JP6848835B2

JP6848835B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP6848835B2
Application number: JP2017229174A
Authority: JP
Inventors: 健治濱崎; 昌男柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: JP2019102170A

Description

本発明は、冷却装置に関する。

燃料電池に供給される酸化剤ガスは、加圧により温度が上昇するため、冷却の必要がある。これに関し、例えば、酸化剤ガスの通路に多孔質の保水材を設け、保水材に液水を補給することで、液水の蒸発潜熱により酸化剤ガスを冷却する手段が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平６−８９７３１号公報

しかし、加圧された酸化剤ガスの流速は速い（例えば４０００（NL/min.））ため、液水が保水材の全体にわたり浸み込む前に下流側に流されることにより、十分な冷却効果が得られないおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給される酸化剤ガスの冷却効果が改善された冷却装置を提供することを目的とする。

本明細書に記載の冷却装置は、燃料電池に供給される酸化剤ガスを液水により冷却する冷却装置において、前記酸化剤ガスが流れるガス配管と、前記ガス配管内に前記液水を供給する液水配管と、前記ガス配管内を前記酸化剤ガスの流れる方向に延び、前記液水を含浸する筒状の多孔質部材と、前記液水を導くように前記多孔質部材の表面に沿って巻き回された螺旋状のコイル部材とを有する。

本発明によれば、燃料電池に供給される酸化剤ガスの冷却効果を改善することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。加湿器の一例を示す外観図である。液水の温度に対する蒸発速度の特性の例を示すグラフである。加湿器の他の例を示す外観図である。

図１は、燃料電池システム１（以下、「システム」と表記）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。なお、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酸化剤ガスは、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から排出された酸化剤オフガスを大気放出する。

エアポンプ３３は、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池２０に供給する。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から排出される酸化剤オフガスの通過を許容すると共に酸化剤オフガス中の液水を貯留する。酸化剤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から酸化剤オフガスと共に排出された生成水や、酸化剤ガス中の水分が燃料電池２０内で凝縮して酸化剤オフガスと共に排出された凝縮水を含む。なお、後述するように、気液分離器３７で貯留された液水は、加湿器３５での酸化剤ガスの加湿及び冷却に用いられる。

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。例えば液水経路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。例えば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酸化剤ガスの加湿及び冷却について説明する。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を介してまず熱交換器５７に供給され、次に加湿器３５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。熱交換器５７では、例えば、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酸化剤ガスが供給される。圧縮された酸化剤ガスの温度は、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酸化剤ガスとも熱交換され、蒸発が促進されて、酸化剤ガスが加湿及び冷却される。以下に加湿器３５の構成を述べる。

図２は、加湿器３５の一例を示す外観図である。加湿器３５は、液水を蒸発させることにより酸化剤ガスを加湿するだけでなく、その蒸発潜熱（つまり気化熱）により酸化剤ガスを冷却する。なお、加湿器３５は、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを液水により冷却する冷却装置の一例である。

加湿器３５は、二重管構造を構成する円筒状の外側配管６０及び内側配管６１と、液水を供給するための液水配管６２と、液水を含浸する円筒状の多孔質部材６３と、外側配管６０の表面に沿って巻き回された螺旋状のコイル部材６４とを有する。内側配管６１は、循環経路４１の一部であり、上流側が熱交換器５７に接続され、下流側が燃料電池２０に接続されている。内側配管６１は、外側配管６０の内部を通り、その内部６１０には冷却水が流れる。

外側配管６０は、供給経路３１の一部であり、上流側がエアポンプ３３に接続され、下流側が燃料電池２０に接続されている。外側配管６０の内部には内側配管６１が収容されており、外側配管６０と内側配管６１の間の空間６００には酸化剤ガスが流れる。なお、外側配管６０はガス配管の一例である。

液水配管６２は、液水経路５１の一部であり、上流側が熱交換器５７に接続され、外側配管６０内に液水を供給する。液水配管６２の出口は外側配管６０と内側配管６１の間の空間６００に配置され、その空間６００に液水が吐出される。したがって、外側配管６０と内側配管６１の間の空間６００には液水と酸化剤ガスが混在し、液水と酸化剤ガスは、矢印で示されるように、空間６００内を下流側に流れる。

多孔質部材６３は、外側配管６０内を酸化剤ガスの流れる方向に延びており、液水と酸化剤ガスが流れる空間６００に配置されている。多孔質部材６３は、冷却水から吸熱できるように、内側配管６１の外側の表面を覆うように設けられている。

多孔質部材６３は親水性を有するため、液水配管６２から空間６００に吐出された液水は、多孔質部材６３に到達すると、多孔質部材６３に浸み込む。多孔質部材６３は空間６００を流れる酸化剤ガスとも接触するため、多孔質部材６３に含浸された液水は酸化剤ガスと熱交換を行う。これにより、液水は蒸発し、その蒸発潜熱によって酸化剤ガスが冷却される。また、酸化剤ガスには蒸気によって加湿される。

ここで、仮に、多孔質部材６３にコイル部材６４が備えられていないと、エアポンプ３３により加圧された酸化剤ガスの流速は速いため、吐出された液水は、多孔質部材６３の全体にわたって浸み込む前に下流側に流され、酸化剤ガスが十分に冷却されないおそれがある。

