(57)【要約】【課題】燃料電池の負荷変動時、燃料電池スタックにおける水素量を適切に制御でき、しかも耐久信頼性や燃費が良好な燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素タンク７から、プレッシャレギュレータ８、水素流量制御弁９、水素流量センサ１０を介して、燃料電池スタック５へ水素が供給される。燃料電池スタック入口の水素圧力が圧力センサ１１、水素温度が温度センサ１２で検出される。水素流量センサ１０から燃料電池スタック５へ水素を供給する経路にシャットオフ弁１５を介してリザーバタンク１７の入口ポートが接続されている。リザーバタンク１７の出口ポートは、シャットオフ弁１６を介して、未使用水を循環させる水素ポンプ１４の上流に接続されている。圧力センサ１１が検出する水素圧力が急上昇したときに、水素流量制御弁９を絞るとともに、シャットオフ弁１５を介してリザーバタンク１７へ水素を貯蔵する。【選択図】　　　図１
2004127817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体に水素を供給する水素供給路と、燃料電池本体から排出された水素を、水素再供給手段を介して前記水素供給路に再供給する水素循環路と、前記水素再供給手段と燃料電池本体の間に水素を貯蔵する水素貯蔵手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体の負荷が急減した時に、前記水素貯蔵手段に水素を貯蔵することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
空気を供給する空気供給手段と、
水素を供給する水素供給手段と、
供給された空気と水素とを基に発電する燃料電池本体と、
燃料電池本体における水素の圧力を検出する供給水素圧力検出手段と、
前記水素供給手段と燃料電池本体との間に設けられ、前記水素供給手段から燃料電池本体へ供給される水素を排出する供給水素排出手段と、
前記水素排出手段から排出された水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
該水素貯蔵手段に貯蔵された水素を排出する貯蔵水素排出手段と、
燃料電池本体から排出される未使用分の水素及び前記貯蔵水素排出手段により排出された水素の少なくとも一方を再度燃料電池本体に供給する水素再供給手段と、を備え、
前記供給水素圧力検出手段の検出結果が所定条件に達した際、前記水素供給手段から燃料電池本体へ供給する水素量を低減すると共に、前記供給水素排出手段により水素を前記水素貯蔵手段へ排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯蔵水素排出手段は、燃料電池本体における発電量の安定時または増加時に前記水素貯蔵手段に貯蔵された水素を排出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素貯蔵手段は、該水素貯蔵手段の内部圧力が燃料電池本体における水素の圧力以下で、燃料電池本体における水素の圧力と該水素貯蔵手段の内部圧力との差圧を設定する差圧設定手段を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池本体が発電する発電量の時間に対する変化率が大きいほど、前記差圧設定手段は差圧を大きく設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池本体が発電する電力の少なくとも一部を蓄える蓄電手段を有し、
該蓄電手段の蓄電量が小さいほど、前記差圧設定手段は差圧を小さく設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム
【請求項７】
前記燃料電池本体が発電する電力の少なくとも一部を蓄える蓄電手段を有し、
該蓄電手段に蓄えられた電力が小さいほど、前記差圧設定手段は差圧を小さく設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池本体に供給される水素の湿度を検出する供給水素湿度検出手段を有し、
該供給水素湿度検出手段で検出される水素湿度が低いほど、前記差圧設定手段は差圧を小さく設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池本体に供給される水素の温度を検出する供給水素温度検出手段を有し、
