JP2006134805A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】効率や燃費を低下させることなく、水素循環路内部の水素の化学量論比を正確に制御する。
【解決手段】制御回路18が、補正理論燃焼温度T6と補正燃焼温度T5の温度差ΔTに基づいて、水素排出路8内のガス中に含まれる窒素濃度を推定し、推定結果に従って水素循環路5a内の水素の化学量論比を制御する。このような構成によれば、効率や燃費を低下させることなく、水素循環路5a内の水素の化学量論比を正確に制御することができる。
【選択図】図1
【解決手段】制御回路18が、補正理論燃焼温度T6と補正燃焼温度T5の温度差ΔTに基づいて、水素排出路8内のガス中に含まれる窒素濃度を推定し、推定結果に従って水素循環路5a内の水素の化学量論比を制御する。このような構成によれば、効率や燃費を低下させることなく、水素循環路5a内の水素の化学量論比を正確に制御することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、効率や燃費を低下させることなく、水素循環路内部の水素の化学量論比を正確に制御するための技術に係わる。
一般に、固体高分子型燃料電池の場合、燃料極と酸化剤極は固体高分子膜によって仕切られ、固体高分子膜では、燃料極側及び酸化剤極側からそれぞれ供給される水素と酸素が化学反応することにより水が生成される。そして、化学反応により生成された水は、燃料極側の水蒸気量が飽和水蒸気量に達するまでは水蒸気として存在し、水蒸気量が飽和水蒸気量に達するのに応じて液水として凝縮する。また、固体高分子膜はガスを透過する性質を有することから、発電に寄与しない窒素が酸化剤極側から燃料極側に透過することがある。
ところで、通常、燃料電池には、化学反応に用いられる量より多くの量の水素を燃料極側に供給しなければならない。従って、燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池の特性,システム構成,及び燃料電池の運転負荷に応じて、発電に用いられる水素量と実際に燃料極に供給する水素量の比(以下、化学量論比と表記)を制御する必要がある。なお、通常、化学量論比は、発電に用いられる水素量と燃料極に供給される水素量が等しい場合は1、発電に用いられる水素量の2倍の水素量を燃料極に供給する場合には2となる。
ところが、固体高分子型燃料電池の場合には、上述の通り、燃料極側に水蒸気や窒素が混入することがあるために、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、化学量論比SRを正確に制御することは難しい。このような背景から、固体高分子型燃料電池を有する燃料電池システムでは、TCD(Thermal Conductivity Detector),FID(Flame Ionization Detector),ECD(Electron Capture Detector),質量分析,NDIR(Non Dispersive InfraRed detector),固体センサ等の手段を利用して燃料極側に供給されるガス中の水素濃度を計測し、計測された水素濃度に従って水素循環量や水素排出量を調整することにより、化学量論比を制御している(例えば、特許文献1を参照)。
特開2003−142131号公報
しかしながら、TCDを利用して水素濃度を計測する場合には、分離カラムを用いたガスクロマトグラフィー等の検出器を利用してアノードガス中の水素成分を分離する必要があり、また、ガスクロマトグラフィーを利用して水素成分を分離する場合には、擬似移動相等の特別な手段を利用しない限り、水素成分を連続的に検出することができない。従って、検出器の設置スペースが限られる自動車等の移動体に燃料電池システムを適用する場合には、TCDを利用して燃料極側の水素濃度を検出することは難しい。
また、FIDを利用して水素濃度を計測する場合には、コンプレッサ等の空気供給装置が必要になるために、空気供給装置が電力を消費することにより、燃料電池システムの燃費が悪化する。また、ECDを利用して水素濃度を計測する場合には、β線を利用するために燃料電池システムの安全性に問題がある。また、質量分析やNDIRを利用して水素濃度を計測する場合には、凝縮器を通してアノードガス中の水分を除去する必要があるために、燃料電池システムを移動体に適用することが困難になるのと同時に、燃料電池システムの燃費が悪化する。また特に、NDIRを利用して水素濃度を計測する場合には、水素を二次的に検出するために水素濃度を精度高く検出することが難しい。
また、固体センサは酸素を含まないガス中の水素濃度を検出することはできない。なお、固体センサを用いるために、ガスを空気で希釈する方法も考えられるが、一般に、市販されている固体センサの計測レンジは4%H2以下であるために、この方法を用いる場合には、ガスを過剰に希釈する必要がある。また、仮にこのような固体センサを使用したとしても、劣化が激しいので、燃料電池システムの制御用に適用することは難しい。
