JP2018181541A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池を冷却する為の冷却装置とを有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell that generates electric power using a chemical reaction of hydrogen and oxygen (air), and a cooling device for cooling the fuel cell.
従来、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが種々開発されている。このような燃料電池システムにおいては、燃料電池における発電に際して水素及び酸素が供給され、この水素及び酸素を燃料電池で化学反応させることで発電している。この時、燃料電池での化学反応によって、水及び高濃度の水素を含む気体（以下、排気水素という）が発生している。 Conventionally, various fuel cell systems provided with a fuel cell that generates electric power using a chemical reaction between hydrogen and oxygen (air) have been developed. In such a fuel cell system, hydrogen and oxygen are supplied at the time of power generation in the fuel cell, and the hydrogen and oxygen are generated by causing a chemical reaction in the fuel cell. At this time, a chemical reaction in the fuel cell generates water and a gas containing high concentration of hydrogen (hereinafter referred to as exhaust hydrogen).
又、燃料電池システムでは、燃料電池を発電効率のため定温（８０℃程度）に維持する必要があり、発電時に発生する熱のほとんどを、水等の熱媒体を介してラジエータ（空冷式の冷却装置）により大気に放出している。 Further, in the fuel cell system, it is necessary to maintain the fuel cell at a constant temperature (about 80 ° C.) for power generation efficiency, and most of the heat generated at the time of power generation is a radiator (air cooling type cooling) via a heat medium such as water. Device) to the atmosphere.
このような燃料電池システムに関する技術として、特許文献１、２に記載された発明が知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池における化学反応で発生する排気水素を、燃料電池から排気される他の気体によって、安全な水素濃度まで希釈して、大気中に放出するように構成されている。
The invention described in
この特許文献１に記載された燃料電池システムでは、排気水素を充分に希釈して放出することで、車外の路上等に何らかの火種が存在した場合の排気水素によるアフターバーン（後燃焼）のような瞬間的な燃焼の危険性を低減しており、燃料電池システムとしての安全性を高めている。 In the fuel cell system described in this patent document 1, after exhaust hydrogen is sufficiently diluted and released, such as afterburn due to exhaust hydrogen when there is any kind of fire on the road etc. outside the vehicle It reduces the risk of instantaneous combustion and enhances the safety of the fuel cell system.
一方、特許文献２に記載された燃料電池システムは、燃料電池の化学反応で発生する水を気液分離器で回収し、回収した水を冷却装置であるラジエータに散布するように構成されている。
On the other hand, the fuel cell system described in
従って、特許文献２の燃料電池システムは、散布した水の蒸発潜熱によってラジエータの冷却性能を向上させることができる。即ち、特許文献２に記載された燃料電池システムは、高負荷時における燃料電池の温度を一定範囲内に維持して、燃料電池の安定発電に寄与することができる。
Therefore, the fuel cell system of
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池における化学反応によって発生する排気水素に対する適切な措置を講じているが、化学反応によって発生する水分に関しては、十分な措置が講じられていない。 However, although the fuel cell system described in Patent Document 1 takes appropriate measures for the exhaust hydrogen generated by the chemical reaction in the fuel cell, sufficient measures have been taken for the water generated by the chemical reaction. Absent.
又、特許文献２に記載された燃料電池システムでは、燃料電池における化学反応で発生する水分を、冷却装置の冷却に用いて有効に活用しているが、同じ化学反応によって発生する排気水素に関しては、その危険性等に関して何等考慮されていない。
Further, in the fuel cell system described in
本発明は、これらの点に鑑みてなされており、燃料電池システムとしての安全性を高めつつ、化学反応で発生する水及び排気水素に対して適切な措置を施すことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and provides a fuel cell system capable of taking appropriate measures for water generated by chemical reaction and exhaust hydrogen while enhancing safety as a fuel cell system. The purpose is to
前記目的を達成するため、請求項１に記載の燃料電池システムは、
水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
熱媒体を用いて熱交換することで燃料電池を冷却する冷却装置（４）と、
燃料電池から排気される排気水素が流れる第１排気通路（１１）と、
燃料電池に供給された酸素を含む気体に基づいて、燃料電池から排気される排気ガスが流れる第２排気通路（１０）と、
第１排気通路及び第２排気通路に接続され、排気ガスによって排気水素を希釈して放出する為の排気合流部（１２）と、
化学反応で発生する水分を水蒸気と水に分離する気液分離器（１３）と、
気液分離器によって分離された水を冷却装置に散布する為の散布用流路（１６）と、
散布用流路を流れる水を冷却装置に散布する散布部（１７、１８）と、を有し、
気液分離器は、第２排気通路における排気合流部の上流側に配置されている。
In order to achieve the above object, the fuel cell system according to claim 1 is
A fuel cell (1) that produces electric power by causing hydrogen and oxygen to react chemically;
A cooling device (4) for cooling the fuel cell by heat exchange using a heat medium;
A first exhaust passage (11) through which exhaust hydrogen exhausted from the fuel cell flows;
A second exhaust passage (10) through which the exhaust gas exhausted from the fuel cell flows based on the gas containing oxygen supplied to the fuel cell;
An exhaust merging portion (12) connected to the first exhaust passage and the second exhaust passage for diluting and discharging exhaust hydrogen by the exhaust gas;
A gas-liquid separator (13) for separating water generated by chemical reaction into water vapor and water;
A spray channel (16) for spraying water separated by the gas-liquid separator to a cooling device;
And a spraying section (17, 18) for spraying water flowing in the spraying flow path to the cooling device;
The gas-liquid separator is disposed upstream of the exhaust merging portion in the second exhaust passage.
