JP7121674B2 - 燃料電池システムおよびその冷却方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムおよびその冷却方法に関する。

水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給して発電する燃料電池システムには、発電に伴って発生する熱を冷却するラジエータ等の放熱装置が一般的に設置されている。この放熱装置に対して水道水を散水すると、空気の顕熱だけでなく、水の蒸発潜熱も利用できるので、より大きな冷却効果を得られる。これにより、冷却装置を小型化できる。

しかし、水道水を放熱装置に散水すると、水道水中に含まれる硬度成分の析出によって放熱装置の伝熱性能の低下が懸念される。そのため、別途フィルターや水処理樹脂などの浄水設備が必要になり、システム全体が大型化する可能性がある。

特開２００３-１１５３２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、システム全体の大型化を抑制しつつ放熱装置を小型化することが可能な燃料電池システムおよびその冷却方法を提供することである。

一実施形態によれば、燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置と、燃料電池スタックの発電に伴って排出された水蒸気から生成された生成水を回収するタンクと、タンクから供給された生成水を放熱装置へ散水する散水装置と、を備える。

本実施形態によれば、システム全体の大型化を抑制しつつ放熱装置を小型化することが可能となる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。 第６実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。 第７実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。 第８実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。 第９実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池スタック１０と、凝縮熱交換器２０と、冷却水タンク３０と、ラジエータ４０と、ポンプ５０と、スプレー６０と、を備える。

燃料電池スタック１０には、水素を含む燃料ガス１０１および空気を含む酸化剤ガス１０２が供給される。これらのガスが供給されると、燃料電池スタック１０は発電する。燃料電池スタック１０の発電に伴って、熱が発生し、また酸化剤オフガス１０３が排出される。

凝縮熱交換器２０は、燃料電池スタック１０から排出された酸化剤オフガス１０３を凝縮する。その結果、酸化剤オフガス１０３に含まれた水蒸気が凝縮され、凝縮生成水１０４が生成される。

冷却水タンク３０は、凝縮生成水１０４および冷却水１０５を貯蔵する。冷却水タンク３０の上端部は、凝縮熱交換器２０で生成された凝縮生成水１０４を回収するために開口している。また、冷却水１０５は、燃料電池スタック１０の発電に伴って発生した熱を冷却し、燃料電池スタック１０と冷却水タンク３０との間を循環する。

ラジエータ４０は、燃料電池スタック１０の発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置の一例である。ラジエータ４０は、冷却水１０５の循環路において冷却水タンク３０の上流側に設置されている。そのため、燃料電池スタック１０の発熱で加温された冷却水１０５は、ラジエータ４０によって冷却される。冷却された冷却水１０５は、冷却水タンク３０に戻る。その後、冷却水１０５は、不図示のポンプによって、再び燃料電池スタック１０へ供給される。本実施形態では、冷却水タンク３０、ラジエータ４０、および冷却水１０５が冷却系を構成する。

ポンプ５０は、冷却水タンク３０とスプレー６０との間に設置されている。ポンプ５０は、冷却水タンク３０に貯蔵された凝縮生成水１０４、より厳密には凝縮生成水１０４および冷却水１０５の混合水を加圧してスプレー６０へ供給する。

スプレー６０は、冷却水タンク３０から供給された凝縮生成水１０４をラジエータ４０へ散水する散水装置の一例である。本実施形態では、スプレー６０は、ポンプ５０によって加圧された凝縮生成水１０４をラジエータ４０へ噴霧する。

上記の燃料電池システム１では、燃料ガス１０１および酸化剤ガス１０２の供給により燃料電池スタック１０が発電すると、酸化剤オフガス１０３が排出される。酸化剤オフガス１０３は、凝縮熱交換器２０によって凝縮される。その結果、酸化剤オフガス１０３に含まれた水蒸気が凝縮されて凝縮生成水１０４が生成される。凝縮生成水１０４は、冷却水タンク３０に回収される。その後、凝縮生成水１０４は、ポンプ５０によって、冷却水タンク３０からスプレー６０に加圧状態で供給され、ラジエータ４０に噴霧される。

以上説明した本実施形態によれば、凝縮生成水１０４が、ラジエータ４０の水冷または潜熱冷却に用いられている。凝縮生成水１０４は水道水に比べて不純物が少ない。そのため、フィルターや水処理樹脂などの浄水設備が不要である。よって、システム全体の大型化を抑制しつつラジエータ４０を小型化することができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム２では、図２に示すように、冷却系が密閉系である。すなわち、冷却水１０５は、燃料電池スタック１０とラジエータ４０との間を循環する。また、燃料電池システム２では、生成水タンク３１は、冷却水１０５の循環路から独立して設置されている。そのため、生成水タンク３１には、凝縮生成水１０４のみが貯蔵される。

