(57)【要約】【課題】燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを流すための燃料オフガス流路に貯留している水量を高精度に推定する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタック４０と、燃料電池スタック４０から排気される燃料オフガスを流すための燃料オフガス流路２３と、燃料オフガス流路２３に配設された排出弁３１と、排出弁３１から排水される排水量を検出する水量センサ７４と、水量センサ７４が検出する排水量に基づいて燃料オフガス流路２３の貯留水量を推定し、その推定貯留水量に基づいて排出弁３１を開閉制御するコントローラ６０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを流すための燃料オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路に配設された排出弁と、
前記排出弁から排水される排水量を検出する水量検出手段と、
前記水量検出手段が検出する前記排水量に基づいて前記燃料オフガス流路の貯留水量を推定する水量推定手段と、
前記水量推定手段が推定する前記貯留水量に基づいて前記排出弁を開閉制御する制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記水量検出手段が検出する排水量は、前記排出弁を開弁した直後から所定時間排水される排水量である、燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを流すための燃料オフガス流路に貯留している水量を推定するための水量推定方法であって、
前記燃料オフガス流路に配設されている排出弁から排水される排水量を検出するステップと、
前記排出弁から排水される排水量に基づいて前記燃料オフガス流路の貯留水量を推定するステップと、
を備える水量推定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の水量推定方法であって、
前記排出弁から排水される排水量は、前記排出弁を開弁した直後から所定時間排水される排水量である、水量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックの燃料オフガス流路に貯留する水量を推定する燃料電池システム及び水量推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対する取り組みの一環として、低公害車の開発が進められており、その中の一つに燃料電池スタックを車載電源とする燃料電池車両がある。燃料電池スタックは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。
【０００３】
燃料電池スタック内では、カソード極における電気化学反応、即ちアノード極側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生成される。電気化学反応により生成された水の多くは酸化オフガスに含まれて大気中に放出されるが、一部の生成水は電解質膜を透過してアノード極に移動する。アノード極側に移動した生成水は燃料オフガスに含まれて燃料電池スタックから排出されるが、燃料オフガスはアノード極に還流されるため、燃料ガス循環系内には水が滞留していくことになる。循環系内での水の滞留はアノード極への燃料ガス供給を阻害することとなり、燃料電池スタックの発電性能の低下を招く原因となる。
【０００４】
このような観点に鑑み、特開２００５−３０２７０８号公報には、燃料オフガスから水分を回収するための気液分離器を燃料ガス循環系内に配設し、燃料電池スタックの発電量を基に生成水量を算出し、この生成水量に基づいて気液分離器内の貯留水量を推定し、気液分離器に配設されている排出弁の開閉時期を決定する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−３０２７０８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、燃料電池スタックの発電量を基に気液分離器内の貯留水量を推定する方法では推定誤差が大きいため、貯留水だけでなく、燃料オフガスを必要以上に排気してしまうことがある。燃料オフガスを必要以上に排気し、燃料ガス循環系内の圧力が大気圧以下に達すると、排出弁を開弁しても排水できないという不都合が生じ得る。また、燃料オフガスは、他の用途（例えば燃料電池スタックの交流インピーダンス測定など）に使用する場合があるので、燃料オフガスを無駄に排出するのは好ましくない。
【０００６】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、燃料電池スタックの燃料オフガス流路に貯留している水量を高精度に推定し、燃料オフガスを無駄に排気することなく排出弁を開弁制御することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを流すための燃料オフガス流路と、燃料オフガス流路に配設された排出弁と、排出弁から排水される排水量を検出する水量検出手段と、水量検出手段が検出する排水量に基づいて燃料オフガス流路の貯留水量を推定する水量推定手段と、水量推定手段が推定する貯留水量に基づいて排出弁を開閉制御する制御手段と、を備える。
【０００８】
水量検出手段が実際に検出する排水量に基づいて燃料オフガス流路の貯留水量を推定するので、推定精度を高めることができる。
【０００９】
燃料オフガス流路に気液分離器が配設されている場合には、推定手段が推定する燃料オフガス流路の貯留水量には、燃料オフガス流路に配設されている気液分離器内に貯留している水量も含まれるものとする。
【００１０】
水量検出手段が検出する排水量としては、排出弁を開弁した直後から所定時間排水される排水量が好ましい。排出弁を開弁した直後から所定時間の間に排水される排水量は、燃料オフガス流路に貯留している水量（気液分離器が配設されている場合には、気液分離器に貯留している水量を含む。）によって一義的に求まるため、排出弁を開弁した直後から所定時間の間に排水される排水量を検出することで、燃料オフガス流路に貯留している水量を高精度に推定できる。
【００１１】
本発明に係る水量推定方法は、燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを流すための燃料オフガス流路に貯留している水量を推定するための方法であって、燃料オフガス流路に配設されている排出弁から排水される排水量を検出するステップと、排出弁から排水される排水量に基づいて、燃料オフガス流路の貯留水量を推定するステップと、を備える。
