JP2009289577A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a humidifier for humidifying a reaction gas supplied to a fuel cell.
燃料電池システムは、一般的には、反応ガスにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器とを備えている。燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿すれば、燃料電池のイオン伝導膜のイオン伝導率を高めに維持でき、燃料電池の発電性能が高められる。 A fuel cell system generally includes a fuel cell that generates electric power using a reaction gas, a supply path that supplies the reaction gas to the fuel cell, and a humidifier that humidifies the reaction gas before being supplied to the fuel cell. Yes. If the reaction gas before being supplied to the fuel cell is humidified, the ion conductivity of the ion conductive membrane of the fuel cell can be maintained high, and the power generation performance of the fuel cell can be enhanced.
特許文献1には、アノードガスを生成させる改質器と、燃料電池と、アノードガスの温度を検知する検知手段と、燃料電池の温度を検知する検知手段と、燃料電池とアノードガスとの温度差を制御することにより、燃料電池のイオン伝導膜の湿潤状態を制御する燃料電池システムが開示されている。 Patent Document 1 discloses a reformer that generates anode gas, a fuel cell, a detection unit that detects the temperature of the anode gas, a detection unit that detects the temperature of the fuel cell, and the temperatures of the fuel cell and the anode gas. A fuel cell system that controls the wet state of an ion conductive membrane of a fuel cell by controlling the difference is disclosed.
特許文献2には、凍結が発生するような低温雰囲気で燃料電池を起動させるとき、燃料電池の温度を検知し、凍結が発生するような燃料電池の温度が低温であるとき、加湿器による加湿量を減少させる燃料電池の加湿器が開示されている。
燃料電池の発電を開始するとき、燃料電池の定常運転時に比較して、燃料電池の内部の温度の安定性および均一性は、必ずしも充分ではない。このため燃料電池の発電起動時には、燃料電池の内部においてフラッディングが発生し易い。 When the power generation of the fuel cell is started, the stability and uniformity of the temperature inside the fuel cell are not necessarily sufficient as compared with the steady operation of the fuel cell. For this reason, when the power generation of the fuel cell is started, flooding is likely to occur inside the fuel cell.
特許文献1は、反応ガスを加湿する加湿器を搭載しているものではないため、加湿後の反応ガスの温度に関する技術ではない。特許文献2は、燃料電池の発電起動時における燃料電池の凍結防止に関するものである。
Since Patent Document 1 does not include a humidifier that humidifies the reaction gas, it is not a technique related to the temperature of the reaction gas after humidification.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電起動時において、燃料電池に供給された反応ガスが燃料電池の内部で急激に冷却されることが抑制され、この結果、反応ガスに含まれている水蒸気が燃料電池の内部において凝縮することが抑制され、このため燃料電池の発電起動時に燃料電池の内部におけるフラッディングが抑制される燃料電池システム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 at the time of power generation start of the fuel cell, the reaction gas supplied to the fuel cell is suppressed from being rapidly cooled inside the fuel cell, and as a result, An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the water vapor contained in the reaction gas is suppressed from condensing inside the fuel cell, and thus flooding inside the fuel cell is suppressed when the power generation of the fuel cell is started. .
本発明に係る燃料電池システムは、(i)反応ガスにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、(ii)供給路に設けられ、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器と、(iii)加湿器の温度を調整することにより、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整要素と、(iv)燃料電池の発電起動時において、燃料電池および反応ガスを昇温させつつ、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する制御装置とを具備する。 A fuel cell system according to the present invention includes: (i) a fuel cell that generates power using a reaction gas; a supply path that supplies the reaction gas to the fuel cell; and (ii) a supply path that is provided in the supply path before being supplied to the fuel cell. A humidifier for humidifying the reaction gas; (iii) a reaction gas temperature adjusting element for adjusting the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell by adjusting the temperature of the humidifier; and (iv) the fuel cell At the time of power generation start-up, while the temperature of the fuel cell and the reaction gas is raised, the reaction gas temperature adjusting element is controlled so that the temperature of the reaction gas is maintained lower than the temperature of the fuel cell, and before the fuel cell is supplied And a control device for controlling the temperature of the reaction gas.
燃料電池の発電起動時において、制御装置は反応ガス温度調整要素を制御することにより、加湿器の温度を制御する。これにより制御装置は、加湿後で且つ燃料電池に供給される前の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように制御する。これにより加湿後の反応ガスが燃料電池に供給されることにより燃料電池の内部において冷却されることが抑制される。従って、加湿後の反応ガスが燃料電池の内部において冷却されることが抑制される。よって、反応ガスに含まれている水蒸気が燃料電池の内部において凝縮することが抑制される。このため燃料電池の発電起動時において、燃料電池の内部においてフラッディングが抑制される。フラッディングは液相状の水により燃料電池のガス流路が塞がれることを意味する。 At the start of power generation of the fuel cell, the control device controls the temperature of the humidifier by controlling the reaction gas temperature adjusting element. Thereby, the control device controls the temperature of the reaction gas after being humidified and before being supplied to the fuel cell to be kept lower than the temperature of the fuel cell. As a result, the humidified reaction gas is suppressed from being cooled in the fuel cell by being supplied to the fuel cell. Therefore, it is suppressed that the reaction gas after humidification is cooled inside the fuel cell. Therefore, the water vapor contained in the reaction gas is suppressed from condensing inside the fuel cell. For this reason, flooding is suppressed inside the fuel cell when the power generation of the fuel cell is started. Flooding means that the gas flow path of the fuel cell is blocked by liquid phase water.
本発明によれば、燃料電池は反応ガスにより発電する。供給路は反応ガスを燃料電池に供給する。加湿器は供給路に設けられており、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する。加湿器で加湿される反応ガスとしては、カソードガスでも良いし、アノードガスでも良い。両者でも良い。反応ガス温度調整要素は、加湿器の温度を調整することにより、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整する。反応ガス温度調整要素は、ヒータで加湿器を温度調整する方式でも良いし、あるいは、燃料電池から排出された発電反応後のオフガスを加湿器に供給する流量を制御することにより加湿器の温度を調整する方式でも良いし、あるいは、燃料電池に供給される発電反応前の反応ガスを加湿器に供給する流量を制御することにより加湿器の温度を調整する方式でも良い。 According to the present invention, the fuel cell generates power with the reaction gas. The supply path supplies the reaction gas to the fuel cell. The humidifier is provided in the supply path, and humidifies the reaction gas before being supplied to the fuel cell. The reaction gas humidified by the humidifier may be a cathode gas or an anode gas. Both are good. The reaction gas temperature adjusting element adjusts the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell by adjusting the temperature of the humidifier. The reaction gas temperature adjustment element may be a method of adjusting the temperature of the humidifier with a heater, or the temperature of the humidifier is controlled by controlling the flow rate at which the off-gas after the power generation reaction discharged from the fuel cell is supplied to the humidifier. A method of adjusting the temperature of the humidifier may be used by controlling a flow rate at which the reaction gas before power generation reaction supplied to the fuel cell is supplied to the humidifier.
制御装置は、燃料電池の発電起動時において、加湿後の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、この結果、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する。発電起動時とは、一般的には、反応ガスを加湿器に供給するとき、発電開始する時刻を開始点とし、燃料電池の温度がこれの目標温度に安定的に到達されるまでの期間をいう。発電起動時の終了点は、燃料電池の温度がこれの目標温度に到達した時刻とすることができる。燃料電池の目標温度は燃料電池システムの種類に応じて設定される。あるいは、発電起動時の終了点は、燃料電池の温度が目標温度に到達した時点から所定時間経過した時刻とすることができる。所定時間は、燃料電池システムの種類に応じて設定され、燃料電池の温度が目標温度に到達してから1秒〜2時間の範囲内における任意値として設定できる。燃料電池の温度としては、燃料電池に取り付けた温度センサの温度としても良いし、あるいは、冷却媒体が流れる冷却路が燃料電池に設けられている場合には、冷却路の入口を流れる冷却媒体の温度Tiとしても良いし、冷却路の出口を流れる冷却媒体の温度Toとしても良いし、温度Tiおよび温度Toのうちの低い方としても良い。ここで、温度Tiおよび温度Toのうちいずれか低い温度を燃料電池の温度として採用すれば、加湿後の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持される確率が高くなり、フラッディングの抑制に有利であるという利点が得られる。 The control device controls the reaction gas temperature adjustment element so that the temperature of the reaction gas after humidification is maintained lower than the temperature of the fuel cell at the time of power generation start of the fuel cell, and as a result, the control device supplies the fuel cell to the fuel cell. Control the temperature of the previous reaction gas. When power generation is started, in general, when supplying reaction gas to the humidifier, the time when power generation starts is the starting point, and the period of time until the temperature of the fuel cell reaches its target temperature stably. Say. The end point at the start of power generation can be the time when the temperature of the fuel cell reaches its target temperature. The target temperature of the fuel cell is set according to the type of the fuel cell system. Alternatively, the end point at the start of power generation can be a time when a predetermined time has elapsed from the time when the temperature of the fuel cell has reached the target temperature. The predetermined time is set according to the type of the fuel cell system, and can be set as an arbitrary value within a range of 1 second to 2 hours after the temperature of the fuel cell reaches the target temperature. The temperature of the fuel cell may be the temperature of a temperature sensor attached to the fuel cell, or if the fuel cell is provided with a cooling path through which the cooling medium flows, the cooling medium flowing through the inlet of the cooling path It may be the temperature Ti, may be the temperature To of the cooling medium flowing through the outlet of the cooling path, or may be the lower of the temperature Ti and the temperature To. Here, if any one of the temperature Ti and the temperature To is adopted as the temperature of the fuel cell, the probability that the temperature of the reaction gas after humidification is maintained lower than the temperature of the fuel cell is increased, and flooding is suppressed. The advantage of being advantageous is obtained.
