JP2005116220A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 不純物を含んだアノードガスのパージ時に、無駄な燃料ガスの放出を防止して燃料電池の燃費性能を向上させる。
【解決手段】 パージ弁７の下流にパージガスの流れにより音を発する振動子８を配設する。マイクロフォン９は、振動子８が発する音を電気信号に変換してコントローラ１４へ入力する。コントローラ１４は、マイクロフォン９の信号から音の周波数を算出する周波数算出部１５と、周波数からパージガス中の窒素濃度を算出する窒素濃度算出部１６と、窒素濃度に応じてパージ弁７を制御するパージ弁制御部１７とを備え、振動子８の音から窒素濃度を推定し、パージガス中の窒素濃度が所定値以下となったらパージ弁７を閉じるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムの制御装置に係り、特にアノードから不純物を含んだガスを排出する際に、燃料ガスが無駄に排出されることを防止し、燃費性能を向上させることができる燃料電池システムの制御装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

ところで、固体高分子型燃料電池には、電気化学反応で消費される水素流量より多量の水素をアノード（燃料極）入口に供給し、アノード出口から排出される未反応の水素ガスを含むアノードオフガスをアノード入口に再循環させるアノードガス循環路を備えたものがある。

このアノードガス循環路を備えた燃料電池においては、カソード（空気極）からアノードへ空気や水蒸気がリークし、運転を継続すると、アノードガス中の窒素濃度が高まる現象が起きる。また、燃料ガスである水素中にも不純物が含まれる場合があり、これらの不純物は、水素のように電気化学反応により消費されることなくアノードガス中に蓄積する。

これらの現象が起きると、発電性能が低下して好ましくないので、ある程度運転を継続した後には、不純物を多く含むアノードガスをアノードガス循環路から外部へ排出させている。

このような不純物を含んだアノードガスを燃料電池から放出することは、パージと呼ばれ、このための開閉弁をパージ弁と呼んでいる。パージの従来技術としては、例えば特許文献１記載の技術のように、燃料電池の運転中、所定の時間間隔(例えば、１０分)毎にパージ弁を開き、所定時間後(例えば、２秒)にパージ弁を閉めることにより、カソード側からアノード側へ透過した窒素を含む燃料ガスを排出する構成になっている。
特開２００３−１４２１３１号公報（第８頁、図１）

しかしながら、上記従来技術にあっては、例えば、燃料電池の運転温度が低い時や運転圧力が低いときなど、窒素の透過量が少ない時でも一定時間ごとにアノード循環系内のガスを排出し、その排出量も一定となってしまう。そのため、本来は排出する必要のない水素まで燃料電池外に排出することになり、燃費性能が低下するという問題点があった。

上記問題点を解決するため、本発明は、水素を含む燃料ガスをアノードに、空気をカソードにそれぞれ供給して発電を行う燃料電池スタックと、前記カソードの水素を含む排出ガスを排出するパージ弁とを備えた燃料電池システムの制御装置において、前記排出ガスの流れにより音を発生する排出ガス音源と、該排出ガス音源で発生した音を電気信号に変換して出力するマイクロフォンと、該マイクロフォンが出力する電気信号に基づいて周波数を算出する周波数算出部と、該周波数算出部が算出した周波数に基づいて前記排出ガス中の窒素濃度を算出する窒素濃度算出部と、該窒素濃度算出部が算出した窒素濃度に応じて前記パージ弁を制御するパージ弁制御部と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、パージ弁から排出する排出ガス中の窒素濃度をマイクロフォンからの信号で推定するとしたことで、非常に安価にかつ精度よく排出ガスに含まれる窒素濃度を推定しパージ弁を制御できる。これにより、パージ期間を必要最低限とすることができ、燃料ガスの無駄な放出を抑制し、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る制御装置が適用される燃料電池システムの概略構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、燃料電池車両として好適な燃料電池システムである。

図１において、燃料電池システム１は、アノード２ａ及びカソード２ｂを有する燃料電池スタック２と、水素を貯蔵する水素タンク３と、水素圧力を調整する水素圧力調整弁４と、水素圧力調整弁４から供給される新規水素ガスとアノードオフガスとを混合してアノード２ａへ供給するエゼクタ５と、アノード２ａから排出されたアノードオフガスをエゼクタ５の吸込口へ戻す水素循環通路６と、アノードオフガスを系外へ排出するパージ弁７と、パージ弁７から排出されたパージガスの流れにより音を発生する排出ガス音源としての振動子８と、振動子８が発する音を電気信号に変換するマイクロフォン９と、空気を圧縮してカソード２ｂに供給するコンプレッサ１０と、カソード２ｂの出口から排出される空気量を調整することによりカソード２ｂの空気圧を調整する空気圧力調整弁１１と、アノード２ａのガス圧力を検出するアノード圧力センサ１２と、パージガスの温度を検出する温度センサ１３と、燃料電池システム全体及びパージ弁７の開閉制御を行うコントローラ１４とを備えている。

