(57)【要約】【課題】余剰電力の活用によって燃料電池車両の水不足を解消する。【解決手段】燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器（１３）と、改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池（１４）と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段（３３）と、集めた水を濾過する濾過手段（３３８）と、濾過した水を改質器の改質水又は燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段（３４０）と、電気を一時的に蓄える電力貯蔵手段（３２）と、燃料電池の出力を負荷、水分凝縮器及び電力貯蔵手段に分配可能な出力分配手段（２２）と、燃料電池の発生電力が負荷の消費電力を越えるときに出力分配手段を作動させて余剰電力を水分凝縮手段及び電力貯蔵手段の少なくともいずれかに供給させる制御部（２１）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】
空気中の水分を凝縮して水を生成する水分凝縮手段と、
生成した水を濾過する濾過手段と、
濾過された水を使用する燃料電池と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
更に、前記燃料電池の余剰電力によって前記水分凝縮手段を動作させる制御手段を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は前記濾過された水を燃料電池セルの電解質膜の加湿に使用する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、
空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、
集めた水を濾過する濾過手段と、
濾過した水を前記改質器の改質水又は前記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、
前記燃料電池の発生電力の少なくとも一部を前記水分凝縮手段に供給して前記凝縮水を収集させる制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と
空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、
集めた水を濾過する濾過手段と、
濾過した水を前記改質器の改質水又は前記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、
前記燃料電池の出力を負荷と前記水分凝縮器に分配可能な出力分配手段と、
前記燃料電池の発生電力が前記負荷の消費電力を越えるときに前記出力分配手段を作動させて余剰電力を前記水分凝縮手段に供給させる制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項６】
原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、
空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、
集めた水を濾過する濾過手段と、
濾過した水を前記改質器の改質水又は前記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、
電気を一時的に蓄える電力貯蔵手段と、
前記燃料電池の出力を負荷、前記水分凝縮器及び前記電力貯蔵手段に分配可能な出力分配手段と、
前記燃料電池の発生電力が前記負荷の消費電力を越えるときに前記出力分配手段を作動させて余剰電力を前記水分凝縮手段及び前記電力貯蔵手段の少なくともいずれかに供給させる制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
更に、前記濾過した水を一次貯留するタンクを備え、
前記濾過水供給手段は、このタンクから濾過した水を供給する、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水分凝縮手段は、前記空気を急冷することによって空気中の水蒸気を凝固する、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記濾過手段は、前記集めた水を純水とするイオン交換樹脂である、請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
負荷に電力を供給する燃料電池と、
外部環境から水を集める水収集手段と、
集めた水から純水を生成する純水生成手段と、
