(57)【要約】【課題】燃料電池の加速の有無に関わらず、ポンプにより供給される液体によって燃料電池を構成する各単セルのアノード側が閉塞することを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、気液分離器と、循環ガス流路と、アノード側オフガスを供給流路に送出するポンプと、燃料電池に供給されるアノード側反応ガスの流速を制御する流速制御部と、を備える。流速制御部は、積層方向に沿って燃料電池の内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に燃料電池に対して予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっていない場合には、ポンプに液体が流入すると流速の増加を実行し、予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっている場合には、ポンプに液体が流入しても流速の増加を実行しない。【選択図】図１
2019091644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを有し、自身の内部に前記複数の単セルの積層方向に沿って内部流路が形成され、該内部流路に供給されるアノード側反応ガスを利用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノード側オフガスから、前記アノード側オフガスに含まれる液体のうちの少なくとも一部を分離する気液分離器と、
前記内部流路と連通して前記内部流路に前記アノード側反応ガスを供給するための供給流路に、前記気液分離器により得られる前記アノード側オフガスを戻すための循環ガス流路と、
前記循環ガス流路に配置され、前記気液分離器により得られる前記アノード側オフガスを前記供給流路に送出するポンプと、
前記燃料電池に供給される前記アノード側反応ガスの流速を制御する流速制御部と、
を備え、
前記流速制御部は、
前記積層方向に沿って前記内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に前記燃料電池に対して予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっていない場合には、前記ポンプに前記液体が流入すると前記流速の増加を実行し、
前記積層方向に沿って前記内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に前記燃料電池に対して前記予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっている場合には、前記ポンプに前記液体が流入しても前記流速の増加を実行しない、
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する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、水素などのアノード側反応ガスの燃費向上を目的として、燃料電池から排出されるアノード側オフガスから生成水を含む液体を分離し、分離後のアノード側オフガスを燃料電池に戻す燃料電池システムが種々提案されている。特許文献１の燃料電池システムでは、気液分離器（水セパレータ）によってアノード側オフガスから液体を分離し、液体が分離された後のアノード側オフガスを、ポンプ（ガス循環ポンプ）を用いて水素ガス供給配管に戻している。
【０００３】
気液分離器に液体が多量に溜まった状態では、ポンプによって気液分離器に溜まった液体が巻き上げられ、アノード側オフガスと共に液体も水素ガス供給配管に戻されるおそれがある。この場合、燃料電池を構成する各単セルのうち、水素ガス供給配管に近い側の単セルに集中的に液体が流入し、アノード側が閉塞して出力電圧が低下するいわゆるブラッディングが生じるおそれがある。特許文献１の燃料電池システムでは、ポンプに液体が流入したことをポンプの負荷により検出した場合に、排出弁を開いて気液分離器に溜まった液体を排出させている。かかる構成によれば、排出弁を開くと、燃料電池の入口側と出口側の圧力差が増加して燃料電池に供給されるアノード側反応ガスの流速が増加するために、ポンプにより戻された液体は、水素ガス供給配管に近い側の単セルのみならず遠い側の単セルまでに亘って広く分散して供給され、フラッディングが抑制されることを本願発明者は見出した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、水素ガス供給配管と燃料電池との接続部分に近い側から遠い側に向かう方向に、単セルの積層方向に沿って燃料電池が加速する際、ポンプにより巻き上げられて水素ガス供給配管に供給された液体は、接続部分から遠い側の単セルに集中的に流入してしまう。このとき、接続部分から遠い側の単セルにおいてフラッディングが発生してしまうおそれがある。燃料電池が加速する際とは、例えば、燃料電池システムが車両に搭載され、かかる車両の加速または減速の際や、かかる車両の右折または左折の際などが該当する。このようなことから、燃料電池の加速の有無に関わらず、ポンプにより供給される液体によって燃料電池を構成する各単セルのアノード側が閉塞することを抑制する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
