JP2012074294A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内に気体が滞留した状態で発電しても、簡易かつ低コストで燃料電池の損傷を抑制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】燃料電池システム２が、電解質層８と、電解質層８を挟んで対向配置されるアノード電極１１およびカソード電極１６を備える単位セル２８を複数備え、液体燃料をアノード電極１１と接触させて発電する燃料電池３と、燃料電池３の水平方向に対する傾斜角度θを検出する傾斜センサ５と、液体燃料とアノード電極１１との接触面積Ｓが最も小さい単位セル２８の、液体燃料とアノード電極１１との接触面積を、前記傾斜角度θから算出し、その算出値に基づいて燃料電池３の出力を制御する制御部６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料と接触して発電する単位セルを複数備える燃料電池を備える車両用燃料電池システムに関する。

従来、液体燃料を使用する燃料電池システムとして、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムが知られている。

液体燃料形燃料電池は、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ている。

液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、液体燃料が供給され、その液体燃料と接触して発電する単位セルを複数備える燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給ポンプと、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。

このようなシステムでは、燃料電池のアノードに液体燃料が供給されるとともに、燃料電池のカソードに空気が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。例えば、直接メタノール形燃料電池では、下記式（１）および（２）の通りとなる。

（１）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ （アノードでの反応）
（２）Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソードでの反応）
しかし、アノード側に発生するＣＯ_２ガスが液体燃料中に気泡として滞留すると、アノード電極における液体燃料との接触面が気泡に覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。

一方、近年では、液体燃料に含まれる気体を分離するための気液分離器を備える燃料電池システムが提案されている。

例えば、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の空気極に接続された気液分離器と、燃料電池システムの傾斜を検出する傾斜センサと、傾斜センサがシステムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、システムの燃料電池の出力を抑制する制御手段とを備えてい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。）。

特許文献１に記載の燃料電池システムによれば、気液分離器により液体燃料に含まれる気体を分離し、燃料電池の出力を確保するとともに、そのシステムを搭載した車両が転倒した時などに傾斜センサがその転倒を感知し、燃料電池の出力を制御して、必要最低限度の発電出力を確保することができる。
特開２００４−１１１２１２号公報

しかるに、燃料電池システムでは、通常、燃料電池内を液体燃料で充填するため、気液分離部は、燃料電池の後方かつ上側に設けられている。

そのため、例えば、燃料電池システムを車両に搭載し、その車両を登坂させるときなど、燃料電池の前側が上方向に向くように、燃料電池が水平方向に対して傾斜する状態において発電する場合には、相対的に下方に配置される気液分離部内に、液体燃料が充填される。一方、相対的に上方に配置される燃料電池の前端部には、気体が滞留し、とりわけ、燃料電池の最前の単位セルにおいて、アノード電極と液体燃料との接触面が最小となり、非接触面が最大となる。

このような状態において、燃料電池をその最大出力で稼動させると、液体燃料のアノード電極に対する非接触面に起因して、燃料電池の損傷を生じる場合がある。

本発明の目的は、燃料電池内に気体が滞留した状態で発電しても、簡易かつ低コストで燃料電池の損傷を抑制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、電解質層と、前記電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える単位セルを複数備え、液体燃料を前記燃料側電極と接触させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の水平方向に対する傾斜角度θを検出する傾斜検出手段と、前記液体燃料と前記燃料側電極との接触面積が最も小さい前記単位セルの、前記液体燃料と前記燃料側電極との接触面積を、前記傾斜角度θから算出し、その算出値に基づいて燃料電池の出力を制御する制御部とを備えることを特徴としている。

このような車両用燃料電池システムでは、制御部により、燃料側電極と液体燃料との接触面積の割合に応じて、燃料電池の出力が制御される。

すなわち、このような車両用燃料電池システムによれば、燃料電池を常時最大出力で稼動させる場合と異なり、燃料側電極と液体燃料との接触面積の割合に応じて、燃料電池の出力が制御されるので、液体燃料の燃料側電極に対する非接触面に起因して、燃料電池が損傷することを抑制できる。

その結果、燃料電池内に気体が滞留した状態で発電しても、簡易かつ低コストで燃料電池の損傷を抑制することができる。

本発明の車両用燃料電池システムによれば、燃料電池内に気体が滞留した状態で発電しても、簡易かつ低コストで燃料電池の損傷を抑制することができる。

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に示す電動車両が登坂走行する状態を示す概略構成図である。 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を表わすフロー図である。

１．燃料電池システムの全体構成
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を搭載した電動車両の概略構成図である。

