JP5610029B2

JP5610029B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5610029B2
Application number: JP2013092304A
Authority: JP
Inventors: 浩己田中; 修弓田; 雅一杉下; 公志藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP2013179064A

Description

本発明は、燃料電池システムの起動時の制御に関する。

燃料電池システムには、電解質膜の両側にアノード極とカソード極とを配置し、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電がされると共にカソード極に水が生成される燃料電池が多く用いられている。以下の説明では、水素の供給されるアノード極を水素極、空気の供給されるカソード極を空気極として説明する。この様な燃料電池システムの水素系統は、水素ポンプによって水素を循環させる循環系統となっており、発電反応で消費された分の水素が外部の水素ガスタンクから水素の循環系統に供給されるようになっている。

燃料電池システムの運転中には、空気中に含まれる電気化学反応に使用されない窒素が空気極の空気流路に滞留すると共に、電解質膜を通して水素極にクロスリークしてくる。また、発電のための電気化学反応によって空気極に生成される水分の一部が、電解質膜を通して水素極にクロスリークしてくる。水素系統は上記のように循環系統となっていることから、運転中に水素系統に入り込んだ窒素や水分は次第に水素循環系統内に蓄積され、水素濃度が低下し、発電量が低下してしまう。そこで、水素系統には反応後の水素ガスや水分を系統外に排出する排気排水弁が設けられている場合が多い。また、反応後の水素ガス中に含まれる水分を効果的に排出するために、排気排水弁の手前に水分を凝結させる熱交換器と凝結させた水分を溜めておくドレインタンクとを設け、ドレインタンクに滞留させた水分を反応後の水素ガスとともに系統外に排出するよう構成されているものがある。

一方、燃料電池システムが停止状態で長期間低温状態におかれると排気排水弁の中の水が凍結し、開閉動作が出来なくなってしまう場合がある。この様な場合、反応後の水素ガスや水分を適切に水素系統外に排出することができず、燃料電池の発電効率が低い状態で運転することになる。そこで、燃料電池の停止中に排気排水弁の内部で水が凍結した場合であっても次の起動の際に適切に排気排水弁の制御を開始できるよう、排気排水弁の中の水が凍結しているかどうかを判断する凍結判断手段と、排気排水弁の中の氷が解凍されたかどうかを判断する解凍判断手段を備えた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。より具体的には、外気温度によって水の凍結を判断し、燃料電池の積算発熱量、排気排水弁の温度等のパラメータに基づいて氷の解凍を判断することが提案されている。

また、外気温度が所定の温度よりも低い場合に、排気排水弁に開指令を出力した際の水素循環系統の圧力低下量や、水素ポンプ駆動用モータへの供給電力の異常によって排気排水弁の凍結を判定する方法が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。更に、排気排水弁が凍結した際には、水素循環ポンプの流量を低減して燃料電池を自己発熱させ、その熱で排気排水弁の解凍を行う方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００６−１３４７７１号公報特開２００８−２０４９５７号公報特開２００４−１７２０２５号公報特開２００８−９７８４１号公報

しかし、燃料電池は内部に滞留している生成水が凍結することを防止するためにほとんどの場合、断熱ケーシングの中に収納されているが、排気排水弁は断熱ケーシングの中に格納されている場合と、断熱ケーシングの外に配置されている場合がある。このため、排気排水弁が断熱ケーシングの外に配置されている場合には、燃料電池の積算発熱量に基づいて排気排水弁の解凍を判断すると誤差が大きくなってしまう。また、排気排水弁の温度に基づいて解凍判断を行う場合は、より正確な解凍の判断ができるが、解凍判断のためだけに排気排水弁に温度センサを取り付けることが必要で、システムが複雑になって故障の原因が増加することとなるという問題があった。また、特許文献２，３に記載されているように、水素循環系統の圧力低下量で凍結判定を行う場合、長期間の停止で水素循環系統の圧力が低くなってしまっている場合には、圧力がそれ以上低下せず、解凍判定が出来ない場合がある。また、水素ポンプ等のモータへの供給電力の異常によって排気排水弁の凍結を判定する場合には、水素ポンプ等の回転が阻害されているのか、排気排水弁が凍結しているのかどうかを判定することが出来ない場合があり、排気排水弁の凍結を的確に判定できない場合がある。

