JP7137436B2 - fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を冷却するための冷却装置に水を散布する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that sprays water on a cooling device for cooling a fuel cell.

特許文献1では、燃料電池の排気ガスに含まれる水を気液分離器で回収し、回収した水を熱交換器からなる冷却装置に散布する燃料電池システムが提案されている。当該燃料電池システムは、冷却装置に散布された水の蒸発潜熱により、冷却装置の冷却性能を向上させている。 Patent Document 1 proposes a fuel cell system in which water contained in the exhaust gas of a fuel cell is recovered by a gas-liquid separator and the recovered water is sprayed on a cooling device comprising a heat exchanger. The fuel cell system improves the cooling performance of the cooling device by the latent heat of evaporation of the water sprayed on the cooling device.

また、特許文献2では、加湿器で加湿された空気を燃料電池に供給する構成において、燃料電池の状態に応じて加湿器をバイパスする空気量を調整することで、燃料電池に供給される空気の湿度を最適にすることが提案されている。 Further, in Patent Document 2, in a configuration in which air humidified by a humidifier is supplied to a fuel cell, the amount of air bypassing the humidifier is adjusted according to the state of the fuel cell, whereby the air supplied to the fuel cell is adjusted. It is proposed to optimize the humidity of the

特開2001-313054号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-313054 特開2006-120340号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-120340

しかしながら、特許文献1の構成では、気液分離器で回収できる水量が燃料電池の発電量に依存するため、冷却装置に水を散布する必要がある場合に、水が不足する可能性がある。また、特許文献2の構成では、燃料電池に供給される空気の湿度が最適値に制御されているため、燃料電池の排気ガスから回収可能な水量が少ない。 However, in the configuration of Patent Document 1, the amount of water that can be recovered by the gas-liquid separator depends on the amount of power generated by the fuel cell, so there is a possibility that water will run short when it is necessary to spray the cooling device. Moreover, in the configuration of Patent Document 2, the humidity of the air supplied to the fuel cell is controlled to an optimum value, so the amount of water that can be recovered from the exhaust gas of the fuel cell is small.

本発明は上記点に鑑み、燃料電池を冷却する冷却装置を備える燃料電池システムにおいて、冷却装置に散布する水を確保することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel cell system including a cooling device for cooling a fuel cell, and to secure water to be sprayed to the cooling device.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、空気に含まれる酸素と、水素とを電気化学反応させる燃料電池(10)と、熱媒体を用いて熱交換することで燃料電池を冷却する冷却装置(22)と、電気化学反応で発生した気体及び水を含む混合気体から水を分離する気液分離器(30)と、気液分離器で分離した水を冷却装置に散布する散布装置(34、35、36)と、燃料電池に供給される空気を加湿する加湿装置(14)と、加湿装置による加湿量を制御する制御装置(40)とを備える。制御装置は、散布装置による水散布を行う必要がある場合に、加湿装置による加湿量を増大させる。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 provides a fuel cell (10) that electrochemically reacts oxygen contained in the air and hydrogen, and the fuel cell by exchanging heat using a heat medium. A cooling device (22) for cooling, a gas-liquid separator (30) for separating water from a mixed gas containing gas and water generated by the electrochemical reaction, and spraying the water separated by the gas-liquid separator to the cooling device. It comprises a spraying device (34, 35, 36), a humidifying device (14) for humidifying the air supplied to the fuel cell, and a control device (40) for controlling the amount of humidification by the humidifying device. The control device increases the amount of humidification by the humidifier when it is necessary to spray water by the sprinkler.

これにより、燃料電池の排気ガス中の水分量が増大し、気液分離器による水の回収量を増大させることができる。この結果、冷却装置に散布する水を確保することができる。 As a result, the amount of water in the exhaust gas from the fuel cell increases, and the amount of water collected by the gas-liquid separator can be increased. As a result, it is possible to secure the water to be sprayed on the cooling device.

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses of the respective components above indicate the correspondence with specific means described in the embodiments to be described later.

第1実施形態の燃料電池システムの概念図である。1 is a conceptual diagram of a fuel cell system of a first embodiment; FIG. 流量調整弁の制御マップを示す図である。It is a figure which shows the control map of a flow regulating valve. 第1実施形態のバイパス流量制御を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing bypass flow rate control of the first embodiment; 第2実施形態の燃料電池システムの概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to a second embodiment; 第2実施形態のバイパス流量制御を示すフローチャートである。9 is a flowchart showing bypass flow rate control of the second embodiment; 第2実施形態の変形例を説明するための燃料電池の電流電圧特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell for explaining a modified example of the second embodiment;

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の実施形態において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
以下、本発明を適用した第1実施形態の燃料電池システムについて図面を用いて説明する。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給する。
(First embodiment)
A fuel cell system of a first embodiment to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. This fuel cell system is applied to a so-called fuel cell vehicle, which is a type of electric vehicle, and supplies electric power to an electric load such as an electric motor for driving the vehicle.

図1に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池10を備えている。燃料電池10は、図示しないインバータ等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータは、燃料電池10から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ(負荷)に供給してモータを駆動する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell 10 that uses an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen to generate electric power. The fuel cell 10 is configured to supply electric power to an electric device such as an inverter (not shown). The inverter converts the direct current supplied from the fuel cell 10 into an alternating current and supplies the alternating current to the driving motor (load) to drive the motor.

本第1実施形態では、燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されたスタック構造となっている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。 In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and has a stack structure in which a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.

