JP2002313383A - Fuel cell system - Google Patents
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- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/0043—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池内で生成
し、排気ガスとともに外部に排出される水分を回収する
燃料電池システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system for recovering water generated in a fuel cell and discharged to the outside together with exhaust gas.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池では、酸素および水素の化学反
応で電気エネルギとともに水分が発生し、反応に用いら
れなかった酸素および水素は排気ガスとして燃料電池か
ら排出される。燃料電池内で発生した生成水は、排気ガ
スに含まれた状態で燃料電池の外部に排出される。そこ
で、従来より気液分離器によって排気ガス中に含まれる
水分を水蒸気（気体）と水（液体）に分離し、回収され
た水を燃料電池に供給される水素および酸素（空気）の
加湿等に利用する燃料電池システムが提案されている。2. Description of the Related Art In a fuel cell, moisture is generated together with electric energy by a chemical reaction of oxygen and hydrogen, and oxygen and hydrogen not used in the reaction are discharged from the fuel cell as exhaust gas. The generated water generated in the fuel cell is discharged to the outside of the fuel cell while being included in the exhaust gas. Therefore, conventionally, moisture contained in exhaust gas is separated into water vapor (gas) and water (liquid) by a gas-liquid separator, and the recovered water is humidified with hydrogen and oxygen (air) supplied to the fuel cell. A fuel cell system to be used for a fuel cell has been proposed.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術では、気液分離器にて分離された水蒸気は排気ガスと
ともに外部に排出されてしまい、排気ガス中で水蒸気の
状態で存在する水分は回収できていなかった。However, in the above prior art, the water vapor separated by the gas-liquid separator is discharged to the outside together with the exhaust gas, and the water present in the exhaust gas in the form of water vapor is recovered. I couldn't.
【０００４】本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池内
で生成し、排気ガスとともに外部に排出される水分を回
収する燃料電池システムにおいて、水分の回収効率を向
上させることを目的とする。[0004] In view of the above problems, an object of the present invention is to improve the efficiency of water recovery in a fuel cell system for recovering water generated in a fuel cell and discharged to the outside together with exhaust gas.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを化学反
応させて、電気エネルギを発生させるともに水分を発生
させる燃料電池（１０）と、水分を含んだ状態で燃料電
池（１０）から排出される排気ガスを導入し、排気ガス
から水分を回収する気液分離器（３０、３６、３８）
と、気液分離器（３０、３６、３８）に設けられ、気液
分離器（３０、３６、３８）に導入された排気ガスに含
まれる水分を冷却する冷却手段（３１、３７、４５）と
を備えることを特徴としている。In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) for generating electric energy and water by chemically reacting hydrogen and oxygen. And a gas-liquid separator (30, 36, 38) for introducing exhaust gas discharged from the fuel cell (10) while containing moisture and recovering moisture from the exhaust gas.
Cooling means (31, 37, 45) provided in the gas-liquid separator (30, 36, 38) for cooling water contained in the exhaust gas introduced into the gas-liquid separator (30, 36, 38). And characterized in that:
【０００６】これにより、燃料電池（１０）の排気ガス
中に含まれる水分を効率よく冷却することができように
なり、液状の水分のみならず、気体状の水分をも回収す
ることができ、水分の回収効率を向上させることができ
る。この結果、燃料電池の排気に含まれる水分の回収量
を増加させることができ、供給空気または水素の加湿だ
けでなく、冷却等の他の用途に利用できる水量を確保ま
たは増加させることができる。気液分離器には、燃料電
池の酸素（空気）側の排気ガスあるいは水素側の排気ガ
スの一方、または双方が導入される。[0006] This makes it possible to efficiently cool the water contained in the exhaust gas of the fuel cell (10) and to recover not only liquid water but also gaseous water. Moisture recovery efficiency can be improved. As a result, the amount of water contained in the exhaust of the fuel cell can be increased, and the amount of water that can be used not only for humidification of the supply air or hydrogen but also for other uses such as cooling can be secured or increased. One or both of the exhaust gas on the oxygen (air) side and the exhaust gas on the hydrogen side of the fuel cell are introduced into the gas-liquid separator.
【０００７】また、請求項２に記載の発明では、冷却水
を介して前記燃料電池（１０）と熱交換して前記燃料電
池（１０）を冷却する放熱用熱交換器（２２）と、水の
蒸発潜熱を利用して放熱用熱交換器（２２）を冷却する
ために、気液分離器（３０、３６、３８）にて回収され
た水分を放熱用熱交換器（２２）に散布する水分散布手
段（３３〜３５）とを備えることを特徴としている。こ
のような構成により、放熱用熱交換器（２２）の冷却能
力を向上させることができる。Further, in the invention according to the second aspect, a radiating heat exchanger (22) for exchanging heat with the fuel cell (10) through cooling water to cool the fuel cell (10), In order to cool the heat radiation heat exchanger (22) using the latent heat of vaporization, the water collected by the gas-liquid separators (30, 36, 38) is sprayed to the heat radiation heat exchanger (22). Water dispersing cloth means (33 to 35). According to such a configuration, the cooling capacity of the heat-radiating heat exchanger (22) can be improved.
【０００８】また、冷却手段としては、請求項３に記載
の発明のように、外気との熱交換により排気ガスに含ま
れる水分を冷却するものを用いることができる。燃料電
池（１０）から排出される排気ガスは、外気より高温
（例えば８０℃程度）になっているので、外気と熱交換
させることにより排気ガスに含まれる水分を効率よく冷
却することができる。Further, as the cooling means, a means for cooling the moisture contained in the exhaust gas by heat exchange with the outside air can be used. Since the exhaust gas discharged from the fuel cell (10) has a higher temperature (for example, about 80 ° C.) than the outside air, moisture contained in the exhaust gas can be efficiently cooled by exchanging heat with the outside air.
