JP2014120468A - 燃料電池システムの水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過圧の水素から燃料電池燃スタックを保護し、安全性を確保して、水素ガス排出に関する関連法規を満たす燃料電池システムの水素供給装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムの水素供給装置は、高圧の水素を貯蔵する水素タンクを具備し、水素タンクに燃料電池スタックと連結された水素供給ラインを設け、水素供給ラインにスタック燃料極の圧力を調節する圧力調節バルブを設け、圧力リリーフバルブが設けられた圧力排出ラインをスタック燃料極およびこれと連結された流路に設置し、圧力排出ラインを燃料電池スタックの空気供給ラインに連結したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの水素供給装置に関し、より詳しくは、過圧の水素から燃料電池スタックを保護し、安全性を確保して、水素ガス排出に関する関連法規を満たした燃料電池システムの水素供給装置に関する。

一般に、燃料電池システムは、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料である水素を供給する水素供給装置、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な空気を供給する空気供給装置、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御し、水管理機能を行う熱／水管理系、及び燃料電池システムの作動全般を制御する制御器を含んで構成される。
ここで、水素供給装置は、水素タンク、高圧／低圧レギュレータ、及び水素再循環装置などを含んで構成される。

水素タンクには高圧の水素が貯蔵され、水素タンクは水素供給ラインによって燃料電池スタックと連結される。
そして、水素供給ラインには、高圧の水素を燃料電池システムが要求する圧力まで減圧して供給する圧力調節バルブが設けられる。圧力調節バルブは、圧力レギュレータまたは流量調節バルブで形成することができる。

一方、水素タンクに高圧で貯蔵されている水素は、圧力調節バルブを通って適切な圧力に減圧されて燃料電池スタックに供給されるが、圧力調節バルブに故障が発生するか、または内部に漏れがある場合は、水素が十分に減圧されない状態で燃料電池スタックに供給されるので、燃料電池スタックが破裂する可能性がある。

したがって、燃料電池スタックに一定以上の圧力が印加された場合、圧力調節バルブと燃料電池スタックの間などのスタック燃料極に、更に圧力リリーフバルブを装着して余剰水素をエンジンルームまたは大気に放出する（例えば特許文献１を参照）。
この場合、圧力リリーフバルブの開放圧力は、燃料電池スタックの内部と排出するところの差圧によって決定され、一般に、燃料電池スタックの運転圧力より高く設計することができる。

しかし、このような技術は、水素をエンジンルームに放出する場合は、車両用燃料電池システム関連法規を満たさず、水素を大気に放出する場合は、大気中に水素ガスを排出するためのダクト及び流路が追加的に必要なので、原価上昇とパッケージ悪化との問題がある。

また、燃料電池スタックの運転圧力が高まるほど、圧力リリーフバルブの開放圧力も高まるために、圧力リリーフバルブによって水素が排出されずに、燃料電池スタックに過剰な圧力が印加され、燃料電池スタックが破損するなどの問題が発生するおそれが高くなる。

特開２００６−３３１７８１号公報

かかる課題を解決するために、本発明は、過圧の水素から燃料電池スタックを保護し、安全性を確保して、水素ガス排出に関する関連法規を満たす燃料電池システムの水素供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池システムの水素供給装置において、高圧の水素を貯蔵する水素タンクを具備し、前記水素タンクには燃料電池スタックと連結された水素供給ラインを設置して、前記水素供給ラインにはスタック燃料極の圧力を調節する調節バルブを設け、圧力リリーフバルブが設けられた圧力排出ラインを前記スタック燃料極およびこれと連結された流路に設置して、前記圧力排出ラインは燃料電池スタックの空気供給ラインに連結したことを特徴とする。

また、前記空気供給ラインには空気ブロワと加湿器が装置され、前記圧力排出ラインは、空気ブロワと加湿器の間の空気供給ラインに連結してもよい。
また、前記空気供給ラインには空気ブロワと加湿器が装置され、前記圧力排出ラインは、加湿器と燃料電池スタックの間の空気供給ラインに連結してもよい。

