(57)【要約】【課題】良好に冷却水の凍結を防止するとともに、ヒータの消費電気量を低減させることができる燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】燃料電池３００の電池本体１００は、水素及び酸素を反応させて発電するスタック１を冷却水の循環により冷却するスタック冷却路４と、冷却水を循環させる冷却ポンプ４０と、冷却水を加熱するヒータ４５と、冷却ポンプ４０の消費電気量に基づいてヒータ４５を制御する制御部９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】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却水の循環により冷却する冷却水流路と、
前記冷却水を循環させるポンプと、
前記冷却水を加熱するヒータと、
前記ポンプの消費電気量に基づいて前記ヒータを制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記消費電気量は消費電流であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記消費電流を検出する検出器を備え、
前記制御部は、
前記ポンプの作動を開始した後、前記検出器により検出した前記消費電流の第１所定時間毎の変化量に基づいて、前記ヒータの作動又は停止を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記制御部は、
前記ポンプの作動を開始してから第２所定時間経過後に、前記検出器により検出した第１消費電流値と、前記第２所定時間経過後から前記第１所定時間毎に、前記検出器により検出した第２消費電流値との差が、閾値以上である場合に前記ヒータを作動することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記発電部を収容する筐体と、
該筐体内の温度を検出する温度検出器と
を備え、
前記制御部は、
前記温度検出器により検出した温度が所定温度以下である場合に、前記ポンプを作動させることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより冷却水を循環させて冷却する燃料電池の制御方法において、
前記ポンプの作動を開始した後、該ポンプの消費電気量を取得し、
取得した前記消費電気量の所定時間毎の変化量が閾値以上である場合に、前記冷却水を加熱することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項７】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより冷却水を循環させて冷却する燃料電池を制御するコンピュータに、
前記ポンプの作動を開始した後、該ポンプの消費電気量を取得し、
取得した前記ポンプの消費電気量の所定時間毎の変化量が閾値以上である場合に、ヒータに対する作動信号を出力する
処理を実行させ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、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却水の循環により冷却する冷却水流路と、冷却水を循環させるポンプと、冷却水を加熱するヒータとを備える燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータに冷却水の温度制御処理を実行させるためのコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
負極に水素を送って起電力を得る電池として、燃料電池、ニッケル・水素電池等が挙げられる。
燃料電池は発電効率が高く、クリーンな発電装置であり、負荷の大小に影響されず、コジェネレーションシステムを構築できるため、パーソナルコンピュータ，携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、スタックと、複数の水素ボンベと、水素循環路と、水素供給路と、冷却水流路とを備える。
スタックは、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
【０００４】
スタックにおいては、発電時に熱が発生するので、冷却を行う必要がある。従って、冷却水流路を配管により形成し、冷却水を循環させてスタックを冷却している。冷却水はポンプによりスタックに流入し、スタックの内部を通流し、熱を伝導された後、スタックから流出する。熱を伝導された冷却水は、熱交換器を通流することで放熱して冷却された後、再度スタックに流入する。また、水素ボンベに水素吸蔵合金を充填したＭＨ（Metal hydride）ボンベが用いられる場合、ＭＨボンベは所定の温度以上でなければ水素を放出できないため、スタックから流出した冷却水の熱をＭＨボンベに伝導し、ＭＨボンベを加熱することがある。
【０００５】
ここで、燃料電池を、外気の温度が氷点下になる場所で使用又は保管する場合、冷却水流路を循環する冷却水が凍結することがある。冷却水が凍結した場合、燃料電池の始動に際し、氷を溶かすために大きなエネルギーと時間とを要するという問題があり、また、冷却水流路の配管内で膨脹することにより、冷却水流路が破損する虞があるという問題もある。従って、冷却水の凍結を防止する必要がある。
【０００６】
