時に生じる弊害を回避することができる。凍結は、種々のタイミングで判定可能であり、例えば、凍結判定を、燃料電池システムの起動前に行うこととすれば、気液分離器内の水の凍結が検出された場合には、燃料電池システムの起動を禁止することが可能である。従って、凍結時に燃料電池を無理に発電させることによる劣化を抑制すると共に、システムの異常を回避することができる。また、凍結が検出された場合には、例えば、バッテリーなどの電源からヒータを起動して解凍を行い、解凍を検知した場合には、燃料電池システムを起動することとしてもよい。
【０００８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記凍結判定手段による凍結判定手段は、前記気液分離器内の水の、凍結時と非凍結時とにおける流動性の相違に基づき凍結を判定することとしてもよい。
【０００９】
流動性とは、その時々の条件に応じて動きが変わることを意味しており、例えば、容器に溜められた水は、非凍結時には、容器を傾ければ、その動きに応じて水も動き、非凍結時には、氷に状態変化しているため、容器を傾けたとしても、容器内の氷が動くことはない。すなわち、水は、非凍結時には流動性を保持しており、凍結時には、流動性を失していると言うことができる。
【００１０】
本発明は、かかる流動性に基づき、気液分離器内の水の凍結を判定することとしたため、容易に凍結を判定することができる。
【００１１】
流動性に基づく凍結判定としては、例えば、気液分離器を傾けたり、振動させたりしたときの水流により判定することとしてもよいし、振動させた場合の振動周波数に基づき判定することとしてもよい。また、例えば、前記気液分離器内の水中を可動する可動部材と、前記可動部材を作動させる作動手段と、前記可動部材の動作状態を検出する動作検出手段とを備え、前記凍結判定手段は、前記動作検出手段による検出結果に基づき、凍結を判定することとすることができる。こうすれば、比較的簡便に凍結を判定することが可能となる。
【００１２】
例えば、可動部材を金属とし、作動手段を磁石とすれば、凍結判定時には磁石を金属に近づけ、金属が浮くなどして動いたか否か等の動作状態を検出することとしてもよい。動作検出手段は、例えば、底面の所定の位置に設置された可動部材と底面との間にセンサを設け、かかるセンサにより、可動部材の浮沈を確認することとしてもよい。また、例えば、作動手段により、可動部材の状態が、凍結判定前後で相違があるか否かを検出することとしてもよい。
【００１３】
また例えば、前記可動部材の動作によって導通状態が変化する接点を備え、前記動作検出手段は、前記導通状態の変化を検出することとしてもよい。例えば、非凍結時には、可動部材が動き、接点に接することにより、非導通状態であった接点が導通状態になり、凍結時には、氷が存在するため、可動部材が動かず、接点に接することがないため、非導通状態のままであることにより、凍結を判定することとしてもよい。接点が可動部材とは別に、スイッチとなっており、可動部材が動くことによりスイッチがＯＮとなり導通状態になる構成としてもよい。また、例えば、予め、可動部材が接点に接し導通である状態から、可動部材が動くことにより接点と離れ、非導通状態になることにより凍結を判定することとしてもよい。かかる凍結判定は、上述したスイッチの構成としても適用可能である。これらの例示に限ることなく、可動部材の動作により接点の導通状態が変化し、それを検出することができればよい。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、また、燃料電池から排出されたアノードオフガスが、再び、該燃料電池へ供給されるアノードオフガス循環系に、前記気液分離器と、前記燃料電池システムの発電に用いられる水素ガスを排出するアノードオフガス配管と、前記アノードオフガス配管から分岐して、前記気液分離器内の水面下に連結する連結バイパスと、前記水素ガスの経路を、前記アノードオフガス配管と前記連結バイパスとのいずれかに切り換える切換手段と、前記アノードオフガス配管の圧力を測定する圧力測定手段とを備え、前記凍結判定手段は、前記圧力測定手段により測定される圧力値に基づき、凍結を判定することとしてもよい。切換手段は、例えば、バルブにより切り換えることとすれば、簡易に実現できる。圧力測定手段とは、例えば、アノードオフガス配管に圧力センサを備えることとしてもよい。圧力センサは、気液分離器と燃料電池スタックとの間、すなわち、気液分離器の上流側に設置することとしてもよいし、下流側に設置することとしてもよい。
【００１５】
気液分離器内の水の凍結時には、連結バイパスを通過する水素ガスは、気液分離器の水面を通過できず、燃料電池システムの正常動作時、すなわち、非凍結時に比べて、圧力値に変化が発生する。圧力の変化は、圧力センサを設置する部位により、所定値以上となる場合や、所定値以下となる場合がある。いずれも、燃料電池システムの正常起動時に測定される圧力値の上限および下限に基づき判定することとすれば、簡易な構成で凍結を判定することができる。
【００１６】
