JP2006286409A

JP2006286409A - 燃料電池用加湿装置

Info

Publication number: JP2006286409A
Application number: JP2005104882A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kuwabara; 保雄桑原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19

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】加湿量の過渡応答性を見込んでバイパスバルブ１６０を調整することで、燃料電池１４０の負荷変動によらず常に一定の加湿モル比を実現する。ＥＣＵ１５０は、電流センサ２０によって検知される電流値に基づき燃料電池１４０の負荷変動を検知すると、電流値と目標とする酸化ガスの加湿量とを対応付けたマップ（図示略）などを参照して目標加湿量を求める。そして、ＥＣＵ１５０は、目標加湿量が得られるように、加湿の過渡応答性を見込んだバイパスバルブ１６０の見込み制御を行う。
【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酸化ガスとの間で水交換を行う水交換型加湿器(以下、単に「加湿器」と略称）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酸化ガスを加湿することができる。

このような酸化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酸化ガスの温度の測定結果に基づき、酸化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２００４−３１０７３号公報

ところで、燃料電池の負荷変動に伴う生成水量の変化により、酸化オフガスの水分量も変動するが、加湿器の加湿の応答性は遅いため、負荷変動によらず酸化ガスの加湿を一定に制御することができないという問題がある。

図５は、従来の加湿の制御態様を示す図である。
図５（ａ）に示すように、時刻Ｔ１に燃料電池の負荷電流Ａ０がＡ１（＞Ａ０）に上昇する運転を行う一方、時刻Ｔ２に負荷電流Ａ１がＡ２（＜Ａ１）に下降する運転（以下、「過渡運転」と総称）を行う場合、過渡運転時に燃料電池から加湿器に向かう酸化オフガスの水分量は緩やかに変化する（図５（ｂ）参照）。このように、過渡運転時の加湿の応答性（以下、「過渡応答性」）は遅いにもかかわらず、従来は過渡応答性を考慮することなく酸化ガスの加湿を制御していたため、酸化ガスの加湿を常に一定に制御することはできなかった（詳細は後述）。

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できる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に含まれる水分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、前記燃料電池の負荷状態を検出する検出手段と、検出される負荷状態に基づいて、前記燃料電池から加湿器に導入される水分量を見込み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、燃料電池の負荷状態に基づいて加湿器に導入される水分量を見込み制御する。周知のとおり、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分を利用して供給ガスを加湿するタイプの加湿器においては、燃料電池の負荷が変動する過渡運転時の加湿の応答性（過渡応答性）は遅い。かかる加湿の過渡応答性を見込んで加湿器に導入される水分量を見込み制御することで、燃料電池の負荷変動によらず、常に一定の加湿モル比を実現することが可能となる(図３参照）。

ここで、上記構成にあっては、前記制御手段は、検出される負荷状態によって変化する前記供給ガス量と前記加湿器に導入される前記水分量の比が前記負荷状態によらず略一定となるように、前記水分量を見込み制御する態様が好ましい。

また、前記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、前記燃料電池から前記加湿器へのオフガス通路と、前記バイパス通路若しくは前記オフガス通路の少なくともいずれか一方に設けられた前記オフガスのバイパス量を調整する流量制御弁とを備え、前記制御手段は、前記負荷状態に基づき前記流量制御弁のオン・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、前記水分量を見込み制御する態様も好ましい。

また、上記構成にあっては、前記燃料電池の温度を調整する温度調整機構を備え、前記制御手段は、前記負荷状態に基づき前記燃料電池の温度を調整することで、前記水分量を見込み制御する態様も好ましい。

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、ＭＥＡなどを備えた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、燃料ガス通路１４１及び酸化ガス通路１４２を備えており、燃料ガス通路１４１には水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸化ガス通路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（検出手段）２０が設けられ、電流計２０によって計測された電流値はＥＣＵ１５０に通知される。

加湿器１２０は、水蒸気交換膜１２１を介して燃料電池１４０の酸化ガス通路１４２から排出される酸化オフガスと、燃料電池１４０の酸化ガス通路１４２に供給される酸化ガスとの間で水交換、熱交換を行う手段である。

