JP2020068139A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、水分残留を回避しつつ、気液分離器から酸化ガス排出管に分離済み水分を直接流し込む。【解決手段】燃料電池から排出される酸化ガスを外部に導くオフガス排出管は、オフガス排出管の側方側に設置された気液分離器２８０の側に向けて分岐して延びる分岐配管４１１ｄを有する。気液分離器で気液分離された分離液水をオフガス排出管に排出する液水排出管４３０は、液水排出管の管路末端４３１を分岐配管の管路内に挿入した状態で分岐配管と接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、ガス中の全ての水素が燃料電池での発電反応に消費されるわけではなく、未使用の水素が燃料電池から排出される。よって、未使用水素の消費を図るべく、水素オフガスを水素ポンプにより水素ガスの供給流路に還流させる構成が知られている。水素オフガスには、発電反応により生成した生成水が混じるので、気液分離器にて分離した水素オフガスを還流させ、分離した水分は還流ガス系外に排出されている。気液分離器で分離した水分が排出管路に残留すると、低温環境下でのシステム停止時において、残留水分の凍結が起き得る。特許文献１では、気液分離器からの水分の排出弁部分を、燃料電池からの酸化ガス排出管の管路内に組み込むことが提案されている。

特開２０１８−４１５３９号公報

燃料電池からの酸化ガス排出管を流れるガスは、燃料電池から排出される酸化ガスであり、燃料電池の始動当初から昇温済みである。よって、特許文献１で提案された手法では、気液分離器で分離した水分が凍結しても、その凍結水を速やかに解凍できる。しかしながら、気液分離器からの排出弁部分を酸化ガス排出管の管路内に組み込む都合上、酸化ガス排出管の圧力損失を招きかねない。こうした圧力損失を解消するには、気液分離器から酸化ガス排出管に分離済み水分を直接流し込めばよいが、酸化ガス排出管に至る以前に水分が残留したりすると、その水分の凍結が起き得る。こうしたことから、水分残留を回避しつつ、気液分離器から酸化ガス排出管に分離済み水分を直接流し込むことが可能な分離液水の排水手法が要請されるに至った。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（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、燃料ガスと酸素含有の酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出される前記酸化ガスを前記燃料電池から外部に導くオフガス排出管と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給流路に、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、該燃料ガス循環流路に配設され、前記燃料ガス循環流路を通過する前記燃料ガスに含まれる水分を前記燃料ガスから気液分離し、分離液水を貯留する気液分離器と、該気液分離器が貯留した前記分離液水を、流路を開閉する排出弁により前記オフガス排出管に排出する液水排出管とを備え、前記オフガス排出管は、前記オフガス排出管の側方側に設置された前記気液分離器の側に向けて分岐して延びる分岐配管を有し、前記液水排出管は、前記液水排出管の管路末端を前記分岐配管の管路内に挿入した状態で前記分岐配管と接続されている。この形態の燃料電池システムによれば、気液分離器が貯留した分離液水を、オフガス排出管から分岐して延びる分岐配管に、液水排出管を介して直接流し込むことができる。しかも、液水排出管は、管路末端が分岐配管の管路内に挿入されていることから、液水排出管の管路末端では、分離液水の通過管路径が液水排出管の管路径からこの管路径より大きい分岐配管の管路径に拡張する。よって、液水排出管の管路末端から流れ出た液水は、液水排出管の管路末端で留まることなく分岐配管の管路を通過してオフガス排出管に流れ込む。これらの結果、この形態の燃料電池システムによれば、分離液水がオフガス排出管に至るまでの管路における分離液水の残留を回避しつつ、気液分離器からオフガス排出管に分離液水を直接流し込むことができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した車両や、定置式の発電装置等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 図１における気液分離器の配設領域を３次元的に概略視して部材位置関係を示す説明図である。 気液分離器からオフガス排出管に掛けての管路構成の概略を断面視して示す説明図である。

図１は燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給回路２００と、エア供給回路３００と、排ガス回路４００と、冷却回路５００と、を備える。

燃料電池１００は、燃料ガスと酸素含有の酸化ガスの供給を受けて発電し、発電電力を、図示しない負荷、例えば燃料電池搭載車両の駆動モータ等に出力する。

燃料ガス供給回路２００は、燃料ガスタンク２１０と、燃料ガス供給流路２２０と、燃料ガス排気流路２３０と、燃料ガス循環流路２４０と、メインバルブ２５０と、レギュレーター２６０と、インジェクタ２７０と、気液分離器２８０と、還流ポンプ２９０と、を備える。燃料ガスタンク２１０は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素ガスを用いている。

