CN112400247A

CN112400247A - 燃料电池系统及其冷却方法

Info

Publication number: CN112400247A
Application number: CN202080003917.0A
Authority: CN
Inventors: 山下恭平
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-02-23
Also published as: JP7121674B2; JP2020145037A; WO2020179778A1

Abstract

根据一个实施方式，燃料电池系统具备：燃料电池组，在被供给含有氢的燃料气体和氧化剂气体时发电；散热装置，对伴随燃料电池组的发电而产生的热进行冷却；箱，回收生成水，该生成水从伴随燃料电池组的发电而被排出的水蒸气生成；以及洒水装置，将从箱供给的生成水向散热装置洒水。

Description

燃料电池系统及其冷却方法

技术领域

本发明的实施方式涉及燃料电池系统及其冷却方法。

背景技术

在将含氢的燃料气体及氧化剂气体供给至燃料电池组(stack)而进行发电的燃料电池系统中，一般设置有对伴随发电而产生的热进行冷却的散热器等散热装置。当对该散热装置洒水自来水时，不仅能够利用空气的显热，还能够利用水的蒸发潜热，因此能够得到更大的冷却效果。由此，能够使冷却装置小型化。

但是，如果将自来水向散热装置洒水，则担心散热装置的传热性能由于自来水中含有的硬度成分的析出而降低。因此，需要另外的过滤器、水处理树脂等净水设备，系统整体有可能大型化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-115320号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题在于，提供一种能够抑制系统整体的大型化并使散热装置小型化的燃料电池系统及其冷却方法。

解决技术问题的手段

发明效果

根据本实施方式，能够抑制系统整体的大型化的同时使散热装置小型化。

附图说明

图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的框图。

图2是表示第二实施方式的燃料电池系统的结构的框图。

图3是表示第三实施方式的燃料电池系统的结构的框图。

图4是表示第四实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。

图5是表示第五实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。

图6是表示第六实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。

图7是表示第七实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。

图8是表示第八实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。

图9是表示第九实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式并不限定本发明。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的框图。如图1所示，本实施方式的燃料电池系统1具备燃料电池组10、冷凝热交换器20、冷却水箱30、散热器40、泵50以及喷雾器60。

向燃料电池组10供给包含氢的燃料气体101以及包含空气的氧化剂气体102。当被供给这些气体时，燃料电池组10发电。伴随燃料电池组10的发电，产生热，另外排出氧化剂废气103。

冷凝热交换器20将从燃料电池组10排出的氧化剂废气103冷凝。其结果，氧化剂废气103中包含的水蒸气被冷凝，生成冷凝生成水104。

冷却水箱30贮存冷凝生成水104和冷却水105。冷却水箱30的上端部开口，以回收由冷凝热交换器20生成的冷凝生成水104。另外，冷却水105对伴随燃料电池组10的发电而产生的热进行冷却，在燃料电池组10与冷却水箱30之间循环。

散热器40是对伴随燃料电池组10的发电而产生的热进行冷却的散热装置的一例。散热器40在冷却水105的循环通路中设置于冷却水箱30的上游侧。因此，通过燃料电池组10的发热而被加温后的冷却水105被散热器40冷却。被冷却后的冷却水105返回到冷却水箱30。之后，冷却水105通过未图示的泵再次向燃料电池组10供给。在本实施方式中，冷却水箱30、散热器40及冷却水105构成冷却系统。

泵50设置于冷却水箱30与喷雾器60之间。泵50对贮存于冷却水箱30的冷凝生成水104、更严格来说是冷凝生成水104和冷却水105的混合水进行加压并向喷雾器60供给。

喷雾器60是将从冷却水箱30供给的冷凝生成水104向散热器40洒水的洒水装置的一例。在本实施方式中，喷雾器60将由泵50加压后的冷凝生成水104向散热器40喷雾。

在上述燃料电池系统1中，当燃料电池组10通过燃料气体101和氧化剂气体102的供给而发电时，排出氧化剂废气103。氧化剂废气103被冷凝热交换器20冷凝。其结果，氧化剂废气103中包含的水蒸气被冷凝而生成冷凝生成水104。冷凝生成水104被回收到冷却水箱30。之后，冷凝生成水104通过泵50从冷却水箱30以加压状态向喷雾器60供给，并向散热器40喷雾。

