JP2014120438A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料循環路を循環する液量を安定に保つことができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料循環路２３、２９、３１、２４、３２（以下２９）を循環する液量が適正範囲内であるときには、通常制御モードでの発電制御が実行され、発電要求に応じた電流が燃料電池２で発生する。液量が適正範囲の上限を上回ると、液量削減制御モードでの発電制御が実行され、燃料電池２で発生される電流が燃料循環路２９を循環する液量の増減を生じない電流値である切替り電流以下となるように、燃料電池２の発電が抑制される。発電が抑制されることにより、燃料循環路２９を循環する液量が減少する。一方、液量が適正範囲の下限を下回ると、液量追加制御モードでの発電制御が実行され、燃料電池２で発生される電流が切替り電流以上となるように、燃料電池２の発電が促進される。発電が促進されることにより、燃料循環路２９を循環する液量が増加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、ヒドラジンなどの液体燃料を燃料電池に供給するものが知られている。

燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードには、循環燃料タンクを経由する燃料循環路が接続されている。すなわち、燃料循環路の一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環路から液体燃料および電解液を含む液体が供給され、アノードを通過した液体は、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、エアが供給される。

液体燃料がヒドラジンである場合、アノードでは、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環路に排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応による起電力が発生する。

特開２０１１−２１６３４１号公報

アノードで生成された水が燃料循環路に排出されることにより、燃料循環路を循環する液量が増加する。一方、液体燃料が水とともにアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリーク（クロスオーバ）の発生により、燃料循環路を循環する液量が減少する。

燃料循環路を循環する液量に増減が生じるので、その液量の増減による液溢れ（燃料循環路を循環する液量が過剰であることに起因して発電停止時に生じる燃料電池からの液体のパージ不良）および液枯れを防止するためには、循環燃料タンクの容量を大きくせざるを得なかった。

本発明の目的は、燃料循環路を循環する液量を安定に保つことができる、燃料電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、膜／電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、前記燃料電池にエアを流通させるエア流通手段と、前記燃料循環路を循環する液体の量（液量）を取得する液量取得手段と、前記液量取得手段によって取得される液量が所定の適正範囲内であるときには、発電要求に応じた電流を前記燃料電池で発生させる通常発電制御を実行し、前記液量取得手段によって取得される液量が前記適正範囲の上限を超えるときには、所定値以下の電流を前記燃料電池で発生させる抑制発電制御を実行し、前記液量取得手段によって取得される液量が前記適正範囲の下限を超えるときには、所定値以上の電流を前記燃料電池で発生させる促進発電制御を実行する発電制御手段とを含む。

この構成によれば、燃料循環路を循環する液量が適正範囲内であるときには、通常発電制御が実行され、発電要求に応じた電流が燃料電池で発生する。液量が適正範囲の上限を上回ると、抑制発電制御が実行され、燃料電池で発生される電流が所定値以下となるように、燃料電池の発電が抑制される。発電が抑制されることにより、燃料循環路を循環する液量が減少する。一方、液量が適正範囲の下限を下回ると、促進発電制御が実行され、燃料電池で発生される電流が所定値以上となるように、燃料電池の発電が促進される。発電が促進されることにより、燃料循環路を循環する液量が増加する。

このように、燃料循環路を循環する液量が適正範囲内に保たれるように、燃料電池の発電が制御される。そのため、燃料循環路を循環する液量を安定に保つことができる。その結果、燃料循環路における液溢れおよび液枯れを防止するために、液体を貯留する循環燃料タンクが燃料循環路に介装される構成において、その循環燃料タンクの容量を低減することができ、循環燃料タンクの小型化を図ることができる。

燃料循環路を循環する液量と燃料電池が発生する電流値との関係が求められて、当該関係に基づいて、燃料循環路を循環する液量の増減を生じない電流値が算出され、その電流値が所定値に設定されることが好ましい。

これにより、抑制発電制御により、燃料循環路を循環する液量を良好に減少させることができる。また、促進発電制御により、燃料循環路を循環する液量を良好に増加させることができる。

