JP2008130477A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、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。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a mobile generator such as a vehicle, a ship, and a portable generator. .
燃料電池は発電反応に伴い水を生成し、その生成水は空気極側排出ガスに含まれた状態で燃料電池の外部に排出される。そこで、凝縮回収器によって空気極側排出ガスに含まれる水分を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給される水素および酸素（空気）の加湿等に利用する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムにおいて、凝縮回収器は、外気との熱交換により水分を冷却する冷却装置（例えば、ヒートパイプやフィンチューブ型の熱交換器等）を備えている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、冷却装置の冷却性能（熱交換性能）は外気側の熱伝達率に律速されるので、冷却性能を向上させるためには冷却装置の体格を大型化する必要がある。このため、搭載スペースに制約のある車両用として燃料電池システムを用いる場合には、搭載性の面でも問題となる。 However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the cooling performance (heat exchange performance) of the cooling device is rate-determined by the heat transfer rate on the outside air side. It is necessary to increase the size. For this reason, when the fuel cell system is used for a vehicle having a limited mounting space, there is a problem in terms of mountability.
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池から排出される酸化剤極側排出ガスに含まれる水分を凝縮回収する燃料電池システムにおいて、体格を小型化し、搭載性を向上させることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to reduce the physique and improve the mountability in a fuel cell system that condenses and recovers moisture contained in the oxidant electrode side exhaust gas discharged from the fuel cell.
上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）に供給された酸化剤ガスのうち電気化学反応に用いられなかった未反応酸化剤ガスと水分とを含む排出ガスが外部に排出される際に通過する酸化剤ガス排出経路（２１）と、酸化剤ガス排出経路（２１）に設けられ、排出ガスに含まれる水分を回収する水分回収手段（３）とを備え、水分回収手段（３）は、排出ガスと外気とを直接混合することにより水分を凝縮させるように構成されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, in the present invention, a fuel cell (1) that obtains electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas, and an electrochemical gas out of the oxidant gas supplied to the fuel cell (1). Provided in the oxidant gas discharge path (21) and the oxidant gas discharge path (21) through which the exhaust gas containing unreacted oxidant gas and moisture not used for the reaction is discharged to the outside, A water recovery means (3) for recovering water contained in the exhaust gas, and the water recovery means (3) is configured to condense the water by directly mixing the exhaust gas and the outside air. It is a feature.
これにより、ヒートパイプや熱交換器等の冷却装置を用いずに排出ガスを冷却して水分を凝縮させることができるため、体格を小型化し、搭載性を向上させることが可能となる。 Thereby, since exhaust gas can be cooled and moisture can be condensed without using a cooling device such as a heat pipe or a heat exchanger, the physique can be downsized and mountability can be improved.
この場合、水分回収手段（３）を、排出ガスと外気とを混合する本体部（３１）と、本体部（３１）に外気を導入する導入ダクト（３３）とを有するように構成することができる。 In this case, the moisture recovery means (3) may be configured to have a main body (31) that mixes exhaust gas and outside air, and an introduction duct (33) that introduces outside air into the main body (31). it can.
また、本体部（３）の内部に、排出ガスおよび外気を撹拌する撹拌手段（３２）を設けることができる。このようにすれば、排出ガスおよび外気の混合効率を高めることができるので、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができる。このため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。 Moreover, the stirring means (32) which stirs exhaust gas and external air can be provided inside a main-body part (3). In this way, since the mixing efficiency of the exhaust gas and the outside air can be increased, the moisture contained in the exhaust gas can be more easily condensed. For this reason, a physique can be reduced more and mounting property can be improved more.
この場合、撹拌手段（３２）を、長方形平板材を１８０°捻った形状のエレメント（３２ａ）を有し、排出ガスおよび外気がエレメント（３２ａ）を通過することで排出ガスおよび外気が撹拌されるように構成することができる。 In this case, the stirring means (32) has an element (32a) in which a rectangular flat plate is twisted by 180 °, and the exhaust gas and the outside air are stirred by passing the exhaust gas and the outside air through the element (32a). It can be constituted as follows.
