JP2009245665A - 燃料電池システム及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】空気供給源の吐出圧力を簡易な構成によって低減させ得る常圧作動型の燃料電池システム、及び、その燃料電池システムを搭載する車両を提供する。
【解決手段】排気促進部材５０における第１の管部５１では、入口側開口から排気促進部材５０に流入された気流の流速が第１の管部５１の断面積の減少に伴って増加する。一方、第２の管部５２では、第１の管部５１において増加した流速が、断面積の増加に伴って低下する。その結果、第１の管部５１による静圧低下と第２の管部５２による静圧回復との相乗作用により、排気管２０に対して排気の吸引作用が生じ、排気管２０からの排気の排出が促進される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの排気機構、及び、その排気機構を有する燃料電池システムを搭載する車両に関する。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極（水素極、アノード極）と空気極（酸素極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）と空気極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。

固体高分子型燃料電池を含む燃料電池システムのタイプの１つとして、常圧で供給される空気と燃料ガスとを単位セルに供給することによって発電する常圧作動型の燃料電池システムがある（例えば、特許文献１）。
特開２００３−８６２０９号公報

かかる常圧作動型の燃料電池システムにおいて高効率な出力を得るための要求の１つとして、空気供給源の吐出圧力（ヘッド）の低減がある。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、空気供給源の吐出圧力を簡易な構成によって低減させ得る常圧作動型の燃料電池システム、及び、その燃料電池システムを搭載する車両を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、常圧で供給される空気と燃料ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池と、その燃料電池からの排気を促進する排気促進部材と、を備えているものであって、前記排気促進部材は、該排気促進部材の入口側開口となる一端側から他端側へ向かって断面積が減少する第１の管部と、一端側が前記第１の管部における最小断面積部分に連通し、他端側に向かって断面積が増加する第２の管部と、を含んで構成され、前記排気促進部材における第１の管部の管内に、前記燃料電池から排出された排気を大気中に排出する排気管の出口側縁端が配置されている。

請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の管部の最小断面積部分における中心軸に垂直な断面と、前記排気管の出口側縁端の端面とが略一致する。

請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記第２の管部の中心軸に沿った断面における出口部分の接線と、該中心軸とのなす角は、略６度以上、かつ、略１０度以下である。

請求項４記載の車両によれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載し、前記第１の管部における断面積の大きい側の開口が、該車両の走行風を取り入れ可能な向きに配置されている。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、排気促進部材を有している。この排気促進部材は、入口側開口となる一端側から他端側へ向かって断面積が減少する第１の管部と、その第１の管部における最小断面積部分に連通する一端側から他端側に向かって断面積が増加する第２の管部とを含んで構成される部材である。

ここで、常圧で供給される空気と燃料ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池から排出された排気を大気中に排出する排気管の出口縁端が、排気促進部材における第１の管部の管内に配置されている。

第１の管部では、入口側開口から排気促進部材に流入された気流の流速が第１の管部の断面積の減少に伴って増加する。一方、第２の管部では、第１の管部において増加した流速が、断面積の増加に伴って低下する。そのため、排気促進部材の内部の大気圧（静圧）は、第１の管部において内部を流通する気流の流通方向に向かって次第に低下する。第１の管部において低下した静圧は、第２の管部における断面積の増加度合いの設計に応じて、剥離を伴うことなく回復させることができる。

よって、第１の管部による静圧低下と第２の管部による静圧回復との相乗作用により、排気管に対して排気の吸引作用が生じ、排気管からの排気の排出が促進される。従って、排気管から排気を排出させるために必要とされる空気供給源の吐出圧力（ヘッド）を簡易な構成によって低減させることができ、常圧作動型の燃料電池システムにおける高効率な出力を実現し得るという効果がある。

請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。第１の管部の最小断面積部分における中心軸に垂直な断面と、排気管の出口側縁端の端面とが略一致するように配置されている。即ち、第１の管部における気体の流速が最も速く、静圧が最も低い位置に、排気管の出口側縁端の端面が位置するので、排気管からの排気効率が最も高い。よって、空気供給源の吐出圧力の低減に最も有効であるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。第２の管部の中心軸に沿った断面における出口部分の接線と、該中心軸とのなす角が、略６度以上であるので、第１の管部において低下した静圧を、排気管からの排気効率を高めるべく有効に回復させることができるという効果がある。

