JP4038307B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルを備え、前記アノード側電極に水素を含む燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより起電力を得る燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、例えば、メタノール等の液体燃料と水の混合液（メタノール水溶液）を改質して生成された水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気または酸素ガス）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池スタックの外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックには、この燃料電池スタックから排出される排出成分を凝縮させてガス成分と水分とに分離する凝縮器が備えられており、この凝縮器で生成された回収水が改質用水等として利用されている。この種の技術としては、例えば、特開平６−１７６７８４号公報に開示されている凝縮水回収装置が知られている。
【０００５】
この従来技術では、凝縮熱交換器に供給される冷却水の温度を測定し、その測定値に応じてバイパス配管に設けられた流量調節弁を制御して冷却水に混ぜる温水の流量を制御することによって、凝縮熱交換器に流れる冷却水の温度を一定に保っている。これにより、定流量ポンプで凝縮熱交換器に供給する冷却水の流量を一定に保ちつつ、この凝縮熱交換器での熱交換量を一定にしてイオン交換処理装置で純化される凝縮熱交換器の回収水量を一定にするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、凝縮熱交換器に供給される冷却水量が一定であるため、燃料電池スタックから排出される排出水分量が増大する際、すなわち、前記燃料電池スタックの出力が大となる際に対応して、前記排出成分を十分に凝縮し得る冷却水量を確保する必要がある。このため、冷却水量が相当に多量に設定されており、燃料電池スタックの出力が低い場合であっても多量の冷却水量を維持しなければならず、ポンプの消費電流が必要以上に増大してしまうという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、排出成分を効率的に凝縮して所望量の回収水を得るとともに、ポンプの消費電流を有効に削減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池セルから排出される排出成分が気液分離装置に導入され、この気液分離装置で冷却媒体と熱交換を行うことによってガス成分と水分とに分離される。ここで、冷却媒体の流量は、推定された凝縮水の生成量に応じて制御されるため、低出力時に必要以上の冷却媒体が供給されることがなく、消費電流の削減が有効に図られる。
【０００９】
また、流量制御装置は、気液分離装置に供給される冷却媒体の流量を可変にするポンプの出力を制御することにより、気液分離装置に供給される冷却媒体の流量が可変となる。このため、最適流量の冷却媒体を供給することができ、ポンプの消費電流が有効に削減される。
【００１０】
さらに、推定手段が燃料電池セルの出力、気液分離装置に導入される排出成分の温度、前記気液分離装置から導出されるガス成分の温度、前記気液分離装置で回収される水の温度、または冷却媒体の温度のうち、少なくともいずれか１つの情報に基づいて凝縮水の生成量を推定し、この推定結果に基づいてポンプの出力が制御される。すなわち、これらの情報から凝縮水量の変化が推定され、その水量に基づいて冷却媒体の流量を最適な量に精度よく設定することが可能になる。さらに、凝縮水量が推定されるため、実際に得られる凝縮水量を所望の量に任意に変更することができる。
【００１１】
さらにまた、燃料電池セルから排出される排出成分が気液分離装置に導入され、この気液分離装置で冷却媒体と熱交換を行うことによってガス成分と水分とに分離される。ここで、冷却媒体の温度は、推定された凝縮水の生成量に応じて制御されるため、低出力時に冷却媒体を必要以上に低温に調整することがなく、消費電流の削減が有効に図られる。
【００１２】
また、推定された凝縮水の生成量に応じて冷却ファンの出力が制御されることにより、気液分離装置に供給される冷却媒体の温度が調整される。このため、最適温度の冷却媒体を供給することができ、冷却ファンの消費電流が有効に削減される。ここで、推定手段が燃料電池セルの出力、気液分離装置に導入される排出成分の温度、前記気液分離装置から導出されるガス成分の温度、または前記気液分離装置で回収される水の温度等を検出し、この検出結果に基づいて冷却ファンの出力が制御される。
【００１３】
さらに、冷却媒体の流量および温度が、推定された凝縮水の生成量に応じて制御される。このため、低出力時に、最適条件（最適流量および最適温度）の冷却媒体を確実に供給することができ、消費電流を有効に削減することが可能になるとともに、気液分離装置で生成される水量を任意にかつ正確に調整することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１５】
燃料電池システム１０は、液体燃料、例えば、メタノール（ＣＨ3 ＯＨ）と水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質器１２と、この改質器１２から燃料ガスである前記改質ガスが供給される燃料電池セル１４と、前記メタノールと前記水の混合液を貯留するとともに、前記混合液を前記改質器１２に供給するための混合タンク１６と、前記混合タンク１６に前記メタノールを供給するメタノール供給装置１８と、前記燃料電池セル１４から排出される排出成分をガス成分と水分とに分離して水を回収するための凝縮器（気液分離装置）２０と、前記凝縮器２０に供給されて前記排出成分と熱交換を行う冷却媒体、例えば、冷却水の流量を前記燃料電池セル１４の運転状況に応じて制御する流量制御装置２２を備える。