かかる凍結判定に使用される水素ガスは、アノードオフガス循環系に設置された水素タンクから供給することとしてもよいし、燃料電池システムの前回作動時における残存する水素ガスを使用することとしてもよい。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記凍結判定手段は、前記気液分離器内の水の、凍結時と非凍結時とにおける体積の相違に基づき凍結を判定することとしてもよい。
【００１８】
一般的に、水は凍結することにより氷へ状態変化し、かかる状態変化に伴い、体積が膨張することが知られている。本発明のように、かかる体積膨張による凍結時と非凍結時の体積の差異により凍結を判定することとすれば、気液分離器のようなメカニカルな機器の凍結を容易に判定することが可能となる。
【００１９】
かかる凍結判定手段としては、前記気液分離器内の水面より下部の圧力を測定する圧力測定手段を備え、前記測定された圧力値に基づき凍結を判定することとすれば、簡易な構成で凍結を判定することができ好適である。かかる場合には、例えば、気液分離器の水面下のいずれかの場所に圧力測定手段、例えば圧力センサを設置することで容易に実現可能である。
【００２０】
また、例えば、前記気液分離器内の水面より下部のいずれかの部分に設けられ、所定の圧力値以上で変形する弾性部材を備え、前記凍結判定手段は、前記弾性部材の変形状態に基づき凍結を判定することとしてもよい。
【００２１】
「所定の圧力値」とは、例えば、気液分離器内の水が凍結した場合に検知される圧力値から所定の範囲内の値としてもよいし、体積膨張率から算出される値としてもよい。弾性部材とは、例えば、樹脂素材、ゴムなどの薄膜とすることができる。凍結判定手段は、例えば、気液分離器外側に、弾性部材に接するよう可動部材を設け、弾性部材が、気液分離器内の水の凍結による体積膨張に伴って外側へ膨張し、その膨張による可動部材の動作状態を検出することとしてもよい。また、例えば、弾性部材の近傍にスイッチを設け、弾性部材の膨張によりかかるスイッチがＯＮとなることを検出することとしてもよい。凍結しやすい部位にノズル等で筒を設けることとしてもよい。
【００２２】
凍結を判定する方法としては、上述した方法以外に、例えば、気液分離器内の音の伝播、反射、光の反射、透過、屈折など種々の方法を利用することとしてもよい。
【００２３】
本発明において、上述した種々の特徴は、適宜、組み合わせたり、一部を省略して適用することができる。本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成に限らず、燃料電池システムの凍結を判定し起動を制御する制御装置、制御方法、凍結判定方法など種々の態様で構成することができる。いずれの態様においても、上述した種々の各特徴を、適宜適用可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、以下の項目に分けて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置構成：
Ａ２．制御ユニット：
Ａ３．気液分離器構造：
Ａ４．凍結判定処理：
Ａ５．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．気液分離器構造：
Ｂ２．凍結判定処理：
Ｂ３．変形例：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．気液分離器構造：
Ｃ２．変形例：
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置構成：
図１は、実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者がアクセルを操作すると発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成をとることが可能である。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２７】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。配管３５には、吸気温を検出するための温度センサ２０２が設けられている。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと称する）は、配管３６、マフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧は、配管３６に設けられた圧力センサ５３で検出され、調圧バルブ２７の開度によって制御される。
【００２８】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３２を介して水素タンク２０に貯蔵された高圧水素から水素が供給される。水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００２９】