燃料電池システムは、燃料循環路を循環する液量が適正範囲の上限または下限を超えるときに、燃料電池が発生する電力の過不足を充放電によって吸収する二次電池をさらに含むことが好ましい。

これにより、燃料電池システムから出力される電力を使用する機器に電力を安定して供給することができる。

二次電池の充電量が制御上限値以上であるときには、燃料電池を間欠的に発電させてもよい。

これにより、燃料電池の発電が抑制され、二次電池で吸収しきれない余剰な電力が燃料電池で発生することを防止できる。

本発明によれば、燃料循環路を循環する液量を安定に保つことができる。その結果、燃料循環路における液溢れおよび液枯れを防止するために、液体を貯留する循環燃料タンクが燃料循環路に介装される構成において、その循環燃料タンクの容量を低減することができ、循環燃料タンクの小型化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図２は、燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。 図３Ａは、発電制御の内容を示すフローチャート（その１）である。 図３Ｂは、発電制御の内容を示すフローチャート（その２）である。 図３Ｃは、発電制御の内容を示すフローチャート（その３）である。 図３Ｄは、発電制御の内容を示すフローチャート（その４）である。 図４は、燃料電池で発生される電流と燃料循環路の液量の増減量との関係を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜システム構成＞

図１は、本発明の一実施形態に係る循環液量算出装置が適用される燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システム（ＦＣシステム）であり、たとえば、自動車に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料循環機構３、給排気機構４、冷却機構５および二次電池６を備えている。

＜燃料電池＞

燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。

膜／電極接合体は、固体高分子膜１１の両側にアノード（燃料極）１２およびカソード（酸素極）１３を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜１１は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する。

セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。アノード１２に対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口１４および燃料出口１５に接続されている。膜／電極接合体のカソード１３に対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口１６およびエア出口１７に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口１８および冷却水出口１９に接続されている。

＜燃料循環機構＞

燃料循環機構３には、液体燃料タンク２１、電解液タンク２２、循環液体タンク２３および気液分離器２４が含まれる。

液体燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温の水加ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４・Ｈ_２Ｏ）が貯留されている。液体燃料タンク２１には、燃料補給管２５の一端が接続されている。燃料補給管２５の他端は、循環液体タンク２３に接続されている。燃料補給管２５の途中部には、燃料供給ポンプ２６が介装されている。

電解液タンク２２には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が貯留されている。電解液タンク２２には、電解液補給管２７の一端が接続されている。電解液補給管２７の他端は、循環液体タンク２３に接続されている。電解液補給管２７の途中部には、電解液供給ポンプ２８が介装されている。

循環液体タンク２３には、電解液に混合された液体燃料、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合された水加ヒドラジンが貯留されている。循環液体タンク２３には、燃料供給管２９の一端が接続されている。燃料供給管２９の他端は、燃料電池２の燃料入口１４に接続されている。燃料供給管２９の途中部には、燃料循環ポンプ３０が介装されている。

燃料電池２の燃料出口１５には、燃料排出管３１の一端が接続されている。燃料排出管３１の他端は、気液分離器２４に接続されている。

気液分離器２４の底部には、燃料帰還管３２の一端が接続されている。燃料帰還管３２の他端は、循環液体タンク２３に接続されている。また、気液分離器２４の上部には、パージ管３３の一端が接続されている。パージ管３３の途中部には、パージ電磁弁３４が介装されている。

＜給排気機構＞

給排気機構４には、エアコンプレッサ４１、気液分離器４２および排ガス処理器４３が含まれる。

エアコンプレッサ４１の吸込口には、吸気管４４の一端が接続されている。

エアコンプレッサ４１の吐出口には、エア供給管４５の一端が接続されている。エア供給管４５の他端は、燃料電池２のエア入口１６に接続されている。

燃料電池２のエア出口１７には、エア排出管４６の一端が接続されている。エア排出管４６の他端は、気液分離器４２に接続されている。

気液分離器４２の底部には、還流管４７の一端が接続されている。還流管４７の他端は、気液分離器２４に接続されている。還流管４７の途中部には、還流電磁弁４８が介装されている。気液分離器４２の上部には、パージ管４９の一端が接続されている。パージ管４９の途中部には、エア背圧調整弁５０が介装されている。