また、この場合、エレメント（３２ａ）の表面に、本体部（３１）の内壁面に向かって延びる溝（３２ｂ）を形成することができる。このようにすれば、凝縮した水を表面張力により溝（３２ｂ）に集め、本体部（３１）の内壁面まで効率よく移動させることができる。このため、水分の回収効率を向上させることが可能となる。 In this case, a groove (32b) extending toward the inner wall surface of the main body (31) can be formed on the surface of the element (32a). If it does in this way, the condensed water can be collected in a groove | channel (32b) with surface tension, and can be efficiently moved to the inner wall face of a main-body part (31). For this reason, it becomes possible to improve the recovery | restoration efficiency of a water | moisture content.
また、撹拌手段（３２）を、本体部（３１）の内壁面から本体部（３１）内側に突出する板状の撹拌板（３２ｃ）を備えるように構成することができる。 Moreover, the stirring means (32) can be configured to include a plate-like stirring plate (32c) that protrudes from the inner wall surface of the main body (31) to the inside of the main body (31).
また、本体部（３１）を筒状に形成し、導入ダクト（３３）を、本体部（３１）に導入される外気の流れ方向が本体部（３１）の軸方向に対して傾斜するように構成することができる。このようにすれば、導入ダクト（３３）から本体部（３１）に導入された排出ガスおよび外気が本体部（３１）の内壁面にぶつかり、この内壁面に沿って旋回流が形成されるため、排出ガスおよび外気の混合を促進することができる。これにより、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができるため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。 Further, the main body (31) is formed in a cylindrical shape, and the introduction duct (33) is arranged such that the flow direction of the outside air introduced into the main body (31) is inclined with respect to the axial direction of the main body (31). Can be configured. In this way, exhaust gas and outside air introduced from the introduction duct (33) into the main body (31) collide with the inner wall surface of the main body (31), and a swirling flow is formed along this inner wall surface. Can promote the mixing of exhaust gas and outside air. As a result, the moisture contained in the exhaust gas can be more easily condensed, so that the physique can be further downsized and the mountability can be further improved.
また、本体部（３１）の内壁面に、水分をその表面張力を利用して保持することができる水分保持部材（３１１）を設けることができる。このようにすれば、凝縮した水分を表面張力により保持することができるため、水分回収効率を向上させることが可能となる。 Moreover, the water | moisture content holding member (311) which can hold | maintain a water | moisture content using the surface tension can be provided in the inner wall face of a main-body part (31). In this way, the condensed water can be retained by the surface tension, so that the water recovery efficiency can be improved.
この場合、水分保持部材（３１１）を、多孔体状の部材とすることができる。 In this case, the moisture retaining member (311) can be a porous member.
また、水分保持部材（３１１）を金属製のメッシュ部材としてもよい。 Further, the moisture retaining member (311) may be a metal mesh member.
また、水分保持部材（３１１）を親水性部材としてもよい。 Further, the moisture retaining member (311) may be a hydrophilic member.
また、導入ダクト（３３）に、外気中の異物を除去するフィルタ（３４）を設けることができる。 Further, the introduction duct (33) can be provided with a filter (34) for removing foreign substances in the outside air.
この場合、フィルタ（３４）を、通電により発熱可能な金属線により構成することができる。このようにすれば、フィルタ（３４）に捕獲された異物を金属線の発熱により燃焼・分解し、除去することができるため、フィルタ（３４）を長期に渡り、目詰まりすることなく使用することが可能となる。 In this case, the filter (34) can be formed of a metal wire that can generate heat when energized. In this way, since the foreign matter captured by the filter (34) can be burned, decomposed and removed by the heat generated by the metal wire, the filter (34) should be used for a long time without clogging. Is possible.
