JP7272912B2 - 燃料電池システム及びアノードオフガス排出量推定方法 - Google Patents

燃料電池システム及びアノードオフガス排出量推定方法 Download PDF

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Description

本開示は、燃料電池システム及び燃料電池システムにおけるアノードオフガス排出量推定方法に関する。
特許文献１には、燃料電池から排出されるアノードオフガスから水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及びアノードオフガスを外部に排出する排出流路と、排出流路に設けられた排出弁と、を有する燃料電池システムが記載されている。このシステムでは、気液分離器内の貯留水の排出が完了した後に、排出弁の上流側と下流側との差圧と、排出弁の排出口において水が占める割合を除いたアノードオフガスが占める割合とに基づいて、アノードオフガスの排出量が推定される。気液分離器内の貯留水量は燃料電池の発電量から算出され、貯留水の排出が完了したことは、算出された貯留水量と差圧とを用いて推定される。
特開２０１６－１０３４６６号公報
特許文献１記載のシステムにおいて、気液分離器内の貯留水の排出が完了した後、排出弁の排出口においてアノードオフガスが占める割合を用いてアノードオフガス排出量を推定するのは、以下の観点に基づく。すなわち、気液分離器内の貯留水の排出が完了した後であっても、燃料電池の発電に基づく生成水の発生が多い場合には、生成水とアノードオフガスが、同時に排出弁から流出する場合があるという観点である。しかし、発明者らは、発電による生成水が全て気液分離器に流入するのではなく、排出流路等に留まる場合があることを見出した。そのため、このような場合を考慮し、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させる技術が望まれる。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記アノードガスの供給源と前記燃料電池とを接続し、前記アノードガスが流れる供給流路と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池と前記燃料電池システムの外部とを連通し前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流れる排出流路と、前記排出流路上に設けられ、前記アノードオフガスから水を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器よりも下流の前記排出流路上に設けられ、開弁時に所定の流路断面積を有する排出弁と、前記排出弁の上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出部と、前記差圧から、前記気液分離器に流入し前記排出弁から流出する水量によって減少する、前記アノードオフガスにとっての前記排出弁の有効断面積を推定し、前記有効断面積を用いて、前記排出弁からの前記アノードオフガスの排出量を推定する、推定処理を実行する制御部と、を備える。
この形態によれば、排出弁の上流側と下流側との差圧から、気液分離器に流入し排出弁から流出する水量によって減少する、アノードオフガスにとっての排出弁の有効断面積を推定し、推定した有効断面積を用いてアノードオフガス排出量を推定する。そのため、排出弁よりも上流側において排出流路等に留まる水が考慮されてアノードオフガス排出量が算出されるので、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させることができる。
（２）上記形態において、前記燃料電池の発電量を用いて算出される前記排出流路から前記気液分離器に流入する水の速度と、前記差圧と、前記流路断面積のうち前記アノードオフガスが流れる面積の割合と、の予め定められた第１関係を用いて、前記流路断面積を補正するための第１係数を求め、前記流路断面積を前記第１係数で補正することにより前記有効断面積を推定してもよい。
この形態によれば、アノードオフガスにとっての有効断面積を、気液分離器に流入する流入水の速度と差圧と用いて推定される、アノードオフガスが流れる面積の割合に対応した第１係数を求めることにより推定することができる。
（３）上記形態において、前記制御部は、前記気液分離器内の貯留水量と、前記流路断面積のうち前記アノードオフガスが流れる面積の割合と、の予め定められた第２関係を用いて、前記流路断面積を補正するための第２係数を求め、前記流路断面積を前記第１係数と前記第２係数とで補正することにより前記有効断面積を推定してもよい。
この形態によれば、アノードオフガスにとっての有効断面積を、第１係数と、気液分離器内の貯留水を用いて推定される第２係数とを求めることにより推定し、推定した有効断面積を用いてアノードオフガス排出量を推定する。そのため、気液分離器内の貯留水がアノードオフガスとともに排出されることが考慮されるので、アノードオフガス排出量の推定精度をより向上させることができる。
（４）上記形態において、前記制御部は、前記気液分離器内の貯留水量を、前記燃料電池の発電量と、前記差圧に関連付けられた、前記気液分離器内の貯留水が前記気液分離器から排出される速度と、を用いて算出してもよい。
この形態によれば、発電による生成水量と差圧による排出速度とを用いて貯留水量を算出して第２係数を求め、アノードオフガス排出量を推定することができる。
（５）上記形態において、前記制御部は、前記推定処理において、前記差圧が予め定められた閾値以上である場合には、前記排出弁の流路断面積を前記有効断面積として前記アノードオフガスの排出量を推定してもよい。