特許文献１には、反応膜を加湿するための加湿水を蓄えておくタンクと燃料電池との間に循環経路を形成し、外気温を検出する外気温センサ、及び加湿水温度を検出する水温センサを備え、加湿水温度がポンプの作動温度以下になった場合、ポンプを作動させ、加湿水温度がさらに低下してヒータ作動温度以下になった場合、ヒータを作動させるように構成された燃料電池の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２４３０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の技術を、冷却水流路の冷却水の凍結防止に適用することにした場合、以下の問題がある。
水温センサは冷却水流路の冷却水の温度を局所的に検出することになるが、冷却水流路内において、冷却水が凝固し易い部分にはばらつきがある。従って、水温センサを設ける位置によっては、ヒータの作動を開始する温度の閾値が適切でない場合がある。また、水温センサの測定誤差等も考慮した場合、ヒータ作動温度の閾値を高めに設定する必要がある。即ち、ヒータを比較的高い温度で作動させなければならないので、燃料電池全体として、多くの消費電力を要することになる。
【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、冷却水の凝固開始を正確に検出し、良好に冷却水の凍結を防止するとともに、ヒータの消費電気量を低減させることができる燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラム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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却水の循環により冷却する冷却水流路と、前記冷却水を循環させるポンプと、前記冷却水を加熱するヒータと、前記ポンプの消費電気量に基づいて前記ヒータを制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより冷却水を循環させて冷却する燃料電池の制御方法において、前記ポンプの作動を開始した後、該ポンプの消費電気量を取得し、取得した前記消費電気量の所定時間毎の変化量が閾値以上である場合に、前記冷却水を加熱することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより冷却水を循環させて冷却する燃料電池を制御するコンピュータに、前記ポンプの作動を開始した後、該ポンプの消費電気量を取得し、取得した前記ポンプの消費電気量の所定時間毎の変化量が閾値以上である場合に、ヒータに対する作動信号を出力する処理を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ポンプの消費電気量に基づいて冷却水を加熱するヒータを制御するので、冷却水が凝固し始めたことを正確に検知してヒータをオンし、冷却水が溶け始めたことを検知してヒータをオフすることができ、良好に冷却水の凍結を防止するとともに、ヒータの作動温度を極力低くすることができる。その結果、ヒータの作動時間を短くすることができ、ヒータの消費電気量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【図２】ＣＰＵによる冷却水の温度制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】本実施の形態に係る冷却水温度制御を行わない場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【図４】上述の特許文献１の加湿水の温度制御処理を冷却水流路における冷却水の温度制御処理に適用した場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【図５】本実施の形態に係る冷却水の温度制御処理を行った場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は実施の形態に係る燃料電池３００を示すブロック図である。
燃料電池３００は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等の燃料電池である。
燃料電池３００は、電池本体１００と水素供給部２００とを備える。
電池本体１００は、スタック１、水素通流路２（水素供給路２ａ及び水素循環路２ｂ）、空気流路３、スタック冷却路（冷却水流路）４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換器７、第２熱交換器８、制御部９、気液分離器２７、水素循環ポンプ２６、エアポンプ３０、冷却ポンプ４０、電流計４１、ヒータ４５、温度センサ４７、放熱ポンプ５０、ラジエータ５１、ファン５２、加熱ポンプ６０、及びヒータ６１を備える。
【００１６】
水素供給路２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、開閉弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。開閉弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、開閉弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応である。
【００１７】
スタック１は、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
負極に、水素供給部２００から流入した水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが空気流路３から流入して接触することにより両電極で電気化学反応が生じ、起電力が発生する。この電気化学反応において、負極側から固体高分子電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生じる。
