(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池システムの冷却装置の冷却効率を向上させつつ、燃料電池の冷却装置の小型化を図る。【解決手段】燃料電池１０から排出される酸化剤ガスから水分を分離する気液分離手段１６と、燃料電池１０の冷却水と外気とを熱交換する熱交換部４０ａと、気液分離手段１６により分離された水が供給される水供給部４０ｂとを有する熱交換器２３と、熱交換器２３の水供給部４０ｂを減圧させる減圧手段とを備え、熱交換器２３では、減圧手段により水供給部４０ｂが減圧されることで水の蒸発を促進し、水の気化潜熱により冷却水を冷却する。【選択図】図１
2008269844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスから水分を分離する気液分離手段（１６）と、
前記燃料電池（１０）の冷却水と外気とを熱交換する熱交換部（４０ａ）と、前記気液分離手段（１６）により分離された水が供給される水供給部（４０ｂ）とを有する熱交換器（２３）と、
前記熱交換器（２３）の前記水供給部（４０ｂ）を減圧する減圧手段とを備え、
前記熱交換器（２３）では、前記減圧手段により前記水供給部（４０ｂ）が減圧されることで水の蒸発を促進し、水の気化潜熱により前記冷却水を冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記減圧手段は、前記酸化剤ガスをノズル部（３３ａ）から噴射し、前記ノズル部（３３ａ）から噴射される前記酸化剤ガスの流れにより流体を吸引口（３３ｂ）から吸引するエジェクタ（３３）であって、
前記吸引口（３３ｂ）は、前記熱交換器（２３）の前記水供給部（４０ｂ）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、空調のための冷凍サイクルを搭載している車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池では、発電時の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池は発電効率のため８０℃程度に維持する必要があり、発電時に発生する熱のほとんどを、水等の冷媒を介してラジエータ（空冷式の冷却装置）により大気に放出している。しかし、燃料電池システムでは内燃機関に比較して発熱量が小さく、燃料電池の冷却水温度と外気温度との気水温度差が５０％程度低下するため、ラジエータによる冷却には不利である。
【０００３】
そのため、燃料電池の発電により発生する生成水をラジエータに直接散布、あるいはラジエータに送風される空気中に散布し、生成水の気化潜熱を利用することで、ラジエータの放熱量を増大させることでラジエータの小型化を図った燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３１３０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般的な燃料電池の作動温度は、８０℃程度であるため、生成水をラジエータに直接散布、あるいはラジエータに送風される空気中に散布しても、一部の生成水は気化することなく、そのまま通過してしまうため冷却水の冷却効率が向上しない場合がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池システムの冷却装置の冷却効率を向上させつつ、燃料電池の冷却装置の小型化を図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、本発明では、水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスから水分を分離する気液分離手段（１６）と、燃料電池（１０）の冷却水と外気とを熱交換する熱交換部（４０ａ）と、気液分離手段（１６）により分離された水が供給される水供給部（４０ｂ）とを有する熱交換器（２３）と、熱交換器（２３）の水供給部（４０ｂ）を減圧させる減圧手段とを備え、熱交換器（２３）では、減圧手段により水供給部（４０ｂ）が減圧されることで水の蒸発を促進し、水の気化潜熱により冷却水を冷却することを特徴とする。
【０００７】
これにより、発電時に発生する水分を最大限に有効利用して、熱交換器（２３）での放熱量を増大できる。また、従来のように熱交換器（２３）に直接生成水を散布することで冷却を行う場合より、減圧手段により熱交換器（２３）の水供給部（４０ｂ）を減圧することで、水の気化を促進することができるため、冷却効率を向上させることができる。さらに、熱交換器（２３）における外気による放熱量を低減することができるため、熱交換器（２３）を小型化することができる。
【０００８】
また、酸化剤ガスをノズル部（３３ａ）から噴射し、ノズル部（３３ａ）から噴射される酸化剤ガスの流れにより流体を吸引口（３３ｂ）から吸引するエジェクタ（３３）であって、吸引口（３３ｂ）は、熱交換器（２３）の水供給部（４０ｂ）に接続されているように構成することで、燃料電池（１０）から排出される酸化剤ガスの流体エネルギを利用して、熱交換器（２３）の水供給部（４０ｂ）を減圧することができるため、熱交換器（２３）による冷却効率を向上させることができる。
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【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。
【００１１】
本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池１０を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、二次電池、走行用モータ、補機等の電力機器に電力を供給するように構成されている。ここで、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素を含んだ空気が本発明の酸化剤ガスに相当する。
【００１３】