＜冷却機構＞

冷却機構５は、燃料電池２の冷却水入口１８から冷却水流路に冷却水を供給する。冷却水は、冷却水流路を流通した後、冷却水出口１９から排出されて、冷却機構５に戻される。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池２が冷却される。

＜発電動作＞

燃料電池２による発電のために、燃料循環ポンプ３０が駆動される。燃料循環ポンプ３０が駆動されると、循環液体タンク２３に貯留されている液体燃料を含む液体が燃料供給管２９に吸い出される。そして、燃料供給管２９を液体が流通し、その液体が燃料電池２の燃料入口１４から燃料電池２の燃料流路に供給される。

また、燃料電池２による発電のために、エアコンプレッサ４１が駆動される。エアコンプレッサ４１が駆動されると、エア（大気）が吸気管４４に取り込まれる。吸気管４４に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ４１で圧縮されて、エアコンプレッサ４１からエア供給管４５に送り出される。そして、エア供給管４５を流通するエアが燃料電池２のエア入口１６から燃料電池２のエア流路に供給される。

燃料電池２の燃料流路を液体燃料を含む液体が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、アノード１２において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード１３に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口１５を通して燃料排出管３１に流出する。一方、カソード１３では、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜１１を透過して、アノード１２に移動する。

Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）

Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

この結果、アノード１２とカソード１３との間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

燃料電池２の燃料流路を流通した液体は、燃料出口１５から燃料排出管３１に排出される。燃料排出管３１に排出される液体には、水加ヒドラジン、窒素ガスおよび水が含まれる。燃料排出管３１に排出される液体は、燃料排出管３１を通して、気液分離器２４に流入する。気液分離器２４では、燃料排出管３１から流入する液体からその液体に含まれる気体が分離される。

脱気された液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管３２を通して循環液体タンク２３に戻る。

こうして、液体燃料を含む液体は、循環液体タンク２３、燃料供給管２９、燃料電池２の燃料流路、燃料排出管３１、気液分離器２４および燃料帰還管３２を含む燃料循環路を循環する。

気液分離器２４内で液体から分離された気体は、気液分離器２４からパージ管３３に流出し、パージ管３３を排ガス処理器４３に向けて流通する。そして、パージ管３３を流通する気体は、排ガス処理器４３を経由して、大気に放出される。気体が排ガス処理器４３を経由することにより、気体から有害物質などが除去される。

燃料電池２のエア流路を流通したエアは、エア出口１７からエア排出管４６に排出される。

燃料電池２内では、水および液体燃料が膜／電極接合体のアノード１２から固体高分子膜１１を透過してカソード１３に移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出管４６に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料（水加ヒドラジン）および水の蒸気が含まれる。

エア排出管４６に流出した気体は、エア排出管４６を流通して、気液分離器４２に流入する。気液分離器４２では、エア排出管４６から流入する気体とそのエアに含まれる液体燃料などの液体とが分離される。

液体が除去された気体は、気液分離器４２からパージ管４９に流出し、パージ管４９を排ガス処理器４３に向けて流通する。そして、パージ管４９を流通する気体は、排ガス処理器４３を経由して、大気に放出される。気体が排ガス処理器４３を経由することにより、気体から有害物質などが除去される。

一方、脱気された液体は、気液分離器４２内の下部（底部）に集まる。還流電磁弁４８が閉じられている間、その液体は、気液分離器４２内の下部に溜められる。気液分離器４２内に溜められた液体は、還流制御が実行されることにより、気液分離器４２から循環液体タンク２３に液体を還流される。具体的には、還流制御では、エア背圧調整弁５０の開度が小さくされて、気液分離器４２内の圧力が通常よりも高められた状態で、還流電磁弁４８が開かれる。気液分離器４２内の液体は、気液分離器４２内の圧力により、還流管４７を通して、気液分離器２４に送られる。気液分離器２４に流入した液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、燃料帰還管３２を流通して、燃料帰還管３２から循環液体タンク２３に戻る。

