JP7238805B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本願は燃料電池システムを開示する。
燃料電池の発電性能を高めるためには、燃料電池に対して必要十分な流量にてカソードガスやアノードガスを供給することが望ましい。そのためには、燃料電池に供給されるカソードガス及びアノードガスの各々の流量を正確に把握する必要がある。例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池のカソードガス供給口に流量計を設置して、燃料電池に供給されるカソードガス流量を計測することがあり得る。
尚、特許文献１、２に開示されているように、燃料電池にカソードガスを供給する場合、コンプレッサによってカソードガスを昇圧する場合がある。
燃料電池は、高出力要求時や高温運転時のような高負荷運転時に、カソードガスの流量を増加させ、且つ、ガスの圧力を高める場合がある。その際の過渡段階では、カソードガス流路におけるガスの温度や圧力が大きく変動する。また、分流制御によって燃料電池に供給されるカソードガス流量を絞る場合もある。この場合もカソードガス流路における圧力が変動し易い。例えば、燃料電池のカソードガス供給口の近傍においては、燃料電池の運転状況によっては、ガス温度が外気温から１００℃まで、ガス圧力が大気圧から３気圧まで、１秒以下で変動する場合がある。
一方、ガス流量計は圧力センサや温度センサで得られた数値によって補正しつつガス流量を計測するものが一般的である。当該ガス流量計は温度や圧力が急激に変化しない環境での使用を想定しており、温度や圧力の急激な変化に対して応答性が低い。よって、上記のような温度や圧力が急激に変動する環境では、ガス流量計の補正が間に合わず、ガス流量計の計測精度が悪化し、燃料電池に供給されるガス流量を正確に把握できない虞がある。
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
燃料電池、
前記燃料電池にカソードガスを供給する第１流路、
前記燃料電池からカソードオフガスを排出する第２流路、
前記第１流路から分岐して前記第２流路に接続されたバイパス流路、
前記第１流路に設けられたコンプレッサ、
前記第１流路に設けられた第１流量計、
前記バイパス流路に設けられた流量調整弁、
前記バイパス流路に設けられた第２流量計、及び、
前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を制御する制御部
を備え、
前記コンプレッサは前記バイパス流路よりも上流側に配置され、
前記第１流量計は前記コンプレッサよりも上流側に配置され、
前記第２流量計は前記流量調整弁よりも下流側に配置され、
前記制御部は前記第１流量計によって計測された流量と前記第２流量計によって計測された流量とに基づいて前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を制御する、
燃料電池システムを開示する。
燃料電池、
前記燃料電池にカソードガスを供給する第１流路、
前記燃料電池からカソードオフガスを排出する第２流路、
前記第１流路から分岐して前記第２流路に接続されたバイパス流路、
前記第１流路に設けられたコンプレッサ、
前記第１流路に設けられた第１流量計、
前記バイパス流路に設けられた流量調整弁、
前記バイパス流路に設けられた第２流量計、及び、
前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を制御する制御部
を備え、
前記コンプレッサは前記バイパス流路よりも上流側に配置され、
前記第１流量計は前記コンプレッサよりも上流側に配置され、
前記第２流量計は前記流量調整弁よりも下流側に配置され、
前記制御部は前記第１流量計によって計測された流量と前記第２流量計によって計測された流量とに基づいて前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を制御する、
燃料電池システムを開示する。
本開示の燃料システムにおいて、前記第１流路に加湿器が設けられてもよく、前記加湿器は前記燃料電池と前記バイパス流路との間に配置されてもよく、前記加湿器は前記燃料電池から前記第２流路に排出されたカソードオフガス中の水分を利用して前記燃料電池の内部を加湿するものであってもよい。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記第１流路にクリーナが設けられてもよく、前記クリーナが前記コンプレッサよりも上流側に配置されてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記クリーナが前記第１流量計を備えてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、カソードガス流路におけるガスの温度や圧力が大きく変動する場合であっても、例えば一般的なガス流量計を用いて、燃料電池に供給されるカソードガスの流量を精度よく計測及び制御することができる。
