JP2013235813A - 統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム - Google Patents
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Abstract
【課題】マニホールドブロック（共用分配器）内に水素供給のためのシステム構成を統合してモジュール化した新たな構造の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムを提供する。
【解決手段】統合型マニホールドブロック３０を有する燃料電池用水素供給システムは、燃料電池スタック１０の各スタックモジュールの外側に装着されたマニホールドブロック３０内に水素供給ライン２１、水素排出ライン２５、及び水素再循環ライン２８を形成し、水素供給ライン２１、水素排出ライン２５、及び水素再循環ライン２８の特定位置毎に水素供給、水素排出、及び再循環部品を含む水素供給システムの構成部品を一体に装着してマニホールドブロック３０と水素供給システムの構成部品をモジュール化した。
【選択図】図１
【解決手段】統合型マニホールドブロック３０を有する燃料電池用水素供給システムは、燃料電池スタック１０の各スタックモジュールの外側に装着されたマニホールドブロック３０内に水素供給ライン２１、水素排出ライン２５、及び水素再循環ライン２８を形成し、水素供給ライン２１、水素排出ライン２５、及び水素再循環ライン２８の特定位置毎に水素供給、水素排出、及び再循環部品を含む水素供給システムの構成部品を一体に装着してマニホールドブロック３０と水素供給システムの構成部品をモジュール化した。
【選択図】図１
Description
本発明は、統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムに係り、より詳しくは、水素供給のためのシステム構成を統合してモジュール化した新たな構造の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムに関する。
燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池スタックに水素（燃料）を供給する水素供給システムと、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤、すなわち空気中の酸素を供給する空気供給システムと、水素及び酸素の電気化学的反応により電気を生成する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電気化学的な反応熱を除去すると共にスタックの運転温度を制御する熱及び水の管理システムなどを含んで構成される。このような燃料電池システムでは、図４に示すように、燃料電池スタック１０を構成する各スタックモジュール１１、１２、１３、１４の外側には燃料電池の反応に必要な水素、空気、及び冷却水をそれぞれ均等に分配するマニホールドブロック３０（共用分配器）が装着されている。詳細には、マニホールドブロック３０の内部には、図示していないが、各スタックモジュール１１、１２、１３、１４に供給される反応気体の移動経路の役割をする水素供給及び排出ラインを始めとして、空気供給及び排出ライン、冷却水供給及び排出ラインなどが複雑に配列されている。
マニホールドブロック３０に別途連結される一般的な水素供給システムに対する構成及び動作を図２及び図３を参照して説明する。先ず、燃料電池スタック１０を構成する各スタックモジュール１１、１２、１３、１４に水素を供給するために、水素タンクからマニホールドブロック３０まで水素供給ライン２１が連結される。水素供給ライン２１の先端部（水素タンク側）から末端部（マニホールドブロック側）まで水素供給バルブ２２、エジェクタ２３、及び圧力低減バルブ２４の順に装着される。水素供給バルブ２２は水素タンクからの水素を許容または遮断する役割をし、エジェクタ２３は水素供給バルブ２２を通過した水素をマニホールドブロック３０側に一定の圧力以上に昇圧させて供給する役割をし、圧力低減バルブ２４はマニホールドブロック３０に供給される水素を一定の圧力に調節する役割をする。また、燃料電池スタック１０を構成する各スタックモジュール１１、１２、１３、１４に水素が供給された後、反応を終えた残余水素及び凝縮水が排出されるようにマニホールドブロック３０には水素排出ライン２５が連結される。この水素排出ライン２５には、凝縮水の排出のためのウォータータラップ２６と、ウォータータラップを通過した水素の一部を外部に排出させるためのパージバルブ２７がこの順に装着される。特に、パージバルブ２７には、エジェクタ２３まで連結される水素再循環ライン２８が連結され、水素再循環ライン２８にはパージバルブ２７を通過した水素の一部をエジェクタ２３に吹き出す再循環ブロワー２９が装着される。したがって、燃料電池スタック１０で反応を終えた水素が凝縮水と共に水素排出ライン２５に排出されると、凝縮水はウォータータラップ２６を介して外部に排出され、水素の一部はパージバルブ２７を介して外部に排出され、残りの水素は再循環ブロワー２９の吸入駆動によりエジェクタ２３に入って水素タンクからの新しい水素と共にスタック側に再供給される。
このような従来の水素供給システムのためのマニホールドブロック３０の構造は次のような問題がある。第１に、水素供給システムを構成する部品（水素供給バルブ２２、エジェクタ２３、圧力低減バルブ２４、パージバルブ２７、再循環ブロワー２９など）間の配管連結のための空間が多く必要となるため、燃料電池システムの全体大きさが大きくならなければならず、これによって、限定されたエンジンルーム内に全燃料電池システムの構成を適切に配置して搭載し難い。第２に、水素供給システムの配管となる水素供給ライン２１及び水素排出ライン２５の長さが長く、複雑に配列されることにより、水素供給ライン２１及び水素排出ライン２５の区間毎に差圧が発生して水素供給及び排出のためのエネルギーの消失が大きい。第３に、水素供給ライン２１及び水素排出ライン２５の長さが長く、複数のラインが複雑に連結されることにより、各連結フィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）部で水素リーク（ｌｅａｋ）が発生する可能性が高くなる。
