JP2004039527A

JP2004039527A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004039527A
Application number: JP2002197117A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukuda; 福田　隆
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: WO2004006369A3; DE60325969D1; CN1666371A; EP1520312A2; KR100644182B1; US20050255351A1; KR20050016666A; WO2004006369A2; EP1520312B1; JP4140294B2; CN1316663C; US7645533B2

Abstract

【課題】凍結防止の動作によるシステムの効率の悪化を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】システム内に水が存在する燃料電池システムにおいて、水の凍結可能性を推定する凍結可能性推定手段Ｓ１２と、燃料電池システム内の水の少なくとも一部の凍結を防止するドレーンバルブ１５と、前記凍結可能性推定手段の出力に応じた待ち時間を求める待ち時間推定手段Ｓ１６と、を備え、少なくとも待ち時間経過中にはドレーンバルブ１５を閉じて排水を避ける。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する、特に、燃料電池システムに保有する水の凍結防止のための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおいて、システムを停止した際に環境温度が氷点以下となると、システム内に保有する水が凍結するという問題が生じる。これにより、システムの破損、起動時間の延長、起動に必要なエネルギの増加等の問題が生じる。これに対して、特開平１０−２２３２４９号公報には、燃料電池の排ガス流路内の凝縮水凍結による通路閉塞を防止する技術について記載されている。ここでは、システムで凍結が予測された場合には、ガス配管に設けられた凝縮水貯留部の水を所定時間後に抜くことによりガス流路の閉塞を防止している。この凍結予測手段としては、外気温度、外気温度に関するデータ、予め記憶させておいた凍結の可能性のある期間に関する情報、あるいは、運転者による直接指示入力の有無等により予測している。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
特開平１０−２２３２４９号公報においては、運転者が比較的短時間の運転を繰り返す場合にも、凍結が予測されたらシステム停止から所定時間経過毎に少なからず凝縮水を系外に排出してしまう。そのため、凍結が予測されるたびにシステム内の水が減少し、ひいては水不足を引き起こしてしまう。このように、従来の燃料電池システムにおいては、無駄な凍結防止の動作を行うことで、水不足やエネルギ消費を生じてシステムの効率を悪化させる可能性が生じるという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、無駄な凍結防止の動作によるシステムの効率の悪化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、水の凍結可能性を推定する凍結可能性推定手段と、燃料電池システム内の水の少なくとも一部の凍結を防止する凍結防止手段と、前記凍結可能性推定手段の出力に応じた待ち時間を求める待ち時間推定手段と、を備える。このような燃料電池システムにおいて、少なくとも前記待ち時間が経過するまでは前記凍結防止手段を停止状態に維持する。
【０００６】
【作用及び効果】
凍結可能性に応じた待ち時間を求める待ち時間推定手段を備え、少なくとも待ち時間が経過するまでは、凍結防止手段を停止状態に維持する。これにより、凍結可能性に応じて、凍結防止の動作を待機させることができるので、無駄に凍結防止の動作を行うのを避けることができる。その結果、凍結防止の動作に必要なエネルギ等の消費を抑制することができ、システム効率を向上することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。
【０００８】
図示しない圧力調整弁および流量調整弁により所定の圧力および流量に調整した燃料ガスを、燃料ガス通路３を介してスタック１に供給する。また同様に、図示しない圧力調整弁および流量調整弁により所定の圧力および流量に調整した空気を、空気通路７を介してスタック１に供給する。
【０００９】
ここで、本実施形態に用いるスタック１を固体高分子型燃料電池とする。固体高分子型燃料電池においては発電反応を効率よく行うために電解質膜を加湿する必要がある。そこで、本実施形態では燃料ガスおよび空気を、燃料ガス通路３および空気通路７に配置した加湿器４で加湿してからスタック１に供給する。
