JP4961712B2

JP4961712B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4961712B2
Application number: JP2005300598A
Authority: JP
Inventors: 仁五十嵐; 良典田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007109565A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に移動体の動力源に好適なアイドルストップ性能を向上させた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

ところで、燃料電池の出力が小さい運転領域では、発電効率が低いために発電を停止して、二次電池やコンデンサ等の蓄電装置から電力供給するシステムがある。このシステムでは、燃料電池の発電効率が低い運転領域を回避し、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。

例えば特許文献１に開示されている燃料電池自動車は、発電要求量が所定値以下であっても、アノード入口の水素圧力、燃料電池のセル電圧、アノード出口に配設された水素希釈手段の水素濃度、等によりアイドルストップを禁止する条件を備えている。
特開２００４−１７３４５０号公報（第６頁、図３）

しかしながら上記従来例は、アイドルストップ条件として、水タンクの水量を考慮していないために、アイドルストップ中及びアイドルストップから発電状態へ復帰した時に、燃料電池内または配管内に凝結した水が水タンクに流れ込むため、水タンクの水位が上昇し、燃料循環ポンプの稼動を妨げるという問題点があった。

特に、水タンクの位置や配水管の形状等が実装上の制約を受ける車載用燃料電池システムでは、タンク内圧力と大気圧との圧力差を利用して排水することになるが、アイドルストップ中は水素圧及び空気圧が低下するために排水できず、アイドルストップ終了後に排水すると、アイドルストップから発電状態への復帰時間が長引くという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、前記燃料極から排出される未反応燃料ガスを前記燃料極へ再循環させる燃料循環路、または前記酸化剤極から排出されるガスを前記酸化剤極へ再循環させる酸化剤循環路の少なくとも一方と、前記燃料循環路内の燃料ガスを燃料極出口から燃料極入口へ循環させる燃料循環手段、または、前記酸化剤循環路内のガスを酸化剤極出口から酸化剤極入口へ循環させる酸化剤循環手段の少なくとも一方と、
前記燃料循環路、または、前記酸化剤循環路の少なくとも一方に配置され、水を液水として蓄積する水蓄積装置と、該水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水蓄積量検出手段の検出値に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断する制御装置と、前記水蓄積量検出手段の検出値が排水開始水量を超えたときに前記水蓄積装置から排水を開始し、前記排水開始水量より少ない排水停止水量以下となったときに排水を停止する水移動手段と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より長い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記排水停止水量を超え前記排水開始水量未満の第１所定水量以上であることを、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の条件とすることを要旨とする。

本発明によれば、水蓄積装置の水量を適切な値として、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断することができ、供給再開後に支障無く速やかに発電状態へ復帰することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の概要を説明する制御ブロック図である。燃料電池システムは、水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段１０１と、燃料電池の低負荷時にアイドルストップ時間を推測する停止時間推測手段１０２と、燃料電池システムの状態を検出する燃料電池状態検出手段１０３と、水蓄積量検出手段１０１の検出値と停止時間推測手段が推測した停止時間と燃料電池運転状態検出手段１０３が検出した燃料電池システムの状態とに基づいて燃料及び酸化剤の少なくとも一方の供給を停止させる判断を行う燃料・酸化剤供給停止判断部１０４と、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段１０５と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段１０６と、水蓄積装置から排水させる水移動手段１０７と、を備えている。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、電解質膜３をアノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５で挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード４には燃料として水素ガス、カソード５には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

アノード（燃料極）：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料ガスとしての水素は、水素タンク６から水素タンク元弁７、減圧弁８、水素供給弁９を通じてアノード４へ供給される。水素タンク６から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁９でアノード４の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。水素タンク６から水素供給弁９までが図１の燃料供給手段１０５に対応する。

アノード４の出口からアノード４の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路１１が備えられる。循環ポンプ１２は、燃料循環路１１内の燃料ガスを昇圧させて循環させる燃料循環手段である。

アノード４の出口と循環ポンプ１２との間の燃料循環路１１には、水を液水として蓄積する水蓄積装置である水タンク２５が設けられている。水タンクは、アノード４から排出されるアノードオフガス中の水分を分離する気液分離機能を有し、循環ポンプ１２へ液水が流れ込むのを防止する。尚、水タンク２５の水は、例えば、図示しない加湿器によりカソード５に供給する空気、或いはアノード４に供給する水素の加湿に用いられても良いし、燃料電池２の内部に形成された水通路に供給して直接燃料電池２を加湿するのに用いられてもよい。

