JP5175447B2 - ガス流量制御装置、燃料電池システム及びガス流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流量制御装置、燃料電池システム及びガス流量制御方法に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池のアノード電極に燃料ガスを、カソード電極に酸化ガスを、各々供給して発電を行っている。かかる燃料電池システムの燃料電池として固体高分子型燃料電池を採用する場合には、イオン導電性を発揮させるために固体高分子電解質膜を飽和加湿する必要がある。このため、燃料電池に供給される反応ガス（燃料ガス及び／又は酸化ガス）に所定量の水蒸気を含有させる加湿器が設けられる。

ところで、燃料電池の発電状態を安定させるためには、反応ガスに含まれる水蒸気の量を適切に調整する必要がある。また、複数種類のガスを所定量混合させて反応ガスを構成する場合においては、各ガスの流量を適切に調整する必要がある。このため、近年においては、マスフローコントローラを用いて各ガス（水蒸気を含む）の流量を調整し、これらガスを混合させて所望の混合ガスを得る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１５６０４５号公報

特許文献１に記載されたような技術を採用して混合ガスの流量調整を行う場合には、各ガスの流量をマスフローコントローラで調整し、この流量調整した各ガスを混合して所定流量の混合ガスを得るようにしている。

しかし、このような従来の技術を採用すると、各ガスを流通させる配管の態様（長さ、圧力損失、断面積等）の差異や各マスフローコントローラの動作時期のずれ等に起因して、混合ガスにおける各ガスの混合比が変化してしまう場合がある。このように流量調整の際にガスの混合比が変化する（例えば反応ガスの流量調整の際に水蒸気の量が変化する）と、混合ガスの供給を受けるシステムが所望の特性を発揮できない（例えば燃料電池の発電状態が不安定となる）おそれがある。

一方、流量計測器（マスフローメータ）を用いて混合ガスの流量を計測しながら流量調整を行うことも考えられる。しかし、従来の流量計測器は、既知のガスの流量を計測するように設計されているため、複数種類のガスを所定量混合させて構成した未知の混合ガスの流量を精確に計測することができず、従って、流量調整を的確に行うことが困難となっていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、複数種類のガスを混合させて構成した混合ガスの流量調整を精確に行うことを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係るガス流量制御装置は、複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスの流量を調整するガス流量制御装置であって、各ガス供給源から供給されるガスの流量を所定量に設定する流量設定手段と、流量設定手段の各々で設定された各ガスの流量を加算した値である総流量を算出する総流量算出手段と、混合ガスの流量を計測する流量計測手段と、総流量算出手段で算出した総流量と流量計測手段で計測した混合ガスの流量との相関関係を表す特定係数を算出する係数算出手段と、係数算出手段で算出した特定係数を参照して混合ガスの流量を調整する流量調整手段と、を備えるものである。

また、本発明に係るガス流量制御方法は、複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスの流量を調整するガス流量制御方法であって、各ガス供給源から供給されるガスの流量を所定量に設定する第１の工程と、第１の工程で設定された各ガスの流量を加算した値である総流量を算出する第２の工程と、混合ガスの流量を計測する第３の工程と、第２の工程で算出した総流量と第３の工程で計測した混合ガスの流量との相関関係を表す特定係数を算出する第４の工程と、第４の工程で算出した特定係数を参照して混合ガスの流量を調整する第５の工程と、を含むものである。

かかる構成及び方法によれば、各ガス供給源から供給される各ガスの流量を加算した値（総流量）と、これら複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスの流量と、の相関関係を表す特定係数を算出し、この特定係数を参照して混合ガスの流量を調整することができる。すなわち、ガスの混合前後における流量の特定相関関係（例えば混合後のガス流量が混合前のガス流量と比較して所定の割合で減少する、というような関係）を特定係数で表現し、この特定係数を用いて混合ガスの流量計測値を補正した状態で流量調整を行うことができる。従って、混合ガスの流量調整を精確に行うことができる。また、ガス混合前の流量調整が不要となるため、ガス混合前の流量調整に起因した混合ガスの質の低下（混合比の不均一性等）を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池にガスを供給するためのガス供給源と、このガス供給源から供給されるガスの流量を制御するガス流量制御装置と、を備える燃料電池システムであって、ガス供給源から供給されるガスは、複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスであり、ガス流量制御装置として、前記ガス流量制御装置を採用したものである。

