JP2011089491A - 燃料電池のガス導入構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムをコンパクトにでき、しかも掃気性能を高めることができる燃料電池のガス導入構造を提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池の電極に反応ガスを供給する供給管１３０と、供給管１３０に接続され、燃料電池１０からの水素オフガスを燃料電池１０に供給される水素ガスに合流させるエゼクタ２４と、供給管１３０の内部に配置されるエゼクタ２４のディフューザ１２０および供給管１３０の内面１３０ａの間に形成される空間Ｑにあって、供給管１３０に開設された掃気ガス導入口１３１と、を備え、ディフューザ１２０の外形が下流に向かって拡径するテーパ状に形成されて、掃気ガス導入口１３１に近い空間は広く、掃気ガス導入口１３１から下流に離れた空間は狭く形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料電池のガス導入構造に関する。

燃料電池システムでは、燃料を有効に利用するために、燃料電池から排出された未反応の水素を、再び燃料電池に戻して循環させる手段としてエゼクタを備えたものが種々提案されている。また、燃料電池システムでは、発電停止時に掃気ガスでアノード側に残留する生成水を排出する掃気手段として、掃気ガスをカソード側からアノード側に導入するための掃気導入路がエゼクタと燃料電池との間に接続されたものが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなエゼクタおよび掃気手段を備えた燃料電池システムでは、燃料電池の次回起動時の始動性を向上させるため、燃料電池の発電停止時に、燃料電池内に大流量のガスを流して、残留水の排出を促進することが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−３１１０６６号公報（図１および図２） 特開２００７−７３３２８号公報（段落００２９、図１および図２）

ところで、残留水を排出する際には大流量のガスを導入する必要があるため、燃料電池とエゼクタとの間に設けられる配管には、開口径が大きな掃気ガス導入口を設ける必要がある。また、燃料電池システムでは、燃料電池システム自体を小型化することが求められている。そこで、掃気ガス導入口をエゼクタのディフューザと重なるように二重配管構造とすることで小型化が可能になるが、掃気流路の断面積を確保しようとして流路径を大きくすると、小型化が困難になるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、燃料電池システムを小型化でき、しかも掃気性能を高めることができる燃料電池のガス導入構造を提供することを課題とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の電極に反応ガスを供給する供給管と、前記供給管に接続され、前記燃料電池からの排出ガスを前記燃料電池に供給される反応ガスに合流させるエゼクタと、前記供給管の内部に配置される前記エゼクタのディフューザおよび前記供給管の内面の間に形成される空間にあって前記供給管に開設された第２ガス導入部と、を備え、前記第２ガス導入部に近い前記空間は広く、前記第２ガス導入部から下流に離れた前記空間は狭く形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、供給管の内部にディフューザを配置して二重管構造とし、その二重管構造となっている供給管に第２ガス導入部を形成することにより、燃料電池とエゼクタとの距離を最小にすることができ、燃料電池システムの小型化が可能になる。しかも、ディフューザの周囲の第２ガス導入部に近い空間を広く形成し、第２ガス導入部から下流に離れた空間を狭く形成することで、第２ガス導入部の周辺に第２ガスの溜まり部が形成され、第２ガス導入部から導入される第２ガス（掃気ガス）に対する抵抗を小さくでき、供給管の流路径を大きくすることなく、第２ガスによる掃気性能を高めることが可能になる。

掃気性能を高めることができることにより、例えば、供給管から燃料電池に放出される第２ガスの圧力（出口圧力）を従来と同じに設定した場合、供給管に導入する際の第２ガスの圧力（入口圧力）を従来よりも低く設定することができる。その結果、第２ガスを導入する際に必要な電力（例えば、エアポンプの電力）を低減することが可能になる。

なお、第２ガス導入部から導入される第２ガスは、例えば、燃料電池のカソードに反応ガスとして供給される酸化剤ガス（例えば、空気）であり、燃料電池の発電停止時に、燃料電池内の流路やその周辺の配管内に残留している生成水を排出する処理時（掃気処理時）に導入されるものである。

また、前記ディフューザの外形は、下流に向かって拡径するテーパ状であることを特徴とする。

これによれば、第２ガス導入部から供給管内に導入される際の第２ガスの抵抗をより効率的に低減することができる。なお、ディフューザの外形とは、反応ガスと排出ガスとが合流して通る流路を構成する管の外壁面の形状を意味している。

また、前記ディフューザの外形と内形とは相似に形成されていることを特徴とする。

これによれば、外形と内径とが相似に、換言すると肉厚が一定となるように、ディフューザが拡径して形成されることにより、無駄な肉が無くなり、コンパクトに形成することが可能になる。なお、ディフューザの内形とは、反応ガスと排出ガスとが合流して通る流路を構成する管の内壁面の形状を意味している。

