JP2007242547A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体の構成を簡素化しつつ凝縮水の凍結を防止する。
【解決手段】燃料電池１の運転前であって本燃料電池システムの起動時に、燃料電池１に供給する空気を圧縮する圧縮機３の圧縮空気を、燃料電池１および加湿器５をバイパスする空気バイパス通路４３を通して凝縮器２７に直接供給することで、凝縮器２７を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の排出空気中に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池、特に固体高分子型燃料電池においては、電解質がイオン伝導度を有するために、湿度を確保することが必要となるが、この際、燃料電池に供給する空気を加湿器により加湿することで通常対応している。

このような加湿を行う燃料電池を、例えば自動車のような移動体に搭載する場合には、加湿のための水の補給が難しいことから、加湿に利用する水の収支を維持するために、その水を回収する必要がある。加湿に利用した水を回収するためには、燃料電池の排出空気を凝縮器により冷却し、排出空気に含まれる水蒸気を液化することが一般的である。

ところで、上記したような自動車などの移動体においては、氷点下においても使用される可能性があるため、例えば下記特許文献１に記載されているように、燃料電池を冷却する冷却水を、凝縮水回収経路の回収水に対し低温熱源として相互循環経路を介して熱交換し、さらにその冷却水を、大気を低温熱源として熱交換して燃料電池に供給している。また、氷点下以下では、凍結防止運転として、冷却水循環経路に設けた加熱手段を駆動して暖機を行っている。
特開２００３−２８２１０６号公報

しかしながら、上記した従来の燃料電池システムにおいては、凝縮水回収経路の回収水に対して熱交換を行う際に、冷却水に対して２回熱交換を繰り返していることから、熱交換性能の低下を招き、また凍結防止のために別途加熱手段が必要となり、システム全体として複雑化するという問題点がある。

そこで、本発明は、システム全体の構成を簡素化しつつ凝縮水の凍結を防止することを目的としている。

本発明は、燃料電池と、この燃料電池の空気極に供給する空気を圧縮する圧縮機と、前記燃料電池の空気極から排出される排出空気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器とを備え、前記圧縮機の圧縮空気を前記燃料電池に対してバイパスさせて前記凝縮器に供給する空気バイパス通路を設け、前記燃料電池の運転前に、前記圧縮機の圧縮空気を前記空気バイパス通路を通して前記凝縮器に供給して前記凝縮器を加熱することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の運転前に、燃料電池に供給する空気を圧縮する圧縮機の圧縮空気を、空気バイパス通路を通して凝縮器に直接供給することで、凝縮器を加熱するようにしたので、別途加熱手段を設けずにシステム全体の構成を簡素化しつつ、燃料電池から排出される排出空気中の凝縮水の凍結を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池１の空気極となるカソード極１０１には、圧縮機３から、加湿器５を備えた空気供給通路７を通して圧縮空気を供給し、カソード極１０１から出る排出空気は空気排出通路９に排出される。

一方、燃料電池１の水素極となるアノード極１０２には、図示しない水素タンクから、水素循環装置であるエジェクタ１１を備えた水素供給通路１３を通して水素が供給され、アノード極１０２から出る排出水素は、水素循環通路１５を通してエジェクタ１１により再度アノード極１０２に供給されるよう循環する。

上記のようにして、カソード極１０１に空気を、アノード極１０２に水素をそれぞれ供給することで燃料電池１が発電するが、発電時の発熱を抑制するために、燃料電池１の冷却プレート１０３に冷却水通路１６を接続する。冷却水通路１６には、冷却水ポンプ１７および、ラジエータファン１９を備えたラジエータ２１をそれぞれ設置し、冷却水ポンプ１７から吐出された冷却水が冷却水プレート１０３から燃料電池１の熱を受けて温度上昇し、この温度上昇した冷却水がラジエータ２１にて大気に放熱した後、冷却水ポンプ１７に戻る。

前記した空気排出通路９には、燃料電池１側から、切換手段としての三方弁２３，冷却ファン２５を備えた凝縮器２７，気液分離器２９をそれぞれ設置する。凝縮器２７の入口には圧力センサ３１を設け、同出口には圧力センサ３３と温度センサ３５をそれぞれ設ける。

また、圧力センサ３１，３３および温度センサ３５のそれぞれの検出値は、判断手段としての制御装置３７が取り込み、制御装置３７は、これらの検出値に基づいて、圧縮機３や三方弁２３を駆動制御する。

上記した凝縮器２７では、排出空気を外気によって冷却して排出空気中の水蒸気を凝縮し、その下流の気液分離器２９で、分離後のガスをガス排出通路３９を通して系外に排出し、一方分離後の水は水環流通路４１を通して加湿器５に戻す。加湿器５では、戻された水によって、圧縮機３からの圧縮空気を加湿する。

