JP2009205978A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー消費を低減することができる車両用燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 電動車両１に搭載される車両用燃料電池システム２において、液体燃料を燃料とする燃料電池３と、燃料電池３に液体燃料を供給するために稼動する循環ポンプ１６と、電動車両１の振動周波数ｆおよび振幅Ｇを検出する振動センサ２８と、電動車両１の傾斜角度θを検出する傾斜センサ２９と、振動センサ２８および傾斜センサ２９の検出値に基づいて循環ポンプ１６の出力を制御して、燃料電池３に供給される液体燃料の供給量を変化させるコントロールユニット２４とを設ける。そして、振動センサ２８および／または傾斜センサ２９の検出値が所定の範囲の場合には、燃料電池３に供給される液体燃料の供給量を変化させるように、循環ポンプ１６を制御しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載するための燃料電池システムに関する。

従来、車両に搭載する燃料電池として、液体燃料を直接供給する直接液体燃料形燃料電池の開発が進められており、例えば、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）や直接ジメチルエーテル形燃料電池（ＤＤＦＣ：Direct Dimethyl ether Fuel Cell）が知られている。
直接液体燃料形燃料電池は、液体燃料から水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待される燃料電池として注目されている。

直接液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、例えば、液体燃料を燃料とする燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料タンクと、燃料電池に空気を供給するためのエアコンプレッサとを備えている。
このような燃料電池システムでは、液体燃料が水とともに燃料電池のアノード（燃料極）に供給され、また、空気が燃料電池のカソード（空気極）に供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。

具体的には、液体燃料としてメタノールが供給される場合、アノードおよびカソードでは、下記式（１）および（２）で示される電気化学反応が生じる。
（１）ＣＨ₃ＯＨ＋６ＯＨ^-→ＣＯ₂＋５Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^- （アノードでの反応）
（２）Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^- （カソードでの反応）
式（１）で示されるように、アノードでは、反応によりＣＯ₂ガスが発生して、液体燃料中に気泡として滞留する。そのため、アノード電極における液体燃料との接触面がＣＯ₂ガスに覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。

そこで、例えば、液体燃料を水で希釈した希釈燃料を通常流量で供給する通常モード中に、上記通常流量を超える気泡除去流量で希釈燃料を供給する気泡除去モードをパルス的に実行することによって、アノード部に滞留しているＣＯ₂ガスを効果的に回収することができる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１００８８６号公報

しかるに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、液体燃料中の気泡の滞留状態によらず、気泡除去モードと通常モードとが繰返し実行される。
一方、例えば、車両における燃料電池システムの配置により異なるが、車両が傾斜路を上る場合および／または下る場合には、燃料電池が車両とともに水平方向に対して傾くので、それによってアノード電極に接触している気泡がアノード電極から離れることがある。また、例えば、車両が悪路を走行する場合には、燃料電池が車両とともに振動するので、それによってアノード電極に接触している気泡がアノード電極から離れることがある。そして、気泡がアノード電極から離れると、燃料電池の出力低下のおそれがない状態となる。

上記した燃料電池システムでは、このような燃料電池の出力低下のおそれがない状態においても、気泡除去モードと通常モードとが繰返し実行されるので、エネルギーが無駄に消費されるという不具合がある。
また、車両では、エアコンディショナなどの補機に供給されるエネルギー消費が多いため、エネルギー消費の低減が望まれている。

本発明の目的は、エネルギー消費を低減することができる車両用燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の車両用燃料電池システムは、液体燃料を燃料とする燃料電池と、前記燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給手段と、液体燃料中の気泡が前記燃料電池の発電を阻害する度合を検出する検出手段と、前記検出手段が検出する度合に基づいて、前記燃料供給手段を制御して液体燃料の供給量を変化させる制御手段とを備えることを特徴としている。

本発明の車両用燃料電池システムによれば、検出手段が検出する、液体燃料中の気泡が前記燃料電池の発電を阻害する度合が大きい場合、制御手段が、燃料供給手段を制御して、液体燃料の供給量を増加させる。これによって、液体燃料の流量を大きくして、燃料電池の発電を阻害する気泡の発生を低減することができるので、燃料電池の出力低下を抑制することができる。一方、液体燃料中の気泡が前記燃料電池の発電を阻害する度合が小さい場合、制御手段が、燃料供給手段を液体燃料の供給量を増加させるように制御せず、液体燃料の供給量を変化させない。

