JP2005294160A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水素、または空気の湿度を正確に検出する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素と空気によって発電する燃料電池1と、水素、または空気中の湿度を検出する湿度検出器12、13、34、35を備え、湿度検出器12、13、34、35内に、燃料電池の温度を調整する冷却液を供給し、湿度検出器12、13、34、35の温度を湿度検出器12、13、34、35が検出する水素、または空気とほぼ等しい温度とする。
【選択図】 図1
【解決手段】水素と空気によって発電する燃料電池1と、水素、または空気中の湿度を検出する湿度検出器12、13、34、35を備え、湿度検出器12、13、34、35内に、燃料電池の温度を調整する冷却液を供給し、湿度検出器12、13、34、35の温度を湿度検出器12、13、34、35が検出する水素、または空気とほぼ等しい温度とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に燃料電池に供給する水素または空気の湿度を検出する湿度検出器に関するものである。
燃料電池システムにおいて、燃料電池に固体高分子型燃料電池を使用する場合には、アノードでは高分子電解質膜を水素のプロトンを通過させるためには水分が必要となり、また、カソードでは水が生成される。そのため、燃料電池を高効率で発電させるためには、燃料電池の水分、すなわち湿度の管理が重要になる。そこで、燃料電池には湿度検出器を備え、水素と空気の湿度を制御する。
従来、湿度検出装置に均熱板を設け、湿度検出部の温度を安定させ、正確な湿度検出を行うものが、特許文献1に開示されている。
特開平7−92118号公報
しかし、上記の発明では、湿度検出部から検出された湿度の信号を導線を伝い外部へ伝達する際に、導線を伝わって湿度検出部の熱が外部へ伝わり、実際の流体の温度と湿度検出部の温度が異なる場合が生じる。そのため、湿度検出部が実際の流体の湿度と異なる湿度を電気信号として外部へ伝達し、正確な測定を行うことができない、といった問題点がある。
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、湿度検出部から外部への熱の伝達を小さくし、正確な湿度検出を行うことを目的とする。
本発明では、水素と酸化剤によって発電する燃料電池と、燃料電池と連通する配管内の湿度を検出する湿度検出部と、湿度検出部の信号を取り出す導線と、を有する湿度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、湿度検出手段は、その内部に、例えば燃料電池を冷却する冷却液が通る流体循環部と、流体循環部に冷却液を導入する流体導入配管と、流体循環部から冷却液を排出する流体排出配管を備える。
本発明によると、湿度検出手段に、例えば湿度検出部の温度と近い冷却液を湿度検出手段の内部に循環させるので、湿度検出部から導線を伝い、熱伝導による湿度検出部の温度低下を小さくすることができ、湿度検出部による湿度検出を正確に行うことができる。
本発明の燃料電池システムの第1実施形態の構成を図1の構成図を用いて説明する。この実施形態では、水素と空気(酸化剤)によって発電を行う燃料電池1と、燃料電池1のアノード1aに水素を供給する水素供給系2と、燃料電池1のカソード1bに空気を供給する空気供給系3と、燃料電池1を冷却する冷却系4、燃料電池システムを制御するコントローラ70と、から構成される。
まず、水素供給系2は、アノード1aに供給する水素を蓄える水素タンク5と、水素タンク5から供給される水素の温度を調整する加熱器6と、水素タンク5からアノード1aに供給される水素の流量を調整する水素流量制御弁7と、アノード1aから排出された排出水素を再びアノード1aへ循環する循環流路8と、循環流路8に設けられ、排出水素を循環させる水素循環ポンプ9と、排出水素の一部を図示しないバーナーへ送る排出流路10と、循環流路8と排出流路10へ流れる排出水素の流量を調整する流量制御弁11を備える。また、自己加湿機能を有する燃料電池1においては必要ないが、自己加湿機能を有しない燃料電池1においては水素の湿度を制御する加湿器14と、加湿器14で使用する加湿用の水を蓄える水タンク15を備える。また、アノード1aの上流にアノード1aに供給される水素の湿度を検出する湿度検出器12と、アノード1aの下流にアノード1aから排出される排出水素の湿度を検出する湿度検出器13を備える。
加熱器6は水素ボンベ5から供給された水素を燃料電池1と後述する熱交換を行い暖められた冷却液の熱によって水素を温める。また、それとは別に外部からの熱と熱交換を行い、水素を温めてもよい。
自己加湿機能を有しない燃料電池1においては、加湿器14は、水タンク15から供給された水によって水素を加湿し、加湿した水素を燃料電池1のアノード1aに供給する。この加湿器14は、加湿するために水を温める加熱部を備え、十分に加熱された水によって水素を加湿する。なお、この温められた水を湿度検出器12、13内の後述する各空洞部26に供給してもよい。
湿度検出器12の詳しい構成について図2を用いて説明する。湿度検出器12は、湿度検出手段であり、アノード1aに供給される水素の湿度を検出し、その湿度を電気信号として発信する湿度検出部である湿度センサ20と、湿度センサ20で検出された湿度の信号を外部へ伝達する導線である電線21と、複数の電線21を束ねる電線カバー27と、水素が流れる配管22に湿度検出器12を取り付るセンサボディ23を備える。また、センサボディ23内に冷却液を供給する(導入させる)流体導入配管である冷却液導入配管24と、冷却液をセンサボディ23から排出する流体排出配管である冷却液排出配管25を備える。なお、冷却液は後述する冷却系4によって燃料電池1と熱交換を行い、加熱されている。
