JP2002141088A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 急減速時に余分な圧縮空気が加湿器を通るこ
とを防止して、燃料電池システムから水が放出されるの
を抑制する。 【解決手段】 空気を圧縮する圧縮機２３と、圧縮空気
を加湿して燃料電池２６へ供給する加湿器２５と、燃料
電池２６の排気から水を回収するコンデンサ２７と、回
収した水を蓄えるとともに、加湿器２５へ供給する水タ
ンク２８、水ポンプ３４と、圧縮機２３の下流かつ加湿
器２５の上流に配置されて、圧縮空気を選択的に外部へ
逃がすパージ弁３６と、車両の急減速が判定され、か
つ、検出した水タンク２８の水量が予め設定した値未満
のときには、パージ弁３６を開弁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両用燃料電池シ
ステムの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の車両用燃料電池システムには、Ｓ
ＡＥ２０００−０１−１０６１等に開示される燃料電池
システムがある。

【０００３】これは圧縮機から吐出した空気を加湿器で
加湿し、燃料電池スタックを通った後、コンデンサで水
を分離するとともに排気し、コンデンサで回収された水
は水タンクに貯えられ、再び加湿器に送られて循環す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、２次電池を積まない燃料電池システム
の場合、圧縮機を駆動するモータが、減速時において回
生を行わないために、急減速時では、圧縮機及びモータ
が、ロータ等のイナーシャによって長時間廻り続けるた
め、圧縮空気流量がなかなか減少せず、多量の圧縮空気
が加湿器、燃料電池スタック、コンデンサを通って車外
へ排出されてしまう。

【０００５】減速時では、燃料電池システムは電力をあ
まり必要とせず、燃料電池スタックにおいて発電量が少
ないため、燃料電池スタックは水を極少量しか生成せ
ず、圧縮空気は燃料電池スタックから水を極少量しか受
取らない。

【０００６】また、コンデンサは比較的高温である車両
のクーラントで冷却しているため、蒸気として空気に含
まれる水分を回収する効率が低く、コンデンサで回収さ
れなかった水が多量に排気と一緒に排出される。

【０００７】したがって、減速時では燃料電池スタック
で生成される水が少ないためにコンデンサで回収される
水の量も少なくなり、燃料電池システムから排気として
捨ててしまう水の量が多くなる。

【０００８】例えば、急加速と急減速を頻繁に繰り返し
た場合、車外に排出してしまう水の量が多くなり、燃料
電池システムに貯えている水が不足して、燃料電池スタ
ックを加湿できなくなり、燃料電池スタック６の高分子
膜が乾燥し、発電能力が低下するという問題があった。

【０００９】そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなさ
れたものであり、加湿用に貯えた水量が所定値以下の場
合には、急減速時に余分な圧縮空気を外気にパージする
ことにより余分な圧縮空気が加湿器を通ることを防止し
て、燃料電池システムから水が放出されるのを抑制する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、空気を圧
縮する加圧手段と、この圧縮空気を加湿して燃料電池へ
供給する加湿手段と、前記燃料電池の排気から水を回収
する回収手段と、この回収した水を蓄えるとともに、前
記加湿手段へ供給する水供給手段とを備える車両用燃料
電池システムにおいて、前記加圧手段の下流かつ加湿手
段の上流に配置されて、前記圧縮空気を選択的に外部へ
逃がす弁と、車両が急減速状態にあることを判定する急
減速判定手段と、前記水供給手段の水量を検出する水量
検出手段と、車両が急減速状態にあることが判定され、
かつ、検出した水量が予め設定した値以下のときには、
前記弁から圧縮空気を外部へ逃がす。

【００１１】また、第２の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記急減速判定手段は、前記燃料電池へ流入する
空気流量を検出する流量検出手段と、燃料電池が要求す
る要求空気流量を検出する要求空気流量検出手段とを備
え、燃料電池へ流入する空気流量が要求空気流量より
も、予め設定した値以上多いときに急減速状態であるこ
とを判定する。

