JP2009283321A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の大型化を抑制しつつ低温時における排出弁の凍結の不具合を解消することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０から排出された燃料オフガスを燃料電池１０から排出された酸化オフガスに希釈させて外部に排出させる希釈器２１と、燃料電池１０と希釈器２１との間を接続する燃料オフガス流路３２と、燃料オフガス流路３２に設けられて開動作時に燃料オフガス流路３２を流通する燃料オフガスを外部へと排出するための排出弁３７と、を備えた燃料電池システム１であって、排出弁３７が希釈器２１に一体に取り付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池システムには、燃料ガスである水素ガスの循環系ラインの温度が低温となることによる凍結を抑制すべく、加熱装置によって暖めた水を流すことが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−２９４１８６号公報
燃料電池システムでは、特に、燃料電池からのオフガスから回収した水分と、不純物を含むオフガスを外部に排出するために設けられた排気排水弁への伝熱量が不足しやすい。その主たる理由は、排気排水弁は必要に応じて開弁するものであるため、電磁駆動式の開閉弁が採用される場合が多く、開弁時にしかオフガスおよびソレノイドからの受熱ないからである。このため、上記のような温水を循環させる凍結防止運転が必要であるが、循環システムを設けるために装置の大型化を招いてしまうという問題があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を抑制しつつ低温時における凍結の不具合を解消することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池から排出された酸化オフガスに混合希釈させて外部に排出させる希釈器と、前記燃料電池と前記希釈器との間を接続する燃料オフガス流路と、前記燃料オフガス流路に設けられて開動作時に当該燃料オフガス流路を流通する燃料オフガスを外部へと排出するための排出弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記排出弁が前記希釈器に一体に取り付けられている。
燃料電池から排出される酸化オフガスは当該燃料電池の発電に伴う熱（以下、発電熱）を保有しているため、運転中は常時酸化オフガスが送り込まれる希釈器も当該酸化オフガスによって加温されている。したがって、上記の構成によれば、希釈器からの受熱によって排出弁を温めることができ、しかも、排出弁からの放熱を極力抑えることができる。
したがって、別個の保温システムを備えた場合と比較し、装置の大型化を抑制しつつ低温時における排出弁の凍結を解消することができる。
前記燃料電池システムにおいて、前記希釈器の内部出口側に、当該希釈器の内側に突出してその突出端側が当該希釈器内のガスが導入される出口側ガス導入口とされると共に他端側が前記出口側ガス導入口から導入されたオフガスを当該希釈器外へと導く出口側ガス導出口とされる排出案内部を有し、前記排出案内部を形成する壁部の一部と前記排出弁が取り付けられる壁部の一部とが一体化あるいは接続されていても良い。
かかる構成によれば、希釈器内の排出案内部と排出弁との距離を極力短くすることができるので、燃料電池の発電熱を保有するオフガスが流通する排出案内部から、より多くの熱を排出弁に伝達させることができる。
前記燃料電池システムにおいて、前記排出案内部の内壁と前記排出弁との間に前記壁部よりも熱伝導率の高い熱伝導部材が介在されていても良い。
かかる構成によれば、排出弁への熱の伝達を熱伝導率の高い熱伝導部材によってさらに良好に伝達させることができる。
本発明によれば、装置の大型化を抑制しつつ低温時における排出弁凍結の不具合を解消することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。
まず、図１を用いて、燃料電池１０を用いた発電システムである燃料電池システム１の構成について説明する。
燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、燃料電池１０を冷却する冷却系４等を備えている。
酸化ガス配管系２は、図示略の加湿器により加湿された空気を燃料電池１０に供給する空気供給流路２０と、燃料電池１０から排出された空気のオフガスを希釈器２１に導く空気排出流路２２と、希釈器２１から当該燃料電池システム１の外部に空気のオフガスを導くための排気流路２３とを備えている。空気供給流路２０には、空気を燃料電池１０に圧送するエアコンプレッサ２４と、空気供給流路２０を開閉する入口弁２５とが設けられている。空気排出流路２２には空気圧を調整するエア調圧弁２６と、空気排出流路２２を開閉する出口弁２７とが設けられている。
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源である水素タンク（燃料ガス供給源）３０から水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素ガスのオフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路（燃料オフガス流路）３２とを備えている。
水素供給流路３１には、循環流路３２の合流位置よりも上流側に水素タンク３０からの水素ガスの供給を制御するインジェクタ３５が設けられている。インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。
循環流路３２には、気液分離器３６および排気排水弁（排出弁）３７を介して、排出流路（燃料オフガス流路）３８が接続されている。気液分離器３６は、水素ガスのオフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素ガスのオフガスとを外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、燃料電池１０から排出された循環流路３２内の水素ガスのオフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出して燃料電池１０に戻す水素ポンプ（循環ポンプ）３９が設けられている。なお、排気排水弁３７および排出流路３８を介して排出される水素ガスのオフガスは、希釈器２１によって空気排出流路２２の空気のオフガスと合流して希釈されるようになっている。
