(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池へ供給する燃料ガスと空気のうち少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、
加湿用の水の導電率を低下させる導電率低下手段と、
加湿用の水の導電率を検出する手段と、
検出された前記加湿用の水の導電率が所定値より高い場合に前記加湿手段による加湿を禁止して前記燃料電池を無加湿運転させるとともに、前記導電率低下手段の導電率低下能力を高める制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記導電率低下手段はイオン交換樹脂に流通させることで前記加湿用の水の導電率を低下させる手段であり、
前記制御手段は前記イオン交換樹脂に流通させる前記加湿用の水の流量を増大することで前記導電率低下手段の導電率低下能力を高め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。
【請求項３】
前記燃料電池の温度を検出する手段をさらに備え、
前記制御手段が、検出された前記燃料電池の温度が所定の無加湿運転可能判定温度より低いときに前記無加湿運転が可能と判断し前記燃料電池を無加湿運転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。
【請求項４】
前記燃料電池に供給する空気の湿度を検出する手段をさらに備え、
前記制御手段が、検出された供給空気の湿度に基づき前記無加湿運転可能判定温度を設定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。
【請求項５】
前記制御手段が、検出された供給空気の湿度が高いほど前記無加湿運転可能判定温度を高く設定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。
【請求項６】
前記燃料電池に供給する空気の温度を検出する手段をさらに備え、
前記制御手段が、検出された供給空気の温度に基づき前記無加湿運転可能判定温度を設定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。
【請求項７】
前記燃料電池の温度を制御する温調手段をさらに備え、
前記制御手段が、検出された前記加湿用の水の導電率が所定値より高くかつ検出された前記燃料電池の温度が前記無加湿運転可能判定温度より高いとき、前記温調手段により燃料電池の温度を前記無加湿運転可能判定温度以下に下げることができるか判断し、前記無加湿運転可能判定温度以下に下げることができると判断したときは前記温調手段により前記燃料電池の温度を下げ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。
【請求項８】
前記制御手段が、前記燃料電池が無加湿運転を行うとき、前記燃料電池の運転負荷の上限を下げ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は車両用の燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２００１−１５５７５０は車両用燃料電池システムを開示している。
【０００３】
現在車両への搭載が検討されている燃料電池は固体高分子膜タイプが主である。このタイプの燃料電池は固体高分子膜が湿潤状態にないと発電効率が悪化するので、燃料電池に供給する空気と燃料ガスの少なくとも一方を加湿する必要がある。
【０００４】
加湿の方法としては、燃料電池上流に加湿器を設けて燃料電池に供給する空気もしくは燃料ガスの少なくとも一方を加湿する方法、燃料電池内部に水を循環させてその水で加湿する方法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
ところで、上記加湿のための水の導電率が高い場合、水を介して短絡電流が流れる現象が発生し、発電電力の一部が無駄に消費される。燃料電池に供給される空気や燃料ガスを加湿した場合も燃料電池内部でその蒸気が凝縮すれば同様に短絡電流が流れる場合がある。このような短絡電流は制御の効かない電流が流れていることと同様であり、消費電力が増大する原因となる。
【０００６】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、加湿用の水の導電率が高い場合に燃料電池を運転させつつ加湿用の水の導電率を下げることを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