コントローラ１４は、マイクロフィン９，アノード圧力センサ１２及び温度センサ１３の検出信号を入力すると共に、水素圧力調整弁４，パージ弁７，コンプレッサ１０及び空気圧力調整弁１１に対して制御信号を出力する。

コントローラ１４は、マイクロフォン９が出力する電気信号から音の周波数を算出する周波数算出部１５と、周波数算出部１５が算出した周波数に基づいて排出ガス中の窒素濃度を算出する窒素濃度算出部１６と、窒素濃度算出部１６が算出した窒素濃度に応じてパージ弁７を制御するパージ弁制御部１７とを備えている。

尚、特に限定されないが本実施形態では、コントローラ１４は、ＣＰＵと、入出力インタフェースと、ＲＯＭと、ＲＡＭとを備えたマイクロプロセッサとして構成され、周波数算出部１５、窒素濃度算出部１６、及びパージ弁制御部１７は、ＲＯＭに内蔵されたプログラムにより実行される。

次に、上記構成による燃料電池システムの作用を説明する。

燃料電池スタック２には、コンプレッサ１０からの空気と、水素タンク３からの水素が水素圧力調整弁４を介して供給される。燃料電池スタック２が発電した電力は、図示しない車両用駆動モータなどの電力負荷に供給される。コントローラ１４には、図示しない車両制御装置から指示される目標発電電力に基づき、水素圧力調整弁４、コンプレッサ１０及び空気圧力調整弁１１を操作して燃料電池スタック２に供給する水素圧力及び空気圧力を制御する。

燃料電池システムの運転中に、カソード２ｂの窒素や生成水がアノード２ａ側に流入するために、アノード２ａ側の水素濃度が先の不純物によって低下する。そこで、アノード２ａ側の水素濃度を一定以上に保つため、言い換えれば窒素濃度を所定値以下に保つために、コントローラ１４はパージ弁７を所定のタイミング（例えば１０分毎）で開いて水素を含む排出ガスをアノード２ａから外部に排出（以下、パージ）する。アノード２ａの内部の窒素濃度が所定値を下回ったらパージ弁７を閉止する。

ここで、パージ弁７から排出されるガス中の窒素濃度を推定する方法について述べる。

まず、パージされるガスは水素と窒素と水蒸気のみを含んでおり、水蒸気はその時のガス温度に応じた飽和水蒸気の状態になっていると考える。これは、上述したようにカソード２ｂの窒素や生成水がアノード２ａ側に流入するためである。そこで、パージ弁７から排出されるガスの流路に振動子８を設け、音を発生させる。発生させた音をマイクロフォン９で検出し電気信号に変換してコントローラ１４へ入力する。

コントローラ１４は、その入出力インタフェースでマイクロフォンから入力した電気信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてＡ／Ｄ変換する。そして、Ａ／Ｄ変換した波形信号を一旦、作業用ＲＡＭに格納する。次いでコントローラ１４は、作業用ＲＡＭに格納した波形信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等によりスペクトル解析し、最大エネルギースペクトルを有する周波数を算出する。

次いで、算出された周波数に基づいて、窒素濃度算出部が排出ガス中の窒素濃度を算出する。パージ弁制御部は、窒素濃度算出部が算出した窒素濃度に応じてパージ弁７の閉止を制御する。

以下、コントローラ１４が検出した周波数から窒素濃度算出までを詳細に説明する。

気体の音速と周波数(音程)の関係は、次の（１）式で表される。この式から周波数は音速に比例することが分かる。

（数１）
ｖ＝ν・λ …（１）
ここで、ｖ：音速、ν：振動数、λ：波長とする。

気体中の音速は、次の（２）式で表される。この式から、気体の分子量が異なる場合、その音速は分子量の平方根に反比例することが分かる。

（数２）
ν＝√（γ・Ｐ／ρ）＝√（γ・Ｒ・Ｔ／Ｍ） …（２）
ここで、ｖ：音速、γ：比熱比、Ｐ：気体の圧力、ρ：気体の密度、Ｒ：気体定数、Ｔ：気体の温度、Ｍ：気体の分子量とする。

窒素濃度が所定値の時のアノードガス中の平均分子量をＭ₁ 、その時の周波数(音程)をν₁ とし、パージ中のガスの分子量をＭ_EX、その時の周波数(音程)をν_EX、パージされるガスの温度は一定であるとすると、パージガスの分子量Ｍ_EXと、周波数の比ν₁ ／ν_EXとの関係は、次の（３）式で表される。