【０００９】具体的には、請求項４に記載の発明のよう
にヒートパイプ（３１）を用い、あるいは請求項５に記
載の発明のようにフィン（３７）を用いて、外気と熱交
換して燃料電池（１０）の排気ガス中に含まれる水分を
冷却するように構成することができる。Specifically, heat exchange with the outside air is performed by using a heat pipe (31) as in the invention of claim 4 or using fins (37) as in the invention of claim 5. To cool the moisture contained in the exhaust gas of the fuel cell (10).
【００１０】また、冷却手段として、請求項６に記載の
発明のように、冷凍サイクル装置の低温冷媒と熱交換し
て水分を冷却する熱交換器（４５）を用いることができ
る。この場合には、外気と熱交換する場合より排気ガス
中の水分をより低温に冷却することができ、水分の回収
効率をさらに向上させることができる。Further, as the cooling means, a heat exchanger (45) for exchanging heat with the low-temperature refrigerant of the refrigeration cycle apparatus to cool the moisture can be used. In this case, the moisture in the exhaust gas can be cooled to a lower temperature than when heat is exchanged with the outside air, and the efficiency of moisture recovery can be further improved.
【００１１】また、請求項７に記載の発明では、冷凍サ
イクル装置は、冷媒を熱交換器（４５）をバイパスさせ
るバイパス経路（４６）を備えていることを特徴として
いる。このような構成により、必要な場合にのみ冷媒を
熱交換器（４５）に供給するようにでき、冷却負荷を減
少させることができ、圧縮機（４１）の消費動力を減少
させることができる。冷媒の流路は、請求項８に記載の
発明のように、流路切替手段（４７）により熱交換器
（４５）あるいはバイパス通路（４６）に切り替えられ
る。Further, according to the invention described in claim 7, the refrigeration cycle apparatus is characterized in that the refrigeration cycle apparatus is provided with a bypass path (46) for bypassing the refrigerant to the heat exchanger (45). With such a configuration, the refrigerant can be supplied to the heat exchanger (45) only when necessary, the cooling load can be reduced, and the power consumption of the compressor (41) can be reduced. The refrigerant flow path is switched to the heat exchanger (45) or the bypass passage (46) by the flow path switching means (47).
【００１２】また、請求項９に記載では、電気自動車に
搭載され、燃料電池（１０）は電気自動車の走行用モー
タに電力を供給するものであり、冷凍サイクル装置は車
内の空調に用いられるものであることを特徴としてい
る。According to a ninth aspect of the present invention, the fuel cell (10) is mounted on an electric vehicle, supplies power to a traveling motor of the electric vehicle, and the refrigeration cycle device is used for air conditioning in the vehicle. It is characterized by being.
【００１３】このように車内空調用として車両に備えら
れている冷凍サイクル装置を利用することで、システム
を大幅に変更することなく、水分の回収効率を向上させ
ることができる。[0013] By using the refrigeration cycle device provided in the vehicle for air conditioning in the vehicle, the efficiency of water recovery can be improved without greatly changing the system.
【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。The reference numerals in parentheses of the above means indicate the correspondence with specific means described in the embodiments described later.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
第１実施形態について図１に基づいて説明する。本第１
実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として
走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したもので
ある。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. Book first
The fuel cell system of the embodiment is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using a fuel cell as a power source.
【００１６】図１は、本第１実施形態の燃料電池システ
ムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施
形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反
応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）
１０を備えている。燃料電池１０では、以下の水素と酸
素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。 （負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ 本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解
質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数
積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対
の電極で挟まれた構成となっている。FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment is a fuel cell (FC stack) that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
10 is provided. In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and electric energy is generated. (Negative electrode side) H 2 → 2H + + 2e − (positive electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O In the first embodiment, a solid polymer electrolyte type fuel cell is used as the fuel cell 10. A plurality of unit cells are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.
【００１７】燃料電池１０は、図示しないインバータや
２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成され
ている。インバータは、燃料電池１０から供給された直
流電流を交流電流に変換して走行用モータ（負荷）に供
給してモータを駆動する。The fuel cell 10 is configured to supply electric power to electric equipment such as an inverter and a secondary battery (not shown). The inverter converts a DC current supplied from the fuel cell 10 into an AC current, supplies the AC current to a traveling motor (load), and drives the motor.
【００１８】また、燃料電池システムには、燃料電池１
０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための
空気経路１１と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水
素を供給するための水素経路１２が設けられている。こ
れらのガス経路１１、１２を介して燃料電池１０に酸素
および水素が供給され、上記化学反応に用いられなかっ
た未反応の酸素および水素は、排気ガスとして燃料電池
１０から排出される。The fuel cell system includes a fuel cell 1
An air path 11 for supplying air (oxygen) to the oxygen electrode (positive electrode) of the fuel cell 10 and a hydrogen path 12 for supplying hydrogen to the hydrogen electrode (negative electrode) of the fuel cell 10 are provided. Oxygen and hydrogen are supplied to the fuel cell 10 through these gas paths 11 and 12, and unreacted oxygen and hydrogen not used in the chemical reaction are discharged from the fuel cell 10 as exhaust gas.