図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、車両用燃料電池システムとしての、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、図示しない空気給排部と、傾斜検出手段としての傾斜センサ５と、制御部６と、動力部７と、出力制御手段としてのＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される、例えば、アニオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。

燃料電池３に供給される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。

また、燃料電池３の出力電圧は、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流は、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。

燃料電池３は、電解質層８と、電解質層８の一方側に配置されたアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（燃料電池セル）が、絶縁材料からなるセパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層８を介してアノード９およびカソード１０が対向配置されてなる単位セル２８が複数積層されている。なお、図１では、積層される複数の単位セル２８のうち、電動車両１の前後方向最前端に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。

電解質層８は、例えば、アニオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜を用いて形成されている。

アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料を供給するための燃料供給部材１２とを有している。

アノード電極１１は、電解質層８の一方面に形成されている。アノード電極１１の電極材料としては、例えば、触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。

燃料供給部材１２は、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料を接触させるための燃料供給路１３が形成される。

燃料供給路１３には、液体燃料をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。

カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素）を供給するための空気供給部材１７とを有している。

カソード電極１６は、電解質層８の他方面に形成されている。

カソード電極１６の電極材料としては、例えば、アノード電極１１の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。

空気供給部材１７は、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させるための空気流路としての空気供給路１８が形成される。

空気供給路１８には、空気をカソード１０内に流入させるための空気供給口１９が一端側に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が他端側に形成されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２１と、燃料タンク２１から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９の燃料供給路１３）に還流するための還流路としての還流管２２とを備えている。

燃料タンク２１は、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２１には、液体燃料として、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯蔵されている。

還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料排出口１４に接続されている。これにより、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１４（上流側）から排出される液体燃料が、還流管２２を介して燃料供給口１５（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１４に戻ることによりアノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。

還流管２２の途中には、気液分離部としての気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が２つ形成されている。

また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。

気液分離器２３は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、２つの底部流通口２４が還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。

なお、気液分離器２３の、電動車両１の車幅方向における配置は特に制限されず、例えば、気液分離器２３は、燃料電池３の車幅方向一方側または他方側に配置されることができ、また、気液分離器２３の投影面は、燃料電池３の燃料供給路１３の投影面と、車幅方向において重複することができる。

２つの底部流通口２４と還流管２２とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。これにより、気液分離器２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。

上部流通口２５には、気液分離器２３で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。ガス排出管２６は、シール材（ガスケット）を介して上部流通口２５に接続されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁２７は、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号がガス排出弁２７に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。

還流管２２において、気液分離器２３と燃料供給口１５との間には、燃料還流ポンプ２９が介在されている。

燃料還流ポンプ２９としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。燃料還流ポンプ２９は、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、燃料還流ポンプ２９に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料還流ポンプ２９の駆動および停止を制御する。

還流管２２において、燃料還流ポンプ２９と燃料供給口１５との間には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を還流管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。つまり、燃料供給管３０の上流側端部は、燃料タンク２１と、シール材（ガスケットなど）を介して接続され、燃料供給管３０の下流側端部は、還流管２２の流れ方向途中と、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。

燃料供給管３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ４１が介在されている。

燃料供給ポンプ４１としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。燃料供給ポンプ４１は、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ４１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止を制御する。

燃料供給管３０において燃料供給ポンプ４１の下流側には、燃料供給弁３１が設けられている。

燃料供給弁３１は、燃料供給管３０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁３１は、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給弁３１の開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出管（図示せず）とを備えている。

空気供給管（図示せず）は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給管（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。

これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。

空気排出管（図示せず）は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
（４）傾斜検出手段（傾斜センサ）
傾斜センサ５は、電動車両１において、燃料電池３が水平方向に対して傾斜していることを検出し、また、その傾斜角度θを検出するために設けられている。

傾斜センサ５は、コントロールユニット４２（後述）と電気的に接続されている（図１の破線参照）。傾斜センサ５としては、例えば、加速度センサや、水位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５は、電動車両１（燃料電池３）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（燃料電池３）が水平方向に対して傾斜している傾斜角度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４２（後述）に出力する。
（５）制御部
制御部６は、コントロールユニット４２を備えている。

コントロールユニット４２は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

制御部６では、詳しくは後述するが、液体燃料とアノード電極１１との接触面積が最も小さい単位セル２８の、液体燃料とアノード電極１１との接触面積Ｓ（図２参照）を、傾斜角度θから算出し、その算出値に基づいて、燃料電池３の出力を制御する。具体的には、接触面積Ｓ（図２参照）が小さくなる度合いに基づいて、燃料電池３の出力が小さくなるように、燃料電池３の出力を制御する。
（６）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギを電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ３７と、モータ３７に電気的に接続されるインバータ３８と、モータ３７による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ４０とを備えている。