当該燃料電池システムによれば、排気合流部によって、第１排気通路の排気水素を第２排気通路の排気ガスで希釈して放出することができるので、排気水素濃度を十分に低減させることができ、燃料電池システムの安全性を高めることができる。 According to the fuel cell system, it is possible to dilute the exhaust hydrogen in the first exhaust passage with the exhaust gas in the second exhaust passage and release the exhaust hydrogen by the exhaust merging portion, so the exhaust hydrogen concentration can be sufficiently reduced. The safety of the fuel cell system can be enhanced.
又、当該燃料電池システムによれば、気液分離器によって、化学反応で発生する水分を水蒸気と水に分離し、分離された水を、散布用流路、散布部を介して、冷却装置に散布することができる。これにより、当該燃料電池システムは、化学反応で発生する水を有効に活用して、冷却装置の冷却性能を高めることができる。 Further, according to the fuel cell system, the water generated by the chemical reaction is separated into water vapor and water by the gas-liquid separator, and the separated water is transferred to the cooling device via the dispersion channel and the dispersion section. It can be spread. Thus, the fuel cell system can effectively utilize the water generated by the chemical reaction to improve the cooling performance of the cooling device.
ここで、気液分離器が第２排気通路における排気合流部の下流側に配置されている場合には、排気合流部で合流した排気水素を含む気体が気液分離器内に流入することになる。この時、気液分離器の水量が少ない場合には、排気水素を含む気体が散布用流路、散布部を介して、車外に放出されるため、車外の路上等に何らかの火種が存在し、且つ希釈用の気体が不足した場合、排気水素によるアフターバーン（後燃焼）のような瞬間的な燃焼が発生する危険性がより高くなってしまう。 Here, when the gas-liquid separator is disposed on the downstream side of the exhaust merging portion in the second exhaust passage, a gas containing exhaust hydrogen merged at the exhaust merging portion flows into the gas-liquid separator. Become. At this time, when the amount of water in the gas-liquid separator is small, the gas containing exhaust hydrogen is released to the outside of the vehicle through the diffusion channel and the diffusion part, so some fire species exist on the road etc. In addition, when the dilution gas is insufficient, the risk of instantaneous combustion such as afterburn due to exhaust hydrogen increases.
この点、当該燃料電池システムによれば、気液分離器が第２排気通路における排気合流部の上流側に配置されている為、排気合流部における排気水素を含む気体は排気合流部の下流側の系外へ希釈されて放出される。即ち、当該燃料電池システムによれば、排気合流部の上流側に位置する気液分離器に、排気水素を含む気体が流入することを防止でき、燃料電池システムとしての安全性を高めることができる。 In this respect, according to the fuel cell system, since the gas-liquid separator is disposed upstream of the exhaust merging portion in the second exhaust passage, the gas containing exhaust hydrogen in the exhaust merging portion is downstream of the exhaust merging portion Out of the system and released. That is, according to the fuel cell system, the gas containing the exhaust hydrogen can be prevented from flowing into the gas-liquid separator located upstream of the exhaust merging portion, and the safety of the fuel cell system can be enhanced. .
これにより、当該燃料電池システムは、燃料電池システムとしての安全性を高めつつ、化学反応で発生する水の有効活用と、排気水素に対する適切な措置を両立させることができる。 As a result, the fuel cell system can improve the safety of the fuel cell system, and achieve both the effective use of water generated by the chemical reaction and the appropriate measures for exhaust hydrogen.
尚、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施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 parenthesis of each means described by this column and the claim shows correspondence with the specific means as described in the embodiment mentioned later.
以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments will be described based on the drawings. In the following embodiments, parts that are the same as or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings.
先ず、本実施形態に係る燃料電池システム１００の構成について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用されており、走行用電動モータやバッテリ等の電気機器（図示せず）に対して、燃料電池１で発電された電力を供給するように構成されている。
First, the configuration of a
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を有している。当該燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、多数のセルを組み合わせて構成されている。各セルは、電解質膜を一対の電極で挟み込んで形成されている。
As shown in FIG. 1, a
燃料電池１には、空気通路２を介して、酸素を含む空気が供給される。この空気通路２には、エアポンプ６が配置されており、エアポンプ６の作動によって空気を圧送して燃料電池１に供給することができる。又、燃料電池１には、水素通路３を介して水素が供給される。
The fuel cell 1 is supplied with air containing oxygen through the
そして、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。従って、当該燃料電池１は、本発明における燃料電池として機能する。
（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
当該電気化学反応の為には、燃料電池１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。当該燃料電池システム１００は、燃料電池１に供給される空気及び水素に加湿を行い、これらの加湿されたガスを燃料電池１に供給することで、燃料電池１内の電解質膜を加湿するように構成されている。
Then, in the fuel cell 1, the following electrochemical reaction of hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy. Therefore, the fuel cell 1 functions as a fuel cell in the present invention.
