JP4413587B2 - Humidification system for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池自動車等に使用される燃料電池用加湿システムに関し、特に、水分透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムに関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell humidification system used in a fuel cell automobile or the like, and more particularly to a fuel cell humidification system including a moisture permeable humidifier.

従来から、固体高分子膜を電解質膜として用いた燃料電池が知られている。この種の燃料電池においては、供給される酸素と水素との電気化学反応により生じた電子が固体電解質膜を流れることにより発電が行われる。そして、発電が効率良く行われるためには、前記固体高分子膜の導電性を高め、反応により生じた電子の移動の際の抵抗を低くする必要がある。ところで、燃料電池内では反応により水が生ずる関係で、燃料電池の反応後に排出されるオフガスには多くの水分が含まれている。したがって、燃料電池の反応後に排出されるオフガスを加湿ガスとして用い、燃料電池の反応に使用される反応ガスを加湿する水分透過型の加湿器を備えた燃料電池用加湿システムが提案されている。
この加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、反応ガスの加湿量を調整するために、加湿器を経て燃料電池に至る反応ガス供給路に、加湿器をバイパスするバイパス路が設けられ、このバイパス路に反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁が取付けられたものが提案されている。 Conventionally, a fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane is known. In this type of fuel cell, power is generated by electrons generated by an electrochemical reaction between supplied oxygen and hydrogen flowing through a solid electrolyte membrane. In order to efficiently generate power, it is necessary to increase the conductivity of the solid polymer film and reduce the resistance when electrons generated by the reaction move. By the way, since water is generated by the reaction in the fuel cell, the off-gas discharged after the reaction of the fuel cell contains a lot of moisture. Therefore, there has been proposed a fuel cell humidification system including a moisture permeable humidifier that uses off-gas discharged after the fuel cell reaction as a humidification gas and humidifies the reaction gas used in the fuel cell reaction.
In the fuel cell humidification system equipped with the humidifier, in order to adjust the humidification amount of the reaction gas, a bypass path that bypasses the humidifier is provided in the reaction gas supply path that reaches the fuel cell through the humidifier. The thing by which the flow volume adjustment valve which can adjust the bypass flow volume of a reactive gas was attached to the bypass path is proposed.

加湿器にバイパス路が設けられた燃料電池用加湿システムとしては、例えば、加湿の状態と負荷電流の大きさにより、固体高分子電解質が過剰乾燥の状態になると出力が徐々に低下し始め、電流電圧特性を下回ったとき、バイパス路の流量調整弁が作動して加湿量の制御を行うものがある（特許文献１参照）。
また、加湿器を通流する回路に所定の時間通流したのち、加湿器を迂回する回路に所定の時間通流するサイクルを周期的に繰り返す制御を行うものもある（特許文献２参照）。
さらに、燃料電池内の各固体高分子膜の電圧であるセル電圧がしきい値より大きいか否かを判定して流量調整弁を作動する制御を行うものもある（特許文献３参照）。
特開平５−４７３９４号公報 特開平１０−６４５６９号公報 特開２００１−２１６９８４号公報 As a humidifying system for a fuel cell in which a humidifier is provided with a bypass, for example, due to the humidification state and the magnitude of the load current, when the solid polymer electrolyte becomes excessively dry, the output begins to gradually decrease. When the voltage characteristic falls below, there is one in which the flow rate adjustment valve of the bypass passage is operated to control the humidification amount (see Patent Document 1).
In addition, there is also a control that periodically repeats a cycle of flowing for a predetermined time through a circuit that bypasses the humidifier after flowing through a circuit that flows through the humidifier for a predetermined time (see Patent Document 2).
Furthermore, there is also a control that determines whether or not the cell voltage, which is the voltage of each solid polymer membrane in the fuel cell, is greater than a threshold value and operates the flow rate adjustment valve (see Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 5-47394 JP-A-10-64569 JP 2001-216984 A

しかしながら加湿器にバイパス路が設けられた燃料電池用加湿システムにおいては、例えば燃料電池を搭載した燃料電池自動車が急激に減速した場合等、燃料電池の出力が急激に低下した場合、燃料電池の出力を維持するために供給されていた反応ガスの供給が激減することにより、反応ガスによって排出されていた生成水が、排出されずに反応ガス供給路に滞留してしまう。また、例えば燃料電池を搭載した燃料電池自動車が急激に加速した場合等、燃料電池の出力が急激に上昇した場合においても、燃料電池の温度が低温であり、発電電流が少ないことで発熱量が少ないと、電流の増加に伴って凝縮水が多量に生成され、その凝縮水が反応ガス供給路に滞留してしまう。   However, in a humidifying system for a fuel cell in which a bypass path is provided in the humidifier, the output of the fuel cell is reduced when the output of the fuel cell rapidly decreases, for example, when the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell is suddenly decelerated. When the supply of the reaction gas supplied to maintain the temperature is drastically reduced, the generated water discharged by the reaction gas stays in the reaction gas supply path without being discharged. In addition, even when the output of the fuel cell suddenly increases, for example, when a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell suddenly accelerates, the temperature of the fuel cell is low, and the amount of heat generated is reduced due to the small amount of generated current. If the amount is small, a large amount of condensed water is generated as the current increases, and the condensed water stays in the reaction gas supply path.