根据以上说明的本实施方式，冷凝生成水104用于散热器40的水冷或潜热冷却。冷凝生成水104与自来水相比杂质少。因此，不需要过滤器、水处理树脂等净水设备。因此，能够抑制系统整体的大型化的同时使散热器40小型化。

(第二实施方式)

图2是表示第二实施方式的燃料电池系统的结构的框图。对与上述的第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在本实施方式的燃料电池系统2中，如图2所示，冷却系统为密闭系统。即，冷却水105在燃料电池组10与散热器40之间循环。另外，在燃料电池系统2中，生成水箱31与冷却水105的循环通路独立地设置。因此，在生成水箱31中仅贮存有冷凝生成水104。

在上述燃料电池系统2中，伴随燃料电池组10的发电而排出的氧化剂废气103与第一实施方式同样地被冷凝热交换器20冷凝，生成冷凝生成水104。冷凝生成水104被回收到生成水箱31。之后，与第一实施方式同样地，冷凝生成水104通过泵50从生成水箱31以加压状态向喷雾器60供给，并向散热器40喷雾。

根据以上说明的本实施方式，与第一实施方式同样地，由于冷凝生成水104被用于散热器40的冷却，因此不需要净水设备，其结果，能够抑制系统整体的大型化的同时使散热器40小型化。特别是，在本实施方式中，未与冷却水105混合的纯粹的冷凝生成水104向散热器40喷雾，因此能够用杂质更少的水将散热器40冷却。

(第三实施方式)

图3是表示第二实施方式的燃料电池系统的结构的框图。对与上述的第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在本实施方式的燃料电池系统3中，在冷却水105的循环通路中的冷却水箱30的上游侧设置有热交换器70。另外，散热器40与冷却水105的循环通路独立地设置。热交换器70和散热器40经由二次循环制冷剂106进行热交换。二次循环制冷剂106例如是水等液体。在本实施方式中，热交换器70、冷却水箱30以及冷却水105构成一次冷却系统，散热器40构成二次冷却系统。

在上述燃料电池系统3中，冷却水105通过伴随燃料电池组10的发电而产生的热被加温。被加温后的冷却水105在通过热交换器70时，通过与经由二次循环制冷剂106的散热器40的热交换而被冷却。冷却后的冷却水105被贮存于冷却水箱30。之后，冷却水105再次向燃料电池组10供给。

另外，从燃料电池组10排出的氧化剂废气103被冷凝热交换器20冷凝，生成冷凝生成水104。冷凝生成水104被回收到冷却水箱30。之后，与第一实施方式同样地，冷凝生成水104(严格来说是与冷却水105的混合水)通过泵50以加压状态从生成水箱31供给至喷雾器60，并向散热器40喷雾。

根据以上说明的本实施方式，即使是具备一次冷却系统以及二次冷却系统的燃料电池系统，也能够与第一实施方式同样地将冷凝生成水104用于散热器40的冷却。因此，不需要净水设备，因此能够抑制系统整体的大型化的同时使散热器40小型化。

(第四实施方式)

图4是表示第四实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。对与上述的第一实施方式～第三实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在本实施方式的燃料电池系统4中，如图4所示，散热器40具有冷却盘管41及风扇42。冷却盘管41既可以如在第一实施方式和第二实施方式中说明的那样设置于冷却水105的循环通路中，也可以如在第三实施方式中说明的那样与循环通路独立地设置。在冷却盘管41设置于冷却水105的循环通路的情况下，冷却水105通过冷却盘管41。另一方面，在冷却盘管41与冷却水105的循环通路独立地设置的情况下，二次循环制冷剂106通过冷却盘管41内。

风扇42设置于喷雾器60与冷却盘管41之间。当风扇42旋转时，风朝向冷却盘管41流动。通过该风对冷却盘管41进行空冷。此时，当喷雾器60将冷凝生成水104喷雾时，冷凝生成水104通过风扇42被吹送，因此也能够对冷却盘管41进行水冷或潜热冷却。