モータ３７は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ３７としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。

インバータ３８は、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８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が挙げられる。また、インバータ３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。

動力用バッテリ４０としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度のニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ４０は、インバータ３８と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３７に電力を供給可能とされている。
（７）出力制御手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力を調整する機能を有している。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット４２と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット４２から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ４０にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ３８に電気的に接続されている。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３７に供給される。
２．燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット４２の制御により、燃料供給弁３１が開かれ、燃料還流ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１が駆動されることにより、液体燃料が還流管２２を介してアノード９に供給される。一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３１は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。

アノード９では、液体燃料が、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。

そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（アノード電極１１での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（３）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極１１では、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）とカソード電極１６での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（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

アノード電極１１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１６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１６では、電子（ｅ⁻）と、外部からの供給もしくは燃料電池３での反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（２）参照）。

そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。

また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（６）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）または上記式（６）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ４０では、その電力が充電される。

また、燃料給排部４では、燃料還流ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料が、還流管２２を通過して上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の底部流通口２４から還流管２２に流出する。還流管２２に流出する液体燃料は、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流管２２、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。

そして、このような燃料電池システム２が搭載された電動車両１が、登坂を走行するときなど、燃料電池３の前側が上方向に向き、後側が下方向に向くように、燃料電池３が水平方向に対して傾斜する状態において発電する場合には、図２に示すように、相対的に上方に配置される燃料電池３の前端部には、気体が滞留する。

そのため、この燃料電池システム２は、燃料電池の破損を抑制するための制御モードとして、燃料電池の出力を制御する燃料電池制御モードを有している。
３．燃料電池制御モードによる制御処理
図３は、図１のコントロールユニット４２において実行される制御処理を表わすフロー図である。

この処理は、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。処理がスタートされると、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（燃料電池３）の水平方向に対する傾斜角度θが、傾斜センサ５によって検出され、その検出信号がコントロールユニット４２に入力される（ステップＳ１）。

次いで、コントロールユニット４２では、その入力信号、すなわち、燃料電池３の傾斜角度θから、液体燃料とアノード電極１１との接触面積が最も小さい単位セル２８の、液体燃料とアノード電極１１との接触面積Ｓの割合（以下、Ｐと表記する場合がある。）を算出し、その割合（Ｐ）に応じて、燃料電池の出力制御信号を出力する（ステップＳ２）。

以下において、ステップＳ２について、図２を参照して詳述する。

図２において、燃料電池３を簡略化し、その外形が直方体であるとして、模式的に拡大概略斜視図を示すとともに、燃料電池３に供給される液体燃料を、斜線で示している。

図２に示すように、電動車両１が登坂走行するときには、燃料電池３内において液体燃料が相対的下方に偏り、燃料電池３内の相対的上方に、直角三角柱状の空間（液体燃料の不存在領域）が形成される。

このとき、液体燃料とアノード電極１１との接触面積は、各単位セル２８によって異なり、通常、燃料電池３の最前端に積層される単位セル２８において、液体燃料とアノード電極１１との接触面積が最も小さくなる。

このような最前端に積層される単位セル２８の、アノード電極１１における液体燃料との接触面積Ｓの割合（Ｐ）は、直方体（燃料電池３を簡略化して示す直方体）の最前面の面積を、アノード電極１１の全面積であるとして、下記に示す手順で算出することができる。

すなわち、直方体（燃料電池３を簡略化して示す直方体）の、車幅方向長さをＷ、車高方向長さ（高さ）をＨ、容積をＶ_０とし、また、液体燃料の体積をＶ、空間をＡとする。

なお、このとき、燃料電池３では、空間の体積Ａについて、下記式（２）が成立する。

Ａ＝Ｖ_０−Ｖ （２）
また、上記式（２）において、液体燃料の体積Ｖは、予め燃料電池３に供給されている液体燃料の体積Ｖ_１と、燃料給排部４により順次供給される液体燃料の体積Ｖ_２との和であって、燃料還流ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１のポンプ回転数や、燃料電池３のセル数、燃料電池３における発電電流などから、公知の方法により算出される。

