JP3706937B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる、燃料電池システムに関する。
高分子電解質型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell、PEMFC)は、燃料(水素)の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。
高分子電解質型燃料電池は、液体ではなく固体高分子重合体を電解質膜(membrane、または“イオン交換膜”ともいう)として使用する。
電解質膜の両側には各々正極及び負極が配置され、電解質膜と正極及び負極とを含むアセンブリーを、MEA(Membrane and Electrode Assembly)という。
高分子電解質型燃料電池は、液体ではなく固体高分子重合体を電解質膜(membrane、または“イオン交換膜”ともいう)として使用する。
電解質膜の両側には各々正極及び負極が配置され、電解質膜と正極及び負極とを含むアセンブリーを、MEA(Membrane and Electrode Assembly)という。
高分子電解質型燃料電池は、通常、その作動温度が100℃未満であり、小型電源や自動車用電源として多く使用されている。
高分子電解質型燃料電池では、水素が正極(anode、“燃料極”ともいう)に供給され、酸素(空気)が負極(cathode、“空気極”ともいう)に供給される。
正極に供給された水素は、触媒によって水素イオン(H+)と電子(electron、e−)とに分解され、このうちの水素イオンだけが選択的にイオン交換膜(membrane)を通過して負極に伝達され、同時に、電子は導体である分離板を通じて負極に伝達される。
高分子電解質型燃料電池では、水素が正極(anode、“燃料極”ともいう)に供給され、酸素(空気)が負極(cathode、“空気極”ともいう)に供給される。
正極に供給された水素は、触媒によって水素イオン(H+)と電子(electron、e−)とに分解され、このうちの水素イオンだけが選択的にイオン交換膜(membrane)を通過して負極に伝達され、同時に、電子は導体である分離板を通じて負極に伝達される。
負極に供給された水素イオン及び電子は、負極に供給された酸素と結合して水を生成する反応を起こす。
この時に起こる電子の流れによって電流が生成され、同時に、水生成反応で熱も付随的に発生する。
この時に起こる電子の流れによって電流が生成され、同時に、水生成反応で熱も付随的に発生する。
高分子電解質型燃料電池の電極反応は下記の通りであって、最終的に、電気、熱、及び水が生成される。
[正極での反応]
2H2→4H++4e−
[負極での反応]
O2+4H++4e−→2H2O
[全体反応]
2H2+O2→2H2O+電気エネルギー+熱エネルギー
このような高分子電解質型燃料電池において、水素イオンの円滑な移動のためには、その移動通路であるイオン交換膜に水素イオンの移動に必要な十分な水分が供給されなければならない。
[正極での反応]
2H2→4H++4e−
[負極での反応]
O2+4H++4e−→2H2O
[全体反応]
2H2+O2→2H2O+電気エネルギー+熱エネルギー
このような高分子電解質型燃料電池において、水素イオンの円滑な移動のためには、その移動通路であるイオン交換膜に水素イオンの移動に必要な十分な水分が供給されなければならない。
イオン交換膜に水分を供給する装置は、通常、加湿器と呼ばれ、様々な種類の加湿器が開発中または開発済みである。
イオン交換膜に十分な水分が供給されない場合、供給される気体によってイオン交換膜の表面から水分が蒸発してイオン交換膜内の水分の含量が減少する。その結果、水素イオンの移動に必要な水分が不足して円滑な水素イオンの移動が行われなくなり、電気化学反応の阻害要素として作用する。
イオン交換膜に十分な水分が供給されない場合、供給される気体によってイオン交換膜の表面から水分が蒸発してイオン交換膜内の水分の含量が減少する。その結果、水素イオンの移動に必要な水分が不足して円滑な水素イオンの移動が行われなくなり、電気化学反応の阻害要素として作用する。
反面、加湿器によって過度に多量の水分が供給される場合、または燃料電池が高出力で作動して、その反応副産物である水が過剰に生成される場合には、加湿されすぎることになる。イオン交換膜に過度に多量の水分が供給される場合には、水素イオンと電子と酸素とを反応させる触媒が水分によって囲まれるようになる。その結果、反応に必要な気体が触媒に接近するのが難しくなり、燃料電池の出力低下が発生する。
したがって、高分子電解質型燃料電池が最適な性能で作動するためには、運転条件によって、供給される水分と反応により生成される水とを全て考慮して、加湿の程度を調整する必要がある。
したがって、高分子電解質型燃料電池が最適な性能で作動するためには、運転条件によって、供給される水分と反応により生成される水とを全て考慮して、加湿の程度を調整する必要がある。
高分子電解質型燃料電池に使用される従来の加湿器は、燃料電池スタックを循環する燃料電池スタック冷却水を利用して、正極に供給される水素と負極に供給される酸素とを加湿する。
このような一体型加湿器を使用することによって、燃料電池システムの体積を減らすことができるが、組立欠陥や外部衝撃がある場合、安全性を確保するのが困難になる傾向がある。
このような一体型加湿器を使用することによって、燃料電池システムの体積を減らすことができるが、組立欠陥や外部衝撃がある場合、安全性を確保するのが困難になる傾向がある。
さらに、従来の加湿器を使用する高分子電解質型燃料電池では、車両搭載状態で脱イオン水(De Ionized Water、通常“DI water”という)だけからなる燃料電池スタック冷却水から熱源と加湿とに必要な水分の供給を受けなければならないので、氷点下の温度ではその作動が不可能である。
特開2003−234113号公報
本発明は前記問題点を解決するために創出されたものであって、燃料電池スタックから排出される残余水素と残余酸素とに含まれている水分を利用して、燃料電池スタックに供給される水素と酸素とを加湿することによって、不凍液を冷却剤として使用することができる燃料電池システムを提供することをその目的とする。
前記目的を達成するための本発明の実施例による燃料電池システムは、燃料電池スタック;前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット;前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット;冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット;前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器;前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器;及び前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含む。