前記燃料電池の余剰電力で前記水収集手段を動作させる制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水収集手段は、空気中の水分を凝縮して水を収集する凝縮器、雨水を収集する雨水タンク、エアコンディショナの凝縮水を収集する凝縮水タンクの少なくともいずれかを含む、
請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記純水生成手段は、収集した水をイオン交換樹脂によって濾過する、請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の前記燃料電池システムを使用する車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムに使用する純水の補給インターバルを長くすることを可能とする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを、機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（陽極側）に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に他方の電極（陰極側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。例えば、特開平１０−２９７９０３号公報には、車載に好適な燃料電池システムの構成例が記載されている。車載の燃料電池システムでは、直接水素をタンク等に貯蔵して使用する場合の他、同公報に示されているように、改質器を使用してメタノール等の液体の炭化水素系原燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、これを燃料電池の燃料として供給する構成も提案されている。
【０００３】
上述のように、車載の燃料電池システムの改質器は水素を生成する小形の化学プラントであり、車両のアクセルの動きに対して時間的遅れを伴って生成水素が増減する。このため、アクセルの踏み込みを戻した場合（アクセルオフ）や、いわゆるエンジンブレーキに相当する車両駆動モータの回生制動状態では、負荷モータが発電機となっているので余剰の水素や余剰の電力が生じ得る。通常、余剰の水素は改質器の熱源の燃料に、余剰電力は二次電池の充電に使用されてエネルギ利用の向上が図られる。
【０００４】
また、車載の燃料電池システムでは、改質器で炭化水素系原燃料を水蒸気改質によって水素リッチガスを生成する。燃料電池に供給される反応ガス類も加湿している。このため、燃料タンクの他に水タンクを設け、水を貯留して使用している。
【０００５】
なお、余剰電力の利用例として、特開平４−１１５４７０号公報には、一定出力で運転することが望ましい原子力発電プラントの余剰時の電力で水蒸気を電気分解して水素を製造し、この水素を貯蔵しておき、電力不足のときに燃料電池に貯蔵した水素を供給して発電を行うようにする提案がなされている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２９７９０３号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平４−１１５４７０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池車両の運転はモータの起動、停止、加速、減速、等を頻繁に繰り返すので、上述した余剰水素の発生や余剰電力の発生も突発的なものが多い。二次電池への充電は化学反応を伴うためある程度の時間電力供給を継続する必要があるり、余剰電力を十分に回収できない。また、二次電池が十分に充電されている状態では、余剰電力は蓄電されずロスとなる。
【０００９】
また、燃料電池車両の走行距離は搭載する原燃料と水の量によって決定されるが、これらの補給基地は未だ十分に整備されておらず、途中で水が不足することが考えられる。燃料電池では水素ガスと酸化エアが反応して水が生成されるのでこの水を回収して利用することや燃料電池システムの冷却水の利用が考えられるが、燃料電池から排出される水には電解質膜の溶出や分解によってフッ酸や硫酸などの多くの不純物を含むのでこれをこのまま使用すると燃料電池のセルにダメージを与えることも考えられる。
【００１０】
よって、本発明は燃料電池システムにおける余剰電力の新たな利用方法を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は燃料電池システムにおける水不足を可及的に回避することを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は余剰電力で水を得るようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、空気中の水分を凝縮して水を生成する水分凝縮手段と、生成した水を濾過する濾過手段と、濾過された水を使用する燃料電池と、を備える。
