JP2010129417A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加湿器を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a humidifier.
固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池は、これを構成する電解質膜を湿潤状態にしてプロトン交換膜として機能させることが必要とされる。そこで、例えば、水分交換性を有する中空糸膜(水分交換膜)が装填された加湿器によって、燃料電池のカソードから排出された多湿のカソードオフガスと、燃料電池のカソードに向かう空気との間で水分交換させ、カソードに向かう空気を加湿することで、電解質膜を湿潤状態にする技術が提案されている(特許文献1、2参照)。 A fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is required to function as a proton exchange membrane by making an electrolyte membrane constituting the fuel cell wet. Therefore, for example, between a humid cathode off gas discharged from the cathode of the fuel cell and air toward the cathode of the fuel cell by a humidifier loaded with a hollow fiber membrane having moisture exchange properties (moisture exchange membrane). There has been proposed a technique for making the electrolyte membrane wet by exchanging moisture and humidifying the air toward the cathode (see Patent Documents 1 and 2).
このような水分交換性を有する中空糸膜は、その膜内に、内外を連通する微細な連続細孔を有している。そして、この微細な連続細孔に水分が保有された状態において、例えば、中空糸膜内をカソードに向かう加湿すべき空気が通流し、中空糸膜外を多湿のカソードオフガスが通流すると、カソードオフガス中の水分(水蒸気)が連続細孔に流入する。このように流入すると、水分が連続細孔を中空糸膜内に向かって移動した後、中空糸膜内を通流する空気に移動し、その結果、中空糸膜内を通流しカソードに向かう空気が加湿される。 The hollow fiber membrane having such a water exchange property has fine continuous pores communicating with the inside and outside of the membrane. In the state where moisture is retained in the fine continuous pores, for example, when the air to be humidified flows inside the hollow fiber membrane toward the cathode, and when a humid cathode off gas flows outside the hollow fiber membrane, Water (water vapor) in the off gas flows into the continuous pores. When flowing in this way, moisture moves through the continuous pores into the hollow fiber membrane and then into the air flowing through the hollow fiber membrane. As a result, the air flows through the hollow fiber membrane and flows toward the cathode. Is humidified.
ところが、空気及びカソードオフガスの流量が増加したり、カソードオフガスの湿度が低下すると、カソードオフガスから前記微細な連続細孔に水分が良好に移動せず、しかも、連続細孔に保有されていた水分が、空気やカソードオフガスに移動(蒸発)し、連続細孔中の水分量が減少してしまう。その結果、中空糸膜が乾燥状態(ドライアップ状態)に近づいてしまう。 However, when the flow rates of air and cathode offgas increase or the cathode offgas humidity decreases, moisture does not move well from the cathode offgas to the fine continuous pores, and the moisture retained in the continuous pores. However, it moves (evaporates) to air or cathode off gas, and the amount of water in the continuous pores decreases. As a result, the hollow fiber membrane approaches a dry state (dry-up state).
そして、このように連続細孔の水分量が減少した状態では、カソードに向かう空気が好適に加湿されず、つまり、加湿器における加湿効率が大幅に低下してしまう。これにより、燃料電池の電解質膜を良好な湿潤状態に維持することができず、プロトン交換膜としての機能が低下し、燃料電池の発電性能が低下したり、電解質膜等が電気分解され、燃料電池が劣化し、その耐久性が低下してしまう。 In such a state where the moisture content of the continuous pores is reduced, the air toward the cathode is not suitably humidified, that is, the humidification efficiency in the humidifier is greatly reduced. As a result, the electrolyte membrane of the fuel cell cannot be maintained in a good wet state, the function as a proton exchange membrane is reduced, the power generation performance of the fuel cell is reduced, the electrolyte membrane is electrolyzed, and the fuel The battery deteriorates and its durability is lowered.
また、中空糸膜が一旦ドライアップ状態になると、その後、多湿のカソードオフガスを通流させるのみでは、微細な連続空隙に水分が十分に保有された状態に回復することはできず、加湿器を分解し、例えば、中空糸膜を脱イオン水に浸す等の処理が必要であり、手間が掛かってしまう。 In addition, once the hollow fiber membrane is in a dry-up state, it is not possible to recover the state in which the moisture is sufficiently retained in the fine continuous voids only by passing the humid cathode off gas, and the humidifier is Decomposition and, for example, a treatment such as immersing the hollow fiber membrane in deionized water is necessary, which is troublesome.
