JP2006066114A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池１への十分かつ適切な加湿を実現し、低温時の始動性を向上させる燃料電池用加湿装置を提供する。
【解決手段】空気を取り込み、圧縮して吐出する上流側コンプレッサ１４と、燃料電池１から排出される多湿状態の空気から上流側コンプレッサ１４から吐出される空気へ水分を移動させる加湿器６と、加湿器６により水分が移動した空気を取り込み、圧縮して燃料電池１へ供給する下流側コンプレッサ２と、下流側コンプレッサ２の空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池用加湿装置に関し、特に、燃料電池へ供給される空気を圧縮する複数の空気コンプレッサが直列に接続された燃料電池用加湿装置に関する。

従来から、燃料電池の多湿排気から吸気側へ水分を移動させることにより燃料電池に水を供給する加湿器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、加湿器をコンプレッサ（スーパーチャージャ）の上流に配置することにより、加湿器の効率的な使用方法を提案している。また、コンプレッサの空気取込口へ水噴射を行うことで燃料電池へ供給される空気を効率良く加湿する水供給装置が従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。更に、２つのコンプレッサ（圧縮機）を直列に接続する、つまり２段機で構成することにより、コンプレッサ運転の省エネルギ化を図る技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−２１６９８６号公報 特開２０００−３１５５０９号公報 特開２００３−１２９９６１号公報

しかしながら、燃料電池の多湿排気から吸気側へ水分を移動させる方式の加湿器では、燃料電池への十分かつ適切な加湿を行えず、またコンプレッサの吐出空気を冷却するためのアフタークーラが必要となるため、加湿器が大型化してしまう。また、低温時には上記方式の加湿器の加湿効率が上がらないため始動性が悪く、十分な加湿が行えない。

本発明の特徴は、空気を取り込み、圧縮して吐出する上流側コンプレッサと、燃料電池から排出される多湿状態の空気から上流側コンプレッサから吐出される空気へ水分を移動させる加湿器と、加湿器により水分が移動した空気を取り込み、圧縮して燃料電池へ供給する下流側コンプレッサと、下流側コンプレッサの空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁とを有する燃料電池用加湿装置であることを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池への十分かつ適切な加湿を実現し、低温時の始動性を向上させる燃料電池用加湿装置を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明をダイレクト水素型燃料電池の加湿装置に適用した実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るダイレクト水素型燃料電池用加湿装置（以後、単に「加湿装置」と略す）は、空気を取り込み、圧縮して吐出する上流側コンプレッサ１４と、燃料電池１から排出される多湿状態の空気から上流側コンプレッサ１４から吐出される空気へ水分を移動させる加湿器６と、加湿器６により水分が移動した吸気側の空気を取り込み、圧縮して燃料電池１へ供給する下流側コンプレッサ２と、下流側コンプレッサ２の空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁３と、機関の要求出力に応じた燃料電池１の運転圧を設定するコントロールユニット９とを有する。

加湿器６は、燃料電池１の多湿排気から吸気側へ水分を移動させる方式の加湿器である。加湿器６から流れ出す吸気側空気の温度は加湿前に比べて上昇しているため、下流側コンプレッサ２の過熱防止と空気の加湿の目的で水噴射弁３を用いて水噴射を行う。

燃料電池１は、水素を含む燃料ガスが供給されるアノード極（水素極）と、酸化剤ガスとしての空気が供給されるカソード極（酸素極）とを有し、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される空気中の酸素との電気化学的反応により発電を行うダイレクト水素型燃料電池である。燃料電池１の発電に伴う発熱は、冷却水路１０内を流れる冷却水により冷却される。

水噴射弁３が噴射する水は、貯水装置７に貯蓄されている水であり、水ポンプ４及びレギュレータ５により貯水装置７から水噴射弁３へ供給される。貯水装置７には水位計８が備えられ、貯水装置７内の水位を測定することができる。加湿器６の排気側の下流には、排気空気の流量を制御するスロットル弁１１が配置されている。

上流側コンプレッサ１４に並列にバイパス経路が接続され、バイパス経路上にバイパス弁１２が配置されている。バイパス弁１２の開閉操作により吸気側経路を上流側コンプレッサ１４とするかバイパス経路とするかを制御することができる。なお、上流側コンプレッサ１４と加湿器６との間に調圧弁１３が配置されている。