水タンク２５に蓄積された水量は、水位センサ２７（図１の水蓄積量検出手段１０１）で検出され、検出信号がコントローラ３０へ送られる。また水タンク２５の底部には、排水弁２６（図１の水移動手段１０７）が配置され、コントローラ３０の制御により排水弁２６を開閉することにより、水タンク２５内の水を系外へ排出してタンク内水量を制御可能となっている。

カソード５への空気は酸化剤供給手段（図１の１０６）であるコンプレッサ１４により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁２４が設けられ、カソード圧力が制御される。

パワーマネージャ１５は、燃料電池２から電力を取り出して、負荷装置１６もしくはバッテリ１７へ電力を供給する。バッテリコントローラ１８は、バッテリ１７の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電量を算出し、蓄電量をコントローラ３０へ送信する。電圧センサ１９は、燃料電池２の単電池毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群毎の電圧を測定する。コントローラ３０は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。

カソード５には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜３を透過して、アノード４、燃料循環路１１及び循環ポンプ１２を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ１２によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁２０により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。圧力センサ１０はアノード出口の圧力を測定するセンサ、温度センサ２１はアノード出口の気体の温度を測定するセンサであり、それぞれの検出値は、コントローラ３０へ入力される。

本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、作業用ＲＡＭ、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、コントローラ３０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池２への燃料・酸化剤の供給停止を判断する本発明における燃料電池システムの制御装置（図１の符号１０４）である。

次に、図３の制御ブロック図を参照して、実施例１におけるコントローラ３０の作用について説明する。水蓄積量検知部３１は、水位センサ２７が検出した水位を水蓄積量に変換して、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ出力する。

停止時間予測演算部３２は、キースイッチ２３のオン／オフ信号と、要求電力の大きさを示す信号を入力して、キースイッチのオフ信号が入力されたとき、或いは要求電力が０の時に、停止時間が長いと予測して、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ出力する。また停止時間予測演算部３２は、バッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量を示す信号を入力するとともに、図示しない車両制御コンピュータから車両の消費電力の大きさを示す信号を入力し、アイドルストップ中にバッテリ１７から電力供給可能な時間を算出して、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ出力する。

停止可能予測演算部３３は、図示しない車速センサが検出した車速信号、及び図示しないアクセルセンサからアクセル操作量信号、バッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量、をそれぞれ入力する。そして、アクセル操作量が０、車速が所定速度以下、更に、蓄電量が所定以上である場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が高いことを予測し、この予測結果を水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ出力する。

燃料電池システム状態量検知部３４は、圧力センサ１０、温度センサ２１、図示しない燃料電池冷却液温度センサ等の燃料電池システム状態の検出値を入力して、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ出力する。

水素供給・コンプレッサ停止判断部３５は、水蓄積量検知部３１からの水蓄積量、停止時間予測演算部３２からの停止時間予測値、停止可能予測演算部３３からの停止可能性、及び燃料電池システム状態量検知部３４からの燃料電池システム状態量に基づいて、水素供給及びコンプレッサを短時間停止させるアイドルストップを行うか否かの判断をする。

水素供給弁制御部３６は、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５からの指示により、アイドルストップ時の水素供給弁９の閉止操作を行う。

コンプレッサ制御部３７は、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５の指示により、アイドルストップ時のコンプレッサ１４の停止操作を行う。

排水弁制御部３８は、通常運転時には、水蓄積量検知部３１が検知した水タンク２５の水蓄積量に基づいて、水蓄積量が排水開始水量を超えたときに排水弁２６を開放して水タンク２５の水を排水する一方、水蓄積量が排水開始水量より少ない排水停止水量以下となったときに、排水弁２６を閉止して排水を停止する制御を行う。

発電量制御部３９は、停止時間予測演算部３２が水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ長時間停止の予測を通知した場合、水タンク２５の水量が前記排水停止水量を超える所定水量未満であれば、燃料電池２の発電量を増加させて、発電による生成水量を増加させ、長時間停止後に燃料電池２の内部が乾燥しても燃料電池システムの起動に必要な水量を確保させる。

