JP2021121987A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池で生じた生成水を好適に排出して、燃料電池周辺に設置された高電圧部品の被水を防止できること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８と、燃料電池セルから排出される生成水Ｗを貯溜する貯水タンク１５と、貯水タンク内の生成水を霧化する霧化器１６と、燃料電池セルを冷却した後の冷却空気と燃料電池セルから排出された排気ガスとの混合ガスに霧化器にて霧化された生成水を拡散させて、混合ガスと共に排出する排気ボックス１４と、排気ボックス内の温度及び湿度を検出する温湿度センサ２８と、温湿度センサにて検出された温度及び湿度から排気ボックス内の露点を求め、排気ボックス内の温度と排気ボックス内の露点との差分に応じて生成水の霧化量を決定し、この霧化量に基づき霧化器の駆動を制御する制御装置１７とを有して構成されたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池にて生じた生成水を霧化器により霧化して排出する燃料電池ユニットに関する。

特許文献１には、燃料電池と、この燃料電池から排出されるオフガスを生成水とガスに分離する気液分離器と、分離後の生成水を霧化する霧化器とを有し、霧化された生成水を排気口から外部へ排出する燃料電池システムが開示されている。

特開２０１４−１０７２４７号公報

ところが、上述の公報記載の燃料電池システムでは、霧化器にて霧化された生成水が排気口へ至るまでの間に結露してしまい、燃料電池の周辺に設置された高電圧部品が被水する恐れがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、燃料電池で生じた生成水を好適に排出して、燃料電池周辺に設置された高電圧部品の被水を防止できる燃料電池ユニットを提供することにある。

本発明に係る燃料電池ユニットは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される生成水を貯溜する貯水タンクと、前記貯水タンク内の生成水を霧化する霧化器と、前記燃料電池を冷却した後の冷却空気と前記燃料電池から排出された排気ガスとの混合ガスに前記霧化器にて霧化された生成水を拡散させて、前記混合ガスと共に排出する排気ボックスと、前記排気ボックス内の温度及び湿度を検出する温湿度センサと、前記温湿度センサにて検出された温度及び湿度から前記排気ボックス内の露点を求め、前記排気ボックス内の温度と前記排気ボックス内の露点との差分に応じて生成水の霧化量を決定し、この霧化量に基づき前記霧化器の駆動を制御する制御装置と、を有して構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、排気ボックス内の温度と排気ボックス内の露点との差分に応じて、霧化器が霧化すべき生成水の霧化量が決定されるので、霧化器から排気ボックスに排出される霧化された生成水は、排気ボックス内で結露することなく、混合ガス（冷却空気及び排気ガス）と共に排気ボックスから大気中へ排出される。この結果、燃料電池で生じた生成水を好適に排出することができ、燃料電池周辺に設置された高電圧部品の被水を防止できる。

本発明に係る燃料電池ユニットの一実施形態を示す構成図。 図１の排気ボックス内の雰囲気温度と露点との差分と、霧化器による生成水の霧化量との関係を表す霧化量決定マップを示すグラフ。 図１の制御装置による生成水の霧化に関する制御手順を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池ユニットの一実施形態を示す構成図である。この図１に示す燃料電池ユニット１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１１、ダクト１２、送風ファン１３及び排気ボックス１４が、送風ファン１３の軸方向に沿って順次隣接して配置され、更に貯水タンク１５、霧化器１６及び制御装置１７を有して構成される。

燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セル１８が積層されて構成され、各燃料電池セル１８がアノードガスとしての例えば水素（燃料ガス）とカソードガスとしての空気中の例えば酸素（酸化剤ガス）とを化学反応させて発電し、更に水（生成水Ｗ）を生成する。

つまり、各燃料電池セル１８のアノード極には水素タンク２０がレギュレータ２１を介して接続されて、水素タンク２０内の水素ガスがレギュレータ２１により減圧されて、アノードガスとしてアノード極に供給される。各燃料電池セル１８のアノード極から排出される未反応のアノードガスは、コンプレッサ２２により昇圧され逆止弁２３を経てアノード極に再び供給されて循環する。但し、水素濃度が低下したアノードガスは、アノードオフガス（排気ガス）として排気ボックス１４に排出される。

