JP2020021630A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を冷却する為の冷却装置を有する燃料電池システムにおいて、小型化を図る。【解決手段】空気に含まれる酸素と、水素とを電気化学反応させる燃料電池１０と、空気排ガスを燃料電池１０から排出する空気排出通路１５と、空気排出通路１５に設けられ、空気排ガスの圧力を調整する背圧調整弁１６と、熱媒体を用いて熱交換することで燃料電池１０を冷却する冷却装置２２と、水を貯蔵する貯水部３１と、空気排出通路１５における背圧調整弁１６よりも空気流れ上流側と、貯水部３１とを接続する高圧導入路３３と、貯水部３１の水を冷却装置２２に散布する散布装置３４とを備え、散布装置３４は、空気排ガスの圧力によって圧送される貯水部３１の水を冷却装置２２に散布する。【選択図】図１

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。

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。燃料電池では、発電時の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池は発電効率のため定温（例えば８０℃程度）に維持する必要があり、発電時に発生する熱を、水等の熱媒体を介してラジエータから大気に放出している。

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、回収した水をポンプの作動によってラジエータに散布するように構成されている。当該燃料電池システムは、ラジエータに散布された水の蒸発潜熱により、ラジエータの冷却性能を向上させている。

特開２００１−３１３０５４号公報

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では、水をラジエータに送出するためのポンプ等が必要となり、装置が大型化する。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池を冷却する為の冷却装置を有する燃料電池システムにおいて、小型化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、空気に含まれる酸素と、水素とを電気化学反応させる燃料電池（１０）と、電気化学反応に用いられなかった未反応酸素を含む空気排ガスを燃料電池から排出する空気排出通路（１５）と、空気排出通路に設けられ、空気排ガスの圧力を調整する背圧調整弁（１６）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（２２）と、水を貯蔵する貯水部（３１）と、空気排出通路における背圧調整弁よりも空気流れ上流側と、貯水部とを接続する高圧導入路（３３）と、貯水部の水を冷却装置に散布する散布装置（３４、３６、３７、３８）とを備え、散布装置は、空気排ガスの圧力によって圧送される貯水部の水を冷却装置に散布することを特徴とする。

これにより、燃料電池の空気排ガスの圧力を利用して貯水部内の水を散水用通路に圧送して冷却装置に散布することができる。このため、水を冷却装置に送出するためのポンプ等が不要となり、燃料電池システムを小型化することができる。

また、燃料電池の空気背圧が高くなっている場合には、燃料電池の温度が高くなっていると考えられ、燃料電池を冷却する必要性が高くなっている。このため、燃料電池の空気排ガスの圧力を利用して冷却装置に水を散布することで、燃料電池を適切に冷却することができる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、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。

第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。 閉状態の散水制御弁を示す断面図である。 開状態の散水制御弁を示す断面図である。 燃料電池の出力と空気背圧の関係を示す図である。 第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。 第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。 第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。 第５実施形態の燃料電池システムの概念図である。 第６実施形態の燃料電池システムの概念図である。 第７実施形態の燃料電池システムの概念図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、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。

（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４に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給する。

図１に示すように、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。燃料電池１０は、図示しないインバータ等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータは、燃料電池１０から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ（負荷）に供給してモータを駆動する。

本第１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、基本単位となるセルが複数積層されたスタック構造となっている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。

燃料電池１０には、水素供給通路１１を介して水素が供給され、空気供給通路１２を介して酸素を含む空気が供給される。水素は、例えば図示しない高圧水素タンクから供給される。空気は、空気供給通路１２に設けられた空気供給装置１３によって供給される。

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。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
この電気化学反応のためには、燃料電池１０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。このため、燃料電池１０に供給される水素および空気を加湿し、これらの加湿されたガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０内の電解質を加湿するように構成されている。燃料電池１０に供給される水素および空気の加湿は、図示しない加湿装置等によって行うことができる。

