JP2005116354A

JP2005116354A - 燃料電池のセパレータ装置および燃料系装置

Info

Publication number: JP2005116354A
Application number: JP2003349337A
Authority: JP
Inventors: Taro Yokoi; 太郎横井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】燃料再循環系を有する燃料電池システムではスタックからの排出燃料から水を分離するセパレータや燃焼器、燃料排出系統等への分岐配管が多く、装置の複雑化、大型化、メンテナンス性の低下などの課題がある。
【解決手段】燃料電池スタックから排出される未利用燃料をセパレータ本体２１内の水分離室２２に導入する導入口２３と、前記水分離室を経由した未利用燃料を、燃料循環通路１８、排出通路１２、燃焼器通路７の３系統に分配する分配口２４〜２６とを設ける。加えて、前記燃料循環通路および燃焼器通路への分配口は、セパレータ内の水分離室を間にして前記導入口と対置させると共に、前記排出通路は前記導入口と同一側に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックから排出される未利用燃料から水分を分離するセパレータ装置および水分離後の燃料を燃料電池スタックに再循環させる燃料系装置に関する。

燃料電池の燃料系統の従来例として特許文献１に示すようなものがある。これは、燃料電池スタックの燃料極から排ガスとして排出される未利用燃料を燃料電池スタックに再循環させる燃料循環手段を備えるとともに、燃料電池スタックへ供給される燃料ガスを加湿する加湿手段を燃料ガス供給口付近に配している。また、燃料電池スタックからの未利用燃料ガス出口と燃料再循環手段との間に未利用燃料中の水分を分離するセパレータを設けて燃料循環手段の水詰まりを防止するとともに、燃料循環手段と加湿手段との間にもセパレータを設けて加湿器の水詰まりを防止する構成となっている。
特開2002-246059公報

このような燃料循環系統を有する燃料電池システムでは、運転性能および効率を改善するためのいくつかの補機類が必要となる。一つは前述したセパレータであり、再循環させる未利用燃料から余剰な水分を除去することで水詰まりあるいはフラディング現象の発生を防止している。また、空気極中の窒素等が電解質膜を透過して燃料極側へ流入すると燃料ガスの分圧が下がり発電効率が低下するので、これを防止するために燃料循環系内の燃料を外部に排出するための弁装置を設けるようにしている。さらに、燃料電池を低温から起動する際の冷却水の解凍または暖機促進のために電気ヒータを使用するのは非効率的であるので、未利用燃料を利用した燃焼器を設けたシステムとすることもある。
OLE_LINK1 ところで、これらの補機はいずれも燃料系に介在し、またはその途中から分岐した構成をとるので、燃料系統には多数の配管および継手類が必要となり、これらが構造の複雑化と大型化の原因となっている。特に車載用の燃料電池システムを構成しようとする際には信頼性やメンテナンス性能も重要視されるので、燃料系統はできるだけ簡潔な構造とすることが望ましい。

本発明によるセパレータ装置は、燃料電池スタックから排出される未利用燃料をセパレータ本体内の水分離室に導入する導入口と、前記水分離室を経由した未利用燃料を、燃料循環通路、排出通路、燃焼器通路の３系統に分配する分配口とを設ける。加えて、前記燃料循環通路および燃焼器通路への分配口は、セパレータ内の水分離室を間にして前記導入口と対置させると共に、前記排出通路は前記導入口と同一側に設ける。

また、本発明による燃料系装置は、前記セパレータ装置を備えることを前提として、前記燃料循環通路にその分配口近傍にて新規燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃焼器通路を開閉する燃焼器通路開閉弁と、前記排出通路を開閉する排出通路開閉弁とを備えたものとし、前記燃料供給装置による新規燃料供給時に、前記燃焼器通路開閉弁を閉ざしかつ前記排出通路開閉弁を開いた状態とすることにより、新規燃料の一部が前記水分離室内に侵入しうるように図る。

本発明に係るセパレータ装置によれば次のような効果が得られる。
・燃料電池の燃料循環系において、未利用燃料を分配するための分岐構造を単純化し、継手・配管類の数を最小限とすることができる。
・継手が一箇所に集中してセパレータ装置が大型化したり組立作業性およびメンテナンス性が悪化したりする不都合を生じない。
・十分に乾燥した未利用燃料を燃料電池スタックに再循環させ、または燃焼器に供給でき、したがって燃料電池または燃焼器を効率よく運転することができる。
・低温時に水分を多く含む未利用燃料が排出通路に流れ込んでも排出通路が凍結を起こしにくい。