このように、気泡が発電を阻害する度合が大きい場合には、燃料供給手段を制御して液体燃料の供給量を増加させる一方、気泡が発電を阻害する度合が小さい場合には、燃料供給手段を液体燃料の供給量を増加させるように制御しないので、エネルギー消費を低減することができる。
また、本発明の車両用燃料電池システムでは、前記検出手段が、車両の傾斜角度を検出する傾斜検出手段であることが好適である。

車両は、水平に均された路を常に走行するのではなく、水平方向に対して傾斜した傾斜路を走行する場合がある。そのため、車両における燃料電池システムの配置により異なるが、車両が傾斜路を上る場合および／または下る場合には、燃料電池が車両とともに水平方向に対して傾き、それによって、液体燃料中の、燃料電池の発電を阻害する気泡の発生が低減される場合がある。そして、気泡の発生が低減されることによって、気泡が発電を阻害する度合が小さくなる場合がある。

検出手段が、車両の水平方向に対する傾斜角度を検出する傾斜検出手段であれば、気泡が発電を阻害する度合を、傾斜角度として検出することができる。そして、傾斜角度が所定の傾斜角度の場合に、燃料供給手段を液体燃料の供給量を増加させるように制御しないことで、エネルギー消費を低減することができる。
さらに、本発明の車両用燃料電池システムでは、前記検出手段が、車両の振動数を検出する振動検出手段であることが好適である。

車両は、水平に均された道を常に走行するのではなく、砂利などが散乱した凸凹の悪路を走行する場合がある。そのため、車両における燃料電池システムの配置により異なるが、車両が悪路を走行する場合には、燃料電池が車両とともに振動し、それによって、液体燃料中の、燃料電池の発電を阻害する気泡の発生が低減される場合がある。そして、気泡の発生が低減されることによって、気泡が発電を阻害する度合が小さくなる場合がある。

検出手段が、車両の振動数を検出する振動検出手段であれば、気泡が発電を阻害する度合を、振動数として検出することができる。そして、振動数が所定の振動数の場合に、燃料供給手段を液体燃料の供給量を増加させるように制御しないことで、エネルギー消費を低減することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、液体燃料中の気泡が発電を阻害する度合が大きい場合に、燃料供給手段を制御して液体燃料の供給量を変化させる一方、気泡が発電を阻害する度合が小さい場合には、燃料供給手段を液体燃料の供給量を増加させるように制御しないので、エネルギー消費を低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用燃料電池システム２を搭載した電動車両１の概略構成図である。
電動車両１は、例えば、燃料電池をその動力源とする車両であって、車両用燃料電池システム２を搭載している。
車両用燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（Ａ）燃料電池
燃料電池３は、電動車両１の略中央下側に配置されている。燃料電池３は、液体燃料を燃料とする、例えば、固体高分子形（ＰＥＦＣ）など公知の燃料電池である。燃料電池３では、液体燃料が液体として直接供給されることによって発電が行なわれる。燃料電池３に使用される液体燃料としては、例えば、ヒドラジン、メタノールなどが挙げられる。また、燃料電池３は、膜・電極接合体８と、この膜・電極接合体８を挟んで対向配置されるアノード供給路９およびカソード供給路１０とを備えている。

膜・電極接合体８は、例えば、アニオン交換膜などの電解質膜の一方の面にアノード電極が圧着され、他方の面にカソード電極が圧着されることにより、１つの発電単位（単セル）として形成されている。そして、複数の膜・電極接合体８が、セパレータ（アノード供給路９およびカソード供給路１０）を介して積層されることにより、燃料電池３は、膜・電極接合体８を積み重ねたスタック構造として形成されている。なお、図１では、便宜上、複数の膜・電極接合体８のうち、１つだけ表わしている。

