JP2022506938A - 燃料電池の排気ガス成分の質量流量の算出 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の排気ガスの排気ガス成分の質量流量を簡単かつ確実に測定できるようにする。【解決手段】排気ガスの体積流量（Ｑ・）が測定され、及び少なくとも１つの排気ガス成分ｘの濃度（Ｋｘ，Ｋｐｐｍｘ）がガスセンサ（９）によって算出され、及び排気ガスと算出された濃度（Ｋｘ、Ｋｐｐｍｘ）の体積流量（Ｑ・）によって、排気ガス成分ｘの質量流量（ｍ・ｘ）に換算される。

Description

本発明は、燃料電池の排気ガス中の少なくとも１つの排気ガス成分の質量流量を測定するための方法に関する。

燃料電池を作動するためには、アノード側及びカソード側の（通常は燃料及び酸素である）作動媒体の質量流量が重要な値である。従来の燃料電池は、電気化学反応のための作動媒体として、アノード側に水素Ｈ_２を、カソード側に酸素Ｏ_２（通常、空気の形態）を使用する。この場合、水素は、例えばプロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のように、純粋な水素として、又はリン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）又は直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）のように化合物として、様々な方法で供給することができる。不適切なガスの量又は不適切に調整（特に圧力、温度、湿度）されたガスは、特にカソード側で、燃料電池を損傷又は破壊することさえあるので、燃料電池の作動のためには、供給されるガス流を正確に調整することが重要である。基本的に、これは、あらゆる種類の燃料電池に適用される。

例えば、供給された質量と排出された質量との間の燃料電池の物質収支のために、燃料電池の排気ガス流の質量を算出することもしばしば望ましい。供給された酸素Ｏ_２又は空気及び燃料、例えば水素Ｈ_２の合計は、排気ガスの質量流量に一致すべきである。したがって、物質収支もまた、燃料電池の作動のための重要な指標である。例えば、燃料電池内の漏れ（除去された質量よりも供給された質量が多い）を、物質収支によって見つけることができる。

燃料電池の作動中、入口側の水素Ｈ_２の添加量が変化すると、排気ガス中の水分量が変化する。しかしながら、排気ガス中の変化する水分含有量に基づいて、排気ガスの一定のモル質量を想定することができず、排気ガス中の水分含有量が当然不明であるので、排気ガス流の質量を算出することが困難になる。つまり、排気ガス質量流量が、排気ガスの体積流量から簡単に導き出すこともできない。しかし、湿度センサを用いて排気ガスの湿度を測定し得、従って排気ガス中の水分含量を推定することができ、これにより排気ガス質量流量を算出することができる。しかしながら、湿度センサはかなり不正確であり、及び、燃料電池の作動中に生じ得るような水分含有量の急激な変化には追従できない。

同様に、燃料電池の排気ガス流を分析することによって、燃料電池における望ましくない化学反応について推定することができる。この一例は、ＰＥＭＦＣのいわゆる炭素腐食である。この場合、ある作動状態で、特に燃料電池の電源を入れたり切ったりすると、カソード側の電極の炭素が水や酸素Ｏ_２と反応して二酸化炭素ＣＯ_２及び／又は一酸化炭素ＣＯを生成する。この場合には、排気ガス中の二酸化炭素ＣＯ_２及び／又は一酸化炭素ＣＯの濃度は、これらの物質の質量をほとんど測定することができないほど低い。この場合に発生するＣＯ_２及び／又はＣＯは、排気ガスと除去される。炭素腐食によって、動作期間にわたって燃料電池が損傷を受け、効率を低下させ、損傷が持続する場合には、燃料電池の故障にもつながる可能性がある。炭素腐食は、例えば非特許文献１の研究論文で示されているように、特に始動／停止プロセス中に発生することが知られている。炭素腐食を把握するために、非分散赤外線センサ（ＮＤＩＲ）を用いて排気ガス中のＣＯ及びＣＯ_２の濃度が測定される。

したがって、燃料電池の排気ガス流の組成は、開発又はさらなる開発のためのテストベンチ上の燃料電池、ならびに、例えば車両における燃料電池自体の使用の両方について、燃料電池の動作のための興味深い値である。特に、テストベンチ上での開発の為に、許容される作動パラメータを決定するために、又は燃料電池の構造又は作動戦略自体をチェックし、さらに発展させるために、炭素腐食の検出が重要である。この目的のために、特に、排気ガス中の二酸化炭素及び／又は一酸化炭素の濃度は、燃料電池への損傷の尺度として、テストベンチ上での燃料電池の作動のための興味深いパラメータである。しかしながら、燃料電池の排気ガス流の組成を測定することは非常に困難である。一方では、これらが排気ガス中に非常に少量しか含まれていないからである。他方では、特定の排気ガス成分は、直接測定できない、又は十分に測定できないためである。