【００１６】
混合タンク１６に燃料経路２６が設けられるとともに、この燃料経路２６の途上には、第１ポンプ２８およびレギュレータ３０が配置されている。レギュレータ３０には、混合タンク１６に混合液を戻すためのリターン経路３２が接続されている。
【００１７】
燃料経路２６は蒸発器３４に接続されるとともに、この蒸発器３４には燃焼器３６から燃焼熱が供給される。蒸発器３４の出口側は、改質器１２およびＣＯ（一酸化炭素）除去器３８を介して燃料電池スタック４０が接続される。
【００１８】
燃料電池スタック４０は、燃料電池セル１４とセパレータ４２とを交互に複数積層して構成されている。燃料電池セル１４は、固体高分子電解質膜４４と、この固体高分子電解質膜４４を挟んで対設される水素極（アノード側電極）４６および空気極（カソード側電極）４８とを有し、この水素極４６とこの空気極４８とが電気モータ等の負荷５０に接続されている。
【００１９】
燃料電池スタック４０は、酸化剤ガスである大気中の空気（または酸素ガス）を空気極４８に供給するためのエアコンプレッサ５２が接続される。燃料電池スタック４０には、この燃料電池スタック４０から排出成分を排出するための第１および第２排出経路５４、５６の一端が接続される。第１排出経路５４は、燃料電池スタック４０のカソード側に接続されており、この第１排出経路５４が凝縮器２０に接続される一方、第２排出経路５６は、前記燃料電池スタック４０のアノード側に接続されるとともに、前記凝縮器２０から燃焼器３６に連通するガス経路６０に合流する。
【００２０】
凝縮器２０に冷却媒体用配管６２が配設されており、流量制御装置２２は、この配管６２を介して前記凝縮器２０に供給される冷却水の流量を可変にする第２ポンプ６４と、燃料電池セル１４の運転状況を検出する検出手段６６と、前記検出手段６６により検出された情報に基づいて前記第２ポンプ６４の出力を制御する制御部としてのＥＣＵ６８とを備える。この第２ポンプ６４の入口側には、ラジエータ７０および冷却ファン７１が配設される。
【００２１】
検出手段６６は、燃料電池セル１４の出力、具体的には、燃料電池スタック４０からの電流値や電圧値を検出するセンサ７３、凝縮器２０に導入される排出成分の温度を検出する第１温度センサ７２、前記凝縮器２０から導出されるガス成分の温度を検出する第２温度センサ７４、前記凝縮器２０で回収される水の温度を検出する第３温度センサ７６、または冷却水の温度を検出する第４温度センサ７８のうち、少なくともいずれか１つを備えている。
【００２２】
第１温度センサ７２は第１排出経路５４に、第２温度センサ７４はガス経路６０に、第３温度センサ７６は凝縮器２０に、第４温度センサ７８は配管６２に、それぞれ配置される。凝縮器２０の底部には水経路８０が設けられ、この水経路８０はその途上にイオン交換器８２を介して混合タンク１６に接続されている。
【００２３】
メタノール供給装置１８は、比較的大容量に設定されたメタノール貯留タンク８６を備え、このメタノール貯留タンク８６にメタノール経路８８が接続されている。このメタノール経路８８は、開閉弁９０を介して混合タンク１６に接続されている。
【００２４】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００２５】
先ず、始動時には、混合タンク１６に貯留されている液体燃料であるメタノールと水の混合液が、第１ポンプ２８の作用下にレギュレータ３０により所定量だけ燃料経路２６を通って蒸発器３４に供給される。この蒸発器３４で燃焼器３６からの燃焼熱により蒸気化された混合液は、改質器１２に送られて改質が行われる。これにより、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）が得られ、この改質ガスはＣＯ除去器３８で一酸化炭素が除去された後、燃料電池スタック４０の各水素極４６に供給される。
【００２６】
一方、燃料電池スタック４０の各空気極４８には、エアコンプレッサ５２から大気中の空気（または酸素ガス）が酸化剤ガスとして導入される。従って、各燃料電池セル１４では、改質ガスに含まれる水素ガスがイオン化（水素イオン化）して固体高分子電解質膜４４内を空気極４８側に流れ、この水素イオンが前記空気極４８で酸素および電子と反応して水が生成される。この電子は、負荷５０を駆動するための電気エネルギとなる一方、空気極４８および水素極４６から排出される排出成分は、それぞれ第１および第２排出経路５４、５６に導入される。
【００２７】
第１排出経路５４に排出される排出成分は、凝縮器２０内に導入されて水分とガス成分とに分離され、このガス成分はガス経路６０を介して燃焼器３６に送られる。また、第２排出経路５６に導入された排出成分は、ガス経路６０に合流して燃焼器３６に送られる。
【００２８】
凝縮器２０内で生成された水（凝縮水）は、水経路８０からイオン交換器８２を通って混合タンク１６に供給される。一方、メタノール貯留タンク８６内のメタノールは、開閉弁９０の開放作用下にメタノール経路８８を介して混合タンク１６内に供給される。このため、混合タンク１６には、メタノールと水の混合液が所定の量だけ貯留されている。
【００２９】
凝縮器２０では、配管６２内を循環する冷却水が燃料電池スタック４０から排出される排出成分と熱交換を行い、この排出成分を水とガス成分とに分離する際、第２ポンプ６４が駆動されてこの凝縮器２０に供給される前記冷却水の水量が設定される。
【００３０】
ここで、第１の実施形態では、燃料電池スタック４０の運転状況に応じて流量制御装置２２が第２ポンプ６４の出力を調整する。先ず、燃料電池システム１０では、検出手段６６による各種検出状況に応じて生成される凝縮水の量が推定される。具体的には、図２に示すように、燃料電池セル１４の出力（ＦＣ出力）が大きい場合に凝縮水の量が増加する一方、凝縮器２０の出口温度が高くなるのに従って、生成される凝縮水の量が低下していく。同様に、冷却水の温度が高いと凝縮水の量も低下する。
【００３１】
