CN110858654B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其具备：燃料电池；散热器，其被设置于对所述燃料电池进行冷却的冷却介质的循环路径上；喷射部，其向所述散热器喷射在所述燃料电池中被生成并被排出的生成水；加热部，其被设置于从所述燃料电池起至所述喷射部为止的所述生成水的供给路径上，并对该生成水进行加热。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
一直以来，已知一种利用冷凝器而对在燃料电池的内部所生成的水蒸气的水分进行回收、并将所回收的水喷向散热器的前表面的系统(例如，参照日本特开2001-357864号公报)。当水被喷射向散热器的前表面时，通过伴随着该水的蒸发而产生的蒸发潜热，从而提高了散热器的冷却性能。
另外，散热器(放热器)具有由于针对于车辆的搭载性的提高、由耗油率的改善所实现的排热的减少、高性能化等而被小型化的趋势。因此，具有散热器的表面积被减小的趋势。由于当散热器的表面积被减小时，即使向散热器的前表面喷射从燃料电池回收到的水(生成水)，附着在散热器的表面上的水滴的量也会减少，并且，即使在其表面上附着有水滴但对该水滴进行保持的区域也会被减小，因此，该水滴的附着时间将变短。
也就是说，附着在散热器的表面上的水滴容易在进行气化(蒸发)之前通过行驶风等而从其表面被吹飞。如此，当使散热器小型化时，效率良好地利用附着在散热器的表面上的水滴的蒸发潜热将变得困难。换而言之，对于使向散热器喷射出的水全部气化从而提高散热器的冷却性能而言，存在改善的余地。
发明内容
因此，本发明的目的在于，获得一种能够促进向散热器喷射出的生成水的气化的燃料电池系统。
为了达成上述的目的，本发明的第一方式的燃料电池系统具备：燃料电池；散热器，其被设置于对所述燃料电池进行冷却的冷却介质的循环路径上；喷射部，其向所述散热器喷射在所述燃料电池中被生成并被排出的生成水；加热部，其被设置于从所述燃料电池起至所述喷射部为止的所述生成水的供给路径上，并对该生成水进行加热。
根据本发明的第一方式，在燃料电池中被生成并被排出的生成水在向散热器被喷射之前通过加热部而被加热。也就是说，被加热后的生成水向散热器被喷射。因此，该生成水的水滴表面的水蒸气压与大气中的水蒸气压之差将变大，从而促进了向散热器被喷射出的生成水的气化。
此外，本发明的第二方式的燃料电池系统为，在第一方式的燃料电池系统中，具备：旁通路径，其经由切换阀而被设置于与所述加热部相比靠所述生成水的供给方向上游侧的所述供给路径与所述喷射部之间；温度检测部，其对与所述切换阀相比靠所述生成水的供给方向上游侧的所述生成水的温度进行检测；控制部，其在由所述温度检测部所检测出的温度为基准值以上时，对所述切换阀进行切换以使所述生成水向所述旁通路径流动。
根据本发明的第二方式，在由温度检测部所检测出的温度为基准值以上时，对切换阀进行切换以使生成水向旁通路径流动。也就是说，在由温度检测部所检测出的温度为基准值以上时，无需通过加热部来对生成水进行加热。如此，由于能够根据需要来对生成水进行加热，因此在燃料电池系统中实现了节能化。
此外，本发明的第三方式的燃料电池系统为，在第一方式的燃料电池系统中，具备：第一温度检测部，其对与所述散热器相比靠所述冷却介质的循环方向上游侧的所述冷却介质的温度进行检测；第二温度检测部，其对所述生成水的温度进行检测；控制部，其通过对由所述第一温度检测部所检测出的所述冷却介质的温度与由所述第二温度检测部所检测出的所述生成水的温度进行比较，从而对所述加热部的加热量进行控制。
根据本发明的第三方式，通过对由第一温度检测部所检测出的冷却介质的温度与由第二温度检测部所检测出的生成水的温度进行比较，从而对加热部的加热量进行控制。也就是说，从喷射部被喷射的生成水在不会浪费的条件下被加热。因此，在燃料电池系统中实现了节能化。
