(57)【要約】【課題】循環ポンプを強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータの下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータに導いて排出できるようにする。【解決手段】水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における適所に分岐部１０を設け、この分岐部１０と水セパレータ９との間を分岐配管１１によって接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを前記燃料電池スタックのアノード入口側へと循環させるアノード循環ラインと、
前記アノード循環ラインを流れる排出燃料ガスから液水を分離して排出する水セパレータと、を備える燃料電池システムにおいて、
前記水セパレータと前記燃料電池スタックのアノード入口との間の配管に分岐部を設け、当該分岐部と前記水セパレータとの間を分岐配管により接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記分岐部に液水が溜まる水溜り部を設けた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】
前記分岐配管に電磁バルブを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電磁バルブの動作を制御する制御手段を備える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】
前記制御手段は、前記水セパレータと前記燃料電池スタックのアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、当該滞留液水量の推定値が閾値以上となったときに前記電磁バルブを閉状態から開状態へと切換えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの発電量を計測する発電量計測手段を備え、
前記制御手段は、前記発電量計測手段の計測値を用いて前記滞留液水量を推定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックの温度を直接又は間接的に計測するスタック温度計測手段を備え、
前記制御手段は、前記スタック温度計測手段の計測値を用いて前記滞留液水量を推定することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
システム設置環境の温度を計測する環境温度計測手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記スタック温度計測手段の計測値と前記環境温度計測手段の計測値との差を用いて前記滞留液水量を推定す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。
【請求項９】
前記燃料電池スタックのアノード入口に新たに供給される燃料ガスの温度を計測する燃料ガス温度計測手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記スタック温度計測手段の計測値と前記燃料ガス温度計測手段の計測値との差を用いて前記滞留液水量を推定することを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水セパレータと前記燃料電池スタックのアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を計測する滞留液水量計測手段を備え、
前記制御手段は、前記滞留液水量計測手段の計測値が閾値以上となったときに前記電磁バルブを閉状態から開状態へと切換えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックのアノード入口におけるガス流量から前記分岐部における圧力と前記水セパレータにおける圧力との圧力差を推定し、当該推定結果に応じて、前記電磁バルブの開時間を制御することを特徴とする請求項４乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記分岐部における圧力を計測する第１圧力センサと、
前記水セパレータにおける圧力を計測する第２圧力センサとを備え、
前記制御手段は、前記第１圧力センサによる計測値と前記第２圧力センサによる計測値との差に応じて、前記電磁バルブの開時間を制御することを特徴とする請求項４乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記アノード循環ラインに設置され、排出燃料ガスを圧送する循環ポンプを備え、
前記制御手段は、システム停止時に前記電磁バルブを閉状態から開状態へと切換えるとともに前記循環ポンプを一時的に作動させることを特徴とする請求項４乃至１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御手段は、システム起動時に所定時間の間は前記電磁バルブを開状態とすることを特徴とする請求項４乃至１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記電磁バルブとしてノーマルオープンバルブを用いることを特徴とする請求項３乃至１４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、燃料電池スタックから排出された未反応の排出燃料ガスを循環させて再利用するアノード循環型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード（燃料極）側に水素含有の燃料ガス、カソード（酸化剤極）側に空気などの酸化剤ガスを供給し、燃料電池スタック内部で水素と酸素との電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスの利用率を高めるために、燃料電池スタックのアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを燃料電池スタックのアノード入口側へと循環させて再利用するようにした、いわゆるアノード循環型の燃料電池システムが知られている。
