燃料電池システム
【課題】次回システム起動時に燃料電池の加湿を適切に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、システム停止時に、次回システム起動時に凝縮水が凍結しないと判断した場合には、運転温度に基づいて求められた運転圧力に応じて圧縮機３４を制御して凝縮水を貯水部４２ａに貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には、運転温度に基づいて求められた運転圧力に応じた圧縮機３４の制御と、排水弁４７による水排出とを水除去処理時間が経過するまで行って凝縮水を貯水部４２ａから排出する水除去処理を行う。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、システム停止時に、次回システム起動時に凝縮水が凍結しないと判断した場合には、運転温度に基づいて求められた運転圧力に応じて圧縮機３４を制御して凝縮水を貯水部４２ａに貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には、運転温度に基づいて求められた運転圧力に応じた圧縮機３４の制御と、排水弁４７による水排出とを水除去処理時間が経過するまで行って凝縮水を貯水部４２ａから排出する水除去処理を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの運転効率を改善する手段として、例えば、特許文献１および特許文献２に記載の技術が提案されている。特許文献１には、コンプレッサのロータに水を噴霧して、コンプレッサのエネルギ効率を改善する技術が記載されている。特許文献２には、膨張機の下流で溜めた水を圧縮機の下流に噴射して、燃料電池に供給されるガスを加湿する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９４２６５号公報
【特許文献２】特開平７−１４５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２には、システム停止時の水の管理については何ら検討されておらず、例えば次回のシステム起動時に水が不足して燃料電池に対する加湿量が低下し、また次回のシステム起動時に氷点下に至るような環境下では凍結によって加湿が適切になされないという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、次回システム起動時に燃料電池の加湿を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤が通流する酸化剤供給流路と、前記燃料電池から排出される排出酸化剤が通流する酸化剤排出流路と、前記酸化剤排出流路に配置され、前記排出酸化剤を膨張させる膨張手段と、前記酸化剤供給流路に配置される圧縮機と、前記膨張手段の下流に配置され、凝縮水を回収する水回収手段と、前記水回収手段により回収された凝縮水を前記酸化剤供給流路に噴射する水噴射手段と、を備え、システム停止時に、次回システム起動時に凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を前記水回収手段に貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を前記水回収手段から排出する水除去処理を行う制御部を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、燃料電池システムのシステム停止時に、次回システム起動時において水回収手段に回収された凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を水回収手段に貯留することで、次回システム起動時（例えば、燃料電池が高温状態で起動されたとき）に凝縮水が不足するのを防止でき、燃料電池が加湿不足になるのを防止できる。また、燃料電池システムのシステム停止時に、次回システム起動時において水回収手段に回収された凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を水回収手段から除去することで、次回システム起動時に凝縮水が凍結して加湿が適切になされなくなるのを防止できる。
【０００８】
また、前記制御部は、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、前記次回起動温度が所定値より高い場合には前記貯水処理を行い、前記次回起動温度が所定値以下の場合には前記水除去処理を行うことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、温度に基づいて予測することで、次回システム起動時において凝縮水が凍結するか否かを適切に判断することができる。
【００１０】
また、前記膨張手段は、エキスパンダタービン、および当該エキスパンダタービンの回生エネルギを得て前記圧縮機に駆動力を伝達する伝達軸を備えることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、エキスパンダタービンの回生エネルギを得て圧縮機を駆動することで、排出酸化剤の圧力を有効に利用することができ、圧縮機の消費電力を低減することが可能になる。
【００１２】
また、前記水回収手段は、凝縮水を貯留する貯水部を備え、前記貯水部の水位を検出する水位センサおよび前記燃料電池の温度に関連した燃料電池関連温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、システム停止時に前記貯水処理を行う場合、前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求め、前記水位センサによる水位値が所定値に到達するまで、前記運転圧力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする。
【００１３】
ところで、燃料電池関連温度（以下、運転温度とする）と燃料電池に必要な水蒸気量（以下、必要水蒸気量とする）との関係、および、必要水蒸気量と燃料電池の圧力（以下、運転圧力とする）との関係に基づくことで、運転温度が上昇すると必要水蒸気量が上昇するので、運転圧力を高くすることで必要水蒸気量を減らすことができる。したがって、運転温度に基づいて運転圧力を制御することにより、膨張手段により発生する凝縮水量を調整することが可能になる。
【００１４】
このような関係に基づいてシステム停止時において貯水処理を行うことで、例えば、運転温度が高い場合には、排出酸化剤に含まれる水分が多いので、運転圧力を高くすることで必要水蒸気量を低くでき、凝縮水量を増加させることができる。このようにして凝縮水量を制御することで凝縮水を貯水部に短い時間で確保することができる。よって、次回のシステム起動時に燃料電池が高温状態（例えば、システム停止後にすぐにシステム起動された場合）で起動されたとしても、システム停止時に貯水部に貯留された凝縮水を酸化剤供給流路に噴射することで水不足（加湿不足）を回避することができる。
【００１５】
また、前記水回収手段は、回収された凝縮水を外部に排出する排水弁を備え、前記制御部は、システム停止時に前記水除去処理を行う際、前記燃料電池関連温度と水除去処理時間との関係を用いて、検出した前記燃料電池関連温度に基づいて前記水除去処理時間を求め、前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求めて、前記運転圧力に応じた前記圧縮機の制御と、前記排水弁による水排出と、を前記水除去処理時間が経過するまで行うことを特徴とする。
【００１６】
例えば、運転温度が高くなるにつれて、排出酸化剤に含まれる水分量が多くなるので、運転圧力を高くすることで、必要水蒸気量を低減でき、凝縮水が多く生成される。よって、除去すべき凝縮水量が多くなるので、水除去処理時間が長く設定される。このように運転圧力および水除去処理時間を求めて、水除去処理時間が経過するまで排出弁を開くことで、システム停止時に排出酸化剤に含まれる水分を多く排出できる。
【００１７】
また、前記制御部は、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いて前記次回起動温度を予測することを特徴とする。
【００１８】
これによれば、次回起動温度を適切に予測することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、次回システム起動時に燃料電池の加湿を適切に行うことができる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、水噴射機構の構成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は運転温度と必要水蒸気量との関係を示すマップ、（ｂ）は必要水蒸気量と運転圧力との関係を示すマップである。
【図４】運転圧力と、エキスパンダで発生する水分量との関係を示すグラフである。
【図５】通常運転時での運転圧力を決定するための概略図である。
【図６】貯水処理および水除去処理を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は運転温度と運転圧力との関係を示すマップ、（ｂ）は運転温度と処理時間との関係を示すマップである。
【図８】本実施形態の変形例に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０について、図１ないし図８を参照して説明する。なお、以下では、燃料電池システム１０について、燃料電池車（四輪車、二輪車等を含む）を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、家庭用や業務用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、この燃料電池１２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系１４と、燃料電池１２のカソードに対して酸素を含むエア（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系１６と、燃料電池１２に冷媒を循環させて冷却する冷却系１７と、これらを電子制御するＥＣＵ（制御部、電子制御装置）６０とを備えている。
【００２３】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１８及びカソード流路２０が形成されている。
【００２４】
この場合、アノード流路１８を介して各アノードに対して水素（燃料）が供給されることによって電極反応が起こり、一方、カソード流路２０を介して各カソードにエア（酸化剤）が供給されることによって電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）が発生して燃料電池１２が発電可能な状態となる。このように発電可能な状態の燃料電池１２と、外部負荷（例えば、図示しない走行用のモータ、後記する圧縮機３４のモータ３５（電動機））とが電気的に接続され、電流が取り出されることにより、燃料電池１２が発電するようになっている。
【００２５】
アノード系１４は、水素が高圧で封入された水素タンク２２と、エゼクタ２４と、第１気液分離器２６と、ドレン弁２８と、パージ弁３０とを備えている。
【００２６】
アノードの出口ポートは、配管ａ３、第１気液分離器２６、配管ａ４を介して、エゼクタ２４の吸引ポートに接続されている。この場合、アノード流路１８から排出された未消費（未反応）の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管ａ３、ａ４を流通して燃料電池１２の上流側に配置されたエゼクタ２４に戻され、水素が循環するように構成されている。
【００２７】
