JP2007095446A - ガス供給制御装置およびガス供給制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に与える供給ガスの状態を効果的に制御できるガス供給制御装置およびガス供給制御方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池での発電に必要な一定量の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給源であるガス供給部と、燃料ガスおよび酸化剤ガスのドライガス流量を制御するガス流量制御部と、燃料ガスおよび酸化ガスのウェットガス流量を制御するガス流量制御部と、ウェットガス流量制御部から送られてきたガスを加湿する加湿部と、ドライガス流量制御部から送られてきたガスと加湿部から送られてきたガスとを混合する混合部と、加湿部から混合部に送られるガスの露点を計測する露点計測部と、露点計測部での計測結果に基づいて加湿部の水温を制御する加湿温度制御部と、を備える。ガス流量制御部およびガス流量制御部によりドライガスとウェットガスとの生成比を制御するので、供給ガスの供給量を変動させることなく、供給ガスの露点温度を適切に制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に与える供給ガスの状態を制御するガス供給制御装置およびガス供給制御方法に関する。

水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。燃料電池には、燃料電池での発電に必要な量の燃料ガスおよび酸化ガスを供給ガスとして与える必要がある。燃料電池に与えられる供給ガスの状態は、燃料電池の発電効率等に大きな影響を与えるため、供給ガスの状態を制御するためにガス供給制御装置が使用される。

特開２００４−３０３４４２号公報 特開２００４−３０３４４３号公報

供給ガスの状態を示す重要なパラメータの１つに露点温度が挙げられ、従来のガス供給制御装置においても、露点温度の制御が実行されている。しかし、従来のガス供給制御装置では、供給ガスに加える蒸気の量を変化させることで、供給ガスの露点温度を制御している。このため、供給ガスの露点温度を所望の温度に制御できたとしてもガスの供給量の総和が蒸気の混合量に応じて変動するため、燃料電池を安定的に動作させることが困難であるという問題がある。

本発明の目的は、燃料電池に与える供給ガスの状態を効果的に制御できるガス供給制御装置およびガス供給制御方法を提供することにある。

本発明のガス供給制御装置は、燃料電池に与える供給ガスの状態を制御するガス供給制御装置において、一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成する生成手段と、前記ドライガスと前記ウェットガスとを混合して供給ガスを生成する混合手段と、燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、前記生成手段におけるドライガスとウェットガスとの生成比を制御する生成比制御手段と、を備えることを特徴とする。
このガス供給制御装置によれば、一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成するとともに、燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、分離生成されるドライガスとウェットガスとの生成比を制御するので、供給ガスの供給量を変動させることなく、供給ガスの露点温度を適切に制御できる。

前記ウェットガスの相対湿度が１００％ＲＨとなるように、前記ウェットガスを生成する加湿部を制御する加湿制御手段を備えてもよい。
この場合には、供給ガスの露点温度を設定値どおりに維持できる。

燃料電池に供給される供給ガスの露点温度を検出する露点検出手段を備え、前記生成比制御手段は、前記露点検出手段における検出結果に応じて前記生成比を制御してもよい。

燃料電池に供給される供給ガスの圧力を制御する圧力制御手段を備えてもよい。

ガス供給制御装置の配管においてガスを予熱する予熱手段を備えてもよい。

本発明のガス供給制御方法は、燃料電池に与える供給ガスの状態を制御するガス供給制御方法において、一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成するステップと、前記ドライガスと前記ウェットガスとを混合して供給ガスを生成するステップと、燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、前記分離生成するステップにおけるドライガスとウェットガスとの生成比を制御するステップと、を備えることを特徴とする。
このガス供給制御方法によれば、一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成するとともに、燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、分離生成されるドライガスとウェットガスとの生成比を制御するので、供給ガスの供給量を変動させることなく、供給ガスの露点温度を適切に制御できる。

前記ウェットガスの相対湿度が１００％ＲＨとなるように、前記ウェットガスを生成する加湿部を制御するステップを備えてもよい。
この場合には、供給ガスの露点温度を設定値どおりに維持できる。

燃料電池に供給される供給ガスの露点温度を検出するステップを備え、前記生成比を制御するステップでは、前記露点温度を検出するステップにおける検出結果に応じて前記生成比を制御してもよい。

燃料電池に供給される供給ガスの圧力を制御するステップを備えてもよい。

ガス供給制御装置の配管においてガスを予熱するステップを備えてもよい。

本発明のガス供給制御装置によれば、一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成するとともに、燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、分離生成されるドライガスとウェットガスとの生成比を制御するので、供給ガスの供給量を変動させることなく、供給ガスの露点温度を適切に制御できる。

