JP6444727B2 - 燃料電池用空気加湿装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用空気加湿装置及び方法に関するもので、より詳細には、水と空気を混合して空気圧縮機の入口に噴霧することで、空気圧縮機及び圧縮される空気を冷却でき、燃料電池に供給される空気の加湿が容易に行われる燃料電池用空気加湿装置及び方法に関する。

燃料電池車両は、酸素と水素の反応により発生した化学エネルギを電気エネルギに転換させる燃料電池を用いて駆動する車両であって、この燃料電池車両に適用される燃料電池として高分子電解質膜燃料電池が使用されている。

前記高分子電解質膜は、水で十分にぬれているほどイオン伝導度が高くなって抵抗による損失が減少するが、高分子電解質膜に供給される空気と水素の相対湿度が低くなると、高分子電解質膜の水分を除去するようになり、これによって、高分子電解質膜のイオン伝導度が低くなって抵抗損失が大きくなり、相対湿度が低い反応気体の供給が続くようになると、結局、電解質膜が乾くようになって、これ以上電解質膜として使うことができなくなる。

したがって、高分子電解質膜燃料電池において、供給される気体の加湿が必須に行われなければならない。

自動車用燃料電池を加湿する方法はいろいろあり、自動車用燃料電池を加湿する装置として気体−気体膜加湿装置が広く使われている。

前記気体−気体膜加湿装置は、水分しか透過できない膜において、一側面は燃料電池排気ガスが、他の側面は供給される気体が流れる方式を使用し、この際、供給される気体はスタックから出て、温度が高くて水分飽和状態の排気ガスから熱と共に水の供給を受ける。

しかし、前記気体−気体膜加湿装置は、交換膜が高価で、製造費用も高いため、膜加湿装置そのものの値が非常に高くなる問題があり、また、気体−気体膜加湿装置は、加湿性能が不充分であるため、高負荷領域で加湿が不充分になって自動車が上り坂で止まってしまうことがある。

一方、燃料電池を加湿する装置の既存の膜加湿装置は、加湿量の制御が困難であるが、加湿量を制御できる方法として最も一般的な方法がインジェクター型加湿といえる。

インジェクター型加湿とは、インジェクターで水を噴射することで、水を微粒化して水が蒸発するための表面積を大きくして加湿効果を高める方法である。

前記インジェクターを用いた加湿は、加湿量の制御が容易であり、既に他の分野で適用されて研究されてきたインジェクター加湿技術を適用できるという点、装置費用が安いという点などが長所である。

従来のインジェクター型加湿技術に関する一例として、特許文献１には水ポンプによって外部供給源からくみ上げられた水と、空気圧縮機を用いて外部空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と水をそれぞれ混合及び噴射するミックスチャンバー及びマグネチックタイプのインジェクションノズルと、を含む燃料電池システムの作動のためのガス加湿装置及び方法を開示している。

しかし、水ポンプを始め、圧縮機及びミックスチャンバーなどの様々な部品が必要であり、高費用及び設置面積の増加による体積増加などの問題があり、また、水が流れる移動パート部品（水ポンプ、インジェクションノズルなど）がそのまま外部に露出されるため、冬期に水が氷結し易く、漏水の問題がある。

従来のインジェクター型加湿技術に関する他の例として、特許文献２にはスクリュ圧縮機の入口に適正量の水が水ポンプによってくみ上げられ、それと共にマグネチックノズルによってスクリュ圧縮機の入口に噴射されると、噴射された水が空気と共に圧縮されて冷却器（ａｆｔｅｒ−ｃｏｏｌｅｒ）で冷却された後、燃料電池に供給されるようにした燃料電池用水供給装置を開示している。

しかし、水が流れる移動パート部品（水ポンプ、マグネチックノズルなど）がそのまま外部に露出されるため、冬期に水が氷結し易く、漏水の問題がある。

米国特許５，４３２，０２０ 米国特許６，６３５，３７４

本発明は、従来の諸問題点を解決するために案出されたものであって、燃料電池の空気極に空気を供給する空気圧縮機の出口から一部の圧縮空気をバイパスし、それと共に燃料電池システム内に排出される凝縮水を、バイパスされる圧縮空気によって空気圧縮機の入口に噴射することで、燃料電池の空気極に供給される空気を容易に加湿でき、また、供給される空気が圧縮されて温度が上昇することを予防する空気冷却効果が得られる燃料電池用空気加湿装置及び方法を提供することにその目的がある。

