JP2009110849A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの氷点下起動時に、貯水部の凍結判断、解凍判断を正確に行って、早期に排水制御可能とする。
【解決手段】燃料電池システムの気液分離装置１４は、気液分離部２０と、気液分離部２０で分離された液水が貯水される貯水部２１とを備える。静電容量センサ２８は、貯水部２１の静電容量を測定する。コントローラ１７は、静電容量センサ２８の静電容量測定値に基づいて貯水部２１内の凍結判断を行う。貯水部内が凍結しているか否かを判断する凍結判断閾値は、静電容量センサ２８の電極と接地電極（ハウジング１８）間に氷と水が並列に配置した場合の静電容量と氷水比率の関係において、凍結判断すべき所定の氷水比率時の静電容量とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、水タンク内の水が凍結しているか否か、或いは水タンクの解凍が必要か否かを判断する燃料電池システムに関する。

従来より貯水部に設置した静電容量式水位センサにより、貯水部の水位を検出或いは推定する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。

この従来技術においては、燃料電池システムの停止時の貯水部水位を記憶しておき、燃料電池システムを起動する際に検出、或いは推定される貯水部の水位と比較することで、貯水部の凍結判断、或いは、解凍判断を行っていた。
特開２００６−１４００４４号公報（第５頁、図２）

しかしながら上記従来の燃料電池システムにあっては、長期放置後などの場合には、停止時の水位から未凍結の場合においても水位が変動し、氷点下起動時などに凍結判断等を行う場合において、基準の水位が変動してしまい、凍結判断、或いは、解凍判断の精度が低下するという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、貯水部と該貯水部内の静電容量を測定する静電容量センサとを備え、該静電容量センサの静電容量測定値に基づいて貯水部内の凍結判断を行う燃料電池システムであって、前記貯水部内が凍結しているか否かを判断する凍結判断閾値は、静電容量センサの電極と接地電極間に氷と水が並列に配置した場合の静電容量と氷水比率の関係において、凍結判断すべき所定の氷水比率時の静電容量とすることを要旨とする。

また本発明は、貯水部と該貯水部内の静電容量を測定する静電容量センサとを備え、該静電容量センサの静電容量測定値に基づいて貯水部内の解凍判断を行う燃料電池システムであって、前記貯水部が解凍したか否かを判断する解凍判断閾値は、静電容量センサの電極と接地電極間に氷と水が並列に配置した場合の静電容量と氷水比率の関係において、解凍判断すべき所定の氷水比率時の静電容量とすることを要旨とする。

本発明によれば、凍結判断をするための静電容量閾値を、電極と貯水部間の氷水の分布が並列の場合の氷水比率と静電容量の関係において、所定の氷水比率に対する静電容量値とすることで、凍結判断を確実に行うことができるという効果がある。

また本発明によれば、解凍判断をするための静電容量閾値を、電極と貯水部間の氷水の分布が並列の場合の氷水比率と静電容量の関係において、所定の氷水比率に対する静電容量値とすることで、解凍判断を確実に行うことができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが氷点下の戸外に駐車される燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池１（スタック）と、冷却液の熱を放熱するラジエータ２と、燃料電池１とラジエータ２とを接続する冷却液循環路３と、冷却液を循環させる冷却液ポンプ４と、燃料電池出口の冷却液温度を検出する温度センサ５と、燃料電池１に酸化剤ガスである空気を送るコンプレッサ６と、燃料電池１の上流の空気圧力を検出する空気圧力センサ７と、燃料電池１の空気圧力を調整する空気圧力調整弁８と、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンク９と、水素ガスの圧力を調整する水素圧力調整弁１０と、燃料電池の上流の水素圧力を検出する水素圧力センサ１１と、燃料電池１から排出された未反応燃料ガスを燃料電池へ循環させる水素循環路１２と、水素循環路１２中の燃料ガスを圧送する水素循環ポンプ１３と、水素循環路１２を流れる燃料ガスと液水とを分離する気液分離装置１４と、気液分離装置１４から水を排出する排水弁１５と、水素循環路１２から不要ガスを排出するパージ弁１６と、燃料電池システム全体を制御するコントローラ１７とを備えている。

