(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックに供給される水素と空気とが、効果的に予熱及び加湿できる燃料電池スタック制御システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック２００の温度及び湿度制御システムは、水を水蒸気に変換する振動子１１０と、生成された水蒸気を貯蔵する貯蔵部１１２と、貯蔵された水蒸気を燃料電池スタックに供給される水素と空気とに各々混合させて、水素と空気とを加湿する混合部とを含む加湿装置１１１；加湿された水素及び空気を予熱する予熱装置１３０，１３２；予熱装置を通過した空気及び水素の温度、及び燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する温度センサー１４０，１４２，１４４；加湿装置を通過した空気及び水素の湿度を検出する湿度センサー１５０，１５２；及び温度センサー及び湿度センサーの信号に基づいて加湿装置及び予熱装置の動作を制御する燃料電池制御ユニット１６０を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を水蒸気に変換する振動子と、前記振動子で生成された水蒸気を貯蔵する貯蔵部と、前記貯蔵部に貯蔵された水蒸気を燃料電池スタックに供給される水素と空気とに各々混合させて、前記水素と空気とを加湿するように構成される混合部とを含む加湿装置；
前記混合部によって加湿された水素及び空気を予熱するように構成される予熱装置；
前記予熱装置を通過した前記空気及び水素の温度、及び前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出して対応する信号を出力する少なくとも一つの温度センサー；
前記加湿装置を通過した前記空気及び水素の湿度を検出して対応する信号を出力する少なくとも一つの湿度センサー；及び
前記温度センサー及び前記湿度センサーの信号に基づいて前記加湿装置及び前記予熱装置の動作を制御する燃料電池制御ユニット
を含むことを特徴とする燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項２】
前記混合部は、
水素供給ラインに設置される第１混合部と；
空気供給ラインに設置される第２混合部とを含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項３】
前記第１混合部と前記第２混合部の各々は、
その内部を通過する水素と空気との流速の増大に起因する圧力の低下によって、前記貯蔵部から水蒸気を吸い込むように構成されるベンチュリ管を含む、請求項２に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項４】
前記予熱装置は、
水素供給ラインに装着される第１予熱部と；
空気供給ラインに装着される第２予熱部とを含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項５】
前記第１予熱部と前記第２予熱部各々は、
通電電流によって熱を発生させる可変抵抗を含む、請求項４に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項６】
前記予熱装置は、電流の供給を受けて熱を発生させるように構成される一つ以上の予熱部と、前記予熱部と電源を電気的に連結し、前記燃料電池制御ユニットの制御信号に基づいて前記電源から前記予熱部に電流が選択的に供給されるように構成される予熱スイッチとを含み、
前記加湿装置は、前記振動子と前記電源とを電気的に連結し、前記燃料電池制御ユニットの制御信号に基づいて前記電源から前記振動子に電流が選択的に供給されるように構成される振動子動作スイッチをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックでの水素と酸素との反応で生成される水を貯蔵する蓄積部をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項８】
前記蓄積部に装着され、前記蓄積部に貯蔵される水の量が設定された量以上蓄積された場合、前記水を外部に排出する排水部をさらに含む、請求項７に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの温度センサーは、
前記予熱装置を通過した水素の温度を検出する第１温度センサーと、
前記予熱装置を通過した空気の温度を検出する第２温度センサーとを含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１０】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第１温度センサーによって検出された水素温度が第１設定温度より低い場合に、前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されるように前記予熱装置を制御し、
前記第２温度センサーによって検出された空気温度が前記第１設定温度より低い場合に、前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されるように前記予熱装置を制御する、請求項９に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１１】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第１温度センサーによって検出された水素温度が第２設定温度より高い場合に、前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されないように前記予熱装置を制御し、
前記第２温度センサーによって検出された空気温度が前記第２設定温度より高い場合に、前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されないように前記予熱装置を制御する、請求項９に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックの内部にある冷却水が前記予熱装置を経由して前記蓄積部に供給されるように、前記燃料電池スタックと前記予熱装置とは第１通路によって連結され、前記予熱装置と前記蓄積部とは第２通路によって連結され、
前記第１通路には、その開閉に応じて前記燃料電池スタックから前記予熱装置への冷却水の流れを選択的に調節できる第１バルブが設置され、
前記第２通路には、その開閉に応じて前記予熱装置から前記蓄積部への冷角水の流れを選択的に調節できる第２バルブが設置され、
前記第１バルブと前記第２バルブとの動作は前記燃料電池制御ユニットによって制御される、請求項７に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１３】
