(57)【要約】【課題】システム起動時にサブタンク内の氷を解かした後に燃料電池を発電し、メインタンク内の水が規定量に足りない分は燃料電池の生成水により補っていたため、燃料電池システム起動まで時間がかかっていた。【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスで発電し、電解質膜の加湿を必要とする燃料電池と、電解質膜を加湿する加湿手段を有する加湿用配管を備える燃料電池システムの水管理システムにおいて、加湿用配管に外部より水を供給可能な供給口を備える補給配管が取付けられたメインタンクと、燃料電池システム停止時にメインタンク及び加湿用配管から水を回収するサブタンクを備え、サブタンクを加熱可能な手段を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスで発電し、電解質膜の加湿を必要とする燃料電池と、前記電解質膜を加湿する加湿手段を有する加湿用配管を備える燃料電池システムの水管理システムにおいて、前記加湿用配管に外部より水を供給可能な供給口を備える補給配管が取付けられたメインタンクと、前記燃料電池システム停止時に前記メインタンク及び前記加湿用配管から水を回収するサブタンクを備え、前記サブタンクを加熱可能な手段を備えることを特徴とする水管理システム。
【請求項２】
請求項１の水管理システムにおいて、前記サブタンク内の水が凍結したことを判断する凍結判断手段を備えることを特徴とする水管理システム。
【請求項３】
請求項２の水管理システムにおいて、前記加湿用配管内の水を一定方向に流すことが可能な送水手段を前記加湿用配管に備え、前記凍結判断手段を、前記燃料電池システム起動時に前記送水手段のモータ負荷により前記サブタンク内の水の凍結を判断する手段とすることを特徴とする水管理システム。
【請求項４】
請求項２乃至３の水管理システムにおいて、前記凍結判断手段が凍結と判断した際、使用者に知らせる手段を備えることを特徴とする水管理システム。
【請求項５】
請求項１の水管理システムにおいて、前記燃料電池システム起動時に前記サブタンク内の水の解凍するか外部より前記メインタンクに水を供給するかを選択可能な手段を備えることを特徴とする水管理システム。
【請求項６】
請求項１の水管理システムにおいて、外部より前記メインタンクに水を供給した場合、前記メインタンク内の水の残量に応じて前記サブタンク内の水を外部に放出することを特徴とする水管理システム。
【請求項７】
請求項１乃至６の水管理システムにおいて、前記補給配管にイオンフィルタを取付けることを特徴とする水管理システム。
【請求項８】
請求項１の水管理システムにおいて、前記燃料電池システム停止時に前記燃料電池に供給する前の前記酸化剤ガスを前記加湿用配管内に供給することを特徴とする水管理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおける水管理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおける水管理システムとして、システム停止時に水をサブタンクに全て回収して、水を外部へ排出、或いはサブタンクに放置していた。システム起動時には、燃料電池の生成水やサブタンク内の氷をヒータにより解凍することで水を確保していた。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５８０２４号公報（第３−５頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、システム起動時にサブタンク内の氷を解かした後に燃料電池を発電し、メインタンク内の水が規定量に足りない分は燃料電池の生成水により補っていたため、燃料電池システム起動まで時間がかかっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスで発電し、電解質膜の加湿を必要とする燃料電池と、電解質膜を加湿する加湿手段を有する加湿用配管を備える燃料電池システムの水管理システムにおいて、加湿用配管に外部より水を供給可能な供給口を備える補給配管が取付けられたメインタンクと、燃料電池システム停止時にメインタンク及び加湿用配管から水を回収するサブタンクを備え、サブタンクを加熱可能な手段を備えた。
【０００６】
【発明の効果】
