(57)【要約】【課題】車両の加速度によって生じる燃料電池本体内での水の過加圧を回避する燃料電池システムを提供する。【解決手段】供給ガス中の水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池本体１と、燃料電池本体１が発電する際に使用する冷却水が循環する冷却水循環路４と、冷却水循環路４内の冷却水の圧力を調整する水圧調整部（冷却水ポンプ５又は圧力調整弁６）と、燃料電池本体１及び冷却水循環路４を搭載する車両１１の加速度を推定する加速度推定部（８、９）と、加速度推定部（８、９）が推定する車両１１の加速度に応じて水圧調整部（５、６）の動作を制御するコントローラ２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体が発電する際に使用する水が循環する水循環路と、
前記水循環路内の前記水の圧力を調整する水圧調整部と、
前記燃料電池本体及び前記水循環路を搭載する車両の加速度を推定する加速度推定部と、
前記加速度推定部が推定する前記加速度に応じて、水圧調整部を制御する制御部
とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水圧調整部は、その回転数を制御することによって前記水循環路内での前記水の循環量を調整するポンプであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水圧調整部は、その開度を制御することによって前記水循環路内での前記水の循環量を調整する圧力調整弁であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加速度推定部は、前記車両の前後、左右及び上下方向の加速度を直接検出する加速度センサを備えることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加速度推定部は、前記車両の速度を微分して前記車両の前後方向の加速度を算出する加速度計算部を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水の圧力を推定する圧力推定部と、
前記燃料電池本体が正常に動作することが推測される前記水の圧力限界値を記憶する圧力限界値データベースとを更に有し、
前記圧力推定部が推定する前記水の圧力が前記圧力限界値データベース内の圧力限界値を超え、且つ前記加速度推定部が推定する前記加速度が実質的に零である時、前記制御部は、前記燃料電池システムに異常が発生したと判断することを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水循環路は、前記燃料電池本体が発電する際に発生する熱を冷却する冷却水が循環する冷却水循環路であることを特徴とする請求項１乃至６何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水循環路は、前記燃料電池本体へ供給される前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくともどちらか一方を加湿する加湿水が循環する加湿水循環路であることを特徴とする請求項１乃至６何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水の圧力は、前記燃料電池本体内における前記水と前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくともどちらか一方との差圧であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池本体内の水の圧力を制御する手段を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体は、発電に伴う発熱を除去するため十分な冷却を行う必要があり、燃料電池本体内での温度分布のムラをなくすために、少しでも多くの冷却水を流すことが望ましい。燃料電池本体に温度ムラがあると、電気化学反応が不均一になり、発電効率の低下、燃料電池本体の劣化等の原因となる。
【０００３】
また、燃料電池本体内の電解質膜を飽和含水状態に管理するために燃料電池本体に供給される燃料ガス等は湿潤している必要があり、燃料ガス等の加湿のために純水（加湿水）を流す必要がある。
【０００４】
従来から、冷却水循環路に冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する燃料電池システムが知られており（例えば、特許文献１参照）、特許文献１では、燃料電池本体の入口での冷却水圧力と出口での冷却水圧力との差から冷却水循環路の漏水異常を検知している。