前記予熱装置は、通電電流によって熱を放出し、前記燃料電池制御ユニットによってその抵抗値を変化できる可変抵抗を含み、
前記少なくとも一つの温度センサーは、
前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する第３温度センサーを含み、
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第３温度センサーによって検出された前記冷却水温度が第３設定温度より高い場合に、前記第１バルブと前記第２バルブとが開放され、前記可変抵抗の抵抗値を減少させて電気発熱量が減少するように制御する、請求項１２に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１４】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第３温度センサーによって検出された前記冷却水温度が第４設定温度より高い場合に、前記第１バルブと前記第２バルブとが開放され、前記予熱装置が動作しないように制御する、請求項１３に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１５】
前記第４設定温度は、前記燃料電池スタックから前記予熱装置を経由して前記蓄積部に供給される冷却水だけによって、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる冷却水温度に設定される、請求項１４に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの湿度センサーは、
前記加湿装置を通過した水素の湿度を検出して対応する信号を出力する第１湿度センサーと、
前記加湿装置を通過した空気の湿度を検出して対応する信号を出力する第２湿度センサーとを含む、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１７】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第１湿度センサーによって検出された前記水素湿度値と前記第２湿度センサーによって検出された前記空気湿度値とのうち、少なくともいずれか一つが第１設定湿度より低い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が増加するように前記振動子を制御する、請求項１６に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１８】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第１湿度センサーによって検出された前記水素湿度値と前記第２湿度センサーによって検出された前記空気湿度値いずれも第２設定湿度より高い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が減少するように前記振動子を制御する、請求項１６に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項１９】
前記少なくとも一つの温度センサーは、
前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する第３温度センサーを含み、
前記燃料電池制御ユニットは、
前記第３温度センサーによって検出された前記冷却水温度に基づいて、前記予熱装置及び前記燃料電池スタック内部の冷却水のうちのいずれか一つ以上を利用して、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項１に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項２０】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記冷却水温度が第３設定温度より低い場合には、前記予熱装置だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項１９に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項２１】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記冷却水温度が前記第３設定温度と第４設定温度との間である場合には、前記予熱装置と前記燃料電池スタック内部の冷却水を利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項１９に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項２２】
前記燃料電池制御ユニットは、
前記冷却水温度が第４設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項１９に記載の燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム。
【請求項２３】
燃料電池スタックに供給される水素と空気とを加湿できる加湿装置と、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる予熱装置とを利用する燃料電池スタックの温度及び湿度制御方法において、燃料電池制御ユニットが、
前記予熱装置を通過した水素と空気との温度を各々検出する段階；
前記加湿装置を通過した水素と空気との湿度を各々検出する段階；及び
前記検出された水素温度、空気温度、水素湿度、及び空気湿度に基づいて前記加湿装置と前記予熱装置とを制御する段階を含む制御プロセスを実行することを特徴とする燃料電池スタックの温度及び湿度制御方法。
【請求項２４】
燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる予熱装置を利用する燃料電池スタックの温度制御方法において、燃料電池制御ユニットが、
前記予熱装置を通過した水素の温度を検出する段階；
前記予熱装置を通過した空気の温度を検出する段階；及び
前記水素温度と前記空気温度とに基づいて前記予熱装置を制御する予熱装置制御段階を含む制御プロセスを実行することを特徴とする燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項２５】
前記予熱装置制御段階は、
前記検出された水素温度が第１設定温度より低い場合には、前記予熱装置によって前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されるように前記予熱装置を制御し、
前記検出された空気温度が前記第１設定温度より低い場合には、前記予熱装置によって前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されるように前記予熱装置を制御する、請求項２４に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項２６】
