JP2006331870A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electrical energy through an electrochemical reaction.
燃料電池システムは、燃料電池に水素等の燃料ガスと酸化ガスを供給して、水素と酸素の電気化学反応によって電気エネルギを得るものである。前記燃料ガスは、出来る限り省スペースで多く貯蔵できることが望ましく、例えば、燃料ガスとして水素を用いる場合には、液体水素タンク、高圧水素タンクを用いて、省スペースで多くの水素を貯蔵している。 In the fuel cell system, a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas are supplied to the fuel cell, and electric energy is obtained by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is desirable that the fuel gas can be stored in as much space as possible. For example, when hydrogen is used as the fuel gas, a large amount of hydrogen is stored in a space using a liquid hydrogen tank or a high-pressure hydrogen tank. .
従来の燃料電池システムとして、高圧水素タンクから供給される水素ガスを燃料とする燃料電池システムにおいて、水素ガスを燃料電池に供給する水素供給通路と、燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路上に設けられ、前記アノードオフガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、を備え、前記凝縮器の冷媒通路が前記水素供給通路の一部を構成する燃料電池システムが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional fuel cell system, in a fuel cell system using hydrogen gas supplied from a high-pressure hydrogen tank as a fuel, a hydrogen supply passage for supplying hydrogen gas to the fuel cell, and an anode off-gas passage discharged from the anode side of the fuel cell And a condenser that is provided on the anode off-gas passage and condenses moisture in the anode off-gas, and the refrigerant passage of the condenser constitutes a part of the hydrogen supply passage. (For example, refer to Patent Document 1).
前記燃料電池システムにおいて、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスは、気化熱による吸熱によって、高圧水素タンクから放出されるとその温度が低下する。前記燃料電池システムは、アノードオフガス中の水分を凝縮させる凝縮器の冷媒通路が前記水素供給通路の一部を構成しているため、高圧水素タンクから供給された低温の水素ガスと燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記凝縮器において熱交換することができ、その結果、アノードオフガスを冷却しアノードオフガス中の水分を凝縮させて分離することができる。
従来の燃料電池システムは、前記高圧水素タンクから放出される水素ガスにより凝縮器を冷却しているが、燃料電池の発電に必要な水素を高圧水素タンクから供給し続けると凝縮器が過冷却されて、凝縮器内の水が凍結してしまうおそれがある。 In the conventional fuel cell system, the condenser is cooled by the hydrogen gas released from the high-pressure hydrogen tank, but if the hydrogen necessary for power generation of the fuel cell is continuously supplied from the high-pressure hydrogen tank, the condenser is overcooled. This may cause the water in the condenser to freeze.
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるカソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぎつつ当該水分を効果的に分離できる燃料電池システムを提供することを技術的課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a fuel cell system including a fuel cell that obtains electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen gas and an oxidizing gas, the cathode off-gas discharged from the fuel cell is used. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of effectively separating moisture contained therein while preventing the contained moisture from freezing.
本発明は、液体水素又は高圧水素を貯蔵した水素タンクと、電解質層の両面にアノード及びカソードが接合され、前記水素タンクから供給される水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記水素タンクの水素ガスを前記燃料電池のアノード
側に供給する水素供給通路と、前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路と、前記水素供給通路とカソードオフガス通路との間に熱媒体を循環させることで、前記水素供給通路で水素ガスと熱交換した熱媒体を前記カソードオフガス通路でカソードオフガスと熱交換させる熱交換手段と、前記カソードオフガス及び熱媒体のうち少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記熱交換手段によって循環される熱媒体の流量を制御する熱媒体制御手段と、を備える燃料電池システムである。
In the present invention, a hydrogen tank storing liquid hydrogen or high-pressure hydrogen, and an anode and a cathode are joined to both surfaces of an electrolyte layer, and electric power is obtained by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxidizing gas supplied from the hydrogen tank. A fuel cell; a hydrogen supply passage for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank to the anode side of the fuel cell; a cathode offgas passage through which a cathode offgas discharged from the cathode side of the fuel cell; the hydrogen supply passage and the cathode A heat exchanging means for exchanging heat with the hydrogen gas in the hydrogen supply passage to exchange heat with the cathode offgas in the cathode offgas passage by circulating a heat medium between the cathode offgas and the heat medium; Temperature detecting means for detecting at least one of the temperatures, and the temperature detected by the temperature detecting means Based on a fuel cell system and a heat medium control means for controlling the flow rate of the heat medium to be circulated by the heat exchange means.
本発明は、液体水素又は高圧水素を貯蔵した水素タンクから供給される水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電力を得る燃料電池システムである。前記水素タンクは、液体水素又は高圧水素を貯蔵しており、水素タンクから供給される水素ガスは、気化熱又は断熱膨張による吸熱によって、水素タンクから放出されると温度が低下する。 The present invention is a fuel cell system that obtains electric power by an electrochemical reaction between a hydrogen gas supplied from a hydrogen tank storing liquid hydrogen or high-pressure hydrogen and an oxidizing gas. The hydrogen tank stores liquid hydrogen or high-pressure hydrogen, and the temperature of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank decreases when it is released from the hydrogen tank due to heat of vaporization or heat absorption due to adiabatic expansion.
