JP2019075255A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の生成水を複数の貯水部で貯蔵する燃料電池システムにおいて、タンクに必要な水量を確保する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０の生成水を貯蔵する２つの貯水部３１、３５と、第１貯水部３１から第２貯水部３５に水を供給する水供給部３３と、第１貯水部３１の貯水量を検出する第１水量検出部３１ａと、第２貯水部３５の貯水量を検出する第２水量検出部３５ａと、第２貯水部３５の水を使用する水使用部３９と、水供給部３３による水の供給を制御する制御部５０とを備える。第１貯水部３１の貯水量が第１所定値を上回り、かつ、第２貯水部３５の貯水量が第２所定値を下回った場合に、第１貯水部３１から第２貯水部３５に水を供給する。また、水使用部３９で水を使用している場合には、第２貯水部３５の貯水量が第２所定値を下回っていなくても、第１貯水部３１から第２貯水部３５に水を供給する。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池の生成水を複数の貯水部で貯蔵する燃料電池システムに関する。

特許文献１では、燃料電池の生成水を回収して貯蔵する複数の貯水部を有し、燃料電池から回収した生成水を第１の貯水部に貯蔵しておき、第２の貯水部の貯水量が所定値を下回った場合に、第１の貯水部から第２の貯水部に水を供給することが提案されている。

特開２００６−３１８８２７号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、第２の貯水部の水を使用している場合に、第１の貯水部から第２の貯水部への水の供給遅れが発生し、第２の貯水部で必要な貯水量を確保できない可能性がある。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の生成水を複数の貯水部で貯蔵する燃料電池システムにおいて、タンクに必要な水量を確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させ、電気化学反応に伴って水を生成する燃料電池（１０）と、燃料電池から回収された水を貯蔵する第１貯水部（３１）と、第１貯水部から供給された水を貯蔵する第２貯水部（３５）と、第１貯水部から第２貯水部に水を供給する水供給部（３３）と、第１貯水部の貯水量を検出する第１水量検出部（３１ａ）と、第２貯水部の貯水量を検出する第２水量検出部（３５ａ）と、第２貯水部の水を使用する水使用部（３９）と、水供給部による水の供給を制御する制御部（５０）とを備え、制御部は、第１貯水部の貯水量が第１所定値を上回り、かつ、第２貯水部の貯水量が第２所定値を下回った場合に、水供給部によって第１貯水部から第２貯水部に水を供給し、第１貯水部の貯水量が第１所定値を上回り、かつ、水使用部で第２貯水部の水を使用している場合には、第２貯水部の貯水量が第２所定値を下回っていなくても、水供給部によって第１貯水部から第２貯水部に水を供給することを特徴とする。

本発明によれば、第１貯水部の貯水量が第１所定値を上回っており、かつ、第２貯水部の貯水量が第２所定値を下回っている場合に、第１貯水部から第２貯水部に水を供給する。これにより、水使用部で水を使用する際に必要となる第２貯水部の貯水量を確保することができる。

また、本発明では、第１貯水部の貯水量が第１所定値を上回っており、かつ、第２貯水部の水を使用している場合には、第２貯水部の貯水量が第２所定値より大きい第３所定値を下回っている場合に、第１貯水部から第２貯水部に水を供給する。

つまり、第２貯水部の水が使用中である場合には、第２貯水部の水を多く確保しておく必要がある。このため、第１貯水部から第２貯水部に水を供給開始する基準となる第２貯水部の貯水量を第３所定値に変更することで、第２所定値を基準とした場合よりも第２貯水部の貯水量を増大させることができる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 燃料電池システムの冷却系を示す概念図である。 平地走行時と登坂走行時の第２タンクを示す概念図である。 燃料電池システムの制御系を示すブロック図である。 燃料電池システムの水供給制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給する。

図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、図示しないインバータ等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータは、燃料電池１０から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ（負荷）に供給してモータを駆動する。

本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。

燃料電池１０には、水素供給通路１１を介して水素が供給され、空気供給通路１２を介して酸素が供給される。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
この電気化学反応のためには、燃料電池１０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、燃料電池１０に供給される水素および空気を加湿し、これらの加湿されたガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０内の電解質を加湿するように構成されている。燃料電池１０に供給される水素および空気の加湿は、図示しない加湿装置等によって行うことができる。