上記の燃料電池システム２では、燃料電池スタック１０の発電に伴って排出された酸化剤オフガス１０３は、第１実施形態と同様に、凝縮熱交換器２０によって凝縮され、凝縮生成水１０４が生成される。凝縮生成水１０４は、生成水タンク３１に回収される。その後、第１実施形態と同様に、凝縮生成水１０４は、ポンプ５０によって、生成水タンク３１からスプレー６０に加圧状態で供給され、ラジエータ４０に噴霧される。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、凝縮生成水１０４がラジエータ４０の冷却に用いられているので、浄水設備が不要になり、その結果、システム全体の大型化を抑制しつつラジエータ４０を小型化することができる。特に、本実施形態では、冷却水１０５と混合していない純粋な凝縮生成水１０４がラジエータ４０に噴霧されるので、より不純物の少ない水でラジエータ４０を冷却することができる。

（第３実施形態）
図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム３には、熱交換器７０が、冷却水１０５の循環路における冷却水タンク３０の上流側に設置されている。また、ラジエータ４０は、冷却水１０５の循環路から独立して設置されている。熱交換器７０およびラジエータ４０は、二次循環冷媒１０６を介して熱交換を行う。二次循環冷媒１０６は、例えば水等の液体である。本実施形態では、熱交換器７０、冷却水タンク３０、および冷却水１０５が一次冷却系を構成し、ラジエータ４０が二次冷却系を構成する。

上記の燃料電池システム３では、冷却水１０５は、燃料電池スタック１０の発電に伴って発生した熱で加温される。加温された冷却水１０５は、熱交換器７０を通過するときに、二次循環冷媒１０６を介したラジエータ４０との熱交換によって、冷却される。冷却された冷却水１０５は、冷却水タンク３０に貯蔵される。その後、冷却水１０５は、再び燃料電池スタック１０に供給される。

また、燃料電池スタック１０から排出された酸化剤オフガス１０３は、凝縮熱交換器２０で凝縮され、凝縮生成水１０４が生成される。凝縮生成水１０４は、冷却水タンク３０に回収される。その後、第１実施形態と同様に、凝縮生成水１０４(厳密には冷却水１０５との混合水)は、ポンプ５０によって、生成水タンク３１からスプレー６０に加圧状態で供給され、ラジエータ４０に噴霧される。

以上説明した本実施形態によれば、一次冷却系および二次冷却系を備える燃料電池システムであっても、第１実施形態と同様に、凝縮生成水１０４をラジエータ４０の冷却に用いることができる。そのため、浄水設備が不要になるので、システム全体の大型化を抑制しつつラジエータ４０を小型化することができる。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態～第３実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム４では、図４に示すように、ラジエータ４０は、クーリングコイル４１およびファン４２を有する。クーリングコイル４１は、第１実施形態および第２実施形態で説明したように冷却水１０５の循環路に設置されてもよいし、第３実施形態で説明したように循環路から独立して設置されてもよい。クーリングコイル４１が冷却水１０５の循環路に設置される場合、冷却水１０５がクーリングコイル４１を通過する。一方、クーリングコイル４１が冷却水１０５の循環路から独立して設置される場合、二次循環冷媒１０６がクーリングコイル４１内を通過する。

ファン４２は、スプレー６０とクーリングコイル４１との間に設置される。ファン４２が回転すると、風がクーリングコイル４１に向けて流れる。この風によってクーリングコイル４１が空冷される。このとき、スプレー６０が凝縮生成水１０４を噴霧すると、凝縮生成水１０４が、ファン４２を通じて吹き付けられるので、クーリングコイル４１を水冷または潜熱冷却することもできる。

図４に示す燃料電池システム４では、凝縮生成水１０４が、冷却水タンク３０からスプレー６０に供給されている。しかし、凝縮生成水１０４は、第２実施形態のように生成水タンク３１から供給されてもよい。

