JP2007095505A - 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】 燃料ガスおよび酸化ガスのドライガス流量を制御するドライガス流量制御部と、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ウェットガス流量制御部と、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、混合部で混合されたガスの温度を測定するガス温度計測部と、ガス温度計測部で測定された温度に基づいて、加湿部、混合部およびガス温度計測部を含むガス供給系を所定温度に加熱する温度制御部とを備える。
【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つに相対湿度が挙げられる。しかし、従来のガス供給制御装置では、供給ガスの露点を検出するとともに、その露点を制御しており、相対湿度を直接制御できない。このため、実際に燃料電池に供給されるガスの相対湿度の制御が不完全となり、燃料電池の性能を充分に発揮できない可能性がある。

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、ドライガスと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、前記混合手段により生成された供給ガスの温度を一定に制御する温度制御手段と、燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じて、前記混合手段におけるドライガスとウェットガスとの混合比を制御する混合比制御手段と、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、供給ガスの温度を一定に制御しつつ、燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じてドライガスとウェットガスとの混合比を制御するので、相対湿度を迅速に安定して制御できる。

前記温度制御手段は、燃料電池に供給される供給ガスの温度が温度目標値となるように制御してもよい。
この場合には、目標値どおりの供給ガスを燃料電池に与えることができる。

前記温度制御手段は、前記供給ガスに湿度を与えるための加湿部の温度を、前記温度目標値よりも高くなるように制御してもよい。
この場合には、供給ガスの湿度を適切に制御できる。

燃料電池に供給される供給ガスの相対湿度を検出する湿度検出手段を備え、前記混合比制御手段は、前記湿度検出手段における検出結果に応じて前記混合比を制御してもよい。
この場合には、供給ガスの相対湿度をより精密に制御できる。

燃料電池に供給される供給ガス、或いは、燃料電池から排出される排出ガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記混合比制御手段は、前記圧力検出手段における検出結果に応じて前記混合比を制御してもよい。
この場合には、供給ガスの相対湿度をより精密に制御できる。

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、ドライガスと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、生成された供給ガスの温度を一定に制御するステップと、燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じて、前記供給ガスを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混合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、供給ガスの温度を一定に制御しつつ、燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じてドライガスとウェットガスとの混合比を制御するので、相対湿度を迅速に安定して制御できる。

前記温度を制御するステップでは、燃料電池に供給される供給ガスの温度が温度目標値となるように制御してもよい。
この場合には、目標値どおりの供給ガスを燃料電池に与えることができる。

前記温度を制御するステップでは、前記供給ガスに湿度を与えるための加湿部の温度を、前記温度目標値よりも高くなるように制御してもよい。
この場合には、加湿部での結露を有効に防止できる。

燃料電池に供給される供給ガスの相対湿度を検出するステップを備え、前記混合比を制御するステップでは、前記湿度を検出するステップにおける検出結果に応じて前記混合比を制御してもよい。
この場合には、供給ガスの相対湿度をより精密に制御できる。

燃料電池に供給される供給ガスの圧力を検出するステップを備え、前記混合比を制御するステップでは、前記圧力を検出するステップにおける検出結果に応じて前記混合比を制御してもよい。
この場合には、供給ガスの相対湿度をより精密に制御できる。

本発明のガス供給制御装置によれば、供給ガスの温度を一定に制御しつつ、燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じてドライガスとウェットガスとの混合比を制御するので、相対湿度を迅速に安定して制御できる。

本発明のガス供給制御方法によれば、供給ガスの温度を一定に制御しつつ、燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じてドライガスとウェットガスとの混合比を制御するので、相対湿度を迅速に安定して制御できる。

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ガスのドライガス流量を制御するドライガス流量制御部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ウェットガス流量制御部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、混合部５で混合されたガスの温度を測定するガス温度計測部６と、ガス温度計測部６で測定された温度に基づいて、加湿部４、混合部５およびガス温度計測部６を含むガス供給系７ａを所定温度に加熱する温度制御部７と、を備える。ドライガス流量制御部２およびウェットガス流量制御部３は、例えば、質量流量計等により構成される。