上記電気化学反応に用いられなかった未反応の水素は、水素排出通路１４を介して燃料電池１０から水素排ガスとして排出され、上記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素は、空気排出通路１５を介して燃料電池１０から空気排ガスとして排出される。また、燃料電池１０では電気化学反応により生成水が発生し、この水分は空気排ガスに含まれた状態で、空気排出通路１５を介して燃料電池１０から排出される。

本実施形態では、空気供給装置１３として空気圧縮機を用いており、加圧した空気を加圧吸気として燃料電池１０に供給している。空気供給装置１３は、圧縮機モータ（図示せず）と機械的に接続されている。

空気排出通路１５には、背圧調整弁１６が設けられている。背圧調整弁１６は、弁開度を調整することで、燃料電池１０の空気背圧を調整することができ、燃料電池１０内の空気の圧力を調整することができる。

燃料電池１０は、出力が高くなると温度上昇して電解質が乾燥しやすくなり、発電状態が不安定になるおそれがある。このため、燃料電池１０の出力が高くなると、背圧調整弁１６によって空気背圧を高くし、電解質膜の乾燥を防止している。

燃料電池１０は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する。燃料電池１０は、発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１０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るため、燃料電池１０を許容温度以下に保持する必要がある。

燃料電池システムは、燃料電池１０に冷却水を循環供給する冷却水通路２０を備えている。冷却水としては、低温時の凍結を防止するために、例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。冷却水通路２０には、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ２１が設けられている。

冷却水通路２０には、ラジエータ２２が設けられている。ラジエータ２２は、燃料電池１０により高温となった冷却水と、ファン２３により送風された外気とを熱交換させ、燃料電池１０で発生した熱を系外に放出する熱交換器である。つまり、ラジエータ２２は、熱媒体を用いて熱交換することで燃料電池１０を冷却する冷却装置である。ファン２３の回転は、後述の制御部１００によって制御される。

冷却水通路２０における燃料電池１０の出口側には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する水温センサ２４が設けられている。燃料電池１０から流出した冷却水の温度（つまり、燃料電池１０の出口温度）は、ラジエータ２２に流入する冷却水の温度（つまり、ラジエータ２２の入口温度）ということもできる。

燃料電池１０の空気排ガスが通過する空気排出通路１５には、空気排ガス中から水分を分離するための気液分離器３０が設けられている。気液分離器３０は、空気排ガスに含まれる燃料電池１０の生成水を回収する水回収部を構成している。

気液分離器３０の下方には、気液分離器３０で回収した水を貯蔵するための貯水部３１が設けられている。気液分離器３０と貯水部３１は水通路３２によって接続されている。気液分離器３０で回収された水は、水通路３２を介して貯水部３１に供給される。

貯水部３１は、空気排出通路１５における背圧調整弁１６の上流側と高圧導入路３３によって接続されている。貯水部３１内には、高圧導入路３３から空気排ガスが導入される。空気排ガスは高圧空気であり、貯水部３１内の水は高圧空気によって押し出される。

貯水部３１には、散水用通路３４が接続されている。高圧空気によって貯水部３１内から押し出された水は、散水用通路３４に圧送される。貯水部３１から散水用通路３４に供給される水の圧力は、高圧導入路３３から導入される高圧空気の圧力に対応しており、高圧空気の圧力が高くなると、貯水部３１から供給される水の圧力が高くなる。

貯水部３１の貯蔵水は、散水用通路３４を介してラジエータ２２に供給される。散水用通路３４の先端には図示しない散水ノズルが設けられており、散水用通路３４を流れた水はラジエータ２２の表面に散布される。ラジエータ２２に散布された水は、ラジエータ２２の表面で蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用してラジエータ２２の冷却能力を向上させることができる。

気液分離器３０と貯水部３１を接続する水通路３２には、逆止弁３５が設けられている。逆止弁３５は、貯水部３１から気液分離器３０への流体の流れを防止する。逆止弁３５によって、高圧導入路３３から供給される高圧空気が気液分離器３０に流れることを防止できる。この結果、高圧導入路３３から供給される高圧空気の圧力低下を防止でき、ラジエータ２２への散水に必要な圧力を確保することができる。

