JP4098484B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に酸化剤極から排出される空気から効率よく水分を回収することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを熱エネルギや機械エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換するため、高いエネルギ変換効率が実現可能な発電装置として知られている。
【０００３】
この燃料電池は、酸化剤極に酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、燃料極に水素を含有する燃料ガスの供給を受ける。燃料極では（１）式に示す電気化学反応により水素が電離して水素イオンと電子になる。電子は外部回路を通じて酸化剤極に到達し、水素イオンは周囲に水分子群を伴って酸化剤極まで電解質中を移動する。酸化剤極では、（２）式に示す電気化学反応により水が生じる。燃料電池全体としては、（３）式の化学反応が生じたことになる。
【０００４】
【数１】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（３）
このように、燃料電池における電気化学反応では、水素と酸素から水が生じ、生成した水分の大部分は、酸化剤極から排出される排ガス中に水蒸気として含まれる。また燃料電池の電解質層の乾燥を防ぐ目的で、燃料電池本体に供給される燃料ガスや酸化ガスには、加湿器により水蒸気が加えられている。
【０００５】
通常燃料電池システムには、加湿器による水の消費に対して、水補給の手間を省くために、酸化剤極から排出される排ガス中の水分を回収する水凝縮器が設けられている。
【０００６】
例えば、特開２０００−３０７２７号公報記載の燃料電池システムにおける水回収に関する構成は、燃料電池の空気出口に電動の冷却ファンで冷却する空冷式の水凝縮器を有しており、水貯蔵器内の水位に応じて、冷却ファンのＯＮ、ＯＦＦで排気空気中の水凝縮量を適切に制御するようになっている。すなわち、通常の運転状態である燃料電池排気温度が外気温度以上の状態では、水位が高い場合は、冷却ファンをＯＦＦにして水凝縮量を減らし、低い場合は、冷却ファンをＯＮにして水凝縮量を増やし、水量を制御している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例においては、空冷式の水凝縮器を用いていたため、水冷式と比べると、水凝縮器の同一熱交換面積当たりの熱交換量は小さく、多くの水を凝縮させるには、大流量の電動ファンが必要となり、または大きいサイズの凝縮器が必要となり、実装上著しく困難であるという問題点があった。
【０００８】
また電動ファンを用いている為、例えば、水不足時は常時電動ファンを稼働させる必要があり、電動ファンにより電力消費により総合的なシステム効率が低下するという問題点があった。
【０００９】
さらに、水凝縮量は、外気温度に大きく左右される。特に外気温度が高い場合は、凝縮器の熱交換量が減少する為に水凝縮量が大幅に減少し、最悪の場合は水が不足し、頻繁な水補給を必要とし保守性が著しく低下するという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池本体の酸化剤極から排出される排ガス中の水分を効率よく回収するとともに、水凝縮器の小型化を図る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。
【００１１】
また本発明は、水冷式の水凝縮器の採用による冷却水温度上昇、それによるオーバーヒート抑制の為のラジエータ面積増加等の跳ね返りを解決できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、燃料電池本体の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給するガス供給手段と、前記燃料極及び酸化剤極の排気中の水分を回収して水タンクに貯蔵する水分回収手段と、燃料電池を搭載した燃料電池車の駆動モータを冷却する冷媒の流路を流れる液体の冷媒を冷却するラジエータと、を備え、前記酸化剤極の排気中の水分回収手段として、前記冷媒の流路を流れる液体の冷媒を用いた水凝縮器を前記燃料電池本体の酸化剤極の出口に設け、前記冷媒の流路を前記水凝縮器を通過する流路と該水凝縮器をバイパスするバイパス流路とのいずれか一方に切り換える流路切換弁を備え、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には冷媒流路を前記水凝縮器側に切り換え、冷媒温度が第１の許容温度を超える場合には、冷媒流路を前記バイパス流路側に切り換えるように前記流路切換弁を制御することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記流路切換弁をバイパス流路側に切り換えた状態で、前記冷媒の温度が前記第１の許容温度より高い第２の許容温度を超える場合には、前記駆動モータの出力制限を行うことを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、燃料電池本体の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給するガス供給手段と、前記燃料極及び酸化剤極の排気中の水分を回収して水タンクに貯蔵する水分回収手段と、前記燃料電池本体を冷却する冷媒の流路を流れる液体の冷媒を冷却するラジエータと、を備え、前記酸化剤極の排気中の水分回収手段として、前記冷媒の流路を流れる液体の冷媒を用いた水凝縮器を前記燃料電池本体の酸化剤極の出口に設け、前記冷媒の流路を前記水凝縮器を通過する流路と該水凝縮器をバイパスするバイパス流路とのいずれか一方に切り換える流路切換弁を備え、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には冷媒流路を前記水凝縮器側に切り換え、冷媒温度が第１の許容温度を超える場合には、冷媒流路を前記バイパス流路側に切り換えるように前記流路切換弁を制御することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記冷媒は、前記水凝縮器を通過した後に前記燃料電池本体に流入することを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記流路切換弁をバイパス流路側に切り換えた状態で、前記冷媒の温度が前記第１の許容温度より高い第２の許容温度を超える場合には、前記燃料電池本体の出力制限を行うことを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項１または請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記水タンクには、該水タンクの水位を検出する水位センサ及び該水タンクから外部へ排水する排水弁が設けられ、前記水位センサが検出する水位が第１の所定値以上の場合には、前記冷媒流路がバイパス流路側となるように前記流路切換弁を切換え、さらに前記第１の所定値より大きい第２の所定値以上の場合には、前記排水弁を開くことを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項６記載の燃料電池システムにおいて、前記水位センサが検出する水位が第１の所定値未満の場合には、前記冷媒流路が前記水凝縮器側となるように前記流路切換弁を切換える一方、前記排水弁を閉じることを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、燃料電池本体の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給するガス供給手段と、前記燃料極及び酸化剤極の排気中の水分を回収して水タンクに貯蔵する水分回収手段と、燃料電池を搭載した燃料電池車の駆動モータを冷却する冷媒の流路を流れる液体の冷媒を冷却するラジエータと、を備え、前記酸化剤極の排気中の水分回収手段として、前記冷媒の流路を流れる液体の冷媒を用いた水凝縮器を前記燃料電池本体の酸化剤極の出口に設け、前記冷媒の流路を前記水凝縮器を通過する流路と該水凝縮器をバイパスするバイパス流路とのいずれか一方に切り換える流路切換弁を備え、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には冷媒流路を前記水凝縮器側に切り換え、冷媒温度が第１の許容温度を超える場合には、冷媒流路を前記バイパス流路側に切り換えるように前記流路切換弁を制御することにより、駆動モータと水凝縮器との間でラジエータを共用することによりシステムを小型化しながら、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には、水凝縮器を作動させ充分な水回収を行うとともに、冷媒温度が第１の許容温度を超えた場合には、冷媒の水凝縮器バイパスにより、排気空気中の水蒸気から液水に相変化した際の熱量の冷媒への伝熱が無くなる為、ラジエータの可能放熱量の範囲内で、冷媒温度の上昇を抑制しつつ駆動モータを冷却することができるという効果がある。
【００２２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記流路切換弁をバイパス流路側に切り換えた状態で、前記冷媒の温度が前記第１の許容温度より高い第２の許容温度を超える場合には、前記駆動モータの出力制限を行うようにしたので、駆動モータの冷媒が水凝縮器をバイパスしているにも関わらず、冷媒温度が上昇する際は、駆動モータ出力の最大値を制限して、駆動モータまたはそのドライブ回路の劣化等を防止できるという効果がある。