本発明によれば、燃料電池システムをコンパクトにでき、しかも掃気性能を高めることができる燃料電池のガス導入構造を提供できる。

本実施形態の燃料電池のガス導入構造が適用される燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池のガス導入構造を示す断面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線断面図である。 本実施形態の燃料電池のガス導入構造の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。まず、本実施形態の燃料電池のガス導入構造が適用される燃料電池システム１について図１を参照して説明する。なお、燃料電池システム１は、自動車、船舶、航空機など、あるいは家庭用や業務用の定置式のものなど様々なものに適用できる。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、掃気系４０などを含んで構成されている。

燃料電池１０は、例えば、固体高分子型の燃料電池であり、膜電極接合体と一対のセパレータとで構成された単セル１３（図２参照）を複数積層した構造を有している。膜電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜を、それぞれ触媒を含むアノード（電極）とカソード（電極）とで挟んで構成されている。セパレータは、膜電極接合体の両面に積層され、アノードに対向するセパレータには、水素ガス（反応ガス、燃料ガス）が通流するアノード流路１１、カソードに対向するセパレータには、空気（反応ガス、酸化剤ガス）が通流するカソード流路１２が形成されている。

アノード系２０は、アノードに水素を給排するものであり、高圧水素タンク２１、遮断弁２２、レギュレータ２３、エゼクタ２４、パージ弁２５、配管ａ１〜ａ６などで構成されている。

すなわち、高圧水素タンク２１が、配管ａ１、遮断弁２２、配管ａ２、レギュレータ２３、配管ａ３、エゼクタ２４、供給管１３０を介して燃料電池１０のアノード流路１１の入口１１ａと接続されている。また、アノード流路１１の出口１１ｂは、配管ａ４を介してエゼクタ２４と接続されている。また、配管ａ４には、配管ａ５を介してパージ弁２５が接続されている。

なお、遮断弁２２およびパージ弁２５は、例えば電磁作動式のものであり、図示しない制御装置によって開閉制御される。レギュレータ２３は、高圧水素タンク２１から供給される水素の圧力を所定圧力に減圧する機能を有している。エゼクタ２４の詳細については後記する。パージ弁２５は、発電中において適宜開弁されることにより、水素循環流路（アノード流路１１、配管ａ４および供給管１３０）に残留する不純物を排出し、また発電停止時に開弁されることにより、アノード流路１１に供給された掃気ガス（空気）を残留水などと共に燃料電池システム１の外部に排出するようになっている。

カソード系３０は、カソードに空気を給排するものであり、エアポンプ３１、希釈器３２、配管ｂ１，ｂ２などで構成されている。すなわち、エアポンプ３１が配管ｂ１を介してカソード流路１２の入口１２ａと接続され、カソード流路１２の出口１２ｂが配管ｂ２を介して希釈器３２と接続されている。

なお、エアポンプ３１は、例えばモータで駆動される過給器であり、外部の空気を取り込んで圧縮し、燃料電池１０のカソードに供給する。希釈器３２は、水素と空気とを混合して希釈する空間を有し、パージ弁２５から配管ａ６を介して排出された水素を、所定の濃度以下に希釈した後、配管３２ａを介して燃料電池システム１の外部に排出するようになっている。

また、図示していないが、配管ｂ１には、エアポンプ３１からの低湿な空気を加湿する加湿器が設けられ、配管ｂ２には、カソードの圧力を制御する背圧弁が設けられている。

掃気系４０は、掃気ガス（空気）をカソード側からアノード側に導入するものであり、掃気ガス導入弁４１、配管ｃ１，ｃ２により構成されている。すなわち、掃気ガス導入弁４１は、電磁作動式のもので、図示しない制御装置によって開閉制御され、配管ｃ１を介して図示しない加湿器の上流側の配管ｂ１と接続され、配管ｃ２を介して後記するエゼクタ２４と接続されている。

また、掃気系４０では、燃料電池１０のアノード側を掃気する必要が生じたときに掃気ガス導入弁４１が開弁され、エアポンプ３１から取り込まれた空気（外気）が配管ｃ１，ｃ２を介してアノード流路１１などに導入されるように構成されている。

図２に示すように、エゼクタ２４は、ベース部材１００、ノズル１１０、ディフューザ１２０などで構成され、エゼクタ２４が供給管１３０を介して燃料電池１０のアノード流路１１（図１参照）の入口と接続されるように構成されている。