上流側コンプレッサ１４へ供給される空気の温度Ｔ１、圧力Ｐ１及び湿度Ｈ１を測定する温度計、圧力計及び湿度計が上流側コンプレッサ１４の上流に配置されている。加湿器６へ供給される吸気側の空気の温度Ｔ３、圧力Ｐ３及び湿度Ｈ３を測定する温度計、圧力計及び湿度計が加湿器６の吸気側の上流であって上流側コンプレッサ１４の下流に配置されている。燃料電池１から排出された空気の温度Ｔ２、圧力Ｐ２及び湿度Ｈ２を測定する温度計、圧力計及び湿度計が燃料電池１の空気排出口の付近に配置されている。冷却水路１０には温度計が配置され、冷却水の温度Ｔ(LLC)を介して燃料電池１の温度が測定される。貯水装置７にも温度計が配置され、貯水装置７に貯蓄されている水の温度Ｔ(W)が測定される。

コントロールユニット９には、運転者が燃料電池１へ要求する負荷すなわち機関の要求出力、上流側コンプレッサ１４へ供給される吸入空気の温度Ｔ１、圧力Ｐ１、湿度Ｈ１、燃料電池１からの排出空気の温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２、上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２間の空気の温度Ｔ３、圧力Ｐ３、湿度Ｈ３、貯水装置７内の水温Ｔ(W)、貯水装置７の水位計８の出力値、及び冷却水路１０内の冷却水の温度Ｔ(LLC)が入力される。そして、上流側コンプレッサ１４、下流側コンプレッサ２、水噴射弁３、水ポンプ４、スロットル弁１１、バイパス弁１２、及び調圧弁１３に対して制御信号を送信し、水ポンプ４の回転数、水噴射弁３の駆動パルス、上流側コンプレッサ１４、下流側コンプレッサ２のそれぞれの回転数、スロットル弁１１、バイパス弁１２、及び調圧弁１３の開度を制御する。

上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２は、燃料電池１へ供給される時の燃料電池１の運転圧までの空気の昇圧を分配する。即ち、大気圧から燃料電池１へ供給される時の燃料電池１の運転圧まで、吸気側の空気を昇圧するが、この昇圧を上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２で分担して行う。コントロールユニット９は、水噴射弁３の水噴射量が多くなるにつれて下流側コンプレッサ２による空気の昇圧割合を大きくする。また、上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の駆動はそれぞれインバータ制御されている。

外気温が加湿器６が凍結する下限しきい値よりも低い場合、上流側コンプレッサ１４から吐出される高温状態の空気により加湿器６を解凍する。また、外気温が上限しきい値よりも高い場合又は機関の要求負荷が一定値よりも低い場合、コントロールユニット９は、バイパス弁１２を開いて空気を上流側コンプレッサ１４を通さずにバイパス経路へ流して加湿器６に直接供給する。

コントロールユニット９は、調圧弁１３の開度を上流側コンプレッサ１４から吐出される空気の温度が外気温に合うように調整する。

このように、加湿器６は上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２の間に設置され、燃料電池１の排気から熱と水を吸気側の空気へ移動させる。加湿器６の吸気側の下流に配置した下流側コンプレッサ２の空気取込口に水噴射を行い、十分な加湿、湿度調整、及び下流側コンプレッサ２の吐出空気温度を調整する。また、上流側及び下流側コンプレッサ１４、２の駆動をインバータ駆動とすることにより、供給空気量を可変にすることができる。

燃料電池１へ供給される空気の温度は下流側コンプレッサ２の空気取込口へ供給する水の噴射量を変更することにより調節することができるため、下流側コンプレッサ２への吸入空気および吐出空気の冷却装置（アフタークーラ）を別途配置する必要が無く、加湿装置を小型化（圧損低減）することができる。

図２に示すように、燃料電池１の運転圧までの昇圧を上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２間で分配する割合は、要求負荷即ち水噴射量（或いは空気量）に応じて変化する。具体的には、水噴射弁３の水噴射量が多くなるにつれて、下流側コンプレッサ２による空気の昇圧割合は大きくなり、上流側コンプレッサ１４による空気の昇圧割合は小さくなる。なお、図２に示すような分配マップは、吸気の温度Ｔ１、圧力Ｐ１、湿度Ｈ１、燃料電池１の要求負荷（運転圧力）毎に用意され、運転者によるアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じた昇圧分配を参照できる。コントロールユニット９は、図２に示すような分配マップを参照して、上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２の駆動を制御する。

