JP2009009881A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するするもので、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 electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.
従来より、燃料電池は収納容器に収納された状態で移動体に搭載されている。収納容器は、外部からの異物の侵入を防ぐために、シール材などによって密閉されている。そのため、燃料電池から透過した水蒸気により収納容器内の湿度が高くなった場合には、外部との温度差によって収納容器内に結露が起こり易く、燃料電池の発電効率の低下および電子部品等が破壊される恐れがあった。 Conventionally, a fuel cell is mounted on a moving body while being stored in a storage container. The storage container is sealed with a sealing material or the like in order to prevent foreign substances from entering from the outside. Therefore, when the humidity inside the storage container becomes high due to water vapor that has permeated from the fuel cell, condensation tends to occur inside the storage container due to the temperature difference from the outside, resulting in a decrease in power generation efficiency of the fuel cell and destruction of electronic components. There was a fear.
上記のような問題に対応するため、燃料電池の収納容器の一部をポーラス体で構成し、さらに換気装置により収納容器内を換気する燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1の構成では、換気装置を作動させるための動力が必要となり、省動力の観点から望ましくない。 However, the configuration of Patent Document 1 requires power for operating the ventilator, which is not desirable from the viewpoint of power saving.
本発明は上記点に鑑み、できるだけ動力を用いることなく、燃料電池の収納容器内で結露の発生を抑制することができる燃料電池システムの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress the occurrence of condensation in the storage container of the fuel cell without using power as much as possible.
上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池(10)と、燃料電池(10)を収納する収納容器(11)と、高圧の水素が充填され、燃料電池(10)に水素を供給する水素タンク(13)と、水素タンク(13)から燃料電池(10)に供給される水素が通過する水素供給経路(14)と、水素供給経路(14)において、水素タンク(13)から流出した水素を膨張させる膨張手段(16)と、収納容器(11)内に設けられ、膨張手段(16)により膨張された水素と収納容器(11)内の空気とを熱交換させ、空気中に含まれる水分を凝縮させる凝縮手段(17)と、凝縮手段(17)にて凝縮された水分を収納容器(11)の外部に排出する排出手段(15、20、23)とを備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that a fuel cell (10) for generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a storage container (11) for storing the fuel cell (10), a high pressure A hydrogen tank (13) that is filled with hydrogen and supplies hydrogen to the fuel cell (10), a hydrogen supply path (14) through which hydrogen supplied from the hydrogen tank (13) to the fuel cell (10) passes, and hydrogen In the supply path (14), the expansion means (16) for expanding the hydrogen flowing out from the hydrogen tank (13), the hydrogen provided in the storage container (11) and expanded by the expansion means (16) and the storage container ( 11) heat exchanging with the air in the interior, condensing means (17) for condensing moisture contained in the air, and exhaust for discharging the moisture condensed by the condensing means (17) to the outside of the storage container (11) Means (15, 20, 23) It is characterized in that it comprises.
このように、高圧水素を減圧して燃料電池(10)に供給する際に断熱膨張により水素が低温になることを利用することで、動力を用いることなく、収納容器(11)内の空気中に蒸気として含まれる水分を凝縮させることができる。また、凝縮させた水分を収納容器(11)の外部に排出することで、収納容器(11)内部での結露発生を抑制することができる。ここで、「膨張手段」は、断熱により水素を膨張させるものでもよく、あるいは減圧により水素を膨張させるものでもよい。 In this way, by utilizing the fact that hydrogen is cooled by adiabatic expansion when the high pressure hydrogen is decompressed and supplied to the fuel cell (10), the air in the storage container (11) can be used without using power. It is possible to condense the moisture contained as steam. Moreover, the condensed water | moisture content is discharged | emitted to the exterior of a storage container (11), and dew condensation can be suppressed inside a storage container (11). Here, the “expansion means” may be one that expands hydrogen by heat insulation or one that expands hydrogen by decompression.