【００１０】
加湿器４において加湿された燃料ガスおよび空気を用いてスタック１で発電を行う。発電に用いられずにスタック１から排出された燃料ガス（排燃料ガス）は排燃料燃焼器５に供給する。排燃料燃焼器５では、排燃料ガスと空気供給通路６から供給された空気とを混合・燃焼することにより排燃料ガスを浄化してからシステム外部に排出する。
【００１１】
また、発電に用いられなかった空気（排空気）には、発電反応に伴って生成される水が含まれる。そこで、スタック１から排出された排空気を、水分凝縮装置８に供給し、水分を回収してからシステム外部に排出する。ここで、水分凝縮装置８は、空冷式の熱交換器や水分離膜等、排空気中の水分を回収できるものであればよい。また、必要に応じて水回収の過程にフィルタを設けてもよい。
【００１２】
次に、スタック１の冷却システムについて説明する。ここでは、水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却水をスタック１に循環させる。
【００１３】
スタック１内を流れることにより熱を吸収した冷却水は、スタック１から冷却通路２１に排出される。冷却通路２１には三方弁２２を配置し、冷却水を熱交換器２４に供給する通路２３に供給するか、熱交換器２４を迂回する迂回路２５に供給するかを切り替える。迂回路２５に冷却水が供給された場合には、後述する予備タンク２７の下流側に供給される。
【００１４】
一方、通路２３に冷却水が供給された場合には、図示しないラジエータファン等により所定の温度に調整された熱交換器２４において冷却される。熱交換器２４で冷却された冷却水を水分凝縮装置８の熱交換部２６に流通させ、水分凝縮装置８に供給される排空気を冷却することにより、排空気中に含有される水分を凝縮する。このように、冷却水を排空気の冷却源として用いた後、予備タンク２７の下流側に供給する。ここで、予備タンク２７に貯水された冷却水は、冷却水が熱膨張および収縮した際に、予備タンク２７内への冷却水の吸収および循環する冷却水の補給を行うことで循環する冷却水量を調整する。
【００１５】
予備タンク２７の下流側から冷却水ポンプ２８に冷却水を供給する。冷却水ポンプ２８では冷却水の圧送を行う。冷却ポンプ２８の下流には、図示しない空気経路と燃料経路から供給された空気および燃料を用いた燃焼により冷却水を加熱する加熱バーナ２９を備える。これは、特に冷間起動時に作動させて冷却水を加熱することによりスタック１を暖機し、冷間からの起動を速やかに行う。ここで、本実施形態では冷間時をシステムが凍結している可能性がある場合とするが、例えばシステムの暖機が積極的に必要な場合等としてもよい。加熱バーナ２９から排出された冷却水は、再びスタック１に供給されてスタック１の温度調整を行う。
【００１６】
次に、加湿器４における加湿に用いる水の供給システムについて説明する。ここで、水分凝縮装置８から加湿器４へ水を流通する配管を水通路９とする。
【００１７】
前述した水分凝縮装置８で回収された水は、水通路９を流れて水タンク１０に貯蔵される。水タンク１０には、タンク内の水を加熱する加熱ヒータ１３を備え、冷間起動時にはこの加熱ヒータ１３によりタンク内の水を解凍する。
【００１８】
反応ガスを加湿する場合には、水タンク１０内の水をバルブ１４を介して水ポンプ１７に供給する。ここで、バルブ１４は、水タンク１０から水を取り出す通路の連通・非連通を切り替える手段である。また、バルブ１４と水ポンプ１７との間の水通路９内の最下部に、水通路９中に残留した水を排水するためのドレーン配管１６およびドレーンバルブ１５を配置する。
【００１９】
水ポンプ１７は、スタック１の運転状態に応じた加湿を行うために必要な水量を加湿器４に供給する。ここで、水ポンプ１７と加湿器４との間の水通路９には、三方弁１８を配置する。三方弁１８は、加湿器４に水ポンプ１７により圧送された水を供給するか、図示しないフィルタを介してエア導入ライン１９上に設けたエアポンプ２０により圧送される空気を水通路９に供給するかを切り替える手段である。
【００２０】
従来、このような燃料電池システムにおいて凍結が予測された場合には、所定時間後に排水を行うことにより、凍結による通路の閉塞を防いでいる。
【００２１】
しかしながらこのような制御を行うと、比較的短時間の運転を繰り返すような場合には、所定時間経過ごとに排水を行うのでシステム内で水不足を生じたり、水を生成するために余分なエネルギが必要となったりするという問題が生じる。また、従来はカレンダー等で凍結の可能性がある期間を設定して凍結を予測しているので、冬季には常に水抜きを行い、水不足が生じやすくなる。加えて、使用地域等が変更された場合、例えば国外で使用する場合には凍結の予測が大幅にはずれてシステムの凍結を正確に防止するのが難しい。さらに、常に外気温をモニタすることも考えられるが、センサやコントロールユニット等では電力を消費するため、通常サイズのバッテリを使用した場合には、電力不足を引き起こす可能性がある。
【００２２】
