JP5049248B2 - 加湿装置の加湿効率判定装置およびこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水分交換膜を備えた加湿装置の加湿効率判定装置およびこの加湿装置の加湿効率判定装置を備えた燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型の燃料電池では、電解質膜を湿潤な状態にしてプロトン交換膜として機能させることで発電が行われるようになっている。このように電解質膜を湿潤な状態にするために、水分交換膜を利用した加湿装置では、燃料電池から排出されるカソードオフガスを利用してカソードガスを加湿することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１３２０３８号公報（図１）

ところで、従来のような水分交換膜を利用した加湿装置では、発電安定性を確保するために、燃料電池のカソードに供給されるエア流量を増加させる制御、またエアポンプの消費電力を下げるために作動圧力を低下させる制御が一般に行われていた。このような制御を行うと、加湿効率が大幅に低下する事象が発生する知見が得られた。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、加湿効率が低下しているか否かを容易に判定することができる加湿装置の加湿効率判定装置、および前記加湿効率判定装置を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、水分交換膜を利用して高湿潤ガスと低湿潤ガスとの間で水分の移動を行う加湿装置において、高湿潤ガスが供給される入口の温度を検出する入口温度センサと、前記供給された高湿潤ガスが排出される出口の温度を検出する出口温度センサと、前記水分交換膜の加湿効率が低下しているかどうかを判定する加湿効率低下判定部と、を備え、前記加湿効率低下判定部は、前記入口の温度と前記出口の温度とから温度差を求め、この温度差と、加湿不足の生じていない状態で求められた通常温度差に所定値を加えた温度値とを比較し、前記温度差が前記温度値以上のとき、前記水分交換膜の加湿効率が低下していると判定することを特徴とする。

水分交換膜の加湿効率が大幅に低下する場合には、加湿装置の出入口の温度差が拡大するので、このような温度差を入口温度センサおよび出口温度センサによって検出することで、水分交換膜の加湿効率が低下していることを容易に判断することができる。なお、このように加湿効率が大幅低下している状態を、ドライアップともいう。このように加湿効率が大幅に低下するのは、水分交換膜に形成された細孔内の水蒸気が蒸発して、細孔内において水蒸気の受け渡しが損なわれることによって発生する。つまり、加湿装置内の湿度が１００％を下回ると、凝縮水が無くなるので、いままで凝縮水の蒸発潜熱によって温度上昇が抑えられていたものが、蒸発潜熱が生じなくなり、その結果、温度が上昇して温度差が拡大することになる。

請求項２に係る発明は、前記所定値は、２℃であることを特徴とする。これによれば、加湿効率が大幅に低下するのをより正確に判定することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の加湿装置と、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿効率低下判定部による判定に基づいて、前記燃料電池の運転条件を制御する運転条件制御手段を備えることを特徴とする。これによれば、燃料電池が加湿不足になるのを防止できるので、燃料電池の劣化を防止できる。

請求項４に係る発明は、前記運転条件制御手段は、前記燃料電池の運転条件として、前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池への反応ガス流量、前記燃料電池への反応ガス圧力のうちの少なくとも一つを制御することを特徴とする。これによれば、加湿不足を迅速に解消することができる。

本発明によれば、加湿効率が低下しているか否かを容易に判定することができる加湿装置の加湿効率判定装置および燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の加湿装置を備えた燃料電池システムを示す全体構成図、図２は加湿装置の制御を示すフローチャート、図３は温度差と燃料電池の出力電流との関係を示すグラフである。なお、以下では、本実施形態の加湿装置１を備えた燃料電池システム１００を、燃料電池自動車（車両）に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機など、あるいは業務用や家庭用の定置式のものなど、電気を必要とするあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の加湿装置１が組み込まれた燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０、水素タンク１２１、エアコンプレッサ１３１、入口温度センサ１４１、出口温度センサ１４２、背圧弁１５１、外部負荷１６１、電力制御器１７１、制御部２００などを備えている。

燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１及びカソード流路１１２が形成されている。

また、燃料電池スタック１１０では、水素（反応ガス、燃料ガス）が水素タンク１２１から、配管１２１ａ、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気（反応ガス、酸化剤ガス）が、外気を吸気するエアコンプレッサ１３１から、配管１３１ａ、加湿装置１、配管１３１ｂ、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。

このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と、外部負荷１６１とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。なお、外部負荷１６１とは、走行用のモータ、バッテリなどの蓄電装置（図示せず）、エアコンプレッサ１３１などである。

電力制御器１７１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成され、制御部２００からの指令に基づいて、燃料電池スタック１１０から取り出す発電電流（発電電力）を制御する機能を有する。