アノード供給路９には、その燃料流入口（図示せず）に、後述する循環管１３の下流側の他端が接続されており、また、その燃料流出口（図示せず）に、後述する循環管１３の上流側の一端が接続されている。また、アノード供給路９には、アノード供給路９内の液体燃料の濃度を検出する濃度センサ３３が設けられている。
濃度センサ３３は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されている（図１の破線参照。）。濃度センサ３３では、検出された液体燃料の濃度が電気信号に変換され、その電気信号がコントロールユニット２４に入力される。

カソード供給路１０には、その空気流入口（図示せず）に、後述する空気供給管２１が接続されており、また、その空気流出口（図示せず）に、後述する空気排出管２２が接続されている。
（Ｂ）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯めるための燃料タンク１１と、燃料タンク１１からの液体燃料を燃料電池３に供給するための燃料供給管１２と、燃料電池３に液体燃料を循環させるための循環管１３とを備えている。

燃料タンク１１は、電動車両１における燃料電池３よりも後方、電動車両１の後側に配置されている。燃料タンク１１には、燃料として、例えば、メタノールやヒドラジンが貯蔵されている。
燃料供給管１２は、上流側の一端が燃料タンク１１の燃料流出口（図示せず）に接続され、下流側の他端が循環管１３の途中に接続されている。また、燃料供給管１２の途中には、燃料供給ポンプ１４が介在されている。

燃料供給ポンプ１４は、燃料タンク１１内の液体燃料を、燃料供給管１２に流すためのポンプであって、例えば、公知の送液ポンプなどが用いられる。また、燃料供給ポンプ１４は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されており、コントロールユニット２４からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。燃料供給ポンプ１４の出力が制御されることによって、燃料供給管１２を流れる燃料の流量が制御される。

また、燃料供給管１２の下流側末端（他端）には、燃料供給管１２内の燃料を、循環管１３に注入（噴射）するためのインジェクタ１５が設けられている。
インジェクタ１５は、その吸込側（上流側）が燃料供給管１２の他端に接続され、その注入側（下流側）が循環管１３の途中に接続されている。これにより、燃料供給管１２は、インジェクタ１５を介して循環管１３と接続されている。インジェクタ１５としては、例えば、電子制御式インジェクタなど公知のインジェクタが挙げられる。また、インジェクタ１５は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されており、コントロールユニット２４からの入力信号により、インジェクタ１５の開度が調節されて、燃料供給管１２から循環管１３に注入（噴射）される燃料の注入量（噴射量）が制御される。

循環管１３は、上記したように、上流側の一端がアノード供給路９の燃料流出口（図示せず）に接続され、下流側の他端がアノード供給路９の燃料流入口（図示せず）に接続されている。すなわち、燃料給排部４では、循環管１３の両端がそれぞれアノード供給路９に接続されて循環管１３およびアノード供給路９が互いに連通することにより、循環管１３およびアノード供給路９からなる液体燃料の循環路が形成される。

また、循環管１３の途中には、燃料供給手段としての循環ポンプ１６と、出口弁１７と、燃料処理タンク１８とが介在されている。
循環ポンプ１６は、循環管１３およびアノード供給路９からなる液体燃料の循環路に液体燃料を循環させるためのポンプであって、例えば、公知の送液ポンプなどが用いられる。循環ポンプ１６は、循環管１３において、インジェクタ１５よりも上流側（よりアノード供給路９の燃料流出口に近い側）に設けられている。また、循環ポンプ１６は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されており、コントロールユニット２４からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。循環ポンプ１６の出力が制御されることによって、循環管１３を流れる液体燃料の流量が制御され、燃料電池３に供給される液体燃料の供給量が変化する。

出口弁１７は、循環管１３を開閉するための弁であって、循環管１３において、循環ポンプ１６よりも上流側に設けられている。出口弁１７としては、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、出口弁１７は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されており、コントロールユニット２４からの入力信号により、その開閉が制御される。

