JP2009026642A - Humidifying device for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスを加湿する燃料電池用加湿装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell humidifier for humidifying a cathode gas before being supplied to a cathode of a fuel cell.
燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスを加湿する燃料電池用加湿装置が知られている(特許文献1〜6)。このような燃料電池用加湿装置として、燃料電池のスタックと、カソードガスをスタックのカソードに供給するカソードガス通路と、加湿器と、スタックのカソードから吐出されたオフガスを加湿器に供給する供給流量を調整可能なバイパスバルブとを備えているものが知られている。スタックのカソードから吐出された後のオフガスは、発電反応を経ているため、スタックに供給される前のカソードガスと比較されると、高温高湿である。そこで、バイパスバルブの開閉を制御することにより、スタックのカソードから吐出された後の高温および高湿のオフガスを加湿器に供給する流量を可変に調整する。これにより加湿器の水分保持部材への熱および水分の伝達を調整する。この結果、スタックのカソードの入口に供給される直前のカソードガスの加湿量が制御されている。しかし外気温度が変化するとき、あるいは、加湿器の筐体の温度が変化するときには、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの加湿量を良好に設定するには、必ずしも容易ではない。
There are known fuel cell humidifiers that humidify the cathode gas before being supplied to the cathode of the fuel cell (
そこで、特許文献1によれば、加湿器を通過した後でスタックのカソードに供給される直前のカソードガスの温度と、加湿器で加湿されたカソードガスの加湿量との間には比例関係が存在することに着目している。そして、加湿器を通過した後でスタックのカソードに供給される直前のカソードガスの温度の目標温度を設定し、カソードガスの実際の温度が目標温度に合致するようにバイパスバルブの開閉を制御し、高温高湿のオフガスの熱および水分を加湿器に与えることにしている。
上記した特許文献1に係る技術は、加湿器で加湿された後で且つスタックのカソードの入口に供給される直前のカソードガスの温度が、その目標温度となるように、バイパスバルブの開度を制御する。このものによれば、カソードガスの加湿量を良好に設定することができる。
The technique according to
しかしながら上記した技術によれば、外気温度が低いとき等のように変化するとき、あるいは、システムが起動直後で加湿器の筐体の温度が低いとき等のように定常状態とは異なるときには、カソードガスの加湿量を適切にするには、やはり限界がある。 However, according to the technique described above, when the outside air temperature changes, such as when the outside air temperature is low, or when the temperature of the humidifier housing is low immediately after the system is started, There is still a limit to the appropriate amount of gas humidification.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、外気温度が変化するときであっても、あるいは、加湿器の筐体の温度が変化するときであっても、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの加湿量を更に良好に設定できる燃料電池用加湿装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is supplied to the cathode of a fuel cell even when the outside air temperature changes or when the temperature of the humidifier housing changes. It is an object of the present invention to provide a fuel cell humidifier capable of setting the humidification amount of the cathode gas to be further improved.
本発明者は、加湿器を通過した後でスタックのカソードに供給される直前のカソードガスの温度がその目標温度となるように、バイパスバルブを制御する場合であっても、加湿器に導入されるカソードガスの温度T1が高いときには、あるいは、加湿器の筐体の温度T3が高いときには、加湿器において熱交換および水交換が良好に行われにくいこと、温度T2の目標温度T2targetが一定の固定値であると、カソードガスを加湿器で良好に加湿できず、加湿器で加湿されたカソードガスの相対湿度が低下するおそれがあることを知見した。そして本発明者は、カソードガスの温度T1の変動、あるいは、加湿器の筐体の温度T3の変動を考慮して、温度T2の目標温度T2targetの値を設定すれば、加湿器で加湿されたカソードガスの相対湿度を高くできることを知見し、実機テストで確認した。本発明はかかる知見に基づいて完成されたものである。 Even if the bypass valve is controlled so that the temperature of the cathode gas immediately after being supplied to the cathode of the stack after passing through the humidifier becomes the target temperature, the inventor is introduced into the humidifier. When the cathode gas temperature T1 is high, or when the temperature T3 of the humidifier casing is high, heat exchange and water exchange are difficult to be performed in the humidifier, and the target temperature T2target of the temperature T2 is fixed. It was found that the cathode gas could not be humidified satisfactorily with a humidifier, and the relative humidity of the cathode gas humidified with the humidifier might decrease. Then, the present inventor considered that the temperature T1 of the cathode gas or the temperature T3 of the casing of the humidifier was considered, and if the target temperature T2target value of the temperature T2 was set, the humidifier was humidified. We found that the relative humidity of the cathode gas can be increased, and we confirmed it with an actual machine test. The present invention has been completed based on such findings.
即ち、本発明に係る燃料電池用加湿装置は、カソードガスを燃料電池のカソードに供給するカソードガス通路と、
燃料電池のカソードから吐出されたオフガスを流すオフガス通路と、
カソードガス通路およびオフガス通路に繋がり、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスが流れる第1通路と、燃料電池のカソードから吐出された発電後のオフガスが流れる第2通路と、第2通路のオフガスの熱および水分を第1通路のカソードガスに移動させる水分保持部材とを有する加湿器と、
オフガス通路を流れ且つカソードガスよりも高温および高湿のオフガスについて、加湿器の第2通路に供給する供給流量を調整可能に前記オフガス通路に設けられた調整要素と、
調整要素を制御することにより供給流量を調整し、加湿器の第2通路内のオフガスから加湿器の水分保持部材への熱および水分の伝達を調整し、燃料電池の前記カソードに供給される前であって加湿器の第1通路で加湿されたカソードガスの温度を制御する制御手段とを具備しており、
制御手段は、
加湿器の第1通路に供給される前のカソードガスの温度、または、加湿器の筐体の温度をTaとし、燃料電池のカソードに供給される前であって加湿器の第1通路で加湿されたカソードガスの温度をT2とし、温度T2の目標温度をT2targetとするとき、
温度T2が目標温度T2targetに近づくように調整要素を制御して供給流量を調整する調整要素制御手段と、
温度Taがこれの基準温度以上のとき、温度Taが低い場合には温度Taが高い場合よりも、目標温度T2targetを相対的に低く設定する温度設定則を有する目標温度設定手段とを具備する。
That is, the fuel cell humidifier according to the present invention comprises a cathode gas passage for supplying a cathode gas to the cathode of the fuel cell;
An offgas passage for flowing offgas discharged from the cathode of the fuel cell;
A first passage connected to the cathode gas passage and the off-gas passage, through which the cathode gas before being supplied to the cathode of the fuel cell flows, a second passage through which the off-gas after power generation discharged from the cathode of the fuel cell flows, and a second passage A humidifier having a moisture retention member that moves the heat and moisture of the off-gas to the cathode gas of the first passage;
An adjustment element provided in the off-gas passage so that the supply flow rate supplied to the second passage of the humidifier for the off-gas flowing through the off-gas passage and higher than and higher than the cathode gas can be adjusted;
Before adjusting the supply flow rate by controlling the adjustment element, adjusting the heat and moisture transfer from the off-gas in the second passage of the humidifier to the moisture holding member of the humidifier, before being supplied to the cathode of the fuel cell And a control means for controlling the temperature of the cathode gas humidified in the first passage of the humidifier,
The control means
The temperature of the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier or the temperature of the housing of the humidifier is Ta, and the humidifier is humidified in the first passage of the humidifier before being supplied to the cathode of the fuel cell. When the temperature of the generated cathode gas is T2, and the target temperature of the temperature T2 is T2target,
Adjustment element control means for adjusting the supply flow rate by controlling the adjustment element so that the temperature T2 approaches the target temperature T2target;
When the temperature Ta is equal to or higher than the reference temperature, target temperature setting means having a temperature setting rule for setting the target temperature T2target relatively lower when the temperature Ta is lower than when the temperature Ta is high is provided.