図２は、実施例１における気液分離装置１４の詳細を説明する縦断面図である。気液分離装置１４は、ハウジング１８と、ハウジング１８から排水弁１５へ至る排水の流路１９と、燃料ガスと液水の分離を行う気液分離部２０と、分離された液水を貯蔵する貯水部２１と、気液分離部２０と貯水部２１とを仕切る仕切り板２２と、仕切り板２２に設けられた連通孔２３と、燃料ガス及び液水が気液分離装置１４へ導入される入口２４と、分離された燃料ガスが排出される出口２５と、貯水部２１の水位を検出する水位センサ２６と、貯水部２１の凍結判断、或いは、解凍判断をするための静電容量センサ２８と、を備えている。

次に、本実施例の作用を説明する。気液分離装置１４の入口２４及び出口２５は、図１の水素循環路１２に組み込まれる。入口２４には、燃料電池１の出口から排出された生成水を含む燃料ガスが供給される。燃料ガスに含まれる液水は、気液分離部２０で燃料ガスと分離され、仕切り板２２の連通孔２３から貯水部２１へ流下して貯水される。気液分離部２０で分離された燃料ガスは、出口２５から燃料電池入口へ至る水素循環路１２へ戻される。

水位センサ２６は、貯水部２１の水位をアナログ的に検出するセンサであり、静電容量式水位センサや音波式水位センサが利用可能である。水位センサ２６は、貯水部２１の水位を検出して、コントローラ１７へ水位信号を送る。通常運転時には、コントローラ１７は、水位センサ２６の水位信号に基づいて、貯水部２１の水位を所定範囲（所定水位Ｈ〜所定水位Ｌ）に保持するように排水弁１５の開閉制御を行う。

燃料電池システムの運転停止時には、コントローラ１７は、排水弁１５を開いて、所定水位Ｌとなるように排水した後に、排水弁１５を閉じる。この停止時の水位は、水素循環路１２に連通する気液分離部２０から可燃性の燃料ガスが排水弁１５を通じて系外へ排出されることを防止する水シールの働きを行う。

静電容量センサ２８は、その先端部に設けられた電極と、接地電極であるハウジング１８との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に応じた検出信号をコントローラ１７へ出力するセンサである。

静電容量センサ２８が検出した静電容量値は、液水の比誘電率（約８１）が氷の比誘電率（約３．２）より十分大きいことから、貯水部２１の凍結状況を示す情報となる。静電容量センサ２８の電極は、電極の中心軸が貯水部２１の底と平行に設置されている。これにより貯水部の氷水比率を正確に検出或いは推定することができるので、コントローラ１７は、静電容量センサ２８が検出した静電容量に応じた検出信号に基づいて、凍結判断或いは解凍判断を精度よく行うことができる。

ここで、静電容量センサ２８の電極の少なくとも一部は、貯水部２１の凍結状況を静電容量として検出するために、水位センサ２６により設定された所定の排水停止水位（後述する所定水位Ｌ）、言い換えれば貯水部２１の水位制御を行う際の最低水位より低い位置に設定されている。このため、静電容量センサ２８の電極が貯水部２１の水面或いは氷の表面から浮き上がることなく、貯水部の氷水比率を正確に検出或いは推定することができる。

図３は、燃料電池システムの通常運転時にコントローラ１７が行う気液分離装置１４の貯水部２１の排水制御を説明するフローチャートであり、例えば、一定時間毎にコントローラ１７のメインルーチンから呼び出されて実行される。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、気液分離装置１４に設けた水位センサ２６が検出した貯水部２１の水位をコントローラ１７へ読み込む。次いでＳ１２で、コントローラ１７は、検出水位が所定の上限水位である所定水位Ｈを超えているか否かを判定する。所定水位Ｈを超えていなければ、Ｓ１０へ戻り、引き続き水位を検出する。検出水位が所定水位Ｈを超えていれば、Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４では、コントローラ１７は、排水弁１５へ開信号を送り、排水弁１５を開けて排水を開始させる。次いでＳ１６で、コントローラ１７は、水位センサ２６が検出した貯水部２１の水位を読み込む。次いでＳ１８で、コントローラ１７は、検出水位が所定の下限水位である所定水位Ｌを下回っているか否かを判定する。所定水位Ｌを下回っていなければ、Ｓ１６へ戻り、排水を継続しながら引き続き水位を検出する。検出水位が所定水位Ｌを下回っていれば、Ｓ２０へ進む。Ｓ２０では、コントローラ１７は、排水弁１５へ閉信号を送り、排水弁１５を閉じて排水を停止させ、メインルーチンへリターンする。

