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JP2005166309A - Fuel cell system - Google Patents

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Publication number
JP2005166309A
JP2005166309A JP2003400403A JP2003400403A JP2005166309A JP 2005166309 A JP2005166309 A JP 2005166309A JP 2003400403 A JP2003400403 A JP 2003400403A JP 2003400403 A JP2003400403 A JP 2003400403A JP 2005166309 A JP2005166309 A JP 2005166309A
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JP
Japan
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gas
dew point
reaction gas
temperature
fuel cell
Prior art date
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Pending
Application number
JP2003400403A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoaki Nakajima
知明 中島
Tsuguhiro Fujita
嗣広 藤田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2003400403A priority Critical patent/JP2005166309A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

【課題】 燃料電池に供給される反応ガスの露点を最適に制御する。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム(10)は、反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池(80)と、燃料電池(80)に反応ガスを供給する反応ガス供給装置(60)と、反応ガスを加湿する加湿装置(63)と、反応ガスの温度を制御するガス温度制御手段(20)と、反応ガスの露点を計測する露点計測装置(64)を備える。ガス温度制御手段(20)は露点計測装置(64)が計測した反応ガスの露点に基づいて反応ガスを加熱又は冷却することにより反応ガスの露点を制御する。
【選択図】 図1

PROBLEM TO BE SOLVED: To optimally control a dew point of a reaction gas supplied to a fuel cell.
A fuel cell system (10) according to the present invention includes a fuel cell (80) that receives power supply to generate power and a reaction gas supply device (60) that supplies the reaction gas to the fuel cell (80). ), A humidifier (63) for humidifying the reaction gas, a gas temperature control means (20) for controlling the temperature of the reaction gas, and a dew point measurement device (64) for measuring the dew point of the reaction gas. The gas temperature control means (20) controls the dew point of the reaction gas by heating or cooling the reaction gas based on the dew point of the reaction gas measured by the dew point measuring device (64).
[Selection] Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の運転状態に応じて反応ガスの露点を最適に制御するための改良技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to an improved technique for optimally controlling the dew point of a reaction gas according to the operating state of the fuel cell.

固体高分子型燃料電池は固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極により挟んで構成された単セルを、セパレータを介して複数層積層して構成されている。この種の燃料電池においては、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に維持する必要があるため、燃料電池に供給される反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)を加湿する必要がある。特開2002−280029号公報では、燃料電池の発電状態に応じて加湿用純水ポンプの駆動量を制御することによって、反応ガスに添加される水分量を調整し、燃料電池の運転状態に応じた最適な反応ガスの露点を得る技術が提案されている。更に、特開2003−31242号公報では、加湿器によって加湿された反応ガスをヒータ等の加熱手段にて温度制御することで、目標露点温度の反応ガスを得る技術が提案されている。
特開2002−280029号公報 特開2003−31242号公報
A polymer electrolyte fuel cell is formed by laminating a plurality of single cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode through a separator. In this type of fuel cell, it is necessary to maintain the solid polymer electrolyte membrane in an appropriate wet state, so it is necessary to humidify the reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) supplied to the fuel cell. In Japanese Patent Laid-Open No. 2002-280029, the amount of moisture added to the reaction gas is adjusted by controlling the driving amount of the humidifying pure water pump according to the power generation state of the fuel cell, and according to the operating state of the fuel cell. A technique for obtaining the optimum dew point of the reactive gas has been proposed. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-3242 proposes a technique for obtaining a reaction gas having a target dew point temperature by controlling the temperature of the reaction gas humidified by a humidifier using a heating means such as a heater.
JP 2002-280029 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-3142

しかし、特許文献1に記載の技術では、反応ガスの露点制御を行う上で反応ガスに添加される水分量を制御しているが、反応ガス温度を制御する構成は備えていないため、環境温度変化等により反応ガス温度が大幅に変化すると、反応ガスの目標露点温度が得られなくなる。また、特許文献2に記載の技術では、反応ガスを加熱制御することで反応ガスの露点制御を行っているが、反応ガスを積極的に冷却する構成を備えていないので、加湿された反応ガスの温度が高い場合には目標とする露点温度の反応ガスが得られない。   However, in the technique described in Patent Document 1, the amount of moisture added to the reaction gas is controlled in controlling the dew point of the reaction gas, but the configuration for controlling the reaction gas temperature is not provided. If the reaction gas temperature changes greatly due to a change or the like, the target dew point temperature of the reaction gas cannot be obtained. Further, in the technique described in Patent Document 2, the reaction gas dew point is controlled by controlling the reaction gas to be heated. However, since the reaction gas is not actively cooled, the humidified reaction gas is not provided. When the temperature is high, a reaction gas having a target dew point temperature cannot be obtained.