本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電解質膜の両側面に電極が接合されたＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータから構成されるセルが複数個積層され、かつ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
【００１４】
（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極に供給される水素が通過する水素供給経路１１と、燃料電池１０の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路１２が設けられている。水素供給経路１１の最上流部には、燃料電池１０の水素極に水素を供給するための水素供給装置（図示せず）が設けられている。
【００１５】
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路１３と、燃料電池１０の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路１４が設けられている。空気供給経路１３には、空気を供給するための空気供給装置１５が設けられている。なお、燃料電池１０から排出される空気（空気極側排出ガス）は燃料電池１０の熱が伝熱されて高温状態となっている。
【００１６】
燃料電池１０は発電の際、上記電気化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度に維持する必要がある。また、燃料電池１０内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１０の温度を許容温度以下に保持する必要がある。
【００１７】
そのため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システムが設けられている。
【００１８】
冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（冷媒）を循環させる冷媒循環経路２０、冷却水を循環させる冷媒循環ポンプ２１、冷媒循環ポンプ２１を駆動する電動モータ（図示せず）、ファン２２を備えたラジエータ２３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水と外気とを熱交換するラジエータ２３により大気に放熱される。なお、ラジエータ２３が、本発明の熱交換器に相当している。
【００１９】
本実施形態で用いるラジエータ２３について、図２（ａ）、図２（ｂ）に基づいて説明する。図２（ａ）は、本実施形態で用いるラジエータの斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）内のチューブの斜視図である。
【００２０】
ラジエータ２３は、図２に示すように、冷却水および後述する気液分離器１６で分離された水が流れるチューブ４０、チューブ４０の外表面に接合されて空気との伝熱面積を増大させるフィン４１、チューブ４０の長手方向の両端に設けられた出入口タンク４２等からなるものである。
【００２１】
チューブ４０は、冷却水が流れる熱交換経路４０ａおよび後述する気液分離器１６で分離された水が流れる水供給経路４０ｂを有している。熱交換経路４０ａと水供給経路４０ｂは、チューブ４０長手方向に並列になるように設けられている。ここで、チューブ４０内の熱交換経路４０ａと水供給経路４０ｂは、熱の授受が可能な構成となっている。なお、熱交換経路４０ａが本発明の熱交換部に相当しており、水供給経路４０ｂが本発明の水供給部に相当している。
【００２２】
出入口タンク４２は、チューブ４０内の熱交換経路４０ａと連通している冷却水用出入口タンク４２ａと水供給経路４０ｂと連通している水用出入口タンク４２ｂから構成されている。冷却水用出入口タンク４２ａと水用出入口タンク４２ｂは、出入口タンク４２長手方向に並列になるように配置されている。
【００２３】
図１に戻り、燃料電池１０にて発電の際に発生した水分は、燃料電池１０から空気に含まれた状態で空気排出経路１４に排出される。そこで、本実施形態の燃料電池システムには、空気排出経路１４における燃料電池１０の下流側に、発電の際に発生した水分を空気および水に分離する気液分離器１６が設けられている。なお、気液分離器１６は、本発明の気液分離手段に相当している。
【００２４】
気液分離器１６で分離された空気は外部に排出される。一方、気液分離器１６で分離された水は、分岐経路３０を介してラジエータ２３に供給される。
【００２５】
分岐経路３０におけるラジエータ２３の上流側には、分岐経路３０を流れる水の流量を調整するためのシャット弁３１が設けられている。また、分岐経路３０におけるラジエータ２３の下流側に真空ポンプ３２が設けられている。
【００２６】
真空ポンプ３２は、分岐経路３０を介して排出される空気を真空吸引するとともに、分岐経路３０におけるものシャット弁３１の下流側を減圧させるものである。ここで、本実施形態における真空ポンプ３２は、本発明の減圧手段に相当しており、熱交換器２３の水供給経路４０ｂを減圧させるために用いている。
【００２７】
上記構成の燃料電池システムでは、空気供給経路１４および水素供給経路１１から燃料電池１０に空気および水素が供給されることで、燃料電池１０では発電が行われる。燃料電池１０の発電に伴い燃料電池１０の空気極側では水が発生し、この水は、空気に含まれる状態で燃料電池１０から排出される。
【００２８】
燃料電池１０から排出される水を含んだ空気は、気液分離器１６で水と空気とに分離される。気液分離器１６により分離された空気は、空気排出経路１４を介して外部に排出される。また、気液分離器１６により分離された水は、凝縮により温度が下げられた状態で気液分離器１６内に一旦貯えられ、シャット弁３１を開放することで分岐経路３０を介してラジエータ２３の水供給経路４０ｂに流入する。
【００２９】
一方、冷却システムの冷却水は、冷媒循環ポンプ２１の駆動により冷媒循環経路２０内に冷却水を循環させて、ラジエータ２３の熱交換経路４０ａに供給される。
