JP4031555B2 - ガス供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電極に反応ガスの供給を受けて、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池を運転する燃料電池運転装置およびその方法と、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路を備えるガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極（水素極と呼ぶ）の表面に水素の燃料ガスを接触させ、また他方の電極（酸素極と呼ぶ）の表面に酸素を含有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。
【０００３】
こうした燃料電池では、反応ガス（上記燃料ガスおよび酸化ガス）の消費量が多い場合には、大きい電気エネルギを出力し、反応ガスの消費量が少ない場合には、小さい電気エネルギを出力する。このため、燃料電池では、接続される負荷の大きさが増して出力電流が増大したとき、燃料電池へのガス供給量を増加することにより、反応ガスの消費を補っている。即ち、燃料電池へのガス供給量を、燃料電池の出力電流値からフィードバック制御することがなされている（例えば、特開平４−５１４６６号公報など）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、燃料電池の負荷が急増して燃料電池の出力電流が急激に増大した場合に、その出力電流の変化に対して、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従しなかった。反応ガスである水素ガスおよび酸化ガスの供給が遅れると、電極付近では活性物質の濃度が低下し、濃度分極により電圧降下が発生した。また、電圧降下といった現象の他に、酸化ガスの供給が遅れると、ポンピング現象も生じた。これは、水素極側から電解質膜を透過してきた水素ガスが、酸素極側の触媒部で酸化ガスが不足したために酸化ガスと反応することができず、その水素ガスが酸化ガスの流路に溜まってしまう現象である。このポンピング現象が起きると、その部分に発熱を起こし、この結果、電極部分に損傷を与えて、燃料電池の寿命を短縮化する恐れがあった。
【０００５】
この発明は、こうした問題を解決し、燃料電池において供給されるガスが不足して電圧降下が起こったり、部分的な発熱などの不都合が生じてしまうのを防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
かかる目的を達成するため、この発明は、以下の構成を採用した。
【００１２】
この発明のガス供給装置の第１の構成は、
燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路を備えるガス供給装置であって、
前記ガス供給通路の容積は、
前記燃料電池に接続される負荷の大きさから定まる基本容積に、前記燃料電池の最小ガス消費量と最大ガス消費量との差分と、許容ガス不足時間とに基づいて計算される補償容積を加えた大きさに定められたもの
であることを要旨としている。
【００１３】
この構成によれば、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、補償容積分の反応ガスが燃料電池へ供給されることから、燃料電池の出力電流の急激な増大に対しても、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従される。
【００１４】
したがって、燃料電池において供給される反応ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００１５】
この発明のガス供給装置の第２の構成は、
燃料電池に接続されるガス供給通路と、
該ガス供給通路に設けられ、反応ガスを圧送するポンプと
を備えるガス供給装置において、
前記ガス供給通路中のガス圧の目標値を、所定の運転圧力に、前記燃料電池の最小ガス消費量と最大ガス消費量との差分と、許容ガス不足時間とに基づいて計算される補償圧力を加えた大きさに定める目標圧力算出手段と、
前記ポンプを運転制御することにより、前記ガス供給通路中のガス圧を前記目標値に制御する圧力制御手段と
を設けたことを要旨としている。
【００１６】
この構成によれば、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、補償圧力によって余分に加圧された反応ガスが燃料電池へ供給されることから、燃料電池の出力電流に対応して、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従される。
【００１７】
したがって、この発明のガス供給装置の第２の構成と同様に、燃料電池において供給される反応ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の参考例である燃料電池運転装置１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表わすブロック図である。本参考例の燃料電池運転装置１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電源として働く。燃料電池運転装置１０は、燃料電池２０、２次電池３０、車両駆動用のモータ３４、インバータ３６、ダイオード４０、リレー４２、電流センサ４４および制御部５０を主な構成要素とする。以下、燃料電池運転装置１０の各構成要素について説明する。
【００１９】
燃料電池２０は、モータ３４に電力を供給する電源装置である。これは、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル２８を複数積層したスタック構造を有している。燃料電池２０は、陰極側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極側には酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて以下に示す電気化学反応によって起電力を得る。
【００２０】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００２１】
（１）式は陰極側における反応、（２）式は陽極側における反応を示し、（３）式は電池全体で起こる反応を表わす。図２は、この燃料電池２０を構成する単セル２８の構成を例示する断面図である。単セル２８は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４，２５とから構成されている。
【００２２】
アノード２２およびカソード２３は、電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ２４，２５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３とセパレータ２５との間には酸化ガス流路２５Ｐが形成されている。セパレータ２４，２５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３との間で酸化ガス流路２５Ｐを形成する。このように、セパレータ２４，２５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル２８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
【００２３】
ここで、電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本参考例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜２１上にプレスする構成も好適である。また、白金などの触媒は、電解質膜２１ではなく、電解質膜２１を接するアノード２２およびカソード２３側に塗布することとしてもよい。
【００２４】
アノード２２およびカソード２３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本参考例では、アノード２２およびカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００２５】
セパレータ２４，２５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２４，２５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード２２の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード２３の表面とで酸化ガス流路２５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００２６】