本発明の一形態によれば、燃料システムが提供される。この燃料システムは、積層された複数の単セルを有し、自身の内部に前記複数の単セルの積層方向に沿って内部流路が形成され、該内部流路に供給されるアノード側反応ガスを利用して発電する燃料電池と；前記燃料電池から排出されるアノード側オフガスから、前記アノード側オフガスに含まれる液体のうちの少なくとも一部を分離する気液分離器と；前記内部流路と連通して前記内部流路に前記アノード側反応ガスを供給するための供給流路に、前記気液分離器により得られる前記アノード側オフガスを戻すための循環ガス流路と；前記循環ガス流路に配置され、前記気液分離器により得られる前記アノード側オフガスを前記供給流路に送出するポンプと；前記燃料電池に供給される前記アノード側反応ガスの流速を制御する流速制御部と；を備え；前記流速制御部は；前記積層方向に沿って前記内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に前記燃料電池に対して予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっていない場合には、前記ポンプに前記液体が流入すると前記流速の増加を実行し；前記積層方向に沿って前記内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に前記燃料電池に対して前記予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっている場合には、前記ポンプに前記液体が流入しても前記流速の増加を実行しない。
【０００８】
この形態の燃料電池システムによれば、積層方向に沿って内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に燃料電池に対して予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっていない場合には、ポンプに液体が流入すると流速の増加を実行するので、内部流路の入口側に対応する単セルに液体の流入が集中してかかる単セルが閉塞することが抑制できる。また、積層方向に沿って内部流路の入口側から奥側へと向かう方向に燃料電池に対して予め定められた大きさ以上の加速度が掛かっている場合には、ポンプに液体が流入しても流速の増加を実行しないので、内部流路の奥側に対応する単セルに液体の流入が集中してかかる単セルが閉塞することが抑制できる。このように、本形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の加速の有無に関わらず、ポンプにより供給される液体によって燃料電池を構成する各単セルのアノード側が閉塞することを抑制できる。
【０００９】
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの制御方法、かかる制御方法を実行するためのプログラム、かかるプログラムを記憶する記憶媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】消費電力マップの設定内容の一例を示す説明図である。
【図３】液体流入量マップの設定内容の一例を示す説明図である。
【図４】流速増加量マップの設定内容の一例を示す説明図である。
【図５】第１実施形態におけるアノード側反応ガス流速制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】第１実施形態の燃料電池システムにおける各単セルのセル電圧の時間変化の一例を示す説明図である。
【図７】循環用ポンプに液体が流入した後における各単セルのセル電圧の一例を示す説明図である。
【図８】比較例の燃料電池システムにおける各単セルのセル電圧の時間変化の一例を示す説明図である。
【図９】比較例の燃料電池システムにおいて、循環用ポンプに液体が流入した後における各単セルのセル電圧の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態において、燃料電池システム１０は、駆動用モータに電力を供給するためのシステムとして車両ＶＬに搭載されて用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、アノード側反応ガス供給排出機構２００（アノード側反応ガス供給排出系とも呼ばれる）と、カソード側反応ガス供給排出機構３００（カソード側反応ガス供給排出系とも呼ばれる）と、燃料電池循環冷却機構４００（燃料電池循環冷却系とも呼ばれる）と、制御装置６００とを備える。
【００１２】
燃料電池１００は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、積層方向ＳＤに沿って積層された複数の単セル１１０から成るセルスタックを有する。本実施形態において、燃料電池１００は、積層方向ＳＤが車両ＶＬの車両長さ方向ＬＤと一致するように車両ＶＬに搭載されている。車両長さ方向ＬＤとは、車両ＶＬの前方側から後方側に向かう方向である。本実施形態では、積層方向ＳＤにおいて車両長さ方向ＬＤの後方側を、積層方向ＳＤの後方側とも呼ぶ。
【００１３】