湿度センサ20は、流路を流れる流体の湿度に応じて変化する電気抵抗や電気容量を検出する検出装置である。そして、その変化量に基づく電気信号を発信する。
センサボディ23は内部に流体循環部である空洞部26を有しており、その空洞部26が冷却液導入配管24と冷却液排出配管25と連通する。また、空洞部26に電線21が配設され、冷却液導入配管24から供給される冷却液と熱交換を行う。これによって、電線21を冷却液によって加熱、冷却することができる。なお、電線21は、絶縁部材で覆われており、冷却液と電気的には接続されていない。また、電線カバー27とセンサボディ23との間には、シール材28が設けられており、冷却液が湿度検出器12の外部へリークするのを防いでいる。また、電線21を空洞部26の外壁に埋め込み、外壁を通じて電線21を温めてもよい。
冷却液導入配管24と冷却液排出配管25は、空洞部26の一端であり、湿度検出器12の先端とは反対側に位置する端部において空洞部26と連通する。
湿度検出器13の構成は、湿度検出器12と同じなので、ここでの説明は省略する。なお、湿度検出器13にはアノード1aに供給する水素の代わりにアノード1aから排出された排出空気の湿度を検出する。
次に、空気供給系3は、外部より空気を取り込みカソード1bに供給するブロア30と、ブロア30によって取り入れた空気を冷却液によって加熱する空気温度調整器31と、空気温度調整器31によって加熱(冷却)された空気をカソード1bから排出された排出空気の熱によって更に空気の温度を調整し、更にカソード1bで生成された水によって、空気を加湿する水熱回収器32と、を備える。また、カソード1bに供給される空気の湿度を検出する湿度検出手段である湿度検出器33と、カソード1bから排出される排出空気の湿度を検出する湿度検出手段である湿度検出器34を備える。
空気温度調整器31は、ブロア30によって取り入れられた空気を後述する冷却液供給路42から供給される冷却液によって加熱または冷却する。これは水熱回収器32だけでは空気の温度調整が難しいので、事前に空気温度調整器31によって空気の温度を調整する。空気温度調整器31は、冷却液の温度と空気の温度に基づいて冷却液の流量を流量調整弁47によって調整することで空気の温度を調整できる。例えば氷点下での運転の場合など外部から取り入れる空気が冷たい場合には、冷却液によって空気を温めることができる。
水熱回収器32は、燃料電池1の発電によって生成された水と熱を、カソード1bから排出される排出空気から、カソード1bに供給する空気に中空糸膜を介して熱交換と水回収を同時に行い、カソード1bに供給する空気の加熱および加湿を行う。
湿度検出器34、35の構成は、湿温度検出器12と同じなので、ここでの説明は省略する。なお、湿度検出器34ではカソード1bに供給する空気の湿度を検出し、湿度検出器35ではカソード1bから排出された排出空気の湿度を検出する。
次に冷却系4は、燃料電池1と熱交換を行い燃料電池1の温度を制御する冷却液を貯留する冷却液貯留手段である冷却液タンク40と、冷却液を燃料電池1へ供給する冷却液ポンプ41と、冷却液を燃料電池1へ供給する冷却液供給路42と、燃料電池1と熱交換を行い温められ、燃料電池1から排出される冷却水を再び冷却液タンク40へ貯留させる冷却液排出路43と、冷却液排出路43内の冷却液を冷却するラジエータ44と、冷却ファン48を備える。
冷却液供給路42では冷却液ポンプ41によって冷却液タンク40から燃料電池1に供給される冷却液の一部が分岐部45において分岐し、湿度検出器12、34の冷却液導入配管25と、空気温度調整器31に供給される。湿度検出器12、34に供給された冷却液は、空洞部26によって電線21を温め、その後冷却液排出配管25から排出され、冷却液タンク40に戻される。また、空気温度調整器31に供給された冷却液は、空気と熱交換を行った後に、ラジエータ44の上流で冷却液排出路43を流れる冷却液に合流する。なお、分岐部45と空気温度調整器31の間には、冷却液の流量を調整する流量調整弁47を設ける。
冷却液排出路43では燃料電池1と熱交換を行い加熱された冷却液の一部が、分岐部46において分岐し、湿度検出器13、35の冷却液導入配管25に供給される。湿度検出器13、35に供給された冷却液は、空洞部26によって電線21を温め、その後冷却液排出配管25から排出され、冷却液タンク40に戻される。残りの冷却液は加熱器6において水素を加熱し、その後ラジエータ44によって冷却され、冷却液タンク40に戻される。ラジエータ44の上流において、空気温度調整器31を通った冷却液と加熱器6を通った冷却液が合流する。
冷却液は燃料電池1に供給される前、すなわち比較的温度の低い冷却液の一部が並列に接続される湿度検出器12、34にそれぞれ供給され、燃料電池1に供給された後、すなわち比較的温度の高い冷却液の一部が並列に接続される湿度検出器13、35にそれぞれ供給される。これは、この実施形態の燃料電池システムにおける冷却液の温度と燃料電池1を通る水素、または空気の温度の関係によるものであり、その関係について図3を用いて説明する。なお、図3は、燃料電池1の起動からの時間変化に対する燃料電池1の負荷と冷却液の温度、燃料電池1の入口と出口での水素と空気の温度変化を示した図である。これによると、燃料電池1へ供給される冷却液の温度と、アノード1aに供給される水素の温度、またはカソード1bに供給される空気の温度が近い温度となり、燃料電池1から排出される冷却液の温度と、アノード1aから排出される排出水素の温度、またはカソード1bから排出される排出空気の温度が近い温度となっていることがわかる。
