JP2004039398A

JP2004039398A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004039398A
Application number: JP2002193559A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sugiura; 杉浦　敏行
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】燃料電池システムの発電効率を低下させる気体組成変動の検出を小型で応答性と精度がよく、しかも安価に実現する。
【解決手段】アノードガス循環系の静圧及び全圧をそれぞれ静圧センサ６，全圧センサ７で検出する。燃料電池の運転状態またはガス循環系の温度からガス循環系の水蒸気分圧を推定する。制御用コンピュータ１０は、静圧値または全圧値から気体流量値を求めて、この気体流量値からガス循環系内の圧力測定点のガス流速値を求め、静圧値と全圧値とガス流速値と水蒸気分圧に基づいてガス循環系の気体密度を求め、得られた気体密度とあらかじめ設定された所定の状態の気体密度と比較することによって、ガス循環系内の気体組成が変化したことを検出する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特にアノードガス循環系またはカソードガス循環系を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する装置である。これにより、燃料の持つ化学エネルギーを運動エネルギー等の他の形態のエネルギーへの変換過程を経ることなく直接電気エネルギーに変換するので、エネルギー変換効率が高い。
【０００３】
この燃料電池は、電解質の種類により種々あるが、固体高分子電解質膜を用いたものは、取り扱いが容易で運転温度も比較的低く、車両用電源として期待されている。
【０００４】
通常発電効率を高めるため、燃料電池が発電に消費する反応量以上の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給している。そして、燃料電池本体から排出される未使用燃料ガスまたは未使用酸化剤ガスは、ガス循環路を介してガス供給ラインに戻して再使用している。このようなガス循環系を備えた燃料電池システムは、特開平８−２３６１３１号公報に開示されている。
【０００５】
この従来技術によれば、燃料電池システムのアノードガス循環系とカソードガス循環系をエジェクタにより行い、またパージ弁によりガス循環系内の気体を排除させることが示されている。
【０００６】
ところで燃料電池システムは発電運転を続けることで、ガス循環系内がクロスリーク等により発電に不要なアルゴンや窒素等の気体により充満されて行き、発電出力の低下つまり発電効率の低下を起こすことが知られている。
【０００７】
上記従来技術では、ガス循環系内が発電に不要な残存ガスで満たされたことを検出するとパージ弁を開放して残存ガスを排除し、発電効率を回復する方法も示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、ガス循環系内のガス組成を直接検出するには、ガスアナライザ等の大掛かりで且つ高価な装置を使用しなければならず、車両などに搭載する小型のシステムには適さないという課題があった。
【０００９】
また制御に必要とされる応答性も車両搭載システムのように発電量の変化が早いシステムには十分とは言えないという課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、アノードガス循環系、またはカソードガス循環系を有する燃料電池システムにおいて、前記アノードガス循環系または前記カソードガス循環系の少なくとも一方のガス循環系の静圧及び全圧を検出する圧力検出手段と、前記ガス循環系の水蒸気分圧を推定する水蒸気分圧推定手段と、を備え、検出した静圧値及び全圧値と、水蒸気分圧に基づいて前記ガス循環系の気体密度を求め、得られた気体密度とあらかじめ設定された所定の状態の気体密度と比較することによって、前記ガス循環系内の気体組成が変化したことを検出することを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、圧力検出手段により測定したガス循環系の全圧Ｐａ　と静圧Ｐｂ　と、水蒸気分圧推定手段により推定した水蒸気分圧とに基づいて、ガス循環系内の気体組成変動を検出するようにしたので、燃料電池システムの発電効率を低下させる気体組成変動の検出を小型で応答性と精度がよく、しかも安価に実現することができるという効果がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を詳細に説明する。