JP6597444B2 - 燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラム Download PDF

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Description

本発明は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、発電部から排出される水を外部へ排出する排水弁と、排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータに排水制御処理を実行させるためのコンピュータプログラムに関する。
負極に水素を送って起電力を得る電池として、燃料電池、ニッケル・水素電池等が挙げられる。
燃料電池は発電効率が高く、クリーンな発電装置であり、負荷の大小に影響されず、コジェネレーションシステムを構築できるため、パーソナルコンピュータ，携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途が検討されている。
燃料電池は、スタックと、複数の水素ボンベと、水素循環路と、水素供給路とを有する。
スタックは、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
水素供給路の一端部はレギュレータ及び開閉弁を介し水素ボンベに接続されている。水素は、水素ボンベから水素供給路を通流されて、水素循環路のスタックの負極寄りの部分を経て、スタック内の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流される。該通流路内を通流し、スタックから排出された未反応水素を含む排気ガス（オフガス）は、水素循環路を通流して、スタックに戻される。
スタックに水素が供給され、負極に水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が生じて、起電力が発生する。反応時に陽極側で水が生成され、この水は水蒸気として負極側に電解質膜を介して逆拡散する。水蒸気、又は温度差により結露した水はオフガスに含まれる。
上述したようにオフガス中に水分が含まれているので、水素循環路に気液分離器を設けてガスと水とを分離しており、ガスはスタックへ戻し、貯留した水は適時、排出するようにしている。
燃料電池の発電が停止した場合、気液分離器には水が溜まっているが、氷点下の環境においては水が凍結する。このため、次回の発電時に排水することができなくなる。これにより、燃料電池が、水が溢れて水素循環路を塞ぐフラッディング状態となり、機能が低下する。
従って、燃料電池の発電停止時に、気液分離器内に水が残存することを防止して、凍結を防止する必要がある。
特許文献１には、発電により生成された水を、水素循環路の下方に設けた貯留部に導いて貯留し、貯留部の水位を水位センサにより検出し、該水位が予め設定した上限水位を超えたとき、貯留部の生成水を下部から排出するように構成された燃料電池の発明が開示されている。
特開２００２−３１３４０３号公報
特許文献１に係る燃料電池のように水位センサにより水位を監視して排水する場合、水位が水位センサにより検出される位置にあるときには、排水することができるが、水位が水位センサにより検出されない位置にある場合、気液分離器内に貯留された全部の水を排出することはできない。気液分離器内に水が残留していた場合、上述したように氷点下の環境で凍結することになる。
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、発電停止時に気液分離器内の水の残留を抑制して凍結を防止し、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止されている燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、該発電部に水素を供給する燃料部と、前記水素の供給のための開閉弁と、前記発電部から排気されるガスを前記発電部へ戻して循環させる水素循環路と、該水素循環路内の圧力を検出する圧力検出器と、前記水素循環路に設けられ、前記ガスから水を分離する気液分離器と、該気液分離器から水を排出する排水弁と、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池において、前記制御部は、前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行うことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池の制御方法は、開閉弁を開いて燃料部から発電部へ水素を供給し、該発電部から排気されるガスを水素循環路により前記発電部へ戻して循環させ、前記水素循環路に設けられた気液分離器により前記ガスから水を分離して排水弁により排水する燃料電池の制御方法において、前記水素循環路内の圧力を取得し、前記水素循環路の内容積、前記圧力、及び前記気液分離器の内容積に基づいて、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水することを特徴とする。