この形態によれば、差圧が閾値以上である場合には、差圧を考慮せず、排出弁の流路断面積をアノードオフガスにとっての有効断面積として、アノードオフガス排出量を推定する。そのため、アノードオフガス排出量の推定精度をいっそう向上させることができる。
（６）上記形態において、前記制御部は、前記推定処理を、前記排出弁が開かれてから前記排出弁が閉じられるまで、継続して実行してもよい。
この形態によれば、推定処理は、排出弁が開かれてから閉じられるまで継続して実行されるので、アノードオフガス排出量として、気液分離器内の貯留水の排出が完了する前に、気液分離器内の貯留水とともに排出されるアノードオフガスが考慮される。そのため、気液分離器内の貯留水の排出が完了した後に、アノードオフガス排出量を算出する場合と比較して、アノードオフガス排出量の推定精度を向上することができる。
（７）上記形態において、前記制御部は、前記排出弁を開いた後、推定した前記アノードオフガスの排出量の総量が目標値以上となった場合に、前記排出弁を閉じてもよい。
この形態によれば、目標とする量のアノードオフガスを排出することができる。
（８）本開示の第２の形態によれば、燃料電池システムにおけるアノードオフガス排出量の推定方法が提供される。この形態において、前記燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記アノードガスの供給源と前記燃料電池とを接続し、前記アノードガスが流れる供給流路と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池と前記燃料電池システムの外部とを連通し前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流れる排出流路と、前記排出流路上に設けられ、前記アノードオフガスから水を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器よりも下流の前記排出流路に設けられ開弁時に所定の流路断面積を有する排出弁と、を備える。前記方法は、前記排出弁の上流側と下流側の差圧を取得する工程と、前記差圧から、前記気液分離器に流入し前記排出弁から流出する水量によって減少する、前記アノードオフガスにとっての前記排出弁の有効断面積を推定し、前記有効断面積を用いて前記排出弁からの前記アノードオフガスの排出量を推定する工程と、を備える。
この形態によれば、排出弁の上流側と下流側との差圧から、気液分離器に流入し排出弁から流出する水量によって減少する、アノードオフガスにとっての排出弁の有効断面積を推定し、推定した有効断面積を用いてアノードオフガス排出量を推定する。そのため、排出弁よりも上流側において排出流路等に留まる水が考慮されてアノードオフガス排出量が算出されるので、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させることができる。
本開示は、上述した燃料電池システム、アノードオフガスの排出量推定方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムにおける排出弁の開閉方法、当該方法を用いて燃料電池システムを制御する方法、燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成図。 排出弁が開かれた後における、排出弁の流路断面のイメージの例。 排出弁が開かれた後における、排出弁の流路断面のイメージの他の例。 差圧ごとの流入水速度と第１係数との関係を示す図。 気液分離器内の貯留水量と第２係数との関係を示す図。 排出弁の開閉処理を示すフローチャート。 第２実施形態における排出弁の開閉処理を示すフローチャート。 差圧と単位時間あたりのアノードオフガス排出量との関係を示す図。 実験データと物理式とを比較するための図。
１．第１実施形態
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成図である。燃料電池システム１００は、車両１１０に搭載され、運転者からの要求に応じて車両１１０の動力源となる電力を出力する。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御装置２０と、カソードガス供給排出部３０と、アノードガス供給排出部５０と、冷却媒体循環部７０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、を備える。制御装置２０は、ＣＰＵと、メモリと、インターフェイスと、を備えるＥＣＵであり、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することにより、制御部２１として機能する。
燃料電池スタック１０は、燃料電池セル１１が積層されて構成されている。各燃料電池セル１１は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に配置されたアノード側電極及びカソード側電極と、を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有し、アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する。アノードガスは例えば水素であり、カソードガスは例えば空気である。
カソードガス供給排出部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、カソードガスコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、バイパス配管３５と、分流弁３６と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。
エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。カソードガスコンプレッサ３３は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。カソードガスコンプレッサ３３は、制御部２１の制御により、外部から取り入れたカソードガスを圧縮し、燃料電池スタック１０に供給する。
第１開閉弁３４は、カソードガスコンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられ、制御部２１の制御により開閉する。バイパス配管３５は、カソードガス配管３１におけるカソードガスコンプレッサ３３と第１開閉弁３４の間と、カソードオフガス配管４１における第１レギュレータ４２の下流とを接続する配管である。分流弁３６は、バイパス配管３５に設けられており、制御部２１の制御により、燃料電池スタック１０とカソードオフガス配管４１への空気の流量を調節する。
カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２１の制御により、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。
アノードガス供給排出部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、排出弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、第１圧力センサ６７と、第２圧力センサ６８と、を備える。
アノードガス配管５１は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するための供給流路である。アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口に接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。アノードガスタンク５２を「アノードガス供給源」とも呼ぶ。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側、から設けられている。第２開閉弁５３は、制御部２１の制御により開閉する。第２レギュレータ５４は、制御部２１の制御により、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２１によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガス供給量を調整する。インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に複数設けられていてもよい。なお、インジェクタ５５、第２レギュレータ５４、第２開閉弁５３は、「アノードガス供給源」として把握することができる。
アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口に接続され、燃料電池スタック１０と燃料電池システム１００の外部とを連通する。アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスが流れる排出流路である。気液分離器６２は、アノードオフガス配管６１上に設けられている。気液分離器６２は、発電反応に用いられることのなかったアノードガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスから、水を分離して貯留する。
排出弁６３は、アノードオフガス配管６１上において気液分離器６２の鉛直下方に設けられた開閉弁であり、開弁時に所定の流路断面積を有する。排出弁６３は、制御部２１の制御により開閉する。排出弁６３が開かれると、排出弁６３からは、気液分離器６２内の水及びアノードオフガスが流出する。流出した水及びアノードオフガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。排出弁６３が閉じられている場合、アノードガスは発電で消費される一方、アノードガス以外の不純物は消費されない。不純物は、例えばカソード側からアノード側に透過した窒素などを含む。このため、アノードオフガス中の不純物濃度は徐々に増大する。このとき、排出弁６３が開かれると、アノードオフガスは、カソードオフガスとともに、燃料電池システム１００の外部に排出される。排出弁６３の開弁中も、インジェクタ５５によるアノードガスの供給が継続することにより、インジェクタ５５の下流におけるアノードガス濃度が次第に高まる。
循環配管６４は、気液分離器６２と、アノードガス配管５１におけるインジェクタ５５の下流とを接続する配管である。循環配管６４には、アノードガスポンプ６５が設けられている。アノードガスポンプ６５は、制御部２１の制御により駆動され、気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスを、アノードガス配管５１へと送り出す。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。循環配管６４は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するための供給流路でもある。
第１圧力センサ６７は、排出弁６３よりも上流側のアノードオフガス配管６１に設けられている。第１圧力センサ６７は、インジェクタ５５の下流におけるアノードガス配管５１と、排出弁６３よりも上流側のアノードオフガス配管６１と、循環配管６４とのいずれかに設けられていればよい。第２圧力センサ６８は、排出弁６３よりも下流側のアノードオフガス配管６１に設けられている。第１圧力センサ６７の測定値を「第１圧力値Ｐ１」とも呼び、第２圧力センサ６８の測定値を「第２圧力値Ｐ２」とも呼ぶ。第１圧力センサ６７及び第２圧力センサ６８は、それぞれ、第１圧力値Ｐ１及び第２圧力値Ｐ２を、制御部２１に送信する。第１圧力センサ６７及び第２圧力センサ６８は、差圧検出部として機能する。
冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス配管７６と、温度センサ７７と、を備える。冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０内に冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール、空気などが用いられる。
冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、制御部２１の制御により、ラジエータ７３とバイパス配管７６への冷媒の流量を調節する。温度センサ７７は、燃料電池スタック１０から排出される冷媒の温度を測定し、その測定値を制御部２１へ送信する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２１の制御によりインバータを介して負荷８２に電力を供給する。燃料電池スタック１０及び図示しない２次電池の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、カソードガスコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５、各種弁に供給される。電流センサ８３は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定し、その測定値を制御部２１へ送信する。
制御部２１は、要求電力に応じて燃料電池システム１００の各部を制御し、燃料電池スタック１０の出力を制御する。要求電力には、燃料電池システム１００が搭載される車両１１０の運転者などによる外的発電要求と、燃料電池システム１００の補機類に対して電力を供給するための内的発電要求と、が含まれる。外的発電要求は、車両１１０の図示しないアクセルペダルの踏込量の増大につれ、増大する。
制御部２１は、排出弁６３の開弁条件が満たされた場合に排出弁６３を開き、排出弁６３の閉弁条件が満たされた場合に排出弁６３を閉じる、開閉処理を実行する。開弁条件は、例えば、気液分離器６２に貯留された水が規定値に達したことや、インジェクタ５５下流側の窒素濃度が規定値に達したことである。排出弁６３が閉じられている間における、気液分離器６２に貯留される水の量や、インジェクタ５５下流側の窒素濃度は、例えば、燃料電池スタック１０の発電量に基づいて算出される。閉弁条件は、排出弁６３から流出するアノードオフガス排出量の総量が、目標値に達したことである。アノードオフガス排出量の目標値は、低減すべきアノードオフガス中の窒素濃度に基づいて定められる。
制御部２１は、排出弁６３からのアノードオフガス排出量を推定する、推定処理を実行する。推定処理では、制御部２１は、差圧から、気液分離器６２に流入し排出弁６３から流出する水量によって減少する、アノードオフガスにとっての排出弁６３の有効断面積を推定する。制御部２１は、推定した有効断面積を用いて、以下の式（１）により単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを推定する。制御部２１は、排出弁６３が開かれてからの単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを積算することで、アノードオフガス排出量の総量（総排出量）を推定する。
Figure 0007272912000001
式（１）におけるＱ、Ａ、Ｋ１、Ｋ２、Ｐ１、Ｒ、Ｔ０、Ｈ１は以下のとおりである。
Ｑ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）：単位時間あたりのアノードオフガス排出量
Ａ（ｍ２）：排出弁６３の流路断面積
Ｋ１：第１係数
Ｋ２：第２係数
Ｐ１（Ｐａ）：第１圧力値
Ｒ（Ｊ／Ｋｇ・Ｋ）：気体定数
Ｔ０（Ｋ）：温度
Ｈ１：アノードオフガス係数
詳細は後述するが、本実施形態において、流路断面積Ａに第１係数Ｋ１及び第２係数Ｋ２を乗算することで流路断面積Ａを補正した値（Ａ・Ｋ１・Ｋ２）は、アノードオフガスにとっての有効断面積である。本実施形態において、温度Ｔ０は、温度センサ７７の測定値である。他の実施形態において、温度Ｔ０は、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスとカソードガスの温度でもよいし、アノードオフガスの温度でもよい。アノードオフガスの温度は、例えば、排出弁６３の上流側におけるアノードオフガス配管６１に温度センサ７７を設けることで測定できる。Ｈ１は、アノードオフガスの気体としての性質により変化する、アノードオフガス排出量Ｑの補正項であり、本実施形態では、以下の式（２）により算出される。他の実施形態では、補正項Ｈ１は１であってもよい。
Figure 0007272912000002
式（２）におけるＰ２（Ｐａ）は第２圧力値であり、γはアノードオフガスの比熱比である。なお、比熱比γは、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの比熱比でもよいし、アノードガスとカソードガスを合わせたガスの比熱比でもよい。
