JP4824853B2 - 燃料電池用ガス供給装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用ガス供給装置に関し、殊に消費電力を低減すると共に生成水の排出を容易にして燃料電池を適切な状態で運転することのできる燃料電池用ガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池（固体高分子型燃料電池）が注目されている。この燃料電池は、燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（空気）が供給され、電気化学的に発電する。
燃料電池にガスを供給する燃料電池用ガス供給装置としては、燃料電池が発電する電力を動力源とする空気圧縮機を燃料電池の上流に備えて、この空気圧縮機により、供給空気を燃料電池に圧送する形式のものが利用されている。また、例えば特開平８−１６７４２２号公報には、燃料電池の上流に空気コンプレッサを備え、燃料電池の下流に圧力調整弁を備えた空気系（燃料電池用ガス供給装置）の燃料電池が開示されている。
また、燃料電池は、電気化学的反応により水を生成するが、生成した水（以下「生成水」という）が燃料電池の内部に溜まると発電を阻害する。このため、従来は、燃料電池用ガス供給装置における燃料電池の上流に備えた空気圧縮機から供給空気を圧送し、供給空気に同伴して生成水を燃料電池から排出していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、供給空気を圧送する燃料電池用ガス供給装置の場合、燃料電池における圧力損失が大きく、無駄な電力を空気圧縮機の動力として消費してしまうという問題がある。また、生成水は、燃料電池における電気化学的反応が盛んに行われる供給空気の流量が多いときに多く生成される。一方で、供給空気の流量が多いときは、燃料電池における圧力損失も大きい。このため、生成水の排出に多くの動力（電力）を必要とし、生成水の排出を容易に行うことができないという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、前記した課題に鑑み、消費電力が少なく、かつ生成水の排出を容易に行うことができ、もって適切な状態での燃料電池の運転を可能とする燃料電池用ガス供給装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の燃料電池用ガス供給装置は、燃料電池に供給される供給ガスを吸引するガス吸引手段を前記燃料電池の下流に備えると共に、前記供給ガスの圧力を制御する圧力制御弁を前記燃料電池の上流に備え、前記燃料電池の出力を可変に調整する出力調整手段からの出力要求信号に基づいて定まる当該燃料電池の目標発電量に応じて前記ガス吸引手段の吸引量及び前記圧力制御弁の開度が制御される構成を有する。加えて、前記圧力制御弁及び前記ガス吸引手段は、前記燃料電池の電気化学的反応により生成した水を排出するために、前記目標発電量が多いときには、前記目標発電量が少ないときよりも、前記供給ガスの流量が多くなると共に負圧も大きくなるように前記吸引量を増加及び前記開度を減少させる制御を行う構成を有する。
この構成によれば、燃料電池は大気圧以下の負圧で運転される。このため、圧力損失が供給空気を圧送する場合に比べて少なくなる。併せて、負圧であるため、生成水がストローで吸い出されるかのごとく容易に排出される。同時に、負圧により生成水の蒸発が促進される。さらに、供給空気を圧送する場合と吸引する場合とで、供給空気の流量が同じとすれば、供給空気を吸引する方が（負圧にする方が）供給空気の流速が速くなり、もって生成水の蒸発速度を速めることができる。
また、この構成によれば、圧力制御（負圧制御）は、燃料電池の下流に備えたガス吸引手段及び燃料電池の上流に備えた圧力制御弁の双方により行うことができる（ガス吸引手段と圧力制御弁の協調制御）。このため、ガス吸引手段だけで負圧を制御するのに比べて、制御性がよくなると共に負圧を高めるための動力を低減することができる。
【０００６】
また、請求項２に記載の燃料電池用ガス供給装置は、前記燃料電池の目標発電量に応じて、当該目標発電量が多くなると、前記ガス吸引手段の吸引量を多くすると共に前記圧力制御弁の開度を減じることで、前記供給ガスの流量が多くなるようにすると共に前記負圧が大きくなるようにする。
この構成では、例えば、目標発電量が大きくなると、供給ガスの流量を多くすると共に負圧を大きくするように、圧力制御弁及びガス吸引手段が制御される。これによれば、発電が盛んに行われ、電気化学的反応による生成水が多くなる高目標発電量帯域で負圧が大きくなる。このため、生成水が燃料電池の内部に溜まり難くなる。
【０００７】