本発明の一実施例による燃料電池用空気加湿装置は、燃料電池の空気極に空気を供給する空気圧縮機と、前記空気圧縮機の入口に連結された空気供給線に配置され、前記燃料電池から排出される凝縮水を空気圧縮機の出口からバイパスされた圧縮空気の圧力によって空気圧縮機の入口に噴射する噴射手段と、を含むことを特徴とする。

好ましくは、前記空気圧縮機の出口と噴射手段の入口を連結するバイパス線には開閉角調節または開閉可能なバイパス弁が装着されることを特徴とする。

特に、前記噴射手段は、一側中心部に第１ノズルが形成された外部中空体と、前記第１ノズルの中心部に挿入配置される第２ノズルが一側端部に形成された内部中空体と、で構成される２流体スプレーノズルが採択されることを特徴とする。

また、前記噴射手段は、一側中心部に第１ノズルが形成された外部中空体と、前記第１ノズルの中心部の内側に離隔配置される第２ノズルが一側端部に形成された内部中空体と、で構成される２流体スプレーノズルが採択されることを特徴とする。

好ましくは、前記噴射手段の外部中空体と内部中空体との間の空間は、空気圧縮機の出口とバイパス線によって連通可能に連結される圧縮空気の流れ空間として形成され、内部中空体の内部空間は、燃料電池の凝縮水リザーバに連結される凝縮水排出線を介して連通可能に連結される凝縮水の流れ空間として形成されることを特徴とする。

また、前記空気圧縮機の出口には、空気極に供給される空気の相対湿度測定用湿度センサと温度測定用温度センサが並んで装着されることを特徴とする。

前記目的を達成するための本発明の一実施例による燃料電池用空気加湿方法は、空気圧縮機から外部空気を吸入圧縮して燃料電池の空気極に供給する段階と、空気圧縮機の出口から圧縮空気の一部を空気圧縮機の入口側にバイパスする段階と、空気圧縮機の入口側にバイパスされた圧縮空気の圧力によって燃料電池から排出された凝縮水が吸入されると共に空気圧縮機の入口に噴射される段階と、噴射された凝縮水によって外部空気が加湿され、空気圧縮機を通過する段階と、を含むことを特徴とする。

好ましくは、前記空気圧縮機の出口温度（Ｔｏ）が一定温度（Ｔｔ）以上になると、噴射された凝縮水が圧縮空気と共に空気圧縮機の入口にバイパスされ、Ｔｏ＜Ｔｔになると、凝縮水の噴射が中止されることを特徴とする。

また、前記凝縮水の噴射量は、空気圧縮機の出口から入口側にバイパスされる圧縮空気のバイパス量を調節して空気圧縮機の出口側相対湿度を調節することを特徴とする。

前記目的を達成するための本発明の他の実施例による燃料電池用空気加湿装置は、燃料電池の空気極に空気を供給する空気圧縮機と、前記空気圧縮機の入口に連結された空気供給線に配置され、前記燃料電池から排出される凝縮水を空気圧縮機の入口に直接噴射する噴射手段と、を含み、この際、噴射手段は、燃料電池から排出された凝縮水が貯蔵された凝縮水リザーバから凝縮水排出線を経由した凝縮水を直接噴射する水噴射ノズルが採択されることを特徴とする。

前記目的を達成するための本発明の他の実施例による燃料電池用空気加湿方法は、空気圧縮機から外部空気を吸入圧縮して燃料電池の空気極に供給する段階と、燃料電池から排出された凝縮水を水噴射ノズルを用いて空気圧縮機の入口に直接噴射する段階と、噴射された凝縮水によって外部空気が加湿され、空気圧縮機を通過する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明は、次のような効果を提供する。

第１に、燃料電池の空気極に外部空気を供給するための空気圧縮機の出口から一部の圧縮空気をバイパスし、それと共に燃料電池システム内に排出される凝縮水を、バイパスされる圧縮空気の圧力を用いて空気圧縮機の入口に噴射することで、燃料電池の空気極に供給される空気を容易に加湿させることができる。

第２に、燃料電池システム内に排出される凝縮水を空気の加湿のために再使用することで、従来の水の供給及びくみ上げのためのポンプ類などを排除して費用低減を図ることができ、ポンプ類を含む水供給線の氷結及び腐食現象などを防止することができる。

