JP4540786B2 - 燃料電池用熱交換加湿システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子膜を電解質膜として用いた、例えば、燃料電池自動車等に使用される燃料電池用熱交換加湿システムに係るものであり、特に、水分透過型加湿装置を熱交換器として使用する燃料電池用熱交換加湿システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、例えば、特開平6−132038号公報に記載されているように固体高分子膜を電解質膜として用いた燃料電池が知られている。この種の燃料電池においては、供給される酸素と水素との電気化学反応により生じた電子が固体電解質膜を流れることにより発電が行なわれる。そして、発電が効率良く行なわれるためには、燃料電池の推奨運転温度を出力に応じて決定される所定の温度にすることが望ましい。即ち、この温度よりも高いと固体高分子膜が破損するおそれがあり、この温度より低いと生成水の結露と触媒の不活性化により固体電解質膜間に水が溜まって目詰まりを起こし、発電能力低下につながってしまうからである。
したがって、従来は入口ガス温度を運転温度に合わせる必要から、冷却水を通水した熱交換器を介して入口ガスを冷却して、燃料電池内を最適な温度下に維持している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱交換器を用いて入口ガス温度を冷却するものにあっては、比較的大型の熱交換器、ラジエータファン、及び冷却水ポンプ等が必要となり、消費電力及び占有スペースが大きくなってしまうという問題がある。また、これら各種の部品により車体重量の増加を招いてしまうという問題がある。
ところで、この種の燃料電池には固体高分子膜の導電性を高め、反応により生じた電子の移動の際の抵抗を低くする必要から、入口ガスを加湿しなければならないという要請がある。
そこで、この発明は、燃料電池用の入口ガスを加湿するための加湿装置を有効利用して、燃料電池作動用の入口ガスを最適温度に維持することができる燃料電池用熱交換加湿システムを提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、水分透過型の加湿装置(例えば、実施形態における加湿装置6)を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池1)のオフガス排出路(例えば、実施形態におけるオフガス排出路5)を流れる排出ガス(例えば、実施形態におけるオフガス)から水分を抽出し、反応ガス供給装置(例えば、実施形態におけるスーパーチャージャー17)から供給される燃料電池作動用の入口ガス(例えば、実施形態における反応ガス)に水分を供給して加湿系を構成し、前記オフガス排出路の前記加湿装置の下流側に圧力調整弁(例えば、実施形態における圧力調整弁18)を設け、前記燃料電池の出力に応じて変化する燃料電池の入口ガス温度とガス圧力との関係に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御しガス圧力を調整することで前記燃料電池の必要出力を確保する制御装置(例えば、実施形態における制御装置22)を設けたことを特徴とする。
請求項2に記載した発明は、前記制御装置は前記燃料電池の出力に応じたガス圧力の許容範囲内でガス圧力を調製することを特徴とする。
請求項3に記載した発明は、水分透過型の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池のオフガス排出路を流れる排出ガスから水分を抽出し、反応ガス供給装置から供給される燃料電池作動用の入口ガスに水分を供給して加湿系を構成し、前記加湿装置と前記燃料電池とを通流する冷却水循環流路(例えば、実施形態における冷却水循環流路23)を設け、前記冷却水循環流路に冷却水の前記加湿装置への流量を調製する流量調整弁(例えば、実施形態における流量調整弁26)を設け、前記加湿装置での熱交換に加え前記流量調整弁の開度を制御し冷却水の流量を調整することで入口ガスの温度を更に調製する制御装置(例えば、実施形態における制御装置22)を設けたことを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第1実施形態を図面と共に説明する。
図1はこの発明の燃料電池加湿システムを模式的に示したものである。この燃料電池加湿システムは、例えば、燃料電池自動車に使用されるものである。
同図において、1は燃料電池を示している。燃料電池1は多数の固体高分子膜を備えたものであって、各固体高分子膜は例えば酸素と水素とを隔絶しつつ、飽和含水することにより、分子中に存在するプロトン交換基によって導電性電解質として機能するものである。
【0007】
