JP2005235614A - Air compression system for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックなどに圧縮した空気を供給する燃料電池用エア圧縮システムに関する。 The present invention relates to an air compression system for a fuel cell that supplies compressed air to a fuel cell stack or the like.
車両のエンジンや燃料電池スタックなどに圧縮した空気(以下、「圧縮エア」とも呼ぶ)を供給するエア圧縮システムが知られている。エア圧縮システムでは、エアコンプレッサ(以下、「圧縮機」とも呼ぶ)等によってエアが断熱圧縮されるため、吐出される圧縮エアが高温になってしまう。そのため、圧縮エアが供給される装置内に耐熱性に乏しい部品が組み込まれていると、不具合が生じてしまう。 An air compression system that supplies compressed air (hereinafter also referred to as “compressed air”) to a vehicle engine, a fuel cell stack, or the like is known. In an air compression system, air is adiabatically compressed by an air compressor (hereinafter also referred to as a “compressor”) or the like, so that the discharged compressed air becomes high temperature. Therefore, if a component having poor heat resistance is incorporated in the apparatus to which the compressed air is supplied, a problem occurs.
一般的には、燃料電池スタックに使用される燃料電池用エア圧縮システムにおいては、圧縮エアに水を噴射して、燃料電池スタックに流入するエアの温度を低下させる技術が用いられている。例えば、特許文献1には、燃料電池スタックに供給するエアを取り込むエアコンプレッサから吐出される圧縮エアに水を噴射し、この圧縮エアの温度に応じて噴射する水の量を制御するという技術が記載されている。また、特許文献2には、圧縮機からの圧縮エアが燃料電池スタックに供給される前に、熱交換器及びアフタークーラにて2度冷却を行うという技術が記載されている。その他にも、圧縮エアに水を噴射して冷却するという技術が特許文献3及び特許文献4に記載されている。
In general, in a fuel cell air compression system used in a fuel cell stack, a technique is used in which water is injected into the compressed air to reduce the temperature of the air flowing into the fuel cell stack. For example,
ここで、燃料電池スタックにおいて、膜付近での水分が過多となった場合、ガスの拡散を阻害することで電池の出力性能が低下する現象(いわゆる、「フラッディング」)が生じることが知られている。また、膜に供給される水分が不足すると、イオン伝導度が下がることで、電池の出力性能が低下する現象(いわゆる、「ドライアウト」)が生じることが知られている。以上より、燃料電池スタックの出力性能を低下させないためには、燃料電池スタックを適切な湿度に維持する必要がある。 Here, in the fuel cell stack, when the moisture in the vicinity of the membrane becomes excessive, it is known that a phenomenon (so-called “flooding”) in which the output performance of the battery is deteriorated by inhibiting gas diffusion occurs. Yes. In addition, it is known that when water supplied to the membrane is insufficient, a phenomenon (so-called “dry-out”) in which the output performance of the battery is lowered occurs due to a decrease in ionic conductivity. As described above, in order not to reduce the output performance of the fuel cell stack, it is necessary to maintain the fuel cell stack at an appropriate humidity.
しかしながら、前述の文献に開示された技術においては、圧縮エアの温度を下げることはできるものの、水が供給された後の圧縮エアの湿度を考慮に入れて制御は行っていなかった。そのため、燃料電池の出力性能の低下が生じる場合があった。 However, in the technique disclosed in the above-mentioned document, although the temperature of the compressed air can be lowered, the control is not performed in consideration of the humidity of the compressed air after water is supplied. Therefore, the output performance of the fuel cell may be deteriorated.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、圧縮機より吐出される圧縮エアの温度を低下させ、且つ燃料電池スタックに適切な湿度の圧縮エアを供給することが可能な燃料電池用エア圧縮システムを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such problems. The object of the present invention is to reduce the temperature of compressed air discharged from the compressor and to compress the fuel cell stack with appropriate humidity. An object of the present invention is to provide an air compression system for a fuel cell capable of supplying air.
本発明の1つの観点では、燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックに供給するエアを圧縮するエア圧縮手段と、前記圧縮エアに水を噴霧して供給する水供給手段と、
前記圧縮エアの温度を取得する温度取得手段と、前記圧縮エアの湿度を取得する湿度取得手段と、前記取得した温度、及び前記取得した湿度に基づいて、前記供給する水の量を制御する水供給量制御手段と、を備えることを特徴とする。
In one aspect of the present invention, an air compression system for a fuel cell includes an air compression unit that compresses air to be supplied to a fuel cell stack, a water supply unit that sprays and supplies water to the compressed air,
Water for controlling the amount of water to be supplied based on temperature acquisition means for acquiring the temperature of the compressed air, humidity acquisition means for acquiring the humidity of the compressed air, the acquired temperature, and the acquired humidity And a supply amount control means.