該供給水素温度検出手段で検出される水素温度が低いほど、前記差圧設定手段は差圧を小さく設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記貯蔵水素排出手段が前記水素貯蔵手段に貯蔵された水素を排出する際、前記差圧設定手段は差圧を小さく設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記所定条件は、前記供給水素圧力検出手段の検出結果が予め定めた閾値以上であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記所定条件は、前記供給水素圧力検出手段の検出結果の時間に対する変化率が予め定めた閾値以上であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池システムに係り、特に燃料電池本体の負荷変動時に、燃料電池本体における水素量を適切に制御することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池本体へ供給する水素量を制御する従来の燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載のものがある。
【０００３】
これらの従来技術では、燃料電池本体から排出された残存水素を、水素循環ポンプを用いて燃料電池本体への水素供給ラインに戻す水素循環路を備えた燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２４０２２０号公報（第４ページ、図１）
【０００５】
【特許文献２】
特開平７−２６３０１０号公報（第３ページ、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の負荷が電力ラインの瞬断等により急減した場合、水素の消費が急減するのに対して、燃料供給装置による水素供給量の応答遅れにより水素が供給され続けるため、水素循環路内の水素量は一時的に急激に増加し圧力が増大する。一方、空気極側では、負荷が急減した場合、空気中の酸素１モルが水蒸気２モルに変化していたものが、酸素１モルのままになり、空気極側の気体の体積は減少する方向にあるので、空気極側の圧力は低下する方向にある。ここで従来技術の特許文献２のように空気極が循環路ではなくて大気開放になっている場合には、空気が循環しないので、空気極の圧力は水素極に比べてさらに低下する傾向にある。
【０００７】
したがって、燃料電池の負荷が急変した時には水素極の圧力が上昇する一方、酸素極の圧力は低下する方向にあるので、水素極と酸素極で一時的に圧力差が大きくなり、すると燃料電池本体は、水素側と酸素側の間が一般に薄い膜で仕切られていることから、このような差圧の増大により膜の寿命が短くなるという問題点があった。
【０００８】
一方で、水素循環路内に存在する過剰な水素をパージ弁等を介して外部へ放出することにより水素循環路内全体の圧力を瞬時に低下させることは可能であるが、この場合、水素を無駄に消費してしまい、燃費が悪化するという問題点が生じる。
【０００９】
本発明は、上記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、燃料電池スタックの負荷変動時、燃料電池スタックにおける水素量を適切に制御でき、しかも耐久信頼性や燃費が良好な燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、燃料電池本体に水素を供給する水素供給路と、燃料電池本体から排出された水素を、水素再供給手段を介して前記水素供給路に再供給する水素循環路と、前記水素再供給手段と燃料電池本体の間に水素を貯蔵する水素貯蔵手段を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池本体の負荷が急減した時に、前記水素貯蔵手段に水素を貯蔵することを要旨とする。
【００１１】