つまり、アノード1a、カソード1bの上流に設けられる湿度検出器12、34の水素、または空気の温度も燃料電池1に供給される冷却液の温度と近い温度となっており、アノード1a、カソード1bの下流に設けられる湿度検出器13、35の排出水素、または空気の温度も燃料電池1から排出される冷却液の温度と近い温度となっている。そのため、湿度検出器12、34の内部に設けた空洞部26において電線21を温めるために燃料電池1に供給される冷却液の一部を空洞部26に供給し、湿度検出器13、35の内部に設けた空洞部26において電線21を温めるために燃料電池1から排出された冷却液の一部を空洞部26に供給することにより、各湿度検出器12、13、34、35の内部の温度を各湿度センサ20の温度と近い温度にすることができる。これによって、例えば湿度センサ20から電線21を伝いセンサボディ23などへの熱伝導による湿度センサ20の温度低下を防ぐことができ、実際の流体の温度と湿度センサ20の温度差による測定誤差を小さくすることができる。
ラジエータ44では、冷却水タンク40に設けた図示しない温度センサによって検出された温度に基づいて、冷却液タンク40内の冷却液の温度が、或る所定温度となるように冷却ファン48が制御される。なお、或る所定温度は、燃料電池1の運転状態、すなわち燃料電池1の負荷、温度によって決まる温度である。
冷却液タンクの冷却液は、冷却液供給路42、燃料電池1、冷却液排出路43、加熱器6、ラジエータ44間を循環する。冷却液の一部は冷却液供給路42、湿度検出器12、34を循環する。また、冷却液排出路43、湿度検出器13、35間を循環する。更に、冷却液供給路42、空気温度調節器31、ラジエータ44間を循環する。
コントローラ70は、ブロア15などによる各流量の調整や流量調整弁64など開度調整を行う。
この実施形態では、燃料電池1のアノード1a、カソード1bに供給する水素、空気、またはアノード1a、カソード1bから排出される排出水素、排出空気の湿度を検出する湿度検出器12、13、34、35の内部に、燃料電池1を冷却する冷却液を流すことにより、湿度検出器12、13、34、35の温度を検出する水素、空気の温度と近い温度とする。
なお、この実施形態では、湿度検出器12と湿度検出器34を並列に、また湿度検出器13と湿度検出器35を並列に接続したが、図4に示すように、湿度検出器12と湿度検出器34を直列に、また湿度検出器13と湿度検出器35を直列に接続してもよい。なお、このとき直列に接続した湿度検出器は検出する流体の温度が高い方を上流とする。
また、図5に示すように、湿度検出器12、13、34、35を直列に接続し、燃料電池1から排出された冷却液を順次供給してもよい。なお、このとき直列に接続した湿度検出器は検出する流体の温度が高い方を上流とする。
このように湿度検出器を直列に接続することで、冷却液が流れる配管を燃料電池システム内で簡略化することができ、燃料電池システムをシンプルにし、コストを削減することができる。
また、湿度検出器12、13、34、35の内部に冷却液を供給したが、この代わりに加湿用の水を用いてもよい。
本発明の第1実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、湿度検出器12、13、34、35の内部に設けた空洞部26に燃料電池1と熱交換を行う冷却液を供給し、湿度センサ20と接続し湿度センサ20からの電気信号を外部へ伝達する電線21を各空洞部26で各湿度センサ20とほぼ等しい温度の冷却液によって温めるので、湿度センサ20から電線21を伝い、例えばセンサボディ23への熱伝導による湿度センサ20の温度低下を防ぐことができる。これによって、湿度センサ20と流体(水素、空気)の温度をほぼ等しくすることができ、流体の湿度を正確に検出することができる。
また、湿温度検出器12、13、34、35が検出する流体に近い温度の冷却液を各空洞部26に供給することにより、各湿度検出器の温度を検出する流体の温度に近い温度とすることができ、流体の湿度をより正確に検出することができる。
次に本発明の第2実形態について図6を用いて説明する。第2実施形態は第1実施形態とは湿度検出器12、13、34、35の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。
この実施形態では、空洞部26に整流板として仕切り板50を設ける。その他の構成については、図2に示す構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。この構成によって冷却液を空洞部26の全体に流すことができる。
仕切り板50は、空洞部26の2本の電線21間に設けられ、また冷却液導入配管24を通り供給される冷却液の流れに対して略垂直となるように設けられる。これにより、空洞部26の一端に連通する冷却液導入配管24から供給される冷却液が仕切り板50に衝突し、空洞部26の先端、つまり湿度検出器12、13、34、35の先端側まで確実に送られるので、空洞部26内、特に空洞部26の先端側で冷却液が淀むのを防ぐことができる。なお、仕切り板50には、流体が空洞部26に均一に分布し、更に仕切り板50による流れの抵抗が大きくならないように穴などを設けてもよい。
