JP4544298B2 - Fuel cell system for vehicles - Google Patents
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Description
この発明は車輌用燃料電池システムに関する。更に詳しくは、高分子固体電解質膜を有するPEM型の燃料電池であって水を液体の状態で空気極に供給するタイプの燃料電池システム(以下、「水直噴タイプの燃料電池システム」という)を車輌に適用するときの改良に関する。 The present invention relates to a vehicle fuel cell system. More specifically, it is a PEM type fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane and supplying water to the air electrode in a liquid state (hereinafter referred to as “water direct injection type fuel cell system”). The present invention relates to an improvement when applying to a vehicle.
PEM型の燃料電池本体は、燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。
燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極器材からなる。
燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータ(コネクタ板)が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。
A PEM type fuel cell body has a structure in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode.
Both the fuel electrode and the air electrode are composed of a catalyst layer containing a catalyst material, and an electrode device that supports the catalyst layer and supplies a reaction gas and further functions as a current collector.
On the further outside of the fuel electrode and the air electrode, a separator (connector plate) provided with a gas flow groove for uniformly supplying the reaction gas from the outside into the electrode and discharging excess gas to the outside is laminated. This separator collects current to prevent gas permeation and to take out the generated current to the outside.
上記燃料電池本体とセパレータとで単電池が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成される。
燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止するために、スタックに冷却板を内蔵させる。この冷却板には空気や水などの冷却媒体が冷却板内に配される通路を介して流通されてスタックが冷却され、もって燃料電池本体が所望の温度に維持される。
A unit cell is constituted by the fuel cell main body and the separator. In an actual fuel cell system, a stack is formed by stacking a large number of such single cells in series.
In the fuel cell main body, heat having a heat amount substantially corresponding to the generated power is generally generated. Therefore, in order to prevent the fuel cell body from excessively heating up, a cooling plate is built in the stack. A cooling medium such as air or water is circulated through the cooling plate through a passage disposed in the cooling plate to cool the stack, and thus the fuel cell main body is maintained at a desired temperature.
このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側(アノード)に燃料ガスが供給され、空気極側に酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。
即ち、燃料極(アノード)にて得られる水素イオンがプロトン(H3O+)の形態で、水分を含んだ電解質膜中を空気極(カソード)側に移動し、また燃料極(アノード)にて得られた電子が外部負荷を通って空気極(カソード)側に移動して酸化ガス(空気を含む)中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化学反応による電気エネルギーを取り出すことができるからである。
The electromotive force of the fuel cell having such a structure is that, as a result of the fuel gas being supplied to the fuel electrode side (anode) and the oxidizing gas being supplied to the air electrode side, electrons are generated as the electrochemical reaction proceeds. Generated by extracting electrons to an external circuit.
That is, hydrogen ions obtained at the fuel electrode (anode) move in the form of protons (H 3 O + ) through the water-containing electrolyte membrane to the air electrode (cathode) side, and to the fuel electrode (anode). The resulting electrons move to the air electrode (cathode) side through an external load and react with oxygen in the oxidizing gas (including air) to produce water, which extracts electrical energy from a series of electrochemical reactions. Because it can.
上記において、プロトンが燃料極より空気極に向かって電解質膜中を移動する際に水和の状態をとるため、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。
よって、良好なイオン伝導を保つために固体電解質膜に水分を供給する必要があり、そのために燃料ガス及び酸化ガスを加湿して、水分を供給している。
また、アノード電極側では、電極反応を適正に継続させるために、より水素ガスの湿潤状態を維持する必要があり、燃料ガスの加湿方法については従来から様々な提案がある。
In the above, protons take a state of hydration when moving from the fuel electrode toward the air electrode, so that when the electrolyte membrane dries, the ionic conductivity decreases and the energy conversion efficiency decreases. Resulting in.
Therefore, it is necessary to supply moisture to the solid electrolyte membrane in order to maintain good ion conduction. For this purpose, the moisture is supplied by humidifying the fuel gas and the oxidizing gas.
On the anode electrode side, in order to properly continue the electrode reaction, it is necessary to maintain the wet state of hydrogen gas more, and various proposals have conventionally been made on humidifying the fuel gas.