上記の燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮機などにてエアを圧縮し、この圧縮したエア(即ち、圧縮エア)を燃料電池スタックに供給するシステムである。燃料電池用エア圧縮システムは、この圧縮エアに水を噴霧して供給(以下、「噴射」とも呼ぶ)する水供給手段を有する。この水供給手段は、例えばインジェクタなどにより構成される。燃料電池用エア圧縮システムは、センサなどにより構成される温度取得手段、及び湿度取得手段により、圧縮エアの温度と、圧縮エアの湿度とを検出することができる。さらに、燃料電池用エア圧縮システムは、水供給手段より供給される水の量を制御する水供給量制御手段を備えている。燃料電池用エア圧縮システムが行う水供給量の制御(以下、「水供給量制御」と呼ぶ)は、前述の圧縮エアの温度と湿度に基づいて行われる。以上により、燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックが劣化しないような温度に圧縮エアの温度を低下させると共に、燃料電池スタックがフラッディング又はドライアウトを生じないような適切な湿度に保つことができる。即ち、燃料電池用エア圧縮システムが行う水供給量制御により、圧縮燃料電池スタックの劣化防止をし、且つ燃料電池スタックの利用効率の向上を図ることができる。 The fuel cell air compression system is a system that compresses air with a compressor or the like and supplies the compressed air (ie, compressed air) to the fuel cell stack. The fuel cell air compression system has water supply means for spraying and supplying water (hereinafter also referred to as “injection”) to the compressed air. This water supply means is constituted by, for example, an injector. The air compression system for a fuel cell can detect the temperature of the compressed air and the humidity of the compressed air by means of a temperature acquisition unit configured by sensors and the humidity acquisition unit. The fuel cell air compression system further includes water supply amount control means for controlling the amount of water supplied from the water supply means. The water supply amount control (hereinafter referred to as “water supply amount control”) performed by the fuel cell air compression system is performed based on the temperature and humidity of the compressed air described above. As described above, the fuel cell air compression system can reduce the temperature of the compressed air to a temperature at which the fuel cell stack does not deteriorate, and can keep the fuel cell stack at an appropriate humidity that does not cause flooding or dryout. it can. That is, the water supply amount control performed by the fuel cell air compression system can prevent deterioration of the compressed fuel cell stack and improve the utilization efficiency of the fuel cell stack.
上記の燃料電池用エア圧縮システムの一態様では、前記水供給量制御手段は、前記取得した湿度が目標湿度となるように供給する水の量を制御する。燃料電池用エア圧縮システムは、現在の燃料電池スタック等の状況に基づいて、湿度と燃料電池スタックの出力電力の関係を示すマップから目標湿度を取得する。燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアの湿度が目標湿度となるように水供給量制御する。これにより、燃料電池スタックを最適な湿度に維持し続けることが可能となる。 In one aspect of the fuel cell air compression system, the water supply amount control means controls the amount of water to be supplied so that the acquired humidity becomes a target humidity. The fuel cell air compression system acquires a target humidity from a map indicating the relationship between the humidity and the output power of the fuel cell stack based on the current situation of the fuel cell stack and the like. The fuel cell air compression system controls the amount of water supply so that the humidity of the compressed air becomes the target humidity. This makes it possible to keep the fuel cell stack at an optimum humidity.
上記の燃料電池用エア圧縮システムの他の一態様では、前記圧縮エアの流量を取得する流量取得手段を備え、前記水供給量制御手段は、前記圧縮エアの流量に基づいて、供給する水の量を制御する。流量取得手段としては、流量計などを用いることができる。水供給量制御を圧縮エアの流量も考慮に入れて行うことにより、更に精度良く燃料電池スタックの温度と湿度を精度良く制御することができる。 In another aspect of the fuel cell air compression system, the fuel cell air compression system further includes a flow rate acquisition unit configured to acquire a flow rate of the compressed air, and the water supply amount control unit is configured to supply water based on the flow rate of the compressed air. Control the amount. A flow meter or the like can be used as the flow rate acquisition means. By performing the water supply amount control in consideration of the flow rate of the compressed air, the temperature and humidity of the fuel cell stack can be controlled with higher accuracy.
上記の燃料電池用エア圧縮システムの他の一態様では、前記燃料電池スタックの温度を取得する燃料電池スタック温度取得手段を備え、前記水供給量制御手段は、前記取得した燃料電池スタックの温度が所定温度以上であるときは、前記供給する水の量を増量する。所定温度とは、燃料電池スタックの劣化が生じてしまうような温度である。燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックの温度が所定温度以上である場合は、即座に水供給量を増加させる制御を行う。即ち、燃料電池用エア圧縮システムは、水の供給量を細かく制御するよりも、高温時の燃料電池スタックの劣化の防止を優先する。 In another aspect of the fuel cell air compression system described above, the fuel cell stack temperature acquisition means for acquiring the temperature of the fuel cell stack is provided, and the water supply amount control means is configured such that the temperature of the acquired fuel cell stack is When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the amount of the supplied water is increased. The predetermined temperature is a temperature at which deterioration of the fuel cell stack occurs. The fuel cell air compression system performs control to immediately increase the water supply amount when the temperature of the fuel cell stack is equal to or higher than a predetermined temperature. That is, the fuel cell air compression system gives priority to the prevention of deterioration of the fuel cell stack at a high temperature rather than finely controlling the amount of water supplied.