図１は、燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図、図２は気体組成検出処理を説明するフローチャート、図３はパージ弁制御を説明するフローチャート、図４は診断処理フローチャート、図５はガス温度に対する飽和水蒸気量を表した図、図６は本構成を適用した際のガス循環系内の気体組成状態を表した図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、アノードガス系に純粋な水素を使用し、エジェクタにより消費されなかったアノードガスを燃料電池スタック入口に戻すガス循環系を構成している。カソードガス系は加圧もしくは通常の大気を使用する構成にしている。
【００１４】
図１において、燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のカソードガス系の入口であるカソードガス吸気管２と、燃料電池スタック１のカソードガス系の出口であるカソードガス排気管３と、アノードガス系の圧力調整を行うアノードガス圧力調整弁４と、燃料電池スタック１で消費されなかったアノードガス系を循環させるためのエジェクタ５と、アノードガス系の燃料電池スタック１入口の静圧を測る絶対圧力式の静圧センサ６と、静圧と同じ地点の全圧を測る絶対圧力式の全圧センサ７と、燃料電池スタック１出口からエジェクタ５までアノードガスを導くアノードガス循環系経路９と、アノードガス循環系経路内の不要気体等を放出するためのパージ弁８と、燃料電池スタック１や圧力センサ６，７からの情報を得て、圧力調整弁４及びパージ弁８を含むシステム全体の制御を行う制御用コンピュータ１０と、を備えている。
【００１５】
尚、本実施形態では、スタック入口の二つの圧力センサ６及び７を同じ測定ポイントにするため、ピトー管１１を使用する構成としている。
【００１６】
次に、図２〜図６をを参照して、第１実施形態の燃料電池システムの運転制御フローを説明する。
【００１７】
図２において、制御用コンピュータ１０は、Ｓ１０で、先ずモータインバータ等の負荷システムからの発電要求と、該燃料電池システムのガス循環系のガス循環量要求に応じて、アノードガス循環系内のスタック入口圧力調整を圧力調整弁４の開度を調整することにより、アノードガス流量の制御を行う。
【００１８】
次いで、Ｓ１２で、静圧センサ６の検出値である静圧Ｐｂ　［ＭＰａ］の圧力データを取り込み、Ｓ１４で、全圧センサ７の検出値である全圧Ｐａ　［ＭＰａ］の圧力データの取り込みを行う。
【００１９】
続けてＳ１６で、予備実験等により既に特性が分かっている燃料電池スタック１に流れるアノードガス流量Ｖと入口の静圧Ｐｂ　の関係式（Ｖ＝ｆ（Ｐｂ　），ｆ：任意関数）から、入口の静圧を基に燃料電池スタック１に供給される単位時間当たりのアノードガス流量Ｖ［ｍ^３／ｓ］を求める。流量Ｖが分かれば、Ｓ１８で測定位置のガス流路の断面積で流量Ｖを除算することにより、流速ｖｅ　［ｍ／ｓ］　が求まる。
【００２０】
一般に、気体等の密度が小さい物質は位置ヘッド（位置エネルギの大きさを水柱の高さで表したもの）を無視することができ、また循環系内の気体流速が音速に比べて十分に遅く、また循環系内の特定区間の圧力変化が小さい場合には圧縮性が無視できるので、ベルヌーイの式は、気体密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］を用いて次の式（１）に表すことが出来る。
【００２１】
【数１】
ρ／２・ｖｅ^２　＋Ｐｂ　＝Ｐａ　　　　…（１）
式（１）より、気体密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］は、式（２）となる。
【００２２】
【数２】
ρ＝（Ｐａ　−Ｐｂ　）・２／ｖｅ^２　　…（２）
Ｓ２０では、上記のステップにより求めたＰａ　、Ｐｂ　、ｖｅ　を式（２）に代入することによって気体密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］が得られる。
【００２３】