そこで、本発明は、簡便な手段により的確に排気排水弁の解凍判定を行うことを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部と反応後の燃料ガスに含まれる水分とを排出する排気排水弁と、排気排水弁の下流に設けられる燃料ガス濃度検出器と、外気温を検出する外気温センサと、燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度センサと、排気排水弁の開閉指令を出力する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の起動の際に、外気温センサによって取得した外気温と冷媒温度センサによって取得した冷媒温度とから燃料電池システムが始動したときの排気排水弁の温度である初期温度を推定し、推定した初期温度が第１の閾値よりも低い場合に、排気排水弁が凍結していると判定する凍結判定手段と、排気排水弁が凍結していると判定した場合に、燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理の前の燃料ガス濃度である初期の燃料ガス濃度を検出し、次に所定の解凍処理を開始し、所定の解凍処理が終了した後、排気排水弁に対する開指令を出し、排気排水弁の開指令を出力した直後に燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理後の燃料ガス濃度を検出し、検出した解凍処理後の燃料ガス濃度と初期の燃料ガス濃度とを比較して燃料ガス濃度の変化を算出し、燃料ガス濃度の変化が第２の閾値よりも大きい場合には、排気排水弁は解凍したと判定する解凍判定手段と、を有していることを特徴とする。

本発明は、簡便な手段により的確に排気排水弁の解凍判定を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す系統図である。本発明の実施形態における排気排水弁の駆動系統を示す系統図である。参考例における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。参考例におけるコイルの抵抗値と温度との関係を示すグラフである。参考例における燃料電池システムの他の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態における排気排水弁の他の駆動系統を示す系統図である。本発明の実施形態における排気排水弁の他の駆動系統を示す系統図である。

本発明の実施形態について、図１、２を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０の燃料電池１１は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計１８を介して空気吸込み管路１９から空気圧縮機１５に吸込まれ、空気圧縮機１５によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路２０から加湿器３１に供給される。空気吸込み管路１９には吸い込んだ外気の温度を検出する外気温センサ１７が取り付けられている。加湿器３１に入った空気は、加湿器３１において燃料電池１１での反応で生成された水分により加湿され、湿り空気となって空気供給管路２３から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の空気極１２から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池１１の空気排出管路２４に排出される。空気排出管路２４には空気極１２の中の空気圧力を所定の運転圧力に制御する空気圧力調節弁２８が設けられている。燃料電池１１の空気極１２から排気された水分を多く含む反応後の空気は、加湿器３１でその水分の一部を供給空気への付加水分とするために除去される。水分量が減少した排出空気は排気管路２９によって下流に流れて行く。排気管路２９の途中には、サイレンサ５６が設けられ、サイレンサ５６を通過した反応後の排気空気は、大気放出口５７から大気に排気される。燃料電池１１に供給される空気流量は空気圧縮機１５のモータ１６の回転数を調整することによって行い、空気圧力は燃料電池１１の空気極１２の出口の空気圧力調節弁２８によって調節される。

燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク４１に貯留されている。水素は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって燃料電池１１の燃料極である水素極１３に供給される。燃料電池１１に供給された水素の一部は空気極１２に供給された空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素はクロスリークによって水素系統に入り込んだ窒素や水分と共に水素極１３から水素排出管路４４に排出される。水素排出管路４４に排出された反応後の水素ガス等は、水素排出管路４４に接続されている気液分離器４８に流入する。気液分離器４８は水素排出管路４４よりも流路断面積が大きな容器であり、内部に流入した反応後の水素ガス等の速度が低下するので水分とガス分とが比重差によって分離される。また、ガス分の中でも比重の軽い水素と比重の大きい窒素も比重差によって分離される。このため、上部に接続された水素循環管路４５には、気液分離器４８によって分離された軽い水素を多く含む反応後の水素ガスが流出し、気液分離器４８内部には、比重の大きい窒素分と水分とが滞留してくる。気液分離器４８と水素供給管路４３とは水素循環管路４５によって接続され、水素循環管路４５に設けられた水素循環ポンプ４６によって水素ガスを多く含むようになった反応後の水素ガスが水素供給管路４３に再循環される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３に補充される。補充される水素ガスの量は水素供給調節弁４２によって調節される。