ここで、水素再供給手段は、外部動力によるポンプや新たに供給する水素を駆動流とする流体ポンプであるエゼクタである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池本体による発電量が急減し、燃料電池本体における水素量が過剰となり、燃料電池本体における水素の圧力が上昇し、圧力上昇が予め定めた所定条件に達した場合、水素供給手段により供給される水素量を低減し、燃料電池本体における水素量を抑制するとともに、水素供給手段のみでは低減しきれない水素量を供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ排出することにより、燃料電池本体における水素の圧力上昇を抑え、燃料電池本体における水素量を適切に制御できる効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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一実施形態の構成を示すシステム構成図である。本実施形態は、請求項１乃至１２に記載の発明に対応する燃料電池システムである。
【００１４】
図１において、燃料電池システムは、空気を濾過するフィルタ１と、フィルタ１で濾過された空気を圧縮するコンプレッサ２と、空気流量を検出する空気流量センサ３と、空気圧力を検出する圧力センサ４と、燃料電池本体である燃料電池スタック５と、空気圧力を制御する圧力制御弁６と、水素を貯蔵する水素タンク７と、水素圧力を調整するプレッシャレギュレータ７と、水素流量を制御する水素流量制御弁９と、水素流量を検出する水素流量センサ１０と、水素圧力を検出する圧力センサ１１と、水素温度を検出する温度センサ１２と、シャットオフ弁１３、１５，１６と、水素を循環させる水素ポンプ１４と、一時的に水素を貯蔵するリザーバタンク１７と、リザーバタンク内の圧力を検出する圧力センサ１８と、バッテリ１９と、バッテリの電力を検出するバッテリ電力センサ２０と、負荷接続ポート２１・２２と、コントロールユニット２３と、パージ弁２４と、を備えている。
【００１５】
フィルタ１は、コンプレッサ２が吸い込む空気を濾過し、空気中の塵埃等の不純物を取り除く。コンプレッサ２は、フィルタ１を通して空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池スタック５へ空気を供給する。
【００１６】
空気流量センサ３は、コンプレッサ２から供給される空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。また、コントロールユニット２３は、空気流量センサ３の検出値に基づいて、コンプレッサ２の回転数を制御し、燃料電池スタック５へ供給する空気流量を制御する。
【００１７】
圧力センサ４は、燃料電池スタック５に入る直前の空気圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。また、コントロールユニット２３は、圧力センサ４の検出値に基き、圧力制御弁６へ指令を送る。圧力制御弁６は、コントロールユニット２３からの指令に従い、燃料電池スタック５の空気流路の圧力を制御する。
【００１８】
燃料電池スタック５は、コンプレッサ２から供給される空気と、水素流量制御弁９を通り供給される水素とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池本体である。
【００１９】
水素タンク７は、高圧水素タンクまたは水素吸蔵合金タンク等の水素タンクであり燃料としての水素を貯蔵する。
プレッシャレギュレータ８は、水素タンク７から供給される水素ガスの圧力を一定の圧力に制御して出力する。
水素流量制御弁９は、コントロールユニット２３の指令により制御され、燃料電池スタック５へ供給する水素の流量や圧力を制御する。
水素流量センサ１０は、水素ガスの流量を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。
【００２０】
圧力センサ１１は、燃料電池スタック５に入る直前の水素ガス圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。また、コントロールユニット２３は、水素流量センサ１０及び圧力センサ１１の検出値に基づき、水素流量制御弁９を制御し、燃料電池スタック５へ供給される水素流量及び燃料電池スタック５の水素流路の圧力を制御する。
【００２１】
温度センサ１２は、燃料電池スタック５に入る直前の水素ガスの温度を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。
