JP2020194685A - 燃料電池ユニットの希釈器 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースで燃料電池車両に搭載可能であるとともに、排気管への生成水の浸入を抑制することができる燃料電池ユニットの希釈器を提供する。【解決手段】燃料電池ユニットの希釈器において、筐体４６１と、筐体４６１の内部を希釈室４６５と気液分離室４６７とに区画する仕切板４６３と、筐体４６１の側壁４６９に水平方向から接続され、生成水とエアを含むガスを気液分離室４６７に取り込む吸気管７１と、筐体４６１の側壁４６９に水平方向から接続され、希釈室４６５で希釈された水素を含むガスを気液分離室４６７から排出する排気管７３と、を備え、筐体４６１の側壁４６９は、希釈室４６５に面する内面４７１を有し、排気管７３の一端７３ａは、吸気管７１の一端７１ａよりも内面４７１から気液分離室４６７内に突出する状態で配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池ユニットの希釈器に関する。

燃料電池は、水素と酸素との化学反応によって発電する。このため、燃料電池を備える燃料電池ユニットでは、燃料電池に水素とエア（酸素を含む）を供給している。その際、燃料電池に供給される水素はそのすべてが発電のために消費されるわけではなく、一部の水素はアノードオフガスとして燃料電池から排出される。アノードオフガスに含まれる水素の濃度はそのまま排出するには高すぎるため、燃料電池ユニットの希釈器で所定の濃度以下に希釈している。

特許文献１には、水素と酸素との化学反応によって生成する水（以下、「生成水」という。）を貯留するタンク本体と、タンク本体の内部に設けられた希釈室とを備えた貯水タンクが記載されている。この貯水タンクにおいて、希釈室には、カソードオフガスを希釈室に取り込むための吸気管と、希釈室で希釈したガス（希釈ガス）を排気するための排気管とが接続されている。

特開２０１７−１７４６６５号公報

一般に、燃料電池ユニットの希釈器では、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素を、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス、すなわちエアによって希釈し、これによって生成される希釈ガスを排気管から排気している。その場合、希釈用のカソードオフガスを希釈器に取り込むための吸気管と、希釈ガスを排気するための排気管とは、燃料電池ユニットを燃料電池車両（以下、単に「車両」ともいう。）に搭載する場合のレイアウト上の都合、あるいは省スペース化への対応のため、希釈器に対して水平方向から接続することが好ましい。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、タンク本体に対して吸気管と排気管とが垂直方向から接続されているため、上記貯水タンクを燃料電池車両に搭載する場合に、吸気管と排気管の向きをそれぞれ垂直方向から水平方向に変換するための余分なスペースが必要になる。また仮に、吸気管と排気管をそれぞれ水平方向から貯水タンクに接続したとしても、次のような問題が生じるおそれがある。

吸気管を通して貯水タンクに取り込まれる流体には、カソードオフガスの他に生成水が含まれる。貯水タンクに取り込まれるカソードオフガスは、エアコンプレッサで圧縮された状態のエアである。このため、カソードオフガスは吸気管の一端から貯水タンクの希釈室に向けて勢い良く吹き出す。その際、エアと共に吸気管から取り込まれる生成水の一部は、エアの圧力の影響や表面張力により、貯水タンクの内面を伝って吸気管の接続部位から排気管の接続部位へと移動し、排気管の中に浸入することがある。また、吸気管から取り込まれる生成水がエアの吹き出しによって拡散し、排気管の中に直接入り込むこともある。その結果、希釈ガスと一緒に生成水が燃料電池ユニットの外部に排出される。このように希釈ガスと一緒に生成水が燃料電池ユニットの外部に排出されると、燃料電池ユニットが搭載される燃料電池車両がフォークリフトなどの産業車両の場合には、生成水が車両の下に垂れ流されて工場などの床を濡らしてしまうことになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、省スペースで燃料電池車両に搭載可能であるとともに、排気管への生成水の浸入を抑制することができる燃料電池ユニットの希釈器を提供することにある。

本発明は、燃料電池ユニットの希釈器において、筐体と、筐体の内部を希釈室と気液分離室とに区画する仕切板と、筐体の側壁に水平方向から接続され、生成水とエアを含むガスを気液分離室に取り込む吸気管と、筐体の側壁に水平方向から接続され、希釈室で希釈された水素を含むガスを気液分離室から排出する排気管と、を備え、筐体の側壁は、希釈室に面する内面を有し、排気管の一端は、吸気管の一端よりも内面から気液分離室内に突出する状態で配置されている。

