JP2006156203A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 供給ガスの加湿量を適切に制御することが可能な加湿制御技術を提供する。
【解決手段】 加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2のみに基づいて加湿量Ｗを制御するのではなく、供給酸化ガスの流量Ｑなどの外部条件も考慮に入れて加湿量Ｗを制御する。具体的には、まず、要求に見合った加湿量が得られるように加湿器通過後の供給酸化ガスの制御目標温度Ｔ_IWを決定する。かかる制御目標温度Ｔ_IWを決定する際には供給酸化ガスの流量Ｑなどの外部条件も考慮に入れる。そして、温度センサ２４によって検知される加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2が制御目標温度Ｔ_IWと一致するように、バイパスバルブ１６０を用いて加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに搭載される加湿器の制御技術に関する。

燃料電池システムには、プロトン導電性を有する固体高分子膜を電解質層に備える固体高分子型の燃料電池が搭載されている。この燃料電池の固体高分子膜は、湿潤状態にあるときに高いプロトン導電性を示すため、効率的に発電を行うためには固体高分子膜を湿潤状態に保つことが重要である。かかる固体高分子膜を湿潤状態に保つために、水蒸気透過膜を介して燃料電池のカソード側から排出される酸化オフガスと燃料電池のカソード側に供給する供給酸化ガスとの間で水交換を行う水交換型の加湿器が利用されている。

燃料電池から排出される酸化オフガスは、電気化学反応によって生じた生成水を含む湿度の高い気体である。かかる酸化オフガスは、燃料電池内部で昇温されて燃料電池の内部温度に略等しい温度になっているため、特別な熱源等を設けることなく外部から取り込む供給酸化ガスを加湿することができる。
このような酸化供給ガスの加湿量を制御する方法として、加湿器を通過する酸化オフガスの温度や加湿器を通過する供給酸化ガスの温度の測定結果に基づき、酸化供給ガスの加湿量を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１６４２３１号公報

しかしながら、最適な加湿量は加湿器を通過するガスの温度にのみ依存するわけではなく、燃料電池の運転条件や加湿器の環境条件など、他の外部条件にも強く依存する。従って、上記の如く加湿器を通過する供給酸化ガスの温度または加湿器を通過する酸化オフガスの温度にのみ基づいて加湿量を判断したのでは、最適な加湿量を得ることができないという問題がある。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、供給ガスの加湿量を適切に制御することが可能な加湿制御技術を提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃料電池から排出されるオフガスを利用して燃料電池に供給する供給ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器通過後の供給ガス温度または前記加湿器通過後のオフガス温度を測定する測定手段と、供給ガスの流量、加湿器の温度、加湿器への供給ガスの導入温度、加湿器へのオフガスの導入温度、燃料電池の負荷電流のうち、少なくとも１つのパラメータの値を検出する検出手段と、検出されるパラメータの値及び前記加湿器通過後の供給ガス温度または前記加湿器通過後のオフガス温度に基づいて、前記供給ガスの加湿量を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、加湿器通過後の供給酸化ガス温度のみに基づいて加湿量を制御するのではなく、供給酸化ガスの流量などの外部条件も考慮に入れて加湿量を制御するため、従来に比して精度の高い加湿制御が可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記加湿器は、前記オフガスと前記供給ガスとの間で透過膜を介して水交換を行うことによって前記供給ガスを加湿し、前記制御手段は、前記供給ガスの加湿要求量から、前記加湿器通過後の供給ガスの目標温度範囲または前記加湿器通過後のオフガスの目標温度範囲を決定する決定手段と、前記測定手段によって測定される前記供給ガス温度または前記オフガス温度が、決定された前記供給ガスの目標温度範囲または前記オフガスの目標温度範囲に収まるように、前記加湿器へ導入するオフガスの流量を調整する調整手段とを備える態様が好ましい。

また、前記調整手段は、前記測定手段によって測定される前記供給ガス温度または前期オフガス温度が、決定された前記供給ガスの目標温度範囲または前記オフガスの目標温度範囲を下回っている場合には前記加湿器へ導入するオフガスの流量を増やす調整を行う一方、決定された前記供給ガスの目標温度範囲または前記オフガスの目標温度範囲を上回っている場合には前記加湿器へ導入するオフガスの流量を減らず調整を行う態様がさらに好ましい。

