(57)【要約】【課題】  燃料電池への加湿用純水の供給が、車両走行等によるタンクの液面変動により不安定となる。【解決手段】  燃料電池スタックを有する発電装置５０とタンク１との間で純水を循環させる水循環通路２０に加えて、発電装置からの水をタンクを迂回して発電手段に循環させるバイパス通路２１を設ける。タンクを経由する水循環通路とタンクを迂回する閉回路とは切換弁５，６，２２により運転状態に応じて選択的に切り換え可能とする。発電装置に供給する純水を一時的に閉回路内で循環させることにより、車両急加速時などのタンクの液面変動にかかわらず発電装置に安定して純水を供給することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを有する発電装置と、
前記発電手段に供給する加湿用の水を貯溜したタンクと、
前記タンクから発電装置へと水を供給する水供給通路、および発電手段からの水をタンクへと戻す水戻し通路を有する水循環通路と、
前記タンクの水を加圧して前記水供給通路を介して発電手段へと供給するポンプと、を備えた燃料電池装置において、
前記発電装置からの水を前記タンクを迂回して発電手段に循環させる閉回路を形成するバイパス通路と、
前記タンクを経由する水循環通路と前記バイパス通路による閉回路とを選択的に切り換える切換弁と、
前記発電装置の運転状態に応じて前記切換弁を切り換える制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記閉回路の内圧を検出する圧力センサを備え、該検出圧力が所定の基準値未満のときは前記バイパス通路を介して、所定の基準値以上のときは前記タンクを介して、それぞれ水が循環するように前記切換弁を切り換える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記発電装置を搭載した車両の加速度を検出する加速度検出手段を備え、該検出加速度が所定の基準値以上のときは前記バイパス通路を介して、所定の基準値未満のときは前記タンクを介して、それぞれ水が循環するように前記切換弁を切り換える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記タンクの貯水量を検出する水量センサを備え、該検出水量が所定の基準値未満のときは前記バイパス通路を介して、所定の基準値以上のときは前記タンクを介して、それぞれ水が循環するように前記切換弁を切り換える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記閉回路は、前記バイパス通路の内圧を保持する蓄圧器を備える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記水循環通路には、前記閉回路内の水を前記タンクに戻すリターン通路と、前記制御装置からの指令に基づき該リターン通路の開度を加減する流量制御弁とを備える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記閉回路の内圧を検出する圧力センサを備え、該検出圧力が一定となるように前記流量制御弁の開度を制御する請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記発電装置の発電量を検出する発電量検出手段を備え、該発電量が増大するほど前記流量制御弁の開度を増大させる請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記閉回路は、その内圧が許容最大値を超えたときに閉回路を大気に開放するリリーフ弁を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置に関し、特に燃料電池スタックを加湿するための水供給装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置には、特許文献１に示されるように、燃料電池スタックの高分子膜を加湿するために純水を供給する手段を備えたものがある。燃料電池の運転中は燃料電池スタック内に所定の流量、圧力の純水を安定して供給する必要があり、このために必要量の純水を蓄えるタンクが備えられている。しかし、燃料電池を車両に搭載した場合、車両運転中のさまざまな方向の加速度によってタンク内の液面が波打ち、水循環系に空気が混入して燃料電池スタックへ安定して水を供給できなくなるおそれが生じる。この対策としては、タンク下部にチャンバーなどの比較的小さい容器を設け、あるいは圧送用のポンプをタンクの液中に設置した構造とすることが考えられる。
【特許文献１】特開2002-298880号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
