JP2005310653A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で燃料ガス濃度及び／又は不純物ガス濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック２０を通過した燃料を再度燃料電池スタックに循環させるアノード経路７６を備えた燃料電池システムであり、前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出する。圧力損失は配管内に配置される差圧計５８や圧力計で測定できるので、特別な測定機器を必要とせず、簡易な構成でガス濃度を推定することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料循環経路内における燃料ガス濃度の推定に関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。この燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを用いて電気化学反応により電力を発生する。燃料電池スタック内に導入された燃料ガスはそのすべてが酸素と反応して水蒸気となるわけではなく、燃料ガスの一部はそのまま燃料電池スタックを通過し、水蒸気とともに排気される。この通過した燃料ガスをそのまま外気に放出すると燃料ガスが無駄になるので、燃料電池スタックの燃料極からの排気を循環させて再度燃料極に導入することが行われている。

特開２００３−３１７７５２号公報は、水素循環系内のガス中の音速を求め、これに基づいてガス中の水素ガス濃度又は不純物ガス濃度を推定することを開示している。そして、水素流量が閾値以下で不純物ガス存在量が閾値以上であるときにパージを行うこととして、燃料電池システムのエネルギー効率を高めることを開示している。
特開２００３−３１７７５２号公報

しかしながら、この従来技術においては、音速測定のための超音波受発信器が必要であり、装置の複雑化、高コスト化、メンテナンスの困難化を招くという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、簡易な構成で燃料ガス濃度及び／又は不純物ガス濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのアノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムに係る。そして、前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出する。圧力損失は配管内に配置される差圧計や圧力計で測定できるので、特別な測定機器を必要とせず、簡易な構成でガス濃度を推定することができる。

また本発明の燃料電池システムは、前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記アノード経路からの排気を制御する。上記と同様に簡易な構成で圧力損失を測定することができ、これに基づいてアノード経路からの排気を制御するので、システムの効率及び安定性を有効に確保することができる。

また本発明の燃料電池システムは、前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記燃料電池スタックの電解質膜の状態を判定する。上記と同様に簡易な構成で圧力損失を測定することができ、これに基づいて電解質膜の状態を判定するので、運転中であっても膜劣化判定ができ、迅速に運転者等に対するメンテナンス情報を提供することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記圧力損失は、前記アノード経路中の逆止弁前後の圧力差の計測により導出することが望ましい。逆止弁前後は圧力損失が生じやすいので、圧力損失を適切に測定することができるし、圧力損失発生のための特別な構造をとる必要がないので優れている。なお、上記アノード経路には、前記燃料電池スタックのアノード極から排出された燃料を再度アノード極に循環させる循環経路を含む構成がより好ましい。

本発明によれば、簡易な構成で燃料ガス濃度及び／又は不純物ガス濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供することができる。

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１．第１実施形態の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。

同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池スタック２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ１１、空気を加圧するコンプレッサ１２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器１３が設けられている。なお、エアフィルタには空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池スタック２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁１４及び加湿器１３が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）１４は燃料電池スタック２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０はコンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池スタック２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給圧力を調整する水素調圧弁３２、遮断弁４１、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁３９、遮断弁３３及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

燃料電池スタック２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５の遮断弁４１の下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、水素オフガスの排出を制御する遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁４０が設けられている。水素オフガスを加圧する手段としては、水素ポンプ３７に代え、エジェクタを用いてもよい。好ましくは、逆流阻止弁４０の前後の差圧を計測する差圧計５８、又は逆流阻止弁４０の前後にそれぞれ設けられその圧力を計測する圧力センサを備えることにより、水素循環路７６における圧力損失を計測し、後述のように水素濃度又は不純物ガス濃度を推定する。また、水素循環路７６のガス流量を取得するために、好ましくは水素循環路７６にも流量計を設け、或いは水素ポンプ３７の回転数のカウント手段を設ける。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池スタック２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁４０は燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。この水素循環路７６から燃料供給路７５との合流点を通って燃料電池スタックの燃料極に至る一連の経路が本発明におけるアノード経路に相当する。

水素循環路７６は排気シャットバルブ（パージ弁）３８を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。排気シャットバルブ３８は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環により燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