その一方で、スチーム等で反応ガスを飽和状態又はこれに近い状態に加湿し、熱交換器にて反応ガスを冷却して余剰水分を除去することにより低露点ガスを生成するシステムにおいては、0℃以下の低露点ガスを生成するにあたり、チラー等の冷却手段でマイナス温度の調温水を熱交換器に供給する必要があるが、飽和状態又はこれに近い状態に加湿された反応ガスを急激に冷却すると、反応ガスの余剰水分が熱交換器内部で凍結し、反応ガスがガス流路を流れにくくなる虞がある。   On the other hand, in a system that generates a low dew point gas by humidifying the reaction gas with steam or the like to a saturated state or a state close thereto, cooling the reaction gas with a heat exchanger to remove excess moisture, In order to generate a low dew point gas of ℃ or less, it is necessary to supply conditioned water with a negative temperature to the heat exchanger by a cooling means such as a chiller. When cooled, surplus moisture in the reaction gas may freeze inside the heat exchanger, and the reaction gas may not easily flow through the gas flow path.

そこで、本発明は上述の問題を解決し、反応ガスを適度な露点に制御するための燃料電池システムを提案することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to propose a fuel cell system for controlling the reaction gas to an appropriate dew point.

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、反応ガスを加湿する加湿装置と、反応ガスの温度を制御するガス温度制御手段と、反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、ガス温度制御手段は露点計測装置が計測した反応ガスの露点に基づいて反応ガスを加熱又は冷却することにより反応ガスの露点を制御する。反応ガスを加熱又は冷却することにより、反応ガスの露点を最適に制御できる。露点の制御対象となる反応ガスは燃料ガスと酸化ガスの何れか一方でもよく、両者でもよい。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power by receiving supply of a reaction gas, a reaction gas supply device that supplies the reaction gas to the fuel cell, and humidifies the reaction gas. A humidifier, a gas temperature control means for controlling the temperature of the reaction gas, and a dew point measurement device for measuring the dew point of the reaction gas, the gas temperature control means being based on the reaction gas dew point measured by the dew point measurement device The dew point of the reaction gas is controlled by heating or cooling. By heating or cooling the reaction gas, the dew point of the reaction gas can be optimally controlled. The reaction gas to be controlled for the dew point may be either fuel gas or oxidizing gas, or both.

本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、反応ガスを加湿する加湿装置と、反応ガスの温度を制御するために反応ガスの供給経路に配設された複数のガス温度制御手段と、反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、各々のガス温度制御手段は露点計測装置が計測した反応ガスの露点に基づいて反応ガスを温度制御することにより反応ガスの露点を段階的に制御する。反応ガスを段階的に温度制御することにより、反応ガスの安定した供給を可能としつつ、最適な露点に制御できる。   A fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that receives power supply of a reactive gas to generate electric power, a reactive gas supply device that supplies the reactive gas to the fuel cell, a humidifier that humidifies the reactive gas, and a reactive gas A plurality of gas temperature control means arranged in the reaction gas supply path for controlling the temperature, and a dew point measurement device for measuring the dew point of the reaction gas, each gas temperature control means measured by the dew point measurement device By controlling the temperature of the reaction gas based on the dew point of the reaction gas, the dew point of the reaction gas is controlled stepwise. By controlling the temperature of the reaction gas stepwise, it is possible to control the reaction gas to an optimum dew point while enabling a stable supply of the reaction gas.

各々のガス温度制御手段は反応ガスを冷却することにより反応ガスの露点を段階的に制御するのが望ましい。反応ガスを段階的に冷却することにより、ガス流路を凍結させることなく、低露点温度の反応ガスを生成できる。   Each gas temperature control means desirably controls the dew point of the reaction gas stepwise by cooling the reaction gas. By cooling the reaction gas in stages, a reaction gas having a low dew point temperature can be generated without freezing the gas flow path.

本発明によれば、反応ガスを加熱又は冷却することにより、反応ガスの露点を最適に制御できる。また、反応ガスを段階的に温度制御することにより、反応ガスの安定した供給を可能としつつ、最適な露点に制御できる。特に、低露点温度の反応ガスを生成するには反応ガスを段階的に冷却することにより、ガス流路を凍結させることなく、目標露点の反応ガスを生成できる。   According to the present invention, the reaction gas dew point can be optimally controlled by heating or cooling the reaction gas. In addition, by controlling the temperature of the reaction gas stepwise, it is possible to control the reaction gas to an optimum dew point while enabling stable supply of the reaction gas. In particular, in order to generate a reaction gas having a low dew point temperature, the reaction gas having a target dew point can be generated without freezing the gas flow path by cooling the reaction gas in stages.