図４は、本実施例における氷点下環境等における燃料電池システムの起動時の制御を説明するフローチャートである。まずＳ３０において、コントローラ１７は、貯水部２１に設けた静電容量センサ２８が検出した貯水部２１の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ３２で、コントローラ１７は、検出した静電容量値が所定の静電容量値Ｃｆより小さいか否かを判定する。静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ以上であれば、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、燃料電池システムの起動を継続する。静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆより小さければ、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、燃料電池システムの起動を停止する。

図５は、貯水部２１の氷と液水との比率に対する静電容量の例を示す図である。貯水部２１が全て氷の場合が最も静電容量が低く、貯水部２１が全て液水の場合が最も静電容量が高くなる。そして、氷と水が混在する場合には、氷水比率と氷と水の分布状況により異なる。図５に示した並列配置の線は、静電容量センサ２８の電極と貯水部との間の氷水分布が並列状態の場合の静電容量を示し、直列配置の線は、静電容量センサ２８の電極と貯水部との間の氷水分布が直列状態の場合の静電容量を示す。

そして液水比率が決まると、静電容量センサ２８の電極と貯水部との間の氷水分布が並列の状態のみである場合は、静電容量が最も高くなり、静電容量センサ２８の電極と貯水部との間の氷水分布が直列の状態のみである場合は、静電容量が最も低くなる。静電容量センサ２８の電極と貯水部との間の氷水分布が、直列配置と並列配置の混合状態であるとき、静電容量は並列配置の場合の静電容量と直列配置の場合の静電容量の間の値となる。

図６は、氷水分布の直列配置と並列配置の例を示す貯水部の断面図である。図６（ａ）に示すように、ハウジング１８の底面から貯水部が凍る場合、液水層が上となり氷層が下となって、両者の境界は略水平となり、静電容量センサ２８とハウジング１８間には、液水と氷とが直列配置となる。図６（ｂ）に示すように、液水の表面から凍る場合には、氷層が上となり液水層が下となって両者の境界は略水平となり、静電容量センサ２８とハウジング１８間には、液水と氷とが直列配置となる。

図６（ｃ）に示すように、ハウジング１８の側面から凍る場合には、貯水部の周囲が氷となって中心部が液水となり、両者の境界は略垂直となって、静電容量センサ２８とハウジング１８間には、液水と氷とが並列配置となる。図６（ｄ）に示すように、貯水部が完全凍結した後に、ハウジング１８の側面から融ける場合には、貯水部の周囲が液水となって中心部が氷となり、両者の境界は略垂直となって、静電容量センサ２８とハウジング１８間には、液水と氷とが並列配置となる。

実際の貯水部の凍結状態は、気液分離装置の車両上の配置や気液分離装置に対する寒気の流れ等により図６（ａ）から（ｄ）に示した典型的な状態のうち、幾つかを組み合わせたような状態となることが多い。しかしながら、同一の液水比率においては、氷水の並列配置における静電容量値が最も大きく、氷水の直列配置における静電容量値が最も小さく、両者の間に実際の静電容量の値が存在することには変わりがない。

従って、氷点下環境等における起動時の貯水部の凍結判断閾値は、最低限確保すべき液水量の液水比率時における静電容量センサ２８の電極と貯水部との間の氷水分布が並列の状態のみである場合の静電容量値Ｃｆを用いる。

このように凍結判断閾値を設定しておくことにより、気液分離装置１４の貯水量が増加した場合においても、確実に排水を行うことができる。

以上説明した本実施例によれば、凍結判断をするための静電容量閾値を、電極と貯水部間の氷水の分布が並列の場合の氷水比率と静電容量の関係において、所定の氷水比率に対する静電容量値とすることで、凍結判断を確実に行うことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２について説明する。実施例２の全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例と実施例１との相違は、実施例１の１つのアナログ水位センサ２６に代えて、実施例２では、それぞれ異なる水位を検出するために、水位センサ（Ｈ）２９と、水位センサ（Ｌ）３０が設けられていることである。

