JP4370865B2 - Fuel cell water recovery system - Google Patents
Fuel cell water recovery system Download PDFInfo
- Publication number
- JP4370865B2 JP4370865B2 JP2003319769A JP2003319769A JP4370865B2 JP 4370865 B2 JP4370865 B2 JP 4370865B2 JP 2003319769 A JP2003319769 A JP 2003319769A JP 2003319769 A JP2003319769 A JP 2003319769A JP 4370865 B2 JP4370865 B2 JP 4370865B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unreacted gas
- humidity
- flow rate
- water recovery
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、燃料電池の水回収システムに関する。特に、既反応ガスの含有する水分を未反応ガスに移動させることにより未反応ガスの加湿を行う水回収システムに関する。 The present invention relates to a water recovery system for a fuel cell. In particular, the present invention relates to a water recovery system that humidifies unreacted gas by moving moisture contained in the already-reacted gas to the unreacted gas.
従来の燃料電池の水回収システムとして、温湿度交換手段の既反応ガス流路に、入口と出口を結ぶバイパス通路を設けたものが知られている。これには、また、燃料電池の酸化剤極から温湿度交換器の既反応ガス流路へ至るライン上に、バイパス通路へ切り替える切り替え弁と、既反応ガス温度センサを設け、温湿度交換手段の未反応ガス流路から燃料電池の酸化剤極へ至るライン上に、未反応ガス温度センサを設けている。さらに、両温度センサの検出結果に基づいて、切り替え弁の切り替え動作を制御するコントロールユニットを設け、バイパス通路に流れる既反応ガスの量を制御することにより、温湿度交換手段に流れる既反応ガスの量、すなわち水蒸気量を制御して未反応ガスの加湿量の制御を行っている(例えば、特許文献1、参照)。
上記従来の燃料電池の水回収システムにおいては、未反応ガス流路出口部の温度と、既反応ガス流路入口部の温度を持って、加湿に用いる既反応ガス流量を制御している。そのため、未反応ガス流路出口部の正確な水分量を特定できないため、燃料電池への供給量の過不足が発生する可能性があった。また、過渡条件において、未反応ガス流路出口部の状態が所定値に対して位相差を持つので、燃料電池への水供給量の過不足が発生する可能性があった。その結果、燃料電池内のフラッディング、膜性能の低下等の問題を引き起こす可能性があった。 In the conventional water recovery system for a fuel cell, the flow rate of the reacted gas used for humidification is controlled with the temperature of the unreacted gas channel outlet and the temperature of the already reacted gas channel inlet. For this reason, the exact amount of water at the outlet of the unreacted gas channel cannot be specified, so that there is a possibility that the supply amount to the fuel cell will be excessive or insufficient. In addition, since the state of the unreacted gas flow path outlet portion has a phase difference with respect to a predetermined value under transient conditions, there is a possibility that the amount of water supplied to the fuel cell will be excessive or insufficient. As a result, there is a possibility of causing problems such as flooding in the fuel cell and deterioration of membrane performance.
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃料電池に供給される水の過不足を抑制することができる燃料電池の水回収システムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell water recovery system capable of suppressing excess and deficiency of water supplied to the fuel cell.
本発明は、反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、前記燃料電池に供給される以前の未反応ガスと、前記燃料電池から排出された既反応ガスとの間で水分の移動を行う水回収装置と、未反応ガスの質量流量を検出する質量流量検出手段を備える。また、前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの温度を検出する入口温度検出手段と、前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する入口湿度検出手段を備える。さらに、前記水回収装置の未反応ガスの迂回路であるバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する未反応ガスの流量割合を未反応ガスの質量流量と、入口温度と、入口湿度に基づいて調整する流量割合調整手段と、を備え、前記流量割合調整手段は、入口温度及び入口湿度が一定のとき、質量流量が大きいほど流量割合を大きくし、質量流量及び入口温度が一定のとき、入口湿度が高いほど流量割合を大きくし、質量流量及び入口湿度が一定のとき、入口温度が高いほど流量割合を大きくする、ことを特徴とする流量割合調整手段を備える。 The present invention moves moisture between a fuel cell that generates a power generation reaction using a reaction gas, an unreacted gas before being supplied to the fuel cell, and an already-reacted gas discharged from the fuel cell. A water recovery device and a mass flow rate detecting means for detecting the mass flow rate of the unreacted gas are provided. In addition, an inlet temperature detecting means for detecting the temperature of the unreacted gas before flowing through the water recovery apparatus and an inlet humidity detecting means for detecting the humidity of the unreacted gas before flowing through the water recovery apparatus are provided. Further, a bypass flow path that is a bypass of the unreacted gas of the water recovery device, and a flow rate ratio of the unreacted gas flowing through the bypass flow path is based on a mass flow rate of the unreacted gas, an inlet temperature, and an inlet humidity. A flow rate ratio adjusting means that adjusts the flow rate ratio when the inlet temperature and the inlet humidity are constant, and the mass flow rate is increased as the mass flow rate is increased, and when the mass flow rate and the inlet temperature are constant, The flow rate adjustment means is characterized in that the flow rate ratio is increased as the inlet humidity is higher, and the flow rate ratio is increased as the inlet temperature is higher when the mass flow rate and the inlet humidity are constant .
