JP2005158433A

JP2005158433A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005158433A
Application number: JP2003394159A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Osawa; 俊哉大澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】燃料電池水素側内部のガスを外部へ放出する際に、放出ガスを周囲の空気と混合し希釈する装置において、騒音が低く、かつ水素を均一に希釈可能とし、音振性能及び信頼性の高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】空気を供給する空気供給手段２と、水素を供給する水素供給手段７と、供給された空気及び水素に基づいて発電する発電手段５と、発電手段の水素側出口下流通路に設けられ、その通路を開閉し、通路を開いたときに、発電手段水素側内部のガスを、発電手段外部へ放出する放出手段１０と、周囲の空気を取り込み、その取り込んだ空気を放出手段から放出されるガスに混合して、放出ガスを希釈する希釈手段１１と、を有し、放出手段１０は、通路を第１の所定時間開いた後、第２の所定時間閉じる開閉動作を繰り返して、発電手段水素側内部のガスを発電手段外部へ放出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気と水素とに基づいて発電する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムにおいては、燃料電池本体及びその周辺要素から漏洩する可燃性ガス（水素）の処理が重要である。

そこで、従来の燃料電池システムでは、燃料電池本体及びその周辺要素から漏洩する可燃性ガス（水素）を、可燃性ガス漏洩検出手段で検出し、可燃性ガス漏洩検出手段からの可燃性ガス検知信号に基づいて、換気風量を増加させるように制御している（特許文献１参照）。
特開平８−３１４３６号公報

しかしながら、水素を空気と混合し希釈する場合に、両者が定常流のときは、水素が空気に十分混合されないまま、外部に排気される可能性があり、この場合、排気中において極所的に水素濃度が高い場所が存在しうるという課題がある。

この課題を解決するには、換気風量を増加すればよいが、そのようにすると風量増加に伴い騒音が過大になり、また振動等が増大するおそれがある。さらに故障の原因になりうるという、さらなる課題が発生する。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池水素側内部のガスを外部へ放出する際に、放出ガスを周囲の空気と混合し希釈する装置において、騒音が低く、かつ水素を均一に希釈可能とし、音振性能及び信頼性の高い燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、空気を供給する空気供給手段（２）と、水素を供給する水素供給手段（７）と、供給された空気及び水素に基づいて発電する発電手段（５）と、前記発電手段の水素側出口下流通路に設けられ、その通路を開閉し、通路を開いたときに、前記発電手段水素側内部のガスを、発電手段外部へ放出する放出手段（１０）と、周囲の空気を取り込み、その取り込んだ空気を前記放出手段から放出されるガスに混合して、放出ガスを希釈する希釈手段（１１）と、を有し、前記放出手段（１０）は、前記通路を第１の所定時間開いた後、第２の所定時間閉じる開閉動作を繰り返して、前記発電手段水素側内部のガスを発電手段外部へ放出することを特徴とする。

本発明によれば、放出手段を、第１の所定時間開いた後、第２の所定時間閉じる開閉動作を繰り返して、発電手段水素側内部のガスを発電手段外部へ放出するようにしたので、放出ガスに非定常流である脈動を生じる。そのため、空気及びガスの流れが変化し、空気の流れが回り込むこととなり、希釈手段において空気とガスとの混合が促進され、希釈手段における空気流量を増やすことなく、すなわち、静粛性等の音振性能を悪化させることなく、ガスを均一に希釈することが可能となる。

以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す全体システム図である。

最初にこの図１を参照しながらシステム構成について説明する。

１はフィルタ、２はコンプレッサ（空気供給手段）、３は空気流量センサ、４は空気圧力制御弁、５は燃料電池スタック（発電手段）、６は水素タンク、７はプレッシャレギュレータ（水素供給手段）、８は水素流量制御弁、９はポンプ、１０はシャットオフバルブ（放出手段）、１１は希釈装置（希釈手段）であり１２はファン、１３は水素濃度センサ、１４はファンの回転速度センサ、２０はコントロールユニット、３０はコンプレッサ２の回転速度センサ、３１は燃料電池スタック５の水素側の圧力センサ（圧力検出手段）、３２は燃料電池スタック５の空気側の圧力センサ、３３は燃料電池スタック５の水素側の温度センサ（温度検出手段）、３４は燃料電池スタック５の発電量センサ（発電量検出手段）、３５は燃料電池スタック５の水素側の湿度センサ（湿度検出手段）である。

