JP2002280047A

JP2002280047A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002280047A
Application number: JP2001078451A
Authority: JP
Inventors: Norio Kubo; 則夫久保; Munetoshi Ueno; 宗利上野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】効率を低下させることなく燃料電池へ供給し
た水を回収できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０１に空気圧縮器１０３を介し
て空気を加圧供給する装置と、水タンク１１０に貯溜し
た水を加圧空気中に供給する装置と、燃料電池の排ガス
中の水分を凝縮させて前記水タンクに回収する凝縮器１
１２と、前記凝縮器を冷却する装置とを備えた燃料電池
システムにおいて、燃料電池の要求出力に応じて、水タ
ンク内の水量変化量が基準範囲内に収まり、かつ前記空
気供給装置と冷却装置の消費エネルギ量の和が小となる
ように各々の制御目標値を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に供給す
る水量と燃料電池排ガスから回収する水量とを制御可能
な、移動体への適用に適した燃料電池システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】燃料電池自動車などの
移動体に適用する燃料電池システムでは、たとえば特開
１９９８−９２４５５号公報にて提案されているよう
に、冷媒温度制御等により燃料電池スタック等に供給す
る水量と燃料電池排ガスから回収する水量の収支バラン
スを確保する必要がある。

【０００３】これに対して、特開２０００−２０８１６
０号公報には、水タンクの貯水量を検出するセンサを備
え、センサにより検出された貯水量が所定値以下になっ
たとき、凝縮器へ送られる空気ガス圧力を上げることに
より、凝縮器での回収水量を増加させ、水タンクの貯水
量を回復させるようにしたものが開示されている。

【０００４】しかしながら、この装置では水タンクの貯
水量が低下した場合に、空気圧力を上げることにより飽
和水蒸気量を下げ、供給水量に対する凝縮器での回収率
を改善しようとするものであるので、空気圧力を上げる
と空気圧縮器の消費電力が増大し、燃料電池のシステム
効率が低下してしまう。また、空気圧力を上げると空気
温度も上がるので、燃料電池が許容温度を超えないよう
にアフタークーラなどによる空気冷却が必要となる。こ
の場合、アフタークーラへの冷媒供給や冷媒冷却のため
のエネルギ消費が発生するため、燃料電池のシステム効
率がさらに低下してしまう。

【０００５】本発明は、このような従来技術の問題点に
着目してなされたものであり、空気圧力のみでなく、凝
縮器冷媒温度をも考慮した制御を行うことにより、燃料
電池へ供給した水を効率的に回収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している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料電池
に燃料ガスを供給する燃料供給装置と、燃料電池に空気
圧縮器を介して空気を加圧供給する空気供給装置と、水
タンクに貯溜した水を前記燃料ガスまたは加圧空気中に
供給する水供給装置と、燃料電池の排ガス中の水分を凝
縮させて前記水タンクに回収する凝縮器と、前記凝縮器
を冷却する冷却装置とを備えた燃料電池システムを構成
する。

【０００７】また、前記燃料電池の要求出力を検出する
出力検出装置と、前記冷却装置の放熱量に相関を持つ放
熱量相関量を検出する放熱量検出装置と、前記水タンク
の水量変化を検出する水量検出装置と、前記燃料電池要
求出力と放熱量相関量と水量変化量とに基づいて前記空
気供給装置と冷却装置を制御する制御装置とを備える。

【０００８】さらに、前記制御装置は、燃料電池要求出
力に応じて、水タンク内の水量変化量が基準範囲内に収
まり、かつ前記空気供給装置と冷却装置の消費エネルギ
量の和が小となるように各々の制御目標値を決定するよ
うに構成する。

【０００９】第２の発明は、前記第１の発明の制御装置
を、燃料電池要求出力に対して、所要の空気圧力を得る
ために必要となる空気供給装置の消費エネルギ量を演算
する手段と、前記放熱量相関量に応じて所要の冷媒温度
を得るために必要となる冷却装置の消費エネルギ量を演
算する手段と、水タンクの水量変化量が基準範囲内に収
まる空気圧力と冷媒温度の選択範囲を演算する手段と、
前記した空気圧力と冷媒温度の選択範囲内において、空
気供給装置と冷却装置の消費エネルギ量の和が小となる
ように空気供給装置と冷却装置の出力の制御目標値を決
定する手段とを備えたものとする。

