JP4413587B2 - 燃料電池用加湿システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池自動車等に使用される燃料電池用加湿システムに関し、特に、水分透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムに関する。

従来から、固体高分子膜を電解質膜として用いた燃料電池が知られている。この種の燃料電池においては、供給される酸素と水素との電気化学反応により生じた電子が固体電解質膜を流れることにより発電が行われる。そして、発電が効率良く行われるためには、前記固体高分子膜の導電性を高め、反応により生じた電子の移動の際の抵抗を低くする必要がある。ところで、燃料電池内では反応により水が生ずる関係で、燃料電池の反応後に排出されるオフガスには多くの水分が含まれている。したがって、燃料電池の反応後に排出されるオフガスを加湿ガスとして用い、燃料電池の反応に使用される反応ガスを加湿する水分透過型の加湿器を備えた燃料電池用加湿システムが提案されている。
この加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、反応ガスの加湿量を調整するために、加湿器を経て燃料電池に至る反応ガス供給路に、加湿器をバイパスするバイパス路が設けられ、このバイパス路に反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁が取付けられたものが提案されている。

加湿器にバイパス路が設けられた燃料電池用加湿システムとしては、例えば、加湿の状態と負荷電流の大きさにより、固体高分子電解質が過剰乾燥の状態になると出力が徐々に低下し始め、電流電圧特性を下回ったとき、バイパス路の流量調整弁が作動して加湿量の制御を行うものがある（特許文献１参照）。
また、加湿器を通流する回路に所定の時間通流したのち、加湿器を迂回する回路に所定の時間通流するサイクルを周期的に繰り返す制御を行うものもある（特許文献２参照）。
さらに、燃料電池内の各固体高分子膜の電圧であるセル電圧がしきい値より大きいか否かを判定して流量調整弁を作動する制御を行うものもある（特許文献３参照）。
特開平５−４７３９４号公報 特開平１０−６４５６９号公報 特開２００１−２１６９８４号公報

しかしながら加湿器にバイパス路が設けられた燃料電池用加湿システムにおいては、例えば燃料電池を搭載した燃料電池自動車が急激に減速した場合等、燃料電池の出力が急激に低下した場合、燃料電池の出力を維持するために供給されていた反応ガスの供給が激減することにより、反応ガスによって排出されていた生成水が、排出されずに反応ガス供給路に滞留してしまう。また、例えば燃料電池を搭載した燃料電池自動車が急激に加速した場合等、燃料電池の出力が急激に上昇した場合においても、燃料電池の温度が低温であり、発電電流が少ないことで発熱量が少ないと、電流の増加に伴って凝縮水が多量に生成され、その凝縮水が反応ガス供給路に滞留してしまう。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、燃料電池の反応によって生成される凝縮水の低減を図り、燃料電池の発電安定性を向上させる燃料電池用加湿システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、請求項１に記載した発明は、燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器（例えば実施形態における加湿器７）と、前記加湿器をバイパスして前記燃料電池に至る反応ガス供給路（例えば実施形態における反応ガス供給路４）に接続されるバイパス路（例えば実施形態におけるバイパス路８）と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を調整する流量調整弁（例えば実施形態における流量調整弁９）とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、燃料電池（例えば実施形態における燃料電池１）の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段（例えば実施形態における制御部１３）を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池の発電出力が変化したときに、流量調整弁制御手段によって流量調整弁を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることにより、燃料電池の発電の弊害となる水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなる。
また、加湿器を経て燃料電池に至る反応ガス供給路にバイパス路が加湿器をバイパスすることにより、燃料電池の発電出力が変化したときに加湿が抑制された反応ガスを燃料電池に供給することとなる。

請求項２に記載した発明に係る燃料電池用加湿システムにおいて、燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器と、前記燃料電池から前記加湿器を経て排出されるオフガス排出路（例えば実施形態におけるオフガス排出路６）に接続され前記加湿器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記オフガスの流量を調整する流量調整弁とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記燃料電池の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池の発電出力が変化したときに、流量調整弁制御手段によって流量調整弁を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることにより、燃料電池の発電の弊害となる水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなる。
また、燃料電池から加湿器を経て排出されるオフガス排出路にバイパス路が加湿器をバイパスすることにより、燃料電池の発電出力が変化したときに加湿器に供給するオフガスの量を低減して、加湿が抑制された反応ガスを加湿器から燃料電池に供給することとなる。

