JP2006339095A - Gas pipe for fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に接続され、所定のガスが内部に流れる燃料電池用ガス管に関する。 The present invention relates to a fuel cell gas pipe that is connected to a fuel cell and through which a predetermined gas flows.
近年、電気自動車の電力源として、燃料電池が注目されている。水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池は、発電の過程において水が生成される。通常、この水は、酸素の供給を受けるカソード側で生成されるが、電解質膜を介してアノード側にも透過する。燃料電池の運転温度は、80℃程度まで上昇するため、こうして生成された水は水蒸気や細かな液滴となり、燃料電池に接続された種々のガス管に流入する。燃料電池システムの運転時には、これらの水蒸気や液滴は、オフガスとしてシステム外に排出されることになる。 In recent years, fuel cells have attracted attention as a power source for electric vehicles. In a fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen and oxygen, water is generated in the process of power generation. Normally, this water is generated on the cathode side to which oxygen is supplied, but also permeates to the anode side through the electrolyte membrane. Since the operating temperature of the fuel cell rises to about 80 ° C., the water thus generated becomes water vapor or fine droplets and flows into various gas pipes connected to the fuel cell. During operation of the fuel cell system, these water vapor and droplets are discharged out of the system as off-gas.
しかし、システムの停止後には、燃料電池の温度の低下につれてガス管内の水蒸気が液滴となり、もともと存在していた液滴とともに重力の影響で、配管経路中の低い部位へと移動する。そのため、燃料電池システムが氷点下の環境で放置された場合には、その部分で水が凍結して管路内を著しく狭めたり、閉塞してしまうことがある。その結果、燃料電池システム内でのガスの流れが阻害され、システムの始動性が低下してしまう。特に、燃料電池のアノードに水素を供給する配管やアノードオフガスの排出を行うガス管は、燃料電池に酸素を供給するガス管に比べて細く形成されていることが多く、このような問題が起こりやすい。 However, after the system is stopped, the water vapor in the gas pipe becomes droplets as the temperature of the fuel cell decreases, and moves to a lower part in the piping path due to the influence of gravity along with the droplets that were originally present. For this reason, when the fuel cell system is left in a sub-freezing environment, water may freeze at that portion and the inside of the pipeline may be significantly narrowed or blocked. As a result, the gas flow in the fuel cell system is hindered and the startability of the system is reduced. In particular, the pipe for supplying hydrogen to the anode of the fuel cell and the gas pipe for discharging the anode off-gas are often formed narrower than the gas pipe for supplying oxygen to the fuel cell. Cheap.
そこで、例えば、オフガスを排出する配管を全長に亘って傾斜させることで水を排出することも考えられるが、車両の構造上、そのような配管構成を採ることが困難な場合がある。なお、下記特許文献1では、燃料電池自体もしくは燃料電池の下縁部を傾斜させることで、燃料電池内のカソード側に発生した水を排出する技術が開示されている。 Thus, for example, it is conceivable to discharge water by inclining a pipe for discharging off-gas over the entire length, but it may be difficult to adopt such a pipe configuration because of the structure of the vehicle. Patent Document 1 below discloses a technique for discharging water generated on the cathode side in a fuel cell by inclining the fuel cell itself or the lower edge of the fuel cell.
このような状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池での発電の過程で生成された水の影響で、燃料電池用ガス管内のガスの流れが阻害されることを簡易な構成で抑制することにある。 In view of such a situation, the problem to be solved by the present invention is that the flow of gas in the fuel cell gas pipe is obstructed by the influence of water generated in the process of power generation in the fuel cell. It is to be suppressed by the configuration.
上記課題を解決するため、本発明を次のように構成した。すなわち、
燃料電池に接続され、所定のガスが内部に流れる燃料電池用ガス管であって、
該燃料電池用ガス管の略水平方向に配置されている水平部分において、前記水平部分の下側の管壁の一部を、他の部分よりも低く形成した下方凸部を備え、
該下方凸部に対向する前記燃料電池用ガス管の上側の管壁は、前記下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成されており、
前記下方凸部を有する部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積は、前記下方凸部を有さない部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積よりも小さく形成されていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows. That is,
A fuel cell gas pipe connected to the fuel cell, in which a predetermined gas flows;
In a horizontal portion arranged in a substantially horizontal direction of the fuel cell gas pipe, a lower convex portion formed with a part of a tube wall on the lower side of the horizontal part lower than the other part,
The upper pipe wall of the fuel cell gas pipe facing the lower convex part is formed at a position higher than the lower pipe wall of the horizontal part where the lower convex part is not formed,
The cross-sectional area including the hollow portion of the fuel cell gas pipe in the portion having the lower convex portion is formed smaller than the cross-sectional area including the hollow portion of the fuel cell gas pipe in the portion not having the lower convex portion. It is a summary.