各単セル１１０は、固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給されるアノード側反応ガスである水素ガスと、カソード側触媒電極層に供給されるカソード側反応ガスである空気内の酸素との電気化学反応により電力を発生する。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル１１０において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池１００の内部には、アノード側反応ガス、カソード側反応ガス、および冷却媒体を流通させるための内部流路が積層方向ＳＤに沿って形成されている。なお、内部流路はマニホールドとも呼ばれる。図１では、かかる内部流路の例として、アノード側反応ガス供給内部流路１２０と、アノード側オフガス排出内部流路１３０とが破線で表わされている。アノード側反応ガス供給内部流路１２０は、後述のアノード側反応ガス供給流路２３１から燃料電池１００に供給されるアノード側反応ガスを、各単セル１１０に供給する。アノード側オフガス排出内部流路１３０は、各単セル１１０から排出されるアノード側オフガスを集めて後述の第１アノード側オフガス排出流路２３２に排出する。アノード側反応ガス供給内部流路１２０とアノード側オフガス排出内部流路１３０とは、各単セル１１０を介して互いに連通している。図１に示すように、アノード側反応ガス供給内部流路１２０のうち、入口側、すなわち、アノード側反応ガス供給流路２３１との接続側が積層方向ＳＤの前方側に位置し、奥側が積層方向ＳＤの後方側に位置している。また、アノード側オフガス排出内部流路１３０のうち、出口側が積層方向ＳＤの前方側に位置している。
【００１４】
アノード側反応ガス供給排出機構２００は、燃料電池１００へのアノード側反応ガスの供給および燃料電池１００からのアノード側オフガスの排出を行なう。アノード側反応ガス供給排出機構２００は、タンク２１０と、遮断弁２２０と、調圧弁２２１と、インジェクタ２２２と、気液分離器２５０と、循環用ポンプ２４０と、パージ弁２６０と、アノード側反応ガス供給流路２３１と、第１アノード側オフガス排出流路２３２と、アノード側反応ガス循環路２３３と、第２アノード側オフガス排出流路２６２と、電流センサ２７０と、水素濃度センサ２８０とを備える。
【００１５】
タンク２１０は、高圧水素を貯蔵しており、アノード側反応ガスとしての水素ガスを、アノード側反応ガス供給流路２３１を介して燃料電池１００に供給する。遮断弁２２０は、タンク２１０におけるアノード側反応ガスの供給口近傍に配置され、タンク２１０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。
【００１６】
調圧弁２２１は、アノード側反応ガス供給流路２３１において遮断弁２２０の下流側且つインジェクタ２２２の上流側に配置されている。調圧弁２２１は、自身の上流側圧力（一次圧）を、予め設定されている自身の下流側圧力（二次圧）に調整する。
【００１７】
インジェクタ２２２は、アノード側反応ガス供給流路２３１において調圧弁２２１の下流側に配置され、燃料電池１００にアノード側反応ガスを噴射し、このとき、インジェクタ２２２におけるアノード側反応ガスの噴射周期および噴射デューティ（噴射周期の一周期あたりに水素ガスを噴射する時間の割合）を調整することにより、燃料電池１００へのアノード側反応ガスの供給量（流量）および圧力を調整する。また、インジェクタ２２２は、燃料電池１００へのアノード側反応ガスの供給量を調整することにより、燃料電池１００に供給するアノード側反応ガスの流速を調整する。かかるアノード側反応ガスの流速の調整は、後述の流速制御部６１１により制御される。
【００１８】
気液分離器２５０は、第１アノード側オフガス排出流路２３２に配置され、燃料電池１００から排出されたアノード側オフガスに含まれる液体を分離して第２アノード側オフガス排出流路２６２に排出すると共に、液体が分離された後のアノード側オフガスをアノード側反応ガス循環路２３３に排出する。また、アノード側オフガスから分離された液体を貯留し、後述のパージ弁２６０が開いた場合には、貯留された液体を第２アノード側オフガス排出流路２６２に排出する。アノード側オフガスに含まれる液体とは、例えば、各単セル１１０における電気化学反応により生じた生成水が挙げられる。また、例えば、燃料電池１００に供給される反応ガスが加湿される構成においては、かかる加湿のための水が挙げられる。液体が分離された後のアノード側オフガスには、各単セル１１０における電気化学反応で用いられなかった水素ガス、および各単セル１１０において固体高分子膜を介してカソード側からアノード側へと透過した窒素ガスが含まれ得る。
【００１９】
循環用ポンプ２４０は、アノード側反応ガス循環路２３３に配置され、気液分離器２５０から排出されたアノード側オフガスをアノード側反応ガス供給流路２３１に送出する。気液分離器２５０に貯留する液体が多い状況においては、循環用ポンプ２４０によるかかる液体の巻き上げが起こり得る。このように液体が巻き上げられた場合には、循環用ポンプ２４０の消費電力は増加する。また、アノード側オフガスに含まれる水素と窒素の含有率によっても循環用ポンプ２４０の消費電力は変化する。具体的には、窒素の含有率が増加するほど循環用ポンプ２４０の消費電力は増加する。
【００２０】
パージ弁２６０は、第２アノード側オフガス排出流路２６２に配置され、開弁されることにより、気液分離器２５０によって分離された液体を第２アノード側オフガス排出流路２６２へと排出する。気液分離器２５０は、第１アノード側オフガス排出流路２３２を介して燃料電池１００と連通すると共に、パージ弁２６０が開かれることにより、第２アノード側オフガス排出流路２６２を介して大気と連通する。燃料電池１００内の圧力は大気圧よりも高いため、パージ弁２６０が開かれると、気液分離器２５０内に溜まった液体は、燃料電池１００と大気との圧力差によって第２アノード側オフガス排出流路２６２へと排出される。なお、このとき、第１アノード側オフガス排出流路２３２と第２アノード側オフガス排出流路２６２とは、パージ弁２６０を介して連通することとなる。このため、燃料電池１００における第１アノード側オフガス排出流路２３２の圧力、すなわち、アノード側出口の圧力は低下することとなる。
【００２１】
