(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却すると共に効率的に加湿できる冷却加湿装置を提供することを課題とする。【解決手段】圧縮機により圧縮された後であって燃料電池に供給される前の酸化剤ガスを冷媒と熱交換することにより冷却する冷却器と、前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスと、前記冷却器で冷却された後であって前記燃料電池に供給される前の前記酸化剤ガスとの間で、水分交換膜により水分交換をして前記酸化剤ガスを加湿すると共に、前記冷却器と熱的に接続された加湿器と、前記冷却器及び加湿器を包囲したケースと、前記ケースと、前記冷却器及び加湿器との間に配置され、前記冷却器及び加湿器を保温する保温部材と、を備えた冷却加湿装置。【選択図】図２
2019036438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機により圧縮された後であって燃料電池に供給される前の酸化剤ガスを冷媒と熱交換することにより冷却する冷却器と、
前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスと、前記冷却器で冷却された後であって前記燃料電池に供給される前の前記酸化剤ガスとの間で、水分交換膜により水分交換をして前記酸化剤ガスを加湿すると共に、前記冷却器と熱的に接続された加湿器と、
前記冷却器及び加湿器を包囲したケースと、
前記ケースと、前記冷却器及び加湿器との間に配置され、前記冷却器及び加湿器を保温する保温部材と、を備えた冷却加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する冷却器と、酸化剤オフガス中の水分を用いて冷却器で冷却された酸化剤ガスを加湿する加湿器とが同じケース内に設けられる場合がある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１０８７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような加湿器の温度が低いと、酸化剤ガスを効率的に加湿できない可能性がある。
【０００５】
本発明は、燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却すると共に効率的に加湿できる冷却加湿装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、圧縮機により圧縮された後であって燃料電池に供給される前の酸化剤ガスを冷媒と熱交換することにより冷却する冷却器と、前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスと、前記冷却器で冷却された後であって前記燃料電池に供給される前の前記酸化剤ガスとの間で、水分交換膜により水分交換をして前記酸化剤ガスを加湿すると共に、前記冷却器と熱的に接続された加湿器と、前記冷却器及び加湿器を包囲したケースと、前記ケースと、前記冷却器及び加湿器との間に配置され、前記冷却器及び加湿器を保温する保温部材と、を備えた冷却加湿装置によって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却すると共に効率的に加湿できる冷却加湿装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２Ａは、冷却加湿装置の内部を示した斜視図であり、図２Ｂは、冷却加湿装置の断面図であり、図２Ｃは、変形例の冷却加湿装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）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、ＲＯＭ、ＲＡＭ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。尚、システム１は、燃料電池２０に水素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。
【００１０】