[発明の実施形態1]
図1は本発明の好適な第1実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池システム10は燃料電池電気自動車に搭載されて電力発電を行う発電装置として構成されており、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて電力発電を行う燃料電池80を備えている。燃料電池80はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る固体高分子電解質膜81の両面にカソード極82とアノード極83をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体84を備えている。膜・電極接合体84の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとカソード極82及びアノード極83との間にそれぞれ溝状のカソードガスチャンネル85及びアノードガスチャンネル86を形成している。
Embodiment 1 of the Invention
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a preferred first embodiment of the present invention.
The fuel cell system 10 is configured as a power generation device that is mounted on a fuel cell electric vehicle and generates power, and includes a fuel cell 80 that generates power by receiving supply of reaction gas (fuel gas, oxidizing gas). . The fuel cell 80 is a membrane / electrode assembly in which a cathode electrode 82 and an anode electrode 83 are formed by screen printing or the like on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 81 made of a proton conductive ion exchange membrane or the like made of a fluorine resin or the like. 84. Both surfaces of the membrane / electrode assembly 84 are sandwiched by a ribbed separator (not shown), and a grooved cathode gas channel 85 and anode gas channel 86 are formed between the separator and the cathode electrode 82 and anode electrode 83, respectively. .

反応ガス供給装置60は酸化ガス供給装置61と、燃料ガス供給装置62を含んで構成されており、燃料電池80に反応ガスを供給する。酸化ガス供給装置61は酸化ガス流路91を介してカソードガスチャンネル85に酸化ガスを供給する。燃料ガス供給装置62は燃料ガス流路92を介してアノードガスチャンネル86に燃料ガスを供給する。アノード極83では(1)式の酸化反応が生じ、カソード極82では(2)式の還元反応が生じる。燃料電池80全体としては(3)式の起電反応が生じる。
2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体84、カソードガスチャンネル85、及びアノードガスチャンネル86から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
The reactive gas supply device 60 includes an oxidizing gas supply device 61 and a fuel gas supply device 62, and supplies the reactive gas to the fuel cell 80. The oxidizing gas supply device 61 supplies the oxidizing gas to the cathode gas channel 85 via the oxidizing gas channel 91. The fuel gas supply device 62 supplies the fuel gas to the anode gas channel 86 through the fuel gas channel 92. An oxidation reaction of the formula (1) occurs at the anode 83, and a reduction reaction of the formula (2) occurs at the cathode 82. In the fuel cell 80 as a whole, an electromotive reaction of the formula (3) occurs.
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
For convenience of explanation, the figure schematically shows the structure of a single cell consisting of a membrane / electrode assembly 84, a cathode gas channel 85, and an anode gas channel 86. A stack structure in which a plurality of single cells are connected in series via

固体高分子電解質膜81のプロトン伝導性を良好な状態に維持するには、固体高分子電解質膜81を適度に湿潤する必要がある。固体高分子電解質膜81への水分補給は反応ガスに添加された水分によって賄われる。ここで、反応ガスの加湿量が少なすぎると、固体高分子電解質膜81は乾燥し、プロトン伝導性が低下して十分な発電電力を得ることができない。その一方で、反応ガスの加湿量が多すぎると、ガスチャンネル85,86の凝縮水量が増大して水詰まりが生じる場合がある。ガスチャンネル85,86に水詰まりが生じると、セルの有効電極面積が減少し、各セルに反応ガスが均等に供給されなくなる場合がある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが0V以下まで降圧して過放電するおそれがある。このような理由から、燃料電池80に供給される反応ガスは適度な露点(加湿状態)に維持されていることが要求される。   In order to maintain the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 81 in a good state, the solid polymer electrolyte membrane 81 needs to be appropriately wetted. Water replenishment to the solid polymer electrolyte membrane 81 is covered by water added to the reaction gas. Here, when the humidification amount of the reaction gas is too small, the solid polymer electrolyte membrane 81 is dried and the proton conductivity is lowered, so that sufficient generated power cannot be obtained. On the other hand, if the amount of humidification of the reaction gas is too large, the amount of condensed water in the gas channels 85 and 86 may increase and clogging may occur. If the gas channels 85 and 86 are clogged with water, the effective electrode area of the cell is reduced, and the reaction gas may not be supplied uniformly to each cell. In such a situation, voltage distribution occurs between the cells, and the cell having the lowest voltage may be stepped down to 0 V or less and overdischarged. For this reason, the reaction gas supplied to the fuel cell 80 is required to be maintained at an appropriate dew point (humidified state).

