WO2004082053A1

WO2004082053A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2004082053A1
Application number: PCT/JP2004/003142
Authority: WO
Inventors: Nobuo Fujita
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2004-09-23
Also published as: DE112004000413T5; JP4725002B2; DE112004000413B4; CN1759495A; US20060063049A1; JP2004281069A; US7781107B2

Abstract

　気液分離器６０には、凍結判定機構として、電極１００ａ、１００ｂと、鉄芯１０１と、水中に設置された磁石吸引物１１０ａと、磁石吸引物１１０ａの動作を制御するガイド１０２ａ、１０２ｂとを備えている。制御ユニットは、電極に電圧を印可し、電極間に発生する磁界により鉄芯１０１を電磁石１０１に変化させる。非凍結時には、電磁石１０１と磁石吸引物１１０ａとが引き合い、接点Ａ，Ｂが閉じられ、導通状態となる。凍結時には、電磁石１０１と磁石吸引物１１０ａとが引き合ったとしても、双方の間に氷が存在するため、磁石吸引物１１０ａは浮き上がることが困難となる。制御ユニットは、電極に電圧印加後、所定時間経過後においても導通状態が検出されない場合には、気液分離器６０内の水Ｗａは凍結していると判定する。

Description

燃料電池システム技術分野

本発明は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムの凍結判定に関する。背景技術

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは電気化学反応によって水が生成される。生成された水は、燃料電池システム内部の冷却に使用されたり、排水管から外部へ排出されていた。

このような燃料電池システムが、外気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間運転を停止されると、システム内の部品、例えば、気液分離器に回収された水が凍結し、排水管から外部への排出を不能としたり、ガスの滞留を発生させ、燃料電池システムが運転不能となったり、寿命を縮めたりする恐れがある。発明の開示

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、気液分離器における水分の凍結により燃料電池システムに発生しうる弊害を抑制または回避することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムを提供する。本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、発電に用いられるガスを、前記燃料電池に供給するガス供給管と、前記燃料電池から排出されるガスを排出するガス排出管と、前記ガス供給管および前記ガス排出管の少なくともいずれか一方に設置され、前記ガス中の水を回収する気液分離器と、前記気液分離器内のに回収された水の凍結を判定する凍結判定装置とを備えることを要旨とする。

本発明によれば、気液分離器内の水の凍結を検出することができる。従って、凍結時に気液分離器に生じる弊害を回避することができる。凍結は、種々のタイミングで判定可能であり、例えば、凍結判定を、燃料電池システムの起動時に行うこととすれば、気液分離器内の水の凍結が検出された場合には、燃料電池システムの起動を禁止することができる。従って、凍結時に燃料電池を無理に運転させることによる燃料電池の劣化を抑制すると共に、システムにおける異常の発生を回避することができる。また、凍結が検出された場合には、例えば、バッテリ —などの電源を用いてヒ一夕を作動させて解凍を行い、解凍を検知した場合には、燃料電池システムを起動してもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記凍結判定装置による凍結判定は、前記気液分離器内に回収された水の、凍結時と非凍結時とにおける流動特性の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定することとしてもよい。この場合には、容易に、気液分離器内の水の凍結を判定することができる。流動特性に基づく凍結判定としては、例えば、前記気液分離器内に回収された水の中を作動可能な可動部材と、前記可動部材を作動させる作動装置と、前記可動部材の動作状態を検出する動作検出器とを備え、前記凍結判定装置は、前記動作検出器による検出結果に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定することとすることができる。こうすれば、比較的簡便に凍結を判定することが可能となる。

例えば、可動部材を金属とし、作動装置を磁石とすれば、凍結判定時には磁石を金属に近づけ、金属が浮くなどして動いたか否か等の動作状態を検出することとしてもよい。動作検出器は、例えば、底面の所定の位置に設置された可動部材と底面との間にセンサを設け、かかるセンサにより、可動部材の浮沈を確認することとしてもよい。また、例えば、作動装置により、可動部材の状態が、凍結判定前後で相違があるか否かを検出することとしてもよい。

また例えば、前記可動部材の動作によって導通状態が変化する接点を備え、前記動作検出器は、前記接点の導通状態の変化を検出することとしてもよい。例えば、非凍結時には、可動部材が動き、接点に接することにより、非導通状態であつた接点が導通状態になり、凍結時には、氷が存在するため、可動部材が動かず、接点に接することがないため、非導通状態のままであることにより、凍結を判定することとしてもよい。接点が可動部材とは別に、スィッチとなっており、可動部材が動 <ことによりスィッチが O Nとなり導通状態になる構成としてもよい。また、例えば、予め、可動部材が接点に接し導通である状態から、可動部材が動くことにより接点と離れ、非導通状態になることにより凍結を判定することとしてもよい。かかる凍結判定は、上述したスィッチの構成としても適用可能である。これらの例示に限ることなく、可動部材の動作により接点の導通状態が変化し、それを検出することができればよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給管は前記燃料電池に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を含み、前記ガス供給管は前記燃料電池に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を含み、前記ガス排出管は前記燃料電池からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出管を含み、前記気液分離器は前記アノードオフガス排出管上に配置されており、前記燃料電池システムはさらに、前記アノードオフガス排出管から分岐して、前記気液分離器内の水面下に連通される連結バイパス配管と、前記燃料ガス経路を、前記アノードォフガス排出管と前記連結パイパス配管とのいずれかに切り換える切換器と、前記アノードオフガス排出管の圧力を測定する圧力測定器とを備え、前記凍結判定装置は、前記経路を前記連結バイパス配管側に切り換えた状態における、前記圧力測定器により測定される圧力値に基づき、凍結を判定しても良い。

