JP2005203180A - 車載用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両挙動が急激に変化したときでも水タンク内の貯水量を適切に管理して燃料電池での発電を安定的に行えるようにし、また、車両挙動が急激に変化した場合に燃料電池の純水極に空気を供給してしまうことで燃料電池の劣化を招くといった問題を有効に回避できるようにする。
【解決手段】ＦＣコントロールユニット３０は、水位センサ２５の検出値が適正水位範囲内に収まるように、ドレンバルブ１９の開閉動作を制御して水タンク１２内の水位を管理する。このとき、水位管理の基準となる適正水位範囲の上限値及び下限値を車両挙動の変化に応じて変更する。また、エネルギコントロールユニット４１は、車両挙動が所定量以上変化した場合には、燃料電池スタック１での発電を制限して、不足分の電力を２次電池４０の放電で賄うように制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両に搭載されて車両の駆動動力源として用いられる車載用燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池の電解質膜を加湿するための水を適切に管理するための技術に関する。

燃料電池システムは、燃料電池の電解質・電極触媒複合体に水素を含む燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを供給し、燃料電池での電気化学反応により発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムに用いられる燃料電池には様々なタイプがあり、中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池は、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、車両の駆動動力源としての用途が期待されている。

ところで、前記固体高分子型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。また、発電により燃料極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときには、水も一緒に移動するため、燃料極側は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜が乾燥する傾向にある。

このようなことから、固体高分子型燃料電池における固体高分子膜は、外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、従来より、固体高分子膜を加湿するための様々な方法が検討されている。

例えば、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気の供給経路に純水噴射手段や水蒸気発生装置、加湿器等を設置し、水素や空気をこれらで十分に加湿した状態で固体高分子型燃料電池に供給することで、固体高分子膜を加湿する方法が知られている（例えば、特許文献１，２，３等を参照。）。

また、固体高分子型燃料電池の内部に純水を直接供給して固体高分子膜の加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムとして、固体高分子型燃料電池の内部に純水が供給される純水極を設け、燃料極及び酸化剤極と純水極とを多孔質材料で構成されたバイポーラプレートで接続し、純水極からバイポーラプレートを介して固体高分子膜に水分を移動させることで、固体高分子膜を加湿するものが知られている（例えば、特許文献４等を参照。）。

ところで、以上のような固体高分子膜の加湿に用いられる水は、通常、水タンクに貯留され、水ポンプの作動によって水タンクから汲み上げられて加湿に供される。したがって、この水タンクに貯留される水量は加湿によって減少することになり、何らかのかたちで補充が必要となるが、この水の補充をシステム外部から行うようにすると、車載用の燃料電池システムでは水の補充のために車両を頻繁に停止させる必要が生じ、実用性が著しく低下することになる。

そこで、前記特許文献３にも記載されているように、車載用の燃料電池システムでは、通常、水分を多く含んだ燃料電池からの排空気を凝縮させて水分を分離し、分離した水分を回収して水タンクに戻すことで、システム内で水収支が成立するようにしている。そして、必要なときに必要な量の加湿水を適切に供給できるように、水タンク内の水位を水位センサで測定して、測定した水位が所定の適正範囲内に収まるように水タンクへの水の回収や排出を制御して、水タンクの貯水量を適正な値に管理するようにしている。
特開平１０−２５５８２８号公報 特開平１１−１６２４９０号公報 特開２０００−２０８１６０号公報 特開２００３−１５１５９７号公報

しかしながら、車載用の燃料電池システムでは、車両の急加速や急停止、急旋回等、車両に急激な挙動変化が生じたときには、水タンク内に貯留された水に偏りが生じるため、水位センサの測定値からは実際の貯水量を正確に把握することができない。そして、従来のように水位センサの測定値が事前に設定された適正範囲内に収まるように水タンクの貯水量を管理するようにしたのでは、例えば、貯水量が不足している状況でも貯水量が過剰であると誤認識して、不要に水分を排出してしまうという事態も生じ得る。そして、水タンク内の貯水量が過小となると、水ポンプが空気を吸引して燃料電池の純水極に送り込んでしまい、燃料電池での安定した発電を阻害する要因となることも懸念され、また、燃料電池自体を劣化させる要因となることも懸念される。

