JP6985191B2 - 水素濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素濃度検出装置に関し、特に燃料電池システムにおいて利用される水素濃度検出装置に関する。

特許文献１に開示される水素濃度検出装置は、気液分離器の流路内においてガスの熱流量を検出するための熱流センサと、流路内においてガスの圧力を検出するための圧力センサとを備える。熱流量の変化量ａと圧力の変化量ｂとの相関を示す熱流量変化率「ａ／ｂ」に基づいて混合ガスにおいて水素ガスの濃度を求める。

特開２０１７−０９０３１７号公報

このような水素濃度検出装置は、負荷が変動したり、外気温度が変化したりした場合に、検出した水素濃度の値が、実際の水素濃度の値からずれて、良好な精度で検出できないことがあった。

本発明は、水素濃度を良好な精度で検出するものとする。

本発明に係る燃料電池システムの水素濃度検出装置は、
ガス流路の内壁面に設けられ、且つ、前記ガス流路内の熱流量を検出する熱流センサと、
前記ガス流路内の圧力を検出する圧力センサと、
前記ガス流路に流れるガスの温度と、前記内壁面の温度とを検出する温度センサと、を備え、
前記熱流センサの出力の変動幅Ｖａと、
前記圧力センサの検出した前記圧力の変動幅Ｖｂと、
前記ガスの温度と前記内壁面の温度との温度差ΔＴと、に基づいて、水素濃度を算出する。

このような構成によれば、ガスの温度と内壁面の温度との温度差ΔＴを考慮して、水素ガスの濃度を求める。そのため、負荷が変動したり、外気温度が変化したりしても、水素濃度を良好な精度で検出することができる。

本発明は、水素濃度を良好な精度で検出することができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す流体回路図である。 熱流センサ１０７の模式断面図である。 ガス供給の開閉のタイミングチャートと、時間に対するセンサ出力、及び圧力を示すグラフである。 水素濃度に対するセンサ出力を示すグラフである。 温度差に対するセンサ出力変動比を示すグラフである。 水素濃度に対する変動幅を示すグラフである。 水素濃度算出方法を示すフローチャートである。 排出弁１０５の制御方法の一例を示すフローチャートである。 排出弁１０５の制御方法の他の一例を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す流体回路図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す流体回路図である。図２は、熱流センサ１０７の模式断面図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０１と、水素タンク１０２と、燃料ガス供給弁１０３と、燃料ガス循環ポンプ１０４と、排出弁１０５と、計測部１０６と、熱流センサ１０７と、気液分離器１０８とを備える。

燃料電池スタック１０１は、水素と酸素とを供給されて、化学反応などにより、発電する。水素タンク１０２は、水素を貯蔵する。水素タンク１０２は、燃料電池スタック１０１から、燃料ガス通路１０９を介して接続されて、水素等を供給する。燃料ガス通路１０９には、水素タンク１０２から燃料電池スタック１０１へ、燃料ガス供給弁１０３と圧力センサ１１１とがこの順番に設けられている。

燃料電池スタック１０１は、燃料ガス通路１０９における圧力センサ１１１の下流側に燃料オフガス通路１１０を介して接続されている。燃料オフガス通路１１０には、燃料電池スタック１０１から燃料ガス通路１０９における圧力センサ１１１の下流側に、気液分離器１０８と、燃料ガス循環ポンプ１０４とがこの順番に設けられている。燃料電池スタック１０１は、発電後に生じた排ガスを燃料ガス通路１０９に流す。

気液分離器１０８は、排ガスから水分を分離して貯留する。気液分離器１０８は、貯留した水分、つまり、貯留水と排気ガスとを燃料電池システム１００の外部へ排出ガス流路１１３を介して排出する。排出ガス流路１１３の中途には、排出弁１０５が設けられている。一方、燃料ガス循環ポンプ１０４は、気液分離器１０８が水分を分離した後に残った排ガスを、燃料ガス通路１０９における圧力センサ１１１の下流側に送る。排ガスは、燃料ガスと合流し、燃料電池スタック１０１に再度流入するため、燃料ガス循環ポンプ１０４は、排ガスを燃料ガス通路１０９と燃料オフガス通路１１０とを循環させる。なお、気液分離器１０８の内側には、圧力センサ１１１が設けられていてもよい。

