JP2007048698A - Humidification system of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に特に好適に適用され、電解質として用いられる固体高分子膜の加湿状態を良好に保持することができる燃料電池の加湿システムに関するものである。 The present invention is particularly preferably applied to a solid polymer electrolyte fuel cell, and relates to a fuel cell humidification system that can favorably maintain a humidified state of a solid polymer membrane used as an electrolyte.
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その中でも、イオン導電性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いことなどの特徴があり、より一層の技術開発への期待が高まっている。 A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. Among them, the solid polymer electrolyte fuel cell using the solid polymer membrane having ionic conductivity has characteristics such as high output density, simple structure, and relatively low operating temperature. Expectations for further technological development are increasing.
ところで、前記固体高分子膜は、反応過程で乾燥しやすいこと、その含水率に応じて膜抵抗が変化しやすいこと、などの理由から、含水率を適切な範囲に保つ必要があるため、燃料電池に供給するガス(アノードガス及びカソードガス)を加湿器により適度に加湿するようにしている。 By the way, the solid polymer membrane needs to keep the moisture content in an appropriate range because it is easy to dry in the reaction process, and the membrane resistance easily changes according to its moisture content. The gas (anode gas and cathode gas) supplied to the battery is appropriately humidified by a humidifier.
そしてそのための加湿器としては、従来、液相中に細かな気泡としたガスを通し、加湿するいわゆるバブリング方式と称されるもの(特許文献1)や、水を加熱蒸発させて蒸気とし、前記ガスに混合させるインジェクション方式のもの(特許文献2)などが知られている。
しかしながら、バブリング方式のものは、ガスの露点を変えようとすると、タンク内の水の温度を変化させる必要があるので、そもそも応答速度が非常に遅く、例えば燃料電池の負荷が急に変動してガス露点を迅速に変動させる必要が生じたときなどに対応が難しいという問題がある。さらに低露点で、特にガス流量が少ない場合、所望露点のガスを安定して供給することが困難であるという問題もある。 However, in the bubbling method, when the gas dew point is changed, the temperature of the water in the tank needs to be changed, so the response speed is very slow in the first place. For example, the load on the fuel cell suddenly fluctuates. There is a problem that it is difficult to deal with when it is necessary to quickly change the gas dew point. Further, when the gas flow rate is low especially at a low dew point, there is a problem that it is difficult to stably supply a gas having a desired dew point.
一方、インジェクション方式は、露点の変更が迅速に行えるという長所が一般的には言われているが、実際にはフィードバック制御(以下FB制御ともいう)をしているので、所望の露点に落ち着くまでに、バブリング方式のものとそれほど大差のない時間がかかってしまう。 On the other hand, the injection method is generally said to have the advantage that the dew point can be changed quickly. However, since the feedback control (hereinafter also referred to as FB control) is actually performed, until the desired dew point is settled. In addition, it takes time not much different from the bubbling method.
加えて、いずれの方式においても、露点をFB制御する場合、露点の連続測定が可能な露点計を必要とするところ、現在そのような露点計は静電容量式しかなく、この静電容量式露点計は、高精度に測定できる条件に保つのが難しいために、例えば、燃料電池の評価システムに適用した場合、露点を大幅に変えるような試験を行えず、高精度でダイナミックレンジを広くとることができないという不具合が生じ得る。 In addition, in any method, when the dew point is FB-controlled, a dew point meter capable of continuous measurement of the dew point is required. Currently, such a dew point meter is only a capacitance type, and this capacitance type Since it is difficult to keep the dew point meter at a condition that can be measured with high accuracy, for example, when applied to a fuel cell evaluation system, a test that greatly changes the dew point cannot be performed, and the dynamic range is wide with high accuracy. The failure of being unable to do so can occur.
さらに、従来は、アノードガス及びカソードガスのそれぞれに、別個に加湿器を設けているが、このためにコンパクト化が図れないという不具合もある。これら加湿器を単純に共通化したのでは、前述したように制御応答性が悪いことや、ダイナミックレンジが小さいといった不具合から、一方のガス供給系への制御の影響が、他方のガス供給系に及びやすく、干渉が生じて不安定化を招く恐れがあるのである。 In addition, conventionally, humidifiers are separately provided for each of the anode gas and the cathode gas, but there is a problem in that compactness cannot be achieved. If these humidifiers are simply used in common, the effect of control on one gas supply system is affected by the other gas supply system due to problems such as poor control response as described above and a small dynamic range. It is easy to cause interference and may cause instability.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、早い応答性を得られるとともに、ガス流量の多寡、目標露点の高低に拘わらず安定した露点制御が可能で、しかもコンパクト化を図れる新規有用な燃料電池の加湿システムを提供することをその主たる目的としている。 The present invention has been made in view of such a situation, and is capable of obtaining quick response, stable dew point control regardless of the gas flow rate, the target dew point level, and more compact. The main object of the present invention is to provide a new and useful fuel cell humidification system.