また、前記燃料電池から排出されるオフガスについて前記加湿器をバイパスさせるバイパス通路と、前記バイパス通路上に設けられた前記オフガスのパイパス量を調整するバイパス弁とを備え、前記調整手段は、前記バイパス弁のオン・オフ時間、弁開度の少なくともいずれか一方を制御することで前記加湿器へ導入するオフガスの流量を調整する態様も好ましい。

また、前記オフガスは、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化オフガスであり、前記供給ガスは、前記燃料電池のカソード側に供給する供給酸化ガスである態様も好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、供給ガスの加湿量を適切に制御することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１００の概略構成を示している。なお、以下に示す本実施形態では、燃料電池システム１００を燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）の車載発電システムとして用いる場合を想定するが、各種移動体（例えば、船舶や飛行機など）に搭載される発電システムや定置用発電システムとして用いても良い。

燃料電池（セルスタック）１４０は、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池１４０は、燃料ガス室１４１及び酸化ガス室１４２を備えており、燃料室１４１には水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸化ガス室１４２には加湿器１２０を通じて加湿された空気などの酸化ガス（供給酸化ガス）が供給される。この燃料電池１４０には負荷電流Ｊを測定する電流計２０が設けられている。

加湿器１２０は、水蒸気交換膜（透過膜）１２１を介して燃料電池１４０の酸化ガス室１４２から排出される酸化オフガスと燃料電池１４０の酸化ガス室１４２に供給される供給酸化ガスとの間で水交換、熱交換を行う手段である。この加湿器１２０には表面温度Ｔ_h1を測定する温度センサ（検出手段）２１が設けられている。なお、本願発明者は、実験により加湿器１２０の水交換量と熱交換量との間に所定の関係があることを見出したが（図２参照）、この点については後述する。

供給酸化ガスは、コンプレッサ１１０によって外部から取り込まれ、供給ガス流路１０、加湿器１２０を経由して燃料電池１４０の酸化ガス室１４２に供給される。ここで、加湿器１２０の上流側の供給ガス流路１０には供給酸化ガスの流量Ｑを測定する流量センサ（検出手段）２２、加湿前の供給酸化ガスの導入温度Ｔ_I1を測定する温度センサ（検出手段）２３が設けられ、加湿器１２０の下流側の供給ガス流路１０には加湿後の供給酸化ガスの温度Ｔ_I2を測定する温度センサ（測定手段）２４が設けられている。

燃料電池１４０の酸化ガス室１４２に供給された供給酸化ガスは、電気化学反応によって所定量消費された後、酸化オフガスとしてオフガス流路１１に排出される。ここで、加湿器１２０の上流側のオフガス流路１１には加湿前の酸化オフガスの導入温度Ｔ_E1を測定する温度センサ（検出手段）２５が設けられ、加湿器１２０の下流側のオフガス流路１１には加湿後の酸化オフガスの温度Ｔ_E2を測定する温度センサ（測定手段）２６が設けられている。また、加湿器１２０の上流側のオフガス流路１１には酸化オフガスの流れをオフガス流路１１とバイパス流路（バイパス通路）１２との間で切り換え制御するためのバイパスバルブ（バイパス弁）１６０が設けられている。

バイパス流路１２は、酸化オフガスについて加湿器１２０をバイパスさせる流路である。本実施形態では、バイパスバルブ１６０の開度、オン・オフ時間などを制御することによって加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整する。具体的には、バイパスバルブ１６０としてリニア弁を採用した場合には、開度を制御することで加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整する。一方、バイパスバルブ１６０としてオン・オフ弁を採用した場合には、オン・オフ時間などを制御することで加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整する。なお、以下の説明はバイパスバルブ１６０としてリニア弁を用いた場合を想定する。

冷却機構１３０は、燃料電池１２０を冷却する装置であり、冷却水等の冷媒の温度Ｔ_cを検出する温度センサ２７のほか、冷却水を加圧して循環させるポンプ、冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器（いずれも図示略）などを備えている。