【００１２】また、第３の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記急減速判定手段は、車速を検出する車速検出
手段と、アクセルペダルの踏み込み状態を検出するアク
セル開度検出手段とを備え、車速が予め設定した値を超
えているときに、アクセルペダルの解放を検出したとき
に急減速状態であることを判定する。

【００１３】また、第４の発明は、前記第２の発明にお
いて、前記加湿手段の上流、かつ、前記弁の下流に熱交
換器を設けるとともに、前記流量検出手段を熱交換器の
下流に配設する。

【００１４】また、第５の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記弁は、選択的に圧縮空気を外部へ逃がすパー
ジ弁で構成される。

【００１５】また、第６の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記弁は、圧縮空気を外部へ逃がすか、加湿手段
側へ供給するかを選択的に切り換える三方弁で構成され
る。

【００１６】

【発明の効果】したがって、第１の発明は、車両の急減
速時では、水タンク内の水量が予め設定した値以下のと
きには、加圧手段の下流かつ加湿手段の上流に配置され
た弁から圧縮空気を外部へ逃がすことにより、燃料電池
システムの貯蔵水量が少ないときにおいて急減速を行っ
ても、燃料電池が要求する以上の空気が加湿器を通過す
ることを防止でき、余分な水が車外に排出されることが
なくなって、燃料電池システムの水の枯渇を防止でき
る。

【００１７】また、第２の発明は、車両の急減速時に
は、燃料電池システムが燃料電池に要求する電力（発電
量）は非常に少ないために、燃料電池へ流入する空気流
量は、要求空気流量に対して大きくなる。そこで、燃料
電池へ流入する空気流量が要求空気流量よりも、予め設
定した値以上多いときに急減速状態であることを判定す
ることができ、ひとつの流量検出手段によって車両が急
減速状態であることを正確に判定することができる。

【００１８】また、第３の発明は、車速を検出する車速
検出手段と、アクセルペダルの踏み込み状態を検出する
アクセル開度検出手段の２つの検出手段から、車速が予
め設定した値を超えているときに、アクセルペダルの解
放を検出すると、車両が急減速状態であることを判定す
ることができる。

【００１９】また、第４の発明は、加圧手段の上流、か
つ、前記弁の下流に熱交換器を設けるとともに、流量検
出手段を熱交換器の下流に配設することで、流量検出手
段は加圧手段の吐出温度および蒸気の影響を受け難い条
件で流量の測定精度を向上でき、さらに、流量検出手段
を選択的に加圧空気を逃がす弁の下流に配置することに
よって、急減速制御中に弁から外部へ加圧空気を逃がし
ていても、燃料電池へ流入する空気流量を正確に測定で
き、この測定値に基づいて弁の開弁量などを制御するこ
とで、急減速中に燃料電池システムが必要とする発電量
を正確に確保することができる。

【００２０】また、第５の発明は、選択的に圧縮空気を
外部へ逃がす弁をパージ弁で構成することで、急減速時
で、かつ水量が所定値以下のときには、加圧手段からの
圧縮空気を外部へ逃がすことで、燃料電池へ流入する空
気流量を低減できる。

【００２１】また、第６の発明は、前記弁を、圧縮空気
を外部へ逃がすか、加湿手段側へ供給するかを選択的に
切り換える三方弁で構成することで、急減速時で、かつ
水量が所定値以下のときには、加圧手段からの圧縮空気
の全量を外部へ逃がすことで、燃料電池へ流入する空気
流量を遮断できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００２３】図１は車両用の燃料電池システムのうち空
気系の概略を示し、燃料電池スタック２６へ空気を圧送
する流路３３の最も上流には、モータ２２に駆動される
圧縮機２３（加圧手段）が配設される。

【００２４】圧縮機２３下流の流路３３には上流から流
量計２１、熱交換器２４、加湿器２５（加湿手段）、燃
料電池スタック２６、コンデンサ２７、圧力制御弁３０
が順次設けられ、また燃料電池スタック２６の上流には
圧力センサ２９が設けられている。

