JP7405623B2 - 燃料電池システムおよびその排気湿度推定方法 - Google Patents
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Description
例えば上記した特許文献1では、燃料電池の入口付近に配置された加湿器近傍の温度と、燃料電池内の温度によって、この燃料電池の吸気(エア供給路)を流れる空気の湿度を推定することで発電性能を確保している。
まず本発明の好適な実施形態における係る燃料電池システム100の構成について、図1を参照しながら説明する。本実施形態における燃料電池システム100は、例えば燃料電池自動車(FCV)に搭載される。以下では燃料電池システム100の適用例としてFCVの場合を説明するが、本発明はFCVに限られず、住宅設備などの定置型電池システムや航空機などの移動型電池システムにも好適である。
このうち本実施形態のガス供給系30は、燃料電池20のカソード電極側に空気(エア)を供給するカソードガス供給手段としてのエアフィルタ31、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク33などを含んで構成されている。
また、燃料電池20に供給されるエアへの加湿態様としては、排気した空気中の水分を再利用する水蒸気交換膜を用いる態様や、純水などの水分をエアに供給する膜加湿器や噴霧器など公知の種々の装置を用いてもよい。
次に、図2も参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム100における制御装置10の構成について説明する。
図2に示すとおり、本実施形態の制御装置10は、質量流量値計測部11、消費酸素の質量流量値取得部12、排気側空気温度取得部13、飽和水蒸気量取得部14、吸気側水蒸気量取得部15、排気側空気湿度推定部16および報知制御部17などを含んで構成されている。この制御装置10としては、不図示のメモリなどを有するCPUなど公知のコンピュータ装置が例示でき、上記した燃料電池システム100全体を制御する機能を有している。
なお本実施形態では湿度センサ51及び外気温センサ52を図示したが、所望の機能を発揮すべくこれら公知のセンサ類を適宜選択省略してもよい。
または、上記した温度センサ13aを燃料電池システム100が具備しない場合には、排気側空気の温度値Toutとして、燃料電池20から排出された冷却水の温度を検出する温度計13bの温度値で代用してもよい。燃料電池20から排出された直後の冷却水の温度は、排気側空気の温度と等価であると見做せるからである。
α:上記した排気側空気における質量流量値WF2に対し、吸気側空気における質量流量値WF1から消費酸素の質量流量値Owを引いた値を、減算する。これにより排気側空気における水蒸気の流量WVoutを算出する。
β:取得した排気側空気の温度値Toutに対応した排気側空気の飽和水蒸気量a(T)outを取得する。
γ:排気側空気の飽和水蒸気量a(T)outに対する、排気側空気における水蒸気の流量WVoutの比(WVout/a(T)out)に基づいて、排気側空気の湿度Houtを推定する。
また、燃料電池システム100が上記した吸気側湿度計測手段(湿度センサ15a)を具備しているとき、排気側空気湿度推定部16は、前記した吸気側湿度計測手段で計測した湿度に基づいて、前記した質量流量値WF1から吸気側空気に含有される水蒸気の流量を減算する。
また、排気側空気湿度推定部16による排気側空気における湿度Houtの推定結果は、燃料電池システム100を備えたFCVの状態制御に利用してもよい。例えば、上記した湿度Houtが低い場合には吸気側で加湿制御してもよいし、湿度Houtが高い場合には逆に乾燥制御を行ってもよい。これらの加湿制御や乾燥制御の具体的な手法としては、例えば燃料電池20における温度の昇温/降温や、吸気流量、過給圧の制御などが例示できる。
次に図3~図5も適宜参照しつつ、本実施形態における燃料電池システム100の排気湿度推定方法について説明する。
図3に示すとおり、まずステップ1においては、燃料電池20の排気側空気における湿度を推定するか否かが判定される。ステップ1で湿度推定要と判定された場合には続くステップ2に移行するが、この湿度推定要の判断は例えば所定の周期毎に自動で行ってもよいし、乗員などが手動で湿度推定を要とする入力を行ってもよい。
なお、燃料電池システム100の起動直後の状態における湿度も推定する場合などがあることから、このステップ2は必須ではなく適宜省略してもよい。
