JP2007220343A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素濃度を測定する水素濃度センサを備えた燃料電池システムにおいて、水素濃度センサの測定誤差を低減し、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することを技術的課題とする。
【解決手段】水素供給手段２によって燃料電池１に水素ガスを供給しつつアノードオフガス排出手段５によってアノードオフガスを所定量以上排出した際に、アノードオフガス通路２２に設けられた水素濃度センサ３によって水素濃度を測定して、測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサ３を補正するセンサ補正手段４と、を備えることを特徴とする燃料電池システム１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸化ガスとを燃料電池に供給して、燃料電池の電解質を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。

従来の燃料電池システムとして、燃料電池から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路に水素濃度センサを設けてアノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度を測定するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−９５３００号公報 特開２００４−８９８７１号公報

前記水素濃度センサによって測定する水素濃度は、例えば燃料電池から排出するアノードオフガスの量の調整等、燃料電池システムの各種制御に用いられている。よって、水素濃度センサは、高い測定精度が求められている。しかし、水素濃度センサは、長期間の使用に伴ってその精度が低下して誤差が生じることがある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、水素濃度を測定する水素濃度センサを備えた燃料電池システムにおいて、水素濃度センサの測定誤差を低減し、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することを技術的課題とする。

本発明は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、前記水素供給手段から供給される水素が通る水素供給通路と、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路のアノードオフガスを当該アノードオフガス通路外へ排出するアノードオフガス排出手段と、前記アノードオフガス排出手段より上流のアノードオフガス通路上に設けられ、アノードオフガスに含まれる水素濃度を測定する水素濃度センサと、前記水素供給手段によって水素ガスを供給しつつ前記アノードオフガス排出手段によってアノードオフガスをアノードオフガス通路外へ排出し、当該アノードオフガス排出手段によってアノードオフガスを所定量以上排出した際に前記水素濃度センサによって水素濃度を測定し、測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサを補正するセンサ補正手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムは、前記水素濃度センサを補正するセンサ補正手段を備えており、当該センサ補正手段によってセンサの測定値を補正することができる。前記センサ補正手段は、前記水素供給手段によって水素ガスが供給されつつアノードオフガス排出手段によってアノードオフガスが所定量以上排出された際に、水素濃度センサによって測定した水素濃度に基づいてセンサを補正する。

一般的に、燃料電池のアノード側からは、発電処理に供されなかった水素ガスと、電解質膜を介してアノード側に透過した透過窒素が排出される。アノードオフガス通路には、
前記種々のガスが存在する。水素ガスを供給した状態でアノードオフガス排出手段によってアノードオフガス通路内のガスを排出すると、種々のガスは排出され、供給される水素ガスの濃度が高くなる。このアノードオフガス通路内の水素濃度は、燃料電池が発電中であるか否か、燃料電池の電解質膜の透過係数に影響されるが、アノードオフガス通路からのアノードオフガス排出量が所定量以上となると、略一定濃度となる。

本発明は、前記所定量以上のアノードオフガスを排出して、アノードオフガス通路内の水素ガスの濃度が略一定濃度と推定される際に、水素濃度センサによって水素濃度を測定し、当該測定濃度と推定される水素濃度との差を誤差として、当該誤差を補正するものである。前記所定量とは、当該量のアノードオフガスが排出されることにより、前記水素濃度センサによって測定するアノードオフガス通路の水素濃度が略一定濃度となると推定される量であり、燃料電池の発電状態等に応じて適宜設定する。

より詳細には、例えば、水素濃度センサの測定値が略１００％となるアノードオフガスの排出量を予め算出して、当該所定量排出後に水素濃度は１００％とみなす。所定量排出した際の水素濃度センサの測定値が１００％でない場合には、実際の測定値と１００％との差を誤差としてセンサを補正する。このような補正を所定頻度で行うことにより、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することが可能となる。

このように、理論値の水素濃度と実際測定した水素濃度とを比較して、当該値に基づいて水素濃度センサを補正することにより、長期間の使用において水素濃度センサが劣化して誤差が生じても、適宜センサを補正することが可能となり、水素濃度の測定精度を維持することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記水素濃度センサより上流のアノードオフガス通路と前記水素供給通路とを繋ぎ、前記燃料電池を通過させずに水素ガスをアノードオフガス通路に導くバイパス通路を更に備え、前記センサ補正手段は、前記バイパス通路を介してアノードオフガス通路に水素ガスを供給しつつ前記アノードオフガス排出手段によってアノードオフガスを所定量以上排出した際に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定して、水素濃度センサを補正することを特徴とすることが望ましい。