＜燃料補給動作＞

燃料電池システム１の稼働中に、循環液体タンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、燃料供給ポンプ２６が駆動される。燃料供給ポンプ２６が駆動されると、液体燃料タンク２１から燃料補給管２５に液体燃料（水加ヒドラジン）が汲み出される。そして、その液体燃料が燃料補給管２５を通して循環液体タンク２３に供給される。

また、循環液体タンク２３に電解液を補給する必要が生じた場合には、電解液供給ポンプ２８が駆動される。電解液供給ポンプ２８が駆動されると、電解液タンク２２から電解液補給管２７に電解液（水酸化カリウム水溶液）が汲み出される。そして、その電解液が電解液補給管２７を通して循環液体タンク２３に供給される。

＜電気的構成＞

図２は、燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）６１を備えている。

ＦＣ−ＥＣＵ６１には、燃料電池システム１に設けられた各種センサが接続されている。各種センサには、電流センサ６２および液面センサ６３が含まれる。電流センサ６２は、燃料電池２から出力される電流値を検出する。液面センサ６３は、循環液体タンク２３内に設けられ、循環液体タンク２３内に貯留された液体の液面の位置を検出する。

ＦＣ−ＥＣＵ６１は、各種センサから入力される信号に基づいて、燃料供給ポンプ２６、電解液供給ポンプ２８、燃料循環ポンプ３０およびコンプレッサ４１の駆動を制御し、パージ電磁弁３４、還流電磁弁４８およびエア背圧調整弁５０の開閉を制御する。また、ＦＣ−ＥＣＵ６１は、車両制御ＥＣＵ（図示せず）とＣＡＮ（Controller Area Network）通信プロトコルによる通信を行い、車両制御ＥＣＵが二次電池６に入出力される電流量に基づいて演算したＳＯＣ（State Of Charge）を演算する。ＳＯＣは、二次電池６の充電率であり、二次電池６の充電量に対応する。

＜発電制御＞

図３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄは、発電制御の内容を示すフローチャートである。

車両のイグニッションキースイッチがオンにされている間、ＦＣ−ＥＣＵ６１により、発電制御が繰り返し実行される。

燃料電池システム１では、発電制御モードとして、通常制御モード、液量追加制御モードおよび液量削減制御モードが設けられている。イグニッションキースイッチがオンにされると、発電制御モードが通常制御モードに設定される。通常制御モードでは、車両からＦＣ−ＥＣＵ６１に入力される発電要求に応じた電力が燃料電池２から出力されるように、燃料循環ポンプ３０およびコンプレッサ４１の駆動が制御される。

発電制御では、まず、燃料循環路を循環する液量の増減を生じない電流値である切替り電流が算出される（ステップＳ１）。切替り電流の算出方法については、後述する。

次に、液面センサ６３によって検出される液面の位置に基づいて、燃料循環路を循環する液量である循環液量が求められる。たとえば、循環液体タンク２３内の液体の液面の位置と循環液量との対応関係がＦＣ−ＥＣＵ６１のメモリに記憶されており、その対応関係が参照されて、液面センサ６２によって検出される液面の位置に対応する循環液量がメモリから読み出される。そして、循環液量が予め定められた適正範囲の上限を上回っているか否かが判定されるとともに、現在の発電制御モードが液量削減制御モードか否かが判定される（ステップＳ２）。

循環液量が適正範囲の上限以下であり、かつ、現在の発電制御モードが液量削減制御モードでないときには（ステップＳ２のＮＯ）、つづいて、循環液量が適正範囲の下限を下回っているか否かが判定されるとともに、現在の発電制御モードが液量追加制御モードか否かが判定される（ステップＳ３）。

循環液量が適正範囲の下限以上であり、かつ、現在の発電制御モードが液量追加制御モードでないときには（ステップＳ３のＮＯ）、発電制御モードが通常制御モードに設定されたまま、発電制御がリターンされる。

