JP2003288922A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
運転させつつ加湿用の水の導電率を下げる。 【解決手段】 燃料電池システムにおいて、燃料電池
(1)へ供給する燃料ガスと空気の少なくとも一方を加
湿するための加湿手段(3)と、加湿用の水の導電率を
低下させるイオン交換樹脂(8)と、加湿用の水の導電
率を検出するセンサ(6)とを備え、検出された加湿用
の水の導電率が所定値より高い場合に加湿手段(3)に
よる加湿を禁止して燃料電池(1)を無加湿運転させる
とともに、イオン交換樹脂(8)による導電率低下能力
を高めるようにする。
Description
ムに関する。
料電池システムを開示している。
池は固体高分子膜タイプが主である。このタイプの燃料
電池は固体高分子膜が湿潤状態にないと発電効率が悪化
するので、燃料電池に供給する空気と燃料ガスの少なく
とも一方を加湿する必要がある。
器を設けて燃料電池に供給する空気もしくは燃料ガスの
少なくとも一方を加湿する方法、燃料電池内部に水を循
環させてその水で加湿する方法がある。
加湿のための水の導電率が高い場合、水を介して短絡電
流が流れる現象が発生し、発電電力の一部が無駄に消費
される。燃料電池に供給される空気や燃料ガスを加湿し
た場合も燃料電池内部でその蒸気が凝縮すれば同様に短
絡電流が流れる場合がある。このような短絡電流は制御
の効かない電流が流れていることと同様であり、消費電
力が増大する原因となる。
れたもので、加湿用の水の導電率が高い場合に燃料電池
を運転させつつ加湿用の水の導電率を下げることを目的
とする。
いて、燃料電池へ供給する燃料ガスと空気の少なくとも
一方を加湿するための加湿手段と、加湿用の水の導電率
を低下させる導電率低下手段と、加湿用の水の導電率を
検出する手段とを備え、検出された加湿用の水の導電率
が所定値より高い場合に加湿手段による加湿を禁止して
燃料電池を無加湿運転させるとともに、導電率低下手段
の導電率低下能力を高めるようにする。
が高い場合は燃料電池を無加湿状態で運転し、その間に
加湿用の水の導電率を比較的時間をかけて低下させるこ
とができるので、長期保存後加湿用の水の導電率が高く
なっている場合でも燃料電池を早期に起動できる。
実施の形態について説明する。
略構成を示す。図示するシステムはアノードに水素を水
素タンク17から直接供給するダイレクト水素型の燃料
電池を用いたシステムであるが、液体燃料を改質して得
られる水素リッチなガスを供給する改質型燃料電池であ
ってもよい。
電解質膜を挟んで空気を流通させるカソード極と水素を
供給するアノード極が形成されている。また、燃料電池
1には燃料電池本体の温度をコントロールする低融点の
熱媒体(以下LLCと略す)を通す通路9も形成されて
いる。さらに、固体高分子電解質膜の加湿および凝縮水
の回収のため、多孔質材料を介してカソード、アノード
と純水のやり取りが可能な構造の純水流路3(加湿手
段)も備わっている。ただし、加湿は供給する空気や水
素を外部加湿器により加湿するタイプであってもよい。
しての温度センサ2が設けられており、温度センサ2で
燃料電池本体の温度をモニタする。配管3は前記加湿用
の純水を燃料電池1へ循環させる配管であり、循環のエ
ネルギは水ポンプ4で与えている。また、本実施例では
加湿用の水のバッファタンク5を備える構成としてい
る。
導電率センサ6が設けられており、弁7は加湿用の水を
燃料電池1に供給するかイオン交換樹脂8へ供給するか
を切り替える三方弁である。三方弁7を切り替えて加湿
用の水をイオン交換樹脂8(導電率低下手段)に供給す
れば、加湿用の水の導電率を下げることができる。三方
弁7は加湿用の水を燃料電池1に供給している場合でも
加湿用の水の一部をイオン交換樹脂8にも供給し、常時
加湿用の水の導電率を低下させるように構成しても良
い。
加湿用の水の配管と区別できるよう二重線で図示されて
いる。LLCはLLCポンプ10によって配管9を流
れ、燃料電池1に供給される。燃料電池1から流出した
LLCは加湿用の水のバッファタンク5に導かれ、氷点
下等の低温時は加湿用の水とともに図示しないヒータに
よって加温できるように構成される。加湿用の水のバッ
