(57)【要約】 【課題】  燃料電池システムにおいて、発電停止後に燃料電池内部で発生する水を排出する技術を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、燃料電池に対して反応ガスを供給するガス供給部と、状態量計測部とガス供給部とを制御する制御部とを備える。ここで、制御部は、燃料電池による発電の停止後において、特定の状態量を計測させるように状態量計測部を制御する計測制御機能と、特定の状態量に応じて、燃料電池から排水するようにガス供給部を制御する排水制御機能とを有することを特徴とする。【選択図】  図２
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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、
前記燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、
前記燃料電池に対して反応ガスを供給するガス供給部と、
前記状態量計測部と前記ガス供給部とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
（ａ）前記燃料電池による発電の停止後において、前記特定の状態量を計測させるように前記状態量計測部を制御する計測制御機能と、
（ｂ）前記特定の状態量に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する排水制御機能と、
を有することを特徴とする、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、
前記ガス供給部は、前記燃料電池の内部の水を排出するためのガスであるパージガスを前記燃料電池に供給するパージガス供給部を備え、
前記制御部は、前記特定の状態量に応じて、前記パージガスを前記燃料電池に供給するように前記ガス供給部を制御する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記燃料電池から排出された反応ガスから水を分離して貯留するとともに、前記貯留された水を排出するための開閉駆動が可能な排出バルブを有する気液分離部を備え、
前記制御部は、前記特定の状態量に応じて、前記排出バルブを開放駆動させるように前記ガス供給部を制御する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記排水制御機能は、
（ｂ−１）前記燃料電池の内部の水の凍結によって前記燃料電池の破損の可能性を判定する破損可能性判定機能と、
（ｂ−２）前記破損の可能性があるとの判定に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する機能と、
を含む、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、
前記特定の状態量は、前記燃料電池の温度と相関関係を有する状態量であり、
前記破損可能性判定機能は、前記特定の状態量に相当する温度が摂氏０度近傍の所定の閾値に達したか否かで前記燃料電池の破損の可能性を判定する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記排水制御機能は、
（ｂ−３）前記燃料電池の内部の水による閉塞によって発生する前記燃料電池の性能の低下が所定の閾値よりも大きいか否かを判定するフラッディング判定機能と、
（ｂ−４）前記燃料電池の性能の低下が所定の閾値よりも大きいとの判定に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する機能と、
を含む、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記特定の状態量は、前記燃料電池による発電の停止時における温度と相関関係を有する状態量と、前記燃料電池による発電の停止時における絶対湿度と相関関係を有する状態量と、最後の計測時における温度と相関関係を有する状態量と、を含み、
前記フラッディング判定機能は、前記３つの状態量に応じて、前記燃料電池の性能の低下が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記特定の状態量は、前記燃料電池の温度と絶対湿度の少なくとも一方に相関関係を有する状態量を含む、燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池と、前記燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、前記燃料電池に対して反応ガスを供給するガス供給部とを準備する工程と、
（ｂ）前記燃料電池による発電の停止後において、前記特定の状態量を計測させるように前記状態量計測部を制御する工程と、
（ｃ）前記特定の状態量に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する工程と、
を有することを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
燃料電池システムの制御をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、前記燃料電池に対して反応ガスを供給するガス供給部とを備え、
前記コンピュータプログラムは、
前記燃料電池による発電の停止後において、前記特定の状態量を計測させるように前記状態量計測部を制御する機能と、
前記特定の状態量に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する機能と、