燃料ガス供給流路２２０は、燃料ガスタンク２１０から燃料電池１００に掛けて配設され、燃料ガスを燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給流路２２０上には、燃料ガスタンク２１０側から、メインバルブ２５０と、レギュレーター２６０と、インジェクタ２７０が設けられている。メインバルブ２５０は、燃料ガスタンク２１０からの燃料ガスの供給をオン・オフする。レギュレーター２６０は、燃料ガスの圧力を所定の圧力に減圧してインジェクタ２７０に供給する。インジェクタ２７０は、燃料ガスの圧力と量とを調整して燃料電池１００を噴射する噴射装置である。本実施形態では、３つのインジェクタ２７０が並列に配置されている。なお、インジェクタ２７０の数は３に限定されず、１つのインジェクタあるいは２以上の複数のインジェクタを備える構成であってもよい。本実施形態のように複数のインジェクタ２７０を備えると、燃料電池１００に要求される発電量に応じて燃料電池１００に噴射される燃料ガスの量を調整し易くできる。

燃料ガス排気流路２３０は、燃料電池１００からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス循環流路２４０は、燃料ガス排気流路２３０から燃料ガス供給流路２２０に掛けて配設され、燃料電池１００から排出される燃料排ガスを燃料ガス供給流路２２０に循環させる。燃料ガス循環流路２４０には、気液分離器２８０が配設されている。燃料排ガスには、反応で消費されなかった燃料ガス及び燃料電池１００を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器２８０は、燃料ガス循環流路２４０を通過する燃料排ガスに含まれる水分と、ガス（燃料ガスと燃料電池１００を通って移動してきた窒素などの不純物）に気液分離し、分離液水を貯留する。燃料ガス循環流路２４０には、還流ポンプ２９０が設けられている。気液分離器２８０で分離された未消費の燃料ガスを含むガスは、還流ポンプ２９０によって燃料ガス供給流路２２０に循環され、再利用される。なお、気液分離器２８０で分離された分離液水については、後述する。

エア供給回路３００は、エアクリーナ３１０と、エア供給流路３２０と、エアコンプレッサ３３０と、インタクーラ３４０と、スタック入口バルブ３５０と、大気圧センサ３７５と、外気温センサ３８０と、エアフローメータ３８５と、供給ガス温度センサ３９０と、供給ガス圧力センサ３９５と、を備える。本実施形態の燃料電池１００は、酸素含有の酸化ガスとして、空気を用いる。

エアクリーナ３１０は、空気を取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアクリーナ３１０と、燃料電池１００とは、エア供給流路３２０で接続されている。エア供給流路３２０上には、エアクリーナ３１０側から、エアコンプレッサ３３０、インタクーラ３４０、スタック入口バルブ３５０、がこの順で設けられている。エアコンプレッサ３３０は、空気を圧縮し、エア供給流路３２０を通して空気を燃料電池１００に送る。一般に気体は、圧縮されると、温度が上昇する。これは、気体を圧縮するときには、気体の圧力に対抗して圧縮するため、気体に仕事が加えられるからである。

インタクーラ３４０は、エアコンプレッサ３３０によって圧縮されて温度が上昇した空気の温度を燃料電池１００の温度とほぼ同じになるように熱交換を行う。すなわち、インタクーラ３４０には、燃料電池１００から排出された冷媒が分流されて供給されており、この冷媒の温度は、燃料電池１００の温度とほぼ等しくなっている。したがって、圧縮された空気の温度は、燃料電池１００の温度とほぼ等しくなる。なお、燃料電池１００から排出される排ガスの温度も、燃料電池１００の温度とほぼ等しい。スタック入口バルブ３５０は、空気の燃料電池１００への供給をオン・オフするためのバルブである。大気圧センサ３７５は、大気圧を測定する。外気温センサ３８０は、取り込む前の空気の温度を取得する。エアフローメータ３８５は、取り込んだ空気の流量を測定する。供給ガス温度センサ３９０は、燃料電池１００に供給される空気の温度を測定し、供給ガス圧力センサ３９５は、燃料電池１００に供給される空気の圧力を測定する。