また、燃料電池(10)に供給される水素または酸素の少なくとも一方のうち電気化学反応に用いられなかった排ガスを収納容器(11)の外部に排出するための排出経路(15)を備え、排出手段は、排出経路(15)と、凝縮手段(17)で凝縮した水分を排出経路(15)に合流させる合流経路(20)とを有しており、凝縮手段(17)で凝縮した水分を前記排ガスととともに収納容器(11)の外部に排出するように構成することができる。これにより、凝縮手段(17)で凝縮した水分を排ガスの排出経路(15)から収納容器(11)の外部に排出することができる。 In addition, a discharge path (15) for discharging the exhaust gas that has not been used for the electrochemical reaction out of at least one of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell (10) to the outside of the storage container (11) is provided. The means has a discharge path (15) and a merging path (20) for merging the moisture condensed by the condensing means (17) to the discharge path (15), and the moisture condensed by the condensing means (17) is removed. It can comprise so that it may discharge | emit to the exterior of a storage container (11) with the said waste gas. Thereby, the water condensed by the condensing means (17) can be discharged to the outside of the storage container (11) from the exhaust gas discharge path (15).
また、排出手段は、収納容器(11)に設けられた排水用開口部(23)を有し、凝縮手段(17)で凝縮した水分を排水用開口部(23)を介して収納容器(11)の外部に排出するように構成できる。 The discharge means has a drain opening (23) provided in the storage container (11), and the water condensed by the condensation means (17) is stored in the storage container (11) through the drain opening (23). ) Can be configured to discharge outside.
また、膨張手段(16)による水素の膨張量を調整する制御部(25)と、凝縮手段(17)による水分の凝縮量を検出する凝縮量検出手段(24)とを備え、制御部(25)は、凝縮量検出手段(24)で検出した凝縮量に基づいて膨張手段(16)による水素の膨張量を制御するように構成することできる。これにより、凝縮部(17)で発生する凝縮水量を適切に保つことができる。制御部(25)による膨張手段(16)に制御は、凝縮量検出手段(24)で検出した凝縮量が少ない場合には、膨張手段(16)による水素の膨張量を増加させ、凝縮量検出手段(24)で検出した凝縮量が多い場合には、膨張手段(16)による水素の膨張量を減少させるようにすればよい。 The controller (25) for adjusting the amount of hydrogen expansion by the expansion means (16) and the condensation amount detection means (24) for detecting the amount of moisture condensed by the condensation means (17) are provided. ) Can be configured to control the expansion amount of hydrogen by the expansion means (16) based on the condensation amount detected by the condensation amount detection means (24). Thereby, the amount of condensed water which generate | occur | produces in a condensation part (17) can be kept appropriately. When the condensation amount detected by the condensation amount detection means (24) is small, the control unit (25) controls the expansion means (16) to increase the hydrogen expansion amount by the expansion means (16) and detect the condensation amount. If the amount of condensation detected by the means (24) is large, the amount of hydrogen expansion by the expansion means (16) may be reduced.
また、収納容器(11)内に設けられ、凝縮手段(17)で凝縮された水分を貯留する貯水部(19)を備え、排出手段(15、20、23)は、貯水部(19)で貯留されている水分を収納容器(11)の外部に排出するように構成できる。これにより、凝縮部(17)で発生した凝縮水を一時的に貯水部(19)で貯留することができる。 Further, the storage container (11) is provided with a water storage part (19) for storing the water condensed by the condensing means (17), and the discharge means (15, 20, 23) are provided in the water storage part (19). It can comprise so that the water | moisture content stored may be discharged | emitted to the exterior of a storage container (11). Thereby, the condensed water which generate | occur | produced in the condensation part (17) can be temporarily stored by the water storage part (19).
また、凝縮量検出手段は、貯水部(19)に貯留された水分量を検出する水分量検出手段(23)とすることができる。この場合、「水分量測定手段」は、貯水部の水位を検出するものとすることができ、具体的には浮き子を利用した水位検出手段、あるいは光学式の水位検出手段として構成することができる。 Further, the condensation amount detection means can be a moisture amount detection means (23) for detecting the amount of moisture stored in the water reservoir (19). In this case, the “moisture amount measuring means” can detect the water level of the water storage section, and specifically, can be configured as a water level detecting means using a float or an optical water level detecting means. it can.
また、凝縮量検出手段は、収納容器(11)内の湿度を検出する湿度センサ(24)とすることができる。この場合、「湿度センサ」は、湿度計あるいは露点計から構成することができ、湿度計は絶対湿度計あるいは相対湿度計のいずれも用いることができる。 The condensation amount detection means may be a humidity sensor (24) that detects the humidity in the storage container (11). In this case, the “humidity sensor” can be composed of a hygrometer or a dew point meter, and the hygrometer can be either an absolute hygrometer or a relative hygrometer.
