JP2006286409A - Humidification device for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに搭載される加湿器の制御技術に関する。 The present invention relates to a control technology for a humidifier mounted on a fuel cell system.
燃料電池システムには、プロトン導電性を有する固体高分子膜を電解質層に備える固体高分子型の燃料電池が搭載されている。この燃料電池の固体高分子膜は、湿潤状態にあるときに高いプロトン導電性を示すため、効率的に発電を行うためには固体高分子膜を湿潤状態に保つことが重要である。かかる固体高分子膜を湿潤状態に保つために、水蒸気透過膜を介して燃料電池のカソード側から排出される酸化オフガスと燃料電池のカソード側に供給する酸化ガスとの間で水交換を行う水交換型加湿器(以下、単に「加湿器」と略称)が利用されている。 A fuel cell system is equipped with a solid polymer type fuel cell having a solid polymer membrane having proton conductivity in an electrolyte layer. Since the solid polymer membrane of this fuel cell exhibits high proton conductivity when in a wet state, it is important to keep the solid polymer membrane in a wet state in order to efficiently generate power. In order to keep the solid polymer membrane in a wet state, water that exchanges water between the oxidizing off-gas discharged from the cathode side of the fuel cell through the water vapor permeable membrane and the oxidizing gas supplied to the cathode side of the fuel cell. Exchangeable humidifiers (hereinafter simply referred to as “humidifiers”) are used.
燃料電池から排出される酸化オフガスは、電気化学反応によって生じた生成水を含む湿度の高い気体である。かかる酸化オフガスは、燃料電池内部で昇温されて燃料電池の内部温度に略等しい温度になっているため、特別な熱源等を設けることなく外部から取り込む酸化ガスを加湿することができる。 The oxidizing off gas discharged from the fuel cell is a gas with high humidity including generated water generated by an electrochemical reaction. Since the oxidizing off gas is heated inside the fuel cell and has a temperature substantially equal to the internal temperature of the fuel cell, the oxidizing gas taken from outside can be humidified without providing a special heat source or the like.
このような酸化ガスの加湿量を制御する方法として、加湿器を通過する酸化オフガスの温度や加湿器を通過する酸化ガスの温度の測定結果に基づき、酸化ガスの加湿量を制御する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a method for controlling the humidification amount of the oxidizing gas, a method for controlling the humidification amount of the oxidizing gas based on the measurement result of the temperature of the oxidizing off gas passing through the humidifier and the temperature of the oxidizing gas passing through the humidifier is proposed. (For example, refer to Patent Document 1).
ところで、燃料電池の負荷変動に伴う生成水量の変化により、酸化オフガスの水分量も変動するが、加湿器の加湿の応答性は遅いため、負荷変動によらず酸化ガスの加湿を一定に制御することができないという問題がある。 By the way, although the moisture content of the oxidation off-gas varies due to the change in the amount of generated water accompanying the load variation of the fuel cell, the humidification response of the humidifier is slow. There is a problem that can not be.
図5は、従来の加湿の制御態様を示す図である。
図5(a)に示すように、時刻T1に燃料電池の負荷電流A0がA1(>A0)に上昇する運転を行う一方、時刻T2に負荷電流A1がA2(<A1)に下降する運転(以下、「過渡運転」と総称)を行う場合、過渡運転時に燃料電池から加湿器に向かう酸化オフガスの水分量は緩やかに変化する(図5(b)参照)。このように、過渡運転時の加湿の応答性(以下、「過渡応答性」)は遅いにもかかわらず、従来は過渡応答性を考慮することなく酸化ガスの加湿を制御していたため、酸化ガスの加湿を常に一定に制御することはできなかった(詳細は後述)。
FIG. 5 is a diagram illustrating a conventional humidification control mode.
