JP2009289416A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】水分の排水を好適に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、アノードオフガス排出路に設けられ、アノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離装置13と、気液分離装置13で分離した水分を排出制御するドレン弁30を含むドレン排出路と、を備え、アノードオフガス排出路およびカソードオフガス排出路の少なくとも1つと、ドレン排出路とを合流させ、アノードオフガスやカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁30から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。
近年、水素(燃料ガス、反応ガス)がアノードに、酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池を用いたシステムでは、アノード極に供給された水素(燃料ガス)が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がカソード極に向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソード極に移動し、カソード極に供給される酸素(酸化剤ガス)と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。
ところで、固体高分子型電解質膜は、そのイオン透過性を保持すべく適度な湿度が必要とされるため、水素と酸素は適度に加湿された状態で燃料電池に供給される。このため、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、固体高分子型電解質膜に吸収されなかった水分や反応生成物である水分を多く含んでいる。
そこで、従来では、アノードオフガス排出路中に気液分離装置を設けて、この気液分離装置によって、アノードオフガスから水分を分離し、この分離された水分をドレン排出路を通じて排出するようにした技術が提案されている(特許文献1、2参照)。ここで、ドレン排出路には、ドレン弁が設置されている。
一方、アノード側に水が溜まると燃料ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら電解質膜をアノード側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。
そこで、従来では、燃料ガス循環流路にパージ弁を設け、アノードに溜まった水や、燃料ガスに混入した窒素を排出して、発電状態を回復することが行われている。
特開2006−156093号公報 特開2007−18910号公報
前記特許文献1の燃料電池システムでは、ドレン排出路から排出される水分の更なるスムーズな排出を図るために、水分の排出性の改善が望まれていた。
ところで、ドレン弁の開弁によって排出性を向上させようとすると、ドレン弁からアノードオフガスが必要以上に排出されてしまうため好ましくない。
また、前記特許文献2では、ドレン排出路がアノードオフガス排出路に対して合流しているものが記載されている。しかしながら、ドレン排出路を流れる水分とアノードオフガス排出路を流れるアノードオフガスとの関係については明確に記載されていなかった。
そこで、本発明は、水分の排水を好適に行うことができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、を備え、前記アノードオフガス排出路および前記カソードオフガス排出路の少なくとも1つと、前記ドレン排出路とを合流させ、前記アノードオフガスや前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、燃料電池で使用した(燃料電池から排出された)アノードオフガスやカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、パージ弁によりアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁から排出される水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記燃料電池のアノードガス供給側に戻す循環路を備え、前記パージ弁は、前記循環路に設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、循環路によってアノードオフガスが燃料電池のアノードガス供給側に戻されるようになり、未使用の水素を有効利用することができる。また、パージに利用されなかった残りのアノードオフガスは、循環路を通じて燃料電池のアノードガス供給側に戻されることとなるので、これが流路内に滞留するのを好適に防止することができる。
また、前記パージ弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁する構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁が開弁してドレン排出路を水分が流れた後にパージ弁が開弁することとなるので、例えば、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでアノードオフガスが供給されるように、パージ弁の開弁タイミングを設定することによって、アノードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
また、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、水分に同伴する水素を希釈器で希釈することができ、希釈器を通じてシステム外に水分を適切に排出することができる。
前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、オリフィスを設けたことによって、排水量が一定量に規制されるようになり、それをパージするようにしてパージ弁が開弁される。このようなオリフィスを設けたことによって、水分だけではなくアノードオフガスも一緒に排出されてしまう可能性を好適に回避することができるとともに、オリフィスで絞られて少量となった水分を、パージにより好適に排出することができる。特に、燃料電池が小負荷でアノードオフガスが少ない稼働状況等において、水分とともにアノードオフガスが一緒に排出されてしまうのを好適に回避することができる。
また、前記ドレン排出路は、前記アノードオフガス排出路の上側から前記アノードオフガス排出路に対して合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路が、アノードオフガス排出路の上側からアノードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってアノードオフガス排出路に流れ落ちることとなり、アノードオフガス排出路を流れるアノードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がアノードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、パージ弁の開閉によって行うことができるので、ドレン弁の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁の開弁時間を短くすることができ、常閉型のドレン弁の場合、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、前記アノードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分がアノードオフガス排出路側に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な水分の排出が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁の上流側で、アノードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、アノードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁で排出を制御することにより、アノードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁の開閉制御のみによって行うこともできるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器による希釈も好適に行うことができる。
