JP2015046255A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードガスを貯蔵する貯蔵タンク内の無効ガス量を低減可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードガスの供給を受けて発電する燃料電池１を備える燃料電池システム１００であって、燃料電池１に供給されるアノードガスを貯蔵する貯蔵タンク２１と、貯蔵タンク２１の温度を調整可能な温調部７０と、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力を検出する圧力検出部２１Ａと、圧力検出部２１Ａによって検出されたアノードガス圧力に基づいて温調部７０を制御することで、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度を制御する温度制御部６０と、を備える。温度制御部６０は、アノードガス圧力が所定圧力値まで低下した時に、アノードガス温度を上昇させる。【選択図】図３

Description

本発明は、アノードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、発電により消費される水素ガス量及びパージ弁を介して外部に排出される水素ガス量を用いて燃費を算出し、算出された燃費と貯蔵タンク内の水素ガス残存量とに基づいて車両の残走行距離を算出することで、残走行距離の算出精度を向上可能な燃料電池システムが開示されている。

特開２００４−１５３９５８号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池システムのように、燃料電池スタックに供給される水素ガス（アノードガス）を貯蔵タンクに貯蔵するシステムでは、貯蔵タンク内のアノードガス圧力が燃料電池システム内のアノードガス圧力よりもある程度大きくないと、燃料電池スタックにアノードガスを安定供給することができない。そのため、貯蔵タンク内のアノードガスの多くが消費され、貯蔵タンク内のアノードガス圧力が低下すると、貯蔵タンクの中にアノードガスが残っているにもかかわらず、アノードガスを燃料電池スタックに供給することができなくなってしまう。

このように、燃料電池システムでは貯蔵タンクに貯蔵されたアノードガスを全量使用することはできず、貯蔵タンク内に残留するアノードガスは燃料電池スタックで使用されない無効ガスとなる。貯蔵タンク内のアノードガスをできる限り有効活用して、より長期間システムを安定的に稼働させるためには、貯蔵タンク内における無効ガス量を低減する必要がある。

そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、アノードガスを貯蔵する貯蔵タンク内の無効ガス量を低減可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、アノードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池に供給されるアノードガスを貯蔵する貯蔵タンクと、貯蔵タンクの温度を調整可能な温調部と、貯蔵タンク内のアノードガス圧力を検出する圧力検出部と、圧力検出部によって検出されたアノードガス圧力に基づいて温調部を制御することで、貯蔵タンク内のアノードガス温度を制御する温度制御部と、を備える。温度制御部は、アノードガス圧力が所定圧力値まで低下した時に、アノードガス温度を上昇させる。

本発明によれば、アノードガス圧力が所定圧力値まで低下した時にアノードガス温度を上昇させることで、貯蔵タンク内のアノードガス圧力と燃料電池内のアノードガス圧力との差圧を確保できる。そのため、従来では無効ガスとなっていた貯蔵タンク内のアノードガスを燃料電池に供給でき、貯蔵タンクにおける無効ガス量を低減することができる。その結果、車両の走行距離を伸ばすことが可能となる。

図１は、第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、第１実施形態による燃料電池システムのコントローラが実行するタンク温調制御処理のルーチンを示すフローチャートである。 図３は、アノードガス圧力及びアノードガス温度の変化を示すタイミングチャートである。 図４は、第２実施形態による燃料電池システムのコントローラが実行するタンク温調制御処理のルーチンを示すフローチャートである。 図５は、アノードガス圧力、アノードガス温度、及び燃料電池スタックの最大出力の変化を示すタイミングチャートである。 図６は、第３実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図７は、アノードガス圧力、燃料電池スタックの最大出力、及び燃料電池スタックの目標温度の変化を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池は、アノード電極に供給されるアノードガス（例えば水素ガス）及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（例えば空気）を用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。

アノード電極： ２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

これら（１），（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１ボルト程度の起電力を発生させる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。

燃料電池システム１００は、車両に搭載されるシステムである。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、冷却装置４と、インバータ５と、駆動モータ６と、バッテリ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、コントローラ６０と、を備える。

燃料電池スタック１は、所定枚数の燃料電池１０を積層して構成されている。燃料電池スタック１は、アノードガス（水素ガス）及びカソードガス（空気）の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ６や補機類等の各種電気部品に電力を供給する。燃料電池スタック１は、電力を取り出すための出力端子として、アノード側端子１１とカソード側端子１２とを有している。