本発明に係るコンピュータプログラムは、発電部から排気されるガスを戻して循環させる水素循環路、及び前記ガスから水を分離して排水する気液分離器を備える燃料電池を制御するコンピュータに、前記水素循環路内の圧力を取得し、前記水素循環路の内容積、前記圧力、及び前記気液分離器の内容積に基づいて、排水の回数を算出し、算出した回数に応じて、水素供給のための開閉弁に対する開閉信号、及び排水弁に対する開閉信号を出力する処理を実行させることを特徴とする。
本発明によれば、前記開閉弁を開き、排水弁を閉じている状態から、開閉弁を閉じ、排水弁を開いて水素循環路を開放したときの圧力差による水素循環路内の気体の増加量、及び気液分離器の内容積に基づいて、気液分離器内に貯留された水を押し出して排出する排水処理を行うことにより、気液分離器内の水の残留を抑制して凍結を防止することができる。従って、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止される。
そして、前記排水処理では、開閉弁を閉じた状態で排水を行うので、万一、排水弁が故障した場合においても、規定量以上の水素の漏出が防止される。
実施の形態１に係る燃料電池を示すブロック図である。 ＣＰＵによる排水制御処理の手順を示すフローチャートである。 気液分離器の模式的断面図である。 気液分離器の模式的断面図である。 実施の形態２に係る気液分離器の模式的断面図である。 ＣＰＵによる排水制御処理の手順を示すフローチャートである。 ＣＰＵによる排水制御処理の手順を示すフローチャートである。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る燃料電池３００を示すブロック図である。
燃料電池３００は、電池本体１００と水素供給部２００とを備える。電池本体１００は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等の電池本体である。
電池本体１００は、スタック１、空気流路３、エアポンプ３０、スタック冷却路４、冷却ポンプ４０、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２、ラジエータ通流路５、放熱ポンプ５０、ラジエータ５１、ファン５２、ボンベ加熱路６、加熱ポンプ６０、水素通流路７、第１圧力センサ７８、開閉弁７９，８０、水素循環ポンプ８２、気液分離器８３、排水弁８４，８５、排気弁８６，８７、第２圧力センサ８８、及び制御部９を備える。第２熱交換器４２はヒータ（不図示）を備える。
水素供給部２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、開閉弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。開閉弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、開閉弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応である。
スタック１は、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
負極に、水素供給部２００から流入した水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが空気流路３から流入して接触することにより両電極で電気化学反応が生じて起電力が発生し、水が生じる。
水素通流路７は、水素供給路７１、水素導入路７２、水素回路７３、第１排水路７４、及び第１排気路７５からなる。水素導入路７２、水素回路７３、及び第１排気路７５により水素循環路が構成される。水素供給路７１は、一端部がレギュレータ２２に接続され、他端部に開閉弁７９，８０が直列に接続されている。水素導入路７２は、一端部が開閉弁８０に接続され、他端部は水素回路７３の、スタック１の負極寄りの部分に接続されている。水素導入路７２には、第１圧力センサ７８と、逆止弁８１とが設けられている。
水素回路７３には水素循環ポンプ８２及び気液分離器８３が設けられている。開閉弁２１，７９，８０を開いたとき、水素は水素供給路７１及び水素導入路７２を通流し、水素循環ポンプ８２により、水素回路７３を通流して、スタック１の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流し、スタック１から排出された、水素、不純物（当初から水素に含有された不純物と反応により生じた不純物とを含む）及び水分は水素回路７３を通流し、気液分離器８３へ送られる。
気液分離器８３において、水素及び不純物を含むガスと、水とに分離される。
第１排水路７４は気液分離器８３の下側に接続されており、第１排水路７４には電磁弁である排水弁８４，８５が直列に設けられている。排水弁８５には第２排水路７６が接続されている。
第１排気路７５は、気液分離器８３の上側で水素回路７３から分岐して延びるように設けられており、第１排気路７５には前記ガスを排出するための排気弁８６，８７が直列に設けられている。前記ガスは、所定のタイミングで排気弁８６，８７に通電して開放することにより第２排気路７７を通流し、外部へ排出される。