また、本発明に係る燃料電池用加湿装置は、カソードガスを燃料電池のカソードに供給するカソードガス通路と、
燃料電池のカソードから吐出されたオフガスを流すオフガス通路と、
カソードガス通路およびオフガス通路に繋がり、燃料電池のカソードに供給される前のカソードガスが流れる第1通路と、燃料電池のカソードから吐出された発電後のオフガスが流れる第2通路と、第2通路のオフガスの熱および水分を第1通路のカソードガスに移動させる水分保持部材とを有する加湿器と、
オフガス通路を流れ且つカソードガスよりも高温および高湿のオフガスについて、加湿器の第2通路に供給する供給流量を調整可能にオフガス通路に設けられた調整要素と、
調整要素を制御することにより供給流量を調整し、加湿器の第2通路内のオフガスから加湿器の水分保持部材への熱および水分の伝達を調整し、燃料電池のカソードに供給される前であって加湿器の第1通路で加湿されたカソードガスの温度を制御する制御手段とを具備しており、
制御手段は、
加湿器の第1通路に供給される前のカソードガスの温度、または、加湿器の筐体の温度をTaとし、燃料電池のカソードに供給される前であって加湿器の前記第1通路で加湿されたカソードガスの温度をT2とし、温度T2の目標温度をT2targetとするとき、
温度T2が目標温度T2targetに近づくように前記調整要素を制御して前記供給流量を調整する調整要素制御手段と、
温度Taが基準温度範囲内のとき、温度Taが低い場合には温度Taが高い場合よりも、目標温度T2targetを相対的に低く設定する温度設定則を有する目標温度設定手段とを具備する。
Further, the fuel cell humidifier according to the present invention comprises a cathode gas passage for supplying a cathode gas to the cathode of the fuel cell;
An offgas passage for flowing offgas discharged from the cathode of the fuel cell;
A first passage connected to the cathode gas passage and the off-gas passage, through which the cathode gas before being supplied to the cathode of the fuel cell flows, a second passage through which the off-gas after power generation discharged from the cathode of the fuel cell flows, and a second passage A humidifier having a moisture retention member that moves the heat and moisture of the off-gas to the cathode gas of the first passage;
An adjustment element provided in the off-gas passage so that the supply flow rate supplied to the second passage of the humidifier can be adjusted with respect to the off-gas flowing in the off-gas passage and having a higher temperature and higher humidity than the cathode gas;
Before adjusting the supply flow rate by controlling the adjustment element, adjusting the transfer of heat and moisture from the off-gas in the second passage of the humidifier to the moisture holding member of the humidifier, before being supplied to the cathode of the fuel cell And a control means for controlling the temperature of the cathode gas humidified in the first passage of the humidifier,
The control means
The temperature of the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier or the temperature of the housing of the humidifier is Ta, and before being supplied to the cathode of the fuel cell, in the first passage of the humidifier. When the temperature of the humidified cathode gas is T2, and the target temperature of the temperature T2 is T2target,
Adjustment element control means for adjusting the supply flow rate by controlling the adjustment element so that the temperature T2 approaches the target temperature T2target;
When the temperature Ta is within the reference temperature range, a target temperature setting means having a temperature setting rule for setting the target temperature T2target relatively lower when the temperature Ta is lower than when the temperature Ta is high is provided.
ここで、温度Taの実使用範囲において、上記した温度設定則が適用されている。温度Taの基準温度とは、燃料電池システムが定常運転するとき、実際に使用される温度Taの実使用範囲の下限温度を意味する。温度Taの基準温度範囲内とは、燃料電池システムが定常運転するとき、実際に使用される温度Taの実使用範囲を意味する。実使用範囲の下限温度未満の温度領域においては、温度Taが低温過ぎるため、上記した温度設定則が適用されると、加湿器による加湿量が充分ではないおそれがある。 Here, the above temperature setting rule is applied in the actual use range of the temperature Ta. The reference temperature of the temperature Ta means the lower limit temperature of the actual usage range of the temperature Ta that is actually used when the fuel cell system is in steady operation. Within the reference temperature range of the temperature Ta means the actual use range of the temperature Ta that is actually used when the fuel cell system is in steady operation. In the temperature region below the lower limit temperature of the actual use range, the temperature Ta is too low. Therefore, when the above temperature setting rule is applied, the humidification amount by the humidifier may not be sufficient.
ここで、温度Taが温度T1であるとき、温度T1の基準温度は、燃料電池システムが定常運転するとき、実際に使用される温度T1の実使用範囲の下限温度を意味する。温度Taが温度T3であるとき、温度T3の基準温度は、燃料電池システムが実際に使用される温度T3の実使用範囲の下限温度を意味する。定常運転とは、燃料電池システムが異常運転しておらず、定格出力内で安全に発電運転しているときを意味し、負荷の変動に応じて発電量が変動することを許容する。 Here, when the temperature Ta is the temperature T1, the reference temperature of the temperature T1 means the lower limit temperature of the actual use range of the temperature T1 that is actually used when the fuel cell system is steadily operated. When the temperature Ta is the temperature T3, the reference temperature of the temperature T3 means the lower limit temperature of the actual use range of the temperature T3 at which the fuel cell system is actually used. The steady operation means a time when the fuel cell system is not operating abnormally and is safely generating power within the rated output, and the amount of power generation is allowed to fluctuate in accordance with load fluctuations.
本発明によれば、温度Taは、加湿器の第1通路に供給される前のカソードガスの温度T1とすることができる。この場合、目標温度設定手段は、温度T1が低い場合には温度T1が高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetを相対的に低くする。且つ、目標温度設定手段は、温度T1が高い場合には温度T1が低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetを相対的に高くする。 According to the present invention, the temperature Ta can be the temperature T1 of the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier. In this case, the target temperature setting means relatively lowers the target temperature T2target of the temperature T2 when the temperature T1 is low than when the temperature T1 is high. Further, the target temperature setting means makes the target temperature T2target of the temperature T2 relatively higher when the temperature T1 is higher than when the temperature T1 is low.
本発明によれば、温度Taは、加湿器の筐体の温度T3とすることができる。この場合、目標温度設定手段は、温度T3が低い場合には温度T3が高い場合よりも温度T2の目標温度T2targetを相対的に低くし、且つ、温度T3が高い場合には温度T3が低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetを相対的に高くなるように設定する。 According to the present invention, the temperature Ta can be the temperature T3 of the housing of the humidifier. In this case, when the temperature T3 is low, the target temperature setting means makes the target temperature T2target of the temperature T2 relatively lower than when the temperature T3 is high, and when the temperature T3 is high, the temperature T3 is low Rather, the target temperature T2target of the temperature T2 is set to be relatively high.
上記した温度設定則は基準温度以上(基準温度範囲内)のときに採用されている。この場合、目標温度設定手段は、温度Ta(温度T1または温度T3)がこれの基準温度よりも低いときには、上記した温度設定則に基づかない。即ち、基温度設定則に基づいて設定される目標温度T2targetよりも、温度T2の目標温度T2targetを高温に設定する。これにより外気の温度や筐体の温度が過剰に低いときに適応できる。 The above temperature setting rule is adopted when the temperature is above the reference temperature (within the reference temperature range). In this case, the target temperature setting means is not based on the temperature setting rule described above when the temperature Ta (temperature T1 or temperature T3) is lower than the reference temperature. That is, the target temperature T2target of the temperature T2 is set to be higher than the target temperature T2target set based on the base temperature setting rule. This can be applied when the temperature of the outside air or the temperature of the housing is excessively low.