【００２３】
請求項３の発明によれば、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、燃料電池本体の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給するガス供給手段と、前記燃料極及び酸化剤極の排気中の水分を回収して水タンクに貯蔵する水分回収手段と、前記燃料電池本体を冷却する冷媒の流路を流れる液体の冷媒を冷却するラジエータと、を備え、前記酸化剤極の排気中の水分回収手段として、前記冷媒の流路を流れる液体の冷媒を用いた水凝縮器を前記燃料電池本体の酸化剤極の出口に設け、前記冷媒の流路を前記水凝縮器を通過する流路と該水凝縮器をバイパスするバイパス流路とのいずれか一方に切り換える流路切換弁を備え、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には冷媒流路を前記水凝縮器側に切り換え、冷媒温度が第１の許容温度を超える場合には、冷媒流路を前記バイパス流路側に切り換えるように前記流路切換弁を制御することにより、燃料電池本体と水凝縮器との間でラジエータを共用することによりシステムを小型化しながら、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には、水凝縮器を作動させ充分な水回収を行うとともに、冷媒温度が第１の許容温度を超えた場合には、冷媒の水凝縮器バイパスにより、排気空気中の水蒸気から液水に相変化した際の熱量の冷媒への伝熱が無くなる為、ラジエータの可能放熱量の範囲内で、冷媒温度の上昇を抑制しつつ燃料電池本体を冷却することができるという効果がある。
【００２４】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記冷媒は、前記水凝縮器を通過した後に前記燃料電池本体に流入するようにしたので、燃料電池の冷媒系統で一番低い温度の冷媒を水凝縮器の冷媒として用いることができる為、水凝縮器の効率が高くなり、水回収量が増加するという効果がある。
【００２５】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記流路切換弁をバイパス流路側に切り換えた状態で、前記冷媒の温度が前記第１の許容温度より高い第２の許容温度を超える場合には、前記燃料電池本体の出力制限を行うようにしたので、燃料電池の冷媒が水凝縮器をバイパスしているにも関わらず、燃料電池の冷媒温度が上昇する際は、燃料電池出力の最大値を制限して燃料電池本体の劣化等を防止できるという効果がある。
【００２６】
請求項６の発明によれば、請求項１または請求項３の発明の効果に加えて、前記水タンクには、該水タンクの水位を検出する水位センサ及び該水タンクから外部へ排水する排水弁が設けられ、前記水位センサが検出する水位が第１の所定値以上の場合には、前記冷媒流路がバイパス流路側となるように前記流路切換弁を切換え、さらに前記第１の所定値より大きい第２の所定値以上の場合には、前記排水弁を開くようにしたので、水量が十分な場合は水凝縮器を作動させないことにより、水回収量を減らし、適量な水を貯えられる燃料電池システムを提供できるという効果がある。
【００２７】
請求項７の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、前記水位センサが検出する水位が第１の所定値未満の場合には、前記冷媒流路が前記水凝縮器側となるように前記流路切換弁を切換える一方、前記排水弁を閉じるようにしたので、水不足時には水凝縮器を作動させ、水回収を可能とする燃料電池システムを提供できるという効果がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池本体（燃料電池スタックとも呼ばれる）７は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、複数これを積層したものである。また、加湿器６は、燃料ガス、酸化剤ガスに対して、それぞれ半透膜を介して純水と隣接させ、水分子が半透膜を通過することによりこれらのガスに加湿を行うものである。尚、将来的にみて、燃料電池内での生成水による自己加湿機能が成立した場合は、当然、加湿器６は、不要となる。
【００３１】
本実施形態では、燃料として水素、酸化剤として空気を用いる。水素タンク１に貯えられた水素は、調圧弁３により調圧された後、水素循環装置（エゼクタポンプ）４で再循環する燃料極排気と混合されて加湿器６へ供給される。加湿器６で加湿された水素ガスは燃料電池本体７に供給される。燃料電池本体７の燃料極からの排気は、水素と水蒸気・液水の混合ガスであり、水素循環装置４により、加湿器６の入口側に循環される。また、水素排気中の水は、例えば、気液分離装置を兼ねた水タンク８に貯えられる。
【００３２】
酸化剤としての空気は、流量センサ２７で流量が計測された後、コンプレッサ２０によって圧縮され加湿器６を介して燃料電池本体７に供給される。図示しない空気極からの排気は、水蒸気と液水を含み、水凝縮器２５に導入され液水が回収され、水凝縮器２５を出た後で調圧弁２６を介して、大気へ放出される。回収された液水は、回収水流路２２を通り、水タンク３０に貯蔵される。ここで、水凝縮器２５の冷媒としては、燃料電池車両の駆動モータ４０用の冷却水を用い、この冷却水は、ラジエータ４２及びラジエータファン４３により冷却され、冷却水温度は温度センサ４８により検出されるようになっている。
【００３３】
また、水凝縮器２５の冷却水入口より上流に水路切換弁４４が設けてあり、水路切換弁４４は後述する運転条件に応じて、冷却水が管路４６を通り水凝縮器２５に流入するか、あるいは、冷却水がバイパス管路４７を通り、水凝縮器２５をバイパスするかを切り換えるのに用いられる。
【００３４】
水タンク３０内の水は、水ポンプ３２で、燃料電池本体７に供給され、燃料電池を冷却した後に加湿器６に導かれ、一部が加湿により消費される。消費された水と同量の水が、水タンク３０より供給される。水は燃料電池の冷却により加熱されるため、ラジエータ３３，及びラジエータファン３４によって冷却される。
【００３５】
また、空気の流量は流量センサ２７で検知され、圧力は調圧弁２６で調整される。９ａ，９ｂはそれぞれ水素、空気の圧力を検知する圧力センサである。
【００３６】
また、図示しないスタックの発電状態を検知するセンサが設けられ、図示しないコントロールユニットは、発電状態に応じて、水素圧力、空気圧力を調圧弁３，２６で調整するとともに、空気流量をコンプレッサ２０の回転数により調整する。
【００３７】
次に、水路切換弁４４の切換え条件に関して述べる。切換弁４４は、水回収量の調整と冷却水温の調整の為に切変えられる。
まず、水回収量調整に関して説明する。図２に、水タンク３０の内部を説明する断面図を示す。水タンク３０内には、例えば浮き子１８ａを有した水位センサ１８が設けられており、その出力がコントロールユニット（ＣＵ）１９へ入力される。この水位センサ１８の出力信号が許容上限値レベル以下、例えば図２中Ｈｉｇｈレベル以下の場合、または、水位センサ１８が許容下限値以下、例えば図２中Ｌｏｗレベル以下の場合は、水回収が必要である為、水路切換弁４４は、冷却水を水凝縮器４４に流す位置にコントロールユニット１９が調整し、冷却水は管路４６を通り水凝縮器２５に流入し、排気空気中の水蒸気は液水として回収され、水タンク３０内に補給される。その場合は当然、排出弁２３は閉じたままである。
【００３８】
水位センサ１８の出力信号が許容上限値以上、例えば図２中Ｈｉｇｈレベル以上の場合は、水量過多であり水回収は不要である。このとき水路切換弁４４は、冷却水を水凝縮器２５を流れない位置にコントロールユニット１９が調整し、冷却水はバイパス管路４７を通り水凝縮器２５には流入しない為、排気空気中の水蒸気は液水として殆ど回収されず、水タンク３０内の水は、例えば加湿器６により消費される一方である（水位は下がる）。但し、運転状況によっては、水消費量（加湿量）が少なく、且つ水凝縮器２５での若干量の熱交換による水蒸気の露結により水が回収されてしまう可能性があり、その場合は、更に水位が上がってしまう。その場合は、そのレベルに応じて、例えば図２中Ｈ−Ｈｉｇｈレベル以上になった場合に、コントロールユニット１９が排出弁２３を開き、配管２４から強制排水を行い、許容水位レベルになった時点で排水弁２３を閉じ、強制排水を停止する。
【００３９】
図３は、第１実施形態における水位レベルの制御フローチャートである。まず、水位センサ出力がＨｉｇｈレベル以上か否かを判定する（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）。Ｈｉｇｈレベル未満であれば、Ｓ１８へ移る。Ｈｉｇｈレベル以上であれば、電磁３方弁４４を水凝縮器からバイパス流路へ切り換える（Ｓ１２）。次いで水位センサ出力がＨ−Ｈｉｇｈレベル以上か否かを判定し（Ｓ１４）、Ｈ−Ｈｉｇｈレベル未満であればＳ１８へ移る。Ｈ−Ｈｉｇｈレベル以上であれば、排水弁２３を開く（Ｓ１６）。次いで、水位センサ出力がＬｏｗレベル以下か否かを判定し（Ｓ１８）、Ｌｏｗレベル以下でなければ、処理を終了してリターンする。Ｌｏｗレベル以下であれば、排水弁２３を閉じて（Ｓ２０）、電磁３方弁４４をバイパス流路から水凝縮器へ切り換えて（Ｓ２２）リターンする。
【００４０】