以上、燃料電池２０の基本構造である単セル２８の構成について説明した。実際に燃料電池２０として組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５の順序で構成される単セル２８を複数組積層し（本参考例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板２６，２７を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００２７】
図１のブロック図では図示しなかったが、実際に燃料電池を用いて発電を行なうには、上記スタック構造を有する燃料電池本体の他に所定の周辺装置を必要とする。図３は、燃料電池２０とその周辺装置とからなる燃料電池部６０の構成を例示するブロック図である。燃料電池部６０は、上記燃料電池２０と、メタノールタンク６１および水タンク６２と、改質器６４と、エアコンプレッサ６６とを主な構成要素とする。
【００２８】
改質器６４は、メタノールタンク６１および水タンク６２から、メタノールおよび水の供給を受ける。改質器６４では、供給されたメタノールを原燃料として水蒸気改質法による改質を行ない、水素リッチな燃料ガスを生成する。以下に、改質器６４で行なわれる改質反応を示す。
【００２９】
ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ2 …（４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2 …（５）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2 …（６）
【００３０】
改質器６４で行なわれるメタノールの改質反応は、（４）式で表わされるメタノールの分解反応と（５）式で表わされる一酸化炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として（６）式の反応が起きる。このような改質反応は全体として吸熱反応である。改質器６４で生成された水素リッチな燃料ガスは燃料供給路６８を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単セル２８において、前記燃料ガス流路２４Ｐに導かれてアノード２２における電池反応に供される。アノード２２で行なわれる反応は記述した（１）式で表わされるが、この反応で必要な水を補って電解質膜２１の乾燥を防ぐために、燃料供給路６８に加湿器を設け、燃料ガスを加湿した後に燃料電池２０に供給することとしてもよい。
【００３１】
また、エアコンプレッサ６６は、外部から取り込んだ空気を燃料電池２０に加圧供給する。エアコンプレッサ６６に取り込まれて加圧された空気は、空気供給路６９を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単セル２８において、前記酸化ガス流路２５Ｐに導かれてカソード２３における電池反応に供される。一般に燃料電池では、両極に供給されるガスの圧力が増大するほど反応速度が上昇するため電池性能が向上する。そこで、カソード２３に供給する空気は、このようにエアコンプレッサ６６によって加圧を行なっている。なお、アノード２２に供給する燃料ガスの流量は、既述した燃料供給路６８に設けた図示しないポンプの吐出量を制御することによって容易に調節可能である。
【００３２】
燃料電池２０内のアノード２２で電池反応に使用された後の燃料排ガスと、エアコンプレッサ６６によって圧縮された空気の一部とは改質器６４に供給される。既述したように、改質器６４における改質反応は吸熱反応であって外部から熱の供給が必要であるため、改質器６４内部には図示しないバーナが加熱用に備えられている。上記燃料ガスと圧縮空気とは、このバーナの燃焼のために用いられる。燃料電池２０の陽極側から排出された燃料排ガスは燃料排出路７１によって改質器６４に導かれ、圧縮空気は空気供給路６９から分岐する分岐空気路７０によって改質器６４に導かれる。燃料排ガスに残存する水素と圧縮空気中の酸素とはバーナの燃焼に用いられ、改質反応に必要な熱量を供給する。
【００３３】
本参考例の燃料電池２０は、接続される負荷（または燃料電池２０の出力電流）の大きさに応じて、燃料ガス量および酸化ガス量を調節することによって、その出力を制御することができる。この出力の制御は制御部５０によって行なわれる。すなわち、既述した空気供給路６９に接続するエアコンプレッサ６６や、燃料供給路６８に設けたポンプに対して、制御部５０からの駆動信号を出力し、その駆動量を調節することで供給ガス量を制御して負荷の大きさに応じた出力を得ている。図１では、制御部５０からの出力信号は燃料電池２０に入力されるように表わされているが、実際には、制御部５０からの出力信号は、燃料電池部６０においてガス量の調節などに関わる上記した機器類に入力される。
【００３４】
２次電池３０は、上記燃料電池２０とともにモータ３４に電力を供給する電源装置である。本参考例では鉛蓄電池を用いたが、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など他種の２次電池を用いることもできる。この２次電池３０の容量は、電気自動車の予想される走行状態、すなわち予想される負荷の大きさや、併設される燃料電池２０の容量などによって決定される。
【００３５】
モータ３４は、三相同期モータである。燃料電池２０や２次電池３０が出力する直流電流は、インバータ３６によって三相交流に変換されてモータ３４に供給される。このような電力の供給を受けてモータ３４は回転駆動力を発生し、この回転駆動力は、燃料電池運転装置１０を搭載する車両における車軸を介して、車両の前輪および／または後輪に伝えられ、車両を走行させる動力となる。このモータ３４は、後述するインバータ３６を介して電気自動車用の制御装置３５の制御を受ける。制御装置３５は、アクセルペダル３５ａの操作量を検出するアクセルペダルポジションセンサ３５ｂなどとも接続されている。また、制御装置３５は、燃料電池運転装置１０の動作に関する基本的な制御を行なう制御部５０とも接続されており、この制御部５０との間でモータ３４の駆動などに関する種々の情報をやり取りしている。
【００３６】
インバータ３６は、燃料電池２０や２次電池３０から供給される直流電流を、３相交流電流に変換してモータ３４に供給する。ここでは、制御部５０からの指示に基づいて、モータ３４に供給する３相交流の振幅（実際にはパルス幅）および周波数を調節することによって、モータ３４で発生する駆動力を制御可能となっている。このインバータ３６は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、これらのスイッチング素子のスイッチング動作により燃料電池２０および２次電池３０から供給される直流電流を任意の振幅および周波数の三相交流に変換する。インバータ３６が備える各スイッチング素子はそれぞれ制御部５０に接続されており、制御部５０からの駆動信号によりそのスイッチングのタイミングの制御を受ける。
【００３７】
ダイオード４０は、燃料電池２０と２次電池３０とを並べる回路中の所定の位置に、燃料電池２０側からインバータ３６側に電流を流すことができる向きに配置されている。
【００３８】
リレー４２は、燃料電池運転装置１０を構成する回路の所定の位置に設けられており、このリレー４２が備える接点を開閉することによって、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３４とを接続したり切り離したりすることができる。リレー４２における接続状態は、制御部５０によって制御されている。
【００３９】
電流センサ４４は、燃料電池２０の出力端子に設けられ、燃料電池２０の出力電流を検出する。
【００４０】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理演算回路として構成され、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ５４、ＲＡＭ５６および入出力ポート５８を中心として構成されている。ＣＰＵ５２は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行する。ＲＯＭ５４には、ＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データなどが予め格納されており、ＲＡＭ５６には、同じくＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされる。入出力ポート５８は、電流センサ４４など各種センサからの検出信号などを入力すると共に、ＣＰＵ５２での演算結果に応じてリレー４２など各種アクチュエータに駆動信号を出力して燃料電池運転装置１０の各部の駆動状態を制御する。
【００４１】
なお、上記制御プログラムは、ＲＯＭ５４に格納されていたが、これに替えて、ＲＡＭ５６に格納する構成としてもよい。この場合、制御プログラムは、フロッピディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で提供される構成とすることが可能である。
【００４２】
図１において、制御部５０と燃料電池２０との間に信号のやり取りを示したが、これは燃料電池２０の運転状態に関する制御を表わしており、正確には燃料電池部６０を構成する各機器の動作に関する制御を表わしている。既述したように、エアコンプレッサ６６やポンプに駆動信号を出力して酸化ガス量や燃料ガス量を制御したり、改質器６４に供給するメタノールおよび水の量を制御したりを、制御部５０が行なっている。