を前記コンピュータに実現させるプログラムを備えることを特徴とする、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部温度が氷点下の場合においては、燃料電池システムの停止後にその内部で発生した水が凍結して、燃料電池システムが破損されるという問題が発生していた。この問題に対して、燃料電池システムの停止時やユーザによる指示の時において、外部温度が氷点下の場合に所定時間だけ排水処理を行う技術も開示されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７３７０４号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０７２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池システムの停止時における排水では、停止後の燃料電池の温度低下によって燃料電池内部に発生した水が凍結するという問題があった。さらに、このような問題は、外気温が氷点下である場合に限らず発生し、たとえば燃料電池の温度の低下によって発生した水が燃料電池を閉塞させて次回の起動の障害となることもあった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、発電停止後の燃料電池の温度低下に応じて燃料電池内部で発生する水を排出する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、
前記燃料電池に対して反応ガスを供給するガス供給部と、
前記状態量計測部と前記ガス供給部とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
（ａ）前記燃料電池による発電の停止後において、前記特定の状態量を計測させるように前記状態量計測部を制御する計測制御機能と、
（ｂ）前記特定の状態量に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する排水制御機能と、
を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池による発電の停止後において計測された燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量に応じて、燃料電池から排水することが可能なので、燃料電池システムの停止後の燃料電池の温度低下によって燃料電池内部に発生した水を排水することができる。なお、燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量としては、たとえば燃料電池の温度や絶対湿度、内部抵抗値、起動から発電停止までの燃料電池の電流積算値といった種々の状態量がある。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、前記ガス供給部は、前記燃料電池の内部の水を排出するためのガスであるパージガスを前記燃料電池に供給するパージガス供給部を備え、
前記制御部は、前記特定の状態量に応じて、前記パージガスを前記燃料電池に供給するように前記ガス供給部を制御するようにしても良いし、
あるいは、前記ガス供給部は、前記燃料電池から排出された反応ガスから水を分離して貯留するとともに、前記貯留された水を排出するための開閉駆動が可能な排出バルブを有する気液分離部を備え、
前記制御部は、前記特定の状態量に応じて、前記排出バルブを開放駆動させるように前記ガス供給部を制御するようにしても良い。さらに、反応ガスを燃料電池に供給することによって排水するように構成しても良い。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水制御機能は、
（ｂ−１）前記燃料電池の内部の水の凍結によって前記燃料電池の破損の可能性を判定する破損可能性判定機能と、
（ｂ−２）前記破損の可能性があるとの判定に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する機能と、
を含むように構成しても良い。
【００１０】
こうすれば、燃料電池による発電停止後の温度低下によって燃料電池内部に発生した水の凍結による燃料電池の破損を抑制することができる。
【００１１】
具体的には、たとえば上記燃料電池システムにおいて、前記特定の状態量は、前記燃料電池の温度と相関関係を有する状態量とし、
前記破損可能性判定機能は、前記特定の状態量に相当する温度が摂氏０度近傍の所定の閾値に達したか否かで前記燃料電池の破損の可能性を判定するような構成が簡易に実現可能である。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水制御機能は、
（ｂ−３）前記燃料電池の内部の水による閉塞によって発生する前記燃料電池の性能の低下が所定の閾値よりも大きいか否かを判定するフラッディング判定機能と、
（ｂ−４）前記燃料電池の性能の低下が所定の閾値よりも大きいとの判定に応じて、前記燃料電池から排水するように前記ガス供給部を制御する機能と、
を含むように構成しても良い。
【００１３】
こうすれば、燃料電池による発電停止後の温度低下によって燃料電池内部に発生した水が燃料電池を閉塞させるというフラッディングを発生しにくくすることができる。この結果、フラッディングによる起動障害の抑制を実現することができる
【００１４】
具体的には、たとえば前記特定の状態量は、前記燃料電池による発電の停止時における温度と相関関係を有する状態量と、前記燃料電池による発電の停止時における絶対湿度と相関関係を有する状態量と、最後の計測時における温度と相関関係を有する状態量と、を含み、
前記フラッディング判定機能は、前記３つの状態量に応じて、前記燃料電池の性能の低下が所定の閾値よりも大きいか否かを判定するような構成が簡易に実現可能である。
【００１５】
上記燃料電池システムにおいて、前記特定の状態量は、前記燃料電池の温度と絶対湿度の少なくとも一方に相関関係を有する状態量を含むようにしても良い。燃料電池の温度に相関関係を有する状態量には、たとえば燃料電池システムが有する図示しない冷却系統における冷却水の出口温度や燃料電池自体の温度がある。燃料電池の絶対湿度に相関関係を有する状態量には、たとえば燃料電池内部の相対湿度がある。燃料電池の温度と絶対湿度の双方に相関関係を有する状態量には、たとえば燃料電池の内部抵抗値がある。
【００１６】
