JP2015082436A

JP2015082436A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2015082436A
Application number: JP2013220387A
Authority: JP
Inventors: 昌宏竹下; Masahiro Takeshita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: JP6135863B2

Abstract

【課題】非発電時においても、流量調整バルブの内部における凍結を防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池セルスタックに空気を供給するための流路を内部に形成する空気供給配管３７と、空気供給配管３７に設けられ、内部の流路断面積を変更する流量調整バルブ４０と、を備え、空気供給配管３７は、その一部に、流量調整バルブ４０よりも熱容量が小さいアルミ配管３４ａを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池セルスタックを有する燃料電池システムに関する。

燃料電池セルスタックに発電用の燃料ガスや酸化剤ガスを供給するバルブ、ポンプ等の補機については、寒冷地でも安定して駆動できるよう、凍結を考慮した設計を行う必要がある。このため、補機が凍結した際に、温水やヒータを用いて補機を解凍する燃料電池システムが知られている。しかしながら、このような手法による凍結対策は、構成が複雑になるとともに、経済的でないという課題があった。

この点、下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、ケーシングの内部に補機を収容することで、凍結の防止を図っている。つまり、燃料電池セルスタックの発電時に生じる熱によってケーシングを加熱し、その内部に収容されている補機の温度を水の融点以上に保つことで、補機の凍結を防止している。

特開２０１１−２０４５００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、非発電時（燃料電池セルスタックの停止時）の凍結について考慮されていなかった。例えば、発電用の酸化剤ガスとして、酸素を含む空気を燃料電池セルスタックに供給する場合、非発電時に空気中に含まれる水蒸気が配管の内部で結露し、凍結の原因となるという課題があった。また、配管内部の流路断面積の変更を行う流量調整バルブの内部において凍結が生じると、流量調整バルブ内の弁体が氷によって固着するおそれがある。この場合、その後に発電を開始する際に、流量調整バルブ内で弁体を所望の位置に移動させることができず、空気の流量調整を適切に行えなくなるというおそれがあった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、非発電時においても、流量調整バルブの内部における凍結を防止する燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックに空気を供給するための流路を内部に形成する空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられ、内部の流路断面積を変更する流量調整バルブと、を備え、前記空気供給配管は、その少なくとも一部に、前記流量調整バルブよりも熱容量が小さい結露促進部を有することを特徴としている。

本発明に係る燃料電池システムによれば、空気供給配管は、その少なくとも一部に、流量調整バルブよりも熱容量が小さい結露促進部を有するため、当該結露促進部では流量調整バルブよりも結露が生じ易くなる。したがって、非発電時に、結露促進部で優先的に結露を生じさせることで、流量調整バルブの内部の空気に含まれる水蒸気を低減させ、流量調整バルブの内部における結露発生及びその凍結を抑制することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記流量調整バルブを内部に収容する補機ケーシングを備え、前記結露促進部は、前記補機ケーシングの内部に収容されることも好ましい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、結露促進部を流量調整バルブと同様に補機ケーシングの内部に収容することにより、結露促進部と流量調整バルブとを互いに近接させて配置することが可能となる。したがって、非発電時に、流量調整バルブの内部の空気に含まれる水蒸気量を確実に低減させ、流量調整バルブの内部における結露発生及びその凍結をさらに抑制することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記結露促進部は、前記流量調整バルブよりも低い位置に設けられることも好ましい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、流量調整バルブ内部の最上部よりも低い位置に結露促進部内部の最上部を設けることで、結露促進部において発生した結露水が、空気供給配管の内部を流量調整バルブに向かって流れることを防止することができる。したがって、結露促進部において発生した結露水が流量調整バルブに至り、凍結することを防止することができる。

本発明によれば、非発電時においても、流量調整バルブの内部における凍結を防止する燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの斜視図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムの補機カバーを除いた状態の側面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概要を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０を表す斜視図である。

燃料電池システム１０は車両に搭載され、図１に表すように、燃料電池ユニット２０と、補機ユニット３０と、を有している。

燃料電池ユニット２０は、電力を発生させて車両の駆動モータ（図示せず）等に供給するユニットであり、箱状の燃料電池ケーシング２１を有している。燃料電池ケーシング２１は、その外側面に固定部２３が突出形成されており、その固定部２３をＺ方向に貫通するボルト孔２４にボルト（図示せず）を挿通することにより、車両のフレーム（図示せず）に対し締結固定される。また、燃料電池ケーシング２１は、その内部に燃料電池セルスタック２２を収容している。

燃料電池セルスタック２２は、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell）である板状の燃料電池セル２２ａを、Ｚ方向に複数積層することで構成されている。燃料電池セルスタック２２は、供給される水素ガス及び酸化剤ガスを用いて電気化学的な反応を生じさせることで発電を行い、その電力は、バスバー等の電極部材（図示せず）を介して車両の駆動モータ（図示せず）等に供給される。

補機ユニット３０は、燃料電池ユニット２０の側方に設けられ、燃料電池セルスタック２２への酸化剤ガスの供給等を行うユニットである。補機ユニット３０は、箱状に形成された補機ケーシング３１を有しており、その内部には、後述する流量調整バルブ４０等の機器が収容されている。補機ケーシング３１の内部に収容される機器は、メンテナンスのために着脱自在とされた補機カバー３２によって覆われる。