在图4所示的燃料电池系统4中，冷凝生成水104从冷却水箱30向喷雾器60供给。但是，冷凝生成水104也可以如第二实施方式那样从生成水箱31供给。

进而，燃料电池系统4如图4所示，具备温度传感器81、温度传感器82、水位传感器83以及控制装置90。温度传感器81检测从冷却盘管41流出时的冷却水105或二次循环制冷剂106的温度。温度传感器82检测散热器40的设置场所的外部气体温度。水位传感器83检测冷却水箱30的水位。水位传感器83例如能够使用具有发光元件以及受光元件的光学传感器。各传感器将检测结果向控制装置90输出。

控制装置90对燃料电池组10的发电输出及燃料气体101及氧化剂气体102的供给进行控制。此外，控制装置90通过监视由温度传感器81检测出的冷却水105或者二次循环制冷剂106的温度、由温度传感器82检测出的外部气体温度、由水位传感器83检测出的冷却水箱30的水位以及风扇42的转速，来监视散热器40的运转状况以及冷却水箱30的贮存量。控制装置90基于监视结果来控制泵50的动作。

例如，在温度传感器82的检测温度为规定温度以上、风扇42的转速为阈值以上的情况下，控制装置90判断为基于冷凝生成水104的散热器40的冷却是必要的。因此，如果冷却水箱30的水位为冷凝生成水104的供给所需的容许值以上，则控制装置90驱动泵50。由此，将冷凝生成水104向喷雾器60或散热器40喷雾。

另外，在温度传感器81的检测温度为基准温度以上、风扇42的转速为阈值以上的情况下，控制装置90也判断为基于冷凝生成水104的散热器40的冷却是必要的。在该情况下也是，如果冷却水箱30的水位为冷凝生成水104的供给所需的容许值以上，则控制装置90驱动泵50。

根据以上说明的本实施方式，控制装置90基于风扇42的转速、冷却水的出口温度这样的散热器40的运转状态、外部气体温度，来控制基于冷凝生成水104的散热器40的冷却。由此，能够高效地将散热器40冷却。

(第五实施方式)

图5是表示第五实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。对与上述的各实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在本实施方式的燃料电池系统5中，冷却水箱30具有排出剩余水的溢流(overflow)功能。另外，如图5所示，燃料电池系统5具备设置于冷却水箱30的下方的剩余生成水箱32。

若冷却水箱30的贮存量成为上限值以上，则通过上述溢流功能，剩余水的一部分被贮存于剩余生成水箱32。冷凝生成水104也被包含在该剩余水中。泵50从剩余生成水箱32向喷雾器60供给冷凝生成水104。即，冷凝生成水104从冷却水箱30间接地向喷雾器60供给。

根据以上说明的本实施方式，由于向喷雾器60的冷凝生成水104的供给是从剩余生成水箱32进行的，因此能够避免冷却水箱30内的水不足。因此，不会妨碍基于冷却水105的燃料电池组10的冷却，就能够进行基于冷凝生成水104的散热器40的冷却。

此外，在本实施方式中，也可以与上述的第四实施方式同样地，控制装置90基于散热器40的运转状态、外部气体温度来控制泵50的动作。在该情况下，能够高效地将散热器40冷却。

(第六实施方式)

图6是表示第六实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。对与上述的各实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

本实施方式的燃料电池系统6是第四实施方式的变形例。在第四实施方式中，如图4所示，风扇42设置于冷却盘管41与喷雾器60之间。

另一方面，在本实施方式中，如图6所示，喷雾器60设置于冷却盘管41与风扇42之间。因此，当喷雾器60将冷凝生成水104喷雾时，冷凝生成水104不经由风扇42而直接向冷却盘管41洒水。

因此，根据本实施方式，能够避免由冷凝生成水104引起的风扇42的故障。进而，能够均匀地将冷凝生成水104向冷却盘管41洒水。

(第七实施方式)

图7是表示第七实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。对与上述的各实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

本实施方式的燃料电池系统7是第四实施方式的变形例。在第四实施方式中，如图4所示，在冷却盘管41的吸气侧设置有风扇42及喷雾器60。

另一方面，在本实施方式中，如图7所示，喷雾器60设置于冷却盘管41的吸气侧，风扇42设置于冷却盘管41的排气侧。换言之，冷却盘管41设置于喷雾器60与风扇42之间。

在本实施方式中，能够通过风扇42将冷却盘管41的热排出，而且，能够利用从喷雾器60喷雾的冷凝生成水104将冷却盘管41冷却。

(第八实施方式)