各燃料電池セル１８のカソード極には、エアコンプレッサ２４がインタークーラ２５を介して接続されて、エアコンプレッサ２４により昇圧された空気がインタークーラ２５により冷却されて、カソードガスとしてカソード極に供給される。アノードガス（例えば水素ガス）と反応して発電に寄与した後の空気及び余剰の空気は、カソードオフガス（排気ガス）として排気ボックス１４に排出される。

送風ファン１３は、ダクト１２を介して燃料電池スタック１１に接続され、吸込み負圧を発生させることで、燃料電池１１の上流側に設けられた冷却空気流路２６を用いて、冷却空気（冷却風）を燃料電池スタック１１内に吸引して導入する。この冷却空気により燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８が冷却される。この燃料電池セル１８を冷却して昇温した冷却空気は、排気ボックス１４に排出される。

排気ボックス１４は、送風ファン１３の下流側に隣接配置され、前述の如く、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８を冷却した後の冷却空気、並びに排気ガスとしてのアノードオフガス及びカソードオフガスを導く。排気ボックス１４には、導入した冷却空気及び排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）を大気へ排出するための排気口２７が設けられている。更に排気ボックス１４には、排気ボックス１４内の温度（雰囲気温度）及び湿度（相対湿度）を検出する温湿度センサ２８が設置されている。この温湿度センサ２８の検出値は制御装置１７へ送信される。

貯水タンク１５は、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８にて生成された生成水Ｗを、例えばダクト１２を経て貯溜するものである。この貯水タンク１５内には、貯水タンク１５内に貯溜された生成水Ｗを霧化する霧化器１６が設置されている。この霧化器１６は、超音波振動子や、過電流防止機能を備えた電気ヒータ等であるが、本実施形態では、超音波により水を微粒子化して水滴とする超音波振動子が用いられる。また、貯水タンク１５には、第１水位センサ３１及び第２水位センサ３２が設置されている。第１水位センサ３１は、貯水タンク１５内の生成水Ｗの第１水位を検出し、第２水位センサ３２は、貯水タンク１５内の生成水Ｗの、第１水位よりも高い位置の第２水位を検出する。これらの検出された水位検出信号は制御装置１７へ送信される。

上記貯水タンク１５は、第１切替弁３４が設けられた第１排出通路３３により排気ボックス１４に接続される。第１排出通路３３は、第１切替弁３４の開弁時に貯水タンク１５内の霧化器１６にて霧化された生成水を排気ボックス１４内に排出する。排気ボックス１４は、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８を冷却した後の冷却空気と燃料電池セル１８から排出された排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）との混合ガスに、霧化器１６にて霧化された生成水を拡散させ、この生成水の大部分を後述の如く気化させて水蒸気とし、混合ガスと共に排気口２７から大気中へ排出する。

燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８を冷却した後の冷却空気及び燃料電池セル１８から排出された排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）が、燃料電池セル１８の反応熱により加熱されているので、霧化された生成水は、排気ボックス１４内に排出されることで、その大部分が気化されて水蒸気となり、燃料電池スタック１１の排熱を利用して単位時間当たりの排出量が増大する。

また、貯水タンク１５は、第２切替弁３６が設けられた第２排出通路３５により冷却空気流路２６に接続される。第２排出通路３５は、第２切替弁３６の開弁時に、貯水タンク１５内の霧化器１６にて霧化された生成水を燃料電池スタック１１の上流側の冷却空気流路２６に排出する。燃料電池スタック１１の運転条件（運転点）が変更されて燃料電池スタック１１の設定温度が高く設定された場合に、霧化器１６にて霧化された生成水が冷却空気流路２６に排出されることで、燃料電池スタック１１内の燃料電池セル１８の過度な発熱が抑制されて、燃料電池セル１８の例えば電解質膜の劣化を防止することが可能になる。