更に、燃料電池スタック２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池スタック２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）２１、冷却水を加圧して循環させるポンプ２２及び燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない演算装置や記憶装置を備えた制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。

＜２．ガス濃度の推定原理＞
次に、本発明の実施形態における水素ガス濃度又は不純物ガス濃度の推定方法について、その原理を説明する。

＜２−１．前提＞
まず、ガスの定常流れにおいて、システムの圧力損失は密度に比例する。例えば燃料ガスである水素ガスの分子量は２、不純物ガスである窒素ガスの分子量は２８であるから、例えば水素ガス１００％の場合に対して窒素ガス１００％の場合は密度が１４倍、圧力損失も１４倍となる。

次に、水素循環系内のガスは、水素、窒素、水蒸気がそのほとんどを占める。窒素は空気極から透過してきた不純物ガス、水蒸気は水素と酸素の電気化学反応による生成物である。これらのうち水蒸気の量は、（燃料電池スタック出口では）ほぼ飽和蒸気になると考えられる。

以上より、圧力損失の変化量は窒素ガスの増加量と１対１の関係になり、圧力損失に基づいて窒素ガス濃度及び水素ガス濃度の推定が可能である。

＜２−２．計算方法＞
次に、ガス濃度推定のための計算方法の具体例を説明する。

ある温度での飽和蒸気圧をＰ_H2O、
系内のガス圧力をＰ_sys、
とすると、系内の水蒸気の割合Ｗ_H2O（％）は、
Ｗ_H2O（％）＝Ｐ_H2O／Ｐ_sys×１００（％）
となる。

その温度での湿度１００％の水素ガスの圧力損失（窒素濃度０％の場合）をＰ_L1、
水素濃度Ｗ_H2のときの圧力損失をＰ_L2、
とすると、
Ｐ_L1：Ｐ_L2＝｛Ｗ_H2O×１８＋（１００−Ｗ_H2O）×２｝：｛Ｗ_H2O×１８＋Ｗ_H2×２＋（１００−Ｗ_H2O−Ｗ_H2）×２８｝
の関係が成り立ち、この式を解くと水素濃度Ｗ_H2が求まる。なお、式中、１８は水分子量、１００−Ｗ_H2O−Ｗ_H2は窒素濃度である。

なお、以上の計算は一例を示したに過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、予め特性マップを作成しておいて、パラメータを入力するだけで水素ガス濃度及び窒素ガス濃度が得られるようにしても良いし、この特性マップの作成方法についても計算値ではなく実験値を用いてもよい。

また、燃料オフガスの圧力損失の計測位置及び方法はアノード経路内なら特に限定されず、例えば圧力損失を生じるオリフィスを別途設けてその前後の差圧を計測してもよい。また、水素循環路７６と燃料供給路７５の合流点より下流に設けてもよい。但し、燃料電池スタックを挟む２点間の差圧から圧力損失を得る場合は、
圧力損失＝差圧−スタック内で消費する圧力（燃料電池電流量から算出する）−クロスリーク量
により圧力損失を得ることができる。

＜３．ガス濃度の推定動作＞
次に、図２に示すフローチャートを参照して本実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０によるガス濃度推定動作について説明する。制御部５０は上述のように制御用コンピュータによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。

まず、排気シャットバルブ３８が閉じているかどうかを確認する（ステップ１１）。排気シャットバルブ３８が開いている場合は（ステップ１１：ＮＯ）、水素パージ中であり、ガス濃度推定の必要がないのでリターンして次の動作タイミングを待つ。排気シャットバルブ３８が閉じている場合（ステップ１１：ＹＥＳ）、アノード経路の所定の２点間における差圧を差圧計５８の出力から読取り、ガス温度及び流量を温度センサ６３及び流量計より取得する（ステップ１２）。

読取られた差圧から圧力損失Ｐ_L2がわかり、ガス温度から飽和水蒸気量Ｗ_H2O及び水素ガスの圧力損失Ｐ_L1がわかるので、上記の計算により水素ガス濃度と窒素ガス濃度を算出する（ステップ１３）。ガス濃度が算出されたら窒素ガス濃度（と必要に応じて水素ガス濃度）を記憶装置に記憶させる（ステップ１４）。

＜４．排気シャットバルブ駆動動作＞
次に、図３に示すフローチャートを参照して本実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による排気シャットバルブ駆動動作について説明する。