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、燃料電池の反応によって生成される凝縮水の低減を図り、燃料電池の発電安定性を向上させる燃料電池用加湿システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a humidifying system for a fuel cell that reduces condensed water generated by the reaction of the fuel cell and improves the power generation stability of the fuel cell. With the goal.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、請求項１に記載した発明は、燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器（例えば実施形態における加湿器７）と、前記加湿器をバイパスして前記燃料電池に至る反応ガス供給路（例えば実施形態における反応ガス供給路４）に接続されるバイパス路（例えば実施形態におけるバイパス路８）と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を調整する流量調整弁（例えば実施形態における流量調整弁９）とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、燃料電池（例えば実施形態における燃料電池１）の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段（例えば実施形態における制御部１３）を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池の発電出力が変化したときに、流量調整弁制御手段によって流量調整弁を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることにより、燃料電池の発電の弊害となる水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなる。
また、加湿器を経て燃料電池に至る反応ガス供給路にバイパス路が加湿器をバイパスすることにより、燃料電池の発電出力が変化したときに加湿が抑制された反応ガスを燃料電池に供給することとなる。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the invention described in claim 1 includes a humidifier (for example, the humidifier 7 in the embodiment) that humidifies the reaction gas used for the reaction of the fuel cell with moisture in the off-gas discharged after the reaction of the fuel cell. a bypass passage connected to the (reaction gas supply passage 4, for example in the embodiment) the reaction gas supply passage extending to the fuel cell by bypassing the humidifier and (bypass passage 8 in the example embodiment), connected to said bypass passage is, in the fuel cell humidifier system comprising a flow regulating valve for regulating the flow rate of the reactant gas passing through the bypass passage (flow rate adjustment valve 9 in the example embodiment), the fuel cell in the fuel cell (e.g. embodiment 1 when electric power output) is reduced, with opening the flow control valve to increase the flow rate of the reaction gas passing through the bypass passage, When power generation output of the serial fuel cell increases, open the flow control valve to increase the flow rate of the reactant gas passing through the bypass passage, closing the flow control valve when the power generation output becomes constant It is characterized by comprising a flow rate adjusting valve control means (for example, the control unit 13 in the embodiment) for performing control.
According to the present invention, when the power generation output of the fuel cell changes, the flow rate regulating valve is opened by the flow rate regulating valve control means to suppress the humidification of the reaction gas. Is not generated excessively, water retention in the reaction gas supply path is suppressed.
In addition, the bypass path bypasses the humidifier to the reaction gas supply path that reaches the fuel cell through the humidifier, thereby supplying the fuel cell with the reaction gas in which humidification is suppressed when the power generation output of the fuel cell changes. It becomes.

請求項２に記載した発明に係る燃料電池用加湿システムにおいて、燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器と、前記燃料電池から前記加湿器を経て排出されるオフガス排出路（例えば実施形態におけるオフガス排出路６）に接続され前記加湿器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記オフガスの流量を調整する流量調整弁とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記燃料電池の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池の発電出力が変化したときに、流量調整弁制御手段によって流量調整弁を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることにより、燃料電池の発電の弊害となる水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなる。
また、燃料電池から加湿器を経て排出されるオフガス排出路にバイパス路が加湿器をバイパスすることにより、燃料電池の発電出力が変化したときに加湿器に供給するオフガスの量を低減して、加湿が抑制された反応ガスを加湿器から燃料電池に供給することとなる。 3. A fuel cell humidification system according to claim 2 , wherein a humidifier humidifies a reaction gas used for a reaction of the fuel cell with moisture in an off-gas discharged after the reaction of the fuel cell, and the fuel cell. Connected to an off-gas discharge path (for example, the off-gas discharge path 6 in the embodiment) discharged from the vehicle from the humidifier and bypassing the humidifier, and connected to the bypass path and passing through the bypass path In the fuel cell humidification system comprising a flow rate adjustment valve for adjusting the flow rate of the fuel cell, the flow rate adjustment valve is configured to increase the flow rate of the reaction gas passing through the bypass when the power generation output of the fuel cell decreases. And when the power generation output of the fuel cell increases, the flow rate of the reaction gas passing through the bypass path is increased. Open the flow control valve, wherein the power output is provided with a flow control valve control means for the flow adjustment valve closing control when it becomes constant.
According to the present invention, when the power generation output of the fuel cell changes, the flow rate regulating valve is opened by the flow rate regulating valve control means to suppress the humidification of the reaction gas. Is not generated excessively, water retention in the reaction gas supply path is suppressed.
In addition, the bypass path bypasses the humidifier to the offgas discharge path that is discharged from the fuel cell via the humidifier, thereby reducing the amount of offgas supplied to the humidifier when the power generation output of the fuel cell changes, The reaction gas whose humidification is suppressed is supplied from the humidifier to the fuel cell.

