JP2004111142A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスが、燃料電池から排出される水を回収する水回収タンクから排出されたとしても、この燃料ガスのシステム外部への排出を防止する。
【解決手段】燃料電池１の燃料極から排出される水を回収する燃料系水回収タンク１９を設けるとともに、燃料電池１の空気極から排出される水を回収する空気系水回収タンク１３を設ける。空気系水回収タンク１３の下流側には、燃料系水回収タンク１９から排出される燃料ガスを空気とともに燃焼させる燃焼器３５を設ける。コントローラ７が、燃料系水回収タンク１９内の水を排出すると判断したときに、燃料系水排出バルブ２３を開弁して、回収水を排出する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池１の燃料極から排出される水を回収する燃料系水回収タンク１９を設けるとともに、燃料電池１の空気極から排出される水を回収する空気系水回収タンク１３を設ける。空気系水回収タンク１３の下流側には、燃料系水回収タンク１９から排出される燃料ガスを空気とともに燃焼させる燃焼器３５を設ける。コントローラ７が、燃料系水回収タンク１９内の水を排出すると判断したときに、燃料系水排出バルブ２３を開弁して、回収水を排出する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料極から排出される水を回収する水回収タンクを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の電解質として広く用いられている固体高分子膜にイオンの透過性を持たせるためには、固体高分子膜を適度に加湿しておく必要がある。そのため、燃料ガスと、酸化剤ガスとして用いる空気は、適度に加湿した状態で燃料電池に供給する。また、燃料電池では水素と酸素の電気化学反応で水が生成される。その結果燃料電池から排出されるガスは多量の水分を含む。
【０００３】
このため従来では、燃料電池の排出ガス流路内に、生成された水を回収するための水回収タンクを設け、この水回収タンク内の水を、高位の所定水位となった場合に系外に排出し、低位の所定水位となった場合に排出を停止するように構成したものが、特許文献１に記載されている。ここで、水回収タンク内の水を完全に抜ききってしまわないのは、燃料ガスが水の排出口から系外に排出されるのを防止するためである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２９０号公報
【０００５】
また、上記した従来技術では、水回収タンク内の低位の所定水位の検出が正確にできないという問題に対し、水回収タンク内の水の排出を、水排出開始から所定時間で停止するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来技術の燃料電池システムを、車両などの移動体に適用した場合、燃料電池システム自体が揺れて水回収タンク内の水面が上下して正確な水位が計測できない場合がある。
【０００７】
このような場合に、本来は排水要求水位に達していないにも拘わらず、誤検出により排水要求をすると、この時点から所定時間排水してしまうことになるため、水回収タンク内の水が完全に排水され、燃料ガスが外部へ排出されてしまう恐れがある。
【０００８】
そこで、この発明は、燃料ガスが、燃料電池から排出される水を回収する水回収タンクから排出されたとしても、この燃料ガスのシステム外部への排出を防止することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の燃料極出口から排出される水を回収する燃料系水回収タンクと、この燃料系水回収タンク内の回収水の排出を行うか否かを判断する燃料系水排出判断手段と、前記燃料系水回収タンクの燃料系水排出口の下流に設けられ、燃料系水排出口から排出される燃料を前記燃料電池の酸化剤極出口から排出される酸化剤とともに燃焼させる燃焼器と、前記燃料系水排出口と前記燃焼器との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出流路開閉手段とをそれぞれ設け、前記燃料系水排出判断手段が、回収水を排出すると判断したときに、前記燃料系水排出流路開閉手段を開放する構成としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料系水回収タンクの燃料系水排出口から排出される燃料を、燃料電池の酸化剤極出口から排出される酸化剤とともに燃焼させる燃焼器を設け、燃料系水回収タンク内の回収水を排出する場合は、燃料系水回収タンクの燃料系水排出口と燃焼器との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出流路開閉手段を開放する構成としたため、燃料ガスが燃料系水回収タンクから排出されたとしても、この燃料ガスは、その下流に設けてある燃焼器で燃焼されてから排出され、燃料ガスがそのまま外部へ排出される恐れはなくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図で、この燃料電池システムは、例えば移動体として車両に適用する。
【００１３】
１が燃料電池である。第１の実施形態では、酸化剤として空気を、燃料ガスとして水素を使用するものとして記述するが、これに限定されるものではない。
【００１４】
３は燃料ガス調圧弁であり、燃料圧力検出手段としての圧力センサ５の検出値に応じて、コントローラ７で算出した開度に調整される。圧力センサ５は、燃料電池１の燃料極入口１ａに接続した燃料ガス流路９に設けてある。
【００１５】
１１は加湿器であり、流入してきた水素を加湿する機能を有している。加湿器１１における水源は、例えば空気系水回収タンク１３の排水を利用するなどシステム内で循環させてもよい。空気系水回収タンク１３は、燃料電池１の酸化剤極出口としての空気極出口１ｂに接続してある空気排出流路１５内の凝縮水を回収する酸化剤系水回収タンクであり、第２水回収タンクを構成している。なお、前記した加湿器１１における水源は、燃料電池システムが定置用であれば、水道水を処理して使用してもよい。
【００１６】
１７はイジェクタであり、燃料電池１の燃料極出口１ｃから流出する未利用の燃料ガスを、再度燃料電池１へ供給するポンプの機能を有している。
【００１７】
１９が燃料系水回収タンクで、燃料極出口１ｃに燃料ガス配管２１を介して接続してあり、燃料ガス系内の凝縮水を捕集する。この燃料系水回収タンク１９は、その機能のために、燃料ガス系における上下高さ方向で最下位置に配置することが望ましい。
【００１８】
燃料系水回収タンク１９で捕集した水を排出する場合は、燃料系水排出流路開閉手段としての燃料系水排出バルブ２３を開弁する。燃料系水排出バルブ２３を開弁すると、燃料系水回収タンク１９内の水は、オリフィス２５，燃料系水排出バルブ２３を通って、燃料系水排出流路としての燃料系水排出配管２９に排出される。
【００１９】
上記したオリフィス２５は、燃料系水回収タンク１９の燃料系水排出口を構成しており、その流路断面積は、その下流の燃料系水排出配管２９の流路断面積より小さくしてある。
【００２０】
燃料系水排出配管２９は、その下流側の端部を前記した空気排出通路１５の下流側の端部と接続してあり、この接続部３１からさらに合流配管３３を介して前記した空気系水回収タンク１３に接続してある。このため、燃料系水排出配管２９に排出された水は、空気系水回収タンク１３で回収し、同時に燃料系内ガスが排出された場合は、その下流側に接続してある燃焼器３５で、排出された燃料系内ガスを空気と反応させて不燃性の無害なガスとして大気に放出する。
【００２１】
また、空気系水回収タンク１３で回収した水は、空気系水回収タンク１３下部の空気系水排出口１３ａに設けた酸化剤系水排出流路開閉手段としての空気系水排出バルブ３７を開弁することで外部に排出する。この空気系水排出バルブ３７および前記した燃料系水排出バルブ２３は、コントローラ７が開閉制御する。
【００２２】
３９および４１は、燃料系水回収タンク１９内の温度および空気系水回収タンク１３内の温度をそれぞれを検出する温度計であり、その計測値をコントローラ７へ出力する。
【００２３】
４３は車両におけるアクセルセンサであり、そのふみ代すなわち運転者の負荷要求をコントローラ７へ入力する。
【００２４】
次に、コントローラ７で演算する制御について説明する。
【００２５】
図２は、第１の実施形態における制御ブロック図である。コントローラ７は、燃料系水排出判断手段７ａと、燃料系ガス排出判断手段７ｂと、酸化剤系水排出手段としての空気系水排出判断手段７ｃを含んでおり、これら各判断手段７ａ，７ｂ，７ｃによる制御は互いに並行して実行し、許可が下りれば対応したバルブ２３，３７の開弁指令を出す。