【０００３】
ところで、アノード循環型の燃料電池システムでは、燃料電池スタックのアノード出口から排出される未反応の排出燃料ガスが水蒸気を多く含む高湿度ガスであるため、循環の過程で水分が凝縮して液水が発生しやすい。そして、この液水が配管内に滞留すると急激な圧損変動により燃料電池スタックの発電制御に悪影響を与える懸念があり、また、液水の状態で燃料電池スタックに流入するとフラッディング（水詰まり）の要因となるため、通常は、排出燃料ガスが流れるアノード循環ラインに水セパレータを設けて、この水セパレータにより排出燃料ガスから液水を分離して排出させるようにしている。
【０００４】
しかしながら、水セパレータよりも下流側において排出燃料ガス中の水分が凝縮することもあり、この場合、凝縮した液水が配管内に滞留していると、燃料電池スタックへの供給ガス流量増加時などにこの液水が燃料電池スタックに流入してフラッディングを招くことも想定される。このような問題の解決策としては、例えば特許文献１に記載されているように、アノード循環ラインに設けた循環ポンプを強制的に作動させ、滞留している液水を排出燃料ガスとともに水セパレータに導いて、水セパレータにより液水を分離して排出させるといったオペレーションを実施することが考えられる。
【特許文献１】特開２００７−１９４０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、循環ポンプを強制的に作動させて滞留している液水を水セパレータに導いて排出させるといったオペレーションでは、循環ポンプの作動に伴う騒音や振動の発生や、消費電力増大による燃費の悪化などの問題があり、改善が求められている。
【０００６】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、循環ポンプを強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータの下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータに導いて排出させることが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】
【０００７】
本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを燃料電池スタックのアノード入口側へと循環させるアノード循環ラインと、アノード循環ラインを流れる排出燃料ガスから液水を分離して排出する水セパレータと、を備える燃料電池システムにおいて、水セパレータと燃料電池スタックのアノード入口との間の配管に分岐部を設け、当該分岐部と水セパレータとの間を分岐配管により接続した構成とする。このような構成とすることで、水セパレータの下流側で滞留する液水を分岐部から分岐配管を介して水セパレータに導いて排出させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、循環ポンプを強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータの下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータに導いて排出させることができるので、循環ポンプの作動に伴う騒音や振動の発生や、消費電力増大による燃費の悪化などの問題を生じさせることなく、液水を効率よく排出させて、燃料電池スタックでの発電を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［第１の実施形態］
＜構成＞
第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両に搭載されて車両駆動用モータの動力源として用いられるものであり、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１１】
燃料電池スタック１は、燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）と酸化剤ガスが供給されるカソード（酸化剤極）とを電解質を挟んで重ね合わせた発電セルを多段に積層して構成されたものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノードに供給された燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード側にそれぞれ移動する。カソードでは、供給された酸化剤ガス中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成される。このカソード側で発生した生成水は、例えば、アノードとカソードとの間の水蒸気濃度の差による逆拡散現象などによって、一部がカソード側からアノード側へと移動する。
【００１２】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１３】
