JP2001229938A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよびその制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】運転性を低下させることなく燃料電池スタック
で生成した水を排出できる燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】車両に搭載される燃料電池システム１であ
り、燃料電池１１と、燃料電池へ供給される酸素含有ガ
スの供給量を制御する第１の流量制御弁１８と、燃料電
池へ供給される水素含有ガスの供給量を制御する第２の
流量制御弁１９と、車両の減速状態を検出する手段２４
とを有し、車両が減速状態のときに第１の流量制御弁お
よび第２の流量制御弁を開き、燃料電池にパージガスと
して酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
およびその制御方法に関し、特に発電時に生成され電極
膜に溜まった水を運転性を低下させることなく排出でき
る燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池システムにおいては、発電時に
燃料電池スタック内の電極膜付近に生成水が溜まり、電
極膜の細孔が閉塞することにより電力が低下することが
知られている。このため、定期的に空気や窒素ガスをパ
ージして、電極膜に溜まった生成水を排出することが行
われている。
【０００３】こうした場合、特開平７−２３５３２４号
公報に開示されたように、電極の濡れ具合、すなわち抵
抗値変化を検知して酸素ガスパージを行うことで、燃料
電池スタック内の水を排出することも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、生成水
を除去するために燃料電池スタックに空気等をパージし
ている間は、そのときの運転負荷から想定される運転条
件でシステムを作動させないため、燃料電池スタックか
ら取り出せる電力が制限されてしまうという問題があっ
た。
【０００５】特に自動車のような移動体の場合は負荷変
動が大きいことから、電力不足によって運転性が悪化し
たり、これを防止するために別途設けられた２次電池か
らの電力を取り出す必要が生じて、その補充電による燃
費低下が起こるという問題があった。
【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、運転性を低下させることな
く燃料電池スタックで生成した水を排出できる燃料電池
システムおよびその制御方法を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】（１） 上記目的を達成
するために、請求項１記載の燃料電池システムは、移動
体に搭載される燃料電池システムにおいて、燃料電池
と、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの供給量を
制御する第１の流量制御弁と、前記燃料電池へ供給され
る水素含有ガスの供給量を制御する第２の流量制御弁
と、前記移動体の負荷状況を検出する手段と、前記負荷
状況を検出する手段により検出された移動体の負荷状況
が所定値以下のときに、前記第１の流量制御弁および前
記第２の流量制御弁を開いて前記燃料電池に酸素含有ガ
スと水素含有ガスとを供給する制御手段と、を有するこ
とを特徴とする。
【０００８】上記発明においては特に限定されないが、
請求項２記載の燃料電池システムでは、前記移動体の負
荷状況を検出する手段は前記移動体の減速状態を検出
し、当該減速中に前記第１の流量制御弁および前記第２
の流量制御弁を開いて前記燃料電池に酸素含有ガスと水
素含有ガスとを供給する。
【０００９】また、請求項１０記載の燃料電池システム
の制御方法は、移動体に搭載された燃料電池システムの
制御方法であって、前記移動体の減速中に、燃料電池へ
パージガスを供給し、当該燃料電池で生成した水を排出
することを特徴とする。
【００１０】自動車のような移動体は、走行中に加速や
減速が頻繁に生じるが、生成水が発生しやすいのは移動
体の負荷が大きいとき、つまり加速のときであり、加速
を終了した後には必ず減速（アクセルを戻した状態も含
む。）する。しかも、減速状態では走行電力も必要とし
ない。
【００１１】そこで、本発明では移動体の負荷状況を検
出して、減速状態を判断し、この減速状態において第１
の流量制御弁および第２の流量制御弁を開いて燃料電池
に酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給する。これによ
り、移動体の運転性を損なうことなく燃料電池から生成
水を排出することができる。
【００１２】特に請求項１，２および１０記載の発明で
は、既存の流量制御弁（第１の流量制御弁および第２の
流量制御弁）を用いることができ、燃料電池システムと
して新たな部品を追加することなく、生成水のパージを
行うことができる。
