JP2020095862A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel cell system capable of stabilizing humidification state of oxidant gas.SOLUTION: A fuel cell system comprises a fuel cell generating electricity by chemical reaction of oxidant gas and fuel gas, a humidifier having a feed passage through which oxidant gas to be supplied to the fuel cell flows, an exhaust passage through which off-gas drained from the fuel cell flows, and a permeation film for permeating moisture content, and adding the moisture content in the off-gas flowing through the exhaust passage to the oxidant gas flowing through the feed passage via the permeation film, a detour for making the oxidant gas flowing through the feed passage detour the humidifier, adjustment means for adjusting the amount of the oxidant gas flowing through the humidifier and the detour, respectively, and a control arrangement for controlling the adjustment means so that the flow of the oxidant gas to the humidifier is blocked, or the flow of the oxidant gas to the detour is blocked, according to the humidification state of the fuel cell.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池に酸化剤ガスを供給するための供給路に、酸化剤ガスを加湿する加湿器、及び加湿器を迂回するバイパス流路が接続された構成の燃料電池システムがある（例えば特許文献１）。加湿器は、燃料電池に供給される酸化剤ガスに、燃料電池から排出された酸化剤ガス（以下、「オフガス」と表記）中の水分を、中空糸膜などの透過膜を介して加えることにより加湿を行う。 There is a fuel cell system configured to connect a humidifier for humidifying the oxidant gas and a bypass flow path bypassing the humidifier to a supply path for supplying the oxidant gas to the fuel cell (for example, Patent Document 1). .. The humidifier adds water contained in the oxidant gas discharged from the fuel cell (hereinafter referred to as "off gas") to the oxidant gas supplied to the fuel cell through a permeable membrane such as a hollow fiber membrane. To humidify.

特開２００９−１４０６２１号公報JP, 2009-140621, A

加湿器には、供給路、及びオフガスが流れる排出路が接続されている。オフガスの温度及び水分量は、燃料電池の発電状態に応じて変動する。このため、オフガスの温度及び水分量の変動に応じて、凝縮した水分が透過膜に詰まったり、逆に透過膜の詰まりが解消することにより加湿器の圧力損失が変動する。 A supply path and an exhaust path through which the off gas flows are connected to the humidifier. The off-gas temperature and the amount of water change depending on the power generation state of the fuel cell. For this reason, the pressure loss of the humidifier fluctuates due to clogging of the permeable membrane with condensed moisture or conversely elimination of clogging of the permeable membrane in response to variations in the temperature of the offgas and the moisture content.

したがって、供給路を流れる酸化剤ガスの一部をバイパス流路に分流させる場合、その分流比は、加湿器の圧力損失の変動の影響により目標値からずれるため、加湿器を経由する酸化剤ガスの流量の制御が困難となり、酸化剤ガスの加湿状態が安定しないおそれがある。 Therefore, when a part of the oxidant gas flowing through the supply path is diverted to the bypass flow path, the diversion ratio deviates from the target value due to the influence of the pressure loss fluctuation of the humidifier, so the oxidant gas passing through the humidifier is It becomes difficult to control the flow rate of, and the humidified state of the oxidant gas may not be stable.

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガスの加湿状態を安定化することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Then, this invention is made|formed in view of the said subject, and it aims at providing the fuel cell system which can stabilize the humidification state of oxidizing gas.

本明細書に記載の燃料電池システムは、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが流れる供給路と、前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、水分を透過する透過膜を有し、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに、前記排出路を流れる前記オフガス中の水分を、前記透過膜を介して加える加湿器と、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに前記加湿器を迂回させる迂回路と、前記加湿器及び前記迂回路にそれぞれ流れる前記酸化剤ガスの量を調整する調整手段と、前記燃料電池の加湿状態に応じて、前記加湿器及び前記迂回路のうち、前記加湿器への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、または前記迂回路への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、前記調整手段を制御する制御装置とを有する。 The fuel cell system described in the present specification includes a fuel cell that generates electricity by a chemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas, a supply path through which the oxidant gas supplied to the fuel cell flows, and a fuel cell that is discharged from the fuel cell. A humidifier having an exhaust passage through which the off gas flows and a permeable membrane that transmits moisture, and adds the moisture in the off gas flowing through the discharge passage to the oxidant gas flowing through the supply passage through the permeable membrane. A bypass for bypassing the humidifier to the oxidant gas flowing through the supply path, adjusting means for adjusting the amounts of the oxidant gas flowing through the humidifier and the bypass, respectively, and humidification of the fuel cell Depending on the state, the flow of the oxidant gas to the humidifier of the humidifier and the bypass is blocked, or the flow of the oxidant gas to the bypass is blocked. And a control device for controlling the adjusting means.

本発明によれば、酸化剤ガスの加湿状態を安定化することができる。 According to the present invention, the humidified state of the oxidant gas can be stabilized.

燃料電池システムの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a fuel cell system. 加湿器の一例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of a humidifier. 比較例における酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the humidity change of the oxidizing gas in a comparative example. 実施例において、加湿器のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a change in humidity of the oxidant gas when the oxidant gas flows only to the humidifier in the example. 実施例において、バイパス流路のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a change in humidity of the oxidant gas when the oxidant gas flows only in the bypass channel in the example. ＥＣＵ（Electric Control Unit）の処理の一例を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing an example of processing of an ECU (Electric Control Unit).