他方、プロセス空気を加湿する方法は従来から提案されているが、反応熱により昇温されている(通常80℃程度である)空気極を確実に加湿するには、常温のプロセス空気を加湿器において予め加温しておく必要がある。飽和水蒸気量を空気極の周囲の環境と一致させるためである。そのため、加湿器は水の供給機能とプロセス空気の昇温機能とが求められる複雑な構成であった。
特開平7−14599号公報に開示の燃料電池装置では、空気導入管に噴射ノズルを設けて加湿に必要な水がプロセス空気中に噴霧される。この噴射ノズルが圧縮機の上流側にある場合、噴霧された水はプロセス空気の圧縮にともなう熱で蒸発され、水蒸気の状態で空気極を加湿する。また、この装置でも、必要に応じて空気の加湿装置が更に付加される。
いずれにせよ従来の技術では空気へ水蒸気を混入させることにより電解質膜へ水分を補給していた。
On the other hand, a method for humidifying process air has been proposed, but in order to reliably humidify an air electrode heated by reaction heat (usually about 80 ° C.), normal temperature process air is humidified. It is necessary to heat in advance. This is because the saturated water vapor amount is matched with the environment around the air electrode. Therefore, the humidifier has a complicated configuration that requires a water supply function and a process air temperature raising function.
In the fuel cell device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-14599, an injection nozzle is provided in the air introduction pipe, and water necessary for humidification is sprayed into the process air. When this injection nozzle is on the upstream side of the compressor, the sprayed water is evaporated by the heat accompanying the compression of the process air, and humidifies the air electrode in the state of water vapor. In this apparatus, an air humidifier is further added as necessary.
In any case, in the conventional technique, water is supplied to the electrolyte membrane by mixing water vapor into the air.
更には、特開平9−266004号公報に示される燃料電池装置では、排出される水素ガスの濃度を下げるため、燃料極から排出されるガス(この排気ガスには未反応の水素ガスが含まれている)を空気極側へ導入してその中の水素ガスを空気極において燃焼させている。当該燃焼において反応水(回収水)が生成されるため、このような燃料電池装置では加湿器を特に付加しなくても、電解質膜へ充分な水分を補給できることとなる。 Further, in the fuel cell device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-266004, gas discharged from the fuel electrode (this exhaust gas contains unreacted hydrogen gas) in order to reduce the concentration of discharged hydrogen gas. Is introduced into the air electrode side, and hydrogen gas therein is burned in the air electrode. Since reaction water (recovered water) is generated in the combustion, such a fuel cell device can supply sufficient moisture to the electrolyte membrane without adding a humidifier.
(先の出願における開示の概要)
更なる研究により以下の事項が解った。
所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、プロトンが空気極において空気中の酸素と反応して生成された水が、電解質膜中を空気極から水素極へ逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好適な湿潤状態に維持することができるため、水素極(アノード電極)側で水素(燃料ガス)を加湿する必要がない。
しかし、空気極(カソード電極)側において、導入される空気(酸化ガス)流により、電解質膜の空気極側の水分が蒸発するため、電解質膜の空気極側の水分が不足することが解った。
(Summary of disclosure in previous application)
Further research revealed the following:
When a fuel cell is composed of an electrolyte membrane with a thickness less than a predetermined value, the water produced by the reaction of protons with oxygen in the air at the air electrode reversely osmosis through the electrolyte membrane from the air electrode to the hydrogen electrode. To do. Since the electrolyte membrane can be maintained in a suitable wet state by the reversely osmotic water, it is not necessary to humidify hydrogen (fuel gas) on the hydrogen electrode (anode electrode) side.
However, on the air electrode (cathode electrode) side, the introduced air (oxidizing gas) flow evaporates the water on the air electrode side of the electrolyte membrane, so that the moisture on the air electrode side of the electrolyte membrane is insufficient. .
そこで先の出願では、燃料電池本体の空気極に水が液体の状態で供給される、水直噴タイプの燃料電池システムを提案した。
このように構成された燃料電池システムによれば、空気極の表面に供給された水が優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜から水分の蒸発することが防止される。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。よって、燃料電池システムの性能及び/又は耐久性が向上する。
Therefore, in the previous application, a water direct injection type fuel cell system in which water is supplied in a liquid state to the air electrode of the fuel cell main body has been proposed.
According to the fuel cell system configured as described above, water supplied to the surface of the air electrode preferentially takes away latent heat from the air, so that evaporation of moisture from the electrolyte membrane on the air electrode side is prevented. Therefore, the electrolyte membrane always maintains a uniform wet state without being dried on the air electrode side. Therefore, the performance and / or durability of the fuel cell system is improved.
さらには、水を液体の状態で空気極に供給すると、空気極の表面に供給された水は空気極自体からも熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池本体の温度を制御できる。即ち、燃料電池スタックへ冷却板を付加しなくても当該燃料電池本体を冷却することができる。 Furthermore, when water is supplied to the air electrode in a liquid state, the water supplied to the surface of the air electrode takes heat from the air electrode itself and cools it, so that the temperature of the fuel cell body can be controlled. That is, the fuel cell body can be cooled without adding a cooling plate to the fuel cell stack.