未反応ガスの質量流量、入口温度、入口湿度から、水回収装置において加湿されることにより未反応ガスが含有する水分の量を推定することができるので、未反応ガスの入口側の温度・湿度に応じて流量割合を設定することで、位相差が生じるのを抑制することができる。これにより、水回収装置に流通させる反応ガス割合を適切に設定することができ、その結果、導入された反応ガスに適切な水分量を含有させることができるので、燃料電池に供給される水の過不足を抑制することができる。 Since the amount of moisture contained in the unreacted gas can be estimated from the mass flow rate of the unreacted gas, the inlet temperature, and the inlet humidity by being humidified in the water recovery device, the temperature and humidity on the inlet side of the unreacted gas By setting the flow rate ratio according to the above, it is possible to suppress the occurrence of a phase difference. Thereby, the ratio of the reaction gas to be circulated through the water recovery apparatus can be set appropriately, and as a result, the introduced reaction gas can contain an appropriate amount of water, so that the water supplied to the fuel cell can be contained. Excess or deficiency can be suppressed.
第1の実施形態に用いる水回収システムの概略構成を図1に示す。 A schematic configuration of a water recovery system used in the first embodiment is shown in FIG.
反応ガスを用いて発電を行うCSA(Cell Stack Assembly)2を備える。ここでは反応ガスとして、空気と水素ガスを用いる。ただし、この限りではなく、空気の替わりに酸素等の酸化剤ガスを、水素ガスの換わりに改質ガス等の水素含有ガスを用いてもよい。 A CSA (Cell Stack Assembly) 2 that generates power using a reaction gas is provided. Here, air and hydrogen gas are used as the reaction gas. However, the present invention is not limited to this, and an oxidant gas such as oxygen may be used instead of air, and a hydrogen-containing gas such as reformed gas may be used instead of hydrogen gas.
また、CSA2に供給する反応ガスを加湿するWRD(Water Recovery Device)1を備える。WRD1には、CSA2に供給する以前の未反応ガスを流通する未反応ガス流路1aと、CSA2から排出された既反応ガスを流通する既反応ガス流路1bを備える。未反応ガスとしては、CSA2に供給する以前の空気を用いる。既反応ガスとしては、カソード極から排出される排空気およびアノード極から排出される排燃料を用いる。ただし、この限りではなく、未反応ガスとして水素を用いてもよい。また、既反応ガスとしてどちらか一方、例えば水分を多く含む排空気のみを用いてもよい。
Further, a WRD (Water Recovery Device) 1 for humidifying the reaction gas supplied to the
さらに、未反応ガス流路1aを迂回するバイパス流路4を備える。ここでは、未反応ガス流路1aの上流側と下流側を結ぶバイパス流路4を備える。また、バイパス流路4の分岐部にはバルブ5を備える。ここでは、バルブ5を、未反応ガス流路1aの上流側の分岐部に配置する。バルブ5の開度を調整することにより、未反応ガス流路1aに流れる空気の割合を調整可能とし、ひいては、CSA2に供給する未反応ガスの含有する水分量を調整可能とする。
Further, a
また、CSA2に外部から空気を導入するコンプレッサ3を備える。コンプレッサ3の替わりに、ブロア等を用いてもよい。さらに、既反応ガス流路1bの上流側には、ヒータ6を備える。既反応ガス流路1bに供給される既反応ガスの温度が低い場合には、既反応ガス流路1b内で凝縮が生じることによりフラッディングが生じ、WRD1の水透過性能が低下する可能性がある。そこでヒータ6を備えることで、既反応ガス流路1b内でフラッディングが生じるのを防ぎ、適切な水透過を維持することができる。
Moreover, the
また、コンプレッサ3により導入され未反応ガス流路1aに供給される空気の質量流量を検出する質量流量センサ11、温度を検出する温度センサ12、湿度を検出する湿度センサ13を備える。また、未反応ガス流路1aから排出され、CSA2に供給される空気の湿度を検出する湿度センサ14を備える。また、CSA2から排出され、既反応ガス流路1bに供給される既反応ガスの湿度を検出する湿度センサ15を備える。また、既反応ガス流路1bから排出された既反応ガスの温度を検出する温度センサ16、湿度を検出する湿度センサ17を備える。さらに、コントロールユニット20を備え、これらのセンサ11〜17の出力を読み込み、燃料電池システムの制御を行う。ここでは、コントロールユニット20では、バルブ5の開度とヒータ6のON/OFFの切り替えを制御する。
Further, a
このような燃料電池システムにおいて、外部から導入された空気は、WRD1の未反応ガス流路1aを流通する際に既反応ガス流路1bを流通する既反応ガスにより加湿される。この加湿量は、バルブ4の開度により未反応ガス流路1aを流通する未反応ガス流量を調整することにより制御される。加湿された未反応ガスをCSA2に供給して発電を行う。CSA2では発電反応に伴って生成水が生じ、既反応ガスが排出される際に一緒に排出される。このように水分を含んだ既反応ガスをWRD1の既反応ガス流路1bに流通させることにより、未反応ガス流路1aを流れる未反応ガスの加湿を行う。
In such a fuel cell system, the air introduced from the outside is humidified by the already-reacted gas flowing through the already-reacted
このような燃料電池システムにおいて、WRD1を流通する未反応ガス流量の制御方法について説明する。
In such a fuel cell system, a method for controlling the flow rate of unreacted gas flowing through the
まず、バルブ5の開度の初期値を設定する。未反応ガスの質量流量Qに応じて、CSA2における反応に必要な水分量を求める。これと未反応ガスの温度T1から、CSA2に供給される時点で望まれる未反応ガスの湿度(目標湿度Ht)を設定する。次に、WRD1に供給される未反応ガスの温度T1、湿度H1から、WRD1を流通する未反応ガスの流量割合を算出する。ここでは、図2に示すようなマップを、予め実験等により質量流量Q毎に求めて記憶しておき、温度センサ12、湿度センサ13の出力T1、H1に応じてバルブ5の開度を設定する。図2に示すように、未反応ガスの温度T1が高いほど同じ湿度でも含有される水分量が多くなるので、バルブ5をバイパス流路4側に大きく開く。また、供給される未反応ガスの湿度H1が高いほど、含有する水分量が多くなるので、バルブ5をバイパス流路4側に大きく開く。
