JP5119571B2 - 燃料電池システムおよび反応ガス流量算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムにおいて反応ガスの流量を算出する技術に関する。

燃料電池に燃料としての反応ガス（例えば水素ガス）を供給する燃料供給システムの１つとして、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給路と、燃料電池から排出された排出反応ガス（いわゆるオフガス）を反応ガス供給路に環流するオフガス環流路と、反応ガス供給路とオフガス環流路との合流部分に設けられたエジェクタと、を有するシステムが用いられる。このような燃料供給システムにおいて、例えば反応ガスの漏洩の有無を判定することを目的として、反応ガスの流量算出が行われる。反応ガスの流量算出を、反応ガス供給路のエジェクタより上流側の圧力およびエジェクタより下流側の圧力と、エジェクタ内部のノズル開口面積と、を用いて行う技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１９２８４５号公報 特開２００４−１７９０００号公報 特開２００３−１４８２５２号公報 特開平９−２１３３５３号公報 特開平１０−２８４０９８号公報

エジェクタ内部のノズルを通過した反応ガスの圧力はエジェクタのディフューザ部において上昇するため、ノズル通過直後の反応ガスの圧力とエジェクタより下流側における反応ガスの圧力との間には、差異が発生する。そのため、上記従来技術では、反応ガスの流量を精度良く算出できないおそれがあった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、反応ガスの流量算出精度を向上させることを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給路と、
前記燃料電池から排出された反応ガスである排出反応ガスを前記反応ガス供給路へと環流するための排出反応ガス環流路と、
前記反応ガス供給路と前記排出反応ガス環流路との合流部に設けられたエジェクタであって、内部にノズル部を有し、前記ノズル部の開口を経て前記エジェクタ内部を反応ガスが流通することにより前記エジェクタ内部に発生する負圧を利用して前記排出反応ガス環流路内の排出反応ガスを前記エジェクタ内部の前記ノズル部の下流側へと導くエジェクタと、
前記反応ガス供給路の前記エジェクタより上流側の部分における反応ガスの圧力を検出する上流反応ガス圧力検出部と、
前記排出反応ガス環流路における排出反応ガスの圧力を検出する排出反応ガス圧力検出部と、
前記上流反応ガス圧力検出部により検出された反応ガスの圧力と、前記排出反応ガス圧力検出部により検出された排出反応ガスの圧力と、前記エジェクタの前記ノズル部の開度と、を用いて、前記エジェクタの前記ノズル部の上流側から下流側に流通する反応ガスの流量を算出する反応ガス流量算出部と、を備える。

この燃料電システムでは、反応ガス流量の算出において、排出反応ガス環流路における排出反応ガスの圧力の値を用いて、ノズル部の下流側における反応ガスの圧力を推定することができ、反応ガス流量の算出精度を向上させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの反応ガス流量算出方法、燃料電池システム用燃料供給システム、燃料電池車両等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム２００は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行うシステムであり、燃料電池スタック２１０と、空気供給システム２２０と、燃料供給システム２３０と、を備えている。なお、本実施例では、燃料電池車両用の燃料電池システム２００を例に用いているが、本発明は定置用の燃料電池システムといった他の燃料電池システムにも適用可能である。

燃料電池スタック２１０は、図示しないセルを複数重ね合わせた積層体として構成されている。セルは、セパレータと、水素極（以下「アノード」と呼ぶ）と、電解質膜と、酸素極（以下「カソード」と呼ぶ）と、セパレータとをこの順に重ね合わせることによって形成される。セルは、例えばセパレータに設けられた溝を介して供給される水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられている。

空気供給システム２２０は、燃料電池スタック２１０に空気を供給するためのシステムであり、フィルタ２２１と、コンプレッサ２２２と、これらの機器を接続する空気供給路２２３と、を含んでいる。外部からフィルタ２２１を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ２２２により圧縮され、燃料電池スタック２１０を構成している複数のセルのそれぞれのカソードに供給される。なお、燃料電池スタック２１０内を経た空気は、外部へと排出される。