本発明者は先の出願で提案された水直噴タイプの燃料電池システムを車輌に適用すべく鋭意検討を重ねた。
その結果、次の解決すべき課題に気が付いた。
車輌を駆動させる燃料電池システムにはより高い効率と、よりコンパクトな容積及び軽量化が求められる。
車輌用の燃料電池システムでは車輌の走行時、特に加速時に燃料電池本体に高い負荷がかかり、その発熱量が大きくなる。従って、水直噴タイプの燃料電池システムにおいて空気極に水を液体の状態で供給するだけでは燃料電池本体ひいては燃料電池スタックがヒートアップしてしまうおそれがある。
The present inventor has intensively studied to apply the water direct injection type fuel cell system proposed in the previous application to a vehicle.
As a result, I noticed the following problems to be solved.
Fuel cell systems that drive vehicles are required to have higher efficiency, more compact volume, and lighter weight.
In a fuel cell system for a vehicle, a high load is applied to the fuel cell main body when the vehicle is running, particularly during acceleration, and the amount of heat generated is large. Therefore, in the water direct injection type fuel cell system, simply supplying water to the air electrode in a liquid state may cause the fuel cell main body and thus the fuel cell stack to heat up.
この発明の第1の局面は、上記課題を解決するものであり、その構成は次の通りである。
車輌用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の空気極に水を液体の状態で供給する手段と、を備えてなり、
前記燃料電池スタックが車輌のラム風の通路に配置されている、ことを特徴とする車輌用燃料電池システム。
1st aspect of this invention solves the said subject, The structure is as follows.
A fuel cell system for a vehicle,
A fuel cell stack;
Means for supplying water in a liquid state to the air electrode of the fuel cell stack,
A fuel cell system for a vehicle, wherein the fuel cell stack is disposed in a ram wind passage of the vehicle.
このように構成されたこの発明の第1の局面の車輌用燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに高い負荷がかかりその発熱量が大きくなる車輌の走行時に、燃料電池スタックはラム風によって冷却される。従って、燃料電池スタックが過度にヒートアップされることが未然に防止される。
また、ラム風による冷却効果があるので、水直噴タイプにおいて燃料電池スタックに供給される水の量を低減することができる。よって、水タンクに要求される容量をはじめとして燃料電池システムにおける水供給系の各装置をコンパクトにすることができ、もってその軽量化を図れる。
According to the vehicular fuel cell system of the first aspect of the present invention configured as described above, the fuel cell stack is cooled by the ram wind when the vehicle travels when a high load is applied to the fuel cell stack and the calorific value thereof increases. Is done. Accordingly, it is possible to prevent the fuel cell stack from being excessively heated up.
Moreover, since there is a cooling effect by the ram wind, the amount of water supplied to the fuel cell stack in the water direct injection type can be reduced. Therefore, each device of the water supply system in the fuel cell system including the capacity required for the water tank can be made compact, and the weight can be reduced.
上記において、ラム風とは、車輌の進行にともない車輌内(特に車両のボンネット内部)を通過する空気の流れをいう。この車両のボンネット内部には、発電用の燃料電池システム、電力変換装置や車輌走行用モータ等が収納されている。車輌の進行にともない外気は車輌前部の開口部、特にフロントグリルからボンネット内部に取り込まれ、その一部は室内を通過する。冷却効果を考えればラム風の最も強い部分(乗用車ではフロントグリルの部分)に燃料電池スタックを配置することが好ましい。
また、車輌のボンネット上に外気取入れ用の開口部を別途設けて、ここから取り入れられるラム風の最も強い部分に燃料電池スタックを配置してもよい。
In the above, the ram wind refers to the flow of air that passes through the inside of the vehicle (particularly inside the hood of the vehicle) as the vehicle advances. A fuel cell system for power generation, a power conversion device, a vehicle driving motor, and the like are housed inside the hood of the vehicle. As the vehicle advances, outside air is taken into the bonnet from the opening at the front of the vehicle, particularly from the front grille, and part of it passes through the room. Considering the cooling effect, it is preferable to arrange the fuel cell stack in the portion where the ram wind is strongest (the portion of the front grill in a passenger car).
Further, an opening for taking in outside air may be separately provided on the hood of the vehicle, and the fuel cell stack may be arranged at the strongest part of the ram wind taken from here.
燃料電池本体はその空気極に水を液体の状態で供給して所望の効果が得られるものであれば、特に限定されない。実施例では、PEM型の燃料電池本体を採用している。この燃料電池本体をセパレータで挟持して燃料電池の単位ユニットが構成される。この単位ユニットを複数重ねあわせて燃料電池スタックが構成される。
燃料電池スタックの空気極に水を液体の状態で供給する手段もその機能が達成できれば特に限定されない。実施例では、燃料電池スタックの空気流路の入り口の上に配置されたノズルより水を噴霧させる構成とした。
The fuel cell body is not particularly limited as long as a desired effect can be obtained by supplying water in a liquid state to the air electrode. In the embodiment, a PEM type fuel cell main body is employed. A unit unit of the fuel cell is configured by sandwiching the fuel cell main body with a separator. A fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit units.
