JP2003077519A - 燃料電池システムの水回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムにおいて排出ガスの水と熱
とを効率よく再利用することである。 【解決手段】 コンデンサとしての熱交換器１２とエバ
ポレータとしての熱交換器１４とを有する冷凍サイクル
１を設ける。熱交換器１４では、冷媒が燃料電池スタッ
クから排出された水蒸気を含む排出ガスから吸熱するこ
とで気化するようにし、凝結した水蒸気は回収する。熱
交換器１２では、これにノズル２４から回収した水を噴
射するとともに、冷媒が吸気および水に放熱することで
液化するようにし、改質器に供給する加湿空気を得る。
排出ガスの熱を冷媒を介して水の水蒸気化に再利用する
ことで、エネルギー効率を向上する。熱交換器１２，１
４の冷媒における熱のやりとりを潜熱のやりとりで行う
ことで熱交換器１２，１４を小型化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムの
水回収装置に関し、特に燃料電池システムにおけるエネ
ルギーの利用効率の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは、その本体部である
燃料電池スタックにおいて燃料ガスと酸化ガスとを反応
ガスとして電力を生成するもので、電解質膜のイオン導
電性を付与するための加湿用として、また、改質器にお
いて、炭化水素系の原燃料から所定の燃料ガスを得るた
めの水が必要となる。車両等のように水の補給に難があ
る用途において、燃料ガスと酸化ガスとの電池反応で生
成される水を利用することが提案されている。特開平８
−１９５２０９号公報には、燃料電池スタックからの水
を含む排ガスを気液分離器を通して、凝結している水分
を回収するとともに、その他のガスは気液分離器からエ
ア抜き管を介して外部に放出するものが提案されてい
る。

【０００３】特開平８−１９５２０９号公報記載の技術
では、水蒸気もエア抜き管を介して外部に放出されて、
回収効率が必ずしも十分ではない。また、外部に放出さ
れる水蒸気は元々は水タンクに貯留されていた水であ
り、水蒸気が潜熱として有しているエネルギーも捨てら
れていることになる。このエネルギーは前記電池反応で
発生する反応熱や空気供給用のコンプレッサの発生熱等
で賄われたものであり、さらに遡れば燃料が保持してい
るエネルギーである。したがって、単に燃料電池スタッ
クから液滴として排出される水のみを回収するのでは、
燃料電池システム全体の効率が十分ではない。

【０００４】一方、特開平８−１７４５５号公報には、
燃料電池スタックからの排出ガスを、補給用の水を貯留
する容器の底部に導き、貯留水と直接接触させて回収す
るものが提案されている。このものでは、水蒸気の熱が
貯留水に放熱されて水の回収が促進されるとともに、排
出ガスの熱が貯留水に回収されるため、特開平８−１９
５２０９号公報記載の技術に比して燃料電池システム全
体の効率が高い。

【０００５】また、特開平８−１７４５５号公報には、
排出ガスを冷却する冷却器を設けて冷却器で凝結した水
を回収し、排出ガスから吸熱する冷却器の受熱側とし
て、冷却水がラジエータを通り循環する水回路を設け、
ラジエータには外気を送風するファンを付設したものが
提案されている。このものでは、外気により冷却水が低
温に保たれるので、排出ガス中の水蒸気の凝結が十分に
なされ、水回収の効率がよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−１７４５５号公報の技術では、水蒸気が持っている
大きな潜熱を貯留水の顕熱で冷却するので、十分な冷却
能力を得ようとすれば大型の貯留タンクと常時ある程度
の量の水が貯留されている必要がある。このため、車両
等のようにスペースが限られた用途には適していない。

【０００７】また、特開平８−１７４５５号公報の技術
でも、十分な冷却能力を得ようとすれば水回路、特に冷
却器が大型化してしまう。また、排出ガスの熱はラジエ
ータから外気に放出されるので、その分、燃料電池シス
テム全体の効率を損ねるという問題がある。

【０００８】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
水とエネルギーとを有効に活用することができ、しかも
小型化が可能な燃料電池システムの水回収装置を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、水蒸気排出部から排出された水蒸気を含む排出ガス
から水分を回収して再利用する燃料電池システムの水回
収装置において、冷媒が循環して２組の熱交換器を交互
に通過する冷媒循環路を具備せしめ、一方の熱交換器
を、排出ガスから吸熱して液相の冷媒を気化せしめる吸
熱用の熱交換器とし、他方の熱交換器を、前記吸熱用熱
交換器で吸熱した熱を再利用する低温部に放熱して気相
の冷媒を液化する放熱用の熱交換器とし、かつ、前記吸
熱用熱交換器において凝結した排出ガス中の水を回収す
る回収手段を具備せしめる。