ところで、気体に含まれる水蒸気分圧は、温度特性が大きいことが知られている。予め予想される燃料電池システムの運転状態に応じてガス循環系温度を推定し、その温度の気体中に含まれる水蒸気分圧を求める。即ち、Ｓ２２では、気体密度ρと飽和水蒸気量ρｗ　を以下の式（３）に代入して、補正した気体密度ρａ　を求める。
【００２４】
【数３】
ρａ　＝ρｗ　＋ρ　　　　　　　　…（３）
【００２５】
ガス循環系の内部ガスを構成するの各々の気体は、固有の密度を有しており、ガスの組成が変化すると密度が変動する。例えば燃料電池システムで最も重要な気体の水素は、全ガス中最も密度が低く、不純物が混入すると密度が高くなることから検出した密度に基づいてガス組成の変化を検出することが出来る。
【００２６】
つまりガス循環系気体の密度を検出することで、ガスの組成の変動を検出することが可能になる。
【００２７】
本実施形態におけるアノードガス循環系内は、通常の状態なら純粋な水素を加湿したガスで満たされており、この時の気体の標準状態における密度ρｂ　は、約０．０８９８［ｋｇ／ｍ^３］である。
【００２８】
そこで、Ｓ２４において、上式で求めたρａ　と予め制御用コンピュータの内部に記憶したρｂ　とを比較する。そして、Ｓ２６〜Ｓ３０において、図６のグラフに示したような閾値ａ、閾値ｂ、閾値ｃと照らし合わせることにより、ガス循環系内の気体組成の変化具合を求める。
【００２９】
図６において、それぞれのρｂ　に対して閾値ｃを下回るρａ　ならば、静圧センサ６または全圧センサ７の検出値に異常があると判断して、Ｓ３２で診断制御へ移行する。
【００３０】
ρｂ　に対して理論値を挟む閾値ａから閾値ｃまでの間のρａ　ならば、気体組成は正常と判断して、Ｓ３４でパージ制御回数をクリアして終了する。
【００３１】
ρｂ　に対して閾値ａから閾値ｂまでの間のρａ　ならば、気体組成に異常があると判断して、Ｓ３６でパージ弁制御へ移行する。ρｂ　に対して閾値ｂ以上のρａ　ならば、静圧センサ６または全圧センサ７の検出値に異常があると判断して、Ｓ３８で診断制御へ移行する。
【００３２】
図３は、パージ制御を説明するフローチャートである。ガス循環系内の気体に不要気体等が混じり、気体密度ρａ　が大きくなっている場合には、図３のパージ制御を行う。まず、Ｓ４０で任意に設定した所定時間パージ弁８を開いて、ガス循環系内の気体を外部へ放出する。所定時間経過すると、Ｓ４２で気体組成を検出してパージ弁を開制御したことの繰り返し回数を１だけ増加（カウントアップ）する。
【００３３】
次いでＳ４４で繰り返し回数が所定回数、本実施形態では５回、未満か否かを判定し、５回未満であれば、図２の気体組成検出処理へ移行する。５回以上（実際は５回）であれば、所定回数パージを繰り返しても気体組成に改善が見られなかったとして、Ｓ４６でセンサフェールを解析するために診断処理へ移行する。Ｓ４４で判断に使用する所定回数は、予め実験結果により決めておく。
【００３４】
こうして、一旦パージ制御を行った後で通常の気体組成検出フローへ戻り、ガス循環系内の気体組成を検出して、不要気体が十分に減少したか否かを判定し、十分に不要気体が減少されていれば、パージ制御回数カウンタをクリアして該フローを終了し、また図２に戻り気体組成検出フローを実行する。
【００３５】
不要気体が十分に減少していない時は、再度パージ制御フローを実行する。何回かこのフローを繰り返しても循環系の回復が行われず、パージ弁制御と気体組組成検出フローを続けて何度も繰り返す制御が続く時は、パージ弁故障などのシステムに機能失陥（フェール）が発生していると判断し、診断処理フローに移行する。
【００３６】
ところで本実施形態の場合、システムが正常である限りρａ　がρｂ　を下まわることは理論上ありえなく、仮にこのような状態に成った時には（図２のＳ２８判定がＮｏ）、２つの圧力センサの機能が失陥かその他システムに機能が失陥した時であり、図４の診断処理フローにて各種フェール制御に移行する。
【００３７】
図４の診断処理フローチャートでは、圧力調整弁４の開度を変動させてセンサの出力値に変化があるかを検出することで、変化の無いセンサをフェール（機能失陥、故障）として扱う。また、センサ出力値に変動が現れていてれば、センサ以外の他のフェールとして扱う。
【００３８】
図４において、まずＳ５０で、圧力調整弁４の開度を変更する。Ｓ５２で静圧センサ６から静圧値データＰｂ　を取り込み、Ｓ５４で全圧センサ７から全圧値データＰａ　を取り込む。Ｓ５６でＰｂ　が変化した否かを判定し、Ｐｂ　が変化していなければ、静圧センサ（Ｐｂ　センサ）６のフェールを処理すべく、Ｓ６０でフェール処理へ移行する。