図２から図５を参照しつつ、式（１）における第１係数Ｋ１及び第２係数Ｋ２について説明する。図２及び図３は、排出弁６３が開かれた後における、排出弁６３の流路断面６３ｈのイメージ図である。流路断面６３ｈを、排出弁６３の排出口と呼ぶこともできる。図２及び図３においてハッチングが付されていない部分は、排出弁６３の流路断面６３ｈにおいてアノードオフガスが占める割合のイメージを示し、ハッチングが付された部分は、排出弁６３の流路断面６３ｈにおいて水が占める割合のイメージを示す。図２及び図３において、ハッチングが付されていない部分の面積は、流路断面６３ｈの面積（以下、流路断面積）のうち、アノードオフガスにとっての有効断面積である。流路断面６３ｈにおいては、図２に示すように、アノードオフガスのみが流れ、流路断面積のうちの１００％をアノードオフガスが占める場合と、図３に示すように、水とアノードオフガスとが流れ、例えば、流路断面積のうち約４０％を水が占め、約６０％をアノードオフガスが占める場合がある。第１係数Ｋ１及び第２係数Ｋ２は、流路断面積のうち、水が占める割合を除いたアノードオフガスが占める割合を示す係数である。第１係数Ｋ１、第２係数Ｋ２が大きいほど、流路断面積のうちアノードオフガスが流れる面積の割合は大きくなり、アノードオフガスにとっての有効断面積は大きくなる。
第１係数Ｋ１について詳細に説明する。発明者らは、燃料電池スタック１０の発電による生成水の全てが気液分離器６２内に流入するのではなく、その一部が排出流路等に留まる場合があることを見出した。排出流路等に留まる水は、排出弁６３よりも上流側の排出流路や、燃料電池スタック１０内等の排出弁６３よりも上流側の燃料電池システム１００における各部品に留まる水や、これらに付着する結露水を含む。また、発明者らは、差圧によって排出流路等に留まる水の量が異なることを見出した。
図４は、気液分離器６２に流入する流入水速度と、差圧と、第１係数Ｋ１との関係（以下、第１関係）を示す図である。図４に示すグラフＬａ、Ｌｂ、Ｌｃは、それぞれ、第１圧力値Ｐ１と第２圧力値Ｐ２の差圧がＰａ、Ｐｂ、Ｐｃである場合の流入水速度と第１係数Ｋ１との関係を示している。差圧は、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの順に大きくなる。第１係数Ｋ１は、排出弁６３の流路断面積のうち、排出流路から気液分離器６２へ流入する流入水速度と差圧とを用いて推定される、アノードオフガスが流れる面積の割合に対応した係数である。流入水速度は、燃料電池スタック１０の発電量に基づく生成水量を用いて算出することができる。発電量は、電流センサ８３から得られる燃料電池スタック１０の出力電流値から算出することができる。第１関係は、燃料電池システム１００における各部品の構成や配置を考慮した、実験やシミュレーションにより求めることができる。図４に示すように、流入水速度が大きいほど、第１係数Ｋ１は小さくなる。流入水速度が大きいほど気液分離器６２に流入する水の量が増えて、流路断面積を水が占める割合が大きくなるためである。また、差圧が大きいほど、第１係数Ｋ１は大きくなる。差圧が大きいほど、水を押し出す力が大きくなるためである。推定処理において、第１係数Ｋ１を用いてアノードオフガスにとっての有効断面積を推定することで、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させることができる。
次に、第２係数Ｋ２について詳細に説明する。発明者らは、排出弁６３が開かれると、気液分離器６２内の貯留水が全て排出されたか否かにかかわらず、気液分離器６２内の貯留水とともにアノードオフガスが排出される場合があることを見出した。図５は、気液分離器６２内の貯留水量と第２係数Ｋ２との関係（以下、第２関係）を示す図である。第２係数Ｋ２は、排出弁６３の流路断面積のうち、気液分離器６２内の貯留水量を用いて推定される、アノードオフガスが流れる面積の割合に対応した係数である。第２関係は、燃料電池システム１００における各部品の構成や配置を考慮した、実験やシミュレーションにより求めることができる。貯留水量が図５に示す閾値Ｔｈ１以上である場合には、排出弁６３を開いてもアノードオフガスは流れず、第２係数Ｋ２は０となる。貯留水量が閾値Ｔｈ１以下になると、排出弁６３を開くことにより貯留水とともにアノードオフガスが流出する。貯留水量が閾値Ｔｈ１よりも減少するにつれて、第２係数Ｋ２は増加する。推定処理において、第１係数Ｋ１に加え、第２係数Ｋ２用いてアノードオフガスにとっての有効断面積を推定することで、アノードオフガス排出量の推定精度をより向上させることができる。
第２係数Ｋ２を算出するための気液分離器６２内の貯留水量を求める方法の例について説明する。ある時点における貯留水量は、例えば、燃料電池スタック１０の発電量と、差圧に関連付けられた、気液分離器６２の貯留水が気液分離器６２から排出される速度と、を用いて算出することができる。具体的には、制御部２１は、電流センサ８３から得られる燃料電池スタック１０の出力電流値から算出される発電量に基づく生成水量を用いて、燃料電池スタック１０の発電により気液分離器６２内へ流入する水の速度Ｖ１を算出する。この際、温度センサ７７から得られる燃料電池スタック１０の温度Ｔ０が考慮されてもよい。また、制御部２１は、差圧と、気液分離器６２から排出される貯留水の速度との予め定められた関係を用いて、貯留水が排出される速度Ｖ２を算出する。そして、速度Ｖ１から速度Ｖ２を引くことで、気液分離器６２の貯水速度を算出して、単位時間あたりの貯水量を算出する。単位時間当たりの貯水量と、現在の貯留水量を算出する前の貯水量を足すことで、現在の貯留水量を算出することができる。なお、他の実施形態において、気液分離器６２に貯留水量を測定するセンサを設け、当該センサにより貯留水量を測定してもよい。制御部２１は、貯留水量測定センサから得られた値と、第２関係とを用いて、第２係数Ｋ２を求めてもよい。