【００１８】
水素供給路２ａの一端部はレギュレータ２２に、他端部は水素循環路２ｂのスタック１の負極寄りの部分に接続されている。水素供給路２ａには、水素供給部２００側から順に、開閉弁２３、開閉弁２４、逆止弁２５が設けられている。
水素循環路２ｂには水素循環ポンプ２６が設けられている。開閉弁２３、開閉弁２４を開いたとき、水素はレギュレータ２２から開閉弁２３、開閉弁２４、及び逆止弁２５を通って水素供給路２ａを通流し、水素循環ポンプ２６により、水素循環路２ｂを通流して、スタック１の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流し、スタック１から排出された水素は水素循環路２ｂを通流し、気液分離器２７へ送られる。気液分離器２７において、水素及び不純物を含むガスと水とに分離され、分離されたガスは気液分離器２７から水素循環ポンプ２６へ送られて、循環する。気液分離器２７で分離された水は、所定量貯留された後、排水弁（不図示）を開いて外部へ排出され、不純物を含むガスは適宜のタイミングで、排気弁（不図示）を開いて外部へ排出される。
【００１９】
空気流路３にはエアポンプ３０が設けられている。そして、空気流路３のスタック１への流入側部分には開閉弁３１が、スタック１からの流出側部分には開閉弁３２が設けられている。開閉弁３１、開閉弁３２を開いたとき、エアポンプ３０から送出された空気は空気流路３を通流して開閉弁３１を通り、スタック１の正極側部分へ導入され、該部分の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流した空気は、スタック１から排出され、開閉弁３２を通って外部へ排出される。
【００２０】
スタック冷却路４には、冷却ポンプ４０、電流計４１、導電率計４２、ヒータ４５、及びイオン交換樹脂４６が設けられている。冷却ポンプ４０から送出され、スタック冷却路４を通流する冷却水は、導電率計４２により導電率を測定された後、スタック１へ導入され、スタック１内の通流路を通流した後、排出されて、第１熱交換器７及び第２熱交換器８を通流し、イオン交換樹脂４６内を通流し、冷却ポンプ４０へ戻るように構成されている。電流計４１により冷却ポンプ４０の消費電流が測定される。電流計４１の一例として、ホール素子型電流センサが挙げられる。スタック冷却路４の、冷却水のスタック１からの流出側、及びスタック１への流入側には、温度センサ４３，４４が夫々設けられている。温度センサ４３，４４の一例としてサーミスタが挙げられる。ヒータ４５は、スタック冷却路４の第２熱交換器８とイオン交換樹脂４６との間に設けられる。イオン交換樹脂４６は、スタック冷却路４を通流する冷却水に含まれるイオンを吸着する。イオン量が多くなった場合、冷却水の導電率が高くなり、スタック１の発電効率が低下するので、イオン交換樹脂４６により金属イオン等を吸着する必要がある。
【００２１】
ラジエータ通流路５には、放熱ポンプ５０が設けられている。放熱ポンプ５０から送出された放熱液は、ラジエータ５１を通流し、さらに第１熱交換器７を通流した後、放熱ポンプ５０へ戻るように構成されている。放熱液として、例えばエチングリコールを主成分とする不凍液が挙げられる。ラジエータ５１に近接してファン５２が設けられている。
【００２２】
ボンベ加熱路６には、加熱ポンプ６０と、ヒータ６１とが設けられている。加熱ポンプ６０から送出され、ヒータ６１で加熱された加熱液は、水素供給部２００内の通流路を通流して各ＭＨボンベ２０を加熱した後、水素供給部２００から排出され、第２熱交換器８を通流して、加熱ポンプ６０へ戻るように構成されている。ＭＨボンベ２０が加熱されることにより、ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金から水素が放出される。加熱液として、前記不凍液が挙げられる。
【００２３】
スタック冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換器７、及び第２熱交換器８は断熱材により覆われている。図１においては、太線により断熱材に覆われていることを示している。断熱材により外部との熱移動を制限でき、熱量を制御しやすい。
【００２４】
制御部９は、制御部９の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）９０を備え、ＣＰＵ９０には、バスを介して、ＲＯＭ９１、ＲＡＭ９２、及びタイマ９３が接続されている。
【００２５】
ＲＯＭ９１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム９１ａと、本実施の形態に係る冷却水温度制御プログラム９１ｂを記憶している。
また、冷却水温度制御プログラム９１ｂは、コンピュータ読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ９１が記録媒体から、冷却水温度制御プログラム９１ｂを読み出し、ＲＯＭ９１に記憶させてもよい。
さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る冷却水温度制御プログラム９１ｂを取得し、ＲＯＭ９１に記憶させることにしてもよい。
【００２６】