次に、冷却水温度の調整に関して説明する。図１，図２に示すように冷却水温センサ４８がラジエータ４２の出口に設けられており、温度信号はコントロールユニット１９に入力されている。水凝縮器２５が作動している場合は、排気空気中の水蒸気が冷却水により冷やされ結露する。すなわち、水蒸気から液水に相変化した際の熱量Ｑ１は冷却水へ伝熱され、冷却水温度が上昇する。また、冷却水へは、駆動モータ４０からの熱量Ｑ２によっても水温が上昇する。ここで、ある風速、外気温でのラジエータ４２から放熱できる熱量をＱ３とすると、Ｑ１＋Ｑ２≦Ｑ３であれば、冷却水の温度上昇、いわゆるオーバーヒートは防止できる。従って、温度センサ４８の信号が許容温度以下で有る場合は、水路切換弁４４は、冷却水を水凝縮器２５に流す位置にコントロールユニット１９が調整し、冷却水は管路４６を通り凝縮器２５に流入し、排気空気中の水蒸気を液水として回収していても、オーバーヒートは抑制できる。
【００４１】
また、高速運転時等で、駆動モータ４０の放熱量Ｑ２が増加した場合や、外気温度が上昇してラジエータ４２から放熱できる熱量Ｑ３が減った場合等、Ｑ１＋Ｑ２≧Ｑ３となった場合は、冷却水温が許容温度よりも高くなりオーバーヒートしてしまう為、水路切換弁４４は冷却水を水凝縮器２５を流れない位置にコントロールユニット１９が調整し、冷却水はバイパス管路４７を通り水凝縮器２５には流入しないようにする為、Ｑ１＝０，Ｑ２≦Ｑ３となり、オーバーヒートを防止できる。
【００４２】
また、図８に示すように、外気温が更に上昇して冷却水温が許容上限温度（ｔｍ）に達してＱ３が低減した場合は、Ｑ２≦Ｑ３となるようにＱ２も低減、すなわち駆動モータ４０の最高出力の制限をかける。その結果、駆動モータ４０における発熱量が制限されオーバーヒートを防止できる。尚、この出力制限は、Ｑ２＞Ｑ３となる条件で実施される。以上の冷却水温度による制御フローチャートを図４に示す。
【００４３】
図４において、まず、温度センサ４８の出力が第１の許容温度（Ｔｃ）を超えているか否かを判定する（Ｓ３０）。超えていなければ電磁３方弁４４をバイパス流路から水凝縮器へ切り換えて（Ｓ３２）、Ｓ３６へ移る。第１の許容温度（Ｔｃ）を超えていれば、電磁３方弁４４を水凝縮器からバイパス流路へ切り換えて冷却系の熱負荷を減じ（Ｓ３４）、Ｓ３６へ移る。Ｓ３６では、温度センサ４８の出力が第２の許容温度である駆動モータ出力制限温度（Ｔｍ）を超えているか否かを判定する。超えていなければ駆動モータ出力の制限を解除して（Ｓ４０）、リターンする。第２の許容温度である駆動モータ出力制限温度（Ｔｍ）を超えていれば、温度センサ４８の出力値に応じた駆動モータ出力制限値を決定して（Ｓ３８）、リターンする。ここで、第１の許容温度である水凝縮器バイパス温度をＴｃ、第２の許容温度である駆動モータ出力制限温度をＴｍとしたとき、Ｔｃ＜Ｔｍの関係である。
【００４４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の構成を図５に示す。第２の実施形態と第１の実施形態との相違は、第２実施形態では水凝縮器２５の冷媒に燃料電池本体７の冷却水を用いており、それにより水配管のレイアウト自由度が増し、システム全体の小型化が可能となることである。また、水路切換弁５１は水凝縮器２５の上流に設けられ、水凝縮器２５への流路５４と、水凝縮器２５をバイパスして直接燃料電池本体７に流入するバイパス流路５５と、に分岐されている。燃料電池本体７の冷却水温を検出する温度センサ５２は、ラジエータ３３の下流に設けられている。ここで、冷却水は、水凝縮器２５の熱交換効率を考え、冷却系統で一番温度の低い、すなわちラジエータ３３出口の水で冷却することにより、水凝縮器２５の小型化を図っている。
【００４５】
その他の作用は、第１の実施形態における車両用駆動モータの出力制限、発熱量Ｑ２が、燃料電池の出力制限、発熱量に代わるだけで同じである。
【００４６】
図６は、第２実施形態における切換弁５１による水回収量の調整制御を説明するフローチャートである。まず、水位センサ出力がＨｉｇｈレベル以上か否かを判定する（Ｓ５０）。Ｈｉｇｈレベル未満であれば、Ｓ５８へ移る。Ｈｉｇｈレベル以上であれば、電磁３方弁５１を水凝縮器からバイパス流路へ切り換える（Ｓ５２）。次いで水位センサ出力が更に水位が増すことを示すか否かを判定し（Ｓ５４）、水位が増していなければＳ５８へ移る。更に水位が増していれば、排水弁２３を開く（Ｓ５６）。次いで、水位センサ出力がＬｏｗレベル以下か否かを判定し（Ｓ５８）、Ｌｏｗレベル以下でなければ、処理を終了してリターンする。Ｌｏｗレベル以下であれば、排水弁２３を閉じて（Ｓ６０）、電磁３方弁５１をバイパス流路から水凝縮器へ切り換えて（Ｓ６２）リターンする。
【００４７】
図７は、第２実施形態における冷却水温の調整制御を説明するフローチャートである。まず、温度センサ５２の出力が第１の許容温度（Ｔｃ）を超えているか否かを判定する（Ｓ７０）。超えていなければ電磁３方弁５１をバイパス流路から水凝縮器へ切り換えて（Ｓ７２）、Ｓ７６へ移る。第１の許容温度（Ｔｃ）を超えていれば、電磁３方弁５１を水凝縮器からバイパス流路へ切り換えて冷却系の熱負荷を減じ（Ｓ７４）、Ｓ７６へ移る。Ｓ７６では、温度センサ５１の出力が第２の許容温度である燃料電池出力制限温度（Ｔｓ）を超えているか否かを判定する。超えていなければ燃料電池出力の制限を解除して（Ｓ８０）、リターンする。第２の許容温度である燃料電池出力制限温度（Ｔｓ）を超えていれば、温度センサ５１の出力値に応じた燃料電池出力制限値を決定して（Ｓ７８）、リターンする。ここで、第１の許容温度である水凝縮器バイパス温度をＴｃ、第２の許容温度である燃料電池出力制限温度をＴｓとしたとき、Ｔｃ＜Ｔｓの関係である。
【００４８】
以上、好ましい実施形態について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。実施形態では、直接水素を供給するシステムで説明したが、アルコール等の燃料を用いる燃料電池の場合、水素を取り出す為の燃料改質反応に水を使用する。このため水素を直接供給するシステムより、より多くの水が必要となる。その場合は、排気水素中からも水を回収しなければならない可能性があり、前記排気空気の水回収装置と同様の装置を水素ラインにも装備することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】水回収タンクの詳細を説明する断面図である。
【図３】第１の実施形態の水回収制御を説明するフローチャートである。
【図４】第１の実施形態の冷却水温調整制御を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示すシステム構成図である。
【図６】第２の実施形態の水回収制御を説明するフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の冷却水温調整制御を説明するフローチャートである。
【図８】外気温上昇時の出力制限を説明する概念図である。
【符号の説明】
６ 加湿器
７ 燃料電池本体
２２ 回収水流路
２３ 排水弁
２４ 排水管
２５ 水凝縮器
３０ 水タンク
４０ 駆動モータ
４１ 冷却水循環ポンプ
４２ ラジエータ
４３ ラジエータファン
４４ 水路切換弁
４５ 冷却水管路
４６ 冷却水管路
４７ バイパス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of efficiently recovering moisture from air discharged from an oxidant electrode.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is known as a power generator capable of realizing high energy conversion efficiency because it directly converts chemical energy of fuel into electrical energy without passing through thermal energy or mechanical energy.
[0003]
In this fuel cell, an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the oxidizer electrode, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode. At the fuel electrode, hydrogen is ionized by the electrochemical reaction shown in the formula (1) to become hydrogen ions and electrons. Electrons reach the oxidant electrode through an external circuit, and hydrogen ions move through the electrolyte to the oxidant electrode with surrounding water molecules. At the oxidizer electrode, water is generated by the electrochemical reaction shown in the formula (2). As a whole fuel cell, the chemical reaction of the formula (3) occurs.
[0004]
[Expression 1]
H2→ 2H++ 2e−                    ... (1)
(1/2) O2+ 2H++ 2e−→ H2O ... (2)
H2+ (1/2) O2→ H2O ... (3)