【００３９】
Ｓ５６でＰｂ　が変化していれば、Ｓ５８でＰａ　が変化した否かを判定し、Ｐａ　が変化していなければ、全圧センサ（Ｐａ　センサ）７のフェールを処理すべく、Ｓ６２でフェール処理へ移行する。Ｓ５８でＰａ　が変化していれば、その他のフェールを処理すべく、Ｓ６４でフェール処理へ移行する。
【００４０】
なお、気体密度の変動は体積流量計と質量流量計からも体積当りの重量、即ち密度が分かるので、この２つの流量計から気体の密度を検出しガスの組成を推定することが可能である。しかしながら、流量計は一般に多くの実装容積を必要とし、また密度の低い水素等の流量の検出精度向上が難しく、車両搭載を前提としている燃料電池システム等では、搭載性と性能要求を満たすのが困難であった。
【００４１】
本実施形態の実現にあたり、一般的な燃料電池システムに対して追加する必要のあるセンサは基本的に静圧センサ６と、全圧センサ７だけであり、小型、安価かつ十分な応答性を備え車両搭載を想定した燃料システム等でも適用を可能にする。
【００４２】
〔第２実施形態〕
次に、図７を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を詳細に説明する。図７は、燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、第１実施形態（図１）の圧力検出手段であるピトー管１１に代えて、ベンチュリ管１２を用いた静圧センサ６及び全圧センサ７の構成としたものである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００４３】
圧力検出手段の構成は通常は圧力値測定の各ポイントに絶対圧力を測るセンサを設けるか、または大気圧からの相対圧を測るセンサを設置し圧力を測るのが一般的である。
【００４４】
本実施形態では、先ずは絶対圧力または相対圧力検出方式の静圧センサ６を設置し、もう一方の全圧センサ７は静圧センサ６測定点と、全圧の測定点の差圧（動圧）を測るようにする。
【００４５】
この配置によって全圧センサ７における静圧分を考慮することなく演算式が簡略化され、また動圧の場合は圧力差が小さいことから分解能のよい圧力センサが使用できるので、その分測定精度を向上させることが出来る。
【００４６】
なお、全圧センサ７を絶対圧または相対圧とし、静圧を差圧（動圧）とする構成にしても同じ効果が得られる。
【００４７】
さらにベンチュリ管１２を使用することで、圧力測定ポイントでの循環系内気体の流速を上げられ、ベンチュリ管に静圧と全圧の圧力検出手段を設けることで循環系内の速度ヘッドをより大きくし、循環系内気体密度の検出精度を上げることが出来る。
【００４８】
また圧力検出手段として、ピトー管を使うことによって静圧センサと全圧センサを同じ場所に配置することが出来、圧力を検出するシステムを小さく出来る。
【００４９】
以上より検出精度を上げて、また検出装置をより小さくできる。
【００５０】
しかしながら本実施形態では流量を多くしていくとベンチュリ部での圧力損失が発生する。最大流量と最小流量の差を大きく取ることが困難であり、また流量変化が大きくなると流れの形態が層流と乱流を行き来する領域を使うことも有り得、この場合は特に十分な予備実験等の検証を行った流量補正が必要である。流量使用域、管内断面積、各要素を設置するための寸法と重量等の要件から、第１実施形態と第２実施形態の利点と懸案を考慮した上で決定することが最善である。
【００５１】
本実施形態における制御方法は第１実施形態に準じ、気体組成検出フロー等の制御フローは同等である。但し圧力や流量／流速の定義方法が異なるので、演算途中の制御パラメータは変更の必要がある。
【００５２】
〔第３実施形態〕
次に、図面を参照して、第３実施形態を詳細に説明する。図８は、第３実施形態の構成を説明するシステム構成図、図９は気体組成検出処理を説明するフローチャート、図１０はパージ弁制御を説明するフローチャート、図１１はフラッディング（水詰まり）除去制御を説明するフローチャート、図１２は診断処理フローチャート、図１３は本構成を適用した際のガス循環系内の気体組成状態を表した図、図１４は仮想出口側圧力値の圧力損失係数Ｃｐ　を表した図、図１５は発電により消費されるアノードガス流量の比率であるアノードガス消費係数Ｃｓ　を表した図である。
【００５３】