As shown in FIG. 5A, an operation is performed in which the load current A0 of the fuel cell rises to A1 (> A0) at time T1, while the load current A1 falls to A2 (<A1) at time T2. Hereinafter, in the case of performing “transient operation” generically), the moisture content of the oxidation off-gas from the fuel cell toward the humidifier during the transient operation changes gradually (see FIG. 5B). As described above, the humidification response during transient operation (hereinafter referred to as “transient response”) is slow, but conventionally the humidification of the oxidizing gas is controlled without considering the transient response. It was not possible to always control the humidification of the water (details will be described later).
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、供給ガスの加湿量を適切に制御することができる加湿制御技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object thereof is to provide a humidification control technique capable of appropriately controlling the humidification amount of a supply gas.
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分を利用して燃料電池に供給する供給ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池の負荷状態を検出する検出手段と、検出される負荷状態に基づいて、前記燃料電池から加湿器に導入される水分量を見込み制御する制御手段とを具備することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a fuel cell humidifier according to the present invention includes a humidifier that humidifies a supply gas supplied to a fuel cell using moisture contained in an off-gas discharged from the fuel cell, and the fuel. It is characterized by comprising detection means for detecting the load state of the battery, and control means for predictively controlling the amount of water introduced from the fuel cell to the humidifier based on the detected load state.
かかる構成によれば、燃料電池の負荷状態に基づいて加湿器に導入される水分量を見込み制御する。周知のとおり、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分を利用して供給ガスを加湿するタイプの加湿器においては、燃料電池の負荷が変動する過渡運転時の加湿の応答性(過渡応答性)は遅い。かかる加湿の過渡応答性を見込んで加湿器に導入される水分量を見込み制御することで、燃料電池の負荷変動によらず、常に一定の加湿モル比を実現することが可能となる(図3参照)。 According to this configuration, the amount of moisture introduced into the humidifier is controlled based on the load state of the fuel cell. As is well known, in a humidifier of the type that humidifies the supply gas using moisture contained in the off-gas discharged from the fuel cell, the responsiveness of the humidification (transient response) during transient operation in which the load of the fuel cell fluctuates ) Is slow. By predicting and controlling the amount of moisture introduced into the humidifier in anticipation of such transient response of humidification, it becomes possible to always achieve a constant humidification molar ratio regardless of the load fluctuation of the fuel cell (FIG. 3). reference).
ここで、上記構成にあっては、前記制御手段は、検出される負荷状態によって変化する前記供給ガス量と前記加湿器に導入される前記水分量の比が前記負荷状態によらず略一定となるように、前記水分量を見込み制御する態様が好ましい。 Here, in the above configuration, the control means determines that a ratio between the amount of the supplied gas that changes depending on the detected load state and the amount of the moisture introduced into the humidifier is substantially constant regardless of the load state. Thus, a mode in which the moisture amount is prospectively controlled is preferable.
また、前記オフガスについて前記加湿器をバイパスさせるバイパス通路と、前記燃料電池から前記加湿器へのオフガス通路と、前記バイパス通路若しくは前記オフガス通路の少なくともいずれか一方に設けられた前記オフガスのバイパス量を調整する流量制御弁とを備え、前記制御手段は、前記負荷状態に基づき前記流量制御弁のオン・オフ時間、弁開度の少なくともいずれか一方を制御することで、前記水分量を見込み制御する態様も好ましい。 A bypass passage for bypassing the humidifier for the off gas, an off gas passage from the fuel cell to the humidifier, and a bypass amount of the off gas provided in at least one of the bypass passage or the off gas passage. A flow control valve to adjust, and the control means controls the moisture amount by controlling at least one of an on / off time and a valve opening degree of the flow control valve based on the load state. Embodiments are also preferred.
また、上記構成にあっては、前記燃料電池の温度を調整する温度調整機構を備え、前記制御手段は、前記負荷状態に基づき前記燃料電池の温度を調整することで、前記水分量を見込み制御する態様も好ましい。 In the above configuration, a temperature adjustment mechanism that adjusts the temperature of the fuel cell is provided, and the control means adjusts the temperature of the fuel cell based on the load state, thereby controlling the moisture amount in anticipation. The aspect which performs is also preferable.