そして、請求項３に記載の燃料電池用ガス供給装置は、燃料電池に供給される供給ガスを吸引するガス吸引手段を前記燃料電池の下流に備えると共に、前記供給ガスの圧力を制御する圧力制御弁を前記燃料電池の上流に備える構成を有する。加えて、前記圧力制御弁が、前記燃料電池のセル電圧が所定電圧未満になったときは、前記供給ガスの圧力を下げるように制御される構成を有する。
セル電圧の低下の主たる原因は、生成水が燃料電池の内部に溜まることである。この構成によれば、セル電圧が低下した際に負圧を大きくするので、溜まった生成水が負圧で吸い出され（排出され）、セル電圧を回復することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池用ガス供給装置を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施形態の燃料電池用ガス供給装置を含む燃料電池システムの全体構成図であり、図２は燃料電池の構成を模式化した説明図であり、図３は本実施形態で使われる空気流量−目標弁開度マップである。
【０００９】
図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、空気供給装置２、水素供給装置３、及び制御装置４などから構成される燃料電池１を中核とした発電システムである。なお、燃料電池用ガス供給装置ＧＳは、空気供給装置２及び制御装置４から構成される。ちなみに、この燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池電気自動車に搭載されるものとする。
【００１０】
先ず、図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂ及びアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。なお、カソード電極１ｂに含まれる触媒は酸素から酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極１ｄに含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒である。
【００１１】
また、カソード電極１ｂの外側にはカソード電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流するカソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられている。カソード極側ガス通路１ａの入口及び出口は空気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅの入口及び出口は水素供給装置３に接続されている。なお、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学的反応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しない冷却装置を有する。
【００１２】
この燃料電池１は、カソード極側ガス通路１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水（生成水）及び未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出される。また、アノード電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成するが、この生成した電子ｅ-は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。
【００１３】
次に、図１に示すように、燃料電池用ガス供給装置ＧＳの空気供給装置２は、エアクリーナ２１、加湿器２２、負圧制御弁２３、吸引ポンプ２４、吐出圧制御弁２５、流量センサＱ、温度センサＴ１，Ｔ２、湿度センサＨ、圧力センサＰなどから構成される。
【００１４】
エアクリーナ２１は、フィルターなどから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含まれるごみを取り除く。
【００１５】
加湿器２２は、中空糸膜を使用した水透過膜型加湿器である。中空糸膜は、中空通路を有する直径１〜２ｍｍ、長さ数十ｃｍの中空繊維である。加湿器２２は、中空糸膜を数千本束ねてそれぞれ中空容器に収容した２本の中空糸膜モジュール、この２本の中空糸膜モジュールを並列に接続する配管、供給空気Ａの流量や湿度に応じて２本の中空糸膜モジュールを切り替えて使用するための電磁弁や電磁弁コントローラなどの切替手段などから構成される（以上図示外）。なお、電磁弁コントローラは、制御装置４に含まれるものとする。
【００１６】
中空糸膜を使用したこの加湿器２２は、供給空気Ａに排出空気Ａｅが保有する熱を交換する熱交換器の役割を有する。ちなみに、燃料電池１は、８０〜９０℃程度の温度で運転される。このため、供給空気Ａは、６０〜７５℃に温度制御されて燃料電池１に導入される。なお、本実施形態では専用の熱交換器を有しないが、専用の熱交換器を有する構成としてもよい。