ファタンク5を出たLLCは三方弁11へ導かれ、LL
Cの温度と制御要求温度に応じてラジエータ12を通る
ライン13か通らないライン14かに流路を切り替えら
れる。三方弁11を切り替えてLLCをラジエータ12
に供給すればLLCの温度を下げて燃料電池1の温度を
下げることができる。ラジエータ12(及び三方弁1
1)が燃料電池1の温調手段を構成する。
17の水素を調節弁18で流量、圧力を調整して行う。
また、空気は空気温度センサ22、空気湿度センサ23
で温度、湿度を検出された後、ブロア、コンプレッサ等
の空気供給機20より燃料電池1へ供給される。
または2以上のマイクロプロセッサ、メモリ、入出力イ
ンターフェース等を含んで構成されるコントロールユニ
ット21(制御手段)が設けられている。コントロール
ユニット21には加湿用の水の導電率が導電率センサ6
より、燃料電池1の温度が燃料電池本体温度センサ2よ
り、吸入空気の温度が空気温度検出手段としての空気温
度計22、吸入空気の湿度が空気湿度検出手段としての
空気湿度計23より送られる。コントロールユニット2
1は、それらの情報を基に水ポンプ4、三方弁7、LL
Cポンプ10、三方弁11、調節弁18を制御する。
容について説明する。
ロック図を示したものである。これによると、先ずブロ
ックB1で、加湿用水の導電率が燃料電池1への加湿用
水の供給を許可できるレベルか禁止するレベルかを判定
する。禁止するレベルであれば次に、ブロックB2で加
湿用水の導電率を緊急に低下させる制御を実行する。さ
らにブロックB3で無加湿運転が可能な環境にあるかを
判定し、無加湿運転の可否を決定する。また、現状は無
加湿運転が困難でも運転条件を変更すれば可能となる場
合はその運転条件となるようにブロックB4で運転条件
を整える。その後無加湿運転が可能と判断された場合は
ブロックB5で燃料電池1を無加湿状態で運転する。
説明する。図3はコントロールユニット21が行う加湿
用水導電率判定処理の内容を示したフローチャートであ
り、図2のブロックB1における処理に対応する。
電率センサ6の出力に応じた加湿用水の導電率Cを読み
込み、読み込んだ導電率Cと所定値SLCとをステップ
S2で比較する。ここで所定値SLCはこれ以上の導電
率で運転を続行すると燃料電池1が損傷するなどの問題
が発生する値である。もちろん問題が発生するぎりぎり
の値を所定値SLCとして定義する必要はなく、製造ば
らつき等の影響も含め充分に余裕を持った値と定義して
よい。
導電率Cが所定値SLC未満であればこのまま燃料電池
1を運転してよいと判断してステップS3で導電率悪化
フラグFCを「0」とし、導電率が悪化していないこと
を宣言して本フローを終了する。加湿用水の導電率Cが
所定値SLC以上であればステップS4で導電率悪化フ
ラグFCを「1」とし、導電率が悪化しているためこの
まま運転していてはいけないことを宣言して本フローを
終了する。
湿用水導電率低減運転処理の内容を示したフローチャー
トであり、図2のブロックB2における処理に対応す
る。
加湿用水導電率判定処理で設定したフラグFCが「1」
であるかすなわち加湿用水の導電率が異常値を示したか
を判定する。異常でない場合は何もせずに本フローを終
了するが、異常である(FC=1)場合は加湿用水の導
電率を早急に低下させるべくステップS12、S13の
処理を実施する。
た加湿用水のほぼ全量がイオン交換樹脂8を通るように
三方弁7を切り替える。次に、ステップS13では水ポ
ンプ4にて送液する加湿用水の流量を増大させ、好まし
くは最高流量とする。以上の制御を行うことでバッファ
タンク5内の加湿用水の導電率は迅速に低減される。
加湿運転許可処理の内容を示したフローチャートであ
り、図2のブロックB3における処理に対応する。
理で設定したフラグFCが1であるかすなわち加湿用水
の導電率が異常値を示したかを判定する。異常でない場
合はステップS28で無加湿運転を不許可(FUH=
O)かつ燃料電池1の運転を許可して通常運転状態をキ
ープし本フローを終了する。
池1の温度TSTKを温度センサ2から、吸入空気の温
度TAIRを空気温度センサ22から、吸入空気の湿度
HAIRを空気湿度センサ23からそれぞれ読み込む。
そして、ステップS23では読み込んだ吸入空気温度T