本発明によれば、温度Ta(加湿器の第1通路に供給される前のカソードガス、または、加湿器の筐体の温度)に応じて、温度T2の目標温度T2targetが設定される。このため、外気温度が変化するときであっても、あるいは、加湿器の筐体の温度が変化するときであっても、加湿器で加湿され且つ燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの加湿量を良好に設定できる。 According to the present invention, the target temperature T2target of the temperature T2 is set according to the temperature Ta (the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier or the temperature of the housing of the humidifier). Therefore, even when the outside air temperature changes or when the temperature of the humidifier housing changes, the humidification of the cathode gas that is humidified by the humidifier and supplied to the cathode of the fuel cell is performed. The amount can be set well.
(実施形態1)
図1は実施形態1の燃料電池用加湿装置の概念を示す。本実施形態によれば、燃料電池用加湿装置は、燃料電池のセルが積層されて形成されたスタック1と、カソードガス通路2と、加湿器3と、オフガスが流れるオフガス通路4と、調整要素として機能するバイパスバルブ5と、オフガスが流れる迂回通路6(オフガス通路4の一部を構成)と、制御手段として機能する制御装置7とを備えている。スタック1、カソードガス通路2、加湿器3、オフガス通路4、バイパスバルブ5、迂回通路6、制御装置7は、ハウジング100の室101内に配置されている。ハウジング100は、外気を導入する開口102と、室101内の空気を外気に導出する開口103とをもつ。ハウジング100の室101には改質器200が収容されている。改質器200は、改質部201と、改質部201を加熱するバーナで形成された燃焼部202とをもつ。このためハウジング100の室101内の温度は、外気が零下雰囲気であっても、高くなる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the concept of a fuel cell humidifier according to the first embodiment. According to the present embodiment, the fuel cell humidifier includes a
スタック1を構成するセルは、カソードガス(一般的には空気)が供給されるカソード10と、アノード流体(水素含有ガスまたは水素ガス)が供給されるアノード11と、カソード10およびアノード11で挟持された高分子系または無機系の電解質膜12とを備えている。アノード流路110からアノード11にアノードガス(アノード流体,水素ガスまたは水素含有ガス)が供給される。スタック1は、複数のセルを積層して形成されている。なお図1は概念図を示し、カソード10およびアノード11を単純化している。
The cells constituting the
カソードガス通路2は、カソードガスを燃料電池のカソード10に供給するものであり、搬送駆動源として機能するポンプ20と、カソードガスを吸引させる吸入口21とを備えている。ポンプ20に代えて、ファン、ブロア、コンプレッサとしても良い。カソードガスとしては、酸素ガス、酸素含有ガス、空気が例示される。
The
加湿器3は、カソードガス通路2の途中およびオフガス通路4の途中に設けられている。加湿器3は、筐体30と、筐体30の内部に設けられた第1通路31と、筐体30の内部に設けられた第2通路32と、筐体30の内部に設けられた膜状をなす水分保持部材33とを有する。図1は概念図を示し、加湿器3の内部構造を単純化している。加湿器3の第1通路31はカソードガス通路2に連通しており、スタック1を構成する燃料電池のカソード10の入口10iに供給される前(発電前)のカソードガスを流す。第2通路32は、スタック1を構成する燃料電池のカソード10の出口10pから吐出された発電後のオフガスを流す。前述したようにスタック1は発電反応により熱および水を発生させる。従って、スタック1のカソード10の出口10pから吐出された発電反応後のオフガスは、スタック1のカソード10の入口10iに供給される前のカソードガスに比較して、相対的に高温高湿である。
The
水分保持部材33は、加湿器3の筐体30内において第1通路31と第2通路32とを仕切るものである。水分保持部材33は、熱および水分を伝搬可能な膜(例えば高分子系の膜等)を基材として形成されている。第2通路32を流れるオフガスが水分保持部材33に接触すると、高温高湿のオフガスの熱および水分を受ける。第1通路31を流れるカソードガスが水分保持部材33に接触すると、水分保持部材33はカソードガスに熱および水分を与える。
The
調整要素として機能するバイパスバルブ5は、オフガス通路4において加湿器3の第2通路32の入口32iとスタック1のカソード10の出口10pとの間に設けられている。バイパスバルブ5は、オフガス通路4および迂回通路6に連通するように設けられている。バイパスバルブ5は、スタック1のカソード10の出口10pに繋がる第1ポート5fと、加湿器3の第2通路32の入口32iに繋がる第2ポート5sと、迂回通路6に繋がる第3ポート5tとを備えている。ここで、加湿器3の第2通路32に供給される供給流量をV1とする。加湿器3の第2通路32を迂回させて迂回通路6に流す迂回流量をV2とする。バイパスバルブ5は、開度および/または開閉時期を制御することにより、比率α(α=V1/V2)を調整可能である。迂回通路6の一端6eはバイパスバルブ5の第3ポート5tに繋がる。迂回通路6の他端6fは加湿器3を迂回し、オフガス通路4のうち加湿器3の第2通路32の出口32pの下流に繋がる。
The
前述したように、スタック1のカソード10の出口10pから吐出された後のオフガスと、加湿器3の第1通路31の入口31iに導入される前のカソードガスとを比較すると、オフガスはカソードガスに比較して相対的に高温および高湿である。ここでいうオフガスが相対的に高温および高湿は、加湿器3の第1通路31の入口31iに導入される前のカソードガスよりも相対的に、高温および高湿であるという意味である。
As described above, when the off gas discharged from the
ここで、加湿器3の第1通路31の入口31iに供給される前のカソードガスの温度、または、加湿器3の筐体30の温度をTaとする。加湿器3の第1通路31の入口31iに供給される前のカソードガス(ハウジング100の室101内のカソードガスである空気)の温度をT1とする。加湿器3の第1通路31の出口31pから吐出され且つ燃料電池のカソード10の入口10iに供給される前のカソードガスの温度をT2とする。加湿器3の筐体30の温度をT3とする。スタック1の温度をTsとする。
Here, the temperature of the cathode gas before being supplied to the
ここで、燃料電池システムが定常運転されており、ポンプ20の回転数が定常回転数領域であるときには、Ts>T2>T3>T1の関係とされている。なお、燃料電池システムの定常運転時には、オフガスの温度はスタック1の温度とほぼ同じであり、例えば70〜80℃程度であり、温度T1は例えば10〜45℃程度、25〜40℃程度であり、加湿器3の筐体30の温度T3は例えば30〜55℃程度、35〜50℃程度である。オフガスの相対湿度は例えば70〜100%RH程度である。
Here, when the fuel cell system is in steady operation and the rotational speed of the
図1に示すように、温度T1を検知するための第1温度センサ81が加湿器3の内部において第1通路31の入口31i側に設けられている。温度T2を検知するための第2温度センサ82が加湿器3の内部において第1通路31の出口31p側に設けられている。温度T3を検知するための第3温度センサ83が加湿器3の筐体30に設けられている。但し、第2温度センサ82はスタック1の外部または内部において、スタック1のカソード10の入口10i側に設けられていても良い。
As shown in FIG. 1, a
図2に示すように、制御装置7は、入力処理回路70と、出力処理回路71と、CPU72と、メモリ73(記憶要素)とを備えている。第1温度センサ81の信号、第2温度センサ82の信号、第3温度センサ83の信号は、入力処理回路70を介してCPU72に入力される。CPU72は出力処理回路71を介してバイパスバルブ5およびポンプ20を制御する制御信号を出力する。第1温度センサ81は加湿器3の内部において第1通路31の入口31i側に設けられている。第2温度センサ82は加湿器3の内部において第1通路31の出口31p側に設けられている。但し、第1温度センサ81は加湿器3の内部において第1通路31の入口31iに近い部位に設けられていてもよい。第2温度センサ82は加湿器3の内部において第1通路31の出口31pに近い部位に設けられていても良い。また第1温度センサ81は加湿器3の外部において第1通路31の入口31i側に設けられていてもよい。第2温度センサ82は加湿器3の外部において第1通路31の出口31p側に設けられていても良い。
As shown in FIG. 2, the control device 7 includes an
制御装置7は、バイパスバルブ5における比率αを制御する指令を出力する。このように比率αが調整されると、スタック1のカソード10の出口10pから吐出された高温および高湿のオフガスの供給流量V1および迂回流量V2が制御され、よって、オフガスと加湿器3の水分保持部材33との接触度合(熱交換量および水分交換量)が調整される。故に、高温高湿のオフガスから加湿器3の水分保持部材33へ向かう熱および水分の伝搬量が調整される。これにより制御装置7は、スタック1のカソード10の入口10iに供給される前のカソードガスの温度T2を制御することができる。温度T2は、加湿器3で加湿されスタック1のカソード10の入口10iに供給される直前のカソードガスの温度である。このようにスタック1のカソード10の入口10iに供給される直前の温度T2を基準として制御することは、温度T1,温度T3を基準として加湿器3の加湿量を制御する場合よりも、スタック1の発電を応答性よく制御することができる。このように本実施形態によれば、スタック1のカソード10の入口10iに供給される直前のカソードガスの温度T2に基づいて、加湿器3の加湿能力が調整される。
The control device 7 outputs a command for controlling the ratio α in the