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路にオリフィスを設けることで、ドレン排出路からドレン弁を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費を抑えることもできる。
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、燃料電池で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、前記背圧弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁する構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁が開弁してドレン排出路を水分が流れた後に背圧弁が開弁することとなるので、例えば、カソードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでカソードオフガスが供給されるように、背圧弁の開弁タイミングを設定することによって、カソードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、水分に同伴する水素を希釈器で希釈することができ、希釈器を通じてシステム外に水分を適切に排出することができる。
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、オリフィスを設けたことによって、排水量が一定量に規制されるようになり、それをパージするようにして背圧弁が開弁されて、オリフィスで絞られて少量排出された水分を、カソードオフガスにより好適に排出することができる。
前記ドレン排出路は、前記カソードオフガス排出路の上側から前記カソードオフガス排出路に対して合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路が、カソードオフガス排出路の上側からカソードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってカソードオフガス排出路に流れ落ちることとなり、カソードオフガス排出路を流れるカソードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がカソードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、背圧弁の開閉によって行うことができるので、ドレン弁の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
前記カソードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分がカソードオフガス排出路側に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な排水が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁の上流側で、カソードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、カソードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁で排出を制御することにより、カソードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁の開閉制御のみによって行うことができるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器による希釈も好適に行うことができる。
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路にオリフィスを設けることで、ドレン排出路からドレン弁を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費も抑えることができる。
本発明によれば、水分の排水を好適に行うことのできる燃料電池システムが得られる。
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しながら説明する。なお、説明において、同一の要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
≪燃料電池システムの構成≫
図1において、本実施形態の燃料電池システム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2と、燃料電池スタック2のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系4と、燃料電池スタック2のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系6と、を備えている。
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック2は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に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、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を備えている。
MEAは、1価の陽イオン交換膜(例えばパーフルオロスルホン酸型)からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えている。アノードおよびカソードは、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、アノードおよ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。
アノードセパレータには、各MEAのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔(内部マニホールドと称される)や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がアノード流路2A(燃料ガス流路)として機能している。
カソードセパレータには、各MEAのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔(内部マニホールドと称される)や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がカソード流路2B(酸化剤ガス流路)として機能している。
このようなアノード流路2Aを介して各アノードに水素が供給されると、後記式(1)の電極反応が起こり、また、カソード流路2Bを介して各カソードに空気が供給されると、後記式(2)の電極反応が起こり、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2と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続されて電流が取り出されると、燃料電池スタック2が発電するようになっている。
2H→4H+4e …(1)
+4H+4e→2HO …(2)
このようにして燃料電池スタック2が発電すると、カソードで生成した水(水蒸気)の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。したがって、カソードから排出されるカソードオフガス、およびアノードから排出されるアノードオフガスは、いずれも多湿となる。
<アノード系>
アノード系は、燃料電池スタック2よりも上流側に備えられる、水素タンク10(燃料ガス供給手段)、常閉型の遮断弁11、エゼクタ12、および燃料電池スタック2よりも下流側に備えられる、気液分離器(気液分離装置)13、常閉型のパージ弁14、を備えている。