本発明は、メインタンクに外部より水を供給可能な供給口を備え、停止時にメインタンク内及び加湿用配管内の水をサブタンクに移動させることで、サブタンク内の水が凍結した際、メインタンクに水を補給することができ、燃料電池システム起動時間を短縮できる。また、加熱手段が取付けられたサブタンクを備え、停止時にはサブタンクに水を回収するので、サブタンク内の水が凍結し、外部より水を供給できない場合も、燃料電池システムを起動することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明を車載した場合における実施形態を、図１から図５を用いて説明する。
まず、本実施形態の構成について、図１を用いて説明する。
【０００８】
本実施形態は、燃料電池１、加湿器（加湿手段）２、水素（燃料ガス）供給装置３、空気（酸化剤ガス）供給装置４、加湿循環路（加湿用配管）５、メインタンク６、補給ライン（供給口＋補給配管）７、イオンフィルタ８，１３、レベルセンサ９，１９、シャットバルブ１０，１１，１４，１５，１６、加湿ポンプ（送水手段）１２、冷却循環路１７、凍結用タンク（サブタンク）１８、ドレンバルブ２０、三方弁２１、ラジエータ２２、冷却ポンプ２３、電気ヒータ（加熱手段）２４で構成されている。また、水が流れる流路を実線で、水素及び空気が流れる流路を点線で夫々示す。
【０００９】
また、夫々は以下のように配置している。
水素供給装置３と加湿器２、加湿器２と燃料電池１は、夫々配管により接続されている。同様に、空気供給装置４と加湿器２、加湿器２と燃料電池も、夫々配管により接続されている。また、燃料電池１から排出される空気は、凍結用タンク１８内に導入できる図示しない配管を備える。
【００１０】
加湿循環路５には、メインタンク６下面からシャットバルブ１０、シャットバルブ１１、加湿ポンプ１２、イオンフィルタ１３、加湿器２、メインタンク６上部の順で接続されている。
冷却循環路１７には、冷却ポンプ２３、燃料電池１、凍結用タンク１８、三方弁２１、三方弁２１から分岐し、一方はラジエータ２２、他方はラジエータ２２をバイパスし、冷却ポンプ２３手前で合流し、冷却ポンプ２３の順で接続されている。
【００１１】
メインタンク６の上部には、イオンフィルタ８を備える補給ライン７を取り付け、また内部には、レベルセンサ９を備える。
凍結用タンク１８の上部には、加湿循環路５と凍結用タンク１８を結ぶシャットバルブ１６を備える配管、及びシャットバルブ１５を備える配管を夫々備える。前者の一方をシャットバルブ１１と加湿ポンプ１２の間に、他方を凍結用タンク１８上面に夫々取付ける。後者の一方をシャットバルブ１０とシャットバルブ１１の間に取り付け、他方を凍結用タンク１８内のできるだけ下面に近いところまで配管を伸ばす。また内部にはレベルセンサ１９を、また下面にはドレンバルブ２０を備えた配管を夫々取り付ける。凍結用タンク１８外周に電気ヒータ２４を取付ける。一方、凍結用タンク１８内には、冷却循環路１７が流れている。
【００１２】
空気供給装置４と加湿器２の間の配管と、シャットバルブ１１と加湿循環路５に接続され、シャットバルブ１５を備える配管の間に、シャットバルブ１４を備える配管が取り付けられている。
【００１３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
水素供給装置３及び空気供給装置４より供給された水素及び空気は、加湿器２で加湿され、燃料電池１を発電するために用いられる。加湿に用いる水は、メインタンク６内の水を用いる。加湿器２から排出された余剰水は再びメインタンク６に送られる。システム起動時には、メインタンク６に、凍結用タンク１８又は外部より補給ライン７を通して補水される。また、メインタンク６及び凍結用タンク１８内の水は、レベルセンサ９及び１９により測定される。
【００１４】
凍結用タンク１８は、停止時にメインタンク６内及び加湿循環路５内の水を貯水し、システム起動時には必要に応じ電気ヒータ２４で暖気し解凍し、メインタンク６に送る。また、システム起動時に、外部よりメインタンク６に補水した場合は、メインタンク６内の水の残量に応じ、ドレンバルブ２０を開くことで、凍結用タンク１８内の水を外部に排出する。
システム停止時には、空気供給装置４から加湿循環路５に空気を導入し、加湿循環路５内の水を凍結用タンク１８に送り、加湿循環路５内を乾燥させる。
【００１５】
以下に、図２に示すシステム起動時におけるシステムフローチャートを説明する。このシステムフローチャートは、システム起動時に一回だけ実行される。
ステップ１００では、このシステムフローチャートを開始する。
【００１６】
ステップ１０１では、バルブ１０を閉にし、バルブ１５を開にする。
ステップ１０２では、加湿ポンプ１２を起動する。
ステップ１０３では、タイマＡを作動する。
【００１７】
ステップ１０４では、加湿ポンプ１２のポンプモータが規定負荷以上になっているかを確認する。規定負荷以上でない場合、即ちメインタンク６内の水が凍結していると判断した場合は、ステップ１１０に進む。