特許文献１（ＤＥ１００４８１８３Ｂ４）は、水素含有ガス流を監視するための装置を開示する。この場合には、小流が、層流ラインから容器に導かれ、容器から層流ラインに戻される。水素質量流量を測定するための特別なセンサが容器内に配置されている。センサは、水素と酸化剤との反応に応じて、ガス流中の水素質量流量に比例する電流を生成する膜配置を有する。層流ラインに配置されている流量センサによって、層流ライン内の流量が算出される。層流基づき、測定された流量及び流量間の比例性によって、層流ライン内の水素質量流量は、計算することができる。

独国特許第１００４８１８３号明細書

Ａ．Ｂ．Ｏｆｓｔａｄ，他，「Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆ ＰＥＭＦＣ Ｄｕｒｉｎｇ Ｓｈｕｔ－ｄｏｗｎ／Ｓｔａｒｔ－ｕｐ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｉｒ Ｐｕｒｇｅ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ」，ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１６（２）第１３０１－１３１１頁（２００８年）

したがって、本発明の課題は、燃料電池の排気ガスの排気ガス成分の質量流量を簡単かつ確実に測定することができる方法及び装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、排気ガスの体積流量が測定され、及び、少なくとも１つの排気ガス成分の濃度が、ガスセンサによって算出され、及び、排気ガスの体積流量と算出された濃度を用いて排気ガス成分の質量流量に換算されることによって解決される。このようにして、排気ガス中の排気ガス成分に影響されることなく体積流量を算出することができるので、質量流量を非常に正確に算出することができる。

この目的のために、好ましくは、非分散赤外線センサがガスセンサとして使用される。体積流量を算出するために、排気ガス成分に影響されることなく速度を簡単に把握することができるので、好ましくは、排気ガスライン内の排気ガスの速度が把握され、その速度から排気ガスラインの既知の断面積を用いて体積流量が算出される。

水が重要な排気ガス成分であり、且つ燃料電池の作動のための重要な指標であるので、排気ガス中の水の濃度は、好ましくは、ガスセンサを用いて算出され、及び水の質量流量は、排気ガス成分として算出される。

例えば物質収支のために、全排気ガス質量流量を算出するために、排気ガスの排気ガス質量流量は、排気ガスの主成分（カソードガス又はアノードガスのいずれか）の既知の質量流量及び水の質量流量を用いて算出される。この目的のために、排気ガスの主成分の質量流量は、排気ガスの主成分の既知の密度及び体積流量を用いて簡単に算出することができる。

さらに、燃料電池の作動のための重要な指標でもあり、特に、燃料電池の有害な炭素腐食の指標でもある排気ガス中の二酸化炭素及び／又は一酸化炭素の濃度がガスセンサで算出することができる。

以下に、本発明を、本発明の好ましい構成を概略的に且つ限定しないで例示する図１及び図２を参照して詳しく説明する。

排気ガス成分の排気ガス質量流量及び排気ガス成分の濃度を算出する燃料電池を示す。 燃料電池を開発するための燃料電池用のテストベンチを示す。

図１は、既知の方法で電気化学反応が生じる複数のセルを有する燃料電池スタック２を有する燃料電池１の典型的な装置を示す。本発明を、燃料電池１としてＰＥＭＦＣを一例で説明するが、他の種類の燃料電池も勿論考えられる。アノード側では、例えば水素タンク３からの水素Ｈ_２が、適切な供給ライン４を介して燃料として供給される。過剰な水素Ｈ_２は、排出することができ、又は戻りライン１１を介して供給に戻すことができる。カソード側では、酸素Ｏ_２が、空気としても、適切な供給ライン６を介して供給される。この目的のために、酸素Ｏ_２を搬送するためのファン５も、酸素Ｏ_２のための供給ライン６に設けられ得る。燃料電池１の排気ガス（ここではカソード側）は、排気ガスライン７を介して排出される。排気ガスには、主成分として、燃料電池１のそれぞれの作動媒体（ここでは例えばカソードガス（空気、酸素））が、含まれている。更に重要な排気ガス成分として水Ｈ_２Ｏをも含み、場合によっては、燃料電池１の作動から生じる他のガス状の排気ガス成分、例えば炭素腐食の場合にはＣＯ又はＣＯ_２を含む。ここで問題となるのは、含水量も、ガス状の排気ガス成分の量も知られていないことである。排気ガスの成分としての含水量は、作動中に動的に変化し、非常に急速な変化も十分に可能である。これは、排気ガス中の水分含量、従ってその比重も一定でないことを意味する。ガス状の排気ガス成分の量に対しても基本的には同じ事が当てはまる。その結果、そのような排気ガス成分の濃度、したがって、結果として生じる排気ガスの質量又は排気ガスの質量流量ｍ^・ _Ａは、不明である。

