(57)【要約】【課題】  構成の小型化を図り、システムの起動時間を短縮することを課題とする。【解決手段】  水素ガスと空気の供給を受けて、水素ガスと空気を反応させて発電を行う燃料電池システムの運転停止時には、燃料電池１を加湿する加湿水を加湿水貯蔵タンク３に回収し、燃料電池システムの起動時には、燃料電池１から排出されて加圧された空気により加湿水貯蔵タンク３に貯蔵された加湿水を加圧して純水ポンプ５に供給し、水位センサ４で検出された加湿水貯蔵タンク３の水位の変化量に基づいて、純水ポンプ５による加湿水貯蔵タンク３に貯蔵された加湿水の循環制御を開始するように構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池システムで使用される水を貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵された水を、前記燃料電池システム内を循環させる循環手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵された水の水位を検出する水位検出手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵された水を加圧する加圧手段と、
を備えた前記燃料電池システムの運転を制御する燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池システムの運転停止時には、前記燃料電池システム内の水を前記貯蔵手段に回収し、燃料電池システムの起動時には、前記加圧手段により前記貯蔵手段に貯蔵された水を加圧して前記循環手段に供給し、前記水位検出手段で検出された前記貯蔵手段の水位の変化量に基づいて、前記循環手段による前記貯蔵手段に貯蔵された水の循環制御を開始する制御手段
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記水位検出手段は、前記燃料電池システムの起動初期の水位検出値に対する検出値の変化量に基づいて、前記貯蔵手段の水位の変化量を判断する
ことを特徴とする請求項１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記貯蔵手段は、前記燃料電池システムの停止時に、前記燃料電池システム内から回収した水がすべて貯蔵された際の水面となる位置の近傍の第１の有効断面積が、前記貯蔵手段の下部の第２の有効断面積に比べて小さく構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記貯蔵手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記貯蔵手段に貯蔵された水が前記加圧手段により加圧されて前記循環手段に供給された際の前記貯蔵手段における水位の変化量が、前記水位検出手段の検出ノイズ量よりも大きくなるように、前記第１の有効断面積が設定されている
ことを特徴とする請求項３項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記加圧手段は、前記燃料電池システムの発電に用いられる酸化剤ガスの圧力を使用している
ことを特徴とする請求項１、２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池で使用される水を循環して用いる燃料電池システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。文献１には、燃料電池システムの低温での保管、起動を可能とするために、システムの停止時にシステムで用いる水を回収して貯蔵装置に貯蔵している。システムの停止時にシステム内に残った水を貯蔵装置に十分に回収できるようにするために、貯蔵装置は燃料電池システム内の下方に設置されている。こうすることで、重力を利用してシステム内に残った水をほぼすべて貯蔵装置に回収することが可能となる。
【０００３】
しかし、システムの起動時に燃料電池に水を供給する場合には、重力に逆らって貯蔵装置から水を供給しなければならない。すなわち、貯蔵装置から、燃料電池本体に加湿水を供給するための循環装置（ポンプ等）まで水を供給した後、循環装置の起動を開始する。
【０００４】
このため、貯蔵装置内の水をコンプレッサの空気で加圧して、その圧力を利用して貯蔵装置の水を循環装置まで供給する。そしてこの場合に、循環装置の下流にレベルセンサを設け、このレベルセンサに水が到達したことを確認して循環装置を駆動していた。