一方で、第２の管部の中心軸に沿った断面における出口部分の接線と、該中心軸とのなす角が、略１０度以下であるので、第１の管部において低下した静圧を、剥離することなく有効に回復させることができるという効果がある。

請求項４記載の車両によれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載するので、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムと同様の効果を奏する。

また、第１の管部における断面積の大きい側の開口が、該車両の走行風を取り入れ可能な向きに配置されているので、走行風を利用して排気管からの排気効率を高めることができ、エネルギー効率の悪化を伴うことなく、排気管から排気を排出させるために必要とされる空気供給源の吐出圧力（ヘッド）を低減させることができ、常圧作動型の燃料電池システムにおける高効率な出力を実現し得るという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の一実施形態を示す模式図である。

この燃料電池システム１００は、車両Ｃに搭載され、該車両Ｃを駆動するための電力を供給するためのシステムであり、燃料電池スタック１０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック１０へ供給する図示されない水素ガス供給系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０へ供給する図示されない空気供給系と、燃料電池スタック１０から排出される排気を系外へ導出する排気管２０と、排気管２０の出口側縁端２０ａ（図２参照）を覆う位置に配置される排気促進部材５０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、単位セル（図示せず）の複数個を、導電性のセパレータ（図示せず）を介して厚み方向に積層し、隣接する単位セル間を電気的に直列接続した構成とされている。なお、この燃料電池スタック１０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池に該当する。

なお、本実施形態の燃料電池スタック１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を含む固体高分子電解質型の単位セルから構成される固体高分子型の燃料電池スタックとして構成される。

また、本実施形態の燃料電池スタック１０は、図示されない空気供給系に設けられた空気ファンの作動により各単位セルの空気極へ供給される常圧の空気を用いて発電する。即ち、本実施形態の燃料電池システム１００は、常圧作動型の燃料電池システムとして構成される。

次に、図２及び図３を参照して、本発明の排気促進部材である排気促進部材５０について説明する。図２は、排気促進部材５０における中心軸Ｏに沿った断面図であり、図３は、排気促進部材５０の管内における圧力変化を模式的に示すグラフである。

図２に示すように、排気促進部材５０は、外気の入口側である開口５１ａから、気流方向に向かって縮径する第１の管としてのレデューサ部５１と、レデューサ部５１における小径側に連通し、気流方向に向かって拡径する第２の管としてのディフューザ部５２とを有する。

かかる構成により、排気促進部材５０の管内を流通する外気の流速は、レデューサ部５１の縮径、即ち、断面積の減少に伴って増加し、レデューサ部５１とディフューザ部５２との境界である端面Ａ（中心軸Ｏに垂直な断面）において最大となった後、ディフューザ部５２の拡径、即ち、断面積の増加に伴い減少する。

よって、排気促進部材５０の管内における静圧は、外気の入口側である開口５１ａから流速の増加に伴って低下し、端面Ａにおいて最低となり、ディフューザ部５２において静圧の回復がなされる。

上記構成の排気促進部材５０におけるレデューサ部５１の管内に中心軸が一致するように排気管２０の出口側縁端２０ａを配置し、端面Ａにおける気体の流速が排気管２０から排出される排気の流速より速くなるよう外気を流入させることにより、レデューサ部５１における気圧低下とディフューザ部５２における静圧の回復との相乗作用によって、排気管２０に対する排気の吸引作用が生じ、排気管２０からの排気の排出を促進することができる。

具体的には、図３に示すように、排気促進部材５０を用いなかった場合には、排気管２０から排出される排気は、出口側縁端２０ａ（即ち、端面Ａに相当する位置）において大気圧とされる（点線Ｌ２参照）が、排気促進部材５０を用いることにより、レデューサ部５１とディフューザ部５２との境界である端面Ａにおいて、管内の静圧を大気圧以下にすることができる（実線Ｌ１参照）。

なお、図３において、横軸は、排気促進部材５０の位置を示す軸であり、Ｘ０は、外気の入口側である開口５１ａ（レデューサ部５１の開口端）を示し、Ｘ１は、外気の出口側である開口（ディフューザ部５２の開口端）を示す。また、縦軸は、管内の圧力を示す軸である。