切換器は、例えば、バルブにより切り換えることとすれば、簡易に実現できる

。圧力測定器とは、例えば、アノードオフガス排出管に圧力センサを備えることとしてもよい。圧力センサは、気液分離器と燃料電池スタックとの間、すなわち、気液分離器の上流側に設置することとしてもよいし、下流側に設置することとしてもよい。

気液分離器内の水の凍結時には、連結バイパス配管を通過する水素ガスは、気液分離器の水面を通過できず、燃料電池システムの正常動作時、すなわち、非凍結時に比べて、圧力値に変化が発生する。圧力の変化は、圧力センサを設置する部位により、所定値以上となる場合や、所定値以下となる場合がある。いずれも、燃料電池システムの正常起動時に測定される圧力値の上限および下限に基づき判定することとすれば、簡易な構成で凍結を判定することができる。

かかる凍結判定に使用される水素ガスは、燃料ガス供給管を介して燃料電池に対して燃料ガスを供給する水素タンクから供給することとしてもよいし、燃料電池システムの前回作動時における残存する水素ガスを使用することとしてもよい本発明の燃料電池システムにおいて、前記凍結判定装置は、前記気液分離器内の水の、凍結時と非凍結時とにおける体積の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定することとしてもよい。

一般的に、水は凍結することにより氷へ状態変化し、かかる状態変化に伴い、体積が膨張することが知られている。本発明のように、かかる体積膨張による凍結時と非凍結時の体積の差異により凍結を判定することとすれば、気液分離器のようなメカニカルな機器の凍結を容易に判定することが可能となる。

かかる凍結判定装置としては、前記気液分離器内の水面より下部の圧力を測定する圧力測定器を備え、前記測定された圧力値に基づき凍結を判定することとすれば、簡易な構成で凍結を判定することができ好適である。かかる場合には、例えば、気液分離器の水面下のいずれかの場所に圧力測定器、例えば圧力センサを設置することで容易に実現可能である。

また、例えば、前記気液分離器内の水面より下部のいずれかの部分に設けられ、圧力によって変形する弾性部材を備え、前記凍結判定装置は、前記弾性部材の変形状態に基づき凍結を判定することとしてもよい。

本発明はまた、気液分離器における凍結を判定する凍結判定装置を提供する。本発明の凍結判定装置は、内部をガスが流動するガス配管と、前記ガス配管に接続され、前記ガス配管を流動するガス中に含まれる水分を分離し、回収する気液分離器と、前記気液分離器内に回収された水の、凍結時と非凍結時とにおける流動特性の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する凍結判定装置とを備えることを特徴とする。

本発明の凍結判定装置は、本発明の燃料電池システムと同様にして種々の態様にて実現され得る。

本発明において、上述した種々の特徴は、適宜、組み合わせたり、一部を省略して適用することができる。本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成に限らず、燃料電池システムの凍結を判定し起動を制御する制御装置、制御方法、凍結判定方法など種々の態様で構成することができる。いずれの態様においても、上述した種々の各特徴を、適宜適用可能である。図面の簡単な説明

図 1は実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。図 2は燃料電池システムの運転を制御する制御ュニットを示す説明図である。図 3は第 1実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。

図 4は第 1実施例における凍結判定処理を説明するフローチャートである。図 5は第 1実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である図 6は第 2実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。

図 7は第 2実施例における凍結判定処理を説明するフローチャートである。図 8は第 2実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である図 9は第 3実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。

図 1 0は第 3実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

•第 1実施例：

装置構成：

図 1は、実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。実施例の燃料電池システムは、モー夕で駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者のアクセル操作に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成をとることが可能である。

燃料電池スタック 1 0は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セルが複数積層されてなる積層体である。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、力ソードと称する) とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフイオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。

燃料電池スタック 1 0の力ソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ 4 0から吸入され、コンプレッサ 4 1で圧縮された後、加湿器 4 2で加湿され、配管 3 5から燃料電池スタック 1 0に供給される。配管 3 5には、吸気温を検出するための温度センサ 2 0 2が設けられている。力ソードからの排気（以下、力ソードオフガスと称する）は、配管 3 6、マフラ 4 3を通じて外部に排出される。空気の供給圧は、配管 3 6に設けられた圧力センサ 5 3で検出され、調圧バルブ 2 7の開度によって制御される。