前記燃料ガス加湿器は、その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板;及びその一側に前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスが流れ、その他側に前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余燃料ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに伝達され、前記残余燃料ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに供給されるのが好ましい。
前記酸化剤ガス加湿器は、その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板;及びその一側に前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側に前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余酸化剤ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに伝達され、前記残余酸化剤ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに供給されるのが好ましい。
前記燃料電池冷却ユニットは、前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散するように構成したラジエータ;冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路;及び前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給し、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むのが好ましい。
前記燃料電池冷却ユニットは、前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路;及び前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むのが好ましく、前記冷却剤は、不凍液であるのが好ましい。
本発明の他の好ましい実施例による燃料電池システムは、前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含む。
前記補助加湿装置は、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット;前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット;前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第1水噴射器;及び前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに噴射する第2水噴射器を含むのが好ましい。
前記補助加湿装置は、前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むのが好ましい。
前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されるのが好ましい。
前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されるのが好ましい。
前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、超音波噴射ノズルであるのが好ましい。
前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されるのが好ましい。
前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されるのが好ましい。
前記残余ガス凝縮ユニットは、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第1凝縮器;前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第2凝縮器;前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ;冷却剤が前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路;及び前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とに供給され、前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むのが好ましい。
前記のような本発明の実施例による燃料電池システムは、燃料電池スタックの冷却剤ではなく、燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するので、冷却剤として不凍液を使用することができる。したがって、燃料電池システムが氷点下の温度でも作動することができるようになる。
また、本発明の実施例による燃料電池システムは、補助加湿装置を備えることによって、燃料電池システムの作動初期にも安定して燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる。
以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照して説明する。
図1に示すように、本発明の実施例による燃料電池システム11は、燃料電池スタック13、燃料ガス供給ユニット15、酸化剤ガス供給ユニット17、燃料電池冷却ユニット19、燃料ガス加湿器21、酸化剤ガス加湿器23、及び制御ユニット25を含む。
制御ユニット25は、プロセッサー及び関連ハードウェアを含み、以下の説明にしたがって燃料電池システム11を駆動するようにプログラムされる。
制御ユニット25は、プロセッサー及び関連ハードウェアを含み、以下の説明にしたがって燃料電池システム11を駆動するようにプログラムされる。
燃料電池スタック13は、複数の燃料電池シェルを含み、本発明の実施例による燃料電池システムの燃料電池は高分子電解質型燃料電池であるのが好ましい。
燃料電池スタック13は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の電気化学的反応を通じて電気エネルギーを生成する。
燃料電池スタック13は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の電気化学的反応を通じて電気エネルギーを生成する。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11において、燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは酸素であるのが好ましい。
