(57)【要約】【課題】水タンク内の水量が少量となるよう制御することにより、水タンク内水の解凍時間の短縮や、解凍エネルギの節約を図る。【解決手段】外気温が低い場合には、凝縮器５１による水回収能力が高くなる。この場合には、適宜、水タンク５３内に水補給可能であるため、水タンク５３内水量を低く設定することができる。この水タンク５３の水量を調整するため、空冷ファン５１１の回転数を制御し、凝縮器５１の水回収能力を調整する。この様に、水タンク５３内の水量を少なくすることにより、凍結時の解凍に費やすエネルギと時間を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池を導電性のあるセパレータを介して積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池の酸素極に接触して空気が流通する空気流通路と、
前記燃料電池スタックに対して供給される冷却水を蓄える貯水手段と、
外気温を検出する外気温検出手段と、
前記貯水手段内の水量を検出する水量検出手段と、
前記空気流通路において燃料電池の下流側に設けられ、燃料電池から排出される空気から水を回収し前記貯水手段へ回収した水を供給する水回収手段と、
前記水回収手段による回収水量を調節する回収水量調節手段と、
前記外気温検出手段で検出された外気温と、前記水量検出手段で検出された水量とに基づき、前記回収水量調節手段の回収水量を調節することにより前記貯水手段の水量を調節する貯水量調節手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記貯水量調節手段は、外気温が高い程、前記貯水手段の水量を多く、外気温が低い程、前記貯水手段の水量を少なく設定する請求項１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】
この発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、燃料電池システム内の水の貯水量を調整可能な燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、発電時に発生する反応熱を排出するとともに、イオン交換膜を湿潤させるため、水を酸素極に供給する方式のものがある。このような方式では、水をタンク内に収容し、タンク内の水を燃料電池スタックへ霧状にして吹きかけ、さらに吹きかけられた水をタンクに回収して循環させることにより、燃料電池スタックを冷却する構成が採られている。  
上記構成において使用される水は、寒冷地では凍結する恐れがあり、水の凍結による燃料電池装置の破損防止や、凍結した水を、始動時に解凍するためのエネルギーを節約する目的から、下記特許文献１に示されているように、発電運転終了時には、タンクや配管内にある水を全て排出するといった燃料電池装置が提案されていた。
【特許文献１】特開平１１−２７３７０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来の燃料電池装置では、多量の水が外部に排出されるため、排出された水が、凍結する恐れがある。また、従来の燃料電池装置は、定位置に設置されて使用されるため、予め排水を処理する設備を整えることが可能である。しかし、車両等の移動体に搭載される燃料電池装置では、駐車される場所は特定の場所とは限らず、排水設備の整っていない場所も多数あり、その様な場所では、車両が駐車される場所が排水によって汚されるといった問題が生じる。  
また、発電終了時に水を排出しない場合には、始動する際に凍結した水を解凍するためにエネルギが必要となり、システム全体のエネルギ効率が悪化する。また、解凍時間は水を循環させることができず、燃料電池を発電駆動させるまでの準備時間が長くなり、利便性を欠くといった問題もあった。
【０００４】
この発明は、水タンク内の水量が少量となるよう制御することにより、水タンク内水の解凍時間の短縮や、解凍エネルギの節約を図ることのできる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】
【０００５】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。  
(１)  複数の燃料電池を導電性のあるセパレータを介して積層した燃料電池スタックと、  前記燃料電池の酸素極に接触して空気が流通する空気流通路と、  前記燃料電池スタックに対して供給される冷却水を蓄える貯水手段と、  外気温を検出する外気温検出手段と、  前記貯水手段内の水量を検出する水量検出手段と、  前記空気流通路において燃料電池の下流側に設けられ、燃料電池から排出される空気から水を回収し前記貯水手段へ回収した水を供給する水回収手段と、  前記水回収手段による回収水量を調節する回収水量調節手段と、  前記外気温検出手段で検出された外気温と、前記水量検出手段で検出された水量とに基づき、前記回収水量調節手段の回収水量を調節することにより前記貯水手段の水量を調節する貯水量調節手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【０００６】
