JP4370865B2

JP4370865B2 - 燃料電池の水回収システム

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Description

本発明は、燃料電池の水回収システムに関する。特に、既反応ガスの含有する水分を未反応ガスに移動させることにより未反応ガスの加湿を行う水回収システムに関する。

従来の燃料電池の水回収システムとして、温湿度交換手段の既反応ガス流路に、入口と出口を結ぶバイパス通路を設けたものが知られている。これには、また、燃料電池の酸化剤極から温湿度交換器の既反応ガス流路へ至るライン上に、バイパス通路へ切り替える切り替え弁と、既反応ガス温度センサを設け、温湿度交換手段の未反応ガス流路から燃料電池の酸化剤極へ至るライン上に、未反応ガス温度センサを設けている。さらに、両温度センサの検出結果に基づいて、切り替え弁の切り替え動作を制御するコントロールユニットを設け、バイパス通路に流れる既反応ガスの量を制御することにより、温湿度交換手段に流れる既反応ガスの量、すなわち水蒸気量を制御して未反応ガスの加湿量の制御を行っている（例えば、特許文献１、参照）。
特開２０００−１６４２３１号公報

上記従来の燃料電池の水回収システムにおいては、未反応ガス流路出口部の温度と、既反応ガス流路入口部の温度を持って、加湿に用いる既反応ガス流量を制御している。そのため、未反応ガス流路出口部の正確な水分量を特定できないため、燃料電池への供給量の過不足が発生する可能性があった。また、過渡条件において、未反応ガス流路出口部の状態が所定値に対して位相差を持つので、燃料電池への水供給量の過不足が発生する可能性があった。その結果、燃料電池内のフラッディング、膜性能の低下等の問題を引き起こす可能性があった。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃料電池に供給される水の過不足を抑制することができる燃料電池の水回収システムを提供することを目的とする。

本発明は、反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、前記燃料電池に供給される以前の未反応ガスと、前記燃料電池から排出された既反応ガスとの間で水分の移動を行う水回収装置と、未反応ガスの質量流量を検出する質量流量検出手段を備える。また、前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの温度を検出する入口温度検出手段と、前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する入口湿度検出手段を備える。さらに、前記水回収装置の未反応ガスの迂回路であるバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する未反応ガスの流量割合を未反応ガスの質量流量と、入口温度と、入口湿度に基づいて調整する流量割合調整手段と、を備え、前記流量割合調整手段は、入口温度及び入口湿度が一定のとき、質量流量が大きいほど流量割合を大きくし、質量流量及び入口温度が一定のとき、入口湿度が高いほど流量割合を大きくし、質量流量及び入口湿度が一定のとき、入口温度が高いほど流量割合を大きくする、ことを特徴とする流量割合調整手段を備える。

未反応ガスの質量流量、入口温度、入口湿度から、水回収装置において加湿されることにより未反応ガスが含有する水分の量を推定することができるので、未反応ガスの入口側の温度・湿度に応じて流量割合を設定することで、位相差が生じるのを抑制することができる。これにより、水回収装置に流通させる反応ガス割合を適切に設定することができ、その結果、導入された反応ガスに適切な水分量を含有させることができるので、燃料電池に供給される水の過不足を抑制することができる。

第１の実施形態に用いる水回収システムの概略構成を図１に示す。

反応ガスを用いて発電を行うＣＳＡ（Cell Stack Assembly）２を備える。ここでは反応ガスとして、空気と水素ガスを用いる。ただし、この限りではなく、空気の替わりに酸素等の酸化剤ガスを、水素ガスの換わりに改質ガス等の水素含有ガスを用いてもよい。

また、ＣＳＡ２に供給する反応ガスを加湿するＷＲＤ（Water Recovery Device）１を備える。ＷＲＤ１には、ＣＳＡ２に供給する以前の未反応ガスを流通する未反応ガス流路１ａと、ＣＳＡ２から排出された既反応ガスを流通する既反応ガス流路１ｂを備える。未反応ガスとしては、ＣＳＡ２に供給する以前の空気を用いる。既反応ガスとしては、カソード極から排出される排空気およびアノード極から排出される排燃料を用いる。ただし、この限りではなく、未反応ガスとして水素を用いてもよい。また、既反応ガスとしてどちらか一方、例えば水分を多く含む排空気のみを用いてもよい。