水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、高圧バルブ２３、低圧バルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと称する）は、配管３３に流出する。アノードの出口には、圧力センサ５１およびバルブ２５が設けられており、アノードへの供給圧力および量の制御に利用される。
【００３０】
配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管３７に接続され、他方は、逆止弁２８を介して配管３２に接続される。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３３には、アノードオフガスを加圧するための水素ポンプ４５が設けられている。
【００３１】
排出管３７に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは、配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効活用することができる。
【００３２】
アノードオフガスの循環中、水素は発電に使用される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードからの電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３７を通り、希釈機４４で空気によって希釈された後、外部に排出され不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。
【００３３】
気液分離器６０は、通過するアノードオフガスを冷却することにより、アノードオフガス中に含まれる水を、水蒸気（気体）と水（液体）に分離し、水を回収する機能を奏する。回収された水は、燃料電池に供給される水素または酸素の加湿等に利用する。気液分離器６０の近傍には、気液分離器６０が凍結した場合に、解凍を行うためのヒータ４７が備えられている。ヒータ４７は、燃料電池スタック１０により発電された電力や、発電により発生する熱、バッテリーの電力を使用して解凍を行う。
【００３４】
燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の排出管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０からの出口には、冷却水の温度を検出するための温度センサ２０３が設けられている。
【００３５】
Ａ２．制御ユニット：
図２は、燃料電池システムの運転を制御する制御ユニット２００を示す説明図である。制御ユニット２００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット２００に入出力される信号の一例を実線で示した。入力としては、例えば、温度センサ２０２、圧力センサ５１、圧力センサ５３、気液分離器６０、アクセル開度センサ２０１の制御信号が挙げられる。アクセル開度センサ２０１によって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。出力としては、例えば、気液分離器６０、水素ポンプ４５、ヒータ４７、ディスプレイ２１０が挙げられる。ディスプレイ２１０には、凍結時処理の際、燃料電池システムの起動禁止や、解凍処理中である等、ユーザへの通知情報が表示される。
【００３６】
Ａ３．気液分離器構造：
図３は、第１実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。気液分離器６０は、排水機構と、回収された水Ｗａの凍結判定機構とを備えている。排水機構として、フロート１０３と、フロート１０３を可動に支持する支持具１０４と、支持具１０４から延び、排水口１０６の開閉を行うノズル１０５とを備えており、水Ｗａの水位が所定値以上となった場合に、フロート１０３が水位に伴い上昇することで支持具１０４と支持具１０４から延びているノズル１０５が持ち上げられる。ノズル１０５が持ち上げられると、排水口１０６が開放され、所定値以上蓄積された水は外部へ排出される。
【００３７】
凍結判定機構として、電極１００ａ、１００ｂと、電極１００ａおよび１００ｂの間に配置された鉄芯１０１と、鉄芯１０１の下方の水中に設置された磁石吸引物１１０ａと、磁石吸引物１１０ａの動作を規制するガイド１０２ａ、１０２ｂとを備えている。電極１００ａ、１００ｂは、接続線２００ａおよび２００ｂにより制御ユニット２００と接続されており、電気回路を構成している。電極１００ａおよび１００ｂに電圧を印加しても、電極１００ａおよび１００ｂの水中側端の接点Ａ，Ｂが開いているため、かかる回路には電流は流れない。接点Ａ，Ｂに導電性の物体が接し、各接点が閉じることで、電気回路は閉回路となり、導通状態、すなわち、電流が流れることとなる。制御ユニット２００はかかる導通状態を検出し、凍結判定を行う。
【００３８】