水素タンク10は、配管11a、遮断弁11、配管12a、エゼクタ12、および配管12bを介して、アノード流路2Aの入口側に接続されている。配管11aには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁(不図示)が設けられている。この減圧弁には、カソード流路2Bに向かう空気の圧力が信号圧(パイロット圧)として入力されており、減圧弁は、前記空気の圧力とアノード流路2Aにおける水素の圧力とが対応して変動するように制御するようになっている。
そして、燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック2の起動が要求されて、ECU(Electronic Control Unit)20により遮断弁11が開かれると、水素タンク10の水素が配管11a等を介してアノード流路2Aに供給されるようになっている。
アノード流路2Aの出口は、配管13a、気液分離器13、配管13b、配管13cを介して、エゼクタ12の吸込口に接続されている。そして、アノード流路2A(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は、気液分離器13において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック2の上流側のエゼクタ12に戻されるようになっている。
そして、エゼクタ12に戻されたアノードオフガスは、水素タンク10からの水素と混合された後、アノード流路2Aに再供給されるようになっている。つまり、本実施形態では、配管13a、13bおよび配管13cによって、水素を循環させて再利用する水素の循環路が構成されている。
なお、配管13bの気液分離器13側に近い部分は、鉛直方向で配置されており、アノードオフガスに同伴する水分が含まれているときに、これが自重により気液分離器13に戻されるようになっている。
一方、気液分離器13で分離された水分は、一時的に気液分離器13内に貯溜された後、配管30a、ECU20により適宜に開かれる常閉型のドレン弁30、配管30b、配管31を通じて、後記する希釈器43に排出されるようになっている。この例では、配管30a、配管30bが、特許請求の範囲にいうドレン排出路に相当し、このドレン排出路に、ドレン弁30が設けられている。また、配管31は、特許請求の範囲にいう合流路に相当する。
[パージ弁]
パージ弁14は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック2の発電時において、配管13aおよび配管13bを循環するアノードオフガス(水素)に含まれる不純物(水蒸気、窒素等)を排出(パージ)する場合に、ECU20によって開かれるとともに、後記するように気液分離器13に貯留された水分をドレン弁30を通じて排出する場合に、ECU20によって開かれる弁である。パージ弁14の上流側は、配管14aを介して配管13bに接続され、下流側は、配管14bを介して、配管30bに接続され、ドレン排出路(配管30b)に合流している。この例では、循環路の上流側となる配管13aおよび配管13bと、循環路から分岐された配管14aおよび配管14bとが、特許請求の範囲にいうアノードオフガス排出路に相当し、このアノードオフガス排出路中に、気液分離器13およびパージ弁14が設けられている。
ドレン排出路とアノードオフガス排出路とは、ドレン弁30の下流側で合流しており、本実施形態では、図1(b)に示すように、ドレン排出路を成す配管30bにアノードオフガス排出路を成す配管14bが、上側から下流方向(水分の流れに沿う方向)に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、アノードオフガス排出路からのアノードオフガスが配管31内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むアノードオフガスによって、水分の排水が好適にアシストされるようになっている。つまり、後記するように、ドレン排出路を成す配管30bを伝わって排出されてきた水分は、合流位置から配管31内にスムーズに流れ込むようになり、また、配管31内を下流側へ向けて流れていた水分も、流れ込んだアノードオフガスに押されるようにして、下流側の希釈器43に好適に排出されることとなる。
ここで、ドレン排出路を成す配管30bよりもアノードオフガス排出路を成す配管14bは、大径とされており、合流位置よりも下流側となる配管31は、配管14bと略同径としてある。つまり、合流位置よりも下流側では、配管14bに倣って配管31を大径としてある。これによって、水分およびアノードオフガスのスムーズな流れを実現している。
ここで、ECU20は、燃料電池スタック2の稼働状況等から、気液分離器13に貯留される水分の容積を算出して監視しており、例えば、水分が、予め設定された所定の最大容積となった際に、ドレン弁30を開弁制御するとともに、パージ弁14を開弁制御する。つまり、パージ弁14から排出されるアノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁30から排出されてくる水分の排出がアシストされるように制御する。
本実施形態では、ドレン弁30のON(開弁)・OFF(閉弁)制御と、パージ弁14のON(開弁)・OFF(閉弁)制御とを、気液分離器13に貯溜される水分の容積に対応して、次のように関連付けて制御している。
すなわち、図2に示すように、ECU20の算出等によって求められた水分の容積が、予め設定された所定の最大容積になった際に、ECU20(図1参照)は、まず、ドレン弁30を先に開弁制御し、所定時間経過後に、パージ弁14を開弁制御する。つまり、ECU20は、ドレン弁30を先行開放してからパージ弁14を開放するように制御し、ドレン弁30とパージ弁14との間に遅延時間をもたせて開弁制御するようになっている。
このようにドレン弁30が先に開弁されると、ドレン弁30を通じて配管30bに水分が排出されるようになり、排出された水分は、パージ弁14からのアノードオフガスに先行して、合流位置に達する(あるいは合流位置から配管31に流れ込む)こととなる。そして、このような水分が合流位置に達するタイミング(予め設定された遅延時間に基づくタイミング)でパージ弁14が開弁されることで、パージ弁14を通じて排出されたアノードオフガスの流れで、合流位置あるいは合流位置から配管31に流れ込んだ水分を下流側(希釈器43側)へ押すことができる。これによって、アノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁30から排出されてくる水分の排出がアシストされ、気液分離器13に貯留される水分が最小容積に低下する。その後、ドレン弁30およびパージ弁14が閉弁されて、ドレン弁30とパージ弁14との連動動作が終了する。
なお、パージ弁14は、このような水分の排出をアシストする機能の他に、燃料電池スタック2を構成する単セルの電圧(セル電圧)が所定セル電圧以下となった場合、ECU20が不純物を排出する必要があると判定して、ECU20によって開弁されるように設定されている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ(セル電圧モニタ)を介して検出され、ECU20に入力される。そして、パージ弁14は、ECU20の指令によって開弁し、燃料電池スタック2のアノード流路2Aから送られてくるアノードオフガスを、配管14b、配管31を通じて後段の希釈器43に排出する。なお、この際に流れるアノードオフガスによっても、配管31内に残留している水分がある場合には、これが好適に排出されることとなる。
また、パージ弁14とドレン弁30との開弁動作は、連動するものに限られることはなく、独立して行ってもよい。この場合には、パージによる水素状態を調節しながら、同時に水分の排出をアシストすることが可能である。
また、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置から上流側のドレン排出路には、図示しないオリフィスが設けられている。このようなオリフィスが設けられていることによって、排水量が一定量に規制されるようになり、それをパージするようにしてパージ弁14が開弁される。このようなオリフィスを設けたことによって、水分だけではなくアノードオフガスも一緒に排出されてしまう可能性を好適に回避することができるとともに、オリフィスで絞られて少量排出された水分を、パージにより好適に排出することができる。特に、燃料電池が小負荷でアノードオフガスが少ない稼働状況等において、水分とともにアノードオフガスが一緒に排出されてしまうのを好適に回避することができる。
<カソード系>
図1に戻って説明を続ける。