以上のように、燃料電池スタック１で発電を行うには、この燃料電池スタック１のアノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給する必要があり、そのための機構として、燃料電池システムには燃料ガス供給系および酸化剤ガス供給系が設けられている。また、燃料電池スタック１は動作時の発熱により温度上昇するため適宜冷却して適正な動作温度に保つ必要があり、そのための機構として、燃料電池システムには冷却系が設けられている。
【００１４】
なお、酸化剤ガス供給系および冷却系については、本発明に直接かかわる部分ではないので、ここでは図示及び詳細な説明を省略するが、これら酸化剤ガス供給系および冷却系としては、この種の燃料電池システムにおいて公知の構成がいずれも採用可能である。
【００１５】
燃料ガス供給系は、例えば、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク２を備え、この燃料タンク２から取り出した燃料ガスを、燃料ガス供給ライン３を介して燃料電池スタック１のアノード入口へと供給する構成である。燃料ガス供給ライン３には燃料ガス圧力調整弁４が設けられており、燃料電池スタック１のアノード入口に供給される燃料ガスの圧力や流量は、この燃料ガス圧力調整弁４を制御することで調整される。なお、燃料ガスの供給源としては、燃料タンク２以外にも、例えば改質器を用いて生成した燃料ガスを供給する燃料供給装置など、他の燃料ガス供給源を用いるようにしてもよい。
【００１６】
また、本実施形態の燃料電池システムは、いわゆるアノード循環型の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池スタック１のアノード出口側はアノード循環ライン５に接続されている。アノード循環ライン５は、燃料電池スタック１のアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード入口側へと循環させるものであり、その下流側において燃料ガス供給ライン３と合流して、燃料電池スタック１のアノード入口に接続されている。このアノード循環ライン５には、排出燃料ガスから液水を分離して排出する水セパレータ６と、排出燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード入口側へと圧送する循環ポンプ７とが設けられている。
【００１７】
燃料電池スタック１のアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスは、循環ポンプ７の作動によってアノード循環ライン５を流通し、燃料タンク２から新たに供給される燃料ガスと混合されて、再度、燃料電池スタック１のアノード入口へと供給される。このとき、排出燃料ガスに水蒸気として混合されていた水分が凝縮して液水となると、この液水は水セパレータ６において排出燃料ガスから分離されて、貯留される。水セパレータ６に貯留された液水は、排水バルブ８が開放されることにより水排出配管９からシステム外部に排出される。
【００１８】
なお、ここでは排出燃料ガスを循環させる手段として循環ポンプ７を用いているが、この循環ポンプ７を用いる代わりに、或いはこの循環ポンプ７と併用して、アノード循環ライン５と燃料ガス供給ライン３との合流位置にエゼクタを設置することで、排出燃料ガスを循環させる構成としてもよい。
【００１９】
ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水セパレータ６の下流側で滞留する液水を燃料電池スタック１を迂回させて水セパレータ６に導けるようにするために、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における適所に分岐部１０を設け、この分岐部１０と水セパレータ９との間を分岐配管１１によって接続している。また、分岐配管１１の中途位置には、開閉状態を電気的に制御可能な電磁バルブ１２を設けている。そして、電磁バルブ１２を開状態としたときに、分岐部１０から分岐配管１１を通って水セパレータ６に至る燃料ガスの流れを生じさせ、この燃料ガスの流れにより、水セパレータ６の下流側で滞留する液水が燃料電池スタック１を迂回して水セパレータ６に直接導かれるようにしている。
【００２０】
なお、電磁バルブ１２を開状態としたときには、液水だけでなく燃料ガスも燃料電池スタック１を迂回して水セパレータ６に導かれるため、電磁バルブ１２を必要以上に開状態にすると効率悪化を招くことが懸念される。そこで、電磁バルブ１２は通常は閉状態としておき、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に液水が溜まったと推定されるときのみ電磁バルブ１２を開状態から閉状態に切り換える。この電磁バルブ１２の動作制御については、詳細を後述する。
【００２１】
分岐部１０の位置は、特に一定の場所に限定されるものではなく、排出燃料ガスの循環によって水セパレータ６との間で圧力差が発生する場所であればよいが、液水が燃料ガスの流速で飛ばしにくい、例えば下凸形状となっている部位やＬ字構造の部位などに設けることが効果的である。また、分岐部１０となる配管部位に例えば窪みなどの水溜り部を設けて、液水がこの分岐部１０の水溜り部に溜まりやすくすることも有効である。なお、ここでは、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における一箇所に分岐部１０を設けているが、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における複数箇所に分岐部１０を設けて、各分岐部１０と水セパレータ６とをそれぞれ分岐配管１１により接続する構成としてもよい。また、分岐配管１１としては、アノード循環ライン５の配管や燃料ガス供給ライン３の配管と比べて径の小さい配管を用いることが望ましい。分岐配管１１として径の小さいものを用いれば、滞留している液水を効率よく水セパレータ６に導きながら、分岐配管１１を流れる燃料ガスの流量を抑えることができる。