【００１３】（２）上記発明においては特に限定されな
いが、請求項３記載の燃料電池システムでは、前記制御
手段は、前記第１の流量制御弁および前記第２の流量制
御弁を開く前に、これら第１および第２の流量制御弁を
一時的に閉じる。
【００１４】第１および第２の流量制御弁を開いてパー
ジガスを供給する前に一時的に第１および第２の流量制
御弁を閉じることで燃料電池の内部圧力を上昇させ、そ
の後に第１および第２の流量制御弁を開くことで生成水
の排出効率（パージ効果）を高めることができる。
【００１５】（３）上記発明においては特に限定されな
いが、請求項４記載の燃料電池システムでは、前記燃料
電池に酸素含有ガスを供給する圧縮機をさらに有し、前
記制御手段は、前記第１および第２の流量制御弁を開い
て前記燃料電池に酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給
する際に、前記圧縮機の動作回転数を一時的に上げる。
【００１６】本発明ではパージガスを供給する際に圧縮
機の動作回転数を一時的に高めるので、圧縮されたパー
ジガスが供給され、パージ効果が増大する。
【００１７】（４）上記発明において、移動体の負荷状
況を検出する手段は特に限定されない。たとえば、請求
項５記載の燃料電池システムように、前記移動体の負荷
状況を検出する手段は前記移動体の駆動モータへの指令
値を検出し、当該駆動モータへの指令値がゼロのときを
減速状態と判断する。
【００１８】また、請求項６記載の燃料電池システムの
ように、前記移動体の負荷状況を検出する手段は前記移
動体のアクセル開度を検出し、当該アクセル開度が閉又
は開から閉までの時間変化が所定値以上のときを減速状
態と判断する。
【００１９】さらに、請求項７記載の燃料電池システム
のように、前記移動体の負荷状況を検出する手段は前記
移動体の加速度を検出し、当該加速度がマイナスのとき
を減速状態と判断するこれら請求項５乃至７記載の発明
では、移動体の駆動モータへの指令値、アクセル開度、
または移動体の加速度を検出するが、これらを検出する
手段は移動体の必要部品として基本的には既に使用され
ているので、これを共用することができ、燃料電池シス
テムとして新たな部品を追加することなく、生成水のパ
ージを行うことができる。
【００２０】（５）上記発明においては特に限定されな
いが、請求項８記載の燃料電池システムでは、前記制御
手段は、過去のパージ履歴に基づいて、前記第１の流量
制御弁および前記第２の流量制御弁を開いて前記燃料電
池に酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給する。
【００２１】また、請求項９記載の燃料電池システムで
は、前記制御手段は、前記燃料電池の過去の電力履歴に
基づいて生成水の蓄積量を推定し、この推定量に基づい
て、前記第１の流量制御弁および前記第２の流量制御弁
を開いて前記燃料電池に酸素含有ガスと水素含有ガスと
を供給する。
【００２２】このように、請求項８および９記載の発明
では、生成水の蓄積量をも勘案することで効率的かつ高
精度のパージが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】請求項１，２および１０記載の発明によ
れば、電力を必要としない減速中に生成水を排出するの
で、移動体の運転性を損なうことなく燃料電池から生成
水を排出することができ、電極膜の細孔を閉塞すること
による燃料電池の性能低下を防止することができる。
【００２４】また、既存の流量制御弁を用いることがで
きるので、燃料電池システムとして新たな部品を追加す
ることなく、低コストで生成水のパージを行うことがで
きる。
【００２５】これに加えて、請求項３記載の発明によれ
ば、燃料電池の内部圧力を上昇させた後に第１および第
２の流量制御弁を開くので、生成水の排出効率（パージ
効果）を高めることができる。
【００２６】また請求項４記載の発明によれば、パージ
ガスを供給する際に圧縮機の動作回転数を一時的に高め
るので、圧縮されたパージガスが供給され、パージ効果
が増大する。
【００２７】請求項５乃至７記載の発明によれば、既存
部品を共用することができるので、燃料電池システムと
して新たな部品を追加することなく、生成水のパージを
行うことができる。
【００２８】また、請求項８および９記載の発明によれ
ば、生成水の蓄積量をも勘案するので、効率的かつ高精
度のパージが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。第１実施形態 図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す
ブロック図、図２は同実施形態に係る燃料電池システム
の制御フローを示すフローチャート、図３は同実施形態
に係る燃料電池システムに係る流量制御弁の動作を説明
するためのタイムチャートである。
【００３０】まずシステム構成について説明すると、本
実施形態の燃料電池システム１は、電解質を挟んで対電
極が設けられた燃料電池スタック１１を有し、この燃料