以下第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態との構成上の主な相違は、圧力検出手段として静圧を検出する静圧センサ６と全圧を検出する全圧センサ７とを個別に備え、全圧センサ７を燃料電池スタック１出口に設置し、静圧センサ６を燃料電池スタック１の入口に設置している。また、アノードガス循環経路９内のガス温度を測定する温度センサ１３を備えている。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
【００５４】
本実施形態における圧力検出手段の配置方法では、燃料電池スタック１を介して異なる位置に静圧センサ６と全圧センサ７とが設置されているため、各々の測定点でガス循環系の気体流量と圧力に違いがあり、このままベルヌーイの式に代入し密度を求めることが出来ず、補正が必要である。
【００５５】
燃料電池スタック１の圧力損失と、発電量からアノードガス消費量を推測し、これらに基づき、静圧センサ６または全圧センサ７の何れか一方圧力センサの出力の補正を行う。
【００５６】
静圧センサ６は、燃料電池スタック１へのアノードガス給量制御をフィードフォワードで行うことを目的に、本実施形態でも第１実施形態と同じように燃料電池スタック１の入口側に設置する。
【００５７】
本実施形態では、入口側のセンサ圧力値Ｐｂ　を燃料電池スタック１の圧力損失により減算した値Ｐｂ２（仮想出口側静圧値）を使用する。Ｐｂ２　を求めるには、予め実験等により得られた、圧力と圧力損失係数Ｃｐ　の関係（図１４）から目的のＰｂ　におけるＣｐ　を求め、以下の式に代入しＰｂ２　を得る。
【００５８】
【数４】
Ｐｂ２　＝（１−Ｃｐ　）×Ｐｂ　　　…（４）
【００５９】
また、図１５より発電によるアノードガス消費率であるアノードガス消費係数Ｃｓ　を求め、Ｃｓ　とＶから、消費されずに燃料電池スタック出口から排出されるアノードガス流量Ｖ２　の値を求める。
【００６０】
【数５】
Ｖ２　＝（１−Ｃｓ　）×Ｖ　　　…（５）
またＶ２　の値を全圧センサ測定ポイントの断面積で除算し流速ｖｅ２　［ｍ／ｓ］を求める。次いで、Ｐａ　、Ｐｂ２　、ｖｅ２を以下のベルヌーイの式（６）から導かれる式（７）に代入してρ２　を求める。
【００６１】
【数６】
ρ２　／２・ｖｅ２　^２＋Ｐｂ２　＝　Ｐａ　　　　…（６）
ρ２　＝（Ｐａ　−Ｐｂ２　）・２／ｖｅ２　^２　　…（７）
次に、求めたρ２　に対して水蒸気分圧分の補正を行い、気体密度ρａ２を得る。
【００６２】
ところで、アノードガスまたはカソードガスの双方または一方を、燃料電池のイオン交換膜の乾きを発生させないよう、予め図示しない加湿器により水蒸気飽和状態にして供給している。
【００６３】
燃料電池システムは発電量や冷却水の温度や過渡的なガス流量変化、熱交換効率等の運転状態の違いにより、燃料電池スタックや循環系の温度が変化する。
【００６４】
気体の飽和水蒸気は温度特性があり、また気体の密度にも温度特性がある。本実施形態では、ガス循環系内に温度センサ１３を設置することで飽和水蒸気の温度特性を反映させて水蒸気分圧ρｗ　を精度よく推定できる。
【００６５】
図５から温度に応じた水蒸気分圧ρｗ２を求め、これを用いて式（８）によりρ２　を補正し、ρａ２を得る。
【００６６】
【数７】
ρａ２＝ρｗ２　＋ρ２　　　…（８）
次いで、式（８）で求めたρａ２と、ρｂ　とを比較し、図１３のグラフに照らし合わせることにより、循環系内の気体組成の変化具合、フラッディングの発生状況を求める。
【００６７】
本実施形態の場合、ρａ２がρｂ　に比べ低い値となる場合もあり、これらは燃料電池スタック内で余分な圧力損失が発生している時、すなわちフラッディング（ガス循環通路内に水滴が付着する現象；水詰まり）が発生しているときである。したがって、ρａ２がρｂ　より低下した時にはフラッディング除去処理フローチャート（図１１）を実行する。
【００６８】
尚、フラッディング除去処理（図１１）と不要気体のパージ処理（図１０）のフローチャートの違いは、パージ弁８を開ける所定時間の違いである。これは、排出すべき対象の密度の違いにより除去時の条件設定を細分化し、発電に寄与しない燃料ガス消費を最小化して、燃費効率化を目的としたためである。
【００６９】
一般的に、ガス循環系内の水滴を除去するフラッディング除去の方が、不要気体の除去のときよりも所定時間を長くすると良い。
【００７０】
次に、図９〜図１１のフローチャートを参照して、本実施形態における制御用コンピュータ１０の処理動作を説明する。
【００７１】
