JP2006164728A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の排気を利用して吸入空気を加湿する加湿手段を空気圧送手段の上流側に備えるとともに、空気圧送手段又はその近傍に水噴射を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that includes a humidifying unit that humidifies intake air using exhaust gas from a fuel cell on the upstream side of a pneumatic feeding unit, and performs water injection at or near the pneumatic feeding unit.
燃料電池システムとして、吸入したガスを圧送する加給装置（空気圧送手段）の上流側に被加湿ガスを加湿する加湿装置（加湿手段）を配置するようにしたものがある（特許文献１）。このように、加湿手段を空気圧送手段の上流側に配置することにより、加湿手段を空気圧送手段の下流側に配置した場合に比べて、加湿手段を通過する被加湿ガスの流速を速めることができる（加湿効率が向上する）ので、加湿手段及び空気圧送手段の小型化が図れるという利点がある。
ところで、特に車両用の燃料電池システムにあっては、その設置スペース等の問題から加湿手段等のさらなる小型化が要求されている。
そのため、空気圧送手段の上流側に配置した加湿手段をより小型化するとともに小型化に伴う不足分を水噴射により補うようにした燃料電池システムが提案されており、このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電効率を高く維持すべく、燃料電池へ供給される空気の温度及び湿度を適切に制御する技術が望まれていた。
By the way, especially in the fuel cell system for vehicles, further miniaturization of a humidifying means etc. is requested | required from problems, such as the installation space.
Therefore, a fuel cell system has been proposed in which the humidifying means arranged on the upstream side of the pneumatic feeding means is further miniaturized and the shortage due to the miniaturization is compensated by water injection. In such a fuel cell system, In order to maintain high power generation efficiency of the fuel cell, a technique for appropriately controlling the temperature and humidity of air supplied to the fuel cell has been desired.
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、加湿手段と水噴霧とにより吸入空気を加湿する構成の燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気の温度と湿度を適切に制御することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to appropriately control the temperature and humidity of air supplied to a fuel cell in a fuel cell system configured to humidify intake air by a humidifying means and water spray. And
このため、本発明は、吸入空気を加湿する加湿手段を、燃料電池へ空気を圧送する空気圧送手段の上流側に配置するとともに、前記空気圧送手段又はその近傍に水を噴射する水噴射手段を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される空気流量、燃料電池の運転圧力及び吸入空気の状態に応じた燃料電池の要求水量を算出する要求水量算出手段と、燃料電池に供給される空気流量、燃料電池の運転圧力、吸入空気の状態及び燃料電池の排気の状態に応じた加湿手段の燃料電池への供給水量を算出する加湿手段供給水量算出手段と、空気圧送手段から吐出される空気を所定の温度及び湿度にするために、燃料電池に供給される空気流量、燃料電池の運転圧力、吸入空気の状態及び燃料電池の排気の状態に応じた水噴射手段の噴射供給水量を算出する噴射供給水量算出手段と、燃料電池に供給される空気流量、吸入空気の状態及び燃料電池の排気の状態に応じて、加湿手段の供給水量と水噴射手段の噴射供給水量とを合算した総供給水量が燃料電池の要求水量範囲内となるように燃料電池の運転圧力を設定する運転圧力設定手段と、を備えたことを特徴とする。 Therefore, the present invention provides a humidifying means for humidifying the intake air on the upstream side of the pneumatic feeding means for feeding air to the fuel cell, and a water injection means for jetting water to the pneumatic feeding means or the vicinity thereof. In the fuel cell system, a required water amount calculating means for calculating a required water amount of the fuel cell in accordance with an air flow rate supplied to the fuel cell, an operating pressure of the fuel cell, and an intake air state, and an air flow rate supplied to the fuel cell A humidifying means supply water amount calculating means for calculating the amount of water supplied to the fuel cell of the humidifying means according to the operating pressure of the fuel cell, the state of the intake air and the exhaust state of the fuel cell, and the air discharged from the pneumatic feeding means Injection supply of water injection means according to the flow rate of air supplied to the fuel cell, the operating pressure of the fuel cell, the state of intake air and the state of exhaust of the fuel cell in order to achieve a predetermined temperature and humidity The amount of water supplied to the fuel cell, the amount of water supplied to the fuel cell, the state of the intake air, and the state of the exhaust of the fuel cell And an operating pressure setting means for setting the operating pressure of the fuel cell so that the total amount of supplied water is within the required water amount range of the fuel cell.
本発明によると、燃料電池の排気を利用して吸入空気を加湿する加湿手段を空気圧送手段の上流側に備えるとともに、空気圧送手段又はその近傍に水噴射を行う燃料電池システムにおいて、システムの運転状況に応じて、加湿手段及び水噴射によって燃料電池に供給する空気を適切な温度及び湿度とするために必要な噴射供給量を確保できる燃料電池の運転圧力を設定できるので、常に燃料電池の空気温度及び湿度を適切に制御して発電効率を高く維持できる。 According to the present invention, in a fuel cell system in which humidifying means for humidifying intake air using exhaust gas from a fuel cell is provided on the upstream side of the pneumatic feeding means, and water injection is performed at or near the pneumatic feeding means, the operation of the system is performed. Depending on the situation, the fuel cell operating pressure can be set so as to ensure the amount of fuel supplied by the humidifying means and water injection to ensure that the air supplied to the fuel cell has an appropriate temperature and humidity. The power generation efficiency can be kept high by appropriately controlling the temperature and humidity.