燃料処理タンク１８は、循環管１３およびアノード供給路９からなる液体燃料の循環路における液体燃料を一時的に貯めるための貯留槽であって、循環管１３において、循環ポンプ１６と出口弁１７との間に設けられている。燃料処理タンク１８には、貯留された液体燃料を処理するための燃料処理装置３２が設けられている。
燃料処理装置３２としては、使用される液体燃料に応じて適切な処理装置が選択され、例えば、液体燃料がヒドラジンの場合、ヒドラジンを分解して、環境負荷の少ない窒素ガスおよび水素ガスなどの処理物質を生成させるための分解装置が選択される。燃料処理装置３２が設けられることにより、燃料処理タンク１８は、循環管１３およびアノード供給路９からなる液体燃料の循環路における液体燃料を、例えば、環境負荷の少ない物質に処理するための処理槽としても使用される。

また、燃料処理タンク１８には、燃料処理タンク１８での処理で生成する処理物質を排出するための燃料排出管１９が接続されている。
燃料排出管１９は、その上流側の一端が燃料処理タンク１８に接続され、その下流側の他端がドレンとされている。また、燃料排出管１９の途中には、パージ弁２０が設けられている。

パージ弁２０は、燃料排出管１９を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、出口弁１７は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されており、コントロールユニット２４からの入力信号により、その開閉が制御される。
（Ｃ）空気給排部
空気給排部５は、空気（酸素）をカソード供給路１０に供給する空気供給管２１と、カソード供給路１０から排出される排出物質を排出するための空気排出管２２とを備えている。

空気供給管２１は、上流側の一端が大気中に開放され、下流側の他端がカソード供給路１０の空気流入口（図示せず）に接続されている。空気供給管２１の途中には、空気供給ポンプ２３が介在されている。
空気供給ポンプ２３は、大気中の空気を、空気供給管２１に流すためのポンプであって、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが用いられる。また、空気供給ポンプ２３は、後述するコントロールユニット２４と電気的に接続されており、コントロールユニット２４からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。空気供給ポンプ２３の出力が制御されることによって、空気供給管２１を流れる空気（酸素）の流量が制御される。

空気排出管２２は、その上流側の一端がカソード供給路１０の空気流出口（図示せず）に接続され、その下流側の他端がドレンとされる。
（Ｄ）制御部
制御部６は、制御手段としてのコントロールユニット２４と、センサ類２５とを備えている。

コントロールユニット２４は、電動車両１の略中央において、燃料電池３よりも前方に配置されている。コントロールユニット２４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。
センサ類２５は、電動車両１の各種状態を検出する複数のセンサの総称であり、複数のセンサは、それぞれコントロールユニット２４と電気的に接続されている（図１の破線参照。）。複数のセンサには、例えば、電動車両１のアクセル開度を検出するアクセルセンサ２６と、電動車両１の速度を検出する車速センサ２７と、電動車両１の振動数を検出する振動検出手段としての振動センサ２８と、電動車両１の傾斜角度を検出する傾斜検出手段としての傾斜センサ２９とが含まれる。

アクセルセンサ２６は、電動車両１のアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を検出する公知のアクセルセンサであって、検出したアクセル開度を電気信号に変換し、コントロールユニット２４に出力する。
車速センサ２７は、例えば、電動車両１の出力軸（アウトプットシャフト）の回転速度を検出する公知の車速センサであって、検出した回転速度を電気信号に変換し、コントロールユニット２４に出力する。

振動センサ２８は、電動車両１の振動数を検出するセンサであって、例えば、圧電素子（ピエゾ素子）など公知の振動センサが用いられる。具体的には、振動センサ２８は、電動車両１の振動数を、例えば、振動周波数ｆ（単位：Ｈｚ）および振幅Ｇとして検出し、検出した振動周波数ｆおよび振幅Ｇを電気信号に変換し、コントロールユニット２４に出力する。

傾斜センサ２９は、電動車両１の傾斜角度を検出するセンサであって、例えば、加速度センサなどの公知のセンサが用いられる。具体的には、傾斜センサ２９は、電動車両１の進行方向に平行な方向に対して掛かる重力加速度ｇ・ｓｉｎθを検出して、電動車両１が水平方向に対して傾いている傾斜角度θを検出する。そして、検出した傾斜角度θを電気信号に変換し、コントロールユニット２４に出力する。
（Ｅ）動力部
動力部７は、モータ３０と、インバータ３１とを備えている。