さらに、燃料電池システム４は、図４に示すように、温度センサ８１と、温度センサ８２と、水位センサ８３と、制御装置９０と、を備える。温度センサ８１は、クーリングコイル４１から流出されるときの冷却水１０５または二次循環冷媒１０６の温度を検出する。温度センサ８２は、ラジエータ４０の設置場所の外気温度を検出する。水位センサ８３は、冷却水タンク３０の水位を検出する。水位センサ８３には、例えば、発光素子および受光素子を有する光学センサを用いることができる。各センサは、検出結果を制御装置９０へ出力する。

制御装置９０は、燃料電池スタック１０の発電出力および燃料ガス１０１および酸化剤ガス１０２の供給を制御する。加えて、制御装置９０は、温度センサ８１で検出される冷却水１０５または二次循環冷媒１０６の温度、温度センサ８２で検出される外気温度、水位センサ８３で検出される冷却水タンク３０の水位、およびファン４２の回転数を監視することによって、ラジエータ４０の稼働状況および冷却水タンク３０の貯蔵量を監視する。制御装置９０は、監視結果に基づいて、ポンプ５０の動作を制御する。

例えば、温度センサ８２の検出温度が所定温度以上になり、ファン４２の回転数がしきい値以上である場合、制御装置９０は、凝縮生成水１０４によるラジエータ４０の冷却が必要であると判断する。そこで、制御装置９０は、冷却水タンク３０の水位が、凝縮生成水１０４の供給に必要な許容値以上であれば、ポンプ５０を駆動する。これにより、凝縮生成水１０４がスプレー６０かラジエータ４０に噴霧される。

また、温度センサ８１の検出温度が基準温度以上になり、ファン４２の回転数がしきい値以上である場合にも、制御装置９０は、凝縮生成水１０４によるラジエータ４０の冷却が必要であると判断する。この場合も、制御装置９０は、冷却水タンク３０の水位が、凝縮生成水１０４の供給に必要な許容値以上であれば、ポンプ５０を駆動する。

以上説明した本実施形態によれば、制御装置９０が、ファン４２の回転数や冷却水の出口温度といったラジエータ４０の稼働状態や、外気温度に基づいて凝縮生成水１０４によるラジエータ４０の冷却を制御している。これにより、効率的にラジエータ４０を冷却することが可能となる。

(第５実施形態)
図５は、第５実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。上述した各実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム５では、冷却水タンク３０が、余剰水を排出するオーバーフロー機能を有する。また、燃料電池システム５は、図５に示すように、冷却水タンク３０の下方に設置された余剰生成水タンク３２を備える。

冷却水タンク３０の貯蔵量が上限値以上になると、上記オーバーフロー機能により、余剰水の一部が、余剰生成水タンク３２に貯蔵される。この余剰水には、凝縮生成水１０４も含まれている。ポンプ５０は、余剰生成水タンク３２から凝縮生成水１０４をスプレー６０へ供給する。すなわち、凝縮生成水１０４は、冷却水タンク３０から間接的にスプレー６０に供給される。

以上説明した本実施形態によれば、スプレー６０への凝縮生成水１０４の供給は、余剰生成水タンク３２から行われるので、冷却水タンク３０内の水不足を回避できる。そのため、冷却水１０５による燃料電池スタック１０の冷却を妨げることなく、凝縮生成水１０４によるラジエータ４０の冷却を行うことができる。

なお、本実施形態でも、上述した第４実施形態と同様に、制御装置９０がラジエータ４０の稼働状態や、外気温度に基づいてポンプ５０の動作を制御してもよい。この場合、効率的にラジエータ４０を冷却することが可能となる。

(第６実施形態)
図６は、第６実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。上述した各実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム６は、第４実施形態の変形例である。第４実施形態では、図４に示すように、ファン４２が、クーリングコイル４１とスプレー６０との間に設置されている。

一方、本実施形態では、図６に示すように、スプレー６０が、クーリングコイル４１とファン４２との間に設置されている。そのため、スプレー６０が凝縮生成水１０４を噴霧したとき、凝縮生成水１０４は、ファン４２を介さずクーリングコイル４１に直接散水される。

したがって、本実施形態によれば、凝縮生成水１０４によるファン４２の故障を回避することができる。さらに、クーリングコイル４１へ均一に凝縮生成水１０４を散水することが可能となる。

(第７実施形態)
図７は、第７実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。上述した各実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム７は、第４実施形態の変形例である。第４実施形態では、図４に示すように、ファン４２およびスプレー６０が、クーリングコイル４１の吸気側に設置されている。

一方、本実施形態では、図７に示すように、スプレー６０はクーリングコイル４１の吸気側に設置され、ファン４２は、クーリングコイル４１の排気側に設置されている。換言すると、クーリングコイル４１がスプレー６０とファン４２との間に設置されている。