さらに、未反応ガス流路１ａを迂回するバイパス流路４を備える。ここでは、未反応ガス流路１ａの上流側と下流側を結ぶバイパス流路４を備える。また、バイパス流路４の分岐部にはバルブ５を備える。ここでは、バルブ５を、未反応ガス流路１ａの上流側の分岐部に配置する。バルブ５の開度を調整することにより、未反応ガス流路１ａに流れる空気の割合を調整可能とし、ひいては、ＣＳＡ２に供給する未反応ガスの含有する水分量を調整可能とする。

また、ＣＳＡ２に外部から空気を導入するコンプレッサ３を備える。コンプレッサ３の替わりに、ブロア等を用いてもよい。さらに、既反応ガス流路１ｂの上流側には、ヒータ６を備える。既反応ガス流路１ｂに供給される既反応ガスの温度が低い場合には、既反応ガス流路１ｂ内で凝縮が生じることによりフラッディングが生じ、ＷＲＤ１の水透過性能が低下する可能性がある。そこでヒータ６を備えることで、既反応ガス流路１ｂ内でフラッディングが生じるのを防ぎ、適切な水透過を維持することができる。

また、コンプレッサ３により導入され未反応ガス流路１ａに供給される空気の質量流量を検出する質量流量センサ１１、温度を検出する温度センサ１２、湿度を検出する湿度センサ１３を備える。また、未反応ガス流路１ａから排出され、ＣＳＡ２に供給される空気の湿度を検出する湿度センサ１４を備える。また、ＣＳＡ２から排出され、既反応ガス流路１ｂに供給される既反応ガスの湿度を検出する湿度センサ１５を備える。また、既反応ガス流路１ｂから排出された既反応ガスの温度を検出する温度センサ１６、湿度を検出する湿度センサ１７を備える。さらに、コントロールユニット２０を備え、これらのセンサ１１〜１７の出力を読み込み、燃料電池システムの制御を行う。ここでは、コントロールユニット２０では、バルブ５の開度とヒータ６のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを制御する。

このような燃料電池システムにおいて、外部から導入された空気は、ＷＲＤ１の未反応ガス流路１ａを流通する際に既反応ガス流路１ｂを流通する既反応ガスにより加湿される。この加湿量は、バルブ４の開度により未反応ガス流路１ａを流通する未反応ガス流量を調整することにより制御される。加湿された未反応ガスをＣＳＡ２に供給して発電を行う。ＣＳＡ２では発電反応に伴って生成水が生じ、既反応ガスが排出される際に一緒に排出される。このように水分を含んだ既反応ガスをＷＲＤ１の既反応ガス流路１ｂに流通させることにより、未反応ガス流路１ａを流れる未反応ガスの加湿を行う。

このような燃料電池システムにおいて、ＷＲＤ１を流通する未反応ガス流量の制御方法について説明する。

まず、バルブ５の開度の初期値を設定する。未反応ガスの質量流量Ｑに応じて、ＣＳＡ２における反応に必要な水分量を求める。これと未反応ガスの温度Ｔ₁から、ＣＳＡ２に供給される時点で望まれる未反応ガスの湿度（目標湿度Ｈｔ）を設定する。次に、ＷＲＤ１に供給される未反応ガスの温度Ｔ₁、湿度Ｈ₁から、ＷＲＤ１を流通する未反応ガスの流量割合を算出する。ここでは、図２に示すようなマップを、予め実験等により質量流量Ｑ毎に求めて記憶しておき、温度センサ１２、湿度センサ１３の出力Ｔ₁、Ｈ₁に応じてバルブ５の開度を設定する。図２に示すように、未反応ガスの温度Ｔ₁が高いほど同じ湿度でも含有される水分量が多くなるので、バルブ５をバイパス流路４側に大きく開く。また、供給される未反応ガスの湿度Ｈ₁が高いほど、含有する水分量が多くなるので、バルブ５をバイパス流路４側に大きく開く。

つまり、ここでは、質量流量センサ１１、温度センサ１２、湿度センサ１３の出力Ｑ、Ｔ₁、Ｈ₁を読み込み、これらから、未反応ガスがＷＲＤ１を流通することにより含有する水分量を特定し、これに応じてバルブ５の開度の初期値を決定する。このとき、ＷＲＤ１の入口側の検出値を用いることにより位相差を抑制することができる。