此外，本发明的第四方式的燃料电池系统为，在第三方式的燃料电池系统中，所述控制部在所述生成水的温度低于所述冷却介质的温度时，提高所述加热部的加热量，而在所述生成水的温度为所述冷却介质的温度以上时，降低所述加热部的加热量。
根据本发明的第四方式，在生成水的温度与冷却介质的温度相比而较低时，提高加热部的加热量，而在生成水的温度为冷却介质的温度以上时，降低加热部的加热量。因此，对从喷射部被喷射的生成水以所需以上程度而被加热的情况进行抑制。
此外，本发明的第五方式的燃料电池系统为，在第一方式或第二方式的燃料电池系统中，所述加热部为，在所述循环路径与所述供给路径之间进行热交换的热交换器。
根据本发明的第五方式，加热部被设为，在循环路径与供给路径之间进行热交换的热交换器。也就是说，经由在循环路径中流动的冷却介质，并利用燃料电池的排热来对流过供给路径内的生成水进行加热。因此，燃料电池系统自身的结构较为简单即可，且在燃料电池系统中实现了节能化。
此外，本发明的第六方式的燃料电池系统为，在第一方式至第四方式中的任意一个方式的燃料电池系统中，所述加热部为电加热器。
根据本发明的第六方式，加热部被设为电加热器。在此，电加热器易于对其加热量进行控制。因此，使从喷射部被喷射的生成水效率良好地被加热。
根据本发明，能够促进向散热器被喷射出的生成水的气化。
附图说明
基于以下的附图而对本发明的代表性实施例进行详细描述，其中：
图1为示意性地表示第一实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的侧视图。
图2为表示向散热器被喷射的生成水进行气化的状况的示意图。
图3为示意性地表示第二实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的侧视图。
图4为示意性地表示第三实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的侧视图。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明所涉及的实施方式进行详细说明。另外，本实施方式所涉及的燃料电池系统10主要被搭载于车辆12上。因此，为了便于说明，将在各个附图中所适当表示的箭头标记UP设为车身上方向，将箭头标记FR设为车身前方向。此外，在以下的说明中，在没有特别说明而记载了上下、前后的方向的情况下，分别表示车身上下方向的上下、车身前后方向的前后。
并且，在下文中，有时将对燃料电池14(下文叙述)进行冷却的冷却介质的循环方向上游侧简称为“上游侧”，将循环方向下游侧简称为“下游侧”。同样地，在下文中，有时将从燃料电池14被排出的生成水的向喷射装置40(下文叙述)的供给方向上游侧简称为“上游侧”，将供给方向下游侧简称为“下游侧”。
＜第一实施方式＞
首先，对第一实施方式所涉及的燃料电池系统10进行说明。如图1所示，在车辆12上搭载有燃料电池14。燃料电池14为，通过供给作为燃料的氢气(H2)和含有氧气(O2)的空气而进行发电、并对使车辆12行驶的电机(省略图示)等进行驱动的电池。
如果进行具体说明，则燃料电池14具备多个单电池(省略图示)，并且被构成为，通过使氢气在单电池的正极(阳极、燃料极)与正极侧的分离器(省略图示)之间流动，并使含有氧气的空气在单电池的负极(阴极、空气极)与负极侧的分离器之间流动，从而进行发电。
另外，此时，燃料电池14会发热。因此，燃料电池14通过在其内部流动的冷却介质而被冷却(热量被吸收)。如果进行详细说明，则燃料电池系统10具有第一流道22，所述第一流道22构成了使对燃料电池14进行冷却的冷却介质向图示的逆时针方向循环的循环路径。
在第一流道22上，从上游侧起依次直列地连接有作为放热器的散热器20、和作为水泵的第一泵24。另外，在散热器20的车身后方侧处，对置地配置有用于将冷却风从车身前方侧向散热器20引入的电动风扇21。冷却介质通过散热器20而与该冷却风以及在车辆12的行驶时所产生的行驶风(在图1中由箭头标记A来表示)进行热交换，从而被冷却。