（燃料電池システムの構成）
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、一例として燃料電池車に搭載される。 (Configuration of fuel cell system)
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system. The fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle as an example.

燃料電池システムは、ＥＣＵ１、燃料電池スタック（ＦＣ）２、エアコンプレッサ３０、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）３１、加湿器３２、タンク３３、及びインジェクタ３４を有する。また、燃料電池システムは、三方弁４０、調圧弁４１、温度センサ５０，５２、フローメータ５１、カソード供給路２０、バイパス流路２１、カソード排出路２２、アノード供給路２３、アノード排出路２４、及び冷却水路２５を有する。 The fuel cell system has an ECU 1, a fuel cell stack (FC) 2, an air compressor 30, an intercooler (I/C) 31, a humidifier 32, a tank 33, and an injector 34. Further, the fuel cell system includes a three-way valve 40, a pressure regulating valve 41, temperature sensors 50 and 52, a flow meter 51, a cathode supply passage 20, a bypass passage 21, a cathode discharge passage 22, an anode supply passage 23, an anode discharge passage 24, And a cooling water channel 25.

燃料電池スタック２は、固体高分子形の複数の単セル（１個の燃料電池）の積層体であり、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化剤ガスは例えば空気である。 The fuel cell stack 2 is a stacked body of a plurality of solid polymer type single cells (one fuel cell), and generates electricity by a chemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas. The fuel gas is, for example, hydrogen gas, and the oxidant gas is, for example, air.

燃料電池スタック２は、流体が流れる配管であるカソード供給路２０、カソード排出路２２、アノード供給路２３、アノード排出路２４、及び冷却水路２５に接続されている。カソード供給路２０には、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスが流れる。カソード排出路２２には、燃料電池スタック２から排出されたオフガスが流れる。なお、カソード供給路２０は供給路の一例であり、カソード排出路２２は排出路の一例である。 The fuel cell stack 2 is connected to a cathode supply passage 20, a cathode discharge passage 22, an anode supply passage 23, an anode discharge passage 24, and a cooling water passage 25, which are pipes through which a fluid flows. The oxidant gas supplied to the fuel cell stack 2 flows through the cathode supply passage 20. The off gas discharged from the fuel cell stack 2 flows through the cathode discharge passage 22. The cathode supply passage 20 is an example of a supply passage, and the cathode discharge passage 22 is an example of a discharge passage.

アノード供給路２３には、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスが流れる。アノード供給路２３には、上流側から下流側に向かう方向に沿って、タンク３３及びインジェクタ３４が接続されている。タンク３３は燃料ガスを蓄圧し、インジェクタ３４は、タンク３３からの燃料ガスを燃料電池スタック２に向けて噴射する。ＥＣＵ１は、インジェクタ３４が噴射する燃料ガスの量（以下、「噴射量」と表記）を制御する。 The fuel gas supplied to the fuel cell stack 2 flows through the anode supply passage 23. A tank 33 and an injector 34 are connected to the anode supply path 23 along the direction from the upstream side to the downstream side. The tank 33 accumulates the pressure of the fuel gas, and the injector 34 injects the fuel gas from the tank 33 toward the fuel cell stack 2. The ECU 1 controls the amount of fuel gas injected by the injector 34 (hereinafter referred to as "injection amount").

アノード排出路２４には、燃料電池スタック２から排出された燃料ガスが流れる。なお、アノード排出路２４を流れる燃料ガスは、不図示の再循環系により燃料電池スタック２に再循環される。 The fuel gas discharged from the fuel cell stack 2 flows through the anode discharge passage 24. The fuel gas flowing through the anode discharge passage 24 is recirculated to the fuel cell stack 2 by a recirculation system (not shown).

燃料電池スタック２は、発電により発熱するため、発電に適切な温度に維持されるように、冷却水路２５を循環する冷却水により冷却される。冷却水路２５には、燃料電池スタック２の冷却水の出口付近の温度を検出する温度センサ５２が設けられている。ＥＣＵ１は、温度センサ５２から冷却水の温度を取得する。また、冷却水路２５には、燃料電池スタック２により昇温した冷却水を冷却するラジエータ（不図示）、及び冷却水を送出するポンプ（不図示）などが設けられている。 Since the fuel cell stack 2 generates heat by power generation, it is cooled by cooling water circulating in the cooling water passage 25 so as to be maintained at a temperature suitable for power generation. The cooling water passage 25 is provided with a temperature sensor 52 that detects the temperature near the outlet of the cooling water of the fuel cell stack 2. The ECU 1 acquires the temperature of the cooling water from the temperature sensor 52. The cooling water passage 25 is provided with a radiator (not shown) for cooling the cooling water heated by the fuel cell stack 2, a pump (not shown) for sending the cooling water, and the like.

カソード供給路２０には、上流側から下流側に向かう方向に沿って、エアコンプレッサ３０、インタークーラ３１、温度センサ５０、フローメータ５１、三方弁４０、及び加湿器３２が接続されている。エアコンプレッサ３０は、カソード供給路２０を流れる酸化剤ガスをモータ（不図示）の回転により圧縮する。ＥＣＵ１は、エアコンプレッサ３０のモータの回転数を制御する。圧縮された酸化剤ガスはインタークーラ３１に導入される。 An air compressor 30, an intercooler 31, a temperature sensor 50, a flow meter 51, a three-way valve 40, and a humidifier 32 are connected to the cathode supply path 20 along the direction from the upstream side to the downstream side. The air compressor 30 compresses the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 by rotating a motor (not shown). The ECU 1 controls the rotation speed of the motor of the air compressor 30. The compressed oxidant gas is introduced into the intercooler 31.