かかる構成によれば、混合ガスの精確な流量調整を実現させるガス流量制御装置を備えているため、燃料電池に供給されるガスに含まれる各種成分（水蒸気等）の割合を安定させることができる。この結果、発電効率を高めることが可能となる。

本発明によれば、複数種類のガスを混合させて構成した混合ガスの流量調整を精確に行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るガス流量制御装置を備えた燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３、燃料電池２に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給源４、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。

燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。

燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガスが燃料ガス供給源３から供給される。本実施形態においては、燃料ガス供給源３として高圧水素タンクを採用している。なお、高圧水素タンクに代えて、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。水素供給用配管２１には、燃料ガス供給源３から水素ガスを供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。

燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２４が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環用配管２４に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２４には、燃料電池２と水素循環用配管２４とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２４ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２４ｂ、逆止弁２４ｃ等が設けられている。水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２４は、パージ弁及びパージ用配管２７を介して空気排出用配管２５に接続される。なお、遮断弁及びパージ弁については図示を省略している。

燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２２が接続されており、この空気供給用配管２２を介して酸化ガスが酸化ガス供給源４から供給される。なお、酸化ガス供給源４の構成は、図２を用いて後に詳述する。また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管２５が接続されており、この空気排出用配管２５を介して酸化オフガスが外部に放出される。

燃料電池２の冷却水供給口には冷却水供給用配管２３が接続されており、この冷却水供給用配管２３を介して燃料電池２に冷却水が供給される。また、燃料電池２の冷却水排出口には冷却水排出用配管２６が接続されており、この冷却水排出用配管２６を介して燃料電池２から冷却水が外部に排出される。冷却水排出用配管２６と冷却水供給用配管２３とは冷却ファン２６ａを有するラジエータ２６ｂを介して接続されている。冷却水供給用配管２３には、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサや冷却水を加圧して循環させるポンプ２３ａ等が設けられている。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の酸化ガス供給源４の構成について説明する。

酸化ガス供給源４は、図２に示すように、酸化ガスを構成する複数種類のガスを供給するガス供給源４０Ａ〜４０Ｅ、各ガス供給源４０Ａ〜４０Ｅから供給されるガスの流量を所定量に設定する構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅ、各ガス供給源４０Ａ〜４０Ｅから供給されるガスを混合させて構成した酸化ガス（混合ガス）の流量を計測するマスフローメータ４２、酸化ガスの流量を調整する混合ガス用マスフローコントローラ４３等を備えて構成されている。

本実施形態においては、図２に示すように、酸素を供給する酸素供給源４０Ａ、窒素を供給する窒素供給源４０Ｂ、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源４０Ｃ、水蒸気を供給する水蒸気供給源４０Ｄ及び一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給源４０Ｅをガス供給源として採用している。酸素供給源４０Ａ、窒素供給源４０Ｂ、二酸化炭素供給源４０Ｃ、一酸化炭素供給源４０Ｅとしては、各ガス（酸素、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素）を充填した高圧水素タンクを採用することができる。また、水蒸気供給源４０Ｄとしては、市販されている水蒸気発生装置等を採用することができる。