電池スタック１１の陽極側には、改質器１４から水素ガ
ス供給管１５によって水素含有ガスが供給され、陰極側
には圧縮機１２から空気供給管１３によって圧縮空気が
供給される。なお、改質器１４は、たとえばメタノール
（改質原料）を水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料
ガス（水素含有ガス）とするものであるが、本発明の燃
料電池システムでは水素含有ガスの供給源は改質器にの
み限定されず、たとえば水素タンクや水素貯蔵合金など
を用いることもできる。
【００３１】燃料電池スタック１１には、空気排出管１
６と水素ガス排出管１７とが設けられており、空気排出
管１６には本発明の第１の流量制御弁に相当する空気流
量制御弁１８が設けられ、水素ガス排出管１７には本発
明の第２の流量制御弁に相当する水素ガス流量制御弁１
９が設けられている。これら空気流量制御弁１８および
水素ガス流量制御弁１９は、車両の運転条件から定まる
電力が取り出せるよう、その開度を制御することで燃料
電池スタック１１に供給される水素ガスと空気との流量
を制御する。なお、空気供給管１３に設けられた空気圧
センサ２０と水素ガス供給管１５に設けられた水素ガス
圧センサ２１により燃料電池スタック１１に供給される
空気および水素ガスの圧力が規定圧力に維持される。
【００３２】また、本実施形態の燃料電池システム１
は、燃料電池スタック１１に供給される冷却水の温度を
検出する冷却水水温センサ２２を有し、この水温センサ
２２で検出された冷却水の温度に基づいて燃料電池スタ
ック１１の暖機状態を判断する。
【００３３】なお、空気圧センサ２０、水素ガス圧セン
サ２１および冷却水水温センサ２２からの検出信号は燃
料電池システムのコントロールユニット２３に送出され
る一方で、このコントロールユニット２３からの指令信
号は、圧縮機１２、改質器１４、空気流量制御弁１８お
よび水素ガス流量制御弁１９に送出される。
【００３４】一方、車両の駆動モータを制御するための
コントロールユニット２４には、車両の速度を検出する
ための車速センサ２５および車両のアクセル開度を検出
するためのアクセル開度センサ２６が接続されており、
さらに車両のコントロールユニット２４から燃料電池シ
ステムのコントロールユニット２３へ車両の駆動モータ
への指令値信号が送出される。
【００３５】次に作動を説明する。図２のステップ１０
およびステップ２０に示すように、まず冷却水水温セン
サ２２で検出された冷却水の温度に基づき燃料電池スタ
ック１１の暖機運転が終了したかどうかを判断する。本
実施形態の生成水の排出制御は燃料電池スタックの暖機
後に実行するからである。ステップ２０において水温セ
ンサ２２で検出された実際の水温がＴＷ、暖機運転を終
了したと判断される基準水温がＴＷ０である。
【００３６】次に、ステップ３０において空気圧センサ
２０と水素ガス圧センサ２１とを用いて燃料電池スタッ
ク１１に供給される空気圧ＰＡと水素ガス圧ＰＨとを計
測し、燃料電池スタック１１の電極膜が破損するのを防
止するため、陽極側の圧力と陰極側の圧力及びこれらの
差圧がそれぞれ許容値を超えないように、圧縮機１２、
改質器１４、空気流量制御弁１８および水素ガス流量制
御弁１９をそれぞれ制御する。この制御は常時実行され
る。
【００３７】ステップ４０乃至ステップ８０が減速時で
の動作であるが、減速時は車両のコントロールユニット
２４から駆動モータへ送出される指令値がゼロとなるの
で、ステップ４０において車両のコントロールユニット
２４から駆動モータへの指令値をコントロールユニット
２３へ読み込み、ステップ５０においてこの指令値がゼ
ロであるかどうかを判断する。そして、駆動モータへの
指令値がゼロであるときは、減速状態であると判断して
ステップ６０へ進む。
【００３８】なお、減速状態に関しては、車両が負の加
速度となる場合だけでなく、アクセルを戻して軽負荷と
なった場合も減速状態に含め、本実施形態の制御による
パージを行うことも可能である。
【００３９】ステップ６０においては、空気流量制御弁
１８と水素ガス流量制御弁１９とのそれぞれを一旦全閉
とし、ごく短時間である程度まで燃料電池スタック１１
の内部圧力を上げる。そして、ステップ７０において空
気流量制御弁１８と水素ガス流量制御弁１９を今度は全
開とし、これを減速状態が終了するまで継続する（ステ
ップ８０）。ただしこのときは、陽極側と陰極側の差圧
が許容値を超えないように監視する必要がある。
【００４０】これにより、車両が減速状態になる度に燃
料電池スタック１１に溜まった生成水を空気排出管１６
および水素ガス排出管１７から効率よく排出することが
できる。
【００４１】ちなみに、ステップ６０において空気流量
制御弁１８と水素ガス流量制御弁１９を全閉近くまで閉
じるときは、空気圧センサ２０と水素ガス圧センサ２１
とによって燃料電池スタック１１の内部圧力の上昇を監
視し、限界値を超える前にこれらの流量制御弁１８，１
９をすばやく開に戻すことが望ましい。
【００４２】図３は車両の走行速度、車両負荷および流
量制御弁１８，１９の開度の関係を示すタイムチャート