図７は、実施例２の気液分離装置１４の構成を説明する縦断面図である。気液分離装置１４の貯水部２１には、水位が排水開始水位を超えたか否かを検出する水位センサ（Ｈ）２９と、水位が排水停止水位を下回ったか否かを検出する水位センサ（Ｌ）３０とを備えている。その他の構成は、図２に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

ここで、静電容量センサ２８の検出電極の少なくとも一部は、貯水部２１の凍結状況を静電容量として検出するために、水位センサ（Ｌ）３０により設定された排水停止位置、言い換えれば貯水部２１の水位制御を行う際の最低水位より低い位置に設定されている。

図８は、実施例２における燃料電池システムの通常運転時にコントローラ１７が行う気液分離装置１４の貯水部２１の排水制御を説明するフローチャートであり、例えば、一定時間毎にコントローラ１７のメインルーチンから呼び出されて実行される。

まず、Ｓ４０において、気液分離装置１４に設けた水位センサ（Ｈ）２９が検出した貯水部２１の水位をコントローラ１７へ読み込む。次いでＳ４２で、コントローラ１７は、水位センサ（Ｈ）２９が検出した水位が所定の上限水位である所定水位Ｈを超えているか否かを判定する。所定水位Ｈを超えていなければ、Ｓ４０へ戻り、引き続き水位を検出する。検出水位が所定水位Ｈを超えていれば、Ｓ４４へ進む。

Ｓ４４では、コントローラ１７は、排水弁１５へ開信号を送り、排水弁１５を開けて排水を開始させる。次いでＳ４６で、コントローラ１７は、水位センサ（Ｌ）３０が検出した貯水部２１の水位を読み込む。次いでＳ４８で、コントローラ１７は、水位センサ（Ｌ）３０が検出した水位が所定の下限水位である所定水位Ｌを下回っているか否かを判定する。所定水位Ｌを下回っていなければ、Ｓ４６へ戻り、排水を継続しながら引き続き水位を検出する。検出水位が所定水位Ｌを下回っていれば、Ｓ５０へ進む。Ｓ５０では、コントローラ１７は、排水弁１５へ閉信号を送り、排水弁１５を閉じて排水を停止させ、メインルーチンへリターンする。

実施例２における気液分離装置１４の凍結判断は、静電容量センサ２８によって行う点と凍結判断の方法についても実施例１と同様であり、説明は割愛する。

以上説明した本実施例によれば、信号処理や制御が複雑なアナログ水位センサを用いることなく、水位が設定水位より上下の何れにあるかを検出するデジタル的な水位センサを用いることができ、水位制御が簡単となるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３について説明する。実施例３の全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例と実施例２との構成上の相違は、図９に示すように、本実施例において、実施例２の水位センサ（Ｌ）３０を削除している点である。そしてコントローラ１７による通常運転時の排水制御における排水停止制御は、水位センサを用いずに、排水開始から一定時間後に排水停止することとした点にある。その他の構成は、実施例２と同様であるので同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

図１０は、実施例３における燃料電池システムの通常運転時にコントローラ１７が行う気液分離装置１４の貯水部２１の排水制御を説明するフローチャートであり、例えば、一定時間毎にコントローラ１７のメインルーチンから呼び出されて実行される。

まず、Ｓ６０において、気液分離装置１４に設けた水位センサ２９が検出した貯水部２１の水位をコントローラ１７へ読み込む。次いでＳ６２で、コントローラ１７は、水位センサ２９が検出した水位が所定の上限水位である所定水位Ｈを超えているか否かを判定する。所定水位Ｈを超えていなければ、Ｓ６０へ戻り、引き続き水位を検出する。検出水位が所定水位Ｈを超えていれば、Ｓ６４へ進む。

Ｓ６４では、コントローラ１７は、排水弁１５へ開信号を送り、排水弁１５を開けて排水を開始させる。次いでＳ６６で、コントローラ１７は、排水弁１５を開いてから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していなければ、経過するまでＳ６６を繰り返して待機する。Ｓ６６で、所定時間が経過したと判定されれば、Ｓ６８へ進む。