第３に、燃料電池の空気極に供給される空気の相対湿度を空気圧縮機の入口から増加させることで、空気極の入口側に別途の加湿器がさらに設置される場合、この加湿器の負荷を軽減させることができる。

第４に、燃料電池の空気極に供給される空気の相対湿度を空気圧縮機の入口から予め増加できるため、空気極の入口側に別途に設置される加湿器の加湿容量及びサイズの縮小を図ることができる。

第５に、空気圧縮機の入口に噴射される凝縮水によって圧縮される空気及び空気圧縮機の冷却効果が得られ、それによって空気圧縮機の空力性能及び効率の向上を図ることができる。

第６に、制御要素を追加することで加湿量の制御が可能となる。

本発明の一実施例による燃料電池用空気加湿装置を示す構成図である。 本発明による燃料電池用空気加湿装置に適用される２流体スプレーノズルを示す断面図である。 本発明による燃料電池用空気加湿装置に適用される２流体スプレーノズルを示す断面図である。 本発明の他の実施例による燃料電池用空気加湿装置を示す構成図である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明は、燃料電池の空気極に外部空気を供給する空気圧縮機の出口から一部の圧縮空気をバイパスし、それと共に燃料電池システム内に排出される凝縮水を、バイパスされる圧縮空気によって空気圧縮機の入口に噴射することで、燃料電池の空気極に供給される空気を容易に加湿できることに主眼点がある。

図１は、本発明の一実施例による燃料電池用空気加湿装置を示す構成図である。

図１で、図面符号「１００」は、高圧の空気を動力源として水を噴射させるための噴射手段であって、２流体スプレーノズルを指す。

具体的には、前記噴射手段は、圧縮空気の吸入圧力によって燃料電池から排出される凝縮水を空気圧縮機２０２の入口側に噴霧のように噴射させるものとして２流体スプレーノズル１００が採択される。

本発明の一実施例による２流体スプレーノズル１００は、図２に示すように、一側中心部に第１ノズル１０２が形成された外部中空体１０４と、第１ノズル１０２の中心部に挿入配置される第２ノズル１０６が一側端部に形成された内部中空体１０８と、で構成され、第１ノズル１０２と第２ノズル１０６が同一垂直線上に同じ中心を持つ同心円の配列をなす。

本発明の他の実施例による２流体スプレーノズル１００は、図３に示すように、一側中心部に第１ノズル１０２が形成された外部中空体１０４と、第１ノズル１０２の中心部の内側に離隔配置される第２ノズル１０６が一側端部に形成された内部中空体１０８と、で構成され、第１ノズル１０２と第２ノズル１０６が同一垂直線上に離隔されている配列をなす。

前記空気圧縮機２０２は、燃料電池２００（燃料電池スタック）の空気極に外部空気を圧縮して供給するための一種の空気ブロワーとして採択され、空気圧縮機２０２の出口は燃料電池２００の空気極に連結され、空気圧縮機２０２の入口線には外部空気を濾過させると共に外部空気流量を測定するフィルタ／流量センサ２０４が装着される。

この際、前記２流体スプレーノズル１００は空気圧縮機２０２の入口とフィルタ／流量センサ２０４との間の空気供給線に配置される。

一方、前記空気圧縮機２０２の出口と２流体スプレーノズル１００の入口との間には、空気圧縮機２０２の出口から一部の圧縮空気を２流体スプレーノズル１００の入口にバイパスするためのバイパス線１１０が連結され、このバイパス線１１０には圧縮空気の供給量を調節するために開閉角調節可能なバイパス弁１１２が装着される。

また、前記燃料電池の反応中に発生した凝縮水が燃料電池から排出されて凝縮水リザーバ１２０を満たすが、この凝縮水リザーバ１２０の出口と２流体スプレーノズル１００の入口との間に凝縮水を２流体スプレーノズル１００の入口に吸入するための凝縮水排出線１２２が連結される。

より詳細には、前記２流体スプレーノズル１００の外部中空体１０４と内部中空体１０８との間の空間、すなわち、圧縮空気の流れ空間１１４に空気圧縮機２０２の出口と連通可能なバイパス線１１０が連結され、前記２流体スプレーノズル１００の内部中空体１０８の内部空間、すなわち、凝縮水の流れ空間１２４には凝縮水リザーバ１２０と連通可能な凝縮水排出線１２２が連結される。

