(57)【要約】【課題】湿度計を用いず、簡単な構成で燃料電池スタック１への供給空気の温度及び湿度を適切に制御する燃料電池システムの加湿制御装置を提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック１を備える燃料電池システムの加湿制御装置であって、燃料電池スタック１から排出される酸化剤ガスから、燃料電池スタック１へ供給される酸化剤ガスへ水分を移動する回転式加湿器４と、燃料電池スタック１への要求負荷を検出する要求負荷検出部５と、燃料電池スタック１の温度を検出する温度検出部Ｔ１、Ｔ(ＬＬＣ)と、要求負荷検出部５が検出した要求負荷と温度検出部Ｔ１、Ｔ(ＬＬＣ)が検出した燃料電池スタック１の温度に基づいて、回転式加湿器４の回転数を制御する回転数制御部６とを備える。回転数制御部６は、要求負荷及び燃料電池スタック１の温度が高くなるに応じて回転式加湿器４の回転数を上げる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの加湿制御装置であって、
前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤ガスから、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスへ水分を移動する回転式加湿器と、
前記燃料電池スタックへの要求負荷を検出する要求負荷検出部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、
前記要求負荷検出部が検出した前記要求負荷と温度検出部が検出した前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記回転式加湿器の回転数を制御する回転数制御部とを備え、
前記回転数制御部は、前記要求負荷及び前記燃料電池スタックの温度が高くなるに応じて前記回転式加湿器の回転数を上げることを特徴とする燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの温度が所定温度以下である場合、前記回転数制御部は、前記回転式加湿器の回転数を一定に保つことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項３】
前記回転数制御部は、前記燃料電池スタックの温度に応じて、前記回転式加湿器の回転数に出力制限をかけることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項４】
前記温度検出部は、前記燃料電池スタックが備える冷却水路内を流通する冷却水の温度を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項５】
前記温度検出部は、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスの温度を検知することを特徴とする請求項１又は４記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項６】
前記冷却水の温度が高くなり、且つ前記酸化剤ガスの温度が低くなるに応じて、前記回転数制御部は、前記回転式加湿器の回転数を小さくするような補正を加えることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項７】
前記回転数制御部は、あらかじめ設定されたマップを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【請求項８】
前記要求負荷検出部が検出する前記要求負荷及び前記温度検出部が検出する前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記燃料電池スタックへの供給空気量と運転圧を決定する酸化剤極制御部を更に備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの加湿制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムの加湿制御装置に関し、特に、燃料電池スタックの排気側から吸気側へ水分を移動させる方式の加湿器を備える燃料電池システムの加湿制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料となる水素ガスあるいは水素濃度の高いガスと、酸化剤ガスとなる酸素ガスあるいは酸素を含んだ空気とを電解質膜と電極触媒との複合体である燃料電池スタックに供給し、電気化学反応を起こして、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるエネルギー変換システムである。燃料電池スタックが効率良く発電するために燃料電池スタックは湿潤状態である必要があるため、燃料電池システムは、通常、燃料電池スタックに水を供給する手段を備える。