Ｓ６８では、コントローラ１７は、排水弁１５へ閉信号を送り、排水弁１５を閉じて排水を停止させ、メインルーチンへリターンする。

Ｓ６６の判定で用いる所定時間、即ち排水弁１５が開弁している時間は、貯水部２１や排水弁１５の形状、貯水部２１から排水弁１５までの流路１９の形状、貯水部２１と排水弁１５の位置関係等により変化するもので、貯水部上部に存在する水素ガスをシールするために必要な水量が常に貯水部に確保できる範囲で決定すべきである。

実施例３における、気液分離装置１４の凍結判断は、静電容量センサ２８によって行う点と凍結判断の方法についても、実施例１及び実施例２と同様であり、説明は割愛する。

以上説明した本実施例によれば、水位センサの数を１に減じても貯水部の排水制御を行うことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４について説明する。実施例４の全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例は、図１１に示すように、実施例３の構成に、貯水部２１から排水弁１５に至る流路１９に、凍結状態を判断するための静電容量センサ３１を追加した点に特徴がある。そしてコントローラ１７による燃料電池システムの起動時の制御において、貯水部２１の凍結判断に加えて、静電容量センサ３１の検出値に基づく流路１９の凍結状態判断を行っている点に特徴がある。その他の構成は、実施例３と同様であるので同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例における燃料電池システムの通常運転時にコントローラ１７が行う気液分離装置１４の貯水部２１の排水制御は、実施例３と同様であるので省略する。

図１２は、本実施例における氷点下環境等における燃料電池システムの起動時の制御を説明するフローチャートである。まずＳ７０において、コントローラ１７は、流路１９に設けた静電容量センサ３１が検出した流路１９の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ７２で、コントローラ１７は、検出した静電容量値が所定の静電容量値Ｃｆ１より大きいか否かを判定する。Ｓ７２の判定で、静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ１より大きければ、流路１９の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、Ｓ７４へ進む。Ｓ７２の判定で、静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ１以下であれば、流路１９の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、Ｓ７８へ進み燃料電池システムの起動を停止する。

Ｓ７４でコントローラ１７は、貯水部２１に設けた静電容量センサ２８が検出した貯水部２１の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ７６で、コントローラ１７は、検出した静電容量値が所定の静電容量値Ｃｆ２より小さいか否かを判定する。Ｓ７６の判定で静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ２以上であれば、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、通常の燃料電池システムの起動を継続する。Ｓ７６の判定で静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ２より小さければ、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、Ｓ７８へ進み燃料電池システムの起動を停止する。

Ｓ７２及びＳ７６における各静電容量閾値Ｃｆ１、Ｃｆ２は、各静電容量センサの電極と流路１９または貯水部２１との間の氷水分布が並列の状態のみである場合の氷水の液水比率と静電容量の特性線上の値とすべきである。

これらの閾値は、貯水部２１、排水弁１５、及び貯水部２１から排水弁１５までの流路１９の形状、貯水部２１と排水弁１５の位置関係により変化するもので、貯水部上部に存在する水素ガスをシールするために必要な水量が常に貯水部２１に確保できる範囲で決定すべきである。

以上説明した本実施例によれば、貯水部と排水弁とを連通する流路に静電容量センサを設けたので、貯水部の静電容量センサでは判定が困難な流路の凍結状態を正確に判定することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５について説明する。実施例５の全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例５では、実施例１に対して、解凍手段としてヒータを追加している。

図１３は、本実施例５の気液分離装置１４の構成を説明する縦断面図である。本実施例で追加されたヒータは、貯水部２１を加熱するための貯水部ヒータ３２と、排水弁１５を加熱するための排水弁ヒータ３３である。その他の構成は、図２に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例における燃料電池システムの通常運転時にコントローラ１７が行う気液分離装置１４の貯水部２１の排水制御は、実施例１と同様であるので省略する。

図１４は、本実施例における氷点下環境等における燃料電池システムの起動時の制御を説明するフローチャートである。まずＳ８０において、コントローラ１７は、貯水部２１に設けた静電容量センサ２８が検出した貯水部２１の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ８２で、コントローラ１７は、検出した静電容量値が所定の静電容量値Ｃｆより小さいか否かを判定する。静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ以上であれば、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、燃料電池システムの通常起動を継続する。静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆより小さければ、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、氷を解凍するためにＳ８４へ進む。