【００１０】第３の発明は、前記各発明の冷却装置を、
前記凝縮器との間で冷媒循環ポンプを介して冷媒が循環
するラジエータと、ラジエータに強制冷却風を供給する
ラジエータファンとを備えた構成とする。

【００１１】第４の発明は、前記第３の発明の制御装置
を、水タンクの水量変化量が基準範囲内に収まる空気圧
力とラジエータファン出力の組み合わせの中から、空気
供給装置とラジーエタファンの消費電力の合計が最小と
なる組み合わせを任意の燃料電池要求出力について付与
するテーブルを備え、このテーブルを検索して空気圧力
とラジエータファンの制御目標値を決定するように構成
したものとする。

【００１２】第５の発明は、前記第３の発明の制御装置
を、水タンクの水量変化量が基準範囲内に収まる空気圧
力と冷媒ポンプ出力の組み合わせの中から、空気供給装
置と冷媒ポンプの消費電力の合計が最小となる組み合わ
せを任意の燃料電池要求出力について付与するテーブル
を備え、このテーブルを検索して空気圧力と冷媒循環ポ
ンプの制御目標値を決定するように構成したものとす
る。

【００１３】第６の発明は、前記第１または第２の発明
の制御装置を、水タンクの貯水量もしくは貯水量の増加
率が基準値以上になったとき、燃料電池要求出力を確保
しうる範囲で凝縮器へ供給する空気圧力を最小値付近に
制御するとともに、冷却装置の作動を抑制するように構
成したものとする。

【００１４】第７の発明は、前記第１または第２の発明
において、燃料電池システムの電力出力端に電圧変換装
置を介して並列に接続する２次電池を備えると共に、水
タンクの貯水量が下限値以下となりまたは貯水量の減少
率が基準値以上になったとき、回収水量の変化速度から
供給水量の変化速度を減じた値が基準値以上になり、か
つ燃料電池システム効率が所定値以上となる出力条件で
燃料電池システムを運転し、その間における要求電力と
燃料電池出力との差分は、２次電池からの充放電で補償
するように制御装置を構成したものとする。

【００１５】第８の発明は、前記第３の発明の放熱量検
出装置を、放熱量相関量として車両の走行速度またはラ
ジエータに導入される冷却風温度の少なくともいずれか
一方を検出するように構成したものとする。

【００１６】第９の発明は、前記第１または第２の発明
の水量検出装置を、水タンクからの供給水量と凝縮器か
らの回収水量の各々の変化速度を検出するように構成す
ると共に、前記各変化速度の差が基準範囲内に収まるよ
うに空気供給装置および冷却装置を制御するように制御
装置を構成したものとする。

【００１７】

【作用・効果】前記第１の発明以下の各発明によれば、
凝縮器を冷却する冷却装置の放熱量に相関する量、例え
ば第８の発明のようにラジエータを通過する冷却風の温
度あるいは車両に適用した場合の走行速度に基づき、空
気供給装置による空気供給圧力と冷却装置の冷媒温度と
を制御する。この制御では、燃料電池システムへの供給
水量の変化量が所定範囲内に収まり、かつ前記空気供給
装置と冷却装置を駆動するための消費エネルギができる
だけ小さくなるように制御目標を定めるようにしてい
る。これにより、燃料電池システムで使用する水の収支
バランスをとりつつ高いシステム効率を確保することが
できる。特に、冷却装置の雰囲気温度が低くなる低外気
温時や、車両の走行風のみで充分な放熱量が得られる運
転条件下ではシステム効率の向上効果が高い。