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。 In order to achieve this object, the present invention takes the following measures.
すなわち、本発明に係る燃料電池の加湿システムは、蒸気を発生する共通の蒸気発生源と、その蒸気発生源から延出して、燃料電池に対するアノードガス供給ライン及びカソードガス供給ラインにそれぞれ接続されている一対の蒸気供給ラインと、前記各蒸気供給ライン上に設けられ、当該各蒸気供給ラインを流れる蒸気量をそれぞれ調節することが可能な蒸気流量調節手段と、蒸気混合後のアノードガス及びカソードガスそれぞれの露点を予め定めた設定露点にすべく、前記各蒸気流量調節手段を所定の環境パラメータに基づいてそれぞれオープンループ制御する蒸気流量制御部と、を備えていることを特徴とする。 That is, the fuel cell humidification system according to the present invention includes a common steam generation source for generating steam, and an anode gas supply line and a cathode gas supply line extending from the steam generation source and connected to the fuel cell. A pair of steam supply lines, a steam flow rate adjusting means provided on each of the steam supply lines and capable of adjusting the amount of steam flowing through each of the steam supply lines, and an anode gas and a cathode gas after steam mixing A steam flow rate control unit that performs open loop control of each of the steam flow rate adjusting means based on a predetermined environmental parameter so as to set each dew point to a predetermined set dew point.
このようなものであれば、蒸気発生源を共通化しているのでコンパクト化を図ることができるうえ、同質の蒸気が供給されるため、露点の設定や温度調節を同一条件で行うことができる。また、各ガス供給ラインへの蒸気供給量を司る蒸気流量調節手段を、蒸気流量制御部が所定の環境パラメータからオープンループ制御することにより、所望の露点を得るようにしているため、応答性が非常に早い。しかも、このようにオープンループ制御して応答性を早めている点等から、蒸気発生源が共通化であっても、各ガス供給ライン間での干渉が非常に生じにくく、安定な露点制御が可能になる。さらに、オープンループ制御であるため、露点計測は不要であり、露点計の能力に起因する不具合(例えば前述したダイナミックレンジが小さいという点など)を防止できる。加えて言えば、制御安定性が高いことから、低露点でガス流量が少ない場合でも、所望露点のガスを安定して供給することが可能になる。 If it is such, since a steam generation source is made common, it can attain compactness, and since the same quality steam is supplied, dew point setting and temperature control can be performed under the same conditions. In addition, the steam flow rate control means that controls the amount of steam supplied to each gas supply line is controlled by open-loop control of the steam flow rate control unit from predetermined environmental parameters so that a desired dew point can be obtained. Very early. Moreover, because open loop control is used to speed up the response, etc., even if the steam generation source is shared, interference between the gas supply lines hardly occurs, and stable dew point control is possible. It becomes possible. Furthermore, since it is open-loop control, dew point measurement is not necessary, and problems caused by the ability of the dew point meter (for example, the above-described point that the dynamic range is small) can be prevented. In addition, since the control stability is high, even when the gas flow rate is low at a low dew point, it is possible to stably supply a gas having a desired dew point.
前記蒸気流量調節手段が、弁による内部流路の拡縮により蒸気流量を調節するものにおいては、前記環境パラメータとして、前記蒸気流量調節手段の上流及び下流におけるそれぞれの流体圧力と、蒸気混合前のアノードガス及びカソードガスそれぞれの流量と、前記蒸気流量調節手段における流体温度とが取得できれば、露点制御が可能になる。 In the case where the steam flow rate adjusting means adjusts the steam flow rate by expansion / contraction of the internal flow path using a valve, the environmental pressures include the respective fluid pressures upstream and downstream of the steam flow rate adjusting means, and the anode before steam mixing. If the respective flow rates of the gas and the cathode gas and the fluid temperature in the vapor flow rate adjusting means can be acquired, the dew point can be controlled.