前記予熱装置制御段階は、
前記検出された水素温度が第２設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されないように前記予熱装置を制御し、
前記検出された空気温度が前記第２設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されないように前記予熱装置を制御する、請求項２４に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項２７】
前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する段階；及び
前記冷却水温度が第３設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水によって前記予熱装置を通過する水素と空気とを予熱できるように、前記冷却水が前記予熱装置を循環するようにすると同時に、前記予熱装置の発熱量が減少するように制御する段階をさらに含む、請求項２４に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項２８】
前記冷却水温度が第４設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水によって前記予熱装置を通過する水素と空気とを予熱できるように、前記冷却水が前記予熱装置を循環するようにすると同時に、前記予熱装置の動作を中止させる段階をさらに含む、請求項２７に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項２９】
前記第４設定温度は、前記燃料電池スタックの冷却水だけによって、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる冷却水温度に設定される、請求項２８に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項３０】
前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する段階をさらに含み、
前記予熱装置制御段階は、前記検出された冷却水温度に基づいて、前記予熱装置及び前記燃料電池スタック内部の冷却水のうちのいずれか一つ以上を利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項２４に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項３１】
前記予熱装置制御段階は、
前記冷却水温度が第３設定温度より低い場合には、前記予熱装置だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項３０に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項３２】
前記予熱装置制御段階は、
前記冷却水温度が前記第３設定温度と第４設定温度との間である場合には、前記予熱装置と前記燃料電池スタック内部の冷却水とを併用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項３０に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項３３】
前記予熱装置制御段階は、
前記冷却水温度が前記第４設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱する、請求項３０に記載の燃料電池スタックの温度制御方法。
【請求項３４】
水を水蒸気に変換する振動子を含み、燃料電池スタックに供給される水素と空気とを加湿できる加湿装置を利用する燃料電池スタックの湿度制御方法において、燃料電池制御ユニットが、
前記加湿装置を通過した水素の湿度を検出する段階；
前記加湿装置を通過した空気の湿度を検出する段階；及び
前記水素湿度と前記空気湿度とに基づいて前記加湿装置を制御する加湿装置制御段階を含む制御プロセスを実行することを特徴とする燃料電池スタックの湿度制御方法。
【請求項３５】
前記加湿装置制御段階は、
前記水素湿度と前記空気湿度とのうちの少なくともいずれか一つが第１設定湿度より低い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が増加するように前記振動子を制御する、請求項３４に記載の燃料電池スタックの湿度制御方法。
【請求項３６】
前記加湿装置制御段階は、
前記水素湿度と前記空気湿度いずれも第２設定湿度より高い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が減少するように前記振動子を制御する、請求項３４に記載の燃料電池スタックの湿度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム並びに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池スタックで電気を生産するためには、水素陽イオンが電解質膜を経て負極側に移動することが必須であり、このために電解質膜は常に少し湿っていなければならない。
【０００３】
しかし、水素陽イオンが負極側に移動する時は、電解質膜から水分子を奪っていくので、乾き易い電解質膜の湿度を適切にするため、流入する水素を常に一定に加湿することが必要である。
【０００４】
加湿の方法は、スタック内部加湿とスタック外部加湿に大別され、本願発明はスタック外部加湿法を用いる。
【０００５】
スタック内部加湿は、スタックで電気生産と水素加湿とを同時にできるため、車両に適用する燃料電池システムに多くの利点をもたらす。
【０００６】
外部加湿方式は、振動子で動作する水蒸気発生器と送風機を用いて、水蒸気を水素／空気供給流路に供給し、負荷変動時に別途の制御回路を利用して水蒸気発生量及び移送量の制御を行い、固体高分子型燃料電池の電解質膜に水分を均等に供給し、燃料電池の負荷変動時にも常に適量の水分を電解質膜に供給する。
【０００７】
前記のような外部加湿方法を使用する時、従来は振動子を用いて発生させた水蒸気を、別途の送風機を利用して水素／空気の供給ラインに供給する必要があるために、水蒸気供給用として複数の送風機を要し、送風機駆動による動力損失及び送風機駆動のための制御ロジックが必要である。
【０００８】
また、負荷変動時に燃料電池制御ユニットを利用して水蒸気発生量及び移送量を制御しなければならないので、複数の制御ロジック及び制御回路が必要である。したがって、制御ロジックの最適化が非常に困難になる。
【０００９】
さらに、一時的な水素減圧に伴う温度低下および水素／空気に水蒸気を混合する時に招来される温度低下を補償できる手段がないという問題点があった。