ここでは、燃料ガスを適度な露点に制御することで、固体高分子電解質膜81を適度な湿潤状態に維持する場合を例示する。燃料ガス流路92には、燃料ガスを加湿する加湿器63と、燃料ガスの温度を制御するガス温度制御手段20と、加湿された燃料ガスの露点を計測する露点計測装置64が配設されている。燃料ガスの露点はガス温度と含有水分量によってコントロール可能であるから、加湿器63による燃料ガスの加湿調整と、ガス温度制御手段20による燃料ガスの温度調整を行うことで、燃料ガスの露点を最適に調整できる。加湿器63は燃料ガスに適量の水分を供給し、ガス中の水蒸気を飽和させ、又はこれに近い状態に調整する。加湿器63による燃料ガスへの水分供給方式としては、燃料電池80の運転状態に拘わりなく安定した水分供給を行える方式が望ましい。例えば、酸素オフガスの排気系に熱交換器(図示せず)を設置することで、酸素オフガスからの水分回収量をコントロールし、回収した水分をポンプで汲み取って加湿器63に供給する構成などが好適である。   Here, a case where the solid polymer electrolyte membrane 81 is maintained in an appropriate wet state by controlling the fuel gas to an appropriate dew point will be exemplified. A humidifier 63 that humidifies the fuel gas, a gas temperature control means 20 that controls the temperature of the fuel gas, and a dew point measuring device 64 that measures the dew point of the humidified fuel gas are disposed in the fuel gas flow path 92. ing. Since the dew point of the fuel gas can be controlled by the gas temperature and the water content, the fuel gas dew point can be adjusted by adjusting the humidification of the fuel gas by the humidifier 63 and adjusting the temperature of the fuel gas by the gas temperature control means 20. It can be adjusted optimally. The humidifier 63 supplies an appropriate amount of water to the fuel gas, saturates the water vapor in the gas, or adjusts it to a state close to this. As a method of supplying moisture to the fuel gas by the humidifier 63, a method that can stably supply moisture regardless of the operating state of the fuel cell 80 is desirable. For example, by installing a heat exchanger (not shown) in the oxygen off-gas exhaust system, the amount of water recovered from the oxygen off-gas is controlled, and the recovered water is pumped and supplied to the humidifier 63. Is preferred.

ガス温度制御手段20は、主に、燃料ガスと温調水との間で熱交換を行うための熱交換器21と、温調水を昇温させるためのラジエータ22と、温調水を循環させるための循環ポンプ23を備えて構成されている。温調水の温度調整は、水路に配設された複数のバルブ24〜26を開閉制御することで、ラジエータ22をバイパスする水量を調整することにより行われる。例えば、バルブ24,25を開弁し、バルブ26を閉弁すると、温調水はラジエータ22に導かれて昇温する。一方、バルブ24,25を閉弁し、バルブ26を開弁すると、温調水はラジエータ22をバイパスして流れ、外気との間で熱交換を行いながら次第に降温する。コントロールユニット65は露点計測装置64が計測した燃料ガスの露点を参照して、燃料ガスの露点が目標露点に概略一致するようにガス温度制御手段20を制御し、燃料ガスの露点制御を行う。   The gas temperature control means 20 mainly circulates the temperature-controlled water, a heat exchanger 21 for exchanging heat between the fuel gas and the temperature-controlled water, a radiator 22 for raising the temperature-controlled water. It is provided with a circulation pump 23 for the purpose. The temperature adjustment of the temperature-controlled water is performed by adjusting the amount of water that bypasses the radiator 22 by controlling the opening and closing of the plurality of valves 24 to 26 arranged in the water channel. For example, when the valves 24 and 25 are opened and the valve 26 is closed, the temperature-controlled water is guided to the radiator 22 to increase the temperature. On the other hand, when the valves 24 and 25 are closed and the valve 26 is opened, the temperature adjusting water flows bypassing the radiator 22 and gradually cools down while exchanging heat with the outside air. The control unit 65 refers to the fuel gas dew point measured by the dew point measuring device 64, controls the gas temperature control means 20 so that the fuel gas dew point substantially matches the target dew point, and performs fuel gas dew point control.