制御ユニット２００が、電極１００ａ、１００ｂに電圧を印加することで、電極１００ａ、１００ｂ間には磁界が発生し、鉄芯１０１は、磁界の影響を受けて電磁石に変化する。以降、かかる状態の鉄芯１０１を電磁石１０１と呼ぶこととする。非凍結時には、制御ユニット２００が電圧印加後、所定時間経過後に、磁石吸引物１１０ａは、電磁石１０１と引き合い、ガイド１０２ａおよび１０２ｂに沿って浮き上がり、破線で示す磁石吸引物１１０ｂの位置まで上昇し、電極１００ａおよび１００ｂの水中側端の接点Ａ，Ｂと接する。制御ユニット２００は、接点Ａ，Ｂに磁石吸引物１１０ａが接したことにより、前述の電気回路が閉回路となり、電流が流れ、導通状態を検出する。すなわち、制御ユニット２００は、導通状態を検出することができれば、気液分離器内の水Ｗａは凍結していないと判定する。
【００３９】
凍結時には、電磁石１０１と磁石吸引物１１０ａとが引き合ったとしても、双方の間に氷が存在するため、磁石吸引物１１０ａは浮き上がることが困難となる。そのため、制御ユニット２００は、電極１００ａ、１００ｂに電圧印加後、所定時間経過後においても導通状態が検出されない場合には、気液分離器６０内の水Ｗａは凍結していると判定する。
【００４０】
このような構成を取ることにより、気液分離器など凍結判定が困難なメカニカルな機器の凍結を、簡易な構成で判定することが可能となる。導通の有無のみで凍結を判定するだけでなく、導通が検出されるまでの経過時間を考慮してもよい。こうすれば、半凍結の状態を検出することもできる。以降では、凍結判定処理を説明する。
【００４１】
Ａ４．凍結判定処理：
図４は、凍結判定処理を説明するフローチャートである。運転者が行う燃料電池システムの起動操作に応じて、制御ユニット２００が各機能ブロックを制御して実行する処理である。
【００４２】
この処理が開始されると、制御ユニット２００は、温度センサ２０２から外気温を読み込む（ステップＳ１１）。温度センサ２０２において測定された外気温が、所定値以上である場合には（ステップＳ１２）、気液分離器６０は凍結していないと判断し、通常のシステム起動処理を行う（ステップＳ１８）。また、温度センサ２０２が測定する外気温の履歴を参照して、凍結の判定を行うこととしてもよい。所定値とは、少なくとも水の凝固点よりは高く、かつ、凍結可能性のある温度であるものとする。
【００４３】
外気温が所定値以上で無い場合（ステップＳ１２）、気液分離器６０内部の水が凍結している可能性が高いと判断し、凍結判定処理を行う。制御ユニット２００は、気液分離器６０内に設置された電極１００ａ、１００ｂに電圧を印加し（ステップＳ１３）、電極１００ａ、１００ｂの周囲に磁界を発生させることにより、鉄芯１０１を電磁石１０１に変化させる（ステップＳ１４）。
【００４４】
制御ユニット２００は、電極１００ａ、１００ｂに電圧印加後、所定時間経過後に、導通を検出したか否かを判断する（ステップＳ１５）。導通が検出できていれば、気液分離器６０内の水は非凍結であると判定し、システムを起動する（ステップＳ１８）。導通が検出できない場合には、凍結していると判定し、ヒータを起動して（ステップＳ１６）、気液分離器６０内の水の解凍を行う。解凍処理には、例えば、バッテリーから電力を供給しヒータ４７を起動することとしてもよい。制御ユニット２００は、図示するように解凍処理中であることを、ディスプレイ２１０を介してユーザに通知する（ステップＳ１７）。
【００４５】
以上で説明した第１実施例の燃料電池システムによれば、簡易な構成で、気液分離器内の水の凍結を判定することができ、かかる凍結判定結果に基づきシステムの起動を制御することができるため、燃料電池へのガスの供給が良好に行われないことを未然に防止することができ、システムの劣化を回避することが可能となる。
【００４６】
Ａ５．変形例：
上述した第１実施例では、二本の電極間に磁界を発生させ、間に設けられた鉄芯を電磁石とし、水中の磁石吸引物の可動状態によって凍結を判定することとしたが、図５に示す構成により凍結判定を行うこととしてもよい。
【００４７】
図５は、第１実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。本変形例の気液分離器６０は、水中を可動する棒状部材１２１と、棒状部材１２１を所定の位置で支持する支持具１２２と、棒状部材１２１を図示する矢印のように回動させるための支点１２０と、棒状部材１２１が矢印に沿って回動した場合に接する接点１２３とを備えている。
【００４８】
接点１２３には、制御ユニット２００に接続されたセンサが設置されており、棒状部材１２１が接すると、制御ユニット２００へ信号が通知される。制御ユニット２００は、例えば、支点１２０をモータにより回転させることにより、棒状部材１２１を、矢印に沿って回動させる。非凍結時には、棒状部材１２１は、破線で示すように接点１２３に接する（図に円Ｃで示す）。制御ユニット２００は、このとき、センサから信号を受信しているため、非凍結であると判定する。
【００４９】
凍結時には、棒状部材１２１は、動作することができないため、制御ユニット２００は、モータにより支点１２０を回転させ、所定時間経過後にセンサから信号が通知されない場合には、凍結していると判定することとしてもよい。支点１２０が回転しないことを検出し、凍結を判定してもよい。