燃料電池10には、水素通路11を介して水素が供給され、空気通路12を介して酸素を含む空気が供給される。水素は、例えば図示しない高圧水素タンクから供給される。空気は、空気通路12に設けられた空気供給装置13によって供給される。本実施形態では、空気供給装置13として空気圧縮機を用いており、加圧した空気を加圧吸気として燃料電池10に供給している。空気供給装置13は、圧縮機モータ(図示せず)と機械的に接続されている。 The fuel cell 10 is supplied with hydrogen through a hydrogen passage 11 and air containing oxygen through an air passage 12 . Hydrogen is supplied, for example, from a high-pressure hydrogen tank (not shown). Air is supplied by an air supply device 13 provided in the air passage 12 . In this embodiment, an air compressor is used as the air supply device 13, and pressurized air is supplied to the fuel cell 10 as pressurized intake air. The air supply device 13 is mechanically connected with a compressor motor (not shown).

燃料電池10では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。 In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

(負極側)H2→2H++2e-
(正極側)2H++1/2O2+2e-→H2
この電気化学反応のためには、燃料電池10内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、空気通路12には、燃料電池10に供給される空気を加湿する加湿装置14が設けられている。加湿装置14で加湿された空気が燃料電池10に供給されることで、燃料電池10内の電解質が加湿される。
(Negative electrode side) H 2 →2H + +2e
(Positive electrode side) 2H + +1/2O 2 +2e →H 2 O
For this electrochemical reaction, the electrolyte membrane in the fuel cell 10 must be in a wet state containing water. For this reason, the air passage 12 is provided with a humidifier 14 that humidifies the air supplied to the fuel cell 10 . The electrolyte in the fuel cell 10 is humidified by supplying the air humidified by the humidifier 14 to the fuel cell 10 .

上記電気化学反応に用いられなかった未反応の水素は、燃料電池10から水素排ガスとして排出され、上記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素は、燃料電池10から空気排ガスとして排出される。 Unreacted hydrogen that has not been used in the electrochemical reaction is discharged from the fuel cell 10 as hydrogen exhaust gas, and unreacted oxygen that has not been used in the electrochemical reaction is discharged from the fuel cell 10 as air exhaust gas. .

燃料電池10では電気化学反応により生成水が発生し、この水分は空気排ガスに含まれた状態で燃料電池10から排出される。燃料電池10から排出される空気排ガスは加湿装置14を通過する。加湿装置14では、空気排ガスに含まれる水蒸気によって、燃料電池10に供給される空気が加湿される。 In the fuel cell 10, generated water is generated by an electrochemical reaction, and this water is discharged from the fuel cell 10 in a state of being contained in air exhaust gas. Air exhaust gas discharged from the fuel cell 10 passes through the humidifier 14 . The humidifier 14 humidifies the air supplied to the fuel cell 10 with water vapor contained in the air exhaust gas.

空気通路12には、燃料電池10に供給される空気が加湿装置14をバイパスするためのバイパス通路15が設けられている。バイパス通路15には、流量調整弁16が設けられている。流量調整弁16は、弁開度を調整することでバイパス通路15の空気流量を調整するバイパス流量調整部である。流量調整弁16の開度制御は、後述する制御装置40によって行われる。 A bypass passage 15 is provided in the air passage 12 so that the air supplied to the fuel cell 10 bypasses the humidifier 14 . A flow control valve 16 is provided in the bypass passage 15 . The flow rate adjustment valve 16 is a bypass flow rate adjustment section that adjusts the air flow rate of the bypass passage 15 by adjusting the opening degree of the valve. The degree of opening of the flow control valve 16 is controlled by a control device 40, which will be described later.

流量調整弁16の開度を調整することで、燃料電池10に供給される空気流量に対するバイパス通路15を通過する空気流量の比(以下、「バイパス流量比」という)を調整することができる。バイパス流量比は、加湿装置14に供給される空気流量とバイパス通路15を通過する空気流量の合計に占めるバイパス通路15を通過する空気流量の割合である。 By adjusting the opening degree of the flow rate control valve 16, the ratio of the flow rate of air passing through the bypass passage 15 to the flow rate of air supplied to the fuel cell 10 (hereinafter referred to as "bypass flow rate ratio") can be adjusted. The bypass flow ratio is the ratio of the air flow rate passing through the bypass passage 15 to the total of the air flow rate supplied to the humidifier 14 and the air flow passing through the bypass passage 15 .

流量調整弁16の開度を大きくすると、バイパス通路15を通過する空気流量の割合が増大し、バイパス流量比が増大する。流量調整弁16の開度を小さくすると、バイパス通路15を通過する空気流量の割合が減少し、バイパス流量比が減少する。 When the opening degree of the flow control valve 16 is increased, the proportion of the air flow passing through the bypass passage 15 increases, and the bypass flow ratio increases. When the opening degree of the flow control valve 16 is decreased, the ratio of the air flow passing through the bypass passage 15 is decreased, and the bypass flow ratio is decreased.

バイパス流量比を調整することで、加湿装置14を通過する空気流量を調整でき、燃料電池10に供給される空気の加湿量を調整できる。具体的には、バイパス流量比を減少させることで、空気の加湿量を増大させることができ、バイパス流量比を増大させることで、空気の加湿量を減少させることができる。本実施形態では、流量調整弁16が燃料電池10に供給される空気の加湿量を調整する加湿量調整部として機能する。 By adjusting the bypass flow rate ratio, the air flow rate passing through the humidifier 14 can be adjusted, and the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 can be adjusted. Specifically, the air humidification amount can be increased by decreasing the bypass flow rate ratio, and the air humidification amount can be decreased by increasing the bypass flow rate ratio. In this embodiment, the flow rate adjustment valve 16 functions as a humidification amount adjustment section that adjusts the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 .

