(57)【要約】【課題】燃料電池システムの熱交換器の冷却性能を向上させる。【解決手段】燃料電池１０と、少なくとも燃料電池１０から排出された冷却媒体としての生成水と流体との間で熱交換を行って流体を冷却することができるように構成された熱交換器６０と、を備える燃料電池システム１００であって、熱交換器６０は、生成水が供給されて貯留される生成水貯留部６４と、生成水貯留部６４に空気を供給するための空気供給装置８０と、流体が供給される流体供給部６１と、を備え、生成水貯留部６４に貯留された生成水の気化潜熱によって流体供給部６１に供給された流体を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
少なくとも前記燃料電池から排出された冷却媒体としての生成水と流体との間で熱交換を行って、前記流体を冷却することができるように構成された熱交換器と、
を備える燃料電池システムであって、
前記熱交換器は、
前記生成水が供給されて貯留される生成水貯留部と、
前記生成水貯留部に空気を供給するための空気供給装置と、
前記流体が供給される流体供給部と、
を備え、
前記生成水貯留部に貯留された生成水の気化潜熱によって前記流体供給部に供給された前記流体を冷却する、
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、従来の燃料電池システムとして、燃料電池スタック内での電気化学反応によって生じた水（以下「生成水」という。）をインジェクタから熱交換器（ラジエータ）のフィンに向けて噴射し、フィンに付着した生成水の気化潜熱によって熱交換器の冷却性能を高めるようにしたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４２２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムの場合、フィンの表面温度は１００［℃］以下のためにフィンに付着した生成水が蒸発しにくい上、走行風等によってフィンの表面から蒸発せずに飛び散る生成水も多くなる。そのため、生成水を十分に活用できておらず、熱交換器の冷却性能に関して改善の余地があった。
【０００５】
本発明はこのような問題に着目してなされたものであり、生成水を利用した熱交換器の冷却性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様による燃料電池システムは、燃料電池と、少なくとも燃料電池から排出された冷却媒体としての生成水と流体との間で熱交換を行って前記流体を冷却することができるように構成された熱交換器と、を備える。熱交換器は、生成水が供給されて貯留される生成水貯留部と、生成水貯留部に空気を供給するための空気供給装置と、流体が供給される流体供給部と、を備え、生成水貯留部に貯留された生成水の気化潜熱によって流体供給部に供給された流体を冷却するように構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のこの態様による燃料電池システムによれば、生成水を利用した熱交換器の冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、本実施形態によるラジエータの斜視図である。
【図３】図３は、図２のIII-III線に沿ったラジエータの概略断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】図５は、インタクーラの内部を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００１１】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に対してカソードガス（酸化剤ガス）の給排を行うためのカソードガス給排装置２０と、燃料電池スタック１０を冷却する冷媒（例えばロングライフクーラント（ＬＬＣ））を循環させるための冷媒循環装置３０と、を備える。なお図１では、燃料電池スタック１０に対してアノードガス（燃料ガス）の給排を行うためのアノードガス給排装置や、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される各種の電装部品、燃料電池システム１００を制御するための電子制御ユニット等については、本発明の主要部分ではないため図示を省略している。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）を積層し、各単セルを電気的に直列に接続したものである。燃料電池スタック１０は、水素を含有するアノードガス、及び酸素を含有するカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、例えば車両を駆動するために必要なモータなどの各種の電装部品に供給する。本実施形態ではアノードガスとして水素を使用し、カソードガスとして空気を使用している。
【００１３】