First, an initial value of the opening degree of the
つまり、ここでは、質量流量センサ11、温度センサ12、湿度センサ13の出力Q、T1、H1を読み込み、これらから、未反応ガスがWRD1を流通することにより含有する水分量を特定し、これに応じてバルブ5の開度の初期値を決定する。このとき、WRD1の入口側の検出値を用いることにより位相差を抑制することができる。
That is, here, the outputs Q, T 1 , and H 1 of the
上述したようにバルブ5の開度の初期値を設定したら、未反応ガス流路1aの出口側の湿度を検出してフィードバック制御する。ここでは、所定時間毎に図3に示すフローに従ってバルブ5の開度を調整する。
When the initial value of the opening degree of the
ステップS1において、質量流量センサ11の出力Qを読み込む。次に、ステップS2において、湿度センサ14の出力H2を読み込む。次に、ステップS3において、検出した湿度H2と目標湿度Htとを比較する。ここで、目標湿度Htは、反応ガスの質量流量Qに応じて図4に示すように設定される。
In step S1, the output Q of the
目標湿度Htは、CSA2において十分に発電を行い、かつ、フラッディングを避けることができる反応ガスの湿度とする。反応ガスの質量流量Qが大きくなるに従って、反応ガスの圧力が増大するので、同じ湿度であっても含有できる水分量が低減する。そこで、図4に示すように、反応ガスの質量が大きくなるに従って、目標湿度Htも大きくなるように設定する。これは、予め実験や計算等により求めておき、目標湿度Htとして図4に示すようなマップとして記憶しておく。なお、図4に示すマップは、未反応ガスの温度T1毎に設定しておき、バルブ5の開度初期値を設定した際の温度T1に応じて選択する。
The target humidity Ht is the humidity of the reaction gas that can sufficiently generate power in the
ステップS3において、目標湿度Htと検出した湿度H2との湿度差ΔH(=Ht(Q)−H2)を求め、これが−ε以上、ε以下の所定許容範囲内に入るか否かを判断する。所定許容範囲を示すεは、CSA2において効率のよい発電を維持できる許容範囲を示す値であり、予め実験等により設定しておく。所定許容範囲内に入る場合には、適切な加湿が行われていると判断することができ、本フローを終了する。一方、所定許容範囲外の場合には、適切な加湿が行われていないと判断して、ステップS4に進む。
In step S3, a humidity difference ΔH (= Ht (Q) −H 2 ) between the target humidity Ht and the detected humidity H 2 is obtained, and it is determined whether or not it falls within a predetermined allowable range of −ε to ε. To do. Ε indicating a predetermined allowable range is a value indicating an allowable range in which efficient power generation can be maintained in the
ステップS4においては、湿度差ΔHが0より小さいか否かを判断する。湿度差ΔHが0より小さい場合には、目標湿度Htに対して実際の湿度H2が高すぎる、つまりフラッディングが生じる可能性があると判断することができる。そこで、ステップS5に進み、バルブ5の開度をバイパス流路4側に大きくする。これにより、加湿される未反応ガスの流量割合を低減できるので、CSA2に供給される未反応ガスの含有する水分量を抑制することができる。一方、湿度差ΔHが0以上の場合には、目標湿度Htに対して実際の湿度H2が低すぎる、つまり加湿不足を生じる可能性があると判断することができる。そこで、ステップS6に進み、バルブ5の開度をWRD1側に大きくする。これにより、加湿される未反応ガスの流量割合を増大できるので、CSA2に供給される反応ガスの含有する水分量を増大することができる。なお、ステップS5、S6でバルブ5の開度を変化させる際には、予め設定した開度を変化させてもよいし、湿度差ΔHに応じて変化させる開度を設定してもよい。このようにバルブ5の開度を調整したら、本フローを終了し、所定時間毎に繰り返す。
In step S4, it is determined whether or not the humidity difference ΔH is smaller than zero. When the humidity difference ΔH is smaller than 0, it can be determined that the actual humidity H 2 is too high with respect to the target humidity Ht, that is, flooding may occur. Then, it progresses to step S5 and the opening degree of the
なお、本実施形態では、未反応ガスの温度T1と湿度H1をモニタし、温度T1、湿度H1の少なくとも一方に変化があったら、バルブ5の開度初期値を設定し、その後、出口湿度H2を用いてフィードバック制御する。例えば、CSA2に供給される未反応ガスの含有水分量の変化に対する許容範囲と、入口温度T1、入口湿度H1の変化に対する未反応ガスの含有水分量の変化量と、を求めることにより、予め入口温度T1および入口湿度H1の変化の許容範囲を設定しておく。検出された入口温度T1または入口湿度H1の変化がこの許容範囲より大きいと判断されたら、バルブ5の開度初期値を再設定する。なお、質量流量Qの変化については、フィードバック制御により調整しているが、この限りではない。例えば、変化率が小さい場合にはフィードバック制御により調整し、変化率が大きい場合には、バルブ5の初期値を再設定するように制御してもよい。
In this embodiment, the temperature T 1 and the humidity H 1 of the unreacted gas are monitored, and if at least one of the temperature T 1 and the humidity H 1 changes, the initial opening value of the
次に、ヒータ6の制御方法について説明する。ここでは、図5のフローチャートに従ってヒータ6の運転を制御する。なお、この制御はバルブ5の開度とパラレルに行ってもよいし、バルブ5の開度制御が行われていないときに行ってもよい。さらには、図3、図5のフローを組み合わせてシリーズに行ってもよい。所定時間毎に図5のフローを実行することで、ヒータ6の制御を行う。
Next, a method for controlling the
ステップS11において、ヒータ6がONであるか否かを判断する。ヒータ6がONの場合には、ステップS12に進み、図示しないタイマーのカウント値を加算する。ステップS13において、タイマー値が所定値以上であるか否かを判断する。所定値より小さい場合には、本フローを終了してヒータ6を用いた既反応ガスの加温を継続する。一方、タイマー値が所定値以上の場合には、ステップS14においてヒータ6をOFFにして本フローを終了する。
In step S11, it is determined whether or not the