【００１０】水の回収時に冷媒が排出ガスから受け取っ
た熱も再利用されるから燃料電池システムの全体の効率
がよい。しかも、水の回収および水の気化が、冷媒の相
変化を伴って潜熱のやりとりでなされるので、吸熱、放
熱用の熱交換器を小型化することができる。

【００１１】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記冷媒循環路に、冷媒を高温高圧に
するコンプレッサと、前記冷媒を液化せしめるコンデン
サとしての前記放熱用熱交換器と、液相冷媒を膨張せし
めて低温の冷媒にする膨張弁と、低温冷媒を気化せしめ
るエバポレータとしての前記吸熱用熱交換器とを設け
て、冷凍サイクルを形成する。

【００１２】冷凍サイクルを用いることで、冷媒と熱の
授受を行う排出ガス等との温度差が十分に確保される。
これにより、熱交換器における吸熱および放熱を安定的
に行い得る。また、熱交換の効率が上がり、さらに、熱
交換器を小型化することができる。

【００１３】請求項３記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記冷媒循環路に冷媒を循環せしめる
ポンプを設け、かつ、前記冷媒循環路への冷媒の充填条
件を、冷媒が前記排出ガスの温度と前記低温部の温度と
の間の温度のとき、冷媒循環路内の冷媒が気相状態と液
相状態との両方をとり得るように設定する。

【００１４】冷凍サイクルによらずに、吸熱用の熱交換
器においては、冷媒が排出ガスから吸熱して気化し、放
熱用の熱交換器においては、冷媒が潜熱を放出して液化
する。冷媒を圧縮するコンプレッサが不要であり、構成
を簡略化することができるとともに消費エネルギーを低
減することができる。

【００１５】請求項４記載の発明では、請求項１ないし
３の発明の構成において、前記吸熱用熱交換器に前記低
温部としての水をかける水供給手段を具備せしめる。

【００１６】吸熱用熱交換器にかけられた水は冷媒から
吸熱して気化し、燃料電池スタックや改質器で必要な水
蒸気を生成することができる。

【００１７】請求項５記載の発明では、請求項４の発明
の構成において、水供給手段を、前記回収手段から水の
補給を受ける構成とすることで、放熱用熱交換器にかけ
る水として、排出ガスから回収した水が再利用される。

【００１８】請求項６記載の発明では、請求項４の発明
の構成において、前記冷媒をブタンとする。

【００１９】水蒸気を含む排出ガスを排出する水蒸気排
出部は燃料電池スタックや改質器等である。排出ガスは
反応熱を伴い、１００°Ｃ近い温度となっている。フロ
ン等に比して臨界温度の高いブタンを冷媒に用いること
で、安定的に十分な量の熱交換を行い得る。

【００２０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に燃料電池
自動車の燃料電池システムに適用した本発明の第１実施
形態になる燃料電池の水回収装置を示し、図２に前記燃
料電池システムを示す。

【００２１】燃料電池システムは、図２に示すように、
燃料電池スタック４１が燃料ガスとしての水素と酸化ガ
スとしての空気とから電力を生成し、車両の駆動モータ
４２１やバッテリ４２２に給電する。駆動モータ４２１
へは図示しないインバータを介して給電される。また、
バッテリ４２２は車両の補機への給電に供される。

【００２２】水素は、燃料タンク４３１に貯蔵されたメ
タノール等の原燃料を燃料蒸発器４３２により蒸発する
とともに、これを、改質器４３３において、本発明の水
回収装置４６を構成する水タンク２２に貯留された水に
より改質することで得るようになっており、燃料電池ス
タック４１の燃料極に供給される。水は、詳しくは後述
するように、燃料電池スタック４１からの排出ガスから
回収される。

【００２３】一方、空気は、エアポンプ４４により取り
込まれた外気を加湿器４５にて加湿された後、燃料電池
スタック４１の空気極に供給される。

【００２４】水蒸気排出部である燃料電池スタック４１
では、水素と酸素との反応により水を生成し、これが、
燃料電池スタック４１に供給された加湿用の水蒸気とと
もに、排出管路３１へと排出される。

【００２５】また、燃料電池スタック４１には冷却系４
７が付設されており、例えば、燃料電池スタック４１の
層間に形成された流路に冷却水を流通せしめて、燃料電
池スタック４１を冷却し、所定の稼働温度に維持する。

