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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024148423
(43)【公開日】2024-10-18
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20241010BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20241010BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20241010BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20241010BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/04 N
H01M8/04014
H01M8/0432
H01M8/04746
【審査請求】有
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023061537
(22)【出願日】2023-04-05
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100160691
【弁理士】
【氏名又は名称】田邊 淳也
(74)【代理人】
【識別番号】100182718
【弁理士】
【氏名又は名称】木崎 誠司
(72)【発明者】
【氏名】若杉 知寿
【テーマコード（参考）】
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA28
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127CC01
5H127DB74
5H127DC76
5H127EE18
(57)【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
【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。
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。
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【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】
【特許文献1】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。
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。
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】
（４）上記態様の燃料電池システムにおいて、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してもよい。
この構成によれば、ファンがラジエータの下流側に配置された吸込通風型であるため、ラジエータ通過時の圧力損失によりラジエータの上流側で流れ場を一様化する。これにより、ラジエータの外表面に対して、サイズの小さい液滴が偏在することを抑制される。また、昇圧ポンプの圧縮によりラジエータの外表面に微細な液滴を供給できるため、液分散性が向上する。これにより、気化しなかった液滴のラジエータからの液だれを抑制して、液利用率を向上させることができる。
この構成によれば、ファンがラジエータの下流側に配置された吸込通風型であるため、ラジエータ通過時の圧力損失によりラジエータの上流側で流れ場を一様化する。これにより、ラジエータの外表面に対して、サイズの小さい液滴が偏在することを抑制される。また、昇圧ポンプの圧縮によりラジエータの外表面に微細な液滴を供給できるため、液分散性が向上する。これにより、気化しなかった液滴のラジエータからの液だれを抑制して、液利用率を向上させることができる。
【0012】
（５）上記態様の燃料電池システムにおいて、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してもよい。
この構成によれば、カソード極に流入する空気の温度は、カソードオフガスの温度よりも低い。カソードオフガスがカソード極に流入する空気により冷却されることで、カソードオフガスからの回収水量を増加させることができる。
この構成によれば、カソード極に流入する空気の温度は、カソードオフガスの温度よりも低い。カソードオフガスがカソード極に流入する空気により冷却されることで、カソードオフガスからの回収水量を増加させることができる。
【0013】
（６）上記態様の燃料電池システムにおいて、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、
を備えてもよい。
この構成によれば、燃料電池から排出される冷媒の温度が閾値以上、すなわち、燃料電池の高出力時に、ラジエータにより冷媒の冷却能力が必要な時にファンが作動する。一方で、燃料電池の出力が高くない場合には、ファンが作動せずに、カソードオフガスから回収された水は、ラジエータの外表面に供給されない。これにより、燃料電池の冷却が必要な場合にのみ、ファンが作動し、回収器に貯蔵された水が使用される。この結果、燃料電池が高出力の際に、水を間欠させずにラジエータに供給できる。
を備えてもよい。
この構成によれば、燃料電池から排出される冷媒の温度が閾値以上、すなわち、燃料電池の高出力時に、ラジエータにより冷媒の冷却能力が必要な時にファンが作動する。一方で、燃料電池の出力が高くない場合には、ファンが作動せずに、カソードオフガスから回収された水は、ラジエータの外表面に供給されない。これにより、燃料電池の冷却が必要な場合にのみ、ファンが作動し、回収器に貯蔵された水が使用される。この結果、燃料電池が高出力の際に、水を間欠させずにラジエータに供給できる。
【0014】
（７）上記態様の燃料電池システムにおいて、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てもよい。
