(57)【要約】【課題】エネルギ変換時に水分および熱を放出するエネルギ変換部を備えるエネルギ変換システムにおいて、エネルギ変換部から放出される水分の取得効率を向上させる。【解決手段】エネルギ源を他の形態のエネルギに変換し、エネルギの変換に伴って熱および水蒸気を排出するエネルギ変換部２と、水蒸気から液水を取得する液水取得部１４と、を備えるエネルギ変換システムにおいて、エネルギ変換部１０が放出する熱を用いて冷熱を生成する冷熱生成部３０を設ける。液水取得部１４は、冷熱生成部３０で生成した冷熱によって水蒸気を凝縮させて液水を取得する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ源を他の形態のエネルギに変換し、前記エネルギの変換に伴って熱および水蒸気を排出するエネルギ変換部（２）と、前記水蒸気から液水を取得する液水取得部（１４）と、を備えるエネルギ変換システムであって、
前記エネルギ変換部が放出する熱を用いて冷熱を生成する冷熱生成部（３０）を備え、
前記液水取得部は、前記冷熱によって前記水蒸気を凝縮させて液水を取得するエネルギ変換システム。
【請求項２】
前記エネルギ変換部は、水素と、酸素を含んだ空気とが供給され、酸素と水素との電気化学反応により生成水が発生する燃料電池であり、
前記水蒸気は、前記燃料電池から排出される前記空気に含まれる前記生成水である請求項１に記載のエネルギ変換システム。
【請求項３】
前記燃料電池の熱を大気に放出するための燃料電池用熱交換器（２３）と、
前記燃料電池用熱交換器に前記液水取得部で取得された液水を供給し、前記燃料電池用熱交換器を冷却する熱交換器用水供給部（４３）とを備える請求項２に記載のエネルギ変換システム。
【請求項４】
前記燃料電池に供給される空気に前記液水取得部で取得された液水を供給する供給空気用水供給部（４４）を備える請求項２または３に記載のエネルギ変換システム。
【請求項５】
前記冷熱で室内の空気を冷却する室内熱交換器（５０）および前記冷熱で室外の空気を冷却する室外熱交換器（５１）の少なくともいずれかを備え、
前記室内熱交換器は、前記冷熱によって前記室内の空気に含まれる水蒸気を凝縮させて液水を取得するように構成され、
前記室外熱交換器は、前記冷熱によって前記室外の空気に含まれる水蒸気を凝縮させて液水を取得するように構成されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
【請求項６】
前記冷熱生成部は、吸着材に作動媒体を吸着および脱離させ、前記作動媒体の蒸発潜熱によって前記冷熱を生成する吸着式冷凍機（３０）である請求項１ないし５のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
【請求項７】
前記吸着式冷凍機は、
前記吸着材に前記作動媒体を吸着および脱離させる吸着部（３１）と、
前記吸着材から脱離した前記作動媒体を凝縮させる凝縮部（３２）と、
前記吸着部と前記凝縮部の間に設けられ、前記吸着材から前記作動媒体を脱離させる際に前記吸着部の内部を減圧可能な減圧部（３４）と、を備えている請求項６に記載のエネルギ変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ変換時に水分および熱を放出するエネルギ変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池の排気から液水を回収し、この液水を燃料電池システムの冷却に用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、燃料電池の排気をコンデンサで冷却し、排気に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を貯蔵することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４０７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今後、燃料電池が高出力化していくことを鑑みると、燃料電池システムの冷却に必要な水分量が増加する傾向にある。一方、燃料電池の排気が高温化および高流量化していくため、自然放冷だけでは燃料電池の排気の冷却が不十分となり、排気から液水を取得し難くなってくると予測される。このため、燃料電池システムを冷却するための液水が不足し、ユーザによる水リフィルの手間が生じることが考えられる。