【特許文献１】特開平９−１４７８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上説明したように、従来の方法においては、循環装置の下流にレベルセンサが設置されているため、水が循環装置まで供給された後もなおレベルセンサに達するまでは循環装置の駆動制御が開始されなかった。このため、システムを起動することができず、システムの起動時間が長引くといった不具合を招いていた。また、循環装置の下流に設置されたレベルセンサは通常運転時には不要となり、このセンサの取り付けはコストアップ、レイアウト性の悪化につながっていた。    
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の小型化を図り、システムの起動時間を短縮した燃料電池システムの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池システムで使用される水を貯蔵する貯蔵手段と、前記貯蔵手段に貯蔵された水を、前記燃料電池システム内を循環させる循環手段と、前記貯蔵手段に貯蔵された水の水位を検出する水位検出手段と、前記貯蔵手段に貯蔵された水を加圧する加圧手段とを備えた前記燃料電池システムの運転を制御する燃料電池システムの制御装置であって、前記燃料電池システムの運転停止時には、前記燃料電池システム内の水を前記貯蔵手段に回収し、燃料電池システムの起動時には、前記加圧手段により前記貯蔵手段に貯蔵された水を加圧して前記循環手段に供給し、前記水位検出手段で検出された前記貯蔵手段の水位の変化量に基づいて、前記循環手段による前記貯蔵手段に貯蔵された水の循環制御を開始する制御手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時には、貯蔵手段に貯蔵された水を加圧手段で加圧して循環手段に供給し、水位検出手段で検出された水位の変化量に基づいて、循環手段による循環制御を開始するようにしたので、循環手段における循環制御の開始の判断と、システム運転時における貯蔵手段の水位管理を水位検出手段で兼用して行うことが可能となり、構成の小型化を図ることができる。また、水位検出手段が循環手段の上流にあるため、貯蔵手段に貯蔵された水が循環手段に到達した時点を判断して、循環手段の循環制御を開始することが可能となる。これにより、システムの起動時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムは、燃料電池１、コンプレッサ２、加湿水貯蔵タンク３、水位センサ４、純水ポンプ５、加圧空気流路６ならびにコントローラ７を備えて構成されている。コンプレッサ２ならびに加圧空気流路６は、燃料電池１に供給される加湿水を加圧する加圧手段として機能し、加湿水貯蔵タンク３は、コンプレッサ２によって加圧される加湿水を貯蔵、回収する貯蔵手段として機能し、水位センサ４は加湿水貯蔵タンク３に貯蔵されている加湿水の水位を検出する水位検出手段として機能し、純水ポンプ５は、コントローラ７から与えられる制御信号に基づいて加湿水の循環を制御する循環手段として機能する。
【００１０】
コンプレッサ２では、空気が圧縮され、圧縮された空気が燃料電池１に供給される。高圧水素は、可変バルブ８で流量が制御され、イジェクタ９で燃料電池１から排出されて還流された水素と合流し、燃料電池１へ供給される。
【００１１】
燃料電池１では、供給された空気と水素を反応させて発電を行い、発電出力となる電流（電力）を車両等の外部システム、図１では駆動ユニット１０に供給する。燃料電池１で反応に使用した残りの空気は燃料電池１の外へ排出され、排出された空気はスロットル１１で圧力制御が行われた後、大気へ排出される。一方、反応に使用した残りの水素は燃料電池１の外へ未燃ガスとして排出される一方、イジェクタ９によって原燃料の水素ガスに合流して還流され発電に再利用される。
【００１２】
燃料電池１は、内部加湿機能を備えており、純水ポンプ５で加湿水貯蔵タンク３内の加湿水を燃料電池１の内部に循環し、燃料電池１に供給された空気と水素を内部で加湿する。
【００１３】
加湿水貯蔵タンク３は、燃料電池１に供給される空気と水素を加湿する加湿水を貯蔵する。加湿水貯蔵タンク３に貯蔵された加湿水は、純水ポンプ５によって燃料電池１に供給され、燃料電池１から排出された加湿水は、加湿水貯蔵タンク３に流入する。すなわち、加湿水貯蔵タンク３に貯蔵された加湿水は、純水ポンプ５により加湿水貯蔵タンク３と燃料電池１との間を循環される。
【００１４】
加湿水貯蔵タンク３には、燃料電池１から排出された空気をスロットル１１に導く流路と加湿水貯蔵タンク３との間に、加圧空気流路６が設けられている。加湿水貯蔵タンク３は、加圧空気流路６を介して燃料電池１の発電に使用されて排出され加圧された空気が導入され、導入された加圧空気により、貯蔵された加湿水が加圧される。
【００１５】