【００４３】
以上燃料電池運転装置１０の構成について説明したが、次に、この燃料電池運転装置１０の動作について説明する。図４は、燃料電池運転装置１０の制御部５０のＣＰＵ５２で実行される電流検出処理を示すフローチャートである。図５は、同じくＣＰＵ５２で実行される電流急増時制御処理を示すフローチャートである。これらフローチャートで示される処理は、ＣＰＵ５２がＲＯＭ５４に格納された制御プログラムを実行することにより実現される。
【００４４】
図４に示す電流検出処理は、所定時間ｔ１、例えば、１０msec毎に実行されるものである。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ５２は、まず、電流センサ４４で検出された燃料電池２０の出力電流Ｉを取り込み（ステップＳ１００）、次いで、その出力電流Ｉと前回この処理を実行したときに得られた出力電流Ｉ′との比率に基づいて、出力電流Ｉの所定時間当たりの変化率（以下、出力電流変化率と呼ぶ）ｒを算出する（ステップＳ１１０）。即ち、ｒは、下記の（７）式により算出された値となる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
その後、「リターン」に抜けて、この電流検出処理の実行を一旦終了する。
【００４７】
図５に示す電流急増時制御処理は、所定時間ｔ２（＞ｔ１）、例えば、１００msec毎に実行されるものである。図５に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ５２は、電流検出処理のステップＳ１１０で算出した最新の出力電流変化率ｒが、第１の所定値ｒ１（例えば、１０［％］）以上の値であるか、第２の所定値ｒ２（例えば、−１０［％］）以下の値であるか、あるいは第１の所定値ｒ１から第２の所定値ｒ２までの間の値であるかを判別する（ステップＳ２００，Ｓ２１０）。
【００４８】
ステップＳ２００で、出力電流変化率ｒが第１の所定値（以下、単に所定値と呼ぶ）ｒ１以上の値であると判別されると、ステップＳ２２０に処理を進める。
【００４９】
ステップＳ２２０では、ＣＰＵ５２は、燃料電池２０の出力電流Ｉの増加量を所定値ｒ３（ｒ１より大きな値で、例えば、２０［％］）以下に抑える電流制限処理を実行する。この処理は、出力電流Ｉが、ステップＳ２００で肯定判別される直前の出力電流Ｉの（１＋ｒ３／１００）倍以上増加しようとするときに、その出力電流Ｉをその（１＋ｒ３／１００）倍の値に保持するものである。
【００５０】
上記所定値ｒ３がどのような値をとるかについて、次に説明する。この燃料電池運転装置１０では、前述したように、燃料電池の２０の出力電流の大きさに応じた燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が供給されているが、両ガス供給量ＱH，ＱO は、理論上必要とされる量に加えて、ストイキ比と安全率とを考慮したものとなっている。ストイキ比とは、本来の使用されるガス量（これがストイキ比が１に相当する）に対し、燃料電池２０およびそのガス供給ライン全体の圧損、その他、実際に出力電流を取り出すために流す必要のあるガス量の比率を言い、燃料電池毎の性能によって決まる。安全率とは、何等かの支障でガス供給に支障が生じることを考慮して、２０ないし３０［％］の増量を見込むものである。
【００５１】
このため、現状の出力電流値Ｉに対して、燃料ガス量および酸化ガス量を増加することなしに、少なくとも安全率分は電流増加することが可能なことがわかる。したがって、ステップＳ２２０では、所定値ｒ３を上記安全率に見合う値、ここでは、２０［％］としている。
【００５２】
その後、ＣＰＵ５２は、ステップＳ２２０で定められた出力電流値Ｉに基づいて、燃料電池２０に供給する燃料ガス量ＱH および酸化ガス量Ｑo を算出する処理を行なう（ステップＳ２３０）。詳しくは、ステップＳ２１０で定められた出力電流値Ｉを、下記の（８）式および（９）式に代入することで、燃料ガス量ＱH および酸化ガス量Ｑo を算出する。なお、式中、Ｆは、ファラデー定数（＝９６５００［ｃ／ｍｏｌ]）、Ｖは、標準状態の１ｍｏｌ当たりのガス容積（＝２２．４［ｌ]）、ｍは、ガスの分子数、ｔは、時間の単位を分に換算するための係数（＝６０）、ｓ１は、この燃料電池２０のストイキ比（例えば、３．０）、ｓ２は、安全率（例えば、０．２）である。
【００５３】
【数２】
【００５４】
ステップＳ２３０で、燃料電池２０に供給するガス供給量ＱH ，Ｑo が算出されると、これらガス供給量ＱH ，Ｑo に従って燃料ガス量および酸化ガス量の調節が行なわれる（ステップＳ２４０）。ここでは、制御部５０が燃料電池部６０を構成する各部に駆動信号を出力することによって、燃料電池２０に供給するガス量を上記算出された量に修正する。その後、ＣＰＵ５２は、「リターン」に処理を進めて、この処理のルーチンを一旦終了する。
【００５５】
一方、ステップＳ２００およびＳ２１０で、出力電流変化率ｒが第１の所定値ｒ１から第２の所定値ｒ２までの間の値であると判別されたときには、出力電流およびガス供給量の特別な補正制御は不要であるとして、ＣＰＵ５２は、「リターン」に処理を進めて、この処理のルーチンを一旦終了する。
【００５６】
他方、ステップＳ２００およびＳ２１０で、出力電流変化率ｒが第２の所定値ｒ２以下の値であると判別されたときには、出力電流の特別な補正制御は行なうことなしに、ステップＳ２３０に処理を進める。即ち、出力電流変化率ｒが第２の所定値ｒ２以下となるような、出力電流Ｉの急減時には、直ちに、その出力電流に対応するガス供給量ＱH ，Ｑo までガス供給量を減少する。ステップＳ２３０およびＳ２５０の実行後、「リターン」に抜けて処理を一旦終了する。
【００５７】
以上のように構成されたこの参考例の燃料電池運転装置１０によれば、燃料電池２０に接続される負荷が大きくなって出力電流Ｉが急増するときに、出力電流値Ｉは、ガス供給量の過剰分（ほぼ上記安全率分）に見合う量以上増加しないように制限し、その後、その出力電流値Ｉに基づいて定められた燃料ガス量ＱH および酸化ガス量Ｑo だけガス量の供給を行なう。そうして、この一連の処理を繰り返し実行することで、燃料電池２０の負荷に応じた大きさまで出力電流Ｉを増大する。
【００５８】
このため、燃料電池２０の出力電流Ｉが急増するときに、その出力電流Ｉの増大が抑えられて、その抑えられた出力電流に基づいて燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が増大される。したがって、燃料電池２０の出力電流が急増するときにも、燃料電池２０へ供給される燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が応答性よく追従される。
【００５９】
この結果、燃料電池２０において供給される燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００６０】
なお、この参考例では、電流急増時検出手段として、電流センサ４４の検出信号に基づいて出力電流値Ｉを検出して、その出力電流値Ｉの変化から出力電流の急増時を検出していたが、これに替えて、電流急増時検出手段を、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを定める負荷指令値を検出して、その負荷指令値の変化から出力電流の急増時を検出する構成としてもよい。即ち、アクセルペダルポジションセンサ３５ｂによるアクセルペダル３５ａの操作量等を検出して、その検出信号の変化量が所定値以上のときに、出力電流が急増されるときであると判定する。この構成によれば、燃料電池の負荷指令値に基づいて、燃料電池の出力電流の急増時が判定されることになる。
【００６１】
なお、この変形例によれば、
本発明の燃料電池運転装置において、
前記電流急増時検出手段は、
前記燃料電池に接続される負荷の大きさを定める負荷指令値を検出する負荷指令値検出手段と、
該負荷指令値検出手段により検出された負荷指令値に基づいて、前記燃料電池の出力電流の急増時を判定する判定手段と
を備える構成とする実施形態となっている。
【００６２】
次に、この発明の第１実施例について説明する。前記参考例では、燃料電池の出力電流が急増するときに、出力電流とガス供給量とを制御することにより、ガス供給量の不足を防いでいたが、これに対して、この第１実施例では、不足するガス供給量を予測しておいて、このガス供給量に相当する分だけガス供給路の容積を予め大きくしておくものである。以下、この第１実施例を詳細に説明する。
【００６３】
上記不足するガス量は、燃料電池のガス消費量が最小から最大に移行したときの燃料電池変化に対応できる量であることから、次のように求める。まず、燃料電池に接続される負荷の最小時の燃料消費量と最大時の燃料消費量との差分を求め、この差分に許容ガス不足時間を乗ずることにより、不足するガスの総量を求める。この総量に圧力低減可能な比率を乗ずることにより、不足なガス流路容積を求める。
【００６４】
即ち、燃料ガス側の不足な流路容積ＶH は、下記の（１０）式により計算される値となる。