燃料供給システム２３０は、燃料電池スタック２１０に燃料（反応ガス）としての水素ガスを供給するためのシステムであり、水素タンク２３１と、減圧弁２３２と、これらの機器を接続する燃料供給路２３３と、を含んでいる。水素タンク２３１内に貯留された水素ガスは、減圧弁２３２により所定の圧力Ｐ１に減圧された後、後述するエジェクタ２３５を経て燃料電池スタック２１０を構成している複数のセルのそれぞれのアノードに供給される。なお、水素タンク２３１から供給される水素ガスを、後述のオフガスと区別するために、「主水素ガス」とも呼ぶ。減圧弁２３２とエジェクタ２３５との間の燃料供給路２３３上には、主水素ガスの温度Ｔを検出する温度センサ２４１が設けられている。なお、以下の説明では、主水素ガスの圧力Ｐ１を「エジェクタ上流側圧力Ｐ１」と呼び、主水素ガスの温度Ｔを「エジェクタ上流側温度Ｔ」と呼ぶものとする。

燃料供給システム２３０は、また、燃料電池スタック２１０内を経た後に燃料電池スタック２１０から排出された水素ガス（以下「オフガス」または「排出水素ガス」と呼ぶ）を再び燃料電池スタック２１０へと供給するために、オフガス環流路２３４と、エジェクタ２３５と、を含んでいる。エジェクタ２３５は、燃料供給路２３３とオフガス環流路２３４との合流部分に設けられている。オフガス環流路２３４上には、オフガスの圧力Ｐ２（以下「オフガス圧力Ｐ２」と呼ぶ）を検出する圧力センサ２４２が設けられている。

図２は、エジェクタ２３５の構造を概略的に示す説明図である。水素タンク２３１（図１）から供給された主水素ガスは、主水素ガス流入口３１０からエジェクタ２３５内に流入し、ノズル３２０のノズル開口部３２２を通過し、ディフューザ部３３０内の流路３３２を経て、燃料電池スタック２１０（図１）に向けて排出される。ノズル開口部３２２の流路面積Ａ（以下「ノズル開口面積Ａ」と呼ぶ）は、ニードル３４０を軸方向に前後させることによって可変となっている。すなわち、ニードル３４０の位置が定まれば、ノズル開口面積Ａの値も定まることとなる。ノズル開口面積Ａが変化することによって、主水素ガスの流量も変化する。なお、ニードル３４０は、アクチュエータ３４２によって駆動される。

上述した主水素ガスの流れによって、ディフューザ部３３０内部の流路３３２内には負圧が発生する。燃料電池スタック２１０から排出されたオフガスは、流路３３２内の負圧によってオフガス流入口３５０から流路３３２内に吸引され、主水素ガスと合流して、燃料電池スタック２１０に向けて排出される。ディフューザ部３３０内部の流路３３２の流路面積は下流側ほど大きくなっているため、主水素ガスおよびオフガスは、流路３３２内を下流側に進むにつれ、速度が減少し、圧力が上昇する。なお、オフガス流入口３５０は、ディフューザ部３３０内部の流路３３２内のノズル開口部３２２付近と連通するような位置に設けられている。

燃料電池スタック２１０により発電された電力は、インバータ２５０（図１）に出力され、走行モータ２６０の駆動に使用される。燃料電池スタック２１０の出力側には、燃料電池スタック２１０における出力電流Ｉを検出する出力電流センサ２４３が設けられている。また、燃料電池車両の走行に必要な電力よりも発電量が大きくて電力が余る場合には、余った電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２７０を介して蓄電池２８０に蓄電し、急加速時などの電力不足時に使用する。

また、燃料電池システム２００は、制御部２９０（図１）を備えている。制御部２９０は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部２９０には、上述したエジェクタ上流側圧力Ｐ１と、エジェクタ上流側温度Ｔと、オフガス圧力Ｐ２と、ノズル開度としてのノズル開口面積Ａと、出力電流Ｉとが入力される。制御部２９０は、これら入力された値を用いて、以下に説明する水素漏洩判定処理を行う。