前記燃料電池は、電気化学反応において水が発生し、燃料電池を通るアノードオフガスには水蒸気が含まれていることがある。アノードオフガスに水蒸気が含まれていると、当該水蒸気によって水素濃度センサの測定値が影響されるおそれがある。一方、前記バイパス通路から導かれる水素ガスは、燃料電池を通過していないため水蒸気を含んでない。

前記センサ補正手段によってセンサを補正する際に、バイパス通路を介して水素ガスをアノードオフガス通路に供給することにより、水素濃度センサの測定値に水蒸気の影響を及ぼすおそれが少なくなる。よって、水素濃度センサの測定精度を向上させることができ、この測定濃度に基づく補正精度も向上させることが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システムの前記所定量とは、当該量のアノードオフガスが排出されることにより、前記水素濃度センサによって測定するアノードオフガス通路の水素濃度が略１００％となると推定される量であることを特徴とすることが望ましい。アノードオフガスから排出する量を多くすればするほど、水素濃度は１００％に近づく。よって、アノードオフガス通路内の水素濃度が１００％となる状態は、他の水素濃度の状態より補正精度を向上させることができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システムのアノードオフガス排出手段は、アノードオフガス通路上に設けられ、当該通路のアノードオフガス流路の開閉弁であることが望ましい
。前記開閉弁を開くことにより、アノードオフガスを排出することができ、簡易な構成でアノードオフガスのシステム外への排出を行うことが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、水素濃度センサの誤差を補正することができるため、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システム１０は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池１と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１に水素ガスを供給する水素供給装置としての高圧水素タンク２と、高圧水素タンク２の開放弁６と、高圧水素タンク２から放出された水素ガスの圧力を調整する調圧弁７と、燃料電池１に供給する空気が通る酸化ガス供給通路２１と、前記酸化ガス供給通路２１上に設けられ、燃料電池１に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ８と、前記燃料電池１のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路２２と、前記アノードオフガス通路２２上に設けられ、アノードオフガスに含まれる水素濃度を測定する水素濃度センサ３と、前記高圧水素タンク２による水素ガスの供給等各種制御を行うＥＣＵ４と、前記アノードオフガス通路２２上に設けられ、前記水素濃度センサ３より下流のアノードオフガス通路２２上に設けられ、アノードオフガスをシステム外へ排出するアノードオフガス排出手段としての排出弁５と、燃料電池１のカソード側から排出されるカソードオフガスの調圧弁９と、を備えている。

前記水素濃度センサ３は、アノードオフガス通路２２を通るアノードオフガス内の水素濃度を測定する。水素濃度センサ３によって測定された値はＥＣＵ４に入力される。ＥＣＵ４は、燃料電池１の発電処理時に、水素濃度に基づいて排出弁５の開閉操作を行って窒素等の不純物ガスを排出する。

燃料電池１のアノード側に高圧水素タンク２から水素ガスが供給されると、アノード側の水素ガスは、電解質膜を介して透過してきた酸素と反応する。反応に供されなかった水素ガスは、アノード側に透過してきた透過窒素とともにアノードオフガスとして排出される。

前記排出弁５は、アノードオフガス通路２２のアノードオフガスの排出を行う。前記高圧ガスタンク２から水素ガスを供給した状態でアノードオフガスを排出し続けると透過窒素等が排出され、アノードオフガス通路２２内は供給される水素ガスの濃度が高くなる。

本実施の形態では、燃料電池１に水素ガスを供給した状態でアノードオフガスを排出した際におけるアノードオフガス排出量と、当該排出した際のアノードオフガス通路２２における水素濃度と、の関係を予め測定して、水素濃度センサ３が配置されたアノードオフガス通路２２の水素濃度が略１００％となる排出量を所定量として設定する。そして、アノードオフガスを前記所定量排出した際に、水素濃度センサ３によって水素濃度を測定し、当該測定値と理論値である１００％との差を誤差として水素濃度センサ３の補正を行う。

さらに、本実施の形態は、前記燃料電池１の発電停止時に水素濃度センサ３の補正値を算出し、算出された補正値を反映した水素濃度に基づいて、アノードオフガスの排出量等燃料電池システム１０の各種制御を行う。

以下、上記のように構成された燃料電池システム１０におけるセンサの補正制御について詳細に説明する。以下に説明する各種処理は、前記ＥＣＵ４によって実行され、一定間隔で繰り返されるルーチンである。図２は、本実施の形態にかかるセンサの補正制御を示すフローチャートである。

燃料電池１の発電処理中において、前記ＥＣＵ４は、水素濃度センサ３によってアノーオフガス通路２２を通るアノードオフガス中の水素濃度を測定する（ステップ１０１）。前記水素濃度に基づいて燃料電池１から排出するアノードオフガス量を調整するためである。