そこで、本発明は、加湿器の加湿効率を好適に維持可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which can maintain the humidification efficiency of a humidifier suitably.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、水分交換性の水分交換膜を有し、当該水分交換膜を介して、前記燃料電池に向かう反応ガスと当該燃料電池から排出された多湿のオフガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度が100%未満とならないように、システム運転条件を制御する運転条件制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-described problems, the present invention includes a fuel cell that generates electric power when a reaction gas is supplied, and a moisture-exchangeable moisture exchange membrane, and the fuel cell via the moisture-exchange membrane. Moisture exchange is performed between the reaction gas toward the fuel cell and the humid off-gas discharged from the fuel cell, and the humidity of the off-gas introduced into the humidifier is 100%. The fuel cell system is characterized by comprising operating condition control means for controlling system operating conditions so as not to become less than the above.
このような燃料電池システムによれば、運転条件制御手段が、加湿器に導入されるオフガスの湿度が100%未満とならないように(100%以上となるように)、システム運転条件を制御する。このように、加湿器に導入されるオフガスの湿度が100%未満とならないので、水分交換膜の微細な連続細孔の保有されている水分が、オフガスに移動することはない。つまり、連続細孔の水分が減少(気化)することもなく、水分交換膜が乾燥状態(ドライアップ状態)になることもない。よって、加湿器を分解する必要もない。 According to such a fuel cell system, the operating condition control means controls the system operating condition so that the humidity of the off gas introduced into the humidifier does not become less than 100% (becomes 100% or more). Thus, since the humidity of the off gas introduced into the humidifier does not become less than 100%, the water retained in the fine continuous pores of the moisture exchange membrane does not move to the off gas. That is, the moisture in the continuous pores is not reduced (vaporized), and the moisture exchange membrane is not in a dry state (dry up state). Therefore, it is not necessary to disassemble the humidifier.
これにより、水分交換膜を介して、湿度が100%未満とならないオフガスによって、燃料電池に向かう反応ガスを良好に加湿でき、加湿器の加湿効率を好適に維持できる。そして、良好に加湿された反応ガスが燃料電池に供給されるので、電解質膜が湿潤状態に維持され、プロトン交換膜として好適に機能する。したがって、燃料電池の発電性能が低下することもなく、燃料電池が劣化することもない。 Thereby, the reaction gas which goes to a fuel cell can be favorably humidified with the off gas whose humidity does not become less than 100% through the moisture exchange membrane, and the humidification efficiency of the humidifier can be suitably maintained. Since the well-humidified reaction gas is supplied to the fuel cell, the electrolyte membrane is maintained in a wet state and functions suitably as a proton exchange membrane. Therefore, the power generation performance of the fuel cell does not deteriorate and the fuel cell does not deteriorate.
また、前記加湿器に導入されるオフガスの圧力を検出する圧力センサと、前記加湿器に導入されるオフガスの温度を検出する温度センサと、を備え、前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定することを特徴とする。 A pressure sensor for detecting the pressure of the off-gas introduced into the humidifier; and a temperature sensor for detecting the temperature of the off-gas introduced into the humidifier. The humidity of the off gas introduced into the humidifier is estimated based on the pressure of the off gas to be detected and the temperature of the off gas detected by the temperature sensor.
このような燃料電池システムによれば、運転条件制御手段は、圧力センサが検出するオフガスの圧力と、温度センサが検出するオフガスの温度とに基づいて、加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する。そして、運転条件制御手段は、この推定された湿度に基づいて、システム運転条件を制御できる。 According to such a fuel cell system, the operating condition control means estimates the humidity of the offgas introduced into the humidifier based on the offgas pressure detected by the pressure sensor and the offgas temperature detected by the temperature sensor. To do. The operating condition control means can control the system operating condition based on the estimated humidity.