気液分離器８３において、分離された前記ガスは排気弁８６，８７を閉じているとき、気液分離器８３から水素回路７３を通流して水素循環ポンプ８２へ送られ、スタック１へ戻される。
気液分離器８３で分離された水は貯留され、後述する排水制御処理により排水弁８４，８５に通電して開放することで第１排水路７４及び第２排水路７６を通流され、外部へ排出される。
気液分離器８３の下方には、前記第２圧力センサ８８が設けられている。
排水弁８４，８５及び排気弁８６，８７、並びに第１排水路７４及び第１排気路７５は断熱材により覆うことにしてもよい。
空気流路３にはエアポンプ３０が設けられている。そして、空気流路３のスタック１への流入側部分には開閉弁３１が、スタック１からの流出側部分には開閉弁３２が設けられている。開閉弁３１、開閉弁３２を開いたとき、エアポンプ３０から送出された空気は空気流路３を通流してスタック１の正極側部分へ導入され、該部分の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流した空気は、スタック１から排出され、開閉弁３２を通って外部へ排出される。
スタック冷却路４には、冷却ポンプ４０、イオン交換樹脂４３、及び導電率計４４が設けられている。冷却ポンプ４０から送出され、スタック冷却路４を通流する冷却水はイオン交換樹脂４３内を通流し、導電率計４４により導電率を測定された後、スタック１へ導入され、スタック１内の通流路を通流した後、排出されて、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２を通流し、冷却ポンプ４０へ戻るように構成されている。
ラジエータ通流路５には、放熱ポンプ５０が設けられている。放熱ポンプ５０から送出された、例えば不凍液等の放熱液は、ラジエータ５１を通流し、さらに第１熱交換器４１を通流した後、放熱ポンプ５０へ戻るように構成されている。ラジエータ５１に近接してファン５２が設けられている。
ボンベ加熱路６には、加熱ポンプ６０が設けられている。加熱ポンプ６０から送出された加熱液は、水素供給部２００内の通流路を通流して各ＭＨボンベ２０を加熱した後、水素供給部２００から排出され、第２熱交換器４２を通流して、加熱ポンプ６０へ戻るように構成されている。加熱により、ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金から水素が放出される。加熱液として不凍液が挙げられる。
スタック冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換器４１、及び第２熱交換器４２は断熱材により覆われている。該断熱材により覆われた部分は、図１において太線で表している。該断熱材により、外部との熱移動を制限でき、熱量を制御しやすい。
制御部９は、制御部９の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）９０を備え、ＣＰＵ９０には、バスを介して、ＲＯＭ９１、及びＲＡＭ９２が接続されている。
ＲＯＭ９１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム９１ａと、本実施の形態に係る排水制御プログラム９１ｂを記憶している。
また、排水制御プログラム９１ｂは、コンピュータ読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ９０が記録媒体から、排水制御プログラム９１ｂを読み出し、ＲＯＭ９１に記憶させてもよい。
さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る排水制御プログラム９１ｂを取得し、ＲＯＭ９１に記憶させることにしてもよい。
ＲＡＭ９２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、SRAM(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ９１の演算処理を実行する際にＲＯＭ９１から読み出された運転プログラム９１ａ、排水制御プログラム９１ｂ、及びＣＰＵ９０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。
制御部９は電池本体１００の各構成部、及び水素供給部２００の開閉弁２１に接続されており、制御部９は各構成部及び開閉弁２１の動作を制御する。また、制御部９には、前記第１圧力センサ７８、第２圧力センサ８８が接続されている。なお、図１において、制御部９と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。
スタック１で生じる反応は発熱反応であり、スタック１はスタック冷却路４内を通流する冷却水により冷却される。スタック１から排出された冷却水の熱は、第１熱交換器４１において放熱液に伝導され、放熱液はラジエータ５１において熱を放出し、熱はファン５２により電池本体１００の外部へ放出される。ラジエータ５１において冷却された放熱液は第１熱交換器４１へ送られる。
スタック冷却路４において、第１熱交換器４１を通流し、第２熱交換器４２へ導入された冷却水の熱は、第２熱交換器４２において加熱液へ伝導され、加熱液は水素供給部２００の各ＭＨボンベ２０を加熱し、水素吸蔵合金から水素を放出させる。
