(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、燃料電池スタックの運転状態を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの共振周波数を検出し、
水つまりを生じていない負荷運転時の燃料電池スタックの共振周波数を基準値として設定し、
前記検出した共振周波数を前記基準値と比較し、
前記燃料電池スタック内の水つまりを判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記検出した共振周波数が前記基準値の範囲内にないときに前記燃料電池スタック内で水つまりが生じていると判断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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、システムの起動性を改良するために、例えば、特界平８−２７３６８９号公報に記載の技術がある。これは、水配管系統に沿って排ガス導入経路を設け、燃料電池システム起動時に改質装置の加熱器でのメタノールの燃焼で生じる排ガスを利用し、水配管系等が凍結したときに水配管系統を加熱、解凍し、燃料電池システムの起動性を向上するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術では、起動時に燃料電池のガス流路あるいはガス拡散層の凍結等による水つまりを検出することができないという問題がある。そのため、水つまりが生じているときに燃料電池の稼動が開始されると、燃料電池の起動性が著しく低下するとともに、燃料ガスの燃費が低下するという問題が生じる。
【０００４】
そこで本発明の目的は、燃料電池の共振周波数を検出し、この検出した共振周波数と基準値との比較から燃料電池スタックの水つまりを判断する燃料電池システムを提供することである。
【０００５】
第１の発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの運転状態を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの共振周波数を検出し、水つまりを生じていない負荷運転時の燃料電池スタックの共振周波数を基準値として設定し、前記検出した共振周波数を前記基準値と比較し、前記燃料電池スタック内の水つまりを判断する。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記検出した共振周波数が前記基準値の範囲内にないときに前記燃料電池スタック内で水つまりが生じていると判断する。
【０００９】
第１と２の発明では、燃料電池スタックの共振周波数を検出して、この検出した共振周波数と基準値とを比較し、検出した共振周波数が基準値の範囲内にないときに燃料電池スタック内に水つまりが生じていると判断するので、容易に燃料電池スタック内の水つまりを検出することができる。
また、水つまりを生じていない負荷運転時の燃料電池スタックの共振周波数を基準値として設定することにより、燃料電池システムの起動時に限らず、所望の燃料電池スタックの運転時に燃料電池スタックの水つまりを判断することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用される燃料電池システムの一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１を参照すると、本燃料電池システムは気化した燃料と水とを基にして水素リッチな改質ガスを生成する改質器４と、改質ガス中の一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）を所定濃度以下に低減するＣＯ除去装置５と、ＣＯ除去装置５から供給される改質ガスとコンプレッサ７から供給される空気とに基づき発電する燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）２と、燃料電池２から排出される排水素と排空気とを燃焼する燃焼器１と、燃焼器１からの燃焼ガスの熱を用いてタンクから供給される燃料と水とを気化し、この気化燃料と蒸気を改質器４に供給する蒸発器３とを備えている。燃料と水を気化した燃焼ガスは蒸発器３から外部に排出される。
【００１４】
本実施形態の燃料電池システムは更に燃料電池２の発電に必要な水素を供給する水素貯留装置であるボンベ１０をも備える。ボンベ１０から供給される水素は燃料電池２の発電に使用されうる十分高濃度の水素であり、言い換えると水素中の一酸化炭素は低濃度に管理されている。
【００１５】
なお、前記水素貯留装置としては、前記ボンベ１０に限るものではなく、水素貯蔵合金等を備えた水素貯留装置を用いてもよい。
【００１６】
ボンベ１０と燃料電池２との間にはボンベ１０からの水素を調圧する調圧弁１１と、ボンベ１０からの水素の供給を制御する切換弁１５を備えている。さらにボンベ１０に図示しない外部から水素を補充する際に開く開閉弁１２を備える。またＣＯ除去装置５と燃料電池２との間には改質ガスの燃料電池２への供給を制御する切換弁１６が備えられる。
【００１７】
図２は、本発明の燃料電池２内での水つまりを検出するための構成を示した図である。本発明の燃料電池２は、固体高分子電解質膜と、燃料極としてのアノードと、酸化剤極としてのカソード、及び触媒とからなる単セルを積層上に構築したスタック構造で形成されている。燃料電池２には、燃料電池２の運転を制御する制御装置１７が接続されており、制御装置１７は、燃料電池２を構成する単セルの少なくとも一つの共振周波数と周波数特性を検出する検出器１８と、基準の共振周波数と周波数特性の信号を記憶する記憶器１９と、検出した共振周波数と基準共振周波数と比較する比較器２０とからなる。さらに検出器１８は、その信号に基づき、燃料電池２の少なくとも一つの単セルを共振させる加振手段２１を制御する。