本発明のガス供給制御方法によれば、一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成するとともに、燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、分離生成されるドライガスとウェットガスとの生成比を制御するので、供給ガスの供給量を変動させることなく、供給ガスの露点温度を適切に制御できる。

以下、本発明によるガス供給制御装置の実施例について説明する。

以下、図１を参照して実施例１のガス供給制御装置について説明する。

図１は実施例１のガス供給制御装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施例のガス供給制御装置は、燃料電池５０での発電に必要な量の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給源であるガス供給部１と、燃料ガスおよび酸化剤ガスのドライガス流量を制御するガス流量制御部２と、燃料ガスおよび酸化ガスのウェットガス流量を制御するガス流量制御部３と、ウェットガス流量制御部３から送られてきたガスを加湿する加湿部４と、ドライガス流量制御部２から送られてきたガスと加湿部４から送られてきたガスとを混合する混合部５と、加湿部４から混合部５に送られるガスの露点を計測する露点計測部７と、露点計測部７での計測結果に基づいて加湿部４の水温を制御する加湿温度制御部８と、を備える。

ガス流量制御部２およびガス流量制御部３は、例えば、質量流量計等により構成される。また、加湿部４は温水にガスを通過させてガスを加湿するバブラー装置等により構成される。

また、ガス流量制御部２と混合部５との間の配管にはヒータ９１が、ガス流量制御部３と加湿部４との間の配管にはヒータ９２が、加湿部４と混合部５との間の配管にはヒータ９３が、混合部５と燃料電池５０との間の配管にはヒータ９４が、それぞれ設けられている。ヒータ９１〜９４により、各部を通過するガスが予熱される。

次に、本実施例のガス供給制御装置の動作について説明する。

例えば、燃料電池５０に対し、ガス温度８０℃、相対湿度３０％ＲＨ（露点５３℃）のガスを供給する場合、燃料電池５０に供給すべきドライガスとウェットガスの比率は計算により算出される。ガス流量制御部２およびガス流量制御部３の制御値はこの算出値に従って設定される。ガス供給部１からは一定量（時間当たり一定質量）のドライガスが供給され、ガス流量制御部２およびガス流量制御部３を通過するガスの比率は、算出された上記比率に設定される。

本実施例では、ガス供給部１においてドライガスの段階でガスの供給量を計測し、供給量を制御している。また、ガス流量制御部２およびガス流量制御部３においても、ドライガスの段階でガスの比率を制御するので、ガスの質量流量を高い精度で計測、制御でき、燃料電池５０に与えられる供給ガスの供給量および状態を高精度に制御できる。

ガス流量制御部２を通過したドライガスはヒータ９１により所望の温度、例えば８０℃に予熱され、混合部５に導入される。一方、ガス流量制御部３を通過したドライガスはヒータ９２により所望の温度、例えば８０℃に予熱された後、加湿部４を通ることで所望の温度（８０℃）と同一温度の露点を有するガス、すなわち、ガス温度が所望の温度で、相対湿度１００％ＲＨの蒸気が生成される。このガスはヒータ９３で所望の温度（例えば８０℃）に予熱されて、混合部５に導入される。

混合部５ではガス流量制御部２を経由したドライガスと、ガス流量制御部３および加湿部４を経由したウェットガスとが混合され、ガス温度８０℃、相対湿度３０％ＲＨ（露点５３℃）のガスが得られる。このガスはヒータ９４により８０℃に予熱され、燃料電池５０に与えられる。

計算通りにガス温度８０℃、相対湿度３０％ＲＨ（露点５３℃）の供給ガスを得るためには、加湿部４を通過したガスの露点温度が８０℃になっていることが必要である。

例えば、加湿部４がバブラーで構成されている場合、バブラーの水温を８０℃とすると、大気圧環境下ではバブラーを通過するガスの水蒸気分圧が８０℃での飽和水蒸気圧４７ｋＰａに等しくならず、ガス種やバブラーの構造などにより、これより低くなる現象がある。このような状況では、バブラーの水温を８０℃としても、燃料電池に対してガス温度８０℃、相対湿度１００％ＲＨのガスを供給できなくなる。

これに対し、本実施例では、加湿部４を通過したガスの露点温度に基づいて制御温度を制御することで、結果的に、加湿部４の水温を、供給ガスのガス温度よりも高めに（例えば、７〜１０℃高く）設定することができる。