制御装置１７は、まず温湿度センサ２８にて検出された排気ボックス１４内の温度（雰囲気温度）及び湿度（相対湿度）から、排気ボックス１４内の露点（露点温度）を算出する。次に、制御装置１７は、排気ボックス１４内の温度（雰囲気温度）と排気ボックス１４内の露点との差分に応じて、排気ボックス１４内の混合ガス（排気ガス及び冷却空気）が含み得る生成水の霧化量を、例えば図２の霧化量決定マップＭを用いて決定する。そして、制御装置１７は、霧化器１６による生成水の霧化量が上述のように決定した霧化量となるように霧化器１６の駆動を制御し、更に、第１切替弁３４を開操作し且つ第２切替弁３６を閉操作して、霧化器１６にて霧化された生成水を、第１排出通路３３を経て排気ボックス１４内に排出するよう制御する。

上述の霧化器１６の駆動制御に関して、制御装置１７は、排気ボックス１４内の温度（雰囲気温度）と排気ボックス１４内の露点との差分が第１閾値未満(図２)の場合に、排気ボックス１４内で結露が発生する可能性が高いので、霧化量決定マップＭに示すように、霧化器１６による生成水の霧化を禁止するよう制御する。また、制御装置１７は、排気ボックス１４内の温度（雰囲気温度）と排気ボックス１４内の露点との差分が第１閾値以上で且つこの第１閾値よりも大きな第２閾値未満の場合に、排気ボックス１４内で結露が発生する可能性があるため、霧化量決定マップＭに示すように、霧化器１６による生成水の霧化を所定の霧化量αに制限するよう制御する。更に、排気ボックス１４内の温度（雰囲気温度）と排気ボックス１４内の露点との差分が第２閾値以上の例えば差分Ｔである場合に、制御装置１７は、この差分Ｔに対応した霧化量βを霧化量決定マップＭから求め、この霧化量βとなるように霧化器１６の駆動を制御して、霧化器１６により生成水Ｗを霧化させる。

また、制御装置１７は、図１に示すように、貯水タンク１５内の生成水Ｗが所定の水位、即ち第２水位センサ３２が検出する第２水位以上となったときに、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８から排出される排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）の温度を上昇させるように燃料電池スタック１１の運転条件（運転点）を変更して、燃料電池スタック１１の設定温度を高く設定する。これにより、上記排気ガスばかりか燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８を冷却した後の冷却空気の温度も上昇することで、排気ボックス１４内の排気ガス及び冷却空気が単位時間当たりに含むことが可能な水分量が増加する。このため、排気ボックス１４内での結露を抑制しつつ、霧化された生成水の排気ボックス１４内への排出量を増加させて、貯水タンク１５からの生成水の溢水を抑制することが可能になる。

更に、制御装置１７は、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８から排出される排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）の温度を上昇させるように燃料電池スタック１１の運転条件（運転点）を変更して燃料電池スタック１１の設定温度を高く設定する際には、第１切替弁３４を全てまたは部分的に閉弁操作し、且つ第２切替弁３６を開弁操作して、霧化器１６にて霧化された生成水の少なくとも一部を、貯水タンク１５内から第２排出通路１５を経て冷却空気流路２６内に排出させるよう制御する。霧化器１６にて霧化された生成水が冷却空気流路２６内の冷却空気に混入されることで、気化冷却により冷却空気の温度が低下する。これにより、燃料電池スタック１１の運転条件の変更（即ち設定温度を高く設定）に伴う燃料電池セル１８の温度上昇が抑制されて、燃料電池セル１８の例えば電解質膜の劣化の防止が可能になる。

次に、上述の制御装置１７による生成水の霧化に関する制御手順を、図３を用いて説明する。
制御装置１７は、第１水位センサ３１から送信された水位検出信号に基づき、貯水タンク１５内に生成水Ｗが第１水位以上あるか否かを判断する（Ｓ１）。貯水タンク１５内の生成水Ｗの水位が第１水位以上である場合に、制御装置１７は、第２水位センサ３２から送信された水位検出信号に基づき、貯水タンク１５内に貯溜された生成水Ｗの水位が第２水位以上であるか否かを判断する（Ｓ２）。

貯水タンク１５内の生成水Ｗの水位が第２水位未満である場合、制御装置１７は、温湿度センサ２８により検出された排気ボックス１４内における雰囲気温度及び湿度（相対湿度）を入力し（Ｓ３）、これらの温度及び湿度から排気ボックス１４内の露点を求める。

