JP7400695B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、一般的に、発電によって水が生じることが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出されるガスに含まれる水蒸気を冷却して得られる液体である水を蓄えるタンクを備えている。特許文献１では、タンクの水を冷却媒体として利用している。

特開２０２０－６４８８２号公報

発電によって生じた水を液体として保持していれば、様々な用途に使うことが出来る。また、水を液体として保持する場合、気体として保持する場合よりも小さい体積で蓄えることができる。しかし、燃料電池スタックから排出される水蒸気を冷却して液化するための冷却装置は、配置に大きな空間を要する。そのため、冷却装置を用いずに、燃料電池スタックから排出される水を液体で蓄えることができる技術が求められていた。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出される生成水の少なくとも一部を液体として貯留する貯留タンクと、を備え、前記貯留タンクは、前記貯留タンクの内部の圧力を前記貯留タンクの外部の圧力よりも高いあらかじめ定められた圧力以下の圧力とする第１弁を備え、前記生成水の水面に浮き、前記生成水よりも熱伝導率が高い伝熱部材を、前記貯留タンク内に有する。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出される生成水の少なくとも一部を液体として貯留する貯留タンクと、を備え、前記貯留タンクは、前記貯留タンクの内部の圧力を前記貯留タンクの外部の圧力よりも高いあらかじめ定められた圧力以下の圧力とする第１弁を備える。
このような態様とすれば、外部の圧力よりも高い圧力を有する貯留タンク内においては、外部においては水蒸気となる温度の水が液体の状態で存在し得る。このため、冷却装置を用いずに、燃料電池スタックから排出される水を液体のまま蓄えることができる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記あらかじめ定められた圧力は、前記貯留タンクの想定される温度範囲において、前記貯留タンク内の生成水の少なくとも一部を液体として保持できる圧力でもよい。
このような態様とすれば、貯留タンク内において、生成水が液体として保持される。このため、冷却装置を用いずに、燃料電池スタックから排出される水を液体のまま蓄えることができる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記貯留タンクは、前記内部の圧力が前記貯留タンクの外部の圧力よりも低い場合に、前記貯留タンク内に外気を導入する第２弁を備えてもよい。
このような態様とすれば、貯留タンクの内部の圧力が外部の圧力よりも大幅に低くなることにより、貯留タンクが変形することを抑制できる。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記貯留タンクは、前記生成水の水面に浮き、前記生成水よりも熱伝導率が高い伝熱部材を、前記貯留タンク内に有してもよい。
このような態様とすれば、第１弁が開弁し、伝熱部材上の液体の生成水が蒸発した場合に、伝熱部材によって、その潜熱を伝熱部材の下側に位置する液体の生成水に伝えることができる。そのため、伝熱部材の下側に位置する液体の生成水の温度の低下を促すことが出来る。従って、貯留タンク内の生成水が蒸発することを抑制できる。また、伝熱部材が貯留タンク内の液体の水の表面の少なくとも一部を覆うため、この点からも、貯留タンク内の液体の水の表面からの水の蒸発を抑制できる。

（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池スタックを冷却水によって冷却する冷却系と、前記貯留タンク内の前記生成水を前記冷却水として前記冷却系に送出する送出装置を備えてもよい。
このような態様とすれば、冷却系の冷却水として生成水を活用できる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタックの生成水を貯めるタンク、燃料システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。 貯留タンク内の窒素の量と水の状態と量との関係を示す概念図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス給排系３０と、アノードガス給排系５０と、冷却系６０と、送出装置７０と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数のセル（図示せず）が積層されて構成されている。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行う。なお、制御部２０においては、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路として実現されてもよい。

カソードガス給排系３０は、燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給および燃料電池スタック１０からのカソードガスの排出を行う。カソードガス給排系３０は、カソードガス配管３１と、コンプレッサ３２と、モータ３３と、エキスパンダ３５と、カソードオフガス配管３４と、気液分離器３６と、排水弁３７と、排水配管３８と、排気弁３９と、貯留タンク４０と、を備える。

カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。

コンプレッサ３２は、カソードガス配管３１の上流側に配置されている。コンプレッサ３２は、吸入側から大気中の空気を吸い込んで、コンプレッサ３２内にて空気を加圧し、吐出側からカソードガス配管３１に加圧された空気を供給する。コンプレッサ３２の吸入側から吸入された空気は、加圧され、コンプレッサ３２の吐出側から吐出される。コンプレッサ３２は、例えば、遠心式圧縮機である。なお、コンプレッサ３２は、軸流式圧縮機でもよい。