本発明は好ましくは次の態様が採用できる。 The present invention can preferably employ the following aspects.
・好ましくは、加湿器は、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿させる加湿路と、燃料電池から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路とを有する。この場合、反応ガス温度調整要素は、燃料電池から排出されたオフガスが加湿器の吸湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であることが好ましい。流量調整要素としてはバルブ、可変絞り等が例示される。制御装置は、流量調整要素を制御することにより、燃料電池から排出されたオフガスが加湿器の吸湿路を流れる流量を調整し、熱をもつオフガスから加湿器への伝熱を制御することが好ましい。オフガスは、燃料電池から排出された発電反応後のガスを意味する。燃料電池は発電運転により発熱すると共に水を発生する。このため、一般的には、オフガスは、燃料電池に供給される前の反応ガスに比較して湿度および温度が相対的に高い。このためオフガスが加湿器の吸湿路を流れる流量が調整されると、オフガスから加湿器への伝熱および水伝達が制御される。これにより加湿器の温度が調整される。ひいては加湿器を流れる反応ガスの温度が調整される。 -Preferably, a humidifier has a humidification path which humidifies the reaction gas before being supplied to a fuel cell, and a moisture absorption path which reduces the water | moisture content of the off gas discharged | emitted from the fuel cell. In this case, the reaction gas temperature adjustment element is preferably a flow rate adjustment element that adjusts the flow rate of the off gas discharged from the fuel cell through the moisture absorption path of the humidifier. Examples of the flow rate adjusting element include a valve and a variable throttle. The control device preferably controls the heat transfer from the off-gas having heat to the humidifier by adjusting the flow rate of the off-gas discharged from the fuel cell through the moisture absorption path by controlling the flow rate adjusting element. . Off gas means the gas after the power generation reaction discharged from the fuel cell. The fuel cell generates heat and generates water by power generation operation. For this reason, in general, the off-gas has a relatively high humidity and temperature compared to the reaction gas before being supplied to the fuel cell. For this reason, when the flow rate of the off gas flowing through the moisture absorption path of the humidifier is adjusted, heat transfer and water transfer from the off gas to the humidifier are controlled. Thereby, the temperature of the humidifier is adjusted. As a result, the temperature of the reaction gas flowing through the humidifier is adjusted.
・好ましくは、加湿器は、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿させる加湿路と、燃料電池から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路とを有する。この場合、反応ガス温度調整要素は、燃料電池に供給される前の反応ガスが加湿器の加湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であることが好ましい。制御装置は、流量調整要素を制御することにより、燃料電池に供給される前の反応ガスが加湿器の加湿路を流れる流量を調整し、加湿器から反応ガスへの伝熱量を制御することが好ましい。このように反応ガスが加湿器の加湿路を流れる流量が調整されると、加湿器から反応ガスへの伝熱量が制御される。これにより燃料電池に供給される前の反応ガスの温度が調整される。 -Preferably, a humidifier has a humidification path which humidifies the reaction gas before being supplied to a fuel cell, and a moisture absorption path which reduces the water | moisture content of the off gas discharged | emitted from the fuel cell. In this case, the reaction gas temperature adjustment element is preferably a flow rate adjustment element that adjusts the flow rate of the reaction gas before being supplied to the fuel cell through the humidification path of the humidifier. The control device can control the amount of heat transfer from the humidifier to the reaction gas by controlling the flow rate adjustment element to adjust the flow rate of the reaction gas before being supplied to the fuel cell through the humidification path of the humidifier. preferable. When the flow rate of the reaction gas flowing through the humidification path of the humidifier is adjusted in this way, the amount of heat transferred from the humidifier to the reaction gas is controlled. As a result, the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell is adjusted.
・好ましくは、燃料電池にこれを冷却させる冷却路が設けられている場合には、燃料電池の温度は、燃料電池の冷却路を流れる冷却媒体の温度とすることができる。スタックの内部自体に温度センサおよびその配線を設けると、反応ガスのシール性を高めることが要請される。 -Preferably, when the fuel cell is provided with a cooling path for cooling it, the temperature of the fuel cell can be the temperature of the cooling medium flowing through the cooling path of the fuel cell. When a temperature sensor and its wiring are provided inside the stack itself, it is required to improve the sealing performance of the reaction gas.
・好ましくは、燃料電池は、燃料電池を冷却させるために冷却媒体を通過させる冷却路をもつ。冷却路の入口または入口付近を流れる冷却媒体の温度を検知する入口温度センサと、冷却路の出口または出口付近を流れる冷却媒体の温度を検知する出口温度センサとが設けられていることが好ましい。この場合、制御装置は、入口温度センサが検知した入口側の温度と出口温度センサが検知した出口側の温度とのうち低い方の温度を、制御装置は、燃料電池の温度として選択することが好ましい。燃料電池の発電起動時においては、燃料電池の内部の温度の安定性および均一性は、必ずしも充分ではない。冷却路の入口を流れる冷却媒体の温度をTiとし、冷却路の出口を流れる冷却媒体の温度をToとするとき、Ti>Toであったり、To>Tiであったり、Ti=Toであったりする。例えば、燃料電池の発電起動時であっても、燃料電池の発熱が少ない前期では、Ti>Toとなり易い。しかし、後期では燃料電池における発熱が増加するため、To>Tiとなり易い。従って、温度Tiおよび温度Toのうちいずれか低い温度を採用すれば、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持される確率が高くなる。よって、フラッディングの抑制に有利であるという利点が得られる。 Preferably, the fuel cell has a cooling path through which a cooling medium passes to cool the fuel cell. It is preferable that an inlet temperature sensor for detecting the temperature of the cooling medium flowing near or at the inlet of the cooling path and an outlet temperature sensor for detecting the temperature of the cooling medium flowing near or at the outlet of the cooling path are provided. In this case, the control device may select the lower one of the inlet side temperature detected by the inlet temperature sensor and the outlet side temperature detected by the outlet temperature sensor as the temperature of the fuel cell. preferable. At the time of power generation start-up of the fuel cell, the stability and uniformity of the temperature inside the fuel cell are not always sufficient. When the temperature of the cooling medium flowing through the inlet of the cooling path is Ti and the temperature of the cooling medium flowing through the outlet of the cooling path is To, Ti> To, To> Ti, or Ti = To To do. For example, even when the power generation of the fuel cell is started, Ti> To is likely to occur in the previous period when the fuel cell generates little heat. However, since heat generation in the fuel cell increases in the latter period, To> Ti tends to be satisfied. Therefore, if any one of the temperature Ti and the temperature To is adopted, the probability that the temperature of the reaction gas is kept lower than the temperature of the fuel cell is increased. Therefore, there is an advantage that it is advantageous for suppressing flooding.
・好ましくは、燃料電池の発電起動時において燃料電池を昇温させる燃料電池昇温要素が設けられている。燃料電池昇温要素は、燃料電池を昇温できるものであれば良く、電気ヒータ、ガスヒータが例示される。更に、熱媒体で熱交換する熱交換器等が例示される。制御装置は、燃料電池の発電起動時において、燃料電池および反応ガスを昇温させつつ、加湿後の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも所定温度Td(燃料電池の温度−反応ガスの温度=Td)ぶん低く維持されるように、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御することが好ましい。所定温度Tdは、燃料電池システムに応じて実験または等に基づいて設定され、例えば1〜20℃の範囲内、1〜10℃の範囲内で設定される。但しこれに限定されるものではない。 -Preferably, the fuel cell temperature rising element which heats up a fuel cell at the time of the power generation start-up of a fuel cell is provided. The fuel cell temperature raising element may be any element that can raise the temperature of the fuel cell, and examples thereof include an electric heater and a gas heater. Furthermore, the heat exchanger etc. which heat-exchange with a heat medium are illustrated. The control device raises the temperature of the fuel cell and the reaction gas at the time of starting the power generation of the fuel cell, and the temperature of the reaction gas after humidification is higher than the temperature of the fuel cell by a predetermined temperature Td (temperature of the fuel cell−temperature of the reaction gas). = Td) It is preferable to control the temperature of the reaction gas before it is supplied to the fuel cell so that it is kept low. The predetermined temperature Td is set based on experiments or the like according to the fuel cell system, and is set within a range of 1 to 20 ° C., for example, within a range of 1 to 10 ° C. However, it is not limited to this.