(Negative electrode side) H 2 → 2 H + + 2 e −
(Positive electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
For the electrochemical reaction, the electrolyte membrane in the fuel cell 1 needs to be in a wet state containing water. The
そして、燃料電池１では、発電の際の電気化学反応により熱及び水分が発生する。当該燃料電池１の発電効率を考慮すると、燃料電池１は、燃料電池システム１００が作動している間、一定温度（例えば８０℃程度）に維持されている必要がある。
Then, in the fuel cell 1, heat and moisture are generated by the electrochemical reaction at the time of power generation. In consideration of the power generation efficiency of the fuel cell 1, the fuel cell 1 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) while the
又、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されてしまう。この為、燃料電池１の温度が許容温度以下となるようにしておく必要がある。従って、燃料電池システム１００においては、燃料電池１の適切な温度範囲に制御することが重要となる。
In addition, when the electrolyte membrane inside the fuel cell 1 exceeds a predetermined allowable upper limit temperature, the electrolyte membrane is broken due to high temperature. Therefore, it is necessary to keep the temperature of the fuel cell 1 below the allowable temperature. Therefore, in the
図１に示すように、当該燃料電池システム１００には、冷却水回路が配置されており、熱媒体としての冷却水を用いて、燃料電池１を冷却して当該燃料電池１の温度を制御している。この熱媒体である冷却水としては、低温時における凍結を防止する為に、例えば、エチレングリコールと水の混合溶液を用いることができる。
As shown in FIG. 1, a cooling water circuit is disposed in the
当該冷却水回路は、ラジエータ４と、ファン５と、冷却水流路７と、ウォータポンプ８とを有して構成されており、燃料電池１とラジエータ４の間で冷却水を循環させることで、燃料電池１で発生した熱を系外へ放出するように構成されている。
The cooling water circuit is configured to include the radiator 4, the fan 5, the cooling
ラジエータ４は、燃料電池１で発生した熱を系外に放熱するように構成された熱交換器である。当該燃料電池システム１００においては、冷却水回路の冷却水は、燃料電池１を流れる過程で、電気化学反応で発生した熱を吸熱して流出し、冷却水流路７を介して、ラジエータ４へ流入する。ラジエータ４では、冷却水と大気との熱交換が行われ、冷却水の熱が大気に放熱される。その後、冷却水は、ラジエータ４から燃料電池１へ向かって流れ、冷却水回路の冷却水流路７を循環する。
The radiator 4 is a heat exchanger configured to dissipate the heat generated by the fuel cell 1 to the outside of the system. In the
即ち、ラジエータ４は、熱媒体としての冷却水との熱交換によって、燃料電池１の電気化学反応で生じた熱を放熱して燃料電池１を冷却している。従って、当該ラジエータ４は本発明における冷却装置として機能する。 That is, the radiator 4 radiates the heat generated by the electrochemical reaction of the fuel cell 1 by heat exchange with the cooling water as a heat medium to cool the fuel cell 1. Therefore, the radiator 4 functions as a cooling device in the present invention.
又、当該ラジエータ４は、ファン５を有している。ファン５は、ラジエータ４における熱交換対象である外気をラジエータ４に送風することで、ラジエータ４における冷却水の熱交換を補助している。 Further, the radiator 4 has a fan 5. The fan 5 assists the heat exchange of the cooling water in the radiator 4 by blowing the outside air which is the heat exchange object in the radiator 4 to the radiator 4.
