(57)【要約】【課題】燃料電池１へ供給する空気の温度と湿度を適切に制御する燃料電池用加湿装置を提供する。【解決手段】空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を燃料電池１へ供給するコンプレッサ２と、コンプレッサ２の空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁３と、コンプレッサ２より上流に配置され、燃料電池１から排出される多湿状態の空気から燃料電池１へ供給される空気へ水分を移動させる加湿器６と、燃料電池１から排出される多湿状態の空気から水を回収するコンデンサ１２と、燃料電池１が要求する加湿要求マップ、加湿器６の性能マップ、コンプレッサ２へ噴射可能な水量マップ、コンデンサ１２の水回収量により、機関の要求出力に応じた燃料電池１の運転圧力を設定するコントロールユニット９とを有する。【選択図】図１
2006040713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を取り込んで圧縮し、圧縮した前記空気を燃料電池へ供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁と、
前記コンプレッサより上流に配置され、前記燃料電池から排出される多湿状態の空気から前記燃料電池へ供給される空気へ水分を移動させる加湿器と、
前記燃料電池から排出される多湿状態の空気から水を回収するコンデンサと、
前記燃料電池が要求する加湿要求マップ、前記加湿器の性能マップ、前記コンプレッサへ噴射可能な水量マップ、前記コンデンサの水回収量により、機関の要求出力に応じた前記燃料電池の運転圧力を設定するコントロールユニット
とを有することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
【請求項２】
前記コンデンサが回収した水を貯蓄する貯水装置を更に有し、
前記コントロールユニットは、前記貯水装置内の水量を検知し、水が不足している場合は水回収量を増やすように前記コンデンサを制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項３】
前記コンデンサは、前記貯水装置内の水を冷却手段として用いて前記水を回収していることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用加湿装置に関し、特に、燃料電池の多湿排気から吸気側へ水分を移動させる方式の加湿器と、空気コンプレッサへの水噴射を行う水噴射弁とを有する燃料電池用加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の多湿排気から吸気側へ水分を移動させることにより燃料電池に水を供給する加湿器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、加湿器をコンプレッサ（スーパーチャージャ）の上流に配置することにより、加湿器の効率的な使用方法を提案している。また、コンプレッサの空気取込口へ水噴射を行うことで燃料電池へ供給される空気を効率良く加湿する水供給装置が従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２１６９８６号公報
【特許文献２】特開２０００−３１５５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池の多湿排気から吸気側へ水分を移動させる方式の加湿器又はコンプレッサへの水噴射を行う水供給装置を用いた場合、コンプレッサには加湿された空気が供給されるため、空気に含まれる水量を適量に制御しなければコンプレッサや燃料電池を故障させてしまうおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の特徴は、空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を燃料電池へ供給するコンプレッサと、コンプレッサの空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁と、コンプレッサより上流に配置され、燃料電池から排出される多湿状態の空気から燃料電池へ供給される空気へ水分を移動させる加湿器と、燃料電池から排出される多湿状態の空気から水を回収するコンデンサと、燃料電池が要求する加湿要求マップ、加湿器の性能マップ、コンプレッサへ噴射可能な水量マップ、コンデンサの水回収量により、機関の要求出力に応じた燃料電池の運転圧力を設定するコントロールユニットとを有する燃料電池用加湿装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、燃料電池へ供給する空気の温度と湿度を適切に制御する燃料電池用加湿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】