請求項３に記載した発明に係る燃料電池用加湿システムにおいて、前記流量調整弁制御手段は、前記燃料電池の発電出力及び発電出力変化量が小さくなるほど前記流量調整弁の開度を小さく設定することを特徴とする。
燃料電池の発電出力及び発電出力変化量に基づいて流量調整弁の開度を設定することにより、燃料電池の発電出力及び発電出力変化量に応じて直接的かつ迅速に加湿がなされ、燃料電池の発電の弊害となる水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなる。 4. The fuel cell humidification system according to claim 3 , wherein the flow rate adjusting valve control means sets the opening degree of the flow rate adjusting valve to be smaller as the power generation output of the fuel cell and the power generation output change amount are smaller. It is characterized by.
By setting the opening of the flow rate adjustment valve based on the power generation output of the fuel cell and the amount of change in power generation output, humidification is performed directly and quickly according to the power generation output of the fuel cell and the amount of power generation output change. Since water that is a harmful effect of power generation is not generated excessively, retention of water in the reaction gas supply path is suppressed.

請求項１または２に記載した発明によれば、燃料電池の発電出力が変化したときに、流量調整弁制御手段によって流量調整弁を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることによって、燃料電池の発電の不具合を発生させる要因となっていた反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池の発電安定性を向上させることができる。
また、燃料電池の発電出力が変化したときに加湿が抑制された反応ガスまたはオフガスを燃料電池に供給することとなるので、燃料電池の発電安定性を向上させることができる。 According to the first or second aspect of the invention, when the power generation output of the fuel cell changes, the flow rate adjusting valve is opened by the flow rate adjusting valve control means to suppress the humidification of the reaction gas, whereby the fuel cell Since the retention of water in the reaction gas supply path, which has been a cause of the generation failure, is suppressed, the power generation stability of the fuel cell can be improved.
In addition, since the reaction gas or off gas whose humidification is suppressed is supplied to the fuel cell when the power generation output of the fuel cell changes, the power generation stability of the fuel cell can be improved.

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池の発電出力及び発電出力変化量に応じて直接的かつ迅速に加湿がなされ、水が過剰に生成されないため、反応ガス供給路内の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池の発電安定性を向上させることができる。 According to the third aspect of the present invention, since water is directly and quickly humidified according to the power generation output of the fuel cell and the amount of change in power generation output, and water is not generated excessively, the water stays in the reaction gas supply path. Therefore, the power generation stability of the fuel cell can be improved.

以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明を適用した燃料電池用加湿システムを示すブロック図である。
この燃料電池加湿システムは、例えば、燃料電池自動車に使用されるものである。同図において、１は燃料電池を示している。燃料電池１は多数の固体高分子膜を備えたものであって、アノード極及びカソード極を構成する。各固体高分子膜は酸素と水素とを隔絶しつつ、飽和含水することにより、分子中に存在するプロトン交換基によって導電性電解質として機能するものである。そして、固体高分子膜を加湿して導電性を高めるために後述する加湿器が用いられるのである。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell humidification system to which the present invention is applied.
This fuel cell humidification system is used, for example, in a fuel cell vehicle. In the figure, reference numeral 1 denotes a fuel cell. The fuel cell 1 includes a large number of solid polymer membranes, and constitutes an anode electrode and a cathode electrode. Each solid polymer membrane functions as a conductive electrolyte due to proton exchange groups present in the molecule by saturation and hydration while isolating oxygen and hydrogen. And the humidifier mentioned later is used in order to humidify a solid polymer film and to improve electroconductivity.