図３に示すように、燃料電池１の運転圧までの昇圧を上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２間で分配する割合は、吸入温度即ち外気温に応じて変化する。具体的には、外気温が高くなるにつれて、下流側コンプレッサ２による空気の昇圧割合は大きくなり、上流側コンプレッサ１４による空気の昇圧割合は小さくなる。外気温が加湿器６が凍結する「下限しきい値」よりも低い場合、上流側コンプレッサ１４の昇圧分配を上げることにより、上流側コンプレッサ１４が吐出する空気の温度Ｔ３を上げ、加湿器６の解凍時間を短縮化することにより始動性を向上させ、また加湿能力が高い状態で運転させることができる。

一方、外気温が「上限しきい値」よりも高い場合、コントロールユニット９はバイパス弁１２を開いて空気を上流側コンプレッサ１４を通さずにバイパス経路へ流して加湿器６に直接供給する。吸気側空気をバイパス経路へ流すことにより、上流側コンプレッサ１４による空気の昇圧割合を零にすることができる。このことにより、上流側コンプレッサ１４の消費電力を軽減しつつ適切な加湿空気を燃料電池１へ供給することができる。

なお、機関の要求負荷、即ち要求運転圧が一定値よりも低い場合（低負荷の場合）も、同様に、バイパス弁１２を開いて吸気側空気をバイパス経路へ流す。なお、図３に示すような分配マップは、吸気の圧力Ｐ１、湿度Ｈ１、排気の温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２、及び燃料電池１の要求負荷（運転圧力）毎に用意され、運転者によるアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じた昇圧分配を参照できる。

図４は、上流側コンプレッサ１４が吸入する空気の温度（外気温）と上流側及び下流側コンプレッサ１４、２が吐出する空気の温度との関係を示すグラフの一例であり、図５は、上流側コンプレッサ１４が吸入する空気の温度（外気温）と上流側及び下流側コンプレッサ１４、２の圧力比との関係を示すグラフの一例である。図４及び図５に示すようなグラフは、吸気の圧力Ｐ１、湿度Ｈ１、排気の温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２、燃料電池１の要求負荷（運転圧力）、及び目標吐出空気温度毎に用意され、運転者によるアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じた空気温度、圧力、湿度を参照できる。

コントロールユニット９は調圧弁１３の開度を制御することにより、外気温が比較的低い時は、図５に示すように外気温に応じて圧力比を変更して図４に示すように上流側コンプレッサ１４の吐出温度を高める。よって、加湿器６の解凍時間を短縮して始動性を向上させることができる。また、加湿器６の温度を高く保つことにより高い加湿効率を維持することができる。さらに、コントロールユニット９はバイパス弁１２の開度を制御することにより、外気温が比較的高い時、又は軽負荷時にはバイパス弁１２を開いて上流側コンプレッサ１４をバイパスし、消費電力を軽減しつつ適切な加湿空気を燃料電池１へ供給することができる。

図６を参照して、図１に示した加湿装置の第１の制御方法について説明する。先ずＳ０１段階において吸入空気の状態（温度Ｔ１、圧力Ｐ１、湿度Ｈ１）を読み込み、Ｓ０２段階において燃料電池１の排気空気の状態（温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２）を読み込み、Ｓ０３段階において運転者からの要求負荷（アクセルペダル開度）を読み込む。Ｓ０４段階において上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の回転数とスロットルの開度を設定する。Ｓ０５段階において下流側コンプレッサ２への水噴射量を決定し、Ｓ０６段階において図２及び図３に示した昇圧分配設定マップを参照して、Ｓ０７段階において上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２間で昇圧分配する割合を設定する。

図７を参照して、図１に示した加湿装置の第２の制御方法について説明する。第２の制御方法は、吸入温度即ち外気温に応じて、上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２間で分配する割合が変化する場合の制御方法である。

