JP2009087849A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器を大型化させずに、アノードオフガス中の水分を好適に分離可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノードに水素が、カソードに空気が供給されることで発電する燃料電池スタック２０と、水素タンク３１から燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給配管と、燃料電池スタック２０のアノードから排出されたアノードオフガスを、燃料ガス供給配管に戻し、水素を循環させる燃料ガス循環配管と、燃料ガス循環配管に配置され、アノードオフガス中の水分を分離させる気液分離器３４と、燃料電池スタック２０と気液分離器３４との間における燃料ガス循環配管の内面から、内側に向かって突出した突状部１１と、を備える燃料電池システム１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液分離器を備える燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応を生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池が着目されている。このような燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスには未反応の水素が含まれるので、アノードオフガスを燃料電池の上流側に戻し、そして燃料電池に供給し、水素を循環させることで、水素を効率的に利用している。

ところが、燃料電池は、発電に伴ってカソードで水分（水蒸気）を生成し、この水分の一部は電解質膜をアノードに向かって透過する。そして、この透過した水分は、未反応の水素と共に、アノードから排出される。すなわち、アノードオフガスには、未反応の水素の他、水分が含まれ、水素の利用効率を高めるべく、アノードオフガスを燃料電池の上流に戻すと、水分も上流に戻され、燃料電池に供給されてしまう。
そうすると、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体で構成されるアノードの細孔に、水分が付着し、細孔を塞いでしまう虞がある。そして、このように細孔が塞がれてしまうと、燃料電池の発電性能（電流−電圧特性）が低下する虞がある。

そこで、アノードオフガスを燃料電池の上流に戻し、水素を循環させる水素循環配管（燃料ガス循環配管）に気液分離器を配置し、この気液分離器によってアノードオフガス中の水分を分離させる技術が提案されている（特許文献１）。

特開２００３−３１７７５３号公報

ところで、アノードオフガス中の水分を好適に分離するには、気液分離器が大型化してしまう。一方、気液分離器が大型化すると、搭載スペースが限られている車両等に、気液分離器を含む燃料電池システムを搭載しにくくなる。

そこで、本発明は、気液分離器を大型化させずに、アノードオフガス中の水分を好適に分離可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、アノードに燃料ガスが、カソードに酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、燃料ガス源から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給配管と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを、前記燃料ガス供給配管に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環配管と、前記燃料ガス循環配管に配置され、アノードオフガス中の水分を分離させる気液分離器と、前記燃料電池と前記気液分離器との間における前記燃料ガス循環配管の内面から、内側に向かって突出した突状部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池と気液分離器との間における燃料ガス循環配管の内面から、内側に向かって突出した突状部に、アノードオフガスが衝突することにより、アノードオフガス中の噴霧状の水分（水蒸気）が結露し、つまり、水滴化し、分離される。そして、結露した水分（結露水）は、気液分離器に向かうアノードオフガスに押され、気液分離器に流れ込み、気液分離器で回収される。これにより、気液分離器から燃料ガス循環配管の一部を介して、燃料ガス供給配管に流れ込むアノードオフガス中の水分を低減することができる。

このようにして、気液分離器を大型化させずに、燃料電池と気液分離器との間における燃料ガス循環配管の内面から、内側に向かって突出した突状部によって、アノードオフガス中の水分を結露させ、分離することができる。これにより、搭載スペースが限られている車両等にも、燃料電池システムを容易に搭載することができる。
なお、アノードオフガスの流通方向において、複数の突状部を備えてもよく、このように複数の突状部を備える場合、気液分離器に向かって、隣り合う突状部の間隔を徐々に狭くし、突出高さを徐々に大きくしてもよい。

また、前記突状部は、リング状であることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、リング状の突状部によって、アノードオフガス中の水分を分離することができる。
また、複数のリング状の突状部を、アノードオフガスの流通方向において、適宜な間隔を隔てて配置すれば、複数のリング状の突状部によって、燃料電池と気液分離器との間における燃料ガス循環配管の強度（疲労強度）を高めることができる。

また、前記突状部は、螺旋状であることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、螺旋状の突状部によって、アノードオフガスが旋回流となって流通し、アノードオフガスが突状部に衝突しやすくなる。これにより、アノードオフガス中の水分を効率的に分離することができる。また、螺旋状の突状部によって、配管の強度を高めることができる。

また、前記突状部の鉛直下部分は、生成した結露水がアノードオフガスの流通方向に沿って流れるように、切り欠かれていることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、突状部の鉛直下部分は切り欠かれているので、生成した結露水が、この切り欠かれた部分を通り、アノードオフガスの流通方向に沿って流れる。これにより、結露水の排水性を向上させることができる。