モータ３３は、コンプレッサ３２を駆動させるための電動機である。カソードオフガス配管３４は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを、エキスパンダ３５を経由させて、燃料電池システム１００の外部へと排出する。

エキスパンダ３５は、カソードオフガス配管３４に配置されている。エキスパンダ３５は、モータ３３によるコンプレッサ３２の駆動を補助する。エキスパンダ３５は、エキスパンダ３５の吸入側から流入した空気によって、コンプレッサ３２を駆動させる。より具体的には、エキスパンダ３５は、エキスパンダ３５のホイールの回転によって、コンプレッサ３２のホイールを回転させるためのモータ３３の駆動を補助する。エキスパンダ３５のホイールを回転させた空気は、エキスパンダ３５の吐出側から排出される。

気液分離器３６は、カソードオフガス配管３４において、燃料電池スタック１０とエキスパンダ３５との間に配されている。気液分離器３６は、燃料電池スタック１０から排出されるガスから、ガスに含まれる生成水のうちの少なくとも一部を分離する。本実施形態において、「生成水」は、気体の状態の水と液体の状態の水を含む概念である。

排水弁３７は、気液分離器３６の下部に設けられている。排水弁３７は、気液分離器３６に貯水された液体の生成水が排水配管３８を流通することを制御する。排水弁３７を介して気液分離器３６から排出された液体の生成水は貯留タンク４０に貯留される。排水配管３８は、気液分離器３６と貯留タンク４０とを接続する。

排気弁３９は、カソードオフガス配管３４において、気液分離器３６とエキスパンダ３５との間に設けられている。排気弁３９は、気液分離器３６内の不要なガス、主に窒素ガスがカソードオフガス配管３４を流通することを制御する。排気弁３９によって排出された不要なガスは、エキスパンダ３５を介してカソードオフガス配管３４に排出され、カソードオフガス配管３４を通じて外部へ排出される。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁３７と排気弁３９とは閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じてそれぞれ開く。

貯留タンク４０は、気液分離器３６から排出された生成水の少なくとも一部を液体として貯留する容器である。貯留タンク４０は、第１弁４１と第２弁４２と伝熱部材４３と排気配管４４とを有する。なお、第２弁４２と伝熱部材４３とは省略してもよい。

第１弁４１は、貯留タンク４０の内部の圧力を貯留タンク４０の外部の圧力よりも高いあらかじめ定められた圧力以下の圧力とするように貯留タンク４０の内部の気体が排気配管４４を流通するよう制御する弁である。あらかじめ定められた圧力は、例えば、貯留タンク４０の想定される温度範囲において、貯留タンク４０内の生成水の少なくとも一部を液体として保持できる圧力である。すなわち、飽和水蒸気圧よりも高い圧力である。貯留タンク４０の想定される温度は、例えば、燃料電池スタック１０の温度以下であり、外気温よりも高い温度である。第１弁４１は、内部の圧力が予め定められた圧力まで上昇した場合に、閉じるように構成されている。排気配管４４は、貯留タンク４０の外部に気体を排出する。本実施形態において、排気配管４４は、カソードオフガス配管３４の下流に合流する。

第２弁４２は、貯留タンク４０の内部の圧力が貯留タンク４０の外部の圧力である大気圧よりも低い場合に、貯留タンク４０内に外気を導入する弁である。第２弁４２は、内部の圧力が予め定められた閾値圧力まで低下した場合に開くように構成されている。閾値圧力とは、例えば、貯留タンク４０の外部の圧力よりも低い圧力である。

伝熱部材４３は、液体の生成水の水面に浮き、液体の生成水よりも熱伝導率が高い部材である。伝熱部材４３は、例えば、独立気泡を有するアルミニウム等の発砲金属である。伝熱部材４３全体としての比重は水よりも小さいため、液体の生成水の水面に浮く。伝熱部材４３は、貯留タンク４０内の液体の生成水の液表面の９０％を覆うように配置され、液体の生成水の液面上に露出している。

アノードガス給排系５０は、燃料電池スタック１０へのアノードガスの供給および燃料電池スタック１０からのアノードガスの排出を行う。

冷却系６０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却系６０は、冷媒供給管６１と、冷媒排出管６２と、ラジエータ６３と、冷媒ポンプ６４と、三方弁６５と、バイパス管６６と、を備える。冷媒としては、例えば、水や、エチレングリコール等を含む不凍水などが用いられる。