カソード系6は、コンプレッサ40(酸化剤ガス供給手段)と、加湿器41と、背圧弁42と、希釈器43(ガス処理装置)とを備えている。
コンプレッサ40は、配管41a、加湿器41、配管41bを介して、カソード流路2Bの入口に接続されている。そして、ECU20の指令にしたがって作動すると、コンプレッサ40は、酸素を含む空気を取り込み、空気をカソード流路2Bに供給するようになっている。また、コンプレッサ40は、燃料電池スタック2の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ40は、燃料電池スタック2および/または燃料電池スタック2の発電電力を充放電する高圧バッテリ(図示しない)を電源として作動する。
カソード流路2Bの出口は、配管42a、背圧弁42、配管42bを介して、希釈器43に接続されている。そして、カソード流路2Bから排出された多湿のカソードオフガスは、配管42a等を介して、希釈器43に供給されるようになっている。
背圧弁42は、カソード流路2Bにおける空気の圧力を制御する弁であり、バタフライ弁等から成る。
<加湿器>
加湿器41は、コンプレッサ40からカソード流路2Bに向かう空気を加湿するため、カソード流路2Bに向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる図示しない中空糸膜を備えている。
<希釈器>
希釈器43は、パージ弁14から導入されるアノードオフガスと、配管42bから導入されるカソードオフガス(希釈用ガス)とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。希釈器43で希釈されたガスは車外に排出されるようになっている。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック2で使用したアノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁30から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、パージ弁14によりアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスにより、ドレン弁30から排出される水分の排出をアシストしているので、パージにより排出されるアノードオフガスが有効に利用されるようになり、水分の排出性も向上させることができる。
また、循環路を備えているので、この循環路によってアノードオフガスが燃料電池スタック2のアノードガス供給側に戻されるようになり、未使用の水素を有効利用することができる。また、パージに利用されなかった残りのアノードオフガスも、循環路を通じて燃料電池スタック2のアノードガス供給側に戻されることとなるので、これが流路内に滞留するのを好適に防止することができる。
また、連動動作時に、パージ弁14は、ドレン弁30が開弁した後に開弁するようになっているので、ドレン弁30が開弁してドレン排出路を水分が流れた後にパージ弁14が開弁することとなり、例えば、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでアノードオフガスが供給されるように、パージ弁14の開弁タイミングを設定することによって、アノードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことが可能となる。
また、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流路となる配管31は、その下流側が、希釈器43に接続されているので、水分に同伴する水素を希釈器43で希釈することができ、希釈器43を通じてシステム外に水分を適切に排出することができる。
(第2実施形態)
図3(a)は本発明の第2実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図3(a)(b)に示すように、ドレン弁30の下流側のドレン排出路を成す配管30bが、アノードオフガス排出路を成す配管14bの上側から配管14bに対して合流している点が異なっている。
図3(b)に示すように、ドレン弁30は、配管14bの上側に位置しており、ドレン弁30の下端に設けられた連通孔33を通じて、ドレン排出路が配管14bに合流するようになっている。なお、この例では、連通孔33を通じてドレン排出路が配管14bに合流する構成であるので、ドレン排出路を成す配管30bは、省略されたものとなっている。
ドレン弁30は、図示しないソレノイド等と、このソレノイド等によって駆動される弁体32と、連通孔33とを有しており、弁体32が連通孔33の上側に設けられた図示しない弁座に着座することで、ドレン弁30が閉弁状態となり、ソレノイド等によって上方へ駆動されることで弁体32が離座して開弁されるようになっている。
この燃料電池システム1によれば、ドレン排出路が、アノードオフガス排出路の上側からアノードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってアノードオフガス排出路(配管14b)に流れ落ちることとなり、アノードオフガス排出路を流れるアノードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がアノードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、パージ弁14の開閉によって行うことができるので、ドレン弁30の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁30の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
(第3実施形態)
図4(a)は本発明の第3実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図4(a)(b)に示すように、ドレン弁30の上流側で、アノードオフガス排出路を成す配管14bとドレン排出路を成す配管30aとが合流している点が異なっている。
図4(b)に示すように、ドレン弁30の弁体32の上流側に、パージ弁14からアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスが導入されるようになっており、ドレン弁30が前記したようにパージ弁14と連動して開弁されることによって、アノードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
この燃料電池システム1によれば、ドレン弁30の上流側で、アノードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、アノードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁30で排出を制御することにより、水分を好適に排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁30の開閉制御のみによって行うことも可能であるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器43による希釈も好適に行うことができる。
(第4実施形態)
図5(a)は本発明の第4実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図5(a)(b)に示すように、ドレン排出路にオリフィス50が設けられており、ドレン排出路から前記したドレン弁30(図1等参照、以下同じ)を無くしてある。
この例では、図5(b)に示すように、ドレン排出路を成す配管30bにアノードオフガス排出路を成す配管14bが、上側から下流方向(水分の流れに沿う方向)に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、アノードオフガス排出路からのアノードオフガスが配管31内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むアノードオフガスによって、ドレン排出路側が負圧となって水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
この燃料電池システム1によれば、ドレン弁30を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁30を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費も抑えることができる。