すなわち、エゼクタ２４の導出ポートとアノード流路１８の入口ポートとを接続する配管ａ２を含む複数の配管ａ２、ａ３、ａ４によって、水素循環ライン（燃料ガス循環ライン）が構成され、この水素循環ライン中に第１気液分離器２６が配設されている。なお、エゼクタ２４を省略して電動ポンプを配置して構成してもよい。
【００２８】
第１気液分離器２６は、アノード流路１８の出口から排出されるアノードオフガス中に含まれる水分（結露水）を分離し、前記分離した水分を一時的に内部に貯留するものである。なお、第１気液分離器２６における気液分離方式は、例えば、第１気液分離器２６内において、アノードオフガスの流路断面積を増大させ、第１気液分離器２６内を流通するアノードオフガスの流速を低下させることにより、水素に対して比重の大きい水分を分離する方式を採用することができる。またさらに、低温冷媒が流通する冷却管を配設し、この冷却管によってアノードオフガスを冷却して、水分を分離する方式を用いてもよい。
【００２９】
第１気液分離器２６内で水分が分離されたアノードオフガスは、配管ａ４を介して、エゼクタ２４に戻され、一方、分離回収された水分は、第１気液分離器２６の底部（例えば、タンク部）に一時的に貯留される。
【００３０】
第１気液分離器２６の底部は、配管ａ５、常閉型のドレン弁２８、配管ａ６を介して、後記する希釈器３２に接続されている。ドレン弁２８は、第１気液分離器２６に貯留された水分を排出するための弁であり、ＥＣＵ６０からの弁開信号（制御信号）によって弁開状態となると、第１気液分離器２６の水分（貯留水）が、配管ａ５、ドレン弁２８、配管ａ６を介して、希釈器３２に排出される。
【００３１】
なお、ドレン弁２８は、燃料電池１２や、燃料電池１２の発電電力が充電される図示しないバッテリや図示しない降圧コンバータからの電力を用いて作動する。この他、パージ弁３０や後記する排水弁４７等も、燃料電池１２等を電源として作動する。
【００３２】
配管ａ４の途中の部位には、配管ａ７、常閉型のパージ弁３０、配管ａ８を介して、希釈器３２が接続されている。パージ弁３０は、燃料電池１２の発電時において、水素循環ライン（配管ａ２〜ａ４）を循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（窒素等）を排出（パージ）するバルブである。なお、アノード系１４において、配管ａ３、ａ４（分岐部分まで）、ａ７、ａ８は、燃料オフガス排出流路として機能するものである。
【００３３】
カソード系１６は、駆動力を与えられることでエアを強制的に取り込み送出する圧縮機（コンプレッサ）３４と、加湿器３８と、前記圧縮機３４に対して回転駆動力を伝達する伝達軸４０ａで連結されたエキスパンダタービン（膨張手段）４０と、希釈器３２と、前記希釈器３２と一体的に構成された第２気液分離器（水回収手段）４２と、前記圧縮機３４の上流側の配管ｂ１内に水を噴射する水噴射機構４４ａ（４４ｂ）とを備えている。
【００３４】
圧縮機３４は、モータ３５の動力を得て、またはモータ３５の動力およびエキスパンダタービン４０の回生エネルギ（動力）を得て駆動されるものであり、伝達軸４０ａを介して伝達される回転駆動力によって図示しないタービンブレードが回転駆動される。前記圧縮機３４のタービンブレードが回転駆動されることにより、酸素を含むエアが取り込まれて燃料電池１２に供給するようになっている。前記伝達軸４０ａは、図示しない軸受けを介して回転自在に軸支される。この圧縮機３４は、下流側の配管ｂ２を介して加湿器３８に接続される。
【００３５】
また、圧縮機３４は、モータ３５と図示しない電磁クラッチを介して接続され、ＥＣＵ６０によってモータ３５の回転速度が制御される。また、圧縮機３４とエキスパンダタービン４０とを接続する伝達軸４０ａにも、電磁クラッチ４１が設けられ、圧縮機３４とエキスパンダタービン４０とを接続・遮断できるようになっている。すなわち、電磁クラッチ４１が接続されることにより、エキスパンダタービン４０の回生エネルギを圧縮機３４の動力として回収できる。また、電磁クラッチ４１が遮断されることにより、エキスパンダタービン４０の回生エネルギを遮断できる。なお、本実施形態では、伝達軸４０ａに電磁クラッチ４１を設けた構成を示したが、電磁クラッチ４１を設けずに圧縮機３４とエキスパンダタービン４０とを伝達軸４０ａで直結するようにしてもよい。なお、図１では、エキスパンダタービン４０と圧縮機３４とが伝達軸４０ａを介して同軸に配設される場合を例示しているが、異軸に構成されてもよい。
【００３６】
加湿器３８は、燃料電池１２のカソード流路２０の入口ポートに接続される配管ｂ３とカソード流路２０の出口ポートに接続される配管ｂ４とを跨ぐように配設され、カソード流路２０に向うエアを加湿するように構成されている。この加湿器３８は、水分交換可能な図示しない中空糸膜を備え、この中空糸膜を介して、カソード流路２０に向うエアと、多湿のカソードオフガスとの間で水分が交換可能となっている。加湿器３８のカソードオフガスの出口ポートは、配管ｂ５を介してエキスパンダタービン４０の上流側と接続されている。また、カソード系１６において、配管ｂ１〜ｂ３は、酸化剤供給流路として機能するものである。
【００３７】
エキスパンダタービン４０は、燃料電池１２から排出されたカソードオフガス（排出酸化剤）の圧力を吸収（減圧）する回生タービン（膨張手段）として機能するものである。すなわち、燃料電池１２から排出された（比較的高圧の）カソードオフガスの排気エネルギによってエキスパンダタービン４０（回生タービン）が回転駆動され、このエキスパンダタービン４０の回転力（回生エネルギ）が伝達軸４０ａを介して圧縮機３４に伝達される。
【００３８】
この場合、エキスパンダタービン４０がカソードオフガスで回転駆動されることにより、前記カソードオフガスが膨張して冷却される。すなわち、エキスパンダタービン４０を通過するカソードオフガスが膨張して圧力が低下することによりカソードオフガスの温度が低下し、カソードオフガスの一部が凝縮水（カソード側の凝縮水）となる。この凝縮水及びエキスパンダタービン４０を通過したカソードオフガスは、配管ｂ７を介して下流側に接続される希釈器３２に排出される。
【００３９】
希釈器３２は、例えば、多段に積層されたボックス体からなり、各層間を連通する希釈空間が形成されている。例えば、希釈器３２を構成する最下段の希釈空間部内には、第２気液分離器４２が一体的に設けられている。また、この希釈器３２は、パージ時（パージ弁３０が弁開状態のとき）に配管ａ８から導入されるアノードオフガス中の水素を、エキスパンダタービン４０を通過して排出されるカソードオフガスで希釈するものであり、この希釈されたアノードオフガスは、カソードオフガスとともに第２気液分離器４２、配管ｂ８、図示しないサイレンサ（消音器）等を経由して大気中に排出される。したがって、エキスパンダタービン４０の下流は、大気に連通することにより、大気圧に近い圧力となっている。
【００４０】
第２気液分離器４２は、凝縮水を貯水する貯水部４２ａ（水回収手段）を備えており、前記希釈器３２の希釈空間で希釈されたアノードオフガスに含まれる水分が分離回収され、貯水部４２ａに貯留される。このように希釈器３２内に第２気液分離器４２および貯水部４２ａを配設して一体化することにより、燃料電池システム１０を小型化することができる。なお、貯水部４２ａには、ドレン弁２８が弁開状態となったとき、配管ａ５，ａ６を介して第１気液分離器２６で貯留された水（アノード側の凝縮水）が貯留される。
【００４１】
なお、本実施形態では、希釈器３２内に貯水部４２ａを備えた第２気液分離器４２を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、希釈器３２と、貯水部４２ａを備えた第２気液分離器４２とを別体で構成してもよい。また、本実施形態では、第２気液分離器４２に貯水部４２ａを設けた場合を例に挙げて説明したが、希釈器３２、第２気液分離器４２、貯水部４２ａをそれぞれ別体で構成してもよい。また、貯水部４２ａを備えた第２気液分離機４２が、希釈器３２とエキスパンダタービン４０との間の配管ｂ７に設けられていてもよく、貯水部４２ａのみが希釈器３２とエキスパンダタービン４０との間の配管ｂ７に設けられていてもよい。
【００４２】
前記第２気液分離器４２で分離され、貯水部４２ａに回収された水（凝縮水）は、配管ｂ９を介して水噴射機構４４ａ，４４ｂ（水噴射手段）に導入される。この水噴射機構４４ａ，４４ｂは、貯水部４２ａに貯留された凝縮水を圧縮機３４の上流側に噴射し、配管ｂ１内を流通するエアを加湿するものである。なお、カソード系１６において、配管ｂ４〜ｂ７は、酸化剤排出流路として機能するものである。
【００４３】
図２（ａ）に示す水噴射機構４４ａは、オリフィスタイプを示したものであり、圧縮機３４の上流側の配管ｂ１中にオリフィス部５０を設け、配管ｂ１の下流側に設けられた圧縮機３４の作用で取り込まれたエアをオリフィス部５０に通すようになっている。そして、前記取り込まれたエアは、オリフィス部５０を通過する際にその流速が増すと共にオリフィス部５０の出口側の圧力が低下し、負圧が発生する。この負圧による吸引作用によって第２気液分離器４２の貯水部４２ａ内に貯留された水が管路ｂ９を通じて導出され、エアが流通する配管ｂ１に対して好適に水を噴射することができる。
【００４４】
また、図２（ｂ）に示す水噴射機構４４ｂは、ポンプタイプを示したものであり、第２気液分離器４２内の貯水部４２ａの水を電動ポンプ５６で吸い上げ、配管ｂ１内に臨むインジェクタ５８の先端部から電動ポンプ５６で吸い上げた水を噴射させるものである。
【００４５】
図１に戻って、貯水部４２ａには、常閉型の排水弁４７を備えた配管ｂ１０が接続されている。排水弁４７は、貯水部４２ａに貯留された凝縮水を外部（車外）に排出するものであり、排水弁４７を弁開状態とすることにより、貯水部４２ａに貯留された水を排出して、貯水部４２ａ内の水を除去することができる。
【００４６】
冷却系１７は、冷媒を循環させて燃料電池１２を冷却するものであり、燃料電池１２に形成された冷媒流路（不図示）と接続され、冷媒流路の出口ポートが配管ｃ１を介してラジエータ３６の入口ポートと接続され、ラジエータ３６の出口ポートが配管ｃ２、冷媒ポンプ３７、配管ｃ３を介して冷媒流路の入口ポートと接続されて構成されている。なお、図示していないが、冷却系１７は、ラジエータ３６をバイパスするバイパス配管、ラジエータ３６とバイパス配管の流路を切り替える切替弁（サーモスタット弁）を備えている。
【００４７】
このような冷却系１７では、例えば、燃料電池１２の温度が高温（所定温度以上）となった場合に、冷媒がラジエータ３６を通流するように切替弁が切り換えられることにより、ラジエータ３６で放熱された冷媒が燃料電池１２に導入されるようになり、燃料電池１２が冷却される。
【００４８】
ＥＣＵ６０（制御部）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、圧縮機３４のモータ３５および冷媒ポンプ３７のモータ（不図示）の回転速度を制御し、水噴射機構４４ｂ（電動ポンプ、インジェクタ）を制御し、排水弁４７、ドレン弁２８、パージ弁３０の開閉を制御する。
【００４９】
また、ＥＣＵ６０は、配管ｃ１に設けられた燃料電池１２の冷媒の出口温度（燃料電池関連温度）を検出する冷媒温度センサ６１（温度センサ）、圧縮機３４の吸気温度（燃料電池関連温度）を検出する吸気温度センサ６２（温度センサ）、外気温度（燃料電池関連温度）を検出する外気温度センサ６３（温度センサ）、貯水部４２ａの水位を検出する水位センサ６４からの検出値（冷媒温度、吸気温度、外気温度、水位）を取得する。
【００５０】
また、ＥＣＵ６０は、ＩＧ６５から燃料電池システム１０を起動（システム起動）するＩＧ−ＯＮ信号、燃料電池システム１０を停止（システム停止）するＩＧ−ＯＦＦ信号を取得する。また、ＥＣＵ６０は、貯水部４２ａ内の水を除去する時間を計測するタイマ６６と接続され、このタイマ６６により計測された時間（水除去処理時間）を取得するように構成されている。
【００５１】