このような問題を回避するために、車両の急激な挙動変化時における水タンク内の水の偏りを想定して、貯水量を管理するための基準となる水位適正範囲（水位管理点）を予め高い値に設定しておくことも考えられるが、水位適正範囲を予め高い値に設定すると、水タンク内には常に多量の水が貯留されることになり、場合によっては水タンクがオーバーフローしてしまって燃料電池の排空気から分離した水分を水タンク内に回収できず、制御不能に陥ることも懸念される。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、車両挙動が急激に変化したときでも水タンク内の貯水量を適切に管理して燃料電池での発電を安定的に行うことができる車載用燃料電池システムを提供し、また、車両挙動が急激に変化した場合に燃料電池の純水極に空気を供給してしまうことで燃料電池の劣化を招くといった問題を有効に回避できる車載用燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明に係る車載用燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単位セルが複数積層されて構成され、燃料極に燃料ガスが供給されると共に酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、この燃料電池の電解質膜を加湿するための水が貯留される水タンクと、この水タンク内の水位を測定する水位センサと、この水位センサの測定値が水位適正範囲内に収まるように、水タンク内の貯水量を管理する貯水量管理手段とを備える。このように構成される車載用燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、貯水量管理手段が車両挙動に応じて水位適正範囲を変更するようにしている。

また、本発明に係る他の車載用燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単位セルが複数積層されて構成され、燃料極に燃料ガスが供給されると共に酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、この燃料電池の電解質膜を加湿するための水が貯蔵される水タンクと、燃料電池で発電された電力を蓄電する蓄電手段と、燃料電池の発電量と蓄電手段の放電量とを管理する電力管理手段とを備える。このように構成される車載用燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、車両挙動が所定量以上変化したときに、電力管理手段が燃料電池の発電量を制限して不足分の電力を前記蓄電手段からの放電電力で賄うように制御することで、水タンク内の水位低下を抑えるようにしている。

本発明に係る車載用燃料電池システムによれば、水タンク内の貯水量を管理する貯水量管理手段が、貯水量を管理するための基準となる水位適正範囲を車両挙動に応じて変更するようにしているので、車両挙動の変化によって水タンク内の水に偏りが生じても、水位センサの測定値が水位適正範囲内にあるかどうかによって水タンク内の貯水量の過不足を適切に判断することができ、水タンク内の貯水量を適切に管理して燃料電池での発電を安定的に行うことができる。

また、本発明に係る他の車載用燃料電池システムによれば、車両挙動が所定量以上変化したときには、燃料電池の発電量と蓄電手段の放電量とを管理する電力管理手段が、燃料電池の発電量を制限して不足分の電力を前記蓄電手段からの放電電力で賄うように制御することで、水タンク内の水位低下を抑えるようにしているので、水タンク内の水位が過剰に低下することで水タンクから空気を吸引して燃料電池に供給してしまうといった不都合を有効に抑制して、これに起因する燃料電池の劣化を未然に防止することができる。

以下、本発明に係る車載用燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した車載用燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、例えば車両に搭載されて車両の駆動動力源として用いられる発電システムであり、発電を行う燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料ガスである水素を供給する水素供給系、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１を加湿するための加湿系を備える。この燃料電池システムは、加湿系から燃料電池スタック１に水を直接供給して加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムとして構成されている。

燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極と空気が供給される酸化剤極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて単位発電セルが構成されると共に、複数の発電セルがセパレータを介して多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、酸化剤極側にそれぞれ移動する。また、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、燃料電池スタック１での発電を適切に行うためには、何らかのかたちで固体高分子電解質膜に水分を供給してこれを加湿する必要がある。本実施形態では、燃料電池スタック１のセパレータとして多孔質材料よりなるバイポーラプレートを用い、また、燃料電池スタック１内部に純水極を設けて、加湿系から燃料電池スタック１内部の純水極に水を供給し、純水極からバイポーラプレートを介して固体高分子電解質膜に水分を移動させることで、固体高分子電解質膜を加湿するようにしている。

水素供給系は、燃料ガスである水素を蓄える水素タンク２と、水素タンク２からの水素を任意の圧力に調整する水素調圧弁３と、エゼクタポンプ４と、水素供給配管５とを有している。そして、水素供給源である水素タンク２から供給される水素が、水素調圧弁３で減圧され、エゼクタポンプ４を介して水素供給配管５から燃料電池スタック１の燃料極へと送り込まれるようになっている。

燃料電池スタック１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、発電に寄与しない余剰分の水素はエゼクタポンプ４により循環され、ここで新たに水素タンク２から供給される水素と混合されて、再び燃料電池スタック１の燃料極に供給される。このため、燃料電池スタック１の燃料極出口とエゼクタポンプ４との間には、余剰分の水素をエゼクタポンプ４に戻すための水素循環配管６が設けられている。