【００１９】上記電気化学反応のためには、燃料電池１
０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている
必要がある。このため、後述のように燃料電池１０に供
給される空気および水素に加湿を行い、これらの加湿さ
れたガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１
０内の電解質を加湿するように構成されている。For the above electrochemical reaction, the fuel cell 1
The electrolyte membrane in 0 needs to be in a wet state containing water. Therefore, the air and the hydrogen supplied to the fuel cell 10 are humidified as described later, and the humidified gas is supplied to the fuel cell 10 so that the fuel cell 1
It is configured to humidify the electrolyte in 0.
【００２０】また、燃料電池１０内部では上記電気化学
反応の結果、生成水が発生する。この水分は、燃料電池
１０の排気ガスに含まれた状態で、燃料電池１０外部に
排出される。Further, as a result of the above-mentioned electrochemical reaction, generated water is generated inside the fuel cell 10. This moisture is discharged to the outside of the fuel cell 10 while being contained in the exhaust gas of the fuel cell 10.
【００２１】燃料電池１０では発電の際、化学反応によ
り熱が発生する。燃料電池１０は発電効率のために運転
中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要があ
る。このため、燃料電池システムには燃料電池１０で発
生した熱を系外に放出するための冷却システム２０〜２
３が設けられている。In the fuel cell 10, heat is generated by a chemical reaction during power generation. The fuel cell 10 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) during operation for power generation efficiency. For this reason, the cooling systems 20 to 2 for releasing the heat generated in the fuel cell 10 to the outside of the system are provided in the fuel cell system.
3 are provided.
【００２２】冷却システムは、燃料電池１０に冷却水
（熱媒体）を循環させる冷却水循環路２０、冷却水循環
路２０に冷却水を循環させるウォータポンプ２１、外気
（大気）と熱交換し冷却水を冷却するラジエータ２２を
備えている。ラジエータ２２にはファン２３が設けられ
ており、これにより送風が行われ、ラジエータ２３での
熱交換を補助する。The cooling system includes a cooling water circulating passage 20 for circulating cooling water (heating medium) through the fuel cell 10, a water pump 21 for circulating cooling water through the cooling water circulating passage 20, heat exchange with outside air (atmosphere), and cooling water. A radiator 22 for cooling is provided. The radiator 22 is provided with a fan 23, which blows air to assist heat exchange in the radiator 23.
【００２３】また、本第１実施形態の燃料電池システム
には、空気通路１１における燃料電池１０の下流側に、
発電の際に発生して空気に含まれた状態で排出される生
成水を回収するための気液分離器３０が設けられてい
る。気液分離器３０で分離された水は気液分離器３０内
に貯えられる。気液分離器３０内に貯蔵された水は、燃
料電池１０内への水分補給と、ラジエータ２２の冷却に
用いられる。In the fuel cell system according to the first embodiment, the air passage 11 is provided on the downstream side of the fuel cell 10.
A gas-liquid separator 30 is provided for recovering generated water generated at the time of power generation and discharged while being contained in air. The water separated by the gas-liquid separator 30 is stored in the gas-liquid separator 30. The water stored in the gas-liquid separator 30 is used for supplying water to the fuel cell 10 and for cooling the radiator 22.
【００２４】気液分離器３０には、ヒートパイプ（冷却
手段）３１が設けられている。ヒートパイプとは、内部
を排気して揮発性の液体（作動液）を少量封入した管体
であり、蒸発、凝縮による潜熱の吸収、放出を利用した
熱輸送を目的とする。熱は蒸気の圧力勾配による物質流
によって運ばれるので、微小の温度差で多量の熱が運ば
れる。The gas-liquid separator 30 is provided with a heat pipe (cooling means) 31. The heat pipe is a pipe body in which the inside is evacuated and a small amount of a volatile liquid (working fluid) is sealed, and aims at heat transport utilizing absorption and release of latent heat by evaporation and condensation. Since heat is carried by the mass flow due to the pressure gradient of the steam, a large amount of heat is carried by a small temperature difference.
【００２５】ヒートパイプ３１は、気液分離器３０内部
において燃料電池１０の排気が通過する部位と外部とを
熱的に結ぶように配置されている。これにより、燃料電
池１０の排気は、気液分離器３０内部においてヒートパ
イプ１０を介して外気と熱交換して冷却される。The heat pipe 31 is disposed so as to thermally connect a portion through which the exhaust of the fuel cell 10 passes inside the gas-liquid separator 30 to the outside. Thereby, the exhaust gas of the fuel cell 10 is cooled by exchanging heat with the outside air via the heat pipe 10 inside the gas-liquid separator 30.
【００２６】燃料電池システムには、気液分離器３０に
貯蔵された生成水を空気経路１１および水素経路１２に
供給するための加湿用経路３２が設けられている。気液
分離器３０に貯蔵された生成水は、加湿用経路３２を介
して空気通路１１および水素通路１２に供給され、空気
および水素の加湿に用いられる。The fuel cell system is provided with a humidifying passage 32 for supplying the produced water stored in the gas-liquid separator 30 to the air passage 11 and the hydrogen passage 12. The generated water stored in the gas-liquid separator 30 is supplied to the air passage 11 and the hydrogen passage 12 via the humidification path 32, and is used for humidification of air and hydrogen.
【００２７】また、燃料電池システムには、気液分離器
３０に貯蔵された生成水をラジエータ２２に散布するた
めの散布用経路３３が設けられている。気液分離器３０
に貯蔵された生成水は、散布用経路３３を介してノズル
３５よりラジエータ２２に散布（供給）される。ノズル
３５は、ラジエータ２２等の風上（車両前方側）に配置
されている。散布用通路３３には、水をラジエータ２２
に供給するためのウォータポンプ３４が設けられてい
る。散布用経路３３、ウォータポンプ３４、ノズル３５
は、気液分離器３０にて回収された水分をラジエータ２
２に散布する水分散布手段を構成している。Further, the fuel cell system is provided with a spraying path 33 for spraying the generated water stored in the gas-liquid separator 30 to the radiator 22. Gas-liquid separator 30
Is sprayed (supplied) to the radiator 22 from the nozzle 35 via the spraying path 33. The nozzle 35 is arranged on the windward side of the radiator 22 or the like (on the front side of the vehicle). The water is supplied to the radiator 22 through the spray passage 33.
