JP4675605B2 - 燃料電池の酸化剤供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池自動車等に使用される燃料電池の酸化剤供給装置に関し、特に、水分透過型加湿器を備えた燃料電池の酸化剤供給装置に関する。

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流路が設けられ、このバイパス流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。

加湿器にバイパス流路が設けられた燃料電池システムとしては、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、バイパス流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）。
特開平５−４７３９４号公報

ところで、燃料電池に供給される反応ガスの加湿量が不足した場合には、燃料電池の電解質膜が乾燥して劣化を招く虞がある。また、燃料電池に供給される反応ガスの加湿量が過剰になった場合には、燃料電池内にフラッディング（濡れすぎ）が発生して燃料電池の電圧低下を招く虞がある。

従来技術のように制御信号に基づいて加湿量を調整する場合には、制御の応答遅れが生じるとて、上述のように燃料電池の膜の劣化や燃料電池の電圧低下を招く虞があり、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。

従って、本発明は、燃料電池に供給する反応ガスを適正な湿度になるよう加湿することができ、燃料電池の良好な発電性能を確保することができる燃料電池の酸化剤供給装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池へ供給する酸化剤を加湿する加湿器と、前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段（例えば、実施の形態における電流センサ１７）と、前記燃料電池の作動温度を検知する温度検知手段（例えば、実施の形態におけるセンサ１１または冷却水温センサ１５）と、前記加湿器を迂回して前記燃料電池へ前記酸化剤を供給するバイパス流路と、前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁（例えば、実施の形態における開閉弁９ａまたは流量調整弁９ｂ）と、加湿量低減手段（例えば、実施の形態における開閉弁９ａ、制御部１３）と、を備え、前記加湿量低減手段は、前記発電負荷が大きいほど開弁時間が大きくなる関係が規定され、さらに前記作動温度が高くなるほど前記開弁時間を増大させるマップを用いて、および／または、前記発電負荷が大きいほどインターバル時間が小さくなる関係が規定され、さらに前記作動温度が高くなるほど前記インターバル時間を減少させるマップを用いて、前記弁を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記発電負荷が増大すると、これに伴い前記燃料電池での発電による生成水量も増大することから、前記負荷検知手段により検知した発電負荷が増大したとき前記加湿量低減手段により前記加湿量を低減させる。これにより、前記燃料電池に供給する反応ガスの湿度を低く抑えて、前記燃料電池内に供給される水分を抑制することができる。従って、発電負荷が増大したときでも燃料電池内に過剰に水分が滞留して生じるフラッディングの発生を抑えることができるので、燃料電池の良好な発電性能を確保することができる。

請求項２に係る発明は、燃料電池へ供給する酸化剤を加湿する加湿器と、前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、前記燃料電池に供給する酸化剤温度を検知する温度検知手段（例えば、実施の形態におけるセンサ１０またはセンサ１２）と、前記加湿器を迂回して前記燃料電池へ前記酸化剤を供給するバイパス流路と、前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁と、加湿量低減手段と、を備え、前記加湿量低減手段は、前記発電負荷が大きいほど開弁時間が大きくなる関係が規定され、さらに前記酸化剤温度が高くなるほど前記開弁時間を減少させるマップを用いて、および／または、前記発電負荷が大きいほどインターバル時間が小さくなる関係が規定され、さらに前記酸化剤温度が高くなるほど前記インターバル時間を増大させるマップを用いて、前記弁を制御することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、燃料電池へ供給する酸化剤を前記燃料電池から排出されるオフガスの水分を用いて加湿する加湿器と、前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、前記燃料電池の作動温度を検知する温度検知手段（例えば、実施の形態におけるセンサ１１または冷却水温センサ１５）と、前記燃料電池からのオフガスを、前記加湿器を迂回して排出させるバイパス流路と、前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁（例えば、実施の形態における開閉弁９ａまたは流量調整弁９ｂ）と、加湿量低減手段と、を備え、前記加湿量低減手段は、前記発電負荷が大きいほどバイパス比率が大きくなる関係が規定され、前記作動温度が高くなるほど前記バイパス比率を減少させるマップを用いて前記弁を制御することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、燃料電池へ供給する酸化剤を前記燃料電池から排出されるオフガスの水分を用いて加湿する加湿器と、前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、前記燃料電池に供給する酸化剤温度を検知する温度検知手段（例えば、実施の形態におけるセンサ１０またはセンサ１２）と、前記燃料電池からのオフガスを、前記加湿器を迂回して排出させるバイパス流路と、前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁と、加湿量低減手段と、を備え、前記加湿量低減手段は、前記発電負荷とバイパス比率との関係が規定され、前記酸化剤温度が高くなるほど前記バイパス比率を増大させるマップを用いて前記弁を制御することを特徴とする。