熱流センサ１０７は、気液分離器１０８内における貯留水の水位と水素濃度を検出するための出力値、例えば、起電力を求める。熱流センサ１０７は、気液分離器１０８内に取り付けられており、水没しない位置、例えば、熱流センサ１０７の少なくとも一部が水面から浮かび上がる、又は、水面から上方に位置する。また、熱流センサ１０７は、気液分離器１０８のガス入口から所定の間隔を空け、かつ、水が溜まらず、露出した位置である。

温度センサ１１２は、気液分離器１０８の内壁面の温度と、供給ガス温度とを測定する。供給ガス温度の代わりに、冷却水出口温度を測定してもよい。冷却水出口温度は、例えば、燃料電池スタック１０１を冷却するために、冷却水が燃料電池スタック１０１を通過した後、燃料電池スタック１０１の外部へ出る出口における温度である。

計測部１０６は、計測部１０６は、燃料ガス供給弁１０３と、燃料ガス循環ポンプ１０４と、排出弁１０５と、熱流センサ１０７と、圧力センサ１１１とを電気的信号を授受可能に接続されている。計測部１０６は、燃料ガス供給弁１０３と、燃料ガス循環ポンプ１０４と、排出弁１０５と、熱流センサ１０７とから、所定の測定値を示す電気信号を受けて、各種計測値を取得する。計測部１０６は、各種計測値を取得した後、水素濃度を算出する。計測部１０６と熱流センサ１０７と、圧力センサ１１１とが、水素濃度検出装置として、他の燃料電池システムに組み込んで利用してもよい。なお、圧力センサ１１１を気液分離器１０８に設けた場合、計測部１０６は、気液分離器１０８内側の圧力を示す信号を取得してもよい。なお、燃料電池システム１００は、制御部を備えてもよい。この制御部は、例えば、計測部１０６が取得した各種計測値や水素濃度に基づいて、燃料ガス供給弁１０３、排出弁１０５等の燃料電池システム１００の各種構成要素を制御してもよい。

（熱流センサ１０７の一具体例）
次に、図２を参照して、熱流センサ１０７の一具体例について参照する。

図２に示すように、熱流センサ１０７は、センサ基板７１と、第１の検出部７４と、第２の検出部７５とを備える。

センサ基板７１は、気液分離器１０８の壁面１０８ａに設けられている。センサ基板７１の裏面７３と、気液分離器１０８の壁面１０８ａとは密着している。センサ基板７１は、絶縁性材料よりなる基板であり、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等からなる。

第１の検出部７４と第２の検出部７５とは、センサ基板７１の表面７２に設けられている。第１の検出部７４と第２の検出部７５とは、例えば、熱電対を利用することができる。熱電対は、例えば、センサ基板７１に設けた貫通孔に、異なる２種類の金属や半導体が埋め込まれて、これらが直列に接続されることによって、形成することができる。この２種類の金属としては、例えば、固相焼結されたＰ型を構成するＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ合金と、Ｎ型を構成するＢｉ−Ｔｅ合金との組み合わせや、Ｃｕとコンスタンタンとの組み合わせ等が挙げられる。

ここで、流体７７が流れる。流体７７は、主として、燃料電池スタック１０１が発電した後に生じた排ガスである。流体７７の温度は、気液分離器１０８の温度と異なればよく、気液分離器１０８の温度と比較して高い、又は低い。図２に示す流体７７の一例は、流体７７の温度は、気液分離器１０８の温度と比較して低い。センサ基板７１の厚み方向において発生する熱流束Ｑが生じ、表面７２と裏面７３との間に温度差が発生する。熱流センサ１０７は、この温度差によって、ゼーベック効果による起電力を発生させ、この起電力を熱流束Ｑの検出信号として検出する。

（水素濃度の算出方法の原理）
次に、図１〜図６を参照して、水素濃度の算出方法の原理について説明する。図３は、ガス供給の開閉のタイミングチャートと、時間に対するセンサ出力、及び圧力を示すグラフである。図４は、水素濃度に対するセンサ出力を示すグラフである。図５は、温度差に対するセンサ出力変動比を示すグラフである。図６は、水素濃度に対する変動幅を示すグラフである。

