(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水タンクから吸気流路へ水を噴射する際の水供給量を調整する水供給弁と、
水噴射後の吸気流路から空気を取り込んで圧縮する圧縮機と、
圧縮機からの吐出空気を冷却する冷却器とを備え、
冷却後の空気を燃料電池に供給する燃料電池の水供給装置において、
前記燃料電池に供給される圧縮空気の流量を測定する流量測定手段と、
前記燃料電池に供給される圧縮空気の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記燃料電池に供給される圧縮空気の温度を測定する温度測定手段と、
前記燃料電池に供給される圧縮空気の流量、圧力、温度に基づいて、燃料電池に要求される最適な要求水量を算出する水量算出手段と、
この要求水量になるように前記水供給弁を制御する水量制御手段とを有し、
前記水量算出手段は、
前記圧縮空気の圧力、温度に基づいて、燃料電池に要求される最適な要求湿度を算出する要求湿度算出手段と、
前記圧縮空気の流量、この要求湿度に基づいて、最適な要求水量を算出する要求水量算出手段と
を有することを特徴とする燃料電池の水供給装置。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される圧縮空気の湿度を測定する湿度測定手段を備え、
前記水量算出手段は、
前記燃料電池に供給される圧縮空気の湿度に基づいて、水供給量を補正するように算出することを特徴とした請求項１記載の燃料電池の水供給装置。
【請求項３】
前記温度測定手段及び前記圧力測定手段を前記燃料電池内部に設けたことを特徴とした請求項１記載の燃料電池の水供給装置。
【請求項４】
前記流量測定手段は、
前記水供給弁よりも空気流路の上流に設けることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の水供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に最適な湿度を有する圧縮空気を供給する燃料電池の水供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気圧縮機としては、例えば図８に示すスクリュー式圧縮機が知られている。
【０００３】
これは、水タンク１０４から流入する水を水ポンプ１０５で加圧し、スクリュー式圧縮機１の上流に位置する吸気ダクト１０２に水を水供給弁１０６から供給して混入し、圧縮機１０１内部のスクリューの隙間から圧縮空気の洩れを低減し、体積効率の向上、無駄な空気の圧縮の低減を行うとともに、水の気化潜熱によって圧縮仕事を低減することで、断熱圧縮効率の向上を図るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の空気圧縮機にあっては、圧縮機１０１の漏れ通路をシールして断熱圧縮効率を向上するために水が多量に供給されていた。
【０００５】
このため、このような圧縮機を燃料電池システムに用いた場合、水が直接に燃料電池内に流入し、燃料電池内の温度によって結露して燃料電池内部の空気流路に水が溜まることがあり、空気の流れが阻害されて燃料電池の発電効率が低下するといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、高精度の湿度制御を実現でき、かつ、最大限の発電効率を得ることができる燃料電池の水供給装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、水タンクから吸気流路へ水を噴射する際の水供給量を調整する水供給弁と、水噴射後の吸気流路から空気を取り込んで圧縮する圧縮機と、圧縮機からの吐出空気を冷却する冷却器とを備え、冷却後の空気を燃料電池に供給する燃料電池の水供給装置において、前記燃料電池に供給される圧縮空気の流量を測定する流量測定手段と、前記燃料電池に供給される圧縮空気の圧力を測定する圧力測定手段と、前記燃料電池に供給される圧縮空気の温度を測定する温度測定手段と、前記燃料電池に供給される圧縮空気の流量、圧力、温度に基づいて、燃料電池に要求される最適な要求水量を算出する水量算出手段と、この要求水量になるように前記水供給弁を制御する水量制御手段とを有することを要旨とする。
【０００８】