A means for supplying water in a liquid state to the air electrode of the fuel cell stack is not particularly limited as long as the function can be achieved. In the embodiment, the water is sprayed from the nozzle disposed on the inlet of the air flow path of the fuel cell stack.
なお、電解質膜の湿潤状態を維持し及び/又は燃料電池スタックを冷却する観点から、この出願時点では、空気極に供給される熱媒体として水が考えられる。勿論、将来同様の機能を有する他の熱媒体が開発されれば、それは水と均等である。 From the viewpoint of maintaining the wet state of the electrolyte membrane and / or cooling the fuel cell stack, water is considered as the heat medium supplied to the air electrode at the time of this application. Of course, if another heat medium having the same function is developed in the future, it is equivalent to water.
この発明の第2の局面の車輌用燃料電池システムは次のように構成される。
即ち、第1の局面の車輌用燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックから排出された空気の水分を凝縮して回収する凝縮器が更に備えられ、該凝縮器も前記ラム風の通路に配置されている。
The vehicle fuel cell system according to the second aspect of the present invention is configured as follows.
That is, the vehicle fuel cell system according to the first aspect further includes a condenser that condenses and collects moisture in the air discharged from the fuel cell stack, and the condenser is also disposed in the ram wind passage. Yes.
このように構成されたこの発明の第2の局面によれば、第1の局面の発明の作用効果に加えて、凝縮器にラム風があたりその冷却機能が強化される。即ち、一般的な凝縮器にはファンが備えられ、排出空気中の水分を凝縮させるための熱交換器に強制的に風が送られている。ここで、ラム風が利用できればファンに要求される出力が小さくなる。よって、凝縮器のコンパクト化及び軽量化及び省エネルギー化が図れる。 According to the 2nd aspect of this invention comprised in this way, in addition to the effect of invention of 1st aspect, a ram wind hits a condenser and the cooling function is strengthened. That is, a general condenser is provided with a fan, and air is forcibly sent to a heat exchanger for condensing moisture in the exhaust air. Here, if the ram wind can be used, the output required for the fan is reduced. Thus, the condenser can be made compact, lightweight, and energy saving.
この発明の第3の局面の車輌用燃料電池システムは次のように構成される。
即ち、車輌用燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
冷媒を循環させて前記燃料電池スタックを冷却する冷却系と、を備えてなり、
前記冷却系の熱交換器が車輌のラム風の通路に配置されている、ことを特徴とする車輌用燃料電池システム。
The vehicle fuel cell system according to the third aspect of the present invention is configured as follows.
That is, a vehicle fuel cell system,
A fuel cell stack;
A cooling system for circulating the refrigerant to cool the fuel cell stack,
A fuel cell system for a vehicle, wherein the cooling system heat exchanger is disposed in a ram wind passage of the vehicle.
このように構成された第3の局面の発明によれば、燃料電池スタックに高い負荷がかかりその発熱量が大きくなる車輌の走行時及び加速時に、燃料電池スタックの冷却系の熱交換器の冷却機能がラム風によって強化される。従って、熱交換器のコンパクト化及び燃料電池発電システムの省電力化を行うことができる。 According to the third aspect of the invention configured as described above, the cooling of the heat exchanger of the cooling system of the fuel cell stack is performed during traveling and acceleration of the vehicle in which a high load is applied to the fuel cell stack and the amount of generated heat is large. Function is enhanced by ram wind. Therefore, it is possible to reduce the size of the heat exchanger and save power in the fuel cell power generation system.
燃料電池スタックを冷却する冷却系はこれをコンパクト化するために減圧冷却系とすることが好ましい。減圧冷却系の冷媒には水を使用することが好ましい。燃料電池スタックの各セパレータはカーボン製であり、有機系の冷媒を用いるとセパレータの主として有機系のバインダが溶解されるおそれがあるからである。 The cooling system for cooling the fuel cell stack is preferably a vacuum cooling system in order to make it compact. It is preferable to use water as the refrigerant in the vacuum cooling system. This is because each separator of the fuel cell stack is made of carbon, and when an organic refrigerant is used, the organic binder of the separator may be dissolved.
この発明の第4の局面の車輌用燃料電池システムは次のように構成される。
即ち、第3の局面の車輌用燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックから排出された空気の水分を凝縮して回収する凝縮器が更に備えられ、該凝縮器も前記ラム風の通路に配置されている。
The vehicle fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention is configured as follows.
That is, the vehicle fuel cell system according to the third aspect further includes a condenser that condenses and collects moisture of the air discharged from the fuel cell stack, and the condenser is also disposed in the ram wind passage. Yes.