【００１４】
かかる構成とすることによって燃料電池の運転に必要な水を大気中から補給することが可能となる。
【００１５】
また、この水補給は上記燃料電池の余剰電力によって上記水分凝縮手段を動作させる制御手段によって行われる。それにより、余剰電力が活用される共に水補給のインターバルを可及的に長くすることが可能となる。これは車載燃料電池システムに好都合である。
【００１６】
また、上記燃料電池は上記濾過された水を燃料電池セルの電解質膜の加湿に使用する。それにより、燃料電池から排出される水の再利用水に比べてフッ酸や硫酸などの不純物の少ない水を供給することが出来、燃料電池セルへのダメージが少なくなって好ましい。
【００１７】
また、本発明の燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、集めた水を濾過する濾過手段と、濾過した水を上記改質器の改質水又は上記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、上記燃料電池の発生電力の少なくとも一部を上記水分凝縮手段に供給して上記凝縮水を収集させる制御部と、を備える。
【００１８】
かかる構成することによって、空気中の水分を集めて改質水や加湿水などを補給することを可能とした燃料電池システムを構成することが可能となる。
【００１９】
また本発明の燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、集めた水を濾過する濾過手段と、濾過した水を上記改質器の改質水又は上記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、上記燃料電池の出力を負荷と上記水分凝縮器に分配可能な出力分配手段と、上記燃料電池の発生電力が上記負荷の消費電力を越えるときに上記出力分配手段を作動させて余剰電力を上記水分凝縮手段に供給させる制御部と、を備える。
【００２０】
かかる構成とすることにより、余剰電力によって空気中の水分を集めて改質水や加湿水などを補給することを可能とした燃料電池システムを構成することが可能となる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、集めた水を濾過する濾過手段と、濾過した水を上記改質器の改質水又は上記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、電気を一時的に蓄える電力貯蔵手段と、上記燃料電池の出力を負荷、上記水分凝縮器及び上記電力貯蔵手段に分配可能な出力分配手段と、上記燃料電池の発生電力が上前記負荷の消費電力を越えるときに上記出力分配手段を作動させて余剰電力を上記水分凝縮手段及び上記電力貯蔵手段の少なくともいずれかに供給させる制御部と、を備える。
【００２２】
かかる構成とすることにより、余剰電力によって空気中の水分を集めて改質水や加湿水などの補給を行ったり、余剰電力を蓄電手段（例えば、二次電池やキャパシタ）に蓄電することが可能となる。また、余剰電力が多い場合には両方（水補給、蓄電）を行い、余剰電力が少ない場合にはいずれか一方（水補給又は蓄電）を行い、また、蓄電手段に十分充電されている場合には水分収集を行うなどの適宜な対応を行うことも可能となる。それにより、より有効な余剰電力の活用がなされ得る。
【００２３】
好ましくは、更に、上記濾過した水を一次貯留するタンクを備え、上記濾過水供給手段は、このタンクから濾過した水を供給する。それにより、収集水を貯留して使用することが可能となる。
【００２４】
好ましくは、上記水分凝縮手段は、上記空気を急冷することによって空気中の水蒸気を凝固する。例えば、除湿器と同様の構成の熱交換構成によって空気を冷やすことによって水蒸気を凝固させる。また、ペルチェ素子などの熱交換素子によって冷却面を得て、これにより空気中の水蒸気を凝固させ水滴を集めて水を得る。なお、車両の客室内のエアコンディショニングシステムと連携させることが可能である。
【００２５】
好ましくは、上記濾過手段は、集めた水を濾過するイオン交換樹脂を含む。それにより、純水を得ることが可能となる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池と、外部環境から水を集める水収集手段と、集めた水から純水を生成する純水生成手段と、上記燃料電池の余剰電力で前記水収集手段を動作させる制御手段と、を備える。
【００２７】
かかる構成とすることによって、燃料電池システムが設けられた周囲あるいは近くの環境中から運転に必要な純水を補充することが可能となる。
【００２８】