燃料電池スタック 1 0のアノードには、配管 3 2を介して水素タンク 2 0に貯蔵された高圧水素から水素が供給される。水素タンク 2 0に代えて、アルコール , 炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素または水素含有ガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク 2 0に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ 2 1、レギユレ一夕 2 2、高圧バルブ 2 3 , 低圧バルブ 2 4によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気 (以下、アノードオフガスと称する）は、配管 3 3に流出する。アノードの出口には、圧力センサ 5 1およびバルブ 2 5が設けられており、アノードへの供給圧力および量の制御に利用される。

配管 3 3は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管 3 7に接続され、他方は、逆止弁 2 8を介して配管 3 2に接続される。燃料電池スタック 1 0での発電によって水素が消費される結果、ァノ —ドオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管 3 3には、ァノードオフガスを加圧するための水素ボンプ 4 5が設けられている。

排出管 3 7に設けられた排出バルブ 2 6が閉じられている間は、アノードオフガスは、配管 3 2を介して再び燃料電池スタック 1 0に投入される。アノードォフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効活用することができる。

アノードオフガスの循環中、水素は起電反応によって消費されるが、水素以外の不純物、例えば、力ソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、アノードにおける不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ 2 6が開かれると、アノードオフガスは、排出管 3 7を通り、希釈器 4 4で空気によって希釈された後、外部に排出され不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ 2 6の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。

気液分離器 6 0は、通過するアノードオフガスを冷却することにより、ァノードオフガス中に含まれる水を、水蒸気 (気体) と水 (液体) に分離し、水を回収する機能を奏する。回収された水は、燃料電池に供給される水素または酸素の加湿等に利用される。気液分離器 6 0の近傍には、気液分離器 6 0が凍結した場合に、解凍を行うためのヒータ 4 7が備えられている。ヒータ 4 7は、燃料電池スタック 1 0により発電された電力や、発電により発生する熱、バッテリーの電力を使用して解凍を行う。

燃料電池スタック 1 0には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ 4 6によって、冷却用の排出管 3 7を流れ、ラジェ一夕 3 8で冷却されて燃料電池スタック 1 0に供給される。燃料電池スタック 1 0からの出口には、冷却水の温度を検出するための温度センサ 2 0 3が設けられている。

制御ュニッ卜：

図 2は、燃料電池システムの運転を制御する制御ュニッ卜 2 0 0を示す説明図である。制御ユニット 2 0 0は、内部に C P U、 R AM, R O Mを備えるマイク口コンピュータとして構成されており、 R 0 Mに記憶されたプログラムに従つて、システムの運転を制御する。制御ユニット 2 0 0は、凍結判定装置として機能する。図 2中に、この制御を実現するために制御ユニット 2 0 0に入出力される信号の一例を実線で示した。入力としては、例えば、温度センサ 2 0 2、圧力センサ 5 1、圧力センサ 5 3、気液分離器 6 0、アクセル開度センサ 2 0 1からの検出信号が挙げられる。アクセル開度センサ 2. 0 1によって検出されたアクセルの操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。出力としては、例えば、気液分離器 6 0、水素ポンプ 4 5、ヒー夕 4 7、ディスプレイ 2 1 0に対する制御信号が挙げられる。ディスプレイ 2 1 0には、凍結時処理の際、燃料電池システムの起動禁止や、解凍処理中である等、ユーザへの通知情報が表示される。気液分離器構造：

図 3は、第 1実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。気液分離器 6 0は、排水機構と、回収された水 W aの凍結判定機構とを備えている。排水機構として、フロート 1 0 3と、フロート 1 0 3を可動に支持する支持具 1 0 4と、支持具 1 0 4から延び、排水口 1 0 6の開閉を行うノズル 1 0 5とを備えている。水 W aの水位が所定値以上になると、フロート 1 0 3が上昇し、これによって支持具 1 0 4と支持具 1 0 4から延びているノズル 1 0 5が持ち上げられる。ノズル 1 0 5が持ち上げられると、排水口 1 0 6が開放され、所定値以上蓄積された水は外部へ排出される。

凍結判定機構として、電極 1 0 0 a、 1 0 0 bと、電極 1 0 0 aおよび 1 0 0 bの間に配置された鉄芯 1 0 1と、鉄芯 1 0 1の下方の水中に設置された磁石吸引物 1 1 0 aと、磁石吸引物 1 1 0 aの動作を規制するガイド 1 0 2 a、 1 0 2 bとを備えている。電極 1 0 0 a、 1 0 0 bは、接続線 2 0 0 aおよび 2 0 0 b により制御ユニット 2 0 0と接続されており、電気回路を構成している。電極 1 0 0 aおよび 1 0 0 bに電圧を印加しても、電極 1 0 0 aおよび 1 0 0 bの水中側端の接点 A， Bが開いているため、かかる回路には電流は流れない。接点 A, Bに導電性の物体が接し、各接点が閉じることで、電気回路は閉回路となり、導通状態、すなわち、電流が流れることとなる。制御ュニット 2 0 0はかかる導通状態を検出し、凍結判定を行う。