前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスは、燃料電池の電気化学反応によって、その温度は上昇する。また、燃料電池の電気化学反応により、カソードオフガスには水分がその多くは水蒸気の状態で含まれている。 The temperature of the cathode offgas discharged from the cathode side of the fuel cell rises due to the electrochemical reaction of the fuel cell. Also, due to the electrochemical reaction of the fuel cell, the cathode off gas contains a large amount of water in the form of water vapor.
ここで、本発明に係る燃料電池システムは、低温の水素ガスが通る水素供給通路と燃料電池によって加熱されたカソードオフガスが通るカソードオフガス通路との間に熱媒体を循環させて、前記水素供給通路で水素ガスと熱交換した熱媒体をカソードオフガス通路のカソードオフガスと熱交換させる熱交換手段を備えている。前記熱交換手段によって、低温の水素ガスと高温のカソードオフガスとの間で熱交換を行うことができる。その結果、熱媒体から水素ガスに熱エネルギーが移り水素ガスが加熱されるとともに、カソードオフガスから熱媒体に熱エネルギーが移りカソードオフガスを冷却することが可能となる。尚、本発明における前記熱交換手段によるカソードオフガス通路側での熱交換は、前記熱媒体とカソードオフガスとの直接的な熱交換だけでなく、他の媒体を介した間接的な熱交換も含むものである。 Here, the fuel cell system according to the present invention circulates a heat medium between a hydrogen supply passage through which a low-temperature hydrogen gas passes and a cathode off-gas passage through which a cathode off-gas heated by the fuel cell passes, and the hydrogen supply passage And heat exchange means for exchanging heat with the cathode offgas in the cathode offgas passage. By the heat exchange means, heat exchange can be performed between the low temperature hydrogen gas and the high temperature cathode off gas. As a result, the heat energy is transferred from the heat medium to the hydrogen gas to heat the hydrogen gas, and the heat energy is transferred from the cathode off gas to the heat medium to cool the cathode off gas. The heat exchange on the cathode offgas passage side by the heat exchange means in the present invention includes not only direct heat exchange between the heat medium and the cathode offgas, but also indirect heat exchange via another medium. It is a waste.
前記熱交換手段によって水素ガスを加熱することで、比較的高温の水素ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、低温の水素ガスを供給することによる燃料電池の冷却に伴う発電効率の低下を防ぐことができる。また、燃料電池システムは、前記水素タンクから供給される水素の温度及び圧力を調整するため、前記水素供給通路に、気化装置、ヒータ、減圧器等を備えたものがある。本発明に係る燃料電池システムによれば、前記気化装置、ヒータ、減圧器の負荷を軽減することができ、また使用態様によっては、前記装置を不要にすることも可能である。 By heating the hydrogen gas by the heat exchange means, a relatively high temperature hydrogen gas can be supplied to the fuel cell. Thereby, the fall of the power generation efficiency accompanying the cooling of the fuel cell by supplying low temperature hydrogen gas can be prevented. Some fuel cell systems include a vaporizer, a heater, a decompressor, and the like in the hydrogen supply passage in order to adjust the temperature and pressure of hydrogen supplied from the hydrogen tank. According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to reduce the load on the vaporizer, the heater, and the pressure reducer, and it is also possible to dispense with the device depending on the usage mode.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガスを冷却することにより、カソードオフガスに含まれる水分を効果的に除去することができる。前記燃料電池の種類によっては、前記カソードオフガスにフッ素イオン等の有害イオンを含む場合がある。前記有害イオンがカソードオフガス通路を通過すると、カソードオフガス通路が腐食する虞がある。しかし、前記カソードオフガスを冷却して水分を分離することにより、カソードオフガスに含まれる有害イオンを水分とともに分離することが可能となる。さらに、カソードオフガスの水分を除去することにより、低温環境下での白煙発生を防止することが可能となる。 Moreover, the fuel cell system according to the present invention can effectively remove moisture contained in the cathode offgas by cooling the cathode offgas. Depending on the type of the fuel cell, the cathode off gas may contain harmful ions such as fluorine ions. When the harmful ions pass through the cathode offgas passage, the cathode offgas passage may corrode. However, by cooling the cathode offgas and separating the water, harmful ions contained in the cathode offgas can be separated together with the water. Furthermore, it is possible to prevent the generation of white smoke in a low temperature environment by removing the moisture of the cathode off gas.