そして、本発明は、燃料電池システムの水素供給装置において、高圧の水素を貯蔵する水素タンクを具備し、前記水素タンクには燃料電池スタックと連結された水素供給ラインを設置して、前記水素供給ラインには燃料電池スタック燃料極の圧力を調節する調節バルブを設け、圧力リリーフバルブが設けられた圧力排出ラインが前記燃料電池スタック燃料極およびこれと連結された流路に設置されて、前記圧力排出ラインは燃料電池スタックの出口側の排気ラインに連結したことを特徴とする。

また、前記排気ラインは、加湿器を通して排気するように構成してもよい。
また、前記圧力排出ラインは、燃料電池スタックと加湿器の間の排気ラインに排出されるように構成してもよい。

前記圧力排出ラインは、加湿器後端の排気ラインに排出されるように構成してもよい。
また、前記圧力調節バルブは、圧力レギュレータ、及び流量調節バルブのいずれか一つの形態で構成される燃料電池システムの水素供給装置である。

本発明は、圧力リリーフバルブの開放圧力を低くして、圧力リリーフバルブが開放される前に燃料電池スタックに印加される水素の過圧を低くすることができるので、水素の過圧による燃料電池スタックの破損を防止することができるという効果がある。

また、圧力リリーフバルブを通して排出される過圧の水素を、空気供給ラインと排気ラインを通じて車両の後方に排出するので、エンジンルームまたは車両の側方に排出する場合に比べて安全性が向上するという効果がある。
更に、パッケージに有利で、原価節減の効果があり、水素ガス排出に関する関連法規を満たすことができる。

本発明の実施例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図である。 本発明の実施例の変形例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図である。 本発明の他の実施例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図である。 本発明の他の実施例の変形例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図である。 本発明の実施例による圧力リリーフバルブの開放圧力を示したグラフである。

以下に、本発明の実施例について、添付した図面を参照して詳細に説明する。
なお、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は、本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物と変形例がある可能性があることを理解しなければならない。

図１は、本発明の実施例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図であり、図２は、本発明の実施例の変形例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図である。そして、図３は、本発明の他の実施例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図であり、図４は、本発明の他の実施例の変形例による燃料電池システムの水素供給装置の構成図である。

図１及び図２に示す本発明の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２は、水素タンク４と燃料電池スタック１０の間の水素供給ライン６に設けられた圧力リリーフバルブ１２の余剰水素を、燃料電池スタック１０の空気供給ライン２０に排出するように構成したものである。
本発明の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２は、水素タンク４と、水素供給ライン６と、圧力調節バルブ８と、圧力排出ライン１４、１４ａと、圧力リリーフバルブ１２とで構成される。
水素供給装置２は、燃料電池スタック１０に燃料である水素を供給する役割を果たす。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セルを連続的に配列した電気発生集合体で構成され、それぞれの単位セルは、水素と空気との電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる単位燃料電池として具備される。
前記単位燃料電池セルは、膜−電極集合体と、その両側にそれぞれ密着して配置されるセパレータと、を含む。

この場合、セパレータは、導電性を有するプレートの形態で形成され、膜−電極集合体の密着面に燃料及び空気を供給するためのチャネルがそれぞれ形成されている。
そして、膜−電極集合体は、一方の面に水素極（Ａｎｏｄｅ）を形成し、他方の一面に空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）を形成して、これら水素極と空気極の間に電解質膜を有する構造からなる。

水素極は、セパレータのチャネルを通じて供給される水素を酸化して電子と水素イオンに分離し、電解質膜は、水素イオンを空気極に移動させる機能を行う。
そして、空気極は、水素極から受けた電子、水素イオン、及びセパレータのチャネルを通じて提供された空気中の酸素を反応させて、水及び熱を生成させる。