【００２２】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の温度を計測するスタック温度センサ１３と、外気温（環境温度）を計測する環境温度センサ１４と、燃料タンク２から燃料電池スタック１のアノード入口に新たに供給される燃料ガスの温度を計測する燃料ガス温度センサ１５とが設けられている。そして、これらの各温度センサ１３，１４，１５の計測値が、システム動作を統括的に制御するコントローラ２０によりモニタリングされている。なお、スタック温度センサ１３としては、燃料電池スタック１の温度を直接計測するものに限らず、燃料電池スタック１の温度を間接的に計測するもの、例えば、燃料電池スタック１を冷却する冷却液の温度を計測する温度センサを用いてもよい。
【００２３】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１で発電された電力はコントローラ２０の制御のもとでパワーマネージャ１６により取り出され、燃料電池車両の駆動用モータなどに供給されるが、このパワーマネージャ１６により取り出される電力量、つまり燃料電池スタック１の発電量もコントローラ２０によりモニタリングされている。さらに、アノード循環ライン５に設けられた循環ポンプ７の回転数や、燃料ガス供給ライン３に設けられた燃料ガス圧力調整弁４の開度などもコントローラ２０によりモニタリングされている。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントローラ２０は、通常のシステム動作の制御のほかに、以上の各温度センサ１３，１４，１５の計測値や、燃料電池スタック１の発電量、循環ポンプ７の回転数、燃料ガス圧力調整弁４の開度などのモニタリング結果を用いて、分岐配管１１の中途位置に設けた電磁バルブ１２の動作を制御している。以下、このコントローラ２０による電磁バルブ１２の動作制御の具体例について、詳しく説明する。
【００２５】
＜電磁バルブの動作制御＞
本実施形態では、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いており、通常はこの電磁バルブ１２に通電することで、電磁バルブ１２を閉状態にしている。そして、コントローラ２０は、システム運転中、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、この滞留液水量の推定値が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２への通電を一時的に遮断して電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしている。また、コントローラ２０は、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、その推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御している。また、コントローラ２０は、システム停止時においては、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるとともに、循環ポンプ７を一時的に作動させるようにしている。また、コントローラ２０は、システム起動時においては、所定時間の間は電磁バルブ１２に通電せずに開状態が維持されるようにしている。
【００２６】
<システム運転中の制御ロジック>
図２は、システム運転中における電磁バルブ１２の動作制御の概要を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って、システム運転中における電磁バルブ１２の動作制御の制御ロジックについて、具体的に説明する。
【００２７】
本実施形態では、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定するためのパラメータとして、パワーマネージャ１６の取り出し電流量から分かる燃料電池スタック１の発電量、スタック温度センサ１３により計測される燃料電池スタック１の温度、環境温度センサ１４により計測される環境温度（外気温）、燃料ガス温度センサ１５により計測される供給燃料ガスの温度が用いられる。
【００２８】
通常、燃料電池スタック１の発電量が小さいと燃料電池スタック１において発生する水量も少ないが、アノード循環ライン５で循環される排出燃料ガスの流速も小さいため、配管内に液水が溜まりやすい。すなわち、生成水発生量に対して、液水を配管から飛ばすだけの十分の流速がない条件が、配管に液水が溜まりやすい状態となり、それ以上の発電量になると循環される排出燃料ガスの流速の増大に伴って配管内に溜まる液水量が減少していく。また、燃料電池スタック１のアノード側に発生する水量は、燃料電池スタック１の温度に感度を持っていることが知られている。つまり、燃料電池スタック１の温度が高いほどカソード側で発生した生成水が逆拡散によりアノード側へと多く移動することになり、アノード側における水量が増大する。この関係を図３に示す。
【００２９】
コントローラ２０は、この図３に示す関係を用い、燃料電池スタック１の単位時間当たりの平均発電量、燃料電池スタック１の単位時間当たりの平均温度をモニタリングして、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定する。ここで、本実施形態では、滞留液水量の推定値を排水カウンタのカウンタ値として扱う。つまり、コントローラ２０は、例えば図４に示すように、液水が溜まりやすい条件ほど排水カウンタが加算され、滞留している液水が飛ばされてしまうほどのガス流速となる条件では排水カウンタが減算されるように定めた排水カウンタ加減算マップを用いて、モニタリングしている燃料電池スタック１の発電量および温度に応じて、排水カウンタを加減算していく（図２のステップＳ１）。