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用の燃料電池システムの構成を模式的に示したものである。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、発電手段としての燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）１と、この燃料電池１の酸素極（正極）に酸化剤としての空気（酸素）を供給するための空気供給通路１０と、燃料電池１の排出空気（排気）を放出するための空気排出通路２０と、燃料電池１の水素極（負極）に燃料としての水素を水素タンク３１から供給するための水素供給通路３０と、燃料電池１内で使いきらない水素を再び水素供給側に戻す水素循環通路４０と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) 1 as power generation means, and an oxidant on the oxygen electrode (positive electrode) of the
燃料電池１には、冷却水が流通する冷却水通路２が設けられている。この冷却水通路２に流れる冷却水の流量等は冷却水供給装置（本発明に係る冷却手段に相当する）３によって調整される。冷却水供給装置３は、例えば燃料電池１の温度又は冷却水温度に基づいて冷却水の流量等を調整し、発電中に生じる熱を効率的に除去する。
空気供給通路１０には、吸入空気を圧送する圧縮機（本発明に係る空気圧送手段に相当する）１１、空気供給通路１０を開閉する供給通路開閉弁１２が設けられている。この供給通路開閉弁１２の開度を制御することで燃料電池１に供給される空気量が調整される。また、一般に、燃料電池１の固体高分子膜は潤湿状態に保たれている必要があることから、吸入空気を加湿する加湿器５０（供給側５０ａ，排出側５０ｂ）が設けられる。この加湿器（本発明に係る加湿手段に相当する）５０は、例えば中空糸を使用して燃料電池１の排気（中の水分）を利用して吸入空気を加湿するものであり、図に示すように圧縮機１１の上流側で吸入空気を加湿する。
The
The
さらに、加湿器５０による加湿を補助するとともに圧縮機１１から吐出される高温空気を冷却するために、圧縮器１１（又は圧縮機１１の近傍）に水を霧状にして噴射し吸入空気の加湿及び冷却を行う水噴射弁（本発明に係る水噴射手段に相当する）５５が設けられている。なお、この水噴射弁５５には、後述する貯水タンク６２内に蓄えられた水が供給される。
Further, in order to assist humidification by the
圧縮機１１には、図示しないエアクリーナによりゴミ等が除去されて、加湿器５０によって加湿された空気が流入する。そして、圧縮機１１から吐出される所定の圧力の空気（圧縮空気）が供給通路開閉弁１２を介して燃料電池１（の酸素極）に供給される。
ここで、空気供給通路１０において、圧縮機１１の上流側で吸入空気を加湿するようにしたのは、燃料電池１の排気を利用して吸入空気を加湿する場合には、該排気と吸入空気との間にある程度の温度差及び圧力差が必要となるところ、圧縮機１１を加湿器５０の上流側に配置してしまうと、吸入空気が圧縮機１１によって圧縮されて温度、圧力が上昇してしまうため、燃料電池の排気との間に十分な温度差及び圧力差を確保することが難しくなること等を考慮したものである。
Dust and the like are removed by an air cleaner (not shown) and air humidified by the
Here, in the
空気排出通路２０には、燃料電池１の排気から水分を回収する水回収装置（本発明に係る水回収手段に相当する）６０、燃料電池１上流側の空気圧力を制御するための空気圧力制御弁２１が設けられている。なお、図に示すように、燃料電池１の排気は、この空気排出通路２０を介して加湿器５０（排気側５０ｂ）に導入されるようになっている。
水回収装置６０は、例えば気液分離器から構成されており、空気排出通路２０において加湿器５０（排出側５０ｂ）の下流側に設けられている。そして、加湿器５０（排出側５０ｂ）を通過して除湿された燃料電池１の排気から水分を回収する。この水回収装置６０で回収された水は、水回収通路６１を介して貯水タンク（本発明に係る貯水手段に相当する）６２に蓄えられる。
In the
The
貯水タンク６２と前述の水噴射弁５５とは水供給通路６３を介して接続されている。この水供給通路６３には、貯水タンク６２に蓄えられた水を圧送するウォータポンプ（水圧送手段）６４、圧送された水を所定の水圧に調整する水圧調整器（水圧調整手段）６５が設けられている。なお、水圧調整器６５で発生する余剰水は、水還流通路６６を介して貯水タンク６２へと戻されるようになっている。
The
また、本実施形態に係る燃料供給システムは、空気供給通路１０において圧縮機１１の下流側（より具体的には、圧縮機１１と供給通路開閉弁１２との間）で分岐して加湿器５０（供給側５０ａ）上流側に接続する第１空気還流通路７０と、同じく空気供給通路１０において圧縮機１１の下流側（圧縮機１１と空気通路開閉弁１２との間）で分岐して加湿器５０（供給側５０ａ）と圧縮機１１との間に接続する第２空気還流通路８０と、空気排出通路２０において加湿器５０（排出側５０ｂ）の上流側で分岐して加湿器５０（排出側５０ｂ）の下流側に接続する（すなわち、加湿器５０（排出側５０ｂ）をバイパスする）加湿器バイパス通路（バイパス通路）９０とを備えている。