アノードガス給排装置２は、貯蔵タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。

貯蔵タンク２１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを貯蔵する容器である。貯蔵タンク２１は耐圧性に優れた容器であって、貯蔵タンク２１内に貯蔵されたアノードガスの最大圧力は例えば７０ＭＰａ程度となる。

貯蔵タンク２１は、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力を検出するタンク内圧力センサ２１Ａと、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度を検出するタンク内温度センサ２１Ｂと、貯蔵タンク２１の温度を調整可能な温調部７０と、を備えている。タンク内圧力センサ２１Ａ及びタンク内温度センサ２１Ｂの検出信号は、コントローラ６０に出力される。

温調部７０は、例えば電気式ヒータであって、コントローラ６０によって制御される。温調部７０は、貯蔵タンク２１を加熱することで、貯蔵タンク２１内のアノードガスの温度を上昇させる。

アノードガス供給通路２２は、貯蔵タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１に導く通路である。アノードガス供給通路２２の一端は貯蔵タンク２１の排出口に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。

調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、アノードガス供給通路２２に設置される。調圧弁２３は、貯蔵タンク２１から排出されたアノードガスを所定の圧力に減圧する。調圧弁２３の開度はコントローラ６０によって制御される。

圧力センサ２４は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に設けられる。圧力センサ２４は、調圧弁２３通過後のアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４で検出されたアノードガス圧力は、燃料電池スタック１内のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。

アノードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１とバッファタンク２６とを連通する通路である。アノードガス排出通路２５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク２６の上部に接続される。アノードガス排出通路２５には、燃料電池スタック１からアノードオフガスが排出される。アノードオフガスは、電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック１内においてカソードガス流路側からアノードガス流路へとリークしてきた窒素や水蒸気等を含む不純ガスとの混合ガスである。

バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。アノードオフガスに含まれる水蒸気の一部は、バッファタンク２６内で凝縮して凝縮水となり、アノードオフガスから分離される。

パージ通路２７は、バッファタンク２６を外部に連通させる通路である。パージ通路２７の一端はバッファタンク２６の下部に接続されており、パージ通路２７の他端は開口端として形成されている。バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスは、後述のカソードガス排出通路３５からパージ通路２７に流入するカソードオフガスによって稀釈され、凝縮水とともにパージ通路２７の開口端から外部へ排出される。

パージ弁２８は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であり、パージ通路２７に設置される。パージ弁２８の開度を調節することで、パージ通路２７から外部へ排出されるアノードオフガスの量が調整される。パージ弁２８の開度はコントローラ６０によって制御される。

カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、コンプレッサ３３と、圧力センサ３４と、カソードガス排出通路３５と、調圧弁３６と、を備える。

カソードガス供給通路３１は、外部から取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック１に導く通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。

フィルタ３２は、外部から取り込まれる空気に含まれる塵や埃等の異物を除去するものである。フィルタ３２によって異物が除去された空気が、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスとなる。

コンプレッサ３３は、フィルタ３２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路３１に設置される。コンプレッサ３３は、フィルタ３２を介して取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック１に圧送する。

圧力センサ３４は、コンプレッサ３３よりも下流側のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ３４で検出されたカソードガス圧力は、燃料電池スタック１内のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。

カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１とアノードガス給排装置２のパージ通路２７とを連通する通路である。カソードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端はパージ弁２８よりも下流側のパージ通路２７に接続される。燃料電池スタック１において電気化学反応に使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、カソードガス排出通路３５を通じてパージ通路２７に排出される。

調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、カソードガス排出通路３５に設置される。調圧弁３６は、コントローラ６０によって開度が制御され、カソードガス排出通路３５からパージ通路２７に排出されるカソードガスの流量を調整する。

冷却装置４は、冷却液によって燃料電池スタック１を冷却するための装置である。冷却装置４は、循環通路４１と、循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却液温度センサ４４，４５と、を備える。

循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却液を導く通路である。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却液入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却液出口部に接続される。

循環ポンプ４２は、冷却液を循環させる圧送装置であって、冷却液出口部寄りの循環通路４１に設置される。

ラジエータ４３は、燃料電池スタック１から排出された冷却液を冷却するための放熱器であって、循環ポンプ４２よりも下流側の循環通路４１に設置される。なお、燃料電池システム１００には、ラジエータ４３に外気等を送風し、冷却液の放熱を促進するラジエータ用ファンを設けてもよい。