【００１８】
ステップ１０５では、設定時間Ａが経過したかを確認する。設定時間Ａが経過していない場合は、ステップ１０４に戻る。
ステップ１０６では、タイマＡを停止する。
ステップ１０７では、水素及び空気を供給して、燃料電池１の発電を開始する。
【００１９】
ステップ１０８では、メインタンク６が設定水位以上であるかをレベルセンサ９により確認する。設定水位より低い場合は、ステップ１０８で再び判断する。
ステップ１０９では、バルブ１０を開にし、バルブ１５を閉にする。ステップ１２４に進む。
【００２０】
ステップ１１０では、タイマＡを停止する。
ステップ１１１では、加湿ポンプ１２を停止する。
ステップ１１２では、アラームを点灯させる。
【００２１】
ステップ１１３では、運転手により、メインタンク６に外部から水を補給する（Ａ）か、凍結用タンク１８内の氷を解凍する（Ｂ）かを選択させる。解凍（Ｂ）を選択した場合は、ステップ１１９に進む。また、外部から水を補給する（Ａ）場合、燃料電池１から排出される空気を、凍結用タンク１８内に導入させる。
【００２２】
ステップ１１４では、バルブ１０を開にし、バルブ１５を閉にする。
ステップ１１５では、メインタンク６が設定水位以上であるかをレベルセンサ９により確認する。設定水位より低い場合は、ステップ１１５で再び判断する。
ステップ１１６では、アラームを消灯させる。
【００２３】
ステップ１１７では、加湿ポンプ１２を起動する。
ステップ１１８では、水素及び空気を供給して、燃料電池１の発電を開始する。ステップ１２４に進む。
ステップ１１９では、電気ヒータ２４をＯＮにする。
【００２４】
ステップ１２０では、タイマＢを作動する。
ステップ１２１では、設定時間Ｂが経過したかを確認する。設定時間Ｂが経過していない場合は、ステップ１２１で再び判断する。
【００２５】
ステップ１２２では、タイマＢを停止する。
ステップ１２３では、電気ヒータ２４をＯＦＦにする。ステップ１０２に進む。
ステップ１２４では、このシステムフローチャートを終了する。
【００２６】
以下に、図３に示すシステム停止時におけるシステムフローチャートを説明する。このシステムフローチャートは、システム停止に一回だけ実行される。
ステップ２００では、このシステムフローチャートを開始する。
【００２７】
ステップ２０１では、加湿ポンプ１２を停止する。
ステップ２０２では、バルブ１５を開にする。
ステップ２０３では、メインタンク６内の水が空になっているかをレベルセンサ９により確認する。空になっていない場合は、ステップ２０３で再び判断する。
【００２８】
ステップ２０４では、バルブ１４、バルブ１１、及びバルブ１６を開にする。加湿循環流路５内の水を排出し乾燥させるため、バルブ１４を開にし、空気を加湿循環路５に導入させる。
ステップ２０５では、タイマＣを作動する。
ステップ２０６では、設定時間Ｃが経過したかを確認する。設定時間Ｃが経過していない場合は、２０６で再び判断する。
【００２９】
ステップ２０７では、タイマＣを停止する。
ステップ２０８では、バルブ１４を閉にする。
ステップ２０９では、水素及び空気の供給を停止して、燃料電池１の発電を停止する。
ステップ２１０では、このシステムフローチャートを終了する。
【００３０】
以下に、図４に示す車両起動中におけるシステムフローチャートを説明する。このシステムフローチャートは図２のシステムフローチャート終了後から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００３１】
ステップ３００では、このシステムフローチャートを開始する。
ステップ３０１では、メインタンク６内の水が規定量以上になっているかを、レベルセンサ９で確認する。規定量以上の場合は、ステップ３０３に進む。
ステップ３０２では、バルブ２０を閉にする。ステップ３０６に進む。
【００３２】
ステップ３０３では、凍結用タンク１８内の水が空になっているかを、レベルセンサ１９により確認する。空になっている場合は、ステップ３０５に進む。
ステップ３０４では、バルブ２０を閉にする。ステップ３０３に戻る。
ステップ３０５では、バルブ２０を開にする。
ステップ３０６では、このシステムフローチャートを終了する。
【００３３】
図５に、凍結用タンク１８内の水が凍結し、外部よりメインタンク６に水を補給した場合におけるメインタンク６及び凍結用タンク１８のタンク内水量と時間の関係の一例を示す。実線はメインタンク６内水量を、一点鎖線は凍結用タンク１８内の水量を夫々示している。
【００３４】