前記蒸気流量調節手段の下流における流体圧力は、蒸気供給ライン上に圧力検知手段を設けて取得してもよいが、ガス供給ラインにおける蒸気供給ラインとの合流部より下流側(燃料電池のガス導入ポート近傍が特に好ましい)に設けた圧力検知手段からの出力信号により取得してもよい。蒸気流量調節手段の下流における流体圧力は、蒸気供給ライン上であってガス供給ライン上であっても、極端に配管が長いとか流路に狭い部分があるとかいった特殊な事情がない限り、ほとんど同じ値を示すからである。そして、このようにガス供給ラインから圧力を取得するようにすれば、燃料電池のガス導入ポートに設置される圧力モニタを、前記圧力検知手段として用いることができ、省部品化やそれに伴うコストダウン、コンパクト化、メンテナンス容易化等を促進できる。 The fluid pressure downstream of the steam flow rate adjusting means may be obtained by providing a pressure detecting means on the steam supply line, but the downstream side of the junction with the steam supply line in the gas supply line (gas introduction of the fuel cell) You may acquire by the output signal from the pressure detection means provided in the port vicinity especially preferable. The fluid pressure downstream of the steam flow control means is on the steam supply line and on the gas supply line, unless there are special circumstances such as extremely long pipes or narrow parts in the flow path. This is because the values are almost the same. If the pressure is acquired from the gas supply line in this way, a pressure monitor installed at the gas introduction port of the fuel cell can be used as the pressure detection means, saving parts and reducing the costs associated therewith. , Compactness and easy maintenance can be promoted.
蒸気混合前のアノードガス及びカソードガスの流量を、マスフローコントローラのように、目標となる流量設定値に近づけるように制御するガス流量調節手段が設けられている場合は、ガス流量を実測する必要はなく、例えば前記流量設定値を、前記環境パラメータのうちの流量として用いるようにすればよい。このことにより、ガス流量検知手段を省くことができる。 When the gas flow rate adjusting means for controlling the flow rate of the anode gas and the cathode gas before steam mixing to be close to the target flow rate setting value like a mass flow controller is provided, it is necessary to actually measure the gas flow rate. For example, the flow rate setting value may be used as the flow rate among the environmental parameters. Thereby, the gas flow rate detecting means can be omitted.
上述したように蒸気発生源を共通化すると、一方の蒸気供給ラインから他方の蒸気供給ラインへの不測の流れが生じ、アノードガスとカソードガスとが混合する恐れがあるが、これを好適に防止するには、各蒸気供給ラインに、流体の戻りを防止する逆止弁をそれぞれ設けているものが好ましい。 If the steam generation source is made common as described above, an unexpected flow from one steam supply line to the other steam supply line may occur, and the anode gas and the cathode gas may be mixed. For this, it is preferable that each steam supply line is provided with a check valve for preventing the return of fluid.
このように本発明によれば、蒸気発生源を共通化しているのでコンパクト化を図ることができるうえ、同質の蒸気が供給されるため、露点の設定や温度調節を同一条件で行うことができる。また、所望の露点を得るために、蒸気流量調節手段を環境パラメータからオープンループ制御しているため、応答性が非常に良いうえ、蒸気発生源を共通化しても、各ガス供給ライン間での干渉が生じにくく、安定した制御が可能になる。さらに、その制御には露点計は不要であるため、露点計の能力に起因するダイナミックレンジが小さいという不具合を防止して、大きなダイナミックレンジを得ることができる。 As described above, according to the present invention, since the steam generation source is shared, it is possible to reduce the size and to supply the same quality steam, so that the dew point can be set and the temperature can be adjusted under the same conditions. . In addition, in order to obtain the desired dew point, the steam flow rate adjustment means is open-loop controlled from environmental parameters, so the responsiveness is very good. Interference is unlikely to occur and stable control is possible. Furthermore, since a dew point meter is not required for the control, it is possible to prevent a problem that the dynamic range due to the capability of the dew point meter is small and to obtain a large dynamic range.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示す燃料電池1は、内部構造の図示は省略するが、例えば固体高分子型のもので、イオン導電性を有する固体高分子膜と、その固体高分子膜を両側から挟み込む2枚の平行平板電極であるアノード(燃料極[負極])及びカソード(空気極[正極])と、それら電極に水素を含むアノードガス(燃料ガス)AG及び酸素を含むカソードガス(酸化ガス)CGを接触させるための燃料極流路及び空気極流路とを備えたセルによって構成される。 The fuel cell 1 shown in FIG. 1 is not shown in its internal structure. For example, the fuel cell 1 is of a solid polymer type, and includes a solid polymer film having ionic conductivity and two sheets sandwiching the solid polymer film from both sides. Anode (fuel electrode [negative electrode]) and cathode (air electrode [positive electrode]) which are parallel plate electrodes, and anode gas (fuel gas) AG containing hydrogen and cathode gas (oxidizing gas) CG containing oxygen are brought into contact with these electrodes. It is comprised by the cell provided with the fuel electrode flow path and the air electrode flow path for making it.
