JP2007317493A

JP2007317493A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007317493A
Application number: JP2006145502A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kanazawa; 啓史金澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: KR101052845B1; KR20090005213A; CN101454935B; DE112007001094B4; US20090068539A1; US9214685B2; JP5157086B2; CN101454935A; DE112007001094T5; WO2007138855A1

Abstract

【課題】配管内に生じる結露水が凍結することによって起きる問題を回避できるような燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と加湿器１４とを接続する配管１８は、配管１８の加湿器１４側の端部から、配管１８の燃料電池１０側の端部に向かって上り勾配になるように配置される。配管１８を、一度、鉛直下方向に湾曲させ、その後再び、鉛直上方向に湾曲させることで、配管１８に水溜まりトラップ２４が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両搭載用の燃料電池システムに関し、特に、燃料電池への供給気体を加湿する加湿器に接続された配管の構造に関する。

車両搭載用の燃料電池システムは、燃料電池の発電反応を促進するために、酸素極（カソード極）及び水素極（アノード極）への供給気体のうち、少なくとも一方について、供給気体を加湿する加湿器を備えることが多い。図１に、燃料電池システムの構成のうち、燃料電池及び加湿器に関連する部分の一例を示す。図１中の矢印は、気体の流れる方向を示す。図１に示す燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード極への供給水素を加湿するアノード側加湿器１２と、燃料電池１０のカソード極への供給空気を加湿するカソード側加湿器１４と、を備える。アノード側加湿器１２及びカソード側加湿器１４は、その内部に備えられた加湿膜を介して供給気体を加湿する。

アノード側加湿器１２は、アノード側給気配管１６によって、燃料電池１０と接続される。アノード極に供給される水素は、アノード側加湿器１２で加湿され、アノード側給気配管１６を通って燃料電池１０のアノード極に供給される。

燃料電池１０のカソード極の化学反応では、水が生成されるため、燃料電池１０のカソード側からの排気には、水蒸気が多く含まれる。カソード側加湿器１４は、カソード側からの排気に含まれる水分を利用して、供給空気を加湿する。カソード側加湿器１４は、カソード側給気配管１８及びカソード側排気配管２０によって、燃料電池１０と接続される。カソード側加湿器１４は、カソード側排気配管２０を通じて燃料電池１０のカソード極からの排気を吸込み、加湿膜を介して、カソード極からの排気に含まれる水分を供給空気に移すことで、カソード極への供給空気を加湿する。加湿された供給空気は、カソード側給気配管１８を通って、燃料電池１０のカソード極に供給される。燃料電池１０のカソード側からの排気は、カソード側加湿器１４において水分を供給空気に移した後、加湿器排気配管２２を通じて外部に放出される。

アノード側給気配管１６及びカソード側給気配管１８を通る気体は、加湿器１２及び１４によって加湿されるので、水分を多く含む。また、カソード側排気配管２０を通る排気も、カソード極の反応で生じた生成水を含むため、多くの水分を含む。したがって、燃料電池と加湿器とを接続する配管１６、１８、及び２０において、燃料電池の運転を停止した後、配管内の気体の温度が下がると、結露が生じる場合がある。配管に結露が生じると、燃料電池及び加湿器に、結露水が溜まってしまうことがある。

特許文献１には、燃料電池から排出される排気ガス内の水分を取り除くために、排気ガスを導くガス排出管に、気液分離機能を備えた湾曲部を設ける技術が開示されている。

特開２００４−１８５８４４号公報

上述のように、燃料電池システムにおいては、特に、加湿器に接続された配管において結露が生じやすい。配管に結露が生じ、燃料電池や加湿器に結露水が溜まってしまうと、低温時には、溜まった結露水が凍結してしまい、燃料電池の運転開始に支障をきたす。したがって、燃料電池及び加湿器に結露水が溜まることを抑制する必要がある。特に、燃料電池に結露水が溜まることを抑制する必要がある。

しかしながら、特許文献１には、配管に結露が生じた際に、燃料電池及び加湿器に結露水が溜まることを抑制する構成については記載されていない。

また、多くの場合、加湿器の加湿膜は樹脂製であり、熱に弱い。例えば、使用温度が約１０℃上がると、寿命が約１／２になる加湿膜もある。したがって、加湿膜の耐用期間を長くするために、加湿器周辺の温度をできるだけ低く保つ必要がある。