本発明は、上述のような問題点を考慮してなされたものであって、アルミニウム鋳造工法で製作され、燃料電池スタックの外側に装着されるマニホールドブロック内に水素供給システムの構成をモジュール化して全燃料電池システムの体積と重量を低減し、水素供給ラインの長さを縮小することにより、水素供給ラインの水素供給差圧を低減して燃料電池車両の性能を向上させた統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムを提供することにその目的がある。
上記目的を達成するための本発明による統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムは、燃料電池スタックの各スタックモジュールの外側に装着されたマニホールドブロック内に水素供給ライン、水素排出ライン、及び水素再循環ラインを形成し、前記水素供給ライン、水素排出ライン、及び水素再循環ラインの特定位置毎に水素供給、水素排出、及び再循環部品を含む水素供給システムの構成部品を一体に装着して前記マニホールドブロックと水素供給システムの構成部品をモジュール化したことを特徴とする。このような統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムにおいて、前記マニホールドブロックの上面に形成された前記水素供給ラインの入口位置に水素供給バルブが装着されていることが好ましく、また、前記マニホールドブロックの一側上面に露出した前記水素再循環ラインに再循環ブロワーが装着されていることが好適であり、さらには、前記マニホールドブロックの前記水素供給ラインと水素再循環ラインが接する地点にエジェクタが装着されていることが好ましい。そして、前記マニホールドブロックの底面には前記水素排出ラインに連結されるウォータータラップ及びパージバルブが並んで装着されていることが良く、また、前記マニホールドブロックの他側上面には再循環ブロワー及びウォータータラップの駆動制御及びバルブ類の開閉制御のための制御機が装着されていることが好ましい。
本発明の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムによれば、マニホールドブロック内に水素供給システムのエジェクタ、パージバルブ、圧力低減バルブ、再循環ブロワーなどを適切な位置に装着してマニホールドブロックと水素供給システムの構成部品をモジュール化することにより、全燃料電池システムの体積と重量を低減し、マニホールドブロック内のデッド（ｄｅａｄ）ボリュームをなくすことができる。特に、マニホールドブロック内に水素供給システムの各構成がモジュール化することにより、各構成間を連結する水素供給及び排出ライン、再循環ラインの長さを縮小してエネルギの損失を低減し、水素供給ラインを流れる水素の供給差圧を低減することができる。また、マニホールドブロックに別途に連結された水素供給システムの配管及び配管連結のためのフィッティングの削除により組み立て品質を向上させることができる。
以下、本発明による統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムの好ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システムは、図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成するスタックモジュールの外側に装着されるマニホールドブロック３０内に水素供給システムの各構成部品を適切な位置に装着してマニホールドブロック３０と水素供給システムの各構成をモジュール化する点に特徴がある。このために、マニホールドブロック３０をアルミニウム鋳造工法を用いて製作するが、その内部に水素供給ライン２１、水素排出ライン２５、及び水素再循環ライン２８が最適配列により形成される。なお、燃料電池スタック１０を構成するスタックモジュールの数及びその配置は特に限定されないが、例えば図２、４に示した従来のスタックモジュール１１、１２、１３、１４の場合と同様に上下２段に四個配設しても良く、また、例えば上下２段に二個配設することもできる。
好ましくは、水素供給ライン２１は、マニホールドブロック３０の上面中央位置からマニホールドブロック３０の中心位置に延長されると共に一側位置に延長された後、各スタックモジュール（燃料電池スタック１０）の一側に形成された水素入口流路（図示せず）と連通可能に連結され、水素排出ライン２５は各スタックモジュール（燃料電池スタック１０）の他側に形成された水素出口流路と連通可能に連結されると共にマニホールドブロック３０の他側下端に延長され、水素再循環ライン２８は水素排出ライン２５から延長されて水素供給ライン２１のエジェクタ２３が装着される位置まで延長される。