（数３）
Ｍ_EX＝Ｍ₁ ／（ν₁ ／ν_EX）² …（３）
燃料電池システムの起動直後など、燃料電池スタック２の運転温度が標準の運転温度と大きく異なる場合は、（３）式に代えて、運転温度による補正を行った次の（４）式を用いる。

（数４）
Ｍ_EX＝Ｍ₁ ・Ｔ_EX／（（ν₁ ／ν_EX）² ・Ｔ₁ ） …（４）
ここで、Ｔ1 ：標準運転状態での温度、ＴEX：パージ中のガス温度（温度センサ１３の出力）とする。

Ｍ₁ とν₁ は既知であり、ν₂ とＴ_EXは、測定される値なので、（３）式または（４）式からパージ中のガスの分子量Ｍ_EXを算出することができる。

次に、Ｍ_EXから窒素濃度を（５）式を用いて算出する。

（数５）
Ｃ_N2＝{(Ｍ_EX・Ｐ_A −Ｍ_H2O ・Ｐ_A )／(Ｐ_A −Ｐ_H2O )−２・Ｍ_H2 }／２(Ｍ_N2 −Ｍ_H2 ) …（５）
ここで、Ｃ_N2：窒素濃度、Ｍ_EX：パージ弁から流出するガスの分子量、Ｍ_H2O ：水蒸気の分子量、Ｍ_H2：水素の分子量、Ｍ_N2：窒素の分子量、Ｐ_A ：アノードの圧力、Ｐ_H2O ：飽和水蒸気圧とする。

図２に飽和水蒸気圧のグラフを示す。コントローラ１４は、内蔵するＲＯＭに図２のマップを記憶しておき、温度センサ１３が検出したパージガス温度または燃料電池運転温度から当該温度における飽和水蒸気圧力を求めることができる。

上述したように、パージ中のガス組成は、水素と、窒素と、パージガス温度での飽和蒸気であることから（５）式で窒素濃度を算出することができる。

このように、パージガス中の窒素濃度を算出できるので、この値が所定値以下になったらパージ弁７を閉止しパージを終了する。

図３は、本実施形態におけるコントローラ１４によるパージ弁７の制御の流れを説明するフローチャートである。このフローチャートは、コントローラ１４のメインルーチンから一定時間毎（たとえば、１００〔ｍｓ〕毎）に呼び出されて実行されるものとする。図３において、まずコントローラ１４は、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、前回パージ弁を閉止した時刻からの経過時間を算出し、この経過時間が所定時間を超えたか否かを判定する。経過時間が所定時間を超えていなければ、何もせずに本ルーチンを終了して、メインルーチンへ戻る。Ｓ１０の判定で用いる所定時間は、燃料電池スタック２の構造や運転条件、さらには固体高分子電解質膜の窒素透過性に依存するが、実験的に求めるものとする。

Ｓ１０の判定で、経過時間が所定時間を超えていれば、Ｓ１２へ進み、パージ弁７を開放する。次いで、Ｓ１４で、パージガスの排出音を変換した電気信号をマイクロフォン９から読み込み、Ｓ１６で、温度センサ１３，アノード圧力センサ１２から運転温度及びアノード圧力を読み込み、それぞれコントローラ１４のＲＡＭに記憶する。

次いで、Ｓ１８で、ＲＡＭに記憶された波形信号から高速フーリエ変換等の手法によりパージガスの排出音の周波数を算出する。次いで、Ｓ２０で、Ｓ１８で算出した周波数からパージガスの分子量Ｍ_EX を上記（３）式により算出し、Ｓ２２で温度センサ１３から読み込んだ運転温度が標準温度±α以内であるか否かを判定する。ここで、αは、測定誤差や制御誤差等を考慮して適宜設定する所定値である。

Ｓ２２の判定で、運転温度が標準温度±α以内であれば、Ｓ２６へ進み、運転温度が標準温度±α以内でなければ、Ｓ２４へ進む。

Ｓ２４では、（３）式により算出されたパージガスの分子量Ｍ_EX に、Ｔ_EX ／Ｔ₁ を乗じて温度補正し、Ｓ２６へ進む。温度補正した結果は、上記（４）式で分子量Ｍ_EX を算出したことになる。本実施形態によれば、排出ガスの温度により排出ガスの密度を補正するとしたことで、新たにセンサなどを追加することなく推定する窒素濃度の精度を向上できる。

Ｓ２６では、運転温度から水蒸気分圧マップを参照して、飽和水蒸気分圧Ｐ_H2O を求める。Ｓ２８では、分子量Ｍ_EX 、飽和水蒸気分圧Ｐ_H2O を（５）式に代入して、窒素濃度Ｃ_N2 を算出する。本実施形態では、排出ガスの温度により排出ガスに含まれる水蒸気量を推定し、それを用いて窒素濃度を推定するとしたことで、推定する窒素濃度の精度を一層向上できる。