【特許文献１】特開２００３−１６８４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、冷却水循環路を有する燃料電池システムを車両に搭載した場合、燃料電池本体の入口と出口間の圧力差を管理するだけでは不十分な場合がある。即ち、カーブや急加減速、悪路走行時には、重力以外の加速度が発生する。この加速度と冷却水や加湿水の慣性によって、図７に示すように、燃料電池本体の内部に冷却水圧力や加湿水圧力が部分的に高くなる箇所が発生する。燃料電池本体内での冷却水や加湿水の耐圧は限られているため、冷却水や加湿水の漏れや燃料電池本体の破壊の原因となるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の特徴は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池本体と、この燃料電池本体が発電する際に使用する水（例えば、冷却水又は加湿水）が循環する水循環路と、水循環路内の水の圧力を調整する水圧調整部（例えば、ポンプ又は圧力調整弁）と、燃料電池本体及び水循環路を搭載する車両の加速度を推定する加速度推定部（例えば、加速度センサ又は車速度センサ）と、加速度推定部が推定する車両の加速度に応じて水圧調整部の動作を制御する制御部とを有する燃料電池システムであることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両の加速度によって生じる燃料電池本体内での水の過加圧を回避する燃料電池システムを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【０００９】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、供給ガス中の水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池本体１と、燃料電池本体１が発電する際に使用する水が循環する水循環路の一例としての冷却水循環路４と、冷却水循環路４内の冷却水の圧力を調整する水圧調整部の例としての冷却水ポンプ５及び圧力調整弁６と、燃料電池本体１及び冷却水循環路４を搭載する車両１１の加速度を推定する加速度推定部の例としての加速度センサ８及び加速度計算部９（以後、「車速度センサ」という）と、加速度センサ８又は車速度センサ９が推定する車両１１の加速度に応じて冷却水ポンプ５或いは圧力調整弁６を制御する制御部の一例としてのコントローラ２と、冷却水の圧力を推定する圧力推定部の一例としての圧力センサ７と、燃料電池本体１が正常に動作することが推測される冷却水の圧力限界値を記憶する圧力限界値データベース１０と、冷却水循環路４内の冷却水を冷却するラジエータ３とを有する。
【００１０】
本発明の実施の形態では、燃料電池本体１が発電する際に使用する「水」として、燃料電池本体１が発電する際に発生する熱を冷却するための冷却水を例にとり説明する。
【００１１】
冷却水循環路４には冷却水が循環している。冷却水循環路４上には、冷却水ポンプ５、圧力センサ７、燃料電池本体１、圧力調整弁６、ラジエータ３が配置されている。冷却水ポンプ５が圧送した冷却水は、燃料電池本体１内で発電に伴う発熱を吸収し、圧力調整弁６でその循環量が制御され、ラジエータ３内で冷却され、再び、冷却水ポンプ５へ戻ってくる。冷却水循環路４内を冷却水が循環することにより、燃料電池本体１内で発生した熱がシステム外部へ排出される。なお、圧力センサ７は、燃料電池本体１入口の冷却水の圧力を検出する。
【００１２】
冷却水ポンプ５は、その回転数を制御することにより冷却水循環路４内での冷却水の循環量を調整する。これにより、冷却水ポンプ５は「水圧調整部」として機能することができる。また、圧力調整弁６は、その開度を制御することにより冷却水循環路４内での冷却水の循環量を調整する。これにより、圧力調整弁６は「水圧調整部」として機能することができる。
【００１３】
加速度センサ８は、車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度を直接検出することにより、「加速度推定部」として機能する。また、車速度センサ９は、車両１１の速度を継続的に検出し、車両１１の速度を微分して車両１１の前後方向の加速度を算出することにより、「加速度推定部」として機能する。加速度センサ８は、車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度を検出する１又は２以上のセンサからなる。具体的には、前後方向のセンサと左右方向のセンサと上下方向のセンサとを組み合わせて１つの加速度センサ８を構成してもよいし、前後、左右及び上下方向の加速度を１つの加速度センサ８で検出しても構わない。前後、左右及び上下方向の加速度を検出する機能を有する加速度センサについては、特開平１１−２１８５４４号公報に詳細な記載がある。また、加速度センサ８は、車両１１に加わる重力加速度以外の加速度を検出する。即ち、車両１１が上り坂、上り坂、右傾斜、左傾斜の道路を走行している時でも、平坦な道路を走行している時と同様に、車両１１に加わる重力加速度とそれ以外の加速度を区別して検出することが望ましい。
【００１４】
コントローラ２は、圧力センサ７から冷却水の圧力の情報を取得し、加速度センサ８或いは車速度センサ９から車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度の情報を取得する。冷却水の圧力が圧力限界値データベース１０内の圧力限界値を超えている場合であって、車両１１の加速度が実質的に零でない時、コントローラ２は、加速度の情報に基づいて冷却水ポンプ５の回転数或いは圧力調整弁６の開度を制御する。これにより、冷却水循環路４内の冷却水の圧力を制御することができる。冷却水の圧力が圧力限界値データベース１０内の圧力限界値を超えている場合であって、車両１１の加速度が実質的に零である時、コントローラ２は、燃料電池システムに異常が発生したと判断して、燃料電池本体１の発電、即ち燃料電池システムを停止する。冷却水の圧力が圧力限界値データベース１０内の圧力限界値を超えていない場合、コントローラ２は、冷却水の圧力の制御を行わない。コントローラ２は、冷却水循環路４内の冷却水の圧力を制御する際、冷却水ポンプ５の回転数及び圧力調整弁６の開度の両方を同時に制御してもよいし、何れか一方のみを制御しても構わない。
