(57)【要約】【課題】  運転条件に制約がある場合であっても、運転条件に柔軟に対応して必要量の水を確実且つ迅速に回収することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に供給する水を貯留する水タンク５１の水量に基づいて、当該燃料電池システムの運転圧力及び／又は運転温度を変化させ、燃料電池スタック１内の水を凝縮させて水タンク５１へ回収する水回収運転を開始する。そして、この燃料電池システムにおいては、通常運転から水回収運転へと遷移するまでの経過時間が最小となるような水回収運転における当該燃料電池システムの運転圧力及び／又は運転温度を決定する。【選択図】      図１
2005050639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に循環させる水を貯留する水貯留手段と、
前記水貯留手段の水量を検出する水量検出手段と、
前記水量検出手段によって検出された水量に基づいて、燃料電池システムの運転圧力又は運転温度を変化させて前記水貯留手段に水を回収する水回収運転を開始すると判定した場合に、通常運転から、燃料電池システムの運転圧力又は運転温度を変化させて前記水回収運転に遷移するまでの経過時間が最小となるような前記水回収運転における運転圧力又は運転温度を決定する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記水量検出手段によって検出された前記水貯留手段の水量が所定値よりも小さい場合には、前記水回収運転を開始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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記水量検出手段によって検出された前記水貯留手段の水量の単位時間あたりの変化量を算出し、前記変化量が所定値よりも小さく前記水貯留手段の水量が減少傾向にある場合には、前記水回収運転を開始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。
【請求項４】
前記制御手段は、水回収速度を算出し、当該水回収速度に基づいて、前記水回収運転における燃料電池システムの運転圧力又は運転温度を決定することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、燃料電池システムの運転負荷に応じて水回収速度を算出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記水貯留手段の水量の減少速度に応じて水回収速度を算出することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池から排出されたガスに含有される水量を算出し、前記排出されたガスに含有される水量が、前記水回収速度に相当する単位時間あたりの水量よりも大きくない場合には、警告報知又は燃料電池システムの運転停止処理を行うことを特徴とする請求項４〜請求項６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
取り込んだ空気を圧縮して吐出することによって前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサと、
前記燃料電池に供給される空気圧力を調整する圧力調整弁と、
前記燃料電池から排出されるガスの圧力を検出するガス圧力検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記ガス圧力検出手段によって検出される前記ガスの圧力を監視し、前記ガスの圧力が前記水回収運転における運転圧力となるように、前記コンプレッサの回転数と前記圧力調整弁の開度とを制御することを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池を冷却するために前記水貯留手段に貯留されている冷媒としての水を循環させるポンプと、
前記ポンプによって供給された前記冷媒としての水を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段に対して前記冷媒としての水を冷却するために用いる外気を送気するファンと、
前記ガスの温度を検出するガス温度検出手段と、
前記燃料電池の上流における前記冷媒としての水の温度を検出する第１の冷媒温度検出手段と、
前記燃料電池の下流における前記冷媒としての水の温度を検出する第２の冷媒温度検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記ガス温度検出手段によって検出される前記ガスの温度と前記第１の冷媒温度検出手段及び前記第２の冷媒温度検出手段によって検出される前記冷媒としての水の温度とを監視し、前記ガスの温度が前記水回収運転における運転温度となるように、前記ポンプの回転数と前記ファンの回転数とを調整して前記冷媒としての水の温度を制御することを特徴とする請求項８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、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、燃料電池の上流に設けられた圧力センサによって検知された空気及び燃料ガスの圧力に基づいて、コンデンサの下流に設けられた圧力調整弁の開度を調整し、燃料電池の運転圧力を制御するものが知られている。この種の燃料電池システムにおいては、コンデンサによる水の回収が、システム制御装置による運転状態に依存するように構成されている。したがって、この種の燃料電池システムにおいては、システム制御装置による運転状態によっては、コンデンサから水タンクに回収される水量が低下して水が枯渇する事態が想定される。