In addition, the fuel supply system according to the present embodiment branches in the
第１空気還流通路７０には、該第１空気還流通路７０を開閉する第１通路開閉弁７１が設けられている。この第１通路開閉弁４１を開くと、圧縮機１１から吐出された空気の全部又は一部が第１空気還流通路７０を介して加湿器５０（吸入側５０ａ）の上流側へと戻されることになる。
第２空気還流通路８０には、該第２空気還流通路８０を開閉する第２通路開閉弁８１、該第２通路開閉弁８１の下流側に設けられた蓄圧装置８２及び該蓄圧装置８２の圧力を開放するための圧力開放弁８３が設けられている。上記第２通路開閉弁８１を開くと、圧縮機１１から吐出された空気の全部又は一部が蓄圧装置８２へと供給され、この蓄圧装置８２に蓄えられる。その後、圧力開閉弁８３を開くと、蓄圧装置８２に蓄えられた空気が加湿器５０（吸入側５０ａ）の下流側へと戻されることになる。
The first
The second
加湿器バイパス通路９０には、該加湿器バイパス通路９０を開閉するバイパス通路開閉弁９１が設けられている。ここで、通常、加湿器５０（排出側５０ｂ）内よりも加湿器バイパス通路９の方が通路（流路）抵抗が小さいことから、バイパス通路開閉弁９１を開くことによって、燃料電池１の排気（の大部分）は、加湿器５０（排出側５０ｂ）を経由せずに放出されることになる。
The
このように、第１空気還流通路７０、第２空気還流通路８０及び加湿器バイパス通路９０等を備えることにより、例えば、システム始動時においては、圧縮機１１から吐出された（高温）空気を第１空気還流通路７０によって加湿器５０の上流側に還流させることにより、加湿器５０の暖機を行って始動性を向上させることができる。
また、システム停止時においては、燃料電池１の排気を加湿器バイパス通路９０により放出させるとともに圧縮機１１から吐出された（高温）空気を第２空気還流通路８０により還流させることにより、加湿器５０内及び配管内の水分を除去できる。さらに、第１通路開閉弁７１を「閉」、供給通路開閉弁１２を「閉」、第２通路開閉弁９１を「開」として圧縮機１１から吐出された（高温）空気を蓄圧装置８２内に蓄えるようにし、圧縮機１１を停止した後に圧力開放弁８３を開放することにより、蓄圧装置８２に蓄えられた空気が加湿器５０を通って（逆流して）大気へと放出され、加湿器５０内及びその上流側の配管内の水分を除去できる。これにより、システム停止中（保管時）にシステム内が凍結することを防止できる。
Thus, by providing the first
Further, when the system is stopped, the exhaust of the
上記の冷却水供給装置３、圧縮機１１、供給通路開閉弁１２、空気圧力調整弁２１、水噴射弁５５、ウォータポンプ６４、第１通路開閉弁７１、第２通路開閉弁８１、圧力開放弁８３及びバイパス通路開閉弁９１等の動作は、図示しないコントロールユニットによって制御される。
このコントロールユニットには、空気供給通路１０の加湿器５０（吸入側５０ａ）の上流側の空気温度（すなわち、吸入空気の温度）を検出する第１温度センサ（温度検出手段）１０１、吸入空気の圧力を検出する第１圧力センサ１０２、吸入空気の湿度を検出する第１湿度センサ１０３、燃料電池１の下流側の空気温度（すなわち、燃料電池１の排気の温度）を検出する第３温度センサ１０４、燃料電池１からの排気の圧力を検出する第３圧力センサ１０５、燃料電池１からの排気の湿度を検出する第３湿度センサ１０６、貯水タンク６２内の水量（水位）を検出する水量センサ１０７、運転者によるアクセル操作量を検出するアクセル開度センサ（図示省略）等からの検出信号が入力されている。なお、第１温度センサ１０１、第１圧力センサ１０２及び第１湿度センサ１０３が本発明に係る吸入空気状態検出手段に相当し、第２温度センサ１０４、第２圧力センサ１０５及び第２湿度センサ１０６が本発明に係る排気状態検出手段に相当する。また、水量センサ１０７が本発明に係る水量検出手段に相当する。
The cooling
The control unit includes a first temperature sensor (temperature detection means) 101 for detecting the air temperature upstream of the humidifier 50 (
ここで、本実施形態に係る車両用の燃料電池システムの運転（圧力）制御について説明する。
まず、図２は、要求負荷（すなわち、燃料電池１に供給される空気流量）と燃料電池１の運転圧力とに応じた燃料電池１の要求水量（加湿要求）を示すマップ例（以下、「燃料電池要求水量マップ」という）である。この燃料電池要求水量マップに示されるように、燃料電池１の要求水量は、通常、空気流量が多く運転圧力が低いと多くなり、空気流量が少なく運転圧力が高いと少なくなる傾向にある。本実施形態では、かかる燃料電池要求水量マップを吸入空気の状態（温度、圧力、湿度）毎に作成してあり、該マップの参照処理により要求負荷（空気流量）と運転圧力と吸入空気の状態とに応じた燃料電池１の要求水量（適切な供給水量）の範囲を求めることが可能である。なお、かかる燃料電池要求水量マップの参照処理が本発明に係る「要求水量算出手段」に相当する。
Here, operation (pressure) control of the vehicle fuel cell system according to the present embodiment will be described.