また、空間の側面（燃料電池３の車幅方向における投影面）として区画される直角三角形の、直角に対する２つの隣辺の長さを、それぞれ、ｘ、ｙとする。

このとき、液体燃料の液面は、燃料電池３の上面に対して、燃料電池３の傾斜角度θと同じ角度θをなすため、直角三角形において、下記式（３）が成立する。

ｙ＝ｘ×ｔａｎθ （３）
また、空間Ａの体積は、三角柱の体積として、Ｗ、ｘおよびｙを用いて、下記式（４）により示される。

Ａ＝１／２×ｘ×ｙ×Ｗ （４）
そして、上記各式（３）および（４）から、下記式（５）が導出される。

ｙ＝（２Ａｔａｎθ／Ｗ）^１／２ （５）
一方、燃料電池３の最前端の単位セル２８の、アノード電極１１における液体燃料との接触面積Ｓの割合（Ｐ）は、直方体（燃料電池３を簡略化して示す直方体）の最前面の面積（ＨＷ）に対する、液体燃料との接触面積Ｓの割合であって、例えば、非接触面の面積（ｙＷ）を用いて、下記式（６）で示される。

Ｐ＝１−（ｙＷ／ＨＷ）＝１−（ｙ／Ｈ） （６）
ここで、上記式（５）および上記式（６）から、下記式（７）が導出される。

Ｐ＝１−（２Ａｔａｎθ／Ｗ）^１／２／Ｈ （７）
以上のようにして、燃料電池３の傾斜角度θおよび燃料電池３の寸法から、アノード電極１１における液体燃料との接触面積Ｓの割合（Ｐ）を算出することができる。

そして、このステップＳ２では、コントロールユニット４２において、下記式（１）により燃料電池３の出力（制限後の出力）を求め、燃料電池３の出力を制御する出力制御信号を、コントロールユニット４２からＤＣ／ＤＣコンバータ３６に向けて出力する。
［出力］＝［最大出力］×［燃料側電極における液体燃料との接触面積の割合］（１）
なお、上記式（１）において、［燃料側電極における液体燃料との接触面積の割合］は、上記式（７）で示される、アノード電極１１における液体燃料との接触面積Ｓの割合（Ｐ）である。

次いで、図３に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６により、コントロールユニット４２から出力された出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力を制御する（ステップＳ３）。

すなわち、出力制御信号の入力により、燃料電池３の出力を、その最大出力に対して、［燃料側電極における液体燃料との接触面積の割合］と同じ割合の出力に制御し、これにより、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力や、モータ３７に供給される電力を調整する。そして、その調整された電力により、電動車両１が登坂走行する。

その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に連続的に実行される。
４．作用効果
上記のような燃料電池システム２が搭載された電動車両１が、登坂を走行するときなど、燃料電池３が水平方向に対して傾斜する状態において発電する場合には、相対的に下方に配置される気液分離器２３内に、液体燃料が充填される。一方、相対的に上方に配置される燃料電池３の前端部には、気体が滞留し、とりわけ、燃料電池３の最前の単位セル２８において、アノード電極１１と液体燃料との接触面が最小となり、非接触面が最大となる（図２参照）。

このような状態において、燃料電池３をその最大出力で稼動させると、液体燃料のアノード電極１１に対する非接触面に起因して、燃料電池３の損傷を生じる場合がある。

一方、上記のような燃料電池システム２では、制御部６により、アノード電極１１と液体燃料との接触面積Ｓの割合に応じて、燃料電池３の出力を制御する信号が発信され、その入力に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６により燃料電池３の出力が制御される。

すなわち、このような燃料電池システム２によれば、燃料電池３を常時最大出力で稼動させる場合と異なり、アノード電極１１と液体燃料との接触面積Ｓの割合に応じて、燃料電池３の出力が制御されるので、液体燃料のアノード電極１１に対する非接触面に起因して、燃料電池３が損傷することを抑制できる。

その結果、燃料電池３内に気体が滞留した状態で発電しても、簡易かつ低コストで燃料電池３の損傷を抑制することができる。

なお、上記した説明では、出力制御手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を用い、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を燃料電池３およびコントロールユニット４２に電気的に接続したが、出力制御手段としては、これに制限されず、例えば、モータ３７の駆動制限装置などを、モータ３７およびコントロールユニット４２に電気的に接続し、モータ３７の駆動を制限することにより、燃料電池３の出力を制御することもできる。

１ 電動車両
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
５ 傾斜センサ
８ 電解質層
１１ アノード電極
１６ カソード電極
３６ ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (1)

1. 電解質層と、前記電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える単位セルを複数備え、液体燃料を前記燃料側電極と接触させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の水平方向に対する傾斜角度θを検出する傾斜検出手段と、
   前記液体燃料と前記燃料側電極との接触面積が最も小さい前記単位セルの、前記液体燃料と前記燃料側電極との接触面積を、前記傾斜角度θから算出し、その算出値に基づいて燃料電池の出力を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする、車両用燃料電池システム。

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