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスは、供給される水素ガスにほぼ比例しており、供給される水素ガスが増加すると、排出されるカソードオフガスも増加する。本発明は、前記水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換を行っており、供給される水素ガスと排出されるカソードオフガスとが比例して増減するため、熱交換のバランスが保たれ、効率よく熱交換を行うことが可能となる。 The cathode offgas discharged from the fuel cell is substantially proportional to the supplied hydrogen gas, and as the supplied hydrogen gas increases, the discharged cathode offgas also increases. In the present invention, heat exchange is performed between the hydrogen gas and the cathode offgas, and since the supplied hydrogen gas and the discharged cathode offgas increase and decrease in proportion, the balance of heat exchange is maintained and the efficiency is increased. It is possible to perform heat exchange well.
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記温度検出手段と熱媒体制御手段を設け、温度検出手段によって検出された温度に基づいて熱媒体の流量を制御しており、前記水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換する熱量をほぼ均等に制御することができる。前記燃料電池システムは、水素供給通路とカソードオフガス通路との間で熱媒体を循環させて熱交換を行うため、例えば、燃料電池の起動直後等、燃料電池の温度が低い場合、燃料電池から排出されるカソードオフガスの温度が低く、水素ガスとの熱交換により、カソードオフガスが過冷却される虞がある。しかし、前記熱媒体の流量を制御することにより、前記カソードオフガスの過冷却を防ぎ、カソードオフガス中に含まれる水分の凍結を防止できる。 Furthermore, the fuel cell system according to the present invention includes the temperature detection unit and the heat medium control unit, and controls the flow rate of the heat medium based on the temperature detected by the temperature detection unit. It is possible to control the amount of heat exchanged with each other almost uniformly. The fuel cell system performs heat exchange by circulating a heat medium between the hydrogen supply passage and the cathode offgas passage. For example, when the temperature of the fuel cell is low, such as immediately after the start of the fuel cell, the fuel cell system is discharged from the fuel cell. The temperature of the cathode offgas produced is low, and the cathode offgas may be supercooled due to heat exchange with hydrogen gas. However, by controlling the flow rate of the heat medium, it is possible to prevent the cathode offgas from being overcooled and to prevent the moisture contained in the cathode offgas from freezing.
従って、前記カソードオフガス又は熱媒体の温度に基づく熱媒体の流量の制御とは、前記カソードオフガスが凍結しないような熱媒体の流量の調整である。例えば、カソードオフガスの温度が低く、冷却を抑えた方がよい場合には、熱媒体の流量を抑えて、カソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぐことができる。 Therefore, the control of the flow rate of the heat medium based on the temperature of the cathode offgas or the heat medium is adjustment of the flow rate of the heat medium so that the cathode offgas does not freeze. For example, when the temperature of the cathode offgas is low and it is better to suppress the cooling, the flow rate of the heat medium can be suppressed to prevent the moisture contained in the cathode offgas from freezing.
尚、前記熱媒体制御手段は、前記カソードオフガスの凍結を防止するように熱媒体の流量を制御できるものであればよく、後述する気液分離器を備えた燃料電池システムにおいては、カソードオフガスの温度を反映する気液分離器の温度を温度検出手段によって検出し、その検出された気液分離器の温度に基づいて熱媒体の流量を制御してもよい。 The heat medium control means may be any means that can control the flow rate of the heat medium so as to prevent the cathode off gas from freezing. In a fuel cell system equipped with a gas-liquid separator described later, The temperature of the gas-liquid separator reflecting the temperature may be detected by the temperature detection means, and the flow rate of the heat medium may be controlled based on the detected temperature of the gas-liquid separator.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記熱媒体が気体であることが望ましい。前記熱媒体は、水素供給通路の水素ガスとカソードオフガス通路との間で循環し、水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換を行う。前記水素ガスは、貯蔵状態によっては氷点下であり、熱媒体が氷点下以下に冷却されることもある。従って、熱媒体は、水素ガスとの熱交換によって凍結しない流体であることが望ましく、例えば熱媒体を気体とすることにより、熱媒体自体の凍結を効果的に防止することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the heat medium is preferably a gas. The heat medium circulates between the hydrogen gas in the hydrogen supply passage and the cathode offgas passage, and performs heat exchange between the hydrogen gas and the cathode offgas. The hydrogen gas is below freezing depending on the storage state, and the heat medium may be cooled below below freezing. Therefore, it is desirable that the heat medium is a fluid that does not freeze by heat exchange with hydrogen gas. For example, when the heat medium is a gas, the heat medium itself can be effectively prevented from freezing.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガス通路上に設けられ、カソードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器を更に備え、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器内で行われることを特徴としてもよい。 The fuel cell system according to the present invention further includes a gas-liquid separator that is provided on the cathode offgas passage and separates water contained in the cathode offgas, and heat exchange in the cathode offgas passage of the heat exchange means is performed. It may be performed in the gas-liquid separator.