【００１２】
排出弁から排水される排水量を実際に検出し、その検出量に基づいて燃料オフガス流路の貯留水量を推定するので、推定精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料オフガス流路の排出弁から排出される排水量を実際に検出し、その検出量に基づいて燃料オフガス流路の貯留水量を推定するので、推定精度を高めることができる。また、燃料オフガスを無駄に排気することなく排出弁を開弁制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両の車載用発電システムとして機能するものであり、複数のセルを積層してなるスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池スタック４０を備えている。セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体と、膜−電極接合体に反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流すためのガス流路（アノードガス流路、カソードガス流路）や冷媒を流すための冷媒流路が形成されたセパレータとから成る。燃料電池スタック４０は、アノード極に水素などの燃料ガス（アノードガス）の供給を受けるともに、カソード極に空気などの酸素を含む酸化ガス（カソードガス）の供給を受けて発電する。
【００１５】
燃料電池スタック４０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック４０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００１６】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００１７】
燃料電池システム１０の酸化ガス供給系には、燃料電池スタック４０に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路１１と、燃料電池スタック４０から排出される酸化オフガスを外部に排気するための酸化オフガス流路１２とが配設されている。酸化ガス流路１１には、大気中の酸素ガスに含有されている粉塵等を除去するためのフィルタ１３と、酸化ガスを加圧するためのエアコンプレッサ１４と、エアコンプレッサ１４により加圧される酸化ガスを適度に加湿するための加湿器１５とが配設されている。
【００１８】
加湿器１５は、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス（ドライガス）と、燃料電池スタック４０のカソード極から排気された高湿潤の酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換を行う。（２）式に示すように、カソード極では、水分が生成されるので、カソード極から排出される酸化オフガスは、多量の水分を含有している。加湿器１５にて加湿された酸化ガスは、酸化ガス流路１１を介して燃料電池スタック４０に供給され、燃料電池スタック４０の発電に供される。酸化オフガス流路１２は、酸化ガスの排出系に設けられた流路であり、加湿器１５と燃料電池スタック４０との間には、燃料電池スタック４０内の酸化ガス圧を調圧する調圧弁１６が配設されている。酸化オフガス流路１２を流れる酸化オフガスは、調圧弁１６を通って加湿器１５にて水分交換に供された後、排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００１９】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系には、高圧の水素ガスを貯蔵した水素供給源としての水素タンク２１と、水素タンク２１内に充填されている水素ガスを燃料電池スタック４０に供給する燃料ガス流路２２と、水素タンク２１から燃料ガス流路２２への水素ガス供給／停止を制御する遮断弁２９と、燃料ガス流路２２から燃料電池スタック４０の水素ガス供給／停止を制御する遮断弁２８と、燃料電池スタック４０から排出された水素オフガス（未反応水素ガス）を燃料ガス流路２２に還流させるための燃料オフガス流路（循環路）２３と、燃料オフガス流路２３を流れる水素オフガスを燃料ガス流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、燃料オフガス流路２３から分岐し、酸化オフガス流路１２に合流する排出流路２５とが配設されている。水素ポンプ２４は、スクロールポンプ、ベーンポンプ、ルーツ式ポンプ、ダイヤフラムポンプ等である。
【００２０】
燃料ガス流路２２の上流側には、水素タンク２１から流出される高圧水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７が介設され、レギュレータ２７の下流側に燃料オフガス流路２３が合流している。水素タンク２１から燃料ガス流路２２へ流出する水素ガスと、燃料オフガス流路２３を還流する水素オフガスとは、燃料ガス流路２２と燃料オフガス流路２３との接続点で合流し、混合ガスとなって燃料電池スタック４０に供給される。燃料オフガス流路２３の水素ポンプ２４の下流側には、燃料電池スタック４０に還流する水素オフガスの逆流を抑制するための逆止弁２６が介設されている。
【００２１】
水素ポンプ２４の上流側には、燃料オフガス流路２３を流れる水素オフガスから水分を分離するための気液分離器３０が介設されている。燃料オフガス流路２３を流れる流体には、燃料電池スタック４０から排出される水素オフガスと、燃料電池スタック４０での電気化学反応によって生成された生成水とが含まれている。気液分離器３０は、この生成水を水素オフガスから分離する。水分が分離された水素オフガスは、水素ポンプ２４によって燃料電池スタック４０に還流させられる一方、気液分離器３０にて回収された水分は、排出弁３１を介して流体配管３２から酸化オフガス流路１２に排出される。排出弁３１としては、電磁遮断弁が好適であり、リニア弁、オンオフ弁の何れでもよい。
【００２２】
流体配管３２は、その上流端が気液分離器３０の排出弁３１に接続され、その下流端が酸化オフガス流路１２に接続されており、気液分離器３０で分離された水分を酸化オフガス流路１２に流入させる。排出路２５には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３３が配設されている。パージ弁３３を適宜開閉させることで、水素オフガスに含まれている不純物を水素オフガスと共に排出路２５経由で酸化オフガス流路１２に排出させることができる。水素オフガスに含まれている不純物を排出路２５から排出することで、水素オフガス中の不純物濃度を下げるとともに燃料電池スタック４０に循環供給される水素オフガス中の水素濃度を高めることができる。