なお、上記特許文献1には、実験によって予め計測したデータから酸化剤極側からの窒素透過量を推定し、燃料電池の温度から水蒸気量を予測し、窒素透過量と水蒸気量に従って水素循環量及び水素排出量をを調整することにより、化学量論比を制御する方法が提案されている。しかしながら、このような方法によれば、燃料電池が劣化して酸化剤極側からの窒素透過量が大きくなった場合を想定して、水素循環量や水素排出量を多めに設定しなければならない。そして、水素循環量や水素排出量を多めに設定した場合には、燃料電池システムの消費電力が大きくなると共に、無駄に排出される水素量が多くなるために、燃料電池システムの効率や燃費が低下してしまう。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、効率や燃費を低下させることなく、水素循環路内の水素の化学量論比を正確に制御することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃焼部の燃焼温度を検出する燃焼温度検出部と、燃焼部に供給される空気及び水素の温度と流量に基づいて、水素排出路から排出される水素が純水素であると仮定した場合における、燃焼部の燃焼温度を予測する予測部と、燃料温度検出部により検出された燃焼温度と予測部により予測された燃焼温度の温度差に基づいて水素排出路から排出される水素中に含まれる窒素濃度を推定し、推定された窒素濃度に従って水素循環路内の水素の化学量論比を制御する制御部とを備える。
本発明に係る燃料電池システムによれば、水素排出路から排出される水素中に含まれる窒素濃度を推定し、推定された窒素濃度に従って水素循環路内の水素の化学量論比を制御するので、効率や燃費を低下させることなく、水素循環路内部の水素の化学量論比を正確に制御することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池1を備える。なお、燃料電池1は、固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式(1)〜(3)による。
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池1を備える。なお、燃料電池1は、固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式(1)〜(3)による。
〔燃料極〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク2及び水素調圧弁3を備え、水素調圧弁3によって水素タンク2内の水素の圧力を調節した後、水素供給路4を介して水素循環路5aに水素を供給する。水素循環路5aに供給された水素は、水素ポンプ6によって水素循環路5bを介して燃料電池1の燃料極に供給され、燃料極から排出された水素は水素循環路5cを介して再び水素循環路5aに戻る。また、水素循環路5cには、可変バルブ7が設けられた水素排出路8が接続され、可変バルブ7の開度を調整することにより燃焼器9側に水素を排出可能なように構成されている。
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク2及び水素調圧弁3を備え、水素調圧弁3によって水素タンク2内の水素の圧力を調節した後、水素供給路4を介して水素循環路5aに水素を供給する。水素循環路5aに供給された水素は、水素ポンプ6によって水素循環路5bを介して燃料電池1の燃料極に供給され、燃料極から排出された水素は水素循環路5cを介して再び水素循環路5aに戻る。また、水素循環路5cには、可変バルブ7が設けられた水素排出路8が接続され、可変バルブ7の開度を調整することにより燃焼器9側に水素を排出可能なように構成されている。
なお、燃焼器9は、水素と空気の供給を受けて水素を酸化(燃焼)させ、酸化により生成された水を系外に排出する。また、図示しないが、ガス中の液水を除去する水トラップ装置を水素排出路8に設けるようにしてもよい。一般に、燃焼器9の燃焼温度は、ガス中に液水が含まれる場合には、液水の気化熱分低下するために、後述する処理においてガス中の窒素濃度を正確に推定することができなくなる。従って、水トラップ装置を設けるようにすれば、燃焼温度の低下を抑制し、ガス中の窒素濃度をより正確に推定することが可能となる。
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、コンプレッサ10を備え、コンプレッサ10から供給される空気は、燃料電池1の酸化剤極に空気を供給する空気供給路11aと、燃焼器9に空気を供給する空気供給路11bとに分岐される。なお、空気供給路11bには、可変バルブ12が設けられ、可変バルブ12の開度を調整することにより燃焼器9側に供給する空気量を調整可能なように構成されている。なお、図示しないが、燃料電池1の酸化剤極に供給される空気を加湿する加湿器を設けるようにしてもよい。