燃料電池１のガス入口２，２ａにはそれぞれ、燃料電池の反応に使用される反応ガス、具体的にはエア供給システム３から供給される空気あるいは水素供給システム３ａから供給される水素ガスを供給する反応ガス供給路４，４ａが接続されている。この反応ガス供給路４は、エア供給システム３から加湿器７を経て燃料電池１のガス入口２に至るようになっている。また、反応ガス供給路４ａは、水素供給システム３ａから燃料電池１のガス入口２ａに至るようになっている。   The gas inlets 2 and 2a of the fuel cell 1 are respectively supplied with a reaction gas used for the reaction of the fuel cell, specifically, air supplied from the air supply system 3 or hydrogen gas supplied from the hydrogen supply system 3a. The reaction gas supply paths 4 and 4a to be connected are connected. The reaction gas supply path 4 extends from the air supply system 3 through the humidifier 7 to the gas inlet 2 of the fuel cell 1. The reaction gas supply path 4a extends from the hydrogen supply system 3a to the gas inlet 2a of the fuel cell 1.

燃料電池１のガス出口５，５ａにはそれぞれ、反応を終えて燃料電池１から排出されるオフガスのオフガス排出路６，６ａが接続されている。上記反応ガス供給路４とオフガス排出路６とにまたがって、反応ガスである空気をオフガス内の水分により加湿する加湿器７が、水分透過型のカソード加湿器として設けられている。
また、反応ガス供給路４には、加湿器７をバイパスするバイパス路８が設けられている。このバイパス路８には、バイパス路８を通過する空気の流量を調整する流量調整弁９が設けられている。 The gas outlets 5 and 5 a of the fuel cell 1 are connected to off-gas discharge paths 6 and 6 a for off-gas discharged from the fuel cell 1 after the reaction is completed. A humidifier 7 is provided as a moisture permeable cathode humidifier across the reaction gas supply path 4 and the offgas discharge path 6 to humidify the reaction gas air with moisture in the offgas.
The reaction gas supply path 4 is provided with a bypass path 8 that bypasses the humidifier 7. The bypass path 8 is provided with a flow rate adjusting valve 9 that adjusts the flow rate of air passing through the bypass path 8.

燃料電池１の上流側かつバイパス路８の下流側には燃料電池１に供給される空気の温度を検知するセンサ１０が設けられ、燃料電池１の下流側には燃料電池１から排出される空気の温度を検知するセンサ１１が設けられている。また、バイパス路８の上流側にはエア供給システム３から加湿器７あるいはバイパス路８に供給される空気の温度を検知するセンサ１２が設けられている。   A sensor 10 for detecting the temperature of air supplied to the fuel cell 1 is provided upstream of the fuel cell 1 and downstream of the bypass passage 8, and air discharged from the fuel cell 1 is downstream of the fuel cell 1. A sensor 11 is provided for detecting the temperature. A sensor 12 that detects the temperature of the air supplied from the air supply system 3 to the humidifier 7 or the bypass path 8 is provided on the upstream side of the bypass path 8.

この燃料電池加湿システムには、流量調整弁９の制御を行う流量調整弁制御手段としての制御部１３が設けられている。この制御部１３は、センサ１０，１１，１２によって検知された温度に関する信号を入力し、エア供給システム３、水素供給システム３ａ、及び流量調整弁９を駆動させる信号を出力するようになっている。
また、制御部１３は、燃料電池１の発電出力及び発電出力変化量に基づいて流量調整弁９の開度を設定するマップを有している。そのマップの一例を図２に示す。発電出力は、燃料電池自動車を減速させることによって燃料電池１の発電出力を下げる前、または燃料電池自動車を加速させることによって発電出力を上げた後の電流値であって、
ｘ＞ｙ＞ｚ＞ｗ＞・・・
である。発電出力変化量は、燃料電池１の発電出力を下げたときまたは上げたときの発電出力の電流値の差である。また、発電出力変化量に基づいて流量調整弁９の開度を設定する判断の基準となる電流値をα，β，・・・とし、
α＞β＞・・・
とする。図２のマップによれば、例えば、燃料電池１の発電出力を下げる際、燃料電池１の発電出力を下げる前の電流値がｘＡであり、燃料電池１の発電出力を下げた後の電流値がａＡ（ｘ＞ａ）、すなわち燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａであったとき、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度はＡ°に設定される。このマップによって、制御部１３は流量調整弁９の開度をＡ°に開くような制御を行うこととなる。また、例えば、燃料電池１の発電出力を上げる際、燃料電池１の発電出力を上げる前の電流値がａＡであり、燃料電池１の発電出力を上げた後の電流値がｘＡ、すなわち燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａであったときも同様に、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度はＡ°に設定される。
また、図２において、発電出力が小さくなるほど流量調整弁９の開度が小さくなり、発電出力変化量が小さくなるほど流量調整弁９の開度が小さくなるように設定されている。すなわち、流量調整弁９の開度は、
Ａ＞Ｂ＞・・・，Ｃ＞Ｄ＞・・・，Ａ＞Ｃ＞・・・，Ｂ＞Ｄ＞・・・
となる。 This fuel cell humidification system is provided with a control unit 13 as a flow rate adjusting valve control means for controlling the flow rate adjusting valve 9. The control unit 13 inputs a signal related to the temperature detected by the sensors 10, 11, and 12 and outputs a signal for driving the air supply system 3, the hydrogen supply system 3 a, and the flow rate adjustment valve 9. .
The control unit 13 has a map for setting the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 based on the power generation output of the fuel cell 1 and the power generation output change amount. An example of the map is shown in FIG. The power generation output is a current value before decreasing the power generation output of the fuel cell 1 by decelerating the fuel cell vehicle or after increasing the power generation output by accelerating the fuel cell vehicle,
x>y>z>w> ...
It is. The amount of change in power generation output is the difference in the current value of the power generation output when the power generation output of the fuel cell 1 is lowered or raised. In addition, the current values serving as a reference for setting the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 based on the power generation output change amount are α, β,.
α>β> ...
And According to the map of FIG. 2, for example, when the power generation output of the fuel cell 1 is lowered, the current value before the power generation output of the fuel cell 1 is lowered is xA, and the current value after the power generation output of the fuel cell 1 is lowered. Is aA (x> a), that is, when the current value of the power generation output change amount of the fuel cell 1 is (xa) A, if (xa)> α, the opening degree of the flow regulating valve 9 Is set to A °. With this map, the control unit 13 performs control to open the opening of the flow rate adjusting valve 9 to A °. For example, when increasing the power generation output of the fuel cell 1, the current value before increasing the power generation output of the fuel cell 1 is aA, and the current value after increasing the power generation output of the fuel cell 1 is xA, that is, the fuel cell. Similarly, when the current value of the power generation output change amount 1 is (x−a) A, if (x−a)> α, the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 is set to A °.
In FIG. 2, the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 is set to be smaller as the power generation output is smaller, and the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 is set to be smaller as the power generation output change amount is smaller. That is, the opening degree of the flow regulating valve 9 is
A>B> ..., C>D> ..., A>C> ..., B>D> ...
It becomes.