アノード側反応ガス供給流路２３１は、上述のアノード側反応ガス供給内部流路１２０と連通している。アノード側反応ガス供給流路２３１には、インジェクタ２２２からアノード側反応ガスが供給され、循環用ポンプ２４０からアノード側オフガスが供給される。循環用ポンプ２４０から供給されるアノード側オフガスは主として各単セル１１０で用いられずに排出された水素ガスから成り、かかる水素ガスをアノード側反応ガス供給流路２３１に戻すことにより、燃費の向上が図られる。第１アノード側オフガス排出流路２３２は、上述のアノード側オフガス排出内部流路１３０と連通しており、アノード側オフガス排出内部流路１３０から燃料電池１００の外部へと排出されるアノード側オフガスを、気液分離器２５０を介してアノード側反応ガス循環路２３３へと送出する。
【００２２】
電流センサ２７０は、循環用ポンプ２４０における消費電流の電流値を検出する。循環用ポンプ２４０への供給電圧値はほぼ一定しているため、電流センサ２７０により検出された電流値の変化は、すなわち、循環用ポンプ２４０における消費電力、換言すると消費動力の変化を示す。
【００２３】
水素濃度センサ２８０は、アノード側反応ガス循環路２３３に設置され、アノード側反応ガス循環路２３３内に存在するアノード側オフガスの水素濃度を検出する。
【００２４】
カソード側反応ガス供給排出機構３００は、燃料電池１００へのカソード側反応ガスの供給および燃料電池１００からのカソード側オフガスの排出を行なう。カソード側反応ガス供給排出機構３００は、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、背圧弁３４０と、カソード側反応ガス供給流路３３１と、カソード側反応ガス排出流路３３２とを備える。エアクリーナ３１０は、内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮してカソード側反応ガス供給流路３３１へと送出する。背圧弁３４０は、カソード側反応ガス排出流路３３２に配置され、燃料電池１００におけるカソード側オフガスの排出側の圧力を調整する。カソード側反応ガス排出流路３３２は、上述の第２アノード側オフガス排出流路２６２と接続されており、カソード側反応ガス排出流路３３２を通って排出される液体およびカソード側オフガスは、第２アノード側オフガス排出流路２６２を通って排出される液体およびアノード側オフガスと共に大気中へと排出される。
【００２５】
燃料電池循環冷却機構４００は、燃料電池１００を介して冷却媒体を循環させることにより燃料電池１００の温度を調整する。燃料電池循環冷却機構４００は、ラジエータ４１０と、冷却媒体排出流路４４２と、冷却媒体供給流路４４１と、循環用ポンプ４３０とを備える。ラジエータ４１０は、冷却媒体排出流路４４２と冷却媒体供給流路４４１とに接続されており、冷却媒体排出流路４４２から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給流路４４１へと排出する。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池１００内の図示しない冷却媒体排出内部流路と接続され、冷却媒体供給流路４４１は、燃料電池１００内の図示しない冷却媒体供給内部流路に接続されている。したがって、冷却媒体排出流路４４２、ラジエータ４１０、冷却媒体供給流路４４１、および燃料電池１００内のマニホールドにより、冷却媒体の循環路が形成されている。本実施形態では、冷却媒体として水が用いられる。なお、水に限らず、エチレングリコール等の不凍水、および空気等の熱交換可能な任意の媒体を、冷却媒体として用いてもよい。循環用ポンプ４３０は、冷却媒体排出流路４４２に配置され、燃料電池１００から排出された冷却媒体をラジエータ４１０へと送出する。
【００２６】
制御装置６００は、上述の遮断弁２２０、インジェクタ２２２、循環用ポンプ２４０、パージ弁２６０、エアコンプレッサ３２０、背圧弁３４０、および循環用ポンプ４３０と電気的に接続されており、これらを制御する。また、制御装置６００は、上述の電流センサ２７０および水素濃度センサ２８０と電気的に接続されており、これらの各センサから出力される信号を受信する。また、制御装置６００は、車両ＶＬが備える加速度センサ７００により測定された加速度を示す信号を、かかる加速度センサ７００から受信する。本実施形態において、加速度センサ７００は、車両長さ方向ＬＤの加速度を検出する。本実施形態において、制御装置６００は、ＣＰＵ６１０とメモリ６２０とを有するマイクロコンピュータにより構成されており、ＣＰＵ６１０がメモリ６２０に記憶されている図示しない制御用プログラムを実行することにより、流速制御部６１１として機能する。流速制御部６１１は、アノード側反応ガス供給流路２３１から燃料電池１００に供給されるアノード側反応ガスの流速を制御する。本実施形態において、流速制御部６１１は、インジェクタ２２２におけるアノード側反応ガスの噴射量を制御することにより、アノード側反応ガスの流速を制御する。具体的には、インジェクタ２２２におけるアノード側反応ガスの噴射量を増加させることによりアノード側反応ガスの流速を増加させ、かかる噴射量を減少させることによりアノード側反応ガスの流速を低減させる。上述のように、燃料電池１００には、インジェクタ２２２から噴射されるアノード側反応ガスと、循環用ポンプ２４０により供給されるアノード側オフガス、すなわち主としてアノード側反応ガスからなるガスとを合わせたガスが供給される。したがって、流速制御部６１１は、インジェクタ２２２におけるアノード側反応ガスの流速を制御することにより、燃料電池１００に供給されるアノード側反応ガスの流速を制御できる。
