(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続される前記燃料ガスの流路に配設される排水手段と、
システム起動時に前記排水手段の貯水量を把握する貯水量把握手段と、
前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給前に、前記貯水量把握手段が把握した貯水量に基づいて、前記排水手段による排水処理を制御する排水制御手段と、を備え、
前記排水手段は、前記燃料ガスの流路中から分離した水を貯溜するタンクとこのタンクに設けられる排水弁とを有する気液分離器であり、
前記排水制御手段は、前記貯水量把握手段が把握した貯水量に応じて、前記燃料ガスの供給前における前記排水弁の開弁時間を変更することで、前記排水処理を制御し、
前記貯水量把握手段は、システム停止時間に基づいて、前記貯水量を把握し、
前記排水制御手段は、前記システム停止時間が第１の所定時間未満のときは、開弁せず、前記第１の所定時間以上の場合には、前記システム停止時間が長いほど前記排水弁の開弁時間を長くすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排水制御手段は、前記システム停止時間が、前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間を超えるときは、前記タンクに貯溜されている水が一定量残るように前記排水弁の開弁時間を一定時間にすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、システム内で発生した水を外部に排出する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極（アノード極、カソード極）で挟み込んだセルを積層して構成される。この燃料電池を備えた燃料電池システムでは、アノード極に供給された水素（燃料ガス）が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がカソード極に向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソード極に移動し、カソード極に供給される酸素（酸化剤ガス）と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。
【０００３】
ところで、固体高分子電解質膜は、そのイオン透過性を保持すべく適度な湿度が必要とされるため、水素と酸素は適度に加湿された状態で燃料電池に供給される。このため、燃料電池からのオフガスは、固体高分子電解質膜に吸収されなかった水分や反応生成物である水分を多く含んでおり、このオフガスが冷却されると、ガス流路内で結露する。このように、発生した水が、ガス流路を伝って燃料電池に流れ込み、固体高分子電解質膜に付着すると、燃料電池の発電効率が著しく低下する。
【０００４】
そこで、従来、ガス流路中に気液分離器を備えた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６は、従来の排水制御処理を行う際の水位排出イメージ（上段）とドレイン弁の開閉状態（下段）を示すタイムチャートである。
【０００５】
気液分離器は、ガス流路内で水を凝結させて気液分離し、この水をタンクに溜めるもので、これにより、ガス流路内の水が燃料電池内に流入しないようになっている。ここで、タンクからの排水処理はドレイン弁を開放することで行われるが、ドレイン弁の開放は、図６に示すように、水素ガスの供給による圧力上昇後に行われるようになっている。これは、ドレイン弁の開放に伴ってアノード系に空気が流入するのを防止するためである。
【特許文献１】特開２００５−１９３０４号公報（段落００４８、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、システム停止時に多量の結露水が発生している場合、気液分離器内でオーバーフローした水が、水素ガスの供給によって燃料電池内に流入してしまうことがあった。その結果、発電安定性の悪化を招き、車両としてのドライバビリティが損なわれるといった問題があった。
【０００７】
一方、気液分離器内に水が溜まるのを防止すべく、システム停止時に常時ドレイン弁を開放しておくと、アノード系内に空気が流入するという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は前記した問題を解決し、燃料電池内への水の流入を防止し、発電安定性の悪化を防止することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は、酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に接続される前記燃料ガスの流路に配設される排水手段と、システム起動時に前記排水手段の貯水量を把握する貯水量把握手段と、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給前に、前記貯水量把握手段が把握した貯水量に基づいて、前記排水手段による排水処理を制御する排水制御手段と、を備え、前記排水手段は、前記燃料ガスの流路中から分離した水を貯溜するタンクとこのタンクに設けられるドレイン弁とを有する気液分離器であり、前記排水制御手段は、前記貯水量把握手段が把握した貯水量に応じて、前記燃料ガスの供給前における前記ドレイン弁の開弁時間を変更することで、前記排水処理を制御し、前記貯水量把握手段は、システム停止時間に基づいて、前記貯水量を把握し、前記排水制御手段は、前記システム停止時間が第１の所定時間未満のときは、開弁せず、前記第１の所定時間以上の場合には、前記システム停止時間が長いほど前記ドレイン弁の開弁時間を長くすることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、排水制御手段が、燃料電池に対する燃料ガスの供給前に、貯水量把握手段が把握した貯水量に基づいて、排水手段による排水処理を制御する。これによれば、排水制御手段が燃料ガスの供給前に、貯水量に基づいて排水処理を制御するため、排水手段からオーバーフローした水が、燃料ガスの供給により、燃料電池内に流入するのを防止することができる。