上記の構成からなる燃料電池用加湿システムにおいて、燃料電池１の発電出力を変化させる場合、制御部１３が空気及び水素の燃料電池１への供給を制御するとともに、流量調整弁９の開度を制御して、バイパス路８を通過する空気の量を調整する。
すなわち、燃料電池１の発電出力の電流値が所定の値ｘＡで一定となるように、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａを駆動させて、空気及び水素を燃料電池１に供給する。そして、燃料電池１の発電出力の電流値がａＡとなるように燃料電池１の発電出力を下げて燃料電池自動車を減速させる際、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａの駆動を制御して、空気及び水素の燃料電池１への供給を減少させる。これと同時に、制御部１３のマップを参照して、燃料電池１の発電出力の電流値がｘＡであり、燃料電池１の発電出力を下げた後の発電出力の電流値がａＡである場合、燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａとなるため、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度がＡ°に設定される。その後、流量調整弁９の開度がＡ°となるように、制御部１３が流量調整弁９の開度を制御して、バイパス路８を通過する空気の量を増加させる。 In the humidification system for a fuel cell having the above-described configuration, when the power generation output of the fuel cell 1 is changed, the control unit 13 controls the supply of air and hydrogen to the fuel cell 1 and the opening degree of the flow rate adjustment valve 9 is set. And control the amount of air passing through the bypass 8.
That is, the control unit 13 drives the air supply system 3 and the hydrogen supply system 3a so that the current value of the power generation output of the fuel cell 1 is constant at a predetermined value xA, and supplies air and hydrogen to the fuel cell 1. To do. When the fuel cell vehicle is decelerated by lowering the power generation output of the fuel cell 1 so that the current value of the power generation output of the fuel cell 1 becomes aA, the control unit 13 drives the air supply system 3 and the hydrogen supply system 3a. Control to reduce the supply of air and hydrogen to the fuel cell 1. At the same time, referring to the map of the control unit 13, when the current value of the power generation output of the fuel cell 1 is xA and the current value of the power generation output after the power generation output of the fuel cell 1 is lowered is aA, Since the current value of the power generation output change amount of the fuel cell 1 is (x−a) A, if (x−a)> α, the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 is set to A °. Thereafter, the control unit 13 controls the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 so that the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 becomes A °, thereby increasing the amount of air passing through the bypass path 8.