そこで本実施形態では以下のような測定系および制御系を備えることにより、無駄な排水や無駄な電力消費を抑制する。
【００２３】
スタック１の温度を測定するスタック温度センサ２、水タンク１０内の水温を測定する水温センサ１１、水タンク１０内の水位を測定する液面センサ１２、外気温度を測定する外気温センサ３１を備える。さらに、これらのセンサの出力に応じて、各弁、バルブ、ポンプ等を制御するコントローラ３０を備えて燃料電池システムを制御する。また、コントローラ３０には、カレンダー、システムを使用する土地の一日の気温変化データ、時計を内蔵する。
【００２４】
本実施形態における制御方法を図２のフローチャートを用いて説明する。燃料電池システムの起動開始の信号が読み込まれたら本制御を開始する。
【００２５】
ステップＳ１においては、各種センサ２、１１、１２、３１の測定値を読み込む。ステップＳ２において、ステップＳ１で読み込んだスタック温度センサ２の出力から、スタック１の温度と所定温度を比較する。ここでの所定温度はスタック１の暖機が必要かどうかを判断できる温度とし、例えば５０℃とする。
【００２６】
ステップＳ２において、スタック１の温度が所定温度より大きいと判断されたらスタック１を暖機する必要がないシステム運転時と判断してステップＳ３に進み、通常運転を継続する。ここで、スタック１の停止時に、スタック１の温度が５０℃より高くなる可能性がある場合には、このステップＳ３においてスタック１が運転状態か停止状態かを判断する必要がある。このとき、停止状態であると判断されたらシステムの暖機処理を省略して発電を開始し、運転状態であると判断されたらそのまま運転を継続する。一方、ステップＳ２において、スタック１の温度が所定温度以下と判断されたらステップＳ４に進み、起動運転を行う。
【００２７】
ステップＳ４において、水温センサ１１により測定した温度と所定温度とを比較する。ここにおける所定温度は、水タンク１０内に貯蔵した純水が凍結している可能性があるかどうかを判断する基準値とし、例えば５℃とする。水温センサ１１により測定した水タンク１０内の水温が所定値より小さい場合には、水が凍結している可能性があるためステップＳ５に進み、後述する冷間起動を行う。一方、水温センサ１１の出力が所定値以上の場合には、水は凍結していないと判断できるので、ステップＳ６に進み、後述する通常起動を行う。
【００２８】
ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６によりシステムの運転状態が通常運転となったらステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、液面センサ１２の出力に応じて、水タンク１０の液面レベルの低下を判断する。ここでは、液面センサ１２の判定は、ハンチングを防止するために、計測された液面の例えば１分間の平均値を算出し、低下を示す閾値との比較を行っている。さらにハンチングを抑制するために、レベル液面にレベル幅に対して１／１０程度のヒステリシスを設けて上記判断を行ってもよい。
【００２９】
ステップＳ７において、液面レベルが低下していると判断されたら、ステップＳ８に進む。低下していると判断されなかった場合には、ステップＳ１１に進む。
【００３０】
ステップＳ８においては、水生成モード運転を行う。具体的には、水分凝縮装置８での凝縮温度、ここでは熱交換部２６に供給する冷却水温度を低下させることで、水の凝縮量、ひいては水の回収量を増加する。
【００３１】
ステップＳ９では、Ｓ７と同様の手法で、Ｓ７よりさらに低い水位での液面レベルの判断を行う。ここでは、水の補給を行わないと加湿水が不足する可能性があるかどうかを判断する。水の補給を必要とする水位にまで低下した場合にはステップＳ１０へ進み、水の補給を必要とする水位まで低下していない場合にはステップＳ１１に進む。
【００３２】
ステップＳ１０においては、運転者に警告ランプ等で水不足を知らしめ、水補給を要求し、水補給することで水面レベルを回復させる要求をだす。ここで、要求をだしてから所定運転時間経過しても水レベルが回復しない場合には、水不足の恐れがあるためにシステムを停止する。
【００３３】
ステップＳ８〜Ｓ１０において、水タンク１０の水位が加湿を行うのに十分となるように水の補充を行ったら、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１において、イグニッションスイッチがＯＮであるか、ＯＦＦであるかの判定を行う。
【００３４】
運転継続を示すＯＮの場合には、ステップＳ１に戻り、再び水量が十分であるかの判断を行う。ステップＳ１１において、運転停止を示すＯＦＦである場合にはステップＳ１２に進む。
【００３５】
ステップＳ１２からは、燃料電池システムの停止運転を行う。ステップＳ１２では、システム内に保有する水の凍結可能性判断を行う。本実施形態では、日本において燃料電池システムを運転する際の凍結可能性を判断する。図３に日本の代表的な地域、例えば関東地方の最低気温の年間変化を示す。これによると、凍結の可能性があるのは、１２月から３月程度であることがわかる。