また、この実施形態では、仕切り板50を設けたが、この代わりに図7に示すように電線21に受熱板として平面部51を設けてもよい。なお、この平面部51は冷却液導入配管24を通り供給される冷却液の流れに対して略垂直となるように設けられる。
平面部51を設けるので、冷却液が空洞部26内で均一に拡がり、電線21の温度を均一にすることができ、湿度センサ20から温度が熱伝導により伝達され難くなり、湿度センサ20と流体の温度差を小さくすることができる。
以上で説明した構成は、湿度検出器12、13、34、35に適用する。
本発明の第2実施形態の効果について説明する。
この実施形態によって、湿度検出器12、13、34、35の各空洞部26に供給された冷却液が空洞部26の全体に拡がり、空洞部26内で冷却液の淀みを少なくするので、電線21の全体の温度を冷却液の温度に近づけることができ、湿度センサ20からの熱伝導を小さくし、湿度センサ20と流体の温度をより近くすることができ、流体の湿度をより正確に検出することができる。
次に本発明の第3実施形態について図8を用いて説明する。第3実施形態は第1実施形態とは湿度検出器12、13、34、35の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。
この実施形態では、冷却液が供給される冷却液導入配管24を電線カバー27の内部を通し、空洞部26の先端、つまり湿度検出器12、13、34、35の先端側まで設ける。その他の構成については、図2に示す構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。この構成により、冷却液を空洞部26の先端側まで供給することができる。
冷却液導入配管24は、電線カバー27内を通り、空洞部26では2本の電線21に挟まれ、空洞部26の先端側まで延びている。つまり、冷却液導入配管24が湿度検出器12の軸方向に沿って空洞部26内まで突設され、冷却液を空洞部26に供給する。これにより冷却液が空洞部26の先端側、つまり湿度検出器12の先端側へ向けて冷却液が供給され、先端側まで確実に冷却液が送られ、その後空洞部26の反対側に位置する冷却液排出配管25から冷却液が排出されるので、空洞部26内で冷却液が淀むのを防ぐことができる。なお、冷却液導入配管24と冷却液排出配管25を入れ替えて配置してもよい。
なお、電線21については、図9に示すように、冷却液導入配管24の外壁に沿って螺旋状に巻き付けてもよい。これにより、電線21と冷却液の接触面積が増加するので、電線21の温度をより冷却液に近づけることができる。
以上で説明した構成は、湿度検出器12、13、34、35に適用する。
本発明の第3実施形態の効果について説明する。
冷却液導入配管24を電線カバー27内を通し、空洞部26の先端側まで配置し、冷却液排出配管25を冷却液導入配管24とは遠い空洞部26に連通させるので、空洞部26内で冷却液が全体に拡がり、空洞部26内で冷却液の淀みを少なくすることができ、空洞部26内を冷却液とほぼ等しい温度にすることができる。これにより、湿度センサ20からの熱伝導を小さくし、湿度センサ20と流体の温度をより近くすることができ、流体の湿度をより正確に検出することができる。
また、電線21が冷却液導入配管24と直接接触するので、冷却液導入配管24から直接電線21を温めることができるので、電線21の温度を素早く温めることができる。また、電線21と冷却液の接触面積が増加するので、電線21の温度と冷却液の温度をより近づけることができる。
次に本発明の第4実形態について図10を用いて説明する。第4実施形態は第1実施形態とは湿度検出器12、13、34、35の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。
この実施形態では、冷却液導入配管24に冷却フィン60、冷却フィン60を冷却する冷却ファン61を備える(冷却フィン60と冷却ファン61が温度制御装置を構成する)。そして、冷却液排出配管25の冷却液の温度を検出する流体温度検出手段である温度センサ62と、湿度センサ20の温度を検出する湿度検出部温度検出手段である温度センサ63を備える。その他の構成については、図2に示す構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。この構成により冷却液導入配管24の冷却液の温度が流体の温度よりも高くなった場合に、冷却液の温度を制御することができる。なお、湿度センサ20の温度を検出する代わりに、湿度センサ20の近傍、すなわち湿度センサ20の外部に外部温度検出手段として温度センサ66を設け、水素、または空気の温度を検出してもよい。
次に冷却ファン61を制御するコントローラ70の制御動作について図11のフローチャートを用いて説明する。なお、この制御は、或る所定の間隔(例えば、100ms)で行われる。
ステップS1100では、温度センサ62によって冷却液の温度T1を検出する。また、温度センサ63によって湿度センサ20付近の流体の温度T2を検出する。なお、この実施形態では、湿度センサ20付近の流体の温度を検出したが、湿度センサ20の外部の流体の温度を検出してもよい。
ステップS1101では、冷却液の温度T1と流体の温度T2の温度差を算出し、温度差が或る所定温度差T3よりも大きい場合にはステップS1102へ進み、或る所定温度差T3よりも小さい場合にはステップS1103へ進む。
ステップS1102では、冷却ファン61を動作させ、冷却フィン60を冷却し、冷却フィン60内部の冷却液を冷却し本制御を終了する。
