(57)【要約】【課題】２つの制御弁の作動状態の確認を同時に独立して行うことで解凍手段の作動を最適に制御する。【解決手段】  本発明は、スタック（１）と、水貯留装置（２）と、水還流通路（４）とを備える燃料電池システムにおいて、水還流通路（４）に連結され、圧送されるガスを通流するガス供給通路（５）と、水還流通路（４）及びガス供給通路（５）に設けられた３つの制御弁（６、７、８）と、２つの圧力検出手段（９、１０）と、第１圧力検出手段（９）及び第２圧力検出手段（１０）から得られた検出値に基づいて第１制御弁（６）及び第３制御弁（８）の作動を判定する制御弁作動判定手段（Ｓ１０７）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により発電を行うスタックと、
前記スタックから還流する水を貯留する水貯留装置と、
前記スタックから還流する水を前記水貯留装置へ通流する水還流通路と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記水還流通路に設けられ、流体の流量を制御する第１制御弁と、
前記第１制御弁と前記スタックとの間に設けられ、流体の流量を制御する第２制御弁と、
前記第１制御弁と前記第２制御弁との間に接続され、前記第１制御弁を介して前記水貯留装置に圧送されるガスを通流するガス供給通路と、
前記ガス供給通路に設けられ、ガス圧送手段から供給されるガスの流量を制御する第３制御弁と、
前記第１制御弁、第２制御弁及び第３制御弁の間の流路の圧力を検出する第１圧力検出手段と、
ガスの流通方向に対して前記第３制御弁の上流側の流路の圧力を検出する第２圧力検出手段と、
前記燃料電池システム始動時に前記水還流通路内に水を通流する前に、前記ガス圧送手段によってガスの圧送を開始し、前記第１制御弁及び第３制御弁の弁を開き、このときに、前記第１圧力検出手段及び第２圧力検出手段から得られた検出値に基づいて前記第１制御弁及び第３制御弁の作動を判定する制御弁作動判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項２】
前記制御弁作動判定手段は、前記第１圧力検出手段及び前記第２圧力検出手段から得られた検出値の変動パターンの組み合わせに基づいて前記第１制御弁及び前記第３制御弁の作動を判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項３】
前記制御弁作動判定手段は、前記第１圧力検出手段によって得られた検出値が上昇から低下に転じ、前記第２圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧から低下に転じたとき、前記第１制御弁及び第３制御弁の作動状態は開状態であると判定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項４】
前記制御弁作動判定手段は、前記第１圧力検出手段によって得られた検出値が上昇から低下に転じ、前記第２圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧で一定であるとき、前記第１制御弁の作動状態は開状態であり前記第３制御弁の作動状態は閉状態であると判定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項５】
前記制御弁作動判定手段は、前記第１圧力検出手段によって得られた検出値が上昇から転じて空気供給圧で一定となり、前記第２圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧で一定であるとき、前記第１制御弁の作動状態は閉状態であり前記第３制御弁の作動状態は開状態であると判定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項６】
前記制御弁作動判定手段は、前記第１圧力検出手段によって得られた検出値が上昇し、前記第２圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧で一定であるとき、前記第１制御弁及び第３制御弁の作動状態は閉状態であると判定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項７】
前記第１制御弁、第２制御弁もしくは第３制御弁の近傍又はそれらの制御弁の間の流路に配設される少なくとも１つの加熱手段と、
前記制御弁作動判定手段によって判定された制御弁の作動状態に応じて前記加熱手段の出力を制御する加熱制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【請求項８】
前記加熱制御手段は、前記制御弁作動判定手段によって判定された制御弁の作動状態が開状態であるとき前記加熱手段の出力を低下させ、前記制御弁作動判定手段によって判定された制御弁の作動状態が閉状態であるとき前記加熱手段の出力を増大させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの始動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの始動時に外気温が低温のときには燃料電池システムを作動温度まで上昇させて始動させるのに時間がかかる。また、例えば高分子電解質型燃料電池のアノード電極には燃料ガスとともに加湿及び冷却のための水が供給されているので、外気温が氷点下以下のときにはこの水が凍結して始動までによりいっそう時間がかかる。これに対して、燃料電池の外部負荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱により温度を上昇させて始動性を向上させているものがある。
