JP4940822B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池より排出される水を回収するシステムを有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a system for collecting water discharged from the fuel cell.
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス(主として空気中の酸素)が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。このように電解質膜を介してイオンを取り出している際に、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。よって、良好なイオン伝導を保つために電解質膜に水分を供給する必要がある。 Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, there are a fuel chamber and an oxygen chamber on both sides of the electrolyte membrane, and the fuel gas in the fuel chamber passes through the fuel electrode or the oxidizing gas (mainly air) in the oxygen chamber. Oxygen inside) is ionized through the oxygen electrode, and the ions are taken out through the electrolyte membrane to obtain electric power. As described above, if ions are taken out through the electrolyte membrane and the electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is lowered, and the energy conversion efficiency is lowered. Therefore, it is necessary to supply moisture to the electrolyte membrane in order to maintain good ion conduction.
ところで、所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、上記のようにイオンを取り出す際に、酸素極において空気中の酸素と反応して生成された水は、電解質膜中を酸素極から燃料極へ逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好適な湿潤状態に維持することができるため、燃料極側で燃料ガスを加湿する必要がない。しかし、酸素極側において、導入される酸化ガス流により、電解質膜の酸素極側の水分が蒸発するため、電解質膜の酸素極側の水分が不足する。そこで、酸化ガスを加湿して、加湿された酸化ガスで電解質膜の酸素極に水分を供給している。
このように水分を供給する構成を有する場合、燃料電池で生成された水を回収し、加湿するための水として再利用する構成が採られている。
Thus, when it has the structure which supplies a water | moisture content, the structure which collect | recovers the water produced | generated with the fuel cell and reuses as water for humidification is taken.
しかし、特許文献1に示されているように、酸化ガス供給経路が開放されている構成においては、燃料電池の発熱により供給された酸化ガスは多湿度となり、酸化ガスの供給量が多い場合には、燃料電池で生成された水を回収しきれず、システム外へ水が排出されてしまう。このような状況下で運転が継続されると、固体高分子燃料電池の発電に必要な水量が確保できなくなり、メンテナンスフリーである理想的な燃料電池システムの構築が不可能となる。
However, as shown in
また、従来の水回収構造は、プレートフィン型熱交換器を用いているが、気温の高い夏場では、十分の水回収能力が得られない。さらに、水回収効率を上げるために、冷凍機ユニットを設ける構成を採用すると、冷凍機ユニットの駆動のためのエネルギー消費量が増加し、燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下する。
本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、エネルギー効率が良く、水分の回収も十分可能な燃料電池システムを提供することにある。
In addition, the conventional water recovery structure uses a plate fin type heat exchanger, but a sufficient water recovery capability cannot be obtained in summer when the temperature is high. Furthermore, if a configuration in which a refrigerator unit is provided in order to increase water recovery efficiency, the energy consumption for driving the refrigerator unit increases, and the energy efficiency of the entire fuel cell system decreases.
An object of the present invention is to provide a fuel cell system that has been made in view of the above-described facts and that is energy efficient and sufficiently capable of recovering moisture.
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1)燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
酸化ガスを燃料電池の導入口へ送り込む送風手段と、
前記燃料電池の導出口から排出される酸化ガスを冷却して水を回収する冷却手段と、
前記冷却手段の冷却能力を調整する冷却制御手段と、
導入口に送り込まれる酸化ガスの温度を測定する気体温度検出手段と、
燃料電池の出力電流値を検出する電流検出手段と、
前記送風手段の送風量を検出する流量検出手段とを備え、
前記冷却制御手段は、導入口に送り込まれる酸化ガスの気体温度と、燃料電池の出力電流値と、送風手段の送風量と酸化ガスの飽和水蒸気曲線とに基づいて冷却手段の冷却能力を調節し、システム内の水分量を適正量に保存するように制御することを特徴とする燃料電池システム。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) A fuel chamber into which fuel gas is introduced and an oxidizing gas chamber having an inlet through which oxidizing gas flows in and an outlet through which oxidized gas after reaction is discharged are disposed adjacent to each other via an electrolyte layer. A fuel cell that generates electricity by reacting with oxidant gas;
A blowing means for sending oxidizing gas to the inlet of the fuel cell;
Cooling means for recovering water by cooling the oxidizing gas discharged from the outlet of the fuel cell;
Cooling control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means;
A gas temperature detecting means for measuring the temperature of the oxidizing gas sent to the inlet,
Current detection means for detecting the output current value of the fuel cell;
A flow rate detecting means for detecting the blown amount of the blowing means,
The cooling control means adjusts the cooling capacity of the cooling means based on the gas temperature of the oxidizing gas sent to the inlet, the output current value of the fuel cell, the amount of air blown by the air blowing means and the saturated water vapor curve of the oxidizing gas. The fuel cell system is controlled so that the water content in the system is stored in an appropriate amount .