第２熱交換器４２で冷却された冷却水は冷却ポンプ４０へ戻り、スタック１へ送られる。
そして、発電を行っていない場合、スタック冷却路４の冷却水の温度は環境温度となるが、第２熱交換器４２の前記ヒータにより加熱液を加温することにより、ＭＨボンベ２０を所定温度に保持することができる。
なお、ボンベ加熱路６を有さずに、スタック１で生じた熱を有する空気を水素供給部２００へ送風して、ＭＨボンベ２０を加温することにしてもよい。また、ＭＨボンベ２０にヒータを設けておき、ＭＨボンベ２０を直接ヒータで加温することにしてもよい。
本実施の形態においては、制御部９のＣＰＵ９０は発電の終了後、ＲＯＭ９１から排水制御プログラム９１ｂを読み出して、気液分離器８３の排水制御処理を実行する。
以下、この排水制御処理について説明する。
図２は、ＣＰＵ９０による排水制御処理の手順を示すフローチャートである。
初期条件は電池本体１００において発電を行っている場合であり、開閉弁２１，７９，８０が通電オン（開）であり、排水弁８４，８５が通電オフ（閉）の状態である。
この状態からＣＰＵ９０は発電を停止し、排水制御処理を開始する。
まず、ＣＰＵ９０は第１圧力センサ７８からＰＨを取得し（Ｓ１）、第２圧力センサ８８からＰ０を取得する（Ｓ２）。ここで、ＰＨは水素循環路内の圧力であり、Ｐ０は外気圧である。
ＣＰＵ９０は、排出の設定回数（以下、設定回数という）Ｎを算出する（Ｓ３）。
以下、設定回数Ｎの算出方法について説明する。算出方法として、４通りの方法（算出方法１〜４）がある。このうち、いずれか１つの算出方法を用いて設定回数Ｎを求めればよい。詳しくは後述するが、算出方法２，４は、水素循環路の内容積に第１排水路７４の内容積を含めて、設定回数Ｎを算出するものである。また、算出方法３，４を用いる場合には、気液分離器８３に液面センサ８９を設ける構成にする必要がある。
（算出方法１）
図３は、気液分離器８３の模式的断面図である。
気液分離器８３内で、水が満たされているときの、気液分離器８３の内容積をＶＤ（ｃｃ）とする。
上述の水素循環路の内容積をＶＨ（ｃｃ）、水素循環路内の圧力をＰＨ（ｋＰａ）、外気圧をＰ０（ｋＰａ）、開閉弁２１，７９，８０を閉じた状態で水素循環路内の圧力がＰＨからＰ０になったときのガスの体積の増加分（押し出される水の１回の排出量）をＶＡ（ｃｃ）とすると、
ＰＨ×ＶＨ＝Ｐ０×（ＶＨ＋ＶＡ）
従って、ＶＡ＝｛（ＰＨ−Ｐ０）／Ｐ０｝×ＶＨ
ＶＡ分、気液分離器８３内のガスの体積が増加し、気液分離器８３内に貯留されていた水が押し出されて排出される。
ＶＤ分、水が貯留されているので、必要とされる、排出の設定回数Ｎは以下の式により求められる。
Ｎ≧ＶＤ／ＶＡ
（算出方法２）
算出方法２においては、第１排水路７４の内容積を含めて、設定回数Ｎを算出する。
ここでは、上記ＶＨと第１排水路７４の内容積ＶＣ（ｃｃ）との和に相当する分、水が満たされていると考え、以下の式により設定回数Ｎを求める。
Ｎ≧（ＶＤ＋ＶＣ）／ＶＡ
（算出方法３）
図４は、気液分離器８３の模式的断面図である。気液分離器８３の上部の所定の位置に液面センサ８９が設けられている。液面センサ８９は、気液分離器８３内の水の水位を検出する。液面センサ８９は、詳しく図示しないが、制御部９に接続されている。
図４Ａに示すように、気液分離器８３の全体内容積をＶＤ、上面から液面センサ８９までの部分の気液分離器８３の内容積（第１内容積）をＶＤ１、液面センサ８９から底面までの気液分離器８３の内容積（第２内容積）をＶＤ２とし（即ち、ＶＤ＝ＶＤ１＋ＶＤ２）、水は液面センサ８９まで満たされているとする。
水素循環路の圧力ＰＨは、水素循環路の内容積ＶＨと第１内容積ＶＤ１との和の体積のガスの圧力に相当する。
従って、１回の排出量ＶＡは以下の式により求められる。
ＶＡ＝｛（ＰＨ−Ｐ０）／Ｐ０｝×（ＶＨ＋ＶＤ１）
水が満たされている気液分離器８３の内容積はＶＤ２であるので、設定回数Ｎは、以下の式により求められる。
Ｎ≧ＶＤ２／ＶＡ
図４Ｂに示すように、水素循環路の開放により、体積がＶＡ分増加した分、水が排出される。
（算出方法４）
算出方法４においては、第１排水路７４の内容積を含めて、設定回数Ｎを算出する。
下記の通り、上述の算出方法３で求めたＶＡで、ＶＤ２とＶＣとの和を除することにより、設定回数Ｎが求められる。
Ｎ≧（ＶＤ２＋ＶＣ）／ＶＡ
ＣＰＵ９０は、上述のステップＳ３で求めた設定回数Ｎを設定してＲＡＭ９２に記憶させ（Ｓ４）、排水の回数ｎを「０」にリセットする（Ｓ５）。
ＣＰＵ９０は開閉弁２１，７９，８０を順にオフし（Ｓ６，７，８）、排水弁８４，８５を順にオンし（Ｓ９，１０）、排水を開始する。
ＣＰＵ９０は、ＰＨがＰ０より大きいか否かを判定する（Ｓ１１）。ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きいと判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、上述の判定を繰り返す。
ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きくないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、即ち排水ができなくなるので、排水を終了し、排水の回数ｎを「１」、インクリメントする（Ｓ１２）。
ＣＰＵ９０は、排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上であるか否かを判定する（Ｓ１３）。排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上でない場合、上述の排水処理を繰り返す必要がある。
ＣＰＵ９０は排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上でないと判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、排水弁８５，８４を順にオフし（Ｓ１４，１５）、開閉弁８０，７９，２１を順にオンし（Ｓ１６，１７，１８）、水素循環路の圧力ＰＨをステップＳ１で取得した圧力値まで上げて、処理をステップＳ６へ戻す。ここで、圧力センサ７８からＰＨを取得して、ＰＨが前記圧力値まで上昇したか否かを確認することにしてもよく、水素供給部２００から供給される水素の流量とＶＨとにより求められる時間により圧力の上昇を確認することにしてもよい。
ＣＰＵ９０は、排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上になるまで、上述の排水処理を繰り返し、ステップＳ１３で、ｎ≧Ｎであると判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、排水弁８５，８４を順にオフし（Ｓ１９，Ｓ２０）、排水制御処理を終了する。
本実施の形態においては、開閉弁２１，７９，８０を開き、排水弁８４，８５を閉じている状態から、開閉弁２１，７９，８０を閉じ、排水弁８４，８５を開いて水素循環路を開放したときの圧力差による水素循環路内の気体の増加量、及び気液分離器８３の内容積に基づいて、気液分離器８３内に貯留された水を押し出して排出する排水制御処理を繰り返すので、気液分離器８３内の水の残留を抑制して凍結を防止することができる。
具体的には、水素循環路の圧力ＰＨと外気圧Ｐ０との差のＰ０に対する比、及び水素循環路の内容積ＶＨから、１回の開放により気体の体積が増加して水が排出される量ＶＡを算出し、気液分離器８３の内容積ＶＤ（又はＶＤ＋ＶＣ）をＶＡで除して、設定回数（繰り返しの回数）Ｎを算出するので、気液分離器８３内の水の残存は良好に抑制される。
従って、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池３００の機能低下が防止されている。
発電の停止時に液面センサ８９の位置まで水が溜まっている場合に、即ち気液分離器８３の全体内容積ＶＤと前記位置までの第１内容積ＶＤ１との差である第２内容積ＶＤ２が水で満たされている場合（図４Ａ）、圧力ＰＨと外気圧Ｐ０との差のＰ０に対する比、及びＶＨとＶＤ１との和から、１回の水の排出量ＶＡを算出し、気液分離器８３の内容積ＶＤをＶＡで除して、設定回数Ｎを算出するので、気液分離器８３内の水の残存が良好に抑制される。
また、上述した算出方法２又は算出方法４を用いて設定回数Ｎを算出し、排水制御処理を実行すれば、気液分離器８３内の水に加えて第１排水路７４内の水も排出できるので、第１排水路７４についても水の残留を抑制して凍結を防止することができる。
また、本実施の形態においては、開閉弁２１，７９，８０を閉じた状態で排水を行うので、万一、排水弁８４，８５が故障した場合においても、規定量以上の水素の漏出を防止することができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る燃料電池は、気液分離器８３の構成が異なり、排水の処理手順が異なること以外は、実施の形態１に係る燃料電池３００と同様の構成を有する。
図５は、実施の形態２に係る燃料電池の気液分離器８３の模式的断面図である。
発電停止後に、貯留された水の液面が液面センサ８９より下側に位置する場合、排出すべき水の量を正確に求めることが困難である。
実施の形態２に係る気液分離器８３においては、上面寄りに設けられた液面センサ８９に加えて、底面寄りに液面センサ９０が設けられている。液面センサ９０も、液面センサ８９と同様に、気液分離器８３内の水の水位を検出するセンサであり、制御部９に接続されている。
実施の形態２においては、貯留水の液面が液面センサ９０の位置に到達するまで予備排水を行った後、上述の圧力差に基づく体積増加分により設定回数Ｎを求めて排水を行う。
設定回数Ｎの算出方法は、以下の通りである。
（算出方法５）
図５に示すように、気液分離器８３の全体内容積をＶＤ、上面から液面センサ９０までの部分の気液分離器８３の内容積（第１内容積）をＶＤ１、液面センサ９０から底面までの気液分離器８３の内容積（第２内容積）をＶＤ２とし、水は液面センサ９０まで満たされているとする。
水素循環路の圧力ＰＨは、水素循環路の内容積ＶＨと第１内容積ＶＤ１との和の体積のガスの圧力に相当する。
１回の排出量ＶＡは以下の式により求められる。
ＶＡ＝｛（ＰＨ−Ｐ０）／Ｐ０｝×（ＶＨ＋ＶＤ１）
