JP2006344400A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池で生成される生成水を出口マニホールドに滞留させることなく、効率よく排出することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の出口マニホールド６にドレーン配管８を接続して生成水を生成水回収タンク１０に排出しており、ドレーン配管８に穴の径を可変にしたオリフィス９を設置し、穴の径の調節はコンプレッサ３の圧力に基づいて調節するようにして、燃料電池スタック２で生成される生成水の量が多いときには穴の径が大きくなり、生成水の量が少ないときには穴の径が小さくなるように調節することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に燃料電池の出口マニホールドにドレーン配管を接続して生成水を排出する燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

アノード：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ （１）
カソード：２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋ （１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ （２）
この反応にあるように、燃料電池のカソードでは水蒸気が発生し、発生した水蒸気は凝縮して生成水となる。この生成水は回収されて外部に放出されていた。

ここで、生成水を回収して排水するための燃料電池の配管構造の従来例として、例えば特開平４−２６４３６５号公報（特許文献１）が開示されている。この従来例では、燃料電池の出口側反応ガス配管内部で凝縮結露した発電生成水を配管途中の低い位置に設けたドレーンポッドに集め、水位レベルに応じて排水している。

また、排出されていたドレーン水を有効活用するために、ドレーン水を燃料電池冷却系に供給する燃料電池発電システムの従来例として、例えば特開平５−５４９０３号公報（特許文献２）が開示されている。

さらに、配管内に残留した水の凍結を防止するためにドレーンバルブを制御して排水を行う燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００４−３９５２７号公報（特許文献３）が開示されている。
特開平４−２６４３６５号公報 特開平５−５４９０３号公報 特開２００４−３９５２７号公報

上述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池の出口マニホールドに溜まった生成水を排水する場合には、出口マニホールドにドレーン配管を接続し、このドレーン配管を通じて生成水を生成水タンクに貯めて外部に排出していた。このような配管構造にすると、出口マニホールドの内圧が高いのに対して生成水タンクはほぼ大気圧なので、ドレーン配管には内圧を維持するためのオリフィスが設置されていた。

しかしながら、ドレーン配管を通じて排出される生成水はオリフィスで決められた一定の流速でのみ排出されるので、生成水が増加すると出口マニホールド内に生成水が滞留してうまく排出されずに、カソードの流路面積が減少するなどの不具合が発生するという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出口マニホールドにドレーン配管を接続して生成水を排出する燃料電池システムにおいて、前記ドレーン配管に穴の径を可変にしたオリフィス装置を設置したことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、ドレーン配管に設置したオリフィス装置の穴の径を可変にしたので、生成水の量に応じて穴の径を変化させて排水量を調節することができ、これによって出口マニホールド内に生成水を滞留させることなく、効率良く短時間で排出することが可能になる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池スタック２に供給するコンプレッサ３と、燃料電池スタック２に空気を供給する入口配管４と、燃料電池スタック２に供給された空気を均等に分配する入口マニホールド５と、燃料電池スタック２から排気されたガスを集める出口マニホールド６と、マニホールド６で集められたガスを排出する出口配管７と、出口マニホールド６に滞留する生成水を排出するドレーン配管８と、ドレーン配管８に設置されたオリフィス９と、ドレーン配管８の生成水を回収する生成水回収タンク１０とを備えている。

このように構成された燃料電池システム１において、コンプレッサ３は外気を吸入して加圧し、燃料電池スタック２から取り出される出力に応じた空気量を燃料電池スタック２に供給している。コンプレッサ３から送出された空気は入口配管４を通じて入口マニホールド５に供給され、燃料電池スタック２に均等に分配される。

燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電が行われている。そして、発電によって生成された水蒸気などを含む排気ガスは出口マニホールド６で集められて出口配管７から排出される。

このとき、凝縮して出口マニホールド６に溜まった生成水は、燃料電池スタック２の運転によって生じたカソードの内圧によって出口マニホールド６からドレーン配管８に押し出されてオリフィス９を通過して生成水回収タンク１０に集められる。

