JP2007042394A - 燃料電池のアノードガス供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池から排出されたアノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路に水詰まりが発生しないようにした燃料電池のアノードガス供給装置を提供する。
【解決手段】アノードガスを燃料電池(10)に供給するアノードガス供給路(22)と、燃料電池(10)から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路(22)に還流させるアノードオフガス還流路(24)と、アノードガス供給路(22)とアノードオフガス還流路(24)の接続部に配置され、燃料電池(10)に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタ(30)とを備えると共に、アノードオフガス還流路(24)のエジェクタ(30)よりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器(32,34)を配置する。
【選択図】図1
【解決手段】アノードガスを燃料電池(10)に供給するアノードガス供給路(22)と、燃料電池(10)から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路(22)に還流させるアノードオフガス還流路(24)と、アノードガス供給路(22)とアノードオフガス還流路(24)の接続部に配置され、燃料電池(10)に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタ(30)とを備えると共に、アノードオフガス還流路(24)のエジェクタ(30)よりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器(32,34)を配置する。
【選択図】図1
Description
この発明は、燃料電池のアノードガス供給装置に関する。
燃料電池から排出されたアノードオフガスには、未使用のガス(燃料)が含まれる。そのため、アノードオフガスをアノードガスの供給路に還流させて燃料電池に再度供給する、即ち、アノードオフガスを循環させるのが一般的である(例えば特許文献1参照)。
特開平9−22714号公報(図1など)
しかしながら、アノードオフガスを循環させると、アノードオフガス中に含まれる水分がアノードオフガスの流路で凝集して水詰まりを発生し、アノードオフガスの流れを阻害するという不具合があった。
従ってこの発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池から排出されたアノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路に水詰まりが発生しないようにした燃料電池のアノードガス供給装置を提供することにある。
上記の目的を解決するために、請求項1にあっては、燃料電池にアノードガスを供給する燃料電池のアノードガス供給装置において、前記アノードガスを前記燃料電池に供給するアノードガス供給路と、前記アノードガス供給路に接続され、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給路に還流させるアノードオフガス還流路と、前記アノードガス供給路と前記アノードオフガス還流路の接続部に配置され、前記燃料電池に供給されるアノードガスに前記アノードオフガスを混合させるエジェクタと、および前記アノードオフガス還流路の前記エジェクタよりも前記アノードオフガスの流れにおいて上流側に配置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器とを備えるように構成した。
また、請求項2に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、前記アノードオフガス還流路に接続され、前記アノードオフガスをパージさせるパージ流路を備えると共に、前記気水分離器は、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに配置されるように構成した。
また、請求項3に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも下流側と前記パージ流路の少なくともいずれかに開閉弁を配置するように構成した。
請求項1に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、アノードガスを燃料電池に供給するアノードガス供給路と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路に還流させるアノードオフガス還流路と、アノードガス供給路とアノードオフガス還流路の接続部に配置され、燃料電池に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタとを備えると共に、アノードオフガス還流路のエジェクタよりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器を配置するように構成したので、アノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路(還流路やエジェクタ)に水詰まりが発生することがない。
また、請求項2に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、アノードオフガス還流路に接続され、アノードオフガスをパージするパージ流路を備えると共に、アノードオフガス還流路においてパージ流路が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに気水分離器を配置するように構成したので、アノードオフガスの流路に水詰まりが発生するのをより効果的に防止することができる。
