JP6332205B2

JP6332205B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6332205B2
Application number: JP2015174979A
Authority: JP
Inventors: 山本　和男; 和男山本; 今西　啓之; 啓之今西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: JP2016103466A; KR20160056809A; KR101765395B1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池から排出される燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、気液分離器に接続され気液分離器内の貯留水とともに燃料ガスを外部に排出する排出弁と、を備えた燃料電池システムが知られている。例えば特許文献１では、排出弁の開弁による燃料ガスの排気量を推定する技術が開示されている。ここで排出弁は、弁体により開閉される排出口を有したものがあり、排出口を介して貯留水及び燃料ガスが外部へと排出される。

特開２００５−３０２７０８号公報

燃料ガスの排気量を精度よく推定するためには、燃料ガスの単位時間当たりの排気流量を精度よく推定できることが望ましい。燃料ガスの流量を推定するために、例えば排出弁の開弁期間で排出弁の上流側と下流側との差圧に基づいて推定することが考えられる。例えば、予め実験などにより得られた差圧と排気流量との関係に基づいて、検出された差圧から排気流量を推定することが考えられる。

しかしながら差圧のみに基づいて排気流量を推定すると推定精度が低下するおそれがある。例えば、排出弁の開弁によって貯留水が先に排出された後に燃料ガスが排出されるが、燃料ガスの排出中であっても燃料電池の発電による生成水が貯留水として気液分離器から排出弁の排出口を介して外部へと排出される場合がある。この場合には、排出口から貯留水と燃料ガスとが同時に排出されると考えられる。ここで、実質的に燃料ガスが流通する排出口の断面積の割合は、排出口の断面積のうち貯留水が占める割合を除いたものとなる。排出口の断面積のうち貯留水が占める割合は、貯留水の量により変動するため、実質的に燃料ガスが流通する排出口の断面積の割合も同様に変動する。このため、このように変動する燃料ガスが実質的に流通する排出口の断面積の割合を考慮せずに、差圧のみに基づいて排気流量を推定すると、その推定精度が低下するおそれがある。

そこで、燃料ガスの排気流量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、前記排出流路に設けられた排出弁と、前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出弁よりも上流側の前記排出流路内の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の負荷電流値に基づいて前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合を推定し、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と前記燃料ガスが占める割合とに基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システムによって達成できる。

前記制御部は、前記燃料ガスの組成に基づいて前記流量を推定する、構成であってもよい。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第１の排出流路と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路と、前記第２の排出流路に設けられた排出弁と、前記供給流路、前記第１の排出流路、前記気液分離器、又は前記第２の排出流路内の前記排出弁の上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の負荷電流値に基づいて前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合を推定し、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と前記燃料ガスが占める割合とに基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システムによっても達成できる。

燃料ガスの排気流量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供できる。

燃料電池システムの概略構成図である。排出弁の作動と、循環流路内の圧力と排出弁よりも下流側の排出流路内の圧力との差圧の変化とを示したタイミングチャートである。ＥＣＵにより実行される排出弁の開閉制御のフローチャートである。差圧と排水流量との関係を規定したマップである。基準流量と基準差圧とを説明するためのグラフである。燃料電池への要求発電量と目標水素分圧との関係を規定したマップである。排出弁の断面図である。排出弁の断面図である。排水完了と判定された後の排出口の断面図である。排水完了と判定された後の排出口の断面図である。補正係数Ｋｃと燃料電池の負荷電流値との関係を規定したマップである。変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本実施例の燃料電池システム１（以下、システムと称する）について説明する。システム１は、例えば車両に搭載される車両用のシステムに適用することができる。ただし、他の用途のシステムへ適用してもよい。図１は、システム１の概略構成図である。システム１は、電力供給手段として燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体高分子電解質膜等の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。

タンク３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給する燃料供給源である。供給流路４は、燃料電池２のアノード入口に接続され、タンク３から供給された燃料ガスを燃料電池２に流す。供給流路４には調圧バルブ６が配置されており、タンク３から供給される燃料ガスは調圧バルブ６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。また、供給流路４における調圧バルブ６の下流側にはインジェクタ１０が配置されている。インジェクタ１０は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ１０や調圧バルブ６は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０によって制御される。

燃料電池２のアノード出口には燃料電池２から排出された燃料ガス（燃料オフガス）を供給流路４に流す循環流路８が接続されている。具体的には、循環流路８の下流端は供給流路４に接続されている。また、循環流路８には、燃料電池２から排出された燃料ガスを加圧して供給流路４へ送るための循環ポンプ９が設置されている。これにより、本燃料電池システムでは、燃料電池２の運転時には燃料ガスは供給流路４と循環流路８を通って循環する。