また、前記突状部は、アノードオフガスの流通方向に沿って延びていることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、ガスの流れに沿って延びた突状部によって、結露水の排出をガイドすることができる。また、ガスの流れに沿って延びた突状部によって、配管の強度を高めることもできる。

また、前記燃料電池と前記気液分離器との間における前記燃料ガス循環配管の外周面に、前記突状部と外部との間で熱交換するように熱交換用突状部を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、熱交換用突状部を介して、突状部と外部（外気）との間で熱交換することができ、これにより、通常温度が低い外気によって、突状部の温度を下げることができる。したがって、突状部に衝突するアノードオフガスの温度を好適に下げることができる。よって、アノードオフガス中の水分を効率的に凝縮し、結露させ、分離することができる。

本発明によれば、気液分離器を大型化させずに、アノードオフガス中の水分を好適に分離可能な燃料電池システムを提供することができる。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック２０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック２０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路２１（燃料ガス流路）、カソード流路２２（酸化剤ガス流路）として機能している。そして、アノード流路２１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路２２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。そして、燃料電池スタック２０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック２０が発電するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク３１（燃料ガス源）と、遮断弁３２と、エゼクタ３３と、気液分離器３４と、パージ弁３５と、ドレン弁３６とを備えている。
水素タンク３１は、配管３１ａ、遮断弁３２、配管３２ａ、エゼクタ３３、配管３３ａを介して、アノード流路２１の入口に接続されている。そして、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって遮断弁３２が開かれると、水素が、水素タンク３１から、遮断弁３２等を経由して、アノード流路２１に供給されるようになっている。
すなわち、本実施形態では、水素タンク３１（燃料ガス源）から燃料電池スタック２０に供給される水素（燃料ガス）が流れる燃料ガス供給配管は、配管３１ａ、３２ａ、３３ａ、エゼクタ３３等を備えて構成されている。

アノード流路２１の出口は、配管１０Ａを介して、気液分離器３４に接続されており、アノード流路２１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが気液分離器３４に導入されるようになっている。そして、気液分離器３４において、アノードオフガス中の水蒸気（水分）が、分離されるようになっている。

気液分離器３４における気液分離方式は、本実施形態ではどのような方式でもよく、例えば、気液分離器３４は、低温冷媒が流通する冷媒管を備えており、この冷媒管によってアノードオフガスが冷却され、水蒸気が結露し、分離されるようになっている。その他の気液分離方式として、気液分離器３４は、その内部にアノードオフガスが流れる蛇行した流路を備えており、この蛇行した流路に沿ってアノードオフガスが流れることで、その流路壁にアノードオフガス中の水蒸気を結露させ、分離するようになっている。

気液分離器３４で水蒸気が分離されることで、水蒸気量が低下したアノードオフガスは、配管３４ａを介して、エゼクタ３３に供給されるようになっている。そして、アノードオフガス中の水素は、アノード流路２１（アノード）に再び供給されるようになっている。
すなわち、本実施形態では、アノードオフガスを、配管３１ａ等で構成される燃料ガス供給配管に戻し、水素（燃料ガス）を循環させる燃料ガス循環配管は、配管１０Ａと、配管３４ａとを備えて構成されている。そして、気液分離器３４は、配管１０Ａ、３４ａから構成される燃料ガス循環配管に配置されている。

配管３４ａの途中は、配管３５ａ、常閉型のパージ弁３５、配管３５ｂを介して希釈器４２に接続されている。そして、配管３４ａを流れるアノードオフガス中の不純物（水蒸気、窒素等）が所定量よりも多くなった場合、ＥＣＵ（図示しない）によりパージ弁３５が開かれ、不純物を含むアノードオフガスが後記する希釈器４２に排出されるようになっている。

気液分離器３４の底部は、配管３６ａ、常閉型のドレン弁３６、配管３６ｂを介して希釈器４２に接続されている。そして、気液分離器３４及び後記するように配管１０Ａで分離され、気液分離器３４に回収された回収水が所定量以上となった場合、ＥＣＵ（図示しない）により、ドレン弁３６が開かれ、回収水が希釈器４２に排出されるようになっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ４１（酸化剤ガス供給手段）と、希釈器４２（希釈装置）とを備えている。
コンプレッサ４１は、配管４１ａを介してカソード流路２２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ４１は、ＥＣＵ（図示しない）の指令よって作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路２２に供給するようになっている。なお、配管４１ａには、カソード流路２２に向かう空気を適宜に加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。