【００３０】
また、アノード循環ライン５で循環される排出燃料ガスは高湿度ガスであるため、循環の過程で外気温によって冷やされることで、排出燃料ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水の水量は、排出燃料ガスの温度と外気温（環境温度）との温度差に依存するので、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量も、この排出燃料ガスの温度と外気温（環境温度）との温度差に応じて変動することになる。なお、排出燃料ガスの温度は燃料電池スタック１の温度と同等であることが知られているので、燃料電池スタック１の温度を排出燃料ガスの温度とみなすことができる。そこで、コントローラ２０は、例えば図５に示すように、燃料電池スタック１の温度と外気温との温度差が大きいほど排水カウンタが加算される排水カウンタ加算マップを用いて、スタック温度センサ１３により計測される燃料電池スタック１の温度と、環境温度センサ１４により計測される外気温との温度差に応じて、排水カウンタを加算していく（図２のステップＳ２）。
【００３１】
さらに、高湿度で比較的高温（５０℃から８０℃程度）の状態で循環される排出燃料ガスは、比較的低温の状態で燃料タンク２から新たに供給される供給燃料ガスと混合されて燃料電池スタック１のアノード入口に供給されるので、この供給燃料ガスと混合される際にこの供給燃料ガスによって冷やされることで、排出燃料ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水の水量は、排出燃料ガスの温度と供給燃料ガスとの温度差に依存するので、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量も、この排出燃料ガスの温度と供給燃料ガスとの温度差に応じて変動することになる。なお、排出燃料ガスの温度は、上述したように、燃料電池スタック１の温度で代替することが可能である。そこで、コントローラ２０は、例えば図６に示すように、燃料電池スタック１の温度と供給燃料ガスの温度との温度差が大きいほど排水カウンタが加算される排水カウンタ加算マップを用いて、スタック温度センサ１３により計測される燃料電池スタック１の温度と、燃料ガス温度センサ１５により計測される供給燃料ガスの温度との温度差に応じて、排水カウンタを加算していく（図２のステップＳ３）。
【００３２】
本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２０が以上説明した手法で排水カウンタの加減算を行い、カウンタ値が所定の閾値以上となったとき（図２のステップＳ４でＹＥＳの判定の場合）に、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換える制御を行う（図２のステップＳ５）。これにより、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留している液水が、燃料ガスとともに、分岐部１０から分岐配管１１を介して水セパレータ６へと導かれ、水セパレータ６からシステム外部に排出されることになる。
【００３３】
ここで、電磁バルブ１２を開状態に維持する時間（開時間）は、配管内に滞留している液水が水セパレータ６に到達するまでの所要時間に応じて設定すればよいが、この所要時間は、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差によって変動する。したがって、電磁バルブ１２の開時間は、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差に応じて制御することが望まれる。本実施形態では、コントローラ２０が、循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とから燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量を求め、このアノード入口ガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、この推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしている。図７に、燃料電池スタック１のアノード入口における燃料ガス流量と、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差、電磁バルブ１２の開時間との関係のマップを示す。コントローラ２０は、この図７に示すようなマップを用い、モニタリングしている循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とに応じて電磁バルブ１２の開時間を設定し、電磁バルブ１２をこの設定した開時間の間だけ開状態にした後、電磁バルブ１２を閉状態に戻して、上述した排水カウンタをリセットする（図２のステップＳ６）。
【００３４】
<システム停止時の制御ロジック>
次に、システム停止時における電磁バルブ１２の動作制御の制御ロジックについて説明する。
【００３５】
例えば燃料電池車両が寒冷地に停車した場合などにおいては、燃料電池システムは低温環境下で動作を停止する。このとき、配管内に液水が滞留している状態で動作が停止されると、停止後の放置期間の間にこの滞留した液水が凍結してしまい、次のシステム起動後に適切な排水が行えなくなることも想定される。このため、システム停止時には、滞留液水量が所定の閾値に達していない場合でも、この滞留する液水を水セパレータ６へと導いておくことが望まれる。