インタークーラ３１は、圧縮により昇温した酸化剤ガスを熱交換により冷却する。温度センサ５０は、インタークーラ３１の出口側の酸化剤ガスの温度を検出する。ＥＣＵ１は、温度センサ５０から酸化剤ガスの温度を取得する。また、フローメータ５１は、インタークーラ３１の出口側の酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を検出する。ＥＣＵ１は、フローメータ５１から酸化剤ガスの流量を取得する。酸化剤ガスはインタークーラ３１から三方弁４０に流れる。 The intercooler 31 cools the oxidant gas heated by compression by heat exchange. The temperature sensor 50 detects the temperature of the oxidizing gas on the outlet side of the intercooler 31. The ECU 1 acquires the temperature of the oxidant gas from the temperature sensor 50. The flow meter 51 also detects the flow rate of the oxidizing gas on the outlet side of the intercooler 31 per unit time. The ECU 1 acquires the flow rate of the oxidant gas from the flow meter 51. The oxidant gas flows from the intercooler 31 to the three-way valve 40.

三方弁４０には、酸化剤ガスが流れる配管であるバイパス流路２１の上流側の端部が接続されている。また、三方弁４０は、カソード供給路２０の下流側において加湿器３２と接続されている。バイパス流路２１の下流側の端部は、加湿器３２の下流側のカソード供給路２０に接続されている。これにより、バイパス流路２１は、カソード供給路２０を流れる酸化剤ガスに加湿器３２を迂回させる。なお、バイパス流路２１は迂回路の一例である。 The upstream end of the bypass flow passage 21, which is a pipe through which the oxidant gas flows, is connected to the three-way valve 40. The three-way valve 40 is connected to the humidifier 32 on the downstream side of the cathode supply passage 20. The downstream end of the bypass passage 21 is connected to the cathode supply passage 20 on the downstream side of the humidifier 32. As a result, the bypass flow passage 21 diverts the humidifier 32 to the oxidizing gas flowing through the cathode supply passage 20. The bypass passage 21 is an example of a detour.

三方弁４０は、加湿器３２側の開度により加湿器３２に流れる酸化剤ガスの量を調整し、バイパス流路２１側の開度によりバイパス流路２１に流れる酸化剤ガスの量を調整する。ＥＣＵ１は各開度を制御する。このため、三方弁４０は、加湿器３２及びバイパス流路２１にそれぞれ流れる酸化剤ガスの分流比を各開度により調整することができる。なお、三方弁４０は調整手段の一例である。 The three-way valve 40 adjusts the amount of the oxidant gas flowing into the humidifier 32 by the opening of the humidifier 32 side, and adjusts the amount of the oxidant gas flowing in the bypass flow passage 21 by the opening of the bypass flow passage 21 side. .. The ECU 1 controls each opening. Therefore, the three-way valve 40 can adjust the diversion ratio of the oxidant gas flowing through the humidifier 32 and the bypass passage 21 depending on the opening degree. The three-way valve 40 is an example of adjusting means.

加湿器３２は、三方弁４０から流れ込んだ酸化剤ガスを加湿する。加湿された酸化剤ガスは燃料電池スタック２に流れる。一方、バイパス流路２１を流れる酸化剤ガスは、加湿器３２を迂回するため、加湿されずにカソード供給路２０に流れ、さらに燃料電池スタック２に流れる。 The humidifier 32 humidifies the oxidant gas flowing from the three-way valve 40. The humidified oxidant gas flows into the fuel cell stack 2. On the other hand, since the oxidant gas flowing through the bypass flow passage 21 bypasses the humidifier 32, it flows into the cathode supply passage 20 without being humidified and further flows into the fuel cell stack 2.

カソード排出路２２には、上流側から下流側に向かう方向に沿って、加湿器３２及び調圧弁４１が接続されている。加湿器３２は、カソード排出路２２を流れるオフガス中の水分により加湿を行う。 A humidifier 32 and a pressure regulating valve 41 are connected to the cathode discharge passage 22 along the direction from the upstream side to the downstream side. The humidifier 32 humidifies the water in the off gas flowing through the cathode discharge passage 22.

調圧弁４１は、加湿器３２の出口側の酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を調整する。ＥＣＵ１は、調圧弁４１の開度を調整することにより酸化剤ガスの背圧を制御する。 The pressure regulating valve 41 regulates the flow rate of the oxidizing gas on the outlet side of the humidifier 32 per unit time. The ECU 1 controls the back pressure of the oxidant gas by adjusting the opening degree of the pressure regulating valve 41.

ＥＣＵ１は燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）回路を含み、ＣＰＵを駆動するソフトウェアに従って動作する。 The ECU 1 controls the operation of the fuel cell system. The ECU 1 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) circuit, and operates according to software that drives the CPU.

ＥＣＵ１は、温度センサ５０，５２及びフローメータ５１から検出結果を取得し、燃料電池システムの動作の制御に用いる。また、ＥＣＵ１は、インジェクタ３４の噴射量、エアコンプレッサ３０のモータの回転数、三方弁４０の各開度、及び調圧弁４１の開度を制御する。なお、ＥＣＵ１は制御装置の一例である。 The ECU 1 acquires the detection results from the temperature sensors 50 and 52 and the flow meter 51, and uses them to control the operation of the fuel cell system. Further, the ECU 1 controls the injection amount of the injector 34, the rotation speed of the motor of the air compressor 30, each opening degree of the three-way valve 40, and the opening degree of the pressure regulating valve 41. The ECU 1 is an example of the control device.