上述したようにバルブ５の開度の初期値を設定したら、未反応ガス流路１ａの出口側の湿度を検出してフィードバック制御する。ここでは、所定時間毎に図３に示すフローに従ってバルブ５の開度を調整する。

ステップＳ１において、質量流量センサ１１の出力Ｑを読み込む。次に、ステップＳ２において、湿度センサ１４の出力Ｈ₂を読み込む。次に、ステップＳ３において、検出した湿度Ｈ₂と目標湿度Ｈｔとを比較する。ここで、目標湿度Ｈｔは、反応ガスの質量流量Ｑに応じて図４に示すように設定される。

目標湿度Ｈｔは、ＣＳＡ２において十分に発電を行い、かつ、フラッディングを避けることができる反応ガスの湿度とする。反応ガスの質量流量Ｑが大きくなるに従って、反応ガスの圧力が増大するので、同じ湿度であっても含有できる水分量が低減する。そこで、図４に示すように、反応ガスの質量が大きくなるに従って、目標湿度Ｈｔも大きくなるように設定する。これは、予め実験や計算等により求めておき、目標湿度Ｈｔとして図４に示すようなマップとして記憶しておく。なお、図４に示すマップは、未反応ガスの温度Ｔ₁毎に設定しておき、バルブ５の開度初期値を設定した際の温度Ｔ₁に応じて選択する。

ステップＳ３において、目標湿度Ｈｔと検出した湿度Ｈ₂との湿度差ΔＨ（＝Ｈｔ（Ｑ）−Ｈ₂）を求め、これが−ε以上、ε以下の所定許容範囲内に入るか否かを判断する。所定許容範囲を示すεは、ＣＳＡ２において効率のよい発電を維持できる許容範囲を示す値であり、予め実験等により設定しておく。所定許容範囲内に入る場合には、適切な加湿が行われていると判断することができ、本フローを終了する。一方、所定許容範囲外の場合には、適切な加湿が行われていないと判断して、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、湿度差ΔＨが０より小さいか否かを判断する。湿度差ΔＨが０より小さい場合には、目標湿度Ｈｔに対して実際の湿度Ｈ₂が高すぎる、つまりフラッディングが生じる可能性があると判断することができる。そこで、ステップＳ５に進み、バルブ５の開度をバイパス流路４側に大きくする。これにより、加湿される未反応ガスの流量割合を低減できるので、ＣＳＡ２に供給される未反応ガスの含有する水分量を抑制することができる。一方、湿度差ΔＨが０以上の場合には、目標湿度Ｈｔに対して実際の湿度Ｈ₂が低すぎる、つまり加湿不足を生じる可能性があると判断することができる。そこで、ステップＳ６に進み、バルブ５の開度をＷＲＤ１側に大きくする。これにより、加湿される未反応ガスの流量割合を増大できるので、ＣＳＡ２に供給される反応ガスの含有する水分量を増大することができる。なお、ステップＳ５、Ｓ６でバルブ５の開度を変化させる際には、予め設定した開度を変化させてもよいし、湿度差ΔＨに応じて変化させる開度を設定してもよい。このようにバルブ５の開度を調整したら、本フローを終了し、所定時間毎に繰り返す。

なお、本実施形態では、未反応ガスの温度Ｔ₁と湿度Ｈ₁をモニタし、温度Ｔ₁、湿度Ｈ₁の少なくとも一方に変化があったら、バルブ５の開度初期値を設定し、その後、出口湿度Ｈ₂を用いてフィードバック制御する。例えば、ＣＳＡ２に供給される未反応ガスの含有水分量の変化に対する許容範囲と、入口温度Ｔ₁、入口湿度Ｈ₁の変化に対する未反応ガスの含有水分量の変化量と、を求めることにより、予め入口温度Ｔ₁および入口湿度Ｈ₁の変化の許容範囲を設定しておく。検出された入口温度Ｔ₁または入口湿度Ｈ₁の変化がこの許容範囲より大きいと判断されたら、バルブ５の開度初期値を再設定する。なお、質量流量Ｑの変化については、フィードバック制御により調整しているが、この限りではない。例えば、変化率が小さい場合にはフィードバック制御により調整し、変化率が大きい場合には、バルブ５の初期値を再設定するように制御してもよい。