Thus, in the electrochemical reaction in the fuel cell, water is generated from hydrogen and oxygen, and most of the generated water is contained as water vapor in the exhaust gas discharged from the oxidizer electrode. In order to prevent the electrolyte layer of the fuel cell from drying, water vapor is added to the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell body by a humidifier.
[0005]
Usually, the fuel cell system is provided with a water condenser that recovers moisture in the exhaust gas discharged from the oxidizer electrode in order to save the water replenishment for the water consumption by the humidifier.
[0006]
For example, the configuration relating to water recovery in a fuel cell system described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-30727 has an air-cooled water condenser that is cooled by an electric cooling fan at the air outlet of the fuel cell, Depending on the water level, the amount of water condensation in the exhaust air is appropriately controlled by turning on and off the cooling fan. In other words, when the fuel cell exhaust temperature, which is the normal operating state, is higher than the outside air temperature, if the water level is high, the cooling fan is turned off to reduce the amount of water condensation, and if it is low, the cooling fan is turned on to condense the water. The amount is increased and the amount of water is controlled.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, since an air-cooled water condenser is used, compared to the water-cooled type, the amount of heat exchange per heat exchange area of the water condenser is small. There is a problem that an electric fan having a flow rate is required or a condenser having a large size is required, which is extremely difficult in mounting.
[0008]
Further, since the electric fan is used, for example, it is necessary to always operate the electric fan when water is insufficient, and there is a problem in that the overall system efficiency is reduced due to power consumption by the electric fan.
[0009]
Furthermore, the amount of water condensation greatly depends on the outside air temperature. Especially when the outside air temperature is high, the heat exchange amount of the condenser is reduced, so the water condensation amount is greatly reduced. In the worst case, water is insufficient, frequent water supply is required, and maintainability is remarkably lowered. There was a problem.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and efficiently collects moisture in the exhaust gas discharged from the oxidant electrode of the fuel cell main body, and the water condenser. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be miniaturized.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of solving rebounds such as an increase in cooling water temperature due to the adoption of a water-cooled water condenser and an increase in the area of a radiator for suppressing overheating.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is directed to a fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel having a flow rate determined according to the power generation state of the fuel cell main body. Gas supply means for supplying gas and oxidant gas to the fuel cell main body, moisture recovery means for collecting moisture in the exhaust of the fuel electrode and oxidant electrode and storing the moisture in a water tank;A radiator that cools a liquid refrigerant flowing through a flow path of a refrigerant that cools a drive motor of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell, andAs a means for collecting moisture in the exhaust of the oxidizer electrode,Flowing through the flow path of the refrigerantA water condenser using a liquid refrigerant is provided at the outlet of the oxidizer electrode of the fuel cell body.And a flow path switching valve that switches the flow path of the refrigerant to one of a flow path that passes through the water condenser and a bypass flow path that bypasses the water condenser, and the refrigerant temperature is equal to or lower than a first allowable temperature. In this case, the refrigerant flow path is switched to the water condenser side, and when the refrigerant temperature exceeds the first allowable temperature, the flow path switching valve is controlled to switch the refrigerant flow path to the bypass flow path side.This is a fuel cell system.