タンク下部に容器を設ける構造は、例えばガソリンタンクと比べて燃料電池装置での純水供給流量は多くてより大きな容器を用意する必要があることから、タンクが全体としてさらに大きくなってしまい、タンクの車両への搭載性あるいはレイアウトが難しくなる。また、ポンプをタンクに内蔵した構造の場合、氷点下雰囲気などでタンクに蓄えられている純水が凍結したときにポンプが破損するおそれを生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では、燃料電池スタックを有する発電装置とタンクとの間で純水を循環させる水循環通路に加えて、発電装置からの水をタンクを迂回して発電装置に循環させるバイパス通路を設ける。
タンクを経由する水循環通路とタンクを迂回するバイパス通路とは、切換弁により運転状態に応じて選択的に切り換え可能とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、発電装置に供給する純水を必要に応じてバイパス通路による閉回路内で循環させることができる。閉回路での水供給により、車両急加速時などのタンクの液面変動にかかわらず発電装置に安定して純水を供給することができる。
【０００６】
また、前記閉回路はバイパス通路と切換弁という簡潔な構造で実現できるので、限られた空間内で各装置を配置しなければならない車両において、燃料電池装置の搭載性ないしレイアウトの点で有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。図において、１は燃料電池の加湿用の純水を貯溜したタンク、５０は燃料電池スタックを有する発電手段である。２０は前記タンク１の水を発電手段５０に供給する水供給通路２０ａおよび発電手段５０からの水をタンク１へと戻す水戻し通路２０ｂとからなる水循環通路である。２は前記水供給通路２０ａを介してタンク１内の水を発電手段５０へと加圧供給するポンプである。３および４はそれぞれ前記水供給通路２０ａと水戻し通路２０ｂの内圧を検出する圧力センサである。５および６はそれぞれ前記水供給通路２０ａ、水戻し通路２０ｂを開閉する電磁式の切換弁であり、切換弁５は水ポンプ２よりも下流側に設けられている。７は前記水ポンプ２よりも下流域にて水供給通路２０ａを開放するための電磁弁、８はタンク１に起動時に加圧空気を供給するための加圧空気供給路、９はタンク１内の水量を検出するための水量センサである。前記加圧空気供給路８は、燃料電池起動時にタンク１を加圧してポンプ２の吸込作用を補助するためのものであり、ポンプ２の構造またはタンク１に対する位置関係によっては備えない構成とすることもできる。
【０００８】
２１は前記水供給通路２０ａの電磁弁５より下流、水ポンプ２よりも上流の部分と、水戻し通路２０ｂの電磁弁６よりも上流の部分とを連通して閉回路を形成するバイパス通路であり、その途中には通路を開閉する電磁切換弁２２が介装されている。
【０００９】
図２は前記燃料電池システムの制御系統の構成例を示している。図の３０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして構成された制御装置である。この制御装置３０には、運転状態信号として前記圧力センサ３，４および水量センサ９の信号に加えて、車両の加速度を検出する加速センサ１１からの信号が入力し、これらの検出結果に基づいて前記各切換弁５，６，２２および電磁弁７の開閉状態を切り換える。
【００１０】
図３は、前記制御装置３０による切換弁制御の手順を示した流れ図である。この手順は燃料電池システムの起動に伴い周期的に実行される。以下、この流れ図に沿って前記燃料電池システムの作用につき説明する。
【００１１】
燃料電池システムの起動時にはまず初期設定としてステップ１１にて切換弁６を開き、切換弁２２を閉ざした状態とする。次いで、ステップ１２にて切換弁５を開き、切換弁７を開く。これに伴い、加圧空気供給路８からの加圧空気により加圧されたタンク１内の純水が水供給通路２０ａを介してポンプ２の吸込口２へと圧送されるので、ポンプ２の作動により発電装置５０に向けて水の加圧供給を開始する。ステップ１３〜１４では圧力センサ８または４からの信号を検出し、水供給通路２０ａまたは水戻し通路２０ｂの内圧変化から水循環通路２０内での水循環の開始を判定する。水循環の開始を判定したらステップ１５にて電磁弁７を閉ざす。これにより燃料電池の作動に必要な加湿用水の循環が開始され、燃料電池システムは起動状態となる。
【００１２】
次にステップ１６では前記水循環を閉回路にて行わせるか否かを判定するための運転条件の検出を行う。前記運転条件としては基本的には燃料電池システムの起動が完了していることであり、これは圧力センサ３または４による圧力信号または燃料電池スタックの出力から判定することができる。
【００１３】
ステップ１７では、運転状態が前記閉回路による水循環を開始する条件であることを判定したときには、次いでステップ１８にて切換弁５，６を閉ざすと共にバイパス通路２１の切換弁２２を開く。これにより、ポンプ２により加圧された水は、水供給通路２０ａ〜発電装置５０〜水戻し通路２０ｂ〜バイパス通路２１という閉回路内にて循環を開始する。ステップ１９では、前記閉回路による水循環状態での該閉回路内の圧力を圧力センサ４により検出する。発電装置５０の燃料電池スタックでは加湿用の純水の他に燃料電池セルでの水素と酸化剤との反応による水も生じるので、発電装置５０から排出される水の量は供給量よりも増加する。このため閉回路による水供給を継続すると時間経過にしたがって内圧が上昇する。そこでこの内圧上昇を圧力センサ４により検出し、ステップ２０にて所定の上限値に達したことを判定したときには処理手順の当初に戻り、タンク１と発電装置５０との間で水を循環させる初期状態に戻すようにする。