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、エネルギ変換時に水分および熱を放出するエネルギ変換部を備えるエネルギ変換システムにおいて、エネルギ変換部から放出される水分の取得効率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】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エネルギ源を他の形態のエネルギに変換し、エネルギの変換に伴って熱および水蒸気を排出するエネルギ変換部（２）と、水蒸気から液水を取得する液水取得部（１４）と、を備えるエネルギ変換システムであって、エネルギ変換部が放出する熱を用いて冷熱を生成する冷熱生成部（３０）を備え、液水取得部は、冷熱によって水蒸気を凝縮させて液水を取得することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、エネルギ変換部の排熱を利用して冷熱生成部で冷熱を生成し、この冷熱によってエネルギ変換部から放出される水蒸気を凝縮させ、液滴を取得している。これにより、エネルギ変換部から放出される水蒸気を効率よく冷却でき、自然放冷によって水蒸気を冷却する場合に比較して、液水の取得効率を向上させることができる。
【０００８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態の吸着式冷凍機を示す概念図である。
【図３】第２実施形態の吸着式冷凍機を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１、図２に基づいて説明する。第１実施形態に係る燃料電池システム１は、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池システム１は、空気（酸化剤ガス）と水素（燃料ガス）との電気化学反応により電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、水素と、酸素を含む空気の供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成されている。燃料電池２の内部では、電気化学反応によって生成水が発生する。
【００１２】
燃料電池２には、各単セルに空気を供給するための空気供給通路１０と、各単セルで電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素を含んだ空気を燃料電池２の外部に排出する空気排出通路１１とが接続されている。燃料電池２の排気には、生成水が水蒸気の状態で含まれている。燃料電池２は、エネルギ源である水素を他の形態のエネルギである電気エネルギに変換し、エネルギ変換に伴って熱および水蒸気を排出するエネルギ変換部である。
【００１３】
空気供給通路１０には、燃料電池２に空気を圧送して供給する圧縮機１２が設けられている。圧縮機１２は、例えばポンプ室を形成するケーシング内に配置された羽根車を電動モータで駆動する電動式ポンプとすることができる。さらに、空気供給通路１０における圧縮機１２の下流側には、燃料電池２に供給される空気を冷却水で冷却する水冷式のインタークーラ１３が設けられている。
【００１４】
空気排出通路１１には、燃料電池２の排気を冷却するためのコンデンサ１４が設けられている。コンデンサ１４は、燃料電池２の排気に含まれる水蒸気を凝縮させ、燃料電池２の排気から凝縮水（つまり液水）を取得する液水取得部である。
【００１５】
図１では図示を省略しているが、燃料電池２には、各単セルに水素を供給するための水素供給通路と、各単セルの内部に存する生成水や窒素を未反応水素と共に燃料電池２の外部に排出する水素排出通路が接続されている。水素供給通路の最上流部には、図示しない高圧水素タンクが設けられている。
【００１６】
燃料電池システム１は、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却水通路２０を備えている。冷却水通路２０には、冷却水をインタークーラ１３に供給するための冷却水バイパス通路２１が分岐して設けられている。冷却水通路２０には、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ２２が設けられている。
【００１７】