また、本体部（３１）の外壁面に本体部（３１）の外側の流体との間で熱の授受を行う伝熱部材（３１３）を設け、本体部（３１）および伝熱部材（３１３）を金属により形成することができる。このようにすれば、本体部（３１）の外側の流体と排出ガスとの間で熱交換を行うことができるので、排出ガスの冷却を促進し、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができる。このため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。 Further, a heat transfer member (313) for transferring heat to and from a fluid outside the main body (31) is provided on the outer wall surface of the main body (31), and the main body (31) and the heat transfer member (313) are provided. Can be formed of metal. In this way, heat exchange can be performed between the fluid outside the main body (31) and the exhaust gas, so that the cooling of the exhaust gas is promoted and the moisture contained in the exhaust gas is more easily condensed. can do. For this reason, it becomes possible to make a physique more compact and to improve mountability.
また、導入ダクト（３３）の内部に、本体部（３１）に外気を送風する入口側送風機（３３０）を設けることができる。このようにすれば、本体部（３１）に導入される外気量を増加させることができるため、排出ガスの冷却を促進し、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができる。このため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。 Moreover, the inlet side air blower (330) which ventilates external air to a main-body part (31) can be provided in the inside of an introductory duct (33). If it does in this way, since the amount of outside air introduced into the main-body part (31) can be increased, cooling of exhaust gas can be accelerated | stimulated and the water | moisture content contained in exhaust gas can be made easier to condense. For this reason, a physique can be reduced more and mounting property can be improved more.
また、水分回収手段（３）を、本体部（３１）から混合された排出ガスおよび外気を排出する排出ダクト（３６）を有するように構成し、排出ダクト（３６）の内部に、混合された排出ガスおよび外気を本体部（３１）内から吸引する出口側送風機（３６０）を設けることができる。このようにすれば、本体部（３１）に導入される外気量を増加させることができるため、排出ガスの冷却を促進し、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができる。このため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。 Further, the moisture recovery means (3) is configured to have a discharge duct (36) for discharging the exhaust gas and the outside air mixed from the main body (31), and mixed in the discharge duct (36). An outlet side blower (360) for sucking exhaust gas and outside air from the main body (31) can be provided. If it does in this way, since the amount of outside air introduced into the main-body part (31) can be increased, cooling of exhaust gas can be accelerated | stimulated and the water | moisture content contained in exhaust gas can be made easier to condense. For this reason, a physique can be reduced more and mounting property can be improved more.
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。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
（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３に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池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。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。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（ＦＣスタック）１を備えている。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している。 FIG. 1 is a conceptual diagram of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell (FC stack) 1 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Here, hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention, and air containing oxygen corresponds to the oxidant gas of the present invention.
本実施形態では燃料電池１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１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。 In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a plurality of cells each composed of an MEA having electrodes joined to both sides of the electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the MEA are stacked. And are electrically connected in series. In the fuel cell 1, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.
（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１の水素極に供給される水素が通過する水素供給経路１０と、燃料電池１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１１が設けられている。水素供給経路１０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素を供給するための水素供給装置１２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置１２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell system is provided with a
水素供給経路１０には、上流側から順に第１シャット弁１３、調圧弁１４、第２シャット弁１５が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、第１シャット弁１３と第２シャット弁１５を開き、調圧弁１４によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。車両停止時には、安全のため第１シャット弁１３、第２シャット弁１５は閉められる。
The
水素排出経路１１には、第３シャット弁１６が設けられている。必要に応じて第３シャット弁１６を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出経路１１を介して、未反応水素、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。
A
また、燃料電池システムには、燃料電池１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２０と、燃料電池１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２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータ（図示せず）と機械的に接続されている。空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力を調整する調圧弁２３が設けられている。
In addition, an
燃料電池１は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１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１の温度を許容温度以下に保持する必要がある。 The fuel cell 1 is a heating element that generates heat by the electrochemical reaction during power generation. The fuel cell 1 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) during operation to ensure power generation efficiency. Moreover, since the electrolyte membrane inside the fuel cell 1 exceeds the predetermined allowable upper limit temperature and is destroyed by the high temperature, it is necessary to keep the temperature of the fuel cell 1 below the allowable temperature.
