(57)【要約】【課題】水素濃度を測定する水素濃度センサを備えた燃料電池システムにおいて、水素濃度センサの測定誤差を低減し、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することを技術的課題とする。【解決手段】燃料電池１に水素ガスを供給する水素供給通路２１にアノードオフガスを導かない状態で、水素供給手段２からの水素ガスを供給した後に、水素供給通路２１に設けられた水素濃度センサ４によって水素濃度を測定して、測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサ４を補正する。【選択図】図１
2007220400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段から供給される水素ガスが通る水素供給通路と、
前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路と、
前記水素供給通路とアノードオフガス通路とを繋ぎ、アノードオフガスを水素供給通路に導く水素循環通路と、
前記水素供給通路と前記水素循環通路の合流部より下流の水素供給通路上に配置された水素濃度センサと、
前記水素供給通路にアノードオフガスを導かずに水素供給手段によって水素ガスを燃料電池に供給した後に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定して、測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサを補正するセンサ補正手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記センサ補正手段は、前記燃料電池の発電処理を開始した際に、前記水素濃度センサを補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記センサ補正手段は、前記水素供給手段によって水素ガスを前記燃料電池に所定量以上供給した後に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定して、水素濃度センサを補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸化ガスとを燃料電池に供給して、燃料電池の電解質を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。
【０００３】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路に水素濃度センサを設けてアノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度を測定するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−９５３００号公報
【特許文献２】特開２００４−８９８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記水素濃度センサによって測定する水素濃度は、例えば循環系のシステムにおいて燃料電池に導くアノードオフガスの流量調整等、燃料電池システムの各種制御に用いられている。よって、水素濃度センサは、高い測定精度が求められている。しかし、水素濃度センサは、長期間の使用に伴ってその精度が低下して誤差が生じことがある。
【０００５】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、水素濃度を測定する水素濃度センサを備えた燃料電池システムにおいて、水素濃度センサの測定誤差を低減し、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、前記水素供給手段から供給される水素ガスが通る水素供給通路と、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路と、前記水素供給通路とアノードオフガス通路とを繋ぎ、アノードオフガスを水素供給通路に導く水素循環通路と、前記水素供給通路と前記水素循環通路の合流部より下流の水素供給通路上に配置された水素濃度センサと、前記水素供給通路にアノードオフガスを導かずに水素供給手段によって水素ガスを燃料電池に供給した後に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定して、測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサを補正するセンサ補正手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、前記水素濃度センサを補正するセンサ補正手段を備えており、当該センサ補正手段によって水素濃度センサを補正することができる。本発明は、燃料電池から排出されたアノードオフガスを再び燃料電池に導く循環システムを備えた燃料電池システムであって、前記センサ補正手段は、前記水素供給通路にアノードオフガスを導かずに水素供給手段からの水素ガスを燃料電池に供給した後に、水素濃度センサによって測定した水素濃度に基づいて水素濃度センサを補正する。
【０００８】
前記アノードオフガスには、燃料電池の発電停止中に電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過した窒素等の不純物ガスのみならず、燃料電池に供給された水素ガスが含まれる。このアノードオフガスをシステム外へ排出すると、高濃度の水素ガスが排出さ
れる。よって、前記水素循環通路を介してアノードオフガスを水素供給通路に導き、アノードオフガスに含まれる水素ガスを再び燃料電池に導き、排出する水素ガスの濃度を低減する。
【０００９】