Ｓ８４では、コントローラ１７は、貯水部ヒータ３２と排水弁ヒータ３３とをオンして解凍を始める。次いでＳ８６では、コントローラ１７は、貯水部２１に設けた静電容量センサ２８が検出した貯水部２１の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ８８で、コントローラ１７は、検出した静電容量値が所定の静電容量値Ｃｈより大きいか否かを判定する。

Ｓ８８の判定で、静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｈ以下であれば、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムの起動に支障があるとして、解凍を続けて貯水部２１の静電容量を測定するために、Ｓ８６へ戻る。

Ｓ８８の判定で、静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｈより大きければ、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、Ｓ９０へ進み、コントローラ１７は、貯水部ヒータ３２と排水弁ヒータ３３とをオフして、通常の起動制御となる。

貯水部ヒータ３２と排水弁ヒータ３３とをＯＮする凍結判断閾値の静電容量値Ｃｆと、ＯＦＦにする解凍判断閾値の静電容量値Ｃｈとは、図１５に示すように、氷水分布が並列配置である場合の静電容量値に設定している。各静電容量閾値Ｃｆ、Ｃｈは、静電容量センサ２８の電極と貯水部２１との間の氷水分布が並列配置である場合の氷水の液水比率と静電容量の特性線上の値とすべきである。この理由の詳細は、実施例１における凍結判断閾値Ｃｆと同じである。

各ヒータをＯＦＦする際の解凍判断閾値Ｃｈは、各ヒータをＯＮする凍結判断閾値Ｃｆと一致してもかまわないが、本実施例においては、より確実に氷の比率が低い状態が検出できるように、凍結判断閾値Ｃｆより解凍判断閾値Ｃｈを大きい値に設定している。

以上説明した本実施例によれば、解凍判断をするための静電容量閾値を、電極と貯水部間の氷水の分布が並列の場合の氷水比率と静電容量の関係において、所定の氷水比率に対する静電容量値とすることで、解凍判断を確実に行うことができるという効果がある。

また本実施例によれば、貯水部を解凍する解凍手段を設けたので、貯水部の解凍中であっても貯水部の氷水状態の液水比率を正確に検出して、貯水部から排水可能な状態となれば、解凍途中においても燃料電池システムの氷点下起動時を行うことができ、氷点下における起動時間を短縮することができるという効果がある。

さらに本実施例によれば、解凍手段を作動させた後、所定時間内の静電容量推定値の変動量が、解凍が行われていると判断可能な所定量以上の場合には解凍手段の作動を継続し、所定量未満の変動である場合には解凍手段を停止することで、解凍を確実に安全に行うことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例６について説明する。実施例６の全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例６では、実施例１に対して、解凍手段としてヒータを追加している。

図１６は、本実施例６の気液分離装置１４の構成を説明する縦断面図である。本実施例で追加されたヒータは、貯水部２１を加熱するための貯水部ヒータ３２と、排水弁１５を加熱するための排水弁ヒータ３３と、流路１９を加熱するための流路ヒータ３４である。その他の構成は、図２に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例における燃料電池システムの通常運転時にコントローラ１７が行う気液分離装置１４の貯水部２１の排水制御は、実施例１と同様であるので省略する。

図１７は、本実施例における氷点下環境等における燃料電池システムの起動時の制御を説明するフローチャートである。本フローチャートでは、排水弁ヒータ３３及び流路ヒータ３４のオンをスキップしたか否かを示す制御フラグＦＬＧを使用している。ＦＬＧ＝１のとき、排水弁ヒータ３３及び流路ヒータ３４のオンをスキップしたことを示している。

まずＳ１００において、コントローラ１７は、制御フラグＦＬＧの値を０に初期化する。次いでＳ１０１において、コントローラ１７は、流路１９に設けた静電容量センサ３１が検出した流路１９の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ１０２において、コントローラ１７は、貯水部２１に設けた静電容量センサ２８が検出した貯水部２１の静電容量検出値を読み込む。

次いでＳ１０４で、コントローラ１７は、静電容量センサ３１が検出した流路１９の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｆ１より小さいか否かを判定する。Ｓ１０４の判定で、流路１９の静電容量の検出値が所定の静電容量値Ｃｆ１より小さければ、流路１９の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、氷を解凍するためにＳ１０６へ進む。Ｓ１０４の判定で、流路１９の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｆ１以上であれば、流路１９の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、Ｓ１０７へ進み制御フラグＦＬＧの値を１にセットして、Ｓ１０８へ進む。Ｓ１０６では、コントローラ１７は、流路１９の氷を解凍するために、排水弁ヒータ３３と流路ヒータ３４とをオンし、Ｓ１０８へ進む。