AIR、湿度HAIRに応じてマップM1を参照するこ
とで無加湿運転可能判定温度TSLUHを設定する。無
加湿運転可能判定温度TSLUHは吸入空気の温度TA
IRが高くなるほど、また湿度HAIRが高くなるほど
高い温度に設定される。これは吸入空気の湿度が高いほ
ど吸入空気中の水分が多くなり、吸入空気の温度が高い
ほど吸入空気中に多くの水分を含むことができるので、
吸入空気の湿度、温度が高いほど燃料電池1が無加湿で
運転することが可能な温度も高くなるからである。
電池1の温度がこの温度を超えていれば無加湿運転が不
可能であることを意味する温度である。すなわち燃料電
池1の温度が無加湿運転可能判定温度TSLUH以上で
あれば吸入空気によって流入する水分と燃料電池1内部
で生成される水とオフガスによって排出される水分のバ
ランスより水分が減少し、燃料電池1の運転が不可能と
なる環境となっていることを意味する。
TSTKが無加湿運転可能判定温度TSLUH以下であ
ればステップS27で無加湿運転を許可(FUH=1)
かつ燃料電池1の運転も許可して本フローを終了する。
ステップS24で燃料電池1の温度TSTKが無加湿運
転可能判定温度TSLUHを超えていればステップS2
5で無加湿運転を不許可(FUH=O)かつ燃料電池1
の運転も禁止とする。但し、その後のステップS26で
燃料電池1の温調手段(ラジエータ12)の燃料電池冷
却能力で燃料電池1の温度を無加湿運転可能判定温度T
SLUH以下まで下げることができる場合は、以下に説
明する燃料電池1の温度を下げる制御(運転環境調整処
理)を行う。
転環境調整処理の内容を示したフローチャートであり、
図2のブロックB4における処理に対応する。
入空気の温度TAIRを空気温度センサ22から、吸入
空気の湿度HAIRを空気湿度センサ23からそれぞれ
読み込み、読み込んだ吸入空気温度TAIR、湿度HA
IRに基づき、燃料電池1の温調手段で燃料電池1を冷
却すれば燃料電池1の温度を無加湿運転可能な温度まで
下げることができるか否かをステップS32でマップM
2を参照するにより判断する。
中の水分が多いことであるので、無加湿運転は実現しや
すい。従って吸入空気湿度HAIRが高いほうでは無加
湿運転可能領域(FCONT=1)が広くなる。一方、
吸入空気温度TAIRが高い場合は吸入空気中に含むこ
とができる水分の量は多くなるものの、LLCの温度と
空気の温度差が少なくなり燃料電池1を冷却しづらい環
境となるため無加湿運転可能領域は狭くなる。これらの
バランスにより無加湿運転領域は変化する。以上より、
ステップS32のマップM2における無加湿運転可能領
域は部品の製造ばらつき等も含めて実験によって決定さ
れるのが望ましい。
ることで無加湿運転が可能か(FCONT=1)不可能
か(FCONT=0)を判定し、不可能であればこのま
ま本フローを終了するが、可能であればステップS34
で三方弁11をラジエータ12側へ切り替えてLLCを
ラジエータ12で冷却するように制御するとともにLL
Cの流量を増量して燃料電池1内に高温部を作らないよ
うに制御して、燃料電池1を無加湿運転可能な温度まで
冷却する。
加湿運転処理の内容を示したフローチャートであり、図
2のブロックB5における処理に対応する。
転が許可されているか(FUH=1)を判定し、不許可
であればこのままフローを終了するが、許可されていれ
ばステップS42で燃料電池の出力を所定値PUHへ制
限する。これは燃料電池1を高負荷で運転させると燃料
電池1の温度が上昇し、無加湿運転か困難となるからで
ある。
STKを温度センサ2から、吸入空気の温度TAIRを
空気温度センサ22から、吸入空気の湿度HAIRを空
気湿度センサ23から読み込み、ステップS44で無加
湿運転上限温度TUHを読み込んだ空気温度TAIR、
空気湿度HAIRに基づいてマップM3を参照すること
で設定する。この無加湿運転上限温度TUHは無加湿運
転許可処理のステップS23で参照した無加湿運転可能
判定温度TSLUHよりも充分低い値となる。すなわち
この温度に燃料電池1を制御すれば、無加湿運転可能判
定温度TSLUH以上となり無加湿運転が不許可となる
ことがなく、かつ、可能な限り高い温度で運転できるた
め、効率の悪化も少なくなる。
TSTKが無加湿運転上限温度TUHを超えているかを