【数３】
【００６５】
（１０）式において、ＱHminは最小負荷時の燃料消費量、ＱHmaxは最大負荷時の燃料消費量、ｔH は燃料ガスの許容不足時間、ＰHminは燃料ガスの補償最低運転圧力、ＰＣH は燃料ガスの常用運転圧力である。
【００６６】
また、酸化ガス側の不足な流路容積ＶO は、下記の（１１）式により計算される値となる。
【数４】
【００６７】
（１１）式において、ＱOminは最小負荷時の酸化剤消費量、ＱOmaxは最大負荷時の酸化剤消費量、ｔO は酸化ガスの許容不足時間、ＰOminは酸化ガスの補償最低運転圧力、ＰＣO は、酸化ガスの常用運転圧力である。
【００６８】
図６は、燃料電池３００の積層体を示す説明図である。図示するように、この実施例では、積層体を積層方向（図中、紙面に垂直な方向）に貫通する燃料供給通路３１０と酸化ガス供給通路３２０が設けられている。燃料供給通路３１０および酸化ガス供給通路３２０は、図中、波線で示す大きさ（基本容積と呼ぶ）に従来、定められていたが、この実施例では、波線で示す容積に、図中ハッチングで示す補償容積を加えた大きさに定められている。この補償容積は、燃料供給通路３１０では、（１０）式により算出された燃料ガス側の不足な流路容積ＶH 以上の大きさとなっており、酸化ガス供給通路３２０では、（１１）式により算出された酸化ガス側の不足な流路容積ＶO 以上の大きさとなっている。
【００６９】
なお、基本容積は、燃料電池に接続される負荷の大きさおよび燃料電池性能等により定められるもので、周知の方法により計算され、ここでは詳しい説明については省略する。
【００７０】
以下に、実際の数値の例を挙げて補償容積はどのような大きさになっているかを説明する。ここでは、燃料ガス側について説明する。
【００７１】
ＱHmin＝１００［ｌ／ｍｉｎ］，ＱHmax＝２５０［ｌ／ｍｉｎ］，ｔH ＝６［ｓｅｃ］、ＰHmin＝１．５［ａｔａ］，ＰＣH ＝１．５［ａｔａ］とすると、ＶH ＝（２５０−１００）・６／６０・１．５／２．０＝１１．２５[ｌ］となる。
【００７２】
即ち、従来の燃料電池の燃料ガス供給通路に対して、この実施例では、約１１．３[ｌ］以上（以上であれば、これよりも大きいものでもよい）の補償容積を加えた容積の燃料ガス供給通路に定められている。
【００７３】
こうした構成の第１実施例では、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、補償容積分の燃料ガスおよび酸化ガスが燃料電池へ供給されることから、燃料電池の出力電流の急激な増大に対しても、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従される。
【００７４】
したがって、第１実施例では、前述した参考例と同様に、燃料電池において供給される燃料ガス量および酸化素ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００７５】
次に、この発明の第２実施例について説明する。前記第１実施例では、燃料電池の出力電流が急増するときに、不足するガス供給量を予測しておいて、このガス供給量に相当する分だけガス供給路の容積を予め大きくしておくものであるが、これに替えて、この第２実施例では、ガス供給路の容積はそのままで、ガス供給路内に圧力を加えることにより、上記不足するガス供給量を補償するものである。以下、この第２実施例を詳細に説明する。
【００７６】
上記不足するガス量は、次のように求める。まず、第１実施例と同様に、燃料電池に接続される負荷の最小時の燃料消費量と最大時の燃料消費量との差分を求め、この差分に許容ガス不足時間を乗ずることにより、不足するガスの総量を求める。そして、この総量をガス供給路の容積で割り算することにより、不足なガス圧力を求める。
【００７７】
即ち、燃料ガス側の不足な流路圧力ＰH は、下記の（１２）式により計算される値となる。
【数５】
【００７８】
（１２）式において、ＱHminは最小負荷時の燃料消費量、ＱHmaxは最大負荷時の燃料消費量、ｔH は燃料ガスの許容不足時間、ＶＣH は燃料供給路の容積である。
【００７９】
また、酸化ガス側の不足な流路圧力ＰO は、下記の（１３）式により計算される値となる。
【数６】
【００８０】
（１３）式において、ＱOminは最小負荷時の酸化剤消費量、ＱOmaxは最大負荷時の酸化剤消費量、ｔO は酸化ガスの許容不足時間、ＶＣO は酸化ガス供給路の容積である。
【００８１】
この第２実施例では、前記参考例と同様に、燃料ガス圧力は、燃料供給路に設けたポンプの吐出量を制御することにより制御可能となっており、また、酸化ガス圧力は、酸化ガス供給路に設けたエアコンプレッサによる加圧を制御することにより制御可能となっている。
【００８２】
図７は、上記燃料供給路に設けたポンプと酸化ガス供給路に設けたエアコンプレッサとを制御する制御部にて実行されるガス圧力制御処理を示すフローチャートである。図示するように、この制御部のＣＰＵは、処理が開始されると、まず、（１２）式および（１３）式から不足な流路圧力ＰH ，ＰO を算出する（ステップＳ４００）。次いで、燃料電池性能から定まる運転圧力ＰｄH ，ＰｄO を算出し（ステップＳ４１０）、この運転圧力ＰｄH ，ＰｄO に上記不足な流路圧力ＰH ，ＰO を加えて、燃料ガス側の目標制御圧力と酸化ガス側の目標制御圧力とをそれぞれ算出する（ステップＳ４２０）。
【００８３】
目標制御圧力が求められると、ＣＰＵは、燃料供給路に設けたポンプと酸化ガス供給路に設けたエアコンプレッサとをそれぞれ駆動制御して、上記目標制御圧力以上の値に各ガス圧を制御する。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００８４】
以下に、実際の数値の例を挙げてガス圧力がどのような値に制御されるかを説明する。ここでは、燃料ガス側について説明する。
【００８５】
ＱHmin＝１００［ｌ／ｍｉｎ］，ＱHmax＝２５０［ｌ／ｍｉｎ］，ｔH ＝６［ｓｅｃ］、ＰHmin＝１．５［ａｔａ］，ＶＣH ＝５０［ｌ］とすると、ＰH ＝（２５０−１００）・６／６０・１．５／５０＝０．３[ａｔａ］となる。一方、ステップＳ４１０で求められる運転圧力が保障最低運転圧力である１．５[ａｔａ］とすると、制御圧力は０．３＋１．５＝１．８[ａｔａ］となる。
【００８６】
即ち、ガス圧力制御処理によれば、燃料電池に接続される燃料供給路の圧力は１．８［ａｔａ]以上（以上であれば、これよりも高い圧力でもよい）に制御されることになる。
【００８７】
こうした構成の第２実施例では、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、不足圧力分だけ加算されたガス圧力でガスが供給されることになる。このため、燃料電池の出力電流が急激に増大したときにも、燃料電池へ供給される燃料ガス量および酸化ガス量が応答性よく追従される。
【００８８】
したがって、第２実施例では、参考例および第１実施例と同様に、燃料電池において供給される燃料ガス量および酸化ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００８９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例である燃料電池運転装置１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】単セル２８の構成を表わす断面模式図である。
【図３】燃料電池部６０の構成を表わすブロック図である。
【図４】制御部５０のＣＰＵ５２で実行される電流検出処理を示すフローチャートである。
【図５】ＣＰＵ５２で実行される電流急増時制御処理を示すフローチャートである。
【図６】 本発明の第１実施例の燃料電池３００の積層体を示す説明図である。
【図７】 本発明の第２実施例の制御部のＣＰＵにて実行されるガス圧力制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池運転装置
２０…燃料電池
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５Ｐ…酸化ガス流路
２６，２７…集電板
２８…単セル
３４…モータ
３５…制御装置
３５ａ…アクセルペダル
３５ｂ…アクセルペダルポジションセンサ
３６…インバータ
４０…ダイオード
４２…リレー
４４…電流センサ
５０…制御部
５２…ＣＰＵ
５４…ＲＯＭ
５６…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０…燃料電池部
６１…メタノールタンク
６２…水タンク
６４…改質器
６６…エアコンプレッサ
６８…燃料供給路
６９…空気供給路
７０…分岐空気路
７１…燃料排出路
３００…燃料電池
３１０…燃料供給通路
３２０…酸化ガス供給通路
【発明の属する技術分野】