また、アノード流路１１１から排出されたアノードオフガスは、配管１２１ｂを介して、希釈器１３２に排出されるようになっている。一方、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガス（高湿潤ガス）は、配管１３１ｃ、加湿装置１、配管１３１ｄ、背圧弁１５１、配管１３２ａを介して、希釈器１３２に排出され、希釈器１３２においてアノードオフガス中の未消費の水素を希釈するようになっている。そして、希釈後のガスは、配管１３２ｂを介して、車外に排出されるようになっている。なお、カソードオフガスは、カソードにおける電極反応により生成する水蒸気（水分）により多湿である。また、生成した水蒸気の一部は電解質膜を介してアノード側に透過するので、アノードオフガスも多湿である。

背圧弁１５１は、例えばバタフライ弁などの開度調節が可能な弁で構成され、燃料電池スタック１１０のカソードに供給されるエア圧力（カソード圧力）を調節する機能を有する。

入口温度センサ１４１は、加湿装置１のカソードオフガスが供給される入口の配管１３１ｃに設けられ、出口温度センサ１４２は、カソードオフガスが排出される出口の配管１３１ｄに設けられている。入口温度センサ１４１および出口温度センサ１４２によって検出された各温度（検出値）は、制御部２００によって取得される。

加湿装置１は、エアコンプレッサ１３１からカソード流路１１２に向かう加湿すべき空気（第１流体、低湿潤ガス）を、カソード流路１１２から排出された多湿のカソードオフガス（第２流体、高湿潤ガス）で加湿するものである。

また、加湿装置１は、例えば、複数の中空糸膜（水分交換膜）が束ねられた中空糸膜束が収容されたケース（不図示）を有し、エアコンプレッサ１３１からの乾燥した空気の入口１ａおよび出口１ｂ、カソードオフガスの入口１ｃおよび出口１ｄがそれぞれ形成されている。なお、ケース内の中空糸膜束の前後の両端部は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部（封止部、図示せず）を介して、各中空糸膜の外周面間、中空糸膜の外周面とケースの内壁面との間が、それぞれ閉塞されている。

制御部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記録したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、加湿効率低下判定部を備えている。

次に、本実施形態の加湿装置１を備えた燃料電池システム１００の動作について図２（適宜、図１）を参照して説明する。なお、燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオフにされて、燃料電池システム１００の運転が停止している場合には、制御部２００の制御により、水素タンク１２１からアノードへの水素の供給が停止し、エアコンプレッサ１３１が停止されて、カソードへの空気の供給が停止され、燃料電池スタック１１０の発電が停止している。

そして、燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオンにされると、制御部２００の制御によって、水素タンク１２１からアノードへ水素が供給され、エアコンプレッサ１３１から供給された空気が加湿装置１で加湿された後にカソードへ供給される。燃料電池スタック１１０のカソードから排出されたカソードオフガスは、湿度が１００％を超える状態で存在し、凝縮水とともに配管１３１ｃを通って加湿装置１の入口１ｃから供給される。

そして、加湿装置１では、例えば、中空糸膜の内側をエアコンプレッサ１３１からの乾燥した空気が通り、中空糸膜の外側をカソードオフガスが通ることで、中空糸膜に形成された細孔内にカソードオフガスに含まれる水蒸気が入り込む。そして、中空糸膜の細孔内を膜の外側から内側に移動することで、水蒸気が空気に渡されて空気が加湿される。なお、乾燥した空気が中空糸膜の外側、カソードオフガスが中空糸膜の内側を通るようにしてもよい。

図２に示すステップＳ１において、制御部２００は、入口温度センサ１４１から加湿装置１のカソードオフガスの入口の温度Ｔａと、出口温度センサ１４２から加湿装置１のカソードオフガスの出口の温度Ｔｂとを検出する。

そして、ステップＳ２において、制御部２００は、出口の温度Ｔｂから入口の温度Ｔａを減算した温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が、通常の温度差（ΔＴ）＋２℃（所定値）以上であるか否か、つまり加湿装置１の加湿効率が大幅に低下しているか（中空糸膜がドライアップしているか）否かを判定する。なお、通常の温度差（ΔＴ）とは、加湿装置１において加湿不足が生じておらず、燃料電池スタック１１０が通常発電しているときの温度差である。
なお、通常の温度差（ΔＴ）が、特許請求の範囲に記載の「通常温度差」に相当し、また、通常の温度差（ΔＴ）＋２℃（所定値）が、特許請求の範囲に記載の「温度値」に相当する。

ちなみに、加湿装置１では、中空糸膜の外側を流れる凝縮水が蒸発すると、蒸発潜熱によって周囲の熱が奪われる。したがって、加湿装置１のカソードオフガスの入口１ｃから供給されたカソードオフガスは、蒸発潜熱によって温度上昇が抑えられ、加湿装置１の入口１ｃから出口１ｄまでの間においてカソードオフガスの温度上昇が所定温度範囲内に抑えられる。よって、カソードオフガスの湿度が１００％の場合には、カソードオフガスが飽和状態であり、カソードオフガスとともに凝縮水が流れて、温度差Ｔｂ−Ｔａが、通常の温度差ΔＴ＋２℃未満に抑えられる。