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（酸化剤ガス）は、供給経路３１を介してコンプレッサ３３により圧縮され、インタークーラ３６により冷却されて、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。背圧弁３８は、燃料電池２０の酸化剤側の背圧を調整する。加湿器３７は、排出経路３２を通過する酸化剤オフガス中の水分を利用して供給経路３１を通過する酸化剤ガスを加湿する。尚、供給経路３１上には、上流側から順にコンプレッサ３３、インタークーラ３６、及び加湿器３７が配置されている。排出経路３２には、上流側から順に加湿器３７及び背圧弁３８が配置されている。インタークーラ３６及び加湿器３７は、詳しくは後述するが冷却加湿装置５０として一体化されている。コンプレッサ３３で圧縮された酸化剤ガスは、温度が上昇する。コンプレッサ３３は、圧縮機の一例である。
【００１１】
冷却系４０は、冷却水である冷媒を所定の経路を経て循環させることにより、燃料電池２０を冷却するものであり、以下のように構成される。冷媒は循環ポンプ４５により循環経路４１を流通し、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。バイパス経路４２は、循環経路４１から分岐してラジエータ４６をバイパスする。三方弁４７は、バイパス経路４２を流通する冷媒の流量を調整する。分配経路４３は、循環経路４１から分岐してインタークーラ３６に接続され再び循環経路４１に接続されており、インタークーラ３６を通過する空気が冷媒により冷却される。温度センサ４８は、燃料電池２０から排出された冷媒の温度を検出する。尚、分配経路４３は、燃料電池２０よりも上流側であって三方弁４７よりも下流側で循環経路４１から分岐して、燃料電池２０よりも下流側であって循環ポンプ４５よりも上流側で循環経路４１に合流している。インタークーラ３６は、コンプレッサ３３により圧縮された後であって燃料電池２０に供給される前の酸化剤ガスを冷媒と熱交換することにより冷却する冷却器の一例である。
【００１２】
図２Ａは、冷却加湿装置５０の内部を示した斜視図である。尚、図１では冷却加湿装置５０を模式的に示しているため、図２での冷却加湿装置５０とは形状が異なっているが、冷却加湿装置５０の形状も図２Ａに示したものに限定されない。冷却加湿装置５０は、インタークーラ３６及び加湿器３７を包囲したケース５８を有している。ケース５８には、ガス導入管５１ａ及びガス排出管５１ｂ、オフガス導入管５２ａ及びオフガス排出管５２ｂ、冷媒導入管５３ａ及び冷媒排出管５３ｂが接続されている。ガス導入管５１ａ及びガス排出管５１ｂは上述した供給経路３１の一部を構成する。オフガス導入管５２ａ及びオフガス排出管５２ｂは排出経路３２の一部を構成する。冷媒導入管５３ａ及び冷媒排出管５３ｂは分配経路４３の一部を構成する。コンプレッサ３３で圧縮された酸化剤ガスは、ガス導入管５１ａを介してインタークーラ３６及び加湿器３７を順に流通してガス排出管５１ｂから燃料電池２０へと供給される。酸化剤オフガスは、オフガス導入管５２ａを介して加湿器３７内を流通してオフガス排出管５２ｂから外部へと排出される。冷媒は、冷媒導入管５３ａを介してインタークーラ３６内を通過して冷媒排出管５３ｂから循環経路４１へ合流する。
【００１３】
インタークーラ３６は、冷媒が流通する扁平状であって金属製の配管を複数備えており、その外側をコンプレッサ３３で圧縮されて高温となった酸化剤ガスが流通することにより、冷媒と酸化剤ガスとの間で熱交換される。これにより、酸化剤ガスが冷却される。
【００１４】
加湿器３７では、水分交換膜で構成される中空糸膜が複数束ねられている。中空糸膜は、内外を流通するガスの水蒸気分圧の差に応じて膜内を水分子が移動する。本実施例では、インタークーラ３６で冷却された酸化剤ガスが中空糸膜の内側を流通し、酸化剤オフガスが中空糸膜の外側を流通する。ここで酸化剤オフガスは、燃料電池２０の発電反応によって生じた生成水により、酸化剤ガスよりも水蒸気分圧が高くなっている。このため、酸化剤オフガス中の水分が中空糸膜を介して酸化剤ガスへと移動し、酸化剤ガスが加湿される。中空糸膜は、所定の温度範囲において、高温である方が水分の交換効率が上昇する。この理由は次による。中空糸膜が高温である場合、酸化剤オフガスも温度が上昇して酸化剤オフガス中の液水が蒸発して水蒸気分圧が上昇する。これに対して、酸化剤ガス中にはもともと水分の含有量が少ないため、中空糸膜が高温であっても水蒸気分圧は上昇しにくく、酸化剤オフガスと酸化剤ガスとの間の水蒸気分圧の差が大きくなるためである。中空糸膜は、例えばポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリオレフィン等から構成される。尚、加湿器３７の水分交換膜はこのような中空糸膜に限定されず、例えば平膜状の水分交換膜であってもよい。