(2) 前記冷却制御手段は、燃料電池の導出口から排出される酸化ガスに含まれる水蒸気のうち、導入口において酸化ガスが含む水蒸気量と、燃料電池内で発生する生成水量との和から、露点を決定する手段と、
前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度が、前記露点となるように、冷却手段の冷却能力を調節する調節手段とを有する上記(1)に記載の燃料電池システム。
(2) The cooling control means is based on the sum of the amount of water vapor contained in the oxidizing gas at the inlet and the amount of water produced in the fuel cell among the water vapor contained in the oxidizing gas discharged from the outlet of the fuel cell. Means to determine the dew point; and
The fuel cell system according to (1), further including an adjusting unit that adjusts a cooling capacity of the cooling unit so that a temperature of the oxidizing gas discharged from the cooling unit becomes the dew point.
(3) 前記冷却制御手段は、前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度を測定する排出温度検出手段を有し、前記調節手段は、前記排出温度検出手段により検出された温度に基づき冷却能力を調節する上記(2)に記載の燃料電池システム。 (3) The cooling control means has a discharge temperature detection means for measuring the temperature of the oxidizing gas discharged from the cooling means, and the adjustment means has a cooling capacity based on the temperature detected by the discharge temperature detection means. The fuel cell system according to (2), wherein the fuel cell system is adjusted.
請求項1記載の発明によれば、導入口に送り込まれる酸化ガスの気体温度と、燃料電池の出力電流値と、送風手段の送風量に基づいて、排ガスに含まれる水蒸気量を把握することができるので、飽和水蒸気曲線に基づいて排ガスを冷却する温度を調整すれば、回収し得る水の量を調節することができる。これにより、常時必要な量の水の回収を可能とし、全体としてエネルギー効率の良い燃料電池システムを得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, the amount of water vapor contained in the exhaust gas can be grasped based on the gas temperature of the oxidizing gas sent to the inlet, the output current value of the fuel cell, and the amount of air blown by the air blowing means. Therefore, the amount of water that can be recovered can be adjusted by adjusting the temperature at which the exhaust gas is cooled based on the saturated water vapor curve. As a result, a necessary amount of water can be recovered at all times, and a fuel cell system with high energy efficiency as a whole can be obtained.
請求項2記載の発明によれば、導入口において酸化ガスが含む水蒸気量と、燃料電池内で発生する生成水量との和から、露点を決定することによって、システム内の水量が一定になるように調整することができる。
請求項3記載の発明によれば、最終的に冷却手段から排出される酸化ガスの温度を検出し、その検出値に基づいて冷却手段を調整するので、より正確に冷却手段による水回収量を設定することができる。
According to the second aspect of the present invention, the amount of water in the system is made constant by determining the dew point from the sum of the amount of water vapor contained in the oxidizing gas at the inlet and the amount of generated water generated in the fuel cell. Can be adjusted.