【００２６】水回収装置４６を示す図１において、水回
収装置４６は、冷凍サイクル１と水回路２とにより構成
されている。冷凍サイクル１は、冷媒循環路である環状
の冷媒配管１０を有し、これに、コンプレッサ１１、放
熱用の熱交換器である水気化用の熱交換器１２、膨張弁
１３、吸熱用の熱交換器である水回収用の熱交換器１４
とを備え、この順に冷媒が循環するようになっている。

【００２７】コンプレッサ１１は外部動力により冷媒を
圧縮し、高温高圧化して送出する。水気化用熱交換器１
２は、エアポンプ４４から改質器４３３に空気を送出す
る吸気配管３２に設けられ、後述するように、水がかけ
られることで、水気化用熱交換器１２内を流通する冷媒
が放熱するようになっている。

【００２８】膨張弁１３は図示しない感温筒と接続され
て開度が調整されるようになっており、冷媒を冷却して
送出するようになっている。感温筒は水回収用熱交換器
１４の出口に設けられており、膨張弁１３では、水回収
用熱交換器１４の出口温度に基づいて、水回収用熱交換
器１４の出口で過熱蒸気となっているように、すなわ
ち、水回収用熱交換器１４の出口の直前で冷媒の気化が
終了しているように、開度が調整される。

【００２９】水回収用熱交換器１４は燃料電池スタック
４１からの排出ガスＡ２が流通する排出管路３１に設け
てある。排出管路３１は下流端で外気に通じている。

【００３０】排出管路３１を流通する排出ガスＡ２は、
水回収用熱交換器１４の外表面で放熱し、水蒸気が凝結
する。水蒸気が凝結した残りの排ガスＡ２’は外部へと
放出される。水回収用熱交換器１４の下方には外表面を
つたう水Ｗ２を受ける回収手段である水回収パン２１が
設けてある。

【００３１】水回収パン２１の底部からは、回収された
水を流下せしめる水配管２５が伸び、その下流端で水タ
ンク２２と連通している。水タンク２２には、水供給口
２２１が設けられ、これより、水の補給が可能である。

【００３２】水タンク２２に貯留された水は前記改質器
４３３における原燃料の改質用として用いられる。改質
器４３３への供給は水ポンプ２３およびノズル２４によ
りなされる。

【００３３】水供給手段であるノズル２４は水気化用熱
交換器１２よりも吸気管路３２の上流側に位置してお
り、噴射口を水気化用熱交換器１２に向けてある。水ポ
ンプ２３は水タンク２２から吸い上げた水をノズル２４
に圧送する。これにより、ノズル２４から水が噴霧状と
なって水気化用熱交換器１２に吹きつけられる。低温部
である吹きつけられた水Ｗ１と同じく低温部である吸気
Ａ１とは、水気化用熱交換器１２を流通する高温高圧の
冷媒から吸熱する。このとき、水Ｗ１は水蒸気化し、吸
気Ａ１が加湿空気Ａ１’となって改質器４３３へと送出
される。

【００３４】前記冷凍サイクル１について説明する。図
３は循環する冷媒の状態を示すモリエル線図であり、図
中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。
また、図中には、冷媒の熱力学的状態と、冷媒の冷凍サ
イクル１中の位置との対応関係を明確にするため、冷凍
サイクル１を併せて描いている。冷媒はコンプレッサ１
１で圧縮され、高温高圧の冷媒となって（Ｃ１）、水気
化用熱交換器１２に流入する。水気化用熱交換器１２に
流入した冷媒は前記ノズル２４から吹きつけられた水に
放熱する（Ｃ２）。Ｃ１で昇温した冷媒の温度が吹きつ
けられた水Ｗ１や吸気Ａ１の温度よりも高く調整される
のは勿論である。この放熱では潜熱の授受がなされ、冷
媒は液化する。すなわち、水気化用熱交換器１２は、一
般的な冷凍サイクルにおけるコンデンサとして機能す
る。液化した冷媒は膨張弁１３に流入する。

【００３５】冷媒は膨張弁１３で減圧して低温低圧の気
液混合状態となり（Ｃ３）、水回収用熱交換器１４に入
る。水回収熱交換器１４に流入した冷媒は排出ガスから
吸熱する（Ｃ４）。Ｃ３で減圧した冷媒の温度が排出ガ
スＡ２の温度よりも低く調整されるのは勿論である。こ
の吸熱では潜熱の授受がなされ、冷媒は気化する。すな
わち、水回収用熱交換器１４は、一般的な冷凍サイクル
におけるエバポレータとして機能する。気化した冷媒は
前記コンプレッサ１１に流入する。