次に、制御装置１７は、排気ボックス１４内の雰囲気温度と露点との差分に応じて、霧化量決定マップＭ（図２）から霧化量を決定し（Ｓ４）、霧化器１６による生成水Ｗの霧化量が上述のように決定した霧化量となるように、霧化器１６の駆動を制御する（Ｓ５）。

制御装置１７は、この霧化器１６の駆動制御と前後して、第１切替弁３４を開弁操作し且つ第２切替弁３６を閉弁操作して、貯水タンク１５を第１排出通路３３により排気ボックス１４に連通させ、貯水タンク１５内で霧化器１６により霧化された生成水を排気ボックス１４内に排出する。

その後、制御装置１７は、第１水位センサ３１から送信された水位検出信号に基づき、貯水タンク１５内に生成水Ｗが第１水位以上あるか否かを判断し（Ｓ６）、貯水タンク１５内の生成水Ｗが第１水位未満である場合に霧化器１６を停止させる（Ｓ７）。上記ステップＳ６において、貯水タンク１５内の水位が第１水位以上である場合には、制御装置１７はステップＳ１〜Ｓ８を繰り返す。

ここで、ステップＳ８は、ステップＳ２において貯水タンク１５内に貯溜された生成水Ｗの水位が第２水位以上である場合に、制御装置１７が、燃料電池スタック１１の運転条件（運転点）を変更して燃料電池スタック１１の設定温度を高く設定して、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８から排出される排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）の温度を上昇させるステップである。この運転条件の変更の際には、制御装置１７は、第１切替弁３４を全てまたは部分的に閉弁操作し、且つ第２切替弁３６を開弁操作して、貯水タンク１５を冷却空気流路２６に連通させる。

ステップＳ８で燃料電池スタック１１の運転条件を変更した後にも、制御装置１７は、温湿度センサ２８にて検出された排気ボックス１４内の雰囲気温度及び湿度を入力して（Ｓ３）排気ボックス１４内の露点を求め、霧化量決定マップＭに基づいて生成水Ｗの霧化量を決定し（Ｓ４）、この決定した霧化量となるように霧化器１６の駆動を制御する（Ｓ５）。この場合には、貯水タンク１５内で霧化器１６により霧化された生成水の少なくとも一部が、第２排出通路３５を経て冷却空気流路２６に排出されて、冷却空気の温度が低下する。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（５）を奏する。
（１）図１に示すように、排気ボックス１４内の雰囲気温度と排気ボックス１４内の露点との差分に応じて、霧化器１６が霧化すべき貯水タンク１５内の生成水Ｗの霧化量が決定されるので、霧化器１６から排気ボックス１４に排出される霧化された生成水は、排気ボックス１４内で結露することなく、その大部分が気化されて水蒸気となり、混合ガス（冷却空気及び排気ガス）と共に排気ボックス１４の排気口２７から大気中へ排出される。この結果、燃料電池セル１８で生じた生成水Ｗを結露させることなく好適に排出することができ、燃料電池セル１８の周辺に設置された高電圧部品の被水を確実に防止できる。

（２）排気ボックス１４内の雰囲気温度と排気ボックス１４内の露点との差分が第１閾値未満の場合には、排気ボックス１４内の雰囲気が十分に暖められておらず、この排気ボックス１４内で結露が発生する可能性が高いので、霧化器１６による生成水Ｗの霧化が禁止される。このため、生成水Ｗの霧化に使用する電力が削減されて、電気ヒータ等を用いた燃料電池スタック１１の暖機に電力を専ら使用することができるので、この燃料電池スタック１１の暖機を迅速に促進することができる。

（３）排気ボックス１４内の雰囲気温度と排気ボックス１４内の露点との差分が、第１閾値以上で且つこの第１閾値よりも大きな第２閾値未満の場合には、霧化器１６による生成水Ｗの霧化が所定の霧化量α(図２)に制限される。排気ボックス１４内の雰囲気温度が低く、この雰囲気温度と排気ボックス１４内の露点との差分が第１閾値以上で且つ第２閾値未満と小さくなるのは、燃料電池スタック１１の暖機が不十分であるからである。