また、請求項3に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、アノードオフガス還流路においてパージ流路が接続される部位よりも下流側とパージ流路の少なくともいずれかに開閉弁を配置するように構成したので、上記した効果に加え、アノードオフガスの循環とパージを切り替え自在とすることができる。
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池のアノードガス供給装置の最良の実施の形態について説明する。
図1は、この発明の第1実施例に係る燃料電池のアノードガス供給装置を示す概略図である。
図1において符号10は、燃料電池(スタック)を示す。燃料電池10は、電解質膜(固体高分子膜)と、それを挟持するカソード極とアノード極と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池(セル)を複数個積層して形成された公知の固体高分子型燃料電池である。
燃料電池10の空気極には、燃料電池10にカソードガス(空気。具体的には酸素ガス)を供給するカソードガス供給系12が接続される。カソードガス供給系12は、カソードガス供給路14と、カソードオフガス排出路16と、カソードガスポンプ18などから構成される。
カソードガス供給路14はカソード極の入口側に接続される一方、カソードオフガス排出路16はカソード極の出口側に接続される。また、カソードガス供給路14には、カソードガスポンプ18が配置される。
燃料電池10のアノード極には、燃料電池10に燃料(アノードガス。具体的には水素ガス)を供給するアノードガス供給系20が接続される。アノードガス供給系20は、アノードガス供給路22と、アノードオフガス還流路24と、パージ流路26と、調圧弁28と、エジェクタ30と、第1および第2の気水分離器32,34と、第1および第2の電磁弁(開閉弁)36,38とから構成される。
アノードガス供給路22はアノード極の入口側に接続される一方、アノードオフガス還流路24はアノード極の出口側に接続される。アノードガス供給路22の上流端は、水素タンクなどのアノードガス供給源に接続される。また、アノードガス供給路22においてアノードガス供給源よりも下流側には、調圧弁28が配置される。尚、この明細書において「上流」および「下流」とは、そこを流れるガスの流れ方向における上流と下流を意味する。
アノードオフガス還流路24の下流端は、アノードガス供給路22の調圧弁28よりも下流側に接続される。アノードガス供給路22とアノードオフガス還流路24の接続部には、エジェクタ30が配置される。即ち、アノードオフガス還流路24は、エジェクタ30を介してアノードガス供給路22に接続される。
アノードオフガス還流路24には、第1の気水分離器32が配置されると共に、第1の気水分離器32よりも下流側に第2の気水分離器34が配置される。アノードオフガス還流路24において第1の気水分離器32と第2の気水分離器34の間には、パージ流路26が接続される。
アノードオフガス還流路24においてパージ流路26が接続される部位よりも下流側、より詳しくは、第2の気水分離器34よりも下流側には、第1の電磁弁36が配置される。また、パージ流路26には、第2の電磁弁38が配置される。
燃料電池10には、電圧センサ40が接続される。電圧センサ40は、燃料電池10の出力電圧Vを示す出力を生じる。電圧センサ40の出力は、ECU(電子制御ユニット)42に入力される。ECU42はマイクロ・コンピュータからなり、CPUやROM、RAMなど(いずれも図示せず)を備える。ECU42は、入力された出力電圧Vに基づいて第1および第2の電磁弁36,38の動作(開閉)を制御し、アノードオフガスのパージを実行する。
カソードガスポンプ18によって吸引されたカソードガスは、カソードガス供給路14と図示しない加湿器を介して燃料電池10のカソード極に供給される。また、アノードガス供給源からアノードガス供給路22に高圧で圧送されたアノードガスは、調圧弁28で30kPa程度に減圧された後、エジェクタ30を通過して燃料電池10のアノード極に供給される。
燃料電池10に供給されたカソードガスとアノードガスは、電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
カソード極:1/2O2+2H++2e−→H2O
アノード極:H2→2H++2e−
従って、全体の反応は下記となる。
全体:H2+1/2O2→H2O
カソード極:1/2O2+2H++2e−→H2O
アノード極:H2→2H++2e−
従って、全体の反応は下記となる。
全体:H2+1/2O2→H2O
上記の反応によって燃料電池10が発電した電力(直流電流)は、図示しない出力端子と出力回路を介して電気負荷(外部の電気機器)に供給される。
カソード極から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス排出路16を介して燃料電池10の外部に排出される。また、アノード極から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス還流路24に流入される。第1の電磁弁36が開弁され、かつ第2の電磁弁38が閉弁されているとき、アノードオフガス還流路24に流入されたアノードオフガスは、第1の気水分離器32、第2の気水分離器34および第1の電磁弁36を介してエジェクタ30に流入される。
エジェクタ30は、アノードガス供給路22を通過する(アノードガス供給源から供給された)新規のアノードガスを駆動流としてアノードオフガスを吸引し、アノードガスにアノードオフガスを混合する。即ち、燃料電池12から排出されたアノードオフガスは、還流路24とエジェクタ30を介してアノードガス供給路22に還流され、燃料電池10に再度供給される。別言すれば、アノードオフガスは、アノードガス供給系20を循環させられる。
ここで、図2および図3を参照し、第1の気水分離器32と第2の気水分離器34の構造について説明する。図2は第1の気水分離器32の拡大断面図であり、図3は第2の気水分離器34の拡大断面図である。