また、排水制御手段は、ドレイン弁の開弁時間を変更することで、排水処理を制御する。つまり、貯水量が多いときは開弁時間を長く、貯水量が少ないときは、開弁時間を短く、あるいは、開弁させないように制御する。これによれば、排水処理を簡単にすることができる。
また、貯水量把握手段は、システム停止時間に基づいて、貯水量を把握する。つまり、システムが停止していた時間が長ければ長いほど、燃料ガスの流路内で結露水が多く発生するため、貯水量は多いと推定する。これによれば、センサ等を用いず、簡単に貯水量を把握することができる。
なお、排水制御手段が、把握された貯水量とタンクの貯水容量に基づいて、排水手段による排水処理を制御することが好ましい。これによれば、貯水量がタンクの貯水容量を超えている場合や満水状態である場合を把握することができるため、排水処理を適切に制御することができる。
【００１１】
また、前記排水制御手段は、前記システム停止時間が、前記第１の所定時間よりも後である第２の所定時間を超えるときは、前記タンクに貯溜されている水が一定量残るように前記排水弁の開弁時間を一定時間にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に対する燃料ガス供給前に、排水手段内の水を排出することができる。そのため、排出手段からオーバーフローした水が、燃料ガス供給時の燃料ガスの流れに乗って、燃料電池内に流入するのを防止することができる。その結果、発電安定性の悪化を抑制でき、車両としてのドライバビリティを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
［第１の実施形態］
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【００２７】
（燃料電池システム）
本実施形態に係る燃料電池システムＳは電気自動車の動力源として利用されるもので、燃料電池１、この燃料電池１に酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ２、燃料電池１に水素ガス（燃料ガス）を供給する水素タンク３、燃料電池１から排出された水素ガス（水素オフガス）中の水を分離する気液分離器４、燃料電池１から排出された水素ガスを希釈して大気中に放出する希釈器５、コントロールユニットであるＥＣＵ６、を主に備えて構成される。
【００２８】
燃料電池１は、アノード極１１とカソード極１２の間に電解質である固体高分子電解質膜１３を挟んでなるセルを複数積層して構成される（図１では単セルのみを示す）。この燃料電池１のアノード極１１側のガス流路１１ａに水素ガスを供給し、カソード極１２側のガス流路１２ａに空気を供給すると、アノード極１１の触媒層で発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜１３を介してカソード極１２に移動し、カソード極１２側で酸素と結びついて水が生成されるとともに、単セルで発電が行われる。なお、カソード極１２側で生成された水は、固体高分子電解質膜１３を透過してアノード極１１側にも流入する。
【００２９】
以下、この燃料電池１に供給される空気または水素ガスの流れに沿って、燃料電池システムＳの各構成について説明する。
コンプレッサ２は、空気を圧縮する機械であり、コンプレッサ２で圧縮された空気は、空気供給流路２１を通じて、燃料電池１のカソード極１２側のガス流路１２ａに供給される。また、燃料電池１内に供給された空気のうち化学反応しきれなかった余りの空気（以下、「空気オフガス」という。）は、空気排出流路２２を介して、後記する希釈器５に排出される。
【００３０】
水素タンク３は、高圧状態の水素を貯蔵するタンクであり、水素タンク３内から放出される水素ガスは、水素ガス供給流路３１を通じて、燃料電池１のアノード極１１側のガス流路１１ａに供給される。水素ガス供給流路３１には、上流側から順に、遮断弁３１ａ、レギュレータ３１ｂ、エゼクタ３１ｃが配設されている。遮断弁３１ａは、水素タンク３内から水素ガスを放出するために設けられる弁であり、レギュレータ３１ｂは、放出された水素ガスの圧力を調節する弁である。また、エゼクタ３１ｃは、水素ガス供給流路３１と後記する水素ガス循環流路３３を接続し、水素タンク３からの水素と燃料電池１から排出されて戻ってきた水素を混合させて燃料電池１に供給するものである。
なお、前記した空気供給流路２１と水素ガス供給流路３１には、図示しない加湿器が設けられており、空気および水素ガスは適度に加湿された状態で、燃料電池１に供給される。このように、水素ガスおよび空気を加湿するのは、固体高分子電解質膜１３のイオン透過性を保持するためである。
【００３１】