【００３６】
そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２０が、システム停止処理の一環として、配管内に滞留している液水を水セパレータ６に導く処理を行うようにしている。具体的には、コントローラ２０は、燃料電池車両のイグニッションスイッチがオフすると、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える。そして、電磁バルブ１２が開いた状態で、循環ポンプ７を一時的に作動させ、配管内に存在する液水を水セパレータ６へと導くのに十分な時間が経過した後、循環ポンプ７の作動を停止させて、排水カウンタをリセットする。
【００３７】
なお、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いた場合、システム停止処理において開状態へと切換えられた電磁バルブ１２は、システム停止後の放置期間の間、開状態が維持される。一方、電磁バルブ１２としてノーマルクローズバルブを用いる場合には、システム停止処理において開状態へと切換えられた電磁バルブ１２は、閉状態へと再度切り換えられることになるが、このときの電磁バルブ１２の開時間は、排水カウンタの値、つまり滞留液水量の推定値に応じて決定すればよい。
【００３８】
<システム起動時の制御ロジック>
次に、システム起動時における電磁バルブ１２の動作制御の制御ロジックについて説明する。
【００３９】
上述したシステム停止処理により、配管内に滞留している液水を排水させてシステムを停止させたとしても、システム停止後の放置期間が長いと、高湿度の状態で放置された排出燃料ガス中の水分が凝縮して、配管内に徐々に液水が溜まっていくことが想定される。その一方で、排水カウンタはシステム停止時にリセットされているので、次のシステム起動時においては、実際の滞留液水量が排水カウンタのカウンタ値から乖離し、滞留液水量の推定精度が悪化することが懸念される。
【００４０】
そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２０が、システム起動時に、所定時間の間は電磁バルブ１２を開状態とする制御を行う。つまり、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いた場合には、システム起動後の所定時間の間、電磁バルブ１２に対する通電は行わずに開状態を維持させるようにする。一方、電磁バルブ１２としてノーマルクローズバルブを用いる場合には、システム起動時に電磁バルブ１２に通電して閉状態から開状態に切り換え、所定時間が経過した後に電磁バルブ１２を閉状態に戻す制御を行う。これにより、システム停止期間中に滞留した液水をシステム起動時に水セパレータ６に導くことができ、その後のシステム運転時における制御において、実際の滞留液水量と排水カウンタのカウンタ値とを整合させて、滞留液水量の推定を精度よく行うことが可能となる。
【００４１】
＜効果＞
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における適所に分岐部１０を設け、この分岐部１０と水セパレータ９との間を分岐配管１１によって接続した構成としているので、水セパレータ９の下流側に滞留している液水を燃料電池スタック１を迂回させて水セパレータ６に導き、水セパレータ６からシステム外部に排出することができる。したがって、配管内の急激な圧損変動を低減できるとともに、燃料電池スタック１内部に液水が流入することに起因したフラッディングの発生を抑制でき、燃料電池スタック１の発電性能を安定化させることができる。さらに、循環ポンプ７を強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータ６の下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータ６に導いて排出させることができるので、循環ポンプ７の作動に伴う騒音や振動の発生や、消費電力増大による燃費の悪化などの問題を有効に回避することができる。
【００４２】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、分岐部１０となる配管部位に例えば窪みなどの水溜り部を設けて、液水がこの分岐部１０の水溜り部に溜まりやすくなる構成とすることにより、液水の排水をさらに効率よく行うことができるととともに、燃料電池スタック１内部に流入する液水量をさらに低減させてフラッディングの発生をより効果的に抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、分岐配管１１に電磁バルブ１２を設置し、コントローラ２０による電磁バルブ１２の開閉制御により、配管内に滞留している液水の排水を制御するようにしているので、液水の排水を効率よく行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０が、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、この滞留液水量の推定値が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしているので、燃料電池スタック１を迂回して分岐配管１１から水セパレータ６へと流れる燃料ガスの流量を必要最小限にとどめながら、効率よく液水の排水を行うことができる。