（加湿器の構成）
次に加湿器３２の構成例を説明する。 (Structure of humidifier)
Next, a configuration example of the humidifier 32 will be described.

図２は、加湿器３２の一例を示す斜視図である。加湿器３２は、例えば、直方体形状の金属製のスペーサ３２０、及び、水分を透過する多孔質の透過膜により形成されたスタック部材３２１を有する。 FIG. 2 is a perspective view showing an example of the humidifier 32. The humidifier 32 has, for example, a rectangular parallelepiped metal spacer 320, and a stack member 321 formed of a porous permeable film that transmits moisture.

加湿器３２は、複数のスタック部材３２１が積層された積層体である。スタック部材３２１は四角い筒型の部材であり、その内側には、オフガスから水分を吸収するための吸湿流路３２１ａが設けられている。吸湿流路３２１ａはカソード排出路２２と連通しており、オフガスは吸湿流路３２１ａを方向Ｄｂに流れる。また、スタック部材３２１は、一例として３個のスペーサ３２０を介して隣のスタック部材３２１に積層される。 The humidifier 32 is a laminated body in which a plurality of stack members 321 are laminated. The stack member 321 is a rectangular tubular member, and a moisture absorption flow channel 321a for absorbing moisture from the off gas is provided inside the stack member 321. The moisture absorption channel 321a communicates with the cathode discharge channel 22, and the off gas flows through the moisture absorption channel 321a in the direction Db. Further, the stack member 321 is stacked on the adjacent stack member 321 via the three spacers 320 as an example.

スペーサ３２０は、長手方向がオフガスの流れる方向Ｄｂと直交するように、スタック部材３２１の上面及び下面にそれぞれ接着されている。スペーサ３２０は、例えば一定の間隔をおいてスタック部材３２１の上面及び下面に配置されている。隣り合うスペーサ３２０同士及びスタック部材３２１同士の間隔により画定される空間は、酸化剤ガスを加湿するための加湿流路３２０ａとして機能する。加湿流路３２０ａはカソード供給路２０と連通しており、酸化剤ガスは加湿流路３２０ａを方向Ｄａに流れる。これにより、酸化剤ガスとオフガスは、加湿器３２内部を互いに直交する方向Ｄｂ，Ｄａに流れる。 The spacers 320 are respectively bonded to the upper surface and the lower surface of the stack member 321 such that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the off-gas flowing direction Db. The spacers 320 are arranged on the upper surface and the lower surface of the stack member 321, for example, at regular intervals. The space defined by the interval between the adjacent spacers 320 and the stack members 321 functions as a humidification flow channel 320a for humidifying the oxidant gas. The humidifying channel 320a communicates with the cathode supply channel 20, and the oxidant gas flows in the humidifying channel 320a in the direction Da. As a result, the oxidant gas and the off gas flow in the humidifier 32 in directions Db and Da that are orthogonal to each other.

吸湿流路３２１ａを流れるオフガス中の水分は、スタック部材３２１の透過膜を介して加湿流路３２０ａに移動する。これにより、加湿流路３２０ａを流れる酸化剤ガスに水分が加えられる。 Moisture in the off gas flowing through the moisture absorption channel 321a moves to the humidification channel 320a via the permeable membrane of the stack member 321. As a result, water is added to the oxidant gas flowing through the humidification flow path 320a.

この構成によると、加湿器３２のサイズを小型化しつつ、加湿流路３２０ａ及び吸湿流路３２１ａを高密度で集積することができるため、オフガス及び酸化剤ガスと接触する透過膜の面積を容易に増加させることが可能となる。このため、加湿器３２は、例えば燃料電池車などに要求される高効率な加湿を実現することができる。 According to this configuration, the humidifier 32 can be downsized and the humidification channel 320a and the moisture absorption channel 321a can be integrated at high density. Therefore, the area of the permeable membrane that comes into contact with the off gas and the oxidant gas can be easily made. It is possible to increase. Therefore, the humidifier 32 can realize highly efficient humidification required for, for example, a fuel cell vehicle.

再び図１を参照すると、オフガスの温度及び水分量は、燃料電池スタック２の発電状態に応じて変動する。このため、オフガスの温度及び水分量の変動に応じて、凝縮した水分が透過膜に詰まったり、逆に透過膜の詰まりが解消することにより加湿器３２の圧力損失が変動する。 Referring again to FIG. 1, the temperature of the off gas and the amount of water change depending on the power generation state of the fuel cell stack 2. For this reason, the pressure loss of the humidifier 32 fluctuates due to the condensed moisture clogging the permeable membrane or conversely the clogging of the permeable membrane disappears according to the variation of the off-gas temperature and the moisture content.

したがって、三方弁４０がカソード供給路２０を流れる酸化剤ガスの一部をバイパス流路２１に分流させる場合、その分流比は、加湿器３２の圧力損失の変動の影響により目標値からずれるため、加湿器３２を経由する酸化剤ガスの流量の制御が困難となり、酸化剤ガスの加湿状態が安定しないおそれがある。 Therefore, when the three-way valve 40 diverts a part of the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 to the bypass passage 21, the diversion ratio deviates from the target value due to the influence of the pressure loss fluctuation of the humidifier 32. It becomes difficult to control the flow rate of the oxidant gas passing through the humidifier 32, and the humidified state of the oxidant gas may not be stable.