【００３６】
しかし、東北や北海道等寒冷地の場合には、気温が低いため、さらに凍結の可能性が高まると考えられ、逆に、温暖な地域では凍結の可能性は低くなる。図４に２月の平均的な１日の代表的な気温変化のデータを示す。図中の記号は、■印が温暖地域、●印が代表的な地域、▲印は寒冷地域を示す。ここで示すように、日本国内の地域によっても温度差が非常に大きいことが分かる。
【００３７】
本実施形態では、図４中の代表的な地域（●印）の１日の温度変化のデータをコントロールユニット３０内に記憶させ、この値と時刻と、外気温センサ３１との値を比較して１日の気温変化をシフトさせる。これにより、燃料電池システムを停止する地域の実測温度に応じて最低温度を予測することができ、代表地域における気温変化のデータを用いた場合にも地域による温度差を考慮することができる。
【００３８】
具体的に例を示すと、温度測定時刻が例えば１６時で外気温が２３℃であったとする。１６時の代表地での温度（約７℃）を外気温から減じた値（２３℃―約７℃＝約１６℃）を補正値とし、代表地域の最低気温（約１℃）に補正値（約１６℃）を加えた値（約１７℃）を、その地域での予測最低気温と推定する。
【００３９】
このように予測最低気温を推定したら、図５を用いて凍結可能性を求める。ここで、図５には、予測最低気温に対する凍結可能性を示しており、ここでは、例えば０℃以下を凍結可能性１００％とし、１０℃以上を凍結可能性０％としている。このため、予測最低気温が１７℃と判断された場合には、凍結可能性は０℃と判断される。
【００４０】
本実施形態では、代表的な気温変化をベースとして、外気温情報により補正することで凍結可能性を推定したが、ナビゲーションにより位置情報を得ることでより正確な気温情報を得ることもできる。また、気象情報等から直接予測する方法も考えられる。
【００４１】
このように、システム内に保有する水の凍結可能性を推測したら、ステップＳ１３に進み、凍結するかどうかを予測する。つまり、ステップＳ１２の凍結可能性が０％であるかどうかの判断を行い、０％の場合にはステップＳ１４に進み、それ以外の場合にはステップＳ１５に進む。
【００４２】
ステップＳ１４は、凍結の可能性がないと判断された場合なので、水抜き等の作動をせずにシステムを停止する。一方、ステップＳ１５においては、水通路９内の水を水タンク１０に回収する。三方弁１８を切り替えて、エアポンプ２０により圧送される空気を水通路９内に供給する。これにより、水通路９内の水はバルブ１４を介して水タンク１０内に回収される。このとき、十分に水を抜くのに必要な時間または空気量を予め実験等で求めておき、時間または空気量を測定することにより、水通路９内の水を回収する。
【００４３】
水通路９の排水が終了したら、バルブ１４を閉じてからエアポンプ２０を停止して、水タンク１０からの水の流出を防ぐ。本実施形態では、イグニッションスイッチがＯＦＦであることを認識した場合に水の回収を行ったが、後述する排水のタイミングに合わせて水タンク１０に回収してもよい。
【００４４】
ステップＳ１５において水の回収が終了したら、ステップＳ１６に進みドレーン待ち時間を決定する。ここでは、ドレーン待ち時間を、後述するステップＳ１７でコントローラ３０に備えたタイマーの初期化を行ってから、排水処理を行うまでの時間とする。
【００４５】
ここで、ドレーン待ち時間の決定方法について説明する。
【００４６】
水温センサ１１を用いて水タンク１０内の水温を測定する。図６を用いて、ステップＳ１２で推定した凍結可能性と水温とから排水までのドレーン待ち時間を決定する。図６は、純水温度、凍結可能性に対するドレーン待ち時間を示している。ドレーン待ち時間は純水温度が低いほど短く、また凍結可能性が高いほど短く設定する。これにより、その後、純水温度が低下して凍結が開始されるまでの間に再度運転が再開された場合に純水を無駄に捨てるのを避けることができる。
【００４７】
ドレーン待ち時間は、システムの保温状態や外気温度によっても異なるので、システムに応じて予め実験等で図６のようなマップを求める。本実施形態では、簡単にするために外気温度を考慮せずに純水温度と凍結可能性とからドレーン待ち時間を求める。これに加えて、外気温度を考慮してドレーン待ち時間を求めた場合には更に精度が高まるので、ドレーン待ち時間を長く設定することができる。
【００４８】
ステップＳ１７では、ステップＳ１６で決定されたドレーン待ち時間までの時間を計測するために、コントローラ３０に備えたタイマーを初期化する。ステップＳ１８に進み、タイマーの加算を行う。ステップＳ１９では、タイマーの計測値が閾値を超えたかどうかの判断を行う。ここでの閾値はドレーン待ち時間を示す。閾値まで到達していない場合にはステップＳ１８に戻りタイマーの加算を継続し、ステップＳ１９において閾値に到達したらステップＳ２０でドレーンバルブ１５を開いて排水を実施してから、ステップＳ１４に進み、システムを完全に停止する。
【００４９】