【００１８】第２の発明として示したように、各演算手
段を設けて空気供給装置および冷却装置の制御目標値を
決定する構成とすることにより、各々の消費エネルギな
いし消費電力を最小とすることができる。この場合、第
３〜第５の発明として示したように、冷却装置として冷
媒循環ポンプにより凝縮器とラジエータの間に冷却水等
の冷媒を循環させ、ラジエータに冷却風を供給するラジ
エータファンを設けた構成においては、空気圧力とラジ
エータファンまたは冷媒循環ポンプの出力との組み合わ
せの中から消費電力が最小となるような組み合わせを任
意の燃料電池要求出力について付与するテーブルを実験
等によりあらかじめ設定しておき、このテーブルを検索
して各々の制御目標値を決定する構成とすることによ
り、空気供給装置および冷却装置の消費電力を最小とす
る制御をより容易に行うことができる。

【００１９】第６の発明によれば、水タンクの貯水量が
過度に増大しそうになったときには冷却装置の作動を抑
制し、例えばラジエータファンや冷媒循環ポンプの回転
数を低下させたり一時的に停止させたりするようにした
ことから、燃料電池システムの正味効率を向上させられ
ると共にタンクに回収した水のオーバフローを防止する
ことができる。

【００２０】第７の発明によれば、水タンクの貯水量が
過度に減少しそうになったときには、水タンクの回収水
量の変化速度から供給水量の変化速度を減じた値が基準
値以上になり、かつ燃料電池システム効率が所定値以上
となる出力条件で燃料電池システムを運転し、その間に
おける要求電力と燃料電池出力との差分を２次電池から
の充放電で補償するようにしたので、燃料電池システム
の効率低下を最小限に抑えながら、水タンク貯水量を回
復させることができる。

【００２１】前記制御の検出量である冷却装置の放熱量
は、これに相関する量として、第８の発明として示した
ように車両の走行速度またはラジエータに導入される冷
却風温度の少なくともいずれか一方を検出することによ
り求めることができる。また、第９の発明として示した
ように、水量検出は、水タンクからの供給水量と凝縮器
からの回収水量の各々の変化速度を検出して行う構成と
することにより、水タンクの水位のみを検出する場合に
比較して、水量変化を予測してより応答よくかつ正確に
制御を行うことができる。

【００２２】

【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。図１において、燃料電池１０１へは、
改質装置１０２で改質された水素を含有する燃料ガスが
燃料極に供給されるとともに、空気圧縮器１０３、空気
冷却器１０４、加湿器１０５を介して所定の圧力、温
度、露点に調整された空気が空気極に供給される。前記
燃料ガスおよび空気の供給をうけて発生した燃料電池１
０１の電力は、その出力端に設けられた電圧変換装置１
０６を介して並列接続された２次電池１０７から図示し
ない走行用電動機等の強電系の電気負荷１０８ａへ、ま
たは電圧変換装置１０９により電圧降下したうえで電装
品等の弱電系の電気負荷１０８ｂへと供給される。

【００２３】燃料改質や空気加湿のために必要となる水
は、水タンク１１０から水ポンプ１１１を介して改質装
置１０２および加湿器１０５へと供給される。

【００２４】燃料電池１０１からの排空気は凝縮器１１
２へ導かれ、ラジエータ１１３およびラジエータファン
１１４で冷却され、冷媒循環ポンプ１１５で凝縮器へ送
りこまれた不凍液等ならなる液状冷媒と熱交換し、凝縮
した水は水タンク１１０へ回収される。冷媒は凝縮器下
流にある空気冷却器１０４の冷却機能も兼ねる。

【００２５】制御装置１１６は、マイクロコンピュータ
およびその周辺装置からなり、水タンク水量センサ１１
７、ラジエータ冷却風温度センサ１１８、凝縮器冷媒温
度センサ１１９からの検出信号に基づき、空気圧縮器１
０３の回転数（または図示しない空気圧力調整弁の開
度）とラジエータファン１１４の回転数の指令値を出力
する。なお、１２０は凝縮器１１２から改質装置１０２
へと戻す排空気の圧力を調整するための圧力調整弁であ
る。