カソードガス給排装置２０は、カソードガス供給通路２１と、エアクリーナ２２と、カソードコンプレッサ２３と、インタクーラ４０と、カソードオフガス排出通路２４と、を備える。以下、エアクリーナ２２側を上流と定義してカソードガス給排装置２０の各構成部品の詳細について説明する。
【００１４】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスが流れる通路であって、上流側供給配管２１ａと、下流側供給配管２１ｂと、を備える。
【００１５】
上流側供給配管２１ａは、一端がエアクリーナ２２に接続され、他端が後述するインタクーラ４０の高温ガス入口部４１に接続される配管である。下流側供給配管２１ｂは、一端が後述するインタクーラ４０の低温ガス出口部４２に接続され、他端が燃料電池スタック１０のカソードガス入口部１１に接続される配管である。
【００１６】
エアクリーナ２２は、大気中に配置され、上流側供給配管２１ａに吸入されるカソードガスとしての空気中の異物を取り除く。
【００１７】
カソードコンプレッサ２３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、上流側供給配管２１ａに設けられる。カソードコンプレッサ２３は、エアクリーナ２２を介して上流側供給配管２１ａに吸入したカソードガスを圧縮して吐出する。
【００１８】
インタクーラ４０は、高温ガス入口部４１と、低温ガス出口部４２と、を備え、高温ガス入口部４１からインタクーラ４０の内部に導入された高温のカソードガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却して低温ガス出口部４２から排出する。
【００１９】
カソードオフガス排出通路２４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が流れる通路であって、上流側排出配管２４ａと、下流側排出配管２４ｂと、を備える。カソードオフガスは、燃料電池スタック１０内での水素と酸素の電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素と、窒素等の不活性ガスと、の混合ガスであり、カソードオフガスには電気化学反応によって生じた水分（生成水及び水蒸気）が含まれている。
【００２０】
上流側排出配管２４ａは、一端が燃料電池スタック１０のカソードオフガス出口部１２に接続され、他端が後述する気液分離器７１のガス流入口７１１に接続される配管である。下流側排出配管２４ｂは、一端が後述する気液分離器７１のガス流出口７１２に接続され、他端が大気に開口している配管である。
【００２１】
冷媒循環装置３０は、冷媒循環配管３１と、冷媒ポンプ３２と、冷媒冷却装置５０と、ラジエータバイパス配管３３と、バイパス制御弁３４と、を備える。
【００２２】
冷媒循環配管３１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒を循環させる配管であって、一端が燃料電池スタック１０の冷媒入口部１３に接続され、他端が燃料電池スタック１０の冷媒出口部１４に接続される。以下では、冷媒出口部１４側を冷媒循環配管３１の上流と定義し、冷媒入口部１３側を冷媒循環配管３１の下流と定義して説明する。
【００２３】
冷媒ポンプ３２は、冷媒循環配管３１の下流側に設けられ、冷媒を循環させる。
【００２４】
冷媒冷却装置５０は、ラジエータ６０と、生成水供給装置７０と、空気供給装置８０と、を備える。
【００２５】
ラジエータ６０は、冷媒ポンプ３２よりも上流の冷媒循環配管３１に設けられる。本実施形態によるラジエータ６０は、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒、すなわち燃料電池スタック１０の冷却に使用されて相対的に高温になった冷媒を、走行風やラジエータファン（図示せず）によって吸い込んだ空気によって冷却することができるように構成されると共に、さらに燃料電池スタック１０内での水素と酸素の電気化学反応によって生じた水（生成水）の気化潜熱によって冷却することができるように構成される。この本実施形態によるラジエータ６０の構成については、図２及び図３を参照して後述する。
【００２６】
生成水供給装置７０は、生成水を後述するラジエータ６０のウォータジャケット６４に供給するための装置であって、気液分離器７１と、生成水供給配管７２と、を備える。
【００２７】
気液分離器７１は、ガス流入口７１１と、ガス流出口７１２と、液水流出口７１３と、を備える。気液分離器７１は、ガス流入口７１１から内部に流入してきたカソードオフガスから生成水を分離して、分離した生成水を液水流出口７１３から排出すると共に、生成水が分離されたカソードオフガスをガス流出口７１２から排出する。
【００２８】
生成水供給配管７２は、一端が気液分離器７１の液水流出口７１３に接続され、他端が後述するラジエータ６０のウォータジャケット６４に接続される配管である。気液分離器７１によって分離されたカソードオフガス中の生成水は、この生成水供給配管７２を流れてラジエータ６０のウォータジャケット６４に供給される。