循環流路８の途中には気液分離器１２が配置され、燃料ガスから水分を分離し、分離した水を貯留する貯留槽１２ａを有している。システム１では、燃料電池２の発電によって生成された水がカソード側から電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。アノード側に移動した水は燃料ガスとともに循環流路８に排出され、気液分離器１２において回収される。

気液分離器１２の貯留槽１２ａの底部には、気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する排出流路１４が接続されている。排出流路１４の下流端は外気に晒されている。排出流路１４には排出弁１６が配置されている。排出弁１６は通常は閉じており、ＥＣＵ２０によって必要に応じて開かれる。排出弁１６としては、例えばシャットオフバルブである。貯留槽１２ａから貯留水があふれる前に排出弁１６が開いて排水することにより、液水が循環流路８、供給流路４を介して燃料電池２に供給されることを防止できる。

供給流路４には、インジェクタ１０よりも下流側に供給流路４内の圧力を検出する圧力センサ２１が設けられている。圧力センサ２１は主に燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力を検出する。循環流路８には、気液分離器１２よりも上流側に循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられている。圧力センサ２２は、主に燃料電池２から排出される燃料ガスの圧力を検出し、排出弁１６よりも上流側の圧力を検出できる。排出流路１４には、排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサ２３が設けられ、排出弁１６よりも下流側の圧力を検出できる。圧力センサ２３の検出値は略大気圧を示す。圧力センサ２１〜２３は、ＥＣＵ２０の入力側に接続されている。

燃料電池２には負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の電気的特性を測定するための装置であり、例えば、電気化学系汎用ポテンシオガルバノスタットを含んで構成することができる。負荷装置３０は、配線によって燃料電池２のアノード側セパレータとカソード側セパレータに電気的に接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の発電時に燃料電池２を流れる負荷電流と、燃料電池２の負荷電圧（セル電圧）を測定できる。ＥＣＵ２０は、負荷装置３０からの出力信号により燃料電池２の負荷電流値を検出する。

燃料電池２には、燃料電池２を冷却するための冷媒を循環させる経路が接続されており、この経路上にラジエータ４０が設けられている。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。ラジエータ４０の出口側の経路には冷媒の温度を検出するための温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、ＥＣＵ２０の入力側に接続されている。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。ＥＣＵ２０は、システム１の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、ＥＣＵ２０は、詳しくは後述する燃料ガスの排気量を推定する制御を実行する制御部の一例である。

尚、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための通路が接続され、カソード出口には酸化オフガスを排出するための通路が接続されているが、図１では省略している。

上述したように排出弁１６を開弁することにより気液分離器１２内の貯留水を外部へと排出できる。この際に、貯留水と共に燃料ガスの一部が外部へと排出される。ここで、排出弁１６から排出される燃料ガスの実際の排気量が目標排気量となるように制御することが求められる。実際の排気量が目標排気量に対して多すぎると、燃料ガスを無駄に消費することになり燃費が悪化する恐れがあるからである。逆に実際の排気量が目標排気量に対して少なすぎると、例えば実際の排気量がゼロであると、貯留水を完全に排出できていない恐れがあるからである。また、排気量が少ないと、クロスオーバーによりカソード側からアノード側へと移動した窒素により燃料ガス中の窒素濃度が上昇して燃費に悪影響を与えるおそれもあるからである。そこで、本システム１では、排出弁１６の開弁中に排出される燃料ガスの排気量を後述する方法により推定し、推定した排気量が目標排気量に至った場合に排出弁１６を閉じる。

次に、排出弁１６の作動による圧力の変化等を説明する。図２は、排出弁１６の作動と、循環流路８内の圧力と排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力との差圧の変化とを示したタイミングチャートである。尚、図２は、インジェクタ１０からの燃料ガスの供給が継続して行われており、圧力センサ２１により検出される供給流路４内の圧力が目標圧力となるようにインジェクタ１０がフィードバック制御されている場合を示す。循環流路８内の圧力と排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力との差圧（以下、単に差圧と称する）は、圧力センサ２２、２３からの出力値に基づいて検出される。図２では、時点ｔ０で排出弁１６が閉じており、時点ｔ１で排出弁１６が開き、時点ｔ１〜ｔ２間で気液分離器１２内の貯留水の排出が完了し、時点ｔ２〜ｔ３間で燃料ガスが排出される。尚、説明の便宜上、貯留水の排出中での差圧を差圧ΔＰａと称し、燃料ガスの排出中での差圧を差圧ΔＰｂと称する。