制御ユニット 2 0 0が、電極 1 0 0 a、 1 0 0 bに電圧を印加することで、電極 1 0 0 a、 1 0 0 b間には磁界が発生し、鉄芯 1 0 1は、磁界の影響を受けて電磁石に変化する。以降、かかる状態の鉄芯 1 0 1を電磁石 1 0 1と呼ぶこととする。非凍結時には、制御ユニット 2 0 0が電圧印加された後、所定時間経過後に、磁石吸引物 1 1 0 aは、電磁石 1 0 1と引き合い、ガイド 1 0 2 aおよび 1 0 2 bに沿って浮き上がり、破線で示す磁石吸引物 1 1 0 bの位置まで上昇し、電極 1 0 0 aおよび 1 0 0 bの水中側端の接点 A， Bと接する。制御ュニット 2 0 0は、接点 A， Bに磁石吸引物 1 1 0 aが接することにより、前述の電気回路が閉回路となり、電流が流れ、導通状態を検出する。すなわち、制御ユニット 2 0 0は、導通状態を検出することができれば、気液分離器内の水 W aは凍結していないと判定する。

凍結時には、電磁石 1 0 1と磁石吸引物 1 1 0 aとが引き合ったとしても、双方の間に氷が存在するため、磁石吸引物 1 1 0 aは浮き上がることが困難となる。そのため、制御ュニット 2 0 0は、電極 1 0 0 a、 1 0 0 bに電圧印加後、所定時間経過後においても導通状態が検出されない場合には、気液分離器 6 0内の水 W aは凍結していると判定する。

このような構成を取ることにより、気液分離器など凍結判定が困難なメカ二力ルな機器の凍結を、簡易な構成で判定することが可能となる。導通の有無のみで凍結を判定するだけでなく、導通が検出されるまでの経過時間を考慮してもよい。こうすれば、半凍結の状態を検出することもできる。以降では、凍結判定処理を説明する。

凍結判定処理：

図 4は、凍結判定処理を説明するフローチャートである。凍結判定処理は、運転者が行う燃料電池システムの起動操作に応じて、制御ュニッ卜 2 0 0が各機能ブロックを制御して実行する処理である。第 1の実施例では、水の流動特性を利用して気液分離器 6 0内に回収された水が凍結しているか否かを判定する。なお、流動特性とは、その時々の条件に応じて変化する流体の挙動を意味しており、例えば、容器に溜められた水は、非凍結時には、容器を傾ければ、その動きに応じて流動し、非凍結時には、氷に状態変化しているため、容器を傾けたとしても、容器内にて流動することはない。すなわち、水は、非凍結時には流動する特性を有し、凍結時には、流動しない特性を有していると言うことができる。

この処理が開始されると、制御ュニット 2 0 0は、温度センサ 2 0 2から外気温を読み込む（ステップ S 1 1 ) 。温度センサ 2 0 2において測定された外気温が、所定値以上である場合には（ステップ S 1 2 ) 、気液分離器 6 0は凍結していないと判断し、通常のシステム起動処理を行う（ステップ S 1 8 ) 。また、温度センサ 2 0 2が測定する外気温の履歴を参照して、凍結の判定を行うこととしてもよい。所定値とは、少なくとも水の凝固点よりは高く、かつ、凍結可能性のある温度であるものとする。

外気温が所定値以上で無い場合 (ステップ S 1 2 ) 、気液分離器 6 0内部の水が凍結している可能性が高いと判断し、凍結判定処理を行う。制御ユニット 2 0 0は、気液分離器 6 0内に設置された電極 1 0 0 a、 1 0 O bに電圧を印加し（ステップ S 1 3 ) 、電極 1 0 0 a , 1 0 0 bの周囲に磁界を発生させることにより、鉄芯 1 0 1を電磁石 1 0 1に変化させる（ステップ S 1 4 ) 。

制御ュニット 2 0 0は、電極 1 0 0 a、 1 0 0 bに電圧印加後、所定時間経過後に、導通を検出したか否かを判断する（ステップ S 1 5 ) 。導通を検出できれば、気液分離器 6 0内の水は非凍結であると判定し、システムを起動する（ステップ S 1 8 ) 。制御ユニット 2 0 0は、導通を検出できない場合には、気液分離装置 6 0内の水は凍結していると判定し、ヒータを起動して（ステップ S 1 6 ) 、気液分離器 6 0内の氷の解凍を行う。解凍処理は、例えば、バッテリーから電力を供給しヒータ 4 7を起動することとしてもよい。制御ユニット 2 0 0は、図示するように解凍処理中であることを、ディスプレイ 2 1 0を介してユーザに通知する（ステップ S 1 7 ) 。

以上で説明した第 1実施例の燃料電池システムによれば、簡易な構成で、気液分離器内の水の凍結を判定することができ、かかる凍結判定結果に基づきシステムの起動を制御することができるため、燃料電池へのガスの供給が良好に行われないことを未然に防止することができ、システムの劣化を回避することが可能となる。