また、請求項１記載の発明において、前記水量算出手段は、前記圧縮空気の圧力、温度に基づいて、燃料電池に要求される最適な要求湿度を算出する要求湿度算出手段と、前記圧縮空気の流量、この要求湿度に基づいて、最適な要求水量を算出する要求水量算出手段とを有することを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料電池に供給される圧縮空気の湿度を測定する湿度測定手段を備え、前記水量算出手段は、前記燃料電池に供給される圧縮空気の湿度に基づいて、水供給量を補正するように算出することを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記温度測定手段及び前記圧力測定手段を前記燃料電池内部に設けたことを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記流量測定手段は、前記水供給弁よりも空気流路の上流に設けることを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、水タンクから吸気流路へ水を噴射する際の水供給量を水供給弁で調整し、水噴射後の吸気流路から空気を取り込んで圧縮機で圧縮し、圧縮機からの吐出空気を冷却器で冷却し、冷却後の空気を燃料電池に供給するようにしておき、燃料電池に供給される圧縮空気の流量、圧力、温度に基づいて、燃料電池に要求される最適な要求水量を算出し、この要求水量になるように水供給弁を制御することで、高精度の湿度制御を実現でき、かつ、最大限の発電効率を得ることができる。
【００１３】
また、請求項１記載の本発明によれば、圧縮空気の圧力、温度に基づいて、燃料電池に要求される最適な要求湿度を算出し、圧縮空気の流量、この要求湿度に基づいて、最適な要求水量を算出することで、高精度の湿度制御を実現することができる。
【００１４】
また、請求項２記載の本発明によれば、燃料電池に供給される圧縮空気の湿度を測定するようにしておき、燃料電池に供給される圧縮空気の湿度に基づいて、水供給量を補正するように算出することで、経時劣化時の水供給量を補正して最大限の発電効率を得ることができる。
【００１５】
また、請求項３記載の本発明によれば、燃料電池内部の温度及び圧力を測定するようにしておくので、高精度の湿度制御を実現でき、かつ、最大限の発電効率を得ることができる。
【００１６】
また、請求項４記載の本発明によれば、水供給弁よりも空気流路の上流の空気流量を測定するようにしておくので、測定時の使用温度、絶対湿度の範囲が狭くなるため、空気流量の測定精度を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。
【００１９】
図１において、空気は、エアクリーナ９を通過して粉塵が除去されダクト１０から圧縮機７に流入する。そして、圧縮機７で圧縮された空気は、最高約２００℃にまで達し、ダクト１２からアフタクーラ１３を通過して温度を低下させ、ダクト１４から燃料電池８に流入する。
【００２０】
燃料電池８は、内部温度が９０〜８０℃付近になるよう制御されており、燃料電池８を出た空気は、ダクト１５から圧力調整弁１９を通過して燃料改質器２４から大気に排出される。
【００２１】
ここで、燃料電池８に流入する圧縮空気は、その流量を流量計１６で、その圧力を圧力計１７で、その温度を温度計１８で計測している。流量計１６、圧力計１７及び温度計１８は、燃料電池８を制御するためのコントロールユニット２０にそれぞれ接続されており、それぞれの測定信号をコントロールユニット２０へ出力する。
【００２２】
コントロールユニット２０では、内部に制御プログラム及び要求湿度マップをを記憶した制御ＲＯＭ、制御時のワークエリアとなるＲＡＭを有しており、流量計１６、圧力計１７及び温度計１８からの測定信号に基づいて最適な水の供給量を算出し、この算出結果に応じた制御信号を水供給弁１１ａに出力する。
【００２３】
圧縮機７の上流に位置するダクト１０には、水供給弁１１ａが設けられており、水タンク２２に貯水されている水は水ポンプ２１で加圧され、プレッシャレギュレータ２３で適正な圧力を保持され、水供給弁１１ａによってダクト１０内で空気に混入される。なお、水供給弁１１ａは、図１に示す１１ｂのように、圧縮機７に直接取り付けるようにしてもよい。
【００２４】
次に、図３に示す最適湿度の要求湿度マップを参照して、図２に示す制御フローチャートに従って燃料電池の水供給装置の制御動作を説明する。なお、図２に示す制御フローチャート及び要求湿度マップは、コントロールユニット２０の内部ＲＯＭに制御プログラム及びデータテーブルとして記憶されている。
【００２５】
まず、ステップＳ１０では、コントロールユニット２０は、燃料電池８の空気入口に設けられた温度計１８から圧縮空気の温度Ｔを読み込む。そして、ステップＳ２０では、燃料電池８の空気入口に設けられた圧力計１７から圧縮空気の圧力Ｐを読み込む。
【００２６】