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から加湿器１２０を経由して燃料電池１４０の酸化ガス通路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には酸化ガスの流量を測定する流量センサ等が設けられている。

燃料電池１４０の酸化ガス通路１４２に供給された酸化ガスは、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、酸化オフガスの流れをオフガス流路（オフガス通路）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（流量制御弁）１６０が設けられている。なお、バイパス流路１２にバイパスバルブ１６０を設ける代わりに、オフガス流路１１とバイパス流路１２の分岐点に三方弁（切替弁や流量分配弁など；流量制御弁）を設けても良く、また、該分岐点よりも加湿器側のオフガス流路１１にバルブ（オン・オフ弁など；流量制御弁）を設けても良い。もちろん、これら各弁を適宜組み合わせて設けても良い。

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で、加湿器１２０に導入する酸化オフガスの流量と加湿器１２０をバイパスさせる酸化オフガスの流量を調整する。

ここで、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などを調整する。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などを調整する。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（温度調整機構）１３０は、燃料電池１４０を冷却する装置であり、冷却水等の冷媒の温度Ｔ１を検出する温度センサ２１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。以下、本実施形態に係る燃料電池システムの加湿制御について詳細に説明する。

＜加湿制御＞
図２及び図３は、前掲図５に示す運転を行った場合の加湿の制御態様を示す図であり、図２は、従来例、図３は本発明に係る実施例を示している。ここで、図２（ａ）、図３（ａ）は、それぞれ燃料電池１４０から排出される酸化オフガス量をＡ、バイパスされる酸化オフガス量をＢとしたときの加湿器１２０に導入される酸化オフガス量（Ａ−Ｂ）の変化を示す図であり、図２（ｂ）、図３（ｂ）は、酸化ガスの加湿モル比（＝水モル／エアモル）を示す図である。なお、酸化ガスの加湿モル比は、加湿器１２０による加湿量（水モル数）とコンプレッサ１１０から導入される酸化ガス量（エアモル数）の比をあらわす。

従来の加湿制御においては、燃料電池１４０の負荷変動（時刻Ｔ１、Ｔ２参照）に応じて加湿の過渡応答性を考慮することなくバイパスバルブ１６０を調整することで、加湿器１２０に導入される酸化オフガス量（Ａ−Ｂ）を制御していた（図２（ａ）参照）。このため、酸化ガスの加湿モル比は、図２（ｂ）に示すように負荷変動に応じて変化してしまい、適切な加湿制御が行えないという問題があった。

詳述すると、時刻Ｔ１において負荷電流がＡ０からＡ１に上昇すると(図５（ａ）参照）、この負荷電流の上昇に伴って燃料電池１４０から排出される酸化オフガスに含まれる水分量は増大する。ただし、酸化オフガスに含まれる水分の増大は、加湿器１２０の加湿量として直ちにあらわれるのではなく、燃料電池１４０から加湿器１２０に至るまでの酸化ガス通路１４２及びオフガス流路１１（以下、「加湿ループ」）の容積と酸化オフガスの流動速度に応じた遅れをもってあらわれる（図５（ｂ）参照）。このような過渡応答性を考慮することなく、燃料電池１４０の負荷変動にあわせて加湿器１２０に導入される酸化オフガス量（Ａ−Ｂ）を制御したのでは、負荷の変動に応じて酸化ガスの加湿モル比は大きく変動してしまう（図２（ｂ）参照）。一般に酸化ガスの加湿モル比は、常に一定（例えば、０．２）に保持することが必要とされるため、このような加湿モル比の変動は未然に防ぐ必要がある。

そこで、本発明では、図３（ａ）に示すように、予め過渡応答性を見込んでバイパスバルブ１６０を調整することで、燃料電池１４０の負荷変動によらず常に一定の加湿モル比を実現する（図３（ｂ）参照）。