Is provided with a water pump 34 for supplying the water. Spraying path 33, water pump 34, nozzle 35
Removes the water collected by the gas-liquid separator 30 into the radiator 2
2 constitutes a water dispersion cloth means for spraying.
【００２８】本実施形態の燃料電池システムには各種制
御を行う図示しない制御部（ＥＣＵ）が設けられてい
る。制御部には、負荷からの要求電力信号等が入力され
る。また、制御部は、ラジエータファン２３、ウォータ
ポンプ２１、３４等に制御信号を出力するように構成さ
れている。The fuel cell system according to the present embodiment is provided with a control unit (ECU) (not shown) for performing various controls. A required power signal or the like from a load is input to the control unit. The control unit is configured to output a control signal to the radiator fan 23, the water pumps 21, 34, and the like.
【００２９】以下、本第１実施形態の燃料電池システム
の作動について説明する。The operation of the fuel cell system according to the first embodiment will be described below.
【００３０】まず、燃料電池１０に空気および水素が供
給されることにより、燃料電池１０では電気エネルギが
発生する。燃料電池１０にて発生した電力は、走行用モ
ータ等に供給される。First, when air and hydrogen are supplied to the fuel cell 10, electric energy is generated in the fuel cell 10. The electric power generated by the fuel cell 10 is supplied to a traveling motor and the like.
【００３１】発電に伴い燃料電池１０では発熱を生じ
る。燃料電池１０にて発生した熱は、冷却水循環路２０
内を循環する冷却水に伝えられ、冷却水はラジエータ２
２にて外気と熱交換することで冷却される。ラジエータ
２２にて冷却された冷却水は、燃料電池１０に再循環
し、燃料電池１０が冷却される。これにより、燃料電池
１０は発電に適した一定温度（例えば８０℃程度）に維
持される。The fuel cell 10 generates heat with the power generation. The heat generated in the fuel cell 10 is
The cooling water is transmitted to the cooling water circulating in the
The cooling is performed by exchanging heat with the outside air in 2. The cooling water cooled by the radiator 22 is recirculated to the fuel cell 10, and the fuel cell 10 is cooled. Thereby, the fuel cell 10 is maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) suitable for power generation.
【００３２】燃料電池１０に供給された空気および水素
のうち、電気化学反応に用いられなかった未反応ガス
は、排気ガスとして燃料電池から排出される。この排気
ガスの温度は、外気温より高い温度（例えば８０℃程
度）となっている。燃料電池１０内で電気化学反応に結
果生じた生成水は、排気ガス中に含まれた状態で燃料電
池１０から排出される。[0032] Of the air and hydrogen supplied to the fuel cell 10, unreacted gas not used for the electrochemical reaction is discharged from the fuel cell as exhaust gas. The temperature of the exhaust gas is higher than the outside air temperature (for example, about 80 ° C.). Water generated as a result of the electrochemical reaction in the fuel cell 10 is discharged from the fuel cell 10 while being contained in the exhaust gas.
【００３３】燃料電池１０の空気経路１１より排出され
た排気ガスは、気液分離器３０に導入される。排気ガス
中に含まれる水分は、水蒸気（気体）と水（液体）の状
態で存在する。このうち水は気液分離器３０の下部に貯
えられる。また、水蒸気はヒートパイプ３１近傍を通過
する際に冷却され、ヒートパイプ３１表面で水蒸気が凝
縮して液体の水となる。この凝縮水も重力で落下し、気
液分離器３０下部に貯えられる。これにより、排気ガス
中に含まれる水分の回収において、液状の水分のみなら
ず、気体状の水分をも回収することができる。The exhaust gas discharged from the air path 11 of the fuel cell 10 is introduced into the gas-liquid separator 30. The moisture contained in the exhaust gas exists in a state of water vapor (gas) and water (liquid). Water is stored in the lower part of the gas-liquid separator 30. Further, the steam is cooled when passing near the heat pipe 31, and the steam condenses on the surface of the heat pipe 31 to become liquid water. This condensed water also falls by gravity and is stored in the lower part of the gas-liquid separator 30. Thus, in collecting the moisture contained in the exhaust gas, not only liquid moisture but also gaseous moisture can be collected.
【００３４】気液分離器３０に貯蔵された回収水の一部
は、加湿用経路３２を介して空気経路１１および水素経
路１２に供給され、空気および水素の加湿に用いられ
る。これにより、燃料電池１０に加湿された空気および
水素が供給され、燃料電池１０内部の電解質膜を加湿す
ることができる。A part of the recovered water stored in the gas-liquid separator 30 is supplied to the air path 11 and the hydrogen path 12 via the humidifying path 32, and is used for humidifying the air and the hydrogen. Thereby, the humidified air and hydrogen are supplied to the fuel cell 10, and the electrolyte membrane inside the fuel cell 10 can be humidified.