また、ＥＣＵ６０は、システム停止時（ＩＧ−ＯＦＦ）に、次回システム起動時（次回のＩＧ−ＯＮ時）に凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を貯水部４２ａに貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を貯水部４２ａから排出する水除去処理を行う手段を備えている。例えば、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、凍結するか否かを決定するための所定値（例えば、１気圧下で純水の凝固点である０℃）を基準として、予測した次回起動温度が所定値を超える場合には凍結しないと判断して貯水処理を行うことができ、また所定値以下の場合に凍結すると判断して水除去処理を行う。
【００５２】
なお、次回起動温度の予測は、例えば、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いて予測することができる。外気温度は、例えば、システム停止時（現在）の車外の気温であり、外気温度センサ６３によって検出することができる。なお、外気温度の検出は、外気温度センサ６３に限定されるものではなく、吸気温度センサ６２により検出するようにしてもよい。カレンダ情報とは、現在の年月日、曜日、時刻などであり、例えば、季節（例えば、夏季であるか、冬季であるか）に基づいて凍結の有無を判断できる。ＧＰＳ情報とは、例えば、ＧＰＳ用の人工衛星から送られてくる情報（例えば、経度、緯度）を含むものであり、例えば車両に搭載されたカーナビゲーション装置により算出された情報に基づいて自車位置（例えば、沖縄であるか、北海道であるか）が算出される。
【００５３】
また、次回起動温度については、外気温度とカレンダ情報とＧＰＳ情報の複数を組み合わせて予測してもよい。また、次回起動温度を予測する他の手段としては、これまでの運転パターンに基づいて予測してもよく、気象情報に基づいて予測してもよい。
【００５４】
前記貯水処理を行う場合には、図３（ａ）に示すように、運転温度（燃料電池関連温度）と必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量）との関係を示すマップ、および、図３（ｂ）に示すように、運転圧力（燃料電池１２の圧力）と必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量）との関係を示すマップに基づいて、検出した運転温度（運転温度、燃料電池関連温度）から運転圧力（燃料電池１２に必要な運転圧力）を求めることができる。なお、運転圧力とは、カソード流路２０を通流するエアに必要とされる圧力（目標圧力）を意味している。
【００５５】
図３（ａ）に示すマップは、燃料電池１２で所定の電力を発生させる際に、燃料電池１２を通流する空気の圧力（燃料電池１２の圧力）が一定である場合において、燃料電池１２の温度（燃料電池関連温度）と、燃料電池１２に導入される空気が相対湿度１００％となるための必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量：ｇ／ｍｉｎ）との関係を示している。これは、温度上昇に伴い、飽和水蒸気圧が上がるためである。図３（ｂ）に示すマップは、燃料電池１２で所定の電力を発生させる際に、燃料電池１２の温度が一定である場合において、燃料電池１２を通流する空気の圧力（燃料電池１２の圧力）と、燃料電池１２に導入される空気が相対湿度１００％となるための必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量：ｇ／ｍｉｎ）との関係を示している。これは、圧力を高くすると、飽和水蒸気圧が低下するためである。
【００５６】
よって、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すマップにより、運転圧力を上昇させることにより、燃料電池１２（カソード流路２０）に供給されるエアを相対湿度１００％にするのに必要な水蒸気量を減少させることが可能になる。換言すると、運転温度が上昇したとしても、運転圧力を高くすることによって飽和水蒸気圧の上昇を抑え、相対湿度を１００％に近づけることができる。つまり、図３（ａ）および図３（ｂ）のマップを参照して運転圧力を調整することにより、燃料電池１２から凝縮水として排出する量を調整することができる。したがって、運転温度に基づいて運転圧力を制御することにより、凝縮水量を調整することができる（図７（ａ）参照）。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す各マップは、燃料電池１２の電解質膜の種類等に応じて適宜変更されるものであり、実験やシミュレーションなどによって予め求められる。
【００５７】
図４は、燃料電池１２の運転圧力とエキスパンダタービン４０で発生する水分量（凝縮水量）との関係を示すグラフである。すなわち、図４に示すように、運転圧力が上昇すると、エキスパンダタービン４０での前後差圧が拡大するので、エキスパンダタービン４０を通過後の温度低下が大きくなり、カソードオフガスに含まれる水蒸気から凝縮水になる量が増加する。したがって、運転圧力を上昇させることにより、エキスパンダタービン４０において発生する凝縮水量が増加する。これにより、貯水部４２ａを介して圧縮機３４に供給される水噴射量を増加させることができる。
【００５８】
図５は、通常運転時（システム起動時、ＩＧ−ＯＮ時）での運転圧力を決定するための概略図である。図５に示すように、ＥＣＵ６０は、運転温度と運転圧力との関係を示すマップに基づいて、運転温度から運転圧力を決定することができる。なお、運転温度とは、例えば、冷媒温度センサ６１によって検出されるＦＣ（燃料電池）冷媒温度である。
【００５９】
また、図５に示すように、ＥＣＵ６０は、燃料電池１２から取り出される電流指令値（ＩＦＣ（Ａ））に応じたマップ（ＩＦＣ：大、中、小のいずれか）を複数備えており、これらの中から適宜選択して、運転圧力を決定することができる。このように、システム起動時には、運転温度が上昇するにつれて運転圧力も上昇するように制御される。
【００６０】
なお、図５は、３段階（ＩＦＣ：大、中、小）を示すマップであるが、これに限定されるものではなく、さらに多数の電流指令値に応じたマップ（１０段階、２０段階など）に基づいて決定してもよい。また、電流指令値（ＩＦＣ）は、スロットル開度（アクセルペダルの踏込み量）のみに基づいて設定されるものではなく、燃料電池１２の発電電力を高電圧バッテリ（不図示）に充電するのに必要な電力、発電電力を補機類に供給するのに必要な電力など総合的に判断して設定されるものである。
【００６１】
図６は貯水処理および水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システム１０では、伝達軸４０ａに設けられた電磁クラッチ４１は繋がってエキスパンダタービン４０の回生エネルギが圧縮機３４に伝達されているものとして説明する。
【００６２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、ＩＧ６５がオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされたか否かをＩＧ−ＯＦＦ信号に基づいて判断し、ＩＧ−ＯＦＦされていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理を繰り返し、ＩＧ−ＯＦＦ（システム停止）されたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。
【００６３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、次回起動時における温度（次回起動温度）を予測する。なお、次回起動温度は、前記したように、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報の少なくともひとつに基づいて予測される。
【００６４】
ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ６０は、予測した次回起動温度が所定値Ａ以下であるか否かを判断する。所定値Ａは、凝縮水が凍結するか否かを判断するための閾値であり、例えば０℃に設定される。なお、次回起動温度は、次回のシステム起動時点における温度に限定されるものではなく、システム停止から次回システム起動までの間において最も低く予測される温度（最悪の状況を想定した温度）に基づいて設定してもよい。これにより、０℃以下になっている最中にＩＧ−ＯＮ（システム起動）されるのを防止できる。
【００６５】
また、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、次回起動温度が所定値Ａを超えると判断した場合には（Ｎｏ）、貯水部４２ａの凝縮水は凍結しないと判断して、ステップＳ１０４に進む。
【００６６】
<貯水処理>
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、運転温度に基づいて運転圧力を決定する。運転圧力は、図７（ａ）において破線で示すマップ（貯水処理時マップ）に基づいて決定する。図７（ａ）は、運転温度に基づいて運転圧力を決定するためのマップであり、図３（ａ）および図３（ｂ）のマップ、および、実験やシミュレーションなどによって予め求められる。図７（ａ）に示すマップに基づいて、運転圧力を決定することにより、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水量を制御できる。例えば、運転温度が上昇するにつれて、カソードオフガスに含まれる水分が多くなるので、運転圧力を上昇させることにより、エキスパンダタービン４０において発生する凝縮水量を増加させることができる。したがって、次回システム起動時に必要となる水量を確保することができる。
【００６７】
そして、ステップＳ１０５に進み、ＥＣＵ６０は、水位センサ６４からの水位（水位値）が所定水位（所定値）Ｂに到達したか否かを判断する。なお、所定水位Ｂは、例えば、貯水部４２ａが満水になる水位に設定される。ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、検出した水位が所定水位Ｂに到達していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０５の処理を繰り返し、検出した水位が所定水位Ｂに到達したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１２に進み、圧縮機３４の運転を停止する。
【００６８】
このように、貯水処理を行う場合、運転温度が高いときには、カソードオフガスに含まれる水分が多いので、運転圧力を高めることにより、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水を多く発生させることができる。また、運転温度が低いときには、カソードオフガスに含まれる水分が少ないので、運転圧力を低下させることにより、圧縮機３４の消費電力が無駄に使用されるのを防止できる。
【００６９】
<水除去処理>
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、次回起動温度が所定値Ａ以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、貯水部４２ａに貯留された凝縮水が凍結すると判断して、ステップＳ１０６に進む。
【００７０】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、運転温度に基づいて運転圧力を決定する。すなわち、図７（ａ）に示すマップ（実線で示す水除去処理時マップ）に基づいて、システム停止時の運転温度から運転圧力を決定する。水除去処理を行う場合には、図７（ａ）において破線で示す貯水処理時のマップよりも運転圧力を減圧する。