【００１５】
インタークーラ３６及び加湿器３７は互いに直接接触している。このため、コンプレッサ３３により圧縮された酸化剤ガスの熱がインタークーラ３６に伝達され、インタークーラ３６の熱が加湿器３７へと伝達される。これにより、加湿器３７の中空糸膜を昇温させることができ、加湿器３７の中空糸膜での水分の交換効率の低下が抑制され、酸化剤ガスを適切に加湿できる。以上のように加湿器３７は、燃料電池２０から排出された酸化剤オフガスと、インタークーラ３６で冷却された後であって燃料電池２０に供給される前の酸化剤ガスとの間で、水分交換膜により水分交換をして酸化剤ガスを加湿すると共に、インタークーラ３６と熱的に接続されている。ここで、加湿器３７とインタークーラ３６とが熱的に接続されていない構成においては、コンプレッサ３３を通過した後の酸化剤ガスは圧縮されて温度が上昇しているものの、インタークーラ３６を通過して加湿器３７を通過するまでの過程で酸化剤ガスの温度が低下するため、加湿器３７に十分な熱を伝達することができる構成ではない。一方、本実施例の構成によれば、上述のようにコンプレッサ３３により圧縮された酸化剤ガスの熱がインタークーラ３６に伝達され、インタークーラ３６の熱が加湿器３７へと伝達されるため、高い水分交換効率を得ることができる。
【００１６】
図２Ｂは、冷却加湿装置５０の断面図である。図２Ａでは図示を省略しているが、ケース５８内には、インタークーラ３６及び加湿器３７を包囲した断熱部材６０が設けられている。断熱部材６０は、ケース５８の内面全体に設けられている。断熱部材６０の材質は、ケース５８の熱伝導率以下の熱伝導率を有していればよく、例えば、ロックウール保温剤、ケイ酸カルシウム保温材、撥水パーライト保温材等である。これにより、インタークーラ３６及び加湿器３７からケース５８への伝熱が抑制されて保温される。このため、インタークーラ３６の熱を効率的に加湿器３７に伝達できると共に加湿器３７の中空糸膜の温度の低下も抑制され、酸化剤ガスを効率的に加湿できる。断熱部材６０は、ケース５８と、インタークーラ３６及び加湿器３７との間に配置され、インタークーラ３６及び加湿器３７を保温する保温部材の一例である。
【００１７】
ここで、例えば燃料電池２０への要求出力が増大すると、燃料電池２０への酸化剤ガスの供給量を増大させるために、制御装置１０によりコンプレッサ３３の回転速度が上昇するように制御される。この結果、コンプレッサ３３により圧縮された酸化剤ガスの温度も上昇する。従って、圧縮された酸化剤ガスからの熱が伝達されるインタークーラ３６の温度も上昇し、インタークーラ３６と熱的に接続された加湿器３７の温度も上昇する。加湿器３７の温度が上昇すると中空糸膜での水分の交換効率が増大する。また、燃料電池２０の出力が増大すると、燃料電池２０での発電反応に起因して燃料電池２０の温度も上昇する。以上のように、燃料電池２０の温度が上昇すると、結果的に加湿器３７の中空糸膜の水分の交換効率が増大し、燃料電池２０の温度が低下すると、加湿器３７の中空糸膜の水分の交換効率が低下する。例えば、燃料電池２０の温度が低い場合に湿度の高い酸化剤ガスが燃料電池２０に供給されると、燃料電池２０内で凝縮水が多く発生してフラッディングが生じる可能性がある。また、燃料電池２０の温度が高い場合に湿度の低い酸化剤ガスが燃料電池２０に供給されると、燃料電池２０の電解質膜が乾燥する可能性がある。本実施例では、燃料電池２０の温度が高い場合には加湿器３７の中空糸膜の水分の交換効率が増大して湿度の高い酸化剤ガスが燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の温度が低い場合には中空糸膜の水分の交換効率が低下して湿度の低い酸化剤ガスが燃料電池２０に供給される。このため、上記のような問題の発生を抑制できる。また、燃料電池２０の出力変化に応じて中空糸膜の水分の交換効率も適切に変化するため、燃料電池２０の出力変化に対して応答性よく加湿器３７の加湿能力が適切に変更される。尚、燃料電池２０への要求出力の増加が急である場合、コンプレッサ３３の回転速度は速やかに上昇されて、コンプレッサ３３通過後の酸化剤ガス温度も速やかに上昇される。一方、燃料電池２０の温度上昇速度は、コンプレッサ３３通過後の酸化剤ガス温度の上昇速度よりも遅くなる場合がある。本実施形態では、インタークーラ３６と加湿器３７とが熱的に接続されているため、燃料電池２０の温度が十分に上昇していない場合であっても、加湿器３７の温度を速やかに上昇させて、応答性よく加湿器３７の加湿能力が適切に変更される。