図９において、まずＳ７０で、先ずモータインバータ等の負荷システムからの発電要求と、該燃料電池システムのガス循環系のガス循環量要求に応じて、アノードガス循環系内のスタック入口圧力調整を圧力調整弁４の開度を調整することにより、アノードガス流量の制御を行う。
【００７２】
次いで、Ｓ７２で、静圧センサ６の検出値である静圧Ｐｂ　［ＭＰａ］の圧力データを取り込み、Ｓ７４で、全圧センサ７の検出値である全圧Ｐａ　［ＭＰａ］の圧力データの取り込みを行う。Ｓ７６で温度センサ１３からアノードガス循環経路内のガス温度データの取り込みを行う。
【００７３】
次いでＳ７８で、予備実験等により既に特性が分かっている燃料電池スタック１に流れるアノードガス流量Ｖと入口の静圧Ｐｂ　の関係式と、図１４の圧力損失係数Ｃｐ　とから、入口の静圧Ｐｂ　を基に燃料電池スタック１に供給される単位時間当たりのアノードガス流量Ｖ［ｍ^３／ｓ］と、Ｐｂ２（Ｐｂ２＝Ｃｐ　＊Ｐｂ　）とを求める。
【００７４】
Ｓ８０で、燃料電池スタック１の発電量（Ｗ＝Ｖ＊Ａ）を検出し、この発電量におけるアノードガス消費係数Ｃｓ　を図１５のようなマップから求め、消費されるアノードガスの流量（Ｃｓ　＊Ｖ）を算出する。
【００７５】
次いでＳ８２で、燃料電池スタック出口側のアノードガスの推定流量Ｖ２　を先に述べた式（５）により算出し、出口側推定流量Ｖ２　の値を全圧センサ測定点の流路断面積で除算して流速ｖｅ２［ｍ／ｓ］を求める。
【００７６】
Ｓ８４では、上記のステップにより求めたＰａ　、Ｐｂ２、ｖｅ２を先に説明した式（７）に代入することによって気体密度ρ２　［ｋｇ／ｍ^３］が得られる。
【００７７】
次にＳ８６で、温度センサ１３によるガス循環系の温度測定値から、その温度の気体中に含まれる水蒸気分圧ρｗ　を求め、気体密度ρ２　を水蒸気分圧ρｗ　で補正する。即ち、Ｓ８６では、気体密度ρ２　と飽和水蒸気量ρｗ　を式（３）のような式に代入して、補正した気体密度ρａ２　を求める。
【００７８】
そして、Ｓ８８において、上式で求めたρａ２　と予め制御用コンピュータの内部に記憶したρｂ　とを比較する。ρｂ　は、ガス循環系内の気体の仕様により定まる定数であり、第１実施形態と同様に実験により設定する。
【００７９】
そして、Ｓ９０〜Ｓ９６において、図１３のグラフに示したような閾値ａ、閾値ｂ、閾値ｃ、閾値ｄと照らし合わせることにより、ガス循環系内の気体組成の変化具合を求める。
【００８０】
図１３において、それぞれのρｂ２に対して閾値ｄ未満のρａ　ならば、静圧センサ６または全圧センサ７の検出値に異常があると判断して、Ｓ９８で診断制御へ移行する。
【００８１】
ρｂ　に対して閾値ｃ未満かつ閾値ｄ以上の範囲のρａ２ならば、気体組成はフラッディング域と判断して、Ｓ１００でパージ制御回数をクリアして終了する。
【００８２】
ρｂ　に対して理論値を含む閾値ａ未満かつ閾値ｃ以上の範囲のρａ２ならば、気体組成は正常と判断して、終了する。
【００８３】
ρｂ　に対して閾値ａ以上かつ閾値ｂ未満の範囲のρａ２　ならば、気体組成に異常があると判断して、Ｓ１０２でパージ弁制御へ移行する。
【００８４】
ρｂ　に対して閾値ｂ以上のρａ２ならば、静圧センサ６または全圧センサ７の検出値に異常があると判断して、Ｓ１０４で診断制御へ移行する。
【００８５】
図１０は、本実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。ガス循環系内の気体に不要気体等が混じり、気体密度ρａ２が大きくなっている場合には、図１０のパージ制御を行う。まず、Ｓ１１０で任意に設定した所定時間パージ弁８を開いて、ガス循環系内の気体を外部へ放出する。所定時間経過すると、Ｓ１１２で気体組成検出してパージ弁を開制御したことの繰り返し回数を１だけ増加（カウントアップ）する。
【００８６】
次いでＳ１１４で繰り返し回数が所定回数、本実施形態では５回、未満か否かを判定し、５回未満であれば、Ｓ１１６で図９の気体組成検出処理へ移行する。５回以上（実際は５回）であれば、所定回数パージを繰り返しても気体組成に改善が見られなかったとして、Ｓ１１８でセンサフェールを解析するために診断処理へ移行する。Ｓ１１４で判断に使用する所定回数は、予め実験結果により決めておく。
【００８７】
こうして、一旦パージ制御を行った後で通常の気体組成検出フローへ戻り、ガス循環系内の気体組成を検出して、不要気体が十分に減少したか否かを判定し、十分に不要気体が減少されていれば、パージ制御回数カウンタをクリアして該フローを終了し、また図９に戻り気体組成検出フローを実行する。
【００８８】