１．燃料電池システム
図１に燃料電池システム１００の構成を概略的に示す。図１に示されるように、燃料電池１００は、
燃料電池１、
燃料電池１にカソードガスを供給する第１流路１１、
燃料電池１からカソードオフガスを排出する第２流路１２、
第１流路１１から分岐して第２流路１２に接続されたバイパス流路１３、
第１流路１１に設けられたコンプレッサ２０、
第１流路１１に設けられた第１流量計３１、
バイパス流路１３に設けられた流量調整弁４０、
バイパス流路１３に設けられた第２流量計３２、及び、
燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御する制御部５０を備える。
コンプレッサ２０はバイパス流路１３よりも上流側に配置される。
第１流量計３１はコンプレッサ２０よりも上流側に配置される。
第２流量計３２は流量調整弁４０よりも下流側に配置される。
制御部５０は第１流量計３１によって計測された流量と第２流量計３２によって計測された流量とに基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御する。
図１に燃料電池システム１００の構成を概略的に示す。図１に示されるように、燃料電池１００は、
燃料電池１、
燃料電池１にカソードガスを供給する第１流路１１、
燃料電池１からカソードオフガスを排出する第２流路１２、
第１流路１１から分岐して第２流路１２に接続されたバイパス流路１３、
第１流路１１に設けられたコンプレッサ２０、
第１流路１１に設けられた第１流量計３１、
バイパス流路１３に設けられた流量調整弁４０、
バイパス流路１３に設けられた第２流量計３２、及び、
燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御する制御部５０を備える。
コンプレッサ２０はバイパス流路１３よりも上流側に配置される。
第１流量計３１はコンプレッサ２０よりも上流側に配置される。
第２流量計３２は流量調整弁４０よりも下流側に配置される。
制御部５０は第１流量計３１によって計測された流量と第２流量計３２によって計測された流量とに基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御する。
１．１ 燃料電池
燃料電池１はカソードガス及びアノードガスの供給を受けて発電する。カソードガスは空気等の酸素含有ガスであってもよい。一方、アノードガスは水素であってもよいし、水素以外の燃料ガスであってもよい。燃料電池１の具体例としては固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。燃料電池１は燃料電池スタックであってもよい。燃料電池１と後述の流路との接続形態は特に限定されるものではなく、例えば、一般的な配管接続とすればよい。
燃料電池１はカソードガス及びアノードガスの供給を受けて発電する。カソードガスは空気等の酸素含有ガスであってもよい。一方、アノードガスは水素であってもよいし、水素以外の燃料ガスであってもよい。燃料電池１の具体例としては固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。燃料電池１は燃料電池スタックであってもよい。燃料電池１と後述の流路との接続形態は特に限定されるものではなく、例えば、一般的な配管接続とすればよい。
１．２ 第１流路
第１流路１１は燃料電池１にカソードガスを供給するための流路である。例えば、第１流路１１の上流側の一端がカソードガス源に接続され、下流側の他端が燃料電池１のカソードガス供給口に接続されてもよい。カソードガス源の形態は特に限定されない。カソードガスとして空気を利用する場合は、第１流路１１の上流側の一端が大気に開放されていてもよい。
第１流路１１は燃料電池１にカソードガスを供給するための流路である。例えば、第１流路１１の上流側の一端がカソードガス源に接続され、下流側の他端が燃料電池１のカソードガス供給口に接続されてもよい。カソードガス源の形態は特に限定されない。カソードガスとして空気を利用する場合は、第１流路１１の上流側の一端が大気に開放されていてもよい。
１．３ 第２流路
第２流路１２は燃料電池１からカソードオフガスを排出するための流路である。例えば、第２流路１２の上流側の一端が燃料電池１のカソードオフガス排出口に接続され、下流側の他端が大気に開放されてもよい。カソードオフガスは、燃料電池１のカソードにおいて電池反応によって生成したガスを含む。カソードオフガスは、例えば、酸素や水を含み得る。