【００２７】
メモリ６２０には、テーブル格納部６２１が設けられている。テーブル格納部６２１には、消費電力マップと、液水流入量マップと、流速増加量マップとが予め格納されている。消費電力マップとは、循環用ポンプ２４０の回転数（以下、「ポンプ回転数」とも呼ぶ）と、循環用ポンプ２４０の消費電力（以下、「ポンプ消費電力」とも呼ぶ）とを対応付けるマップである。消費電力マップでは、循環用ポンプ２４０に液体が流入していない状態（以下、「通常時」とも呼ぶ）におけるポンプ消費電力が、ポンプ回転数に対応付けられている。液体流入量マップとは、循環用ポンプ２４０に流入する液体の量（以下、「液体流入量」とも呼ぶ）と、ポンプ消費電力の増加量とを対応付けるマップである。流速増加量マップとは、液体流入量と、燃料電池１００に供給するアノード側反応ガスの流速の増加量（以下、単に「流速増加量」と呼ぶ）とを対応付けるマップである。
【００２８】
図２は、消費電力マップの設定内容の一例を示す説明図である。図２において、横軸はポンプ回転数を示し、縦軸はポンプ消費電力を示す。本実施形態では、消費電力マップとして、アノード側反応ガス循環路２３３におけるアノード側オフガスの水素および窒素の含有率に応じて、５つのマップが用意されている。具体的には、水素が１００％且つ窒素が０％の場合のマップと、水素が８０％且つ窒素が２０％の場合のマップと、水素が６０％且つ窒素が４０％の場合のマップと、水素が４０％且つ窒素が６０％の場合のマップと、水素が２０％且つ窒素が８０％の場合のマップと、水素が０％且つ窒素が１００％の場合のマップとが用意されている。いずれのマップにおいても、ポンプ回転数が増加するほどポンプ消費電力が増加する。上述のように、アノード側オフガスの水素および窒素の含有率に応じて、異なるマップが用意されているのは、窒素の密度は水素の密度よりも高いため、窒素含有率に応じてポンプ消費電力が変化するからである。したがって、図２に示すように、同じポンプ回転数であっても、窒素含有率が高いほどポンプ消費電力は高く設定されている。
【００２９】
図３は、液体流入量マップの設定内容の一例を示す説明図である。図３において、横軸は液体流入量を示し、縦軸はポンプ消費電力の増加量を示す。本実施形態において、ポンプ消費電力の増加量とは、循環用ポンプ２４０に液体が流入していない状態での循環用ポンプ２４０の消費電力を基準としたポンプ消費電力の増加量を意味する。図３に示すように、液体流入量マップでは、液体流入量が大きいほどポンプ消費電力が大きく設定されている。これは、循環用ポンプ２４０への液体の流入量が大きいほど、循環用ポンプ２４０の負荷が大きくなり、消費電力が大きくなるためである。
【００３０】
図４は、流速増加量マップの設定内容の一例を示す説明図である。図４において、横軸は液体流入量を示し、縦軸は流速増加量を示す。本実施形態において、流速増加量とは、循環用ポンプ２４０に液体が流入していない状態において燃料電池１００に供給されるアノード側反応ガスの流速を基準としたアノード側反応ガスの流速の増加量を意味する。図４に示すように、流速増加量マップでは、液体流入量が多いほど流速増加量は大きく設定されている。このように設定されている意味については後述する。
【００３１】
なお、燃料電池システム１０は、図示しない電力充放電機構を備える。電力充放電機構は、バッテリー、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備え、燃料電池１００から出力される電力を、車両ＶＬの駆動モータや補機等の負荷に電力を供給し、また、燃料電池１００の余剰電力をバッテリーに蓄電する。
【００３２】
上述の構成を有する本実施形態の燃料電池システム１０では、循環用ポンプ２４０によって気液分離器２５０に貯留している液体が巻き上げられ、アノード側反応ガス供給流路２３１を介して燃料電池１００に液体が流入することが起こり得る。しかし、後述するアノード側反応ガス流速制御処理が実行されることにより、燃料電池１００内の特定の単セル１１０に集中して液体が流入することを抑制して、フラッディングの発生を抑制できる。
【００３３】
上述のアノード側反応ガス供給内部流路１２０は、課題を解決するための手段における内部流路の下位概念に相当する。また、アノード側反応ガス供給流路２３１は課題を解決するための手段における供給流路の下位概念に、循環用ポンプ２４０は課題を解決するための手段におけるポンプの下位概念に、それぞれ相当する。
【００３４】
Ａ２．アノード側反応ガス流速制御処理：
図５は、第１実施形態におけるアノード側反応ガス流速制御処理の手順を示すフローチャートである。車両ＶＬのスタータスイッチがオンすると、燃料電池システム１０において、アノード側反応ガス流速制御処理が実行される。なお、スタータスイッチのオンにより燃料電池システム１０において燃料電池１００による発電のための処理も併せて実行される。すなわち、燃料電池１００へのアノード側反応ガスおよびカソード側反応ガスの供給、アノード側オフガスおよびカソード側オフガスの排出、冷却媒体の循環、駆動モータ等の負荷への給電などの処理が実行される。
【００３５】
流速制御部６１１は、通常時のポンプ消費電力を算出する（ステップＳ１０５）。具体的には、流速制御部６１１は、循環用ポンプ２４０の現在の回転数と、水素濃度センサ２８０により検出された水素濃度とを用いて、図２に示す消費電力マップを参照して、通常時のポンプ消費電力を算出する。なお、検出された水素濃度が、図２に示す５つのマップの各濃度（同じポンプ回転数に対応する各マップの各濃度）に一致しない場合には、５つのマップの各濃度を用いた内挿または外挿により、通常時のポンプ消費電力を算出する。
