WO2005104283A1

WO2005104283A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2005104283A1
Application number: PCT/JP2005/008258
Authority: WO
Inventors: Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2005-11-03
Also published as: JP2005310653A; CN1943066A; US20070218330A1; DE112005000906T5

Abstract

　簡易な構成で燃料ガス濃度及び／又は不純物ガス濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供する。燃料電池スタック（２０）のアノード極へ燃料を供給する供給経路（７５）と燃料電池スタック（２０）のアノード極から燃料を排出する排出経路（７６）とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムであり、アノード経路内の圧力損失に基づいて、アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出する。圧力損失は配管内に配置される差圧計（５８）や圧力計で測定できるので、特別な測定機器を必要とせず、簡易な構成でガス濃度を推定することができる。

Description

明細書燃料電池システム技術分野

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料循環経路内における燃料ガス濃度の推定に関する。背景技術

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。この燃料電池は、水素などの燃科ガスと空気などの酸化ガスとを用いて電気化学反応により電力を発生する。燃料電池スタック内に導入された燃料ガスはそのすべてが酸素と反応して水蒸気となるわけではなく、燃料ガスの一部はそのまま燃料電池スタックを通過し、水蒸気とともに排気される。この通過した燃料ガスをそのまま外気に放出すると燃料ガスが無駄になるので、燃料電池スタックの燃料極からの排気を循環させて再度燃料極に導入することが行われている。

特開 2003— 317752号公報は、水素循環系内のガス中の音速を求め、これに基づいてガス中の水素ガス濃度又は不純物ガス濃度を推定することを開示している。そして、水素流量が閾値以下で不純物ガス存在量が閾値以上であるときにパージを行うこととして、燃料電池システムのエネルギー効率を高めることを開示している。

[特許文献 1] 特開 2003— 317752号公報発明の開示

しかしながら、この従来技術においては、音速測定のための超音波受発信器が必要であり、装置の複雑化、高コスト化、メンテナンスの困難化を招くという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、簡易な構成で燃料ガス濃度及び又は不純物ガス濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタツクのァノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのアノード極力ら燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、アノード経路内の所定の二点間における圧力差に基づいて、アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出するものである。圧力差は配管内に配置される差圧計や圧力計で測定できるので、特別な測定機器を必要とせず、簡易な構成でガス濃度を推定することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、上記圧力差は、アノード経路中の逆止弁前後の圧力差、または燃料電池スタックを挟む二点間の圧力差である。例えば、逆止弁前後は圧力差が生じやすいので、圧力差を適切に測定することができるし、圧力損失発生のための特別な構造をとる必要がないので優れている。

本発明の好ましい一態様によれば、導出された燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度に基づいて、アノード経路からの排気を制御する。こうすることで、システムの効率及び安定性を有効に確保することができる。

この場合においては、導出された燃料ガス濃度が低下した場合または導出された不純物ガス濃度が増加した場合に、アノード経路からのパージを行つてもよい。このパージは、アノード経路中の遮断弁を開くことにより行うことが好ましい。

本発明の好ましい一態様によれば、導出された燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度に基づいて、燃料電池スタックの電解質膜の状態を判定する。これによれば、運転中であっても膜劣化判定ができ、迅速に運転者等に対するメンテナンス情報を提供することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、アノード経路には、燃料電池スタックのァノード極から排出された燃料を再度ァノ一ド極に循環させる循環経路が含まれる。

本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池スタックのァノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタツクのァノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、ァノード経路内の圧力損失に基づいて、アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出するものである。この構成によれば、圧力損失は配管内に配置される差圧計や圧力計で測定できるので、特別な測定機器を必要とせず、簡易な構成でガス濃度を推定することができる。

また、本発明の別の燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのァノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、アノード経路内の圧力損失に基づいて、アノード経路からの排気を制御するものである。この構成によれば、上記と同様に簡易な構成で圧力損失を測定することができ、これに基づいてアノード経路からの排気を制御するので、システムの効率及ぴ安定性を有効に確保することができる。

本発明のまた別の燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と燃料電池スタックのアノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、ァノード経路内の圧力損失に基づいて、燃料電池スタックの電解質膜の状態を判定する。上記と同様に簡易な構成で圧力損失を測定することができ、これに基づいて電解質膜の状態を判定するので、運転中であっても膜劣化判定ができ、迅速に運転者等に対するメンテナンス情報を提供することができる。この場合、導出された不純物ガス濃度の上昇速度に基づいて、燃料電池スタックの電解質膜の劣化を判定することが、好ましい。