上記燃料電池システムは、コンプレッサ10を備え、コンプレッサ10から供給される空気は、燃料電池1の酸化剤極に空気を供給する空気供給路11aと、燃焼器9に空気を供給する空気供給路11bとに分岐される。なお、空気供給路11bには、可変バルブ12が設けられ、可変バルブ12の開度を調整することにより燃焼器9側に供給する空気量を調整可能なように構成されている。なお、図示しないが、燃料電池1の酸化剤極に供給される空気を加湿する加湿器を設けるようにしてもよい。
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムにおける制御系は、水素排出路8内の水素の圧力P1及び温度T1を検出する圧力センサ13及び温度センサ14と、空気供給路11b内の空気の圧力P2及び温度T2を検出する圧力センサ15及び温度センサ16と、燃焼器9の燃焼温度T3を検出する温度センサ17と、燃料電池システムの動作を制御する制御回路18とを備える。なお、制御回路18は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
上記燃料電池システムにおける制御系は、水素排出路8内の水素の圧力P1及び温度T1を検出する圧力センサ13及び温度センサ14と、空気供給路11b内の空気の圧力P2及び温度T2を検出する圧力センサ15及び温度センサ16と、燃焼器9の燃焼温度T3を検出する温度センサ17と、燃料電池システムの動作を制御する制御回路18とを備える。なお、制御回路18は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、制御回路18が以下に示す水素供給量制御処理を実行することにより、システム効率や燃費を低下させることなく、水素循環路5a内部の水素の化学量論比を正確に制御する。以下、図2に示すフローチャートを参照して、水素供給量制御処理を実行する際の制御回路18の動作について詳しく説明する。
[水素供給量制御処理]
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、水素供給量制御処理はステップS1の処理に進む。なお、この水素供給量制御処理中、可変バルブ7,12の開度は全開にならないように制御されているものとする。
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、水素供給量制御処理はステップS1の処理に進む。なお、この水素供給量制御処理中、可変バルブ7,12の開度は全開にならないように制御されているものとする。
ステップS1の処理では、制御回路18が、圧力センサ13,15及び温度センサ14,16を介して水素排出路8内の水素の圧力P1及び温度T1と空気供給路11b内の空気の圧力P2及び温度T2を検知するのと同時に、可変バルブ7,12の開度を検知する。これにより、このステップS1の処理は完了し、この制御処理はステップS1の処理からステップS2の処理に進む。
ステップS2の処理では、制御回路18が、水素排出路8内の水素の圧力P1,温度T1,及び可変バルブ7の開度と水素排出路8内の水素流量の関係を示すマップデータから、ステップS1の処理により検知された圧力P1,温度T1,及び可変バルブ7の開度に対応する水素流量を読み出すことにより、水素排出路8から燃焼器9に排出される水素流量を演算する。これにより、このステップS2の処理は完了し、この制御処理はステップS2の処理からステップS3の処理に進む。
ステップS3の処理では、制御回路18が、空気供給路11b内の空気の圧力P2,温度T2,及び可変バルブ12の開度と空気供給路11b内の空気流量の関係を示すマップデータから、ステップS1の処理により検知された空気供給路11b内の空気の圧力P2,温度T2,及び可変バルブ12の開度に対応する空気流量を読み出すことにより、空気供給路11bから燃焼器9に供給される空気流量を演算する。これにより、このステップS3の処理は完了し、この制御処理はステップS3の処理からステップS4の処理に進む。
ステップS4の処理では、制御回路18が、水素排出路8から燃焼器9に排出される水素を純水素と仮定し、水素と空気の流量比と理論燃焼温度T4の関係を示すマップデータから、ステップS2及びステップS3の処理により演算された水素と空気の流量比に対応する理論燃焼温度T4を読み出すことにより、燃焼器9の理論燃焼温度T4を算出する。これにより、このステップS4の処理は完了し、この制御処理はステップS4の処理からステップS5の処理に進む。
ステップS5の処理では、制御回路18が、温度センサ17を介して燃焼器9の燃焼温度T3を検出し、水素排出路8内の水素には飽和水蒸気が含まれていると仮定して、検出された燃焼温度T3とステップS4の処理により算出された理論燃焼温度T4について、水素排出路8内の水素の温度T1における飽和水蒸気分の温度差を補正する。そして、制御回路18は、補正後の燃焼温度T3及び理論燃焼温度T4をそれぞれ補正燃焼温度T5及び補正理論燃焼温度T6に設定する。これにより、このステップS5の処理は完了し、この制御処理はステップS5の処理からステップS6の処理に進む。
