JP2006147314A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 構成の大型化を招くことなく、低温環境下でも円滑かつ迅速にシステムを起動することを課題とする。
【解決手段】 車両用空調システムの熱交換媒体が選択的に供給され、ＷＲＤ１２で加湿されて燃料電池スタック１１に供給される空気を、選択的に加温又は冷却する反応ガス熱交換器３１を備え、予め設定された所定温度以下の低温環境下でのシステムの起動時には、反応ガス熱交換器３１で空気を加温して昇温し、システムの運転停止時には、反応ガス熱交換器３１で空気を冷却して除湿し、空気流通路を除湿乾燥して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に供給される空気の加温ならびに除湿動作を制御する燃料電池システムに関する。
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１には、燃料電池に供給する空気を加湿する加湿器と、燃料電池に供給する空気を除湿する除湿器と、燃料電池の運転停止時に反応ガス供給路を除湿器側に切り換える切換バルブを設け、燃料電池を運転する場合には空気の供給路を加湿器側に切り換えて、燃料電池に供給される空気を加湿する一方、燃料電池の運転停止後、空気の供給路を除湿器側に切り換え、燃料電池に供給される空気を除湿器で乾燥し、乾燥した空気により速やかに燃料電池内の反応ガス流路の水分を排出する発明が記載されている。
特開２００２−３１３３９４
上記従来の燃料電池システムにおいては、空気を加湿することに加えて除湿するためには、加湿器とは別に、除湿器と切換バルブを別回路として設けなければならなかった。このため、空気をバイパスして除湿器で除湿している間は、本流の経路間に湿潤した空気が残留してしまうおそれがあった。これにより、配管もしくは加湿器自体に凝縮水が溜まり、溜まった凝縮水が凍結して、システムの作動不具合を招くおそれがあった。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化を招くことなく、低温環境下でも円滑かつ迅速にシステムを起動することができる燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記加湿手段で加湿されて前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを選択的に加温又は冷却する熱交換手段と、予め設定された所定温度以下の低温環境下でのシステムの起動時には、前記熱交換手段で酸化剤ガスを加温して昇温し、システムの運転停止時には、前記熱交換手段で酸化剤ガスを冷却して除湿するように前記燃料電池システムを制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、構成の大型化を招くことなく、燃料電池に供給される酸化剤ガスの除湿乾燥ならびに加温を効率的に行うことができる。これにより、システムの運転停止時に酸化剤ガス経路を除湿して残留水分の凍結を防止することができ、かつ低温環境下でのシステムの起動時に酸化剤ガスの昇温を促進することができる。この結果、低温環境下であってもシステムを円滑かつ迅速に起動することができる。
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池回路１と冷凍回路２とを備え、車両用空調システムを備えた燃料電池車両に搭載されて構成されている。
燃料電池回路１は、燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気との電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に供給される空気を加湿する加湿デバイスとして機能するＷＲＤ（Ｗａｔｅｒ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｅｖｉｃｅ）１２と、ＷＲＤ１２を介して燃料電池スタック１１に圧縮した空気を供給するコンプレッサ１３とを備えて構成されている。
冷凍回路２は、この燃料電池システムを搭載した燃料電池車の車両用空調システムに含まれて構成されている。冷凍回路２は、車両用空調システムに含まれ、空調システムの冷媒となる熱交換媒体と室外気との間で熱交換する室外熱交換器２１と、熱交換媒体と室内空気との間で熱交換する室内熱交換器２２と、熱交換媒体の流通方向を切り替える４方弁２３と、熱交換媒体を圧縮して室外熱交換器２１、室内熱交換器２２を流通されるコンプレッサ２４と、熱交換媒体の流通方向と蒸発圧力を制御する逆止弁２５，２７と膨張弁２６，２８を備えている。
また、冷凍回路２は反応ガス熱交換器３１を備えている。反応ガス熱交換器３１は、車両用空調システムの熱交換媒体の流路に並列に設けられ、室内熱交換器２２の熱交換媒体の流路に設けられたバルブ２９、ならびに反応ガス熱交換器３１の熱交換媒体の流路に設けられたバルブ３２の開閉制御に基づいて、熱交換媒体が選択的に流通する。すなわち、熱交換媒体は、車両用空調システムの室外熱交換器２１ならびに室内熱交換器２２と反応ガス熱交換器３１とで共用されている。