【００１７】
負圧制御弁（圧力制御手段）２３は、図示しないバタフライ弁及びこれを駆動するステッピングモータなどから構成され、燃料電池１の内部の圧力（負圧）を、該負圧制御弁２３の弁開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、負圧制御弁２３の弁開度を減少すると燃料電池１の負圧が大きくなる（絶対圧が小さくなる）。また、負圧制御弁２３の弁開度を増加すると燃料電池１の負圧が小さくなる（絶対圧が大きくなり大気圧に近づく）。この燃料電池１の負圧の制御については、後述する。
【００１８】
吸引ポンプ（ガス吸引手段）２４は、図示しないスーパーチャージャ及びこれを駆動するモータなどから構成され、燃料電池１で酸化剤ガスとして使用された後の供給空気Ａ、つまり燃料電池１のカソード極側から排出される排出空気Ａｅを吸引し、圧縮して後段の加湿器２２に送出する。この吸引ポンプ２４は、供給空気Ａを吸引することにより、燃料電池１を負圧（大気圧以下の圧力）で運転する役割を有する。また、吸引ポンプ２４は、排出空気Ａｅを断熱圧縮することにより排出空気Ａｅの温度を高め、排出空気Ａｅを、供給空気Ａを加熱するための熱源（熱媒体）とする役割を有する。なお、この吸引ポンプ２４は、負圧制御弁２３の弁開度が一定の場合、モータの回転速度を速くすることにより、負圧を大きくすることができる。一方、モータの回転速度を遅くすることにより、負圧を小さくすることができる。なお、モータの動力は、燃料電池１が発電する電力（図示しないバッテリなどに蓄えられた電力）である。
【００１９】
吐出圧制御弁２５は、図示しないバタフライ弁及びこれを駆動するステッピングモータなどから構成され、吸引ポンプ２４から吐出される排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）を吐出圧制御弁２５の弁開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、吐出圧制御弁２５の弁開度を減少すると吸引ポンプ２４の吐出圧が高まり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が増加する。また、吐出圧制御弁２５の弁開度を増加すると吸引ポンプ２４の吐出圧が低くなり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少する。
【００２０】
流量計Ｑは、差圧流量計などから構成され、エアクリーナ２１を通流した後の供給空気Ａの流量を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００２１】
温度センサＴ１は、サーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００２２】
温度センサＴ２は、温度センサＴ１と同様にサーミスタなどから構成され、吸引ポンプ２４の出口における排出空気Ａｅの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００２３】
湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサなどから構成され、燃料電池１のカソード極側入口における供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００２４】
圧力センサＰは、ブルドン管、ベローズ、ダイヤフラムやストレインゲージなどから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの圧力を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。なお、本実施形態では、圧力センサＰが検出した圧力を燃料電池１の負圧として制御を行う。
【００２５】
図１に示すように、水素供給装置３は、水素ガスボンベ３１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ３３、三方弁３４などから構成される。
【００２６】
水素ガスボンベ３１は、図示しない高圧水素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純水素であり、圧力は１５〜２０ＭＰｅ（１５０〜２００kg/cm2Ｇ）である。なお、水素ガスボンベ３１は、水素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰｅ（１０kg/cm2Ｇ）程度の圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合もある。
【００２７】