変形例：

上述した第 1実施例では、二本の電極間に磁界を発生させ、間に設けられた鉄芯を電磁石とし、水中の磁石吸引物の可動状態によって凍結を判定することとしたが、図 5に示す構成により凍結判定を行うこととしてもよい。

図 5は、第 1実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。本変形例の気液分離器 6 0は、水中を可動する棒状部材 1 2 1と、棒状部材 1 2 1を所定の位置で支持する支持具 1 2 2と. 棒状部材 1 2 1を図示する矢印のように回動させるための支点 1 2 0と、棒状部材 1 2 1が矢印に沿って回動した場合に接する接点 1 2 3とを備えている。

接点 1 2 3には、制御ュニット 2 0 0に接続されたセンサが設置されており、棒状部材 1 2 1が接すると、制御ュニット 2 0 0へ信号が通知される。制御ュニット 2 0 0は、例えば、支点 1 2 0をモ一夕により回転させることにより、棒状部材 1 2 1を、矢印に沿って回動させる。非凍結時には、棒状部材 1 2 1は、破線で示すように接点 1 2 3に接する（図に円 Cで示す）。制御ユニット 2 0 0は、このとき、センサから信号を受信しているため、非凍結であると判定する。凍結時には、棒状部材 1 2 1は、動作することができないため、制御ユニット 2 0 0は、モータにより支点 1 2 0を回転させ、所定時間経過後にセンサから信号が通知されない場合には、凍結していると判定することとしてもよい。支点 1 2 0が回転しないことを検出し、凍結を判定してもよい。

この他にも、水の流動特性を利用した凍結の判定手法としては、例えば、気液分離器 6 0を傾けたり、振動させたりしたときの水流により判定することとしてもよいし、振動させた場合の振動周波数に基づき判定することとしてもよい。

•第 2実施例：

第 1実施例では、気液分離器 6 O A内の水の凍結を、気液分離器内に配置された可動部材の動作状態により、判定することとした。第 2実施例では、水素ガスが、アノードオフガスの配管から分岐して、気液分離器の水中に流入するようバィパス配管を設置し、配管に設置された圧力センサにより測定された圧力値に基づき、気液分離器 6 O A内の水の凍結を判定することとした。

気液分離器構造：

図 6は、第 2実施例における気液分離器の構造を説明する断面図である。燃料電池スタック 1 0から排出されたアノードオフガスは、配管 3 3に流出する。配管 3 3には、アノードオフガスの流出量を調整するバルブ 2 5が設置されている。図示するように、配管 3 3から分岐してアノードオフガスが流れるようバイパス配管 7 0を設置し、バイパス配管 7 0の気液分離器側端は、気液分離器 6 O A の水面下に配置されることとした。バイパス配管 7 0には、アノードオフガスの流出量を調節するバルブ 7 1が設置されており、制御ユニット 2 0 0は、気液分離器 6 0 Aの水の凍結判定時には、パルプ 2 5およびバルブ 7 1の開閉を制御して、アノードオフガスが、配管 3 3もしくはバイパス配管 7 0のいずれか一方に流出するように切り換える。バルブ 2 5 , 7 1に代えて、分岐箇所に切換弁を設けることとしてもよい。

気液分離器 6 O Aを通過したアノードオフガスは、配管 3 4に流入する。配管 3 4には、アノードオフガスを加圧する水素ポンプ 4 5と、水素ポンプ 4 5の上流側の圧力を測定する圧力センサ 5 5と、下流側の圧力を測定する圧力センサ 5 6とが設置されている。制御ュニット 2 0 0は、圧力センサ 5 5および 5 6の測定値に基づいて、凍結を判定する。

本実施例における気液分離器 6 O Aの水 W aの凍結判定時は、システム起動前であるため、バルブ 2 5は予め閉じられている。制御ユニット 2 0 0は、バルブ 7 1を開き、燃料電池スタック 1 0から流出するアノードオフガスをバイパス配管 7 0へ流れるよう制御する。バイパス配管 7 0の気液分離器 6 O A側端は水中に配置されているため、パイパス配管 7 0内にも水が流入しており、水面 s f は、気液分離器 6 O Aの水面と同位置となっている。

非凍結時には、アノードオフガスは、バイパス配管 7 0内の水中を通り、図中円 Dで示すバイパス配管 7 0の出口から気泡 b u bとして、水中から放出され、配管 3 4へ流入する。アノードオフガスは、水素ポンプ 4 5で加圧され、配管を流れる。かかる場合には、圧力センサ 5 5および 5 6において測定される圧力値は、燃料電池システムの通常起動時と差異はない。

凍結時には、バイパス配管 7 0に流入したアノードオフガスは ·„ 気液分離器 6 0 Aの水中から放出されないまま、水素ポンプ 4 5が作動するため、圧力センサ 5 5により測定される圧力値が、燃料電池システムの通常作動時に比べ、低くなる。制御ュニット 2 0 0は、かかる圧力値と、通常作動時の圧力センサ 5 5により測定された圧力値との差分が所定値以上の場合には、気液分離器 6 0 A内の水は凍結していると判定する。