このように構成されたこの発明の第4の局面によれば、第3の局面の作用効果に加えて、凝縮器にラム風があたりその冷却機能が強化される。即ち、一般的な凝縮器にはファンが備えられ、排出空気中の水分を凝縮させるための熱交換器に強制的に風が送られている。ここで、ラム風が利用できればファンに要求される出力が小さくなる。よって、凝縮器のコンパクト化、軽量化及び省電力化が図れる。 According to the 4th aspect of this invention comprised in this way, in addition to the effect of a 3rd aspect, ram wind hits a condenser and the cooling function is strengthened. That is, a general condenser is provided with a fan, and air is forcibly sent to a heat exchanger for condensing moisture in the exhaust air. Here, if the ram wind can be used, the output required for the fan is reduced. Therefore, the compactness, weight reduction, and power saving of the condenser can be achieved.
本発明の第5の局面の燃料電池システムは次のように構成される。
燃料電池スタック、
水素吸蔵合金、
水素と空気中の酸素とを反応させて熱エネルギーを取得する手段、
該熱エネルギーを前記水素吸蔵合金に与え、該水素吸蔵合金から水素を放出させる手段、
前記水素吸蔵合金から放出された水素により前記燃料電池スタックから排出された一部の空気を昇温し、該昇温された空気を前記熱エネルギー取得手段に導入する手段、
を備えてなる燃料電池システム。
The fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention is configured as follows.
Fuel cell stack,
Hydrogen storage alloys,
Means for reacting hydrogen with oxygen in the air to obtain thermal energy;
Means for applying the thermal energy to the hydrogen storage alloy and releasing hydrogen from the hydrogen storage alloy;
Means for raising the temperature of a part of the air discharged from the fuel cell stack by hydrogen released from the hydrogen storage alloy, and introducing the heated air into the thermal energy acquisition means;
A fuel cell system comprising:
このように構成されたこの発明の第5の局面のシステムによれば、燃料電池スタックにより昇温された一部の空気を水素吸蔵合金から放出された高温の水素(例えば170〜200℃)でもって更に加熱して触媒燃焼器などの熱エネルギー取得手段に導入するので、当該触媒燃焼器における燃焼効率が向上する。従って、システムとしてのトータルの熱効率が向上する。 According to the system of the fifth aspect of the present invention configured as described above, a part of the air heated by the fuel cell stack is heated by high-temperature hydrogen (for example, 170 to 200 ° C.) released from the hydrogen storage alloy. Thus, since it is further heated and introduced into thermal energy acquisition means such as a catalytic combustor, the combustion efficiency in the catalytic combustor is improved. Therefore, the total thermal efficiency of the system is improved.
(実施例)
以下、この発明の実施例を説明する。
図1にこの発明の実施例の燃料電池システム1の概略構成を示す。
この燃料電池システム1は、燃料電池スタック2、燃料供給系10、空気供給系40、水供給系50及び負荷系70及び制御系80から大略構成される。
(Example)
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.
The fuel cell system 1 is generally composed of a
燃料電池スタック2は燃料電池の単位ユニットを複数(約30〜100枚程度)接続したものである。この単位ユニットは、図2に示すように、空気極3と燃料極4とで固体高分子電解質5を挟持した燃料電池本体を、更にカーボンブラックのセパレータ6、7で挟持した構成である。この単位ユニットの形状は特に限定されないが、セパレータ6と空気極3との間には空気を流通させる空気流路8が上下方向に形成される。セパレータ7と燃料極4との間には水素ガスを流通させる水素ガス流路9が形成されている。
この燃料電池スタック2は車輌のラム風の通路に配置される。従って、この燃料電池スタック2はラム風によって冷却される。車速が早いときには燃料電池スタック2の負荷も大きくなってその発熱量が大きくなるが、ラム風の風量も大きくなるのでそれだけ燃料電池スタック2に対する冷却効果が大きくなる。
The
The
燃料供給系10から上記水素ガス流路9に水素ガスが導入され、連続的若しくは間欠的に燃料電池スタック2から排出される。燃料供給系10には汎用的なものを利用でき、水素の貯蔵及び放出は水素吸蔵合金で行う。