冷却水通路２０には、冷却水と大気とを熱交換し、燃料電池２の熱を大気に放出するためのラジエータ２３が設けられている。冷却水通路２０には、ラジエータ２３と並列してサブラジエータ２４が設けられている。サブラジエータ２４は、冷却水と大気とを熱交換する放熱器であり、燃料電池２の高負荷時などラジエータ２３のみでは冷却能力が不足する場合に補助的に用いられる。
【００１８】
燃料電池システム１には、吸着材に作動媒体を吸着及び脱離させることで冷熱を生成する吸着式冷凍機３０が設けられている。吸着式冷凍機３０は、燃料電池２の排熱を利用して冷熱を生成する冷熱生成部である。吸着式冷凍機３０で生成した冷熱は、コンデンサ１４で燃料電池２の排気を冷却するために用いられる。吸着式冷凍機３０については、後で詳細に説明する。
【００１９】
コンデンサ１４では、吸着式冷凍機３０で生成した冷熱によって、燃料電池２の排気に含まれる水蒸気が凝縮する。コンデンサ１４で生成した凝縮水は、貯水部４０に貯蔵される。
【００２０】
貯水部４０には、凝縮水通路４１が接続されている。凝縮水通路４１には、凝縮水を圧送するための凝縮水ポンプ４２が設けられている。貯水部４０の凝縮水は、第１凝縮水供給部４３、第２凝縮水供給部４４に供給される。
【００２１】
第１凝縮水供給部４３は、ラジエータ２３の表面に凝縮水を供給するように構成されている。第１凝縮水供給部４３によってラジエータ２３の表面に凝縮水を供給することで、ラジエータ２３を冷却することができる。第２凝縮水供給部４４は、空気供給通路１０を通過する燃料電池２への供給空気に凝縮水を供給するように構成されている。第２凝縮水供給部４４で燃料電池２への供給空気に凝縮水を供給することで、供給空気を加湿することができるとともに燃料電池２を冷却することができる。
【００２２】
図２は、吸着式冷凍機３０を概略的に示しており、上側が脱離工程であり、下側が吸着工程である。図２に示すように、吸着式冷凍機３０は、吸着部３１、蒸発凝縮部３２、媒体通路３３、吸引ポンプ３４を備えている。吸着式冷凍機３０は、これらの構成要素３１〜３４が２組設けられており、吸着工程と脱離工程が交互に切り替えられる。
【００２３】
吸着部３１には、作動媒体を吸着可能な吸着材が充填されている。吸着材としては、ゼオライト系吸着材、シリカ系吸着材、活性炭系吸着材、ＭＯＦ系吸着材、ハロゲン化金属あるいは吸収性ポリマ等を用いることができる。本実施形態では、ゼオライト系吸着材を用いている。吸着材から作動媒体が脱離する温度は、吸着材および作動媒体の組合せによって決まる。
【００２４】
吸着材は、金属マイクロフィンと混合焼結してコンポジットとして構成することが望ましい。金属マイクロフィンは、冷却水の熱を吸着材に伝える熱伝導部材として機能する。金属マイクロフィンとしては、例えば焼結金属を用いることができる。焼結金属は、熱伝導性に優れる金属粉または金属繊維を加熱して、溶融することなく焼結によって結合したものである。金属粉または金属繊維は、例えば銅または銅合金を用いることができる。金属マイクロフィンの形状は特に限定されないが、吸着材を保持するために樹枝状とすることが望ましい。
【００２５】
吸着材に対して吸着および脱離させる作動媒体としては、例えば水、アンモニア、アルコールのいずれか、またはこれらの混合物を用いることができる。作動媒体を混合物とした場合には、凝固点降下作用によって低温時の作動を可能とすることができる。本実施形態では、作動媒体として水を用いている。
【００２６】
吸着部３１および蒸発凝縮部３２との間では、媒体通路３３を介して作動媒体が移動する。蒸発凝縮部３２では、作動媒体の凝縮および蒸発が行われる。
【００２７】
媒体通路３３には、吸引ポンプ３４が設けられている。吸引ポンプ３４としては、メカニカルブースタポンプやエジェクタポンプ等を用いることができる。本実施形態の吸引ポンプ３４は、吸引方向を反対にすることができる。吸引ポンプ３４は、作動媒体を吸引することで、吸着部３１または蒸発凝縮部３２の内部を減圧する減圧部である。
【００２８】
吸着部３１および蒸発凝縮部３２は、それぞれ冷却水が循環するようになっており、複数の冷却水回路が切り替え可能となっている。吸着部３１では、燃料電池２から流出した冷却水が循環する冷却水回路と、サブラジエータ２４との間で冷却水が循環する冷却水回路とが切り替えられるようになっている。蒸発凝縮部３２では、サブラジエータ２４との間で冷却水が循環する冷却水回路と、コンデンサ１４との間で冷却水が循環する冷却水回路とを切り替えることができる。
【００２９】