フィルタ１は、コンプレッサ２が吸い込む空気中の不純物を取り除く。コンプレッサ２は、フィルタ１を通して空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池スタック５へ空気を供給する空気供給手段である。また、コンプレッサ２はコントロールユニット２０によって回転速度が制御され、供給する空気流量が制御される。空気流量センサ３は、コンプレッサ２から供給される空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック５へ供給される空気流量を制御する。

空気圧力制御弁４は、コントロールユニット２０の指令によって制御され、燃料電池スタック５の空気側の入口圧力を制御する。

燃料電池スタック５は、供給される空気と、供給される水素とを用いて発電する発電手段である。

水素タンク６は、水素を貯蔵する。プレッシャレギュレータ７は、水素タンク６から供給される水素の圧力を一定の圧力に制御して出力する水素供給手段である。水素流量制御弁８は、コントロールユニット２０の指令によって制御され、燃料電池スタック５へ供給する水素の流量を制御し、これによって燃料電池スタック５の水素側の入口圧力を制御する。

ポンプ９は燃料電池スタック５から排出される未使用水素を吸込み再度燃料電池スタック５へ供給する。

シャットオフバルブ１０は、コントロールユニット２０の指令によって制御され、燃料電池スタック５の水素側におけるガスを燃料電池スタック５外部へ放出する放出手段である。

希釈装置１１は、シャットオフバルブ１０を介して排出される水素を希釈し排出する希釈手段である。ファン１２は、周囲の空気を吸い込み、希釈装置１１内部に空気を吐出する。水素濃度センサ１３は、希釈装置１１内部における水素濃度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。回転速度センサ１４は、ファン１２の回転速度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。

コントロールユニット２０は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品へ指令を送り、本システムの制御を行う。

回転速度センサ３０は、コンプレッサ２の回転速度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。

圧力センサ３１は燃料電池スタック５の水素側の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、圧力センサ３１の検出値に基づき、水素流量制御弁８を制御する。

圧力センサ３２は燃料電池スタック５の空気側の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、圧力センサ３２の検出値に基づき、空気圧力制御弁４を制御する。

温度センサ３３は燃料電池スタック５の水素側の温度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。

発電量センサ３４は燃料電池スタック５の発電量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。

湿度センサ３５は燃料電池スタック５の水素側の湿度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。

次に本構成における、燃料電池スタック５の水素側におけるガスを燃料電池スタック５外部へ放出する際の制御方法について説明する。

図２は、この制御のフローチャートである。図２のフローチャートは、コントロールユニット２０において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。

ステップＳ１１では、第３所定時間が経過したか否かを判断する。この第３所定時間については後述するが、初期値は０である。

ステップＳ１２では、ガス放出フラグがＯＮであるか否かを判断する。このガス放出フラグについては後述するが、初期値はＯＦＦである。

ステップＳ１３では、シャットオフバルブ１０から放出される燃料電池スタック５の水素側におけるガスの流量Ｑを推定する。ここで、ガス流量Ｑは、例えば次式で求める。

ステップＳ１４では、希釈装置１１において、ファン１２が、希釈装置１１内部に吐出する空気の流量Ｖを設定する。ここで、空気流量Ｖは、例えば次式で求める。

ここで、Ｖ０は、例えば、前回シャットオフバルブ１０がガス放出を終了した時点から、今回シャットオフバルブ１０がガス放出を開始するまでの間の時間ｔ４に基づき、図３に示すよう、そのｔ４が長いほど、Ｖ０を小さく設定するとよい。そのようにすれば、ｔ４が長く、シャットオフバルブ１０がガスを放出していない場合にはＶ０を小さくし騒音を低減できる。