ステップS1103では、流体の温度T2と冷却液の温度T1の温度差を算出し、T2とT1の温度差が或る所定温度差T4よりも大きくなるとステップS1104へ進み、或る所定温度差T4よりも小さい場合には本制御を終了し現状を維持する。
ステップS1104では、冷却ファン61を停止し冷却を中止し本制御を終了する。
所定温度差T4とT3は等しくても良いが、放熱等を考慮し違う値に設定し制御温度にオフセットを付けることも可能である。また温度差は或る所定温度差の範囲に収められるとともにハンチングを防止する。(ステップS1100からステップS1104が流体温度制御手段を構成する)。
所定温度差T4とT3は等しくても良いが、放熱等を考慮し違う値に設定し制御温度にオフセットを付けることも可能である。また温度差は或る所定温度差の範囲に収められるとともにハンチングを防止する。(ステップS1100からステップS1104が流体温度制御手段を構成する)。
この制御により、湿度検出器内の冷却液の温度、すなわち電線21の温度を湿度センサ20付近の温度とほぼ等しくすることができる。
以上で説明した構成、制御は、湿度検出器12、13、34、35に適用する。
本発明の第4実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、湿度検出器12、13、34、35内に供給される冷却液の温度を冷却ファン61によって冷却することができ、冷却液の温度が流体の温度よりも高くなった場合でも、湿度検出器内の温度、つまり湿度センサ20の温度を流体の温度とほぼ等しくすることができ、流体の湿度を正確に検出することができる。
また、湿度検出器12、13、34、35に供給される各冷却液の温度を制御することができるので、各湿度検出器12、13、34、35が検出する流体の温度に応じて、電線21の温度を制御し、流体の湿度をより正確に検出することができる。
次に本発明の第5実形態について図12を用いて説明する。第5実施形態は第4の実施形態と湿度検出器12、13、34、35の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。
この実施形態では、冷却フィン60と冷却ファン61の代わりに、湿度検出器12、13、34、35の冷却液導入配管24の上流に湿度検出器12、13、34、35に供給される冷却液の流量を制御する流量制御装置である流量制御弁64をそれぞれ備える。その他の構成については図10に示す構成と同じなのでここでの説明は省略する。この構成によっても冷却液導入配管24の冷却液の温度を調整することができる。
次にコントローラ70の制御動作について図13のフローチャートを用いて説明する。
ステップS1300では、温度センサ62によって冷却液の温度T1を検出する。また、温度センサ63によって湿度センサ20付近の流体の温度T2を検出する。なお、この実施形態では、湿度センサ20付近の流体の温度を検出したが、湿度センサ20の外部の流体の温度を検出してもよい。
ステップS1301では、冷却液の温度T1と流体の温度T2の温度差を算出し、温度差が或る所定温度差T3よりも大きい場合にはステップS1302へ進み、或る所定温度差T3よりも小さい場合にはステップS1303へ進む。
ステップS1302では、流量制御弁64によって湿度検出器へ供給される冷却液の流量を少なくする。なお、この流量は、ステップS1301によって算出されたT1とT2の温度差に応じて予め設定される流量であり、図示しないマップなどから読み出す。
ステップS1303では、流体の温度T2と冷却液の温度T1の温度差を算出し、T2とT1の温度差が或る所定温度差T4よりも大きくなるとステップS1304へ進み、或る所定温度差T4よりも小さい場合には本制御を終了し現状を維持する。
ステップS1304では、流量制御弁64によって湿度検出器へ供給される冷却液の流量を多くする。なお、この流量は、ステップS1303によって算出されたT1とT2の温度差に応じて予め設定される流量であり、図示しないマップなどから読み出す。
所定温度差T4とT3は等しくても良いが、放熱等を考慮し違う値に設定し制御温度にオフセットを付けることも可能である。また温度差は或る所定温度差の範囲に収められるとともにハンチングを防止する。(ステップS1300からステップS1304が流体温度制御手段を構成する)。
所定温度差T4とT3は等しくても良いが、放熱等を考慮し違う値に設定し制御温度にオフセットを付けることも可能である。また温度差は或る所定温度差の範囲に収められるとともにハンチングを防止する。(ステップS1300からステップS1304が流体温度制御手段を構成する)。
この制御により、湿度検出器内の冷却液の温度、すなわち電線21の温度を湿度センサ20付近の温度とほぼ等しくすることができ、冷却液の温度が流体の温度よりも高くなった場合でも、湿度検出器の温度を一定にすることができる。
以上で説明した構成、制御は、湿度検出器12、13、34、35に適用する。
本発明の第5実施形態でも第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
次に本発明の第6実形態について図14を用いて説明する。第6実施形態の構成については第4実施形態の温度センサ62、63の代わりに燃料電池1の負荷を検出する燃料電池出力検出手段として負荷検出センサ65を備える。その他の構成については第4実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。この構成によっても冷却液導入配管24の冷却液の温度を制御することができる。