According to the invention described in
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7とに大略構成される。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
この燃料電池スタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、複数の燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層するなどし、燃料電池を直列接続して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図、図5は、集電部材3、4及び隔壁7の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
The configuration of the
セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9と、集電部材3、4の間に介挿された隔壁7とを備えている。隔壁7によって、燃料ガスと酸化ガスの直接の接触(混合)が阻止される。集電板である集電部材3、4と隔壁7は、金属で構成されている。集電部材3、4と隔壁7の構成金属は、それぞれ導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。耐食導電処理としては、例えば、金メッキなどか挙げられる。集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。集電部材3には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部32が形成されている。
The
凸状部32は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って(図2における横方向)配置された凸状部32の間に形成された溝によって、凸状部32の間には水素流路301が形成され、図3に示されているように、凸状部32の裏側に形成された溝33によって、水素流路302が形成されている。この凸状部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。集電部材3が網体であるため、当接部321が接触する部分においても、孔320を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、図5に示されているように、水素流路301と水素流路302の間も、孔320を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材3の両端部は、セパレータ13を積層した場合に形成される水素供給路(17a又は17b)に及んでいる。
The
集電部材4は、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行(鉛直方向)に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。集電部材4は、網体であるため当接部421が接触する部分においても孔420を介して酸化ガス(空気中の酸素)を供給することができる。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部41となっている。
The
以上のような集電部材3、4は、各凸状部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材3の裏側面34と空気流路40の裏側面403は、それぞれ隔壁7の表裏面に当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路40は、図3に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。また、中空部41からは、集電部材4の網目を介して酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路40、中空部41を通過する空気中に含有される酸素である。
The
空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。また、中空部41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と中空部41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及び流入開放口45から流出開放口46までの中空部41、並びにこれらの集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(酸化ガス室)として機能する。
隔壁7の両端部には、通気孔73が形成されており、通気孔73の長辺は、集電部材3の短辺と同じ長さに形成されており、通気孔73は、水素供給路(17a又は17b)を構成する。
The opening on one end side of the
Vent holes 73 are formed at both ends of the
集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、隔壁7と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材3を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁7の流通孔73に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83a、83bと窓81との間には、集電部材3を収容する凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、交互に配された複数の水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8及び隔壁7と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材4を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁7の流通孔73に合致する位置に孔93a、93bが形成されている。
枠体9の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体9の対向する一対の長辺に沿って溝941、951がそれぞれ形成され、溝941、951内に集電部材4の上下端部が収容される。溝941、951と集電部材4で構成された通路は、酸素室に連通している。
The
また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。上記溝941の集電部材4の上端に有する開口部の集合体によって、燃料電池スタック100の上面には、矩形状の開口940(導入口被覆領域(断面は長方形))が形成され、この開口940に、空気マニホールド54から空気が流入する。
In addition, a concave portion having a contour formed along the
図6は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路40の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(TiO2)等が挙げられる。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the
以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図7は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43が開口し、この導入口43に、後述するように、空気マニホールド54から空気が流入するとともに、空気マニホールド54内で、第1及び第2のノズル55a、55bから噴射された水が同時に流入する。この第1及び第2のノズル55a、55bは、水を液滴の状態(霧状)で、燃料電池スタック100に供給する。導入口43から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。また、燃料電池スタック100の底面には、図7に示されている導入口43に対向する位置に、多数の導出口44が開口し、この導出口44から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口43は、燃料電池スタック100の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口44は、燃料電池スタック100の底面に、縦横に多数開口することとなる。
The