【００１４】
このように閉回路での水循環を行うことにより、タンク１の水量や液面変動に関わらず発電装置５０に安定して純水を供給することができる。制御上必要な圧力センサ３，４は燃料電池システムが備えている基本的な要素であるので、前記閉回路の機械的構成要素としてはバイパス通路２１と切換弁５，６，２２を設けるだけでよく、簡潔な構造で閉回路による水循環を実現することができる。
【００１５】
タンク１からの純水供給が不安定になるのは、既述したように主として車両が加速して水面が変動することによるので、前記閉回路による水循環を実施する運転条件としては、加速センサ１１からの信号による車両加速度が所定値以上であること、または水量センサ９からの信号によりタンク１内の純水量が所定値以下であることを検出したときとしてもよい。このように、純水供給が不安定化する可能性が高い必要限度の条件下でのみ水循環系を閉回路化することにより、閉回路状態での内圧が大きくなる頻度を減らすことができる。
【００１６】
図４は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。この実施形態は、水循環通路２０の閉回路形成部分、この場合水戻し通路２０ｂの切換弁６よりも上流部分に、該通路内圧を所定値に保つための蓄圧器１０を設けた点で図１の実施形態と異なる。この実施形態では前記蓄圧器１０に空気圧供給通路１００を接続し、該供給空気圧により閉回路内圧と対抗する圧力を供給して蓄圧容量を必要に応じて可変設定できるようにしてある。前記構成に基づき、蓄圧器１０が閉回路内圧の変動を吸収する機能を発揮するので、水供給状態において閉回路内圧力を長時間にわたりほぼ一定に保つことができる。
【００１７】
図５は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。これは図１に示した第１の実施形態の構成に加えて、流量制御弁１１およびリターン通路１２を付加したものである。リターン通路１２は水ポンプ２の吐出圧（純水）の一部を流量制御弁１１を介してタンク１に戻すように構成されている。このために流量制御弁１１は可変流量型の電磁弁で構成され、前述した制御装置３０からの指令に応じてその開度が可変制御される。
【００１８】
図６に前記流量制御弁１１の開度制御の手順を示す。この制御では図３に示したような閉回路での水循環制御状態であることを前提として、まずステップ２１にて圧力センサ３または４による閉回路の内圧検出値Ｐを読み出し、これをステップ２２にて下限値Ｐ１、上限値Ｐ２と比較する。Ｐ≦Ｐ１のときはステップ２３にて流量制御弁１１の開度を減じて閉回路から水タンク１に戻す水量を減らすことで圧力上昇させる。これとは反対にＰ≧Ｐ２のときにはステップ２４にて流量制御弁１１の開度を増やして閉回路から水タンク１へと戻す水量を増やすことにより圧力降下させる。この制御を繰り返すことにより、閉回路内圧Ｐは常に下限値Ｐ１と上限値Ｐ２の間に正確に維持されるので、閉回路による水循環状態を長時間にわたり実施することができる。
【００１９】
流量制御弁１１の開度は、閉回路内圧ではなく、発電手段５０の発電量によって制御するようにしてもよい。すなわち発電量は燃料電池セルでの反応生成水の量に相関するので、流量制御弁１１の開度を、発電量大のときには増やし、発電量小のときには減らすように制御することにより閉回路の内圧を安定化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成図。
【図２】前記第１の実施形態の制御装置の概略構成図。
【図３】前記制御装置による制御動作を表す流れ図。
【図４】本発明の第２の実施形態の概略構成図。
【図５】本発明の第３の実施形態の概略構成図。
【図６】前記第３の実施形態の制御動作を表す流れ図。
【符号の説明】
【００２１】
１    タンク
２    ポンプ
３，４  圧力センサ
５，６  切換弁
９    水量センサ
１０    蓄圧器
１１    流量制御弁
２０    水循環通路
２０ａ  水供給通路
２０ｂ  水戻し通路
２１    バイパス通路
２２    切換弁
５０    発電装置
【図１】
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【図２】
2005038742.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005038742.tif 000006
【図５】
2005038742.tif 000007
【図６】
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