以上説明したように、本発明によれば、供給ガスの加湿量を適切に制御することが可能となる。 As described above, according to the present invention, the humidification amount of the supply gas can be appropriately controlled.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
A.本実施形態
図1は本実施形態に係わる燃料電池システム100の概略構成を示している。なお、以下に示す本実施形態では、燃料電池システム100を燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hyblid Vehicle)の車載発電システムとして用いる場合を想定するが、各種移動体(例えば、船舶や飛行機など)に搭載される発電システムや定置用発電システムとして用いても良い。
A. FIG. 1 shows a schematic configuration of a
燃料電池(セルスタック)140は、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、MEAなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池140は、燃料ガス通路141及び酸化ガス通路142を備えており、燃料ガス通路141には水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸化ガス通路142には加湿器120を通じて加湿された空気などの酸化ガス(供給ガス)が供給される。この燃料電池140には負荷電流Jを測定する電流計(検出手段)20が設けられ、電流計20によって計測された電流値はECU150に通知される。
The fuel cell (cell stack) 140 is means for generating electric power from supplied fuel gas and oxidant gas, and has a stack structure in which a plurality of single cells including MEAs and the like are stacked in series. The
加湿器120は、水蒸気交換膜121を介して燃料電池140の酸化ガス通路142から排出される酸化オフガスと、燃料電池140の酸化ガス通路142に供給される酸化ガスとの間で水交換、熱交換を行う手段である。
The
酸化ガスは、コンプレッサ110によって外部から取り込まれ、供給ガス流路10から加湿器120を経由して燃料電池140の酸化ガス通路142に供給される。ここで、加湿器120の上流側の供給ガス流路10には酸化ガスの流量を測定する流量センサ等が設けられている。
The oxidizing gas is taken in from the outside by the
燃料電池140の酸化ガス通路142に供給された酸化ガスは、電気化学反応によって所定量消費された後、酸化オフガスとしてオフガス流路11に排出される。ここで、加湿器120の上流側のオフガス流路11には、酸化オフガスの流れをオフガス流路(オフガス通路)11とバイパス流路(バイパス通路)12との間で切り換え制御するためのバイパスバルブ(流量制御弁)160が設けられている。なお、バイパス流路12にバイパスバルブ160を設ける代わりに、オフガス流路11とバイパス流路12の分岐点に三方弁(切替弁や流量分配弁など;流量制御弁)を設けても良く、また、該分岐点よりも加湿器側のオフガス流路11にバルブ(オン・オフ弁など;流量制御弁)を設けても良い。もちろん、これら各弁を適宜組み合わせて設けても良い。
The oxidant gas supplied to the
バイパス流路12は、酸化オフガスについて加湿器120をバイパスさせる流路である。本実施形態では、バイパスバルブ160の開度、オン・オフ時間などを制御することで、加湿器120に導入する酸化オフガスの流量と加湿器120をバイパスさせる酸化オフガスの流量を調整する。
The
ここで、バイパスバルブ160としてリニア弁を採用した場合には、開度を制御することで加湿器120に導入する酸化オフガスの流量などを調整する。一方、バイパスバルブ160としてオン・オフ弁を採用した場合には、オン・オフ時間などを制御することで加湿器120に導入する酸化オフガスの流量などを調整する。なお、以下の説明はバイパスバルブ160としてリニア弁を用いた場合を想定する。
Here, when a linear valve is adopted as the
冷却機構(温度調整機構)130は、燃料電池140を冷却する装置であり、冷却水等の冷媒の温度T1を検出する温度センサ21のほか、冷却水を加圧して循環させるポンプ、冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器(いずれも図示略)などを備えている。
The cooling mechanism (temperature adjustment mechanism) 130 is a device that cools the
ECU(制御手段)150は、ROMやハードディスクなどのメモリに内臓されている各種制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム100の各部を中枢的に制御する。また、ECU150は各センサから供給されるセンサ信号に基づいて後述する加湿量制御を行う。以下、本実施形態に係る燃料電池システムの加湿制御について詳細に説明する。
The ECU (control means) 150 centrally controls each part of the
<加湿制御>