本発明の１つの目的は、配管内に生じる結露水が凍結することによって起きる問題を回避できるような燃料電池システムを提供することである。本発明の他の１つの目的は、加湿器の加湿膜の耐用期間を長くすることができるような燃料電池システムを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献するものである。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池への供給気体を加湿する加湿器と、前記燃料電池と前記加湿器とを接続し、前記供給気体の通路となる給気配管と、を備える車両搭載用の燃料電池システムであって、前記給気配管には、水を溜める水溜まりトラップが設けられることを特徴とする。また、前記給気配管は、前記給気配管の前記加湿器側の端部から、前記給気配管の前記燃料電池側の端部に向かって上り勾配に配置されることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池と前記加湿器とを接続し、前記燃料電池からの排出気体を前記加湿器に送る第１の排気配管と、前記加湿器から排出される気体を前記車両の外部へ導く第２の排気配管と、をさらに備え、前記加湿器は、前記燃料電池からの前記排出気体中の水分を前記燃料電池への前記供給気体の加湿に利用し、前記第1の排気配管及び前記第２の排気配管の少なくとも一方には、水を溜める水溜まりトラップが設けられることが好ましい。また、前記第１の排気配管は、前記第１の排気配管の前記加湿器側の端部から、前記第１の排気配管の前記燃料電池側の端部に向かって上り勾配に配置されることが好ましい。

また、前記水溜まりトラップは、配管において、前後の部分に対して鉛直下方に湾曲された部分を有することが好ましい。また、前記水溜まりトラップは、鉛直方向だけでなく、水平方向においても、湾曲されて設けられることが好ましい。また、前記水溜まりトラップは、前記水溜まりトラップに溜まった水の最高水面と配管の内壁の上部との間に間隙ができるように設けられることが好ましい。

本発明によれば、配管内に生じる結露水が凍結することによって起きる問題を回避できるような燃料電池システムを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

図２は、本発明の１つの実施形態を示す図である。ここでは、燃料電池１０とカソード側加湿器１４とを接続するカソード側給気配管１８を例に説明する。なお、図２では、カソード側排気配管２０、加湿器排気配管２２、アノード側加湿器１２、その他、燃料電池システムに備えられる装置及び配管などは省略して図示している。

燃料電池１０と加湿器１４とを接続する給気配管１８は、給気配管１８の加湿器１４側の端部から、給気配管１８の燃料電池１０側の端部に向かって上り勾配になるように配置される。つまり、給気配管１８の一端に接続される、燃料電池１０に設けられた供給気体の吸入口が、給気配管１８の他端に接続される、加湿器１４に設けられた供給気体の吹出口に対して上方になるように、燃料電池１０及び加湿器１４が車両に搭載される。こうすると、配管１８内に生じた結露水は、配管の勾配に従って、下方の加湿器１４に向かって流れ、燃料電池１０に向かって流れることはない。したがって、燃料電池１０に結露水が溜まることを抑制することができ、結露水の凍結により生じる問題を回避できる。

給気配管１８を、その加湿器側の端部から、燃料電池側の端部に向かって上り勾配になるように配置するために、例えば、図２では、燃料電池１０は車両のエンジンルーム内に設置され、加湿器１４は車両の床下に設置される。また、車両の床下は、車両外部に露出しているため、エンジンルーム内と比較して周囲の温度が低い。したがって、加湿器１４を車両の床下に設置すると、エンジンルームに設置した場合と比較して、加湿器１４が備える、熱に弱い加湿膜の耐用期間を長くすることができる。

給気配管１８には、配管内で生じた結露水を溜めるための、水溜まりトラップ２４が設けられる。水溜まりトラップ２４は、給気配管１８を、一度、鉛直下方向に湾曲させ、その後再び、鉛直上方向に湾曲させることで設けられる。すなわち、水溜まりトラップ２４は、給気配管１８において、前後の配管部分に対して鉛直下方に湾曲された部分を有する。給気配管１８内に結露水が生じると、結露水は、給気配管１８の勾配に従って、下方向に向かって流れ、水溜まりトラップ２４に溜まる。したがって、生じた結露水が加湿器１４に溜まることを抑制することができ、凍結対策になる。

特に加湿器１４に結露水が溜まるのを抑制するためには、水溜まりトラップ２４は、給気配管１８において、燃料電池１０よりも、加湿器１４に近い部分に設けることが好ましい。給気配管１８の部分２６に生じた結露水は、加湿器１４に流入することがあるため、給気配管１８の部分２６を短くすることで、加湿器１４に溜まる結露水を少なくすることができる。

