JP2007242280A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を効率良く冷却するとともに、燃料電池に供給されるガスを確実に加湿すること。
【解決手段】アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２内に冷却液を循環させる冷却液供給手段と、冷却液を冷却するラジエター４８と、ラジエター４８を通過する空気の流れ方向においてラジエター４８の下流に設けられ、燃料電池１２に供給されるカソードガスを吸入する吸入口２０と、ラジエター４８に向けて水を噴射するインジェクター６０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、発電に伴って発熱するため、適度に冷却する必要がある。例えば、特開２００４−２２１９０号公報には、燃料電池冷却用のラジエターの後側にカソード供給用空気取り入れ口を設けることで、ラジエターでの冷却を促進する技術が開示されている。

特開２００４−２２１９０号公報 特開２００５−２５１５２１号公報 特開２００２−３４３３９６号公報 特開２００５−１０８５３６号公報

しかしながら、特開２００４−２２１９０号公報に開示された技術では、ラジエターによる熱を受けた空気をカソード供給用空気取り入れ口から吸気するので、燃料電池に供給される空気の温度を下げるためのインタークーラーが大型化するという問題がある。

また、燃料電池に供給される空気の温度が上昇するため、燃料電池本体の温度も上昇してしまい、加湿が不足するという問題が生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池を効率良く冷却するとともに、燃料電池に供給されるガスを確実に加湿することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池内に冷却液を循環させる冷却液供給手段と、前記冷却液を冷却するラジエターと、前記ラジエターを通過する空気の流れ方向において前記ラジエターの下流に設けられ、前記燃料電池に供給される前記カソードガスを吸入する吸入口と、前記ラジエターに向けて水を噴射する水噴射手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記カソードから排出されたカソードオフガス中から水を捕集する気液分離器を備え、前記水噴射手段は、前記気液分離器に捕集された水を噴射することを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記水噴射手段は、前記燃料電池の出力が所定値以上の場合に水を噴射することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記水噴射手段は、前記燃料電池の出力が前記所定値未満の場合に前記気液分離器で捕集しておいた水を前記燃料電池の出力が前記所定値以上の場合に噴射することを特徴とする。

第１の発明によれば、水噴射手段からラジエターに向けて水を噴射するようにしたため、ラジエターの冷却効率を高めることが可能となり、燃料電池が過熱することを確実に抑止できる。また、ラジエターの下流にカソードガスの吸入口を設けたため、ラジエターに噴射した水分をカソードガス中に含ませることができ、カソードガスを確実に加湿することが可能となる。従って、燃料電池の発電効率を向上することが可能となる。

第２の発明によれば、気液分離器で捕集した水をラジエターに噴射するため、燃料電池内で生成された水分を利用してラジエターを冷却するとともに、カソードガスを加湿することが可能となる。

第３の発明によれば、燃料電池の出力が所定値以上の場合に水を噴射するため、冷却水温が上昇し易い高出力時の運転において、ラジエターの冷却性能を向上することができる。

第４の発明によれば、燃料電池の出力が所定値未満の場合に気液分離器で水を捕集しておき、燃料電池の出力が所定値以上の場合に噴射するため、水噴射により捕集した水が不足してしまうことを抑止できる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池（ＦＣ）１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、カーボンに担持された触媒層により形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。アノードガス流路１４には、アノードガスの圧力を調整する調圧弁１９が設けられている。

また、カソードガス流路１６は吸入口２０及びエアコンプレッサー２２と接続されており、エアコンプレッサー２２の駆動により、吸入口２０から取り込まれた空気（カソードガス）がカソードへ送られる。

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。

燃料電池１２には、アノードオフガス流路２４およびカソードオフガス流路３０が接続されている。アノードで反応した後のガスは、アノードオフガスとして、アノードオフガス流路２４から排出される。アノードオフガス流路２４には、排出弁２６が設けられている。排出弁２６を開くと、アノードオフガス中に含まれる窒素、水分などの不純物が排出される。