レギュレータ３２は、図示しないダイヤフラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるようにする圧力制御弁である。このレギュレータ３２は、ダイヤフラムに入力する基準圧を大気圧にすると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。また、ダイヤフラムに入力する基準圧を負圧で運転している空気供給装置２の負圧部分の圧力にすると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を当該負圧部分の圧力近辺にまで減圧することができる。ちなみに、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転することにより、通流する水素が外部に漏洩するのを防止することができるので、燃費が向上する。
【００２８】
水素循環ポンプ３３は、図示しないエジェクタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガスとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１のアノード極側から排出され三方弁３４を通流する排出水素Ｈｅを吸引し循環させる。なお、排出水素を循環使用するのは、供給水素Ｈが、水素ガスボンベ３１に貯蔵されている純水素だからである。
【００２９】
三方弁３４は、図示しない流路切替器から構成され、排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位置、循環位置にする。三方弁３４を排出位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素供給装置３の系外に排出される。また、三方弁３４を循環位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素循環ポンプ３３に導かれる。
【００３０】
次に、燃料電池用ガス供給装置ＧＳの制御装置４は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成され、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御すると共に、燃料電池１に供給する供給空気Ａの流量、温度、湿度、そして燃料電池１の負圧を制御する。制御装置４は、前記のとおり各センサＱ，Ｔ１，Ｔ２，Ｈ，Ｐからの検出信号を受信する。また、制御装置４は、加湿器２２、負圧制御弁２３、吸引ポンプ２４、吐出圧制御弁２５に対する制御信号を送信する。以下、供給空気Ａの流量、温度、湿度、及び負圧制御の基本的な部分を説明する。
【００３１】
（１）流量制御
制御装置４は、図示しないアクセルペダルなどの出力調整手段からの出力要求信号に基づいて、目標発電量をマップなどにより決定する。また、この目標発電量から必要とする供給空気Ａの目標流量をマップなどにより決定する。そして、目標流量が増加したときは、吸引ポンプ２４のモータの回転速度を速くするように制御信号を生成し、吸引ポンプ２４に送信する。一方、制御装置４は、目標流量が減少したときは、吸引ポンプ２４のモータの回転速度を遅くするように制御信号を生成し、吸引ポンプ２４に送信する。この際、流量センサＱの検出信号と目標流量の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。
【００３２】
（２）温度制御
制御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの温度が６０℃（下限温度）〜７５（上限温度）℃の目標温度になるように、温度センサＴ１からの検出信号に基づいて、吐出圧制御弁２５の弁開度をステッピングモータにより制御する。具体的には、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が上昇したとき（上昇しそうになったとき）は、吐出圧制御弁２５の弁開度が増加するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し、吐出圧制御弁２５に送信する。これにより、吸引ポンプ２４の吐出圧が低くなり、排出空気Ａｅの温度が低下する。そして、加湿器２２での熱交換量が減り、供給空気Ａの温度が低下する。一方、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、吐出圧制御弁２５の弁開度が減少するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し、吐出圧制御弁２５に送信する。これにより、吸引ポンプ２４の吐出圧が高くなり排出空気Ａｅの温度が上昇する。そして、加湿器２２での熱交換量が増し、供給空気Ａの温度が上昇する。この際、温度センサＴ１の検出信号と目標温度の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。なお、吸引ポンプ２４は、吐出圧制御弁２５の弁開度にかかわらず、目標流量の供給空気Ａを燃料電池１に供給すべく動作する。