上記のように、水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると空気極１２からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物は気液分離器４８の下部に滞留、濃縮されてくる。このように気液分離器４８の下部に滞留、濃縮されてきた不純物を効率的に排出するために、気液分離器４８は傾斜した底面を備え、その傾斜した底面の最下部に不純物を排出する気液分離器排出管路５０が設けられている。そして、この気液分離器排出管路５０に接続された排気排水弁４９を開として、滞留、濃縮された水分や窒素等の不純物を水素系大気放出管路５１から大気に放出する。この場合、窒素や水分のみでなく一部の水素も同時に排出されてしまうので、高濃度の水素ガスが直接大気に放出されることがないように、混合器５５によって空気極からの排気空気と混合して、水素濃度を下げてから大気に放出するように構成されている。また、水素系大気放出管路５１には、排出される流体に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出器５４が設けられている。

排気排水弁４９は、電磁式のアクチュエータ５２によって開閉駆動される弁であり、図２に示すように、アクチュエータ５２の内部には弁体を駆動するためのコイル５３が設けられている。排気排水弁４９の駆動系統は、駆動用の電源６１と、駆動用の電源６１から供給される電力を内部に設けられたスイッチング素子の動作によって図２（ｂ）に示すようなコイル５３駆動用のパルス電力に変換して出力するスイッチング回路６２と、コイル５３に流れる電流を検出する電流センサ６３とが含まれている。スイッチング回路６２は制御部９０に接続され、制御部９０の指令によって動作するよう構成されている。排気排水弁４９はノーマルクローズの弁であり、コイル５３に通電されていない状態では弁体は内部に取り付けられたばねによって弁座に押し付けられており、コイル５３に通電されると電磁力で弁体に接続された弁棒が引き上げられ、弁が開状態となる。

燃料電池１１は燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気との電気化学反応によって発電を行なうと、反応熱が発生する。この反応熱は燃料電池１１の中のセパレータに冷媒を流す冷却系統によって外部に放出される。図１に示すように、燃料電池１１の中のセパレータ流路を流れて温度の上昇した冷媒は冷媒出口管路３２に設けられた冷媒ポンプ３３によってラジェータ３７に送られる。ラジェータ３７の放熱フィンからの放熱によって温度が低下した冷媒は、冷媒入口管路３９から燃料電池１１に供給され、燃料電池１１を循環して冷却する。この冷媒ポンプ３３はモータ３５の回転数を調整することによって流量を調整することができるものである。燃料電池１１の冷媒出口管路３２には冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ３６が設けられている。

本実施形態の燃料電池システム１０は、図１の１点鎖線で示すように、燃料電池１１及び空気圧力調節弁２８及び、水素循環管路４５、水素循環ポンプ４６、気液分離器４８を含む水素循環系統及び、排気排水弁４９等の機器を格納している保温ケーシング７１を有している。保温ケーシング７１は、停止中の燃料電池１１の温度低下を防止すると共に、起動後の燃料電池からの熱放散を防止して、所定の通常温度において燃料電池１１を運転することができるようにしている。

外気温センサ１７、冷媒温度センサ３６、水素濃度検出器５４、各調節弁２８，４２、アクチュエータ５２、燃料電池１１の各状態量、空気圧縮機１５、冷媒ポンプ３３、水素循環ポンプ４６の各モータ１６，３５，４７などはすべて制御部９０に接続されており、各センサ１７、３６、水素濃度検出器５４からの計測値は制御部９０に入力され、制御部９０は各調節弁２８，４２、排気排水弁４９の開閉指令、各モータ１６，３５，４７の回転数指令を出力して燃料電池システム１０全体の制御を行う。制御部９０は内部に信号処理用のＣＰＵと制御プログラム、制御データを格納するメモリとを含むコンピュータであり、メモリに格納されたソフトウェアによって全体の制御を行うように構成されている。制御部９０は電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていてもよい。