そこで、凝縮器２０の出口温度に基づいて第２ポンプ６４の出力を制御する手順について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３２】
凝縮器２０には、燃料電池スタック４０の運転に伴って所定温度の排出成分が導入され、この排出成分がガス成分と水分とに分離された後、ガス成分がガス経路６０に導出される。このガス経路６０に第２温度センサ７４が設けられており、前記第２温度センサ７４が凝縮器２０の出口温度（排出ガス温度）を検出する（ステップＳ１）。第２温度センサ７４により検出された出口温度は、ＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ２）、第２ポンプ６４の出力、例えば、回転数が設定される（ステップＳ３）。
【００３３】
第２ポンプ６４は、ステップＳ３で設定された回転数によって制御されるため、凝縮器２０に供給される冷却水の流量が変更される。さらに、第２温度センサ７４で凝縮器２０の出口温度が検出され、この検出温度が予め設定された設定範囲内にあるか否かが判断される（ステップＳ４）。そして、この検出温度が設定範囲内にあると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで第２ポンプ６４の回転数が決定される。
【００３４】
このように、第１の実施形態では、凝縮器２０の出口温度に基づいて第２ポンプ６４の回転数が決定されるため、この第２ポンプ６４は凝縮水量に応じた最適な回転数（出力）に制御される。これにより、第２ポンプ６４の消費電流を有効に削減することができるという効果が得られる。しかも、図２に示すように、凝縮器２０の出口温度と凝縮水量とが相関関係を有しており、この凝縮器２０の出口温度を任意に設定することによって、得られる凝縮水量を任意に変更することが可能になる。
【００３５】
次に、配管６２を循環する冷却水の温度に基づいて第２ポンプ６４の出力を制御する手順について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００３６】
配管６２には、第２ポンプ６４の出口側に近接して第４温度センサ７８が配設されており、この第４温度センサ７８を介して前記第２ポンプ６４から導出される冷却水の温度が検出される（ステップＳ１１）。この検出された温度がＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ１２）、第２ポンプ６４の回転数が設定される（ステップＳ１３）。そして、検出温度が設定範囲内にあるか否かが判断され（ステップＳ１４）、前記検出温度がこの設定範囲内にあると、ステップＳ１５に進んで第２ポンプ６４の回転数が決定される。
【００３７】
これにより、凝縮水量に応じた第２ポンプ６４の制御が、冷却水の温度に基づいて確実に遂行され、簡単な構成で、この第２ポンプ６４の消費電流の削減が図られるられるという利点がある。
【００３８】
また、燃料電池スタック４０の出力に基づいて第２ポンプ６４の出力制御を行う際には、図５のフローチャートに示すように、先ず、前記燃料電池スタック４０の出力、例えば、電流値や電圧値が検出される（ステップＳ２１）。この検出された出力がＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ２２）、ＥＣＵ６８では第２ポンプ６４の回転数が決定される（ステップＳ２３）。
【００３９】
従って、燃料電池スタック４０の出力が低い場合に、第２ポンプ６４が必要以上に高出力で駆動されることがなく、前記燃料電池スタック４０の出力の増減に応じて前記第２ポンプ６４の回転数が有効に設定される。これにより、第２ポンプ６４の効率的な出力制御が遂行されるという効果がある。
【００４０】
さらにまた、凝縮器２０の出入口温度と燃料電池スタック４０の出力とに基づいて第２ポンプ６４の出力制御を行う際には、図６のフローチャートに示すように、先ず、前記凝縮器２０の入口温度および出口温度が第１および第２温度センサ７２、７４を介して検出される（ステップＳ３１）。これらの検出温度はＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ３２）、さらに燃料電池スタック４０の出力が検出されてその検出出力が前記ＥＣＵ６８に入力される（ステップＳ３３およびＳ３４）。これらの検出結果に基づいて凝縮水量が推定され（ステップＳ３５）、第２ポンプ６４の回転数が決定される（ステップＳ３６）。
【００４１】
このため、凝縮水量が正確に推定され、この凝縮水量に基づいて第２ポンプ６４の出力制御が有効に遂行されるとともに、実際に得られる凝縮水量を任意に設定することができるという効果がある。
【００４２】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。以下に説明する第３の実施形態でも同様である。
【００４３】
燃料電池システム１００では、凝縮器１０２が燃焼器３６と蒸発器３４との間に配置されており、燃料電池スタック４０から排出される排出成分は、第１および第２排出経路５４、５６から燃焼器３６に導入された後、凝縮器１０２に導入される。
【００４４】
このように構成される燃料電池システム１００では、燃料電池スタック４０から排出される排出成分が、先ず、燃焼器３６に送られて相当に高温（例えば、２００℃〜２５０℃）に昇温されるとともに、水蒸気を多く含んだ状態で凝縮器１０２に送られる。このため、凝縮器１０２から比較的多量の凝縮水が生成される一方、第２ポンプ６４は相当に高温となっている排出成分と熱交換を行うために出力が高く設定されている。
【００４５】