冷却液温度センサ４４，４５は、循環通路４１を流れる冷却液の温度を検出するセンサである。冷却液温度センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却液入口部寄りの循環通路４１に設けられる。冷却液温度センサ４４は、燃料電池スタック１に流入する冷却液の温度を検出する。一方、冷却液温度センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却液出口部寄りであって、燃料電池スタック１と循環ポンプ４２との間の循環通路４１に設けられる。冷却液温度センサ４５は、燃料電池スタック１から排出された冷却液の温度を検出する。

インバータ５は、スイッチ部５１及び平滑コンデンサ５２を備え、アノード側端子１１及びカソード側端子１２を介して燃料電池スタック１に電気的に接続される。スイッチ部５１は、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に又は交流を直流に変換する。平滑コンデンサ５２は、燃料電池スタック１と並列に接続されて、スイッチ部５１でのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。

駆動モータ６は、三相交流モータであって、インバータ５から供給される交流電流によって作動して車両を駆動させるトルクを発生する。

バッテリ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動モータ６及び燃料電池スタック１と電気的に接続される。バッテリ７は、リチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに入力電圧を任意の出力電圧に変換する。

コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ６０には、タンク内圧力センサ２１Ａやタンク内温度センサ２１Ｂ、圧力センサ２４，３４、冷却液温度センサ４４，４５からの検出信号が、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号として入力する。これら信号の他に、コントローラ６０には、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ６１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ６２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ６３、バッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６４からの検出信号が、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号として入力する。

なお、車両には、車両の現在位置から目的地までのルート情報を報知可能なナビゲーション装置８０が搭載されている。ナビゲーション装置８０では、ユーザによって目的地や目的地までのルート等が設定される。ナビゲーション装置８０が有する現在位置情報や目的地までの距離情報等のルート情報はコントローラ６０に提供される。

コントローラ６０は、上記した入力信号等に基づいて燃料電池スタック１の目標出力等を算出し、目標出力に基づいて燃料電池スタック１に供給するアノードガス及びカソードガスの流量等を制御する。

ところで、燃料電池システム１００のように、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを貯蔵タンク２１に貯蔵するシステムでは、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が燃料電池スタック１内のアノードガス圧力よりもある程度大きくないと、燃料電池スタック１にアノードガスを安定供給することができない。つまり、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が低下すると、貯蔵タンク２１の中にアノードガスが残っているにもかかわらず、アノードガスを燃料電池スタック１に供給することができなくなってしまう。

そこで、燃料電池システム１００のコントローラ６０は、貯蔵タンク２１内のアノードガスをできる限り有効活用して車両の航続距離を伸ばすため、貯蔵タンク２１内における無効ガス量を低減するタンク温調制御処理を実行する。

図２を参照して、第１実施形態による燃料電池システム１００でのタンク温調制御処理について説明する。

図２は、コントローラ６０が実行するタンク温調制御処理のルーチンを示すフローチャートである。タンク温調制御処理は、燃料電池システム１００の起動後に所定タイミングで繰り返し実行される。

Ｓ１０１（ステップ１０１）において、コントローラ６０は、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐを検出し、その後Ｓ１０２の処理を実行する。アノードガス圧力Ｐは、タンク内圧力センサ２１Ａの検出信号に基づいて算出される。

Ｓ１０２では、コントローラ６０は、Ｓ１０１で検出されたアノードガス圧力Ｐが下限圧力Ｐ_Ｌよりも大きいか否かを判定する。下限圧力Ｐ_Ｌは、コントローラ６０によって設定される値であり、燃料電池スタック１から定格出力（定格電力）を取り出すために必要なアノードガス圧力を規定する圧力値である。

貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐが下限圧力Ｐ_Ｌよりも大きい場合には、コントローラ６０はＳ１０１の処理を再度実行する。これに対して、発電等によりアノードガスが消費されて貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐが下限圧力Ｐ_Ｌに達した場合には、コントローラ６０はＳ１０３の処理を実行する。

Ｓ１０３では、コントローラ６０は、貯蔵タンク２１を温調部７０によって加熱する温調制御を実施する。つまり、コントローラ６０は、温調部７０によって貯蔵タンク２１を加熱することで、貯蔵タンク２１内に残っているアノードガスの温度を上昇させる。このように、コントローラ６０は、温調部７０を制御することで貯蔵タンク２１及び貯蔵タンク２１内のアノードガスの温度を制御する温度制御部として機能する。