構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅは、流量調整機能を有する小型ガスポンプであり、本発明における流量設定手段の一実施形態である。マスフローメータ４２は、混合ガスとしての酸化ガスの流量を計測するものであり、本発明における流量計測手段の一実施形態である。本実施形態におけるマスフローメータ４２は、既知のガス（例えば酸素）の流量を正確に計測するための機能を有しているが、未知のガス（例えば複数種類のガスを特定の混合比で混合させて構成した酸化ガス）の流量を正確に計測する機能を有していない。このため、マスフローメータ４２で計測された酸化ガスの流量計測値は、後述する方法で補正されることとなる。混合ガス用マスフローコントローラ４３は、流量調整機能を有する小型ガスポンプであり、混合ガスとしての酸化ガスの流量を所定量に設定するように機能する。

構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅ及び混合ガス用マスフローコントローラ４３の動作は、図示されていない制御装置により制御される。また、マスフローメータ４２で計測された酸化ガスの流量に係る信号は、制御装置に伝送され、混合ガス用マスフローメータ４３の制御に用いられる。

制御装置は、構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅで設定された各ガスの流量を加算した値（総流量）を算出する。すなわち、制御装置は、本発明における総流量算出手段の一実施形態である。また、制御装置は、算出した総流量と、マスフローメータ４２で計測した酸化ガスの流量と、の相関関係を表す特定係数を算出する。すなわち、制御装置は、本発明における係数算出手段の一実施形態である。また、制御装置は、算出した特定係数を参照して混合ガス用マスフローコントローラ４３を制御することにより、酸化ガスの流量を調整する。すなわち、制御装置及び混合ガス用マスフローコントローラ４３は、本発明における流量調整手段の一実施形態を構成する。

なお、構成ガス用マスフローメータ４１Ａ〜４１Ｅ、マスフローメータ４２、混合ガス用マスフローコントローラ４３及び制御装置により、本発明の実施形態に係るガス流量制御装置が構成されることとなる。

続いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の酸化ガス供給源４におけるガス流量制御方法について説明する。

まず、制御装置は、構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅを制御することにより、各ガス供給源４０Ａ〜４０Ｅから供給される各ガス（酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素）の流量を所定量（Ｑ_A、Ｑ_B、Ｑ_C、Ｑ_D、Ｑ_E）に設定する（第１の工程）。次いで、制御装置は、構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅで設定された各ガスの流量を加算して、総流量Ｑ₁（＝Ｑ_A＋Ｑ_B＋Ｑ_C＋Ｑ_D＋Ｑ_E）を算出する（第２の工程）。

次いで、制御装置は、マスフローメータ４２を介して、混合ガスとしての酸化ガスの流量Ｑ₂を計測する（第３の工程）。そして、制御装置は、算出した総流量Ｑ₁と計測した酸化ガスの流量Ｑ₂との相関関係を表す特定係数Ｋを算出する（第４の工程）。本実施形態においては、「Ｋ＝Ｑ₁／Ｑ₂」なる式を用いて特定係数Ｋを算出する。マスフローメータ４２は未知のガスである酸化ガスを正確に計測する機能を有していないため、その計測値Ｑ₂は実際の総流量Ｑ₁と異なる値となっている。従って、本実施形態においては、計測値Ｑ₂と実際の総流量Ｑ₁との関係を特定係数Ｋで表し、かかる特定係数Ｋを酸化ガスの流量調整に用いることとしている。

第４の工程で算出した特定係数Ｋを参照して、制御装置は、混合ガス用マスフローコントローラ４３を制御することにより、酸化ガスの流量Ｑを調整する（第５の工程）。本実施形態において、制御装置は、マスフローメータ４２における計測値Ｑ₂に特定係数Ｋを乗じることにより、酸化ガスの流量Ｑを算出（調整）する。このように調整された酸化ガスの流量Ｑは、
Ｑ＝Ｑ₂×Ｋ＝Ｑ₂×（Ｑ₁／Ｑ₂）＝Ｑ₁
となり、実際の総流量Ｑ₁と同一の値となる。