上記の燃料電池用エア圧縮システムの他の一態様では、前記水供給手段は、前記圧縮エアの流れ方向に対して複数設けられている。水供給手段は、圧縮エアが通過する吸気通路に設けられる。圧縮エアの流れ方向に複数の水供給手段が設けられることにより、吸気通路内に均一に水を供給することができる。これにより、燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアに対して均一に冷却及び加湿を行うことができる。また、圧縮エアが気化する際の急激な温度変化によって、吸気通路が劣化することを防止することができる。 In another aspect of the fuel cell air compression system, a plurality of the water supply means are provided in the compressed air flow direction. The water supply means is provided in the intake passage through which the compressed air passes. By providing a plurality of water supply means in the flow direction of the compressed air, water can be supplied uniformly into the intake passage. Thus, the fuel cell air compression system can uniformly cool and humidify the compressed air. Further, it is possible to prevent the intake passage from deteriorating due to a rapid temperature change when the compressed air is vaporized.
上記の燃料電池用エア圧縮システムにおいて、好適には、前記水供給手段は、前記圧縮エアの流れと垂直方向に複数設けられている。これによっても、燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアを均一に冷却及び加湿を行うことができる。 In the air compression system for a fuel cell, preferably, a plurality of the water supply means are provided in a direction perpendicular to the flow of the compressed air. This also allows the fuel cell air compression system to uniformly cool and humidify the compressed air.
更に、上記の燃料電池用エア圧縮システムにおいて、好適には、前記温度取得手段、及び前記湿度取得手段は、前記水供給手段の下流に設けられている。水供給手段にとって冷却及び湿度調節がなされた後の圧縮エアの温度と湿度を取得することにより、水供給量制御を精度良く行うことができる。 Further, in the above air compression system for a fuel cell, preferably, the temperature acquisition means and the humidity acquisition means are provided downstream of the water supply means. By obtaining the temperature and humidity of the compressed air after cooling and humidity adjustment for the water supply means, the water supply amount control can be performed with high accuracy.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[燃料電池用エア圧縮システムの構成]
図1は、本発明の1つの実施形態に係る燃料電池用エア圧縮システムを示す概略構成図である。
[Configuration of fuel cell air compression system]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an air compression system for a fuel cell according to one embodiment of the present invention.
図1において燃料電池用エア圧縮システム100は、主に、圧縮機(エアコンプレッサ)1と、吸気通路2と、流量計3と、水噴射部4と、露点温度センサ9と、温度センサ10、11と、制御コンピュータ15と、を備えている。燃料電池用エア圧縮システム100は、燃料電池自動車(以下、単に「車両」と呼ぶ)などに搭載され、燃料電池スタック13に圧縮したエアを供給するシステムである。
In FIG. 1, a fuel cell
燃料電池スタック13は、図示しない電解質膜の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じて出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜面にカソード極(空気極)12aと、アノード極(燃料極)12bが形成された電池セルの構造のみを示している。図示のように、カソード極12aにはエア(空気)22が供給され、アノード極12bには燃料(水素)23が供給される。これによって、電力が生成される。
The
燃料電池スタック13は、車両駆動用のモータの給電源であり、300V程度の直流の高電圧を発生するようになっている。燃料電池スタック13の発電電圧は、モータに指令トルク等に応じた電流を供給する図示しないインバータなどに出力するようになっている。また、燃料電池スタック13の発電電圧は、DC−DCコンバータで降圧されて、車両に搭載される種々の補機や、これらへの給電用の二次電池であるバッテリに出力するようになっている。
The