この構成によれば、カソードオフガスから回収された水に含まれるフッ素イオンは、フッ素処理部により除去される。カソードオフガスから回収された水には、燃料電池の電解質膜の劣化により、フッ素イオンが含まれる場合がある。フッ素イオンを含む水がラジエータの外表面に噴霧されると、ラジエータが腐食するおそれがある。本構成によれば、ラジエータの腐食の原因となるフッ素イオンを、ラジエータの外表面に噴霧する水から除去できる。
この構成によれば、カソードオフガスから回収された水に含まれるフッ素イオンは、フッ素処理部により除去される。カソードオフガスから回収された水には、燃料電池の電解質膜の劣化により、フッ素イオンが含まれる場合がある。フッ素イオンを含む水がラジエータの外表面に噴霧されると、ラジエータが腐食するおそれがある。本構成によれば、ラジエータの腐食の原因となるフッ素イオンを、ラジエータの外表面に噴霧する水から除去できる。
【0015】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、冷却装置、燃料電池システム、燃料電池冷却システム、冷却方法、燃料電池冷却方法、およびこれらの装置を備える又は方法を実現するシステム、これら装置または方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図2】比較例の燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図3】ファンの回転数に応じて変化する消費電力および熱伝達率の説明図である。
【図4】ラジエータに噴霧される水の流量と熱伝達率との関係の説明図である。
【図5】第１実施形態の燃料電池システムの効果の説明図である。
【図6】第１実施形態の燃料電池システムの効果の説明図である。
【図7】第２実施形態のファンおよび水供給部の概略断面図である。
【図8】膜状分裂域と紐状分裂域との境界および紐状分裂域と滴状分裂域との境界の説明図である。
【図9】第３実施形態の燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図10】ポンプの動力損失についての説明図である。
【図11】ポンプの動力損失についての説明図である。
【図12】第４実施形態の燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図13】熱交換器の効果についての説明図である。
【図14】モード走行の説明図である。
【図15】モード走行の説明図である。
【図16】第４実施形態のファンの消費エネルギーの説明図である。
【図17】水貯蔵量の時系列変化の説明図である。
【図18】比較例のファンの消費エネルギーの説明図である。
【図19】第５実施形態の燃料電池システムの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１の概略ブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０のカソードオフガスに含まれる水をラジエータ４０に向かって噴霧する。噴霧された液滴は、ラジエータ４０の外表面に付着し、ラジエータ４０に送付するファン２０により気化する。ラジエータ４０内を流れる冷媒は、水の気化熱により冷却される。この結果、本実施形態の燃料電池システム１では、高出力時に燃料電池１０が発熱しても、ファン２０の回転数を抑制して、すなわち、ファン２０を作動させるための消費電力を抑制した上で、燃料電池１０を冷却できる。
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１の概略ブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０のカソードオフガスに含まれる水をラジエータ４０に向かって噴霧する。噴霧された液滴は、ラジエータ４０の外表面に付着し、ラジエータ４０に送付するファン２０により気化する。ラジエータ４０内を流れる冷媒は、水の気化熱により冷却される。この結果、本実施形態の燃料電池システム１では、高出力時に燃料電池１０が発熱しても、ファン２０の回転数を抑制して、すなわち、ファン２０を作動させるための消費電力を抑制した上で、燃料電池１０を冷却できる。
【0018】
第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池車の動力源として搭載されている。燃料電池システム１は、図１に示されるように、燃料電池１０と、燃料電池１０に圧縮空気を送るコンプレッサＣＰと、燃料電池１０に供給する水素を貯蔵している水素タンクＴＫと、水素を循環させる水素循環器ＣＣと、燃料電池１０を冷却する冷媒が流れる循環流路６０と、循環流路６０内を流れる冷媒を循環させるポンプＰ１と、冷媒を冷却するラジエータ４０と、ラジエータ４０に風を送るファン２０と、カソードオフガス中の水を回収する回収器３０と、水を噴霧する水供給部７０と、水供給部７０に水を送るためのポンプ５０と、を備えている。
【0019】
燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode. Assembly）１１と、ＭＥＡ１１の各面に形成されたアノード側ガス拡散層（アノード側ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer））１２およびカソード側ガス拡散層（カソード側ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer））１３と、内部にＭＥＡ１１を冷却する冷媒が流れる流路が形成されたセパレータ１４，１５と、を備えている。
【0020】
ＭＥＡ１１は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に形成されたカソード触媒層とを備えている。アノード触媒層は、電解質膜がアノード側ＧＤＬ１２と対向する面に形成されている。カソード触媒層は、電解質膜がカソード側ＧＤＬ１３と対向する面に形成されている。アノード触媒層は、アノード極として機能する。カソード触媒層は、カソード極として機能する。
【0021】
アノード側ＧＤＬ１２には、水素タンクＴＫから水素が供給される。カソード側ＧＤＬ１３には、コンプレッサＣＰにより圧縮された圧縮空気が供給される。ＭＥＡ１１では、アノード側ＧＤＬ１２から供給された水素がアノード触媒層で水素イオンとなってカソード触媒層へと移動する。カソード触媒層では、電解質膜カソード側ＧＤＬ１３から供給された酸素が水素イオンと結合して水が発生する。