此外，燃料电池14伴随着发电而生成作为氢与氧的化合物的水。因此，在此，将该水设为“生成水”。生成水从燃料电池14与排气一同经过排气管26而向气液分离器16被排出。而且，在气液分离器16处被分离出的排气经过排气管27，并从消声器(省略图示)通过而向大气被释放。
另一方面，在气液分离器16处被分离出的生成水(由于温度在气液分离器16内下降，因此还包含超出了排气中的饱和水蒸气量的水分)经过送液管28而向贮水罐18被输送。在贮水罐18上，经由作为水泵的第二泵34而连接有构成供给路径的第二流道32的一端部。
在第二流道32的另一端部上，连接有向散热器20的前表面喷射生成水的、作为喷射部的喷射装置40。而且，在与下文叙述的电磁切换阀36相比靠下游侧且与喷射装置40相比靠上游侧的第二流道32的中途、和与燃料电池14相比靠下游侧且与散热器20相比靠上游侧的第一流道22的中途，跨及这二者而设置有单一的热交换器30。
热交换器30在流过第一流道22的内部的冷却介质与流过第二流道32的内部的生成水之间对热量进行交换，并且构成了利用流过第一流道22内的冷却介质的排热而对流过第二流道32内的生成水进行加热的加热部。
此外，在与热交换器30相比靠上游侧的第二流道32上，经由作为切换阀的电磁切换阀36而连接有构成旁通路径的第三流道38的一端部。而且，第三流道38的另一端部被连接在喷射装置40上。
喷射装置40具有在散热器20的前方且沿着车辆宽度方向而延伸的管状(圆筒状)的主体部42，在与散热器20的前表面20F对置的主体部42的外周面上，沿着其长度方向(轴向)而形成有未图示的多个喷射孔(喷射嘴)。因此，经过第二流道32或第三流道38而以预定的压力流入到主体部42中的生成水以预定的压力而从各喷射孔(喷射嘴)向散热器20的前表面20F被喷射。
如图2所示，向散热器20的前表面20F被喷射出的生成水通过作为水滴W而附着在流动有冷却介质C的管20A的表面上、且接着进行气化(蒸发)，从而经由该管20A的表面而从冷却介质C夺走热量(进行冷却)。另外，喷射装置40并不限定于上述的结构，例如也可以通过在散热器20的车辆宽度方向外侧处朝向散热器20的前表面20F而被配置的多个喷射嘴(省略图示)等而被构成。
此外，如图1所示，在与电磁切换阀36相比靠上游侧的第二流道32上，设置有对在该第二流道32中流动的生成水的温度进行检测的、作为温度检测部的温度传感器46。而且，温度传感器46和电磁切换阀36被构成为，同时与作为控制部的控制装置44电连接，并且通过该控制装置44而使电磁切换阀36进行开闭。
即，该控制装置44在判断为由温度传感器46检测出的温度小于作为预先规定的基准值的温度(例如90℃)时，对电磁切换阀36进行控制，以使生成水不向第三流道38流动，且使生成水向热交换器30流动。也就是说，生成水将在被加热之后向散热器20的前表面20F被喷射。
而且，该控制装置44在判断为由温度传感器46检测出的温度为作为预先规定的基准值的温度(例如90℃)以上时，对电磁切换阀36进行控制，以使生成水不向热交换器30流动，且使生成水向第三流道38流动。也就是说，生成水将在不被加热的条件下向散热器20的前表面20F被喷射。
关于被设为以上这种结构的第一实施方式所涉及的燃料电池系统10，接下来对其作用进行说明。
燃料电池14通过被供给氢气和氧气(空气)从而进行发电，并且生成水(生成水)。通过燃料电池14而生成的生成水与排气一同经过排气管26而向气液分离器16被排出。而且，在气液分离器16处被分离出的排气将经过排气管27，并通过消声器(省略图示)而向大气被释放，在气液分离器16处被分离出的生成水将经过送液管28而向贮水罐18被输送。