図２に示すように、排出弁１６が開いた直後では差圧ΔＰａはすぐには変化せず、排出弁１６の開弁から暫くして差圧ΔＰｂが低下する。排出弁１６が開く前から排水が完了する時点ｔ０〜ｔ２間では、実際には僅かに循環流路８内の圧力は低下するが無視できる程度の低下量であり、差圧ΔＰａは略変化しない。尚、時点ｔ１〜ｔ２間で差圧ΔＰａが略変化しない理由は、時点ｔ１〜ｔ２間では貯留水の排水は行われているが燃料ガスの排気は行われていないためである。

排水が完了して気液分離器１２及び排出流路１４が大気に連通すると、排出流路１４を通って燃料ガスが排気されていく。これにより、時点ｔ２〜ｔ３間で差圧ΔＰｂは低下する。燃料ガスが排気されることにより、循環流路８と連通している供給流路４内の圧力も低下するからである。また、後述する推定方法によって推定された排気量が目標排気量に到達したと判断された場合には、排出弁１６は閉じられる。

図３は、ＥＣＵ２０により実行される排出弁１６の開閉制御のフローチャートである。ＥＣＵ２０は、システム１が運転中か否を判定する（ステップＳ１）。貯留水の排水処理はシステムの運転中に実施するからである。システム１の運転中の場合にはＥＣＵ２０はステップＳ１以降の処理が実行され、システム１の運転中ではない場合には、本制御は終了する。

次にＥＣＵ２０は、排出弁１６の開弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ２）。排出弁１６の開弁条件とは、例えば、前回の排出弁１６の開弁から経過時間が所定時間に達した場合等であるがこれに限定されない。開弁条件が成立していない場合には、本制御は終了する。排出弁１６の開弁条件が成立すると、ＥＣＵ２０は、排出弁１６を開き（ステップＳ３）、排水が完了したか否かを判定する（ステップＳ４）。

排水が完了したか否かの判定は、例えば以下のように行う。ＥＣＵ２０は、排出弁１６が開く直前の気液分離器１２内の貯留量を算出する。例えば、ＥＣＵ２０は、前回排水が行われてからの燃料電池２の発電量に応じて生成された生成水量を、燃料電池２の負荷電流等と生成水量とが対応付けされた関係式やマップ等を用いて、気液分離器１２内の貯水量を算出する。燃料電池２の発電量は負荷電流から算出される。次に、ＥＣＵ２０は、循環流路８内の圧力と排出弁１６の下流側の圧力との差圧ΔＰａから、排出弁１６が開弁してからの排水量を推定する。図４は、差圧ΔＰａと排水流量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０は、このマップに基づいて、差圧ΔＰａに対応した排水流量を算出して、排出弁１６が開いた時点ｔ１から現在時点までの時間積分を算出して、排水量を推定する。尚、図４のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。図４のマップは、差圧ΔＰａが大きいほど、即ち、排出弁１６の下流側の圧力に対して循環流路８内の圧力が大きいほど、単位時間当たりの排水量が多いことを示している。差圧ΔＰａが大きいほど、外部への排水が促進されるからである。次にＥＣＵ２０は、推定された排水量が算出された貯水量以上となったか否かを判定する。推定された排水量が算出された貯留水以上となった場合には、ＥＣＵ２０は、排水が完了したと判定される。推定された排水量が算出された貯留水未満の場合には、ＥＣＵ２０は排水が完了していないと判定して、推定された排水量が貯水量以上となるまで排水量の推定を継続する。尚、排水の完了判定は上記方法に限定されず、例えば差圧の低下率が所定値以上になった場合には排気が開始されたとして、排水が完了したものと判定してもよい。

排水が完了したと判定されると、ＥＣＵ２０は、差圧ΔＰｂから排出弁１６の開弁による燃料ガスの排気量を推定する（ステップＳ５）。ＥＣＵ２０は、推定された排気量が目標排気量以上となったか否かを判定し（ステップＳ６）、推定された排気量が目標排気量以上となるまで排気量の推定を継続する。推定された排気量が目標排気量以上となった場合には、ＥＣＵ２０は排出弁１６を閉じて（ステップＳ７）、本制御を終了する。以上の制御により、気液分離器１２内の貯留水は排水され、燃料ガスも所望の量だけ排気される。

