JP2006222041A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。
【解決手段】加湿器4により水素を加湿した後に燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン5と、水素供給ライン5に対し並列に設けられ、加湿器4よりも熱容量が小さい加湿器6に水素を循環させることにより水素を加湿する水素供給ライン7を備え、システム起動時、ECU19が、水素供給ライン5,7への水素の供給を開始すると共に、燃料電池スタック1に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、水素供給ライン7内で加湿された水素を燃料電池スタック1に供給する。これにより、水素供給ライン7内で水素の加湿に必要な時間を稼ぎ、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。
【選択図】図1
【解決手段】加湿器4により水素を加湿した後に燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン5と、水素供給ライン5に対し並列に設けられ、加湿器4よりも熱容量が小さい加湿器6に水素を循環させることにより水素を加湿する水素供給ライン7を備え、システム起動時、ECU19が、水素供給ライン5,7への水素の供給を開始すると共に、燃料電池スタック1に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、水素供給ライン7内で加湿された水素を燃料電池スタック1に供給する。これにより、水素供給ライン7内で水素の加湿に必要な時間を稼ぎ、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池に供給する反応ガスを加湿器により加湿する燃料電池システムに関する。
一般に、燃料極及び酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池では、発電過程で生成される水素イオンが固体電解質膜中を移動可能にするために、燃料極に供給する水素の湿度を所定値以上に制御する必要がある。このような背景から、従来の燃料電池システムでは、加湿器によって水素を加湿した後に水素を燃料極に供給するようにしている(例えば、特許文献1,2,3,4を参照)。
特開2004−103367号公報
特開2004−146186号公報
特開2003−308860号公報
特開2001−15140号公報
しかしながら、一般に、システム起動時には、加湿器の温度が一定温度以上になるまでに時間を要するために、加湿器の加湿能力は低下している。このため、システム起動直後に高出力を要求された場合、燃料極に供給する水素の湿度を速やかに所定値以上に制御することができないために、高出力要求に対する応答性が悪くなる。なお、このような問題を解決するために、燃料電池の発電電力を利用して加湿器の温度を一定温度以上まで昇温する方法も考えられるが、外気温が低い場合には、燃料電池の発電能力も低下するために、加湿器の温度を昇温させることは困難になる。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路の少なくとも一方に設けられ、第1の加湿器により反応ガスを加湿した後に燃料電池に供給する第1のガス供給路と、第1のガス供給路に対し並列に設けられ、第2の加湿器に反応ガスを循環させることにより反応ガスを加湿する第2のガス供給路と、システム起動時、第1及び第2のガス供給路への反応ガスの供給を開始すると共に、燃料電池が所定運転状態になるのに応じて、第2のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給する制御部とを備える。
本発明に係る燃料電池システムによれば、第2のガス供給路内で水素の加湿に必要な時間を稼ぐことができるので、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック1を備える。なお、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック1全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック1を備える。なお、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック1全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
〔化1〕
〔燃料極〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
また、上記燃料電池システムの水素供給経路は、水素(H2)を貯蔵する水素タンク2と、水素タンク2内の水素を三方弁8,9を介して燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン3と、水素タンク2内の水素を三方弁8,三方弁14,加湿器4(加湿器A),三方弁15,及び三方弁9を介して燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン5と、水素タンク2内の水素を三方弁8,加湿器6(加湿器B),及び三方弁9を介して燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン7とを備える。
〔燃料極〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