【００７１】
このように、水除去処理時には、運転圧力を全体的に減圧して水除去処理を行うことにより、水分の蒸発を促進することができるので、圧力を上げて細部（流路等）に詰まった凝縮水を掃き出す点を考慮するよりも、乾燥の点において効果的である。なお、図示していないが、ＥＣＵ６０は、決定された運転圧力に対応した回転速度となるようにモータ３５を制御して圧縮機３４を駆動する。これにより、燃料電池１２のカソード流路２０を通流するエアの圧力が調整される。
【００７２】
そして、ステップＳ１０７に進み、ＥＣＵ６０は、運転温度に基づいて水除去処理時間を決定する。すなわち、図７（ｂ）に示すマップに基づいて、システム停止時の運転温度から水除去処理時間を決定する。図７（ｂ）に示すように、運転温度が高い場合には、カソードオフガスに含まれる水分が多く、生成される凝縮水量も多くなるため、水除去処理時間が長く設定される。また、運転温度が低い場合には、カソードオフガスに含まれる水分が少なく、生成される凝縮水量も少なくなるため、水除去処理時間が短く設定される。なお、水除去処理時間については、現時点での貯水部４２ａの水位を加味して設定することが好ましい。
【００７３】
なお、運転温度としては、ＦＣ冷媒温度を挙げることができるが、これに限定されるものではなく、燃料電池１２の温度を直接に測定するものであってもよく、またアノード流路１８の出口温度、カソード流路２０の出口温度などであってもよい。また、ＦＣ冷媒温度などの運転温度を、外気温度や吸気温度に基づいて補正してもよい。
【００７４】
そして、ステップＳ１０８に進み、ＥＣＵ６０は、排水弁４７を開弁する。これにより、貯水部４２ａに貯留された凝縮水が、配管ｂ１０を介して外部への排出が開始される。排水弁４７が開弁している間は、生成された凝縮水が配管ｂ１０を通って外部に排出されるので、貯水部４２ａに凝縮水が溜まることはない。
【００７５】
そして、ステップＳ１０９に進み、ＥＣＵ６０は、タイマ６６の作動を開始し、水除去処理時間の計測を開始する。
【００７６】
そして、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ６０は、決定された水除去処理時間が経過したか否かを判断し、水除去処理時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０の処理を繰り返し、水除去処理時間が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１に進み、排水弁４７を閉弁する。そして、ステップＳ１１２に進み、ＥＣＵ６０は、圧縮機３４の運転を停止する。
【００７７】
このように、水除去処理を行う場合、運転温度が高いときには、カソードオフガスに含まれる水分が多いので、運転圧力を高めることにより（図７（ａ）参照）、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水が多く生成され、水除去処理時間が長く設定される（図７（ｂ）参照）。また、運転温度が低いときには、カソードオフガスに含まれる水分が少ないので、運転圧力を低下させることにより、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水が少なくなり、水除去処理時間が短く設定される。さらに、水除去処理を行う場合に貯水処理時よりも減圧運転を行うことにより、飽和水蒸気圧が上昇して水分の蒸発が促進することで、貯水部４２ａを含む凝縮水が流れる流路を乾燥させることが可能になる。
【００７８】
<燃料電池システムの効果>
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、システム停止時において次回システム起動時に貯水部４２ａに貯留された凝縮水が凍結しないと判断した場合には、システム停止時に貯水部４２ａに凝縮水を溜めておくことで、次回システム起動時に燃料電池１２が高温状態でシステム起動された場合にも水不足（加湿不足）が生じるのを防止できる。
【００７９】
また、本実施形態では、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、次回起動温度が所定値Ａより高い場合には貯水処理を行い、次回起動温度が所定値Ａ以下の場合には水除去処理を行うようにしたものである。このように温度に基づいて予測することで、次回システム起動時において凝縮水が凍結するか否かを適切に判断することができる。その結果、燃料電池１２の加湿が適切に行われなくなるのを防止できる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、膨張手段としてエキスパンダタービン４０、当該エキスパンダタービン４０の回生エネルギを得て圧縮機３４に駆動力を伝達する伝達軸４０ａを備えることで、カソードオフガス（排出酸化剤）の圧力を有効に利用することができ、圧縮機３４の消費電力を低減することができる。
【００８１】
また、本実施形態では、貯水処理を行う場合、図３（ａ）および図３（ｂ）の関係から得られた図７に示すマップ（破線）に基づいて、検出した運転温度を用いて運転圧力を求め、水位センサ６４による水位値が所定水位Ｂに到達するまで前記運転圧力となるように圧縮機３４を制御するものである。これにより、次回システム起動時に貯水部４２ａから凝縮水を直ちに噴射できるので、高温始動時などにおける水不足（加湿不足）を回避することができる。さらに、運転温度が高い場合には、運転圧力を高めて、エキスパンダタービン４０の前後差圧を大きくして、カソードオフガスの温度を大きく低下させることにより、凝縮水量の発生を多くして、貯水部４２ａに短時間で凝縮水を溜めることができる。また、運転温度が低い場合には、運転圧力を低下させることで、モータ３５の消費電力を低減することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、水除去処理を行う場合、図３（ａ）および図３（ｂ）の関係から得られた図７に示すマップ（実線）に基づいて、検出した運転温度を用いて運転圧力を求め、この運転圧力に対応した回転速度でモータ３５を制御して圧縮機３４を駆動するともに、排水弁４７を開弁して水除去処理時間が経過するまで水排出を行うものである。これにより、システム停止中に氷点下に至る可能性があるときに水除去処理を行うことで、次回システム起動時での凍結を防止することで燃料電池１２に対して加湿が適切になされなくなるのを防止することができる。
【００８３】
また、本実施形態によれば、次回起動温度として、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いることにより、次回起動温度を適切に予測することが可能になる。
【００８４】
<変形例>
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、図８の変形例に示すように、圧縮機３４と加湿器３８との間の配管ｂ２にさらに別のエア供給機３９を設けた燃料電池システム１０Ａとしてもよい。このエア供給機３９は、例えば、エアコンプレッサやファン等からなり、エキスパンダタービン４０の回生エネルギによらないで図示しない電動モータによって駆動される。このエア供給機３９は、ＥＣＵ６０からの制御信号に基づいて作動すると、配管ｂ１から酸素を含むエアが取り込まれて燃料電池１２に供給するようになっている。図８に示す変形例では、燃料電池１２に対する上流側に圧縮機３４を配設し、その下流側にエア供給機３９を直列に配設するようにしているが、これに限定されるものではなく、燃料電池１２に対する上流側にエア供給機３９を配設し、その下流側に圧縮機３４を配設するようにしてもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、膨張手段として断熱機械膨張式のエキスパンダタービン４０を例に挙げて説明したが、断熱機械膨張式に限定されるものではなく、断熱自由膨張式のものを用いて構成するようにしてもよい。断熱自由膨張式のものとしては、エキスパンダタービン４０に替えて配管ｂ５上に背圧弁を設ける構成を挙げることができ、背圧弁の開度を絞ることにより、背圧弁の上流側の圧力が高く、下流側の圧力が低くなって、背圧弁の前後差圧が大きくなり、凝縮水の発生を促進することができる。
【００８６】
また、本実施形態では、加湿器３８を備えた燃料電池システム１０を例に挙げて説明したが、圧縮機３４の上流に凝縮水を噴射する構成のみで燃料電池１２の加湿が適切に行われるものであれば、加湿器３８を備えない燃料電池システムであってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０，１０Ａ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
３４ 圧縮機
４０ エキスパンダタービン
４０ａ 伝達軸
４２ 第２気液分離器（水回収手段）
４２ａ 貯水部（水回収手段）
４４ａ，４４ｂ 水噴射機構（水噴射手段）
４７ 排水弁
６０ ＥＣＵ（制御部）
６１ 冷媒温度センサ（温度センサ）
６２ 吸気温度センサ（温度センサ）
６３ 外気温度センサ（温度センサ）
６４ 水位センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの運転効率を改善する手段として、例えば、特許文献１および特許文献２に記載の技術が提案されている。特許文献１には、コンプレッサのロータに水を噴霧して、コンプレッサのエネルギ効率を改善する技術が記載されている。特許文献２には、膨張機の下流で溜めた水を圧縮機の下流に噴射して、燃料電池に供給されるガスを加湿する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９４２６５号公報
【特許文献２】特開平７−１４５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２には、システム停止時の水の管理については何ら検討されておらず、例えば次回のシステム起動時に水が不足して燃料電池に対する加湿量が低下し、また次回のシステム起動時に氷点下に至るような環境下では凍結によって加湿が適切になされないという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、次回システム起動時に燃料電池の加湿を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤が通流する酸化剤供給流路と、前記燃料電池から排出される排出酸化剤が通流する酸化剤排出流路と、前記酸化剤排出流路に配置され、前記排出酸化剤を膨張させる膨張手段と、前記酸化剤供給流路に配置される圧縮機と、前記膨張手段の下流に配置され、凝縮水を回収する水回収手段と、前記水回収手段により回収された凝縮水を前記酸化剤供給流路に噴射する水噴射手段と、を備え、システム停止時に、次回システム起動時に凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を前記水回収手段に貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を前記水回収手段から排出する水除去処理を行う制御部を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、燃料電池システムのシステム停止時に、次回システム起動時において水回収手段に回収された凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を水回収手段に貯留することで、次回システム起動時（例えば、燃料電池が高温状態で起動されたとき）に凝縮水が不足するのを防止でき、燃料電池が加湿不足になるのを防止できる。また、燃料電池システムのシステム停止時に、次回システム起動時において水回収手段に回収された凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を水回収手段から除去することで、次回システム起動時に凝縮水が凍結して加湿が適切になされなくなるのを防止できる。