ＥＣＵ（制御手段）１５０は、ＲＯＭやハードディスクなどのメモリに内臓されている各種制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００の各部を中枢的に制御する。また、ＥＣＵ１５０は各センサから供給されるセンサ信号に基づいて後述する加湿量制御を行う。

＜加湿器１２０の水交換量と熱交換量との関係＞
図２は、供給酸化ガスの流量Ｑを３０ＮＬ/ｍｉｎ、１０５ＮＬ/ｍｉｎに設定した場合の供給酸化ガス温度Ｔ_I2と供給酸化ガスの加湿量Ｗの関係を示す図である。
図２に示すように、加湿器１２０を通った後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2と供給酸化ガスの加湿量Ｗとの間には比例関係が存在し、さらに、この供給酸化ガス温度Ｔ_I2と供給酸化ガスの加湿量Ｗとの関係は供給酸化ガスの流量Ｑに依存することが判明した。一例を挙げて説明すると、例えば検知された供給酸化ガス温度Ｔ_I2が６４℃であったとき、供給酸化ガスの流量Ｑが３０ＮＬ/ｍｉｎに設定されているときの加湿量Ｗは０．２７５程度であるのに対し、供給酸化ガスの流量Ｑが１０５ＮＬ/ｍｉｎに設定されているときの加湿量Ｗは０．２５程度である。

このように、検知される供給酸化ガス温度Ｔ_I2が同じであったとしても、加湿量Ｗは供給酸化ガスの流量Ｑの設定に応じて異なる。かかる事情に鑑み、加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2のみに基づいて加湿量Ｗを制御するのではなく、供給酸化ガスの流量Ｑなどの外部条件も考慮に入れて加湿量Ｗを制御する。なお、鋭意研究の結果、供給酸化ガスの流量Ｑだけでなく、加湿器１２０への供給酸化ガスの導入温度Ｔ_I1、加湿器１２０の表面温度Ｔ_h1、冷却機構１３０の冷媒温度Ｔ_c、燃料電池１４０の負荷電流Ｊなども加湿量Ｗの制御因子となることが判明した。

このような知見のもと、本実施形態では、要求に見合った加湿量が得られるように加湿器通過後の供給酸化ガスの制御目標温度Ｔ_IWを決定する。かかる制御目標温度Ｔ_IWを決定するに際しては、供給酸化ガスの流量Ｑなどの外部条件も考慮に入れる。そして、温度センサ２４によって検知される加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2が制御目標温度Ｔ_IWと一致するように、バイパスバルブ１６０を用いて加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整する。

例えば、バイパスバルブ１６０の開度を絞って加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を増やすと、酸化オフガスと供給酸化ガスとの間で行われる水交換量が増え、供給酸化ガスの加湿量Ｗは増加する。この水交換量の増加に伴って酸化オフガスと供給酸化ガスとの間で行われる熱交換量は増加し、加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2が上がる。

一方、上記とは逆にバイパスバルブ１６０の開度を拡げて加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を減らすと、供給酸化ガスの加湿量Ｗは減り、加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2が下がる。このように、バイパスバルブ１６０を用いて加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整することで供給酸化ガス温度Ｔ_I2を制御し、これにより、要求に見合った加湿量（以下、加湿要求量Ｗ０）を得る。以下、かかる原理を利用して加湿器１２０の加湿量制御を行う場合の動作について説明する。

図３は、ＥＣＵ１４０によって実行される加湿量制御処理を示すフローチャートである。
ＥＣＵ（決定手段）１４０は、まず、燃料電池１４０の負荷の大きさ、供給酸化ガスの利用率などに基づいて酸化供給ガスの加湿要求量Ｗ０を算出（決定）する（ステップＳ１）。次に、ＥＣＵ１４０は、各センサから供給される供給酸化ガスの流量Ｑ、加湿器１２０への供給酸化ガスの導入温度Ｔ_I1、加湿器１２０の表面温度Ｔ_h1、冷却機構１３０の冷媒温度Ｔ_c、燃料電池１４０の負荷電流Ｊといった外部条件を、下記（１）に示す関数に代入することで、加湿器通過後の供給酸化ガスの制御目標温度Ｔ_IWを求める（ステップＳ２）。
Ｔ_IW＝ｆ（Ｗ０，Ｔ_I1，Ｔ_h1，Ｔ_c，Ｑ，Ｊ） ・・・（１）