【０００３】
そこで、このような問題に対応するために、燃料電池システムの運転圧力を制御し、燃料電池システムの運転圧力を平衡運転圧力以上になるように制御する技術が、例えば、下記の特許文献１にて提案されている。
【０００４】
この特許文献１には、水タンクからの水を用いて燃料を改質する改質器と、改質器からの改質ガスと空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池からの排気から水を回収するコンデンサと、コンデンサからの排気に含まれる改質ガスを燃焼して燃焼熱を改質器との間で熱交換する燃焼器とを備え、コンデンサからの回収水を水タンクに戻して再利用する燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
特に、この燃料電池システムにおいては、コンデンサから排出される排気の温度を温度センサによって検出し、コンデンサから排出される排気温度に応じて、水の収支が平衡する平衡運転圧力を算出しておく。一方、この燃料電池システムにおいては、システムの運転負荷に応じて、運転効率を最大にする最大効率運転圧力を算出しておく。
【０００６】
そして、この燃料電池システムにおいては、これら算出された平衡運転圧力と最大効率運転圧力とのうち、いずれか高い圧力になるように、当該燃料電池システムの運転圧力を制御している。
【特許文献１】特開２００１−２３６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックにおける空気極（カソード）から排出されるガスの圧力を制御することにより、水収支の平衡を行う構成になっているので、燃料電池スタックに供給する各流体の圧力に制限がある場合や、各流体間の差圧管理制御を行う必要がある場合には、燃料電池スタックの運転条件等によっては、空気極からの排出ガスの圧力制御手段によって水回収に必要な空気極からの排出ガスの圧力を実現することが不可能となるおそれがあった。
【０００８】
また、この燃料電池システムにおいては、水の減少速度に対して水の回収速度が十分な速さでない場合には、水タンクに速やかな水の貯留ができず、水が枯渇するおそれがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、圧力制御に関して運転条件に制約がある場合であっても、運転条件に柔軟に対応して必要量の水を確実且つ迅速に回収することができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、燃料電池スタックに供給する水を貯留する水貯留手段の水量に基づいて、燃料電池システムの運転圧力又は運転温度を変化させ、燃料電池内の水を凝縮させて水貯留手段へ回収する水回収運転を開始する。そして、本発明では、通常運転から水回収運転へと遷移するまでの経過時間が最小となるような水回収運転における燃料電池システムの運転圧力又は運転温度を決定することで、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転圧力又は運転温度を変化させて、燃料電池を通過した水を凝縮させた余剰の水を水貯留手段へ回収する水回収運転を行うことにより、燃料電池システムの運転条件としての運転圧力又は運転温度に制約がある場合であっても、運転条件に柔軟に対応した水回収運転を行うことができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムによれば、通常運転から水回収運転へと遷移する過程において、この経過時間が最小となるような水回収運転における運転圧力又は運転温度を算出することにより、燃料電池システムの水回収を最短時間で行うことができるので、水供給不足による燃料電池システムの性能低下の時間的リスクを低減することができるとともに、燃料電池システムの早急な正常回復を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムである。
【００１５】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１６】
［燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、当該燃料電池システムの主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（ここでは、空気）とが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極であるカソード極２と燃料ガスが供給される水素極であるアノード極３とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、アノード極３にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過してカソード極２に到達し、この水素イオンがカソード極２にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００１７】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御する制御手段であるシステム制御装置４を備える。このシステム制御装置４は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷装置に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと指令を送ることにより、各部を制御する。