ステップ3-Aでは、燃料電池20の状態管理を行うために、上記した制御装置10によって、例えば図4に示す排気側空気における湿度推定処理が実行される。
すなわち図4に示すとおり、湿度推定処理においては、まずステップ31で吸気側空気の水分量が測定される(吸気側湿度計測工程)。より具体的には上述した吸気側湿度計測手段としての湿度センサ15aで計測した湿度に基づいて吸気側空気の水分量が測定される。
そして続くステップ33では、前記した消費酸素の質量流量値取得手段としての電流計12aにより計測された電流値に基づいて、燃料電池20において消費した消費酸素の質量流量値Owを取得する(消費酸素の質量流量値取得工程)。
すなわち、ステップ34では、上記した「質量流量値WF2-(前記質量流量値WF1-前記消費酸素の質量流量値Ow)」に基づいて排気側空気における水蒸気の流量WVoutが算出される。
そしてステップ36では、前記した排気側空気の飽和水蒸気量a(T)outと、排気側空気における水蒸気の流量WVoutの比(WVout/a(T)out)に基づいて、排気側空気の湿度Houtが推定される。
すなわち、本実施形態の燃料電池システム100を搭載するFCVが、走行中のある一場面において燃料電池20の状態管理を行っていると仮定する。このとき、上記した各センサによって計測されるパラメータ値はそれぞれ次の値を示したとする。
(a)質量流量センサ11aで取得した質量流量値WF1:100g/sec
(b)質量流量センサ11bで取得した質量流量値WF2:110g/sec
(c)電流計12aの電流値から導かれた消費酸素の質量流量値Ow:10g/sec
(d)温度センサ13aによって計測された温度値Tout:90℃
(e)湿度センサ15aによって計測された吸気側空気の水分量:0.3g/sec
(f)燃料電池20の温度Tfcv:90℃
次いで「質量流量値WF2-(前記質量流量値WF1-前記消費酸素の質量流量値Ow)」に基づいて、「110-99.7+10」で排気側空気における水蒸気の流量WVoutが「20.3g/sec」と算出される。
次いで、温度値Tout(90℃)に対応した飽和水蒸気量(この場合は421.45g/m3)をメモリMから読出す。
したがって、排気圧力(測定値又は過給圧から推定される)240kPa(絶対圧)のとき、排気側空気の体積流量はPV=nRTを用いて次の式(K)のとおりとなる。
240×(排気側空気の体積流量)=(2.9+0.3+1.1)×8.31×10-3×(90+273)・・・(K)
Hout=20/0.054/421.45×100=87.8(%) ・・・(L)
次に本実施形態における湿度推定処理における他の例について、図5を参照しつつ説明する。なお本例において、既述した「湿度推定処理(その1)」と同じ内容については同じ参照番号を付すなどして適宜その説明は省略する。
一方で、ステップ30で燃料電池20の温度Tfcvが所定値以上である場合(ステップ30でYesの場合)には、ステップ31Bに移行して吸気側空気を乾燥空気(すなわち水分量がゼロ)として取り扱う設定処理が行われる。このようにステップ31Bでは、取得した燃料電池20の温度Tfcvに基づいて、吸気側空気に含有される水蒸気の流量が決定される。
このように湿度推定処理(その2)では、高温となった燃料電池20周囲の状態は水分量が少ないことから、そのような燃料電池20に流入する吸気側空気を乾燥気体として取り扱うようにした。これにより、湿度推定処理(その1)に比してより簡易な手法で排気側空気の湿度Houtを推定できる。
なお上記した各実施形態は本発明の好適な一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて実施形態の各要素を適宜組み合わせて新たな構造や制御を実現してもよい。以下、本実施形態に適用が可能な変形例について説明する。
図6は上記した実施形態の変形例を示す。
同図に示すとおり、変形例に係る燃料電池システム110は、上記した燃料電池システム100に比して排気経路において少なくとも質量流量センサ11bが省略されている点などに特徴がある。すなわち、本変形例では、もともとFCVに装備されている温度計13b、空気圧調整弁18aおよび排気側圧力センサ19aによって質量流量センサ11bを代用することを特徴とする。
このように本変形例によれば、上記した実施形態の効果に加え、排気側空気の湿度を推定するための専用品を装備する必要はなく部品点数をさらに削減することができる。
10 制御装置
20 燃料電池
30 ガス供給系