燃料電池1のガス入口2には、反応に使用される反応ガス(空気あるいは水素ガス)の反応ガス供給路3が接続されている。また、燃料電池1のガス出口4には反応を終えて燃料電池1から排出されるオフガスのオフガス排出路5が接続されている。ここで、燃料電池1内で反応に使用されるガスは空気として取り入れられる酸素と、別途供給される水素とがあるが、ここでは空気側で説明する。
上記反応ガス供給路3とオフガス排出路5とにまたがって、反応ガスである空気を、オフガス内の水分により加湿する加湿装置6が設けられている。これら加湿装置6、反応ガス供給路3、及びオフガス排出路5が加湿系を構成している。
【0008】
図2は加湿装置6の概略構成図である。同図において、筒状のケーシング7内には多数の中空糸膜(水透過膜からなる多孔質中空糸)Tが密集した状態で束ねて挿入されていて、ケーシング7の一端側がオフガス入口8、多端側がオフガス出口9として構成されている。一方、ケーシング7にはその側壁に反応ガス入口10と反応ガス出口11が各々形成され、この反応ガス入口10と反応ガス出口11とはケーシング7内の各中空糸膜の間の隙間に連通している。
【0009】
そして、上記ケーシング7の各端部には、前記反応ガス入口10と反応ガス出口11とを覆う位置までヘッド12,12が取り付けられ、ヘッド12に形成された反応ガスポート13とオフガスポート14とが、各々前記ケーシング7の反応ガス入口10、反応ガス出口11と、オフガス入口8、オフガス出口9に接続されている。ここでヘッド12間にはケーシング7を囲むようにカバー15が取り付けられている。このように構成された加湿装置6の反応ガスポート13とオフガスポート14とが前記反応ガス供給路3とオフガス排出路5とに各々接続さている。ここで、1つの加湿装置6には複数のケーシング7を設けることができるが、使用されるケーシング7、つまり中空糸膜の本数は燃料電池1の能力に応じて適宜設定できる。尚、図1においては図示都合上、反応ガスポート13の位置を図2とは異なるように記載している。
【0010】
したがって、ケーシング7の一端側のオフガスポート14から各中空糸膜内に湿潤したオフガスが供給されると、中空糸膜に形成された毛管内においてに水分が凝縮し(ケルビンの毛管凝縮式に基づく)、この水分は分離透過される。この透過した水分は、前記反応ガスポート13から送られてくる乾燥空気と接触することでこれを加湿する。その結果、ケーシング7の多端側の反応ガスポート14から出る反応ガスである空気は加湿された状態となる。
【0011】
図1において、前記反応ガス供給路3には加湿装置6の上流側に、モータ16により駆動するスーパーチャージャー17が設けられている。このスーパーチャージャー17によって外気が燃料電池1内に供給される。一方、オフガス排出路5には加湿装置6の下流側に圧力調整弁18が設けられている。この圧力調整弁18により系内の圧力が調整される。
ここで反応ガス供給路3であって、加湿装置6と燃料電池1のガス入口2との間には、燃料電池1内に供給される乾燥エアーの圧力、温度、流量を各々測定する圧力計19、温度計20、流量計21が設けられている。
そして、前記圧力計19、温度計20、流量計21が制御装置22を介して前記圧力調整弁18に接続されている。
【0012】
ここで、圧力調整弁18の開度が変化(大〜小)すると、図1、図3に示すように、燃料電池1の反応ガス入口圧力(FC入口圧力)P1と、燃料電池1のオフガス出口圧力P2、と加湿装置6のオフガス出口圧力P3とは、各々変化(小〜大)する。
つまり、圧力調製弁18を開閉することにより、反応ガス入口圧力P1を調製することができる。
【0013】
上記実施形態によれば、燃料電池1から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池1に供給される反応ガスの温度が高い場合には、加湿装置6を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって低下し、一方、燃料電池1から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池1に供給される反応ガスの温度が低い場合には、加湿装置6を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって上昇するため、反応ガスの温度を反応に適したオフガスの温度に近づけることができる。その結果、加湿装置6により反応ガスをオフガスにより加湿すると共に反応ガスの温度を最適な状態に近づけることができる。また、加湿装置6を有効利用しているため、特別に熱交換装置やラジエータファン等を設けた場合に比較して、車体重量の増加も少なく、占有スペースも少なくて済む。
【0014】