次に、ヒータ６の制御方法について説明する。ここでは、図５のフローチャートに従ってヒータ６の運転を制御する。なお、この制御はバルブ５の開度とパラレルに行ってもよいし、バルブ５の開度制御が行われていないときに行ってもよい。さらには、図３、図５のフローを組み合わせてシリーズに行ってもよい。所定時間毎に図５のフローを実行することで、ヒータ６の制御を行う。

ステップＳ１１において、ヒータ６がＯＮであるか否かを判断する。ヒータ６がＯＮの場合には、ステップＳ１２に進み、図示しないタイマーのカウント値を加算する。ステップＳ１３において、タイマー値が所定値以上であるか否かを判断する。所定値より小さい場合には、本フローを終了してヒータ６を用いた既反応ガスの加温を継続する。一方、タイマー値が所定値以上の場合には、ステップＳ１４においてヒータ６をＯＦＦにして本フローを終了する。

ステップＳ１１において、ヒータ６がＯＦＦであると判断された場合には、ステップＳ１５に進み、湿度センサ１３、１４の出力Ｈ₁、Ｈ₂および温度センサ１２の出力Ｔ₁を読み込む。また、湿度センサ１５、１７の出力Ｈ₃、Ｈ₄および温度センサ１６の出力Ｔ₄を読み込む。さらに、質量流量センサ１１の出力Ｑを読み込む。

ステップＳ１６において、質量流量Ｑ、温度Ｔ₁、湿度Ｈ₁から、未反応ガス流路１ａに供給される以前の反応ガスの含有する水分量Ｑｗ₁を求める。質量流量Ｑ、温度Ｔ₁、湿度Ｈ₂から、未反応ガス流路１ａから排出された反応ガスの有する水分量Ｑｗ₂を求める。質量流量Ｑ、温度Ｔ₄、湿度Ｈ₃から、既反応ガス流路１ｂに供給される以前の既反応ガスの有する水分量Ｑｗ₃を求める。質量流量Ｑ、温度Ｔ₄、湿度Ｈ₄から、既反応ガス流路１ｂから排出された既反応ガスの有する水分量Ｑｗ₄を求める。なお、ＷＲＤ１の入口側と出口側との温度差が大きい場合には、未反応ガス流路１ａ出口部分および既反応ガス流路１ｂ入口部分にも温度センサを備え、この出力を用いて水分量Ｑｗ₂、Ｑｗ₃を算出するのが好ましい。

次に、ステップＳ１７において、水分量Ｑｗ₃、Ｑｗ₄の差ΔＱｗ₃、₄（＝Ｑｗ₃−Ｑｗ₄）と、水分量Ｑｗ₁、Ｑｗ₂の差ΔＱｗ₂、₁（＝Ｑｗ₂−Ｑｗ₁）とを比較する。ここで、水分量差ΔＱｗ₃、₄は、既反応ガスがＷＲＤ１を流通する際に失った水分量を示し、水分量差ΔＱｗ₂、₁は、未反応ガスがＷＲＤ１を流通する際に受け取った水分量を示す。水分量差ΔＱｗ₃、₄がΔＱｗ₂、₁より大きい場合には、既反応ガスが既反応ガス流路１ｂ内を流通する際に温度が飽和温度より低下したことにより凝縮水が生じ、水透過性能が低下している可能性があると判断できる。そこで、ステップＳ１８に進み、ヒータ６をＯＮにして、既反応ガス流路１ｂ内でフラッディングが生じるのを防ぐ。ステップＳ１９において、図示しないタイマーのカウントを開始し、本フローを終了する。このような制御を所定時間毎に繰り返し行うことにより、既反応ガス流路１ｂ内のフラッディングを避け、水透過性能を維持することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