・制御装置は、燃料電池の発電起動時において、燃料電池を昇温させる燃料電池昇温操作と、加湿器を昇温させる加湿器昇温操作と、反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整操作とを順に実施することが好ましい。燃料電池昇温操作では、燃料電池昇温要素により燃料電池の温度を昇温させる。加湿器昇温操作では、燃料電池の温度が常温域を超える所定の昇温温度域に昇温した状態において、反応ガスの流量の60%以上が加湿器の加湿路を迂回するように反応ガスの加湿を抑えつつ反応ガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池から排出されたオフガスの流量の60%以上を加湿器の吸湿路に流して加湿器を更に昇温させる。反応ガス温度調整操作では、反応ガスの流量の60%以上を加湿器の加湿路を通過させて反応ガスを加湿させた状態で、反応ガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池から排出されたオフガスが加湿器の吸湿路を迂回する流量を調整しつつ、オフガスを燃料電池から排出させる。オフガスは、燃料電池に供給される前の反応ガスよりも高温高湿であることが多い。ここで、反応ガス温度調整操作では、オフガスの流量の60%以上を加湿器の吸湿路に流すため、オフガスから加湿器への伝熱量が確保され、加湿器の昇温速度を早めることができる。上記した『60%以上』としては、70%以上、80%以上、90%以上、100%が例示される。 -When the fuel cell power generation is started, the control device is a fuel cell temperature raising operation for raising the temperature of the fuel cell, a humidifier temperature raising operation for raising the temperature of the humidifier, and a reaction gas temperature adjustment for adjusting the temperature of the reaction gas. The operations are preferably performed in order. In the fuel cell temperature raising operation, the temperature of the fuel cell is raised by the fuel cell temperature raising element. In the humidifier temperature raising operation, the reaction gas is such that 60% or more of the flow rate of the reaction gas bypasses the humidification path of the humidifier when the temperature of the fuel cell is raised to a predetermined temperature rise range exceeding the normal temperature range. While suppressing the humidification of the fuel, the reaction gas is supplied to the fuel cell, and 60% or more of the flow rate of the off-gas discharged from the fuel cell is passed through the humidification passage of the humidifier to further raise the temperature of the humidifier. In the reaction gas temperature adjustment operation, 60% or more of the flow rate of the reaction gas is passed through the humidification passage of the humidifier to humidify the reaction gas, and the reaction gas is supplied to the fuel cell and discharged from the fuel cell. The off gas is discharged from the fuel cell while adjusting the flow rate of the off gas bypassing the moisture absorption path of the humidifier. The off-gas is often hotter and more humid than the reaction gas before being supplied to the fuel cell. Here, in the reaction gas temperature adjustment operation, 60% or more of the flow rate of the off gas flows through the moisture absorption path of the humidifier, so that the amount of heat transfer from the off gas to the humidifier is ensured, and the heating rate of the humidifier can be increased. . Examples of the above “60% or more” include 70% or more, 80% or more, 90% or more, and 100%.
・燃料電池の定常運転(定格運転)時において、燃料電池の発電起動時よりも、燃料電池の内部の温度の安定性および/または均一性が向上するため、フラッディングが発生しにくくなる。そこで、好ましくは、制御装置は、燃料電池の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Tdぶん低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、且つ、燃料電池の定常運転(例えば定格運転)時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Td2(Td2<Td)ぶん低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御する。定格とは、指定された条件のもとで燃料電池が連続運転できるように、製造者が保証する使用上の限界をいい、一般的には銘板に表示されている。 In the steady operation (rated operation) of the fuel cell, the stability and / or uniformity of the temperature inside the fuel cell is improved compared to when the power generation of the fuel cell is started, so that flooding is less likely to occur. Therefore, preferably, the control device controls the reaction gas temperature adjustment element so that the temperature of the reaction gas is maintained by a temperature Td lower than the temperature of the fuel cell at the start of power generation of the fuel cell, and the fuel cell In the steady operation (for example, rated operation), the reaction gas temperature adjustment element is controlled so that the temperature of the reaction gas is maintained by a temperature Td2 (Td2 <Td) lower than the temperature of the fuel cell. The rating is the limit of use guaranteed by the manufacturer so that the fuel cell can be operated continuously under specified conditions, and is generally indicated on the nameplate.
・燃料電池の発電起動時においてこれの前期よりも後期においては、燃料電池の内部の温度の安定性および/または均一性が向上するため、フラッディングが発生しにくくなる。そこで、好ましくは、制御装置は、燃料電池の発電起動時における前期において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Td低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、且つ、燃料電池の発電起動時における後期において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Te(Te<Td)低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御する。ここで、発電起動時における後期とは、発電起動時において、燃料電池の温度Tcellが所定温度Txに昇温した後の期間をいう。発電起動時における前期とは、燃料電池の温度Tcellが所定温度Txに昇温するまでの期間をいう。所定温度Txは、燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて設定でき、反応ガスを燃料電池の供給する前における燃料電池の温度Tcellと定常運転時における燃料電池の温度Tsetとの中間に位置する温度であり、例えば40〜70℃の範囲内において設定できる。 At the time of starting the power generation of the fuel cell, the stability and / or uniformity of the temperature inside the fuel cell is improved later than the previous period, so that flooding is less likely to occur. Therefore, preferably, the control device controls the reaction gas temperature adjusting element so that the temperature of the reaction gas is maintained lower than the temperature of the fuel cell by a temperature Td in the first period when the power generation of the fuel cell is started. The reaction gas temperature adjusting element is controlled so that the temperature of the reaction gas is maintained at a temperature Te (Te <Td) lower than the temperature of the fuel cell in the later stage when the battery is activated. Here, the latter term at the time of starting power generation refers to a period after the temperature T cell of the fuel cell is raised to a predetermined temperature Tx at the time of starting power generation. The first period at the time of power generation startup refers to a period until the temperature T cell of the fuel cell rises to a predetermined temperature Tx. The predetermined temperature Tx can be set based on experiments or simulations according to the fuel cell system, and the fuel cell temperature T cell before supplying the reaction gas to the fuel cell and the fuel cell temperature T set during steady operation It is a temperature located in the middle, and can be set, for example, within a range of 40 to 70 ° C.
本発明によれば、制御装置は、燃料電池の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する。このため、燃料電池の発電起動時において、加湿後の反応ガスが燃料電池の内部に供給されるとき、反応ガスが燃料電池の内部により冷却されることが抑制される。ひいては、反応ガスに含まれている水蒸気が燃料電池の内部において凝縮することが抑制される。このため燃料電池の発電起動時に、燃料電池の内部においてフラッディングが発生することが抑制される。 According to the present invention, the control device controls the reaction gas temperature adjusting element so that the temperature of the reaction gas is maintained lower than the temperature of the fuel cell at the time of starting the power generation of the fuel cell, and is supplied to the fuel cell. Control the temperature of the previous reaction gas. For this reason, when the reaction gas after humidification is supplied to the inside of the fuel cell when the power generation of the fuel cell is started, the reaction gas is suppressed from being cooled by the inside of the fuel cell. As a result, the water vapor contained in the reaction gas is suppressed from condensing inside the fuel cell. For this reason, the occurrence of flooding inside the fuel cell is suppressed when the power generation of the fuel cell is started.