【０００３】
従来から、燃料電池スタックに水を供給する手段として、燃料電池の湿潤排気から吸気側へ水分を移動させる方式の加湿器が用いられている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示された加湿器は、エンタルピーホイールと記述する回転式の加湿器であり、排気側で吸着した水分を吸気側で放出する方式である。特許文献１では、燃料電池スタックの入口側で相対湿度を計測し、この相対湿度に応じてエンタルピーホイールの回転数を変化させることにより、燃料電池スタックへ供給する水分量を制御している。
【特許文献１】特表２００１−５１１５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１では、燃料電池スタックの入口側で相対湿度を計測するために湿度計を用いるためシステムが複雑かつ高コストになってしまう。湿度計を使わずに、燃料電池スタックへ供給される空気の湿度及び温度を適切に制御することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの加湿制御装置であって、燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスから、燃料電池スタックへ供給される酸化剤ガスへ水分を移動する回転式加湿器と、燃料電池スタックへの要求負荷を検出する要求負荷検出部と、燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、要求負荷検出部が検出した要求負荷と温度検出部が検出した燃料電池スタックの温度に基づいて、回転式加湿器の回転数を制御する回転数制御部とを備え、回転数制御部は、要求負荷及び燃料電池スタックの温度が高くなるに応じて回転式加湿器の回転数を上げることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、湿度計を用いず、簡単な構成で燃料電池スタックへの供給空気の温度及び湿度を適切に制御する燃料電池システムの加湿制御装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【０００８】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムの加湿制御装置は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガスとしての空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック１を備えるダイレクト水素型燃料電池システムの加湿制御装置である。加湿制御装置は、燃料電池スタック１から排出される空気（排空気）から燃料電池スタック１へ供給される空気（供給空気）へ水分を移動する回転式加湿器４と、燃料電池スタック１への要求負荷を検出する要求負荷検出部５と、燃料電池スタック１の温度を検出する温度検出部としての温度センサＴ１、Ｔ(ＬＬＣ)と、燃料電池スタック１へ供給空気を圧送する空気コンプレッサ３と、燃料電池スタック１からの排空気の流量を制御するスロットル弁１１と、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流通する冷却水路２と、加湿制御装置全体を制御するコントロールユニット９とを備える。
【０００９】
コントロールユニット９は、要求負荷検出部５が検出した要求負荷と温度センサＴ１又は温度センサＴ(ＬＬＣ)が検出した燃料電池スタック１の温度に基づいて回転式加湿器４の回転数を制御する回転数制御部６と、要求負荷検出部５が検出した要求負荷と温度センサＴ１、Ｔ(ＬＬＣ)が検出した燃料電池スタック１の温度に基づいて燃料電池スタック１への供給空気量と運転圧を決定する酸化剤極制御部としての空気極制御部７とを備える。回転数制御部６は、要求負荷検出部５が検出する要求負荷及び温度センサＴ１又は温度センサＴ(ＬＬＣ)が検出する燃料電池スタック１の温度が高くなるに応じて回転式加湿器４の回転数を上げる。
【００１０】
燃料電池スタック１は、燃料極（アノード極）と酸化剤極（カソード極）の間に電解質膜を挟持させてなる単電池を積層させて構成される。電解質膜は、回転式加湿器４により加湿された供給空気が供給されることにより湿潤状態に保され、効率的な発電を行うことができる。冷却水路２は、燃料電池スタック１内に配置され、発電に伴って発熱する燃料電池スタック１を冷却する。