冷媒供給管６１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管６２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ６３は、冷媒排出管６２と冷媒供給管６１とに接続されており、冷媒排出管６２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管６１へと排出する。冷媒ポンプ６４は、冷媒供給管６１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁６５は、ラジエータ６３とバイパス管６６への冷媒の供給量を調節する。

送出装置７０は、貯留タンク４０の下部に設けられた供給口と冷却系６０とに接続されている。送出装置７０は、貯留タンク４０内の液体の生成水を冷却水として冷却系６０に送出する。送出装置７０は、例えば、ポンプである。冷却系６０内の圧力が貯留タンク４０の内部の圧力よりも低い場合、送出装置７０は、貯留タンク４０内の液体の生成水が予め定められた温度以下になってから貯留タンク４０内の液体の生成水を冷却水として冷却系６０に送出することが好ましい。これにより、貯留タンク４０内の生成水を液体のまま冷却系６０に供給することができる。

図２は、本実施形態における、貯留タンク内の窒素の量と水の状態と量との関係を示す概念図である。気体と液体の生成水との質量比を表すものではない。縦軸は、それぞれの物質の量を表し、窒素と水蒸気とは各分圧を表す。すなわち、各気体が気体として存在できる量を表している。一番左の棒グラフは気液分離器３６内の状態を示しており、右から３つの棒グラフは貯留タンク４０内の状態を示している。左から２番目の棒グラフは気液分離器３６から排気および排水がされた直後の状態を示している。左から３番目の棒グラフは飽和状態を示している。飽和状態とは、水と水蒸気との間に平衡状態が成立している状態である。一番右の棒グラフは潜熱を考慮した状態を示す。

一番左の棒グラフが対応する気液分離器３６の内部の状態の圧力は、例えば３００ｋＰａ程度であり、温度は９０℃程度である。左から２番目の棒グラフが対応する貯留タンク４０の内部の状態の圧力は、例えば、１１０ｋＰａ程度であり、温度は９０℃である。気液分離器３６から排気および排水が行われることで、窒素が外部に排出されると共に、水蒸気も外部に排出される。そのため、左から２番目の棒グラフに示すように、窒素に加えて水蒸気の量が少し減少する。気液分離器３６からの排気によって失われた気体を、左から２番目の棒グラフにおいて、破線で示す。

左から３番目の棒グラフが対応する貯留タンク４０の内部の状態の圧力は、例えば、１１０ｋＰａ程度であり、貯留タンク４０の内部の温度は９０℃である。貯留タンク４０の内部の圧力を調整する過程で、第１弁４１が開弁することによって貯留タンク４０内の気体が排出されると共に、貯留タンク４０内に貯留された液体の生成水の蒸発が促される。そのため、一点鎖線で示すように、液体の生成水の量は、左から２番目の棒グラフで示した液体の生成水の量よりも減少する。窒素の方が水蒸気よりも比重が小さいため、水蒸気よりも貯留タンク４０の外部に排出されやすい。そのため、貯留タンク４０内は水蒸気の割合が高くなり、短時間で飽和状態となる。従って、水蒸気が外部に排出されることを抑制できる、

一番右の棒グラフが対応する貯留タンク４０の内部の状態の圧力は、例えば、１１０ｋＰａ程度であり、貯留タンク４０内部の温度は８０℃である。液体の生成水が蒸発する際に、気化熱が奪われるため、貯留タンク４０内部の温度が低下する。そのため、飽和蒸気圧が低下して、液体の生成水が蒸発することを抑制できる。また、気化熱によって伝熱部材４３が液体の生成水の温度の低下を促すため、液体の生成水の蒸発をより抑制できる。そのため、一点鎖線で示すように、液体の生成水の量は、左から２番目の棒グラフで示した液体の生成水の量よりも減少するが、２点鎖線で示すように、左から３番目の棒グラフで示した液体の生成水の量より多い。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、第１弁４１によって貯留タンク内部の圧力を貯留タンク４０の外部の圧力よりも高いあらかじめ定められた圧力以下の圧力にするため、貯留タンク４０内の液体の生成水の蒸発を抑制できる。そのため、外部の圧力よりも高い圧力を有する貯留タンク内においては、外部においては水蒸気となる温度の水が液体の状態で存在し得る。従って、冷却装置を用いずに、燃料電池スタック１０から排出される水を液体のまま蓄えることができる。