また、前記加湿器に導入される加湿前の反応ガスの流量を検出する流量センサを備え、前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度と、前記流量センサが検出する加湿前の反応ガスの流量と、所定関係式とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定することを特徴とする。 In addition, a flow rate sensor that detects a flow rate of the reaction gas before humidification introduced into the humidifier is provided, and the operation condition control unit is configured to detect the offgas pressure detected by the pressure sensor and the offgas detected by the temperature sensor. The humidity of the off gas introduced into the humidifier is estimated based on the temperature, the flow rate of the reaction gas before humidification detected by the flow sensor, and a predetermined relational expression.
このような燃料電池システムによれば、前記運転条件制御手段は、圧力センサが検出するオフガスの圧力と、温度センサが検出するオフガスの温度と、流量センサが検出する加湿前の反応ガスの流量と、所定関係式(後記する実施形態では式(3))とに基づいて、加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する。そして、運転条件制御手段は、この推定された湿度に基づいて、システム運転条件を制御できる。 According to such a fuel cell system, the operating condition control means includes the off-gas pressure detected by the pressure sensor, the off-gas temperature detected by the temperature sensor, and the flow rate of the reaction gas before humidification detected by the flow sensor. Based on a predetermined relational expression (equation (3) in the embodiment described later), the humidity of the off-gas introduced into the humidifier is estimated. The operating condition control means can control the system operating condition based on the estimated humidity.
また、前記運転条件制御手段は、前記燃料電池の出力電流、前記加湿器に導入されるオフガスの流量、及び、前記加湿器に導入されるオフガスの圧力の少なくとも1つを制御することを特徴とする。 The operating condition control means controls at least one of an output current of the fuel cell, a flow rate of off gas introduced into the humidifier, and a pressure of off gas introduced into the humidifier. To do.
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電流、加湿器に導入されるオフガスの流量、及び、加湿器に導入されるオフガスの圧力の少なくとも1つであるシステム運転条件を制御することにより、加湿器に導入されるオフガスの湿度が100%未満とならないようにすることができる。 According to such a fuel cell system, the system operating condition that is at least one of the output current of the fuel cell, the flow rate of the off gas introduced into the humidifier, and the pressure of the off gas introduced into the humidifier is controlled. Therefore, the humidity of the off gas introduced into the humidifier can be prevented from becoming less than 100%.
本発明によれば、加湿器の加湿効率を好適に維持可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can maintain the humidification efficiency of a humidifier suitably can be provided.
以下、本発明の一実施形態について、図1から図5を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電電力を消費等する電力消費系と、アクセルペダル51と、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11は直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
<Fuel cell stack>
The
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)を含んでいる。 The anode and cathode are mainly composed of a conductive porous material such as carbon paper, and contain a catalyst (Pt, Ru, etc.) for causing an electrode reaction in the anode and cathode.
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路12(燃料ガス流路)、カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。 Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a passage 12 (fuel gas passage) and a cathode passage 13 (oxidant gas passage).
そして、アノード流路12を介して各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、カソード流路13を介して各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、OCVが所定OCV以上となった状態で、後記するVCU42が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
よって、発電に伴いカソードにおいて消費される酸素の量は、燃料電池スタック10の出力電流と、式(2)とに基づいて算出可能である。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
When hydrogen is supplied to each anode via the
Therefore, the amount of oxygen consumed at the cathode accompanying power generation can be calculated based on the output current of the
2H 2 → 4H + + 4e − (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
また、このような燃料電池スタック10は、発電すると自己発熱する。
すなわち、燃料電池スタック10の出力電流が大きくなると、カソードにおける電極反応による生成水(水蒸気)が増加するものの、自己発熱量が大きくなり、カソード流路13(カソード)から排出されるカソードオフガスの温度が上昇するため、生成水を含むカソードオフガスの飽和水蒸気圧が高くなり、カソードオフガスの(相対)湿度が低くなる。
Further, such a fuel cell stack 10 self-heats when it generates power.