【００１８】
さらに、燃料電池システムは、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１に供給する空気供給系を備える。この空気供給系は、コンプレッサ１１、アフタークーラー１２及び加湿装置１３が、空気を燃料電池スタック１に供給するための空気供給配管１４によって接続されて構成されている。
【００１９】
コンプレッサ１１は、システム制御装置４によって駆動量が制御される図示しないコンプレッサモータによって駆動され、外部から空気を吸い込み、圧縮して吐出する。このコンプレッサ１１から吐出された空気は、空気供給配管１４を介してアフタークーラー１２に供給される。
【００２０】
アフタークーラー１２は、空気供給配管１４におけるコンプレッサ１１の下流に設けられ、後述する冷却媒体としての水を用いて、当該コンプレッサ１１から吐出された空気を燃料電池スタック１における発電反応に必要な温度まで冷却する。このアフタークーラー１２によって冷却された空気は、空気供給配管１４を介して加湿装置１３に供給される。
【００２１】
加湿装置１３は、空気供給配管１４におけるアフタークーラー１２の下流に設けられ、当該アフタークーラー１２を通過した空気を加湿し、燃料電池スタック１におけるカソード極２に供給する。また、加湿装置１３は、燃料電池スタック１におけるカソード極２から排出されたガスであって燃料電池スタック１において一部の酸素が消費され且つ発電によって生成した水分を含有するカソードオフガスを加湿し、後述するカソードオフガス排出配管３１を介して燃焼器３７に供給する。
【００２２】
なお、空気供給配管１４には、カソード極２の入口付近に、空気供給圧力センサ１５及び空気供給温度センサ１６が設けられている。これら空気供給圧力センサ１５及び空気供給温度センサ１６によって検出された空気圧力及び空気温度を示すセンサ信号は、システム制御装置４に供給される。
【００２３】
さらにまた、燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１に供給する水素供給系として、水素供給装置２１と、当該水素供給装置２１とアノード極３とを接続する水素供給配管２２とを備える。
【００２４】
水素供給装置２１は、例えば高圧水素を貯蔵するタンク等からなり、貯蔵している水素を、水素供給配管２２を介して燃料電池スタック１におけるアノード極３に供給する。
【００２５】
なお、水素供給配管２２には、３方弁２３が設けられており、後述するアノードオフガス排出配管３３が３方弁２３を介して接続されている。燃料電池システムにおいては、アノードオフガス排出配管３３を介して燃焼器３７に供給されるアノードオフガスの一部を、この３方弁２３を介して水素供給配管２２に供給することにより、当該アノードオフガスを水素供給装置２１から供給される水素と混合した後、再度アノード極３に供給する。
【００２６】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１から排出されるオフガスを輸送するオフガス輸送系として、カソード極２から排出されるカソードオフガスを輸送するためのカソードオフガス排出配管３１と、このカソードオフガス排出配管３１における加湿装置１３の下流に設けられる空気圧力調整弁３２とを備える。
【００２７】
また、この燃料電池システムは、アノード極３から排出されるアノードオフガスを輸送するアノードオフガス排出配管３３と、このアノードオフガス排出配管３３を介して排出されるアノードオフガスを循環させるアノードオフガス循環装置３４と、このアノードオフガス循環装置３４によって循環されるアノードオフガスを輸送する循環用配管３５と、アノードオフガス排出配管３３におけるアノードオフガス循環装置３４の下流に設けられる水素圧力調整弁３６とを備える。
【００２８】
更に、燃料電池システムは、カソードオフガス排出配管３１を介して排出されるカソードオフガスとアノードオフガス排出配管３３を介して排出されるアノードオフガスとを混合した混合ガスを燃焼する燃焼器３７と、この燃焼器３７によって燃焼された燃焼ガスを排気する燃焼ガス排気配管３８と、燃焼ガスを冷却する冷却媒体用熱交換器３９とを備える。
【００２９】
空気圧力調整弁３２は、カソードオフガス排出配管３１における加湿装置１３の下流に設けられ、システム制御装置４の制御に従って図示しないアクチュエータが開閉されることにより、燃料電池スタック１に供給する空気圧力を調整する。
【００３０】
アノードオフガス循環装置３４は、アノードオフガス排出配管３３における燃料電池スタック１の下流に設けられ、通常運転時には、当該燃料電池スタック１による発電に消費されずにアノードオフガス排出配管３３を介して排出されるアノードオフガスを全量循環させる。このアノードオフガス循環装置３４によって循環されたアノードオフガスは、循環用配管３５を介して水素供給配管２２に供給され、水素供給装置２１から供給される水素と混合された後、再度燃料電池スタック１におけるアノード極３に供給される。また、アノードオフガス循環装置３４は、通常運転時以外においては、アノードオフガスを循環させずにアノードオフガス排出配管３３を介して燃焼器３７に供給する。
【００３１】
水素圧力調整弁３６は、アノードオフガス排出配管３３におけるアノードオフガス循環装置３４の下流に設けられる。この水素圧力調整弁３６は、システム制御装置４の制御に従って図示しないアクチュエータが制御されることにより開閉して、燃料電池スタック１に供給する水素圧力を調整する。