図３、図４を参照して以上のように構成された燃料電池システム１０の凍結判定及び解凍判定動作について説明する。図３のステップＳ１０１に示すように、燃料電池システム１０が始動されると、制御部９０は、図２のステップＳ１０２に示すように、外気温センサ１７から外気温を取得し、冷媒温度センサ３６から冷媒温度を取得する。そして、制御部９０は、図２のステップＳ１０３に示すように、外気温センサ１７から取得した外気温と冷媒温度センサ３６から取得した冷媒温度とから排気排水弁４９の初期温度を推定する。推定は、例えば、排気排水弁４９の温度は外気温と冷媒温度とのいずれか低い方の温度と等しいものとして、外気温センサ１７から取得した外気温と冷媒温度センサ３６から取得した冷媒温度の低い方の温度を排気排水弁４９の初期温度としてもよいし、本参考例のように燃料電池１１の保温ケーシング７１の中に排気排水弁４９が収容されている場合には、保温ケーシング７１の中の温度により近い冷媒温度を排気排水弁４９の初期温度としてもよい。また、燃料電池１１や冷媒の熱容量を考慮して冷媒温度と外気温との温度差に係数を掛けた温度だけ冷媒温度センサ３６から取得した冷媒温度を補正して排気排水弁４９の温度としてもよい。

図３のステップＳ１０４に示すように、制御部９０は、推定した排気排水弁４９の初期温度と閾値とを比較し、排気排水弁４９の初期温度が閾値よりも低い場合には図３のステップＳ１０５に示すように、排気排水弁４９は凍結しているものと判定し、閾値よりも高い場合には、図３のステップＳ１０６に示すように排気排水弁４９は凍結していないものと判定する。ここで、閾値は、例えば、０℃としても良いし、水分中に窒素などが混入していることを考慮して、−５℃の様に設定してもよい。制御部９０は、排気排水弁４９が凍結していないと判定した場合には、解凍判定を行うことなく動作を終了する。

一方、制御部９０は、排気排水弁４９が凍結していると判断した場合には、図３のステップＳ１０７に示すように、排気排水弁４９の解凍処理を行う。解凍処理は、例えば排気排水弁４９を解凍するために燃料電池１１が自己発熱するように運転したり、排気排水弁４９にヒータを取り付けておき、このヒータによって排気排水弁４９を加熱することによって解凍したりしてもよい。

制御部９０は解凍処理の後、図３のステップＳ１０８に示すように、排気排水弁４９の作動開始指令と開閉デューティ比を出力し、排気排水弁４９のアクチュエータ５２のコイル５３に通電を開始する。制御部９０の指令によって図２に示すスイッチング回路６２は、図２（ｂ）に示すように開閉デューティ比で電源６１から供給される電力のオンオフを開始する。開閉デューティ比は作動時間に対する開時間の割合で、例えば、開閉デューティ比が５０％の場合は、作動時間の内半分の時間、アクチュエータ５２のコイル５３に通電電流が流れ、半分の時間は通電電流が流れていない状態となり、開閉デューティ比が１００％の場合には、作動時間中は常にコイル５３に電流が流れている状態となる。

図３のステップＳ１０９に示すように、制御部９０は、コイル５３への通電が開始されたら電流センサ６３によってコイル５３に供給されている電流値を取得する。コイル５３への電流はオンオフ制御となっているので、電流センサ６３は電流の実効値を測定することとなる。制御部９０は、図３のステップＳ１１０に示すように、電流センサ６３から取得した電流値と開閉デューティ比とからコイル５３に電源６１の出力電圧が掛かった場合の最大電流値を算出する。この最大電流値は電流センサで測定した電流値を開閉デューティ比で割った値となる。そして、電源６１の出力電圧を最大電流で割ってコイル５３の抵抗値を算出する。

図４に示すように、コイル５３の抵抗値は温度によって変化し、温度が高くなるとその抵抗値は大きくなり、温度が低くなるとその抵抗値は小さくなってくる。従って、コイル５３の抵抗値によって排気排水弁４９の温度を推定することができ、計算したコイル５３の抵抗値によって排気排水弁４９が解凍しているかどうかを判定することができる。図３のステップＳ１１１に示すように、制御部９０は、計算したコイル５３の抵抗値と閾値とを比較し、抵抗値が閾値よりも大きい場合には、図３のステップＳ１１２に示すように排気排水弁４９は解凍していると判定し、図３のステップＳ１１３に示すように、抵抗値が閾値よりも小さい場合には凍結した状態にあると判断する。閾値は、排気排水弁４９が０℃以上となる際のコイル５３の温度とすることが出来る。例えば、排気排水弁４９が０℃に上昇した場合には、コイル５３の温度は数℃となる場合には、コイル５３の温度が数℃の場合の抵抗値を閾値としてもよい。

制御部９０は、コイル５３の抵抗値が所定の閾値よりも小さい場合には、排気排水弁４９は解凍していないと判定し、解凍したと判定するまで図３のステップＳ１０７に戻って解凍処理を続け、図３のステップＳ１０８からステップＳ１１１を繰り返す。