ところが、加湿装置１内において、燃料電池スタック１１０自体の温度が高くなり過ぎると、また乾燥した空気（ドライガス）が多く高温になり過ぎると、カソードオフガスの湿度が１００％を下回るようになり、凝縮水が無くなるまたは少なくなる状態が発生する。凝縮水が無くなると、前記したような蒸発潜熱が発生しなくなるので、温度上昇が抑えられなくなって、温度差Ｔｂ−Ｔａが上昇するようになる。温度差が上昇することにより、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が少なくなり、水分の受け渡しが円滑に行われなくなって、加湿効率が大幅に低下することになる。

ステップＳ２において、制御部２００は、Ｔｂ−Ｔａ≧ΔＴ＋２℃であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３に進み、燃料電池スタック１１０の運転条件を加湿効率が大幅に低下しないように制御する。すなわち、図３において点線で示すように、時刻ｔ１において、燃料電池スタック１１０から取り出す電流（出力電流）を制限する。これは、制御部２００からの指令によって電力制御器１７１を制御して、燃料電池スタック１１０から取り出す電流を低下させることによって行われる。

図３に示すように、燃料電池スタック１１０の出力電流を制限することにより、燃料電池スタック１１０自体の発熱が抑えられて燃料電池スタック１１０の温度が低下し、図３において一点鎖線で示すようにカソードから排出されるカソードオフガスの入口の温度Ｔａが低下する。カソードオフガスの入口温度Ｔａが低下することにより、カソードオフガスの飽和水蒸気温度が下がり、カソードオフガスの湿度が１００％に戻ることで、凝縮水が発生するようになる。凝縮水が発生することにより、蒸発潜熱が再び発生するようになり、加湿装置１内での温度上昇が抑えられ、実線で示す温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が、ΔＴ＋２℃の範囲内に収まるようになる。なお、ステップＳ２が、本実施形態における加湿効率低下判定部が実施する処理に相当する。

また、ステップＳ２において、制御部２００は、Ｔｂ−Ｔａ≧ΔＴ＋２℃でないと判断した場合には（Ｎｏ）、リターンによってステップＳ１に戻り、前記した一連の処理を、例えばイグニッションスイッチがオフされるまで繰り返す。

なお、本実施形態では、加湿効率が大幅に低下したときの燃料電池スタック１１０の運転条件の制御として、燃料電池スタック１１０の出力電流を制御する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、図４や図５に示す制御を行ってもよい。図４は温度差と燃料電池に供給されるエア流量との関係を示すグラフ、図５は温度差と燃料電池のエア圧力との関係を示すグラフである。

すなわち、図４に示すように、時刻ｔ２において、Ｔｂ−Ｔａ≧ΔＴ＋２℃となった場合には（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１１０に供給するエア流量を制限するようにしてもよい。これは、制御部２００から指令によってエアコンプレッサ１３１のモータの回転速度を低下させることによって行われる。つまり、エア流量を低下させることにより、燃料電池スタック１１０で発生する生成水量に対するエア流量比が下がるので、カソードオフガスが湿度１００％に戻る。このように、燃料電池スタック１１０に供給するエア流量を低下させることにより、加湿装置１内での温度上昇が抑えられ、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が、ΔＴ＋２℃の範囲内に収まるようになる。

また、図５に示すように、時刻ｔ３において、Ｔｂ−Ｔａ≧ΔＴ＋２℃となった場合には（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、カソードオフガスの入口圧力を上昇させるようにしてもよい。これは、カソードオフガスの入口圧力を上げると、同じ容積の中で高い圧力と低い圧力で湿度１００％で存在しうる水蒸気量は、高い圧力のほうが、少ない水分量でも１００％になることによる。なお、入口圧力を上昇させるには、背圧弁１５１の開度を絞る（小さくする）ことによって行われる。このように、燃料電池スタック１１０のエア圧力（カソード圧力）を増加させることにより、カソードオフガスの湿度を少ない水分量でも１００％にすることができるので、凝縮水が発生して、蒸発潜熱による温度上昇が抑えられる。その結果、温度差（Ｔｂ−Ｔａ）が、ΔＴ＋２℃の範囲内に収まるようになる。

このように、本実施形態の加湿装置１の加湿効率判定装置では、カソードオフガスの出入口の温度差（Ｔｂ−Ｔａ）を検出することにより、加湿効率が大幅に低下して、加湿能力が不足状態にあることを容易に判断することができる。