That is, as the output current of the
一方、燃料電池スタック10の出力電流が小さくなると、カソードにおける電極反応による生成水(水蒸気)が減少するものの、カソード流路13(カソード)から排出されるカソードオフガスの温度が低下するため、生成水を含むカソードオフガスの飽和水蒸気圧が低くなり、カソードオフガスの(相対)湿度が高くなる。
なお、出力電流が小さくなると、自己発熱量が小さくなるうえ、燃料電池スタック10及びラジエータを経由する冷媒によって、燃料電池スタック10が急激に冷却されるため、燃料電池スタック10及びカソードオフガスの温度が低下する。
On the other hand, when the output current of the
Note that when the output current is reduced, the amount of self-heating is reduced, and the
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21を備えている。水素タンク21は、配管21aを介して、アノード流路12の入口に接続されており、水素タンク21の水素が、アノード流路12に供給されるようになっている。なお、配管21aには、ECU60によって開閉される遮断弁や、水素の圧力を所定圧力に減圧する減圧弁(ともに図示しない)が設けられている。
<Anode system>
The anode system includes a
アノード流路12の出口は、配管21bを介して、後記する希釈器34に接続されている。そして、アノード流路12(アノード)から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスが、希釈器34に排出されるようになっている。
The outlet of the
<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31と、加湿器32と、背圧弁33と、希釈器34と、質量流量センサ35と、温度センサ36と、圧力センサ37とを備えている。
コンプレッサ31は、配管31a、加湿器32、配管32aを介して、カソード流路13の入口に接続されている。そして、コンプレッサ31が、ECU60の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、この空気をカソード流路13に供給するようになっている。なお、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10及び/又は後記するバッテリ44を電源として作動する。
<Cathode system>
The cathode system includes a
The
カソード流路13は、配管32b、加湿器32、配管32c、背圧弁33、配管33aを介して、希釈器34に接続されている。そして、カソード流路13(カソード)から排出された多湿のカソードオフガスが、配管32b等を通って、希釈器34に排出されるようになっている。
The
加湿器32は、水分交換性(水分透過性)を有する中空糸膜32dを複数本備えており、この中空糸膜32dを介して、カソード流路13に向かう加湿すべき空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、カソード流路13に向かう空気を加湿するものである。
The humidifier 32 includes a plurality of
中空糸膜32dは、ポリイミド等から形成され、中空糸膜32d内外を連通する微細な連続細孔を有している。そして、中空糸膜32dは、脱イオン水への含浸等によって、前記連続細孔に水分が十分保水された後、加湿器32に組み付けられており、カソードオフガスによって空気を好適に加湿可能な状態にある。
The
背圧弁33は、例えばバタフライ等から構成され、その開度はECU60によって制御される。そして、例えば、背圧弁33の開度が小さくなると、カソード流路13における空気の圧力、及び、加湿器32に導入されるカソードオフガスの圧力が、上昇するようになっている。
The
希釈器34は、アノード系から導入されるアノードオフガス中の水素を、配管33aから導入されるカソードオフガスによって希釈するものであり、内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管34aを介して、車外に排出されるようになっている。
The
質量流量センサ35は、コンプレッサ31の吸気口に設けられている。そして、質量流量センサ35は、コンプレッサ31に吸気される空気の質量流量(g/min)を検出し、ECU60に出力するようになっている。
The
温度センサ36は、配管32bに設けられている。そして、温度センサ36は、加湿器32に導入されるカソードオフガスの温度を検出し、ECU60に出力するようになっている。
The
圧力センサ37は、配管32bに設けられている。そして、圧力センサ37は、加湿器32に導入されるカソードオフガスの圧力を検出し、ECU60に出力するようになっている。
The
<電力消費系>
電力消費系は、モータ41と、VCU42(Voltage Control Unit、電力制御手段)と、電流センサ43と、バッテリ44と、を備えている。そして、モータ41は、VCU42を介して、燃料電池スタック10の出力端子に接続されており、バッテリ44はVCU42に接続されている。
<Power consumption system>
The power consumption system includes a motor 41, a VCU 42 (Voltage Control Unit), a
モータ41は、燃料電池自動車の動力源となる電動モータである。
VCU42は、ECU60の指令に従って、燃料電池スタック10の発電電力(出力電流、出力電圧)及びバッテリ44の充放電を制御するものであり、DC/DCチョッパ、DC/DCコンバータ等の電子回路を内蔵している。
The motor 41 is an electric motor serving as a power source for the fuel cell vehicle.