上記燃料電池システムにおいて、圧力損失は、アノード経路中の逆止弁前後の圧力差の計測により導出することが望ましい。逆止弁前後は圧力損失が生じやすいので、圧力損失を適切に測定することができるし、圧力損失発生のための特別な構造をとる必要がないので優れている。

以上、本発明によれば、簡易な構成で燃料ガス濃度及ぴノ又は不純物ガス濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。

図 2は、実施形態の燃料電池システムによるガス濃度推定の処理手順を示すフローチヤ一トである。

図 3は、実施形態の燃料電池システムによる排気シャットパルプ制御の処理手順を示すフローチャートである。

図 4は、実施形態の燃料電池システムによる膜劣化判定の処理手順を示すフローチヤ一トである。

発明を実施するための最良の形態

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

[ 1 . 燃料電池システムの構成]

同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路 7 1 を介して燃料電池スタック 2 0の空気供給口に供給される。空気供給路 7 1 には空気から微粒子を除去するエアフィルタ 1 1、空気を加圧するコンプレッサ 1 2、供給空気圧を検出する圧力センサ 5 1及び空気に所要の水分を加える加湿器 1 3が設けられている。なお、エアフィルタには空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池スタック 2 0から排出される空気オフガスは排気路 7 2を経て外部に放出される。排気路 7 2には、排気圧を検出する圧力センサ 5 2、圧力調整弁 1 4及び加湿器 1 3が設けられている。圧力調整弁（減圧弁） 1 4は燃料電池スタック 2 0への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ 5 1及ぴ 5 2の図示しない検出信号は制御部 5 0に送られる。制御部 5 0はコンプレッサ 1 2及び圧力調整弁 1 4を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源 3 1から燃料供給路 7 5を介して燃料電池スタック 2 0の水素供給口に供給される。燃料供給路 7 5には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ 5 4、燃料電池スタック 2 0への水素ガスの供給圧力を調整する水素調圧弁 3 2、遮断弁 4 1、燃料供給路 7 5の異常圧力時に開放するリリーフ弁 3 9、遮断弁 3 3及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ 5 5が設けられている。圧力センサ 5 4及び 5 5の図示しない検出信号は制御部 5 0に供給される。

燃料電池スタツク 2 0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路 7 6に排出され、燃料供給路 7 5の遮断弁 4 1の下流側に戻される。水素循環路 7 6には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ 6 3、水素オフガスの排出を制御する遮断弁 3 4、水素オフガスから水分を回収する気液分離器 3 5、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁 3 6、水素オフガスを加圧する水素ポンプ 3 7及び逆流阻止弁 4 0が設けられている。水素オフガスを加圧する手段としては、水素ポンプ 3 7に代え、ェジヱクタを用いてもよい。好ましくは、逆流阻止弁 4 0の前後の差圧を計測する差圧計 5 8、又は逆流阻止弁 4 0の前後にそれぞれ設けられその圧力を計測する圧力センサを備えることにより、水素循環路 7 6における圧力損失（圧力差）を計測し、後述のように水素濃度又は不純物ガス濃度を推定する。また、水素循環路 7 6のガス流量を取得するために、好ましくは水素循環路 7 6にも流量計を設け、或いは水素ポンプ 3 7の回転数のカウント手段を設ける。温度センサ 6 3の図示しない検出信号は制御部 5 0に供給される。水素ポンプ 3 7は制御部 5 0によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路 7 5で水素ガスと合流し、燃料電池スタック 2 0に供給されて再利用される。逆流阻止弁 4 0は燃料供給路 7 5の水素ガスが水素循環路 7 6側に逆流することを防止する。この水素循環路 7 6から燃料供給路 7 5との合流点を通つて燃料電池スタックの燃料極に至る一連の経路が本発明におけるァノード経路に相当する。

水素循環路 7 6は排気シャットパルプ（パージ弁） 3 8を介してパージ流路 7 7によって排気路 7 2に接続される。排気シャツトバルブ 3 8は電磁式の遮断弁であり、制御部 5 0からの指令によつて作動することにより水素ォフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環により燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

更に、燃料電池スタック 2 0の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路 7 4が設けられる。冷却路 7 4には、燃料電池スタック 2 0から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ 6 1、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器） 2 1、冷却水を加圧して循環させるポンプ 2 2及ぴ燃料電池スタック 2 0に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ 6 2が設けられている。