上記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素は、排気通路１３を介して燃料電池１０から排気ガスとして排出される。また、燃料電池１０では電気化学反応により生成水が発生し、この水分は排気ガスに含まれた状態で、排気通路１３を介して燃料電池１０から排出される。

燃料電池１０は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する。燃料電池１０は、発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１０内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１０を許容温度以下に保持する必要がある。

図２に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１０に冷却水を循環供給する冷却水通路２０を備えている。冷却水通路２０には、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ２１が設けられている。

冷却水通路２０には、ラジエータ２２が設けられている。ラジエータ２２は、燃料電池１０により高温となった冷却水と、ファン２２ａにより送風された外気とを熱交換させ、燃料電池１０で発生した熱を系外に放出する熱交換器である。ファン２２ａの回転は、後述の制御部５０によって制御される。

冷却水通路２０には、ラジエータ２２と並列してサブラジエータ２３が設けられている。サブラジエータ２３は、冷却水と大気とを熱交換する熱交換器であり、燃料電池２の高負荷時などラジエータ２２のみでは冷却能力が不足する場合に補助的に用いられる。

冷却水通路２０には、冷却水をラジエータ２２をバイパスさせるためのバイパス通路２４が設けられている。バイパス通路２４はラジエータ２２と並列的に設けられている。

冷却水通路２０とバイパス通路２４の分岐部には、冷却水制御バルブ２５が設けられている。冷却水制御バルブ２５は、バルブ開度を調整することで、ラジエータ２２に流れる冷却水流量と、バイパス通路２４に流れる冷却水流量の比率を調整することができる。

冷却水通路２０における燃料電池１０の出口側には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度（つまり、燃料電池１０の出口温度）を検出する第１水温センサ２６が設けられている。冷却水通路２０におけるラジエータ２２の出口側には、ラジエータ２２から流出した冷却水の温度（つまり、ラジエータ２２の出口温度）を検出する第２水温センサ２７が設けられている。

図１に戻り、燃料電池１０の排気ガスが通過する排気通路１３には、気液分離器３０が設けられている。気液分離器３０は、排気ガスに含まれる燃料電池１０の生成水を回収する水回収部を構成している。

気液分離器３０の下方には、第１タンク３１が設けられている。気液分離器３０には、気液分離器３０の水を第１タンク３１に供給する連通路３０ａが設けられている。連通路３０ａの端部は、第１タンク３１の内部に位置している。

気液分離器３０で回収した燃料電池１０の生成水は、第１タンク３１に貯蔵される。第１タンク３１は、気液分離器３０の鉛直方向下方に設ける必要があり、設置スペースを大きくすることが難しい。このため、第１タンク３１としては小型のタンクが用いられる。

第１タンク３１には、貯蔵水の水位を検出する第１水位センサ３１ａが設けられている。また、第１タンク３１には、内部の余分な水や空気を排出するための排出通路３１ｂが設けられている。排出通路３１ｂは、第１タンク３１の上部に設けられている。第１タンク３１の水位が所定の上限値を超えた場合に、第１タンク３１の水が排出通路３１ｂを介して外部に排出される。なお、第１水位センサ３１ａが本発明の第１水量検出部に相当している。

第１タンク３１の貯蔵水は、タンク間通路３２を介して第２タンク３５に供給可能となっている。タンク間通路３２には、第１タンク３１の貯蔵水を第２タンク３５に供給するためのタンク間ポンプ３３が設けられている。タンク間通路３２におけるタンク間ポンプ３３の下流側には、水の逆流を防ぐ逆止弁３４が設けられている。

第２タンク３５には、第１タンク３１から供給された水が貯蔵される。第２タンク３５は、第１タンク３１より容積が大きくなっている。本実施形態では、第１タンク３１がサブタンク、第２タンク３５がメインタンクとして位置付けられる。第１タンク３１が本発明の第１貯水部に相当し、第２タンク３５が本発明の第２貯水部に相当する。

第２タンク３５には、貯蔵水の水位を検出する第２水位センサ３５ａが設けられている。第２水位センサ３５ａで検出した第２タンク３５の貯水量が少なくなった場合に、第１タンク３１から第２タンク３５への水の供給が行われる。なお、第２水位センサ３５ａが本発明の第２水量検出部に相当している。