【特許文献１】特開平１１−２８３６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、燃料電池スタックに供給される水素と空気とを、効果的に予熱及び加湿できる燃料電池スタック制御システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明による燃料電池スタックの温度及び湿度制御システムは、水を水蒸気に変換する振動子と、前記振動子によって生成された水蒸気を貯蔵する貯蔵部と、前記貯蔵部に貯蔵された水蒸気を燃料電池スタックに供給される水素と空気とに各々混合させて、前記水素と前記空気とを加湿するように構成される混合部とを含む加湿装置；前記混合部によって加湿された水素及び空気を予熱できるように構成された予熱装置；前記予熱装置を通過した前記空気及び前記水素の温度、及び前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出して対応する信号を出力する少なくとも一つの温度センサー；前記加湿装置を通過した前記空気及び前記水素の湿度を検出して対応する信号を出力する少なくとも一つの湿度センサー；及び前記温度センサー及び前記湿度センサーの信号に基づいて前記加湿装置及び前記予熱装置の動作を制御する燃料電池制御ユニットを含むことを特徴とする。
【００１２】
前記混合部は、水素供給ラインに設置される第１混合部と；空気供給ラインに設置される第２混合部とを含むことが好ましい。
【００１３】
前記第１混合部と前記第２混合部の各々は、その内部を通過する水素と空気との流速の増大に起因する圧力低下によって、前記貯蔵部から水蒸気を吸い込むように構成されるベンチュリ管を含むことが好ましい。
【００１４】
前記予熱装置は、水素供給ラインに装着される第１予熱部と；空気供給ラインに装着される第２予熱部とを含むことが好ましい。
【００１５】
前記第１予熱部と前記第２予熱部各々は、電流の流れによって熱を発生できる可変抵抗を含むことが好ましい。
【００１６】
前記予熱装置は、電流の供給を受けて熱を発生できるように構成される一つ以上の予熱部と、前記予熱部と電源を電気的に連結し、前記燃料電池制御ユニットの制御信号によって前記電源から前記予熱部に電流が選択的に供給できるように構成される予熱スイッチとを含み、前記加湿装置は、前記振動子と前記電源とを電気的に連結し、前記燃料電池制御ユニットの制御信号によって前記電源から前記振動子に電流が選択的に供給できるように構成される振動子動作スイッチをさらに含むことが好ましい。
【００１７】
この燃料電池スタックの温度及び湿度制御システムは、前記燃料電池スタックでの水素と酸素との反応で生成される水を貯蔵する蓄積部をさらに含むことが好ましい。
【００１８】
前記蓄積部に装着され、前記蓄積部に貯蔵される水の量が設定された量以上蓄積された場合、前記水を外部に排出する排水部をさらに含むことが好ましい。
【００１９】
前記少なくとも一つの温度センサーは、前記予熱装置を通過した水素の温度を検出する第１温度センサーと、前記予熱装置を通過した空気の温度を検出する第２温度センサーとを含むことが好ましい。
【００２０】
前記燃料電池制御ユニットは、前記第１温度センサーによって検出された水素温度が第１設定温度より低い場合に、前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されるように前記予熱装置を制御し、前記第２温度センサーによって検出された空気温度が前記第１設定温度より低い場合に、前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されるように前記予熱装置を制御することが好ましい。
【００２１】
前記燃料電池制御ユニットは、前記第１温度センサーによって検出された水素温度が第２設定温度より高い場合に、前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されないように前記予熱装置を制御し、前記第２温度センサーによって検出された空気温度が前記第２設定温度より高い場合に、前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されないように前記予熱装置を制御することが好ましい。
【００２２】
前記燃料電池スタックの内部にある冷却水が前記予熱装置を経由して前記蓄積部に供給されるように、前記燃料電池スタックと前記予熱装置とは第１通路によって連結され、前記予熱装置と前記蓄積部とは第２通路によって連結され、前記第１通路には、その開閉に応じて前記燃料電池スタックから前記予熱装置への冷却水の流れを選択的に調節できる第１バルブが設置され、前記第２通路には、その開閉に応じて前記予熱装置から前記蓄積部への冷角水の流れを選択的に調節できる第２バルブが設置され、前記第１バルブと前記第２バルブの動作は前記燃料電池制御ユニットによって制御されることが好ましい。
【００２３】
前記予熱装置は、定電流形式の電源からの通電電流によって熱を放出し、前記燃料電池制御ユニットによってその抵抗値を変化できる可変抵抗を含み、前記少なくとも一つの温度センサーは、前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する第３温度センサーを含み、前記燃料電池制御ユニットは、前記第３温度センサーによって検出された前記冷却水温度が第３設定温度より高い場合に、前記第１バルブと前記第２バルブとが開放され、前記可変抵抗の抵抗値を減少させて電気発熱量が減少するように制御することが好ましい。
【００２４】
前記燃料電池制御ユニットは、前記第３温度センサーによって検出された前記冷却水温度が第４設定温度より高い場合に、前記第１バルブと前記第２バルブとが開放され、前記予熱装置の抵抗加熱部が動作しないように制御することが好ましい。
【００２５】
前記第４設定温度は、前記燃料電池スタックから前記予熱装置を経由して前記蓄積部に供給される冷却水だけによって、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる冷却水温度に設定されることが好ましい。
【００２６】
前記少なくとも一つの湿度センサーは、前記加湿装置を通過した水素の湿度を検出して対応する信号を出力する第１湿度センサーと、前記加湿装置を通過した空気の湿度を検出して対応する信号を出力する第２湿度センサーとを含むことが好ましい。
【００２７】
前記燃料電池制御ユニットは、前記第１湿度センサーによって検出された前記水素湿度値と前記第２湿度センサーによって検出された前記空気湿度値とのうち、少なくともいずれか一つが第１設定湿度より低い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が増加するように前記振動子を制御することが好ましい。
【００２８】