先ず、図2を参照して第1の気水分離器32の構造について説明すると、図示の如く第1の気水分離器32は箱状を呈し、側面32aの上部(鉛直方向において上部)と、側面32aに対向する側面32bの下部(具体的には、底面32cよりもわずかに上方の位置)に、それぞれ開口部32d,32eが設けられる。
開口部32dには、アノードオフガス還流路24の上流側が接続される一方、開口部32eには、アノードオフガス還流路24の下流側が接続される。図示の如く、第1の気水分離器32の断面積は、アノードオフガス還流路24のそれよりも大きく設定される。また、各側面32a,32bには、金属線のフィン32fが複数枚取り付けられる。具体的には、各側面32a,32b(気水分離器32の内面)には、気水分離器32の内方に向けて突出されたフィン32fが上下に複数枚(2枚)配列されて取り付けられる。フィン32fは、気水分離器32の内方側の端部が側面32a,32b側の端部よりも下方に位置するように傾斜させられる。
アノードオフガス還流路24から開口部32dを介して第1の気水分離器32の内部に流入されたアノードオフガスは、圧力低下や壁面(フィン32fを含む)との接触面積の増加によって温度が低下し、アノードオフガスに含まれる水分(水蒸気)が凝集させられる。凝集させられた水分は、第1の気水分離器32の底面32cに滞留させられる。これにより、アノードオフガスに含まれる水分がアノードオフガスから除去される。水分が除去されたアノードオフガスは、開口部32eからアノードオフガス還流路24へと流出される。尚、フィン32fは、気水分離器32の内方側の端部が側面32a,32b側の端部よりも下方に位置するように傾斜させられるため、フィン32fに付着した水分は底面32cに滴下させられる。
次いで、第2の気水分離器34の構造について説明する。図3に示すように、アノードオフガス還流路24は、一部が鉛直方向と平行となるように屈曲され、その鉛直方向と平行な部位(符号24aで示す)に第2の気水分離器34が配置される。第2の気水分離器34は箱状を呈し、底面34aと上面34bにそれぞれ開口部34c,34dが設けられる。
開口部34cには、アノードオフガス還流路24(24a)の上流側が接続される一方、開口部34dには、アノードオフガス還流路24(24a)の下流側が接続される。第2の気水分離器34の断面積は、アノードオフガス還流路24(24a)のそれよりも大きく設定される。また、第2の気水分離器34の内部(具体的には、開口部34dの直近)には、水分捕集部材34eが設けられる。水分捕集部材34aは、例えばポーラス(多孔質)金属やポーラスセラミックなどからなり、アノードオフガス中のガス成分(水素ガス)を透過させる一方、水分の通過を阻止する。
アノードオフガス還流路24(24a)から開口部34cを介して第2の気水分離器34の内部に流入されたアノードオフガスは、圧力低下や壁面との接触面積の増加によって温度が低下し、アノードオフガスに含まれる水分(第1の気水分離器32で除去しきれなかった水分)が凝集させられる。凝集させられた水分は、水分捕集部材34aで捕集されて下方へと滴下される。これにより、アノードオフガスに含まれる水分がアノードオフガスから除去される。水分が除去されたアノードオフガスは、開口部34dからアノードオフガス還流路24(24a)へと流出される。第2の気水分離器34から流出されたアノードオフガスは、第1の電磁弁36を介してエジェクタ30に流入され、そこでアノードガスと混合されて燃料電池10に供給される。
尚、アノードオフガスは、還流路24を通過するに従って温度が低下して水分が凝集し易くなる。そのため、アノードオフガスに含まれる水分を効率的に除去(捕集)するには、第2の気水分離器34をエジェクタ30の直近に配置することが望ましい。この実施例にあっては、第2の気水分離器36からエジェクタ30までの距離を20mmに設定し、その間に第1の電磁弁36を配置するようにした。
図1の説明に戻ると、第1の電磁弁36が閉弁され、かつ第2の電磁弁38が開弁されると、燃料電池10から排出されたアノードオフガスはアノードオフガス還流路24の途中から(第2の気水分離器34の下流から)パージ流路26に流入し、第2の電磁弁38を介してパージさせられる。このとき、第1の気水分離器32に滞留された水分と第2の気水分離器34によって捕集された水分がアノードオフガスと共にパージ流路26から外部に排出される。
次いで、図4を参照し、第1および第2の電磁弁36,38の開閉処理(アノードオフガスのパージ処理)について説明する。図4は、その処理を表すフローチャートである。図示のプログラムは、ECU42で所定の周期(例えば10msecごと)で実行される。
以下、図4フローチャートについて説明すると、先ずS10において、アノードオフガスのパージを実行中か否か判断する。S10で否定されるときはS12に進み、パージの実行タイミングか否か判断する。パージは、所定時間間隔ごとに定期的に行ってもよいし、電圧センサ40で検出された出力電圧Vが低下したとき(所定値を下回ったとき)に行うようにしてもよい。
S12で肯定されるときはS14で第1の電磁弁36を閉弁すると共に、S16で第2の電磁弁38を開弁し、アノードオフガスのパージを実行して水分をパージ流路26から排出させる。一方、S12で否定されるときはS18で第1の電磁弁36を開弁すると共に、S20で第2の電磁弁38を閉弁し、アノードオフガスをアノードガス供給路22に還流させる。
また、S10で肯定されるときはS22に進み、パージを開始してから所定時間(数秒)経過したか否か判断する。S22で否定されるときはS14とS16に進んでパージの実行を継続し、S22で肯定されるときはS18とS20に進んでパージを終了する。
