JP2006134805A - 燃料電池システム - Google Patents

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

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％Ｈ_２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。

〔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。

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。

〔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。

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。

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。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態となる水素供給量制御処理の流れを示すフローチャート図である。 水素中の窒素濃度と実燃焼温度差の関係を示す図である。

符号の説明

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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