カソード流路２２の出口は、配管４２ａを介して希釈器４２に接続されており、カソード流路２２（カソード）から排出されたカソードオフガスが希釈器４２に導入されるようになっている。
希釈器４２は、パージ弁３５が開かれることでアノード系から導入されるアノードオフガスと、カソード流路２２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス、希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を希釈する機器であり、これらガスを混合し、水素を希釈するための希釈空間を備えている。そして、希釈器４２で希釈された後のガスは、配管４２ｂを介して、車外（外部）に排出されるようになっている。

＜アノード流路と気液分離器とを接続する配管＞
次に、アノード流路２１と気液分離器３４とを接続する配管１０Ａについて、図２、図３を参照して説明する。
配管１０Ａは、合成樹脂製の筒状体であって、その内面から中心側（内側）に向かって突出したリング状（環状）の突状部１１を複数備えている。複数の突状部１１は、中子、内型等によって配管１０Ａの内面に一体成形されたものである。ただし、配管１０Ａは合成樹脂製に限らず、その他に例えば、金属製でもよい。

この複数のリング状の突状部１１には、配管１０Ａを流れるアノードオフガスが衝突するようになっており、このように衝突すると、アノードオフガス中の噴霧状の水分（水蒸気）が結露し、つまり、水滴化し、分離されるようになっている。次いで、結露した水分（結露水）は、気液分離器３４に向かうアノードオフガスに吹き押され、気液分離器３４に流れ込み、気液分離器３４で回収されるようになっている。
なお、突状部１１によって生成した結露水が気液分離器３４に容易に流れ込むように、高さ方向において、気液分離器３４のアノードオフガス入口を、アノード流路２１の出口よりも低く配置し、配管１０Ａを気液分離器３４に向かって徐々に下がるように斜めに構成してもよい。

各リング状の突状部１１の内径Ｄ１は、アノード流路２１から気液分離器３４に向かうアノードオフガスが、多大な圧力損失を受けないことに基づいて定められる必要最小内径以上に設計されている。これにより、配管１０Ａを流れるオフガスは、大きく流速を低下させずに、気液分離器３４に向かって流れることができる。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、アノード流路２１の出口と気液分離器３４とを接続する配管１０Ａによって、アノードオフガス中の水蒸気を結露させ、分離することができる。すなわち、気液分離器３４を大型化せずに、アノードオフガス中の水分を分離することができ、燃料電池システム１が大型化することもない。これにより、搭載スペース等が制限される車両等に燃料電池システム１を容易に搭載することができる。

また、配管１０Ａの内周面に突状部１１を形成することにより、配管１０Ａを長くせずに、アノードオフガス中の水蒸気を分離できる。
さらに、複数の突状部１１によって、配管１０Ａの強度を高めることができる。このため、走行する燃料電池自動車から受ける振動によって、配管１０Ａが破損しにくくなる。

≪第１実施形態の変形≫
以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明は第１実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変形することができる。なお、変形例に係る構成、後記する第２実施形態の構成等を適宜に組み合わせてもよい。

前記した第１実施形態では、図２に示すように、複数の突状部１１の配管１０Ａの内周面からの突出高さは同一であるが、この他に例えば、気液分離器３４に向かって、突出高さが徐々に大きくなるようにしてもよい。さらに、隣り合う突状部１１の間隔は同一であるが、この他に例えば、気液分離器３４に向かって、間隔が徐々に狭くなるようにしてもよい。

前記した第１実施形態に係る配管１０Ａでは、リング状の突状部１１が中子等によって形成されるとしたが、図４に示すように、樹脂製の配管を絞り加工することでリング状の突状部１２が形成された配管１０Ｂでもよい。

前記した第１実施形態では、突状部１１がリング状であるとしたが、リング状でなくてもよい。例えば、図５に示すように、エンボス加工によって、内周面に多数の突起１３（突状部）が形成された配管１０Ｃでもよい。配管１０Ｃは、例えば樹脂製のシートの片面（又は両面）をエンボス加工し、複数の突起１３を形成した後、これを筒状に成形することより得られる。

前記した第１実施形態に係る配管１０Ａに代えて、図６に示すように、内面に螺旋状の突状部１４が形成された配管１０Ｄを備えてもよい。このような配管１０Ｄによれば、螺旋状の突状部１４によって、アノードオフガスが旋回流となって流れ、アノードオフガスが突状部１４に衝突しやすくなる。これにより、アノードオフガス中の水分を効率的に分離することができる。