ＲＡＭ９２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、ＳＲＡＭ(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ９１の演算処理を実行する際にＲＯＭ９０から読み出された運転プログラム９１ａ、冷却水温度制御プログラム９１ｂ、及びＣＰＵ９０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。
制御部９は電池本体１００の各構成部、及び水素供給部２００の開閉弁２１に接続されており、制御部９は各構成部及び開閉弁２１の動作を制御する。なお、図１において、制御部９と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。      
【００２７】
そして、電池本体１００の筐体内には、温度センサ４７が設けられている。温度センサ４７の一例としてサーミスタが挙げられる。
【００２８】
スタック１で生じる反応は発熱反応であり、スタック１はスタック冷却路４内を通流する冷却水により冷却される。スタック１から排出された冷却水の熱は、第１熱交換器７において放熱液に伝導され、放熱液はラジエータ５１において熱を放出し、熱はファン５２により電池本体１００の外部へ放出される。ラジエータ５１において冷却された放熱液は第１熱交換器７へ送られる。
【００２９】
スタック冷却路４において、第１熱交換器７を通流し、第２熱交換器８へ導入された冷却水の熱は、第２熱交換器８において加熱液へ伝導され、加熱液は水素供給部２００の各ＭＨボンベ２０を加熱し、水素吸蔵合金から水素を放出させる。
第２熱交換器８で冷却された冷却水は冷却ポンプ４０へ戻り、スタック１へ送られる。
【００３０】
以上のように構成された燃料電池３００においては、スタック１の流出側の温度センサ４１が検出した冷却水の温度、又はスタック１の流入側の温度センサ４２が検出した冷却水の温度を取得し、これらの温度に基づき、冷却ポンプ４０、又は放熱ポンプ５０の出力を制御して熱交換を制御し、スタック１の冷却及び外部への放熱を制御する。
【００３１】
そして、発電を行っていない場合、スタック冷却路４の冷却水の温度は環境温度となるが、後述するようにヒータ４５を制御して冷却水を加温することにより、冷却水の凍結を防止している。また、ヒータ６１を制御して加熱液を加温することにより、ＭＨボンベ２０を所定温度に保持することもできる。
なお、ボンベ加熱路６を有さずに、スタック１で生じた熱を有する空気を水素供給部２００へ送風して、ＭＨボンベ２０を加温することにしてもよい。
【００３２】
以下、本実施の形態に係る燃料電池３００における冷却水温度の制御方法について説明する。燃料電池３００においては、発電を停止した場合、制御部９のＣＰＵ９０はＲＯＭ９１から冷却水温度制御プログラム９１ｂを読み出して、凍結防止のための冷却水温度制御処理を実行する。
【００３３】
図２は、ＣＰＵ９０による冷却水の温度制御処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ＣＰＵ９０は冷却ポンプ４０の通電をオフし（Ｓ１）、ヒータ４５をオフにする（Ｓ２）。
ＣＰＵ９０は、温度センサ４７から電池本体１００の筐体内の温度Ｔを取得する（Ｓ３）。
ＣＰＵ９０は、温度Ｔが、冷却ポンプ４０の作動を開始するための閾値である「５℃」以下であるか否かを判定する（Ｓ４）。ＣＰＵ９０は、温度Ｔが５℃以下でないと判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、処理をステップＳ３へ戻す。なお、閾値は５℃には限定されない。
【００３４】
ＣＰＵ９０は、温度Ｔが５℃以下であると判定した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、冷却ポンプ４０をオンする（Ｓ５）。冷却ポンプ４０の作動により、見かけ上の凝固点が下がり、冷却水が凍りにくくなる。
【００３５】
ＣＰＵ９０は、冷却ポンプ４０をオンにした時点からタイマ９３により計時し、ｔa 秒が経過したか否かを判定する（Ｓ６）。ＣＰＵ９０は、ｔa 秒が経過していないと判定した場合（Ｓ６：ＮＯ）、上述の判定処理を繰り返す。ｔa 秒の一例として、１秒が挙げられる。
【００３６】
ＣＰＵ９０は、ｔa 秒が経過したと判定した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、電流計４１から冷却ポンプ４０の消費電流Ｃ1 を取得する（Ｓ７）。これは、冷却ポンプ４０の通電オン直後は消費電流が安定していないので、ｔa 秒経過した後の安定した消費電流を初期値として取得するためである。
ＣＰＵ９０は、消費電流Ｃ1 をＲＡＭ９２に初期値として記憶する（Ｓ８）。
【００３７】
ＣＰＵ９０は、消費電流Ｃ1 をＲＡＭ９２に記憶した後、タイマ９３により計時し、ｔb 秒が経過したか否かを判定する（Ｓ９）。ＣＰＵ９０は、ｔb 秒が経過していないと判定した場合（Ｓ９：ＮＯ）、上述の判定処理を繰り返す。ｔb 秒の一例として、０．１秒が挙げられる。この「０．１秒」は、ヒータ４５のオン／オフ制御の間隔と一致している。
【００３８】
ＣＰＵ９０は、ｔb 秒が経過したと判定した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、電流計４１から冷却ポンプ４０の消費電流Ｃ2 を取得する（Ｓ７）。
ＣＰＵ９０は、消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上であるか否かを判定する（Ｓ１１）。冷却水が凍結し始めた場合、冷却ポンプ４０の負荷が大きくなり、消費電流Ｃ2 が大きくなって、消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が大きくなる。冷却水の凍結開始のタイミングと、消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差との関係は、予め実験により求めておく。ここでは、消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が１０ｍＡになった場合、凍結が開始されるものとするが、この数値に限定されるものではない。