此外，由于燃料电池14在进行发电的同时进行发热，因此通过在第一流道22内流动的冷却介质而被冷却。即，冷却介质通过第一泵24而向图示的逆时针方向循环，并通过与燃料电池14进行热交换，从而对该燃料电池14进行冷却。与燃料电池14进行热交换从而被加热的冷却介质向热交换器30被输送，并与流过第二流道32内的生成水进行热交换，从而对生成水进行加热。
从热交换器30通过后的冷却介质向散热器20被输送，并且在该散热器20中与行驶风及通过电动风扇21而产生的冷却风进行热交换，从而被冷却。而且，通过该散热器20而被冷却后的冷却介质将再次向燃料电池14被输送，并对该燃料电池14进行冷却(与燃料电池14进行热交换)。以下，通过重复进行该操作，从而使燃料电池14持续被冷却。
另一方面，从气液分离器16向贮水罐18被输送的生成水通过第二泵34而以预定的压力向第二流道32内被送出。而且，通过温度传感器46来对该向第二流道32内被送出的(与电磁切换阀36相比靠上游侧的)生成水的温度进行检测。在此，在判断为该温度小于基准值(例如90℃)的情况下，控制装置44不会使电磁切换阀36通电，而是就此将向第三流道38的流道截断。
由此，生成水经过第二流道32而向热交换器30被送出。而且，向热交换器30被送出的生成水与向热交换器30被送出的冷却介质进行热交换，从而被加热。另外，此时，生成水的温度不会成为100℃以上(小于100℃)。以此方式而被加热后的生成水从喷射装置40的各喷射孔(各喷射嘴)朝向散热器20的前表面20F而被喷射。
如图2所示，向散热器20的前表面20F被喷射出的生成水将成为水滴W并附着在构成散热器20的管20A或翅片(省略图示)等的表面上，且接着进行气化(蒸发)。通过伴随着该水滴W的蒸发而产生的蒸发潜热，从而冷却介质经由管20A等的表面而被冷却，由此就结果而言提高了散热器20的冷却性能。
在此，散热器20具有由于针对于车辆12的搭载性的提高、由耗油率的改善所实现的排热的减少、高性能化等而被小型化的趋势。因此，具有构成散热器20的管20A或翅片(省略图示)等的表面积(水滴W能够附着的区域)也被减小的趋势。
由于当管20A等的表面积(水滴W能够附着的区域)被减小时，附着在管20A等的表面上的水滴W的量被减少，并且即使在管20A等的表面上附着有水滴W，对该水滴W进行保持的区域也会被减小，因此该水滴W的附着时间将变短。也就是说，附着在管20A等的表面上的水滴W容易在进行气化(蒸发)之前通过行驶风等而从管20A等的表面被吹飞。
如此，当使散热器20小型化时，将附着在管20A等的表面上的水滴W全部进行利用会变得困难。因此，为了提高被小型化了的散热器20的冷却性能，需要提高附着在管20A等的表面上的水滴W的蒸发速度，从而使得新的水滴W能够附着在管20A等的表面上。
虽然省略了详细的计算式，但根据菲克的扩散定律，作为水滴W的表面(蒸发面)上的水蒸气压与水滴W的周围的空气中(大气中)的水蒸气压之差的水蒸气分压差越大，则蒸发速度越增大。水滴W的表面上的水蒸气压由水滴W的温度(≒冷却介质的温度)来决定，水滴W的周围的空气中的水蒸气压由外部气温(环境温度)来决定。因此，为了提高蒸发速度，提高水滴W的温度较为有效。
因此，在本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，在将生成水向散热器20的前表面20F喷射之前，对之进行了加热。由此，能够促进向散热器20的前表面20F被喷射出的生成水的气化(提高蒸发速度)。也就是说，能够提高散热器20的冷却性能。
另外，在控制装置44判断为通过温度传感器46而检测出的生成水的温度为基准值(例如90℃)以上的情况下，控制装置44使电磁切换阀36通电，并将第二流道32的流道截断以使生成水不会向与之相比靠下游侧流动，并且会打开向第三流道38的流道，而向第三流道38内送出生成水。而且，向第三流道38内被送出的生成水从喷射装置40的各喷射孔(各喷射嘴)朝向散热器20的前表面20F而被喷射。