この発明は、電極に反応ガスの供給を受けて、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池を運転する燃料電池運転装置およびその方法と、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路を備えるガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極（水素極と呼ぶ）の表面に水素の燃料ガスを接触させ、また他方の電極（酸素極と呼ぶ）の表面に酸素を含有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。
【０００３】
こうした燃料電池では、反応ガス（上記燃料ガスおよび酸化ガス）の消費量が多い場合には、大きい電気エネルギを出力し、反応ガスの消費量が少ない場合には、小さい電気エネルギを出力する。このため、燃料電池では、接続される負荷の大きさが増して出力電流が増大したとき、燃料電池へのガス供給量を増加することにより、反応ガスの消費を補っている。即ち、燃料電池へのガス供給量を、燃料電池の出力電流値からフィードバック制御することがなされている（例えば、特開平４−５１４６６号公報など）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、燃料電池の負荷が急増して燃料電池の出力電流が急激に増大した場合に、その出力電流の変化に対して、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従しなかった。反応ガスである水素ガスおよび酸化ガスの供給が遅れると、電極付近では活性物質の濃度が低下し、濃度分極により電圧降下が発生した。また、電圧降下といった現象の他に、酸化ガスの供給が遅れると、ポンピング現象も生じた。これは、水素極側から電解質膜を透過してきた水素ガスが、酸素極側の触媒部で酸化ガスが不足したために酸化ガスと反応することができず、その水素ガスが酸化ガスの流路に溜まってしまう現象である。このポンピング現象が起きると、その部分に発熱を起こし、この結果、電極部分に損傷を与えて、燃料電池の寿命を短縮化する恐れがあった。
【０００５】
この発明は、こうした問題を解決し、燃料電池において供給されるガスが不足して電圧降下が起こったり、部分的な発熱などの不都合が生じてしまうのを防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
かかる目的を達成するため、この発明は、以下の構成を採用した。
【００１２】
この発明のガス供給装置の第１の構成は、
燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路を備えるガス供給装置であって、
前記ガス供給通路の容積は、
前記燃料電池に接続される負荷の大きさから定まる基本容積に、前記燃料電池の最小ガス消費量と最大ガス消費量との差分と、許容ガス不足時間とに基づいて計算される補償容積を加えた大きさに定められたもの
であることを要旨としている。
【００１３】
この構成によれば、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、補償容積分の反応ガスが燃料電池へ供給されることから、燃料電池の出力電流の急激な増大に対しても、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従される。
【００１４】
したがって、燃料電池において供給される反応ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００１５】
この発明のガス供給装置の第２の構成は、
燃料電池に接続されるガス供給通路と、
該ガス供給通路に設けられ、反応ガスを圧送するポンプと
を備えるガス供給装置において、
前記ガス供給通路中のガス圧の目標値を、所定の運転圧力に、前記燃料電池の最小ガス消費量と最大ガス消費量との差分と、許容ガス不足時間とに基づいて計算される補償圧力を加えた大きさに定める目標圧力算出手段と、
前記ポンプを運転制御することにより、前記ガス供給通路中のガス圧を前記目標値に制御する圧力制御手段と
を設けたことを要旨としている。
【００１６】
この構成によれば、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、補償圧力によって余分に加圧された反応ガスが燃料電池へ供給されることから、燃料電池の出力電流に対応して、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従される。
【００１７】
したがって、この発明のガス供給装置の第２の構成と同様に、燃料電池において供給される反応ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の参考例である燃料電池運転装置１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表わすブロック図である。本参考例の燃料電池運転装置１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電源として働く。燃料電池運転装置１０は、燃料電池２０、２次電池３０、車両駆動用のモータ３４、インバータ３６、ダイオード４０、リレー４２、電流センサ４４および制御部５０を主な構成要素とする。以下、燃料電池運転装置１０の各構成要素について説明する。
【００１９】
燃料電池２０は、モータ３４に電力を供給する電源装置である。これは、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル２８を複数積層したスタック構造を有している。燃料電池２０は、陰極側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極側には酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて以下に示す電気化学反応によって起電力を得る。
【００２０】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００２１】
（１）式は陰極側における反応、（２）式は陽極側における反応を示し、（３）式は電池全体で起こる反応を表わす。図２は、この燃料電池２０を構成する単セル２８の構成を例示する断面図である。単セル２８は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４，２５とから構成されている。
【００２２】
アノード２２およびカソード２３は、電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ２４，２５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３とセパレータ２５との間には酸化ガス流路２５Ｐが形成されている。セパレータ２４，２５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３との間で酸化ガス流路２５Ｐを形成する。このように、セパレータ２４，２５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル２８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
【００２３】
ここで、電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本参考例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜２１上にプレスする構成も好適である。また、白金などの触媒は、電解質膜２１ではなく、電解質膜２１を接するアノード２２およびカソード２３側に塗布することとしてもよい。
【００２４】
アノード２２およびカソード２３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本参考例では、アノード２２およびカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００２５】
セパレータ２４，２５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２４，２５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード２２の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード２３の表面とで酸化ガス流路２５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００２６】
以上、燃料電池２０の基本構造である単セル２８の構成について説明した。実際に燃料電池２０として組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５の順序で構成される単セル２８を複数組積層し（本参考例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板２６，２７を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００２７】