【００５０】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、気液分離器６０Ａ内の水の凍結を、気液分離器内に配置された可動部材の動作状態により、判定することとした。第２実施例では、水素ガスが、アノードオフガスの配管から分岐して、気液分離器の水中に流入するようバイパス配管を設置し、配管に設置された圧力センサにより測定された圧力値に基づき、気液分離器６０Ａ内の水の凍結を判定することとした。
【００５１】
Ｂ１．気液分離器構造：
図６は、第２実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスは、配管３３に流出する。配管３３には、アノードオフガスの流出量を調整するバルブ２５が設置されている。図示するように、配管３３から分岐してアノードオフガスが流れるようバイパス配管７０を設置し、バイパス配管７０の気液分離器側端は、気液分離器６０Ａの水面下に配置されることとした。バイパス配管７０には、アノードオフガスの流出量を調節するバルブ７１が設置されており、制御ユニット２００は、気液分離器６０Ａの水の凍結判定時には、バルブ２５およびバルブ７１の開閉を制御して、アノードオフガスが、配管３３もしくはバイパス配管７０のいずれか一方に流出するように切り換える。バルブ２５，７１に代えて、分岐箇所に切換弁を設けることとしてもよい。
【００５２】
気液分離器６０Ａを通過したアノードオフガスは、配管３４に流入する。配管３４には、アノードオフガスを加圧する水素ポンプ４５と、水素ポンプ４５の上流側の圧力を測定する圧力センサ５５と、下流側の圧力を測定する圧力センサ５６とが設置されている。制御ユニット２００は、圧力センサ５５および５６の測定値に基づいて、凍結を判定する。
【００５３】
本実施例における気液分離器６０Ａの水Ｗａの凍結判定時は、システム起動前であるため、バルブ２５は予め閉じられている。制御ユニット２００は、バルブ７１を開き、燃料電池スタック１０から流出するアノードオフガスをバイパス配管７０へ流れるよう制御する。バイパス配管７０の気液分離器６０Ａ側端は水中に配置されているため、バイパス配管７０内にも水が流入しており、水面ｓｆは、気液分離器６０Ａの水面と同位置となっている。
【００５４】
非凍結時には、アノードオフガスは、バイパス配管７０内の水中を通り、図中円Ｄで示すバイパス配管７０の出口から気泡ｂｕｂとして、水中から放出され、配管３４へ流入する。アノードオフガスは、水素ポンプ４５で加圧され、配管を流れる。かかる場合には、圧力センサ５５および５６において測定される圧力値は、燃料電池システムの通常起動時と差異はない。
【００５５】
凍結時には、バイパス配管７０に流入したアノードオフガスは、気液分離器６０Ａの水中から放出されないまま、水素ポンプ４５が作動するため、圧力センサ５５により測定される圧力値が、燃料電池システムの通常作動時に比べ、低くなる。制御ユニット２００は、かかる圧力値と、通常作動時の圧力センサ５５により測定された圧力値との差分が所定値以上の場合には、気液分離器６０Ａ内の水は凍結していると判定する。
【００５６】
Ｂ２．凍結判定処理：
図７は、第２実施例における凍結判定処理を説明するフローチャートである。制御ユニット２００が各機能ブロックを制御して実行する処理である。ステップＳ１１〜ステップＳ１２およびステップＳ１６〜ステップＳ１８は、第１実施例と同様であるため、説明は省略する。
【００５７】
制御ユニット２００は、外気温が所定値以上でない場合（ステップＳ１２）、凍結判定処理を行う。まず、シャットバルブ２１を開き（ステップＳ３０）、燃料電池スタック１０に水素タンク２０から水素ガスを供給する（ステップＳ３１）。次に、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスを、バイパス配管７０側に流入させるため、バルブ７１を開く（ステップＳ３２）。本実施例ではシステム起動前の凍結判定であり、配管３３に設置されているバルブ２５は、予め閉じられていることとする。
【００５８】
制御ユニット２００は、所定時間経過後、圧力センサ５５により測定された圧力値が、所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３３）。圧力値が所定値以下である場合には、気液分離器６０Ａ内の水は凍結していると判定し、ステップＳ１６〜ステップＳ１７の凍結時処理を行う。圧力値が所定値以下でない場合には、非凍結と判定し、システムを起動する（ステップ１８）。
【００５９】
以上説明した第２実施例の燃料電池システムによれば、第１実施例と同様に、気液分離器などの凍結の検出が困難であるメカニカルな機器の凍結を容易に検出することができ、凍結時には、システムの起動を禁止することとしたため、燃料電池システムの始動時の弊害を回避すると共に、燃料電池システムの劣化を防止することができる。また、凍結時に、ヒータを起動して解凍するため、解凍が検出された場合には、速やかに燃料電池システムを起動することができる。
【００６０】
Ｂ３．変形例：