第２流路１２は燃料電池１からカソードオフガスを排出するための流路である。例えば、第２流路１２の上流側の一端が燃料電池１のカソードオフガス排出口に接続され、下流側の他端が大気に開放されてもよい。カソードオフガスは、燃料電池１のカソードにおいて電池反応によって生成したガスを含む。カソードオフガスは、例えば、酸素や水を含み得る。
１．４ バイパス流路
バイパス流路１３は第１流路１１から分岐して第２流路１２に接続される。バイパス流路１３は、例えば、第１流路１１内のカソードガスの流量や圧力が過剰となった場合に、過剰分のカソードガスを第１流路１１から第２流路１２へと排出する流路として機能し得る。また、バイパス流路１３は、後述するコンプレッサ２０がターボ型コンプレッサ（例えば、遠心式コンプレッサ）であった場合に、当該ターボ型コンプレッサのサージングを回避するための流路としても機能し得る。すなわち、燃料電池１に必要なカソードガス流量がターボ型コンプレッサの下限流量を下回る場合に、バイパス流路１３を利用してターボ型コンプレッサのカソードガス流量を下限流量以上に維持してサージングを回避しつつ、バイパス流路１３にカソードガスの一部を分流させることで、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を調整することができる。さらに、バイパス流路１３は、何らかの理由で燃料電池１へのカソードガスの供給を絞りたい又は遮断したい場合に、当該カソードガスを排出するための流路としても機能し得る。
バイパス流路１３は第１流路１１から分岐して第２流路１２に接続される。バイパス流路１３は、例えば、第１流路１１内のカソードガスの流量や圧力が過剰となった場合に、過剰分のカソードガスを第１流路１１から第２流路１２へと排出する流路として機能し得る。また、バイパス流路１３は、後述するコンプレッサ２０がターボ型コンプレッサ（例えば、遠心式コンプレッサ）であった場合に、当該ターボ型コンプレッサのサージングを回避するための流路としても機能し得る。すなわち、燃料電池１に必要なカソードガス流量がターボ型コンプレッサの下限流量を下回る場合に、バイパス流路１３を利用してターボ型コンプレッサのカソードガス流量を下限流量以上に維持してサージングを回避しつつ、バイパス流路１３にカソードガスの一部を分流させることで、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を調整することができる。さらに、バイパス流路１３は、何らかの理由で燃料電池１へのカソードガスの供給を絞りたい又は遮断したい場合に、当該カソードガスを排出するための流路としても機能し得る。
１．５ コンプレッサ
第１流路１１にはコンプレッサ２０が設けられる。コンプレッサ２０はバイパス流路１３よりも上流側に配置される。コンプレッサ２０は燃料電池１へと供給されるカソードガスの圧力を高める機能を有する。コンプレッサ２０の種類は特に限定されるものではない。コンプレッサ２０は、例えば、ターボ型であってもよいし、スクロール式であってもよいし、ヘリカルルーツ式であってもよい。いずれのコンプレッサ２０を採用した場合でも、コンプレッサ２０よりも下流側の第１流路１１において、上述した温度変動や圧力変動が生じ得る。
第１流路１１にはコンプレッサ２０が設けられる。コンプレッサ２０はバイパス流路１３よりも上流側に配置される。コンプレッサ２０は燃料電池１へと供給されるカソードガスの圧力を高める機能を有する。コンプレッサ２０の種類は特に限定されるものではない。コンプレッサ２０は、例えば、ターボ型であってもよいし、スクロール式であってもよいし、ヘリカルルーツ式であってもよい。いずれのコンプレッサ２０を採用した場合でも、コンプレッサ２０よりも下流側の第１流路１１において、上述した温度変動や圧力変動が生じ得る。
１．６ 第１流量計
第１流路１１には第１流量計３１が設けられる。第１流量計３１はコンプレッサ２０よりも上流側に配置される。ここで、コンプレッサ２０よりも上流側は、コンプレッサ２０の下流側における上記温度変動や圧力変動の影響を受け難い。そのため、第１流路１１においてコンプレッサ２０へと流れ込むカソードガスの流量が、第１流量計３１によって精度よく計測される。第１流量計３１の計測方式は特に限定されるものではない。例えば、熱式の流量計を用いてもよい。本開示の燃料電池システム１００においては、第１流量計３１として高コストの専用品を用いる必要はなく、安価な汎用品を用いてもよい。