一方、前記空気圧縮機２０２の出口には燃料電池２００の空気極に供給される空気の相対湿度測定用湿度センサ２０６と温度測定用温度センサ２０８が並んで装着される。

前記構成に基づいて本発明の燃料電池空気極加湿方法を説明する。

先ず、燃料電池システムの運転中、燃料電池スタックで水素と空気中の酸素との反応による電気エネルギを生成するために、空気圧縮機２０２で外部空気を吸入圧縮して燃料電池２００の空気極に供給する段階が先行する。

この際、前記空気圧縮機２０２の出口から燃料電池２００の空気極に供給される圧縮空気の一部がバイパス線１１０を介して２流体スプレーノズル１００に供給される。

それと共に、燃料電池の反応中に発生して凝縮水リザーバ１２０内に集められた凝縮水も２流体スプレーノズル１００に供給される。

好ましくは、前記空気圧縮機２０２の出口からバイパスされて２流体スプレーノズル１００に供給される圧縮空気の流れの圧力（局部的な低圧の形成）によって凝縮水リザーバ１２０内の凝縮水が２流体スプレーノズル１００に吸入供給される。

このように前記空気圧縮機２０２の出口からバイパスされて２流体スプレーノズル１００に圧縮空気が供給されると、供給された圧縮空気は２流体スプレーノズル１００の外部中空体１０４と内部中空体１０８との間の空間の圧縮空気の流れ空間１１４を経由して第１ノズル１０２を介して空気圧縮機２０２の入口側に噴射される。

それと共に、前記凝縮水リザーバ１２０から吸入された凝縮水が２流体スプレーノズル１００の内部中空体１０８の内部空間の凝縮水の流れ空間１２４を経由して第２ノズル１０６を介して空気圧縮機２０２の入口側に噴射される。

すなわち、前記第１ノズル１０２を介して噴射される圧縮空気の噴射圧力によって第２ノズル１０６を介して噴射される凝縮水が噴霧のように噴射される。

上述したようにバイパスされた圧縮空気の圧力によって燃料電池から排出された凝縮水が吸入されると共に空気圧縮機２０２の入口に噴射されることで、噴射された凝縮水によってフィルタ／流量センサ２０４を通過した外部空気が加湿され、空気圧縮機２０２を通過して燃料電池の空気極に供給される。

このように、燃料電池２００の空気極に外部空気を供給するための空気圧縮機２０２の出口から一部の圧縮空気をバイパスし、それと共に燃料電池システム内に排出される凝縮水を、バイパスされる圧縮空気の圧力を用いて空気圧縮機２０２の入口に噴射することで、空気圧縮機の空気圧縮過程によって増加する空気の熱エネルギを吸収する冷却効果が得られ、それと共に燃料電池の空気極に供給される空気を容易に加湿することができる。

また、空気極の入口側に別途の加湿器がさらに設置される場合、燃料電池の空気極に供給される空気の相対湿度を空気圧縮機の入口から予め増加させて加湿器に供給できるため、加湿器の加湿作動のための負荷を軽減でき、空気極の入口側に別途に設置される加湿器の加湿容量及びサイズの縮小を図ることができる。

一方、前記空気圧縮機２０２の出口温度（Ｔｏ）が目標温度（Ｔｔ）以上になると、前記バイパス線１１０に装着されたバイパス弁１１２を開放して、噴射された凝縮水が空気圧縮機２０２の出口から圧縮空気と共に空気圧縮機２０２の入口にバイパスされるようにし、空気圧縮機２０２の出口温度（Ｔｏ）が目標温度（Ｔｔ）以下になると、バイパス弁を制御して凝縮水の噴射量を調節する。

好ましくは、前記凝縮水の噴射量は、空気圧縮機の出口から入口側にバイパスされる圧縮空気のバイパス量を調節して空気圧縮機の出口側の相対湿度が１００％以下となるようにするが、空気圧縮機の出口温度（Ｔｏ）が目標温度（Ｔｔ）以上であれば相対湿度（ＲＨ）が１００％以下となるようにし、また、圧縮機のタイプに応じてＲＨ１００％以上（凝縮水の発生）となるようにしてもよく、例えば容積式（ＳＣＲＥＷ、ＲＯＯＴＳなど）圧縮機などの場合は水のシール（ｓｅａｌ）作用によって圧縮効率が上昇してＲＨ１００％以上（凝縮水の発生）となるように調節することができる。