図１及び図３に示すように、燃料ガス供給弁１０３が開閉する等して、流体７７が断続的に気液分離器１０８に流入し、熱流束Ｑが断続的に発生する。これによって、熱流センサ１０７は、起電力を熱流束Ｑの検出信号として出力し、センサ出力の値は、時間が経過するにつれて、変動幅Ｖａで変動する。また、圧力の値は、時間が経過するにつれて、変動幅Ｖｂで変動する。圧力の値は、圧力センサ１１１によって検出されるが、気液分離器１０８内に設けた圧力センサによって検出されてもよい。

次に、変動幅Ｖａを用いて水素濃度の算出方法について説明する。計測部１０６が水素濃度を算出することができる。所定の測定条件において、水素濃度に対する熱流センサ１０７の出力変動比Ｖａ／Ｖｂを測定し、図４に示した。図４に示す熱流センサ１０７の出力変動比Ｖａ／Ｖｂの測定における測定条件では、気液分離器１０８内の内壁面の温度と、流体７７の温度との温度差ΔＴは、ほぼ同じ値であった。図４に示すように、水素濃度が高くなるにつれて、熱流センサ１０７の出力変動比Ｖａ／Ｖｂが大きくなる。これは、水素濃度が高まると、熱伝達率が大きくなり、熱流の変化が大きくなるからである。なお、このような場合、熱流センサ１０７の出力の変動幅Ｖａは、圧力変動による温度変化の影響を受ける。そのため、熱流センサ１０７の出力の変動幅Ｖａを圧力の値の変動幅Ｖｂで割った値、補正前の変動比Ｖａ／Ｖｂの代わりに、補正後の変動比Ｖｃとして用いる。補正後の変動比Ｖｃを式１を用いて求めることができる。
Ｖｃ＝Ｖａ／Ｖｂ （…式１）
式１において、圧力の変動幅Ｖｂが考慮されているとから、圧力の変動による温度変化の影響を抑制することができる。

ところで、図５に示すように、水素濃度を略一定の値に維持しても、気液分離器１０８内の内壁面の温度と、流体７７の温度との温度差ΔＴが高まると、熱流センサ１０７の出力変動比Ｖａ／Ｖｂも大きくなる傾向にある。ここで、熱流センサ１０７は、センサ基板７１の表面７２と裏面７３との間に温度差に起因する起電力を検出する。熱流センサ１０７の表面７２の温度、すなわち、流体７７の温度から、裏面７３の温度、すなわち、気液分離器１０８内の内壁面の温度を引いて、温度差ΔＴを求めることができる。温度差ΔＴは、負荷が変動した時や外気温が変化した時に、大きく変化することが多い。

温度差ΔＴが、負荷が変動した時や外気温が変化した時を含む測定条件で、水素濃度に対する熱流センサ１０７の出力変動比Ｖａ／Ｖｂを測定し、これを図６に示した。図６に示すように、水素濃度が高くなるにつれて、補正前の変動幅Ｖａは、紙面上側に突き出る凸曲線上に沿って変動する。言い換えると、補正前の変動幅Ｖａは、一旦、緩やかに上昇し、ピークに達した後、緩やかに下降する。そのため、補正前の変動幅Ｖａが所定の値で検出されても、水素濃度が１つの値に定まらない。

補正前の変動幅Ｖａと、熱流センサ１０７の感度値Ｗ［ｍＶ／Ｗ／ｍ^２］と、温度差ΔＴとを考慮して補正して、補正後の変動幅Ｖｄを求めることができる。補正後の変動幅Ｖｄは、下記の式２を用いて求めることができる。
Ｖｄ＝Ｖｃ−Ｗ×ΔＴ＝Ｖａ／Ｖｂ−Ｗ×ΔＴ （…式２）
熱流センサ１０７の感度値Ｗは、個別の熱流センサ毎に検定される値であり、すなわち、仕様値である。

補正前の変動幅Ｖａから補正後の変動幅Ｖｄを求め、その結果を図６に示した。図６に示すように、水素濃度が高くなるにつれて、補正後の変動幅Ｖｄも高くなる。すなわち、そのため、補正後の変動幅Ｖｄが所定の値で検出されると、水素濃度が１つの値に定まるまる。よって、温度差ΔＴが、負荷が変動したり、外気温が変化したりしても、水素濃度を良好な精度で検出することができる。