ここで、ステップＳ３０では、コントロールユニット２０は、温度計１８と圧力計１７から読み込まれた温度Ｔと圧力Ｐに基づいて、図３に示す温度−圧力に対応する要求湿度マップに割り付けられた要求湿度Ｈｙを内部ＲＯＭから読み込む。この要求湿度Ｈｙは、燃料電池８の発電効率が最大になる最適湿度が割り当てらており、燃料電池８内の空気状態の相対湿度で６０％〜１００％の湿度で発電効率が最大となっている。なお、相対湿度が６０％以下では発電効率が低下し、１００％以上でも燃料電池８内で水が結露して発電効率が低下する傾向を示す。
【００２７】
さらに、ステップＳ４０では、燃料電池８の空気入口に設けられた流量計１６から空気流量Ｒａを読み込む。そして、ステップＳ５０では、この空気流量Ｒａに要求湿度Ｈｙを掛けて最適水量Ｒｓを計算する。
【００２８】
Ｒｓ＝Ｒａ×Ｈｙ
そして、ステップＳ６０では、この最適水量Ｒｓに基づいて水供給弁１１ａの制御量Ｓを計算する。そして、ステップＳ７０では、水制御弁１１ａに制御信号を送る。これを受けた水供給弁１１ａでは、制御信号に応じて弁を開放してプレッシャーレギュレータ２３からの最適水量の水をダクト１０内に供給する。
【００２９】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、圧縮機７に水を供給することで、圧縮機７内部のスクリューの隙間からの圧縮空気の洩れを水のシールによって低減することができ、体積効率を向上することができる。同時に、圧縮機７内を空気が逆流することによる無駄な圧縮仕事を低減することができる。温度上昇に伴い水が蒸発することで、気化潜熱により圧縮機７内部の温度が下がるため圧縮仕事が低減することができる。
【００３０】
また、燃料電池８に極力近い空気流路で空気状態を計測することで、精度の高い湿度制御を行い、燃料電池８の最大限の発電効率を得ることができる。
【００３１】
さらに、圧縮機７の吐出温度が低下するため、アフタクーラ１３の能力を低く設定することができるので、アフタクーラ２の小型軽量化、低圧損化による燃料電池システムの高効率化、低コスト化を図ることができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００３３】
第２の実施の形態の特徴は、図４に示すように、圧縮機７の下流に位置する燃料電池８の入口付近のダクト１４にこのダクト内を流れる圧縮空気の湿度を検出する湿度計２５を設けたことにある。この湿度計２５は、燃料電池８を制御するためのコントロールユニット２０に接続されており、コントロールユニット２０へその測定信号を送り込む。また、コントロールユニット２０に設けられたＲＡＭには、水の供給量を補正するための補正係数値マップを書き換え自在に記憶している。なお、補正係数値マップの内容は、初期値が全て１になるように制御されている。
【００３４】
次に、図５に示す制御フローチャートに従って燃料電池の水供給装置の制御動作を説明する。なお、図５に示す制御フローチャートは、コントロールユニット２０の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、燃料電池８の空気入口に設けられた温度計１８から圧縮空気の温度Ｔを読み込む。そして、ステップＳ２０では、燃料電池８の空気入口に設けられた圧力計１７から圧縮空気の圧力Ｐを読み込む。
【００３６】
ここで、ステップＳ３０では、温度計１８と圧力計１７から読み込まれた温度Ｔと圧力Ｐに基づいて、図３に示す要求湿度マップに割り付けられた要求湿度Ｈｙを内部ＲＯＭから読み込む。
【００３７】
さらに、ステップＳ４０では、燃料電池８の空気入口に設けられた流量計１６から空気流量Ｒａを読み込む。
【００３８】
そして、ステップＳ４５では、温度計１８と圧力計１７から読み込まれた温度Ｔと圧力Ｐに基づいて、補正係数値マップに割り付けられた補正係数値ｋを内部ＲＡＭから読み込む。
【００３９】
そして、ステップＳ５０では、この空気流量Ｒａに要求湿度Ｈｙを掛けて供給する最適水量Ｒｓを計算する。
【００４０】
Ｒｓ＝Ｒａ×Ｈｙ
さらに、最適水量Ｒｓに補正係数値ｋを掛けて最適水量補正値Ｒｓｈを計算する。
【００４１】
Ｒｓｈ＝Ｒｓ×ｋ
そして、ステップＳ６０では、この最適水量補正値Ｒｓｈに基づいて水供給弁１１ａの制御量を計算する。そして、ステップＳ７０では、水制御弁１１ａに制御信号を送る。これを受けた水供給弁１１ａでは、制御信号に応じて弁を開放してプレッシャーレギュレータ２３からの水を所定量だけダクト１０内に供給する。
【００４２】
そして、ステップＳ１１０では、燃料電池８の空気入口に設けられた湿度計２５から圧縮空気の湿度の実測値Ｈｊを読み込む。
【００４３】