本発明の燃料電池用ガス管は、その水平部分の下側の管壁の一部が他の部分よりも低く形成されてなる下方凸部を有している。そのため、燃料電池の発電が停止されて、管内に存在する水蒸気が液滴になっても、下方凸部に水が貯留することになり、簡易な構成で配管内のガスの流れが阻害されることを抑制することができる。さらに、下方凸部に対向する上側の管壁は、該下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成されているため、下方凸部が水で満たされた場合であっても、管路が閉塞することがない。しかも、下方凸部を含むガス管の断面積を、他の部分の断面積よりも小さくしたため、燃料電池を始動した際には、その部分でガスの流速が上がり、下方凸部に溜まった水を効率よく排出することが可能になる。 The fuel cell gas pipe of the present invention has a downward convex part formed by forming a part of the lower tube wall of the horizontal part lower than the other part. Therefore, even if the power generation of the fuel cell is stopped and the water vapor present in the pipe becomes droplets, water is stored in the downward convex portion, and the gas flow in the pipe is obstructed with a simple configuration. This can be suppressed. Furthermore, since the upper pipe wall facing the lower convex part is formed at a position higher than the lower pipe wall of the horizontal part where the lower convex part is not formed, the lower convex part is filled with water. Even in such a case, the pipeline is not blocked. Moreover, since the cross-sectional area of the gas pipe including the downward convex portion is made smaller than the cross-sectional area of the other portion, when the fuel cell is started, the gas flow rate increases at that portion, and the water accumulated in the downward convex portion Can be efficiently discharged.
また、本発明は、燃料電池用ガス管としての構成以外にも、上述した燃料電池用ガス管を備える燃料電池システムとして構成することもできる。 Further, the present invention can be configured as a fuel cell system including the above-described fuel cell gas pipe in addition to the configuration as the fuel cell gas pipe.
以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
図1は、実施例としての燃料電池用ガス管を備える燃料電池システム100の全体構成を示す説明図である。本実施例における燃料電池用ガス管は、後述する水素循環管33に相当する。図示するように、燃料電池システム100は、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池10や、水素を貯蔵する水素タンク20、燃料電池10に対して空気を供給するエアコンプレッサ41、希釈器44、水素ポンプ45などを備えている。本実施例の燃料電池システム100は、車両に搭載され、車軸駆動用の電動モータ50を動作させる電力源として用いられる。
Hereinafter, in order to further clarify the operation and effect of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a
燃料電池10は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル(図示せず)を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極(以下、アノードと呼ぶ)と酸素極(以下、カソードと呼ぶ)とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。
The
燃料電池10のカソードには、空気供給配管35とカソードオフガス排出管36とが接続されている。燃料電池10には、空気供給配管35を通じて、エアコンプレッサ41により圧縮された空気が供給される。この空気は、燃料電池10内での電気化学反応によって酸素が消費された後、カソードオフガス排出管36を通じて外部に排出される。こうしてカソードから排出されるガスをカソードオフガスという。カソードオフガス排出管36には、圧力調整弁27と、希釈器44とが接続されている。圧力調整弁27は、空気供給配管35から供給される空気の背圧を調整するためのバルブであり、この圧力調整弁27によって、エアコンプレッサ41から供給される空気の供給量が調整される。希釈器44は、カソードオフガスによって後述するアノードオフガスを希釈して排出するための装置である。
An