図2及び図3は、前掲図5に示す運転を行った場合の加湿の制御態様を示す図であり、図2は、従来例、図3は本発明に係る実施例を示している。ここで、図2(a)、図3(a)は、それぞれ燃料電池140から排出される酸化オフガス量をA、バイパスされる酸化オフガス量をBとしたときの加湿器120に導入される酸化オフガス量(A−B)の変化を示す図であり、図2(b)、図3(b)は、酸化ガスの加湿モル比(=水モル/エアモル)を示す図である。なお、酸化ガスの加湿モル比は、加湿器120による加湿量(水モル数)とコンプレッサ110から導入される酸化ガス量(エアモル数)の比をあらわす。
<Humidification control>
2 and 3 are diagrams showing a humidification control mode when the operation shown in FIG. 5 is performed. FIG. 2 shows a conventional example, and FIG. 3 shows an example according to the present invention. Here, FIGS. 2 (a) and 3 (a) show the oxidation introduced into the
従来の加湿制御においては、燃料電池140の負荷変動(時刻T1、T2参照)に応じて加湿の過渡応答性を考慮することなくバイパスバルブ160を調整することで、加湿器120に導入される酸化オフガス量(A−B)を制御していた(図2(a)参照)。このため、酸化ガスの加湿モル比は、図2(b)に示すように負荷変動に応じて変化してしまい、適切な加湿制御が行えないという問題があった。
In the conventional humidification control, the oxidation introduced into the
詳述すると、時刻T1において負荷電流がA0からA1に上昇すると(図5(a)参照)、この負荷電流の上昇に伴って燃料電池140から排出される酸化オフガスに含まれる水分量は増大する。ただし、酸化オフガスに含まれる水分の増大は、加湿器120の加湿量として直ちにあらわれるのではなく、燃料電池140から加湿器120に至るまでの酸化ガス通路142及びオフガス流路11(以下、「加湿ループ」)の容積と酸化オフガスの流動速度に応じた遅れをもってあらわれる(図5(b)参照)。このような過渡応答性を考慮することなく、燃料電池140の負荷変動にあわせて加湿器120に導入される酸化オフガス量(A−B)を制御したのでは、負荷の変動に応じて酸化ガスの加湿モル比は大きく変動してしまう(図2(b)参照)。一般に酸化ガスの加湿モル比は、常に一定(例えば、0.2)に保持することが必要とされるため、このような加湿モル比の変動は未然に防ぐ必要がある。
More specifically, when the load current increases from A0 to A1 at time T1 (see FIG. 5A), the amount of moisture contained in the oxidation off-gas discharged from the
そこで、本発明では、図3(a)に示すように、予め過渡応答性を見込んでバイパスバルブ160を調整することで、燃料電池140の負荷変動によらず常に一定の加湿モル比を実現する(図3(b)参照)。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 3A, a constant humidification molar ratio is always realized regardless of the load fluctuation of the
図4は、ECU150によって実行される過渡運転時の加湿制御処理を示すフローチャートである。
ECU150は、電流センサ20によって検知される電流値に基づき燃料電池140の負荷変動(過渡運転)を検知すると(ステップS1)、電流値と目標とする酸化ガスの加湿量(以下、「目標加湿量」)とを対応付けたマップ(図示略)などを参照して目標加湿量を求めた後、加湿の過渡応答性を見込んだバイパスバルブ160の制御(見込み制御)を行う(ステップS2)。具体的には、加湿ループの容積と酸化オフガスの流動速度によって決まる時定数(以下、「加湿ループの時定数」)から加湿応答性を見込んだバイパスバルブ160の制御値(本実施形態であれば弁開度など)を求め、求めた制御値に応じてバイパスバルブ160の制御を行う。なお、バイパスバルブ160の制御値については、加湿ループの時定数とバイパスバルブ160の制御値とを対応付けたマップ(図示略)等を利用して求めれば良い。かかる制御を行うことで、燃料電池140の負荷変動によらず、常に一定の加湿モル比を得ることができる(図3(b)参照)。
FIG. 4 is a flowchart showing a humidification control process during transient operation executed by the
When
以上説明したように、本実施形態によれば、加湿の過渡応答性を見込んだバイパス制御を行うことで、燃料電池の負荷変動によらず、常に一定の酸化ガスの加湿モル比を得ることが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, by performing the bypass control in consideration of the transient response of humidification, it is possible to always obtain a constant humidification molar ratio of the oxidizing gas regardless of the load fluctuation of the fuel cell. It becomes possible.
