(57)【要約】【課題】冷却性能を向上させることができる燃料電池システムを得る。【解決手段】燃料電池スタック１２から反応後の排気を排出するための排気経路５２上に排気を冷気と暖気とに分離するボルテックスチューブ３４が設けられており、この冷気を利用して得た凝縮水を利用してインタークーラ２６ひいては燃料電池システム１０の冷却を行うことができる。特に、本実施形態では、ボルテックスチューブ３４の上流側に凝縮器３０が設けられており、この凝縮器３０は排気中に含まれる水分量を低減させることから、ボルテックスチューブ３４の熱分離性能が向上してより温度の低い冷気を得ることができる。これにより、冷却性能を向上させることができる。また、ラジエータ４２を小型化できるので、軽量化及びコストの抑制を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックから反応後の排気を排出するための排気経路上に設けられかつ前記排気を冷気と暖気とに分離するボルテックスチューブと、
前記排気経路における前記ボルテックスチューブの上流側に設けられると共に、前記排気中に含まれる水分量を低減させる凝縮器と、
を有する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池システムが開示されている。こ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排気の排出経路上にボルテックスチューブを設けて、このボルテックスチューブの熱分離作用を利用して、冷気噴出し口から流出する排気を燃料電池スタック等の冷却に用いている。また、ボルテックスチューブの暖気噴出し口から流出する排気を燃料電池スタック等の加熱に用いている。つまり、排気を機器の冷却や加熱に再利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２６６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ボルテックスチューブは一般的に、導入される気体に水分が多く含まれていると、熱分離性能が低下する特性を有する。一方、水素燃料の燃料電池スタックの排気には、水成分が多く含まれている。このため、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、ボルテックスチューブの熱分離性能が低くなり、燃料電池スタックの十分な冷却を行うことができない可能性がある。したがって、上記先行技術はこの点で改良の余地がある。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮し、冷却性能を向上させることができる燃料電池システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックから反応後の排気を排出するための排気経路上に設けられかつ前記排気を冷気と暖気とに分離するボルテックスチューブと、前記排気経路における前記ボルテックスチューブの上流側に設けられると共に、前記排気中に含まれる水分量を低減させる凝縮器と、を有する。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックから反応後の排気を排出するための排気経路上に排気を冷気と暖気とに分離するボルテックスチューブが設けられており、この冷気を利用して機器の冷却を行うことができる。ところで、一般的に、ボルテックスチューブは、導入される気体に水分が多く含まれていると、冷気と暖気とに分離する熱分離性能が低下する。しかしながら、本発明では、ボルテックスチューブの上流側に凝縮器が設けられており、この凝縮器は排気中に含まれる水分量を低減させることから、ボルテックスチューブの熱分離性能が向上してより温度の低い冷気を得ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の本発明に係る燃料電池システムは、冷却性能を向上させることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態では、燃料電池システムが車両に搭載された場合の形態例を説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、調圧弁１４、気液分離部１６、第１ポンプ１８、排水弁２０、ラジエータ４２、第２ポンプ４６、流量計２２、コンプレッサ２４及びインタークーラ２６を備える。また、燃料電池システム１０は、エア調整弁２８、凝縮器３０、貯水タンク３２、ボルテックスチューブ３４、マフラー３６及び第３ポンプ３８を更に備える。
【００１２】
燃料電池スタック１２は、図示しない水素タンクから供給される水素と、コンプレッサ２４から供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルが積層されて形成されている。調圧弁１４は、開示の技術の減圧部の一例であり、水素タンクから燃料電池スタック１２へ水素を供給する水素供給経路４０内の水素を減圧させる。
