JP6784247B2

JP6784247B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6784247B2
Application number: JP2017170592A
Authority: JP
Inventors: 昌男柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-09-05
Also published as: JP2019046720A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池から排出されたカソードオフガス中の液水を貯留しておき、貯留された液水と燃料電池の冷却水とを熱交換する熱交換器により液水を昇温させて、昇温した液水により燃料電池に供給されるカソードガスを加湿する加湿器が知られている。加湿器では、圧縮機により圧縮されて高温となったカソードガスが供給され、液水はこのカソードガスの熱を受けて蒸発する。

特開２００４−３６２８０６号公報

加湿器では、液水の蒸発潜熱がカソードガスから奪われるため、カソードガスの温度が低下する。このカソードガスの温度の低下に起因して、液水の蒸発量を十分に確保できないおそれがある。特に、熱交換器での液水と冷却水との熱交換が十分ではない場合には、液水は十分に昇温せずに、液水の蒸発潜熱が増大してカソードガスの温度がより低下し、液水の蒸発量が更に低下する可能性がある。

本発明は、カソードガスを加湿する加湿器での液水の蒸発量を確保した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、カソードガスを圧縮して前記燃料電池に供給する圧縮機と、前記燃料電池を冷却する冷却水の放熱を促進するラジエータと、前記燃料電池から排出されたカソードオフガス中の液水を貯留する貯留部と、前記燃料電池から排出され前記ラジエータへ供給される前の前記冷却水と前記液水とを熱交換する熱交換器と、前記圧縮機により圧縮された後であり前記燃料電池へ供給される前の前記カソードガスと、前記熱交換器から排出され前記ラジエータへ供給される前の前記冷却水とにより、前記熱交換器から排出された前記液水を蒸発させて、前記燃料電池に供給される前の前記カソードガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、カソードガスを加湿する加湿器での液水の蒸発量を確保した燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの概略図である。図２は、熱源に応じた液水の累計蒸発量の試算結果を示したグラフである。図３は、変形例の燃料電池システムの概略図である。

図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）の概略図である。システム１は、制御装置１０、燃料電池２０、空気供給系３０、及び冷却系４０等を含む。システム１は、燃料電池２０の発電電力を不図示のモータ等に供給する。制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、燃料電池２０にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系や燃料電池２０の発電電力を制御する電力制御系を含む。

空気供給系３０は、燃料電池２０に空気を供給するものであり、以下のように構成される。外気から取り込んだ酸素を含む空気であるカソードガスは、供給経路３１を介してエアポンプ３３により圧縮され、加湿器３５で加湿され、燃料電池２０に供給される。排出経路３２は、燃料電池２０から排出されたカソードオフガスを大気放出する。エアポンプ３３は、カソードガスを圧縮して燃料電池２０に供給する圧縮機の一例である。気液分離器３７は、排出経路３２上に配置されており、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスの通過を許容すると共にカソードオフガス中の液水を貯留する。カソードオフガス中の液水には、燃料電池２０の発電反応により生成されて燃料電池２０からカソードオフガスと共に排出された生成水や、カソードガス中の水分が燃料電池２０内で凝縮してカソードオフガスと共に排出された凝縮水を含む。尚、詳しくは後述するが気液分離器３７で貯留された液水は、加湿器３５でのカソードガスの加湿に用いられる。

気液分離器３７と加湿器３５との間には、液水経路５１が接続されている。具体的には、液水経路５１の一端は、気液分離器３７の鉛直下方側の端部に接続されている。液水経路５１には、液水ポンプ５５が設けられている。液水ポンプ５５は、制御装置１０と電気的に接続されて制御される。後述する循環経路４１と液水経路５１とには、熱交換器５７が跨って設けられている。

冷却系４０は、冷却水を所定の経路を経て循環させることにより、燃料電池２０を冷却する。具体的には、冷却水は循環ポンプ４５により循環経路４１を流通し、熱交換器５７を通過し、ラジエータ４６で熱交換されて冷却されて、燃料電池２０に供給される。

次に、気液分離器３７で貯留された液水によるカソードガスの加湿について説明する。気液分離器３７で貯留された液水は、液水ポンプ５５が駆動することにより、液水経路５１を介して熱交換器５７、加湿器３５の順に供給される。上述したように熱交換器５７には、循環経路４１を介して冷却水が供給される。熱交換器５７では、この液水と冷却水とが熱交換される。具体的には、熱交換器５７は、ケース内を貫通するように設けられた金属製のチューブ内を冷却水が流通し、ケース内であってチューブの外側に液水が供給されるように構成されている。この構成により、液水と冷却水とは混合せずに、冷却水の熱がチューブの外壁を介して液水に伝達される。ここで、熱交換器５７に供給される冷却水は、燃料電池２０から排出された後であってラジエータ４６に供給される前であり、比較的高温であり、例えば１００℃程度である。このため熱交換器５７では、冷却水により液水の昇温が促進される。