また、本発明に係る燃料系装置によれば次のような効果が得られる。
・セパレータ装置の水分離室の乾燥度を高められ、これによりセパレータ装置の水分離性能がより向上するので、燃料再循環通路や燃焼器の乾燥状態を良好に保って燃料電池システムとしての性能を改善することができる。

次に、本発明の一実施形態につき図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るセパレータ装置の実施形態を、図２は前記セパレータ装置を適用した燃料系装置の実施形態をそれぞれ示している。

図２において、１は燃料電池スタックであり、この内部で燃料として供給される水素ガスと酸化剤ガスとして供給される空気中の酸素とが反応し、外部に電力を取り出すことができる。

２は未利用燃料の排出口であり、燃料電池スタック１に供給されたものの利用されなかったガスが流出する。そのガスは燃料電池出口配管３を介してセパレータ装置４へ導かれる。本実施形態ではセパレータ装置４は燃料コントロールモジュール５の一部を構成する部品として配置されている。

燃料コントロールモジュール５は燃料の圧力や温度の調整、運転条件に合せた最適な燃料循環量の制御、燃料循環系からの燃料の排出、温度・圧力の計測などを総合的に行うことのできるモジュールであり、その制御系等は図示しないCPUおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。

６は燃焼器８への燃料供給を制御するための通路開閉弁であり、この弁６を開くことで燃焼器８へ燃料ガスを送り込むことができる。燃焼器８は触媒型燃焼器であり、弁６を通過した燃料ガスは燃焼器通路７を通って燃焼器８へ流入し、同時に送り込まれる酸化剤（空気）と反応して熱を発生し、低温時にはその熱を利用したシステムの暖機を可能とする。

９は燃料の再循環系において新規燃料の燃料供給部となるイジェクタである。セパレータ装置４からイジェクタ９までの燃料通路１０は接続部１１の内部に穴加工で作られている。１２は排出手段１４への排出通路、１７は排出通路１２を開閉する通路開閉弁であり、この排出通路１２および弁１７を通って燃料コントロールモジュール５を流出した燃料ガスおよび分離された水分は接続配管１３を通って排出手段１４へ流入し外部へと排出される。なおここで言う排出手段１４とは、通路配管の他、必要に応じて設けられる消音器、燃料希釈装置等の排気系部品の総称である。

１９は燃料ガスボンベ等の燃料貯蔵装置であり、この貯蔵装置１９から供給される新規燃料は、調圧弁１５により所定の圧力に調整され、新規燃料供給通路１６を通ってイジェクタ９で燃料循環通路１８へ流入し、燃料電池スタック１の燃料極に供給される。

次に前記セパレータ装置４の詳細を図１に示す。図はセパレータ装置４の本体構造のみを示してあり、カバー類や継手類は図示省略してある。図において２１がセパレータ本体部であり、内部に水分離室２２を形成した容器状をなしている。

セパレータ本体部２１の一端面２１ａ側には、燃料電池スタック１から排出される未利用燃料の配管３が接続される導入口２３と、排出手段１４への排出通路１２が接続される分配口２４とが設けられている。一方、前記導入口２３の開口部に対して水分離室２２の略対角上の位置に前記燃料通路１０が接続される分配口２５が形成されると共に、前記燃焼器通路７が接続される分配口２６が前記分配口２５を形成する通路の途中から分岐して、前記導入口２３と相対する端面２１ｂ側に開口するように形成されている。

次に、本実施形態に係る作用および効果につき説明する。まず前記セパレータ装置においては、前述の通り、未利用燃料の導入口２３のみならず、水分離室２２を経由した未利用燃料を燃料通路１０および燃料循環通路１８に流出させる分配口２５、燃焼器通路７に流出させる分配口２６、排出通路１２に流出させる分配口２４をセパレータ本体部２１に集約させている。このため未利用燃料を分配するための分岐構造を単純化し、継手・配管類の数を最小限とすることができる。

燃料が通過する継手部分は高度の気密性が求められることから一般に構造上大型になりがちであるが、前記セパレータ装置では水分離室２２を間にして、燃料循環通路１８および燃焼器通路７への分配口２５，２６とガス導入口２３および排出通路１２への分配口２４とを対置させる構成としたので、多くの分配口すなわち継手が一箇所に集中してセパレータ装置が大型化したり組立作業性およびメンテナンス性が悪化したりする不都合を生じない。