前記燃料電池制御ユニットは、前記第１湿度センサーによって検出された前記水素湿度値と前記第２湿度センサーによって検出された前記空気湿度値とが共に第２設定湿度より高い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が減少するように前記振動子を制御することが好ましい。
【００２９】
前記少なくとも一つの温度センサーは、前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する第３温度センサーを含み、前記燃料電池制御ユニットは、前記第３温度センサーによって検出された前記冷却水温度に基づいて、前記予熱装置及び前記燃料電池スタック内部の冷却水のうちのいずれか一つ以上を利用して、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００３０】
前記燃料電池制御ユニットは、前記冷却水温度が第３設定温度より低い場合には、前記予熱装置だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００３１】
前記燃料電池制御ユニットは、前記冷却水温度が前記第３設定温度と第４設定温度との間にある場合には、前記予熱装置と前記燃料電池スタック内部の冷却水を利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００３２】
前記燃料電池制御ユニットは、前記冷却水温度が前記第４設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００３３】
本発明による燃料電池スタックの温度及び湿度制御方法は、燃料料電池スタックに供給される水素と空気とを加湿できる加湿装置と、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる予熱装置とを利用する燃料電池スタックの温度及び湿度制御方法において、燃料電池制御ユニットが、前記予熱装置を通過した水素と空気との温度を各々検出する段階；前記加湿装置を通過した水素と空気との湿度を各々検出する段階；及び前記検出された水素温度、空気温度、水素湿度、及び空気湿度に基づいて前記加湿装置と前記予熱装置とを制御する段階を含む制御プロセスを実行することを特徴とする。
【００３４】
本発明による燃料電池スタックの温度制御方法は、燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる予熱装置を利用する燃料電池スタックの温度制御方法において、燃料電池制御ユニットが、前記予熱装置を通過した水素の温度を検出する段階；前記予熱装置を通過した空気の温度を検出する段階；及び前記水素温度と前記空気温度とに基づいて前記予熱装置を制御する予熱装置制御段階を含む制御プロセスを実行することを特徴とする。
【００３５】
前記予熱装置制御段階は、前記検出された水素温度が第１設定温度より低い場合には、前記予熱装置によって前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されるように前記予熱装置を制御し、前記検出された空気温度が前記第１設定温度より低い場合には、前記予熱装置によって前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されるように前記予熱装置を制御することが好ましい。
【００３６】
前記予熱装置制御段階は、前記検出された水素温度が第２設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタックに供給される水素が予熱されないように前記予熱装置を制御し、前記検出された空気温度が前記第２設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタックに供給される空気が予熱されないように前記予熱装置を制御することが好ましい。
【００３７】
燃料電池スタックの温度制御方法は、前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する段階；及び前記冷却水温度が第３設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水によって前記予熱装置を通過する水素と空気とを予熱できるように、前記冷却水が前記予熱装置を循環するようにすると同時に、前記予熱装置の発熱量が減少するように制御する段階をさらに含むことが好ましい。
【００３８】
燃料電池スタックの温度制御方法は、前記冷却水温度が第４設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水によって前記予熱装置を通過する水素と空気とを予熱できるように、前記冷却水が前記予熱装置を循環するようにすると同時に、前記予熱装置の電気的発熱動作を中止させる段階をさらに含むことが好ましい。
【００３９】
前記第４設定温度は、前記燃料電池スタックの冷却水だけによって、前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱できる冷却水温度に設定されることが好ましい。
【００４０】
燃料電池スタックの温度制御方法は、前記燃料電池スタック内部の冷却水温度を検出する段階をさらに含み、前記予熱装置制御段階は、前記検出された冷却水温度に基づいて、前記予熱装置及び前記燃料電池スタック内部の冷却水のうちのいずれか一つ以上を利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００４１】
前記予熱装置制御段階は、前記冷却水温度が第３設定温度より低い場合には、前記予熱装置だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００４２】
前記予熱装置制御段階は、前記冷却水温度が前記第３設定温度と第４設定温度との間である場合には、前記予熱装置と前記燃料電池スタック内部の冷却水とを同時に利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００４３】
前記予熱装置制御段階は、前記冷却水温度が前記第４設定温度より高い場合には、前記燃料電池スタック内部の冷却水だけを利用して前記燃料電池スタックに供給される水素と空気とを予熱することが好ましい。
【００４４】
本発明による燃料電池スタックの湿度制御方法は、水を水蒸気に変換する振動子を含み、燃料電池スタックに供給される水素と空気とを加湿できる加湿装置を利用する燃料電池スタックの湿度制御方法において、燃料電池制御ユニットが、前記加湿装置を通過した水素の湿度を検出する段階；前記加湿装置を通過した空気の湿度を検出する段階；及び前記水素湿度と前記空気湿度とに基づいて前記加湿装置を制御する加湿装置制御段階を含む制御プロセスを実行することを特徴とする。
【００４５】
前記加湿装置制御段階は、前記水素湿度と前記空気湿度とのうちの少なくともいずれか一つが第１設定湿度より低い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が増加するように前記振動子を制御することが好ましい。