燃料電池システムにおいて、燃料電池へ供給する燃料ガスと空気の少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、加湿用の水の導電率を低下させる導電率低下手段と、加湿用の水の導電率を検出する手段とを備え、検出された加湿用の水の導電率が所定値より高い場合に加湿手段による加湿を禁止して燃料電池を無加湿運転させるとともに、導電率低下手段の導電率低下能力を高めるようにする。
【０００８】
【作用及び効果】
本発明によれば、加湿用の水の導電率が高い場合は燃料電池を無加湿状態で運転し、その間に加湿用の水の導電率を比較的時間をかけて低下させることができるので、長期保存後加湿用の水の導電率が高くなっている場合でも燃料電池を早期に起動できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１は本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示す。図示するシステムはアノードに水素を水素タンク１７から直接供給するダイレクト水素型の燃料電池を用いたシステムであるが、液体燃料を改質して得られる水素リッチなガスを供給する改質型燃料電池であってもよい。
【００１１】
燃料電池１には、例えば内部に固体高分子電解質膜を挟んで空気を流通させるカソード極と水素を供給するアノード極が形成されている。また、燃料電池１には燃料電池本体の温度をコントロールする低融点の熱媒体（以下ＬＬＣと略す）を通す通路９も形成されている。さらに、固体高分子電解質膜の加湿および凝縮水の回収のため、多孔質材料を介してカソード、アノードと純水のやり取りが可能な構造の純水流路３（加湿手段）も備わっている。ただし、加湿は供給する空気や水素を外部加湿器により加湿するタイプであってもよい。
【００１２】
また、燃料電池１の温度を検出する手段としての温度センサ２が設けられており、温度センサ２で燃料電池本体の温度をモニタする。配管３は前記加湿用の純水を燃料電池１へ循環させる配管であり、循環のエネルギは水ポンプ４で与えている。また、本実施例では加湿用の水のバッファタンク５を備える構成としている。
【００１３】
加湿用の水の導電率を検出する手段として導電率センサ６が設けられており、弁７は加湿用の水を燃料電池１に供給するかイオン交換樹脂８へ供給するかを切り替える三方弁である。三方弁７を切り替えて加湿用の水をイオン交換樹脂８（導電率低下手段）に供給すれば、加湿用の水の導電率を下げることができる。三方弁７は加湿用の水を燃料電池１に供給している場合でも加湿用の水の一部をイオン交換樹脂８にも供給し、常時加湿用の水の導電率を低下させるように構成しても良い。
【００１４】
配管９は不凍液（ＬＬＣ）の配管であり、加湿用の水の配管と区別できるよう二重線で図示されている。ＬＬＣはＬＬＣポンプ１０によって配管９を流れ、燃料電池１に供給される。燃料電池１から流出したＬＬＣは加湿用の水のバッファタンク５に導かれ、氷点下等の低温時は加湿用の水とともに図示しないヒータによって加温できるように構成される。加湿用の水のバッファタンク５を出たＬＬＣは三方弁１１へ導かれ、ＬＬＣの温度と制御要求温度に応じてラジエータ１２を通るライン１３か通らないライン１４かに流路を切り替えられる。三方弁１１を切り替えてＬＬＣをラジエータ１２に供給すればＬＬＣの温度を下げて燃料電池１の温度を下げることができる。ラジエータ１２（及び三方弁１１）が燃料電池１の温調手段を構成する。
【００１５】
燃料電池１への水素の供給は、水素タンク１７の水素を調節弁１８で流量、圧力を調整して行う。また、空気は空気温度センサ２２、空気湿度センサ２３で温度、湿度を検出された後、ブロア、コンプレッサ等の空気供給機２０より燃料電池１へ供給される。
【００１６】
また、各弁やポンプ等を制御するために１または２以上のマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インターフェース等を含んで構成されるコントロールユニット２１（制御手段）が設けられている。コントロールユニット２１には加湿用の水の導電率が導電率センサ６より、燃料電池１の温度が燃料電池本体温度センサ２より、吸入空気の温度が空気温度検出手段としての空気温度計２２、吸入空気の湿度が空気湿度検出手段としての空気湿度計２３より送られる。コントロールユニット２１は、それらの情報を基に水ポンプ４、三方弁７、ＬＬＣポンプ１０、三方弁１１、調節弁１８を制御する。
【００１７】
以下、コントロールユニット２１の制御内容について説明する。
【００１８】