凍結判定処理：

図 7は、第 2実施例における凍結判定処理を説明するフローチャートである。本処理は、制御ュニッ卜 2 0 0が各機能ブロックを制御して実行する処理である。ステップ S 1 1〜ステップ S 1 2およびステップ S 1 6〜ステップ S 1 8は、第 1実施例と同様であるため、説明は省略する。

制御ュニッ卜 2 0 0は、外気温が所定値以上でない場合（ステップ S 1 2 ) 、凍結判定処理を行う。まず、シャットバルブ 2 1を開き（ステップ S 3 0 ) 、燃料電池スタック 1 0に水素タンク 2 0から水素ガスを供給する (ステップ S 3 1 ) 。次に、燃料電池スタック 1 0から排出されたアノードオフガスを、バイパス配管 7 0側に流入させるため、バルブ 7 1を開く（ステップ S 3 2 ) 。本実施例ではシステム起動前の凍結判定であり、配管 3 3に設置されているバルブ 2 5は、予め閉じられている。

制御ユニット 2 0 0は、所定時間経過後、圧力センサ 5 5により測定された圧力値が、所定値以下であるか否かを判断する（ステップ S 3 3 ) 。圧力値が所定値以下である場合には、気液分離器 6 0 A内の水は凍結していると判定し、ステップ S 1 6〜ステップ S 1 7の凍結時処理を行う。圧力値が所定値以下でない場合には、非凍結と判定し、システムを起動する（ステップ 1 8 ) 。以上説明した第 2実施例の燃料電池システムによれば、第 1実施例と同様に、気液分離器などの凍結の検出が困難であるメカニカルな機器の凍結を容易に検出することができ、凍結時には、システムの起動を禁止することとしたため、燃料電池システムの始動時の弊害を回避すると共に、撚料電池システムの劣化を防止することができる。また、凍結時に、ヒータを起動して解凍するため、解凍が検出された場合には、速やかに燃料電池システムを起動することができる。

変形例：

上述した第 2実施例では、水素タンク 2 0から水素ガスを供給することとしたが、燃料電池システムの前回作動時における残存水素を使用することとしてもよい。

図 8は、第 2実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。図示するようにバイパス配管 7 0は、水素ポンプ 4 5の下流側から分岐し、バイパス配管 7 0の他端は、気液分離器 6 O Aの水面下となるよう設置することとし、バイパス配管 7 0には、アノードオフガスの流入を調節するバルブ 7 1が設置されている。第 2実施例と同様に、水面 s f は、気液分離器 6 O Aの水面と同位置である。

凍結判定を行う場合、制御ユニット 2 0 0は、バルブ 7 1を開き、水素ポンプ 4 5を起動する。水素ポンプ 4 5は、燃料電池システムの前回作動時に、配管 3 3 , 3 4、気液分離器 6 O Aに残存する残存水素を加圧し、バイパス配管 7 0へ流す。起動時に凍結判定を行う場合には、各種バルブは予め閉じられていることとする。

非凍結時には、アノードオフガスは、バイパス配管 7 0を通り、図中円 Eで示すパイパス配管 7 0の出口から気泡 b u bとして、水中から放出され、配管 3 4 へ流入する。バルプ 7 1以外の各種バルブは閉じられているため、アノード才フガスは、配管 3 4→バイパス配管 7 0→気液分離器 6 O Aという閉じられた経路を循環していることとなるため、凍結判定中に、圧力センサ 5 5 , 5 6により測定される圧力値には、所定の範囲内の値となる。

凍結時には、バイパス配管 7 0に流入したアノードオフガスは、気液分離器 6 0 Aの水中から放出されないまま、水素ポンプ 4 5が作動するため、圧力センサ 5 5により測定される圧力値が、所定値以上低くなる。制御ュニット 2 0 0は圧力センサ 5 5により測定された圧力値が所定以上低い場合には、気液分離器 6 0 A内の水は凍結している判定する。

このような構成を取ることにより、新たに水素ガスを供給するまでなく、燃料電池システムの前回作動時の残存水素を使用して、簡易な構成で、凍結判定を行うことができるため、好適である。

•第 3実施例：

第 1実施例では、気液分離器 6 0 B内に設けた可動部材の動作状態に基づいて、凍結を判定することとした。第 2実施例では、配管から気液分離器 6 0 Bの水中へバイパス配管を設け、圧力センサにより測定される圧力値により凍結を判定することとした。第 3実施例では、水が凍結して氷に変化する過程で、体積が膨張することに基づき、凍結時と非凍結時とにおける水の体積の相違に基づいて、凍結を判定することとした。