【００３９】
ＣＰＵ９０は、消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上であると判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、即ち冷却水が凍結し始めたことを検知した場合、ヒータ４５をオンする（ヒータ４５に対する作動信号を出力する）（Ｓ１３）。ＣＰＵ９０は、オン／オフ制御により冷却水の加温を制御する。
ＣＰＵ９０は、消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上でないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ヒータ４５をオフする（Ｓ１２）。
【００４０】
ＣＰＵ９０は、温度センサ４７から電池本体１００の筐体内の温度Ｔを取得する（Ｓ１４）。
ＣＰＵ９０は、温度Ｔが５℃以下であるか否かを判定する（Ｓ１５）。
ＣＰＵ９０は、温度Ｔが５℃以下であると判定した場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、処理をステップＳ９へ戻す。
ＣＰＵ９０は、温度Ｔが５℃以下でないと判定した場合（Ｓ１５：ＮＯ）、冷却ポンプ４０をオフし（Ｓ１６）、冷却水温度制御処理を終了する。
ＣＰＵ９０は、適宜の時間の経過後、冷却水温度制御処理をスタートさせる。
【００４１】
図３は、本実施の形態に係る冷却水温度制御を行わない場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
電池本体１００の筐体（内）の温度Ｔが低下し、温度Ｔ1 になった場合（時間：ｔ1 ）、冷却水が凍り始め、温度ＴがＴ2 になった場合（時間：ｔ2 ）、完全に凍る。そして、温度Ｔが上昇し、温度Ｔ2 になった場合（時間：ｔ3 ）、氷が溶け始め、温度Ｔ1 になった場合（時間：ｔ4 ）、冷却水は全部溶ける。
【００４２】
図４は、上述の特許文献１の加湿水の温度制御処理を冷却水流路における冷却水の温度制御処理に適用した場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
筐体の温度Ｔが低下し、温度Ｔ3 になった場合（時間：ｔ5 ）、冷却ポンプ４０を作動させ、温度ＴがＴ4 になった場合（時間：ｔ6 ）、ヒータ４５を作動させる。ここで、ヒータ作動温度の閾値Ｔ4 は、上述の理由から、水が凍り始める温度Ｔ1 より高めに設定している。ヒータ４５による加温は、通電をオン／オフ制御することにより行う。そして、温度Ｔが上昇し、温度Ｔ4 を超えた場合（時間：ｔ7 ）、ヒータ４５をオフし、温度ＴがＴ3 を超えた場合（時間：ｔ8 ）、冷却ポンプ４０をオフする。
【００４３】
図５は、本実施の形態に係る冷却水の温度制御処理を行った場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。筐体の温度Ｔが低下し、温度Ｔ3 になった場合（時間：ｔ5 ）、冷却ポンプ４０を作動させる。上述したように冷却ポンプ４０の消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上になった場合、即ち、温度ＴがＴ1 になり、冷却水が凍り始めたことを検知した場合（時間：ｔ9 ）、ヒータ４５をオンし、通電をオン／オフ制御する。そして、温度Ｔが上昇し、冷却ポンプ４０の消費電流Ｃ2 と消費電流Ｃ1 との差が１０ｍＡ未満になった場合、即ち温度Ｔが温度Ｔ1 を超えて氷が溶け始めた場合（時間：ｔ10）、ヒータ４５をオフし、温度ＴがＴ3を超えた場合（時間：ｔ11）、冷却ポンプ４０をオフする。
【００４４】
本実施の形態においては、冷却水が凍り始めたことを正確に検知して、ヒータ４５をオンし、冷却水が溶け始めたことを正確に検知して、ヒータ４５をオフするので、良好に冷却水の凍結を防止することができる。これより、図４の特許文献１の制御を適用した場合に比べて、低い温度Ｔでヒータ４５をオン／オフさせることができる。従って、ヒータ４５の作動時間（ｔ9 −ｔ10）を、図４の特許文献１の制御を適用した場合の作動時間（ｔ6 −ｔ7 ）より短くすることができ、ヒータ４５の消費電気量（消費電力）を低下させることができる。即ち、冷却ポンプ４０の消費電力よりヒータ４５の消費電力の方が大きいので、本実施の形態においては、燃料電池３００全体の消費電力を低減させることができる。
【００４５】
以上のように構成された本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却水の循環により冷却する冷却水流路と、前記冷却水を循環させるポンプと、前記冷却水を加熱するヒータと、前記ポンプの消費電気量に基づいて前記ヒータを制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００４６】
本発明においては、冷却水が凝固し始めたことを正確に検知してヒータをオンし、冷却水が溶け始めたことを検知してヒータをオフすることができ、良好に冷却水の凍結を防止するとともに、従来よりも低い温度でヒータをオン／オフさせることができる。従って、ヒータの作動時間を短くすることができ、ヒータの消費電気量を低減することができる。