【０００３】
しかし、自己発熱によって温度を上昇させる技術では燃料電池スタックの内部に残留する凍結状態の水を解凍することはできても流体の流路上に設けられた各種制御弁に残留する凍結状態の水を直接解凍することはできない。
【０００４】
そこで、エアコンプレッサ等により断熱圧縮して加熱された空気を流体の流路上に設けられた制御弁に噴射することで凍結部分を解凍する技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような技術では制御弁の作動状態確認手段において、同時に２つの制御弁の作動状態を確認することはできない。
【０００６】
よって、凍結部分の解凍に供する電力を複数の解凍手段に最適に配分することができないので、解凍に多くの時間を要し燃料電池システムの始動性が悪化する。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、２つの制御弁の作動状態の確認を同時に行うことで解凍手段の作動を最適に制御することができる燃料電池システムの始動制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００９】
本発明は、化学反応により発電を行うスタック（１）と、スタック（１）から還流する水を貯留する水貯留装置（２）と、スタック（１）から還流する水を水貯留装置（２）へ通流する水還流通路（４）とを備える燃料電池システムにおいて、水還流通路（４）に設けられ、流体の流量を制御する第１制御弁（６）と、第１制御弁（６）とスタック（１）との間に設けられ、流体の流量を制御する第２制御弁（７）と、第１制御弁（６）と第２制御弁（７）との間に接続され、第１制御弁（６）を介して水貯留装置（２）に圧送されるガスを通流するガス供給通路（５）と、ガス供給通路（５）に設けられ、ガス圧送手段（１６）から供給されるガスの流量を制御する第３制御弁（８）と、第１制御弁（６）、第２制御弁（７）及び第３制御弁（８）の間の流路の圧力を検出する第１圧力検出手段（９）と、ガスの流通方向に対して第３制御弁（８）の上流側の流路の圧力を検出する第２圧力検出手段（１０）と、燃料電池システム始動時に水還流通路内に水を通流する前に、ガス圧送手段（１６）によってガスの圧送を開始し、第１制御弁（６）及び第３制御弁（８）の弁を開き、このときに、第１圧力検出手段（９）及び第２圧力検出手段（１０）から得られた検出値に基づいて第１制御弁（６）及び第３制御弁（８）の作動を判定する制御弁作動判定手段（Ｓ１０７）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第１制御弁、第２制御弁及び第３制御弁の間の流路の圧力を検出する圧力検出手段と、ガスの流通方向に対して第３制御弁の上流側の流路の圧力を検出する圧力検出手段との２つの圧力検出手段から得られる検出値によって２つの制御弁の作動状態を同時に独立して判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
図１は、本発明による燃料電池システムの始動制御装置を示すシステム構成図である。本装置は、スタック１と、純水貯留装置２と、純水供給配管３と、純水還流配管４と、空気供給配管５と、エアコンプレッサ１６と、第１制御弁６と、第２制御弁７と、第３制御弁８と、第１圧力センサ９と、第２圧力センサ１０と、第１加熱手段１１と、第２加熱手段１２と、コントローラ１３とを備えている。
【００１３】
スタック１は、燃料ガスと空気との供給を受けて化学反応により発電を行っている。
【００１４】
純水貯留装置２は、スタック１に供給する純水を貯留している。純水はポンプ１４によって純水供給配管３を介してスタック１へ供給され、純水還流配管４を介してスタック１から還流して再度純水貯留装置２に貯留される。
【００１５】
空気供給配管５は、エアコンプレッサ１６から圧送する空気を純水還流配管４を介して純水貯留装置２に供給することができるように純水還流配管４に連結されている。エアコンプレッサ１６は、燃料電池システム停止時に配管内に残留している水を回収するために空気を圧送する。
【００１６】
第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８は、純水還流配管４及び空気供給配管５の内部を通流する純水及び空気の流量を制御する弁である。第１制御弁６は、純水還流配管上であって純水貯留装置２と空気供給配管５の連結部との間に配設されている。第２制御弁６は、純水還流配管上であって空気供給配管５の連結部とスタック１との間に配設されている。第３制御弁７は空気供給配管上であってエアコンプレッサ１６と純水還流配管との間に配設されている。
【００１７】
第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０は、純水還流配管４及び空気供給配管５の内部の圧力を検出するセンサである。第１圧力センサ９は、純水還流配管上であって第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８の間の流路に配設されている。第２圧力センサ１０は、空気供給配管上であって第３制御弁８とエアコンプレッサ１６との間に配設されている。