気液分離器構造：

図 9は、第 3実施例における気液分離器 6 0 Bの構造を説明する断面図である。気液分離器 6 0 Bには、側面に、ゴムの薄膜 8 0 aが設置されており、バネ 8 2に支持された可動部材 8 1 aが、薄膜 8 0 aに接するように配置されている。パネ 8 2の他端は、固定された圧力センサ 8 3が設けられている。薄膜 8 0 aは、水 W aが凍結し体積が膨張することに伴い、破線の薄膜 8 0 bに示すように気液分離器 6 0 Bの外側へ膨張する。可動部材 8 1 aは、薄膜 8 0 bにより、矢印のように押圧され、これに伴ってパネ 8 2を押しながら、破線に示す可動部材 8 1 bの位置へ移動する。圧力センサ 8 3は、パネ 8 2にかかる圧力を測定し、測定された圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値とに基づいて、気液分離器 6 0 Bの水 W aの凍結を判定する。すなわち、非凍結時には、燃料電池システムの凍結判定時に、圧力センサ 8 3において測定された圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値との間に所定値以上の差は顕れない。これに対し、凍結時には、薄膜 8 0 aは、図示する薄膜 8 0 bのように膨張しており、可動部材 8 1 aにおいても、同様に、可動部材 8 1 bの位置まで移動している。そのため、バネ 8 3には矢印の方向に力が加わり、圧力センサ 8 3において測定される圧力値は、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値と比べ、所定値以上高くなる。制御ユニット 2 0 0は、このように、圧力センサ 8 3により測定される圧力値が、燃料電池システムの前回動作終了時に測定された圧力値と比べ、所定値以上高い場合には、凍結していると判定する。

凍結判定処理は、第 2実施例において説明した図 7のフローチャートにおいて、ステップ S 3 0を「圧力測定」と、ステップ S 3 1を「前回動作終了時の圧力値読み出し」と、ステップ S 3 2を「圧力値の比較」と、ステップ S 3 3を「圧力値に所定値以上の差が存在するか？」とすることで説明できる。

以上説明した第 3実施例では、凍結時と非凍結時とにおける水の体積の相違に基づいて凍結判定を行うことができるため、簡易な構成で、気液分離器の凍結を判定することができる。従って、燃料電池スタックへ、オフガスが良好に供給できなくなることを防止することが可能となり、燃料電池システムの劣化を抑制することができる。

変形例：

上述した第 3実施例では、気液分離器の水面下に設置された薄膜の膨張に基づき凍結を判定することとしたが、薄膜に代えて、水面下に圧力センサを設けることとしてもよい。

図 1 0は、第 3実施例の変形例における気液分離器の構造を説明する断面図である。気液分離器 6 O Bは、水面下に圧力センサ 9 0を備えている。気液分離器 6 0 Bの水面下は、水 W aにより、矢印に示すように水圧がかかっており、制御ユニット 2 0 0は、圧力センサ 9 0により測定される水圧に基づき凍結を判定す

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非凍結時には、圧力センサ 9 0により測定される圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定される圧力値とには、所定値以上の差は顕れない。凍結時には、水から氷への状態変化の過程で体積が膨張するため、圧力センサ 9 0に測定される圧力値は、燃料電池システムの前回動作終了時に測定される圧力値より高くなる。

このような構成をとることにより、簡易な構成で、気液分離器内の水の体積の膨張、即ち、凍結を判定することができ、好適である。

上述した第 3実施例および変形例では、燃料電池システムの起動前に行われる凍結判定時に測定される圧力値と、燃料電池システムの前回動作終了時に測定される圧力値とに基づき、凍結を判定することとしたが、前回動作終了時に測定される圧力値に関わらず、圧力値が所定値以上の場合には、凍結していると判定することとしてもよい。

第 3実施例では、可動部材を用いることとしたが、可動部材に代えて、スイツチを設けることとしてもよい。こうすれば、薄膜の膨張によるスィッチの O NZ O F Fに基づいて凍結を判定することができ、簡易な構成で凍結判定を実現することができる。

また、第 3実施例では、薄膜にゴムを使用することとしたが、これに限られず、所定の圧力値以上で変形する弾性部材であれば、本発明を実現することができる。なお、「所定の圧力値」とは、例えば、気液分離器 6 0 B内の水が凍結した場合に検知される圧力値から所定の範囲内の値としてもよいし、体積膨張率から算出される値としてもよい。弾性部材とは、例えば、樹脂素材、ゴムなどの薄膜とすることができる。また、凍結判定は、例えば、気液分離器外側に、弾性部材に接するよう可動部材を設け、弾性部材が、気液分離器内の水の凍結による体積膨張に伴って外側へ膨張し、その膨張による可動部材の動作状態を検出することとしてもよい。さらに、凍結しゃすい部位にノズル等で筒を設けることとしてもよい。

さらに、凍結を判定する方法としては、上述した方法以外に、例えば、気液分離器内の音の伝播、反射、光の反射、透過、屈折など種々の方法を利用することとしてもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、気液分離器に凍結が検知された場合には、システムの起動を禁止することとしたが、その後、凍結箇所の解凍が検知された場合には、速やかにシステムを起動することとすれば、起動遅延を防止することができる。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることはいうまでもない。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池システムであって、