通常制御モードでの発電が行われるうちに、循環液量が適正範囲の上限を上回ると（ステップＳ２のＹＥＳ）、発電制御モードが通常制御モードから液量削減制御モードに移行される（ステップＳ４）。

液量削減制御モードでは、燃料電池２で発生される電流の上限値である発電電流上限値が切替り電流に設定される（ステップＳ５）。

その後、二次電池６のＳＯＣが所定の制御範囲の中央の値（制御中心点）よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ６）。

ＳＯＣが制御中心点よりも小さい場合には（ステップＳ６のＹＥＳ）、車両からＦＣ−ＥＣＵ６１に入力される発電要求に応じた電流値が切替り電流よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ７）。

発電要求に応じた電流値が切替り電流よりも小さいときには（ステップＳ７のＹＥＳ）、発電電流上限値が発電指令値とされる（ステップＳ８）。そして、その発電指令値（＝発電電流上限値）の電流が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２における発電が制御される。このとき、発電要求に応じた電流値の電流が車両に供給され、余剰分（発電指令値から発電要求に応じた電流値を引いた分）の電流は、二次電池６に供給される。その結果、二次電池６のＳＯＣが上昇する。

二次電池６のＳＯＣが制御中心点以上であるときには（ステップＳ６のＮＯ）、ステップＳ７，Ｓ８の処理はスキップされる。そして、燃料電池２で発生される電流値が発電電流上限値（＝切替り電流）を超えない範囲において、車両からＦＣ−ＥＣＵ６１に入力される発電要求に応じた電流値となるように、燃料電池２における発電が制御される。発電要求に応じた電流値が発電電流上限値を超える場合には、発電電流上限値の電流が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２における発電が制御される。このとき、不足する電力は、二次電池６から車両に供給される。

その後、二次電池６のＳＯＣが制御範囲の下限（制御下限）よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ９）。

ＳＯＣが制御下限以上であるときには（ステップＳ９のＮＯ）、循環液量が適正範囲の中央の値（中心点）以下であるか否かが判定される（ステップＳ１０）。

このとき、液量削減制御モードによる発電の結果、循環液量が適正範囲の中心点まで減っていれば（ステップＳ１０のＹＥＳ）、発電制御モードが液量削減制御モードから通常制御モードに移行されて（ステップＳ１１）、発電制御がリターンされる。

液量削減制御モードによる発電が行われても、依然として、循環液量が適正範囲の中心点よりも多いときには（ステップＳ１０のＮＯ）、発電制御モードが液量削減制御モードのまま、発電制御がリターンされる。

液量削減制御モードでの発電が継続し、二次電池６のＳＯＣが制御下限を下回った場合には（ステップＳ９のＹＥＳ）、コンプレッサ４１が制御されて、燃料電池２のカソード１３に供給されるエア量が増加される（ステップＳ１２）。このエア量の増加により、燃料電池２のカソード１３から排出される蒸気量が増加し、クロスリークする液量が増加する。その結果、循環液量を低減させることができる。

また、二次電池６から車両に搭載されている１２Ｖ電池（図示せず）を充電するためのＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）の出力電圧が所定の低電圧に下げられる（ステップＳ１３）。これにより、車両から要求される電力が下がり、二次電池６から車両に供給される電流値が低下する。

その後、循環液量が予め定められた安全マージン範囲の上限を上回っているか否かが判定される（ステップＳ１４）。安全マージン範囲は、上限が適正範囲の上限よりも大きく、下限が適正範囲の下限よりも小さいように設定されている。

循環液量が安全マージン範囲の上限を上回っている場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、電流指令値が切替り電流よりも小さい固定値に固定され、その固定値の電流が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２における発電が制御される（ステップＳ１５）。

そして、車両に駆動出力を制限（パワーセーブ）する旨の指令が出力されて（ステップＳ１６）、発電制御がリターンされる。

通常制御モードでの発電が行われるうちに、循環液量が適正範囲の下限を下回ると（ステップＳ３のＹＥＳ）、発電制御モードが通常制御モードから液量追加減制御モードに移行される（ステップＳ４）。