請求項３に記載した発明に係る燃料電池用加湿システムにおいて、前記流量調整弁制御手段は、前記燃料電池の発電出力及び発電出力変化量が小さくなるほど前記流量調整弁の開度を小さく設定することを特徴とする。
燃料電池の発電出力及び発電出力変化量に基づいて流量調整弁の開度を設定することにより、燃料電池の発電出力及び発電出力変化量に応じて直接的かつ迅速に加湿がなされ、燃料電池の発電の弊害となる水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなる。

請求項１または２に記載した発明によれば、燃料電池の発電出力が変化したときに、流量調整弁制御手段によって流量調整弁を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることによって、燃料電池の発電の不具合を発生させる要因となっていた反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池の発電安定性を向上させることができる。
また、燃料電池の発電出力が変化したときに加湿が抑制された反応ガスまたはオフガスを燃料電池に供給することとなるので、燃料電池の発電安定性を向上させることができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池の発電出力及び発電出力変化量に応じて直接的かつ迅速に加湿がなされ、水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池の発電安定性を向上させることができる。

以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明を適用した燃料電池用加湿システムを示すブロック図である。
この燃料電池加湿システムは、例えば、燃料電池自動車に使用されるものである。同図において、１は燃料電池を示している。燃料電池１は多数の固体高分子膜を備えたものであって、アノード極及びカソード極を構成する。各固体高分子膜は酸素と水素とを隔絶しつつ、飽和含水することにより、分子中に存在するプロトン交換基によって導電性電解質として機能するものである。そして、固体高分子膜を加湿して導電性を高めるために後述する加湿器が用いられるのである。

燃料電池１のガス入口２，２ａにはそれぞれ、燃料電池の反応に使用される反応ガス、具体的にはエア供給システム３から供給される空気あるいは水素供給システム３ａから供給される水素ガスを供給する反応ガス供給路４，４ａが接続されている。この反応ガス供給路４は、エア供給システム３から加湿器７を経て燃料電池１のガス入口２に至るようになっている。また、反応ガス供給路４ａは、水素供給システム３ａから燃料電池１のガス入口２ａに至るようになっている。

燃料電池１のガス出口５，５ａにはそれぞれ、反応を終えて燃料電池１から排出されるオフガスのオフガス排出路６，６ａが接続されている。上記反応ガス供給路４とオフガス排出路６とにまたがって、反応ガスである空気をオフガス内の水分により加湿する加湿器７が、水分透過型のカソード加湿器として設けられている。
また、反応ガス供給路４には、加湿器７をバイパスするバイパス路８が設けられている。このバイパス路８には、バイパス路８を通過する空気の流量を調整する流量調整弁９が設けられている。

燃料電池１の上流側かつバイパス路８の下流側には燃料電池１に供給される空気の温度を検知するセンサ１０が設けられ、燃料電池１の下流側には燃料電池１から排出される空気の温度を検知するセンサ１１が設けられている。また、バイパス路８の上流側にはエア供給システム３から加湿器７あるいはバイパス路８に供給される空気の温度を検知するセンサ１２が設けられている。

