(57)【要約】【課題】生成水排出バルブ下流配管での凍結閉塞を抑制して高い信頼性を持つ燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１から発生する生成水を貯蔵する排水タンク１９と、開制御で排水タンク１９から排水を行う排水弁２０と、外気温を検出する外気温センサ１１ｅと、を備えた燃料電池システムにおいて、コントローラ３０により、外気温センサ１１ｅの指示値に応じて、排水タンク１９に付属の排水弁２０の開閉制御を変更する。具体的には、外気温センサ１１ｅの指示値が第１閾値以下の時に、排水弁２０の開閉制御を凍結防止のための制御に変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から発生する生成水を貯蔵するタンクと、
開制御で前記タンクから排水を行う排水弁と、
外気温を検出する外気温検出手段と、
前記外気温検出手段の指示値に応じて前記排水弁の開閉制御を変更する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記外気温検出手段の指示値が、外気の低温状態を判定するための第１閾値以下の時に、前記排水弁の開閉制御を凍結防止のための制御に変更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】
前記燃料電池に冷却液を循環供給する冷却系と、
前記冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段と、を有し、
前記制御手段は、前記外気温検出手段または前記冷却液温度検出手段の指示値に応じて前記排水弁の開閉制御を通常の制御に戻すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記外気温検出手段の指示値が第１閾値を超えた時、或いは前記冷却液温度検出手段の指示値が、前記排水弁の下流において生成水が凍結する可能性のある温度状態を判定するための第２閾値を超えた時に、前記排水弁の開閉制御を通常の制御に戻すことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記タンク内の水位を検出する水位検出手段を有し、
前記制御手段は、通常の排水弁の開閉制御では、前記水位検出手段の指示値が、前記タンクからの排水開始を判定するための第３閾値を超えた時に前記排水弁を開とし、前記水位検出手段の指示値が、前記タンクからの排水終了を判定するための第４閾値以下の時に前記排水弁を閉とする制御を行い、凍結防止のための排水弁の開閉制御では、前記水位検出手段の指示値が第３閾値を超えた時に、前記排水弁を開とする期間と閉とする期間とをそれぞれ所定時間ずつ繰り返し、前記水位検出手段の指示値が第４閾値以下の時に前記排水弁を閉とする制御を行うことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項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、水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける燃料電池の低温起動制御の改良に関し、特に燃料電池の生成水の排水処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池システムを搭載した車両においては、車両を低温環境下で停止したとき、燃料電池内や反応ガス経路内に存在している水分が凍結する場合があり、凍結による電解質膜への反応ガスの進行・到達の阻害、反応ガス経路の目詰まりおよび循環手段のロック等により燃料電池システムを起動できないという問題がある。
【０００５】
このような問題に対処するべく、燃料電池システムにおける燃料電池の低温起動制御手法が種々提案されており、例えば、特開２００５−１４１９４３号公報に開示の「燃料電池システム」がある。
【０００６】
この従来例では、燃料電池内部の水量と相関関係を持つ特定の状態量（燃料電池温度、内部抵抗値または起動から停止までの電流積算値等）を計測する状態量計測手段を備え、該特定の状態量に応じて燃料電池内部の水を排出するためのパージガスを燃料電池に供給するようにし、発電の停止後に、特定の状態量の計測を行い、該特定の状態量に応じてパージガス供給を制御して燃料電池から排水するようにしている。
【０００７】
つまり、特定の状態量の計測によりフラッディングや凍結を予測して、フラッディングや凍結が予測される場合には燃料電池から排水を行って、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の破損の発生を抑制するものである。
【特許文献１】特開２００５−１４１９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、燃料電池の内部の水の凍結によって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により、燃料電池の凍結破損の可能性がある場合には燃料電池から排水するようにパージガスを制御すのもので、燃料電池内部で水の凍結により破損する可能性がある場合のみ排水するため、燃料電池の破損は防止できても、排出バルブ下流での凍結破損の防止にはなっていないという事情があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムを氷点下環境で運転する場合でも生成水排出バルブ下流配管での凍結閉塞を抑制して高い信頼性を持つ燃料電池システム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】
【００１０】