請求項１〜４に係る発明によれば、発電負荷が増大したときでも燃料電池内に過剰に水分が滞留して生じるフラッディングの発生を抑えることができるので、燃料電池の良好な発電性能を確保することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置および反応ガス供給方法を図面と共に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態における反応ガス供給装置および反応ガス供給方法が適用される燃料電池システムのブロック図である。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、燃料電池１はスルフォン酸系電解質材料からなる固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルを所定数積層したスタックとなっている。なお、図１では説明を簡略化するために単セルのみを示している。

燃料電池１のアノードに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

燃料電池１のガス入口２ａ，２ｂにはそれぞれ、燃料電池の反応に使用される反応ガスを供給する反応ガス供給路４ａ，４ｂが接続されている。具体的には、水素供給システム３ａから水素ガスを供給される水素供給路４ａがガス入口２ａに、エア供給システム３ｂから空気（エア）を供給されるエア供給路４ｂがガス入口２ｂに、それぞれ接続されている。

燃料電池１のガス出口５ａ，５ｂ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６ａ，６ｂが接続されている。オフガス排出路６ａからは水素オフガスが、オフガス排出路６ｂからはエアオフガスがそれぞれ排出される。そして、前記エア供給路４ｂとオフガス排出路６ｂとに跨るように、水分透過型のカソード加湿器７が設けられている。この加湿器７によりオフガス排出路６ｂの相対湿度の高いエアオフガスからエア供給路４ｂの相対湿度の低いエアを加湿することで、燃料電池１の固体高分子膜を加湿して導電性を高めることができる。
また、エア供給路４ｂには、加湿器７をバイパスするバイパス流路８ａが設けられている。このバイパス流路８ａには、該バイパス流路８ａ内のエアの通過を許容または阻止する開閉弁９ａが設けられている。

燃料電池１の上流側かつバイパス流路８ａ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温度検知手段としてのセンサ１０が設けられ、燃料電池１の下流側には燃料電池１から排出されるエアオフガスの温度を検知する温度検知手段としてのセンサ１１が設けられている。また、バイパス流路８ａの上流側にはエア供給システム３から加湿器７あるいはバイパス流路８ａに供給されるエアの温度を検知する温度検知手段としてのセンサ１２が設けられている。

燃料電池１には、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水循環路１４が接続されている。燃料電池１の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池１は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。冷却水循環路１４には、冷却水の温度を検出する冷却水温センサ１５が設けられている。
また、燃料電池１は車両駆動用モータなどの負荷１６に電線１８を介して接続され、燃料電池１の発電で得られた電力を電線１８を介して負荷１６に供給する。この電線１８には、負荷１６に流通する電流を検出する電流センサ１７が設けられている。

この燃料電池の反応ガス供給装置には、開閉弁９ａの制御を行う制御部１３が設けられている。この制御部１３は、温度検知手段としてのセンサ１０，１１，１２，１５によって検知された温度に関する信号や負荷検知手段としてのセンサ１７によって検知された電流に関する信号を入力し、水素供給システム３ａ、エア供給システム３ｂ、及び開閉弁９ａを駆動させる信号を出力するようになっている。