【００２６】次に、前記制御装置１１６の制御動作につ
き、図２に示した流れ図に沿って説明する。図２は制御
装置１１６内のマイクロコンピュータにより周期的に実
行される処理の内容を表している。以下、そのステップ
を順を追って説明する。なお、以下の説明において「演
算」とはマイクロコンピュータ内部での演算を意味して
おり、あらかじめ設定された演算式に基づいた計算処理
のみならず、所要のパラメータから目的とする量を付与
するように記憶装置上に設定されたマップもしくはテー
ブルを検索する処理も含む。ステップ１：電気負荷からの要求に応じ燃料電池１０１
の出力を決定するステップ２：燃料電池１０１から前記要求出力に対応す
る出力をとりだすために必要となる空気圧力および流量
の最低値を演算する。ステップ３：燃料電池１０１から前記要求出力をとりだ
しながら水タンク１１０の供給水量の変化速度と回収水
量の変化速度の差を所定範囲内に収めるために必要とな
る凝縮器１１２へ導かれる空気圧力と冷媒温度の選択可
能範囲（有限点数）を演算する（図３参照）。ステップ４：ステップ２で求めた空気圧力の最低値から
増加させる場合における空気圧縮器１０３の消費電力を
演算する（図４参照）。ステップ５：ラジエータ冷却風温度センサ１１８からラ
ジエータ冷却風温度信号を読みこむステップ６：燃料電池出力とラジエータ冷却風温度か
ら、凝縮器１１２へ導かれる冷媒温度を変えた場合のラ
ジエータファン１１４の消費電力を演算する（図５参
照）。ステップ７：ステップ３で求めた空気圧力と冷媒温度の
選択可能範囲内での空気圧縮器１０３の消費電力（ステ
ップ４）とラジエータファン１１４の消費電力（ステッ
プ６）の和を演算し、この和が最小になる空気圧力と冷
媒温度を演算する（図６参照）。ステップ８：空気圧縮器１０３ないし空気圧力調整弁１
２０を、ステップ７で決定した空気圧力を目標値として
制御する。ステップ９：ラジエータファン１１４を、ステップ７で
決定した冷媒温度を目標値として制御する。ステップ１０：水タンク水量センサ１１７から水タンク
水量信号を読みこみ、水量があらかじめ設定された所定
範囲内にあるかどうかを判断する。ステップ１１：冷媒温度センサ１１９から冷媒温度信号
を読み込み、冷媒温度の制御偏差が所定範囲内にあるか
どうかを判断する。前記の水位（ステップ１０）、冷媒
温度（ステップ１１）とも所定範囲内にあるあいだは、
処理の先頭に戻り前記ステップ１〜１１を繰り返す。一
方、水位、冷媒温度のいずれか一方でも所定範囲を外れ
た場合は、これを補償する方向の補正を水収支成立範囲
演算（検索）に施したうえで前記ステップ１〜１１の処
理を繰り返す。

【００２７】この実施形態では、ラジエータ冷却風温度
の検出値にもとづき、システムヘの供給水量の変化速度
と回収水量の変化速度の差が所定範囲内に収まり、かつ
空気圧縮器と冷媒循環ポンプの消費電力の和が最小とな
るように空気圧力および冷媒温度を制御することで、空
気圧力もしくは冷媒温度のいずれか一方で供給水量の変
化速度と回収水量の変化速度を制御していた従来制御に
対して、システム効率をより向上させることが可能とな
る。