散水用通路３４には、散水制御弁３６が設けられている。散水制御弁３６は、貯水部３１から散水用通路３４に供給される水の圧力が所定圧力を下回ると閉鎖し、所定圧力を上回ると開放する圧力制御弁である。なお、散水用通路３４と散水制御弁３６が本発明の散布装置に相当している。

図２、図３に示すように、散水制御弁３６は、ハウジング３６ａ、カバー３６ｂ、弁体３６ｃ、シール部３６ｄ、スプリング３６ｅを備えている。図２に示すように、水の圧力が所定圧力を下回っている場合には、スプリング３６ｅによって弁体３６ｃがハウジング３６ａに押しつけられている。このとき、貯水部３１の水はラジエータ２２に供給されない。図３に示すように、水の圧力が所定圧力を上回ると、スプリング３６ｅが押し縮められ、弁体３６ｃがハウジング３６ａから離れる。これにより、貯水部３１の水がラジエータ２２に供給される。

図４は、燃料電池１０の出力と空気背圧との関係を示しており、燃料電池１０の温度が異なる３つのパターンを示している。なお、図４において、「ＦＣ出力」は燃料電池１０の出力を意味し、「ＦＣ温度」は燃料電池１０の温度を意味している。

図４に示すように、燃料電池１０の温度が低いパターンでは、電解質膜が乾燥しにくいため、空気背圧が低くなっている。このため、燃料電池１０の温度が低いパターンでは、燃料電池１０の出力が高くなっても、貯水部３１から散水用通路３４に供給される水の圧力が所定圧力を上回らないので、散水制御弁３６が開放せず、ラジエータ２２への散水が行われない。

一方、燃料電池１０の温度が高いパターンでは、電解質膜が乾燥しやすいため、空気背圧が高くなっている。このため、燃料電池１０の温度が高いパターンでは、燃料電池１０の出力が高くなると、貯水部３１から散水用通路３４に供給される水の圧力が所定圧力を上回り、散水制御弁３６が開放し、ラジエータ２２への散水が行われる。

図１に示すように、燃料電池システムには、制御部１００が設けられている。制御部１００は、燃料電池システム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る。制御部１００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。

制御部１００には、燃料電池１０から発電状態を示す情報が入力し、水温センサ２４から燃料電池１０の出口温度が入力する。制御部１００から、背圧調整弁１６等の各制御対象機器に制御信号が出力される。制御部１００は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、各制御対象機器の作動を制御することができる。

以上説明した本実施形態によれば、ラジエータ２２に供給される水を貯蔵する貯水部３１と、燃料電池１０の空気排出通路１５における背圧調整弁１６の上流側とを、高圧導入路３３によって接続している。これにより、燃料電池１０の空気排ガスの圧力を利用して貯水部３１内の水を散水用通路３４に圧送してラジエータ２２に散布することができる。このため、水をラジエータ２２に送出するためのポンプ等が不要となり、燃料電池システムを小型化することができる。

また、燃料電池１０の空気背圧が高くなっている場合には、燃料電池１０の温度が高くなっていると考えられ、燃料電池１０を冷却する必要性が高くなっている。このため、燃料電池１０の空気排ガスの圧力を利用してラジエータ２２に水を散布することで、燃料電池１０を適切に冷却することができる。

また、本実施形態では、散水用通路３４に水の圧力が所定圧力を上回った場合に開放する散水制御弁３６を設けている。これにより、燃料電池１０の空気背圧が高くない場合、すなわち燃料電池１０の温度が低い場合には、ラジエータ２２に水が散布されない。このため、燃料電池１０を冷却する必要性が低い場合に、ラジエータ２２への不要な水の散布を防止できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。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。

図５に示すように、本第２実施形態では、散水用通路３４に散水制御弁３６が設けられておらず、高圧導入路３３に空気制御弁３７が設けられている。空気制御弁３７は、空気排出通路１５から高圧導入路３３に供給される空気排ガスの圧力が所定圧力を下回ると閉鎖し、所定圧力を上回ると開放する圧力制御弁である。なお、散水用通路３４と空気制御弁３７は本発明の散布装置に相当している。