反応ガスを用いて発電反応を生じるＣＳＡ２と、ＣＳＡ２に供給される以前の未反応ガスと、ＣＳＡ２から排出された既反応ガスとの間で水分の移動を行うＷＲＤ１を備える。また、未反応ガスの質量流量Ｑを検出する質量流量センサ１１と、ＷＲＤ１を流通する以前の未反応ガスの温度を検出する温度センサ１２と、ＷＲＤ１を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する湿度センサ１３を備える。さらに、ＷＲＤ１の未反応ガスの迂回路であるバイパス流路４と、バイパス流路４を流通する未反応ガスの流量割合を、未反応ガスの質量流量Ｑと、入口温度Ｔ₁と、入口湿度Ｈ₁に基づいて調整するバルブ５を備える。これにより、未反応ガスがＷＲＤ１を流通することにより含有する水分量に応じて、ＷＲＤ１に流通させる未反応ガスの割合を設定することができる。その結果、未反応ガスに適切な水分量を含有させることができるので、ＣＳＡ２における加湿の過不足を抑制することができる。このとき、ＷＲＤ１の入口側の湿度Ｈ₁、温度Ｔ₁、質量流量Ｑから、含有される水分量を特定するので、位相差を抑制することができる。

また、ＷＲＤ１を流通した未反応ガスの湿度Ｈ₂を検出する温度センサ１４を備え、バルブ５での未反応ガスの流量割合を、未反応ガスの出口湿度Ｈ₂が目標湿度Ｈｔとなるようにフィードバック制御する。これにより、ＳＣＡ２に供給される未反応ガスの湿度を、さらに適切に制御することができ、ＣＳＡ２における加湿の過不足を抑制することができる。

目標湿度Ｈｔを、未反応ガスの質量流量Ｑに応じて設定する。これにより、ＣＳＡ２に供給される未反応ガスの質量流量Ｑの変化が多く生じる、例えば移動体等に燃料電池システムに適用した場合にも、適切な加湿を行うことができる。

また、ＣＳＡ２と、ＷＲＤ１の既反応ガス入口と、の間に、既反応ガスを選択的に加熱するヒータ６を備える。これにより、ＷＲＤ１内で既反応ガス内の水分の凝縮が生じることにより、水透過機能が低下するのを抑制することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。水回収システムの概略構成を図６に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

未反応ガス流路１ａの入口側に加熱手段としてヒータ２１を備える。ここでは、ヒータ２１を、バイパス流路４の分岐部より上流側に配置する。温度センサ１２、湿度センサ１３は、ヒータ２１を流通する以前の未反応ガスの温度、湿度を検出する。また、未反応ガス流路１ａとＣＳＡ２との間に加熱手段としてヒータ２２を備える。ここでは、ヒータ２２を、バイパス流路４の合流部より下流側に配置する。湿度センサ１４は、バイパス流路４の合流部で合流され、ヒータ２２を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する。

また、バイパス流路４の合流部より下流側に、未反応ガス流路１ａの圧力を調整する圧力調整バルブ２３を備える。ここでは、圧力調整バルブ２３をヒータ２２の上流側に配置する。また、未反応ガス流路１ａ内の圧力を検出する圧力センサ２４を備える。ここでは、圧力センサ２４を、バイパス流路４の合流部と圧力調整バルブ２３との間に配置する。さらに、未反応ガスのＷＲＤ１の出口側における温度Ｔ₂を検出する温度センサ２５を備える。ここでは、温度センサ２５をバイパス流路４の合流部と圧力調整バルブ２３との間に配置する。

次に、本実施形態の制御方法について説明する。バルブ５の開度制御のフローチャートを図７に示す。なお、バルブ５の開度初期値は、第１の実施形態と同様に入口温度Ｔ₁、入口湿度Ｈ₁、質量流量Ｑに応じて設定する。

ステップＳ２１〜Ｓ２６で、ステップＳ１〜Ｓ６と同様にバルブ５の開度を調整する。ステップＳ２６において、バルブ５のＷＲＤ１側の開度を増大したら、ステップＳ２７において、バルブ５がＷＲＤ１側に全開であるか否かを判断する。ＷＲＤ１側に全開であると判断されたら、本フローを終了して、加湿機能を向上させる制御に移行する。一方、ＷＲＤ１側に全開でないと判断された場合には、所定時間後に本フローを繰り返す。