【００２８】次に、本発明の第２の実施形態につき図７
に基づいて説明する。この実施形態は、ラジエータ１１
３の放熱量相関量として、冷却風温度に代えて車両の走
行速度を検出する車速センサ１２１を備えた点で前記第
１の実施形態と異なる。図８はこの実施形態の制御装置
１１６による制御動作であり、図２と同様に周期的に実
行される処理の内容を表しており、図２とはステップ５
〜６の処理内容が相違する。ステップ１：電気負荷からの要求に応じ燃料電池１０１
の出力を決定する。ステップ２：燃料電池１０１から前記要求出力に対応す
る出力をとりだすために必要となる、空気圧力および流
量の最低値を演算する。ステップ３：燃料電池１０１から前記出力をとりだしな
がら供給水量の変化速度と回収水量の変化速度の差を所
定範囲内に収めるために必要となる、凝縮器１１２へ導
かれる空気圧力と冷媒温度の選択可能範囲を演算する
（図３参照）。ステップ４：ステップ２で求めた空気圧力の最低値を増
加させる場合における空気圧縮器１０３の消費電力を演
算する（図４参照）。ステップ５：車速センサ１２１から車速信号を読みこ
む。ステップ６：燃料電池出力と車速から、凝縮器１１２へ
導かれる冷媒温度を変えた場合のラジエータファン１１
４の消費電力を演算する（図９参照）。ステップ７：ステップ３で求めた空気圧力と冷媒温度の
選択可能範囲内での空気圧縮器１０３の消費電力（ステ
ップ４）とラジエータファン１１４の消費電力（ステッ
プ６）の和を演算し、この和が最小になる空気圧力と冷
媒温度を決定する（図１０参照）。ステップ８：空気圧縮器１０３および空気圧力調整弁１
２０を、ステップ７で求めた空気圧力を目標値として制
御する。ステップ９：ラジエータファン１１４を、ステップ７で
求めた冷媒温度を目標値として制御する。ステップ１０：水タンク水量センサ１１７から水タンク
水量信号を読みこみ、水量があらかじめ設定された所定
範囲内にあるかどうかを判断する。ステップ１１：冷媒温度センサ１１９から冷媒温度信号
を読み込み、冷媒温度の制御偏差が所定範囲内にあるか
どうかを判断する。水位、冷媒温度とも所定範囲内にあ
る場合は、処理の先頭に戻り、前記ステップ１〜１１を
繰り返す。一方、水位、冷媒温度のいずれか一方でも所
定範囲を外れた場合は、これを補償する方向の補正を水
収支成立範囲演算（検索）に施したうえで前記ステップ
１〜１１の処理を繰り返す。

【００２９】この実施形態では、車両速度の検出値にも
とづき、システムヘの供給水量の変化速度と回収水量の
変化速度の差が所定範囲内に収まり、かつ空気圧縮器と
冷媒循環ポンプの消費電力の和が最小となるように空気
圧力および冷媒温度を制御することで、空気圧力もしく
は冷媒温度のいずれか一方で供給水量の変化速度と回収
水量の変化速度の差を制御していた従来制御に対して、
システム効率をより向上させることが可能となる。

【００３０】図１１に本発明の第３の実施形態を示す。
この実施形態は、ラジエータ１１３の放熱量相関量とし
て、冷却風温度と車速の両方を検出するようにした点で
前記各実施形態と異なる。図１２はこの実施形態の制御
装置１１６による制御動作であり、図２または図８と同
様に周期的に実行される処理の内容を表しており、図２
または図８とはステップ５〜６の処理内容が相違する。ステップ１：電気負荷からの要求に応じ燃料電池１０１
の出力を決定する。ステップ２：燃料電池１０１から前記要求出力に対応す
る出力をとりだすために必要となる、空気圧力および流
量の最低値を演算する。ステップ３：燃料電池１０１から前記出力をとりだしな
がら供給水量の変化速度と回収水量の変化速度の差を所
定範囲内に収めるために必要となる、凝縮器１１２へ導
かれる空気圧力と冷媒温度の選択可能範囲を演算する
（図３参照）。ステップ４：ステップ２で求めた空気圧力を最低値から
増加させる場合における空気圧縮器１０３の消費電力を
演算する（図４参照）。ステップ５：ラジエタ冷却風温度センサ１１８から冷却
風温度を、車速センサ１２１から車速信号をそれぞれ読
みこむ。ステップ６：燃料電池出力と冷却風温度および車速との
関係から、凝縮器１１２へ導かれる冷媒温度を変えた場
合のラジエータファン１１４の消費電力を演算する。ステップ７：ステップ３で求めた空気圧力と冷媒温度の
選択可能範囲内での空気圧縮器１０３の消費電力（ステ
ップ４）とラジエータファン１１４の消費電力（ステッ
プ６）の和を演算し、この和が最小になる空気圧力と冷
媒温度を決定する。ステップ８：空気圧縮器１０３および空気圧力調整弁１
２０を、ステップ７で求めた空気圧力を目標値として制
御する。ステップ９：ラジエータファン１１４を、ステップ７で
求めた冷媒温度を目標値として制御する。ステップ１０：水タンク水量センサ１１７から水タンク
水量信号を読みこみ、水量があらかじめ設定された所定
範囲内にあるかどうかを判断する。ステップ１１：冷媒温度センサ１１９から冷媒温度信号
を読み込み、冷媒温度の制御偏差が所定範囲内にあるか
どうかを判断する。水位、冷媒温度とも所定範囲内にあ
る場合は、処理の先頭に戻り、前記ステップ１〜１１を
繰り返す。一方、水位、冷媒温度のいずれか一方でも所
定範囲を外れた場合は、これを補償する方向の補正を水
収支成立範囲演算（検索）に施したうえで前記ステップ
１〜１１の処理を繰り返す。