【００３５】また、気液分離器３０に貯蔵された回収水
の一部は、ウォータポンプ３４により散布用経路３３を
介してノズル３５に送られ、ラジエータ２２に散布され
る。散布された水はラジエータ２２の表面で蒸発し、こ
の蒸発潜熱によりラジエータ２２が冷却される。これに
より、ラジエータ２２の冷却能力を向上させることがで
きる。A part of the recovered water stored in the gas-liquid separator 30 is sent to a nozzle 35 by a water pump 34 via a spraying path 33, and is sprayed to the radiator 22. The sprayed water evaporates on the surface of the radiator 22, and the radiator 22 is cooled by the latent heat of evaporation. Thereby, the cooling capacity of the radiator 22 can be improved.
【００３６】以上にように、気液分離器３０に燃料電池
１０の排気ガスを効率的に冷却できる冷却手段としてヒ
ートパイプ３１を設けることで、排気ガス中に水蒸気の
状態で含まれる燃料電池生成水を効率よく回収すること
ができる。また、ヒートパイプ３１は熱輸送能力が大き
いので、コンパクトな構成とすることができる。As described above, by providing the gas-liquid separator 30 with the heat pipe 31 as a cooling means capable of efficiently cooling the exhaust gas of the fuel cell 10, it is possible to generate the fuel cell contained in the exhaust gas in the form of water vapor. Water can be collected efficiently. Further, since the heat pipe 31 has a large heat transport capacity, the heat pipe 31 can have a compact configuration.
【００３７】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について図２に基づいて説明する。本第２実施形態
は、上記第１実施形態に比較して、気液分離器の冷却構
造が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分
については同一の符号を付して説明を省略する。(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in the cooling structure of the gas-liquid separator. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
【００３８】図２は、本第２実施形態の燃料電池システ
ムの気液分離器３６の拡大断面を示している。図２に示
すように、本第２実施形態に気液分離器３６には、上記
第１実施形態におけるヒートパイプ３１に代えて、フィ
ン（冷却手段）３７を設けている。フィン３７は、気液
分離器３６内部において燃料電池１０の排気が通過する
部位と外部とを熱的に結ぶように配置されている。これ
により、燃料電池１０の排気は、気液分離器３６内部に
おいてフィン３７を介して外気と熱交換して冷却され
る。FIG. 2 shows an enlarged cross section of the gas-liquid separator 36 of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 2, in the second embodiment, the gas-liquid separator 36 is provided with fins (cooling means) 37 instead of the heat pipe 31 in the first embodiment. The fins 37 are arranged so as to thermally connect a portion through which the exhaust of the fuel cell 10 passes inside the gas-liquid separator 36 and the outside. Thus, the exhaust gas of the fuel cell 10 is cooled by exchanging heat with the outside air via the fins 37 inside the gas-liquid separator 36.
【００３９】本第２実施形態に気液分離器３６において
も、燃料電池１０の排気ガス中に含まれる水蒸気がフィ
ン３７近傍を通過する際に冷却され、フィン３７表面で
水蒸気が凝縮して液体の水となる。この凝縮水も重力で
落下し、気液分離器３６下部に貯えられる。これによ
り、排気ガス中に含まれる水分の回収において、液状の
水分のみならず、気体状の水分をも回収することができ
る。In the gas-liquid separator 36 according to the second embodiment, the water vapor contained in the exhaust gas of the fuel cell 10 is cooled when passing near the fins 37, and the water vapor condenses on the surface of the fins 37 to form a liquid. Water. This condensed water also falls by gravity and is stored in the lower part of the gas-liquid separator 36. Thus, in collecting the moisture contained in the exhaust gas, not only liquid moisture but also gaseous moisture can be collected.
【００４０】このような本第２実施形態の構成によって
も、上記第１実施形態と同様に、排気ガス中に水蒸気の
状態で含まれる燃料電池生成水を効率よく回収すること
ができる。According to the configuration of the second embodiment, similarly to the first embodiment, the fuel cell generated water contained in the exhaust gas in the form of water vapor can be efficiently recovered.
【００４１】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態について図３〜図５に基づいて説明する。本第３実
施形態は、上記第１実施形態に比較して、冷凍サイクル
を気液分離器の冷却に利用している点が異なるものであ
る。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符
号を付して説明を省略する。(Third Embodiment) Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The third embodiment is different from the first embodiment in that a refrigeration cycle is used for cooling a gas-liquid separator. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
【００４２】図３は、本第３実施形態の燃料電池システ
ムの全体構成を示している。図３に示すように本第３実
施形態に燃料電池システムには、車内空調用の冷凍サイ
クル装置４０〜４７が設けられている。冷凍サイクル
は、冷媒経路４０、コンプレッサ４１、コンデンサ４
２、膨張弁４３、エバポレータ４４等から構成される周
知のものである。FIG. 3 shows the overall configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. As shown in FIG. 3, the fuel cell system according to the third embodiment is provided with refrigeration cycle devices 40 to 47 for in-vehicle air conditioning. The refrigeration cycle includes a refrigerant path 40, a compressor 41, a condenser 4
2. It is a well-known one comprising an expansion valve 43, an evaporator 44 and the like.
【００４３】さらに本第３実施形態の冷凍サイクルで
は、冷媒経路４０におけるエバポレータ４４の下流側に
熱交換器（冷却手段）４５が設けられている。この熱交
換器４５は、気液分離器３８内部における燃料電池１０
の排気ガスが通過する部位に配置されている。Further, in the refrigeration cycle of the third embodiment, a heat exchanger (cooling means) 45 is provided on the refrigerant path 40 downstream of the evaporator 44. This heat exchanger 45 is used for the fuel cell 10 inside the gas-liquid separator 38.
Is disposed at a portion through which the exhaust gas passes.
