JP4593978B2

JP4593978B2 - 車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置

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Publication number: JP4593978B2
Application number: JP2004162978A
Authority: JP
Inventors: 幸司安藤
Original assignee: Kojima Industries Corp
Current assignee: Kojima Industries Corp
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-06-01
Also published as: JP2005347008A

Description

本発明は車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置の改良に関する。

図６は、従来の車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置の構成を示す図である。

図６に示すように、車載用燃料電池システムの燃料電池３は、燃料極４０に水素ガスが供給され、空気極４２に空気（酸素を含んだ酸化ガスとして）が供給され、触媒を利用した電気化学反応により電力を発生させている。

空気極４２に供給され、反応に使用された空気は、空気流路４４に導かれ、車両外に排出される。一方、燃料極４０に供給され、電気化学反応で未反応の水素ガスは、水素ガス流路４６（循環路）に導かれ再び燃料電池３の燃料極４０に供給され、一部の水素ガスは、水素ガス流路４６から間欠的に分岐されて車両外に排出される。水素ガスを車両外に排出するのは、例えば燃料極４０で水素ガスに混入した不純物を排出するためである。この排出する水素ガスは、例えば、図６の下側に示す排出水素ガス希釈装置４において、空気極４２側から排出された空気と希釈され、車両外に排出されている。

排出水素ガス希釈装置４においては、空気流路４４を流れる空気の一部が、吸入管４８により、水素ガス希釈器５０に導入される。一方、燃料極４０から排出された水素ガスは、水素ガス流路４６に接続された供給管５２のシャットバルブ５４が、例えば３０秒毎に２秒間開かれ、間欠的に水素ガス希釈器５０に導入される。水素ガス希釈器５０は、空気流路４４から導入された空気と水素ガス流路４６から間欠的に導入された水素ガスとを混合し水素ガスを希釈する。空気とある程度希釈され水素ガスは、排出管５６から空気流路４４に放出され、空気流路４４を流れる排出空気と更に混合、希釈され、車両外に排気される。

ここで、排出される水素ガスは、空気流路４４の空気の流量に対して一定濃度以下にすることが望まれれている。

図７は、水素ガス希釈器５０の圧力変化を示す図である。水素ガスは、シャットバルブ５４が上述したように所定のタイミングで開かれ、間欠的に水素ガス希釈器５０に導入される。従って、水素ガスが水素ガス希釈器５０に導入された直後は、水素ガス希釈器５０内の圧力は瞬間的に上昇し、排出管５６から空気流路４４へ放出される水素ガスの流量も多くなる。この結果、空気流路４４の空気に対する水素ガスの濃度が一定濃度を超えてしまう可能性がある。

また、水素ガス希釈器５０に間欠的に導入される水素ガスや空気流路４４を流れる空気の流量は、車両の状態（アイドリング時、停止時等）によっても変化する。従って、空気流路４４の空気の流量が少ない場合にも、空気流路４４の空気に対する水素ガスの濃度が一定濃度を超えてしまう可能性がある。

このように、燃料電池から排出される水素ガス、空気の流量が変化するので、排出される水素ガスの濃度を基準濃度以下にすることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置において、排出される水素ガスの濃度を基準濃度以下にすることを目的とする。

本発明の車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置は、車載用燃料電池システムの燃料電池の燃料極側から排出される水素ガスを車載用燃料電池システムの燃料電池の空気極側から排出される空気流で希釈する車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置であって、空気極側から排出された空気流を導く空気流路と、空気流路の流量を検出する流量センサと、燃料極側から排出された水素ガスが間欠的に導入され、水素ガスを一時的に滞留させ、導出路から空気流路に導出するバッファタンクと、バッファタンク内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサと、バッファタンクから導出される水素ガスの流量を調整するバルブと、流量センサの検出値及び圧力センサの検出値と、導出路から空気流路に排出された水素ガスが空気流に対して基準濃度以下になるように空気流の流量とバッファタンク内の水素ガスの圧力とバルブの開度との相関関係を示したバルブ開度テーブルと、に基づいてバルブを制御する制御回路と、を備える。