本実施形態では、ファン４２によってクーリングコイル４１の熱を排出することができ、さらに、スプレー６０から噴霧される凝縮生成水１０４によってクーリングコイル４１を冷却することができる。

(第８実施形態)
図８は、第８実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。上述した各実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム８は、スプレー６０の変形例である。本実施形態のスプレー６０は、第１スプレー６１および第２スプレー６２を有する。また、弁６３がポンプ５０と第１スプレー６１とを接続する配管に設置され、弁６４がポンプ５０と第２スプレー６２とを接続する配管に設置されている。

第１スプレー６１は、ラジエータ４０を冷却する潜熱冷却用スプレーである。一方、第２スプレー６２は、ラジエータ４０を洗浄する洗浄用スプレーである。第２スプレー６２は、第１スプレー６１よりも流量の多い凝縮生成水１０４を噴霧する。

弁６３および弁６４は、制御装置９０によって開閉動作を制御される電磁弁または電動弁である。これにより、凝縮生成水１０４の噴霧が、第１スプレー６１および第２スプレー６２との間で切り替え可能となっている。制御装置９０は、定期的またはラジエータ４０の性能低下に応じて、弁６３を開放して弁６４を閉鎖する冷却モードから弁６３を閉鎖して弁６４を開放する洗浄モードに切り替える。なお、弁６３および弁６４は、手動で切り替え可能な手動弁であってもよい。

以上説明した本実施形態によれば、凝縮生成水１０４の噴霧量が異なる２つのスプレーを使い分けることによって、ラジエータ４０を冷却するだけでなく洗浄することも可能となる。

(第９実施形態)
図９は、第９実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示すブロック図である。上述した各実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム９は、スプレー６０の代わりに二流体スプレー６５を備える。

上述した第１実施形態～第８実施形態では、スプレー６０は、ポンプ５０で加圧された凝縮生成水１０４を噴霧する一流体スプレーである。一方、二流体スプレー６５には、凝縮生成水１０４が冷却水タンク３０から供給されると同時に、圧縮空気１０７がコンプレッサ５１から供給される。これにより、二流体スプレー６５は、凝縮生成水１０４をラジエータ４０へ噴霧する。

以上説明した本実施形態においても、不純物が少ない凝縮生成水１０４でラジエータ４０を冷却できるので、浄水設備が不要になり、その結果、システム全体を大型化することなくラジエータ４０を小型化することができる。

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１～９：燃料電池システム、１０：燃料電池スタック、２０：凝縮熱交換器、３０：冷却水タンク、３１：生成水タンク、３２：余剰生成水タンク、４０：ラジエータ、５０：ポンプ、６０：スプレー、６１ 第１スプレー、６２：第２スプレー、６５：二流体スプレー、８２：温度センサ、９０：制御装置

Claims (6)

1. 水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置と、
   前記燃料電池スタックの発電に伴って排出された水蒸気から生成された生成水を回収するタンクと、
   前記タンクから供給された前記生成水を前記放熱装置へ散水する散水装置と、
   前記タンクから前記散水装置へ前記生成水を供給する生成水供給装置と、
   前記放熱装置に設けられたファンの回転数、および前記放熱装置の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて、前記生成水供給装置の動作を制御する制御装置と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記水蒸気を冷却することにより凝縮して前記生成水を生成する凝縮熱交換器をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記タンクは、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水の循環路に設置され、前記冷却水の貯蔵と共に、前記生成水の貯蔵も可能とする、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記放熱装置が、前記ファンを含むラジエータであり、
   前記散水装置が、前記生成水を前記ラジエータに噴霧するスプレーであり、
   前記スプレーが、第１スプレーと、前記第１スプレーよりも前記生成水の流量が多い第２スプレーと、を有し、
   前記生成水の噴霧が、前記第１スプレーと前記第２スプレーとの間で切り替え可能となっている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記スプレーが、加圧された前記生成水を噴霧する一流体スプレー、または前記生成水と同時に供給された圧縮空気で前記生成水を噴霧する二流体スプレーである、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により燃料電池スタックが発電し、
   前記燃料電池スタックの発電により排出された水蒸気から生成された生成水を回収し、
   前記燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱を冷却する放熱装置に対して、前記放熱装置に設けられたファンの回転数、および前記放熱装置の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて前記生成水の散水量を制御する、
   燃料電池システムの冷却方法。

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