【００３０】
このとき、分岐経路３０におけるラジエータ２３下流に設けられた真空ポンプ３２により、分岐経路３０におけるシャット弁３１下流側を減圧する。そのため、ラジエータ２３の水供給経路４０ｂ内の圧力が低下し、水供給経路４０ｂ内の水の気化が促進される。これにより、水供給経路４０ｂ内の水の気化潜熱により、熱交換経路４０ａを流れる冷却水を冷却することができる。
【００３１】
以上のように、発電時に発生する水分を最大限に有効利用して、ラジエータ２３での放熱量を増大できる。また、従来のようにラジエータ２３に直接生成水を散布することで冷却を行う場合より、真空ポンプ３２によりラジエータ２３の水供給経路４０ｂ内を減圧することで、水供給経路４０ｂ内の水の蒸発を促進し、水の気化潜熱により熱交換経路４０ａを流れる冷却水を冷却することができる。さらに、ラジエータ２３における外気による放熱量を低減することができるため、ラジエータ２３を小型化することができる。
【００３２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３３】
上記第１実施形態では、分岐経路３０におけるラジエータ２３の下流側に、ラジエータ２３の水供給経路４０ｂを通過する水を減圧させる真空ポンプ３２を設けているが、本第２実施形態では、真空ポンプ３２に変えてエジェクタ３３を設けている。
【００３４】
本実施形態において、空気排出経路１４における気液分離器１６の下流側と、空気排出経路１４から分岐する分岐経路３０のラジエータ２３下流側の合流部には、エジェクタ３３が設けられている。
【００３５】
エジェクタ３３は、高速で噴出する作動流体のエネルギ交換作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、空気排出経路１４を介して排出される空気の流体エネルギを利用して、分岐経路３０を介して排出される空気を吸引するとともに、分岐経路３０におけるものシャット弁３１の下流側で負圧を発生させるものである。ここで、本実施形態におけるエジェクタ３３は、本発明の減圧手段に相当しており、熱交換器２３の水供給経路４０ｂを減圧させるために用いている。
【００３６】
エジェクタ３３には、上記空気排出経路１４を介して排出される空気の通路面積を小さく絞って、空気を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部３３ａと、ノズル部３３ａの噴出口と連通するように配置され、分岐経路３０を介して排出される流体を吸引する吸引口３３ｂが備えられている。また、ノズル部３３ａおよび吸引口３３ｂの下流側には、ノズル部３３ａからの高速度の空気と吸引口３３ｂから吸引する空気とを混合する混合部３３ｃが設けられている。そして、混合部３３ｃの下流側に昇圧部をなすディフューザ部３３ｄが配置されている。このディフューザ部３３ｄは冷媒の通路面積を徐々に大きくする形状に形成されている。
【００３７】
分岐経路３０を流れる流体は、ノズル部３３ａで減圧膨張された空気流の吸引作用により吸引口３３ｂに吸い込まれる。これに伴って、分岐通路３０におけるシャット弁３１の下流側からエジェクタ３３の吸引口３３ｂの間で負圧が発生する。そのため、ラジエータ２３の水供給経路４０ｂ内の圧力が低下し、水供給経路４０ｂ内の水の気化が促進される。
【００３８】
このように、エジェクタ３３を減圧手段として利用することで、真空ポンプを減圧手段として使用する場合に比べて、動力が不要となるため、冷却システムの冷却効率を向上させることができる。
【００３９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。本第３実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図４（ａ）は、本実施形態で用いるラジエータの斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の正面断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）内のチューブの斜視図である。
【００４０】
本実施形態では、ラジエータ２３の構成が上記第１実施形態の構成と異なっている。上記第１実施形態では、ラジエータ２３のチューブ４０内部には、チューブ４０長手方向に並行になるように熱交換経路４０ａと水供給経路４０ｂを設けているが、本実施形態のラジエータ２３のチューブ４０内部には、図４に示すように、熱交換経路４０ａの内部に水供給経路４０ｂを設けており、いわゆる二重管構造のチューブ４０となっている。ここで、チューブ４０内の熱交換経路４０ａと水供給経路４０ｂは、熱の授受が可能な構成となっている。
【００４１】
また、チューブ４０の長手方向の両端に設けられた出入口タンク４２を構成する熱交換経路４０ａと連通している冷却水用出入口タンク４２ａ、および水供給経路４０ｂと連通している水用出入口タンク４２ｂの配置は、水用出入口タンクが冷却水用出入口タンクを挟むように構成されている。
【００４２】
このような構成のラジエータ２３を用いても、発電時に発生する水分を有効利用して、ラジエータ２３での放熱量を増大できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】第１実施形態のラジエータの斜視図である。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図４】第３実施形態のラジエータの斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池、１４…空気排出経路、１６…気液分離器、２０…冷媒循環経路、２１…冷媒循環ポンプ、２３…ラジエータ、３０…分岐経路、３１…シャット弁、３２…真空ポンプ、３３…エジェクタ、４０…チューブ、４０ａ…熱交換経路、４０ｂ…水供給経路、４１…フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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