パージ弁14のON(開弁)・OFF(閉弁)制御は、気液分離器13に貯溜される水分の容積に対応して、次のように関連付けて制御される。
すなわち、図6に示すように、ECU20(図5(a)参照、以下同じ)の算出等によって求められた水分の容積が、予め設定された所定の容積になった際に、ECU20は、パージ弁14を開弁制御する。つまり、気液分離器13に貯溜される水分の容積が所定の容積になった際に、オリフィス50を通じてそれまで規定量ずつ排出されていた水分を、パージ弁14からのアノードオフガスを利用して短時間で一気に排出することができる。
また、オリフィス50を設けたことによって、水分だけではなくアノードオフガスも一緒に排出されてしまう可能性を好適に回避することができるとともに、オリフィス50で絞られて少量排出された水分を、パージにより好適に排出することができる。特に、燃料電池スタック2が小負荷でアノードオフガスが少ない稼働状況等において、水分とともにアノードオフガスが一緒に排出されてしまうのを回避しつつ、水分の好適な排出が可能となる。
(第5実施形態)
図7(a)は本発明の第5実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図7(a)(b)に示すように、カソードオフガス排出路を成す配管42bがドレン排出路を成す配管30bに合流しており、燃料電池スタック2で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁30から排出されてくる水分の排出をアシストする点が異なっている。
この例では、図7(b)に示すように、ドレン排出路を成す配管30bにカソードオフガス排出路を成す配管42bが、上側から下流方向(水分の流れに沿う方向)に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、カソードオフガス排出路からのカソードオフガスが配管31内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むカソードオフガスによって、水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
また、背圧弁42は、ドレン弁30が開弁した後に開弁するようになっている。
この燃料電池システム1によれば、燃料電池スタック2で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁30から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、ドレン弁30が開弁してドレン排出路をなす配管30bに水分が流れた後に背圧弁42が開弁することとなるので、例えば、配管42bと配管30bとの合流位置を水分が通過するタイミングでカソードオフガスが供給されるように、背圧弁42の開弁タイミングを設定することによって、カソードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
(第6実施形態)
図8(a)は本発明の第6実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図8(a)(b)に示すように、ドレン弁30の下流側のドレン排出路を成す配管30bが、カソードオフガス排出路を成す配管42bの上側から配管42bに対して合流している点が異なっている。
図8(b)に示すように、ドレン弁30は、配管42bの上側に位置しており、ドレン弁30の下端に設けられた連通孔33を通じて、ドレン排出路が配管42bに合流するようになっている。なお、この例では、連通孔33を通じてドレン排出路が配管42bに合流する構成であるので、ドレン排出路を成す配管30bは、省略されたものとなっている。
この燃料電池システム1によれば、前記した第2実施形態と同様の効果が得られる。つまり、ドレン排出路が、カソードオフガス排出路の上側からカソードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってカソードオフガス排出路(配管42b)に流れ落ちることとなり、カソードオフガス排出路を流れるカソードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がカソードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、ドレン弁30の開閉によって行うことができるので、ドレン弁30の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁30の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
(第7実施形態)
図9(a)は本発明の第3実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図9(a)(b)に示すように、ドレン弁30の上流側で、カソードオフガス排出路を成す配管42bとドレン排出路を成す配管30aとが合流している点が異なっている。
この燃料電池システム1によれば、前記した第3実施形態と同様の効果が得られる。つまり、ドレン弁30の上流側で、カソードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、カソードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁30で排出を制御することにより、水分を好適に排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁30の開閉制御のみによって行うことも可能であるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器43による希釈も好適に行うことができる。
(第8実施形態)
図10(a)は本発明の第8実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図10(a)(b)に示すように、ドレン排出路にオリフィス50が設けられており、ドレン排出路から前記したドレン弁30(図1等参照、以下同じ)を無くしてある。
また、この例では、図10(b)に示すように、ドレン排出路を成す配管30bにカソードオフガス排出路を成す配管42bが、上側から下流方向(水分の流れに沿う方向)に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、カソードオフガス排出路からのカソードオフガスが配管31内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むカソードオフガスによって、ドレン排出路側が負圧となって水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
この燃料電池システム1によれば、前記した第4実施形態と同様の効果が得られる。つまり、ドレン弁30を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁30を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費も抑えることができる。
前記した各実施形態において、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置や、カソードガス排出路とドレン排出路との合流位置に、ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して吸い出すベンチュリ部を設けてもよい。
このようなベンチュリ部を設けることによって、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分が排出路側(アノードオフガス排出路側あるいはカソードガス排出路側)に好適に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な排水が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁30の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、前記した各実施形態において、合流位置の配管寸法や配管同士の合流角度等は任意に設定することができる。
また、前記した各実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよく、また、住居、店舗、オフィス等の用途とした燃料電池システムでもよい。