図３は、図２の実施形態の水溜まりトラップ２４の湾曲部の拡大図を示す。湾曲部は、水溜まりトラップ２４に結露水が溜まった際の、溜まった水の最高水面と、配管の内壁の上部と、の間に間隙３０ができるように設けられる。このように湾曲部を設けることで、水溜まりトラップ２４に結露水が最大限に溜まり、凍結した際でも、給気配管１８が閉塞しないようにすることができる。給気配管１８に湾曲部を設ける際には、車両の傾斜要件も考慮した上で、間隙３０ができるようにすることもできる。例えば、所定の角度で車体が傾斜している場合において、給気配管１８の水溜まりトラップ２４に結露水が溜まった際に、溜まった水の最高水面と、配管の内壁の上部との間に間隙ができるように、湾曲部を設けることができる。

図４は、本発明の他の１つの実施形態で、給気配管１８に設けられる水溜まりトラップ２４を示す。図２及び図３に示す実施形態では、水溜まりトラップ２４は、鉛直方向に給気配管１８を湾曲させることで設けられるが、本実施形態では、鉛直方向だけでなく、水平方向にも給気配管１８を湾曲させることで、水溜まりトラップ２４が設けられる。例えば、図４では、給気配管１８を水平方向に約１８０度湾曲させることで、水溜まりトラップ２４が設けられる。

以上、カソード側給気配管１８を例とし、図２から図４を参照して説明した実施形態の水溜まりトラップ２４は、アノード側給気配管１６、カソード側給気配管１８、及びカソード側排気配管２０の、少なくとも１つに設けられる。アノード側又はカソード側のいずれか一方の給気系にのみ加湿器を備える燃料電池システムにおいても、加湿器と燃料電池とを接続する配管に、本実施形態の水溜まりトラップを設けることができる。

なお、以上、図２から図４を参照して説明した実施形態では、加湿器と燃料電池とを接続する配管が、その加湿器側の端部から燃料電池側の端部に向かって上り勾配になるように配置される。しかし、他の１つの実施形態では、加湿器と燃料電池とを接続する配管に勾配をつけずに、配管の加湿器側の端部と燃料電池側の端部とが同程度の高さになるように配管を配置しても良い。

また、図２から図４を参照して説明した実施形態の水溜まりトラップは、加湿器１４の排気配管２２に設けることもできる。加湿器１４を車両の床下に設置する場合のように、車両部品中で加湿器１４が最下方に設置されると、排気配管２２の一端と接続される、加湿器の排気口が、排気配管２２の、加湿器側と反対側の端部に設けられる、車両外部への排気口に対して下方になる。このとき、加湿器１４の排気配管２２で生じる結露水は、車両外部に排出されずに、加湿器１４に流入してしまう。加湿器１４の排気配管２２に、水溜まりトラップを設けると、加湿器１４に結露水が溜まることを抑制でき、結露水の凍結により生じる問題を回避できる。

燃料電池システムの部分構成の一例を示す構成図である。本発明の１つの実施形態を示す図である。図２に示す実施形態の水溜まりトラップの湾曲部を示す拡大図である。本発明の他の１つの実施形態で、配管に設けられる水溜まりトラップを示す図である。

符号の説明

１０燃料電池、１２アノード側加湿器、１４カソード側加湿器、１６アノード側給気配管、１８カソード側給気配管、２０カソード側排気配管、２２加湿器排気配管、２４水溜まりトラップ。

Claims

燃料電池と、前記燃料電池への供給気体を加湿する加湿器と、前記燃料電池と前記加湿器とを接続し、前記供給気体の通路となる給気配管と、を備える車両搭載用の燃料電池システムであって、
前記給気配管には、水を溜める水溜まりトラップが設けられることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記給気配管は、前記給気配管の前記加湿器側の端部から、前記給気配管の前記燃料電池側の端部に向かって上り勾配に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池と前記加湿器とを接続し、前記燃料電池からの排出気体を前記加湿器に送る第１の排気配管と、
前記加湿器から排出される気体を前記車両の外部へ導く第２の排気配管と、
をさらに備え、
前記加湿器は、前記燃料電池からの前記排出気体中の水分を前記燃料電池への前記供給気体の加湿に利用し、
前記第1の排気配管及び前記第２の排気配管の少なくとも一方には、水を溜める水溜まりトラップが設けられることを特徴とする燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の排気配管は、前記第１の排気配管の前記加湿器側の端部から、前記第１の排気配管の前記燃料電池側の端部に向かって上り勾配に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水溜まりトラップは、配管において、前後の部分に対して鉛直下方に湾曲された部分を有することを特徴とする燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水溜まりトラップは、鉛直方向だけでなく、水平方向においても、湾曲されて設けられることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水溜まりトラップは、前記水溜まりトラップに溜まった水の最高水面と配管の内壁の上部との間に間隙ができるように設けられることを特徴とする燃料電池システム。