循環ポンプ制御部４０は、通常発電時には、例えば水素供給量に応じた循環ポンプ１２の駆動を制御するとともに、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５の指示により循環ポンプ１２を駆動して、燃料電池２のアノード４内、或いは燃料循環路１１内の液水を水タンク２５へ輸送させる。

次に、図４の制御フローチャートを参照して、実施例１におけるコントローラの処理内容を説明する。以下のフローチャートは、水タンク２５の水量以外のアイドルストップ条件が成立しているか、或いは、キースイッチ２３がオン状態からオフ状態へ切り換えられたときに呼び出されて実行されるものとする。この水量以外のアイドルストップ条件とは、例えば、燃料電池２の温度が所定温度以上であり暖機が完了していること、燃料電池システムに対する要求電力が０を超えて所定値以下であること、バッテリ１７の蓄電量が所定値以上であることの各条件が全て成立していることである。

最初に、図４のステップ（以下、ステップをＳと略す）４０２において、水位センサ２７で水タンク２５内の水位を検出し、水位を水量に換算する。次いで、Ｓ４０３で、燃料電池システムの停止時間の長短を判断する。これには、キースイッチ２３からオフ信号が入力されているか、或いは燃料電池システムに対する要求電力が０であれば、長時間と判断し、それ以外は、短時間と判断する。

Ｓ４０３で長時間と判断したときには、Ｓ４０４へ進み、Ｓ４０３で短時間と判断したときには、Ｓ４１０へ進む。Ｓ４０４では、燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する水量閾値を長時間用閾値（第１所定水量）に設定して、Ｓ４０５へ進む。この長時間用閾値は、通常運転時に、水タンク２５の排水弁２６を開いて排水を開始する排水開始水量未満、且つ、排水弁２６を閉じて排水を停止する排水停止水量を超える値である。このような長時間閾値を設定する目的は、燃料電池システムを長時間停止した場合に、燃料電池内部や加湿器等が乾燥するため、短時間停止に比べて再始動時に多くの水量を必要とする為である。

Ｓ４０５では、水位センサ２７が検出した水位を水量に換算し、この水量と長時間用閾値とを比較し、水量が長時間用閾値以上であるか否かを判断することにより、水素供給・コンプレッサ停止を許可するか否かを判断する。水量が長時間用閾値以上であれば、Ｓ４０６へ進む。Ｓ４０６では、水素供給弁９を閉止して水素供給を停止し、Ｓ４０７では、コンプレッサ１４を停止して空気供給を停止し、停止状態に入ることで処理を終了する。

Ｓ４０５の判断で、水量が長時間用閾値以上でなければ、Ｓ４０８へ進み、燃料電池２の発電量を増加させるように、水素供給弁９から供給する水素流量を増加させ、またコンプレッサ１４の回転速度を上昇させて、パワーマネジャー１５へ燃料電池２から取り出す電流を増加するように指示する。これにより燃料電池２における生成水が増加する。次いで、Ｓ４０９で、水位センサ２７で水タンク２５内の水位を検出し、水位を水量に換算し、Ｓ４０５へ戻る。

Ｓ４１０では、燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する水量閾値を短時間用閾値（第２所定水量）に設定して、Ｓ４１１へ進む。この短時間用閾値は、通常運転時に、水タンク２５の排水弁２６を開いて排水を開始する排水開始水量未満、且つ、排水弁２６を閉じて排水を停止する排水停止水量を超える値であり、しかもＳ４０４で設定した長時間用閾値を下回る値である。更に、短時間用閾値を燃料電池温度で補正してもよい。この補正は、燃料電池温度が高ければ高いほど生成水の蒸気圧が高く、アイドルストップ中に凝結する可能性のある水量が多くなるので、燃料電池温度が高ければ高いほど短時間用閾値の値が小さくなるように補正する。尚、この補正は、燃料電池温度と外気温度との温度差が大きいほど、短時間用閾値の値が小さくなるように変更してもよい。

このような短時間閾値を設定することにより、アイドルストップ中にアノード４の内部、或いは燃料循環路１１内部に凝結した液水が水タンク２５に流入しても排水開始水位を超えることなく、アイドルストップ終了後の再始動時に、水タンク２５から排水することなく直ちに循環ポンプ１２の駆動を再開しても、水タンク２５から溢れた水が循環ポンプ１２に流入して燃料ガスの循環を阻害することが無くなるという効果がある。