その後Ｓ１０４において、コントローラ６０は、タンク内温度センサ２１Ｂによって検出されるアノードガス温度Ｔ_Ｔが所定温度Ｔ_０まで上昇したか否かを判定する。所定温度Ｔ_０は、図３に示すように、貯蔵タンク２１の耐久性能に基づいて定められる許容上限温度Ｔ_Ｈ（例えば９０℃）よりも低く設定された温度である。

図２に示すように、アノードガス温度Ｔ_Ｔが所定温度Ｔ_０まで上昇していない場合には、コントローラ６０は、Ｓ１０３の処理を実行し、貯蔵タンク２１の加熱を継続する。これに対して、アノードガス温度Ｔ_Ｔが所定温度Ｔ_０まで上昇した場合には、コントローラ６０はＳ１０５の処理を実行する。

なお、燃料供給ステーション等において貯蔵タンク２１にアノードガスを充填する場合には、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐの上昇に伴い、気体の状態方程式に応じてアノードガス温度Ｔ_Ｔが上昇することが知られている。そこで、所定温度Ｔ_０は、アノードガスを貯蔵タンク２１に充填する際のアノードガス温度上昇によって、アノードガス温度が貯蔵タンク２１の許容上限温度Ｔ_Ｈを超えないような温度として設定されている。このように、所定温度Ｔ_０は、許容上限温度Ｔ_Ｈよりも低い温度であって、アノードガス充填時におけるアノードガス温度の上昇を見込んで設定された上限温度となっている。

Ｓ１０５では、コントローラ６０は、温調部７０による貯蔵タンク２１の加熱を停止し、貯蔵タンク２１の温調制御を終了する。

次に、図３のタイミングチャートを参照して、第１実施形態の燃料電池システム１００によるタンク温調制御処理の作用について説明する。

図３に示すように、貯蔵タンク２１にアノードガスを充填した時点では、貯蔵タンク２１内のアノードガスは高圧となっており、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度も高くなっている。アノードガス充填後、時刻ｔ０において車両が走行を開始すると、貯蔵タンク２１に貯蔵されているアノードガスは燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１での発電が開始される。

燃料電池スタック１での発電等によりアノードガスは消費されるため、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力は時間の経過に伴って低下し、このアノードガス圧力の低下に応じて貯蔵タンク２１内のアノードガス温度も低下する。

時刻ｔ１において貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が定格出力での発電に必要な下限圧力Ｐ_Ｌまで低下すると、温調部７０による貯蔵タンク２１の加熱が開始される。このように貯蔵タンク２１を加熱することで、貯蔵タンク２１内のアノードガスが間接的に加熱され、アノードガス温度が上昇する。

容積一定の貯蔵タンク２１内においてアノードガス温度が上昇すると、気体の状態方程式からも明らかなようにアノードガス圧力が増加する。このようにアノードガス圧力を増加させることで、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力と燃料電池スタック１内のアノードガス圧力との差圧を確保でき、アノードガスを燃料電池スタック１に安定的に供給することができる。

アノードガス圧力が下限圧力Ｐ_Ｌまで低下した後に、アノードガス温度を上昇させてアノードガス圧力を高めることで、貯蔵タンク２１内に残っているアノードガスを有効活用でき、貯蔵タンク２１における無効ガス量を低減することができる。従来の燃料電池システムでは燃料電池スタックから定格出力を取り出し可能な期間は時刻ｔ０からｔ１までの期間であったが、燃料電池システム１００では燃料電池スタック１から定格出力を取り出し可能な期間を時刻ｔ０からｔ１までの期間よりも延長することができる。

温調部７０による温調制御は、アノードガス温度が充填時における温度上昇を見込んで設定された所定温度Ｔ_０となるまで継続される。したがって、時刻ｔ２において、アノードガス温度が所定温度Ｔ_０まで上昇すると、温調部７０による加熱が停止される。

上述したように所定温度Ｔ_０は、アノードガス充填時におけるアノードガス温度上昇によってアノードガス温度が貯蔵タンク２１の許容上限温度Ｔ_Ｈを超えないような値に設定されている。そのため、温調制御終了直後にアノードガスを貯蔵タンク２１に充填する場合であっても、図３の破線Ａに示すように、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度は許容上限温度Ｔ_Ｈを超えることがない。