【００３３】
ちなみに、フェイルアンドセーフ機構として、制御装置４は、温度センサＴ２の検出信号が所定値以上（１５０℃以上）になると、吸引ポンプ２４などを保護すべく、吐出圧制御弁２５の弁開度を増加する制御信号、及び／又は吸引ポンプ２４の吐出量を低減する制御信号（モータの回転速度を遅くする制御信号）を生成し送信する。これにより、吸引ポンプ２４の吐出側の温度が下がり、吸引ポンプ２４などが熱から保護される。
【００３４】
（３）湿度制御
制御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの湿度が目標湿度範囲になるように、湿度センサＨからの検出信号に基づいて、中空糸膜モジュールを切替手段により切り替える。具体的には、制御装置４は、中空糸膜モジュールを１本だけ使用している場合に、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、空気流量を参照し、空気流量が多ければ、中空糸膜モジュールを２本使用するように、切替手段に制御信号を送信する。これにより、中空糸膜モジュール内における供給空気Ａ及び排出空気Ａｅの流速が適切なものになり、両気体Ａ，Ａｅ間の水分交換が促進され、供給空気Ａの湿度が上昇する。一方、制御装置４は、中空糸膜モジュールを２本とも使用している場合に、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が低下したときは（低下しそうになったときは）、空気流量を参照し、空気流量が少なければ、中空糸膜モジュールを１本だけ使用するように、切替手段に制御信号を送信する。これにより、中空糸膜モジュール内における供給空気Ａ及び排出空気Ａｅの流速が適切なものになり、両気体Ａ，Ａｅ間の水分交換が促進され、供給空気Ａの湿度が上昇する。なお、供給空気Ａの湿度が目標湿度よりも高くなったとき（高くなりそうになったとき）は、前記とは逆の制御を行う。
【００３５】
（４）負圧制御
制御装置４は、図３に示す空気流量−目標弁開度マップ（太い１本の段階的に変化するライン）に基づいて、通常運転時（通常制御時）の燃料電池１の負圧を制御する。
先ず、この図３のマップを説明する。この空気流量−目標弁開度マップは、燃料電池１の負圧を、供給空気Ａの流量（以下「空気流量」という）が少ない帯域では小さく、空気流量が中程度の帯域では中程度に、空気流量が多い帯域では大きくなるようにするためのマップである。
ちなみに、マップに示してある３本の細いラインのうち、下のラインは、空気流量と弁開度から９０ｋＰａの圧力（絶対圧、以下同じ）を得る参考ラインである。同様に、真中のラインは８０ｋＰａの圧力を得る参考ラインである。同様に、上のラインは７０ｋＰａの圧力を得る参考ラインである（標準大気圧は１００．１ｋＰａ）。したがって、このマップから、本実施形態の燃料電池１は、空気流量が少ない帯域では９０ｋＰａで、空気流量が中程度の帯域では８０ｋＰａで、空気流量が多い帯域では７０ｋＰａで運転される。つまり、空気流量が多くなるに連れて負圧制御弁２３により負圧を大きくする構成を有する。
【００３６】
このように、空気流量が多くなると負圧を大きくするのは、空気流量が多くなると、燃料電池１の発電量が大きくなって生成水の量が多くなり、燃料電池１の内部に溜まり易くなるからである（生成水が燃料電池１の内部に溜まると発電を阻害する）。このため、空気流量が多いほど負圧を大きくして、生成水の排出を促す。空気流量は、前記のとおり目標発電量に応じて多くなるようにしてある。
【００３７】
なお、通常運転時（通常制御時）の負圧制御は、制御装置４が、空気流量をアドレスとしてマップを検索し、負圧制御弁２３の目標弁開度を決定することにより行う。制御装置４は、目標弁開度に応じた負圧制御弁２３の弁開度を得るべく制御信号を生成し、負圧制御弁２３のステッピングモータを駆動する。これにより、目標弁開度を実行して、空気流量に応じた所定の負圧を得る。
【００３８】
次に、図４の負圧制御フローチャートを参照して、負圧制御をより具体的に説明する（適宜図１から図３を参照）。この負圧制御は、燃料電池１のセル電圧が低下した場合に負圧を大きくして生成水の排出を促し、セル電圧の回復を行うものである。なお、セル電圧の検出は、図示しないセル電圧センサにより行われる。
【００３９】
（１）通常制御
通常制御時、制御装置４は、燃料電池１の目標発電量から空気流量を決定する（Ｓ１）。具体的には、吸引ポンプ２４の（モータの）回転速度を決定し、該回転速度により吸引ポンプ２４を運転する。また、制御装置４は、流量センサＱの検出値を読み込み（Ｓ２）、図３の空気流量−目標弁開度マップから負圧制御弁２３の目標弁開度を決定し運転を行う（Ｓ３）。また、燃料電池１のセル電圧が下限電圧以下か否かを判断し（Ｓ４）、下限電圧を超えているならば生成水が溜まっていないので、ステップＳ１に戻り、通常制御を行う。これにより燃料電池１は、図３のマップに基づいて、空気流量が多くなると負圧が大きくなるように運転される。