【００４４】また、冷媒経路４０には、冷媒が熱交換器
４５をバイパスするためのバイパス経路４６が設けられ
ている。冷媒経路４０とバイパス経路４６との分岐点に
は流路切替弁（流路切替手段）４７が設けられており、
冷媒の流れを熱交換器４５側あるいはバイパス経路４６
側に切り替えることができるように構成されている。The refrigerant path 40 is provided with a bypass path 46 for the refrigerant to bypass the heat exchanger 45. At a branch point between the refrigerant path 40 and the bypass path 46, a flow path switching valve (flow path switching means) 47 is provided.
The flow of the refrigerant is transferred to the heat exchanger 45 or the bypass path 46.
It is configured to be able to switch to the side.
【００４５】図４は、冷凍サイクルのモリエル線図であ
る。コンプレッサ４１にて圧縮吐出された冷媒は、コン
デンサ４２にて冷却凝縮される。コンデンサ４２で凝縮
した冷媒は膨張弁４３にて減圧されて低圧冷媒となり、
エバポレータ４４にて蒸発気化する。エバポレータ４４
は冷媒の気化熱により低温状態となり、車室内への送風
空気がエバポレータ４４を通過する際に冷却される。エ
バポレータ４４は、通常０℃付近で制御されるので、エ
バポレータ４４の下流側に配置された熱交換器４５の表
面温度も、冷媒により０℃付近まで冷却される。FIG. 4 is a Mollier diagram of the refrigeration cycle. The refrigerant compressed and discharged by the compressor 41 is cooled and condensed by the condenser 42. The refrigerant condensed in the condenser 42 is reduced in pressure by the expansion valve 43 to become a low-pressure refrigerant,
The evaporator 44 vaporizes and evaporates. Evaporator 44
Is cooled by the heat of vaporization of the refrigerant, and is cooled when the air blown into the passenger compartment passes through the evaporator 44. Since the evaporator 44 is normally controlled at around 0 ° C., the surface temperature of the heat exchanger 45 disposed downstream of the evaporator 44 is also cooled to around 0 ° C. by the refrigerant.
【００４６】これにより、本第３実施形態に気液分離器
３８においても、燃料電池１０の排気ガス中に含まれる
水蒸気が熱交換器４５近傍を通過する際に冷却され、熱
交換器４５表面で水蒸気が凝縮して液体の水となる。こ
の凝縮水も重力で落下し、気液分離器３８下部に貯えら
れる。これにより、排気ガス中に含まれる水分の回収に
おいて、液状の水分のみならず、気体状の水分をも回収
することができる。Thus, also in the gas-liquid separator 38 according to the third embodiment, the water vapor contained in the exhaust gas of the fuel cell 10 is cooled when passing through the vicinity of the heat exchanger 45, and the surface of the heat exchanger 45 is cooled. Vapor condenses into liquid water. This condensed water also falls by gravity and is stored in the lower part of the gas-liquid separator 38. Thus, in collecting the moisture contained in the exhaust gas, not only liquid moisture but also gaseous moisture can be collected.
【００４７】さらに、本第３実施形態では、冷媒温度は
０℃付近に制御されることから、上記第１、第２実施形
態に比較して外気温より冷却温度が低くなり、水分の回
収量を多くすることができる。Further, in the third embodiment, since the refrigerant temperature is controlled at around 0 ° C., the cooling temperature is lower than the outside air temperature as compared with the first and second embodiments, and the amount of recovered water is reduced. Can be more.
【００４８】また、冷凍サイクル装置では、熱交換器４
５に冷媒を循環させるとコンプレッサ４１に余分の動力
が必要となる。従って、本第３実施形態の冷凍サイクル
装置では、バイパス通路４６、流路切替弁４７により必
要な場合にのみ熱交換器４５に冷媒を循環させるように
構成している。In the refrigeration cycle apparatus, the heat exchanger 4
When the refrigerant is circulated through the compressor 5, extra power is required for the compressor 41. Therefore, in the refrigeration cycle apparatus of the third embodiment, the refrigerant is circulated to the heat exchanger 45 only when necessary by the bypass passage 46 and the flow path switching valve 47.
【００４９】次に、本第３実施形態の燃料電池システム
における流路切替弁４７の作動について図５のフローチ
ャートに基づいて説明する。Next, the operation of the flow path switching valve 47 in the fuel cell system according to the third embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
【００５０】まず、図示しない温度センサにて燃料電池
１０に循環する冷却水の温度Ｔｗを検出する（ステップ
Ｓ１０）。次に、冷却水温度Ｔｗが目標水温Ｔａを超え
ているか否かを判定する（ステップＳ１１）。First, the temperature Tw of the cooling water circulating through the fuel cell 10 is detected by a temperature sensor (not shown) (step S10). Next, it is determined whether or not the cooling water temperature Tw exceeds the target water temperature Ta (step S11).
【００５１】この結果、冷却水温度Ｔｗが目標水温Ｔａ
を超えている（Ｔｗ＞Ｔａ）場合には、流路切替弁４７
を熱交換器４５側に切り替える（ステップＳ１２）。こ
れにより、冷媒が熱交換器４５に流れる。As a result, the cooling water temperature Tw becomes equal to the target water temperature Ta.
(Tw> Ta), the flow path switching valve 47
Is switched to the heat exchanger 45 side (step S12). Thereby, the refrigerant flows to the heat exchanger 45.