先ずＳ１１段階において吸入空気の状態（温度Ｔ１、圧力Ｐ１、湿度Ｈ１）を読み込み、Ｓ１２段階において燃料電池１の排気空気の状態（温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２）を読み込み、Ｓ１３段階において運転者からの要求負荷（アクセルペダル開度）を読み込む。Ｓ１４段階において上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の回転数とスロットルの開度を設定する。Ｓ１５段階において下流側コンプレッサ２への水噴射量を決定し、Ｓ１６段階において図３に示した外気温に対する昇圧分配設定マップを参照して、Ｓ１７段階において上流側コンプレッサ１４をバイパスさせる必要があるか否かを判断する。外気温が「上限しきい値」よりも高い場合、上流側コンプレッサ１４をバイパスさせる必要があり（Ｓ１７段階においてＹＥＳ）、Ｓ１９段階に進む。外気温が「上限しきい値」以下である場合、上流側コンプレッサ１４をバイパスさせる必要がなく（Ｓ１７段階においてＮＯ）、Ｓ１８段階に進む。Ｓ１８段階において上流側コンプレッサ１４と下流側コンプレッサ２間で昇圧分配する割合を設定する。一方、Ｓ１９段階においてバイパス弁１２を開いて上流側コンプレッサ１４の運転を停止し、Ｓ２０段階において下流側コンプレッサ２の昇圧を決定する。

図８を参照して、図１に示した加湿装置の第３の制御方法について説明する。第３の制御方法は、上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の吐出温度に応じて、上流側コンプレッサ１４から吐出される空気の温度が外気温に合うように調圧弁１３の開度を調整する場合の制御方法である。

（イ）先ずＳ２１段階において吸入空気の状態（温度Ｔ１、圧力Ｐ１、湿度Ｈ１）を読み込み、Ｓ２２段階において上流側コンプレッサ１４の吐出空気の状態（温度Ｔ３、圧力Ｐ３）を読み込み、Ｓ２３段階において燃料電池１の排気空気の状態（温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２）を読み込み、Ｓ２４段階において運転者からの要求負荷（アクセルペダル開度）を読み込む。Ｓ２５段階において上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の回転数とスロットルの開度を設定する。

（ロ）Ｓ２６段階において下流側コンプレッサ２への水噴射量を決定し、Ｓ２７段階において図４及び図５に示した上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の吐出温度マップを参照して、Ｓ２８段階において上流側コンプレッサ１４をバイパスさせる必要があるか否かを判断する。上流側コンプレッサ１４をバイパスさせる必要がある場合（Ｓ２８段階においてＹＥＳ）、Ｓ３３段階に進む。上流側コンプレッサ１４をバイパスさせる必要がない場合（Ｓ２８段階においてＮＯ）、Ｓ２９段階に進む。

（ハ）Ｓ３３段階においてバイパス弁１２を開いて上流側コンプレッサ１４の運転を停止し、Ｓ３４段階において下流側コンプレッサ２の昇圧を決定する。

（ニ）一方、Ｓ２９段階において上流側コンプレッサ１４の吐出空気の温度Ｔ３を読み込み、Ｓ３０段階において調圧弁１３の開度を設定して圧力比を調整する。Ｓ３１段階において吐出空気の温度Ｔ３が目標温度（外気温度）となっているか否かを判断し、目標温度を達成するまで繰り返し調圧弁１３の開度を調整する。Ｓ３２段階において上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の回転数とスロットルの開度を調整して、Ｓ２９段階に戻る。

以上説明したように、高分子型燃料電池装置の空気コンプレッサ１４、２を水透過型の加湿器６の上流側及び下流側にそれぞれ配置するとともに、加湿器６の下流側に配置した空気コンプレッサ２の圧縮室（空気取込口）に水を噴射することにより、空気加湿と吐出空気の冷却を行うので、燃料電池１の運転状況に応じた空気温度と湿度を適切に供給できる。

また、加湿器６の下流側に配置した空気コンプレッサ２の空気取込口へ水を噴射し、空気加湿と吐出空気の冷却を行うことにより、水透過型の加湿器６を小型化することができ、かつ下流側コンプレッサ２への吸入温度を予め下げる必要がなく、下流側コンプレッサ２の上下流に吸入空気及び吐出空気を冷却するクーラを配置する必要がなくなる、あるいは配置する場合でも小型のクーラでよいので、燃料電池用加湿装置の小型化を図ることができる。