【0022】
アノード側ＧＤＬ１２に接触しているセパレータ１４の内部には、冷媒が流れる冷却流路１４ｆが形成されている。同じように、カソード側ＧＤＬ１３に接触しているセパレータ１５の内部には、冷媒が流れる冷却流路１５ｆが形成されている。図１に示されるように、冷却流路１４ｆ，１５ｆは、循環流路６０と接続している。
【0023】
水素タンクＴＫから供給される水素は、水素循環器ＣＣを介して燃料電池１０のアノード側ＧＤＬ１２に供給される。アノード側ＧＤＬ１２に供給された水素の一部は、利用されずに燃料電池から排出され、水素循環器ＣＣにより再度アノード側ＧＤＬ１２へと供給される。
【0024】
コンプレッサＣＰにより圧縮された空気（Ａｉｒ）は、燃料電池１０のカソード触媒層に供給され、圧縮空気に含まれる酸素がＭＥＡ１１を介して供給される水素イオンと反応して水を発生させる。カソード側ＧＤＬ１３に供給された空気の一部と、カソード側ＧＤＬ１３で発生した水（Ｈ2Ｏ）とを含むカソードオフガスは、回収器３０へと供給される。回収器３０は、カソードオフガス中の水分を分離する気液分離器である。回収器３０により分離された液体の水は、回収器３０内に貯蔵される。分離された気体は、大気へと排出される。
【0025】
循環流路６０は、燃料電池１０の冷却流路１４ｆ，１５ｆと、ラジエータ４０と、ポンプＰ１とを接続している。循環流路６０を介して、冷却流路１４ｆ，１５ｆを通過して昇温した冷媒は、ラジエータ４０により冷却される。ラジエータ４０は、冷媒が内部を通過する複数のチューブと、複数のチューブ間を接続するフィンと、各チューブに冷媒を分散させて供給するアッパータンクと、各チューブ内を通過した冷媒をまとめて循環流路６０に供給するロアタンクとを備えている。ファン２０によりチューブおよびフィン（以降、チューブとフィンとをまとめて「ラジエータコア」とも呼ぶ）に風と液滴とが送られることで、チューブ内を通過する冷媒が冷却される。ラジエータ４０により冷却された冷媒は、循環流路６０によりポンプＰ１へと送られる。ポンプＰ１は、流入した冷媒を再び燃料電池１０の冷却流路１４ｆ，１５ｆへと循環させる。
【0026】
回収器３０に貯蔵された水は、ポンプ５０により水供給部７０へと送られる。水供給部７０は、ファン２０の回転軸におけるラジエータ４０に対向する位置に取り付けられている。水供給部７０は、ポンプ５０により送られてきた水をラジエータコアに向かって噴霧する。本実施形態のファン２０は、ラジエータ４０に対して水が噴霧される上流側から風を送る、いわゆる押込通風型のファンである。水供給部７０から噴霧された水（液滴）は、ラジエータコアの外表面に付着する。ラジエータコアの外表面に付着した液滴は、気化する。液滴の気化熱によりチューブ内を通過する冷媒が冷却される。
【0027】
図２は、比較例の燃料電池システム１ｘの概略ブロック図である。比較例の燃料電池システム１ｘは、図１に示される燃料電池システム１と比較して、回収器３０と、ポンプ５０と、水供給部７０とを備えていない。そのため、比較例の燃料電池システム１ｘでは、燃料電池１０に対する電力の出力要求が増加して燃料電池１０の温度が上昇した場合に、ファン２０の回転数を増加させることにより、ラジエータ４０内の冷媒を冷却し、燃料電池１０の温度上昇を抑制している。
【0028】
図３は、ファン２０の回転数に応じて変化する消費電力および熱伝達率の説明図である。図３には、横軸にファン２０の回転数（ｒｐｍ）を取った場合の、ファン２０の消費電力（ｋＷ）の変化率と、ラジエータ４０の熱伝達率（Ｗ／（ｍ2・Ｋ））の変化率とが示されている。図３ではファン２０の消費電力が黒丸で示され、ラジエータ４０の熱伝達率が白丸で示されている。図３に示されるように、ファン２０の回転数が増加すると、ファン２０の消費電力も増加する。また、ファン２０の回転数が増加すると、ラジエータ４０の熱伝達率も増加する、すなわち、ラジエータ４０が冷媒を冷却する能力が向上する。
【0029】
燃料電池システム１ｘにおけるコンプレッサＣＰと、冷媒を循環させるポンプＰ１と、ファン２０とを合わせた補機の消費電力は、燃料電池システム１ｘの発電効率を３，４％程低下させる。そのため、発電効率に対する補機の消費電力の影響は大きい。特に、燃料電池１０への要求出力が高い高重量車両の登坂走行時などでは、ファン２０の消費電力が及ぼす影響は大きい。この影響に対して、本実施形態の燃料電池システム１では、ラジエータ４０に噴霧される液滴の気化熱の利用することにより、ファン２０の回転数の上昇を抑制して、補機の消費電力の増加を抑制する。
【0030】
図４は、ラジエータ４０に噴霧される水の流量と熱伝達率との関係の説明図である。図４には、ラジエータ４０に噴霧される噴霧液流量（ｍ3／ｓ）に応じて変化する、ラジエータ４０の外表面の気化熱による熱伝達率（Ｗ／（ｍ2・Ｋ））と、膜Ｒｅ数（膜レイノルズ数）Ｒｅ，ｆとが示されている。図４では、熱伝達率が白丸で示され、膜Ｒｅ数Ｒｅ，ｆが黒丸で示されている。膜Ｒｅ数Ｒｅ，ｆは、下記式（１）を用いて算出される。
【0031】
【数1】
Γ１：単位膜幅当たりの液流量（ｍ2／ｓ）
【0032】
上記式（１）により算出された膜Ｒｅ数Ｒｅ，ｆを用いて、Ｎｕｓｓｅｌｔ数Ｎｕは、下記式（２）のように表される。また、Ｎｕｓｓｅｌｔ数Ｎｕは、重力加速度ｇ（ｍ2／ｓ）と、熱伝導率λL（Ｗ／（ｍ・Ｋ））とを用いて、下記式（３）のようにも表すことができる。
【0033】
【数2】
【数3】
【0034】
上記式（３）により算出された熱伝達率αfが、図４で白丸により示されている。図４に示されるように、ファン２０に噴霧される液流量が増加すると、ラジエータ４０の外表面の気化熱における熱伝達率が低下する。これは、ラジエータ４０の外表面に付着する液滴によって形成される液膜が薄いほど、液膜の気化熱による冷却能力が向上することを表している。
【0035】
図５および図６は、第１実施形態の燃料電池システム１の効果の説明図である。図５には、燃料電池１０の出力電力（ｋＷ）に応じて変化する、ファン２０の回転数の変化と、補機を動かすために用いられる補機動力（ｋＷ）の変化とが示されている。すなわち、図５では、燃料電池１０を冷却する冷却能力を同じにした場合の第１実施形態と比較例とのそれぞれのファン回転数および補機動力が示されている。図５では、第１実施形態のファン回転数が白丸で示され、比較例のファン回転数が黒丸で示されている。また、第１実施形態の補機動力が白抜きの三角で示され、比較例の補機動力が黒塗りの三角で示されている。図５に示されるように、ラジエータ４０の外表面に液滴を噴霧する第１実施形態では、比較例と比較して、燃料電池１０の出力増加に伴うファン回転数および補機動力の増加が抑制されている。