以上のように、希釈装置１１は放出されるガス流量Ｑに基づき、吐出する空気流量Ｖを可変とする構成としたので、ガスの希釈に対し必要な空気流量が適切に設定され、音振性能及び信頼性の高い燃料電池システムを提供することが可能となる。

ステップＳ１５では、シャットオフバルブ１０からガスを放出する必要があるか否かを判断し、必要がなければ本処理を終了する。ガスを放出する必要がありになったら、ステップＳ１６に進んで、ガス放出フラグをＯＮする。

ステップＳ１７では、バルブ状態フラグが１であるか否かを判断する。このバルブ状態フラグについては後述するが、初期値は０である。

ステップＳ１８では、シャットオフバルブ１０を開く。

ステップＳ１９では、第１カウンタ及び第３カウンタをカウントアップする。なお、第１カウンタは、シャットオフバルブ１０を開いている時間を測定するためのカウンタであり、第３カウンタは、シャットオフバルブ１０の開閉制御の継続時間を測定するためのカウンタである。

ステップＳ２０では、シャットオフバルブ１０を開いている時間が第１所定時間を経過したか否かを判断する。第１所定時間を経過しなければリターンし（ステップＳ２８）、以上の処理、すなわちステップＳ１０→Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１７→Ｓ１８→Ｓ１９→Ｓ２０→Ｓ２８を繰り返し、シャットオフバルブ１０を開状態に保つ。第１所定時間を経過したらステップＳ２１に進んでバルブ状態フラグを１にするとともに第１カウンタをリセットする。なお第１所定時間の詳細については後述する。

ステップＳ２２では、シャットオフバルブ１０を閉じる。

ステップＳ２３では、第２カウンタ及び第３カウンタをカウントアップする。なお、第２カウンタは、シャットオフバルブ１０を閉じている時間を測定するためのカウンタである。

ステップＳ２４では、シャットオフバルブ１０を閉じている時間が第２所定時間を経過したか否かを判断する。第２所定時間を経過しなければリターンし（ステップＳ２８）、以上の処理、すなわちステップＳ１０→Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１７→Ｓ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ２８を繰り返し、シャットオフバルブ１０を閉状態に保つ。第２所定時間を経過したらステップＳ２５に進んでバルブ状態フラグを０にするとともに第２カウンタをリセットする。

なお第２所定時間は、シャットオフバルブ１０から放出されるガスの密度・粘性・流速に基づき、ガスに脈動を発生させるために最適な時間に設定することが望ましい。ただし、本発明では、シャットオフバルブ１０を開閉することで、シャットオフバルブ１０から放出されるガスの脈動を増やして、希釈装置１１における空気とガスとを混合し、希釈装置１１における空気流量を増やすことなく、ガスを均一に希釈する点がポイントである。したがって、シャットオフバルブ１０をある時間閉状態に保つことが重要であり、上記のようにして求める最適時間でなくてもよく、ある時間閉状態に保つようにすればよい。

以上のように、シャットオフバルブ１０を第１所定時間、第２所定時間ごとに開閉し、シャットオフバルブ１０の開閉制御の継続時間が第３所定時間を経過したら、ステップＳ２６以降に進んで、シャットオフバルブ１０を閉じてガスの放出を終了し、バルブ状態フラグを０にして、第１〜３カウンタをリセットする。なお、第３所定時間とは、燃料電池スタック５の水素側内部のガスを外部へ放出するために要する時間であり、燃料電池スタック５の水素側内部に含まれるガス量を、放出されるガス流量Ｑで除した値に相当するものである。

次に第１所定時間ｔ１について説明する。第１所定時間ｔ１は、図４〜図９によって求める。

図４は、燃料電池スタック５の発電量を検出する発電量センサ（発電量検出手段）３４の検出値に基づき、発電量が小さいほど第１所定時間ｔ１を短くするものである。燃料電池スタック５の発電量が小さく、燃料電池スタック５の水素側内部のガスに含まれる水蒸気分が小さくなる場合に、すなわちシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分も小さくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が増加する場合に、ｔ１を短くする。