前記気液分離器とは、カソードオフガスを冷却、圧縮等することによりカソードオフガス中の水分を分離する装置である。前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換を気液分離器内で行うことにより、水分が分離されるカソードオフガス又は気液分離器を冷却して、気液分離器によるカソードオフガス中の水分の分離効果を促進させることができる。 The gas-liquid separator is an apparatus that separates moisture in the cathode offgas by cooling, compressing, etc. the cathode offgas. By performing heat exchange in the cathode offgas passage of the heat exchange means in the gas-liquid separator, the cathode offgas from which moisture is separated or the gas-liquid separator is cooled, and the moisture in the cathode offgas by the gas-liquid separator is The separation effect can be promoted.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換が、前記カソードオフガスを前記カソードオフガス通路に排出する燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で行われることを特徴としてもよい。 In the fuel cell system according to the present invention, heat exchange in the cathode offgas passage of the heat exchanging means is performed immediately downstream of the cathode offgas discharge port of the fuel cell that discharges the cathode offgas to the cathode offgas passage. May be a feature.
前記燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で前記熱交換を行うことにより、前記カソードオフガス排出口の直下流においてカソードオフガスを冷却して、カソードオフガス中の水分を分離することができる。従って、カソードオフガス通路を通るカソードオフガスの水分含有量を早い段階で少なくすることができ、カソードオフガスに含まれるフッ素イオン等の有害イオンを水分とともに分離して、カソードオフガス通路の腐食をより効果的に防止することが可能となる。 By performing the heat exchange immediately downstream of the cathode offgas discharge port of the fuel cell, the cathode offgas can be cooled immediately downstream of the cathode offgas discharge port to separate moisture in the cathode offgas. Therefore, the moisture content of the cathode offgas passing through the cathode offgas passage can be reduced at an early stage, and harmful ions such as fluorine ions contained in the cathode offgas are separated together with moisture, thereby more effectively corroding the cathode offgas passage. Can be prevented.
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガス通路上に設けられ、
カソードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器を更に備え、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器と燃料電池の間のカソードオフガス通路上で行われること特徴としてもよい。
Furthermore, the fuel cell system according to the present invention is provided on the cathode offgas passage,
A gas-liquid separator that separates moisture contained in the cathode off-gas; and heat exchange in the cathode off-gas passage of the heat exchange means is performed on the cathode off-gas passage between the gas-liquid separator and the fuel cell. It may be a feature.
前記気液分離器と燃料電池の間のカソードオフガス通路上で前記熱交換を行うことにより、カソードオフガスを気液分離器に流入させる前にカソードオフガスを冷却することができる。従って、気液分離器に流入されるカソードオフガス中の水分含有量が少なくなり、気液分離器の水分の分離効果を促進させることができる。また、前記燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で前記熱交換を行う際と同様に、カソードオフガス通路内を通るカソードオフガスの有害イオンを可及的に減少させて、カソードオフガス通路の腐食を効果的に防止することができる。 By performing the heat exchange on the cathode offgas passage between the gas-liquid separator and the fuel cell, the cathode offgas can be cooled before the cathode offgas flows into the gas-liquid separator. Therefore, the moisture content in the cathode off gas flowing into the gas-liquid separator is reduced, and the moisture separation effect of the gas-liquid separator can be promoted. Further, as in the case of performing the heat exchange immediately downstream of the cathode offgas discharge port of the fuel cell, harmful ions of the cathode offgas passing through the cathode offgas passage are reduced as much as possible, and corrosion of the cathode offgas passage is prevented. It can be effectively prevented.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガス通路の一部を構成し、前記カソードオフガス通路を通るカソードオフガスを大気へ排出するマフラーを更に備え、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記マフラー内で行われることを特徴としてもよい。 The fuel cell system according to the present invention further includes a muffler that constitutes a part of the cathode offgas passage and discharges the cathode offgas that passes through the cathode offgas passage to the atmosphere. The heat exchange may be performed in the muffler.
近年、燃料電池システムは、小型化が求められており、特に燃料電池を燃料とする電気自動車においては省スペースに前記カソードオフガス通路等の種々の通路、機器を配置しなければならず、配置の制限が伴うことがある。また。前記燃料電池から排出されるカソードオフガスは、必要に応じて気液分離器等により、水分を分離した後、カソードオフガス通路の出口となるマフラーから大気(燃料電池システム外)へ排出される。 In recent years, miniaturization of fuel cell systems has been demanded. In particular, in an electric vehicle using fuel cells as fuel, various passages and devices such as the cathode offgas passage must be disposed in a space-saving manner. There may be restrictions. Also. The cathode offgas discharged from the fuel cell is separated into moisture by an air-liquid separator or the like as necessary, and then discharged from the muffler serving as an outlet of the cathode offgas passage to the atmosphere (outside the fuel cell system).
前記マフラーは、燃料電池システム外にカソードオフガスを排出する出口であり、その配置は燃料電池システムの中心ではなく、端部となる。すなわち、前記マフラーは、前記燃料電池システム内において、配置の制限が少ない位置に配置されており、当該マフラーに熱交換手段を配置することにより、他の通路、装置等の配置の制限を緩和することが可能となる。 The muffler is an outlet for discharging the cathode off gas to the outside of the fuel cell system, and its arrangement is not the center of the fuel cell system but the end portion. That is, the muffler is arranged at a position where arrangement restrictions are few in the fuel cell system, and arrangement restrictions of other passages, devices, etc. are eased by arranging heat exchange means on the muffler. It becomes possible.