本発明によれば、空気流路に導出する水素ガスの流量を調整することとしたので、水素ガスの濃度を空気流に対して基準濃度以下にすることができる。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明する。

図１は、本実施形態の車載用燃料電池システムの排出ガス希釈装置（以下、単に排出ガス希釈装置ともいう）の構成を示す図である。

本実施形態の車載用燃料電池システムは、大別して、水素ガスを燃料として電力を生成する燃料電池１と、燃料電池１から排出される水素ガスを希釈して車両外に排出する排出水素ガス希釈装置２と、を備えている。

車載用燃料電池システムの燃料電池１は、燃料極１０に水素ガスが供給され、空気極１２に空気（酸素を含んだ酸化ガスとして）が供給され、触媒を利用した電気化学反応により電力を発生させる。

本実施形態の排出水素ガス希釈装置２は、燃料電池１の燃料極１０側から排出される水素ガスを空気極１２側から排出される空気流で希釈する。本実施形態において特徴的な点は、水素ガスが空気流に対して基準濃度以下になるように制御されている点である。以下、詳細に説明する。

まず、空気極１２に供給され、反応に使用された空気は、空気流路１４に導かれ、車両外に排出されるようになっている。燃料極１０に供給され、電気化学反応で未反応となった水素ガスは、水素ガス流路１６に導かれ、再び燃料電池１の燃料極１０に供給され、一部の水素ガスが、この水素ガス流路１６から分岐され、空気流路１４に放出され車両外に排出される。

排出水素ガス希釈装置２は、燃料極１０から排出された水素ガスを一時的に滞留させるバッファタンク１８を備える。バッファタンク１８は、水素ガス流路１６に接続され水素ガスを導入する導入路２０と、空気流路１４に接続されバッファタンク１８の水素ガスを空気流路１４に導出する導出路２２と、を備えている。導入路２０には、所定のタイミングで開閉されるシャットバルブ２４が備えられ、導出路２２には、バッファタンク１８から導出される水素ガスの流量を調整する電磁バルブ２６が、備えられている。

シャットバルブ２４が所定のタイミング、例えば３０秒毎に２秒間開かれ、水素ガス流路１６に導かれた水素ガスが間欠的にバッファタンク１８に導入される。バッファタンク１８は、水素ガスを一時的に滞留させた後、導出路２２から空気流路１４に導出する。後述するように、本実施形態において、この電磁バルブ２６が制御されることにより、導出路２２から空気流路１４に導出する水素ガスの流量を調整し、空気流路１４に導出された水素ガスが空気流に対して基準濃度以下になるように制御している。

排出水素ガス希釈装置２は、更に、空気流路１４の流量を検出する流量センサ２８と、バッファタンク１８の圧力を検出する圧力センサ３０と、電磁バルブ２６の開度を示すバルブ開度テーブルを記憶するメモリ３２と、流量センサ２８と圧力センサ３０の検出値と、バルブ開度テーブルとに基づいて電磁バルブ２６を制御する制御回路３４と、を備えている。

流量センサ２８は、バッファタンク１８の導出路２２から水素ガスが導出される位置よより上流側の空気流路１４に設けられており、空気流路１４の空気流の流量を検出する。流量センサ２８で検出された流量の検出信号は、制御回路３４に入力される。

圧力センサ３０は、バッファタンク１８に設けられ、バッファタンク１８内の圧力を検出する。圧力センサ３０で検出された圧力の検出信号は、流量センサ２８の検出信号と同様、制御回路３４に入力される。

メモリ３２には、電磁バルブ２６の開度を示すバルブ開度テーブルが記憶されている。バルブ開度テーブルは、この水素ガスの流量が空気流の流量に対して基準濃度以下になるように空気流の流量とバッファタンク内の水素ガスの圧力とバルブの開度との相関関係を示すテーブルである。図２は、バルブ開度テーブルの例を示す図である。