圧縮機1は、吸気20を圧縮して圧縮エア21を生成する。圧縮機1より吐出された直後の圧縮エア21は、通常150℃以上となっている。圧縮機1には、ピストン式圧縮機、スクロール式圧縮機、あるいはターボ式圧縮機などを用いることができる。このように、圧縮機1は、燃料電池スタック13へ供給するエアを圧縮するエア圧縮手段として機能する。
The
流量計3は、圧縮エア21の流量を計測する。流量計3には、ベンチュリ流量計や熱線式流量計などを用いることができる。流量計3は、圧縮エア21の流量に対応する信号S1を制御コンピュータ15に出力する。
The
圧縮エア21は、水噴射部4より噴射される水にて冷却される。水噴射部4は、複数のインジェクタから構成される。インジェクタは、吸気通路2の外壁面に配設される。図示のように、圧縮エア21の流れと垂直方向にインジェクタ5a、5bが設けられ、更に、流れ方向にはインジェクタ6a、6bが設けられている。なお、本実施形態に係る燃料電池用エア圧縮システム100においては、インジェクタを圧縮エアの流れ方向に複数(2以上)有し、圧縮エアの流れと垂直方向にも複数(2以上)有するが、説明の便宜のためインジェクタ5a、5b、6a、6bのみに対して説明を行う。また、具体的な水噴射部4の構成例は、後述する。
The
水噴射部4を構成するインジェクタ(以下、符号を省略して記載した場合は、前述のインジェクタ5a、5b、6a、6b全てを含めた意味として用いる)は、霧状の水を噴射することができる装置である。即ち、水噴射部4は、圧縮エア21に水を噴霧して供給する水供給手段として機能する。また、インジェクタより噴射される水の量は調節可能となっている。インジェクタより噴射される水は、インジェクタが設けられた吸気通路2を通過する圧縮エア21の熱によって気化する。これによって、圧縮エア21の熱が奪われて、圧縮エア21が冷却されることになる。また、インジェクタは、圧縮エア21の流れと垂直方向に薄いスクリーン状の水を噴射する。これにより、噴射される水が気化され易くなり、圧縮エア21を効果的に冷却することができる。以上のように水噴射部4を通過した圧縮エア22は、例えば80℃程度にまで下げられる。なお、インジェクタから噴射される水は、圧縮エア21の冷却だけでなく、圧縮エア21を加湿する役割も担う。即ち、水噴射部4は、燃料電池スタック13の膜に水分を供給することができる。
The injectors constituting the water injection unit 4 (hereinafter, when the reference numerals are omitted are used as meanings including all of the above-described
また、インジェクタ5a、5b、6a、6bは、それぞれ制御コンピュータ15からの制御信号S7a、S7b、S8a、S8bによって制御される。即ち、制御コンピュータ15からの制御信号により、インジェクタより噴射される水の量が調節される。この具体的な制御については、詳細は後述する。
温度センサ9は、水噴射部4の下流の吸気通路2に付設されている。よって、温度センサ9は、水噴射部4を通過後の圧縮エア22の温度を検出する。温度センサ9は、温度に対応する信号S2を制御コンピュータ15に出力する。
The
露点温度センサ10も、水噴射部4の下流の吸気通路2に付設されている。露点温度センサ10は、圧縮エア22中の水分が飽和して結露する温度を検出する。露点温度センサ10は、この露点温度に対応する信号S3を制御コンピュータ15に出力する。
The dew
温度センサ11は、燃料電池スタック13上に付設されている。即ち、温度センサ11は、燃料電池スタック13の温度(膜温度)を検出する。そして、温度センサ11は、この検出温度に対応する信号S4を制御コンピュータ15に出力する。
The
制御コンピュータ15は、図示しないCPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。制御コンピュータ15は、上記した各種センサ等からの入力に基づいて、水噴射部4内のインジェクタを制御する。即ち、制御コンピュータ15は、圧縮エアの流量(信号S1)と、圧縮エアの温度(信号S2)と、圧縮エアの湿度と、燃料電池スタック13の温度(信号S4)と、に基づいてインジェクタから圧縮エアに供給する水の量を制御する。具体的には、制御信号S7a、S7b、S8a、S8bを、対応するインジェクタに供給する。以上のように、制御コンピュータ15は、圧縮エア21に供給する水の量を制御する水供給量制御手段として機能する。なお、制御コンピュータ15は、燃料電池用エア圧縮システム100が車両などに搭載される場合は、車両内のECU(Engine Control Unit)がその役割を担うことができる。
The
[水供給量制御処理]
以下では、制御コンピュータ15が行う水供給量制御処理について、図2〜図4を用いて説明する。この処理は、圧縮エア21を冷却し、且つ圧縮エア21を燃料電池スタック13にとって適切な湿度に設定するために行う。そのために、制御コンピュータ15は、インジェクタが圧縮エア21に供給する水の量(以下、「噴射量」とも呼ぶ)を制御する。なお、水供給量制御処理は、燃料電池スタック13の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。
[Water supply control processing]
Below, the water supply amount control process which the
図2は、制御コンピュータ15が行う水供給量制御処理について示すフローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart showing a water supply amount control process performed by the
まず、ステップS11では、制御コンピュータ15は、燃料電池スタック13の温度を取得する。即ち、制御コンピュータ15は、温度センサ11からの信号S4を取得する。そして、処理はステップS12に進む。
First, in step S <b> 11, the
ステップS12では、制御コンピュータ15は、燃料電池スタック13の温度が所定温度以上であるか否かを判定する。所定温度は、燃料電池スタック13を劣化させるおそれがある温度であり、例えば100℃に設定される。ステップS12では、制御コンピュータ15は、水の噴射量を細かく制御するよりも、高温時の燃料電池スタック13の劣化の防止を優先すべきか否かを判定する。
In step S12, the