また、第２タンク３５には、外部連通部３５ｂが設けられている。外部連通部３５ｂは、第２タンク３５の内部から余分な空気を排出する目的と、第２タンク３５に外部から水を供給する目的に用いられる。

図３に示すように、第２水位センサ３５ａは第２タンク３５における車両前方側に配置されている。図３において、左側に平地走行時の第２タンク３５を示し、右側に登坂走行時の第２タンク３５を示している。

図３に示すように、平地走行時は第２タンク３５の貯蔵水は水面が水平であるのに対し、登坂走行時は道路勾配の影響によって第２タンク３５の貯蔵水は車両前方側の水位が低くなっている。このため、登坂走行時に第２水位センサ３５ａで検出される水位は、実際の水位より低くなる。

登坂走行時は、燃料電池１０の発電量増大に伴って冷却水温度が高くなり、ラジエータ２２に水を散布する必要性が高くなる。このため、第２水位センサ３５で実際の水位よりも低い水位が検出されることで、第１タンク３１から第２タンク３５への水の供給量を増大させることができる。

図１に戻り、第２タンク３５の貯蔵水は、散布用通路３６を介して散布部３９に供給される。散布部３９は、ラジエータ２２の表面に水を散布する目的でタンク貯蔵水を使用する水使用部である。

散布用通路３６には、第２タンク３５の貯蔵水を散布部３９に供給するための散布用ポンプ３７が設けられている。散布用通路３６における散布用ポンプ３７の下流側には、水の逆流を防止する逆止弁３８が設けられている。

散布用ポンプ３７は、散布部３９に供給する水の流量を調整可能となっている。散布用ポンプ３７による流量調整は、例えば電圧制御あるいはデューティ比制御によって行うことができる。

散布部３９は、散布用通路３３の先端部に設けられている。散布部３９は、ラジエータ２２の風上側（つまり、車両前方側）において、ラジエータ２２の上側部分の近傍に配置されている。

散布部３９は、水が流入可能な内部空間を有する筐体と、筐体内部と外部とを連通し、水を散布可能な複数の連通孔（例えば、噴射ノズル）を有している。散布部３９の連通孔はラジエータ２２に対向しており、散布部３９の連通孔からラジエータ２２の表面に水を散布することができる。

ラジエータ２２に水を散布することで、ラジエータ２２の表面で水が蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用してラジエータ２２の冷却能力を向上させることができる。

散布部３９による水の散布は、燃料電池１０の発電量増大に伴って燃料電池１０の発熱量が増大し、冷却水温度が上昇した場合に行われる。つまり、散布部３９による水の散布は、ラジエータ２２の冷却能力を向上させる必要がある場合に行われる。

例えば、燃料電池１０の出口温度が所定の許容上限温度に到達した場合に、散布部３９による水の散布を行うことができる。許容上限温度は、燃料電池１０の電解質膜の耐熱温度（例えば１１０℃程度）に基づいて決定すればよく、任意に設定可能な値である。

図４に示すように、燃料電池システムには、制御部５０が設けられている。制御部５０は、燃料電池システムを構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部である。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。

制御部５０には、水温センサ２６、２７、水位センサ３１ａ、３５ａ等から各種情報が入力する。制御部５０から、冷却水ポンプ２１、ラジエータファン２２ａ、冷却水制御バルブ２５、タンク間ポンプ３３、散布用ポンプ３７等の各制御対象機器に制御信号が出力される。制御部５０は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、各制御対象機器の作動を制御することができる。

ここで、第１タンク３１から第２タンク３５への水の供給について説明する。散布部３９からラジエータ２２に水を散布する際に第２タンク３５の貯水量が不足していると、ラジエータ２２に必要量の水を散布することができず、ラジエータ２２で充分な冷却能力が得られない可能性がある。このため、本実施形態では、ラジエータ２２に散布するために必要な水を第２タンク３５で確保するために、タンク間ポンプ３３による第１タンク３１から第２タンク３５への水供給制御を行っている。

次に、タンク間ポンプ３３による水供給制御を図５のフローチャートに基づいて説明する。図５に示す水供給制御は、制御部５０によって実行されるメインルーチンの一部であり、所定周期で繰り返し実行される。