反応ガス熱交換器３１は、燃料電池スタック１１への空気の供給流路に設けられ、燃料電池スタック１１に供給される空気と熱交換媒体との間で熱交換する。すなわち、反応ガス熱交換器３１は、蒸発膨張により冷えた熱交換媒体と空気との熱交換により、燃料電池スタック１１に供給される空気を冷却して空気に含まれる水分を除去して乾燥させる一方、凝縮により温められた熱交換媒体と空気との熱交換により、燃料電池スタック１１に供給される空気を加温し、加熱冷却可逆な熱交換手段として機能する。
また、このシステムは、図示していないが、コントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける温度センサ１４、３３を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、４方弁２３、バルブ２９，３２を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する燃料電池スタック１１に供給される空気の除湿、加温動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
このような構成において、車両用空調システムが作動している場合には、コントロールユニットの制御の下にバルブ２９は開弁され、バルブ３２は閉弁され、熱交換媒体は室内熱交換器２２側を流通する。
燃料電池システムの運転停止時には、コントロールユニットの制御の下にバルブ２９は閉弁され、バルブ３２は開弁され、かつ４方弁２３における熱交換媒体の流通方向を制御して、反応ガス熱交換器３１に対する熱交換媒体の流通方向を図１の矢印ｂで示す冷却（停止）モードの方向に設定する。この冷却モードの流通方向では、熱交換媒体は蒸発側に流通して冷却される。これにより、燃料電池スタック１１に供給される空気に含まれる蒸気を凝縮させて空気を除湿して乾燥させ、空気流通経路を乾燥させる。
一方、予め設定された所定温度以下の低温環境下、例えば氷点下におけるシステムの起動時には、コントロールユニットの制御の下にバルブ２９は閉弁され、バルブ３２は開弁され、かつ４方弁２３における熱交換媒体の流通方向を制御して、反応ガス熱交換器３１に対する熱交換媒体の流通方向を図１の矢印ａで示す加熱（起動）モードの方向に設定する。この加熱モードの流通方向では、熱交換媒体は凝縮側に流通して加熱される。これにより、燃料電池スタック１１に供給される空気と熱交換媒体との熱交換により空気は加温され、空気の昇温を促進する。
この暖機運転中に発電された電力は、余剰電力となってしまうが、余剰電力を冷凍回路２の動作で消費することが可能となり、かつ冷凍回路２を用いて加温することができるので、暖機運転時間を短縮することができる。
このように上記実施例１では、空気の加湿手段として機能するＷＲＤ１２と燃料電池スタック１１と間に加熱冷却可逆な熱交換デバイスの反応ガス熱交換器３１を配置し、低温時のシステムの起動時に反応ガス熱交換器３１を反応ガスの補助加温に使用する一方、システムの停止時に空気の冷却を行い空気に含まれる水分を回収することで、システム停止時に空気が流通する燃料電池スタック１１、配管、ＷＲＤ１２ならびにバルブ等の湿度を低減し、燃料電池システムの環境が氷点下となった場合でも、凝縮水の残留、または凝縮水の凍結による次回起動時の作動不具合を防止することができる。また、低温環境下における起動時には経路内が冷え切っているが、空気の加熱補助を行うことで、迅速に通常運転温度まで昇温することができ、起動時間を短縮することができる。
反応ガス熱交換器３１にヒートポンプシステムを用いることで、空気の湿度、温度の調整が可能となり、また起動時等の暖気運転中に発電した余剰電力を消費することができ、この余剰電力により起動時間を短縮することができる。
反応ガス熱交換器３１は、車両用空調システムに並列に接続され、システムの起動モード及び停止モードのみ熱交換媒体を反応ガス熱交換器３１に供給することで、車両用空調システムの冷凍回路２の一部に反応ガス熱交換器３１を併設して共有することが可能となり、システムの簡素化を図ることができる。
燃料電池スタック１１の空気出口側に空気の温度を検出する温度センサ１４を設け、システムの起動時に温度センサ１４で検出された空気の温度が予め設定した目標値に到達したときに、空気の加温を停止することで、空気経路内の暖気運転状態を把握し、暖機運転の終了判断を的確に行うことができる。
反応ガス熱交換器３１の空気出口側に空気の温度を検出する温度センサ３３を設け、システムの停止時に温度センサ３３で検出した温度が予め設定した目標値に到達したときに、空気の冷却を停止することで、空気経路内の除湿運転状態を把握し、除湿運転の終了判断を的確に行うことができる。
システムの運転を停止する際に、熱交換媒体の温度が０℃以上になるように冷凍回路２の動作を制御することで、反応ガス熱交換器３１の着霜による空気経路の閉塞を防ぎ、最も効率の良い除湿運転を実現することができる。
反応ガス熱交換器３１は、空気の出口側を鉛直に伸びる部材で構成することで、反応ガス熱交換器３１で結露した水滴を反応ガス熱交換器３１内から迅速に排出することが可能となり、結露水の残留による反応ガス熱交換器３１の着霜を防止することができる。
反応ガス熱交換器３１の空気の通路上に親水性の被覆を施すことで、反応ガス熱交換器３１の結露水による水膜を薄くするこが可能となり、結露水の排出効率を高めることができる。