【００４５】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０が、燃料電池スタック１の発電量、燃料電池スタック１の温度、環境温度（外気温）と燃料電池スタック１の温度から推定される排出燃料ガスの温度との温度差、燃料タンク２からの供給燃料ガスの温度と燃料電池スタック１の温度から推定される排出燃料ガスの温度との温度差、に基づいて、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定するようにしているので、滞留液水量を高精度に推定することができる。
【００４６】
なお、滞留液水量の推定は、必ずしも上述した全てのパラメータに基づいて行う必要はなく、上述したパラメータの少なくとも１つに基づいて行うようにすればよい。滞留液水量を推定するためのパラメータを少なくすれば、滞留液水量の推定精度は低下するものの、コントローラ２０による処理負荷を低減できるという利点が得られる。
【００４７】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０が、循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とから燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量を求め、このアノード入口ガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、この推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしているので、燃料電池スタック１を迂回して分岐配管１１から水セパレータ６へと流れる燃料ガスの流量を必要最小限にとどめながら、効率よく液水の排水を行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、システム停止時には、コントローラ２０が循環ポンプ７を一時的に作動させるとともに電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換えて、配管内に滞留している液水を水セパレータ６に導く処理を行うようにしているので、停止後の放置期間の間に配管内に滞留した液水が凍結してしまい、次のシステム起動後に適切な排水が行えなくなるといった不都合を有効に抑制することができる。
【００４９】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０がシステム起動後の所定時間の間は電磁バルブ１２を開状態のままで維持するようにしているので、システム停止後の放置期間の間に滞留する液水をシステム起動時に排水することができ、その後の滞留液水量の推定も正確に行うことができる。
【００５０】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いるようにしているので、例えば、寒冷地などの低温環境下でのシステム起動後時に電磁バルブ１２が凍結閉固着して開状態に切換えられなくなる不都合を有効に抑制することができる。
【００５１】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電磁バルブ１２の開時間を制御する手法が第１の実施形態と異なるものである。すなわち、上述した第１の実施形態では、循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とから燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量を求め、このアノード入口ガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、この推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしているが、本実施形態では、分岐部１０の圧力と水セパレータ６内部の圧力とを計測し、これら計測した分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしている。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図８に示す。本実施形態の燃料電池システムでは、図８に示すように、分岐部１０における圧力を計測する第１圧力センサ１７と、水セパレータ６内部の圧力を計測する第２圧力センサ１８とが設けられている。そして、これら第１圧力センサ１７および第２圧力センサ１８の計測値が、コントローラ２０によりモニタリングされている。
【００５３】
コントローラ２０は、システム運転中における電磁バルブ１２の動作制御として、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える制御については第１の実施形態と同様の制御を行い、電磁バルブ１２の開時間を制御する際に、第１圧力センサ１７により計測される分岐部１０の圧力と第２圧力センサ１８により計測される水セパレータ６内部の圧力との圧力差を求め、その圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御する。
【００５４】
図９に、分岐部１０と水セパレータ６内部の圧力差と、電磁バルブ１２の開時間との関係のマップを示す。コントローラ２０は、この図９に示すようなマップを用い、第１圧力センサ１７により計測される分岐部１０の圧力と第２圧力センサ１８により計測される水セパレータ６内部の圧力との圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を設定し、電磁バルブ１２をこの設定した開時間の間だけ開状態に制御する。なお、ここでは、第１圧力センサ１７の計測値と第２圧力センサ１８の計測値との差分から分岐部１０とセパレータ６内部との圧力差を求めるようにしているが、差圧センサなどを用いて分岐部１０とセパレータ６内部との圧力差を直接計測することも可能である。