First, FIG. 2 shows an example of a map (hereinafter referred to as “humidity request”) indicating the required water amount (humidification request) of the
図３は、要求負荷と燃料電池１の運転圧力とに応じた加湿器５０の性能（加湿器５０による供給水量）を示すマップ例（以下、「加湿器供給水量マップ」という）である。この加湿器供給水量マップに示されるように、加湿器５０による供給水量（加湿性能）は、通常、空気流量が多く運転圧力が高いと多くなり、空気流量が少なく運転圧力が低いと少なくなる傾向にある。本実施形態では、かかる加湿器供給水量マップを吸入空気の状態（温度、圧力、湿度）及び燃料電池１の排気の状態（温度、圧力、湿度）毎に作成してあり、該マップの参照処理により要求負荷（空気流量）と運転圧力と吸入空気（加湿器５０の供給側５０ａに入力される空気）の状態と燃料電池１の排気（加湿器５０の排出側５０ｂに入力される空気）の状態とに応じた加湿器５０の加湿性能、すなわち、加湿器５０によって燃料電池１へ供給される水量を求めることが可能である。なお、かかる加湿器供給水量マップの参照処理が本発明に係る「加湿手段供給水量算出手段」に相当する。
FIG. 3 is a map example (hereinafter referred to as “humidifier supply water amount map”) showing the performance of the humidifier 50 (the amount of water supplied by the humidifier 50) according to the required load and the operating pressure of the
図４は、要求負荷と燃料電池１の運転圧力とに応じた水噴射供給量（水噴射弁５５による供給水量）を示すマップ例（以下、「水噴射供給水量マップ」という）である。この水噴射供給水量マップに示されるように、水噴射弁５５による供給水量は、通常、空気流量が多く運転圧力が高いと多く必要とされ、空気流量が少なく運転圧力が低いと少なくて済むという傾向がある。本実施形態では、かかる水噴射供給水量マップを吸入空気の状態（温度、圧力、湿度）及び燃料電池１の排気の状態（温度、圧力、湿度）毎に作成してあり、該マップの参照処理により要求負荷（運転者のアクセル操作量）と燃料圧力と吸入空気の状態と燃料電池１の排気の状態とに応じた噴射供給水量、すなわち、水噴射弁５５から噴射することにより燃料電池１に供給される（すべき）水量を求めることが可能である。
FIG. 4 is a map example (hereinafter referred to as a “water injection supply water amount map”) showing a water injection supply amount (a supply water amount by the water injection valve 55) according to the required load and the operating pressure of the
加湿器５０の供給側５０ａに入力される空気、すなわち吸入空気（外気）の状態（温度、圧力、湿度）と、加湿器５０の排出側５０ｂに入力される空気、すなわち燃料電池１の排気の状態（温度、圧力、湿度）とから圧縮機１１吸入側の空気の状態が予測でき、圧縮機１１吸入側の空気の状態が予測できれば圧縮機１１から吐出される空気の状態も予測できる。そして、上記噴射供給水量マップは、圧縮機１１から吐出される空気が燃料電池１に供給される空気として適切な温度・湿度となるような噴射供給水量を設定するものであり、この噴射供給水量を水噴射弁５５から噴射することにより、圧縮機１１から吐出される空気が冷却・加湿され、燃料電池１の空気温度及び湿度を適切に制御できる。
The state (temperature, pressure, humidity) of the air input to the
ここで、本実施形態においては、吸入空気及び燃料電池１の排気の状態（温度、圧力、湿度）を用いて水噴射弁５５による噴射供給水量を求める構成としているが、これに代えて、圧縮機１１の吸入側（加湿器５０により加湿された）空気の状態（温度、圧力、湿度）又は圧縮機１１から吐出される空気の状態（温度、圧力、湿度）を検出し、この検出結果を用いるように構成してもよい。なお、かかる水噴射供給水量マップの参照処理が本発明に係る「噴射供給水量算出手段」に相当する。
Here, in the present embodiment, the amount of water supplied by the
また、図４において「水不足範囲」と記した領域は、圧縮機１１から吐出される空気温度が高温となってその冷却には多量の水が必要とされることから、水回収装置６０の能力を超えてしまう領域、すなわち、水噴射弁５５から必要な量の水を噴射することができない（又はそのおそれのある）領域のことである。したがって、圧縮機１１から吐出される空気を冷却して燃料電池１の空気温度を適切に制御するためには、「水不足範囲」を避けるように運転圧力が設定する必要があるが、これについては後述する。
Further, in the area indicated as “water shortage range” in FIG. 4, since the temperature of the air discharged from the
図５は、要求負荷と燃料電池１の運転圧力とに応じた燃料電池１への総供給水量（加湿器５０の供給水量＋水噴射弁５５の噴射供給量）を示すマップ例（以下、「総供給水量マップ」という）である。この総供給水量マップは、加湿器供給水量マップ（図３）と水噴射供給水量マップ（図４）とに基づいて、吸入空気の状態（温度、圧力、湿度）及び燃料電池１の排気の状態（温度、圧力、湿度）毎に作成することができる。本実施形態では、この総供給水量マップを作成してあり、該マップの参照処理により要求負荷（運転者にアクセル操作量）と運転圧力と吸入空気の状態と燃料電池１の排気の状態とに応じた燃料電池１への総供給水量を求めることが可能である。