以上説明したように、本参考例の燃料電池システム１０は、解凍判定のために追加のセンサ等を必要としないことから簡便な構成とすることが出来るという効果を奏する。また、本参考例の燃料電池システム１０は、排気排水弁４９の近傍に配置されているコイル５３の抵抗値から排気排水弁４９の解凍判定を行うことから的確に排気排水弁４９の解凍判定を行うことができるという効果を奏する。

図５を参照しながら図１、図２を参照して説明した燃料電池システム１０の他の動作について説明する。図３，４を参照して説明した部分と同様の部分については、説明を省略する。

図５のステップＳ２０１からＳ２０６に示すように、制御部９０は、先に説明した動作と同様、燃料電池システム１０が始動すると、外気温センサ１７と冷媒温度センサ３６から外気温と冷媒温度とを取得し、これらの温度に基づいて排気排水弁４９の初期温度を推定し、凍結判定を行う。排気排水弁４９が凍結していると判定した場合、制御部９０は、図５のステップＳ２０７に示すように、排気排水弁４９の作動開始指令と開閉デューティ比を出力し、排気排水弁４９のアクチュエータ５２のコイル５３に通電を開始する。コイル５３に通電を開始したら、制御部９０は、図５のステップＳ２０８に示すように、コイル５３に流れる電流の実効値を電流センサ６３から取得する。そして、制御部９０は、図５のステップＳ２０９に示すように、排気排水弁４９の作動開始からの時間をカウントする。

制御部９０は、図５のステップＳ２１０に示すように、電流センサ６３から取得した電流の実効値と電源６１の電圧と作動時間とを掛け合わせて、コイル５３で消費される電力量を計算し、計算した電力量と排気排水弁４９の熱容量とから排気排水弁４９の昇温温度を算出する。そして、図５のステップＳ２１１に示すように排気排水弁４９の初期温度に昇温温度を加算して、昇温後の排気排水弁４９の温度を推定する。制御部９０は、図５のステップＳ２１２に示すように推定した昇温後の排気排水弁４９の温度と所定の閾値とを比較し、図５のステップＳ２１３に示すように昇温後の排気排水弁４９の温度が閾値よりも高い場合には排気排水弁４９は解凍していると判定する。ここで閾値は、例えば、０℃としてもよいし、＋５℃などとしてもよい。

制御部９０は、図５のステップＳ２１４に示すように、推定した排気排水弁４９の昇温後の温度が所定の閾値よりも低い場合には、排気排水弁４９は解凍していないと判定し、解凍したと判定するまで図５のステップＳ２０７に戻ってコイル５３への通電を続け、図５のステップＳ２０７からステップＳ２１２を繰り返す。本参考例の燃料電池システム１０は、先に説明した参考例と同様の効果を奏する。

また、本参考例では、電流センサ６３から取得した電流の実効値と電源６１の電圧と作動時間とを掛け合わせて、コイル５３で消費される電力量を計算することとして説明したが、コイル５３の温度と抵抗値との関係から推定した排気排水弁４９の初期温度のコイル５３の抵抗値を取得し、電源６１の電圧と取得した抵抗値とから電源６１の電圧がコイル５３に掛かっている場合のコイル５３に掛かる電力を計算し、制御部９０の出力する排気排水弁４９の開閉デューティ比から作動時間の中で、コイル５３に電流が流れている時間を計算し、コイル５３に掛かる電力にコイル５３に電流が流れている時間を掛け合わせてコイル５３で消費される電力量を計算し、計算した電力量と排気排水弁４９の熱容量とから排気排水弁４９の昇温温度を算出する様にしてもよい。この場合、電流センサ６３がなくても排気排水弁４９の昇温後の温度を推定することが出来ることから先に示した参考例よりも簡便に排気排水弁４９の解凍を判定することができる。

図６を参照しながら図１、図２を参照して説明した実施形態における燃料電池システム１０の動作について説明する。図３，４を参照して説明した部分と同様の部分については、説明を省略する。