【０００８】
また、前記制御部は、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、前記次回起動温度が所定値より高い場合には前記貯水処理を行い、前記次回起動温度が所定値以下の場合には前記水除去処理を行うことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、温度に基づいて予測することで、次回システム起動時において凝縮水が凍結するか否かを適切に判断することができる。
【００１０】
また、前記膨張手段は、エキスパンダタービン、および当該エキスパンダタービンの回生エネルギを得て前記圧縮機に駆動力を伝達する伝達軸を備えることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、エキスパンダタービンの回生エネルギを得て圧縮機を駆動することで、排出酸化剤の圧力を有効に利用することができ、圧縮機の消費電力を低減することが可能になる。
【００１２】
また、前記水回収手段は、凝縮水を貯留する貯水部を備え、前記貯水部の水位を検出する水位センサおよび前記燃料電池の温度に関連した燃料電池関連温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、システム停止時に前記貯水処理を行う場合、前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求め、前記水位センサによる水位値が所定値に到達するまで、前記運転圧力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする。
【００１３】
ところで、燃料電池関連温度（以下、運転温度とする）と燃料電池に必要な水蒸気量（以下、必要水蒸気量とする）との関係、および、必要水蒸気量と燃料電池の圧力（以下、運転圧力とする）との関係に基づくことで、運転温度が上昇すると必要水蒸気量が上昇するので、運転圧力を高くすることで必要水蒸気量を減らすことができる。したがって、運転温度に基づいて運転圧力を制御することにより、膨張手段により発生する凝縮水量を調整することが可能になる。
【００１４】
このような関係に基づいてシステム停止時において貯水処理を行うことで、例えば、運転温度が高い場合には、排出酸化剤に含まれる水分が多いので、運転圧力を高くすることで必要水蒸気量を低くでき、凝縮水量を増加させることができる。このようにして凝縮水量を制御することで凝縮水を貯水部に短い時間で確保することができる。よって、次回のシステム起動時に燃料電池が高温状態（例えば、システム停止後にすぐにシステム起動された場合）で起動されたとしても、システム停止時に貯水部に貯留された凝縮水を酸化剤供給流路に噴射することで水不足（加湿不足）を回避することができる。
【００１５】
また、前記水回収手段は、回収された凝縮水を外部に排出する排水弁を備え、前記制御部は、システム停止時に前記水除去処理を行う際、前記燃料電池関連温度と水除去処理時間との関係を用いて、検出した前記燃料電池関連温度に基づいて前記水除去処理時間を求め、前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求めて、前記運転圧力に応じた前記圧縮機の制御と、前記排水弁による水排出と、を前記水除去処理時間が経過するまで行うことを特徴とする。
【００１６】
例えば、運転温度が高くなるにつれて、排出酸化剤に含まれる水分量が多くなるので、運転圧力を高くすることで、必要水蒸気量を低減でき、凝縮水が多く生成される。よって、除去すべき凝縮水量が多くなるので、水除去処理時間が長く設定される。このように運転圧力および水除去処理時間を求めて、水除去処理時間が経過するまで排出弁を開くことで、システム停止時に排出酸化剤に含まれる水分を多く排出できる。
【００１７】
また、前記制御部は、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いて前記次回起動温度を予測することを特徴とする。
【００１８】
これによれば、次回起動温度を適切に予測することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、次回システム起動時に燃料電池の加湿を適切に行うことができる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、水噴射機構の構成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は運転温度と必要水蒸気量との関係を示すマップ、（ｂ）は必要水蒸気量と運転圧力との関係を示すマップである。
【図４】運転圧力と、エキスパンダで発生する水分量との関係を示すグラフである。
【図５】通常運転時での運転圧力を決定するための概略図である。
【図６】貯水処理および水除去処理を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は運転温度と運転圧力との関係を示すマップ、（ｂ）は運転温度と処理時間との関係を示すマップである。
【図８】本実施形態の変形例に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０について、図１ないし図８を参照して説明する。なお、以下では、燃料電池システム１０について、燃料電池車（四輪車、二輪車等を含む）を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、家庭用や業務用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、この燃料電池１２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系１４と、燃料電池１２のカソードに対して酸素を含むエア（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系１６と、燃料電池１２に冷媒を循環させて冷却する冷却系１７と、これらを電子制御するＥＣＵ（制御部、電子制御装置）６０とを備えている。
【００２３】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１８及びカソード流路２０が形成されている。
【００２４】
この場合、アノード流路１８を介して各アノードに対して水素（燃料）が供給されることによって電極反応が起こり、一方、カソード流路２０を介して各カソードにエア（酸化剤）が供給されることによって電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）が発生して燃料電池１２が発電可能な状態となる。このように発電可能な状態の燃料電池１２と、外部負荷（例えば、図示しない走行用のモータ、後記する圧縮機３４のモータ３５（電動機））とが電気的に接続され、電流が取り出されることにより、燃料電池１２が発電するようになっている。
【００２５】
アノード系１４は、水素が高圧で封入された水素タンク２２と、エゼクタ２４と、第１気液分離器２６と、ドレン弁２８と、パージ弁３０とを備えている。
【００２６】
アノードの出口ポートは、配管ａ３、第１気液分離器２６、配管ａ４を介して、エゼクタ２４の吸引ポートに接続されている。この場合、アノード流路１８から排出された未消費（未反応）の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管ａ３、ａ４を流通して燃料電池１２の上流側に配置されたエゼクタ２４に戻され、水素が循環するように構成されている。
【００２７】
すなわち、エゼクタ２４の導出ポートとアノード流路１８の入口ポートとを接続する配管ａ２を含む複数の配管ａ２、ａ３、ａ４によって、水素循環ライン（燃料ガス循環ライン）が構成され、この水素循環ライン中に第１気液分離器２６が配設されている。なお、エゼクタ２４を省略して電動ポンプを配置して構成してもよい。
【００２８】
第１気液分離器２６は、アノード流路１８の出口から排出されるアノードオフガス中に含まれる水分（結露水）を分離し、前記分離した水分を一時的に内部に貯留するものである。なお、第１気液分離器２６における気液分離方式は、例えば、第１気液分離器２６内において、アノードオフガスの流路断面積を増大させ、第１気液分離器２６内を流通するアノードオフガスの流速を低下させることにより、水素に対して比重の大きい水分を分離する方式を採用することができる。またさらに、低温冷媒が流通する冷却管を配設し、この冷却管によってアノードオフガスを冷却して、水分を分離する方式を用いてもよい。
【００２９】
第１気液分離器２６内で水分が分離されたアノードオフガスは、配管ａ４を介して、エゼクタ２４に戻され、一方、分離回収された水分は、第１気液分離器２６の底部（例えば、タンク部）に一時的に貯留される。
【００３０】
第１気液分離器２６の底部は、配管ａ５、常閉型のドレン弁２８、配管ａ６を介して、後記する希釈器３２に接続されている。ドレン弁２８は、第１気液分離器２６に貯留された水分を排出するための弁であり、ＥＣＵ６０からの弁開信号（制御信号）によって弁開状態となると、第１気液分離器２６の水分（貯留水）が、配管ａ５、ドレン弁２８、配管ａ６を介して、希釈器３２に排出される。
【００３１】
なお、ドレン弁２８は、燃料電池１２や、燃料電池１２の発電電力が充電される図示しないバッテリや図示しない降圧コンバータからの電力を用いて作動する。この他、パージ弁３０や後記する排水弁４７等も、燃料電池１２等を電源として作動する。
【００３２】
配管ａ４の途中の部位には、配管ａ７、常閉型のパージ弁３０、配管ａ８を介して、希釈器３２が接続されている。パージ弁３０は、燃料電池１２の発電時において、水素循環ライン（配管ａ２〜ａ４）を循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（窒素等）を排出（パージ）するバルブである。なお、アノード系１４において、配管ａ３、ａ４（分岐部分まで）、ａ７、ａ８は、燃料オフガス排出流路として機能するものである。
【００３３】
カソード系１６は、駆動力を与えられることでエアを強制的に取り込み送出する圧縮機（コンプレッサ）３４と、加湿器３８と、前記圧縮機３４に対して回転駆動力を伝達する伝達軸４０ａで連結されたエキスパンダタービン（膨張手段）４０と、希釈器３２と、前記希釈器３２と一体的に構成された第２気液分離器（水回収手段）４２と、前記圧縮機３４の上流側の配管ｂ１内に水を噴射する水噴射機構４４ａ（４４ｂ）とを備えている。
【００３４】
圧縮機３４は、モータ３５の動力を得て、またはモータ３５の動力およびエキスパンダタービン４０の回生エネルギ（動力）を得て駆動されるものであり、伝達軸４０ａを介して伝達される回転駆動力によって図示しないタービンブレードが回転駆動される。前記圧縮機３４のタービンブレードが回転駆動されることにより、酸素を含むエアが取り込まれて燃料電池１２に供給するようになっている。前記伝達軸４０ａは、図示しない軸受けを介して回転自在に軸支される。この圧縮機３４は、下流側の配管ｂ２を介して加湿器３８に接続される。
【００３５】
また、圧縮機３４は、モータ３５と図示しない電磁クラッチを介して接続され、ＥＣＵ６０によってモータ３５の回転速度が制御される。また、圧縮機３４とエキスパンダタービン４０とを接続する伝達軸４０ａにも、電磁クラッチ４１が設けられ、圧縮機３４とエキスパンダタービン４０とを接続・遮断できるようになっている。すなわち、電磁クラッチ４１が接続されることにより、エキスパンダタービン４０の回生エネルギを圧縮機３４の動力として回収できる。また、電磁クラッチ４１が遮断されることにより、エキスパンダタービン４０の回生エネルギを遮断できる。なお、本実施形態では、伝達軸４０ａに電磁クラッチ４１を設けた構成を示したが、電磁クラッチ４１を設けずに圧縮機３４とエキスパンダタービン４０とを伝達軸４０ａで直結するようにしてもよい。なお、図１では、エキスパンダタービン４０と圧縮機３４とが伝達軸４０ａを介して同軸に配設される場合を例示しているが、異軸に構成されてもよい。