Ｓ４１１では、水位センサ２７が検出した水位を水量に換算し、この水量と短時間用閾値とを比較し、水量が短時間用閾値未満であるか否かを判断することにより、水素供給・コンプレッサ停止を許可するか否かを判断する。水量が短時間用閾値未満であれば、Ｓ４１２へ進む。水量が短時間閾値未満でなければ、Ｓ４０２へ戻る。

Ｓ４１２では、水素供給弁９を閉止して水素供給を停止し、Ｓ４１３では、コンプレッサ１４を停止して空気供給を停止し、アイドルストップ状態に入ることで処理を終了する。尚、アイドルストップ状態では、図示しない制御フローにより、例えば、要求発電電力、バッテリ１７の蓄電量、燃料電池温度等を監視し、要求発電電力が所定以上、バッテリ１７の蓄電量が所定以下、燃料電池温度が所定以下、の何れかが検出されると、通常発電状態へ復帰するように制御する。

更に、アイドルストップ中に、コントローラ３０が水位センサ２７を監視するようにしてもよい。特に寒冷地などの外気温度が低い場合、アイドルストップ中に水位センサ２７が検出した水タンク２５の水量が排水開始水量に達することがあっても、コントローラ３０は、アイドルストップを中断して、発電状態へ復帰するように制御することにより、水タンク排水することができ、水タンクから溢れた水で循環ポンプの稼動が妨げられることがない。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２のシステム構成図及び制御ブロック図は、図１乃至図３に示した実施例１の構成と同様である。本実施例の燃料電池システムの特徴は、水タンクの水量以外の水素供給・コンプレッサ停止条件が成立し、水タンク水量の条件だけが成立しない場合に、水量が通常運転時の排水開始水量に達していなくても排水弁２６を開いて水タンク２５から排水する点にある。

次に、図５の制御フローチャートを参照して、実施例２におけるコントローラの処理内容を説明する。最初に、図５のＳ５０２において、燃料電池システムの各センサにより、燃料電池システムの状態量を計測する。次いで、Ｓ５０３で、水タンク２５の水量以外の、水素供給・コンプレッサ停止の条件が成立しているか否かを判定する。この水量以外の水素供給・コンプレッサ停止の条件とは、例えば、燃料電池２の温度が所定温度以上であり暖機が完了していること、燃料電池システムに対する要求電力が０を超えて所定値以下であること、バッテリ１７の蓄電量が所定値以上であることの各条件が全て成立していることである。

Ｓ５０３で条件が成立していなければ、Ｓ５０２へ戻る。Ｓ５０３で条件が成立していれば、Ｓ５０４へ進み、水位センサ２７で水タンク２５内の水位を検出し、水位を水量に換算する。次いで、Ｓ５０５で、Ｓ５０４で計測した水量が燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する閾値（第２所定値）未満であるか否かを判断することにより、水タンク２５の水量に関する水素供給・コンプレッサ停止の条件が成立しているか否かを判断する。この閾値は、通常運転時に、水タンク２５の排水弁２６を開いて排水を開始する排水開始水量未満、且つ、排水弁２６を閉じて排水を停止する排水停止水量を超える値である。

Ｓ５０５の判断で、水量が閾値未満であれば、Ｓ５０６へ進み、水素供給弁９を閉止して水素供給を停止し、Ｓ４１３では、コンプレッサ１４を停止して空気供給を停止し、アイドルストップ状態に入ることで処理を終了する。尚、アイドルストップ状態では、図示しない制御フローにより、例えば、要求発電電力、バッテリ１７の蓄電量、燃料電池温度等を監視し、要求発電電力が所定以上、バッテリ１７の蓄電量が所定以下、燃料電池温度が所定以下、の何れかが検出されると、通常発電状態へ復帰するように制御する。