上記した第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを貯蔵する貯蔵タンク２１と、貯蔵タンク２１の温度を調整可能な温調部７０と、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力を検出するタンク内圧力センサ２１Ａと、検出されたアノードガス圧力に基づいて温調部７０を制御することで貯蔵タンク２１内のアノードガス温度を制御するコントローラ６０と、を備える。そして、コントローラ６０は、アノードガス圧力が下限圧力Ｐ_Ｌまで低下した時に、温調部７０によって貯蔵タンク２１を加熱し、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度を上昇させる。

このようにアノードガス温度を上昇させることで、一旦下限圧力Ｐ_Ｌまで低下したアノードガス圧力を高めることができ、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力と燃料電池スタック１内のアノードガス圧力との差圧を確保できる。そのため、従来では無効ガスとなっていた貯蔵タンク２１内のアノードガスを燃料電池スタック１に供給でき、貯蔵タンク２１における無効ガス量を低減することができる。その結果、燃料電池スタック１から定格出力を取り出し可能な期間を従来よりも延長でき、車両の走行距離を伸ばすことが可能となる。

また、燃料電池システム１００では、コントローラ６０は、貯蔵タンク２１へのアノードガス充填時におけるガス温度上昇を見込んで設定された所定温度Ｔ_０までアノードガス温度が上昇した時に、温調部７０による温調制御を終了させる。そのため、温調制御終了直後にアノードガスを貯蔵タンク２１に充填した場合であっても、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度が許容上限温度Ｔ_Ｈを超えることがない。これにより、燃料供給ステーション等においてアノードガスを充填する際、アノードガス充填速度を低下させたり、ステーション側のアノードガス温度を低く設定したりする必要がなく、充填時間の短縮化及び充填作業の効率化を図ることが可能となる。

（第２実施形態）
図４及び図５を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。

第２実施形態による燃料電池システム１００は、温調制御時に燃料電池スタック１の最大出力を制限する出力制限制御を実行する点において、第１実施形態の燃料電池システムと相違する。なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。

図４は、第２実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行するタンク温調制御処理のルーチンを示すフローチャートである。タンク温調制御処理は、燃料電池システム１００の起動後に所定タイミングで繰り返し実行される。

Ｓ２０１において、コントローラ６０は、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐを検出し、その後Ｓ２０２の処理を実行する。アノードガス圧力Ｐは、タンク内圧力センサ２１Ａの検出信号に基づいて算出される。

Ｓ２０２では、コントローラ６０は、Ｓ２０１で検出されたアノードガス圧力Ｐが下限圧力Ｐ_Ｌ１よりも大きいか否かを判定する。下限圧力Ｐ_Ｌ１は、コントローラ６０によって設定される値であり、燃料電池スタック１から定格出力（定格電力）を取り出すために必要なアノードガス圧力を規定する圧力値である。下限圧力Ｐ_Ｌ１は、図２のＳ１０２の下限圧力Ｐ_Ｌと同じ圧力値となっている。

貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐが下限圧力Ｐ_Ｌ１よりも大きい場合には、コントローラ６０はＳ２０１の処理を再度実行する。これに対して、発電等によりアノードガスが消費されて貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力Ｐが下限圧力Ｐ_Ｌ１に達した場合には、コントローラ６０はＳ２０３の処理を実行する。

Ｓ２０３では、コントローラ６０は、ナビゲーション装置８０のルート情報に基づいて、燃料電池スタック１から取り出し可能な最大出力（最大電力）を制限する。つまり、コントローラ６０は、現在のルート情報に含まれる各種情報、例えば目的までの距離情報や、走行ルート内の高低差情報、制限速度情報、渋滞情報に基づいて、定格出力Ｗ_Ｈから制限すべき出力制限量を求め、定格出力Ｗ_Ｈから出力制限量を差し引いた制限出力Ｗ_Ｌを算出する。このように、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の最大出力を制御可能な出力制御部として機能する。なお、出力制限制御実行時以外は、燃料電池スタック１の最大出力は定格出力に設定される。

Ｓ２０４では、コントローラ６０は、Ｓ２０３での出力制限に応じて、アノードガス圧力の下限圧力をＰ_Ｌ１からＰ_Ｌ２に低下させる。下限圧力Ｐ_Ｌ２は、燃料電池スタック１から制限出力Ｗ_Ｌを取り出すために必要なアノードガス圧力を規定する制限時圧力値であり、Ｓ２０３で算出された制限出力Ｗ_Ｌに基づいて設定される。