吸着部３１に燃料電池２から流出した冷却水が循環する冷却水回路では、燃料電池２から流出した後、ラジエータ２３に流入する前の冷却水が吸着部３１に循環する。また、サブラジエータ２４と吸着部３１あるいは蒸発凝縮部３２との間で冷却水回路が形成される場合には、サブラジエータ２４は燃料電池２およびラジエータ２３と切り離され、吸着部３１あるいは蒸発凝縮部３２のみと接続される。
【００３０】
次に、吸着式冷凍機３０の作動について説明する。
【００３１】
図２上段に示す脱離工程では、燃料電池２から流出した冷却水が吸着部３１に循環する冷却水回路が形成される。これにより、燃料電池２の排熱を利用して吸着部３１が加熱され、吸着材から作動媒体が脱離する。
【００３２】
脱離工程では、吸引ポンプ３４によって作動媒体が吸着部３１から蒸発凝縮部３２に向かう方向に吸引され、吸着部３１の内部が減圧される。これにより、作動媒体の脱離温度を低下させることができ、燃料電池２の排熱が作動媒体の脱離に不十分な場合であっても、作動媒体の脱離を確実に行うことができる。
【００３３】
吸着部３１で吸着材から脱離した気相の作動媒体は、媒体通路３３を介して蒸発凝縮部３２に移動する。蒸発凝縮部３２では、サブラジエータ２４との間で冷却水が循環する冷却水回路が形成される。このため、蒸発凝縮部３２に移動した気相の作動媒体は冷却水によって冷却されて凝縮する。
【００３４】
図２下段に示す吸着工程では、蒸発凝縮部３２では、コンデンサ１４との間で冷却水が循環する冷却水回路が形成される。このため、蒸発凝縮部３２には、冷却水を介して燃料電池２の排気の熱が伝達され、液相の作動媒体が蒸発する。
【００３５】
吸着工程では、吸引ポンプ３４によって作動媒体が蒸発凝縮部３２から吸着部３１に向かう方向に吸引され、蒸発凝縮部３２の内部が減圧される。これにより、作動媒体の蒸発を促進することができる。
【００３６】
蒸発凝縮部３２では、作動媒体が蒸発する際の蒸発潜熱によって冷熱が発生する。蒸発凝縮部３２で発生した冷熱は、冷却水を介してコンデンサ１４に伝達され、燃料電池２の排気が冷却される。コンデンサ１４では、燃料電池２の排気に含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が貯水部４０にて回収される。
【００３７】
貯水部４０に貯蔵された凝縮水は、必要に応じて、第１凝縮水供給部４３によってラジエータ２４の表面に散布され、あるいは第２凝縮水供給部４４によって燃料電池２への供給空気に供給される。
【００３８】
蒸発凝縮部３２で蒸発した気相の作動媒体は、媒体通路３３を介して吸着部３１に移動し、吸着材に吸着される。吸着部３１では、サブラジエータ２４との間で冷却水が循環する冷却水回路が形成される。このため、作動媒体が吸着材に吸着される際に発生する熱を冷却水を介してサブラジエータ２４にて大気に放出することができる。これにより、吸着材が温度上昇することを抑制でき、吸着材への作動媒体の吸着を促進することができる。
【００３９】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池２の排熱を利用して吸着式冷凍機３０で冷熱を生成している。そして、吸着式冷凍機３０で生成した冷熱によって燃料電池２の排気を冷却し、排気中の水蒸気を凝縮させ、凝縮水を取得している。これにより、燃料電池２の排気を効率よく冷却でき、自然放冷によって燃料電池２の排気を冷却する場合に比較して、凝縮水の取得効率を高くすることができる。この結果、貯水部４０の水が不足することを極力回避でき、ユーザによる水リフィルの手間が発生することを抑制できる。
【００４０】
また、本実施形態では、燃料電池２の排熱を利用して吸着式冷凍機３０で冷熱を生成している。このため、例えば冷凍サイクルによって冷熱を生成する場合に比べて、冷熱生成に必要なランニングコストを抑えることが可能となる。特に本実施形態のような燃料電池システム１では比較的燃料コストが高いため、冷熱生成に必要なランニングコストを抑えることができることは有効である。
【００４１】
また、本実施形態では、脱離工程時に吸引ポンプ３４を用いて吸着部３１内を減圧するように構成されている。これにより、燃料電池２の排熱が吸着材から作動媒体が脱離するために不十分な場合であっても、作動媒体の脱離を確実に行うことができる。
【００４２】
（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。上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４３】