Ｓ５０５の判断で、水量が閾値未満でなければ、Ｓ５０８へ進み、排水弁２６を開いて、水タンク２５から水を外部へ放出する。次いで、Ｓ５０９で、水位センサ２７で水タンク２５内の水位を検出し、水位を水量に換算する。次いで、Ｓ５１０で、Ｓ５０９で計測した水量が燃料及び酸化剤供給を停止すると判断する閾値（第２所定値）未満であるか否かを判断することにより、水タンク２５の水量に関する水素供給・コンプレッサ停止の条件が成立しているか否かを判断する。Ｓ５１０の判断で水量が閾値未満であれば、Ｓ５１１へ進み、排水弁２６を閉止して、Ｓ５０６へ進む。Ｓ５１０の判断で水量が閾値未満でなければ、Ｓ５０８へ戻って、排水を続ける。

以上説明した本実施例によれば、水タンクの水量以外のアイドルストップ条件が成立し、且つ水量条件が成立していない場合、水量が排水開始水量に達していなくても水タンクから排水して迅速にアイドルストップへ移ることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３のシステム構成図及び制御ブロック図は、図１乃至図３に示した実施例１の構成と同様である。

尚、図３において、本実施例における停止可能予測演算部３３は、図示しない車速センサが検出した車速信号、及び図示しないアクセルセンサからアクセル操作量信号、バッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量、をそれぞれ入力する。そして、アクセル操作量が０、車速が所定速度以下、更に、蓄電量が所定以上である場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が高いことを予測し、この予測結果を水素供給・コンプレッサ停止判断部３５へ出力する。

そして、排水弁制御部３８は、水素供給・コンプレッサ停止判断部３５の指示により、アイドルストップが予測される場合に、水タンク２５の水蓄積量が排水開始水量に達していなくても、予め水タンクの水量を閾値未満とすることができ、水量以外のアイドルストップ条件が成立した場合、速やかにアイドルストップへ移行することができる。

次に、図６の制御フローチャートを参照して、実施例３におけるコントローラの処理内容を説明する。最初に、図６のＳ６０２において、車速センサから移動体の速度信号を検出する。次いでＳ６０３で、移動体運転者の操作状況を検出する。この操作状況とは、アクセル操作量、ブレーキ操作量、もし備えていれば変速機の変速ポジション等である。

次いでＳ６０４でバッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量を読み込む。そして、Ｓ６０６で、短時間の水素供給・コンプレッサ停止が行われるアイドルストップの可能性の大小を判定する。例えば、アクセル操作量が０、車速が所定速度（例えば、２０ｋｍ／ｈ）以下、蓄電量が所定以上（例えば、現在の車両消費電力を５分程度賄える蓄電量）の全てが満足される場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が大きいと判断し、それ以外は、小さいと判断する。

Ｓ６０５の判断で、停止可能性が小と判断したときには、Ｓ６０２へ戻る。Ｓ６０５で停止可能性が大と判断したときには、Ｓ６０６へ進む。Ｓ６０６では、水位センサ２７の検出値を読み込み、Ｓ６０７で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、水量の条件が成立しているので、何もせずに終了する。

Ｓ６０７の判断で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、水量の条件を予め成立させるために、Ｓ６０８以下の処理を行って、水タンク２５の水量を低下させる。Ｓ６０８では、排水弁２６を開き、Ｓ６０９で水位センサ２７の検出値を読み込み、Ｓ６１０で水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、Ｓ６０８へ戻って排水を続ける。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、予め水量の条件が満足されたので、処理を終了する。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４のシステム構成図及び制御ブロック図は、図１乃至図３に示した実施例１の構成と同様である。

本実施例の特徴は、実施例３と同様に、アイドルストップの可能性が大と判断したときに、水タンクの水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、発電量を増加させ、循環ポンプの回転数を増加させて、生成水を増加させるとともに、アノード４及び燃料循環路１１から凝結した液水の回収を行って、水タンクの水量を通常運転時の排水開始水量に到達させて、通常の運転制御による排水を行わせることにある。これにより、予めアイドルストップが予測されるときに、水タンクの水量をアイドルストップ可能な水量の閾値未満に低下させることができる。

次に、図７の制御フローチャートを参照して、実施例４におけるコントローラの処理内容を説明する。最初に、図７のＳ７０２において、車速センサから移動体の速度信号を検出する。次いでＳ７０３で、移動体運転者の操作状況を検出する。この操作状況とは、アクセル操作量、ブレーキ操作量、もし備えていれば変速機の変速ポジション等である。