この燃料電池加湿システムには、流量調整弁９の制御を行う流量調整弁制御手段としての制御部１３が設けられている。この制御部１３は、センサ１０，１１，１２によって検知された温度に関する信号を入力し、エア供給システム３、水素供給システム３ａ、及び流量調整弁９を駆動させる信号を出力するようになっている。
また、制御部１３は、燃料電池１の発電出力及び発電出力変化量に基づいて流量調整弁９の開度を設定するマップを有している。そのマップの一例を図２に示す。発電出力は、燃料電池自動車を減速させることによって燃料電池１の発電出力を下げる前、または燃料電池自動車を加速させることによって発電出力を上げた後の電流値であって、
ｘ＞ｙ＞ｚ＞ｗ＞・・・
である。発電出力変化量は、燃料電池１の発電出力を下げたときまたは上げたときの発電出力の電流値の差である。また、発電出力変化量に基づいて流量調整弁９の開度を設定する判断の基準となる電流値をα，β，・・・とし、
α＞β＞・・・
とする。図２のマップによれば、例えば、燃料電池１の発電出力を下げる際、燃料電池１の発電出力を下げる前の電流値がｘＡであり、燃料電池１の発電出力を下げた後の電流値がａＡ（ｘ＞ａ）、すなわち燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａであったとき、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度はＡ°に設定される。このマップによって、制御部１３は流量調整弁９の開度をＡ°に開くような制御を行うこととなる。また、例えば、燃料電池１の発電出力を上げる際、燃料電池１の発電出力を上げる前の電流値がａＡであり、燃料電池１の発電出力を上げた後の電流値がｘＡ、すなわち燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａであったときも同様に、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度はＡ°に設定される。
また、図２において、発電出力が小さくなるほど流量調整弁９の開度が小さくなり、発電出力変化量が小さくなるほど流量調整弁９の開度が小さくなるように設定されている。すなわち、流量調整弁９の開度は、
Ａ＞Ｂ＞・・・，Ｃ＞Ｄ＞・・・，Ａ＞Ｃ＞・・・，Ｂ＞Ｄ＞・・・
となる。

上記の構成からなる燃料電池用加湿システムにおいて、燃料電池１の発電出力を変化させる場合、制御部１３が空気及び水素の燃料電池１への供給を制御するとともに、流量調整弁９の開度を制御して、バイパス路８を通過する空気の量を調整する。
すなわち、燃料電池１の発電出力の電流値が所定の値ｘＡで一定となるように、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａを駆動させて、空気及び水素を燃料電池１に供給する。そして、燃料電池１の発電出力の電流値がａＡとなるように燃料電池１の発電出力を下げて燃料電池自動車を減速させる際、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａの駆動を制御して、空気及び水素の燃料電池１への供給を減少させる。これと同時に、制御部１３のマップを参照して、燃料電池１の発電出力の電流値がｘＡであり、燃料電池１の発電出力を下げた後の発電出力の電流値がａＡである場合、燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａとなるため、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度がＡ°に設定される。その後、流量調整弁９の開度がＡ°となるように、制御部１３が流量調整弁９の開度を制御して、バイパス路８を通過する空気の量を増加させる。

この場合、マップに設定された開度Ａ°に流量調整弁９を開くことで、バイパス路８を通過して加湿されない空気の量が多くなるとともに、加湿器７を通過して加湿される空気の量が少なくなるため、反応ガス供給路４を通過し燃料電池１に供給される空気の加湿が全体として抑制されることになる。このように流量調整弁９の開度を制御することにより、燃料電池１に供給される空気に対して、燃料電池１の発電出力及び発電出力変化量に応じた加湿がなされる。したがって、流量調整弁９の開度を大きく開くよう制御して空気の加湿が全体として抑制されると、空気に含まれる水が少なくなることで、燃料電池１の発電出力が下がっても水が過剰に生成されなくなるため、反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなる。

また、燃料電池１の発電出力の電流値がｘＡからａＡとなって一定となったとき、制御部１３が流量調整弁９を閉じるよう制御し、その後も燃料電池１の発電出力の電流値がａＡで一定となるように、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａを駆動させて、空気及び水素を燃料電池１に供給させる。
その後、燃料電池１の発電出力の電流値がｘＡとなるように燃料電池１の発電出力を上げて燃料電池自動車を加速させる際、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａの駆動を制御して、空気及び水素の燃料電池１への供給を増加させる。これと同時に、制御部１３のマップを参照して、燃料電池１の発電出力の電流値がａＡであり、燃料電池１の発電出力を上げた後の発電出力の電流値がｘＡである場合、燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａとなるため、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度がＡ°に設定される。その後、流量調整弁９の開度がＡ°となるように、制御部１３が流量調整弁９の開度を制御して、バイパス路８を通過する空気の量を増加させる。