【0036】
図６には、燃料電池１０の出力電力に応じて変化する、第１実施形態の液滴の噴霧量（ｋｇ／ｓ）の変化と、比較例と比較した場合の第１実施形態の電力効率の向上しろ（％）の変化とが示されている。図６では、噴霧量が黒丸で示され、向上しろが白丸で示されてる。図６に示されるように、噴霧量は燃料電池１０の出力電力の増加に伴ってほぼ比例して増加する。一方で、向上しろは、燃料電池１０の出力電力が６０ｋＷを超えたからの増加率が高くなっている。このことから、第１実施形態におけるラジエータ４０の外表面への液滴の噴霧は、燃料電池１０の出力が高いときにより高い効果を奏することがわかる。
【0037】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、回収器３０がカソードオフガス中の水を回収する。水供給部７０は、送られてきた水をラジエータ４０に向かって噴霧し、噴霧された水はラジエータ４０の外表面に付着する。本実施形態では、カソードオフガスに含まれる水がラジエータ４０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４０のチューブ内を流れる冷媒を冷却する。本実施形態では、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４０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１０を冷却するために、ファン２０の回転数の上昇を抑制できる。この結果、燃料電池システム１全体の消費電力を抑制した上で、高出力時の燃料電池１０を十分に冷却できる。
【0038】
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態と比較して水供給部７０ａの構成が異なる。第２実施形態では、ファン２０ａがいわゆるアトマイザーディスク方式によってラジエータ４０へと液滴を噴霧する。
第２実施形態では、第１実施形態と比較して水供給部７０ａの構成が異なる。第２実施形態では、ファン２０ａがいわゆるアトマイザーディスク方式によってラジエータ４０へと液滴を噴霧する。
【0039】
図７は、第２実施形態のファン２０ａおよび水供給部７０ａの概略断面図である。図７には、ファン２０ａおよび水供給部７０ａの回転軸ＯＬ１に沿った縦断面が示されている。ファン２０ａは、図７に示されるように、回転軸ＯＬ１に沿って延びて回転軸ＯＬ１回りに回転する軸部２５と、軸部２５と共に回転する回転ファン２１と、軸部２５に接続して軸部２５と共に回転軸ＯＬ１回りに回転する３つの円板状のディスク２２～２４とを備えている。なお、図７では、回転軸ＯＬ１に沿って、ファン２０ａに対して、水供給部７０ａからファン２０ａへと向かう方向（図中左方向）にラジエータ４０が配置される。すなわち、図７では、左側が下流側であり、右側が上流側である。
【0040】
軸部２５の内部には中空を有する。回転ファン２１は、中心軸ＯＬ１回りに回転して、下流側に配置されたラジエータ４０へと送風する。３つのディスク２２～２４は、回転軸ＯＬ１を中心として径方向外側へと延びている円板形状を有し、上流側から順番に回転軸ＯＬ１に沿って等間隔に配置されている。３つのディスク２２～２４は、上流側から順番に最も外径が大きい第１ディスク２２と、第１ディスク２２よりも外径が小さい第２ディスク２３と、第２ディスク２３よりもさらに外径が小さい第３ディスク２４とで構成されている。ディスク２２～２４のそれぞれの内部には、軸部２５の中空の内部に接続して径方向に沿って形成された中空部ＳＰ１～ＳＰ３が形成されている。中空部ＳＰ１～ＳＰ３は、図７に示されるように、各ディスク２２～２４の径方向外側の端部で開口している。
【0041】
水供給部７０ａは、ファン２０ａの軸部２５の中空の内部へと水を供給する。そのため、軸部２５の内部に供給された水は、各ディスク２２～２４に形成された中空部ＳＰ１～ＳＰ３に流入する。ディスク２２～２４は、軸部２５と共に回転しているため、中空部ＳＰ１～ＳＰ３に流入した水は、遠心力によって径方向外側の端部から液滴ＤＲとして噴霧される。噴霧された液滴ＤＲは、回転ファン２１の回転によって発生する風によって、ラジエータ４０の外表面へと運ばれて付着する。
【0042】
第１実施形態で説明したように、ラジエータ４０の外表面に付着する液滴ＤＲが形成する液膜は、薄いほど冷却能力が向上する。本実施形態の水供給部７０ａは、ファン２０ａの回転角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を用いて、軸部２５に供給する水の流量を制御することで、ディスク２２～２４から噴霧される水が紐状分裂域（微小滴）の形状の液滴ＤＲが噴霧される。
【0043】
ここで、流量の無次元数をΓ２は、下記式（４）のように表される。また、レイノルズ数Ｒｅは、下記式（５）のように表される。慣性力を表面張力で除した比Ｗｅ数は、下記式（６）のように表される。
ｒ：ディスク半径（ｍ）
Ｆ：流量（ｍ3／ｓ）
γL：液水の動粘度（Ｐａ・ｓ）
ρL：密度（ｋｇ／ｍ3）
σL：表面張力（Ｎ／ｍ）
【数4】
Ｆ：流量（ｍ3／ｓ）
γL：液水の動粘度（Ｐａ・ｓ）
【数5】
【数6】
σL：表面張力（Ｎ／ｍ）
【0044】
ここで、紐状分裂域よりも慣性力が大きい場合には、液滴ＤＲは、膜状分裂域の形状としてディスク２２～２４から噴霧される。また、紐状分裂域よりも表面張力が大きい場合には、液滴ＤＲは、滴状分裂域の形状として噴霧される。膜状分裂域と紐状分裂域との境界を表す無次元数Γ２は、下記式（７）のように表される。また、紐状分裂域と滴状分裂域との境界を表す無次元数Γ２は、下記式（８）のように表される。
【0045】
【数7】
【数8】
【0046】