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から発生する生成水を貯蔵するタンクと、開制御で前記タンクから排水を行う排水弁と、外気温を検出する外気温検出手段と、前記外気温検出手段の指示値に応じて前記排水弁の開閉制御を変更する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムでは、外気温検出手段の指示値に応じて、燃料電池からの生成水を排出した時に排水弁下流配管内で凍結閉塞する可能性のある場合には、排水弁の開閉制御を変更し、燃料電池システムを氷点下環境で運転する場合でも生成水排出バルブ下流配管での凍結閉塞を抑制して高い信頼性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】
【００１２】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１４】
また、水素供給系として、水素タンク２、水素タンク元弁３、減圧弁１６、水素供給弁５、水素循環ポンプ５、パージ弁７、圧力センサ６ａ、温度センサ１１ｃ、排水タンク１９、レベルセンサ（水位検出手段）２１および排水弁２０を備え、空気供給系として、コンプレッサ８、空気調圧弁９、圧力センサ６ｂおよび温度センサ１１ｄを備え、冷却系として、冷却水ポンプ１０、冷却水用三方弁１２、ラジエタ１３、ラジエタファン１４、冷却水ヒータ１５および温度センサ（冷却液温度検出手段）１１ａ，１１ｂを備えている。さらに、燃料電池１が発電する電力を取り出して管理するパワーマネージャー１７や、電圧センサ１８、大気圧センサ６ｄおよび外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅも備えた構成である。
【００１５】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード１ａと酸化剤ガスである空気が供給されるカソード１ｂとが電解質膜１ｄを挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノード１ａに水素ガスが、カソード１ｂに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１６】
（数１）
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
（数２）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
燃料電池スタック１のアノード１ａ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および水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク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１ａ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ている。アノード１ａ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、コントローラ３０により水素供給弁４を駆動することによって制御される。つまり、水素圧を一定に制御することによって、燃料電池スタック１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。なお、燃料電池スタック１のアノード１ａ側温度は温度センサ１１ｃによって検出される。
【００１７】
また、パージ弁７は次のような役割を果たす。すなわち、第１に、水素循環機能を確保するために、水素供給系内に蓄積した窒素を排出する。第２に、燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるために、水素供給系のガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。さらに第３に、燃料電池スタック１の劣化を防止するために、起動時および停止時にカソード１ｂの酸素を電力消費させつつ水素供給系内のガスを水素置換させる。
【００１８】
また、燃料電池スタック１のカソード１ｂへの空気は、コンプレッサ８により供給される。カソード１ｂ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、コントローラ３０により空気調圧弁９を駆動することによって制御される。また、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側温度は温度センサ１１ｄによって検出される。
【００１９】
燃料電池スタック１の空気圧および水素圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されると共に、電解質膜１ｄやセパレータ１ｅに歪みを生じないように所定の差圧となるように管理される。
【００２０】
また、排水タンク１９は、燃料電池スタック１で生成されて燃料電池スタック１自身を加湿して余剰水分として排水される生成水を一時的に溜めている。排水弁２０は排水タンク１９に設けられており、排水タンク１９内の水位をレベルセンサ２１で検知し、当該排水弁２０を開けて排水することにより、排水タンク１９内の水位を制御している。
【００２１】
次に、冷却系において、燃料電池スタック１の冷却水流路１ｃ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により、冷却水の流路がラジエタ１３方向とラジエタバイパス方向に切り替えられたり、分流されたりする。なお、ラジエタバイパス方向の経路内には冷却水ヒータ１５が設置されている。ラジエタファン１４は、ラジエタ１３へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、温度センサ１１ａ，１１ｂで検出した冷却水温度をフィードバックして、コントローラ３０により冷却水用三方弁１２とラジエタファン１４を駆動することによって調整される。