【００３２】
燃焼器３７は、加湿装置１３を経由してカソードオフガス排出配管３１を介して排出されるカソードオフガスとアノードオフガス排出配管３３を介してアノードオフガス循環装置３４から断続的に供給されるアノードオフガスとを混合して均一な混合ガスを生成するミキサ４１と、所定の酸化触媒を担持した電気ヒータで構成され当該燃焼器３７を暖機するヒータ４２と、所定の酸化触媒を担持して混合ガスを燃焼させる燃焼触媒担持部４３とから構成される。燃焼器３７は、混合ガスを燃焼し、生成した燃焼ガスを燃焼ガス排気配管３８を介して冷却媒体用熱交換器３９に供給する。
【００３３】
冷却媒体用熱交換器３９は、燃焼ガス排気配管３８における燃焼器３７の下流に設けられる。この冷却媒体用熱交換器３９は、後述する冷却媒体としての水と熱交換することにより、燃焼器３７から排出された高温の燃焼ガスを冷却する。この冷却用熱交換器３９によって冷却された燃焼ガスは、燃焼ガス排気配管３８を介して外部へと排出される。
【００３４】
なお、カソードオフガス排出配管３１には、カソード極２のガス出口付近に、オフガス圧力検出手段である排出空気圧力センサ４４、オフガス温度検出手段である排出空気温度センサ４５、及び排出空気湿度センサ４６が設けられている。
【００３５】
これら排出空気圧力センサ４４、排出空気温度センサ４５、及び排出空気湿度センサ４６によって検出されたカソードオフガス圧力、カソードオフガス温度、及びカソードオフガス湿度を示すセンサ信号は、システム制御装置４に供給される。そして、システム制御装置４は、上述した空気供給圧力センサ１５によって検出される空気圧力と、排出空気圧力センサ４４によって検出されるカソードオフガス圧力とを監視し、これら各種圧力に基づいて、空気圧力調整弁３２の開度を調整して当該燃料電池システムの運転圧力を制御することになる。
【００３６】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の冷却等を行うために、燃料電池スタック１に冷却媒体としての水を供給するための冷却媒体系を備える。
【００３７】
具体的には、燃料電池システムは、冷却媒体系として、水タンク５１、保湿用ポンプ５２、冷却用ポンプ５３、ラジエータ５４、ラジエータファン５５を備える。
【００３８】
水タンク５１は、燃料電池スタック１に循環させる水を貯留する。この水タンク５１に貯留されている水は、燃料電池スタック１を保湿するために、保湿用ポンプ５２によって吸い上げられ、当該水タンク５１と燃料電池スタック１との間を接続する冷却媒体循環用配管５６を介して燃料電池スタック１に供給され、再度水タンク５１に回収される。また、水タンク５１は、燃料電池スタック１における反応によって生成された水の一部が凝縮水となった余剰水分を回収して貯留する。
【００３９】
この水タンク５１には、貯留している水の残量を検出する水量検出手段である水位センサ５７が設けられている。この水位センサ５７によって検出された水位を示すセンサ信号は、システム制御装置４に供給される。
【００４０】
保湿用ポンプ５２は、冷却媒体循環用配管５６における燃料電池スタック１よりも上流に設けられ、システム制御装置４の制御に従って、図示しないポンプモータが駆動され、燃料電池スタック１の出力等に応じて当該燃料電池スタック１の保温に必要とされる量の水を水タンク５１から吸い上げ、循環させる。
【００４１】
冷却用ポンプ５３は、図１の一点鎖線で示す冷却水用配管５８における水タンク５１の下流に設けられ、システム制御装置４の制御に従って、図示しないポンプモータによって駆動され、水タンク５１に貯留されている水を冷却水用配管５８を介して循環させる。より具体的には、冷却用ポンプ５３は、発電にともなって発熱している燃料電池スタック１を適切な温度に保つように燃料電池スタック１を冷却するために設けられ、燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した水を吸い込み、ラジエータ５４に供給する。
【００４２】
ラジエータ５４は、冷却水用配管５８における冷却用ポンプ５３の下流に設けられ、燃料電池スタック１の出力等に応じて冷却用ポンプ５３によって供給された当該燃料電池スタック１の冷却に必要とされる量の水を、内部を通過する外気を用いて冷却する。このラジエータ５４によって冷却された冷却水は、冷却水用配管５８を介して燃料電池スタック１に供給された後、循環されて再度当該ラジエータ５４に戻される。
【００４３】
ラジエータファン５５は、ラジエータ５４の近傍に設けられ、システム制御装置４の制御に従って駆動し、ラジエータ５４に対して外気を送風する。これにより、燃料電池システムにおいては、例えば車両が移動していない場合等であっても、ラジエータ５４による水の冷却を促進することが可能となる。
【００４４】
なお、冷却水用配管５８には、ラジエータ５４と燃料電池スタック１との間に３方弁５９が設けられている。また、３方弁５９は、コンプレッサ１１から吐出される高温の空気を冷却するためのアフタークーラー１２への分岐路６０が接続されている。これにより、３方弁５９では、ラジエータ５４からの水をアフタークーラー１２に循環させて、再度冷却水用配管５８に戻すことが可能となっている。
【００４５】
また、この冷却水用配管５８には、冷却用ポンプ５３とラジエータ５４との間に３方弁６１が設けられている。また、この３方弁６１には、燃焼器３７から排出される高温の燃焼ガスを冷却するための冷却媒体用熱交換器３９への分岐路６２が接続されている。これにより、３方弁６１では、冷却用ポンプ５３からの水を、ラジエータ５４をバイパスして冷却媒体用熱交換器３９に供給可能となっている。