上述した第２実施例では、水素タンク２０から水素ガスを供給することとしたが、燃料電池システムの前回作動時における残存水素を使用することとしてもよい。
【００６１】
図８は、第２実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。図示するようにバイパス配管７０は、水素ポンプ４５の下流側から分岐し、バイパス配管７０の他端は、気液分離器６０Ａの水面下となるよう設置することとし、バイパス配管７０には、アノードオフガスの流入を調節するバルブ７１が設置されている。第２実施例と同様に、水面ｓｆは、気液分離器６０Ａの水面と同位置である。
【００６２】
凍結判定を行う場合、制御ユニット２００は、バルブ７１を開き、水素ポンプ４５を起動する。水素ポンプ４５は、燃料電池システムの前回作動時に、配管３３，３４、気液分離器６０Ａに残存する残存水素を加圧し、バイパス配管７０へ流す。起動時に凍結判定を行う場合には、各種バルブは予め閉じられていることとする。
【００６３】
非凍結時には、アノードオフガスは、バイパス配管７０を通り、図中円Ｅで示すバイパス配管７０の出口から気泡ｂｕｂとして、水中から放出され、配管３４へ流入する。バルブ７１以外の各種バルブは閉じられているため、アノードオフガスは、配管３４→バイパス配管７０→気液分離器６０Ａという閉じられた経路を循環していることとなるため、凍結判定中に、圧力センサ５５，５６により測定される圧力値には、所定の範囲内の値となる。
【００６４】
凍結時には、バイパス配管７０に流入したアノードオフガスは、気液分離器６０Ａの水中から放出されないまま、水素ポンプ４５が作動するため、圧力センサ５５により測定される圧力値が、所定値以上低くなる。制御ユニット２００は、圧力センサ５５により測定された圧力値が所定以上低い場合には、気液分離器６０Ａ内の水は凍結している判定する。
【００６５】
このような構成を取ることにより、新たに水素ガスを供給するまでなく、燃料電池システムの前回作動時の残存水素を使用して、簡易な構成で、凍結判定を行うことができるため、好適である。
【００６６】
Ｃ．第３実施例：
第１実施例では、気液分離器６０Ｂ内に設けた可動部材の動作状態に基づいて、凍結を判定することとした。第２実施例では、配管から気液分離器６０Ｂの水中へバイパス配管を設け、圧力センサにより測定される圧力値により凍結を判定することとした。第３実施例では、水が凍結して氷に変化する過程で、体積が膨張することに基づき、凍結時と非凍結時とにおける体積の相違に基づいて、凍結を判定することとした。
【００６７】
Ｃ１．気液分離器構造：
図９は、第３実施例における気液分離器６０Ｂの構造を説明する断面図である。気液分離器６０Ｂには、側面に、ゴムの薄膜８０ａが設置されており、バネ８２に支持された可動部材８１ａが、薄膜８０ａに接するように配置されている。バネ８２の他端は、固定された圧力センサ８３が設けられている。薄膜８０ａは、水Ｗａが凍結し体積が膨張することに伴い、破線の薄膜８０ｂに示すように気液分離器６０Ｂの外側へ膨張する。可動部材８１ａは、薄膜８０ｂにより、矢印のように押圧され、これに伴ってバネ８２を押しながら、破線に示す可動部材８１ｂの位置へ移動する。
【００６８】
圧力センサ８３は、バネ８２にかかる圧力を測定し、測定された圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値とに基づいて、気液分離器６０Ｂの水Ｗａの凍結を判定する。すなわち、非凍結時には、燃料電池システムの凍結判定時に、圧力センサ８３において測定された圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値との間に所定値以上の差は顕れない。これに対し、凍結時には、薄膜８０ａは、図示する薄膜８０ｂのように膨張しており、可動部材８１ａにおいても、同様に、可動部材８１ｂの位置まで移動している。そのため、バネ８３には矢印の方向に力が加わり、圧力センサ８３において測定される圧力値は、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値と比べ、所定値以上高くなる。制御ユニット２００は、このように、圧力センサ８３により測定される圧力値が、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値と比べ、所定値以上高い場合には、凍結していると判定する。
【００６９】
凍結判定処理は、第２実施例において説明した図７のフローチャートにおいて、ステップＳ３０を「圧力測定」と、ステップＳ３１を「前回動作終了時の圧力値読み出し」と、ステップＳ３２を「圧力値の比較」と、ステップＳ３３を「圧力値に所定値以上の差が存在するか？」とすることで説明できる。
【００７０】
以上説明した第３実施例では、凍結時と非凍結時とにおける水の体積の相違に基づいて凍結判定を行うことができるため、簡易な構成で、気液分離器の凍結を判定することができる。従って、燃料電池スタックへ、オフガスが良好に供給できなくなることを防止することが可能となり、燃料電池システムの劣化を抑制することができる。
【００７１】
Ｃ２．変形例：