排ガス回路４００は、オフガス排出管４１０と、調圧バルブ４２０と、液水排出管４３０と、排出弁４４０と、酸化ガスのバイパス流路４５０と、サイレンサー４７０とを備える。オフガス排出管４１０は、燃料電池１００に接続されるオフガス上流側排出管４１１と、その下流側のオフガス下流側排出管４１２とから構成され、燃料電池１００から排出される空気（酸化ガス）を燃料電池１００から外部に導いて排出する。オフガス上流側排出管４１１は、管路上下端で他の固定機器への固定が想定されるフレキシブルホース形態であり、耐熱性のエチレン−プロピレン系ゴム等を用いて成形される。オフガス下流側排出管４１２は、他の部材と適宜箇所で固定され、排出管自体で管路軌跡を維持できるパイプ形態であり、耐熱性の樹脂を用いて成形される。オフガス排出管４１０には、調圧バルブ４２０が設けられている。図１において、調圧バルブ４２０は、オフガス上流側排出管４１１の管路途中に示されているが、オフガス上流側排出管４１１がその上流端で固定される後述のマニホールド治具に設けられている。調圧バルブ４２０は、燃料電池１００中の空気の圧力を調整する。

液水排出管４３０は、気液分離器２８０と、オフガス排出管４１０とを接続している。液水排出管４３０は、排出弁４４０と接続されている。本実施形態では、排出弁４４０と液水排出管４３０を気液分離器２８０に一体化させた後述の気液分離ユニット２８０Ｙとして構成している。排出弁４４０は、図示しない制御部の制御を受けて液水排出管４３０の管路を開閉し、排出弁４４０による管路開放により、気液分離器２８０が貯留した分離液水を液水排出管４３０を経てオフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１に排出する。この分離液水排出後においても排出弁４４０が管路を開放している状態では、燃料電池１００から排出された燃料排ガスは、液水排出管４３０を経てオフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１に排出される。上記した排出弁４４０の管路開放は、燃料排ガス中の窒素濃度が高くなる、あるいは、気液分離器２８０中の水の量が多くなったときには、実行される。

バイパス流路４５０は、エア供給流路３２０と、オフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１とを連通している。バイパス流路４５０には、バイパス流路調整弁４５５が設けられている。バイパス流路４５０は、燃料電池１００を経由せずに空気をオフガス排出管４１０にバイパスさせるための流路である。バイパス流路調整弁４５５は、その開閉や、弁の開度を調整することにより、バイパス流路４５０に流す空気であるバイパスエアの流量を調節する。オフガス排出管４１０のオフガス下流側排出管４１２に設けられたサイレンサー４７０は、オフガス排出管４１０を通過する排ガスの排気音を低減させる。

冷却回路５００は、冷媒供給流路５１０と、冷媒排出流路５１５と、ラジエータ流路５２０と、ウォーターポンプ５２５と、ラジエータ５３０と、冷媒バイパス流路５４０と、三方バルブ５４５と、を備える。冷媒供給流路５１０は、燃料電池１００に冷媒を供給するための流路であり、冷媒供給流路５１０にはウォーターポンプ５２５が配置されている。冷媒排出流路５１５は、燃料電池１００から冷媒を排出するための流路である。冷媒排出流路５１５には、温度センサ５５０が設けられており、燃料電池１００から排出される冷媒の温度を測定する。温度センサ５５０で測定される温度は、燃料電池１００の内部の温度とほぼ等しく、燃料電池１００から排出される排ガスの温度とも、ほぼ等しい。冷媒排出流路５１５の下流部は、三方バルブ５４５を介して、ラジエータ流路５２０と、冷媒バイパス流路５４０と、に接続されている。ラジエータ流路５２０には、ラジエータ５３０が設けられている。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。ラジエータ流路５２０の下流部と、冷媒バイパス流路５４０の下流部とは、冷媒供給流路５１０に接続されている。冷媒供給流路５１０と、冷媒排出流路５１５とは、インタクーラ３４０に接続されている。

図２は図１における気液分離器２８０の配設領域２８０Ｅを３次元的に概略視して部材位置関係を示す説明図である。図３は気液分離器２８０からオフガス排出管４１０に掛けての管路構成の概略を断面視して示す説明図である。なお、図２においては、オフガス上流側排出管４１１と気液分離ユニット２８０Ｙの位置関係を示すことを主眼とし、個々の機器の外形については概略的な図示に留めた。また、図３では、気液分離器２８０からオフガス上流側排出管４１１に至る管路構成を示すことを主眼とし、気液分離器２８０の構成については概略的図示に留めた。

