(57)【要約】【課題】  排気配管内の水分の凍結を抑制することを課題とする。【解決手段】  外気温度センサ２４で検出された外気温度、燃料電池１の発電量、ならびにこの燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の車速に基づいて、燃料電池１から排出された排気ガスが流通する排気配管２０内の水分が凍結するか否かを判別し、排気配管２０内の水分が凍結すると判別した場合には、コントロールユニット２５の制御の下に燃料電池システムの運転要件を変更して、燃料電池１から排気配管２０に排気される排気ガスの温度を上昇させて構成される。【選択図】  図１
2007012556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システム周囲の外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、
前記燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両の車速を検出する車速検出手段と、
前記外気温度検出手段で検出された外気温度、前記発電量検出手段で検出された発電量、ならびに前記車速検出手段で検出された車速に基づいて、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気配管内の水分が凍結するか否かを判別し、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記燃料電池システムの運転要件を変更して、前記燃料電池から前記排気配管に排気される排気ガスの温度を上昇させる制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気配管内の温度を検出する排気配管温度検出手段と、
前記排気配管温度検出手段で検出された排気配管温度に基づいて、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する前記排気配管内の水分が凍結するか否かを判別し、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記燃料電池システムの運転要件を変更して、前記燃料電池から前記排気配管に排気される排気ガスの温度を上昇させる制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス供給手段と前記排気配管とを直接連結する配管と、
前記配管に設けられ、前記配管における酸化剤ガスの流通／遮断を制御する制御弁とを備え、
前記制御手段は、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記制御弁を開弁して、前記配管を介して前記酸化剤供給手段から加熱された酸化剤ガスを前記排気配管に供給して、前記排気配管を昇温する
ことを特徴とする請求項１または２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、燃料電池から排気ガスを排気する排気配管内における水分の凍結防止を改善した燃料電池システムに関する。
【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たものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させる燃焼装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池を収めるスタックケースと、燃料電池から排出された空気の排気配管を覆う配管ケースは、スタックケースと配管ケースが一体形成且つケース内が同一空間であり、燃焼装置で燃焼した未反応ガス、すなわち燃焼排気ガスを、配管ケースに送り、スタックケースに流す構成を採用している。
【０００３】
このような構成を採用することで、燃料電池の発電前に燃焼排気ガスを配管ケースに送り、配管ケースから優先的に暖めることで、発電開始時に排気配管の水分の凍結を防ぐようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２３４８６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の燃料電池システムにおいては、燃焼装置の燃焼で得られた燃焼排気ガスの熱を使用して排気配管を加熱昇温しているので、加熱昇温のための燃焼装置が必要となり、構成が大型化するといった不具合を招いていた。
【０００５】
また、配管ケースに燃焼排気ガスを導入して、排気配管を外側から暖めるようにしていたので、排気配管内の温度の昇温効率はさほどよくなかった。このため、配管内で水分が再凍結したような場合には、凍結した水分を解凍できなくなるおそれがあり、配管の閉塞を招くおそれがあった。さらに、凍結した水分の解凍に多くの時間が必要になり、システムの起動に時間がかかるといった不具合を招くおそれもあった。
【０００６】
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、排気配管内の水分の凍結を抑制した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム周囲の外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、前記燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両の車速を検出する車速検出手段と、前記外気温度検出手段で検出された外気温度、前記発電量検出手段で検出された発電量、ならびに前記車速検出手段で検出された車速に基づいて、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気配管内の水分が凍結するか否かを判別し、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記燃料電池システムの運転要件を変更して、前記燃料電池から前記排気配管に排気される排気ガスの温度を上昇させる制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、システムの運転要件を変更してカソード極側の排気ガス温度を上昇させるようにしたので、温度が高められた排気ガスが流通する排気配管２０を内部から昇温することが可能となり、排気配管２０内の水分凍結を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて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】
【００１０】