燃料電池スタック13の温度が所定温度以上である場合(ステップS12;Yes)は、処理はステップS13に進む。ステップS13では、制御コンピュータ15は、インジェクタの水の噴射量を増量すべきとの決定を行う。即ち、制御コンピュータ15は、燃料電池スタック13が劣化するのを防止するために、膜内が加湿されるのを許容して噴射量の増量を決定する。そして、処理はステップS18に進む。なお、制御コンピュータ15は、噴射した水のうち気化した水の量を取得し、圧縮エアの温度と気化した水の量に基づいて、インジェクタの噴射量の増量値を正確に計算することもできる。
When the temperature of the
ステップS18では、制御コンピュータ15は、増量された水が噴射されるようにインジェクタの制御を実行する。例えば、燃料電池スタック13の温度が所定温度を大きく超えている場合は、水噴射部4を構成する全てのインジェクタに対し、各々のインジェクタが最大噴射量を噴射するように制御する。ステップS13の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
In step S18, the
一方、燃料電池スタック13の温度が所定温度未満である場合(ステップS12;No)は、処理はステップS14に進む。ステップS14では、制御コンピュータ15は、前述した圧縮エア22の温度と、圧縮エア22の露点温度とを取得する。即ち、制御コンピュータ15は、温度センサ9より信号S2を取得し、露点温度センサ10より信号S3を取得する。以上の処理が終了すると、処理はステップS15に進む。
On the other hand, when the temperature of the
ステップS15では、制御コンピュータ15は、ステップS14にて取得した圧縮エア22の温度と露点温度に基づいて、圧縮エア22の湿度を算出する。そして、処理はステップS16に進む。なお、燃料電池用エア圧縮システム100に、温度センサと露点温度センサが一体となった湿度センサなどが用いられている場合は、制御コンピュータ15は湿度に対応する信号を直接取得することができる。
In step S15, the
ステップS16では、制御コンピュータ15は、圧縮エア21の流量を取得する。即ち、制御コンピュータ15は、流量計3からの信号S1を取得する。そして、処理はステップS17に進む。
In step S <b> 16, the
ステップS17では、制御コンピュータ15は、水の噴射量を増量すべき値又は減量すべき値を算出する。ステップS17では、制御コンピュータ15は、取得した圧縮エア22の温度と、圧縮エア22の湿度と、圧縮エア21の流量と、に基づいて圧縮エア21に噴射すべき水の増量値/減量値を算出する。このようなパラメータに基づいて噴射量の増量値/減量値の算出を行うのは、圧縮エア21を冷却し、且つ燃料電池スタック13内の状況に応じた適切な湿度に設定するためである。具体的な算出方法は、後述する。以上の処理が終了すると、処理はステップS18に進む。
In step S <b> 17, the
ステップS18では、制御コンピュータ15は、ステップS17で算出した増量値/減量値を付加した後の噴射量(以下、この噴射量を「実噴射量」と呼ぶ)が噴射されるように各インジェクタを制御する。制御コンピュータ15は、この実噴射量などに基づいて、複数あるインジェクタの各々に対して噴射量を個別に制御することができる。また、複数のインジェクタの中から選択したもののみが水を噴射するようにさせることもできる。以上のような場合は、全てのインジェクタより噴射される噴射量の合計値が、実噴射量となる。更に、複数あるインジェクタ全てから同じ噴射量を噴射させることもでき、この場合は、実噴射量をインジェクタの数で割った量が1つのインジェクタより噴射される。
In step S18, the
ステップS18の処理が終了すると、当該フローを抜ける。そして、制御コンピュータ15は、当該フローを繰り返し実行する。
When the process of step S18 is completed, the flow is exited. Then, the
以上のように、圧縮エアの温度と、湿度と、流量と、に基づいて水供給量制御を行うことにより、圧縮エアを効果的に冷却すると共に、燃料電池スタック13を膜の状態に応じた適切な湿度に維持することができる。これにより、燃料電池スタック13の劣化を防止すると共に、燃料電池スタック13のフラッディング及びドライアウトを防止することができる。したがって、燃料電池スタック13の利用効率(発電効率)の向上を図ることが可能となる。
As described above, by controlling the water supply amount based on the temperature, humidity, and flow rate of the compressed air, the compressed air is effectively cooled, and the
次に、図2に示したフローチャートのステップS17での処理、即ち水の噴射量の増量値/減量値を算出する処理について、図3に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する処理も、制御コンピュータ15が主体となって行う。
Next, the process in step S17 of the flowchart shown in FIG. 2, that is, the process of calculating the increase / decrease value of the water injection amount will be described in detail with reference to the flowchart shown in FIG. The process described below is also performed mainly by the
まず、ステップS21では、制御コンピュータ15は、圧縮エアの湿度と燃料電池スタック13の出力電力の関係を示すマップを呼び出す。そして、処理はステップS22に進み、制御コンピュータ15は、このマップに基づいて圧縮エアが設定されるべき湿度(以下、「目標湿度」と呼ぶ)を決定する。
First, in step S <b> 21, the
上記のマップの具体例及び目標湿度の決定方法について、図4を用いて説明する。図4に示す図は、横軸に燃料電池スタック13の電流値を示し、縦軸に相対湿度(%AH)及び電圧値を示す。曲線X1は、燃料電池スタック13に関する一般的な電圧と電流の関係を示す特性曲線である。曲線X2は、曲線X1で示す出力特性を保持するために、燃料電池に設定すべき相対湿度と電流値の関係を示す特性曲線の例である。この特性曲線X2は、実験により取得されるものであり、予め制御コンピュータ15内のメモリなどに記憶されている。