【００２９】
空気供給装置８０は、空気を後述するラジエータ６０のウォータジャケット６４に供給するための装置であって、空気供給器８１と、空気供給配管８２と、を備える。
【００３０】
空気供給器８１は、カソードコンプレッサ２３よりも下流側のカソードガス供給通路２１に設けられる。本実施形態では、空気供給器８１をカソードコンプレッサ２３よりも下流側の上流側供給配管２１ａに設けているが、下流側供給配管２１ｂに設けても良い。空気供給器８１は、例えば動力源としてカソードコンプレッサ２３から吐出された圧縮カソードガスを利用して駆動されるインジェクタであって、外気（空気）をその空気排出口８１ａから噴射して空気供給配管８２に供給できるように構成される。
【００３１】
空気供給配管８２は、一端が空気供給器８１の空気排出口８１ａに接続され、他端が後述するラジエータ６０のウォータジャケット６４に接続される配管である。空気供給器８１の空気排出口８１ａから噴射された空気は、この空気供給配管８２を流れてラジエータ６０のウォータジャケット６４に供給される。
【００３２】
ラジエータバイパス配管３３は、ラジエータ６０を経由させずに冷媒を循環させることができるように設けられた配管であって、一端がバイパス制御弁３４に接続され、他端がラジエータ６０と冷媒ポンプ３２との間の冷媒循環配管３１に接続される。
【００３３】
バイパス制御弁３４は、例えばサーモスタットであり、ラジエータ６０よりも上流の冷媒循環配管３１に設けられる。バイパス制御弁３４は、冷媒の温度に応じて冷媒の循環経路を切り替える。具体的には、冷媒の温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒が、ラジエータ６０を経由して冷媒入口部１３から燃料電池スタック１０の内部に流入するように冷媒の循環経路を切り替える。逆に、冷媒の温度が基準温度以下のときは、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒が、ラジエータ６０を経由せずにラジエータバイパス配管３３を流れて冷媒入口部１３から燃料電池スタック１０の内部に流入するように冷媒の循環経路を切り替える。
【００３４】
図２は、本実施形態によるラジエータ６０の斜視図である。図３は、図２のIII-III線に沿ったラジエータ６０の概略断面図である。
【００３５】
図２、及び図３に示すように、ラジエータ６０は、アッパタンク６１と、ロアタンク６２と、ラジエータコア６３と、ウォータジャケット６４と、を備える。
【００３６】
アッパタンク６１は、ラジエータコア６３の頂部に形成された冷媒用のタンクである。アッパタンク６１には、燃料電池スタック１０の冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒、すなわち燃料電池スタック１０の冷却に使用されて相対的に高温になった冷媒が供給される。
【００３７】
ラジエータコア６３は、アッパタンク６１に供給された冷媒が流れるチューブ等の複数の冷媒通路６３１と、冷媒通路６３１の表面に取り付けられた放熱用のフィン６３２と、を備える。冷媒通路６３１を流れる冷媒は、ラジエータコア６３の前面から背面に向かって冷媒通路６３１の周囲を通過していく空気によって冷却される。
【００３８】
ロアタンク６２は、ラジエータコア６３の底部に形成された冷媒用のタンクである。ラジエータコア６３の冷媒通路６３１を流れてきて冷却された冷媒は、ロアタンク６２から冷媒循環配管３１に流出して燃料電池スタック１０の冷媒入口部１３に導入される。
【００３９】
ウォータジャケット６４は、アッパタンク６１の外壁６１１（図３参照）を覆うように、アッパタンク６１の外側に形成される。
【００４０】
ウォータジャケット６４には、前述したように生成水供給配管７２が接続されており、その内部に気液分離器７１によって分離されたカソードオフガス中の生成水が供給されて貯留される。これにより、アッパタンク６１内に供給された冷媒の熱を、アッパタンク６１の外壁６１１を介してウォータジャケット６４内の生成水に伝えることできるようになっている。すなわち、ウォータジャケット６４内の生成水とアッパタンク６１内の冷媒との間で熱交換を行って、ウォータジャケット６４内の生成水の気化潜熱によってアッパタンク６１内の冷媒を冷却することができるようになっている。
【００４１】
ここでアッパタンク６１内の冷媒の冷却効率を上げるためには、ウォータジャケット６４内の生成水の蒸発を促進させることが有効である。そこで本実施形態では、ウォータジャケット６４に空気供給配管８２を接続し、その内部に空気供給器８１を介して空気供給配管８２に導入された外気を供給すると共に、ウォータジャケット６４の頂部に設けた水蒸気放出口６４１からウォータジャケット６４内で生じた水蒸気を放出することができるようにした。
【００４２】