如此，在第一实施方式所涉及的燃料电池系统10中，在通过温度传感器46而检测出的温度为基准值以上时，对电磁切换阀36进行切换，以使生成水向第三流道38流动。也就是说，在通过温度传感器46而检测出的温度为基准值以上时，在不通过热交换器30(加热部)而对生成水进行加热的条件下，使之朝向散热器20的前表面20F被喷射。如此，由于能够根据需要来对生成水进行加热，因此能够在燃料电池系统10中实现节能化。
此外，在第一实施方式所涉及的燃料电池系统10中，对生成水进行加热的加热部被设为，在第一流道22(冷却介质)与第二流道32(生成水)之间进行热交换的热交换器30。也就是说，在该燃料电池系统10中，通过经由在第一流道22内流动的冷却介质，并利用燃料电池14的排热，从而对在第二流道32内流动的生成水进行加热。因此，燃料电池系统10自身的结构较为简单即可，且能够在燃料电池系统10中实现节能化。
＜第二实施方式＞
接下来，对第二实施方式所涉及的燃料电池系统60进行说明。另外，对与上述第一实施方式相同的部位标注相同的符号，并适当省略详细的说明(也包括共同的作用)。
如图3所示，在第二实施方式所涉及的燃料电池系统60中，去除了第一实施方式所涉及的燃料电池系统10中的热交换器30、第三流道38、电磁切换阀36。而且，代替热交换器30而在第二流道32的中途设置了作为加热部的电加热器50。
并且，在与电加热器50相比靠下游侧的第二流道32上，设置有作为第一温度检测部的温度传感器46，且在与燃料电池14相比靠下游侧且与散热器20相比靠上游侧的第一流道22上，设置有作为第二温度检测部的温度传感器48。温度传感器46、48及电加热器50均与控制装置44电连接，通过该控制装置44而对电加热器50的输出(加热量)及开启/关闭进行控制。
关于被设为以上这种结构的第二实施方式所涉及的燃料电池系统60，接下来对其作用进行说明。
从气液分离器16被输送至贮水罐18的生成水通过第二泵34而以预定的压力向第二流道32内被送出。而且，该向第二流道32内被送出的生成水通过电加热器50而被加热，且该被加热后的生成水从喷射装置40的各喷射孔(各喷射嘴)朝向散热器20的前表面20F被喷射。
在此，在第二实施方式所涉及的燃料电池系统60中，通过温度传感器46而对与电加热器50相比靠下游侧的生成水的温度进行检测。此外，通过温度传感器48而对与燃料电池14相比靠下游侧且与散热器20相比靠上游侧的冷却介质的温度进行检测。
而且，控制装置44在判断为由温度传感器46检测出的生成水的温度与由温度传感器48检测出的冷却介质的温度相比而较低的情况下，增大电加热器50的输出(加热量)以对生成水进行加热。此外，控制装置44在判断为由温度传感器46检测出的生成水的温度为由温度传感器48检测出的冷却介质的温度以上的情况下，减小电加热器50的输出(加热量)以对生成水进行加热，或者将电加热器50设为关闭状态。
也就是说，在该第二实施方式所涉及的燃料电池系统60中，通过对由温度传感器46所检测出的生成水的温度与由温度传感器48所检测出的冷却介质的温度进行比较，从而使得控制装置44对电加热器50的加热量进行控制(包括关闭电加热器50)。因此，能够抑制将从喷射装置40被喷射的生成水以所需以上程度而被加热的情况(能够不浪费地进行加热)，进而能够在燃料电池系统10中实现节能化。
并且，由于在该第二实施方式所涉及的燃料电池系统60中，加热部被设为电加热器50，因此，易于通过控制装置44而对其加热量进行控制(包括关闭电加热器50)。因此，能够效率良好地对从喷射装置40被喷射的生成水进行加热。
＜第三实施方式＞
最后，对第三实施方式所涉及的燃料电池系统70进行说明。另外，对与上述第一实施方式及第二实施方式相同的部位标注相同的符号，并适当省略详细的说明(也包括共同的作用)。