ベース部材１００は、例えば略直方体形状であり、上面に、高圧水素タンク２１側からの配管ａ３が接続される水素導入流路１０１が形成されている。この水素導入流路１０１は、その上面から下方に延びて形成され、ベース部材１００の中央部に形成された小径の空間からなる連通部１０２と連通している。この連通部１０２には、水素導入流路１０１と直交して燃料電池１０側に向く面に開口部１０３が形成されている。

また、ベース部材１００には、燃料電池１０側に向く側面に凹部１０４が形成されている。この凹部１０４は、連通部１０２の空間よりも大径に形成され、連通部１０２と同軸となるように形成され、凹部１０４の底面１０４ａにおいて開口部１０３を介して連通部１０２と連通している。

開口部１０３の周縁部には、円筒状のノズル固定部１０５が凹部１０４内に突出するように形成されている。なお、このノズル固定部１０５が突出する長さ（高さ）は、凹部１０４の深さよりも低くなるように形成されている。

また、ベース部材１００には、下面に、燃料電池１０の配管ａ４が接続され、水素オフガス（排出ガス）が導入される副流路１０６が形成されている。この副流路１０６は、下面から上方に延びて形成され、凹部１０４内と連通している。

なお、本実施形態では、水素導入流路１０１を上部に形成し、副流路１０６を下部に形成した場合を例に挙げて説明したが、このような配置に限定されるものではなく、例えば図２の紙面垂直方向から導入されるものであってもよく、エゼクタ２４の周辺のレイアウトに応じて適宜変更することができる。

ノズル１１０は、その内部に軸線方向に沿って延びる中空部１１１が形成されている。中空部１１１の壁面をなすノズル１１０の内周面１１２は、ノズル１１０の先端部において、先端側（中空部１１１の下流側）に向かって漸次連続的に縮径するように形成されている。

また、ノズル１１０は、その基端部に形成された円筒部１１３が、ノズル固定部１０５に嵌合するように挿入され、外周面に形成された鍔部１１４が、ノズル固定部１０５に当接することで、ノズル固定部１０５に対して所定の位置に固定されるようになっている。

ディフューザ１２０は、軸方向に貫通する水素流路１２１が形成されている。この水素流路１２１は、その基端部（上流側）から順に、流路断面積が一定の円筒部１２２と、流路断面積が縮径する絞り部１２３と、流路断面積が最小となるスロート部１２４と、流路断面積が漸次連続的に拡径する拡径部１２５と、を有している。また、円筒部１２２には、周方向において複数の導入孔１２２ａが貫通して形成されている。

また、ディフューザ１２０は、拡径部１２５を構成する形状が、円筒状に形成され、かつ、下流側に向かって拡径するようにテーパ状に形成されている。また、拡径部１２５は、水素流路１２１の外壁面１２５ａを構成する外形と、水素流路１２１の内壁面１２５ｂを構成する内形とが相似に形成され、換言すると、肉厚Ｔ（図３参照）が上流から下流にわたって一定となるように形成されている。

このように形成されたディフューザ１２０は、ノズル１１０の軸中心Ｏとディフューザ１２０の軸中心Ｏが互いに一致するように配置され、ディフューザ１２０の円筒部１２２が凹部１０４内に収容されるように配置されている。このとき、凹部１０４とディフューザ１２０との間の隙間に環状のバッファ室１２６が形成される。

また、ベース部材１００に形成された凹部１０４の開口１０４ｂには、供給管１３０の上流側の一端が接続され、供給管１３０の下流側の他端が燃料電池１０のエンドプレート１４に形成された開口（入口１１ａ）と接続されている。なお、エンドプレート１４とは、複数の単セル１３が積層された積層体の積層方向の両端部に設けられて、積層体を挟んで保持する金属製のプレートである。また、供給管１３０は、図示しないボルト、シール部材などを介してベース部材１００とエンドプレート１４とが気密になるように接続されている。

また、凹部１０４から突出したディフューザ１２０の周囲を覆うように供給管１３０が配置されている。すなわち、供給管１３０の内部にエゼクタ２４のディフューザ１２０の拡径部１２５が配置され、ディフューザ１２０の拡径部１２５と供給管１３０とで二重管構造となっている。

また、供給管１３０には、ディフューザ１２０の拡径部１２５と供給管１３０の内面１３０ａとの間の空間Ｑに開口する掃気ガス導入口（第２ガス導入部）１３１が形成されている。この掃気ガス導入口１３１は、拡径部１２５の基端側（スロート部１２４に近い側）に位置するように形成されている。また、掃気ガス導入口１３１には、配管ｃ２（図１参照）の一端が接続される。