【００５５】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、分岐部１０の圧力と水セパレータ６内部の圧力とを計測してその圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしているので、電磁バルブ１２の開時間をより正確に制御することができ、液水の排水をさらに効率よく行うことができる。
【００５６】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える制御の手法が第１の実施形態と異なるものである。すなわち、上述した第１の実施形態では、燃料電池スタック１の発電量と、燃料電池スタック１の温度と、環境温度（外気温）と、供給燃料ガスの温度とをパラメータとして用い、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、推定した滞留液水量が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしているが、本実施形態では、滞留液水量を実際に計測して、計測した滞留液水量が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしている。
【００５７】
本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１０に示す。本実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態で説明したように、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内で液水が滞留しやすい部位に分岐部１０を設ける、或いは分岐部１０に水溜り部を設けて液水が溜まりやすくすることを前提としている。そして、本実施形態の燃料電池システムでは、図１０に示すように、分岐部１０に水位センサ１９を設け、この水位センサ１９によって滞留液水量を計測できるようにしている。この水位センサ１９の計測値は、コントローラ２０によってモニタリングされている。
【００５８】
コントローラ２０は、システム運転中に水位センサ１９の計測値を常時モニタリングし、この水位センサ１９の計測値が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える。なお、水位センサ１９の代わりに水面検知スイッチを設け、分岐部１０の水位が上昇して水面検知スイッチがオンしたときに、コントローラ２０が電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換えるようにしてもよい。また、電磁バルブ１２の開時間については、上述した第２の実施形態のように、第１圧力センサ１７により計測される分岐部１０の圧力と第２圧力センサ１８により計測される水セパレータ６内部の圧力との圧力差に応じて制御するようにしてもよいし、第１の実施形態のように、燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしてもよい。
【００５９】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、滞留液水量を実際に計測して、計測した滞留液水量が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしているので、滞留液水量に応じた電磁バルブ１２の開閉制御をより高精度に行うことができ、液水の排水をさらに効率よく行うことができる。
【００６０】
以上、本発明を適用した燃料電池システムの具体例として第１乃至第３の実施形態を例示して説明したが、以上の各実施形態は本発明の一適用例であり、本発明の技術的範囲が以上の各実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】システム運転中における電磁バルブの動作制御の概要を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池スタックの発電量および燃料電池スタックの温度と滞留液水量との関係を示す図である。
【図４】図３に対応した排水カウンタの加減算マップを示す図である。
【図５】燃料電池スタックの温度と外気温との温度差に対応した排水カウンタの加算マップを示す図である。
【図６】燃料電池スタックの温度と供給燃料ガスの温度との温度差に対応した排水カウンタの加算マップを示す図である。
【図７】燃料電池スタックのアノード入口における燃料ガス流量と、分岐部と水セパレータ内部との圧力差、電磁バルブの開時間との関係のマップを示す図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図９】分岐部と水セパレータ内部の圧力差と、電磁バルブの開時間との関係のマップを示す図である。
【図１０】第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池スタック
５  アノード循環ライン
６  水セパレータ
７  循環ポンプ
１０  分岐部
１１  分岐配管
１２  電磁バルブ
１３  スタック温度センサ（スタック温度計測手段）
１４  環境温度センサ（環境温度計測手段）
１５  燃料ガス温度センサ（燃料ガス温度計測手段）
１６  パワーマネージャ（発電量計測手段）
１７  第１圧力センサ
１８  第２圧力センサ
１９  水位センサ（滞留液水量計測手段）
２０  コントローラ（制御手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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