アノードオフガス流路２４は、アノードガス流路１４に接続されている。アノードオフガス中に含まれる未反応の水素は、アノードガス流路１４へ戻され、再度、燃料電池１２へ送られる。アノードオフガス流路２４には、アノードオフガスをアノードガス流路１４に循環させるための水素ポンプ２８が設けられている。このように、アノードオフガスをアノードガス流路１４に戻して循環させることで、水素の反応効率を高めることができる。

一方、カソードで反応した後のガスは、カソードオフガスとして、カソードオフガス流路３０から排出される。カソードオフガス流路３０には、カソードオフガスの圧力を調整する調圧弁３２が設けられている。

カソードガス流路１６において、エアコンプレッサー２２の下流には、カソードガスを冷却するためのインタークーラー３４が設けられている。カソードガス流路１６は、インタークーラー３４の下流で加湿器３６へ導入されている。また、カソードオフガス流路３０は、調圧弁３２の下流で加湿器３６へ導入されている。上述したように、カソードオフガス中には燃料電池１２内で生成された水分が含まれている。加湿器３６は、カソードオフガス中に含まれる水分を吸収してカソードガスに送る機能を有している。これにより、カソードガスを加湿することができ、燃料電池１２の反応効率を高めることが可能となる。

カソードオフガス流路３０において、加湿器３６の下流には、気液分離器３８が設けられている。カソードオフガス中に含まれる生成水の一部は、加湿器３６によってカソードガスに送られるが、残りの生成水はカソードオフガスに含まれた状態で気液分離器３８に送られる。気液分離器３８は、カソードオフガス中に含まれる水分を分離する機能を有している。気液分離器３８には、排出弁４０が接続されている。カソードオフガス中から分離された水分は、気液分離器３８内に貯蔵され、排出弁４０を開くことで気液分離器３８から排出される。

排出弁４０は、インジェクタ―６０に接続されている。排出弁４０から排出された水分は、インジェクタ―６０から噴射される。インジェクタ―６０の噴射口は後述するラジエター４８に向けられている。ラジエター４８は、インジェクタ―６０から噴射された水分により冷却される。

カソードオフガス流路３０において、気液分離器３８の下流には、希釈器４２が設けられている。希釈器４２には、アノードオフガス流路２４の排出弁２６が接続されている。排出弁２６を開くと、アノードオフガス中に含まれる窒素、水分などの不純物とともに未反応の水素が排出される。希釈器４２は、未反応の水素を希釈して排出する機能を有している。

また、燃料電池１２には、冷却液流路４４が導入されている。冷却液流路４４には、ウォーターポンプ４６が設けられており、ウォーターポンプ４６の駆動により、冷却液が図１中の矢印方向に循環する。燃料電池１２は、発電に伴って発熱するため、冷却液を燃料電池１２内に循環させることで、燃料電池１２を冷却することができ、燃料電池１２を所望の動作温度に維持することができる。

冷却液流路４４には、ラジエター４８が設けられている。ラジエター４８には、外気が送られ、燃料電池１２を冷却して昇温した冷却液は、ラジエター４８によって冷却される。また、ラジエター４８と並行してバイパス流路５０が設けられており、バイパス流路５０と冷却液流路４４は三方弁５２によって接続されている。三方弁５２は、ラジエター４８とバイパス流路５０に流れる冷却液の流量の比率を変更する機能を有しており、流量の比率を変更することで、ラジエター４８による冷却液の冷却状態を可変することができる。例えば、低温始動時などは、冷却液の全てがバイパス流路５０を通るように三方弁５２の状態が設定される。これにより、ラジエター４８によって冷却液が過度に冷却されることを回避でき、短時間で燃料電池１２を動作温度に昇温することができる。また、バイパス流路５０と並行して設けられた流路には、イオン交換器５４が設けられている。

次に、図２に基づいて、燃料電池１２、吸入口２０、エアコンプレッサー２２、ラジエター４８、インジェクタ―６０の位置関係について説明する。図２は、燃料電池システム１０が搭載される自動車のボンネット内を模式的に示す図である。