ここで、図4に示すように、燃料電池1の反応ガスの入口温度(FC入口温度)と燃料電池1の反応ガスの入口圧力(FC入口圧力)とには相関関係がある。この相関関係は燃料電池1の出力に応じて変化するもので、例えば、出力をW1<W2<W3<W4としたときに、各出力においてFC入口圧力が大きければ大きいほどFC入口温度が大きくなっている。このような関係があるのは、圧力が増加すると抵抗が増加し流速が低下するため加湿装置6における熱交換効率が高まるためである。そして、この関係は出力が大きいほどグラフの傾きが大きく、FC入口温度が高くなるようになっている。
尚、この出力W1〜W2は連続的に変化するものであって、図示都合上4つの出力についてグラフ化したが、実際はこれら各出力ラインの間にも出力のラインが存在する。
【0015】
したがって、例えば、出力W4を確保する必要がある場合に、前記温度計20により検出された温度がC1であり、図4に示すW4のラインを越えている場合には、制御装置22を介して、温度C1がライン上に位置するようなFC入力圧力P10まで圧力調製弁18を絞って圧力を上昇させることで、必要出力W4を確保することができる。
【0016】
一方、前記温度計20により検出された温度がC2であり、図4に示すW4のラインに至っていない場合には、制御装置18を介して、温度C2がライン上に位置するようなFC入力圧力P20まで圧力を下げるげることで、必要出力W4を確保することができる。このようにして、FC入力圧力を変化させることで、FC入力温度を最適に維持して燃料電池1の必要出力を確保することができる。
その結果、加湿装置6によりなされる熱交換により反応ガスの温度を大きく調整することに加えて、制御装置22を介して圧力調製弁18により入口圧力を調整することで、きめの細かい温度制御を行なうことができるのである。
ここで、燃料電池1は、図5に示すようにFC出力に応じたFC入口圧力の許容範囲を持っているため、このグラフで囲まれる部分内で前述したFC入口圧力を微調整することは、燃料電池1に何ら悪影響を与えることはない。
【0017】
尚、この第1実施形態においては、温度計20と圧力計19によって制御装置22を介して圧力調製弁18の開度を調製したが、図1に示すように、温度計20と流量計21によって、制御装置22を介して圧力調製弁18の開度を調製することができる。尚、この場合、FC入口温度を下げたい場合には、加湿装置6の熱交換効率を高くするように圧力調製弁18を絞って流量を少なくし、一方、FC入口温度を上昇させたい場合には、加湿装置6の熱交換効率を低くするように圧力調製弁18を開いて流量が増加するように調製すれば良い。
【0018】
次に、この発明の第2実施形態を図6に基づいて説明する。
同図において、燃料電池1には反応ガス供給路3とオフガス排出路5が接続され、反応ガス供給路3とオフガス排出路5には、反応ガスにオフガスの水分を供給する加湿装置6が設けられている点、反応ガス供給路3にはスーパーチャージャー17が設けられている点、温度計20が設けられている点などの基本的構成は前記第1実施形態と同様である。
【0019】
ここで、この実施形態においては、燃料電池1内から加湿装置6を循環する冷却水配管23が設けられている。冷却水配管23は冷却水がポンプ24により燃料電池1内と加湿装置6内を循環するもので、加湿装置6を燃料電池1内と同様の温度に維持することができる。尚、この冷却水配管23は図2に示す各ヘッド12及びカバー15内を流れるようになっている。
【0020】
つまり、加湿装置6を燃料電池1内に近い温度に加熱することにより、加湿装置6においてオフガスにより加熱される反応ガスの温度を反応温度に近づけることができるのである。冷却水配管23には冷却水のバイパス路25が設けられ、冷却水配管23に設けた流量調製弁26でバイパス路25を流れる冷却水量を調整することにより、加湿装置6に供給される冷却水の温度を微妙に調製するようになっている。ここで、この実施形態においては、前記温度計20と前記流量調製弁26が制御装置22を介して接続されている。
【0021】
したがって、この実施形態においても、燃料電池1から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池1に供給される反応ガスの温度が高い場合には、加湿装置6を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって低下し、一方、燃料電池1から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池1に供給される反応ガスの温度が低い場合には、加湿装置6を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって上昇するため、反応ガスの温度を反応に適したオフガスの温度に近づけることができる。その結果、加湿装置6により反応ガスをオフガスにより加湿すると共に反応ガスの温度を最適な状態に近づけることができる。また、加湿装置6を有効利用しているため、特別に熱交換装置やラジエータファン等を設けた場合に比較して、車体重量の増加も少なく、占有スペースも少なくて済む。