このように、この発明の第1実施例に係る燃料電池の制御装置にあっては、アノードガスを燃料電池10に供給するアノードガス供給路22と、燃料電池10から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路22に還流させるアノードオフガス還流路24と、アノードガス供給路22とアノードオフガス還流路24の接続部に配置され、燃料電池10に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタ30とを備えると共に、アノードオフガス還流路24のエジェクタ30よりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器32,34を配置するように構成したので、アノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路(還流路24やエジェクタ30)に水詰まりが発生することがない。
また、アノードオフガス還流路24に接続され、アノードオフガスをパージするパージ流路26を備えると共に、アノードオフガス還流路24においてパージ流路26が接続される部位よりも上流側と下流側に気水分離器32,34を配置するように構成したので、アノードオフガスの流路に水詰まりが発生するのをより効果的に防止することができる。
また、アノードオフガス還流路24においてパージ流路26が接続される部位よりも下流側とパージ流路26に電磁弁36,38を配置するように構成したので、アノードオフガスの循環とパージを切り替え自在とすることができる。
尚、上記において、アノードオフガス還流路24に気水分離器を2個配置するようにしたが、いずれか一方のみ配置するようにしてもよい。また、還流路24とパージ流路26に1個ずつ電磁弁を配置するようにしたが、還流路24とパージ流路26の接続部に三方電磁弁を配置するようにしてもよい。
また、図4フローチャートのS14とS16に示すように、パージを実行する際、第1の電磁弁36を閉弁するのと同時に第2の電磁弁38を開弁するようにしたが、発明者らの実験を通じて得た知見によれば、第1の電磁弁36を閉弁した後、数秒から10秒程度経過してから第2の電磁弁38を開弁しても、水詰まりの発生を防止することができた。
また、第1の気水分離器32や第2の気水分離器34の構造も図2および図3に示すものに限られず、例えば図5に示すような気水分離器を使用してもよい。図5に示す気水分離器50は、アノードオフガス還流路24の一部を拡径して形成した簡易な気水分離器である。具体的には、アノードオフガス還流路24の内径よりも大きな内径を有する配管52を、異径ジョイント54,56を介して還流路24の途中に介挿するようにした。これにより、アノードオフガスに含まれる水分は配管52の内部で凝集して配管52の底部に滞留され、よってアノードオフガスから水分が除去される。
以上のように、この発明の第1実施例にあっては、燃料電池(10)にアノードガスを供給する燃料電池のアノードガス供給装置において、前記アノードガスを前記燃料電池(10)に供給するアノードガス供給路(22)と、前記アノードガス供給路(22)に接続され、前記燃料電池(10)から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給路(22)に還流させるアノードオフガス還流路(24)と、前記アノードガス供給路(22)と前記アノードオフガス還流路(24)の接続部に配置され、前記燃料電池(10)に供給されるアノードガスに前記アノードオフガスを混合させるエジェクタ(30)と、および前記アノードオフガス還流路(24)の前記エジェクタ(30)よりも前記アノードオフガスの流れにおいて上流側に配置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器(第1の気水分離器32、第2の気水分離器34、気水分離器50)とを備えるように構成した。
さらに、前記アノードオフガス還流路(24)に接続され、前記アノードオフガスをパージさせるパージ流路(26)を備えると共に、前記気水分離器(32,34,50)は、前記アノードオフガス還流路(24)において前記パージ流路(26)が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに配置されるように構成した。
さらに、前記アノードオフガス還流路(24)において前記パージ流路(26)が接続される部位よりも下流側と前記パージ流路(26)の少なくともいずれかに開閉弁(第1の電磁弁36、第2の電磁弁38)を配置するように構成した。
10:燃料電池、22:アノードガス供給路、24:アノードオフガス還流路、26:パージ流路、30:エジェクタ、32:第1の気水分離器、34:第2の気水分離器、36:第1の電磁弁(開閉弁)、38:第2の電磁弁(開閉弁)、50:気水分離器
Claims (3)
- 燃料電池にアノードガスを供給する燃料電池のアノードガス供給装置において、前記アノードガスを前記燃料電池に供給するアノードガス供給路と、前記アノードガス供給路に接続され、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給路に還流させるアノードオフガス還流路と、前記アノードガス供給路と前記アノードオフガス還流路の接続部に配置され、前記燃料電池に供給されるアノードガスに前記アノードオフガスを混合させるエジェクタと、および前記アノードオフガス還流路の前記エジェクタよりも前記アノードオフガスの流れにおいて上流側に配置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器とを備えることを特徴とする燃料電池のアノードガス供給装置。
- さらに、前記アノードオフガス還流路に接続され、前記アノードオフガスをパージさせるパージ流路を備えると共に、前記気水分離器は、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに配置されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池のアノードガス供給装置。
- さらに、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも下流側と前記パージ流路の少なくともいずれかに開閉弁を配置したことを特徴とする請求項2記載の燃料電池のアノードガス供給装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20081007 |