【００１１】
回転式加湿器４は、高温多湿の排気側（排空気）から吸気側（供給空気）へ水を移動する方式の加湿器であり、例えば、排空気から顕熱と潜熱を除去して供給空気を加熱及び加湿するエンタルピーホイールを備える。エンタルピーホイールの回転数を制御することにより、供給空気の湿度及び温度が制御される。エンタルピーホイールは所定のモータＭに接続されている。コントロールユニット９内の回転数制御部６は、モータＭの回転数を制御することにより、供給空気の湿度及び温度を制御する。以後、回転式加湿器４の回転数はエンタルピーホイールの回転数を示すものとして説明を続ける。
【００１２】
燃料電池スタック１へ供給される供給空気は、先ず、空気コンプレッサ３により圧送され、その後、回転式加湿器４により加湿されて燃料電池スタック１の空気極に供給される。燃料電池スタック１から排出される排空気は回転式加湿器４により除湿され、その後、スロットル弁１１を通り装置外部へ排出される。回転式加湿器４を空気コンプレッサ３の下流に設置し、燃料電池スタック１の排空気から供給空気へ熱と水を移動させることで、小型で効率よく燃料電池スタック１の水収支を成立させることができる。
【００１３】
温度センサＴ１は空気コンプレッサ３よりも上流側の空気の温度を検出する。空気コンプレッサ３よりも上流側の供給空気配管上に供給空気の圧力を測定する圧力センサＰ１が配置され、スロットル弁１１よりも上流側の排空気配管上に排空気の圧力を測定する圧力センサＰ２が配置されている。また、温度センサＴ(ＬＬＣ)は、冷却水路２内を流通する冷却水の温度を測定する。
【００１４】
回転数制御部６は、要求負荷検出部５が検出する要求負荷及び温度センサＴ１が検出する供給空気の温度又は温度センサＴ(ＬＬＣ)が検出する冷却水の温度に基づいて、回転式加湿器４の回転数を制御し、供給空気の温度又は冷却水の温度が高くなるに応じて回転式加湿器４の回転数を上げる。
【００１５】
空気極制御部７は、要求負荷検出部５が検出する要求負荷及び温度センサＴ１が検出する供給空気の温度又は温度センサＴ(ＬＬＣ)が検出する冷却水の温度に基づいて、燃料電池スタック１への供給空気量と運転圧を決定する。具体的には、空気コンプレッサ３の回転数及びスロットル弁１１の開度の少なくとも一方を操作して、燃料電池スタック１への供給空気量と運転圧を決定する。
【００１６】
コントロールユニット９には、要求負荷検出部５が検出した要求負荷（例えば、アクセル開度）、温度センサＴ１が検出する供給空気の温度、温度センサＴ(ＬＬＣ)が検出する冷却水の温度、圧力センサＰ１が検出する供給空気の圧力、及び圧力センサＰ２が検出する排空気の圧力が入力され、コントロールユニット９は、これらの入力信号に基づいて、回転式加湿器４のモータＭの回転数、空気コンプレッサ３の回転数、及びスロットル弁１１の開度を制御する制御信号を転送する。
【００１７】
図２は、図１の回転式加湿器の基本性能を示すグラフであって、空気の流量及び回転式加湿器４の回転数をパラメータとした時の回転式加湿器４の効率の変化を示す。空気の流量が増加するにつれて回転式加湿器４の効率が低下する。また、回転式加湿器４の回転数を増加させることで回転式加湿器４の効率が増加する。
【００１８】
図３は、図１の回転式加湿器の基本性能を示すグラフであって、回転式加湿器４へ流入する供給空気及び排空気の温度をパラメータとした時の回転式加湿器４の効率の変化を示す。湿潤側の温度つまり排空気の温度が高く、乾燥側の温度つまり供給空気の温度が低い方が回転式加湿器４の効率が高い。
【００１９】
図４は、燃料電池スタック１への要求負荷と燃料電池スタック１の温度に応じた回転式加湿器４の回転数の変化の一例を示すマップである。要求負荷が高くなるほど、また燃料電池スタック１が高温になるほど、回転式加湿器４の回転数は増加する傾向を持つ。これは、要求負荷が高くなるほど供給空気の流量が増加するため、図２に示した基本性能を考慮して回転式加湿器４の回転数を上げることで回転式加湿器４の加湿性能を維持させる。同様に、燃料電池スタック１が高温である場合は、加湿要求が高まるため、回転式加湿器４の回転数を増加させて加湿性能を向上させる。回転数制御部６は、あらかじめ設定された図４に示すようなマップを参照して回転式加湿器４の回転数を制御する。
【００２０】
図５に示すように、図４のグラフに対して燃料電池スタック１の温度に閾値を設定しても構わない。ここではその一例として、燃料電池スタック１の温度がある閾値以下の場合、要求負荷によらず回転式加湿器４の回転数を固定にする場合のマップを示している。例えば、燃料電池スタック１の温度が０℃以下である場合は、回転式加湿器４の回転数を０にする。