The
バッテリ44は、燃料電池スタック10の余剰発電電力や、モータ41からの回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック10の発電電力が小さい場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック10をアシスト(補助)するものである。このようなバッテリ44は、例えば、複数のリチウムイオン型の二次電池を備えて構成される。
The
電流センサ43は、燃料電池スタック10の電流値(出力電流)を検出するセンサであり適所に設けられている。そして、電流センサ43は、検出した電流値をECU60に出力するようになっている。
The
<アクセルペダル>
アクセルペダル51は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル51は、その踏み込み量(アクセル開度)をECU60に出力するようになっている。
<Accelerator pedal>
The
<ECU>
ECU60は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
<ECU>
The
<ECU−湿度算出機能>
ECU60は、式(3)に基づいて、加湿器32に導入されるカソードオフガスの相対湿度(オフガス湿度)を算出(推定)する機能を備えている。そして、ECU60は、オフガス湿度が100%以下であるか否か判定する機能を備えている。
The
式(3)において、生成水量a(g/min)は、発電に伴って燃料電池スタック10で生成する水蒸気量であり、電流センサ43から入力される電流値と、カソードにおける電極反応式(2)とに基づいて算出される。
水蒸気回収率αは、加湿器32におけるカソードオフガス中の水蒸気の回収率(0.5〜0.7(50〜70%))であり、加湿器32の仕様(中空糸膜32dの材質、膜厚、連続細孔の大きさ等)に依存する固定値であり、事前試験等により求められる。
In the equation (3), the generated water amount a (g / min) is the amount of water vapor generated in the
The water vapor recovery rate α is the recovery rate of water vapor in the cathode off-gas in the humidifier 32 (0.5 to 0.7 (50 to 70%)), and the specifications of the humidifier 32 (the material and membrane of the
オフガス圧力(Pa)は、加湿器32に導入されるカソードオフガスの圧力(全圧)であり、圧力センサ37によって検出される。
飽和水蒸気圧(Pa)は、加湿器32に導入されるカソードオフガスの飽和水蒸気圧である。そして、飽和水蒸気圧(Pa)は、温度センサ36から入力されるカソードオフガスの温度と、飽和水蒸気圧曲線とに基づいて算出される。
The off gas pressure (Pa) is the pressure (total pressure) of the cathode off gas introduced into the humidifier 32 and is detected by the
The saturated water vapor pressure (Pa) is the saturated water vapor pressure of the cathode off gas introduced into the humidifier 32. The saturated water vapor pressure (Pa) is calculated based on the cathode offgas temperature input from the
エアガス質量(g/min)は、加湿器32に導入されるカソードオフガスから水蒸気を除いたガス(これをエアガスという)の質量である。そして、エアガス質量(g/min)は、質量流量センサ35から入力され、コンプレッサ31に吸気されるドライ空気(湿度0%)から、発電に伴って燃料電池スタック10で消費された酸素の質量流量を差し引くことにより、算出される。
なお、前記消費された酸素の質量流量は、燃料電池スタック10の電流値と、前記した式(2)とに基づいて算出される。また、ここでは簡単に説明するため、コンプレッサ31に吸気される空気をドライ空気(湿度0%)としている。
ただし、湿度センサによって、吸気される空気の湿度を検出可能であれば、これに基づいて、この空気中の水分量(g/min)を算出し、加湿器32に導入されるオフガス中の水分量を補正すればよい。
The air gas mass (g / min) is the mass of a gas obtained by removing water vapor from the cathode off-gas introduced into the humidifier 32 (this is called air gas). The air gas mass (g / min) is input from the
Note that the mass flow rate of the consumed oxygen is calculated based on the current value of the
However, if the humidity of the inhaled air can be detected by the humidity sensor, the moisture content (g / min) in the air is calculated based on this, and the moisture in the off-gas introduced into the humidifier 32 is calculated. What is necessary is just to correct | amend the quantity.
次に、式(3)がどのようにして導かれるかについて説明する。
加湿器32に導入されるカソードオフガスの混合比(カソードオフガス(湿り空気)中に含まれている水蒸気質量と、カソードオフガスから水蒸気を除外したエアガス(乾燥空気)質量との比)は、「化学工学通論、疋田晴男著、1982年発行」によれば、式(4)で与えられ、式(5)に変形される。式(5)において、「18」は水の分子量であり、「29」はエアガスの分子量である。そして、式(5)は、式(6)、さらに、式(7)に変形される。
Next, how the equation (3) is derived will be described.