図２はコントロールユニット２１の制御ブロック図を示したものである。これによると、先ずブロックＢ１で、加湿用水の導電率が燃料電池１への加湿用水の供給を許可できるレベルか禁止するレベルかを判定する。禁止するレベルであれば次に、ブロックＢ２で加湿用水の導電率を緊急に低下させる制御を実行する。さらにブロックＢ３で無加湿運転が可能な環境にあるかを判定し、無加湿運転の可否を決定する。また、現状は無加湿運転が困難でも運転条件を変更すれば可能となる場合はその運転条件となるようにブロックＢ４で運転条件を整える。その後無加湿運転が可能と判断された場合はブロックＢ５で燃料電池１を無加湿状態で運転する。
【００１９】
次に、各手段での詳細な制御内容について説明する。図３はコントロールユニット２１が行う加湿用水導電率判定処理の内容を示したフローチャートであり、図２のブロックＢ１における処理に対応する。
【００２０】
これによると、まず、ステップＳ１では導電率センサ６の出力に応じた加湿用水の導電率Ｃを読み込み、読み込んだ導電率Ｃと所定値ＳＬＣとをステップＳ２で比較する。ここで所定値ＳＬＣはこれ以上の導電率で運転を続行すると燃料電池１が損傷するなどの問題が発生する値である。もちろん問題が発生するぎりぎりの値を所定値ＳＬＣとして定義する必要はなく、製造ばらつき等の影響も含め充分に余裕を持った値と定義してよい。
【００２１】
ステップＳ２での比較の結果、加湿用水の導電率Ｃが所定値ＳＬＣ未満であればこのまま燃料電池１を運転してよいと判断してステップＳ３で導電率悪化フラグＦＣを「０」とし、導電率が悪化していないことを宣言して本フローを終了する。加湿用水の導電率Ｃが所定値ＳＬＣ以上であればステップＳ４で導電率悪化フラグＦＣを「１」とし、導電率が悪化しているためこのまま運転していてはいけないことを宣言して本フローを終了する。
【００２２】
図４はコントロールユニット２１が行う加湿用水導電率低減運転処理の内容を示したフローチャートであり、図２のブロックＢ２における処理に対応する。
【００２３】
これによると、まず、ステップＳ１１では加湿用水導電率判定処理で設定したフラグＦＣが「１」であるかすなわち加湿用水の導電率が異常値を示したかを判定する。異常でない場合は何もせずに本フローを終了するが、異常である（ＦＣ＝１）場合は加湿用水の導電率を早急に低下させるべくステップＳ１２、Ｓ１３の処理を実施する。
【００２４】
ステップＳ１２では水ポンプ４から流出した加湿用水のほぼ全量がイオン交換樹脂８を通るように三方弁７を切り替える。次に、ステップＳ１３では水ポンプ４にて送液する加湿用水の流量を増大させ、好ましくは最高流量とする。以上の制御を行うことでバッファタンク５内の加湿用水の導電率は迅速に低減される。
【００２５】
図５はコントロールユニット２１が行う無加湿運転許可処理の内容を示したフローチャートであり、図２のブロックＢ３における処理に対応する。
【００２６】
ステップＳ２１では加湿用水導電率判定処理で設定したフラグＦＣが１であるかすなわち加湿用水の導電率が異常値を示したかを判定する。異常でない場合はステップＳ２８で無加湿運転を不許可（ＦＵＨ＝Ｏ）かつ燃料電池１の運転を許可して通常運転状態をキープし本フローを終了する。
【００２７】
異常である場合はステップＳ２２で燃料電池１の温度ＴＳＴＫを温度センサ２から、吸入空気の温度ＴＡＩＲを空気温度センサ２２から、吸入空気の湿度ＨＡＩＲを空気湿度センサ２３からそれぞれ読み込む。そして、ステップＳ２３では読み込んだ吸入空気温度ＴＡＩＲ、湿度ＨＡＩＲに応じてマップＭ１を参照することで無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨを設定する。無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨは吸入空気の温度ＴＡＩＲが高くなるほど、また湿度ＨＡＩＲが高くなるほど高い温度に設定される。これは吸入空気の湿度が高いほど吸入空気中の水分が多くなり、吸入空気の温度が高いほど吸入空気中に多くの水分を含むことができるので、吸入空気の湿度、温度が高いほど燃料電池１が無加湿で運転することが可能な温度も高くなるからである。
【００２８】
無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨは燃料電池１の温度がこの温度を超えていれば無加湿運転が不可能であることを意味する温度である。すなわち燃料電池１の温度が無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨ以上であれば吸入空気によって流入する水分と燃料電池１内部で生成される水とオフガスによって排出される水分のバランスより水分が減少し、燃料電池１の運転が不可能となる環境となっていることを意味する。
【００２９】