次に、燃料ガスの排気流量の推定方法について具体的に説明する。以下の式は排気流量を推定するための式である。

排気流量Ｑは燃料ガスの排気流量を示す。基準流量Ｑｒ、基準差圧ΔＰｒは、詳しくは後述するが予め定められた固定値である。差圧ΔＰｂは、圧力センサ２２、２３により検出された差圧である。補正係数Ｋｔは、燃料ガスの温度を考慮した係数である。補正係数Ｋｇは、燃料ガスの組成を考慮した係数である。補正係数Ｋｃは、詳しくは後述する排出弁１６の排出口に示す液水の割合を考慮した係数である。上記の式により、排水完了後に上記式に基づいて流量の算出し、流量を時間積分して排気量を推定する。

次に、基準流量Ｑｒ、基準差圧ΔＰｒについて説明する。図５は、基準流量Ｑｒと基準差圧ΔＰｒとを説明するためのグラフである。実験により、所定の基準差圧ΔＰｒの場合の排気流量を測定すると、複数の異なる流量値が得られた。このように基準差圧ΔＰｒが一定であっても、実際の流量値にはバラつきが生じる。ここで、基準流量Ｑｒは、差圧が所定の基準差圧ΔＰｒの場合に取り得た複数の流量値の中央値から、所定値を減算した値に設定されている。この理由は、実際の流量値にはバラつきが生じるため、基準流量Ｑｒとして例えば中央値や平均値を採用して排気流量を推定すると、実際の流量よりも推定された流量が多くなる場合があり、実際の排気量は目標排気量には到達していないにもかかわらず、推定された排気量が目標排気量に到達してと判定されて排出弁１６が閉じられる恐れがあるからである。この場合、目標排気量よりも実際の排気量が少なくなり、クロスオーバーにより燃料ガス中の窒素濃度が増大して燃料電池２の発電に悪影響を与える恐れがある。本実施例ではこのような流量のバラつきを考慮して、基準流量Ｑｒが定められて排気流量Ｑが推定される。これにより、実際の排気量が推定された排気量よりも少なくなることが抑制され、流量の推定精度の低下が抑制されている。

次に、補正係数Ｋｔについて説明する。補正係数Ｋｔは以下の式により算出される。

温度Ｔａは、燃料ガスの実際の温度であり、具体的には、温度センサ２４から得られた冷媒の温度を燃料ガスの温度として採用される。基準温度Ｔｒは、上述した基準差圧ΔＰｒで流量を測定した時の燃料ガスの温度である。温度によって燃料ガスの体積や圧力が変化して流量も変化するため、このように燃料ガスの温度を考慮することにより、流量の推定精度の低下が抑制されている。

次に、補正係数Ｋｇについて説明する。補正係数Ｋｇは以下の式により算出される。

基準ガス組成値Ｇｒは、基準水素濃度Ｄ１ｒに水素の分子量である２を乗算した値と、基準窒素濃度Ｄ２ｒに窒素の分子量である２８を乗算した値と、基準水蒸気濃度Ｄ３ｒに水の分子量である１８を乗算した値とを加算した値である。基準ガス組成は、上述した実験に基づいて定められた燃料ガスの組成を示し、基準水素濃度Ｄ１ｒ、基準窒素濃度Ｄ２ｒ、基準水蒸気濃度Ｄ３ｒは実験により定められた固定値である。従って、基準ガス組成値Ｇｒも固定値である。ガス組成値Ｇａは、実際の燃料ガスの水素濃度Ｄ１、窒素濃度Ｄ２、水蒸気濃度Ｄ３に基づいて算出される値である。

水素濃度Ｄ１、窒素濃度Ｄ２、水蒸気濃度Ｄ３はそれぞれ以下の式により算出される。

水素分圧Ｐ１、窒素分圧Ｐ２、水蒸気分圧Ｐ３を加算した値が燃料ガスの全圧Ｐである。全圧Ｐは、例えば圧力センサ２１又は２２からの出力値に基づいて取得される。

水素分圧Ｐ１は、例えば図６のマップに基づいて算出され、更に発電による水素消費量を考慮して算出される。図６は、燃料電池２への要求発電量と目標水素分圧との関係を規定したマップである。インジェクタ１０による燃料ガス供給量は、このマップに基づいて制御される。尚、図６のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。