【0022】
そして、前記冷却水配管23の流量調製弁26を絞ることにより加湿装置6への冷却水の流量を減少させ、あるいは流量調製弁26を開くことにより加湿装置6への冷却水の流量を増加させることができるため、加湿装置6の温度を調整することで、加湿装置6において熱交換される反応ガスの温度を調整してきめの細かい温度制御を行なうことができる。つまり、反応ガスの温度が燃料電池1のオフガスの温度より高い場合には、流量調製弁26を開いて、加湿装置6に供給される冷却水量を増加し、一方、反応ガスの温度が燃料電池1のオフガスの温度より低い場合には、流量調製弁26を絞って、加湿装置6に供給される冷却水量を減少させるのである。
その結果、加湿装置6においてなされる熱交換により反応ガスの温度を大きく調整することに加えて、制御装置22を介して流量調製弁26により加湿装置6自体の温度を調整することで、きめの細かい温度制御を行なうことができる。尚、冷却水配管23は、さほどの流量を必要とせず小型のものでよいため、車体重量に大きな影響を与えず、大きなスペースを占有することはない。
【0023】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、反応ガスとして用いられる水素用の加湿システムとして使用できる。また、第2実施形態の流量調整弁26は加湿装置6に供給される冷却水の流量を調整できれば、バイパス路25側に設けるようにしても良い。
【0024】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項1,2に記載した発明によれば、燃料電池に供給される入口ガスと、燃料電池から排出される排出ガスとを加湿装置に通し、排出ガスと入口ガスとを熱交換させることが可能となるため、燃料電池の入口ガスの圧力を高くすることにより、入口ガスの温度を高くすることができ、一方、入口ガスの圧力を低くすることにより、入口ガスの温度を低くすることができる。したがって、特別に熱交換装置を設ける必要なく、加湿装置を有効利用して、燃料電池内に供給される入口ガスの温度を最適に調整することができる効果がある。
また、熱交換装置を別途設けた場合に比較して占有スペースが少なくて済み、車体重量を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1実施形態の模式図である。
【図2】 この発明の各実施形態の加湿装置の概略構成図である。
【図3】 この発明の第1実施形態の圧力調製弁開度と各部の圧力との関係を示すグラフ図である。
【図4】 この発明の第1実施形態のFC入口温度とFC入口圧力との関係を示すグラフ図である。
【図5】 この発明の第1実施形態のFC入口圧力とFC出力との関係を示すグラフ図である。
【図6】 この発明の第2実施形態の模式図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
6 加湿装置
17 スーパーチャージャー(反応ガス供給装置)
Claims (3)
- 水分透過型の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池のオフガス排出路を流れる排出ガスから水分を抽出し、反応ガス供給装置から供給される燃料電池作動用の入口ガスに水分を供給して加湿系を構成し、前記オフガス排出路の前記加湿装置の下流側に圧力調整弁を設け、前記燃料電池の出力に応じて変化する燃料電池の入口ガス温度とガス圧力との関係に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御しガス圧力を調整することで前記燃料電池の必要出力を確保する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池用熱交換加湿システム。
- 前記制御装置は前記燃料電池の出力に応じたガス圧力の許容範囲内でガス圧力を調製することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用熱交換加湿システム。
- 水分透過型の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池のオフガス排出路を流れる排出ガスから水分を抽出し、反応ガス供給装置から供給される燃料電池作動用の入口ガスに水分を供給して加湿系を構成し、前記加湿装置と前記燃料電池とを通流する冷却水循環流路を設け、前記冷却水循環流路に冷却水の前記加湿装置への流量を調製する流量調整弁を設け、前記加湿装置での熱交換に加え前記流量調整弁の開度を制御し冷却水の流量を調整することで入口ガスの温度を更に調製する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池用熱交換加湿システム。
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