液量追加制御モードでは、燃料電池２で発生される電流の下限値である発電電流下限値が切替り電流に設定される（ステップＳ１８）。そして、燃料電池２で発生される電流値が発電電流下限値（＝切替り電流）を下回らない範囲において、車両からＦＣ−ＥＣＵ６１に入力される発電要求に応じた電流値となるように、燃料電池２における発電が制御される。発電要求に応じた電流値が発電電流下限値を超える場合には、発電電流下限値の電流が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２における発電が制御される。このとき、余剰の電力は、二次電池６に供給される。

その後、二次電池６のＳＯＣが制御範囲の上限（制御上限）よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１９）。

ＳＯＣが制御上限よりも大きい場合には（ステップＳ１９のＹＥＳ）、燃料電池２の発電が停止される（ステップＳ２０）。

二次電池６のＳＯＣが制御上限以下であるときには（ステップＳ１９のＮＯ）、燃料電池２が発電停止中であるか否かが判定されるとともに、ＳＯＣが制御中心点よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ２１）。

燃料電池２が発電停止中であり、かつ、ＳＯＣが制御中心点よりも小さいときには（ステップＳ２１のＹＥＳ）、燃料電池２の発電が開始される（ステップＳ２２）。これにより、二次電池６のＳＯＣが制御上限を超えると、燃料電池２の発電が停止され、二次電池６のＳＯＣが制御中心点まで下がると、燃料電池２の発電が再開されるというように、燃料電池２が間欠的に発電する。

その後、循環液量が安全マージン範囲の下限を下回っているか否かが判定される（ステップＳ２３）。

液量追加制御モードによる発電が行われても、循環液量が減少し、循環液量が安全マージン範囲の下限を下回った場合には（ステップＳ２３のＹＥＳ）、燃料電池システム１に異常（配管、タンク、燃料電池２のセルスタック、固体高分子膜１１などの損傷）が発生していると判断されて、燃料電池２の発電が停止される（ステップＳ２４）。

そして、車両に駆動出力を制限（パワーセーブ）する旨の指令が出力されて（ステップＳ２５）、発電制御がリターンされる。

一方、循環液量が安全マージン範囲の下限以上である場合には（ステップＳ２３のＮＯ）、循環液量が適正範囲の中央の値（中心点）以上であるか否かが判定される（ステップＳ２６）。

液量追加制御モードによる発電の結果、循環液量が適正範囲の中心点まで増えていれば（ステップＳ２６のＹＥＳ）、発電制御モードが液量追加制御モードから通常制御モードに移行されて（ステップＳ２７）、発電制御がリターンされる。

液量追加制御モードによる発電が行われても、依然として、循環液量が適正範囲の中心点よりも少ないときには（ステップＳ２６のＮＯ）、発電制御モードが液量追加制御モードのまま、発電制御がリターンされる。

＜切替り電流の算出＞

図４は、燃料電池で発生される電流と燃料循環路の液量の増減量との関係を示すグラフである。

切替り電流の算出に際し、燃料電池２での発電反応で生成される水の単位時間あたりの増加量Ｖ１（ｍｏｌ／ｍｉｎ）が算出される。燃料電池２での発電電流をＩ（Ａ）とし、燃料電池２のセル数をｎとすると、燃料電池２での発電反応で１秒間で発生する電荷は、ｎＩ／Ｆ（Ｆ：ファラデー定数）であるから、増加量Ｖ１は、式（３）で算出することができる。

Ｖ１＝６０×ｎ×Ｉ／Ｆ ・・・（３）

また、燃料電池２での発電による水加ヒドラジンの消費に伴って単位時間あたりに増加する水の量（増加量）Ｖ２（ｍｏｌ／ｍｉｎ）が算出される。燃料電池２での発電で単位時間あたりに消費する水加ヒドラジン量は、１５×ｎ×Ｉ／Ｆであるから、増加量Ｖ２は、式（４）で算出することができる。