図２は図１の制御部１３が行う開閉弁９ａ（バイパスバルブ）の開閉処理の内容を示すブロック図である。同図に示すように、制御部１３は、冷却水温センサ１５で検出される燃料電池１の入口側の水温（スタック入口水温）または空気温度検知センサ１０、１２で検知される供給ガス温度と、電流センサ１７で検出される発電電流（この場合は例えば１秒間の平均値）とに基づいて、開閉弁９ａの開閉指令を行う（図３参照）。

図３は開閉弁９ａの開閉動作を示すタイミングチャートである。同図に示すように、開閉弁９ａの開弁時間Ｔａとインターバル時間（閉弁時間）Ｔｂのそれぞれを通常の（所定温度や所定電流での）発電状態に対して調整することにより、燃料電池１に供給されるエアの加湿量を制御している。すなわち、通常の発電状態の場合に比べて開弁時間Ｔａを長くしたりインターバル時間Ｔｂを短くすることにより、加湿器７を通るエアの流量が減少するとともにバイパス流路８ａを通るエアの流量が増大するため、燃料電池１に供給されるエアの加湿量を減少させることができる。一方、通常の発電状態の場合に比べて開弁時間Ｔａを短くしたりインターバル時間Ｔｂを長くすることにより、加湿器７を通るエアの流量が増大するとともにバイパス流路８ａを通るエアの流量が減少するため、燃料電池１に供給されるエアの加湿量を増大させることができる。

図４は開閉弁９ａの開弁時間検索およびインターバル時間検索の処理内容を示すブロック図である。同図に示すように、本実施の形態においては、冷却水温センサ１５で検出される燃料電池１の入口側の水温（スタック入口水温）または空気温度検知センサ１０、１２で検知される供給ガス温度と、電流センサ１７で検出される発電電流（この場合は例えば１秒間の平均値）とに基づいて、開閉弁９ａの開弁時間Ｔａやインターバル時間Ｔｂをマップ検索することでそれぞれ決定する（図５、図６参照）。

図５は負荷（この場合は発電電流の１秒平均値）と開弁時間Ｔａについての関係を供給ガス温度毎に示す冷却水温またはガス出口温度のグラフ図である。同図のラインＬ１〜Ｌ３に示すように、負荷と開弁時間とは略比例関係になるように設定されている。燃料電池１の発電負荷が増大すると、これに伴い燃料電池１での発電による生成水量も増大するため、発電負荷が増大したときに開弁時間Ｔａを増大させることで、反応ガスの湿度を低く抑えて、前記燃料電池１内に供給される水分を抑制することができる。

また、同図のラインＬ４に示すように、燃料電池１の冷却水温や燃料電池１の反応ガス出口側の温度（換言すれば、燃料電池１の作動温度）が高くなるにつれて、開弁時間Ｔａが増大するように設定されている。燃料電池１の作動温度が上昇すると、燃料電池１での発電量も増大し、これに伴い前記燃料電池１での生成水量も増大することから、燃料電池１の作動温度が上昇したときには開弁時間Ｔａを増大させる。これにより、燃料電池１に供給する反応ガスの湿度を低く抑えて、前記燃料電池１内に供給される水分を抑制することができる。

また、同図のラインＬ５に示すように、燃料電池１に供給する反応ガスの温度が高くなるにつれて、開弁時間Ｔａが減少するように設定されている。燃料電池１に供給される反応ガスの温度が高くなると、これに伴い前記反応ガスの相対湿度が低下することから、前記反応ガスの温度が高くなったときには開弁時間Ｔａを減少させる。これにより、前記燃料電池１に供給する反応ガスの加湿量を増大させて前記反応ガスの相対湿度の低下を抑制することができる。

