JP2007220509A - 燃料電池システム - Google Patents

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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】燃料電池１と、前記燃料電池１に水素ガスを供給する水素供給手段２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、前記水素供給手段２による燃料電池への水素ガスの供給を停止してから所定時間経過後に、前記水素濃度センサ３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３を補正するセンサ補正手段４と、を備える。
【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２００５−２５１６６５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、例えば燃料電池のアノード側から排出するアノードオフガスの排出量の調整等、燃料電池システムの各種制御に用いられる。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る燃料電池への水素ガスの供給を停止してから所定時間経過後に、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燃料電池システムである。
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、水素供給手段による燃料電池への水素ガスの供給を停止してから所定時間経過後に、前記水素濃度センサによっ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。
前記所定時間とは、水素ガスの供給を停止してから当該時間が経過することにより、水素濃度センサの測定値が０％等一定の測定値となると推定される時間である。一般的に、燃料電池へ供給した水素ガスは、発電処理によって消費されるが、発電処理を停止した状態では電解質膜を介してアノード側に透過した酸素ガスと反応したり、電解質膜を介してアノード側に透過した透過窒素、透過酸素と置き換わったりして、その濃度は低下する。そして、水素ガスの供給を停止してから所定時間経過後には、水素ガスの濃度はほぼ一定
となり、水素ガスセンサの測定値を一定の値として推定することができる。本発明は、理論値としての推定した水素濃度と実際の水素濃度センサの測定値との差を誤差として、当該誤差を補正するものである。
より詳細には、例えば、水素濃度センサの測定値が略０％となる水素供給停止からの時間を予め算出して、当該所定時間経過後に水素濃度は０％とみなす。所定時間経過した際の水素濃度センサの測定値が０％でない場合には、実際の測定値と０％との差を誤差としてセンサを補正する。
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る。また、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。
また、本発明に係る燃料電池システムの前記センサ補正手段は、前記燃料電池による発電処理を継続しつつ前記燃料電池への水素ガスの供給を停止して、当該水素ガスの供給停止から前記所定時間経過後に水素濃度を測定することを特徴とすることが望ましい。
前記燃料電池の発電処理を継続しつつ燃料電池への水素ガスの供給を停止することにより、発電処理によって燃料電池内の水素ガスが確実に消費され、その濃度が低下するため、水素ガスの供給停止後における水素ガス濃度の低下速度を高めることができる。例えば、前記所定時間を水素濃度が０％と推定される水素供給停止からの経過時間とした場合においては、水素濃度の低下速度を高めることにより、より迅速に水素濃度０％と推定される状態へ導くことができ、補正を行うための所定時間を短縮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の前記所定時間は、前述のように、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０％となると推定される時間としてもよいし、他の一定濃度となると推定される時間でもよく、当該時間が経過したことにより、水素が一定の濃度となると推定できる時間であればよい。当該所定時間は、燃料電池を構成する電解質膜の透過係数、燃料電池内の水素ガス容積、アノードオフガス通路の容積等に応じて、適宜に設定することが望ましい。
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。本実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムを駆動動力源とする燃料電池自動車に適用した実施形態である。
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、前記高圧水素タンク２の開放弁６と、前記高圧水素タンク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、前記燃料電池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排出弁５と、前記燃料電池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、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、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、水素濃度に基づいて前記排出弁５を操作してアノードオフガスの排出量を調整し、アノードオフガス通路２２内の水素濃度を所望の濃度に制御する。
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には、電解質膜を介してアノード側に透過してきた透過窒素とともに、電気化学反応に供されなかった水素ガスが含まれている。しかし、高圧水素タンク２からの水素ガスの供給が停止すると、アノードオフガスに含まれる水素ガスは、電解質膜を介して透過してきた酸素と反応するか、電解質膜を介してカソード側に透過する。よって、前記高圧水素タンク２からの水素供給を停止すると、時間の経過に伴って水素濃度は低下する。
本実施の形態では、水素供給を停止してからの経過時間と、その時間が経過した際の水素濃度の濃度と、の関係を予め測定して、水素濃度センサが配置されたアノードオフガス通路２２の水素濃度が略０％となる経過時間を所定時間として設定する。そして、水素ガスの供給停止から所定時間経過した際に、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０％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の調整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システム外へ排出するアノードオフガスの排出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を加えて各種制御を行う基準となる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を加え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の制御を行う。
次いで、燃料電池１の発電停止時におけるセンサの補正処理について説明する。ＥＣＵ４は、車両のキーのＯＦＦ操作を受け付けると（ステップ２０１）、燃料電池１の発電を停止して（ステップ２０２）、高圧水素タンク２から燃料電池１への水素供給を停止する（ステップ２０３）。
次いで、ＥＣＵ４は、水素濃度センサ３の補正処理を行う。ＥＣＵ４は、前記ステップ
２０３の水素ガスの供給停止から所定時間が経過するのを待って（ステップ２０４）、所定時間が経過した際に水素濃度センサ３によって水素濃度を測定する（ステップ２０５）。
前記所定時間は、当該時間が経過することで水素濃度センサ３の測定値が略０％となると推定される時間であり予め設定しておく。ステップ２０５において測定した水素濃度が０％でない場合は当該測定値と理論値である０％との差が誤差であり、当該誤差を補正値αとする（ステップ２０６）。
すなわち、所定時間経過後の水素濃度の理論値α１から所定時間経過後の実際の測定値α２を減じた値が補正値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は、測定値に加える値となる。
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、センサの測定値に加えられる（ステップ１０２）。当該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適宜に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２０６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、実施形態では、燃料電池の発電処理を停止した状態で、水素ガスの供給を停止したが、この構成に限られず、水素ガスの供給を停止した状態で燃料電池の発電処理を一定時間継続してもよい。このように、燃料電池の発電処理を継続することで、水素濃度が略０％となる所定時間を短く設定す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。
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

Claims (3)

  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る燃料電池への水素ガスの供給を停止してから所定時間経過後に、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燃料電池システム。
  2. 前記センサ補正手段は、前記燃料電池による発電処理を継続しつつ前記燃料電池への水素ガスの供給を停止して、当該停止から前記所定時間経過後に水素濃度を測定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. 前記所定時間は、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０％となると推定される時間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。
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