図６は、制御部２１が実行する排出弁６３の開閉処理を示すフローチャートである。開閉処理は、燃料電池システム１００の始動中、繰り返し実行される。ステップＳ１０では、制御部２１は、上述した排出弁６３の開弁条件のいずれかが成立したか否かを判定する。開弁条件が成立している場合には、制御部２１は、処理をステップＳ２０に進め、排出弁６３を開く。開弁条件が成立していない場合には、制御部２１は、本ルーチンを抜ける。
ステップＳ３０からステップＳ７０では、アノードオフガス排出量の推定処理が実行される。ステップＳ３０では、制御部２１は、排出弁６３の上流側と下流側の差圧を取得し、図４を用いて説明した第１関係を用いて、第１係数Ｋ１を算出する。ステップＳ４０では、制御部２１は、気液分離器６２内の貯留水量を算出し、図５を用いて説明した第２関係を用いて、第２係数Ｋ２を算出する。ステップＳ３０とステップＳ４０は同時に実行されてもよい。または、ステップＳ３０とステップＳ４０の順序は入れ替えられてもよい。
第１係数Ｋ１及び第２係数Ｋ２を算出すると、ステップＳ５０において、制御部２１は、式（１）を用いて単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを算出する。式（１）を用いることで、流路断面積Ａに第１係数Ｋ１及び第２係数Ｋ２が乗算される。すなわち、本実施形態では、式（１）を用いて単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを算出することで、同時に、有効断面積が推定される。他の実施形態では、事前に、第１係数Ｋ１及び第２係数Ｋ２を流路断面積Ａに乗算して有効断面積を求めてもよい。
ステップＳ６０では、制御部２１は、ステップＳ２０で排出弁６３が開かれてからの単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを積算して、アノードオフガスの総排出量を算出する。ステップＳ７０では、制御部２１は、アノードオフガスの総排出量が目標値未満である場合には、処理をステップＳ３０に戻し、推定処理を繰り返す。アノードオフガスの総排出量が目標値以上である場合には、制御部２１は、処理をステップＳ８０に進め、排出弁６３を閉じる。
この形態によれば、制御部２１は、排出弁６３の上流側と下流側との差圧から、気液分離器６２に流入し排出弁６３から流出する水量によって減少する、アノードオフガスにとっての排出弁６３の有効断面積を推定し、推定した有効断面積を用いてアノードオフガス排出量を推定する。そのため、排出弁６３よりも上流側において排出流路等に留まる水が考慮されてアノードオフガス排出量が算出されるので、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させることができる。
この形態によれば、アノードオフガスにとっての有効断面積を、気液分離器６２に流入する流入水の速度と差圧と用いて推定される、アノードオフガスが流れる面積の割合に対応した第１係数Ｋ１を求めることにより推定することができる。
この形態によれば、アノードオフガス排出量の推定精度が向上するので、推定されるアノードオフガス排出量が実際の排出量よりも多くなることや少なくなることを抑制できる。そのため、実際の排出量が、推定されるアノードオフガス排出量よりも少ないことに起因して、発電反応に用いられるアノードガス中の窒素等の不純物濃度が目標とされる濃度よりも高い状態で、排出弁６３が閉じられることを抑制できる。その結果、燃料電池セル１１の劣化を抑制できる。また、実際の排出量が、推定されるアノードオフガス排出量よりも多いことによって、アノードガスが余剰に排出されることを抑制できる。
この形態によれば、アノードオフガスにとっての有効断面積を、第１係数Ｋ１と、気液分離器６２内の貯留水を用いて推定される第２係数Ｋ２とを求めることにより推定し、推定した有効断面積を用いてアノードオフガス排出量を推定する。そのため、気液分離器６２内の貯留水がアノードオフガスとともに排出されることが考慮されるので、アノードオフガス排出量の推定精度をより向上させることができる。
この形態によれば、推定処理は、排出弁６３が開かれてから閉じられるまで継続して実行されるので、アノードオフガス排出量として、気液分離器６２内の貯留水の排出が完了する前に、気液分離器６２内の貯留水とともに排出されるアノードオフガスが考慮される。そのため、気液分離器６２内の貯留水の排出が完了した後に、アノードオフガス排出量を算出する場合と比較して、アノードオフガス排出量の推定精度を向上することができる。
この形態によれば、排出弁６３を開いた後、推定したアノードオフガスの総排出量が目標値以上となった場合に排出弁６３を閉じるので、目標とする量のアノードオフガスを排出することができる。
２．第２実施形態
図７は、第２実施形態における排出弁６３の開閉処理を示すフローチャートである。第２実施形態の開閉処理では、ステップＳ２０とステップＳ３０の間にステップＳ２５を備える点と、ステップＳ２５が肯定判定された場合にステップＳ２７が実行される点とにおいて、上述の第１実施形態（図６参照）と異なる。第２実施形態では、ステップＳ２５、Ｓ２７、Ｓ３０、Ｓ４０、Ｓ５０、Ｓ６０、Ｓ７０を合わせた処理が、推定処理に相当する。
ステップＳ２５では、制御部２１は、差圧が予め定められた閾値Ｐｔｈ以上であるか否かを判定する。