排気ガスの質量流量ｍ^・ _Ａを算出することができるようにするために、排気ガスライン７には、排気ガスの体積流量Ｑ^・が算出される体積流量センサ８が配置されている。排気ガスライン７にはガスセンサ９も配置されており、このガスセンサによって、排気ガスの少なくとも１つの排気ガス成分、例えば水Ｈ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２及び／又はＣＯの濃度Ｋ（例えばｐｐｍ（百万分の一））が算出される。なお、排気ガスライン７には、体積流量センサ８とガスセンサ９とがどのような順序で配置されているかは問わない。燃料電池１としてＰＥＭＦＣを用いて説明した実施例では、排気ガスはカソード側で検査される。しかしながら、アノード側の排気ガスが検査される他のタイプの燃料電池もあり得る。

体積流量センサ８として、排気ガスライン７内の排気ガスの速度（例えば、ｍ／ｓ）を決定する周知のピトー流量センサ（独語：Ｐｉｔｏｔ－Ｄｕｒｃｈｆｌｕｓｓｓｅｎｓｏｒ）が使用される。ピトー流量センサは、排気ガス中の水に対して鈍感であり、このため、このようなセンサは、この用途において特に有利である。次に、排気ガスライン７の既知の断面積（例えば、ｍ^２）によって、体積流量Ｑ^・（例えば、ｍ^３／ｓ）に容易に換算することができる。これは、体積流量センサ８内で行われ得、又は最初に評価ユニット１０内でも行われ得る。その際、後者の場合には、排気ガスの流速は、体積流量センサ８から断面積が既知である評価ユニット１０へ引き継がれる。当然ながら、排気ガス成分、特に水に影響されることなく体積流量Ｑ^・を算出することができる他の適切な体積流量センサ８も可能である。

ガスセンサ９としては、例えば、非分散型赤外線センサ（ＮＤＩＲ）のように、分光法の原理に基づいて動作するセンサなどの光学センサが使われる。当然ながら、他の適切なガスセンサ９も可能である。ガスセンサ９は、体積に基づいて、排気ガス成分ｘの濃度Ｋ_ｐｐｍｘを、例えばｐｐｍ単位で測定する。

次いで、濃度Ｋ_ｐｐｍｘ（ｐｐｍ）及び体積流量Ｑ^・（例えばｍ^３／ｓ）から、排気ガス成分ｘの質量流量Ｍ^・ _ｍ（例えばｇ／ｓ）を評価ユニット１０で算出することができる。

既知のように、排気ガス成分ｘの濃度Ｋ_ｘ（ｇ／ｍ^３）は、排気ガス成分ｘのモル質量ｍ_ｍｏｌｘとモル体積Ｖ_ｍｏｌとの関係

から算出することができる。標準状態（２７３．１５°Ｋ、１０１３２５Ｐａ）下では、モル体積は、２２．４１４リットル、すなわち２２．４１４・１０^－３ｍ^３である。例えば、二酸化炭素ＣＯ_２のモル質量は４４．０１ｇ／ｍｏｌ、一酸化炭素ＣＯは２８．０１ｇ／ｍｏｌ、水は１８．０１５２８ｇ／ｍｏｌである。これに体積流量Ｑ^・を乗じると、特に水Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ_２及び／又は一酸化炭素ＣＯについて、それぞれの排気ガス成分ｘの質量流量ｍ^・ _ｘ（例えばｇ／ｓ）が得られる。