また、燃料電池10に供給される空気の加湿量を調整することで、燃料電池10の空気排ガスに含まれる水分量を調整できる。具体的には、バイパス流量比を減少させ、空気の加湿量を増大させることで、空気排ガス中の水分量を増大させることができる。また、バイパス流量比を増大させ、空気の加湿量を減少させることで、空気排ガス中の水分量を減少させることができる。 Further, by adjusting the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10, the amount of moisture contained in the air exhaust gas of the fuel cell 10 can be adjusted. Specifically, by decreasing the bypass flow rate ratio and increasing the humidification amount of the air, it is possible to increase the moisture content in the air exhaust gas. Also, by increasing the bypass flow rate ratio and decreasing the humidification amount of the air, it is possible to decrease the moisture content in the air exhaust gas.

空気通路12における燃料電池10の下流側には、背圧調整弁17が設けられている。背圧調整弁17は、弁開度を調整することで、燃料電池10の空気背圧を調整することができ、燃料電池10内の空気の圧力を調整することができる。 A back pressure regulating valve 17 is provided downstream of the fuel cell 10 in the air passage 12 . The back pressure adjustment valve 17 can adjust the air back pressure of the fuel cell 10 by adjusting the opening degree of the valve, and can adjust the pressure of the air inside the fuel cell 10 .

燃料電池10は、出力が高くなると温度上昇して電解質が乾燥しやすくなり、発電状態が不安定になるおそれがある。このため、燃料電池10の出力が高くなると、背圧調整弁17によって空気背圧を高くし、電解質膜の乾燥を防止している。 When the output of the fuel cell 10 increases, the temperature of the fuel cell 10 rises, the electrolyte tends to become dry, and the power generation state may become unstable. Therefore, when the output of the fuel cell 10 increases, the air back pressure is increased by the back pressure regulating valve 17 to prevent drying of the electrolyte membrane.

燃料電池10は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する。燃料電池10は、発電効率のために運転中一定温度(例えば80℃程度)に維持する必要がある。また、燃料電池10内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池10を許容温度以下に保持する必要がある。 When the fuel cell 10 generates power, heat is generated by the above electrochemical reaction. The fuel cell 10 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80° C.) during operation for power generation efficiency. In addition, since the electrolyte membrane inside the fuel cell 10 is destroyed by the high temperature when the temperature exceeds a predetermined allowable upper limit temperature, it is necessary to keep the fuel cell 10 below the allowable temperature.

燃料電池システムは、燃料電池10に冷却水を循環供給する冷却水通路20を備えている。冷却水としては、低温時の凍結を防止するために、例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。冷却水通路20には、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ21が設けられている。 The fuel cell system includes a cooling water passage 20 that circulates cooling water to the fuel cell 10 . As cooling water, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at low temperatures. A cooling water pump 21 for circulating the cooling water is provided in the cooling water passage 20 .

冷却水通路20には、ラジエータ22が設けられている。ラジエータ22は、燃料電池10により高温となった冷却水と、ファン23により送風された外気とを熱交換させ、燃料電池10で発生した熱を系外に放出する熱交換器である。つまり、ラジエータ22は、熱媒体を用いて熱交換することで燃料電池10を冷却する冷却装置である。ファン23の回転は、後述の制御装置40によって制御される。 A radiator 22 is provided in the cooling water passage 20 . The radiator 22 is a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water heated by the fuel cell 10 and the outside air blown by the fan 23 and releases the heat generated by the fuel cell 10 to the outside of the system. That is, the radiator 22 is a cooling device that cools the fuel cell 10 by exchanging heat using a heat medium. Rotation of the fan 23 is controlled by a control device 40 which will be described later.

冷却水通路20における燃料電池10の出口側には、燃料電池10から流出した冷却水の温度を検出する水温センサ24が設けられている。燃料電池10から流出した冷却水の温度(つまり、燃料電池10の出口温度)は、ラジエータ22に流入する冷却水の温度(つまり、ラジエータ22の入口温度)ということもできる。 A water temperature sensor 24 for detecting the temperature of the cooling water flowing out from the fuel cell 10 is provided on the outlet side of the fuel cell 10 in the cooling water passage 20 . The temperature of the cooling water flowing out of the fuel cell 10 (that is, the outlet temperature of the fuel cell 10) can also be said to be the temperature of the cooling water that flows into the radiator 22 (that is, the inlet temperature of the radiator 22).

空気通路12における背圧調整弁17の下流側には、燃料電池10の空気排ガス中から水分を分離するための気液分離器30が設けられている。気液分離器30は、空気排ガスに含まれる水分を回収する水回収部である。 A gas-liquid separator 30 is provided downstream of the back pressure regulating valve 17 in the air passage 12 to separate moisture from the air exhaust gas of the fuel cell 10 . The gas-liquid separator 30 is a water recovery unit that recovers moisture contained in air exhaust gas.

気液分離器30の下方には、気液分離器30で回収した水を貯蔵するための貯水タンク31が設けられている。貯水タンク31には、貯水タンク31の貯水量を検出するための貯水量センサ32が設けられている。 A water storage tank 31 for storing the water collected by the gas-liquid separator 30 is provided below the gas-liquid separator 30 . The water storage tank 31 is provided with a water storage amount sensor 32 for detecting the amount of water stored in the water storage tank 31 .

気液分離器30と貯水タンク31は水通路33によって接続されている。気液分離器30で回収された水は、水通路33を介して貯水タンク31に供給される。 The gas-liquid separator 30 and the water storage tank 31 are connected by a water passage 33 . Water recovered by the gas-liquid separator 30 is supplied to the water storage tank 31 through the water passage 33 .