モータ３０は、電動車両１におけるコントロールユニット２４よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ３０は、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の電動機を用いて構成されており、インバータ３１を介して、燃料電池３に電気的に接続されている（図１の破線参照。）。
インバータ３１は、モータ３０と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３１は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置を用いて構成されている。また、インバータ３１は、配線により、燃料電池３およびモータ３０にそれぞれ電気的に接続されている（図１の破線参照。）。
（Ｆ）車両用燃料電池システム２での発電
以上説明した車両用燃料電池システム２では、燃料供給ポンプ１４および空気供給ポンプ２３が稼動されることにより、燃料供給管１２に液体燃料が供給され、空気供給管２１に空気（酸素）が供給される。

そして、液体燃料は、インジェクタ１５から循環管１３内に注入され、循環ポンプ１６の稼動により、循環管１３およびアノード供給路９からなる液体燃料の循環路を循環して燃料電池３に供給される。具体的には、循環管１３に流入した液体燃料は、アノード供給路９の燃料流入口（図示せず）からアノード供給路９に流入し、スタック構造とされた各膜・電極接合体８のアノード電極（図示せず）と接触した後、再び循環管１３に流出する。また、循環路を循環する液体燃料は、必要により燃料処理タンク１８で処理され、その一部または全部が燃料排出管１９から排出される。

一方、空気（酸素）は、空気供給ポンプ２３の稼動により、空気供給管２１から燃料電池３に供給された後、空気排出管２２から排出される。具体的には、空気（酸素）は、カソード供給路１０に供給され、スタック構造とされた各膜・電極接合体８のカソード電極（図示せず）と接触した後、空気排出管２２から排出される。
そして、液体燃料がメタノールである場合、各膜・電極接合体８では、下記のように発電が行なわれる。すなわち、メタノールが供給されたアノード電極（図示せず）では、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）と後述するカソード電極における反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ^-）とが反応して、二酸化炭素（ＣＯ₂）および水（Ｈ₂Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ^-）が発生する（下記反応式（１）参照。）。

アノード電極で発生した電子（ｅ^-）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極（図示せず）に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ^-）が、電流となる。
一方、カソード電極では、電子（ｅ^-）と、外部からの供給もしくは膜・電極接合体８における反応で生成した水（Ｈ₂Ｏ）と、カソード供給路１０から供給された空気中の酸素（Ｏ₂）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ^-）が生成する（下記反応式（２）参照。）。

そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ^-）が、膜・電極接合体８の電解質膜（図示せず）を通過してアノード電極に到達し、上記と同様の反応（下記反応式（１）参照。）が行なわれる。
このようなアノード電極およびカソード電極における電気化学的反応が連続的に行なわれることによって、膜・電極接合体８全体として下記反応式（３）で表わされる反応が行なわれて、燃料電池３の発電が行なわれる。
（１） ＣＨ₃ＯＨ＋６ＯＨ^-→ＣＯ₂＋５Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-（アノード電極での反応）
（２） Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^- （カソード電極での反応）
（３） ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ （膜・電極接合体８全体での反応）
また、液体燃料がヒドラジンである場合、各膜・電極接合体８では、下記反応式（４）〜（６）で表される反応が行なわれて、燃料電池３の発電が行なわれる。
（４） Ｎ₂Ｈ₄＋４ＯＨ^-→Ｎ₂＋４Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- （アノード電極での反応）
（５） Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^- （カソード電極での反応）
（６） Ｎ₂Ｈ₄＋Ｏ₂→Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ （膜・電極接合体８全体での反応）
上記した発電では、アノード電極において、ＣＯ₂ガスまたはＮ₂ガスが発生して、液体燃料中に気泡として滞留する。そのため、アノード電極における液体燃料との接触面が気泡（ＣＯ₂ガスまたはＮ₂ガス）に覆われて（接触面に気泡が接触して）、燃料電池３の発電が阻害されるおそれがある。

そこで、車両用燃料電池システム２では、さらに、コントロールユニット２４により、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去するための制御処理が行なわれる。
（Ｇ）気泡除去処理
図２は、図１のコントロールユニット２４において実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。