この場合、上記のように燃料電池１の発電出力を下げた場合と同様に、流量調整弁９の開度を大きく開くよう制御して空気の加湿が全体として抑制されると、空気に含まれる水が少なくなることで、燃料電池１の発電出力が下がっても水が過剰に生成されなくなるため、反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなる。
なお、燃料電池１の発電出力を上げる場合、その発電出力を上げる直前の燃料電池１の温度は低温であり、発電電流が少ないことで発熱量が少ないため、電流の増加に伴って凝縮水が多量に生成される。したがって、制御部１３が流量調整弁９の開度を制御してバイパス路８を通過する空気の量を増加させ、燃料電池１に供給される空気の加湿を全体として抑制させる必要がある。

上記の構成における燃料電池用加湿システムによれば、燃料電池１の発電出力が変化したとき、すなわち燃料電池１の発電出力の電流値が減少または増加したとき、制御部１３によって流量調整弁９を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることによって、燃料電池１の発電の不具合を発生させる原因となっていた反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池１の発電安定性を向上させることができる。
すなわち、図３に示すように、本発明の燃料電池用加湿システムを制御すると、図３（ａ）において発電出力が変化した時点で、図３（ｂ）において凝縮水量が変化する。本発明の燃料電池用加湿システムを制御することによって、過剰凝縮水量を抑制することができる。なお、この過剰凝縮水量は、燃料電池用加湿システムを制御しない場合に発電出力が変化した時点で過剰に存在して燃料電池１の発電の不具合を発生させる凝縮水の量である。

次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。
図４は、本発明を適用した燃料電池用加湿システムを示すブロック図である。
図４においては、上記第１実施形態における図１と同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

オフガス排出路６には、加湿器をバイパスするバイパス路８ａが設けられている。このバイパス路８ａには、バイパス路８ａを通過するオフガスの流量を調整する流量調整弁９ａが設けられている。
燃料電池１の上流側には燃料電池１に供給される空気の温度を検知するセンサ１０が設けられ、燃料電池１の下流側には燃料電池１から排出される空気の温度を検知するセンサ１１が設けられている。また、加湿器７の上流側にはエア供給システム３から加湿器７に供給される空気の温度を検知するセンサ１２が設けられている。

上記の構成における燃料電池用加湿システムにおいても、第１実施形態における燃料電池用加湿システムと同様に、燃料電池１の発電出力が変化したとき、すなわち燃料電池１の発電出力の電流値が減少または増加したとき、制御部１３によって流量調整弁９ａを開くことで反応ガスの加湿が抑制されることによって、燃料電池１の発電の不具合を発生させる原因となっていた反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池１の発電安定性を向上させることができる。

なお、燃料電池１内で反応に使用されるガスは空気として取り入れられる酸素と、別途供給される水素とがあり、上記実施形態では空気側で説明しているが、反応ガス供給路４ａとオフガス排出路６ａとにまたがって、反応ガスである水素をオフガス内の水分により加湿する加湿器７が、水分透過型のアノード加湿器として設けられてもよい。

本発明における第１実施形態に係る燃料電池用加湿システムのブロック図である。 本発明における第１実施形態に係る燃料電池用加湿システムの流量調整弁の開度を設定したマップを示す図である。 本発明における第１実施形態に係る燃料電池用加湿システムの特性を示すグラフ図であって、（ａ）は発電出力特性を示すグラフ図であり、（ｂ）は凝縮水特性を示すグラフ図である。 本発明における第２実施形態に係る燃料電池用加湿システムのブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ エア供給システム
３ａ 水素供給システム
４，４ａ 反応ガス供給路
６，６ａ オフガス排出路
７ 加湿器
８，８ａ バイパス路
９，９ａ 流量調整弁
１３ 制御部（流量調整弁制御手段）

Claims (3)

1. 燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器と、前記加湿器をバイパスして前記燃料電池に至る反応ガス供給路に接続されるバイパス路と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を調整する流量調整弁とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記燃料電池の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
2. 燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器と、前記燃料電池から前記加湿器を経て排出されるオフガス排出路に接続され前記加湿器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記オフガスの流量を調整する流量調整弁とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記燃料電池の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
3. 前記流量調整弁制御手段は、前記燃料電池の発電出力及び発電出力変化量が小さくなるほど前記流量調整弁の開度を小さく設定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用加湿システム。

Images