また、本実施形態の加湿装置１の加湿効率判定装置を燃料電池システム１００に適用することにより、燃料電池スタック１１０が加湿不足で運転されるのを防止できるため、燃料電池スタック１１０の発電性能が損なわれたり、耐久性が損なわれるといった不具合を防止することができる。

また、本実施形態の加湿装置１を備えた燃料電池システム１００によれば、図３ないし図５に示すように、燃料電池スタック１１０の出力電流、燃料電池スタック１１０へのエア流量（反応ガス流量）、または燃料電池スタック１１０へのエア圧力（反応ガス圧力）を制御することにより、加湿不足になるのを迅速に解消することができる。

なお、本実施形態では、所定値が２℃とした場合を例に挙げて説明したが、通常の温度差（ΔＴ）が大きいものについては、その大きさに応じて２℃の値を適宜調整してもよい。

図６は他の実施形態の加湿装置を備えた燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システム３００は、図１の実施形態の燃料電池システム１００の水素側の流路に、加湿装置１０を追加した構成である。なお、図１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

図６に示す実施形態の燃料電池システム３００は、加湿装置１０のアノードオフガスの入口に入口温度センサ１４３、加湿装置１０のアノードオフガスの出口に出口温度センサ１４４がそれぞれ設けられている。加湿装置１０は、配管１２１ｃを介して希釈器１３２と接続されている。

このような燃料電池システム３００の運転時には、燃料電池スタック１１０のアノードから排出されたアノードオフガス（高湿潤ガス）は、配管１２１ｂを通って加湿装置１０に供給される。加湿装置１０内では、例えば、中空糸膜の内側を水素タンク１２１からの乾燥した水素（低湿潤ガス）が通り、中空糸膜の外側をアノードオフガスが通ることで、中空糸膜に形成された細孔内にアノードオフガスに含まれる水蒸気が入り込む。そして、中空糸膜の細孔内を膜の外側から内側に移動することで、水蒸気が空気に渡されて空気が加湿される。

また、燃料電池システム３００においても、入口温度センサ１４３および出口温度センサ１４４による温度差（Ｔｄ−Ｔｃ）が、通常の温度差（ΔＴ）＋２℃以上となった場合には、加湿能力が不足しているとして、制御部２００によって電力制御器１７１を制御して燃料電池スタック１１０の出力電流を制限し、または水素圧力（アノード圧力）を高める制御を行う。水素圧力を高める手段としては、配管１２１ａに設けた減圧弁（不図示）により制御できる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１１０の運転条件を制御する手段として、図３ないし図５に示す制御を例示して説明したが、図３ないし図５のうち一つの制御に限定されるものではなく、図３ないし図５に示す制御を複数組み合わせてもよい。

また、本実施形態では、中空糸膜を利用した加湿装置１，１０を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、膜に形成された細孔を介して水分交換を行うものであれば、平膜状やスパイラル状などの他の形状の水分交換膜であってもよい。

本実施形態の加湿装置を備えた燃料電池システムを示す全体構成図である。 加湿装置の制御を示すフローチャートである。 温度差と燃料電池の出力電流との関係を示すグラフである。 温度差と燃料電池に供給されるエア流量との関係を示すグラフである。 温度差と燃料電池のエア圧力との関係を示すグラフである。 他の実施形態の加湿装置を備えた燃料電池システムを示す全体構成図である。

符号の説明

１，１０ 加湿装置
１００，３００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１４１，１４３ 入口温度センサ
１４２，１４４ 出口温度センサ
２００ 制御部（加湿効率低下判定部）

Claims (4)

1. 水分交換膜を利用して高湿潤ガスと低湿潤ガスとの間で水分の移動を行う加湿装置において、
   高湿潤ガスが供給される入口の温度を検出する入口温度センサと、
   前記供給された高湿潤ガスが排出される出口の温度を検出する出口温度センサと、
   前記水分交換膜の加湿効率が低下しているかどうかを判定する加湿効率低下判定部と、を備え、
   前記加湿効率低下判定部は、前記入口の温度と前記出口の温度とから温度差を求め、この温度差と、加湿不足の生じていない状態で求められた通常温度差に所定値を加えた温度値とを比較し、前記温度差が前記温度値以上のとき、前記水分交換膜の加湿効率が低下していると判定することを特徴とする加湿装置の加湿効率判定装置。
2. 前記所定値は、２℃であることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置の加湿効率判定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の加湿装置の加湿効率判定装置と、
   反応ガスの反応により発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記加湿効率低下判定部による判定に基づいて、前記燃料電池の運転条件を制御する運転条件制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記運転条件制御手段は、前記燃料電池の運転条件として、前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池への反応ガス流量、前記燃料電池への反応ガス圧力のうちの少なくとも一つを制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

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