このように、システム停止時には、凍結が開始するまでの時間を予測し、凍結が始まらない間はシステム内に水を保有し、凍結が開始すると予測される時間になったら排水して、水通路９内の水の凍結を防止する。
【００５０】
次に、ステップＳ５の冷間起動を図７のフローチャートを用いて説明する。
【００５１】
ステップＳ２１において、水タンク１０に備えた加熱ヒータ１３をＯＮにし、凍結している水タンク１０内の水の解凍を行う。ステップＳ２２において、水温センサ１１により水タンク１０内の水温が１０℃以上か未満かの判断を行う。水温が１０℃以上になるまで加熱ヒータ１３による純水の解凍を継続し、１０℃以上となったら、水タンク１０内の水が解凍されたと判断してステップＳ２３に進む。ステップＳ２３において、ドレーンバルブ１５を閉じ、ステップＳ２４においてバルブ１４を開いて水タンク１０内の水を水ポンプ１７まで導く。ステップＳ２５において、バルブ１４を開いてから所定時間が経過したかどうかを判断する。この所定時間は、水ポンプ１７まで水が充填されるのに必要な時間であり、例えば５秒である。この時間は配管構成等に応じて変化させる。
【００５２】
ステップＳ２６ではシステムを起動する。水素ガスおよび空気を供給して燃料電池１における発電を開始する。ステップＳ２７において、水温センサ１１により純水温度を測定し、加熱ヒータ１３によって水温が十分に上昇したかどうかを判断する。ステップＳ２７を、水温が２０℃以上となるまで繰り返し、２０℃以上となったらステップＳ２８に進み加熱ヒータ１３をＯＦＦにする。
【００５３】
このように制御することで、凍結していた水を解凍して冷間起動を行う。
【００５４】
次に、図８のフローチャートを用いて、通常起動の制御方法を説明する。
【００５５】
ステップＳ３０ではドレーンバルブ１５を閉じて、水通路９に水を流通可能とする。ステップＳ３１において、バルブ１４を開き、水を水ポンプ１７まで導く。ステップＳ３２では、バルブ１４を開いてから所定時間が経過したかどうかの判断を行う。この所定時間は、水タンク１０から水ポンプ１７までの水通路９を水により十分に満たすことができる時間である。この時間は実験等で予め求めることができ、また使用する配管構成に応じて設定することができる。
【００５６】
ステップＳ３３では、燃料電池システムを起動する。水素および空気を供給して燃料電池１における発電を開始する。
【００５７】
なお、本実施形態では凍結防止手段としてドレーンバルブ１５を開くことによる排水を行ったが、加熱ヒータ１３を作動させて水タンク１０内の水温を氷点以上に保持する制御を行ってもよい。このときは、ステップＳ２０の動作は「加熱ヒータ１３を稼動させる」となる。
【００５８】
また、スタック１の冷却システムについても水の補給を行う必要がある場合には、水分凝縮装置８において凝縮した水分を冷却システムに供給可能な構成として、予備タンク２７に液面センサを設ける。これにより、加湿システムにおける水管理と同様に水の補給を行うことができる。ここでは、冷却水として水の凍結防止剤を混ぜたものを用いているが、冷却水として純水を用いる場合等の、凍結防止の制御が必要な場合には、上記と同様の制御を行うことで無駄な排水を避けることができる。
【００５９】
次に、本実施形態に用いる燃料電池システムによる効果を説明する。
【００６０】
水の凍結可能性を推定するステップＳ１２における凍結可能性推定と、燃料電池システム内の水の少なくとも一部の凍結を防止するために排水を行うドレーンバルブ１５とを備える。さらに、凍結可能性に応じてドレーン待ち時間を求めるステップＳ１６における待ち時間推定を備え、少なくともドレーン待ち時間が経過するまではドレーンバルブ１５による排水動作を停止状態に維持する。これにより、凍結可能性に応じて、凍結防止の動作を待機させることができるので、無駄に凍結防止の動作を行うのを避けることができる。これにより、凍結防止の動作に必要なエネルギ等の消費を抑制することができるので、システムの効率を向上することができる。
【００６１】
また、ドレーン待ち時間を、ステップＳ１２において推定された凍結可能性から凍結が開始する可能性が生じる時点までの時間、つまり凍結開始の可能性がないと判断できる時間とする。これにより、凍結の可能性がないと推測される間には凍結防止の動作を回避することができるので、無駄な凍結防止の動作によるエネルギ消費を抑制することができる。
【００６２】
このとき、ドレーン待ち時間経過後に、ドレーンバルブ１５を開くことにより、システム内の水の少なくとも一部の凍結を防止する動作を行う。これにより、凍結可能性推定時に、凍結が開始する可能性が生じると推測された時点で凍結防止の動作を行うことができるので、凍結を避けることができる。これにより、凍結による燃料効率の低下や、システムの破損を回避することができる。
【００６３】
また、ドレーン待ち時間を凍結可能性が低いほど長くすることで、凍結が起こり難い環境下での無駄な凍結防止の動作を避けることができ、システム効率を向上することができる。
【００６４】