【００１３】
気液分離部１６は、燃料電池スタック１２から排出された水素及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離する。第１ポンプ１８は、気液分離部１６により分離された気体成分に含まれる水素を、水素供給経路４０上に送り出す循環ポンプとして機能する。また、気液分離部１６により分離された液体成分は、排水弁２０を介して凝縮器３０へ排出される。
【００１４】
ラジエータ４２は、例えば外気を取り込む図示しないファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環経路４４を流れる冷却水を冷却する。冷却水循環経路４４を流れる冷却水は、ラジエータ４２から第２ポンプ４６によって燃料電池スタック１２へ送られて燃料電池スタック１２を冷却し、その後ラジエータ４２へ戻される。冷却水循環経路４４上には、三方弁４８が設けられており、三方弁４８によって、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水はラジエータ４２をバイパス可能とされている。
【００１５】
流量計２２は、燃料電池スタック１２に空気を供給する空気供給経路５０上に設けられており、空気供給経路５０内を流れる空気量を測定する。コンプレッサ２４は、空気供給経路５０内を流れる空気を圧縮する。インタークーラ２６は、コンプレッサ２４により圧縮されたことで温度が上昇した空気供給経路５０内の空気を冷却する。冷却された圧縮空気は、燃料電池スタック１２へと供給される。
【００１６】
エア調整弁２８は、燃料電池スタック１２から排出される排気（使用済み空気）が排出される排気経路５２上に設けられており、この空気の排気量を調整する。凝縮器３０は、排気経路５２上に設けられており、供給された排気経路５２内を流れる排気を、ボルテックスチューブ３４から供給される冷気により低温とされた凝縮コア５４（熱交換器）にて冷却することで液体と気体とに分離する。凝縮器３０により分離された液体と、排水弁２０から排出された液体成分とは、貯水タンク３２内に貯蔵される。
【００１７】
ボルテックスチューブ３４は、凝縮器３０から供給された空気を冷気と暖気とに分離する。ボルテックスチューブ３４から噴出する暖気は、マフラー３６を経て車外へ放出される。また、ボルテックスチューブ３４から噴出する冷気は、凝縮器３０内の凝縮コア５４へ供給された後、車外へ放出される。
【００１８】
第３ポンプ３８は、貯水タンク３２内の液体をインタークーラ２６の内部に設けられた熱交換部５６を経て車外へ放出する。この熱交換部５６では、コンプレッサ２４により供給された空気と貯水タンク３２からの液体との間で熱交換を行う。
【００１９】
（第１実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
【００２０】
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の作用について説明する。水素タンクから調圧弁１４を通って燃料電池スタック１２に減圧された水素が供給されると共に、コンプレッサ２４により圧縮された空気が燃料電池スタック１２へ供給されると、電気化学反応による発電に伴って気液分離部１６へ水素及び反応ガスが排出されると共にエア調整弁２８を経て凝縮器３０へ使用済み空気が排気される。気液分離部１６では、水素及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離し、液体成分は排水弁２０を介して凝縮器３０へ排出される。
【００２１】
凝縮器３０では、排気が液体と気体とに分離され、分離された液体及び上述の気液分離部１６からの液体成分が貯水タンク３２内に貯蔵される。一方、液体と分離された排気は、ボルテックスチューブ３４へと送られる。ボルテックスチューブ３４により、排気は冷気と暖気とに熱分離される。暖気は、マフラー３６を経て車外へ放出される。
【００２２】
ボルテックスチューブ３４から噴出される冷気は、凝縮器３０内の凝縮コア５４へと供給される。したがって、燃料電池スタック１２から排出される水分量の多い排気が凝縮器３０内にて冷やされた凝縮コア５４によって冷やされることで、一層凝縮水の生成が促される。つまり、排気の気体と液体成分とへの分離がより促進される。これにより、凝縮器３０を通過した気体内の水分量が低下すると共に、貯水タンク３２内に貯蔵される液体量が増加する。
【００２３】
水分量が低下した気体が凝縮器３０からボルテックスチューブ３４へと供給されることで、ボルテックスチューブ３４の熱分離性能が向上してボルテックスチューブ３４から噴出される冷気の温度が一層低下する。これによって、凝縮器３０内にてより一層凝縮水の生成が促される。
【００２４】
貯水タンク３２内に貯蔵される液体の量の増加により、インタークーラ２６での熱交換が促進される。つまり、インタークーラ２６での冷却性能が向上する。これにより、ラジエータ４２への入熱量が低下する。