燃料ガスの露点制御は以下の手順に基づいて行う。
(1)加湿装置63は燃料ガスに適量の水分を供給し、飽和状態又はこれに近い状態に加湿する。
(2)加湿された燃料ガスは熱交換器21を経由して燃料電池80に供給される。
(3)露点計測装置64は加湿された燃料ガスの露点を計測する。
(4)コントロールユニット65は燃料ガスの露点が目標露点に概略一致しているか否かをチェックする。ここで、計測された露点が目標露点と一致してない場合は次の処理を行う。
(5)計測された露点が目標露点より低い場合は、燃料ガスは乾燥気味であるため、燃料ガスを冷却して水滴を凝縮させる。これにより、乾燥気味の燃料ガスは適度な加湿状態となり、固体高分子電解質膜81を適度に湿潤できる。
燃料ガスを冷却するには、バルブ24,25を閉弁し、バルブ26を開弁して、ラジエータ22をバイパスさせた状態で温調水を流す。温調水はラジエータ22から熱の供給を受けずに外気との間で熱交換を行いながら次第に降温する。低温に降温した温調水は燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスを冷却する。バルブ24〜26の開閉制御信号はコントロールユニット65からガス温度制御手段20に出力される。
(6)計測された露点が目標露点より高い場合は、燃料ガスは湿潤過多であるため、燃料ガスを加熱して余剰水分を蒸発させる。これにより、湿潤過多の燃料ガスは適度な加湿状態となり、固体高分子電解質膜81を適度に湿潤できる。
燃料ガスを加熱するには、バルブ24,25を開弁し、バルブ26を閉弁して、温調水をラジエータ22に流す。温調水はラジエータ22から熱を受けることにより次第に昇温する。高温に昇温した温調水は燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスを加熱する。バルブ24〜26の開閉制御信号はコントロールユニット65からガス温度制御手段20に出力される。
(7)尚、外気温の低い環境で電池運転を行う場合や、システムの起動時又は暖機運転時においては、燃料ガスの温度は低く、露点は比較的高い傾向にあるので、熱交換器21により燃料ガスを暖気して余剰水分を蒸発させるのが望ましい。
Fuel gas dew point control is performed based on the following procedure.
(1) The humidifier 63 supplies an appropriate amount of moisture to the fuel gas and humidifies it in a saturated state or a state close thereto.
(2) The humidified fuel gas is supplied to the fuel cell 80 via the heat exchanger 21.
(3) The dew point measuring device 64 measures the dew point of the humidified fuel gas.
(4) The control unit 65 checks whether or not the fuel gas dew point substantially matches the target dew point. Here, when the measured dew point does not coincide with the target dew point, the following processing is performed.
(5) When the measured dew point is lower than the target dew point, the fuel gas is dry, so the fuel gas is cooled to condense the water droplets. As a result, the fuel gas in a dry state is in an appropriate humidified state, and the solid polymer electrolyte membrane 81 can be appropriately wetted.
In order to cool the fuel gas, the valves 24 and 25 are closed, the valve 26 is opened, and the temperature-controlled water is allowed to flow while the radiator 22 is bypassed. The temperature-adjusted water is gradually cooled while exchanging heat with the outside air without being supplied with heat from the radiator 22. The temperature-controlled water that has fallen to a low temperature exchanges heat with the fuel gas to cool the fuel gas. Open / close control signals for the valves 24 to 26 are output from the control unit 65 to the gas temperature control means 20.
(6) When the measured dew point is higher than the target dew point, since the fuel gas is excessively wet, the fuel gas is heated to evaporate excess water. As a result, the excessively wet fuel gas is in an appropriate humidified state, and the solid polymer electrolyte membrane 81 can be appropriately wetted.
In order to heat the fuel gas, the valves 24 and 25 are opened, the valve 26 is closed, and the temperature-controlled water is allowed to flow to the radiator 22. The temperature-controlled water gradually increases in temperature by receiving heat from the radiator 22. The temperature-controlled water heated to a high temperature exchanges heat with the fuel gas to heat the fuel gas. Open / close control signals for the valves 24 to 26 are output from the control unit 65 to the gas temperature control means 20.
(7) When battery operation is performed in an environment where the outside air temperature is low, or when the system is started up or warmed up, the temperature of the fuel gas is low and the dew point tends to be relatively high. It is desirable that the fuel gas is warmed by 21 to evaporate excess water.

本実施形態によれば、燃料ガスを温度制御することにより、目標露点温度の燃料ガスを生成できるため、電池運転に適した最適な燃料ガスの露点(加湿状態)を得ることができる。   According to the present embodiment, by controlling the temperature of the fuel gas, it is possible to generate the fuel gas having the target dew point temperature. Therefore, it is possible to obtain an optimal fuel gas dew point (humidified state) suitable for battery operation.

[発明の実施形態2]
図2は本発明の好適な第2実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成図である。
図1と同一符号を付した装置等については同一の装置等を示すものとし、詳細な説明を省略する。
燃料電池システム11の燃料ガス流路92には、燃料ガスを加湿する加湿装置63と、燃料ガスの温度を段階的に制御するために直列に多段設置された複数のガス温度制御手段30,40と、燃料ガスの露点を計測する露点計測装置64が配設されている。ガス温度制御手段30は、主に、燃料ガスと温調水との間で熱交換を行うための熱交換器31と、温調水を冷却するためのチラー32と、温調水を加熱するためのヒータ33と、温調水を循環させるための循環ポンプ34と、凝縮水をトラップするためのトラッパー35を備えて構成されている。ガス温度制御手段40についても同様の構成を備えている。コントロールユニット65は露点計測装置64が計測した燃料ガスの露点を参照して、燃料ガスの露点が目標露点に概略一致するようにガス温度制御手段30,40を制御し、燃料ガスの露点制御を行う。
Embodiment 2 of the Invention
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second preferred embodiment of the present invention.
About the apparatus etc. which attached | subjected the same code | symbol as FIG. 1, the same apparatus etc. shall be shown, and detailed description is abbreviate | omitted.
In the fuel gas flow path 92 of the fuel cell system 11, a humidifier 63 that humidifies the fuel gas and a plurality of gas temperature control means 30 and 40 installed in multiple stages in series to control the temperature of the fuel gas stepwise. A dew point measuring device 64 for measuring the dew point of the fuel gas is disposed. The gas temperature control means 30 mainly heats the temperature-controlled water, a heat exchanger 31 for exchanging heat between the fuel gas and the temperature-controlled water, a chiller 32 for cooling the temperature-controlled water. It comprises a heater 33 for circulation, a circulation pump 34 for circulating temperature-controlled water, and a trapper 35 for trapping condensed water. The gas temperature control means 40 has the same configuration. The control unit 65 refers to the fuel gas dew point measured by the dew point measuring device 64, controls the gas temperature control means 30 and 40 so that the fuel gas dew point substantially matches the target dew point, and controls the fuel gas dew point. Do.