そのため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却水を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４３、ファン４２を備えたラジエータ４１が設けられている。
Therefore, the fuel cell system is provided with a cooling system for cooling the fuel cell 1. The cooling system is provided with a cooling
冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４１をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。
The cooling
さらに、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却するために潜熱冷却システムが設けられている。潜熱冷却システムには、空気排出経路２１を通過する空気極側排出ガスに含まれる水分を凝縮させて回収する凝縮回収器（水分回収手段）３、凝縮回収器３により回収された水を貯蔵するタンク５、タンク５に貯蔵された水を燃料電池１に供給するための水供給配管６、水供給配管６を通過する水を燃料電池１に供給させる水供給ポンプ７が設けられている。なお、空気極側排出ガスが、本発明の排出ガスに相当している。
Further, the fuel cell system is provided with a latent heat cooling system for cooling the fuel cell 1. The latent heat cooling system stores a condensing and collecting device (moisture collecting means) 3 that condenses and collects moisture contained in the air electrode side exhaust gas that passes through the
水供給ポンプ７は、図示しない水供給ポンプ用モータを回転させることにより水供給ポンプ７を回転させて水供給配管６を介して燃料電池１にタンク５内の水を供給する。供給された水が蒸発する際の潜熱により冷却されることで、燃料電池１の潜熱冷却を行う。
The
また、燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。
The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 100 that performs various controls. The
次に、本実施形態における凝縮回収器３の詳細な構成について説明する。本実施形態の凝縮回収器３は、空気極側排出ガスと外気とを直接混合させ、空気極側排出ガスに含まれる水分を凝縮させるように構成されている。
Next, a detailed configuration of the condensing and collecting
図２は、本第１実施形態における凝縮回収器３を示す構成図である。図２に示すように、本実施形態の凝縮回収器３は、空気極側排出ガスおよび外気が流入する円筒状の本体部３１を備えている。本体部３１の内壁面には、多孔体（水分保持部材）３１１が全面にわたって設けられている。本実施形態では、多孔体３１１として発泡金属を用いている。これにより、多孔体３１１において、凝縮水をその表面張力を利用して保持することができる。また、本体部３１の鉛直方向下方側の壁部には、本体部３１で回収された凝縮水をタンク５側に排出する凝縮水排出口３１２が設けられている。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the condensing and recovering
また、本体部３１の内部は、空気極側排出ガスおよび外気を撹拌する攪拌部（撹拌手段）３２になっている。図３に攪拌部３２の斜視図を示す。図３に示すように、攪拌部３２は、長方形平板材を１８０°捻った形状のエレメント３２ａを複数有しており、いわゆるスタティックミキサにより構成されている。これにより、空気極側排出ガスおよび外気は、本体部３１の内部を流れ、エレメント３２ａを通過するだけで撹拌され、空気極側排出ガスと外気との混合が促進される。
Further, the inside of the
本実施形態では、エレメント３２ａの表面に複数の溝３２ｂが形成されている。複数の溝３２ｂは一端側がそれぞれ開放されている。また、複数の溝３２ｂは、それぞれ本体部３１の内壁面に向かって延びている。すなわち、溝３２ｂの開放されている側の端部が、エレメント３２ｂの長辺側に位置している。
In the present embodiment, a plurality of
図２に戻り、本体部３１の車両前方側には、本体部３１に外気を導入する導入ダクト３３が設けられている。本実施形態では、導入ダクト３３は、本体部３１に導入される外気の流れ方向と本体部３１の軸方向とが互いに略平行になるように構成されている。
Returning to FIG. 2, an
導入ダクト３３には、外気中の塵埃等の異物を除去するエアフィルタ３４が設けられている。本実施形態では、エアフィルタ３４は、通電により発熱可能な金属線により構成されている。
The
導入ダクト３３におけるエアフィルタ３４の外気流れ下流側には、燃料電池１の空気極側排出ガスを導入ダクト３３内部に流入させる排出ガス流入口３５が設けられている。また、本体部３１の外気流れ下流側には、本体部３１で混合された空気極側排出ガスおよび外気が排出される排出ダクト３６が設けられている。なお、エアフィルタ３４が、本発明のフィルタに相当している。
An