【００２２】
シャットオフ弁１３は、コントロールユニット２３の指令により制御され、燃料電池スタック５の未使用水素の排気ポートと水素ポンプ１４との間の流路の開閉を行う。
【００２３】
水素ポンプ１４は、コントロールユニット２３の指令により制御され、燃料電池スタック５の排気ポートから出る未使用水素、又は後述するシャットオフ弁１６を介して送られるリザーバタンク１７に貯蔵された水素を、燃料電池スタック５へ供給する。尚、水素ポンプ１４に代えて、水素タンク７から水素流量制御弁９を介して供給される新たな水素ガスを駆動流とする流体ポンプであるエゼクタを使用してもよい。
【００２４】
シャットオフ弁１５は、コントロールユニット２３の指令により制御され、燃料電池スタック５とリザーバタンク１７との間の流路の開閉を行う。
シャットオフ弁１６は、コントロールユニット２３の指令により制御され、水素ポンプ１４とリザーバタンク１７との間の流路の開閉を行う。
【００２５】
リザーバタンク１７は、水素循環路中の余剰水素をシャットオフ弁１５を介して取り込んで貯蔵する一方、シャットオフ弁１６を介して水素を放出する。
圧力センサ１８は、リザーバタンク１７の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。
【００２６】
バッテリ１９は、燃料電池スタック５において発電された電力を蓄えるとともに、駆動モータなどの負荷に対し蓄えた電力を送る。バッテリ電力センサ２０は、バッテリ１９に蓄えられた電力を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。
負荷接続ポート２１・２２は、駆動モータなどの負荷が接続される。
【００２７】
パージ弁２４は、水素循環系内部のガスを系外へ放出するパージ弁であり、水素循環系内部に不純物が蓄積した場合、このパージ弁を開いて不純物を含んだガスを放出する。
【００２８】
コントロールユニット２３は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品へ指令を送り、本システムの制御を行う。
【００２９】
以上説明した構成において、フィルタ１とコンプレッサ２と空気流量センサ３とが空気供給手段に相当し、水素タンク７とプレッシャレギュレータ８と水素流量制御弁９と水素流量センサ１０とが水素供給手段に相当し、燃料電池スタック５が燃料電池本体に相当し、圧力センサ１１が供給水素圧力検出手段に相当し、温度センサ１２が供給水素温度検出手段に相当し、水素ポンプ１４が水素再供給手段に相当し、シャットオフ弁１５が供給水素排出手段に相当し、シャットオフ弁１３とシャットオフ弁１６とが貯蔵水素排出手段に相当し、リザーバタンク１７が水素貯蔵手段に相当し、バッテリ１９が蓄電手段に相当する。
【００３０】
次に、リザーバタンク１７の構成について説明する。図２は実施形態のリザーバタンク１７の構成を説明する断面図である。
【００３１】
図２において、リザーバタンク１７は、ハウジング１０１と、ハウジング１０１の内部を摺動可能なピストン１０２と、ピストン１０２とハウジング１０１とを摺動可能なように密閉するシール１０３と、ピストン１０２を図中上方に付勢するばね１０４と、ばね１０４を保持するばねシート１０５と、回転運動を直線運動に変換するボールねじ１０６と、ピストン駆動の原動力となるモータ１０７と、変位センサ１０８、１０９と、水素入力ポート１１０と、水素出力ポート１１１と、ハウジング１０１とピストン１０２で囲まれた容積可変な水素貯蔵室１１２を備えている。
【００３２】
ハウジング１０１は、内部に各構成品を収容するとともに、シール１０３を介してピストン１０２が、ハウジング内部を図２の上下方向に摺動自在に移動可能となる。
【００３３】
ピストン１０２は、ハウジング１０１とともに、容積可変な水素貯蔵室１１２を形成する。シール１０３は、ハウジング１０１とピストン１０２との間の隙間を無くし、水素貯蔵室１１２内の水素を封入する。
【００３４】
ばね１０４は、ピストン１０２を図２の上方向に推す力を発生する。
ばねシート１０５は、ばね１０４を保持する。
ボールねじ１０６は、モータ１０７の回転運動を直線運動に変換し、ばねシート１０５を図２の上下方向に変位させる。
モータ１０７は、コントロールユニット２３の指令により制御され、回転運動を発生する。