図６のステップＳ３０１からＳ３０６に示すように、制御部９０は、先に説明した動作と同様、燃料電池システム１０が始動すると、外気温センサ１７と冷媒温度センサ３６から外気温と冷媒温度とを取得し、これらの温度に基づいて排気排水弁４９の初期温度を推定し、凍結判定を行う。排気排水弁４９が凍結していると判定した場合、制御部９０は、図６のステップＳ３０７に示すように、水素濃度検出器５４によって排気排水弁４９の下流の水素系大気放出管路５１の初期水素濃度を取得する。そして、制御部９０は図６のステップＳ３０８に示すように、排気排水弁４９の解凍処理を開始する。解凍処理は先に図３を参照して説明した参考例と同様、例えば、排気排水弁４９を解凍するために燃料電池１１が自己発熱するように運転したり、排気排水弁４９にヒータを取り付けておき、このヒータによって排気排水弁４９を加熱することによって解凍したりしてもよい。

図６のステップＳ３０９に示すように、制御部９０は解凍処理の後、排気排水弁４９を開とする指令を出力する。この指令によって図２に示すスイッチング回路６２が動作し、コイル５３に電流が流れ、排気排水弁４９の弁体は開方向に移動しようとする。排気排水弁４９が解凍している場合には、コイル５３への通電で弁体が移動し、排気排水弁４９が開状態となる。制御部９０は図６のステップＳ３１０に示すように、その直後、水素濃度検出器５４から水素濃度を取得する。排気排水弁４９が開となると、水素系統に残留している水素が排気排水弁４９を通って水素系大気放出管路５１に流出するので水素濃度検出器５４によって取得する水素濃度は初期水素濃度よりも上昇する。制御部９０は、図６のステップＳ３１２に示すように、水素濃度検出器５４によって取得した初期水素濃度と排気排水弁４９への開指令出力直後に水素濃度検出器５４によって取得した水素濃度とを比較し、その変化を算出する。変化は水素濃度の差であってもよいし水素濃度の変化割合であっても良い。そして、制御部９０は図６のステップＳ３１２に示すように、算出した水素濃度の変化と所定の閾値とを比較し、図６のステップＳ３１３に示すように所定の閾値よりも変化が大きい場合には、排気排水弁４９は解凍していると判定する。

図６のステップＳ３１４に示すように、制御部９０は算出した水素濃度の変化が所定の閾値よりも変化が小さい場合には、排気排水弁４９は解凍していないと判定し、解凍したと判定するまで図６のステップＳ３０８からステップＳ３１２を繰り返す。本実施形態の燃料電池システム１０は、先に説明した参考例と同様の効果を奏する。

図７を参照しながら排気排水弁４９の他の駆動系統について説明する。図１、図２を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図２を参照して説明した排気排水弁４９の駆動系統では、制御部９０から排気排水弁４９の作動指令と開閉デューティ比が入力されるとスイッチング回路６２は電源６１から供給される電源をオンオフして排気排水弁４９の開閉駆動を行うこととして説明したが、本実施形態の駆動系統は、排気排水弁４９のアクチュエータ５２のコイル５３に掛かる電流の方向をスイッチング回路６２によって変化させるようにしたものである。

排気排水弁４９はノーマルクローズの弁であることから、図２を参照して説明した実施形態の駆動系統では排気排水弁４９が閉状態ではコイル５３に電流が流れず、開弁の際にのみコイル５３に電流が流れるよう構成されている。しかし、排気排水弁４９の開閉デューティ比は低いことから、コイル５３に電流が流れている時間が短く、外気温が低下した場合、コイル５３の発熱によって排気排水弁４９の温度を凍結しない温度に保持することが難しくなってくる。そこで、本実施形態では、図７に示すように、制御部９０から排気排水弁４９の作動指令と開閉デューティ比が入力されたら、スイッチング回路６２によって開弁の際には電源６１のプラスとＧＮＤとをコイル５３の端子Ａ，Ｂに接続し図７（ａ）の実線の矢印のように端子Ａから端子Ｂに向かって電流を流し、閉弁状態では、電源６１のマイナスとＧＮＤとを端子Ａ、Ｂに接続し、図７（ｂ）の点線の矢印で示すように端子Ｂから端子Ａに向って電流を流すようにする。この様にすることによって、排気排水弁４９が開弁状態でも閉弁状態でもコイル５３に通電することができ、排気排水弁４９を凍結しない温度に保持し、排気排水弁４９の凍結を回避することができる。また、本実施形態では、排気排水弁４９が閉状態の際にはコイル５３に流す電流の向きを開弁動作の際の電流の流れる方向と反対方向としているので、コイル５３への通電により閉弁方向の電磁力が発生するので、閉弁状態でコイル５３に通電しても排気排水弁４９が開となることはない。また、このようにコイル５３に電流を流すことによって凍結状態の排気排水弁４９の解凍処理とすることとしてもよい。