図１のブロック図では図示しなかったが、実際に燃料電池を用いて発電を行なうには、上記スタック構造を有する燃料電池本体の他に所定の周辺装置を必要とする。図３は、燃料電池２０とその周辺装置とからなる燃料電池部６０の構成を例示するブロック図である。燃料電池部６０は、上記燃料電池２０と、メタノールタンク６１および水タンク６２と、改質器６４と、エアコンプレッサ６６とを主な構成要素とする。
【００２８】
改質器６４は、メタノールタンク６１および水タンク６２から、メタノールおよび水の供給を受ける。改質器６４では、供給されたメタノールを原燃料として水蒸気改質法による改質を行ない、水素リッチな燃料ガスを生成する。以下に、改質器６４で行なわれる改質反応を示す。
【００２９】
ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ2 …（４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2 …（５）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2 …（６）
【００３０】
改質器６４で行なわれるメタノールの改質反応は、（４）式で表わされるメタノールの分解反応と（５）式で表わされる一酸化炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として（６）式の反応が起きる。このような改質反応は全体として吸熱反応である。改質器６４で生成された水素リッチな燃料ガスは燃料供給路６８を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単セル２８において、前記燃料ガス流路２４Ｐに導かれてアノード２２における電池反応に供される。アノード２２で行なわれる反応は記述した（１）式で表わされるが、この反応で必要な水を補って電解質膜２１の乾燥を防ぐために、燃料供給路６８に加湿器を設け、燃料ガスを加湿した後に燃料電池２０に供給することとしてもよい。
【００３１】
また、エアコンプレッサ６６は、外部から取り込んだ空気を燃料電池２０に加圧供給する。エアコンプレッサ６６に取り込まれて加圧された空気は、空気供給路６９を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単セル２８において、前記酸化ガス流路２５Ｐに導かれてカソード２３における電池反応に供される。一般に燃料電池では、両極に供給されるガスの圧力が増大するほど反応速度が上昇するため電池性能が向上する。そこで、カソード２３に供給する空気は、このようにエアコンプレッサ６６によって加圧を行なっている。なお、アノード２２に供給する燃料ガスの流量は、既述した燃料供給路６８に設けた図示しないポンプの吐出量を制御することによって容易に調節可能である。
【００３２】
燃料電池２０内のアノード２２で電池反応に使用された後の燃料排ガスと、エアコンプレッサ６６によって圧縮された空気の一部とは改質器６４に供給される。既述したように、改質器６４における改質反応は吸熱反応であって外部から熱の供給が必要であるため、改質器６４内部には図示しないバーナが加熱用に備えられている。上記燃料ガスと圧縮空気とは、このバーナの燃焼のために用いられる。燃料電池２０の陽極側から排出された燃料排ガスは燃料排出路７１によって改質器６４に導かれ、圧縮空気は空気供給路６９から分岐する分岐空気路７０によって改質器６４に導かれる。燃料排ガスに残存する水素と圧縮空気中の酸素とはバーナの燃焼に用いられ、改質反応に必要な熱量を供給する。
【００３３】
本参考例の燃料電池２０は、接続される負荷（または燃料電池２０の出力電流）の大きさに応じて、燃料ガス量および酸化ガス量を調節することによって、その出力を制御することができる。この出力の制御は制御部５０によって行なわれる。すなわち、既述した空気供給路６９に接続するエアコンプレッサ６６や、燃料供給路６８に設けたポンプに対して、制御部５０からの駆動信号を出力し、その駆動量を調節することで供給ガス量を制御して負荷の大きさに応じた出力を得ている。図１では、制御部５０からの出力信号は燃料電池２０に入力されるように表わされているが、実際には、制御部５０からの出力信号は、燃料電池部６０においてガス量の調節などに関わる上記した機器類に入力される。
【００３４】
２次電池３０は、上記燃料電池２０とともにモータ３４に電力を供給する電源装置である。本参考例では鉛蓄電池を用いたが、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など他種の２次電池を用いることもできる。この２次電池３０の容量は、電気自動車の予想される走行状態、すなわち予想される負荷の大きさや、併設される燃料電池２０の容量などによって決定される。
【００３５】
モータ３４は、三相同期モータである。燃料電池２０や２次電池３０が出力する直流電流は、インバータ３６によって三相交流に変換されてモータ３４に供給される。このような電力の供給を受けてモータ３４は回転駆動力を発生し、この回転駆動力は、燃料電池運転装置１０を搭載する車両における車軸を介して、車両の前輪および／または後輪に伝えられ、車両を走行させる動力となる。このモータ３４は、後述するインバータ３６を介して電気自動車用の制御装置３５の制御を受ける。制御装置３５は、アクセルペダル３５ａの操作量を検出するアクセルペダルポジションセンサ３５ｂなどとも接続されている。また、制御装置３５は、燃料電池運転装置１０の動作に関する基本的な制御を行なう制御部５０とも接続されており、この制御部５０との間でモータ３４の駆動などに関する種々の情報をやり取りしている。
【００３６】
インバータ３６は、燃料電池２０や２次電池３０から供給される直流電流を、３相交流電流に変換してモータ３４に供給する。ここでは、制御部５０からの指示に基づいて、モータ３４に供給する３相交流の振幅（実際にはパルス幅）および周波数を調節することによって、モータ３４で発生する駆動力を制御可能となっている。このインバータ３６は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、これらのスイッチング素子のスイッチング動作により燃料電池２０および２次電池３０から供給される直流電流を任意の振幅および周波数の三相交流に変換する。インバータ３６が備える各スイッチング素子はそれぞれ制御部５０に接続されており、制御部５０からの駆動信号によりそのスイッチングのタイミングの制御を受ける。
【００３７】
ダイオード４０は、燃料電池２０と２次電池３０とを並べる回路中の所定の位置に、燃料電池２０側からインバータ３６側に電流を流すことができる向きに配置されている。
【００３８】
リレー４２は、燃料電池運転装置１０を構成する回路の所定の位置に設けられており、このリレー４２が備える接点を開閉することによって、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３４とを接続したり切り離したりすることができる。リレー４２における接続状態は、制御部５０によって制御されている。
【００３９】
電流センサ４４は、燃料電池２０の出力端子に設けられ、燃料電池２０の出力電流を検出する。
【００４０】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理演算回路として構成され、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ５４、ＲＡＭ５６および入出力ポート５８を中心として構成されている。ＣＰＵ５２は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行する。ＲＯＭ５４には、ＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データなどが予め格納されており、ＲＡＭ５６には、同じくＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされる。入出力ポート５８は、電流センサ４４など各種センサからの検出信号などを入力すると共に、ＣＰＵ５２での演算結果に応じてリレー４２など各種アクチュエータに駆動信号を出力して燃料電池運転装置１０の各部の駆動状態を制御する。
【００４１】
なお、上記制御プログラムは、ＲＯＭ５４に格納されていたが、これに替えて、ＲＡＭ５６に格納する構成としてもよい。この場合、制御プログラムは、フロッピディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で提供される構成とすることが可能である。
【００４２】
図１において、制御部５０と燃料電池２０との間に信号のやり取りを示したが、これは燃料電池２０の運転状態に関する制御を表わしており、正確には燃料電池部６０を構成する各機器の動作に関する制御を表わしている。既述したように、エアコンプレッサ６６やポンプに駆動信号を出力して酸化ガス量や燃料ガス量を制御したり、改質器６４に供給するメタノールおよび水の量を制御したりを、制御部５０が行なっている。
【００４３】
以上燃料電池運転装置１０の構成について説明したが、次に、この燃料電池運転装置１０の動作について説明する。図４は、燃料電池運転装置１０の制御部５０のＣＰＵ５２で実行される電流検出処理を示すフローチャートである。図５は、同じくＣＰＵ５２で実行される電流急増時制御処理を示すフローチャートである。これらフローチャートで示される処理は、ＣＰＵ５２がＲＯＭ５４に格納された制御プログラムを実行することにより実現される。