FIG. 5 is a map example showing the total amount of water supplied to the
図６は、要求負荷と燃料電池１の運転圧力に応じた圧縮機１１の回転毎の特性曲線と燃料電池要求加湿満足線とを示したマップ例（以下、「運転圧力設定マップ」という）である。この運転圧力設定マップは、燃料電池要求水量マップ（図２）、加湿器供給水量マップ（図３）及び水噴射供給水量マップ（図４）を基に、又は、燃料電池要求水量マップ（図２）及び総供給水量マップ（図５）を基に吸入空気の状態（温度、圧力、湿度）及び燃料電池１の排気の状態（温度、圧力、湿度）毎に作成できる。ここで、燃料電池要求加湿満足線とは、要求負荷に応じた燃料電池１の要求水量の範囲（図２）を要求負荷に応じた総供給水量（図５参照）で満足できる範囲の代表線のことである。
FIG. 6 is a map example (hereinafter referred to as “operating pressure setting map”) showing a characteristic curve for each rotation of the
したがって、要求負荷と吸入空気の状態と燃料電池１の排気の状態とに基づいて、かかる運転圧力設定マップを参照し、燃料電池１の運転圧力を上記燃料電池要求加湿満足線上に設定するようにすれば、燃料電池１の入口温度及び湿度を適切に制御できることになるのであるが、圧縮機１１としては、燃料電池１の運転圧力が圧縮機１１の特性曲線上の高効率点を結んだ線（高効率線）上に設定されるのが望ましいことになる。
Therefore, the operating pressure setting map is referred to based on the required load, the intake air state, and the exhaust state of the
そこで、本実施形態においては、燃料電池要求加湿満足線上で、かつ高効率線に近づけるように燃料電池１の運転圧力を設定する。これにより、圧縮機１１を高効率で運転しつつ燃料電池１の空気温度と湿度を適切に制御することができ、システム全体として高効率な運転を実現できる。なお、かかる運転圧力設定マップの参照処理が本発明に係る「運転圧力設定手段」に相当する。
Therefore, in the present embodiment, the operating pressure of the
ところで、燃料電池要求加湿満足線上であっても、水不足範囲内又はその近傍での運転が連続すると水不足となってしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、水不足が予測される場合、具体的には、貯水タンク６２内の水量が所定量以下となった場合や貯水タンク６２内の水量予測を行ってその結果が所定量以下となった場合等には、冷却水供給装置３を制御して燃料電池１の冷却水を増量させることで、水回収装置６０での水回収量を増加させるようにしている。
By the way, even if it is on the fuel cell required humidification satisfaction line, there is a risk of water shortage if operation is continued in or near the water shortage range. Therefore, in this embodiment, when water shortage is predicted, specifically, when the amount of water in the
図７は、以上説明した本実施形態（第１実施形態）に係る燃料電池システムの運転（圧力）制御を示すフローチャートである。
Ｓ１では、第１温度センサ１０１、第１圧力センサ１０２、第１湿度センサ１０３の検出信号に基づき、吸入空気の温度、圧力、湿度を読込む。
Ｓ２では、第２温度センサ１０４、第２圧力センサ１０５、第２湿度センサ１０６の検出信号に基づき、燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度を読込む。
FIG. 7 is a flowchart showing the operation (pressure) control of the fuel cell system according to this embodiment (first embodiment) described above.
In S <b> 1, the temperature, pressure, and humidity of the intake air are read based on detection signals from the
In S2, the temperature, pressure, and humidity of the exhaust gas from the
Ｓ３では、アクセル開度センサの検出信号に基づき要求負荷を読込む。
Ｓ４では、読込んだ要求負荷に基づいて、あらかじめ作成された要求負荷−必要空気量マップ（図示省略）等を参照して必要空気量を求める。
Ｓ５では、必要空気量、吸入空気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度に基づいて、図６のマップを参照して、燃料電池１の運転圧力を上記燃料電池要求加湿満足線上に設定する。
In S3, the required load is read based on the detection signal of the accelerator opening sensor.