まず、第１水位センサ３１ａによって検出した第１タンク３１の貯水量が第１所定値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１０）。第１所定値は、第２のタンク３５に水を供給するために必要となる第１タンク３１の貯水量である。

Ｓ１０の判定処理の結果、第１タンク３１の貯水量が第１所定値を上回っていないと判定された場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、第１タンク３１の貯水量が第２のタンク３５に水を供給するための必要量に達していないので、第１タンク３１から第２タンク３５への水の供給は行わない。

そして、タンク間ポンプ３３が作動中であるか否かを判定し（Ｓ１１）、タンク間ポンプ３３が作動中である場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、タンク間ポンプ３３の作動を停止する（Ｓ１２）。これにより、第１タンク３１の貯水量が少なくなっているにも関わらず、タンク間ポンプ３３を作動させることを回避できる。この結果、タンク間ポンプ３３が不必要に作動することを回避できるので、タンク間ポンプ３３の消費電力を低減でき、振動や騒音を低減させることができる。

Ｓ１０の判定処理で、第１タンク３１の貯水量が第１所定値を上回っていると判定された場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）、第２水位センサ３５ａによって検出した第２タンク３５の貯水量が第２所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１３）。第２所定値は、ラジエータ２２に水を散布するために必要となる第２タンク３５の貯水量である。また、第２所定値は、第１タンク３１から第２タンク３５に水を供給開始する基準となる貯水量である。

Ｓ１３の判定処理の結果、第２タンク３５の貯水量が第２所定値を下回っていると判定された場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、タンク間ポンプ３３の作動を開始する（Ｓ１４）。これにより、第１タンク３１から第２タンク３５に水が供給され、第２タンク３５の貯水量が増大する。一方、第２タンク３５の貯水量が第２所定値を下回っていないと判定された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、散布用ポンプ３７が作動中であるか否かを判定する（Ｓ１５）。

この結果、散布用ポンプ３７が作動中であると判定された場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、第２タンク３５の貯水量が第３所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１６）。第３所定値は、ラジエータ２２への水の散布中に必要となる第２タンク３５の貯水量であり、第２所定値よりも大きい値として設定される。また、第３所定値は、ラジエータ２２への水の散布中に第１タンク３１から第２タンク３５に水を供給開始する基準となる貯水量である。

つまり、第２タンク３５の水が使用中である場合には、第２タンク３５の水を多く確保しておく必要がある。このため、第１タンク３１から第２タンク３５に水を供給開始する基準となる第２タンク３５の貯水量を第３所定値に変更することで、第２所定値を基準とした場合よりも第２タンク３５の貯水量を増大させることができる。

Ｓ１６の判定処理の結果、第２タンク３５の貯水量が第３所定値を下回っていると判定された場合には（Ｓ１６：ＹＥＳ）、タンク間ポンプ３３の作動を開始する（Ｓ１４）。これにより、第１タンク３１から第２タンク３５に水が供給され、第２タンク３５の貯水量が増大する。

Ｓ１５の判定処理で散布用ポンプ３７が作動中ではないと判定された場合（Ｓ１５：ＮＯ）、あるいはＳ１６の判定処理で第２タンク３５の貯水量が第３所定値を下回っていないと判定された場合には（Ｓ１６：ＮＯ）、タンク間ポンプ３３が作動中であるか否かを判定する（Ｓ１１）。この結果、タンク間ポンプ３３が作動中である場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、タンク間ポンプ３３の作動を停止する（Ｓ１２）。これにより、タンク間ポンプ３３が不必要に作動することを回避できる。

以上説明した本実施形態によれば、第１タンク３１の貯水量が第１所定値を上回っており、かつ、第２タンク３５の貯水量が第２所定値を下回っている場合に、第１タンク３１から第２タンク３５に水を供給する。これにより、第２タンク３５において、ラジエータ２２に水を散布するために必要な貯水量を確保することができる。

また、本実施形態では、第１タンク３１の貯水量が第１所定値を上回っており、かつ、第２タンク３５の水を使用している場合には、第２タンク３５の貯水量が第２所定値より大きい第３所定値を下回っている場合に、第１タンク３１から第２タンク３５に水を供給する。このように、第２タンク３５の水が使用中である場合には、第１タンク３１から第２タンク３５に水を供給開始する基準となる第２タンク３５の貯水量を第３所定値に変更することで、第２所定値を基準とした場合よりも第２タンク３５の貯水量を増大させることができる。