ここで、オリフィス９は、ドレーン配管８の途中に設置され、カソードの内圧が生成水回収タンク１０の圧力よりも高いので、カソードの内圧を維持するために設置されている。そして、オリフィス９の穴の径は可変になっており、燃料電池スタック２で生成される生成水の量が多いときには穴の径も大きくなり、生成水の量が少ないときには穴の径も小さくなるように調節される。この穴の径の調節方法としては、燃料電池スタック２から取り出された出力に比例して生成水も増加するので、燃料電池スタック２の出力に応じた空気量を供給しているコンプレッサ３からの圧力に基づいてオリフィス９の穴の径を変化させるようにする。これによって、生成水の量に応じてオリフィス９の穴の径を調節することが可能になる。また、オリフィス９の穴の径を変化させるための動力としては、コンプレッサ３の負圧を利用する機械式であってもよいし、コンプレッサ３の圧力を検出して電気的に穴の径を調節する電気式であってもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による作用を説明する。燃料電池スタック２で発電が行われているときに、燃料電池スタック２から取り出される出力が上昇すると、コンプレッサ３によって送られる空気の圧力も同時に増加する。

そして、燃料電池スタック２では出力の増加に伴って出口マニホールド６に溜まる生成水の量も増加していくが、このときオリフィス９の穴の径はコンプレッサ３からの圧力に応じて大きくなっており、通常よりも多くの生成水を出口マニホールド６から生成水回収タンク１０に排出できるようになっている。

したがって、生成水の量が増加したとしても、出口マニホールド６内に生成水が滞留して排出されないということはなくなり、カソードの流路面積が減少するなどの不具合が発生することを防止できる。

逆に、燃料電池スタック２の出力が低下するときには、コンプレッサ３によって送られる空気の圧力も同時に減少し、この圧力の減少に応じてオリフィス９の穴の径も小さくなる。このとき、燃料電池スタック２の出力が低下しているので、出口マニホールド６に溜まる生成水の量も減少しており、オリフィス９の穴の径を小さくしたとしても十分に生成水を排出することは可能になる。また、オリフィス９の穴の径を小さくしているので、カソードの内圧を維持することも可能になる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、ドレーン配管８に設置したオリフィス９の穴の径を可変にしたので、生成水の量に応じて穴の径を変化させて排水量を調節することができ、これによって出口マニホールド６内に生成水を滞留させることなく、効率良く短時間で排出することが可能になる（請求項１の効果）。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、オリフィス９の穴の径を燃料電池スタック２で生成される生成水の量に基づいて調節するので、生成水の量の増減に応じて穴の径を調節して効率良く生成水を排出することが可能になる（請求項２の効果）。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、オリフィス装置の穴の径をコンプレッサ３の圧力に基づいて調節するので、燃料電池スタック２から排出される生成水の量に応じて穴の径を変化させることができ、これによって出口マニホールド６内に生成水を滞留させることなく、効率良く短時間で排出することが可能になる（請求項３の効果）。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム２１は、出口マニホールド６近傍のドレーン配管８に逆止弁２２を設置したことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

このように、本実施形態の燃料電池システム２１では、ドレーン配管８に逆止弁２２を設置したので、出口マニホールド６内の圧力が低下する運転停止時においても、ドレーン配管８内の生成水が逆流して出口マニホールド６内に戻る現象を防ぐことができ、ドレーン配管８のレイアウト性を向上させることができる（請求項４の効果）。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム３１は、オリフィス９にダンパー３２を設置したことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

ここで、ダンパー３２は、オリフィス９の穴の径が変化するのを遅延させるためのもので、燃料電池スタック２で生成された生成水がオリフィス９に到達するまでの時間の分だけ穴の径の変化を遅延させるように調節されている。

このように本実施形態の燃料電池システム３１では、燃料電池スタック２で生成された生成水がオリフィス９に到達するまでの時間を考慮してオリフィス９の穴の径を変化させるので、燃料電池スタック２の負荷が変動して生成水の量が変動した場合でも、その変化に対応して生成水を排出することができる（請求項５の効果）。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

燃料電池の出口マニホールドにドレーン配管を接続して生成水を排出する燃料電池システムに係り、特に生成水を出口マニホールドに滞留させることなく、効率よく排出するための技術として極めて有用である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、２１、３１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ コンプレッサ
４ 入口配管
５ 入口マニホールド
６ 出口マニホールド
７ 出口配管
８ ドレーン配管
９ オリフィス
１０ 生成水回収タンク
２２ 逆止弁
３２ ダンパー

Claims (5)

1. 燃料電池の出口マニホールドにドレーン配管を接続して生成水を排出する燃料電池システムにおいて、
   前記ドレーン配管に穴の径を可変にしたオリフィス装置を設置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記オリフィス装置の穴の径は、前記燃料電池で生成される生成水の量に基づいて調節されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記オリフィス装置の穴の径は、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサの圧力に基づいて調節されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記ドレーン配管に逆止弁を設置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池で生成された生成水が前記オリフィス装置に到達するまでの時間を考慮して前記オリフィス装置の穴の径を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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