【００２６】
ただし、燃料系水排出判断手段７ａもしくは燃料系ガス排出判断手段７ｂによって、燃料系水排出バルブ２３が開弁されている場合もしくは閉弁していたとしても閉弁してから所定時間は、空気系水排出バルブ３７の開弁が要求されていても開弁を許可しない。
【００２７】
次に、上記した各判断手段７ａ，７ｂ，７ｃでの詳細な制御フローについて説明する。
【００２８】
図３は、燃料系水排出判断手段７ａの判断動作を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、燃料系水排出フラグＦＦＷおよび燃料系ガス排出フラグＦＦＧを読み込む（ステップＳ１１）。ここで、燃料系水排出フラグＦＦＷが１の場合は燃料系水排出が許可されている状態であり、０の場合は不許可の状態である。また、燃料系ガス排出フラグＦＦＧが１の場合は、燃料系ガス排出が許可されている状態であり、０の場合は不許可の状態である。
【００３０】
次に、燃料系ガス排出が許可されているか否か判定する（ステップＳ１２）。許可されている場合（ＦＦＧ＝１）には、燃料系の水排出は、後述する燃料系ガス排出判断手段７ｂが実行するため、本フローで使用する後述の変数ＳＷＦと、燃料系水排出フラグＦＦＷを０として（ステップＳ１３）本フローを中止する。
【００３１】
上記したステップＳ１２で、燃料系ガス排出が不許可の場合（ＦＦＧ＝０）は、燃料系水排出が許可されているか否かを判定し（ステップＳ１４）、許可されていなければ（ＦＦＷ＝０）、温度計３９が計測した燃料系温度ＴＦと、アクセルセンサ４３に対応する燃料電池１の運転負荷Ｗとを読み込む（ステップＳ１５）。
【００３２】
続いて、上記した燃料系温度ＴＦと運転負荷Ｗとに基づいて、凝縮水捕集量ＷＦを求める（ステップＳ１６）。そして、この求めた凝縮水捕集量ＷＦから、現状の燃料系水回収タンク１９に溜まっている水量ＳＷＦを次式（１）で演算する（ステップＳ１７）。
【００３３】
ＳＷＦ＝ＳＷＦ＋ＷＦ・・・（１）
すなわち、上記したステップＳ１６では、単位時間あたりの水増加率を燃料系温度ＴＦと運転負荷Ｗの関数として求め、ステップＳ１７でそれを積算した形となる。
【００３４】
なお、ステップＳ１６に示したように、燃料系温度ＴＦが低いほど、また運転負荷Ｗが高いほど、凝縮水捕集量ＷＦが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００３５】
次に、前記算出した水量ＳＷＦが、所定値ＳＬＳＷＦを超えているか否かを判定し（ステップＳ１８）、超えていなければ本フローを終了し、超えていれば圧力センサ５の出力より燃料系の圧力を読み込み、その結果をＰＦＯＬＤへ代入する（ステップＳ１９）。
【００３６】
続いて、次回の積算のために、上記算出した水量ＳＷＦをゼロにリセットし、燃料系水排出フラグＦＦＷを１として、燃料系水排出を許可するとともに、燃料系水排出バルブ２３を開弁して本フローを終了する（ステップＳ２０）。
【００３７】
前記したステップＳ１４で、すでに燃料系水排出が許可されていれば（ＦＦＷ＝１）、圧力センサ５の出力より、燃料系圧力を読み込んで、その値をＰＦＮＥＷへ代入する（ステップ２１）。
【００３８】
その後、燃料系圧力変化率ＤＦＰを次式（２）により算出する。
【００３９】
ＤＦＰ＝（ＰＦＮＥＷ−ＰＦＯＬＤ）／ＤＴ・・・（２）
ここでＤＴは、本フローの制御周期であり、一定周期であればＤＴは定数でかまわないが、実行周期が変化する場合は、前回本フローを実施してから今回の実行までのインターバルを使用する。
【００４０】
この算出結果を用いて、燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下したかを判定する（ステップＳ２３）。ここで、燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下した場合、つまり燃料系圧力が急落した場合には、上記式（２）は絶対値の大きい負の値となるはずである。
【００４１】
燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下していないと判断した場合は、ＰＦＯＬＤに前記ＰＦＮＥＷの値を代入して（ステップＳ２４）本フローを終了する。一方、所定値を超えて低下したと判断した場合は、排水が終了したと判断して、燃料系排水フラグＦＦＷを０として燃料系水排出バルブ２３を閉弁し（ステップＳ２５）、本フローを終了する。
【００４２】
本フローの実行により、排水時期，排水完了時期の判断が的確となり、燃料電池システムは良好に運転可能となる。
【００４３】
なお、上記した燃料系水排出時期の判断は、運転負荷Ｗと燃料系温度ＴＦとのいずれか一方に基づき行ってもよく、また燃料系水排出バルブ２３を前回閉弁してからの経過時間に基づき行うことで、より簡略化した制御とすることができる。
【００４４】
次に、図４のフローチャートを参照して燃料系ガス排出判断手段７ｂの判断動作を説明する。
【００４５】
まず、燃料系ガス排出フラグＦＦＧを読み込む（ステップＳ３１）。このフラグＦＦＧは、１の場合が燃料系ガス排出が許可されている状態であり、０の場合が不許可の状態である。
【００４６】
次に、燃料系ガス排出が許可されているか否かを判定し（ステップＳ３２）、許可されていなければ（ＦＦＧ＝０）、アクセルセンサ４３に対応する運転負荷Ｗを読み込み（ステップＳ３３）、この運転負荷Ｗに対応する現状の燃料系に混入している不純物の混合率ＮＲを求める（ステップＳ３４）。
【００４７】
そして、この求めた不純物混合率ＮＲから、不純物の濃度指標ＮＣを次式（３）で演算する（ステップＳ３５）。
【００４８】
ＮＣ＝ＮＣ＋ＮＲ・・・（３）
すなわち、上記ステップＳ３４では、単位時間あたりの不純物増加率を運転負荷Ｗの関数として求め、ステップＳ３５でそれを積算した形となる。
【００４９】
なお、ステップＳ３４に示したように、運転負荷Ｗが高いほど、不純物混入率ＮＲが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００５０】
次に、前記算出した不純物の濃度指標ＮＣが、所定値ＳＬＮＣを超えているか否かを判定し（ステップＳ３６）、超えていなければ本フローを終了し、超えていれば圧力センサ５の出力より燃料系の圧力を読み込み、その結果をＰＦＯＬＤへ代入する（ステップＳ３７）。
【００５１】
続いて、次回の積算のために、上記算出した不純物の濃度指標ＮＣをゼロにリセットし、燃料系ガス排出フラグＦＦＧを１として、燃料系ガス排出を許可するとともに、燃料系水排出バルブ２３を開弁して本フローを終了する（ステップＳ３８）。
【００５２】
前記したステップＳ３２で、すでに燃料系ガス排出が許可されていれば（ＦＦＧ＝１）、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２が１（燃料系ガスが排出されている）か０（まだ燃料系ガスは排出されていない）かを判定し（ステップＳ３９）、０の場合は、次のステップＳ４０へ進む。
【００５３】
このステップＳ４０〜Ｓ４３は、前記図３におけるステップＳ２１〜Ｓ２４と同一であるため説明を省略する。
【００５４】
上記ステップＳ４２で、燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下し、排水が終了したと判断した場合は、燃料系ガスの排出が開始したと判断し、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２を１とするとともに、燃料系ガス排出時間計測タイマＴＭＦＧを−ＤＴとする。ここでＤＴは前記式（２）のＤＴと同じ意味であるため説明を省略する。
【００５５】
前記ステップＳ３９で、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２が、すでに１の場合は、上記したＳ４０〜Ｓ４４を省略して次のステップＳ４５から実行する。
【００５６】
次のステップＳ４５では、燃料系ガス排出時間計測タイマＴＭＦＧに、説明済のＤＴを加え、その演算結果が所定時間ＳＬＴＭＦＧを超えているか否かを判定し（ステップＳ４６）、超えていなければこのまま本フローを終了する。超えていれば、燃料系のガスの排出が終了したと判断し、ＦＦＧおよびＦＦＧ２を０として、燃料系ガス排出時間計測タイマＴＭＦＧも、次回の使用のために０にリセットし、燃料系水排出バルブ２３を閉弁する（ステップＳ４７）。
【００５７】
以上のフローを実行することで、燃料系のガス排出が的確に実行できる。
【００５８】
なお、上記した燃料系ガスの排出時期の判断は、燃料系水排出バルブ２３を前回閉弁してからの経過時間、あるいは燃料電池１の電圧に基づき行うことで、より簡略化した制御とすることができる。