【００４７】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記消費電気量は消費電流であることを特徴とする。
【００４８】
本発明においては、消費電気量のパラメータとして消費電流を用いるので、電流計を使用して容易に冷却水の凝固のタイミングを検知することができる。
【００４９】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記消費電流を検出する検出器を備え、前記制御部は、前記ポンプの作動を開始した後、前記検出器により検出した前記消費電流の第１所定時間毎の変化量に基づいて、前記ヒータの作動又は停止を制御することを特徴とする。
【００５０】
冷却水が凍っていない場合、負荷は小さく、ポンプの消費電流は小さい。冷却水が凍り始めると負荷が大きくなり、ポンプの消費電流が大きくなる。本発明においては、第１所定時間毎に消費電流の変化量をモニタリングすることで、冷却水の凝固、又は氷の融解のタイミングを正確に検知して、必要とされるタイミングでヒータを作動、又は停止させることができる。
【００５１】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記ポンプの作動を開始してから第２所定時間経過後に、前記検出器により検出した第１消費電流値と、前記第２所定時間経過後から前記第１所定時間毎に、前記検出器により検出した第２消費電流値との差が、閾値以上である場合に前記ヒータを作動することを特徴とする。
【００５２】
本発明においては、ポンプの作動直後の安定していない消費電流ではなく、第２所定時間経過後の安定したときの消費電流の値を、冷却水が凍る前の初期値とするので、より正確に冷却水の凝固のタイミングを検知することができる。
【００５３】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記発電部を収容する筐体と、該筐体内の温度を検出する温度検出器とを備え、前記制御部は、前記温度検出器により検出した温度が所定温度以下である場合に、前記ポンプを作動させることを特徴とする。
【００５４】
本発明においては、筐体内の温度が所定温度以下である場合に、ポンプを作動させて、冷却水の凝固を抑制することができる。
【００５５】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより冷却水を循環させて冷却する燃料電池の制御方法において、前記ポンプの作動を開始した後、該ポンプの消費電気量を取得し、取得した前記消費電気量の所定時間毎の変化量が閾値以上である場合に、前記冷却水を加熱することを特徴とする。
【００５６】
本発明においては、所定時間毎にポンプの消費電気量の変化量をモニタリングすることで、冷却水の凝固のタイミングを正確に検知して、冷却水を加熱することができる。従って、加熱のためのエネルギー量を減じることができる。
【００５７】
本発明に係るコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより冷却水を循環させて冷却する燃料電池を制御するコンピュータに、前記ポンプの作動を開始した後、該ポンプの消費電気量を取得し、取得した前記ポンプの消費電気量の所定時間毎の変化量が閾値以上である場合に、ヒータに対する作動信号を出力する処理を実行させることを特徴とする。
【００５８】
本発明においては、所定時間毎にポンプの消費電気量の変化量をモニタリングすることで、冷却水の凝固のタイミングを正確に検知して、ヒータを作動させることができる。従って、ヒータの消費電気量を減じることができる。
【００５９】
本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上述の実施の形態においては、検出する冷却ポンプ４０の消費電気量として消費電流を適用した場合につき説明しているが、これに限定されるものではなく、電力計又は電圧計を用い、消費電気量として消費電力又は消費電圧を検出する構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  スタック
２  水素通流路
３  空気流路
４  スタック冷却路
５  ラジエータ通流路
６  ボンベ加熱路
７  第１熱交換器
８  第２熱交換器
９  制御部
２０  ＭＨボンベ
２６  水素循環ポンプ
３０  エアポンプ
４０  冷却ポンプ
４１  電流計
４３、４４、４７  温度センサ
９０  ＣＰＵ
１００  電池本体
２００  水素供給部
３００  燃料電池
【図１】
2017162656.tif 000003
【図２】
2017162656.tif 000004
【図３】
2017162656.tif 000005
【図４】
2017162656.tif 000006
【図５】
2017162656.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月16日(2017.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
スタックにおいては、発電時に熱が発生するので、冷却を行う必要がある。従って、冷却水流路を配管により形成し、冷却水を循環させてスタックを冷却している。冷却水はポンプによりスタックに流入し、スタックの内部を通流し、熱を伝導された後、スタックから流出する。熱を伝導された冷却水は、熱交換器を通流することで放熱して冷却された後、再度スタックに流入する。また、水素ボンベとして水素吸蔵合金を充填したＭＨ（Metal hydride）ボンベが用いられる場合、ＭＨボンベは所定の温度以上でなければ水素を放出できないため、スタックから流出した冷却水の熱をＭＨボンベに伝導し、ＭＨボンベを加熱することがある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