であり、減速開始ポイントＰ１から加速開始ポイントＰ
２までの間は車両の加速度がマイナスかあるいはゼロで
あり、この間の車両の負荷はゼロである。そして、減速
開始ポイントＰ１では、流量制御弁１８，１９の開度を
一旦全閉としたのち直ぐに全開とし、加速開始ポイント
Ｐ２を過ぎたら通常の制御に戻る。
【００４３】第２実施形態 図４は本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示す
フローチャートであり、装置構成は図１に示すものと同
じである。基本作動は上述した第１実施形態と同じであ
るが、第１実施形態のステップ４０では減速状態の判断
として車両の駆動モータへの指令値を用いたのに対し、
本実施形態ではステップ４１において減速状態の判断に
はアクセル開度センサ２６の信号と車速センサ２５の信
号とを用いている。ここで、アクセル開度センサ２６の
信号は、全閉信号そのものを用いても良いし、あるいは
アクセルの開→閉の時間変化を用いても良い。
【００４４】第３実施形態 図５は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態
を示すフローチャートであり、装置構成は図１に示すも
のと同じである。基本作動は上述した第２実施形態と同
じであるが、ステップ７１において、流量制御弁１８，
１９を全開にしたときに圧縮機１２の動作回転数をアッ
プさせる。これにより、燃料電池スタック１１に溜まっ
た生成水の排出量をさらに増加させることができる。
【００４５】第４実施形態 図６は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態
を示すフローチャートであり、装置構成は図１に示すも
のと同じである。基本作動は上述した第２実施形態と同
じであるが、ステップ３５およびステップ３６が付加さ
れている。すなわち、燃料電池スタックにパージガスを
供給するにあたり、ステップ３５にて前回のパージ操作
からの経過時間ＴＭＰをカウントし、この経過時間ＴＭ
Ｐがある一定時間ＴＭＰ０以上経過していないとステッ
プ３０へ戻りパージを実行しないこととしている。つま
り、前回のパージ操作から一定時間経過しないと燃料電
池スタック１１に生成水が溜まらず、パージの必要がな
いとする補正処理が追加されている。
【００４６】第５実施形態 図７は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態
を示すブロック図、図８はフローチャートであり、装置
構成については図１に示すものに対してアクセル開度セ
ンサ２６に代えて、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシス
テム）などで用いられている加速度センサ２７が共用さ
れている。
【００４７】そして、図８に示すように、ステップ４２
において加速度センサ２７および車速センサ２５からの
信号を読み込み、これに基づいて減速状態かどうかを判
断する。
【００４８】第６実施形態 図９は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態
を示すブロック図、図１０はフローチャートであり、装
置構成については図１に示すものに対して、燃料電池ス
タック１１の電流を検出する電流センサ２８が付加され
ている点が異なる。この電流センサ２８は、燃料電池ス
タック１１に溜まった生成水の蓄積量を検出するために
設けられたもので、流れた電流量の総和から生成される
水の量が演算される。すなわち、図１０に示すように、
ステップ３７にて電流センサ２８からの信号を読み込
み、ステップ３８にて生成水の蓄積量を推定し、続くス
テップ３９にて推定された蓄積量からパージガスの供給
が必要かどうかを判断する。
【００４９】なお、本例において電流センサ２８に代え
て電力センサを用いても良い。
【００５０】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を示すブロッ
ク図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの制御フローを示す
フローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池システムに係る流量制御弁の
動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の燃料電池システムの他の制御フローを
示すフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池システムのさらに他の制御フ
ローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池システムのさらに他の制御フ
ローを示すフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池システムの他の構成を示すブ
ロック図である。
【図８】図７に示す燃料電池システムの制御フローを示
すフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池システムの他の構成を示すブ
ロック図である。
【図１０】図９に示す燃料電池システムの制御フローを
示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池システム １１…燃料電池スタック １２…圧縮機 １３…空気供給管 １４…改質器 １５…水素ガス供給管 １６…空気排出管 １７…水素ガス排出管 １８…空気流量制御弁（第１の流量制御弁） １９…水素ガス流量制御弁（第２の流量制御弁） ２０…空気圧センサ ２１…水素ガス圧センサ ２２…冷却水の水温センサ ２３…燃料電池システムのコントロールユニット ２４…車両のコントロールユニット ２５…車速センサ ２６…アクセル開度センサ ２７…加速度センサ ２８…電流センサ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】移動体に搭載される燃料電池システムにお
    いて、 燃料電池と、 前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの供給量を制御
    する第１の流量制御弁と、 前記燃料電池へ供給される水素含有ガスの供給量を制御
    する第２の流量制御弁と、前記移動体の負荷状況を検出
    する手段と、 前記負荷状況を検出する手段により検出された移動体の
    負荷状況が所定値以下のときに、前記第１の流量制御弁
    および前記第２の流量制御弁を開いて前記燃料電池に酸
    素含有ガスと水素含有ガスとを供給する制御手段と、を
    有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 【請求項２】前記移動体の負荷状況を検出する手段は前
    記移動体の減速状態を検出し、当該減速中に前記第１の
    流量制御弁および前記第２の流量制御弁を開いて前記燃
    料電池に酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給すること
    を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 【請求項３】前記制御手段は、前記第１の流量制御弁お
    よび前記第２の流量制御弁を開く前に、これら第１およ
    び第２の流量制御弁を一時的に閉じることを特徴とする
    請求項１または２記載の燃料電池システム。
  4. 【請求項４】前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する圧
    縮機をさらに有し、前記制御手段は、前記第１および第
    ２の流量制御弁を開いて前記燃料電池に酸素含有ガスと
    水素含有ガスとを供給する際に、前記圧縮機の動作回転
    数を一時的に上げることを特徴とする請求項１〜３の何
    れかに記載の燃料電池システム。
  5. 【請求項５】前記移動体の負荷状況を検出する手段は前
    記移動体の駆動モータへの指令値を検出し、当該駆動モ
    ータへの指令値がゼロのときを減速状態と判断すること
    を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  6. 【請求項６】前記移動体の負荷状況を検出する手段は前
    記移動体のアクセル開度を検出し、当該アクセル開度が
    閉又は開から閉までの時間変化が所定値以上のときを減
    速状態と判断することを特徴とする請求項２記載の燃料
    電池システム。
  7. 【請求項７】前記移動体の負荷状況を検出する手段は前
    記移動体の加速度を検出し、当該加速度がマイナスのと
    きを減速状態と判断することを特徴とする請求項２記載
    の燃料電池システム。
  8. 【請求項８】前記制御手段は、過去のパージ履歴に基づ
    いて、前記第１の流量制御弁および前記第２の流量制御
    弁を開いて前記燃料電池に酸素含有ガスと水素含有ガス
    とを供給することを特徴とする請求項１または２記載の
    燃料電池システム。
  9. 【請求項９】前記制御手段は、前記燃料電池の過去の電
    力履歴に基づいて生成水の蓄積量を推定し、この推定量
    に基づいて、前記第１の流量制御弁および前記第２の流
    量制御弁を開いて前記燃料電池に酸素含有ガスと水素含
    有ガスとを供給することを特徴とする請求項１または２
    記載の燃料電池システム。
  10. 【請求項１０】移動体に搭載された燃料電池システムの
    制御方法であって、前記移動体の減速中に、燃料電池へ
    パージガスを供給し、当該燃料電池で生成した水を排出
    することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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