【００５９】
次に、図５のフローチャートを参照して空気系水排出判断手段７ｃの判断動作を説明する。
【００６０】
まず、空気系水排出フラグＦＡＷを読み込む（ステップＳ５１）。このフラグＦＡＷは、１の場合が空気系水排出が許可されている状態であり、０の場合が不許可の状態である。
【００６１】
次に、空気系水排出が許可されているか否かを判定し（ステップＳ５２）、許可されていなければ（ＦＡＷ＝０）、温度計４１で計測した空気系温度ＴＡと、アクセルセンサ４３に対応する運転負荷Ｗとを読み込む（ステップＳ５３）。
【００６２】
続いて、上記した空気系温度ＴＡと運転負荷Ｗとに基づいて、凝縮水捕集量ＷＡを求める（ステップＳ５４）。そして、この求めた凝縮水捕集量ＷＡから、現状の空気系水回収タンク１３に溜まっている水量ＳＷＡを次式（４）で演算する（ステップＳ５５）。
【００６３】
ＳＷＡ＝ＳＷＡ＋ＷＡ・・・（４）
すなわち、上記したステップＳ５４では、単位時間あたりの水増加率を空気系温度ＴＡと運転負荷Ｗの関数として求め、ステップＳ５５でそれを積算した形となる。
【００６４】
なお、ステップＳ５４に示したように、空気系温度ＴＡが低いほど、また運転負荷Ｗが高いほど、凝縮水捕集量ＷＡが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００６５】
次に、前記算出した水量ＳＷＡが、所定値ＳＬＳＷＡを超えているか否かを判定し（ステップＳ５６）、超えていなければ本フローを終了し、超えていれば空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷを−ＤＴとし、空気系水排出フラグＦＡＷを１として空気系水の排出を許可し、さらに次回のＷＡ積算のために水量ＳＷＡをゼロにリセットする（ステップＳ５７）。ここでＤＴは、前記した式（２）のＤＴと同じ意味であるため説明を省略する。
【００６６】
続いて、燃料系水排出フラグＦＦＷもしくは燃料系ガス排出フラグＦＦＧが１、すなわち燃料系水排出バルブ２３が開いているか、あるいは、たとえ閉じていたとしても閉じてからの経過時間が所定時間を経過していないか否かを判定する（ステップＳ５８）。
【００６７】
ここで、燃料系水排出バルブ２３が開いているか、あるいは、たとえ閉じていたとしても閉じてからの経過時間が所定時間を経過していない場合には、空気系水排出バルブ３７を閉弁する（ステップＳ６１）。逆の場合、すなわち燃料系水排出バルブ２３が閉じてから所定時間を経過している場合には、空気系水排出バルブ３７を開弁し（ステップＳ５９）、空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷをＤＴ分進める（ステップＳ６０）。
【００６８】
ここで、燃料系水排出バルブ２３が開弁しているもしくは閉弁していたとしても閉弁から所定時間経過していない場合は、空気系水回収タンク１３付近に、燃料ガスが混流してきている可能性がある。このため上記したステップＳ５８〜Ｓ６１では、たとえ空気系凝縮水タンク１３内の水が所定水位を超えていたとしても、燃料系ガスをシステム外へ排出しないように空気系水排出バルブ３７を閉弁している。また、燃料系水排出バルブ２３の閉弁中は空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷは進まないため、水排出が不完全となることもない。
【００６９】
次に、空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷが、所定時間ＳＬＴＭＡＷを超えているか否かを判定し（ステップＳ６２）、超えていなければこのままフローを終了する。逆に超えていれば、空気系水回収タンク１３内の水の排出が終了したと判断し、空気系水排出フラグＦＡＷを０として、空気系水排出バルブ３７を閉弁する（ステップＳ６３）。
【００７０】
以上の各フローを実行することで、水回収タンクに水位センサを設けることなく、燃料系および空気系の水をシステム外へ排出することが可能となり、かつ燃料系水排出バルブ２３を、燃料系のガスおよび水の排出に共用できるため、コスト的にもレイアウト的にも優れたシステムを構築することができる。
【００７１】
また、燃料系水回収タンク１９をより大きくした場合には、レイアウト的には不利になるが、燃料系水の排出は燃料系水排出判断手段７ａではなく、燃料系ガス排出判断手段７ｂで行われることになる。そうすると、燃料系水の排出のために燃料ガスを排出してしまうことがなくなり、必ず排出しなければならないガスで燃料系水を押し出すことが可能となるためシステム効率が向上する。
【００７２】
さらに、燃料系水回収タンク１９内の水量ＳＷＦの判断値である所定値ＳＬＳＷＦを、可能な限り小さい値とすることで、燃料系水回収タンク１９内に存在する水を減らすことが可能となる。これはシステム効率的には好ましくないが、緊急の燃料系ガス排出要求に対しては燃料系水回収タンク１９内の水が少ないほうが有利であり、燃料電池１の発電を常に良好な状態に保つことが可能となる。
【００７３】
上記した第１の実施形態においては、燃料系水回収タンク１９の燃料系水排出口（オリフィス２５）から排出される燃料を、燃料電池１の空気極出口１ｂから排出される空気とともに燃焼させる燃焼器３５を設け、回収水排出をする場合は、オリフィス２５と燃焼器３５との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出バルブ２３を開弁する構成としたため、燃料ガスが燃料系水回収タンク１９から排出されたとしても、その下流に設けてある燃焼器３５で燃焼されてから排出されるため、燃料ガスがそのまま外部へ排出される恐れはなくなる。
【００７４】
また、燃料ガスの外部放出防止という観点からは、燃料系水回収タンク１９の水位管理を厳密にする必要がないので、水位センサがなくても水の排出が可能となるため、コスト的にもレイアウト的にも良好なシステムを構築できる。
【００７５】
また、燃焼器３５と燃料系水排出バルブ２３との間に、水を回収する空気系水回収タンク１３を設ける構成としたため、燃料系水回収タンク１９から排出された水が燃焼器３５へ流入することを防止でき、排出された水によって燃焼器３５の温度が低下して排出ガスが燃焼しないという問題を回避することができる。
【００７６】
なお、空気系水回収タンク１３は、空気系の水を回収するために必要なもので、これに上記の役目を兼ねさせることで、燃焼器３５への水流入防止のためだけに別途タンクを設ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利である。
【００７７】
また、燃料系水排出バルブ２３が開弁している場合、もしくは閉弁してから所定時間以内は、回収水の空気系水回収タンク１３外への排出が要求されていても、空気系水排出バルブ３７を開弁しない構成としたため、空気系水排出口１３ａより燃料ガスが外部へ排出されることがなくなる。
【００７８】
また、燃料系水排出バルブ２３開弁後の燃料系圧力が、所定値を超えて低下して急落したときに、回収水の燃料系水回収タンク１９外への排出が完了したと判断する構成としているので、通常のガス圧制御に用いる圧力センサ５を流用して水の排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利である。
【００７９】
また、オリフィス２５により燃料系水排出口の流路断面積を、その下流の流路断面積よりも小さくしたため、燃料系の圧力低下を明確にすることが可能となり、水の排出完了の判断を確実に行うことができる。
【００８０】
また、燃料系水排出判断手段７ａは、燃料電池１の運転負荷Ｗと、燃料系温度ＴＦと、燃料系水排出バルブ１９を前回閉弁してからの経過時間との少なくともいずれかに基づき行う構成としたため、水位センサを設置しなくても、水の排出時期を判断することができる。
【００８１】
また、燃料系内ガスを燃料系外に排出する場合も、燃料系水排出バルブ２３を開弁する構成としたため、別途弁を設けることなく燃料系のガスを排出できる。
【００８２】
また、燃料系ガスが大気に放出される前に必ず燃焼器３５を通過するため、燃料ガスがそのまま外部へ放出されることはなく、環境に対して良好なシステムを構築することが可能となる。
【００８３】
また、燃料系水排出バルブ２３開弁後の燃料系圧力が、所定値を超えて低下（急落）した時点からの経過時間に基づいて、燃料系内ガスの燃料系外への排出完了判断に使用する構成としているので、通常のガス圧制御に用いる圧力センサ５を流用して燃料ガス排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利となる。
【００８４】