(実施形態1)
図1は実施形態1の概念を示す。燃料電池システムは、燃料電池のスタック1と、第1供給路2と、第2供給路3と、加湿器4と、制御装置5とを有する。燃料電池のスタック1は、反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスにより発電するものであり、カソードガスが供給されるカソード極10と、アノードガスが供給されるアノード極11と、カソード極10とアノード極11とを仕切る固体高分子型のイオン伝導膜12(例えば炭化フッ素系または炭化水素系)とを有するMEAを備える。MEAは、シート型でも良いし、チューブ型でも良い。更にスタック1は、スタック1を冷却させるために冷却媒体を通過させる冷却路15をもつ。冷却媒体としては、冷却水等の冷却液、冷却ガスが挙げられる。冷却路15には、スタック1の発電起動時においてスタック1を昇温させる燃料電池昇温要素16が設けられている。燃料電池昇温要素16は冷却媒体を加熱させる電気ヒータ17および熱交換器18で形成されている。熱交換器18は、燃料電池システムの改質器の燃焼排ガスの熱と熱交換させる熱交換器を含む。電気ヒータ17および熱交換器18のうちのいずれか一方としても良い。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the concept of the first embodiment. The fuel cell system includes a fuel cell stack 1, a
スタック1の冷却路15の入口15iを流れる冷却媒体の温度Tiを検知する入口温度センサ19iが設けられている。冷却路15の出口15oを流れる冷却媒体の温度Toを検知する出口温度センサ19oが設けられている。入口温度センサ19iの温度Tiの信号および出口温度センサ19oの温度Toの信号は、制御装置5に入力される。制御装置5は、温度Tiおよび温度Toのうちの低い方をスタック1の温度として採用することが好ましい。但しこれに限定されるものではない。
An inlet temperature sensor 19 i that detects the temperature Ti of the cooling medium flowing through the
第1供給路2は、反応ガスとしてのカソードガスをスタック1のカソード極10に供給する。第2供給路3は、反応ガスとしてのアノードガスをスタック1のアノード極11に供給するものであり、熱交換器32を有しており、改質器35に繋がる。更に第1排出路6および第2排出路7が設けられている。第1排出路6は、スタック1のカソード極10の出口10oから排出されるカソードガスのオフガスを排出させるものである。第2排出路7は、スタック1のアノード極11の出口11oから排出されるアノードガスのオフガスを排出させる。
The
加湿器4は第1供給路2及び第1排出路6に跨るように設けられており、スタック1のカソード極10の入口10iに供給される前のカソードガスを加湿する。加湿器4は、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿させる加湿路40と、スタック1から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路41と、加湿路40と吸湿路41とを仕切る膜状の水分保持部材42と、これらを保持するハウジング43とを有する。加湿路40は第1供給路2に連通し、第1供給路2を流れるカソードガスを加湿させる。吸湿路41は第1排出路6に連通し、第1排出路6を流れるオフガスから吸湿する。水分保持部材42は水伝達および熱伝達を行い得る水分保持膜(例えばイオン伝導膜)で形成されている。
The
第1供給路2のうち、加湿器4の加湿路40の上流には、カソードガスを搬送させるブロア20(搬送源)と、流量計21と、入口バルブ23とが設けられている。入口バルブ23はスタック1のカソード極10の入口10i側に加湿器4を介して配置されているものであり、加湿器4の加湿路40とブロア20との間に配置されている。第1供給路2に対して供給迂回路25が分岐されている。カソードガスが加湿器4の加湿路40を流れないように、供給迂回路25は加湿器4の加湿路40を迂回する。従って、供給迂回路25の下流は加湿器4の加湿路40の下流に繋がる。供給迂回路25の上流は加湿器4の加湿路40の上流の入口バルブ23に繋がる。第1供給路2において加湿器4の加湿路40の出口40o側には、第1温度センサ27が設けられている。第1温度センサ27は、第1供給路2において加湿器4の加湿路40の出口40oから排出された加湿直後のカソードガスの温度Tcを検知する。すなわち、第1温度センサ27は、スタック1のカソード極10の入口10iに供給させる直前のカソードガスの温度Tcを検知する。第1温度センサ27が検知した温度Tcの信号は、制御装置5に入力される。
In the
第2温度センサ33は、第2供給路3において熱交換器32から排出された直後のアノードガスの温度Taを検知する。すなわち、第2温度センサ33は、スタック1のアノード極11の入口11iに供給させる直前のアノードガスの温度Taを検知する。第2温度センサ33が検知した温度Taの信号は、制御装置5に入力される。
The
図1に示すように、第1排出路6において加湿器4の吸湿路41とスタック1のカソード極10との間には、流量調整要素として機能する出口バルブ63が配置されている。出口バルブ63はスタック1のカソード極10の出口10o側に設けられている。第1排出路6に対して排出迂回路65が分岐されている。オフガスが加湿器4の吸湿路41を流れないように、排出迂回路65は加湿器4の吸湿路41を迂回する。従って排出迂回路65の上流は加湿器4の吸湿路41の上流の出口バルブ63に繋がる。排出迂回路65の下流は加湿器4の吸湿路41の下流に繋がる。制御装置5は入口バルブ23および出口バルブ63の開度を制御する。
As shown in FIG. 1, an
本実施形態によれば、出口バルブ63は、排出迂回路65にガスを流す流量と吸湿路41にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。あるいは、出口バルブ63は、排出迂回路65および吸湿路41の双方にガスを流す第1操作と、排出迂回路65にガスを流さないものの吸湿路41にガスを流す第2操作とを交互に切り替えることができる。第1操作の時間tfと第2操作の時間tsとが交互に実施されれば、ts/tfの比により、排出迂回路65にガスを流す流量と加湿器4の吸湿路41にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。
According to the present embodiment, the
スタック1の出口10oから排出されるオフガスは発電反応を経ており、スタック1に供給される前のカソードガスよりも高温である。従って、加湿器4の吸湿路41を流れるオフガスの流量を制御すれば、オフガスから加湿器4のハウジング43および水分保持部材42への伝熱量を制御でき、これらの温度を調整できる。故に、本実施形態によれば、加湿器4の温度を調整するための反応ガス温度調整要素は、出口バルブ63と、排出迂回路65とで形成されている。
The off-gas discharged from the outlet 10o of the stack 1 undergoes a power generation reaction and is at a higher temperature than the cathode gas before being supplied to the stack 1. Therefore, if the flow rate of the off gas flowing through the
スタック1の発電起動時の操作について説明を加える。まず、発電開始前において改質器35の改質運転を開始し、アノードガスを改質器35で生成する。更に、燃料電池昇温要素16のヒータ17および熱交換器18により暖められた冷却媒体をスタック1の冷却路15に流すことにより、スタック1の温度Tcellを常温域を超える昇温温度域(例えば45〜55℃の範囲内)に昇温させておく。
The operation at the time of starting the power generation of the stack 1 will be described. First, the reforming operation of the reformer 35 is started before power generation is started, and anode gas is generated by the reformer 35. Further, the cooling medium warmed by the
その後、スタック1の発電起動を開始させる。スタック1の発電起動において、ブロア20を駆動させて第1供給路2からカソードガス(カソード活物質含有ガス,空気等の酸素含有ガス)を加湿器4の加湿路40に流して加湿させ、スタック1のカソード極10に供給する。同様に、改質器35で生成されたアノードガス(アノード活物質含有ガス,水素含有ガス,水素ガス)を第2供給路3からスタック1のアノード極11に供給する。これによりスタック1を電気負荷に電気接続した状態で、スタック1において発電を開始させる。カソードガスのオフガスはスタック1のカソード極10の出口10oから第1排出路6により排出される。アノードガスのオフガスはスタック1のアノード極11の出口11oから第2排出路7により排出される。
Thereafter, power generation start of the stack 1 is started. At the start of power generation of the stack 1, the
スタック1の発電運転においてスタック1は、発熱すると共に水を生成させる。従って、スタック1のカソード極10の出口10oから排出される発電反応後のオフガスは、スタック1のカソード極10の入口10iに供給させる発電反応前のカソードガスよりも、相対的に高温高湿である。従って、出口バルブ63の開度を調整することにより、排出迂回路65を流れるオフガスの流量を調整すれば、加湿器4の吸湿路41に供給されるオフガスの流量が制御される。ひいては高温のオフガスから加湿器4のハウジング43および水分保持部材42に伝達される熱量が制御され、加湿器4の温度が制御される。これにより加湿器4の加湿路40を流れる発電反応前のカソードガス(スタック1に供給される前)の温度Tcを制御できる。このようにオフガスが加湿器4の吸湿路41を流れる流量が調整されると、オフガスから加湿器4への伝熱および水伝達が制御される。これにより加湿器4の温度が調整される。ひいては加湿器4の加湿路40を流れるカソードガスの温度が調整される。なお、本明細書では流量は単位時間あたりの流量を意味する。
In the power generation operation of the stack 1, the stack 1 generates heat and generates water. Accordingly, the off-gas after the power generation reaction discharged from the outlet 10o of the
上記したようにスタック1の発電起動時には、制御装置5は、スタック1の温度Tcellよりも温度Ttd低い目標温度Ttargetを設定する。そして、スタック1の温度Tcellが昇温したとしても、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcが目標温度Ttargetに維持されるように、出口バルブ63の開度を制御する。すなわち、カソードガスの温度Tcが目標温度Ttargetよりも高くなったら、あるいは、カソードガスの温度Tcが目標温度Ttargetよりも高くなろうとしたら、制御装置5は出口バルブ63の開度を制御し、排出迂回路65に流れるオフガスの流量を増加させると共に、加湿器4の吸湿路41を流れるオフガスの流量を減少させる。これにより高温高湿のオフガスから加湿器4に移行する伝熱量を抑制させる。また、カソードガスの温度Tcが目標温度Ttargetよりも低下したら、制御装置5は出口バルブ63の開度を制御し、排出迂回路65に流れるオフガスの流量を減少させると共に、加湿器4の吸湿路41を流れるオフガスの流量を増加させる。これによりオフガスから加湿器4に移行する伝熱量を増加させる。このようにしてスタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcが目標温度Ttargetに維持されるように、制御装置5は出口バルブ63の開度を制御することにより、カソードガスの温度Tcを昇温させる。
As described above, at the time of starting the power generation of the stack 1, the
なお本実施形態においては、スタック1の発電起動時において、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcが目標温度Ttarget付近に維持される限り、第1供給路2においては、カソードガスの全量を加湿路40に流しても良いし、あるいは、加湿路40および供給迂回路25の双方に流しても良い。
In the present embodiment, when power generation of the stack 1 is started, as long as the temperature Tc of the cathode gas before being supplied to the stack 1 is maintained in the vicinity of the target temperature T target , The total amount may be supplied to the
図2はスタック1の発電起動時における昇温過程の一例を示す。図2において、特性線Sは、スタック1の温度Tcell(燃料電池の温度)を示す。特性線Gは、第1温度センサ27が検知したカソードガス(スタック1に供給される前)の温度Tcを示す。時刻t2は、スタック1にカソードガスおよびアノードガスが供給され、スタック1が発電を開始する時刻を示す。時刻t3は、スタック1の温度Tcellがこれの目標温度Tset(例えば70〜90℃の範囲内の任意値)に到達した時刻を示す。スタック1の発電運転は熱を発生させるため、スタック1は発電により次第に昇温する。従って、図2の特性線S,Gに示すように、制御装置5は、時間経過につれてスタック1の温度Tcellを次第に昇温させると共に、加湿器4を昇温させてカソードガスの温度Tcを次第に昇温させる。
FIG. 2 shows an example of a temperature raising process at the time of starting power generation of the stack 1. In FIG. 2, the characteristic line S indicates the temperature T cell (fuel cell temperature) of the stack 1. A characteristic line G indicates the temperature Tc of the cathode gas (before being supplied to the stack 1) detected by the