また、本実施形態では、第１タンク３１の貯水量が第１所定値を下回っている場合には、タンク間ポンプ３３を作動させないようにしている。これにより、第１タンク３１の貯水量が少ない場合に、タンク間ポンプ３３が無駄に作動することを回避できる。この結果、タンク間ポンプ３３の消費電力を低減でき、振動や騒音を低減させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上記実施形態では、タンク３１、３５の貯蔵水をラジエータ２２への散布に用いる例について説明したが、これに限らず、タンク３１、３５の貯蔵水を他の目的に用いてもよい。例えば、タンク３１、３５の貯蔵水を燃料電池１０の供給ガスの加湿に用いることができる。

（２）上記実施形態の構成において、Ｓ１６の処理を省略してもよい。この場合、第２タンク３５の貯水量が第２所定値を下回っていなくても（Ｓ１３：ＮＯ）、散布用ポンプが作動中である場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、タンク間ポンプ３３を作動開始させる（Ｓ１４）。これにより、第２タンク３５の水を使用中の場合には、第２タンク３５の貯水量に関わらず、第１タンク３１から第２タンク３５への水の供給が行われ、第２タンク３５の貯水量を増大させることができる。

（３）上記実施形態では、タンク３１、３５の水位を検出する水位センサ３１ａ、３５ａを用いたが、水位センサに代えて、液面センサを用いてもよい。液面センサを用いる場合には、第２タンク３５に、貯蔵水の液面が第２所定値に到達しているか否かを判定するための液面センサと、貯蔵水の液面が第３所定値に到達しているか否かを判定するための液面センサを設ければよい。

１０ 燃料電池
２２ ラジエータ（熱交換器）
３０ 気液分離器
３１ 第１タンク（第１貯水部）
３１ａ 第１水位センサ（第１水量検出部）
３３ タンク間ポンプ
３５ 第２タンク（第２貯水部）
３５ａ 第２水位センサ（第２水量検出部）
３７ 散布用ポンプ
３９ 散布部（水使用部）
５０ 制御部

Claims (5)

1. 水素と酸素とを電気化学反応させ、前記電気化学反応に伴って水を生成する燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池から回収された水を貯蔵する第１貯水部（３１）と、
   前記第１貯水部から供給された水を貯蔵する第２貯水部（３５）と、
   前記第１貯水部から前記第２貯水部に水を供給する水供給部（３３）と、
   前記第１貯水部の貯水量を検出する第１水量検出部（３１ａ）と、
   前記第２貯水部の貯水量を検出する第２水量検出部（３５ａ）と、
   前記第２貯水部の水を使用する水使用部（３９）と、
   前記水供給部による水の供給を制御する制御部（５０）とを備え、
   前記制御部は、
   前記第１貯水部の貯水量が第１所定値を上回り、かつ、前記第２貯水部の貯水量が第２所定値を下回った場合に、前記水供給部によって前記第１貯水部から前記第２貯水部に水を供給し、
   前記第１貯水部の貯水量が前記第１所定値を上回り、かつ、前記水使用部で前記第２貯水部の水を使用している場合には、前記第２貯水部の貯水量が前記第２所定値を下回っていなくても、前記水供給部によって前記第１貯水部から前記第２貯水部に水を供給する燃料電池システム。
2. 前記第１貯水部の貯水量が前記第１所定値を上回り、かつ、前記水使用部で前記第２貯水部の水を使用している場合には、前記第２貯水部の貯水量が前記第２所定値より大きい第３所定値を下回っていれば、前記水供給部によって前記第１貯水部から前記第２貯水部に水を供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   前記水量検出部は、前記第２貯水部における前記車両前方側に設けられている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池から熱を受け取った熱交換媒体と外気とを熱交換し、前記燃料電池で発生した熱を系外に放出する熱交換器（２２）を備え、
   前記使用部は、水の蒸発潜熱を利用して前記熱交換器を冷却するために、前記第２貯水部の水を前記熱交換器に散布する散布部である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記第１貯水部の貯水量が前記第１所定値を上回っておらず、かつ、前記水供給部によって前記第１貯水部から前記第２貯水部に水が供給されている場合には、前記水供給部による水の供給を停止する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

Images