図２は、バルブ開度テーブルの例を示す図であり、このバルブ開度テーブルについて、図３，図４を用いて説明する。

図３は、バッファタンク１８内の圧力の時間変化を示す図である。図３に示すように、バッファタンク１８内の圧力は、水素ガスの間欠的な導入に従って瞬間的に上昇し、導出路２２から水素ガスが導出されるに従ってバッファタンク１８内の圧力は減少する。従って、バッファタンク１８から導出される水素ガスの流量を調整するためには、このような圧力変化に対応して、バッファタンク１８内の圧力が高くなるとバルブ開度を小さくし、バッファタンク１８内の圧力が低くなるとバルブ開度を大きくすることが必要である。また、図４は、水素ガスが空気流に対して基準濃度以下になるような水素ガスの流量と空気の流量の関係を示したグラフである。図４に基づけば、空気流の流量が少なければ希釈が許容される水素ガスの流量は少なく、空気流の流量が多ければ希釈が許容される水素ガスの流量も多くなることが理解される。

従って、図２に示すバルブ開度テーブルでは、バッファタンク１８内の圧力変化に対応して、バッファタンク１８内の圧力が高くなるとバルブ開度を小さくし、バッファタンク１８内の圧力が低くなるとバルブ開度を大きくするようなテーブルが記憶されている。更に、図４に基づいて、空気流路１４の空気流の流量に応じたバルブ開度テーブル（１）〜（６）が記憶されている。バルブ開度テーブル（１）から（６）に従って空気流の流量は多くなる。なお、バルブ開度テーブル（１）は空気流量が０の場合であり、この場合には、バルブは閉められるように設定されている。また、バルブ開度テーブル（６）は、空気流量が規定値以上になった場合であり、この場合にはバルブは全開（制御が解除）するように設定されている。このように、メモリ３２は、図２に示すような、水素ガスの流量が空気流の流量に対して基準濃度以下になるように空気流の流量とバッファタンク内の水素ガスの圧力とバルブの開度との相関関係を示すバルブ開度テーブルを記憶している。これにより、電磁バルブ２６を制御することができ、バッファタンク１８から導出される水素ガスの流量を調整することができる。

なお、水素ガスの基準濃度は、適宜設定されるが、可燃不可能な範囲である４％以下であることが好適である。

制御回路３４には、上述したように、流量センサ２８と圧力センサ３０の検出値が入力される。制御回路３４は、流量センサ２８と圧力センサ３０の検出値に基づいて、メモリ３２のバルブ開度テーブルを参照し、電磁バルブ２６の開度を決定する。流量センサ２８が少ない空気流の流量を検出した場合には、例えばバルブ開度テーブル（２）が選択され、電磁バルブ２６の開度を決定する。圧力センサ３０で検出される圧力が高くなると、バルブ開度テーブル（２）に基づいて電磁バルブ２６の開度を小さくしていく。また、流量センサ２８が多い空気流の流量を検出した場合には、例えばバルブ開度テーブル（３）が選択され、このバルブ開度テーブル（３）に基づいて電磁バルブ２６の開度を決定する。このようにして、電磁バルブ２６の開度が決定されると、動作信号が電磁バルブ２６に出力される。この動作制御信号は、例えばアナログ信号である。

電磁バルブ２６は、制御回路３４からの動作制御信号により開度が制御される。ここでバルブの開度とは、バルブの開口面積、開閉頻度等の水素ガスの流量を調整可能な制御全般を含む概念である。これにより、バッファタンク１８から空気流路１４に導出される水素ガスの流量を調整することができる。このように、バッファタンク１８から空気流路１４に導出される水素ガスは、バルブ開度テーブルに基づいて基準濃度以下になるように流量が調整されているので、車両外に排出される水素ガスの濃度を基準濃度以下に制御することができる。