本発明に係る燃料電池ユニットの希釈器において、仕切板は、内面から仕切板までの距離が、吸気管側から排気管側に向かって徐々に大きくなるよう、筐体の側壁に対して傾いて配置されている。

本発明に係る燃料電池ユニットの希釈器において、気液分離室には生成水を分離するための分離孔が設けられ、
分離孔は、筐体の側壁に平行な方向において吸気管よりも排気管に近い位置に配置されている。

本発明によれば、省スペースで燃料電池車両に搭載可能であるとともに、排気管への生成水の浸入を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る希釈器の構成例を示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る希釈器と貯水タンクの位置関係を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る希釈器の機能を説明するための概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池ユニット１１と、この燃料電池ユニット１１を制御する制御部１２とを備えている。

（燃料電池ユニット）
まず、燃料電池ユニット１１の構成について説明する。
燃料電池ユニット１１は、燃料電池１５を有している。燃料電池１５は、複数の燃料電池セル（図示せず）を積層したスタック構造となっている。燃料電池１５には、水素供給流路１６とエア供給流路１７とが接続されている。水素供給流路１６は、水素タンク３０に貯蔵された水素を燃料電池１５へと供給する場合に、水素が流れる流路である。エア供給流路１７は、大気中のエアに含まれる酸素を燃料電池１５へと供給する場合に、エアが流れる流路である。

水素供給流路１６には、第１圧力センサ２０と、インジェクタ２１と、第２圧力センサ２２とが設けられている。水素供給流路１６を流れる水素の流れ方向において、第１圧力センサ２０は、インジェクタ２１の下流側に配置され、第２圧力センサ２２は、インジェクタ２１の上流側に配置されている。第１圧力センサ２０は、インジェクタ２１の下流側において、水素供給流路１６内の水素の圧力を検出するセンサである。第２圧力センサ２２は、インジェクタ２１の上流側において、水素供給流路１６内の水素の圧力を検出するセンサである。

インジェクタ２１は、燃料電池１５に水素を供給するものである。インジェクタ２１は、図示しないインジェクタバルブを内蔵し、このインジェクタバルブを開閉することにより、燃料電池１５に水素を供給する。インジェクタ２１は、制御部１２に電気的に接続されている。

また、水素供給流路１６には、フィルタ２５と、レギュレータ２６と、第３圧力センサ２７と、メインバルブ２８と、温度センサ２９とが設けられている。フィルタ２５は、塵埃などの不純物を捕捉するものである。レギュレータ２６は、水素タンク３０からメインバルブ２８を介して供給される水素の圧力を減圧するものである。第３圧力センサ２７は、水素タンク３０からメインバルブ２８を介して供給される水素の圧力を検出するセンサである。

メインバルブ２８は、水素タンク３０からの水素の供給を遮断または許容するバルブである。メインバルブ２８は、閉状態で水素の供給を遮断し、開状態で水素の供給を許容する。メインバルブ２８の開閉動作は制御部１２によって制御される。温度センサ２９は、メインバルブ２８と水素タンク３０との間で、水素供給流路１６内の温度を検出するセンサである。水素タンク３０は、水素を貯蔵するタンクである。水素タンク３０には水素補給流路３１が接続されている。水素補給流路３１は、レセプタクル３２から水素タンク３０へと補給される水素が流れる流路である。水素補給流路３１には２つの逆止弁３３，３４が設けられている。

一方、エア供給流路１７にはエアコンプレッサ３７が設けられている。エアコンプレッサ３７は、大気中から吸引したエアを圧縮し、この圧縮したエアをエア供給流路１７を通して燃料電池１５に供給するものである。

また、燃料電池１５には、循環流路４１と排出流路４２とが接続されている。循環流路４１は、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を水素供給流路１６に戻すための流路である。排出流路４２は、燃料電池１５から排出されるカソードオフガスを排出するための流路である。

循環流路４１には、気液分離器４３と水素循環ポンプ４４とが設けられている。気液分離器４３は、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスを気体と液体とに分離するものである。水素循環ポンプ４４は、気液分離器４３によって分離された気体である水素を水素供給流路１６へと送り出すものである。水素循環ポンプ４４は、制御部１２に電気的に接続されている。