【００３５】
変位センサ１０８は、ピストン１０２の図２の上下方向の変位を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。
変位センサ１０９は、ばねシート１０５の図２の上下方向の変位を検出し、検出値をコントロールユニット２３に入力する。
【００３６】
水素入力ポート１１０は、シャットオフ弁１５に接続され、シャットオフ弁１５を介し水素が入力される。
水素出力ポート１１１は、シャットオフ弁１６に接続され、貯蔵された水素をシャットオフ弁１６を介し水素ポンプへ送る。
水素貯蔵室１１２は、内部に水素を貯蔵する。
【００３７】
ここで、リザーバタンク１７の内部圧力、すなわち、水素貯蔵室１１２の圧力をＰ１とし、ピストン１０２の断面積をＳ１とし、ばね１０４がピストン１０２を図２の上方向に推す力をＦ１とすると、ピストン１０２は、次の式（１）が成り立つ位置に移動して、ピストン１０２に作用する力が均衡する。
【００３８】
【数１】
Ｐ１×Ｓ１＝Ｆ１　　　…（１）
従って、リザーバタンク１７の内部圧力Ｐ１は、ばね１０４による推力Ｆ１で設定可能であることが判る。
【００３９】
ばね１０４の推力Ｆ１は、ばね定数にばね変位を乗じれば求まり、ばね定数は予め把握することができ、ばね変位は変位センサ１０８・１０９の検出値を基に求めることができる。
【００４０】
従って、モータ１０７を回転させ、ばねシート１０５を動かし、変位センサ１０８・１０９の検出値に基づき、ばね１０４の変位を目標値に設定することにより、推力Ｆ１すなわちリザーバタンク１７の内部圧力Ｐ１を任意に設定できる。
【００４１】
また、圧力センサ１８の検出値に基づき、モータ１０７を回転させリザーバタンク１７の内部圧力Ｐ１を目標圧力になるようフィードバック制御しても良い。
【００４２】
さらに、圧力センサ１１の検出値を基に、リザーバタンク１７の内部圧力を変更することにより、燃料電池スタック５に入る直前の水素圧力とリザーバタンク１７の内部圧力との差圧を設定することが可能となる（差圧設定手段に相当）。
【００４３】
尚、ボールねじ１０６に代えて、その他の回転・直進変換装置を用いてもよい。
【００４４】
次に、本発明の特徴である、燃料電池スタック５における発電量が急減し、燃料電池スタック５における水素量が過剰となり圧力が上昇した場合に、水素をリザーバタンク１７へ排出し、燃料電池スタック５における圧力上昇を抑え、燃料電池スタック５における水素量を適切に制御する際の作用を説明する。
【００４５】
図３、４は、実施形態の作用を示すフローチャートである。図３、４のフローチャートは、コントロールユニット２３において、予め定めた一定の周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００〔ｍｓ〕程度の値である。本フローチャートにおいて、ステップＳ３０１〜Ｓ３０８は、燃料電池本体による発電量が急減し、圧力上昇が予め定めた所定条件に達した場合に、水素供給手段により供給される水素を低減するとともに、供給水素排出手段により水素を水素貯蔵手段へ排出することにより、燃料電池本体における水素の圧力上昇を抑え、水素量を適切に制御するものである。また、ステップＳ３０２及び、ステップＳ３０９〜Ｓ３１３は、ステップＳ３０１〜Ｓ３０８で供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ一旦排出した水素を、再度燃料電池本体に供給することにより燃費の悪化を防ぐものである。
【００４６】
まず、ステップＳ３０１では、水素流量制御弁９を、燃料電池スタック５における発電に必要な流量を供給する開度に設定し、シャットオフ弁１３は開、シャットオフ弁１５は閉、シャットオフ弁１６は閉、水素ポンプ１４は作動として、通常の燃料電池スタック５による発電を行なう。
【００４７】
ステップＳ３０２では、例えば、目標発電量の時間に対する変化率を求め、燃料電池スタック５における発電量が減少中か否かを判断し、減少中であればステップＳ３０３へ進み、減少中でなければステップＳ３０９へ進む。
【００４８】
ステップＳ３０３では、圧力センサ１１により検出した燃料電池スタック５の入口水素圧力が所定条件に達したか否か判断し、所定条件に達した場合、ステップＳ３０４へ進み、所定条件に達していない場合、本処理を終了する。
【００４９】