燃料ガスの露点制御は以下の手順に基づいて行う。
(1)加湿装置63は燃料ガスに適量の水分を供給し、飽和状態又はこれに近い状態に加湿する。
(2)加湿された燃料ガスは熱交換器31,32を経由して燃料電池80に供給される。
(3)露点計測装置64は加湿された燃料ガスの露点を計測する。
(4)コントロールユニット65は燃料ガスの露点が目標露点に概略一致しているか否かをチェックする。ここで、計測された露点が目標露点と一致してない場合は次の処理を行う。
(5)計測された露点が目標露点より低い場合は、燃料ガスは乾燥気味であるため、燃料ガスを冷却して水分を凝縮させる。
燃料ガスの温度をどの程度冷却するかは目標露点によって異なる。例えば、マイナス温度(例えば、−40℃)の露点制御を行う場合を想定すると、前段に設置されたガス温度制御手段30によって、燃料ガスの余剰水分が凍結しない温度(例えば、1〜3℃)まで冷却し、燃料ガスの大部分の含有水分を除去した後、更に、後段のガス温度制御手段40によって、目標露点温度(例えば、−40℃)まで冷却するのが望ましい。このようにガス温度を段階的に降下させることで、急冷による余剰水分の凍結を抑制できる。
より詳細には、コントロールユニット65は目標露点温度を基に、熱交換器31,41を流れる温調水の温度を設定し、ガス温度制御手段30,40を制御する。熱交換器31にはチラー32及びヒータ33によって温度制御された温調水が流れており、余剰水分が凍結しない温度まで燃料ガスが冷却される。燃料ガスに含まれる水分の大部分は凝集し、トラッパー35にてトラップされる。
余剰水分の大部分が除去された燃料ガスは熱交換器41にてマイナスの露点温度に制御される。熱交換器41には目標露点温度とほぼ同じ水温の温調水が流れており、燃料ガスを目標露点温度まで降温させる。前段の熱交換器31にて大部分の余剰水分が除去されているため、後段の熱交換器41では少量の水分しか凝縮せず、水分凍結によるガス流の閉塞を抑制できる。
(6)計測された露点が目標露点より高い場合は、燃料ガスは湿潤過多であるため、燃料ガスを加熱して余剰水分を蒸発させる。燃料ガスを加熱する場合は、必ずしも温度制御手段30,40によって段階的に温度制御する必要はない。
(7)尚、外気温の低い環境で電池運転を行う場合や、システムの起動時又は暖機運転時においては、燃料ガスの温度は低く、露点は比較的高い傾向にあるので、熱交換器31,41により燃料ガスを暖気して余剰水分を蒸発させるのが望ましい。
Fuel gas dew point control is performed based on the following procedure.
(1) The humidifier 63 supplies an appropriate amount of moisture to the fuel gas and humidifies it in a saturated state or a state close thereto.
(2) The humidified fuel gas is supplied to the fuel cell 80 via the heat exchangers 31 and 32.
(3) The dew point measuring device 64 measures the dew point of the humidified fuel gas.
(4) The control unit 65 checks whether or not the fuel gas dew point substantially matches the target dew point. Here, when the measured dew point does not coincide with the target dew point, the following processing is performed.
(5) When the measured dew point is lower than the target dew point, the fuel gas is dry, so the fuel gas is cooled to condense moisture.
How much the temperature of the fuel gas is cooled depends on the target dew point. For example, assuming a case where dew point control is performed at a minus temperature (for example, −40 ° C.), the temperature at which excess moisture of the fuel gas is not frozen by the gas temperature control means 30 installed in the previous stage (for example, 1 to 3 ° C.). It is desirable to cool to a target dew point temperature (for example, −40 ° C.) by the gas temperature control means 40 in the subsequent stage after the water content is removed to a high level. Thus, freezing of excess water due to rapid cooling can be suppressed by lowering the gas temperature stepwise.
More specifically, the control unit 65 sets the temperature of the temperature-controlled water flowing through the heat exchangers 31 and 41 based on the target dew point temperature, and controls the gas temperature control means 30 and 40. Temperature-controlled water whose temperature is controlled by the chiller 32 and the heater 33 flows through the heat exchanger 31, and the fuel gas is cooled to a temperature at which the excess water does not freeze. Most of the water contained in the fuel gas aggregates and is trapped by the trapper 35.
The fuel gas from which most of the excess water has been removed is controlled by the heat exchanger 41 to a negative dew point temperature. Temperature-adjusted water having substantially the same water temperature as the target dew point temperature flows through the heat exchanger 41, and the temperature of the fuel gas is lowered to the target dew point temperature. Since most of the excess water is removed by the heat exchanger 31 in the front stage, only a small amount of water is condensed in the heat exchanger 41 in the rear stage, and the blockage of the gas flow due to water freezing can be suppressed.
(6) When the measured dew point is higher than the target dew point, since the fuel gas is excessively wet, the fuel gas is heated to evaporate excess water. When heating the fuel gas, it is not always necessary to control the temperature step by step with the temperature control means 30 and 40.
(7) When battery operation is performed in an environment where the outside air temperature is low, or when the system is started or warmed up, the temperature of the fuel gas is low and the dew point tends to be relatively high. It is desirable that the fuel gas is warmed by 31 and 41 to evaporate excess water.