【００４６】
また、冷却水用配管５８における燃料電池スタック１の上流及び下流には、それぞれ、燃料電池スタック１の上流及び下流における水の温度を検出する第１の冷却媒体温度検出手段及び第２の冷却媒体温度検出手段である第１冷却媒体温度センサ７１，第２冷却媒体温度センサ７２が設けられている。
【００４７】
これら第１冷却媒体温度センサ７１及び第２冷却媒体温度センサ７２によって検出された冷却媒体温度を示すセンサ信号は、システム制御装置４に供給される。そして、システム制御装置４は、上述した空気供給温度センサ１６によって検出される空気温度と、上述した排出空気温度センサ４５によって検出されるカソードオフガス温度と、第１冷却媒体温度センサ７１及び第２冷却媒体温度センサ７２によって検出される冷却媒体温度とを監視し、これら各種温度に基づいて、保湿用ポンプ５２の回転数を調整して冷却媒体流量を制御するとともに、ラジエータファン５５の回転数を調整して冷却媒体温度を制御することになる。これにより、システム制御装置４では、燃料電池システムの運転温度を制御することが可能となっている。
【００４８】
さらに、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に、図示しない電流センサ及び電圧センサを有する電力監視装置８１が設けられている。この電力監視装置８１におけるこれら電流センサ及び電圧センサによって検出された電流値及び電圧値を示すセンサ信号は、システム制御装置４に供給される。そして、システム制御装置４は、これら電流値及び電圧値に基づいて、燃料電池システムの運転負荷を算出することが可能とされる。
【００４９】
このような燃料電池システムにおいて、空気は、通常運転時には、コンプレッサ１１から圧送され、さらに、アフタークーラー１２によって燃料電池スタック１における反応に必要な温度まで冷却された上で、カソード極２に供給される。また、燃料電池システムにおいて、水素は、通常運転時には、水素供給装置２１からアノード極３に供給される。このとき、燃料電池システムにおいては、水タンク５１から燃料電池スタック１に水が供給される。また、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の他に、アフタークーラー１２及び冷却媒体用熱交換器３９にも水タンク５１から水が供給される。
【００５０】
そして、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１における発電によって生成された水の一部がカソードオフガスに含有されてカソード極２から排出され、凝縮した水が水タンク５１に回収される。さらに、燃料電池システムにおいては、カソードオフガスが加湿装置１３を経由することにより、当該カソードオフガスに含有される水の一部がアフタークーラー１２から排出される比較的低温度の空気に受け渡されて再度燃料電池スタック１に供給される。そして、燃料電池システムにおいては、加湿装置１３から排出されるカソードオフガスに含有される水分が、燃焼器３７を介して外部へと排気される。
【００５１】
［燃料電池システムの水回収処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、システム制御装置４により水タンク５１への水回収運転を行う水回収処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。すなわち、この水回収処理では、水タンク５１に貯留する水の不足時に、水タンク５１への水回収運転を行うものである。
【００５２】
まず、システム制御装置４は、通常の燃料電池スタック１の発電運転を行っている際に、ステップＳ１において、水タンク５１の水位を検出するために、水位センサ５７によって検出された水位値を示すセンサ信号を読み出す。
【００５３】
続いて、システム制御装置４は、ステップＳ２において、ステップＳ１にて検出した検出値に基づいて、後述する水回収運転が必要であるか否かの判定を行う。具体的には、システム制御装置４は、ステップＳ１にて検出された水位値が所定値よりも小さいか否かを判定する。ここで、所定値は、通常運転から水回収運転に移行するか否かを判断するための水タンク５１の低水位値が、予め設定されている。
【００５４】
ここで、システム制御装置４は、ステップＳ１にて検出した水位値が所定値よりも小さくないと判定した場合には、水回収運転を行う必要がないと判断して、通常運転を継続する。一方、システム制御装置４は、ステップＳ１にて検出した水位値が所定値よりも小さいと判定した場合には、当該燃料電池システム内に保有する水の不足を補うべくステップＳ３以降の水回収運転を行うための処理へと移行する。
【００５５】
システム制御装置４は、ステップＳ３において、電力監視装置８１における電流センサ及び電圧センサによって検出された電流値及び電圧値に基づいて、燃料電池システムの運転負荷を算出する。
【００５６】
そして、システム制御装置４は、ステップＳ４において、例えば図示しないメモリ等に予め格納している図３に示すようなマップデータを参照し、ステップＳ３にて算出した運転負荷に応じた水回収速度を読み出す。
【００５７】
なお、図３に示すようなマップデータは、燃料電池システムが高負荷運転になるのにしたがって燃料電池スタック１内部にて凝縮する凝縮水が増加する、という特性に基づいて作成されている。すなわち、この特性は、燃料電池システムが高負荷運転になるのにしたがって高圧力で運転する必要があり、同じ運転温度であっても飽和水蒸気量が小さくなり、凝縮水が増加することに起因して作成されている。