図３は、第１実施例における水素漏洩判定処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部２９０（図１）が、エジェクタ上流側圧力Ｐ１（Ｐａ）と、エジェクタ上流側温度Ｔ（Ｋ）と、オフガス圧力Ｐ２（Ｐａ）と、ノズル開口面積Ａ（ｍ^２）とを入力する。ステップＳ１１０では、制御部２９０が、ステップＳ１００で入力したＰ１、Ｔ、Ｐ２、Ａを用いて、主水素ガスの流量Ｓ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を算出する。主水素ガス流量Ｓは、下記の式（１）または式（２）により算出される。

上記式（１）および式（２）において、Ｒ（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）は気体定数、γは比熱比、Ｍは水素の分子量、Ｃｖは流量係数である。

ここで、本実施例では、主水素ガス流量Ｓの算出にあたって、ノズル３２０（図２）の出口における主水素ガスの圧力を、オフガス圧力Ｐ２と同じとみなしている。すなわち、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力の値として、オフガス圧力Ｐ２の値を用いている。これは、オフガスがオフガス流入口３５０（図２）を通ってディフューザ部３３０内部の流路３３２内のノズル３２０出口付近に至る際のオフガスの圧力損失が、主水素ガスが主水素ガス流入口３１０から流入してノズル開口部３２２を通過する際の主水素ガスの圧力損失と比較して、無視できる程度に小さいためである。従って、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力としてオフガス圧力Ｐ２の値を用いて、主水素ガス流量Ｓの算出を行えば、算出精度を向上させることができる。

なお、例えば、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力として、エジェクタ２３５の下流側の燃料供給路２３３（図１）内の圧力の値を用いることも考えられる。しかし、主水素ガスおよびオフガスは、ディフューザ部３３０を通過する際に圧力が上昇するため、エジェクタ２３５の下流側の燃料供給路２３３内の圧力の値は、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力の値に比べ、無視できない程度に大きいと考えられる。従って、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力としてエジェクタ２３５の下流側の燃料供給路２３３内の圧力の値を用いて、主水素ガス流量Ｓの算出を行うと、算出精度を向上させることは困難となる。

ステップＳ１２０（図３）では、制御部２９０（図１）が、出力電流Ｉを入力する。ステップＳ１３０では、制御部２９０が、入力した出力電流Ｉを用いて、主水素ガスの消費量Ｃ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を算出する。制御部２９０は、燃料電池スタック２１０における出力電流Ｉと主水素ガス消費量Ｃとの対応関係を、予め実測や計算によって得られた値として有しており、制御部２９０は、その対応関係を参照して、主水素ガス消費量Ｃを算出する。

ステップＳ１４０では、制御部２９０が、差分Δを算出する。差分Δは、主水素ガス流量Ｓと主水素ガス消費量Ｃとの差である。

ステップＳ１５０では、制御部２９０が、差分Δの絶対値が所定の閾値Ｔａ以下か否かを判定する。閾値Ｔａは、誤差や経年等の影響を考慮して予め設定されている。すなわち、主水素ガス流量Ｓと主水素ガス消費量Ｃとの差があったとしても、その差が所定の閾値Ｔａ以下であれば、誤差や経年等の影響による差であると判定し、水素ガスの漏洩とは判定しないこととしている。従って、制御部２９０は、差分Δの絶対値が所定の閾値Ｔａ以下であると判定したときは、水素ガスの漏洩は無いと判定する（ステップＳ１７０）。一方、制御部２９０は、差分Δの絶対値が所定の閾値Ｔａより大きいと判定したときは、水素ガスの漏洩が有ると判定する（ステップＳ１６０）。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム２００では、ノズル３２０（図２）出口における主水素ガスの圧力としてオフガス圧力Ｐ２の値を用いて、主水素ガス流量Ｓの算出を行うため、主水素ガス流量Ｓの算出精度を向上させることができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例としての燃料電池システムにおける水素漏洩判定処理の流れを示すフローチャートである。なお、第２実施例においても、燃料電池システム２００の構成は、図１および図２に示した第１実施例と同じである。

ステップＳ２００（図４）では、制御部２９０（図１）が、燃料電池スタック２１０における発電量Ｇを設定する。本実施例では、制御部２９０が、図示しないアクセルペダルの開度等を検出し、検出したアクセルペダル開度等に基づき発電量Ｇを設定する。