図４は、ＥＣＵ１５０によって実行される過渡運転時の加湿制御処理を示すフローチャートである。
ＥＣＵ１５０は、電流センサ２０によって検知される電流値に基づき燃料電池１４０の負荷変動（過渡運転）を検知すると（ステップＳ１）、電流値と目標とする酸化ガスの加湿量（以下、「目標加湿量」）とを対応付けたマップ（図示略）などを参照して目標加湿量を求めた後、加湿の過渡応答性を見込んだバイパスバルブ１６０の制御（見込み制御）を行う（ステップＳ２）。具体的には、加湿ループの容積と酸化オフガスの流動速度によって決まる時定数（以下、「加湿ループの時定数」）から加湿応答性を見込んだバイパスバルブ１６０の制御値（本実施形態であれば弁開度など）を求め、求めた制御値に応じてバイパスバルブ１６０の制御を行う。なお、バイパスバルブ１６０の制御値については、加湿ループの時定数とバイパスバルブ１６０の制御値とを対応付けたマップ(図示略）等を利用して求めれば良い。かかる制御を行うことで、燃料電池１４０の負荷変動によらず、常に一定の加湿モル比を得ることができる（図３（ｂ）参照）。

以上説明したように、本実施形態によれば、加湿の過渡応答性を見込んだバイパス制御を行うことで、燃料電池の負荷変動によらず、常に一定の酸化ガスの加湿モル比を得ることが可能となる。

Ｂ．変形例
上述した本実施形態では、加湿器１２０に導入される酸化オフガス量（Ａ−Ｂ）をバイパスバルブ１６０によって調整することで加湿器１２０に導入される水分量を制御したが、例えば、加湿器１２０に導入される酸化オフガス量（Ａ−Ｂ）を変える代わりに、燃料電池１４０の温度を調整することで加湿器１２０に導入される酸化オフガスに含まれる水分量を制御しても良い。具体的には、冷却機構１３０により燃料電池１４０の温度を調整し、燃料電池１４０から排出される酸化オフガスに含まれる水分量を調整すれば良い。周知のとおり、燃料電池１４０の温度が高くなると、酸化オフガスに含まれる水分量は増大する一方、燃料電池１４０の温度が低くなると、酸化オフガスに含まれる水分量は減少する。かかる現象を利用することで加湿器１２０に導入される水分量を制御しても良い。もちろん、バイパスバルブ１６０の調整と燃料電池１４０の温度調整を併用することで、加湿器１２０に導入される水分量を制御しても良い。また、オフガス流路１１等に設けられた各種の制御弁（図示略）を調整することで酸化オフガスの単位時間当たりの流量を調整し、これにより、加湿器１２０に導入される酸化オフガスに含まれる水分量を制御しても良い。また、本実施形態では、燃料電池１４０の負荷電流を検出することで燃料電池１４０負荷状態を検出したが、他のパラメータ（燃料電池の温度など）を検出することで燃料電池１４０の負荷状態を検出しても良いのはもちろんである。

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。従来の加湿の制御態様を示す図である。本実施形態に係る加湿の制御態様を示す図である。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。従来の加湿の制御態様を示す図である。

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・・・燃料ガス通路、１４２・・・酸化ガス通路、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・・・温度センサ、２０・・・電流センサ。

Claims

燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分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、
前記燃料電池の負荷状態を検出する検出手段と、
検出される負荷状態に基づいて、前記燃料電池から加湿器に導入される水分量を見込み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。
前記制御手段は、検出される負荷状態によって変化する前記供給ガス量と前記加湿器に導入される前記水分量の比が前記負荷状態によらず略一定となるように、前記水分量を見込み制御す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。
前記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、前記燃料電池から前記加湿器へのオフガス通路と、前記バイパス通路若しくは前記オフガス通路の少なくともいずれか一方に設けられた前記オフガスのバイパス量を調整する流量制御弁とを備え、
前記制御手段は、前記負荷状態に基づき前記流量制御弁のオン・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、前記水分量を見込み制御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。
前記制御手段は、前記燃料電池から前記加湿器に至る加湿ループの容積と前記オフガスの流動速度によって決まる時定数から加湿応答性を見込んだ前記流量制御弁の制御値を求め、求めた制御値に応じて前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用加湿装置。
前記検出手段は、前記燃料電池の電流値を検出する電流センサ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。