ウォータポンプ８は、燃料電池１とラジエータ４を含む循環径路としての冷却水流路７に配置されており、冷却水を圧送することで、冷却水流路７内において冷却水を循環させている。
The
当該燃料電池システム１００では、冷却水回路における冷却水の温度制御は、ウォータポンプ８による流量制御、ファン５の送風量制御によって行われる。そして、冷却水流路７における燃料電池１の出口側には、水温センサ９が配置されている。当該水温センサ９は、燃料電池１の出口側から流出する冷却水温度を検出する。
In the
そして、当該燃料電池システム１００において、燃料電池１には、排気空気通路１０と排気水素通路１１が接続されている。排気空気通路１０は、燃料電池１における電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素を含む気体（以下、排気空気という）を燃料電池システム１００外に排出する為の通路である。この排気空気は、本発明における排気ガスに相当する。一方、排気水素通路１１は、燃料電池１における電気化学反応に用いられなかった未反応の水素を燃料電池システム１００外に排出する為の通路である。
In the
排気空気通路１０上には、排気合流部１２が配置されている。排気合流部１２には、排気空気通路１０の端部が接続されている。従って、排気合流部１２は、排気水素通路１１を流れる排気水素を、排気空気通路１０を流れる排気空気に合流させて希釈することができる。
An
この排気合流部１２おいては、排気水素は排気空気によって希釈され、燃料電池システム１００外の大気中に放出される。当該排気合流部１２は、いわゆる希釈器によって構成することができる。
In the
ここで、当該燃料電池システム１００において、燃料電池１における電気化学反応によって発生した水分は、燃料電池１から排気空気通路１０を介して、排気空気に含まれた状態で排出される。
Here, in the
この為、燃料電池１の下流側にあたる排気空気通路１０上には、気液分離器１３が配置されている。図１に示すように、当該気液分離器１３は、排気空気通路１０上において、燃料電池１の下流側で、且つ、排気合流部１２の上流側に配置されている。図２に示すように、排気空気通路１０は、気液分離器１３の上部に接続されている。
For this reason, a gas-
当該気液分離器１３は、燃料電池１での発電の際に発生した水分を、排気空気通路１０を流れる排気空気と共に回収し、水蒸気と水に分離する。即ち、気液分離器１３は、本発明における気液分離器として機能する。
The gas-
そして、気液分離器１３で分離された水蒸気は、排気空気として排気合流部１２を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。一方、気液分離器１３で分離された水は、図２に示すように、凝縮により温度が下げられた状態で気液分離器１３内の貯留部１４に一旦貯留される。
Then, the water vapor separated by the gas-
そして、気液分離器１３には、水位センサ１５が配置されている。当該水位センサ１５は、気液分離器１３の貯留部１４内に貯留されている水（以下、貯留水という）の水位ＷＬを検出する。尚、本実施形態における水位ＷＬは、図２に示すように、貯留部１４の底面を基準とした貯留部１４内における貯留水の水面高さを意味する。
A
図１、図２に示すように、当該燃料電池システム１００は、気液分離器１３の貯留部１４内に貯留された貯留水をラジエータ４の冷却に利用可能に構成されている。気液分離器１３の下部には、散布用流路１６が接続されており、排気空気通路１０よりも下方に位置している。当該散布用流路１６は、気液分離器１３内の貯留部１４と連通している為、貯留部１４内の貯留水を気液分離器１３外部へ導出することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
尚、本実施形態における散布用流路１６の接続位置ＣＬは、図２に示すように、貯留部１４の底面を基準として、散布用流路１６の内面のうち最も上方に位置する面の高さを意味する。
In addition, as shown in FIG. 2, the connection position CL of the
図１に示すように、当該散布用流路１６は、気液分離器１３の下部からラジエータ４に向かって伸びており、ラジエータ４側の端部に、水を霧状に散布（噴射）する為の散水ノズルを有している。
As shown in FIG. 1, the
そして、散布用流路１６上には、散布用ポンプ１７と流量調整弁１８が配置されている。当該燃料電池システム１００においては、散布用ポンプ１７を作動させることによって、気液分離器１３における貯留部１４内の貯留水を流量調整弁１８へ圧送する。
And, on the
又、流量調整弁１８は、散布用流路１６における弁開度を調整可能に構成されており、散布用流路１６からラジエータ４に散布される貯留水の散布流量を調整することができる。従って、散布用流路１６、散布用ポンプ１７、流量調整弁１８は、本発明における散布部として機能する。
Further, the flow
そして、図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、制御装置１９を有している。当該制御装置１９は、燃料電池システム１００を構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部であり、本発明における制御部として機能する。当該制御装置１９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。
And as shown in FIG. 1, the
制御装置１９の入力側には、燃料電池１、水温センサ９及び水位センサ１５が接続されている。従って、制御装置１９は、燃料電池１の出力や水温センサ９による冷却水温度、及び、気液分離器１３内における貯留水の水位ＷＬを取得することができる。
The fuel cell 1, the
又、制御装置１９の出力側には、散布用ポンプ１７や流量調整弁１８等の各制御対象機器が接続されている。従って、当該制御装置１９のＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、燃料電池システム１００の作動を制御することができる。そして、制御装置１９のＲＯＭには、後述する貯留水の散布に関する制御プログラムや各種制御マップも記憶されている。この制御プログラム等の内容については後述する。
Further, on the output side of the
続いて、本実施形態に係る燃料電池システム１００において、気液分離器１３による貯留水を利用して、ラジエータ４を冷却する場合の作動制御について、図３を参照しつつ説明する。燃料電池システム１００の作動が開始されると、制御装置１９は、図３に示す制御プログラムをＲＯＭから読み出して、ＣＰＵによって実行する。
Subsequently, in the