判定し、超えていれば燃料電池1を冷却するために三方
弁11をラジエ−タ12側へ切り替えるとともにLLC
流量を増量して燃料電池1内に高温部を作らないように
制御し、超えていなければ三方弁11をラジエータ12
を通過しないバイパス側へ切り替えてなるべく効率の良
い運転の可能な温度まで燃料電池1を加温する。
いは長期保存後の起動においても、加湿用水の導電率が
悪化しており燃料電池の加湿が不能であった場合でも、
燃料電池を無加湿運転可能な状態に維持して運転を継続
できる。運転を継続している間に加湿用水の導電率を充
分下げることができるので、運転を中断しなくても通常
の運転状態へ移行することができる。
電池システムにおいて、燃料電池へ供給する燃料ガスと
空気の少なくとも一方を加湿するための加湿手段と、加
湿用の水の導電率を低下させる導電率低下手段と、加湿
用の水の導電率を検出する手段と、検出された加湿用の
水の導電率が所定値より高い場合に加湿手段による加湿
を禁止して燃料電池を無加湿運転させるとともに、導電
率低下手段の導電率低下能力を高める制御手段とを備え
たことにより、加湿用の水の導電率が高い場合は燃料電
池を無加湿運転させ、その間に加湿用の水の導電率を比
較的時間をかけて低下させることができ、長期保存後加
湿用の水の導電率が高くなっている場合でも導電率の低
下を待つことなく燃料電池を早期に起動できる。
流通させることで加湿用の水の導電率を低下させる手段
とし、制御手段がイオン交換樹脂に流通させる加湿用の
水の流量を増大することで導電率低下手段の導電率低下
能力を高めるようにしたことにより、簡単な構成で本発
明を実現でき、コストの低減や車両への搭載性、レイア
ウト性を高めることができる。
温度が低いときに可能になるので、燃料電池の温度を検
出する手段をさらに備え、制御手段が、検出された燃料
電池の温度が無加湿運転可能判定温度より低いときに無
加湿運転が可能と判断し無加湿運転を行わせるようにす
れば、無加湿運転の可否を高い精度で判断でき、加湿が
必要な状況で加湿が行われないといった事態を回避でき
る。
中の水分が多くなり、吸入空気の温度が高いほど吸入空
気中に多くの水分を含むことができるので、吸入空気の
湿度、温度が高いほど燃料電池が無加湿で運転すること
が可能な温度も高くなる。本実施形態では、燃料電池に
供給する空気の湿度あるいは温度を検出する手段をさら
に備え、制御手段が、検出された供給空気の湿度あるい
は温度に基づき無加湿運転可能判定温度を設定、具体的
には、検出された供給空気の湿度あるいは温度が高いほ
ど無加湿運転可能判定温度を高く設定するので、無加湿
運転が可能か否かをさらに高い精度で判断できる。
をさらに備え、制御手段は、検出された加湿用の水の導
電率が所定値より高くかつ検出された燃料電池の温度が
無加湿運転可能判定温度より高いとき、温調手段により
燃料電池の温度を無加湿運転可能判定温度以下に下げる
ことができるか判断し、無加湿運転可能判定温度以下に
下げることができると判断したときは温調手段により燃
料電池の温度を下げる。これにより、燃料電池の温度が
高く無加湿運転が不可能な場合であっても、燃料電池の
温度を無加湿運転可能な温度まで下げることが可能なと
きは温調手段によって燃料電池の冷却が行われ、燃料電
池に無加湿運転を行わせる機会をできる限り確保するこ
とができる。
燃料電池の運転負荷の上限を下げるように制御手段を構
成したので、燃料電池が高負荷で運転することによる温
度上昇が抑えられ、燃料電池の温度上昇により無加湿運
転ができなくなるのを回避できる。
き取る構成となっていないため、LLCの導電率が高い
場合には燃料電池へのガス供給ができなくなってしまう
可能性がある。しかしながら、そのような場合はLLC
のみ循環させて図示していないイオン交換樹脂にてLL
Cの導電率を低下させ、LLCの導電率が所定値以下に
なるまで燃料電池へのガス供給は行わない構成とすれば
よい。その間は図示しない蓄電池からの電力で走行する
構成が有効と考えられる。
ある。
る。
チャートである。
ローチャートである。
ートである。
トである。
である。
Claims (9)
- 【請求項1】燃料電池と、 前記燃料電池へ供給する燃料ガスと空気のうち少なくと