A specific example of the above map and a method for determining the target humidity will be described with reference to FIG. In the diagram shown in FIG. 4, the horizontal axis represents the current value of the
制御コンピュータ15は、燃料電池スタック13に要求される電流値を取得し、その電流値から上記のマップを参照して圧縮エアの目標湿度を決定する。例えば、要求される電流値がI1であるときは相対湿度h1が目標湿度となり、要求される電流値がI2であるときは相対湿度h2が目標湿度となる。以上のようにして圧縮エアの目標湿度が決定される。そして、処理はステップS23に進む。
The
ステップS23では、制御コンピュータ15は、ステップS22にて決定された目標湿度に基づいて圧縮エアが設定されるべき温度(目標温度)を決定する。制御コンピュータ15は、エア(空気)に関する温度と湿度の関係を示す湿度換算表などを参照して、目標湿度に対応する目標温度を決定する。この湿度換算表も、制御コンピュータ15内のメモリに記憶させておく。以上の処理が終了すると、処理はステップS24に進む。
In step S23, the
ステップS24では、制御コンピュータ15は、前述の取得した各データに基づいて噴射量の増量値又は減量値を算出する。具体的には、制御コンピュータ15は、以下の演算式(1)に基づいて噴射量の増量値又は減量値を算出する。
In step S24, the
Δm=M×Cv×ΔT/CL 式(1)
なお、Δmは算出すべき噴射量の増量値又は減少値であり、Mは圧縮エア(エアと水を含む)の流量であり、Cvは圧縮エア(エアと水を含む)の熱容量であり、ΔTは現状の圧縮エアの温度と目標温度との差であり、CLは水(液体)の比熱を示す。
Δm = M × Cv × ΔT / CL Formula (1)
Δm is an increase value or decrease value of the injection amount to be calculated, M is a flow rate of the compressed air (including air and water), Cv is a heat capacity of the compressed air (including air and water), ΔT is the difference between the current temperature of the compressed air and the target temperature, and CL indicates the specific heat of water (liquid).
以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。そして、処理は図2に示したフローチャートのステップS18に進み、制御コンピュータ15は上記で示した処理を行う。図2に示した処理(図3に示した処理を含む)を繰り返し実行することは、前回決定された圧縮エアの湿度に対して補正を繰り返し行うことになる。よって、圧縮エアの湿度は、燃料電池スタック13の状況に対して適切な目標湿度へと収束していく。
When the above process ends, the process exits the flow. Then, the process proceeds to step S18 in the flowchart shown in FIG. 2, and the
[水噴射部4の構成]
以下では、前述した水噴射部4の構成に関する本発明に係る実施例について、図5〜図8を用いて説明する。
[Configuration of Water Injection Unit 4]
Below, the Example which concerns on this invention regarding the structure of the
(第1実施例)
まず、第1実施例に係る水噴射部4の構成について説明する。図5は、吸気通路2中に設けられた水噴射部4の概略構成を模式的に示した図である。図示のように、吸気通路2の外壁面に、圧縮エア21の流れ方向に沿ってインジェクタ5、6、7が設けられている。インジェクタ5、6、7は、符号40で示すように薄いスクリーン状の水を噴射している。なお、本実施例に係る燃料電池用エア圧縮システム100は、インジェクタ(以下、符号を省略して記載した場合は、インジェクタ5、6、7を全て含めた意味として用いる)を圧縮エア21の流れ方向に複数(2以上)有しているが、ここでは説明の便宜の為、インジェクタ5、6、7のみに対して説明を行う。
(First embodiment)
First, the configuration of the
インジェクタ5、6、7に関する断面図を図6に示す。図6(a)は、吸気通路2とインジェクタ5を、図5における切断線A1−A1’に沿って切断した図である。また、図6(b)は吸気通路2とインジェクタ6を図5における切断線A2−A2’に沿って切断した図であり、図6(c)は吸気通路2とインジェクタ7を図5における切断線A3−A3’に沿って切断した図である。図示のように、吸気通路2の断面は略円形である。インジェクタ5、6、7は、それらの中心線が吸気通路2の断面の中心点を通過するように設けられている。図6(a)と図6(b)より、インジェクタ5とインジェクタ6は、吸気通路2の円周上において中心角が120°ずれた位置に設けられている。また、図6(b)と図6(c)より、インジェクタ6とインジェクタ7は、吸気通路2の円周上において中心角が120°ずれた位置に設けられている。即ち、インジェクタは、設けられる流れ方向の位置に応じて、吸気通路2の円周上の位置がずらされている(図6の場合は、中心角120°)。よって、隣接するインジェクタで、吸気通路2の円周上の位置が重なって設けられることはない。
A sectional view of the
インジェクタの先端部からは、噴射角θにて水が噴射される。インジェクタより噴射された水は、吸気通路2の内周壁に衝突し、反射することによって吸気通路2の断面の全域に拡散していく。例えば、インジェクタより噴射された水は、符号40で示すように略六角形の断面形状となる。また、上記の噴射角θは、大きいほうが好ましい。噴射角θが大きいほうが、インジェクタより噴射される水にて吸気通路2の断面をより広域に覆うことができるからである。