水素供給部２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、開閉弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。開閉弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、開閉弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
水素供給路２ａの一端部はレギュレータ２２に、他端部は水素循環路２ｂのスタック１の負極寄りの部分に接続されている。水素供給路２ａには、水素供給部２００側から順に、開閉弁２３、開閉弁２４、逆止弁２５が設けられている。
水素循環路２ｂには水素循環ポンプ２６が設けられている。開閉弁２３、開閉弁２４を開いたとき、水素はレギュレータ２２から開閉弁２３、開閉弁２４、及び逆止弁２５を通って水素供給路２ａを通流し、水素循環ポンプ２６により、水素循環路２ｂを通流して、スタック１の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流し、スタック１から排出された水素は水素循環路２ｂを通流し、気液分離器２７へ送られる。気液分離器２７において、水素及び不純物を含むガスと水とに分離され、分離されたガスは気液分離器２７から水素循環ポンプ２６へ送られて、循環する。気液分離器２７で分離された水は、所定量貯留された後、排水弁（不図示）を開くことで外部へ排出され、不純物を含むガスは適宜のタイミングで、排気弁（不図示）を開くことで外部へ排出される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
スタック冷却路４には、冷却ポンプ４０、電流計４１、導電率計４２、ヒータ４５、及びイオン交換樹脂４６が設けられている。冷却ポンプ４０から送出され、スタック冷却路４を通流する冷却水は、導電率計４２により導電率を測定された後、スタック１へ導入され、スタック１内の通流路を通流した後、排出されて、第１熱交換器７及び第２熱交換器８を通流し、イオン交換樹脂４６内を通流し、冷却ポンプ４０へ戻るように構成されている。電流計４１により冷却ポンプ４０の消費電流値が測定される。電流計４１の一例として、ホール素子型電流センサが挙げられる。スタック冷却路４の、冷却水のスタック１からの流出側、及びスタック１への流入側には、温度センサ４３，４４が夫々設けられている。温度センサ４３，４４の一例としてサーミスタが挙げられる。ヒータ４５は、スタック冷却路４の第２熱交換器８とイオン交換樹脂４６との間に設けられている。イオン交換樹脂４６は、スタック冷却路４を通流する冷却水に含まれるイオンを吸着する。イオン量が多くなった場合、冷却水の導電率が高くなり、スタック１の発電効率が低下するので、イオン交換樹脂４６により金属イオン等を吸着する必要がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
ＲＯＭ９１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム９１ａと、本実施の形態に係る冷却水温度制御プログラム９１ｂとを記憶している。
また、冷却水温度制御プログラム９１ｂは、コンピュータ読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ９１が記録媒体から、冷却水温度制御プログラム９１ｂを読み出し、ＲＯＭ９１に記憶させてもよい。
さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る冷却水温度制御プログラム９１ｂを取得し、ＲＯＭ９１に記憶させることにしてもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
以上のように構成された燃料電池３００においては、スタック１の流出側の温度センサ４３が検出した冷却水の温度、又はスタック１の流入側の温度センサ４４が検出した冷却水の温度を取得し、これらの温度に基づき、冷却ポンプ４０、又は放熱ポンプ５０の出力を制御して熱交換を制御し、スタック１の冷却及び外部への放熱を制御する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
ＣＰＵ９０は、ｔa 秒が経過したと判定した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、電流計４１から冷却ポンプ４０の消費電流値Ｃ1 を取得する（Ｓ７）。これは、冷却ポンプ４０の通電オン直後は消費電流値が安定していないので、ｔa 秒経過した後の安定した消費電流値を初期値として取得するためである。
ＣＰＵ９０は、消費電流値Ｃ1 をＲＡＭ９２に初期値として記憶する（Ｓ８）。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
ＣＰＵ９０は、消費電流値Ｃ1 をＲＡＭ９２に記憶した後、タイマ９３により計時し、ｔb 秒が経過したか否かを判定する（Ｓ９）。ＣＰＵ９０は、ｔb 秒が経過していないと判定した場合（Ｓ９：ＮＯ）、上述の判定処理を繰り返す。ｔb 秒の一例として、０．１秒が挙げられる。この「０．１秒」は、ヒータ４５のオン／オフ制御の間隔と一致している。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