その後、ＥＣＵ１４０は、温度センサ２４から得られる加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2と制御目標温度Ｔ_IWとを比較する（ステップＳ３）。

ＥＣＵ（調整手段）１４０は、供給酸化ガス温度Ｔ_I2が制御目標温度Ｔ_IWよりも低い場合には（ステップＳ３；ＹＥＳ）、供給酸化ガス温度Ｔ_I2を上げるべく、バイパスバルブ１６０を絞る制御を行う（ステップＳ４）。この結果、加湿器１２０に導入される酸化オフガスの流量は増え、水交換量及び熱交換量が増加し、供給酸化ガス温度Ｔ_I2が上がる。かかる制御を行うと、ＥＣＵ１４０はステップＳ３に戻って同様な処理を行う。

一方、ステップＳ３において供給酸化ガス温度Ｔ_I2が制御目標温度Ｔ_IWよりも低くないと判断すると（ステップＳ３；ＮＯ）、ＥＣＵ１４０はステップＳ５に進み、供給酸化ガス温度Ｔ_I2と制御目標温度Ｔ_IWが一致するか否かを判断する。ＥＣＵ（調整手段）１４０は、供給酸化ガス温度Ｔ_I2が制御目標温度Ｔ_IWと一致していないと判断すると（ステップＳ５；ＮＯ）、供給酸化ガスの温度Ｔ_I2を下げるべく、バイパスバルブ１６０を拡げる制御を行う（ステップＳ６）。この結果、加湿器１２０に導入される酸化オフガスの流量は減り、水交換量及び熱交換量が減少し、供給酸化ガスの温度Ｔ_I2が下がる。かかる制御を行うとＥＣＵ１４０はステップＳ３に戻って同様な処理を行う。

このような処理を繰り返し実行している間に、供給酸化ガス温度Ｔ_I2と制御目標温度Ｔ_IWが一致していることを検知すると、ＥＣＵ１４０は要求どおりの加湿量が得られていると判断し、以上説明した処理を終了する。

以上説明したように、加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2だけでなく供給酸化ガスの流量Ｑなどの外部条件も考慮に入れることで、精度の高い加湿制御が可能となる。

Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、上記式（１）に示す関数を利用することで加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2の制御目標温度Ｔ_IWを求めたが、制御目標温度Ｔ_IWに幅を持たせた制御目標温度範囲Ｔ_IW0〜Ｔ_IW1を求めても良い。かかる場合、ＥＣＵ（調整手段）１４０は加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2が制御目標温度範囲Ｔ_IW0〜Ｔ_IW1に収まるように、バイパスバルブ１６０を制御して加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整すれば良い。

＜変形例２＞
また、上述した本実施形態では、式（１）に示す供給酸化ガスの流量Ｑ、加湿器１２０への供給酸化ガスの導入温度Ｔ_I1、加湿器１２０の表面温度Ｔ_h1、冷却機構１３０の冷媒温度Ｔ_c、燃料電池１４０の負荷電流Ｊといった外部条件（パラメータ）を全て利用したが、これに限る趣旨ではなく、少なくともいずれか１つの外部条件を利用すれば良い。

＜変形例３＞
また、上述した本実施形態では、供給酸化ガスの加湿量Ｗの制御対象量として加湿器通過後の供給酸化ガス温度Ｔ_I2を利用したが、加湿器通過後の酸化オフガス温度Ｔ_E2を制御対象量として利用しても良い。具体的には、本実施形態と同様、燃料電池１４０の負荷の大きさ、供給酸化ガスの利用率などに基づいて酸化供給ガスの加湿要求量Ｗ０を求める。さらに、各センサから供給される供給酸化ガスの流量Ｑ、加湿器１２０への酸化オフガスの導入温度Ｔ_E1、加湿器１２０の表面温度Ｔ_h1、冷却機構１３０の冷媒温度Ｔ_c、燃料電池１４０の負荷電流Ｊといった外部条件を、下記（２）に示す関数に代入することで加湿器通過後の酸化オフガス温度Ｔ_E2の制御目標温度Ｔ_EWを求める。
Ｔ_EW＝ｇ（Ｗ０，Ｔ_E1，Ｔ_h1，Ｔ_c，Ｑ，Ｊ） ・・・（２）