空気供給系40は空気マニホールド45より大気を燃料電池スタック2の空気流路8に供給し、燃料電池スタック2から排出された空気を水凝縮器51を通して排出する。
Hydrogen gas is introduced from the
The
この実施例では、空気マニホールド45に複数のノズル55が配設されて、これより吸気中に水が液体の状態で供給される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま水凝縮器51に到達し、そのままタンク53へ送られて回収される。供給された水の一部は蒸発し、水凝縮器51において凝縮されて回収される。
この水凝縮器51において、この実施例では、その熱交換器52がラム風の通路に配置されている。これにより、熱交換器52における熱交換機能(空気を冷却し水を凝縮する)がラム風により補助若しくは強化される。よって、熱交換器52自体に要求される容量が小さくなり、もってラム風を利用しないものに比べて熱交換器52ひいては水凝縮器51をコンパクトにすることができる。
In this embodiment, a plurality of
In this
水供給系50はタンク53の水をノズル55から空気マニホールド45へ供給し、この水を水凝縮器51で回収してタンク53に戻すという閉じられた系である。勿論、水供給系50を完全に閉じることは不可能であるので、タンク53の水位をモニタしてこの水位が所定の閾値を超えたら外部より水を補給する。冬季にタンク53中の水が凍結しないようにタンク53にはヒータを取り付けることが好ましい。
The
タンク53の水はポンプ61により空気マニホールド内に配設されたノズル55へ圧送され、ここから空気極3の表面に対して連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック2の空気極3に供給され、ここにおいて優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極3側の電解質膜5からの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜5はその空気極3側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。
また、空気極3の表面に供給された水は空気極3自体からも熱を奪いこれを冷却する。この冷却効果とラム風による冷却効果により燃料電池スタック2の温度を制御できる。
Water in the
Further, the water supplied to the surface of the
負荷系70は燃料電池スタック2の出力を外部に取り出して、モータ77等の負荷を駆動させる。負荷系70の出力は水供給系50のポンプ61及び制御系80のコントローラ81にも与えられる。
The
制御系80は、燃料電池スタック2に対するラム風の影響をモニタして、燃料電池スタック2に供給される水の量を制御し、もって燃料電池スタック2の温度を維持する。
コントローラ81は、図示しないCPUとメモリを備える。メモリにはCPUの動作を制御するプログラムが保存されており、CPUは当該プログラムに基づき、入力されたデータを処理してポンプ61の作動を制御する。
図中の符号83は温度センサであり、燃料電池スタック2の温度をモニタしている。
The
The
次に、この実施例の燃料電池システム1の動作を図3に基づき説明する。なお、下記の動作の中で行われる演算は全てコントローラ81のCPUがメモリに保存されているプログラムに基づいて行っている。
Next, the operation of the fuel cell system 1 of this embodiment will be described with reference to FIG. Note that all calculations performed in the following operation are performed by the CPU of the
スタート後、ポンプ61が作動してタンク53の水がノズル55より空気マニホールド45内に噴出され、燃料電池スタック2の空気極3に水が液体の状態で供給される(ステップ1)。これにより、燃料電池スタック2が予め冷却され、システム起動時の電解質膜等におけるいわゆる焼き付きが未然に防止される。
After the start, the
その後、空気供給系40をオンにし、続いて燃料供給系10をオンにしてシステム1を起動する(ステップ2)。
車輌の走行に伴いラム風が発生し、ラム風による燃料電池スタック2及び水凝縮器51の熱交換器52に対する空冷が開始する(ステップ3)。
Thereafter, the
A ram wind is generated as the vehicle travels, and air cooling of the
ステップ4では、図示しない温度計で検出されたラム風の温度と車輌付設の速度計で検出された車輌の走行速度に基づき、ラム風による冷却能Yを演算する。なお、コントローラのメモリはラム風の温度及び走行速度と冷却能Yとの関係を予め保存しており、CPUはこの関係を参照してこのステップ4の演算を行う。
一方、ステップ5では、走行に対応した燃料電池スタック2の実際の出力に基づき、燃料電池スタック2の総発熱量Zを同じくCPUで演算する。なお、コントローラのメモリは出力と燃料電池スタック2の総発熱量との関係を予め保存しており、CPUはこの関係を参照してこのステップ5の演算を行う。
In step 4, the cooling capacity Y by the ram wind is calculated based on the temperature of the ram wind detected by a thermometer (not shown) and the traveling speed of the vehicle detected by the speedometer attached to the vehicle. The memory of the controller stores in advance the relationship between the ram wind temperature and traveling speed and the cooling capacity Y, and the CPU performs the calculation of step 4 with reference to this relationship.
