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公開番号2024148423
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-18
出願番号2023061537
出願日2023-04-05
発明の名称燃料電池システム
出願人株式会社豊田中央研究所
代理人個人,個人
主分類H01M 8/04 20160101AFI20241010BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】消費電力を抑制した上で、高出力時の燃料電池を十分に冷却する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環して流れる循環流路と、循環流路を流れる冷媒を冷却するためのラジエータと、ラジエータに風を送るファンと、燃料電池のカソード極から排出されたカソードオフガス中の水を回収する回収器と、回収器により回収された液体の水を前記ラジエータの外表面に供給する水供給部と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
燃料電池を冷却する冷媒が循環して流れる循環流路と、
前記循環流路を流れる冷媒を冷却するためのラジエータと、
前記ラジエータに風を送るファンと、
前記燃料電池のカソード極から排出されたカソードオフガス中の水を回収する回収器と、
前記回収器により回収された液体の水を前記ラジエータの外表面に供給する水供給部と、
を備える、燃料電池システム。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記ファンは、
前記ラジエータの上流側に配置された押込通風型であり、
回転軸に沿って延び、前記回転軸回りに回転する中空の軸部と、
前記軸部に接続して前記回転軸回りに回転して、ラジエータに風を送るファン回転体と、
前記回転軸回りに回転し、前記軸部の中空の内部と接続して径方向に沿って形成された中空部を有する円板状のディスクと、
を有し、
前記中空部は、前記ディスクの径方向外側の端部で開口されており、
前記水供給部は、前記軸部の中空内部に液体の水を供給する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ディスクは、
第１ディスクと、
前記第１ディスクよりも下流側に配置され、前記第１ディスクの外径よりも小さい外径を有する第２ディスクと、
を有する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記回収器と前記水供給部との間に配置され、水を圧縮する昇圧ポンプを備え、
前記ファンは、前記ラジエータの下流側に配置された吸込通風型であり、
前記水供給部は、前記ラジエータの上流側に配置され、前記ラジエータの外表面に前記昇圧ポンプにより圧縮した水を噴霧する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソード極に流入する空気と、前記カソードオフガスとの熱交換を行う熱交換器を備え、
前記回収器は、熱交換後の前記カソードオフガス中の水を回収する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池から排出される冷媒の温度を取得する温度取得部と、
取得された冷媒の温度が閾値以上の場合に前記ファンを作動させ、前記燃料電池の温度が前記閾値未満の場合に前記ファンを停止させる制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記回収器と前記水供給部との間に配置されて、前記回収器から前記水供給部に送られる水に含まれるフッ素イオンを、希土類酸化物と反応させることにより除去するフッ素処理部を備える、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、燃料電池システムに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
冷却水を用いて燃料電池を冷却する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に記載されたシステムでは、冷却水の推定流量と、燃料電池の消費電力との関係に基づいたマップを用いて、流路の異常状態が検出される。当該システムは、燃料電池のスタック流路からラジエータ流路に向かう途中に、バイパス流路に分岐させるための三方弁を備えている。三方弁の開度を調整することにより、異常が発生している流路が特定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許６８０２９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池車の登坂走行など燃料電池に対する出力要求が高いほど、燃料電池の温度が上昇する。燃料電池の発熱が冷却能力を上回り、燃料電池の温度が上限温度を超えると、燃料電池の出力に規制がかかってしまい、十分な走行速度を確保できない場合がある。燃料電池の高出力時には、ラジエータに送風するラジエータファンの回転数が上昇する。しかしながら、ラジエータファン、冷却水を循環させるためのポンプ、および燃料電池に圧縮空気を送るコンプレッサなどを含む補機動力損失は小さくない。ラジエータファンの回転数が上昇すると、ラジエータファンの消費電力は上昇する。そのため、補機を含むシステム全体の消費電力を抑制した上で、燃料電池を冷却するための十分な冷却能力を確保したい要望があった。特許文献１に記載されたシステムでは、これらの冷却能力の向上について言及されていない。
【０００５】
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、消費電力を抑制した上で、高出力時の燃料電池を十分に冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒が循環して流れる循環流路と、前記循環流路を流れる冷媒を冷却するためのラジエータと、前記ラジエータに風を送るファンと、前記燃料電池のカソード極から排出されたカソードオフガス中の水を回収する回収器と、前記回収器により回収された液体の水を前記ラジエータの外表面に供給する水供給部と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、カソードオフガスに含まれる水がラジエータの外表面に供給されることにより、水の気化熱がラジエータのチューブ内を流れる冷媒を冷却する。本構成では、従来、外気に排出されていたカソードオフガス中の水の気化熱を利用することにより、ラジエータの冷却能力を向上させる。これにより、高出力時の燃料電池を冷却するために、ファンの回転数の上昇を抑制できる。この結果、本構成では、システム全体の消費電力を抑制した上で、高出力時の燃料電池を十分に冷却できる。
【０００９】
（２）上記態様の燃料電池システムにおいて、前記ファンは、前記ラジエータの上流側に配置された押込通風型であり、回転軸に沿って延び、前記回転軸回りに回転する中空の軸部と、前記軸部に接続して前記回転軸回りに回転して、ラジエータに風を送るファン回転体と、前記回転軸回りに回転し、前記軸部の中空の内部と接続して径方向に沿って形成された中空部を有する円板状のディスクと、を有し、前記中空部は、前記ディスクの径方向外側の端部で開口されており、前記水供給部は、前記軸部の中空内部に液体の水を供給してもよい。
この構成によれば、ファン内部に供給された水がディスクの遠心力を利用して、ディスクの径方向外側から噴霧される、いわゆるアトマイザーディスク方式によって水がラジエータの外表面へと供給される。アトマイザーディスク方式では、ファンに供給される水の流量と、ファンの回転数と、ディスク径との調整に応じて、ディスクから噴霧される液滴の状態を制御できる。液滴の状態が制御されることにより、ラジエータの外表面に薄い液膜を形成するために適した大きさの液滴をディスクから噴霧できる。この結果、ラジエータの冷却能力をより向上させることができる。
【００１０】
（３）上記態様の燃料電池システムにおいて、前記ディスクは、第１ディスクと、前記第１ディスクよりも下流側に配置され、前記第１ディスクの外径よりも小さい外径を有する第２ディスクと、を有してもよい。
この構成によれば、ファンは、外径の異なる第１ディスクと第２ディスクとを有している。上流側に配置された第１ディスクは、下流側に配置された第２ディスクよりも大きい外径を有している。そのため、第１ディスクの径方向外側から噴霧される液滴と、第２ディスクの径方向外側から噴霧される液滴とは、互いに干渉せずにラジエータの外表面へと供給される。そのため、本構成では、ラジエータの外表面のより広い範囲に液滴が供給されるため、より多くの気化熱によってラジエータの冷却能力が向上する。
（【００１１】以降は省略されています）

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