【００２５】圧縮機２３の下流、かつ熱交換器２４の上
流の流路３３からは、パージ通路３５が分岐しており、
パージ通路３５の途中にはパージ弁３６が設けられてい
る。

【００２６】また、コンデンサ２７（回収手段）で凝縮
された水は、水配管３２を介して水タンク２８へ流入
し、さらに、水タンク２８に蓄えられた水は、水ポンプ
３４から加湿器２５へ送られて、再び水蒸気となって循
環し、燃料電池スタック２６へ供給される。

【００２７】また、水タンク２８には水位センサ３１が
設けられて、コンデンサ２７等から回収された水量を検
出して、燃料電池システム内の水資源を管理する。

【００２８】圧縮機２３は、モータ２２及びインバータ
２０を介して燃料電池スタック２６からの電力によって
駆動される。

【００２９】ここで、マイクロコンピュータなどを主体
に構成されるコントロールユニット３７には、圧縮機２
３と熱交換器２４の間で、かつ、パージ通路３５との分
岐位置よりも下流に介装された流量計２１が検出した流
路３３の空気流量Ｑｓ、水タンク２８に配設された水位
センサ３１が検出した水位（水量）、燃料電池スタック
２６の上流に配設された圧力センサ２９からの圧力が入
力される。

【００３０】コントロールユニット３７は、これら各検
出値に基づいて圧力制御弁３０、パージ弁３６、モータ
２２の駆動制御を行い、さらに、各検出値から車両が急
減速状態であることが判定されると、インバータ２０に
モータ２２の駆動を停止するよう指令するとともに、パ
ージ弁３６を開弁して、圧縮機２３からの加圧空気を外
部へ逃がすように指令する。

【００３１】この急減速時の制御の一例について、図２
のフローチャートを参照しながら詳述する。

【００３２】まず、ステップＳ１では、定常運転時の処
理としてパージ弁３６を閉弁して、圧縮機２３からの加
圧空気を熱交換器２４側へ供給する。

【００３３】次に、ステップＳ２では、燃料電池システ
ムが必要な燃料電池スタック２６の発電量に基づいて、
燃料電池スタック２６に要求される空気流量Ｑｒを読み
込む。

【００３４】そして、ステップＳ３では、流量計２１で
測定した空気流路３３内の流量Ｑｓを読み込む。

【００３５】ステップＳ４では、上記要求空気流量Ｑｒ
と実測値Ｑｓの比較を行い、実測値Ｑｓの方が要求値Ｑ
ｒよりも、予め設定した値よりも大きければ急減速状態
であると判断し、そうでなければ急減速以外の状態（例
えば、定常状態）と判断する。

【００３６】このステップＳ４で、急減速状態であると
判断されると、ステップＳ５に進んで、水タンク２８の
水位が設定値以下であるかを判定し、検出した水位が設
定値以下の場合には、燃料電池システムの水が不足して
いると判断し、パージ弁３６を開弁し、圧縮機２３から
の加圧空気を外部へ逃がす。

【００３７】そして、再び上記ステップＳ２の処理へ戻
る。

【００３８】なお、上記ステップＳ４、Ｓ５で急減速状
態であるかまたは水位が設定値を超える場合には、ステ
ップＳ１の処理へ戻る。

【００３９】したがって、車両の急減速時には、圧縮機
２３を駆動するモータ２２への電力供給は停止される
が、モータ２２および圧縮機２３は瞬時に停止すること
はできず、ロータ等のイナーシャのために圧縮機２３お
よびモータ２２は徐々に減速することになる。

【００４０】このとき、燃料電池システムが、燃料電池
スタック２６に要求する電力（発電量）は非常に少ない
ために、要求空気流量Ｑｒは流量計で測定する流量Ｑｓ
よりも非常に少なくなる。

【００４１】そこで、ＱｓとＱｒの差が予め設定した値
以上大きければ急減速状態であると判断する。

【００４２】また、水タンク２８の水量（水位）が、し
きい値（設定値）以下であれは、燃料電池システムが水
不足と判断してパージ弁３６を開弁することで、圧縮空
気のうち不要分をパージ通路３５を介して車外へ放出す
ることにより、不要な圧縮空気が加湿器２５を通ること
を防止し、加湿器２５から余分な水が奪われるのを確実
に防止できるのである。