貯水タンク31には、散布用通路34が接続されている。散布用通路34には、貯水タンク31の貯蔵水を散布用通路34に圧送するための散布用ポンプ35が設けられている。散布用通路34には、散布用通路34を流れる水の量を調整するための散布用弁36が設けられている。これらの散布用通路34、散布用ポンプ35、散布用弁36は、ラジエータ22に水を散布する散布装置を構成している。 A spray passage 34 is connected to the water storage tank 31 . The spraying passage 34 is provided with a spraying pump 35 for pressure-feeding the water stored in the water storage tank 31 to the spraying passage 34 . The spraying passage 34 is provided with a spraying valve 36 for adjusting the amount of water flowing through the spraying passage 34 . The spraying passage 34 , the spraying pump 35 , and the spraying valve 36 constitute a spraying device for spraying the radiator 22 with water.

貯水タンク31の貯蔵水は、散布用通路34を介してラジエータ22の表面に供給される。散布用通路34の先端には、図示しない散布ノズルが設けられており、散布用通路34を流れた水はラジエータ22の表面に散布される。ラジエータ22に散布された水は、ラジエータ22の表面で蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用してラジエータ22の冷却能力を向上させることができる。 The water stored in the water storage tank 31 is supplied to the surface of the radiator 22 through the spray passage 34 . A sprinkling nozzle (not shown) is provided at the tip of the sprinkling passage 34 , and the water flowing through the sprinkling passage 34 is sprayed onto the surface of the radiator 22 . The water sprayed on radiator 22 evaporates on the surface of radiator 22 . The latent heat of evaporation of water can be used to improve the cooling capacity of the radiator 22 .

ラジエータ22への水の散布は、ラジエータ22の冷却能力が不足する場合に行われる。本実施形態では、外気温が高い場合にラジエータ22の冷却能力が不足すると判断し、ラジエータ22への水の散布が行われる。 Spraying water to the radiator 22 is performed when the cooling capacity of the radiator 22 is insufficient. In this embodiment, it is determined that the cooling capacity of the radiator 22 is insufficient when the outside air temperature is high, and water is sprayed to the radiator 22 .

図1に示すように、燃料電池システムには、制御装置40が設けられている。制御装置40は、燃料電池システムを構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部である。制御装置40は、CPU、ROM及びRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system is provided with a controller 40 . The control device 40 is a control unit that controls the operation of each controlled device that constitutes the fuel cell system. The control device 40 is composed of a well-known microcomputer including CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits.

制御装置40には、燃料電池10から発電状態を示す情報が入力し、水温センサ24から燃料電池10の出口温度を示すセンサ値が入力し、貯水量センサ32から貯水タンク31の貯水量を示すセンサ値が入力する。また、制御装置40には、外気温センサ41から外気温を示すセンサ値が入力する。制御装置40から、流量調整弁16、背圧調整弁17等の各制御対象機器に制御信号が出力される。制御装置40は、ROMに記憶されている制御プログラムに基づいて、各制御対象機器の作動を制御することができる。 The controller 40 receives information indicating the power generation state from the fuel cell 10, a sensor value indicating the outlet temperature of the fuel cell 10 from the water temperature sensor 24, and a water storage amount sensor 32 indicating the amount of water stored in the water storage tank 31. Enter the sensor value. Further, a sensor value indicating the outside temperature is input from the outside temperature sensor 41 to the control device 40 . A control signal is output from the control device 40 to each device to be controlled such as the flow control valve 16 and the back pressure control valve 17 . The control device 40 can control the operation of each controlled device based on the control program stored in the ROM.

ここで、制御装置40による流量調整弁16の開度制御について説明する。本実施形態では、図2に示す流量制御弁16の制御マップを用いて流量制御弁16の弁開度が制御される。図2に示す制御マップでは、燃料電池10の発電量と流量制御弁16の弁開度が関連付けられている。これらの制御マップは、例えば制御装置40のROMに格納されている。 Here, the opening degree control of the flow control valve 16 by the control device 40 will be described. In this embodiment, the valve opening degree of the flow control valve 16 is controlled using the control map of the flow control valve 16 shown in FIG. In the control map shown in FIG. 2, the power generation amount of the fuel cell 10 and the valve opening degree of the flow control valve 16 are associated. These control maps are stored in the ROM of the control device 40, for example.

燃料電池10の発電量が増大すると、電気化学反応による水の生成量が増大し、燃料電池10の内部水分量が増大する。このため、燃料電池10の発電量の増大に伴って、燃料電池10の供給される空気の加湿量を低減する必要がある。図2に示す制御マップでは、燃料電池10の発電量増大にしたがって、流量調整弁16の開度が大きくなっており、バイパス流量比が大きくなっている。 As the amount of power generated by the fuel cell 10 increases, the amount of water produced by the electrochemical reaction increases, and the internal water content of the fuel cell 10 increases. Therefore, as the power generation amount of the fuel cell 10 increases, it is necessary to reduce the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 . In the control map shown in FIG. 2, as the amount of power generated by the fuel cell 10 increases, the degree of opening of the flow control valve 16 increases and the bypass flow ratio increases.

本実施形態では、流量調整弁16の制御マップが2種類設けられている。図2に示すように、通常制御マップと加湿量増大用マップが設けられている。 In this embodiment, two types of control maps for the flow control valve 16 are provided. As shown in FIG. 2, a normal control map and a humidification amount increasing map are provided.

加湿量増大マップは、通常制御マップに比較して、燃料電池10の発電量に対する流量制御弁16の開度が小さくなっており、バイパス流量比が小さくなっている。加湿量増大マップを用いた場合には、通常制御マップを用いた場合よりも、加湿装置14を通過する空気の割合が増大し、燃料電池10に供給される空気の加湿量が増大する。このため、燃料電池10の空気排ガス中の水分量が増大し、気液分離器30での水の回収量が増大する。 Compared to the normal control map, the humidification amount increase map has a smaller opening degree of the flow control valve 16 with respect to the power generation amount of the fuel cell 10, and has a smaller bypass flow rate ratio. When the humidification amount increase map is used, the ratio of the air passing through the humidifier 14 increases and the humidification amount of the air supplied to the fuel cell 10 increases as compared to when the normal control map is used. Therefore, the amount of water in the air exhaust gas from the fuel cell 10 increases, and the amount of water recovered by the gas-liquid separator 30 increases.