排出流路４２には希釈器４６が設けられている。希釈器４６には、燃料電池１５から排出されるカソードオフガスが供給される。また、希釈器４６には、気液分離器４３で気液分離されたアノードオフガスが排気排水弁４５を介して供給される。希釈器４６は、アノードオフガスに含まれる水素をカソードオフガス（エア）により希釈し、これによって生成される希釈ガスを排気するものである。希釈器４６からは排気流路４７が延在している。排気流路４７は、希釈器４６から排気される希釈ガスが流れる流路であり、この排気流路４７を通して燃料電池ユニット１１の外に希釈ガスが排気される。

貯水タンク４８は、希釈器４６に接続されている。貯水タンク４８は、希釈器４６から生成水を受け取って貯めるタンクである。貯水タンク４８には水位センサ４９が設けられている。水位センサ４９は、貯水タンク４８に貯められた水の液面高さが所定の高さになったことを検出するセンサである。貯水タンク４８内の水は、排水カプラ５０を介して排水される。燃料電池ユニット１１は以上のように構成されている。

（制御部）
次に、制御部１２の構成について説明する。
制御部１２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路などを備えたコンピュータによって構成される。制御部１２には、インジェクタ２１および水素循環ポンプ４４の他に、第１圧力センサ２０、第２圧力センサ２２、第３圧力センサ２７、メインバルブ２８、温度センサ２９、エアコンプレッサ３７、排気排水弁４５および水位センサ４９が、それぞれ電気的に接続されている（図１の符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを参照）。これにより、第１圧力センサ２０、第２圧力センサ２２、第３圧力センサ２７、温度センサ２９および水位センサ４９は、それぞれの検出結果を制御部１２に与える。また、インジェクタ２１、水素循環ポンプ４４、メインバルブ２８、エアコンプレッサ３７および排気排水弁４５は、それぞれ制御部１２から与えられる制御指令に基づいて動作する。

上記構成からなる燃料電池システムにおいては、インジェクタ２１の駆動によって燃料電池１５に供給された水素と、エアコンプレッサ３７の駆動によって燃料電池１５に供給されたエアに含まれる酸素とが、燃料電池１５内で各々の燃料電池セルに分配して供給される。その際、燃料電池セルのアノード側には水素が供給され、燃料電池セルのカソード側には酸素が供給される。これにより、燃料電池セルは、水素と酸素との化学反応によって発電する。

図２は、本発明の実施形態に係る希釈器の構成例を示す概略平面図である。また、図３は、本発明の実施形態に係る希釈器と貯水タンクの位置関係を示す概略斜視図である。

図２および図３に示すように、希釈器４６は筐体４６１を備えている。筐体４６１は直方体の中空構造を有する。筐体４６１の内部には仕切板４６３が設けられている。仕切板４６３は、筐体４６１の内部を希釈室４６５と気液分離室４６７とに区画している。ただし、希釈室４６５と気液分離室４６７とは、所定の隙間を形成する連通部４６６を介して連通している。筐体４６１の１つの側壁４６９には、吸気管７１と排気管７３とが接続されている。側壁４６９は、仕切板４６３との間で気液分離室４６７を区画すると共に、気液分離室４６７に面する内面４７１を有する。

吸気管７１および排気管７３の各々は、筐体４６１の側壁４６９に対して水平方向から接続されている。すなわち、吸気管７１と排気管７３とは、同じ側壁４６９に横並びの配列で水平方向から接続されている。吸気管７１は、生成水とエアを含むガス（カソードオフガス）を気液分離室４６７に取り込むための配管である。図１に示す排出流路４２は、この吸気管７１によって形成される。排気管７３は、希釈室４６５で希釈された水素を含むガス、すなわち希釈ガスを気液分離室４６７から排出するための配管である。図１に示す排気流路４７は、この排気管７３によって形成される。

吸気管７１の一端７１ａは気液分離室４６７内に向けて開口し、排気管７３の一端７３ａも気液分離室４６７内に向けて開口している。また、吸気管７１の一端７１ａは、側壁４６９の内面４７１から突出することなく、その内面４７１と同じ位置に配置されている。これに対して、排気管７３の一端７３ａは、吸気管７１の一端７１ａよりも側壁４６９の内面４７１から気液分離室４６７内に突出する状態で配置されている。すなわち、排気管７３は側壁４６９を貫通してその一端７３ａが気液分離室４６７内に配置されている。側壁４６９の内面４７１を基準とする排気管７３の突出寸法は、排気管７３への生成水の浸入を効果的に抑制するうえでは１５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定することが好ましい。