Water is injected from the tip of the injector at an injection angle θ. The water injected from the injector collides with the inner peripheral wall of the
第1実施例に係る水噴射部4の構成では、圧縮エア21の流れと垂直方向には1つのインジェクタのみを設けているので、符号40で示す水が噴射される領域(以下、「水噴射領域40」と呼ぶ)においては、場所によって水の密度に差が生じてしまう。しかし、圧縮エア21の流れ方向に複数のインジェクタが設けられ、更にインジェクタが設けられる吸気通路2の円周上の位置がずらされているので、圧縮エア21が、一つ目のインジェクタの水噴射領域40における水の密度が疎な部分を通過した場合であっても、次のインジェクタの水噴射領域40では密な部分を通過することができる。よって、水噴射部4全体では、圧縮エア21は均等に拡散した水と接触することができる。したがって、水噴射部4は、圧縮エア21に対して、均等に冷却及び湿度の調節を行うことができる。
In the configuration of the
更に、圧縮エア21の流れ方向に沿って複数設けたインジェクタにより圧縮エア21の冷却を行うので、圧縮エア21が気化する際の急激な温度変化を生じさせない。これによって、吸気通路2が劣化することを防止することができる。
Furthermore, since the
(第2実施例)
次に、第2実施例に係る水噴射部4の構成について説明する。図7は、吸気通路2中に設けられた水噴射部4の概略構成を模式的に示した図である。図7(a)は、水噴射部4及び吸気通路2の側面図を示し、図7(b)はその断面図を示す。
(Second embodiment)
Next, the configuration of the
図7(a)より、インジェクタは、圧縮エア21の流れと垂直方向に複数設けられている(垂直方向に設けられた複数のインジェクタを1セットとする)。そして、このセットが圧縮エア21の流れ方向にも複数設けられている。具体的には、インジェクタ5aとインジェクタ5bとインジェクタ5cが、圧縮エア21の流れと垂直方向に設けられている。そして、このセットの隣に、インジェクタ6aとインジェクタ6bとインジェクタ6cからなるセットが設けられており、その隣にはインジェクタ7aとインジェクタ7bとインジェクタ7cからなるセットが設けられている。なお、本実施例に係る燃料電池用エア圧縮システム100では、インジェクタを圧縮エア21の流れ方向に複数(2以上)有しているが、説明の便宜の為、上記の3セットのみに対して説明を行う。
7A, a plurality of injectors are provided in the direction perpendicular to the flow of the compressed air 21 (a plurality of injectors provided in the vertical direction are set as one set). A plurality of sets are also provided in the flow direction of the
図7(b)は、インジェクタ5a、5b、5cを切断線B1−B1’に沿って切断した図である。インジェクタ6a、6b、6cを切断線B2−B2’に沿って切断した図、及びインジェクタ7a、7b、7cを切断線B3−B3’に沿って切断した図は、インジェクタ5a、5b、5cのものと同一であるため重ねて示している。図示のように、インジェクタ5a、5b、5cと、インジェクタ6a、6b、6cと、インジェクタ7a、7b、7cは、吸気通路2の外周壁に中心角120°の等間隔で設けられている。そして、それぞれ噴射角θにて水を噴射している。
FIG. 7B is a view of the
第1実施例に係る水噴射部4の構成では、圧縮エア21の流れと垂直方向に1つしか設けていなかったため、水噴射領域40においては、場所によって水の密度に差が生じていた。しかし、第2実施例に係るインジェクタの構成では、圧縮エア21の流れと垂直方向に複数のインジェクタを設けているので、噴射された水は、水噴射領域40面内でほぼ均等に拡散することになる。よって、インジェクタより噴射される水による圧縮エア21の冷却効果、及び圧縮エア21に対する湿度調節の精度を増加させることができる。また、圧縮エア21の流れの垂直方向に3つのインジェクタを備えるので、水の噴射量などに関する詳細な制御を行うことができる。
In the configuration of the
(第3実施例)
次に、第3実施例に係る水噴射部4の構成について説明する。第3実施例においても第2実施例と同様に、インジェクタは、圧縮エア21の流れと垂直方向に複数設けられており(これを1セットとする)、更にこのセットが流れ方向にも複数設けられている。但し、第3実施例においては、インジェクタのセットが設けられる吸気通路2の円周上の位置は、圧縮エア21の流れ方向に応じてずらされる。
(Third embodiment)
Next, the configuration of the
図8は、第3実施例に係るインジェクタを図7(a)における切断線に沿って切断した図である。図8(a)は、インジェクタ5a、5b、5cを図7(a)における切断線B1−B1’に沿って切断した図である。また、図8(b)はインジェクタ6a、6b、6cを図7(a)における切断線B2−B2’に沿って切断した図であり、図8(c)はインジェクタ7a、7b、7cを図7(a)における切断線B3−B3’に沿って切断した図である。図8より、隣接するセットにて、インジェクタが設けられる吸気通路2の円周上の位置は重ならないことがわかる。
FIG. 8 is a view of the injector according to the third embodiment cut along the cutting line in FIG. FIG. 8A is a view of the
以上のようにインジェクタを配置することにより、流れ方向におけるインジェクタの配置位置のずれに伴って、水噴射領域40もずれることになる。よって、圧縮エア21が、一つ目のインジェクタのセットによる水噴射領域40を通過しない場合であっても、次のインジェクタのセットによる水噴射領域40を通過することができる。これにより、水噴射部4による圧縮エア21の冷却効果、及び圧縮エア21に対する湿度調節の精度を更に増加させることができる。