制御部 5 0は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部 50は図示しない演算装置や記憶装置を備えた制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによつて構成することが出来る。

[2. ガス濃度の推定原理]

次に、本発明の実施形態における水素ガス濃度又は不純物ガス濃度の推定方法について、その原理を説明する。

[2- 1. 前提]

まず、ガスの定常流れにおいて、システムの圧力損失は密度に比例する。例えば燃料ガスである水素ガスの分子量は 2、不純物ガスである窒素ガスの分子量は 28であるから、例えば水素ガス 100%の場合に対して窒素ガス 100%の場合は密度が 14倍、圧力損失も 14倍となる。 ·

次に、水素循環系内のガスは、水素、窒素、水蒸気がそのほとんどを占める。窒素は空気極から透過してきた不純物ガス、水蒸気は水素と酸素の電気化学反応による生成物である。これらのうち水蒸気の量は、（燃料電池スタック出口では）ほぼ飽和蒸気になると考えられる。

以上より、圧力損失の変化量は窒素ガスの増加量と 1対 1の関係になり、圧力損失に基づいて窒素ガス濃度及び水素ガス濃度の推定が可能である。

[2-2. 計算方法]

次に、ガス濃度推定のための計算方法の具体例を説明する。

ある温度での飽和蒸気圧を P_H2。、

系内のガス圧力を P_sys、

とすると、系内の水蒸気の割合 W_H20 (%) は、

W_H2。（％) =P_H2o/P_syEX i o 0 (%)

となる。

その温度での湿度 100 %の水素ガスの圧力損失（窒素濃度 0。/。の場合）を P_L1、水素濃度 W_H2のときの圧力損失を P _L2、

とすると、

P _L1： P _L2= {W_H20 X 1 8 + ( 1 0 0一 W_H20) X 2 }： {W_H20 X 1 8 +W_H2 X 2 + ( 1 0 0 -W_H20-W_H2) X 2 8 }

の関係が成り立ち、この式を解くと水素濃度 W_H2が求まる。なお、式中、 1 8は水分子量、 1 0◦— W_H2。一 W_H2は窒素濃度である。 .

なお、以上の計算は一例を示したに過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、予め特性マップを作成しておいて、パラメータを入力するだけで水素ガス濃度及び窒素ガス濃度が得られるようにしても良いし、この特性マップの作成方法についても計算値ではなく実験値を用いてもよい。

また、燃料オフガスの圧力損失（圧力差）の計測位置及び方法はアノード経路内なら特に限定されず、例えば圧力損失を生じるオリフィスを別途設けてその前後の差圧を計測してもよい。また、水素循環路 7 6と燃料供給路 7

5の合流点より下流に設けてもよレ、。但し、燃料電池スタックを挟む 2点間の差圧から圧力損失を得る場合は、

圧力損失 =差圧一スタック内で消費する圧力（燃料電池電流量から算出する） —クロスリーク量により圧力損失を得ることができる。

[ 3 . ガス濃度の推定動作]

次に、図 2に示すフローチャートを参照して本実施形態に係る燃料電池システムの制御部 5 0によるガス濃度推定動作について説明する。制御部 5 0 は上述のように制御用コンピュータによって構成され、図示しない制御プログラムに従つて燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。

まず、排気シャットパルプ 3 8が閉じているかどうかを確認する（ステツプ 1 1 )。排気シャツトパルプ 3 8が開いている場合は（ステップ 1 1 ： N 〇）、水素パージ中であり、ガス濃度推定の必要がないのでリターンして次の動作タイミングを待つ。排気シャットバルブ 3 8が閉じている場合（ステップ 1 1 ： Y E S )、アノード経路の所定の 2点間における差圧を差圧計 5 8の出力から読取り、ガス温度及び流量を温度センサ 6 3及び流量計より取得する（ステップ 1 2 )。

読取られた差圧から圧力損失! \₂がわかり、ガス温度から飽和水蒸気量 W _H2。及び水素ガスの圧力損失 P_uがわかるので、上記の計算により水素ガス濃度と窒素ガス濃度を算出する（ステップ 1 3 )。ガス濃度が算出されたら窒素ガス濃度（と必要に応じて水素ガス濃度）を記憶装置に記憶させる（ステップ 1 4 )。

[ 4 . 排気シャットバルブ駆動動作]