【００１８】
次に、冷却加湿装置の変形例について説明する。図２Ｃは、変形例の冷却加湿装置５０ａの断面図である。尚、同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。冷却加湿装置５０ａでは、ケース５８内に、隙間Ｓを介して更にインタークーラ３６及び加湿器３７を包囲する内側ケース５８ａが設けられている。内側ケース５８ａは、例えば金属製や合成樹脂製である。このように２つのケース５８及び内側ケース５８ａによりインタークーラ３６及び加湿器３７は包囲されているため、インタークーラ３６及び加湿器３７からケース５８への伝熱が抑制される。ケース５８内に隙間Ｓを介して配置された内側ケース５８ａは、保温部材の一例である。尚、隙間Ｓには空気が充填されていてもよいし、内側ケース５８ａ内から内側ケース５８ａ外の熱の伝達を抑制するために真空状態であってもよい。尚、内側ケース５８ａの熱伝導率は、ケース５８の熱伝導率よりも低いことが望ましいが、これに限定されない。一般に隙間Ｓの空気または真空の熱伝導率はケース５８及び５８ａの材料の熱伝導率よりも低いため、隙間Ｓによってもケース５８への伝熱が抑制される。なお、別の実施形態において、隙間Ｓを設けずに、ケース５８の内側に、ケース５８の熱伝導率よりも熱伝導率が低い内側ケースを設けてもよい。
【００１９】
その他、保温部材として、インタークーラ３６及び加湿器３７の輻射熱を反射する、鏡面加工が施されたアルミニウム等の金属板を用いてもよい。これによっても、インタークーラ３６及び加湿器３７を保温できる。
【００２０】
上記実施例及び変形例では、インタークーラ３６及び加湿器３７の全体を包囲した断熱部材６０、及び隙間Ｓを介してケース５８内に配置されインタークーラ３６及び加湿器３７の全体を包囲した内側ケース５８ａを保温部材の一例として説明したが、保温部材はこれに限定されない。例えば、ケース５８の内壁面と、インタークーラ３６及び加湿器３７との間に配置されていれば、インタークーラ３６及び加湿器３７の一部分のみを包囲した保温部材であってもよい。ケース５８内にインタークーラ３６や加湿器３７以外の部材、例えばセンサ等が収納されていてもよい。この場合、センサも含めて保温部材により包囲されていてもよいし、包囲されていなくてもよい。
【００２１】
また、ケース５８の代わりに更に大型のケースを用いて、インタークーラ３６及び加湿器３７と共に燃料電池２０を包囲して、燃料電池２０を加湿器３７に熱的に接続させてもよい。これにより、より効率的に加湿器３７を昇温させることができる。この場合、インタークーラ３６及び加湿器３７と共に燃料電池２０を包囲する保温部材を設けてもよいし、燃料電池２０は包囲せずにインタークーラ３６及び加湿器３７のみを包囲してもよい。但し、このような大型のケースを設けると、システムの構成によっては配置箇所が制限され、また、燃料電池２０と水素ガス供給系や電力制御系との接続を確保するためにケースの構造が複雑化する可能性がある。
【００２２】
燃料電池２０から排出された直後の冷媒が流通する配管がケース５８内を通過して加湿器３７に熱的に接続させ、燃料電池２０からの排出直後の冷媒の熱を加湿器３７に伝達させてもよい。この場合、インタークーラ３６及び加湿器３７と共に配管をも包囲する保温部材を設けるのが好ましい。
【００２３】
インタークーラ３６及び加湿器３７は直接接触している必要はなく、インタークーラ３６の熱を加湿器３７に効率的に伝達できれば、例えば両者の間に熱伝導率の良い部材を介在させて熱的に接続されていてもよい。また加湿器の構成は、上述の中空糸型に限定されず、例えば燃料電池に用いられる電解質膜を水蒸気交換膜として使用し、水蒸気交換膜の一方の面側を酸化剤ガスが通過し、他方の面側を酸化剤オフガスが通過することにより、水分交換する構成としてもよい。
【００２４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００２５】
２０  燃料電池
３３  コンプレッサ（圧縮機）
３６  インタークーラ
３７  加湿器
５０  冷却加湿装置
５８  ケース
５８ａ  内側ケース（保温部材）
６０  断熱部材（保温部材）
【図１】
2019036438.tif 000003
【図２】
2019036438.tif 000004