このようにすることで、その増加する水素分に応じて、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに発生させる脈動を増やし、希釈装置１１における空気とガスとを適切に混合し、希釈装置１１における空気流量を増やすことなく、ガスを均一に希釈することが可能となり、音振性能及び信頼性の高い燃料電池システムを提供することが可能となる。

図５は、燃料電池スタック５の水素側における湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）３５の検出値に基づき、湿度が低いほど第１所定時間ｔ１を短くするものである。燃料電池スタック５の水素側における湿度が低く、燃料電池スタック５の水素側内部のガスに含まれる水蒸気分が小さくなる場合に、すなわちシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分も小さくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が増加する場合に、ｔ１を短くする。

図６は、燃料電池スタック５の水素側における温度を検出する温度センサ（温度検出手段）３３の検出値に基づき、温度が低いほど第１所定時間ｔ１を小さくするものである。燃料電池スタック５の水素側における温度が低く、燃料電池スタック５の水素側内部のガスに含まれる水蒸気分が小さくなる場合に、すなわちシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分も小さくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が増加する場合に、ｔ１を短くする。

図７は、燃料電池スタック５の水素側における圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）３１の検出値に基づき、圧力が高いほど第１所定時間ｔ１を小さくするものである。燃料電池スタック５の水素側における圧力が高く、シャットオフバルブ１０から放出されるガスの流量が増加する場合に、ｔ１を短くする。

また、前回シャットオフバルブ１０がガス放出を終了した時点から、今回シャットオフバルブ１０がガス放出を開始するまでの間における、燃料電池スタック５の総発電量を検出し、図８に示すように総発電量が大きいほどｔ１を小さくすることによって、総発電量が小さく、すなわち、燃料電池スタック５の空気側から水素側へ移動する窒素の量が少なく、燃料電池スタック５の水素側内部のガスに含まれる窒素分が小さくなる場合に、すなわちシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる窒素分も小さくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が増加する場合に、ｔ１を短くする。

ここで、前回シャットオフバルブ１０がガス放出を終了した時点から、今回シャットオフバルブ１０がガス放出を開始するまでの間における、燃料電池スタック５の総発電量は、燃料電池スタック５の発電量を検出する発電量センサ３４の検出値を積分する（総発電量検出手段に相当）ことによって求めることができる。

図９は、燃料電池システム運転開始からの経過時間に基き、その経過時間が長いほど第１所定時間ｔ１を小さくするものである。燃料電池システム運転開始直後は燃料電池スタック５の水素側内部のガスは空気を多く含み、運転開始後、徐々にその空気分が低下し、最終的に燃料電池スタック５の水素側内部のガスに含まれる空気分が略零になることから、燃料電池システム運転開始からの経過時間が長くなり、燃料電池スタック５の水素側内部のガスに含まれる空気分が小さくなる場合に、すなわちシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる空気分も小さくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が増加する場合に、ｔ１を短くする。

以上の燃料電池システムの動作のタイミングチャートを図１０に示す。

この図１０によれば、シャットオフバルブ１０の開閉動作によって、放出されるガス流量に脈動が生じることがわかる。

なお、空気流量Ｖは（１）（２）式で求めるのであって、ここで一般的に燃料電池スタック５の水素側の圧力は、ほぼ一定又は緩やかに変化するよう制御し、また、燃料電池スタック５の水素側の温度も急激な変化はしないため、（１）式で求められる推定されるガス流量Ｑは図１０に示す実際の放出されるガス流量のように脈動せず、図１０に示すように、放出されるガス流量の平均値の変化に応じて設定されることとなる。

（効果）
次に図１１を参照しながら本発明の効果について説明する。

図１１（Ａ）に示すように、シャットオフバルブ１０から放出されるガスが定常流のときは、ファン１２の空気（定常流）と混合しても、十分には混合されず、ガスが希釈されない可能性があった。この課題を解決するには、換気風量を増加すればよいが、そのようにすると風量増加に伴い騒音が過大になり、また振動等が増大するおそれがある。さらに故障の原因になりうるという、さらなる課題が発生する。