【００４６】
前記加湿装置制御段階は、前記水素湿度と前記空気湿度が共に第２設定湿度より高い場合には、前記振動子によって生成される水蒸気の量が減少するように前記振動子を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００４７】
前記のように、本発明の実施例による燃料電池スタックの温度及び湿度制御システム、温度制御方法および／または湿度制御方法によれば、燃料電池スタックに供給される水素及び空気の温度と湿度とが効果的に制御されることによって、運転開始時の始動性が改善され、エネルギー効率が高くなる。また、始動に要する時間が短縮し、電解質膜の損傷を最小化できる。
【００４８】
また、従来のシステムと比較すれば、送風機が削除されたので、制御ロジックが大幅に減少する長所があり、システム全体の大きさが小さくなるという長所もある。
【００４９】
さらに、水素と空気とが燃料電池スタックの冷却水によって予熱されるので、水素と空気との予熱に消耗されるエネルギーが減少する効果がある。また、燃料電池の冷却水が水素と空気とを予熱する過程で冷却されるので、冷却水の冷却に消耗されるエネルギーも減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下に、本発明の好ましい実施例について添付の図面を参照して、詳細に説明する。
【実施例】
【００５１】
図１に示すように、本発明の実施例による燃料電池スタックの温度及び湿度制御システムは、燃料電池スタック２００に供給される空気と水素とを各々加湿する加湿装置１１１と、燃料電池スタック２００に供給される水素と空気とを各々予熱する第１と第２の予熱部１３０、１３２を含む予熱装置１３１と、加湿装置１１１及び予熱装置１３１の動作を制御する燃料電池制御ユニット１６０とを含む。
【００５２】
加湿装置１１１は、水を水蒸気に変換する振動子１１０と、振動子１１０によって生成された水蒸気を貯蔵する貯蔵部１１２と、貯蔵部１１２に貯蔵された水蒸気が燃料電池スタック２００に供給される水素と空気に各々混合されるようにする第１混合部１２０及び第２混合部１２２とを含む。
【００５３】
振動子１１０は、その振動によって水を水蒸気に変換するように構成される装置である。振動子１１０は、少ないエネルギーを利用して水を水蒸気に変換できる装置である。
【００５４】
貯蔵部１１２は、振動子１１０で生成された水蒸気を貯蔵する貯蔵タンクと表現でき、貯蔵部１１２は、水蒸気の所要量及び生産量の間の緩衝機能をする。
【００５５】
第１混合部１２０は水素供給ライン２１０に設置され、水蒸気供給通路１２１を通じて貯蔵部１１２に連結される。貯蔵部１１２内の水蒸気は水蒸気供給通路１２１を通じて第１混合部１２０に供給され、第１混合部１２０に供給された水蒸気は水素と混合される。したがって、燃料電池スタック２００に供給される水素が加湿される。
【００５６】
第２混合部１２２は空気供給ライン２２０に設置され、水蒸気供給通路１２３を通じて貯蔵部１１２に連結される。貯蔵部１１２内の水蒸気は水蒸気供給通路１２３を通じて第２混合部１２２に供給され、第２混合部１２２に供給された水蒸気は空気と混合される。したがって、燃料電池スタック２００に供給される空気が加湿される。
【００５７】
第１混合部１２０と第２混合部１２２とは、水素供給ライン２１０と空気供給ライン２２０とに各々設置されるベンチュリ管を兼ねることができる。水素と空気とがベンチュリ管を通過する過程で圧力の低下が発生し、それによって貯蔵部１１２の水蒸気がベンチュリ管の内部に噴出できるようになる。
【００５８】
予熱装置１３１は、水素供給ライン２１０に設置されて燃料電池スタック２００に供給される水素を予熱する第１予熱部１３０と、空気供給ライン２２０に設置されて燃料電池スタック２００に供給される空気を予熱する第２予熱部１３２とを含む。
【００５９】
第１予熱部１３０と第２予熱部１３２とは、電流によって熱を発生する可変抵抗１３３、１３５を含むことが好ましい。
【００６０】
第１温度センサー１４０は、第１予熱部１３０の下流側（出力側）の水素供給ライン２１０に設けられ、燃料電池スタック２００に供給される水素の温度を検出して対応する信号を燃料電池制御ユニット１６０に出力する。
【００６１】
第２温度センサー１４２は、第２予熱部１３２の下流側の空気供給ライン２２０に設けられ、燃料電池スタック２００で供給される空気の温度を検出して対応する信号を燃料電池制御ユニット１６０に出力する。
【００６２】
第３温度センサー１４４は、燃料電池スタック２００の内部の冷却水温度を検出して対応する信号を燃料電池制御ユニット１６０に出力する。
【００６３】
第１混合部１２０の下流側の水素供給ライン２１０には第１湿度センサー１５０が設けられ、第２混合部１２２の下流側の空気供給ライン２２０には第２湿度センサー１５２が設けられる。第１湿度センサー１５０と第２湿度センサー１５２とは設置地点での水素と空気との湿度を検出して、対応する信号を燃料電池制御ユニット１６０に出力する。
【００６４】
また、第１混合部１２０の上流側の水素供給ライン２１０には第３湿度センサー１５４が設けられ、第２混合部１２２の上流側の空気供給ライン２２０には第４湿度センサー１５６が設けられる。第３湿度センサー１５４と第４湿度センサー１５６とは設置地点での水素と空気との湿度を検出して、対応する信号を燃料電池制御ユニット１６０に出力する。
【００６５】
燃料電池制御ユニット１６０は、マイクロプロセッサー、メモリ及び関連ハードウェアとソフトウェアを含み、本発明の実施例による燃料電池スタックの温度及び湿度制御に関する全般的な制御ロジックを遂行するようにプログラムされる。
【００６６】
燃料電池制御ユニット１６０は、前記の各センサーから受信した信号に基づいて、燃料電池スタック２００の最適動作のための必要予熱量と必要加湿量とを各々算出し、これによって加湿装置１１１と予熱装置１３１との動作を制御する。
【００６７】
例えば、燃料電池制御ユニット１６０は、燃料電池を搭載した車両（以下、“車両”と略記する）の初期始動時には第１予熱部１３０と第２予熱部１３２とだけを利用して燃料電池スタック２００に供給される水素と空気との温度を調節する。車両が初期始動の状態であるかどうかは、燃料電池スタック２００の冷却水温度に基づいて判断できる。例えば、冷却水温度が設定された温度（例えば、３０℃）より低ければ、車両の初期始動状態と判断できる。
【００６８】
また、燃料電池制御ユニット１６０は、車両の始動完了後には第１予熱部１３０、第２予熱部１３２、及び燃料電池スタック２００内部の冷却水（つまり、純水）を併用して水素と空気との温度を制御する。例えば、制御用入力信号としては、燃料電池スタック２００の冷却水温度が設定された温度範囲（例えば、３０℃と８０℃との間）内であれば、車両の始動完了状態と判断できる。
【００６９】