温度制御部７はガス供給系７ａを加熱するヒータ等を含んで構成され、ガス温度計測部６で測定された温度に基づくフィードバック制御により、上記ガス供給系の温度を制御温度（目標値）に近づける。

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。ドライガス流量制御部２およびウェットガス流量制御部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、ドライガス流量制御部２およびウェットガス流量制御部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。

一方、温度制御部７による制御温度は上記ガス温度に相当する８０℃に設定される。ウェットガス流量制御部３からのガス（ドライガス）は、８０℃に温調された加湿部４を通過することで、ガス温度８０℃、湿度１００％ＲＨの飽和水蒸気を含んだウェットガスとなる。

ドライガス流量制御部２からのドライガスは８０℃に温調された混合部５において８０℃に予熱され、８０℃のウェットガスと混合される。これにより、ガス温度８０℃、相対湿度３０％ＲＨのガスが得られる。このガスはガス供給系７ａを通って、燃料電池５０に供給される。ガス供給系７ａは８０℃に温調されているため、燃料電池５０にはガス温度８０℃、相対湿度３０％ＲＨのガスが供給される。

本実施例のガス供給制御装置では、加湿部４、混合部５およびガス温度計測部６を含むガス供給系７ａの全体が、燃料電池５０への供給ガスのガス温度に温調されている。このため、供給ガスの相対湿度を供給ガスの総流量に占めるドライガス流量とウェットガス流量の比率により制御することができる。供給ガスの流量は極めて迅速に制御することができるため、供給ガスの相対湿度の制御性を著しく高めることが可能となる。また、供給ガスの湿度を測定する必要がないため、使いにくく高価な湿度計の使用を回避できる。

本実施例のガス供給制御装置によれば、燃料電池５０への供給ガスの露点ではなく、供給ガスの相対湿度を迅速かつ安定して制御することで、燃料電池５０の水収支を直接的に制御できることになる。

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、ドライガス流量制御部２から混合部５までの配管を含む領域７１ａの温度を計測・制御する温度計測・制御部７１と、加湿部４を含む領域７２ａの温度を計測・制御する温度計測・制御部７２と、加湿部４から混合部５までの配管を含む領域７３ａの温度を計測・制御する温度計測・制御部７３と、混合部５および混合部５から燃料電池５０までの配管を含む領域７４ａの温度を計測・制御する温度計測・制御部７４と、を備える。

本実施例では、温度計測・制御部７１〜７４により、各領域７１ａ〜７４ａの温度を独立して制御できる。

このため、例えば、加湿部４がバブラーで構成されている場合、その水温を供給ガスのガス温度よりも高く設定することで、バブラーの水温よりもバブラーを通過するガスの露点が低くなる現象の影響を回避できる。この現象は、例えば、バブラーの水温を８０℃とした場合、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である。このような状況では、バブラーの水温を８０℃とし、ドライガスとウェットガスの比率を０：１００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の制御温度を供給ガスのガス温度よりも高めに（例えば、７〜１０℃高く）設定することで、所定のガスを供給できる。なお、制御温度と供給ガスの温度との関係を事前に把握しておくことで、制御温度を的確に設定できる。本実施例のように４つの領域で独立した制御が可能な場合には、各領域の設定温度と供給ガスの状態との関係を予め調査すればよい。

また、本実施例では、温度計測・制御部７１および温度計測・制御部７３によって、混合部５に入るドライガスおよびウェットガスの充分な予熱が可能となるため、混合部５での結露を効果的に防止できる。

また、温度計測・制御部７４により、燃料電池５０に至る直前の配管を含む領域７４ａの温度を正確に制御できるので、燃料電池５０に供給するガスの温度を精密に調整できる。

以下、図３を参照して実施例３のガス供給制御装置について説明する。

図３は実施例３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２と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図３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に供給される直前のガスの湿度を検出する湿度検出部８１を備える。湿度検出部８１における検出結果に応じてドライガス流量制御部２およびウェットガス流量制御部３の制御値を変化させることにより、供給ガスの総量を一定に保ったままドライガス／ウェットガスの比率を変化させる制御を実行する。ドライガス／ウェットガスの比率を変化させることで、より精密な湿度制御を可能としている。