また、貯水部(19)は、凝縮手段(17)の鉛直方向下方に配置されているようにすることで、凝縮手段(17)から落下した水分を受け取ることができる。 Moreover, the water storage part (19) can receive the water | moisture content which fell from the condensing means (17) by making it arrange | position below the condensing means (17) perpendicular | vertical direction.
また、貯水部(19)は、凝縮手段(17)と一体的に構成されているようにすることができる。 Further, the water reservoir (19) can be configured integrally with the condensing means (17).
また、凝縮手段は、膨張手段(16)により膨張された水素と収納容器(11)内の空気とを熱交換させる伝熱部(18、22)を多孔体から構成することで、伝熱部(18、22)に付着した水分が飛散することを防止できる。この場合、「多孔体」は、発泡金属から構成でき、銅またはアルミニウムの少なくとも1種類を好適に用いることができる。 The condensing means comprises a heat transfer part (18, 22) for exchanging heat between the hydrogen expanded by the expansion means (16) and the air in the storage container (11) from a porous body. It is possible to prevent water adhering to (18, 22) from scattering. In this case, the “porous body” can be made of a foam metal, and at least one of copper and aluminum can be suitably used.
また、貯水部(19)に多孔体(21)を設けることで、貯水部(19)に貯留された水分が飛散することを防止できる。この場合、「多孔体」は、発泡金属から構成でき、銅、アルミニウムまたはステンレスの少なくとも1種類を好適に用いることができる。 Moreover, it can prevent that the water | moisture content stored by the water storage part (19) scatters by providing a porous body (21) in a water storage part (19). In this case, the “porous body” can be made of a foam metal, and at least one of copper, aluminum, and stainless steel can be suitably used.
また、燃料電池(10)は、移動体の移動用駆動源として用いられているとともに、収納容器(11)は移動体に搭載されているように構成できる。この場合、排出手段(15、20、23)は、移動体の移動時に発生する収納容器(11)の内外圧力差により凝縮部(17)にて凝縮された水分を収納容器(11)の外部に排出するように構成することができる。 In addition, the fuel cell (10) is used as a driving source for moving the moving body, and the storage container (11) can be configured to be mounted on the moving body. In this case, the discharge means (15, 20, 23) causes the moisture condensed in the condensing part (17) due to the pressure difference between the inside and outside of the storage container (11) generated when the moving body moves to the outside of the storage container (11). It can be configured to be discharged.
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2に基づいて説明する。図1は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば移動体としての電気自動車に適用される。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the present embodiment, and this fuel cell system is applied to an electric vehicle as a moving body, for example.
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10を備えている。この燃料電池10は、図示しない電気負荷や2次電池等の電気機器に電力を供給するものである。電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。本実施形態では燃料電池10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個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池10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。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
(負極側)H2→2H++2e-
(正極側)2H++1/2O2+2e-→H2O
燃料電池10は、収納容器11に収納されている。収納容器11には通気用の開口部12が形成されている。収納容器11は、燃料電池10を固定できる強度を有するものであればよく、金属材料、非鉄金属材料、非金属材料などいずれ材質も用いることができる。なお、収納容器11は、その形状は直方体に限定されるものではなく、燃料電池10を収納できる形状であれば、例えば円錐や六角柱といった特殊形状でもよい。さらに、収納容器11の開口部12の形状は特に限定されず、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、三角形、その他の幾何学的な形状とすることができる。