(a)は本発明の第1実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。 第1実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 (a)は本発明の第2実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。 (a)は本発明の第3実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式(a)は拡大図である。 (a)は本発明の第4実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。 第4実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 (a)は本発明の第5実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。 (a)は本発明の第6実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。 (a)は本発明の第7実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。 (a)は本発明の第8実施形態の燃料電池システムを示す構成図、(b)は合流位置を示す模式拡大図である。
符号の説明
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック
13 気液分離器
13a、13b、14a、14b 配管(アノードオフガス排出路)
13c 配管(循環路)
14 パージ弁
20 ECU
30 ドレン弁
30a、30b 配管(ドレン排出路)
31 配管(合流路)
42 背圧弁
42a、42b 配管(カソードオフガス排出路)
43 希釈器
50 オリフィス

Claims (18)

  1. アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、
    前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、を備え、
    前記アノードオフガス排出路および前記カソードオフガス排出路の少なくとも1つと、前記ドレン排出路とを合流させ、前記アノードオフガスや前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、
    前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、
    前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、
    前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記燃料電池のアノードガス供給側に戻す循環路を備え、
    前記パージ弁は、前記循環路に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記パージ弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池システム。
  5. 前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されていることを特徴とする請求項2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。
  6. 前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、
    その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項2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。
  7. 前記ドレン排出路は、前記アノードオフガス排出路の上側から前記アノードオフガス排出路に対して合流していることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記アノードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
  9. 前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流していることを特徴とする請求項2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。
  10. アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、
    前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、
    前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、
    前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、
    前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
  11. アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、
    前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、
    前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、
    前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、
    前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
  12. 前記背圧弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
  13. 前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されていることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の燃料電池システム。
  14. 前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、
    その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  15. 前記ドレン排出路は、前記カソードオフガス排出路の上側から前記カソードオフガス排出路に対して合流していることを特徴とする請求項11から請求項14のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  16. 前記カソードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられていることを特徴とする請求項15に記載の燃料電池システム。
  17. 前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流していることを特徴とする請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  18. アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、
    前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、
    前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、
    前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、
    前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、
    前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
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