好ましくは、上記水収集手段は、空気中の水分を凝縮して水を収集する凝縮器、雨水を収集する雨水タンク、エアコンディショナの凝縮水を収集する凝縮水タンクの少なくともいずれかを含む。それにより、大気中の水分を回収することが可能となる。
【００２９】
好ましくは、上記純水生成手段は収集した水をイオン交換樹脂によって濾過する。イオン交換樹脂を用いることによって収集水中に含まれる不純物を除去することが可能となる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池車両は上述した燃料電池システムを搭載する。それにより、エネルギ効率の良い、また、水補給インターバルを可及的にのばすことのできる車両が得られて具合がよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３２】
本発明の燃料電池システムの実施の形態では、燃料電池の運転中に生じる余剰電力によって凝縮器を動作させ、空気（大気）中の水蒸気を凝縮させ、水滴として集める。集めた水はイオン交換樹脂などの濾過膜によって不純物が取り除かれる。この凝縮水（純水）を貯留して燃料電池の反応ガス（改質ガス、酸化エア）の加湿水や改質器の水蒸気改質の改質水として利用する。凝縮水は、例えば、いわゆる圧縮冷凍サイクル(Vapor compression refrigerating cycle) を使用した冷却機やペルチェ効果(Peltier effect) を利用した電子冷却装置よって空気中の水蒸気を凝縮することによって得ることが可能である。このような機構を車載すれば、純水補給のインターバルをのばすことが可能となり、具合が良い。
【００３３】
図１は、本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車１０は、車載発電機として機能する燃料電池システム１０と、電力配分・電力変換制御を行うパワーコントロールユニット２０と、車輪４１〜４４の駆動力を発生するモータ３１と、燃料電池１０の補助電力源として機能する二次電池３２と、空気中の水蒸気を凝固させる凝縮器３３と、ワイパー等の車両の運転のための補機類３４と、後述のエアポンプモータ、燃料ポンプモータ、水ポンプ、バルブ等の燃料電池１０の運転に使用される補機類３５等を備えている。図示の例では、燃料電池自動車１は前輪４１及び４２を駆動する前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪４３，４４が配置されている。
【００３４】
燃料電池システム１０は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料を貯蔵する原燃料タンク１１と、水を貯蔵する水タンク１２と、タンク１１及び１２から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器１３と、改質器１３から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池１４と、エアフィルタ１６で濾過した空気を酸化エアとして燃料電池１４に供給するポンプ１７と、この酸化エアを加湿する加湿器１８と、燃料電池システム１０全体を制御する制御部１５等を備えて構成されている。
【００３５】
図２は、改質器１３の構成例を示している。改質器は、概略、蒸発部１３ａ、改質部１３ｂ、ＣＯ低減部１３ｃによって構成されている。蒸発部１３ａは、燃料と燃焼エアとが供給されて高温の燃焼ガスを得るバーナや、燃料と燃焼エアとを反応させて発熱させる触媒（図示せず）などによって熱源を得て、原燃料と水（改質水）とを高温ガスにする。原燃料は後述の燃料ポンプモータ３５５によって駆動される図示しない燃料ポンプによって原燃料タンク１１から供給される。改質水は後述の水ポンプモータ３５７によって駆動される図示しないポンプによって水タンク１２から供給される。改質部１３ｂはこの高温の混合ガスを触媒によって水蒸気改質して水素を生成する。更に、改質用エアの供給を受けて部分酸化法によって混合ガスから水素を生成する。改質部１３ｂによって水素リッチな改質ガスが得られるが、このガスには燃料電池１４の白金触媒の機能を低下させる一酸化炭素が微量含まれる。これをＣＯ低減部１３ｃで選択酸化法によって精製用エアと反応させて低減する。上述した、燃焼エア、改質用エア、精製用エアは後述のエアポンプモータ３５３によって駆動される図示しないエアポンプから流量調整弁１３１〜１３３を介してそれぞれ供給される。燃料の供給量や各エアの供給量は制御部１５によって要求電力量に応じて設定される。
【００３６】