次に、図 3に示すフローチャートを参照して本実施形態に係る燃料電池システムの制御部 5 0による排気シャツトバルブ駆動動作について説明する。まず、図 2の処理によって推定された水素ガス濃度及び窒素ガス濃度を取得する（ステップ 2 1 )。次に、得られた窒素ガス濃度に基づいてシステム損失量（水素ポンプ動力増加量 +燃料電池出力低下量）を計算する（ステツプ 2 2 )。窒素ガス濃度が増加すると充分な水素ガスを燃料電池に送るためには多くのガスを送る必要があり、また、ガス密度が増加することから、圧力損失も大きくなるので水素ポンプ 3 7の必要動力が大きくなり、損失が増す。また窒素ガス濃度が増加すると燃料電池スタックでの発電効率が低下する。これらによるシステム損失が、水素放出による損失より大きい場合には、本素オフガスを放出するのが合理的である。更に、水素濃度が燃料電池の安定性に悪影響を及ぼすレベルまで下がったときは、水素オフガスを放出し新しい水素ガスを導入する必要がある。ステップ 2 3では、上記システム損失量が水素排気による損失量以上であることを判定し、ステップ 2 4では、水素濃度が所定の閾値以下であることを判定する。これらの条件が両方満たされた場合（ステップ 2 3と 2 4 ： Y E S ) , 排気シャットバルブ 3 8を駆動し一定量の水素オフガスをパージする（ステップ 25)。条件の何れかが満たされない場合（ステップ 23又は 24 ： NO)、リターンして次の動作を待つ。

[5. 膜劣化判定動作]

次に、図 4に示すフローチャートを参照して本実施形態に係る燃料電池システムの制御部 50による膜劣化判定動作について説明する。

まず、図 2の処理によって推定された窒素ガス濃度の履歴を取得する（ステツプ 31)。次に、得られた窒素ガス濃度の増加速度を算出する（ステツプ 32)。窒素ガス濃度が急速に増加することは、燃料電池の電解質膜のクロスリークが増大して空気極からの窒素ガス透過量が増大したことを意味するので、電解質膜の状態が悪化したことを意味する。ステップ 33では、窒 '素ガス濃度の増加速度が所定の閾値以上であることを判定する。この条件が満たされた場合（ステップ 33 ： YES), 膜の劣化と判断し（ステップ 3 4)、必要に応じて車両の運転者等に報知する。条件が満たされない場合 (ステップ 33 : NO)、リターンして次の動作を待つ。

本実施形態はこのように構成したことにより、燃料電池システムの運転動作中であっても膜の劣化判定が可能になる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池スタックのアノード極へ燃料を供給する供給経路と前記燃料電池スタックのァノード極から燃料を排出する排出経路とからなるアノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、

前記アノード経路内の所定の二点間における圧力差に基づいて、前記ァノ一ド経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出する、燃料電池システム。

2 . 請求項 1において、

前記圧力差は、前記アノード経路中の逆止弁前後の圧力差である、燃料電池システム。

3 . 請求項 1において、

前記圧力差は、前記燃料電池スタックを挟む二点間の圧力差である、燃料電池システム。

4 . 請求項 1ないし 3のいずれか一項において、

前記導出された燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度に基づいて、前記ァノード経路からの排気を制御する、燃料電池システム。

5 . 請求項 4において、

前記導出された燃料ガス濃度が低下した場合に、前記アノード経路からのパージを行う、燃料電池システム。

6 . 請求項 4において、

前記導出された不純物ガス濃度が増加した場合に、前記アノード経路からのパージを行う、燃料電池システム。

7 . 請求項 5または 6において、

前記アノード経路からのパージは、前記アノード経路中の遮断弁を開くことにより行う、燃料電池システム。

8 . 請求項 1ないし 3のいずれか一項において、

前記導出された燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度に基づいて、前記燃料電池スタックの電解質膜の状態を判定する、燃料電池システム。

9 . 請求項 1ないし 3のいずれか一項において、

前記ァノ一ド経路には、前記燃料電池スタックのァノード極から排出された燃料を再度アノード極に循環させる循環経路が含まれる、燃料電池システム。

1 0 · 燃料電池スタックのァノード極へ燃料を供給する供給経路と前記燃料電池スタックのァノード極から燃料を排出する排出経路とからなるァノード経路を備えた燃料電池システムにおいて、

前記アノード経路内の圧力損失に基づいて、前記アノード経路内の燃料ガス濃度又は不純物ガス濃度を導出する、燃料電池システム。