如图4所示，在第三实施方式所涉及的燃料电池系统70中，去除了第二实施方式所涉及的燃料电池系统60中的温度传感器46、48。因此，在第二流道32内流动的生成水将无关于其温度，而在通过电加热器50被加热之后从喷射装置40的各喷射孔(各喷射嘴)朝向散热器20的前表面20F被喷射。
如此，在第三实施方式所涉及的燃料电池系统70中，与第一实施方式所涉及的燃料电池系统10及第二实施方式所涉及的燃料电池系统60相比，具有燃料电池系统自身的结构较为简单即可的优点。
以上，虽然基于附图而对本实施方式所涉及的燃料电池系统10、60、70进行了说明，但本实施方式所涉及的燃料电池系统10、60、70并不限定于图示的内容，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行适当的设计变更。例如，本实施方式所涉及的燃料电池系统10、60、70并不限定于被应用于车辆12中的结构。
此外，在第二实施方式中，温度传感器46也可以被设置在与电加热器50相比靠上游侧的第二流道32上。并且，在第一实施方式中，也可以代替热交换器30而仅在第二流道32上设置第二实施方式或第三实施方式中的电加热器50。
此外，在第一实施方式至第三实施方式中，也可以不在第二流道32上设置第二泵34，并且将排气管26的一部分连接于贮水罐18上。也就是说，可以设为如下结构，即，通过从燃料电池14被排出的排气的压力，从而使生成水从喷射装置40的各喷射孔(各喷射嘴)被喷射。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
散热器，其被设置于对所述燃料电池进行冷却的冷却介质的循环路径上；
喷射部，其向所述散热器喷射在所述燃料电池中被生成并被排出的生成水；
加热部，其被设置于从所述燃料电池起至所述喷射部为止的所述生成水的供给路径上，并对该生成水进行加热；
旁通路径，其经由切换阀而被设置于与所述加热部相比靠所述生成水的供给方向上游侧的所述供给路径与所述喷射部之间；
温度检测部，其对与所述切换阀相比靠所述生成水的供给方向上游侧的所述生成水的温度进行检测；
控制部，其在由所述温度检测部所检测出的温度为基准值以上时，对所述切换阀进行切换以使所述生成水向所述旁通路径流动。
2.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
散热器，其被设置于对所述燃料电池进行冷却的冷却介质的循环路径上；
喷射部，其向所述散热器喷射在所述燃料电池中被生成并被排出的生成水；
加热部，其被设置于从所述燃料电池起至所述喷射部为止的所述生成水的供给路径上，并对该生成水进行加热；
第一温度检测部，其对与所述散热器相比靠所述冷却介质的循环方向上游侧的所述冷却介质的温度进行检测；
第二温度检测部，其对所述生成水的温度进行检测；
控制部，其通过对由所述第一温度检测部所检测出的所述冷却介质的温度与由所述第二温度检测部所检测出的所述生成水的温度进行比较，从而对所述加热部的加热量进行控制。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部在所述生成水的温度与所述冷却介质的温度相比而较低时，提高所述加热部的加热量，而在所述生成水的温度为所述冷却介质的温度以上时，降低所述加热部的加热量。
4.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述加热部为在所述循环路径与所述供给路径之间进行热交换的热交换器。
5.如权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的燃料电池系统，其中，
所述加热部为电加热器。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述切换阀为电磁切换阀。
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