【００２１】
図６に示すように、図５のグラフに対して更に燃料電池スタック１への要求負荷に制限を加えても構わない。ここではその一例として、燃料電池スタック１が低温である場合、急激な負荷の取り出しに対して制限を加える。
【００２２】
ここで、燃料電池スタック１の温度は、少なくとも一箇所の冷却水の温度を検知することで検知すること、即ち、冷却水路２内の冷却水の温度を温度センサＴ(ＬＬＣ)を用いて検出することが好ましい。更に、燃料電池スタック１からの出口冷却水温度を検知することが望ましい。また、冷却水路２の入口と出口の冷却水の温度を検知することが更に望ましい。これにより、燃料電池スタック１の温度予測の精度が向上する。また、温度センサＴ１が燃料電池スタック１への供給空気の温度を検知することで、燃料電池スタック１の温度予測の精度はさらに向上する。ここでは、空気コンプレッサ３の上流の温度を検知しているが、この温度を検知すれば運転圧に応じた燃料電池スタック１入口温度の予測は可能である。図示は省略するが、冷却水の温度と燃料電池スタック１入口空気温度から、燃料電池スタック１の代表温度を決定するマップを作成しても良い。
【００２３】
回転数制御部６は、図７に示すような、冷却水の温度及び供給空気の温度により定まる回転式加湿器４の回転数の補正係数によって、回転式加湿器４の回転数を補正しても構わない。例えば、冷却水の温度が高くなり、且つ供給空気の温度が低くなるに応じて、回転数制御部６は、小さな補正係数を基本回転数にかけることで、回転式加湿器４の回転数を小さくするような補正を加える。これは、図３に示したように、湿潤空気側の温度（＝スタックの温度）が高く、乾燥空気側の温度が低いほど、回転式加湿器４の効率が高いため、回転式加湿器４の回転数を低く設定することが可能なためである。
【００２４】
図８は燃料電池スタック１への要求負荷と燃料電池スタック１への供給空気の流量との関係を示すグラフであり、図９は燃料電池スタック１への要求負荷と燃料電池スタック１への供給空気の運転圧との関係を示すグラフである。空気極制御部７は、図８及び図９を参照して、空気コンプレッサ３の回転数及びスロットル弁１１の開度を操作して燃料電池スタック１への供給空気の流量及び運転圧を制御する。ここでは、要求負荷の増加に応じて燃料電池スタック１への供給空気の流量及び運転圧を増加させる場合を示したが、要求負荷によらず運転圧を一定に制御しても構わない。要求負荷に応じて空気流量と運転圧力を設定することにより、供給空気の流量と圧力及び燃料電池スタック１の運転温度から、回転式加湿器４の回転数マップを作成することが可能である。
【００２５】
次に、図１０を参照して、図１の燃料電池システムの加湿制御装置の処理動作の手順、即ち燃料電池システムの加湿制御方法を説明する。
【００２６】
（イ）先ずＳ０１段階において、温度センサＴ１を介して、供給空気の温度を読み込む。Ｓ０２段階において、温度センサＴ(ＬＬＣ)を介して、冷却水の温度を読み込む。Ｓ０３段階において、要求負荷検出部５を介して燃料電池スタック１への要求負荷を読み込む。
【００２７】
（ロ）Ｓ０４段階において、供給空気の温度及び冷却水の温度から燃料電池スタック１の代表温度を設定する。Ｓ０５段階において、回転数制御部６は、図４乃至図６に示した回転式加湿器４の回転数のマップを参照して、Ｓ０６段階において、回転式加湿器４の回転数を設定する。
【００２８】
（ハ）最後に、Ｓ０７段階において、空気極制御部７は、図８及び図９のグラフ、燃料電池スタック１への要求負荷、及び燃料電池スタック１の代表温度を参照して、燃料電池スタック１への供給空気の流量及び運転圧を設定し、これに基づいて、空気コンプレッサ３の回転数及びスロットル弁１１の開度を決定する。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、燃料電池スタック１への要求負荷及び燃料電池スタック１の温度に基づいて、回転式加湿器４の回転数を制御することにより、湿度計を用いず燃料電池スタック１の入口温度及び湿度を適正に制御することができ、加湿制御システムを低コストで構成することができる。
【００３０】
図５及び図６に示したように、燃料電池スタック１の温度が所定温度以下である場合、回転数制御部６は、回転式加湿器４の回転数を一定に保つことにより、低温な場合等、急激に負荷を取り出せない範囲での制御を行わなくてよくなる。
【００３１】
温度センサＴ(ＬＬＣ)は、燃料電池スタック１が備える冷却水路２内を流通する冷却水の温度を検出することにより、燃料電池スタック１の温度を検知することができる。これにより、燃料電池スタック１内への要求水分量を推定することができる。