このようにマニホールドブロック３０内に形成された水素供給ライン２１、水素排出ライン２５、及び水素再循環ライン２８の特定位置毎に、水素供給及び排出のための部品、水素再循環部品などを含む水素供給システムの構成部品が一体に装着される。水素供給システムの構成部品において、水素タンクに連結され、水素タンクからの水素を許容または遮断する役割をする水素供給バルブ２２がマニホールドブロック３０の上面に形成された水素供給ライン２１の入口位置に装着される。また、水素供給システムの構成部品において、水素供給バルブ２２を通過した水素を各スタックモジュール側に供給するエジェクタ２３がマニホールドブロック３０の水素供給ライン２１と水素再循環ライン２８が接する位置（地点）に装着される。さらに、マニホールドブロック３０内の水素再循環ライン２８の区間の一部分がマニホールドブロック３０の一側上面で露出されるが、この露出された部分に水素排出ライン２５からの水素を吸入してエジェクタ２３側に再循環させるための再循環ブロワー２９が装着される。そして、マニホールドブロック３０の底面にはマニホールドブロック３０内の水素排出ライン２５に連結され、燃料電池スタック１０からの未反応水素と共に排出された水を貯留して排出するウォータータラップ（凝縮チャンバーとトラップから構成）２６が装着される。また、マニホールドブロック３０の他側上面には再循環ブロワー２９及びウォータータラップ２６の駆動制御、並びに水素供給バルブ２２、圧力低減バルブ２４、パージバルブ２７などのバルブ類の開閉制御のための制御機（図示なし）が装着される。
上述のようにマニホールドブロック３０と水素供給システムの構成部品をモジュール化した燃料電池用水素供給装置の作動フローを説明する。先ず、水素タンクに連結された水素供給バルブ２２が開かれると、水素が水素供給ライン２１に流入されてエジェクタ２３側に流れる。次に、エジェクタ２３から水素供給バルブ２２を通過した水素を各スタックモジュール側に供給することにより、スタックモジュールで通常の電気化学的反応により発電されることになる。次に、スタックモジュールで電気化学的反応により生成された水と未反応水素が水素排出ライン２５を介して一定大きさ以上の断面積（１６００ｍｍ２〜４０００ｍｍ２）を有する垂直通路の凝縮チャンバーを通過し、生成された水と液晶が下部に排出され、排出された水はウォータータラップ２６に一旦貯留した後、一定水準以上になると、ウォータータラップ２６の下端の排出バルブが開放動作して外部に排出される。この時、ウォータータラップ２６の上部空間の一側からさらに延長される水素排出ライン２５にはパージバルブ２７が装着され、ウォータータラップ２６の上部空間の上側には水素再循環ライン２８が連結される。したがって、未反応水素の一部はパージバルブ２７の開放時に外部に排出され、残りの一部はパージバルブ２７の閉鎖時に水素再循環ライン２８に流れるようになる。次に、再循環ブロワー２９の駆動により、水素排出ライン２５から水素再循環ライン２８に流れる水素が吸入されてエジェクタ側に再循環された後、水素供給バルブ２２を通過して流れる新しい水素と合わされてスタックモジュール側に再供給される。
上述したように、マニホールドブロック３０内に水素供給システムのエジェクタ２３、パージバルブ２７、圧力低減バルブ２４、再循環ブロワー２９などを適切な位置に装着してマニホールドブロック３０と水素供給システム２０の構成部品をモジュール化することにより、全燃料電池システムの体積と重量を低減することは勿論、水素供給ライン２１及び水素排出ライン２５、水素再循環ライン２８の長さを縮小してエネルギの損失を低減することができる。特に、水素供給ライン２１の長さが従来に比べて非常に短くなったことにより、水素供給ライン２１における水素供給差圧を低減することができる。具体的には、水素供給ライン２１の長さが長い場合は先端部の水素供給圧と末端部の水素供給圧との差が発生する虞があるが、本実施形態ではマニホールドブロック３０内に水素供給ライン２１、水素再循環ライン２８、及び水素排出ライン２５が共に短く形成されるため、水素供給ライン２１における水素供給差圧を低減することができる。
１０ 燃料電池スタック
１１、１２、１３、１４ スタックモジュール
２１ 水素供給ライン
２２ 水素供給バルブ
２３ エジェクタ
２４ 圧力低減バルブ
２５ 水素排出ライン
２６ ウォータータラップ
２７ パージバルブ
２８ 水素再循環ライン
２９ 再循環ブロワー
３０ マニホールドブロック
１１、１２、１３、１４ スタックモジュール
２１ 水素供給ライン
２２ 水素供給バルブ
２３ エジェクタ
２４ 圧力低減バルブ
２５ 水素排出ライン
２６ ウォータータラップ
２７ パージバルブ
２８ 水素再循環ライン
２９ 再循環ブロワー
３０ マニホールドブロック
Claims (6)
- 燃料電池スタックの各スタックモジュールの外側に装着されたマニホールドブロック内に水素供給ライン、水素排出ライン、及び水素再循環ラインを形成し、前記水素供給ライン、水素排出ライン、及び水素再循環ラインの特定位置毎に水素供給、水素排出、及び再循環部品を含む水素供給システムの構成部品を一体に装着して前記マニホールドブロックと水素供給システムの構成部品をモジュール化したことを特徴とする統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム。
- 前記マニホールドブロックの上面に形成された前記水素供給ラインの入口位置に水素供給バルブが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム。
- 前記マニホールドブロックの一側上面に露出した前記水素再循環ラインに再循環ブロワーが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム。
- 前記マニホールドブロックの前記水素供給ラインと水素再循環ラインが接する地点にエジェクタが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム。
- 前記マニホールドブロックの底面には前記水素排出ラインに連結されるウォータータラップ及びパージバルブが並んで装着されていることを特徴とする請求項１に記載の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム。
- 前記マニホールドブロックの他側上面には再循環ブロワー及びウォータータラップの駆動制御及びバルブ類の開閉制御のための制御機が装着されていることを特徴とする請求項１に記載の統合型マニホールドブロックを有する燃料電池用水素供給システム。
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