これにより、ウォージャケット内に外気（相対的に水蒸気濃度の低い空気）を供給することができると共に、ウォータジャケット６４内の生成水を攪拌することができる。そのため、ウォータジャケット６４内の空気中の水蒸気濃度を低い状態に保つことができるので、ウォータジャケット６４内における生成水の空気中への蒸発を促進させることができる。ウォータジャケット６４内の一部の生成水を蒸発させることで、そのときの気化潜熱によって残りの生成水を冷却することができる。そのため、アッパタンク６１の外壁６１１を介してアッパタンク６１内の冷媒の熱を良くウォータジャケット内の生成水に伝えることができる。したがって、アッパタンク６１内の冷媒の冷却効率を上げることができる。
【００４３】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、少なくとも燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体としての生成水と、燃料電池スタック１０を冷却する冷媒（流体）との間で熱交換を行って、冷媒を冷却することができるように構成されたラジエータ６０（熱交換器）と、を備える。ラジエータ６０は、生成水が供給されて貯留されるウォータジャケット６４（生成水貯留部）と、ウォータジャケット６４に空気を供給するための空気供給装置８０と、冷媒が供給されるアッパタンク６１（流体供給部）と、を備え、ウォータジャケット６４に貯留された生成水の気化潜熱によってアッパタンク６１に供給された冷媒を冷却するように構成されている。
【００４４】
このように、燃料電池スタック１０から排出された生成水をラジエータ６０のウォータジャケット６４に供給して貯留すると共に、ウォータジャケット６４に貯留された生成水の気化潜熱によってアッパタンク６１に供給された冷媒を冷却することで、生成水を無駄にすることなく冷媒の冷却に使用することができる。そのため、ラジエータ６０の冷却性能を向上させることができる。
【００４５】
またウォータジャケット６４内に外気（相対的に水蒸気濃度の低い空気）を供給してウォータジャケット６４内の生成水を攪拌することで、ウォータジャケット６４内の空気中の水蒸気濃度を低い状態に保ってウォータジャケット６４内における生成水の空気中への蒸発を促進させることができる。そのため、アッパタンク６１内の冷媒の冷却効率を上げることができるので、ラジエータ６０の冷却性能を一層向上させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、生成水を蒸発させたときの気化潜熱を利用してカソードガスを冷却することできるようにインタクーラ４０が構成されている点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００４６】
図４は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００４７】
本実施形態によるインタクーラ４０は、高温ガス入口部４１と、低温ガス出口部４２と、高温ガス入口部４１と低温ガス出口部４２とを連通する第１内部流路４３と、液水入口部４４と、水蒸気出口部４５と、液水入口部４４と水蒸気出口部４５とを連通する第２内部流路４６と、を備え、生成水の気化潜熱を利用してカソードコンプレッサ２３によって圧縮されて高温になったカソードガスを冷却することができるように構成される。
【００４８】
そして本実施形態では、生成水供給配管７２の他端が、インタクーラ４０の液水入口部４４に接続されており、気液分離器７１によって分離されたカソードオフガス中の生成水が、生成水供給配管７２を流れて液水入口部４４から第２内部流路４６に導入されるようになっている。また空気供給配管８２の他端も、インタクーラ４０の液水入口部４４に接続されており、第２内部流路４６内に外気を導入することができるようになっている。
【００４９】
図５は、本実施形態によるインタクーラ４０の内部を示す概略断面図である。
【００５０】
図５に示すように、インタクーラ４０の内部には、隔壁４７によって仕切られた第１内部流路４３及び第２内部流路４６が、図中上下方向に交互に複数形成されており、第１内部流路４３を流れるカソードガスの熱を、隔壁４７を介して第２内部流路４６内に供給された生成水に伝えることができるようになっている。
【００５１】
また第１内部流路４３及び第２内部流路４６は、第１内部流路４３を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路４６内に生じた水蒸気が、第１内部流路４３に流入しないように、それぞれが独立した流路となっている。すなわち、第２内部流路４６内に生じた水蒸気が、インタクーラ４０の内部でカソードガスの加湿に使用されることなく、第２内部流路４６から水蒸気排出配管９１を介してインタクーラ４０の外部に排出されるようになっている。
【００５２】
第１内部流路４３には、高温ガス入口部４１からインタクーラ４０の内部に供給されたカソードガスが略均等に分配されて流入するようになっており、図５に示す例では、紙面手前側から紙面奥側に向かってカソードガスが第１内部流路４３を流れている。また第１内部流路４３には、隔壁４７から延設された複数のフィン４８が形成されており、カソードガスの熱を、フィン４８を介して効率良く隔壁４７に伝えることができるようになっている。