Claims (10)
- 酸素と水素の反応により発電する燃料電池システムであって、
燃料電池の吸気側空気における質量流量値WF1と、前記燃料電池の排気側空気における質量流量値WF2をそれぞれ計測する質量流量値計測手段と、
前記燃料電池において消費した消費酸素の質量流量値Owを取得する消費酸素の質量流量値取得手段と、
前記排気側空気における温度値Toutを取得する排気温度取得手段と、
前記排気側空気における湿度Houtを推定する排気湿度推定手段と、を含み、
前記排気湿度推定手段は、
前記燃料電池システムの前記吸気側空気における質量流量値WF 1 と前記排気側空気における質量流量値WF 2 の差と、前記消費酸素の質量流量値と、に基づいて、前記排気側空気の湿度Houtを推定する、燃料電池システム。 - 前記排気湿度推定手段は、
前記WF2-(前記WF1-前記Ow)の式に基づいて前記排気側空気における水蒸気の流量WVoutを算出し、前記Toutに対応した前記排気側空気の飽和水蒸気量に対する、算出した前記水蒸気の流量WVoutの比に基づいて、前記排気側空気の湿度Houtを推定する、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得手段をさらに含み、
前記排気湿度推定手段は、前記電池温度取得手段で取得した前記温度に基づいて、前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量を決定する、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 前記吸気側空気における水蒸気量を計測する吸気側湿度計測手段をさらに含み、
前記排気湿度推定手段は、前記吸気側湿度計測手段で計測した湿度に基づいて、前記質量流量値WF1から前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量を減算する、請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の吸気側に配置されて前記質量流量値WF1を計測する第1質量流量センサと、前記燃料電池の排気側に配置されて前記質量流量値WF2を計測する第2質量流量センサと、を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池の排気側空気における湿度を推定する燃料電池システムの排気湿度推定方法であって、
前記燃料電池の吸気側空気における質量流量値WF1と、前記燃料電池の排気側空気における質量流量値WF2をそれぞれ取得する質量流量値取得工程と、
前記燃料電池において消費した消費酸素の質量流量値Owを取得する消費酸素の質量流量値取得工程と、
前記排気側空気における温度値Toutを取得する排気温度取得工程と、
前記燃料電池システムの前記吸気側空気における質量流量値WF 1 と前記排気側空気における質量流量値WF 2 の差と、前記消費酸素の質量流量値と、に基づいて、前記排気側空気の湿度Houtを推定する排気側湿度推定工程と、
を有する排気湿度推定方法。 - 前記排気側湿度推定工程では、
前記質量流量値WF2-(前記質量流量値WF1-前記消費酸素の質量流量値Ow)によって前記排気側空気における水蒸気の流量WVoutを算出し、前記Toutに対応した前記排気側空気の飽和水蒸気量に対する、算出した前記水蒸気の流量WVoutの比に基づいて、前記排気側空気の湿度Houtを推定する、請求項6に記載の排気湿度推定方法。 - 前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得工程をさらに有し、
前記取得した温度に基づいて、前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量が決定される、請求項6又は7に記載の排気湿度推定方法。 - 前記吸気側空気における水蒸気量を計測する吸気側湿度計測工程をさらに有し、
前記計測した水蒸気量に基づいて、前記質量流量値WF1から前記吸気側空気に含有される水蒸気量が減算される、請求項6~8のいずれか一項に記載の排気湿度推定方法。 - 前記燃料電池の吸気側に配置された第1質量流量センサと、前記燃料電池の排気側に配置された第2質量流量センサと、を用いて、前記質量流量値WF1および前記質量流量値WF2がそれぞれ計測される、請求項6~9のいずれか一項に記載の排気湿度推定方法。
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