加湿量増大用マップは、加湿装置14による空気の加湿量を増大させる必要がある場合に用いられる。加湿装置14による空気の加湿量を増大させる必要がある場合とは、ラジエータ22に水を散布するために貯水タンク31の貯水量を確保する必要がある場合である。本実施形態では、外気温が高く、かつ、貯水タンク31の貯水量が少なくなっている場合に、加湿装置14による空気の加湿量を増大させる必要があると判断される。 The map for increasing the amount of humidification is used when the amount of humidification of air by the humidifier 14 needs to be increased. A case where it is necessary to increase the amount of humidification of the air by the humidifier 14 is a case where it is necessary to secure the amount of water stored in the water storage tank 31 in order to spray the radiator 22 with water. In this embodiment, when the outside temperature is high and the amount of water stored in the water storage tank 31 is low, it is determined that the humidification amount of air by the humidifier 14 needs to be increased.

次に、本実施形態の燃料電池システムによるバイパス流量制御を図3のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the bypass flow rate control by the fuel cell system of this embodiment will be described based on the flowchart of FIG.

まず、S10の処理で燃料電池システムの起動を行う。続いて、S11の処理で外気温センサ41のセンサ値及び貯水量センサ32のセンサ値を取得する。 First, the fuel cell system is started up in the process of S10. Subsequently, in the process of S11, the sensor value of the outside air temperature sensor 41 and the sensor value of the water storage amount sensor 32 are acquired.

次に、S12の処理で外気温センサ41のセンサ値から特定される外気温が所定温度を上回っているか否かを判定する。所定温度は、ラジエータ22に水を散布する必要性を判断するために基準となる温度であり、任意に設定することができる。 Next, in the process of S12, it is determined whether or not the outside air temperature specified from the sensor value of the outside air temperature sensor 41 exceeds a predetermined temperature. The predetermined temperature is a reference temperature for judging the necessity of spraying water on the radiator 22, and can be set arbitrarily.

S12の判定処理で外気温が所定温度を上回っていないと判定された場合には、燃料電池10に供給される空気の加湿量を増大させる必要がないと判断されるので、S14でバイパス流量比が通常となるように、流量調整弁16の開度を制御する。S14の制御処理では、図2に示す通常制御マップを用いる。 If it is determined in the determination process of S12 that the outside air temperature does not exceed the predetermined temperature, it is determined that it is not necessary to increase the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10. The opening degree of the flow control valve 16 is controlled so that . In the control process of S14, the normal control map shown in FIG. 2 is used.

一方、S12の判定処理で外気温が所定温度を上回っていると判定された場合には、S13で貯水タンク31の貯水量が所定量を下回っているか否かを判定する。所定量は、ラジエータ22に散布する水が貯水タンク31に確保されているか否かを判断するために基準となる貯水量であり、任意に設定することができる。 On the other hand, if it is determined in the determination process of S12 that the outside air temperature exceeds the predetermined temperature, it is determined in S13 whether or not the amount of water stored in the water storage tank 31 is less than the predetermined amount. The predetermined amount is a reference water storage amount for judging whether or not the water to be sprayed to the radiator 22 is secured in the water storage tank 31, and can be set arbitrarily.

S13の判定処理で貯水タンク31の貯水量が所定量を下回っていないと判定された場合には、燃料電池10に供給される空気の加湿量を増大させる必要がないと判断されるので、上述したS14の処理を実行する。 If it is determined in the determination process of S13 that the amount of water stored in the water storage tank 31 has not fallen below the predetermined amount, it is determined that there is no need to increase the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10. Then, the process of S14 is executed.

一方、S13の判定処理で貯水タンク31の貯水量が所定量を下回っていると判定された場合には、燃料電池10に供給される空気の加湿量を増大させる必要があると判断されるのでS15でバイパス流量比が低減されるように、流量調整弁16の開度を制御する。S15の制御処理では、図2に示す加湿量増大用マップを用いる。 On the other hand, if it is determined in the determination process of S13 that the amount of water stored in the water storage tank 31 is less than the predetermined amount, it is determined that the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 needs to be increased. The opening degree of the flow control valve 16 is controlled so that the bypass flow rate is reduced in S15. In the control process of S15, the humidification amount increasing map shown in FIG. 2 is used.

これにより、外気温が高く、かつ、貯水タンク31の貯水量が少なくなっている場合に、加湿装置14による空気の加湿量が増大する。この結果、空気排ガス中の水分量が増大するため、気液分離器30によって回収される水分量を増大させることができ、貯水タンク31の貯水量を増大させることができる。 As a result, when the outside temperature is high and the amount of water stored in the water storage tank 31 is low, the humidification amount of the air by the humidifier 14 is increased. As a result, the amount of moisture in the air exhaust gas increases, so the amount of moisture recovered by the gas-liquid separator 30 can be increased, and the amount of water stored in the water storage tank 31 can be increased.

次に、S16で燃料電池システムを停止させるか否かを判定する。S16の判定処理で燃料電池システムを停止させないと判定された場合には、S11の処理に戻る。一方、燃料電池システムを停止させると判定された場合には、バイパス流量制御処理を終了する。 Next, in S16, it is determined whether or not to stop the fuel cell system. If it is determined not to stop the fuel cell system in the determination process of S16, the process returns to S11. On the other hand, if it is determined to stop the fuel cell system, the bypass flow rate control process is terminated.