【００１５】
図２に示すように、圧力限界値データベース１０には、コントローラ２が冷却水の圧力を制御する上で参照する制御目標圧力と燃料電池本体１の出力との関係を示すグラフが記憶されている。制御目標圧力には正常値と異常値とがあり、正常値と異常値は燃料電池本体１の出力の増加とともに単調に上昇している。コントローラ２は、燃料電池本体１の出力に応じて、冷却水の圧力が制御目標圧力の正常値になるように、冷却水ポンプ５の回転数或いは圧力調整弁６の開度を制御する。冷却水の圧力が制御目標圧力の異常値以上になった場合、コントローラ２は、冷却水ポンプ５の回転数或いは圧力調整弁６の開度を制御して冷却水の圧力を下げる。
【００１６】
図３を参照して、図１のコントローラ２の動作手順を説明する。
【００１７】
（イ）先ずＳ１段階において、燃料電池システムは通常運転を行っている。この状態を前提として、Ｓ２段階において、コントローラ２は、冷却水の圧力が上昇しているか否かを判断する。具体的には、コントローラ２は、圧力センサ７から取得した冷却水の圧力の情報に基づいて、冷却水の圧力が図２の制御目標値の異常値以上になっているか否かを判断する。冷却水の圧力が図２の制御目標値の異常値以上である場合（Ｓ２段階においてＹＥＳ）Ｓ３段階に進む。冷却水の圧力が図２の制御目標値の異常値より低い場合（Ｓ２段階においてＮＯ）Ｓ１段階に進む。したがって、Ｓ２段階では、冷却水の圧力が図２の制御目標値の異常値以上に上昇することをコントローラ２が監視していることになる。
【００１８】
（ロ）Ｓ３段階において、コントローラ２は、車両１１に加速度が生じているか否かを判断する。具体的には、加速度センサ８或いは車速度センサ９から取得した車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度の情報に基づいて、前後、左右及び上下方向の加速度が実質的に零であるか否かを判断する。加速度が実質的に零である場合（Ｓ３段階においてＮＯ）Ｓ５段階に進み、コントローラ２は、燃料電池システムに異常が発生したと判断し、燃料電池システムを停止する。即ち、燃料電池本体１の発電を停止する。一方、加速度が実質的に零でない場合（Ｓ３段階においてＹＥＳ）Ｓ４段階に進み、コントローラ２は、冷却水の圧力が制御目標圧力の正常値になるように、車両の加速度に応じて冷却水ポンプ５の回転数或いは圧力調整弁６の開度を制御して、冷却水の圧力を調整する。その後、Ｓ２段階に戻る。以後、Ｓ５段階において燃料電池システムを停止しない限り、Ｓ１〜Ｓ４段階を繰り返し実施する。
【００１９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、Ｓ４段階において、コントローラ２が冷却水の圧力を制御しない場合（非制御時）、車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度の上昇に合わせて、冷却水の圧力も上昇する。これに対して、Ｓ４段階においてコントローラ２が加速度の情報に基づいて冷却水の圧力を制御する場合（制御時）、車両の加速度が変化しても冷却水の圧力をほぼ一定に保持することができる。
【００２０】
コントローラ２が冷却水ポンプ５の回転数を制御することにより冷却水の圧力を調整する場合、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度の上昇に合わせて、冷却水ポンプ５の回転数を一時的に低くする。これにより、冷却水の圧力の上昇が抑えられ、図４（ａ）に示したように、冷却水の圧力をほぼ一定に保持することができる。
【００２１】
コントローラ２が圧力調整弁６の開度を制御することにより冷却水の圧力を調整する場合、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、車両１１の前後、左右及び上下方向の加速度の上昇に合わせて、圧力調整弁６の開度を一時的に高くする。これにより、冷却水の圧力の上昇が抑えられ、図４（ａ）に示したように、冷却水の圧力をほぼ一定に保持することができる。
【００２２】
以上説明したように、燃料電池本体１の発電に伴って発生する熱を冷却する冷却水系（３〜７）を有する燃料電池システムを搭載した車両１１（燃料電池自動車）において、加速度センサ８又は車速度センサ９を用いて加速度を推定し、推定した加速度に応じて、冷却水の圧力を制御する。これにより、図７に示すように車両１１の急加減速・急旋回・悪路走行時に発生する加速度による燃料電池本体１内の冷却水の一時的且つ部分的な圧力の上昇を抑えることができる。そのため、冷却水の漏れや燃料電池本体１の破壊を回避できる。また、加速度が発生していない状態では、最大限に冷却水を流すことができるので、燃料電池本体１内での温度ムラを小さくでき発電性能の向上・燃料電池の劣化低減等を実現できる。
