JP3675401B2 - 燃料電池の加湿器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿器に関する。
【0002】
【従来の技術と解決すべき課題】
プロトン透過膜型燃料電池(PEMFC)等の燃料電池では、イオンの輸送のために電解質が湿潤していなければならないため、燃料電池に供給する燃料ガスや空気を加湿している。このために従来は、例えば特開2001-202975号公報や特開平7-288134公報に見られるように、水蒸気量がほぼ飽和状態になるように加湿量を制御していたが、このような制御によると低温時には水分の凍結により流路が閉塞する恐れがある。
【0003】
【課題を解決するための手段】
発明は、燃料電池の加湿器において、燃料電池温度としてスタック温度とスタックのガス出口部のガス温度とを検出する温度センサと、前記検出温度が低下したときに加湿器の供給水量を減少補正するコントローラとを備え、前記コントローラは、燃料電池起動時は前記スタック温度に基づき、燃料電池運転中は前記ガス温度に基づき、それぞれ前記供給水量の減少補正を行うように構成した
【0004】
前記コントローラによる供給水量の減少補正量は、燃料電池起動時については、スタックの温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、燃料電池運転中については、ガス出口部のガス温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、それぞれ予め定められたものとすることができる
【0005】
また、前記コントローラは、燃料電池運転中にスタック温度が凍結温度以下に低下したときには、前記起動時のスタック温度に応じた供給水量の減少補正を行うように構成することができる
【0006】
第4の発明は、前記供給水量の補正を、燃料電池の起動時から開始するようにした。
【0009】
【作用・効果】
発明によれば、燃料電池温度が0℃以下になる低温条件で燃料電池を運転したとしても水分の凍結による流路の閉塞を防止することが可能である。すなわち、起動時にはスタック温度に基づいて加湿器への供給水量を減少補正するので、低温条件下で燃料電池の運転を開始時した当初から水分の凍結による流路の閉塞を防止することができる。また、起動後の燃料電池運転中にはガス温度が最も低くなるスタックのガス出口部のガス温度に基づいて加湿器への供給水量を減少補正するので、運転中のガス流路の凍結を効果的に防止することができる
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1において、1は燃料電池、1aと1bはそれぞれそのアノード、カソード、である。2は加湿器であり、燃料電池1のアノード1aに供給する水素リッチな燃料ガスと、カソード1bに供給する酸化剤としての空気を加湿する。3は燃料電池1のガス出口部でのガス温度を測定する温度センサ、4は燃料電池1のスタック温度を測定する温度センサ、5は前記測定温度に応じて加湿器2のそれぞれの供給水量を制御するコントローラである。コントローラは、CPUおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータで構成されている。
【0016】
図2に前記コントローラ5が実行する加湿水量制御の制御ルーチンを示す。この制御ルーチンはコントローラ5によって周期的に実行される。なお以下の説明および図中で符号Sを付して示した数字は処理ステップ番号である。
【0017】
この制御では、まずS1にてフラグ判定を行う。このフラグFlagは起動時の加湿量制御が完了しているか否かを示すもので、燃料電池の起動当初に0にリセットされ、前記起動時制御が完了すると1にセットされる。すなわち、起動当初はFlag=0であるのでS2以下の起動時制御に進み、起動時制御が完了するとS8以下の起動後制御に移る。
【0018】
起動時制御の当初、S2にて温度センサ4からの信号により燃料電池温度Tcellを検出する。次いでS3にてTcellが凍結温度(この場合0℃)以下であるか否かを判定する。ここでTcell>0℃であるときには電池内での凍結のおそれはないので、S4にて最大加湿量となるように加湿量(加湿器2の供給水量)Qwを設定したのち、S5にてFlagを1にセットして今回の処理ループを終了する。S3にてTcell≦0℃であったときには、次いでS6〜S7にてTcellに応じた初期加湿量Qw#0を決定し、これを加湿量Qwとして設定したのち、S5にてFlagを1にセットして今回の処理ループを終了する。前記初期加湿量Qw#0は低温時ほど加湿量が減少するように補正供給水量を与えるもので、例えば予めTcellに応じた適正量となるように実験的に形成しておいたテーブルを検索することで決定する。
【0019】