燃料電池１内に供給された水素ガスのうち化学反応しきれなかった余りの水素を含む水素ガス（以下、「水素オフガス」という。）は、水素ガス排出流路３２に排出される。この水素ガス排出流路３２の下流側は、水素ガス循環流路３３と水素ガスパージ流路３４に分岐しており、水素オフガスは、水素ガス循環流路３３を通じて、水素ガス供給流路３１に戻されて再利用され、または、水素ガスパージ流路３４を通じて、希釈器５に排出される。
【００３２】
気液分離器４は、水素ガス循環流路３３に配設されており、タンク４１とドレイン弁４２とを備えている。水素オフガスから分離された水は、タンク４１に貯溜される。また、タンク４１内に所定量以上の水が貯溜された場合は、ドレイン弁４２を開放することで、外部に排水することができる。このように、気液分離器４で水素オフガス中の水を分離して排水するのは、水がガス流路内を伝って燃料電池１に流れ込み、固体高分子電解質膜１３に付着して燃料電池１の発電効率が低下するのを防止するためである。
【００３３】
希釈器５は、水素ガスパージ流路３４と空気排出流路２２の下流側に接続されている。希釈器５では、水素ガスパージ流路３４に設けられたパージ弁３４ａを間欠的に開くことで、水素ガスパージ流路３４から導入された水素オフガスを、空気排出流路２２から導入された空気オフガスで希釈して外部に排出する。これにより、循環使用により窒素等の不純物を多く含んだ水素オフガスを外部に排出する。
【００３４】
ＥＣＵ６は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力回路を備えており、主に、イグニッションスイッチ７、および、システム停止時間を計測するタイマ８からの出力信号等に基づいて、タンク４１内の水位を推定し、ドレイン弁４２の開閉を制御するとともに、燃料電池１の作動のために、コンプレッサ２、遮断弁３１ａ、レギュレータ３１ｂ、エゼクタ３１ｃ、パージ弁３４ａ等各部を制御する。ここで、システム停止時間とは、イグニッションスイッチ７がＯＦＦされてからＯＮされるまでの時間を意味する。
【００３５】
ここで、ＥＣＵ６におけるタンク４１内の水位推定方法、および、ドレイン弁４２の開弁時間の設定方法について図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図２は、システム停止時間と推定水位との関係を示すマップ図、図３は、システム停止時間と開弁時間との関係を示すマップ図である。
【００３６】
まず、タンク４１内の水位は、タイマ８から取得したシステム停止時間から推定することができる。つまり、図２に示すように、推定水位は、システム停止時間が長いほど比例して高くなり、システム停止時間が所定時間を過ぎると一定になる。推定水位が比例して高くなるのは、タンク４１の高さ位置が低いところにあり、システム停止時間が長いほど、各所から（遠方からも）結露水が集まるからである。また、推定水位が一定値を示すのは、各所に生じた結露水がほぼ集まったことを意味する。なお、システム停止時間に対する推定水位は、タンク４１の形状や貯水容量により適宜変更されるものである。
【００３７】
そして、システム停止時間と推定水位の関係（図２参照）を前提として、ＥＣＵ６は、図３に示すマップ図に基づき、ドレイン弁４２の開弁時間を設定する。図３に示すマップ図では、システム停止時間が所定時間ｔ１未満（短時間）であるときは開弁しないようになっている。これは、そもそも、発生する結露水が少なく、タンク４１内の水が燃料電池１側に流入するおそれがないことから、排水処理が不要なためである。また、水位が低い状態で開弁すると、アノード系内に空気が流入してしまうからである。これにより、燃料電池１の起動時間を短縮することができる。また、システム停止時間がｔ１〜ｔ２の間であるときは、システム停止時間が長くなるほど、開弁時間も長くなる。これは、タンク４１内の水位に対応した水量を排出するためである。そして、システム停止時間がｔ２を超えるときは、開弁時間を一定時間にする。これは、タンク４１内の水が全て排出されないようにするためである。
【００３８】
なお、図３のマップ図は、システム停止時間をパラメータとしたが、システム停止時間は前記したように推定水位と比例関係で対応するものなので、推定水位をパラメータとした場合も、開弁時間は同一の関係を示すマップ図となる。つまり、システム停止時間から直接開弁時間を算出することもできるし、システム停止時間から水位を推定し（図２のマップ図）、その推定水位値から開弁時間を算出することもできる。また、どの程度の推定水位で、ドレイン弁４２の開放を必要とするか（排水の要否）については、適宜変更できるものとする。例えば、タンク４１内が満水状態、８０％の水位、または、５０％の水位等で排水することを設定することができる。なお、本実施形態のＥＣＵ６において、システム停止時間を検出する機能が、［特許請求の範囲］の貯水量把握手段に相当し、ドレイン弁４２の開閉（開閉の有無、開閉時間等）を制御する機能が、［特許請求の範囲］の排水制御手段に相当する。
【００３９】
次に、この燃料電池システムＳにおける気液分離器４の排水処理手順について図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図４は、燃料電池システムにおける気液分離器の排水制御処理のフローチャートである。
【００４０】
この燃料電池システムＳにおける排水制御処理は、イグニッションスイッチ７がＯＮされてから水素ガスが燃料電池１に供給される前までに行われる処理である。