上記した燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０からインジェクタ３５で制御されて水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、エアコンプレッサ２４の駆動により空気が空気供給流路２０を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。そして、水素ガスの燃料電池１０から排出されたオフガスが、水素ポンプ３９の駆動により、気液分離器３６で水分が除去されてから水素供給流路３１に導入され、水素タンク３０側の水素ガスと適宜混合されて再び燃料電池１０に供給される。
また、適宜のタイミングで排気排水弁３７が開弁させられると、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素ガスのオフガスとが希釈器２１に導入される。すると、希釈器２１では、水分と水素ガスのオフガスを、燃料電池１０から空気排出流路２２を介して排出された空気のオフガスを混合することで希釈した後、排気流路２３を介して当該燃料電池システム１の外部に排気する。
冷却系４は、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却流路４０を有している。冷却流路４０には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ４１、および冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ４２が設けられている。
希釈器２１は、例えば樹脂から内部に空間を有するように成形されたもので、図２に示すように、希釈器２１の内部出口側には、当該希釈器２１外の排気流路２３に接続される排気路５１が形成されている。この排気路５１は、希釈器２１の内側に突出してその突出端側が当該希釈器２１内のガスが導入される出口側ガス導入口とされると共に他端側が前記出口側ガス導入口から導入されたオフガスを当該希釈器２１の外へと導く出口側ガス導出口とされる例えば管状の排出案内部５０によって画成されている。そして、希釈器２１では、排気路５１を介して排気流路２３へ水素ガスのオフガスを希釈した空気のオフガスが送り出される。
また、この希釈器２１における排気路５１の近傍には、取付口５２が形成されており、この取付口５２には、排気排水弁３７の取付部３７ａが差し込まれて取り付けられている。つまり、本実施形態では、排気排水弁３７が希釈器２１に一体に取り付けられた構造とされ、排気路５１を形成する排出案内部５０の壁部５１ａのうち排気排水弁３７の取付部３７ａが差し込まれる側の壁部５１ａと、取付口５２を形成する壁部５２ａのうち排気路５１側の壁部５２ａとが一体化した構成とされている。なお、これら壁部５１aと壁部５２ａとが別々（別体）に構成されている場合には、これら壁部５１ａ，５２ａが互いに当接した状態で接続される。
また、希釈器２１は、取付口５２を囲うように設けられた熱伝導部材５３を有している。この熱伝導部材５３は、例えば熱伝導性に優れたアルミニウムなどの金属材料から形成され、例えば図３に示すように、円筒状に形成されていてもよい。また、同図に示すように、熱伝導部材５３は、その一部が軸方向に長くされた熱伝導部５３ａを有し、この熱伝導部５３ａが、排気路５１側に配置されていてもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０から排出される空気オフガスは当該燃料電池１０の発電に伴う発電熱を保有しているため、運転中は常時空気オフガスが送り込まれる希釈器２１も当該空気オフガスによって加温されている。そして、排気排水弁３７が希釈器２１に一体に取り付けられているので、希釈器２１からの受熱によって排気排水弁３７を温めることができ、しかも、排気排水弁３７からの放熱を極力抑えることができる。
したがって、別個の保温システムを備えた場合と比較し、装置の大型化を抑制しつつ低温時における排気排水弁３７の凍結を解消することができる。
特に、希釈器２１の排気路５１を形成する排出案内部５０の壁部５１ａと取付口５２を形成する壁部５２ａとが一体化された構造であるので、排気路５１と排気排水弁３７との距離を極力短くすることができ、燃料電池１０の発電熱を保有するオフガスが流通する排気路５１から、より多くの熱を排気排水弁３７に伝達させることができる。
また、排気路５１の内壁と排気排水弁３７との間に少なくとも排出案内部５０の壁部５１ａ及びこれと一体をなす取付口５２の壁部５２ａよりも熱伝導率の高い熱伝導部材５３を介在させた構造であるため、排気排水弁３７への熱の伝達を熱伝導部材５３によってさらに良好に伝達させることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 希釈器の構造を説明する希釈器の一部の断面図である。 希釈器に設けられた熱伝導部材を示す斜視図である。
符号の説明
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２１…希釈器、３２…循環流路（燃料オフガス流路）、３８…排出流路（燃料オフガス流路）、３７…排気排水弁（排出弁）、５０…排出案内部、５１…排気路、５１ａ，５２ａ…壁部、５３…熱伝導部材。

Claims (3)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池から排出された酸化オフガスに希釈させて外部に排出させる希釈器と、前記燃料電池と前記希釈器との間を接続する燃料オフガス流路と、前記燃料オフガス流路に設けられて開動作時に当該燃料オフガス流路を流通する燃料オフガスを外部へと排出するための排出弁と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記排出弁が前記希釈器に一体に取り付けられている燃料電池システム。
  2. 前記希釈器の内部出口側に、当該希釈器の内側に突出してその突出端側が当該希釈器内のガスが導入される出口側ガス導入口とされると共に他端側が前記出口側ガス導入口から導入されたオフガスを当該希釈器外へと導く出口側ガス導出口とされる排出案内部を有し、前記排出案内部を形成する壁部の一部と前記排出弁が取り付けられる壁部の一部とが一体化あるいは接続されている請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記排出案内部の内壁と前記排出弁との間に前記壁部よりも熱伝導率の高い熱伝導部材が介在されている請求項２に記載の燃料電池システム。
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