【００３１】この実施形態では、前述の通りラジエータ
冷却風温度と車速とにもとづき、システムヘの供給水量
と回収水量のバランスがとれ、かつ空気圧縮器と冷媒循
環ポンプの消費電力の和が最小となるように空気圧力お
よび冷媒温度を制御することで、従来技術はもちろん前
記第１または第２の実施形態と比較してもよりきめ細か
く省電力制御ができ、したがってさらなるシステム正味
効率向上が可能である。

【００３２】なお、前記の各実施形態においては、冷媒
温度をラジエータファン１１４の回転数に応じて制御し
ているが、これに代えて冷媒循環ポンプ１１５の回転数
または両方の回転数で制御するようにしてもよい。ま
た、各実施形態は、燃料電池出力とラジエータ冷却風温
度または車速の検出値にもとづき、前記ステップ３から
７の処理により空気圧縮器１０３、空気圧力調整弁１２
０、ラジエータファン１１４の制御量を決定するもので
あるが、燃料電池出力とラジエータ冷却風温度または車
速の検出値から直接的に空気圧縮器１０３、空気圧力調
整弁１２０、ラジエータファン１１４の各制御目標値が
得られるように、例えば実験的にあらかじめ設定してお
いたマップを検索して制御を行うようにすることもでき
る。

【００３３】図１３は本発明の第４の実施形態であり、
図１に示したシステム構成を前提として制御装置１１６
が実行する制御についての他の動作例を示している。ステップ１：水タンク水量センサ１１７から水タンク水
量信号を読みこむ。ステップ２：水タンク１１０の水量が正常範囲内にある
かを判定する。ステップ３：水タンク１１０の水量が正常範囲を下回る
場合には、水量変化量が基準値以上となるように制御す
る。ステップ４：水タンク１１０の水量が上限値を超えたな
ら、空気圧力を燃料電池出力が確保できる最小値に制御
するとともにラジエータファン１１４を停止させ、ある
いはその回転を低下させる。ステップ５：水タンク水量センサ１１７から水タンク水
量信号を読みこむ。ステップ６：水タンク１１０の水量判定は規定周期で繰
り返し、水量が正常範囲内に戻った場合は速やかに空気
圧力ならびにラジエータファンの制御量を通常値に復帰
させる。なお水量判定にはヒステリシスを設定してハン
チングを防止する。

【００３４】この実施形態では、水タンク１１０の水量
が制御誤差の蓄積などで所定の上限値をこえた場合、空
気圧力を燃料電池出力が確保できる最小値に制御すると
ともに、ラジエータファン１１４の作動を抑制すること
によりシステム消費電力を削減することが可能となる。

【００３５】なお、この実施形態においてはラジエータ
ファン１１４の代わりに冷媒循環ポンプ１１５の作動を
抑制するようにしてもよいし、水量検出値をパラメータ
としラジエータファン回転数または冷媒循環ポンプ回転
数を可変制御することにより、水量のフィードバック制
御機能をもたせることも可能である。さらに、この実施
形態は、水量が所定値を超えた場合のみでな<、所定の
下限値を下回った場合の処置に適用することも可能であ
る。