また、本体部３１の凝縮水排出部３１２とタンク５とを接続する凝縮水経路３７には、凝縮水中の微粒子およびイオンを除去する水フィルタ３８が設けられている。本実施形態では、水フィルタ３８として濾材およびイオン交換樹脂を用いており、イオン交換樹脂は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の両方で構成されている。
A
続いて、本実施形態における凝縮回収器３の作用について説明する。
Then, the effect | action of the condensation collection |
燃料電池１の空気極から排出された空気極側排出ガスは、排出ガス流入口３５および導入ダクト３３を介して本体部３１に流入する。また、外気は、導入ダクト３３およびエアフィルタ３４を介して本体部３１に流入する。なお、燃料電池１の運転中は高温になっているため、空気極側排出ガスは外気より温度が高くなっている。
The air electrode side exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell 1 flows into the
本体部３１に流入した空気極側排出ガスおよび外気は、攪拌部３２にて撹拌されながら混合される。このとき、外気と混合された空気極側排出ガスの温度が低下するため、空気極側排出ガスに含まれる水蒸気の一部が凝縮する。この凝縮水は、多孔体３１１にその表面張力により保持される。そして、凝縮水は、重力により多孔体３１１内を伝わって本体部３１の鉛直方向下方側に移動し、凝縮水排出部３１２から凝縮水経路３７および水フィルタ３８を介してタンク５に流入する。
The air electrode side exhaust gas and the outside air that have flowed into the
以上説明したように、凝縮回収器３を、空気極側排出ガスと外気とを直接混合することにより空気極側排出ガスに含まれる水分を凝縮させるように構成することで、ヒートパイプや熱交換器等の冷却装置を用いずに空気極側排出ガスを冷却して水分を凝縮させることができる。このため、凝縮回収器３の体格を小型化し、搭載性を向上させることが可能となる。
As described above, the condenser /
また、本実施形態では、空気極側排出ガスと外気とを直接熱交換させるため、本体部３１の構成材料は熱交換性能に寄与しない。このため、本体部３１を、熱伝導率は低いが耐食性の高い材料（例えば、ステンレス等）で構成することができるため、凝縮回収器３の耐食性を向上させることが可能となる。
Moreover, in this embodiment, since the air electrode side exhaust gas and the outside air are directly subjected to heat exchange, the constituent material of the
ところで、凝縮回収器の冷却装置としてフィンチューブ型熱交換器を用いる場合、断面積の小さいチューブ内に空気極側排出ガスを通していたため、氷点下のような低温環境下においてチューブ内の水分が凍結し、閉塞してしまうという問題があった。これに対し、本実施形態の凝縮回収器３では、円筒状の本体部３１において空気極側排出ガスおよび外気を直接混合させるため、低温環境下において水分が凍結し、閉塞してしまうことを抑制できる。また、フィンチューブ型熱交換器のように扁平な形状にする必要がないため、凝縮回収器３の搭載性をより向上させることが可能となる。
By the way, when a finned tube heat exchanger is used as a cooling device for the condensing and recovering device, the air electrode side exhaust gas is passed through the tube having a small cross-sectional area, so that the moisture in the tube freezes in a low temperature environment such as below freezing point. There was a problem of obstruction. On the other hand, in the condensing and recovering
また、本体部３の内部に空気極側排出ガスおよび外気を撹拌する撹拌部３２を設けることで、空気極側排出ガスおよび外気の混合効率を高めることができるため、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができる。これにより、凝縮回収器３の体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。
Moreover, since the mixing efficiency of the air electrode side exhaust gas and the outside air can be increased by providing the air electrode side exhaust gas and the outside air inside the
また、本体部３１の内壁面に、水分をその表面張力を利用して保持することができる多孔体３１１を設けることで、凝縮した水分を表面張力により保持することができるため、水分の回収効率を向上させることが可能となる。
Further, by providing the
また、攪拌部３２のエレメント３２ａの表面に、本体部３１の内壁面に向かって延びる溝３２ｂを形成することで、凝縮した水を表面張力により溝３２ｂに集め、多孔体３１１まで効率よく移動させることができる。このため、水分の回収効率をより向上させることが可能となる
また、導入ダクト３３にエアフィルタ３４を設けることで、外気中の異物を除去することができる。さらに、凝縮水経路３７に水フィルタ３８を設けることで、エアフィルタ３４で除去できなかった外気中の微粒子を凝縮水とともに回収することができる。このため、凝縮回収器３において、汚れた外気を吸入して浄化された空気を排出することができる。