次に、図1に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系10の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路201Aの一端には水素貯蔵タンク11が接続され、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、元電磁弁20、圧力センサS1及び水素調圧弁21、供給電磁弁22が水素の流通方向に向けて順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aの他端には、燃料ガス供給流路201Bの一端が接続されている。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の上記ガス取入口201BのINに接続されている。燃料ガス供給路201Bの一端には、前記燃料ガス供給路201Aの他端の他、後述するガス排出流路202の一端が接続されている。燃料ガス供給路201Bには、圧力センサS2、安全弁Vsfがガスの燃料ガスの流通方向に向けて順に配置されており、安全弁Vsfの上流側には、外気流路205の一端が接続されている。外気流路205の他端にはフィルタが接続され、このフィルタによって流入する外気から不純物がろ過される。また、外気流路205には、外気電磁弁23が設けられている。
Next, the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The configuration of the
燃料電池スタック100のガス排出口OUTには、排気循環路であるガス排出流路202の他端が接続されている。燃料ガス供給流路201Bと、ガス排出流路202によって、燃料電池スタック100のガス取入口INとガス排出口OUTを接続する循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環電磁弁26、循環手段である循環ポンプ25が配置されている。トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。
The gas discharge port OUT of the
次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、空気導入路123と、空気マニホールド54と、空気排出路である空気ダクト124とを備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。空気ファン122の回転数から、燃料電池スタック100の導入口に流入する空気(酸化ガス)の流量qを算出することができる。また、空気導入路123には、外気温度を検出する温度センサS5が設けられている。この温度センサS5で検出される温度Tairと、大気相対湿度Rhから、後述するように、外気に含まれている水分量Wairを算出することができる。
Next, the
空気導入路123の下流側では、空気マニホールド54内の直前位置に、各々上記開口940へ冷却水を霧状に噴射するノズル55が設けられている。このノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の導入口43に空気を分割して流入させる。
燃料電池スタック100の導出口44には、排気マニホールド53A1が接続され、導出口44から排出された空気は、排気マニホールド53A1によって合流され、空気ダクト124へ送られる。
On the downstream side of the
An exhaust manifold 53A1 is connected to the
空気ダクト124は、導出口44から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ導流する。空気ダクト124の終端部には、冷却装置が取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分取り出す。また、ノズル55から供給された水の内、燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。また、凝縮器51の排気口には、排気温度を検出する温度センサS6が設けられている。凝縮器51は、プレートフィン型の熱交換器と、ガスの圧縮膨張時のエネルギーを利用して冷却するエバポレータが、ガスの流通方向に向けて直列に設けられており、冷却手段であるエバポレータには、冷媒を送る管511を介してコンプレッサ512が接続されている。管511には、図示されていないが、暖められた冷媒冷却する冷却部がコンプレッサ512の上流側とエバポレータの間に配置されている。凝縮器51による水回収能力は、エバポレータによる冷却温度を低下させれば、それに応じて向上し、エバポレータの冷却温度は、コンプレッサ512のモータの回転を制御することで、間接的に制御することができる。
The
次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水路57と、水タンク531の水をノズル55へ導く給水路56とを有する。導水路57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気ガスから取り出された水を、水タンク531へ送り込む。給水路56には、フィルタ64が設けられると共に、水供給手段である、ノズル55に水を供給するポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、水位センサS5と、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。
Next, the water supply system will be described. The
燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、スイッチ手段であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor/絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。
A
燃料電池システム1の制御系は、冷却制御手段としての制御装置ECUを備えている。なお、この制御装置ECUには、他のセンサS0〜S6、S7、S9、S10から検出値が入力され、各電磁弁20、22、23、26、27他のポンプ25、62、空気ファン122、凝縮器51のファン、インバータ73、IGBT75を制御している。空気ファン122は、回転数を制御することで、流量が制御され、また、回転数から流量を算出することができる。これにより流量検出手段が構成される。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
The control system of the
以上のように構成された燃料電池システム1において、水回収制御動作について説明する。図8はガスの飽和水蒸気曲線を示すグラフである。燃料電池スタック100の排ガス温度と凝縮器51入り口部の温度はほぼ等しいと仮定してTinと定義する。仮に凝縮器51の入り口部の相対湿度分の水分Wtinから生成水Wfcと酸化ガス供給による外気持込水量Wairを足した量を引いた分(ΔW)だけ、燃料電池排気部下流で回収しなければ、システム内の供給水量は減少することになる。逆に、システム内部で増加する水分量である空気供給ファンからの外気持込水分Wairと燃料電池生成水Wfcの量は、捨てても良いことになる。よって外気持ち込み量Wair+燃料電池生成量Wfcの合計水量を飽和水蒸気曲線状の露点とし、凝縮器51により排ガスの温度を、その露点まで制御低下させてやれば、凝縮水量ΔWをえることができ、つねにシステム内の水分量は理論的には保存されることとなる。
In the
水収支を満足させる制御としては、外気持込水分量Wairと燃料電池生成水量Wfcの合計水分量を露点とする制御目標温度Tdが、凝縮器51出口の温度となるように、制御装置ECUにより、コンプレッサのON-OFFを繰り返して、エバポレータを動作し温度制御を行う。このような制御内容について、図9に示されているフローチャートに基づき説明する。
Control for satisfying the water balance is performed by the control unit ECU so that the control target temperature Td having the dew point of the total moisture content of the outside air brought-in moisture amount Wair and the fuel cell generated water amount Wfc becomes the temperature at the outlet of the
温度センサS5により、取り入れる酸化ガスとして取り入れる外気温度Tairと、電流計S3より、燃料電池スタック100の出力電流I[A]を取得する(ステップS101)。次に、外気持込水分量Wairと、燃料電池部生成水量Wfcを計算する(ステップS103)。空気供給ファンによる外気持込水分量Wairは、
Wair[g/m3]=5.03exp(0.061×Tair)×Rh −式(1)
で得られる。また、ここでTairは外気温度[℃]、Rhは図示されていない湿度センサにより測定された大気相対湿度である。
また、燃料電池の発電による生成水量Wfcは
Wfc[mol/sec]=In/2F −式(2)
で与えられる。ここでFはファラデー定数96500[c/mol]、Iは発電時の出力電流[A]、nはスタック積層数を示している。
The output temperature I [A] of the
Wair [g / m 3 ] = 5.03exp (0.061 x Tair) x Rh-Formula (1)
It is obtained by. Here, Tair is the outside air temperature [° C.], and Rh is the atmospheric relative humidity measured by a humidity sensor (not shown).