ステップＳ１において、燃料電池システム１００の作動が開始されると、先ず、燃料電池１が図示しない加熱手段によって発電可能温度まで加熱される。燃料電池１が発電可能温度になると、エアポンプ６の作動が開始され、空気通路２を介して、燃料電池１に酸素を含む空気の供給が開始される。同時に、水素通路３を介して。燃料電池１に対する水素の供給が開始される。これにより、燃料電池１における発電が開始される。
In step S1, when the operation of the
この発電時における電気化学反応によって燃料電池１では水分と熱が発生する。水分は排気空気通路１０を介して、排気空気に含まれた状態で燃料電池１から気液分離器１３内に流入する。排気空気に含まれる水分は、気液分離器１３で水蒸気と水に分離される。水蒸気は、気液分離器１３から排気合流部１２へ向かって流出し、分離された水は気液分離器１３の貯留部１４内部に貯留される。
At the time of power generation, water and heat are generated in the fuel cell 1 by the electrochemical reaction. Water flows from the fuel cell 1 into the gas-
燃料電池１における電気化学反応に用いられなかった未反応の排気水素は、排気水素通路１１を介して、排気合流部１２に流入する。当該排気合流部１２において、当該排気水素は、気液分離器１３から流入した排気空気によって希釈され、通常、燃料電池システム１００外の大気中に放出される。
Unreacted exhaust hydrogen which has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell 1 flows into the
そして、燃料電池１における電気化学反応で発生した熱は、冷却水流路７内の冷却水を介して、ラジエータ４から大気中に放出される。又、気液分離器１３内部の貯留水は、以下の制御により、ラジエータ４の冷却性能の向上に用いられ、ひいては、高負荷時における安定発電の為に用いられる。
Then, the heat generated by the electrochemical reaction in the fuel cell 1 is released from the radiator 4 to the atmosphere via the cooling water in the cooling
ステップＳ２においては、水温センサ９によって検出された冷却水温度が制御装置１９に入力される。この冷却水温度は、燃料電池１における電気化学反応で発生した熱の吸熱によって上昇する為、燃料電池１の温度に強い相関を有しており、燃料電池１の温度状況を示すパラメータである。
In step S2, the coolant temperature detected by the
ステップＳ３では、水温センサ９で取得された冷却水温度が予め定められた基準温度以上であるか否かが判断される。この基準温度は、燃料電池１における発電に伴って燃料電池１が高温状態となっている場合の冷却水温度を示しており、例えば、９０℃である。
In step S3, it is determined whether the cooling water temperature acquired by the
換言すると、ステップＳ３では、燃料電池１に生じている熱量がラジエータ４の放熱能力を超え、ラジエータ４に対する貯留水の散布が必要であるか否かが判断されている。冷却水温度が基準温度以上である場合はステップＳ４に進み、冷却水温度が基準温度以上でない場合はステップＳ７に移行する。 In other words, in step S3, it is determined whether the amount of heat generated in the fuel cell 1 exceeds the heat dissipation capacity of the radiator 4 and that the dispersion of the stored water to the radiator 4 is necessary. If the coolant temperature is equal to or higher than the reference temperature, the process proceeds to step S4, and if the coolant temperature is not equal to or higher than the reference temperature, the process proceeds to step S7.
ステップＳ４においては、排気空気通路１０における排気空気の流れがあるか否かが判断される。即ち、排気空気通路１０における排気空気の流量が０より大きいか否かが判断される。排気空気通路１０における排気空気の流れがある場合は、ステップＳ６に進み、排気空気通路１０における排気空気の流れがない場合は、ステップＳ５に移行する。
In step S4, it is determined whether there is a flow of exhaust air in the
当該ステップＳ４における判断処理は、排気空気通路１０における排気空気の流れの有無を判断することができれば、排気空気の流れに相関を有する様々な物理量によって判断することができる。例えば、排気空気通路１０の上流側に位置する空気通路２における空気の流量や、エアポンプ６の作動を示すパラメータ（例えば、回転数や圧力等）を用いて判断することも可能である。
The determination process in step S4 can be made by various physical quantities having correlation with the flow of exhaust air, if the presence or absence of the flow of exhaust air in the
ステップＳ５においては、気液分離器１３における貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬよりも高いか否かが判断される。具体的に、ステップＳ５の判断処理は、水位センサ１５によって検出された貯留水の水位と、規定値である散布用流路１６の接続位置ＣＬとを比較して行われる。
In step S5, it is determined whether the water level WL of the stored water in the gas-
換言すると、このステップＳ５では、散布用流路１６が貯留水によって満たされているか否かを判断している。即ち、気液分離器１３内部の気体が散布用流路１６を介してラジエータ４側に排出される虞に関する危険性を判定している。貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬより高い場合、ステップＳ６に進み、貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬ以下である場合、ステップＳ７に移行する。