この燃料電池スタックの暖機は、電気ヒータを用いた燃料電池スタック１１の直接加熱や、反応熱を多く発生する運転条件での燃料電池スタック１１の運転によるものであり、これらは、燃料電池ユニット１０の全体の消費電力に対して消費電力量の割合が大きくなる。そこで、上述のように霧化器１６による生成水Ｗの霧化を所定の霧化量αに制限することにより、霧化器１６の電力使用量を抑制して、燃料電池スタック１１の暖機を優先することができる。

（４）貯水タンク１５内に貯溜される生成水Ｗの水位が、第２水位センサ３２により検出される第２水位以上である場合には、燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８から排出される排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）の温度を上昇させるように燃料電池スタック１１の運転条件が変更されて、燃料電池スタック１１の設定温度が高く設定される。

これにより、上記排気ガスばかりか燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８を冷却した後の冷却空気の温度も上昇するので、排気ボックス１４内の排気ガス及び冷却空気が単位時間当たりに含むことが可能な水分量が増加する。このため、排気ボックス１４内での結露を抑制しつつ、霧化された生成水の排気ボックス１４内への排出量を増加させることで、貯水タンク１５からの生成水Ｗの溢水を抑制することができる。

（５）燃料電池スタック１１の燃料電池セル１８から排出される排気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）の温度を上昇させるように燃料電池スタック１１の運転温度を変更（燃料電池スタック１１の設定温度を高く設定）する際には、霧化器１６にて霧化された生成水の少なくとも一部が、第２排出通路３５を経て燃料電池スタック１１の上流側の冷却空気流路２６に排出される。

これにより、冷却空気流路２６内の冷却空気の温度が気化冷却によって低下し、燃料電池スタック１１の運転条件の変更に伴う燃料電池セル１８の温度上昇が抑制されるので、燃料電池セル１８の例えば電解質膜の劣化を防止できる。この場合においても、排気ボックス１４内における霧化された生成水の結露を抑制しつつ霧化器１６による霧化を継続できるので、貯水タンク１５内の生成水Ｗを霧化して排出することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…燃料電池ユニット、１１…燃料電池スタック、１４…排気ボックス、１５…貯水タンク、１６…霧化器、１７…制御装置、１８…燃料電池セル、２６…冷却空気流路、２８…温湿度センサ、３３…第１排出通路、３５…第２排出通路、Ｗ…生成水、α、β…霧化量

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される生成水を貯溜する貯水タンクと、
   前記貯水タンク内の生成水を霧化する霧化器と、
   前記燃料電池を冷却した後の冷却空気と前記燃料電池から排出された排気ガスとの混合ガスに前記霧化器にて霧化された生成水を拡散させて、前記混合ガスと共に排出する排気ボックスと、
   前記排気ボックス内の温度及び湿度を検出する温湿度センサと、
   前記温湿度センサにて検出された温度及び湿度から前記排気ボックス内の露点を求め、前記排気ボックス内の温度と前記排気ボックス内の露点との差分に応じて生成水の霧化量を決定し、この霧化量に基づき前記霧化器の駆動を制御する制御装置と、を有して構成されたことを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記制御装置は、排気ボックス内の温度と前記排気ボックス内の露点との差分が第1閾値未満の場合に、霧化器による霧化を禁止するよう制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記制御装置は、排気ボックス内の温度と前記排気ボックス内の露点との差分が、第1閾値以上で且つこの第1閾値よりも大きな第２閾値未満の場合に、霧化器による霧化を所定の霧化量に制限するよう制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池ユニット。
4. 前記制御装置は、貯水タンク内に貯溜される生成水が所定の水位以上となった場合に、燃料電池から排出される排気ガスの温度を上昇させるように前記燃料電池の運転条件を変更するよう制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
5. 前記霧化器にて霧化された生成水を排気ボックスへ排出させる第１排出通路と、前記霧化器にて霧化された生成水を、燃料電池へ冷却空気を導入する冷却空気流路へ排出させる第２排出通路とを有し、
   制御装置は、前記燃料電池から排出される排気ガスの温度を上昇させるように前記燃料電池の運転条件を変更する際に、前記霧化器にて霧化された生成水の少なくとも一部を、前記第２排出通路を経て前記冷却空気流路へ排出させるよう制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池ユニット。

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