The amount of water generated by fuel cell power generation Wfc is
Wfc [mol / sec] = In / 2F-Formula (2)
Given in. Here, F is the Faraday constant 96500 [c / mol], I is the output current [A] during power generation, and n is the number of stacked layers.
次に露点温度Tdを計算する(ステップS105)。この露点温度Tdは、制御目標温度とされる。例えば、以下のように計算される。
定式生成水のモル重量は18.02[g/mol]、燃料電池システム内での流量q[m3/sec]とすると式(2)は、
Wfc[g/m3]=18.02[g/mol]/(2×96500[c/mol])×I[c/sec]×n/q[m3/sec] 式(3)
として得られる。よって外気持込量と燃料電池生成水量の総和WToutは、
WTout [g/m3]=Wair+Wfc −式(4)
として得られる。このWToutを露点とする温度とし、熱交換器のエバポレータ出口の目標温度をコンプレッサーのON-OFFにて制御する。
Next, the dew point temperature Td is calculated (step S105). The dew point temperature Td is a control target temperature. For example, it is calculated as follows.
If the molar weight of the formulated water is 18.02 [g / mol] and the flow rate in the fuel cell system is q [m 3 / sec], the formula (2) is
Wfc [g / m 3 ] = 18.02 [g / mol] / (2 × 96500 [c / mol]) × I [c / sec] × n / q [m 3 / sec] Equation (3)
As obtained. Therefore, the total amount WTout of the amount of outside air brought in and the amount of water generated in the fuel cell is
WTout [g / m 3 ] = Wair + Wfc −Formula (4)
As obtained. The temperature at which WTout is the dew point is used, and the target temperature at the evaporator outlet of the heat exchanger is controlled by turning the compressor on and off.
露点量WToutが式(1)−式(3)にて導かれるので、制御目標温度Tdは
Td[℃]=1/0.061×ln(WTout/5.03・RH)=1/0.061×ln((Wair+Wfc)/5.03)
−式(5)
で得られる。このように、外気取り込み口の温度Tair、燃料電池の電流量I[A]、ファンの流量q[m3/sec]をシステム内にて計測すれば、目標温度Tdを得ることができる。
Since the dew point amount WTout is derived from the equations (1)-(3), the control target temperature Td is Td [° C.] = 1 / 0.061 × ln (WTout / 5.03 · RH) = 1 / 0.0.061 × ln ( (Wair + Wfc) /5.03)
-Formula (5)
It is obtained by. Thus, the target temperature Td can be obtained by measuring the temperature Tair of the outside air intake port, the current amount I [A] of the fuel cell, and the flow rate q [m 3 / sec] of the fan in the system.
次に、凝縮器51出口温度Toutを温度センサS6によって検出(ステップS107)する。
Next, the outlet temperature Tout of the
コンプレッサ512を駆動させる(ステップS109)。
その後、ToutとTdとを比較し、ToutよりTdが大きいか否か判断する(ステップS111)。ToutよりTdが大きい場合には、水の回収が十分に行われていることを意味する。(図8は、ToutとTdが等しい状態を示す。)換言すると、Wair+Wfcより少ない量の水分が外部へ放出され、ノズル55から供給された水量以上の水量が回収されていることを意味するので、コンプレッサ512をオフにする(ステップS113)。次に、水タンク531の水量をチェックする(ステップS115)。水位センサS7から検出された水量が適正量にある場合には、メインルーチンへリターンされる。
The
Thereafter, Tout and Td are compared to determine whether Td is greater than Tout (step S111). When Td is larger than Tout, it means that water has been sufficiently collected. (FIG. 8 shows a state in which Tout and Td are equal.) In other words, it means that a smaller amount of water than Wair + Wfc is released to the outside, and a water amount greater than the amount of water supplied from the
水量が適正量でない場合には、ステップ117へ移行し、コンプレッサ制御の内容を変更する制御を行う。つまり、水量が適正量よりも過剰に溜まっている場合には、目標温度Tdを、ステップS105で算出した値よりも高く設定し、コンプレッサをオンし(ステップS109)、ステップS107を実行する。或いは、目標温度Tdを変更する代わりに、ステップS117において、コンプレッサ512の動作をON状態となる時間がより短くなるように制御内容を変更する。これによって、排気ガスの温度が高くなり、より多くの水量が、酸化ガスに含まれる水蒸気として外部に排出される。
When the amount of water is not an appropriate amount, the routine proceeds to step 117, where control for changing the contents of compressor control is performed. That is, when the amount of water is excessively larger than the appropriate amount, the target temperature Td is set higher than the value calculated in step S105, the compressor is turned on (step S109), and step S107 is executed. Alternatively, instead of changing the target temperature Td, in step S117, the control content is changed so that the time during which the operation of the
一方、水タンク531内の水量が不足している場合には、ステップS117において、目標温度Tdを、ステップS105で算出した値よりも低く設定し、コンプレッサをオンし(ステップS109)、ステップS107を実行する。或いは、目標温度Tdを変更する代わりに、ステップS117において、コンプレッサ512の動作をON状態となる時間がより長くなるように制御内容を変更する。これによって、排気ガスの温度が低くなり、より多くの水量を、酸化ガスの排ガスから回収することができ、水タンク531の水量を補充することができる。
以上のような、ステップS107、S109、S111、S113、S115、S117、S109の制御ループを実行することで、水タンクの水量の制御が行われる。
On the other hand, when the amount of water in the
By executing the control loop of steps S107, S109, S111, S113, S115, S117, and S109 as described above, the amount of water in the water tank is controlled.