【００５８】
続いて、システム制御装置４は、ステップＳ５において、排出空気温度センサ４５によって検出されるカソードオフガス温度と、排出空気湿度センサ４６によって検出されるカソードオフガス湿度とを読み出し、ステップＳ６において、これらカソードオフガス温度及びカソードオフガス湿度に基づいて、カソードオフガスに含有される水量を算出する。
【００５９】
そして、システム制御装置４は、ステップＳ７において、燃料電池システムの水回収運転によってステップＳ４にて読み出した水回収速度で水を回収することができるか否かを判定するために、ステップＳ６にて算出したカソードオフガスの含有水量と、ステップＳ４にて読み出した水回収速度に応じた単位時間あたりの水回収量とを比較する。具体的には、システム制御装置４は、カソードオフガスの含有水量が、水回収速度に応じた単位時間当たりの水回収量よりも大きいか否かを判定する。
【００６０】
ここで、システム制御装置４は、カソードオフガスの含有水量が、水回収速度に応じた単位時間当たりの水回収量よりも大きくないと判定した場合には、ステップＳ９へと処理を移行し、水回収を行うことができない旨を示す所定の警告を報知するとともに、燃料電池システムの運転停止処理を行う。
【００６１】
一方、システム制御装置４は、カソードオフガスの含有水量が、水回収速度に応じた単位時間当たりの水回収量よりも大きいと判定した場合には、水回収運転を開始すべくステップＳ８へと処理を移行する。
【００６２】
システム制御装置４は、ステップＳ８において、排出空気圧力センサ４４によって検出しているカソードオフガス圧力と、排出空気温度センサ４５によって検出しているカソードオフガス温度とを読み出し、ステップＳ１０において、例えば図示しないメモリ等に予め格納している図４に示すようなマップデータを参照し、ステップＳ４にて読み出した水回収速度に対応して複数用意しておいたカソードオフガス温度とカソードオフガス圧力との関係を示したマップデータの何れかを選択する。
【００６３】
なお、図４に示すようなマップデータは、カソードオフガス圧力とカソードオフガス温度とを変化させることにより、燃料電池スタック１の発電によって生成される水を凝縮することができる、という特性に基づいて作成されており、水回収速度に応じた単位時間当たりの水回収量を発生させるためのカソードオフガス圧力とカソードオフガス温度との相関関係を表すものである。
【００６４】
そして、システム制御装置４は、ステップＳ１１において、ステップＳ８にて読み出したカソードオフガス圧力とカソードオフガス温度とに基づいて、通常運転から水回収運転へと遷移するまでの経過時間を図４のマップデータに設定する。具体的には、システム制御装置４は、ステップＳ８にて読み出した通常運転状態におけるカソードオフガス圧力及びカソードオフガス温度から、ステップＳ１０にて選択したマップデータにおける各点（水回収運転の動作点）の所定範囲（例えば圧力値が±５ｋＰａ、温度値が±５℃）とするまでの経過時間を算出することにより、選択したマップデータを構成する各点ごとに経過時間を算出する。これにより、システム制御装置４では、図４のマップデータを構成する各点ごとに経過時間を設定する。
【００６５】
なお、システム制御装置４は、各水回収運転ごとの動作点とするまでの経過時間を算出するために、コンプレッサ１１及び空気圧力調整弁３２からなる運転圧力制御手段と、ラジエータファン５５及び冷却用ポンプ５３からなる運転温度制御手段との性能特性に基づいて、運転圧力と運転温度との過渡特性を求める演算式を使用する。ここで、この演算式は、システムの設計時に、予め実験等により取得したデータに基づいて、カソードオフガス圧力の過渡特性及びカソードオフガス温度の過渡特性を求めるように決定されている。
【００６６】
ここで、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１における発電量によって必要な空気量は決定されているので、燃料電池スタック１に供給すべき空気流量は、運転負荷で決定される流量以下には小さくすることができない。そのため、燃料電池システムにおいては、運転負荷毎に燃料電池システムの運転効率を高くするためには、コンプレッサ１１の吐出圧力をできるだけ小さくする必要があり、通常運転時では、必要最小限のコンプレッサ１１の吐出圧力で運転している。したがって、ステップＳ１１においては、水を回収するために、コンプレッサ１１の吐出圧力を高くする制御をする。
【００６７】
そして、システム制御装置４は、ステップＳ１１にて通常運転から水回収運転に移行するまでの経過時間をマップデータを構成する各動作点に設定すると、ステップＳ１２において、ステップＳ８にて読み出したカソードオフガス圧力以上となる範囲で、ステップＳ１０にて決定した経過時間が最小となるカソードオフガス圧力及びカソードオフガス温度を、図４に示すマップデータから目標運転圧力及び目標運転温度として読み出す。
【００６８】
次に、システム制御装置４は、排出空気圧力センサ４４によって検出しているカソードオフガス圧力を監視し、このカソードオフガス圧力が目標運転圧力となるように、コンプレッサ１１の回転数及び空気圧力調整弁３２の開度を制御することにより、燃料電池スタック１に供給する空気圧力を調整する。また、システム制御装置４は、排出空気温度センサ４５によって検出しているカソードオフガス温度と第１冷却媒体温度センサ７１及び第２冷却媒体温度センサ７２によって検出している各冷却媒体温度とを監視し、カソードオフガス温度が目標運転温度となるように、冷却用ポンプ５３の回転数及びラジエータファン５５の回転数を調整することにより、燃料電池スタック１に供給する冷却媒体の温度を制御する。