図８は、膜状分裂域と紐状分裂域との境界ＢＤ１および紐状分裂域と滴状分裂域との境界ＢＤ２の説明図である。図８には、ファン２０ａの回転数が２５０ｒｐｍ、燃料電池１０の出力電力が４０～９０ｋＷの際の水の流量Ｆ、ディスク２２～２４の直径がφ１００（白抜きの四角），７５（白抜きの三角），５０（白丸）（ｍｍ）の場合の境界ＢＤ１，ＢＤ２がグラフ上に示されている。各ディスク２２～２４のプロットが複数存在するのは、出力電力が１０ｋＷごとに応じて複数をプロットしたためである。本実施形態では、図８の横軸の乗数ｍの値は、上記式（７）から算出された「－０．９４」である。また、縦軸の乗数ｎの値は、上記式（８）から算出された「０．２５」である。なお、図８内には、紐状分裂域（微小滴）、膜状分裂域、および滴状分裂域（粗い）のイメージ図が示されている。
【0047】
以上のように第２実施形態のファン２０ａは、回転軸ＯＬ１を中心として径方向外側へと延びている円板形状のディスク２２～２４を有している。ディスク２２～２３のそれぞれの内部には、軸部２５の中空の内部に接続して径方向に沿って形成された中空部ＳＰ１～ＳＰ３が形成されている。中空部ＳＰ１～ＳＰ３は、図７に示されるように、各ディスク２２～２４の径方向外側の端部で開口している。水供給部７０ａは、ファン２０ａの軸部２５の中空の内部へと水を供給する。本実施形態では、ファン２０ａ内部に供給された水がディスク２２～２４の遠心力を利用して、ディスク２２～２４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４０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２０ａに供給される水の流量と、ファン２０ａの回転数と、ディスク２２～２４の径との調整に応じて、ディスク２２～２４から噴霧される液滴ＤＲの状態を制御できる。液滴ＤＲの状態が制御されることにより、ラジエータ４０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ＤＲをディスク２２～２４から噴霧できる。この結果、ラジエータ４０の冷却能力をより向上させることができる。
【0048】
また、第２実施形態では、３つのディスク２２～２４は、上流側から順番に最も外径が大きい第１ディスク２２と、第１ディスク２２よりも外径が小さい第２ディスク２３と、第２ディスク２３よりもさらに外径が小さい第３ディスク２４とで構成されている。すなわち、本実施形態のファン２０ａは、外径の異なるディスク２２～２４を有している。例えば、最も上流側に配置された第１ディスク２２は、下流側に配置された第２ディスク２３および第３ディスク２４よりも大きい外径を有している。そのため、第１ディスク２２の径方向外側から噴霧される液滴ＤＲと、第２ディスク２３および第３ディスク２４の径方向外側から噴霧される液滴ＤＲとは、互いに干渉せずにラジエータ４０の外表面へと供給される。そのため、本実施形態では、ラジエータ４０の外表面のより広い範囲に液滴ＤＲ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４０の冷却能力が向上する。
【0049】
＜第３実施形態＞
図９は、第３実施形態の燃料電池システム１ｂの概略ブロック図である。第３実施形態の燃料電池システム１ｂでは、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、ファン２０ｂがラジエータ４０の下流側に配置された吸込通風型である点と、ポンプ５０ｂが昇圧した水を水供給部７０ｂに供給する昇圧ポンプとして機能する点とが異なる。そのため、第３実施形態では、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同じ構成等について説明を省略する。
図９は、第３実施形態の燃料電池システム１ｂの概略ブロック図である。第３実施形態の燃料電池システム１ｂでは、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、ファン２０ｂがラジエータ４０の下流側に配置された吸込通風型である点と、ポンプ５０ｂが昇圧した水を水供給部７０ｂに供給する昇圧ポンプとして機能する点とが異なる。そのため、第３実施形態では、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同じ構成等について説明を省略する。
【0050】
第３実施形態では、ポンプ（昇圧ポンプ）５０ｂが水供給部７０ｂに送る水を昇圧することにより、第２実施形態のアトマイザーディスク方式よりも微細（例えば、φ１～１００μｍ）な液滴ＤＲがラジエータ４０の外表面に噴霧される。本実施形態の水供給部７０ｂは、一液型ノズルである。水供給部７０ｂは、広角（１２０°）の噴霧パターンを形成する。
【0051】
ここで、ポンプ５０ｂが水を昇圧することにより、燃料電池システム１ｂの補機動力の損失は拡大する。図１０および図１１は、ポンプ５０ｂの動力損失についての説明図である。図１０には、ポンプ５０ｂから水供給部７０ｂに供給される水の吐出流量（Ｌ／ｍｉｎ）に応じた、ポンプ５０ｂが消費する動力と、ポンプ５０ｂが昇圧した水の吐出圧（ＭＰａ）とが示されている。図１０にプロットされた点は、燃料電池１０の出力電力を４０ｋＷから９０ｋＷまで１０ｋＷずつ変化させた際のプロット点である。図１０では、ポンプ５０ｂの動力が白丸で示され、吐出圧が白抜きの三角で示されている。図１０に示されるように、ポンプ５０ｂの吐出流量が増加するに伴い、比例してポンプ５０ｂの動力は増加する。一方で、ポンプ５０ｂの吐出圧は、吐出流量に依存せずにほぼ一定の２ＭＰａである。
【0052】
図１１には、燃料電池１０の出力電力に応じた、補機としての昇圧するポンプ５０ｂと、ファン２０ｂと、ポンプＰ１とのそれぞれが消費する動力の変化が示されている。図１１では、水を昇圧するポンプ５０ｂの動力が白抜きの三角で示され、ファン２０ｂの動力が白抜きの四角で示され、ポンプＰ１の動力が白丸で示されている。図１１に示されるように、いずれの補機の動力も燃料電池１０の出力電力が増加するにつれて増加する。ポンプ５０ｂとファン２０ｂとの動力を比較すると、ポンプ５０ｂの動力の増加率および増加する動力幅が小さい。すなわち、ポンプ５０ｂの動力が増加しても、それ以上にファン２０ｂの動力を減少させることができる。
【0053】