Further, by forming a
また、エアフィルタ３４を、通電により発熱可能な金属線により構成することで、エアフィルタ３４に捕獲された異物を金属線の発熱により燃焼・分解し、除去することができる。このため、エアフィルタ３４を長期に渡り、目詰まりすることなく使用することが可能となる。また、金属線が発熱している場合、エアフィルタ３４を通過した外気の温度を上昇させることができるため、多孔体３１１において氷結した凝縮水を解凍することができる。
Further, by configuring the
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図４は、本第２実施形態における凝縮回収器３を示す構成図である。図４に示すように、本体部３１の内壁面には、本体部３１内側に突出する板状の撹拌板３２ｃが複数設けられている。すなわち、複数の撹拌板３２は、それぞれ対向する内壁面に向かって（本体部３１の中心軸に向かって）突出している。本実施形態では、撹拌板３２の板面は本体部３１の軸方向と直交している。
FIG. 4 is a configuration diagram showing the condensing and recovering
これにより、空気極側排出ガスおよび外気を撹拌し、空気極側排出ガスと外気との混合を促進することができるため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。 As a result, the air electrode side exhaust gas and the outside air can be agitated and the mixing of the air electrode side exhaust gas and the outside air can be promoted, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained.
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図５は、本第３実施形態における凝縮回収器３を示す構成図である。図５に示すように、本実施形態の導入ダクト３３は、外気を取り入れる取り入れ部３３１と、取り入れ部３３１で取り入れた外気を本体部３１に導入する導入部３３２とを有している。取り入れ部３３１は、本体部３１および導入部３３２より大きい開口部を備えており、より多くの外気を取り入れることができるようになっている。導入部３３２の通路断面積は、取り入れ部３３１の通路断面積より小さくなっている。
FIG. 5 is a configuration diagram showing the condensing and recovering
エアフィルタ３４は、導入ダクト３３における取り入れ部３３１と導入部３３２との間に設けられている。また、排出ガス流入口３５は導入部３３２に接続されている。
The
また、導入部３３２は、導入部３３２を通過するガス（空気極側排出ガスおよび外気）の流れ方向が本体部３１の軸方向に対して傾斜する（非平行となる）ように構成されている。すなわち、導入部３３２は、本体部３１に導入されるガスの流れ方向が本体部３１の軸方向に対して傾斜するように構成されている。これにより、導入部３３２から本体部３１に導入された空気極側排出ガスおよび外気は本体部３１の内壁にぶつかり、この内壁に沿って旋回流が形成されるため、空気極側排出ガスおよび外気を撹拌して混合を促進することができる。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
The
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図６に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図６は、本第４実施形態における凝縮回収器３を示す構成図である。図６に示すように、本実施形態の本体部３１は、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム、銅等）で形成されている。これにより、空気極側排出ガスと本体部３１の外側の空気との熱交換が行われるため、空気極側排出ガスの冷却を促進し、空気極側排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができる。このため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。
FIG. 6 is a configuration diagram showing the condensing and recovering
また、本体部３１の外表面には、本体部３１の外側の流体との間で熱の授受を行う複数のフィン（伝熱部材）３１３が接合されている。複数のフィン３１３も本体部３１と同様、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム、銅等）で形成されている。このフィン３１３により本体部３１の外側の空気との伝熱面積を増大させることができるので、空気極側排出ガスと本体部３１の外側の空気との熱交換を促進することができる。このため、空気極側排出ガスの冷却をさらに促進し、排出ガスに含まれる水分をさらに凝縮させやすくすることができる。このため、体格をさらに小型化し、搭載性をより一層向上させることが可能となる。
A plurality of fins (heat transfer members) 313 that transfer heat to and from the fluid outside the
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図７は、本第５実施形態における凝縮回収器３を示す構成図である。図７に示すように、本実施形態の導入ダクト３３には、本体部３１に外気を送風する入口側送風機３３０が設けられている。入口側送風機３３０は、エアフィルタ３４の外気流れ上流側に配置されている。