[0013]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1,In the state where the flow path switching valve is switched to the bypass flow path side, when the temperature of the refrigerant exceeds the second allowable temperature higher than the first allowable temperature, the output of the drive motor is limited.This is the gist.
[0014]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 3 provides:A fuel cell body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween, and gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas at a flow rate determined according to the power generation state of the fuel cell body to the fuel cell body Water recovery means for recovering the water in the exhaust of the fuel electrode and the oxidant electrode and storing it in a water tank, a radiator for cooling the liquid refrigerant flowing through the flow path of the refrigerant for cooling the fuel cell body, A water condenser using a liquid refrigerant flowing through the flow path of the refrigerant as a means for collecting moisture in the exhaust gas of the oxidant electrode, provided at the outlet of the oxidant electrode of the fuel cell body, A flow path switching valve that switches the path to one of a flow path that passes through the water condenser and a bypass flow path that bypasses the water condenser, and when the refrigerant temperature is equal to or lower than the first allowable temperature, Switch the flow path to the water condenser side, If the temperature exceeds the first allowable temperature, controlling the flow switching valve to switch the refrigerant flow path to said bypass flowThis is the gist.
[0015]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 4 provides, ContractClaim3In the fuel cell systemThe refrigerant flows into the fuel cell main body after passing through the water condenser.This is the gist.
[0016]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 5 is a claim.3In the described fuel cell system,When the temperature of the refrigerant exceeds a second allowable temperature higher than the first allowable temperature with the flow path switching valve switched to the bypass flow path side, the output of the fuel cell body is limited.This is the gist.
[0017]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 6 is a claim.1 or claim 3In the described fuel cell system,The water tank is provided with a water level sensor for detecting the water level of the water tank and a drain valve for discharging water from the water tank to the outside, and when the water level detected by the water level sensor is not less than a first predetermined value, The flow path switching valve is switched so that the refrigerant flow path is on the bypass flow path side, and if the second predetermined value is greater than the first predetermined value, the drain valve is opened.This is the gist.
[0018]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 7 is a claim.6In the described fuel cell system,When the water level detected by the water level sensor is less than a first predetermined value, the flow path switching valve is switched so that the refrigerant flow path is on the water condenser side, and the drain valve is closed.This is the gist.
[0021]
【The invention's effect】
  According to the first aspect of the present invention, the fuel cell main body in which the fuel electrode and the oxidant electrode are opposed to each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, and the fuel gas and the oxidant gas at a flow rate determined according to the power generation state of the fuel cell main body. Gas supply means for supplying to the fuel cell main body, moisture recovery means for recovering moisture in the exhaust of the fuel electrode and oxidant electrode and storing it in a water tank;A radiator that cools a liquid refrigerant flowing through a flow path of a refrigerant that cools a drive motor of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell, andAs a means for collecting moisture in the exhaust of the oxidizer electrode,Flowing through the flow path of the refrigerantA water condenser using a liquid refrigerant is provided at the outlet of the oxidizer electrode of the fuel cell body.And a flow path switching valve that switches the flow path of the refrigerant to one of a flow path that passes through the water condenser and a bypass flow path that bypasses the water condenser, and the refrigerant temperature is equal to or lower than a first allowable temperature. In this case, the refrigerant flow path is switched to the water condenser side, and when the refrigerant temperature exceeds the first allowable temperature, the flow path switching valve is controlled to switch the refrigerant flow path to the bypass flow path side. Therefore, when the refrigerant temperature is lower than the first allowable temperature, the water condenser is operated and sufficient water recovery is performed while the system is downsized by sharing the radiator between the drive motor and the water condenser. In addition, when the refrigerant temperature exceeds the first allowable temperature, heat transfer from the water vapor in the exhaust air to the liquid is not transferred to the refrigerant due to the water condenser bypass of the refrigerant. Of the radiator's possible heat dissipation In囲内, there is an effect that it is possible to cool the drive motor while suppressing the increase in the coolant temperature.
[0022]
  According to the invention of claim 2, in addition to the effect of the invention of claim 1,When the temperature of the refrigerant exceeds a second allowable temperature higher than the first allowable temperature with the flow path switching valve switched to the bypass flow path side, the output of the drive motor is limited. Therefore, even when the coolant of the drive motor bypasses the water condenser, when the coolant temperature rises, the maximum value of the drive motor output is limited to prevent deterioration of the drive motor or its drive circuit. There is an effect that can be done.
[0023]
  According to the invention of claim 3,A fuel cell body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween, and gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas at a flow rate determined according to the power generation state of the fuel cell body to the fuel cell body Water recovery means for recovering the water in the exhaust of the fuel electrode and the oxidant electrode and storing it in a water tank, a radiator for cooling the liquid refrigerant flowing through the flow path of the refrigerant for cooling the fuel cell body, A water condenser using a liquid refrigerant flowing through the flow path of the refrigerant as a means for collecting moisture in the exhaust gas of the oxidant electrode, provided at the outlet of the oxidant electrode of the fuel cell body, A flow path switching valve that switches the path to one of a flow path that passes through the water condenser and a bypass flow path that bypasses the water condenser, and when the refrigerant temperature is equal to or lower than the first allowable temperature, Switch the flow path to the water condenser side, When the temperature exceeds the first allowable temperature, the radiator is shared between the fuel cell main body and the water condenser by controlling the flow path switching valve so that the refrigerant flow path is switched to the bypass flow path side. When the refrigerant temperature is lower than the first allowable temperature while reducing the size of the system, the water condenser is operated to perform sufficient water recovery, and when the refrigerant temperature exceeds the first allowable temperature. The refrigerant water condenser bypass eliminates the heat transfer from the water vapor in the exhaust air to the liquid water, resulting in an increase in the refrigerant temperature within the radiator's possible heat dissipation range. There is an effect that the fuel cell body can be cooled while being suppressed.
[0024]
  According to the invention of claim 4, the claimItem 3In addition to the effects of the invention ofThe refrigerant flows into the fuel cell main body after passing through the water condenser.I did soSince the refrigerant having the lowest temperature in the refrigerant system of the fuel cell can be used as the refrigerant of the water condenser, the efficiency of the water condenser is increased, and the amount of recovered water is increased.