Ｓ１０８では、コントローラ１７は、貯水部２１の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｆ２より小さいか否かを判定する。貯水部２１の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｆ２以上であれば、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、Ｓ１１７へ移る。

Ｓ１０８の判定で、貯水部２１の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｆ２より小さければ、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、貯水部２１を解凍するためにＳ１１０へ進む。

Ｓ１１０では、コントローラ１７は、貯水部ヒータ３２をオンして貯水部２１の解凍を始める。次いでＳ１１２では、コントローラ１７は、貯水部２１に設けた静電容量センサ２８が検出した貯水部２１の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ１１４で、コントローラ１７は、貯水部２１の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｈ２より大きいか否かを判定する。

Ｓ１１４の判定で、貯水部２１の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｈ２以下であれば、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムの起動に支障があるとして、解凍を続けて貯水部２１の静電容量を測定するために、Ｓ１１２へ戻る。

Ｓ１１４の判定で、貯水部２１の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｈ２より大きければ、貯水部２１の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障がないと判断して、Ｓ１１６へ進み、コントローラ１７は、貯水部ヒータ３２をオフして、Ｓ１１７へ移る。

Ｓ１１７では、制御フラグＦＬＧの値が１か否かを判定する。ＦＬＧ＝１であれば、流路１９の解凍が必要なく、排水弁ヒータ３３及び流路ヒータ３４はオンしていないので、通常の起動制御へ移る。

Ｓ１１７の判定で、ＦＬＧ≠１（ＦＬＧ＝０）であれば、排水弁ヒータ３３及び流路ヒータ３４はオンしているので、解凍判断のために、Ｓ１１８へ進む。Ｓ１１８では、コントローラ１７は、流路１９に設けた静電容量センサ３１が検出した流路１９の静電容量検出値を読み込む。次いでＳ１２０で、コントローラ１７は、静電容量センサ３１が検出した流路１９の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｈ１より大きいか否かを判定する。Ｓ１２０の判定で、流路１９の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｈ１以下であれば、流路１９の氷の量は、燃料電池システムに起動に支障があると判断して、解凍を継続するためにＳ１１８へ戻る。Ｓ１２０の判定で、流路１９の静電容量検出値が所定の静電容量値Ｃｈ１以上であれば、流路１９の解凍が完了したとして、Ｓ１２２へ進む。Ｓ１２２では、排水弁ヒータ３３及び流路ヒータ３４をオフして、通常の起動制御へ移る。

排水弁１５や流路１９は、解凍判断がなされた後の液水量は比較的少ないので、貯水部の解凍待ちの間に短時間で再凍結に至る可能性があるが、本実施例においては、排水弁１５と流路１９の解凍判断を貯水部２１の解凍判断をより後にすることで、解凍判断後の排水が確実に行えるようにしている。貯水部２１は解凍判断後において、液水が流路１９より多量に存在することから短時間で再凍結に至る可能性は低い。

尚、フローチャートには記載しなかったが、貯水部ヒータ３２、排水弁ヒータ３３及び流路ヒータ３４は、比較的大きい電力を消費する装置であるので、異状発生時に無駄にヒータ電力を消費させない制御を行うことが好ましい。即ち、コントローラ１７の機能として解凍手段の異状時停止処理を追加するように変更することも可能である。例えば、解凍手段として貯水部ヒータ３２をオンした後に、所定時間毎に静電容量センサ２８が検出した静電容量検出値の変動量を計算する。そして、この変動量が所定量以上である場合には、解凍を継続するが、変動量が所定量未満である場合には、貯水部ヒータ３２に異状があるとして、貯水部ヒータ３２をオフし、燃料電池システムのオペレータ或いは燃料電池車両の運転者に異常検出による解凍手段の作動停止を行った旨を報知する。

以上説明した本実施例によれば、解凍判断をするための静電容量閾値を、電極と貯水部間の氷水の分布が並列の場合の氷水比率と静電容量の関係において、所定の氷水比率に対する静電容量値とすることで、解凍判断を確実に行うことができるという効果がある。