図６は負荷（この場合は発電電流の１秒平均値）とインターバル時間Ｔｂについての関係を供給ガス温度毎に示す冷却水温またはガス出口温度のグラフ図である。同図のラインＬ１’〜Ｌ５’に示すように、負荷や燃料電池１の作動温度、供給ガス温度に対するインターバル時間Ｔｂの関係は、図５に示す開弁時間Ｔａの場合とはそれぞれ逆になるように設定されている。開弁時間Ｔａを増加または減少させることによって得られる効果は、インターバル時間Ｔｂを減少または増加させることによって得られる効果と同等だからである。

次に本発明の他の実施の形態について図７〜図９を用いて説明する。図７は本発明の第２の実施の形態における反応ガス供給装置および反応ガス供給方法が適用される他の燃料電池システムのブロック図である。同図においては、上記した図１と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

同図において、エアオフガス排出路６ｂには、加湿器７をバイパスするバイパス流路８ｂが設けられている。このバイパス流路８ｂには、バイパス流路８ｂを通過する空気の流量を調整する流量調整弁９ｂが設けられている。
図８は図７の制御部１３が行う流量調整弁９ｂ（バイパスバルブ）の開度指令の処理内容を示すブロック図である。同図に示すように、制御部１３は、冷却水温センサ１５で検出される燃料電池１の入口側の水温（スタック入口水温）または空気温度検知センサ１０、１２で検知される供給ガス温度と、電流センサ１７で検出される発電電流（この場合は例えば１秒間の平均値）とに基づいて、加湿器７のバイパス流量比率の指令値をマップ検索する（図９参照）。

図９は負荷とバイパス比率についての関係を供給ガス温度毎に示す冷却水温またはガス出口温度のグラフ図である。同図のラインＬ１’’〜Ｌ５’’に示すように、負荷や燃料電池１の作動温度、供給ガス温度に対するバイパス比率の関係は、図５に示す開弁時間Ｔａの場合とはそれぞれ略同一になるように設定されている。バイパス比率を増加（減少）させることによって得られる効果は、開弁時間Ｔａを増加（減少）させることによって得られる効果と同等だからである。
そして、負荷や供給ガス温度、燃料電池１の作動温度に適したバイパス比率をマップにより求めると、このバイパス比率指令値と、燃料電池１に供給されるエア総流量とに基づいて、流量調整弁９ｂの開度をマップ検索する。このマップは、燃料電池１に供給されるエア総流量に対するバイパス流路８を通る比率が、上述のバイパス比率となるように設定されている。そして、マップ検索された開度指令値により流量調整弁９ｂの開度が調整される。

以上説明したように、実施の形態では、発電負荷の増大や燃料電池の作動温度が上昇したときでも燃料電池１内に過剰に水分が滞留して生じるフラッディングの発生を抑えることができ、また、燃料電池１の電解質膜の乾燥を防止することができるため、燃料電池１の良好な発電性能を確保することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。また、実施の形態においては、反応ガスのうち空気を加湿する場合について説明したが、空気に換えて又は空気とともに水素を加湿する場合にも本発明の内容を適用することができる。

また、実施の形態では、エア供給路４ｂをバイパスするバイパス流路８ａに開閉弁９ａを、エアオフガス排出路６ｂをバイパスするバイパス流路８ｂに流量調整弁９ｂを設けた場合について説明したが、これに限らず開閉弁９ａと流量調整弁９ｂを設ける流路８ａ、８ｂを置き換えてもよい。すなわち、バイパス流路８ａに流量調整弁９ｂを、バイパス流路８ｂに開閉弁９ａを設けてもよい。また、実施の形態においては、開弁時間とインターバル時間のそれぞれを調整する場合について説明したが、いずれか一方の時間を調整する場合にも本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施の形態における反応ガス供給装置および反応ガス供給方法が適用される燃料電池システムのブロック図である。 図１の制御部が行う開閉弁の開閉処理の内容を示すブロック図である。 開閉弁の開閉動作を示すタイミングチャートである。 開閉弁の開弁時間検索およびインターバル時間検索の処理内容を示すブロック図である。 負荷と開弁時間についての関係を供給ガス温度毎に示す冷却水温またはガス出口温度のグラフ図である。 負荷とインターバル時間についての関係を供給ガス温度毎に示す冷却水温またはガス出口温度のグラフ図である。 本発明の第２の実施の形態における反応ガス供給装置および反応ガス供給方法が適用される他の燃料電池システムのブロック図である。 流量調整弁の開度指令の処理内容を示すブロック図である。 負荷とバイパス比率についての関係を供給ガス温度毎に示す冷却水温またはガス出口温度のグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池
７…加湿器
８ａ、８ｂ…バイパス流路
９ａ…開閉弁（加湿量低減手段）
９ｂ…流量調整弁（流量調整手段）
１０、１２…空気温度検知センサ（温度検知手段）
１３…制御部（加湿量低減手段、流量増大手段）
１５…冷却水温センサ（温度検知手段）
１７…電流センサ（負荷検知手段）