水分離性能に着目すると、未利用燃料から十分に水分を除去するには水分離室２２の入口から出口までの距離をできるだけ長くとることが望ましい。この点、前記セパレータ装置によれば、未利用燃料の導入口２３に対して燃料循環通路１８および燃焼器通路７への分配口２５，２６を水分離室２２内で離隔した位置に配置してあるので、十分に乾燥した未利用燃料を燃料電池スタック１に再循環させ、または燃焼器８に供給でき、したがって燃料電池システムを効率よく運転することができる。排出通路１２への分配口２４は未利用燃料の導入口２３と同一の側にあるが、排出する燃料については水分を多く含んでいたとしても問題とならない。水分を多く含む未利用燃料は寒冷時に排出通路１２内で凍結するおそれを生じるが、前期構成によれば比較的温度の高い未利用燃料の導入口２３が近接しているので排出通路１２が凍結を起こしにくいという利点もある。なお、未利用燃料から分離した水を排出する通路は、例えば分離した水を再利用する場合にはセパレータ本体２１に別個に設けるものとし、そのような必要がなければ前記排出通路１２を排水用に兼用するものとすればよい。

次に、前記燃料系装置の実施形態による作用・効果につき説明する。本実施形態によれば、前記セパレータ装置による燃料の乾燥作用をより促進できる効果が得られる。前述のように燃料循環系に空気極からの窒素等が混ざってきた場合は循環系内の燃料を排出する必要がある。前記構成においては、新規燃料供給時に燃焼器通路７の開閉弁６を閉ざしかつ排出通路１２の開閉弁１７を開いた状態とすることにより、新規燃料の一部を前記水分離室内に侵入させるようにしている。燃料ガスボンベ等から供給される新規燃料は一般に乾燥ガスであるので、燃料循環通路１８への分配口２５からセパレータ装置の水分離室２２内に侵入したときに、該分配口２５からは離隔している排出通路７への分配口２４に向かって長い距離にわたって乾燥ガスが流れ、これにより水分離室２２内の水滴が乾燥ガスへ溶け込み、空間内の乾燥度が高められる。この結果としてセパレータ装置の水分離性能がより向上するので、燃料循環通路１８や燃焼器８の乾燥状態を良好に保って燃料電池システムとしての性能を改善することができる。

実施形態のセパレータの外観斜視図。本発明の一実施形態の概略構成図。

符号の説明

１燃料電池スタック
４セパレータ装置
６燃焼器通路の開閉弁
７燃焼器通路
８燃焼器
１０燃料通路
１２排出通路
１７排出通路の開閉弁
１８燃料再循環通路
１９燃料貯蔵装置
２１セパレータ本体部
２２水分離室
２３導入口
２４排出通路への分配口
２５燃料再循環通路への分配口
２６燃焼器通路への分配口

Claims

燃料電池スタックから排出される未利用燃料から水分を分離する水分離室が内部に形成されたセパレータ本体と、
前記未利用燃料を前記水分離室に導入する導入口と、前記水分離室を経由した未利用燃料を、燃料循環通路、排出通路、燃焼器通路の３系統に分配する分配口とを備え、
前記燃料循環通路および燃焼器通路への分配口は、セパレータ内の水分離室を間にして前記導入口と対置させると共に、前記排出通路は前記導入口と同一側に設けたことを特徴とする燃料電池のセパレータ装置。
前記セパレータ本体部の一端面側に前記未利用燃料の導入口と排出通路への分配口とを設けると共に、
前記水分離室の前記導入口開口部に対する略対角上の位置に前記燃料循環通路への分配口を形成し、
前記水分離室から前記分配口に至る通路の途中から分岐した前記燃焼器通路への分配口を前記導入口と相対する端面側に設けた
請求項１に記載の燃料電池のセパレータ装置。
燃料電池スタックから排出される未利用燃料から水分を分離する水分離室が内部に形成されたセパレータ本体と、前記未利用燃料を前記水分離室に導入する導入口と、前記水分離室を経由した未利用燃料を、燃料循環通路、排出通路、燃焼器通路の３系統に分配する分配口とを備え、前記燃料循環通路および燃焼器通路への分配口は、セパレータ内の水分離室を間にして前記導入口と対置させると共に、前記排出通路は前記導入口と同一側に設けたセパレータ装置と、
前記燃料循環通路にその分配口近傍にて新規燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃焼器通路を開閉する燃焼器通路開閉弁と、
前記排出通路を開閉する排出通路開閉弁とを備え、
前記燃料供給装置による新規燃料供給時に、前記燃焼器通路開閉弁を閉ざしかつ前記排出通路開閉弁を開いた状態とすることにより、新規燃料の一部が前記水分離室内に侵入しうるようにしたことを特徴とする燃料電池の燃料系装置。