以上説明したように本実施形態によれば、スタック1の発電起動時(時刻t2〜時刻t3)にはスタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetは、スタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低い温度に設定されている。従って、制御装置5は、カソードガスの温度Tcを目標温度Ttarget(Ttarget=Tcell−Td)に維持するように、出口バルブ63の開度を制御させる。ここで、温度Tdは、燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて適宜設定されるものであり、例えば、2〜35℃の範囲内において、殊に5〜20℃の範囲内において適宜設定できる。
As described above, according to the present embodiment, the target temperature T target of the cathode gas temperature Tc before being supplied to the stack 1 when the power generation of the stack 1 is started (time t2 to time t3) is The temperature is set to a temperature Td lower than the temperature T cell . Therefore, the
スタック1の定常運転時(時刻t3以降)においても、スタック1の内部におけるフラッディングを抑制させることが好ましい。そこで、制御装置5は、図2に示すように、時刻t3経過後についても、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetは、スタック1の温度Tcellよりも温度Td2ぶん低い温度に設定することが好ましい。この場合、温度Td2=温度Tdとしてもよい。あるいは、スタック1の定常運転時には、スタック1の発電起動時と異なり、スタック1の内部の温度の安定性および均一性が高いため、温度Td2<温度Tdとしてもよい。
Even during the steady operation of the stack 1 (after time t3), it is preferable to suppress flooding inside the stack 1. Therefore, as shown in FIG. 2, the
ところで、スタック1の発電起動時においては、スタック1の内部の温度の安定性および均一性が必ずしも充分でない。この点本実施形態によれば、上記したようにカソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetは、スタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低い温度に設定されている(Ttarget=Tcell−Td)。従って、スタック1の内部の温度の安定性および均一性が必ずしも充分でないときにおいても、温度Tdを考慮すると、スタック1の内部においてフラッディングが抑制される。なお、スタック1の温度Tcellがこれの目標温度Tsetに到達したら(時刻t3)、スタック1は定常運転(定格運転)に移行するため、制御装置5はスタック1の発電起動運転を終了させる。
By the way, when the power generation of the stack 1 is started, the stability and uniformity of the temperature inside the stack 1 are not necessarily sufficient. In this regard, according to the present embodiment, as described above, the target temperature T target of the cathode gas temperature Tc is set to a temperature Td lower than the temperature T cell of the stack 1 (T target = T cell − Td). Therefore, even when the stability and uniformity of the temperature inside the stack 1 are not necessarily sufficient, the flooding is suppressed inside the stack 1 in consideration of the temperature Td. When the temperature T cell of the stack 1 reaches the target temperature T set (time t3), the stack 1 shifts to a steady operation (rated operation), and thus the
ところで本実施形態によれば、制御装置5は、スタック1の温度Tcellとして、冷却路15の入口15iを流れる冷却媒体の温度Tiと、冷却路15の出口15oを流れる冷却媒体の温度Toとのうちのいずれか低い温度を選択することが好ましい。その理由としては次のようである。すなわち、スタック1の発電起動時においては、前述したようにスタック1の内部の温度の安定性および均一性は、必ずしも充分ではない。冷却路15の入口15iを流れる冷却媒体の温度を検知する入口温度センサ19iの検知温度をTiとし、冷却路15の出口15oを流れる冷却媒体の温度を検知する出口温度センサ19oの検知温度をToとすると、スタック1の発電起動時においては、Ti>Toであったり、To>Tiであったり、Ti=Toであったりする。例えば、スタック1の発熱が少ない起動前期では、Ti>Toとなり易い。しかし、起動後期ではスタック1の発熱が増加するため、To>Tiとなり易い。従って、スタック1の発電起動時においては、制御装置5は、スタック1の温度としてTiおよびToのうちいずれか低い温度を選択することが好ましい。このため、スタック1に供給される直前のカソードガスの温度がスタック1の温度よりも低く維持される確率が高くなる利点が得られる。故に、フラッディングの抑制に有利であるという利点が得られる。
By the way, according to the present embodiment, the
なお場合によっては、制御装置5は、スタック1の温度Tcellとして、冷却路15の入口15iを流れる冷却媒体の温度Tiと、冷却路15の出口15oを流れる冷却媒体の温度Toとのうちのいずれか一方を採用しても良い。更に温度Tiと温度Toとの中間値を採用しても良い。従って、スタック1の温度Tcellとして、温度Tiと温度Toの平均値を採用しても良い。
In some cases, the
本実施形態によれば、入口バルブ23は、供給迂回路25にガスを流す流量と加湿路40にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。あるいは、入口バルブ23は、供給迂回路25および加湿路40の双方にガスを流す第1操作と、供給迂回路25にガスを流さないものの加湿路40にガスを流す第2操作とを切り替えることができる。第1操作と第2操作とが交互に実施されれば、供給迂回路25にガスを流す流量と加湿器4の加湿路40にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。
According to the present embodiment, the
(フローチャート)
図3,図4は制御装置5が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図3に示すように、まず、制御装置5は入口温度センサ19iの温度Ti、出口温度センサ19oの温度Toを読み込む(ステップS202)。制御装置5は、温度Tiおよび温度Toのどちらが低いか判定する(ステップS204)。温度Tiが温度Toよりも低いとき、またはTi=Toのときには、制御装置5は、スタック1の温度Tcellとして温度Tiを設定する(ステップS206)。温度Toが温度Tiよりも低いときには、制御装置5はスタック1の温度Tcellとして温度Toを設定し(ステップS208)、メインルーチンにリターンする。
(flowchart)
3 and 4 show examples of flowcharts executed by the
図4に示すように、制御装置5は第1温度センサ27が検知しているカソードガスの温度Tcを読み込み(ステップS302)、更に、スタック1の温度Tcellを読み込む(ステップS304)。次に、温度TcellからTdを減算することにより目標温度Ttargetを設定する(ステップS306)。制御装置5は、カソードガスの温度Tcと目標温度Ttargetとを比較する(ステップS308)。ここで、目標温度Ttargetよりもカソードガスの温度Tcが高めであれば(Ttarget=温度Tcも含む)、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御し、排出迂回路65に流れるガスの流量を増加させると共に、加湿器4の吸湿路41に流れるガスの流量を減少させる(ステップS310)。これにより高温高湿のオフガスから加湿器4への伝熱量を減少させ、加湿器4を降温させる。
As shown in FIG. 4, the
更に、目標温度Ttargetよりもカソードガスの温度Tcが低めであれば、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御し、排出迂回路65に流れるガスの流量を減少させると共に、加湿器4の吸湿路41に流れるガスの流量を増加させる(ステップS314)。これにより制御装置5は、高温高湿のオフガスから加湿器4への伝熱量を増加させ、加湿器4を昇温させる。ハンチング防止のため一定時間待機し(ステップS316)、メインルーチンにリターンする。
Furthermore, if the temperature Tc of the cathode gas is lower than the target temperature T target , the
(実施形態2)
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1〜図4を準用することができる。スタック1の発電起動時において、制御装置5は、時間経過につれて、スタック1を昇温させる燃料電池昇温操作と、加湿器4を昇温させる加湿器昇温操作と、反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整操作とを順に実施する。まず、燃料電池昇温操作では、燃料電池昇温要素16を構成するヒータ17および熱交換器18からの伝熱により、冷却路15の冷却媒体(例えば冷却水等の冷却液)を昇温させ、冷却媒体を冷却路15に循環させることによりスタック1の温度Tcellを次第に昇温させる。これによりスタック1が発電を開始する前に、スタック1の温度Tcellが所定の昇温温度域(例えば45〜55℃の範囲内)に昇温する。なお、この燃料電池昇温操作においては、カソードガスおよびアノードガスはスタック1に供給されていないため、発電反応は発生していない。
(Embodiment 2)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as those of the first embodiment, FIGS. 1 to 4 can be applied mutatis mutandis. At the time of power generation activation of the stack 1, the
上記したように燃料電池のスタック1の温度Tcellが常温域を超える所定の昇温温度域(例えば45〜55℃の範囲内)に昇温した状態において、制御装置5は加湿器昇温操作を実施する。加湿器昇温操作では、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御し、スタック1のカソード極10の出口10oから排出されたオフガスの流量の全量(100%)を加湿器4の吸湿路41に流す。ここで、発電反応後のオフガスは、スタック1に供給される前(発電反応前)のカソードガスよりも高温高湿であるため、加湿器4のハウジング43および水分保持部材42が更に昇温する。ここで、オフガスの流量の全量(100%)を加湿器4の吸湿路41に流すため、加湿器4の昇温速度が速まる。なお、オフガスが排出迂回路65に流れる流量が少ない程、オフガスが加湿器4の吸湿路41に流れる流量が増加するため、加湿器4の昇温速度は速くなる。
As described above, in the state where the temperature T cell of the stack 1 of the fuel cell is raised to a predetermined temperature rise temperature range (for example, within a range of 45 to 55 ° C.) exceeding the normal temperature range, the
更に上記した加湿器昇温操作では、制御装置5は、入口バルブ23の開度を制御し、カソードガスの流量の全量(100%)を加湿器4の加湿路40を迂回させて供給迂回路25に流す。このためカソードガスを加湿器4の加湿路40に流さない。その理由としては次のようである。すなわち、スタック1の発電起動時には、スタック1の前回の発電運転時に起因し、加湿器4の内部に水分が過剰に残留している可能性がある。このためカソードガスを加湿器4の加湿路40に流すと、発電反応前のカソードガスが加湿器4で過剰に加湿される可能性があるためである。更に上記した加湿器昇温操作では、カソードガスの流量の全量(100%)を加湿器4の加湿路40を迂回させて供給迂回路25に流すため、カソードガスが加湿器4の熱を奪うことが抑制され、加湿器4の昇温速度の低下が抑制される。上記したように加湿器昇温操作においては、カソードガスの加湿を抑えつつ、カソードガスを入口10iからスタック1のカソード極10に供給する。
Further, in the above-described humidifier temperature raising operation, the
次に、制御装置5は反応ガス温度調整操作を実施する。この場合、スタック1の温度Tcellはかなり昇温しているため、カソードガスをスタック1に供給する前に加湿させないと、スタック1の内部は乾燥気味となるおそれがある。そこで制御装置5は、入口バルブ23の開度を制御し、カソードガスの流量の全量(100%)を加湿器4の加湿路40を通過させ、カソードガスを加湿路40で加湿させる。このように加湿させたカソードガスを入口10iからスタック1のカソード極10に供給する。これによりスタック1の内部の乾燥が抑制され、イオン伝導膜12の過剰乾燥が抑制され、発電反応が良好に行われる。更に反応ガス温度調整操作において、制御装置5は出口バルブ63の開度を制御する。すなわち、制御装置5は、スタック1のカソード極10の出口10oから排出されたオフガスが加湿器4の吸湿路41を迂回する流量を調整しつつ、オフガスをスタック1のカソード極10から排出させる。ここで、オフガスが排出迂回路65に流れる迂回流量が増加し、加湿器4の吸湿路41を流れる流量が減少すると、熱をもつオフガスから加湿器4への伝熱量が減少され、加湿器4の温度は低下する。これに対してオフガスが排出迂回路65に流れる迂回流量が減少し、加湿器4の吸湿路41を流れる流量が増加すると、熱をもつオフガスから加湿器4への伝熱量が増加し、加湿器4の温度は高くなる。このようにして反応ガス温度調整操作において、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御し、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcがこれの目標温度Ttarget(Ttarget=Tcell−Td)付近となるように維持する。