本発明は、上述の燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法やコンピュータプログラムといった種々の態様として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．変形例：
【００１８】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給系統３０と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２０と、水素ガス循環系統２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統４０と、燃料電池１０の温度を計測するための温度センサ７０ｓおよび温度計測部７０と、制御部５０とを備えている。制御部５０は、空気供給系統３０、水素ガス供給系統４０、水素ガス循環系統２０、および温度計測部７０を制御する。
【００１９】
燃料電池１０は、図示しない燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。図示しない燃料電池セルの各々は、燃料電池内空気流路３５と燃料電池内水素流路２５とを内部に備える。
【００２０】
空気供給系統３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統３０は、外気を吸入するブロワ３１と、吸入された空気を加湿する加湿器３９と、この加湿された空気を燃料電池内空気流路３５に供給する加湿空気供給配管３４と、燃料電池内空気流路３５から排気するための排気管３６とを備える。
【００２１】
水素ガス供給系統４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク４２と、水素ガス循環系統２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ４１とを備える。
【００２２】
水素ガス循環系統２０は、水素ガス循環系統２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２８と、循環ポンプ２８から吐出された水素ガスを燃料電池内水素流路２５に供給する水素ガス供給配管２４と、燃料電池内水素流路２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２９に供給する排ガス配管２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２８に水素ガスを供給する気液分離部２９とを備える。なお、本実施例では、水素ガス循環系統２０は、特許請求の範囲における「ガス供給部」に相当する。
【００２３】
図２は、本発明の実施例における排水制御処理の内容を示すフローチャートである。この排水制御処理ルーチンは、燃料電池システム１００に対して発電停止の指令がなされたときに起動される。この排水制御処理は、本実施例では水素ガス循環系統２０に対してのみ行われる。
【００２４】
空気供給系統３０に対してこの排水制御処理が実行されないのは、燃料電池システム１００に対して発電停止の指令がなされた際に、図示しないバイパスラインを経由して加湿器３９を経由することなく空気を供給することによって液体水発生の原因となる水蒸気を排出することができるからである。一方、水素ガス循環系統２０に対して、空気供給系統３０のような水素ガスを用いた水蒸気の排出を行わないのは、燃費の低下につながる水素ガスの排出を抑制することが好ましいからである。
【００２５】
ステップＳ１１０では、制御部５０は、燃料電池１０による発電を停止させる。具体的には、水素ガス供給系統４０および水素ガス循環系統２０の作動を停止させることによって発電が停止される。さらに、上述の水蒸気の排出の後には空気供給系統３０の作動も停止される。なお、本実施例では、水素ガス循環系統２０の作動の停止が特許請求の範囲における「燃料電池による発電の停止」に相当する。
【００２６】
一方、制御部５０は、発電の停止の際に停止時において燃料電池１０の計測温度である停止時温度ｔ０を図示しないメモリに格納する。この計測は、温度センサ７０ｓを用いて温度計測部７０によって行われる。
【００２７】
ステップＳ１２０では、制御部５０は、一定時間待機する。これにより、以降の処理（ステップＳ１３０〜ステップＳ１８０）の実行の時間的間隔を空けて電力の消費を削減することができる。
【００２８】
ステップＳ１３０では、制御部５０は、燃料電池１０の温度を計測する。これにより、一定時間経過されたことによって温度が低下した燃料電池１０の温度を計測することができる。この温度低下に基づいて、燃料電池１０の内部に存在する水蒸気の結露によって発生する液体水の量を推定することができる。
【００２９】
ステップＳ１４０では、制御部５０は、この水の量に基づいてフラッディングの発生を予測する。ここで、「フラッディング」とは、燃料電池１０の触媒層（図示せず）で過剰に発生した液体水が反応ガスを触媒層に行き渡らせることを妨げて、これにより燃料電池の性能を低下させる現象である。
【００３０】
フラッディングの発生予測は、温度計測の時点において燃料電池１０による発電を開始したと仮定した場合に、フラッディングによる燃料電池１０の性能低下量が過大であるか否かを予測するものである。この予測は、本実施例では、発電停止後において燃料電池１０の内部に存在する液体水の推定量と、燃料電池１０の内部に存在する液体水と燃料電池１０の性能低下との間の関係を表す予め準備されたマップ（図示せず）に基づいて行われる。
【００３１】
燃料電池１０の内部に存在する液体水は、発電停止時において燃料電池１０の内部に存在していた液体水と、燃料電池１０の温度低下に起因する内部結露によって発生した液体水との和として推定することができる。内部結露によって発生した液体水の推定は、停止時温度ｔ０と計測された温度との間の温度差に応じて行われる。内部結露は、燃料電池１０の温度低下に起因する飽和水蒸気圧の低下が要因となって発生するからである。
【００３２】