この場合、マップに設定された開度Ａ°に流量調整弁９を開くことで、バイパス路８を通過して加湿されない空気の量が多くなるとともに、加湿器７を通過して加湿される空気の量が少なくなるため、反応ガス供給路４を通過し燃料電池１に供給される空気の加湿が全体として抑制されることになる。このように流量調整弁９の開度を制御することにより、燃料電池１に供給される空気に対して、燃料電池１の発電出力及び発電出力変化量に応じた加湿がなされる。したがって、流量調整弁９の開度を大きく開くよう制御して空気の加湿が全体として抑制されると、空気に含まれる水が少なくなることで、燃料電池１の発電出力が下がっても水が過剰に生成されなくなるため、反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなる。   In this case, by opening the flow rate adjustment valve 9 at the opening degree A ° set in the map, the amount of air that is not humidified through the bypass 8 increases, and the air that is humidified through the humidifier 7. Therefore, humidification of the air that passes through the reaction gas supply path 4 and is supplied to the fuel cell 1 is suppressed as a whole. By controlling the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 in this way, the air supplied to the fuel cell 1 is humidified according to the power generation output of the fuel cell 1 and the amount of change in power generation output. Therefore, if the humidification of the air is suppressed as a whole by controlling the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 to be greatly opened, the amount of water contained in the air is reduced, so that the water is generated even when the power generation output of the fuel cell 1 is reduced. Since it is no longer generated excessively, the retention of water in the reaction gas supply path 4 is suppressed.

また、燃料電池１の発電出力の電流値がｘＡからａＡとなって一定となったとき、制御部１３が流量調整弁９を閉じるよう制御し、その後も燃料電池１の発電出力の電流値がａＡで一定となるように、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａを駆動させて、空気及び水素を燃料電池１に供給させる。
その後、燃料電池１の発電出力の電流値がｘＡとなるように燃料電池１の発電出力を上げて燃料電池自動車を加速させる際、制御部１３がエア供給システム３及び水素供給システム３ａの駆動を制御して、空気及び水素の燃料電池１への供給を増加させる。これと同時に、制御部１３のマップを参照して、燃料電池１の発電出力の電流値がａＡであり、燃料電池１の発電出力を上げた後の発電出力の電流値がｘＡである場合、燃料電池１の発電出力変化量の電流値が（ｘ−ａ）Ａとなるため、（ｘ−ａ）＞αであれば、流量調整弁９の開度がＡ°に設定される。その後、流量調整弁９の開度がＡ°となるように、制御部１３が流量調整弁９の開度を制御して、バイパス路８を通過する空気の量を増加させる。 In addition, when the current value of the power generation output of the fuel cell 1 becomes constant from xA to aA, the control unit 13 performs control so as to close the flow rate adjusting valve 9, and thereafter, the current value of the power generation output of the fuel cell 1 remains. The control unit 13 drives the air supply system 3 and the hydrogen supply system 3a to supply air and hydrogen to the fuel cell 1 so as to be constant at aA.
Thereafter, when the fuel cell vehicle is accelerated by increasing the power generation output of the fuel cell 1 so that the current value of the power generation output of the fuel cell 1 becomes xA, the control unit 13 drives the air supply system 3 and the hydrogen supply system 3a. Control to increase the supply of air and hydrogen to the fuel cell 1. At the same time, referring to the map of the control unit 13, when the current value of the power generation output of the fuel cell 1 is aA and the current value of the power generation output after increasing the power generation output of the fuel cell 1 is xA, Since the current value of the power generation output change amount of the fuel cell 1 is (x−a) A, if (x−a)> α, the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 is set to A °. Thereafter, the control unit 13 controls the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 so that the opening degree of the flow rate adjusting valve 9 becomes A °, thereby increasing the amount of air passing through the bypass path 8.

この場合、上記のように燃料電池１の発電出力を下げた場合と同様に、流量調整弁９の開度を大きく開くよう制御して空気の加湿が全体として抑制されると、空気に含まれる水が少なくなることで、燃料電池１の発電出力が下がっても水が過剰に生成されなくなるため、反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなる。
なお、燃料電池１の発電出力を上げる場合、その発電出力を上げる直前の燃料電池１の温度は低温であり、発電電流が少ないことで発熱量が少ないため、電流の増加に伴って凝縮水が多量に生成される。したがって、制御部１３が流量調整弁９の開度を制御してバイパス路８を通過する空気の量を増加させ、燃料電池１に供給される空気の加湿を全体として抑制させる必要がある。 In this case, as in the case where the power generation output of the fuel cell 1 is lowered as described above, if the humidification of the air is suppressed as a whole by controlling the opening degree of the flow rate adjustment valve 9 to be widened, it is included in the air. By reducing the amount of water, even if the power generation output of the fuel cell 1 decreases, water is not generated excessively, so that the retention of water in the reaction gas supply path 4 is suppressed.
Note that when the power generation output of the fuel cell 1 is increased, the temperature of the fuel cell 1 immediately before the power generation output is increased is low, and since the heat generation amount is small due to the small power generation current, the condensed water is generated as the current increases. Produced in large quantities. Therefore, it is necessary for the control unit 13 to control the opening degree of the flow regulating valve 9 to increase the amount of air passing through the bypass path 8 and to suppress humidification of the air supplied to the fuel cell 1 as a whole.

