JP2008123840A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.
従来、水素と空気(酸素)との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池システムでは、発電に伴い水が発生する。そこで、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給して潜熱冷却を行う燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1)。
しかし、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮させる熱交換器が車載された場合、熱交換器に設けられた送風ファンを駆動しなくても、車両の走行風が熱交換器に供給される場合がある。その時、低温環境下においては、熱交換器内部の水分が凍結し、熱交換器内部が閉塞してしまうことがあった。 However, when a heat exchanger that condenses water contained in the exhaust air from the fuel cell is mounted on the vehicle, the running wind of the vehicle is supplied to the heat exchanger without driving the blower fan provided in the heat exchanger. May be. At that time, in a low temperature environment, the water inside the heat exchanger may freeze, and the heat exchanger may be blocked.
そのため、閉塞を防止するために熱交換器に供給される燃料電池からの排出空気をバイパスする方法も知られているが、燃料電池からの排出空気をバイパスさせた場合であっても、熱交換器に熱を伝熱する手段がないので、熱交換器内部が凍結すると長時間熱交換器に排出空気を流すことができない。その結果、排出空気に含まれる生成水の回収量が不足し冷却能力が足りなくなる問題があった。 Therefore, a method of bypassing the exhaust air from the fuel cell supplied to the heat exchanger to prevent the blockage is also known, but even if the exhaust air from the fuel cell is bypassed, the heat exchange Since there is no means for transferring heat to the heat exchanger, the exhaust air cannot flow through the heat exchanger for a long time when the heat exchanger is frozen. As a result, there is a problem that the amount of generated water contained in the exhaust air is insufficient and the cooling capacity is insufficient.
本発明は、上記点に鑑み、熱交換器内部において凍結による閉塞状態が起こることを抑制し、熱交換器を早期に昇温させることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to suppress the occurrence of a clogged state due to freezing inside a heat exchanger and to raise the temperature of the heat exchanger early.
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池(1)と、燃料電池(1)から排出される酸化剤ガスの排出経路(31)に設けられ、外気と酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換部(42)を有する熱交換器(34)と、燃料電池(1)から伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路を備え、熱媒体経路は、熱交換部(42)と熱的に接続されていることである。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized by a fuel cell (1) that obtains electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas, and discharge of the oxidant gas discharged from the fuel cell (1). A heat exchanger (34) provided in the path (31) and having a heat exchanging part (42) for exchanging heat between the outside air and the oxidant gas, and a path through which the heat medium transferred from the fuel cell (1) passes. A heat medium path is provided, and the heat medium path is thermally connected to the heat exchange section (42).
これにより、燃料電池(1)から排出される酸化剤ガスの排出経路(31)に設けられた熱交換器(34)内部が凍結し閉塞状態になる場合であっても、燃料電池(1)の廃熱が伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路と熱交換部(42)とが接続され、熱交換部(42)は熱交換媒体と熱交換をすることができるため、早期に熱交換部(42)を昇温することができ、熱交換器(34)内部の閉塞状態を解消することができる。 Thus, even when the inside of the heat exchanger (34) provided in the discharge path (31) for the oxidant gas discharged from the fuel cell (1) is frozen and closed, the fuel cell (1) Since the heat exchange path (42) and the heat exchange path (42) through which the heat medium through which the waste heat is transferred are connected and the heat exchange section (42) can exchange heat with the heat exchange medium, early The temperature of the heat exchanging part (42) can be raised and the closed state inside the heat exchanger (34) can be eliminated.
なお、燃料電池システム以外の系から熱の供給を受けることなく効率よく熱交換器(34)内部の閉塞状態を解消することができる。ここで、燃料電池(1)の廃熱には、燃料電池(1)から直接発生する熱に限られず、燃料電池(1)の発電に伴い発生する電力を利用する電気機器等から発生する熱も含むものとする。 In addition, the blockage | closure state inside a heat exchanger (34) can be eliminated efficiently, without receiving supply of heat from systems other than a fuel cell system. Here, the waste heat of the fuel cell (1) is not limited to the heat directly generated from the fuel cell (1), but the heat generated from an electric device or the like that uses the power generated by the power generation of the fuel cell (1). Shall also be included.
また、酸化剤ガスを熱交換部(42)をバイパスさせるバイパス経路(41)と、酸化剤ガスの流路を熱交換部(42)側又はバイパス経路(41)側に切り替える流路切替手段とを備え、熱媒体は、燃料電池(1)から排出される酸化剤ガスであり、熱媒体経路は、バイパス経路(41)から構成する場合は、燃料電池(1)の廃熱として酸化剤ガスが有する熱を利用して、バイパス経路(41)を通過する酸化剤ガスの熱を熱交換部(42)に伝熱することができるため、早期に熱交換部(42)を昇温することができ、熱交換器(34)内部の閉塞状態を解消することができる。また、流路切替手段により排出空気の流路をバイパス経路(41)側に切り替えることができる。 A bypass path (41) for bypassing the oxidant gas to the heat exchange section (42); and a flow path switching means for switching the oxidant gas flow path to the heat exchange section (42) side or the bypass path (41) side. And the heat medium is an oxidant gas discharged from the fuel cell (1). When the heat medium path is constituted by the bypass path (41), the oxidant gas is used as waste heat of the fuel cell (1). Since the heat of the oxidant gas passing through the bypass path (41) can be transferred to the heat exchange part (42) using the heat of the heat, the temperature of the heat exchange part (42) can be raised quickly. The blockage state inside the heat exchanger (34) can be eliminated. Further, the flow path of the exhaust air can be switched to the bypass path (41) side by the flow path switching means.