システム停止時には、図３に示すシステムフローチャートの制御を行い、メインタンク６内の水を凍結用タンク１８内に移動させる。
システム起動時には、図２に示すシステムフローチャートの制御を行い、外部からメインタンク６内に規定量以上の水を補給にする。メインタンク６から加湿循環路５に水を供給し、燃料電池１を発電する。燃料電池１の発電開始後は、燃料電池１からの生成水により、メインタンク６内の水は増加する。メインタンク６内の水が規定量以上になったら、図４に示すシステムフローチャートの制御を行い、凍結用タンク１８内の水を外部に排出する。この際、メインタンク６内の水の残量を監視し、規定量以下になった時は、一旦水の排出を停止する。
【００３５】
このように本実施形態では、以下の効果を得る。
メインタンク６に外部より水を供給可能な供給口７を備え、停止時にメインタンク６内及び加湿循環路５内の水を凍結用タンク１８に移動させることで、凍結用タンク１８内の水が凍結した際、メインタンク６に水を補給することができ、燃料電池システム起動時間を短縮できる。また、電気ヒータ２４が取付けられた凍結用タンク１８を備え、停止時には凍結用タンク１８に水を回収するので、凍結用タンク１８内の水が凍結し、外部より水を供給できない場合も、燃料電池システムを起動することができる。
【００３６】
凍結用タンク１８内の凍結を判断することで、凍結タンク１８内の水が凍結していない場合は凍結用タンク１８内の水を使用でき、無駄な手間や制御が省ける。
凍結用タンク１８内の水の凍結を加湿ポンプ１２のモータ負荷により判断するので、温度センサ、レベルセンサ等で判断する場合に比べ、センサの凍結対応の可否に判断されず確実に凍結を判断できる。
【００３７】
凍結用タンク１８内の水が凍結した際、使用者（運転者等）に知らせることで、使用者（運転者等）は、凍結用タンク１８内の状況を把握することができる。
凍結用タンク１８内の水が凍結した際、使用者（運転者等）が外部より水を補給するか、凍結用タンク１８内の氷を解凍するかを選択できるので、使用者（運転者等）のいる環境に応じて自由に判断することができる。
【００３８】
凍結用タンク１８内の水をシステム起動時からに徐々に排出するので、車両重量の低減もでき、システム停止時には凍結用タンク１８内の水を一度に大量に捨てることもない。また、メインタンク６内の水の残量を監視しながら凍結用タンク１８内の水を排出するので、メインタンク６内の水が足りなくなった場合でも、凍結用タンク１８内の水をメインタンク６内の水で補うことが可能である。
【００３９】
補給ライン７にイオンフィルタ８を備えることにより、水道水を用いることができ、純水を用意する必要がないので、使用者（運転手等）の負担を軽減できる上に、水を補給できる場所が拡大する。
システム停止時に、燃料電池１に供給する前の乾燥した酸化剤ガスを加湿循環路５内に供給するので、水を除去でき、加湿循環路５内の配管や部品等の凍結を防止できる。
【００４０】
本実施形態では、図２のシステムフローチャート終了後、全ての場合に図４のシステムフローチャートを開始したが、図２のシステムフローチャートで使用者（運転者等）が補給を選んだ場合にのみ、図４のシステムフローチャートを開始しても良い。また、本実施形態は、本発明を限定的に示したものではなく、本発明の効果を逸脱しない範囲において、自由に構成や設定等を変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係わる構成図である。
【図２】本実施形態に係わるシステム起動時のシステムフローチャートである。
【図３】本実施形態に係わるシステム停止時のシステムフローチャートである。
【図４】本実施形態に係わるシステム起動中のシステムフローチャートである。
【図５】本実施形態に係わるタンク内水量と時間の関係の一例
【符号の説明】
１    燃料電池
２    加湿器
３    水素供給装置
４    空気供給装置
５    加湿循環路
６    メインタンク
７    補給ライン
８    イオンフィルタ
９    レベルセンサ
１０  シャットバルブ
１１  シャットバルブ
１２  加湿ポンプ
１３  イオンフィルタ
１４  シャットバルブ
１５  シャットバルブ
１６  シャットバルブ
１７  冷却循環路
１８  凍結用タンク
１９  レベルセンサ
２０  ドレンバルブ
２１  三方弁
２２  ラジエータ
２３  冷却ポンプ
２４  電気ヒータ
【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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