燃料電池スタック１０の水素極には、水素供給装置２が水素供給ライン６によって連結され、燃料電池スタック１０の空気極には、空気供給装置３が空気供給ライン２０によって連結される。
空気供給装置３は、空気ブロワ１６と、加湿器１８と、空気供給ライン２０とで構成される。

空気ブロワ１６によって流入された空気は、加湿器１８を介して燃料電池スタック１０の空気極に供給される。そして、燃料電池スタック１０で未反応の水素は、排気ラインの２２を介して排出される。

本発明の実施例による水素供給装置２の水素タンク４は、高圧の水素を貯蔵する。
水素タンク４と燃料電池スタック１０の間には、水素供給ライン６が連結される。
そして、水素供給ライン６には、水素タンク４から供給される高圧の水素を減圧する圧力調節バルブ８が設けられる。

圧力調節バルブ８は、圧力レギュレータ、流量調節バルブ、及びインジェクタのような流体の圧力を調節するバルブで構成することができる。
圧力レギュレータは、高圧の水素を適正な圧力に減圧し、流量調節バルブは、水素の供給量を調節して、一定量の水素だけを燃料電池スタック１０に供給するようにすることができる。

そして、圧力調節バルブ８と燃料電池スタック１０の間の水素供給ライン６には、圧力リリーフバルブ１２が設けられた圧力排出ライン１４、１４ａが連結される。
圧力リリーフバルブ１２は、圧力調節バルブ８に故障が発生するか、または水素供給ライン６に漏れなどが生じて、水素が十分に減圧されない状態で燃料電池スタック１０に供給された場合に燃料電池スタック１０が破裂するのを防止するために設けられる。

圧力リリーフバルブ１２は、一定圧力以上になると、開放されるように構成される。
圧力リリーフバルブ１２の開放圧力は、燃料電池スタック１０の内部と、圧力リリーフバルブ１２が余剰水素を排出する場所と、の差圧によって決定される。

したがって、本発明の実施例では、余剰水素が空気供給ライン２０に排出されるので、開放圧力は、燃料電池スタック１０の水素極運転圧力と空気極運転圧力との差によって決定される。
圧力リリーフバルブ１４が開放されると、圧力排出ライン１４、１４ａを通して過圧の水素が排出されるが、図１及び図２に示された本発明の実施例による圧力排出ライン１４、１４ａは、空気供給ライン２０に排出されるように連結される。

図１に示すように、圧力排出ライン１４は、空気ブロワ１６と加湿器１８の間の空気供給ライン２０に連結してもよい。
図１に示した圧力排出ライン１４は、空気ブロワ１６の後端と加湿器１８の前段に連結して、燃料電池スタック１０内に過圧が印加される場合、圧力リリーフバルブ１２を通じて空気ブロワ１６の後端に水素を排出する。

そして、変形例として、図２に示すように、圧力排出ライン１４ａは、加湿器１８と燃料電池スタック１０の間の空気供給ライン２０に連結してもよい。
図２に示した圧力排出ライン１４ａは、加湿器１８の後端及び燃料電池スタック１０の内部の空気流路に配置できることで、連結流路の長さが短くなって、パッケージ及び原価節減に優れた長所がある。

次に、本発明の他の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２ａについて説明する。以下、本発明の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２と同一の構成に対しては、具体的な説明を省略し、同一の図面符号を使用する。

図３及び図４に示した本発明の他の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２ａは、水素タンク４と燃料電池スタック１０の間の水素供給ライン６に設けられた圧力リリーフバルブ１２が、余剰水素を排気ラインの２２に排出するように構成したものである。
本発明の他の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２ａは、水素タンク４と、水素供給ライン６と、圧力調節バルブ８と、圧力排出ライン１５、１５ａと、圧力リリーフバルブ１２とで構成される。

本発明の他の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２ａの排気ラインの２２は、加湿器１８を通して排気するように構成してもよい。
圧力排出ライン１５、１５ａは、図３に示したように、燃料電池スタック１０と加湿器１８の間の排気ライン２２に排出されるように構成してもよく、図４に示したように、加湿器１８の排気ライン２２に排出されるように構成してもよい。