【００３６】図１４は本発明の第５の実施形態であり、
図１に示したシステム構成を前提として制御装置１１６
が実行する制御についてのさらに他の動作例を示してい
る。ステップ１：水タンク水量センサ１１７から水タンク水
量信号を読みこむ。ステップ２：水タンク１１０の水量が所定範囲内にある
かを判定する。ステップ３：水タンク１１０の水量が所定範囲を上まわ
る場合には水量変化量が基準値以下となるように制御す
る。ステップ４：水タンク１１０の水量が所定の下限値を下
まわったなら、燃料電池システムの貯水量がもっとも効
率的に回復できる出力条件で運転する（図１４参照）。ステップ５：要求電力と燃料電池出力との差分を２次電
池１０７の充放電で補償できるように、ＤＣ電圧変換装
置１０６の出力電圧を制御する。ステップ６：水タンク水量センサ１１７から水タンク水
量信号を読みこむ。ステップ７：水タンク１１０の水量判定は規定周期で繰
り返し、水量が正常範囲内に戻った場合は速やかに空気
圧力ならびにラジエータファンの制御量を通常値に復帰
させる。

【００３７】この実施形態では、水タンク１１０の水量
が下限値を下回った場合に空気圧力を上げることなどに
より貯水量の回復を図ろうとする従来制御に対して、２
次電池１０７のエネルギストレージ機能を活用すること
により、燃料電池システムの効率低下を最小限に抑えな
がら貯水量を回復でき、燃料電池システムの効率を向上
することができる。

【００３８】なお、前記各実施形態において、放熱量に
相関を持つ放熱量相関量として車両走行速度、ラジエー
タ冷却風温度を挙げたが、例えばラジエータの入口と出
口における冷媒温度差および冷媒流量を検出し、これら
の検出結果から放熱量そのものを算出し、該放熱量を用
いて同様に制御を行うことができることは明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による燃料電池システ
ムの構成図。