(Negative electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Positive side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e - → H 2 O
The
燃料電池システムには、燃料電池10に水素を供給するための水素タンク13と、燃料電池10に供給される水素が通過する水素供給経路14と、燃料電池10における電気化学反応に用いられなかった水素排ガスを外部に排出するための水素排出経路15が設けられている。また、図示を省略しているが、燃料電池システムには、燃料電池10の空気極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気供給装置と、空気供給装置から供給される空気が通過する空気供給経路と、燃料電池10における電気化学反応に用いられなかった空気排ガスを外部に排出するための空気排出経路が設けられている。
In the fuel cell system, a
水素タンク13は高圧水素が充填されており、収納容器11の外部に配置されている。水素供給経路14には、水素タンク13から供給される高圧水素を膨張させる膨張手段としての膨張弁16が設けられている。膨張弁16としては、断熱による断熱膨張機もしくは減圧による減圧膨張機のいずれを用いてもよい。水素タンク13から供給される水素は、膨張弁16で減圧膨張された後、水素供給経路14を介して燃料電池10の水素極(負極)側に供給される。
The
水素供給経路14における膨張弁16の水素流れ方向下流側には、凝縮部17が設けられている。凝縮部17は収納容器11の内部に配置されており、膨張弁16で断熱膨張して低温低圧になった水素と収納容器11内の空気との間で熱交換させ、収納容器11内の空気に水蒸気として含まれる水分を凝縮させる凝縮手段として構成されている。
A condensing
図2は、凝縮部17の斜視図である。図2に示すように、凝縮部17は、水素供給経路14にフィンとして構成された複数の伝熱部18が設けられており、フィンチューブ式熱交換器として構成されている。水素供給経路14は、例えばSUSからなる配管として構成されている。伝熱部18は、銅またはアルミニウムのような伝熱性の高い金属から構成される金属板から構成されている。
FIG. 2 is a perspective view of the condensing
図1に戻り、収納容器11内には、凝縮部17で凝縮した水分を貯留するための貯水部19が設けられている。貯水部19は上方が開口した容器として構成され、凝縮部17の鉛直方向下方に配置されている。貯水部19には、凝縮部17で生成した凝縮水が落下して集合する。凝縮部17は、収納容器11内部において、凝縮部17で生成した凝縮水を集合させることができる位置であれば、その設置位置は何ら制約を受けることない。さらに、貯水部19は収納容器11に固定されているが、固定方法は所定の機械的強度を有する接合手段、例えば溶接、ろう付け、接着、ねじ、リベットなど容易に分離しない方法であればいずれを用いてもよい。
Returning to FIG. 1, in the
貯水部19の下端は、合流部20を介して水素排出経路15に接続されている。合流部20は配管として構成されており、貯水部19に貯留された水分は合流部20を介して水素排出経路15に供給され、水素排ガスとともに外部に排出される。なお、合流部20と水素排出経路15が本発明の排出手段に相当している。
The lower end of the
また、合流部20は空気排出経路(図示せず)に接続させ、貯水部19を空気排ガスとともに外部に排出されるようにしてもよい。この場合、合流部20は、水素排出経路15または空気排出経路(図示せず)の少なくとも一方に合流するようにすればよい。
Further, the merging
ここで、凝縮部17によって空気中に蒸気として含まれる水分を凝縮させるのに必要な伝熱面積の求め方について説明する。以下の説明は、飽和蒸気がそれより低温部位との接触により凝縮が発生するとの現象に基くとし、さらに凝縮部17における凝縮が、凝縮部17の冷却面(伝熱部18)全体を凝縮水が膜状に覆って流下するいわゆる膜状凝縮であると仮定して行う。
Here, how to obtain the heat transfer area necessary for condensing moisture contained in the air as steam by the condensing
凝縮部17における凝縮によって奪われる熱量Qを、対流伝熱における熱交換を適用し、数式1で表すことができる。なお、数式1では、対流伝熱における熱交換を適用しているが、熱伝導あるいは熱輻射を適用した場合でも、同様に伝熱面積Aを求めることができる。
(数1)
Q=h×A×ΔT×t
ここで、Q:凝縮によって奪われる熱量[J/sec]、h:境膜伝熱係数[J/m2・sec・℃]、A:伝熱面積[m2]、ΔT:温度差[℃]、t:経過時間[sec]とする。
The amount of heat Q taken away by condensation in the condensing
(Equation 1)
Q = h × A × ΔT × t
Here, Q: amount of heat taken away by condensation [J / sec], h: film heat transfer coefficient [J / m 2 · sec · ° C.], A: heat transfer area [m 2 ], ΔT: temperature difference [° C. ], T: Elapsed time [sec].
次に、凝縮に必要な熱量Q’を数式2で表すことができる。
(数2)
Q’=q×L
ここで、Q’:凝縮に必要な熱量[J]、q:水の凝縮潜熱[J/g]、L:有効空間内の水分量[g]とする。
Next, the amount of heat Q ′ necessary for condensation can be expressed by Equation 2.
(Equation 2)
Q ′ = q × L
Here, Q ′ is the amount of heat necessary for condensation [J], q is the condensation latent heat of water [J / g], and L is the amount of moisture in the effective space [g].
以上から、凝縮によって奪われる熱量Qと、凝縮に必要な熱量Q’を等しいとするとき、すなわちQ=Q’とするときの方程式より、伝熱面積Aを求めることができる。 From the above, the heat transfer area A can be obtained from the equation when the amount of heat Q taken away by condensation is equal to the amount of heat Q ′ necessary for condensation, that is, Q = Q ′.