【００３６】
加湿器３８は、燃料電池１２のカソード流路２０の入口ポートに接続される配管ｂ３とカソード流路２０の出口ポートに接続される配管ｂ４とを跨ぐように配設され、カソード流路２０に向うエアを加湿するように構成されている。この加湿器３８は、水分交換可能な図示しない中空糸膜を備え、この中空糸膜を介して、カソード流路２０に向うエアと、多湿のカソードオフガスとの間で水分が交換可能となっている。加湿器３８のカソードオフガスの出口ポートは、配管ｂ５を介してエキスパンダタービン４０の上流側と接続されている。また、カソード系１６において、配管ｂ１〜ｂ３は、酸化剤供給流路として機能するものである。
【００３７】
エキスパンダタービン４０は、燃料電池１２から排出されたカソードオフガス（排出酸化剤）の圧力を吸収（減圧）する回生タービン（膨張手段）として機能するものである。すなわち、燃料電池１２から排出された（比較的高圧の）カソードオフガスの排気エネルギによってエキスパンダタービン４０（回生タービン）が回転駆動され、このエキスパンダタービン４０の回転力（回生エネルギ）が伝達軸４０ａを介して圧縮機３４に伝達される。
【００３８】
この場合、エキスパンダタービン４０がカソードオフガスで回転駆動されることにより、前記カソードオフガスが膨張して冷却される。すなわち、エキスパンダタービン４０を通過するカソードオフガスが膨張して圧力が低下することによりカソードオフガスの温度が低下し、カソードオフガスの一部が凝縮水（カソード側の凝縮水）となる。この凝縮水及びエキスパンダタービン４０を通過したカソードオフガスは、配管ｂ７を介して下流側に接続される希釈器３２に排出される。
【００３９】
希釈器３２は、例えば、多段に積層されたボックス体からなり、各層間を連通する希釈空間が形成されている。例えば、希釈器３２を構成する最下段の希釈空間部内には、第２気液分離器４２が一体的に設けられている。また、この希釈器３２は、パージ時（パージ弁３０が弁開状態のとき）に配管ａ８から導入されるアノードオフガス中の水素を、エキスパンダタービン４０を通過して排出されるカソードオフガスで希釈するものであり、この希釈されたアノードオフガスは、カソードオフガスとともに第２気液分離器４２、配管ｂ８、図示しないサイレンサ（消音器）等を経由して大気中に排出される。したがって、エキスパンダタービン４０の下流は、大気に連通することにより、大気圧に近い圧力となっている。
【００４０】
第２気液分離器４２は、凝縮水を貯水する貯水部４２ａ（水回収手段）を備えており、前記希釈器３２の希釈空間で希釈されたアノードオフガスに含まれる水分が分離回収され、貯水部４２ａに貯留される。このように希釈器３２内に第２気液分離器４２および貯水部４２ａを配設して一体化することにより、燃料電池システム１０を小型化することができる。なお、貯水部４２ａには、ドレン弁２８が弁開状態となったとき、配管ａ５，ａ６を介して第１気液分離器２６で貯留された水（アノード側の凝縮水）が貯留される。
【００４１】
なお、本実施形態では、希釈器３２内に貯水部４２ａを備えた第２気液分離器４２を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、希釈器３２と、貯水部４２ａを備えた第２気液分離器４２とを別体で構成してもよい。また、本実施形態では、第２気液分離器４２に貯水部４２ａを設けた場合を例に挙げて説明したが、希釈器３２、第２気液分離器４２、貯水部４２ａをそれぞれ別体で構成してもよい。また、貯水部４２ａを備えた第２気液分離機４２が、希釈器３２とエキスパンダタービン４０との間の配管ｂ７に設けられていてもよく、貯水部４２ａのみが希釈器３２とエキスパンダタービン４０との間の配管ｂ７に設けられていてもよい。
【００４２】
前記第２気液分離器４２で分離され、貯水部４２ａに回収された水（凝縮水）は、配管ｂ９を介して水噴射機構４４ａ，４４ｂ（水噴射手段）に導入される。この水噴射機構４４ａ，４４ｂは、貯水部４２ａに貯留された凝縮水を圧縮機３４の上流側に噴射し、配管ｂ１内を流通するエアを加湿するものである。なお、カソード系１６において、配管ｂ４〜ｂ７は、酸化剤排出流路として機能するものである。
【００４３】
図２（ａ）に示す水噴射機構４４ａは、オリフィスタイプを示したものであり、圧縮機３４の上流側の配管ｂ１中にオリフィス部５０を設け、配管ｂ１の下流側に設けられた圧縮機３４の作用で取り込まれたエアをオリフィス部５０に通すようになっている。そして、前記取り込まれたエアは、オリフィス部５０を通過する際にその流速が増すと共にオリフィス部５０の出口側の圧力が低下し、負圧が発生する。この負圧による吸引作用によって第２気液分離器４２の貯水部４２ａ内に貯留された水が管路ｂ９を通じて導出され、エアが流通する配管ｂ１に対して好適に水を噴射することができる。
【００４４】
また、図２（ｂ）に示す水噴射機構４４ｂは、ポンプタイプを示したものであり、第２気液分離器４２内の貯水部４２ａの水を電動ポンプ５６で吸い上げ、配管ｂ１内に臨むインジェクタ５８の先端部から電動ポンプ５６で吸い上げた水を噴射させるものである。
【００４５】
図１に戻って、貯水部４２ａには、常閉型の排水弁４７を備えた配管ｂ１０が接続されている。排水弁４７は、貯水部４２ａに貯留された凝縮水を外部（車外）に排出するものであり、排水弁４７を弁開状態とすることにより、貯水部４２ａに貯留された水を排出して、貯水部４２ａ内の水を除去することができる。
【００４６】
冷却系１７は、冷媒を循環させて燃料電池１２を冷却するものであり、燃料電池１２に形成された冷媒流路（不図示）と接続され、冷媒流路の出口ポートが配管ｃ１を介してラジエータ３６の入口ポートと接続され、ラジエータ３６の出口ポートが配管ｃ２、冷媒ポンプ３７、配管ｃ３を介して冷媒流路の入口ポートと接続されて構成されている。なお、図示していないが、冷却系１７は、ラジエータ３６をバイパスするバイパス配管、ラジエータ３６とバイパス配管の流路を切り替える切替弁（サーモスタット弁）を備えている。
【００４７】
このような冷却系１７では、例えば、燃料電池１２の温度が高温（所定温度以上）となった場合に、冷媒がラジエータ３６を通流するように切替弁が切り換えられることにより、ラジエータ３６で放熱された冷媒が燃料電池１２に導入されるようになり、燃料電池１２が冷却される。
【００４８】
ＥＣＵ６０（制御部）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、圧縮機３４のモータ３５および冷媒ポンプ３７のモータ（不図示）の回転速度を制御し、水噴射機構４４ｂ（電動ポンプ、インジェクタ）を制御し、排水弁４７、ドレン弁２８、パージ弁３０の開閉を制御する。
【００４９】
また、ＥＣＵ６０は、配管ｃ１に設けられた燃料電池１２の冷媒の出口温度（燃料電池関連温度）を検出する冷媒温度センサ６１（温度センサ）、圧縮機３４の吸気温度（燃料電池関連温度）を検出する吸気温度センサ６２（温度センサ）、外気温度（燃料電池関連温度）を検出する外気温度センサ６３（温度センサ）、貯水部４２ａの水位を検出する水位センサ６４からの検出値（冷媒温度、吸気温度、外気温度、水位）を取得する。
【００５０】
また、ＥＣＵ６０は、ＩＧ６５から燃料電池システム１０を起動（システム起動）するＩＧ−ＯＮ信号、燃料電池システム１０を停止（システム停止）するＩＧ−ＯＦＦ信号を取得する。また、ＥＣＵ６０は、貯水部４２ａ内の水を除去する時間を計測するタイマ６６と接続され、このタイマ６６により計測された時間（水除去処理時間）を取得するように構成されている。
【００５１】
また、ＥＣＵ６０は、システム停止時（ＩＧ−ＯＦＦ）に、次回システム起動時（次回のＩＧ−ＯＮ時）に凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を貯水部４２ａに貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を貯水部４２ａから排出する水除去処理を行う手段を備えている。例えば、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、凍結するか否かを決定するための所定値（例えば、１気圧下で純水の凝固点である０℃）を基準として、予測した次回起動温度が所定値を超える場合には凍結しないと判断して貯水処理を行うことができ、また所定値以下の場合に凍結すると判断して水除去処理を行う。
【００５２】
なお、次回起動温度の予測は、例えば、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いて予測することができる。外気温度は、例えば、システム停止時（現在）の車外の気温であり、外気温度センサ６３によって検出することができる。なお、外気温度の検出は、外気温度センサ６３に限定されるものではなく、吸気温度センサ６２により検出するようにしてもよい。カレンダ情報とは、現在の年月日、曜日、時刻などであり、例えば、季節（例えば、夏季であるか、冬季であるか）に基づいて凍結の有無を判断できる。ＧＰＳ情報とは、例えば、ＧＰＳ用の人工衛星から送られてくる情報（例えば、経度、緯度）を含むものであり、例えば車両に搭載されたカーナビゲーション装置により算出された情報に基づいて自車位置（例えば、沖縄であるか、北海道であるか）が算出される。
【００５３】
また、次回起動温度については、外気温度とカレンダ情報とＧＰＳ情報の複数を組み合わせて予測してもよい。また、次回起動温度を予測する他の手段としては、これまでの運転パターンに基づいて予測してもよく、気象情報に基づいて予測してもよい。
【００５４】
前記貯水処理を行う場合には、図３（ａ）に示すように、運転温度（燃料電池関連温度）と必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量）との関係を示すマップ、および、図３（ｂ）に示すように、運転圧力（燃料電池１２の圧力）と必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量）との関係を示すマップに基づいて、検出した運転温度（運転温度、燃料電池関連温度）から運転圧力（燃料電池１２に必要な運転圧力）を求めることができる。なお、運転圧力とは、カソード流路２０を通流するエアに必要とされる圧力（目標圧力）を意味している。
【００５５】
図３（ａ）に示すマップは、燃料電池１２で所定の電力を発生させる際に、燃料電池１２を通流する空気の圧力（燃料電池１２の圧力）が一定である場合において、燃料電池１２の温度（燃料電池関連温度）と、燃料電池１２に導入される空気が相対湿度１００％となるための必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量：ｇ／ｍｉｎ）との関係を示している。これは、温度上昇に伴い、飽和水蒸気圧が上がるためである。図３（ｂ）に示すマップは、燃料電池１２で所定の電力を発生させる際に、燃料電池１２の温度が一定である場合において、燃料電池１２を通流する空気の圧力（燃料電池１２の圧力）と、燃料電池１２に導入される空気が相対湿度１００％となるための必要水蒸気量（燃料電池１２に必要な水蒸気量：ｇ／ｍｉｎ）との関係を示している。これは、圧力を高くすると、飽和水蒸気圧が低下するためである。
【００５６】