空気供給系は、例えば、外気を吸入して燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を圧送するためのコンプレッサ７と、空気供給配管８とを有し、コンプレッサ７の作動により取り込まれた空気が空気供給配管８から燃料電池スタック１の酸化剤極へと送り込まれるようになっている。また、燃料電池スタック１の酸化剤極出口には、燃料電池スタック１からの排空気を外部に排出するための空気排気配管９が接続されており、この空気排気配管９に空気調圧弁１０が設けられている。燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力は、この空気調圧弁１０によって調整される。また、燃料電池スタック１からの排空気は水分を多く含んでいるので、空気排気配管９の途中に水分離器１１を設置して、この水分離器１１で排空気中の水分を分離して回収するようにしている。

加湿系は、水が貯留される水タンク１２と、水タンク１２内の水を吸引して燃料電池スタック１の純水極に供給するための水ポンプ１３と、水供給配管１４とを有している。そして、水ポンプ１３の作動により水タンク１２から吸引された水が、水供給配管１４から燃料電池スタック１の純水極へと送り込まれるようになっている。

燃料電池スタック１の純水極に供給された水は、純水極を通過する過程でその一部がバイポーラプレートよりなるセパレータを介して固体高分子電解質膜へと移動して、固体高分子電解質膜の加湿に用いられる。また、その他の水分は、燃料電池スタック１での発電によって生じる熱を吸熱して高温の状態で純水極出口から排出される。すなわち、燃料電池スタック１の純水極に供給される水は、固体高分子電解質膜を加湿するための加湿水として用いられる他、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水としても用いられる。

燃料電池スタック１の純水極出口と水タンク１２との間には水戻り配管１５が設けられており、この水戻り配管１５の途中にラジエータ１６が設置されている。そして、燃料電池スタック１の純水極出口から高温の状態で排出された水は、水戻り配管１５を通ってラジエータ１６での熱交換により冷却された後、水タンク１２へと回収される。また、空気排気配管９の途中に設置された水分離器１１と水タンク１２との間には水回収配管１７が設けられており、水分離器１１で燃料電池スタック１からの排空気より分離された水分が、水回収配管１７を通って水タンク１２に回収されるようになっている。

また、水タンク１２には、水タンク１２内に貯留された水を外部に排出するための排水配管１８が設けられており、この排水配管１８の途中にドレンバルブ１９が設置されている。そして、水タンク１２内の貯水量が過剰となった場合には、ドレンバルブ１９を開放することで、水タンク１２内の水を排水配管１８から外部に排出できるようになっている。

また、本実施形態の車載用燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には当該燃料電池スタック１の発電状態を検出する発電状態センサ２１が接続されている。また、水素供給系の水素供給配管５には、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の圧力を検出する圧力センサ２２が設置されており、空気供給系の空気供給配管８には、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を検出する圧力センサ２３、コンプレッサ７の前段には空気流量を検出する流量センサ２４がそれぞれ設置されている。さらに、加湿系の水タンク１２には、当該水タンク１２内の水位を検出するための水位センサ２５が設置されている。そして、これら各センサからの検出値は、ＦＣコントロールユニット３０に入力されるようになっている。

ＦＣコントロールユニット３０は、本実施形態の車載用燃料電池システムにおける各部の制御を司るものであり、上述した各センサからの検出値に基づいて演算処理等を行って、システム内の各部を制御するための制御信号を出力する。具体的には、ＦＣコントロールユニット３０は、例えば、発電状態センサ２１からの燃料電池スタック１の発電状態を示す検出値に基づいて、燃料電池スタック１に供給する水素の最適圧力や空気の最適圧力及び最適流量を求め、この値と圧力センサ２２，２３、流量センサ２４の検出値との偏差を低減させるように、水素調圧弁３や空気調圧弁１０、コンプレッサ７に制御信号を出力する。そして、これら水素調圧弁３や空気調圧弁１０の開度、コンプレッサ７の回転数等がＦＣコントロールユニット３０からの制御信号に応じて制御されることで、燃料電池スタック１に供給する水素の圧力や空気の圧力及び流量が、最適な値に調整されることになる。

また、このＦＣコントロールユニット３０は、水タンク１２内の貯水量を管理する貯水量管理手段としての機能を有しており、水タンク１２内の貯水量が適正な量となるように、例えばドレンバルブ１９の開閉動作を制御することで、水タンク１２内の貯水量を調整するようになっている。具体的には、ＦＣコントロールユニット３０は、水タンク１２に設置された水位センサ２５の検出値を読み込んで、この読み込んだ水位センサ２５の検出値が、水タンク１２内の適正貯水量を示す水位適正範囲内に収まっているかどうかを判定する。そして、水位センサ２５の検出値が水位適正範囲の上限値を超えていたら貯水量が過剰な状態にあると判断して、ドレンバルブ１９に制御信号を出力してこれを開放し、水タンク１２内の水を外部に排出させる。これにより水タンク１２内の貯水量が減少していくことになるが、水位センサ２５の検出値が水位適正範囲の下限値を下回ると、ＦＣコントロールユニット３０はドレンバルブ１９に制御信号を出力してこれを閉塞し、水の排出を停止する。その後、燃料電池スタック１での生成水が水タンク１２内に回収されることで、水タンク１２内の貯水量が増加していくことになる。ＦＣコントロールユニット３０は、以上の処理を繰り返すことによって、水タンク１２内の貯水量が適正な量となるように、貯水量の管理を行っている。