本第２実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０の空気背圧が所定圧力を上回ると、空気制御弁３７が開放し、貯水部３１に高圧空気が導入される。これにより、貯水部３１内の水が散水用通路３４に圧送され、ラジエータ２２への散水が行われる。

以上説明した本第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、燃料電池１０の空気排ガスの圧力を利用して貯水部３１内の水を散水用通路３４に圧送してラジエータ２２に散布することができる。このため、水をラジエータ２２に送出するためのポンプ等が不要となり、燃料電池システムを小型化することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本第３実施形態では、散水用通路３４に散水制御弁３８が設けられている。本第３実施形態の散水制御弁３８は、弁開度を任意に調整することで、散水用通路３４を通過する水の流量を任意に調整可能な流量制御弁として構成されている。散水制御弁３８は、制御部１００からの制御信号に基づいて作動する。なお、散水用通路３４と散水制御弁３８が本発明の散布装置に相当している。

制御部１００は、燃料電池１０の出口温度が所定温度を上回った場合に、散水制御弁３８を開放するように制御すればよい。あるいは、制御部１００は、燃料電池１０の出力が所定値を上回った場合に、散水制御弁３８を開放するように制御してもよい。これにより、燃料電池１０を冷却する必要性が高い場合に、ラジエータ２２に水を散布することができる。

また、制御部１００は、散水制御弁３８の開度を調整して、ラジエータ２２への水の散布量を調整するようにしてもよい。例えば、燃料電池１０の出口温度が高いほど、又は燃料電池１０の出力が大きいほど、散水制御弁３８の開度を大きくし、ラジエータ２２への水の散布量を多くすることができる。これにより、燃料電池１０の温度に応じて、ラジエータ２２への水の散布量を適切に調整することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本第４実施形態では、気液分離器３０と貯水部３１を接続する水通路３２に、オンオフ弁３９が設けられている。オンオフ弁３９は、制御部１００からの制御信号に基づいて、水通路３２の流路を開閉する。

燃料電池システムには、外気温を検出する外気温センサ１０１が設けられている。外気温センサ１０１のセンサ信号は制御部１００に入力する。制御部１００は、外気温が所定温度（例えば１０℃）を上回っている場合にオンオフ弁３９を開放し、外気温が所定温度を下回っている場合にオンオフ弁３９を閉鎖する。これにより、外気温が所定温度を下回っている場合には、気液分離器３０から貯水部３１に水が供給されない。このため、冬季のような低温環境下で貯水部３１が満水になることを防止でき、貯蔵水が凍結して貯水部３１が破損することを防止できる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本第５実施形態の貯水部３１には、貯蔵水の水位を検出する液面センサ４０が設けられている。液面センサ４０のセンサ信号は制御部１００に入力する。制御部１００は、外気温が所定温度（例えば１０℃）を下回っており、かつ、貯水部３１の水位が所定値（例えば満水の８割）を上回っている場合に、背圧調整弁１６の開度を絞る。これにより、空気背圧が上昇し、貯水部３１の貯蔵水が散水用通路３４を介して排出される。このため、冬季のような低温環境下で貯水部３１が満水になることを防止でき、貯蔵水が凍結して貯水部３１が破損することを防止できる。

また、液面センサ４０を設けることなく、外気温が所定温度（例えば１０℃）を下回っている場合に、定期的に背圧調整弁１６の開度を絞り、貯水部３１の貯蔵水を排出するようにしてもよい。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態を説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９に示すように、本第６実施形態では、水素排出通路１４の下流側端部が空気排出通路１５における背圧調整弁１６と気液分離器３０の間に接続されている。このため、水素排出通路１４を流れる水素排ガスが空気排出通路１５の空気排ガスに合流し、水素排ガスが空気排ガスとともに気液分離器３０に供給される。