【０００６】
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。
【０００７】
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用加湿装置は、空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を燃料電池１へ供給するコンプレッサ２と、コンプレッサ２の空気取込口へ水噴射を行う水噴射弁３と、コンプレッサ２より上流に配置された加湿器６と、燃料電池１から排出される多湿状態の空気から水を回収するコンデンサ１２と、コンデンサ１２が回収した水を貯蓄する貯水装置７と、燃料電池１が要求する加湿要求マップ、加湿器６の性能マップ、コンプレッサ２へ噴射可能な水量マップ、コンデンサ１２の水回収量により、機関の要求出力に応じた燃料電池１の運転圧力を設定するコントロールユニット９とを有する。
【０００８】
加湿器６は、燃料電池１から排出される多湿状態の空気から燃料電池１へ供給される空気へ水分を移動させる。一方、加湿器６から流れ出す吸気側空気の温度は加湿前に比べて上昇しているため、コンプレッサ２の過熱防止と空気の加湿の目的で水噴射弁３を用いて水噴射を行う。
【０００９】
燃料電池１は、水素を含む燃料ガスが供給されるアノード極（水素極）と、酸化剤ガスとしての空気が供給されるカソード極（酸素極）とを有し、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される酸素との電気化学的反応により発電を行うダイレクト水素型燃料電池である。燃料電池１の発電に伴う発熱は、第１の冷却水路１０内を流れる冷却水により冷却される。
【００１０】
水噴射弁３が噴射する水は、貯水装置７に貯蓄されている水であり、水ポンプ４及びプレッシャーレギュレータ５により貯水装置７から水噴射弁３へ供給される。貯水装置７には水位計８が備えられ、貯水装置７内の水位を測定することができる。コンデンサ１２の下流には、排気空気の流量を制御するスロットル弁１１が配置されている。
【００１１】
加湿器６へ供給される吸気側の空気の温度Ｔ１、圧力Ｐ１及び湿度Ｈ１を測定する温度計、圧力計及び湿度計が加湿器の吸気側の上流に配置されている。コンプレッサ２から吐出された空気の温度Ｔ３、圧力Ｐ３及び湿度Ｈ３を測定する温度計、圧力計及び湿度計がコンプレッサ２の下流に配置されている。燃料電池１から排出された空気の温度Ｔ２、圧力Ｐ２及び湿度Ｈ２を測定する温度計、圧力計及び湿度計が燃料電池１の空気排出口の付近に配置されている。第１の冷却水路１０には温度計が配置され、冷却水の温度Ｔ(LLC)を介して燃料電池１の温度が測定される。貯水装置７にも温度計が配置され、貯水装置７に貯蓄されている水の温度Ｔ(W)が測定される。
【００１２】
コントロールユニット９は、運転者が燃料電池１へ要求する負荷すなわち機関の要求出力、吸入空気の温度Ｔ１、圧力Ｐ１、湿度Ｈ１、燃料電池１からの排出空気の温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２、燃料電池１への供給空気の温度Ｔ３、圧力Ｐ３、湿度Ｈ３、貯水装置７内の水温Ｔ(W)、貯水装置７の水位計８の出力値が入力される。そして、コンプレッサ２、水噴射弁３、水ポンプ４、スロットル弁１１に対して制御信号を送信し、水ポンプ４の回転数、水噴射弁３の駆動パルス、コンプレッサ２の回転数、スロットル弁１１の開度を制御する。なお、コンプレッサ２から吐出された空気の温度Ｔ３、圧力Ｐ３及び湿度Ｈ３のコントロールユニット９への入力を省略しても構わない。更に、コントロールユニット９は、水位計８を用いて貯水装置７内の水量を検知し、水が不足している場合は水回収量を増やすようにコンデンサ１２を制御する。
【００１３】
図２に示すように、図１のコンデンサ１２の内部には、冷却水が循環する第２の冷却水路１５が配置され、第２の冷却水路１５内に冷却水を循環させることで排気温度を低下させ、水を凝縮して回収する。回収された凝縮水１４は、貯水装置７へ送られる。
【００１４】
