JP6822296B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
特許文献１には、燃料電池に水素と酸素を供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池と他の部材との間の配管に金属メッシュを設けて、乱流に起因する振動を抑制し、騒音の発生を抑制することが記載されている。
特開２００２−３７３６８７号公報
燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって水が生成される。この生成水が配管に設けられている金属メッシュに付着した場合、金属メッシュが設けられている配管の流路における圧損の増加が発生し、また、金属メッシュに付着した状態で生成水が凍結した場合、流路の閉塞が発生する、という問題がある。
本発明は、上述の課題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、燃料電池と他の部材との間の配管に設けられたバタフライバルブと；前記バタフライバルブに対して前記配管を流れるガスの下流側に設けられ、前記ガスの流れを整流するためのメッシュが形成された整流メッシュと；を備える。前記整流メッシュは、鉛直方向の下端部に前記メッシュが形成されない第１開口部を有する。
この形態の燃料電池システムによれば、鉛直方向の下端部にメッシュが形成されない第１開口部を有することにより、燃料電池で生成されて配管の鉛直方向の下端部を流れる生成水がメッシュに付着することを抑制することができる。これにより、配管の鉛直方向の下端部を流れる生成水によって配管の流路における圧損が増加することを抑制することができる。また、バタフライバルブを通過したガスに発生する気流の乱れをメッシュによって整流することにより、気流の乱れに起因する騒音の低減を図ることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、整流メッシュの中央部において、前記バタフライバルブの弁体の回転の軸方向に沿って前記メッシュが形成されない第２開口部を有するようにしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、第１開口部に加えて、整流メッシュの中央部に設けられた第２開口部により、さらに、生成水によって配管の流路における圧損が増加することを抑制することができる。また、メッシュに付着した生成水が凍結して閉塞し、かつ、第１開口部が生成水の凍結によって閉塞したとしても、中央部の第２開口部が閉塞する可能性は小さいので、第２開口部を介してガスを流すことができ、完全な閉塞を抑制することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第２開口部は、予め定めた最大開度における前記バタフライバルブを前記ガスの流れ方向に沿って前記整流メッシュに投影した領域を囲むように形成されているようにしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、バタフライバルブをガスの流れ方向に沿って整流メッシュに投影した領域は、バタフライバルブ側からのガスの流れが少ない領域であるので、その領域を囲むように第２開口部を形成することで、メッシュによる整流効果と、生成水の凍結による流路の閉塞を抑制する効果を効率良く得ることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記バタフライバルブは、弁体が水平方向を回転軸として回転する向きに配置されるようにしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、メッシュによる整流効果を効率良く高めることができる。また、第１開口部を有する構成では、配管の鉛直方向の下端部を流れる生成水による流路の圧損が増加することを抑制することができる。また、第２開口部を有する構成では、流路の閉塞を抑制することができる。また、弁体の回転軸が鉛直方向となっている場合、鉛直方向の下端部に溜まった生成水によって回転軸が凍結してしまうおそれがあるが、弁体の回転軸が水平方向となっていれば、回転軸に生成水が付着して凍結してしまうことを最も効果的に抑制することができる。
本発明は、上述した燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの反応ガス供給排出機構、燃料電池システムの空気供給排出機構、これらに用いられる整流メッシュ等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 空気供給流路および空気排出流路が燃料電池に接続された部分の周辺を示す概略斜視図。 調圧弁の構成を示す概略斜視図。 図２の整流メッシュの構成を示す概略正面図。 図２の５−５矢視断面において出口配管から排出配管へ向けて流れる空気の流れの様子を、整流メッシュを設けない状態で示す説明図。 図５の６−６矢視断面における空気の流速分布を示す説明図。 変形例の第２開口部を有する整流メッシュを示す概略正面図。