また、バイパス経路(41)は、熱交換部(42)と直接接触している構成とする場合は、熱交換部(42)とバイパス経路(41)は熱的に直接に接するため高効率で早期に熱交換器(34)を昇温することができる。 In addition, when the bypass path (41) is configured to be in direct contact with the heat exchange section (42), the heat exchange section (42) and the bypass path (41) are in direct thermal contact with each other with high efficiency. The temperature of the heat exchanger (34) can be raised at an early stage.
また、熱交換器(34)は、熱交換部(42)の入口に設けられた入口側タンク(43)と熱交換部(42)の出口に設けられた出口側タンク(44)を備えており、バイパス経路(41)の少なくとも一部が、入口側タンク(43)又は出口側タンク(44)の少なくとも一方の内部に配置されている構成とする場合は、熱交換部(42)とバイパス経路(41)の少なくとも一部は熱的に直接又は熱交換部(42)の入口側タンク(43)又は出口側タンク(44)を介して接するため、早期に熱交換部(42)を昇温することができる。さらに、バイパス経路(41)が入口側タンク(43)又は出口側タンク(44)の内部に配置されるため、省スペースで搭載性を向上させることができる。 The heat exchanger (34) includes an inlet side tank (43) provided at the inlet of the heat exchange unit (42) and an outlet side tank (44) provided at the outlet of the heat exchange unit (42). In the case where at least a part of the bypass path (41) is arranged in at least one of the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44), the heat exchange part (42) and the bypass are bypassed. At least a part of the path (41) is in direct contact with the heat exchange section (42) through the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44) of the heat exchange section (42). Can be warmed. Furthermore, since the bypass path (41) is disposed inside the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44), the space-saving and the mountability can be improved.
また、熱交換部(42)とバイパス経路(41)と流路切替手段は一体的な構成とする場合は、より省スペースで搭載性を向上させることができる。 In addition, when the heat exchanging section (42), the bypass path (41), and the flow path switching means are integrated, the space can be saved and the mountability can be improved.
また、熱媒体は、燃料電池(1)の冷却システムの燃料電池冷却配管を通過する燃料電池冷却液である構成とする場合は、燃料電池(1)の廃熱として冷却システムの燃料電池冷却配管を通過する燃料電池冷却液が有する熱を利用して熱交換部(42)を昇温することができ、熱交換器(34)の閉塞状態を解消することができる。また、燃料電池(1)の冷却システムの燃料電池冷却液の温度を下げることができる。 When the heat medium is a fuel cell coolant that passes through the fuel cell cooling pipe of the cooling system of the fuel cell (1), the fuel cell cooling pipe of the cooling system is used as waste heat of the fuel cell (1). It is possible to raise the temperature of the heat exchanging part (42) using the heat of the fuel cell coolant that passes through the heat exchanger (34), and the closed state of the heat exchanger (34) can be eliminated. Further, the temperature of the fuel cell coolant in the cooling system of the fuel cell (1) can be lowered.
また、熱媒体は、燃料電池(1)から電力を供給される電気機器の冷却システムの電気機器冷却配管を通過する電気機器冷却液である構成とする場合、燃料電池(1)の廃熱として燃料電池(1)から電力を供給される電気機器の冷却システムの電気機器冷却液が有する熱を利用して熱交換部(42)を昇温することができ、熱交換器(34)の閉塞状態を解消することができる。また、電気機器の冷却システムの電気機器冷却液の温度を下げることができる。 Moreover, when it is set as the structure which is an electrical equipment coolant which passes through the electrical equipment cooling piping of the cooling system of the electrical equipment supplied with electric power from the fuel cell (1), the heat medium is used as waste heat of the fuel cell (1). The heat exchanger (42) can be heated using the heat of the electric equipment coolant of the electric equipment cooling system supplied with electric power from the fuel cell (1), and the heat exchanger (34) is blocked. The state can be resolved. Moreover, the temperature of the electric equipment coolant of the electric equipment cooling system can be lowered.