Next, the
このため本実施形態においても、実施形態1と同様に、加湿後のカソードガスがスタック1の内部において冷却されることが抑制される。このためスタック1の発電起動時において、スタック1の内部におけるフラッディングが抑制される。なお、出口バルブ63は、加湿器4の吸湿路41に流れるガス流量と排出迂回路65に流れるガス流量との比率を可変に制御できる。スタック1に供給される直前のカソードガスの温度がスタック1の温度よりも低く維持される限り、入口バルブ23は、三方弁でもよいし、オンオフ弁でも良い。
For this reason, also in the present embodiment, as in the first embodiment, the humidified cathode gas is suppressed from being cooled in the stack 1. For this reason, flooding inside the stack 1 is suppressed when the power generation of the stack 1 is started. The
(実施形態3)
本実施形態は実施形態1,2と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1、図3,図4を準用することができる。図5はスタック1の発電起動時における昇温過程を示す。図5において、特性線Sはスタック1の温度Tcell(燃料電池の温度)を示す。特性線Gは、第1温度センサ27が検知したカソードガスの温度Tcを示す。時刻t2は、スタック1が発電開始する時刻を示す。時刻t3は、スタック1の温度Tcellがこれの目標温度Tset(例えば70〜90℃の範囲内の任意値)に到達した時刻を示す。図5の特性線S,Gに示すように、制御装置5は、時間経過につれてスタック1の温度Tcellを次第に昇温させると共に、カソードガスの温度Tcを次第に昇温させる。
(Embodiment 3)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first and second embodiments, FIGS. 1, 3, and 4 can be applied mutatis mutandis. FIG. 5 shows the temperature raising process at the time of starting the power generation of the stack 1. In FIG. 5, the characteristic line S indicates the temperature T cell (fuel cell temperature) of the stack 1. A characteristic line G indicates the temperature Tc of the cathode gas detected by the
図5から理解できるように、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetは、スタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低い温度に設定されている。従って、カソードガスの温度Tcが目標温度Ttargetに維持されるように、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御させ、加湿器4の吸湿路41に流れるオフガスの流量を制御させる。スタックの温度はこれの目標温度Tsetに到達する(時刻t3)。図5に示すように、制御装置5は、時刻t3経過後についても、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcの目標温度Ttarget(Ttarget=Tcell−Td3)を、スタック1の温度Tcellよりも温度Td3ぶん低い温度に設定している。Td=Td3としても良い。あるいはTd>Td3としても良い。
As can be understood from FIG. 5, the target temperature T target of the cathode gas temperature Tc before being supplied to the stack 1 is set to a temperature Td lower than the temperature T cell of the stack 1. Therefore, the
スタック1の温度Tcellがこれの目標温度Tsetに到達した時刻t3から所定時間(Δt)経過すれば、スタック1は定常運転の初期であり、スタック1の内部の温度の安定性および均一性が更に向上する。そこで本実施形態によれば、時刻t3から所定時間Δt経過した時刻t4(t4>t3)から、カソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetを、本来の目標温度Tc3まで昇温するためΔTuぶん高くさせるように、制御装置5は出口バルブ63の開度を制御させる。従って、スタック1の定常運転(定格運転)時においては、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tc(Tc3)の目標温度Ttargetは昇温され、スタック1の温度Tcellよりも温度Td4(Td4<Td3,Td4<Td)ぶん低い温度に設定される。
If a predetermined time (Δt) has elapsed from time t3 when the temperature T cell of the stack 1 reaches the target temperature T set , the stack 1 is in the initial stage of steady operation, and the stability and uniformity of the temperature inside the stack 1 is reached. Is further improved. Therefore, according to the present embodiment, the target temperature T target of the cathode gas temperature Tc is raised to the original target temperature Tc3 from time t4 (t4> t3) when a predetermined time Δt has elapsed from time t3, so that ΔTu is increased. Thus, the
(実施形態4)
本実施形態は実施形態1〜3と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1,図3,図4を準用できる。本実施形態においても、図6に示すように、実施形態1と同様に、制御装置5は、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetを、スタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低い温度に設定する。
(Embodiment 4)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as those of Embodiments 1 to 3, FIGS. 1, 3 and 4 can be applied mutatis mutandis. Also in this embodiment, as shown in FIG. 6, as in the first embodiment, the
スタック1の温度Tcellが昇温して所定温度Txに到達した後期においては、時刻t3よりも前といえども、発電起動時の前期に比較してスタック1の内部の温度の安定性および均一性が向上している。そこでスタック1の温度Tcellが昇温して所定温度Txに到達すれば、制御装置5は、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcの目標温度Ttargetを、スタック1の温度Tcellよりも温度Te(Te<Td)ぶん低い温度に設定する。なお、所定温度Txは、スタック1の起動前の温度とスタック1の定常運転(定格運転)時の温度Tsetとの間に位置しており、燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて適宜設定できる。
In the latter period when the temperature T cell of the stack 1 rises and reaches the predetermined temperature Tx, even before the time t3, the stability and uniformity of the temperature inside the stack 1 compared with the first period when the power generation is started. Improved. Therefore, when the temperature T cell of the stack 1 rises and reaches the predetermined temperature Tx, the
(実施形態5A)
本実施形態は実施形態1〜4と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1,図2,図4,図5,図6を準用できる。但し、スタック1の発電起動時においては、制御装置5は、スタック1の温度Tcellとして冷却路15の入口15i側の温度Tiを選択する。発電起動時の前期ではTi>Toとなり易く、発電起動時の後期では逆転してTo>Tiとなり易いため、発電起動時の後期におけるフラッディング抑制に有利となる。従って出口温度センサ19oを廃止しても良い。本実施形態においても、スタック1の発電起動時において、制御装置5は、スタック1のカソード極10の入口10iに供給させる前のカソードガスの温度Tcがスタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低めに維持されるように、出口バルブ63の開度を制御する。更に必要に応じて入口バルブ23の開度を制御することにしても良い。
(Embodiment 5A)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first to fourth embodiments, FIGS. 1, 2, 4, 4, and 6 can be applied mutatis mutandis. However, at the time of power generation startup of the stack 1, the
(実施形態5B)
本実施形態は実施形態1〜4と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1,図2,図4,図5,図6を準用できる。但し、スタック1の発電起動時においては、制御装置5は、スタック1の温度Tcellとして冷却路15の出口15o側の温度Toを選択する。発電起動前期ではTi>Toとなり易く、発電起動時の後期ではTo>Tiとなり易いため、発電起動時の前期におけるフラッディング抑制に有利となる。入口温度センサ19iを廃止しても良い。
(Embodiment 5B)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first to fourth embodiments, FIGS. 1, 2, 4, 4, and 6 can be applied mutatis mutandis. However, at the time of starting power generation of the stack 1, the
本実施形態においても、スタック1の発電起動時において、制御装置5は、スタック1のカソード極10の入口10iに供給させる前のカソードガスの温度Tcがスタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低めに維持されるように、出口バルブ63の開度を制御する。更に必要に応じて入口バルブ23の開度を制御することにしても良い。
In this embodiment, at startup generation of stack 1, the
(実施形態6)
本実施形態は実施形態1〜4と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1〜図6を準用できる。但し、出口バルブ63はオンオフ弁であり、排出迂回路65および吸湿路41の双方にガスを流す第1操作と、排出迂回路65にガスを流さないものの吸湿路41にガスを流す第2操作とを切り替えることができる。
(Embodiment 6)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first to fourth embodiments, FIGS. 1 to 6 can be applied mutatis mutandis. However, the
本実施形態によれば、スタック1の発電起動時の直後または前期では、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御し、排出迂回路65にオフガスを流さないものの吸湿路41にオフガスの全量を流す第2操作を実施する。これにより加湿器4の昇温速度をできるだけ速めることができる。スタック1の温度が昇温して所定温度に到達したら、後期に以降し、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御し、第1操作および第2操作を交互に実施する。この場合、第1操作の時間tfおよび第2操作の時間tsの比率を変化させることにより、スタック1のカソード極10の出口10oから排出されたオフガスについて、吸湿路41に流れる流量と排出迂回路65に流れる流量との比率を制御させる。これによりオフガスから加湿器4への伝熱量を制御し、加湿器4の昇温速度を制御することができる。
According to the present embodiment, immediately after the start of power generation of the stack 1 or in the previous period, the
本実施形態においても、スタック1の発電起動時において、制御装置5は、スタック1のカソード極10の入口10iに供給させる前のカソードガスの温度Tcがスタック1の温度Tcellよりも温度Tdぶん低めに維持されるように、出口バルブ63の開度を制御する。更に必要に応じて入口バルブ23の開度を制御することにしても良い。
In this embodiment, at startup generation of stack 1, the