Ａ．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２０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム２０は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム２０は、複数のセルを備える燃料電池４０と、水素供給排出機構５０と、空気供給排出機構３０と、冷却水循環機構８０と、制御部９０とを備える。燃料電池システム２０は、不図示のパワースイッチのＯＮ操作によって始動し、ＯＦＦ操作によって停止する。パワースイッチは、エンジン自動車におけるイグニッションスイッチに相当し、燃料電池システム２０の停止状態と動作状態とを切り替えるための入力インタフェースである。
水素供給排出機構５０は、制御部９０の制御に従って、燃料電池４０のアノードに水素（燃料ガス）の供給及び排出を行なう。水素供給排出機構５０は、水素タンク７０と、シャットバルブ７１と、水素供給流路６０と、レギュレータ５１と、水素ポンプ５５と、気液分離部５６と、排水シャットバルブ５７と、排出流路５８と、インジェクタ５４と、とを備える。
水素タンク７０は、水素を貯蔵する。水素タンク７０には、数十ＭＰａを有する高圧の水素ガスが貯蔵されている。水素供給流路６０は、水素タンク７０と燃料電池４０とを接続する配管である。シャットバルブ７１は、水素タンク７０から水素供給流路６０への水素の供給を遮断する弁であり、主止弁とも呼ばれる。シャットバルブ７１は、制御部９０によってその開閉が制御される。制御部９０の制御によってシャットバルブ７１が開かれると、水素タンク７０から水素供給流路６０を通じて燃料電池４０に水素ガスが供給され、シャットバルブ７１が閉じられると、水素ガスの供給が遮断される。
レギュレータ５１は、制御部９０の制御により、水素タンク７０に貯蔵された水素の圧力を調整する。インジェクタ５４は、レギュレータ５１によって圧力が調整された水素を、制御部９０の制御に従いアノードに向けて噴射する。
気液分離部５６は、アノードから排出された気体と液体とを分離する。水素ポンプ５５は、気液分離部５６によって分離された気体を、燃料電池４０に再度供給する。気液分離部５６によって分離された気体は、主に、消費されずに排出された水素と燃料電池が備える膜電極接合体を介してカソード側から透過した窒素と、気液分離部５６で分離されなかった水分である。排出流路５８は、気液分離部５６と、空気供給排出機構３０に備えられる空気排出流路３９（後述）とを接続する配管である。排水シャットバルブ５７は、排出流路５８上に設けられている。排水シャットバルブ５７は、気液分離部５６によって分離された液体と窒素を排出するために開かれる。インジェクタ５４と排水シャットバルブ５７の制御によって、燃料電池４０への水素の供給量が調整される。
空気供給排出機構３０は、制御部９０の制御に従って、燃料電池４０のカソードに空気の供給及び排出をする。空気供給排出機構３０は、コンプレッサ３１と、空気供給流路３２と、分流弁３３と、調圧弁３６と、整流メッシュ３７と、バイパス流路３８と、空気排出流路３９とを備える。
空気供給流路３２は、燃料電池４０のカソードの供給口に接続される配管である。空気排出流路３９は、燃料電池４０のカソードの排出口に接続される配管である。バイパス流路３８は、空気供給流路３２の燃料電池４０よりも上流側から分岐して、空気排出流路３９に接続される配管である。コンプレッサ３１は、空気供給流路３２の途中に設けられ、空気供給流路３２の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。コンプレッサ３１が設けられる位置は、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。
分流弁３３は、空気供給流路３２において、コンプレッサ３１の下流側、つまりコンプレッサ３１と燃料電池４０との間であって、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位に設けられる。分流弁３３は、コンプレッサ３１から流れてくる空気の流れる方向を燃料電池４０側とバイパス流路３８側とのいずれかに切り替える。このような分流弁３３は、三方弁とも呼ばれる。バイパス流路３８は、分流弁３３と空気排出流路３９とを接続する配管である。調圧弁３６は、空気排出流路３９において、空気排出流路３９とバイパス流路３８との接続部位よりも燃料電池４０側に設けられる。調圧弁３６は、開度に応じて空気排出流路３９の流路断面積を調整する。調圧弁３６は、バタフライ弁（バタフライバルブ）により構成される。整流メッシュ３７は、調圧弁３６を通過した気流の乱れを整流する。調圧弁３６を通過した空気は、整流メッシュ３７及びバイパス流路３８との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。コンプレッサ３１、分流弁３３、及び調圧弁３６は、制御部９０により制御される。
冷却水循環機構８０は、制御部９０の制御に従って燃料電池４０を冷却する。冷却水循環機構８０は、ラジエータ８１と、冷却水ポンプ８２と、冷却水排出流路８３と、冷却水供給流路８４と、を備える。