B.変形例
上述した本実施形態では、加湿器120に導入される酸化オフガス量(A−B)をバイパスバルブ160によって調整することで加湿器120に導入される水分量を制御したが、例えば、加湿器120に導入される酸化オフガス量(A−B)を変える代わりに、燃料電池140の温度を調整することで加湿器120に導入される酸化オフガスに含まれる水分量を制御しても良い。具体的には、冷却機構130により燃料電池140の温度を調整し、燃料電池140から排出される酸化オフガスに含まれる水分量を調整すれば良い。周知のとおり、燃料電池140の温度が高くなると、酸化オフガスに含まれる水分量は増大する一方、燃料電池140の温度が低くなると、酸化オフガスに含まれる水分量は減少する。かかる現象を利用することで加湿器120に導入される水分量を制御しても良い。もちろん、バイパスバルブ160の調整と燃料電池140の温度調整を併用することで、加湿器120に導入される水分量を制御しても良い。また、オフガス流路11等に設けられた各種の制御弁(図示略)を調整することで酸化オフガスの単位時間当たりの流量を調整し、これにより、加湿器120に導入される酸化オフガスに含まれる水分量を制御しても良い。また、本実施形態では、燃料電池140の負荷電流を検出することで燃料電池140負荷状態を検出したが、他のパラメータ(燃料電池の温度など)を検出することで燃料電池140の負荷状態を検出しても良いのはもちろんである。
B. In the present embodiment described above, the amount of moisture introduced into the
100・・・燃料電池システム、110・・・コンプレッサ、120・・・加湿器、121・・・水蒸気交換膜、130・・・冷却機構、140・・・燃料電池、141・・・燃料ガス通路、142・・・酸化ガス通路、150・・・ECU、160・・・バイパスバルブ、10・・・供給酸化ガス流路、11・・・酸化オフガス流路、12・・・パージ流路、21・・・温度センサ、20・・・電流センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池の負荷状態を検出する検出手段と、
検出される負荷状態に基づいて、前記燃料電池から加湿器に導入される水分量を見込み制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池用加湿装置。 A humidifier that humidifies a supply gas supplied to the fuel cell using moisture contained in the off-gas discharged from the fuel cell;
Detecting means for detecting a load state of the fuel cell;
And a control means for predictively controlling the amount of water introduced from the fuel cell to the humidifier based on the detected load state.
前記制御手段は、前記負荷状態に基づき前記流量制御弁のオン・オフ時間、弁開度の少なくともいずれか一方を制御することで、前記水分量を見込み制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用加湿装置。 A bypass passage for bypassing the humidifier for the off gas, an off gas passage from the fuel cell to the humidifier, and a bypass amount of the off gas provided in at least one of the bypass passage or the off gas passage is adjusted. A flow control valve,
The said control means carries out speculative control of the said moisture content by controlling at least any one of the on-off time of the said flow control valve based on the said load state, and a valve opening degree, It is characterized by the above-mentioned. The humidifier for fuel cells as described.
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