負荷検出センサ65は、燃料電池1の出力電流を検出する電流検出手段である電流センサである。この電流センサの電流と燃料電池1の負荷の関係を図15に示す。これよると燃料電池1の出力電流に対応して燃料電池1の負荷が決まり、出力電流が大きくなると燃料電池1の負荷も大きくなる。
また、図16は燃料電池1の負荷の変化と、そのときの冷却液の温度、水素温度、空気温度の変化を示した図である。これにより、燃料電池1に負荷が変化するとその負荷に応じて冷却液の温度、水素温度、空気温度が変化する。つまり、図15、16から燃料電池1の出力電流を検出することで、冷却液、水素、空気の温度を推定することができ、冷却液を冷却するための冷却ファン61の回転数を推定することができる。
次にコントローラ70で行う制御について図17のフローチャートを用いて説明する。
ステップ1700では、電流センサによって燃料電池1の出力電流Isを検出する。そして図15に示すマップより燃料電池1の負荷Pを読み出す。
ステップS1701では、ステップS1700で読み出された負荷Pに応じて冷却ファン61の回転数Rrを図18に示すマップより読み出す。なお、図18のマップは、燃料電池1の負荷Pと冷却ファン61の回転数の関係を示した図であり、予め実験などにより求められる。
ステップS1702では、ステップS1701で読み出された回転数となるように冷却ファン61を制御する。
なお、この実施形態では、負荷検出センサ65として電流センサを設け、燃料電池1の負荷を推定するために燃料電池1の出力電流Isを検出したが、この代わりに水素流量Qaを検出する水素流量検出手段である水素流量センサをアノード1aの上流、または下流に、もしくは空気流量Qhを検出する酸化剤流量検出手段である空気流量センサをカソード1bの上流、または下流に設け、燃料電池1の負荷を推定してもよい。このとき図15と同じように、図19に示す水素流量と燃料電池1の負荷の関係、または図20に示す空気流量と燃料電池1の負荷の関係を予めマップとして備える。また、これらの組み合わせにより、燃料電池の負荷Pを推定してもよい。
以上で説明した構成、制御は、湿度検出器12、13、34、35に適用する。
また、この実施形態の湿度検出器に供給される冷却液の温度制御は、第5実施形態の湿度検出器にも適用することができ、この場合には図21に示すように、冷却ファン61の回転数の制御に代えて、流量制御弁64の開度を調整し、流量を制御する。この時ステップS1701では、図18のマップに代えて、図22に示す燃料電池1の負荷Pと流量制御弁64の開度の関係を示すマップより流量制御弁64の流量Qlを読み出し、ステップS1702では、流量制御弁64の流量を制御する。
本発明の第6実施形態の効果について説明する。
この実施形態によると燃料電池1の負荷に応じて湿度検出器12、13、34、35に供給する冷却液の温度を制御するので、燃料電池1の負荷変化しても、冷却液の温度を素早く制御することができ、湿度検出器内の温度、つまり湿度センサ20の温度を流体の温度とほぼ等しくすることができ、流体の湿度を正確に検出することができる。
次に本発明の第7実施形態について図23を用いて説明する。第7実施形態は第1実施形態とは湿度検出器12、13、34、35の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。
この実施形態では、湿度センサ20の温度を検出する温度センサ63と、湿度センサ20の外部の流体の温度を検出する温度センサ66を備える。また、湿度センサ20によって検出された湿度を補正するコントローラ70を設ける。この構成により、湿度センサ20で検出される湿度を補正する。
ここで、検出する湿度の補正について説明する。まず或る流体(気体)の相対湿度Uは、
U=Xv/Xvs×100≒e/es×100 式(1)
から算出することができる。ここで、Xv:水モル分率、Xvs:飽和水モル分率、e;水蒸気圧、es:飽和水蒸気圧である。
U=Xv/Xvs×100≒e/es×100 式(1)
から算出することができる。ここで、Xv:水モル分率、Xvs:飽和水モル分率、e;水蒸気圧、es:飽和水蒸気圧である。
また、水蒸気圧eは、
e=P×Xv=(mv/V)×(R×T/Mv) 式(2)
から算出することができる。ここで、mv:水蒸気質量、V:気体体積、R:気体定数、T:温度、Mv:水モル質量である。
e=P×Xv=(mv/V)×(R×T/Mv) 式(2)
から算出することができる。ここで、mv:水蒸気質量、V:気体体積、R:気体定数、T:温度、Mv:水モル質量である。
また、絶対湿度dvは、
dv=mv/V 式(3)
から算出することができる。
dv=mv/V 式(3)
から算出することができる。
式(1)〜(3)より、dvは、
dv=U/100×es×Mv/(R×T) 式(4)
と表すことができる。
dv=U/100×es×Mv/(R×T) 式(4)
と表すことができる。
ここで、同一圧力で、同一の気体においては、温度Tが変化しても絶対湿度dvは変化しないので温度TをTg、Tsとし、式(4)より、
Ug×esg/Tg=Us×ess/Ts 式(5)
と表すことができ、更に、
Ug=Us×(ess/esg)×(Tg/Ts) 式(6)
と表すことができる。なお、末尾gの場合は気体温度を示し、末尾sの場合は湿度センサ温度を示す。これにより、例えば、湿度センサ20で検出した湿度を飽和水蒸気圧es、流体温度Tg、湿度センサ20温度Tsによって補正することができる。
Ug×esg/Tg=Us×ess/Ts 式(5)
と表すことができ、更に、
Ug=Us×(ess/esg)×(Tg/Ts) 式(6)