ここで、所定条件としては、燃料電池スタック５の入口水素圧力が予め定めた閾値、例えば、目標圧力に対し燃料電池スタックの寿命が確保されるために必要な圧力分を加えた値以上となった時に、所定条件を満たすとする。これによれば、燃料電池本体における水素の圧力が閾値以上となった時に、水素供給手段及び供給水素排出手段により、燃料電池本体における水素量の低減がなされることとなり、燃料電池本体における水素量を適切なタイミングで制御できる効果がある。
【００５０】
または、燃料電池スタック５の入口水素圧力の時間に対する変化率が予め定めた閾値以上に大きくなり、今後燃料電池スタックの寿命が確保できない程に入口水素圧力の上昇が予測される時、所定条件を満たすとしても良い。これによれば、燃料電池本体における水素の圧力の時間に対する変化率、すなわち上昇率が閾値以上となり、燃料電池本体における水素の圧力が今後上昇することが予測される時に、水素供給手段及び供給水素排出手段により、燃料電池本体における水素量の低減がなされることとなり、燃料電池本体における水素量を一層適切なタイミングで制御できる効果がある。
【００５１】
ステップＳ３０４では、水素流量制御弁９を閉として、燃料電池スタック５へ供給する水素量を低減する。
【００５２】
ステップＳ３０５では、燃料電池スタック５の入口水素圧力とリザーバタンク１７の内部圧力との差圧を設定する。これによれば、システム構成やシステムの作動状況に応じて差圧を設定し、供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ排出される水素の量や圧力を変えることにより、燃料電池本体における供給される水素の圧力を適切に制御できる効果がある。差圧の設定方法としては、図５〜図９に示すいずれかにより設定すると良い。
【００５３】
図５は、例えば、燃料電池スタック５により発電される発電量の時間に対する変化率を求め、この変化率が大きいほど、この差圧を大きく設定する。これによれば、燃料電池本体により発電される発電量の時間に対する変化率が大きく、すなわち、燃料電池本体による発電量が急減する可能性が高く、燃料電池本体における水素の圧力が上昇する可能性も高い場合ほど、差圧を大きくすることにより、供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ排出される水素量を大きくし、燃料電池本体における水素の圧力上昇を抑え、燃料電池本体における水素量をより適切に制御できる効果がある。
【００５４】
図６はバッテリ１９の蓄電量が小さいほど、この差圧を小さく設定する。これによれば、蓄電手段の蓄電量が小さく、すなわち燃料電池本体による発電量を蓄電手段に多く蓄電できることが可能な構成の場合、燃料電池本体による発電量の変動は少なくでき、燃料電池本体における水素の圧力が上昇する可能性は低いため、差圧を小さくすることにより、供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ排出される水素量を小さくしても、燃料電池本体における水素の圧力が過大になることを防ぎ、燃料電池本体における水素量をより適切に制御できる効果がある。
【００５５】
図７はバッテリ１９に蓄えられた電力をバッテリ電力センサ２０により検出し、この検出値が小さいほどこの差圧を小さく設定する。これによれば、蓄電手段に蓄えられた電力を負荷へ送ることが可能な構成において、蓄電手段に蓄えられた電力が小さく、燃料電池で発電した電力を蓄電手段に送ることができる場合、燃料電池本体による発電量の変動は少なくでき、燃料電池本体における水素の圧力が上昇する可能性は低いため、差圧を小さくすることにより、供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ排出される水素量を小さくしても、燃料電池本体における水素の圧力が過大になることを防ぎ、燃料電池本体における水素量をより適切に制御できる効果がある。
【００５６】
図８は温度センサ１２で検出した水素温度が低いほど、この差圧を小さく設定する。
【００５７】