FIG. 7 is a configuration diagram showing the condensing and recovering
また、タンク５には、タンク５内の凝縮水の水位を検出するレベルセンサ５０が設けられている。レベルセンサ５は、その検出信号を制御部１００に出力する。そして、制御部１００は、レベルセンサ５の検出信号に基づいて入口側送風機３３０に制御信号を出力する。具体的には、制御部１００は、レベルセンサ５で検出された凝縮水の水位が閾値を下回った場合に、入口側送風機３３０を駆動させるようになっている。
The
以上説明したように、導入ダクト３３の内部に本体部３１に外気を送風する入口側送風機３３０を設けることで、本体部３１に導入される外気量を増加させることができる。これにより、空気極側排出ガスの冷却を促進し、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができるため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。
As described above, by providing the inlet-
また、制御部１００をレベルセンサ５で検出された凝縮水の水位が閾値を下回った場合に入口側送風機３３０を駆動させるようにすることで、タンク５内の凝縮水量が少ないときに、入口側送風機３３０を駆動させて空気極側排出ガスの冷却を促進し、凝縮量を増加させることが可能となる。
Moreover, when the water level of the condensed water detected by the
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図８に基づいて説明する。上記第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図８は、本第６実施形態における凝縮回収器３を示す構成図である。図８に示すように、本実施形態の排出ダクト３６には、混合された空気極側排出ガスおよび外気を本体部３１内から吸引する出口側送風機３６０が設けられている。また、制御部１００は、レベルセンサ５の検出信号に基づいて出口入口側送風機３３０に制御信号を出力する。具体的には、制御部１００は、レベルセンサ５で検出された凝縮水の水位が閾値を下回った場合に、出口側送風機３６０を駆動させるようになっている。
FIG. 8 is a configuration diagram showing the condensing and collecting
以上説明したように、排出ダクト３６の内部に本体部３１から混合された空気極側排出ガスおよび外気を吸引する出口側送風機３６０を設けることで、本体部３１に導入される外気量を増加させることができる。これにより、空気極側排出ガスの冷却を促進し、排出ガスに含まれる水分をより凝縮させやすくすることができるため、体格をより小型化し、搭載性をより向上させることが可能となる。
As described above, by providing the
また、制御部１００をレベルセンサ５で検出された凝縮水の水位が閾値を下回った場合に出口側送風機３６０を駆動させるようにすることで、タンク５内の凝縮水量が少ないときに、出口側送風機３６０を駆動させて空気極側排出ガスの冷却を促進し、凝縮量を増加させることが可能となる。
Moreover, when the water level of the condensed water detected by the
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、凝縮回収器３で回収した水を、水供給配管６を介して燃料電池１に供給したが、これに限らず、燃料電池１０に供給される空気および水素の加湿に用いることができる。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the water recovered by the condensing and recovering
また、上記各実施形態では、エアフィルタ３４を金属線により構成したが、これに限らず、例えば合成繊維の不織布、濾紙等により構成することができる。
Moreover, in each said embodiment, although the
また、上記各実施形態では、本体部３１の内壁面に設けられ、水分をその表面張力により保持することができる水分保持部材として多孔体３１１を用いたが、これに限らず、例えば金属製のメッシュ部材や親水性部材等を用いることができる。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態では、本体部３１の形状を円筒状としたが、これに限らず、車両レイアウトに合わせた形状とすることができる。なお、攪拌部３２を複数のエレメント３２ａを有するスタティックミキサにより構成する場合は、本体部３１を円筒状とすることが望ましい。
Moreover, in each said embodiment, although the shape of the main-
また、上記第１、第４〜第６実施形態では、攪拌部３２のエレメント３２ａの表面に溝３２ｂを設けたが、設けなくてもよい。
Moreover, in the said 1st, 4th-6th embodiment, although the groove |
また、上記第５実施形態では、入口側送風機３３０をエアフィルタ３４の外気流れ上流側に配置したが、これに限らず、エアフィルタ３４の外気流れ下流側に配置してもよい。
Moreover, in the said 5th Embodiment, although the inlet
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせて用いることができる。 The above embodiments can be used in appropriate combination.