ここで、特に、本実施形態の車載用燃料電池システムにおいては、このＦＣコントロールユニット３０が、水タンク１２内の貯水量を管理するにあたって、貯水量を管理するための基準となる水位適正範囲の上限値及び下限値を車両挙動に応じて変更することで、車両挙動に急激な変化が生じた場合でも、これに応じて水タンク１２内の貯水量を適切に管理できるようにしている。以下、この本実施形態の車載用燃料電池システムに特徴的なＦＣコントロールユニット３０による車両挙動に応じた貯水量管理について、具体的に説明する。

車両に搭載される車載用燃料電池システムでは、車両挙動に変化が生じると、水タンク１２内の水が慣性力によって移動することにより、水タンク１２内で水の偏りが生じて見かけ上の水位が上昇することになる。この水タンク１２内での水の偏りは車両挙動の変化量が大きいほど顕著に表れ、水位センサ２５の検出値は車両挙動の変化量に比例して大きな値となる。したがって、従来のように、事前に設定された固定の水位適正範囲を貯水量の適正判断の基準として、この水位適正範囲内に水位センサ２５の検出値が収まっているかどうかによって、水タンク１２内の貯水量が適正な量であるかどうかを判断しようとすると、車両挙動が変化したときには判断を誤り、不適切な制御を行ってしまうことも想定される。

具体的には、例えば、水タンク１２内の貯水量が不足ぎみとなっているにも拘わらず、車両挙動の変化により水位センサ２５の検出値が事前に設定された水位適正範囲の上限値を超えた値となるといった状況も想定され、このような場合には、ＦＣコントロールユニット３０が、水タンク１２内の貯水量が過剰な状態にあると誤認識して水タンク１２から水を排出する制御を行い、水タンク１２内の貯水量を更に低減させてしまうことになる。そして、水タンク１２内の貯水量が過小となると、水ポンプ１３が空気を吸引して燃料電池スタック１の純水極に送り込んでしまい、燃料電池スタック１内で部分的に空気と水素との差圧が保てずに安定した発電が行えなくなることも懸念され、また、燃料電池スタック１自体を劣化させる要因となることも懸念される。

そこで、本実施形態の車載用燃料電池システムにおいては、ＦＣコントロールユニット３０が、車両挙動に変化が生じた場合に水位適正範囲の上限値及び下限値を変化前よりも高い値に変更し、水位センサ２５の検出値が変更した水位適正範囲内に収まるように水タンク１２内の貯水量を管理することで、車両挙動に変化が生じた場合でも、不適切な制御を行うことなく水タンク１２内の貯水量を適正な値に維持し、上述した問題を回避できるようにしている。すなわち、本実施形態の車載用燃料電池システムでは、ＦＣコントロールユニット３０に対して、上述した各センサの検出値の他、車両の挙動変化を判断するための各種センサの検出値も入力されるようになっている。そして、ＦＣコントロールユニット３０がこれらセンサの検出値から車両の挙動変化を判断し、例えば、予め実験等を行って作成した、車両の挙動変化とそのときの水の偏りを考慮した水位適正範囲との対応関係を示すテーブルを参照して、車両挙動変化に対応した水位適正範囲の上限値及び下限値を求め、これを基準として水位センサ２５の検出値をもとに水タンク１２内の貯水量が適正な量となっているかどうかを判断するようにしている。

車両の挙動変化を検出するためのセンサとしては、例えば、車両の前後方向における加減速状態を検出する前後Ｇセンサや、車両の横方向における加減速状態を検出する横Ｇセンサ、車両の重心回りでの回転量の変化状態を検出するヨーレートセンサ等が挙げられる。ここでは、簡単のために、前後Ｇセンサ３１の検出値がＦＣコントロールユニット３０に入力され、ＦＣコントロールユニット３０がこの前後Ｇセンサ３１の検出値に応じて水位適正範囲の上限値及び下限値を変更する場合を例に挙げて説明するが、その他、横Ｇセンサやヨーレートセンサ等の車両の挙動変化を検出し得る他のセンサの検出値に応じて水位適正範囲の上限値及び下限値を変更するようにしても良いし、複数のセンサの検出値から車両挙動を総合的に判断し、それに応じて水位適正範囲の上限値及び下限値を変更するようにしても良い。