(２)  前記貯水量調節手段は、外気温が高い程、前記貯水手段の水量を多く、外気温が低い程、前記貯水手段の水量を少なく設定する上記（１）に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、空気流通路から水回収手段が回収した水は貯水手段に供給され、冷却水として燃料電池スタックへ再度供給される。水回収手段による水の回収能力は、外気温が低い程高くなるので、貯水手段に供給できる水量は、外気温に応じて変化する。水回収手段の水供給能の変化に応じて、貯水手段の水量を適正な量に調整することにより、余剰分の水を貯水手段内に溜めておくことが抑制され、最小量の水量を貯水手段内に残すことが可能となる。このように、貯水手段内に残っている水の量が少なくなっているので、凍結した場合の解凍エネルギの節約と、解凍までの時間を短縮することが可能となる。  
請求項２記載の発明によれば、外気温が低い程、水の回収効率が高くなるので、貯水手段に溜めておく必要のある水は、少量で済むこととなり、凍結した水を解凍する時のエネルギを節約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】
【０００８】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成例を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【０００９】
燃料電池スタック１００は、燃料電池を構成する膜−電極接合体（単位セル）とセパレータ（集電体）とを積層して構成され、積層された燃料電池の燃料極に燃料ガスとしての水素を、酸化極に酸化ガスとしての空気を供給し、固体高分子電解質層を介して発電反応を生じさせ、発電させる。以下、燃料電池スタック１００の構成について説明する。図２は、燃料電池スタック１００を構成するセパレータと膜−電極接合体の積層構成を示している。図３は、図２に示される積層構成の上面図である。固体高分子電解質層１５ａが酸素極１５ｂ及び燃料極１５ｃで挟持され、膜−電極接合体１５が形成されている。表裏面にリブ３２、４２を有するカーボンバイポーラープレート３ａのリブ３２、４２が金属多孔体３ｂ、３ｃに熱圧着され、カーボンバイポーラープレート３ａと金属多孔体３ｂ、３ｃが一体化されて、セパレータとしての集電体１３が形成されている。集電体１３の金属多孔体側が、膜−電極接合体１５の酸素極側及び燃料極側に当接されている。また、リブ３２、３２の間の空間によって水素流路３０２が形成され、リブ４２、４２の間の空間によって空気流路４０が形成される。図２では、空気流路４０中の空気は上下方向に流れ、水素流路３０２中の水素は、図面に対し垂直方向に流れている。図３では、リブで仕切られた空気流路４０中の空気が、図に対し垂直方向に流れ、水素流路３０２中の水素は、図の左右方向に流れている。空気流路４０中の空気及び水素流路３０２中の水素は、金属多孔体３ｂ、３ｃを通過し、酸素極１５ｂ及び燃料極１５ｃに到達する。酸素極１５ｂに供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。
【００１０】
空気流路４０には、空気とともに、後述する噴射ノズル５５から噴射された霧状の水が流入し、酸素極１５ｂを湿潤状態に維持させるとともに、潜熱冷却により燃料電池スタック１００の温度上昇が抑制される。水素流路３０２には、ガス取入口２０１ＢＩＮから供給された燃料ガスとしての水素が流通し、水素流路３０２を通過した水素は、ガス排出口２０２ＯＵＴから排出される。
【００１１】
燃料供給系１０の構成について、説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＢＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素充填用開閉弁１８、一次センサＳ０、レギュレータ２１、水素供給電磁弁２２、二次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂは、燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＢＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、トラップ２４に接続されている。トラップ２４には、循環流路２０４の一端と、ガス導出路２０３の一端がそれぞれ接続されている。ガス導出路２０３の他端は、後述する空気排出路１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００１２】
循環流路２０４の他端は、外気流入路２０６に接続されている。循環流路２０４には、循環ポンプ２５と、循環電磁弁２６が設けられており、循環ポンプ２５と循環電磁弁２６の間には、減圧排出路２０５の一端が接続されている。減圧排出路２０５の他端は、空気排出路１２４内に開口した減圧排出口２０５ＯＵＴとなっており、さらに減圧排出路２０５には、減圧電磁弁２３が設けられている。外気流入路２０６の他端は、外部に開口し、開口側からフィルタ２９、外気導入電磁弁２８の順に設けられている。燃料ガス供給流路２０１Ｂ、ガス排出流路２０２、循環流路２０４、外気流入路２０６により、ガスの循環経路が形成される。
【００１３】
燃料電池システム１の駆動停止時には、水素供給電磁弁２２、循環電磁弁２６、排気電磁弁２７、外気導入電磁弁２８が閉じられ、減圧電磁弁２３が開放される。そして、循環ポンプ２５を駆動させることにより、燃料電池スタック１００内の水素流路３０２（燃料室）内のガスを吸引し、減圧排出口２０５ＯＵＴから排出する。内部気圧をセンサＳ２で検出し、所定値（負圧）以下となった時点で、減圧電磁弁２３を閉じ、外気導入電磁弁２８を開放することにより、外気を水素流路３０２内に流入させ、水素を空気に置換する。