ステップＳ２１０では、制御部２９０が、ステップＳ２００において設定した発電量Ｇに基づき、主水素ガス流量Ｓを設定する。制御部２９０は、発電量Ｇと発電量Ｇを得るのに必要な主水素ガス流量Ｓとの対応関係を、予め実測や計算によって得られた値として有しており、制御部２９０は、その対応関係を参照して、主水素ガス流量Ｓを設定する。

ステップＳ２２０では、制御部２９０が、エジェクタ上流側圧力Ｐ１（Ｐａ）と、エジェクタ上流側温度Ｔ（Ｋ）と、オフガス圧力Ｐ２（Ｐａ）とを入力する。ステップＳ２３０では、制御部２９０が、ステップＳ２１０で設定した主水素ガス流量Ｓと、ステップＳ２２０で入力したＰ１、Ｔ、Ｐ２とを用いて、ノズル開口面積Ａ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）の値を算出し、ノズル開口面積Ａが算出された値となるように、ニードル３４０（図２）の位置を設定する。ノズル開口面積Ａの算出は、上記の第１実施例における式（１）または式（２）を用いて行う。ただし、第１実施例では、主水素ガス流量Ｓの値を未知の値として式（１）または式（２）を用いていたが、第２実施例では、ノズル開口面積Ａの値を未知の値として式（１）または式（２）を用いる。

ステップＳ２４０では、制御部２９０が、燃料電池システム２００内の各部を制御して、発電を開始する。ステップＳ２５０では、制御部２９０が、圧力センサ２４２（図１）によって検出されるオフガス圧力Ｐ２の値が低下したか否かを判定する。制御部２９０は、ステップＳ２５０においてオフガス圧力Ｐ２の値が低下していない判定したときは、水素ガスの漏洩は無いと判定する（ステップＳ２９０）。一方、ステップＳ２５０においてオフガス圧力Ｐ２の値が低下したと判定したときは、燃料電池スタック２１０への水素ガス供給量が足りないことを意味し、水素ガスの漏洩が有る可能性があるため、ステップＳ２６０に進む。

ステップＳ２６０では、制御部２９０が、ノズル開口面積Ａを調整する。具体的には、制御部２９０は、オフガス圧力Ｐ２の値が低下しなくなるまで、ノズル開口面積Ａの値を上昇させる。

ステップＳ２７０では、制御部２９０が、ノズル開口面積Ａの値が、所定の閾値Ｔｂ以下か否かを判定する。閾値Ｔｂは、誤差や経年等の影響を考慮して予め設定される。制御部２９０は、ノズル開口面積Ａの値が閾値Ｔｂ以下であると判定したときは、水素ガスの漏洩は無いと判定する（ステップＳ２９０）。一方、制御部２９０は、ノズル開口面積Ａの値が閾値Ｔｂより大きいと判定したときは、水素ガスの漏洩が有ると判定する（ステップＳ２８０）。図５は、ノズル開口面積Ａと閾値Ｔｂとの関係を示す説明図である。閾値Ｔｂは、発電量Ｇに応じて定められる。例えば、発電量Ｇの値がＧｉのとき、水素ガスの漏洩がまったく無いときには、ノズル開口面積Ａは初期設定曲線（実線で表す）上の値Ａｍｉとなる。しかし、誤差や経年等の影響を考慮して、発電量Ｇの値がＧｉのときの閾値Ｔｂは、初期設定曲線よりもノズル開口面積Ａが大きい側に位置する閾値曲線（破線で表す）上の値Ａｎｉとしている。すなわち、制御部２９０は、ノズル開口面積Ａの値が初期設定曲線と閾値曲線とに挟まれた範囲（ハッチングを付した範囲）に入るときには水素ガスの漏洩は無いと判定するものとし、ノズル開口面積Ａの値が閾値曲線を越えた範囲に入ったときに水素ガスの漏洩が有ると判定する。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記各実施例において、燃料電池システム２００の構成は、あくまで一例であり、燃料電池システム２００の構成を他の構成とすることも可能である。例えば、燃料電池システム２００の燃料供給システム２３０において、減圧弁２３２とエジェクタ２３５との間の燃料供給路２３３上に圧力センサが設けられているとしてもよい。このようにすれば、エジェクタ上流側圧力Ｐ１をより正確に検出することができ、水素ガス漏洩判定の精度をより向上させることができる。また、上記各実施例では、水素タンク２３１を有する燃料供給システム２３０を用いているが、例えば改質器を用いた燃料供給システムといった他の燃料供給システムを用いることも可能である。