Claims (4)

1. 燃料電池へ供給する酸化剤を加湿する加湿器と、
   前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、
   前記燃料電池の作動温度を検知する温度検知手段と、
   前記加湿器を迂回して前記燃料電池へ前記酸化剤を供給するバイパス流路と、
   前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁と、
   加湿量低減手段と、を備え、
   前記加湿量低減手段は、
   前記発電負荷が大きいほど開弁時間が大きくなる関係が規定され、さらに前記作動温度が高くなるほど前記開弁時間を増大させるマップを用いて、
   および／または、前記発電負荷が大きいほどインターバル時間が小さくなる関係が規定され、さらに前記作動温度が高くなるほど前記インターバル時間を減少させるマップを用いて、
   前記弁を制御することを特徴とする燃料電池の酸化剤供給装置。
2. 燃料電池へ供給する酸化剤を加湿する加湿器と、
   前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、
   前記燃料電池に供給する酸化剤温度を検知する温度検知手段と、
   前記加湿器を迂回して前記燃料電池へ前記酸化剤を供給するバイパス流路と、
   前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁と、
   加湿量低減手段と、を備え、
   前記加湿量低減手段は、
   前記発電負荷が大きいほど開弁時間が大きくなる関係が規定され、さらに前記酸化剤温度が高くなるほど前記開弁時間を減少させるマップを用いて、
   および／または、前記発電負荷が大きいほどインターバル時間が小さくなる関係が規定され、さらに前記酸化剤温度が高くなるほど前記インターバル時間を増大させるマップを用いて、
   前記弁を制御することを特徴とする燃料電池の酸化剤供給装置。
3. 燃料電池へ供給する酸化剤を前記燃料電池から排出されるオフガスの水分を用いて加湿する加湿器と、
   前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、
   前記燃料電池の作動温度を検知する温度検知手段と、
   前記燃料電池からのオフガスを、前記加湿器を迂回して排出させるバイパス流路と、
   前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁と、
   加湿量低減手段と、を備え、
   前記加湿量低減手段は、
   前記発電負荷が大きいほどバイパス比率が大きくなる関係が規定され、前記作動温度が高くなるほど前記バイパス比率を減少させるマップを用いて前記弁を制御することを特徴とする燃料電池の酸化剤供給装置。
4. 燃料電池へ供給する酸化剤を前記燃料電池から排出されるオフガスの水分を用いて加湿する加湿器と、
   前記燃料電池の発電負荷を検知する負荷検知手段と、
   前記燃料電池に供給する酸化剤温度を検知する温度検知手段と、
   前記燃料電池からのオフガスを、前記加湿器を迂回して排出させるバイパス流路と、
   前記バイパス流路における前記酸化剤の流れを調整する弁と、
   加湿量低減手段と、を備え、
   前記加湿量低減手段は、
   前記発電負荷とバイパス比率との関係が規定され、前記酸化剤温度が高くなるほど前記バイパス比率を増大させるマップを用いて前記弁を制御することを特徴とする燃料電池の酸化剤供給装置。

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