【図２】第１の実施形態に係る制御動作内容を表す流れ
図。

【図３】水収支バランスの成立範囲を空気圧力と冷媒温
度の関係から与えるマップの説明図。

【図４】空気圧力と空気圧縮器消費電力の関係を負荷に
応じて与えるマップの説明図。

【図５】凝縮器冷媒温度とラジエータファン消費電力の
関係を冷却風温度に応じて与えるマップの説明図。

【図６】空気圧縮器とラジエータファンの消費電力の合
計と空気圧力の関係を冷却風温度に応じて与えるマップ
の説明図。

【図７】本発明の第２の実施形態による燃料電池システ
ムの構成図。

【図８】第２の実施形態に係る制御動作内容を表す流れ
図。

【図９】凝縮器冷媒温度とラジエータファンの消費電力
の関係を車速に応じて与えるマップの説明図。

【図１０】空気圧縮器とラジエータファンの消費電力の
合計と空気圧力の関係を車速に応じて与えるマップの説
明図。

【図１１】本発明の第３の実施形態による燃料電池シス
テムの構成図。

【図１２】第３の実施形態に係る制御動作内容を表す流
れ図。

【図１３】図１の燃料電池システムに係る他の制御動作
内容を表す流れ図。

【図１４】図１の燃料電池システムに係るさらに他の制
御動作内容を表す流れ図。

【図１５】貯水量低下時における燃料電池運転出力範囲
の説明図。

【符号の説明】

１０１燃料電池１０２改質装置１０３空気圧縮器１０４空気冷却器１０５加湿器１０６ＤＣ電圧変換装置１０７２次電池１０８ａ電気負荷（強電）１０８ｂ電気負荷（弱電）１０９ＤＣ電圧変換装置１１０水タンク１１１水ポンプ１１２凝縮器１１３ラジエータ１１４ラジエータファン１１５冷媒循環ポンプ１１６制御装置１１７水量センサ１１８冷却風温度センサ１１９冷媒温度センサ１２０圧力調整弁１２１車速センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装
置と、燃料電池に空気圧縮器を介して空気を加圧供給する空気
供給装置と、水タンクに貯溜した水を前記燃料ガスまたは加圧空気中
に供給する水供給装置と、燃料電池の排ガス中の水分を凝縮させて前記水タンクに
回収する凝縮器と、前記凝縮器を冷却する冷却装置と、前記燃料電池の要求出力を検出する出力検出装置と、前記冷却装置の放熱量に相関を持つ放熱量相関量を検出
する放熱量検出装置と、前記水タンクの水量変化を検出する水量検出装置と、前記燃料電池要求出力と放熱量相関量と水量変化量とに
基づいて前記空気供給装置と冷却装置を制御する制御装
置とを備え、前記制御装置は、燃料電池要求出力に応じて、水タンク
内の水量変化量が基準範囲内に収まり、かつ前記空気供
給装置と冷却装置の消費エネルギ量の和が小となるよう
に各々の制御目標値を決定するように構成した燃料電池
システム。
【請求項２】前記制御装置は、燃料電池要求出力に対し
て、所要の空気圧力を得るために必要となる空気供給装
置の消費エネルギ量を演算する手段と、前記放熱量相関
量に応じて所要の冷媒温度を得るために必要となる冷却
装置の消費エネルギ量を演算する手段と、水タンクの水
量変化量が基準範囲内に収まる空気圧力と冷媒温度の選
択範囲を演算する手段と、前記した空気圧力と冷媒温度
の選択範囲内において、空気供給装置と冷却装置の消費
エネルギ量の和が小となるように空気供給装置と冷却装
置の出力の制御目標値を決定する手段とを備える請求項
１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記冷却装置は、前記凝縮器との間で冷媒
循環ポンプを介して冷媒が循環するラジエータと、ラジ
エータに強制冷却風を供給するラジエータファンとを備
える請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池
システム。
【請求項４】前記制御装置は、水タンクの水量変化量が
基準範囲内に収まる空気圧力とラジエータファン出力の
組み合わせの中から、空気供給装置とラジエータファン
の消費電力の合計が最小となる組み合わせを任意の燃料
電池要求出力について付与するテーブルを備え、このテ
ーブルを検索して空気圧力とラジエータファンの制御目
標値を決定するように構成した請求項３に記載の燃料電
池システム。
【請求項５】前記制御装置は、水タンクの水量変化量が
基準範囲内に収まる空気圧力と冷媒ポンプ出力の組み合
わせの中から、空気供給装置と冷媒ポンプの消費電力の
合計が最小となる組み合わせを任意の燃料電池要求出力
について付与するテーブルを備え、このテーブルを検索
して空気圧力と冷媒循環ポンプの制御目標値を決定する
ように構成した請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記制御装置は、水タンクの貯水量もしく
は貯水量の増加率が基準値以上になったとき、燃料電池
要求出力を確保しうる範囲内で凝縮器へ供給する空気圧
力を最小値付近に制御するとともに、冷却装置の作動を
抑制するように構成した請求項１または請求項２の何れ
かに記載の燃料電池システム。
【請求項７】請求項１または請求項２の何れかに記載の
燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの電力出
力端に電圧変換装置を介して並列に接続する２次電池を
備えると共に、水タンクの貯水量が下限値以下となりま
たは貯水量の減少率が基準値以上になったとき、回収水
量の変化速度から供給水量の変化速度を減じた値が基準
値以上になり、かつ燃料電池システム効率が所定値以上
となる出力条件で燃料電池システムを運転し、その間に
おける要求電力と燃料電池出力との差分は、２次電池か
らの充放電で補償するように制御装置を構成した燃料電
池システム。
【請求項８】前記放熱量検出装置を、放熱量相関量とし
て車両の走行速度またはラジエータに導入される冷却風
温度の少なくともいずれか一方を検出するように構成し
た請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池シ
ステム。
【請求項９】前記水量検出装置を、水タンクからの供給
水量と凝縮器からの回収水量の各々の変化速度を検出す
るように構成すると共に、前記各変化速度の差が基準範
囲内に収まるように空気供給装置および冷却装置を制御
するように制御装置を構成した請求項１または請求項２
の何れかに記載の燃料電池システム。