ステップ１０２は、ステップ１０１にて測定した水素濃度に、後述する補正値αを乗じて水素濃度を設定する処理である。本実施の形態は、水素濃度センサ３による実際の測定値に補正値αを乗じた値を水素濃度として各種制御を行う。よって、ステップ１０２以下、通常の運転時（燃料電池の発電時）は、補正した水素濃度に基づいてアノードオフガスの排出量等各種制御を行う。

次いで、水素濃度センサ３の補正処理について説明する。ＥＣＵ４は、アノードオフガス通路２２に設けられた開放弁５を開放して、アノードオフガスの排出を開始する（ステップ２０１）。ＥＣＵ４は、アノードオフガスの排出量を測定して（ステップ２０２）、当該排出量が所定量以上であるか否かを判定する（ステップ２０３）。ステップ２０３の判定の結果、アノードオフガスの排出量が前記所定量未満の場合には、センサの補正を行わず処理を終了する。

一方、ステップ２０３の判定の結果、アノードオフガスの排出量が前記所定量以上の場合には、水素濃度センサ３の補正を行うため水素濃度を測定する（ステップ２０４）。前記所定量とは、当該量のアノードオフガスが排出されることにより、前記水素濃度センサ３によって測定する水素濃度、すなわちアノードオフガス通路２２の水素濃度が略１００％となると推定される量であり、予め設定しておく。

ステップ２０４において測定した水素濃度が１００％でない場合は当該測定値と理論値である１００％との差が誤差であり、理論値である１００％を実際の測定値で除した値を補正値αとする（ステップ２０５）。

すなわち、所定量のアノードオフが排出後の水素濃度の理論値（本実施の形態では１００）を所定量排出後の実際の測定値で除した値が補正値αとなり、前記ステップ１０２における水素濃度の補正において測定値に乗じる値となる。

このように算出した補正値αは、アノードオフガス通路２２の水素濃度に基づく各種制御時に水素濃度センサ３の測定値に乗じられる（ステップ１０２）。これにより水素濃度センサ３の誤差を適宜に補正することが可能となる。前記センサの補正処理を適宜実施することにより、長期間水素濃度センサ３を使用して経時劣化した際においても、当該劣化による誤差を補正することが可能となる。

なお、前記実施形態では、ステップ２０５で算出した値、すなわち1回の測定で算出さ
れた値を補正値としたが、例えば、複数回算出してその平均値を補正値としてもよいし、補正値に上限と下限を設けてもよい。このように、補正値を適宜設定することにより、補正値の測定精度を向上させ、更に測定誤差を低減することが可能となる。

さらに、前記実施の形態では、燃料電池１から排出されたアノードオフガスを所定量排
出して、アノードオフガス通路２２の水素濃度を一定濃度と推定して補正したが、図３に示すように高圧水素タンク２から供給される水素ガスを直接（燃料電池を介さずに）アノードオフガス通路２２に導くバイパス通路２３を設けてもよい。前記バイパス通路２３を設けることにより、アノードオフガス通路２２に導かれる水素ガスは水蒸気を含まないため、水素濃度センサ３に対して水蒸気による影響を少なくすることができ、測定精度を向上させることが可能となる。

実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。 実施の形態に係る燃料電池システムの処理を示すフローチャートである。 実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 高圧水素タンク
３ 水素濃度センサ
４ ＥＣＵ
５ 排出弁
６ 開放弁
７ 調圧弁
８ エアコンプレッサ
９ 調圧弁
２１ 酸化ガス供給通路
２２ アノードオフガス通路
２３ バイパス通路

Claims (4)

1. 水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、
   前記水素供給手段から供給される水素ガスが通る水素供給通路と、
   前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路と、
   前記アノードオフガス通路のアノードオフガスを当該アノードオフガス通路外へ排出するアノードオフガス排出手段と、
   前記アノードオフガス排出手段より上流のアノードオフガス通路上に設けられ、アノードオフガスに含まれる水素濃度を測定する水素濃度センサと、
   前記水素供給手段によって水素ガスを供給しつつ前記アノードオフガス排出手段によってアノードオフガスを所定量以上排出した際に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定して、測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサを補正するセンサ補正手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素濃度センサより上流のアノードオフガス通路と前記水素供給通路とを繋ぎ、前記燃料電池を通過させずに水素ガスをアノードオフガス通路に導くバイパス通路を更に備え、
   前記センサ補正手段は、前記バイパス通路を介してアノードオフガス通路に水素ガスを供給しつつ前記アノードオフガス排出手段によってアノードオフガスを所定量以上排出した際に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定して、水素濃度センサを補正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。
3. 前記所定量は、当該量のアノードオフガスが排出されることにより、前記水素濃度センサによって測定する水素濃度が略１００％となると推定される量であ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。
4. 前記アノードオフガス排出手段は、前記アノードオフガス通路上に設けられ、当該通路のアノードオフガス流路の開閉弁であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。

Images