そこで本発明では、図１１（Ｂ）に示すように、シャットオフバルブ１０を開閉することで放出ガスに非定常流である脈動を生じさせたのである。このようにすることで、空気及びガスの流れが変化し、空気の流れが回り込むこととなり、希釈装置１１において空気とガスとの混合が促進され、希釈装置１１における空気流量を増やすことなく、すなわち、静粛性等の音振性能を悪化させることなく、ガスを均一に希釈することが可能となり、音振性能及び信頼性の高い燃料電池システムを提供することが可能となったのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す全体システム図である。燃料電池スタックの水素側におけるガスを燃料電池スタック外部へ放出する際の制御を説明するフローチャートである。Ｖ０とｔ４との関係を示す図である。燃料電池スタックの発電量と第１所定時間ｔ１との関係を示す図である。燃料電池スタックの水素側における湿度と第１所定時間ｔ１との関係を示す図である。燃料電池スタックの水素側における温度と第１所定時間ｔ１との関係を示す図である。燃料電池スタックの水素側における圧力と第１所定時間ｔ１との関係を示す図である。燃料電池スタックの総発電量と第１所定時間ｔ１との関係を示す図である。燃料電池システム運転開始からの経過時間と第１所定時間ｔ１との関係を示す図である。燃料電池システムの動作のタイミングチャートである。本発明の効果について説明する図である。

符号の説明

１フィルタ
２コンプレッサ（空気供給手段）
３空気流量センサ
４空気圧力制御弁
５燃料電池スタック（発電手段）
６水素タンク
７プレッシャレギュレータ（水素供給手段）
８水素流量制御弁
９ポンプ
１０シャットオフバルブ（放出手段）
１１希釈装置（希釈手段）
１２ファン
１３水素濃度センサ
１４ファンの回転速度センサ
２０コントロールユニット
３０コンプレッサの回転速度センサ
３１燃料電池スタックの水素側の圧力センサ（圧力検出手段）
３２燃料電池スタックの空気側の圧力センサ
３３燃料電池スタックの水素側の温度センサ（温度検出手段）
３４燃料電池スタックの発電量センサ（発電量検出手段）
３５燃料電池スタックの水素側の湿度センサ（湿度検出手段）

Claims

空気を供給する空気供給手段と、
水素を供給する水素供給手段と、
供給された空気及び水素に基づいて発電する発電手段と、
前記発電手段の水素側出口下流通路に設けられ、その通路を開閉し、通路を開いたときに、前記発電手段水素側内部のガスを、発電手段外部へ放出する放出手段と、
周囲の空気を取り込み、その取り込んだ空気を前記放出手段から放出されるガスに混合して、放出ガスを希釈する希釈手段と、
を有し、
前記放出手段は、前記通路を第１の所定時間開いた後、第２の所定時間閉じる開閉動作を繰り返して、前記発電手段水素側内部のガスを発電手段外部へ放出する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記希釈手段は、前記放出手段から放出されるガス流量に基づいて、吐出する空気流量を可変とする、
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記発電手段の発電量を検出する発電量検出手段を有し、
前記放出手段は、前記発電量検出手段で検出した発電量が小さいときほど前記第１の所定時間を短くする、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記発電手段の水素側における湿度を検出する湿度検出手段を有し、
前記放出手段は、前記湿度検出手段で検出した湿度が低いときほど前記第１の所定時間を短くする、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記発電手段の水素側における温度を検出する温度検出手段を有し、
前記放出手段は、前記温度検出手段で検出した温度が低いときほど前記第１の所定時間を短くする、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記発電手段の水素側における圧力を検出する圧力検出手段を有し、
前記放出手段は、前記圧力検出手段で検出した圧力が高いときほど前記第１の所定時間を短くする、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前回前記放出手段がガス放出を終了した時点から、今回その放出手段がガス放出を開始するまでの間における、前記発電手段の総発電量を検出する総発電量検出手段を有し、
前記放出手段は、前記総発電量検出手段で検出した総発電量が小さいときほど前記第１の所定時間を短くする、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記放出手段は、燃料電池システム運転開始からの経過時間が長いときほど前記第１の所定時間を短くする、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。