(実施形態7)
本実施形態は実施形態1〜4と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1〜図6を準用できる。入口バルブ23は、加湿器4の加湿路40に流れるガス流量と供給迂回路25に流れるガス流量との比率を可変に制御できる三方弁とされている。本実施形態においても、スタック1の発電起動時において、第1供給路2からカソードガスを加湿器4を介してスタック1の入口10iからカソード極10に供給する。スタック1の発電起動時において、制御装置5は入口バルブ23の開度を制御し、カソードガスが加湿器4の加湿器4を流れる流量と供給迂回路25に流れる流量との比率を可変に制御する。これにより制御装置5は、加湿器4の加湿路40からカソードガスへの伝熱を制御し、ひいては加湿器4の加湿路40を流れるカソードガスTcの温度を調整する。
(Embodiment 7)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first to fourth embodiments, FIGS. 1 to 6 can be applied mutatis mutandis. The
ここで、万一、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcがスタック1の温度Ttargetよりも高いとき、制御装置5は、入口バルブ23の開度を制御し、供給迂回路25に流れるカソードガスの流量を増加させる。これにより加湿器4の加湿路40からカソードガスへの伝熱量が減少される。従って、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcは、スタック1の温度Tcellよりも温度Td低い目標温度Ttargetに維持される。
Here, in the unlikely event that the temperature Tc of the cathode gas before being supplied to the stack 1 is higher than the temperature T target of the stack 1, the
なお本実施形態においては、スタック1の発電起動時においては、スタック1に供給される直前のカソードガスの温度Tcがスタック1の温度Tcellよりも低く維持される限り、第1排出路6においては、オフガスの全量を吸湿路41に流しても良いし、あるいは、吸湿路41および排出迂回路65の双方に流しても良い。
In the present embodiment, at the time of power generation startup of the stack 1, as long as the temperature Tc of the cathode gas immediately before being supplied to the stack 1 is kept lower than the temperature T cell stack 1, the
本実施形態によれば、加湿後のカソードガスがスタック1のカソード極10に供給されることにより冷却されることが抑制される。従って、カソードガスに含まれている水蒸気がスタック1のカソード極10において凝縮することが抑制される。このためスタック1の発電起動時において、スタック1の内部においてフラッディングが抑制される。
According to this embodiment, the cathode gas after humidification is suppressed from being cooled by being supplied to the
(実施形態8)
本実施形態は実施形態1〜4と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1〜図6を準用できる。但し、入口バルブ23はオンオフ弁であり、供給迂回路25および加湿路40にガスを流す第1操作と、供給迂回路25にガスを流さないものの加湿路40にガスを流す第2操作とを切り替えることができる。制御装置5は、入口バルブ23の第1操作の時間tfおよび第2操作の時間tsを交互に繰り返して実行することができる。時間tfおよび時間tsの比率を変化させることにより、スタック1のカソード極10に供給されるカソードガスについて、加湿路40に流れる流量と供給迂回路25に流れる流量との比率を可変に制御させることができる。
(Embodiment 8)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first to fourth embodiments, FIGS. 1 to 6 can be applied mutatis mutandis. However, the
本実施形態においても、スタック1の発電起動時において、制御装置5は、スタック1のカソード極10の入口10iに供給させる前のカソードガスの温度Tcがスタック1の温度Tcellよりも低い目標温度Ttargetに維持されるように、入口バルブ23の開度を制御する。
In this embodiment, at startup generation of stack 1, the
なお、スタック1の発電起動時において、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcが目標温度Ttarget付近に維持される限り、第1排出路6においては、オフガスの全量を吸湿路41に流しても良いし、あるいは、吸湿路41および排出迂回路65の双方に流しても良い。
Note that when the power generation of the stack 1 is started, as long as the temperature Tc of the cathode gas before being supplied to the stack 1 is maintained in the vicinity of the target temperature T target , the entire amount of off gas is transferred to the
(実施形態9)
本実施形態は実施形態1〜4と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図1〜図6を準用できる。本実施形態によれば、スタック1の発電起動時の前期においては、制御装置5は、出口バルブ63の開度を調整することにより、排出迂回路65を流れるオフガスの流量を0とし、オフガスの全部を加湿器4の吸湿路41に供給させる。これによりオフガスから加湿器4のハウジングおよび水分保持部材42に伝達される伝熱量を増加させ、加湿器4の温度を短時間に上昇させる。このように加湿器4の加湿路40を流れる発電反応前のカソードガス(スタック1に供給される前)の温度Tcを、所定温度まで短時間に昇温させる。所定温度は燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて適宜設定され、例えば、常温域〜定常運転時のスタック温度との間の範囲内において設定される。
(Embodiment 9)
Since this embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first to fourth embodiments, FIGS. 1 to 6 can be applied mutatis mutandis. According to the present embodiment, in the first half of the power generation start-up of the stack 1, the
その後、制御装置5は、出口バルブ63の開度を制御することにより、排出迂回路65および吸湿路41の双方にオフガスを流す。この場合、排出迂回路65を流れるオフガスの流量と、加湿器4の吸湿路41を流れる流量との比率を適宜可変に制御する。これにより加湿器4の昇温速度を遅らせることにより、加湿器4の全体の温度の均一化を図り、加湿器4における温度ムラを低減させる。
Thereafter, the
なお本実施形態においては、スタック1の発電起動時においては、スタック1に供給される前のカソードガスの温度Tcが目標温度Ttarget付近に維持される限り、第1供給路2においては、カソードガスの全量を供給迂回路25に流しても良いし、あるいは、カソードガスを加湿路40および供給迂回路25の双方に流しても良い。
In the present embodiment, when the power generation of the stack 1 is started, as long as the temperature Tc of the cathode gas before being supplied to the stack 1 is maintained near the target temperature T target , The entire amount of gas may flow through the supply bypass 25 or the cathode gas may flow through both the
本実施形態においても、スタック1の発電起動時(時刻t2〜t3)には、制御装置5は、スタック1の温度Tcellよりも温度Ttdぶん低い目標温度Ttargetを設定し、加湿器4の加湿路40から排出された直後のカソードガスの温度Tcを目標温度Ttargetに維持させる。
Also in this embodiment, at the time of power generation start-up of the stack 1 (time t2 to t3), the
(実施形態10)
図7は実施形態10を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏する。図7に示すように、出口バルブ63Wは、排出迂回路65に設けられたオンオフ弁であり、オンオフにより、単位時間あたり、排出迂回路65にオフガスを流す流量と、吸湿路41にオフガスを流す流量との比率を可変に制御できる。あるいは、出口バルブ63Wは、開放により排出迂回路65にオフガスを流す第1操作と、閉鎖して排出迂回路65にオフガスを流さない第2操作とを交互に切り替えることができる。第1操作の時間tfと第2操作の時間tsとが交互に実施されれば、ts/tfの比により、単位時間あたり、排出迂回路65にガスを流す流量と、加湿器4の吸湿路41にガスを流す流量との比率を可変に制御でき、ひいては加湿器4の温度を調整できる。
(Embodiment 10)
FIG. 7 shows a tenth embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operational effects as the above-described embodiment. As shown in FIG. 7, the
図7に示すように、入口バルブ23Wは、供給迂回路25に設けられたオンオフ弁であり、オンオフにより、単位時間あたり、供給迂回路25にカソードガスを流す流量と、加湿路40にカソードガスを流す流量との比率を可変に制御でき、ひいては加湿器40からカソードガスへの伝熱を制御でき、これによりカソードガスの温度を調整できる。
As shown in FIG. 7, the
あるいは、出口バルブ63Wは、開放により供給迂回路25にカソードガスを流す第1操作と、閉鎖して供給迂回路25にカソードガスを流さない第2操作とを交互に切り替えることができる。第1操作の時間tfと第2操作の時間tsとが交互に実施されれば、ts/tfの比により、単位時間あたり、供給迂回路25にカソードガスを流す流量と、加湿器4の加湿路40カソードガスを流す流量との比率を可変に制御でき、ひいては加湿器40からカソードガスへの伝熱を制御でき、これによりカソードガスの温度を調整できる。なお、出口バルブ63Wおよび入口バルブ23Wの双方がオンオフ弁とされているが、いずれか一方を三方弁としても良い。
Alternatively, the
(その他)
上記した実施形態1によれば、カソードガスを加湿器4で加湿させているが、これに限らず、アノードガスを加湿器4で加湿させても良い。加湿器4の吸湿路41を流れるオフガスの流量を出口バルブ63で制御することにより、オフガスから加湿器4への伝熱量を制御することにしているが、これに限らず、加湿器を加熱させる電気ヒータを設け、制御装置5が電気ヒータの発熱量を制御することにより加湿器4の温度を制御することにしても良い。入口バルブ23は供給迂回路25と第1供給路2との分岐部ばかりではなく、 供給迂回路25のうち何処に設けられていても良い。出口バルブ63は排出迂回路65と第1排出路6との分岐部ばかりではなく、排出迂回路65のうち何処に設けられていても良い。入口バルブ23および出口バルブ63は三方弁でも良いし、オンオフ弁でも良い。入口バルブ23に代えて、可変絞りを供給迂回路25に設けても良い。出口バルブ63に代えて、可変絞りを排出迂回路65に設けても良い。加湿器4およびスタック1を直接的に伝熱可能に隣設させ、スタック1の発電起動時においてスタック1の熱を加湿器4に直接的に伝熱させ、加湿器4の昇温速度を更に速めることにしても良い。上記した各実施形態において、スタック1の発電起動時においては、制御装置5は、スタック1の温度としてTiおよびToのうちいずれか低い温度を選択することが好ましい。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。上記した明細書における記載から次の技術的思想が把握される。
(Other)
According to Embodiment 1 described above, the cathode gas is humidified by the
[付記項1]反応ガスにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、供給路に設けられ、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整できるように、加湿器の温度を調整する反応ガス温度調整要素とを具備する燃料電池システム。加湿器で加湿され且つ燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を反応ガス温度調整要素により調整できる。 [Additional Item 1] A fuel cell that generates power using a reaction gas, a supply path that supplies the reaction gas to the fuel cell, a humidifier that is provided in the supply path and humidifies the reaction gas before being supplied to the fuel cell, and a fuel A fuel cell system comprising a reaction gas temperature adjusting element for adjusting a temperature of a humidifier so that a temperature of a reaction gas before being supplied to a battery can be adjusted. The temperature of the reaction gas before being humidified by the humidifier and supplied to the fuel cell can be adjusted by the reaction gas temperature adjusting element.