図３は、比較例における酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。符号Ｇ１は、時刻に対する酸化剤ガスの湿度の変化を示す。ここで、酸化剤ガスの湿度は、加湿器３２の下流側の燃料電池スタック２の入口における値である。また、符号Ｇ２は、時刻に対する三方弁４０の加湿器３２側の開度の変化を示し、符号Ｇ３は、時刻に対する三方弁４０のバイパス流路２１側の開度の変化を示す。 FIG. 3 is a diagram showing an example of changes in humidity of the oxidizing gas in the comparative example. Reference numeral G1 indicates a change in humidity of the oxidant gas with respect to time. Here, the humidity of the oxidant gas is a value at the inlet of the fuel cell stack 2 on the downstream side of the humidifier 32. The symbol G2 indicates the change in the opening degree of the three-way valve 40 on the humidifier 32 side with respect to time, and the reference symbol G3 indicates the change in the opening degree of the three-way valve 40 on the bypass passage 21 side.

ＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度及びバイパス流路２１側の開度をそれぞれ１００（％）に設定する。つまり、三方弁４０の各開度は全開状態に設定される。このため、酸化剤ガスは、加湿器３２の圧力損失が一定であれば、三方弁４０から加湿器３２及びバイパス流路２１に均等な量で分流される。 The ECU 1 sets the opening degree on the humidifier 32 side of the three-way valve 40 and the opening degree on the bypass flow passage 21 side to 100 (%), respectively. That is, each opening of the three-way valve 40 is set to the fully open state. Therefore, if the pressure loss of the humidifier 32 is constant, the oxidant gas is diverted from the three-way valve 40 to the humidifier 32 and the bypass passage 21 in an equal amount.

しかし、実際には上述したように、分流比は、加湿器３２の圧力損失の変動の影響により変化するため、加湿器３２に流れる酸化剤ガスの量も変化する。このため、符号Ｇ１に示されるように、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスの湿度が変動する。 However, in actuality, as described above, the diversion ratio changes due to the influence of the fluctuation of the pressure loss of the humidifier 32, so that the amount of the oxidant gas flowing to the humidifier 32 also changes. Therefore, as indicated by reference numeral G1, the humidity of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 2 fluctuates.

（三方弁４０の開度の制御）
そこで、実施例のＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度及びバイパス流路２１側の開度のうち、一方の開度を０（％）に設定し、他方の開度を１００（％）に設定する。これにより、加湿器への酸化剤ガスの流れが遮断され、またはバイパス流路２１への酸化剤ガスの流れが遮断される。このため、酸化剤ガスは、三方弁４０から加湿器３２及びバイパス流路２１に分流されることはない。 (Control of opening degree of three-way valve 40)
Therefore, the ECU 1 of the embodiment sets one of the opening degree of the three-way valve 40 on the humidifier 32 side and the opening degree of the bypass flow passage 21 side to 0 (%) and sets the other opening degree to 100%. Set to (%). As a result, the flow of the oxidant gas to the humidifier is blocked, or the flow of the oxidant gas to the bypass passage 21 is blocked. Therefore, the oxidant gas is not split from the three-way valve 40 to the humidifier 32 and the bypass passage 21.

したがって、加湿器３２には、加湿器３２側の開度が１００（％）である場合、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが流れ込み、加湿器３２側の開度が０（％）である場合、酸化剤ガスが全く流れ込まない。前者の場合、加湿器３２を流れる酸化剤ガスの量は、エアコンプレッサ３０が送出する酸化剤ガスの全体量であるため、加湿器３２の圧力損失の変動によらずに一定となる。これにより、酸化剤ガスの湿度を実質的に一定とすることが可能である。 Therefore, when the opening degree on the humidifier 32 side is 100(%), all the oxidizing gas flowing through the cathode supply passage 20 flows into the humidifier 32, and the opening degree on the humidifier 32 side is 0(%). , No oxidant gas flows in. In the former case, the amount of the oxidant gas flowing through the humidifier 32 is the total amount of the oxidant gas delivered by the air compressor 30, and therefore is constant regardless of the fluctuation of the pressure loss of the humidifier 32. Thereby, the humidity of the oxidant gas can be made substantially constant.

再び図１を参照すると、符号Ｒａは、加湿器３２側の開度が１００（％）であり、バイパス流路２１側の開度が０（％）である場合の酸化剤ガスの経路を示し、符号Ｒｂは、加湿器３２側の開度が０（％）であり、バイパス流路２１側の開度が１００（％）である場合の酸化剤ガスの経路を示す。 Referring to FIG. 1 again, reference symbol Ra indicates a path of the oxidant gas when the opening degree on the humidifier 32 side is 100(%) and the opening degree on the bypass flow passage 21 side is 0(%). , Rb indicates the path of the oxidant gas when the opening degree on the humidifier 32 side is 0 (%) and the opening degree on the bypass flow passage 21 side is 100 (%).