【００６９】
次に、システム制御装置４は、ステップＳ１３において、水タンク５１の水位を検出するために、水位センサ５７によって検出している水位値を読み出し、ステップＳ１４において、水位センサ５７によって検出された水位値に基づいて水回収運転の継続が必要であるか否かの判定を行う。具体的には、システム制御装置４は、水位センサ５７によって検出された水位値が所定値よりも大きいか否かを判定する。ここで、所定値は、水回収運転から通常運転に移行するか否かを判断するための水タンク５１の高水位値が、予め設定されている。
【００７０】
ここで、システム制御装置４は、水位センサ５７によって検出された水位値が水タンク５１の高水位値よりも大きくないと判定した場合には、水回収運転を継続する必要があると判定してステップＳ３からの処理を繰り返し、水位センサ５７によって検出された水位値が水タンク５１の高水位値よりも大きいと判定した場合には、水回収運転を継続する必要がないので通常運転へと移行する。
【００７１】
燃料電池システムは、このような一連の制御を経ることにより、燃料電池スタック１の発電によって生成される水を凝縮させ、必要量の水を水タンク５１へと回収することができる。
【００７２】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、検出した水タンク５１の水位（水量）に基づいて、燃料電池システムの運転圧力及び運転温度を変化させて、燃料電池スタック１内の水を凝縮させた余剰水を回収する水回収運転を行うことにより、運転圧力及び運転温度に制約がある場合であっても、運転条件に柔軟に対応した水回収運転を行うことができる。なお、上述した一例では、運転圧力及び運転温度の双方を制御する場合について説明したが、何れかを制御する場合であっても同様の効果を得ることができる。
【００７３】
そして、この燃料電池システムによれば、通常運転から水回収運転へと遷移する過程において、経過時間が最小となるような水回収運転における運転圧力及び運転温度を算出することにより、水回収を最短時間で行うことができるので、水供給不足による燃料電池システムの性能低下を低減することができるとともに、燃料電池システムの早急な正常回復を実現することができる。
【００７４】
また、この燃料電池システムによれば、検出した水位（水量）が所定値よりも小さい場合には水回収運転を開始するといったように、水位センサ５７によって検出された水位（水量）に基づいて、水回収運転が必要であるか否かの判定を行うことにより、水タンク５１の残水量に応じた水回収を行うことが可能となり、燃料電池システムに必要とされる供給水量以上に、水タンク５１の水量を確保することができる。
【００７５】
さらに、この燃料電池システムによれば、水回収動作をするに際して、燃料電池システムの運転負荷に応じて水回収速度を算出することにより、高負荷運転になるのにしたがってより多くの水回収量を実現させることが可能となる。そのため、燃料電池システムによれば、水タンク５１の水位を適正な範囲に回復させるような水回収を、運転負荷に応じて最適な水回収速度によって行うことが可能となるので、安定した水供給を行うことが可能となる。
【００７６】
さらにまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスに含有される水量を算出し、このカソードオフオフガスに含有される水量が、水回収速度に相当する水量よりも大きくない場合には、警告報知又は燃料電池システムの運転停止処理を行うので、水回収運転によって所定の水量を回収できない場合には、燃料電池システムの不具合報知、若しくは当該燃料電池システムの運転停止、又はこれら双方の処理を行うことが可能となるので、水供給不足による燃料電池システムの二次的不具合を防止することができるとともに、不具合対応を行う必要性を運転者等に適切に報知することができる。
【００７７】
さらにまた、この燃料電池システムによれば、カソードオフガスの圧力を監視し、このカソードオフガスの圧力が目標運転圧力となるように、コンプレッサ１１の回転数と空気圧力調整弁３２の開度とを制御するとともに、カソードオフガスの温度と冷却媒体としての水の温度とを監視し、カソードオフガスの温度が目標運転温度となるように、冷却用ポンプ５３の回転数とラジエータファン５５の回転数とを調整して冷却媒体としての水の温度を制御するので、水回収を最短時間で行うことが可能となり、水供給不足による当該燃料電池システムの性能低下の時間的リスクを低減することができるとともに、燃料電池システムの早急な正常回復を実現することができる。
【００７８】
［第２実施形態］
つぎに、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システムは、先に図１に示した構成と同一とされる。したがって、この第２実施形態の説明では、上述の実施形態と同様の部分については同一の符号及び同一のステップ番号を付することによってその詳細な説明を省略するものとする。
【００７９】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、水回収処理において、水回収運転を開始する条件として、水タンク５１の水位ではなく、水タンク５１の水量の単位時間あたりの変化量を基準とするものである。
【００８０】
この第２実施形態に係る燃料電池システムにおいては、水タンク５１に貯留する水の不足時には、システム制御装置４の制御に従って、図５に示す一連の処理を行うことにより、水タンク５１への水回収運転を行う。