この第２の実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池スタック４０の運転状況に基づいて第２ポンプ６４の出力が制御されることになり、この第２ポンプ６４の消費電流を有効に削減し得る等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成図である。この燃料電池システム１２０では、燃焼器３６の上流側と下流側とにそれぞれ第１および第２凝縮器１２２、１２４が配置されるとともに、前記第１および第２凝縮器１２２、１２４の出入口近傍には、第１温度センサ７２ａ、７２ｂと第２温度センサ７４ａ、７４ｂとが配置されている。この第３の実施形態は、第１および第２の実施形態の構造を組み合わせたものであり、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
なお、第１乃至第３の実施形態では、冷却水の流量を燃料電池セル１４の運転状況に応じて制御する流量制御装置２２を備えているが、これに代替して冷却水の温度を前記燃料電池セル１４の運転状況に応じて制御する温度制御装置を用いることができる。
【００４８】
例えば、図１を参照して説明すると、この温度制御装置は、冷却水の循環搬送路である配管６２に配置された第２ポンプ６４の入口側に配設されるラジエータ７０および冷却ファン７１を備えている。
【００４９】
そこで、例えば、センサ７３を介して燃料電池セル１４の運転状況が検出されると、この検出された情報に基づいて第２ポンプ６４および冷却ファン７１の出力が制御される。これにより、凝縮器２０に供給される冷却水の温度が調整されることになる。
【００５０】
従って、燃料電池セル１４の運転状況に応じた最適流量の冷却水を供給することができ、冷却ファン７１の消費電流が有効に削減されるという効果が得られる。なお、第２および第３の実施形態においても、同様に構成することによって同様の効果を得ることが可能になる。
【００５１】
また、この種の温度制御装置を流量制御装置２２と組み合わせて構成してもよい。すなわち、冷却水の温度制御と流量制御を組み合わせて行うことにより、燃料電池セル１４の運転状況に応じた最適条件（最適流量および最適温度）の冷却水を供給することができるとともに、凝縮器２０等で得られる凝縮水量を精度よく調整することが可能になる。
【００５２】
なお、冷却水の温度と流量のマップを予め作成し、このマップをＥＣＵ６８に記憶させておくことができる。これにより、マップに沿って冷却水の温度制御および流量制御を行うことが可能になり、制御が一層簡素化されるという利点がある。
【００５３】
本発明に係る燃料電池システムでは、気液分離装置に供給されて排出成分と熱交換を行う冷却媒体の流量および／または温度が、推定された凝縮水の生成量に応じて制御されるため、回収水量に応じた経済的かつ効率的な制御が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】各種検出手段と凝縮水量の関係説明図である。
【図３】凝縮器の出口温度に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図４】冷却媒体の温度に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図５】燃料電池セルの出力に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図６】凝縮器の出入口温度および燃料電池セルの出力に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１０、１００、１２０…燃料電池システム
１２…改質器 １４…燃料電池セル
１６…混合タンク １８…メタノール供給装置
２０、１０２、１２２、１２４…凝縮器
２２…流量制御装置 ２８、６４…ポンプ
３４…蒸発器 ３６…燃焼器
４０…燃料電池スタック ４２…セパレータ
４４…固体高分子電解質膜 ４６…水素極
４８…空気極 ５０…負荷
５４、５６…排出経路 ６２…配管
６６…検出手段 ６８…ＥＣＵ
７０…ラジエータ ７１…冷却ファン
７２、７２ａ、７２ｂ、７４、７４ａ、７４ｂ、７６、７８…温度センサ
７３…センサ ８６…メタノール貯留タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルを備え、前記アノード側電極に水素を含む燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより起電力を得る燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、例えば、メタノール等の液体燃料と水の混合液（メタノール水溶液）を改質して生成された水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気または酸素ガス）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池スタックの外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックには、この燃料電池スタックから排出される排出成分を凝縮させてガス成分と水分とに分離する凝縮器が備えられており、この凝縮器で生成された回収水が改質用水等として利用されている。この種の技術としては、例えば、特開平６−１７６７８４号公報に開示されている凝縮水回収装置が知られている。
【０００５】