従って、図３からも明らかなように、排気促進部材５０におけるレデューサ部５１の管内に排気管２０の出口側縁端２０ａを配置することにより、排気管２０に対して生じる排気の吸引作用により、排気管２０からの排気の促進が実現される。

再度、図２に戻って説明する。上述したように、排気促進部材５０の管内における静圧は、端面Ａにおいて最低となるので、かかる端面Ａと、排気管２０の出口側縁端２０ａの端面とを略一致させることが好ましい。最も低い静圧を示す端面Ａと、排気管２０の出口側縁端２０ａの端面とを略一致させることにより、排気管２０からの排気効率を最も高くすることができる。

また、ディフューザ部５２は、中心軸Ｏに沿った断面における出口部分の接線と、中心軸Ｏとのなす角θが、略６度以上、かつ、略１０度以下であることが好ましい。なお、最も好適な角度θの値は、略６度である。

かかる角度θが略６度より小さいと、排気管２０に対する排気の吸引作用が生じるのに十分な静圧の回復が困難となる。よって、角度θを略６度以上とすることにより、レデューサ部５１において低下した静圧を、排気管２０からの排気効率を高めるべく有効に回復させることができる。

一方、角度θが略１０度より大きいと、流体の剥離が生じるため、この場合もまた静圧の回復が困難となる。よって、角度θを略１０度以下とすることにより、レデューサ部５１において低下した静圧を、剥離することなく有効に回復させることができる。

なお、排気促進部材５０における外気の入口側である開口５１ａは、車両Ｃの走行風を取り入れ可能な向きに配置されることが好ましい。排気促進部材５０の開口５１ａを車両Ｃの走行風を取り入れ可能な向きに配置することにより、エネルギー効率の悪化を伴うことなく、排気管２０からの排気効率を上げることができる。特に、図２に示すように、排気促進部材５０の開口５１ａを車両Ｃの進行方向（矢印ＦＷＤ方向）に向けることにより、走行風の取り入れを効率的に行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、排気管２０の出口側縁端２０ａを、排気促進部材５０におけるレデューサ部５１の管内に配置したことにより、レデューサ部５１による静圧低下とディフューザ部５２による静圧回復との相乗作用により、排気管２０からの排気の排出を促進することができる。よって、排気管２０から排気を排出させるために必要とされる空気供給源（空気ファンなど）の吐出圧力を簡易な構成によって低減させることができ、常圧作動型の燃料電池システムにおける高効率な出力を可能とする。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記実施形態では、排気促進部材５０の断面を円形として説明したが、その断面は円形に限定されるものではなく、種々の形状を適用できる。

また、上記実施形態では、排気促進部材５０におけるレデューサ部５１が、一端側から他端側に向かって一様に縮径する構成としたが、一端側から他端側に向かって一様に縮径した後、最小径部が所定長さで延びる形状であってもよい。

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの一実施形態を示す模式図である。 排気促進部材における中心軸に沿った断面図である。 排気促進部材の管内における圧力変化を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
２０ 排気管
２０ａ 出口側縁端
５０ 排気促進部材
５１ レデューサ部（第１の管部）
５２ ディフューザ部（第２の管部）
１００ 燃料電池システム
Ｃ 車両

Claims (4)

1. 常圧で供給される空気と燃料ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池と、
   その燃料電池からの排気を促進する排気促進部材と、を備えている燃料電池システムであって、
   前記排気促進部材は、
   該排気促進部材の入口側開口となる一端側から他端側へ向かって断面積が減少する第１の管部と、
   一端側が前記第１の管部における最小断面積部分に連通し、他端側に向かって断面積が増加する第２の管部と、を含んで構成され、
   前記排気促進部材における第１の管部の管内に、前記燃料電池から排出された排気を大気中に排出する排気管の出口側縁端が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の管部の最小断面積部分における中心軸に垂直な断面と、前記排気管の出口側縁端の端面とが略一致することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記第２の管部の中心軸に沿った断面における出口部分の接線と、該中心軸とのなす角は、略６度以上、かつ、略１０度以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載し、
   前記第１の管部における断面積の大きい側の開口が、該車両の走行風を取り入れ可能な向きに配置されていることを特徴とする車両。

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