図１は本発明の実施例１に係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のシステムにおいて、燃料電池１は、アノード極に燃料ガスの水素ガスが、カソード極に酸化剤ガスの空気が供給され、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。
【００１１】
（化１）
アノード（水素）極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− 
カソード（酸素）極：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
アノード極への水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁１６、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁１６で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。水素循環ポンプ５は、アノード極で消費されなかった水素を再循環させるために設置される。アノード極の水素圧は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。アノード極側入口の水素ガスの温度は温度センサ１１ｃで検出され、燃料電池１から排出されて入口側に循環される水素オフガスの温度は温度センサ１１ｅで検出される。
【００１２】
パージ弁７は、水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する際に開弁される。また、パージ弁７は、セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを排気する際に開弁される。さらに、パージ弁７は、燃料電池１の劣化を防止するために、システム起動時および停止時にカソード極の酸素を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換させる際に閉弁される。
【００１３】
カソード極への空気はコンプレッサ８により供給される。カソード極の空気圧は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁９を駆動することによって制御される。カソード極側の温度は、温度センサ１１ｄで検出する。コンプレッサ８の下流側と空気調圧弁９の下流側の排気配管２０との間には、コンプレッサ８から送出された空気を直接空気調圧弁９の下流側に導く配管２１を備え、この配管２１には空気流通を制御するストップバルブ１９が設けられている。
【００１４】
燃料電池１に供給される空気の空気圧、ならびに水素の水素圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜２２やセパレータ２３に歪みを生じないように所定の差圧に管理される。
【００１５】
燃料電池１の冷却水流路への冷却水は、冷却水ポンプ１０により供給される。冷却水用三方弁１２は、冷却水の流路をラジエタ１３方向またはラジエタバイパス方向に切り替え分流する。ラジエタバイパス方向には、経路内にバイパスされた冷却水を昇温する冷却水ヒータ１５を備えている。ラジエタファン１４は、ラジエタ１３へ送風して冷却水を冷やす。ラジエタ１３は、その入口側に温度センサ１１ｆを備え、出口側に温度センサ１１ｇを備えている。
【００１６】
冷却水の温度は、燃料電池１の冷却水流路の入口側に設けられた温度センサ１１ａと、出口側に設けられた温度センサ１１ｂで検出された温度をフィードバックして、冷却水用三方弁１２とラジエタファン１４を駆動制御することによって調整される。
【００１７】
パワーマネージャー１７は、燃料電池１から電力を取り出して、本発明の燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両（図示せず）を駆動するモータ（図示せず）へ電力を供給する。パワーマネージャー１７は、燃料電池システムの起動、停止時に電圧センサ１８で検出された燃料電池１の電圧および経過時間に応じて、燃料電池１から電力を取り出して、カソード極の酸素を消費させる。
【００１８】
燃料電池システムは、システムの外気温を検出する外気温度センサ２４、ならびにコントロールユニット２５を備えており、また、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両には、車両の車速を検出する車速センサ（図示せず）が設けられ、この車速センサで検出された車速がコントロールユニット２５に与えられる。
【００１９】
コントロールユニット２５は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、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実現される。コントロールユニット２５は、本システムにおける上記各センサ、ならびこれらの各センサで得られない他の圧力、温度、電圧、電流等システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、本発明の特徴的なシステムの運転モードの変更、ならびに排気管内の水分凍結防止動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２０】
このような構成において、図２に示すフローチャートを参照してこの実施例１の動作を説明する。
【００２１】
図２において、先ず本燃料電池システムを起動する（ステップＳ２１）。続いて、外気温度センサ２４のセンサ信号、電圧センサ１８のセンサ信号、車速センサのセンサ信号をコントロールユニット２５に読み込み（ステップＳ２２）、コントロールユニット２５で外気温度Ｔｓ、スタック発電量Ｏｓ、車速Ｓｓを認識する。
【００２２】
その後、外気温度Ｔｓが閾値Ｔｄ１以下であるか否か、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ１以下であるか否か、ならびに車速Ｓｓが閾値Ｓｄ１以上であるか否かを判別する（ステップＳ２３）。判別の結果、外気温度Ｔｓが閾値Ｔｄ１以下、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ１以下、かつ車速Ｓｓが閾値Ｓｄ１以上である要件が成立した場合は、ストップバルブ１９を開弁する（ステップＳ２４）一方、上記判別要件が成立しない場合には、先のステップＳ２２に戻る。ここで、閾値Ｔｄ１、Ｏｄ１、Ｓｄ１は例えば、０℃程度、１５ｋＷ程度、１０ｋｍ／ｈ程度に設定される。
【００２３】
これにより、コンプレッサ８から送出された圧縮加熱空気は、配管２１ならびに開弁されたストップバルブ１９を介して排気配管２０に供給される。また、システムの運転効率を多少低下させる方向に、燃料電池１の運転圧力の設定値を変更する（ステップＳ２５）。変更後の運転圧力Ｐｃは、例えば１１０ｋＰａ＿ａ程度に設定される。
【００２４】