燃料電池１４の水素極には改質器１３から改質ガスが供給され、酸素極には酸化エアがエアクリーナ１６及びエアポンプ１７を介して供給される。燃料電池１４は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。各セルの固体高分子電解質膜のイオン透過性を確保するために電解質膜を加湿すべく、改質ガス及び酸化エアの加湿が行われる。この実施例では、酸化エアの供給量が多いために乾きやすいことから酸化エアを加湿器１８で加湿する構成を図示している。図示しないが改質ガス側も適宜に加湿される。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
【００３７】
燃料電池システム１０の制御部１５は後述するパワーコントロールユニット２０のシステムコントローラ２１と通信を行うことで、燃料電池システム１０に配設されているエアポンプ３５３、ウォータポンプ３５７などの補機類３５（後述の図３参照）の駆動制御を行い、燃料電池１４の発電量がシステムコントローラ２１の要求電力を満たすように燃料電池システム１０を制御する。
【００３８】
パワーコントロールユニット２０は車両搭載機器への電力配分・電力変換等の役割を担っており、システムコントローラ２１、電力分配部２２、アクセル２３を含んでいる。システムコントローラ２１はアクセル２３の開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ３１への供給電力量を演算し、インバータ（駆動部）の制御を行う。また、必要な電力量の供給を制御部１５に要求する。また、運転状況に応じて各種機器への電力供給や余剰電力の効率的な利用を行うべく各部や機器を制御する。電力分配部２２は、システムコントローラ２１の指示に応じて燃料電池１４の出力電力を車両駆動モータ３１、二次電池３２、補機類３３及び３５等に分配する。また、燃料電池１４の出力電力が不足したときに二次電池３２の出力をモータ３１に供給する。また、モータ３１の回生制動によって生じたエネルギを二次電池３２に蓄える。
【００３９】
図３は、電力分配部２２の構成例と燃料電池１０の補機類３３の構成例を示している。電力分配部２２は、例えば、インバータ２２ａ、ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｂ、インバータ２２ｃ、ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｄ等によって構成される。
【００４０】
インバータ２２ａはパワースイッチ素子を主要回路素子として構成され、燃料電池１４から供給される直流電流を、例えば、三相交流電流に変換し、三相同期電動機構成の車両モータ３１を駆動する。三相交流の周波数を制御することによってモータ回転数（車速）を制御する。また、減速時などにおいてモータ３１が発電機として機能する場合には回生制御によってモータ３１に生じる出力電流を二次電池３２側に供給する。インバータ２２ａの動作はシステムコントローラ２１によって制御される。
【００４１】
ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｂは燃料電池１４の出力電圧や、モータ３１の回生出力を整流して二次電池３２の充電電圧に合わせて充電を行う。また、二次電池３２の出力電圧を所望に昇圧することによってインバータ２２ａに電力の供給を行う。ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｂの動作はシステムコントローラ２１によって個別的に制御される。
【００４２】
二次電池３２は燃料電池システム１４の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車１の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池３２の容量は、燃料電池自動車１の走行条件、走行性能（最高速度、走行距離など）、車重などに応じて適宜設定可能である。
【００４３】
なお、二次電池に代えて充電時間が早く軽量なキャパシタを使用することも可能である。また、いわゆる浮動充電法によって充電することとしても良い。
【００４４】
インバータ２２ｃは、システムコントローラ２１の指令に応じて凝縮器３３を動作させる。凝縮器３３は空気中の水分（水蒸気）を凝固して液化しこれをタンクに集める。
【００４５】
図４は、水収集手段としての凝縮器３３の例を示している。この例は、いわゆる圧縮冷凍プロセスによって冷却した面に空気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器を構成している。インバータ２２ｃによって駆動されるモータ３３１は圧縮ポンプ３３２を駆動し、冷媒ガスを高圧に圧縮する。圧縮された高温冷媒は凝縮器３３３によって外部に放熱され、タンク３３４に蓄えられる。更に、ノズル（膨張弁）３３５を経て減圧された蒸発器３３６内に冷媒を蒸発させ、蒸発器３３６の熱を吸収して冷却し、この周囲の空気を冷やして蒸発器３３６の表面やその周囲に水分を凝固させる。冷媒はポンプ３３２に戻り、循環する。なお、必要により、凝縮器３３３及び蒸発器３３６にはファン３３７にて適度な送風が行われる。