In other words, in step S5, it is determined whether the
ステップＳ６に移行すると、気液分離器１３内の貯留水がラジエータ４に対して散布される。具体的には、制御装置１９が散布用ポンプ１７、流量調整弁１８を制御することによって、気液分離器１３内の貯留水が散布用流路１６からラジエータ４に散布される。この時、制御装置１９は、水温センサ９で検出された冷却水温度等から、ラジエータ４に対する貯留水の必要散布量を算出し、これに基づいて散布用ポンプ１７及び流量調整弁１８を作動させる。
At
これにより、当該燃料電池システム１００では、気液分離器１３の貯留水がラジエータ４に散布（供給）される。そして、当該燃料電池システム１００は、散布された貯留水の蒸発潜熱（吸熱）によって、ラジエータ４の放熱能力を向上させて、効果的に冷却水流路７を循環する冷却水の温度を低下させることができる。
Thus, in the
この結果、当該燃料電池システム１００は、高負荷時におけるラジエータ４の放熱能力を向上させることができるので、高負荷時における燃料電池１による発電を安定して行うことができる。
As a result, since the
又、気液分離器１３の貯留部１４に貯留されている貯留水は、凝縮により低温状態で生成されている。低温の貯留水をラジエータ４に散布することで、冷却水との温度差が広がり、効果的に冷却水の冷却を行うことができる。又、気液分離器１３内に水を貯留しておくことで、冷却のため緊急に大量の水が必要な場合でも対応できる。
Moreover, the storage water stored in the
そして、ステップＳ７においては、燃料電池システム１００の作動を停止するか否かが判断される。この判断処理は、例えば、燃料電池システム１００の作動停止に関する操作が行われたか否かに基づいて判断される。作動停止に関する操作には、例えば、電気自動車（燃料電池車両）に対するキーオフ操作が含まれる。燃料電池システム１００の作動を停止させる場合には、この制御プログラムの実行を終了する。一方、燃料電池システム１００の作動を停止させない場合には、ステップＳ２に戻り、上述した各ステップを実行する。
Then, in step S7, it is determined whether to stop the operation of the
当該燃料電池システム１００によれば、図３に示す制御プログラムに従って各制御対象機器の作動を制御することで、燃料電池１の電気化学反応で発生した水分を、気液分離器１３で回収し、貯留水としてラジエータ４に散布することができる。これにより、当該燃料電池システム１００は、ラジエータ４の放熱能力の向上を図ることができるので、高負荷時における燃料電池１の発電の安定性を高めることができる。
According to the
当該燃料電池システム１００において、気液分離器１３は、排気空気通路１０及び排気水素通路１１が合流する排気合流部１２と、排気空気通路１０を介して接続されている。即ち、排気合流部１２内における排気水素を含む気体が、排気空気通路１０を介して、気液分離器１３内に流入する可能性がある。
In the
又、気液分離器１３の貯留部１４には、ラジエータ４に向かって伸びる散布用流路１６が接続されている。この為、気液分離器１３内に排気水素を含む気体が流入してしまうと、当該排気水素を含む気体が、散布用流路１６を介して、車外に放出され、車外の路上等に何らかの火種が存在した場合、排気水素によるアフターバーン（後燃焼）のような瞬間的な燃焼が発生する危険性が生じてしまう。
Further, a
この点、当該燃料電池システム１００においては、気液分離器１３の貯留水をラジエータ４に散布する際に、ステップＳ４において、排気空気通路１０における排気空気の流れの有無が判定される。
In this respect, in the
排気空気通路１０における排気空気の流れがあれば、排気合流部１２における排気水素を含む気体は、排気空気の流れに従って、十分に希釈された状態で燃料電池システム１００の外部に排出される。換言すると、排気水素を含む気体が、排気空気の流れに逆らって排気合流部１２から気液分離器１３内部に流入することはない。
If there is a flow of the exhaust air in the
従って、当該燃料電池システム１００によれば、気液分離器１３内の貯留水のラジエータ４に対する散布を行う際に、散布用流路１６を介して、排気水素を含む気体を車外に放出することはなく、燃料電池システム１００としての安全性を高めることができる。
Therefore, according to the
又、当該燃料電池システム１００では、気液分離器１３の貯留水をラジエータ４に散布する際に、ステップＳ５において、貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬよりも高いか否かが判定される。
Further, in the
図２に示すように、気液分離器１３内において、貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬよりも高い場合には、散布用流路１６内部は貯留水が満ちた状態であるといえる。従って、仮に、気液分離器１３内に排気水素を含む気体が流入していたとしても、当該排気水素を含む気体は、貯留部１４及び散布用流路１６内に貯留水が存在する為、散布用流路１６内に侵入することはない。
As shown in FIG. 2, in the gas-
従って、当該燃料電池システム１００によれば、気液分離器１３内の貯留水のラジエータ４に対する散布を行う際に、このステップＳ５の判断処理を行うことで、散布用流路１６を介して、排気水素を含む気体を車外に放出することを確実に防止することができる。これにより、当該燃料電池システム１００は、散布用流路１６を介して車外に排気水素が放出されることがなく、燃料電池システム１００としての安全性を高めることができる。
Therefore, according to the
本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１における電気化学反応で発生する水分を有効に活用して、燃料電池１による発電の安定性を向上させると共に、燃料電池１における電気化学反応で生じる排気水素を排気空気によって希釈し、排気水素に対する適切な措置を施すことができる。
According to the
更に、当該燃料電池システム１００によれば、電気化学反応で発生した水分の活用と、排気空気による排気水素の希釈とを両立したことに伴って可能となった気液分離器１３を介した排気水素を含む気体の移動に対しても、排気合流部１２に対する気液分離器１３の配置や、ラジエータ４に対する貯留水の散布に対する作動を制御することで、燃料電池システム１００としての安全性を確保することができる。
Furthermore, according to the