数式1と数式2から数式3が得られる。
(数3)
h×A×ΔT×t=q×L
この数式3を変形して数式4が得られる。
(数4)
A=(q×L)/(h×ΔT×t)
以下、数式4に具体的な数値を適用して、凝縮部17の伝熱面積Aを求める。
Equation 3 is obtained from Equation 1 and Equation 2.
(Equation 3)
h × A × ΔT × t = q × L
Equation 4 is obtained by transforming Equation 3.
(Equation 4)
A = (q × L) / (h × ΔT × t)
Hereinafter, specific numerical values are applied to Equation 4 to determine the heat transfer area A of the condensing
まず、境膜境膜伝熱係数hは、学術書に代表値として記載されている、膜状凝縮の場合のh=5.000J/m2・sec・℃とする。次に、常温を30℃とし、膨張弁16通過前の水素が30℃、膨張弁16通過後の水素が0℃になると仮定して、温度差ΔT=30℃とする。経過時間tは、凝縮部17で発生した液体状態の水分を貯水部19に集合させるのに要する時間であり、ここではt=600secとする。また、水の凝縮潜熱qは、文献等に記載されている値q=2.400J/gとする。
First, the film-film heat transfer coefficient h is set to h = 5.000 J / m 2 · sec · ° C. in the case of film-like condensation, which is described as a representative value in academic books. Next, assuming that the normal temperature is 30 ° C., the hydrogen before passing through the
さらに、本実施形態で対象とする空間が大気圧で、飽和蒸気圧の空気で満たされていると仮定した場合、有効空間内の水分量Lは数式5で表すことができる。
(数5)
L=R×V
ここで、R:空気の飽和水蒸気量[g/m3]、V:有効空間容積[m3]とする。
Furthermore, when it is assumed that the target space in the present embodiment is an atmospheric pressure and is filled with air having a saturated vapor pressure, the water content L in the effective space can be expressed by Equation 5.
(Equation 5)
L = R × V
Here, R: Saturated water vapor amount [g / m 3 ], V: Effective space volume [m 3 ].
有効空間の雰囲気を、燃料電池の通常作動温度80℃としたとき、空気の飽和水蒸気量Rは、温度80℃での大気圧下ではR=364.5g/m3である。さらに、有効空間容積Vは、収納容器11の容積から燃料電池10ならびに図示しない配管、センサ、バルブ等の付帯機器類の体積を差し引いたものであり、V=0.005m3とする。
When the atmosphere in the effective space is a normal operating temperature of the fuel cell of 80 ° C., the saturated water vapor amount R of air is R = 364.5 g / m 3 under the atmospheric pressure at the temperature of 80 ° C. Further, the effective space volume V, the volume piping the
これらの具体的数値を用いて伝熱面積Aを求めるとA=48.6mm2となる。この伝熱面積Aは、凝縮部17を受放熱部位を多数有する熱交換器とし、水素供給経路10を直径5mmの配管とした場合に、凝縮部17に外径が6mmのフィン(伝熱部18)を3枚設け、受放熱面を6面とすることで実現できる。これにより、他の構成を犠牲にすることなく、凝縮部17を収納容器11の内部に配置可能である。なお、凝縮部17における受放熱部位としてのフィン一枚当たりの厚さ並びに各フィンの配置間隔は、上述の伝熱面積Aを満たし、他の構成を犠牲にしない範囲であれば、自由に設定できる。
When these specific numerical values are used to determine the heat transfer area A, A = 48.6 mm 2 is obtained. The heat transfer area A is defined as follows. When the condensing
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。まず、空気供給装置(図示せず)から空気供給が開始され、水素タンク13から水素供給が開始され、燃料電池10は発電を開始する。凝縮部17では、膨張弁16により断熱膨張された低温低圧の水素と収納容器11内の空気とが熱交換される。
Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described. First, air supply is started from an air supply device (not shown), hydrogen supply is started from the
凝縮部17では、低温水素により空気が冷却されることで空気中に蒸気として含まれる水分が凝縮し、伝熱部18の表面に水滴が付着することになる。凝縮部17で生成した凝縮水は下方に落下して貯水部19で貯留される。そして、貯水部19で貯留されている水分は合流部20を介して水素排出経路15に供給され、水素排ガスとともに外部に排出される。
In the condensing
以上のように、高圧水素を減圧して燃料電池10に供給する際に断熱膨張により水素が低温になることを利用することで、動力を用いることなく、収納容器11内の空気中に蒸気として含まれる水分を凝縮させることができる。また、凝縮させた水分を収納容器11の外部に排出することで、収納容器11内部での結露発生を抑制することができる。
As described above, when the high pressure hydrogen is decompressed and supplied to the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下、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. Only the parts different from the first embodiment will be described below.