【００４６】
凝固した水分は、下方に集められてイオン交換樹脂膜３３８によって濾過される。これにより、凝固水は純水となって貯留タンク３３９に蓄えられる。貯留された水はバルブ３４０を介して既述の加湿器１８に供給され、内部のフィルタを湿らす。それにより、ポンプ１７から供給される酸化エアが加湿されて燃料電池に供給される。このようにして集められた水は、フッ酸や硫酸などの成分を含んでいないため、燃料電池セルの電解質膜を侵すおそれが少ない。
【００４７】
なお、収集した水は改質ガスの加湿に使用しても良い。また、図１に点線で示すように水タンク１２の補給水としても良い。凝縮器３３から凝固水を所要部に供給する流路やバルブなどは濾過水供給手段に対応する。
【００４８】
図５は、凝縮器の他の構成例を示している。この例では、インバータ２２ｃに代えて直流電源（ＤＣ―ＤＣ変換器など）３５８を使用し、電子冷却によって凝縮器３５９を構成している。すなわち、ペルチェ効果を利用した熱交換パネル３５９ａの吸熱面によって周囲の空気から熱を吸収して冷却し、その表面等に水分を凝縮させ、発熱面からファン３５９ｂによって外部に放熱している。凝固水は下方に集められイオン交換樹脂膜３３８によって濾過される。これにより、凝縮器３５９収集された凝固水は不純物が除かれて純水となって貯留タンク３３９に蓄えられる。この水は上記と同様に利用可能である。
【００４９】
なお、凝縮器３５９は、図３に示すように、ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｄによって駆動される補機類３５の一種として設けることも可能である。
【００５０】
図６は、他の水収集手段の例を示している。この例では車両の屋根やボンネットなどに降った雨を樋や配管によって雨水回収タンク３７１に回収する。また、車両のエアコンによって室内の空気から除湿した水をエアコンの凝縮水タンク３７２に回収する。燃料電池１４の余剰電力によってポンプ３６２、３６３を個別的にあるいは同時に駆動し、各タンクに回収された水をイオン交換樹脂膜３３８に導き、濾過する。これにより、雨水回収タンク３７１、エアコン凝縮水タンク３７２に回収された水は不純物が除かれて純水となって貯留タンク３３９に蓄えられる。この水は上記図４及び図５に示した凝縮器の例と同様に加湿水や改質水として利用可能である。
【００５１】
図３に示すように、ポンプ３６２は駆動回路３６０及びポンプモータ３６１によって駆動される。ポンプ３６４は駆動回路３６２及びポンプモータ３６３によって駆動される。システムコントローラ２１は、図示しないセンサによってタンク３７１又は３７２に回収水が蓄えられていることを検出すると、余剰電力によって駆動回路３６０及び３６２を制御し、タンク３７１及び３７２の回収水をイオン交換樹脂３３８で濾過して貯留タンク３３９に蓄える。燃料電池システムは水収集手段として上述した凝縮器、雨水回収タンク、エアコン凝縮水回収タンクなどを全部あるいは適宜に備え、水を周囲環境から回収して純水を補給する。
【００５２】
ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｄは電圧を変換して、主に、燃料電池システム１０の補機類３５の電源を供給する。補機類には、上述した酸化エアを供給するエアポンプを駆動するモータ３５３、燃料ポンプを駆動するモータ３５５，ウォータポンプを駆動するモータ３５７、等が含まれる。これらのモータ３５３、３５５及び３５７は制御部１５によって制御される駆動回路３５２〜３５６によってそれぞれ制御される。また、補機類３５には緩衝などを目的として二次電池３５１を配置することも可能である。
【００５３】
なお、車両の補機類３４の電源供給についても補機類３５と同様であるので、その説明は省略する。
【００５４】
上述した構成により、システムコントローラ２１は、車両走行負荷などを基にモータ３１に供給されるべき電力を演算し、燃料電池システム１０にて所望の発電量を得るための必要な指示を制御部１５に与える。制御部１５は、燃料電池１４に供給されるべき改質ガスと酸化ガスの流量を適宜調整し、走行に必要な電力を得る。燃料電池システム１０にて生成された電力はパワーコントロールユニット２０を介してモータ３１やその他の補機類などに供給される。
【００５５】
ところで、燃料電池システムは化学プラントなので所要の電力供給を要求指令してからその電力が供給されるまである程度の時間の遅れが生じる。
【００５６】
図７は、このような例を説明するグラフである。システムコントローラ２１から制御部１５に図７（ａ）に示すような、要求電力量が減少するような指令がなされた場合、制御部１５は流量調整弁１３１〜１３３や原燃料及び水などのポンプ圧やモータを調整して改質器１３への供給を減少して改質ガス（水素リッチガス）の生成量を図７（ｂ）に示すように減少する。