本実施形態によれば、反応ガスの供給経路に沿って直列に多段設置された複数のガス温度制御手段30,40によって反応ガスを段階的に冷却することにより、水分凍結によるガス流路の閉塞を抑制できる。また、従来では低露点ガスを生成する場合に、バブラ等で加湿した加湿ガスと、ボンベに充填された乾燥ガスを高精度の流量制御で混合する手法が知られているが、この手法では総ガス流量が少ない場合に、加湿ガス流量が極めて微小となり、露点温度精度が悪い。これに対し、本実施形態の手法によれば、精度よく露点制御を行うことができる。   According to this embodiment, the reaction gas is cooled stepwise by the plurality of gas temperature control means 30 and 40 arranged in series along the reaction gas supply path, thereby blocking the gas flow path due to moisture freezing. Can be suppressed. Conventionally, when generating a low dew point gas, a method is known in which a humidified gas humidified with a bubbler or the like and a dry gas filled in a cylinder are mixed with high precision flow rate control. When the gas flow rate is small, the humidified gas flow rate becomes extremely small, and the dew point temperature accuracy is poor. On the other hand, according to the method of the present embodiment, dew point control can be performed with high accuracy.

[発明の実施形態3]
図3は本発明の好適な第3実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成図である。
図1と同一符号を付した装置等については同一の装置等を示すものとし、詳細な説明を省略する。
燃料電池システム12の燃料ガス供給系統は、上流側に配管された燃料ガス流路92aと、下流側に並列配管された燃料ガス流路92b,92cを備えている。燃料ガス流路92b,92cの二股分岐点には切替えバルブ70が配設されており、燃料ガス供給路(92a→92b、又は92a→92c)を切替えられるように構成されている。各々の燃料ガス流路92a,92b,92cにはガス温度制御手段30,40,50が配設されており、これらのガス温度制御手段30,40,50によって凝縮された水分はトラッパー35,45,55によってトラップされる。チラー42は熱交換器41を流れる温調水の冷却制御を行う他、熱交換器51を流れる温調水の冷却制御をも兼ねている。
Embodiment 3 of the Invention
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a preferred third embodiment of the present invention.
About the apparatus etc. which attached | subjected the same code | symbol as FIG. 1, the same apparatus etc. shall be shown, and detailed description is abbreviate | omitted.
The fuel gas supply system of the fuel cell system 12 includes a fuel gas channel 92a piped upstream and fuel gas channels 92b and 92c piped in parallel downstream. A switching valve 70 is disposed at the bifurcated branch point of the fuel gas passages 92b and 92c so that the fuel gas supply passage (92a → 92b or 92a → 92c) can be switched. Gas temperature control means 30, 40, and 50 are disposed in the fuel gas flow paths 92a, 92b, and 92c, respectively, and the moisture condensed by these gas temperature control means 30, 40, and 50 is trapper 35, 45. , 55. The chiller 42 performs cooling control of temperature-controlled water flowing through the heat exchanger 41 and also serves as cooling control of temperature-controlled water flowing through the heat exchanger 51.

このように、後段のガス温度制御手段40,50を並列に配設しておくことで、何れか一方のガス温度制御手段40(又は50)を流れる燃料ガスが凍結し、又は氷塊の蓄積によるガス流の停滞が生じた場合に、他方のガス温度制御手段50(又は40)に燃料ガスが流れるように切替えバルブ70を制御することで、燃料電池80への安定したガス供給を確保できる。切替えバルブ70の切替え操作はコントロールユニット65によって制御される。ガス流路の凍結は、例えば、熱交換器41又は51のガス入口圧力と、ガス出口圧力の差圧が所定値を超えた場合に検出できる。ガス流路が凍結した場合には、ヒータ43又は53を作動して温調水を昇温させることにより、熱交換器41又は51を暖機することで、氷結を溶解し、閉塞したガス流路を開通させることができる。   In this way, by arranging the gas temperature control means 40 and 50 in the subsequent stage in parallel, the fuel gas flowing through one of the gas temperature control means 40 (or 50) is frozen or due to accumulation of ice blocks. By controlling the switching valve 70 so that the fuel gas flows to the other gas temperature control means 50 (or 40) when the stagnation of the gas flow occurs, a stable gas supply to the fuel cell 80 can be ensured. The switching operation of the switching valve 70 is controlled by the control unit 65. Freezing of the gas flow path can be detected, for example, when the differential pressure between the gas inlet pressure of the heat exchanger 41 or 51 and the gas outlet pressure exceeds a predetermined value. When the gas flow path is frozen, the heater 43 or 53 is operated to raise the temperature of the temperature-controlled water, thereby warming up the heat exchanger 41 or 51, thereby melting the ice and closing the gas flow. The road can be opened.