第１流路１１には第１流量計３１が設けられる。第１流量計３１はコンプレッサ２０よりも上流側に配置される。ここで、コンプレッサ２０よりも上流側は、コンプレッサ２０の下流側における上記温度変動や圧力変動の影響を受け難い。そのため、第１流路１１においてコンプレッサ２０へと流れ込むカソードガスの流量が、第１流量計３１によって精度よく計測される。第１流量計３１の計測方式は特に限定されるものではない。例えば、熱式の流量計を用いてもよい。本開示の燃料電池システム１００においては、第１流量計３１として高コストの専用品を用いる必要はなく、安価な汎用品を用いてもよい。
１．７ 流量調整弁
バイパス流路１３には流量調整弁４０が設けられる。上述したように、燃料電池１の運転状況等に応じて、第１流路１１からバイパス流路１３へとカソードガスの一部を分流させる場合がある。この場合、流量調整弁４０の開度を調整することで、バイパス流路１３へと分流させるカソードガスの流量を調整することができる。流量調整弁４０はバイパス流路１３におけるカソードガスの流量を増減可能な弁であればよく、その具体的な形態は特に限定されるものではない。
バイパス流路１３には流量調整弁４０が設けられる。上述したように、燃料電池１の運転状況等に応じて、第１流路１１からバイパス流路１３へとカソードガスの一部を分流させる場合がある。この場合、流量調整弁４０の開度を調整することで、バイパス流路１３へと分流させるカソードガスの流量を調整することができる。流量調整弁４０はバイパス流路１３におけるカソードガスの流量を増減可能な弁であればよく、その具体的な形態は特に限定されるものではない。
１．８ 第２流量計
バイパス流路１３には第２流量計３２が設けられる。第２流量計３２は流量調整弁４０よりも下流側に配置される。ここで、流量調整弁４０よりも下流側は、第１流路１における圧力変動や温度変動の影響を受け難い。例えば、流量調整弁４０よりも下流側においては、コンプレッサ２０によって圧縮された温度や圧力変動の大きなカソードガスではなく、外気温及び大気圧に近いカソードガスが流れることとなる。そのため、バイパス流路１３に流れるカソードガス流量が、第２流量計３２によって精度よく計測される。第２流量計３２の計測方式は特に限定されるものではない。例えば、熱式の流量計を用いてもよい。本開示の燃料電池システム１００においては、第２流量計３２として高コストの専用品を用いる必要はなく、安価な汎用品を用いてもよい。
バイパス流路１３には第２流量計３２が設けられる。第２流量計３２は流量調整弁４０よりも下流側に配置される。ここで、流量調整弁４０よりも下流側は、第１流路１における圧力変動や温度変動の影響を受け難い。例えば、流量調整弁４０よりも下流側においては、コンプレッサ２０によって圧縮された温度や圧力変動の大きなカソードガスではなく、外気温及び大気圧に近いカソードガスが流れることとなる。そのため、バイパス流路１３に流れるカソードガス流量が、第２流量計３２によって精度よく計測される。第２流量計３２の計測方式は特に限定されるものではない。例えば、熱式の流量計を用いてもよい。本開示の燃料電池システム１００においては、第２流量計３２として高コストの専用品を用いる必要はなく、安価な汎用品を用いてもよい。
１．９ 制御部
制御部５０は第１流量計３１によって計測された流量と第２流量計３２によって計測された流量とに基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御する。制御部５０は一般的な制御手段と同様に構成すればよい。すなわち、制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え得る。
制御部５０は第１流量計３１によって計測された流量と第２流量計３２によって計測された流量とに基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御する。制御部５０は一般的な制御手段と同様に構成すればよい。すなわち、制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え得る。
上述したように、燃料電池システム１００においては、第１流量計３１によって、コンプレッサ２０へと流れ込むカソードガスの流量（流量Ｘ）が精度よく計測される。ここで、コンプレッサ２０へと流れるカソードガスの流量は、コンプレッサ２０から下流側へと流れ出すカソードガスの流量と実質的に等しい。或いは、コンプレッサ２０の性能を考慮して、コンプレッサ２０へと流れ込むカソードガスの流量から、コンプレッサ２０から下流へと流れ出すカソードガスの流量を容易に特定できる。また、燃料電池システム１００においては、第２流量計３２によって、コンプレッサ２０から燃料電池１へと供給されずにバイパス流路１３へと分流したカソードガス流量（流量Ｙ）が精度よく計測される。図１に示される燃料電池システム１００においては、その構成上明らかなように、例えば、流量Ｘと流量Ｙとの差分の流量（Ｘ－Ｙ）が燃料電池１に供給されるカソードガス流量と実質的に等しいものといえる。