加湿水貯蔵タンク３は、加湿水の循環経路中の最も低い位置に設けられ、燃料電池システムの運転停止時には循環経路中の全ての加湿水が重力により自然に加湿水貯蔵タンク３に回収される。加湿水貯蔵タンク３には、コントローラ７から与えられる制御信号に基づいて開閉制御される水位制御バルブ１２が設けられている。水位制御バルブ１２は、水位センサ４で検出された加湿水貯蔵タンク３の加湿水の水位に基づいて、加湿水貯蔵タンク３の水位が所定の範囲となるように制御する。
【００１６】
コントローラ７は、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により構成され、燃料電池システムの制御中枢として機能し、燃料電池システムの制御装置となり、実施例１で行われる種々の処理を、予め用意されて記憶装置等に格納されたプログラムに基づいて制御して実行する。
【００１７】
コントローラ７は、燃料電池１の入口の空気圧力を検出する圧力センサ１３と、燃料電池１の入口の空気流量を検出する流量センサ１４と、燃料電池１の入口の水素圧力を検出する圧力センサ１５と、燃料電池１の入口の水素流量を検出する流量センサ１６と、燃料電池１から取り出した発電出力の電圧を検出する電圧センサ１７と、発電出力の電流を検出する電流センサ１８と、加湿水貯蔵タンク３の水位センサ４とで検出された検出値が読み込まれる。コントローラ７は、読み込んだ各検出値が、その時の目標発電量から決まる所定の目標値になるようにコンプレッサ２、スロットル１１、可変バルブ８を制御するとともに、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池１から駆動ユニット１０へ取り出す出力（電流値）を演算して指令し制御を行う。
【００１８】
次に、燃料電池システムの基本的な運転手順を示す図２のフローチャートを参照して、運転手順を説明する。なお、図２に示す手順は、所定時間毎（例えば１０（ｍｓ）毎）に実行される。
【００１９】
図２において、まずステップＳ２０１では、フラグｆＩＮＩＴ（フラグｆＩＮＩＴの初期値は０）が１であるか否かを判断し、１でない場合（制御開始最初のサイクル）は、ステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、加湿水貯蔵タンク３内の水位センサ４の初期値ＷＴＲＬＶＬ０を読込み、続いてステップＳ２０３に進み、フラグｆＩＮＩＴ＝１としてステップＳ２０４へ進む。一方、ステップＳ２０１においてｆＩＮＩＴ＝１の場合（制御開始後２サイクル目以降）では、そのままステップＳ２０４へ進む。
【００２０】
ステップＳ２０４では、目標発電量ＴＰＯＷＥＲを演算してステップＳ２０５に進み、ステップＳ２０５では、目標発電量ＴＰＯＷＥＲに基づいて目標ガス動作点（ガス圧力ＴＰＲ、空気流量ＴＱＡＩＲ）を演算し、ステップＳ２０６に進む。
【００２１】
ステップＳ２０６では、ステップＳ２０５で演算した目標値となるようにガス圧力、流量制御を実行してステップＳ２０７に進み、ステップＳ２０７では、そのときの加湿水の水位ＷＴＲＬＶＬを水位センサ４から読込み、ステップＳ２０８に進む。
【００２２】
ステップＳ２０８では、純水ポンプ５の制御実行を許可するフラグｆＰＭＰＳＴＡＲＴ（フラグｆＰＭＰＳＴＡＲＴの初期値は０）が０であるか否かを判断し、０である（純水ポンプ５の制御が未実行である）場合は、ステップＳ２０９へ進み、加湿水レベルＷＴＲＬＶＬ＜ＷＴＲＬＶＬ０−α（α＝予め設定された所定値）であるか否かを判断し、条件が成立した場合はステップＳ２１０に進み、ステップＳ２１０では、フラグｆＰＭＰＳＴＡＲＴ＝１として終了する。
【００２３】
一方、ステップＳ２０９の判断結果において、条件が成立しなかった場合にはステップＳ２１１へ進み、ステップＳ２１１では、フラグｆＰＭＰＳＴＡＲＴ＝０として終了する。
【００２４】
また、ステップＳ２０８の判断結果において、フラグｆＰＭＰＳＴＡＲＴ＝０でない（純水ポンプ５の制御が実行されている）場合は、そのまま何もせずに終了する。
【００２５】
次に、加湿水を循環させる制御手順を示す図３のフローチャートを参照して、加湿水の循環手順を説明する。
【００２６】
図３において、ステップＳ３０１では、フラグｆＰＭＰＳＴＡＲＴ＝１であるか否かを判断し、１である場合にはステップＳ３０２へ進み、０である場合は加湿水が純水ポンプ５に供給されていないためそのまま何もせずに終了する。
【００２７】
ステップＳ３０２では、目標発電量ＴＰＯＷＥＲを読み込み、ステップＳ３０３に進み、ステップＳ３０３では、目標発電量ＴＰＯＷＥＲに基づいて目標加湿水流量ＴＦＬＯＷＰＷを演算し、ステップＳ３０４に進む。
【００２８】