ステップS11において、ヒータ6がOFFであると判断された場合には、ステップS15に進み、湿度センサ13、14の出力H1、H2および温度センサ12の出力T1を読み込む。また、湿度センサ15、17の出力H3、H4および温度センサ16の出力T4を読み込む。さらに、質量流量センサ11の出力Qを読み込む。
If it is determined in step S11 that the
ステップS16において、質量流量Q、温度T1、湿度H1から、未反応ガス流路1aに供給される以前の反応ガスの含有する水分量Qw1を求める。質量流量Q、温度T1、湿度H2から、未反応ガス流路1aから排出された反応ガスの有する水分量Qw2を求める。質量流量Q、温度T4、湿度H3から、既反応ガス流路1bに供給される以前の既反応ガスの有する水分量Qw3を求める。質量流量Q、温度T4、湿度H4から、既反応ガス流路1bから排出された既反応ガスの有する水分量Qw4を求める。なお、WRD1の入口側と出口側との温度差が大きい場合には、未反応ガス流路1a出口部分および既反応ガス流路1b入口部分にも温度センサを備え、この出力を用いて水分量Qw2、Qw3を算出するのが好ましい。
In step S16, the mass flow rate Q, the temperature T 1, from the humidity H 1, determining the moisture content Qw 1 containing the previous reaction gas supplied to the unreacted gas flow path 1a. From the mass flow rate Q, temperature T 1 , and humidity H 2 , the moisture content Qw 2 of the reaction gas discharged from the unreacted gas flow path 1a is obtained. From the mass flow rate Q, the temperature T 4 , and the humidity H 3 , the moisture content Qw 3 of the already-reacted gas before being supplied to the already-reacted
次に、ステップS17において、水分量Qw3、Qw4の差ΔQw3、4(=Qw3−Qw4)と、水分量Qw1、Qw2の差ΔQw2、1(=Qw2−Qw1)とを比較する。ここで、水分量差ΔQw3、4は、既反応ガスがWRD1を流通する際に失った水分量を示し、水分量差ΔQw2、1は、未反応ガスがWRD1を流通する際に受け取った水分量を示す。水分量差ΔQw3、4がΔQw2、1より大きい場合には、既反応ガスが既反応ガス流路1b内を流通する際に温度が飽和温度より低下したことにより凝縮水が生じ、水透過性能が低下している可能性があると判断できる。そこで、ステップS18に進み、ヒータ6をONにして、既反応ガス流路1b内でフラッディングが生じるのを防ぐ。ステップS19において、図示しないタイマーのカウントを開始し、本フローを終了する。このような制御を所定時間毎に繰り返し行うことにより、既反応ガス流路1b内のフラッディングを避け、水透過性能を維持することができる。
Next, in step S17, the difference ΔQw 3 , 4 (= Qw 3 −Qw 4 ) between the moisture amounts Qw 3 and Qw 4 and the difference ΔQw 2 , 1 (= Qw 2 −Qw 1 ) between the moisture amounts Qw 1 and Qw 2. ). Here, the moisture amount difference ΔQw 3 , 4 indicates the amount of moisture lost when the already-reacted gas flows through the
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
反応ガスを用いて発電反応を生じるCSA2と、CSA2に供給される以前の未反応ガスと、CSA2から排出された既反応ガスとの間で水分の移動を行うWRD1を備える。また、未反応ガスの質量流量Qを検出する質量流量センサ11と、WRD1を流通する以前の未反応ガスの温度を検出する温度センサ12と、WRD1を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する湿度センサ13を備える。さらに、WRD1の未反応ガスの迂回路であるバイパス流路4と、バイパス流路4を流通する未反応ガスの流量割合を、未反応ガスの質量流量Qと、入口温度T1と、入口湿度H1に基づいて調整するバルブ5を備える。これにより、未反応ガスがWRD1を流通することにより含有する水分量に応じて、WRD1に流通させる未反応ガスの割合を設定することができる。その結果、未反応ガスに適切な水分量を含有させることができるので、CSA2における加湿の過不足を抑制することができる。このとき、WRD1の入口側の湿度H1、温度T1、質量流量Qから、含有される水分量を特定するので、位相差を抑制することができる。
A
また、WRD1を流通した未反応ガスの湿度H2を検出する温度センサ14を備え、バルブ5での未反応ガスの流量割合を、未反応ガスの出口湿度H2が目標湿度Htとなるようにフィードバック制御する。これにより、SCA2に供給される未反応ガスの湿度を、さらに適切に制御することができ、CSA2における加湿の過不足を抑制することができる。
Further, a
目標湿度Htを、未反応ガスの質量流量Qに応じて設定する。これにより、CSA2に供給される未反応ガスの質量流量Qの変化が多く生じる、例えば移動体等に燃料電池システムに適用した場合にも、適切な加湿を行うことができる。
The target humidity Ht is set according to the mass flow rate Q of the unreacted gas. Accordingly, even when the mass flow rate Q of the unreacted gas supplied to the
また、CSA2と、WRD1の既反応ガス入口と、の間に、既反応ガスを選択的に加熱するヒータ6を備える。これにより、WRD1内で既反応ガス内の水分の凝縮が生じることにより、水透過機能が低下するのを抑制することができる。
Further, a
次に、第2の実施形態について説明する。水回収システムの概略構成を図6に示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a second embodiment will be described. A schematic configuration of the water recovery system is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
未反応ガス流路1aの入口側に加熱手段としてヒータ21を備える。ここでは、ヒータ21を、バイパス流路4の分岐部より上流側に配置する。温度センサ12、湿度センサ13は、ヒータ21を流通する以前の未反応ガスの温度、湿度を検出する。また、未反応ガス流路1aとCSA2との間に加熱手段としてヒータ22を備える。ここでは、ヒータ22を、バイパス流路4の合流部より下流側に配置する。湿度センサ14は、バイパス流路4の合流部で合流され、ヒータ22を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する。
A
また、バイパス流路4の合流部より下流側に、未反応ガス流路1aの圧力を調整する圧力調整バルブ23を備える。ここでは、圧力調整バルブ23をヒータ22の上流側に配置する。また、未反応ガス流路1a内の圧力を検出する圧力センサ24を備える。ここでは、圧力センサ24を、バイパス流路4の合流部と圧力調整バルブ23との間に配置する。さらに、未反応ガスのWRD1の出口側における温度T2を検出する温度センサ25を備える。ここでは、温度センサ25をバイパス流路4の合流部と圧力調整バルブ23との間に配置する。