また、酸化ガスの流量Ｑを総流量Ｑ₁の１／ｐに調整しようとする場合には、制御装置は、マスフローメータ４２での計測値Ｑ₂に「Ｋ／ｐ」を乗じることにより、酸化ガスの流量Ｑを算出する。このように設定された酸化ガスの流量Ｑは、
Ｑ＝Ｑ₂×（Ｋ／ｐ）＝Ｑ₂×｛（Ｑ₁／Ｑ₂）／ｐ｝＝Ｑ₁／ｐ
となり、実際の総流量Ｑ₁の１／ｐに調整されることとなる。本実施形態においては、このように酸化ガスの流量Ｑを低減させる場合においても、構成ガス用マスフローコントローラ４１Ａ〜４１Ｅにおいて流量調整を行うことなく、混合ガス用マスフローコントローラ４３においてのみ流量調整を行うこととしている。混合ガス用マスフローコントローラ４３を通過する酸化ガス以外の余剰ガスは、酸化ガス排出用配管４４を介して外部に放出される。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１の酸化ガス供給源４のガス流量制御装置においては、各ガス供給源４０Ａ〜４０Ｅで設定された各ガス（酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素）の流量を加算した値（総流量Ｑ₁）と、これら複数のガス供給源４０Ａ〜４０Ｅから供給されるガスを混合させて構成した酸化ガスの流量Ｑ₂と、の相関関係を表す特定係数Ｋを算出し、この特定係数Ｋを参照して酸化ガスの流量Ｑを調整することができる。すなわち、ガスの混合前後における流量の特定相関関係を特定係数Ｋで表現し、この特定係数Ｋを用いて酸化ガスの計測値を補正した状態で流量調整を行うことができる。従って、酸化ガスの流量調整を精確に行うことができる。また、ガス混合前の流量調整が不要となるため、ガス混合前の流量調整に起因した酸化ガスの質の低下（混合比の不均一性等）を抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１は、酸化ガスの精確な流量調整を実現させるガス流量制御装置を備えているため、燃料電池２に供給される酸化ガスに含まれる各種成分（水蒸気等）の割合を安定させることができる。この結果、発電効率を高めることが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の酸化ガス供給源４に本発明を適用した例を示したが、燃料ガス供給源３に本発明を適用することもできる。

例えば、図３に示すように、燃料ガスを構成する複数種類のガスを供給するガス供給源（水素供給源３０Ａ、窒素供給源３０Ｂ、水蒸気供給源３０Ｃ及び一酸化炭素供給源３０Ｄ）、各ガス供給源３０Ａ〜３０Ｄから供給されるガスの流量を所定量に設定する構成ガス用マスフローコントローラ３１Ａ〜３１Ｄ（流量設定手段）、各ガス供給源３０Ａ〜３０Ｄから供給されるガスを混合させて構成した燃料ガスの流量を計測するマスフローメータ３２（流量計測手段）、燃料ガスの流量を調整する混合ガス用マスフローコントローラ３３等により燃料ガス供給源３を構成することができる。そして、総流量算出手段、係数算出手段及び流量調整手段としての制御装置が、構成ガス用マスフローコントローラ３１Ａ〜３１Ｄで設定された各ガスの流量を加算した値（総流量）を算出し、この総流量とマスフローメータ３２で計測した燃料ガスの流量との相関関係を表す特定係数を算出し、この特定係数を参照して混合ガス用マスフローコントローラ３３を制御することにより、燃料ガスの流量を調整することができる。