The mixing ratio of the cathode offgas introduced into the humidifier 32 (ratio of the mass of water vapor contained in the cathode offgas (wet air) and the mass of air gas (dry air) excluding water vapor from the cathode offgas) is “chemical According to the engineering essay, Haruo Hamada, published in 1982, it is given by equation (4) and transformed into equation (5). In formula (5), “18” is the molecular weight of water, and “29” is the molecular weight of air gas. Then, Expression (5) is transformed into Expression (6) and further Expression (7).
次に、式(4)、式(7)から得られた式(8)において、オフガス湿度について解くと、式(9)を得る。
ここで、加湿器32における加湿量をb(g/min)とすると、カソードオフガス中の水蒸気質量(g/min)は、a+b(g/min)で与えられるから、式(10)に変形される。
Next, in equation (8) obtained from equations (4) and (7), solving for off-gas humidity yields equation (9).
Here, if the humidification amount in the humidifier 32 is b (g / min), the water vapor mass (g / min) in the cathode off-gas is given by a + b (g / min), and thus is transformed into equation (10). The
一方、加湿量b(g/min)は式(11)で与えられ、これを加湿量b(g/min)について解くと、式(12)を得る。
そして、式(10)に式(12)を代入すると、式(3)を得る。
<ECU−運転条件制御機能>
ECU60(運転条件制御手段)は、燃料電池システム1を、通常に運転する通常モード、又は、加湿器32に導入されるカソードオフガスの湿度を増加させる湿度増加モードで、運転する機能を備えている。
<ECU-Operating condition control function>
The ECU 60 (operating condition control means) has a function of operating the fuel cell system 1 in a normal mode in which the fuel cell system 1 is normally operated or in a humidity increasing mode in which the humidity of the cathode off gas introduced into the humidifier 32 is increased. .
[通常モード]
具体的には、通常モードにおいては、ECU60は、アクセル開度等(発電要求量)に対応して、燃料電池スタック10に水素及び空気を供給しつつ、VCU42を制御し、燃料電池スタック10を発電させるようになっている。
[Normal mode]
Specifically, in the normal mode, the
[湿度増加モード]
湿度増加モードにおいては、ECU60は、式(3)に基づいて算出されるオフガス湿度が増加するように、システム運転条件を制御する機能を備えている。具体的制御内容については後で説明する。
[Humidity increase mode]
In the humidity increase mode, the
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図2を参照して、燃料電池システム1の動作を、ECU60に設定されたプログラム(フローチャート)の流れと共に説明する。なお、初期状態において、燃料電池システム1は通常モードで運転しており、燃料電池スタック10はアクセルペダル51の開度等からの発電要求量に基づいて通常発電している。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, with reference to FIG. 2, the operation of the fuel cell system 1 will be described together with the flow of a program (flow chart) set in the
ステップS101において、ECU60は、式(3)に基づいて算出される現在のオフガス湿度が100%以下であるか否か判定(推定)する。
そして、現在のオフガス湿度が100%以下であると判定した場合(S101・Yes)、ECU60の処理はステップS103に進む。一方、現在のオフガス湿度が100%以下でないと判定した場合(S101・No)、ECU60の処理はステップS102に進む。ただし、判定閾値は100%に限定されず、100%以上であって、後記するステップS104の判定閾値(ここでは105%)よりも低ければよい。
In step S101, the
If it is determined that the current off-gas humidity is 100% or less (Yes in S101), the process of the
<通常モード>
ステップS102において、ECU60は、燃料電池システム1を、通常モードで運転させる。その後、ECU60の処理は、ステップS101に進む。
<Normal mode>
In step S102, the
<湿度増加モード>
ステップS103において、ECU60は、式(3)に基づいて算出されるオフガス湿度が増加するように、燃料電池システム1を湿度増加モードで運転させる。
<Humidity increase mode>
In step S103, the
具体的には、ECU60は、(A)VCU42を制御して、燃料電池スタック10の出力電流を低下し、燃料電池スタック10の自己発熱量を低下することで、カソードオフガスの温度を低下させ、飽和水蒸気圧(Pa)を下げる方法、(B)コンプレッサ31の回転速度を下げ、加湿器32に導入されるエアガス質量(g/min)を下げる方法、(C)背圧弁33の開度を小さくし、カソードオフガス圧力を高めて、飽和水蒸気圧(Pa)を下げる方法、の少なくとも1つの方法を採用する。因みに、飽和水蒸気圧(Pa)を下げると、水蒸気分圧が上昇する。
なお、(C)の方法において、カソードオフガス圧力(全圧)を高めると、水蒸気分圧も高まるので、オフガス湿度が上昇する。また、カソードオフガスの温度を下げると、飽和水蒸気圧が大きく下がり、オフガス湿度が上昇するので、(A)方法を選択することが好ましい。
Specifically, the ECU 60 (A) controls the
In the method (C), when the cathode offgas pressure (total pressure) is increased, the water vapor partial pressure is also increased, so that the offgas humidity is increased. Further, when the temperature of the cathode offgas is lowered, the saturated water vapor pressure is greatly lowered and the offgas humidity is raised. Therefore, it is preferable to select the method (A).