まず、図２の処理によって推定された水素ガス濃度及び窒素ガス濃度を取得する（ステップ２１）。次に、得られた窒素ガス濃度に基づいてシステム損失量（水素ポンプ動力増加量＋燃料電池出力低下量）を計算する（ステップ２２）。窒素ガス濃度が増加すると充分な水素ガスを燃料電池に送るためには多くのガスを送る必要があり、また、ガス密度が増加することから、圧力損失も大きくなるので水素ポンプ３７の必要動力が大きくなり、損失が増す。また窒素ガス濃度が増加すると燃料電池スタックでの発電効率が低下する。これらによるシステム損失が、水素放出による損失より大きい場合には、水素オフガスを放出するのが合理的である。更に、水素濃度が燃料電池の安定性に悪影響を及ぼすレベルまで下がったときは水素オフガスを放出し新しい水素ガスを導入する必要がある。ステップ２３では、上記システム損失量が水素排気による損失量以上であることを判定し、ステップ２４では、水素濃度が所定の閾値以下であることを判定する。これらの条件が両方満たされた場合（ステップ２３と２４：ＹＥＳ）、排気シャットバルブを駆動し一定量の水素オフガスをパージする（ステップ２５）。条件の何れかが満たされない場合（ステップ２３又は２４：ＮＯ）、リターンして次の動作を待つ。

＜５．膜劣化判定動作＞
次に、図４に示すフローチャートを参照して本実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による膜劣化判定動作について説明する。

まず、図２の処理によって推定された窒素ガス濃度の履歴を取得する（ステップ３１）。次に、得られた窒素ガス濃度の増加速度を算出する（ステップ３２）。窒素ガス濃度が急速に増加することは、燃料電池の電解質膜のクロスリークが増大して空気極からの窒素ガス透過量が増大したことを意味するので、電解質膜の状態が悪化したことを意味する。ステップ３３では、窒素ガス濃度の増加速度が所定の閾値以上であることを判定する。この条件が満たされた場合（ステップ３３：ＹＥＳ）、膜の劣化と判断し（ステップ３４）、必要に応じて車両の運転者等に報知する。条件が満たされない場合（ステップ３３：ＮＯ）、リターンして次の動作を待つ。

本実施形態はこのように構成したことにより、燃料電池システムの運転動作中であっても膜の劣化判定が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。 上記実施形態の燃料電池システムによるガス濃度推定の処理手順を示すフローチャートである。 上記実施形態の燃料電池システムによる排気シャットバルブ制御の処理手順を示すフローチャートである。 上記実施形態の燃料電池システムによる膜劣化判定の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２０ 燃料電池スタック、３２ 水素調圧弁、３３、３４、４１ 遮断弁、３５ 気液分離器、３７ 水素ポンプ、３８ 排気シャットバルブ、４０ 逆流阻止弁、５８ 差圧計、７１ 空気供給路、７２ 排気路、７４ 冷却路、７５ 燃料供給路、７６ 水素循環路、７７ パージ流路

Claims (9)

1. 燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのアノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出する、燃料電池システム。
2. 燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのアノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記アノード経路からの排気を制御する、燃料電池システム。
3. 請求項１において、
   前記導出された燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度に基づいて、前記アノード経路からの排気を制御する、燃料電池システム。
4. 請求項３において、
   前記導出された燃料ガス濃度が低下した場合に、前記アノード経路からのパージを行う、燃料電池システム。
5. 燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのアノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記燃料電池スタックの電解質膜の状態を判定する、燃料電池システム。
6. 請求項５において、
   前記導出された燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度に基づいて、前記燃料電池スタックの電解質膜の状態を判定する、燃料電池システム。
7. 請求項６において、
   前記導出された不純物ガス濃度の上昇速度に基づいて、前記燃料電池スタックの電解質膜の劣化を判定する、燃料電池システム。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項において、
   前記圧力損失は、前記アノード経路中の逆止弁前後の圧力差の計測により導出する、燃料電池システム。
9. 請求項１、２、５の何れか一項において、
   前記アノード経路には、前記燃料電池スタックのアノード極から排出された燃料を再度アノード極に循環させる循環経路を含む、燃料電池システム。
   

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