ステップＳ３０４では、水位制御バルブ１２の開閉状態を表すフラグｆＶＬＶＯＰＮ＝０であるか否かを判断し、０（バルブ閉）である場合はステップＳ３０５へ進む。ステップＳ３０５では、加湿水の水位ＷＴＲＬＶＬ＞ＷＴＲＬＶＬ１＋β（β＝予め設定された所定値）であるか否かを判断する。ここで、ＷＴＲＬＶＬ１はシステムの運転中に許容される水位の上限値であり、βはヒステリシスの定数でありＷＴＲＬＶＬ１に対しては十分小さい値に設定される。
【００２９】
ステップＳ３０５の条件が成立した場合には、ステップＳ３０６へ進み、ステップＳ３０６では、加湿水貯蔵タンク３の水位制御バルブ１２を開けてステップＳ３０７に進み、ステップＳ３０７では、フラグｆＶＬＶＯＰＮ＝１としステップＳ３１２へ進む。一方、ステップＳ３０５の条件が成立しなかった場合には、ステップＳ３０８へ進み、ステップＳ３０８では、フラグｆＶＬＶＯＰＮ＝０としてステップＳ３１２へ進む。
【００３０】
ステップＳ３０４において、フラグｆＶＬＶＯＰＮ＝０でない（水位制御バルブ１２が開いている）場合には、ステップＳ３０９へ進み、ステップＳ３０９では、ＷＴＲＬＶＬ＞ＷＴＲＬＶＬ１−βであるか否かを判断する。ステップＳ３０９の条件が成立した場合はステップＳ３０６へ進み、成立しなかった場合にはステップＳ３１０へ進む。
【００３１】
ステップＳ３１０では、水位制御バルブ１２を閉じてステップＳ３１１に進み、ステップＳ３１１では、フラグｆＶＬＶＯＰＮ＝０としてステップＳ３１２へ進む。
【００３２】
ステップＳ３１２では、ステップＳ３０３で演算した目標加湿水流量を実現するように加湿水流量制御を実行して終了する。このような手順では、加湿水貯蔵タンク３内の加湿水位をＷＴＲＬＶＬ１付近で±βのヒステリシス特性をもたせて制御される。
【００３３】
図４に、本実施例１を適用した場合の諸量（発電量、加湿水の圧力、加湿水の流量、加湿水の水位、ならびに純水ポンプ５の回転数）の変化の様子を示す。
【００３４】
図４を参照して、システムを起動した後ガス（空気、水素）を所定の圧力に制御して発電を開始し、そのときの加湿水貯蔵タンク３内の加湿水の水位を水位センサ４でモニタし、水位センサ４で検出した水位が所定のレベルに到達した後、純水ポンプ５の駆動制御を開始する。これにより、システム運手時の環境条件（高度、気温）や燃料電池の状態（温度、湿度）によって、加圧空気流路６を介して加湿水貯蔵タンク３に与えられる加圧空気によって押し上げられる加湿水貯蔵タンク３内の加湿水の水量が異なっていた場合であっても、常に所定の流量の加湿水を純水ポンプ５で押し上げるのに十分な加湿水が純水ポンプ５まで到達した後に、純水ポンプ５の駆動制御を開始することが可能となる。
【００３５】
また、従来技術のように加湿水を循環させるポンプの下流にセンサを設けて判断する手法では、十分な加湿水がポンプまで到達していた場合であっても、加湿水がセンサに到達するまではポンプの駆動制御を開始することができず、システムの起動時間が長引くことになる。これに対して、この実施例１では、加湿水貯蔵タンク３に設けた水位センサ４で加湿水の水位を判断しているので、加湿水が純水ポンプ５まで到達した時点を正確に判定することができるようになり、システムの起動時間の長期化を抑制することができる。
【００３６】
さらに、従来技術のようにポンプの下流にセンサを設けて判断する手法では、そのセンサはシステムの起動時の制御のみの用途でしかなくなる。このため、この制御のためだけに構成を追加することなり、コスト、レイアウト性が悪化することになる。これに対して、上記実施例１では、水位センサ４は通常運転中の水位管理用のセンサとしても兼用しており、加湿水が純水ポンプ５まで到達した時点を正確に判定することができ、コスト、レイアウト性の悪化を抑制することができる。
【００３７】
ここで、この制御開始を判断する水位レベルの変化量は、加湿水貯蔵タンク３と純水ポンプ５とを接続する配管の配管容積と、加湿水貯蔵タンク３の断面積とに基づいて、加湿水貯蔵タンク３内の加湿水の水位がどの程度変化すれば純水ポンプ５まで加湿水が到達したかを予め求めておき、求めた値を用いるものとする。これにより、システム運転停止時の水位レベルが通常時と異なっていた場合であっても、加湿水の純水ポンプ５への到達を正確に判定することができるようになる。
【００３８】
また、センサのばらつきや経時劣化があっても、精度良く加湿水の水位変化を検出することができる。さらに、加湿水の加圧は、燃料電池１の発電に用いている空気の圧力を利用しているので、加湿水を純水ポンプ５まで押し上げるための新たな装置を付加することなく、確実に加湿水を加圧することが可能となる。
【００３９】
図５は加湿水貯蔵タンク３の具体な構成例を示す図である。
【００４０】