さらに、カソード極の排気ガスの温度を上げるために、コントロールユニット２５の制御の下に冷却水ヒータ１５ならびに冷却水ポンプ１０を調整制御し、燃料電池１の運転ならびに劣化に支障をきたさない程度に冷却水の温度を上げ、かつ冷却水の流量を下げて、冷却水流量と冷却水温度の設定値をそれぞれＦｃ、Ｔｃに変更する（ステップＳ２６）。ここで、変更後の冷却水流量Ｆｃは例えば１０Ｌ／ｍｉｎ程度とし、変更後の冷却水温度Ｔｃは例えば６０℃程度に設定される。
【００２５】
このように運転要件を変化した後、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ２以上であるか否か、車速Ｓｓが閾値Ｓｄ２以下であるか否かを判別する（ステップＳ２７）。判別の結果、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ２以上であり、かつ車速Ｓｓが閾値Ｓｄ２以下であると判別された場合は、一連の処理を終了し（ステップＳ２８）、燃料電池１の運転圧、冷却水流量、冷却水温度を変更前の通常の制御に戻す一方、上記判別要件が成立しない場合には、上記条件にてシステムの運転を継続する。ここで、閾値Ｏｄ２、Ｓｄ２は、例えば１０ｋＷ程度、５ｋｍ／ｈ程度に設定される。
【００２６】
このように、上記実施例１においては、燃料電池１に供給されるガスのガス圧を下げてシステムの発電効率を低下させ、燃料電池１に供給される冷却水の温度を上げ、燃料電池１に供給される冷却水の流量を下げて、カソード極側の排気ガス温度を上昇させることで、温度が高められた排気ガスが流通する排気配管２０の内部が昇温され、排気配管２０内の水分凍結を抑制することが可能となる。これにより、氷結による排気配管２０の閉塞を回避することができる。また、排気配管２０の内部側から排気配管２０を加熱昇温するので、迅速に排気配管２０内を昇温することが可能となる。
【００２７】
さらに、コンプレッサ８から圧縮加熱された空気を直接排気配管２０に供給することで、排気配管２０を迅速に昇温することが可能となる。
【００２８】
なお、上記実施例１では、システムの運転要件の変更、ならびにコンプレッサ８から排気配管２０への加熱空気の直接供給を併せて実施しているが、システムの運転要件の変更だけを実施してもよく、この場合にでも上述した実施例１の効果を得ることが可能である。
【実施例２】
【００２９】
図３は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す実施例２のシステムの特徴とするところは、先の実施例１の図１に示す構成に比べて、外気温度センサ２４に代えて、空気調圧弁９の下流の排気配管２０に、排気配管２０内の温度を検出する排気温度センサ２６を設け、この排気温度センサ２６で検出された温度に基づいて、先の実施例１と同様な、システムの運転要件の変更、ならびにコンプレッサ８から排気配管２０への加熱空気の直接供給を制御するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００３０】
このような構成において、図４に示すフローチャートを参照してこの実施例２の動作を説明する。
【００３１】
図４において、先ず本燃料電池システムを起動する（ステップＳ４１）。続いて、排気温度センサ２６のセンサ信号をコントロールユニット２５に読み込み（ステップＳ４２）、排気配管２０の温度Ｔｅｓを認識する。
【００３２】
その後、排気配管２０の温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ１以下であるか否かを判別する（ステップＳ４３）。判別の結果、温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ１以下である場合は、ストップバルブ１９を開弁する（ステップＳ４４）一方、以下でない場合には、先のステップＳ４２に戻る。ここで、閾値Ｔｄ１は、例えば０℃程度に設定される。
【００３３】
これにより、コンプレッサ８から送出された圧縮加熱空気は、配管２１ならびに開弁されたストップバルブ１９を介して排気配管２０に供給される。また、システムの運転効率を多少低下させる方向に、燃料電池１の運転圧力の設定値を変更する（ステップＳ４５）。変更後の運転圧力Ｐｃは、例えば１１０ｋＰａ＿ａ程度に設定される。
【００３４】
さらに、カソード極の排気ガスの温度を上げるために、燃料電池１の運転ならびに劣化に支障をきたさない程度に冷却水の温度を上げ、かつ冷却水の流量を下げて、冷却水流量と冷却水温度の設定値をそれぞれＦｃ、Ｔｃに変更する（ステップＳ４６）。ここで、変更後の冷却水流量Ｆｃは例えば１０Ｌ／ｍｉｎ程度とし、変更後の冷却水温度Ｔｃは例えば６０℃程度に設定される。
【００３５】
このように運転要件を変化した後、排気配管２０の温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ２以上であるか否かを判別する（ステップＳ４７）。判別の結果、温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ２以上であると判別された場合は、一連の処理を終了し（ステップＳ４８）、燃料電池１の運転圧、冷却水流量、冷却水温度を変更前の通常の制御に戻す一方、以下である場合には、上記要件にてシステムの運転を継続する。ここで、閾値Ｔｄ２は、例えば１０℃程度に設定される。
【００３６】
このように、上記実施例２においては、排気配管２０の温度に基づいて、先の実施例１と同様に、システムの運転要件の変更、ならびにコンプレッサ８から排気配管２０への加熱空気の直接供給を制御するようにしたので、先の実施例１に比べてより高精度に上記制御を行うことが可能となり、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
なお、この実施例２においても、先の実施例１と同様に、システムの運転要件の変更だけを実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１に係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制御手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…水素循環ポンプ
６ａ，６ａ…圧力センサ
７…パージ弁
８…コンプレッサ
９…空気調圧弁
１０…冷却水ポンプ
１１ａ〜１１ｇ…温度センサ
１２…冷却水用三方弁
１３…ラジエタ
１４…ラジエタファン
１５…冷却水ヒータ
１６…減圧弁
１７…パワーマネージャー
１８…電圧センサ
１９…ストップバルブ
２０…排気配管
２１…配管
２２…電解質膜
２３…セパレータ
２４…外気温度センサ
２５…コントロールユニット
２６…排気温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007012556.tif 000006