【００４０】
（２）負圧増加制御
一方、ステップＳ４において、セル電圧が下限電圧以下になると、制御装置４は、燃料電池１の内部に生成水が溜まったものと判断し、負圧制御弁２３を１ｄｅｇ閉め（Ｓ５）、所定時間その状態を保持する（Ｓ６）。所定時間は、ここでは数秒以下の短い時間である。なお、負圧制御弁２３を１ｄｅｇ閉めたことにより空気流量が低減する場合は、吸引ポンプ２４のモータの回転速度を増して空気流量を一定にする制御を行う（Ｓ７）。これら動作により、燃料電池１の負圧が大きくなり、生成水の排出が促される。なお、この動作中にスロットルペダルなどが踏み込まれて目標発電量が増加すると、空気流量を増加する制御をステップＳ７で行う。逆に、スロットルペダルの踏み込みが解放されるなどして目標発電量が低減した場合は、生成水の排出を容易にするため、ステップＳ７では、空気流量を低減する制御は行わない。ちなみに、燃料電池１の内部に生成水が溜まり易いのは、前記したとおり燃料電池１の発電量が多い場合である（空気流量も多い）。
【００４１】
そして、制御装置４は、燃料電池１のセル電圧Ｖが復帰電圧未満か否かを判断する（Ｓ８）。セル電圧が復帰電圧以上になっていれば、溜まっていた生成水が排出され問題が解消したと判断できるので、ステップＳ１に戻り通常制御を行う。なお、復帰とは、負圧増加制御から通常制御に、制御の状態が切り替わることを意味する。
本実施形態では、主として負圧制御弁２３により負圧制御を行うので、生成水を排出するための吸引ポンプ２４の動力を大幅に削減することができる。この点、真空ポンプ（吸引ポンプ）だけで負圧を大きくするのとは異なる。また、従来技術のごとく、空気圧縮機により供給空気を圧送することで生成水を排出するのとも異なる。なお、空気流量が一定の場合、負圧が大きくなると生成水の排出が促進されるのは、前記のとおり、負圧による吸引力が強くなること（ストローで液体を吸引するのと同じ原理）、圧力の低下により蒸発が促進されること、供給空気の流速の上昇により蒸発が促進されること、という理由による。
【００４２】
説明を負圧制御フローチャートに戻す。ステップＳ８において、セル電圧が復帰電圧未満の場合は、負圧制御弁２３の弁開度が許容下限弁開度になっているか否かを判断し（Ｓ９）、許容下限弁開度以上であればステップＳ５に戻って、負圧制御弁２３を１ｄｅｇずつ閉めて、徐々に負圧を大きくする負圧増加制御を継続する。これにより、負圧が大きくなり、生成水の排出が促進される。
【００４３】
（３）退避制御
ステップＳ９において、負圧制御弁２３の弁開度が許容下限弁開度になると、以下の退避制御を行う。ちなみに、負圧制御弁２３の許容下限弁開度は、弁が全閉の状態ではなく、供給空気Ａが該負圧制御弁２３の制限を受けながら通流している。この許容下限弁開度は、カソード極側とアノード極側の極間差圧などを考慮して定められる。なお、空気流量は、ステップＳ７で決定された供給空気Ａの流量のままになっている。この退避制御では、アクセルペダルが踏み込まれた場合は、燃料電池１の発電量を上回る電力は、バッテリなどのエネルギバッファから持ち出されてモータなどに供給される。
【００４４】
退避制御では、負圧制御弁２３の弁開度が許容下限弁開度になると、ドライバに警告を表示すると共に、タイマを作動し、所定時間その状態を保持する（Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２）。そして、タイマの制限時間を経過したか否かを判断する（Ｓ１３）。制限時間を経過していない場合は、セル電圧が復帰電圧未満か否かを判断する（Ｓ１４）。復帰電圧以上になっていれば、溜まっていた生成水が排出され、問題が解消したと判断できるので、警告を解除すると共に、タイマを０に戻してこれを停止し（Ｓ１８，Ｓ１９）、ステップＳ１に移行して通常制御を行う。なお、状態を保持する所定時間は、例えば数秒以下の短い時間である。また、タイマの制限時間は所定時間よりも長い任意の時間である。
【００４５】
一方、ステップＳ１４において、セル電圧が復帰電圧未満の場合は、セル電圧が下限電圧以下か否かを判断し（Ｓ１５）、下限電圧以下であればステップＳ１２に移行し、タイマの制限時間を経過したか否かを判断する（Ｓ１３）。制限時間を経過していれば、復帰する見込みがないとして燃料電池システムＦＣＳを停止し（Ｓ１７）、制御を終了する（自動車を停止するようにする）。制限時間を経過していない場合は、ステップＳ１４に移行し退避制御を継続する。
【００４６】
また、ステップＳ１５において、セル電圧が下限電圧を超えていれば、復帰電圧には満たないものの、燃料電池システムＦＣＳの運転を継続するのに大きな支障がないと判断できるので、タイマを０に戻すと共に該タイマの再作動を行い（Ｓ１６）、さらにステップＳ１２に移行し退避制御を継続する。