【００１４】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、外気湿度検出手段としての外気湿度センサＳ１０、外気温検出手段としての外気温度センサＳ６、空気ファン１２２、ヒータＨ、空気入口温度センサＳ５、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の鉛直上側に設けられ、その内部には、冷却水を噴射するノズル５５が設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の各空気流路４０に空気を分割して流入させる。
【００１５】
空気排出路１２４は、燃料電池スタック１００の空気流路４０の排出側（下側）に接続され、空気流路４０から流出した空気を合流させ、外部へ導流する。空気排出路１２４には、熱交換を促進する空冷ファン５１１が取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。水回収手段である凝縮器５１は、空気と水分を分離する。また、ノズル５５から供給された水も、ここで、回収される。空気排出路１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００の温度が間接的に検出される。なお、凝縮器５１には、回収水量調節手段としての空冷ファン５１１が設けられており、外気を凝縮器５１内に取り入れて、燃料電池スタック１００から排出された空気と外気とを熱交換させる構成となっている。空冷ファン５１１によって取り入れた外気は、さらに凝縮器５１の外側に排出される。空冷ファン５１１の回転数を調節することによって、凝縮器５１の水回収能力が調節される。即ち、空冷ファン５１１の回転数を上げることで、水回収能力が上がり、回転数を下げることで、水回収能力が下がる。空気導入路１２３、空気流路４０、空気排出路１２４によって、空気流通路が構成される。
【００１６】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段である水タンク５３と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３へ導く導水路５２と、水タンク５３の水を水供給ポンプ６１の吸引口へ導く給水路５６と、水供給ポンプ６１の吐出口と噴射ノズル５５とを接続する排出路５６１とを有する。導水路５２には、回収ポンプ６２が設けられている。給水路５６には、フィルタ６４、送水手段である水供給ポンプ６１が順に設けられ、排出路５６１には水供給電磁弁６３１と噴射ノズル５５とが順に設けられている。
【００１７】
給水路５６には、外気取入路５４が接続され、該導入路５４には、外気取入電磁弁６５が設けられている。水タンク５３には、水温センサＳ７と、水量検出手段であるタンク水量センサＳ８が設けられている。水タンク５３には、水タンクヒータ５３Ｈが設けられ、水タンク５３内の水が凍結した場合には、該水タンクヒータ５３Ｈで解凍する。凝縮器５１と、導水路５２と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。凝縮器５１には、冷却風としての外気の温度を検出する冷却風温度センサＳ１１と、同じく冷却風としての外気の湿度を検出する冷却風湿度センサＳ１２が設けられている。
【００１８】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してリレー７２、７２に接続され、さらに、リレー７２、７２は、インバータ７３を介してモータ７４に接続されている。また、インバータ７３には、出力制御装置７５を介して補助電源７６が接続されている。
【００１９】
この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。図１に示されるように、燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０、Ｓ２〜Ｓ１２の検出値が入力され、レギュレータ２１、各電磁弁２２、２３、２６〜２８、６３１、６３２、６５、各ポンプ２５、６２、６１、ファン１２２、ファン５１１の回転数、ヒータＨ、水タンクヒータ５３Ｈ、インバータ７３、出力制御装置７５を制御する制御装置（ＦＣ  ＥＣＵ）２００を備えている。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータ７４の駆動や停止の指示信号が入力される。
【００２０】
以下、本発明の燃料電池システム１の作用について説明する。図４は、燃料電池システム１の駆動終了時の動作を示すフローチャートである。燃料電池システム１の発電起動（駆動開始）を意味する車両のイグニッションスイッチＯＮ操作を検出すると（ステップＳ１０１）、燃料電池システム１の起動処理（ステップＳ１０３）が開始される。  
この起動処理は、例えば、既述のような、燃料電池スタック１００の水素流路３０２から置換ガス(空気)を排出し、水素に置換する動作などが行なわれる。
【００２１】
上記起動処理（ステップＳ１０３）に平行して、また、通常発電駆動時において、下記ステップＳ１０５〜Ｓ１１９で示される、水量制御処理が実行される。  