また制御用エネルギーとしては、燃料電池制御ユニット１６０が、車両の正常運転時には燃料電池スタック２００内部の純水だけを利用して水素と空気との温度を制御する。車両が正常運転したかどうかは燃料電池スタック２００の冷却水温度に基づいて判定できる。例えば、冷却水温度が設定された温度（例えば、８０℃）より高ければ車両の正常運転状態と判断できる。
【００７０】
第１及び第２予熱部１３０、１３２は、予熱スイッチ１７０を通じて制御用の電源３００に電気的に連結される。そして、予熱スイッチ１７０は、燃料電池制御ユニット１６０の制御信号によって第１及び第２予熱部１３０、１３２に電流を供給または遮断するように構成される。
【００７１】
振動子１１０は、振動子動作スイッチ１７２を通じて電源３００に電気的に連結される。そして、振動子動作スイッチ１７２は、燃料電池制御ユニット１６０の制御信号によって電流を振動子１１０に供給または遮断するように構成される。
【００７２】
蓄積部１８０は、図１に示すように、燃料電池スタック２００に連結され、燃料電池スタック２００で水素と酸素との反応によって生成される純水を貯蔵する機能を有する。
【００７３】
排水部１８２は、蓄積部１８０の下部に装着され、蓄積部１８０に貯蔵される純水の量が設定値以上に蓄積された場合、これを外部に排出する機能をする。
【００７４】
図２に示すように、燃料電池スタック２００の純水送出口と第２予熱部１３２の純水通路とは第１通路１９１によって互いに連結され、この第１通路１９１には第１バルブ１９０が設置される。そして、第２予熱部１３２の純水通路と蓄積部１８０とは第２通路１９３によって互いに連結され、この第２通路１９３には第２バルブ１９２が設置される。
【００７５】
同様に、燃料電池スタック２００と第１予熱部１３０、燃料電池スタック２００と蓄積部１８０の連結も同じ方式で行なわれる。
【００７６】
第１バルブ１９０と第２バルブ１９２とが開放されれば、燃料電池スタック２００の冷却水が予熱装置１３１を経由して蓄積部１８０に送出されるようになる。したがって、燃料電池スタック２００に流入する水素と空気とが燃料電池スタック２００の冷却水によって予熱される。
【００７７】
第１バルブ１９０と第２バルブ１９２の開閉動作は、燃料電池制御ユニット１６０の制御信号によって制御される。
【００７８】
図３に示すように、燃料電池制御ユニット１６０は、燃料電池スタック２００の冷却水温度信号、水素温度信号、空気温度信号、水素湿度信号、及び空気湿度信号を受信して、これに基づいて予熱スイッチ制御信号と振動子動作スイッチ制御信号とを出力する。
【００７９】
以下に、燃料電池制御ユニット１６０の制御ロジックについて具体的に説明する。
燃料電池制御ユニット１６０は、第１温度センサー１４０によって検出される水素温度が第１設定温度より低い場合には、第１予熱部１３０を動作させる制御信号を出力する。
【００８０】
同様に、燃料電池制御ユニット１６０は、第２温度センサー１４２によって検出される空気温度が第１設定温度より低い場合には、第２予熱部１３２を動作させる制御信号を出力する。
【００８１】
前記第１設定温度は、燃料電池スタック２００の良好な動作に必要な最少の温度に設定できる。例えば、第１設定温度は３０℃とすることができる。
【００８２】
反面、燃料電池制御ユニット１６０は、第１温度センサー１４０によって検出される水素温度が第２設定温度より高い場合には、第１予熱部１３０が動作しないようにする制御信号を出力する。
【００８３】
同様に、燃料電池制御ユニット１６０は、第２温度センサー１４２によって検出される空気温度が第２設定温度より高い場合には、第２予熱部１３２が動作しないようにする制御信号を出力する。
【００８４】
前記第２設定温度は、燃料電池スタック２００の良好な動作に必要な最大の温度に設定できる。例えば、第２設定温度は８０℃とすることができる。
【００８５】
第１及び第２予熱部１３０、１３２の初期値は、大気温度を基準として設定する。
【００８６】
燃料電池制御ユニット１６０は、第３温度センサー１４４によって検出される燃料電池スタック２００内部の冷却水温度が第３設定温度より高ければ、第１バルブ１９０と第２バルブ１９２とが開放され、予熱装置１３１の可変抵抗１３３、１３５の抵抗値が低くなるように制御する。可変抵抗１３３、１３５の抵抗値が低くなれば、予熱装置１３１で発生する熱が減少する。この時、燃料電池スタック２００に供給される水素と空気とは、予熱装置１３１と燃料電池スタック２００の冷却水とによって同時に予熱される。
【００８７】
第３設定温度は、燃料電池スタック２００内部の冷却水を利用して燃料電池スタック２００に供給される空気と水素とを予熱する任意の温度に設定できる。例えば、第３設定温度は３０℃とすることができる。
【００８８】
そして、燃料電池制御ユニット１６０は、第３温度センサー１４４によって検出される燃料電池スタック２００内部の冷却水温度が第４設定温度より高ければ、第１バルブ１９０と第２バルブ１９２とが開放され、予熱装置１３１が動作しないように制御する。つまり、冷却水温度が第４設定温度より高い場合には、燃料電池スタック２００の冷却水だけによって燃料電池スタック２００に供給される水素と空気とが予熱される。
【００８９】
第４設定温度は、予熱装置１３１の動作がなくても燃料電池スタック２００に流入する水素と空気とを所定の温度まで予熱する温度に設定できる。例えば、第４設定温度は７５℃に設定できる。
【００９０】
一方、燃料電池制御ユニット１６０は、第１湿度センサー１５０によって検出された水素湿度値と第２湿度センサー１５２によって検出された空気湿度値とのうち、少なくともいずれか一つが第１設定湿度より低い場合には、振動子１１０によって生成される水蒸気の量が増加するように振動子１１０の加速制御を行なう。
【００９１】
また、燃料電池制御ユニット１６０は、第１湿度センサー１５０によって検出された水素湿度値と第２湿度センサー１５２によって検出された空気湿度値いずれも第２設定湿度より高い場合には、振動子１１０によって生成される水蒸気の量が減少するように振動子１１０の減速制御を行なう。
【００９２】
第１設定湿度と第２設定湿度とは、燃料電池スタック２００の最適動作のための湿度範囲（例えば、８０％乃至１００％）を考慮して設定されることが好ましい。例えば、第１設定湿度は８０％に設定でき、第２設定湿度は９８％に設定できる。
【００９３】
以下、図４及び図５を参照して、本発明の実施例による燃料電池スタックの温度制御方法について説明する。
図４には、燃料電池スタック２００に供給される水素と空気との温度に基づく第１予熱部１３０と第２予熱部１３２との制御ロジックが示されている。
【００９４】
燃料電池制御ユニット１６０は、第１温度センサー１４０及び第２温度センサー１４２から予熱装置１３１を通過した水素温度と空気温度とを読み込む（Ｓ４１０）。
【００９５】
燃料電池制御ユニット１６０は、第１温度センサー１４０によって検出された水素温度が前記第１設定温度より低いかどうかを判断する（Ｓ４１２）。
【００９６】