【００３２】
温度センサＴ１は、燃料電池スタック１へ供給される供給空気の温度を検知することにより、燃料電池スタック１の温度を検知することができる。冷却水の温度と組み合わせることにより、燃料電池スタック１の温度の測定精度が向上する。
【００３３】
冷却水の温度が高くなり、且つ供給空気の温度が低くなるに応じて、回転数制御部６は、回転式加湿器４の回転数を小さくするような補正を加えることにより、外気温度が低温から高温まで変化した場合においても、精度良く燃料電池スタック１の入口温度及び湿度を適正に制御することがでる。
【００３４】
回転数制御部６が、あらかじめ設定されたマップを備えることにより、応答性良く燃料電池スタック１の入口温度及び湿度を適正に制御することがでる。
【００３５】
要求負荷検出部５が検出する要求負荷及び温度センサＴ１、Ｔ(ＬＬＣ)が検出する燃料電池スタック１の温度に基づいて、空気極制御部７が燃料電池スタック１への供給空気量と運転圧を決定することにより、回転式加湿器４へ導入される空気流量及び温度を決めることができ、制御マップを用いることができる。
【００３６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３７】
例えば、Ｓ０４段階において燃料電池スタック１の代表温度を設定する代わりに、回転数制御部６は、図７に示した回転式加湿器４の回転数の補正係数を参照しても構わない。図１１は、この場合のフローチャートを示す。即ち、Ｓ１４段階が図１０のＳ０４段階と異なり、その他のＳ１１〜Ｓ１３段階及びＳ１５〜Ｓ１７段階は、図１０のＳ０１〜Ｓ０３段階及びＳ０５〜Ｓ０７段階と同じである。
【００３８】
（イ）先ずＳ１１段階において、温度センサＴ１を介して、供給空気の温度を読み込む。Ｓ１２段階において、温度センサＴ(ＬＬＣ)を介して、冷却水の温度を読み込む。Ｓ１３段階において、要求負荷検出部５を介して燃料電池スタック１への要求負荷を読み込む。
【００３９】
（ロ）Ｓ１４段階において、回転数制御部６は、図７に示した回転式加湿器４の回転数の補正係数を参照し、Ｓ１５段階において、図４乃至図６に示した回転式加湿器４の回転数のマップを参照して、Ｓ１６段階において、回転式加湿器４の回転数を設定する。
【００４０】
（ハ）最後に、Ｓ１７段階において、空気極制御部７は、図８及び図９のグラフ、燃料電池スタック１への要求負荷、及び燃料電池スタック１の代表温度を参照して、燃料電池スタック１への供給空気の流量及び運転圧を設定し、これに基づいて、空気コンプレッサ３の回転数及びスロットル弁１１の開度を決定する。
【００４１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその加湿制御装置を示すブロック図である。
【図２】図１の回転式加湿器の基本性能を示すグラフである（その１）。
【図３】図１の回転式加湿器の基本性能を示すグラフである（その２）。
【図４】燃料電池スタックへの要求負荷及び燃料電池スタックの温度をパラメータとした時の回転式加湿器の回転数の変化の一例を示すグラフである。
【図５】図４のグラフに対して燃料電池スタックの温度に閾値を設定したグラフである。
【図６】図５のグラフに対して更に燃料電池スタックへの要求負荷に制限を加えたグラフである。
【図７】冷却水の温度及び供給空気の温度をパラメータとした回転式加湿器の回転数の補正係数の変化の一例を示すグラフである。
【図８】燃料電池スタックへの要求負荷と燃料電池スタックへの供給空気の流量との関係を示すグラフである。
【図９】燃料電池スタックへの要求負荷と燃料電池スタックへの供給空気の運転圧との関係を示すグラフである。
【図１０】図１の燃料電池システムの加湿制御装置の処理動作の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１の燃料電池システムの加湿制御装置の処理動作の手順の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池スタック
２…冷却水路
３…空気コンプレッサ
４…回転式加湿器
５…要求負荷検出部
６…回転数制御部
７…空気極制御部
９…コントロールユニット
１１…スロットル弁
Ｍ…モータ
Ｐ１、Ｐ２…圧力センサ
Ｔ１、Ｔ(ＬＬＣ)…温度センサ（温度検出部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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