（水素濃度算出方法）
図７を参照して、燃料電池システム１００における水素濃度算出方法について説明する。図７は、水素濃度算出方法を示すフローチャートである。

まず、熱流センサ１０７が気液分離器１０８内の内壁面の温度を検出する（内壁面温度検出ステップＳＴ１０）。また、並行して、熱流センサ１０７が流体７７の温度を検出する（流体温度検出ステップＳＴ１１）。

続いて、計測部１０６が、気液分離器１０８内の内壁面の温度と流体７７の温度との温度差ΔＴを算出する（温度差算出ステップＳＴ１２）。

また、上記したステップＳＴ１０〜ＳＴ１２と並行して、熱流センサ１０７が出力を検出する（熱流センサ出力検出ステップＳＴ１３）。

また、上記したステップＳＴ１０〜ＳＴ１２と並行して、圧力センサ１１１が圧力値を検出する（圧力センサ値検出ステップＳＴ１４）。

最後に、計測部１０６が、変動幅Ｖａ、変動幅Ｖｂ、温度差ΔＴに基づいて、水素濃度を算出する（水素濃度算出ステップＳＴ２）。以上より、水素濃度を求めることができる。

（排出弁１０５の制御方法の一例）
図８を参照して排出弁１０５の制御方法の一例について説明する。図８は、排出弁１０５の制御方法の一例を示すフローチャートである。

算出した水素濃度を検出し（算出水素濃度検出ステップＳＴ２１）、水素濃度が下限値に達したら（濃度下限値到達ステップＳＴ２２：ＹＥＳ）、排出弁１０５を開放する（排気弁開放ステップＳＴ２３）。排出ガス、液体等の流体を排出弁１０５及び排出ガス流路１１３を介して、燃料電池システム１００の外部へ排出する。これによって、水素濃度を高め得る。

その後、さらに算出した水素濃度を検出し（算出水素濃度検出ステップＳＴ２４）、水素濃度が上限値に達したら（濃度上限値到達ステップＳＴ２５：ＹＥＳ）、排出弁１０５を閉鎖する（排気弁閉鎖ステップＳＴ２６）。排出弁１０５を閉鎖することによって、水素濃度を降下させ得る。

以上より、このような制御方法を行うと、検出した水素濃度に応じて、排出弁１０５の開放及び閉鎖を行うことができ、無駄な排気水素量を低減することができる。

（排出弁１０５の制御方法の一例）
図９を参照して排出弁１０５の制御方法の他の一例について説明する。図９は、排出弁１０５の制御方法の他の一例を示すフローチャートである。

算出した水素濃度を検出し（算出水素濃度検出ステップＳＴ３１）、水素濃度が下限値に達したら（濃度下限値到達ステップＳＴ３２：ＹＥＳ）、排出弁１０５を開放する（排気弁開放ステップＳＴ３３）。排出ガス、液体等の流体を排出弁１０５及び排出ガス流路１１３を介して、燃料電池システム１００の外部へ排出する。これによって、水素濃度を高め得る。

その後、所定時間、排出弁１０５を開放し続け（時間経過ステップＳＴ３４）、所定時間が経過後、排出弁１０５を閉鎖する（排気弁閉鎖ステップＳＴ３５）。このような制御方法を行うと、時間の経過に応じて、排出弁１０５の開放及び閉鎖を行うことができ、無駄な排気水素量を低減することができる。

（実施の形態２）
図１０を参照して実施の形態２に係る燃料電池システムについて説明する。図１０は、実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す流体回路図である。実施の形態２に係る燃料電池システムは、熱流センサと温度センサと設置個所を除いて、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じ構成を備える。異なる構成のみ説明する。

図１０に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１０１を備え、燃料電池スタック１０１は、エンドプレート１１０１と、入口マニホールド１１０２と、出口マニホールド１１０３とを備える。

燃料電池スタック１０１の一端部には、燃料ガス通路１０９と燃料オフガス通路１１０とが接続され、燃料電池スタック１０１の他端部には、エンドプレート１１０１が配置される。

燃料電池スタック１０１の内側における燃料ガス通路１０９側には、入口マニホールド１１０２が設けられている。また、燃料電池スタック１０１の内側における燃料オフガス通路１１０側には、出口マニホールド１１０３が設けられている。