図２に示すように、オフガス上流側排出管４１１は、管路上下端に拡径した管接続体４１１ａ、４１１ｂを備え、管路のほぼ中間にバイパス流路接続体４１１ｃを備え、バイパス流路接続体４１１ｃより流路下流側に分岐配管４１１ｄを備える。管接続体４１１ａには、燃料電池１００の側の固定機器である空気のオフガス排出マニホールド１０２が挿入され、管接続体４１１ｂには、固定機器であるオフガス下流側排出管４１２（図１参照）が挿入される。この状態において、オフガス上流側排出管４１１は、図示しない管結束バンドにより、液密・気密に管路上下端でオフガス排出マニホールド１０２とオフガス下流側排出管４１２に固定される。オフガス上流側排出管４１１は、既述したようにゴム製のフレキシブルホースであることから、管路上下端の管接続体４１１ａ，４１１ｂの固定対象であるオフガス排出マニホールド１０２とオフガス下流側排出管４１２に至る間において、支障なく組み込み装着される。

バイパス流路接続体４１１ｃには、バイパス流路４５０が挿入され、オフガス上流側排出管４１１は、図示しない管結束バンドにより、液密・気密にバイパス流路４５０に接続される。この他、オフガス上流側排出管４１１は、上記した接続体に加え、管接続体４１１ｂの側の管路域と、分岐配管４１１ｄが分岐した管路域に、管路補強用のリブ４１１ｅを備える。分岐配管４１１ｄについては、気液分離器２８０の構成と共に後述する。

気液分離ユニット２８０Ｙは、図示しない固定治具により燃料電池１００に固定され、気液分離器２８０は、図２に示すようにオフガス上流側排出管４１１の側方側に配置される。気液分離器２８０は、図３に示すように、燃料ガス排気流路２３０および燃料ガス循環流路２４０が接続された貯留槽２８１の下端側に、液水排出流路２８２を備え、この流路に排出弁４４０を有する。液水排出管４３０は、気液分離器２８０の液水排出流路２８２と連続するようにして、気液分離器２８０の筐体に固定されている。こうして気液分離器２８０に固定された液水排出管４３０は、オフガス上流側排出管４１１の側方側からこのオフガス上流側排出管４１１に向けて伸びる。

オフガス上流側排出管４１１から分岐した分岐配管４１１ｄは、側方側に設置された気液分離器２８０の側、詳しくは液水排出管４３０の側に向けて分岐して延びる。この分岐配管４１１ｄには、液水排出管４３０のテーパー状の管路末端４３１が、分岐配管４１１ｄの管路内壁と液水排出管４３０の外壁の一方、或いは両者に潤滑系の固形油等の助剤が塗布された状態で、分岐配管４１１ｄの管路内に挿入される。そして、液水排出管４３０は、管路末端４３１が分岐配管４１１ｄの分岐箇所近傍まで挿入された状態で分岐配管４１１ｄに接続されている。液水排出管４３０の接続後、分岐配管４１１ｄは、図示しない管結束バンドにより、液密・気密に液水排出管４３０に固定される。オフガス上流側排出管４１１は、ゴム製のフレキシブルホースであることから、分岐配管４１１ｄには、支障なく液水排出管４３０が管路末端４３１の側から挿入・固定される。こうして分岐配管４１１ｄに接続された液水排出管４３０は、液水排出流路２８２の流路を開閉する排出弁４４０により、貯留槽２８１の分離液水を、分岐配管４１１ｄを経てオフガス排出管４１０、詳しくはオフガス上流側排出管４１１に排出する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０では、気液分離器２８０が気液分離して貯留槽２８１に貯留した分離液水を、オフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１から分岐して延びる分岐配管４１１ｄに、液水排出管４３０を介して直接流し込むことができる。しかも、液水排出管４３０は、図３に示すように、管路末端４３１が分岐配管４１１ｄの管路内に挿入されていることから、管路末端４３１では、分離液水の通過管路径が液水排出管４３０の管路径からこの管路径より大きい分岐配管４１１ｄの管路径に拡張する。よって、液水排出管４３０の管路末端４３１から流れ出た分離液水は、液水排出管４３０の管路末端４３１で留まることなく分岐配管４１１ｄの管路を通過してオフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１に流れ込む。これらの結果、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、気液分離器２８０の分離液水がオフガス排出管４１０に至るまでの管路における分離液水の残留を回避しつつ、気液分離器２８０からオフガス排出管４１０に分離液水を直接流し込むことができる。