図３（ａ）に示すように、ＬＬＣを用いてコンデンサ１２で排気空気を冷却する場合、第２の冷却水路１５上には、冷却水を循環させるためのポンプ１６と、冷却水の熱を外気へ放出するラジエータ１７とが配置される。ポンプ１６を用いて冷却水を循環させることにより、排気空気を冷却することができる。
【００１５】
図３（ｂ）に示すように、貯水装置７に蓄えられている水を用いてコンデンサ１２で排気空気を冷却する場合、第２の冷却水路１５の両端は、プレッシャーレギュレータ５及び貯水装置７に接続される。水ポンプ４及びプレッシャーレギュレータ５により貯水装置７から水を吸い上げ、第２の冷却水路１５へ供給することにより、排気空気を冷却することができる。水での冷却方法によれば、プレッシャーレギュレータ５による循環経路でコンデンサ１２を冷却するので、装置の簡略化が計れる。
【００１６】
図４に示すような、要求負荷すなわち空気流量と運転圧力に応じた燃料電池の要求水量を示すマップが、燃料電池１の吸気の温度、圧力、湿度ごとに用意され、運転者のアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じた要求水量を参照することができる。
【００１７】
図５に示すような、空気流量と運転圧力に応じた加湿器６の供給水量を示すマップが、燃料電池１の吸気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度ごとに用意され、運転者のアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じた加湿器６の供給水量を参照することができる。
【００１８】
図６に示すような、空気流量と運転圧力に応じたコンプレッサ２への水噴射性能を示すマップが、燃料電池１の吸気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度ごとに用意され、運転者のアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じたコンプレッサ２への供給可能水量を参照することができる。コンプレッサ２への供給水量を制御することによりコンプレッサ２の吐出温度を燃料電池１の入り口温度へ近づくように制御する。なおここでは、コンプレッサ２の入り口に温度計、圧力計、湿度計を設置せずに、燃料電池１の吸気口の温度Ｔ３、圧力Ｐ３、湿度Ｈ３及び排気口の温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２からコンプレッサ２への供給可能水量を推定している。しかし、本発明はこれに限定されずに、コンプレッサ２の入り口に温度計、圧力計、湿度計を設置してこれらを用いてコンプレッサ２への供給可能水量を求めても構わない。
【００１９】
図７に示すような、空気流量と運転圧力に応じた加湿器６及び水噴射弁３による水供給量の合計を示すマップが、燃料電池１の吸気の温度、圧力、湿度及び燃料電池１の排気の温度、圧力、湿度ごとに用意され、運転者のアクセルペダルの開度（要求負荷）に応じた加湿システム（加湿器６及び水噴射弁３）の供給可能水量を参照できる。
【００２０】
図８は、要求負荷すなわち空気流量と運転圧力に応じたコンプレッサ２の回転毎の特性線と、燃料電池要求加湿満足線（スタック要求加湿満足線）を合わせて示している。このスタック要求加湿満足線は、図４の燃料電池１の要求水量範囲を図７の加湿システムの供給可能水量が満足する範囲の代表線である。燃料電池１の運転圧力は、コンプレッサ２の特性曲線上で高効率点を結ぶ線（高効率線）上にあることが望ましく、上記のスタック要求加湿満足線は、高効率線に近いことが望ましい。スタック要求加湿満足線上に燃料電池１の運転圧力を設定することで、燃料電池１の入り口の温度Ｔ３と湿度Ｈ３を適性に制御できる。この時に、水位計８を用いて貯水装置７の水位を検知し、水位低下すなわち水不足を検出した場合には、補正係数を用いて運転圧力を低く設定する。補正後のスタック要求加湿満足線を「スタック要求加湿満足線（水回収量不足時補正有り）」という。
【００２１】
図９を参照して、図１の燃料電池用加湿装置の制御方法を説明する。
【００２２】
（イ）先ず、Ｓ０１段階において吸入空気の状態（温度Ｔ３、圧力Ｐ３、湿度Ｈ３）を読み込み、Ｓ０２段階において燃料電池１の排気空気の状態（温度Ｔ２、圧力Ｐ２、湿度Ｈ２）を読み込み、Ｓ０３段階において運転者からの要求負荷（アクセルペダル開度）を読み込み、Ｓ０４段階において必要空気量を参照する。Ｓ０５段階において図８に示した運転圧設定マップを参照して、Ｓ０６段階において運転圧力の低下補正フラグを読み込み、Ｓ０７段階において運転圧力を決定する。Ｓ０８段階においてコンプレッサ２への水噴射量を図６のマップを参照して読み込み、Ｓ０９段階においてコンプレッサ２の回転数とスロットルの開度を設定し、Ｓ１０段階において水噴射量を決定する。