【００３６】
流速制御部６１１は、現在のポンプ消費電力を算出する（ステップＳ１１０）。具体的には、流速制御部６１１は、電流センサ２７０により検出された循環用ポンプ２４０の消費電流量と、循環用ポンプ２４０への供給電圧値とを用いて現在のポンプ消費電力を算出する。
【００３７】
流速制御部６１１は、ステップＳ１１０で算出された現在のポンプ消費電力がステップＳ１０５で算出された通常時のポンプ消費電力よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１５）。気液分離器２５０に貯留している液体が循環用ポンプ２４０に流入していない場合には、現在のポンプ消費電力は通常時のポンプ消費電力に一致する。これに対し、気液分離器２５０に貯留している液体が循環用ポンプ２４０に流入すると循環用ポンプ２４０の負荷が増大し、消費電力が通常時よりも増加する。
【００３８】
現在のポンプ消費電力が通常時のポンプ消費電力よりも大きくないと判定された場合（ステップＳ１１５：ＮＯ）、上述のステップＳ１０５に戻る。これに対して、現在のポンプ消費電力が通常時のポンプ消費電力よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、流速制御部６１１は、消費電力増加量を算出する（ステップＳ１２０）。これは、ステップＳ１０５とＳ１１０とで算出された２種類のポンプ消費電力の差分として算出される。
【００３９】
流速制御部６１１は、液体流入量マップを参照して、ステップＳ１２０で算出された消費電力増加量に基づき、循環用ポンプ２４０への液体流入量を推定する（ステップＳ１２５）。流速制御部６１１は、加速度センサ７００により検出される値に基づき、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かっているか否かを判定する（ステップＳ１３０）。上述のように、本実施形態では、燃料電池１００は積層方向ＳＤが車両長さ方向ＬＤと一致するように配置されている。したがって、車両ＶＬが前方に加速している場合には、車両ＶＬに搭載されている燃料電池１００には、積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かることとなる。これに対して、車両ＶＬが一定速度で走行している場合、後退している場合、右折または左折している場合、停車している等場合には、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側への加速度は掛からない。
【００４０】
燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かっていないと判定された場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、流速制御部６１１は、流速増加量マップを参照して、ステップＳ１２５で推定された液体流入量に基づき流速増加量を決定する（ステップＳ１３５）。流速制御部６１１は、ステップＳ１３５で決定された流速増加量に応じて、インジェクタ２２２におけるアノード側反応ガスの噴射量を増加させる（ステップＳ１４０）。図４に示すように、流速増加量マップでは、液体流入量が多いほど流速増加量は大きく設定されているので、ステップＳ１２５で推定された液体流入量が多いほど、流速増加量は大きくなる。したがって、ステップＳ１４０において、インジェクタ２２２におけるアノード側反応ガスの噴射量はより多くなる。循環用ポンプ２４０に流入する液体が多いほど、循環用ポンプ２４０によってアノード側反応ガス供給流路２３１に送出され、燃料電池１００（アノード側反応ガス供給内部流路１２０）に流入する液体の量は多くなる。しかし、この場合に燃料電池１００に供給するアノード側反応ガスの流速をより大きく増加させるため、各単セル１１０のうち、アノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口側の単セル１１０から奥側の単セル１１０までの広い範囲の単セル１１０に液体を流入させることができる。このため、各単セル１１０のうち、アノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口付近の特定の単セル１１０に集中して液体が流入することを抑制し、かかる単セル１１０においてフラッディングが発生することを抑制できる。ステップＳ１４０の実行後、上述のステップＳ１０５に戻る。
【００４１】
上述のステップＳ１３０において、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かっていると判定された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、上述のステップＳ１０５に戻る。したがって、この場合、燃料電池１００に流入されるアノード側反応ガスの流量の増加は行われない。これは以下の理由による。燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かっている場合、アノード側反応ガス供給流路２３１からアノード側反応ガス供給内部流路１２０に流入する水は、加速度によって、積層方向ＳＤの前方側の単セル１１０のみならず、積層方向ＳＤの後方側（奥側）の単セル１１０にも流入することとなる。このような場合に、燃料電池１００に流入されるアノード側反応ガスの流量を増加した場合には、積層方向ＳＤの後方側のセルにのみ集中して液体が流入し、かかる単セル１１０においてフラッディングが発生するおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かっている場合には、燃料電池１００に流入されるアノード側反応ガスの流量の増加を行わないようにしている。