本実施形態の燃料電池システム１０は、オフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１をゴム製のフレキシブルホースとしたので、燃料電池１００に対して固定済みの気液分離ユニット２８０Ｙにおける液水排出管４３０を、支障なく分岐配管４１１ｄに接続することができる。

本実施形態の燃料電池システム１０は、オフガス上流側排出管４１１と一体でこのオフガス上流側排出管４１１から分岐した分岐配管４１１ｄの分岐管路域に、複数のリブ４１１ｅを有する。よって、このリブ４１１ｅによる管路補強により、分岐配管４１１ｄに液水排出管４３０の管路末端４３１を支障なく挿入できる。また、分岐配管４１１ｄの管路内壁や液水排出管４３０の外壁への事前の助剤塗布により、分岐配管４１１ｄに液水排出管４３０の管路末端４３１を挿入する際の分岐配管４１１ｄの凹みを防止できる。

本実施形態の燃料電池システム１０は、液水排出管４３０の管路長をオフガス排出管４１０におけるオフガス上流側排出管４１１の管路径と同等とした。よって、燃料電池１００から排出されてオフガス上流側排出管４１１を通過する空気のオフガスの熱量を、液水排出管４３０自体は元より、液水排出管４３０が接続された液水排出流路２８２やこの流路の排出弁４４０に速やかに伝達できる。よって、仮に、液水排出管４３０や液水排出流路２８２において水分の凍結が起きても、この凍結水をシステム起動後において速やかに解凍して、排出できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。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、削除することが可能である。

本実施形態の燃料電池システム１０では、排出弁４４０を気液分離器２８０に組み込んだが、排出弁４４０を管路に有する液水排出管４３０を、貯留槽２８１と連続するように気液分離器２８０に固定してもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０では、オフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１において、分岐配管４１１ｄをバイパス流路接続体４１１ｃの下流側に分岐して設けたが、分岐配管４１１ｄをバイパス流路接続体４１１ｃの上流側に設けてもよい。また、液水排出管４３０とオフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１との接続構成は、バイパス流路４５０を備えない燃料電池システム１０に適用することもできる。

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１０２…オフガス排出マニホールド、２００…燃料ガス供給回路、２１０…燃料ガスタンク、２２０…燃料ガス供給流路、２３０…燃料ガス排気流路、２４０…燃料ガス循環流路、２５０…メインバルブ、２６０…レギュレーター、２７０…インジェクタ、２８０…気液分離器、２８０Ｅ…配設領域、２８０Ｙ…気液分離ユニット、２８１…貯留槽、２８２…液水排出流路、２９０…還流ポンプ、３００…エア供給回路、３１０…エアクリーナ、３２０…エア供給流路、３３０…エアコンプレッサ、３４０…インタクーラ、３５０…スタック入口バルブ、３７５…大気圧センサ、３８０…外気温センサ、３８５…エアフローメータ、３９０…供給ガス温度センサ、３９５…供給ガス圧力センサ、４００…排ガス回路、４１０…オフガス排出管、４１１…オフガス上流側排出管、４１１ａ…管接続体、４１１ｂ…管接続体、４１１ｃ…バイパス流路接続体、４１１ｄ…分岐配管、４１１ｅ…リブ、４１２…オフガス下流側排出管、４２０…調圧バルブ、４３０…液水排出管、４３１…管路末端、４４０…排出弁、４５０…バイパス流路、４５５…バイパス流路調整弁、４７０…サイレンサー、５００…冷却回路、５１０…冷媒供給流路、５１５…冷媒排出流路、５２０…ラジエータ流路、５２５…ウォーターポンプ、５３０…ラジエータ、５３５…ラジエータファン、５４０…冷媒バイパス流路、５４５…三方バルブ、５５０…温度センサ

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸素含有の酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   該燃料電池から排出される前記酸化ガスを前記燃料電池から外部に導くオフガス排出管と、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給流路に、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
   該燃料ガス循環流路に配設され、前記燃料ガス循環流路を通過する前記燃料ガスに含まれる水分を前記燃料ガスから気液分離し、分離液水を貯留する気液分離器と、
   該気液分離器が貯留した前記分離液水を、流路を開閉する排出弁により前記オフガス排出管に排出する液水排出管とを備え、
   前記オフガス排出管は、前記オフガス排出管の側方側に設置された前記気液分離器の側に向けて分岐して延びる分岐配管を有し、
   前記液水排出管は、前記液水排出管の管路末端を前記分岐配管の管路内に挿入した状態で前記分岐配管と接続されている、燃料電池システム。

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