図８は、差圧と単位時間あたりのアノードオフガス排出量との関係を示す図である。図８におけるプロットは、燃料電池システム１００において差圧を変化させた場合における、単位時間あたりのアノードオフガス排出量の測定値である。図８における実線Ｌｄは、実験データから導き出された、差圧と単位時間あたりのアノードオフガス排出量との関係を示すグラフである。図８から明らかなように、差圧が閾値Ｐｔｈに達するまでは、差圧が増加するにつれて単位時間あたりのアノードオフガス排出量は増加する。すなわち、差圧と単位時間あたりのアノードオフガス排出量とは比例関係を示す。差圧が閾値Ｐｔｈ以上になると、単位時間あたりのアノードオフガス排出量は差圧によらず、ほぼ一定の値を示す。すなわち、閾値Ｐｔｈ以上では、単位時間あたりのアノードオフガス排出量は差圧の影響を受けにくくなる。そのため、本実施形態では、差圧が閾値Ｐｔｈ未満であるか差圧が閾値Ｐｔｈ以上であるかにより、単位時間当たりのアノードオフガス排出量Ｑを推定するための物理式を、差圧に関連する第１係数Ｋ１を用いる式（１）と、差圧に関連しない式とで切り替えることで、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させる。
図７に戻り、制御部２１は、差圧が閾値Ｐｔｈ未満である場合には（ステップＳ２５、ＮＯ）、第１実施形態における式（１）を用いて単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを算出し、アノードオフガスの総排出量を算出する（ステップＳ３０～ステップＳ７０参照）。差圧が閾値Ｐｔｈ以上である場合には（ステップＳ２５、ＹＥＳ）、制御部２１は、ステップＳ２７において、アノードオフガスにとっての有効断面積として、流路断面積Ａを用いた以下の式（３）により、単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを算出する。閾値Ｐｔｈを「臨界差圧」とも呼ぶ。
Figure 0007272912000003
上記式（３）において、Ｈ２は、差圧が閾値Ｐｔｈ以上の場合における、アノードオフガスの気体としての性質により変化する補正項である。本実施形態では、Ｈ２は、以下の式（４）により算出される。他の実施形態では、Ｈ２は１であってもよい。
Figure 0007272912000004
制御部２１は、式（３）により単位時間あたりのアノードオフガス排出量Ｑを算出し、処理をステップＳ７０に進める。第２実施形態の開閉処理及び推定処理におけるその他の工程は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
図９は、単位時間あたりのアノードオフガス排出量と、圧力比の関係を示す図である。圧力比は、第２圧力値Ｐ２に対する第１圧力値Ｐ１の値である。図９に示すプロットは、燃料電池システム１００において圧力比を変化させた場合における、単位時間あたりのアノードオフガス排出量の測定値である。図９に示す実線Ｌｅは、圧力比を変化させた場合に、式（１）及び式（３）において得られる、単位時間あたりのアノードオフガス排出量を示している。実線Ｌｅを導出する際には、差圧が閾値Ｐｔｈ未満では式（１）を用い、閾値Ｐｔｈ以上では式（３）を用いた。図９に示すように、実験データと式（１）及び式（３）により算出される単位時間あたりのアノードオフガス排出量とは、よく一致している。すなわち、閾値Ｐｔｈ未満では差圧に関連した式（１）を用い、閾値Ｐｔｈ以上では差圧に関連しない式（３）を用いることで、アノードオフガス排出量を精度良く推定できることが示された。
この形態によれば、差圧が予め定められた閾値Ｐｔｈ未満である場合には、差圧に関連した第１係数Ｋ１を用いてアノードオフガスにとっての有効断面積を推定する式（１）を用いてアノードオフガス排出量を推定し、差圧が閾値Ｐｔｈ以上である場合には、差圧を考慮せず、排出弁６３の流路断面積Ａをアノードオフガスにとっての有効断面積とした式（３）によりアノードオフガス排出量を推定する。そのため、差圧が閾値Ｐｔｈ以上である場合に、アノードオフガス排出量が差圧に比例して増加する量として算出される場合と比較して、推定されるアノードオフガス排出量が実際の排出量よりも多くなることを抑制することができる。そのため、アノードオフガス排出量の推定精度をいっそう向上させることができる。
３．他の実施形態
上記第２実施形態において、単位時間当たりのアノードオフガス排出量を式（１）を用いて算出して開閉処理を実行し、燃料電池セル１１の劣化が抑制される範囲の上限の差圧を取得して、当該上限の差圧を閾値Ｐｔｈとして定めてもよい。この形態によっても、第２実施形態と同様の効果を奏する。
上記実施形態において、制御部２１は、気液分離器６２内の貯留水の排出が完了したことを、例えば、気液分離器６２に設けられたセンサにより判定してもよい。制御部２１は、気液分離器６２内の貯留水の排出が完了した後、気液分離器６２内の貯留水量に関する第２係数Ｋ２を用いず、差圧に関連する第１係数Ｋ１により流路断面積を補正して、アノードオフガスにとっての有効断面積を推定してもよい。この形態によっても、排出弁６３よりも上流側において排出流路等に留まる水が考慮されてアノードオフガス排出量が算出されるので、アノードオフガス排出量の推定精度を向上させることができる。
上記実施形態において、アノードガス供給排出部５０における循環配管６４とアノードガスポンプ６５とは設けられていなくてもよい。すなわち、燃料電池システム１００の構成は、アノードオフガスを循環させない構成であってもよい。
制御部２１が実行する各種の制御や処理のうち、推定処理以外の処理は、制御部２１以外の他の機能部が実行してもよい。例えば、制御装置２０の備えるＣＰＵは、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することで、開閉処理実行部として機能してもよい。または、上記推定処理以外の処理は、燃料電池システム１００の備える他のＥＣＵにより実行されてもよい。