図４は、導出路２２から空気流路１４に排出された水素ガスの空気流に対する濃度の時間変化を示す図であり、図４（Ａ）は、比較例として制御を行わない場合、図４（Ｂ）は、本実施形態の制御を行った場合の説明図である。図４（Ａ）に示すように、制御を行わない場合には、水素ガス濃度が基準濃度を超える場合がある。これに対して、図４（Ｂ）に示すように、本実施形態においては、導出路２２から空気流路１４に排出される水素ガスの流量が調整されているので、水素ガスの濃度を基準濃度以下に保つことができる。

次に、排出水素ガス希釈装置の作用について説明する。

流量センサ２８は、空気流路１４の流量を検出し、検出信号を制御回路３４に送る。また、圧力センサ３０は、バッファタンク１８の圧力を検出し、検出値を制御回路３４に送る。制御回路３４は、流量センサ２８と圧力センサ３０の検出値に基づいて、メモリ３２のバルブ開度テーブルを参照し、電磁バルブ２６の開度を決定する。メモリ３２のバルブ開度テーブルは、水素ガスの流量が空気流の流量に対して基準濃度以下になるように空気流の流量とバッファタンク内の水素ガスの圧力とバルブの開度との相関関係を示しているので、バッファタンク１８から導出される水素ガスの流量を調整することができる。制御回路３４は、電磁バルブ２６の動作制御信号を送り、電磁バルブ２６は、この動作制御信号により制御される。これにより、バッファタンク１８から空気流路１４に導出される水素ガスの流量を制御することができ、車外に排出される水素ガスの濃度を基準濃度以下に制御することができる。

なお、上述した実施形態においては、空気流路の空気流の流量を流量センサを用いて検出しているが、圧力センサやそれ以外のセンサを用いて空気流路の状態を検出し、制御回路にて流量に換算しても良い。

また、上述した実施形態においては、バッファタンク１８に間欠的に導入される水素ガスに関して、圧力センサ３０でバッファタンク１８内の圧力を検出しているが、例えば、燃料電池１側で制御されるシャットバルブ２４の開閉動作信号を制御回路３４に入力し、バッファタンク１８内の圧力に換算しても良い。

更に、上述した実施形態においては、図２に示すようなバルブ開度テーブルに基づいて制御しているが、水素ガスの濃度を空気流に対して基準濃度以下にすることができる関係を示すものであれば、他の形式であっても良い。

実施形態の車載用燃料電池システムの排出ガス希釈装置の構成を示す図である。バルブ開度テーブルの例を示す図である。バッファタンク内の圧力の時間変化を示す図である。水素ガスが空気流に対して基準濃度以下になるような水素ガスの流量と空気の流量の関係を示したグラフである。導出路から空気流路に排出された水素ガスの空気流に対する濃度の時間変化を示す図である。従来の車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置の構成を示す図である。水素ガス希釈器の圧力変化を示す図である。

符号の説明

１燃料電池、２排出水素ガス希釈装置、１０燃料極、１２空気極、１４空気流路、１６水素ガス流路、１８バッファタンク、２０導入路、２２導出路、２４シャットバルブ、２６電磁バルブ、２８流量センサ、３０圧力センサ、３２メモリ、３４制御回路。

Claims

車載用燃料電池システムの燃料電池の燃料極側から排出される水素ガスを車載用燃料電池システムの燃料電池の空気極側から排出される空気流で希釈する車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置であって、
空気極側から排出された空気流を導く空気流路と、
前記空気流路の流量を検出する流量センサと、
燃料極側から排出された水素ガスが間欠的に導入され、水素ガスを一時的に滞留させ、導出路から空気流路に導出するバッファタンクと、
前記バッファタンク内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記バッファタンクから導出される水素ガスの流量を調整するバルブと、
前記流量センサの検出値及び前記圧力センサの検出値と、導出路から空気流路に排出された水素ガスが空気流に対して基準濃度以下になるように空気流の流量とバッファタンク内の水素ガスの圧力とバルブの開度との相関関係を示したバルブ開度テーブルと、に基づいてバルブを制御する制御回路と、
を備える車載用燃料電池システムの排出水素ガス希釈装置。