前記した第１実施形態に係る配管１０Ａに代えて、図７に示す配管１０Ｅを備えてもよい。配管１０Ｅの内面には、配管１０Ａと同様にリング状の突状部１５が複数形成されているが、各突状部１５の鉛直下部分は切り欠かれ、切欠部１５ａが形成されており、各切欠部１５ａアノードオフガスの流通方向において、１列で整列している。これにより、各突状部１５で生成した結露水が、切欠部１５ａを通り、気液分離器３４に向かって排出され、結露水の排水性は高められている。

前記した第１実施形態に係る配管１０Ａに代えて、図８、図９に示す配管１０Ｆを備える構成としてもよい。配管１０Ｆは、配管１０Ａの構成に加えて、複数のフィン１６（熱交換用突状部）を備えている。フィン１６は、輪切り断面方向において、略Ｃ字形を呈しており、リング状の突状部１１に対応して配管１０Ｆの外周面に形成された周溝に差し込まれており、外周面から外部に向かって突出している。そして、フィン１６は、効率的に熱交換するべく、金属製であることが好ましい。なお、２枚のフィン１６、１６によって、リング状となっている（図９参照）。

そして、このような配管１０Ｆによれば、フィン１６を介して、突状部１１と外気との間で熱交換することができる。これにより、通常温度が低い外気によって、突状部１１の温度を下げることができる。したがって、突状部１１に衝突するアノードオフガスの温度を好適に下げ、アノードオフガス中の水分を効率的に凝縮し、結露させることができる。
ただし、フィン１６（熱交換用突状部）の形状はこれに限定されず、その他棒状等であってもよい。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図１０から図１２を参照して説明する。
第２実施形態に係る燃料電池システムは、配管１０Ａに代えて、配管１０Ｇを備えている。配管１０Ｇの内周面には、アノードオフガスの流通方向に沿って延びた２本の突状部１７が形成されている。２本の突状部１７は、配管１０Ｇの内周面の鉛直上下位置に形成されている。ただし、突状部１７の数はこれに限定されず、例えば４本にし、周方向において等間隔（９０°）で配置してもよい。
このような配管１０Ｇによれば、突状部１７において生成した結露水を、アノードオフガスの流れに沿って延びた突状部１７によって、ガイドしながら排出することができる。

≪第２実施形態の変形≫
前記した第２実施形態では、突状部１７がアノードオフガスの流通方向と平行である場合を例示したが、突状部１８がアノードオフガスの流通方向に沿って延びつつ、やや斜めに形成された配管１０Ｈでもよい（図１３参照）。
また、突状部１９がアノードオフガスの流通方向に沿って延びつつ、蛇行して形成された配管１０Ｉでもよい（図１４参照）。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 第１実施形態に係る配管の側断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図（輪切り断面図）である。 変形例に係る配管の側断面図である。 変形例に係る配管の輪切り断面図である。 変形例に係る配管の側断面図である。 変形例に係る配管の輪切り断面図である。 変形例に係る配管の側断面図である。 図８のＢ−Ｂ線断面図（輪切り断面図）である。 第２実施形態に係る配管の側断面図である。 図１０のＣ−Ｃ線断面図（輪切り断面図）である。 図１１のＤ−Ｄ線断面図（平断面図）である。 変形例に係る配管の平断面図である 変形例に係る配管の平断面図である

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０Ａ〜１０Ｉ 配管（燃料ガス循環配管）
１１〜１２、１４〜１５、１７〜１９ 突状部
１３ 突起（突状部）
１５ａ 切欠部
１６ フィン（熱交換用突状部）
２０ 燃料電池スタック
３１ 水素タンク（燃料ガス源）
３１ａ、３２ａ、３３ａ 配管（燃料ガス供給配管）
３４ 気液分離器
３４ａ 配管（燃料ガス循環配管）

Claims (6)

1. アノードに燃料ガスが、カソードに酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   燃料ガス源から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給配管と、
   前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを、前記燃料ガス供給配管に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環配管と、
   前記燃料ガス循環配管に配置され、アノードオフガス中の水分を分離させる気液分離器と、
   前記燃料電池と前記気液分離器との間における前記燃料ガス循環配管の内面から、内側に向かって突出した突状部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記突状部は、リング状であ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. 前記突状部は、螺旋状であ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。
4. 前記突状部の鉛直下部分は、生成した結露水がアノードオフガスの流通方向に沿って流れるように、切り欠かれている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. 前記突状部は、アノードオフガスの流通方向に沿って延びてい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。
6. 前記燃料電池と前記気液分離器との間における前記燃料ガス循環配管の外周面に、前記突状部と外部との間で熱交換するように熱交換用突状部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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