補機カバー３２の端部には、補機ケーシング３１の内外を連通する開口部３２ａが開設されている。開口部３２ａは、板状のフランジ３３によって覆われている。フランジ３３には継手３５が設けられており、その継手３５を介して入口側配管３４が補機ケーシング３１の内部に挿通されている。

次に、図２を参照して、補機ケーシング３１の内部構成について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の補機カバー３２を除いた状態の側面図である。

補機ケーシング３１の内部には、流量調整バルブ４０と、入口側配管３４の端部を構成するアルミ配管３４ａと、出口側配管３６と、が設けられている。

流量調整バルブ４０は、フランジ３３寄りの位置に設けられている。また、流量調整バルブ４０は、内部に流路（図示せず）が形成され、その流路内に弁体（図示せず）が配置されたバルブである。当該弁体がステップモータ（図示せず）の駆動によって流路内で変位することで、流量調整バルブ４０の内部の流路断面積が調整される。

アルミ配管３４ａは、入口側配管本体３４ｂと連通して入口側配管３４を構成する部材である。アルミ配管３４ａは、フランジ３３を挿通し、補機ケーシング３１の内部で、且つ流量調整バルブ４０のやや下方に配置され、流量調整バルブ４０の入口部４１に対して上り勾配となるように接続されている。これにより、アルミ配管３４ａ及び入口側配管本体３４ｂからなる入口側配管３４は、流量調整バルブ４０の入口部４１からその内部に連通する流路を形成している。

出口側配管３６は、補機ケーシング３１の内部でＹ方向に伸びるよう配設され、その一端部３６ａが流量調整バルブ４０の出口部４３に対して下り勾配となるように接続されている。また、出口側配管３６の他端部３６ｂは、燃料電池ケーシング２１の内部に連通する他の配管（図示せず）に接続されている。

以上のように、入口側配管３４及び出口側配管３６は、流量調整バルブ４０を介して接続されることで、燃料電池ケーシング２１の内部の燃料電池セルスタック２２に、空気を供給する空気供給配管３７を構成している。ポンプ（図示せず）によって加圧され、矢印Ａ１で表すように入口側配管３４内に流入した空気は、入口側配管本体３４ｂに沿ってフランジ３３側へ流れる。その後、空気は矢印Ａ２で表すようにアルミ配管３４ａの勾配に沿って斜め上方へとその向きを変え、入口部４１から流量調整バルブ４０の内部に流入する。

流量調整バルブ４０内を通過して出口部４３から流出した空気は、矢印Ａ３で表すように、出口側配管３６の一端部３６ａの勾配に沿って斜め下方に流れる。空気は出口側配管３６の内部をＹ方向に流れた後、矢印Ａ４で表すように他端部３６ｂから流出し、さらに他の配管によって燃料電池セルスタック２２まで導かれる。燃料電池セルスタック２２は、この空気供給配管３７によって供給される空気中の酸素を用いて発電を行う。

以上説明した燃料電池システム１０の作用効果について説明する。まず、入口側配管３４のアルミ配管３４ａは、熱伝導性が比較的大きいアルミニウムを材料として、流量調整バルブ４０よりも熱容量が小さくなるように形成されている。このため、燃料電池セルスタック２２の非発電時（燃料電池セルスタック２２の停止時）など、燃料電池システム１０が低温となる状況下では、アルミ配管３４ａの内部では流量調整バルブ４０の内部よりも結露が生じ易くなる。したがって、非発電時に、アルミ配管３４ａの内部で優先的に結露を生じさせることで、流量調整バルブ４０の内部の空気に含まれる水蒸気を低減させ、流量調整バルブ４０における結露発生及びその凍結を抑制することができる。

また、入口側配管３４のアルミ配管３４ａを、流量調整バルブ４０と同様に補機ケーシング３１内に収容したことで、アルミ配管３４ａと流量調整バルブ４０とを互いに近接させて配置することが可能となる。したがって、非発電時に、流量調整バルブ４０の内部の空気に含まれる水蒸気量を確実に低減させ、流量調整バルブ４０の内部における結露発生及びその凍結をさらに抑制することができる。

さらに、入口側配管３４のアルミ配管３４ａは、流量調整バルブ４０のやや下方に配置されている。このため、アルミ配管３４ａの内部において発生した結露水が、流量調整バルブ４０に向かって流れることを防止することができる。したがって、アルミ配管３４ａの内部において発生した結露水が流量調整バルブ４０に至り、凍結することを防止することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０：燃料電池システム
２０：燃料電池ユニット
２２：燃料電池セルスタック
３１：補機ケーシング
３４：入口側配管
３４ａ：アルミ配管（結露促進部）
３６：出口側配管
３７：空気供給配管
４０：流量調整バルブ

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電を行う燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックに空気を供給するための流路を内部に形成する空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられ、内部の流路断面積を変更する流量調整バルブと、を備え、
前記空気供給配管は、その少なくとも一部に、前記流量調整バルブよりも熱容量が小さい結露促進部を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記流量調整バルブを内部に収容する補機ケーシングを備え、
前記結露促進部は、前記補機ケーシングの内部に収容されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記結露促進部は、前記流量調整バルブよりも低い位置に設けられ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。