ＣＰＵ９０は、ｔb 秒が経過したと判定した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、電流計４１から冷却ポンプ４０の消費電流値Ｃ2 を取得する（Ｓ７）。
ＣＰＵ９０は、消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上であるか否かを判定する（Ｓ１１）。冷却水が凍結し始めた場合、冷却ポンプ４０の負荷が大きくなり、消費電流値Ｃ2 が大きくなって、消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が大きくなる。冷却水の凍結開始のタイミングと、消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差との関係は、予め実験により求めておく。ここでは、消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が１０ｍＡになった場合、凍結が開始されるものとするが、この数値に限定されるものではない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
ＣＰＵ９０は、消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上であると判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、即ち冷却水が凍結し始めたことを検知した場合、ヒータ４５をオンする（ヒータ４５に対する作動信号を出力する）（Ｓ１３）。ＣＰＵ９０は、オン／オフ制御により冷却水の加温を制御する。
ＣＰＵ９０は、消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上でないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ヒータ４５をオフする（Ｓ１２）。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図５は、本実施の形態に係る冷却水の温度制御処理を行った場合の、時間ｔと筐体の温度Ｔとの関係を示すグラフである。筐体の温度Ｔが低下し、温度Ｔ3 になった場合（時間：ｔ5 ）、冷却ポンプ４０を作動させる。上述したように冷却ポンプ４０の消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が１０ｍＡ以上になった場合、即ち、温度ＴがＴ1 になり、冷却水が凍り始めたことを検知した場合（時間：ｔ9 ）、ヒータ４５をオンし、通電をオン／オフ制御する。そして、温度Ｔが上昇し、冷却ポンプ４０の消費電流値Ｃ2 と消費電流値Ｃ1 との差が１０ｍＡ未満になった場合、即ち温度Ｔが温度Ｔ1 を超えて氷が溶け始めた場合（時間：ｔ10）、ヒータ４５をオフし、温度ＴがＴ3を超えた場合（時間：ｔ11）、冷却ポンプ４０をオフする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記消費電気量は消費電流値であることを特徴とする。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
本発明においては、消費電気量のパラメータとして消費電流値を用いるので、電流計を使用して容易に冷却水の凝固のタイミングを検知することができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記消費電流値を検出する検出器を備え、前記制御部は、前記ポンプの作動を開始した後、前記検出器により検出した前記消費電流値の第１所定時間毎の変化量に基づいて、前記ヒータの作動又は停止を制御することを特徴とする。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
冷却水が凍っていない場合、負荷は小さく、ポンプの消費電流値は小さい。冷却水が凍り始めると負荷が大きくなり、ポンプの消費電流値が大きくなる。本発明においては、第１所定時間毎に消費電流値の変化量をモニタリングすることで、冷却水の凝固、又は氷の融解のタイミングを正確に検知して、必要とされるタイミングでヒータを作動、又は停止させることができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
本発明においては、ポンプの作動直後の安定していない消費電流値ではなく、第２所定時間経過後の安定したときの消費電流値を、冷却水が凍る前の初期値とするので、より正確に冷却水の凝固のタイミングを検知することができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上述の実施の形態においては、検出する冷却ポンプ４０の消費電気量として消費電流値を適用した場合につき説明しているが、これに限定されるものではなく、電力計又は電圧計を用い、消費電気量として消費電力又は消費電圧を検出する構成にしてもよい。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記消費電気量は消費電流値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記消費電流値を検出する検出器を備え、
前記制御部は、
前記ポンプの作動を開始した後、前記検出器により検出した前記消費電流値の第１所定時間毎の変化量に基づいて、前記ヒータの作動又は停止を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。