このような位置に掃気ガス導入口１３１を設けるとともに、ディフューザ１２０の拡径部１２５の外形を下流に向かって拡径するテーパ状に形成することにより、図３（ａ）に示すように、掃気ガス導入口１３１に近い拡径部１２５の基端側の周囲の空間Ｑ１が広く形成され、図３（ｂ）に示すように、掃気ガス導入口１３１から下流側に離れた拡径部１２５の先端側の周囲の空間Ｑ２が前記空間Ｑ１よりも狭く形成される。このように掃気ガス導入口１３１に近い側の空間Ｑ１が、掃気ガス導入口１３１から下流の空間Ｑ２よりも広く形成されているのは、掃気ガス導入口１３１における拡径部１２５の基端側の内径Ｄ１の肉厚Ｔと、掃気ガス導入口１３１における拡径部１２５の先端側の内径Ｄ２（＞内径Ｄ１）の肉厚Ｔとが同じに形成されていることによる（図３（ａ）、（ｂ）参照）。

なお、掃気ガス導入口１３１の拡径部１２５に対する軸線方向における位置は、本実施形態の位置に限定されるものではなく、掃気ガス導入口１３１に近い側の空間が広く形成され、掃気ガス導入口１３１から下流に離れた空間が狭く形成されるものであれば、図２に示す位置よりも下流側に位置していてもよく、あるいは上流側に位置していてもよく、燃料電池システム１のレイアウトに応じて適宜変更することができる。また、掃気ガス導入口１３１の導入向きについても、図２に示すように側方からの位置に限定されるものではなく、上面、下面、斜めなど燃料電池システム１のレイアウトに応じて適宜変更することができる。

このように構成された燃料電池のガス導入構造では、エゼクタ２４の副流路１０６からバッファ室１２６に導入された水素オフガス（排出ガス）が、水素オフガス導入孔１２２ａを通って水素流路１２１に導入される。また、高圧水素タンク２１からの新鮮な水素ガス（反応ガス）が配管ａ３から水素導入流路１０１、連通部１０２、ノズル１１０内の中空部１１１を通ってディフューザ１２０の内部に導入される。このとき、ノズル１１０の先端の開口部から、ディフューザ１２０の水素流路１２１に向かって水素ガスが噴射される。また、ノズル１１０から噴射された水素ガスが高速で流れることによって、ディフューザ１２０のスロート部１２４の近傍において負圧が発生し、この負圧によって副流路１０６から導入された水素オフガスが水素流路１２１に吸い込まれる。

そして、水素オフガスは、ノズル１１０から噴射された水素ガスと合流し混合されて、ディフューザ１２０の拡径部１２５を通って供給管１３０内に排出される。供給管１３０から排出された水素ガスは、燃料電池１０の各単セル１３のアノード（電極）に供給され、カソードに供給される空気に含まれる酸素との化学反応によって、発電が行われるように構成されている。このようにして、燃料電池１０から排出された水素オフガスは、エゼクタ２４を介して循環するようになっている。なお、燃料電池１０からの発電電力は、エアポンプ３１や、図示しない外部負荷に供給される。

また、燃料電池システム１の運転停止時（燃料電池１０の発電停止時）においては、図示しない制御装置によって、次回起動時の始動性が損なわれると判断された場合には、掃気ガス導入弁４１およびパージ弁２５を開弁した（必要に応じて図示しない背圧弁を閉じる）状態において、エアポンプ３１を作動させて、配管ｃ１，ｃ２を介して供給管１３０に形成された掃気ガス導入口１３１から掃気ガスとしての空気（第２ガス）を導入する。なお、次回起動時の始動性が損なわれると判断される場合とは、例えば、停止時に残留している生成水が凍結すると判断された場合であり、燃料電池１０の温度が所定温度（例えば、１０℃）以下となったときである。また、このときのエアポンプ３１の出力（モータの回転速度）は、アノード流路１１や燃料電池１０の周辺の配管ａ４〜ａ６に残留する生成水を吹き飛ばして燃料電池システム１の外部に排出することができる流量（圧力）となるように設定される。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池のガス導入構造によれば、燃料電池１０に繋がる供給管１３０と、その供給管１３０内部のディフューザ１２０（拡径部１２５）との間に形成された環状の空間Ｑ（図２参照）に掃気ガス導入口１３１を形成し、さらに、空間Ｑにおいて、掃気ガス導入口１３１に近い空間Ｑ１（図３（ａ）参照）を広く形成し、掃気ガス導入口１３１から下流に離れた空間Ｑ２（図３（ｂ）参照）を狭く形成することで、エゼクタ２４と、燃料電池１０のアノード流路１１の入口１１ａとの間の距離を最小（コンパクト）にすることができ、しかも、掃気ガス導入口１３１から供給管１３０内に導入される際の空気の抵抗を低減することができる。その結果として、供給管１３０の流路径を大きくすることなく掃気時の空気（第２ガス）による掃気性能を高めることが可能になる。