前記燃料極流路及び空気極流路の導入ポート11、12は、アノードガス供給ラインL1及びカソードガス供給ラインL2に接続してあって、これら各ガス供給ラインL1、L2を介してアノードガスAG及びカソードガスCGが前記各電極に送り込まれることにより燃料電池1による発電が営まれる。 The introduction ports 11 and 12 of the fuel electrode flow path and the air electrode flow path are connected to the anode gas supply line L1 and the cathode gas supply line L2, and the anode gas AG is connected to each of these through the gas supply lines L1 and L2. Then, the cathode gas CG is sent to each of the electrodes so that the fuel cell 1 generates power.
ところで、アノードガスAG及びカソードガスCGは、図示しないボンベ等からドライ状態で各ガス供給ラインL1、L2に送り込まれてくるところ、そのドライガスの流量は、ガス流量調節手段であるマスフローコントローラ21、22によってそれぞれ所定流量に制御される。また、前記固体高分子膜には、水分を補給する必要があるため、この実施形態では、各ガス供給ラインL1、L2に途中から水蒸気(以下、蒸気とも言う)を添加する加湿システムWSを設けている。なお以下の説明中、ドライ状態のガスと水蒸気が添加されてウェット状態となったガスとの区別が必要なときは、添え字にD及びWをそれぞれ付す。 By the way, the anode gas AG and the cathode gas CG are sent to the gas supply lines L1 and L2 in a dry state from a cylinder (not shown) or the like, and the flow rate of the dry gas is the mass flow controller 21, which is a gas flow rate adjusting unit, 22 to control the flow rate to a predetermined value. Further, since it is necessary to replenish moisture to the solid polymer film, in this embodiment, a humidification system WS for adding water vapor (hereinafter also referred to as steam) to each gas supply line L1, L2 is provided. ing. In the following description, when it is necessary to distinguish between a gas in a dry state and a gas in a wet state due to the addition of water vapor, D and W are added to the subscripts, respectively.
次に、この加湿システムWSについて説明する。
本加湿システムWSは、図1に示すように、蒸気を発生する共通の蒸気発生源3と、その蒸気発生源3から延出して、前記アノードガス供給ラインL1及びカソードガス供給ラインL2にそれぞれ接続された一対の蒸気供給ラインSL1、SL2と、前記各蒸気供給ラインSL1、SL2を流れる蒸気量をそれぞれ調節する蒸気流量調節手段41、42と、アノードガスAGW及びカソードガスCGWがそれぞれ予め定めた露点となるようにオープンループ制御する制御装置5とを備えている。
Next, the humidification system WS will be described.
As shown in FIG. 1, this humidification system WS is connected to the common steam generation source 3 for generating steam and the anode gas supply line L1 and the cathode gas supply line L2 extending from the steam generation source 3. a pair of steam supply line SL1, SL2 that is, the steam flow rate adjusting means 41 for adjusting the steam supply line SL1, SL2 amount steam flowing through each anode gas AG W and the cathode gas CG W is predetermined respectively And a control device 5 that performs open-loop control so as to obtain a dew point.
各部を説明する。
蒸気発生源3は、水を貯蔵した密閉タンク31と、その水を加熱するヒータ32とを備えてなるものであり、この水をヒータ32で加熱することにより、密閉タンク31の空間部分が、大気圧以上の蒸気(気相の水)で充満されるように構成している。また、この密閉タンク31の空間部分には蒸気導出ポート3aを設けており、このポート3aに前記蒸気供給ラインSL1、SL2の基端を接続することで、蒸気が当該蒸気供給ラインSL1、SL2に供給されるように構成している。
Each part will be described.
The steam generation source 3 includes a sealed tank 31 that stores water and a heater 32 that heats the water. By heating the water with the heater 32, the space portion of the sealed tank 31 is It is configured to be filled with steam (gas phase water) above atmospheric pressure. Further, a steam outlet port 3a is provided in the space portion of the sealed tank 31, and the steam is connected to the steam supply lines SL1 and SL2 by connecting the base ends of the steam supply lines SL1 and SL2 to the port 3a. It is configured to be supplied.
