JP2015210871A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
一方、カソードでは式(2)の電極反応が生じ、水が生成し、この水が、電解質膜中をアノード側に浸透する(特許文献1参照)。
2H2→4H++4e−…(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
したがって、加湿器の水分交換膜のドライアップを防止し、加湿器の性能を向上させることができる。また、加湿器におけるオフガスの圧損を低下することができる。
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)を給排するアノード系(燃料ガス供給手段)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)を給排するカソード系(酸化剤ガス供給手段)と、燃料電池スタック10の発電電力を消費・アシスト(補助)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。
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が積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、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とを備えている。
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス源)と、加湿器22(加湿手段)とを備えている。水素タンク21は、配管21a、加湿器22、配管22aを介して、アノード流路11の入口に接続されており、水素タンク21の水素が、配管21a等を介して、アノード流路11に供給されるようになっている。配管21aには、水素供給時に開かれる常閉型の遮断弁(図示しない)が設けられている。アノード流路11の出口には、配管22b、加湿器22、配管22cが順に接続されており、燃料電池スタック10のアノードから排出されたアノードオフガスが、配管22b等を介して車外(外部)に排出されるようになっている。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス源)と、インタークーラ32と、加湿器33と、開度調整弁34と、カソードオフガス相対湿度センサ35と、カソードオフガス温度センサ36と、空気温度センサ37とを備えている。コンプレッサ31は、配管31a、インタークーラ32、配管32a、加湿器33、配管33aを介して、カソード流路12の入口に接続されており、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、カソード流路12に供給するようになっている。カソード流路12の出口には、配管33b、加湿器33、配管33cが順に接続されており、燃料電池スタック10のカソードから排出されたカソードオフガスが、配管33c等を介して、車外に排出されるようになっている。
配管34a,34bは、カソードオフガスが加湿器33をバイパスするバイパス配管を構成しており、開度調整弁34は、ECU60から出力された制御信号(開度指令値)に基づいて、かかる当該開度調整弁34の開度が調整される。開度調整弁34の開度が大きくなるほど、加湿器33をバイパスするカソードオフガスの量が大きくなり、加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなる。すなわち、これら開度調整弁34及び配管34a,34bの組み合わせが、加湿器33に供給されるオフガス(カソードオフガス)の量を調整するオフガス量調整部Aの一例である。
電力消費系は、走行モータ41と、電力分配器42と、VCU43(Voltage Control Unit、発電電力制限手段)と、電流センサ44と、高圧バッテリ45とを備えている。走行モータ41は、電力分配器42、VCU43、電流センサ44を順に介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されている。高圧バッテリ45は、電力分配器42に接続されている。
ECU(制御部)60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。本実施形態において、ECU60は、カソードオフガス相対湿度センサ35、カソードオフガス温度センサ36、空気温度センサ37及び電流センサ44の検出結果を取得し、かかる検出結果に基づいて、開度調整弁34を制御する。なお、ECU60による具体的制御内容は、図2のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。
次に、図2を主に参照して、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、前提として、燃料電池システム1は作動しており、燃料電池スタック10は発電している。また、ECU60は、カソードオフガス相対湿度センサ35によって検出されたカソードオフガスの相対湿度、カソードオフガス温度センサ36によって検出されたカソードオフガスの温度、空気温度センサ37によって検出された空気の温度、及び、電流センサ44によって検出された燃料電池スタック10の出力電流を取得している。
これは、加湿器33に供給されるカソードオフガスの相対湿度が小さい場合には、カソードオフガスを冷却して水分を空気に移すためには、加湿器33に供給されるカソードオフガスの量を小さくして空気によるカソードオフガスの冷却効果を高める必要があるためである。
より詳細には、中空糸膜33dの圧力損失は、当該中空糸膜33dの内側を流れるガスの流量の増加に対して、線形性を持って(一次関数的に)増加するのに対し、開度調整弁34の圧力損失は、当該開度調整弁34を流れるガスの流量の増加に対して、二次関数的に増加する。
すなわち、燃料電池スタック10から排出されるカソードオフガスの流量が比較的小さい場合、中空糸膜33dにおける圧力損失が開度調整弁34における圧力損失よりも大きくなるため、カソードオフガスは、開度調整弁34側(すなわち、バイパス側)に流れやすくなる。また、燃料電池スタック10から排出されるカソードオフガスの流量が比較的大きい場合、中空糸膜33dにおける圧力損失が開度調整弁34における圧力損失よりも小さくなるため、カソードオフガスは、加湿器33側に流れやすくなる。そのため、ECU60は、燃料電池スタック10から排出されるカソードオフガスの流量に相関する燃料電池スタック10の出力電流に基づいて、所望の目標バイパス率を実現するように開度調整弁34の開度指令値を調整する。
ECU60は、かかる事情に鑑みて設定された開度指令値算出マップを予め記憶しており、ステップS4において燃料電池スタック10の出力電流に応じた開度指令値を設定する。
本実施形態に係る燃料電池システム1は、湿潤ガスであるカソードオフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が乾燥ガスである空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの相対湿度が100%である場合やカソードオフガスの温度が空気の温度以下の場合よりも加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁34を制御するので、加湿器33に供給されるカソードオフガスの量を小さくし、空気によるカソードオフガスの冷却効果を高めてカソードオフガスを好適に冷却することができ、加湿器33内におけるカソードオフガスの相対湿度を向上させることができる。したがって、加湿器33の中空糸膜33dのドライアップを防止し、加湿器33の性能を向上させることができる。また、加湿器33におけるカソードオフガスの圧損を低下することができる。