【００３６】冷媒はかかるサイクルを繰り返し、水気化
用熱交換器１２では水タンク２２に貯留した水を水蒸気
に変えて改質器４３３に供給し、水回収用熱交換器１４
では水を凝結せしめて水回収パン２１を経て水タンク２
２に戻す。

【００３７】このように本水回収装置４６によれば、水
が回収されて再利用されるだけではなく、燃料電池スタ
ック４１からの排出ガスの熱が、冷媒を介してノズル２
４から噴射された水に移動し、該水の水蒸気化に用いら
れて、排出ガスが持っているエネルギーが無駄なく燃料
電池システム内で再利用されることになる。

【００３８】しかも、冷凍サイクル１において冷媒を気
相状態と液相状態とに交互に切り換え、潜熱のやりとり
で熱の授受を行うから、熱の授受が顕熱でなされるもの
に比して熱交換器１２，１４を小型化することができ
る。

【００３９】なお、本実施形態では冷凍サイクル１はレ
シーバサイクルとして説明しているが、アキュムレータ
サイクルとするのもよい。

【００４０】また、燃料電池スタック４１における水素
と酸素とから水を生成する反応は発熱反応であり、排出
ガスは多量の反応熱を伴う。このため、排出ガスの温度
は１００°Ｃ近くになっており、冷媒には次の理由から
ブタンを用いるのが望ましい。すなわち、ブタンの臨界
温度は約１５０°Ｃあり、臨界温度が約１００°ＣのＲ
１３４ａフロン等に比して、前記排出ガス温度に対して
十分に高く、安定的に十分な量の熱交換を行い得るから
である。

【００４１】（第２実施形態）図４に本発明の第２実施
形態になる燃料電池の水回収装置を示す。第１実施形態
において、冷媒の循環路を冷凍サイクルによらない構成
としたものである。図中、第１実施形態と同じ番号を付
した部分は実質的に第１実施形態と同じ作動をするの
で、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【００４２】熱交換サイクル１Ａは、冷媒配管１０に、
熱交換器１２，１４の他、水気化用熱交換器１２からの
液相冷媒を水回収用熱交換器１４に送出するポンプ１５
が設けてあり、冷媒が水気化用熱交換器１２と水回収用
熱交換器１４との間で循環するようになっている。冷媒
は、燃料電池スタック４１からの排出ガスＡ２の温度と
エアポンプ４４により取り込まれる外気（吸気）Ａ１の
温度とで挟まれた温度範囲において、冷媒配管１０内の
冷媒が気相状態と液相状態との両方で存在し得るよう
に、冷媒充填時の圧力、温度、充填量の条件が設定され
ている。

【００４３】図５に冷媒のモリエル線図を示す。ノズル
２４から噴射された水Ｗ１は水気化用熱交換器１２で吸
熱して気化し、一方、水気化用熱交換器１２を流通する
冷媒は、水Ｗ１に放熱しで液化する（Ｃ５）。この液化
冷媒は、液化冷媒ポンプ１５により水回収熱交換器１４
に送出される。水回収用熱交換器１４では、冷媒が、排
出ガス中の水分から吸熱して気化し（Ｃ６）、再び水気
化用熱交換器１２に戻る。水回収用熱交換器１４では、
排出ガス中の水分が放熱することで凝結し、水回収パン
２１を介して水タンク２２に回収される。

【００４４】かかる構成でも、水とともに熱が回収され
て、両方とも再利用され、さらに、熱は冷媒の潜熱のや
りとりにより回収と再利用とがなされるから、熱交換器
を小型化することができる。

【００４５】しかも、コンプレッサ等を用いないので、
消費エネルギーを低減することができる。

【００４６】なお、前記各実施形態では燃料電池スタッ
ク４１の排出ガスから水と熱とを回収し、改質器４３３
に供給する加湿空気の生成に、その水と熱とを再利用し
ているが、これに限定されるものではなく、加湿器４５
に適用して、燃料電池スタック４１の空気極に供給する
空気の加湿に用いてもよい。

【００４７】また、水および熱の回収は、燃料電池スタ
ック４１の排出ガスから行うのではなく、燃料電池スタ
ック４１への改質ガスが流出する改質器４３３の出口で
水および熱の回収を行ってもよい。改質器４３３では要
求される改質ガスの流量を安定的に得るため余裕をもっ
て加湿空気を供給するので、改質器４３３からは改質ガ
スとともに余剰の水蒸気が出てくる。したがって、水蒸
気排出部である改質器４３３の出口に吸熱用の熱交換器
を設けて、前記余剰の水蒸気を回収することで、燃料電
池システム全体のエネルギー効率を高めることができ
る。