凍結防止手段としては、水の少なくとも一部を排水するドレーンバルブを用いることで、配管内に残留する水を排水することができ、凍結を防止することができる。また、このようなシステムの凍結防止の動作を、凍結の可能性がない場合には避けることで、システム内の水不足や、水生成のためのエネルギ消費を低減することができる。ここでは、ステップＳ４８〜Ｓ５１における水生成や水補給の動作を行う頻度が少なくなるので、余分なエネルギ消費を低減することができる。
【００６５】
一方、凍結防止手段として、水の少なくとも一部を加熱もしくは保温する保温装置としての加熱ヒータ１３を用いることで、水タンク１０内の凍結を避けることができ、起動時のエネルギ消費を低減することができる。このとき、加熱ヒータ１３による凍結防止の動作を、凍結が生じないと推測される間には避けることで、エネルギ効率を向上することができる。
【００６６】
ステップＳ１２において凍結可能性を推定する際に、平均気温、外気温センサ、カレンダー、ナビゲーション情報、各地の気温等の統計情報の少なくとも一つ、もしくは組み合わせにより凍結可能性を推定する。これにより、環境、時期、場所等に応じて凍結可能性を推定することができる。
【００６７】
以上のように、本実施形態は燃料電池システムが氷点下にさらされる場合においても、純水等が凍結することがなく無駄に捨てる水の量を抑制することができる。本願では、水排出の頻度を減少させられるので、この水生成モード運転を行う頻度が減少し、これにより燃費悪化を防止できる。またＳ１０の水の補給要求の警告が発生する頻度も減少する。また、本実施形態では、加湿用水配管について記載したが、ガス配管について同様の処理を行うことで、同様の効果を得ることもできる。
【００６８】
次に第２の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムの構成を図１に示し、制御方法を図９のフローチャートに示す。
【００６９】
本実施形態では凍結可能性判断の精度を向上するために、コントロールユニット３０に間欠的に電源を投入して外気温度を測定する機能を有する。この間欠的に電源を投入する間隔を本実施形態の測定待ち時間とし、凍結可能性に応じて変更する。
【００７０】
ステップＳ４１において、イグニッションスイッチがＯＮであるかＯＦＦであるかを判断する。ＯＮ（運転継続）の場合にはステップＳ４２へ、ＯＦＦ（運転停止）の場合にはステップＳ５２に進む。
【００７１】
ステップＳ４２に進み、運転を継続する場合には、第１の実施形態と同様の制御を行う。つまり、起動運転が必要な場合にはステップＳ４６、Ｓ４７で起動運転を行ってから、水タンク１０内に必要な水量を確保する。このように、図９におけるステップＳ４２〜Ｓ５１は、図２におけるステップＳ１〜Ｓ１０に相当する。ただし、ステップＳ４８、Ｓ５０、Ｓ５１において、水タンク１０の水位が加湿を行うのに十分であると判断できたら、ステップＳ４１に戻る。
【００７２】
ステップＳ４１において運転停止と判断されたらステップＳ５２に進む。ステップＳ５２において、凍結可能性判断を行う。本実施形態では、図４に示すような代表的な複数地域の１日の温度をコントロールユニット３０内に記憶しておく。マップに示された測定時刻の温度と、外気温センサ３１により測定した外気温度との値を比較して、それらの値の差が最も小さいマップを選択する。
【００７３】
第１の実施形態では、ある代表地域（●印）の１日の気温変化と外気温とを比較することで、気温データをシフトすることとしたが、この場合には１日の気温変化量が地域により異なるために若干誤差が生じる可能性がある。そのため、システムの凍結を完全に防止するためには凍結可能性を高めに見積もる必要があったが、本実施形態では、地域に応じた気温グラフを選択するため、より正確な凍結可能性の推定を可能にしている。
【００７４】
また、本実施形態の凍結可能性判断はステップＳ５２において、計測時の外気温度から推定したが、前回以前の凍結可能性を記憶させておき、その変化量から補正を加えてもよい。ここで、補正の方法の具体例を図１０を用いて説明する。
【００７５】
凍結可能性推定を行うたびに、前回値と前々回値との偏差から今回の値を予測する。図１０におけるｎ−１回目の測定のように、今回（ｎ−１回目）の凍結可能性推定値Ｐ_ｎ−１が予測値Ｐ_０ｎ−１より高い場合には、今回の測定値を今回の補正後の凍結可能性推定値Ｐｆ_ｎ−１とする。つまり、図１０では、Ｐ_０ｎ−１＜Ｐ_ｎ−１なのでＰｆ_ｎ−１＝Ｐ_ｎ−１として採用する。
【００７６】
一方、ｎ回目の測定のように、今回（ｎ回目）の凍結可能性推定値Ｐ_ｎが予測値Ｐ_０ｎより低い場合には、予測値Ｐ_０ｎと凍結可能性推定値Ｐ_ｎとの差の１／２を凍結可能性推定値Ｐ_ｎに加算して、補正後の凍結可能性推定値Ｐｆ_ｎとする。つまり、図１０では、Ｐ_０ｎ＞Ｐ_ｎなので、Ｐｆ_ｎ＝Ｐ_ｎ＋（Ｐ_０ｎ−Ｐ_ｎ）／２として採用し、凍結可能性推定値が高めになるように補正する。
【００７７】
このような動作を行うことで、温度変化が激しい状態においても、凍結可能性の判断ミスによるシステムの凍結を未然に防止できる。本補正は、使用するシステムが最適な凍結可能性推定を行うように選択的に採用する。