ここで、本発明者は、温度T1(または温度T3)と加湿器3の加湿量との間に関係があることを見出し、両者の間において図3に示すような山形を示す加湿特性があることを、近年知見した。図3は、温度T1(または温度T3)と加湿器3の加湿量との関係を模式的に示す概念図である(本出願時に未公知)。スタック1の発電能力を良好に維持するためには、加湿器3の加湿量(水蒸気量)は、所定値よりも高いことが好ましい。図3に示す特性によれば、温度T1(または温度T3)がこれの実使用範囲XA(=基準温度範囲)よりも過剰に高くなると、加湿器3における加湿能力が低下する傾向がある。その理由としては、温度T1(または温度T3)がこれの実使用範囲XAよりも高くなると、カソードガスの温度、または、加湿器3の筐体30の温度が上昇しており、ひいては、加湿器3の筐体30の温度と、スタック1のカソード10から吐出されたオフガス(一般的には筐体30の温度よりも高い)との温度差が少ない。このため、カソードオフガス側からカソードガス側への熱移動量および水移動量が少なくなり、カソードガスの加湿量が低下する。
Here, the present inventor has found that there is a relationship between the temperature T1 (or temperature T3) and the humidification amount of the
同様に、温度T1(または温度T3)がこれの実使用範囲XA(=基準温度範囲内)よりも低くなると、加湿器3における加湿能力が低下する傾向がある。その理由としては、温度T1(または温度T3)が低くなると、カソードガスに保持できる水蒸気の絶対量が低下するため、加湿能力が低下するためである。即ち、実使用範囲XA(=基準温度範囲)よりも低温の低温領域では、加湿器3内で凝縮が発生したり、凝縮の頻度が増加する可能性がある。
Similarly, when the temperature T1 (or temperature T3) is lower than the actual use range XA (= within the reference temperature range), the humidifying capacity of the
図3に示す実使用範囲XAは、燃料電池システムが定常運転で使用されるときにおける温度T1(または温度T3)の温度範囲を意味し、基準温度範囲内に相当する。実使用範囲XAの最高温度はTmaxとして示される。一般的には、Tmaxは、T2targetの上限値に相当する。仮にハウジング100の外方の外気温度がかなり低いときであっても(例えば零下5℃)、ハウジング100の室101内の空気は、ハウジング100内において熱源として機能する改質器200、制御装置7、更には各種機器(バルブ、ポンプ20等)により暖められている。このため、外気温度がかなり低いときであっても、吸入口21からカソードガス通路2内に吸引されるカソードガスは暖められており、結果として、カソードガスの温度T1は約5〜55℃の範囲に納まるのが一般的である。従って、温度T1(温度T3)の実使用範囲XAは、例えば、5〜55℃程度、10〜53℃程度、15〜60℃程度である。但し、これに限定されるものではなく、燃料電池システムの仕様等に応じて多少異なる。本実施形態の燃料電池システムは、実使用範囲XAの範囲内において定常運転されるように設定されている。
The actual use range XA shown in FIG. 3 means the temperature range of the temperature T1 (or temperature T3) when the fuel cell system is used in steady operation, and corresponds to the reference temperature range. The maximum temperature in the actual use range XA is indicated as Tmax. In general, Tmax corresponds to the upper limit value of T2target. Even if the outside air temperature outside the
図4は、制御装置7のCPU72が実行するフローチャートを示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図4に示すように、CPU72は第1温度センサ81の検知温度を読み込み(ステップS2)、これをT1とする。CPU72は、温度T1に基づいて温度T2の目標温度T2targetを下記のマップから決定する(ステップS4)。ステップS4は、メモリ73に格納されているマップと共に目標温度設定手段を構成する。次に、CPU72は、第2温度センサ82の検知温度を読み込み、これをT2とする(ステップS6)。CPU72は、検知された温度T2と目標温度T2targetとを比較する。T2がT2targetよりも高いとき(ステップS8のYES)には、制御装置7はバイパスバルブ5を制御し、供給流量V1を減少させると共に迂回流量V2を増加させる(ステップS10)。供給流量V1が減少すると、高温高湿のオフガスと加湿器3の水分保持部材33とが接触する程度が減少する。従って加湿器3の温度は相対的に低下する傾向が得られ、ひいては温度T2が低下して目標温度T2targetに近づく。
FIG. 4 shows a flowchart executed by the
これに対してT2がT2targetよりも低いときには(ステップS12のYES)、制御装置7はバイパスバルブ5の開度および/または開閉時期を制御し、供給流量V1を増加させると共に迂回流量V2を減少させる(ステップS14)。供給流量V1が増加すると、高温高湿のオフガスと加湿器3の水分保持部材33とが接触する程度が増加する。従って加湿器3の温度および湿度は相対的に高くなり、ひいては温度T2が高くなり目標温度T2targetに近づく。待機し、一定時間経過したらステップS2に戻る(ステップS16)。ステップS8〜ステップS14は、調整要素制御手段として機能する。
On the other hand, when T2 is lower than T2target (YES in step S12), the control device 7 controls the opening degree and / or opening / closing timing of the
上記したような本実施形態によれば、スタック1のカソード10の入口10iに供給される直前のカソードガスの温度T2は、目標温度T2targetを基準として、目標温度T2targetプラスτ1〜目標温度T2targetマイマスτ2の温度領域に維持される。τ1、τ2は例えば0.1〜5℃程度である。即ち、スタック1のカソード10の入口10iに供給される直前のカソードガスの温度T2は、目標温度T2target付近に維持される。
According to the present embodiment as described above, the temperature T2 of the cathode gas immediately before being supplied to the
更に本発明者は、温度Taが基準温度以上のとき(温度Taが基準温度範囲内のとき)、スタック1のカソード10に導入される前のカソードガスの温度T1の変動が温度T2に与える影響についても着目した。そこで本実施形態によれば、温度T1に応じて、温度T2の目標温度T2targetの数値が調整されている。即ち、図5はメモリ73に格納されているマップの内容を示す。温度T1の領域は複数段階に区分けされている。温度T1が基準温度以上であり過剰の低温領域でないとき、温度の温度T1について、T11<T12<T13<T14<T15の順に高温となる。温度領域T11、温度領域T12、温度領域T13、温度領域T14、温度領域T15の順に、温度T2の目標温度T2targetのデータがマップとして格納されている。図5の数字は、温度T1が最も高い温度領域T15のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、各目標温度T2targetの相対表示を示す。相対表示の数値が大きい方が高温となる。
Furthermore, the present inventor has shown that when the temperature Ta is equal to or higher than the reference temperature (when the temperature Ta is within the reference temperature range), the influence of the change in the temperature T1 of the cathode gas before being introduced into the
このデータによれば、温度T1が基準温度範囲内のとき、温度T1が低い場合には高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるような温度設定則が採用されている。換言すると、温度T1が低い温度から高い温度に移行するにつれて、温度T2の目標温度T2targetが相対的に次第に高くなるような温度設定則が採用されている。その理由としては、温度T1が基準温度範囲内のとき、T2target>T1の関係において、T2target−T1=ΔTとすると、ΔTの大きさが加湿器3の加湿量に影響を与えるためである。
According to this data, when the temperature T1 is within the reference temperature range, a temperature setting rule is adopted such that the target temperature T2target of the temperature T2 is relatively lower when the temperature T1 is lower than when it is higher. . In other words, a temperature setting rule is adopted such that the target temperature T2target of the temperature T2 gradually increases as the temperature T1 shifts from a low temperature to a high temperature. The reason is that when the temperature T1 is within the reference temperature range and the relationship of T2target> T1 and T2target−T1 = ΔT, the magnitude of ΔT affects the humidification amount of the
ここで、ΔTの大きさが適切であれば、加湿器3の第1通路31の入口31iに供給される前のカソードガスに対して、加湿器3からの熱移動量および水分移動量が適切となる。また、ΔTが微小または実質的に0であるときには、加湿器3の第1通路31の入口31iに供給される前のカソードガスに対して、加湿器3からの熱移動量および水分移動量が少なく、結果として、加湿器3の第1通路31の出口31pから吐出されたカソードガスの加湿量(水蒸気量)が少ないといえる。逆に、ΔTが大きいときには、加湿器3の第1通路31の入口31iに供給される前のカソードガスに対して、加湿器3からの熱移動量および水分移動量が多くなり、結果として、加湿器3の第1通路31の出口31pから吐出されたカソードガスの加湿量(水蒸気量)が多いといえる。
Here, if the magnitude of ΔT is appropriate, the heat transfer amount and moisture transfer amount from the
以上説明したように本実施形態によれば、温度T2の目標温度T2targetは、温度T1の変化に応じて設定される。このため外気温度が変化するときであっても、加湿器3で加湿され且つスタック1のカソード10に供給されるカソードガスの加湿量を更に良好に設定できる。