冷却水供給流路８４は、ラジエータ８１と燃料電池４０との間を接続する流路であり、燃料電池４０に冷却水を供給するための配管である。冷却水排出流路８３は、燃料電池４０とラジエータ８１とを接続する流路であり、燃料電池４０から冷却水を排出するための配管である。冷却水ポンプ８２は、ラジエータ８１と燃料電池４０との間の冷却水供給流路８４に設けられており、冷却水ポンプ８２によって冷却水が循環される。
制御部９０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部９０は、燃料電池システム２０の動作を制御するための信号を出力する。制御部９０は、発電要求を受けて、燃料電池システム２０の各部を制御して燃料電池４０を発電させる。
なお、図示や詳細な説明は省略するが、車両に搭載された燃料電池システム２０は、さらに、二次電池と、燃料電池４０の出力電圧や二次電池の充放電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。二次電池は、燃料電池４０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池４０とともに電力源として機能する。
図２は、空気供給流路３２および空気排出流路３９が燃料電池４０に接続された部分の周辺を示す概略斜視図である。図２に示すＸ，Ｙ，Ｚは、互いに垂直な方向を示し、Ｙ方向が重力方向（鉛直方向）、Ｘ方向およびＺ方向が水平方向に設定されている。燃料電池４０は、ＸＹ平面に平行な複数のセルがＺ方向に沿って積層された積層体を有している。燃料電池４０には、積層体の積層方向（Ｚ方向）の一方の端部に、ＸＹ平面に沿った厚板状のスタックマニホールド４１が設けられている。
スタックマニホールド４１は、燃料電池４０の内部の空気供給流路及び空気排出流路と、空気供給排出機構３０（図１）の空気供給流路３２及び空気排出流路３９とを繋ぐインタフェースである。また、スタックマニホールド４１は、燃料電池４０の内部の水素供給流路及び水素排出流路と、水素供給排出機構５０（図１）の水素供給流路６０及び気液分離部５６とを繋ぐインタフェースである。さらにまた、スタックマニホールド４１は、燃料電池４０の内部の却水供給流路及び冷却水排出流路と、冷却水循環機構８０（図１）の冷却水供給流路８４及び冷却水排出流路８３と、を繋ぐインタフェースである。なお、説明の便宜上、図２には、空気供給流路３２及び空気排出流路３９のスタックマニホールド４１への接続のみが示され、他の流路の接続は省略されている。
空気供給流路３２のうち、分流弁３３（図１）からスタックマニホールド４１へ向かう入口配管３４は、入口配管プレートＩＰＰを介してスタックマニホールド４１の空気供給口（不図示）に接続されている。また、空気排出流路３９のうち、スタックマニホールド４１と調圧弁３６とを繋ぐ出口配管３５ａは、出口配管プレートＯＰＰを介してスタックマニホールド４１の空気排出口（不図示）に接続されている。出口配管３５ａはＺ方向(水平方向）に平行な配管とされている。
図３は、調圧弁３６の構成を示す概略斜視図である。調圧弁３６は、出口配管３５ａ（図２）の下流端に、設けられている。調圧弁３６としては、上述したようにバタフライバルブが用いられる。以下では、調圧弁３６を「バタフライバルブ３６」とも呼ぶ。
バタフライバルブ３６は、バタフライ本体１１０と駆動部１２０とを備える。バタフライ本体１１０の円管状の内部空間には、弁棒１１４と、弁棒１１４を回転軸として回転する円板状の弁体１１６と、を備えている。バタフライ本体１１０は、弁棒１１４がＸ方向に沿った状態となるように配置されている。駆動部１２０は弁棒１１４を回転させるアクチュエータであり、電動アクチュエータや空気圧式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ等で構成される。本例では、駆動部１２０は電動モータを用いた電動アクチュエータである。
図２のバタフライバルブ３６の下流側、すなわち、出口配管３５ａとは反対側には、バタフライ本体１１０（図３）に連続して整流メッシュ３７が設けられている。なお、「連続して」には、バタフライ本体１１０に接するように整流メッシュ３７がバタフライ本体１１０に直接接続される構成だけでなく、バタフライ本体１１０と整流メッシュ３７を接続させるためのインタフェースを介して接続される構成を含み、流路中の気体の流れを阻害しない状態を意味している。
図４は、図２の整流メッシュ３７の構成を示す概略正面図である。図４はバタフライバルブ３６（図２）とは反対側、すなわち、整流メッシュ３７の下流側から見た状態を示している。整流メッシュ３７は、円管状の内部空間に、ＸＹ平面（鉛直面）に沿ってメッシュ１３１が形成されたメッシュ部１３０を有している。また、整流メッシュ３７は、鉛直方向（Ｙ方向）の下端部にメッシュ１３１が形成されない第１開口部１３２を有しており、さらにまた、鉛直方向の中央にメッシュ１３１が形成されない第２開口部１３４を有している。なお、第１開口部１３２及び第２開口部１３４の形状については後述する。