In addition, a
次に、本実施形態の制御方法について説明する。バルブ5の開度制御のフローチャートを図7に示す。なお、バルブ5の開度初期値は、第1の実施形態と同様に入口温度T1、入口湿度H1、質量流量Qに応じて設定する。
Next, the control method of this embodiment will be described. A flowchart of the opening degree control of the
ステップS21〜S26で、ステップS1〜S6と同様にバルブ5の開度を調整する。ステップS26において、バルブ5のWRD1側の開度を増大したら、ステップS27において、バルブ5がWRD1側に全開であるか否かを判断する。WRD1側に全開であると判断されたら、本フローを終了して、加湿機能を向上させる制御に移行する。一方、WRD1側に全開でないと判断された場合には、所定時間後に本フローを繰り返す。
In steps S21 to S26, the opening degree of the
次に、加湿機能を向上時の制御について説明する。ここでは、ヒータ21および圧力制御バルブ23を用いて、未反応ガス流路1aにおける加湿機能を向上させる。
Next, control when improving the humidification function will be described. Here, the humidification function in the unreacted gas channel 1a is improved by using the
導入される未反応ガスの温度T1が低い場合、全ての未反応ガスをWRD1側に流通させても、WRD1内で必要な水分を含有せずに排出される可能性がある。そこで、本実施形態では、ヒータ21を用いてWRD1に供給される未反応ガスを加熱する。ここでは、出口温度T2を、所定温度、例えば、飽和状態の未反応ガスの含有水分量がCSA2で必要とされる水分量となる温度以上に制御することにより、未反応ガスが飽和状態となることで加湿不足が生じるのを抑制する。また、圧力制御バルブ23を閉方向に調整することで、未反応ガスの未反応ガス流路1a内の滞留時間を増大する。これにより、滞留時間の不足により、未反応ガスがWRD1から低い湿度状態で排出されるのを抑制する。
When the temperature T 1 of the unreacted gas to be introduced is low, there is a possibility that even if all the unreacted gas is circulated to the
まず、ヒータ21の初期値の設定方法について説明する。
First, a method for setting the initial value of the
加湿機能の向上が指示されたら、まず、加熱レベルLHの初期値を設定する。ここでは、図8に示すような制御マップを質量流量Q毎に予め記憶しておき、WRD1から排出された未反応ガスの出口温度T2、出口湿度H2を検出することにより加熱レベルLHを設定する。図8に示すように、未反応ガスの出口温度T2が低い場合に、ヒータ21をONにする。ここではヒータ21として、加温の程度を段階的に切り替え可能なヒータを用い、温度T2が低いほど加温の程度を強く、つまり加熱レベルLHの初期値を高く設定する。その後フィードバック制御により温度調整を行う。なお、ヒータ21の加熱レベルLHは、出口温度T2のみに応じて設定してもよい。
When an instruction to improve the humidification function is given, first, an initial value of the heating level L H is set. Here, a control map as shown in FIG. 8 is stored in advance for each mass flow rate Q, and the heating level L H is detected by detecting the outlet temperature T 2 and outlet humidity H 2 of the unreacted gas discharged from the
次に、圧力制御バルブ23の開度の初期値の設定方法を説明する。
Next, a method for setting the initial value of the opening degree of the
ここでは、図8に示すような制御マップを質量流量Q毎に予め記憶しておき、WRD1から排出された未反応ガスの出口温度T2、出口湿度H2を検出することにより圧力レベルLPを設定する。ここで、図8に示すマップは質量流量Q毎に設定されており、圧力レベルLPは圧力制御バルブ23の開度に相当する。図8に示すように、未反応ガスの出口湿度H2が低い場合に、圧力レベルLPを大きく設定する、つまり、圧力制御バルブ23を閉方向に設定する。その後フィードバック制御により温度調整を行う。なお、圧力レベルLPは、出口湿度H2のみに応じて設定してもよい。
Here, a control map as shown in FIG. 8 is stored in advance for each mass flow rate Q, and the pressure level L P is detected by detecting the outlet temperature T 2 and outlet humidity H 2 of the unreacted gas discharged from the
次に、この加湿機能の向上時におけるフィードバック制御について、図9に示すフローチャートを用いて説明する。 Next, feedback control when the humidifying function is improved will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
ステップS31において、質量流量Qを検出する。ステップS32において、出口温度T2、出口湿度H2を検出する。次に、ステップS33において、目標温度Ttと出口温度T2との比較を行う。ここで目標温度Ttは、飽和状態の未反応ガスの含有水分量がCSA2で必要とされる水分量となる温度以上の温度とする。目標温度Ttは、未反応ガスの質量流量Qに応じて予め設定しておく。目標温度Tt(Q)と出口温度T2の差ΔT(=Tt(Q)−T2)が、−ε1以上、ε1以下の所定許容範囲内であるか否かを判断する。許容範囲内であれば、加熱レベルLHを維持してステップS37に進む。 In step S31, the mass flow rate Q is detected. In step S32, the outlet temperature T 2 and the outlet humidity H 2 are detected. Next, in step S33, it is compared with the target temperature Tt and the outlet temperature T 2. Here, the target temperature Tt is set to a temperature equal to or higher than the temperature at which the moisture content of the unreacted gas in the saturated state becomes the moisture content required for the CSA2. The target temperature Tt is set in advance according to the mass flow rate Q of the unreacted gas. It is determined whether or not the difference ΔT (= Tt (Q) −T 2 ) between the target temperature Tt (Q) and the outlet temperature T 2 is within a predetermined allowable range of −ε 1 or more and ε 1 or less. If within the allowable range, the process proceeds to step S37 to maintain the heat level L H.