このようにして算出された質量流量ｍ^・ _ｘは、例えば、物質収支のために使用することができる。供給される物質の量（例えば、ｇ／ｓ）は、通常作動において排出される物質の量（例えば、ｇ／ｓ）に一致しなければならない。燃料電池１に供給される作動媒体（例えば、水素Ｈ_２及び酸素Ｏ_２（空気））の量は、典型的には、燃料電池１のコントローラによって設定され、このコントローラによって供給することができるので、既知であると仮定することができる。必要であれば、これらの量は、燃料電池１に入る前に測定することもできる。燃料電池１の排気ガスの基本的な組成も当然知られており、主成分と少なくとも１つの排気ガス成分とからなる。ＰＥＭＦＣの場合、カソード側の排気ガスは、基本的に主成分としての酸素Ｏ_２（空気）と、基本的な排気ガス成分としての水Ｈ_２Ｏからなる。体積流量センサ８による測定によって体積流量Ｑ^・を把握した後、例えば、主成分（酸素Ｏ_２（空気））の既知の密度から、排気ガスの主成分の質量流量を推定することができる。この目的のために、少なくとも１つの排気ガス成分ｘの算出された質量流量ｍ^・ _ｘが加えられ、そして排気ガスの全排気ガス質量流量ｍ^・ _Ａが得られる。それによって、物質収支を継続的にチェックすることができる。

もちろん、物質収支のために、さらに別の排気ガス成分も考慮することができる。しかしながら、例えば、ＰＥＭＦＣ中のＣＯ及びＣＯ_２の濃度は通常かなり低いので、これらは、ＰＥＭＦＣ燃料電池１の十分に正確な物質収支のために無視することもできる。

この場合、物質収支は、例えば、燃料電池１内の漏れを検出するために使用することができる。この目的のために、排気ガス成分ｘとして少なくとも水Ｈ_２Ｏの濃度Ｋ_{ｐｐｍＨ２Ｏ}が算出される。このようにして算出された排気ガス質量流量ｍ^・ _Ａが、供給された燃料と単位時間当たり（その際、ある許容範囲を定義することもできる）の酸素との合計よりも小さい場合、漏れがあると推定することができる。これは、考えられる故障状態を識別するために、燃料電池１のためのテストベンチ２０上で、又は、（例えば車両中の）燃料電池１の通常の使用中の両方で使用することができる。この目的のために、評価ユニット１０は、燃料電池１の制御ユニットに組み込まれ得る。

二酸化炭素ＣＯ_２の濃度Ｋ_{ｐｐｍＣＯ２}（ｐｐｍ）又はＫ_ＣＯ２（ｇ／ｍ^３）及び／又は一酸化炭素ＣＯの濃度Ｋ_{ｐｐｍＣＯ}（ｐｐｍ）又はＫ_ＣＯ（ｇ／ｍ^３）がガスセンサ９によって決定される場合、これらの濃度は、排気ガス質量流量ｍ^・ _Ａ又は排気ガス成分ｘの質量流量ｍ^・ _ｘの算出に依存せず使用することもできる。排気ガス中の二酸化炭素ＣＯ_２及び／又は一酸化炭素の存在は、有害な炭素腐食を示唆する。排気ガス中の二酸化炭素ＣＯ_２の濃度Ｋ_{ｐｐｍＣＯ２}及び／又は一酸化炭素ＣＯの濃度Ｋ_{ｐｐｍＣＯ}を経時的に把握すると、燃料電池スタック２が次第に損傷していると推定することができる。これはまた、燃料電池１のためのテストベンチ上で、又は、例えば、車両内での使用の両方で使用することができる。排気ガス中の二酸化炭素ＣＯ_２の濃度Ｋ_{ｐｐｍＣＯ２}及び／又は一酸化炭素ＣＯの濃度Ｋ_{ｐｐｍＣＯ}、又は経時的な合計も、例えば損傷の尺度としての、値として出力することができる。

図２には、燃料電池１のためのテストベンチ２０が記載されている。燃料電池１は、テストベンチ２０において設置され、テストベンチ２０で作動される。燃料電池１は、例えば、カソードガスＫＧ及びアノードガスＡＧ、例えば、質量流量、温度、圧力、相対湿度などを、制御することによって、燃料電池制御ユニット１２によって制御される。燃料電池制御ユニット１２は、図２に示唆されるように、燃料電池１の出力変数（例えば、電圧又は電流）も使用する。燃料電池制御ユニット１２は、燃料電池１を制御するために、外部から、例えばテストベンチ制御ユニット２１からの制御コマンドを受け取ることが可能である。テストベンチ制御ユニット２１は、算出された排気ガス質量流量ｍ^・ _Ａ及び／又は排気ガス成分ｘの質量流量ｍ^・ _ｘ及び／又は排気ガス成分ｘの濃度Ｋ_ｘ，Ｋ_ｐｐｍｘを、特に、燃料電池１を開発するために、処理又は評価し得、これは、例えば作動媒体をどのように制御するというような、作動戦略の開発も把握し得る。この目的のために、評価ユニット１０をテストベンチ制御ユニット２１に一体化することもできる。