【００２３】
燃料電池システム１０の電力系には、燃料電池スタック４０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電するための二次電池（蓄電装置）４２と、燃料電池スタック４０の出力電圧を調整して燃料電池スタック４０と二次電池４２との電力供給分配を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、燃料電池スタック４０又は二次電池４２から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ４４に供給するインバータ４３とが配設されている。
【００２４】
燃料電池システム１０の冷却系には、燃料電池スタック４０内を循環する冷媒を流すための冷媒流路５１と、冷媒流路５１に沿って冷媒を圧送するための冷媒ポンプ５４と、冷媒を冷却するためのレジエータ５３と、ラジエータ５３をバイパスさせて冷媒流路５１上に冷媒を流すためのバイパス弁５２とが配設されている。ラジエータ５３をバイパスする冷媒のバイパス量を加減することで、冷媒温度を調整できる。
【００２５】
燃料電池システム１０の制御系には、燃料電池システム１０全体を制御するためのコントローラ６０が配設されている。コントローラ６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御ユニットである。
【００２６】
例えば、コントローラ６０は、コイグニッションスイッチ７１から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ７３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ７２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００２７】
そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック４０と二次電池４２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック４０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ１４の回転数やレギュレータ２７の弁開度を調整し、燃料電池スタック４０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して燃料電池スタック４０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック４０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をインバータ４３に出力し、トラクションモータ４４の出力トルク、及び回転数を制御する。
【００２８】
コントローラ６０は、イグニッションスイッチ７１から出力される運転停止信号を受信すると、排出弁３１を微小時間開弁し、その微小時間の間に排出弁３１から排水される排水量を水量センサ７４によって検出する。そして、コントローラ６０は、水量センサ７４が検出した排水量と、メモリ６１に格納されている水量推定マップデータ８０とを基に気液分離器３０内に貯留している水量を推定し、排出弁３１の開閉時期を決定する。
【００２９】
次に、図２乃至図３を参照しながら燃料オフガス流路２３に貯留する水量を推定する方法について説明する。
図２は水量推定マップデータ８０を示している。この水量推定マップデータ８０は、燃料オフガス流路２３及び気液分離器３０内に貯留する水量をある一定範囲内で増減させつつ、それぞれの貯留水量について、排出弁３１を開弁したときに排出弁３１から排水される水量の時間変化を実験によって求め、マップデータとして作成したものである。
【００３０】
排出弁３１を開弁した直後から微小時間Δｔの間に排水される排水量は、燃料オフガス流路２３及び気液分離器３０に貯留している水量によって一義的に求まる。例えば、排出弁３１を開弁した直後から微小時間Δｔの間に排水される排水量がＡの場合、排出弁３１から排水される水量の時間変化は、符号８１に示すような水量−時間特性を示す。また、排出弁３１を開弁した直後から微小時間Δｔの間に排水される排水量がＢの場合、排出弁３１から排水される水量の時間変化は、符号８２に示すような水量−時間特性を示す。排出弁３１から排水される水量の時間変化は、燃料オフガス流路２３及び気液分離器３０に貯留している水量によって一義的に求まるので、排出弁３１を開弁した直後から微小時間Δｔの間に排水される排水量を実際に検出することで、燃料オフガス流路２３及び気液分離器３０に貯留している水量を高精度に推定することができる。
【００３１】
さて、排出弁３１を開弁した直後から微小時間Δｔの間に排水される排水量を検出し、水量推定マップデータ８０と照合することにより、図３に示すような水量−時間特性８３を求めることができたならば、水量−時間特性８３を基に、排出弁３１の開弁時期ｔ１、ｔ２、ｔ３を求めることができる。図中、水量Ｃは、気液分離器３０の気液分離性能を維持するために気液分離器３０内に貯留することが許容され得る最大水量を示す。気液分離器３０に水量Ｃが貯留するタイミングで排出弁３１を開弁することで、排出弁３１の開弁回数を最小限に抑えることが可能となり、排出弁３１から燃料ガスが無駄に排気されることを抑制できる。
【００３２】
このように、コントローラ６０は、水量センサ７４が検出する排水量に基づいて燃料オフガス流路２３の貯留水量を推定する水量推定手段として機能するとともに、推定貯留水量に基づいて排出弁３１を開閉制御する制御手段として機能する。
【００３３】
本実施形態によれば、排出弁３１から排水される排水量を実際に検出し、その検出量に基づいて燃料オフガス流路２３の貯留水量を推定するので、推定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】水量推定マップデータの説明図である。
【図３】水量推定マップデータの説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…燃料電池システム  ４０…燃料電池スタック  ２３…燃料オフガス流路  ３０…気液分離器  ３１…排出弁  ６０…コントローラ  ７４…推量センサ  ８０…推量推定マップデータ
【図１】
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【図２】
2008059933.tif 000004
【図３】
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