図3は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図3に示すように、本実施形態の貯水部19には多孔体21が設けられている。貯水部19に設けられる多孔体21としては、例えば銅、アルミニウム、ステンレスなどからなる発泡金属を用いることができる。
FIG. 3 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the
多孔体21は、毛細管力によって水分を保持することができる。このため、収納容器11に外的要因、例えば車両の走行に伴う振動や衝撃などが作用した場合でも、貯水部17で貯留されている水分が貯水部19の外部に飛散することはない。このため、収納容器11内にある電子部品等への水分の付着を防止することができる。なお、多孔体21は、2種以上の材質から構成することができ、あるいは2種以上の気孔率を採用することができる。このように、異なる材質や気孔率を混在させることで、水分をより確実に保持することができ、水分の飛散防止効果を向上させることができる。
The
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。以下、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. Only the parts different from the first embodiment will be described below.
図4は、本実施形態の凝縮部17の斜視図である。図4に示すように、本実施形態の凝縮部17は、水素供給経路14に筒状の伝熱部22が設けられて構成されている。伝熱部22は、水素供給経路14より径が大きい筒状部材として構成され、伝熱部22の内壁面と水素供給経路14の外壁面が接触している。伝熱部22は、多孔体として構成されている。本実施形態では、伝熱部22として、例えば銅やアルミニウムなどの受放熱に優れる材料からなる発泡金属を用いている。水素供給経路14に伝熱部22を設置する場合には、所定の機械的強度を有する接合手段、例えば溶接、ろう付け、接着、ねじ、リベットなど容易には分離しない方法であればいずれを用いても良い。
FIG. 4 is a perspective view of the condensing
ここで、上記第1実施形態で求めた凝縮部17の伝熱面積Aを、多孔体からなる伝熱部22で実現する場合の体積を求める。多孔体を発泡金属で形成すると仮定し、学術書に記載されている発泡金属の比表面積=10.000m2/m3を適用すると、第1実施形態で求めた伝熱面積A=48.6mm2となるに必要な多孔体の体積Vaは、Va=4.86mm3となる。この体積Vaは、水素供給経路14を直径5mmの配管と仮定した場合、伝熱部22を厚さ0.2mm、長さ2mmの円筒状の発泡金属部材とすることで実現できる。これにより、他の構成を犠牲にすることなく、凝縮部17を収納容器11の内部に配置可能である。
Here, the volume in the case where the heat transfer area A of the condensing
以上の構成によっても、上記第1実施形態の凝縮部17と同様の効果を得ることができる。
Also with the above configuration, the same effect as the condensing
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。以下、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Only the parts different from the first embodiment will be described below.
図5は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図5に示すように、本実施形態では、貯水部19を凝縮部17の直下に設け、貯水部19と凝縮部17を一体的に構成している。貯水部19を凝縮部17を一体化するに当たって、水素供給経路14に設けた保持部材により貯水部17を保持するようにしてもよく、あるいは凝縮部17の一部を成す構成部材により貯水部17を保持するようにしてもよい。貯水部19と凝縮部17を一体化するための接合手段は、溶接、ろう付け、接着、ねじ、リベットなど機械的強度を有しており、容易には分離しない方法であれば、いずれを用いても良い。
FIG. 5 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 5, in this embodiment, the
以上の構成によっても、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 Also with the above configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について説明する。以下、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. Only the parts different from the first embodiment will be described below.
図6は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図6に示すように、本実施形態では、収納容器11における貯水部19の近傍に排水用開口部23が設けられている。貯水部19と排水用開口部23は連通しており、貯水部19に貯留された水分は排水用開口部23から排出される。なお、排水用開口部23が本発明の排出手段に相当している。
FIG. 6 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 6, in this embodiment, a
ここで、本実施形態の収納容器11は移動体(電気自動車)に搭載されており、移動体の走行により収納容器11の内部が外部より低圧になる。このため、移動体の走行に伴う収納容器11の内外の圧力差を利用して、貯水部19に貯留されている水分を排水用開口部23を介して収納容器11の外部に排出することができる。
Here, the
以上の構成によっても、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 Also with the above configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態について説明する。以下、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. Only the parts different from the first embodiment will be described below.