１…燃料電池、３…凝縮回収器（水分回収手段）、２１…空気排出経路（酸化剤ガス排出経路）、３１…本体部、３２…撹拌部（撹拌手段）、３２ａ…エレメント、３２ｂ…溝、３２ｃ…撹拌板、３３…導入ダクト、３４…エアフィルタ（フィルタ）、３６…排出ダクト、３１１…多孔体（水分保持部材）、３１３…フィン（伝熱部材）、３３０…入口側送風機、３６０…出口側送風機。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 3 ... Condensation recovery device (moisture recovery means), 21 ... Air discharge path (oxidant gas discharge path), 31 ... Main body part, 32 ... Stirring part (stirring means), 32a ... Element, 32b ...
Claims (16)
前記燃料電池（１）に供給された酸化剤ガスのうち前記電気化学反応に用いられなかった未反応酸化剤ガスと水分とを含む排出ガスが外部に排出される際に通過する酸化剤ガス排出経路（２１）と、
前記酸化剤ガス排出経路（２１）に設けられ、前記排出ガスに含まれる前記水分を回収する水分回収手段（３）とを備え、
前記水分回収手段（３）は、前記排出ガスと外気とを直接混合することにより前記水分を凝縮させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (1) for obtaining electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas;
Oxidant gas discharge that passes when exhaust gas containing unreacted oxidant gas and moisture not used in the electrochemical reaction out of the oxidant gas supplied to the fuel cell (1) is discharged to the outside. Route (21);
A water recovery means (3) provided in the oxidant gas discharge path (21) for recovering the water contained in the exhaust gas;
The fuel cell system is characterized in that the moisture recovery means (3) is configured to condense the moisture by directly mixing the exhaust gas and outside air.
前記導入ダクト（３３）は、前記本体部（３１）に導入される外気の流れ方向が前記本体部（３１）の軸方向に対して傾斜するように構成されていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The main body (31) is formed in a cylindrical shape,
The said introduction duct (33) is comprised so that the flow direction of the external air introduce | transduced into the said main-body part (31) may incline with respect to the axial direction of the said main-body part (31). The fuel cell system according to any one of 2 to 6.
前記本体部（３１）および前記伝熱部材（３１３）は、金属により形成されていることを特徴とする請求項２ないし１３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The outer wall surface of the main body (31) is provided with a heat transfer member (313) that exchanges heat with the fluid outside the main body (31).
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 13, wherein the main body (31) and the heat transfer member (313) are made of metal.
前記排出ダクト（３６）の内部には、混合された前記排出ガスおよび外気を前記本体部（３１）内から吸引する出口側送風機（３６０）が設けられていることを特徴とする請求項２ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The moisture recovery means (3) has a discharge duct (36) for discharging the exhaust gas and outside air mixed from the main body (31),
The outlet duct (36) is provided with an outlet side blower (360) for sucking the mixed exhaust gas and outside air from inside the main body (31). 15. The fuel cell system according to any one of 15.
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