そして、加湿器１２０を通った後の酸化オフガス温度Ｔ_E2が制御目標温度Ｔ_EWと一致するように（または制御目標温度範囲Ｔ_EW0〜Ｔ_EW1に収まるように）、バイパスバルブ１６０を制御して加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整する。なお、加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量を調整することで酸化オフガス温度Ｔ_E2の制御が可能となる点は、上記と同様に説明できるため割愛する。また、本変形例３に変形例２を適用しても良いのはもちろんである。また、以上説明した内容は、燃料電池１４０のアノード側に供給等される酸化ガスに限る趣旨ではなく、燃料電池１４０のカソード側に供給等される燃料ガス（水素ガスなど）についても同様に適用可能である。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 同実施形態に係る供給酸化ガス温度と供給酸化ガスの加湿量の関係を示す図である。 同実施形態に係る加湿制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１００・・・燃料電池システム、１１０・・・コンプレッサ、１２０・・・加湿器、１２１・・・水蒸気交換膜、１３０・・・冷却機構、１４０・・・燃料電池、１４１・・・燃料ガス室、１４２・・・酸化ガス室、１５０・・・ＥＣＵ、１６０・・・バイパスバルブ、１０・・・供給酸化ガス流路、１１・・・酸化オフガス流路、１２・・・パージ流路、２１、２３、２４、２５、２６、２７・・・温度センサ、２２・・・流量センサ、２０・・・電流センサ。

Claims (5)

1. 燃料電池から排出されるオフガスを利用して燃料電池に供給する供給ガスを加湿する加湿器と、
   前記加湿器通過後の供給ガス温度または前記加湿器通過後のオフガス温度を測定する測定手段と、
   供給ガスの流量、加湿器の温度、加湿器への供給ガスの導入温度、加湿器へのオフガスの導入温度、燃料電池の負荷電流のうち、少なくとも１つのパラメータの値を検出する検出手段と、
   検出されるパラメータの値及び前記加湿器通過後の供給ガス温度または前記加湿器通過後のオフガス温度に基づいて、前記供給ガスの加湿量を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 前記加湿器は、前記オフガスと前記供給ガスとの間で透過膜を介して水交換を行うことによって前記供給ガスを加湿し、
   前記制御手段は、
   前記供給ガスの加湿要求量から、前記加湿器通過後の供給ガスの目標温度範囲または前記加湿器通過後のオフガスの目標温度範囲を決定する決定手段と、
   前記測定手段によって測定される前記供給ガス温度または前記オフガス温度が、決定された前記供給ガスの目標温度範囲または前記オフガスの目標温度範囲に収まるように、前記加湿器へ導入するオフガスの流量を調整する調整手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
3. 前記調整手段は、前記測定手段によって測定される前記供給ガス温度または前期オフガス温度が、決定された前記供給ガスの目標温度範囲または前記オフガスの目標温度範囲を下回っている場合には前記加湿器へ導入するオフガスの流量を増やす調整を行う一方、決定された前記供給ガスの目標温度範囲または前記オフガスの目標温度範囲を上回っている場合には前記加湿器へ導入するオフガスの流量を減らす調整を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
4. 前記燃料電池から排出されるオフガスについて前記加湿器をバイパスさせるバイパス通路と、前記バイパス通路上に設けられた前記オフガスのパイパス量を調整するバイパス弁とを備え、
   前記調整手段は、前記バイパス弁のオン・オフ時間、弁開度の少なくともいずれか一方を制御することで前記加湿器へ導入するオフガスの流量を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
5. 前記オフガスは、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化オフガスであり、前記供給ガスは、前記燃料電池のカソード側に供給する供給酸化ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の燃料電池用加湿装置。

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