従ってステップＳ２４で燃料電池１の温度ＴＳＴＫが無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨ以下であればステップＳ２７で無加湿運転を許可（ＦＵＨ＝１）かつ燃料電池１の運転も許可して本フローを終了する。ステップＳ２４で燃料電池１の温度ＴＳＴＫが無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨを超えていればステップＳ２５で無加湿運転を不許可（ＦＵＨ＝Ｏ）かつ燃料電池１の運転も禁止とする。但し、その後のステップＳ２６で燃料電池１の温調手段（ラジエータ１２）の燃料電池冷却能力で燃料電池１の温度を無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨ以下まで下げることができる場合は、以下に説明する燃料電池１の温度を下げる制御（運転環境調整処理）を行う。
【００３０】
図６はコントロールユニット２１が行う運転環境調整処理の内容を示したフローチャートであり、図２のブロックＢ４における処理に対応する。
【００３１】
これによると、まず、ステップＳ３１で吸入空気の温度ＴＡＩＲを空気温度センサ２２から、吸入空気の湿度ＨＡＩＲを空気湿度センサ２３からそれぞれ読み込み、読み込んだ吸入空気温度ＴＡＩＲ、湿度ＨＡＩＲに基づき、燃料電池１の温調手段で燃料電池１を冷却すれば燃料電池１の温度を無加湿運転可能な温度まで下げることができるか否かをステップＳ３２でマップＭ２を参照するにより判断する。
【００３２】
吸入空気湿度が高いということは吸入空気中の水分が多いことであるので、無加湿運転は実現しやすい。従って吸入空気湿度ＨＡＩＲが高いほうでは無加湿運転可能領域（ＦＣＯＮＴ＝１）が広くなる。一方、吸入空気温度ＴＡＩＲが高い場合は吸入空気中に含むことができる水分の量は多くなるものの、ＬＬＣの温度と空気の温度差が少なくなり燃料電池１を冷却しづらい環境となるため無加湿運転可能領域は狭くなる。これらのバランスにより無加湿運転領域は変化する。以上より、ステップＳ３２のマップＭ２における無加湿運転可能領域は部品の製造ばらつき等も含めて実験によって決定されるのが望ましい。
【００３３】
次にステップＳ３３で燃料電池１を冷却することで無加湿運転が可能か（ＦＣＯＮＴ＝１）不可能か（ＦＣＯＮＴ＝０）を判定し、不可能であればこのまま本フローを終了するが、可能であればステップＳ３４で三方弁１１をラジエータ１２側へ切り替えてＬＬＣをラジエータ１２で冷却するように制御するとともにＬＬＣの流量を増量して燃料電池１内に高温部を作らないように制御して、燃料電池１を無加湿運転可能な温度まで冷却する。
【００３４】
図７はコントロールユニット２１が行う無加湿運転処理の内容を示したフローチャートであり、図２のブロックＢ５における処理に対応する。
【００３５】
これによると、ステップＳ４１で無加湿運転が許可されているか（ＦＵＨ＝１）を判定し、不許可であればこのままフローを終了するが、許可されていればステップＳ４２で燃料電池の出力を所定値ＰＵＨへ制限する。これは燃料電池１を高負荷で運転させると燃料電池１の温度が上昇し、無加湿運転か困難となるからである。
【００３６】
次にステップＳ４３で燃料電池１の温度ＴＳＴＫを温度センサ２から、吸入空気の温度ＴＡＩＲを空気温度センサ２２から、吸入空気の湿度ＨＡＩＲを空気湿度センサ２３から読み込み、ステップＳ４４で無加湿運転上限温度ＴＵＨを読み込んだ空気温度ＴＡＩＲ、空気湿度ＨＡＩＲに基づいてマップＭ３を参照することで設定する。この無加湿運転上限温度ＴＵＨは無加湿運転許可処理のステップＳ２３で参照した無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨよりも充分低い値となる。すなわちこの温度に燃料電池１を制御すれば、無加湿運転可能判定温度ＴＳＬＵＨ以上となり無加湿運転が不許可となることがなく、かつ、可能な限り高い温度で運転できるため、効率の悪化も少なくなる。
【００３７】
従ってステップＳ４５で燃料電池１の温度ＴＳＴＫが無加湿運転上限温度ＴＵＨを超えているかを判定し、超えていれば燃料電池１を冷却するために三方弁１１をラジエ−タ１２側へ切り替えるとともにＬＬＣ流量を増量して燃料電池１内に高温部を作らないように制御し、超えていなければ三方弁１１をラジエータ１２を通過しないバイパス側へ切り替えてなるべく効率の良い運転の可能な温度まで燃料電池１を加温する。
【００３８】