コントロールユニット２４は、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去するための制御処理として、例えば、電動車両１の振動または傾斜により、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去することができないときに、循環ポンプ１６を制御して液体燃料の流量を変化させる気泡除去処理を実行することができる。
気泡除去処理では、まず、電動車両１の走行中、すなわち、燃料電池３の発電中、電動車両１のアクセル開度および速度（車速）が、アクセルセンサ２６および車速センサ２７によりそれぞれ検出され、その検出信号がコントロールユニット２４に入力される（ステップＳ１）。

次いで、コントロールユニット２４では、その入力信号に基づいて、当該アクセル開度で目標とされる速度（目標速度）と車速センサ２７により検出された速度（検出速度）との差が算出され、これによって電動車両１の速度を目標速度にするために必要な電力（要求駆動力）が算出される（ステップＳ２）。
要求駆動力は、目標速度と検出速度との差１ｋｍ／ｈあたり、例えば、０．５〜５ｋｗである。

要求駆動力が算出されると、さらにコントロールユニット２４は、要求駆動力とその要求駆動力を発生させるための電流値との関係が示される制御マップを参照して、算出された要求駆動力に基づいて、燃料電池３で発生させる電流量（発電電流指令量）を決定する（ステップＳ３）。
発電電流指令量は、膜・電極接合体８のセル電圧が０．７Ｖの場合、上記した範囲の要求駆動力に対して、例えば、５〜５０Ａである。

次いで、発電電流指令量に基づいてインジェクタ１５から注入される燃料注入量が算出され、その算出値に基づいてインジェクタ１５の開度が調節されて、インジェクタ１５から循環管１３内に、その注入量に相当する液体燃料が注入される。
そして、濃度センサ３３によりアノード供給路９内の液体燃料の濃度が検出され、その入力信号がコントロールユニット２４に入力される（ステップＳ４）。

液体燃料の濃度が入力されると、その濃度に基づいて、注入された液体燃料をアノード電極で反応させるための流量（ベース（通常）流量Ｖｂ）が決定され（ステップＳ５）、そのベース（通常）流量Ｖｂで液体燃料を循環させるように、循環ポンプ１６の出力が制御される。
ベース（通常）流量Ｖｂは、液体燃料が、例えば、３〜５％のメタノールの場合、０．５〜１５ｍｌ／ｓであり、例えば、３〜３０％のヒドラジンの場合、０．１〜１５ｍｌ／ｓである。こうして、液体燃料が、ベース（通常）流量Ｖｂで燃料電池３に供給される。

その後、循環管１３およびアノード供給路９からなる液体燃料の循環路に液体燃料を循環させつつ、電動車両１の振動状態が検出される。
すなわち、電動車両１が、砂利などが散乱した凸凹の悪路を走行することによって、燃料電池３が電動車両１とともに振動し、それによって、アノード電極に接触している気泡がアノード電極から離れることがある。そして、気泡がアノード電極から離れることによって、燃料電池３の発電を阻害する気泡が除去されて、燃料電池３の出力低下のおそれがない状態となる。そのため、気泡除去処理では、電動車両１の振動により、燃料電池３の出力が低下するおそれがあるか否か判別するため、電動車両１の振動状態が検出される。

コントロールユニット２４には、振動により発電を阻害する気泡を除去可能な振動状態を検出する振動周波数ｆおよびその振幅Ｇとして、例えば、０．１Ｈｚ＜ｆ＜１０ｋＨｚかつ０．０１＜Ｇ＜０．５、好ましくは、１Ｈｚ＜ｆ＜１０ｋＨｚかつ０．０１＜Ｇ＜０．１の値が記憶されている。上記した数値範囲は、例えば、電動車両１が、凸凹の山道を走行するときに検出される数値範囲である。

そして、振動センサ２８により、振動周波数ｆおよび振幅Ｇが検出され（ステップＳ６）、その振動周波数ｆおよび振幅Ｇが、０．１Ｈｚ＜ｆ＜１０ｋＨｚかつ０．０１＜Ｇ＜０．５であると（ステップＳ７のＹＥＳ）、電動車両１の振動により、発電を阻害する気泡が除去されて燃料電池３の出力低下のおそれがなくなっていると判断される。こうして、循環ポンプ１６の出力が、液体燃料をベース（通常）流量Ｖｂで流す出力に保持されて、気泡除去処理が終了となり、燃料電池３の発電が継続される。