【００５３】
第２内部流路４６には、液水入口部４４からインタクーラ４０の内部に供給された生成水が略均等に分配されて貯留される。第２内部流路４６に供給された水は、隔壁４７を介したカソードガスとの熱交換により水蒸気となり、図５に示す例では、紙面奥側から紙面手前側に向かってこの水蒸気が第２内部流路４６を流れて水蒸気出口部４５から排出されるようになっている。このように本実施形態ではカソードガスと水蒸気とがインタクーラ４０の内部で対向するように流れているが、これに限らずそれぞれ同じ向きに流れるようにしても良い。
【００５４】
カソードガスが第１内部流路４３内を流れると、カソードガスの熱が隔壁４７に伝達されて、隔壁４７の温度が上昇する。隔壁４７の温度が第２内部流路４６内を流れる水の沸点を超えると、隔壁４７と接している第２内部流路４６内の水が沸騰し、そのときの気化潜熱によって隔壁４７の温度上昇を或る一定の温度までに抑えることができる。すなわち、隔壁４７の温度の温度上昇を、カソードガスの温度よりも低い水の沸点近傍の温度までに抑えることができる。そのため、カソードガスと隔壁４７との温度差を或る一定の温度差に維持することができ、カソードガスの熱を継続的に効率良く隔壁４７に伝達してカソードガスを冷却することができる。
【００５５】
また本実施形態では、空気供給配管８２を介して液水入口部４４からインタクーラ４０の第２内部流路４６に外気（相対的に水蒸気濃度の低い空気）が導入されている。ここで第２内部流路４６には、その下部の空間に生成水が貯留され、その上部の空間に水蒸気を含む空気が存在している。第２内部流路４６内の生成水が蒸発するには、この上部の空間の水蒸気量が飽和水蒸気量未満である必要があるが、本実施形態のように第２内部流路４６に外気を導入することで、上部の空間の水蒸気量が飽和水蒸気量となるのを抑制できる。そのため、生成水の蒸発をさらに促進させることができるので、カソードガスを一層効率的に冷却することができる。また外気を導入することで、第２内部流路４６の生成水を攪拌させることもでき、これにより、生成水と外気との接触を促進させて蒸発を促進させることもできる。
【００５６】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、少なくとも燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体としての生成水と、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガス（流体）との間で熱交換を行って、カソードガスを冷却することができるように構成されたインタクーラ４０（熱交換器）と、を備える。インタクーラ４０は、生成水が供給されて貯留される第２内部流路４６（生成水貯留部）と、第２内部流路４６に空気を供給するための空気供給装置８０と、カソードガスが供給される第１内部流路４３（流体供給部）と、を備え、第２内部流路４６に貯留された生成水の気化潜熱によって第１内部流路４３に供給されたカソードガスを冷却するように構成されている。
【００５７】
これにより、生成水をカソードガスの冷却に無駄無く使用でき、また第２内部流路４６内の生成水に空気を導入することで、生成水の蒸発を促進させるこができる。そのため、カソードガスを効率良く冷却できるため、インタクーラ４０の冷却性能を向上させることができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００５９】
例えば上記の各実施形態において、アッパタンク６１の外壁にフィンを設けてウォータジャケット６４内の生成水への放熱性能を高めるようにしても良い。またウォータジャケット６４に空気を導入するにあたって、例えば多孔質体（ディフューザ）によって空気を拡散させて導入するようにしても良い。
【００６０】
また上記の各実施形態では、インジェクタ８１によって外気をウォータジャケット６４又は第２内部流路４６に導入していたが、カソードガスの一部を分岐させて導入するようにしも良い。これにより、上記の各実施形態で説明した燃料電池システム１００よりも簡素な構成でウォータジャケット６４又は第２内部流路４６に外気を導入することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
４０    インタクーラ（熱交換器）
４３    第１内部流路（流体供給部）
４６    第２内部流路（生成水貯留部）
６０    ラジエータ（熱交換器）
６１    アッパタンク（流体供給部）
６４    ウォータジャケット（生成水貯留部）
８０    空気供給装置
１００    燃料電池システム
【図１】
2019121578.tif 000003
【図２】
2019121578.tif 000004
【図３】
2019121578.tif 000005
【図４】
2019121578.tif 000006
【図５】
2019121578.tif 000007