As described above, according to the present embodiment, the target temperature T2target of the temperature T2 is set according to the change of the temperature T1. For this reason, even when the outside air temperature changes, the humidification amount of the cathode gas humidified by the
(実施形態2)
図6は実施形態2を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図1〜図4を準用する。本実施形態は、図3に示す実使用範囲XAの下限である基準温度Tc1よりもかなり低い低温領域においても使用される場合を考慮している。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a second embodiment. Since the present embodiment has basically the same configuration and operational effects as the first embodiment, FIGS. 1 to 4 are applied mutatis mutandis. The present embodiment takes into consideration the case where it is used even in a low temperature region that is considerably lower than the reference temperature Tc1, which is the lower limit of the actual use range XA shown in FIG.
図6は、メモリ73に格納されているマップを示す。図6の数字は、温度T1が最も高い温度領域T15のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、目標温度T2targetの相対表示を示す。
FIG. 6 shows a map stored in the
上記した温度設定則のみによれば(温度T1が実使用範囲XA(=基準温度範囲)において基準温度Tc1以上の場合)、温度T1が低い場合には高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなる。しかしながら、この温度T1が基準温度Tc1未満の低温領域では、目標温度T2targetが相対的に低目となるため、加湿器3の加湿能力は低下し、スタック1の発電性能が低下する。
According to only the temperature setting rule described above (when the temperature T1 is equal to or higher than the reference temperature Tc1 in the actual use range XA (= reference temperature range)), when the temperature T1 is low, the target temperature T2target of the temperature T2 is higher than when it is high. Is relatively low. However, since the target temperature T2target is relatively low in the low temperature region where the temperature T1 is lower than the reference temperature Tc1, the humidifying capacity of the
そこで、図6に示すように、温度T1が基準温度Tc1未満の温度領域T10(=低温領域)においては、筐体30からの放熱が大きいため、これを考慮し、温度T1がこれの基準温度Tc1の直上の温度領域(T11)のときよりも、目標温度T2targetは高温側(相対表示で98)に設定されている。温度T1が実使用範囲XAの基準温度Tc1未満のとき(低温領域)には、加湿器3からの放熱量が大きく、加湿器3が昇温しにくく、水蒸気が生成されにくい。なお、基準温度Tc1としては、スタック1等に応じて適宜設定され、例えば5℃である。この場合、温度領域T10は、上記した温度設定則に基づかない低温領域であり、例えば、温度T1が零下10℃〜5℃未満の温度範囲に相当する。このような温度領域T10では、加湿器3の筐体30の温度が低下し、カソードガスに含まれる気相状の水蒸気が凝縮して液相状の水となり易く、水蒸気をスタック1のカソード10の入口10iに導入させにくい事情、即ち、加湿させにくい事情がある。
Therefore, as shown in FIG. 6, in the temperature region T1 0 (= low temperature region) where the temperature T1 is lower than the reference temperature Tc1, since the heat radiation from the
従って、マップ(図6参照)に示すように、温度T1がこれの基準温度Tc1よりも低い温度領域T10(=低温領域)のときには、温度T2の目標温度T2targetは、上記した温度設定則の場合よりも高温側に設定されている。即ち、基準温度Tc1の直上の温度領域(T11)のときよりも、高温側に設定されている。なお、基準温度Tc1として5℃を設定したが、これに限らず、加湿器3の種類等、スタック1の種類、改質装置200の設置場所などの事情に応じて10℃でも、0℃、零下5℃、零下10℃でも良い。なお温度領域T10の下限温度としては、零下20℃、零下30℃が例示される。
Therefore, as shown in the map (see FIG. 6), when the temperature T1 is in the temperature region T1 0 (= low temperature region) lower than the reference temperature Tc1, the target temperature T2target of the temperature T2 is determined by the above temperature setting rule. The temperature is set higher than the case. That is, the temperature is set higher than that in the temperature region (T1 1 ) immediately above the reference temperature Tc1. In addition, although 5 degreeC was set as reference temperature Tc1, it is not restricted to this, Even if it is 10 degreeC according to circumstances, such as the kind of
(実施形態3)
図7は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態2と基本的には同様の構成、作用効果を有しており、図1〜図4を準用する。本実施形態も、低温領域で使用される場合を考慮する。図7は、メモリ73に格納されているマップの内容を示す。図7の数字は、スタック1の電流値が高い場合における温度T1が最も高い温度領域T15のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、目標温度T2targetの相対表示を示す。
(Embodiment 3)
FIG. 7 shows a third embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and effect as the second embodiment, and FIGS. 1 to 4 apply mutatis mutandis. This embodiment also considers the case where it is used in a low temperature region. FIG. 7 shows the contents of the map stored in the
このマップによれば、図7に示すように、温度T1がこれの基準温度Tc1よりも低い温度領域T10(=低温領域)のとき、温度T1が基準温度Tc1の直上の温度領域T11のときよりも、目標温度T2targetは高温側(相対表示で98または100)に設定されている。その理由としては、温度T1が基準温度Tc1よりも低い温度領域T10(低温領域)のときには、加湿器3からの放熱量が大きく、加湿器3が昇温しにくいためである。上記した基準温度Tc1としては、加湿器3、スタック1等に応じて適宜設定され、例えば5℃である。
According to this map, as shown in FIG. 7, when the temperature T1 is a temperature region T1 0 (= low temperature region) lower than the reference temperature Tc1, the temperature T1 is in the temperature region T1 1 immediately above the reference temperature Tc1. The target temperature T2target is set to the high temperature side (98 or 100 in relative display) than the time. The reason is that when the temperature T1 is in the temperature region T1 0 (low temperature region) lower than the reference temperature Tc1, the amount of heat released from the
このような低温領域では、カソードガスに含まれる気相状の水蒸気が凝縮して液相状の水となり易く、気相状の水蒸気をスタック1のカソード10の入口10iに導入させにくい事情がある。従って、マップ(図7参照)に示すように、温度T1がこれの基準温度Tc1よりも低い温度領域T10(=低温領域)のときには、温度T1が基準温度Tc1の直上の温度領域(T11)のときより、温度T2の目標温度T2targetは高温側に設定されている。
In such a low temperature region, vapor phase water vapor contained in the cathode gas is likely to condense into liquid phase water, and it is difficult to introduce the vapor phase water vapor to the