また、上記燃料電池システムの水素供給経路は、水素(H2)を貯蔵する水素タンク2と、水素タンク2内の水素を三方弁8,9を介して燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン3と、水素タンク2内の水素を三方弁8,三方弁14,加湿器4(加湿器A),三方弁15,及び三方弁9を介して燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン5と、水素タンク2内の水素を三方弁8,加湿器6(加湿器B),及び三方弁9を介して燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン7とを備える。
また、上記水素供給経路は、水素供給ライン3を開閉する開閉弁10と、水素供給ライン7を開閉する開閉弁11と、水素供給ライン7からの水素の排出量を制御する開閉弁12とを備える。また、水素供給ライン7は加湿器6から排出された水素を再び加湿器6に循環させるブロアー13を備える。なお、ブロアー13は、システム停止時に実施する水素系内のAirパージのための補機として利用してもよい。
なお、上記加湿器4の加湿方式は、加湿水を備えたバブラー方式やスチームインジェクション方式,湿度が上がった排ガス中の水分を気液分離して再利用する方式等、どのような加湿方式であっても構わない。また、上記加湿器6は、加湿器4と比較して熱容量が小さい、又は、加湿器4の加湿方式とは異なる加湿方式にすることにより加湿器4と比較して少ない電力で加湿可能なように構成されている。
また、上記燃料電池システムの制御系は、加湿器4の運転温度を検出する温度センサ16と、加湿器6の運転温度を検出する温度センサ17と、燃料電池スタック1の運転温度を検出する温度センサ18と、燃料電池システム全体の動作を制御するECU19とを備える。
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、ECU19が以下に示す起動処理を実行することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。以下、図2に示すフローチャートを参照して、起動処理を実行する際のECU19の動作について説明する。
〔起動処理〕
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、起動処理はステップS1の処理に進む。
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、起動処理はステップS1の処理に進む。
ステップS1の処理では、ECU19が、開閉弁10,11,12を開制御することにより、水素タンク2内の水素が水素供給ライン3(第1ガス供給ライン)と水素供給ライン7(第3ガス供給ライン)に優先的に流れるように水素の流路を制御し、燃料電池スタック1に水素を供給する。なお、加湿器4及び加湿器6は、システム起動と同時、又は、燃料電池スタック1へのガス供給の開始と同時に水素の加湿を開始する。これにより、このステップS1の処理は完了し、起動処理はステップS2及びステップS4の処理に進む。
ステップS2の処理では、ECU19が、水素供給ライン7内の残留ガスが水素により置換されたか否かを判別する。なお、この判別処理は、水素供給ライン7に水素センサを配設することにより行うことができるし、水素供給流量と供給時間によるガス置換の関係を予め把握することによりセンサの配置無しで判別することも可能である。そして、判別の結果、置換が完了していない場合、ECU19は起動処理をステップS1の処理に戻す。一方、置換が完了した場合には、ECU19は起動処理をステップS3の処理に進める。
ステップS3の処理では、ECU19が、開閉弁12を閉制御することにより水素供給ライン7からの水素供給を停止するのと同時に、ブロアー13を駆動させることにより、水素供給ライン7内部で水素を循環させ、加湿器6によって水素の湿度を所定値以上にする。なお、水素供給ライン7内で水素を循環させる際、加湿された水素が配管部で冷却,凝縮することを防ぐために、水素の循環長は可能な限り短くすることが望ましい。また、配管径を大きくすることにより、放熱を抑え、且つ、熱容量を増加させることが望ましい。
また、一般に、燃料電池の発電性能は、図3に示すように、加湿量によって異なるが、開放端電圧(電流値0付近の電圧)からある電圧範囲までは加湿量に大きく依存しない。従って、ECU19は、開放端電圧からある電圧範囲までの範囲をアイドル設定範囲として設定し、システム起動直後の発電要求がこのアイドル設定範囲を超えるものである場合、開閉弁12を開制御することにより、加湿器6によって加湿された水素を燃料電池スタック1に供給する。このような処理によれば、水素供給ライン7内を循環することによって十分に加湿された水素を燃料電池スタック1に供給し、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。また、発電性能に影響を及ぼさない不必要な加湿ガスを供給することを防止できる。これにより、このステップS3の処理は完了する。
ステップS4の処理では、ECU19が、温度センサ16の検出結果を参照して、加湿器4の運転温度Tが所定温度T1以上になったか否かを判別する。そして、判別の結果、加湿器4の温度Tが所定温度T1以上でない場合、ECU19は、加湿器4の加湿能力は不足していると判断し、この制御処理をステップS1の処理に戻す。一方、加湿器4の温度Tが所定温度T1以上である場合には、ECU19は、加湿器4の加湿能力は十分であると判断し、起動処理をステップS5の処理に進める。