【００７８】
ステップＳ５２において凍結可能性を求めたら、ステップＳ５３に進み凍結の可能性があるかどうかを判断する。凍結の可能性がない場合、つまり凍結可能性が０％の場合にはステップＳ６４に進み、水抜き等を行わずにシステムを停止する。
【００７９】
ステップＳ５３において凍結可能性が０％以外の場合には、ステップＳ５５に進み、凍結がすぐに開始する可能性があるかどうかを判断する。ここでは、可能性が９０％より高い場合を凍結開始の可能性がある場合とする。凍結可能性が９０％より高い場合には、直後に凍結が開始する可能性があるのでステップＳ６２以降の排水作業を行う。一方、凍結可能性推定値が９０％以下の場合には、直後に凍結が開始するわけではないので、再び凍結可能性を推定するための測定を行うまでの測定待ち時間を決定して、システムをスリープ状態で待機させる。
【００８０】
まず、凍結可能性推定値が９０％以下の場合を説明する。
【００８１】
ステップＳ５６では、次回の測定までの測定待ち時間を決定する。ここでは、第１実施形態においてドレーン待ち時間を求めたのと同様に、次の測定までの測定待ち時間を、図６を用いて求める。測定実施時の純水温度と、ステップＳ５２で推定した凍結可能性から凍結が開始する時間を予測し、この凍結が開始するまでの時間を次回の凍結可能性判断までの測定待ち時間とする。
【００８２】
ここでは、システム停止信号を受け取ってから純水温度が低下しても、凍結を開始するまでの間に再度運転が開始された場合は純水を無駄に捨てるのを避けることができるように測定待ち時間を設けている。測定待ち時間の決定にはシステムの保温状態や外気温度によって異なるので、システムに応じて実験等で求めた値を用いる。本実施形態では、純水温度と凍結可能性から測定待ち時間を設けたが、これに加えて外気温度を考慮してもよい。外気温度を考慮するとさらに精度が高まるので、測定待ち時間を長く設定することができる。
【００８３】
第１の実施形態では、システム停止から排水までの時間を決定したが、この場合には、システムの保温等により、時間が長期化した場合に誤差が大きくなるため、若干余分に排水される可能性があった。これに対して本実施形態では、次回までの測定間隔を今回の凍結可能性に応じて決定し、再び凍結可能性を求めるため、さらに確実に凍結が開始される時間を推測できるので無駄な排水を回避することができる。
【００８４】
ステップＳ５７では、燃料電池システムをコントローラ３０に備えたタイマーのみが作動するシステムスリープ状態となるように制御して、消費電力を低減する。ステップＳ５８ではタイマーの初期化を行い、ステップＳ５９においてタイマーの加算を行う。ステップＳ６０では、タイマーの計測時間がステップＳ５７で求めた測定待ち時間に到達しているかどうかを判断する。到達していなければ、ステップＳ５９に戻りシステムスリープ状態を維持する。測定待ち時間経過後には、ステップＳ６１に進み、システムの温度計測系統に電源を投入し、その後の凍結可能性判断を行う準備をする。その後、ステップＳ４１を介してステップＳ５２に戻り、再度凍結可能性の推定を行う。
【００８５】
一方、システムの冷却が進み、ステップＳ５５において、凍結可能性推定値が９０％より大きくなった場合には、凍結がすぐに開始する可能性があるので、排水作業を行う。
【００８６】
ステップＳ６２では、純水を水タンク１０に回収する。ここでは、三方弁１８をエアポンプ２０と水タンク１０とを連通させる側に切り替える。その後エアポンプ２０を駆動することにより、水通路９中の水を水タンク１０内に回収する。このとき、水通路９内の水を十分に水タンク１０に回収できる時間または空気量を予め実験等で求めておく。所定時間または所定空気量を供給したら、バルブ１４を閉じることにより水タンク１０からの流出を防いでから、エアポンプ２０を停止する。
【００８７】
ステップＳ６３においてドレーンバルブ１５を開くことにより、水通路９に残留する水を排出する。ステップＳ６４において、システム電源を完全に停止する。
【００８８】
次に、本実施形態に用いた燃料電池システムによる効果を説明する。ここでは、第１の実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。
【００８９】
測定待ち時間経過後に再度凍結可能性を推定することで、さらに精度よく凍結が開始する時間を推定することができる。凍結可能性に応じて測定待ち時間を推定することで、凍結可能性を推定する回数を最小限にすることができる。また、凍結可能性を再度行うことで、凍結する可能性がない時点での凍結防止の動作を避けることができる。
【００９０】
また、凍結可能性に応じて凍結が開始するかどうかをステップＳ５５において判断し、ステップＳ５５において凍結が開始する可能性があると判断される場合には、凍結の防止の動作を開始する。一方、凍結が開始する可能性がないと判断される場合には、測定待ち時間を推定する。これにより、凍結が開始する可能性がある場合には凍結防止の動作により凍結を回避し、凍結の可能性がない場合には、凍結が開始する可能性が生じるまで凍結防止の動作を避けることができる。これにより、凍結防止の動作による水やエネルギの消費を抑制することができ、システムの効率を向上することができる。