図２の整流メッシュ３７の下流側には、空気排出流路３９を構成する排出配管３５ｂが接続されている。排出配管３５ｂは、Ｚ方向（水平方向）に沿った向きから斜め下方に向かって折れ曲がった形状を有している。
図５は、図２の５−５矢視断面において出口配管３５ａから排出配管３５ｂへ向けて流れる空気の流れの様子を、整流メッシュ３７を設けない状態で示す説明図である。また、図６は、図５の６−６矢視断面における空気の流速分布を示す説明図である。
図５に示すように、バタフライバルブ３６を通過する空気は流速が非常に大きいため、整流メッシュ３７が設けられない場合には、不規則に乱れた流れの乱流が発生する。この際、水平方向（Ｚ方向）に沿った弁体１１６の下流側の空間領域Ａ１には、上流側から流れ込む空気の流量は少なく、下流側から回り込んで逆向きに向かう乱流が流れ込んでいる。また、排出配管３５ｂのうちの水平方向（Ｚ方向）に沿った状態から斜め下向きに折れ曲がっている空間のうちの下方に位置する空間領域Ａ２も、上流側から流れ込む空気の流量は少なく、下流側から回り込んで逆向きに向かう乱流が流れ込んでいる。
そこで、本実施形態では、上述したように、バタフライバルブ３６の下流に整流メッシュ３７（図２，図４）を配置している。具体的には、図６に破線で示すように、流速が大きく、乱流を発生する流体の領域にメッシュ部１３０を配置している。メッシュ部１３０は、流速が大きい空気の流れによって発生する乱流が層流となるように整流させることができ、気流の乱れに起因する騒音の低減を図ることができる。
また、図６に破線で示すように、鉛直方向の下端部に、第１開口部１３２を配置している。このため、燃料電池４０から排出配管３５ｂ（図５）の下端部を流れる液体の水を、第１開口部１３２を介して流すことができる。これにより、下端部を流れる生成水がメッシュに付着して滞留し、配管の流路における圧損が増加してしまうことを抑制することができる。なお、鉛直方向の下端部は、図６に示すように、流速が小さいため、乱流の発生への影響が小さく、メッシュ１３１が無くても整流効果への影響が小さいと考えられる。
また、図６に破線で示すように、鉛直方向（Ｙ方向）の中央部に、第２開口部１３４を配置している。このため、仮にメッシュ部１３０に水が付着して凍結し、かつ、第１開口部１３２に水が滞留して凍結し、メッシュ部１３０および第１開口部１３２が全て閉塞してしまったとしても、大きく開口した第２開口部１３４によって流路が閉塞しない可能性を高めることができる。すなわち、流路の閉塞をより効果的に抑制することができる。なお、第２開口部１３４が配置されている領域は、バタフライバルブ３６（図５）の水平方向（Ｚ方向）の下流側の領域であり、図６に示すように、流速が小さいため、乱流の発生への影響が小さく、メッシュ１３１が無くても整流効果への影響が小さいと考えられる。
なお、第２開口部１３４は、図４に示すように、予め定めた最大開度におけるバタフライバルブ３６(具体的には、弁棒１１４及び弁体１１６）を整流メッシュ３７上に投影した領域を囲むような形状（例えば、リーフ形状）とされている。この形状は、バタフライバルブ３６（図５）の下流において、流速が小さく、メッシュ１３１が無くても整流効果への影響が小さい領域を効果的に示している。
以上説明したように、本実施形態では、バタフライバルブ３６の下流に設けられた整流メッシュ３７によって、バタフライバルブ３６を通過した空気の乱流を整流することができ、乱流に起因する振動を抑制し、騒音の発生を抑制することができる。また、整流メッシュ３７において、バタフライバルブ３６を通過した空気の流速が小さく乱流への影響度が小さい配管の鉛直方向の下端部に設けられた第１開口部１３２によって、この下端部を流れる生成水が滞留することによる流路の圧損の増加を抑制することができる。さらにまた、整流メッシュ３７の鉛直方向の中央部に設けられた第２開口部１３４によって、生成水の凍結による流路の閉塞を抑制することができる。
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記実施形態や変形例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。
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、整流メッシュ３７の鉛直方向の下端部に第１開口部１３２が設けられ、鉛直方向の中央部に第２開口部１３４が設けられている構成を例に説明したが、第２開口部１３４を省略することも可能である。但し、第２開口部１３４を省略した場合、凍結時の流路の閉塞の可能性は、第２開口部１３４を省略しない場合に比べて高い。
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、第２開口部１３４の形状を、予め定めた最大開度におけるバタフライバルブ３６(具体的には、弁棒１１４及び弁体１１６）を水平方向（Ｚ方向）に沿って整流メッシュ３７に投影した領域を囲むような形状として説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、第２開口部１３４としては、整流メッシュの中央部において、回転の軸方向に沿ってメッシュ１３１が形成されていない開口を有していればよい。