ステップS104において、ECU60は、式(3)に基づいて算出される現在のオフガス湿度が、105%以上であるか否か判定(推定)する。湿度105%は、湿度増加モードから通常モードに切り替え可能と判断される切替閾値であり、事前試験等により求められる。ただし、切替閾値は105%に限定されず、適宜変更してよい。
In step S104, the
現在のオフガス湿度が105%以上であると判定した場合(S104・Yes)、ECU60の処理は、ステップS102に進み、湿度増加モードから通常モードに移行する。
一方、現在のオフガス湿度が105%以上でないと判定した場合(S104・No)、ECU60の処理はステップS103に進み、継続して湿度増加モードで運転させる。
When it is determined that the current off-gas humidity is 105% or higher (S104 / Yes), the process of the
On the other hand, when it is determined that the current off-gas humidity is not 105% or higher (S104, No), the process of the
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム1によれば、次の効果を得る。
オフガス湿度が100%以下である場合(S101・Yes)、湿度増加モードでシステムを運転し(S103)、オフガス湿度を増加させるので、オフガス湿度が100%未満とならない。これにより、中空糸膜32dの連続細孔に保有される水分が気化(蒸発)しにくくなり、加湿器32の加湿効率は好適に維持される。したがって、中空糸膜32dを介して、カソードに向かう空気を好適に加湿でき、MEAを構成する電解質膜を湿潤状態に維持することができ、燃料電池スタック10の発電性能が低下することはなく、また、劣化することもない。
≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1, the following effects are obtained.
When the off-gas humidity is 100% or less (S101 / Yes), the system is operated in the humidity increase mode (S103) and the off-gas humidity is increased, so that the off-gas humidity does not become less than 100%. This makes it difficult for the water retained in the continuous pores of the
≪燃料電池システムの動作例≫
次に、燃料電池システム1の一動作例について、図3〜図5を参照して説明する。
図3に示すように、カソードオフガス湿度が100%に低下した場合(S101・Yes)、VCU42により、燃料電池スタック10の出力電流を低下させると、燃料電池スタック10の自己発熱量が低下し、その結果、カソードオフガス温度が低下する。これにより、カソードオフガスの飽和水蒸気圧が下がり、式(3)で算出されるカソードオフガスの湿度が上昇する。
なお、このように燃料電池スタック10の出力電流(電力)を低下させる場合、この不足分をアシストするように、バッテリ44を放電させ、モータ41を回転することが好ましい。これにより、燃料電池自動車のドライブフィーリングが低下することはない。
≪Operation example of fuel cell system≫
Next, an operation example of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 3, when the cathode off-gas humidity decreases to 100% (S101 / Yes), when the output current of the
When the output current (power) of the
次に、図4に示すように、カソードオフガス湿度が100%に低下した場合(S101・Yes)、コンプレッサ31の回転速度を低下させ、加湿器32に導入されるエアガス流量を減少すると、式(3)で算出されるカソードオフガスの湿度が上昇する。
Next, as shown in FIG. 4, when the cathode off-gas humidity is reduced to 100% (Yes in S101), the rotational speed of the
次に、図5に示すように、カソードオフガス湿度が100%に低下した場合(S101・Yes)、背圧弁33の開度を小さくし、カソードオフガスの圧力を高めると、式(3)で算出されるカソードオフガスの湿度が上昇する。
Next, as shown in FIG. 5, when the cathode offgas humidity is reduced to 100% (S101 / Yes), if the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した実施形態では、水分交換膜が中空糸膜32dである構成を例示したが、その他に例えば、板状、スパイラル状の水分交換膜でもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
In the above-described embodiment, the configuration in which the moisture exchange membrane is the
前記した実施形態では、カソード流路13に向かう空気をカソードオフガスで加湿する加湿器32に本発明を適用したが、その他に例えば、アノード流路12に向かう水素をアノードオフガスで加湿する加湿器に適用してもよい。この場合、アノード流路12に向かう水素の流量は、例えば、バタフライ等からなる流量制御弁で制御すればよい。
In the above-described embodiment, the present invention is applied to the humidifier 32 that humidifies the air toward the
前記した実施形態では、圧力センサ37が配管32bに設けられた構成を例示したが、その他に例えば、配管31aや、配管32aに設けられた構成でもよい。なお、この構成の場合、加湿器32や、燃料電池スタック10の圧力損失を考慮して、加湿器32に導入されるカソードオフガスの圧力を算出すればよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