次いでＳ７０４でバッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量を読み込む。そして、Ｓ７０６で、短時間の水素供給・コンプレッサ停止が行われるアイドルストップの可能性の大小を判定する。例えば、アクセル操作量が０、車速が所定速度（例えば、２０ｋｍ／ｈ）以下、蓄電量が所定以上（例えば、現在の車両消費電力を５分程度賄える蓄電量）の全てが満足される場合、アイドルストップ可能な状態となる停止可能性が大きいと判断し、それ以外は、小さいと判断する。

Ｓ７０５の判断で、停止可能性が小と判断したときには、Ｓ７０２へ戻る。Ｓ７０５で停止可能性が大と判断したときには、Ｓ７０６へ進む。Ｓ７０６では、水位センサ２７の検出値を読み込み、Ｓ７０７で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、水量の条件が成立しているので、何もせずに終了する。

Ｓ７０７の判断で、水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、水量の条件を予め成立させるために、Ｓ７０８以下の処理を行って、水タンク２５の水量を低下させる。Ｓ７０８では、燃料電池２の発電量を増加させるように、水素供給弁９から供給する水素流量を増加させ、またコンプレッサ１４の回転速度を上昇させて、パワーマネジャー１５へ燃料電池２から取り出す電流を増加するように指示する。これにより燃料電池２における生成水が増加する。

次いでＳ７０９で、循環ポンプ１２の回転数を増加させ、アノード４及び燃料循環路１１から効果的に液水を水タンク２５へ回収する。Ｓ７１０で水位センサ２７の検出値を読み込み、Ｓ７１１で水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であるか否かを判断する。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満でなければ、Ｓ７０８へ戻って発電量増加を続ける。水量がアイドルストップ可能な水量の閾値未満であれば、予め水量の条件が満足されたので、処理を終了する。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。実施例５の制御ブロック図は、図１及び図３に示した実施例１の構成と同様である。

図８は、本実施例における燃料電池システムのシステム構成図である。本実施例の燃料電池システムは、カソード５へ酸化剤供給源１４に貯蔵した圧縮酸素や高圧空気から酸化剤をカソード５供給するとともに、カソード５から排出されるカソードオフガスを再度カソードへ循環させる為の酸化剤循環路２８と、酸化剤循環ポンプ２９とを備え、水タンク２５は、酸化剤循環路２８に設けられている点に特徴がある。その他の構成は、図２に示した実施例１〜４に適用されるシステム構成図と同様である。

このような酸化剤循環路２８に気液分離機能を有する水タンク２５を備えた構成においても、実施例１〜４で説明したような制御を行うことにより、実施例１〜４と同様の効果が得られる。

以上、好ましい実施例について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、上記の各実施例では、アイドルストップにおいて、水素ガス（燃料）供給と空気（酸化剤）供給の双方を停止することとしたが、水素ガス供給、或いは空気供給の一方を停止する場合にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。

本発明に係る燃料電池システムの要部構成図である。実施例１の全体構成を示すシステム構成図である。実施例１の制御装置を説明する制御ブロック図である。実施例１の制御フローチャートである。実施例２の制御フローチャートである。実施例３の制御フローチャートである。実施例４の制御フローチャートである。実施例５のシステム構成図である。

符号の説明

１０１…水蓄積量検出手段
１０２…停止時間推測手段
１０３…燃料電池運転状態検出手段
１０４…燃料・酸化剤供給停止判断部
１０５…燃料供給手段
１０６…酸化剤供給手段
１０７…水移動手段