また、燃料電池システム1は、カソードオフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの相対湿度が小さいほど加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁34を制御するので、加湿器33の中空糸膜33dのドライアップをより好適に防止し、加湿器33の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム1は、カソードオフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの温度と空気の温度との差が大きいほど加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁34を制御するので、加湿器33の中空糸膜33dのドライアップをより好適に防止し、加湿器33の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム1は、カソードオフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、燃料電池スタック10の出力電流が大きいほど加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁34を制御するので、加湿器33の中空糸膜33dのドライアップをより好適に防止し、加湿器33の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム1は、カソードオフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック10の出力電流に基づいて目標バイパス率を設定するとともに、目標バイパス率及び燃料電池スタック10の出力電流に基づいて開度調整弁34を制御するので、目標バイパス率に応じて開度調整弁34の開度を好適に設定し、加湿器33の中空糸膜33dのドライアップをより好適に防止し、加湿器33の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム1は、カソードオフガスの相対湿度が小さいほど、燃料電池スタック10の出力電流が大きいほど、カソードオフガスの温度と空気の温度との差が大きいほど、目標バイパス率が大きくなるように当該目標バイパス率を設定し、目標バイパス率が大きいほど加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように、かつ、燃料電池スタック10の出力電流が大きいほど加湿器33に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように、開度調整弁34を制御するので、加湿器33の中空糸膜33dのドライアップをより好適に防止し、加湿器33の性能をより向上させることができるとともに、中空糸膜33dと開度調整弁34の圧力損失の特性の違いを考慮した好適な制御を行うことができる。
また、燃料電池システム1は、加湿器33をバイパスするバイパス配管34a,34bと、バイパス配管34a,34bの間に設けられた開度調整弁34と、を備えるので、加湿器33に供給されたカソードオフガスと供給されなかったカソードオフガスとを加湿器33の下流側の配管33cで合流させてまとめて処理することができる。
また、燃料電池システム1は、バイパス配管34a,34bの間に設けられた開度調整弁34を備えるので、加湿器33をバイパスさせるカソードオフガスの量を簡易に調整することができる。
また、前記した実施形態では、オフガス量調整部Aの弁としてバイパス配管34a,34bの間に設けられた開度調整弁34が採用されているが、かかる開度調整弁34に代えて、配管33bと配管34aとの分岐部に三方向弁を設ける構成であってもよい。
また、前記した実施形態では、オフガス量調整部Aの弁としてバタフライ弁である開度調整弁34が採用されているが、かかる開度調整弁34は、ボール弁であってもよく、DUTY制御可能な電磁弁又はインジェクタであってもよい。なお、開度指令値算出マップは、オフガス量調整部Aの弁の圧力損失の特性に応じて設定されることが望ましい。
また、前記した実施形態では、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック10の出力電流に基づいて目標バイパス率を設定するとともに目標バイパス率及び燃料電池スタック10の出力電流に基づいて開度調整弁34の開度指令値を設定したが、これに代えて、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック10の出力電流に基づいて開度調整弁34の開度指令値を直接設定する構成であってもよい。
また、前記実施形態では、燃料電池スタック10の出力として出力電流を用いたが、燃料電池スタック10の出力は、出力電流に限定されず、出力電力等であってもよい。
また、本発明の燃料電池システム1は、図1に示すようなアノード系及びカソード系の両方で反応ガスを加湿する、いわゆる両極加湿に限定されない。すなわち、本発明は、アノード系の加湿器22が無い燃料電池システムにも適用可能であり、その場合であっても前記した効果を奏することができる。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
33 加湿器
33b 配管
33d 中空糸膜(水分交換膜)
34 開度調整弁(弁)
34a 配管(バイパス配管)
34b 配管(バイパス配管)
35 カソードオフガス相対湿度センサ(オフガス相対湿度検出部)
36 カソードオフガス温度センサ(オフガス温度検出部)
37 空気温度センサ(反応ガス温度検出部)
44 電流センサ(出力検出部)
60 ECU(制御部)
A オフガス量調整部
Claims (9)
- 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、
前記加湿器に供給される前記オフガスの量を調整するオフガス量調整部と、
前記加湿器に供給される前記オフガスの相対湿度を検出するオフガス相対湿度検出部と、
前記加湿器に供給される前記オフガスの温度を検出するオフガス温度検出部と、
前記加湿器に供給される前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出部と、
前記オフガス量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合に、前記加湿器に供給される前記オフガスの量を減らすように前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの相対湿度が小さいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの温度と前記反応ガスの温度との差が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の出力を検出する出力検出部を備え、
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の出力を検出する出力検出部を備え、
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、
前記オフガスの相対湿度、前記オフガスの温度、前記反応ガスの温度及び前記燃料電池の出力に基づいて、前記燃料電池から排出される前記オフガスの量に対する前記オフガス量調整部によって減らされる前記オフガスの量である目標カット率を設定するとともに、前記目標カット率及び前記燃料電池の出力に基づいて前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、
前記オフガスの相対湿度が小さいほど前記目標カット率が大きくなるように、前記燃料電池の出力が大きいほど前記目標カット率が大きくなるように、かつ、前記オフガスの温度と前記反応ガスの温度との差が小さいほど前記目標カット率が大きくなるように、当該目標カット率を設定する
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が100%未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合に、前記目標カット率が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、かつ、前記燃料電池の出力が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記オフガス量調整部は、
前記加湿器をバイパスするバイパス配管と、
前記燃料電池と前記加湿器とを接続して前記オフガスが流通する配管と前記バイパス配管との分岐部、又は、前記バイパス配管に設けられており、前記制御部によって開閉制御される弁と、
を備えることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記弁は、前記バイパス配管に設けられた開度調整弁である
ことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
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