上記のように構成された排気排水弁４９を備える燃料電池システム１０では、外気温センサ１７によって取得した外気温が所定の閾値、例えば＋５℃以上の場合には、図２を参照して説明した実施形態と同様、排気排水弁４９を開とする場合にのみコイル５３に通電する通常動作を行い、外気温センサ１７によって取得した外気温が所定の閾値、例えば＋５℃以下となった場合には、排気排水弁４９の開弁状態でも閉弁状態でもコイル５３に電流を流す様にスイッチング回路６２の動作を保温動作に切り替える。このようにして、外気温が低下した際の排気排水弁４９の凍結を防止することが出来る。

次に、図７に示す駆動系統を備える排気排水弁４９の解凍判定を図３に示した方法で行う場合について説明する。先に説明した参考例と同様の部分については説明を省略する。図３のステップＳ１０１からＳ１０６に示すように、制御部９０は、先に説明した動作と同様、燃料電池システム１０が始動すると外気温センサ１７と冷媒温度センサ３６から外気温と冷媒温度とを取得し、これらの温度に基づいて排気排水弁４９の初期温度を推定し、凍結判定を行う。排気排水弁４９が凍結していると判定した場合、制御部９０は、図３のステップＳ１０７に示すように解凍処理を行う。

図３のステップＳ１０８に示すように、制御部９０は、排気排水弁４９の作動指令と開閉デューティ比をスイッチング回路６２に出力すると共に、スイッチング回路６２のスイッチング動作を保温動作に切り替える指令を出力する。これにより排気排水弁４９のアクチュエータ５２のコイル５３には図７（ｂ）に示すように開弁状態でも閉弁状態も電流が流れ始める。この場合、電流センサ６３によって電流値を測定すると実効値がゼロとなってしまうので、制御部９０は、排気排水弁４９の開状態または閉状態となっている間にコイル５３に流れる電流センサ６３から電流値を取得し、その電流値に基づいて図３のステップＳ１１０に示すようにコイル５３の抵抗値を算出し、図３のステップＳ１１１に示すように抵抗値と閾値を比較して解凍判定を行う。

本参考例は図１から図４を参照して説明した参考例と同様の効果を奏する。また、本参考例では、図３の解凍処理としてコイル５３への通電を利用することにより、燃料電池１１が自己発熱や排気排水弁４９のヒータ加熱を省略してもよい。

図７を参照して説明したように構成された排気排水弁４９を備える燃料電池システム１０で、図４を参照して説明した動作によって排気排水弁４９の解凍判定を行う場合には、排気排水弁４９の開閉デューティ比が１００％であるとして排気排水弁４９の昇温を計算する。その他の解凍判定の動作は図４を参照して説明した動作と同様である。

図８を参照しながら、排気排水弁４９の他の駆動系統について説明する。図１、図２、図７を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図８に示すように、本実施形態の駆動系統は、排気排水弁４９のアクチュエータ５２は、開弁時に通電する開弁用コイル５３ａと閉弁時に通電する閉弁用コイル５３ｂとを備えている。開弁用コイル５３ａと閉弁用コイル５３ｂとは、開弁用コイル５３ａによる電磁力の大きさが閉弁用コイル５３ｂによる電磁力の大きさよりも小さくなるように選定されている。制御部９０から開弁指令が出力されるとスイッチング回路６２は開弁用コイル５３ａの端子Ａから端子Ｂに向って電流を流す。この際、閉弁用コイル５３ｂには電流は流れない。そして、制御部９０から閉弁指令が出力された場合には、スイッチング回路６２は、閉弁用コイル５３ｂの端子ＣからＢに向う方向に電流を流してコイル５３ｂの電磁力の方向を開弁動作の際とは逆にして弁を閉弁する。この閉弁動作の際にスイッチング回路６２は、開弁用コイル５３ａにも開弁の際と同様の電流を流し続ける。この様に２つのコイル５３ａ，５３ｂに同時に電流を流すことによって閉弁状態でも排気排水弁４９の温度を凍結しない温度に保持することが出来る。開弁用コイル５３ａと閉弁用コイル５３ｂとに同時に電流が流れると、各コイル５３ａ，５３ｂにはそれぞれ反対方向に向かう電磁力が発生することとなるが、開弁用コイル５３ａによる電磁力の大きさが閉弁用コイル５３ｂによる電磁力の大きさよりも小さくなるように選定されているので、閉弁動作が妨げられることはない。また、このようにコイル５３ａ，５３ｂに同時に電流を流すことによって凍結状態の排気排水弁４９の解凍処理とすることとしてもよい。