図２に示すように、ボンネット内には、燃料電池１２、エアコンプレッサー２２、ラジエター４８、および燃料電池システム１０を制御するコンピュータ（ＰＣＵ）を含む、燃料電池システム１０の構成部材が配置される。図２に示すように、ラジエター４８は、走行風を受けるため、ボンネット内の最前部に配置されている。

ラジエター４８の後部には、吸入口２０が配置されている。吸入口２０に接続されたカソードガス流路１６は、エアコンプレッサー２２に導入されている。また、吸入口２０の上部には、インジェクター６０が配置されている。

インジェクター６０の噴射口はラジエター４８に向けられており、気液分離器３８内で分離されたカソードオフガス中の水分は、インジェクター６０からラジエター４８に向けて噴射される。

これにより、水の噴射によってラジエター４８を冷却することができ、燃料電池１２が過熱してしまうことを抑止できる。特に、過渡運転時など燃料電池１２に高出力が要求されている場合は、燃料電池１２の発熱量が増加するため、ラジエター４８を冷却することで、燃料電池１２の過熱を確実に抑えることが可能である。

エアコンプレッサー２２の駆動により、吸入口２０からカソードガスが取り込まれる。このとき、ラジエター４８の後部に吸入口２０が配置されているため、ラジエター４８に噴射された水分も吸入口２０からカソードガス流路１６に吸入される。これにより、カソードガスを加湿することができ、燃料電池１２の反応効率を高めることが可能となる。

このように、本実施形態の構成によれば、インジェクター６０からラジエター４８に向けて水を噴射することで、ラジエター４８による冷却性能を向上するとともに、カソードガスの加湿性能を向上することができる。従って、加湿器３６を縮小したり、廃止することが可能となる。特に、高出力運転時は、燃料電池１２の温度が上昇するため、通常運転時よりもカソードガスを加湿する必要があり、加湿器３６の容量が増大してしまう場合があるが、本実施形態の手法によれば、水噴射によりカソードガスを加湿することができるため、加湿器３６を縮小または廃止することが可能である。

また、噴射した水をカソードガス流路１６に取り込むことでカソードガスを冷却することができる。従って、インタークーラー３４の性能を低減したり、またはインタークーラー３４を廃止することが可能となる。特に、高出力運転時にカソードガス流量が増大すると、エアコンプレッサー２２の下流でカソードガスが圧縮され、カソードガスの温度上昇が大きくなるため、インタークーラー３４の容量を大きくする必要が生じるが、本実施形態の手法によれば、水噴射によりカソードガスを冷却することができるため、インタークーラー３４を縮小または廃止することが可能である。また、水噴射によりカソードガスを冷却することができるため、カソードガスの温度上昇に起因して加湿器３６が劣化するなどの悪影響を確実に抑止できる。

また、ボンネット内に燃料電池１２、エアコンプレッサー２２、ＰＣＵ等を配置してボンネット内の空間容積が少なくなると、ラジエター４８を通過した空気がボンネット内から抜けにくくなり、ボンネット内に熱がこもるため、ラジエター４８の冷却効率が低下してしまう場合がある。本実施形態によれば、エアコンプレッサー２２の駆動により、ラジエター４８を通過した空気を強制的にカソードガス流路２２に吸入することができるため、ボンネット内の空間が少ない場合であっても、ラジエター４８の風通しを良好にすることができる。従って、ラジエター４８の冷却性能を向上することが可能となる。

また、ラジエター４８に要求される冷却性能と、エアコンプレッサー２２の駆動量（カソードガス流量）との間には相関があり、燃料電池１２の出力が増加して冷却性能を高める必要がある場合は、カソードガス流量が増加し、エアコンプレッサー２２の駆動量が必然的に増加するため、ラジエター４８の風通しが良好になる。従って、燃料電池１２の出力に応じてラジエター４８を適度に冷却することが可能となる。