燃料電池10のアノードには、水素供給配管32と水素循環管33とが接続されている。アノードには、水素供給配管32を通じて、水素タンク20から水素が供給される。水素供給配管32には、レギュレータ23が備えられており、このレギュレータ23によって、水素タンク20から供給される高圧水素が、燃料電池10での発電に適した圧力まで減圧される。
A
アノードに供給された水素の一部は、燃料電池10内での電気化学反応によって消費される一方、電気化学反応によって消費しきれなかった水素は、アノードオフガスとして水素循環管33に排出される。アノードオフガスには、水素以外にも、燃料電池10内の電解質膜を通じてカソード側から透過してきた水分や窒素等が含まれる。
A part of the hydrogen supplied to the anode is consumed by an electrochemical reaction in the
水素循環管33に排出されたアノードオフガスは、下方凸部200を通って、その後、水素ポンプ45によって加圧される。こうして加圧されたアノードオフガスは、逆止弁28を通って、再度、水素供給配管32に供給される。つまり、燃料電池10から排出されたアノードオフガスは、燃料電池10に循環して供給されることになる。上述したように、アノードオフガスには、燃料電池10による電気化学反応で消費しきれなかった水素が含まれるため、こうして燃料電池10に循環して供給することにより、効率的に水素を利用することができる。なお、下方凸部200の詳細については、後述する。
The anode off gas discharged to the
水素循環管33中の水素ポンプ45と逆止弁28との間には、排出バルブ26を介してアノードオフガス排出管34が接続されている。このアノードオフガス排出管34の他端は、希釈器44に接続されている。排出バルブ26は、定期的に開弁され、ここからアノードオフガスがアノードオフガス排出管34を通じて希釈器44に排出される。希釈器44に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガスによって希釈された後、外部へ排出される。上述したように、アノードオフガスには水分や窒素などが含まれるため、循環を繰り返すとこれらの濃度が高くなる。そのため、排出バルブ26を定期的に開弁して排出することで、これらの不純物を水素とともに外部に排出し、その濃度を低下させることができる。
Between the
図2は、下方凸部200を有する水素循環管33の配管形状を示す説明図である。図中には、水素循環管33の側断面図と、下方凸部200を含む部分における水素循環管33のA−A'断面図と、下方凸部200を含まない部分における水素循環管33のB−B'断面図と、断面積を比較するために各断面の長軸方向を揃えて重ね合わせた参考図とを示している。
FIG. 2 is an explanatory view showing the piping shape of the
水素循環管33は、ステンレスや樹脂によって形成されており、図2の側断面図に示すように、水平方向に設けられた水素循環管33の下側の管壁の一部が、他の部分よりも低く形成されることによって下方凸部200が形成されている。また、下方凸部200に対向する水素循環管33の上側の管壁220は、下方凸部200の形成されていない下側の管壁230よりも高い位置に形成されている。下方凸部200は、燃料電池の発電終了時に水素循環管33内に存在する水分の総量を実験的に計測し、その水量を蓄えられるだけの容積を有する形状とすることができる。
The
本実施例では、下方凸部200を含む部分における水素循環管33は、A−A'断面図に示すように、鉛直方向に長軸を有する楕円形状を呈している。一方、下方凸部200を含まない部分における水素循環管33は、B−B'断面図に示すように、水平方向に長軸を有する楕円形状を呈している。また、参考図に示すように、下方凸部200を有する部分(A−A'断面)の中空部分を含む断面積SAが、下方凸部200を有さない部分(B−B'断面)の中空部分を含む断面積SBよりも小さく形成されている。断面積SAの断面積SBに対する面積比は、例えば、50%〜80%の間で設定することができ、本実施例では、断面積SAは、断面積SBの70%程度の面積であるものとした。なお、この断面積SAと断面積SBとの面積比は、下方凸部200の存在する部分によってアノードオフガスの流れが阻害されることがなく、かつ、下方凸部200内に貯留した水を押し出して吹き飛ばすことが可能な流速となる値を実験的に求めて設定することができる。また、水素ポンプ45の回転数や燃料電池10の発電量、水素循環管33の通常部分の断面積SBなどからアノードオフガスの通常の流速を求め、この流速が、下方凸部200内に貯留した水を押し出して吹き飛ばすことが可能な程度の流速まで増加するように断面積SAの値を設定するものとしてもよい。
In the present embodiment, the
このような形状を有する水素循環管33によれば、燃料電池システム100が停止されたことに伴い、燃料電池の温度が低下して、水素循環管33中に存在する水蒸気が液滴になったとしても、この液滴は、重力の影響で、水素循環管33中の下方凸部200に貯留することになる。また、下方凸部200に対向する上側の管壁は、下方凸部200の形成されていない下側の管壁230よりも高い位置に形成されているため、下方凸部200全体が水で満たされたとしても、管路全体が水で満たされることがない。そのため、氷点下環境に燃料電池システム100を放置したとしても、下方凸部200に貯留した水が凍結するに留まり、水素循環管33の管路全体が凍結して閉塞してしまうことを抑制することができる。
According to the
しかも、本実施例の水素循環管33は、下方凸部200を含む部分の断面積を、他の部分の断面積よりも小さく形成した。そのため、下方凸部200を含む部分でアノードオフガスの流速が上がり、下方凸部200に貯留した水が押し出され、下方凸部200に溜まった水を効率良く排出することが可能になる。また、断面積が変化した部分において乱流が発生し、留まった水が巻き上げられて排出されると考えることもできる。
In addition, in the