上記のように構成された排気排水弁４９を備える燃料電池システム１０では、外気温センサ１７によって取得した外気温が所定の閾値、例えば＋５℃以上の場合には、開弁の際には開弁用コイル５３ａにのみ通電し、閉弁の際には閉弁用コイル５３ｂにのみ通電する通常動作を行い、外気温センサ１７によって取得した外気温か所定の閾値、例えば＋５℃以下となった場合には、開弁用コイル５３ａが常に通電状態となる保温動作に切り替える。このようにして、外気温が低下した際の排気排水弁４９の凍結を防止することが出来る。

図８に示す駆動系統を備える排気排水弁４９の解凍判定を図３に示した方法によって行う場合には、排気排水弁４９の作動中は常に電流が流れる開弁用コイル５３ａの電流値を電流センサ６３によって取得し、その電流値から開弁用コイル５３ａの抵抗値を求め解凍判定を行う。その他の動作については先に図７を参照して説明した参考例の動作と同様である。また、図８に示す駆動系統を備える排気排水弁４９の解凍判定を図４に示した方法によって行う場合には、開弁用コイル５３ａで消費される電力を求める場合には、開閉デューティ比を１００％として計算し、閉弁用コイル５３ｂで消費される電力を計算する場合には、先に説明した参考例と同様、制御部９０の出力する開閉デューティ比を用いて計算する。その他の動作については図７を参照して説明した参考例の動作と同様である。本参考例は、図１から図４を参照して説明した参考例と同様の効果を奏する。

１０燃料電池システム、１１燃料電池、１２空気極、１３水素極、１５空気圧縮機、１６，３５，４７モータ、１７外気温センサ、１８吸気流量計、１９空気吸込み管路、２０圧縮機吐出管路、２３空気供給管路、２４空気排出管路、２８空気圧力調節弁、２９排気管路、３１加湿器、３２冷媒出口管路、３３冷媒ポンプ、３６冷媒温度センサ、３７ラジェータ、３９冷媒入口管路、４１水素ガスタンク、４２水素供給調節弁、４３水素供給管路、４４水素排出管路、４５水素循環管路、４６水素循環ポンプ、４８気液分離器、４９排気排水弁、５０気液分離器排出管路、５１水素系大気放出管路、５２アクチュエータ、５３コイル、５３ａ開弁用コイル、５３ｂ閉弁用コイル、５４水素濃度検出器、５５混合器、５６サイレンサ、５７大気放出口、６１電源、６２スイッチング回路、６３電流センサ、７１保温ケーシング、９０制御部。

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部と反応後の燃料ガスに含まれる水分とを排出する排気排水弁と、
排気排水弁の下流に設けられる燃料ガス濃度検出器と、
外気温を検出する外気温センサと、
燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度センサと、
排気排水弁の開閉指令を出力する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の起動の際に、外気温センサによって取得した外気温と冷媒温度センサによって取得した冷媒温度とから燃料電池システムが始動したときの排気排水弁の温度である初期温度を推定し、推定した初期温度が第１の閾値よりも低い場合に、排気排水弁が凍結していると判定する凍結判定手段と、
排気排水弁が凍結していると判定した場合に、
燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理の前の燃料ガス濃度である初期の燃料ガス濃度を検出し、
次に所定の解凍処理を開始し、
所定の解凍処理が終了した後、排気排水弁に対する開指令を出し、
排気排水弁の開指令を出力した直後に燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理後の燃料ガス濃度を検出し、
検出した解凍処理後の燃料ガス濃度と初期の燃料ガス濃度とを比較して燃料ガス濃度の変化を算出し、燃料ガス濃度の変化が第２の閾値よりも大きい場合には、排気排水弁は解凍したと判定する解凍判定手段と、
を有していることを特徴とする燃料電池システム。