以上説明した本実施形態によれば、外気温が高く、かつ、貯水タンク31の貯水量が少なくなっている場合に、加湿装置14による空気の加湿量を増大させている。これにより、燃料電池10の排気ガス中の水分量が増大し、気液分離器30による水の回収量が増大し、貯水タンク31の貯水量が増大する。この結果、ラジエータ22に水を散布する場合に水を確保することができる。 According to the present embodiment described above, when the outside temperature is high and the amount of water stored in the water storage tank 31 is low, the humidification amount of the air by the humidification device 14 is increased. As a result, the amount of water in the exhaust gas from the fuel cell 10 increases, the amount of water collected by the gas-liquid separator 30 increases, and the amount of water stored in the water storage tank 31 increases. As a result, water can be secured when spraying water to the radiator 22 .

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本第2実施形態では、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the invention will be described. In the second embodiment, only parts different from the first embodiment will be described.

上記第1実施形態では、ラジエータ22に水を散布する必要性が高い場合に、加湿装置14による空気の加湿量を増大させるようにした。このように、燃料電池10に供給される空気の加湿量を増大させると、燃料電池10内のガス流路が水で閉塞するいわゆるフラッディングが発生する可能性がある。このため、本第2実施形態では、燃料電池10でフラッディングが発生した場合に、燃料電池10内から水分を排出するパージを行う。 In the above-described first embodiment, the amount of humidification of air by the humidifier 14 is increased when the need to sprinkle water on the radiator 22 is high. If the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 is increased in this way, so-called flooding may occur, in which the gas flow path inside the fuel cell 10 is blocked by water. Therefore, in the second embodiment, when flooding occurs in the fuel cell 10, purging is performed to discharge moisture from the fuel cell 10. FIG.

図4に示すように、本第2実施形態の制御装置40は、燃料電池10のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部40aとしての機能を備えている。制御装置40は、例えば周知の交流インピーダンス法を用いて燃料電池10のインピーダンスを検出することができる。 As shown in FIG. 4, the control device 40 of the second embodiment functions as an impedance detector 40a that detects the impedance of the fuel cell 10. As shown in FIG. The controller 40 can detect the impedance of the fuel cell 10 using, for example, a well-known AC impedance method.

燃料電池10の電解質膜は、水分量が増加すると、その膜抵抗(即ち、インピーダンス)が低下する傾向を示す。即ち、当該インピーダンスは、燃料電池10の内部水分量と相関関係がある物理量である。このため、本第2実施形態では、燃料電池10のインピーダンスに基づいて燃料電池10の内部水分量を推定し、燃料電池10でフラッディングが発生しているか否かを判断する。 The electrolyte membrane of the fuel cell 10 tends to decrease its membrane resistance (that is, impedance) as the water content increases. That is, the impedance is a physical quantity that has a correlation with the internal water content of the fuel cell 10 . Therefore, in the second embodiment, the internal water content of the fuel cell 10 is estimated based on the impedance of the fuel cell 10, and it is determined whether or not flooding occurs in the fuel cell 10. FIG.

次に、本第2実施形態の燃料電池システムによるバイパス流量制御を図5のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the bypass flow rate control by the fuel cell system of the second embodiment will be explained based on the flow chart of FIG.

本第2実施形態では、図5に示すように、S15の処理でバイパス流量比が低減されるように流量調整弁16の開度制御を行った後、S17の処理で燃料電池10でフラッディングが発生しているか否かを判定する。S17では、インピーダンスが所定値を下回っている場合に、フラッディングが発生していると判定する。所定値は、燃料電池10でフラッディングが発生しているか否かを判断するために基準となる値であり、任意に設定することができる。 In the second embodiment, as shown in FIG. 5, after the flow control valve 16 is controlled to reduce the bypass flow rate in the process of S15, flooding is prevented in the fuel cell 10 in the process of S17. Determine whether or not it has occurred. In S17, when the impedance is below a predetermined value, it is determined that flooding has occurred. The predetermined value is a reference value for determining whether or not flooding is occurring in the fuel cell 10, and can be set arbitrarily.

S17の判定処理でフラッディングが発生していないと判定された場合には、S18の処理で空気供給装置13から燃料電池10に供給される空気流量を通常とする。一方、S17の判定処理でフラッディングが発生していると判定された場合には、S19でバイパス流量比が通常となるように、流量調整弁16の開度を制御する。そして、S20の処理で空気供給装置13から燃料電池10に供給される空気流量を増大させる。これにより、増大した空気流によって燃料電池10の内部から余剰の水分を排出することができる。 If it is determined in the determination process of S17 that flooding has not occurred, the air flow rate supplied from the air supply device 13 to the fuel cell 10 is set to normal in the process of S18. On the other hand, when it is determined that flooding is occurring in the determination process of S17, the opening degree of the flow rate adjustment valve 16 is controlled so that the bypass flow rate ratio becomes normal in S19. Then, in the process of S20, the flow rate of air supplied from the air supply device 13 to the fuel cell 10 is increased. As a result, excess moisture can be discharged from the interior of the fuel cell 10 by the increased airflow.

以上説明した本第2実施形態によれば、燃料電池10への供給空気の加湿量を増加させた結果、フラッディングが発生した場合に、燃料電池10への空気供給量を増加させることで、燃料電池10の内部から水分を排出でき、フラッディングを解消することができる。 According to the second embodiment described above, when flooding occurs as a result of increasing the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10, by increasing the amount of air supplied to the fuel cell 10, the fuel is Moisture can be discharged from the inside of the battery 10, and flooding can be eliminated.

(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified as follows without departing from the scope of the present invention. Moreover, the means disclosed in each of the above embodiments may be appropriately combined within the practicable range.