経路Ｒａの場合、加湿器３２及びバイパス流路２１のうち、加湿器３２のみに酸化剤ガスが流れ、経路Ｒｂの場合、加湿器３２及びバイパス流路２１のうちバイパス流路２１のみに酸化剤ガスが流れる。つまり、経路Ｒａの場合、バイパス流路２１への酸化剤ガスの流れが遮断され、経路Ｒｂの場合、加湿器３２への酸化剤ガスの流れが遮断される。 In the case of the route Ra, the oxidant gas flows only in the humidifier 32 of the humidifier 32 and the bypass flow passage 21, and in the case of the route Rb, the oxidizer gas flows only in the bypass flow passage 21 of the humidifier 32 and the bypass flow passage 21. The gas flows. That is, in the case of the route Ra, the flow of the oxidant gas to the bypass flow passage 21 is blocked, and in the case of the route Rb, the flow of the oxidant gas to the humidifier 32 is blocked.

図４は、実施例において、加湿器３２のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。符号Ｇ１１は、時刻に対する酸化剤ガスの湿度の変化を示す。また、符号Ｇ１２は、時刻に対する三方弁４０の加湿器３２側の開度の変化を示し、符号Ｇ１３は、時刻に対する三方弁４０のバイパス流路２１側の開度の変化を示す。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a humidity change of the oxidant gas when the oxidant gas flows only to the humidifier 32 in the embodiment. Reference numeral G11 indicates a change in humidity of the oxidant gas with respect to time. Further, reference numeral G12 shows a change in the opening degree of the three-way valve 40 on the humidifier 32 side with respect to time, and reference numeral G13 shows a change with respect to the opening degree of the three-way valve 40 on the bypass flow passage 21 side.

ＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度を１００（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を０（％）に設定する。つまり、加湿器３２側の開度は全開状態に設定され、バイパス流路２１側の開度は全閉状態に設定される。このとき、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが加湿器３２に流れるため、上述したように、酸化剤ガスの湿度は、加湿器３２の圧力損失の変動によらず、実質的に一定に維持される。 The ECU 1 sets the opening degree of the three-way valve 40 on the humidifier 32 side to 100 (%) and sets the opening degree on the bypass flow passage 21 side to 0 (%). That is, the opening degree on the humidifier 32 side is set to the fully open state, and the opening degree on the bypass flow passage 21 side is set to the fully closed state. At this time, since all the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 flows into the humidifier 32, as described above, the humidity of the oxidant gas is substantially constant regardless of the fluctuation of the pressure loss of the humidifier 32. Maintained at.

図５は、実施例において、バイパス流路２１のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。符号Ｇ２１は、時刻に対する酸化剤ガスの湿度の変化を示す。また、符号Ｇ２２は、時刻に対する三方弁４０の加湿器３２側の開度の変化を示し、符号Ｇ２３は、時刻に対する三方弁４０のバイパス流路２１側の開度の変化を示す。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a change in humidity of the oxidant gas when the oxidant gas flows only in the bypass channel 21 in the embodiment. Reference numeral G21 indicates a change in humidity of the oxidant gas with respect to time. Further, reference sign G22 indicates a change in the opening degree of the three-way valve 40 on the humidifier 32 side with respect to time, and reference sign G23 indicates a change in the opening degree of the three-way valve 40 on the bypass flow passage 21 side with respect to the time.

ＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度を０（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を１００（％）に設定する。つまり、加湿器３２側の開度は全閉状態に設定され、バイパス流路２１側の開度は全開状態に設定される。このとき、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが加湿器３２を迂回するため、酸化剤ガスの湿度は、加湿器３２の圧力損失の変動によらず、例えばエアコンプレッサ３０に取り込まれる外気の湿度に実質的に維持される。 The ECU 1 sets the opening degree on the humidifier 32 side of the three-way valve 40 to 0 (%) and sets the opening degree on the bypass flow passage 21 side to 100 (%). That is, the opening degree on the humidifier 32 side is set to the fully closed state, and the opening degree on the bypass flow passage 21 side is set to the fully opened state. At this time, since all the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 bypasses the humidifier 32, the humidity of the oxidant gas does not depend on the fluctuation of the pressure loss of the humidifier 32, and the outside air taken into the air compressor 30, for example. Substantially maintained at humidity.

このように、ＥＣＵ１は、加湿器３２及びバイパス流路２１のうち、加湿器３２のみに酸化剤ガスが流れるように、または加湿器３２及びバイパス流路２１のうちバイパス流路２１のみに酸化剤ガスが流れるように三方弁４０を制御する。このため、酸化剤ガスの湿度に対する加湿器３２の圧力損失の影響が抑制される。 In this way, the ECU 1 causes the oxidant gas to flow only in the humidifier 32 of the humidifier 32 and the bypass flow passage 21, or in the humidifier 32 and the bypass flow passage 21 only in the bypass flow passage 21. The three-way valve 40 is controlled so that the gas flows. Therefore, the influence of the pressure loss of the humidifier 32 on the humidity of the oxidant gas is suppressed.

（ＥＣＵ１の処理）
図６は、ＥＣＵ１の処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電開始の要求の有無を判定する（ステップＳｔ１）。ＥＣＵ１は、例えば燃料電池車のイグニッションスイッチがオンされたことを示す信号を受信したとき、発電開始の要求を受けたと判定する。発電開始の要求が無い場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、再びステップＳｔ１の処理が実行される。 (Processing of ECU 1)
FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing of the ECU 1. The ECU 1 determines whether or not there is a request to start power generation of the fuel cell stack 2 (step St1). For example, when the ECU 1 receives the signal indicating that the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned on, the ECU 1 determines that the request for starting the power generation is received. When there is no request to start power generation (No in step St1), the process in step St1 is executed again.