In S4, the required air amount is obtained by referring to a previously prepared required load-necessary air amount map (not shown) based on the read required load.
In S5, the operating pressure of the
Ｓ６では、設定した運転圧力と必要空気量とに基づいて圧縮機１１の回転数及び供給通路開閉弁１２の開度を設定する。
Ｓ７では、吸入空気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度に基づいて、水噴射供給水量マップ（図４）を参照して噴射供給水量を設定する。
Ｓ８では、設定した圧縮機１１の回転数、供給通路開閉弁１２の開度となるように圧縮機１１及び供給通路開閉弁１２を制御し、設定した噴射供給水量を噴射するように水噴射弁５５を開弁駆動する。
In S6, the rotation speed of the
In S7, the injection supply water amount is set with reference to the water injection supply water amount map (FIG. 4) based on the temperature, pressure and humidity of the intake air and the temperature, pressure and humidity of the exhaust of the
In S8, the
Ｓ９では、水量センサ１０７の検出信号に基づいて、貯水タンク６２内の水量を検出する。なお、検出した貯水タンク６２内の水量、水回収装置６０による水回収量（の予測値）及び噴射供給水量等から貯水タンク６２内の水量の変化を予測して、予測水量を検出するようにしてもよい。
Ｓ１０では、検出した貯水タンク６２内の水量（又は予測水量）が所定量以下であるか否か、すなわち、水不足が予測されるか否かを判定する。貯水タンク６２内の水量（予測水量）が所定量以下であればＳ１１に進む。一方、貯水タンク６２内の水量（予測水量）が所定量を上回っていれば本フローを終了する。
In S9, the amount of water in the
In S10, it is determined whether or not the detected water amount (or predicted water amount) in the
Ｓ１１では、冷却水供給装置３を制御して冷却水通路２を流通する冷却水量を増加させる。これにより、燃料電池１の温度が低下することになるので、水回収装置６０での水回収量が増加し水不足を解消する。
以上説明した実施形態によると、燃料電池１に供給される空気流量、燃料電池の運転圧力及び吸入空気の状態に応じた燃料電池１の要求水量を算出する（算出できる）燃料電池要求水量マップ（図２）と、燃料電池１に供給される空気流量、燃料電池１の運転圧力、吸入空気の状態及び燃料電池１の排気の状態に応じた加湿器５０の加湿性能（燃料電池１への供給水量）を算出する（算出できる）加湿器供給水量マップ（図３）と、圧縮機１１から吐出される空気を所定温度・湿度とするために、燃料電池１に供給される空気流量、燃料電池１の運転圧力、吸入空気の状態及び燃料電池の排気の状態に応じた水噴射弁５５の噴射供給水量を算出する（算出できる）水噴射供給水量マップ（図４）とを作成し、これらのマップを基に、燃料電池１に供給される空気流量、吸入空気の状態及び燃料電池１の排気の状態に応じた、前記加湿供給水量（図３）と前記噴射供給水量（図４）とを合算した総供給水量（図５）が燃料電池１の要求水量範囲（図２）内となる燃料電池要求加湿満足線が設定された運転圧力設定マップ(図６）を作成する。そして、燃料電池１に供給される空気流量、吸入空気の状態及び燃料電池１の排気の状態に基づいて運転圧力設定マップ(図６）を参照して、燃料電池１の運転圧力を上記燃料電池要求加湿満足線上に設定する。これにより、システムの運転状況に応じて、圧縮機１１から吐出される高温空気に対して適切な水噴射が行える運転圧力を設定することができるので、燃料電池１に適切な温度及び湿度の空気を安定して供給できる。これにより、燃料電池１の発電効率を常に高く維持できる。
In S <b> 11, the amount of cooling water flowing through the cooling water passage 2 is increased by controlling the cooling
According to the embodiment described above, the fuel cell required water amount map (which can calculate) the required water amount of the
また、燃料電池要求加湿満足線上で、かつ圧縮機１１の高効率線に近づけるように運転圧力を設定するようにしたから、システム全体としてより高効率な運転を実現できる。
さらに、貯水タンク６２内の水量（又は予測水量）が所定量以下となったときは水不足のおそれがあると判断して、燃料電池１の冷却水量を増加させるので水回収装置６０による水回収量が増加して水不足を解消できる。これにより、圧縮機１１の高温化や燃料電池１の発電効率の低下を防止できる。
Further, since the operation pressure is set so as to be close to the fuel cell required humidification satisfaction line and close to the high efficiency line of the
Further, when the amount of water in the water storage tank 62 (or the predicted amount of water) is less than or equal to a predetermined amount, it is determined that there is a risk of water shortage, and the amount of cooling water in the
図８は、別の実施形態に係る燃料電池システムの運転（圧力）制御の別の方法を示すフローチャートである。この実施形態は、上記第１実施形態（図７）に対して、さらに水噴射供給水量を低減させることにより、水不足を早期に解消しつつ少ない水量で燃料電池１の空気温度と湿度を適切に制御するようにしている。具体的には、水不足が予測される場合には、燃料電池１の冷却水量を増加させて水回収量を増加させるとともに、例えば図６中に示すように、ａ１→ａ２→ａ３→ａ４→ａ５のように運転圧力を低下させることにより噴射供給水量を低減させる。
FIG. 8 is a flowchart showing another method of operation (pressure) control of the fuel cell system according to another embodiment. This embodiment appropriately reduces the air temperature and humidity of the
図８において、Ｓ１０１〜Ｓ１０４は図７のＳ１〜Ｓ４と同じである。
Ｓ１０５では、必要空気量、吸入空気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度に基づいて、図６のマップを参照して、燃料電池要求加湿満足線上の運転圧力を読込む。
Ｓ１０６では、運転圧力低下補正フラグＦ１が設定されているか否かを判定する。運転圧力低下補正フラグが設定されていれば（Ｆ１＝１であれば）Ｓ１０７に進み、設定されていなければ（Ｆ１＝０であれば）Ｓ１０９に進む。運転圧力低下補正フラグは、後述するＳ１１６において水不足が予測される場合に設定される。
In FIG. 8, S101 to S104 are the same as S1 to S4 of FIG.