ここで、ＦＣコントロールユニット３０により実行される本実施形態に特徴的な処理の概要について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。なお、この図２に示す制御フローは、ＦＣコントロールユニット３０によって所定周期毎に繰り返し実行されるものである。

本制御フローがスタートすると、ＦＣコントロールユニット３０は、先ず、ステップＳ１において、水タンク１２に設置された水位センサ２５の検出値を読み込むと共に、ステップＳ２において、前後Ｇセンサ３１の検出値を読み込む。

次に、ステップＳ３において、例えば図３に示すような車両の前後Ｇと水位適正範囲との相関関係を示すテーブルを参照し、ステップＳ２で読み込んだ前後Ｇセンサ３１の検出値に対応した水位適正範囲の上限値Ｓ１及び下限値Ｓ２を求める。なお、図３に示すようなテーブルデータは、予め実車を用いた実験等を行うことで求めることができ、通常、車両挙動の変化量が大きいほど水位適正範囲の上限値Ｓ１及び下限値Ｓ２は高い値となる。したがって、ＦＣコントロールユニット３０は、車両挙動の変化量（本例では前後Ｇセンサ３１の検出値）が大きいほど水位適正範囲の上限値Ｓ１及び下限値Ｓ２を高い値に設定することになる。

次に、ステップＳ４において、ステップＳ１で読み込んだ水位センサ２５の検出値がステップＳ３で求めた水位適正範囲の上限値Ｓ１を超えているかどうかを判定する。ここで、水位センサ２５の検出値が水位適正範囲の上限値Ｓ１を超えている場合には、水タンク１２内の貯水量が過剰になっていると判断し、ステップＳ５において、ドレンバルブ１９を開放して水タンク１２内の水を外部に排出させ、ステップＳ６へと処理を移行する。一方、水位センサ２５の検出値が水位適正範囲の上限値Ｓ１以下であれば、ドレンバルブ１９を開放することなくステップＳ６へと移行する。

ステップＳ６では、ステップＳ１で読み込んだ水位センサ２５の検出値がステップＳ３で求めた水位適正範囲の下限値Ｓ２以下であるかどうかを判定する。そして、水位センサ２５の検出値が水位適正範囲の下限値Ｓ２以下となっている場合には、ステップＳ７においてドレンバルブ１９を閉に切り替えてリターンし、水位センサ２５の検出値が水位適正範囲の下限値Ｓ２を超えている場合には、ドレンバルブ１９の切り替えを行うことなくリターンする。

本実施形態の車載用燃料電池システムでは、ＦＣコントロールユニット３０が所定周期毎に以上のような制御フローを繰り返し実行することによって、車両に急激な挙動変化が生じた場合でも、水タンク１２内の貯水量を適切に管理できるようにしている。

以上説明したように、本実施形態の車載用燃料電池システムによれば、ＦＣコントロールユニット３０が、車両挙動に変化が生じた場合に水位適正範囲の上限値及び下限値を変化前よりも高い値に変更し、水位センサ２５の検出値が変更した水位適正範囲内に収まるように水タンク１２内の貯水量を管理するようにしているので、車両挙動に変化が生じた場合でも、不適切な制御を行うことなく水タンク１２内の貯水量を適正な量に維持することができ、燃料電池スタック１での発電を安定的に行うことができる。

なお、水タンク１２の容量には限りがあるので、水タンク１２内の貯水量がある程度増加している状態では、車両挙動に急激な変化が生じた場合でも水タンク１２内の水の移動がその容量で制限されるため、その偏りも小さくなる。この場合には、車両挙動が更に大きく変化しても、水ポンプ１３が空気を吸引してしまうといった問題が生じないので、水位適正範囲を更に高い値に変更する必要がない。その反面、水位適正範囲の上限値がある程度高い値に設定されている状況において、車両挙動が更に大きく変化したことに伴って水位適正範囲の上限値を更に高い値に設定すると、水タンク１２内の貯水量が過剰になっても水タンク１２からの水の排出を行えず、水タンク１２がオーバーフローしてしまって燃料電池スタック１からの水を回収できなくなるという問題が生じる。

このような観点から、水位適正範囲の上限値Ｓ１として設定し得る値に制限を設けるようにし、車両挙動の変化量が所定量以上の場合には、水位適正範囲の上限値Ｓ１を所定の値に設定することが望ましい。すなわち、図２に示す制御フローのステップＳ３で水位適正範囲の上限値Ｓ１及び下限値Ｓ２を設定する際に、車両挙動の変化量が所定量以上の場合（上述した例では、前後Ｇセンサ３１の検出値が所定値を超える場合）には、車両挙動の変化量に応じて水位適正範囲の上限値Ｓ１を無制限に高い値に設定するのではなく、水タンク１２の容量等に応じて決定される所定の上限値に設定することが望ましい。これにより、水タンク１２内の貯水量が過剰となった場合の排水をより確実に行うことができ、水タンク１２内の貯水量をより適切に管理することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した車載用燃料電池システムの他の例について説明する。