以上の処理を実施することで、運転中あるいは長期保存後の起動においても、加湿用水の導電率が悪化しており燃料電池の加湿が不能であった場合でも、燃料電池を無加湿運転可能な状態に維持して運転を継続できる。運転を継続している間に加湿用水の導電率を充分下げることができるので、運転を中断しなくても通常の運転状態へ移行することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態は、燃料電池システムにおいて、燃料電池へ供給する燃料ガスと空気の少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、加湿用の水の導電率を低下させる導電率低下手段と、加湿用の水の導電率を検出する手段と、検出された加湿用の水の導電率が所定値より高い場合に加湿手段による加湿を禁止して燃料電池を無加湿運転させるとともに、導電率低下手段の導電率低下能力を高める制御手段とを備えたことにより、加湿用の水の導電率が高い場合は燃料電池を無加湿運転させ、その間に加湿用の水の導電率を比較的時間をかけて低下させることができ、長期保存後加湿用の水の導電率が高くなっている場合でも導電率の低下を待つことなく燃料電池を早期に起動できる。
【００４０】
また、導電率低下手段をイオン交換樹脂に流通させることで加湿用の水の導電率を低下させる手段とし、制御手段がイオン交換樹脂に流通させる加湿用の水の流量を増大することで導電率低下手段の導電率低下能力を高めるようにしたことにより、簡単な構成で本発明を実現でき、コストの低減や車両への搭載性、レイアウト性を高めることができる。
【００４１】
また、燃料電池の無加湿運転は燃料電池の温度が低いときに可能になるので、燃料電池の温度を検出する手段をさらに備え、制御手段が、検出された燃料電池の温度が無加湿運転可能判定温度より低いときに無加湿運転が可能と判断し無加湿運転を行わせるようにすれば、無加湿運転の可否を高い精度で判断でき、加湿が必要な状況で加湿が行われないといった事態を回避できる。
【００４２】
また、吸入空気の湿度が高いほど吸入空気中の水分が多くなり、吸入空気の温度が高いほど吸入空気中に多くの水分を含むことができるので、吸入空気の湿度、温度が高いほど燃料電池が無加湿で運転することが可能な温度も高くなる。本実施形態では、燃料電池に供給する空気の湿度あるいは温度を検出する手段をさらに備え、制御手段が、検出された供給空気の湿度あるいは温度に基づき無加湿運転可能判定温度を設定、具体的には、検出された供給空気の湿度あるいは温度が高いほど無加湿運転可能判定温度を高く設定するので、無加湿運転が可能か否かをさらに高い精度で判断できる。
【００４３】
また、燃料電池の温度を制御する温調手段をさらに備え、制御手段は、検出された加湿用の水の導電率が所定値より高くかつ検出された燃料電池の温度が無加湿運転可能判定温度より高いとき、温調手段により燃料電池の温度を無加湿運転可能判定温度以下に下げることができるか判断し、無加湿運転可能判定温度以下に下げることができると判断したときは温調手段により燃料電池の温度を下げる。これにより、燃料電池の温度が高く無加湿運転が不可能な場合であっても、燃料電池の温度を無加湿運転可能な温度まで下げることが可能なときは温調手段によって燃料電池の冷却が行われ、燃料電池に無加湿運転を行わせる機会をできる限り確保することができる。
【００４４】
また、燃料電池が無加湿運転を行うときは燃料電池の運転負荷の上限を下げるように制御手段を構成したので、燃料電池が高負荷で運転することによる温度上昇が抑えられ、燃料電池の温度上昇により無加湿運転ができなくなるのを回避できる。
【００４５】
なお、上記実施形態の構成ではＬＬＣは抜き取る構成となっていないため、ＬＬＣの導電率が高い場合には燃料電池へのガス供給ができなくなってしまう可能性がある。しかしながら、そのような場合はＬＬＣのみ循環させて図示していないイオン交換樹脂にてＬＬＣの導電率を低下させ、ＬＬＣの導電率が所定値以下になるまで燃料電池へのガス供給は行わない構成とすればよい。その間は図示しない蓄電池からの電力で走行する構成が有効と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】コントロールユニットの制御ブロック図である。
【図３】加湿用水導電率判定処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】加湿用水導電率低減運転処理の内容を示したフローチャートである。
【図５】無加湿運転許可処理の内容を示したフローチャートである。
【図６】運転環境調整処理の内容を示したフローチャートである。
【図７】無加湿運転処理の内容を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  温度センサ
４  水ポンプ
６  導電率センサ
７  三方弁
８  イオン交換樹脂
１０  ＬＬＣポンプ
１１  三方弁
１２  ラジエータ
２１  コントロールユニット
２２  空気温度センサ
２３  空気湿度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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