また、流路切替手段は、流路切替弁(40)による流路切替を制御する流路切替制御手段と、熱交換器(34)出口の酸化剤ガス温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による熱交換器(34)出口の酸化剤ガス温度が所定温度以下の場合に、熱交換器(34)内部の水分が凍結する所定凍結温度を下回るか否かを判定する凍結判定手段とを備え、流路切替制御手段は凍結判定手段の判定結果により流路切替弁(40)を切り替える制御を行う構成とすることが可能である。 The channel switching means includes channel switching control means for controlling channel switching by the channel switching valve (40), temperature detecting means for detecting the oxidant gas temperature at the outlet of the heat exchanger (34), and temperature Freezing determination means for determining whether or not the moisture inside the heat exchanger (34) is below a predetermined freezing temperature when the temperature of the oxidant gas at the outlet of the heat exchanger (34) by the detecting means is equal to or lower than a predetermined temperature; The flow path switching control means can be configured to perform control to switch the flow path switching valve (40) according to the determination result of the freezing determination means.
これにより、凍結判定手段により熱交換器(34)の状態を推定でき、流路切替制御手段によりバイパス経路(41)の切替制御を行うことができるため、凍結判定手段が凍結と判定した場合にはバイパス経路(41)を開放する制御を行い、凍結と判定しない場合にはバイパス経路(41)を閉鎖する制御を行うことができる。そのため、適切なバイパス経路(41)の開閉を制御することにより、熱交換部(42)を昇温することができ、熱交換器(34)の閉塞状態を解消することができる。 Thereby, since the state of the heat exchanger (34) can be estimated by the freezing determination means and the switching control of the bypass path (41) can be performed by the flow path switching control means, when the freezing determination means determines that it is frozen. Can perform control to open the bypass path (41), and can control to close the bypass path (41) when it is not determined that it is frozen. Therefore, by controlling the opening and closing of the appropriate bypass path (41), the temperature of the heat exchange unit (42) can be raised, and the closed state of the heat exchanger (34) can be eliminated.
また、流路切替手段は、バイパス経路(41)を開放又は閉鎖する弁体(50)と、弁体(50)に弾性力を作用させる弾性部材(51)とを備え、弾性部材(51)は、バイバス経路(41)における弁体(50)が設けられた位置よりも上流側の圧力が所定圧力を超えた場合に弁体(50)を開放位置にし、所定圧力を超えない場合に弁体(50)を閉鎖位置にする構成とした場合、より簡素な構成で排出空気の排出経路(31)の切り替えをすることができ、搭載性を向上することができる。 The flow path switching means includes a valve body (50) for opening or closing the bypass path (41), and an elastic member (51) for applying an elastic force to the valve body (50), and the elastic member (51). The valve body (50) is opened when the pressure upstream of the position where the valve body (50) is provided in the bypass path (41) exceeds a predetermined pressure, and when the pressure does not exceed the predetermined pressure, When it is set as the structure which makes a body (50) into a closed position, the discharge path | route (31) of exhaust air can be switched with a simpler structure, and mounting property can be improved.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1〜図3に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池1を走行用駆動源として走行する電気自動車(燃料電池車両)に搭載したものである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the fuel cell system is mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle) that travels using the
図1は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池1を備えている。燃料電池1は、二次電池3、走行用モータ5、補機等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a
本実施形態では燃料電池1として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数積層されて構成されている。各燃料電池セルは、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極(カソード)として構成され、他方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極(アノード)として構成されている。