よって、制御部５０は、流量Ｘと流量Ｙとの差分から燃料電池１に供給されるカソードガスの流量の推定値を求め、当該推定値に基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御してもよい。具体的には、例えば、カソードガスの流量の推定値が燃料電池１に必要なカソードガス流量を下回っていた場合、制御部５０からの信号によって、コンプレッサ２０のカソードガス流量を増加させたり、流量調整弁４０の開度を小さくしたりすることで、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を必要値まで増加させることができる。また、カソードガスの流量の推定値が燃料電池１に必要なカソードガス流量を上回っていた場合、制御部５０からの信号によって、コンプレッサ２０のカソードガス流量を減少させたり、流量調整弁４０の開度を大きくしたりすることで、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を必要値まで減少させることができる。
或いは、後述するように、第１流路１１や第２流路１２に任意に設けられる弁８１、８２、８３の開度を制御部５０によって制御することで、燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を制御してもよい。
１．１０ その他の構成
燃料電池システム１００は、上記の構成に加えて、例えば、以下に説明するような構成を備えていてもよい。
燃料電池システム１００は、上記の構成に加えて、例えば、以下に説明するような構成を備えていてもよい。
１．１０．１ 加湿器
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、第１流路１１に加湿器６０が設けられてもよい。加湿器６０は燃料電池１とバイパス流路１３との間に配置されてもよい。また、図２に示されるように、加湿器６０は第１流路１１と第２流路１２との双方に接続されていてもよい。具体的には、加湿器６０は、燃料電池１から第２流路１２に排出されたカソードオフガス中の水分を利用して燃料電池１の内部を加湿するものであってよい。言い換えれば、燃料電池システム１００において、燃料電池１と第１流路１１と第２流路１２と加湿器６０とを介して水分を循環させるようにしてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、第１流路１１に加湿器６０が設けられてもよい。加湿器６０は燃料電池１とバイパス流路１３との間に配置されてもよい。また、図２に示されるように、加湿器６０は第１流路１１と第２流路１２との双方に接続されていてもよい。具体的には、加湿器６０は、燃料電池１から第２流路１２に排出されたカソードオフガス中の水分を利用して燃料電池１の内部を加湿するものであってよい。言い換えれば、燃料電池システム１００において、燃料電池１と第１流路１１と第２流路１２と加湿器６０とを介して水分を循環させるようにしてもよい。
ここで、燃料電池システムが加湿器を備える場合、燃料電池のカソードガス供給口近傍は、上述した温度や圧力の変動が激しいことに加えて、高湿な環境となる。このような過酷な環境では、流量計によるカソードガス流量の計測精度がさらに悪化する虞がある。これに対し、本開示の燃料電池システム１００においては、加湿器６０よりも上流側に第１流量計３１が備えられ、且つ、加湿器６０による加湿の影響を実質的に受けないバイパス流路１３に第２流量計３２が備えられることから、第１流量計３１及び第２流量計３２が加湿器６０による湿度の影響を受け難い。すなわち、燃料電池システム１００が加湿器６０を備えていたとしても、第１流量計３１及び第２流量計３２による計測値に基づいて、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を精度よく計測・推定することができる。
１．１０．２ クリーナ
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、第１流路１１にクリーナ７０が設けられてもよい。クリーナ７０はコンプレッサ２０よりも上流側に配置されてもよい。上述したように、第１流路１１においてカソードガスとして空気を流通させる場合、当該第１流路１１の上流側の一端を大気に開放して、大気中の空気を第１流路１１に取り込むようにする場合がある。この場合、コンプレッサ２０よりも上流側に、大気中の塵やゴミを除去するためのクリーナ７０を設けるとよい。クリーナ７０は、例えば、筐体と、当該筐体内に配置されたフィルタとを備えるものであってよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、第１流路１１にクリーナ７０が設けられてもよい。クリーナ７０はコンプレッサ２０よりも上流側に配置されてもよい。上述したように、第１流路１１においてカソードガスとして空気を流通させる場合、当該第１流路１１の上流側の一端を大気に開放して、大気中の空気を第１流路１１に取り込むようにする場合がある。この場合、コンプレッサ２０よりも上流側に、大気中の塵やゴミを除去するためのクリーナ７０を設けるとよい。クリーナ７０は、例えば、筐体と、当該筐体内に配置されたフィルタとを備えるものであってよい。