On the other hand, in
ステップ6では、燃料電池スタック2の総発熱量Zとラム風による冷却能Yとの差を演算する。そして、この差(Z−Y)の熱量を冷却するのに適当な水量を演算する。ステップ7でこの水量がノズル55から噴出されるようにポンプ61をコントローラ81で制御する。
In
ステップ8では、温度センサ83で燃料電池スタック2の温度を検出し、この温度と予め定めれてメモリに保存されている設定温度(50〜60℃)とを比較する。燃料電池スタック2の温度が設定温度内にあれば定常走行モード(ステップ9)となりポンプ61の出力、即ち水直噴量を安定させる。一方、当該温度が標準温度から外れているとステップ4に戻り、水直噴量を調整する。
In
上記動作を別の方向からみれば、燃料電池スタック2の冷却はもっぱらノズル5より供給される水によりなされるが、ラム風による冷却作用が付加される。従って、燃料電池スタック2の過度のヒートアップが確実に防止される。
If the above operation is viewed from another direction, the
次に、この発明の第2の実施例を図4及び図5に基づいて説明する。なお図4において図1と同一の要素には、また、図5において図3と同一のステップにはそれぞれ同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の燃料電池システム100では、燃料電池スタック2を冷却する冷却系110が設けられている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 that are the same as those in FIG. 1 and the same steps in FIG. 5 as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
In the
この冷却系110は燃料電池スタック2と周知構成の熱交換器111との間で冷媒としての水を循環させる。符号112はそのためのポンプであり、ポンプ112の電源はこの燃料電池スタック2自体からとられる。この実施例では、熱交換器111がラム風の通路に配置されている。これにより、水に対する熱交換器の冷却能力がラム風により補助ないし強化される。よって、ラム風を利用しないものに比べてこれをコンパクトにすることができる。
The
この実施例では、冷却系110のポンプ112も制御系180のコントローラ181によって制御される。
即ち、図5のフローチャートにあるように、ステップ106において、総発熱量Zとラム風による冷却能Yよりノズル55から噴出すべき水の量Vと冷却系110に求められる冷却能Cとが演算される。この演算を実行するため、コントローラ内のメモリには総発熱量Z及びラム風による冷却能Yと水噴出量V及び冷却系110求められるに冷却能Cとの関係が予め保存されている。
そして、ステップ107では、ステップ106で求められた水噴出量Vと冷却能Cとに基づいて、それぞれ水供給系50のポンプ61の出力と冷却系110のポンプ112の出力とが制御される。
In this embodiment, the
That is, as shown in the flowchart of FIG. 5, in
In step 107, the output of the
なお、燃料電池スタック2に付設された冷却系110の熱交換器111をラム風の通路に配置することは、水直噴タイプの燃料電池システムに限られるものではない。
Note that the arrangement of the
図6に第3の実施例の燃料電池システム200を示す。なお、図4と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の燃料電池システム200は、図4に示したシステム100においてその冷却系を減圧冷却系210としたものである。減圧冷却系210において熱交換器211がラム風の通路に配置される。図中の符号212はコンプレッサである。
減圧冷却系を採用することにより、燃料電池スタック2に付設される冷却系がよりコンパクトになる。
FIG. 6 shows a
In the
By adopting the vacuum cooling system, the cooling system attached to the
この実施例の燃料電池システム200の動作は、ポンプ112の出力制御をコンプレッサ212の出力制御とする他は、図5のフローチャートと同じである。
The operation of the
図7に第4の実施例の燃料電池システム300を示す。なお、図7において図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の燃料電池システム300では、図1に示したシステム1において、新規な構成の燃料供給系310を用いた。
FIG. 7 shows a
In the
この燃料供給系310は水素吸蔵合金311に貯えられた水素を熱交換器317、319を介して燃料電池スタック2へ供給する。この水素吸蔵合金311にはMg−Ni系等の高吸蔵材が用いられ、触媒燃焼器313の熱により水素を放出する。
触媒燃焼器313には水素吸蔵合金311から放出された水素の一部と空気が導入される。そして、触媒上で水素と空気中の酸素とが反応し熱エネルギーが取り出される。この熱エネルギーはヒートポンプその他の通常の間接熱交換を伴う熱伝達部材により水素吸蔵合金311へ与えられ、これを加熱する。
The
Part of the hydrogen released from the
この実施例では、触媒燃焼器313へ供給される空気が、熱交換器317を介して、水素吸蔵合金311から放出された水素により予め触媒燃焼温度近くまで加熱される。従って、触媒燃料器313における燃焼効率が向上する。
更にこの実施例では熱交換器317に導入される空気として燃料電池スタックにより昇温されている排出空気を利用する。従って、更に熱エネルギーの有効利用が図れる。
In this embodiment, the air supplied to the
Further, in this embodiment, exhaust air heated by the fuel cell stack is used as the air introduced into the
触媒燃焼器313から排出された高温の空気は空気供給系40において水凝縮器51の上流側に戻される。なお、空気供給系40を流れる空気において触媒燃焼器313に送られるのはごく一部であるし、特にこの実施例の水凝縮器51ではその空気冷却機能がラム風により強化されているので、空気供給系40に高温の空気が戻されても水凝縮器51の機能に殆ど影響を与えない。
The hot air discharged from the
参考のため、燃料供給系310における熱収支を図面上に示した。
For reference, the heat balance in the
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
(13)車輌用燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
冷媒を循環させて前記燃料電池スタックを冷却する冷却系と、を備えてなり、
前記冷却系の熱交換器が車輌のラム風の通路に配置されている、ことを特徴とする車輌用燃料電池システム。
(14) 前記冷却系は減圧冷却により前記燃料電池スタックを冷却する、ことを特徴とする(13)に記載の車輌用燃料電池システム。
(15) 前記冷媒は水である、ことを特徴とする(14)に記載の車輌用燃料電池システム。
(16) 前記燃料電池スタックから排出された空気の水分を凝縮して回収する凝縮器が更に備えられ、該凝縮器も前記ラム風の通路に配置されている、ことを特徴とする(13)〜(15)のいずれかに記載の車輌用燃料電池システム。
(13) A fuel cell system for vehicles,
A fuel cell stack;
A cooling system for circulating the refrigerant to cool the fuel cell stack,
A fuel cell system for a vehicle, wherein the cooling system heat exchanger is disposed in a ram wind passage of the vehicle.