更に本実施形態によれば、スタック1の電流値Iを検知する電流センサが設けられている。図7に示すように、温度T1およびスタック1の電流値I(I1<I2)の双方に応じて、温度T2の目標温度T2targetのデータがマップに格納されている。図7に示すように、マップに格納されているデータによれば、基準温度範囲内において、温度T1が低い場合には温度T1が高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。換言すると、温度T1が低い温度から高い温度に移行するにつれて、温度T2の目標温度T2targetが相対的に高くなるように設定されている。またスタック1で発電される電流値Iが低いI1の場合には、温度T1が同一であっても、電流値Iが高いI2の場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。
Furthermore, according to the present embodiment, a current sensor that detects the current value I of the
換言すると、スタック1の電流値Iが高い場合には、温度T1が同一であっても、電流値Iが低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に高くなるように設定されている。その理由としては、スタック1で発電される電流値Iが高いときには、発電量が大きいため、燃料電池のカソード10の入口10iに供給されるカソードガスの流量が増加しており、加湿量が多めに必要とされるためである。なお基準温度Tc1として5℃を設定したが、これに限らず、加湿器3の種類等、改質装置の設置場所などの事情に応じて10℃でも、0℃、零下5℃、零下10℃でも良い。
In other words, when the current value I of the
(実施形態4)
図8は実施形態4を示す。本実施形態は実施形態3と基本的には同様の構成、作用効果を有しており、図1〜図4を準用する。本実施形態は、温度T1が基準温度未満Tc1未満の低温領域で使用される場合を考慮する。図8は、メモリ73に格納されているマップの内容を示す。図8の数字は、スタック1の電流値が最も高いI3の場合における温度T1が最も高い温度領域T15のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、目標温度T2targetの相対表示を示す。図8に示すように、スタック1の電流値Iの段階が増加されている(I3>I2>I1)。そして、温度T1およびスタック1の電流値Iの双方に応じて、温度T2の目標温度T2targetのデータがマップに格納されている。
(Embodiment 4)
FIG. 8 shows a fourth embodiment. The present embodiment has basically the same configuration and effect as the third embodiment, and FIGS. 1 to 4 apply mutatis mutandis. This embodiment considers the case where the temperature T1 is used in a low temperature region below the reference temperature Tc1. FIG. 8 shows the contents of the map stored in the
(実施形態5)
図9は実施形態5を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図1〜図4を準用する。本実施形態ら係る燃料電池システムは、上記した実使用範囲XAにおいて発電運転する。更に本実施形態は、温度T1ではなく、加湿器3の筐体30の温度T3が、スタック1のカソード10に供給される直前の温度T2に与える影響について着目している。そこで本実施形態によれば、温度T3が基準温度Tc2以上のとき、温度T3に応じて目標温度T2targetが調整されている。
(Embodiment 5)
FIG. 9 shows a fifth embodiment. Since the present embodiment has basically the same configuration and operational effects as the first embodiment, FIGS. 1 to 4 are applied mutatis mutandis. The fuel cell system according to the present embodiment performs a power generation operation in the actual use range XA described above. Furthermore, the present embodiment pays attention to the influence that the temperature T3 of the
即ち、図9はメモリ73に格納されているマップの内容を示す。温度T3の領域は複数段階に区分けされている。温度T3に応じて設定される温度T2の目標温度T2targetのデータがマップに格納されている。図9の数字は、温度T3が最も高い温度領域T35のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、目標温度T2targetの相対表示を示す。このデータによれば、基準温度範囲内において、温度T3が低い場合には高い場合よりも、温度T3の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。換言すると、温度T3が低い温度から高い温度に移行するにつれて、温度T2の目標温度T2targetが相対的に高くなるように設定されている。T2target>T3の関係において、T2target−T3=ΔTとすると、ΔTの大きさが加湿器3の加湿量に影響を与えるためである。なおΔTが微小であるときには、加湿器3の第1通路31の入口31iに供給される前のカソードガスに対して、加湿器3からの熱移動量および水分移動量が少なく、結果として、加湿器3の第1通路31の出口31pから吐出されたカソードガスの加湿量(水蒸気量)が少ないといえる。
That is, FIG. 9 shows the contents of the map stored in the
以上説明したように本実施形態によれば、目標温度T2targetは筐体30の温度T3の変位に応じて設定される。このため加湿器3の筐体30の温度が変化するときであっても、加湿器3で加湿され且つスタック1のカソード10に供給されるカソードガスの加湿量を更に良好に設定できる。
As described above, according to the present embodiment, the target temperature T2target is set according to the displacement of the temperature T3 of the
(実施形態6)
図10は実施形態6を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有しており、図1〜図4を準用する。本実施形態は、前記した実使用範囲XAよりも低温の低温領域で使用される場合を考慮する。図10は、メモリ73に格納されているマップの内容を示す。図10の数字は、温度T1が最も高い温度領域T35のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、目標温度T2targetの相対表示を示す。
(Embodiment 6)
FIG. 10 shows a sixth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and effect as the first embodiment, and FIGS. 1 to 4 apply mutatis mutandis. This embodiment considers the case where it is used in a low temperature region lower than the actual use range XA. FIG. 10 shows the contents of the map stored in the
このマップによれば、図10に示すように、加湿器3の筐体30の基準温度Tc2よりも温度T3が低い温度領域T30(=低温領域)のときには、温度T3が基準温度Tc2の直上の温度領域T31のときよりも、温度T2の目標温度T2targetは高温側(相対表示で98)に設定されている。その理由としては、温度T3が基準温度Tc2よりも低いとき(低温領域)には、加湿器3の筐体30の温度が低下し、水は、液相としての水として存在し易いためである。基準温度Tc2としては、スタック1等に応じて適宜設定され、例えば5℃にできる。
According to this map, as shown in FIG. 10, when the humidifier
上記したように筐体30の温度が低温である場合には、カソードガスに含まれる気相状の水蒸気が凝縮して液相または固相の水となり易いため、気相状の水蒸気をスタック1のカソード10の入口10iに導入させにくい事情がある。従って、マップに示すように、温度T3が基準温度Tc2よりも低い温度領域T30(=低温領域)のときには、温度T3が基準温度Tc2の直上の温度領域T31のときよりも、目標温度T2targetは高温側に設定されている。これにより加湿器3の第2通路32に供給されるオフガスの供給流量V1が増加し、オフガスから熱および水分が加湿器3に良好に与えられる。なお温度T3の基準温度Tc2として5℃を設定したが、これに限らず、加湿器3の種類等、改質装置の設置場所などの事情に応じて3℃でも、0℃、零下5℃、零下10℃でも良い。
As described above, when the temperature of the
(実施形態7)
図11は実施形態7を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有しており、低温領域で使用される場合を考慮する。図11は、メモリ73に格納されているマップを示す。図11の数字は、スタック1の電流値が高い場合における温度T1が最も高い温度領域のときにおける目標温度T2targetを100とするとき、目標温度T2targetの相対表示を示す。
(Embodiment 7)
FIG. 11 shows a seventh embodiment. This embodiment has basically the same configuration and effect as the first embodiment, and considers the case where it is used in a low temperature region. FIG. 11 shows a map stored in the
このマップによれば、図11に示すように、温度T3が基準温度Tc2よりも低い温度領域T30(=低温領域)のとき、温度T3が基準温度Tc2の直上の温度領域T31のときよりも、温度T2の目標温度T2targetは高温側に設定されている。温度T3がこれの基準温度Tc2よりも低いとき(低温領域)は、加湿器3の温度が低下する。このような場合には、カソードガスに含まれる気相状の水蒸気が凝縮して液相または固相の水となり易く、気相状の水蒸気をスタック1のカソード10の入口10iに導入させにくい事情がある。従って、マップ(図11参照)に示すように、温度T3が基準温度Tc2よりも低い温度領域T30(=低温領域)のときには、温度T3が基準温度Tcの直上の温度領域T31のときよりも、温度T2の目標温度T2targetは高温に設定されている。温度Tc2としては、スタック1等に応じて適宜設定され、例えば5℃にできる。