[0025]
  According to the invention of claim 5, the claim3In addition to the effects of the invention ofIn the state where the flow path switching valve is switched to the bypass flow path side, when the temperature of the refrigerant exceeds a second allowable temperature higher than the first allowable temperature, the output of the fuel cell body is limited. Therefore, even if the fuel cell refrigerant bypasses the water condenser, when the fuel cell refrigerant temperature rises, the maximum value of the fuel cell output is limited to prevent deterioration of the fuel cell body. There is an effect that can be done.
[0026]
  According to the invention of claim 6, the claim1 or claim 3In addition to the effects of the invention ofThe water tank is provided with a water level sensor for detecting the water level of the water tank and a drain valve for discharging water from the water tank to the outside, and when the water level detected by the water level sensor is not less than a first predetermined value, The flow path switching valve is switched so that the refrigerant flow path is on the bypass flow path side, and if the second predetermined value is greater than the first predetermined value, the drain valve is opened. When the amount of water is sufficient, by not operating the water condenser, there is an effect that it is possible to provide a fuel cell system that can reduce the amount of collected water and store an appropriate amount of water.
[0027]
  According to the invention of claim 7, the claim of claim6In addition to the effects of the invention ofWhen the water level detected by the water level sensor is less than a first predetermined value, the flow path switching valve is switched so that the refrigerant flow path is on the water condenser side, while the drain valve is closed. Therefore, there is an effect that it is possible to provide a fuel cell system that enables water recovery by operating a water condenser when water is insufficient.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a system configuration diagram showing the configuration of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, a fuel cell main body (also called a fuel cell stack) 7 has a fuel cell structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched and an oxidant electrode and a fuel electrode are arranged in pairs, and a plurality of layers are stacked. Is. The humidifier 6 adjoins the fuel gas and the oxidant gas with pure water through a semipermeable membrane, and humidifies these gases by passing water molecules through the semipermeable membrane. is there. In the future, when the self-humidifying function by the generated water in the fuel cell is established, the humidifier 6 is naturally unnecessary.
[0031]
In this embodiment, hydrogen is used as the fuel and air is used as the oxidant. The hydrogen stored in the hydrogen tank 1 is regulated by the pressure regulating valve 3, mixed with the fuel electrode exhaust gas recirculated by the hydrogen circulation device (ejector pump) 4, and supplied to the humidifier 6. The hydrogen gas humidified by the humidifier 6 is supplied to the fuel cell body 7. Exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell main body 7 is a mixed gas of hydrogen, water vapor, and liquid water, and is circulated to the inlet side of the humidifier 6 by the hydrogen circulation device 4. The water in the hydrogen exhaust is stored in, for example, a water tank 8 that also serves as a gas-liquid separator.
[0032]
After the flow rate is measured by the flow rate sensor 27, the air as the oxidant is compressed by the compressor 20 and supplied to the fuel cell body 7 via the humidifier 6. Exhaust air from an air electrode (not shown) contains water vapor and liquid water, is introduced into the water condenser 25, and the liquid water is recovered. After exiting the water condenser 25, it is discharged to the atmosphere via the pressure regulating valve 26. . The recovered liquid water passes through the recovered water channel 22 and is stored in the water tank 30. Here, cooling water for the drive motor 40 of the fuel cell vehicle is used as the refrigerant of the water condenser 25, and this cooling water is cooled by the radiator 42 and the radiator fan 43, and the cooling water temperature is detected by the temperature sensor 48. It has come to be.
[0033]
In addition, a water channel switching valve 44 is provided upstream from the cooling water inlet of the water condenser 25, and the water channel switching valve 44 flows into the water condenser 25 through the pipe 46 in accordance with operating conditions described later. Alternatively, it is used to switch between cooling water passing through the bypass line 47 and bypassing the water condenser 25.
[0034]
The water in the water tank 30 is supplied to the fuel cell main body 7 by the water pump 32 and is guided to the humidifier 6 after cooling the fuel cell, and a part thereof is consumed by humidification. The same amount of water consumed is supplied from the water tank 30. Since water is heated by cooling the fuel cell, it is cooled by the radiator 33 and the radiator fan 34.
[0035]
The air flow rate is detected by the flow rate sensor 27, and the pressure is adjusted by the pressure regulating valve 26. Reference numerals 9a and 9b denote pressure sensors for detecting the pressures of hydrogen and air, respectively.
[0036]
Further, a sensor for detecting the power generation state of the stack (not shown) is provided, and a control unit (not shown) adjusts the hydrogen pressure and the air pressure with the pressure regulating valves 3 and 26 according to the power generation state, and the air flow rate of the compressor 20. Adjust according to the rotation speed.
[0037]
Next, switching conditions of the water channel switching valve 44 will be described. The switching valve 44 is switched to adjust the water recovery amount and the cooling water temperature.
First, the water recovery amount adjustment will be described. FIG. 2 is a sectional view for explaining the inside of the water tank 30. In the water tank 30, for example, a water level sensor 18 having a float 18 a is provided, and an output thereof is input to a control unit (CU) 19. Water recovery is required when the output signal of the water level sensor 18 is below the allowable upper limit level, eg, below the High level in FIG. 2, or when the water level sensor 18 is below the allowable lower limit value, eg, below the Low level in FIG. Therefore, the water path switching valve 44 is adjusted by the control unit 19 at a position where the cooling water flows to the water condenser 44. The cooling water flows into the water condenser 25 through the pipe 46, and the water vapor in the exhaust air is reduced. It is recovered as liquid water and replenished into the water tank 30. In that case, of course, the discharge valve 23 remains closed.
[0038]
When the output signal of the water level sensor 18 is not less than the allowable upper limit value, for example, not less than the High level in FIG. 2, the amount of water is excessive and water recovery is not required. At this time, the water path switching valve 44 is adjusted by the control unit 19 so that the cooling water does not flow through the water condenser 25, and the cooling water does not flow into the water condenser 25 through the bypass pipe 47. The water vapor is hardly recovered as liquid water, and the water in the water tank 30 is being consumed by, for example, the humidifier 6 (the water level is lowered). However, depending on the operating conditions, water consumption (humidification amount) is small, and there is a possibility that water may be recovered due to condensation of water vapor due to a slight amount of heat exchange in the water condenser 25. Furthermore, the water level goes up. In that case, when the control unit 19 opens the discharge valve 23 and forcibly drains from the pipe 24 when the H-High level in FIG. 2, for example, becomes higher than the H-High level in FIG. To close the drain valve 23 and stop forced drainage.