【００２３】
（ロ）Ｓ１１段階において、水位計８を用いて貯水装置７内の水位を測定し、Ｓ１２段階において水位の予測計算を行い、Ｓ１３段階において水不足が予測されるか否かを判断する。水不足が予測される場合（Ｓ１３段階においてＹＥＳ）、Ｓ１４段階に進み、水不足が予測されない場合（Ｓ１３段階においてＮＯ）、Ｓ０１段階に戻る。Ｓ１４段階においてコンデンサ１２の冷却水の流量を増やす。Ｓ１５段階において運転圧低下補正フラグをオン状態にして、次回の制御時の運転圧設定時に運転圧力を低めに設定することで、水噴射量を低減させる。その後、Ｓ０１段階に戻る。以上のＳ０１〜Ｓ１５段階のループを繰り返し実施する。
【００２４】
以上説明したように、加湿器６は、コンプレッサ２の上流に設置され、燃料電池１の排気から熱と水を吸気側に移動させる。この加湿器６とコンプレッサ２の配置により、加湿器６を高効率で運転することが可能となる。
【００２５】
図４に示す燃料電池１の要求加湿水量マップ、図５に示す加湿器６の性能マップ、図６に示すコンプレッサ２への噴射可能水量マップ、及びコンデンサ１２により回収された水量により、機関の要求出力に応じた燃料電池１の運転圧力を設定するための図６に示す「スタック要求加湿満足線」が作成可能であり、スタック要求加湿満足線上に運転圧力を設定することで、燃料電池１の入り口温度Ｔ３と湿度Ｈ３を適性に制御することができる。
【００２６】
また、貯水装置７内の水不足を検知した場合は、コンデンサ１２内の第２の冷却水路１５内を循環する冷却水の水量を図示していない冷却水ポンプにより増加させ、コンデンサ１２の温度を低下させることで水の回収量を増加させることも可能である。これにより、水不足によりコンプレッサ２への水噴射が減り、水の気化熱による冷却効果の低下でコンプレッサ２が高温で故障したり、燃料電池１が高温で故障することを防止できる。
【００２７】
さらに、コンデンサ１２の冷却手段として貯水装置７に蓄えられた水を循環させることにより、簡単な装置構成でコンデンサ１２を冷却することができる。
【００２８】
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。即ち、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】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係わる燃料電池用加湿装置を示すブロック図である。
【図２】図１のコンデンサの構成を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）はＬＬＣを用いたコンデンサでの冷却方法を示すブロック図であり、図３（ｂ）は水を用いたコンデンサでの冷却方法を示すブロック図である。
【図４】空気流量と運転圧力に応じた燃料電池の要求加湿水量を示すマップである。
【図５】空気流量と運転圧力に応じた加湿器の性能を示すマップである。
【図６】空気流量と運転圧力に応じたコンプレッサへ供給可能な水量を示すマップである。
【図７】空気流量と運転圧力に応じた加湿器及び水噴射弁による水供給量の合計を示すマップである。
【図８】空気流量と運転圧力に応じたコンプレッサの回転毎の特性線とスタック要求加湿満足線を示すマップである。
【図９】図１の燃料電池用加湿装置の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１…燃料電池
２…コンプレッサ
３…水噴射弁
４…水ポンプ
５…プレッシャーレギュレータ
６…加湿器
７…貯水装置
８…水位計
９…コントロールユニット
１０…第１の冷却水路
１１…スロットル弁
１２…コンデンサ
１４…凝縮水
１５…第２の冷却水路
１６…ポンプ
１７…ラジエータ
【図１】
2006040713.tif 000003
【図２】
2006040713.tif 000004
【図３】
2006040713.tif 000005
【図４】
2006040713.tif 000006
【図５】
2006040713.tif 000007
【図６】
2006040713.tif 000008
【図７】
2006040713.tif 000009
【図８】
2006040713.tif 000010
【図９】
2006040713.tif 000011