以上のように第３実施形態のポンプ５０ｂが水供給部７０ｂに送る水を昇圧する。これにより、水供給部７０ｂは、微細（例えば、φ１～１００μｍ）な液滴ＤＲをラジエータ４０の外表面に噴霧する。本実施形態では、ファン２０ｂがラジエータ４０の下流側に配置された吸込通風型であるため、ラジエータ４０通過時の圧力損失によりラジエータ４０の上流側で流れ場を一様化する。これにより、ラジエータ４０の外表面に対して、サイズの小さい液滴ＤＲが偏在することが抑制される。また、ポンプ５０ｂの圧縮によりラジエータ４０の外表面に微細な液滴ＤＲが供給されるため、液分散性が向上する。これにより、気化しなかった液滴ＤＲのラジエータからの液だれを抑制して、液利用率を向上させることができる。
【0054】
＜第４実施形態＞
図１２は、第４実施形態の燃料電池システム１ｃの概略ブロック図である。第４実施形態の燃料電池システム１ｃは、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、熱交換器８０と、貯水タンク９０と、温度センサ６５と、制御部２９とを備える点が異なる。そのため、第４実施形態では、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同じ構成や制御等についての説明を省略する。
図１２は、第４実施形態の燃料電池システム１ｃの概略ブロック図である。第４実施形態の燃料電池システム１ｃは、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、熱交換器８０と、貯水タンク９０と、温度センサ６５と、制御部２９とを備える点が異なる。そのため、第４実施形態では、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同じ構成や制御等についての説明を省略する。
【0055】
燃料電池システム１ｃが備える熱交換器８０は、図１２に示されるように、コンプレッサＣＰと燃料電池１０との間、かつ、燃料電池１０と回収器３０との間に配置されている。熱交換器８０は、コンプレッサＣＰにより圧縮された空気と、燃料電池１０のカソード側ＧＤＬ１３から排出されるカソードオフガスとの熱交換を行う。熱交換により、コンプレッサＣＰにより圧縮された空気は加熱されたカソード側ＧＤＬ１３に流入する。一方で、カソードオフガスは、冷却されて回収器３０へと供給される。なお、図１２には、熱交換器８０に流入する圧縮空気の温度の一例と、熱交換器８０から排出されるカソードオフガスの温度の一例とが示されている。回収器３０に供給されたカソードオフガスはおよそ３０℃まで冷却されて、カソードオフガス中の水を回収する。燃料電池システム１ｃが備える貯水タンク９０は、図１２に示されるように、回収器３０と、ポンプ５０との間に配置され、回収器３０が回収した水を貯蔵する。
【0056】
図１３は、熱交換器８０の効果についての説明図である。図１３には、燃料電池１０の出力電力に応じて変化する回収器３０がカソードオフガスから回収する液流量（ｋｇ／ｓ）が示されている。図１３では、回収器３０に供給されるカソードオフガスの温度が４０℃，５０℃，６０℃のそれぞれの場合に、回収器３０が凝縮する液流量がプロットされている。４０℃が白丸で示され、５０℃が白抜きの三角で示され、６０℃が白抜きの四角で示されている。図１３の各プロット点で示されるように、回収器３０に供給されるカソードオフガスの温度が低いほど、より多くの水がカソードオフガスから回収される。また、燃料電池１０の出力電力が高いほど、より多くの水がカソードオフガスから回収される。
【0057】
燃料電池システム１ｃが備える温度センサ（温度取得部）６５は、燃料電池１０から排出される冷媒の出口温度を検出する熱電対である。制御部２９は、温度センサ６５により検出された燃料電池１０の温度に応じて、ファン２０の回転数を制御する。具体的には、制御部２９は、温度センサ６５により検出された冷媒の出口温度が予め設定された閾値以上の場合にファン２０を作動させる。一方で、制御部２９は、冷媒の出口温度が閾値未満の場合にはファン２０を作動させずに停止させる。なお、水供給部７０は、ファン２０が作動している場合に水の噴霧し、ファン２０が停止している場合には水の噴霧を停止する。そのため、冷媒の出口温度が閾値未満、すなわち燃料電池１０の出力電力が高くない場合には、回収器３０により回収された水が貯水タンク９０で徐々に増加する。
【0058】
ここで、燃料電池システム１ｃを搭載し、燃料電池１０の出力電力によって駆動する車両のモード走行について考察する。図１４および図１５は、モード走行の説明図である。図１４には、横軸にモード走行時の経過時間を取った場合の、燃料電池１０の出力電力と、燃料電池１０の発熱量（ｋＷ）とのそれぞれの変化が示されている。図１４では、出力電力が黒丸で示され、発熱量が白丸で示されている。図１４に示されるモード走行では、モード走行を開始してから２５０秒（ｓｅｃ）後および１７００秒後に、出力電力および発熱量が特に上昇している。なお、図１４，１５に示される状態は、水供給部７０によりラジエータ４０に水が噴霧されていないモード走行時である。
【0059】
図１５には、横軸にモード走行時の経過時間を取った場合の、燃料電池１０の温度（℃）と、ラジエータ４０に流入する冷媒の入口温度（℃）と、ラジエータ４０から流出する冷媒の出口温度（℃）とのそれぞれの変化が示されている。図１５では、燃料電池１０の温度が白丸で示され、ラジエータ４０に流入する冷媒の入口温度が白抜きの四角で示され、ラジエータ４０から流出する冷媒の出口温度が黒塗りの四角で示されている。また、図１５では、外気温度と、燃料電池１０の温度の制御目標である目標温度（Ｔａｒｇｅｔ）が直線で示されている。図１５に示されるように、図１４で出力電力および発熱量が特に上昇しているモード走行の経過時間付近の２５０秒後および１７００秒後付近で、燃料電池１０の温度が目標温度を上回っている。
【0060】
図１６から図１８までの各図は、第４実施形態の燃料電池システム１ｃの効果の説明図である。図１６には、モード走行時の車両に対して第４実施形態の制御部２９によるファン２０の回転制御を行った場合のファン出力と、ファン２０の累積消費エネルギー（ｋＪ）との時系列変化が示されている。図１６では、ファン２０の出力が実線で示され、ファンの累積消費エネルギーが破線で示されている。図１６に示される例では、１サイクルのモード走行時のファン２０の累積消費エネルギーは、７．４ｋＪ／ｃｙｃであった。なお、図１６，１７に示される例では、ファン２０の回転時の回転数が２５０ｒｐｍと一定に制御され、貯水タンク９０における初期の水貯蔵量が１ｋｇであり、回収器３０によりカソードオフガスから回収される水の温度が４０℃である。制御部２９は、燃料電池１０の発熱量が１０ｋＷ以上の場合に、ファン２０を作動させ、水供給部７０がラジエータ４０の外表面に水を噴霧する。