図４は、本実施形態の車載用燃料電池システムを示す概略構成図である。この本実施形態の車載用燃料電池システムは、上述した第１の実施形態の車載用燃料電池システムの構成に加えて、２次電池４０と、エネルギコントロールユニット４１とを備えている。その他の構成要素は第１の実施形態の車載用燃料電池システムと同様であるので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略し、以下、本実施形態に特徴的な部分を中心に説明する。

２次電池４０は、燃料電池スタック１で発電された電力を蓄電し、必要に応じて放電を行うことで、燃料電池スタック１で発電量が不足する場合や応答遅れが生じた場合に、その不足分の電力を補うものである。

エネルギコントロールユニット４１は、電力供給源となる燃料電池スタック１と２次電池４０との協調を図って、燃料電池スタック１から取り出す電力量や２次電池４０の放電量を管理し、ドライバのアクセル操作等に応じて必要とされる電力を燃料電池スタック１や２次電池４０に要求し、燃料電池スタック１から取り出した電力や２次電池４０の放電によって得られる電力を、図示しない駆動モータ等の車両負荷に供給するものである。

すなわち、このエネルギコントロールユニット４１には、図示を省略するが、アクセル開度を検出するアクセルセンサの検出値やシステムの作動状態を検出するための各種センサの検出値が入力されるようになっている。そして、エネルギコントロールユニット４１は、アクセルセンサの検出値等に基づいて車両の要求電力量を算出すると共に、システムの作動状態に応じて、燃料電池スタック１の発電量で要求電力量が全て賄えるときは燃料電池スタック１から要求電力量が取り出せるようにＦＣコントロールユニット３０に制御信号を出力し、燃料電池スタック１での発電量が不足するときは、不足分の電力を２次電池４０の放電で賄えるように電力の配分を決定し、それに応じた制御信号を出力する。

また、特に本実施形態の車載用燃料電池システムにおいては、このエネルギコントロールユニット４１に、車両の挙動変化を判断するための各種センサの検出値も入力されるようになっている。そして、エネルギコントロールユニット４１が、これらセンサの検出値から車両の挙動変化を判断し、車両挙動が所定量以上変化したときには、燃料電池スタック１での発電量を制限して、燃料電池スタック１ではアイドル状態を維持するのに最低限必要な最低アイドル電力量のみが発電されるようにし、不足分の電力を２次電池４０の放電で賄うように、電力の配分を決定するようになっている。

車両の挙動変化を検出するためのセンサとしては、例えば、車両の前後方向における加減速状態を検出する前後Ｇセンサや、車両の横方向における加減速状態を検出する横Ｇセンサ、車両の重心回りでの回転量の変化状態を検出するヨーレートセンサ等が挙げられる。ここでは、簡単のために、前後Ｇセンサ３１の検出値がエネルギコントロールユニット４１に入力され、車両の前後方向における加減速が所定量以上となった場合に、エネルギコントロールユニット４１が燃料電池スタック１での発電量を制限して不足分の電力を２次電池４０の放電で賄うように電力の配分を決定する場合を例に挙げて説明するが、その他、横Ｇセンサやヨーレートセンサ等の車両の挙動変化を検出し得る他のセンサの検出値から車両挙動の変化量を判断するようにしても良いし、複数のセンサの検出値から車両挙動の変化量を総合的に判断するようにしても良い。

ここで、エネルギコントロールユニット４１により実行される本実施形態に特徴的な処理の概要について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。なお、この図５に示す制御フローは、エネルギコントロールユニット４１によって所定周期毎に繰り返し実行されるものである。

本制御フローがスタートすると、エネルギコントロールユニット４１は、先ず、ステップＳ１１において、前後Ｇセンサ３１の検出値を読み込み、ステップＳ１２において、前後Ｇセンサ３１の検出値が予め設定された所定値Ｌを上回っているかどうかを判定する。ここで、所定値Ｌは、車両の前後方向の加減速時に生じる水タンク１２内の水の偏りによって水ポンプ１３が空気を吸引してしまう可能性のある値として、予め実車を用いた実験等を行うことで求められる。