第１温度センサー１４０によって検出された水素温度が前記第１設定温度より低い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第１予熱部１３０が動作するように制御する（Ｓ４１４）。
【００９７】
そして、第１温度センサー１４０によって検出された水素温度が前記第１設定温度より低くない場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第１温度センサー１４０によって検出された水素温度が前記第２設定温度より高いかどうかを判断する（Ｓ４１６）。
【００９８】
第１温度センサー１４０によって検出された水素温度が第２設定温度より高い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第１予熱部１３０が動作しないように制御する（Ｓ４１８）。
【００９９】
一方、燃料電池制御ユニット１６０は、第２温度センサー１４２によって検出された空気温度が前記第１設定温度より低いかどうかを判断する（Ｓ４２２）。
【０１００】
第２温度センサー１４２によって検出された空気温度が前記第１設定温度より低い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第２予熱部１３２が動作するように制御する（Ｓ４２４）。
【０１０１】
そして、第２温度センサー１４２によって検出された空気温度が前記第１設定温度より低くない場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第２温度センサー１４２によって検出された空気温度が前記第２設定温度より高いかどうかを判断する（Ｓ４２６）。
【０１０２】
第２温度センサー１４２によって検出された空気温度が第２設定温度より高い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第２予熱部１３２が動作しないように制御する（Ｓ４２８）。
【０１０３】
図５には、燃料電池スタック２００内の冷却水温度による制御ロジックが示されている。
まず、燃料電池制御ユニット１６０は、第３温度センサー１４４から燃料電池スタック２００内の冷却水温度を読み込む（Ｓ４３０）。
【０１０４】
燃料電池制御ユニット１６０は、第３温度センサー１４４によって検出された燃料電池スタック２００内部の冷却水温度が前記第３設定温度より高いかどうかを判断する（Ｓ４３２）。
【０１０５】
冷却水温度が第３設定温度より高い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第１バルブ１９０と第２バルブ１９２とが開放され、予熱装置１３１の可変抵抗１３３、１３５の抵抗値が低くなるように制御する（Ｓ４３４）。
【０１０６】
その後、燃料電池制御ユニット１６０は、冷却水温度が前記第４設定温度より高いかどうかを判断する（Ｓ４３６）。
【０１０７】
冷却水温度が前記第４設定温度より高い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は第１バルブ１９０と第２バルブ１９２とが開放され、予熱装置１３１は動作しないように制御する（Ｓ４３８）。
【０１０８】
図６を参照して、本発明の実施例による燃料電池スタックの湿度制御方法について説明する。
燃料電池制御ユニット１６０は、第１湿度センサー１５０から第１混合部１２０によって加湿された水素湿度を読み込み、第２湿度センサー１５２から第２混合部１２２によって加湿された空気湿度を読み込む（Ｓ５１０）。
【０１０９】
そして、燃料電池制御ユニット１６０は、Ｓ５１０段階で検出された水素湿度と空気湿度とのうちの少なくともいずれか一つが、前記第１設定湿度より低いかどうかを判断する（Ｓ５１２）。
【０１１０】
検出された水素湿度と空気湿度とのうちのいずれか一つでも前記第１設定湿度より低い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は、振動子１１０によって生成される水蒸気の量が増加するように振動子１１０の加速制御を行なう（Ｓ５１４）。
【０１１１】
Ｓ５１２段階で、水素湿度と空気湿度とのうちのいずれか一つでも前記第１設定湿度より低くない場合には、燃料電池制御ユニット１６０は、水素湿度と空気湿度いずれも前記第２設定湿度より高いかどうかを判断する（Ｓ５１６）。
【０１１２】
Ｓ５１６段階で水素湿度と空気湿度いずれも前記第２設定湿度より高い場合には、燃料電池制御ユニット１６０は振動子１１０によって生成される水蒸気の量が減少するように振動子１１０の減速制御を行なう（Ｓ５１８）。
【０１１３】
以上、本発明の好ましい実施例を説明した。本発明は本実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって、容易に変更可能である。本発明は、その技術範囲から逸脱しない範囲の全ての変更及び／または修正を含む。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、水素を燃料とする燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施例による燃料電池スタックの温度及び湿度制御システムを概略的に示す図面である。
【図２】図１のＡ部分の詳細図である。
【図３】本発明の実施例による燃料電池制御ユニットの入出力信号を示す図面である。
【図４】本発明の実施例による燃料電池スタックの温度制御方法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例による燃料電池スタックの温度制御方法のフローチャートである。
【図６】本発明の実施例による燃料電池スタックの湿度制御方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１６】
１１０    振動子
１１１    加湿装置
１１２    貯蔵部
１２０、１２２    第１、２混合部
１３０、１３２    第１、２予熱部
１７０    予熱スイッチ
１２１    水蒸気供給通路
１３１    予熱装置
１３３、１３５    可変抵抗
１４０、１４２、１４４    第１、２、３温度センサー
１５０、１５２、１５４、１５６    第１、２、３、４湿度センサー
１６０    燃料電池制御ユニット
１７２    振動子動作スイッチ
１８０    蓄積部
１８２    排水部
１９０、１９２    第１、２バルブ
１９１、１９３    第１、２通路
２００    燃料電池スタック
２１０    水素供給ライン
２２０    空気供給ライン
３００    電源
【図１】
2005116499.tif 000003
【図２】
2005116499.tif 000004
【図３】
2005116499.tif 000005
【図４】
2005116499.tif 000006
【図５】
2005116499.tif 000007
【図６】
2005116499.tif 000008