この従来技術では、凝縮熱交換器に供給される冷却水の温度を測定し、その測定値に応じてバイパス配管に設けられた流量調節弁を制御して冷却水に混ぜる温水の流量を制御することによって、凝縮熱交換器に流れる冷却水の温度を一定に保っている。これにより、定流量ポンプで凝縮熱交換器に供給する冷却水の流量を一定に保ちつつ、この凝縮熱交換器での熱交換量を一定にしてイオン交換処理装置で純化される凝縮熱交換器の回収水量を一定にするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、凝縮熱交換器に供給される冷却水量が一定であるため、燃料電池スタックから排出される排出水分量が増大する際、すなわち、前記燃料電池スタックの出力が大となる際に対応して、前記排出成分を十分に凝縮し得る冷却水量を確保する必要がある。このため、冷却水量が相当に多量に設定されており、燃料電池スタックの出力が低い場合であっても多量の冷却水量を維持しなければならず、ポンプの消費電流が必要以上に増大してしまうという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、排出成分を効率的に凝縮して所望量の回収水を得るとともに、ポンプの消費電流を有効に削減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池セルから排出される排出成分が気液分離装置に導入され、この気液分離装置で冷却媒体と熱交換を行うことによってガス成分と水分とに分離される。ここで、冷却媒体の流量は、推定された凝縮水の生成量に応じて制御されるため、低出力時に必要以上の冷却媒体が供給されることがなく、消費電流の削減が有効に図られる。
【０００９】
また、流量制御装置は、気液分離装置に供給される冷却媒体の流量を可変にするポンプの出力を制御することにより、気液分離装置に供給される冷却媒体の流量が可変となる。このため、最適流量の冷却媒体を供給することができ、ポンプの消費電流が有効に削減される。
【００１０】
さらに、推定手段が燃料電池セルの出力、気液分離装置に導入される排出成分の温度、前記気液分離装置から導出されるガス成分の温度、前記気液分離装置で回収される水の温度、または冷却媒体の温度のうち、少なくともいずれか１つの情報に基づいて凝縮水の生成量を推定し、この推定結果に基づいてポンプの出力が制御される。すなわち、これらの情報から凝縮水量の変化が推定され、その水量に基づいて冷却媒体の流量を最適な量に精度よく設定することが可能になる。さらに、凝縮水量が推定されるため、実際に得られる凝縮水量を所望の量に任意に変更することができる。
【００１１】
さらにまた、燃料電池セルから排出される排出成分が気液分離装置に導入され、この気液分離装置で冷却媒体と熱交換を行うことによってガス成分と水分とに分離される。ここで、冷却媒体の温度は、推定された凝縮水の生成量に応じて制御されるため、低出力時に冷却媒体を必要以上に低温に調整することがなく、消費電流の削減が有効に図られる。
【００１２】
また、推定された凝縮水の生成量に応じて冷却ファンの出力が制御されることにより、気液分離装置に供給される冷却媒体の温度が調整される。このため、最適温度の冷却媒体を供給することができ、冷却ファンの消費電流が有効に削減される。ここで、推定手段が燃料電池セルの出力、気液分離装置に導入される排出成分の温度、前記気液分離装置から導出されるガス成分の温度、または前記気液分離装置で回収される水の温度等を検出し、この検出結果に基づいて冷却ファンの出力が制御される。
【００１３】
さらに、冷却媒体の流量および温度が、推定された凝縮水の生成量に応じて制御される。このため、低出力時に、最適条件（最適流量および最適温度）の冷却媒体を確実に供給することができ、消費電流を有効に削減することが可能になるとともに、気液分離装置で生成される水量を任意にかつ正確に調整することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１５】
燃料電池システム１０は、液体燃料、例えば、メタノール（ＣＨ3 ＯＨ）と水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質器１２と、この改質器１２から燃料ガスである前記改質ガスが供給される燃料電池セル１４と、前記メタノールと前記水の混合液を貯留するとともに、前記混合液を前記改質器１２に供給するための混合タンク１６と、前記混合タンク１６に前記メタノールを供給するメタノール供給装置１８と、前記燃料電池セル１４から排出される排出成分をガス成分と水分とに分離して水を回収するための凝縮器（気液分離装置）２０と、前記凝縮器２０に供給されて前記排出成分と熱交換を行う冷却媒体、例えば、冷却水の流量を前記燃料電池セル１４の運転状況に応じて制御する流量制御装置２２を備える。
【００１６】
混合タンク１６に燃料経路２６が設けられるとともに、この燃料経路２６の途上には、第１ポンプ２８およびレギュレータ３０が配置されている。レギュレータ３０には、混合タンク１６に混合液を戻すためのリターン経路３２が接続されている。
【００１７】
燃料経路２６は蒸発器３４に接続されるとともに、この蒸発器３４には燃焼器３６から燃焼熱が供給される。蒸発器３４の出口側は、改質器１２およびＣＯ（一酸化炭素）除去器３８を介して燃料電池スタック４０が接続される。
【００１８】
燃料電池スタック４０は、燃料電池セル１４とセパレータ４２とを交互に複数積層して構成されている。燃料電池セル１４は、固体高分子電解質膜４４と、この固体高分子電解質膜４４を挟んで対設される水素極（アノード側電極）４６および空気極（カソード側電極）４８とを有し、この水素極４６とこの空気極４８とが電気モータ等の負荷５０に接続されている。
【００１９】
燃料電池スタック４０は、酸化剤ガスである大気中の空気（または酸素ガス）を空気極４８に供給するためのエアコンプレッサ５２が接続される。燃料電池スタック４０には、この燃料電池スタック４０から排出成分を排出するための第１および第２排出経路５４、５６の一端が接続される。第１排出経路５４は、燃料電池スタック４０のカソード側に接続されており、この第１排出経路５４が凝縮器２０に接続される一方、第２排出経路５６は、前記燃料電池スタック４０のアノード側に接続されるとともに、前記凝縮器２０から燃焼器３６に連通するガス経路６０に合流する。
【００２０】
凝縮器２０に冷却媒体用配管６２が配設されており、流量制御装置２２は、この配管６２を介して前記凝縮器２０に供給される冷却水の流量を可変にする第２ポンプ６４と、燃料電池セル１４の運転状況を検出する検出手段６６と、前記検出手段６６により検出された情報に基づいて前記第２ポンプ６４の出力を制御する制御部としてのＥＣＵ６８とを備える。この第２ポンプ６４の入口側には、ラジエータ７０および冷却ファン７１が配設される。
【００２１】