[0039]
FIG. 3 is a control flowchart of the water level in the first embodiment. First, it is determined whether or not the water level sensor output is equal to or higher than the high level (step 10, hereinafter, step is abbreviated as S). If it is less than the High level, the process proceeds to S18. If it is above the High level, the electromagnetic three-way valve 44 is switched from the water condenser to the bypass flow path (S12). Next, it is determined whether or not the water level sensor output is equal to or higher than the H-High level (S14), and if it is less than the H-High level, the process proceeds to S18. If it is above the H-High level, the drain valve 23 is opened (S16). Next, it is determined whether or not the water level sensor output is lower than the low level (S18). If not lower than the low level, the process is terminated and the process returns. If it is below the Low level, the drain valve 23 is closed (S20), the electromagnetic three-way valve 44 is switched from the bypass flow path to the water condenser (S22), and the process returns.
[0040]
Next, adjustment of the cooling water temperature will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, a cooling water temperature sensor 48 is provided at the outlet of the radiator 42, and a temperature signal is input to the control unit 19. When the water condenser 25 is operating, the water vapor in the exhaust air is cooled by the cooling water and condensed. That is, the amount of heat Q1 when the phase changes from water vapor to liquid water is transferred to the cooling water, and the cooling water temperature rises. Further, the temperature of the cooling water is also increased by the amount of heat Q2 from the drive motor 40. Here, assuming that the amount of heat that can be radiated from the radiator 42 at a certain wind speed and outside air temperature is Q3, if Q1 + Q2 ≦ Q3, the temperature rise of the cooling water, so-called overheating can be prevented. Therefore, when the signal from the temperature sensor 48 is below the allowable temperature, the control unit 19 adjusts the water channel switching valve 44 to a position where the cooling water flows to the water condenser 25, and the cooling water passes through the conduit 46 and is condensed into the condenser. Even if it flows into 25 and the water vapor | steam in exhaust air is collect | recovered as liquid water, overheating can be suppressed.
[0041]
In addition, when Q1 + Q2 ≧ Q3, such as when the heat dissipation amount Q2 of the drive motor 40 increases during high speed operation or when the heat amount Q3 that can be radiated from the radiator 42 decreases due to an increase in the outside air temperature, Since the water temperature becomes higher than the permissible temperature and overheats, the water path switching valve 44 is adjusted by the control unit 19 so that the cooling water does not flow through the water condenser 25, and the cooling water passes through the bypass pipe 47 and the water condenser. In order not to flow into 25, Q1 = 0, Q2 ≦ Q3, and overheating can be prevented.
[0042]
As shown in FIG. 8, when the outside air temperature further rises and the cooling water temperature reaches the allowable upper limit temperature (tm) and Q3 is reduced, Q2 is also reduced so that Q2 ≦ Q3, that is, the drive motor 40 Apply the maximum output limit. As a result, the amount of heat generated in the drive motor 40 is limited, and overheating can be prevented. This output restriction is performed under the condition of Q2> Q3. FIG. 4 shows a control flowchart based on the above cooling water temperature.
[0043]
In FIG. 4, first, it is determined whether or not the output of the temperature sensor 48 exceeds the first allowable temperature (Tc) (S30). If not, the electromagnetic three-way valve 44 is switched from the bypass flow path to the water condenser (S32), and the process proceeds to S36. If it exceeds the first allowable temperature (Tc), the electromagnetic three-way valve 44 is switched from the water condenser to the bypass flow path to reduce the heat load of the cooling system (S34), and the process proceeds to S36. In S36, it is determined whether or not the output of the temperature sensor 48 exceeds the drive motor output limit temperature (Tm) that is the second allowable temperature. If not exceeded, the limitation on the drive motor output is released (S40), and the process returns. If the drive motor output limit temperature (Tm), which is the second allowable temperature, is exceeded, a drive motor output limit value corresponding to the output value of the temperature sensor 48 is determined (S38), and the process returns. Here, when the water condenser bypass temperature, which is the first allowable temperature, is Tc, and the drive motor output limit temperature, which is the second allowable temperature, is Tm, Tc <Tm.
[0044]
Next, the configuration of the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention is shown in FIG. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that in the second embodiment, the cooling water of the fuel cell main body 7 is used as the refrigerant of the water condenser 25, thereby increasing the layout flexibility of the water piping. It is possible to reduce the size of the entire system. Further, the water channel switching valve 51 is provided upstream of the water condenser 25, a flow path 54 to the water condenser 25, a bypass flow path 55 that bypasses the water condenser 25 and flows directly into the fuel cell body 7, It is branched to. A temperature sensor 52 that detects the coolant temperature of the fuel cell body 7 is provided downstream of the radiator 33. Here, considering the heat exchange efficiency of the water condenser 25, the cooling water has the lowest temperature in the cooling system, that is, cooled with water at the outlet of the radiator 33, thereby reducing the size of the water condenser 25. .
[0045]
Other operations are the same except that the output limit and heat generation amount Q2 of the vehicle drive motor in the first embodiment are replaced with the output limit and heat generation amount of the fuel cell.
[0046]
FIG. 6 is a flowchart for explaining the adjustment control of the water recovery amount by the switching valve 51 in the second embodiment. First, it is determined whether or not the water level sensor output is higher than the high level (S50). If it is less than the High level, the process proceeds to S58. If it is higher than the high level, the electromagnetic three-way valve 51 is switched from the water condenser to the bypass flow path (S52). Next, it is determined whether or not the water level sensor output indicates that the water level further increases (S54). If the water level has not increased, the process proceeds to S58. If the water level further increases, the drain valve 23 is opened (S56). Next, it is determined whether or not the water level sensor output is equal to or lower than the low level (S58). If not lower than the low level, the process is terminated and the process returns. If it is below the Low level, the drain valve 23 is closed (S60), the electromagnetic three-way valve 51 is switched from the bypass flow path to the water condenser (S62), and the process returns.
[0047]
FIG. 7 is a flowchart for explaining cooling water temperature adjustment control in the second embodiment. First, it is determined whether or not the output of the temperature sensor 52 exceeds the first allowable temperature (Tc) (S70). If not, the electromagnetic three-way valve 51 is switched from the bypass flow path to the water condenser (S72), and the process proceeds to S76. If it exceeds the first allowable temperature (Tc), the electromagnetic three-way valve 51 is switched from the water condenser to the bypass flow path to reduce the heat load of the cooling system (S74), and the process proceeds to S76. In S76, it is determined whether or not the output of the temperature sensor 51 exceeds the fuel cell output limit temperature (Ts) that is the second allowable temperature. If not exceeded, the restriction on the fuel cell output is canceled (S80), and the process returns. If the fuel cell output limit temperature (Ts), which is the second allowable temperature, is exceeded, a fuel cell output limit value corresponding to the output value of the temperature sensor 51 is determined (S78), and the process returns. Here, when the water condenser bypass temperature which is the first allowable temperature is Tc and the fuel cell output limit temperature which is the second allowable temperature is Ts, the relationship is Tc <Ts.
[0048]
The preferred embodiments have been described above, but these do not limit the present invention. In the embodiment, the system for supplying hydrogen directly has been described, but in the case of a fuel cell using a fuel such as alcohol, water is used for a fuel reforming reaction for taking out hydrogen. This requires more water than a system that supplies hydrogen directly. In that case, water may have to be recovered from the exhaust hydrogen, and it is conceivable to equip the hydrogen line with a device similar to the exhaust air water recovery device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating details of a water recovery tank.