【００４４】
図４に示す電流検出処理は、所定時間ｔ１、例えば、１０msec毎に実行されるものである。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ５２は、まず、電流センサ４４で検出された燃料電池２０の出力電流Ｉを取り込み（ステップＳ１００）、次いで、その出力電流Ｉと前回この処理を実行したときに得られた出力電流Ｉ′との比率に基づいて、出力電流Ｉの所定時間当たりの変化率（以下、出力電流変化率と呼ぶ）ｒを算出する（ステップＳ１１０）。即ち、ｒは、下記の（７）式により算出された値となる。
【００４５】
【数１】
その後、「リターン」に抜けて、この電流検出処理の実行を一旦終了する。
【００４７】
図５に示す電流急増時制御処理は、所定時間ｔ２（＞ｔ１）、例えば、１００msec毎に実行されるものである。図５に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ５２は、電流検出処理のステップＳ１１０で算出した最新の出力電流変化率ｒが、第１の所定値ｒ１（例えば、１０［％］）以上の値であるか、第２の所定値ｒ２（例えば、−１０［％］）以下の値であるか、あるいは第１の所定値ｒ１から第２の所定値ｒ２までの間の値であるかを判別する（ステップＳ２００，Ｓ２１０）。
【００４８】
ステップＳ２００で、出力電流変化率ｒが第１の所定値（以下、単に所定値と呼ぶ）ｒ１以上の値であると判別されると、ステップＳ２２０に処理を進める。
【００４９】
ステップＳ２２０では、ＣＰＵ５２は、燃料電池２０の出力電流Ｉの増加量を所定値ｒ３（ｒ１より大きな値で、例えば、２０［％］）以下に抑える電流制限処理を実行する。この処理は、出力電流Ｉが、ステップＳ２００で肯定判別される直前の出力電流Ｉの（１＋ｒ３／１００）倍以上増加しようとするときに、その出力電流Ｉをその（１＋ｒ３／１００）倍の値に保持するものである。
【００５０】
上記所定値ｒ３がどのような値をとるかについて、次に説明する。この燃料電池運転装置１０では、前述したように、燃料電池の２０の出力電流の大きさに応じた燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が供給されているが、両ガス供給量ＱH，ＱO は、理論上必要とされる量に加えて、ストイキ比と安全率とを考慮したものとなっている。ストイキ比とは、本来の使用されるガス量（これがストイキ比が１に相当する）に対し、燃料電池２０およびそのガス供給ライン全体の圧損、その他、実際に出力電流を取り出すために流す必要のあるガス量の比率を言い、燃料電池毎の性能によって決まる。安全率とは、何等かの支障でガス供給に支障が生じることを考慮して、２０ないし３０［％］の増量を見込むものである。
【００５１】
このため、現状の出力電流値Ｉに対して、燃料ガス量および酸化ガス量を増加することなしに、少なくとも安全率分は電流増加することが可能なことがわかる。したがって、ステップＳ２２０では、所定値ｒ３を上記安全率に見合う値、ここでは、２０［％］としている。
【００５２】
その後、ＣＰＵ５２は、ステップＳ２２０で定められた出力電流値Ｉに基づいて、燃料電池２０に供給する燃料ガス量ＱH および酸化ガス量Ｑo を算出する処理を行なう（ステップＳ２３０）。詳しくは、ステップＳ２１０で定められた出力電流値Ｉを、下記の（８）式および（９）式に代入することで、燃料ガス量ＱH および酸化ガス量Ｑo を算出する。なお、式中、Ｆは、ファラデー定数（＝９６５００［ｃ／ｍｏｌ]）、Ｖは、標準状態の１ｍｏｌ当たりのガス容積（＝２２．４［ｌ]）、ｍは、ガスの分子数、ｔは、時間の単位を分に換算するための係数（＝６０）、ｓ１は、この燃料電池２０のストイキ比（例えば、３．０）、ｓ２は、安全率（例えば、０．２）である。
【００５３】
【数２】
ステップＳ２３０で、燃料電池２０に供給するガス供給量ＱH ，Ｑo が算出されると、これらガス供給量ＱH ，Ｑo に従って燃料ガス量および酸化ガス量の調節が行なわれる（ステップＳ２４０）。ここでは、制御部５０が燃料電池部６０を構成する各部に駆動信号を出力することによって、燃料電池２０に供給するガス量を上記算出された量に修正する。その後、ＣＰＵ５２は、「リターン」に処理を進めて、この処理のルーチンを一旦終了する。
【００５５】
一方、ステップＳ２００およびＳ２１０で、出力電流変化率ｒが第１の所定値ｒ１から第２の所定値ｒ２までの間の値であると判別されたときには、出力電流およびガス供給量の特別な補正制御は不要であるとして、ＣＰＵ５２は、「リターン」に処理を進めて、この処理のルーチンを一旦終了する。
【００５６】
他方、ステップＳ２００およびＳ２１０で、出力電流変化率ｒが第２の所定値ｒ２以下の値であると判別されたときには、出力電流の特別な補正制御は行なうことなしに、ステップＳ２３０に処理を進める。即ち、出力電流変化率ｒが第２の所定値ｒ２以下となるような、出力電流Ｉの急減時には、直ちに、その出力電流に対応するガス供給量ＱH ，Ｑo までガス供給量を減少する。ステップＳ２３０およびＳ２５０の実行後、「リターン」に抜けて処理を一旦終了する。
【００５７】
以上のように構成されたこの参考例の燃料電池運転装置１０によれば、燃料電池２０に接続される負荷が大きくなって出力電流Ｉが急増するときに、出力電流値Ｉは、ガス供給量の過剰分（ほぼ上記安全率分）に見合う量以上増加しないように制限し、その後、その出力電流値Ｉに基づいて定められた燃料ガス量ＱH および酸化ガス量Ｑo だけガス量の供給を行なう。そうして、この一連の処理を繰り返し実行することで、燃料電池２０の負荷に応じた大きさまで出力電流Ｉを増大する。
【００５８】
このため、燃料電池２０の出力電流Ｉが急増するときに、その出力電流Ｉの増大が抑えられて、その抑えられた出力電流に基づいて燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が増大される。したがって、燃料電池２０の出力電流が急増するときにも、燃料電池２０へ供給される燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が応答性よく追従される。
【００５９】
この結果、燃料電池２０において供給される燃料ガス量ＱH および酸化ガス量ＱO が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００６０】
なお、この参考例では、電流急増時検出手段として、電流センサ４４の検出信号に基づいて出力電流値Ｉを検出して、その出力電流値Ｉの変化から出力電流の急増時を検出していたが、これに替えて、電流急増時検出手段を、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを定める負荷指令値を検出して、その負荷指令値の変化から出力電流の急増時を検出する構成としてもよい。即ち、アクセルペダルポジションセンサ３５ｂによるアクセルペダル３５ａの操作量等を検出して、その検出信号の変化量が所定値以上のときに、出力電流が急増されるときであると判定する。この構成によれば、燃料電池の負荷指令値に基づいて、燃料電池の出力電流の急増時が判定されることになる。
【００６１】
なお、この変形例によれば、
本発明の燃料電池運転装置において、
前記電流急増時検出手段は、
前記燃料電池に接続される負荷の大きさを定める負荷指令値を検出する負荷指令値検出手段と、
該負荷指令値検出手段により検出された負荷指令値に基づいて、前記燃料電池の出力電流の急増時を判定する判定手段と
を備える構成とする実施形態となっている。
【００６２】
次に、この発明の第１実施例について説明する。前記参考例では、燃料電池の出力電流が急増するときに、出力電流とガス供給量とを制御することにより、ガス供給量の不足を防いでいたが、これに対して、この第１実施例では、不足するガス供給量を予測しておいて、このガス供給量に相当する分だけガス供給路の容積を予め大きくしておくものである。以下、この第１実施例を詳細に説明する。
【００６３】
上記不足するガス量は、燃料電池のガス消費量が最小から最大に移行したときの燃料電池変化に対応できる量であることから、次のように求める。まず、燃料電池に接続される負荷の最小時の燃料消費量と最大時の燃料消費量との差分を求め、この差分に許容ガス不足時間を乗ずることにより、不足するガスの総量を求める。この総量に圧力低減可能な比率を乗ずることにより、不足なガス流路容積を求める。
【００６４】
即ち、燃料ガス側の不足な流路容積ＶH は、下記の（１０）式により計算される値となる。
【数３】
（１０）式において、ＱHminは最小負荷時の燃料消費量、ＱHmaxは最大負荷時の燃料消費量、ｔH は燃料ガスの許容不足時間、ＰHminは燃料ガスの補償最低運転圧力、ＰＣH は燃料ガスの常用運転圧力である。
【００６６】
また、酸化ガス側の不足な流路容積ＶO は、下記の（１１）式により計算される値となる。
【数４】
（１１）式において、ＱOminは最小負荷時の酸化剤消費量、ＱOmaxは最大負荷時の酸化剤消費量、ｔO は酸化ガスの許容不足時間、ＰOminは酸化ガスの補償最低運転圧力、ＰＣO は、酸化ガスの常用運転圧力である。