窒素分圧Ｐ２は、カソード側からアノード側へのクロスオーバーにより移動した窒素量に、タンク３内の燃料中の不純物割合から算出される窒素量を加算して、排出弁１６の開放により排出される窒素量を減算して、前回算出された窒素分圧値を加算して得られた値に基づいて算出される。クロスオーバーにより移動した窒素量は、カソード側及びアノード側の窒素の分圧差に透過係数を乗算した値に基づいて算出する。尚、この分圧差を算出するためのアノード側の窒素分圧は、初期値として大気圧中の窒素分圧値である８０ＫＰａを使用する。初期値においては、クロスオーバーによりカソード側の窒素分圧と同じになるためである。また、タンク３内の燃料中の不純物割合から算出される窒素量は、タンク３から燃料電池２への水素供給流量にタンク３内の燃料中の不純物の割合を乗算した値に基づいて算出される。タンク３内の燃料ガス中の不純物の割合については、予めＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。排出弁１６の開放により排出される窒素量は、排気中に式（１）により算出された流量に基づいて継続的に積算されている排気量に、前回算出された窒素分圧値を乗算して全圧で除算した値に基づいて算出される。

水蒸気分圧Ｐ３は、冷媒の温度を燃料ガスの温度として用い、その温度に基づいて露点温度を算出し、露点温度に基づいて水蒸気分圧を算出する。具体的には、燃料ガスの温度が８０度以下の場合、燃料ガス中の水蒸気は飽和状態にあるとみなしてその温度を露点温度とみなし、飽和蒸気圧曲線からその温度での飽和蒸気圧を水蒸気分圧とする。燃料ガスの温度が８０度以上の場合、水蒸気は未飽和な状態であるとして、適合したマップに基づき露点温度を算出し、その露点温度に基づいてマップにより水蒸気分圧を設定する。

以上のように燃料ガスの組成を考慮して流量を推定するので、流量の推定精度の低下が抑制されている。

次に、補正係数Ｋｃについて説明するが、補正係数Ｋｃを説明する前に排出弁１６の構造について説明する。図７、図８は、排出弁１６の断面図である。排出弁１６は、電磁コイル１１３の操作力により弁体１０４の開閉を行なう直動式電磁弁である。電磁コイル１１３に通電されると鉄製のコア１０８が帯電し、これによりプランジャ１１２が図６の矢印の方向に摺動する。プランジャ１１２の先端には、弁体１０４が固定され、弁体１０４の先端にはシールゴム１０２が固定されている。フランジ部１１４は、排出流路１４に接続された一次通路１１５、二次通路１１６が形成されている。一次通路１１５は、略水平方向に延び上流から下流にかけて内径が小さくなっている。図７では、一次通路１１５の下流端の排出口１１５ａが弁体１０４により閉じられている。図８に示すように、電磁コイル１１３が通電されることによりプランジャ１１２が後退して弁体１０４が排出口１１５ａを開く。これにより、一次通路１１５から二次通路１１６へ貯留水及び燃料ガスが流れる。

図９、図１０は、排水完了と判定された後の排出口１１５ａの断面図である。図９に示すように、排水が完了後に燃料ガスが排出口１１５ａから排出される。しかしながら、図１０に示すように、排水完了と判定された後であっても、燃料電池２の発電に基づく生成水の発生が多い場合には、貯留水として排出口１１５ａを流れ、燃料ガスも同時に排出口１１５ａを流れる場合がある。例えば図９では排出口１１５ａの断面積の１００パーセントを燃料ガスが流れるのに対して、図１０では排出口１１５ａの断面積の７０パーセントを燃料ガスが流れ断面積の３０パーセントを貯留水が流れる。補正係数Ｋｃは、このような排出口１１５ａの断面積のうち貯留水が占める割合を除いた、燃料ガスが占める割合を示す係数である。

図１１は、補正係数Ｋｃと燃料電池２の負荷電流値との関係を規定したマップである。補正係数Ｋｃは０を超えて１以下の値をとり、負荷電流値が高いほど補正係数Ｋｃは小さくなる。負荷電流値が高いほど燃料電池２の発電による生成水量が増えて気液分離器１２内に流れ、排水完了の判定後にも貯留水として排出口１１５ａの断面積を占める割合が大きくなり、実質的に燃料ガスが流通する排出口１１５ａの断面積の割合が減少するからである。また、負荷電流値が小さいほど補正係数Ｋｃは大きくなる。負荷電流値が小さいほど燃料電池２の発電による生成水量は少ないため、貯留水が排出口１１５ａの断面積を占める割合が少なくなり、実質的に燃料ガスが流通する排出口１１５ａの断面積の割合が増大するからである。尚、負荷電流値がゼロの場合には、補正係数Ｋｃは１である。負荷電流値がゼロの場合には燃料電池２は発電しておらずに生成水の量もゼロと考えることができるからである。また、図１１のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。