以上のように、本実施例のガス供給制御装置では、混合部５に導入される直前のウェットガスの露点を露点計測部７で計測し、加湿温度制御部８により加湿部４の水温を制御している。このため、混合部５に導入されるウェットガスの露点温度を常に所望の温度に維持できる。また、供給ガスの流量はガス供給部１により一定に維持されるため、露点温度の制御に伴って、ガス供給量が変動することがない。

以上のように本実施例のガス供給制御装置では、加湿部４を通過したガスの露点温度を所望の温度に固定しているので、燃料電池５０に与えられる供給ガスの状態、およびガスの供給量を適切に制御できる。

以下、図２を参照して実施例２のガス供給制御装置について説明する。

図２は実施例２のガス供給制御装置の構成を示すブロック図である。実施例１と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図２に示すように、本実施例のガス供給制御装置は、燃料電池５０に与えられる直前の供給ガスの露点温度を計測する露点計測部１１と、燃料電池５０に与えられる直前の供給ガスの圧力を計測する圧力計測部１２と、圧力計測部１２における計測結果に応じて燃料電池５０の出口側の圧力を調整する圧力調整弁１４と、を備える。

本実施例では、圧力計測部１２における計測結果に応じて圧力調整弁１４を制御することで、燃料電池５０内部の圧力を常に所望の値に制御できる。

また、図２に示すように、本実施例では、露点計測部１１における計測結果に基づいてガス流量制御部２およびガス流量制御部３を制御し、燃料電池５０に供給されるガスの露点温度が常に一定になるように、ドライガスとウェットガスの比率をリアルタイムで制御する。

一般に、燃料電池内の圧力変動があると、燃料電池内のガスの露点温度も変動する。しかし、本実施例によれば、燃料電池５０内の圧力が一定になるように制御するとともに、燃料電池５０に与えられる供給ガスの露点温度を計測し、これを制御している。このため、燃料電池５０に与える供給ガスの状態を安定して制御できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、燃料電池に与える供給ガスの状態を制御するガス供給制御装置およびガス供給制御方法に対し、広く適用することができる。

実施例１のガス供給制御装置の構成を示すブロック図。 実施例２のガス供給制御装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１ ガス供給部（生成手段）
２ ガス流量制御部（生成比制御手段）
３ ガス流量制御部（生成比制御手段）
４ 加湿部（生成手段）
５ 混合部（混合手段）
７ 露点計測部（加湿制御手段）
８ 加湿温度制御部（加湿制御手段）
１１ 露点計測部（露点検出手段）
１２ 圧力計測部（圧力制御手段）
１４ 圧力調整弁（圧力制御手段）
９１〜９４ ヒータ（予熱手段）

Claims (10)

1. 燃料電池に与える供給ガスの状態を制御するガス供給制御装置において、
   一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成する生成手段と、
   前記ドライガスと前記ウェットガスとを混合して供給ガスを生成する混合手段と、
   燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、前記生成手段におけるドライガスとウェットガスとの生成比を制御する生成比制御手段と、
   を備えることを特徴とするガス供給制御装置。
2. 前記ウェットガスの相対湿度が１００％ＲＨとなるように、前記ウェットガスを生成する加湿部を制御する加湿制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のガス供給制御装置。
3. 燃料電池に供給される供給ガスの露点温度を検出する露点検出手段を備え、
   前記生成比制御手段は、前記露点検出手段における検出結果に応じて前記生成比を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガス供給制御装置。
4. 燃料電池に供給される供給ガスの圧力を制御する圧力制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス供給制御装置。
5. ガス供給制御装置の配管においてガスを予熱する予熱手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス供給制御装置。
6. 燃料電池に与える供給ガスの状態を制御するガス供給制御方法において、
   一定供給量のガスからドライガスおよびウェットガスを分離生成するステップと、
   前記ドライガスと前記ウェットガスとを混合して供給ガスを生成するステップと、
   燃料電池に与える供給ガスの露点温度目標値に応じて、前記分離生成するステップにおけるドライガスとウェットガスとの生成比を制御するステップと、
   を備えることを特徴とするガス供給制御方法。
7. 前記ウェットガスの相対湿度が１００％ＲＨとなるように、前記ウェットガスを生成する加湿部を制御するステップを備えることを特徴とする請求項６に記載のガス供給制御方法。
8. 燃料電池に供給される供給ガスの露点温度を検出するステップを備え、
   前記生成比を制御するステップでは、前記露点温度を検出するステップにおける検出結果に応じて前記生成比を制御することを特徴とする請求項６または６に記載のガス供給制御方法。
9. 燃料電池に供給される供給ガスの圧力を制御するステップを備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のガス供給制御方法。
10. ガス供給制御装置の配管においてガスを予熱するステップを備えることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のガス供給制御方法。
    

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