また、本実施形態によれば、ディフューザ１２０の外形（外壁面１２５ａの形状）が、掃気ガス導入口１３１の周辺にエア溜まりが形成されるようにテーパ状とすることで、掃気ガス導入口１３１から供給管１３０内に導入される際の空気の抵抗をより効率的に低減することが可能になる。

また、本実施形態によれば、ディフューザ１２０の外形（外壁面１２５ａの形状）と内形（内壁面１２５ｂの形状）とが相似形状となるように形成することで、無駄な肉がなくなり、コンパクト化および軽量化が可能となる。

ちなみに、図２に示すようなディフューザ１２０の外形がテーパ形状の場合（本実施形態）と、ディフューザの外形が一定の径からなる形状(外径が一定の形状)である場合（比較例）とにおいて、供給管１３０から放出される空気（掃気ガス）の圧力（出口圧力）が同じになるように設定したときに、掃気ガス導入口１３１から供給管１３０内に導入するのに必要な入口圧力については、外形をテーパ形状にした場合の方がその圧力を小さくできる。これは、外径が一定形状であるディフューザの場合には、テーパ形状のディフューザの場合よりも圧力損失が大きくなるからである。このため、外径が一定形状のディフューザにおいて、入口圧力を低くするには、供給管１３０の内径を大きく設定する必要があるが、これでは、燃料電池システム１の小型化および軽量化が困難になる。本実施形態では、前記したように、ディフューザ１２０の外形を下流に向けてテーパ形状としたことにより、供給管１３０の流路径（内径）を縮小しながらも、掃気性能を十分に確保することが可能になったものである。

なお、本実施形態では、拡径部１２５の外形が下流に向かってテーパ状に拡径するように形成したが、このような外形状に限定されるものではなく、図４に示すようなディフューザ１２０Ａであってもよい。すなわち、このディフューザ１２０Ａは、拡径部１２５の掃気ガス導入口１３１に近い側の外形にくびれ部１５０が形成されて、掃気ガス導入口１３１に近い空間Ｑ１が、掃気ガス導入口１３１から下流に離れた空間Ｑ２よりも広くなるように形成されている。なお、図２に示す拡径部１２５の内形と、図４に示す拡径部１２５の内形とは同一形状である。

また、掃気ガス導入口１３１に近い空間Ｑ１が広く、掃気ガス導入口１３１から下流の空間Ｑ２が空間Ｑ１よりも狭く形成されるものであれば、例えば、拡径部１２５が一定の外径で形成され、掃気ガス導入口１３１に近い拡径部１２５の周面のみが曲面または角形面からなる凹状にえぐれている形状であってもよい。

また、本実施形態では、アノード側における燃料電池のガス導入構造を例に挙げて説明したが、アノード側に限定されるものではなく、カソード流路１２の入口１２ａ側に同様な燃料電池のガス導入構造を適用してもよい。

また、本実施形態では、掃気時に掃気ガス導入口１３１から導入される掃気ガスとしてエアポンプ３１からの空気を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、別に設けられたタンクに充填された窒素などの不活性ガス（第２ガス）を掃気ガスとして導入してもよい。

また、本実施形態では、ディフューザ１２０内に噴射される部分がノズル１１０のみで構成された場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ノズル１１０内に軸線方向に可動可能なニードルが設けられ、ノズル１１０から噴射される水素ガスの流量が可変となる構成であってもよい。

１０ 燃料電池
２４ エゼクタ
１２０ ディフューザ
１３０ 供給管
１３０ａ 内面
１３１ 掃気ガス導入口（第２ガス導入部）
Ｑ，Ｑ１，Ｑ２ 空間

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の電極に反応ガスを供給する供給管と、
   前記供給管に接続され、前記燃料電池からの排出ガスを前記燃料電池に供給される反応ガスに合流させるエゼクタと、
   前記供給管の内部に配置される前記エゼクタのディフューザおよび前記供給管の内面の間に形成される空間にあって前記供給管に開設された第２ガス導入部と、を備え、
   前記第２ガス導入部に近い前記空間は広く、前記第２ガス導入部から下流に離れた前記空間は狭く形成されていることを特徴とする燃料電池のガス導入構造。
2. 前記ディフューザの外形は、下流に向かって拡径するテーパ状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス導入構造。
3. 前記ディフューザの外形と内形とは相似に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のガス導入構造。

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