本実施形態によれば、流路切替え可能な反応ガス供給経路を配設し、低露点ガスを生成する際に何れか一つの反応ガス供給経路が凍結等した場合に、他の反応ガス供給経路にガス流路を切替えることで、燃料電池への安定した反応ガス供給を実現できる。もとより、必ずしも流路切替え可能な構成とする必要はなく、例えば、予め複数の反応ガス供給経路を配設しておき、何れか一つの反応ガス供給経路が凍結等した場合に、他の反応ガス供給経路へ向けて反応ガス供給装置60から反応ガスを供給するように構成してもよい。   According to the present embodiment, the reactive gas supply path that can switch the flow path is disposed, and when any one of the reactive gas supply paths is frozen when the low dew point gas is generated, the other reactive gas supply path is provided. In addition, by switching the gas flow path, a stable reaction gas supply to the fuel cell can be realized. Of course, it is not always necessary to be able to switch the flow path. For example, when a plurality of reaction gas supply paths are arranged in advance and one of the reaction gas supply paths is frozen, other reaction gas You may comprise so that reaction gas may be supplied from the reaction gas supply apparatus 60 toward a supply path.

尚、上述した各実施形態においては、燃料ガスの露点を制御する場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、酸化ガスを温度制御することで、酸化ガスの露点を制御してもよく、更には、燃料ガスと酸化ガスの両者を温度制御することで、両者の露点を制御してもよい。   In each of the above-described embodiments, the case where the dew point of the fuel gas is controlled is exemplified. However, the present invention is not limited to this. For example, by controlling the temperature of the oxidizing gas, the dew point of the oxidizing gas is controlled. The dew point may be controlled by controlling the temperature of both the fuel gas and the oxidizing gas.

第1実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。It is a principal lineblock diagram of the fuel cell system of a 1st embodiment. 第2実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。It is a principal block diagram of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第3実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。It is a principal block diagram of the fuel cell system of 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10,11,12…燃料電池システム
20,30,40,50…ガス温度制御手段
63…加湿装置
64…露点計測装置
80…燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 11, 12 ... Fuel cell system 20, 30, 40, 50 ... Gas temperature control means 63 ... Humidifier 64 ... Dew point measuring device 80 ... Fuel cell

Claims (3)

反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
前記反応ガスを加湿する加湿装置と、
前記反応ガスの温度を制御するガス温度制御手段と、
前記反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、
前記ガス温度制御手段は前記露点計測装置が計測した前記反応ガスの露点に基づいて前記反応ガスを加熱又は冷却することにより前記反応ガスの露点を制御する、燃料電池システム。
A fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas; and
A reaction gas supply device for supplying the reaction gas to the fuel cell;
A humidifier for humidifying the reaction gas;
Gas temperature control means for controlling the temperature of the reaction gas;
A dew point measuring device for measuring the dew point of the reaction gas,
The fuel temperature system, wherein the gas temperature control means controls the dew point of the reaction gas by heating or cooling the reaction gas based on the dew point of the reaction gas measured by the dew point measuring device.
反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
前記反応ガスを加湿する加湿装置と、
前記反応ガスの温度を制御するために反応ガスの供給経路に配設された複数のガス温度制御手段と、
前記反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、
各々のガス温度制御手段は前記露点計測装置が計測した前記反応ガスの露点に基づいて前記反応ガスを温度制御することにより前記反応ガスの露点を段階的に制御する、燃料電池システム。
A fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas; and
A reaction gas supply device for supplying the reaction gas to the fuel cell;
A humidifier for humidifying the reaction gas;
A plurality of gas temperature control means disposed in a reaction gas supply path to control the temperature of the reaction gas;
A dew point measuring device for measuring the dew point of the reaction gas,
Each gas temperature control means controls the dew point of the reaction gas stepwise by controlling the temperature of the reaction gas based on the dew point of the reaction gas measured by the dew point measuring device.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記各々のガス温度制御手段は前記反応ガスを冷却することにより前記反応ガスの露点を段階的に制御する、燃料電池システム。

The fuel cell system according to claim 2, wherein
Each of the gas temperature control means controls the dew point of the reaction gas stepwise by cooling the reaction gas.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111722121A (en) * 2020-06-30 2020-09-29 上海捷氢科技有限公司 Anti-condensation air inlet pipeline of fuel cell stack test board and control method

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