一方、温度差ΔTが許容範囲内でなかったら、ステップS34に進み、温度差ΔTが0より小さいか否かを判断する。0より小さい場合は出口温度T2が高すぎるということなので、ステップS35においてヒータ21の加熱レベルLHを低減する。ただし、加熱レベルLHが0、つまりヒータ21がOFFの場合には、この状態を維持する。一方、温度差ΔTが0より大きい場合には、出口温度T2が低すぎるということなので、ステップS36において加熱レベルLHを増大する。
On the other hand, if the temperature difference ΔT is not within the allowable range, the process proceeds to step S34 to determine whether the temperature difference ΔT is smaller than zero. Since 0 is smaller than the such that the outlet temperature T 2 is too high, to reduce the heating level L H of the
次に、ステップS37において、目標圧力Ptと出口圧力P2との比較を行う。ここで、目標圧力Ptは、未反応ガスの質量流量Qに応じて設定される。つまり、目標圧力Ptは、未反応ガスの未反応ガス流路1a内の滞留時間が、加湿を行うのに十分な時間となる圧力とし、予め実験等により求めておく。目標圧力Pt(Q)と出口圧力P2の圧力差ΔP(=Pt(Q)−P2)が、−ε2以上、ε2以下の所定許容範囲内であるか否かを判断する。許容範囲内であれば、バルブ23の開度を維持してステップS41に進む。
Next, in step S37, it is compared with the target pressure Pt and the outlet pressure P 2. Here, the target pressure Pt is set according to the mass flow rate Q of the unreacted gas. That is, the target pressure Pt is a pressure at which the residence time of the unreacted gas in the unreacted gas flow path 1a is a time that is sufficient for humidification, and is obtained in advance through experiments or the like. It is determined whether or not the pressure difference ΔP (= Pt (Q) −P 2 ) between the target pressure Pt (Q) and the outlet pressure P 2 is within a predetermined allowable range of −ε 2 or more and ε 2 or less. If it is within the allowable range, the opening degree of the
一方、圧力差ΔPが許容範囲内でなかったら、ステップS38に進み、圧力差ΔPが0より小さいか否かを判断する。0より小さい場合は、すなわち、出口圧力P2が大きすぎるということなので、コンプレッサ3に過剰の負荷が要求されていると判断することができる。そこで、ステップS39において圧力レベルLPを低減する。つまり、圧力制御バルブ23の開度を増大する。一方、圧力差ΔPが0より大きい場合には、出口圧力P2が小さすぎるということなので、十分な加湿が行われていない可能性がある。そこで、ステップS40において、圧力レベルLPを増大する。つまり、圧力制御バルブ23の開度を低減して、未反応ガス流路1a内の圧力を増大し、滞留時間を増大する。
On the other hand, if the pressure difference ΔP is not within the allowable range, the process proceeds to step S38, and it is determined whether or not the pressure difference ΔP is smaller than zero. If it is smaller than 0, that is, the outlet pressure P 2 is too large, it can be determined that an excessive load is required for the
次に、ステップS41において、加熱レベルLHが0であり、かつ、圧力レベルLPが0、つまりバルブ23の開度が全開であるか否かを判断する。ここで、加熱レベルLHが0であり、かつ、圧力レベルLPが0の場合には、加湿機能を向上する必要がないと判断することができるので、前述した図7のバルブ5の開度制御に移行する。一方、加熱レベルLHが0ではない、または、圧力レベルLPが0ではない場合には、加湿機能を向上する必要があると判断して、本フローを所定時間毎に繰り返す。
Next, in step S41, it is determined whether the heating level L H is 0 and the pressure level L P is 0, that is, whether the opening of the
なお、圧力制御バルブ23により圧力を増大する際には、圧力制御バルブ23の下流側の圧力低下により、温度低下が生じて凝縮水が生じる可能性がある。そこで、圧力センサ24の出力と、CSA2内との圧力差に応じて、凝縮水が生じる可能性があると判断される場合には圧力制御バルブ23の下流に配置したヒータ22をONとする。
Note that, when the pressure is increased by the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
WRD1を流通した未反応ガスの湿度H2を検出する湿度センサ14と、WRD1内の未反応ガスの圧力を調整する圧力制御バルブ23を備え、WRD1内の未反応ガスの圧力を、湿度センサ14の出力に応じて制御する。これにより、WRD1内での未反応ガスの滞留時間が十分ではなく、低湿度状態でWRD1から未反応ガスが排出されるのを抑制することができる。
The
WRD1の未反応ガス出口と、CSA2の間に、未反応ガスを選択的に加熱するヒータ22を備える。これにより、WRD1に供給される未反応ガスが、WRD1内で飽和状態となり、必要水分量を含有できないことにより加湿不足が生じるのを防ぐことができる。
A heater 22 for selectively heating the unreacted gas is provided between the unreacted gas outlet of the
また、WRD1に供給される以前の未反応ガスを加熱するヒータ21と、WRD1から排出された未反応ガスの温度を検出する温度センサ25を備える。WRD1に供給される未反応ガスの温度を、温度センサ25の出力に応じて制御する。これにより、WRD1内で未反応ガスが飽和状態になることにより生じる加湿不足を抑制することができる。
Further, a
次に、第3の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