検出手段６６は、燃料電池セル１４の出力、具体的には、燃料電池スタック４０からの電流値や電圧値を検出するセンサ７３、凝縮器２０に導入される排出成分の温度を検出する第１温度センサ７２、前記凝縮器２０から導出されるガス成分の温度を検出する第２温度センサ７４、前記凝縮器２０で回収される水の温度を検出する第３温度センサ７６、または冷却水の温度を検出する第４温度センサ７８のうち、少なくともいずれか１つを備えている。
【００２２】
第１温度センサ７２は第１排出経路５４に、第２温度センサ７４はガス経路６０に、第３温度センサ７６は凝縮器２０に、第４温度センサ７８は配管６２に、それぞれ配置される。凝縮器２０の底部には水経路８０が設けられ、この水経路８０はその途上にイオン交換器８２を介して混合タンク１６に接続されている。
【００２３】
メタノール供給装置１８は、比較的大容量に設定されたメタノール貯留タンク８６を備え、このメタノール貯留タンク８６にメタノール経路８８が接続されている。このメタノール経路８８は、開閉弁９０を介して混合タンク１６に接続されている。
【００２４】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００２５】
先ず、始動時には、混合タンク１６に貯留されている液体燃料であるメタノールと水の混合液が、第１ポンプ２８の作用下にレギュレータ３０により所定量だけ燃料経路２６を通って蒸発器３４に供給される。この蒸発器３４で燃焼器３６からの燃焼熱により蒸気化された混合液は、改質器１２に送られて改質が行われる。これにより、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）が得られ、この改質ガスはＣＯ除去器３８で一酸化炭素が除去された後、燃料電池スタック４０の各水素極４６に供給される。
【００２６】
一方、燃料電池スタック４０の各空気極４８には、エアコンプレッサ５２から大気中の空気（または酸素ガス）が酸化剤ガスとして導入される。従って、各燃料電池セル１４では、改質ガスに含まれる水素ガスがイオン化（水素イオン化）して固体高分子電解質膜４４内を空気極４８側に流れ、この水素イオンが前記空気極４８で酸素および電子と反応して水が生成される。この電子は、負荷５０を駆動するための電気エネルギとなる一方、空気極４８および水素極４６から排出される排出成分は、それぞれ第１および第２排出経路５４、５６に導入される。
【００２７】
第１排出経路５４に排出される排出成分は、凝縮器２０内に導入されて水分とガス成分とに分離され、このガス成分はガス経路６０を介して燃焼器３６に送られる。また、第２排出経路５６に導入された排出成分は、ガス経路６０に合流して燃焼器３６に送られる。
【００２８】
凝縮器２０内で生成された水（凝縮水）は、水経路８０からイオン交換器８２を通って混合タンク１６に供給される。一方、メタノール貯留タンク８６内のメタノールは、開閉弁９０の開放作用下にメタノール経路８８を介して混合タンク１６内に供給される。このため、混合タンク１６には、メタノールと水の混合液が所定の量だけ貯留されている。
【００２９】
凝縮器２０では、配管６２内を循環する冷却水が燃料電池スタック４０から排出される排出成分と熱交換を行い、この排出成分を水とガス成分とに分離する際、第２ポンプ６４が駆動されてこの凝縮器２０に供給される前記冷却水の水量が設定される。
【００３０】
ここで、第１の実施形態では、燃料電池スタック４０の運転状況に応じて流量制御装置２２が第２ポンプ６４の出力を調整する。先ず、燃料電池システム１０では、検出手段６６による各種検出状況に応じて生成される凝縮水の量が推定される。具体的には、図２に示すように、燃料電池セル１４の出力（ＦＣ出力）が大きい場合に凝縮水の量が増加する一方、凝縮器２０の出口温度が高くなるのに従って、生成される凝縮水の量が低下していく。同様に、冷却水の温度が高いと凝縮水の量も低下する。
【００３１】
そこで、凝縮器２０の出口温度に基づいて第２ポンプ６４の出力を制御する手順について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３２】
凝縮器２０には、燃料電池スタック４０の運転に伴って所定温度の排出成分が導入され、この排出成分がガス成分と水分とに分離された後、ガス成分がガス経路６０に導出される。このガス経路６０に第２温度センサ７４が設けられており、前記第２温度センサ７４が凝縮器２０の出口温度（排出ガス温度）を検出する（ステップＳ１）。第２温度センサ７４により検出された出口温度は、ＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ２）、第２ポンプ６４の出力、例えば、回転数が設定される（ステップＳ３）。
【００３３】
第２ポンプ６４は、ステップＳ３で設定された回転数によって制御されるため、凝縮器２０に供給される冷却水の流量が変更される。さらに、第２温度センサ７４で凝縮器２０の出口温度が検出され、この検出温度が予め設定された設定範囲内にあるか否かが判断される（ステップＳ４）。そして、この検出温度が設定範囲内にあると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで第２ポンプ６４の回転数が決定される。
【００３４】
このように、第１の実施形態では、凝縮器２０の出口温度に基づいて第２ポンプ６４の回転数が決定されるため、この第２ポンプ６４は凝縮水量に応じた最適な回転数（出力）に制御される。これにより、第２ポンプ６４の消費電流を有効に削減することができるという効果が得られる。しかも、図２に示すように、凝縮器２０の出口温度と凝縮水量とが相関関係を有しており、この凝縮器２０の出口温度を任意に設定することによって、得られる凝縮水量を任意に変更することが可能になる。
【００３５】
次に、配管６２を循環する冷却水の温度に基づいて第２ポンプ６４の出力を制御する手順について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００３６】