また、以上の実施形態においては、各構成ガスの総流量Ｑ₁と、計測した酸化ガスの流量Ｑ₂と、の相関関係を表す特定係数Ｋとして「Ｋ＝Ｑ₁／Ｑ₂」なる式を用いて算出される値を採用したが、特定係数Ｋはこれに限られるものではなく、各構成ガスの総流量と計測した酸化ガスの流量との相関関係を表すものであればいかなるものでもよい。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、燃料電池車両以外の各種構造体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載される燃料電池システムについても本発明を適用することができる。また、本発明に係るガス流量制御装置及びガス流量制御方法を、燃料電池システム以外のシステム（例えば半導体製造装置等）に適用することも可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの酸化ガス供給源の構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの燃料ガス供給源の他の構成例を示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３０Ａ…水素供給源（ガス供給源）、３０Ｂ…窒素供給源（ガス供給源）、３０Ｃ…水蒸気供給源（ガス供給源）、３０Ｄ…一酸化炭素供給源（ガス供給源）、３１Ａ〜３１Ｄ…構成ガス用マスフローコントローラ（流量設定手段）、３２…マスフローメータ（流量計測手段）、３３…混合ガス用マスフローコントローラ（流量調整手段の一部）、４０Ａ…酸素供給源（ガス供給源）、４０Ｂ…窒素供給源（ガス供給源）、４０Ｃ…二酸化炭素供給源（ガス供給源）、４０Ｄ…水蒸気供給源（ガス供給源）、４０Ｅ…一酸化炭素供給源（ガス供給源）、４１Ａ〜４１Ｅ…構成ガス用マスフローコントローラ（流量設定手段）、４２…マスフローメータ（流量計測手段）、４３…混合ガス用マスフローコントローラ（流量調整手段の一部）。

Claims (3)

1. 複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスの流量を調整するガス流量制御装置であって、
   前記各ガス供給源から供給されるガスの流量を所定量に設定する流量設定手段と、
   前記流量設定手段の各々で設定された各ガスの流量を加算した値である総流量（Ｑ₁）を算出する総流量算出手段と、
   前記混合ガスの流量（Ｑ₂）を計測する流量計測手段と、
   前記総流量算出手段で算出した前記総流量（Ｑ₁）と前記流量計測手段で計測した前記混合ガスの流量（Ｑ₂）との相関関係を表す特定係数（Ｋ）を算出する係数算出手段と、
   前記係数算出手段で算出した前記特定係数（Ｋ）を参照して前記混合ガスの流量を調整する流量調整手段と、を備え、
   前記係数算出手段は、前記総流量算出手段で算出した前記総流量（Ｑ₁）を前記流量計測手段で計測した前記混合ガスの流量（Ｑ₂）で除することにより前記特定係数（Ｋ）を算出するものであり、
   前記流量調整手段は、前記流量計測手段で計測した前記混合ガスの流量（Ｑ₂）に前記特定係数（Ｋ）を乗じることにより算出した流量（Ｑ）に前記混合ガスの流量を調整するものである、
   ガス流量制御装置。
2. 燃料電池と、この燃料電池にガスを供給するためのガス供給源と、このガス供給源から供給されるガスの流量を制御するガス流量制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記ガス供給源から供給されるガスは、複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスであり、
   前記ガス流量制御装置は、請求項１に記載のガス流量制御装置である、
   燃料電池システム。
3. 複数のガス供給源から供給されるガスを混合させて構成した混合ガスの流量を調整するガス流量制御方法であって、
   前記各ガス供給源から供給されるガスの流量を所定量に設定する第１の工程と、
   前記第１の工程で設定された各ガスの流量を加算した値である総流量（Ｑ₁）を算出する第２の工程と、
   前記混合ガスの流量（Ｑ₂）を計測する第３の工程と、
   前記第２の工程で算出した前記総流量（Ｑ₁）と前記第３の工程で計測した前記混合ガスの流量（Ｑ₂）との相関関係を表す特定係数を算出する第４の工程と、
   前記第４の工程で算出した前記特定係数（Ｋ）を参照して前記混合ガスの流量を調整する第５の工程と、を含み、
   前記第４の工程では、前記第２の工程で算出した前記総流量（Ｑ₁）を前記第３の工程で計測した前記混合ガスの流量（Ｑ₂）で除することにより前記特定係数（Ｋ）を算出し、
   前記第５の工程では、前記第３の工程で計測した前記混合ガスの流量（Ｑ₂）に前記特定係数（Ｋ）を乗じることにより算出した流量（Ｑ）に前記混合ガスの流量を調整する、
   ガス流量制御方法。

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