ステップＳ１２の判定の結果、前後Ｇセンサ３１の検出値が所定値Ｌを上回っている場合には、水タンク１２内の水の偏りによって水ポンプ１３が空気を吸引してしまう可能性が生じうると判断し、ステップＳ１３において、燃料電池スタック１がアイドル状態を維持するのに最低限必要な最低アイドル電力量のみを発電するように、燃料電池スタック１での発電量を制限する。そして、ステップＳ１４において、不足分の電力を２次電池４０の放電で賄うように、２次電池４０に対する放電要求を行ってリターンする。これにより、加湿系から燃料電池スタック１の純水極へと供給される加湿水の供給量が大幅に低減されて水タンク１２内の水位低下が抑制され、水ポンプ１３が空気を吸引して燃料電池スタック１の純水極に供給してしまう不都合を未然に防止することができる。また、燃料電池スタック１では最低限の発電が継続されるので、熱水収支を成立させた状態を維持してドライアウト防止を図ることができ、水タンク１２内の水の偏りが解消したときには、通常の発電状態へと迅速に復帰することができる。

一方、ステップＳ１２の判定の結果、前後Ｇセンサ３１の検出値が所定値Ｌを上回っていない場合には、エネルギコントロールユニット４１は、ステップＳ１５において、燃料電池スタック１での発電量を制限することなく通常通りの電力取り出しを行ってリターンする。

本実施形態の車載用燃料電池システムでは、エネルギコントロールユニット４１が所定周期毎に以上のような制御フローを繰り返し実行することによって、車両に急激な挙動変化が生じた場合でも、水タンク１２内の大幅な水位低下を抑えて、水ポンプ１３が空気を吸引して燃料電池スタック１の純水極に供給してしまう不都合を防止できるようにしている。

以上説明したように、本実施形態の車載用燃料電池システムによれば、車両挙動が所定量以上変化したときには、エネルギコントロールユニット４１が燃料電池スタック１での発電量を制限して、不足分の電力を２次電池４０の放電で賄うようにしているので、車両に急激な挙動変化が生じた場合でも、水タンク１２内の大幅な水位低下を抑えて、水ポンプ１３による空気吸引を有効に抑制し、これに起因する燃料電池スタック１の劣化等の問題を未然に防止することができる。

また、以上のようなエネルギコントロールユニット４１による制御と平行して、ＦＣコントロールユニット３０が第１の実施形態と同様の制御を行うようにすれば、水タンク１２内の貯水量を適正な量に維持しながら車両挙動変化時の水位低下を抑制できるので、水ポンプ１３による空気吸引をより確実に防止して、これに起因する燃料電池スタック１の劣化等の問題を未然に防止することができる。

なお、以上説明した例では、エネルギコントロールユニット４１が、前後Ｇセンサ３１等のセンサの検出値に基づいて車両挙動が所定量以上変化したか否かを判定するようにしているが、エネルギコントロールユニット４１は、スタビリティ系の車両制御システムを制御するコントロールユニットとの連携により、スタビリティ系の車両制御システムが作動した場合に車両に急激な挙動変化が生じていると判定して、燃料電池スタック１での発電量を制限するようにしても良い。

ここで、スタビリティ系の車両制御システムとは、例えば、ＡＢＳ（Antilock Brake System）、ＶＤＣ（Vehicle Dinamics Control）システム、ＴＣＳ（Trsction Control System）、ＨＩＣＡＳ（High Capacity Actively Controlled Suspension）制御システム等の、車両挙動を制御するための各種制御システムをいう。これらスタビリティ系の車両制御システムは、車両挙動に急激な変化が生じたとき作動し、或いはこれらの作動によって車両挙動に急激な変化が生じることになるので、これらが作動したかどうかによって間接的に車両挙動の急激な変化を判定することができる。

以下、簡単のために、ＡＢＳの動作を制御するコントロールユニットとの連携により、エネルギコントロールユニット４１が車両に急激な挙動変化が生じているかどうかを判定する場合を例に挙げて、エネルギコントロールユニット４１により実行される処理の概要について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。

この場合、エネルギコントロールユニット４１は、先ず、ステップＳ２１において、ＡＢＳの動作を制御するコントロールユニットからＡＢＳ作動フラグを読み込む。ＡＢＳ作動フラグは、ＡＢＳを作動する際にオンとされるフラグである。次に、エネルギコントロールユニット４１は、ステップＳ２２において、ＡＢＳ作動フラグがオンとなっているかどうか、すなわちＡＢＳが作動状態にあるかどうかを判定する。