ＥＣＵ１は、発電開始の要求が有る場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、燃料電池スタック２の発電の開始処理を実行する（ステップＳｔ２）。このとき、ＥＣＵ１は、例えばエアコンプレッサ３０のモータの回転数とインジェクタ３４の噴射量を、未発電時より増加させる。これにより、燃料電池スタック２には、要求される電力（以下、「要求電力」と表記）に応じた量の燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。なお、このときの三方弁４０の各開度は、例えば始動時の燃料電池スタック２の運転状態に応じて適宜に設定される。 When there is a request to start power generation (Yes in step St1), the ECU 1 executes power generation start processing of the fuel cell stack 2 (step St2). At this time, the ECU 1 increases the number of rotations of the motor of the air compressor 30 and the injection amount of the injector 34, for example, compared to when the power is not generated. As a result, the fuel cell stack 2 is supplied with fuel gas and oxidant gas in an amount corresponding to the required electric power (hereinafter, referred to as “required electric power”). In addition, each opening degree of the three-way valve 40 at this time is appropriately set according to, for example, the operating state of the fuel cell stack 2 at the time of starting.

次にＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態を検出する（ステップＳｔ３）。このとき、ＥＣＵ１は、温度センサ５０，５２及びフローメータ５１から検出結果を取得する。また、ＥＣＵ１は、要求電力に従って発電したときの燃料電池スタック２の出力電流から、発電で生成される水分量を算出し、温度センサ５２から取得した冷却水の温度から燃料電池スタック２の温度を算出する。 Next, the ECU 1 detects the humidified state of the fuel cell stack 2 (step St3). At this time, the ECU 1 acquires the detection result from the temperature sensors 50 and 52 and the flow meter 51. The ECU 1 also calculates the amount of water generated by power generation from the output current of the fuel cell stack 2 when power is generated according to the required power, and determines the temperature of the fuel cell stack 2 from the temperature of the cooling water acquired from the temperature sensor 52. calculate.

ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の水分量及び温度から加湿状態を判定する。例えば、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の水分量及び温度から加湿器３２の入口側のオフガスの温度及び湿度を推定する。また、ＥＣＵ１は、温度センサ５０が検出した酸化剤ガスの温度と、フローメータ５１が検出した酸化剤ガスの流量とから加湿器３２の入口側の酸化剤ガスの湿度を推定する。 The ECU 1 determines the humidified state based on the water content and temperature of the fuel cell stack 2. For example, the ECU 1 estimates the temperature and humidity of the off gas on the inlet side of the humidifier 32 from the amount of water and the temperature of the fuel cell stack 2. Further, the ECU 1 estimates the humidity of the oxidant gas at the inlet side of the humidifier 32 from the temperature of the oxidant gas detected by the temperature sensor 50 and the flow rate of the oxidant gas detected by the flow meter 51.

このとき、酸化剤ガスが加湿器３２を流れる場合（つまり経路Ｒａの場合）、ＥＣＵ１は、さらに加湿器３２の設計値に基づく加湿能力値に基づいて、酸化剤ガスの湿度を推定する。これにより、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態を検出する。なお、湿度の推定処理には、例えばメモリ内に保持されたマップデータなどが用いられる。 At this time, when the oxidant gas flows through the humidifier 32 (that is, in the case of the route Ra), the ECU 1 further estimates the humidity of the oxidant gas based on the humidification capacity value based on the design value of the humidifier 32. As a result, the ECU 1 detects the humidified state of the fuel cell stack 2. The humidity estimation process uses, for example, map data stored in the memory.

次にＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態に基づき、加湿器３２による酸化剤ガスの加湿が必要であるか否かを判定する（ステップＳｔ４）。ＥＣＵ１は、例えば燃料電池スタック２が乾燥状態である場合、燃料電池スタック２の発電性能が低下するため、加湿が必要であると判定し（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、三方弁４０に対し、加湿器３２側の開度を１００（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を０（％）に設定する（ステップＳｔ５）。この場合、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが加湿器３２を流れて加湿されるため、燃料電池スタック２の乾燥状態が解消される。 Next, the ECU 1 determines whether the humidifier 32 needs to humidify the oxidant gas based on the humidification state of the fuel cell stack 2 (step St4). For example, when the fuel cell stack 2 is in a dry state, the ECU 1 determines that humidification is necessary because the power generation performance of the fuel cell stack 2 deteriorates (Yes in step St4), and the three-way valve 40 is humidified. The opening degree on the 32 side is set to 100 (%), and the opening degree on the bypass flow path 21 side is set to 0 (%) (step St5). In this case, all the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 flows through the humidifier 32 and is humidified, so that the dry state of the fuel cell stack 2 is eliminated.

また、ＥＣＵ１は、例えば燃料電池スタック２が湿潤状態である場合、燃料電池スタック２の発電性能が十分に高いため、加湿が不要であると判定し（ステップＳｔ４のＮｏ）、三方弁４０に対し、加湿器３２側の開度を０（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を１００（％）に設定する（ステップＳｔ６）。この場合、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスがバイパス流路２１を流れて加湿されない。 Further, for example, when the fuel cell stack 2 is in a wet state, the ECU 1 determines that humidification is unnecessary because the power generation performance of the fuel cell stack 2 is sufficiently high (No in step St4), and the three-way valve 40 is instructed. The opening degree on the humidifier 32 side is set to 0 (%), and the opening degree on the bypass flow passage 21 side is set to 100 (%) (step St6). In this case, all the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 flows through the bypass passage 21 and is not humidified.

次にＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電停止の要求の有無を判定する（ステップＳｔ７）。ＥＣＵ１は、例えば燃料電池車のイグニッションスイッチがオフされたことを示す信号を受信したとき、発電停止の要求を受けたと判定する。発電停止の要求が無い場合（ステップＳｔ７のＮｏ）、再びステップＳｔ３以降の各処理が実行される。 Next, the ECU 1 determines whether or not there is a request for stopping the power generation of the fuel cell stack 2 (step St7). For example, when the ECU 1 receives a signal indicating that the ignition switch of the fuel cell vehicle has been turned off, the ECU 1 determines that the request for stopping the power generation has been received. If there is no request to stop the power generation (No in step St7), each process after step St3 is executed again.

また、ＥＣＵ１は、発電停止の要求が有る場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、燃料電池スタック２の発電の停止処理を実行する（ステップＳｔ８）。このとき、ＥＣＵ１は、例えばエアコンプレッサ３０のモータの回転数とインジェクタ３４の噴射量を発電時より低下させる。このようにして、ＥＣＵ１は処理を実行する。 Further, when there is a request to stop the power generation (Yes in step St7), the ECU 1 executes a process for stopping the power generation of the fuel cell stack 2 (step St8). At this time, the ECU 1 lowers, for example, the rotation speed of the motor of the air compressor 30 and the injection amount of the injector 34 as compared with that during power generation. In this way, the ECU 1 executes the process.

このように、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態に応じて、加湿器３２及びバイパス流路２１のうち、加湿器３２への酸化剤ガスの流れが遮断されるように、またはバイパス流路２１への酸化剤ガスの流れが遮断されるように、三方弁４０を制御する。 As described above, the ECU 1 blocks the flow of the oxidant gas to the humidifier 32 among the humidifier 32 and the bypass passage 21 depending on the humidification state of the fuel cell stack 2, or the bypass passage. The three-way valve 40 is controlled so that the flow of the oxidizing gas to 21 is blocked.

このため、カソード供給路２０を流れる酸化剤ガスは、加湿器３２及びバイパス流路２１に分流されないので、加湿器３２も流れる酸化剤ガスの量が加湿器３２の圧力損失の変動により変化することが抑制される。したがって、酸化剤ガスの加湿状態を安定化することが可能となる。 Therefore, the oxidant gas flowing through the cathode supply passage 20 is not divided into the humidifier 32 and the bypass flow passage 21, so that the amount of the oxidant gas flowing through the humidifier 32 also changes due to fluctuations in the pressure loss of the humidifier 32. Is suppressed. Therefore, it is possible to stabilize the humidified state of the oxidizing gas.

なお、本例では、加湿器３２及びバイパス流路２１にそれぞれ流れる酸化剤ガスの量の調整手段として、三方弁４０を挙げたが、これに限定されない。例えば、三方弁４０に代えて、バイパス流路２１に制御弁を設け、さらに、バイパス流路２１とカソード供給路２０の分岐点と加湿器３２の間に別の制御弁を設け、各制御弁の開度により酸化剤ガスの流量を三方弁４０と同様に調整することも可能である。 In this example, the three-way valve 40 is used as the means for adjusting the amounts of the oxidizing gas flowing in the humidifier 32 and the bypass passage 21, respectively, but the present invention is not limited to this. For example, instead of the three-way valve 40, a control valve is provided in the bypass flow passage 21, and another control valve is provided between the branch point of the bypass flow passage 21 and the cathode supply passage 20 and the humidifier 32. The flow rate of the oxidant gas can be adjusted in the same manner as the three-way valve 40 by adjusting the opening degree of

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

１ ＥＣＵ（制御装置）
２ 燃料電池システム（燃料電池）
２０ カソード供給路（供給路）
２１ バイパス流路（迂回路）
２２ カソード排出路（排出路）
３２ 加湿器
４０ 三方弁（調整手段）
３２１ スタック部材（透過膜） 1 ECU (control unit)
2 Fuel cell system (fuel cell)
20 Cathode supply path (supply path)
21 Bypass flow path (detour)
22 Cathode discharge path (discharge path)
32 Humidifier 40 Three-way valve (adjusting means)
321 Stack member (permeable membrane)

Claims (1)

酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが流れる供給路と、
前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、
水分を透過する透過膜を有し、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに、前記排出路を流れる前記オフガス中の水分を、前記透過膜を介して加える加湿器と、
前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに前記加湿器を迂回させる迂回路と、
前記加湿器及び前記迂回路にそれぞれ流れる前記酸化剤ガスの量を調整する調整手段と、
前記燃料電池の加湿状態に応じて、前記加湿器及び前記迂回路のうち、前記加湿器への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、または前記迂回路への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、前記調整手段を制御する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by a chemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas,
A supply path through which the oxidant gas supplied to the fuel cell flows,
An exhaust path through which the offgas discharged from the fuel cell flows,
A humidifier that has a permeable membrane that transmits moisture, and adds the moisture in the offgas flowing through the discharge passage to the oxidant gas flowing through the supply passage through the permeable membrane,
A bypass for bypassing the humidifier to the oxidant gas flowing through the supply path;
Adjusting means for adjusting the amount of the oxidant gas flowing through the humidifier and the bypass, respectively;
Depending on the humidification state of the fuel cell, the flow of the oxidant gas to the humidifier of the humidifier and the bypass is blocked, or the flow of the oxidant gas to the bypass. And a control device for controlling the adjusting means so that the fuel cell system is shut off.
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