上記の構成における燃料電池用加湿システムによれば、燃料電池１の発電出力が変化したとき、すなわち燃料電池１の発電出力の電流値が減少または増加したとき、制御部１３によって流量調整弁９を開くことで反応ガスの加湿が抑制されることによって、燃料電池１の発電の不具合を発生させる原因となっていた反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池１の発電安定性を向上させることができる。
すなわち、図３に示すように、本発明の燃料電池用加湿システムを制御すると、図３（ａ）において発電出力が変化した時点で、図３（ｂ）において凝縮水量が変化する。本発明の燃料電池用加湿システムを制御することによって、過剰凝縮水量を抑制することができる。なお、この過剰凝縮水量は、燃料電池用加湿システムを制御しない場合に発電出力が変化した時点で過剰に存在して燃料電池１の発電の不具合を発生させる凝縮水の量である。 According to the fuel cell humidification system having the above configuration, when the power generation output of the fuel cell 1 changes, that is, when the current value of the power generation output of the fuel cell 1 decreases or increases, the control unit 13 controls the flow rate adjustment valve 9. Since the humidification of the reaction gas is suppressed by opening, the retention of water in the reaction gas supply path 4 that has caused the generation failure of the fuel cell 1 is suppressed. The power generation stability can be improved.
That is, as shown in FIG. 3, when the fuel cell humidification system of the present invention is controlled, the amount of condensed water changes in FIG. 3B when the power generation output changes in FIG. By controlling the fuel cell humidification system of the present invention, the amount of excessive condensed water can be suppressed. Note that the amount of excessive condensed water is the amount of condensed water that is excessively present at the time when the power generation output changes when the fuel cell humidification system is not controlled, and causes a power generation failure of the fuel cell 1.

次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。
図４は、本発明を適用した燃料電池用加湿システムを示すブロック図である。
図４においては、上記第１実施形態における図１と同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a block diagram showing a fuel cell humidification system to which the present invention is applied.
In FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

オフガス排出路６には、加湿器をバイパスするバイパス路８ａが設けられている。このバイパス路８ａには、バイパス路８ａを通過するオフガスの流量を調整する流量調整弁９ａが設けられている。
燃料電池１の上流側には燃料電池１に供給される空気の温度を検知するセンサ１０が設けられ、燃料電池１の下流側には燃料電池１から排出される空気の温度を検知するセンサ１１が設けられている。また、加湿器７の上流側にはエア供給システム３から加湿器７に供給される空気の温度を検知するセンサ１２が設けられている。
The off gas discharge path 6 is provided with a bypass path 8a that bypasses the humidifier. The bypass path 8a is provided with a flow rate adjusting valve 9a that adjusts the flow rate of off-gas passing through the bypass path 8a.
A sensor 10 for detecting the temperature of air supplied to the fuel cell 1 is provided upstream of the fuel cell 1, and a sensor 11 for detecting the temperature of air discharged from the fuel cell 1 is provided downstream of the fuel cell 1. Is provided. A sensor 12 that detects the temperature of the air supplied from the air supply system 3 to the humidifier 7 is provided on the upstream side of the humidifier 7.

上記の構成における燃料電池用加湿システムにおいても、第１実施形態における燃料電池用加湿システムと同様に、燃料電池１の発電出力が変化したとき、すなわち燃料電池１の発電出力の電流値が減少または増加したとき、制御部１３によって流量調整弁９ａを開くことで反応ガスの加湿が抑制されることによって、燃料電池１の発電の不具合を発生させる原因となっていた反応ガス供給路４の水の滞留が抑制されることとなるので、燃料電池１の発電安定性を向上させることができる。   Also in the fuel cell humidification system having the above-described configuration, as in the fuel cell humidification system in the first embodiment, when the power generation output of the fuel cell 1 changes, that is, the current value of the power generation output of the fuel cell 1 decreases or When increased, the control unit 13 opens the flow rate adjustment valve 9a to suppress the humidification of the reaction gas, thereby causing the water in the reaction gas supply path 4 that has caused the power generation failure of the fuel cell 1. Since the retention is suppressed, the power generation stability of the fuel cell 1 can be improved.

なお、燃料電池１内で反応に使用されるガスは空気として取り入れられる酸素と、別途供給される水素とがあり、上記実施形態では空気側で説明しているが、反応ガス供給路４ａとオフガス排出路６ａとにまたがって、反応ガスである水素をオフガス内の水分により加湿する加湿器７が、水分透過型のアノード加湿器として設けられてもよい。   The gas used for the reaction in the fuel cell 1 includes oxygen that is taken in as air and hydrogen that is supplied separately. In the above embodiment, the gas is used for the reaction gas supply path 4a and off-gas. A humidifier 7 that humidifies the reaction gas hydrogen with moisture in the off-gas across the discharge path 6a may be provided as a moisture permeable anode humidifier.