【００２５】
以上のように、本実施形態では、図１に示されるように、燃料電池スタック１２から反応後の排気を排出するための排気経路５２上に排気を冷気と暖気とに分離するボルテックスチューブ３４が設けられており、この冷気を利用して得た凝縮水を利用してインタークーラ２６ひいては燃料電池システム１０の冷却を行うことができる。特に、本実施形態では、ボルテックスチューブ３４の上流側に凝縮器３０が設けられており、この凝縮器３０は排気中に含まれる水分量を低減させることから、ボルテックスチューブ３４の熱分離性能が向上してより温度の低い冷気を得ることができる。これにより、冷却性能を向上させることができる。また、ラジエータ４２を小型化できるので、軽量化及びコストの抑制を図ることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
次に、図２を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム６０について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
【００２７】
図２に示されるように、この第２実施形態に係る燃料電池システム６０は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、貯水タンク３２内の液体がラジエータ４２に噴霧される点に特徴がある。
【００２８】
すなわち、第３ポンプ３８は、貯水タンク３２内の液体をラジエータ４２の前部に設けられた噴霧器６２へと供給する。噴霧器６２は、供給された液体をラジエータ４２の前面へ略霧状に噴霧する。
【００２９】
冷却水循環経路４４には、インタークーラ冷却経路６４が設けられている。インタークーラ冷却経路６４を流れる冷却水は、ラジエータ４２から第２ポンプ４６によってインタークーラ２６へ送られてインタークーラ２６を冷却し、その後ラジエータ４２へ戻される。
【００３０】
（第２実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム６０の作用について説明する。水素タンクから調圧弁１４を通って燃料電池スタック１２に減圧された水素が供給されると共に、コンプレッサ２４により圧縮された空気が燃料電池スタック１２へ供給されると、電気化学反応による発電に伴って気液分離部１６へ水素及び反応ガスが排出されると共にエア調整弁２８を経て凝縮器３０へ使用済み空気が排気される。気液分離部１６では、水素及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離し、液体成分は排水弁２０を介して凝縮器３０へ排出される。
【００３２】
凝縮器３０では、排気が液体と気体とに分離され、分離された液体及び上述の気液分離部１６からの液体成分が貯水タンク３２内に貯蔵される。一方、液体と分離された排気は、ボルテックスチューブ３４へと送られる。ボルテックスチューブ３４により、排気は冷気と暖気とに熱分離される。暖気は、マフラー３６を経て車外へ放出される。
【００３３】
ボルテックスチューブ３４から噴出される冷気は、凝縮器３０内の凝縮コア５４へと供給される。したがって、燃料電池スタック１２から排出される水分量の多い排気が凝縮器３０内にて冷やされた凝縮コア５４によって冷やされることで、一層凝縮水の生成が促される。つまり、排気の気体と液体成分とへの分離がより促進される。これにより、凝縮器３０を通過した気体内の水分量が低下すると共に、貯水タンク３２内に貯蔵される液体量が増加する。
【００３４】
水分量が低下した気体が凝縮器３０からボルテックスチューブ３４へと供給されることで、ボルテックスチューブ３４の熱分離性能が向上してボルテックスチューブ３４から噴出される冷気の温度が一層低下する。これによって、凝縮器３０内にてより一層凝縮水の生成が促される。
【００３５】
貯水タンク３２内に貯蔵される液体は、第３ポンプ３８によって噴霧器６２へ供給され、噴霧器６２からラジエータ４２の前面へ略霧状に噴霧される。この噴霧された液体の気化熱により、ラジエータ４２での冷却性能が向上する。
【００３６】
以上のように、上記構成によっても、貯水タンク３２内の液体がラジエータ４２に噴霧される点以外は第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００３７】
本発明は、上記の形態例に限定されるものではなく、上記の形態例以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００３８】
１０   燃料電池システム
１２   燃料電池スタック
３０   凝縮器
３４   ボルテックスチューブ
５２   排気経路
６０   燃料電池システム
【図１】
2019036469.tif 000003
【図２】
2019036469.tif 000004