Claims

燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料極から排出される未反応燃料ガスを前記燃料極へ再循環させる燃料循環路、または前記酸化剤極から排出されるガスを前記酸化剤極へ再循環させる酸化剤循環路の少なくとも一方と、
前記燃料循環路内の燃料ガスを燃料極出口から燃料極入口へ循環させる燃料循環手段、または、前記酸化剤循環路内のガスを酸化剤極出口から酸化剤極入口へ循環させる酸化剤循環手段の少なくとも一方と、
前記燃料循環路、または、前記酸化剤循環路の少なくとも一方に配置され、水を液水として蓄積する水蓄積装置と、
該水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水蓄積量検出手段の検出値に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断する制御装置と、
前記水蓄積量検出手段の検出値が排水開始水量を超えたときに前記水蓄積装置から排水を開始し、前記排水開始水量より少ない排水停止水量以下となったときに排水を停止する水移動手段と、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より長い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記排水停止水量を超え前記排水開始水量未満の第１所定水量以上であることを、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の条件とする
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より長い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記第１所定水量未満であれば、前記燃料電池の発電条件を前記水蓄積装置の水量が増加するように設定す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。
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より長い場合とは、
燃料電池システムに対する要求発電電力が０の場合、または燃料電池システムに対する発電停止要求があった場合であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料極から排出される未反応燃料ガスを前記燃料極へ再循環させる燃料循環路、または前記酸化剤極から排出されるガスを前記酸化剤極へ再循環させる酸化剤循環路の少なくとも一方と、
前記燃料循環路内の燃料ガスを燃料極出口から燃料極入口へ循環させる燃料循環手段、または、前記酸化剤循環路内のガスを酸化剤極出口から酸化剤極入口へ循環させる酸化剤循環手段の少なくとも一方と、
前記燃料循環路、または、前記酸化剤循環路の少なくとも一方に配置され、水を液水として蓄積する水蓄積装置と、
該水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水蓄積量検出手段の検出値に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断する制御装置と、
前記水蓄積量検出手段の検出値が排水開始水量を超えたときに前記水蓄積装置から排水を開始し、排水開始水量より少ない排水停止水量以下となったときに排水を停止する水移動手段と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より短い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記排水停止水量を超え前記排水停止水量未満の第２所定水量未満であることを、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の条件とすることを特徴とする燃料電池システム。
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より短い場合に、前記水蓄積量検出手段の検出値が、前記第２所定水量以上であれば、前記水移動手段により前記水蓄積装置から排水させて、第２所定水量未満とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記水蓄積装置の水量以外の前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の条件が成立することを予測する停止可能予測手段を備え、
該停止可能予測手段が停止可能を予測した場合に、予め前記水移動手段により前記水蓄積装置の蓄積水量を前記第２所定水量未満とすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は移動体の動力源に電力を供給するものであって、
前記停止可能予測手段は、移動体の速度及び移動体の運転操作状況に基づいて前記停止可能を予測することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
燃料電池の発電電力が不足する場合、燃料電池の負荷装置に電力供給する蓄電装置を備え、
前記停止可能予測手段は、前記蓄電装置の蓄電量に基づいて前記停止可能を予測することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
該温度検出手段が検出した温度が高いほど前記第２所定水量を少なく補正することを特徴とする請求項４乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料極から排出される未反応燃料ガスを前記燃料極へ再循環させる燃料循環路、または前記酸化剤極から排出されるガスを前記酸化剤極へ再循環させる酸化剤循環路の少なくとも一方と、
前記燃料循環路内の燃料ガスを燃料極出口から燃料極入口へ循環させる燃料循環手段、または、前記酸化剤循環路内のガスを酸化剤極出口から酸化剤極入口へ循環させる酸化剤循環手段の少なくとも一方と、
前記燃料循環路、または、前記酸化剤循環路の少なくとも一方に配置され、水を液水として蓄積する水蓄積装置と、
該水蓄積装置に蓄積された水量を検出する水蓄積量検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水蓄積量検出手段の検出値に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を判断する制御装置と、
前記水蓄積量検出手段の検出値が排水開始水量を超えたときに前記水蓄積装置から排水を開始し、排水開始水量より少ない排水停止水量以下となったときに排水を停止する水移動手段と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止の継続時間を推測する停止時間推測手段と、を備え、
前記停止時間推測手段が推測した時間が所定時間より短い場合に、前記燃料循環路と前記燃料循環手段と前記燃料循環路に配置された水蓄積装置とを備える構成では、前記燃料循環手段を稼動させ、前記酸化剤循環路と前記酸化剤循環手段と前記酸化剤循環路に配置された水蓄積装置とを備える構成では、前記酸化剤循環手段を稼動させて、前記燃料極及び前記燃料循環路内の水又は前記酸化剤極及び前記酸化剤循環路内の水を前記水蓄積装置へ輸送することを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池の発電電力が不足する場合、燃料電池の負荷装置に電力供給する蓄電装置を備え、
前記制御装置は、前記蓄電装置から要求電力を供給可能である場合に、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止中に、前記水蓄積量検出手段が検出した水蓄積量が前記排水開始水量に達した場合、前記制御装置は、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の供給停止を中断して発電状態へ復帰するように制御す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。