前記水素濃度センサは、前記水素供給通路と前記水素循環通路との合流部より下流の水素供給通路に設けられており、通路内のガスに含まれる水素濃度を測定する。この測定した水素濃度に基づいて、燃料電池に導くアノードオフガスの流量調整等の各種制御が行われる。
【００１０】
本発明は、前記水素濃度センサの測定値が一定値となる状態、すなわち水素循環通路内の水素濃度が一定値となる状態において水素濃度センサによって水素濃度を測定し、当該測定値と推定される一定値との差を誤差として、水素濃度センサを補正する。
【００１１】
より具体的には、前記水素供給通路にアノードオフガスを導かずに水素供給手段によって水素ガスを燃料電池に供給して、水素供給通路にアノードオフガスでなく水素供給手段からの純水素ガスを流入させる。この水素ガスの供給と水素濃度との関係は一定の関係となる。そして、水素濃度センサの水素濃度が一定値と推定される状態で実際に水素濃度を測定し、当該測定値と理論値とが一致していない場合に誤差を補正する。
【００１２】
このように、水素濃度を推定できる状態で実際に水素濃度を測定し、当該測定値に基づいて水素濃度センサを補正することにより、長期間の使用において水素濃度センサが劣化して誤差が生じても、適宜センサを補正することが可能となり、水素濃度の測定精度を維持することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムの前記センサ補正手段は、前記燃料電池の発電処理を開始した際に、前記水素濃度センサを補正することを特徴とすることが望ましい。燃料電池の発電停止中は、燃料電池内のガス圧はほぼ大気圧に低下する。しかし、燃料電池の発電中の制御圧は一般的に大気圧より高いため、発電を開始した際に水素ガスの供給を開始すると水素供給通路に水素ガスが流れ、水素濃度センサの周囲の水素濃度は高くなる。よって、燃料電池の発電開始後に前記補正処理を行うことにより、水素濃度センサの測定値を任意の一定値に導きやすくなり、補正精度を向上させることができる。
【００１４】
また、前記センサ補正手段は、前記水素供給手段によって水素ガスを前記燃料電池に所定量以上供給した後に、前記水素濃度センサによって水素濃度を測定し、水素濃度センサを補正することを特徴とすることが望ましい。
【００１５】
水素供給装置から供給する水素ガス量によって、水素濃度センサの周囲の水素濃度は変化する。前記水素濃度センサの周囲の水素濃度が所定値となる水素ガスの供給量を予め算出し、算出した量の水素ガスを供給した際に水素濃度センサを補正することにより、適宜の水素濃度で補正できるため、補正精度を向上させることができる。
【００１６】
前記所定量は、水素供給通路の容積等に応じて、適宜に設定することが望ましい。例えば、前記センサ補正手段による補正処理を水素濃度が略１００％となる状態で行う場合には、略１００％となる水素供給量を予め算出して、当該量の水素ガスを供給した状態で補正を行う。これにより、水素濃度が１００％に近い状態で補正できるため、補正精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、水素濃度センサの誤差を補正することができるため、長期間の使用においても水素濃度センサの測定精度を維持することが可能となる
。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システム１０は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池１と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１に水素ガスを供給する水素供給装置としての高圧水素タンク２と、前記高圧水素タンク２の開放弁６と、前記高圧水素タンク２から放出された水素ガスの圧力を調整する調圧弁７と、前記燃料電池１に供給する空気が通る酸化ガス供給通路２４と、前記酸化ガス供給通路２４上に設けられ、燃料電池１に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ８と、高圧水素タンク２から燃料電池１に供給される水素ガスが通る水素供給通路２１と、前記燃料電池１のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路２２と、前記アノードオフガス通路２２と水素供給通路２１とを繋ぐ水素循環通路２３と、水素循環通路２３上に設けられ、アノードオフガスを水素供給通路２１に導く水素ポンプ３と、前記水素供給通路２１と水素循環通路２３との合流部より下流の水素供給通路２１上に設けられた水素濃度センサ４と、前記アノードオフガス通路２２上に設けられ、アノードオフガスをシステム外へ排出する排出弁９と、前記燃料電池１のカソード側から排出されるカソードオフガスの調圧弁１１と、前記高圧水素タンク２による水素ガスの供給等各種制御を行うＥＣＵ５と、を備えている。
【００２０】
前記燃料電池１は、高圧水素タンク２から供給される水素ガスと、酸化ガス通路２４から供給される酸化ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを得る。前記燃料電池１のアノード（燃料極）側からは、発電に供されなかった残留水素ガス、燃料電池１の電解質膜を介して透過した窒素ガス等を含んだアノードオフガスがアノードオフガス通路２２を介して排出される。
【００２１】
前記アノードオフガス通路２２は、アノードオフガスを排出するオフガス排出通路２５が連通しており、前記排出弁９の開閉操作を行ってアノードオフガスをシステム外へ排出することができる。しかし、アノードオフガスには水素ガスが含まれており、そのまま排出すると高濃度の水素ガスがシステム外へ放出されるおそれがある。よって、アノードオフガスを再度燃料電池１に導くため、前記アノードオフガス通路２２と水素供給通路２１とを繋ぐ水素循環通路２３が設けられている。水素循環通路２３には水素ポンプ３が設けられており、当該水素ポンプ３によって必要に応じてアノードオフガスを水素供給通路２１に導き、燃料電池１に供給することができる。