よって、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すマップにより、運転圧力を上昇させることにより、燃料電池１２（カソード流路２０）に供給されるエアを相対湿度１００％にするのに必要な水蒸気量を減少させることが可能になる。換言すると、運転温度が上昇したとしても、運転圧力を高くすることによって飽和水蒸気圧の上昇を抑え、相対湿度を１００％に近づけることができる。つまり、図３（ａ）および図３（ｂ）のマップを参照して運転圧力を調整することにより、燃料電池１２から凝縮水として排出する量を調整することができる。したがって、運転温度に基づいて運転圧力を制御することにより、凝縮水量を調整することができる（図７（ａ）参照）。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す各マップは、燃料電池１２の電解質膜の種類等に応じて適宜変更されるものであり、実験やシミュレーションなどによって予め求められる。
【００５７】
図４は、燃料電池１２の運転圧力とエキスパンダタービン４０で発生する水分量（凝縮水量）との関係を示すグラフである。すなわち、図４に示すように、運転圧力が上昇すると、エキスパンダタービン４０での前後差圧が拡大するので、エキスパンダタービン４０を通過後の温度低下が大きくなり、カソードオフガスに含まれる水蒸気から凝縮水になる量が増加する。したがって、運転圧力を上昇させることにより、エキスパンダタービン４０において発生する凝縮水量が増加する。これにより、貯水部４２ａを介して圧縮機３４に供給される水噴射量を増加させることができる。
【００５８】
図５は、通常運転時（システム起動時、ＩＧ−ＯＮ時）での運転圧力を決定するための概略図である。図５に示すように、ＥＣＵ６０は、運転温度と運転圧力との関係を示すマップに基づいて、運転温度から運転圧力を決定することができる。なお、運転温度とは、例えば、冷媒温度センサ６１によって検出されるＦＣ（燃料電池）冷媒温度である。
【００５９】
また、図５に示すように、ＥＣＵ６０は、燃料電池１２から取り出される電流指令値（ＩＦＣ（Ａ））に応じたマップ（ＩＦＣ：大、中、小のいずれか）を複数備えており、これらの中から適宜選択して、運転圧力を決定することができる。このように、システム起動時には、運転温度が上昇するにつれて運転圧力も上昇するように制御される。
【００６０】
なお、図５は、３段階（ＩＦＣ：大、中、小）を示すマップであるが、これに限定されるものではなく、さらに多数の電流指令値に応じたマップ（１０段階、２０段階など）に基づいて決定してもよい。また、電流指令値（ＩＦＣ）は、スロットル開度（アクセルペダルの踏込み量）のみに基づいて設定されるものではなく、燃料電池１２の発電電力を高電圧バッテリ（不図示）に充電するのに必要な電力、発電電力を補機類に供給するのに必要な電力など総合的に判断して設定されるものである。
【００６１】
図６は貯水処理および水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システム１０では、伝達軸４０ａに設けられた電磁クラッチ４１は繋がってエキスパンダタービン４０の回生エネルギが圧縮機３４に伝達されているものとして説明する。
【００６２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、ＩＧ６５がオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされたか否かをＩＧ−ＯＦＦ信号に基づいて判断し、ＩＧ−ＯＦＦされていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理を繰り返し、ＩＧ−ＯＦＦ（システム停止）されたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。
【００６３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、次回起動時における温度（次回起動温度）を予測する。なお、次回起動温度は、前記したように、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報の少なくともひとつに基づいて予測される。
【００６４】
ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ６０は、予測した次回起動温度が所定値Ａ以下であるか否かを判断する。所定値Ａは、凝縮水が凍結するか否かを判断するための閾値であり、例えば０℃に設定される。なお、次回起動温度は、次回のシステム起動時点における温度に限定されるものではなく、システム停止から次回システム起動までの間において最も低く予測される温度（最悪の状況を想定した温度）に基づいて設定してもよい。これにより、０℃以下になっている最中にＩＧ−ＯＮ（システム起動）されるのを防止できる。
【００６５】
また、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、次回起動温度が所定値Ａを超えると判断した場合には（Ｎｏ）、貯水部４２ａの凝縮水は凍結しないと判断して、ステップＳ１０４に進む。
【００６６】
<貯水処理>
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、運転温度に基づいて運転圧力を決定する。運転圧力は、図７（ａ）において破線で示すマップ（貯水処理時マップ）に基づいて決定する。図７（ａ）は、運転温度に基づいて運転圧力を決定するためのマップであり、図３（ａ）および図３（ｂ）のマップ、および、実験やシミュレーションなどによって予め求められる。図７（ａ）に示すマップに基づいて、運転圧力を決定することにより、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水量を制御できる。例えば、運転温度が上昇するにつれて、カソードオフガスに含まれる水分が多くなるので、運転圧力を上昇させることにより、エキスパンダタービン４０において発生する凝縮水量を増加させることができる。したがって、次回システム起動時に必要となる水量を確保することができる。
【００６７】
そして、ステップＳ１０５に進み、ＥＣＵ６０は、水位センサ６４からの水位（水位値）が所定水位（所定値）Ｂに到達したか否かを判断する。なお、所定水位Ｂは、例えば、貯水部４２ａが満水になる水位に設定される。ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、検出した水位が所定水位Ｂに到達していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０５の処理を繰り返し、検出した水位が所定水位Ｂに到達したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１２に進み、圧縮機３４の運転を停止する。
【００６８】
このように、貯水処理を行う場合、運転温度が高いときには、カソードオフガスに含まれる水分が多いので、運転圧力を高めることにより、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水を多く発生させることができる。また、運転温度が低いときには、カソードオフガスに含まれる水分が少ないので、運転圧力を低下させることにより、圧縮機３４の消費電力が無駄に使用されるのを防止できる。
【００６９】
<水除去処理>
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、次回起動温度が所定値Ａ以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、貯水部４２ａに貯留された凝縮水が凍結すると判断して、ステップＳ１０６に進む。
【００７０】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、運転温度に基づいて運転圧力を決定する。すなわち、図７（ａ）に示すマップ（実線で示す水除去処理時マップ）に基づいて、システム停止時の運転温度から運転圧力を決定する。水除去処理を行う場合には、図７（ａ）において破線で示す貯水処理時のマップよりも運転圧力を減圧する。
【００７１】
このように、水除去処理時には、運転圧力を全体的に減圧して水除去処理を行うことにより、水分の蒸発を促進することができるので、圧力を上げて細部（流路等）に詰まった凝縮水を掃き出す点を考慮するよりも、乾燥の点において効果的である。なお、図示していないが、ＥＣＵ６０は、決定された運転圧力に対応した回転速度となるようにモータ３５を制御して圧縮機３４を駆動する。これにより、燃料電池１２のカソード流路２０を通流するエアの圧力が調整される。
【００７２】
そして、ステップＳ１０７に進み、ＥＣＵ６０は、運転温度に基づいて水除去処理時間を決定する。すなわち、図７（ｂ）に示すマップに基づいて、システム停止時の運転温度から水除去処理時間を決定する。図７（ｂ）に示すように、運転温度が高い場合には、カソードオフガスに含まれる水分が多く、生成される凝縮水量も多くなるため、水除去処理時間が長く設定される。また、運転温度が低い場合には、カソードオフガスに含まれる水分が少なく、生成される凝縮水量も少なくなるため、水除去処理時間が短く設定される。なお、水除去処理時間については、現時点での貯水部４２ａの水位を加味して設定することが好ましい。
【００７３】
なお、運転温度としては、ＦＣ冷媒温度を挙げることができるが、これに限定されるものではなく、燃料電池１２の温度を直接に測定するものであってもよく、またアノード流路１８の出口温度、カソード流路２０の出口温度などであってもよい。また、ＦＣ冷媒温度などの運転温度を、外気温度や吸気温度に基づいて補正してもよい。
【００７４】
そして、ステップＳ１０８に進み、ＥＣＵ６０は、排水弁４７を開弁する。これにより、貯水部４２ａに貯留された凝縮水が、配管ｂ１０を介して外部への排出が開始される。排水弁４７が開弁している間は、生成された凝縮水が配管ｂ１０を通って外部に排出されるので、貯水部４２ａに凝縮水が溜まることはない。
【００７５】
そして、ステップＳ１０９に進み、ＥＣＵ６０は、タイマ６６の作動を開始し、水除去処理時間の計測を開始する。
【００７６】
そして、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ６０は、決定された水除去処理時間が経過したか否かを判断し、水除去処理時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０の処理を繰り返し、水除去処理時間が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１に進み、排水弁４７を閉弁する。そして、ステップＳ１１２に進み、ＥＣＵ６０は、圧縮機３４の運転を停止する。
【００７７】
このように、水除去処理を行う場合、運転温度が高いときには、カソードオフガスに含まれる水分が多いので、運転圧力を高めることにより（図７（ａ）参照）、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水が多く生成され、水除去処理時間が長く設定される（図７（ｂ）参照）。また、運転温度が低いときには、カソードオフガスに含まれる水分が少ないので、運転圧力を低下させることにより、エキスパンダタービン４０で発生する凝縮水が少なくなり、水除去処理時間が短く設定される。さらに、水除去処理を行う場合に貯水処理時よりも減圧運転を行うことにより、飽和水蒸気圧が上昇して水分の蒸発が促進することで、貯水部４２ａを含む凝縮水が流れる流路を乾燥させることが可能になる。
【００７８】
<燃料電池システムの効果>
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、システム停止時において次回システム起動時に貯水部４２ａに貯留された凝縮水が凍結しないと判断した場合には、システム停止時に貯水部４２ａに凝縮水を溜めておくことで、次回システム起動時に燃料電池１２が高温状態でシステム起動された場合にも水不足（加湿不足）が生じるのを防止できる。
【００７９】