In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
燃料電池1では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
In the
(水素極側) H2→2H++2e−
(酸素極側) 2H++1/2O2+2e−→H2O
燃料電池1と二次電池3との間は、双方向に電力を伝達可能なDC−DCコンバータ2を介して電気的に接続されている。このDC−DCコンバータ2は、燃料電池1から二次電池3、あるいは二次電池3から燃料電池1への、電力の流れをコントロールするものである。
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The
燃料電池1および二次電池3と走行用モータ5との間に走行用インバータ4が配置されている。DC−DCコンバータ2を経由した燃料電池1からの電力あるいは二次電池3からの電力が走行用インバータ4へ供給される。なお、走行用インバータ4は燃料電池1とDC−DCコンバータ2の間に接続してもよい。走行用インバータ4は、走行用モータ5を駆動させ、あるいは電力を回生させるためのインバータである。
A
燃料電池システムには、外気温を検出する第1温度センサ13と車両の速度を検出する車速検出センサ15が設けられている。
The fuel cell system is provided with a
燃料電池システムには、燃料電池1の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路20と、燃料電池1の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路21が設けられている。水素供給経路20の最上流部には、燃料電池1の水素極に水素ガスを供給するための水素供給装置22が設けられている。本実施形態では、水素供給装置22として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。
The fuel cell system is provided with a
水素供給経路20には、上流側から順に第1シャット弁23、調圧装置24、第2シャット弁25が設けられている。燃料電池1に水素を供給する際には、第1シャット弁23と第2シャット弁25を開き、調圧装置24によって所望の水素圧力にして燃料電池1に供給する。車両停止時には、安全の為第1シャット弁23、第2シャット弁25は閉められる。
The
水素排出配管21には、第3シャット弁26が設けられている。必要に応じて第3シャット弁26を開くことで、燃料電池1の水素極側から水素排出配管21を介して、未反応水素ガス、蒸気(あるいは水)および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。
The
燃料電池システムには、燃料電池1の酸素極に供給される酸素ガス(空気)が通過する空気供給経路30と、燃料電池1の酸素極から排出される空気極側排ガスが通過する空気排出経路31が設けられている。空気供給経路30には、空気を供給するための空気供給装置32が設けられている。本実施形態では、空気供給装置32として空気圧縮機を用いている。空気供給装置32は図示しない圧縮機用モータと機械的に接続されている。
The fuel cell system includes an
空気供給経路30における空気供給装置32の上流側には、燃料電池1に供給される空気の流量を検出する空気流量検出手段としてのエアフローセンサ10が設けられている。また、空気排出経路31には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力(燃料電池1の背圧)を調整する調圧装置33が設けられている。なお、燃料電池1から排出される空気は燃料電池1の熱が伝熱されて高温状態となっている。
On the upstream side of the
燃料電池1は発電に伴い熱を生じる。燃料電池1の発電に伴い発生する熱を冷却するため、燃料電池システムには、燃料電池1を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度(例えば80℃程度)となるようにする冷却システムが設けられている。
The
冷却システムには、燃料電池1に冷却液(熱媒体)を循環させる燃料電池冷却経路60、冷却液を循環させるウォータポンプ63、ウォータポンプ63を駆動する電動モータ、ファン62を備えたラジエータ61が設けられている。燃料電池1で発生した熱は、冷却液を介してラジエータ61で系外に排出される。
The cooling system includes a fuel
また、燃料電池冷却経路60における燃料電池1の出口側近傍には、燃料電池1から流出した冷却液の温度を検出する第2温度センサ14が設けられている。第2温度センサ14により冷却液温度を検出することで、燃料電池1の温度Tfcを間接的に検出することができる。第2温度センサ14を燃料電池1本体に直接設置し、燃料電池1の温度Tfcを直接的に検出してもよい。
Further, a
さらに、燃料電池システムには、燃料電池1を冷却するために潜熱冷却システムが設けられている。潜熱冷却システムには、空気排出経路31を通過する空気(空気極側排出ガス)に含まれる水分を凝縮させるファン35を備えた凝縮器34、凝縮器34により凝縮された水を分離する気液分離器36が設けられている。ここで、凝縮器34は、本発明の熱交換器に該当する。気液分離器36は、空気排出経路31における凝縮器34の下流側に設けられている。
Further, the fuel cell system is provided with a latent heat cooling system for cooling the
また、潜熱冷却システムには、気液分離器36により分離された水を貯蔵する水回収タンク37、水回収タンク37に貯蔵された水を燃料電池1に供給するための水供給配管64、水供給配管64を通過する水を供給させる水供給ポンプ65が設けられている。図示しない水供給ポンプ用モータを回転させることにより水供給ポンプ65を回転させて水供給配管64を介して燃料電池1に水回収タンク37内の水を供給する。供給された水が、蒸発する際の潜熱により冷却されることで燃料電池1の潜熱冷却を行う。
The latent heat cooling system includes a
図2は、本第1実施形態で用いる凝縮器34の全体構成であり、図2(a)は凝縮器34の正面図、図2(b)は凝縮器34の側面図を示している。図2(a)、図2(b)に示すように、凝縮器34は、排出空気が流通する複数本のチューブ、チューブの外表面に接合された波状のフィンからなる熱交換部42、チューブにおける排出空気の流入出方向両端側に設けられて複数本のチューブと連通する入口側タンク43、出口側タンク44および、入口側タンク43および出口側タンク44と連通するバイパス経路41から構成される。
2 shows the overall configuration of the
バイパス経路41は、熱交換部42、入口側タンク43および出口側タンク44に接合されている。本実施形態では、熱交換部42、入口側タンク43、出口側タンク44およびバイパス経路41の凝縮器34を構成する部品はアルミニウム合金製であり、これらはろう付けにて一体接合される。ここで、凝縮器34の構成は、アルミニウム合金製であるため低コストで製作することができ、ろう付けにて一体接合されるため、コンパクトな構成となり搭載性を向上させることができる。