配管６２には、第２ポンプ６４の出口側に近接して第４温度センサ７８が配設されており、この第４温度センサ７８を介して前記第２ポンプ６４から導出される冷却水の温度が検出される（ステップＳ１１）。この検出された温度がＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ１２）、第２ポンプ６４の回転数が設定される（ステップＳ１３）。そして、検出温度が設定範囲内にあるか否かが判断され（ステップＳ１４）、前記検出温度がこの設定範囲内にあると、ステップＳ１５に進んで第２ポンプ６４の回転数が決定される。
【００３７】
これにより、凝縮水量に応じた第２ポンプ６４の制御が、冷却水の温度に基づいて確実に遂行され、簡単な構成で、この第２ポンプ６４の消費電流の削減が図られるられるという利点がある。
【００３８】
また、燃料電池スタック４０の出力に基づいて第２ポンプ６４の出力制御を行う際には、図５のフローチャートに示すように、先ず、前記燃料電池スタック４０の出力、例えば、電流値や電圧値が検出される（ステップＳ２１）。この検出された出力がＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ２２）、ＥＣＵ６８では第２ポンプ６４の回転数が決定される（ステップＳ２３）。
【００３９】
従って、燃料電池スタック４０の出力が低い場合に、第２ポンプ６４が必要以上に高出力で駆動されることがなく、前記燃料電池スタック４０の出力の増減に応じて前記第２ポンプ６４の回転数が有効に設定される。これにより、第２ポンプ６４の効率的な出力制御が遂行されるという効果がある。
【００４０】
さらにまた、凝縮器２０の出入口温度と燃料電池スタック４０の出力とに基づいて第２ポンプ６４の出力制御を行う際には、図６のフローチャートに示すように、先ず、前記凝縮器２０の入口温度および出口温度が第１および第２温度センサ７２、７４を介して検出される（ステップＳ３１）。これらの検出温度はＥＣＵ６８に入力され（ステップＳ３２）、さらに燃料電池スタック４０の出力が検出されてその検出出力が前記ＥＣＵ６８に入力される（ステップＳ３３およびＳ３４）。これらの検出結果に基づいて凝縮水量が推定され（ステップＳ３５）、第２ポンプ６４の回転数が決定される（ステップＳ３６）。
【００４１】
このため、凝縮水量が正確に推定され、この凝縮水量に基づいて第２ポンプ６４の出力制御が有効に遂行されるとともに、実際に得られる凝縮水量を任意に設定することができるという効果がある。
【００４２】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。以下に説明する第３の実施形態でも同様である。
【００４３】
燃料電池システム１００では、凝縮器１０２が燃焼器３６と蒸発器３４との間に配置されており、燃料電池スタック４０から排出される排出成分は、第１および第２排出経路５４、５６から燃焼器３６に導入された後、凝縮器１０２に導入される。
【００４４】
このように構成される燃料電池システム１００では、燃料電池スタック４０から排出される排出成分が、先ず、燃焼器３６に送られて相当に高温（例えば、２００℃〜２５０℃）に昇温されるとともに、水蒸気を多く含んだ状態で凝縮器１０２に送られる。このため、凝縮器１０２から比較的多量の凝縮水が生成される一方、第２ポンプ６４は相当に高温となっている排出成分と熱交換を行うために出力が高く設定されている。
【００４５】
この第２の実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池スタック４０の運転状況に基づいて第２ポンプ６４の出力が制御されることになり、この第２ポンプ６４の消費電流を有効に削減し得る等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成図である。この燃料電池システム１２０では、燃焼器３６の上流側と下流側とにそれぞれ第１および第２凝縮器１２２、１２４が配置されるとともに、前記第１および第２凝縮器１２２、１２４の出入口近傍には、第１温度センサ７２ａ、７２ｂと第２温度センサ７４ａ、７４ｂとが配置されている。この第３の実施形態は、第１および第２の実施形態の構造を組み合わせたものであり、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
なお、第１乃至第３の実施形態では、冷却水の流量を燃料電池セル１４の運転状況に応じて制御する流量制御装置２２を備えているが、これに代替して冷却水の温度を前記燃料電池セル１４の運転状況に応じて制御する温度制御装置を用いることができる。
【００４８】
例えば、図１を参照して説明すると、この温度制御装置は、冷却水の循環搬送路である配管６２に配置された第２ポンプ６４の入口側に配設されるラジエータ７０および冷却ファン７１を備えている。
【００４９】
そこで、例えば、センサ７３を介して燃料電池セル１４の運転状況が検出されると、この検出された情報に基づいて第２ポンプ６４および冷却ファン７１の出力が制御される。これにより、凝縮器２０に供給される冷却水の温度が調整されることになる。
【００５０】
従って、燃料電池セル１４の運転状況に応じた最適流量の冷却水を供給することができ、冷却ファン７１の消費電流が有効に削減されるという効果が得られる。なお、第２および第３の実施形態においても、同様に構成することによって同様の効果を得ることが可能になる。
【００５１】
また、この種の温度制御装置を流量制御装置２２と組み合わせて構成してもよい。すなわち、冷却水の温度制御と流量制御を組み合わせて行うことにより、燃料電池セル１４の運転状況に応じた最適条件（最適流量および最適温度）の冷却水を供給することができるとともに、凝縮器２０等で得られる凝縮水量を精度よく調整することが可能になる。
【００５２】
なお、冷却水の温度と流量のマップを予め作成し、このマップをＥＣＵ６８に記憶させておくことができる。これにより、マップに沿って冷却水の温度制御および流量制御を行うことが可能になり、制御が一層簡素化されるという利点がある。