次に、加湿機能を向上時の制御について説明する。ここでは、ヒータ２１および圧力制御バルブ２３を用いて、未反応ガス流路１ａにおける加湿機能を向上させる。

導入される未反応ガスの温度Ｔ₁が低い場合、全ての未反応ガスをＷＲＤ１側に流通させても、ＷＲＤ１内で必要な水分を含有せずに排出される可能性がある。そこで、本実施形態では、ヒータ２１を用いてＷＲＤ１に供給される未反応ガスを加熱する。ここでは、出口温度Ｔ₂を、所定温度、例えば、飽和状態の未反応ガスの含有水分量がＣＳＡ２で必要とされる水分量となる温度以上に制御することにより、未反応ガスが飽和状態となることで加湿不足が生じるのを抑制する。また、圧力制御バルブ２３を閉方向に調整することで、未反応ガスの未反応ガス流路１ａ内の滞留時間を増大する。これにより、滞留時間の不足により、未反応ガスがＷＲＤ１から低い湿度状態で排出されるのを抑制する。

まず、ヒータ２１の初期値の設定方法について説明する。

加湿機能の向上が指示されたら、まず、加熱レベルＬ_Hの初期値を設定する。ここでは、図８に示すような制御マップを質量流量Ｑ毎に予め記憶しておき、ＷＲＤ１から排出された未反応ガスの出口温度Ｔ₂、出口湿度Ｈ₂を検出することにより加熱レベルＬ_Hを設定する。図８に示すように、未反応ガスの出口温度Ｔ₂が低い場合に、ヒータ２１をＯＮにする。ここではヒータ２１として、加温の程度を段階的に切り替え可能なヒータを用い、温度Ｔ₂が低いほど加温の程度を強く、つまり加熱レベルＬ_Hの初期値を高く設定する。その後フィードバック制御により温度調整を行う。なお、ヒータ２１の加熱レベルＬ_Hは、出口温度Ｔ₂のみに応じて設定してもよい。

次に、圧力制御バルブ２３の開度の初期値の設定方法を説明する。

ここでは、図８に示すような制御マップを質量流量Ｑ毎に予め記憶しておき、ＷＲＤ１から排出された未反応ガスの出口温度Ｔ₂、出口湿度Ｈ₂を検出することにより圧力レベルＬ_Pを設定する。ここで、図８に示すマップは質量流量Ｑ毎に設定されており、圧力レベルＬ_Pは圧力制御バルブ２３の開度に相当する。図８に示すように、未反応ガスの出口湿度Ｈ₂が低い場合に、圧力レベルＬ_Pを大きく設定する、つまり、圧力制御バルブ２３を閉方向に設定する。その後フィードバック制御により温度調整を行う。なお、圧力レベルＬ_Pは、出口湿度Ｈ₂のみに応じて設定してもよい。

次に、この加湿機能の向上時におけるフィードバック制御について、図９に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３１において、質量流量Ｑを検出する。ステップＳ３２において、出口温度Ｔ₂、出口湿度Ｈ₂を検出する。次に、ステップＳ３３において、目標温度Ｔｔと出口温度Ｔ₂との比較を行う。ここで目標温度Ｔｔは、飽和状態の未反応ガスの含有水分量がＣＳＡ２で必要とされる水分量となる温度以上の温度とする。目標温度Ｔｔは、未反応ガスの質量流量Ｑに応じて予め設定しておく。目標温度Ｔｔ（Ｑ）と出口温度Ｔ₂の差ΔＴ（＝Ｔｔ（Ｑ）−Ｔ₂）が、−ε₁以上、ε₁以下の所定許容範囲内であるか否かを判断する。許容範囲内であれば、加熱レベルＬ_Hを維持してステップＳ３７に進む。

一方、温度差ΔＴが許容範囲内でなかったら、ステップＳ３４に進み、温度差ΔＴが０より小さいか否かを判断する。０より小さい場合は出口温度Ｔ₂が高すぎるということなので、ステップＳ３５においてヒータ２１の加熱レベルＬ_Hを低減する。ただし、加熱レベルＬ_Hが０、つまりヒータ２１がＯＦＦの場合には、この状態を維持する。一方、温度差ΔＴが０より大きい場合には、出口温度Ｔ₂が低すぎるということなので、ステップＳ３６において加熱レベルＬ_Hを増大する。