この時、酸化剤ガスを含む空気を燃料電池スタック13に供給することによって、酸化剤ガスを燃料電池スタック13に供給することができる。
この時、酸化剤ガスを含む空気を燃料電池スタック13に供給することによって、酸化剤ガスを燃料電池スタック13に供給することができる。
燃料ガス供給ユニット15は、燃料ガス供給通路27を通じて燃料電池スタック13に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給ユニット17は、酸化剤ガス供給通路29を通じて燃料電池スタック13に酸化剤ガスを供給する。
燃料ガス供給ユニット15は、燃料ガスを保存する燃料ガスタンク(hydrogen tank)とすることができ、酸化剤ガス供給ユニット17は、酸化剤ガス(より厳密にいえば、酸素を含む空気)を燃料電池スタック13に供給することができるエアーブローワー(air blower)とすることができる。
燃料ガス供給ユニット15は、燃料ガスを保存する燃料ガスタンク(hydrogen tank)とすることができ、酸化剤ガス供給ユニット17は、酸化剤ガス(より厳密にいえば、酸素を含む空気)を燃料電池スタック13に供給することができるエアーブローワー(air blower)とすることができる。
燃料電池スタック13に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとは電気化学反応をし、その結果、電気エネルギーが生成される。
燃料電池スタック13に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの一部は、電気化学反応によって消耗されずに残留し、このような残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとは、残余燃料ガス排出通路31と残余酸化剤ガス排出通路33とを通じて燃料電池スタック13から各々排出される。
燃料電池スタック13に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの一部は、電気化学反応によって消耗されずに残留し、このような残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとは、残余燃料ガス排出通路31と残余酸化剤ガス排出通路33とを通じて燃料電池スタック13から各々排出される。
燃料電池冷却ユニット19は、燃料電池スタック13で発生する熱を外部に発散させることによって、燃料電池スタック13の温度が上昇しすぎるのを防ぐ役割を果たす。
燃料電池冷却ユニット19は、ラジエータ35を含む。ラジエータ35以外にも任意の熱交換器を使用することができるのはもちろんである。
ラジエータ35の出口は、冷却剤循環通路37を通じて燃料電池スタック13の入口に連結され、燃料電池スタック13の出口は、ラジエータ35の入口に連結される。
燃料電池冷却ユニット19は、ラジエータ35を含む。ラジエータ35以外にも任意の熱交換器を使用することができるのはもちろんである。
ラジエータ35の出口は、冷却剤循環通路37を通じて燃料電池スタック13の入口に連結され、燃料電池スタック13の出口は、ラジエータ35の入口に連結される。
一方、冷却剤循環通路37は、冷却剤ポンプ39に設置される。
冷却剤ポンプ39は、冷却剤循環通路37の内部の冷却剤をポンピングすることによって、冷却剤を循環させる。
即ち、冷却剤ポンプ39は、ラジエータ35を通過した冷却剤を燃料電池スタック13に移動させ、燃料電池スタック13を通過した冷却剤をラジエータ35に移動させる。
したがって、燃料電池スタック13の内部の熱は、その内部を通過する冷却剤に吸収され、冷却剤に吸収された熱は、ラジエータ35から外部に発散されることによって、燃料電池スタック13の温度が上昇しすぎるのを防ぐ。
冷却剤ポンプ39は、冷却剤循環通路37の内部の冷却剤をポンピングすることによって、冷却剤を循環させる。
即ち、冷却剤ポンプ39は、ラジエータ35を通過した冷却剤を燃料電池スタック13に移動させ、燃料電池スタック13を通過した冷却剤をラジエータ35に移動させる。
したがって、燃料電池スタック13の内部の熱は、その内部を通過する冷却剤に吸収され、冷却剤に吸収された熱は、ラジエータ35から外部に発散されることによって、燃料電池スタック13の温度が上昇しすぎるのを防ぐ。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11において、冷却剤は不凍液であるのが好ましい。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11は、冷却剤を利用して燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するのではなく、燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するので、冷却剤として純粋な水(De−Ionized Water、いわゆる“DI water”)を使用する必要がない。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11は、冷却剤を利用して燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するのではなく、燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するので、冷却剤として純粋な水(De−Ionized Water、いわゆる“DI water”)を使用する必要がない。
冷却剤として不凍液を使用することによって、本発明の実施例による燃料電池システム11の燃料電池冷却ユニット19は、従来の燃料電池システムより低い温度(0℃以下の温度)でも作動可能である。
例えば、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11に使用される冷却剤としては、エチレングリコールと純粋な水との混合物(例えば、エチレングリコール50%と純粋な水50%との混合物)などがある。
冷却剤のうちの一部(例えば、冷却剤の10%)は、燃料電池スタック13を迂回する冷却剤迂回通路41を通過し、冷却剤迂回通路41には冷却剤フィルター43が設置される。
例えば、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11に使用される冷却剤としては、エチレングリコールと純粋な水との混合物(例えば、エチレングリコール50%と純粋な水50%との混合物)などがある。
冷却剤のうちの一部(例えば、冷却剤の10%)は、燃料電池スタック13を迂回する冷却剤迂回通路41を通過し、冷却剤迂回通路41には冷却剤フィルター43が設置される。
冷却剤のうちの一部は、冷却剤フィルター43を通過することによって、冷却剤に含まれている不純物が除去される。