图8是表示第八实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。对与上述的各实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

本实施方式的燃料电池系统8是喷雾器60的变形例。本实施方式的喷雾器60具有第一喷雾器61和第二喷雾器62。另外，阀63设置于将泵50与第一喷雾器61连接的配管上，阀64设置于将泵50与第二喷雾器62连接的配管上。

第一喷雾器61是对散热器40进行冷却的潜热冷却用喷雾器。另一方面，第二喷雾器62是清洗散热器40的清洗用喷雾器。第二喷雾器62与第一喷雾器61相比，喷雾出流量更多的冷凝生成水104。

阀63和阀64是由控制装置90控制开闭动作的电磁阀或电动阀。由此，冷凝生成水104的喷雾能够在第一喷雾器61与第二喷雾器62之间切换。控制装置90定期地或根据散热器40的性能下降，从打开阀63并关闭阀64的冷却模式切换为关闭阀63并打开阀64的清洗模式。另外，阀63及阀64也可以是能够手动切换的手动阀。

根据以上说明的本实施方式，通过分开使用冷凝生成水104的喷雾量不同的2个喷雾器，不仅能够将散热器40冷却，还能够进行清洗。

(第九实施方式)

图9是表示第九实施方式的燃料电池系统的主要部分的结构的框图。对与上述的各实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

本实施方式的燃料电池系统9具备双流体喷雾器65来代替喷雾器60。

在上述的第一实施方式～第八实施方式中，喷雾器60是将由泵50加压后的冷凝生成水104喷雾的单流体喷雾器。另一方面，对于向双流体喷雾器65，在从冷却水箱30被供给冷凝生成水104的同时，从压缩机51被供给压缩空气107。由此，双流体喷雾器65将冷凝生成水104向散热器40喷雾。

在以上说明的本实施方式中，由于能够用杂质少的冷凝生成水104将散热器40冷却，因此不需要净水设备，其结果，能够在不使系统整体大型化的情况下使散热器40小型化。

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是仅作为例子进行提示的，并不意图限定发明的范围。在本说明书中说明的新的装置、方法、程序以及系统能够以其他各种方式实施。另外，对于在本说明书中说明的装置、方法、程序以及系统的方式，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。所附的权利要求书及其等同的范围意在将包含在发明的范围及主旨中的这些实施方式及其变形包含在内。

Claims

1.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池组，在被供给含有氢的燃料气体和氧化剂气体时发电；

散热装置，对伴随所述燃料电池组的发电而产生的热进行冷却；

箱，回收生成水，该生成水从伴随燃料电池组的发电而被排出的水蒸气生成；以及

洒水装置，将从所述箱供给的所述生成水向所述散热装置洒水。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还具备：

泵，设置于所述箱与所述洒水装置之间；以及，

控制装置，基于所述散热装置的运转状态，控制所述泵的动作。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，还具备：

温度传感器，检测所述散热装置的设置场所的外部气体温度，

所述控制装置基于所述散热装置的运转状态以及所述温度传感器的检测结果，控制所述泵的动作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中，还具备：

冷凝热交换器，使所述水蒸气冷凝而生成所述生成水。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述箱设置于对所述燃料电池组进行冷却的冷却水的循环通路，贮存所述冷却水以及所述生成水。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述散热装置为散热器，

所述洒水装置是将所述生成水向所述散热器喷雾的喷雾器。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，

所述喷雾器具有第一喷雾器和第二喷雾器，该第二喷雾器与所述第一喷雾器相比，所述生成水的流量更多，

所述生成水的喷雾能够在所述第一喷雾器与所述第二喷雾器之间切换。

8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，

所述喷雾器是将加压后的所述生成水喷雾的单流体喷雾器、或者利用与所述生成水同时供给的压缩空气将所述生成水喷雾的双流体喷雾器。

9.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，

所述控制装置监视所述箱的水位，并基于所述水位，控制所述泵的动作。

10.一种燃料电池系统的冷却方法，

燃料电池组通过含有氢的燃料气体和氧化剂气体的供给而发电；

回收生成水，该生成水从通过所述燃料电池组的发电而被排出的水蒸气生成；

将所述生成水向散热装置洒水，该散热装置将伴随所述燃料电池组的发电而产生的热冷却。