According to this map, as shown in FIG. 11, when the temperature T3 is in the temperature region T3 0 (= low temperature region) lower than the reference temperature Tc2, the temperature T3 is in the temperature region T3 1 immediately above the reference temperature Tc2. However, the target temperature T2target of the temperature T2 is set on the high temperature side. When the temperature T3 is lower than the reference temperature Tc2 (low temperature region), the temperature of the
更に、図11に示すように、温度T3およびスタック1の電流値I(I3>I2>I1)の双方に応じて、温度T2の目標温度T2targetのデータがマップに格納されている。図11に示すように、マップに格納されているデータによれば、スタック1で発電される電流値Iが低いI1の場合には、温度T3が同一であっても、電流値Iが高いI2の場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。
Further, as shown in FIG. 11, the data of the target temperature T2target of the temperature T2 is stored in the map in accordance with both the temperature T3 and the current value I (I 3 > I 2 > I 1 ) of the
換言すると、スタック1の電流値Iが高い場合には、温度T3が同一であっても、電流値Iが低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に高くなるように設定されている。その理由としては、スタック1で発電される電流値Iが高いときには、発電量が大きいため、燃料電池のカソード10の入口10iに供給されるカソードガスの流量が増加しており、加湿量が多めに必要とされるためである。
In other words, when the current value I of the
(実施形態8)
図12は実施形態8を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図12に示すように、温度T3およびスタック1の電流値Iの双方に応じて、温度T2の目標温度T2targetのデータがマップに格納されている。I1<I2<I3とされている。図12に示すように、温度T3が基準温度Tc2以上のときにおいて(筐体30の温度低下が過剰でないとき)、温度T3が低い場合には温度T3が高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。またスタック1で発電される電流値Iが高い場合には、温度T3が同一であっても、電流値Iが低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に高くなるように設定されている。
(Embodiment 8)
FIG. 12 shows an eighth embodiment. The present embodiment has basically the same configuration and effect as the first embodiment. As shown in FIG. 12, data of the target temperature T2target of the temperature T2 is stored in the map in accordance with both the temperature T3 and the current value I of the
(実施形態9)
図13は実施形態9を示す。本実施形態は実施形態8と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図13は、メモリ73に格納されているマップの軸を示す。図13に示すように、このマップは、温度T1に関する軸と、温度T3に関する軸と、電流値Iに関する軸との三次元座標をもつ。このマップによれば、温度T3が同一であれば、温度T1が低い場合には高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。また、温度T1が同一であれば、温度T3が低い場合には高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。更に、温度T1および温度T3が同一であっても、スタック1で発電される電流値Iが低い場合には、電流値Iが高い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetが相対的に低くなるように設定されている。
(Embodiment 9)
FIG. 13 shows a ninth embodiment. This embodiment has basically the same configuration and function as the eighth embodiment. FIG. 13 shows the axes of the map stored in the
(実施形態10)
図14は実施形態10を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。バイパスバルブ5Bは、オフガスが流れるオフガス通路の一部となり得る迂回通路6に設けられており、迂回通路6を開閉するものであり、実施例1に係るバイパスバルブ5と同様の機能を奏する。バイパスバルブ5Bは、全開放と全閉鎖とを切り替える開閉バルブ賭しても良い。この場合、開タイミングと閉タイミングとでT2targetに幅を持たせることもできる。またバイパスバルブ5Bは、デューティ比により流量を可変的に制御することも可能である。
(Embodiment 10)
FIG. 14 shows a tenth embodiment. The present embodiment has basically the same configuration and effect as the first embodiment. The
(その他)
上記した実施形態によれば、マップにより温度T2の目標温度T2targetを設定することにしている。しかしながらマップに限らず、温度T1、温度T2および電流値Iのうちの少なくとも一つをパラメータとする演算式に基づいて、目標温度T2targetを求めることにしても良い。この場合にもマップにおける目標温度T2targetと同値または近似値となるように設定する。
(Other)
According to the embodiment described above, the target temperature T2target of the temperature T2 is set by the map. However, the present invention is not limited to the map, and the target temperature T2target may be obtained based on an arithmetic expression using at least one of the temperature T1, the temperature T2, and the current value I as a parameter. Also in this case, the target temperature T2target in the map is set to be the same value or approximate value.
加湿器は、中空糸膜を多数有する構造でも良い。この場合、中空糸膜の中空室は、第1通路および第2通路のうちのいずれか一方とされている。中空糸膜の外方空間は、第1通路および第2通路のうちのいずれか他方とされている。中空糸膜は水分保持部材とされる。迂回通路6の他端6fはオフガス通路4のうち加湿器3の下流に繋がるが、これに限らず、迂回通路6の他端6fをオフガス通路4につなげること無く、そのまま外気に放出させても良い。カソードガスとして空気が採用されているが、酸素ガスでも良いし、酸素含有ガスでも良い。その他、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。ある実施形態に特有の構造および機能は、他の実施形態についても適用できる。従って複数の実施形態に特有の構造および機能を併有させることもできる。
The humidifier may have a structure having many hollow fiber membranes. In this case, the hollow chamber of the hollow fiber membrane is one of the first passage and the second passage. The outer space of the hollow fiber membrane is the other of the first passage and the second passage. The hollow fiber membrane is a moisture retaining member. The
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システムに利用できる。 The present invention can be used in, for example, stationary fuel cells, vehicles, electric devices, electronic devices, and portable fuel cell systems.
1はスタック、10はカソード、11はアノード、2はカソードガス通路、20はポンプ、21は吸入口、3は加湿器、30は筐体、31は第1通路、32は第2通路、33は水分保持部材、4はオフガス通路、5はバイパスバルブ(調整要素)、6は迂回通路、7は制御装置(制御手段)、81は第1温度センサ、82は第2温度センサ、83は第3温度センサを示す。 1 is a stack, 10 is a cathode, 11 is an anode, 2 is a cathode gas passage, 20 is a pump, 21 is a suction port, 3 is a humidifier, 30 is a housing, 31 is a first passage, 32 is a second passage, 33 Is a moisture retaining member, 4 is an off-gas passage, 5 is a bypass valve (adjusting element), 6 is a bypass passage, 7 is a control device (control means), 81 is a first temperature sensor, 82 is a second temperature sensor, and 83 is a first 3 shows a temperature sensor.