【００８１】
まず、システム制御装置４は、図５に示すように、通常の発電運転を行っている際に、上述したステップＳ１の後のステップＳ２１において、ステップＳ１にて読み出した水位値の所定時間における増減割合（単位時間あたりの変化量）を算出する。なお、この増減割合は、増加傾向である場合には正値となり、減少傾向である場合には負値となる。
【００８２】
続いて、システム制御装置４は、ステップＳ２２において、ステップＳ２１にて算出した水位値の所定時間における増減割合に基づいて、水回収運転が必要であるか否かの判定を行う。具体的には、システム制御装置４は、ステップＳ２１にて算出した水位値の増減割合が水タンク５１の水位の減少傾向を示す所定値よりも小さいか否かを判定する。ここでは、この所定値として、“０”を用いるものとする。すなわち、システム制御装置４は、ステップＳ２１にて算出した水位値の増減割合が負値であるか否かを判定する。なお、このステップＳ２２の処理は、図１中のステップＳ２として示した処理に相当するものである。
【００８３】
ここで、システム制御装置４は、水位値の増減割合が負値でない、すなわち、水位の増減割合が所定値よりも小さくなく、水タンク５１の水位が増加傾向にあると判定した場合には、水回収運転を行う必要がないものとし、通常運転を継続する。一方、システム制御装置４は、水位値の増減割合が負値である、すなわち、水位の増減割合が所定値よりも小さく、水タンク５１の水位が減少傾向にあると判定した場合には、燃料電池システム内に保有する水の不足を補うべくステップＳ２３以降の水回収運転へと移行する。
【００８４】
システム制御装置４は、ステップＳ２３において、ステップＳ２１にて算出した増減割合が負となっているので、増減割合に応じた水回収を行うために、増減割合を水の減少速度に換算した値を水回収速度として読み出す。なお、このステップＳ２３の処理は、図１中のステップＳ４として示した処理に相当するものである。
【００８５】
以降、システム制御装置４は、図１中のステップＳ５〜ステップＳ１２と同様の処理を行い、ステップＳ１２の後、水回収運転の継続の是非を判定するために、ステップＳ１からの処理を繰り返すことになる。
【００８６】
燃料電池システムは、このような一連の処理を行うことにより、水タンク５１の水位ではなく、水タンク５１の水量の単位時間あたりの変化量を、水回収運転を開始する条件とし、燃料電池スタック１の発電によって生成される水を凝縮させ、必要量の水を水タンク５１へと回収する。
【００８７】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、水タンク５１の水位（水量）の単位時間あたりの変化量を算出し、この変化量が所定値よりも小さく水タンク５１の水位（水量）が減少傾向にある場合には、水回収運転を開始するといったように、水位センサ５７によって検出された水位（水量）の単位時間あたりの変化量に基づいて、水回収運転が必要であるか否かの判定を行う。これにより、燃料電池システムによれば、水タンク５１の水量が減少傾向にある段階から水回収を行うことが可能となるので、燃料電池システム内に保有する水量の減少を防止することができる。
【００８８】
また、この燃料電池システムによれば、水タンク５１の水量の減少速度に応じて水回収速度を算出することにより、水タンク５１の水量を適正な範囲に留めるように制御しつつ水回収を行うことが可能となるので、安定した燃料電池システムへの水供給を行うことができる。
【００８９】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池システムにおいて水回収運転を行う際の処理手順フローチャートである。
【図３】燃料電池システムの運転負荷と水回収速度との相関関係を表すマップデータを示す図である。
【図４】水回収速度に対応するカソードオフガスの温度と圧力との相関関係を表すマップデータを示す図である。
【図５】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて水回収運転を行う際の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９１】
１  燃料電池スタック
２  カソード極
３  アノード極
４  システム制御装置
１１  コンプレッサ
１２  アフタークーラー
１３  加湿装置
１４  空気供給配管
１５  空気供給圧力センサ
１６  空気供給温度センサ
２１  水素供給装置
２２  水素供給配管
２３  ３方弁
３１  カソードオフガス排出配管
３２  空気圧力調整弁
３３  アノードオフガス排出配管
３４  アノードオフガス循環装置
３５  循環用配管
３６  水素圧力調整弁
３７  燃焼器
３８  燃焼ガス排気配管
３９  冷却媒体用熱交換器
４１  ミキサ
４２  ヒータ
４３  燃焼触媒担持部
４４  排出空気圧力センサ
４５  排出空気温度センサ
４６  排出空気湿度センサ
５１  水タンク
５２  保湿用ポンプ
５３  冷却用ポンプ
５４  ラジエータ
５５  ラジエータファン
５６  冷却媒体循環用配管
５７  水位センサ
５８  冷却水用配管
５９，６１  ３方弁
６０，６２  分岐路
７１  第１冷却媒体温度センサ
７２  第２冷却媒体温度センサ
８１  電力監視装置
【図１】
2005050639.tif 000003
【図２】
2005050639.tif 000004
【図３】
2005050639.tif 000005
【図４】
2005050639.tif 000006
【図５】
2005050639.tif 000007