(1)上記第1実施形態では、本実施形態では、外気温が所定温度を上回っており、かつ、貯水タンク31の貯水量が所定量を下回っている場合に、加湿装置14による加湿量を増大させたが、これに限らず、いずれか一方の条件が成立した場合に加湿装置14による加湿量を増大させてもよい。つまり、外気温が所定温度を上回っている場合に加湿装置14による加湿量を増大させてもよく、または貯水タンク31の貯水量が所定量を下回っている場合に加湿装置14による加湿量を増大させてもよい。 (1) In the above-described first embodiment, when the outside air temperature exceeds the predetermined temperature and the amount of water stored in the water storage tank 31 is less than the predetermined amount, the amount of humidification by the humidifying device 14 is reduced. Although it is increased, the amount of humidification by the humidifying device 14 may be increased when either one of the conditions is satisfied. In other words, the amount of humidification by the humidifier 14 may be increased when the outside air temperature exceeds a predetermined temperature, or the amount of humidification by the humidifier 14 may be increased when the amount of water stored in the water storage tank 31 is below a predetermined amount. You may let

(2)上記第1実施形態では、バイパス流量比を低減することで、燃料電池10に供給される空気の加湿量を増大させるようにしたが、これに限らず、加湿装置14が空気への加湿量を調整可能となっている場合には、加湿装置14による加湿量を増大させることで、燃料電池10に供給される空気の加湿量を増大させるようにしてもよい。 (2) In the first embodiment, the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 is increased by reducing the bypass flow rate ratio. If the amount of humidification is adjustable, the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 may be increased by increasing the amount of humidification by the humidifier 14 .

(3)上記第1実施形態では、外気温が所定温度を上回った場合に、ラジエータ22に水を散布する必要があると判断するようにしたが、これに限らず、外気温以外の物理量に基づいてラジエータ22への水散布の必要性を判断してもよい。例えば燃料電池10が高負荷となった場合には、燃料電池10の発熱量が増大してラジエータ22の冷却能力が不足すると推測される。このため、燃料電池10の発電量が所定値を上回った場合に、ラジエータ22に水を散布する必要があると判断してもよい。 (3) In the first embodiment, it is determined that it is necessary to spray water to the radiator 22 when the outside air temperature exceeds a predetermined temperature. Based on this, the necessity of spraying water to the radiator 22 may be determined. For example, when the load on the fuel cell 10 becomes high, it is presumed that the amount of heat generated by the fuel cell 10 increases and the cooling capacity of the radiator 22 becomes insufficient. Therefore, it may be determined that water needs to be sprayed on the radiator 22 when the amount of power generated by the fuel cell 10 exceeds a predetermined value.

(4)上記第2実施形態では、燃料電池10のインピーダンスに基づいてフラッディングの発生を判定するようにしたが、燃料電池10のインピーダンスに限らず、燃料電池10の内部水分量と相関関係がある物理量に基づいてフラッディング発生の判定を行うことができる。例えば、燃料電池10の内部水分量と相関関係がある物理量として燃料電池10の電流I及び電圧Vの関係である電流電圧特性(IV特性)を用い、電流電圧特性に基づいてフラッディングの発生を判定するようにしてもよい。 (4) In the second embodiment, the occurrence of flooding is determined based on the impedance of the fuel cell 10. However, there is a correlation not only with the impedance of the fuel cell 10 but also with the internal water content of the fuel cell 10. The occurrence of flooding can be determined based on the physical quantity. For example, the current-voltage characteristic (IV characteristic), which is the relationship between the current I and the voltage V of the fuel cell 10, is used as a physical quantity correlated with the internal water content of the fuel cell 10, and the occurrence of flooding is determined based on the current-voltage characteristic. You may make it

図6では、燃料電池10の内部水分量が適正である場合の電流電圧特性を基準特性として示している。図6における斜線で示す部分は、燃料電池10でフラッディングが発生していると判断されるフラッディング領域である。フラッディング領域では、燃料電池10の電流電圧特性が基準特性よりも低下している。 In FIG. 6, current-voltage characteristics when the internal water content of the fuel cell 10 is appropriate are shown as reference characteristics. A hatched portion in FIG. 6 is a flooding region where it is determined that flooding is occurring in the fuel cell 10 . In the flooding region, the current-voltage characteristics of the fuel cell 10 are lower than the reference characteristics.

制御装置40は、燃料電池10の電流値及び電圧値に基づいて電流電圧特性を取得する電流電圧特性取得部として機能する。基準特性は予め設定しておき、例えば制御装置40のROMに格納しておけばよい。 The control device 40 functions as a current-voltage characteristic acquisition unit that acquires current-voltage characteristics based on the current value and voltage value of the fuel cell 10 . The reference characteristics may be set in advance and stored in the ROM of the control device 40, for example.

燃料電池10の内部水分量が過剰である場合は、燃料電池10の内部水分量が適正である場合に比べて、燃料電池10の発電効率が低下し、電流電圧特性が低下する。このため、燃料電池10への供給空気の加湿量を増大させた後で燃料電池10の電流及び電圧を取得し、この電流電圧特性が基準特性よりも下回っている場合に、燃料電池10の内部水分量が過剰になっており、フラッディングが発生していると判断できる。 When the internal water content of the fuel cell 10 is excessive, the power generation efficiency of the fuel cell 10 is lower than when the internal water content of the fuel cell 10 is appropriate, resulting in lower current-voltage characteristics. Therefore, after increasing the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10, the current and voltage of the fuel cell 10 are obtained, and if the current-voltage characteristics are lower than the reference characteristics, the internal temperature of the fuel cell 10 It can be determined that the water content is excessive and that flooding is occurring.