本発明における第１実施形態に係る燃料電池用加湿システムのブロック図である。It is a block diagram of the humidification system for fuel cells concerning a 1st embodiment in the present invention. 本発明における第１実施形態に係る燃料電池用加湿システムの流量調整弁の開度を設定したマップを示す図である。It is a figure which shows the map which set the opening degree of the flow volume adjustment valve of the humidification system for fuel cells which concerns on 1st Embodiment in this invention. 本発明における第１実施形態に係る燃料電池用加湿システムの特性を示すグラフ図であって、（ａ）は発電出力特性を示すグラフ図であり、（ｂ）は凝縮水特性を示すグラフ図である。It is a graph which shows the characteristic of the humidification system for fuel cells which concerns on 1st Embodiment in this invention, Comprising: (a) is a graph which shows a power generation output characteristic, (b) is a graph which shows a condensed water characteristic. is there. 本発明における第２実施形態に係る燃料電池用加湿システムのブロック図である。It is a block diagram of the humidification system for fuel cells which concerns on 2nd Embodiment in this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池
３ エア供給システム
３ａ 水素供給システム
４，４ａ 反応ガス供給路
６，６ａ オフガス排出路
７ 加湿器
８，８ａ バイパス路
９，９ａ 流量調整弁
１３ 制御部（流量調整弁制御手段）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 3 Air supply system 3a Hydrogen supply system 4, 4a Reaction gas supply path 6, 6a Off gas discharge path 7 Humidifier 8, 8a Bypass path 9, 9a Flow control valve 13 Control part (flow control valve control means)

Claims (3)

燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器と、前記加湿器をバイパスして前記燃料電池に至る反応ガス供給路に接続されるバイパス路と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を調整する流量調整弁とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記燃料電池の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。 A humidifier that humidifies the reaction gas used for the reaction of the fuel cell with moisture in the off-gas discharged after the reaction of the fuel cell, and a reaction gas supply path that bypasses the humidifier and reaches the fuel cell. a bypass passage that, which is connected to the bypass passage, the fuel cell humidifier system comprising a flow regulating valve for regulating the flow rate of the reactant gas passing through the bypass passage, when the power generation output of the fuel cell is reduced The flow rate adjusting valve is opened to increase the flow rate of the reaction gas passing through the bypass passage, and when the power generation output of the fuel cell is increased, the flow rate of the reaction gas passing through the bypass passage is increased. and wherein said open the flow control valve, said power output having a flow control valve control means for controlling closing the flow control valve when it becomes constant as Humidification system for a fuel cell that. 燃料電池の反応に使用される反応ガスを前記燃料電池の反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する加湿器と、前記燃料電池から前記加湿器を経て排出されるオフガス排出路に接続され前記加湿器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に接続され、前記バイパス路を通過する前記オフガスの流量を調整する流量調整弁とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記燃料電池の発電出力が減少したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開くとともに、前記燃料電池の発電出力が増加したとき、前記バイパス路を通過する前記反応ガスの流量を増加するように前記流量調整弁を開き、前記発電出力が一定となったときに前記流量調整弁を閉じる制御を行う流量調整弁制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。 A humidifier for humidifying a reaction gas used in a reaction of the fuel cell with moisture in an off-gas discharged after the reaction of the fuel cell; and an off-gas discharge path connected to the off-gas discharge path discharged from the fuel cell via the humidifier In a fuel cell humidification system comprising a bypass path that bypasses a humidifier and a flow rate adjustment valve that is connected to the bypass path and adjusts the flow rate of the off gas passing through the bypass path, the power generation output of the fuel cell is When decreased, the flow rate adjusting valve is opened so as to increase the flow rate of the reaction gas passing through the bypass passage, and when the power generation output of the fuel cell is increased, the flow rate of the reaction gas passing through the bypass passage The flow rate adjustment valve control means for performing control to open the flow rate adjustment valve so as to increase the flow rate and close the flow rate adjustment valve when the power generation output becomes constant. Humidification system for a fuel cell comprising the. 前記流量調整弁制御手段は、前記燃料電池の発電出力及び発電出力変化量が小さくなるほど前記流量調整弁の開度を小さく設定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用加湿システム。 3. The fuel cell humidification according to claim 1, wherein the flow rate adjustment valve control unit sets the opening of the flow rate adjustment valve to be smaller as the power generation output of the fuel cell and the power generation output change amount are smaller. system.
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