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、水平方向（Ｚ方向）に沿った出口配管３５ａ（水平方向に沿った流路の流れ方向）に対してバタフライバルブ３６の弁体１１６が水平方向（Ｘ方向）を回転軸として回転する向きに配置される構成（図３，図４）を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。
図７は、変形例の第２開口部１３４ｂを有する整流メッシュ３７ｂを示す概略正面図である。図７は、弁棒１１４が鉛直方向（Ｙ方向）および水平方向（Ｘ方向）に対して傾いて配置されており、弁体１１６が鉛直方向及び水平方向に対して傾いた方向を回転軸として回転する向きに配置されている場合を示している。この場合、第２開口部１３４ｂは、整流メッシュ３７ｂの傾いた回転の軸方向に沿って第２開口部１３４(図４）と同様の形状の開口部が形成されればよい。
但し、第１実施形態のように、弁体１１６が水平方向（Ｘ方向）を回転軸として回転する向きに配置される方が、メッシュ部１３０における整流効果、第１開口部１３２による圧損抑制効果、及び、第２開口部１３４による閉塞抑制効果をより効率良く得ることができる点で望ましい。また、弁体１１６の弁棒１１４が鉛直方向（Ｙ方向）となる向きに配置される場合、鉛直方向の下端部に溜まった生成水によって回転軸としての弁棒１１４が凍結してしまうおそれがある。しかしながら、弁体１１６の弁棒１１４が水平方向（Ｘ方向）となる向きに配置されれば、回転軸としての弁棒１１４に生成水が付着して凍結してしまうことを最も効果的に抑制することができる。
Ｂ４．変形例４：
また、上記実施形態及び変形例では、流れ方向が水平方向（Ｚ方向））である配管に鉛直面（ＸＹ平面）に沿ってバタフライバルブ３６及び整流メッシュ３７が配置される構成を例に説明したが、これに限定されるものでない。少なくとも、流れ方向が鉛直方向（Ｙ方向）である配管にバタフライバルブ３６及び整流メッシュ３７が配置される構成でなければよい。
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、燃料電池４０の空気排出流路３９において、バタフライバルブが用いられた調圧弁３６及びその下流に配置された整流メッシュ３７を例に説明したが、これに限定されるものではなく、他のガスの流路において、バタフライバルブ及びその下流に配置された整流メッシュに適用可能である。
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、或いは、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。
２０…燃料電池システム
３０…空気供給排出機構
３１…コンプレッサ
３２…空気供給流路
３３…分流弁
３４…入口配管
３５ａ…出口配管
３５ｂ…排出配管
３６…調圧弁（バタフライバルブ）
３７，３７ｂ…整流メッシュ
３８…バイパス流路
３９…空気排出流路
４０…燃料電池
４１…スタックマニホールド
５０…水素供給排出機構
５１…レギュレータ
５４…インジェクタ
５５…水素ポンプ
５６…気液分離部
５７…排水シャットバルブ
５８…排出流路
６０…水素供給流路
７０…水素タンク
７１…シャットバルブ
８０…冷却水循環機構
８１…ラジエータ
８２…冷却水ポンプ
８３…冷却水排出流路
８４…冷却水供給流路
９０…制御部
１１０…バタフライ本体
１１４…弁棒
１１６…弁体
１２０…駆動部
１３０…メッシュ部
１３１…メッシュ
１３２…第１開口部
１３４，１３４ｂ…第２開口部
Ａ１…空間領域
Ａ２…空間領域
ＩＰＰ…入口配管プレート
ＯＰＰ…出口配管プレート

Claims (3)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と他の部材との間の配管に設けられたバタフライバルブと、
    前記バタフライバルブに対して前記配管を流れるガスの下流側に設けられ、前記ガスの流れを整流するためのメッシュが形成された整流メッシュと、
    を備え、
    前記整流メッシュは、
    鉛直方向の下端部に前記メッシュが形成されない第１開口部を有し、
    前記整流メッシュの中央部において、前記バタフライバルブの弁体の回転の軸方向に沿って前記メッシュが形成されない第２開口部を有し、
    前記第２開口部は、予め定めた最大開度における前記バタフライバルブを前記ガスの流れ方向に沿って前記整流メッシュに投影した領域を囲むように形成されている、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記バタフライバルブは、弁体が水平方向を回転軸として回転する向きに配置される、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２開口部は、リーフ形状を有する、燃料電池システム。
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