また、燃料系内ガスの燃料系外への排出判断は、燃料電池１の運転負荷と、燃料系水排出バルブ２３を前回閉弁してからの経過時間と、燃料電池１の電圧との少なくともいずれか一つに基づき行うため、的確なタイミングで燃料系内ガスの排出を実行することができる。
【００８５】
図６は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図で、この実施形態は、燃料系水の排出完了判断に、燃料ガス流量計を用いる例である。制御ブロック図および空気系水排出判断手段の制御動作は、前記図２に示した第１の実施形態と共通である。なお、図６においては、前記図１と同じ構成要素には同じ番号を付してある。第１の実施形態と異なる部分は、圧力センサ３が不要になることと、燃料ガス流量計４５が追加になったことである。
【００８６】
次に、各判断手段７ａ，７ｂでの詳細な制御フローについて説明する。
【００８７】
図７は、燃料系水排出判断手段７ａの判断動作を示すフローチャートである。
【００８８】
ここで、ステップＳ１１１〜Ｓ１１８，Ｓ１１９およびＳ１２４は、前記第１の実施形態における図３のステップＳ１１〜Ｓ１８，Ｓ２０およびＳ２５と同じであるため、説明を省略する。
【００８９】
前記図３のステップＳ１４と同様のステップＳ１１４で、燃料系水排出が許可されている場合（ＦＦＷ＝１）には、燃料電池１の運転負荷Ｗと、燃料ガス流量計４５の計測値に応じて得られる燃料ガス流量Ｑｆとを読み込む（ステップＳ１２０）。そして、この読み込んだ運転負荷Ｗに対応した、燃料電池１が消費する燃料ガス消費量Ｑｓを算出する（ステップＳ１２１）。
【００９０】
なお、上記ステップＳ１２１に示したように、運転負荷Ｗが高いほど、燃料ガス消費量Ｑｓが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００９１】
次に、燃料電池１以外が消費している燃料ガスの流量すなわち排出燃料ガス流量ＯＶＱを次式（５）で求める（ステップＳ１２２）。
【００９２】
ＯＶＱ＝Ｑｆ−Ｑｓ・・・（５）
そして、この求めた値ＯＶＱが所定値ＳＬＯＶＱを超えているか否かを判定し（ステップＳ１２３）、超えていれば、燃料系水の排出が終わったとして、燃料系水排出フラグＦＦＷを０とし、燃料系水排出バルブ２３を閉じて（ステップＳ１２４）本フローを終了する。逆に、ＯＶＱがＳＬＯＶＱを超えていなければそのまま本フローを終了する。
【００９３】
図８は、燃料系ガス排出判断手段７ｂの判断動作を示すフローチャートである。
【００９４】
ここで、ステップＳ１３１〜Ｓ１３６，Ｓ１３７，Ｓ１３８およびＳ１４３〜Ｓ１４６は、前記第１の実施形態における図４のステップＳ３１〜Ｓ３６，Ｓ３８，Ｓ３９およびＳ４４〜Ｓ４７と同じであるため、説明を省略する。
【００９５】
前記図３のステップＳ３９と同様のステップＳ１３８で、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２を０（まだ燃料系ガスは排出されていない）と判定した場合は、運転負荷Ｗと、燃料ガス流量計４５の計測値に応じて得られる燃料ガス流量Ｑｆとをそれぞれ読み込む（ステップＳ１３９）。そして、この読み込んだ運転負荷Ｗに対応した、燃料電池１が消費する燃料ガス消費量Ｑｓを算出する（ステップＳ１４０）。
【００９６】
なお、上記ステップＳ１４０に示したように、運転負荷Ｗが高いほど、燃料ガス消費量Ｑｓが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００９７】
次に、燃料電池１以外が消費している燃料ガスの流量すなわち排出燃料ガス流量ＯＶＱを、前記した式（５）で求める（ステップＳ１４１）。
【００９８】
そして、この求めた値ＯＶＱが所定値ＳＬＯＶＱを超えているか否かを判定し（ステップＳ１４２）、超えていれば、燃料系水の排出が終わったとして、それ以降は燃料ガスの排出を行うべくステップＳ１４３へ進む。逆に、ＯＶＱがＳＬＯＶＱを超えていなければそのまま本フローを終了する。
【００９９】
以上の各フローを実行することで、図１に示した第１の実施形態における圧力センサ５の代わりに、燃料ガス流量計４５を配置した場合でも、第１の実施形態と同様な効果が得られる。また、既存のセンサ（燃料ガス流量計４５）を使用しているので、コスト的に良好なシステムを構築することができる。
【０１００】
また第２の実施形態では、燃料ガス流量計４５を追加するシステムとしたが、燃料ガス調圧弁３の開度や前後圧力などから燃料ガス流量を予測してもよい。さらに第２の実施形態では、燃料ガスの排出完了の判断を、排出燃料ガス流量ＯＶＱが所定値ＳＬＯＶＱを超えてからの経過時間に基づき行っているが、ＯＶＱの積算値に基づき行ってもよい。
【０１０１】
上記した第２実施形態においては、次のような効果が得られる。
【０１０２】
燃料ガス流量と運転負荷とから予想される燃料電池１の燃料ガス消費量を、燃料系内ガスの燃料系外への排出完了判断に使用するため、正確な排出完了判断が可能となる。
【０１０３】
通常のガス流量制御に用いる燃料ガス流量計４５を流用して水の排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利である。
【０１０４】
また、燃料ガス流量が、所定値を超えて増加し、急増したときに、回収水の燃料系水回収タンク１９外への排出が完了したと判断するため、確実に水の排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上も有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】第１の実施形態における制御ブロック図である。
【図３】第１の実施形態における燃料系水排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態における燃料系ガス排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態における空気系水排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】第２の実施形態における燃料系水排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図８】第２の実施形態における燃料系ガス排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
１ａ 燃料極入口
１ｂ 空気極出口（酸化剤極出口）
１ｃ 燃料極出口
５ 圧力センサ（燃料圧力検出手段）
７ａ 燃料系水排出判断手段
７ｂ 燃料系ガス排出判断手段
７ｃ 空気系水排出判断手段（酸化剤系水排出判断手段）
９ 燃料ガス流路
１３ 空気系水回収タンク（第２水回収タンク）
１３ａ 空気系水排出口（酸化剤系水排出口）
１５ 空気排出流路
１９ 燃料系水回収タンク
２３ 燃料系水排出バルブ（燃料系水排出流路開閉手段）
２５ オリフィス（燃料系水排出口）
２９ 燃料系水排出配管（燃料系水排出流路）
３５ 燃焼器
３７ 空気系水排出バルブ（酸化剤系水排出流路開閉手段）
４５ 燃料ガス流量計（燃料流量検出手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料極から排出される水を回収する水回収タンクを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の電解質として広く用いられている固体高分子膜にイオンの透過性を持たせるためには、固体高分子膜を適度に加湿しておく必要がある。そのため、燃料ガスと、酸化剤ガスとして用いる空気は、適度に加湿した状態で燃料電池に供給する。また、燃料電池では水素と酸素の電気化学反応で水が生成される。その結果燃料電池から排出されるガスは多量の水分を含む。
【０００３】
このため従来では、燃料電池の排出ガス流路内に、生成された水を回収するための水回収タンクを設け、この水回収タンク内の水を、高位の所定水位となった場合に系外に排出し、低位の所定水位となった場合に排出を停止するように構成したものが、特許文献１に記載されている。ここで、水回収タンク内の水を完全に抜ききってしまわないのは、燃料ガスが水の排出口から系外に排出されるのを防止するためである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２９０号公報
【０００５】
また、上記した従来技術では、水回収タンク内の低位の所定水位の検出が正確にできないという問題に対し、水回収タンク内の水の排出を、水排出開始から所定時間で停止するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来技術の燃料電池システムを、車両などの移動体に適用した場合、燃料電池システム自体が揺れて水回収タンク内の水面が上下して正確な水位が計測できない場合がある。