上記実施形態において、燃料電池システム１００は、車両１１０に搭載されているが、燃料電池システム１００は、船舶、電車、ロボット等の車両１１０以外の移動体に搭載されてもよいし、定置されるものであってもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池スタック、１１…燃料電池セル、２０…制御装置、２１…制御部、３０…カソードガス供給排出部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…カソードガスコンプレッサ、３４…第１開閉弁、３５…バイパス配管、３６…分流弁、４１…カソードオフガス配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給排出部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、６１…アノードオフガス配管、６２…気液分離器、６３…排出弁、６３ｈ…流路断面、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６７…第１圧力センサ、６８…第２圧力センサ、７０…冷却媒体循環部、７１…冷媒供給管、７２…冷媒排出管、７３…ラジエータ、７４…冷媒ポンプ、７５…三方弁、７６…バイパス配管、７７…温度センサ、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電流センサ、１００…燃料電池システム、１１０…車両

Claims (8)

  1. 燃料電池システムであって、
    アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記アノードガスの供給源と前記燃料電池とを接続し、前記アノードガスが流れる供給流路と、
    前記燃料電池に接続され、前記燃料電池と前記燃料電池システムの外部とを連通し前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流れる排出流路と、
    前記排出流路上に設けられ、前記アノードオフガスから水を分離して貯留する気液分離器と、
    前記気液分離器よりも下流の前記排出流路上に設けられ、開弁時に所定の流路断面積を有する排出弁と、
    前記排出弁の上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出部と、
    前記差圧から、前記気液分離器に流入し前記排出弁から流出する水量によって減少する、前記アノードオフガスにとっての前記排出弁の有効断面積を推定し、前記有効断面積を用いて、前記排出弁からの前記アノードオフガスの排出量を推定する、推定処理を実行する制御部と、
    を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記燃料電池の発電量を用いて算出される前記排出流路から前記気液分離器に流入する水の速度と、前記差圧と、前記流路断面積のうち前記アノードオフガスが流れる面積の割合と、の予め定められた第１関係を用いて、前記流路断面積を補正するための第１係数を求め、
    前記流路断面積を前記第１係数で補正することにより前記有効断面積を推定する、燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記気液分離器内の貯留水量と、前記流路断面積のうち前記アノードオフガスが流れる面積の割合と、の予め定められた第２関係を用いて、前記流路断面積を補正するための第２係数を求め、
    前記流路断面積を前記第１係数と前記第２係数とで補正することにより前記有効断面積を推定する、燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記気液分離器内の貯留水量を、前記燃料電池の発電量と、前記差圧に関連付けられた、前記気液分離器内の貯留水が前記気液分離器から排出される速度と、を用いて算出する、燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記推定処理において、前記差圧が予め定められた閾値以上である場合には、前記流路断面積を前記有効断面積として前記アノードオフガスの排出量を推定する、燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記推定処理を、前記排出弁が開かれてから前記排出弁が閉じられるまで、継続して実行する、燃料電池システム。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記排出弁を開いた後、推定した前記アノードオフガスの排出量の総量が目標値以上となった場合に前記排出弁を閉じる、燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムにおけるアノードオフガスの排出量推定方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記アノードガスの供給源と前記燃料電池とを接続し、前記アノードガスが流れる供給流路と、
    前記燃料電池に接続され、前記燃料電池と前記燃料電池システムの外部とを連通し前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流れる排出流路と、
    前記排出流路上に設けられ、前記アノードオフガスから水を分離して貯留する気液分離器と、
    前記気液分離器よりも下流の前記排出流路に設けられ開弁時に所定の流路断面積を有する排出弁と、を備え、
    前記方法は、
    前記排出弁の上流側と下流側の差圧を取得する工程と、
    前記差圧から、前記気液分離器に流入し前記排出弁から流出する水量によって減少する、前記アノードオフガスにとっての前記排出弁の有効断面積を推定し、前記有効断面積を用いて前記排出弁からの前記アノードオフガスの排出量を推定する工程と、を備える、
    排出量推定方法。
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