一方、振動センサ２８で検出された振動周波数ｆおよび振幅Ｇが、０．１Ｈｚ＜ｆ＜１０ｋＨｚかつ０．０１＜Ｇ＜０．５でないと、すなわち、ｆ≦０．１Ｈｚもしくは１０ｋＨｚ≦ｆまたはＧ≦０．０１もしくは０．５≦Ｇであると（ステップＳ７のＮＯ）、電動車両１の振動により発電を阻害する気泡が除去されていないと判断され、続いて、電動車両１の傾斜状態が検出される。

すなわち、電動車両１が傾斜路を走行することによって、燃料電池３が電動車両１とともに水平方向に対して傾き、それによって、アノード電極に接触している気泡がアノード電極から離れることがある。そして、気泡がアノード電極から離れることによって、燃料電池３の発電を阻害する気泡が除去されて、燃料電池３の出力低下のおそれがない状態となる。そのため、気泡除去処理では、電動車両１の傾斜により、燃料電池３の出力が低下するおそれがあるか否か判別するため、電動車両１の傾斜状態が検出される。

コントロールユニット２４には、電動車両１の傾斜により発電を阻害する気泡を除去可能な傾斜状態を検出する傾斜角度θとして、例えば、１°＜θ＜１０°、好ましくは、１．７°＜θ＜６．８°の値が記憶されている。上記した数値範囲は、例えば、電動車両１が、３〜１２％の勾配の傾斜路を走行するときに検出される数値範囲である。
そして、傾斜センサ２９により、傾斜角度θが検出され（ステップＳ８）、その傾斜角度θが、１°＜θ＜１０°であると（ステップＳ９のＹＥＳ）、電動車両１の傾斜により、発電を阻害する気泡が除去されて燃料電池３の出力低下のおそれがなくなっていると判断される。こうして、循環ポンプ１６の出力が、液体燃料をベース（通常）流量Ｖｂで流す出力に保持されて、気泡除去処理が終了となり、燃料電池３の発電が継続される。

一方、傾斜センサ２９で検出された傾斜角度θが、１°＜θ＜１０°でないと、すなわち、θ≦１°もしくは１０°≦θであると（ステップＳ９のＮＯ）、電動車両１の振動または傾斜によっては、発電を阻害する気泡を除去することができないと判断され、循環ポンプ１６の出力が制御される。
循環ポンプ１６の出力は、液体燃料をベース（通常）流量Ｖｂで流すときの出力から、例えば、１０〜１００％増加するように制御され、これにより、液体燃料が、気泡除去流量Ｖｎで燃料電池３に供給される。

気泡除去流量Ｖｎは、ベース（通常）流量Ｖｂから、例えば、３０〜５０％増加した流量であって、具体的には、液体燃料が、例えば、３〜５％のメタノールの場合、１〜２０ｍｌ／ｓであり、例えば、３〜３０％のヒドラジンの場合、０．２〜２０ｍｌ／ｓである。
液体燃料の流量を、気泡除去流量Ｖｎに増加させることによって、液体燃料の流量が増加して、アノード電極に接触している気泡がアノード電極から離れる。これによって、液体燃料中の、燃料電池３の発電を阻害する気泡が除去されるので、燃料電池３の出力低下のおそれがなくなっていると判断され、気泡除去処理が終了となる。

以上のように、車両用燃料電池システム２によれば、電動車両１の振動または傾斜により、アノード電極に接触している気泡をアノード電極から離すことできないとき（気泡による発電の阻害度合が大きいとき）に、循環ポンプ１６の出力を増加（変化）させる。そして、それによって、液体燃料の流量を、ベース（通常）流量Ｖｂから気泡除去流量Ｖｎに増加（変化）させる。

液体燃料の流量を気泡除去流量Ｖｎに増加させることによって、液体燃料の流量を大きくして、アノード電極に接触している気泡をアノード電極から離すことができる。
その結果、液体燃料中の、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去することができるので、燃料電池３の出力低下を抑制することができる。
一方、電動車両１の振動または傾斜のいずれか一方により、アノード電極に接触している気泡をアノード電極から離すことができるとき（気泡による発電の阻害度合が小さいとき）には、循環ポンプ１６の出力を、液体燃料をベース（通常）流量Ｖｂで流す出力に保持する。そして、それによって、燃料電池３への液体燃料の供給量をベース（通常）流量Ｖｂに保持する。