【００４２】
図６は、第１実施形態の燃料電池システム１０における各単セル１１０のセル電圧の時間変化の一例を示す説明図である。図６において、横軸は時刻を表し、縦軸はセル電圧を示す。各単セル１１０のセル電圧はいずれもほぼ同様に変化しているため、図６では、各単セル１１０のセル電圧の変化を示すグラフは互いに重なっている。時刻Ｔ１において負荷への電力供給が開始し、各単セル１１０のセル電圧は低下している。その後、時刻Ｔ２において循環用ポンプ２４０に液体の流入が発生した。しかし、かかる時刻Ｔ２の後におけるセル電圧の低下は確認されていない。
【００４３】
図７は、循環用ポンプ２４０に液体が流入した後における各単セル１１０のセル電圧の一例を示す説明図である。図７において、縦軸は、セルモニタのチャンネル、すなわち、各単セルを示す。また、縦軸はセル電圧を示す。図７に示すように、循環用ポンプ２４０に液体流入した後において、ほぼすべての単セル１１０においてセル電圧の低下が確認されていない。
【００４４】
図８は、比較例の燃料電池システムにおける各単セルのセル電圧の時間変化の一例を示す説明図である。図８の縦軸および横軸は、図６の縦軸および横軸と同じであるので、詳細な説明を省略する。比較例の燃料電池システムでは、循環用ポンプに液体が流入した場合であって、積層方向の前方側から後方側に向かう方向に加速度が掛かっていない場合において、燃料電池に供給されるアノード側反応ガスの流速の増加を実行しない点において、第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。図８に示すように、比較例の燃料電池システムでは、時刻Ｔ３において循環用ポンプに液体が流入すると、時刻Ｔ３以降において複数の単セル１１０のセル電圧の低下が認められる。
【００４５】
図９は、比較例の燃料電池システムにおいて、循環用ポンプに液体が流入した後における各単セルのセル電圧の一例を示す説明図である。図９の縦軸および横軸は、図７の縦軸および横軸と同じであるので、詳細な説明を省略する。図９に示すように、循環用ポンプに液体流入した後において、複数の単セル１１０においてセル電圧の低下が確認されている。図８および図９から理解できるように、比較例の燃料電池システムでは、循環用ポンプに液体が流入した後において、一部の単セルに液体が集中して流入したため、かかる単セルにおいてセル電圧が低下し、いわゆるフラッディングが発生したものと推定される。これに対して、第１実施形態の燃料電池システム１０では、循環用ポンプ２４０に液体が流入した後においても、いずれの単セルにおいてもほぼセル電圧の低下は認められず、フラッディングの発生を抑制できている。
【００４６】
以上説明した第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、積層方向ＳＤの前方側から後方側に向かう方向、換言すると、アノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口側から奥側へと向かう方向に燃料電池１００に対して加速度が掛かっていない場合には、循環用ポンプ２４０に液体が流入すると燃料電池１００に供給されるアノード側反応ガスの流速の増加を実行するので、アノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口側に対応する単セル１１０に液体の流入が集中してかかる単セル１１０が閉塞することが抑制できる。また、積層方向ＳＤの前方側から後方側に向かう方向、換言すると、アノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口側から奥側へと向かう方向に燃料電池１００に対して加速度が掛かっている場合には、循環用ポンプ２４０に液体が流入しても燃料電池１００に供給されるアノード側反応ガスの流速の増加を実行しないので、アノード側反応ガス供給内部流路１２０の奥側に対応する単セル１１０に液体の流入が集中し、かかる単セルが閉塞することが抑制できる。このように、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１００の加速の有無に関わらず、循環用ポンプ２４０により供給される液体によって燃料電池１００を構成する各単セル１１０のアノード側が閉塞することを抑制できる。
【００４７】
Ｂ．その他の実施形態：
Ｂ１．その他の実施形態１：
第１実施形態では、アノード側反応ガス供給内部流路１２０のうち、入口側、すなわち、アノード側反応ガス供給流路２３１との接続側が積層方向ＳＤの前方側に位置し、奥側が積層方向ＳＤの後方側に位置していたが、これとは反対に、入口側が積層方向ＳＤの後方側に位置し、奥側が積層方向ＳＤの前方側に位置してもよい。かかる構成においては、アノード側反応ガス流速制御処理のステップＳ１３０において、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの前方側に加速度が掛かっているか否かを判定し、前方側に加速度が掛かっている場合にはステップＳ１０５に戻り、前方側に加速度が掛かっていない場合にステップＳ１３５を実行してもよい。燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの前方側に加速度が掛かっている場合とは、例えば、車両ＶＬが減速している場合が該当する。
【００４８】