前記起動時制御が完了したのちは、以後の処理ループでのS1にてFlag=1が判定されるので、S8以下の起動後制御に入る。S8では温度センサ3からの信号によりガス温度Tgasを検出する。次いでS9にてTgasが所定の下限温度Tgas#limit以下であるか否かを判定する。ここでTgas>Tgas#limitであった場合には、起動時の加湿量Qwを維持したまま、S12以下の処理に移る。S9にてTgas≦Tgas#limitと判定された場合には、次いでS10〜S11にてTgasに応じた低温時加湿量Qw#gを決定し、これを加湿量Qwとして設定したのち、S12以下の処理に移る。前記低温時加湿量Qw#gは、低温時ほど加湿量が減少するように補正供給水量を与えるもので、例えば予めTgasに応じた適正量となるように実験的に形成しておいたテーブルを検索することで決定する。なお、前記S3での温度判定およびS4での加湿量設定の処理を設けず、0℃以上の高温条件下での加湿量を前記S6のテーブル検索処理で与えるようにしてもよい。
【0020】
S12では温度センサ4からの信号により燃料電池温度Tcellを検出し、次いでS13にて温度判定を行い、Tcell≦0℃であったときにはFlagを0にリセットしたのち、当初のS1の判定に戻り、S2以下の起動時処理を再開する。これにより、低温条件下での運転中に負荷の低下により燃料電池温度が低下した場合の流路凍結を防止する。S13にてTcell>0℃であったときには、前記の設定加湿量Qwを維持したまま今回の処理ループを終了する。
【0021】
前記制御によれば、燃料電池内温度が水分の凍結温度以下であるときには起動時から加湿量を減じて水分の凍結を抑えることができ、さらに起動後はガス温度が最も低くなるガス出口部の温度に応じて水分が凝結しないように加湿量を減少させるので、低温条件下でも水分の凍結による流路の凍結を防ぎ、燃料電池を運転することが可能になる。
【0022】
図3は加湿器2の構成に関する他の実施形態である。これは、図示したように燃料電池1への燃料ガス流路または空気流路の途中に、複数、この場合3個の透過膜式加湿器22,23,24をバイパス流路21と共に並列に設け、図示しない切替弁により、バイパス流路21または透過膜式加湿器22〜24の何れか1個以上を選択的に用いるようにしたものである。
【0023】
透過膜式加湿器は、その特性上一般に広範囲な流量域でまんべんなく十分な加湿量を得るのが難しく、特に小流量領域と大流量領域では加湿量が少なくなる傾向があり、これらの領域で十分な加湿量を得ようとすると中流量領域で加湿量が過多となって流路内に水詰まりが生じるという不具合があった。
【0024】
これに対して、本実施形態の構成によれば、複数の透過膜式加湿器22〜24を選択的に用いるようにしたことから、全流量域で十分な加湿量を得ることができる。例えば、加湿器2全体として小流量領域となるときには1個の透過膜式加湿器22のみを使い、中流量領域となるときには2個の透過膜式加湿器22,23を使い、大流量領域となるときにはすべての透過膜式加湿器22〜24を使って加湿する。こうすることにより、加湿器2全体としての幅広い流量範囲において、個々の透過膜式加湿器22〜24のそれぞれを中流領域で用いることができるので、安定して十分な加湿を行うことができる。また、透過膜式加湿器22〜24を使わずに、ガスの全量をバイパス流路21に流すことにより加湿量をゼロにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の概略構成図。
【図2】前記実施形態における加湿量制御の制御内容を表した流れ図。
【図3】加湿器に関する他の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
1 燃料電池
1a アノード
1b カソード
2 加湿器
22〜24 透過膜式加湿器
3 ガスの温度センサ
4 燃料電池の温度センサ
5 コントローラ

Claims (3)

  1. 燃料電池の加湿器において、燃料電池温度としてスタック温度とスタックのガス出口部のガス温度とを検出する温度センサと、前記検出温度が低下したときに加湿器の供給水量を減少補正するコントローラとを備え、
    前記コントローラは、燃料電池起動時は前記スタック温度に基づき、燃料電池運転中は前記ガス温度に基づき、それぞれ前記供給水量の減少補正を行うように構成したことを特徴とする燃料電池の加湿器。
  2. 前記コントローラによる供給水量の減少補正量は、
    燃料電池起動時については、スタックの温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、
    燃料電池運転中については、ガス出口部のガス温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、
    それぞれ予め定められている請求項1に記載の燃料電池の加湿器。
  3. 前記コントローラは、燃料電池運転中にスタック温度が凍結温度以下に低下したときには、前記起動時のスタック温度に応じた供給水量の減少補正を行う請求項2に記載の燃料電池の加湿器。
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