なお、加湿器５では、気液分離器２９から戻された水を適宜系外に排出するよう、図示しない水排出機構を備えるものとする。

また、前記した圧縮機３と三方弁２３とは、空気バイパス通路４３で接続する。三方弁２３は、圧縮機３から吐出された圧縮空気を、加湿器５を通して燃料電池１に供給する状態と、加湿器５および燃料電池１をバイパスして凝縮器２７に直接供給するよう空気バイパス通路４３に流す状態とに切り換える。

次に、作用を説明する。先ずは、燃料電池１における通常の発電状態での運転を説明する。この通常の発電状態では、三方弁２３を、圧縮機３からの圧縮空気が、加湿器５を通して燃料電池１に供給される状態に切り換える。

したがって、この場合には、燃料電池１は、圧縮空気がカソード極１０１に供給されるとともに、水素がアノード極１０２に供給されることで発電し、この際、空気排出通路９に排出される排出空気が、凝縮器２７にて冷却されて排出空気中に含まれる水蒸気が凝縮されて気液２相流となり、その後気液分離器２９にて液体の水とガスとに分離される。分離されたガスはガス排出通路３７を通して系外に排出され、液体の水は水環流通路３９を通して加湿器５に還流し、空気供給通路７を通る圧縮空気の加湿に再度利用される。

一方、本燃料電池システムの起動時には、三方弁２３を、圧縮機３から吐出された圧縮空気を、加湿器５および燃料電池１をバイパスして空気バイパス通路４３に流す状態に切り換える。

これにより、圧縮機３からの圧縮空気は、燃料電池１を通さずに燃料電池１をバイパスして凝縮器２７に直接流れ込む。すなわち、燃料電池１の運転前に、圧縮機３の圧縮空気を、空気バイパス通路４３を通して凝縮器２７に供給することになる。この圧縮空気は、燃料電池１や加湿器５を通っていないため、外気に含まれる水蒸気しか含んでいないドライガスと言える。

上記したドライガスは、圧縮機３で加圧されているので、圧縮機３の断熱圧縮工程により昇温もされている。したがってこのドライガスを、凝縮器２７に直接流すことにより、凝縮器２７を加熱し暖機することができる。

このように、第１の実施形態では、燃料電池１の運転前であって本燃料電池システムの起動時に、燃料電池１に供給する空気を圧縮する圧縮機３からの圧縮空気を、空気バイパス通路４３を通して凝縮器２７に直接供給することで、凝縮器２７を加熱するようにしたので、別途加熱手段や加熱用のドライガスを収容するタンクなどを設けずに、システム全体の構成を簡素化しつつ、燃料電池１から排出される排出空気の凝縮水の特に凝縮器２７での凍結を防止することができる。

また、上記したドライガスを凝縮器２７に流す際に、凝縮器２７の入口出口にそれぞれ設けた圧力センサ３１，３３によってドライガスの圧力を検出し、この各検出値の差、つまり凝縮器２７での圧力損失を測定する。すなわち、圧力センサ３１，３３は、凝縮器２７の入口出口間の圧力損失を検出する圧力検出手段を構成している。

そして、この圧力損失が、凝縮器２７内をドライガスが継続して流れる状態となる規定の範囲内となるように、制御装置３７が、圧縮機３を制御して凝縮器２７にドライガスを流す量を調整することにより、例えばシステム起動前にすでに凝縮器２７内に凝縮水の凍結がある場合に、凝縮器２７の内圧の増加を防止し、凝縮器２７の破損を防止することができる。

上記した燃料電池１の運転前の本燃料電池システムの起動運転を、凝縮器２７の通過ガス温度を温度センサ３５で検出しつつ、この検出温度が凝縮器２７が凍結しない所定の値（氷点下を超える温度）となるまで継続する。これにより、制御装置３７が燃料電池１の運転開始の可否を判断することができる。所定の温度に達した後は、三方弁２３を、圧縮機３からの圧縮空気が加湿器５を通して燃料電池１に供給される通常の発電状態に切り換える。

上記した第１の実施形態によれば、圧縮機３の圧縮空気を加湿して燃料電池１に供給する加湿器５を設け、この加湿器５に、凝縮器２７で凝縮した排出空気中の水分を戻すようにしたので、燃料電池１の加湿に利用する水の収支を維持するために、その水を確実に回収することができる。

また、空気バイパス通路４３を、燃料電池１と凝縮器２７とを接続する空気排出通路９に接続し、この接続部に、圧縮機３の圧縮空気を、燃料電池１に供給する状態と、燃料電池１をバイパスする状態とに切り換える三方弁２３を設けたので、三方弁２３の切り換えによって圧縮空気を凝縮器２７に確実に供給することができる。