[付記項2]第1反応ガスおよび第2反応ガスにより発電する燃料電池と、第1反応ガスおよび第2反応ガスのうちの一方の反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、供給路に設けられ、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整できるように、前記加湿器の温度を調整する反応ガス温度調整要素と、燃料電池の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する制御装置とを具備する燃料電池システム。加湿器で加湿され且つ燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を、燃料電池の温度よりも低い温度に反応ガス温度調整要素により調整できる。 [Additional Item 2] A fuel cell that generates power using the first reaction gas and the second reaction gas, a supply path for supplying one of the first reaction gas and the second reaction gas to the fuel cell, and a supply path A humidifier for humidifying the reaction gas before being supplied to the fuel cell, and a reaction gas temperature adjustment for adjusting the temperature of the humidifier so that the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell can be adjusted Control the reaction gas temperature adjustment element so that the temperature of the reaction gas is kept lower than the temperature of the fuel cell at the time of starting the power generation of the element and the fuel cell, and the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell A fuel cell system comprising a control device for controlling. The temperature of the reaction gas before being humidified by the humidifier and supplied to the fuel cell can be adjusted to a temperature lower than the temperature of the fuel cell by the reaction gas temperature adjusting element.
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、可搬用の燃料電池システムに利用することができる。 The present invention can be used for, for example, a fuel cell system for stationary use, vehicle use, electric equipment use, electronic equipment use, portable use, and portable use.
1はスタック(燃料電池)、10はカソード極、15は冷却路、16は燃料電池昇温要素、17はヒータ、18は熱交換器、2は第1供給路、23は入口バルブ、25は供給迂回路、27は第1温度センサ、3は第2供給路、4は加湿器、40は加湿路、41は吸湿路、42は水分保持部材、43はハウジング、5は制御装置、6は第1排出路、63は出口バルブ(流量調整要素,反応ガス温度調整要素)、65は排出迂回路(反応ガス温度調整要素)、7は第2排出路を示す。 1 is a stack (fuel cell), 10 is a cathode electrode, 15 is a cooling path, 16 is a fuel cell heating element, 17 is a heater, 18 is a heat exchanger, 2 is a first supply path, 23 is an inlet valve, 25 is Supply bypass circuit, 27 is a first temperature sensor, 3 is a second supply path, 4 is a humidifier, 40 is a humidification path, 41 is a moisture absorption path, 42 is a moisture retaining member, 43 is a housing, 5 is a control device, and 6 is The first discharge path, 63 is an outlet valve (flow rate adjustment element, reaction gas temperature adjustment element), 65 is a discharge bypass (reaction gas temperature adjustment element), and 7 is a second discharge path.
Claims (8)
前記反応ガスを前記燃料電池に供給する供給路と、
前記供給路に設けられ、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器の温度を調整することにより、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整要素と、
前記燃料電池の発電起動時において、前記燃料電池および前記反応ガスを昇温させつつ、加湿後の前記反応ガスの温度が前記燃料電池の温度よりも低く維持されるように前記反応ガス温度調整要素を制御し、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を制御する制御装置とを具備する燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity using reactive gas; and
A supply path for supplying the reaction gas to the fuel cell;
A humidifier that is provided in the supply path and humidifies the reaction gas before being supplied to the fuel cell;
A reaction gas temperature adjusting element for adjusting the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell by adjusting the temperature of the humidifier;
The reaction gas temperature adjusting element is configured so that the temperature of the reaction gas after humidification is maintained lower than the temperature of the fuel cell while the temperature of the fuel cell and the reaction gas is raised during power generation startup of the fuel cell. And a control device for controlling the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell.
前記反応ガス温度調整要素は、前記燃料電池から排出された前記オフガスが前記加湿器の前記吸湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であり、
前記制御装置は、前記流量調整要素を制御することにより、前記燃料電池から排出された前記オフガスが前記加湿器の前記吸湿路を流れる流量を調整し、前記オフガスから前記加湿器への伝熱を制御することにより、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を制御する燃料電池システム。 2. The humidifier according to claim 1, wherein the humidifier includes a humidification path that humidifies the reaction gas before being supplied to the fuel cell, and a moisture absorption path that reduces moisture of off-gas discharged from the fuel cell. ,
The reaction gas temperature adjustment element is a flow rate adjustment element that adjusts the flow rate of the off-gas discharged from the fuel cell through the moisture absorption path of the humidifier,
The control device controls the flow rate adjusting element to adjust a flow rate of the off gas discharged from the fuel cell through the moisture absorption path of the humidifier, and to transfer heat from the off gas to the humidifier. A fuel cell system that controls the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell by controlling.
前記反応ガス温度調整要素は、前記燃料電池に供給される前記反応ガスが前記加湿器の前記加湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であり、
前記制御装置は、前記流量調整要素を制御することにより、前記燃料電池に供給される前記反応ガスが前記加湿器の前記加湿路を流れる流量を調整し、前記加湿器から前記反応ガスへの伝熱を制御することにより、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を制御する燃料電池システム。 2. The humidifier according to claim 1, wherein the humidifier includes a humidification path that humidifies the reaction gas before being supplied to the fuel cell, and a moisture absorption path that reduces moisture of off-gas discharged from the fuel cell. ,
The reaction gas temperature adjustment element is a flow rate adjustment element for adjusting a flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell through the humidification path of the humidifier.
The control device adjusts a flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell through the humidification path of the humidifier by controlling the flow rate adjusting element, and is transmitted from the humidifier to the reaction gas. A fuel cell system that controls the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell by controlling heat.
前記冷却路の入口を流れる前記冷却媒体の温度を検知する入口温度センサと、前記冷却路の出口を流れる前記冷却媒体の温度を検知する出口温度センサとが設けられており、
前記制御装置は、前記入口温度センサが検知した入口側の温度と前記出口温度センサが検知した出口側の温度とのうち低い方の温度を、前記燃料電池の温度として選択する燃料電池システム。 The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell has a cooling path through which a cooling medium passes to cool the fuel cell.
An inlet temperature sensor for detecting the temperature of the cooling medium flowing through the inlet of the cooling path, and an outlet temperature sensor for detecting the temperature of the cooling medium flowing through the outlet of the cooling path;
The said control apparatus is a fuel cell system which selects the temperature of the lower one of the temperature of the inlet side which the said inlet temperature sensor detected, and the temperature of the outlet side which the said outlet temperature sensor detected as the temperature of the said fuel cell.
前記燃料電池昇温要素により前記燃料電池の温度を昇温させる燃料電池昇温操作と、
前記燃料電池の温度が常温域よりも昇温した状態において、前記反応ガスの流量の60%以上が前記加湿器の前記加湿路を迂回するように前記反応ガスの加湿を抑えつつ前記反応ガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記燃料電池から排出された前記オフガスの流量の60%以上を前記加湿器の前記吸湿路に流して前記加湿器を更に昇温させる加湿器昇温操作と、
前記反応ガスの流量の60%以上を前記加湿器の前記加湿路を通過させて前記反応ガスを前記加湿器で加湿させた状態で、前記反応ガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記燃料電池から排出された前記オフガスが前記加湿器の前記吸湿路を迂回する流量を調整しつつ、前記オフガスを前記燃料電池から排出させる反応ガス温度調整操作とを順に実施する燃料電池システム。 6. The control device according to claim 5, wherein the control device is configured to start power generation of the fuel cell.
A fuel cell temperature raising operation for raising the temperature of the fuel cell by the fuel cell temperature raising element;
In a state where the temperature of the fuel cell is higher than the normal temperature range, the reaction gas is suppressed while suppressing the humidification of the reaction gas so that 60% or more of the flow rate of the reaction gas bypasses the humidification path of the humidifier. A humidifier temperature raising operation for supplying the fuel cell and causing the humidifier to further raise the temperature by flowing 60% or more of the flow rate of the off-gas discharged from the fuel cell to the moisture absorption path of the humidifier,
While supplying 60% or more of the flow rate of the reaction gas through the humidification path of the humidifier and humidifying the reaction gas with the humidifier, the reaction gas is supplied to the fuel cell, and the fuel cell A fuel cell system that sequentially performs a reaction gas temperature adjustment operation for discharging the off gas from the fuel cell while adjusting a flow rate of the off gas discharged from the dehumidifier bypassing the moisture absorption path of the humidifier.
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110228 |
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A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20110915 |