図５は、本発明の実施例による圧力リリーフバルブの開放圧力を示したグラフである。
以下、図５を参照して、本発明の実施例による燃料電池システムの水素供給装置２、２ａの圧力リリーフバルブ１２の開放圧力を、大気排出時の開放圧力と比較して説明する。
図５に示すように、燃料電池スタック１０の水素極と空気極の運転圧力の差は、スタック出力にかかわらずほぼ一定であり、大気排出時の圧力リリーフバルブ１２の開放圧力は、これらの運転圧力より高く設定されることを確認できる。

図５のＡは、図１に示した水素供給装置２の圧力リリーフバルブ１２の開放圧力であり、図５のＢは、図２に示した水素供給装置２の圧力リリーフバルブ１２の開放圧力であり、図５のＣは、図３及び図４に示した水素供給装置２ａの圧力リリーフバルブ１２の開放圧力を表わしたものである。

図５に示すように、上記の実施例による水素供給装置２、２ａは、大気への排出時の圧力リリーフバルブ１２の開放圧力に比べて、圧力リリーフバルブ１２の開放圧力を顕著に低くすることができることが分かる。
したがって、圧力リリーフバルブ１２によって水素が排出されずに、燃料電池スタック１０に過圧が印加される限界は低くなり、そのために燃料電池スタック１０が破損するおそれは低くなる。

そして、圧力排出ライン１４、１４ａ、１５、１５ａを通して排出された過圧の水素は、空気供給ライン２０と排気ラインの２２を通して車両の後方に排出されるので、エンジンルームまたは車両の側方の排出に比べて、安全性が向上するという長所がある。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

２、２ａ 水素供給装置
４ 水素タンク
６ 水素供給ライン
８ 圧力調節バルブ
１０ 燃料電池スタック
１２ 圧力リリーフバルブ
１４、１４ａ、１５、１５ａ 圧力排出ライン
１６ 空気ブロワ
１８ 加湿器
２０ 空気供給ライン
２２ 排気ライン

Claims (8)

1. 燃料電池システムの水素供給装置であって、
   高圧の水素を貯蔵する水素タンクを具備し、前記水素タンクに燃料電池スタックと連結された水素供給ラインを設け、前記水素供給ラインにスタック燃料極の圧力を調節する圧力調節バルブを設け、圧力リリーフバルブが設けられた圧力排出ラインを前記スタック燃料極およびこれと連結された流路に設置し、前記圧力排出ラインを燃料電池スタックの空気供給ラインに連結したことを特徴とする燃料電池システムの水素供給装置。
2. 前記空気供給ラインに空気ブロワと加湿器が装置され、前記圧力排出ラインが空気ブロワと加湿器の間の空気供給ラインに連結されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水素供給装置。
3. 前記空気供給ラインに空気ブロワと加湿器が装置され、前記圧力排出ラインが加湿器とスタックの間の空気供給ラインに連結されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水素供給装置。
4. 燃料電池システムの水素供給装置であって、
   高圧の水素を貯蔵する水素タンクを具備し、前記水素タンクには燃料電池スタックと連結された水素供給ラインを設け、前記水素供給ラインにスタック燃料極の圧力を調節する圧力調節バルブを設け、圧力リリーフバルブが設けられた圧力排出ラインを前記スタック燃料極およびこれと連結された流路に設置し、前記圧力排出ラインをスタックの出口側排気ラインに連結したことを特徴とする燃料電池システムの水素供給装置。
5. 前記排気ラインは、加湿器を通して排気するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの水素供給装置。
6. 前記圧力排出ラインは、スタックと加湿器の間の排気ラインに排出されるように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの水素供給装置。
7. 前記圧力排出ラインは、加湿器後端の排気ラインに排出されるように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの水素供給装置。
8. 前記圧力調節バルブは、圧力レギュレータ、流量調節バルブ、及びインジェクタのいずれか一つの形態で構成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システムの水素供給装置。

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