次に、ステップＳ３７において、目標圧力Ｐｔと出口圧力Ｐ₂との比較を行う。ここで、目標圧力Ｐｔは、未反応ガスの質量流量Ｑに応じて設定される。つまり、目標圧力Ｐｔは、未反応ガスの未反応ガス流路１ａ内の滞留時間が、加湿を行うのに十分な時間となる圧力とし、予め実験等により求めておく。目標圧力Ｐｔ（Ｑ）と出口圧力Ｐ₂の圧力差ΔＰ（＝Ｐｔ（Ｑ）−Ｐ₂）が、−ε₂以上、ε₂以下の所定許容範囲内であるか否かを判断する。許容範囲内であれば、バルブ２３の開度を維持してステップＳ４１に進む。

一方、圧力差ΔＰが許容範囲内でなかったら、ステップＳ３８に進み、圧力差ΔＰが０より小さいか否かを判断する。０より小さい場合は、すなわち、出口圧力Ｐ₂が大きすぎるということなので、コンプレッサ３に過剰の負荷が要求されていると判断することができる。そこで、ステップＳ３９において圧力レベルＬ_Pを低減する。つまり、圧力制御バルブ２３の開度を増大する。一方、圧力差ΔＰが０より大きい場合には、出口圧力Ｐ₂が小さすぎるということなので、十分な加湿が行われていない可能性がある。そこで、ステップＳ４０において、圧力レベルＬ_Pを増大する。つまり、圧力制御バルブ２３の開度を低減して、未反応ガス流路１ａ内の圧力を増大し、滞留時間を増大する。

次に、ステップＳ４１において、加熱レベルＬ_Hが０であり、かつ、圧力レベルＬ_Pが０、つまりバルブ２３の開度が全開であるか否かを判断する。ここで、加熱レベルＬ_Hが０であり、かつ、圧力レベルＬ_Pが０の場合には、加湿機能を向上する必要がないと判断することができるので、前述した図７のバルブ５の開度制御に移行する。一方、加熱レベルＬ_Hが０ではない、または、圧力レベルＬ_Pが０ではない場合には、加湿機能を向上する必要があると判断して、本フローを所定時間毎に繰り返す。

なお、圧力制御バルブ２３により圧力を増大する際には、圧力制御バルブ２３の下流側の圧力低下により、温度低下が生じて凝縮水が生じる可能性がある。そこで、圧力センサ２４の出力と、ＣＳＡ２内との圧力差に応じて、凝縮水が生じる可能性があると判断される場合には圧力制御バルブ２３の下流に配置したヒータ２２をＯＮとする。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

ＷＲＤ１を流通した未反応ガスの湿度Ｈ₂を検出する湿度センサ１４と、ＷＲＤ１内の未反応ガスの圧力を調整する圧力制御バルブ２３を備え、ＷＲＤ１内の未反応ガスの圧力を、湿度センサ１４の出力に応じて制御する。これにより、ＷＲＤ１内での未反応ガスの滞留時間が十分ではなく、低湿度状態でＷＲＤ１から未反応ガスが排出されるのを抑制することができる。

ＷＲＤ１の未反応ガス出口と、ＣＳＡ２の間に、未反応ガスを選択的に加熱するヒータ２２を備える。これにより、ＷＲＤ１に供給される未反応ガスが、ＷＲＤ１内で飽和状態となり、必要水分量を含有できないことにより加湿不足が生じるのを防ぐことができる。

また、ＷＲＤ１に供給される以前の未反応ガスを加熱するヒータ２１と、ＷＲＤ１から排出された未反応ガスの温度を検出する温度センサ２５を備える。ＷＲＤ１に供給される未反応ガスの温度を、温度センサ２５の出力に応じて制御する。これにより、ＷＲＤ１内で未反応ガスが飽和状態になることにより生じる加湿不足を抑制することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、圧力制御バルブ２３の初期値を、図１０に示すマップに応じて設定する。質量流量Ｑが大きい場合には、未反応ガスのＷＲＤ１内の滞留時間が短くなるので、十分に加湿されないまま排出される可能性がある。そこで、予め実験等により図１０に示すマップを記憶しておき、質量流量Ｑが大きい場合には、圧力制御バルブ２３の開度を低減することにより、圧力を増大する。また、出口湿度Ｈ₂が低いほど、圧力上昇を開始させる負荷の値を小さく、かつ、圧力レベルＬ_Pを高く設定する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