冷却剤を構成するエチレングリコールは、冷却剤が通過していく構成部品の腐蝕などにより汚染されることがあり、汚染物質が冷却剤に含まれていると、燃料電池スタック13の内部での反応が妨害されることがある。冷却剤フィルター43を使用してこのような汚染物質を除去することによって、燃料電池スタック13がより安定して作動することができる。
燃料ガス加湿器21と酸化剤ガス加湿器23とは、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを各々加湿する。
冷却剤を構成するエチレングリコールは、冷却剤が通過していく構成部品の腐蝕などにより汚染されることがあり、汚染物質が冷却剤に含まれていると、燃料電池スタック13の内部での反応が妨害されることがある。冷却剤フィルター43を使用してこのような汚染物質を除去することによって、燃料電池スタック13がより安定して作動することができる。
燃料ガス加湿器21と酸化剤ガス加湿器23とは、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを各々加湿する。
図1及び図2に示すように、燃料ガス供給通路27を通じて燃料電池スタック13に供給される燃料ガス、残余燃料ガス排出通路31を通じて燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガス、及び燃料電池スタック13から排出される冷却剤は、燃料ガス加湿器21を通過する。
燃料ガス加湿器21は、互いに対向するように配置される一対の分離板45、47と、少なくとも一つの加湿膜(humidifying membrane)49または51とを含む。
分離板45、47は高分子化合物とすることができ、例えば、ポリカーボネートやアクリルを含浸したグラファイトなどとすることができる。
加湿膜49または51は、一種のイオン交換膜であって、水分の含有及び蒸発が可能な任意の膜(つまり、水分を伝達することができる任意の膜)とすることができる。
分離板45、47は高分子化合物とすることができ、例えば、ポリカーボネートやアクリルを含浸したグラファイトなどとすることができる。
加湿膜49または51は、一種のイオン交換膜であって、水分の含有及び蒸発が可能な任意の膜(つまり、水分を伝達することができる任意の膜)とすることができる。
図2に示すように、加湿膜49は分離板45、47の外側に各々配置されるのが好ましい。
互いに対向する分離板45、47の間には、燃料電池スタック13から排出される冷却剤が流れ、加湿膜49の一側には、燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスが流れ、加湿膜49の他側には、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスが流れるように構成される。
冷却剤は分離板45、47の間を流れるので、冷却剤の流れは、燃料電池スタック13から排出される燃料ガスの流れと燃料電池スタック13に供給される燃料ガスの流れとは分離される。
互いに対向する分離板45、47の間には、燃料電池スタック13から排出される冷却剤が流れ、加湿膜49の一側には、燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスが流れ、加湿膜49の他側には、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスが流れるように構成される。
冷却剤は分離板45、47の間を流れるので、冷却剤の流れは、燃料電池スタック13から排出される燃料ガスの流れと燃料電池スタック13に供給される燃料ガスの流れとは分離される。
加湿膜49の両側に燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスの流れと燃料電池スタック13に供給される燃料ガスの流れとがあるので、燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスに含まれている水分が、加湿膜49を通じて燃料電池スタック13に供給される燃料ガスに伝達される。したがって、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスが加湿される。
同時に、燃料電池スタック13から排出される冷却剤と残余燃料ガスとに含まれている熱が、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスに伝達される。
同時に、燃料電池スタック13から排出される冷却剤と残余燃料ガスとに含まれている熱が、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスに伝達される。
燃料ガス加湿器21の分離板45、47と加湿膜49との面積と積層数とを調節することによって、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスが適切に加湿されるようになる。
燃料ガス加湿器21は、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスの相対湿度が75±10%RH程度になるように加湿するのが好ましい。
一方、図3に示すように、酸化剤ガス加湿器23は燃料ガス加湿器21と類似した構造を有する。
即ち、酸化剤ガス加湿器23は、互いに対向する一対の分離板53、55と、その外側に配置される加湿膜57または59とを含む。
燃料ガス加湿器21は、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスの相対湿度が75±10%RH程度になるように加湿するのが好ましい。
一方、図3に示すように、酸化剤ガス加湿器23は燃料ガス加湿器21と類似した構造を有する。
即ち、酸化剤ガス加湿器23は、互いに対向する一対の分離板53、55と、その外側に配置される加湿膜57または59とを含む。
酸化剤ガス加湿器23は、燃料電池スタック13から排出される冷却剤が一対の分離板53、55の間を流れ、加湿膜57の一側には、燃料電池スタック13から排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側には、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスが流れるように構成する。
分離板53、55と加湿膜57とは、燃料ガス加湿器21の分離板45、47と加湿膜49と各々同一な材料からなることができる。
したがって、燃料電池スタック13から排出される酸化剤ガスに含まれている水分が加湿膜57を通じて燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスに伝達されることによって、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスが加湿される。
同時に、燃料電池スタック13から排出される冷却剤と残余酸化剤ガスとに含まれている熱が、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスに伝達される。