ステップS5の処理では、ECU19が、開閉弁10を閉制御することにより水素供給ライン3への水素供給を停止し、水素供給ライン5を介して水素を燃料電池スタック1に供給するように水素の流路を制御する。また、ECU19は、ブロアー13の駆動を停止することにより、水素供給ライン7内部での水素循環を停止する。これにより、このステップS5の処理は完了し、起動処理は通常の制御処理に移行する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、加湿器4により水素を加湿した後に燃料電池スタック1に供給する水素供給ライン5と、水素供給ライン5に対し並列に設けられ、加湿器4よりも熱容量が小さい加湿器6に水素を循環させることにより水素を加湿する水素供給ライン7を備え、ECU19は、システム起動時、水素供給ライン5,7への水素の供給を開始すると共に、燃料電池スタック1に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、水素供給ライン7内で加湿された水素を燃料電池スタック1に供給する。そして、このような構成によれば、水素供給ライン7内で水素の加湿に必要な時間を稼ぐことができるので、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。
なお、水素供給ライン7内において、加湿器6は、定格運転時に必要な加湿量まで水素を加湿することが望ましい。これにより、システム起動直後に定格運転を要求された場合であっても、固体電解質膜のドライアウトを引き起こすことなく、発電を行うことができる。また、ECU21は、燃料電池システムのアイドル状態が所定時間継続した時点、又は、燃料電池スタック1の開放端電圧を確認した時点において、水素供給ライン7内で水素を循環させることが望ましい。これにより、燃料電池の発電不良や破損が起きている場合に水素の循環を行い、電力が無駄に消費されることを防止できる。
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムは、図4に示すように、第1の実施形態となる燃料電池システムにおける加湿器6が加湿器21(加湿器C)に置き換わった構成となっている。そこで、以下では、図5,6を参照して加湿器21の構成についてのみ説明し、その他の構成要素の説明は省略する。上記加湿器21は、図5(a),(b)に示すように、2つの加湿器20a,20bにより構成され、加湿器20bは、加湿器20aと比較して熱容量を小さくすることにより、加湿器20aと比較して少ない電力で加湿可能なように構成されている。なお、上記加湿器20aは、上記第1の実施形態となる燃料電池システムにおける加湿器6と同じ機能を有する。
本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムは、図4に示すように、第1の実施形態となる燃料電池システムにおける加湿器6が加湿器21(加湿器C)に置き換わった構成となっている。そこで、以下では、図5,6を参照して加湿器21の構成についてのみ説明し、その他の構成要素の説明は省略する。上記加湿器21は、図5(a),(b)に示すように、2つの加湿器20a,20bにより構成され、加湿器20bは、加湿器20aと比較して熱容量を小さくすることにより、加湿器20aと比較して少ない電力で加湿可能なように構成されている。なお、上記加湿器20aは、上記第1の実施形態となる燃料電池システムにおける加湿器6と同じ機能を有する。
また、図5(a)に示す加湿器は、加湿器の一部が独立して機能する構成となっており、水素は加湿器20aの内部を通ることなく加湿器20bによって加湿可能なように構成されている。一方、図5(b)に示す加湿器では、加湿器20a,20bがそれぞれ独立して配置され、加湿器20a,20bそれぞれに水素を供給可能なように構成されている。そして、加湿器20a,20bに供給する水素の流量は、図6に示すように三方弁14,15,21,22を制御することにより、制御可能なように構成されている。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、ECU19が以下に示す起動処理を実行することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。
〔起動処理〕
一般に、システム起動時に、燃料電池スタックの運転温度が氷点下温度である場合、燃料電池の発電効率だけでなく、別途取り付けられた二次電池による発電効果も十分に発揮することができない。このため、この起動処理では、ECU19は、加湿器20aよりも少ない電力で水素を加湿可能な加湿器20bにより水素を加湿することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。なお、実際、燃料電池スタック1は、システム起動後、水素供給ライン3から水素が供給されることによって発電を開始するので、加湿器20bは燃料電池スタック1の発電電力を利用して加湿を開始することが望ましい。また、加湿器20bから加湿器20aへの切り換え、及び加湿器20aから加湿器4への切り換えは、燃料電池スタック1の運転温度に応じて行うことが望ましく、例えば、燃料電池スタック1の運転温度が0℃以上になるのに応じて使用する加湿器を加湿器20bから加湿器20aに切り換え、燃料電池スタック1の運転温度が所定温度T1以上になるのに応じて使用する加湿器を20aから加湿器4に切り換えることが望ましい。