【0061】
図１７には、モード走行時の貯水タンク９０内の水貯蔵量（ｋｇ）の時系列変化と、ファン２０に噴霧された水噴霧量（ｋｇ／ｓ）との時系列変化とが示されている。図１７では、水貯蔵量が破線で示され、水噴霧量が実線で示されている。図１７に示される水貯蔵量が常にゼロよりも多いため、ファン２０の作動時には必ず水供給部７０から水がラジエータ４０の外表面に噴霧されている。一方で、モード走行開始から３００秒後付近の水貯蔵量は、初期の水貯蔵量の１ｋｇよりも減っているため、水を貯蔵する貯水タンク９０が存在しない場合には、水供給部７０から水を噴霧できない状態が発生することがわかる。
【0062】
図１８には、水供給部７０による水の噴霧を行わない比較例の燃料電池システムを搭載した車両の走行時の、ファン出力と、ファン２０の累積消費エネルギーとの時系列変化が示されている。制御部２９は、図１６に示されるモード走行時と同じように、燃料電池１０の発熱量が１０ｋＷ以上の場合に、ファン２０を作動させる。図１８に示される比較例では、ラジエータ４０に水を噴霧しない代わりに、ファン２０の回転数を上昇させることでラジエータ４０内の冷媒を冷却する。図１８に示されるように、図１６に示される本実施形態と異なり、モード走行開始から３００秒後付近および１７００秒後付近で、ファン２０の回転数は２５０ｒｐｍよりも大きく上昇している。その結果、ファン２０の累積消費エネルギーも増加し、１サイクルのモード走行時のファン２０の累積消費エネルギーは、４６．５ｋＪ／ｃｙｃであった。すなわち、第４実施形態の燃料電池システム１ｃは、比較例の燃料電池システムと比較し、より少ないエネルギー消費で冷媒を冷却できることがわかる。なお、図１８のファン２０の累積消費エネルギーを表す縦軸のスケールは、図１６のスケールよりも大きく表されている。
【0063】
以上のように、第４実施形態の熱交換器８０は、コンプレッサＣＰにより圧縮された空気と、燃料電池１０のカソード側ＧＤＬ１３から排出されるカソードオフガスとの熱交換を行う。本実施形態では、カソード側ＧＤＬ１３に流入する空気の温度は、カソードオフガスの温度よりも低い。カソードオフガスがカソード側ＧＤＬ１３に流入する空気により冷却されることで、カソードオフガスからの回収水量を増加させることができる。
【0064】
また、第４実施形態の制御部２９は、温度センサ６５により検出された燃料電池１０から排出される冷媒の出口温度が予め設定された閾値以上の場合にファン２０を作動させる。本実施形態では、燃料電池１０から排出される冷媒の温度が閾値以上、すなわち、燃料電池１０の高出力時に、ラジエータ４０により冷媒の冷却能力が必要な時にファン２０が作動する。一方で、燃料電池１０の出力が高くない場合には、ファン２０が作動せずに、カソードオフガスから回収された水は、ラジエータ４０の外表面に供給されない。これにより、燃料電池１０の冷却が必要な場合にのみ、ファン２０が作動し、貯水タンク９０に貯蔵された水が使用される。この結果、燃料電池１０が高出力の際に、水を間欠させずにラジエータ４０に供給できる。
【0065】
＜第５実施形態＞
図１９は、第５実施形態の燃料電池システム１ｄの概略ブロック図である。第５実施形態の燃料電池システム１ｄは、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、第４実施形態の熱交換器８０と、フッ素処理部９５とを備える点が異なる。そのため、第５実施形態では、第１実施形態と異なる点のうち、フッ素処理部９５について説明し、第１実施形態と同じ構成等および熱交換器８０についての説明を省略する。
図１９は、第５実施形態の燃料電池システム１ｄの概略ブロック図である。第５実施形態の燃料電池システム１ｄは、第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、第４実施形態の熱交換器８０と、フッ素処理部９５とを備える点が異なる。そのため、第５実施形態では、第１実施形態と異なる点のうち、フッ素処理部９５について説明し、第１実施形態と同じ構成等および熱交換器８０についての説明を省略する。
【0066】
燃料電池システム１ｄが備えるフッ素処理部９５は、図１９に示されるように、回収器３０と、ポンプ５０との間に配置されている。フッ素処理部９５には回収器３０から水が供給される。また、本実施形態のフッ素処理部９５には、凝集剤としての消石灰（Ｃａ（ＯＨ）2）が供給される。カソードオフガス中の水には、燃料電池１０のＭＥＡ１１の電解質膜に含まれるフッ素化合物からフッ素イオンが微量に含まれる場合がある。回収器３０により回収された水分中のフッ素イオン濃度が一定以上に達すると、水が噴霧されたラジエータ４０を腐食されるおそれがある。そのため、本実施形態では、フッ素イオンを難溶性のフッ化カルシウム（ＣａＦ2）として凝縮沈殿させる消石灰がフッ素処理部９５に供給される。フッ素処理部９５内で沈殿したフッ化カルシウムは、分離および除去される。また、フッ化カルシウムがフッ素処理部９５から分離・除去されることにより、難溶性のフッ化カルシウムが水供給部７０に供給されて、噴霧するスプレーの目を詰まらせることを抑制できる。
【0067】
＜実施形態の変形例＞
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
【0068】
上記第１実施形態ないし第５実施形態では、燃料電池システムの一例について説明した。しかし、燃料電池システムは、燃料電池１０と、ラジエータ４０と、ファン２０と、カソードオフガス中の水を回収する回収器３０と、ラジエータ４０の外表面に水を噴霧する水供給部７０とを備える範囲で変形可能である。第１実施形態のファン２０は、ラジエータ４０の下流側に配置された、いわゆる吸込通風型であってもよい。上記実施形態では、燃料電池システム１が車両に搭載される例について説明したが、燃料電池システム１の使用については、周知技術の範囲で適用可能である。
【0069】
第２実施形態のファン２０ａが備えるディスクの数は、３つ未満であってもよいし、４つ以上であってもよい。また、上流側に位置するディスク２２の直径が、下流側に位置するディスク２３，２４の直径よりも小さくてもよいし、同じであってもよい。また、第２実施形態のファン２０ａと、ディスク２２～２４を備える回転体とが別体であってもよい。この場合には、ファン２０ａがラジエータ４０の下流側に配置された吸込通風型であり、ディスク２２～２４を備える回転体がラジエータ４０の上流側に配置されてもよい。また、ファンは、ラジエータ４０の上流側と下流側とのいずれにも配置されてもよい。