【０００７】
このような場合に、本来は排水要求水位に達していないにも拘わらず、誤検出により排水要求をすると、この時点から所定時間排水してしまうことになるため、水回収タンク内の水が完全に排水され、燃料ガスが外部へ排出されてしまう恐れがある。
【０００８】
そこで、この発明は、燃料ガスが、燃料電池から排出される水を回収する水回収タンクから排出されたとしても、この燃料ガスのシステム外部への排出を防止することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の燃料極出口から排出される水を回収する燃料系水回収タンクと、この燃料系水回収タンク内の回収水の排出を行うか否かを判断する燃料系水排出判断手段と、前記燃料系水回収タンクの燃料系水排出口の下流に設けられ、燃料系水排出口から排出される燃料を前記燃料電池の酸化剤極出口から排出される酸化剤とともに燃焼させる燃焼器と、前記燃料系水排出口と前記燃焼器との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出流路開閉手段とをそれぞれ設け、前記燃料系水排出判断手段が、回収水を排出すると判断したときに、前記燃料系水排出流路開閉手段を開放する構成としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料系水回収タンクの燃料系水排出口から排出される燃料を、燃料電池の酸化剤極出口から排出される酸化剤とともに燃焼させる燃焼器を設け、燃料系水回収タンク内の回収水を排出する場合は、燃料系水回収タンクの燃料系水排出口と燃焼器との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出流路開閉手段を開放する構成としたため、燃料ガスが燃料系水回収タンクから排出されたとしても、この燃料ガスは、その下流に設けてある燃焼器で燃焼されてから排出され、燃料ガスがそのまま外部へ排出される恐れはなくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図で、この燃料電池システムは、例えば移動体として車両に適用する。
【００１３】
１が燃料電池である。第１の実施形態では、酸化剤として空気を、燃料ガスとして水素を使用するものとして記述するが、これに限定されるものではない。
【００１４】
３は燃料ガス調圧弁であり、燃料圧力検出手段としての圧力センサ５の検出値に応じて、コントローラ７で算出した開度に調整される。圧力センサ５は、燃料電池１の燃料極入口１ａに接続した燃料ガス流路９に設けてある。
【００１５】
１１は加湿器であり、流入してきた水素を加湿する機能を有している。加湿器１１における水源は、例えば空気系水回収タンク１３の排水を利用するなどシステム内で循環させてもよい。空気系水回収タンク１３は、燃料電池１の酸化剤極出口としての空気極出口１ｂに接続してある空気排出流路１５内の凝縮水を回収する酸化剤系水回収タンクであり、第２水回収タンクを構成している。なお、前記した加湿器１１における水源は、燃料電池システムが定置用であれば、水道水を処理して使用してもよい。
【００１６】
１７はイジェクタであり、燃料電池１の燃料極出口１ｃから流出する未利用の燃料ガスを、再度燃料電池１へ供給するポンプの機能を有している。
【００１７】
１９が燃料系水回収タンクで、燃料極出口１ｃに燃料ガス配管２１を介して接続してあり、燃料ガス系内の凝縮水を捕集する。この燃料系水回収タンク１９は、その機能のために、燃料ガス系における上下高さ方向で最下位置に配置することが望ましい。
【００１８】
燃料系水回収タンク１９で捕集した水を排出する場合は、燃料系水排出流路開閉手段としての燃料系水排出バルブ２３を開弁する。燃料系水排出バルブ２３を開弁すると、燃料系水回収タンク１９内の水は、オリフィス２５，燃料系水排出バルブ２３を通って、燃料系水排出流路としての燃料系水排出配管２９に排出される。
【００１９】
上記したオリフィス２５は、燃料系水回収タンク１９の燃料系水排出口を構成しており、その流路断面積は、その下流の燃料系水排出配管２９の流路断面積より小さくしてある。
【００２０】
燃料系水排出配管２９は、その下流側の端部を前記した空気排出通路１５の下流側の端部と接続してあり、この接続部３１からさらに合流配管３３を介して前記した空気系水回収タンク１３に接続してある。このため、燃料系水排出配管２９に排出された水は、空気系水回収タンク１３で回収し、同時に燃料系内ガスが排出された場合は、その下流側に接続してある燃焼器３５で、排出された燃料系内ガスを空気と反応させて不燃性の無害なガスとして大気に放出する。
【００２１】
また、空気系水回収タンク１３で回収した水は、空気系水回収タンク１３下部の空気系水排出口１３ａに設けた酸化剤系水排出流路開閉手段としての空気系水排出バルブ３７を開弁することで外部に排出する。この空気系水排出バルブ３７および前記した燃料系水排出バルブ２３は、コントローラ７が開閉制御する。
【００２２】
３９および４１は、燃料系水回収タンク１９内の温度および空気系水回収タンク１３内の温度をそれぞれを検出する温度計であり、その計測値をコントローラ７へ出力する。
【００２３】
４３は車両におけるアクセルセンサであり、そのふみ代すなわち運転者の負荷要求をコントローラ７へ入力する。
【００２４】
次に、コントローラ７で演算する制御について説明する。
【００２５】
図２は、第１の実施形態における制御ブロック図である。コントローラ７は、燃料系水排出判断手段７ａと、燃料系ガス排出判断手段７ｂと、酸化剤系水排出手段としての空気系水排出判断手段７ｃを含んでおり、これら各判断手段７ａ，７ｂ，７ｃによる制御は互いに並行して実行し、許可が下りれば対応したバルブ２３，３７の開弁指令を出す。
【００２６】
ただし、燃料系水排出判断手段７ａもしくは燃料系ガス排出判断手段７ｂによって、燃料系水排出バルブ２３が開弁されている場合もしくは閉弁していたとしても閉弁してから所定時間は、空気系水排出バルブ３７の開弁が要求されていても開弁を許可しない。
【００２７】
次に、上記した各判断手段７ａ，７ｂ，７ｃでの詳細な制御フローについて説明する。
【００２８】
図３は、燃料系水排出判断手段７ａの判断動作を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、燃料系水排出フラグＦＦＷおよび燃料系ガス排出フラグＦＦＧを読み込む（ステップＳ１１）。ここで、燃料系水排出フラグＦＦＷが１の場合は燃料系水排出が許可されている状態であり、０の場合は不許可の状態である。また、燃料系ガス排出フラグＦＦＧが１の場合は、燃料系ガス排出が許可されている状態であり、０の場合は不許可の状態である。
【００３０】
次に、燃料系ガス排出が許可されているか否か判定する（ステップＳ１２）。許可されている場合（ＦＦＧ＝１）には、燃料系の水排出は、後述する燃料系ガス排出判断手段７ｂが実行するため、本フローで使用する後述の変数ＳＷＦと、燃料系水排出フラグＦＦＷを０として（ステップＳ１３）本フローを中止する。
【００３１】
上記したステップＳ１２で、燃料系ガス排出が不許可の場合（ＦＦＧ＝０）は、燃料系水排出が許可されているか否かを判定し（ステップＳ１４）、許可されていなければ（ＦＦＷ＝０）、温度計３９が計測した燃料系温度ＴＦと、アクセルセンサ４３に対応する燃料電池１の運転負荷Ｗとを読み込む（ステップＳ１５）。
【００３２】
続いて、上記した燃料系温度ＴＦと運転負荷Ｗとに基づいて、凝縮水捕集量ＷＦを求める（ステップＳ１６）。そして、この求めた凝縮水捕集量ＷＦから、現状の燃料系水回収タンク１９に溜まっている水量ＳＷＦを次式（１）で演算する（ステップＳ１７）。
【００３３】
ＳＷＦ＝ＳＷＦ＋ＷＦ・・・（１）
すなわち、上記したステップＳ１６では、単位時間あたりの水増加率を燃料系温度ＴＦと運転負荷Ｗの関数として求め、ステップＳ１７でそれを積算した形となる。
【００３４】
なお、ステップＳ１６に示したように、燃料系温度ＴＦが低いほど、また運転負荷Ｗが高いほど、凝縮水捕集量ＷＦが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００３５】
次に、前記算出した水量ＳＷＦが、所定値ＳＬＳＷＦを超えているか否かを判定し（ステップＳ１８）、超えていなければ本フローを終了し、超えていれば圧力センサ５の出力より燃料系の圧力を読み込み、その結果をＰＦＯＬＤへ代入する（ステップＳ１９）。
【００３６】
続いて、次回の積算のために、上記算出した水量ＳＷＦをゼロにリセットし、燃料系水排出フラグＦＦＷを１として、燃料系水排出を許可するとともに、燃料系水排出バルブ２３を開弁して本フローを終了する（ステップＳ２０）。