不要気体が十分に減少していない時は、再度パージ制御フローを実行する。何回かこのフローを繰り返しても循環系の回復が行われず、パージ弁制御と気体組組成検出フローを続けて何度も繰り返す制御が続く時は、パージ弁故障などのシステムに機能失陥（フェール）が発生していると判断し、診断処理フローに移行する。
【００８９】
図１１は、本実施形態におけるフラッディング（水詰まり）除去制御を説明するフローチャートである。ρａ２がρｂ　に比べ低い値となる場合で、図１３の閾値ｃ未満且つ閾値ｄ以上の範囲であれば、燃料電池スタック１内のアノードガス経路に余分な圧力損失が発生していると判断し、図１１のフラッディング（水詰まり）除去制御を行う。まず、Ｓ１２０で任意に設定した所定時間パージ弁８を開いて、ガス循環系内の気体を外部へ放出する。所定時間経過すると、Ｓ１１２で気体組成検出してパージ弁を開制御したことの繰り返し回数を１だけ増加（カウントアップ）する。
【００９０】
次いでＳ１２４で繰り返し回数が所定回数、本実施形態では５回、未満か否かを判定し、５回未満であれば、Ｓ１２６で図９の気体組成検出処理へ移行する。５回以上（実際は５回）であれば、所定回数パージを繰り返しても気体組成に改善が見られなかったとして、Ｓ１２８でセンサフェールを解析するために診断処理へ移行する。Ｓ１２４で判断に使用する所定回数は、予め実験結果により決めておく。
【００９１】
図１２の診断処理フローチャートでは、圧力調整弁４の開度を変動させてセンサの出力値に変化があるかを検出することで、変化の無いセンサをフェール（故障）として扱う。また、センサ出力値に変動が現れていてれば、センサ以外の他のフェールとして扱う。
【００９２】
図１２において、まずＳ１３０で、圧力調整弁４の開度を変更する。Ｓ１３２で静圧センサ６から静圧値データＰｂ　を取り込み、Ｓ１３４で全圧センサ７から全圧値データＰａ　を取り込む。Ｓ１３６でＰｂ　が変化した否かを判定し、Ｐｂ　が変化していなければ、静圧センサ（Ｐｂ　センサ）６のフェールを処理すべく、Ｓ１３８でフェール処理へ移行する。
【００９３】
Ｓ１３６でＰｂ　が変化していれば、Ｓ１４０でＰａ　が変化した否かを判定し、Ｐａ　が変化していなければ、全圧センサ（Ｐａ　センサ）７のフェールを処理すべく、Ｓ１４２でフェール処理へ移行する。Ｓ１４０でＰａ　が変化していれば、Ｓ１４４で気体組成検出とパージ弁制御の繰り返し回数を１だけ増加させ（カウントアップ）、Ｓ１４６で繰り返し回数が５回未満か否かを判定する。５回未満であれば正常として、Ｓ１５０で図９の気体組成検出へ移行する。５回以上であれば、その他のフェールを処理すべく、Ｓ１４８でフェール処理へ移行する。
【００９４】
以上説明したように本実施形態によれば、ガス循環系内の燃料電池スタック入口側と出口側に圧力検出手段を配置することにより、燃料電池スタック内のフラッディングも検出することができる。
【００９５】
また、全圧センサ７をスタック出口に設置とすることで、アノードガス循環系中で最もアノードガス濃度が低く、故に不要ガス濃度の高い燃料電池スタック出口とエジェクタ５迄の区間の速度ヘッド（流体の運動エネルギーを水柱の高さで表したもの）を含めた全圧が測定出来るので、循環系気体組成の測定精度向上を実現することができる。
【００９６】
更に燃料電池スタック出口側の圧力センサ７と同じ区間にパージ弁８を設置させることで、パージ前に一時的に圧力を高めてからパージする等の制御を圧力を測定しながら行えるので、不要ガスのパージを効率化し、アノードガスを無駄に排出する量を削減することが出来る。
【００９７】
以上の特徴により効率的に不要ガスを排除し、発電効率の向上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態における全体構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における気体組成検出処理を説明するフローチャートである。
【図３】第１実施形態におけるパージ弁制御処理を説明するフローチャートである。
【図４】第１実施形態における診断処理を説明するフローチャートである。
【図５】ガス温度に対する飽和水蒸気量ρｗ　の変化を示す図である。
【図６】第１実施形態におけるガス循環系内の気体組成状態を示す図である。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態における全体構成を説明するシステム構成図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態における全体構成を説明するシステム構成図である。