Claims (5)
前記燃料電池の前記カソードから吐出されたオフガスを流すオフガス通路と、
前記カソードガス通路および前記オフガス通路に繋がり、前記燃料電池の前記カソードに供給される前のカソードガスが流れる第1通路と、前記燃料電池の前記カソードから吐出された発電後のオフガスが流れる第2通路と、前記第2通路のオフガスの熱および水分を前記第1通路のカソードガスに移動させる水分保持部材とを有する加湿器と、
前記オフガス通路を流れ且つカソードガスよりも高温および高湿のオフガスについて、前記加湿器の前記第2通路に供給する供給流量を調整可能に前記オフガス通路に設けられた調整要素と、
前記調整要素を制御することにより前記供給流量を調整し、前記加湿器の前記第2通路内のオフガスから前記加湿器の前記水分保持部材への熱および水分の伝達を調整し、前記燃料電池の前記カソードに供給される前であって前記加湿器の前記第1通路で加湿されたカソードガスの温度を制御する制御手段とを具備しており、
前記制御手段は、
前記加湿器の前記第1通路に供給される前のカソードガスの温度、または、前記加湿器の筐体の温度をTaとし、前記燃料電池のカソードに供給される前であって前記加湿器の前記第1通路で加湿されたカソードガスの温度をT2とし、温度T2の目標温度をT2targetとするとき、
温度T2が目標温度T2targetに近づくように前記調整要素を制御して前記供給流量を調整する調整要素制御手段と、
温度Taがこれの基準温度以上のとき、温度Taが低い場合には温度Taが高い場合よりも、目標温度T2targetを相対的に低く設定する温度設定則を有する目標温度設定手段とを具備する燃料電池用加湿装置。 A cathode gas passage for supplying cathode gas to the cathode of the fuel cell;
An offgas passage for flowing offgas discharged from the cathode of the fuel cell;
A first passage that is connected to the cathode gas passage and the off gas passage and through which the cathode gas before being supplied to the cathode of the fuel cell flows, and a second passage through which the off gas after power generation discharged from the cathode of the fuel cell flows. A humidifier having a passage and a moisture retaining member that moves heat and moisture of the off-gas in the second passage to the cathode gas in the first passage;
An adjustment element provided in the off-gas passage so that the supply flow rate supplied to the second passage of the humidifier can be adjusted with respect to the off-gas flowing in the off-gas passage and having a higher temperature and higher humidity than the cathode gas;
The supply flow rate is adjusted by controlling the adjustment element, heat and moisture transfer from the off gas in the second passage of the humidifier to the moisture holding member of the humidifier is adjusted, and the fuel cell Control means for controlling the temperature of the cathode gas humidified in the first passage of the humidifier before being supplied to the cathode,
The control means includes
The temperature of the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier or the temperature of the casing of the humidifier is Ta, and before being supplied to the cathode of the fuel cell, the temperature of the humidifier When the temperature of the cathode gas humidified in the first passage is T2, and the target temperature of the temperature T2 is T2target,
Adjustment element control means for adjusting the supply flow rate by controlling the adjustment element so that the temperature T2 approaches the target temperature T2target;
And a target temperature setting means having a temperature setting rule for setting the target temperature T2target relatively lower when the temperature Ta is lower than the reference temperature when the temperature Ta is lower than when the temperature Ta is higher. Humidifier for batteries.
前記目標温度設定手段は、温度T1が低い場合には温度T1が高い場合よりも温度T2の目標温度T2targetを相対的に低くし、且つ、温度T1が高い場合には温度T1が低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetを相対的に高く設定する燃料電池用加湿装置。 In claim 1, the temperature Ta is the temperature T1 of the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier,
The target temperature setting means relatively lowers the target temperature T2target of the temperature T2 when the temperature T1 is low than when the temperature T1 is high, and when the temperature T1 is high than when the temperature T1 is low. A fuel cell humidifier that sets the target temperature T2target of the temperature T2 to be relatively high.
前記目標温度設定手段は、温度T3が低い場合には温度T3が高い場合よりも温度T2の目標温度T2targetを相対的に低くし、且つ、温度T3が高い場合には温度T3が低い場合よりも、温度T2の目標温度T2targetを相対的に高く設定する燃料電池用加湿装置。 In Claim 1, temperature Ta is temperature T3 of the case of the humidifier,
The target temperature setting means relatively lowers the target temperature T2target of the temperature T2 when the temperature T3 is low than when the temperature T3 is high, and more than when the temperature T3 is low when the temperature T3 is high. A fuel cell humidifier that sets the target temperature T2target of the temperature T2 to be relatively high.
前記燃料電池の前記カソードから吐出されたオフガスを流すオフガス通路と、
前記カソードガス通路および前記オフガス通路に繋がり、前記燃料電池の前記カソードに供給される前のカソードガスが流れる第1通路と、前記燃料電池の前記カソードから吐出された発電後のオフガスが流れる第2通路と、前記第2通路のオフガスの熱および水分を前記第1通路のカソードガスに移動させる水分保持部材とを有する加湿器と、
前記オフガス通路を流れ且つカソードガスよりも高温および高湿のオフガスについて、前記加湿器の前記第2通路に供給する供給流量を調整可能に前記オフガス通路に設けられた調整要素と、
前記調整要素を制御することにより前記供給流量を調整し、前記加湿器の前記第2通路内のオフガスから前記加湿器の前記水分保持部材への熱および水分の伝達を調整し、前記燃料電池の前記カソードに供給される前であって前記加湿器の前記第1通路で加湿されたカソードガスの温度を制御する制御手段とを具備しており、
前記制御手段は、
前記加湿器の前記第1通路に供給される前のカソードガスの温度、または、前記加湿器の筐体の温度をTaとし、前記燃料電池のカソードに供給される前であって前記加湿器の前記第1通路で加湿されたカソードガスの温度をT2とし、温度T2の目標温度をT2targetとするとき、
温度T2が目標温度T2targetに近づくように前記調整要素を制御して前記供給流量を調整する調整要素制御手段と、
温度Taが基準温度範囲内のとき、温度Taが低い場合には温度Taが高い場合よりも、目標温度T2targetを相対的に低く設定する温度設定則を有する目標温度設定手段とを具備する燃料電池用加湿装置。 A cathode gas passage for supplying cathode gas to the cathode of the fuel cell;
An offgas passage for flowing offgas discharged from the cathode of the fuel cell;
A first passage that is connected to the cathode gas passage and the off gas passage and through which the cathode gas before being supplied to the cathode of the fuel cell flows, and a second passage through which the off gas after power generation discharged from the cathode of the fuel cell flows. A humidifier having a passage and a moisture retaining member that moves heat and moisture of the off-gas in the second passage to the cathode gas in the first passage;
An adjustment element provided in the off-gas passage so that the supply flow rate supplied to the second passage of the humidifier can be adjusted with respect to the off-gas flowing in the off-gas passage and having a higher temperature and higher humidity than the cathode gas;
The supply flow rate is adjusted by controlling the adjustment element, heat and moisture transfer from the off gas in the second passage of the humidifier to the moisture holding member of the humidifier is adjusted, and the fuel cell Control means for controlling the temperature of the cathode gas humidified in the first passage of the humidifier before being supplied to the cathode,
The control means includes
The temperature of the cathode gas before being supplied to the first passage of the humidifier or the temperature of the casing of the humidifier is Ta, and before being supplied to the cathode of the fuel cell, the temperature of the humidifier When the temperature of the cathode gas humidified in the first passage is T2, and the target temperature of the temperature T2 is T2target,
Adjustment element control means for adjusting the supply flow rate by controlling the adjustment element so that the temperature T2 approaches the target temperature T2target;
A fuel cell comprising target temperature setting means having a temperature setting rule for setting the target temperature T2target relatively lower when the temperature Ta is within the reference temperature range and when the temperature Ta is lower than when the temperature Ta is high Humidifying device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007189502A JP2009026642A (en) | 2007-07-20 | 2007-07-20 | Humidifying device for fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2007189502A JP2009026642A (en) | 2007-07-20 | 2007-07-20 | Humidifying device for fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2009026642A true JP2009026642A (en) | 2009-02-05 |
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Family Applications (1)
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-
2007
- 2007-07-20 JP JP2007189502A patent/JP2009026642A/en active Pending
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