【００５２】次に、空調装置（冷凍サイクル装置）が作
動しているか否かを判定する（ステップＳ１３）。この
結果、空調装置が作動していない場合にはコンプレッサ
４１を作動させる（ステップＳ１４）。これにより、低
温の冷媒ガスが熱交換器４５に供給され、気液分離器３
８では排気ガス中に含まれる燃料電池１０の生成水を効
率よく回収することができる。Next, it is determined whether or not the air conditioner (refrigeration cycle device) is operating (step S13). As a result, when the air conditioner is not operating, the compressor 41 is operated (step S14). Thereby, the low-temperature refrigerant gas is supplied to the heat exchanger 45, and the gas-liquid separator 3
In 8, the water generated by the fuel cell 10 contained in the exhaust gas can be efficiently collected.
【００５３】一方、冷却水温度Ｔｗが目標水温Ｔａを超
えていない（Ｔｗ≦Ｔａ）場合には、切替弁４７がバイ
パス通路４６側になっているか否かを判定し（ステップ
Ｓ１５）、バイパス通路４６側になっていない場合には
バイパス通路４６側に切り替える（ステップＳ１６）。On the other hand, if the cooling water temperature Tw does not exceed the target water temperature Ta (Tw ≦ Ta), it is determined whether or not the switching valve 47 is on the bypass passage 46 side (step S15). If it is not on the side, it is switched to the bypass passage 46 (step S16).
【００５４】次に、運転者によるキーオフ操作の有無を
検出し、燃料電池１０を停止させるか否かを判定する
（ステップＳ１７）。この結果、燃料電池１０を停止さ
せる場合には本制御を終了し、停止させない場合には上
記ステップＳ１０に戻り、上記の各ステップを繰り返し
行う。Next, the presence or absence of a key-off operation by the driver is detected, and it is determined whether or not to stop the fuel cell 10 (step S17). As a result, when the fuel cell 10 is stopped, the present control is ended. When the fuel cell 10 is not stopped, the process returns to the step S10, and the above steps are repeated.
【００５５】以上の流路切替弁４７の制御により、冷却
水温度Ｔｗが高くラジエータ２２の冷却の必要性が高い
場合、すなわち排気ガス中に含まれる水分の回収量を多
くする必要がある場合にのみ、冷媒を熱交換器４５に供
給するようにできる。これにより冷凍サイクル装置のコ
ンプレッサ４１の作動時間を減少させることができ、コ
ンプレッサ４１の消費動力を減少させることができる。By controlling the flow path switching valve 47, when the cooling water temperature Tw is high and the necessity of cooling the radiator 22 is high, that is, when it is necessary to increase the amount of water contained in the exhaust gas, Only the refrigerant can be supplied to the heat exchanger 45. Thus, the operation time of the compressor 41 of the refrigeration cycle device can be reduced, and the power consumption of the compressor 41 can be reduced.
【００５６】また本第３実施形態では、もともと車両に
存在する空調用の冷凍サイクル装置を用いているので、
あたらに必要な部品としては、熱交換器４５、バイパス
通路４６、流路切替弁４７だけでよい。Further, in the third embodiment, since the refrigeration cycle device for air conditioning which originally exists in the vehicle is used,
Only the heat exchanger 45, the bypass passage 46, and the flow path switching valve 47 are necessary as new components.
【００５７】（他の実施形態）なお、気液分離器に設け
た上記各実施形態の各冷却手段（第１実施形態のヒート
パイプ３１、第２実施形態のフィン３７、第３実施形態
の冷凍サイクル低圧側に設けた熱交換器４５）は、適宜
組み合わせて用いることができる。(Other Embodiments) The cooling means (the heat pipe 31 of the first embodiment, the fins 37 of the second embodiment, the refrigeration of the third embodiment) The heat exchanger 45) provided on the cycle low pressure side can be used in an appropriate combination.
【００５８】また、上記第３実施形態では、回収した燃
料電池１０の生成水をラジエータ２２に散布してラジエ
ータ２２を冷却しているが、これに限らず、例えば冷凍
サイクルの高圧側の熱交換器であるコンデンサ４２に回
収水を散布してコンデンサ４２を冷却するように構成し
てもよい。In the third embodiment, the radiator 22 is cooled by spraying the collected water produced by the fuel cell 10 to the radiator 22, but the invention is not limited to this. For example, heat exchange on the high pressure side of the refrigeration cycle is performed. The condenser 42 may be configured to cool the condenser 42 by spraying the collected water to the condenser 42.
【００５９】また、上記第３実施形態では、冷凍サイク
ルの高圧側の熱交換器としてコンデンサ４２を用いてい
るが、これに限らず、例えばガスクーラ等を用いてもよ
い。In the third embodiment, the condenser 42 is used as the heat exchanger on the high pressure side of the refrigeration cycle. However, the present invention is not limited to this, and a gas cooler or the like may be used.
【００６０】また、上記各実施形態では、空気経路１１
にのみ気液分離器を設けたが、これに限らず、水素経路
１２の燃料電池下流側においても同様の気液分離器を設
け、燃料電池から排出される排ガスからも水分を回収す
るように構成してもよい。あるいは、単一の気液分離器
に空気通路側の排気と水素通路側の排気を導くように構
成してもよい。In each of the above embodiments, the air path 11
The gas-liquid separator is provided only in the fuel cell. However, the invention is not limited to this, and a similar gas-liquid separator is also provided on the downstream side of the fuel cell in the hydrogen path 12 so that moisture is recovered from exhaust gas discharged from the fuel cell. You may comprise. Alternatively, the exhaust gas on the air passage side and the exhaust gas on the hydrogen passage side may be guided to a single gas-liquid separator.
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を
示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
【図２】第２実施形態の燃料電池システムにおける気液
分離器の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a gas-liquid separator in a fuel cell system according to a second embodiment.
【図３】第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を
示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a third embodiment.