【００６８】
図６は、燃料電池３００の積層体を示す説明図である。図示するように、この実施例では、積層体を積層方向（図中、紙面に垂直な方向）に貫通する燃料供給通路３１０と酸化ガス供給通路３２０が設けられている。燃料供給通路３１０および酸化ガス供給通路３２０は、図中、波線で示す大きさ（基本容積と呼ぶ）に従来、定められていたが、この実施例では、波線で示す容積に、図中ハッチングで示す補償容積を加えた大きさに定められている。この補償容積は、燃料供給通路３１０では、（１０）式により算出された燃料ガス側の不足な流路容積ＶH 以上の大きさとなっており、酸化ガス供給通路３２０では、（１１）式により算出された酸化ガス側の不足な流路容積ＶO 以上の大きさとなっている。
【００６９】
なお、基本容積は、燃料電池に接続される負荷の大きさおよび燃料電池性能等により定められるもので、周知の方法により計算され、ここでは詳しい説明については省略する。
【００７０】
以下に、実際の数値の例を挙げて補償容積はどのような大きさになっているかを説明する。ここでは、燃料ガス側について説明する。
【００７１】
ＱHmin＝１００［ｌ／ｍｉｎ］，ＱHmax＝２５０［ｌ／ｍｉｎ］，ｔH ＝６［ｓｅｃ］、ＰHmin＝１．５［ａｔａ］，ＰＣH ＝１．５［ａｔａ］とすると、ＶH ＝（２５０−１００）・６／６０・１．５／２．０＝１１．２５[ｌ］となる。
【００７２】
即ち、従来の燃料電池の燃料ガス供給通路に対して、この実施例では、約１１．３[ｌ］以上（以上であれば、これよりも大きいものでもよい）の補償容積を加えた容積の燃料ガス供給通路に定められている。
【００７３】
こうした構成の第１実施例では、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、補償容積分の燃料ガスおよび酸化ガスが燃料電池へ供給されることから、燃料電池の出力電流の急激な増大に対しても、燃料電池へ供給される反応ガス量が応答性よく追従される。
【００７４】
したがって、第１実施例では、前述した参考例と同様に、燃料電池において供給される燃料ガス量および酸化素ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００７５】
次に、この発明の第２実施例について説明する。前記第１実施例では、燃料電池の出力電流が急増するときに、不足するガス供給量を予測しておいて、このガス供給量に相当する分だけガス供給路の容積を予め大きくしておくものであるが、これに替えて、この第２実施例では、ガス供給路の容積はそのままで、ガス供給路内に圧力を加えることにより、上記不足するガス供給量を補償するものである。以下、この第２実施例を詳細に説明する。
【００７６】
上記不足するガス量は、次のように求める。まず、第１実施例と同様に、燃料電池に接続される負荷の最小時の燃料消費量と最大時の燃料消費量との差分を求め、この差分に許容ガス不足時間を乗ずることにより、不足するガスの総量を求める。そして、この総量をガス供給路の容積で割り算することにより、不足なガス圧力を求める。
【００７７】
即ち、燃料ガス側の不足な流路圧力ＰH は、下記の（１２）式により計算される値となる。
【数５】
（１２）式において、ＱHminは最小負荷時の燃料消費量、ＱHmaxは最大負荷時の燃料消費量、ｔH は燃料ガスの許容不足時間、ＶＣH は燃料供給路の容積である。
【００７９】
また、酸化ガス側の不足な流路圧力ＰO は、下記の（１３）式により計算される値となる。
【数６】
（１３）式において、ＱOminは最小負荷時の酸化剤消費量、ＱOmaxは最大負荷時の酸化剤消費量、ｔO は酸化ガスの許容不足時間、ＶＣO は酸化ガス供給路の容積である。
【００８１】
この第２実施例では、前記参考例と同様に、燃料ガス圧力は、燃料供給路に設けたポンプの吐出量を制御することにより制御可能となっており、また、酸化ガス圧力は、酸化ガス供給路に設けたエアコンプレッサによる加圧を制御することにより制御可能となっている。
【００８２】
図７は、上記燃料供給路に設けたポンプと酸化ガス供給路に設けたエアコンプレッサとを制御する制御部にて実行されるガス圧力制御処理を示すフローチャートである。図示するように、この制御部のＣＰＵは、処理が開始されると、まず、（１２）式および（１３）式から不足な流路圧力ＰH ，ＰO を算出する（ステップＳ４００）。次いで、燃料電池性能から定まる運転圧力ＰｄH ，ＰｄO を算出し（ステップＳ４１０）、この運転圧力ＰｄH ，ＰｄO に上記不足な流路圧力ＰH ，ＰO を加えて、燃料ガス側の目標制御圧力と酸化ガス側の目標制御圧力とをそれぞれ算出する（ステップＳ４２０）。
【００８３】
目標制御圧力が求められると、ＣＰＵは、燃料供給路に設けたポンプと酸化ガス供給路に設けたエアコンプレッサとをそれぞれ駆動制御して、上記目標制御圧力以上の値に各ガス圧を制御する。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００８４】
以下に、実際の数値の例を挙げてガス圧力がどのような値に制御されるかを説明する。ここでは、燃料ガス側について説明する。
【００８５】
ＱHmin＝１００［ｌ／ｍｉｎ］，ＱHmax＝２５０［ｌ／ｍｉｎ］，ｔH ＝６［ｓｅｃ］、ＰHmin＝１．５［ａｔａ］，ＶＣH ＝５０［ｌ］とすると、ＰH ＝（２５０−１００）・６／６０・１．５／５０＝０．３[ａｔａ］となる。一方、ステップＳ４１０で求められる運転圧力が保障最低運転圧力である１．５[ａｔａ］とすると、制御圧力は０．３＋１．５＝１．８[ａｔａ］となる。
【００８６】
即ち、ガス圧力制御処理によれば、燃料電池に接続される燃料供給路の圧力は１．８［ａｔａ]以上（以上であれば、これよりも高い圧力でもよい）に制御されることになる。
【００８７】
こうした構成の第２実施例では、燃料電池の出力電流が、燃料電池のガス消費量が最小から最大に変化する最も急激に増大するときにも、不足圧力分だけ加算されたガス圧力でガスが供給されることになる。このため、燃料電池の出力電流が急激に増大したときにも、燃料電池へ供給される燃料ガス量および酸化ガス量が応答性よく追従される。
【００８８】
したがって、第２実施例では、参考例および第１実施例と同様に、燃料電池において供給される燃料ガス量および酸化ガス量が不足して、電圧降下や部分的な発熱などの不都合が生じてしまうことがない。
【００８９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例である燃料電池運転装置１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】単セル２８の構成を表わす断面模式図である。
【図３】燃料電池部６０の構成を表わすブロック図である。
【図４】制御部５０のＣＰＵ５２で実行される電流検出処理を示すフローチャートである。
【図５】ＣＰＵ５２で実行される電流急増時制御処理を示すフローチャートである。
【図６】 本発明の第１実施例の燃料電池３００の積層体を示す説明図である。
【図７】 本発明の第２実施例の制御部のＣＰＵにて実行されるガス圧力制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池運転装置
２０…燃料電池
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５Ｐ…酸化ガス流路
２６，２７…集電板
２８…単セル
３４…モータ
３５…制御装置
３５ａ…アクセルペダル
３５ｂ…アクセルペダルポジションセンサ
３６…インバータ
４０…ダイオード
４２…リレー
４４…電流センサ
５０…制御部
５２…ＣＰＵ
５４…ＲＯＭ
５６…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０…燃料電池部
６１…メタノールタンク
６２…水タンク
６４…改質器
６６…エアコンプレッサ
６８…燃料供給路
６９…空気供給路
７０…分岐空気路
７１…燃料排出路
３００…燃料電池
３１０…燃料供給通路
３２０…酸化ガス供給通路
Claims (2)
- 燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路を備えるガス供給装置であって、
前記ガス供給通路の容積は、
前記燃料電池に接続される負荷の大きさから定まる基本容積に、前記燃料電池の最小ガス消費量と最大ガス消費量との差分と、許容ガス不足時間とに基づいて計算される補償容積を加えた大きさに定められたもの
であるガス供給装置。 - 燃料電池に接続されるガス供給通路と、
該ガス供給通路に設けられ、反応ガスを圧送するポンプと
を備えるガス供給装置において、
前記ガス供給通路中のガス圧の目標値を、所定の運転圧力に、前記燃料電池の最小ガス消費量と最大ガス消費量との差分と、許容ガス不足時間とに基づいて計算される補償圧力を加えた大きさに定める目標圧力算出手段と、
前記ポンプを運転制御することにより、前記ガス供給通路中のガス圧を前記目標値に制御する圧力制御手段と
を設けたことを特徴とするガス供給装置。
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