The
また、バイパス経路41は、バイパス経路41の上流側に空気導入口45が設けられ、空気導入口45と凝縮器34の上流側の空気排出経路31とを接続することで、排出空気をバイパス経路41又は入口側タンク43に流す。
Further, the
出口側タンク44は、空気排出口46が設けられ、空気排出口46と凝縮器34の下流側の空気排出経路31とを接続することで、排出空気を気液分離器36に流す。なお、バイパス経路41を通過する排出空気の熱と熱交換部42との伝熱面積を広げるために、出口側タンク44に設けられた空気排出口46をバイパス経路41と連通された一端に対して他端側近傍に設ける構成としている。
The
バイパス経路41の上流側に設けられた排出空気の空気導入口45には排出空気の流路切替弁40として電動式のロータリバルブが設けられている。流路切替弁40は、排出空気の流路を熱交換部42側又はバイパス経路41側に切り替え可能に構成されている。
An electric rotary valve provided as an exhaust air flow
凝縮器34の通常運転時は、流路切替弁40は熱交換部42側(A方向)に切り替えられている。凝縮器34が凍結による閉塞状態となる場合には、流路切替弁40はバイパス経路41側(B方向)に切り替えることで、燃料電池1から排出される排出空気はバイパス経路41を流れ、バイパス経路41を通過する排出空気の有する熱により凝縮器34を昇温することができる。
During normal operation of the
なお、本実施形態では、流路切替弁40として電動式のロータリバルブを用いているが、ロータリバルブに限定されるものではなく、他の電動式三方切替弁等を用いても良い。また、凝縮器34が凍結による閉塞状態となり、凝縮器34内部の圧力が異常に上昇しすぎるのを防止するため入口側タンク43の上部には圧抜き弁47を設けている。
In the present embodiment, an electric rotary valve is used as the flow
図1に戻り、燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部100(ECU)が設けられている。制御部100は、CPU、ROM、RAM、I/Oなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ROMなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部100には、各種負荷からの要求電力信号、2次電池3からの充電量の関する信号、エアフローセンサ10からの空気流量信号、圧力センサ11、12からの圧力信号、温度センサ13、14からの温度信号等が入力される。また、制御部100は、DC−DCコンバータ2、二次電池3、走行用インバータ4、走行用モータ5、調圧弁24、33、シャット弁23、25、26、ファン35、62、流路切替弁40等に制御信号を出力するように構成されている。
Returning to FIG. 1, the fuel cell system is provided with a control unit 100 (ECU) as control means for performing various controls. The
次に、本実施形態の流路切替弁40の制御を図3、図4に基づいて説明する。図3は、制御部100のCPUがROMに格納された制御プログラムに基づいて行う流路切替制御を示すフローチャートである。
Next, control of the flow
本流路切替弁40の制御に先立って、燃料電池1に空気および水素の供給が開始され、燃料電池1での発電が開始されているものとする。
Prior to the control of the main flow
まず、エアフローセンサ10で空気供給経路30におけるエア流量と、空気排出経路31に設けられた圧力センサ12で空気排出経路31におけるエア圧力と、燃料電池1の発電量を検出する(S10)。次に、凝縮器34が凍結しているか否かの判定を行う(S11)。
First, the
ここで、S11の判定処理の内容について説明する。図4は、所定の発電量における、凝縮器34が凍結していない場合のエア流量とエア圧力(通常エア圧力)とが関連付けられたマップ(図4の実線部)と、凝縮器34が凍結している場合のエア流量とエア圧力(凍結判定圧力)とが関連付けられたマップ(図4の破線部)を示している。
Here, the contents of the determination process of S11 will be described. FIG. 4 shows a map (solid line portion in FIG. 4) in which the air flow rate and the air pressure (normal air pressure) when the
上記通常エア圧力は、凝縮器34が凍結していない状態において、圧力センサ12で検出されるエア圧力であって、予め実験的に求められたものである。また、凍結判定圧力とは、凝縮器34が凍結し熱交換部42が閉塞しているか否かを判定するための基準圧力であり、通常エア圧力より高い圧力値として予め設定されている。
The normal air pressure is an air pressure detected by the
燃料電池1の発電量に応じて供給される酸素の消費量は増加するため、図4に示すマップは、各発電量に対して設定されており、各マップは制御部100のROM内に予め記憶されている。なお、圧力センサ12で検出されるエア圧力は、空気排出経路31に設けられた調圧装置33が開放された状態で検出されている。
Since the consumption amount of oxygen supplied in accordance with the power generation amount of the
図4に示すように、圧力センサ12で検出されるエア圧力が、凍結判定圧力(図4の破線部)を上回っている場合には、凝縮器34は凍結しているものと判定することができる。
As shown in FIG. 4, when the air pressure detected by the
図3に戻り、凝縮器34が凍結しているものと判定された場合(S11:YES)は、流路切替弁40をバイパス経路41側(B方向)に切り替える(S15)。なお、流路切替弁40がバイパス経路41側(B方向)に切り替わっている場合は、その状態を維持する。
Returning to FIG. 3, when it is determined that the
これにより、燃料電池1から排出された空気の流路は、空気排出経路31→バイパス経路41→出口側タンク44→空気排出経路31→気液分離器36→外部となる。バイパス経路41および出口側タンク44に排出空気が導入されることにより、排出空気の熱が凝縮器34の熱交換部42に伝熱されるため、熱交換部42は昇温する。この結果、凝縮器34内部で凍結している水分が溶け、凝縮器34の閉塞状態は解消する。
Thereby, the flow path of the air discharged from the
S11の判定処理の結果、検出したエア圧力が凍結判定圧力を上回っていないと判定された場合(S11:NO)には、さらに、第1温度センサ13により外気温Ta、第2温度センサ14により燃料電池1の温度Tfc、エアフローセンサ10で空気排出経路31におけるエア流量、車速検出センサ15により車速、制御信号により電動ファン35の状態を検出する(S12)。