Ｖ２＝１５×ｎ×Ｉ／Ｆ ・・・（４）

さらに、燃料電池２の燃料出口１５から単位時間あたりに排出される水蒸気量Ｖ３（ｍｏｌ／ｍｉｎ）が算出される。

水蒸気量Ｖ３の算出に際して、まず、燃料出口１５から排出される液体の圧力をＰａｏｕｔとし、燃料出口１５から排出される液体の温度をＴａｏｕｔとし、燃料出口１５における湿度をＨａｏｕｔとし、燃料出口１５から排出される液体の温度における水の蒸気圧をＰｗａｏｕｔとし、ノルマル状態におけるエアの体積、温度および圧力をそれぞれＶ０，Ｔ０，Ｐ０として、式（５）に従って、燃料出口１５から排出される気体（反応生成ガスであるＮ２）の流量Ｖａｏｕｔ（ｌ／ｍｉｎ）が算出される。

Ｖａｏｕｔ＝１５×（ｎ×Ｉ）／Ｆ ・・・（５）

次に、式（６）に従って、燃料出口１５から排出される気体の体積Ｖｎ（ｌ／ｍｉｎ）が算出される。

Ｖｎ＝Ｖａｏｕｔ×｛（Ｖ０×Ｔａｏｕｔ）／Ｐａｏｕｔ｝×（Ｐ０／Ｔ０）
・・・（６）

さらに、式（７）に従って、燃料出口１５から排出される気体に含まれる水蒸気の体積Ｖｗａ（ｌ／ｍｉｎ）が算出される。

Ｖｗａ＝Ｖｎ×Ｐｗａｏｕｔ／（Ｐａｏｕｔ−Ｐｗａｏｕｔ） ・・・（７）

水蒸気量Ｖ３は、体積Ｖｗａをモル数に換算することによって算出される。すなわち、水蒸気量Ｖ３は、式（７）を式（８）に代入することによって算出される。

Ｖ３＝Ｖｗａ×｛Ｐａｏｕｔ／（Ｖ０×Ｔａｏｕｔ）｝×（Ｔ０／Ｐ０）
・・・（８）

また、燃料電池２のエア出口１７から単位時間あたりに排出される水蒸気量Ｖ４（ｍｏｌ／ｍｉｎ）が算出される。

水蒸気量Ｖ４（ｍｏｌ／ｍｉｎ）の算出に際して、まず、燃料電池２のエア入口１６に供給されるエアの流量をＶｃｉｎ（Ｎｌ／ｍｉｎ）とし、燃料電池２のエア出口１７から排出されるエアの圧力をＰｃｏｕｔとし、エア出口１７から排出されるエアの温度をＴｃｏｕｔとし、エア出口１７から排出されるエアの湿度をＨｃｏｕｔとし、エア出口１７から排出されるエアの温における水の蒸気圧をＰｗｃｏｕｔとして、式（９）に従って、エア出口１７から排出されるエアの流量Ｖｃｏｕｔ（ｌ／ｍｉｎ）が算出される。

Ｖｃｏｕｔ＝（Ｖｃｉｎ×Ｔｃｏｕｔ／Ｐｃｏｕｔ）×（Ｐ０／Ｔ０）
・・・（９）

次に、式（１０）に従って、燃料電池２のエア出口１７から排出されるエアに含まれる水蒸気の体積Ｖｗｃ（ｌ／ｍｉｎ）が算出される。

Ｖｗｃ＝Ｖｃｏｕｔ×Ｐｗｃｏｕｔ×Ｈｃｏｕｔ
／（Ｐｃｏｕｔ−Ｐｗｃｏｕｔ×Ｈｃｏｕｔ） ・・・（１０）

水蒸気量Ｖ４は、体積Ｖｗｃをモル数に換算することによって算出される。すなわち、水蒸気量Ｖ４は、式（１０）を式（１１）に代入することによって算出される。

Ｖ４＝Ｖｗｃ×｛Ｐｃｏｕｔ／（Ｖ０×Ｔｃｏｕｔ）｝×（Ｔ０／Ｐ０）
・・・（１１）

燃料循環路の液量の増減量は、増加量Ｖ１および増加量Ｖ２の加算値から水蒸気量Ｖ３および水蒸気量Ｖ４を減算し、その減算値に単位時間あたりに燃料電池２のエア入口１６に供給されるエアに含まれる水蒸気量を加えることによって算出することができる。