【００３７】
前記したステップＳ１４で、すでに燃料系水排出が許可されていれば（ＦＦＷ＝１）、圧力センサ５の出力より、燃料系圧力を読み込んで、その値をＰＦＮＥＷへ代入する（ステップ２１）。
【００３８】
その後、燃料系圧力変化率ＤＦＰを次式（２）により算出する。
【００３９】
ＤＦＰ＝（ＰＦＮＥＷ−ＰＦＯＬＤ）／ＤＴ・・・（２）
ここでＤＴは、本フローの制御周期であり、一定周期であればＤＴは定数でかまわないが、実行周期が変化する場合は、前回本フローを実施してから今回の実行までのインターバルを使用する。
【００４０】
この算出結果を用いて、燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下したかを判定する（ステップＳ２３）。ここで、燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下した場合、つまり燃料系圧力が急落した場合には、上記式（２）は絶対値の大きい負の値となるはずである。
【００４１】
燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下していないと判断した場合は、ＰＦＯＬＤに前記ＰＦＮＥＷの値を代入して（ステップＳ２４）本フローを終了する。一方、所定値を超えて低下したと判断した場合は、排水が終了したと判断して、燃料系排水フラグＦＦＷを０として燃料系水排出バルブ２３を閉弁し（ステップＳ２５）、本フローを終了する。
【００４２】
本フローの実行により、排水時期，排水完了時期の判断が的確となり、燃料電池システムは良好に運転可能となる。
【００４３】
なお、上記した燃料系水排出時期の判断は、運転負荷Ｗと燃料系温度ＴＦとのいずれか一方に基づき行ってもよく、また燃料系水排出バルブ２３を前回閉弁してからの経過時間に基づき行うことで、より簡略化した制御とすることができる。
【００４４】
次に、図４のフローチャートを参照して燃料系ガス排出判断手段７ｂの判断動作を説明する。
【００４５】
まず、燃料系ガス排出フラグＦＦＧを読み込む（ステップＳ３１）。このフラグＦＦＧは、１の場合が燃料系ガス排出が許可されている状態であり、０の場合が不許可の状態である。
【００４６】
次に、燃料系ガス排出が許可されているか否かを判定し（ステップＳ３２）、許可されていなければ（ＦＦＧ＝０）、アクセルセンサ４３に対応する運転負荷Ｗを読み込み（ステップＳ３３）、この運転負荷Ｗに対応する現状の燃料系に混入している不純物の混合率ＮＲを求める（ステップＳ３４）。
【００４７】
そして、この求めた不純物混合率ＮＲから、不純物の濃度指標ＮＣを次式（３）で演算する（ステップＳ３５）。
【００４８】
ＮＣ＝ＮＣ＋ＮＲ・・・（３）
すなわち、上記ステップＳ３４では、単位時間あたりの不純物増加率を運転負荷Ｗの関数として求め、ステップＳ３５でそれを積算した形となる。
【００４９】
なお、ステップＳ３４に示したように、運転負荷Ｗが高いほど、不純物混入率ＮＲが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００５０】
次に、前記算出した不純物の濃度指標ＮＣが、所定値ＳＬＮＣを超えているか否かを判定し（ステップＳ３６）、超えていなければ本フローを終了し、超えていれば圧力センサ５の出力より燃料系の圧力を読み込み、その結果をＰＦＯＬＤへ代入する（ステップＳ３７）。
【００５１】
続いて、次回の積算のために、上記算出した不純物の濃度指標ＮＣをゼロにリセットし、燃料系ガス排出フラグＦＦＧを１として、燃料系ガス排出を許可するとともに、燃料系水排出バルブ２３を開弁して本フローを終了する（ステップＳ３８）。
【００５２】
前記したステップＳ３２で、すでに燃料系ガス排出が許可されていれば（ＦＦＧ＝１）、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２が１（燃料系ガスが排出されている）か０（まだ燃料系ガスは排出されていない）かを判定し（ステップＳ３９）、０の場合は、次のステップＳ４０へ進む。
【００５３】
このステップＳ４０〜Ｓ４３は、前記図３におけるステップＳ２１〜Ｓ２４と同一であるため説明を省略する。
【００５４】
上記ステップＳ４２で、燃料系圧力が所定値ＳＬＤＦＰを超えて低下し、排水が終了したと判断した場合は、燃料系ガスの排出が開始したと判断し、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２を１とするとともに、燃料系ガス排出時間計測タイマＴＭＦＧを−ＤＴとする。ここでＤＴは前記式（２）のＤＴと同じ意味であるため説明を省略する。
【００５５】
前記ステップＳ３９で、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２が、すでに１の場合は、上記したＳ４０〜Ｓ４４を省略して次のステップＳ４５から実行する。
【００５６】
次のステップＳ４５では、燃料系ガス排出時間計測タイマＴＭＦＧに、説明済のＤＴを加え、その演算結果が所定時間ＳＬＴＭＦＧを超えているか否かを判定し（ステップＳ４６）、超えていなければこのまま本フローを終了する。超えていれば、燃料系のガスの排出が終了したと判断し、ＦＦＧおよびＦＦＧ２を０として、燃料系ガス排出時間計測タイマＴＭＦＧも、次回の使用のために０にリセットし、燃料系水排出バルブ２３を閉弁する（ステップＳ４７）。
【００５７】
以上のフローを実行することで、燃料系のガス排出が的確に実行できる。
【００５８】
なお、上記した燃料系ガスの排出時期の判断は、燃料系水排出バルブ２３を前回閉弁してからの経過時間、あるいは燃料電池１の電圧に基づき行うことで、より簡略化した制御とすることができる。
【００５９】
次に、図５のフローチャートを参照して空気系水排出判断手段７ｃの判断動作を説明する。
【００６０】
まず、空気系水排出フラグＦＡＷを読み込む（ステップＳ５１）。このフラグＦＡＷは、１の場合が空気系水排出が許可されている状態であり、０の場合が不許可の状態である。
【００６１】
次に、空気系水排出が許可されているか否かを判定し（ステップＳ５２）、許可されていなければ（ＦＡＷ＝０）、温度計４１で計測した空気系温度ＴＡと、アクセルセンサ４３に対応する運転負荷Ｗとを読み込む（ステップＳ５３）。
【００６２】
続いて、上記した空気系温度ＴＡと運転負荷Ｗとに基づいて、凝縮水捕集量ＷＡを求める（ステップＳ５４）。そして、この求めた凝縮水捕集量ＷＡから、現状の空気系水回収タンク１３に溜まっている水量ＳＷＡを次式（４）で演算する（ステップＳ５５）。
【００６３】
ＳＷＡ＝ＳＷＡ＋ＷＡ・・・（４）
すなわち、上記したステップＳ５４では、単位時間あたりの水増加率を空気系温度ＴＡと運転負荷Ｗの関数として求め、ステップＳ５５でそれを積算した形となる。
【００６４】
なお、ステップＳ５４に示したように、空気系温度ＴＡが低いほど、また運転負荷Ｗが高いほど、凝縮水捕集量ＷＡが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００６５】
次に、前記算出した水量ＳＷＡが、所定値ＳＬＳＷＡを超えているか否かを判定し（ステップＳ５６）、超えていなければ本フローを終了し、超えていれば空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷを−ＤＴとし、空気系水排出フラグＦＡＷを１として空気系水の排出を許可し、さらに次回のＷＡ積算のために水量ＳＷＡをゼロにリセットする（ステップＳ５７）。ここでＤＴは、前記した式（２）のＤＴと同じ意味であるため説明を省略する。
【００６６】
続いて、燃料系水排出フラグＦＦＷもしくは燃料系ガス排出フラグＦＦＧが１、すなわち燃料系水排出バルブ２３が開いているか、あるいは、たとえ閉じていたとしても閉じてからの経過時間が所定時間を経過していないか否かを判定する（ステップＳ５８）。
【００６７】
ここで、燃料系水排出バルブ２３が開いているか、あるいは、たとえ閉じていたとしても閉じてからの経過時間が所定時間を経過していない場合には、空気系水排出バルブ３７を閉弁する（ステップＳ６１）。逆の場合、すなわち燃料系水排出バルブ２３が閉じてから所定時間を経過している場合には、空気系水排出バルブ３７を開弁し（ステップＳ５９）、空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷをＤＴ分進める（ステップＳ６０）。
【００６８】