図３に示すように、本第２実施形態の燃料電池システム１には、車室内の空気（つまり内気）と冷却水とを熱交換する室内コンデンサ５０と、車室外の空気（つまり外気）と冷却水とを熱交換する室外コンデンサ５１とが設けられている。
【００４４】
室内コンデンサ５０は、吸着式冷凍機３０で生成した冷熱によって内気に含まれる水蒸気を凝縮させ、内気から凝縮水（つまり液水）を取得するように構成されている。室外コンデンサ５１は、内気に含まれる水蒸気を凝縮させ、外気から凝縮水（つまり液水）を取得するように構成されている。
【００４５】
吸着工程では、蒸発凝縮部３２とコンデンサ１４、室内コンデンサ５０、室外コンデンサ５１との間で冷却水が循環する冷却水回路が形成される。吸着工程では、吸着式冷凍機３０で生成した冷熱によって、室内コンデンサ５０では内気が冷却され、室外コンデンサ５１では外気が冷却される。これにより、室内コンデンサ５０では内気に含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成し、室外コンデンサ５１では外気に含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。室内コンデンサ５０および室外コンデンサ５１で生成した凝縮水（つまり液水）は、貯水部４０で貯蔵される。
【００４６】
以上説明した本第２実施形態によれば、燃料電池２の排熱を利用して吸着式冷凍機３０で冷熱を生成し、この冷熱によって内気および外気を冷却し、内気中の水蒸気および外気中の水蒸気を凝縮させ、凝縮水を回収している。これにより、燃料電池２の排気に含まれる水分に加え、内気および外気からも水分を回収することができ、水分の回収量を増加させることができる。
【００４７】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【００４８】
（１）上記各実施形態では、エネルギ変換部として燃料電池２を用いた例を説明したが、エネルギ変換部はエネルギ変換に伴って熱および水蒸気を排出するものであればよく、内燃機関など異なる種類のエネルギ変換部を用いてもよい。
【００４９】
（２）上記各実施形態では、吸着式冷凍機３０において、脱離工程時に吸着部３１内を減圧する吸引ポンプ３４を設けた例について説明したが、吸着材と作動媒体の組合せによって作動媒体の脱離温度が異なるため、燃料電池２の排熱が吸着材から作動媒体を脱離させるために十分である場合には、吸引ポンプ３４を省略してもよい。
【００５０】
（３）上記各実施形態では、燃料電池２の排熱を利用して生成した冷熱によって燃料電池２の排気等から取得した液水をラジエータ２３や燃料電池２への供給空気に供給するように構成したが、これに限らず、燃料電池２の排気等から取得した液水を異なる用途に用いてもよい。
【００５１】
（４）上記第２実施形態では、吸着工程において、蒸発凝縮部３２から流出した冷却水がコンデンサ１４→室内コンデンサ５０→室外コンデンサ５１の順に循環するように構成したが、異なる順序で冷却水が循環するようにしてもよい。また、蒸発凝縮部３２から流出した冷却水が室内コンデンサ５０または室外コンデンサ５１のいずれか一方のみに循環するようにしてもよい。
【００５２】
（５）上記実施形態では、燃料電池２の排熱を利用して冷熱を生成する冷熱生成部として吸着式冷凍機３０を用いた例について説明したが、これに限らず、異なる種類の冷熱生成部を用いることができる。冷熱生成部として、例えば作動媒体を吸収可能な吸収材を用いる吸収式冷凍機や熱音響現象を利用して熱エネルギーと音響エネルギーの間でエネルギー変換を行うことで冷熱を生成する熱音響冷凍機を用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１      燃料電池システム（エネルギ変換システム）
２      燃料電池（エネルギ変換部）
１４    コンデンサ（液水取得部）
２３    ラジエータ（燃料電池用熱交換器）
３０    吸着式冷凍機（冷熱生成部）
３１    吸着部
３２    蒸発凝縮部（凝縮部）
３４    吸引ポンプ（減圧部）
４３    第１凝縮水供給部（熱交換器用水供給部）
４４    第２凝縮水供給部（供給空気用水供給部）
５０    室内コンデンサ（室内熱交換器）
５１    室外コンデンサ（室外熱交換器）
【図１】
2019009025.tif 000003
【図２】
2019009025.tif 000004
【図３】
2019009025.tif 000005