なお、下方凸部200を含む部分は、他の部分よりも断面積が小さいため、圧力損失が発生するおそれがある。しかし、アノードオフガスの主成分である水素は、空気中の窒素や酸素にくらべ、粘性が低く、また、質量も小さい。そのため、下方凸部200における圧力損失が、その部分を流れるアノードオフガスの流動性に与える影響は極めて低いと考えることができる。
In addition, since the cross-sectional area of the part containing the downward
以上、本発明の一実施例について説明した。上述した実施例によれば、燃料電池10に接続される配管が凍結によって閉塞することを簡易な構成によって抑制することができる。この結果、燃料電池システム10の配管設計を自由度高く行うことが可能になる。なお、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、次のような変形が可能である。
The embodiment of the present invention has been described above. According to the above-described embodiment, it is possible to suppress the piping connected to the
図3ないし図6は、水素循環管33の変形例を示す説明図である。例えば、上記実施例では、水素循環管33の配管形状は、下方凸部200を含む部分および含まない部分とも、その断面は楕円形状であるものとした。これに対して、図3で示すように、例えば、下方凸部200を含まない部分の断面を円形状としてもよい。また、下方凸部200の底面は、図4に示すように、方形状であるものとしてもよい。また、図5に示すように、水素循環管33の下方凸部に対向する上側の管壁に、上方凸部210や下方凸部215(図中の破線で示した部分)が設けられていてもよい。また、図6の側断面図に示すように、下方凸部はその中心付近が突出した形状であってもよい。
3 to 6 are explanatory views showing modifications of the
これらの変形例に示すように、水素循環管33は、その下側の管壁の一部が、他の部分よりも低く形成された下方凸部200を有しており、下方凸部200に対向する上側の管壁が、下方凸部200の形成されていない部分の下側の管壁よりも高い位置に形成され、下方凸部200を有する部分における断面積が、下方凸部200を有さない部分における断面積よりも小さく形成されていればよい。
As shown in these modifications, the
また、上記実施例では、水素循環管33に下方凸部200を形成するものとしたが、水素供給配管32やアノードオフガス排出管34にも下方凸部200を形成するものとしてもよい。これらの配管中にも、水蒸気や液滴が存在する場合があるからである。もちろん、空気供給配管35や、カソードオフガス排出管36に形成するものとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the downward
10...燃料電池
20...水素タンク
23...レギュレータ
26...排出バルブ
27...圧力調整弁
28...逆止弁
32...水素供給配管
33...水素循環管
34...アノードオフガス排出管
35...空気供給配管
36...カソードオフガス排出管
41...エアコンプレッサ
44...希釈器
45...水素ポンプ
50...電動モータ
100...燃料電池システム
200...下方凸部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
該燃料電池用ガス管の略水平方向に配置されている水平部分において、前記水平部分の下側の管壁の一部を、他の部分よりも低く形成した下方凸部を備え、
該下方凸部に対向する前記燃料電池用ガス管の上側の管壁は、前記下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成されており、
前記下方凸部を有する部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積は、前記下方凸部を有さない部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積よりも小さく形成されている
燃料電池用ガス管。 A fuel cell gas pipe connected to the fuel cell, in which a predetermined gas flows;
In a horizontal portion arranged in a substantially horizontal direction of the fuel cell gas pipe, a lower convex portion formed with a part of a tube wall on the lower side of the horizontal part lower than the other part,
The upper pipe wall of the fuel cell gas pipe facing the lower convex part is formed at a position higher than the lower pipe wall of the horizontal part where the lower convex part is not formed,
The cross-sectional area including the hollow portion of the fuel cell gas pipe in the portion having the lower convex portion is formed smaller than the cross-sectional area including the hollow portion of the fuel cell gas pipe in the portion not having the lower convex portion. The fuel cell gas pipe.
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