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気合流部１２によって、排気水素通路１１を流れた排気水素を、排気空気通路１０を流れる排気空気で希釈して放出することができる。これにより、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池システム１００外へ排気水素を放出する際に適切な措置を講じることが可能となり、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
As described above, according to the fuel cell system according to the present embodiment, exhaust hydrogen flowing through the
又、当該燃料電池システムによれば、気液分離器１３によって、電気化学反応で発生する水分を水蒸気と水に分離し、散布用流路１６、散布用ポンプ１７、流量調整弁１８を介して、気液分離器１３で分離された貯留水をラジエータ４に散布することができる。これにより、当該燃料電池システム１００は、燃料電池１における電気化学反応で発生する水を有効に活用して、ラジエータ４の冷却性能を高めて、燃料電池１による発電の安定性を向上させることができる。
Further, according to the fuel cell system, the water generated in the electrochemical reaction is separated into water vapor and water by the gas-
そして、当該燃料電池システム１００においては、排気空気通路１０上に気液分離器１３と排気合流部１２が配置されている。即ち、排気合流部１２内部の排気水素を含む気体が、気液分離器１３、散布用流路１６を介して、ファン５等の他の制御対象機器へ供給される可能性が生じている。
In the
この点、当該燃料電池システム１００によれば、気液分離器１３は、排気空気通路１０における排気合流部１２の上流側に配置されている為、排気合流部１２内の排気水素を含む気体は、排気合流部１２の下流側にあたる燃料電池システム１００外へ希釈されて放出される。即ち、当該燃料電池システム１００によれば、排気合流部１２の上流側に位置する気液分離器１３に、排気水素を含む気体が流入することを防止することができ、燃料電池システム１００としての安全性を高めることができる。
In this respect, according to the
これにより、当該燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００としての安全性を高めつつ、化学反応で発生する水の有効活用と、排気水素に対する適切な措置を両立させることができる。
As a result, the
又、当該燃料電池システム１００によれば、ラジエータ４に対する気液分離器１３内の貯留水の散布は、排気空気通路１０内の排気空気の流れがある場合に行われる。排気空気通路１０における排気空気の流れがある場合には、排気合流部１２内における排気水素を含む気体は、排気空気の流れに従って燃料電池システム１００の外部へ放出されることとなり、排気空気の流れに逆らって、気液分離器１３内に流入することはない。
Further, according to the
従って、この条件のもとで、気液分離器１３における貯留水の散布を実行すれば、当該貯留水によってラジエータ４を冷却する際に、排気水素を含む気体が散布用流路１６を介して、車外に放出されることはない。これにより、当該燃料電池システム１００によれば、散布用流路１６を介して車外に排気水素が放出されることがなく、燃料電池システム１００としての安全性を高めることができる。
Therefore, if the storage water is dispersed in the gas-
そして、当該燃料電池システム１００によれば、排気空気通路１０における排気空気の流れがない場合であっても、気液分離器１３における貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬよりも高い場合には、ラジエータ４に対する気液分離器１３内の貯留水の散布を実行する。
Then, according to the
気液分離器１３における貯留水の水位ＷＬが散布用流路１６の接続位置ＣＬよりも高い場合には、散布用流路１６内は貯留水で満たされている。従って、仮に、排気水素を含む気体が排気合流部１２から気液分離器１３内部に流入した場合であっても、貯留水によってラジエータ４を冷却する際に、排気水素を含む気体が車外に放出されることはない。
When the water level WL of the stored water in the gas-
即ち、当該燃料電池システム１００によれば、散布用流路１６を介して車外に排気水素が放出されることがなく、燃料電池システム１００としての安全性を更に高めることができる。
That is, according to the
（他の実施形態）
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではない。即ち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。例えば、上述した各実施形態を適宜組み合わせても良いし、上述した実施形態を種々変形することも可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited at all to embodiment mentioned above. That is, various improvements and modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. For example, the above-described embodiments may be combined as appropriate, or various modifications of the above-described embodiments may be made.
（１）上述した実施形態においては、燃料電池１として、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いていたが、この態様に限定されるものではない。本発明における燃料電池としては、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を用いることも可能である。 (1) In the embodiment described above, the solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used as the fuel cell 1, but the invention is not limited to this aspect. As a fuel cell in the present invention, it is also possible to use a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) or the like.