水温センサＳ７によって水タンク５３内の水温Ｔ３を検出し、この水温が設定温度より高いか否か判断する（ステップＳ１０５）。このステップは、水が凍結しているか否かを判断するものである。したがって、設定温度よりも低い場合には、解凍する必要があるため、ヒータ５３Ｈをオンし、設定温度よりも高くなるまで水を温める。  
水温Ｔ３が設定温度以上となった場合には、外気温センサＳ６又はＳ１１によって外気温Ｔ１を、外気湿度センサＳ１０又はＳ１２によって外気湿度Ｈ１を、水量センサＳ８によって水タンク５３の水量を、それぞれ検出する（ステップＳ１０９）。
【００２２】
次に、図５に示されているマップに基づき、水タンク５３内に溜められる水量を決定する（ステップＳ１１１）。図５は、検出された外気温Ｔ１から水量を決定するマップである。外気温が摂氏Ａ度以下の場合には、水量はＬ０に維持される。これは、水を噴射ノズル５５から噴射してから水タンク５３に水が回収されるまでの時間遅れに対して、水タンク５３の水が不足しない程度の量である。また、最高値Ｌ１は、凝縮器５１による水の回収量が最も低い場合に設定される量である。
【００２３】
さらに、図５のマップ中のグラフ線Ｎ０は、外気湿度の年間平均値である場合の外気温と水量の関係を示すものである。外気温が低くなるに応じて、凝縮器５１により回収される水の量は多くなるので、水タンク５３内の水量は少なく設定することができる。これは、必要に応じて、水タンク５３に、水を補給することが可能であるからである。このため、図５のマップ中のグラフ線Ｎ０は、外気温が低くなるに従って、水量は少なくなるよう設定されている。
【００２４】
外気湿度が、平均値よりも湿度が高い場合には、回収量が平均湿度の場合よりも多く見込まれるので、水タンク５３内の水量は少な目に設定されるよう下側のグラフ線Ｎ２が採用される。同様に、外気湿度が平均値よりも低い場合には、回収量が平均湿度の場合よりも少なく見込まれるので、水タンク５３内の水量は多目に設定されるよう上側のグラフ線Ｎ１が採用される。これらの湿度に応じたグラフ線は、検出される湿度値に応じて複数設定されていてもよい。グラフ線Ｎ０は、必ずしも直線である必要はなく、曲線、或いは段階的に水量を変化させる構成であってもよい。このように、外気湿度が高い程、水の回収効率が高くなるので、貯水手段に溜めておく必要のある水は、さらに少量で済むこととなり、凍結した水を解凍する時のエネルギを一層節約することが可能となる。
【００２５】
ステップＳ１１１で決定された設定水量に対して、ステップＳ１０９で検出された水量が少ないか否か判断する（ステップＳ１１３）。少ない場合には、水タンク５３内の水量を増やす必要があるので、水の回収量を増やすため、水の回収能力を上げる（ステップＳ１１５）。具体的には、凝縮器５１の空冷ファン５１１をオンする。既にオンしている場合には、回転数を上げ、冷却風の風量を上げて冷却能力を上げる。これにより、凝縮器５５で回収される水の量が上がり、水タンク５３内の水量が増加する。
【００２６】
水タンク５３内の水量が設定水量よりも多い場合には、水タンク５３内の水量を減らすことができるので、水の回収量を減らすため、水の回収能力を下げる（ステップＳ１１７）。具体的には、凝縮器５１の空冷ファン５１１をオフする。又は、回転数を下げ、冷却風の風量を下げて冷却能力を下げる。これにより、凝縮器５５で回収される水の量が下がり、噴射ノズル５５から排出された水の一部は外気と共に外部に排出され、水タンク５３内の水量が減少する。なお、ステップＳ１１５、Ｓ１１７での、空冷ファン５１１の回転数制御は、検出した水量と設定値との差の大きさに応じて変更してもよい。このように、水回収手段は、空冷式凝縮器であるので、空冷ファンの回転数を制御することによって、容易に水の回収量を制御することができる。
【００２７】
次に、発電停止操作としてのイグニッションスイッチＯＦＦ操作がされたか否か判断する（ステップＳ１１９）。発電停止操作がなされていない場合には、ステップＳ１０９〜Ｓ１１７の動作が繰り返され、外気温と外気湿度に応じて、水タンク５３内の水量が調節される。ステップＳ１０９〜Ｓ１１７によって、貯水量調節手段が構成される。  
発電停止操作がなされた場合には、水タンク５３内の水量調節制御は終了し、燃料電池を停止する処理が開始される（ステップＳ１２１）。この時点で、停止操作時点での外気温に応じた水量が水タンク５３内に溜められており、従来の水量Ｌ１より少ない量の水が水タンク５３内に溜められることとなる。凍結した場合には、より少ないエネルギで解凍することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックを構成するセパレータと膜−電極接合体の積層構成を示す内部透視斜視図である。
【図３】図２に示される積層構成の上面図である。
【図４】燃料電池システムの駆動終了時の動作を示すフローチャートである。
【図５】外気温と水タンクの水量の設定値との関係を示すマップである。
【符号の説明】
【００２９】
１ 燃料電池システム
１００ 燃料電池スタック
１２ 空気供給系
１２２ 空気ファン
１２３ 空気導入路
１２４ 空気排出路
５３ 水タンク
５５ 噴射ノズル
５５２ 第２排出口
５１ 凝縮器
５１１ 空冷ファン
６１ 水供給ポンプ
Ｓ６ 外気温センサ
Ｓ８ 水量センサ
Ｓ１０ 外気湿度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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