Ｃ２．変形例２：
上記各実施例では、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力としてオフガス圧力Ｐ２の値を用いて、主水素ガス流量Ｓの算出を行っているが、ノズル３２０出口における主水素ガスの圧力としてオフガス圧力Ｐ２に所定の補正を加えた後の値を用いて、主水素ガス流量Ｓの算出を行うとしてもよい。

本発明の第１実施例としての燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図。 エジェクタの構造を概略的に示す説明図。 第１実施例における水素漏洩判定処理の流れを示すフローチャート。 第２実施例としての燃料電池システムにおける水素漏洩判定処理の流れを示すフローチャート。 ノズル開口面積Ａと閾値Ｔｂとの関係を示す説明図。

符号の説明

２００...燃料電池システム
２１０...燃料電池スタック
２２０...空気供給システム
２２１...フィルタ
２２２...コンプレッサ
２２３...空気供給路
２３０...燃料供給システム
２３１...水素タンク
２３２...減圧弁
２３３...燃料供給路
２３４...オフガス環流路
２３５...エジェクタ
２４１...温度センサ
２４２...圧力センサ
２４３...出力電流センサ
２５０...インバータ
２６０...走行モータ
２７０...ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８０...蓄電池
２９０...制御部
３１０...主水素ガス流入口
３２０...ノズル
３２２...ノズル開口部
３３０...ディフューザ部
３３２...流路
３４０...ニードル
３４２...アクチュエータ
３５０...オフガス流入口

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給路と、
   前記燃料電池から排出された反応ガスである排出反応ガスを前記反応ガス供給路へと環流するための排出反応ガス環流路と、
   前記反応ガス供給路と前記排出反応ガス環流路との合流部に設けられたエジェクタであって、内部にノズル部を有し、前記ノズル部の開口を経て前記エジェクタ内部を反応ガスが流通することにより前記エジェクタ内部に発生する負圧を利用して前記排出反応ガス環流路内の排出反応ガスを前記エジェクタ内部の前記ノズル部の下流側へと導くエジェクタと、
   前記反応ガス供給路の前記エジェクタより上流側の部分における反応ガスの圧力を検出する上流反応ガス圧力検出部と、
   前記排出反応ガス環流路における排出反応ガスの圧力を検出する排出反応ガス圧力検出部と、
   前記上流反応ガス圧力検出部により検出された反応ガスの圧力と、前記排出反応ガス圧力検出部により検出された排出反応ガスの圧力と、前記エジェクタの前記ノズル部の開度と、を用いて、前記エジェクタの前記ノズル部の上流側から下流側に流通する反応ガスの流量を算出する反応ガス流量算出部と、を備える、燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給路と、
   前記燃料電池から排出された反応ガスである排出反応ガスを前記反応ガス供給路へと環流するための排出反応ガス環流路と、
   前記反応ガス供給路と前記排出反応ガス環流路との合流部に設けられたエジェクタであって、内部にノズル部を有し、前記ノズル部の開口を経て前記エジェクタ内部を反応ガスが流通することにより前記エジェクタ内部に発生する負圧を利用して前記排出反応ガス環流路内の排出反応ガスを前記エジェクタ内部の前記ノズル部の下流側へと導くエジェクタと、を備える燃料電池システムにおいて、反応ガスの流量を算出する反応ガス流量算出方法であって、
   （ａ）前記反応ガス供給路の前記エジェクタより上流側の部分における反応ガスの圧力を検出する工程と、
   （ｂ）前記排出反応ガス環流路における排出反応ガスの圧力を検出する工程と、
   （ｃ）前記工程（ａ）により検出された反応ガスの圧力と、前記工程（ｂ）により検出された排出反応ガスの圧力と、前記エジェクタの前記ノズル部の開度と、を用いて、前記エジェクタの前記ノズル部の上流側から下流側に流通する反応ガスの流量を算出する反応ガス流量算出工程と、を備える、反応ガス流量算出方法。

Images