(14) The vehicular fuel cell system according to (13), wherein the cooling system cools the fuel cell stack by decompression cooling.
(15) The vehicle fuel cell system according to (14), wherein the refrigerant is water.
(16) The apparatus further comprises a condenser for condensing and recovering the moisture of the air discharged from the fuel cell stack, and the condenser is also disposed in the ram wind passage (13). The fuel cell system for vehicles according to any one of to (15).
(20) 燃料電池スタック、
水素吸蔵合金、
水素と空気中の酸素とを反応させて熱エネルギーを取得する手段、
該熱エネルギーを前記水素吸蔵合金に与え、該水素吸蔵合金から水素を放出させる手段、
前記燃料電池スタックから排出された空気を前記熱エネルギー取得手段に導入する手段、
を備えてなる燃料電池システム。
(21) 燃料電池スタック、
水素吸蔵合金、
水素と空気中の酸素とを反応させて熱エネルギーを取得する手段、
該熱エネルギーを前記水素吸蔵合金に与え、該水素吸蔵合金から水素を放出させる手段、
前記水素吸蔵合金から放出された水素により昇温された空気を前記熱エネルギー取得手段に導入する手段、
を備えてなる燃料電池システム。
(20) Fuel cell stack,
Hydrogen storage alloys,
Means for reacting hydrogen with oxygen in the air to obtain thermal energy;
Means for applying the thermal energy to the hydrogen storage alloy and releasing hydrogen from the hydrogen storage alloy;
Means for introducing air discharged from the fuel cell stack into the thermal energy acquisition means;
A fuel cell system comprising:
(21) Fuel cell stack,
Hydrogen storage alloys,
Means for reacting hydrogen with oxygen in the air to obtain thermal energy;
Means for applying the thermal energy to the hydrogen storage alloy and releasing hydrogen from the hydrogen storage alloy;
Means for introducing air heated by hydrogen released from the hydrogen storage alloy into the thermal energy acquisition means;
A fuel cell system comprising:
(30) 燃料電池スタック、
水素吸蔵合金、
水素と空気中の酸素とを反応させて熱エネルギーを取得する手段、
該熱エネルギーを前記水素吸蔵合金に与え、該水素吸蔵合金から水素を放出させる手段、
を備えてなる燃料電池システム。
(30) Fuel cell stack,
Hydrogen storage alloys,
Means for reacting hydrogen with oxygen in the air to obtain thermal energy;
Means for applying the thermal energy to the hydrogen storage alloy and releasing hydrogen from the hydrogen storage alloy;
A fuel cell system comprising:
1、100、200、300 燃料電池システム
2 燃料電池スタック
3 空気極
10、310 燃料供給系
50 水供給系
55 ノズル
51 水凝縮器
110 燃料電池スタックの冷却系
210 燃料電池スタックの減圧冷却系
311 水素吸蔵合金
313 触媒燃焼器
317 熱交換器
1, 100, 200, 300
Claims (2)
燃料電池スタックと、
冷媒をコンプレッサにより循環させて減圧冷却により前記燃料電池スタックを冷却するとともに車輌のラム風の通路に配置された熱交換器を備えた冷却系と、を備えてなり、
前記燃料電池スタックの総発熱量とラム風による冷却能との差から前記冷媒の供給量を制御するコントローラと、を備えた、ことを特徴とする車輌用燃料電池システム。 A fuel cell system for a vehicle,
A fuel cell stack;
A cooling system including a heat exchanger that is disposed in a ram wind passage of the vehicle and circulates a refrigerant by a compressor to cool the fuel cell stack by decompression cooling,
A vehicular fuel cell system, comprising: a controller that controls a supply amount of the refrigerant based on a difference between a total calorific value of the fuel cell stack and a cooling capacity by the ram wind.
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