好ましくは、二酸化炭素の濃度Ｋ_ＣＯ２，Ｋ_{ｐｐｍＣＯ２}及び／又は一酸化炭素の濃度Ｋ_ＣＯ，Ｋ_{ｐｐｍＣＯ}は、燃料電池１の特定の作動状態下で、燃料電池の損傷の尺度としてテストベンチ２０上で算出され、及び燃料電池１の開発に対して使用される。したがって、知られているように、特に始動／停止プロセス中に炭素腐食が発生するので、特に有利には、特別な作動戦略としての燃料電池１のオン及びオフ手順を、最適化することができる。テストベンチ２０上では、再現可能な条件下で実施することができる。排気ガス成分ｘの算出された濃度Ｋ_ｘ，Ｋ_ｐｐｍｘ及び／又は物質収支及び／又は特定の質量流量は、テストベンチ２０を制御するためにも、この意味では、テストランの実行を制御するためにも、テストベンチ２０上で使用することができる。したがって、燃料電池１の永久的な損傷又は破壊さえも防止するために、例えば、テストベンチ２０の緊急停止を実行することができる。テストベンチ２０では、実施された試験によって、燃料電池１が許容されない作動範囲で作動されることが、十分に起こり得るが、結果として、上記緊急停止の実行に応答することができる。この目的のために、例えば、排気ガス成分ｘの特定の濃度Ｋ_ｘ，Ｋ_ｐｐｍｘ及び／又は質量流量ｍ^・ _ｘ及び／又は物質収支に対する限界値を監視することができる。

Claims (9)

1. 燃料電池（１）の排気ガス中の少なくとも１つの排気ガス成分ｘの質量流量（ｍ^・ _ｘ）を測定するための方法であって、排気ガスの体積流量（Ｑ^・）が測定され、及び少なくとも１つの排気ガス成分ｘの濃度（Ｋ_ｘ，Ｋ_ｐｐｍｘ）がガスセンサ（９）によって算出され、及び排気ガスと算出された濃度（Ｋ_ｘ、Ｋ_ｐｐｍｘ）の体積流量（Ｑ^・）によって、排気ガス成分ｘの質量流量（ｍ^・ _ｘ）に換算されること、を特徴とする方法。
2. 非分散型赤外線センサが、ガスセンサ（９）として使用されること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 排気ガスライン（７）内の排気ガスの速度が把握され、及びその速度から排気ガスライン（７）の既知の断面積を用いて体積流量（Ｑ^・）が算出されること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 排気ガス中の水の濃度が、ガスセンサ（９）によって算出され、及び排気ガス成分ｘとしての水の質量流量（ｍ^・ _Ｈ２Ｏ）が、算出されること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 排気ガスの主成分の既知の質量流量及び水の質量流量（ｍ^・ _Ｈ２Ｏ）を用いて、排気ガスの排気ガス質量流量（ｍ^・ _Ａ）が算出されること、を特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 排気ガスの主成分の既知の密度及び体積流量（Ｑ^・）を用いて、排気ガスの主成分の質量流量が算出されること、を特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 排気ガス質量流量（ｍ^・ _Ａ）は、燃料電池（１）に供給されている物質の量と排気ガスと共に除去される物質との間の物質収支のために使用されること、を特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. ガスセンサ（９）を使用して、排気ガス中の一酸化炭素の濃度（Ｋ_ＣＯ、Ｋ_{ｐｐｍＣＯ}）及び／又は二酸化炭素の濃度（Ｋ_ＣＯ２、Ｋ_{ｐｐｍＣＯ２}）が算出されること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
9. 排気ガス中の一酸化炭素の濃度（Ｋ_ＣＯ、Ｋ_{ｐｐｍＣＯ}）及び／又は二酸化炭素の濃度（Ｋ_ＣＯ２、Ｋ_{ｐｐｍＣＯ２}）は、燃料電池（１）における炭素腐食の指標として使用されること、を特徴とする請求項８に記載の方法。

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