【００４３】ここで、要求空気流量Ｑｒと実測空気流量
Ｑｓの差が小さければ、急減速ではない運転状態であ
り、モータ２２の回転数制御等で実測空気流量Ｑｓを要
求空気流量Ｑｒに合わせることができるので、急減速状
態であるとを判断するしきい値を設けている。

【００４４】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、車両の急減速時に、燃料電池スタック２６が要求す
る空気流量Ｑｒに対し、燃料電池スタック２６に流入す
る空気流量Ｑｓが、予め設定された値以上多く、水タン
ク内の水位が一定値以下のときには、パージ弁３６を開
き、空気流路内の空気をパージ通路３５から大気開放す
ることにより、燃料電池システムの貯蔵水量が少ない時
において急減速を行っても、圧縮機２３およびモータ２
２のイナーシャによる燃料電池スタック２６の要求以上
の空気が加湿器を通過することを防止し、余分な水が車
外に排出されることがなくなって、燃料電池システムの
水の枯渇が防止できる。

【００４５】また、流量計２１をパージ通路３５との分
岐点よりも下流に配置することによって、急減速制御中
でも、燃料電池スタック２６の要求する空気流量を正確
に送ることができ、急減速中に必要とする発電量を確保
することができる。

【００４６】図３は第２の実施形態を示し、前記第１実
施形態の流量計２１を、熱交換器２４の下流かつ加湿器
２５の上流に設けたもので、その他の構成は前記第１実
施形態と同様である。

【００４７】流量計２１を熱交換器２４と加湿器２５の
間に設けることにより、圧縮機２３の吐出温度および蒸
気の影響を受け難い条件で流量の測定精度を向上でき、
さらに、流量計２１をパージ通路３５との分岐点よりも
下流に配置することによって、急減速制御中でも、燃料
電池スタック２６へ流入する空気流量を正確に測定する
ことができ、この測定値に基づいてパージ弁３６の開弁
量などを制御することで、急減速中に燃料電池システム
が必要とする発電量を正確に確保することができる。

【００４８】図４は、第３の実施形態を示し、前記第１
実施形態のセンサに、車速センサ７８と全閉スイッチ７
７（またはアイドルスイッチ）を加えるとともに、パー
ジ弁３６を三方弁４６に置き換え、さらに、流量計２１
を圧縮機２３の上流に配設したもので、その他の構成は
前記第１実施形態と同様である。

【００４９】まず、車速センサ７８は、車両の速度ＶＳ
Ｐを検出し、また、全閉スイッチ７７は、アクセルペダ
ルが解放されるとＯＮになるもので、車速ＶＳＰが予め
設定したしきい値以上のときに、全閉スイッチ７７がＯ
Ｎになると、車両が急減速状態であることを判定する。

【００５０】また、三方弁４６は、コントロールユニッ
ト３７の指令に応じて、圧縮機２３からの加圧空気を熱
交換器２４またはパージ通路３５のいずれか一方へ切り
換えるものである。

【００５１】次に、コントロールユニット３７で行われ
る制御の一例について、図５のフローチャートを参照し
ながら詳述する。

【００５２】まず、ステップＳ１１では、定常運転時の
処理として三方弁４６を圧縮機２３から熱交換器２４が
連通するように切り換える。

【００５３】次に、ステップＳ１２では、車速ＶＳＰを
読み込むとともに、ステップＳ１３では、全閉スイッチ
７７の状態を読み込む。

【００５４】そして、ステップＳ１４では、検出した車
速ＶＳＰが予め設定したしきい値以上であるかを判定し
て、このしきい値以上であればステップＳ１５へ進む一
方、しきい値未満のときには、ステップＳ１１の処理へ
戻る。

【００５５】ステップＳ１５では、全閉スイッチ７７が
ＯＮとなって、アクセルペダルが解放された状態である
か否かを判定し、全閉スイッチ７７がＯＮであれば、急
減速が発生したと判定してステップＳ１６へ進む一方、
そうでない場合には、ステップＳ１１の処理へ戻る。