図５において、この燃料電池システムの運転を停止した際に、燃料電池１の内部と加湿水が循環する配管にある加湿水は加湿水貯蔵タンク３に回収される。ここで、これらの加湿水がすべて加湿水貯蔵タンク３に回収された場合の水の容積での液面の部分の有効断面積は、図５に示すように加湿水貯蔵タンク３の下部よりも小さくなるように構成する。そして、システム起動時には、図６に示すように、加湿水貯蔵タンク３に加圧した空気を供給し、その圧力で加湿水貯蔵タンク３内の加湿水を純水ポンプ５まで押し上げる。加湿水貯蔵タンク３は、大気に開放されている。
【００４１】
ここで、加湿水貯蔵タンク３は、上部の加湿水の液面付近を下部に比べて細く構成して有効断面積を小さくしているので、所定の加湿水が加湿水貯蔵タンク３から純水ポンプ５まで押し上げられたときに、押し上げられた加湿水の流量が少ない場合であっても加湿水貯蔵タンク３の水位変化は大きくなる。このため、その水位変化から加湿水が純水ポンプ５まで到達したことを精度良く検出することが可能となる。
【００４２】
なお、この有効断面積は、加湿水貯蔵タンク３から純水ポンプ５まで加湿水が供給された際の水位の変化量が、水位センサ４の検出ノイズの量よりも大きくなるような断面積に設定すると、通常想定されるようなセンサノイズが発生した場合であっても、誤検出することはなくなり、確実に加湿水の水位変化を検出することができる。
【００４３】
このように、加湿水が加湿水貯蔵タンク３から純水ポンプ５に到達した時点で、純水ポンプ５の駆動制御を開始することで、図４に示すように、滑らかな加湿水供給制御を実現することができる。また、加湿水の純水ポンプ５への供給が終了した後の通常運転中は、図７に示すように、加湿水貯蔵タンク３の加湿水の水位は低下するが、低下した水位の部分の加湿水貯蔵タンク３の断面積を上部に比べて広く構成することで、十分な容積が確保され、水位の変化はゆるやかになる。
【００４４】
また、燃料電池１で生成された生成水と加湿水とのバランスにより、加湿水の増減が生じるが、生成水の影響で加湿水が過剰に増加した場合には、加湿水貯蔵タンク３に設けられた水位制御バルブ１２を開放し、余分な加湿水は加湿水貯蔵タンク３の外部へ排出される。
【００４５】
以上説明したように、上記実施例１においては、燃料電池システムの起動時には、システムの運転停止時に加湿水貯蔵タンク３に回収してある加湿水を、燃料電池１から排出された空気により加圧し、水位センサ４で検出された加湿水の水位の変化量に基づいて純水ポンプ５の駆動制御を開始するようにしたので、純水ポンプ５おける駆動制御の開始を判断するための水位を検出する水位センサ４と、通常の水位管理に用いるセンサとを兼用することが可能となり、構成の小型化が図られ、コストアップ、レイアウト性の悪化を抑制することことができる。
【００４６】
また、水位センサ４は純水ポンプ５の上流に設けられているので、加湿水が加湿水貯蔵タンク３から純水ポンプ５まで到達した時点を判断して、純水ポンプ５の駆動制御を開始することができる。これにより、無駄な待ち時間を削減してシステムの起動時間を短縮することができる。
【００４７】
上記実施例１では、加湿水貯蔵タンク３は大気開放として構成されているが、大気開放ではなくてもよく、大気開放部分に遮断弁を設け、純水ポンプ５に加湿水を供給する際には、この遮断弁を閉じることで加湿水の供給時間を短くするようにした構成であってもよい。また、図２に示す処理のステップＳ２０６でガス制御を実行した後、所定の時間以上経過しても加湿水貯蔵タンク３の加湿水の水位が低下せずに、ステップＳ２０９の条件が成立しない場合には、フェールであるとして、警告、あるいはシステム停止といった制御を追加するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図３】加湿水循環制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池システムの起動後の諸量の変化の様子を示す図である。
【図５】加湿水貯蔵タンクの構成を示す図である。
【図６】システム起動後の加湿水貯蔵タンクにおける水位の変化を示すである。
【図７】システム運転時の加湿水貯蔵タンクにおける水位を示すである。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池
２…コンプレッサ
３…加湿水貯蔵タンク
４…水位センサ
５…純水ポンプ
６…加圧空気流路
７…コントローラ
８…可変バルブ
９…イジェクタ
１０…駆動ユニット
１１…スロットル
１２…水位制御バルブ
１３，１５…圧力センサ
１４，１６…流量センサ
１７…電圧センサ
１８…電流センサ
【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】
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