Ｓ２０５では、コントローラ６０は、貯蔵タンク２１を温調部７０によって加熱する温調制御を実施する。つまり、コントローラ６０は、温調部７０によって貯蔵タンク２１の温度を制御することで、貯蔵タンク２１内に残っているアノードガスの温度を制御する。このように、コントローラ６０は、温調部７０を制御することで貯蔵タンク２１及び貯蔵タンク２１内のアノードガスの温度を制御する温度制御部として機能する。

Ｓ２０５の温調制御において、コントローラ６０は、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力がＳ２０４で設定された下限圧力Ｐ_Ｌ２となるようにアノードガス温度を調整する（図５参照）。これにより、燃料電池スタック１が制限出力Ｗ_Ｌを出力するために必要な量のアノードガスが燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１の燃費効率が高められる。

Ｓ２０６では、コントローラ６０は、ナビゲーション装置８０のルート情報に基づいて、車両が目的地に到着したか否かを判定する。車両が目的地に到着していない場合には、コントローラ６０は、Ｓ２０５の処理を実行し、貯蔵タンク２１の温調制御を継続する。これに対して、車両が目的地に到着した場合には、コントローラ６０は、Ｓ２０７の処理を実行する。

Ｓ２０７では、コントローラ６０は、目的地到着後に燃料電池システム１００の運転を停止するタイミングで、温調部７０による温調制御及び燃料電池スタック１の出力制限制御を終了する。この時、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の最大出力に基づいて定められるアノードガスの下限圧力をＰ_Ｌ２からＰ_Ｌ１（初期値）に戻す。

次に、図５のタイミングチャートを参照して、第２実施形態の燃料電池システム１００によるタンク温調制御処理の作用について説明する。

図５に示すように、貯蔵タンク２１にアノードガスを充填した時点では、貯蔵タンク２１内のアノードガスは高圧となっており、貯蔵タンク２１内のアノードガス温度も高くなっている。アノードガス充填後、時刻ｔ１０において車両が走行を開始すると、貯蔵タンク２１に貯蔵されているアノードガスは燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１での発電が開始される。

燃料電池スタック１での発電等によりアノードガスは消費されるため、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力は時間の経過に伴って減少し、アノードガス圧力の低下に応じて貯蔵タンク２１内のアノードガス温度も低下する。

時刻ｔ１１において貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が定格出力での発電に必要な下限圧力Ｐ_Ｌ１まで低下すると、燃料電池スタック１の最大出力が定格出力Ｗ_Ｈからナビゲーション装置８０のルート情報等に基づき定められた制限出力Ｗ_Ｌに制限されるとともに、温調部７０による貯蔵タンク２１の加熱が実行される。また、出力制限に応じて、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力の下限圧力がＰ_Ｌ１よりも小いＰ_Ｌ２に設定される。

温調部７０による温調制御では、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が下限圧力Ｐ_Ｌ２となるようにアノードガス温度が調整される。この時、温調部７０は貯蔵タンク２１の加熱と加熱停止を繰り返すように制御され、アノードガス温度が徐々に高くなるように制御される。その結果、アノードガス圧力は、緩やかに下限圧力Ｐ_Ｌ２まで低下し、その後下限圧力Ｐ_Ｌ２を維持した状態となる。

このように出力制限制御及び温調制御を実行することで、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力と燃料電池スタック１内のアノードガス圧力との差圧が確保され、制限出力Ｗ_Ｌを出力させるのに必要な量のアノードガスが貯蔵タンク２１から燃料電池スタック１に供給される。したがって、貯蔵タンク２１内に残っているアノードガスを従来よりも有効活用でき、貯蔵タンク２１における無効ガス量を低減することができる。また、燃料電池スタック１の最大出力は走行に必要な最低限の出力に設定されるため、無駄にアノードガスを消費することがなく、車両をナビゲーション装置８０に設定された目的地まで走行させることが可能となる。

車両が目的地に到着した後には、燃料電池システム１００の運転を停止する時刻ｔ１２において、温調部７０による温調制御が終了し、燃料電池スタック１の出力制限制御が終了する。

上記した第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００のコントローラ６０は燃料電池の最大出力を制御可能に構成されており、貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が下限圧力Ｐ_Ｌ１まで低下した時に出力制限制御及び温調制御を実行する。これにより、貯蔵タンク２１における無効ガス量を第１実施形態よりも低減することができ、車両の走行距離をさらに伸ばすことが可能となる。また、燃料電池スタック１において無駄にアノードガスが消費されることを防止することができる。