仕切板４６３は、筐体４６１の側壁４６９に対して傾いて配置されている。ここで、側壁４６９と直交するＸ方向（図２参照）において、側壁４６９の内面４７１と仕切板４６３との間の距離Ｌを規定すると、仕切板４６３の傾きは、この距離Ｌが吸気管７１側から排気管７３側に向かって徐々に大きくなるように設定されている。また、気液分離室４６７の底部には分離孔７５が形成されている。分離孔７５は、吸気管７１を通して気液分離室４６７に取り込まれる生成水をカソードオフガスと分離するための孔である。分離孔７５は、筐体４６１の側壁４６９と平行なＹ方向において、吸気管７１よりも排気管７３に近い位置に配置されている。

一方、筐体４６１の上壁４７３には、ガス導入管７７が接続されている。ガス導入管７７は、筐体４６１の上壁４７３に対して垂直方向の上側から接続されている。ガス導入管７７は、水素を含むアノードオフガスを希釈室４６５に導入するための配管である。

貯水タンク４８は、図３に示すように希釈器４６の下に配置されている。貯水タンク４８は、生成水を貯めておくためのタンクである。上述した分離孔７５は、希釈器４６の底部と共に、貯水タンク４８の上壁部にも開口している。これにより、気液分離室４６７に取り込まれた生成水は、分離孔７５を通して貯水タンク４８に貯められる。貯水タンク４８には図示しない排水管が接続されており、この排水管に排水カプラ５０（図１を参照）が設けられている。このため、排水カプラ５０（図１を参照）を開放すると、貯水タンク４８内の生成水が排水管を通して排水される。

続いて、本発明の実施形態に係る希釈器４６の機能について説明する。
まず、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスは、ガス導入管７７を通して希釈器４６の希釈室４６５に取り込まれる。また、燃料電池１５から排出されるカソードオフガスおよび生成水は、吸気管７１を通して希釈器４６の気液分離室４６７に取り込まれる。図４の一点鎖線の矢印は吸気管７１を通して気液分離室４６７と希釈室４６５とに取り込まれるカソードオフガスの流れを示し、二点鎖線の矢印はガス導入管７７を通して希釈室４６５に取り込まれるアノードオフガスの流れを示し、実線の矢印は排気管７３を通して排気される希釈ガスの流れを示している。

気液分離室４６７に取り込まれたカソードオフガスおよび生成水は、カソードオフガスの主ガスであるエアの圧力により、仕切板４６３に向かって吹き出す。仕切板４６３は筐体４６１の側壁４６９に対して傾いているため、カソードオフガスおよび生成水は、気液分離室４６７内において図４の一点鎖線の矢印で示す方向に拡散して流れる。このとき、Ｙ方向において分離孔７５を排気管７３よりも吸気管７１の近くに配置していると、カソードオフガスの勢いに乗って生成水が飛散するときに、生成水の多くが分離孔７５の上方を通過してしまう。これに対し、Ｙ方向において分離孔７５を吸気管７１よりも排気管７３に近い位置に配置した場合は、カソードオフガスの勢いに乗って生成水が飛散するときに、生成水の多くが分離孔７５の近くに自重で落下する。このため、生成水を効率良く分離孔７５に導くことができる。

また、気液分離室４６７に取り込まれたカソードオフガスは、気液分離室４６７内を循環しながら、その一部が連通部４６６を通して希釈室４６５に流れ込む。また、気液分離室４６７においては、カソードオフガスの一部が、図４の一点鎖線の矢印で示すように仕切板４６３の傾きに沿う方向、すなわち排気管７３の一端７３ａから遠ざかる方向に流れる。これにより、仮に仕切板４６３に当たって跳ね返った生成水の水滴が排気管７３の一端７３ａに向かって飛散した場合でも、排気管７３の一端７３ａから遠ざかる方向に流れるカソードオフガスの流れが、排気管７３内への生成水の浸入を妨げる効果、すなわちエアーカーテンの効果を発揮する。このため、仕切板４６３での跳ね返りに起因する排気管７３内への生成水の浸入が抑制される。