なお、下限電圧と復帰電圧とで差（ヒステリシス）が設けてあるのは、制御を安定させるためである。
【００４７】
続いて、図５の制御タイムチャートを参照して、図４の負圧制御フローチャートをさらに具体的に説明する（図１から図４を適宜参照）。
図５は、図４の負圧制御フローチャートを実行した制御タイムチャートである。なお、図５の太い線はセル電圧Ｖを示し、細い線は負圧制御弁２３の弁開度を示す。
【００４８】
（パターンａ）
下限電圧以下になったセル電圧Ｖが、復帰電圧以上に回復するパターンａを、図５（ａ）を参照して説明する。
通常制御時、燃料電池１の内部に生成水が溜まり、セル電圧Ｖが低下する。セル電圧Ｖが下限電圧以下になると（ａ１）、負圧制御弁２３を段階的に閉め、負圧を段階的に増加して行く負圧増加制御を行う（図４のＳ５〜Ｓ９）。すると、大きくなった負圧により生成水が排出され、セル電圧Ｖが回復して行く。セル電圧Ｖが復帰電圧にまで回復すると（ａ２）、制御状態が通常制御に復帰する（図４のＳ８）。制御状態が通常制御に復帰すると、負圧制御弁２３は図３のマップに基づいて制御される。なお、パターンａでは、負圧制御弁２３の弁開度は、許容下限弁開度までには至っていない。
【００４９】
（パターンｂ）
下限電圧以下になったセル電圧Ｖが、下限電圧以上で復帰電圧未満に回復するパターンｂを、図５（ｂ）を参照して説明する。
通常制御時、燃料電池１の内部に生成水が溜まり、セル電圧Ｖが低下する。セル電圧Ｖが下限電圧以下になると（ｂ１）、負圧制御弁２３を段階的に閉め、負圧を段階的に増加して行く負圧増加制御を行う（図４のＳ５〜Ｓ９）。パターンｂでは、負圧制御弁２３は、許容下限弁開度まで弁開度が閉じられる（ｂ２）。これにより、セル電圧Ｖが回復し始める。しかし、ｂ２の時点でもセル電圧Ｖは復帰電圧まで回復していないので、今度は、退避制御を行う（図４のＳ１０〜）。退避制御では、負圧制御弁２３を許容下限弁開度に保ったまま、セル電圧Ｖの回復を待つ。これにより、セル電圧Ｖが下限電圧を超えるまでに回復する（ｂ３）。但し、セル電圧Ｖが復帰電圧以上にまでは回復していないので、タイマを０に戻しつつ運転を継続する（図４のＳ１６など）。
なお、図５（ｂ）には示さないが、セル電圧Ｖが復帰電圧以上にまで回復すると、生成水が完全に排出されたと判断できるので、通常制御に復帰する（図４のＳ１４，１８，１９）。
【００５０】
（パターンｃ）
下限電圧以下になったセル電圧Ｖが下限電圧にまでも回復しないパターンｃを、図５（ｃ）を参照して説明する。
通常制御時、燃料電池１の内部に生成水が溜まり、セル電圧Ｖが低下する。セル電圧Ｖが下限電圧以下になると（ｃ１）、負圧制御弁２３を段階的に閉め、負圧を段階的に増加して行く負圧増加制御を行う（図４のＳ５〜Ｓ９）。パターンｃでは、負圧制御弁２３は、許容下限弁開度まで弁開度が閉じられる（ｃ２）。しかし、この時点でもセル電圧Ｖは、復帰電圧まで回復していないので、退避制御を行う（図４のＳ１０〜）。退避制御では、負圧制御弁２３を許容下限弁開度に保ったまま、セル電圧Ｖの回復を待つ。しかし、セル電圧Ｖが下限電圧を超えるまでに回復しないので、タイマによる制限時間が経過し（ｃ３）、異常があるものとして燃料電池システムＦＣＳを停止する（図４のＳ１３，Ｓ１７）。
【００５１】
このように、本実施形態の燃料電池用ガス供給装置は、セル電圧が低下すると負圧を大きくし、生成水の排出を促してセル電圧を回復させる。この際、負圧を大きくするのは、主として負圧制御弁により行うので、吸引ポンプのみによって負圧を大きくするのと異なり、動力（消費電力）を少なくすることができる。当然、従来技術のように供給空気を圧送する場合に比べて、圧力損失が小さいので、その分、動力（消費電力）を低減することができる。また、既に説明したように生成水の排出も容易である。
一方、通常制御においても、燃料電池に生成水が多く生成する発電量が多い帯域（空気量が多い帯域）で負圧を大きくして生成水の排出を促し、円滑な燃料電池システムの運転を行う。この際も、負圧の増加は、圧力制御弁により行われるので、そのときの発電量に応じた適切な空気量が確保され、吸引ポンプの動力に無駄を生じない。
【００５２】
なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。
例えば、燃料電池は、固体高分子型のものに限定されることなく、他の型式の燃料電池にも、本発明の燃料電池用ガス供給装置を適用することができる。