また、本実施形態では、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、次回起動温度が所定値Ａより高い場合には貯水処理を行い、次回起動温度が所定値Ａ以下の場合には水除去処理を行うようにしたものである。このように温度に基づいて予測することで、次回システム起動時において凝縮水が凍結するか否かを適切に判断することができる。その結果、燃料電池１２の加湿が適切に行われなくなるのを防止できる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、膨張手段としてエキスパンダタービン４０、当該エキスパンダタービン４０の回生エネルギを得て圧縮機３４に駆動力を伝達する伝達軸４０ａを備えることで、カソードオフガス（排出酸化剤）の圧力を有効に利用することができ、圧縮機３４の消費電力を低減することができる。
【００８１】
また、本実施形態では、貯水処理を行う場合、図３（ａ）および図３（ｂ）の関係から得られた図７に示すマップ（破線）に基づいて、検出した運転温度を用いて運転圧力を求め、水位センサ６４による水位値が所定水位Ｂに到達するまで前記運転圧力となるように圧縮機３４を制御するものである。これにより、次回システム起動時に貯水部４２ａから凝縮水を直ちに噴射できるので、高温始動時などにおける水不足（加湿不足）を回避することができる。さらに、運転温度が高い場合には、運転圧力を高めて、エキスパンダタービン４０の前後差圧を大きくして、カソードオフガスの温度を大きく低下させることにより、凝縮水量の発生を多くして、貯水部４２ａに短時間で凝縮水を溜めることができる。また、運転温度が低い場合には、運転圧力を低下させることで、モータ３５の消費電力を低減することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、水除去処理を行う場合、図３（ａ）および図３（ｂ）の関係から得られた図７に示すマップ（実線）に基づいて、検出した運転温度を用いて運転圧力を求め、この運転圧力に対応した回転速度でモータ３５を制御して圧縮機３４を駆動するともに、排水弁４７を開弁して水除去処理時間が経過するまで水排出を行うものである。これにより、システム停止中に氷点下に至る可能性があるときに水除去処理を行うことで、次回システム起動時での凍結を防止することで燃料電池１２に対して加湿が適切になされなくなるのを防止することができる。
【００８３】
また、本実施形態によれば、次回起動温度として、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いることにより、次回起動温度を適切に予測することが可能になる。
【００８４】
<変形例>
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、図８の変形例に示すように、圧縮機３４と加湿器３８との間の配管ｂ２にさらに別のエア供給機３９を設けた燃料電池システム１０Ａとしてもよい。このエア供給機３９は、例えば、エアコンプレッサやファン等からなり、エキスパンダタービン４０の回生エネルギによらないで図示しない電動モータによって駆動される。このエア供給機３９は、ＥＣＵ６０からの制御信号に基づいて作動すると、配管ｂ１から酸素を含むエアが取り込まれて燃料電池１２に供給するようになっている。図８に示す変形例では、燃料電池１２に対する上流側に圧縮機３４を配設し、その下流側にエア供給機３９を直列に配設するようにしているが、これに限定されるものではなく、燃料電池１２に対する上流側にエア供給機３９を配設し、その下流側に圧縮機３４を配設するようにしてもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、膨張手段として断熱機械膨張式のエキスパンダタービン４０を例に挙げて説明したが、断熱機械膨張式に限定されるものではなく、断熱自由膨張式のものを用いて構成するようにしてもよい。断熱自由膨張式のものとしては、エキスパンダタービン４０に替えて配管ｂ５上に背圧弁を設ける構成を挙げることができ、背圧弁の開度を絞ることにより、背圧弁の上流側の圧力が高く、下流側の圧力が低くなって、背圧弁の前後差圧が大きくなり、凝縮水の発生を促進することができる。
【００８６】
また、本実施形態では、加湿器３８を備えた燃料電池システム１０を例に挙げて説明したが、圧縮機３４の上流に凝縮水を噴射する構成のみで燃料電池１２の加湿が適切に行われるものであれば、加湿器３８を備えない燃料電池システムであってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０，１０Ａ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
３４ 圧縮機
４０ エキスパンダタービン
４０ａ 伝達軸
４２ 第２気液分離器（水回収手段）
４２ａ 貯水部（水回収手段）
４４ａ，４４ｂ 水噴射機構（水噴射手段）
４７ 排水弁
６０ ＥＣＵ（制御部）
６１ 冷媒温度センサ（温度センサ）
６２ 吸気温度センサ（温度センサ）
６３ 外気温度センサ（温度センサ）
６４ 水位センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤が通流する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池から排出される排出酸化剤が通流する酸化剤排出流路と、
前記酸化剤排出流路に配置され、前記排出酸化剤を膨張させる膨張手段と、
前記酸化剤供給流路に配置される圧縮機と、
前記膨張手段の下流に配置され、凝縮水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段により回収された凝縮水を前記酸化剤供給流路に噴射する水噴射手段と、を備え、
システム停止時に、次回システム起動時に凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を前記水回収手段に貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を前記水回収手段から排出する水除去処理を行う制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、前記次回起動温度が所定値より高い場合には前記貯水処理を行い、前記次回起動温度が所定値以下の場合には前記水除去処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記膨張手段は、エキスパンダタービン、および当該エキスパンダタービンの回生エネルギを得て前記圧縮機に駆動力を伝達する伝達軸を備え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。
【請求項４】
前記水回収手段は、凝縮水を貯留する貯水部を備え、
前記貯水部の水位を検出する水位センサおよび前記燃料電池の温度に関連した燃料電池関連温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、システム停止時に前記貯水処理を行う場合、前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求め、前記水位センサによる水位値が所定値に到達するまで、前記運転圧力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水回収手段は、回収された凝縮水を外部に排出する排水弁を備え、
前記制御部は、システム停止時に前記水除去処理を行う際、前記燃料電池関連温度と水除去処理時間との関係を用いて、検出した前記燃料電池関連温度に基づいて前記水除去処理時間を求め、
前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求めて、前記運転圧力に応じた前記圧縮機の制御と、前記排水弁による水排出と、を前記水除去処理時間が経過するまで行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いて前記次回起動温度を予測することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤が通流する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池から排出される排出酸化剤が通流する酸化剤排出流路と、
前記酸化剤排出流路に配置され、前記排出酸化剤を膨張させる膨張手段と、
前記酸化剤供給流路に配置される圧縮機と、
前記膨張手段の下流に配置され、凝縮水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段により回収された凝縮水を前記酸化剤供給流路に噴射する水噴射手段と、を備え、
システム停止時に、次回システム起動時に凝縮水が凍結しないと判断した場合には凝縮水を前記水回収手段に貯留する貯水処理を行い、次回システム起動時に凝縮水が凍結すると判断した場合には凝縮水を前記水回収手段から排出する水除去処理を行う制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、次回システム起動時における次回起動温度を予測し、前記次回起動温度が所定値より高い場合には前記貯水処理を行い、前記次回起動温度が所定値以下の場合には前記水除去処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記膨張手段は、エキスパンダタービン、および当該エキスパンダタービンの回生エネルギを得て前記圧縮機に駆動力を伝達する伝達軸を備え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。
【請求項４】
前記水回収手段は、凝縮水を貯留する貯水部を備え、
前記貯水部の水位を検出する水位センサおよび前記燃料電池の温度に関連した燃料電池関連温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、システム停止時に前記貯水処理を行う場合、前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求め、前記水位センサによる水位値が所定値に到達するまで、前記運転圧力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水回収手段は、回収された凝縮水を外部に排出する排水弁を備え、
前記制御部は、システム停止時に前記水除去処理を行う際、前記燃料電池関連温度と水除去処理時間との関係を用いて、検出した前記燃料電池関連温度に基づいて前記水除去処理時間を求め、
前記燃料電池関連温度と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係、および、前記燃料電池の圧力と前記燃料電池に必要な水蒸気量との関係に基づき、検出した前記燃料電池関連温度を用いて前記燃料電池に必要な運転圧力を求めて、前記運転圧力に応じた前記圧縮機の制御と、前記排水弁による水排出と、を前記水除去処理時間が経過するまで行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、外気温度、カレンダ情報、ＧＰＳ情報のうち、少なくともいずれかひとつを用いて前記次回起動温度を予測することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１６４４５７（Ｐ２０１２−１６４４５７Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５４３（Ｐ２０１１−２２５４３）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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