しかし、コイル部材６４は、液水を導くように、多孔質部材６３の表面に沿って巻き回されているため、液水がコイル部材６４を伝って多孔質部材６３の全体にわたって浸み込む。これにより、液水と酸化剤ガスが接触する気液二相界面表面積が十分に確保されるため、液水の蒸発潜熱により酸化剤ガスを十分に冷却することが可能となる。

また、液水は、高温、低湿度、及び大流量の酸化剤ガスと同じ空間６００を流れるため、液水の温度は高く、その水蒸気は低湿かつ高い流速となる。したがって、多孔質部材６３の表面における単位面積当たりの蒸発速度は十分に高い値に維持される。

また、筒状の多孔質部材６３の内側には内側配管６１が通っているため、多孔質部材６３の内周面は内側配管６１の外周面と接触している。このため、多孔質部材６３に含浸された液水は、低い熱抵抗で冷却水と熱交換が行われる。これにより、多孔質部材６３に含浸した液水の蒸発が促進される。

図３は、液水の温度に対する蒸発速度の特性の例を示すグラフである。符号ｐ’は気液二相界面表面積が小さい場合の特性を示し、符号ｐは気液二相界面表面積が大きい場合の特性を示す。液水の蒸発速度は、温度が上昇すると指数関数的に増加する。

加湿器３５は、液水と酸化剤ガスが接触する気液二相界面表面積が十分に確保されているため、符号Ｅａで示されるように、蒸発速度の特性が符号ｐ’で示すものから符号ｐで示すものに改善される。また、加湿器３５は、外側配管６０と内側配管６１の二重管構造を有するため、冷却水と酸化剤ガスを混合させることなく、冷却水及び酸化剤ガスの熱により液水を昇温させることができる。多孔質部材６３に含浸した液水は、内側配管６１と面接触しているため、低い熱抵抗により十分に昇温する（Δｔ参照）。このため、符号ｐの特性において、液水の蒸発速度が、符号Ｅｂで示されるように増加する。

このように、本例の加湿器３５によると、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスの冷却効果が改善される。なお、多孔質部材６３としては、液水の浸透性が良好な細孔と、高い熱伝導度を有する素材が好ましく、例えば親水性ステンレスメッシュや珪藻土が挙げられる。また、外側配管６０及び内側配管６１の素材としては、低コスト性と高い熱伝導度を備え、液水により溶出しにくいものが好ましく、例えばステンレスが挙げられる。また、コイル部材６４の素材としては、配管との接続のコストが低く、高い熱伝導度及び親水性を備えたものが好ましく、例えば親水性ステンレスが挙げられる。

本例の加湿器３５は、内側配管６１には冷却水が流れ、外側配管６０には酸化剤ガス及び液水が流れるように構成されているが、内側配管６１に酸化剤ガス及び液水が流れ、外側配管６０に冷却水は流れるように構成されてもよい。

図４は、加湿器３５の他の例を示す外観図である。図４において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例では、内側配管６１の内部６１０に酸化剤ガス及び液水が流れ、内側配管６１と外側配管６０の間の空間６００に冷却水が流れる。液水配管６２の出口は内側配管６１内に開いており、液水は内側配管６１の内部６１０に吐出される。

また、内側配管６１の内表面には、円筒状の多孔質部材６３ａが設けられている。多孔質部材６３ａは、上記の多孔質部材６３と同様に、内側配管６１内を酸化剤ガスの流れる方向に延び、液水を含浸する。

また、内側配管６１内には、コイル部材６４ａが設けられている。コイル部材６４ａは、液水を導くように多孔質部材６３ａの内周面に沿って巻き回されている。このため、液水がコイル部材６４ａを伝って多孔質部材６３ａの全体にわたって浸み込む。これにより、液水と酸化剤ガスが接触する気液二相界面表面積が十分に確保されるため、液水の蒸発潜熱により酸化剤ガスを十分に冷却することが可能となる。

また、外側配管６０と内側配管６１の二重管構造を有するため、冷却水と酸化剤ガスを混合させることなく、冷却水及び酸化剤ガスの熱により液水を昇温させることができる。このため、上述したように、液水の蒸発速度が改善される。なお、加湿器３５として、図２及び図４の何れの構成を採用するかの判断は、例えば、圧力損失、外表面からの放熱、及び配管の引き回しなどの各種の条件に応じて行われてもよい。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池システム
２０燃料電池
３５加湿器
６０外側配管
６１内側配管
６２液水配管
６３，６３ａ多孔質部材
６４，６４ａコイル部材

Claims

燃料電池に供給される酸化剤ガスを液水により冷却する冷却装置において、
前記酸化剤ガスが流れるガス配管と、
前記ガス配管内に前記液水を供給する液水配管と、
前記ガス配管内を前記酸化剤ガスの流れる方向に延び、前記液水を含浸する筒状の多孔質部材と、
前記液水を導くように前記多孔質部材の表面に沿って巻き回された螺旋状のコイル部材とを有する冷却装置。