分離板53、55と加湿膜57とは、燃料ガス加湿器21の分離板45、47と加湿膜49と各々同一な材料からなることができる。
したがって、燃料電池スタック13から排出される酸化剤ガスに含まれている水分が加湿膜57を通じて燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスに伝達されることによって、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスが加湿される。
同時に、燃料電池スタック13から排出される冷却剤と残余酸化剤ガスとに含まれている熱が、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスに伝達される。
燃料ガス加湿器21と同様に、酸化剤ガス加湿器23の分離板53、55と加湿膜57との面積と積層数とを調節することによって、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスが適切に加湿されるようになる。
酸化剤ガス加湿器23は、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスの相対湿度が35±10%RH程度になるように加湿するのが好ましい。
酸化剤ガス加湿器23は、燃料電池スタック13に供給される酸化剤ガスの相対湿度が35±10%RH程度になるように加湿するのが好ましい。
本発明の実施例による燃料電池システム11は、燃料電池スタック13から排出される残余燃料ガスの一部を再利用するための燃料ガスリサイクル装置61を含む。
燃料ガスリサイクル装置61は、残余燃料ガス排出通路31と燃料ガス供給通路27とを連結する燃料ガスリサイクル通路63に設置される。
燃料ガスリサイクル装置61は、残余燃料ガス排出通路31を流れる残余燃料ガスの一部を燃料ガス供給通路27に移動させることによって、排出される燃料ガスのうちの一部がリサイクルされるようにする。
例えば、燃料ガスリサイクル装置61は、燃料ガスを移動させることができるコンプレッサとすることができる。
燃料ガスリサイクル装置61は、残余燃料ガス排出通路31と燃料ガス供給通路27とを連結する燃料ガスリサイクル通路63に設置される。
燃料ガスリサイクル装置61は、残余燃料ガス排出通路31を流れる残余燃料ガスの一部を燃料ガス供給通路27に移動させることによって、排出される燃料ガスのうちの一部がリサイクルされるようにする。
例えば、燃料ガスリサイクル装置61は、燃料ガスを移動させることができるコンプレッサとすることができる。
一方、本発明の他の好ましい実施例による燃料電池システム11は、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するための補助加湿装置65をさらに含む。
補助加湿装置65は、燃料ガス加湿器21と酸化剤ガス加湿器23とを通過した残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとから水分を収集し、収集された水分(水)を利用して、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿する。
補助加湿装置65は、燃料ガス加湿器21を通過した残余燃料ガスと酸化剤ガス加湿器23を通過した残余酸化剤ガスとを冷却して、残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を凝縮させる残余ガス凝縮ユニット67を含む。
補助加湿装置65は、燃料ガス加湿器21と酸化剤ガス加湿器23とを通過した残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとから水分を収集し、収集された水分(水)を利用して、燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿する。
補助加湿装置65は、燃料ガス加湿器21を通過した残余燃料ガスと酸化剤ガス加湿器23を通過した残余酸化剤ガスとを冷却して、残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を凝縮させる残余ガス凝縮ユニット67を含む。
残余ガス凝縮ユニット67は、燃料ガス加湿器21を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第1凝縮器69と、酸化剤ガス加湿器23を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第2凝縮機71とを含む。
第1凝縮器69と第2凝縮器71とは、冷却剤循環通路73によってラジエータ75に連結される。
また、冷却剤循環通路73には冷却剤ポンプ77が設置され、冷却剤ポンプ77は冷却剤が冷却剤循環通路73に沿って第1凝縮器69、第2凝縮器71、及びラジエータ75を循環するように冷却剤をポンピングする。
第1凝縮器69と第2凝縮器71とは、冷却剤循環通路73によってラジエータ75に連結される。
また、冷却剤循環通路73には冷却剤ポンプ77が設置され、冷却剤ポンプ77は冷却剤が冷却剤循環通路73に沿って第1凝縮器69、第2凝縮器71、及びラジエータ75を循環するように冷却剤をポンピングする。
ラジエータ75によって冷却された冷却剤が第1凝縮器69と第2凝縮器71とを通過すれば、第1凝縮器69と第2凝縮器71とは、残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を凝縮させるようになる。その結果、残余ガスから水が収集される。
この時、残余ガス凝縮ユニット67を循環する冷却剤を利用して、車両のモータ89とモータ制御ユニット(motor control unit、MCU)91とを冷却することができる。
第1凝縮器69と第2凝縮器71とによって収集された水は、水保存ユニット79に保存される。
この時、残余ガス凝縮ユニット67を循環する冷却剤を利用して、車両のモータ89とモータ制御ユニット(motor control unit、MCU)91とを冷却することができる。
第1凝縮器69と第2凝縮器71とによって収集された水は、水保存ユニット79に保存される。
一方、補助加湿装置65は、燃料ガス供給通路27を流れる燃料ガスと酸化剤ガス供給通路29を流れる酸化剤ガス(空気)とに微細な水滴を噴射することができるように、燃料ガス供給通路27と酸化剤ガス供給通路29とに各々設置される第1水噴射器81と第2水噴射器83とを含む。
第1水噴射器81と第2水噴射器83とは、超音波微細噴射ノズル(ultrasonic microspray nozzle)とすることができる。超音波微細噴射ノズルは、超音波を利用して液体を微細な大きさにして噴射することができる装置である。超音波微細噴射ノズルは本発明が属する分野の当業者に自明であるので、これに対するより詳細な説明は省略する。
第1水噴射器81と第2水噴射器83とは、超音波微細噴射ノズル(ultrasonic microspray nozzle)とすることができる。超音波微細噴射ノズルは、超音波を利用して液体を微細な大きさにして噴射することができる装置である。超音波微細噴射ノズルは本発明が属する分野の当業者に自明であるので、これに対するより詳細な説明は省略する。