【００４８】また、回収した水を回収した熱により気化
せしめているが、回収した熱は、燃料電池システムの別
の低温部で使ってもよい。また、回収した水について
も、加湿用に限られるものではない。

【００４９】また、本発明は、改質器を備えた燃料電池
システムだけではなく、図６に示すように、水素吸蔵合
金等を備えた燃料タンク４８からの水素を加湿器４９に
より加湿して燃料電池スタック４１の燃料極に供給する
構成のシステムにも適用することができ、燃料電池スタ
ック４１の排出ガスから水と熱とを回収して前記加湿器
４９で再利用するようにしてもよい。

【００５０】また、本発明は、車両だけではなく船舶に
搭載する燃料電池システムにも適用することができ、ま
た、これらの移動手段への搭載型だけではなく、据え置
き型の燃料電池システムにも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態になる燃料電池システム
の水回収装置の構成図である。

【図２】前記燃料電池システムの水回収装置が付設され
た燃料電池システムの構成図である。

【図３】前記燃料電池システムの水回収装置の作動を示
すモリエル線図である。

【図４】本発明の第２実施形態になる燃料電池システム
の水回収装置の構成図である。

【図５】前記燃料電池システムの水回収装置の作動を示
すモリエル線図である。

【図６】本発明が適用される他の燃料電池システムの構
成図である。

【符号の説明】

１ 冷凍サイクル １Ａ 熱交換サイクル １０ 冷媒配管（冷媒循環路） １１ コンプレッサ １２ 水気化用熱交換器（放熱用熱交換器） １３ 膨張弁 １４ 水回収用熱交換器（吸熱用熱交換器） １５ 液化冷媒ポンプ ２ 水回路 ２１ 回収用タンク ２２ 水タンク ２３ 水ポンプ ２４ ノズル ３１ 排出管路 ３２ 吸気管路 ４１ 燃料電池スタック（水蒸気排出部） ４２１ 駆動モータ ４２２ バッテリ ４３１ 燃料タンク ４３２ 燃料蒸発器 ４３３ 改質器 ４４ エアポンプ ４５ 加湿器 ４６ 水回収装置 ４７ 冷却系 Ａ１ 吸気（低温部） Ａ２ 排出ガス Ｗ１ 水（低温部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾崎 幸克 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 庖丁 伸次 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 AA08 BA05 CC06 CC13 DD06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水蒸気排出部から排出された水蒸気を含
   む排出ガスから水分を回収して再利用する燃料電池シス
   テムの水回収装置において、 冷媒が循環して２組の熱交換器を交互に通過する冷媒循
   環路を具備せしめ、 一方の熱交換器を、排出ガスから吸熱して液相の冷媒を
   気化せしめる吸熱用の熱交換器とし、 他方の熱交換器を、前記吸熱用熱交換器で吸熱した熱を
   再利用する低温部に放熱して気相の冷媒を液化する放熱
   用の熱交換器とし、 かつ、前記吸熱用熱交換器において凝結した排出ガス中
   の水を回収する回収手段を具備せしめたことを特徴とす
   る燃料電池システムの水回収装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池システムの水回
   収装置において、前記冷媒循環路に、冷媒を高温高圧に
   するコンプレッサと、前記冷媒を液化せしめるコンデン
   サとしての前記放熱用熱交換器と、液相冷媒を膨張せし
   めて低温の冷媒にする膨張弁と、低温冷媒を気化せしめ
   るエバポレータとしての前記吸熱用熱交換器とを設け
   て、冷凍サイクルを形成した燃料電池システムの水回収
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料電池システムの水回
   収装置において、前記冷媒循環路に冷媒を循環せしめる
   ポンプを設け、 かつ、前記冷媒循環路への冷媒の充填条件を、冷媒が前
   記排出ガスの温度と前記低温部の温度との間の温度のと
   き、冷媒循環路内の冷媒が気相状態と液相状態との両方
   をとり得るように設定した燃料電池システムの水回収装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電
   池システムの水回収装置において、前記吸熱用熱交換器
   に前記低温部としての水をかける水供給手段を具備せし
   めた燃料電池システムの水回収装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の燃料電池システムの水回
   収装置において、水供給手段を、前記回収手段から水の
   補給を受ける構成とした燃料電池システムの水回収装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５いずれか記載の燃料電
   池システムの水回収装置において、前記冷媒をブタンと
   した燃料電池システムの水回収装置。