また、第１弁４１によって、貯留タンク４０の内部の圧力は、貯留タンク４０の想定される温度範囲において、貯留タンク４０内の生成水の少なくとも一部を液体として保持できる圧力以下の圧力となる。そのため、貯留タンク４０内において、生成水が液体として保持される。従って、冷却装置を用いずに、燃料電池スタック１０から排出される水を液体のまま蓄えることができる。

また、第２弁４２によって、貯留タンク内部の圧力が貯留タンク４０の外部の圧力よりも低い場合に、貯留タンク４０内に外気を導入できる。そのため、貯留タンク４０の耐圧性能を必要以上に高くすることなく、貯留タンク４０の内部の圧力が外部の圧力よりも大幅に低くなることにより貯留タンク４０が変形することを抑制できる。

また、貯留タンク４０は、伝熱部材４３を、貯留タンク４０内に有するため、第１弁４１が開弁し、伝熱部材４３上の液体の生成水が蒸発した場合に、伝熱部材４３によって、その潜熱を伝熱部材４３の下側に位置する液体の生成水に伝えることができる。そのため、伝熱部材４３の下側に位置する液体の生成水の温度の低下を促すことが出来る。また、伝熱部材４３は、液体の生成水の液表面の少なくとも一部を覆うように配置される。従って、貯留タンク４０内の液体の生成水の表面から水が蒸発することを抑制できる。

また、燃料電池システム１００は、貯留タンク４０内の液体の生成水を冷却水として冷却系６０に送出する送出装置７０を備える。そのため、冷却系６０の冷却水として液体の生成水を活用できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した実施形態において、燃料電池システム１００は、カソードガス給排系３０に貯留タンク４０を備えている。これに限らず、燃料電池システム１００はアノードガス給排系５０に貯留タンク４０を備えていてもよい。

（Ｂ２）上述した実施形態において、燃料電池システム１００は、貯留タンク４０内の液体の生成水を冷却水として冷却系６０に供給している。この代わりに、燃料電池システム１００は、貯留タンク４０内の液体の生成水を、カソードオフガス配管３４を通じて燃料電池システム１００の外部に排出してもよい。燃料電池システム１００は、例えば、貯留タンク４０内の液体の生成水が予め定められた温度以下になった場合に、外部に排出する。この形態によれば、燃料電池システム１００の外部に排出された貯留タンク４０内の液体の生成水が湯気となり、白い霧状になることを抑制できる。

（Ｂ３）上述した実施形態において、第２弁４２は、貯留タンク４０の内部の圧力が予め定められた圧力まで下降した場合に開くように構成されている。この代わりに、第２弁４２は、貯留タンク４０の内部の圧力と外部の圧力との差が予め定められた圧力以上となった場合に開くよう構成されていてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック、２０…制御部、３０…カソードガス給排系、３１…カソードガス配管、３２…コンプレッサ、３３…モータ、３４…カソードオフガス配管、３５…エキスパンダ、３６…気液分離器、３７…排水弁、３８…排水配管、３９…排気弁、４０…貯留タンク、４１…第１弁、４２…第２弁、４３…伝熱部材、４４…排気配管、５０…アノードガス給排系、６０…冷却系、６１…冷媒供給管、６２…冷媒排出管、６３…ラジエータ、６４…冷媒ポンプ、６５…三方弁、６６…バイパス管、７０…送出装置、１００…燃料電池システム

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出される生成水の少なくとも一部を液体として貯留する貯留タンクと、を備え、
   前記貯留タンクは、
   前記貯留タンクの内部の圧力を前記貯留タンクの外部の圧力よりも高いあらかじめ定められた圧力以下の圧力とする第１弁を備え、
   前記生成水の水面に浮き、前記生成水よりも熱伝導率が高い伝熱部材を、前記貯留タンク内に有する、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記あらかじめ定められた圧力は、前記貯留タンクの想定される温度範囲において、前記貯留タンク内の生成水の少なくとも一部を液体として保持できる圧力である、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記貯留タンクは、前記内部の圧力が前記貯留タンクの外部の圧力よりも低い場合に、前記貯留タンク内に外気を導入する第２弁を備える、燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記燃料電池スタックを冷却水によって冷却する冷却系と、
   前記貯留タンク内の前記生成水を前記冷却水として前記冷却系に送出する送出装置を備える、燃料電池システム。

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