FIG. 3 is a flowchart illustrating water recovery control according to the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart illustrating cooling water temperature adjustment control according to the first embodiment.
FIG. 5 is a system configuration diagram showing a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 6 is a flowchart illustrating water recovery control according to the second embodiment.
FIG. 7 is a flowchart illustrating cooling water temperature adjustment control according to the second embodiment.
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating output restriction when the outside air temperature rises.
[Explanation of symbols]
6 Humidifier
7 Fuel cell body
22 Recovery water flow path
23 Drain valve
24 Drain pipe
25 Water condenser
30 water tank
40 Drive motor
41 Cooling water circulation pump
42 Radiator
43 Radiator Fan
44 Waterway selector valve
45 Cooling water pipeline
46 Cooling water pipeline
47 Bypass channel

Claims (7)

電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給するガス供給手段と、
前記燃料極及び酸化剤極の排気中の水分を回収して水タンクに貯蔵する水分回収手段と、
燃料電池を搭載した燃料電池車の駆動モータを冷却する冷媒の流路を流れる液体の冷媒を冷却するラジエータと、を備え、
前記酸化剤極の排気中の水分回収手段として、前記冷媒の流路を流れる液体の冷媒を用いた水凝縮器を前記燃料電池本体の酸化剤極の出口に設け、
前記冷媒の流路を前記水凝縮器を通過する流路と該水凝縮器をバイパスするバイパス流路とのいずれか一方に切り換える流路切換弁を備え、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には冷媒流路を前記水凝縮器側に切り換え、冷媒温度が第１の許容温度を超える場合には、冷媒流路を前記バイパス流路側に切り換えるように前記流路切換弁を制御することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween;
Gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas at a flow rate determined according to the power generation state of the fuel cell body to the fuel cell body;
Moisture recovery means for recovering moisture in the exhaust of the fuel electrode and oxidant electrode and storing it in a water tank;
A radiator that cools a liquid refrigerant flowing through a flow path of a refrigerant that cools a drive motor of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell, and
As a means for collecting moisture in the exhaust gas of the oxidant electrode, a water condenser using a liquid refrigerant flowing through the flow path of the refrigerant is provided at the outlet of the oxidant electrode of the fuel cell body ,
A flow path switching valve that switches the flow path of the refrigerant to one of a flow path that passes through the water condenser and a bypass flow path that bypasses the water condenser; and the refrigerant temperature is equal to or lower than a first allowable temperature In this case, the refrigerant flow path is switched to the water condenser side, and when the refrigerant temperature exceeds the first allowable temperature, the flow path switching valve is controlled to switch the refrigerant flow path to the bypass flow path side. A fuel cell system. 前記流路切換弁をバイパス流路側に切り換えた状態で、前記冷媒の温度が前記第１の許容温度より高い第２の許容温度を超える場合には、前記駆動モータの出力制限を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 In a state where the flow path switching valve is switched to the bypass flow path side, when the temperature of the refrigerant exceeds a second allowable temperature higher than the first allowable temperature, the output of the drive motor is limited. The fuel cell system according to claim 1. 電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給するガス供給手段と、
前記燃料極及び酸化剤極の排気中の水分を回収して水タンクに貯蔵する水分回収手段と、
前記燃料電池本体を冷却する冷媒の流路を流れる液体の冷媒を冷却するラジエータと、を備え、
前記酸化剤極の排気中の水分回収手段として、前記冷媒の流路を流れる液体の冷媒を用いた水凝縮器を前記燃料電池本体の酸化剤極の出口に設け、
前記冷媒の流路を前記水凝縮器を通過する流路と該水凝縮器をバイパスするバイパス流路とのいずれか一方に切り換える流路切換弁を備え、冷媒温度が第１の許容温度以下の場合には冷媒流路を前記水凝縮器側に切り換え、冷媒温度が第１の許容温度を超える場合には、冷媒流路を前記バイパス流路側に切り換えるように前記流路切換弁を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween;
Gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas at a flow rate determined according to the power generation state of the fuel cell body to the fuel cell body;
Moisture recovery means for recovering moisture in the exhaust of the fuel electrode and oxidant electrode and storing it in a water tank;
A radiator for cooling a liquid refrigerant flowing through a refrigerant flow path for cooling the fuel cell body,
As a means for collecting water in the exhaust gas of the oxidant electrode, a water condenser using a liquid refrigerant flowing through the flow path of the refrigerant is provided at the outlet of the oxidant electrode of the fuel cell body,
A flow path switching valve that switches the flow path of the refrigerant to one of a flow path that passes through the water condenser and a bypass flow path that bypasses the water condenser; and the refrigerant temperature is equal to or lower than a first allowable temperature In this case, the refrigerant flow path is switched to the water condenser side, and when the refrigerant temperature exceeds the first allowable temperature, the flow path switching valve is controlled to switch the refrigerant flow path to the bypass flow path side. A fuel cell system. 前記冷媒は、前記水凝縮器を通過した後に前記燃料電池本体に流入することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 3 , wherein the refrigerant flows into the fuel cell main body after passing through the water condenser . 前記流路切換弁をバイパス流路側に切り換えた状態で、前記冷媒の温度が前記第１の許容温度より高い第２の許容温度を超える場合には、前記燃料電池本体の出力制限を行うことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。 In a state where the flow path switching valve is switched to the bypass flow path side, when the temperature of the refrigerant exceeds a second allowable temperature higher than the first allowable temperature, the output of the fuel cell body is limited. The fuel cell system according to claim 3, wherein: 前記水タンクには、該水タンクの水位を検出する水位センサ及び該水タンクから外部へ排水する排水弁が設けられ、
前記水位センサが検出する水位が第１の所定値以上の場合には、前記冷媒流路がバイパス流路側となるように前記流路切換弁を切換え、さらに前記第１の所定値より大きい第２の所定値以上の場合には、前記排水弁を開くことを特徴とする請求項１または請求項３記載の燃料電池システム。 The water tank is provided with a water level sensor for detecting the water level of the water tank and a drain valve for discharging water from the water tank to the outside.
When the water level detected by the water level sensor is greater than or equal to a first predetermined value, the flow path switching valve is switched so that the refrigerant flow path is on the bypass flow path side, and further, the second higher than the first predetermined value. 4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the drain valve is opened when the predetermined value is equal to or greater than a predetermined value . 5. 前記水位センサが検出する水位が第１の所定値未満の場合には、前記冷媒流路が前記水凝縮器側となるように前記流路切換弁を切換える一方、前記排水弁を閉じることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。 When the water level detected by the water level sensor is less than a first predetermined value, the flow path switching valve is switched so that the refrigerant flow path is on the water condenser side, and the drain valve is closed. The fuel cell system according to claim 6 .
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