(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の加湿器において、燃料電池温度としてスタック温度とスタックのガス出口部のガス温度とを検出する温度センサと、前記検出温度が低下したときに加湿器の供給水量を減少補正するコントローラとを備え、
前記コントローラは、燃料電池起動時は前記スタック温度に基づき、燃料電池運転中は前記ガス温度に基づき、それぞれ前記供給水量の減少補正を行うように構成したことを特徴とする燃料電池の加湿器。
【請求項２】
前記コントローラによる供給水量の減少補正量は、
燃料電池起動時については、スタックの温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、
燃料電池運転中については、ガス出口部のガス温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、
それぞれ予め定められている請求項１に記載の燃料電池の加湿器。
【請求項３】
前記コントローラは、燃料電池運転中にスタック温度が凍結温度以下に低下したときには、前記起動時のスタック温度に応じた供給水量の減少補正を行う請求項２に記載の燃料電池の加湿器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿器に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
プロトン透過膜型燃料電池(PEMFC)等の燃料電池では、イオンの輸送のために電解質が湿潤していなければならないため、燃料電池に供給する燃料ガスや空気を加湿している。このために従来は、例えば特開2001-202975号公報や特開平7-288134公報に見られるように、水蒸気量がほぼ飽和状態になるように加湿量を制御していたが、このような制御によると低温時には水分の凍結により流路が閉塞する恐れがある。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池の加湿器において、燃料電池温度としてスタック温度とスタックのガス出口部のガス温度とを検出する温度センサと、前記検出温度が低下したときに加湿器の供給水量を減少補正するコントローラとを備え、前記コントローラは、燃料電池起動時は前記スタック温度に基づき、燃料電池運転中は前記ガス温度に基づき、それぞれ前記供給水量の減少補正を行うように構成した。
【０００４】
前記コントローラによる供給水量の減少補正量は、燃料電池起動時については、スタックの温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、燃料電池運転中については、ガス出口部のガス温度に応じて、燃料電池に供給するガス中の水分が燃料電池内で凍結を起こさない加湿量となるように、それぞれ予め定められたものとすることができる。
【０００５】
また、前記コントローラは、燃料電池運転中にスタック温度が凍結温度以下に低下したときには、前記起動時のスタック温度に応じた供給水量の減少補正を行うように構成することができる。
【０００６】
第４の発明は、前記供給水量の補正を、燃料電池の起動時から開始するようにした。
【０００９】
【作用・効果】
本発明によれば、燃料電池温度が０℃以下になる低温条件で燃料電池を運転したとしても水分の凍結による流路の閉塞を防止することが可能である。すなわち、起動時にはスタック温度に基づいて加湿器への供給水量を減少補正するので、低温条件下で燃料電池の運転を開始時した当初から水分の凍結による流路の閉塞を防止することができる。また、起動後の燃料電池運転中にはガス温度が最も低くなるスタックのガス出口部のガス温度に基づいて加湿器への供給水量を減少補正するので、運転中のガス流路の凍結を効果的に防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１は燃料電池、１ａと１ｂはそれぞれそのアノード、カソード、である。２は加湿器であり、燃料電池１のアノード１ａに供給する水素リッチな燃料ガスと、カソード１ｂに供給する酸化剤としての空気を加湿する。３は燃料電池１のガス出口部でのガス温度を測定する温度センサ、４は燃料電池１のスタック温度を測定する温度センサ、５は前記測定温度に応じて加湿器２のそれぞれの供給水量を制御するコントローラである。コントローラは、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータで構成されている。
【００１６】
図２に前記コントローラ５が実行する加湿水量制御の制御ルーチンを示す。この制御ルーチンはコントローラ５によって周期的に実行される。なお以下の説明および図中で符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号である。
【００１７】
この制御では、まずＳ１にてフラグ判定を行う。このフラグFlagは起動時の加湿量制御が完了しているか否かを示すもので、燃料電池の起動当初に０にリセットされ、前記起動時制御が完了すると１にセットされる。すなわち、起動当初はFlag＝０であるのでＳ２以下の起動時制御に進み、起動時制御が完了するとＳ８以下の起動後制御に移る。