ステップS6の処理では、制御回路18が、ステップS5の処理により設定された補正理論燃焼温度T6と補正燃焼温度T5の差分ΔT(=T6−T5)を実燃焼温度差ΔTとして算出する。これにより、このステップS6の処理は完了し、この制御処理はステップS6の処理からステップS7の処理に進む。
ステップS7の処理では、制御回路18が、水素中の窒素濃度と実燃焼温度差ΔTの関係を示す図3に示すようなマップデータから、ステップS6の処理により算出された実燃焼温度差ΔTに対応する窒素濃度を読み出すことにより、水素排出路8から燃焼器9に排出される水素に含まれる窒素濃度を予測する。なお、図1に示す構成から明らかなように、この実施形態の燃料電池システムでは、水素排出路8から燃焼器9に排出される水素に含まれる窒素濃度は、水素循環路5c内の水素に含まれる窒素濃度に対応する。これにより、このステップS7の処理は完了し、この制御処理はステップS7の処理からステップS8の処理に進む。
ステップS8の処理では、制御回路18が、ステップS7の処理により算出された窒素濃度を参照して、要求されている水素の化学量論比(以下、水素ストイキと表記)を成立させるために必要な水素循環流量、及びこの水素循環流量を実現するための水素ポンプ6の消費電力量Q1を予測する。これにより、このステップS8の処理は完了し、この制御処理はステップS8の処理からステップS9の処理に進む。
ステップS9の処理では、制御回路18が、ステップS7の処理により算出された窒素濃度を参照して、要求されている水素ストイキを成立させるために必要な水素排出量、及び排出される水素が有する熱量Q2を予測する。これにより、このステップS9の処理は完了し、この制御処理はステップS9の処理からステップS10の処理に進む。
ステップS10の処理では、制御回路18が、ステップS8の処理により予測された消費電力量Q1がステップS9の処理により予測された熱量Q2より大きいか否かを判別する。そして、判別の結果、消費電力量Q1が熱量Q2より大きい場合、制御回路18は制御処理をステップS11の処理に進める。一方、消費電力量Q1が熱量Q1より小さい場合には、制御回路18は制御処理をステップS12の処理に進める。
ステップS11の処理では、制御回路18が、水素ストイキを成立する上で水素排出路8から燃焼器9に排出される水素量を増やす方がエネルギー的に有利であると判断し、可変バルブ7の開度を制御することにより、水素排出路8から燃焼器9に排出される水素量を増やす。これにより、このステップS11の処理は完了し、この制御処理はステップS1の処理に戻る。
ステップS12の処理では、制御回路18が、水素ストイキを成立する上で水素循環流量を増やす方がエネルギー的に有利であると判断し、水素ポンプ6の回転数を制御することにより、水素循環流量を増やす。これにより、このステップS12の処理は完了し、この制御処理はステップS1の処理に戻る。
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、制御回路18が、補正理論燃焼温度T6と補正燃焼温度T5の温度差ΔTに基づいて、水素排出路8内のガス中に含まれる窒素濃度を推定し、推定結果に従って水素循環路5a内の水素の化学量論比を制御する。すなわち、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、水素排出路8から排出されるガス中に含まれる窒素濃度を推定し、推定された窒素濃度に従って水素循環路5a内の水素の化学量論比を制御するので、効率や燃費を低下させることなく、水素循環路5a内の水素の化学量論比を正確に制御することができる。なお、窒素濃度は、±1℃の誤差範囲を有する温度センサを用いた場合であっても、±1%以内の誤差範囲で推定することが理論上可能である。
なお、上記構成によれば、水素循環路5a内の窒素濃度をエゼクタで循環可能な窒素濃度に制御することができるので、水素ポンプ6の代わりにエゼクタを設け、制御回路18は、エゼクタの差圧を制御することにより、水素循環路5b内の水素の流量を制御してもよい。また、エゼクタを複数設け、制御回路18は、エゼクタの作動個数を制御することにより、水素循環路5b内の水素の流量を制御してもよい。
また、制御回路18は、水素排出路8に設けられた可変バルブ7の開度を制御することにより、水素排出路8から排出される水素の流量を制御するとよい。また、水素排出路8に複数の可変バルブを設け、可変バルブの作動個数を制御することにより、水素排出路8から排出される水素の流量を制御してもよい。これにより、断続開閉弁の開閉周波数や開時間を制御したり、圧力差を大きくする方法を利用して、水素排出路8から排出される水素の流量を制御した場合に生じる流体の脈動を防ぎ、制御とシステムの安全運転を両立させることが可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、燃焼器9が利用する空気はコンプレッサ10から供給されたが、燃料電池1から排出される空気を燃焼器9に供給してもよい。また、燃焼器9に供給されるガス流量を流量計を用いて計測,制御するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