【００５７】
この場合、図７（ｃ）に示すように、要求電力量に対する生成水素量の対応が遅れるので、余剰水素が生じる。この余剰水素は燃料電池１４で余剰電力となる。本発明では、この余剰電力で凝縮器３３を動作させ、加湿水を収集する。
【００５８】
図８は、この場合のシステムコントローラ２１の制御動作を説明するフローチャートである。
【００５９】
システムコントローラ２１は、図示しない主制御プログラム中で予め定められた一定のインターバルで発生する本ルーチンのイベント処理を実行することにより、本ルーチンに移行する。まず、システムコントローラ２１は燃料電池システム１０に対して要求すべき要求電力量を計算する（Ｓ１２）。要求電力量は、運転者によるアクセルの踏み込み量（モータ３１への要求駆動力）、動作している補機類３４，３５の使用電力、二次電池３２の充電状態等によって決定される。
【００６０】
次に、燃料電池１４の出力可能な現在の電力量を計算する（Ｓ１４）。出力可能電力量は改質器１３から燃料電池への改質ガスの供給流量、酸化エアの供給流量、燃料電池セルの電圧状態などから計算することが出来る。
【００６１】
システムコントローラ２１は要求電力と現在の発電可能電力とを比較する（Ｓ１６）。その結果、余剰電力が発生しているときは（Ｓ１６；ＹＥＳ）、システムコントローラ２１は電力分配部２２のインバータ２２ｃを作動させ、燃料電池１４の出力を凝縮器３３に供給する。それにより、既述したモータ３５１が動作して凝縮水の収集が行われる。また、電子冷却を採用している場合には凝縮器３５９を動作させる。雨水タンク３７１やエアコン凝縮水タンクに水を回収している場合には、イオン交換樹脂を介して純水タンク３３９に回収水を蓄える（Ｓ１８）。ここで、二次電池３２の端子電圧が低下している場合には、余剰電力で二次電池３２を充電することとしても良い。また、燃料電池１４の出力電力の余剰に加えてモータ３１の回生動によって電力がモータ３１からも供給されているような場合には、エネルギの回収を十分に図るべく、凝縮器３３等の駆動と二次電池の充電とを同時に行うようにしても良い。その後、システムコントローラ２１は主制御プログラムに戻り、同様の処理を繰り返す。
【００６２】
また、余剰電力が発生していないときるときは（Ｓ１６；ＹＥＳ）、要求電力を燃料電池１４に発生させる。更に、燃料電池１４の出力電力が不足する場合には、ＤＣ−ＤＣ変換器２２ｂを作動させて二次電池３２から一次側に電力を供給して不足分を補わせる（Ｓ２０）。その後、システムコントローラ２１は主制御プログラムに戻る。
【００６３】
このようにして、余剰電力の発生を判別するとこれを利用して空気中から凝固水の生成が行われる。
【００６４】
なお、空気中から集めた水は、燃料電池から排水された水に比べてフッ酸や硫酸を含んでいないため、反応ガス（改質ガス、酸化エア）の加湿水として使用して好都合であるが、これに限定されるものではなく、水タンクの補給水として使用することも出来る。また、凝縮器と車室のエアコンとを共用することにより、あるいは凝縮器を車室の除湿器として使用することによってエネルギ利用性をより高めることが可能となる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、余剰電力を活用して水が生成されるので具合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の例を説明する説明図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの改質器を説明する説明図である。
【図３】図３は、本発明の燃料電池システムの電力分配部の構成例を説明する説明図である。
【図４】図４は、本発明の燃料電池システムの凝縮部（水収集手段）の構成例を説明する説明図である。
【図５】図５は、本発明の燃料電池システムの凝縮部の他の構成例を説明する説明図である。
【図６】図６は、本発明の燃料電池システムの水収集手段の他の例を説明する説明図である。
【図７】図７は、燃料電池システムにおける余剰電力の発生を説明するグラフである。
【図８】図８は、本発明の燃料電池システムにおけるシステムコントローラの制御動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池自動車、１０…燃料電池システム、２０…パワーコントロールユニット、３１…駆動モータ、３２…二次電池、３３…凝縮器
【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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【図８】
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