【００１８】
起動時制御の当初、Ｓ２にて温度センサ４からの信号により燃料電池温度Tcellを検出する。次いでＳ３にてTcellが凍結温度（この場合０℃）以下であるか否かを判定する。ここでTcell＞０℃であるときには電池内での凍結のおそれはないので、Ｓ４にて最大加湿量となるように加湿量（加湿器２の供給水量）Qwを設定したのち、Ｓ５にてFlagを１にセットして今回の処理ループを終了する。Ｓ３にてTcell≦０℃であったときには、次いでＳ６〜Ｓ７にてTcellに応じた初期加湿量Qw#0を決定し、これを加湿量Qwとして設定したのち、Ｓ５にてFlagを１にセットして今回の処理ループを終了する。前記初期加湿量Qw#0は低温時ほど加湿量が減少するように補正供給水量を与えるもので、例えば予めTcellに応じた適正量となるように実験的に形成しておいたテーブルを検索することで決定する。
【００１９】
前記起動時制御が完了したのちは、以後の処理ループでのＳ１にてFlag＝１が判定されるので、Ｓ８以下の起動後制御に入る。Ｓ８では温度センサ３からの信号によりガス温度Tgasを検出する。次いでＳ９にてTgasが所定の下限温度Tgas#limit以下であるか否かを判定する。ここでTgas＞Tgas#limitであった場合には、起動時の加湿量Qwを維持したまま、Ｓ１２以下の処理に移る。Ｓ９にてTgas≦Tgas#limitと判定された場合には、次いでＳ１０〜Ｓ１１にてTgasに応じた低温時加湿量Qw#gを決定し、これを加湿量Qwとして設定したのち、Ｓ１２以下の処理に移る。前記低温時加湿量Qw#gは、低温時ほど加湿量が減少するように補正供給水量を与えるもので、例えば予めTgasに応じた適正量となるように実験的に形成しておいたテーブルを検索することで決定する。なお、前記Ｓ３での温度判定およびＳ４での加湿量設定の処理を設けず、０℃以上の高温条件下での加湿量を前記Ｓ６のテーブル検索処理で与えるようにしてもよい。
【００２０】
Ｓ１２では温度センサ４からの信号により燃料電池温度Tcellを検出し、次いでＳ１３にて温度判定を行い、Tcell≦０℃であったときにはFlagを０にリセットしたのち、当初のＳ１の判定に戻り、Ｓ２以下の起動時処理を再開する。これにより、低温条件下での運転中に負荷の低下により燃料電池温度が低下した場合の流路凍結を防止する。Ｓ１３にてTcell＞０℃であったときには、前記の設定加湿量Qwを維持したまま今回の処理ループを終了する。
【００２１】
前記制御によれば、燃料電池内温度が水分の凍結温度以下であるときには起動時から加湿量を減じて水分の凍結を抑えることができ、さらに起動後はガス温度が最も低くなるガス出口部の温度に応じて水分が凝結しないように加湿量を減少させるので、低温条件下でも水分の凍結による流路の凍結を防ぎ、燃料電池を運転することが可能になる。
【００２２】
図３は加湿器２の構成に関する他の実施形態である。これは、図示したように燃料電池１への燃料ガス流路または空気流路の途中に、複数、この場合３個の透過膜式加湿器２２，２３，２４をバイパス流路２１と共に並列に設け、図示しない切替弁により、バイパス流路２１または透過膜式加湿器２２〜２４の何れか１個以上を選択的に用いるようにしたものである。
【００２３】
透過膜式加湿器は、その特性上一般に広範囲な流量域でまんべんなく十分な加湿量を得るのが難しく、特に小流量領域と大流量領域では加湿量が少なくなる傾向があり、これらの領域で十分な加湿量を得ようとすると中流量領域で加湿量が過多となって流路内に水詰まりが生じるという不具合があった。
【００２４】
これに対して、本実施形態の構成によれば、複数の透過膜式加湿器２２〜２４を選択的に用いるようにしたことから、全流量域で十分な加湿量を得ることができる。例えば、加湿器２全体として小流量領域となるときには１個の透過膜式加湿器２２のみを使い、中流量領域となるときには２個の透過膜式加湿器２２，２３を使い、大流量領域となるときにはすべての透過膜式加湿器２２〜２４を使って加湿する。こうすることにより、加湿器２全体としての幅広い流量範囲において、個々の透過膜式加湿器２２〜２４のそれぞれを中流領域で用いることができるので、安定して十分な加湿を行うことができる。また、透過膜式加湿器２２〜２４を使わずに、ガスの全量をバイパス流路２１に流すことにより加湿量をゼロにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成図。
【図２】前記実施形態における加湿量制御の制御内容を表した流れ図。
【図３】加湿器に関する他の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１    燃料電池
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
２    加湿器
２２〜２４  透過膜式加湿器
３    ガスの温度センサ
４    燃料電池の温度センサ
５    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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