クリーナ７０の内部は、少なくとも一部において、カソードガスの流れが一定となり易く、カソードガスの流量を精度よく測定することができる。この点、図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、クリーナ７０が上記の第１流量計３１を備えていてもよい。
１．１０．３ 弁
第１流路１１や第２流路１２は弁を備えてもよい。例えば、図２に示されるように、第２流路１２は、バイパス流路１３よりも上流側（燃料電池１とバイパス流路１３との間）において、弁８１を備えてもよい。弁８１の開度を調整することで、カソードガスの流量や圧力を調整することができる。例えば、燃料電池１の内部の圧力が低下した場合、弁８１の開度を小さくするとともに、コンプレッサ２０によって第１流路１１内の圧力を上昇させてもよい。
第１流路１１や第２流路１２は弁を備えてもよい。例えば、図２に示されるように、第２流路１２は、バイパス流路１３よりも上流側（燃料電池１とバイパス流路１３との間）において、弁８１を備えてもよい。弁８１の開度を調整することで、カソードガスの流量や圧力を調整することができる。例えば、燃料電池１の内部の圧力が低下した場合、弁８１の開度を小さくするとともに、コンプレッサ２０によって第１流路１１内の圧力を上昇させてもよい。
図２に示されるように、第１流路１１は、バイパス流路１３よりも下流側（燃料電池１とバイパス流路１３との間）において、弁８２を備えてもよい。弁８２の開度を調整することで、カソードガスの流量や圧力を調整することができる。例えば、燃料電池１に供給されるカソードガス流量が必要量よりも過剰である場合、弁８２の開度を小さくするとともに、流量調整弁４０の開度を大きくすることで、コンプレッサ２０のカソードガス流量を変化させることなく、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を低下させてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００において加湿器６０が設けられる場合、第１流路１１は加湿器６０を迂回する流路を備えてもよく、当該迂回流路に弁８３が備えられてもよい。また、この場合、図２に示されるように、上記弁８２が加湿器６０よりも上流側（迂回流路と加湿器６０との間）に設けられてもよい。すなわち、図２に示されるように、加湿器６０によって燃料電池１の内部を加湿する場合は弁８２の開度を大きくする一方で弁８３の開度を小さくしてもよく、加湿器６０による加湿が不要である場合は弁８２の開度を小さくする一方で弁８３の開度を大きくしてもよい。尚、燃料電池システム１００においては、上述の制御部５０によって弁８１～８２の開閉制御を行ってもよい。すなわち、制御部５０は、少なくとも燃料電池１へのカソードガスの供給流量を制御するものであればよく、カソードガスの供給流量に加えて、燃料電池１の湿度を制御するものであってもよいし、湿度以外の制御をさらに行うものであってもよい。
１．１０．４ インタークーラ
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、コンプレッサ２０の下流側にインタークーラ９１が設けられてもよい。すなわち、コンプレッサ２０による昇圧によって温度が上昇したカソードガスが、所定の圧力を維持しつつ、インタークーラ９１によって冷却されてもよい。インタークーラ９１は、例えば、後述の冷却液流路１６、１７に接続されてもよい。すなわち、冷却液流路１６、１７を循環する冷却液の一部をインタークーラ９１へと分流させることで、インタークーラ９１において必要な冷却性能を容易に確保できる。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、コンプレッサ２０の下流側にインタークーラ９１が設けられてもよい。すなわち、コンプレッサ２０による昇圧によって温度が上昇したカソードガスが、所定の圧力を維持しつつ、インタークーラ９１によって冷却されてもよい。インタークーラ９１は、例えば、後述の冷却液流路１６、１７に接続されてもよい。すなわち、冷却液流路１６、１７を循環する冷却液の一部をインタークーラ９１へと分流させることで、インタークーラ９１において必要な冷却性能を容易に確保できる。