（２）又、上述した実施形態においては、ステップＳ３で、水温センサ９にて検出された冷却水温度を用いて、ラジエータ４に対する貯留水の散布の要否を判定していたが、この態様に限定されるものではない。燃料電池１の温度に相関を有する他の物理量に基づいて、燃料電池１の温度状態を判定しても良いし、燃料電池１の温度を測定して判定しても良い。
(2) Further, in the above-described embodiment, whether or not it is necessary to disperse the stored water to the radiator 4 is determined using the cooling water temperature detected by the
（３）又、上述した実施形態では、気液分離器１３内部における貯留水の水位ＷＬを、水位センサ１５によって検出していたが、貯留水の水位ＷＬを特定することができれば、種々の態様を採用することができる。例えば、気液分離器１３内に回収される液水量と、散布用ポンプ１７の駆動量から算出される散布水量との差分によって、気液分離器１３内の貯留水の水位ＷＬを求めても良い。気液分離器１３内に回収される液水量は、燃料電池１の発電電流、空気や水素の流量及び圧力、燃料電池１の温度から算出してもよい。
(3) Moreover, in embodiment mentioned above, although the water level WL of the storage water in gas-
（４）そして、上述した実施形態においては、ラジエータ４に対して貯留水を散布する際に、散布用流路１６の端部に配置された散水ノズルを介して、貯留水を散布していたが、この態様に限定されるものではない。
(4) And, in the embodiment described above, when the storage water is dispersed to the radiator 4, the storage water is dispersed via the water spray nozzle disposed at the end of the
貯留水をラジエータ４に散布する際、貯留水がラジエータ４にて蒸発する際の蒸発潜熱によりラジエータ４の放熱能力を向上させ、効果的に冷却水の温度を低下させることができればよく、種々の方法を採用することができる。例えば、貯留水を水滴状態でラジエータ４本体に散布しても良いし、貯留水を霧状にしてラジエータ４本体に散布（噴霧）しても良い。 When the stored water is sprayed to the radiator 4, the heat radiation capacity of the radiator 4 may be improved by the latent heat of evaporation when the stored water evaporates in the radiator 4, and the temperature of the cooling water may be effectively reduced. The method can be adopted. For example, the stored water may be dispersed in the form of water droplets to the radiator 4 main body, or the stored water may be atomized and sprayed (sprayed) to the radiator 4 main body.
１ 燃料電池
４ ラジエータ
１０ 排気空気通路
１１ 排気水素通路
１２ 排気合流部
１３ 気液分離器
１６ 散布用流路
１７ 散布用ポンプ
１８ 流量調整弁
１００ 燃料電池システム
Reference Signs List 1 fuel cell 4
Claims (3)
熱媒体を用いて熱交換することで前記燃料電池を冷却する冷却装置（４）と、
前記燃料電池から排気される排気水素が流れる第１排気通路（１１）と、
前記燃料電池に供給された前記酸素を含む気体に基づいて、前記燃料電池から排気される排気ガスが流れる第２排気通路（１０）と、
前記第１排気通路及び前記第２排気通路に接続され、前記排気ガスによって前記排気水素を希釈して放出する為の排気合流部（１２）と、
前記化学反応で発生する水分を水蒸気と水に分離する気液分離器（１３）と、
前記気液分離器によって分離された水を前記冷却装置に散布する為の散布用流路（１６）と、
前記散布用流路を流れる水を前記冷却装置に散布する散布部（１７、１８）と、を有し、
前記気液分離器は、前記第２排気通路における前記排気合流部の上流側に配置されている燃料電池システム。 A fuel cell (1) that produces electric power by causing hydrogen and oxygen to react chemically;
A cooling device (4) for cooling the fuel cell by heat exchange using a heat medium;
A first exhaust passage (11) through which exhaust hydrogen exhausted from the fuel cell flows;
A second exhaust passage (10) through which exhaust gas exhausted from the fuel cell flows based on the gas containing oxygen supplied to the fuel cell;
An exhaust merging portion (12) connected to the first exhaust passage and the second exhaust passage for diluting and discharging the exhaust hydrogen by the exhaust gas;
A gas-liquid separator (13) for separating water generated by the chemical reaction into water vapor and water;
A spray channel (16) for spraying the water separated by the gas-liquid separator to the cooling device;
And a spraying unit (17, 18) for spraying water flowing through the spraying flow path to the cooling device,
The fuel cell system, wherein the gas-liquid separator is disposed on the upstream side of the exhaust merging portion in the second exhaust passage.
前記制御部は、前記第２排気通路を前記排気ガスが流れている場合に、前記散布部によって、前記気液分離器で分離された水を前記冷却装置に散布する請求項１に記載された燃料電池システム。 A control unit (19) for controlling the operation of the spray unit;
The controller according to claim 1, wherein the control unit sprays the water separated by the gas-liquid separator to the cooling device by the spraying unit when the exhaust gas flows through the second exhaust passage. Fuel cell system.
前記気液分離器は、前記化学反応で発生する水分から分離した水を貯留するように構成されており、
前記制御部は、前記気液分離器内に貯留されている水の水位（ＷＬ）が前記気液分離器に接続されている前記散布用流路の接続位置（ＣＬ）よりも低い場合に、前記冷却装置に対する前記気液分離器で分離された水の散布を禁止する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 A control unit (19) for controlling the operation of the spray unit;
The gas-liquid separator is configured to store water separated from water generated by the chemical reaction,
When the water level (WL) of the water stored in the gas-liquid separator is lower than the connection position (CL) of the dispersion flow path connected to the gas-liquid separator, the control unit is configured to: The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the distribution of the water separated by the gas-liquid separator to the cooling device is prohibited.
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