制御部５０は、このようにして推定された燃料電池１０の内部の液体水の量と、上記マップとに基づいて燃料電池１０の性能低下の程度を推定する。制御部５０は、この性能低下の程度と、予め定められた閾値の比較に応じてフラッディングが発生するか否かを判定する。この判定の結果、フラッディングが発生すると判定されると、ステップＳ１５０に処理が進められ、フラッディングが発生しないと判定されると、ステップＳ１６０に処理が進められる。
【００３３】
ステップＳ１５０では、制御部５０は、フラッディング防止用パージ処理を行う。フラッディング防止用パージ処理は、循環ポンプ２８を一定時間作動させた後に停止させるとともに、排水バルブ２９Ｖを開くことによって燃料電池１０から液体水を排出する処理である。このパージ処理では、再度燃料電池１０の発電を開始する際に燃料電池１０の内部の水量が適切な量となるように循環ポンプ２８の作動時間等が設定されている。
【００３４】
フラッディング防止用パージ処理の具体的な内容は以下の通りである。循環ポンプ２８が作動すると、液体水を含んだ反応ガスが気液分離器２９に供給される。気液分離器２９は、液体水を含んだ反応ガスから液体水を分離して貯留する。貯留された水は、制御部５０が排水バルブ２９Ｖを開くことによって排出される。最後に、制御部５０は、フラッディング防止用パージ処理が完了したことを表す情報（フラグ）図示しないメモリに格納する。このような処理により、フラッディングによる燃料電池システム１００の次回の起動の阻害を抑制することができる。
【００３５】
ステップＳ１６０では、制御部５０は、さらに凍結の可能性を予測する。凍結の可能性は、計測時の燃料電池１０の温度に応じて行われる。具体的には、燃料電池１０の温度が摂氏０度近傍の所定の閾値（たとえば摂氏５度や摂氏３度）に達したか否かで燃料電池の凍結による破損の可能性が判定される。摂氏０度近傍の所定の閾値としているのは、液体水が凍結する前に排水するためである。この判定の結果、さらなる温度低下によって凍結する可能性があると判定されると、ステップＳ１７０に処理が進められ、凍結の可能性がないと判定されると、ステップＳ１８０に処理が進められる。
【００３６】
ステップＳ１７０では、制御部５０は、凍結防止用パージ処理を行う。凍結防止用パージ処理は、フラッディング防止用パージ処理とほぼ同様の処理がである。ただし、このパージ処理では、燃料電池１０が氷点下の温度となっても凍結した水が燃料電池１０を破損しないように循環ポンプ２８で十分に水が排出される。凍結防止用パージ処理が完了すると、制御部５０は、凍結防止用パージ処理が完了したことを表す情報（フラグ）図示しないメモリに格納する。
【００３７】
以上の処理は、フラッディング防止用パージ処理と凍結防止用パージ処理の双方が完了するまで行われる（ステップＳ１８０）。なお、双方が完了した場合には、凍結による燃料電池１０の破損やフラッディングの恐れが十分に小さいため、燃料電池システム１００は完全に停止する。
【００３８】
このように、本実施例では、フラッディングや凍結の予測判定の結果、フラッディングや凍結が予測される場合には、燃料電池１０から排水が行われるので、フラッディングによる起動の阻害や凍結による燃料電池１０の破損の発生を抑制することができる。なお、フラッディングや凍結の予測や処理判定は、必ずしも双方を行う必要はなく、少なくとも一方が行われるように構成しても良い。また、フラッディング防止用パージ処理と凍結防止用パージ処理は、同一内容の処理としても良い。
【００３９】
Ｂ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００４０】
Ｂ−１．上記実施例では、水素ガス循環系統２０に対して本発明の排水処理が適用されているが、空気供給系統３０に対して、あるいは水素ガス循環系統２０と空気供給系統３０の双方に対して本発明を適用することもできる。なお、この場合には、水素ガス循環系統２０と空気供給系統３０とが、特許請求の範囲における「ガス供給部」に相当する。
【００４１】
ただし、水素ガス循環系統２０に対して水素ガスの供給による水蒸気の排出を行うと燃費の低下につながるので、本発明は、水素ガス循環系統２０に対して適用する方が空気供給系統３０に対して適用するよりも利点が大きい。
【００４２】
Ｂ−２．上記実施例では、本発明の排水処理において循環ポンプ２８の起動に引き続いて、排水バルブ２９Ｖが開放されているが、循環ポンプ２８の起動だけを実行するように構成しても良い。循環ポンプ２８の起動だけでも、燃料電池１０から排水することができるからである。特許請求の範囲における「燃料電池から排水」には、循環ポンプ２８の起動だけを実行するような構成と、循環ポンプ２８の起動および排水バルブ２９Ｖの開放の双方を実行する構成の双方が含まれる。
【００４３】
Ｂ−３．上記実施例では、燃料電池の内部の水を排出するためのガスであるパージガスを燃料電池に供給する機構が装備されていないが、たとえば変形例（図３）に示されるようなパージガス供給部２７を装備する燃料電池システム１００ａにも本発明は適用することができる。この構成では、パージガス供給部２７は、制御部５０ａによって排水バルブ２９Ｖが開放された後において、制御部５０ａによって上記実施例における循環ポンプ２８の起動と同一のタイミングで起動されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例における排水制御処理の内容を示すフローチャート。
【図３】本発明の変形例における燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４５】
１０…燃料電池
２０…水素ガス循環系統
２４…水素ガス供給配管
２５…燃料電池内水素流路
２６…排ガス配管
２７…パージガス供給部
２８…循環ポンプ
２９…気液分離器
２９…気液分離部
２９Ｖ…排水バルブ
３０…空気供給系統
３１…ブロワ
３４…加湿空気供給配管
３５…燃料電池内空気流路
３６…排気管
３９…加湿器
４０…水素ガス供給系統
４１…水素バルブ
４２…水素タンク
５０、５０ａ…制御部
７０…温度計測部
７０ｓ…温度センサ
１００、１００ａ…燃料電池システム
【図１】
2005141943.tif 000003
【図２】
2005141943.tif 000004
【図３】
2005141943.tif 000005