また、水素供給装置は、水素タンクから燃料電池に水素を供給する構成としたが、メタノールなどの液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガスを製造し、これを燃料電池に供給する構成としてもよい。また、排出水素を循環使用する・しないにかかわらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。また、加湿器は、２流体ノズルなどを使用したものでも、超音波を利用したものでもよい。また、加湿器の水透過膜も中空糸膜に限定されることはない。また、吸引ポンプもスーパーチャージャやターボチャージャのようにタービンを回転させるものではなく、レシプロ式のものでもよい。
さらに、図４の負圧制御フローチャートにおいて、負圧制御弁を許容下限弁開度まで絞ってもセル電圧が回復しない場合は、空気流量を増加する制御を併せて行ってもよい。かかる変更実施も、本発明の技術的範囲に属するのはいうまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明した本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、供給空気を圧送する場合に比べて圧力損失が少なくなり、消費電力（動力）を低減することができる。また、生成水の排出が容易になる。加えて、負圧をガス吸引手段と圧力制御弁の双方により制御するので、ガス吸引手段だけで負圧を制御するのと異なり、制御性がよくなると共に消費電力（動力）を低減することができる。したがって、燃料電池を適切な状態で運転することが可能になる。
また、請求項２に記載の発明によれば、目標発電量が多くなると、供給ガスの流量が多くなるようにすると共に負圧が大きくなるようにすることで、生成水が燃料電池の内部に溜まり難くなる。したがって、燃料電池を適切な状態で運転することが可能になる。
そして、請求項３に記載の発明によれば、セル電圧が低下した際、つまり燃料電池の内部に生成水が溜まった際に、生成水の排出を一層積極的に行うことができる。したがって、燃料電池を適切な状態で運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態の燃料電池用ガス供給装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】 図１の燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】 本実施形態で使われる空気流量−目標弁開度マップである。
【図４】 本実施形態の負圧制御を行う際の負圧制御フローチャートである。
【図５】 図４の負圧制御フローチャートを実行した制御タイムチャートであって、（ａ）は下限電圧以下になったセル電圧が復帰電圧以上に回復するパターンａを、（ｂ）は下限電圧以下になったセル電圧が下限電圧以上で復帰電圧未満に回復するパターンｂを、（ｃ）は下限電圧以下になったセル電圧が下限電圧までにも回復しないパターンｃをそれぞれ示す。
【符号の説明】
ＧＳ … 燃料電池用ガス供給装置
ＦＣＳ… 燃料電池システム
Ａ … 供給空気（供給ガス）
Ａｅ … 排出空気（排出ガス）
１ … 燃料電池
２ … 空気供給装置
２２ … 加湿器（熱交換器を兼ねる）
２３ … 負圧制御弁（圧力制御手段）
２４ … 吸引ポンプ（ガス吸引手段）
２５ … 吐出圧制御弁
３ … 水素供給装置
４ … 制御装置

Claims (3)

  1. 燃料電池に供給される供給ガスを吸引するガス吸引手段を前記燃料電池の下流に備えると共に、前記供給ガスの圧力を制御する圧力制御弁を前記燃料電池の上流に備え、前記燃料電池の出力を可変に調整する出力調整手段からの出力要求信号に基づいて定まる当該燃料電池の目標発電量に応じて前記ガス吸引手段の吸引量及び前記圧力制御弁の開度が制御される燃料電池用ガス供給装置であって、
    前記圧力制御弁及び前記ガス吸引手段は、前記燃料電池の電気化学的反応により生成した水を排出するために、前記目標発電量が多いときには、前記目標発電量が少ないときよりも、前記供給ガスの流量が多くなると共に負圧も大きくなるように前記吸引量を増加及び前記開度を減少させる制御を行う構成を有することを特徴とする燃料電池用ガス供給装置。
  2. 前記燃料電池の目標発電量に応じて、当該目標発電量が多くなると、前記ガス吸引手段の吸引量を多くすると共に前記圧力制御弁の開度を減じることで、前記供給ガスの流量が多くなるようにすると共に前記負圧が大きくなるようにすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス供給装置。
  3. 燃料電池に供給される供給ガスを吸引するガス吸引手段を前記燃料電池の下流に備えると共に、前記供給ガスの圧力を制御する圧力制御弁を前記燃料電池の上流に備えた燃料電池用ガス供給装置であって、
    前記圧力制御弁は、前記燃料電池のセル電圧が所定電圧未満になったときは、前記供給ガスの圧力を下げるように制御される構成を有することを特徴とする燃料電池用ガス供給装置。
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