【0070】
第２実施形態の燃料電池システムは、第４実施形態が備えた制御部２９を備えてもよい。この場合に、制御部２９は、ディスク２２～２４のディスク半径ｒを用いて、上記式（４）～（８）を算出することにより、ファン２０ａの回転角速度ωと、水供給部７０が供給する水の流量Ｆとを制御することにより、ラジエータ４０の外表面に噴霧される液滴ＤＲの形状が紐状分裂域になるように制御してもよい。この変形例では、液滴ＤＲが気化しやすい液膜をラジエータ４０のチューブおよびフィンの表面に形成するため、ラジエータ４０が冷媒を冷却する能力が向上する。
【0071】
上記第４実施形態では、制御部２９は、燃料電池１０から排出される冷媒の出口温度に応じてファン２０の回転数を制御したが、制御の元となる温度は、冷媒の出口温度以外であってもよい。例えば、制御部２９は、ラジエータ４０により冷却された後の冷媒の温度に応じてファン２０を制御してもよいし、燃料電池１０の温度に応じてファン２０を制御してもよい。また、制御部２９は、ファン２０の回転数の制御を一定回数のオン／オフではなく、温度に応じて回転数の増減を制御してもよい。
【0072】
上記第５実施形態のフッ素処理部９５は、回収器３０から供給される水に含まれるフッ化イオンを除去する範囲で変形可能である。例えば、フッ素処理部９５に供給される化合物は、カルシウム塩であればよく、例えば、塩化カルシウムであってもよい。
【0073】
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
【0074】
本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例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。
［適用例２］
適用例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。
［適用例３］
適用例１または適用例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。
［適用例４］
適用例１から適用例３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、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。
［適用例５］
適用例１から適用例４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。
［適用例６］
適用例１から適用例５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。
［適用例７］
適用例１から適用例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。
［適用例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。
［適用例２］
適用例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。
［適用例３］
適用例１または適用例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。
［適用例４］
適用例１から適用例３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、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。
［適用例５］
適用例１から適用例４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。
［適用例６］
適用例１から適用例５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。
［適用例７］
適用例１から適用例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。
【符号の説明】
【0075】
１，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｘ…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…ＭＥＡ
１２…アノード側ＧＤＬ
１３…カソード側ＧＤＬ
１４，１５…セパレータ
１４ｆ，１５ｆ…冷却流路
２０，２０ａ，２０ｂ…ファン
２１…回転ファン
２２…第１ディスク
２３…第２ディスク
２４…第３ディスク
２５…軸部
２９…制御部
３０…回収器
４０…ラジエータ
５０…ポンプ
５０ｂ…ポンプ（昇圧ポンプ）
６０…循環流路
６５…温度センサ（温度取得部）
７０，７０ａ，７０ｂ…水供給部
８０…熱交換器
９０…貯水タンク
９５…フッ素処理部
ＣＣ…水素循環器
ＣＰ…コンプレッサ
ＤＲ…液滴
ＯＬ１…ファンの回転軸
Ｐ１…ポンプ
ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３…中空部
ＴＫ…水素タンク
１０…燃料電池
１１…ＭＥＡ
１２…アノード側ＧＤＬ
１３…カソード側ＧＤＬ
１４，１５…セパレータ
１４ｆ，１５ｆ…冷却流路
２０，２０ａ，２０ｂ…ファン
２１…回転ファン
２２…第１ディスク
２３…第２ディスク
２４…第３ディスク
２５…軸部
２９…制御部
３０…回収器
４０…ラジエータ
５０…ポンプ
５０ｂ…ポンプ（昇圧ポンプ）
６０…循環流路
６５…温度センサ（温度取得部）
７０，７０ａ，７０ｂ…水供給部
８０…熱交換器
９０…貯水タンク
９５…フッ素処理部
ＣＣ…水素循環器
ＣＰ…コンプレッサ
ＤＲ…液滴
ＯＬ１…ファンの回転軸
Ｐ１…ポンプ
ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３…中空部
ＴＫ…水素タンク
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】