出口マニホールド１１０３には、熱流センサ１１０４と温度センサ１１０５とが設けられている。熱流センサ１１０４は、出口マニホールド１１０３内における水の水位と水素濃度を検出するための出力値、例えば、起電力を求める。熱流センサ１１０４は、出口マニホールド１１０３内に取り付けられており、水没しない位置、例えば、熱流センサ１１０４の少なくとも一部が水面から浮かび上がる、又は、水面から上方に位置する。また、熱流センサ１１０４は、出口マニホールド１１０３のガス入口から所定の間隔を空け、かつ、水が溜まらず、露出した位置である。

温度センサ１１０５は、出口マニホールド１１０３の内壁面の温度と、出口マニホールド１１０３の内側のガス温度を計測する。温度センサ１１０５は、このガス温度の代わりに、冷却水出口温度を測定してもよい。出口マニホールド１１０３に、圧力センサを設けてもよい。

計測部１０６は、圧力センサ１１１の検出した圧力値又は出口マニホールド１１０３の圧力値と取得する。また、計測部１０６は、熱流センサ１１０４の出力値と、出口マニホールド１１０３の内壁面の温度と、出口マニホールド１１０３内側のガス温度又は冷却水出口温度とを取得する。計測部１０６は、取得した値と、上記した水素濃度の算出方法とを用いて水素濃度を算出する。

なお、熱流センサ１１０４は、出口マニホールド１１０３に設けたが、周期的な流動がある環境、かつ、熱流センサ１１０４が水没しない位置に設けてもよく、例えば、エンドプレート１１０１に設けてもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００、２００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池スタック １０２ 水素タンク
１０３ 燃料ガス供給弁 １０４ 燃料ガス循環ポンプ
１０５ 排出弁 １０６ 計測部
１０７ 熱流センサ
７１ センサ基板 ７２ 表面
７３ 裏面 ７４、７５ 検出部
７７ 流体
１０８ 気液分離器 １０８ａ 壁面
１０９ 燃料ガス通路 １１０ 燃料オフガス通路
１１１ 圧力センサ １１２ 温度センサ
１１３ 排出ガス流路
１１０１ エンドプレート １１０２ 入口マニホールド
１１０３ 出口マニホールド １１０４ 熱流センサ
１１０５ 温度センサ
Ｖａ、Ｖｂ 変動幅 Ｖａ／Ｖｂ 出力変動比
Ｖｃ 変動幅の補正値 Ｑ 熱流束
ＳＴ１０ 内壁面温度検出ステップ ＳＴ１１ 流体温度検出ステップ
ＳＴ１２ 温度差算出ステップ ＳＴ１３ 熱流センサ出力検出ステップ
ＳＴ１４ 圧力センサ値検出ステップ
ＳＴ２ 水素濃度算出ステップ
ＳＴ２１ 算出水素濃度検出ステップ ＳＴ２２ 濃度下限値到達ステップ
ＳＴ２３ 排気弁開放ステップ ＳＴ２４ 算出水素濃度検出ステップ
ＳＴ２５ 濃度上限値到達ステップ ＳＴ２６ 排気弁閉鎖ステップ
ＳＴ３１ 算出水素濃度検出ステップ ＳＴ３２ 濃度下限値到達ステップ
ＳＴ３３ 排気弁開放ステップ ＳＴ３４ 時間経過ステップ
ＳＴ３５ 排気弁閉鎖ステップ
Ｖ 水素濃度 Ｗ 感度値
ΔＴ 温度差

Claims (1)

1. 燃料電池システムにおいて利用される水素濃度検出装置であって、
   ガス流路の内壁面に設けられ、且つ、前記ガス流路内の熱流量を検出する熱流センサと、
   前記ガス流路内の圧力を検出する圧力センサと、
   前記ガス流路に流れるガスの温度と、前記内壁面の温度とを検出する温度センサと、を備え、
   前記熱流センサの出力の変動幅Ｖａと、
   前記圧力センサの検出した前記圧力の変動幅Ｖｂと、
   前記ガスの温度と前記内壁面の温度との温度差ΔＴと、に基づいて、水素濃度を求める、
   水素濃度検出装置。

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