インジェクター６０からの水噴射は、燃料電池１２の運転状態に応じて適宜行うことができる。特に、燃料電池１２の要求出力が大きい過渡運転時には、燃料電池１２の発熱量が増加するため、ラジエター４８に要求される冷却量も増加する。従って、ラジエター４８の冷却能力を超える運転状態となった場合に水噴射を行うことが好適である。例えば、燃料電池１２の要求出力［ｋＷ］、燃料電池１２に要求される電流値［Ａ／ｃｍ^２］等が所定のしきい値を超えた場合、または、燃料電池１２の温度（冷却水温）が所定のしきい値を超えた場合等に、インジェクター６０からの水噴射を行うようにする。

また、過渡運転時にのみインジェクター６０からの水噴射を行うことで、通常運転時は、燃料電池１２内で生成された水分を気液分離器３８に捕集しておくことが可能となる。従って、気液分離器３８に十分な量の水分を溜めておくことができ、捕集した水分を過渡運転時に確実に噴射することが可能となる。特に、通常運転時は燃料電池１２内で生成され、カソードガスに含まれる水分の量と、燃料電池１２が必要とする水分の量のバランスが良好に保たれるため、水噴射による加湿を行わなくても、燃料電池１２内の水分の量を最適にすることができる。

ところで、通常、燃料電池システム１０は、最も出力が要求される過渡運転時の性能を基準に設計される。このため、ラジエター４８の冷却性能（大きさ、フィンの数）についても、過渡運転時の出力を基準にして仕様が決定される。

本実施形態の構成によれば、過渡運転時にはインジェクター６０から水を噴射することでラジエター４８による冷却性能を高めることができるため、定常運転時の出力に基づいてラジエター４８を設計することができる。従って、ラジエター４８の小型化、軽量化、低コスト化を達成することができる。

また、過渡運転時など高出力の運転状態では、燃料電池１２の発熱量が増加するため、カソードガスを十分に加湿する必要がある。このため、通常の設計では、過渡運転時を基準として加湿器３６の加湿性能が決定される。しかし、この場合、通常運転において加湿器３６の加湿性能が過剰になり、カソードガスが過度に加湿されてしまい、燃料電池１２の反応効率が低下する場合がある。本実施形態の手法によれば、過渡運転時は水噴射によってカソードガスを加湿することができるため、通常運転時を基準として加湿器３６の加湿性能を決定することができる。従って、加湿器３６の加湿性能を最小限に抑えることができ、加湿器３６の小型化、軽量化、コスト低減を図ることが可能となる。

なお、上述した構成では、燃料電池１２の生成水をラジエター４８に噴射することとしているが、ラジエター４８に噴射するための水を貯留する水タンク等を設け、生成水を噴射する代わりに水タンク内の水を噴射しても良い。これにより、燃料電池１２で生成された水分の量に制約を受けることなく、ラジエター４８に水を噴射することが可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、インジェクター６０からラジエター４８に向けて水を噴射するようにしたため、ラジエター４８の冷却効率を高めることが可能となり、過渡運転時などに燃料電池１２が過熱することを確実に抑止できる。また、ラジエター４８の後部にカソードガスの吸入口を設けたため、ラジエター４８に噴射した水分をカソードガス中に含ませることができ、カソードガスを確実に加湿することが可能となる。従って、燃料電池１２の発電効率を向上することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。 燃料電池システム１０が搭載される自動車のボンネット内を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
２０ 吸入口
３８ 気液分離器
４４ 冷却液流路
４６ ウォーターポンプ
４８ ラジエター
６０ インジェクター

Claims (4)

1. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池内に冷却液を循環させる冷却液供給手段と、
   前記冷却液を冷却するラジエターと、
   前記ラジエターを通過する空気の流れ方向において前記ラジエターの下流に設けられ、前記燃料電池に供給される前記カソードガスを吸入する吸入口と、
   前記ラジエターに向けて水を噴射する水噴射手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソードから排出されたカソードオフガス中から水を捕集する気液分離器を備え、
   前記水噴射手段は、前記気液分離器に捕集された水を噴射することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水噴射手段は、前記燃料電池の出力が所定値以上の場合に水を噴射することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記水噴射手段は、前記燃料電池の出力が前記所定値未満の場合に前記気液分離器で捕集しておいた水を前記燃料電池の出力が前記所定値以上の場合に噴射することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

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