【００１８】
第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２は、内部に電流を流すことで発熱する電熱器である。第１加熱手段１１は第１制御弁６の近傍に配設され、第２加熱手段１２は第３制御弁８の近傍に配設されている。
【００１９】
コントローラ１３は、本発明に必要な全ての制御を行っており、第１圧力センサ９、第２圧力センサ１０及び外気温を測定する外気温センサ１５によって検出される値に基づいて第１加熱手段１１と第２加熱手段１２との発熱量を適切に制御している。なお、図１中の実線は流体の流路を、点線はコントローラと各センサ及び加熱手段との信号の送受信を表している。
【００２０】
本実施形態で使用する燃料電池システムは、スタック１のアノード電極に燃料ガスを供給するとともに加湿及び冷却のための純水を供給し、化学反応によってカソード電極で発生した純水及び冷却に使用された冷却水を回収する必要がある。ここで、純水の流れと第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８の作動との関係について燃料電池システムの運転時、停止時及び始動時に分けて説明する。
【００２１】
燃料電池システム運転時は、第１制御弁６及び第２制御弁７を開いて第３制御弁８を閉じる。この状態でポンプ１４を作動させて純水を循環させる。すなわち、純水はポンプ１４によって純水貯留装置２からスタック１へ供給され、スタック１から還流して純水貯留装置２へと通流される。
【００２２】
燃料電池システム停止時は、純水供給配管３及び純水還流配管４の内部に残留している純水を回収する必要があり、この回収動作は２段階に分けて実施される。第１段階では、第１制御弁６を閉じ第２制御弁７及び第３制御弁８を開いてエアコンプレッサ１６によって空気供給配管５から純水還流配管４へ空気を供給する。これにより、空気は空気供給配管５から純水還流配管４、スタック１及び純水供給配管３を介して純水貯留装置２へと通流し、これに伴って純水が回収される。第２段階では、第１制御弁６及び第３制御弁８を開き第２制御弁７は閉じたままでエアコンプレッサ１６によって空気供給配管５から純水還流配管４へ空気を供給する。これにより、空気は空気供給配管５から純水還流配管４を介して純水貯留装置２へと通流し、これに伴って純水が回収される。上記２つの段階を経て純水を回収した後、第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８を全て閉じて、燃料電池システムは完全に停止する。
【００２３】
燃料電池システム始動時は、第１制御弁６及び第３制御弁８を開き第２制御弁７を閉じてエアコンプレッサ１６によって空気供給配管５から空気を供給することで純水貯留装置２を加圧する。これにより、純水貯留装置２の純水をポンプ１４まで供給する。その後、第３制御弁８を閉じ第２制御弁７を開けてポンプ１４の作動によって純水は循環される。燃料電池システムの始動時に第１制御弁６及び第３制御弁８が凍結していると開くことができず、エアコンプレッサ１６によって加圧された空気を純水貯留装置２に供給することができない。そこで本発明は、燃料電池システムの始動時に第１制御弁６及び第３制御弁８の凍結部分を効率よく解凍する制御を次のようにして行う。
【００２４】
以下、燃料電池システム始動時におけるコントローラ１３の具体的な制御方法について図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の燃料電池システムの始動制御装置の制御を示したフローチャートである。なお、本制御は微小時間（例えば１０ｍｓｅｃ）ごとに繰り返し実行している。
【００２５】
ステップＳ１０１では、外気温センサ１５によって得られた検出値（外気温）を読み込んでステップＳ１０２へ進む。
【００２６】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で読み込んだ外気温が制御弁内の水分が凍結する規定の温度より低いか否かを判定する。外気温が規定の温度以下であればステップＳ１０３へ進み、外気温が規定の温度より高ければ処理を終了する。ここで、制御弁内の水分が凍結する規定の温度は実験などによって予め求めておく。また、外気温が規定の温度より高ければ第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８が凍結している可能性が無く、本発明の制御を行う必要が無いので処理を終了する。
【００２７】
ステップＳ１０３では、第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２の電源を投入してステップＳ１０４へ進む。
【００２８】
ステップＳ１０４では、エアコンプレッサ１６によって第３制御弁８を介して所定圧の空気を供給してステップＳ１０５へ進む。
【００２９】
ステップＳ１０５では、コントローラ１３によって第１制御弁６及び第３制御弁８に対して開指令を出力してステップＳ１０６へ進む。ここで、本制御は燃料電池システム始動時の制御であり、前述したように第２制御弁７は閉じたままである。
【００３０】