また本実施例によれば、貯水部を解凍する解凍手段を設けたので、貯水部の解凍中であっても貯水部の氷水状態の液水比率を正確に検出して、貯水部から排水可能な状態となれば、解凍途中においても燃料電池システムの氷点下起動時を行うことができ、氷点下における起動時間を短縮することができるという効果がある。

さらに本実施例によれば、貯水部からの排水を制御する排水弁、および貯水部と排水弁との間の流路の解凍を、貯水部内の解凍よりも優先的に行うようにしたので、貯水部の解凍が終了した後には、貯水部からの排水を確実に行うことができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の全体構成を示すシステム構成図である。 実施例１における気液分離装置の構成を示す縦断面図である。 実施例１における通常運転時の排水制御を説明するフローチャートである。 実施例１における凍結判断を説明するフローチャートである。 氷水の液水比率と静電容量との関係を示す図である。 静電容量センサの電極と貯水部との間の氷水分布を説明する図である。 実施例２における気液分離装置の構成を示す縦断面図である。 実施例２における通常運転時の排水制御を説明するフローチャートである。 実施例３における気液分離装置の構成を示す縦断面図である。 実施例３における通常運転時の排水制御を説明するフローチャートである。 実施例４における気液分離装置の構成を示す縦断面図である。 実施例４における凍結判断を説明するフローチャートである。 実施例５における気液分離装置の構成を示す縦断面図である。 実施例５における凍結判断及び解凍判断を説明するフローチャートである。 実施例５における凍結判断閾値と解凍判断閾値の説明図である。 実施例６における気液分離装置の構成を示す縦断面図である。 実施例６における凍結判断閾値と解凍判断閾値の説明図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：ラジエータ
３：冷却液循環路
４：冷却液ポンプ
５：温度センサ
６：コンプレッサ
７：空気圧センサ
８：空気圧力調整弁
９：水素貯蔵タンク
１０：水素圧力調整弁
１１：水素圧力センサ
１２：水素循環路
１３：水素循環ポンプ
１４：気液分離装置
１５：排水弁
１６：パージ弁
１７：コントローラ
１８：ハウジング
１９：流路
２０：気液分離部
２１：貯水部
２２：仕切り板
２３：連通孔
２４：入口
２５：出口
２６：水位センサ
２８：静電容量センサ
２９：水位センサ（Ｈ）
３０：水位センサ（Ｌ）
３１：静電容量センサ（流路）
３２：貯水部ヒータ
３３：排水弁ヒータ
３４：流路ヒータ

Claims (8)

1. 貯水部と該貯水部内の静電容量を測定する静電容量センサとを備え、該静電容量センサの静電容量測定値に基づいて貯水部内の凍結判断を行う燃料電池システムであって、
   前記貯水部内が凍結しているか否かを判断する凍結判断閾値は、静電容量センサの電極と接地電極間に氷と水が並列に配置した場合の静電容量と氷水比率の関係において、凍結判断すべき所定の氷水比率時の静電容量とすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 貯水部と該貯水部内の静電容量を測定する静電容量センサとを備え、該静電容量センサの静電容量測定値に基づいて貯水部内の解凍判断を行う燃料電池システムであって、
   前記貯水部が解凍したか否かを判断する解凍判断閾値は、静電容量センサの電極と接地電極間に氷と水が並列に配置した場合の静電容量と氷水比率の関係において、解凍判断すべき所定の氷水比率時の静電容量とすることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記静電容量センサは、前記貯水部を接地電極とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記静電容量センサの電極は、電極の少なくとも一部は前記貯水部の水位制御を行う際の最低水位よりも低い位置に設置す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。
5. 前記静電容量センサの電極は、電極の中心軸が前記貯水部の底と平行に設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記貯水部内の氷を解凍する解凍手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記解凍手段は、貯水部からの排水を制御する排水弁、および貯水部と排水弁との間の流路の解凍を、貯水部内の解凍よりも優先的に行えるよう構成したことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記解凍手段の作動を開始させた後、所定時間内の静電容量測定値の変動量が、解凍が行われていると判断可能な所定量以上の場合には前記解凍手段の作動を継続し、前記変動量が所定量未満である場合には前記解凍手段の作動を停止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。

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