【図４】第３実施形態の冷凍サイクルのモリエル線図で
ある。FIG. 4 is a Mollier diagram of a refrigeration cycle according to a third embodiment.
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの作動を示す
フローチャートである。FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system according to the third embodiment.
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１１…空気経路、１
２…水素経路、２０〜２３…冷却システム、３０、３
６、３８…気液分離器、４０〜４７…冷凍サイクル装
置。10: fuel cell (FC stack), 11: air path, 1
2: hydrogen path, 20 to 23: cooling system, 30, 3
6, 38: gas-liquid separator, 40 to 47: refrigeration cycle device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｚ (72)発明者 堀田 直人 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐々木 博邦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 DD00 5H115 PC06 PG04 PI18 PI29 PU08 PV09 QN03 SE10 TI10 UI29 UI30 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/00 H01M 8/00 Z (72) Inventor Naoto Hotta 1-1-1 Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Stock Inside the company DENSO (72) Inventor Hirokuni Sasaki 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi F-term in the company DENSO Corporation (reference) 5H027 AA02 DD00 5H115 PC06 PG04 PI18 PI29 PU08 PV09 QN03 SE10 TI10 UI29 UI30
Claims (9)
ネルギを発生させるともに水分を発生させる燃料電池
（１０）と、 前記水分を含んだ状態で前記燃料電池（１０）から排出
される排気ガスを導入し、前記排気ガスから前記水分を
回収する気液分離器（３０、３６、３８）と、 前記気液分離器（３０、３６、３８）に設けられ、前記
気液分離器（３０、３６、３８）に導入された前記排気
ガスに含まれる前記水分を冷却する冷却手段（３１、３
７、４５）とを備えることを特徴とする燃料電池システ
ム。1. A fuel cell (10) that generates electric energy and generates moisture by chemically reacting hydrogen and oxygen, and exhaust gas discharged from the fuel cell (10) while containing the water. A gas-liquid separator (30, 36, 38) for introducing a gas and recovering the moisture from the exhaust gas; and a gas-liquid separator (30, 36, 38) provided in the gas-liquid separator (30, 36, 38). , 36, 38) for cooling the moisture contained in the exhaust gas introduced into the exhaust gas.
7, 45).
熱交換して前記燃料電池（１０）を冷却する放熱用熱交
換器（２２）と、 水の蒸発潜熱を利用して前記放熱用熱交換器（２２）を
冷却するために、前記気液分離器（３０、３６、３８）
にて回収された水分を前記放熱用熱交換器（２２）に散
布する水分散布手段（３３〜３５）とを備えることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。2. A heat exchanger (22) for heat exchange with the fuel cell (10) through cooling water to cool the fuel cell (10), and the heat radiation by utilizing latent heat of evaporation of water. Gas-liquid separator (30, 36, 38) for cooling the heat exchanger (22)
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising: water dispersing means (33 to 35) for dispersing the water collected in (1) to the heat radiating heat exchanger (22).
前記水分を冷却するものであることを特徴とする請求項
１または請求項２に記載の燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling means cools the water by heat exchange with outside air.
０）内部と外部とを熱的に結合するヒートパイプ（３
１）であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池
システム。4. The gas-liquid separator (3)
0) A heat pipe (3) for thermally connecting the inside and the outside
The fuel cell system according to claim 3, wherein 1) is satisfied.
６）内部と外部とを熱的に結合するフィン（３７）であ
ることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに
記載の燃料電池システム。5. The gas-liquid separator (3), wherein:
6) The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, wherein the fuel cell system is a fin (37) for thermally connecting the inside and the outside.
と、前記圧縮機（４１）から吐出された冷媒を凝縮する
凝縮器（４２）と、前記凝縮器（４２）で凝縮した冷媒
を減圧する減圧装置（４３）と、前記減圧装置（４３）
で減圧した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（４４）とを有
する冷凍サイクル装置を備え、 前記冷却手段は、前記蒸発器（４４）にて蒸発させた低
温冷媒と熱交換して前記水分を冷却する熱交換器（４
５）であることを特徴とする請求項１または請求項２に
記載の燃料電池システム。6. A compressor (41) for compressing and discharging a refrigerant.
A condenser (42) for condensing the refrigerant discharged from the compressor (41); a decompression device (43) for decompressing the refrigerant condensed in the condenser (42); and the decompression device (43).
A refrigerating cycle device having an evaporator (44) for evaporating the low-pressure refrigerant depressurized in step (a), wherein the cooling means exchanges heat with the low-temperature refrigerant evaporated in the evaporator (44) to cool the water. Heat exchanger (4
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system comprises:
記熱交換器（４５）をバイパスさせるバイパス経路（４
６）を備えていることを特徴とする請求項６に記載に燃
料電池システム。7. The refrigeration cycle apparatus further comprises a bypass path (4) for allowing the refrigerant to bypass the heat exchanger (45).
The fuel cell system according to claim 6, further comprising (6).
５）あるいは前記バイパス通路（４６）に切り替える流
路切替手段（４７）を備えることを特徴とする請求項７
に記載の燃料電池システム。8. The heat exchanger (4)
5) or a flow path switching means (47) for switching to the bypass passage (46).
3. The fuel cell system according to item 1.
（１０）は前記電気自動車の走行用モータに電力を供給
するものであり、前記冷凍サイクル装置は車内の空調に
用いられるものであることを特徴とする請求項６ないし
８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。9. An electric vehicle, wherein the fuel cell (10) supplies electric power to a running motor of the electric vehicle, and the refrigeration cycle device is used for air conditioning in the vehicle. The fuel cell system according to any one of claims 6 to 8, wherein:
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