また、図９のように、図１の温度センサ１２の代りに湿度センサ（供給水素湿度検出手段に相当）を設け、この湿度センサにより検出した水素湿度が低いほど、この差圧を小さく設定しても良い。これによれば、供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ水素が排出される際、燃料電池本体における圧力より水素貯蔵手段の内部圧力が低いことから、水素が水素貯蔵手段に排出されると膨張により、排出される水素温度が低下し、水素に含まれる水分が凝縮し、水素湿度が低下する可能性があり、ここで、燃料電池本体に供給される水素は、燃料電池本体における発電効率を高めるため、例えば相対湿度で８０％以上といった、ある湿度を有することが望ましいことから、水素湿度が低いほど、差圧を小さくし、水素貯蔵手段へ水素が排出される場合の水素温度低下すなわち水素湿度低下を抑え、水素貯蔵手段へ貯蔵された水素が再度燃料電池本体に供給される際の水素湿度がこれ以上低下しないようにすることにより、燃料電池本体における発電効率を良くし、燃費悪化を防ぐ効果がある。
【００５８】
また本発明によれば、一般に水素温度が低いほど水素湿度も低くなることから、水素温度すなわち水素湿度が低いほど、差圧を小さくし、水素貯蔵手段へ水素が排出される場合の水素湿度低下を抑え、水素貯蔵手段へ貯蔵された水素が再度燃料電池本体に供給される際の水素湿度がこれ以上低下しないようにすることにより、燃料電池本体における発電効率を良くし、燃費悪化を防ぐ効果がある。
【００５９】
次に、ステップＳ３０６ではシャットオフ弁１５を開き、燃料電池スタック５における水素量をリザーバタンク１７へ排出する。
【００６０】
ステップＳ３０７では燃料電池スタック５の入口水素圧力が目標値であるか否か確認し、目標値に達した場合はステップＳ３０８へ進み。達していない場合、再度ステップＳ３０６へ進む。
【００６１】
ステップＳ３０８では、水素流量制御弁９を、燃料電池スタック５における発電に必要な流量を供給する開度に設定し、シャットオフ弁１５は閉として本処理を終了する。
【００６２】
ステップＳ３０９ではリザーバタンク１７に水素が貯蔵されているか否か判断し、貯蔵されている場合、ステップＳ３１０へ進み、貯蔵されていない場合、本処理を終了する。
【００６３】
水素が貯蔵されているか否かは、例えば、前回の処理において、シャットオフ弁１５を開き、燃料電池スタック５における水素量をリザーバタンク１７へ排出したか否かにより判断しても良い。
【００６４】
ステップＳ３１０では、燃料電池スタック５の入口水素圧力とリザーバタンク１７の内部圧力との差圧を設定するが、この場合、リザーバタンク１７の内圧を高めることでこの差圧を小さくし、リザーバタンク１７の内部圧力が燃料電池スタック５の入口水素圧力に近づくように設定し差圧を固定しておく。これによれば、水素再供給手段が水素貯蔵手段に貯蔵された水素を再度燃料電池本体に供給する際、燃料電池本体における水素の圧力と水素貯蔵手段の内部圧力との差圧を小さくすることにより、水素再供給手段で要するエネルギが低減され、燃費悪化を防ぐ効果がある。
【００６５】
ステップＳ３１１ではシャットオフ弁１３を閉、シャットオフ弁１６を開とし、リザーバタンク１７に貯蔵された水素を排出し、水素ポンプ１４へ送り、再度燃料電池スタック５へ供給する。
【００６６】
ステップＳ３１２では再度リザーバタンク１７に水素が貯蔵されているか否か判断し、貯蔵されている場合、ステップＳ３１１へ進み、上記処理を継続し、貯蔵されていない場合、ステップＳ３１３へ進む。ここでは、水素が貯蔵されているか否かは、圧力センサ１８により検出したリザーバタンク１７の内部圧力により判断すると良い。
【００６７】
ステップＳ３１４ではシャットオフ弁１３は開、シャットオフ弁１６は閉として、本処理を終了する。
【００６８】
なお、リザーバタンク１７は、空気圧を調整し、この調整された空気圧を加えることにより、内部圧力を設定する構成としても良い。その構成は例えば図１０に示すものであり、図２と同様の作用をする構成品については同一の番号を付し、説明を省略する。
【００６９】
空気圧力室１１３は、ハウジング１０１とピストン１０２の下面により形成された空間で、空気圧力制御弁１１６から所望の圧力の空気が供給され、図２のばね１０４に代わって空気ばねの作用を行う。
【００７０】
高圧空気源１１４は、例えばコンプレッサ２から供給される高圧の空気に接続する。
低圧空気源１１５は、例えば大気開放とする。
【００７１】
空気圧力制御弁１１６は、コントロールユニット２３の指令により、高圧空気源１１４と低圧空気源１１５の間で、圧力を任意に制御する。
１１７は空気圧入力ポートで、空気圧力制御弁１１６で制御された圧力が入力される。