各蒸気供給ラインSL1、SL2は、その基端部が共通の一本の配管になっており、途中から分岐して、終端がそれぞれカソードガス供給ラインL1、L2及びアノードガス供給ラインL1、L2の途中に設けた合流部J1、J2に接続されている。一方、この蒸気供給ラインSL1、SL2において、分岐部Sよりも下流側には、順に蒸気の上流側への戻りを防止する逆止弁CV1、CV2、蒸気の流量を調節する前記蒸気流量調節手段41、42が設けられている。なお、各蒸気供給ラインSL1、SL2及びガス供給ラインL1、L2は、ホットホース等の温度調節機構(図示しない)を有しており、内部で結露しない所定温度以上となるように配管温度が制御されている。 Each of the steam supply lines SL1 and SL2 has a common base end, and is branched from the middle, and ends at the cathode gas supply lines L1 and L2 and the anode gas supply lines L1 and L2, respectively. It is connected to junctions J1 and J2 provided in the middle. On the other hand, in the steam supply lines SL1 and SL2, the check valves CV1 and CV2 for preventing the steam from returning to the upstream side in order from the branch portion S, and the steam flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the steam. 41 and 42 are provided. Each of the steam supply lines SL1, SL2 and the gas supply lines L1, L2 has a temperature adjusting mechanism (not shown) such as a hot hose, and the pipe temperature is controlled so as to be equal to or higher than a predetermined temperature where no condensation occurs inside. Has been.
蒸気流量調節手段41、42は、外部から信号によってその弁開度を制御し、内部流路を調節可能なリモート操作式のものである。この蒸気流量調節手段41、42には、温度調節機構T1、T2が取り付けてあり、温度を検知してその温度が予め定めた一定値となるようにローカルにFB制御を行っている。また、この蒸気流量調節手段41、42の上流及び下流にはそれぞれ圧力センサPC、P1、P2が設けてあり、蒸気流量調節手段41、42の一次圧(上流側流体圧力)及び二次圧(下流側流体圧力)を検知できるように構成している。一次圧を検知する一次圧センサPCは、前記蒸気供給ラインSL1、SL2の分岐部Sに設けてあり、各蒸気流量調節手段41、42の一次圧をこの単一の一次圧センサPCで共通に検知する。二次圧を検知する二次圧センサP1、P2は、各ガス供給ラインL1、L2における合流部J1、J2より下流側(燃料電池の各ガス導入ポート11、12近傍)に設けてある。なお、二次圧センサP1、P2は表示部を有しており、燃料電池の各ガス導入ポートにおける圧力モニタとしての役割も果たす。 The steam flow rate adjusting means 41 and 42 are of a remote operation type in which the valve opening degree is controlled by a signal from the outside and the internal flow path can be adjusted. Temperature control mechanisms T1 and T2 are attached to the steam flow rate adjusting means 41 and 42, and the FB control is performed locally so that the temperature is detected and the temperature becomes a predetermined constant value. Pressure sensors P C , P 1 and P 2 are provided upstream and downstream of the steam flow rate adjusting means 41 and 42, respectively. The primary pressure (upstream fluid pressure) and the secondary pressure of the steam flow rate adjusting means 41 and 42 are provided. (Downstream fluid pressure) can be detected. Primary pressure sensor P C that detects the primary pressure, is provided with the branch portion S of the steam supply line SL1, SL2, the primary pressure of the steam flow rate adjustment means 41 and 42 in this single primary pressure sensor P C Detect in common. The secondary pressure sensors P1 and P2 for detecting the secondary pressure are provided on the downstream side of the gas supply lines L1 and L2 from the junctions J1 and J2 (in the vicinity of the gas introduction ports 11 and 12 of the fuel cell). The secondary pressure sensors P1 and P2 have a display unit, and also serve as pressure monitors at the gas introduction ports of the fuel cell.