一般に、システム起動時に、燃料電池スタックの運転温度が氷点下温度である場合、燃料電池の発電効率だけでなく、別途取り付けられた二次電池による発電効果も十分に発揮することができない。このため、この起動処理では、ECU19は、加湿器20aよりも少ない電力で水素を加湿可能な加湿器20bにより水素を加湿することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。なお、実際、燃料電池スタック1は、システム起動後、水素供給ライン3から水素が供給されることによって発電を開始するので、加湿器20bは燃料電池スタック1の発電電力を利用して加湿を開始することが望ましい。また、加湿器20bから加湿器20aへの切り換え、及び加湿器20aから加湿器4への切り換えは、燃料電池スタック1の運転温度に応じて行うことが望ましく、例えば、燃料電池スタック1の運転温度が0℃以上になるのに応じて使用する加湿器を加湿器20bから加湿器20aに切り換え、燃料電池スタック1の運転温度が所定温度T1以上になるのに応じて使用する加湿器を20aから加湿器4に切り換えることが望ましい。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、水素供給経路内に加湿器を設け、水素を加湿して燃料電池に供給する構成としたが、空気供給経路系内に同様の加湿器を設け、空気を加湿して燃料電池に供給するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
1:燃料電池スタック
3,5,7:水素ガス供給ライン
4,6,20,20a,20b:加湿器
8,9,14,15:三方弁
10,11,12:開閉弁
16,17,18:温度センサ
19:ECU
3,5,7:水素ガス供給ライン
4,6,20,20a,20b:加湿器
8,9,14,15:三方弁
10,11,12:開閉弁
16,17,18:温度センサ
19:ECU
Claims (6)
- 燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路の少なくとも一方に設けられ、第1の加湿器により反応ガスを加湿した後に燃料電池に供給する第1のガス供給路と、
前記第1のガス供給路に対し並列に設けられ、第2の加湿器に反応ガスを循環させることにより反応ガスを加湿する第2のガス供給路と、
システム起動時、前記第1及び第2のガス供給路への反応ガスの供給を開始すると共に、燃料電池が所定運転状態になるのに応じて、前記第2のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、前記第2のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガスは前記第2のガス供給路内において燃料電池の定格運転時に必要な加湿量まで加湿されることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項3のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池システムのアイドル状態が所定時間継続した時点、又は、燃料電池の開放端電圧を確認した時点において、前記第2のガス供給路に反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項4のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第1及び第2のガス供給路に対し並列に設けられ、前記第1及び第2の加湿器よりも熱容量が小さい第3の加湿器に反応ガスを循環させることにより反応ガスを加湿する第3のガス供給路を備え、
前記制御部は、システム起動時、前記第1、第2、及び第3のガス供給路への反応ガスの供給を開始すると共に、燃料電池の温度が氷点下温度であるか否かを判別し、燃料電池の温度が氷点下温度である場合、燃料電池が所定運転状態になるのに応じて前記第3のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記第2の加湿器の熱容量は、前記第1の加湿器の熱容量より小さいことを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005036532A JP2006222041A (ja) | 2005-02-14 | 2005-02-14 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005036532A JP2006222041A (ja) | 2005-02-14 | 2005-02-14 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006222041A true JP2006222041A (ja) | 2006-08-24 |
Family
ID=36984191
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005036532A Pending JP2006222041A (ja) | 2005-02-14 | 2005-02-14 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006222041A (ja) |
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2005
- 2005-02-14 JP JP2005036532A patent/JP2006222041A/ja active Pending
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