ここで、燃料系水排出バルブ２３が開弁しているもしくは閉弁していたとしても閉弁から所定時間経過していない場合は、空気系水回収タンク１３付近に、燃料ガスが混流してきている可能性がある。このため上記したステップＳ５８〜Ｓ６１では、たとえ空気系凝縮水タンク１３内の水が所定水位を超えていたとしても、燃料系ガスをシステム外へ排出しないように空気系水排出バルブ３７を閉弁している。また、燃料系水排出バルブ２３の閉弁中は空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷは進まないため、水排出が不完全となることもない。
【００６９】
次に、空気系ガス排出時間計測タイマＴＭＡＷが、所定時間ＳＬＴＭＡＷを超えているか否かを判定し（ステップＳ６２）、超えていなければこのままフローを終了する。逆に超えていれば、空気系水回収タンク１３内の水の排出が終了したと判断し、空気系水排出フラグＦＡＷを０として、空気系水排出バルブ３７を閉弁する（ステップＳ６３）。
【００７０】
以上の各フローを実行することで、水回収タンクに水位センサを設けることなく、燃料系および空気系の水をシステム外へ排出することが可能となり、かつ燃料系水排出バルブ２３を、燃料系のガスおよび水の排出に共用できるため、コスト的にもレイアウト的にも優れたシステムを構築することができる。
【００７１】
また、燃料系水回収タンク１９をより大きくした場合には、レイアウト的には不利になるが、燃料系水の排出は燃料系水排出判断手段７ａではなく、燃料系ガス排出判断手段７ｂで行われることになる。そうすると、燃料系水の排出のために燃料ガスを排出してしまうことがなくなり、必ず排出しなければならないガスで燃料系水を押し出すことが可能となるためシステム効率が向上する。
【００７２】
さらに、燃料系水回収タンク１９内の水量ＳＷＦの判断値である所定値ＳＬＳＷＦを、可能な限り小さい値とすることで、燃料系水回収タンク１９内に存在する水を減らすことが可能となる。これはシステム効率的には好ましくないが、緊急の燃料系ガス排出要求に対しては燃料系水回収タンク１９内の水が少ないほうが有利であり、燃料電池１の発電を常に良好な状態に保つことが可能となる。
【００７３】
上記した第１の実施形態においては、燃料系水回収タンク１９の燃料系水排出口（オリフィス２５）から排出される燃料を、燃料電池１の空気極出口１ｂから排出される空気とともに燃焼させる燃焼器３５を設け、回収水排出をする場合は、オリフィス２５と燃焼器３５との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出バルブ２３を開弁する構成としたため、燃料ガスが燃料系水回収タンク１９から排出されたとしても、その下流に設けてある燃焼器３５で燃焼されてから排出されるため、燃料ガスがそのまま外部へ排出される恐れはなくなる。
【００７４】
また、燃料ガスの外部放出防止という観点からは、燃料系水回収タンク１９の水位管理を厳密にする必要がないので、水位センサがなくても水の排出が可能となるため、コスト的にもレイアウト的にも良好なシステムを構築できる。
【００７５】
また、燃焼器３５と燃料系水排出バルブ２３との間に、水を回収する空気系水回収タンク１３を設ける構成としたため、燃料系水回収タンク１９から排出された水が燃焼器３５へ流入することを防止でき、排出された水によって燃焼器３５の温度が低下して排出ガスが燃焼しないという問題を回避することができる。
【００７６】
なお、空気系水回収タンク１３は、空気系の水を回収するために必要なもので、これに上記の役目を兼ねさせることで、燃焼器３５への水流入防止のためだけに別途タンクを設ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利である。
【００７７】
また、燃料系水排出バルブ２３が開弁している場合、もしくは閉弁してから所定時間以内は、回収水の空気系水回収タンク１３外への排出が要求されていても、空気系水排出バルブ３７を開弁しない構成としたため、空気系水排出口１３ａより燃料ガスが外部へ排出されることがなくなる。
【００７８】
また、燃料系水排出バルブ２３開弁後の燃料系圧力が、所定値を超えて低下して急落したときに、回収水の燃料系水回収タンク１９外への排出が完了したと判断する構成としているので、通常のガス圧制御に用いる圧力センサ５を流用して水の排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利である。
【００７９】
また、オリフィス２５により燃料系水排出口の流路断面積を、その下流の流路断面積よりも小さくしたため、燃料系の圧力低下を明確にすることが可能となり、水の排出完了の判断を確実に行うことができる。
【００８０】
また、燃料系水排出判断手段７ａは、燃料電池１の運転負荷Ｗと、燃料系温度ＴＦと、燃料系水排出バルブ１９を前回閉弁してからの経過時間との少なくともいずれかに基づき行う構成としたため、水位センサを設置しなくても、水の排出時期を判断することができる。
【００８１】
また、燃料系内ガスを燃料系外に排出する場合も、燃料系水排出バルブ２３を開弁する構成としたため、別途弁を設けることなく燃料系のガスを排出できる。
【００８２】
また、燃料系ガスが大気に放出される前に必ず燃焼器３５を通過するため、燃料ガスがそのまま外部へ放出されることはなく、環境に対して良好なシステムを構築することが可能となる。
【００８３】
また、燃料系水排出バルブ２３開弁後の燃料系圧力が、所定値を超えて低下（急落）した時点からの経過時間に基づいて、燃料系内ガスの燃料系外への排出完了判断に使用する構成としているので、通常のガス圧制御に用いる圧力センサ５を流用して燃料ガス排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利となる。
【００８４】
また、燃料系内ガスの燃料系外への排出判断は、燃料電池１の運転負荷と、燃料系水排出バルブ２３を前回閉弁してからの経過時間と、燃料電池１の電圧との少なくともいずれか一つに基づき行うため、的確なタイミングで燃料系内ガスの排出を実行することができる。
【００８５】
図６は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図で、この実施形態は、燃料系水の排出完了判断に、燃料ガス流量計を用いる例である。制御ブロック図および空気系水排出判断手段の制御動作は、前記図２に示した第１の実施形態と共通である。なお、図６においては、前記図１と同じ構成要素には同じ番号を付してある。第１の実施形態と異なる部分は、圧力センサ３が不要になることと、燃料ガス流量計４５が追加になったことである。
【００８６】
次に、各判断手段７ａ，７ｂでの詳細な制御フローについて説明する。
【００８７】
図７は、燃料系水排出判断手段７ａの判断動作を示すフローチャートである。
【００８８】
ここで、ステップＳ１１１〜Ｓ１１８，Ｓ１１９およびＳ１２４は、前記第１の実施形態における図３のステップＳ１１〜Ｓ１８，Ｓ２０およびＳ２５と同じであるため、説明を省略する。
【００８９】
前記図３のステップＳ１４と同様のステップＳ１１４で、燃料系水排出が許可されている場合（ＦＦＷ＝１）には、燃料電池１の運転負荷Ｗと、燃料ガス流量計４５の計測値に応じて得られる燃料ガス流量Ｑｆとを読み込む（ステップＳ１２０）。そして、この読み込んだ運転負荷Ｗに対応した、燃料電池１が消費する燃料ガス消費量Ｑｓを算出する（ステップＳ１２１）。
【００９０】
なお、上記ステップＳ１２１に示したように、運転負荷Ｗが高いほど、燃料ガス消費量Ｑｓが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００９１】
次に、燃料電池１以外が消費している燃料ガスの流量すなわち排出燃料ガス流量ＯＶＱを次式（５）で求める（ステップＳ１２２）。
【００９２】
ＯＶＱ＝Ｑｆ−Ｑｓ・・・（５）
そして、この求めた値ＯＶＱが所定値ＳＬＯＶＱを超えているか否かを判定し（ステップＳ１２３）、超えていれば、燃料系水の排出が終わったとして、燃料系水排出フラグＦＦＷを０とし、燃料系水排出バルブ２３を閉じて（ステップＳ１２４）本フローを終了する。逆に、ＯＶＱがＳＬＯＶＱを超えていなければそのまま本フローを終了する。
【００９３】
図８は、燃料系ガス排出判断手段７ｂの判断動作を示すフローチャートである。
【００９４】
ここで、ステップＳ１３１〜Ｓ１３６，Ｓ１３７，Ｓ１３８およびＳ１４３〜Ｓ１４６は、前記第１の実施形態における図４のステップＳ３１〜Ｓ３６，Ｓ３８，Ｓ３９およびＳ４４〜Ｓ４７と同じであるため、説明を省略する。
【００９５】
前記図３のステップＳ３９と同様のステップＳ１３８で、燃料系ガス排出中フラグＦＦＧ２を０（まだ燃料系ガスは排出されていない）と判定した場合は、運転負荷Ｗと、燃料ガス流量計４５の計測値に応じて得られる燃料ガス流量Ｑｆとをそれぞれ読み込む（ステップＳ１３９）。そして、この読み込んだ運転負荷Ｗに対応した、燃料電池１が消費する燃料ガス消費量Ｑｓを算出する（ステップＳ１４０）。