【００５６】そして、ステップＳ１６では、圧縮機２３
とパージ通路３５が連通するように三方弁４６を切り換
えて、不要な空気が熱交換器２４以降へ流れるのを防止
した後、ステップＳ１３の処理へ戻る。なお、車速ＶＳ
Ｐがしきい値未満またはアクセルペダルが踏み込まれて
いるときには、急減速以外の状態（例えば、定常状態）
と判断してステップＳ１１の処理へ戻る。

【００５７】この場合では、急減速状態であることの判
定を、車速ＶＳＰとアクセルペダルの解放状態に基づい
て行うようにしたため、流量計２１を急減速の判定及び
制御に用いる必要がなくなって圧縮機２３の上流に配置
でき、加圧前（温度上昇前）の空気流量を図ることで、
通常の運転制御に使用する空気流量の検出精度を向上さ
せることができる。

【００５８】なお、この場合、急減速制御中では、熱交
換器２４、加湿器２５側へ空気が遮断されるため、燃料
電池スタック２６では発電を行わない。

【００５９】また、図５のフローチャートでは、水位の
判定を省略したが、図示はしないが、前記第１実施形態
と同様に、急減速状態であることが判定され、かつ、水
位が設定した値以下のときに、三方弁４６を切り換え
て、加圧空気をパージ通路３５へ解放してもよい。

【００６０】また、前記第１または第２実施形態におい
て、急減速状態であることの判定を車速ＶＳＰとアクセ
ルペダルの踏み込み量に基づいて行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す車両用燃料電池シス
テムの概略構成図。

【図２】コントロールユニットで行われる急減速制御の
一例を示すフローチャート。

【図３】第２の実施形態を示す車両用燃料電池システム
の概略構成図。

【図４】第３の実施形態を示す車両用燃料電池システム
の概略構成図。

【図５】コントロールユニットで行われる急減速制御の
一例を示すフローチャート。

【符号の説明】

２１ 流量計 ２３ 圧縮機 ２４ 熱交換器 ２５ 加湿器 ２６ 燃料電池スタック ２７ コンデンサ ２８ 水タンク ３４ 水ポンプ ３５ パージ通路 ３６ パージ弁 ３７ コントロールユニット ４６ 三方弁

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を圧縮する加圧手段と、 この圧縮空気を加湿して燃料電池へ供給する加湿手段
   と、 前記燃料電池の排気から水を回収する回収手段と、 この回収した水を蓄えるとともに、前記加湿手段へ供給
   する水供給手段とを備える車両用燃料電池システムにお
   いて、 前記加圧手段の下流かつ加湿手段の上流に配置されて、
   前記圧縮空気を選択的に外部へ逃がす弁と、 車両が急減速状態にあることを判定する急減速判定手段
   と、 前記水供給手段の水量を検出する水量検出手段と、 車両が急減速にあることが判定され、かつ、検出した水
   量が予め設定した値以下のときには、前記弁から圧縮空
   気を外部へ逃がすことを特徴とする車両用燃料電池シス
   テム。
2. 【請求項２】 前記急減速判定手段は、前記燃料電池へ
   流入する空気流量を検出する流量検出手段と、燃料電池
   が要求する要求空気流量を検出する要求空気流量検出手
   段とを備え、燃料電池へ流入する空気流量が要求空気流
   量よりも、予め設定した値以上多いときに急減速状態に
   あることを判定することを特徴とする請求項１に記載の
   車両用燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記急減速判定手段は、車速を検出する
   車速検出手段と、アクセルペダルの踏み込み状態を検出
   するアクセル開度検出手段とを備え、車速が予め設定し
   た値を超えているときに、アクセルペダルの解放を検出
   したときに急減速状態であることを判定することを特徴
   とする請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記加湿手段の上流、かつ、前記弁の下
   流に熱交換器を設けるとともに、前記流量検出手段を熱
   交換器の下流に配設したことを特徴とする請求項２に記
   載の車両用燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記弁は、選択的に圧縮空気を外部へ逃
   がすパージ弁で構成されたことを特徴とする請求項１に
   記載の車両用燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記弁は、圧縮空気を外部へ逃がすか、
   加湿手段側へ供給するかを選択的に切り換える三方弁で
   構成されたことを特徴とする請求項１に記載の車両用燃
   料電池システム。