そして、ＡＢＳ作動フラグがオンとなっている場合には、車両の急激な挙動変化により水タンク１２内に水の偏りが生じて水ポンプ１３が空気を吸引してしまう可能性があると判断し、ステップＳ２３において、燃料電池スタック１がアイドル状態を維持するのに最低限必要な最低アイドル電力量のみを発電するように、燃料電池スタック１での発電量を制限する。そして、ステップＳ２４において、不足分の電力を２次電池４０の放電で賄うように、２次電池４０に対する放電要求を行ってリターンする。これにより、加湿系から燃料電池スタック１の純水極へと供給される加湿水の供給量が大幅に低減されて水タンク１２内の水位低下が抑制され、水ポンプ１３が空気を吸引して燃料電池スタック１の純水極に供給してしまう不都合を未然に防止することができる。また、燃料電池スタック１では最低限の発電が継続されるので、熱水収支を成立させた状態を維持してドライアウト防止を図ることができ、水タンク１２内の水の偏りが解消したときには、通常の発電状態へと迅速に復帰することができる。

一方、ＡＢＳの動作を制御するコントロールユニットから読み込んだＡＢＳ作動フラグがオフとなっている場合には、エネルギコントロールユニット４１は、ステップＳ２５において、燃料電池スタック１での発電量を制限することなく通常通りの電力取り出しを行ってリターンする。

本例では、エネルギコントロールユニット４１が以上の制御フローを所定周期毎に繰り返し実行することによって、上述した例と同様に、車両に急激な挙動変化が生じた場合における水タンク１２内の大幅な水位低下を抑えて、水ポンプ１３による空気吸引を有効に抑制し、これに起因する燃料電池スタック１の劣化等の問題を未然に防止することができる。

第１の実施形態の燃料電池システムを示す概略構成図である ＦＣコントロールユニットによって所定周期毎に実行される制御フローを示すフローチャートである。 車両の前後Ｇと水位適正範囲との相関関係を表すテーブルの一例を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムを示す概略構成図である。 エネルギコントロールユニットによって所定周期毎に実行される制御フローの一例を示すフローチャートである。 エネルギコントロールユニットによって所定周期毎に実行される制御フローの他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１２ 水タンク
１３ 水ポンプ
１９ ドレンバルブ
２５ 水位センサ
３０ ＦＣコントロールユニット
３１ 前後Ｇセンサ
４０ ２次電池
４１ エネルギコントロールユニット

Claims (8)

1. 燃料極と酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単位セルが複数積層されて構成され、前記燃料極に燃料ガスが供給されると共に前記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の電解質膜を加湿するための水が貯留される水タンクと、
   前記水タンク内の水位を測定する水位センサと、
   前記水位センサの測定値が水位適正範囲内に収まるように、前記水タンク内の貯水量を管理する貯水量管理手段とを備え、
   前記貯水量管理手段は、車両挙動に応じて前記水位適正範囲を変更することを特徴とする車載用燃料電池システム。
2. 前記貯水量管理手段は、車両挙動が変化したときに、前記水位適正範囲の上限値及び下限値を変化前よりも高い値に変更することを特徴とする請求項１に記載の車載用燃料電池システム。
3. 前記貯水量管理手段は、車両挙動の変化量が大きいほど前記水位適正範囲の上限値及び下限値を高い値に変更することを特徴とする請求項２に記載の車載用燃料電池システム。
4. 車両の前後方向における加減速状態を検出する加減速状態検出手段を備え、
   前記貯水量管理手段は、車両の前後方向における加減速が大きいほど前記水位適正範囲の上限値及び下限値を高い値に変更することを特徴とする請求項３に記載の車載用燃料電池システム。
5. 車両の横方向における加減速状態を検出する横加減速状態検出手段を備え、
   前記貯水量管理手段は、車両の横方向における加減速が大きいほど前記水位適正範囲の上限値及び下限値を高い値に変更することを特徴とする請求項３に記載の車載用燃料電池システム。
6. 車両の回転量の変化状態を検出する回転量変化状態検出手段を備え、
   前記貯水量管理手段は、車両の回転量の変化状態が大きいほど前記水位適正範囲の上限値及び下限値を高い値に変更することを特徴とする請求項３に記載の車載用燃料電池システム。
7. 前記貯水量管理手段は、車両挙動の変化量が所定量以上の場合には、車両挙動の変化量の大きさに拘わらず、前記水位適正範囲の上限値を所定の値に設定することを特徴とする請求項３乃至６の何れかに記載の車載用燃料電池システム。
8. 燃料極と酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単位セルが複数積層されて構成され、前記燃料極に燃料ガスが供給されると共に前記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の電解質膜を加湿するための水が貯蔵される水タンクと、
   前記燃料電池で発電された電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記燃料電池の発電量と前記蓄電手段の放電量とを管理する電力管理手段とを備え、
   車両挙動が所定量以上変化したときに、前記電力管理手段が前記燃料電池の発電量を制限して不足分の電力を前記蓄電手段からの放電電力で賄うように制御することで、前記水タンク内の水位低下を抑えることを特徴とする車載用燃料電池システム。

Images