As a result of the determination process of S11, when it is determined that the detected air pressure does not exceed the freezing determination pressure (S11: NO), the outside temperature Ta and the
検出した上記情報から凝縮器34凍結時の各情報のマップにより燃料電池1から排出された空気の熱交換量を推定する。推定された熱交換量に基づいて凝縮器34出口の排出空気温度Thを算出する(S13)。ここで、排出空気温度Thは、凝縮器34における排出空気の熱交換量から算出しているが、凝縮器34出口に第3温度センサを設け、第3温度センサで検出された温度を排出空気温度Thとしてもよい。
From the detected information, the heat exchange amount of the air discharged from the
S13で算出された排出空気温度Thが所定値(例えば、0℃)を下回っている場合には、凝縮器34が凍結しているものと判定をすることができる(S14)。S14の判定処理の結果、凝縮器34が凍結しているものと判定された場合(S14:YES)は、流路切替弁40をバイパス経路41側(B方向)に切り替える(S15)。なお、流路切替弁40がバイパス経路41側(B方向)に切り替わっている場合は、その状態を維持する。
Discharge air temperature T h is a predetermined value calculated in S13 (for example, 0 ° C.) when below the can to determine that the
バイパス経路41に排出空気が導入されることにより、排出空気の熱が凝縮器34の熱交換部42に伝熱されるため、熱交換部42は昇温する。この結果、凝縮器34内部で凍結している水分が溶け、凝縮器34の閉塞状態は解消する。
Since the exhaust air is introduced into the
S14の判定処理の結果、算出された排出空気温度Thが、所定値を下回っていないと判定された場合(S14:NO)には、流路切替弁40を熱交換部42側(A方向)に切り替える(S16)。なお、流路切替弁40が熱交換部42側(A方向)に切り替わっている場合は、その状態を維持する。
S14 in the determination processing result, when the discharge air temperature T h which is calculated is determined to not lower than the predetermined value: the (S14 NO), the
これにより、燃料電池1から排出された空気の流路は、空気排出経路31→入口側タンク43→熱交換部42→出口側タンク44→空気排出経路31→気液分離器36→外部となる。
Thereby, the flow path of the air discharged from the
以上のように燃料電池1からの排出空気を凝縮器34に設けたバイパス経路に流すことで、排出空気の熱により凝縮器34の熱交換部42を昇温することができ、燃料電池1からの廃熱を有効利用して低温環境下における凝縮器34内部の閉塞状態を早期に解消することができる。
By flowing the exhaust air from the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図5、図6に基づいて説明する。本第2実施形態では、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, only parts different from the first embodiment will be described.
図5は、本第2実施形態で用いる燃料電池システムの主要構成を示している。図5に示すように、本第2実施例では燃料電池1を冷却するために設けられた潜熱冷却システムには、空気排出経路31を通過する空気(空気極側排出ガス)に含まれる水分を凝縮させる凝縮器34、凝縮器34により凝縮された水を分離する気液分離器36、凝縮器34の上流側にバイパス経路41と流路切替弁40が設けられている。
FIG. 5 shows the main configuration of the fuel cell system used in the second embodiment. As shown in FIG. 5, in the second embodiment, the latent heat cooling system provided for cooling the
バイパス経路41は、空気排出経路31における凝縮器34の上流側で分岐しており、空気排出経路31における調圧装置33の下流側であって凝縮器34の上流側と凝縮器34の下流側であって気液分離器36の上流側とを接続されている。流路切替弁40は、バイパス経路41と凝縮器34上流側の空気排出経路31との接続部に設けられている。
The
図6は、本第2実施形態で用いる凝縮器34の全体構成を示している。図6(a)は凝縮器34の正面図、図6(b)は凝縮器34の側面図を示している。図6(a)、図6(b)に示すように、凝縮器34は、熱交換部42、入口側タンク43、出口側タンク44から構成されている。
FIG. 6 shows the overall configuration of the
入口側タンク43は、長手方向の一端近傍に空気導入口45が設けられている。空気導入口45と凝縮器34の上流側の空気排出経路31とを接続することで排出空気が入口側タンク43に導入される。入口側タンク43に導入された排出空気は、熱交換部42に流れる。
The
出口側タンク44は、長手方向の入口側タンク43に設けられた空気導入口45の反対側の端部近傍に空気排出口46が設けられている。空気排出口46と凝縮器34の下流側の空気排出経路31とを接続することで排出空気は出口側タンク44から排出され、凝縮器34の下流側の気液分離器36に流れる。
The
また、出口側タンク44には、流体経路入口48および流体経路出口49が設けられている。この流体経路入口48および流体経路出口49を介して、出口側タンク44の内部にバイパス経路41の一部が配置されている。バイパス経路41の一部は、出口側タンク44の内壁に接した状態で配置されている。そのため、バイパス経路41の一部は、出口側タンク44を介して熱交換部42と熱的に接触している。
The
これにより、流路切替弁40をバイパス経路41側に切り替える場合に、燃料電池1から排出される空気は、出口側タンク44の内部に配置されるバイパス経路41の一部を通過するため、排出空気の有する熱が出口側タンク44を介して熱交換部42に伝えられ、熱交換部42を昇温させることができる。この結果、凝縮器34内部で凍結している水分が溶け、凝縮器34の閉塞状態は解消される。
As a result, when the flow
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図7に基づいて説明する。本第3実施形態では、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, only portions different from the first embodiment will be described.