In S105, the operating pressure on the fuel cell required humidification satisfaction line is determined with reference to the map of FIG. 6 based on the required air amount, intake air temperature, pressure, humidity, and exhaust temperature, pressure, humidity of the
In S106, it is determined whether or not the operating pressure drop correction flag F1 is set. If the operating pressure drop correction flag is set (if F1 = 1), the process proceeds to S107, and if not set (if F1 = 0), the process proceeds to S109. The operating pressure drop correction flag is set when water shortage is predicted in S116 described later.
Ｓ１０７では、Ｓ１０５で設定された燃料電池１の運転圧力を低下させる。具体的には、上述したように、設定された運転圧力が図６中のａ１であればａ２に、ａ２であればａ３に、ａ３であればａ４に、・・・というように運転圧力を低下させる。
Ｓ１０８では、低下させた運転圧力を燃料電池１の運転圧力として設定する。
Ｓ１０９では、Ｓ１０５で読込んだ運転圧力を燃料電池１の運転圧力として設定する。
In S107, the operating pressure of the
In S108, the reduced operating pressure is set as the operating pressure of the
In S109, the operating pressure read in S105 is set as the operating pressure of the
Ｓ１１０では、必要空気量、Ｓ１０８又はＳ１０９で設定した運転圧力に基づいて、圧縮機１１の回転数及び供給通路開閉弁１２の開度を設定する。
Ｓ１１１では、吸入空気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度に基づいて、水噴射供給水量マップ（図４）を参照して水噴射量を設定する。
Ｓ１１２では、設定した圧縮機１１の回転数、供給通路開閉弁１２の開度となるように圧縮機１１及び供給通路開閉弁１２を制御し、設定した水噴射量を噴射するように水噴射弁５５を開弁駆動する。
In S110, the rotation speed of the
In S111, the water injection amount is set with reference to the water injection supply water amount map (FIG. 4) based on the temperature, pressure, and humidity of the intake air and the temperature, pressure, and humidity of the exhaust of the
In S112, the
Ｓ１１３では、図７のＳ９と同様、水量センサ１１０の検出信号に基づいて、貯水タンク６２内の水量を検出する。なお、検出した貯水タンク６２内の水量、水回収装置６０による水回収量（の予測値）及び噴射供給水量等から貯水タンク６２内の水量の変化を予測して、予測水量を検出するようにしてもよい。
Ｓ１１４では、検出した貯水タンク６２内の水量（又は予測水量）が所定量以下であるか否か、すなわち、水不足が予測されるか否かを判定する。貯水タンク６２内の水量（予測水量）が所定量以下であればＳ１１５に進む。一方、貯水タンク６２内の水量（予測水量）が所定量を上回っていればＳ１１７に進み、運転圧力補正フラグを解除して（Ｆ１＝０として）本フローを終了する。
In S113, the amount of water in the
In S114, it is determined whether or not the detected water amount (or predicted water amount) in the
Ｓ１１５では、冷却水供給装置３を制御して冷却水通路２を流通する冷却水量を増加させる。これにより、燃料電池１の温度が低下することになるので、水回収装置６０での水回収量が増加し水不足を解消する。
Ｓ１１６では、運転圧力低下補正フラグを設定する（Ｆ１＝１とする）。この運転圧力低下補正フラグが設定されることにより、次回の制御における運転圧力設定時に運転圧力が低めに設定されることになり（Ｓ１０６〜Ｓ１０８）、噴射供給水量が低減される。
In S115, the cooling
In S116, an operating pressure drop correction flag is set (F1 = 1). By setting the operating pressure drop correction flag, the operating pressure is set lower when the operating pressure is set in the next control (S106 to S108), and the amount of injected supply water is reduced.