水が満たされている気液分離器８３の内容積はＶＤ２であるので、設定回数Ｎは、以下の式により求められる。
Ｎ≧ＶＤ２／ＶＡ
（算出方法６）
算出方法６においては、第１排水路７４の内容積を含めて、設定回数Ｎを算出する。
下記の通り、上述の算出方法５で求めたＶＡで、ＶＤ２とＶＣとの和を除することにより、設定回数Ｎが求められる。
Ｎ≧（ＶＤ２＋ＶＣ）／ＶＡ
図６及び図７は、ＣＰＵ９０による排水制御処理の手順を示すフローチャートである。
初期条件は電池本体１００において発電を行っている場合であり、開閉弁２１，７９，８０が通電オン（開）であり、排水弁８４，８５が通電オフ（閉）の状態である。
この状態からＣＰＵ９０は発電を停止し、排水制御処理を開始する。
まず、ＣＰＵ９０は、気液分離器８３に貯留されている水の水位が液面センサ９０の設置の位置以下であるか否かを判定する（Ｓ３１）。
ＣＰＵ９０は、水位が液面センサ９０の位置以下でないと判定した場合（Ｓ３１：ＮＯ）、排水弁８４，８５を順にオンし（Ｓ３２，３３）、水位が液面センサ９０の位置に到達するまで予備排水を行い、処理をステップＳ３１へ戻す。
予備排水により、水位が液面センサ９０の位置に到達すると、ＣＰＵ９０は、水位が液面センサ９０の位置以下であると判定し（Ｓ３１：ＹＥＳ）、排水弁８５，８４を順にオフする（Ｓ３４，３５）。
ＣＰＵ９０は第１圧力センサ７８からＰＨを取得し（Ｓ３６）、第２圧力センサ８８からＰ０を取得する（Ｓ３７）。
ＣＰＵ９０は、上述のようにして設定回数Ｎを算出する（Ｓ３８）。
ＣＰＵ９０は、ステップＳ３８で求めた設定回数Ｎを設定し（Ｓ３９）、排水の回数ｎを「０」にリセットする（Ｓ４０）。
ＣＰＵ９０は開閉弁２１，７９，８０を順にオフし（Ｓ４１，４２，４３）、排水弁８４，８５を順にオンし（Ｓ４４，４５）、排水を開始する。
ＣＰＵ９０は、ＰＨがＰ０より大きいか否かを判定する（Ｓ４６）。ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きいと判定した場合（Ｓ４６：ＹＥＳ）、上述の判定を繰り返す。
ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きくないと判定した場合（Ｓ４６：ＮＯ）、即ち排水ができなくなるので、排水を終了し、排水の回数ｎを「１」、インクリメントする（Ｓ４７）。
ＣＰＵ９０は、排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上であるか否かを判定する（Ｓ４８）。
ＣＰＵ９０は排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上でないと判定した場合（Ｓ４８：ＮＯ）、排水弁８５，８４を順にオフし（Ｓ４９，５０）、開閉弁８０，７９，２１を順にオンし（Ｓ１６，１７，１８）、水素循環路の圧力ＰＨをステップＳ１で取得した圧力値まで上げて、処理をステップＳ４１へ戻す。
ＣＰＵ９０は、排水の回数ｎが設定回数Ｎ以上になるまで、上述の排水制御処理を繰り返し、ステップＳ４８において、ｎ≧Ｎであると判定した場合（Ｓ４８：ＹＥＳ）、排水弁８５，８４を順にオフし（Ｓ５４，Ｓ５５）、排水制御処理を終了する。
本実施の形態においては、発電停止後に、貯留された水の液面を液面センサ９０の位置まで下げる予備排水を行った上で排水制御処理を行うので、排出すべき水の量を正確に求めることができる。そして、排水制御処理の回数を減じることができる。
以上のように構成された本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部（スタック）と、該発電部に水素を供給する燃料部（水素供給部）と、前記水素の供給のための開閉弁と、前記発電部から排気されるガスを前記発電部へ戻して循環させる水素循環路と、該水素循環路内の圧力を検出する圧力検出器（圧力センサ）と、前記水素循環路に設けられ、前記ガスから水を分離する気液分離器と、該気液分離器から水を排出する排水弁と、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池において、前記制御部は、前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理（排水制御処理）を行うことを特徴とする。
本発明においては、前記開閉弁を開き、排水弁を閉じている状態から、開閉弁を閉じ、排水弁を開いて水素循環路を開放したときの圧力差による水素循環路内の気体の増加量、及び気液分離器の内容積に基づいて、気液分離器内に貯留された水を押し出して排出する排水処理を行うことにより、気液分離器内の水の残留を抑制して凍結を防止することができる。従って、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止されている。そして、開閉弁を閉じた状態で排水を行うので、万一、排水弁が故障した場合においても、規定量以上の水素の漏出を防止することができる。
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記排水処理の回数（設定回数）を算出することを特徴とする。