前記した実施形態では、質量流量センサ35がコンプレッサ31の吸気口に設けられた構成を例示したが、その他に例えば、配管32bに設けられた構成でもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶等の燃料電池移動体に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been exemplified. However, for example, a fuel cell system mounted on a fuel cell moving body such as a motorcycle, a train, and a ship may be used. In addition, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
31 コンプレッサ
32 加湿器
32d 中空糸膜(水分交換膜)
33 背圧弁
35 質量流量センサ
36 温度センサ
37 圧力センサ
43 電流センサ
60 ECU(運転条件制御手段)
1
11 Single cell (fuel cell)
31 Compressor 32
33
Claims (4)
水分交換性の水分交換膜を有し、当該水分交換膜を介して、前記燃料電池に向かう反応ガスと当該燃料電池から排出された多湿のオフガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器に導入されるオフガスの湿度が100%未満とならないように、システム運転条件を制御する運転条件制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying reactive gas;
It has a moisture exchangeable moisture exchange membrane, and through the moisture exchange membrane, exchanges moisture between the reaction gas heading to the fuel cell and the humid off-gas discharged from the fuel cell, and heads to the fuel cell. A humidifier for humidifying the reaction gas;
Operating condition control means for controlling system operating conditions so that the humidity of the off-gas introduced into the humidifier is not less than 100%;
A fuel cell system comprising:
前記加湿器に導入されるオフガスの温度を検出する温度センサと、
を備え、
前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A pressure sensor for detecting the pressure of off-gas introduced into the humidifier;
A temperature sensor for detecting the temperature of off-gas introduced into the humidifier;
With
The operating condition control means estimates the humidity of the offgas introduced into the humidifier based on the offgas pressure detected by the pressure sensor and the offgas temperature detected by the temperature sensor. The fuel cell system according to claim 1.
前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度と、前記流量センサが検出する加湿前の反応ガスの流量と、所定関係式とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 A flow sensor for detecting the flow rate of the reaction gas before humidification introduced into the humidifier,
The operating condition control means is based on the off-gas pressure detected by the pressure sensor, the off-gas temperature detected by the temperature sensor, the flow rate of the reaction gas before humidification detected by the flow sensor, and a predetermined relational expression. The fuel cell system according to claim 2, wherein the humidity of the off-gas introduced into the humidifier is estimated.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The operating condition control means controls at least one of an output current of the fuel cell, a flow rate of off-gas introduced into the humidifier, and a pressure of off-gas introduced into the humidifier. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
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JP2015072735A (en) * | 2013-10-01 | 2015-04-16 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
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- 2008-11-28 JP JP2008303858A patent/JP2010129417A/en active Pending
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