一方、希釈室４６５に取り込まれたアノードオフガス中の水素は、上述のように連通部４６６を介して希釈室４６５に流れ込むカソードオフガス（エア）によって希釈される。また、アノードオフガスは、希釈室４６５から連通部４６６を介して気液分離室４６７に流れ込む。このとき、連通部４６６の隙間を適宜設定することにより、アノードオフガスは少量ずつ気液分離室４６７に流れ込む。こうして気液分離室４６７に流れ込むアノードオフガス中の水素は、上述のように気液分離室４６７内を循環するカソードオフガスによっても希釈され、これによって生成される希釈ガスが排気管７３を通して希釈器４６の外部に排出される。

ここで、吸気管７１を通して気液分離室４６７に取り込まれる生成水の一部は、アノードオフガスの主ガスであるエアの圧力や、生成水自体に働く表面張力により、側壁４６９の内面４７１を伝って吸気管７１側から排気管７３側へと移動する。本実施形態においては、排気管７３の一端７３ａが吸気管７１の一端７１ａよりも側壁４６９の内面４７１から気液分離室４６７内に突出している。このため、側壁４６９の内面４７１を伝って排気管７３側へと移動する生成水は、排気管７３の突出部分において、いわゆるネズミ返しの原理により移動が妨げられる。このため、排気管７３内への生成水の浸入が抑制される。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る希釈器４６においては、吸気管７１および排気管７３をそれぞれ水平方向から筐体４６１の側壁４６９に接続しているため、燃料電池ユニット１１を燃料電池車両に搭載するときのレイアウトが容易になる。よって、燃料電池ユニット１１を省スペースで燃料電池車両に搭載することができる。また、排気管７３の一端７３ａを吸気管７１の一端７１ａよりも側壁４６９の内面４７１から気液分離室４６７内に突出する状態で配置しているため、排気管７３への生成水の浸入を抑制することができる。

また、本発明の実施形態においては、筐体４６１の側壁４６９に対して仕切板４６３を所定の向きに傾けて配置しているため、アノードオフガス中の水素を気液分離室４６７内で効率良く希釈することができる。また、吸気管７１から気液分離室４６７に取り込まれるカソードオフガス（エア）の流れを仕切板４６３によって所定の向き、すなわち排気管７３の一端（開口）７３ａから遠ざかる方向に導くことにより、排気管７３内への生成水の浸入をより確実に抑制することができる。

また、本発明の実施形態においては、Ｙ方向で見たときに分離孔７５を吸気管７１よりも排気管７３に近い位置に配置しているため、吸気管７１から気液分離室４６７へと取り込まれる生成水を効率良く分離孔７５に導くことができる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施形態においては、希釈器４６の筐体４６１に対してガス導入管７７を垂直方向から接続しているが、これに限らず、ガス導入管７７を水平方向から接続してもよい。

１１ 燃料電池ユニット、４６ 希釈器、７１ 吸気管、７１ａ 一端、７３ 排気管、７３ａ 一端、７５ 分離孔、４６１ 筐体、４６３ 仕切板、４６５ 希釈室、４６７ 気液分離室、４６９ 側壁、４７１ 内面。

Claims (3)

1. 燃料電池ユニットの希釈器において、
   筐体と、
   前記筐体の内部を希釈室と気液分離室とに区画する仕切板と、
   前記筐体の側壁に水平方向から接続され、生成水とエアを含むガスを前記気液分離室に取り込む吸気管と、
   前記筐体の側壁に水平方向から接続され、前記希釈室で希釈された水素を含むガスを前記気液分離室から排出する排気管と、を備え、
   前記筐体の側壁は、前記希釈室に面する内面を有し、
   前記排気管の一端は、前記吸気管の一端よりも前記内面から前記気液分離室内に突出する状態で配置されている
   ことを特徴とする燃料電池ユニットの希釈器。
2. 前記仕切板は、前記内面から前記仕切板までの距離が、前記吸気管側から前記排気管側に向かって徐々に大きくなるよう、前記筐体の側壁に対して傾いて配置されている
   請求項１に記載の燃料電池ユニットの希釈器。
3. 前記気液分離室には前記生成水を分離するための分離孔が設けられ、
   前記分離孔は、前記筐体の側壁に平行な方向において前記吸気管よりも前記排気管に近い位置に配置されている
   請求項１または２に記載の燃料電池ユニットの希釈器。

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