ステップＳ１０６では、第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０の検出値を読み込んでステップＳ１０７へ進む。
【００３１】
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で読み込んだ検出値に基づいて第１制御弁６及び第３制御弁８の作動状態を判定する。ここで、第１制御弁６及び第３制御弁８の作動状態とは弁の開閉状態のことである。なお、本ステップの判定方法については後述する。
【００３２】
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で判定された第１制御弁６の作動状態が開状態であるか否かを判定する。開状態であればステップＳ１０９へ進み閉状態であればステップＳ１１２へ進む。
【００３３】
ステップＳ１０９では、ステップＳ１０７で判定された第３制御弁８の開閉状態が開状態であるか否かを判定する。開状態であればステップＳ１１０へ進み閉状態であればステップＳ１１１へ進む。
【００３４】
ステップＳ１１０では、第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２の出力を低下させて処理を終了する。ここで、第１制御弁６及び第３制御弁８はともに作動しており解凍が完了しているので第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２の出力をともに低下させる。また、第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２の出力を低下させてもＯＦＦにはしない。これにより外気温が低くても作動温度付近に保温することができる。
【００３５】
ステップＳ１１１では、第１加熱手段１１の出力を低下させ、第２加熱手段１２の出力を増大させて処理を終了する。ここで、第１制御弁６は作動しており、第３制御弁８が作動していない状態であるので、第１制御弁６に設けられた第１加熱手段１１の出力を低下させ、その分第３制御弁８に設けられた第２加熱手段１２の出力を増大させることで限られた電力を最適に配分することができ効率的な解凍動作を実施することができる。
【００３６】
ステップＳ１１２では、ステップＳ１０７で判定された第３制御弁８の開閉状態が開状態であるか否かを判定する。開状態であればステップＳ１１３へ進み閉状態であればステップＳ１０５へ戻る。このステップで第３制御弁の開閉状態が閉状態と判定されると第１制御弁６及び第３制御弁８はともに作動していない状態であるので、再度ステップＳ１０５からの制御を実施する。
【００３７】
ステップＳ１１３では、第１加熱手段１１の出力を増大させ、第２加熱手段１２の出力を低下させて処理を終了する。ここで、第３制御弁８は作動しており、第１制御弁６が作動していない状態であるので、第３制御弁８に設けられた第２加熱手段１２の出力を低下させ、その分第１制御弁６に設けられた第１加熱手段１１の出力を増大させることで限られた電力を最適に配分することができ効率的な解凍動作を実施することができる。
【００３８】
以上の制御をまとめて作用を説明する。外気温が低く制御弁内の水分が凍結する可能性があるときは、第１制御弁６に設けられた第１加熱手段１１と第３制御弁８に設けられた第２加熱手段１２とによって加熱しながら空気を供給する。この状態で第１制御弁６及び第３制御弁８に対して開指令を出し第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０によって検出される圧力の変動パターンに基づいて第１制御弁６及び第３制御弁８の開閉状態を判定する。判定された第１制御弁６及び第３制御弁８の開閉状態の組み合わせに応じて第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２の出力を増減させて電力を第１加熱手段１１及び第２加熱手段１２に最適に配分する。そして、この制御を制御弁の解凍が完了するまで繰り返し第１制御弁６及び第３制御弁８ともに開状態になったとき解凍制御は終了する。
【００３９】
次に、ステップＳ１０７において第１制御弁６及び第３制御弁８の作動状態を判定する方法について図３を参照しながら説明する。図３は、第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０の検出値と第１制御弁６及び第３制御弁８の開閉状態との関係を示した判定表である。表の中に示されるテーブルの横軸は時間であり、縦軸は圧力である。第１及び第２圧力センサ９、１０の検出値の所定時間における変動パターンの組み合わせが、それぞれ図３に示す（ａ）と（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）、（ｅ）と（ｆ）又は（ｇ）と（ｈ）のいずれかに該当するとき、第１制御弁６及び第３制御弁８の開閉状態を判定することができる。以下、この４つのパターンについて説明する。
【００４０】