制御装置5は、汎用乃至専用のコンピュータを利用したものであり、図2に示すように、内部バス501、CPU502、メモリ503、I/Oチャネル504、A/Dコンバータ505等を備えている。そしてメモリ503に予め記憶させた所定プログラムにしたがって前記CPU502が動作することにより、この制御装置5が、図3に示すように、データ受信部51、蒸気圧制御部52、ガス流量設定部53、露点設定部54、ガス流量制御部55、蒸気流量制御部56等としての機能を発揮するように構成している。 The control device 5 uses a general purpose or dedicated computer, and includes an internal bus 501, a CPU 502, a memory 503, an I / O channel 504, an A / D converter 505, and the like, as shown in FIG. Then, when the CPU 502 operates according to a predetermined program stored in the memory 503 in advance, as shown in FIG. 3, the control device 5 has a data receiving unit 51, a vapor pressure control unit 52, a gas flow rate setting unit 53, The dew point setting unit 54, the gas flow rate control unit 55, the steam flow rate control unit 56, and the like are configured to exhibit their functions.
しかして、データ受信部51は、種々のデータを受信するものである。ここでは、環境パラメータに係るデータの一部、すなわち、前記一次圧センサPC及び二次圧センサP1、P2から出力されてくる各蒸気流量調節手段41、42の一次圧データ及び二次圧データ、蒸気流量調節手段41、42に取り付けた温度調節機構の設定温度データを少なくとも受信する。なお、この他の環境パラメータとしては、後述する各ガスの流量設定値があり、これら環境パラメータに係るデータは、メモリ503の所定領域に設定した環境パラメータデータ格納部D1に格納される。 Thus, the data receiving unit 51 receives various data. Here, some of the data relating to environmental parameters, i.e., the primary pressure data and the secondary pressure data of the primary pressure sensor P C and the secondary pressure sensor P1, coming output from P2 the steam flow rate adjustment means 41 and 42 At least the set temperature data of the temperature adjusting mechanism attached to the steam flow rate adjusting means 41, 42 is received. As other environmental parameters, there are flow rate setting values of each gas, which will be described later, and data relating to these environmental parameters is stored in the environmental parameter data storage unit D1 set in a predetermined area of the memory 503.
蒸気圧制御部52は、前記蒸気発生源3での蒸気圧でもある前記一次圧と、予め定めた目標蒸気圧とを比較し、前記一次圧を目標蒸気圧に近づけるべく蒸気発生源3のヒータ32をFB制御するものである。より具体的には、環境パラメータデータ格納部D1から一次圧データを取得し、その値が目標蒸気圧より低ければ、ヒータ32の出力を上げ、高ければヒータ32の出力を下げる。目標蒸気圧はある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。 The vapor pressure control unit 52 compares the primary pressure, which is also the vapor pressure at the vapor generation source 3, with a predetermined target vapor pressure, and the heater of the vapor generation source 3 to bring the primary pressure close to the target vapor pressure. 32 is FB-controlled. More specifically, the primary pressure data is acquired from the environmental parameter data storage unit D1, and if the value is lower than the target vapor pressure, the output of the heater 32 is increased, and if higher, the output of the heater 32 is decreased. The target vapor pressure does not have to be a single value and may have a range.
ガス流量設定部53は、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、蒸気混合前の各ガスの目標流量をそれぞれ設定し、その値を示す設定流量データを、メモリ503の所定領域に設けた設定データ格納部D2に格納するものである。 The gas flow rate setting unit 53 sets a target flow rate of each gas before steam mixing based on an input from an operator, a signal from another computer, or the like, and sets flow rate data indicating the value to a predetermined flow rate in the memory 503. The data is stored in the setting data storage unit D2 provided in the area.
露点設定部54は、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、各ガスの目標露点をそれぞれ設定し、その値を示す設定露点データを、前記設定データ格納部D2に格納するものである。 The dew point setting unit 54 sets a target dew point of each gas based on an input from an operator, a signal from another computer, or the like, and stores set dew point data indicating the value in the setting data storage unit D2. Is.
