JP2020068139A - 燃料電池システム - Google Patents
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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。
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。
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)
- 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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2018
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