10 燃料電池
13 空気供給装置
14 加湿装置
15 バイパス通路
16 流量調整弁
22 ラジエータ(冷却装置)
30 気液分離器
31 貯水タンク
32 貯水量センサ
34 散布用通路(散布装置)
35 散布用ポンプ(散布装置)
36 散布用弁(散布装置)
40 制御装置
40a インピーダンス検出部
41 外気温センサ
REFERENCE SIGNS LIST 10 fuel cell 13 air supply device 14 humidifier 15 bypass passage 16 flow control valve 22 radiator (cooling device)
30 gas-liquid separator 31 water storage tank 32 water storage sensor 34 passage for spraying (spraying device)
35 Sprinkling pump (Spraying device)
36 Sprinkling valve (Spraying device)
40 control device 40a impedance detector 41 outside air temperature sensor

Claims (8)

空気に含まれる酸素と、水素とを電気化学反応させる燃料電池(10)と、
熱媒体を用いて熱交換することで前記燃料電池を冷却する冷却装置(22)と、
前記電気化学反応で発生した気体及び水を含む混合気体から水を分離する気液分離器(30)と、
前記気液分離器で分離した水を前記冷却装置に散布する散布装置(34、35、36)と、
前記燃料電池に供給される空気を加湿する加湿装置(14)と、
前記加湿装置による加湿量を制御する制御装置(40)と、
を備え、
前記制御装置は、前記散布装置による水散布を行う必要がある場合に、前記加湿装置による加湿量を増大させる燃料電池システム。
a fuel cell (10) that electrochemically reacts oxygen contained in the air with hydrogen;
a cooling device (22) that cools the fuel cell by exchanging heat using a heat medium;
a gas-liquid separator (30) for separating water from a mixed gas containing gas and water generated by the electrochemical reaction;
a spraying device (34, 35, 36) for spraying the water separated by the gas-liquid separator to the cooling device;
a humidifier (14) for humidifying the air supplied to the fuel cell;
a control device (40) for controlling the amount of humidification by the humidifying device;
with
The controller increases the amount of humidification by the humidifier when the sprinkler needs to spray water.
前記燃料電池に供給される空気が前記加湿装置をバイパスするためのバイパス通路(15)を備え、
前記制御装置は、前記バイパス通路を通過する空気量を減少させることで、前記加湿装置に供給される空気量を増大させ、前記加湿装置による加湿量を増大させる請求項1に記載の燃料電池システム。
a bypass passage (15) for the air supplied to the fuel cell to bypass the humidifier;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device increases the amount of air supplied to the humidifier by reducing the amount of air passing through the bypass passage, thereby increasing the amount of humidification by the humidifier. .
外気温を検出する外気温センサ(41)を備え、
前記制御装置は、前記外気温センサで検出した外気温が所定温度を上回っている場合に、前記加湿装置による加湿量を増大させる請求項1または2に記載の燃料電池システム。
Equipped with an outside temperature sensor (41) that detects the outside temperature,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller increases the amount of humidification by the humidifier when the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor exceeds a predetermined temperature.
前記気液分離で分離した水を貯蔵する貯水タンク(31)と、
前記貯水タンクの貯水量を検出する貯水量センサ(32)と、
を備え、
前記制御装置は、前記貯水量センサで検出した前記貯水タンクの貯水量が所定量を下回っている場合に、前記加湿装置による加湿量を増大させる請求項1または2に記載の燃料電池システム。
a water storage tank (31) for storing water separated by the gas-liquid separator ;
a water storage sensor (32) for detecting the water storage volume of the water storage tank;
with
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device increases the amount of humidification by the humidifier when the amount of water stored in the water storage tank detected by the water storage amount sensor is below a predetermined amount.
外気温を検出する外気温センサ(41)と、
前記気液分離で分離した水を貯蔵する貯水タンク(31)と
前記貯水タンクの貯水量を検出する貯水量センサ(32)と、
を備え、
前記制御装置は、前記外気温センサで検出した外気温が所定温度を上回っており、かつ、前記貯水量センサで検出した前記貯水タンクの貯水量が所定量を下回っている場合に、前記加湿装置による加湿量を増大させる請求項1または2に記載の燃料電池システム。
an outside temperature sensor (41) for detecting outside temperature;
a water storage tank (31) for storing the water separated by the gas-liquid separator ; a water storage amount sensor (32) for detecting the amount of water stored in the water storage tank;
with
When the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor exceeds a predetermined temperature and the amount of water stored in the water storage tank detected by the water storage amount sensor is below a predetermined amount, the controller controls the humidification device. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of humidification by is increased.
前記電気化学反応に用いられる空気を前記燃料電池に供給する空気供給装置(13)を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の内部でフラッディングが発生していると判定された場合に、前記空気供給装置による空気の供給量を増大させる請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
An air supply device (13) that supplies air used for the electrochemical reaction to the fuel cell,
6. The fuel according to any one of claims 1 to 5, wherein the control device increases the amount of air supplied by the air supply device when it is determined that flooding is occurring inside the fuel cell. battery system.
前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部(40a)を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池のインピーダンスが所定値を下回った場合に、前記燃料電池の内部でフラッディングが発生していると判定する請求項6に記載の燃料電池システム。
An impedance detection unit (40a) for detecting the impedance of the fuel cell,
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein said control device determines that flooding is occurring inside said fuel cell when the impedance of said fuel cell falls below a predetermined value.
前記燃料電池の電流及び電圧から電流電圧特性を取得する電流電圧特性取得部を備え、
前記制御装置は、前記電流電圧特性が所定の基準特性を下回った場合に、前記燃料電池の内部でフラッディングが発生していると判定する請求項6に記載の燃料電池システム。
A current-voltage characteristic acquisition unit that acquires current-voltage characteristics from the current and voltage of the fuel cell,
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein said control device determines that flooding is occurring inside said fuel cell when said current-voltage characteristic falls below a predetermined reference characteristic.
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