ガス流量制御部55は、前記マスフローコントローラ21、22を流れる各ガスAGD、CGDの流量が、設定値となるような指令信号を出力するものである。具体的には、設定データ格納部D2から各ガスAGD、WGDの流量設定データをそれぞれ取得し、それらの値(ガス流量設定値)に所定演算を施して、前記各指令信号の値を演算する。この実施形態でのガス流量制御部55は、実際のガス流量がガス流量設定値となるように、マスフローコントローラ21、22の差圧等からその弁開度を算出し、当該弁開度となるような指令信号を出力するようにしている。なお、マスフローコントローラによっては、流量設定データさえ与えれば、内部でローカルにFB制御を行い、その流量設定値となるように自身で弁開度を調整するものもあり、その場合は、ガス流量設定データをそのまま指令信号として出力するようにすればよい。 The gas flow rate control unit 55 outputs a command signal such that the flow rates of the gases AG D and CG D flowing through the mass flow controllers 21 and 22 become set values. Specifically, the flow rate setting data of each gas AG D , WG D is acquired from the setting data storage unit D2, respectively, a predetermined calculation is performed on those values (gas flow rate setting values), and the value of each command signal is obtained. Calculate. The gas flow rate control unit 55 in this embodiment calculates the valve opening degree from the differential pressure of the mass flow controllers 21 and 22 so that the actual gas flow rate becomes the gas flow rate set value, and becomes the valve opening degree. Such a command signal is output. Some mass flow controllers perform FB control locally inside as long as flow rate setting data is provided, and adjust the valve opening by themselves so that the flow rate setting value is obtained. In this case, the gas flow rate setting is performed. The data may be output as a command signal as it is.
蒸気流量制御部56は、蒸気混合後のアノードガスAGW及びカソードガス、CGWそれぞれの露点を、設定露点(前記設定露点データの値)にすべく、前記各蒸気流量調節手段41、42を環境パラメータに基づいてそれぞれオープンループ制御するものである。以下に、具体的に図4を参照しつつ、その動作を詳述する。 Vapor flow rate control unit 56, the anode gas AG W and the cathode gas after the steam mixing, a CG W of each dew point, in order to set the dew point (the value of the set dew point data), each of said steam flow rate adjustment means 41 and 42 Each is open-loop controlled based on environmental parameters. Hereinafter, the operation will be described in detail with reference to FIG.
まず、設定露点(設定露点データの値)、ドライ状態のガス圧力(二次圧データの値)及びドライ状態のガス流量(設定流量データの値)から、前記設定露点となるべき水分重量流量(kg/h)を算出する。 First, from the set dew point (value of the set dew point data), the gas pressure in the dry state (value of the secondary pressure data) and the gas flow rate in the dry state (value of the set flow rate data), the moisture weight flow rate (the value of the set dew point) ( kg / h).
より詳細には、水分含有量(%)を設定露点及びドライガス圧力から算出した後(ステップS1)、水分流量(L/min)をドライガス流量(NL/min)及び前記水分含有量(%)から算出し(ステップS2)、最終的にその水分流量(L/min)から水分重量流量(kg/h)を算出する(ステップS3)。 More specifically, after calculating the moisture content (%) from the set dew point and the dry gas pressure (step S1), the moisture flow rate (L / min) is changed to the dry gas flow rate (NL / min) and the moisture content (% ) (Step S2), and finally, the water weight flow rate (kg / h) is calculated from the water flow rate (L / min) (step S3).
次に、その水分重量流量(kg/h)となる弁開度を算出し、その弁開度が維持される弁開度指令信号を蒸気流量調節手段41、42に出力する。 Next, the valve opening which becomes the moisture weight flow rate (kg / h) is calculated, and a valve opening command signal for maintaining the valve opening is output to the steam flow rate adjusting means 41 and 42.
より詳細には、前記水分重量流量(kg/h)、一次圧、二次圧、その差圧、蒸気温度(過熱度)から、弁の性質を示す所定係数を求め(ステップS4)、その係数に対応する弁開度を、予め記憶させた係数−弁開度関係特性表から抽出する(ステップS5)。この特性表は、弁毎に特有のもので、予め試験するなどして得ておく。そしてその弁開度となるような弁開度指令信号を蒸気流量調節手段41、42に出力する(ステップS6)。 More specifically, a predetermined coefficient indicating the nature of the valve is obtained from the moisture weight flow rate (kg / h), primary pressure, secondary pressure, differential pressure, and steam temperature (degree of superheat) (step S4), and the coefficient Is extracted from a coefficient-valve opening relationship characteristic table stored in advance (step S5). This characteristic table is unique to each valve, and is obtained by testing in advance. Then, a valve opening command signal for achieving the valve opening is output to the steam flow rate adjusting means 41, 42 (step S6).
つまり、このように構成した加湿システムWSによれば、燃料電池1へ供給するアノードガスAG及びカソードガスCGに、それぞれ独立して所望の露点となるような蒸気が供給できる。例えば、アノードガスAGD及びカソードガスCGDの流量が異なっている場合、設定露点等の他の条件が同じであれば、その各ガスAGD、CGDの流量比に応じた比率で蒸気が供給されることになる。 That is, according to the humidification system WS configured in this way, it is possible to supply steam that can independently achieve a desired dew point to the anode gas AG and the cathode gas CG supplied to the fuel cell 1. For example, if the flow rate of the anode gas AG D and the cathode gas CG D are different, if the same other conditions such as setting the dew point, the respective gas AG D, steam at a ratio corresponding to the flow rate ratio of CG D Will be supplied.