本発明によれば、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される水素ガスと燃料電池から排出されるカソードオフガスとで熱交換を行い、前記カソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぎつつ当該水分を効果的に分離することが可能となる。 According to the present invention, in a fuel cell system including a fuel cell that obtains electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen gas and an oxidizing gas, hydrogen gas supplied to the fuel cell and cathode off-gas discharged from the fuel cell are provided. Thus, heat exchange can be performed to effectively separate the moisture while preventing the moisture contained in the cathode offgas from freezing.
発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。 An embodiment of a fuel cell system according to the invention will be described in detail based on the drawings.
図1は、本発明が適用される燃料電池システムのシステム構成図である。この燃料電池システムは、電解質層の両面にアノード及びカソードが接合された燃料電池10と、燃料である水素ガスを貯蔵した水素タンク11と、酸化ガスを供給する空気供給装置としてのエアコンプレッサ12と、燃料電池10に供給される水素ガスが通る水素供給通路21と、燃料電池10に供給される酸化ガスが通る酸素供給通路22と、燃料電池10のアノード側から排出されるアノードオフガスを水素供給通路21に循環させる水素循環通路23と、燃料電池10のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路24と、水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換を行う熱交換システム30と、を備えている。
FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied. This fuel cell system includes a
燃料電池10は、水素と酸素とを電解質を介して電気化学的に反応させて電気エネルギ
を得るものである。本実施の形態に係る燃料電池10は、燃料電池を動力源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。
The
燃料電池10には、水素タンク11より水素が供給され、エアコンプレッサ12より酸素を含んだ酸化ガスが供給されるように構成されている。水素タンク11には、液体水素が貯蔵されている。液体水素は、水素供給通路21に設けられた気化装置13によって気化されて燃料電池10に供給される。また、酸素供給通路22には、加湿器14が設けられており、エアコンプレッサ12から供給される酸化ガスは加湿器14によって加湿されて、燃料電池10に供給される。
The
燃料電池10に供給された水素ガスと酸化ガスは、燃料電池10で電気化学的に反応して、燃料電池のカソード側からは水分を含んだカソードオフガスが排出される。また、この電気化学反応において未反応の水素ガスは、燃料電池のアノード側からアノードオフガスとして排出され、水素循環通路23を経て水素供給通路21に循環される。これにより、燃料電池10から排出された水素ガスを再度燃料電池10の燃料として用いることができる。
The hydrogen gas and the oxidizing gas supplied to the
尚、本実施の形態では、アノードオフガスをそのまま水素供給通路21に供給したが、アノードオフガスに水分が含まれている場合には、水素循環通路23に気液分離器を設け、アノードオフガスに含まれる水分を除去してから水素供給通路21に供給するように構成してもよい。
In the present embodiment, the anode off gas is supplied to the
燃料電池10のカソード側から排出されたカソードオフガスは、燃料電池10における電気化学反応により、水分を含み、その温度は上昇している。カソードオフガス通路24には、カソードオフガス中の水分を分離するための気液分離器15が設けられている。燃料電池10から排出されたカソードオフガスは、気液分離器15によって水分が分離され、カソードオフガス通路24の出口に設けられたマフラー16から大気に排出される。
The cathode off-gas discharged from the cathode side of the
前記熱交換システム30は、本発明における熱交換手段であり、水素供給通路21に設けられた第一熱交換器31と、気液分離器15内に設けられた第二熱交換器32と、第一熱交換器31と第二熱交換器32との間を循環する熱媒体が通る熱媒体循環通路33と、熱媒体循環通路33内に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプ34と、を備えている。
The
熱交換システム30は、熱媒体ポンプ34によって熱媒体循環通路33内で熱媒体を循環させることで、水素供給通路21を通る水素ガスとカソードオフガス通路24を通るカソードオフガスとの間で熱交換を行わせるシステムである。具体的には、水素タンク11に貯蔵されている液体水素が水素タンク11外に放出されたとき、水素ガスの液体から気体への変化に伴う気化熱および断熱膨張作用による吸熱によって、該水素ガスの温度が比較的低くなる。そこで、第一熱交換器31においては、この比較的低温の水素ガスと熱媒体との間で熱交換を行わせることで、水素ガスの温度を上昇させるとともに熱媒体の温度を低下させる。その結果、より高温の水素ガスを燃料電池10に供給することが可能となり、発電効率の向上が図られる。また、第一熱交換器31は、水素タンク11と気化装置13の間に配置されている。そこで、第一熱交換器31によって温度上昇された水素ガスを気化装置13に流入させるため、気化装置13の負荷を軽減することができる。
The
次に、第一熱交換器31によって冷却された熱媒体が熱媒体ポンプ34の作用により第二熱交換器32に送られる。その結果、燃料電池10から排出される比較的高温のカソードオフガスを冷却することができる。即ち、燃料電池10における電気化学反応によって生じる水(水蒸気)を含む比較的高温のカソードオフガスと、冷却された熱媒体との間で熱交換を行うことで、カソードオフガスの冷却と熱媒体の温度上昇が図られる。カソード