ＷＲＤ１内の未反応ガスの圧力を調整する圧力制御バルブ２３を備え、ＷＲＤ１内の未反応ガスの圧力を、未反応ガスの質量流量Ｑに応じて制御する。これにより、通常の使用条件においては圧力上昇を行わず、高負荷に限り圧力上昇による加湿機能の向上を図ることにより、通常運転時の燃費の悪化防止とＷＲＤ１の小型化の両立が可能となる。

なお、本実施形態においては、質量流量Ｑを直接検出しているが、この限りではない。例えば、諸条件より設定されたＣＳＡ２の負荷に応じて質量流量Ｑを設定する場合等には、ＣＳＡ２の負荷値を用いてもよい。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。

本発明は、固体高分子型燃料電池を備え、燃料電池外部の加湿手段により未反応ガスを加湿する燃料電池システムに適用することができる。特に、未反応ガスと既反応ガスとの間で水分の移動を行うことにより未反応ガスの加湿を行うＷＲＤを備えた燃料電池システムに適用することができる。

第１の実施形態に用いる水回収システムの概略構成図である。第１の実施形態におけるバルブ開度初期値の制御マップである。第１の実施形態におけるバルブ制御時のフィードバック制御のフローチャートである。第１の実施形態における質量流量に対する目標湿度を示す図である。第１の実施形態におけるヒータ制御のフローチャートである。第２の実施形態に用いる水回収システムの概略構成図である。第２の実施形態におけるバルブ制御時のフィードバック制御のフローチャートである。第２の実施形態におけるヒータおよび圧力制御バルブの制御マップである。第２の実施形態における加湿増大時のフィードバック制御のフローチャートである。第３の実施形態における圧力制御バルブの制御マップである。

符号の説明

１ＷＲＤ（水回収装置）
２ＣＳＡ（燃料電池）
４バイパス流路
５バルブ（流量割合調整手段）
６ヒータ（第二の加熱手段）
１１質量流量センサ（質量流量検出手段）
１２温度センサ（入口温度検出手段）
１３湿度センサ（入口湿度検出手段）
１４湿度センサ（出口湿度検出手段）
２１ヒータ
２２ヒータ（第一の加熱手段）
２３圧力制御バルブ（圧力調整手段）

Claims

反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、
前記燃料電池に供給される以前の未反応ガスと、前記燃料電池から排出された既反応ガスとの間で水分の移動を行う水回収装置と、
未反応ガスの質量流量を検出する質量流量検出手段と、
前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの温度を検出する入口温度検出手段と、
前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する入口湿度検出手段と、
前記水回収装置の未反応ガスの迂回路であるバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通する未反応ガスの流量割合を未反応ガスの質量流量と、入口温度と、入口湿度に基づいて調整する流量割合調整手段と、を備え、
前記流量割合調整手段は、
入口温度及び入口湿度が一定のとき、質量流量が大きいほど流量割合を大きくし、
質量流量及び入口温度が一定のとき、入口湿度が高いほど流量割合を大きくし、
質量流量及び入口湿度が一定のとき、入口温度が高いほど流量割合を大きくする、
ことを特徴とする燃料電池の水回収システム。
前記水回収装置を流通した未反応ガスの湿度を検出する出口湿度検出手段を備え、
前記流量割合調整手段での未反応ガスの流量割合を、未反応ガスの出口湿度が目標湿度となるようにフィードバック制御する請求項１に記載の燃料電池の水回収システム。
前記目標湿度を、未反応ガスの質量流量が大きくなるに従って大きくなるように設定する請求項２に記載の燃料電池の水回収システム。
前記水回収装置を流通した未反応ガスの湿度を検出する出口湿度検出手段と、
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、を備え、
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を、出口湿度が低くなるに従って大きくなるように制御する請求項１に記載の燃料電池の水回収システム。
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を調整する圧力調整手段を備え、
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を、未反応ガスの質量流量が大きくなるに従って大きくなるように制御する請求項１に記載の燃料電池の水回収システム。
前記水回収装置の未反応ガス出口と、前記燃料電池の間に、未反応ガスを選択的に加熱する第一の加熱手段を備える請求項１に記載の燃料電池の水回収システム。
前記燃料電池と、前記水回収装置の既反応ガス入口との間に、既反応ガスを選択的に加熱する第二の加熱手段を備える請求項１に記載の燃料電池の水回収システム。