第1水噴射器81と第2水噴射器83とは、水保存ユニット79に保存された水の供給を受けて、供給を受けた水を燃料ガス供給通路27と酸化剤ガス供給通路29との内部に噴射する。
第1水噴射器81と第2水噴射器83との作動は、制御ユニット25の制御信号によって制御されるのが好ましい。
第1水噴射器81と第2水噴射器83とは、燃料電池システム11の作動後に設定された時間(例えば10秒)だけ作動するように制御されるのが好ましい。
第1水噴射器81と第2水噴射器83との作動は、制御ユニット25の制御信号によって制御されるのが好ましい。
第1水噴射器81と第2水噴射器83とは、燃料電池システム11の作動後に設定された時間(例えば10秒)だけ作動するように制御されるのが好ましい。
補助加湿装置65を備える理由は、燃料電池システム11の作動初期には燃料電池スタック13から排出される残余ガスに十分な水分が含まれていないので、これを利用して燃料電池スタック13に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するのが困難だからである。
補助加湿装置65を利用して燃料電池システム11の作動初期にも安定して燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる。
この時、前記のように、燃料ガス(水素)は相対湿度が75±10%RH程度になるように加湿し、酸化剤ガス(空気)は相対湿度が35±10%RH程度になるように加湿するのが好ましい。
補助加湿装置65を利用して燃料電池システム11の作動初期にも安定して燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる。
この時、前記のように、燃料ガス(水素)は相対湿度が75±10%RH程度になるように加湿し、酸化剤ガス(空気)は相対湿度が35±10%RH程度になるように加湿するのが好ましい。
そして、水保存ユニット79は、約10秒間、燃料ガスと酸化剤ガスとを前記相対湿度に加湿することができる程度の水を保存することができる大きさであるのが好ましい。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11の補助加湿装置65は、水保存ユニット79に設置されるヒーター85をさらに含む。
ヒーター85は、外部電源(例えばバッテリー)から電源の供給を受けて熱を放出する任意の装置とすることができる。
制御ユニット25は、ヒーター85に電源が供給されたり遮断されたりするようにして、ヒーター85の作動を制御する。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11の補助加湿装置65は、水保存ユニット79に設置されるヒーター85をさらに含む。
ヒーター85は、外部電源(例えばバッテリー)から電源の供給を受けて熱を放出する任意の装置とすることができる。
制御ユニット25は、ヒーター85に電源が供給されたり遮断されたりするようにして、ヒーター85の作動を制御する。
水保存ユニット79に保存された水が結氷した場合、ヒーター85を作動させて結氷した氷を溶かすことができる。
外気温度が設定された温度(例えば4℃)より低い場合、制御ユニット25はヒーター85を作動させるようにするのが好ましい。外気温度は任意の温度センサー(図示せず)によって検出することができる。
そして、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11は、燃料電池冷却ユニット19と排気ガス凝縮ユニット67とに供給される冷却剤が保存される冷却剤保存ユニット87を含む。
外気温度が設定された温度(例えば4℃)より低い場合、制御ユニット25はヒーター85を作動させるようにするのが好ましい。外気温度は任意の温度センサー(図示せず)によって検出することができる。
そして、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム11は、燃料電池冷却ユニット19と排気ガス凝縮ユニット67とに供給される冷却剤が保存される冷却剤保存ユニット87を含む。
以上で、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるわけではなく、その技術的範囲内において本発明の実施例から当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により容易に変更され得るであろう。
11 燃料電池システム
13 燃料電池スタック
15 燃料ガス供給ユニット
17 酸化剤ガス供給ユニット
19 燃料電池冷却ユニット
21 燃料ガス加湿器
23 酸化剤ガス加湿器
25 制御ユニット
27 燃料ガス供給通路
29 酸化剤ガス供給通路
31 残余燃料ガス排出通路
33 残余酸化剤ガス排出通路
35、75 ラジエータ
37、73 冷却剤循環通路
39、77 冷却剤ポンプ
41 冷却剤迂回通路
43 冷却剤フィルター
45、47、53、55 分離板
57、59 加湿膜
61 燃料ガスリサイクル装置
63 燃料ガスリサイクル通路
65 補助加湿装置
67 残余ガス凝縮ユニット
69 第1凝縮器
71 第2凝縮器
79 水保存ユニット
81 第1水噴射器
83 第2水噴射器
85 ヒーター
87 冷却剤保存ユニット
89 車両のモータ
91 モータ制御ユニット
13 燃料電池スタック
15 燃料ガス供給ユニット
17 酸化剤ガス供給ユニット
19 燃料電池冷却ユニット
21 燃料ガス加湿器
23 酸化剤ガス加湿器
25 制御ユニット
27 燃料ガス供給通路
29 酸化剤ガス供給通路
31 残余燃料ガス排出通路
33 残余酸化剤ガス排出通路
35、75 ラジエータ
37、73 冷却剤循環通路
39、77 冷却剤ポンプ
41 冷却剤迂回通路
43 冷却剤フィルター
45、47、53、55 分離板
57、59 加湿膜
61 燃料ガスリサイクル装置
63 燃料ガスリサイクル通路
65 補助加湿装置
67 残余ガス凝縮ユニット
69 第1凝縮器
71 第2凝縮器
79 水保存ユニット
81 第1水噴射器
83 第2水噴射器
85 ヒーター
87 冷却剤保存ユニット
89 車両のモータ
91 モータ制御ユニット
Claims (33)
- 燃料電池スタック;
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット;
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット;
冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット;
前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器;
前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器;及び