図7は、凝縮器34の全体構成を示している。図7(a)は凝縮器34の正面図、図7(b)は凝縮器34の側面図を示している。図7(a)、図7(b)に示すように、凝縮器34は熱交換部42、入口側タンク43、出口側タンク44、排出空気を熱交換部42をバイパスするバイパス経路41から構成されている。
FIG. 7 shows the overall configuration of the
バイパス経路41を通過する排出空気の熱と熱交換部42との伝熱面積を広げるために、入口側タンク43は、長手方向であってバイパス経路41と接続された一端に対して他端近傍に空気導入口45が設けられている。空気導入口45と凝縮器34の上流側の空気排出経路31とを接続することで排出空気が入口側タンク43に導入される。入口側タンク43に導入された排出空気は、熱交換部42に流れる。
In order to increase the heat transfer area between the heat of the exhaust air passing through the
同様に、出口側タンク44は、長手方向であってバイパス経路41と接続された一端に対して他端近傍に空気排出口46が設けられている。空気排出口46と凝縮器34の下流側の空気排出経路31とを接続することで排出空気は、出口側タンク44から排出され、凝縮器34の下流側の気液分離器36に流れる。
Similarly, the
バイパス経路41の内部に流路切替弁40が設けられている。本実施形態の流路切替弁40は、バイパス経路41を開放又は閉鎖するように構成されている。具体的に流路切替弁40は、バイパス経路41を開閉する弁体50、弁体50が設けられた位置よりも上流側の圧力と対抗して弁体50を閉鎖方向に押し付けるコイルバネ等の弾性部材51とから構成されている。ここで、弁体50は、弁体50の一端側が開放方向に回動可能なようにバイパス経路41内壁に支持されている。また、流路切替弁40には、弁体50が閉鎖状態において弁体50の他端を支持する係止部52が設けられている。
A flow
バイバス経路41における弁体50が設けられた位置よりも上流側の圧力が上昇し、その圧力による弁体50の開放方向への押し付け力が、弾性部材51の弾性力(弁体50の閉鎖方向への押し付け力)を上回った場合に、弁体50は、開放位置に移動する。また、圧力が下降し、圧力による弁体50の押し付け力が弾性部材51の弾性力を下回った場合に、弁体50は閉鎖位置に移動する。なお、弾性部材51の初期荷重を変更することにより、弁体50を開放又は閉鎖位置にする所定圧力の調整を行うことができる。
The pressure upstream of the position where the
これにより、熱交換部42が凍結により閉塞状態となる場合に、弁体50よりも上流側のバイパス経路41の圧力が上がり、その圧力を利用してバイパス経路41を開放することができる。熱交換部42の閉塞状態が解消した場合は、バイパス経路41の圧力が下がるため、バイパス経路41を閉鎖することができる。
Thereby, when the
以上のように、簡素な構成で、燃料電池1からの排出空気を凝縮器34に設けたバイパス経路41に流すことができ、排出空気の熱により凝縮器34の熱交換部42を昇温することができる。この結果、燃料電池1からの廃熱を有効利用して低温環境下における凝縮器34内部の閉塞状態を早期に解消することができる。
As described above, the exhaust air from the
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態において、燃料電池1からの排出空気を凝縮器34に設けたバイパス経路41に流すことで、排出空気の熱を熱媒体として凝縮器34を昇温する実施形態を示したが、これに限られず、燃料電池1の冷却システムの燃料電池冷却経路60又は燃料電池1の電気機器の電気機器冷却経路の一部を凝縮器34と熱的に接続することにより、燃料電池冷却液又は電気機器冷却液が有する熱を熱媒体として凝縮器34の昇温に利用してもよい。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the embodiment has been described in which the temperature of the
また、熱媒体としてバイパス経路41を通過する排出空気を用いる構成、燃料電池冷却経路60を通過する燃料電池冷却液を用いる構成、電気機器冷却経路を通過する電気機器冷却液を用いる構成を適宜組み合わせて用いることができる。
Also, a configuration using exhaust air passing through the
また、第2実施形態では、燃料電池1の排出空気が流れるバイパス経路41の一部を、出口側タンク44内部に配置したが、入口側タンク43又は両タンク43、44の内部に配置してもよい。
Further, in the second embodiment, a part of the
また、上記各実施形態において、熱交換部42、入口側タンク43、出口側タンク44およびバイパス経路41はアルミニウム合金製で形成されているが、これに限られず、熱伝導性に優れた他の金属材料による構成としてもよい。
Moreover, in each said embodiment, although the
また、第2実施形態では、出口側タンク44内部の熱交換部42から離れた側にバイパス経路41を配置しているが、出口側タンク44内部の熱交換部42に近い側にバイパス経路41を配置する構成としてもよい。
In the second embodiment, the
また、上記各実施形態では、気液分離器36により分離された水を燃料電池1に供給し潜熱冷却を行ったが、これに限らず、気液分離器36により分離された水を燃料電池1の電解質膜を加湿するために利用してもよい。
In each of the above embodiments, the water separated by the gas-
1…燃料電池、10…エアフローセンサ、11…第1圧力センサ、12…第2圧力センサ、13…第1温度センサ、14…第2温度センサ、15…車速検出センサ、30…空気供給経路、31…空気排出経路、34…凝縮器、35…ファン、36…気液分離器、40…流路切替弁、41…バイパス経路、42…熱交換部、43…入口側タンク、44…出口側タンク、45…空気導入口、46…空気排出口、48…流体経路入口、49…流体経路出口、50…弁体、51…弾性部材、60…燃料電池冷却経路、64…水供給配管、100…制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料電池(1)から排出される前記酸化剤ガスの排出経路(31)に設けられ、外気と前記酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換部(42)を有する熱交換器(34)と、
前記燃料電池(1)から伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路を備え、
前記熱媒体経路は、前記熱交換部(42)と熱的に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (1) for obtaining electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas;
A heat exchanger (34) provided in a discharge path (31) for the oxidant gas discharged from the fuel cell (1) and having a heat exchange section (42) for exchanging heat between the outside air and the oxidant gas; ,