しかも、蒸気発生源3は共通化されているのでコンパクト化が可能であり、その他に蒸気温度の管理が容易になるなどの効果も奏し得る。 In addition, since the steam generation source 3 is shared, it is possible to reduce the size of the steam generation source 3. In addition, the steam temperature can be easily managed.
また、各露点をオープンループ制御しているため、応答性が非常によい。 Moreover, since each dew point is controlled by open loop, the response is very good.
さらに、このようにオープンループ制御して応答性を高めていることから、蒸気発生源3が共通化されているにも拘わらず、各ガス供給ラインL1、L2間での干渉が生じにくく、安定な露点制御が可能になる。特にこの実施形態では、蒸気発生源3の圧力(一次圧)をローカルに制御してできるだけ一定圧に保つように構成しているため、安定性がより向上する。 Furthermore, since the open loop control is used to improve the responsiveness, it is difficult to cause interference between the gas supply lines L1 and L2 even though the steam generation source 3 is shared. Dew point control becomes possible. In particular, in this embodiment, since the pressure (primary pressure) of the steam generation source 3 is locally controlled and kept as constant as possible, the stability is further improved.
加えて、オープンループ制御であることから、露点計測が不要であり、露点計の能力に起因する不具合(例えばたダイナミックレンジが小さいという点など)を防止できる。 In addition, since it is open loop control, dew point measurement is not necessary, and problems caused by the ability of the dew point meter (for example, a small dynamic range) can be prevented.
また、制御安定性が高いことから、低露点でガス流量が少ない場合でも、所望露点のガスAG、CGを安定して供給することができる。 Further, since the control stability is high, even when the gas flow rate is low at a low dew point, the gases AG and CG having the desired dew point can be stably supplied.
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、蒸気流量調節手段を複数並列に設け、流量調節レンジを大きくとれるようにするなどしてもよい。
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, a plurality of steam flow rate adjusting means may be provided in parallel so that the flow rate adjustment range can be increased.
Other configurations can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
WS・・・加湿システム
1・・・燃料電池
21、22・・・ガス流量調節手段(マスフローコントローラ)
3・・・蒸気発生源
41、42・・・蒸気流量調節手段
56・・・蒸気流量制御部
L1・・・アノードガス供給ライン
L2・・・カソードガス供給ライン
SL1、SL2・・・蒸気供給ライン
P1、P2・・・圧力検知手段(二次圧センサ)
CV1、CV2・・・逆止弁
WS: Humidification system 1 ... Fuel cell 21, 22 ... Gas flow rate adjusting means (mass flow controller)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Steam generation source 41, 42 ... Steam flow rate control means 56 ... Steam flow rate control part L1 ... Anode gas supply line L2 ... Cathode gas supply line SL1, SL2 ... Steam supply line P1, P2 ... Pressure detection means (secondary pressure sensor)
CV1, CV2 ... Check valve
Claims (5)
その蒸気発生源から延出して、燃料電池に対するアノードガス供給ライン及びカソードガス供給ラインにそれぞれ接続されている一対の蒸気供給ラインと、
前記各蒸気供給ライン上に設けられ、当該各蒸気供給ラインを流れる蒸気量をそれぞれ調節することが可能な蒸気流量調節手段と、
蒸気混合後のアノードガス及びカソードガスそれぞれの露点を予め定めた設定露点にすべく、前記各蒸気流量調節手段を所定の環境パラメータに基づいてそれぞれオープンループ制御する蒸気流量制御部と、を備えている燃料電池の加湿システム。 A common steam source that generates steam; and
A pair of steam supply lines extending from the steam generation source and connected to an anode gas supply line and a cathode gas supply line for the fuel cell,
A steam flow rate adjusting means provided on each of the steam supply lines and capable of adjusting the amount of steam flowing through each of the steam supply lines;
A steam flow rate control unit that performs open loop control of each of the steam flow rate adjusting means based on predetermined environmental parameters so that the dew points of the anode gas and the cathode gas after steam mixing are set to predetermined dew points. Fuel cell humidification system.
The fuel cell humidification system according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein each of the steam supply lines is provided with a check valve for preventing return of fluid.
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