Ｓ３０では、窒素濃度Ｃ_N2 が所定値未満となったか否かを判定し、所定値以上であれば、パージを継続するため、パージ弁７の開状態のまま、本ルーチンを終了し、メインルーチンへ戻る。

Ｓ３０の判定で、窒素濃度Ｃ_N2 が所定値未満となった場合には、パージ終了条件が成立したので、Ｓ３２でパージ弁７を閉止して、本ルーチンを終了し、メインルーチンへ戻る。本実施形態によれば、排出ガス中の窒素濃度推定値を用いてパージ弁を閉止するとしたことで、車外に排出する水素量を必要最低限に抑制でき、燃焼電池車両の燃費向上を図ることができる。

図４は、運転温度が４０〔℃〕の時と、８０〔℃〕の時の本発明で算出した分子量と窒素濃度の関係を示す図である。このように、運転温度とパージガスの分子量が分かれば、窒素濃度が算出できる。

なお、上記実施形態で算出する周波数は、マイクロフォン９で検出した音の中心周波数を用いても良い。周波数演算部が算出する周波数は中心周波数であるとしたことで、周波数検出処理部の演算負荷を低減でき、安価な演算装置で本発明を実施できる。

周波数演算部が算出する音の周波数は、パージ弁７が開いている間の平均的な周波数を用いても良い。これにより、周波数演算部の処理時間を長く設定することが可能になり、周波数演算の精度向上やより安価な演算装置の利用が可能になる。

また、パージ弁７が開いている間の平均的な周波数を用いて、次回のパージ弁７の開時間を設定しても良い。また、パージ弁７は一定間隔で開き、開いている時間を窒素濃度または音の周波数で決定して、いわゆるＰＷＭ変調と同様のパージ弁の開閉動作を行っても良い。さらに、パージ弁７が開いている時間を一定として、パージ弁を開く間隔を窒素濃度または音の周波数で決定して、いわゆるＰＦＭ変調と同様のパージ弁開閉動作をおこなってもよい。

このように、平均的な中心周波数に基づいてパージ弁の開時間を設定する、または平均的な中心周波数に基づいて該パージ弁の開周期を設定するとしたことで、周波数検出演算のをリアルタイムで実施する必要がなくなり、更に周波数演算の精度向上やより安価な演算装置の利用が可能になる。

本発明に係る燃料電池の制御装置の実施形態を含む燃料電池システムの概略構成図である。 温度に対する飽和水蒸気圧を示す飽和水蒸気圧力曲線である。 実施形態におけるパージ弁制御を説明するフローチャートである。 本発明で算出した分子量と窒素濃度の関係を示す図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
２ａ：水素極
２ｂ：空気極
３：水素タンク
４：水素圧力調整弁
５：エゼクタ
６：水素循環通路
７：パージ弁
８：振動子
９：マイクロフォン
１０：コンプレッサ
１１：空気圧力調整弁
１２：アノード圧力センサ
１３：温度センサ
１４：コントローラ
１５：周波数算出部
１６：窒素濃度算出部
１７：パージ弁制御部

Claims (7)

1. 水素を含む燃料ガスをアノードに、空気をカソードにそれぞれ供給して発電を行う燃料電池スタックと、前記カソードの水素を含む排出ガスを排出するパージ弁とを備えた燃料電池システムの制御装置において、
   前記排出ガスの流れにより音を発生する排出ガス音源と、
   該排出ガス音源で発生した音を電気信号に変換して出力するマイクロフォンと、
   該マイクロフォンが出力する電気信号に基づいて前記音の周波数を算出する周波数算出部と、
   該周波数算出部が算出した周波数に基づいて前記排出ガス中の窒素濃度を算出する窒素濃度算出部と、
   該窒素濃度算出部が算出した窒素濃度に応じて前記パージ弁を制御するパージ弁制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 前記排出ガスの温度を検出する排出ガス温度検出手段と、
   該排出ガス温度検出手段が検出した温度を用いて前記排出ガス中の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出部と、
   を備え、
   前記窒素濃度算出部は、前記水蒸気分圧算出部が算出した水蒸気分圧を用いて前記窒素濃度を算出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記窒素濃度算出部は、窒素濃度を算出する際に、前記排出ガス温度検出手段が検出した温度を用いて前記排出ガスの密度を補正することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記パージ弁制御部は、
   前記窒素濃度が所定の値以下になった時に、前記パージ弁を閉止することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記周波数算出部が算出する周波数は、前記マイクロフォンの出力の中心周波数であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 前記周波数算出部が算出する周波数は、前記パージ弁が開いている期間の平均的な中心周波数であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 前記平均的な中心周波数に基づいて前記パージ弁の開時間を設定するパージ弁開時間設定部、または前記平均的な中心周波数に基づいて前記パージ弁の開周期を設定するパージ弁開周期設定部のいずれか一方を備えたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御装置。

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