【００２３】
また、前後・左右・上下方法の加速度を直接的に計測する加速度センサ８を有することにより、車両（燃料電池自動車）１１の急加減速・急旋回・悪路走行等のすべての状況に迅速に対応することができる。
【００２４】
また、車両１１の速度の微分から、車両の前後方法の加速度を推定する車速度センサ９を備えることにより、前後方向を検出する加速度センサ或いは３方向の加速度を検出できる加速度センサ８の前後方向の検出機能を省くことができる。
【００２５】
また、車両１１の加速度が零であり且つ冷却水の圧力が上昇している場合、燃料電池システムに異常が発生したと判断して燃料電池システムを停止する。これにより、車両１１の加速度に起因する圧力上昇と、冷却水ポンプ５の故障や冷却水循環路４内への物詰まり等に起因する異常圧力上昇との切り分けをすることができる。
【００２６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００２７】
本発明の実施の形態では、燃料電池本体１が発電する際に使用する「水」として、燃料電池本体１が発電する際に発生する熱を冷却するための冷却水を例にとり説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池本体１が発電する際に使用する「水」は、燃料電池本体１へ供給される供給ガスを加湿するための加湿水であっても構わない。この場合、燃料電池本体１が発電する際に使用する水が循環する「水循環路」は加湿水が循環する加湿水循環路であり、水循環路内の水の圧力を調整する「水圧調整部」は加湿水ポンプ及び加湿水の圧力を調整する圧力調整弁であり、コントローラ２は、車両１１の加速度に応じて加湿水ポンプの回転数及び加湿水の圧力を調整する圧力調整弁の開度を制御する。圧力限界値データベース１０には、正常に動作し得る加湿水の圧力限界値が記憶されている。
【００２８】
また、燃料電池システムが図１に示す冷却水系と上記の加湿水系の両方を備える場合、少なくとも一方の水に対してその圧力制御を行えばよい。もちろん、冷却水系と加湿水系の両方に対して同時に圧力制御を実施しても構わない。
【００２９】
このように、本発明の実施の形態における「冷却水」を「加湿水」に置き換えても、同じ目的を達成でき、同一の作用効果を奏する。即ち、車両１１の急加減速・急旋回・悪路走行時に発生する加速度による燃料電池本体１内の加湿水の一時的且つ部分的な圧力の上昇を抑えることができる。そのため、加湿水の漏れや燃料電池本体１の破壊を回避できる。また、加速度が発生していない状態では、必要量の加湿水を流すことができるので、燃料電池本体１内の電解質膜の加湿不足を回避することができ、発電性能の向上・燃料電池の劣化低減等を実現できる。
【００３０】
また、車両１１の加速度が零であり且つ加湿水の圧力が上昇している場合、燃料電池システムに異常が発生したと判断して燃料電池システムを停止する。これにより、車両１１の加速度に起因する圧力上昇と、加湿水系ポンプの故障や加湿水循環路内への物詰まり等に起因する異常圧力上昇との切り分けをすることができる。
【００３１】
なお、上述した冷却水の圧力及び加湿水の圧力は、燃料電池本体１へ供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスを含む供給ガスとの差圧であることが望ましい。燃料電池本体１内での漏水異常をより正確に防ぐことができる。もちろん、水循環路内の水の絶対圧力であっても構わない。
【００３２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１の圧力限界値データベースに記憶されている制御目標圧力と燃料電池本体の出力との関係を示すグラフである。
【図３】図１の燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）は図３のＳ４段階における冷却水圧力の制御時及び非制御時の冷却水圧力の時間変化を示すグラフであり、図４（ｂ）は図４（ａ）に対応する車両加速度の時間変化を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は図３のＳ４段階におけるポンプ回転数の時間変化を示すグラフであり、図５（ｂ）は図５（ａ）に対応する車両加速度の時間変化を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は図３のＳ４段階における圧力調整弁開度の時間変化を示すグラフであり、図６（ｂ）は図６（ａ）に対応する車両加速度の時間変化を示すグラフである。
【図７】車両の加速度による燃料電池本体内の冷却水／加湿水の部分的な圧力の上昇を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…燃料電池本体
２…制御部（コントローラ）
３…ラジエータ
４…冷却水循環路
５…冷却水ポンプ
６…圧力調整弁
７…圧力センサ
８…加速度センサ
９…加速度計算部（車速度センサ）
１０…圧力限界値データベース
１１…車両
【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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