【００９６】
なお、上記ステップＳ１４０に示したように、運転負荷Ｗが高いほど、燃料ガス消費量Ｑｓが大きくなるようなマップをあらかじめ設定しておく。
【００９７】
次に、燃料電池１以外が消費している燃料ガスの流量すなわち排出燃料ガス流量ＯＶＱを、前記した式（５）で求める（ステップＳ１４１）。
【００９８】
そして、この求めた値ＯＶＱが所定値ＳＬＯＶＱを超えているか否かを判定し（ステップＳ１４２）、超えていれば、燃料系水の排出が終わったとして、それ以降は燃料ガスの排出を行うべくステップＳ１４３へ進む。逆に、ＯＶＱがＳＬＯＶＱを超えていなければそのまま本フローを終了する。
【００９９】
以上の各フローを実行することで、図１に示した第１の実施形態における圧力センサ５の代わりに、燃料ガス流量計４５を配置した場合でも、第１の実施形態と同様な効果が得られる。また、既存のセンサ（燃料ガス流量計４５）を使用しているので、コスト的に良好なシステムを構築することができる。
【０１００】
また第２の実施形態では、燃料ガス流量計４５を追加するシステムとしたが、燃料ガス調圧弁３の開度や前後圧力などから燃料ガス流量を予測してもよい。さらに第２の実施形態では、燃料ガスの排出完了の判断を、排出燃料ガス流量ＯＶＱが所定値ＳＬＯＶＱを超えてからの経過時間に基づき行っているが、ＯＶＱの積算値に基づき行ってもよい。
【０１０１】
上記した第２実施形態においては、次のような効果が得られる。
【０１０２】
燃料ガス流量と運転負荷とから予想される燃料電池１の燃料ガス消費量を、燃料系内ガスの燃料系外への排出完了判断に使用するため、正確な排出完了判断が可能となる。
【０１０３】
通常のガス流量制御に用いる燃料ガス流量計４５を流用して水の排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上有利である。
【０１０４】
また、燃料ガス流量が、所定値を超えて増加し、急増したときに、回収水の燃料系水回収タンク１９外への排出が完了したと判断するため、確実に水の排出の完了を判断することができ、特別なセンサなど取り付ける必要がなく、レイアウト上、コスト上も有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】第１の実施形態における制御ブロック図である。
【図３】第１の実施形態における燃料系水排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態における燃料系ガス排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態における空気系水排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】第２の実施形態における燃料系水排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【図８】第２の実施形態における燃料系ガス排出判断手段の判断動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
１ａ 燃料極入口
１ｂ 空気極出口（酸化剤極出口）
１ｃ 燃料極出口
５ 圧力センサ（燃料圧力検出手段）
７ａ 燃料系水排出判断手段
７ｂ 燃料系ガス排出判断手段
７ｃ 空気系水排出判断手段（酸化剤系水排出判断手段）
９ 燃料ガス流路
１３ 空気系水回収タンク（第２水回収タンク）
１３ａ 空気系水排出口（酸化剤系水排出口）
１５ 空気排出流路
１９ 燃料系水回収タンク
２３ 燃料系水排出バルブ（燃料系水排出流路開閉手段）
２５ オリフィス（燃料系水排出口）
２９ 燃料系水排出配管（燃料系水排出流路）
３５ 燃焼器
３７ 空気系水排出バルブ（酸化剤系水排出流路開閉手段）
４５ 燃料ガス流量計（燃料流量検出手段）
Claims (12)
- 燃料電池の燃料極出口から排出される水を回収する燃料系水回収タンクと、この燃料系水回収タンク内の回収水の排出を行うか否かを判断する燃料系水排出判断手段と、前記燃料系水回収タンクの燃料系水排出口の下流に設けられ、燃料系水排出口から排出される燃料を前記燃料電池の酸化剤極出口から排出される酸化剤とともに燃焼させる燃焼器と、前記燃料系水排出口と前記燃焼器との間の燃料系水排出流路を開閉する燃料系水排出流路開閉手段とをそれぞれ設け、前記燃料系水排出判断手段が、回収水を排出すると判断したときに、前記燃料系水排出流路開閉手段を開放することを特徴とする燃料電池システム。
- 前記燃焼器と前記燃料系水排出流路開閉手段との間に、水を回収する第２水回収タンクを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記第２水回収タンクは、前記燃料電池の酸化剤極出口から排出される水を回収する酸化剤系水回収タンクであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
- 前記第２水回収タンク下部の酸化剤系水排出口を開閉する酸化剤系水排出流路開閉手段と、前記第２水回収タンク内の回収水の排出を行うか否かを判断する酸化剤系水排出判断手段とをそれぞれ備え、前記燃料系水排出流路開閉手段が開弁している場合もしくは閉弁してから所定時間以内は、前記酸化剤系水排出判断手段が前記第２水回収タンク内の回収水を排出すると判断しても、前記酸化剤系水排出流路開閉手段を開弁しないことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の燃料極入口に接続した燃料ガス流路に、燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を設け、前記燃料系水排出判断手段は、この燃料圧力検出手段が検出した燃料圧力が、前記燃料系水排出流路開閉手段の開放後に、所定値を超えて低下したときに、前記燃料系水回収タンク内の回収水の排出が完了したと判断することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記燃料系水排出口の流路断面積を、その下流の流路断面積より小さくしたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の燃料極入口に接続した燃料ガス流路に、燃料ガスの流量を計測する燃料流量検出手段を設け、前記燃料系水排出判断手段は、この燃料流量検出手段が検出した燃料流量が、所定値を超えて増加したときに、前記燃料系水回収タンク内の回収水の排出が完了したと判断することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記燃料系水排出判断手段の水排出判断は、前記燃料電池の運転負荷と、前記燃料系の温度と、前記燃料系水排出流路開閉手段を前回閉弁してからの経過時間との少なくともいずれか一つに基づき行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の燃料極出口から排出される燃料を系外へ排出するか否かを判断する燃料系ガス排出判断手段を設け、前記燃料を系外に排出する場合も、前記燃料系水排出流路開閉手段を開放することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の燃料極入口に接続した燃料ガス流路に、燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を設け、前記燃料系ガス排出判断手段は、この燃料圧力検出手段が検出した燃料圧力が前記燃料系水排出流路開閉手段の開放後に所定値を超えて低下した時点からの経過時間に基づいて、燃料系ガスの系外への排出が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の燃料極入口に接続した燃料ガス流路に、燃料ガスの流量を計測する燃料流量検出手段を設け、前記燃料系ガス排出判断手段は、この燃料流量検出手段が検出した燃料流量と、前記燃料電池の運転負荷から予想される燃料消費量とに基づいて、燃料系ガスの系外への排出が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
- 前記燃料系ガス排出手段の燃料ガス排出判断は、前記燃料電池の運転負荷と、前記燃料系水排出流路開閉手段を前回閉弁してからの経過時間と、前記燃料電池の電圧との少なくともいずれか一つに基づき行うことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
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