燃料電池システムＳのＥＣＵ６では、まず、図４に示すように、イグニッションスイッチ７（図１参照）がＯＮされたことを契機として（ステップＳ１）、タイマ８（図１参照）からシステム停止時間を取得し、燃料電池システムＳが所定時間以上停止されたか否かを判定する（ステップＳ２）。その結果、システム停止時間が所定時間未満であるときは（ステップＳ２でＮｏ）、ステップＳ６に進む。一方、システム停止時間が所定時間以上であるときは（ステップＳ２でＹｅｓ）、図３に示すマップ図に基づき、ドレイン弁４２の開弁時間を設定する（ステップＳ３）。
【００４１】
そして、ドレイン弁４２を開放し（ステップＳ４）、設定されたドレイン弁４２の開弁時間が経過するかを監視する（ステップＳ５）。開弁時間が経過していない場合は（ステップＳ５でＮｏ）、開弁時間に到達するまでステップＳ５の監視を繰り返す。一方、開弁時間が経過した場合は（ステップＳ５でＹｅｓ）、ドレイン弁を閉止し（ステップＳ６）、排水制御処理を終了する。そして、その後、燃料電池１への水素ガスの供給を開始する。
【００４２】
次に、燃料電池システムＳにおける排水制御処理における水位排出状態について図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図５は、排水制御処理を行う際の水位排出イメージ（上段）とドレイン弁の開閉状態（下段）を示すタイムチャートである。
【００４３】
図５は、システム停止時間が長く、システム起動時、タンク４１内に結露水が多く溜まっている場合を想定する。
本実施形態では、図５に示すように、イグニッションスイッチ７がＯＮされた後、水素ガス供給前に、前記排水制御処理が行われる。具体的には、ドレイン弁４２が所定時間（開弁要求時間）開放され、タンク４１内の水が排出される。そして、その後は、定期的にドレイン弁４２を開放することで、タンク４１内から定期的に水が排出される。これにより、タンク４１内でオーバーフローした水が、水素ガス供給によって燃料電池１内に流入することが防止される。なお、外気の侵入を防止するため、タンク４１内には一定量の水を残し、全部排水しないようになっている。
【００４４】
以上によれば、本実施形態に係る燃料電池システムＳにおいて、以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、水素ガス供給前、タンク４１内の水位に基づいて、排水制御処理を行うため、システム停止時にタンク４１内でオーバーフローした水が、水素ガスの供給によって燃料電池１に流入することを防止することができる。その結果、安定発電までに要する時間を短縮することができ、車両としてのドライバビリティも向上することができる。
【００４５】
本実施形態では、タンク４１内の水位に基づいて、システム停止時間が所定時間未満であるときは、ドレイン弁４２の開弁を不要としたので、常に開弁処理を行う場合に比べて、システム起動時間を短縮させることができる。
【００４６】
以上、本実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。
例えば、本実施形態では、システム停止時間が所定時間未満であるときは排水しないように構成したが、本発明はこれに限定されず、システム停止時間が短時間である場合も、その時間に対応した水量を、タンク４１内から排水するように構成してもよい。
【００４７】
例えば、本実施形態では、システム停止時間に基づいてタンク４１内の水位を把握するように構成したが、本発明はこれに限定されず、タンク４１内に設けた水位センサにより水位を検出するように構成することもできる。これによれば、正確な水位を把握することができる。
【００４８】
例えば、本実施形態では、開弁時間を調節することでタンク４１の排水処理を制御する構成としたが、本発明はこれに限定されず、ドレイン弁４２の開度を調節することで排水処理を制御する構成とすることもできる。
【００４９】
例えば、本実施形態では、排水手段として気液分離器４を設けたが、本発明はこれに限定されず、鉛直方向に延設された排水管にドレイン弁を設けて構成することもできる。これによれば、簡単に排水手段を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】システム停止時間と推定水位との関係を示すマップ図である。
【図３】システム停止時間と開弁時間との関係を示すマップ図である。
【図４】燃料電池システムにおける気液分離器の排水制御処理のフローチャートである。
【図５】排水制御処理を行う際の水位排出イメージ（上段）とドレイン弁の開閉状態（下段）を示すタイムチャートである。
【図６】従来の排水制御処理を行う際の水位排出イメージ（上段）とドレイン弁の開閉状態（下段）を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１      燃料電池
２      コンプレッサ
３      水素タンク
４      気液分離器
６      ＥＣＵ
１１    アノード極
１２    カソード極
１３    固体高分子電解質膜
３１    水素ガス供給流路
３２    水素ガス排出流路
３３    水素ガス循環流路
３４    水素ガスパージ流路
４１    タンク
４２    ドレイン弁
Ｓ      燃料電池システム
【図１】
0004796358.tif 000002
【図２】
0004796358.tif 000003
【図３】
0004796358.tif 000004
【図４】
0004796358.tif 000005
【図５】
0004796358.tif 000006
【図６】
0004796358.tif 000007