１．１０．５ その他
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、燃料電池１にアノードガスを供給する流路１４、及び、燃料電池１からアノードオフガスを排出する流路１５が設けられてもよい。アノードオフガス流路１５はカソードオフガス流路である第２流路１２に接続されてもよい。また、図２に示されるように、燃料電池１００においては、燃料電池１と熱交換器９２との間で冷却液を循環させる冷却液流路１６、１７が設けられてもよい。アノード側流路１４、１５や冷却液流路１６、１７は従来と同様の構成とすればよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、燃料電池１にアノードガスを供給する流路１４、及び、燃料電池１からアノードオフガスを排出する流路１５が設けられてもよい。アノードオフガス流路１５はカソードオフガス流路である第２流路１２に接続されてもよい。また、図２に示されるように、燃料電池１００においては、燃料電池１と熱交換器９２との間で冷却液を循環させる冷却液流路１６、１７が設けられてもよい。アノード側流路１４、１５や冷却液流路１６、１７は従来と同様の構成とすればよい。
燃料電池システム１００は図示していないその他の構成を備え得る。例えば、アノードオフガスやカソードオフガス中の気体と液体とを分離する気液分離器を備えてもよい。また、言うまでもないが、燃料電池１から外部へと延びる配線等を備えてもよい。これらも従来と同様の構成とすればよい。
尚、図２に示された各構成は、本開示の燃料電池システム１００が備え得る構成の一例である。本開示の燃料電池システム１００は、図１に示された基本構成を備えつつ、図２に示された各構成の一部を省略して備えていてもよいし、図２に示された各構成以外の構成を備えていてもよい。
２．カソードガス流量の測定方法
本開示の技術は、燃料電池に供給されるカソードガス流量の計測方法としての側面も有する。すなわち、図１に示されるように、本開示のカソードガス流量の測定方法は、燃料電池１、燃料電池１にカソードガスを供給する第１流路１１、燃料電池１からカソードオフガスを排出する第２流路１２、第１流路１１から分岐して第２流路１２に接続されたバイパス流路１３、第１流路１１に設けられたコンプレッサ２０、第１流路１１に設けられた第１流量計３１、バイパス流路１３に設けられた流量調整弁４０、バイパス流路１３に設けられた第２流量計３２を備え、コンプレッサ２０がバイパス流路１３よりも上流側に配置される燃料電池システム１００において燃料電池１に供給されるカソードガス流量を測定する方法であって、第１流量計１１をコンプレッサ２０よりも上流側に配置し、第２流量計１２を流量調整弁４０よりも下流側に配置して、第１流量計１１によって計測された流量と第２流量計１２によって計測された流量とに基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を計測することを特徴とする。各構成については上述した通りであり、ここでは詳細な説明を省略する。
本開示の技術は、燃料電池に供給されるカソードガス流量の計測方法としての側面も有する。すなわち、図１に示されるように、本開示のカソードガス流量の測定方法は、燃料電池１、燃料電池１にカソードガスを供給する第１流路１１、燃料電池１からカソードオフガスを排出する第２流路１２、第１流路１１から分岐して第２流路１２に接続されたバイパス流路１３、第１流路１１に設けられたコンプレッサ２０、第１流路１１に設けられた第１流量計３１、バイパス流路１３に設けられた流量調整弁４０、バイパス流路１３に設けられた第２流量計３２を備え、コンプレッサ２０がバイパス流路１３よりも上流側に配置される燃料電池システム１００において燃料電池１に供給されるカソードガス流量を測定する方法であって、第１流量計１１をコンプレッサ２０よりも上流側に配置し、第２流量計１２を流量調整弁４０よりも下流側に配置して、第１流量計１１によって計測された流量と第２流量計１２によって計測された流量とに基づいて燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を計測することを特徴とする。各構成については上述した通りであり、ここでは詳細な説明を省略する。
３．車両
本開示の燃料電池システムは、例えば、車両の動力源として採用され得る。ここで、本開示の燃料電池システムを車両に搭載する場合、配置の制約上、第１流路１１の全体を真っ直ぐとすることは現実的には難しく、第１流路１１を複数の箇所において曲げる場合がある。この場合、第１流路１１の曲がり部分においては、カソードガスの流速に分布が生じ、カソードガス流量の計測精度が若干低下する。すなわち、カソードガスの流量をより精度よく計測するためには、第１流路１１の直線部分に第１流量計３１を配置するとよい。或いは、第１流路１１において十分な長さの直線部分を確保できない場合は、上述したようにクリーナ９１に第１流量計３１を設けてもよい。