また、積層方向ＳＤが車両ＶＬの車両幅方向と一致するように車両ＶＬに搭載されている構成としてもよい。かかる構成では、アノード側反応ガス供給内部流路１２０のうち、入口側が進行方向に向かって右側に位置し、奥側が進行方向に向かって左側に位置するように燃料電池１００を配置すると共に、車両幅方向への加速度を検出する加速度センサを予め用意しておき、かかる加速度センサの検出結果により燃料電池１００に対して進行方向に向かって右から左に向かって加速度が掛かっていると判定された場合には、ステップＳ１０５に戻り、燃料電池１００に対して進行方向に向かって右から左に向かって加速度が掛かっていないと判定された場合には、ステップＳ１３５を実行するようにしてもよい。かかる構成においては、例えば、車両ＶＬが右折する際には、循環用ポンプ２４０に液体が流入したとしてもアノード側反応ガスの流速の増加は行われず、右折以外の状況、例えば、直進や左折の際等には、循環用ポンプ２４０に液体が流入した場合には、アノード側反応ガスの流速の増加が行われる。また、上記構成とは反対に、アノード側反応ガス供給内部流路１２０のうち、入口側が進行方向に向かって左側に位置し、奥側が進行方向に向かって右側に位置するように燃料電池１００を配置する構成においては、燃料電池１００に対して進行方向に向かって左から右に向かって加速度が掛かっていると判定された場合には、ステップＳ１０５に戻り、燃料電池１００に対して進行方向に向かって左から右に向かって加速度が掛かっていないと判定された場合には、ステップＳ１３５を実行するようにしてもよい。すなわち、一般には、積層方向ＳＤに沿ってアノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口側から奥側へと向かう方向に燃料電池１００に対して加速度が掛かっている場合にはステップＳ１０５に戻り、かかる加速度が掛かっていない場合にはステップＳ１３５を実行してもよい。
【００４９】
Ｂ２．その他の実施形態２：
第１実施形態では、アノード側反応ガス流速制御処理のステップＳ１３０において、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に加速度が掛かっているか否かを判定していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池１００に対して積層方向ＳＤの後方側に予め定められた閾値以上の加速度が掛かっているか否かを判定してもよい。かかる閾値は、例えば、循環用ポンプ２４０に液体が流入した場合にアノード側反応ガス供給内部流路１２０の入口側の単セル１１０においてセル電圧の低下が起こらなくなる加速度の範囲を実験やシミュレーションで求め、かかる範囲の下限値として定めてもよい。
【００５０】
Ｂ３．その他の実施形態３：
第１実施形態では、インジェクタ２２２における噴射量を増加することにより、燃料電池１００に供給するアノード側反応ガスの流速を増加させていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、パージ弁２６０を開いて第１アノード側オフガス排出流路２３２の圧力を低下させることにより、燃料電池１００のアノード側における入口側と出口側との圧力差を増大させ、かかる圧力差によってアノード側反応ガス供給流路２３１におけるアノード側反応ガスの流速を増加させてもよい。かかる構成においても、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を奏する。
【００５１】
Ｂ４．その他の実施形態４：
上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、流速制御部６１１を、集積回路、ディスクリート回路、またはそれらの回路を組み合わせたモジュールにより実現してもよい。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
【００５２】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…単セル
１２０…アノード側反応ガス供給内部流路
１３０…アノード側オフガス排出内部流路
２００…アノード側反応ガス供給排出機構
２１０…タンク
２２０…遮断弁
２２１…調圧弁
２２２…インジェクタ
２３１…アノード側反応ガス供給流路
２３２…第１アノード側オフガス排出流路
２３３…アノード側反応ガス循環路
２４０…循環用ポンプ
２５０…気液分離器
２６０…パージ弁
２６２…第２アノード側オフガス排出流路
２７０…電流センサ
２８０…水素濃度センサ
３００…カソード側反応ガス供給排出機構
３１０…エアクリーナ
３２０…エアコンプレッサ
３３１…カソード側反応ガス供給流路
３３２…カソード側反応ガス排出流路
３４０…背圧弁
４００…燃料電池循環冷却機構
４１０…ラジエータ
４２０…温度センサ
４３０…循環用ポンプ
４４１…冷却媒体供給流路
４４２…冷却媒体排出流路
６００…制御装置
６１０…ＣＰＵ
６１１…流速制御部
６２０…メモリ
６２１…テーブル格納部
７００…加速度センサ
ＬＤ…車両長さ方向
ＳＤ…積層方向
ＶＬ…車両
【図１】
2019091644.tif 000003
【図２】
2019091644.tif 000004
【図３】
2019091644.tif 000005
【図４】
2019091644.tif 000006
【図５】
2019091644.tif 000007
【図６】
2019091644.tif 000008
【図７】
2019091644.tif 000009
【図８】
2019091644.tif 000010
【図９】
2019091644.tif 000011