燃料電池システム１００は車両の現在位置から目的地までのルート情報を報知可能なナビゲーション装置８０を備えており、車両が目的地に到達するまでの間、出力制限制御及び温調制御が実行される。したがって、燃費性能を高めた状態で、ナビゲーション装置８０に設定された目的地まで車両を走行させることが可能となる。

出力制限時には、アノードガス圧力が出力非制限時の下限圧力Ｐ_Ｌ１よりも低い下限圧力Ｐ_Ｌ２となるように、アノードガス温度が温調部７０によって制御される。これにより、燃料電池スタック１において無駄にアノードガスが消費されることを確実に防止することが可能となる。

（第３実施形態）
図６及び図７を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。

第３実施形態による燃料電池システム１００は、温調部７０が電気ヒータではなく冷却液を用いたヒータである点、出力制限制御及び温調制御時に燃料電池スタック１の目標温度を変更する点において、第２実施形態の燃料電池システムと相違する。

図６に示すように、第３実施形態による燃料電池システム１００の温調部７０は、燃料電池スタック１を冷却する冷却装置４０の冷却液を利用して、貯蔵タンク２１の温度を制御するように構成されている。温調部７０は、貯蔵タンク２１の外周面に設置される本体部７１と、冷却装置４０から本体部７１に冷却液を供給する供給路７２と、本体部７１から冷却装置４０に冷却液を排出する排出路７３と、を備えている。

供給路７２は、冷却装置４０の循環通路４１と本体部７１とを連通する通路である。供給路７２の一端はラジエータ４３と循環ポンプ４２との間の循環通路４１に接続されており、供給路７２の他端は本体部７１の冷却液流入口に接続されている。供給路７２には、通路内部を開閉する開閉弁７２Ａが設置されている。

排出路７３は、冷却装置４０の循環通路４１と本体部７１とを連通する通路である。排出路７３の一端はラジエータ４３よりも下流側の循環通路４１に接続されており、排出路７３の他端は本体部７１の冷却液排出口に接続されている。排出路７３には、通路内部を開閉する開閉弁７３Ａが設置されている。

開閉弁７２Ａ，７３Ａは、コントローラ６０によって制御され、温調制御実行時に開弁される。開閉弁７２Ａ，７３Ａが開状態になると、燃料電池スタック１から排出されラジエータ４３を通過する前の比較的高温な冷却液が、供給路７２を通じて本体部７１に供給される。供給路７２から供給された冷却液によって本体部７１が加熱され、この本体部７１を介して貯蔵タンク２１が加熱される。このように貯蔵タンク２１の温度を制御することで、アノードガス温度が調整される。なお、本体部７１内の冷却液は、排出路７３を通じて冷却装置４０の循環通路４１に排出される。

また、第３実施形態による燃料電池システム１００では、コントローラ６０は、出力制限制御及び温調制御を実行する間、図７に示すように燃料電池スタック１の目標温度を変更する。つまり、時刻ｔ１１において貯蔵タンク２１内のアノードガス圧力が定格出力での発電に必要な下限圧力Ｐ_Ｌ１まで低下すると、第２実施形態と同様に出力制限制御及び温調制御が実行され、この時燃料電池スタック１の目標温度が通常時に設定されるＴ１よりも高いＴ２に設定される。

このように、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の目標温度を設定する温度設定部として機能する。コントローラ６０は、出力制限制御を実施いていない通常時には燃料電池スタック１の出力に応じて定められる温度Ｔ１を目標温度に設定し、出力制限制御実施時には予め定められた制限時温度Ｔ２を目標温度に設定する。通常時における目標温度Ｔ１は約６５℃を中心に数℃程度変動する変動値であり、制限時温度Ｔ２は６５℃よりも高い温度として設定される一定値である。

出力制限時には燃料電池スタック１の最大出力はＷ_ＨからＷ_Ｌに制限され、燃料電池スタック１自体の発熱が低下するため、燃料電池スタック１の目標温度をＴ２に高めても、燃料電池スタック１での発電特性に悪影響を及ぼすことはない。