以上のように、排出口１１５ａのうち燃料ガスが流通する実質的な断面積を考慮して流量を推定するため、流量の推定精度の低下が抑制されている。

以上説明したように、流量のバラつきを考慮して設定された基準流量Ｑｒや、燃料ガスの温度を考慮して設定された補正係数Ｋｔ、燃料ガスの組成を考慮して設定された補正係数Ｋｇ、燃料ガスが実質的に流通する排出口１１５ａの断面積の割合を考慮して設定された補正係数Ｋｃと、差圧ΔＰｂとに基づいて排気流量Ｑを推定する。これにより、排気流量Ｑの推定精度の低下が抑制されている。

また、上記実施例では、循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２に基づいて差圧ΔＰａ、ΔＰｂを検出したがこれに限定されない。例えば、圧力センサ２２の代わりに、供給流路４、気液分離器１２、又は排出弁１６よりも上流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサの検出値を用いてもよい。

また、排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサ２３に基づいて差圧ΔＰａ、ΔＰｂを検出したがこれに限定されない。例えば、圧力センサ２３の代わりに排出流路１４以外の場所に設けられて大気圧を検出可能な位置に設けられた圧力センサを用いてもよい。排出弁１６の開弁によって排気は大気へ排出されるため、このような圧力センサであっても排出弁１６の下流側の圧力を検出していることになる。

図１２は、変形例に係るシステム１ａの概略構成図である。システム１ａは、システム１と異なりアノード非循環型であり、循環流路８及び循環ポンプ９は設けられておらず、燃料電池２から排出された燃料ガスが再び供給流路４及び燃料電池２に戻されることはない。また、システム１ａは、燃料電池２から排出された燃料ガスを気液分離器１２に供給する第１の排出流路１４ａと、気液分離器１２に接続され気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路１４ｂとを備えている。排出弁１６は、第２の排出流路１４ｂに配置されている。従って、燃料電池２から排出された燃料ガスは、排出弁１６が開くことにより外部へと排出される。圧力センサ２２は、第１の排出流路１４ａに設けられて第１の排出流路１４ａ内の圧力を検出する。圧力センサ２３は、第２の排出流路１４ｂに設けられ、排出弁１６よりも下流側での第２の排出流路１４ｂ内の圧力を検出する。このようなシステム１ａにおいても、上述した方法により、排気流量Ｑの推定精度の低下が抑制される。尚、この場合においても、圧力センサ２３の代わりに、大気圧を検出する圧力センサを用いてもよい。また、圧力センサ２２の代わりに、供給流路４、気液分離器１２、又は排出弁１６よりも上流側の第２の排出流路１４ｂ内の圧力を検出する圧力センサの検出値を用いてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上述した燃料ガス中の水素濃度、窒素濃度、水蒸気濃度は、センサにより検出してもよい。

上記排出弁１６の一次通路１１５は水平方向に延びているがこれに限定されない。例えば、一次通路１１５は、鉛直下方に延びたものであってもよいし、斜め下方に延びたものであってもよい。このような場合であっても、燃料電池２の発電による生成水が貯留水として燃料ガスの排気中に排気弁の排出口を流れること起こりえるからである。

１燃料電池システム
２燃料電池
３タンク（燃料供給源）
４供給流路
８循環流路
１２気液分離器
１６排出弁
２０ＥＣＵ（制御部）
２１、２２、２３圧力センサ

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
前記排出流路に設けられた排出弁と、
前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出弁よりも上流側の前記排出流路内の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、
前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の負荷電流値に基づいて前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合を推定し、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と前記燃料ガスが占める割合とに基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料ガスの組成に基づいて前記流量を推定する、請求項１の燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第１の排出流路と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路と、
前記第２の排出流路に設けられた排出弁と、
前記供給流路、前記第１の排出流路、前記気液分離器、又は前記第２の排出流路内の前記排出弁の上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの流量を推定する制御部と、を備え、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、
前記排出弁は、前記貯留水及び燃料ガスが流れる排出口と、前記排出口を開閉する弁体と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の負荷電流値に基づいて前記弁体が前記排出口を開いている間での前記排出口の断面積のうち前記貯留水が占める割合を除いた前記燃料ガスが占める割合を推定し、前記弁体が前記排出口を開いている間での前記差圧と前記燃料ガスが占める割合とに基づいて前記燃料ガスの流量を推定する、燃料電池システム。