図7は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図7に示すように、本実施形態では、収納容器11の内部に水量検出センサ24が設けられている。水量検出センサ24は、貯水部19に貯留された水量を検出するものであり、本実施形態では水位を検出する水位センサとして構成している。水量検出センサ24としては、浮き子を利用する水位センサあるいは光学式の水位センサなどを用いることができる。なお、水量検出センサ24が本発明の凝縮量検出手段に相当している。
FIG. 7 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 7, in this embodiment, a water
また、本実施形態の膨張弁16は開度を調整可能に構成されている。膨張弁16の開度を調整することで水素の膨張量を調整し、凝縮部17における空気の冷却量を調整して、凝縮部17における凝縮水の生成量を調整することができる。本実施形態の膨張弁16は、水素の膨張量を第1所定値と第1所定値より小さい第2所定値との間で調整するように構成されている。ここで、「水素の膨張量」とは、膨張弁16による調圧値であり、弁開度に等しい。
Moreover, the
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部(ECU)25が設けられている。制御部25は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部25は、水量検出センサ24からの検出信号が入力するとともに、膨張弁16等に制御信号を出力する。貯留部19に貯留される水量は、収納容器11内で凝縮部17により生成された凝縮水量であり、制御部25は、水量検出センサ24の検出値に基づいて膨張弁16による水素の膨張量の制御を行う。
The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 25 that performs various controls. The
次に、本実施形態の燃料電池システムによる膨張弁16の制御方法について説明する。図8は、凝縮部17で発生した水分量と膨張弁16による水素の膨張量との関係を示している。図8において、上段は凝縮部17で生成した水分量の時間的変化を示し、下段は膨張弁16による水素の膨張量の時間的変化を示している。
Next, a method for controlling the
図8に示すように、制御部25は水分量検出センサ23の検出値が所定の上限値に達した場合に、膨張弁16による水素の膨張量を第1所定値から第2所定値に低下させる。これにより、凝縮部17で生成される水分量が低下する。次に、制御部25は水分量検出センサ23の検出値が所定の下限値に達した場合に、膨張弁16による水素の膨張量を第2所定値から第1所定値に上昇させる。これにより、凝縮部17で生成される水分量が増加する。
As shown in FIG. 8, when the detected value of the moisture
以上のように、凝縮部17で生成する水分量が上限値に達した場合は、膨張弁16による水素の膨張量を低下させることで凝縮部17で生成する水分量を抑制でき、凝縮部17で生成する水分量が下限値に達した場合は、膨張弁16による水素の膨張量を増加させることで凝縮部17で生成する水分量を増加させることができる。これにより、凝縮部17で発生する凝縮水量を適切に保つことができ、凝縮部17での冷却不足による収納容器11内での結露発生を防止でき、さらに凝縮部17での冷却過多によって貯水部19から水が溢れて収納容器11内の電子部品等への被水等を回避することができる。
As described above, when the amount of water generated in the condensing
なお、本実施形態では、水分量検出センサ23として貯水部19の水量を検出するように構成したが、これに限らず、収納容器11内の湿度を検出する湿度センサを用いてもよい。湿度センサとしては、絶対湿度計、相対湿度計もしくは露点計を用いることができる。
In the present embodiment, the water
(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態について説明する。以下、上記第6実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. Only the parts different from the sixth embodiment will be described below.