燃料電池と、

発電に用いられるガスを、前記燃料電池に供給するガス供給管と、

前記燃料電池から排出されるガスを排出するガス排出管と、

前記ガス排出管おょぴガス供給管の少なくとも一部に設置され、前記ガス中の水を回収する気液分離器と、

前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する凍結判定装置とを備える燃料電池システム。

2 . 請求の範囲 1記載の燃料電池システムであって、

前記凍結判定装置による凍結判定は、前記燃料電池システムの起動時に行われ前記燃料電池システムはさらに、前記水の凍結が検出された場合には、前記燃料電池システムの起動を禁止するシステム起動禁止手段を備える燃料電池システム。

3 . 請求の範囲 1または 2記載の燃料電池システムであって、

前記凍結判定装置は、前記気液分離器内に回収された水の、凍結時と非凍結時とにおける流動特性の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する燃料電池システム。

4 . 請求の範囲 3記載の燃料電池システムであって、

前記気液分離器内に回収された水の中を作動可能な可動部材と、

前記可動部材を作動させる作動装置と、

前記可動部材の動作状態を検出する動作検出器とを備え、

前記凍結判定装置は、前記動作検出器による検出結果に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する燃料電池システム。

5 . 請求の範囲 4記載の燃料電池システムはさらに、

前記可動部材の動作によって導通状態が変化する接点を備え、

前記動作検出器は、前記接点の導通状態の変化を検出する燃料電池システム。

6 . 請求の範囲 3記載の燃料電池システムであって、

前記ガス供給管は前記燃料電池に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を含み、

前記ガス排出管は前記燃料電池からアノードオフガスを排出するためのァノードオフガス排出管を含み、

前記気液分離器は前記アノードオフガス排出管上に配置されており、前記燃料電池システムはさらに、

前記アノードオフガス排出管から分岐して、前記気液分離器内の水面下に連通される連結バイパス配管と、

前記燃料ガス経路を、前記アノードオフガス排出管と前記連結バイパス配管とのいずれかに切り換える切換器と、

前記アノードオフガス排出管の圧力を測定する圧力測定器とを備え、前記凍結判定装置は、前記経路を前記連結バイパス配管側に切り換えた状態における、前記圧力測定器により測定される圧力値に基づき、凍結を判定する燃料電池システム。

7 . 請求の範囲 1または 2記載の燃料電池システムであって、

前記凍結判定装置は、前記気液分離器内の水の凍結時と非凍結時とにおける体積の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する燃料電池

8 . 請求の範囲 7記載の燃料電池システムであって、

前記気液分離器内の水面より下部の圧力を測定する圧力測定器を備え、前記凍結判定装置は、前記測定された圧力値に基づき前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する燃料電池システム。

9 . 請求の範囲 7記載の燃料電池システムであって、

前記気液分離器内の水面より下部のいずれかの部分に設けられ、圧力によって変形する弾性部材を備え、

前記凍結判定装置は、前記弾性部材の変形状態に基づき凍結を判定する燃料電池システム。

1 0 . 請求の範囲 9記載の燃料電池システムにおいて、

前記気液分離器は側面と底面とを有し、

前記弾性部材は、気液分離器内の前記側面における前記底面近傍に配置されている燃料電池システム。

1 1 . 内部をガスが流動するガス配管と、

前記ガス配管に接続され、前記ガス配管を流動するガス中に含まれる水分を分離し、回収する気液分離器と、

前記気液分離器内に回収された水の、凍結時と非凍結時とにおける流動特性の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する凍結判定装置とを備える、気液分離器における凍結を判定する凍結判定装置。

1 2 . 請求の範囲 1 1記載の凍結判定装置において、

前記凍結判定装置は、

前記可動部材を作動させる作動部と、

前記可動部材の動作状態を検出する動作検出部とを備え、

前記動作検出部による検出結果に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する凍結判定装置。

1 3 . 請求の範囲 1 2記載の凍結判定装置はさらに、

前記動作検出部は、前記接点の導通状態の変化を検出する凍結判定装置。

1 4 . 請求の範囲 1 1記載の凍結判定装置において、前記凍結判定装置は、前記気液分離器内に回収された水の、凍結時と非凍結時とにおける流動特性の相違に代えて、前記気液分離器内の水の凍結時と非凍結時とにおける体積の相違に基づき、前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する凍結判定装置。

1 5 . 請求の範囲 1 4記載の凍結判定装置において、

前記凍結判定装置は、

前記気液分離器内の水面より下部の圧力を測定する圧力測定部を備え、前記測定された圧力値に基づき前記気液分離器内に回収された水の凍結を判定する凍結判定装置。

1 6 . 請求の範囲 1 4記載の凍結判定装置において、

前記凍結判定装置は、

前記弾性部材の変形状態に基づき凍結を判定する凍結判定装置。

1 7 . 請求の範囲 1 6記載の凍結判定装置において、

前記気液分離器は側面と底面とを有し、

前記弾性部材は、気液分離器内の前記側面における前記底面近傍に配置されている凍結判定装置。