本発明においては、水素循環路の１回の開放により、気体の体積が増加して水が排出される量と、気液分離器の内容積とを比較して排水処理の回数を算出することにより、気液分離器内の水の残存をより良好に抑制することができる。
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記気液分離器内に貯留する水の水位を検知する水位検知器を備え、前記制御部は、前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の全体内容積、上面から前記水位までの前記気液分離器の第１内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする。
本発明においては、発電の停止時に水位検知器の位置まで水が溜まっている場合に、即ち、気液分離器の全体内容積と前記第１内容積との差に相当する気液分離器の内容積（第２内容積）が水で満たされている場合に、第２内容積と、水素循環路の１回の開放による気体の体積の増加分とを比較して、排出処理の回数を算出することにより、気液分離器内の水の残存をより良好に抑制することができる。
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記圧力検出器により検出した前記圧力と外気圧との圧力差、及び前記第１内容積と前記水素循環路の内容積との和に基づいて、１回の水の排出量を算出し、前記全体内容積と前記第１内容積との差を前記１回の水の排出量で除して、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする。
本発明においては、第１内容積と前記水素循環路の内容積との和、即ち水の液面までの体積と、気液分離器内の圧力と外気圧との差に基づいて、体積の増加による、１回の水の排出量を正確に算出し、良好に排水処理の回数を算出することができる。
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記外気圧を検出する第２の圧力検出器を備え、前記制御部は、前記圧力と、前記第２の圧力検出器により検出した前記外気圧との圧力差に基づいて、前記排出量を算出することを特徴とする。
本発明においては、第２の圧力検出器を備えるので、外気圧が標準気圧でない場所に燃料電池が配置されている場合においても、正確に排出量を算出することができる。
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記排水弁と前記気液分離器とを接続する排水管を備え、前記制御部は、前記排水管の内容積も含めて、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする。
本発明においては、排水管の内容積も含めて、前記排水処理の回数を算出するので、排水管内に水が残留して凍結することを防止することができる。
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記水位検知器は、前記気液分離器の底面寄りに設けてあり、前記制御部は、前記水位検知器により検知した前記水位が所定水位に到達するまで前記排水弁を開放する予備排水処理を行うことを特徴とする。
本発明においては、発電停止後に、貯留された水の液面を一定にする予備排水を行った上で排水処理を行うので、排出すべき水の量を正確に求めることができる。そして、排水処理の回数を減じることができる。
本発明に係る燃料電池の制御方法は、開閉弁を開いて燃料部から発電部へ水素を供給し、該発電部から排気されるガスを水素循環路により前記発電部へ戻して循環させ、前記水素循環路に設けられた気液分離器により前記ガスから水を分離して排水弁により排水する燃料電池の制御方法において、前記水素循環路内の圧力を取得し、前記水素循環路の内容積、前記圧力、及び前記気液分離器の内容積に基づいて、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水することを特徴とする。
本発明においては、前記開閉弁を開き、排水弁を閉じている状態から、開閉弁を閉じ、排水弁を開いて水素循環路を開放したときの圧力差による水素循環路内の気体の増加量、及び気液分離器の内容積に基づいて、気液分離器内に貯留された水を押し出して排出する排水処理を行うことにより、気液分離器内の水の残留を抑制して凍結を防止することができる。
本発明に係るコンピュータプログラムは、発電部から排気されるガスを戻して循環させる水素循環路、及び前記ガスから水を分離して排水する気液分離器を備える燃料電池を制御するコンピュータに、前記水素循環路内の圧力を取得し、前記水素循環路の内容積、前記圧力、及び前記気液分離器の内容積に基づいて、排水の回数を算出し、算出した回数に応じて、水素供給のための開閉弁に対する開閉信号、及び排水弁に対する開閉信号を出力する処理を実行させることを特徴とする。
本発明においては、水素循環路の１回の開放により、気体の体積が増加して水が排出される量と、気液分離器の内容積とを比較して排水処理の回数を算出することにより、気液分離器内の水を良好に排出することができる。
本発明は上述した実施の形態１及び２の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば気液分離器８３に設ける水位センサは液面センサに限定されるものではなく、フロートセンサ等であってもよい。