また、凝縮器２７の流体入口出口間の圧力損失を検出する圧力センサ３１，３３を設け、この圧力センサ３１，３３の検出値が規定の範囲内かどうかを判断する制御装置３７を設けたので、圧縮空気を凝縮器２７に流すことによって生じる圧力損失を計測でき、この際凝縮器２７内に凍結があれば、圧力損失が増加するので、凝縮器２７の凝縮ガス通路内の状態を制御装置３７によって予測することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。第２の実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における燃料電池システムに対し、燃料電池１と三方弁２３との間の空気排出通路９に、カソード１０１から排出された排出空気の温度を検出する排出空気温度センサ４５と、凝縮器２７内を流れる排出空気と熱交換を行う外気の温度を検出する外気温度センサ４７５とを、それぞれ追加して設けている。その他の構成は、図１に示した燃料電池システムと同様である。

ここで、凝縮器２７に設けた冷却ファン２５の駆動状態と、凝縮器２７の前面静圧（移動体である自動車などの場合車速から予測）とから冷却ガス（外気）の流量Ｑを算出する。

さらに、冷却ガスの比熱をＣＰ、凝縮器２７の熱交換量をＬとし、熱交換前の冷却ガス（外気），排ガス（排出空気）のそれぞれの温度をＴair_in，Ｔgas_inとすれば、それぞれの熱交換後のガス温度Ｔair_out、Ｔgas_outは次の関係を満たさなくてはならない（図３参照）。

ＣＰ×Ｑ×（Ｔair_out−Ｔar_in）＝Ｈ(Ｔgas_ in)−Ｈ（Ｔgas_ out）
＝ＵＡ×ΔＴlm
ΔＴlm＝((Ｔgas_in−Ｔair_out)−(Ｔgas_out−Ｔair_in))/ ln((Ｔgas_in
−Ｔair_out)/(Ｔgas_out−Ｔair_in))
ここで、ＵＡは凝縮器２７の総括伝熱係数、Ｈは温度による排ガス（排出空気）のエンタルピである。排ガスは凝縮器２７の出口では気液２相流になっているが、２相流状態でのエンタルピである。この関係から算出されるＴgas_out、すなわち凝縮器２７の出口温度が氷点とならないように、排ガス（排出空気）の流量を決めるべく、燃料電池１に供給する圧縮空気の量が減少しないように圧縮機３を駆動制御する。

このような燃料電池１の運転を実施することにより、凝縮器２７に温度の低い冷却ガス（外気）が大量に流れ込み、燃料電池１の排気熱量が小さく過冷却の状態となることを防止し、通常発電時での凝縮水の凍結を防止することができる。

なお、上記した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、燃料電池１の運転前であって本燃料電池システムの起動時に、燃料電池１に供給する空気を圧縮する圧縮機３からの圧縮空気を、空気バイパス通路４３を通して凝縮器２７に直接供給することで、凝縮器２７を加熱することができ、別途加熱手段や加熱用のドライガスを収容するタンクなどを設けずに、システム全体の構成を簡素化しつつ、燃料電池１から排出される排出空気の凝縮水の特に凝縮器２７での凍結を防止することができる。

本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 凝縮器内を流れる排出空気と、凝縮器の外部を流れる外気との温度差を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ 圧縮機
５ 加湿器
９ 空気排出通路
２３ 三方弁（切換手段）
１０１ カソード極（空気極）
２７ 凝縮器
３１，３３ 圧力センサ（圧力検出手段）
４３ 空気バイパス通路

Claims (8)

1. 燃料電池と、この燃料電池の空気極に供給する空気を圧縮する圧縮機と、前記燃料電池の空気極から排出される排出空気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器とを備え、前記圧縮機の圧縮空気を前記燃料電池に対してバイパスさせて前記凝縮器に供給する空気バイパス通路を設け、前記燃料電池の運転前に、前記圧縮機の圧縮空気を前記空気バイパス通路を通して前記凝縮器に供給して前記凝縮器を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムおいて、前記圧縮機の圧縮空気を加湿して前記燃料電池に供給する加湿器を設け、この加湿器に、前記凝縮器で凝縮した排出空気中の水分を戻すことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムおいて、前記空気バイパス通路を、前記燃料電池と前記凝縮器とを接続する空気排出通路に接続し、この接続部に、前記圧縮機の圧縮空気を、前記燃料電池に供給する状態と、前記燃料電池をバイパスする状態とに切り換える切換手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システムおいて、前記凝縮器の流体入口出口間の圧力損失を検出する圧力検出手段を設け、この圧力検出手段の検出値が規定の範囲内かどうかを判断する判断手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムおいて、前記判断手段は、前記圧力検出手段が検出する圧力損失が規定の範囲内となるように前記凝縮器に流す排出空気の量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮器を凍結しない温度になるまで加熱することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮器は、この凝縮器内を流れる排出空気と凝縮器の外部を流れる外気との間で熱交換を行う熱交換器であり、前記外気の流量と温度および、前記排出空気の温度が変化しても、前記燃料電池に供給する空気の量が減少しないように調整することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮器の出口温度が氷点下より高い温度となるように、前記燃料電池に供給する空気の量を調整することを特徴とする燃料電池システム。

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