【００２２】
また、パワーマネージャー１７は、燃料電池スタック１から電力を取り出して車両を駆動するモータ（図示しない）へ電力を供給する。燃料電池パワープラントシステムの起動、停止時に、燃料電池スタック１の電圧センサ１８で検出された燃料電池電圧および起動または停止からの経過時間に応じて、燃料電池から電力を取り出して、カソード１ｂの酸素を消費させる。
【００２３】
さらに、コントローラ３０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、大気圧を検出するための大気圧センサ６ｄおよび外気温センサ１１ｅや、圧力センサ６ａ，６ｂおよび温度センサ１１ａ〜１１ｃ等の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００２４】
特許請求の範囲にいう判断手段は、このコントローラ３０（ＣＰＵ）上で実行されるプログラムの機能的なまとまりであって、外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅの指示値に応じて、排水タンク１９に付属の排水弁２０の開閉制御を変更する。具体的には、外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅの指示値が第１閾値以下の時に、排水弁２０の開閉制御を凍結防止のための制御に変更する。
【００２５】
また、外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅまたは温度センサ（冷却液温度検出手段）１１ａ，１１ｂの指示値に応じて排水弁２０の開閉制御を通常の制御に戻す。具体的には、外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅの指示値が第１閾値を超えた時、或いは温度センサ（冷却液温度検出手段）１１ａ，１１ｂの指示値が第２閾値を超えた時に、排水弁２０の開閉制御を通常の制御に戻す。
【００２６】
なお、通常の排水弁２０の開閉制御では、レベルセンサ（水位検出手段）２１の指示値が第３閾値を超えた時に排水弁２０を開とし、レベルセンサ（水位検出手段）２１の指示値が第４閾値を下回った時に排水弁２０を閉とする制御を行い、凍結防止のための排水弁２０の開閉制御では、レベルセンサ（水位検出手段）２１の指示値が第３閾値を超えた時に、排水弁２０を開とする期間と閉とする期間とをそれぞれ所定時間ずつ繰り返し、レベルセンサ（水位検出手段）２１の指示値が第４閾値を下回った時に排水弁２０を閉とする制御を行う。
【００２７】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムにおけるコントローラ（制御手段）３０による排水弁２０の開閉制御について、図２を参照しながら説明する。ここで、図２は本実施例の燃料電池システムの排水弁２０の開閉制御を説明するフローチャートである。
【００２８】
まず、外気温センサ１１ｅから指示値Ｔｓを読み込み（ステップＳ１０１）、外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄ以下か否かを判断する（ステップＳ１０２）。外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄを超えていれば、ステップＳ１０６に進んで通常の排水弁２０の開閉制御を行い、外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄ以下であれば、ステップＳ１０３に進んで凍結防止用の排水弁２０の開閉制御を行う。ここで、第１閾値Ｔｄは、排水弁２０の下流配管において生成水の凍結が生じるような外気の低温状態を判定するための閾値であり、例えば１０℃に設定される。
【００２９】
次に、ステップＳ１０３では、排水弁２０の開閉制御を凍結防止用開閉制御に変更する。凍結防止用開閉制御では、例えば、レベルセンサ２１の指示値が第３閾値Ｌｈを上回った場合には凍結防止用の排水弁開閉制御を開始し、排水弁２０を０．５秒間開状態とし、次に排水弁２０を０．５秒間閉状態とする制御を繰り返し行う。また、レベルセンサ２１の指示値が第４閾値Ｌｌを下回った場合には排水弁２０を閉状態とする。なお、第３閾値Ｌｈは、排水タンク１９からの排水開始を判定するための閾値であり、例えば、３５ｍｍに設定される。また、第４閾値Ｌｌは、排水タンク１９からの排水終了を判定するための閾値であり、第３閾値Ｌｈよりも小さな値に設定されており、例えば２０ｍｍに設定される。
【００３０】
次に、燃料電池スタック１出口の冷却水温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値Ｔｃ＿ｏｕｔを読み込み（ステップＳ１０４）、外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄを超えたか否か、或いは温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値Ｔｃ＿ｏｕｔが第２閾値Ｔｃｄを超えたか否かを判断する（ステップＳ１０５）。
【００３１】