【図９】第３実施形態における気体組成検出処理を説明するフローチャートである。
【図１０】第３実施形態におけるパージ弁制御処理を説明するフローチャートである。
【図１１】第３実施形態におけるフラッディング除去処理を説明するフローチャートである。
【図１２】第３実施形態における診断処理を説明するフローチャートである。
【図１３】第３実施形態におけるガス循環系内の気体組成状態を示す図である。
【図１４】第３実施形態における仮想出口側圧力値の係数Ｃｐ　を示す図である。
【図１５】発電電力に対するアノードガス消費係数Ｃｓ　を示す図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　カソードガス吸気管
３　カソードガス排気管
４　アノードガス圧力調整弁
５　エジェクタ
６　静圧センサ
７　全圧センサ
８　パージ弁
９　アノードガス循環経路
１０　制御用コンピュータ
１１　ピトー管

Claims

アノードガス循環系、またはカソードガス循環系を有する燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス循環系または前記カソードガス循環系の少なくとも一方のガス循環系の静圧及び全圧を検出する圧力検出手段と、
前記ガス循環系の水蒸気分圧を推定する水蒸気分圧推定手段と、を備え、
前記圧力検出手段が検出した静圧値または全圧値から気体流量値を求めて、この気体流量値から前記ガス循環系内の圧力測定点のガス流速値を求め、
静圧値と全圧値とガス流速値と水蒸気分圧に基づいて前記ガス循環系の気体密度を求め、
得られた気体密度とあらかじめ設定された所定の状態の気体密度と比較することによって、前記ガス循環系内の気体組成が変化したことを検出することを特徴とする燃料電池システム。
前記圧力検出手段が検出する静圧及び全圧の何れか一方の圧力は、０気圧からの絶対圧力または大気圧からの相対圧力とし、他方の圧力は、前記圧力からの差圧（以後全圧と静圧の差を動圧と表記）により測定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水蒸気分圧推定手段は、ガス循環系内に温度検出手段を備え、
該温度検出手段が検出した温度に基づいて水蒸気分圧を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記圧力検出手段は、ベンチュリ管とピトー管の少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記圧力検出手段は、静圧を検出する静圧検出手段と全圧を検出する全圧検出手段とを個別に備え、
アノードガス循環系の燃料電池スタック入口側と出口側に分けて、一方に静圧検出手段を配置し、他方に全圧検出手段を配置し、
燃料電池スタック通過による圧力損失分、または発電によるアノードガスの消費量を推定して、燃料電池スタック入口側または出口側圧力値を補正し、
得られた気体密度と所定の状態の気体密度と比較することによって、ガス循環系内の気体組成が変化したこと、および燃料電池スタック内の水詰まりを検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記圧力検出手段は、静圧を検出する静圧検出手段と全圧を検出する全圧検出手段とを個別に備え、
カソードガス循環系の燃料電池スタック入口側と出口側に分けて、一方に静圧検出手段を配置し、他方に全圧検出手段を配置し、
燃料電池スタック通過による圧力損失分、または発電による化合物生成量を推定して、燃料電池スタック入口側または出口側圧力値を補正し、
得られた気体密度と所定の状態の気体密度と比較することによって、ガス循環系内の気体組成が変化したこと、および燃料電池スタック内の水詰まりを検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ガス循環系の燃料電池スタック出口側に全圧検出手段を配設したことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。
燃料電池スタック出口側に配置した前記圧力検出手段でパージ直前またはパージ中の圧力または気体組成を検出し、これらの検出値に基づいて循環気体のパージ弁開度またはパージ時間を制御することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。