反応ガス熱交換器３１の下方に、空気を凝縮した生じた水分を回収し、回収した水分を外部に排出するドレイン装置３４を備えることで、空気の除湿による結露水を空気流通経路外へ容易かつ確実に排出することができる。
システムの起動運転時に、反応ガス熱交換器３１に外部から水分を供給して空気を加湿することで、システム起動時に暖気運転を行いながら空気を加湿することが可能となる。このような加湿は空気の経路内の特に燃料電池スタック１１の温度が０℃以上になったときに開始する。
空気の除湿によって得られ空気の経路外へ排出した水分を貯蔵タンクに貯留し、システムの起動時に暖気運転する際に、貯蔵タンクに貯留した水分を反応ガス熱交換器３１に供給することで、燃料電池スタック１１に供給される空気を加湿することができる。この加湿は空気経路内の特に燃料電池スタック１１の温度が０℃以上になったときに開始する。
本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
符号の説明
１…燃料電池回路
２…冷凍回路
１１…燃料電池スタック
１２…ＷＲＤ
１３…コンプレッサ
１４…温度センサ
２１…室外熱交換器
２２…室内熱交換器
２３…４方弁
２４…コンプレッサ
２５，２７…逆止弁
２６，２８…膨張弁
２９，３２…バルブ
３１…反応ガス熱交換器
３３…温度センサ
３４…ドレイン装置

Claims (11)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段と
    を有する燃料電池システムにおいて、
    前記加湿手段で加湿されて前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを選択的に加温又は冷却する熱交換手段と、
    予め設定された所定温度以下の低温環境下でのシステムの起動時には、前記熱交換手段で酸化剤ガスを加温して昇温し、システムの運転停止時には、前記熱交換手段で酸化剤ガスを冷却して除湿するように前記燃料電池システムを制御する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記熱交換手段は、ヒートポンプシステムを用いた
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記ヒートポンプシステムは車両用空調システムに並列に接続され、
    前記制御手段は、燃料電池システムの起動時及び運転停止時のみ、車両用空調システムで使用される熱交換媒体を選択的に前記熱交換手段に供給する
    ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池の酸化剤ガス出口の酸化剤ガスの温度を検出する第１の温度センサを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記第１の温度センサで検出された酸化剤ガスの温度が予め設定した目標温度に到達したときに、酸化剤ガスの加温を停止する
    ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記熱交換手段の酸化剤ガス出口の酸化剤ガスの温度を検出する第２の温度センサを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池システムの運転停止時に、前記第２の温度センサで検出された酸化剤ガスの温度が予め設定した目標温度に到達したときに、酸化剤ガスの冷却を停止する
    ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、前記熱交換手段による酸化剤ガスの冷却時に、熱交換媒体の温度が０℃以上になるように制御する
    ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記熱交換手段は、酸化剤ガスの出口側が鉛直に伸びる部材で構成した
    ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記熱交換手段は、酸化剤ガスの流路上に親水性の被覆を施した
    ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記熱交換手段の酸化剤ガス出口側に、酸化剤ガスの冷却凝縮により生じた水分を回収し、回収した水分を外部に排出するドレイン装置を備えた
    ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７及び８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記熱交換手段は、前記システムの起動時に水分が供給され、供給された水分で酸化剤ガスを加湿する
    ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８及び９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記熱交換手段に供給される水分は、酸化剤ガスの冷却凝縮により生じて回収された水分である
    ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
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