オフガスの冷却の結果、カソードオフガス中の水分を分離しやすくすることができる。本実施の形態では、気液分離器15内に第二熱交換器32が配置されており、カソードオフガスとともに気液分離器15も冷却することができ、気液分離器15によって更に効果的にカソードオフガス中の水分を分離することが可能となる。
Next, the heat medium cooled by the
尚、第二熱交換器32において温度上昇された熱媒体は、熱媒体ポンプ34によって循環され再び第一熱交換器31に送られ、上述した第一熱交換器31における熱交換に供される。このように、熱交換システム30によって、水素供給通路21を通る水素ガスとカソードオフガス通路24を通るカソードオフガスとの間で熱交換を行い、水素ガスの温度上昇による燃料電池10の発電効率の向上と、カソードオフガスの冷却による水分の分離の両立が図られる。
The heat medium whose temperature has been raised in the
ここで、燃料電池10の負荷が上昇する場合、該負荷に対応するために燃料電池10による発電量を増加させる必要がある。このとき、水素タンク11からの水素供給量は増加するとともに、発生するカソードオフガスも増加する。換言すると、水素タンク11からの水素放出に伴う水素ガスの気化熱量および吸熱量が大きくなるとともに、カソードオフガスの発熱量も大きくなる。このように、上記の燃料電池システムにおいては、燃料電池10の負荷が変動しても、水素ガスの気化熱量および吸熱量と、カソードオフガスの発熱量とのバランスが保たれるため、燃料電池10の負荷にかかわらず安定した熱交換を行うことが可能となる。
Here, when the load of the
しかし、燃料電池10のおかれる環境等によっては、上述した熱交換によってカソードオフガスが過度に冷却される等の弊害が生じる場合がある。そこで、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池10の周囲の外気温度を検出する外気温度センサ19と、気液分離器15の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ20と、熱媒体ポンプ等を制御する熱媒体制御手段としての電子制御装置(ECU)30と、を更に備える。外気温度センサ19および温度センサ20によるそれぞれの検出温度は、ECU40に入力されるように構成されている。
However, depending on the environment in which the
そして、ECU40は、外気温度センサ19および温度センサ20の検出温度に基づいて予め設定されたプログラムに従って、熱媒体ポンプ34を制御しており、カソードオフガスが過度に冷却されないように、熱媒体の流量を調整する。この熱媒体の流量を制御するための、上記構成の燃料電池システムにおける熱交換制御について、図2に示すフローチャートに基づいて説明する。尚、該熱交換制御はECU40によって一定間隔で繰り返し実行されるルーチンである。
The
S101では、外気温度センサ19によって燃料電池10の周囲の外気温度と、温度センサ20によって気液分離器15の温度がそれぞれ検出される。S101の処理が終了すると、S102へ進む。
In S101, the outside
S102では、S101で検出された外気温度が予め設定された設定温度T1より低いか又はS101で検出された気液分離器15の温度が予め設定された設定温度T2より低いか否かが判定される。ここで、設定温度T1およびT2は、熱交換システム30によって熱媒体を循環させ熱交換を行わせると、カソードオフガスが過度に冷却されて凍結する虞がある場合の、外気温度の閾値および気液分離器15の温度の閾値である。即ち、外気温度が設定温度T1より低い状態で又は気液分離器15の温度が設定温度T2より低い状態で、熱交換システム30によって熱交換を行うと、第二熱交換器32によるカソードオフガスの冷却でカソードオフガス中の水分が凍結する虞がある。従って、S102では、カソードオフガスの水分凍結の虞があるか否かを、外気温度もしくは気液分離器15の温度に基づいて判定する。
In S102, it is determined whether the outside air temperature detected in S101 is lower than a preset set temperature T1, or whether the temperature of the gas-
そこで、外気温度が設定温度T1より低いか又は気液分離器15の温度が設定温度T2より低いかの何れかが肯定判定されると、カソードオフガス中の水分が凍結する虞があると判断し、S103に進む。一方で、それ以外の判定が為されると、カソードオフガス中の水分が凍結する虞はないと判断し、S104へ進む。
Therefore, if either the outside air temperature is lower than the set temperature T1 or the temperature of the gas-
S103では、熱媒体ポンプ34の稼動を止める。これにより、熱媒体循環通路33中の熱媒体の循環が停止され、熱交換システム30によるカソードオフガスの冷却が行なわれなくなる。S103の処理後、本制御を終了する。
In S103, the operation of the
また、S104では、S101で検出された気液分離器15の温度が予め設定された設定温度T3より高いか否かが判定される。この設定温度T3は上述の設定温度T2より高い温度であって、カソードオフガスの冷却が必要と判断されるときの気液分離器15の温度、即ち冷却が必要であるカソードオフガスによって温度上昇したときの気液分離器15の温度である。
In S104, it is determined whether or not the temperature of the gas-
そこで、気液分離器15の温度が設定温度T3より高いと判定されると、S105へ進み、熱媒体ポンプ34の出力を上げ、熱媒体循環通路33を流れる熱媒体の流量を上昇させる。これにより、カソードオフガス通路24を流れるカソードオフガスの冷却が促進される。また、気液分離器15の温度が設定温度T3より高くないと判定されると、S106へ進み、熱媒体ポンプ34の出力を下げ、熱媒体循環通路33を流れる熱媒体の流量を低下させる。これにより、カソードオフガス通路24を流れるカソードオフガスの冷却を抑制し、過度な冷却が回避される。S105の処理後又はS106の処理後、本制御を終了する。
If it is determined that the temperature of the gas-
本制御によると、図1に示す燃料電池システムにおいて、熱媒体によるカソードオフガスの冷却の強弱が、カソードオフガス温度を反映した気液分離器15の温度もしくは外気温度に基づいて制御される。その結果、カソードオフガス中の水分が過冷却により凍結することを回避することが可能となる。