ここでは、圧力制御バルブ23の初期値を、図10に示すマップに応じて設定する。質量流量Qが大きい場合には、未反応ガスのWRD1内の滞留時間が短くなるので、十分に加湿されないまま排出される可能性がある。そこで、予め実験等により図10に示すマップを記憶しておき、質量流量Qが大きい場合には、圧力制御バルブ23の開度を低減することにより、圧力を増大する。また、出口湿度H2が低いほど、圧力上昇を開始させる負荷の値を小さく、かつ、圧力レベルLPを高く設定する。
Here, the initial value of the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第2の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, only effects different from those of the second embodiment will be described.
WRD1内の未反応ガスの圧力を調整する圧力制御バルブ23を備え、WRD1内の未反応ガスの圧力を、未反応ガスの質量流量Qに応じて制御する。これにより、通常の使用条件においては圧力上昇を行わず、高負荷に限り圧力上昇による加湿機能の向上を図ることにより、通常運転時の燃費の悪化防止とWRD1の小型化の両立が可能となる。
A
なお、本実施形態においては、質量流量Qを直接検出しているが、この限りではない。例えば、諸条件より設定されたCSA2の負荷に応じて質量流量Qを設定する場合等には、CSA2の負荷値を用いてもよい。
In the present embodiment, the mass flow rate Q is directly detected, but this is not restrictive. For example, when the mass flow rate Q is set according to the load of the
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. .
本発明は、固体高分子型燃料電池を備え、燃料電池外部の加湿手段により未反応ガスを加湿する燃料電池システムに適用することができる。特に、未反応ガスと既反応ガスとの間で水分の移動を行うことにより未反応ガスの加湿を行うWRDを備えた燃料電池システムに適用することができる。 The present invention can be applied to a fuel cell system that includes a polymer electrolyte fuel cell and humidifies unreacted gas by humidification means outside the fuel cell. In particular, the present invention can be applied to a fuel cell system equipped with a WRD that humidifies an unreacted gas by moving moisture between the unreacted gas and the already-reacted gas.
1 WRD(水回収装置)
2 CSA(燃料電池)
4 バイパス流路
5 バルブ(流量割合調整手段)
6 ヒータ(第二の加熱手段)
11 質量流量センサ(質量流量検出手段)
12 温度センサ(入口温度検出手段)
13 湿度センサ(入口湿度検出手段)
14 湿度センサ(出口湿度検出手段)
21 ヒータ
22 ヒータ(第一の加熱手段)
23 圧力制御バルブ(圧力調整手段)
1 WRD (water recovery device)
2 CSA (fuel cell)
4
6 Heater (second heating means)
11 Mass flow sensor (mass flow detection means)
12 Temperature sensor (Inlet temperature detection means)
13 Humidity sensor (Inlet humidity detection means)
14 Humidity sensor (exit humidity detection means)
21 heater 22 heater (first heating means)
23 Pressure control valve (pressure adjusting means)
Claims (7)
前記燃料電池に供給される以前の未反応ガスと、前記燃料電池から排出された既反応ガスとの間で水分の移動を行う水回収装置と、
未反応ガスの質量流量を検出する質量流量検出手段と、
前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの温度を検出する入口温度検出手段と、
前記水回収装置を流通する以前の未反応ガスの湿度を検出する入口湿度検出手段と、
前記水回収装置の未反応ガスの迂回路であるバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通する未反応ガスの流量割合を未反応ガスの質量流量と、入口温度と、入口湿度に基づいて調整する流量割合調整手段と、を備え、
前記流量割合調整手段は、
入口温度及び入口湿度が一定のとき、質量流量が大きいほど流量割合を大きくし、
質量流量及び入口温度が一定のとき、入口湿度が高いほど流量割合を大きくし、
質量流量及び入口湿度が一定のとき、入口温度が高いほど流量割合を大きくする、
ことを特徴とする燃料電池の水回収システム。 A fuel cell that generates a power generation reaction using a reaction gas; and
A water recovery device for transferring moisture between the unreacted gas before being supplied to the fuel cell and the already reacted gas discharged from the fuel cell;
A mass flow rate detecting means for detecting a mass flow rate of the unreacted gas;
Inlet temperature detection means for detecting the temperature of the unreacted gas before flowing through the water recovery device;
Inlet humidity detection means for detecting the humidity of the unreacted gas before flowing through the water recovery device;
A bypass flow path that is a bypass of unreacted gas of the water recovery device;
A flow rate ratio adjusting means for adjusting the flow rate ratio of the unreacted gas flowing through the bypass flow path based on the mass flow rate of the unreacted gas, the inlet temperature, and the inlet humidity ;
The flow rate ratio adjusting means includes:
When the inlet temperature and inlet humidity are constant, the larger the mass flow rate, the larger the flow rate ratio.