この実施形態によると、貯水タンク６２内の水量（又は予測水量）が所定量以下となったときは水不足のおそれがあると判断して、燃料電池１の冷却水量を増加させるとともに運転圧力を低下させるので、水回収装置６０による水回収量の増加と噴射供給水量の低減とによって、より速やかに水不足を解消できる。また、運転圧力を低下させることにより、少ない水噴射量であっても燃料電池１の空気温度及び湿度を適切に制御することができる。なお、この実施形態において水回収量を増加させる部分を省略して構成してもよい。
According to this embodiment, when the amount of water (or predicted amount of water) in the
１…燃料電池、２…冷却水通路、３…冷却水供給装置（冷却手段）、１０…空気供給通路、１１…圧縮機（空気圧送手段）、１２…供給通路開閉弁、２０…空気排出通路、３０…水素供給通路、４０…水素循環通路、５０…加湿器（加湿手段）、５５…水噴射弁、６０…水回収装置、６２…貯水タンク、１０１，１０４…温度センサ、１０２，１０５…圧力センサ、１０３，１０６…湿度センサ、１０７…水量センサ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記吸入空気の状態を検出する吸入空気状態検出手段と、
前記燃料電池の排気の状態を検出する排気状態検出手段と、
前記燃料電池に供給される空気流量、前記燃料電池の運転圧力及び前記吸入空気の状態に応じた前記燃料電池の要求水量を算出する要求水量算出手段と、
前記燃料電池に供給される空気流量、前記燃料電池の運転圧力、前記吸入空気の状態及び前記燃料電池の排気の状態に応じた前記加湿手段の前記燃料電池への供給水量を算出する加湿手段供給水量算出手段と、
前記空気圧送手段から吐出される空気を所定の温度及び湿度にするために、前記燃料電池に供給される空気流量、前記燃料電池の運転圧力、前記吸入空気の状態及び前記燃料電池の排気の状態に応じた前記水噴射手段の噴射供給水量を算出する噴射供給水量算出手段と、
前記燃料電池に供給される空気流量、前記吸入空気の状態及び前記燃料電池の排気の状態に応じて、前記加湿手段の供給水量と前記水噴射手段の噴射供給水量とを合算した総供給水量が前記燃料電池の要求水量範囲内となるように前記燃料電池の運転圧力を設定する運転圧力設定手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system, the humidifying means for humidifying the intake air is disposed on the upstream side of the pneumatic feeding means for pumping the air to the fuel cell, and the water feeding means for jetting water to the pneumatic feeding means or the vicinity thereof.
Intake air state detection means for detecting the state of the intake air;
An exhaust state detecting means for detecting an exhaust state of the fuel cell;
A required water amount calculating means for calculating a required water amount of the fuel cell in accordance with a flow rate of air supplied to the fuel cell, an operating pressure of the fuel cell, and a state of the intake air;
Humidifying means supply for calculating the amount of water supplied to the fuel cell by the humidifying means according to the flow rate of air supplied to the fuel cell, the operating pressure of the fuel cell, the state of the intake air, and the exhaust state of the fuel cell Water amount calculation means;
In order to set the air discharged from the pneumatic feeding means to a predetermined temperature and humidity, the flow rate of air supplied to the fuel cell, the operating pressure of the fuel cell, the state of the intake air, and the state of exhaust of the fuel cell An injection supply water amount calculation means for calculating an injection supply water amount of the water injection means according to
According to the flow rate of air supplied to the fuel cell, the state of the intake air, and the exhaust state of the fuel cell, the total supply water amount is the sum of the supply water amount of the humidifying means and the injection supply water amount of the water injection means. An operating pressure setting means for setting an operating pressure of the fuel cell so as to be within a required water amount range of the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
前記水回収手段により回収した水を蓄える貯水手段と、
前記貯水手段に蓄えらた水量を検出する水量検出手段と、を備え、
前記水量検出手段により検出した水量が所定量以下のときは、前記水回収手段による水回収量を増加させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。 Water recovery means for recovering water from the exhaust of the fuel cell;
Water storage means for storing water recovered by the water recovery means;
Water amount detection means for detecting the amount of water stored in the water storage means,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the amount of water detected by the water amount detection unit is equal to or less than a predetermined amount, the amount of water recovered by the water recovery unit is increased.
前記水量検出手段により検出した水量が所定量以下のときは、前記燃料電池に供給する冷却水の流量を増加することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。 A cooling means for removing heat generated during power generation by supplying cooling water to the fuel cell;
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein when the amount of water detected by the water amount detection means is less than or equal to a predetermined amount, the flow rate of cooling water supplied to the fuel cell is increased.
前記水回収手段により回収した水を蓄える貯水手段と、
前記貯水手段に蓄えらた水量を検出する水量検出手段と、を備え、
前記水量検出手段により検出した水量が所定量以下のときは、前記燃料電池の運転圧力を低下させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Water recovery means for recovering water from the exhaust of the fuel cell;
Water storage means for storing water recovered by the water recovery means;
Water amount detection means for detecting the amount of water stored in the water storage means,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein when the amount of water detected by the water amount detection means is equal to or less than a predetermined amount, the operating pressure of the fuel cell is reduced.
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2004
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