上記した第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００の温調部７０は、燃料電池スタック１を冷却して比較的高温となった冷却液を用いて貯蔵タンク２１及び貯蔵タンク２１内のアノードガスの温度を調整するように構成されている。したがって、燃料電池スタック１の廃熱を有効活用でき、燃料電池システム１００内のエネルギ効率を高めることが可能となる。

コントローラ６０は、出力制限制御を実施いていない通常時には燃料電池スタック１の出力等に応じて定められる温度Ｔ１を目標温度に設定し、出力制限制御実施時には予め定められた制限時温度Ｔ２を目標温度に設定する。このように出力制限時に燃料電池スタック１の目標温度をＴ２に高めることで、冷却装置４０のラジエータ４３に外気を送風するラジエータファン等の動作を停止させることができ、燃料電池スタック１で発電された電力の消費を抑制できる。その結果、燃料電池スタック１の燃費性能を高めることが可能となる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

第１実施形態による燃料電池システム１００では、コントローラ６０は、アノードガス圧力が下限圧力Ｐ_Ｌまで低下した時に、貯蔵タンク２１を加熱させ、アノードガス温度を上昇させている。しかしながら、燃料電池システム１００のコントローラ６０は、貯蔵タンク２１を常時加熱させる等して、アノードガス温度を許容限界温度Ｔ_Ｈを超えない程度の温度に制御してもよい。このように制御することによっても、第１実施形態と同様に、貯蔵タンク２１内における無効ガス量を低減することが可能となる。

図３に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１００では、時刻ｔ１においてアノードガス温度を上昇させ、アノードガス圧力を高めている。このようにアノードガス温度を上昇させた後、アノードガス圧力が再び下限圧力Ｐ_Ｌまで低下した場合に、第２実施形態と同様の出力制限制御及び温調制御を実行してもよい。このように制御することで貯蔵タンク２１における無効ガス量をより低減することができ、車両の走行距離も伸ばすことが可能となる。なお、出力制限制御実行時には、第３実施形態と同様に燃料電池スタック１の目標温度をＴ１からＴ２に高めるようにしてもよい。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
４ 冷却装置
２１ 貯蔵タンク
２１Ａ タンク内圧力センサ（圧力検出部）
２１Ｂ タンク内温度センサ
２２ アノードガス供給通路
２３ 調圧弁
３１ カソードガス供給通路
３３ コンプレッサ
４０ 冷却装置
４１ 循環通路
４２ 循環ポンプ
４３ ラジエータ
６０ コントローラ
７０ 温調部
７１ 本体部
７２ 供給路
７３ 排出路
８０ ナビゲーション装置

Claims (7)

1. アノードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給されるアノードガスを貯蔵する貯蔵タンクと、
   前記貯蔵タンクの温度を調整可能な温調部と、
   前記貯蔵タンク内のアノードガス圧力を検出する圧力検出部と、
   前記圧力検出部によって検出されたアノードガス圧力に基づいて前記温調部を制御することで、前記貯蔵タンク内のアノードガス温度を制御する温度制御部と、を備え、
   前記温度制御部は、前記アノードガス圧力が所定圧力値まで低下した時に、前記アノードガス温度を上昇させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記温度制御部は、前記貯蔵タンクへのアノードガス充填時におけるガス温度上昇を見込んで設定された上限温度まで、前記アノードガス温度を上昇させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の出力を制御可能な出力制御部をさらに備え、
   前記出力制御部は、前記アノードガス圧力が前記所定圧力値まで低下した場合、前記燃料電池の出力を制限する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 車両の現在位置から目的地までのルート情報を報知可能なナビゲーション装置をさらに備え、
   前記出力制御部は、車両が前記目的地に到達するまでの間、前記燃料電池の出力制限を実行する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記温度制御部は、前記アノードガス圧力が前記燃料電池の出力制限時に前記所定圧力値よりも低く設定される制限時圧力値となるように、前記アノードガス温度を制御する、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 循環通路を循環する冷却液を用いて前記燃料電池を冷却する冷却装置と、
   前記燃料電池の目標温度を設定する温度設定部と、をさらに備え、
   前記温度設定部は、前記出力制限時には所定の制限時温度を前記目標温度に設定し、前記出力制限時以外の通常時には前記燃料電池の出力に応じた前記目標温度を設定する、
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 循環通路を循環する冷却液を用いて前記燃料電池を冷却する冷却装置をさらに備え、
   前記温調部は、前記冷却装置から導かれる冷却液によって前記貯蔵タンクの温度を調整可能に構成される、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

Images