【００９１】
また、凍結可能性の推定は、少なくとも前回以前の凍結可能性、もしくは前回凍結可能性推定を行う過程で得られたセンサ値または演算結果等のうち少なくとも一つを記憶し、前回以前との変化量、もしくは変化割合に応じて補正を行う。これにより、凍結可能性による判断をさらに確実にすることができる。
【００９２】
さらに、測定待ち時間経過中には、システム内のタイマーのみを作動させて、システムスリープ状態を維持する。これにより、測定待ち時間中の電力消費を低減して、システム効率を向上することができる。
【００９３】
なお、実施形態においては、凍結可能性を０％〜１００％としたが、０％または１００％のどちらか一方としてもよい。すなわち、予測最低気温が所定値以下であるかどうかを判断することにより、凍結防止手段を作動させるかどうかを判断してもよい。
【００９４】
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく、請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。
【図３】代表的な地域（東京地方）の年間の最低気温を示すグラフである。
【図４】２月の平均的な１日の代表的な気温変化のデータを示すグラフである。
【図５】予測最低温度に対する凍結可能性を示すグラフである。
【図６】水温および凍結可能性に対する待ち時間を示す図である。
【図７】冷間起動の制御を示すフローチャートである。
【図８】通常起動の制御を示すフローチャートである。
【図９】第２の実施形態における燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。
【図１０】第２の実施形態における凍結可能性の補正方法についての説明図である。
【符号の説明】
１３　　加熱ヒータ（保温装置）
１５　　ドレーンバルブ
Ｓ１２、Ｓ５２　凍結可能性推定手段
Ｓ１６、Ｓ５６　待ち時間推定手段
Ｓ５５　　　　　凍結開始判断手段
凍結防止手段・・・ドレーンバルブ１５、加熱ヒータ１３
待ち時間　　・・・ドレーン待ち時間、測定待ち時間

Claims

システム内に水が存在する燃料電池システムにおいて、
水の凍結可能性を推定する凍結可能性推定手段と、
燃料電池システム内の水の少なくとも一部の凍結を防止する凍結防止手段と、
前記凍結可能性推定手段の出力に応じた待ち時間を求める待ち時間推定手段と、を備え、
少なくとも前記待ち時間が経過するまでは前記凍結防止手段を停止状態に維持することを特徴とする燃料電池システム。
前記待ち時間を、前記凍結可能性推定手段により推定された凍結可能性から凍結開始の可能性がないと判断できる時間とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記待ち時間経過後に、前記凍結防止手段によりシステム内の水の少なくとも一部の凍結を防止する動作を開始する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記待ち時間経過後に、前記凍結可能性推定手段により再度凍結可能性を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記凍結可能性推定手段により推定された凍結可能性に応じて、凍結が開始するかどうかを判断する凍結開始判断手段を備え、
前記凍結開始判断手段により凍結が開始する可能性があると判断される場合には、前記凍結防止手段により凍結の防止を開始し、
前記凍結開始判断手段により凍結が開始する可能性がないと判断される場合には、前記待ち時間推定手段により、前記凍結可能性を再度推定するまでの待ち時間を推定する請求項４に記載の燃料電池システム。
前記待ち時間を、凍結可能性が低いほど長くする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記凍結防止手段として、水の少なくとも一部を排水するドレーンバルブを備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
前記凍結防止手段として、水の少なくとも一部を加熱もしくは保温する保温装置を備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
前記凍結可能性推定手段は、平均気温、外気温センサ、カレンダー、ナビゲーション情報、各地の気温等の統計情報の少なくとも一つ、もしくは組み合わせにより凍結可能性を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記凍結可能性推定手段の推定は、少なくとも前回以前の凍結可能性、もしくは前回凍結可能性推定を行う過程で得られたセンサ値または演算結果等のうち少なくとも一つを記憶し、前回以前との変化量、もしくは変化割合に応じて補正を行う請求項３に記載の燃料電池システム。