【００１８】
次に作用を説明する。
【００１９】
本発明は、燃料電池２内の図示しないガス流路、ガス拡散層に水つまりが生じた場合に燃料電池２、または燃料電池２を構成する単セルの共振周波数が変化することに着目し、正常時の共振周波数との比較により、ガス流路、ガス拡散層内の水つまりを検出するものである。
【００２０】
図３は周波数特性の一例を示しており、図４には、請求項１と２に対応する制御装置１７が実施する制御内容を説明するフローチャートを示す。
【００２１】
図４によると、例えば、検出器１８の指示信号により加振手段２１が燃料電池２の例えば一つの単セルのアノードに振動、音波等により加振し、そのときの共振周波数ｆを検出器１８が検出する。この検出信号が比較器２０に送られて、予め記憶器１９に記憶された共振周波数範囲（図３のｆ0ａからｆ0ｂの範囲）と検出された共振周波数ｆとが比較される。この共振周波数範囲は図３にｆ0ａからｆ0ｂで示されるように正常時の共振周波数ｆ0を基準として許容できる水つまりレベルから設定した記憶器１９に予め記憶された周波数範囲である。この共振周波数範囲は例えば、燃料電池２の運転負荷毎に設定、記憶してもよい。
【００２２】
検出された共振周波数ｆが共振周波数範囲内にあるかどうかを比較器２０で比較、判定し、共振周波数範囲内にないときに燃料電池２のガス流路、ガス拡散層内に水つまりが発生していると判断する。
【００２３】
図５は第２の実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートである。構成は第１の実施形態と同様である。この実施形態は、請求項３に対応するもので、第１の実施形態と同様にして水つまりを判断した後、水つまりと判断された場合に、水つまり運転モードを選択する。水つまり運転モードは、制御装置１７が燃料電池２に供給される燃料ガス、酸化剤ガスの流量等を制御して水つまりを解消するように燃料電池２を制御する運転モードである。例えば、燃料電池２の起動時にガス流路内の水が凍結して水つまりが生じているときには、燃料ガスの供給を中止し、燃料電池２を所定のシーケンスに従い、徐々に燃料電池２の温度を上昇させて、ガス流路内の氷を解凍し、燃料電池２での正常な発電が行える状態となった後に燃料ガスを供給するような制御が行える。したがって、燃料電池システムの起動時の起動性を向上することができるとともに、燃料ガスの供給を最適化し、燃料ガスの燃費を改善し、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００２４】
図６に示す第３の実施形態は、図２に示す第１の実施形態の構成に追加して燃料電池２の運転状態を表示する表示器２２を設け、比較器２０からの信号により燃料電池２の水つまりの状態を表示器２２に表示するようにしたものである。表示器２２を設置することで、燃料電池２の水つまり状況を把握することが容易にできる。また水つまりを判断する基準として、軽微の水つまりが生じていると判断される共振周波数範囲（ｆ0ａからｆ0ｂ）を用い、この周波数範囲に検出した共振周波数ｆが入るときには、表示器２２を用いて運転者等に注意の指示を出すようにしてもよい。
【００２５】
図７は第４の実施形態の構成図を示し、図８は同じく第４の実施形態において制御装置１７が実施する制御内容を説明するフローチャートである。この実施形態は、記憶器１９から燃料電池２を共振させる信号を出力させるとともに、燃料電池２からの共振周波数ｆの信号を入力するようにした構成である。
【００２６】
この構成は、請求項４に対応し、燃料電池２が水つまりを起こしていない、所定の発電出力を発生している燃料電池の稼動時に記憶器１９からの指示信号により、燃料電池２を加振して共振周波数ｆを検出し、記憶器１９に基準共振周波数ｆ0として記憶しておく。このとき記憶器１９からの指示信号は検出器１８からの指示信号と同じ信号でよい。
【００２７】
水つまり判断時には、判断時の共振周波数ｆと、燃料電池２の稼動後に記憶した基準共振周波数ｆ0に基づき設定した共振周波数範囲（ｆ0ａからｆ0ｂ）とを比較し、水つまりの判断を行う。この場合には、燃料電池２が実際に水つまりを起こしていない安定稼動状態での共振周波数ｆを基準共振周波数ｆ0として設定でき、より精度よく燃料電池２の水つまりを判断できる。
【００２８】
なお、本実施形態では、所定の発電出力時の共振周波数を基準としたが、これに限らず、例えば、起動後所定時間経過後の共振周波数や、燃料電池２が所定の温度にあるときの共振周波数を基準としてもよい。
【００２９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を用いた燃料電池システムの構成図である。
【図２】同じく燃料電池の構成図である。
【図３】同じく周波数特性の一例である。
【図４】同じく制御内容を説明するためにフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態で実施される制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態としての燃料電池の構成図である。
【図７】本発明の第４の実施形態としての燃料電池の構成図である。
【図８】同じく第４の実施形態で実施される制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２  燃料電池
１７  制御装置
１８  検出器
１９  記憶器
２０  比較器
２１  加振手段
【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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