図9は、本実施形態の凝縮部17で発生した水分量と膨張弁16による水素の膨張量との関係を示している。図9に示すように、本実施形態では、膨張弁16による水素の膨張量を、第1所定値から第2所定値まで一定の変化率で減少させ、第2所定値と第1所定値まで一定の変化率で増加させている。
FIG. 9 shows the relationship between the amount of water generated in the condensing
このような構成によっても上記第6実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図9に示した例では、膨著運弁16による水素の膨張量を一定の変化率で変化させたが、必ずしも一定の変化率である必要はなく、例えば正弦、余弦、円弧等の曲線からなる変化率でもよく、一定値を階段状に組み合わせた変化率でもよい。
Even with such a configuration, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained. In the example shown in FIG. 9, the hydrogen expansion amount by the
10…燃料電池、11…収納容器、12…開口部、13…水素タンク、14…水素供給経路、15…水素排出経路、16…膨張弁、17…凝縮部、18…伝熱部、19…貯水部、20…合流部、21…多孔体、22…伝熱部、23…排水用開口部、24…水量検出センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記燃料電池(10)を収納する収納容器(11)と、
高圧の水素が充填され、前記燃料電池(10)に水素を供給する水素タンク(13)と、
前記水素タンク(13)から前記燃料電池(10)に供給される水素が通過する水素供給経路(14)と、
前記水素供給経路(14)において、前記水素タンク(13)から流出した水素を膨張させる膨張手段(16)と、
前記収納容器(11)内に設けられ、前記膨張手段(16)により膨張された水素と前記収納容器(11)内の空気とを熱交換させ、空気中に含まれる水分を凝縮させる凝縮手段(17)と、
前記凝縮手段(17)にて凝縮された水分を前記収納容器(11)の外部に排出する排出手段(15、20、23)とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;
A storage container (11) for storing the fuel cell (10);
A hydrogen tank (13) filled with high-pressure hydrogen and supplying hydrogen to the fuel cell (10);
A hydrogen supply path (14) through which hydrogen supplied from the hydrogen tank (13) to the fuel cell (10) passes;
Expansion means (16) for expanding hydrogen flowing out of the hydrogen tank (13) in the hydrogen supply path (14);
Condensing means (condenser means) provided in the storage container (11) for exchanging heat between the hydrogen expanded by the expansion means (16) and the air in the storage container (11) to condense moisture contained in the air. 17)
A fuel cell system comprising: discharge means (15, 20, 23) for discharging the moisture condensed by the condensation means (17) to the outside of the storage container (11).
前記排出手段は、前記排出経路(15)と、前記凝縮手段(17)で凝縮した水分を前記排出経路(15)に合流させる合流経路(20)とを有しており、前記凝縮手段(17)で凝縮した水分を前記排ガスととともに前記収納容器(11)の外部に排出す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 discharge path (15) for discharging the exhaust gas not used in the electrochemical reaction out of at least one of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell (10) to the outside of the storage container (11);
The discharge means includes the discharge path (15) and a merging path (20) for merging the moisture condensed in the condensation means (17) to the discharge path (15). The fuel cell system according to claim 1, wherein the water condensed in () is discharged together with the exhaust gas to the outside of the storage container (11).
前記凝縮手段(17)による水分の凝縮量を検出する凝縮量検出手段(24)とを備え、
前記制御部(25)は、前記凝縮量検出手段(24)で検出した凝縮量に基づいて前記膨張手段(16)による水素の膨張量を制御することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 A controller (25) for adjusting the amount of hydrogen expansion by the expansion means (16);
A condensation amount detection means (24) for detecting the amount of moisture condensed by the condensation means (17),
The control unit (25) controls the expansion amount of hydrogen by the expansion means (16) based on the condensation amount detected by the condensation amount detection means (24). The fuel cell system according to claim 1.
前記排出手段(16、20、23)は、前記貯水部(19)で貯留されている水分を前記収納容器(11)の外部に排出するように構成され、
前記凝縮量検出手段は、前記貯水部(19)に貯留された水分量を検出する水分量検出手段(23)であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 A water storage part (19) that is provided in the storage container (11) and stores water condensed by the condensing means (17);
The discharge means (16, 20, 23) is configured to discharge moisture stored in the water storage section (19) to the outside of the storage container (11).
The fuel cell system according to claim 4, wherein the condensation amount detection means is a moisture amount detection means (23) for detecting the amount of water stored in the water storage section (19).
前記排出手段(15、20、23)は、前記貯水部(19)で貯留されている水分を前記収納容器(11)の外部に排出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 A water storage part (19) provided in the storage container (11) for storing the water condensed by the condensing means (17);
The said discharge | emission means (15, 20, 23) discharges | emits the water currently stored by the said water storage part (19) to the exterior of the said storage container (11), The any one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. The fuel cell system described in 1.
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JP2013201042A (en) * | 2012-03-26 | 2013-10-03 | Toto Ltd | Fuel cell unit |
CN113644297A (en) * | 2021-08-06 | 2021-11-12 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Fuel cell anode drainage method |
-
2007
- 2007-06-29 JP JP2007171711A patent/JP2009009881A/en not_active Withdrawn
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