このように、気泡による発電の阻害度合が大きい場合に、循環ポンプ１６を制御して液体燃料の供給量をベース（通常）流量Ｖｂから気泡除去流量Ｖｎに増加させる一方、気泡による発電の阻害度合が小さい場合には、循環ポンプ１６の出力を、液体燃料の流量をベース（通常）流量Ｖｂから気泡除去流量Ｖｎに増加（変化）させるように制御せず、液体燃料の供給量をベース（通常）流量Ｖｂに保持する。すなわち、燃料電池の出力低下のおそれがない場合に、循環ポンプ１６の出力を増加させないので、循環ポンプ１６の出力増加に伴うエネルギーを低減することができ、システム全体としてのエネルギー消費を低減することができる。

また、車両用燃料電池システム２では、振動センサ２８で検出される振動周波数ｆおよび振幅Ｇ、および、傾斜センサ２９で検出される傾斜角度θに基づいて、燃料電池３の発電を阻害する気泡が除去されているか否かを判断して、気泡による発電の阻害度合を検出する。
そのため、振動周波数ｆ、振幅Ｇおよび傾斜角度θが所定の範囲であるか否かを判別するだけで、上記したエネルギー消費の低減を達成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
例えば、前述の実施形態では、電動車両１の振動または傾斜により、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去することができないときにのみ、循環ポンプ１６の出力を制御して、液体燃料の流量を、ベース（通常）流量Ｖｂから気泡除去流量Ｖｎに増加させたが、例えば、電動車両１の振動および傾斜の組み合わせにより、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去することができないときに、循環ポンプ１６の出力を制御して、液体燃料の流量を、ベース（通常）流量Ｖｂから気泡除去流量Ｖｎに増加させてもよい。

具体的には、コントロールユニット２４に、燃料電池３の発電を阻害する気泡を除去することができる振動周波数ｆ´、振幅Ｇ´および傾斜角度θ´を記憶させておく。そして、気泡除去処理のステップＳ６の後、電動車両１の振動数（振動周波数ｆ´およびＧ´）および傾斜角度θ´を順に検出する。そして、これらの検出値によって、燃料電池３の発電を阻害する気泡が除去されているか否かを判別する。

また、前述の実施形態では、振動センサ２８に関し、発電を阻害する気泡を除去することができる振動周波数ｆおよび振幅Ｇの一例として、０．１Ｈｚ＜ｆ＜１０ｋＨｚ、および、０．０１＜Ｇ＜０．５で表わされる範囲を例示したが、これらの範囲は、車両用燃料電池システム２が搭載される電動車両１の種類に応じて、適切な範囲に変更することができる。例えば、電動車両１に装備されるサスペンションの性能などに応じて、適切な範囲に変更することができる。

また、傾斜センサ２９に関し、発電を阻害する気泡を除去することができる傾斜角度θの一例として、１°＜θ＜１０°で表わされる範囲を例示したが、この範囲は、電動車両１における燃料電池３の配置形態に応じて、適切な範囲に変更することができる。例えば、水平方向に対する膜・電極接合体８の面の傾斜角度などに応じて、適切な範囲に変更することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。 図１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。

符号の説明

２ 車両用燃料電池システム
３ 燃料電池
１６ 循環ポンプ
２４ コントロールユニット
２８ 振動センサ
２９ 傾斜センサ

Claims (3)

1. 液体燃料を燃料とする燃料電池と、
   前記燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給手段と、
   液体燃料中の気泡が前記燃料電池の発電を阻害する度合を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出する度合に基づいて、前記燃料供給手段を制御して液体燃料の供給量を変化させる制御手段と
   を備えることを特徴とする、車両用燃料電池システム。
2. 前記検出手段が、車両の傾斜角度を検出する傾斜検出手段であ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. 前記検出手段が、車両の振動数を検出する振動検出手段であ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。

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