【００２２】
本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１の発電状態、アノードオフガスの水素濃度等に基づいて、高圧水素タンク２からの水素ガス又はアノードオフガスを適宜に選択して燃料電池１に導く。
【００２３】
前記水素濃度センサ４は、前記水素供給通路２１を通って燃料電池１に供給される水素ガスの水素濃度を測定する。水素濃度センサ４によって測定された値はＥＣＵ５に入力される。ＥＣＵ５は、燃料電池１の発電処理時に、水素濃度に基づいて、水素ポンプによって循環させるアノードオフガスの流量を調整し、燃料電池１内の水素ガス不足を抑制する制御等の各種制御を行う。
【００２４】
前記水素濃度センサ４の測定値は、燃料電池システム１０の各種制御に用いられるため、水素濃度センサ４の測定精度は高いことが望ましい。しかし、水素濃度センサ４は長期間の使用において劣化を伴うため、測定精度が低下することがある。本実施の形態は、水素濃度センサ４の誤差を補正するものである。
【００２５】
具体的には、燃料電池１に高圧水素タンク２からの水素ガスのみを所定量供給して（アノードオフガスを供給せず）、水素濃度センサ４の近傍の水素濃度を略１００％と推定できる状態とする。この状態で水素濃度センサ４によって水素濃度を実際に測定する。測定した水素濃度が理論値である１００％でなければ誤差が生じているとして水素濃度センサ４の補正値を算出する。そして、算出した補正値を反映した水素濃度に基づいて、燃料電池１に導くアノードオフガスの流量の調整等燃料電池システム１０の各種制御を行う。
【００２６】
以下、図２に示すフローチャートに基づいて、本実施の形態に係る水素濃度センサ４の補正処理について詳細に説明する。当該制御は前記ＥＣＵ５によって実行されるルーチンである。
【００２７】
水素濃度センサ４の補正処理は、燃料電池１の発電開始時に行う。発電停止時は燃料電池１内のガス圧が発電処理時より低下している。この状態で水素ガスを供給すると、水素濃度センサ４が設置されている水素供給通路２１内に純水素ガスが流れ、水素濃度センサ４の近傍を略１００％とすることができる。
【００２８】
前記ＥＣＵ５は、起動信号を受け付けると、高圧水素タンク２からの水素ガスの供給を開始する（ステップ１０１）。なお、ステップ１０１は燃料電池１の発電処理前であり、水素ポンプ３は停止しているため、水素供給通路２１には高圧水素タンク２からの水素ガスのみが流入する。
【００２９】
次いで、ＥＣＵ５は、高圧水素タンク２から供給された水素ガス量を測定する（ステップ１０２）。水素ガス量を測定することにより、水素濃度センサ４の近傍の水素濃度が略１００％となるタイミングを推定することができる。ＥＣＵ５は、前記高圧水素タンク２から供給された水素ガス量が所定量となるのを待って（ステップ１０３）、前記水素濃度センサ４によって水素濃度を測定する（ステップ１０４）。
【００３０】
前記所定量とは、当該量の水素ガスが供給されることにより水素濃度センサ４近傍の水素濃度が１００％となると推定される量である。よって、前記所定量の水素ガスを供給した状態において水素濃度を実際に測定し、測定値が理論値である１００％と異なる場合は水素濃度センサを補正する。
【００３１】
ＥＣＵ５は、後述の各種制御において水素濃度センサ４の誤差を補正する補正値αを算出する（ステップ１０５）。所定量の水素ガスを供給した後の水素濃度の理論値（本実施の形態では１００）を実際の測定値で除した値が補正値αとなり、後述するステップ２０２の水素濃度の補正において測定値に乗じる値となる。前記補正値αを算出した後は、通常の発電処理を行う。
【００３２】
ステップ２０１以下は発電中の処理である。ＥＣＵ５は、水素濃度センサ４によって水素供給通路２１内の水素濃度を測定する。水素濃度に基づいて燃料電池１に導くアノードオフガスの流量を調整するためである。
【００３３】
次いで、ステップ２０１の測定値にステップ１０５で算出した補正値αを乗じて、前記水素循環流量制御の基準となる水素濃度を設定する（ステップ２０２）。これにより水素濃度センサ４の誤差を適宜に補正することが可能となる。前記水素濃度センサ４の補正処理を適宜実施することにより、長期間使用して経時劣化した際においても誤差を補正して、測定精度を維持することが可能となる。
【００３４】
なお、前記実施形態では、ステップ１０５で算出した値、すなわち1回の測定で算出し
た値を補正値αとしたが、例えば、複数回算出してその平均値を補正値としてもよいし、補正値に上限と下限を設けてもよい。このように、補正値を適宜設定することにより、補正値の測定精度を向上させ、更に測定誤差を低減することが可能となる。
【００３５】
また、前記実施の形態では、水素ガスの供給量に基づいて水素濃度センサ４の近傍の水素濃度が略１００％となるタイミングを測ったが、本発明は、水素濃度センサ４の近傍の水素濃度が所定濃度となるタイミングを測れる構成であれば良く、前記供給量による制御に制限されない。例えば、水素供給開始からの経過時間によって水素濃度が略１００％となるタイミングを測ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池システムの処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池
２  高圧水素タンク
３  水素ポンプ
４  水素濃度センサ
５  ＥＣＵ
６  開放弁
７  調圧弁
８  エアコンプレッサ
９  排出弁
１１  調圧弁
２１  水素供給通路
２２  アノードオフガス通路
２３  水素循環通路
２４  酸化ガス供給通路
２５  オフガス排出通路
【図１】
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【図２】
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