も一方を加湿するための加湿手段と、 加湿用の水の導電率を低下させる導電率低下手段と、 加湿用の水の導電率を検出する手段と、 検出された前記加湿用の水の導電率が所定値より高い場
合に前記加湿手段による加湿を禁止して前記燃料電池を
無加湿運転させるとともに、前記導電率低下手段の導電
率低下能力を高める制御手段と、を備えたことを特徴と
する燃料電池システム。 - 【請求項2】前記導電率低下手段はイオン交換樹脂に流
通させることで前記加湿用の水の導電率を低下させる手
段であり、 前記制御手段は前記イオン交換樹脂に流通させる前記加
湿用の水の流量を増大することで前記導電率低下手段の
導電率低下能力を高め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。 - 【請求項3】前記燃料電池の温度を検出する手段をさら
に備え、 前記制御手段が、検出された前記燃料電池の温度が所定
の無加湿運転可能判定温度より低いときに前記無加湿運
転が可能と判断し前記燃料電池を無加湿運転させること
を特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項4】前記燃料電池に供給する空気の湿度を検出
する手段をさらに備え、 前記制御手段が、検出された供給空気の湿度に基づき前
記無加湿運転可能判定温度を設定することを特徴とする
請求項3に記載の燃料電池システム。 - 【請求項5】前記制御手段が、検出された供給空気の湿
度が高いほど前記無加湿運転可能判定温度を高く設定す
ることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項6】前記燃料電池に供給する空気の温度を検出
する手段をさらに備え、 前記制御手段が、検出された供給空気の温度に基づき前
記無加湿運転可能判定温度を設定することを特徴とする
請求項3に記載の燃料電池システム。 - 【請求項7】前記制御手段が、検出された供給空気の温
度が高いほど前記無加湿運転可能判定温度を高く設定す
ることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項8】前記燃料電池の温度を制御する温調手段を
さらに備え、 前記制御手段が、検出された前記加湿用の水の導電率が
所定値より高くかつ検出された前記燃料電池の温度が前
記無加湿運転可能判定温度より高いとき、前記温調手段
により燃料電池の温度を前記無加湿運転可能判定温度以
下に下げることができるか判断し、前記無加湿運転可能
判定温度以下に下げることができると判断したときは前
記温調手段により前記燃料電池の温度を下げることを特
徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。 - 【請求項9】前記制御手段が、前記燃料電池が無加湿運
転を行うとき、前記燃料電池の運転負荷の上限を下げる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116706158A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-09-05 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池的空侧进气温度与湿度联合控制装置 |
-
2002
- 2002-03-28 JP JP2002091538A patent/JP3627716B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN116706158A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-09-05 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池的空侧进气温度与湿度联合控制装置 |
CN116706158B (zh) * | 2023-06-28 | 2023-12-22 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池的空侧进气温度与湿度联合控制装置 |
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