According to this control, in the fuel cell system shown in FIG. 1, the strength of the cooling of the cathode offgas by the heat medium is controlled based on the temperature of the gas-
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二の実施例について、図3に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムと、上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、第二熱交換器が配置される場所である。それ以外の構成については第一の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the fuel cell system of the present embodiment and the fuel cell system according to the first embodiment described above is a place where the second heat exchanger is disposed. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same reference numeral is assigned to the same configuration, and the detailed description thereof is omitted.
本実施例の燃料電池システムにおける熱交換システム50は、第一熱交換器31、第二熱交換器52、熱媒体循環通路53、熱媒体ポンプ34によって構成される。第二熱交換器52は、燃料電池10のカソードオフガス排出口の直下流であって、燃料電池10と加湿器14との間のカソードオフガス通路24上に設けられている。そして、熱媒体循環通路53は、第一熱交換器31と第二熱交換器52との間に熱媒体を循環させる通路である。
The
このように構成される熱交換システム50によって、第一の実施例のようにカソードオフガス通路24を流れるカソードガスを冷却し、該ガス中に含まれる水分を効果的に分離することが可能となる。ここで、第二熱交換器52が燃料電池10のカソードオフガス排出口の直下流に設けられていることで、早い段階で、カソードオフガス中の水分を分離させるため、ガス中に含まれるフッ素イオン等の有害イオンも水分とともにガスから分離させることが可能となる。その結果、カソードオフガス通路24を流れるカソードオフガス
中に含まれる有害イオンの量を減らすことができ、該有害イオンの外部への放出を抑制するとともに、該有害イオンによるカソードオフガス通路24の腐食を防止し得る。
With the
さらに、第二熱交換器52は、燃料電池10のカソードオフガス排出口の直下流であって、燃料電池10と加湿器14との間のカソードオフガス通路24上に設けられており、カソードオフガスから分離した水分を加湿器14に循環させることができ、システムの効率を向上させることができる。
Further, the
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいても、図2に示す熱交換制御を実行することが可能であり、それによりカソードオフガスの過冷却を防止することが可能となる。 Also in the fuel cell system according to the present embodiment, it is possible to execute the heat exchange control shown in FIG. 2, thereby preventing overcooling of the cathode offgas.
次に、本発明に係る燃料電池システムの第三の実施例について、図4に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムと、上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、第二熱交換器が配置される場所である。それ以外の構成については第一の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 Next, a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the fuel cell system of the present embodiment and the fuel cell system according to the first embodiment described above is a place where the second heat exchanger is disposed. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same reference numeral is assigned to the same configuration, and the detailed description thereof is omitted.
本実施例の燃料電池システムにおける熱交換システム60は、第一熱交換器31、第二熱交換器62、熱媒体循環通路63、熱媒体ポンプ34によって構成される。第二熱交換器62は、加湿器14と気液分離器15との間のカソードオフガス通路24上に設けられている。そして、熱媒体循環通路63は、第一熱交換器31と第二熱交換器62との間に熱媒体を循環させる通路である。
The
このように構成される熱交換システム60によって、第一の実施例のようにカソードオフガス通路24を流れるカソードガスを冷却し、該ガス中に含まれる水分を効果的に分離することが可能となる。ここで、第二熱交換器62が加湿器14と気液分離器15との間に設けられていることで、気液分離器15に流入するカソードオフガス中の水分含有量を少なくして、気液分離器15による水分の分離効果における負担を減少させることが可能となる。また、第二熱交換器62をより上流側に設けることで、第二の実施例と同様に、カソードオフガス中に含まれる有害イオンの外部への放出を抑制するとともに、該有害イオンによるカソードオフガス通路24の腐食を可及的に防止し得る。
With the
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいても、図2に示す熱交換制御を実行することが可能であり、それによりカソードオフガスの過冷却を防止することが可能となる。 Also in the fuel cell system according to the present embodiment, it is possible to execute the heat exchange control shown in FIG. 2, thereby preventing overcooling of the cathode offgas.