燃料電池１０の電気化学反応で発生した水分の一部は、電解質膜を介して空気極側から水素極側に移動し、水素排ガスに含まれた状態で燃料電池１０から排出される。このため、水素排ガスを空気排ガスとともに気液分離器３０に供給することで、燃料電池１０の水素極側に移動した水分も回収することができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態を説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０に示すように、本第７実施形態では、気液分離器３０が空気排出通路１５における背圧調整弁１６の空気流れ上流側に設けられている。気液分離器３０と貯水部３１は、高圧導入路３３によって接続されている。このため、気液分離器３０で空気排ガスから回収された水分は、高圧導入路３３を介して貯水部３１に供給される。つまり、本第７実施形態の高圧導入路３３は、上記各実施形態の水通路３２を兼ねている。

高圧導入路３３の通路が液水で塞がれると、気液分離器３０から貯水部３１に液水が流れなくなる。このため、高圧導入路３３は充分な流路径（例えば直径１０ｍｍ程度）を確保することが望ましい。

このような本第７実施形態の構成によっても、燃料電池１０の空気排ガスの圧力を利用して貯水部３１内の水を散水用通路３４に圧送してラジエータ２２に散布することができる。このため、水をラジエータ２２に送出するためのポンプ等が不要となり、燃料電池システムを小型化することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記各実施形態では、貯水部３１に気液分離器３０で空気排ガスから回収した水を貯水部３１に供給するように構成したが、これに限らず、貯水部３１に外部から水を供給し、この水をラジエータ２２に散布するようにしてもよい。この場合には、気液分離器３０を省略できる。

１０ 燃料電池
１３ 空気供給装置
１４ 水素排出通路
１５ 空気排出通路
１６ 背圧調整弁
２２ ラジエータ（冷却装置）
３０ 気液分離器
３１ 貯水部
３３ 高圧導入路
３４ 散水用通路（散布装置）
３５ 逆止弁
３６ 散水制御弁（散布装置）
３７ 空気制御弁（散布装置）
３８ 散水制御弁（散布装置）
１００ 制御部

Claims (7)

1. 空気に含まれる酸素と、水素とを電気化学反応させる燃料電池（１０）と、
   前記電気化学反応に用いられなかった未反応酸素を含む空気排ガスを前記燃料電池から排出する空気排出通路（１５）と、
   前記空気排出通路に設けられ、前記空気排ガスの圧力を調整する背圧調整弁（１６）と、
   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（２２）と、
   水を貯蔵する貯水部（３１）と、
   前記空気排出通路における前記背圧調整弁よりも空気流れ上流側と、前記貯水部とを接続する高圧導入路（３３）と、
   前記貯水部の水を前記冷却装置に散布する散布装置（３４、３６、３７、３８）とを備え、
   前記散布装置は、前記空気排ガスの圧力によって圧送される前記貯水部の水を前記冷却装置に散布する燃料電池システム。
2. 前記散布装置は、前記貯水部から前記冷却装置に供給される水が通過する散水用通路（３４）と、前記散水用通路の流路を開閉し、前記冷却装置への水の散布を制御する散水制御弁（３６、３８）とを含んでいる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記散水制御弁（３６）は、前記貯水部から前記散水用通路に供給される水の圧力が所定圧力を上回った場合に開放する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記散布装置は、前記貯水部から前記冷却装置に供給される水が通過する散水用通路（３４）と、前記高圧導入路の流路を開閉し、前記冷却装置への水の散布を制御する空気制御弁（３７）とを含んでおり、
   前記空気制御弁は、前記空気排ガスの圧力が所定圧力を上回った場合に開放する請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池で前記電気化学反応に伴って生成した水を前記空気排ガスから回収する気液分離器（３０）を備え、
   前記貯水部は、前記気液分離器で回収された水を貯蔵する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記気液分離器は、前記空気排出通路における前記背圧調整弁の空気流れ下流側に設けられており、
   前記気液分離器と前記貯水部との間に、前記貯水部から前記気液分離器への流体の移動を制限する逆止弁（３５）が設けられている請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記気液分離器は、前記空気排出通路における前記背圧調整弁の空気流れ上流側に設けられており、
   前記気液分離器と前記貯水部は、前記高圧導入路で接続されている請求項５に記載の燃料電池システム。

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