と表すことができる。なお、末尾gの場合は気体温度を示し、末尾sの場合は湿度センサ温度を示す。これにより、例えば、湿度センサ20で検出した湿度を飽和水蒸気圧es、流体温度Tg、湿度センサ20温度Tsによって補正することができる。
ここでは、まず温度センサ63によって湿度センサ20の温度Tsを検出する。また、温度センサ64によって流体の温度Tgを検出する。そして、図24に示すマップより各飽和水蒸気圧ess、esgを読み出し、式(6)から補正相対湿度Ugを算出する。なお、図24のマップは予め用意されており、温度Ts、Tgに対応した飽和水蒸気圧を読み出すことができる。
以上で説明した構成、制御は、湿度検出器12、13、34、35に適用する。
本発明の第6実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、流体の温度と、湿度センサ20の温度によって検出された湿度を補正することができ、流体の湿度を更に正確に検出することができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
流体の湿度を検出する湿度検出装置に利用することができる。
1 燃料電池
5 水素タンク
6 加熱器
12 湿度検出器(湿度検出手段)
13 湿度検出器(湿度検出手段)
20 湿度センサ(湿度検出部)
21 電線(導線)
22 配管
23 センサボディ
24 冷却液導入配管(流体導入配管)
25 冷却液排出配管(流体排出配管)
26 空洞部(流体循環部)
27 電線カバー
32 水熱回生器
34 湿度検出器(湿度検出手段)
35 湿度検出器(湿度検出手段)
40 冷却液タンク(冷却液貯留手段)
42 冷却液供給路
43 冷却液排出路
50 仕切り板(整流板)
51 平面部
60 冷却フィン
61 冷却ファン
62 温度センサ(流体温度検出手段)
63 温度センサ(湿度検出部温度検出手段)
64 流量制御弁
65 負荷検出センサ
66 温度センサ(外部温度検出手段)
70 コントローラ
5 水素タンク
6 加熱器
12 湿度検出器(湿度検出手段)
13 湿度検出器(湿度検出手段)
20 湿度センサ(湿度検出部)
21 電線(導線)
22 配管
23 センサボディ
24 冷却液導入配管(流体導入配管)
25 冷却液排出配管(流体排出配管)
26 空洞部(流体循環部)
27 電線カバー
32 水熱回生器
34 湿度検出器(湿度検出手段)
35 湿度検出器(湿度検出手段)
40 冷却液タンク(冷却液貯留手段)
42 冷却液供給路
43 冷却液排出路
50 仕切り板(整流板)
51 平面部
60 冷却フィン
61 冷却ファン
62 温度センサ(流体温度検出手段)
63 温度センサ(湿度検出部温度検出手段)
64 流量制御弁
65 負荷検出センサ
66 温度センサ(外部温度検出手段)
70 コントローラ
Claims (17)
- 水素が供給されるアノードと、酸化剤が供給されるカソードを有し、原料ガスとしての水素と酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記原料ガスの流通する配管内の湿度を検出する湿度検出部と、前記湿度検出部の信号を取り出す導線と、を有する湿度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記湿度検出手段は、その内部に流体を循環させる流体循環部と、
前記流体循環部に前記流体を導入する流体導入配管と、
前記流体循環部から前記流体を排出する流体排出配管と、を備え、
前記流体は、前記配管の外部の温度よりも前記配管内の前記原料ガス温度に近い前記燃料電池システム内を流れる流体であることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池と熱交換を行い、前記燃料電池の温度を調整する冷却液を蓄える冷却液貯留手段を備え、
前記流体が前記冷却液であ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。 - 前記湿度検出手段は、前記アノード、または前記カソードに供給される前記原料ガスの湿度を検出する場合には、前記燃料電池内に供給される前の前記冷却液を前記流体循環部に導入し、
前記アノード、または前記カソードから排出される前記原料ガスの湿度を検出する場合には、前記流体循環部に前記燃料電池から排出した前記冷却液を導入することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 複数の前記湿度検出手段の前記流体循環部を直列に接続し、
前記アノード、または前記カソードから排出される前記原料ガスの湿度を検出する湿度検出手段を、前記アノード、または前記カソードに供給される前記原料ガスの湿度を検出する湿度検出手段よりも上流に配置し、
前記燃料電池から排出される前記冷却液を前記湿度検出手段に導入することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記湿度検出手段は、前記流体循環部内に前記流体の流れを整える整流板を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記導線を前記流体循環部内に配置し、