次に、本発明に係る燃料電池システムの第四の実施例について、図5に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムと、上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、第二熱交換器が配置される場所である。それ以外の構成については第一の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 Next, a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the fuel cell system of the present embodiment and the fuel cell system according to the first embodiment described above is a place where the second heat exchanger is disposed. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same reference numeral is assigned to the same configuration, and the detailed description thereof is omitted.
本実施例の燃料電池システムにおける熱交換システム70は、第一熱交換器31、第二熱交換器72、熱媒体循環通路73、熱媒体ポンプ34によって構成される。第二熱交換器72は、前記マフラー16内に設けられている。そして、熱媒体循環通路73は、第一熱交換器31と第二熱交換器62との間に熱媒体を循環させる通路である。
The
このように構成される熱交換システム70によって、第一の実施例のようにカソードオフガス通路24の一部でもあるマフラー16を流れるカソードオフガスを冷却し、該ガス
中に含まれる水分を効果的に分離することが可能となる。ここで、第二熱交換器72が、比較的大きさの制限の少ないマフラー16内に設けられることで、燃料電池システムを構成する熱交換システム70に要する空間容積を可及的に小さくすることが可能となり、第二熱交換器72を除くその他の構成要素の配置の制限を緩和することが可能となる。これは、燃料電池システムが空間容積の制限が厳しい条件下で使用される場合、例えば該燃料電池システムが搭載される車両が比較的小型のものである場合等に、特に有用である。
With the
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいても、図2に示す熱交換制御を実行することが可能であり、それによりカソードオフガスの過冷却を防止することが可能となる。 Also in the fuel cell system according to the present embodiment, it is possible to execute the heat exchange control shown in FIG. 2, thereby preventing overcooling of the cathode offgas.
10・・・・燃料電池
11・・・・水素タンク
15・・・・気液分離器
16・・・・マフラー
19・・・・外気温度センサ
20・・・・温度センサ
21・・・・水素供給通路
22・・・・酸素供給通路
24・・・・カソードオフガス通路
30、50、60、70・・・・熱交換システム
31・・・・第一熱交換器
32、52、62、72・・・・第二熱交換器
33、53、63、73・・・・熱媒体循環通路
34・・・・熱媒体ポンプ
40・・・・ECU
DESCRIPTION OF
Claims (6)
電解質層の両面にアノード及びカソードが接合され、前記水素タンクから供給される水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
前記水素タンクの水素ガスを前記燃料電池のアノード側に供給する水素供給通路と、
前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路と、
前記水素供給通路とカソードオフガス通路との間に熱媒体を循環させることで、前記水素供給通路で水素ガスと熱交換した熱媒体を前記カソードオフガス通路でカソードオフガスと熱交換させる熱交換手段と、
前記カソードオフガス及び熱媒体のうち少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記熱交換手段によって循環される熱媒体の流量を制御する熱媒体制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A hydrogen tank storing liquid hydrogen or high-pressure hydrogen;
A fuel cell in which an anode and a cathode are joined to both surfaces of an electrolyte layer, and electric power is obtained by an electrochemical reaction between hydrogen gas and an oxidizing gas supplied from the hydrogen tank;
A hydrogen supply passage for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank to the anode side of the fuel cell;
A cathode offgas passage through which a cathode offgas discharged from the cathode side of the fuel cell passes;
Heat exchange means for circulating heat between the hydrogen supply passage and the cathode offgas passage so that the heat medium exchanged with the hydrogen gas in the hydrogen supply passage exchanges heat with the cathode offgas in the cathode offgas passage;
Temperature detecting means for detecting the temperature of at least one of the cathode offgas and the heat medium;
A fuel cell system comprising: a heat medium control means for controlling a flow rate of the heat medium circulated by the heat exchange means based on the temperature detected by the temperature detection means.
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器内で行われることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A gas-liquid separator provided on the cathode offgas passage for separating water contained in the cathode offgas;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein heat exchange in the cathode off-gas passage of the heat exchange means is performed in the gas-liquid separator.
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器と燃料電池の間のカソードオフガス通路上で行われることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A gas-liquid separator provided on the cathode offgas passage for separating water contained in the cathode offgas;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein heat exchange in the cathode offgas passage of the heat exchange means is performed on a cathode offgas passage between the gas-liquid separator and the fuel cell. .
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記マフラー内で行われることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 Further comprising a muffler that constitutes a part of the cathode offgas passage and discharges the cathode offgas passing through the cathode offgas passage to the atmosphere;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein heat exchange in the cathode offgas passage of the heat exchange means is performed in the muffler.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2005
- 2005-05-26 JP JP2005154050A patent/JP2006331870A/en not_active Withdrawn
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