水タンク531内の水量が過剰な場合で、外気温センサにより検出された外気温度が低く、酸化ガスの含む水蒸気のみでは、水分の排出を十分に行えない場合には、水タンク531に設けられている排水弁を開け、水を排出してもよい。これは、意図的にシステム内の水質改善を目的とした点においても有効な手段となる。
ステップS111において、ToutがTdよりも大きい場合には、ステップS117を実行し、Toutが低下するように制御する。
以上のように、Wair+Wfcで得られる露点を中心として制御目標温度を変更することで、水量の調節を図ることができ、かつ、過剰に大型の冷却装置も不要となるので、システム全体のエネルギー効率も向上する。
When the amount of water in the
In step S111, when Tout is larger than Td, step S117 is executed and control is performed so that Tout decreases.
As described above, the amount of water can be adjusted by changing the control target temperature around the dew point obtained by Wair + Wfc, and an excessively large cooling device is not required. Will also improve.
1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
123 空気導入路
51 凝縮器
531 水タンク
53A1 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ
512 コンプレッサ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
酸化ガスを燃料電池の導入口へ送り込む送風手段と、
前記燃料電池の導出口から排出される酸化ガスを冷却して水を回収する冷却手段と、
前記冷却手段の冷却能力を調整する冷却制御手段と、
導入口に送り込まれる酸化ガスの温度を測定する気体温度検出手段と、
燃料電池の出力電流値を検出する電流検出手段と、
前記送風手段の送風量を検出する流量検出手段とを備え、
前記冷却制御手段は、導入口に送り込まれる酸化ガスの気体温度と、燃料電池の出力電流値と、送風手段の送風量と、酸化ガスの飽和水蒸気曲線とに基づいて冷却手段の冷却能力を調節し、システム内の水分量を適正量に保存するように制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel chamber into which the fuel gas is introduced and an oxidizing gas chamber having an inlet through which the oxidizing gas is introduced and an outlet through which the oxidized gas after the reaction is discharged are adjacent to each other via the electrolyte layer, and the fuel gas and the oxidizing gas A fuel cell that generates electricity by reacting with
A blowing means for sending oxidizing gas to the inlet of the fuel cell;
Cooling means for recovering water by cooling the oxidizing gas discharged from the outlet of the fuel cell;
Cooling control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means;
A gas temperature detecting means for measuring the temperature of the oxidizing gas sent to the inlet,
Current detection means for detecting the output current value of the fuel cell;
A flow rate detecting means for detecting the blown amount of the blowing means,
The cooling control means adjusts the cooling capacity of the cooling means on the basis of the gas temperature of the oxidizing gas sent to the inlet, the output current value of the fuel cell, the blowing amount of the blowing means, and the saturated water vapor curve of the oxidizing gas. And controlling the water content in the system so as to store it in an appropriate amount .
前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度が、前記露点となるように、冷却手段の冷却能力を調節する調節手段とを有する請求項1に記載の燃料電池システム。 The cooling control means calculates a dew point from the sum of the amount of water vapor contained in the oxidizing gas at the inlet and the amount of water produced in the fuel cell among the water vapor contained in the oxidizing gas discharged from the outlet of the fuel cell. Means to determine,
The fuel cell system according to claim 1, further comprising an adjusting unit that adjusts a cooling capacity of the cooling unit such that a temperature of the oxidizing gas discharged from the cooling unit becomes the dew point.
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