【００７２】
以上の構成において、空気圧力室１１３の内圧とリザーバタンク１７の内部圧力、すなわち水素貯蔵室１１２の圧力は等しくなることから、空気圧力制御弁１１６を制御することにより、リザーバタンク１７の内部圧力が設定でき、燃料電池スタック５の入口水素圧力とリザーバタンク１７の内部圧力との差圧を設定することが可能となる。
【００７３】
なお、以上説明した構成において、燃料電池スタック５へ供給する水素は、水素タンク７に貯蔵されたものを用いたが、これに限るものではなく、例えば、メタノールやガソリンといった燃料を改質し水素を発生させても良い。
【００７４】
また、水素ポンプ１４は、例えば水素流量制御弁９から供給される水素を動力源としたイジェクタに置き換えても良い。
【００７５】
また、シャットオフ弁１５・１６は、単純な開閉のみでなく、中間開度を制御できる流量制御弁として、より細かい制御を行なうようにしても良い。
【００７６】
以上説明した本実発明によれば、燃料電池本体による発電量が急減し、燃料電池本体における水素量が過剰となり、燃料電池本体における水素の圧力が上昇し、圧力上昇が予め定めた所定条件に達した場合、水素供給手段により供給される水素量を低減し、燃料電池本体における水素量を抑制するとともに、水素供給手段のみでは低減しきれない水素量を供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ排出することにより、燃料電池本体における水素の圧力上昇を抑え、燃料電池本体における水素量を適切に制御できる効果がある。
【００７７】
また本発明によれば、燃料電池本体による発電量が急減し、燃料電池本体における水素の圧力の上昇を抑えるため供給水素排出手段により水素貯蔵手段へ一旦排出した水素を、再度燃料電池本体に供給することにより燃費の悪化を防ぐことができる。
【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実施形態の構成を示す全体システム図である。
【図２】実施形態におけるリザーバタンクの構成を説明する断面図である。
【図３】実施形態のコントロールユニット内で行なわれる、燃料電池スタックにおける水素量を制御する際のフローチャートである。
【図４】実施形態のコントロールユニット内で行なわれる、燃料電池スタックにおける水素量を制御する際のフローチャートである。
【図５】発電量の時間変化率に対する燃料電池入口水素圧力とリザーバタンク内部圧力との差圧の設定方法を説明する図である。
【図６】バッテリ蓄電量に対する燃料電池入口水素圧力とリザーバタンク内部圧力との差圧の設定方法を説明する図である。
【図７】バッテリ電力に対する燃料電池入口水素圧力とリザーバタンク内部圧力との差圧の設定方法を説明する図である。
【図８】水素温度に対する燃料電池入口水素圧力とリザーバタンク内部圧力との差圧の設定方法を説明する図である。
【図９】水素湿度に対する燃料電池入口水素圧力とリザーバタンク内部圧力との差圧の設定方法を説明する図である。
【図１０】実施形態におけるリザーバタンクの他の構成例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１：フィルタ
２：コンプレッサ
３：空気流量センサ
４：圧力センサ
５：燃料電池スタック
６：圧力制御弁
７：水素タンク
８：プレッシャレギュレータ
９：水素流量制御弁
１０：水素流量センサ
１１：圧力センサ
１２：温度センサ
１３：シャットオフ弁
１４：水素ポンプ
１５：シャットオフ弁
１６：シャットオフ弁
１７：リザーバタンク
１８：圧力センサ
１９：バッテリ
２０：バッテリ電力センサ
２１，２２：負荷接続ポート
２３：コントロールユニット
２４：パージ弁
【図１】
2004127817.tif 000003
【図２】
2004127817.tif 000004
【図３】
2004127817.tif 000005
【図４】
2004127817.tif 000006
【図５】
2004127817.tif 000007
【図６】
2004127817.tif 000008
【図７】
2004127817.tif 000009
【図８】
2004127817.tif 000010
【図９】
2004127817.tif 000011
【図１０】
2004127817.tif 000012