前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含み、
前記燃料ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置する一対の分離板;及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスが流れ、その他側に前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余燃料ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに伝達され、
前記残余燃料ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに供給されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散するように構成したラジエータ;
冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路;及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路;及び
前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却剤は、不凍液であ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。
- 前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記補助加湿装置は、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット;
前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット;
前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第1水噴射器;及び
前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスに噴射する第2水噴射器を含むことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記補助加湿装置は、
前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、超音波噴射ノズルであることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記残余ガス凝縮ユニットは、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第1凝縮器;
前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第2凝縮器;
前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ;
冷却剤が前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路;及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とに供給され、前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池スタック;
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット;
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット;
冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット;
前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器;
前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器;及び
前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含み、
前記酸化剤ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板;及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側に前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置する加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余酸化剤ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに伝達され、
前記残余酸化剤ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに供給されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散させるように構成されるラジエータ;
冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路;及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路;及び
前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却剤は、不凍液であることを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。
- 前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。
- 前記補助加湿装置は、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット;
前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット;
前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第1水噴射器;及び
前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに噴射する第2水噴射器を含むことを特徴とする請求項16に記載の燃料電池システム。 - 前記補助加湿装置は、
前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むことを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。 - 前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項18に記載の燃料電池システム。
- 前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、超音波噴射ノズルであることを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。
- 1水噴射器と前記第2水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。
- 前記残余ガス凝縮ユニットは、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第1凝縮器;
前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第2凝縮器;
前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ;
冷却剤が前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路;及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とに供給され、前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池スタック;
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット;
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット;
冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット;
前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器;
前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器;及び
前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含み、
前記燃料ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板;及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスが流れ、その他側に前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余燃料ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに伝達され、
前記残余燃料ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに供給され、
前記酸化剤ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板;及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側に前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余酸化剤ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに伝達され、
前記残余酸化剤ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに供給されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散させるように構成されるラジエータ;
冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路;及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項23に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路;及び
前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項24に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却剤は、不凍液であることを特徴とする、請求項23に記載の燃料電池システム。
- 前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含むことを特徴とする請求項23に記載の燃料電池システム。
- 前記補助加湿装置は、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット;
前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット;
前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第1水噴射器;及び
前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに噴射する第2水噴射器を含むことを特徴とする請求項27に記載の燃料電池システム。 - 前記補助加湿装置は、
前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むことを特徴とする請求項28に記載の燃料電池システム。 - 前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項29に記載の燃料電池システム。
- 前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、超音波噴射ノズルであることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池システム。
- 前記第1水噴射器と前記第2水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池システム。
- 前記残余ガス凝縮ユニットは、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第1凝縮器;
前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第2凝縮器;
前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ;
冷却剤が前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第1凝縮器、前記第2凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路;及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とに供給され、前記第1凝縮器と前記第2凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項28に記載の燃料電池システム。
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