第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０の検出値がそれぞれ（ａ）、（ｂ）である場合、第１制御弁６及び第３制御弁８はともに開状態であると判定される。このとき（ａ）に示すように第１圧力センサ９の検出値は、第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８によって閉じられた流路内の空気が第１加熱手段１１によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。しかし、第１制御弁６が作動することで圧力は下流へと開放されて検出値は急激に低下する。また、（ｂ）に示すように第２圧力センサ１０の検出値は、第３制御弁８が閉じていることで空気供給圧となっており、第３制御弁８の作動によって圧力は第３制御弁８から下流へと開放されるので急激に低下する。
【００４１】
第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０の検出値がそれぞれ（ｃ）、（ｄ）である場合、第１制御弁６は開状態であり第３制御弁８は閉状態であると判定される。このとき（ｃ）に示すように第１圧力センサ９の検出値は、第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８によって閉じられた流路内の空気が第１加熱手段１１によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。しかし、第１制御弁６が作動することで圧力は下流へと開放されて検出値は急激に低下する。また、（ｄ）に示すように第２圧力センサ１０の検出値は、第３制御弁８が閉じていることで空気供給圧となっておりそのまま変動しない。
【００４２】
第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０の検出値がそれぞれ（ｅ）、（ｆ）である場合、第１制御弁６は閉状態であり第３制御弁８は開状態であると判定される。このとき（ｅ）に示すように第１圧力センサ９の検出値は、第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８によって閉じられた流路内の空気が第１加熱手段１１によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。その後、第３制御弁８が作動することで供給空気が流入してくるので検出値は空気供給圧となる。また、（ｆ）に示すように第２圧力センサ１０の検出値は、第３制御弁８が閉じていることで空気供給圧となっており、その後開いても第１制御弁６が閉じているので空気供給圧のまま変動しない。
【００４３】
第１圧力センサ９及び第２圧力センサ１０の検出値がそれぞれ（ｇ）、（ｈ）である場合、第１制御弁６及び第３制御弁８はともに閉状態であると判定される。このとき（ｇ）に示すように第１圧力センサ９の検出値は、第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８によって閉じられた流路内の空気が第１加熱手段１１によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。また、（ｈ）に示すように第２圧力センサ１２の検出値は、第３制御弁８が閉じていることで空気供給圧となっておりそのまま変動しない。
【００４４】
以上のように本実施形態では、制御弁の作動状態を２つの圧力センサの検出値の組み合わせによって判定するので、２つの制御弁の作動状態を同時に独立して判断することができる。
【００４５】
また、加熱手段の出力は制御弁の作動状態に応じて増減させるので限られた電力を最適に配分することができ、制御弁の解凍に要する時間を短縮することができる。
【００４６】
さらに、解凍が完了した制御弁に対して加熱手段の出力を低下させるので消費電力を抑えるとともに過熱による不具合を防止することができ、制御弁及びその周辺部品の耐熱温度に対する制約を低減することができる。
【００４７】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００４８】
例えば、本実施形態では加熱手段を２つ設けているが、これに限定されることなく１つでもよいし、３つ以上でもよい。また、配設位置は制御弁に限らず第１制御弁６、第２制御弁７及び第３制御弁８の間の流路の近傍に設けられていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による燃料電池システムの始動制御装置を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態の制御フローチャートである。
【図３】圧力センサの検出値と制御弁の作動状態との関係を示す判定表である。
【符号の説明】
【００５０】
１  スタック
２  純水貯留装置（水貯留装置）
３  純水供給配管
４  純水還流配管（水還流通路）
５  空気供給配管（ガス供給通路）
６  第１制御弁
７  第２制御弁
８  第３制御弁
９  第１圧力センサ（第１圧力検出手段）
１０  第２圧力センサ（第２圧力検出手段）
１１  第１加熱手段（加熱手段）
１２  第２加熱手段（加熱手段）
１３  コントローラ
１４  ポンプ
１５  外気温センサ
１６  エアコンプレッサ（ガス圧送手段）
Ｓ１０４  ガス圧送手段
Ｓ１０７  制御弁作動判定手段
Ｓ１１０  加熱制御手段
Ｓ１１１  加熱制御手段
Ｓ１１３  加熱制御手段
【図１】
2005302639.tif 000003
【図２】
2005302639.tif 000004
【図３】
2005302639.tif 000005