このように燃料電池システム内に排出される凝縮水を空気の加湿のために再使用すると共に空気圧縮機の出口温度に応じて凝縮水を噴射するか否かを決めることで、従来の水の供給及びくみ上げのためのポンプ類などを排除して費用低減を図ることはもちろん、従来のポンプ類を含む水供給線の氷結及び腐食現象などを排除することができる。

一方、本発明の他の実施例として前記一実施例の２流体スプレーノズルとは異なり、水しか噴射しない水噴射ノズルを用いて燃料電池から排出される凝縮水を空気の加湿のために再使用することができる。

そのために、図４に示すように、燃料電池の空気極に空気を供給する空気圧縮機２０２の入口に連結された空気供給線に水しか噴射しない水噴射ノズル２１０が配置される。

好ましくは、前記水噴射ノズル２１０に水を供給する手段は、燃料電池から排出される凝縮水を一時貯蔵する凝縮水リザーバ１２０と、凝縮水リザーバ１２０の出口と水噴射ノズル２１０との間に直接連結される凝縮水排出線１２２と、で構成される。

この際、前記空気圧縮機２０２の後端（出口）の位置に比べて、空気圧縮機２０２の後端から背圧調節弁２１２までの区間は圧力が高いため、２流体スプレーノズル（高圧空気＋水）を、水しか噴射しない水噴射ノズル２１０に代えても水噴射が可能となる。

したがって、燃料電池から排出された凝縮水が貯蔵されている凝縮水リザーバ１２０から凝縮水排出線１２２を経由して水噴射ノズル２１０に供給された後、空気圧縮機２０２の入口に噴射されることで、噴射された凝縮水によってフィルタ／流量センサ２０４を通過した外部空気が加湿され、空気圧縮機２０２を通過して燃料電池の空気極に供給される。

このように、本発明の他の実施例によれば、燃料電池システム内で排出される凝縮水を直ちに水噴射ノズル２１０を用いて空気圧縮機２０２の入口に噴射することで、燃料電池の空気極に供給される空気を容易に加湿させることができる。

１００ ２流体スプレーノズル
１０２ 第１ノズル
１０４ 外部中空体
１０６ 第２ノズル
１０８ 内部中空体
１１０ バイパス線
１１２ バイパス弁
１２０ 凝縮水リザーバ
１２２ 凝縮水排出線
１１４ 圧縮空気の流れ空間
１２４ 凝縮水の流れ空間
２００ 燃料電池
２０２ 空気圧縮機
２０４ フィルタ／流量センサ
２０６ 湿度センサ
２０８ 温度センサ
２１０ 水噴射ノズル
２１２ 背圧調節弁

Claims (4)

1. 燃料電池の空気極に空気を供給する空気圧縮機と、
   前記空気圧縮機の入口に連結された空気供給線に配置され、前記燃料電池から排出される凝縮水を空気圧縮機の出口からバイパスされた圧縮空気の圧力によって空気圧縮機の入口に噴射する噴射手段と、
   前記燃料電池から排出された凝縮水を溜める凝縮水リザーバと、
   前記凝縮水リザーバと前記噴射手段との間に接続される凝縮水排出線と、
   を含み、
   前記噴射手段は、２流体スプレーノズルであり、
   その一側中心部に配置される第１ノズルを有する外部中空体と、
   前記第１ノズルの中心部に挿入される第２ノズルを有する内部中空体とを含み、
   前記外部中空体と前記内部中空体との間の空間に前記空気圧縮機の出口を連通するバイパス線が、開閉角調節可能なバイパス弁を含み、
   前記凝縮水排出線は、前記内部中空体の内部空間に接続されることを特徴とする燃料電池用空気加湿装置。
2. 前記第２ノズルは、前記第１ノズルの中心部の内側に離隔配置され、前記内部中空体の一側端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用空気加湿装置。
3. 前記噴射手段の外部中空体と内部中空体との間の空間は、空気圧縮機の出口とバイパス線によって連通可能に連結される圧縮空気の流れ空間として形成され、内部中空体の内部空間は、燃料電池の凝縮水リザーバに連結される凝縮水排出線を介して連通可能に連結される凝縮水の流れ空間として形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用空気加湿装置。
4. 前記空気圧縮機の出口には、空気極に供給される空気の相対湿度測定用湿度センサと温度測定用温度センサが並んで装着されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用空気加湿装置。

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