By disposing the injector as described above, the
なお、第2実施例及び第3実施例では、圧縮エア21の流れと垂直方向に、3つのインジェクタを設けるものについて示したが、この個数には限定はしない。インジェクタを2つ設けてもよいし、4つ以上設けてもよい。
In the second and third embodiments, three injectors are provided in the direction perpendicular to the flow of the
1 圧縮機
2 吸気通路
3 流量計
9、11 温度センサ
10 露点温度センサ
4 水噴射部
5a、5b、6b、6c インジェクタ
12a カソード極
12b アノード極
13 燃料電池スタック
15 制御コンピュータ
100 燃料電池用エア圧縮システム
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記圧縮エアに水を噴霧して供給する水供給手段と、
前記圧縮エアの温度を取得する温度取得手段と、
前記圧縮エアの湿度を取得する湿度取得手段と、
前記取得した温度、及び前記取得した湿度に基づいて、前記供給する水の量を制御する水供給量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池用エア圧縮システム。 Air compression means for compressing air supplied to the fuel cell stack;
Water supply means for supplying the compressed air by spraying water;
Temperature acquisition means for acquiring the temperature of the compressed air;
Humidity acquisition means for acquiring the humidity of the compressed air;
An air compression system for a fuel cell, comprising: a water supply amount control unit configured to control the amount of water to be supplied based on the acquired temperature and the acquired humidity.
前記水供給量制御手段は、前記圧縮エアの流量に基づいて、供給する水の量を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用エア圧縮システム。 A flow rate acquisition means for acquiring the flow rate of the compressed air;
3. The fuel cell air compression system according to claim 1, wherein the water supply amount control means controls the amount of water to be supplied based on a flow rate of the compressed air.
前記水供給量制御手段は、前記取得した燃料電池スタックの温度が所定温度以上であるときは、前記供給する水の量を増量することを特徴とする請求項1至及3のいずれか1項に記載の燃料電池用エア圧縮システム。 A fuel cell stack temperature acquisition means for acquiring the temperature of the fuel cell stack;
The water supply amount control means increases the amount of water to be supplied when the temperature of the acquired fuel cell stack is equal to or higher than a predetermined temperature. An air compression system for a fuel cell as described in 1.
The fuel cell air compression system according to any one of claims 1 to 6, wherein the temperature acquisition unit and the humidity acquisition unit are provided downstream of the water supply unit.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004044144A JP2005235614A (en) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | Air compression system for fuel cell |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100644969B1 (en) | 2005-10-31 | 2006-11-14 | 한국과학기술연구원 | Humidifier with mufflers for fuel cell |
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JP2018116848A (en) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | 株式会社デンソー | Fuel cell system |
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-
2004
- 2004-02-20 JP JP2004044144A patent/JP2005235614A/en active Pending
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