このような湿度検出および湿度制御の機構は、実施例１の構成に付加することもできる。

以下、図４を参照して実施例４のガス供給制御装置について説明する。

図４は実施例４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２と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図４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の入口側または出口側のガス圧を検出する圧力検出部９１と、燃料電池５０の排気弁等によりガス圧を調整する圧力調整部９２（より具体的には、圧力調整部９２自体が排気弁やオリフィス調整機構を有し、圧力検出部９１の圧力値と制御指令値から排気弁等の開閉等を行う。）と、を備える。燃料電池５０の入口側でガス圧を検出する場合には、領域７ａにおけるガス圧を検出してもよい。

また、圧力検出部９１における検出結果に応じてドライガス流量制御部２およびウェットガス流量制御部３の制御値を変化させることにより、燃料電池の運転圧力によるドライガスとウェットガスの比率の変化を加味した制御を実行する。

ちなみに、実施例４では、圧力検出部９１及び圧力調整部９２は、燃料電池を運転する際に、制御指令値が入力されて制御される。この結果、加湿部４内の圧力が大気圧以上となり、所望の湿度に対するドライガスとウェットガスの比率の理論値が変化する。その変化分をドライガス流量制御部２やウェットガス流量制御部３にフィードバックさせる。或いは、圧力と補正値マップによってフィードフォワードも可能になる。

このような構成において、例えば、燃料電池の出口側のガス圧が圧力調整部９２による調整の結果、大気圧以上となると、加湿部４内部のガス圧（容器圧）も同様に上昇し、飽和水蒸気圧が減少する。このとき、燃料電池の出口側のガス圧に応じた補正分をドライガス流量制御部２およびウェットガス流量制御部３の制御値に反映することで、加湿部４を通過したウェットガスの湿度の値を、１００％ＲＨに維持できる。

なお、実施例３で示した構成を本実施例に付加してもよい。

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。 実施例３のガス供給制御装置の構成を示すブロック図。 実施例４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

２ ドライガス流量制御部（混合比制御手段）
３ ウェットガス流量制御部（混合比制御手段）
４ 加湿部
５ 混合部（混合手段）
６ ガス温度計測部（温度制御手段）
７ 温度制御部（温度制御手段）
７１〜７４ 温度計測・制御部（温度制御手段）
８１ 湿度検出部（湿度検出手段）
９１ 圧力検出部（圧力検出手段）

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、
   ドライガスと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、
   前記混合手段により生成された供給ガスの温度を一定に制御する温度制御手段と、
   燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じて、前記混合手段におけるドライガスとウェットガスとの混合比を制御する混合比制御手段と、
   を備えることを特徴とするガス供給制御装置。
2. 前記温度制御手段は、燃料電池に供給される供給ガスの温度が温度目標値となるように制御す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. 前記温度制御手段は、前記供給ガスに湿度を与えるための加湿部の温度を、前記温度目標値よりも高くなるように制御することを特徴とする請求項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相対湿度を検出する湿度検出手段を備え、
   前記混合比制御手段は、前記湿度検出手段における検出結果に応じて前記混合比を制御す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. 燃料電池に供給される供給ガス、或いは、燃料電池から排出される排出ガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記混合比制御手段は、前記圧力検出手段における検出結果に応じて前記混合比を制御す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、
   ドライガスと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、
   生成された供給ガスの温度を一定に制御するステップと、
   燃料電池に与える供給ガスの湿度目標値に応じて、前記供給ガスを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混合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. 前記温度を制御するステップでは、燃料電池に供給される供給ガスの温度が温度目標値となるように制御す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. 前記温度を制御するステップでは、前記供給ガスに湿度を与えるための加湿部の温度を、前記温度目標値よりも高くなるように制御することを特徴とすることを特徴とする請求項７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相対湿度を検出するステップを備え、
   前記混合比を制御するステップでは、前記湿度を検出するステップにおける検出結果に応じて前記混合比を制御す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. 燃料電池に供給される供給ガス、或いは、燃料電池から排出される排出ガスの圧力を検出するステップを備え、
    前記混合比を制御するステップでは、前記圧力を検出するステップにおける検出結果に応じて前記混合比を制御す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。
    

Images