1:燃料電池
2:水素タンク
3:水素調圧弁
4:水素供給路
5a,5b,5c:水素循環路
6:水素ポンプ
7,12:可変バルブ
8:水素排出路
9:燃焼器
10:コンプレッサ
11a,11b:空気供給路
13,15:圧力センサ
14,16,17:温度センサ
18:制御回路
2:水素タンク
3:水素調圧弁
4:水素供給路
5a,5b,5c:水素循環路
6:水素ポンプ
7,12:可変バルブ
8:水素排出路
9:燃焼器
10:コンプレッサ
11a,11b:空気供給路
13,15:圧力センサ
14,16,17:温度センサ
18:制御回路
Claims (10)
- 水素と空気の供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された水素を燃料電池に循環させる水素循環路と、水素循環路に接続され、燃料電池から排出された水素を系外に排出する水素排出路とを備える燃料電池システムであって、
空気を利用して前記水素排出路から排出される水素を燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部の燃焼温度を検出する燃焼温度検出部と、
前記燃焼部に供給される空気及び水素の温度と流量に基づいて、前記水素排出路から排出される水素が純水素であると仮定した場合における、前記燃焼部の燃焼温度を予測する予測部と、
前記燃料温度検出部により検出された燃焼温度と前記予測部により予測された燃焼温度の温度差に基づいて、前記水素排出路から排出される水素中に含まれる窒素濃度を推定し、推定された窒素濃度に従って前記水素循環路内の水素の化学量論比を制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素排出路から排出される水素の流量を制御することにより、前記水素循環路内の水素の化学量論比を制御すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内及び前記水素排出路内の水素の流量を制御することにより、前記水素循環路内の水素の化学量論比を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内に水素を循環させる循環ポンプの作動負荷を制御することにより、前記水素循環路内の水素の流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内に水素を循環させるエゼクタの差圧を制御することにより、前記水素循環路内の水素の流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内に水素を循環させる複数のエゼクタの作動個数を制御することにより、前記水素循環路内の水素の流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素排出路に設けられた可変バルブの開度を制御することにより、前記水素排出路から排出される水素の流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素排出路に設けられた複数の可変バルブの作動個数を制御することにより、前記水素排出路から排出される水素の流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項8のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記水素排出路は、内部を流れるガス中の液水を除去する手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項9のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路に水素を循環させるために必要な電力量と前記水素排出路から排出される水素が有する熱量の大小関係に応じて、前記水素の化学量論比の制御方法を切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
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2004
- 2004-11-09 JP JP2004325111A patent/JP2006134805A/ja active Pending
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