そして、その燃料循環路の液量の増減量を算出する式に従って、燃料電池２で発生される電流Ｉと燃料循環路の液量の増減量との関係を求めることができる。その関係の一例が図４に示されている。

切替り電流は、燃料循環路の液量の増減量が０となるときの電流値に設定される。

＜作用効果＞

以上のように、燃料循環路を循環する液量が適正範囲内であるときには、通常制御モードでの発電制御が実行され、発電要求に応じた電流が燃料電池２で発生する。液量が適正範囲の上限を上回ると、液量削減制御モードでの発電制御が実行され、燃料電池２で発生される電流が切替り電流以下となるように、燃料電池２の発電が抑制される。発電が抑制されることにより、燃料循環路を循環する液量が減少する。一方、液量が適正範囲の下限を下回ると、液量追加制御モードでの発電制御が実行され、燃料電池２で発生される電流が切替り電流以上となるように、燃料電池２の発電が促進される。発電が促進されることにより、燃料循環路を循環する液量が増加する。

このように、燃料循環路を循環する液量が適正範囲内に保たれるように、燃料電池２の発電が制御される。そのため、燃料循環路を循環する液量を安定に保つことができる。その結果、循環燃料タンク２４の容量を低減することができ、循環燃料タンク２４の小型化を図ることができる。

燃料電池システム１は、燃料循環路を循環する液量が適正範囲の上限または下限を超えるときに、燃料電池２が発生する電力の過不足を充放電によって吸収する二次電池６を備えている。これにより、燃料電池システム１から出力される電力を使用する車両に電力を安定して供給することができる。

二次電池６のＳＯＣが制御上限を超えると、燃料電池２での発電が間欠的に行われる。これにより、燃料電池２の発電が抑制され、二次電池６で吸収しきれない余剰な電力が燃料電池２で発生することを防止できる。

＜変形例＞

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、燃料電池システム１が車両に搭載された場合を例にとった。しかしながら、燃料電池システム１は、車両以外の装置に搭載されてもよいし、それ単独で電源として構成されてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
６ 二次電池
２３ 循環液体タンク（燃料循環路）
２４ 気液分離器（燃料循環路）
２９ 燃料供給管（燃料循環路）
３１ 燃料排出管（燃料循環路）
３２ 燃料帰還管（燃料循環路）
４１ エアコンプレッサ（エア流通手段）
４５ エア供給管（エア流通手段）
６１ ＦＣ−ＥＣＵ（液量取得手段、発電制御手段、電流値算出手段）

Claims (4)

1. 膜／電極接合体を備える燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、
   前記燃料電池にエアを流通させるエア流通手段と、
   前記燃料循環路を循環する液量を取得する液量取得手段と、
   前記液量取得手段によって取得される液量が所定の適正範囲内であるときには、発電要求に応じた電流を前記燃料電池で発生させる通常発電制御を実行し、前記液量取得手段によって取得される液量が前記適正範囲の上限を超えるときには、所定値以下の電流を前記燃料電池で発生させる抑制発電制御を実行し、前記液量取得手段によって取得される液量が前記適正範囲の下限を超えるときには、所定値以上の電流を前記燃料電池で発生させる促進発電制御を実行する発電制御手段とを含む、燃料電池システム。
2. 前記燃料循環路を循環する液量と前記燃料電池が発生する電流値との関係を求め、当該関係に基づいて、前記燃料循環路を循環する液量の増減を生じない電流値を算出する電流値算出手段をさらに含み、
   前記発電制御手段は、前記電流値算出手段によって算出される電流値を前記所定値に設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記液量取得手段によって取得される液量が前記適正範囲の上限または下限を超えるときに、前記燃料電池が発生する電力の過不足を充放電によって吸収する二次電池をさらに含む、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記発電制御手段は、前記二次電池の充電量が制御上限値以上であるときに、前記燃料電池を間欠的に発電させる、請求項３に記載の燃料電池システム。

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