そして、ステップＳ１２０では、要求湿度Ｈｙと実測値Ｈｊから新たな補正係数値ｋを計算する。ここで、補正係数値ｋは、
ｋ＝Ｈｊ／Ｈｙ
となる。
【００４４】
そして、ステップＳ１３０では、ステップＳ１０及びＳ２０で用いられた温度Ｔと圧力Ｐに基づいて、内部ＲＡＭ上の補正係数値マップに割り付けた補正係数値ｋをステップＳ１２０で求めるた新たな値に更新する。そして、ステップＳ１０に戻り、処理を繰り返す。
【００４５】
このようにして、ステップＳ１０〜Ｓ１３０の各行程が繰り返されるので、燃料電池８に供給される空気湿度を補正して一定の最適状態に保持することができる。
【００４６】
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、燃料電池８直前の空気の湿度を読み込み、この値によって供給水量をフィードバック制御することで、燃料電池８内の湿度及び水供給弁１１ａの経時劣化時の水供給量の補正を行うことができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４８】
第３の実施の形態の特徴は、図６に示すように、温度計１８、圧力計１７を燃料電池８内部に設けたことにある。
【００４９】
なお、圧縮機の制御動作は、図３に示す要求湿度マップを参照し、図２に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、第１の実施の形態において説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００５０】
また、第３の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、温度計１８と圧力計１７を燃料電池８内部に設けることで、燃料電池８自体の内部温度、内部圧力を測定することができ、精度の高い湿度制御が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。
【００５１】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。なお、第４の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００５２】
第４の実施の形態の特徴は、図７に示すように、流量計１６を空気流路の水供弁１１ａの上流に設けたことにある。
【００５３】
なお、圧縮機の制御動作は、図３に示す要求湿度マップを参照し、図２に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、第１の実施の形態において説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００５４】
また、第４の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、流量計１６を圧縮機７及び水供給弁１１ａの上流に設けることで、流量計１６の使用温度、絶対湿度の範囲が狭くなるため、空気流量の測定精度をより向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池の水供給装置の制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図３】最適湿度の要求湿度マップを示す概念図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。
【図５】第２の実施の形態の燃料電池の水供給装置の制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の水供給装置が搭載された燃料電池システムを示す図である。
【図８】従来の燃料電池の水供給装置を示す図である。
【符号の説明】
７  圧縮機
８  燃料電池
９  エアクリーナ
１０，１２，１４，１５  ダクト
１１ａ，１１ｂ  水供給弁
１３  アフタクーラ
１６  流量計
１７  圧力計
１８  温度計
１９  圧力調整弁
２０  コントロールユニット
２１  水ポンプ
２２  水タンク
２３  プレッシャレギュレータ
２４  燃料改質器
【図１】
0004505874.tif 000002
【図２】
0004505874.tif 000003
【図３】
0004505874.tif 000004
【図４】
0004505874.tif 000005
【図５】
0004505874.tif 000006
【図６】
0004505874.tif 000007
【図７】
0004505874.tif 000008
【図８】
0004505874.tif 000009