次に、この液水と冷却水とは加湿器３５に導入される。ここで加湿器３５には、エアポンプ３３により圧縮されて高温となったカソードガスが供給される。圧縮されたカソードガスの温度は、例えば２００℃程度である。このため加湿器３５では、液水は冷却水と共に高温のカソードガスとも熱交換され、蒸発が促進されて、カソードガスが加湿される。加湿器３５も熱交換器５７と類似した構成であり、ケース内を貫通するように設けられた金属製のチューブ内を冷却水が流通し、ケース内であってチューブの外側に液水が供給され、このケース内であってチューブの外側をカソードガスが通過するように構成されている。また、チューブ内の冷却水と、チューブの外側の液水及びカソードガスとは混合しないように設けられている。

加湿器３５では、液水の蒸発潜熱に相当する熱量が、冷却水とカソードガスとの双方から奪われる。ここで、液水の蒸発潜熱に相当する熱量がカソードガスのみから奪われる場合を想定すると、カソードガスの温度が大きく低下し、液水の蒸発量を十分に確保できない可能性がある。特に、液水の量や冷却水の流量、又熱交換器５７の構造等の要因により、熱交換器５７で液水を冷却水と十分に熱交換することができずに、液水を十分に昇温させることができないことも考えられる。この場合には、加湿器３５に供給される液水の温度が低下して、加湿器３５での液水の蒸発潜熱が増大し、カソードガスの温度が更に低下して、液水の蒸発量が更に低下する可能性がある。本実施例では、液水が加湿器３５に供給される前に熱交換器５７で冷却水と熱交換した上で、更に加湿器３５においても液水と冷却水とが熱交換される。これにより、仮に熱交換器５７での液水と冷却水との熱交換が十分ではなかった場合であっても、加湿器３５で冷却水とカソードガスとにより液水の蒸発が図られる。従って、上述したように加湿器３５での液水の蒸発潜熱に相当する熱量が奪われる対象は、カソードガスのみではなく冷却水も含まれるため、カソードガスの温度の低下が抑制される。この結果、液水の蒸発量を確保することができる。

図２は、熱源に応じた液水の累計蒸発量の試算結果を示したグラフである。縦軸は、加湿器３５での液水の累計蒸発量を示し、横軸は、加湿器３５での位置を示している。横軸は、左側が加湿器３５の入口側であり右側が加湿器３５の出口側を示している。図２では、液水を蒸発させる熱源として、冷却水のみの場合、圧縮後のカソードガスのみの場合、冷却水と圧縮後のカソードガスの場合、事前に液水と熱交換された後での冷却水と圧縮後のカソードガスの場合を示している。液水の蒸発速度、及び累計蒸発量は上記の順に増大する。従って本実施例の構成により、効率的に液水を蒸発させることができ、カソードガスを十分に加湿することができる。また、図２に示すように、加湿器３５の入口から出口までの距離が長いほど液水の累積蒸発量は増大することになるが、本実施例の構成により液水の蒸発速度が速いため、加湿器３５の大型化を抑制しつつ液水の蒸発量を確保することができる。

次に、変形例のシステム１ａについて説明する。尚、システム１ａについて、同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。上記実施例と異なり、システム１ａでは、液水ポンプ５５の代わりに開閉弁５６が設けられている。また、空気供給系３０ａでは、エアポンプ３３の代わりにエアポンプ３３ａが設けられており、加湿器３５と燃料電池２０との間の供給経路３１上にエアポンプ３３ｂが設けられている。エアポンプ３３ａ及び３３ｂと開閉弁５６も制御装置１０ａにより電気的に接続され制御されている。エアポンプ３３ａにより圧縮されたカソードガスが加湿器３５に供給され、エアポンプ３３ｂによりカソードガスは更に圧縮されて燃料電池２０に供給される。ここで、エアポンプ３３ｂにより、液水経路５１内が負圧となり、開閉弁５６が開弁中では、気液分離器３７に貯留された液水が加湿器３５側へと吸引される。このため、液水を搬送するためだけに液水ポンプを設ける必要がなくなり、システム１ａの製造コストが低減される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１燃料電池システム
２０燃料電池
３５加湿器
３７気液分離器（貯留部）
４６ラジエータ
５７熱交換器

Claims

燃料電池と、
カソードガスを圧縮して前記燃料電池に供給する圧縮機と、
前記燃料電池を冷却する冷却水の放熱を促進するラジエータと、
前記燃料電池から排出されたカソードオフガス中の液水を貯留する貯留部と、
前記燃料電池から排出され前記ラジエータへ供給される前の前記冷却水と前記液水とを熱交換する熱交換器と、
前記圧縮機により圧縮された後であり前記燃料電池へ供給される前の前記カソードガスと、前記熱交換器から排出され前記ラジエータへ供給される前の前記冷却水とにより、前記熱交換器から排出された前記液水を蒸発させて、前記燃料電池に供給される前の前記カソードガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システム。