更に、機関の要求出力に応じて、設定された燃料電池１の運転圧を上流側及び下流側のコンプレッサ１４、２で分配し、水噴射弁３の水噴射量が多くなるにつれて、下流側コンプレッサ２の昇圧割合を大きくすることにより、燃料電池１の運転状況に応じた空気温度と湿度を適切に制御することができる。また、空気の圧縮を２段階で行うことにより、上流側及び下流側のコンプレッサ１４、２のそれぞれの負荷を軽減させることができ、定格運転時でも効率の低下を抑えることができる。

更に、外気温が比較的低い時は上流側コンプレッサ１４の昇圧割合を高めて上流側コンプレッサ１４からの高温吐出空気により加湿器６の解凍を行い始動性の向上を図るとともに、外気温が比較的高い時及び軽負荷時は、上流側コンプレッサ１４をバイパスするバイパス経路を備えていることにより、低外気温時の始動性向上及び加湿効率の向上を図ることができる。また、高外気温時や軽負荷時は下流側コンプレッサ２のみを運転することにより、消費電力を抑え、かつ下流側コンプレッサ２の吐出空気温度を水噴射により冷却することができ、燃料電池１への供給空気の温度と湿度を適正に制御できる。

更に、上流側コンプレッサ１４の吐出空気温度を外気温に合うように調圧弁１３の開度を調整することにより、加湿器６の加湿効率が最適となり、加湿器６を常に加湿能力の高い領域で運転することができる。

更に、上流側コンプレッサ１４及び下流側コンプレッサ２の駆動をインバータ制御することにより、燃料電池１の負荷に応じた加湿空気量を供給することができる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係るダイレクト水素型燃料電池用加湿装置の構成を示すブロック図である。 上流側コンプレッサと下流側コンプレッサ間の水噴射量に対する必要昇圧の分配マップの一例を示すグラフである。 上流側コンプレッサと下流側コンプレッサ間の外気温に対する必要昇圧の分配マップの一例を示すグラフである。 上流側コンプレッサが吸入する空気の温度（外気温）と上流側及び下流側コンプレッサが吐出する空気の温度との関係を示すグラフである。 上流側コンプレッサが吸入する空気の温度（外気温）と上流側及び下流側コンプレッサの圧力比との関係を示すグラフである。 図１に示した加湿装置の第１の制御方法を示すフローチャートである。 図１に示した加湿装置の第２の制御方法を示すフローチャートである。 図１に示した加湿装置の第３の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…下流側コンプレッサ
３…水噴射弁
４…水ポンプ
５…レギュレータ
６…加湿器
７…貯水装置
８…水位計
９…コントロールユニット
１０…冷却水路
１１…スロットル弁
１２…バイパス弁
１３…調圧弁
１４…上流側コンプレッサ
Ｈ１〜Ｈ３…湿度
Ｐ１〜Ｐ３…圧力
Ｔ１〜Ｔ３、Ｔ(W)、Ｔ(LLC)…温度

Claims (5)

1. 空気を取り込み、圧縮して吐出する上流側コンプレッサと、
   燃料電池から排出される多湿状態の空気から前記上流側コンプレッサから吐出される空気へ水分を移動させる加湿器と、
   前記加湿器により水分が移動した空気を取り込み、圧縮して前記燃料電池へ供給する下流側コンプレッサと、
   前記下流側コンプレッサの空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁
   とを有することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 前記上流側コンプレッサ及び前記下流側コンプレッサは、前記燃料電池へ供給される時の前記燃料電池の運転圧までの前記空気の昇圧を分配し、前記水噴射弁の水噴射量が多くなるにつれて前記下流側コンプレッサによる前記空気の昇圧割合を大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
3. 前記上流側コンプレッサに並列に接続されたバイパス経路を更に有し、
   外気温が前記加湿器が凍結する下限しきい値よりも低い場合、前記上流側コンプレッサから吐出される高温状態の前記空気により前記加湿器を解凍し、前記外気温が上限しきい値よりも高い場合又は前記燃料電池への要求負荷が一定値よりも低い場合、前記空気はバイパス経路を流れて前記加湿器に取り込まれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
4. 前記上流側コンプレッサと前記加湿器との間に配置された調圧弁を更に有し、
   前記調圧弁の開度は、前記上流側コンプレッサから吐出される前記空気の温度が外気温に合うように調整されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
5. 前記上流側コンプレッサ及び前記下流側コンプレッサの駆動はインバータ制御されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。

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