外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄを超えた場合、或いは温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値Ｔｃ＿ｏｕｔが第２閾値Ｔｃｄを超えた場合には、ステップＳ１０６に進んで通常の排水弁２０の開閉制御に戻し、また、外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄ以下の場合、或いは温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値Ｔｃ＿ｏｕｔが第２閾値Ｔｃｄ以下の場合には、ステップＳ１０３に戻って凍結防止用開閉制御を継続する。なお、第２閾値Ｔｃｄは、排水弁２０の下流配管において生成水が凍結する可能性のある生成水の温度状態を判定するための閾値であり、例えば４０℃に設定される。
【００３２】
次に、外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄを超えている場合、或いは、凍結防止用開閉制御中に外気温センサ１１ｅの指示値Ｔｓが第１閾値Ｔｄを超えた場合、若しくは温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値Ｔｃ＿ｏｕｔが第２閾値Ｔｃｄを超えた場合には、通常の排水弁２０の開閉制御を行う（ステップＳ１０６）。
【００３３】
通常の排水弁２０の開閉制御では、例えば、レベルセンサ２１の指示値が第３閾値Ｌｈを上回った場合には排水弁開閉制御を開始して、排水弁２０を開状態とし、また、レベルセンサ２１の指示値が第４閾値Ｌｌを下回った場合には排水弁２０を閉状態とする。
【００３４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１から発生する生成水を貯蔵する排水タンク１９と、開制御で排水タンク１９から排水を行う排水弁２０と、外気温を検出する外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅと、を備えた燃料電池システムにおいて、コントローラ（制御手段）３０により、外気温センサ１１ｅの指示値に応じて、排水タンク１９に付属の排水弁２０の開閉制御を変更する。具体的には、外気温センサ（外気温検出手段）１１ｅの指示値が第１閾値以下の時に、排水弁２０の開閉制御を凍結防止のための制御に変更する。
【００３５】
これにより、燃料電池スタック１からの生成水を排出した時に排水弁２０の下流配管内で凍結閉塞する可能性のある場合には、排水弁２０の開閉制御を変更して、排水弁２０の下流配管中に停滞する排水を抑制するので、燃料電池システムを氷点下環境で運転する場合でも生成水排出バルブ下流配管での液水凍結による閉塞を抑制して高い信頼性を実現することができる。
【００３６】
また、本実施例では、コントローラ（制御手段）３０により、外気温センサ１１ｅまたは燃料電池スタック１出口の冷却水温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値に応じて排水弁２０の開閉制御を通常の制御に戻す。具体的には、外気温センサ１１ｅの指示値が第１閾値を超えた時、或いは温度センサ１１ａ，１１ｂの指示値が第２閾値を超えた時に、排水弁２０の開閉制御を通常の制御に戻す。
【００３７】
外気温が高くなった場合、或いは外気温が低い状態でも、燃料電池スタック１から排出される排水温度が高い場合には、排水弁２０の下流配管中で排水が凍結する可能性が低くなるが、このような場合には、排水弁２０の開閉制御を通常制御に変更することが可能である。
【００３８】
また、本実施例では、コントローラ（制御手段）３０により、通常の排水弁２０の開閉制御では、レベルセンサ２１の指示値が第３閾値を超えた時に排水弁２０を開とし、レベルセンサ２１の指示値が第４閾値以下の時に排水弁２０を閉とする制御を行い、凍結防止のための排水弁２０の開閉制御では、レベルセンサ２１の指示値が第３閾値を超えた時に、排水弁２０を開とする期間と閉とする期間とをそれぞれ所定時間ずつ繰り返し、レベルセンサ２１の指示値が第４閾値以下の時に排水弁２０を閉とする制御を行う。
【００３９】
凍結防止のための排水弁２０の開閉制御では、通常の排水弁２０の開閉制御と比較して、排水タンク１９から排水する際に排水弁２０が断続的に開状態となるため、排水が生成水排出バルブ下流配管から断続的に排出され、下流配管内の排水が流動的となる傾向がある。また、排水が生成水排出バルブ下流配管から少量ずつ排出されるため、排水タンク１９に生成水が留まり易くなり、生成水排出バルブ下流配管から排水が流れ出る状況が多くなるので、排水弁２０の下流配管中に停滞する排水を抑制することができる。そのため、燃料電池システムを氷点下環境で運転する場合でも生成水排出バルブ下流配管での液水凍結による閉塞を抑制して高い信頼性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システムの排水弁２０の開閉制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃料電池スタック
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
１ｃ  冷却水流路
１ｄ  電解質膜
１ｅ  セパレータ（ソリッドプレート）
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，６ｂ  圧力センサ
６ｄ  大気圧センサ
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，１１ｂ  温度センサ（冷却液温度検出手段）
１１ｃ  温度センサ
１１ｅ  外気温センサ（外気温検出手段）
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  排水タンク（タンク）
２０  排水弁
２１  レベルセンサ（水位検出手段）
３０    コントローラ（判断手段）
【図１】
2007184199.tif 000003
【図２】
2007184199.tif 000004