本開示の燃料電池システムは、例えば、車両の動力源として採用され得る。ここで、本開示の燃料電池システムを車両に搭載する場合、配置の制約上、第１流路１１の全体を真っ直ぐとすることは現実的には難しく、第１流路１１を複数の箇所において曲げる場合がある。この場合、第１流路１１の曲がり部分においては、カソードガスの流速に分布が生じ、カソードガス流量の計測精度が若干低下する。すなわち、カソードガスの流量をより精度よく計測するためには、第１流路１１の直線部分に第１流量計３１を配置するとよい。或いは、第１流路１１において十分な長さの直線部分を確保できない場合は、上述したようにクリーナ９１に第１流量計３１を設けてもよい。
以上の通り、本開示の燃料電池システム１００によれば、コンプレッサ２０による昇圧等によって第１流路１１内のカソードガスの温度や圧力が急激に変動するような場合においても、第１流量計３１と第２流量計３２とに基づいて、燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を精度よく計測及び制御することができる。また、例えば、コンプレッサ２０がターボ型コンプレッサである場合において当該ターボ型コンプレッサのサージングを回避するためにバイパス流路１３を介して分流制御を行う場合等の、バイパス流路１３にカソードガスの一部を分流させる場合においても、燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を精度よく計測及び制御することができる。
１ 燃料電池
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１３ バイパス流路
１４ アノードガス供給流路
１５ アノードオフガス排出流路
１６ 冷却液供給流路
１７ 冷却液戻り流路
２０ コンプレッサ
３１ 第１流量計
３２ 第２流量計
４０ 流量調整弁
５０ 制御部
６０ 加湿器
７０ クリーナ
８１、８２、８３ 弁
９１ インタークーラ
９２ 熱交換器
１００ 燃料電池システム
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１３ バイパス流路
１４ アノードガス供給流路
１５ アノードオフガス排出流路
１６ 冷却液供給流路
１７ 冷却液戻り流路
２０ コンプレッサ
３１ 第１流量計
３２ 第２流量計
４０ 流量調整弁
５０ 制御部
６０ 加湿器
７０ クリーナ
８１、８２、８３ 弁
９１ インタークーラ
９２ 熱交換器
１００ 燃料電池システム
Claims (3)
- 燃料電池、
前記燃料電池にカソードガスを供給する第１流路、
前記燃料電池からカソードオフガスを排出する第２流路、
前記第１流路から分岐して前記第２流路に接続されたバイパス流路、
前記第１流路に設けられたコンプレッサ、
前記第１流路に設けられたクリーナ、
前記第１流路に設けられた第１流量計、
前記バイパス流路に設けられた流量調整弁、
前記バイパス流路に設けられた第２流量計、及び、
前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を制御する制御部
を備え、
前記コンプレッサは前記バイパス流路よりも上流側に配置され、
前記クリーナは前記コンプレッサよりも上流側に配置され、
前記第１流量計は前記コンプレッサよりも上流側の前記クリーナに備えられ、
前記第２流量計は前記流量調整弁よりも下流側に配置され、
前記制御部は前記第１流量計によって計測された流量と前記第２流量計によって計測された流量とに基づいて前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を制御する、
燃料電池システム。 - 前記第１流路に加湿器が設けられ、
前記加湿器は前記燃料電池と前記バイパス流路との間に配置され、
前記加湿器は前記燃料電池から前記第２流路へと排出されたカソードオフガス中の水分を利用して前記燃料電池の内部を加湿する、
請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記第１流量計及び第２流量計が熱式の流量計である、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
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-
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