A heating medium path which is a passage path of a heating medium transferred from the fuel cell (1),
The fuel cell system, wherein the heat medium path is thermally connected to the heat exchange section (42).
前記酸化剤ガスの流路を前記熱交換部(42)側又は前記バイパス経路(41)側に切り替える流路切替手段とを備え、
前記熱媒体は、前記燃料電池(1)から排出される前記酸化剤ガスであり、前記熱媒体経路は、前記バイパス経路(41)から構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A bypass path (41) for bypassing the heat exchanger (42) with the oxidant gas;
Flow path switching means for switching the flow path of the oxidant gas to the heat exchange section (42) side or the bypass path (41) side,
The fuel according to claim 1, wherein the heat medium is the oxidant gas discharged from the fuel cell (1), and the heat medium path includes the bypass path (41). Battery system.
前記バイパス経路(41)の少なくとも一部が、前記入口側タンク(43)又は前記出口側タンク(44)の少なくとも一方の内部に配置されており、
前記バイパス経路(41)は、前記入口側タンク(43)又は前記出口側タンク(44)を介して前記熱交換部(42)と熱的に接続されてい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。 The heat exchanger (34) includes an inlet side tank (43) provided at an inlet of the heat exchange part (42) and an outlet side tank (44) provided at an outlet of the heat exchange part (42). And
At least a part of the bypass path (41) is disposed inside at least one of the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44),
The bypass path (41) is thermally connected to the heat exchange part (42) via the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44). The fuel cell system according to claim 2.
前記熱交換器(34)出口の酸化剤ガス温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による前記熱交換器(34)出口の前記酸化剤ガス温度が所定温度以下の場合に、前記熱交換器(34)内部の水分が凍結する所定凍結温度を下回るか否かを判定する凍結判定手段とを備え、
前記流路切替制御手段は前記凍結判定手段の判定結果により前記流路切替弁(40)を切り替える制御を行うことを特徴とする請求項2ないし請求項7のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 The channel switching means includes channel switching control means for controlling channel switching by the channel switching valve (40),
Temperature detecting means for detecting an oxidant gas temperature at the outlet of the heat exchanger (34);
When the oxidant gas temperature at the outlet of the heat exchanger (34) by the temperature detecting means is equal to or lower than a predetermined temperature, it is determined whether or not the moisture inside the heat exchanger (34) is below a predetermined freezing temperature. Freezing determination means to
The fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein the flow path switching control means performs control to switch the flow path switching valve (40) according to a determination result of the freezing determination means. system.
前記弁体に弾性力を作用させる弾性部材(51)とを備え、
前記弾性部材(51)は、前記バイバス経路(41)における前記弁体(50)が設けられた位置よりも上流側の圧力が所定圧力を超えた場合に前記弁体(50)を開放位置にし、所定圧力を超えない場合に前記弁体(50)を閉鎖位置にすることを特徴とする請求項2ないし請求項5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 The flow path switching means includes a valve body (50) for opening or closing the bypass path (41),
An elastic member (51) for applying an elastic force to the valve body,
The elastic member (51) brings the valve body (50) into an open position when the pressure upstream of the position where the valve body (50) is provided in the bypass path (41) exceeds a predetermined pressure. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the valve body (50) is set to a closed position when a predetermined pressure is not exceeded.
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