また、燃料電池３００を配置する場所の外気圧が標準気圧であるとしてよい場合は、第２圧力センサ８８を設けず、Ｐ０を１０１ｋＰａとして、設定回数Ｎを算出してもよい。
また、温度が変化する場合、気体の状態方程式を用いて、ＶＡを算出してもよい。
また、設定回数Ｎを求めず、排水を行う都度、ＰＨを取得してＶＡを算出し、ＶＡの合計量が気液分離器８３の所定の内容積以上に到達した場合に、排水制御処理を終了してもよい。
１ スタック
３ 空気流路
４ スタック冷却路
４１ 第１熱交換器
４２ 第２熱交換器
５ ラジエータ通流路
６ ボンベ加熱路
７ 水素通流路
７１ 水素供給路
７２ 水素導入路
７３ 水素回路
７４ 第１排水路
７５ 第１排気路
７８ 第１圧力センサ
８２ 水素循環ポンプ
８４、８５ 排水弁
８６、８７ 排気弁
８８ 第２圧力センサ
８９、９０ 液面センサ
９ 制御部
２０ ＭＨボンベ
３０ エアポンプ
９０ ＣＰＵ
１００ 電池本体
２００ 水素供給部
３００ 燃料電池

Claims (9)

  1. 水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、該発電部に水素を供給する燃料部と、前記水素の供給のための開閉弁と、前記発電部から排気されるガスを前記発電部へ戻して循環させる水素循環路と、該水素循環路内の圧力を検出する圧力検出器と、前記水素循環路に設けられ、前記ガスから水を分離する気液分離器と、該気液分離器から水を排出する排水弁と、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池において、
    前記制御部は、
    前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行う
    ことを特徴とする燃料電池。
  2. 前記制御部は、
    前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記気液分離器内に貯留する水の水位を検知する水位検知器を備え、
    前記制御部は、
    前記水素循環路の内容積、前記気液分離器の全体内容積、上面から前記水位までの前記気液分離器の第１内容積、及び前記圧力検出器により検出した前記圧力に基づき、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
  4. 前記制御部は、
    前記圧力検出器により検出した前記圧力と外気圧との圧力差、及び前記第１内容積と前記水素循環路の内容積との和に基づいて、１回の水の排出量を算出し、
    前記全体内容積と前記第１内容積との差を前記１回の水の排出量で除して、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
  5. 前記外気圧を検出する第２の圧力検出器を備え、
    前記制御部は、
    前記圧力と、前記第２の圧力検出器により検出した前記外気圧との圧力差に基づいて、前記排出量を算出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
  6. 前記排水弁と前記気液分離器とを接続する排水管を備え、
    前記制御部は、
    前記排水管の内容積も含めて、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする請求項３から５までのいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 前記水位検知器は、前記気液分離器の底面寄りに設けてあり、
    前記制御部は、
    前記水位検知器により検知した前記水位が所定水位に到達するまで前記排水弁を開放する予備排水処理を行う
    ことを特徴とする請求項３から６までのいずれか１項に記載の燃料電池。
  8. 開閉弁を開いて燃料部から発電部へ水素を供給し、該発電部から排気されるガスを水素循環路により前記発電部へ戻して循環させ、前記水素循環路に設けられた気液分離器により前記ガスから水を分離して排水弁により排水する燃料電池の制御方法において、
    前記水素循環路内の圧力を取得し、
    前記水素循環路の内容積、前記圧力、及び前記気液分離器の内容積に基づいて、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  9. 発電部から排気されるガスを戻して循環させる水素循環路、及び前記ガスから水を分離して排水する気液分離器を備える燃料電池を制御するコンピュータに、
    前記水素循環路内の圧力を取得し、
    前記水素循環路の内容積、前記圧力、及び前記気液分離器の内容積に基づいて、排水の回数を算出し、
    算出した回数に応じて、水素供給のための開閉弁に対する開閉信号、及び排水弁に対する開閉信号を出力する
    処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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