【００５３】
本発明に係る燃料電池システムでは、気液分離装置に供給されて排出成分と熱交換を行う冷却媒体の流量および／または温度が、推定された凝縮水の生成量に応じて制御されるため、回収水量に応じた経済的かつ効率的な制御が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】各種検出手段と凝縮水量の関係説明図である。
【図３】凝縮器の出口温度に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図４】冷却媒体の温度に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図５】燃料電池セルの出力に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図６】凝縮器の出入口温度および燃料電池セルの出力に基づいてポンプ制御を行う際のフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１０、１００、１２０…燃料電池システム
１２…改質器 １４…燃料電池セル
１６…混合タンク １８…メタノール供給装置
２０、１０２、１２２、１２４…凝縮器
２２…流量制御装置 ２８、６４…ポンプ
３４…蒸発器 ３６…燃焼器
４０…燃料電池スタック ４２…セパレータ
４４…固体高分子電解質膜 ４６…水素極
４８…空気極 ５０…負荷
５４、５６…排出経路 ６２…配管
６６…検出手段 ６８…ＥＣＵ
７０…ラジエータ ７１…冷却ファン
７２、７２ａ、７２ｂ、７４、７４ａ、７４ｂ、７６、７８…温度センサ
７３…センサ ８６…メタノール貯留タンク
Claims (8)
- 電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルを備え、前記アノード側電極に水素を含む燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより起電力を得る燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルから排出される排出成分をガス成分と水分とに分離して凝縮水を回収するための気液分離装置と、
前記凝縮水の生成量を推定する推定手段を設け、前記生成量に応じて、前記気液分離装置に供給されて前記排出成分と熱交換を行う冷却媒体の流量の制御を行う流量制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記流量制御装置は、前記気液分離装置に供給される前記冷却媒体の流量を可変にするポンプの出力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記推定手段は、前記燃料電池セルの出力、前記気液分離装置に導入される前記排出成分の温度、前記気液分離装置から導出される前記ガス成分の温度、前記気液分離装置で回収される水の温度、または前記冷却媒体の温度のうち、少なくともいずれか１つの情報に基づいて前記凝縮水の生成量を推定することを特徴とする燃料電池システム。
- 電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルを備え、前記アノード側電極に水素を含む燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより起電力を得る燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルから排出される排出成分をガス成分と水分とに分離して凝縮水を回収するための気液分離装置と、
前記凝縮水の生成量を推定する推定手段を設け、前記生成量に応じて、前記気液分離装置に供給されて前記排出成分と熱交換を行う冷却媒体の温度の制御を行う温度制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記温度制御装置は、前記冷却媒体を前記気液分離装置に循環供給する配管に配置されるラジエータに併設される冷却ファンの出力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
- 電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルを備え、前記アノード側電極に水素を含む燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより起電力を得る燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルから排出される排出成分をガス成分と水分とに分離して凝縮水を回収するための気液分離装置と、
前記凝縮水の生成量を推定する推定手段を設け、前記生成量に応じて、前記気液分離装置に供給されて前記排出成分と熱交換を行う冷却媒体の流量の制御を行う流量制御装置と、
前記凝縮水の生成量を推定する推定手段を設け、生成量に応じて、冷却媒体の温度の制御を行う温度制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルと前記気液分離装置との間に配置される燃焼器を備え、
前記燃料電池セルから排出される排出成分は、前記燃焼器で昇温された後に前記気液分離装置に供給されることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルの排出成分出口側には、第１の前記気液分離装置、燃焼器及び第２の前記気液分離装置が直列的に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
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|---|---|---|---|
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