前記流体循環部内の前記導線の一部を板状にすることを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 - 前記流体導入配管、または前記流体排出配管のどちらか一方を、前記湿度検出手段の軸方向に沿って前記流体循環部内に挿入することを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記導線を前記流体循環部内に挿入された前記流体導入配管、または前記流体排出配管に巻き付けることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記流体の温度を検出する流体温度検出手段と、
前記湿度検出部の温度を検出する湿度検出部温度検出手段と、
前記流体循環部内の前記流体の温度を制御する流体温度制御手段と、を備え、
前記流体温度検出手段によって検出された流体の温度と、前記湿度検出部温度検出手段によって検出された湿度検出部の温度に基づいて、前記流体循環部内の前記流体の温度を制御することを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載燃料電池システム。 - 前記流体の温度を検出する流体温度検出手段と、
前記湿度検出部の近傍の温度を検出する外部温度検出手段と、
前記流体循環部内の前記流体の温度を制御する流体温度制御手段と、を備え、
前記流体温度検出手段によって検出された流体の温度と、前記外部温度検出手段によって検出された湿度検出部の近傍の温度に基づいて、前記流体温度制御手段により前記流体循環部内の前記流体の温度を制御することを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載燃料電池システム。 - 前記燃料電池の発電状態を検出する燃料電池出力検出手段と、
前記流体循環部内の前記流体の温度を制御する流体温度制御手段と、を備え、
前記燃料電池出力検出手段によって検出された前記燃料電池の出力に基づいて、前記流体温度制御手段により前記流体循環部内の前記流体の温度を制御することを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載燃料電池システム。 - 前記燃料電池出力検出手段が、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段であることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池出力検出手段が、前記アノードに供給される前記水素の水素流量検出手段であることを特徴とする請求項11または12に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池出力検出手段が、前記カソードに供給される前記酸化剤の酸化剤流量検出手段であることを特徴とする請求項11から13のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記流体温度制御手段が、前記流体導入配管内の温度を制御する温度制御装置であることを特徴とする請求項11から14のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記流体温度制御手段が、前記流体導入配管内にを流れる前記流体の流量を制御する流量制御装置であることを特徴とする請求項11から15のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記湿度検出部の温度を検出する湿度検出部温度検出手段と、
前記湿度検出部の近傍の温度を検出する外部温度検出手段と、を備え、
前記湿度検出部温度検出手段によって検出される前記湿度検出部の温度と、前記外部温度検出手段によって検出される前記湿度検出部の近傍の温度に基づいて、前記湿度検出手段によって検出される湿度を補正することを特徴とする請求項1から16のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004110146A JP2005294160A (ja) | 2004-04-02 | 2004-04-02 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004110146A JP2005294160A (ja) | 2004-04-02 | 2004-04-02 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=35326842
Family Applications (1)
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JP2004110146A Pending JP2005294160A (ja) | 2004-04-02 | 2004-04-02 | 燃料電池システム |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2005294160A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008077961A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
JP2016066545A (ja) * | 2014-09-25 | 2016-04-28 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池システム |
-
2004
- 2004-04-02 JP JP2004110146A patent/JP2005294160A/ja active Pending
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