上述した第３実施例では、気液分離器の水面下に設置された薄膜の膨張に基づき凍結を判定することとしたが、薄膜に代えて、水面下に圧力センサを設けることとしてもよい。
【００７２】
図１０は、第３実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。気液分離器６０Ｂは、水面下に圧力センサ９０を備えている。気液分離器６０Ｂの水面下は、水Ｗａにより、矢印に示すように水圧がかかっており、制御ユニット２００は、圧力センサ９０により測定される水圧に基づき凍結を判定する。
【００７３】
非凍結時には、圧力センサ９０により測定される圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定される圧力値とには、所定値以上の差は顕れない。凍結時には、水から氷への状態変化の過程で体積が膨張するため、圧力センサ９０に測定される圧力値は、燃料電池システムの前回動作終了時に測定される圧力値より高くなる。
【００７４】
このような構成をとることにより、簡易な構成で、気液分離器内の水の体積の膨張、即ち、凍結を判定することができ、好適である。
【００７５】
上述した第３実施例および変形例では、燃料電池システムの起動前に行われる凍結判定時に測定される圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定される圧力値とに基づき、凍結を判定することとしたが、前回動作終了時に測定される圧力値に関わらず、圧力値が所定値以上の場合には、凍結していると判定することとしてもよい。
【００７６】
第３実施例では、可動部材を用いることとしたが、可動部材に代えて、スイッチを設けることとしてもよい。こうすれば、薄膜の膨張によるスイッチのＯＮ／ＯＦＦに基づいて凍結を判定することができ、簡易な構成で凍結判定を実現することができる。
【００７７】
また、第３実施例では、薄膜にゴムを使用することとしたが、これに限られず、所定の圧力値以上で変形する弾性部材であれば、本発明を実現することができる。
【００７８】
本発明の燃料電池システムにおいて、気液分離器に凍結が検知された場合には、システムの起動を禁止することとしたが、その後、凍結箇所の解凍が検知された場合には、速やかにシステムを起動することとすれば、起動遅延を防止することができ好適である。
【００７９】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの運転を制御する制御ユニット２００を示す説明図である。
【図３】第１実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。
【図４】第１実施例における凍結判定処理を説明するフローチャートである。
【図５】第１実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。
【図６】第２実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。
【図７】第２実施例における凍結判定処理を説明するフローチャートである。
【図８】第２実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。
【図９】第３実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。
【図１０】第３実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…高圧バルブ
２４…低圧バルブ
２５…バルブ
２６…排出バルブ
２７…調圧バルブ
２８…逆止弁
３２，３３，３４，３５，３６，３７…配管
３７…排出管
３８…ラジエータ
４０…フィルタ
４１…コンプレッサ
４２…加湿器
４３…マフラ
４４…希釈機
４５…水素ポンプ
４６…ポンプ
４７…ヒータ
５１，５３，５４，５５，５６，８３，９０…圧力センサ
６０…気液分離器
７０…バイパス配管
７１…バルブ
８０ａ，８０ｂ…薄膜
８１ａ，８１ｂ…可動部材
８２…バネ
１００ａ，１００ｂ…電極
１０１…鉄芯
１０１…電磁石
１０２ａ，１０２ｂ…ガイド
１０３…フロート
１０４…支持具
１０５…ノズル
１０６…排水口
１１０ａ，１１０ｂ…磁石吸引物
１２０…支点
１２０ａ…ガイド
１２１…棒状部材
１２２…支持具
１２３…接点
２００…制御ユニット
２００ａ、２００ｂ…接続線
２０１…アクセル開度センサ
２０２…温度センサ
２０３…温度センサ
２１０…ディスプレイ
【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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【図７】
2004281069.tif 000009
【図８】
2004281069.tif 000010
【図９】
2004281069.tif 000011
【図１０】
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