When the mass flow rate and the inlet temperature are constant, the higher the inlet humidity, the larger the flow rate ratio.
When mass flow rate and inlet humidity are constant, the higher the inlet temperature, the larger the flow rate ratio.
A water recovery system for a fuel cell.
前記流量割合調整手段での未反応ガスの流量割合を、未反応ガスの出口湿度が目標湿度となるようにフィードバック制御する請求項1に記載の燃料電池の水回収システム。 Comprising outlet humidity detection means for detecting the humidity of the unreacted gas flowing through the water recovery device,
2. The fuel cell water recovery system according to claim 1, wherein the flow rate ratio of the unreacted gas in the flow rate ratio adjusting unit is feedback-controlled so that the outlet humidity of the unreacted gas becomes the target humidity.
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、を備え、
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を、出口湿度が低くなるに従って大きくなるように制御する請求項1に記載の燃料電池の水回収システム。 Outlet humidity detection means for detecting the humidity of the unreacted gas flowing through the water recovery device;
Pressure adjusting means for adjusting the pressure of the unreacted gas in the water recovery device,
2. The fuel cell water recovery system according to claim 1, wherein the pressure of the unreacted gas in the water recovery device is controlled to increase as the outlet humidity decreases .
前記水回収装置内の未反応ガスの圧力を、未反応ガスの質量流量が大きくなるに従って大きくなるように制御する請求項1に記載の燃料電池の水回収システム。 A pressure adjusting means for adjusting the pressure of the unreacted gas in the water recovery device;
The fuel cell water recovery system according to claim 1, wherein the pressure of the unreacted gas in the water recovery device is controlled to increase as the mass flow rate of the unreacted gas increases .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003319769A JP4370865B2 (en) | 2003-09-11 | 2003-09-11 | Fuel cell water recovery system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003319769A JP4370865B2 (en) | 2003-09-11 | 2003-09-11 | Fuel cell water recovery system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005085723A JP2005085723A (en) | 2005-03-31 |
JP4370865B2 true JP4370865B2 (en) | 2009-11-25 |
Family
ID=34418622
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003319769A Expired - Fee Related JP4370865B2 (en) | 2003-09-11 | 2003-09-11 | Fuel cell water recovery system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4370865B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101652890B (en) * | 2007-02-09 | 2013-01-16 | 戴姆勒股份公司 | Supply system and warning device for a fuel cell stack, and method for controlling the supply system |
CN110197915B (en) * | 2019-05-28 | 2024-08-20 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | Humidity control system for fuel cell |
CN113193213B (en) * | 2021-04-29 | 2024-01-12 | 一汽解放汽车有限公司 | Method and device for controlling gas humidity of fuel cell, vehicle and storage medium |
CN113921871A (en) * | 2021-10-13 | 2022-01-11 | 中氢铭创测控科技(武汉)有限公司 | Humidity detection system and method for high-power fuel cell stack reaction gas |
-
2003
- 2003-09-11 JP JP2003319769A patent/JP4370865B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005085723A (en) | 2005-03-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4984543B2 (en) | Fuel cell system | |
US7556879B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP2004179000A (en) | Fuel cell system | |
JP2006351506A (en) | Fuel cell system | |
US7858248B2 (en) | Fuel cell and fuel cell system | |
JP2002246045A (en) | Fuel cell system | |
JP4603920B2 (en) | Humidifier for fuel cell and fuel cell system provided with the same | |
JP7116651B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP2007280804A (en) | Fuel cell operation system and cooperative control method of valve in same | |
JP4370865B2 (en) | Fuel cell water recovery system | |
JP2005216519A (en) | Fuel cell system | |
JP2002280029A (en) | Control device for fuel cell system | |
JP2005150025A (en) | Fuel cell system | |
JP5135665B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2002313376A (en) | Gas supplying device of fuel cell | |
JP5109284B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4561048B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2005116256A (en) | Fuel cell cogeneration system | |
JP7016025B2 (en) | Fuel cell system and its operation method | |
JP6136185B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2004179126A (en) | Oxidant pressure control method of fuel cell system | |
JP2005190865A (en) | Low temperature type fuel cell system | |
JP2005149897A (en) | Humidifying system for fuel cell and fault detection method of the same | |
JP4675605B2 (en) | Fuel cell oxidant supply device | |
JP3991047B2 (en) | Humidifier for fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060727 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090324 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090428 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090528 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090811 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090824 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120911 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120911 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130911 Year of fee payment: 4 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |