JP2016110697A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管と、燃料ガス供給管内に配置され、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタと、を備える燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas, a fuel gas supply pipe connected to an inlet of a fuel gas passage formed in the fuel cell stack, and a fuel gas supply pipe A fuel cell system including a fuel gas injector that supplies fuel gas to a fuel cell stack is known (see, for example, Patent Document 1).
燃料電池システムでは、燃料電池スタックの運転中に生成する生成水がカソード極側からだけでなくアノード極側からも水蒸気として排出される。そのような水蒸気は、燃料ガス通路の出口から排出され、燃料ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス管へ流れ込む。 In the fuel cell system, generated water generated during operation of the fuel cell stack is discharged as water vapor not only from the cathode electrode side but also from the anode electrode side. Such water vapor is discharged from the outlet of the fuel gas passage and flows into an anode off-gas pipe connected to the outlet of the fuel gas passage.
しかし、燃料電池システムでは、アノード極側から排出される水蒸気は燃料ガス通路の出口から排出されるだけでなく入口からも拡散により流出し得る。特に、燃料ガスインジェクタから燃料ガスが供給されていないときには、燃料ガスの流れがほとんどない。そのため、燃料ガス通路の入口から流出した水蒸気は燃料ガス供給管内を拡散して、燃料ガスインジェクタに達することがあり、燃料ガスインジェクタを腐食させるおそれがある。アノード極側から流出する水蒸気による燃料ガスインジェクタの腐食を抑制することが可能な技術が望まれる。 However, in the fuel cell system, the water vapor discharged from the anode electrode side can be discharged not only from the outlet of the fuel gas passage but also from the inlet by diffusion. In particular, when the fuel gas is not supplied from the fuel gas injector, there is almost no flow of the fuel gas. Therefore, the water vapor flowing out from the inlet of the fuel gas passage may diffuse in the fuel gas supply pipe and reach the fuel gas injector, which may corrode the fuel gas injector. A technique capable of suppressing corrosion of the fuel gas injector due to water vapor flowing out from the anode electrode side is desired.
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管内に配置され、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタと、前記燃料ガスインジェクタの下流側の前記燃料ガス供給管である下流側燃料ガス供給管の内部に配置された多孔質部材と、を備える、燃料電池システムが提供される。 According to the present invention, a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas supply pipe connected to an inlet of a fuel gas passage formed in the fuel cell stack; A fuel gas injector that is disposed in the fuel gas supply pipe and that supplies fuel gas to the fuel cell stack; and a fuel gas supply pipe that is downstream of the fuel gas injector and disposed in a downstream fuel gas supply pipe A fuel cell system is provided.
本発明により、アノード極側から流出する水蒸気による燃料ガスインジェクタの腐食を抑制することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to suppress corrosion of the fuel gas injector due to water vapor flowing out from the anode side.
実施例の燃料電池システムAについて説明する。図1は、実施例の燃料電池システムAの構成例を示す概略図である。燃料電池システムAは燃料電池スタック10を備える。燃料電池スタック10は複数の燃料電池単セルが積層方向に互いに積層された積層体を備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体20を含む。膜電極接合体20は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
The fuel cell system A of the embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a fuel cell system A according to an embodiment. The fuel cell system A includes a
燃料電池単セルのアノード極は一側に隣接する他の燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は他側に隣接する更に他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれ電気的に接続される。燃料電池単セルの積層体の一方の端のアノード極と他方の端のカソード極とは燃料電池スタック10の電極を構成する。燃料電池スタック10の電極は、例えば、DC/DCコンバータを介してインバータに電気的に接続され、インバータは車両等のモータジェネレータに電気的に接続される。また、別の実施例では、燃料電池システムAは、バッテリのような蓄電器を備える。これらの電気的な構成については、図示を省略している。
The anode of the fuel cell is electrically connected to the cathode of another fuel cell adjacent to one side, and the cathode is electrically connected to the anode of another fuel cell adjacent to the other side. . The anode electrode at one end and the cathode electrode at the other end of the stack of fuel cell single cells constitute an electrode of the
また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給する空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路が並列接続され、複数の燃料電池単セルの空気流通路が並列接続され、複数の燃料電池単セルの冷却水流通路が並列接続されることにより、燃料電池スタック10には燃料ガス通路30、酸化剤ガス通路40及び冷却水通路50がそれぞれ形成される。
Further, in the single fuel cell, a hydrogen gas flow passage for supplying hydrogen gas as fuel gas to the anode electrode, an air flow passage for supplying air as oxidant gas to the cathode electrode, and a single fuel cell. A cooling water flow passage for supplying cooling water to the cell is formed. The hydrogen gas flow passages of the plurality of fuel cell single cells are connected in parallel, the air flow passages of the plurality of fuel cell single cells are connected in parallel, and the cooling water flow passages of the plurality of fuel cell single cells are connected in parallel. A
燃料ガス通路30の入口である燃料ガス供給口には燃料ガス供給管31が連結され、燃料ガス供給管31は燃料ガス源である水素タンク32に連結される。燃料ガス供給管31内には上流側から順に、遮断弁33と、燃料ガス供給管31内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、水素ガスを噴射する燃料ガスインジェクタ35と、が配置される。図1に示される実施例では、燃料ガスインジェクタ35は、ニードル弁を備え、水素ガスを間欠的に噴射する。一方、燃料ガス通路30の出口である燃料ガス排出口には、燃料ガス通路30から流出するガス、すなわちアノードオフガスが流通するアノードオフガス管36が連結される。アノードオフガス管36の上流側の上流側アノードオフガス管36a内にはアノードオフガスを一時的に貯蔵するバッファタンク37が配置され、アノードオフガス管36の下流側の下流側アノードオフガス管36b内にはアノードオフガスの排気を制御する排気制御弁38が配置される。遮断弁33が開弁され、燃料ガスインジェクタ35が開弁されると、水素タンク32内の水素ガスが、レギュレータ34で調圧され、燃料ガスインジェクタ35で流量を調節されて、燃料ガス供給管31を介して燃料電池スタック10内の燃料ガス通路30内に供給される。したがって、水素タンク32、レギュレータ34及び燃料ガスインジェクタ35は燃料電池スタック10へ水素ガス(燃料ガス)を供給する燃料ガス供給装置と見ることができる。一方、遮断弁33が閉弁されるか、又は、燃料ガスインジェクタ35が閉弁されると、燃料ガス供給管31への水素ガスの供給が停止される。図示しない別の実施例では、上流側アノードオフガス管36aが省略され、燃料ガス排出口にはバッファタンク37が直接連結される。この場合、バッファタンク37は上流側アノードオフガス管36aと見ることができる。図示しない更に別の実施例では、アノードオフガス管36内のバッファタンク37が省略される。
A fuel
図1に示される実施例では、燃料ガス供給管31の圧力が例えば燃料電池システムAの負荷に応じて定まる目標圧力に維持されるように燃料ガス供給管31に水素ガスが供給される。言い換えると、排気制御弁38が閉弁されているときには、燃料電池スタック10で消費された分の水素ガスが補充されるように燃料ガス供給管31に水素ガスが供給される。
In the embodiment shown in FIG. 1, hydrogen gas is supplied to the fuel
これに対し、例えば、排気制御弁38が開弁されると、燃料電池スタック10の燃料ガス通路30及びバッファタンク37が、燃料ガス供給管31に供給される水素ガスによって掃気される。このとき燃料ガス通路30及びバッファタンク37から流出するアノードオフガス、すなわちパージガスは排気制御弁38から排出される。
In contrast, for example, when the
このように、図1に示される実施例の燃料電池システムAは、燃料ガス通路30の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管31とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管31へ循環しないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムということができる。
As described above, in the fuel cell system A of the embodiment shown in FIG. 1, the fuel gas discharge port that is the outlet of the
また、酸化剤ガス通路40の入口には酸化剤ガス供給管41が連結され、酸化剤ガス供給管41は空気源である大気42に連結される。酸化剤ガス供給管41内には上流側から順に、エアクリーナ43と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ44と、コンプレッサ44から燃料電池スタック10に送られる空気を冷却するためのインタークーラ45と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路40の出口にはカソードオフガス管46が連結される。カソードオフガス管46内にはカソードオフガス管46内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック10の酸化剤ガス通路40内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁47が配置される。更に、インタークーラ45下流の酸化剤ガス供給管41に酸化剤ガスバイパス管49の入口が連結され、酸化剤ガスバイパス管49の出口がカソードオフガス制御弁47下流のカソードオフガス管46に連結される。酸化剤ガスバイパス管49内には、酸化剤ガスバイパス制御弁48が配置される。酸化剤ガスバイパス制御弁48は、燃料電池スタック10を迂回して酸化剤ガス供給管41からカソードオフガス管46へ流れる空気の流量を制御する。図1に示される燃料電池システムAでは酸化剤ガスバイパス制御弁48は三方弁から形成される。コンプレッサ44が駆動され、酸化剤ガスバイパス制御弁48が、酸化剤ガスバイパス制御弁48よりも上流側の酸化剤ガス供給管41に、酸化剤ガスバイパス制御弁48よりも下流側の酸化剤ガス供給管41を連通すると、空気が酸化剤ガス供給管41を介して燃料電池スタック10内の酸化剤ガス通路40内に供給される。したがって、コンプレッサ44は、燃料電池スタック10に空気(酸化剤ガス)を供給する酸化剤ガス供給装置と見ることができる。このとき酸化剤ガス通路40から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管46内に流入する。また、酸化剤ガスバイパス制御弁48が酸化剤ガスバイパス制御弁48よりも上流側の酸化剤ガス供給管41に酸化剤ガスバイパス管49を連通すると、コンプレッサ44から吐出された空気の一部又は全部が酸化剤ガスバイパス管49を介してカソードオフガス管46に供給される。
An oxidant
酸化剤ガスバイパス管49の出口下流のカソードオフガス管46内には希釈器82が設けられる。この希釈器82には下流側アノードオフガス管36bの出口が連結される。希釈器82では、希釈器82から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器82に流入するカソードオフガスには、酸化剤ガスバイパス管49からの酸化剤ガスも含まれる。
A
また、冷却水通路50の入口には冷却水供給管51の一端が連結され、冷却水供給管51の出口には冷却水排出管59の一端が連結される。冷却水供給管51の他端と冷却水排出管59の他端とにラジエータ53が連結される。冷却水供給管51内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ52が配置される。冷却水排出管59と、ラジエータ53と冷却水ポンプ52間の冷却水供給管51とはラジエータバイパス管54により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管54内を流れる冷却水流量を制御するラジエータバイパス制御弁55が設けられる。図1に示される燃料電池システムAではラジエータバイパス制御弁55は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管54の入口に配置される。冷却水ポンプ52が駆動されると、冷却水ポンプ52から吐出された冷却水は冷却水供給管51を介して燃料電池スタック10内の冷却水通路50内に流入し、次いで冷却水通路50を通って冷却水排出管59内に流入し、ラジエータ53又はラジエータバイパス管54を介して冷却水ポンプ52に戻る。
In addition, one end of a cooling
電子制御ユニット60はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス61によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)62、RAM(ランダムアクセスメモリ)63、CPU(マイクロプロセッサ)64、入力ポート65及び出力ポート66を具備する。燃料電池システムA内の出力センサ、圧力センサ、温度センサ(図示せず)などの出力信号は対応するAD変換器67を介して入力ポート65に入力される。一方、出力ポート66は対応する駆動回路68を介してDC/DCコンバータ、インバータ及びモータジェネレータのような駆動機器(図示されず)、遮断弁33、レギュレータ34、燃料ガスインジェクタ35、排気制御弁38、コンプレッサ44、カソードオフガス制御弁47、酸化剤ガスバイパス制御弁48、冷却水ポンプ52、ラジエータバイパス制御弁55に電気的に接続される。
The
燃料電池スタック10に水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック10では水素と酸素とによる電気化学反応により電気エネルギが発生される。この電気エネルギは例えば車両等のモータジェネレータに供給される。
When hydrogen gas and air are supplied to the
ところで、上述されたように、燃料電池システムAでは、燃料電池システムAの運転中に、アノード極側から排出された水蒸気が燃料ガス通路30の入口から流出して、燃料ガス供給管31内を拡散して行き、燃料ガスインジェクタ35に達することがあり、燃料ガスインジェクタ35を腐食させるおそれがある。そこで、本実施例では、図2に示すように、燃料ガスインジェクタ35の下流側の燃料ガス供給管31である下流側燃料ガス供給管31aの内部に多孔質部材70が配置される。それにより、下流側燃料ガス供給管31aの内部を燃料ガスインジェクタ35へ拡散する水蒸気が多孔質部材70に接触して凝縮され、凝縮水が毛管現象により燃料ガス通路30の入口へ戻され、したがって、水蒸気が燃料ガスインジェクタ35に到達することが抑制され、燃料ガスインジェクタ35の腐食が抑制される。以下詳細に説明する。
Incidentally, as described above, in the fuel cell system A, during the operation of the fuel cell system A, the water vapor discharged from the anode electrode side flows out from the inlet of the
多孔質部材70は下流側燃料ガス供給管31aの内壁に沿って略円筒状に形成されている。多孔質部材70の内部には、下流側燃料ガス供給管31aの流路方向に沿って多孔質部材70の下流端から上流端まで延びる空洞領域71が形成されている。空洞領域71には主に水素ガスや水蒸気が流通し、多孔質部材70の空洞領域71以外の部分、すなわち多孔質部分には主に凝縮水が流通する。図2に示す実施例では、多孔質部材70が円筒状に形成されており、空洞領域71は円筒内部の円柱状の空間である。空洞領域71を形成することで、燃料ガスインジェクタ35から燃料ガス通路30の入口へ送出される水素ガスの流路抵抗を低くできる。多孔質部材70の下流端は燃料ガス通路30の入口30aに隣接して配置される。燃料ガス通路30の入口30aのできるだけ近くまで凝縮水を移動させるためである。多孔質部材70の上流端は燃料ガスインジェクタ35から離間して配置される。多孔質部材70の上流端が燃料ガスインジェクタ35と接すると、多孔質部材70内の凝縮水が燃料ガスインジェクタ35に到達するおそれがあるからである。図示しない別の実施例では、多孔質部材70内部には空洞領域71が形成されない。水蒸気をより確実に凝縮させるためである。図示しない更に別の実施例では、多孔質部材70内部には空洞領域71が形成されず、かつ、多孔質部材70が例えば円柱形状の場合にはその円柱の中心軸付近では細孔径が大きく、周辺では細孔径が小さい。それにより、空洞領域71を形成しなくても、燃料ガスインジェクタ35から燃料ガス通路30の入口へ送出される水素ガスの流路抵抗を低くできる。図示しない更に別の実施例では、多孔質部材70の下流端は燃料ガス通路30の入口30aから離間して配置される。
The
多孔質部材70の細孔の大きさや数は水素ガスが透過可能で、水分が毛管現象を起こすことができれば、特に制限はない。多孔質部材70の材料としては、ニッケル、アルミニウム、ニッケルクロムのような金属、アルミナ、シリカ、ジルコニアのようなセラミックス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンのような樹脂、及び、これらの組み合わせが挙げられる。その中でも、金属が好ましい。熱伝導率が高く、水蒸気が凝縮水に変化するときに放出される凝縮熱を下流側燃料ガス供給管31aへ迅速に逃がすことができるからである。具体的には、例えば、住友電気工業株式会社製の多孔質金属体セルメット(登録商標)が挙げられる。
The size and number of the pores of the
多孔質部材70では、燃料電池スタック10に近い側、すなわち下流側の部分E1は燃料電池スタック10の熱で比較的高温であり、燃料電池スタック10に遠い側、すなわち上流側の部分E2は熱源が近くに無いため比較的低温である。したがって、燃料ガス供給管31内の水分(多孔質部材70内の水分を含む)は、下流側の部分E1では水蒸気になり易く、上流の部分E2では凝縮水になり易い。
In the
燃料電池スタック10で発電していないとき、また、燃料電池スタック10で発電しているときであっても、燃料ガスインジェクタ35からの水素ガス噴射が停止されているときには、下流側燃料ガス供給管31a内に燃料電池スタック10に向かう水素ガス流れが存在しない。多孔質部材70では、図3に示すように、燃料ガスインジェクタ35から水素ガスが吐出されていないときには、燃料ガス通路30の入口30aから流出した水蒸気w1は下流側燃料ガス供給管31a内の主に空洞領域71内を燃料ガスインジェクタ35へ向かって拡散する。水蒸気w1は燃料電池スタック10から離れるに連れて冷めて行き、やがて温度の低い多孔質部材70の上流側の部分E2に接触して、凝縮して凝縮水w2になる。凝縮水w2は多孔質部材70での毛管現象により、燃料ガス通路30の入口30a側、すなわち燃料電池スタック10側へ多孔質部材70内を移動する。凝縮水w2は燃料電池スタック10に近づくに連れて温まって行き、やがて温度の高い多孔質部材70の下流側の部分E1において、多孔質部材70から蒸発して再び水蒸気w1となる。ここで、燃料ガスインジェクタ35から水素ガスが吐出されるときには、水蒸気w1は燃料ガスインジェクタ35から吐出された水素ガスと共に燃料ガス通路30の入口30aを介して燃料電池スタック10内に戻される。それにより、水蒸気が燃料ガスインジェクタ35に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ35の腐食が抑制される。一方、燃料ガスインジェクタ35から水素ガスが吐出されないときには、水蒸気w1は再び主に空洞領域71内を燃料ガスインジェクタ35へ向かって拡散し、多孔質部材70の上流側の部分E2で再び凝縮して凝縮水w2となり、毛管現象により燃料電池スタック10側へ移動する。すなわち、燃料ガスインジェクタ35から水素ガスが吐出されないときでも、水蒸気w1は再び凝縮水w2となり燃料電池スタック10側へ戻されるので、水蒸気が燃料ガスインジェクタ35に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ35の腐食が抑制される。
Even when the
図4に示す別の実施例では、多孔質部材70と燃料ガスインジェクタ35との間に、燃料ガスインジェクタ35から燃料電池スタック10へのみ流れを許容する逆止弁35aが挿入される。逆止弁35aは、多孔質部材70で凝縮しなかった水蒸気が燃料ガスインジェクタ35へ向かって拡散してきた場合に、燃料ガスインジェクタ35への水蒸気の拡散を遮断して、燃料ガスインジェクタ35への水蒸気の進入をより確実に抑制できる。
In another embodiment shown in FIG. 4, a
次に、図5及び図6を参照して、別の実施例の燃料電池システムAについて説明する。図5及び図6に示す燃料電池システムAは、多孔質部材70の上流側の部分E2を下流側燃料ガス供給管31aの外部から冷却媒体で冷却する冷却構造72を更に備えている点で図1に示す燃料電池システムAと相違する。この場合、冷却媒体は、冷却水供給管51内の冷却水である。以下、相違点について主に説明する。
Next, with reference to FIG.5 and FIG.6, the fuel cell system A of another Example is demonstrated. The fuel cell system A shown in FIGS. 5 and 6 is provided with a cooling
図5に示すように、下流側燃料ガス供給管31a周りに冷却水供給管51が延びている。また、図6に示すように、冷却構造72は、多孔質部材70の上流側の部分E2を含んだ下流側燃料ガス供給管31aの外側を、冷却水供給管51を介して供給される冷却水で冷却することが可能なように形成されている。冷却構造72は、冷却水供給管51からの冷却水を低温側の熱媒体とし、下流側燃料ガス供給管31a内の水蒸気を高温側の熱媒体とする熱交換器と見ることができる。
As shown in FIG. 5, a cooling
冷却水ポンプ52が駆動され、冷却水ポンプ52から吐出された冷却水が冷却水供給管51を介して冷却構造72に流入し、次いで冷却構造72にて多孔質部材70を冷却し、次いで冷却構造72から冷却水供給管51を介して燃料電池スタック10の冷却水通路50の入口へ供給される。
The cooling
この場合にも、図1の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、多孔質部材70の上流側の部分E2が冷却水により冷却されてより低温になるので、下流側燃料ガス供給管31aを燃料ガスインジェクタ35へ向かって拡散してくる水蒸気w1をより効率的に凝縮させて凝縮水w2にすることができる。また、冷却水供給管51を介して冷却構造72に流入する冷却水は、ラジエータ53での冷却後、燃料電池スタック10の冷却に使用されていない比較的低温の冷却水である。そのため、より効率的に多孔質部材70の上流側の部分E2を冷却することができる。また、冷却媒体として、燃料電池スタック10を冷却するための冷却水が用いられるので、新たに冷却媒体を用意する必要がない。
Also in this case, the same effect as in the embodiment of FIG. 1 can be obtained. In addition, since the upstream portion E2 of the
図示しない別の実施例では、冷却水供給管51から分岐して冷却水供給管51に戻る分岐管と、分岐管内を流れる冷却水流量を制御する制御弁とを備え、分岐管が下流側燃料ガス供給管31a周りに延びている。
In another embodiment (not shown), a branch pipe that branches from the cooling
次に、図7を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムAについて説明する。図7に示す燃料電池システムAは、冷却構造72がラジエータ53のクーリングファン53aの近傍に設けられている点で図5に示す燃料電池システムAと相違する。この場合、冷却媒体は、クーリングファン53aで吹き付けられる空気である。以下、相違点について主に説明する。
Next, a fuel cell system A of still another embodiment will be described with reference to FIG. The fuel cell system A shown in FIG. 7 is different from the fuel cell system A shown in FIG. 5 in that the cooling
図7に示すように、冷却構造72はクーリングファン53aで吹き付けられる空気を冷却媒体として用いるため、冷却水供給管51、冷却水排出管59は冷却構造72に接続せず、冷却構造72へ冷却水を供給しない。冷却構造72は、例えば前後の下流側燃料ガス供給管31aを含めてラジエータ53とクーリングファン53aとの間に配置される。冷却構造72としては、例えば下流側燃料ガス供給管31aの外側に形成された熱交換用のフィンやヒートシンクが挙げられる。図示しない別の実施例では、冷却構造72は無く、単に下流側燃料ガス供給管31aの上流側の部分がラジエータ53とクーリングファン53aとの間に配置される。
As shown in FIG. 7, since the cooling
この場合にも、図5の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。 Also in this case, the same effect as in the embodiment of FIG. 5 can be obtained.
次に、図8及び図9を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムAについて説明する。図8及び図9に示す燃料電池システムAは、多孔質部材70の下流側の部分E1を下流側燃料ガス供給管31aの外部から熱媒体で加熱する加熱構造73を更に備えている点で図1に示す燃料電池システムAと相違する。この場合、熱媒体は、コンプレッサ44よりも下流側の酸化剤ガス供給管41内の酸化剤ガスである。以下、相違点について主に説明する。
Next, a fuel cell system A of still another embodiment will be described with reference to FIGS. The fuel cell system A shown in FIGS. 8 and 9 is further provided with a
図8に示すように、下流側燃料ガス供給管31a周りにコンプレッサ44下流の酸化剤ガス供給管41が延びている。また、図9に示すように、加熱構造73は、多孔質部材70の下流側の部分E1を含んだ下流側燃料ガス供給管31aの外側を、酸化剤ガス供給管41を介して供給される空気で加熱することが可能なように形成されている。加熱構造73は、酸化剤ガス供給管41からの空気を高温側の熱媒体とし、下流側燃料ガス供給管31a内の凝縮水を低温側の熱媒体とする熱交換器と見ることができる。
As shown in FIG. 8, an oxidant
コンプレッサ44が駆動され、昇圧されて高温になった空気がコンプレッサ44から吐出されると、その空気が酸化剤ガス供給管41を介して加熱構造73に流入し、次いで加熱構造73にて多孔質部材70を加熱し、次いで加熱構造73から酸化剤ガス供給管41を介して燃料電池スタック10の酸化剤ガス通路40の入口へ供給される。
When the
この場合にも、図1の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、多孔質部材70の下流側の部分E1が高温の空気により加熱されてより高温になるので、下流側燃料ガス供給管31aを燃料ガス通路30の入口30aへ向かって移動してくる凝縮水w2をより効率的に蒸発させて水蒸気w1にすることができる。また、熱媒体として、燃料電池スタック10で発電するための空気が用いられるので、新たに熱媒体を用意する必要がない。
Also in this case, the same effect as in the embodiment of FIG. 1 can be obtained. In addition, since the downstream portion E1 of the
図示しない別の実施例では、コンプレッサ44下流の酸化剤ガス供給管41から分岐して酸化剤ガス供給管41に戻る分岐管と、分岐管内を流れる空気流量を制御する制御弁とを備え、分岐管が下流側燃料ガス供給管31a周りに延びている。
Another embodiment (not shown) includes a branch pipe that branches from the oxidant
次に、図10を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムAについて説明する。図10に示す燃料電池システムAは、加熱構造73が燃料電池スタック10を冷却した直後の冷却水、すなわち燃料電池スタック10で加熱された冷却水を熱媒体として用いる点で図8に示す燃料電池システムAと相違する。この場合、熱媒体は、冷却水排出管59の冷却水である。以下、相違点について主に説明する。
Next, a fuel cell system A of still another embodiment will be described with reference to FIG. The fuel cell system A shown in FIG. 10 uses the cooling water immediately after the
図10に示すように、下流側燃料ガス供給管31a周りに冷却水排出管59が延びている。
As shown in FIG. 10, a cooling
この場合にも、図8の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。 Also in this case, the same effect as in the embodiment of FIG. 8 can be obtained.
図示しない別の実施例では、冷却水排出管59から分岐して冷却水排出管59に戻る分岐管と、分岐管内を流れる冷却水流量を制御する制御弁とを備え、分岐管が下流側燃料ガス供給管31a周りに延びている。
In another embodiment (not shown), a branch pipe branched from the cooling
なお、上記の冷却構造72及び加熱構造73に関して、図5の冷却構造72及び図7の冷却構造72のうちのいずれか一つと、図8の加熱構造73及び図10の加熱構造73のうちのいずれか一つとは同時に実施可能である。例えば、図11では、図5の冷却構造72と図8の加熱構造とが組み合わされて同時に実施されている。
Regarding the cooling
次に、図12及び図13を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムAについて説明する。図12及び図13に示す燃料電池システムAは、下流側燃料ガス供給管31aが、上流側の部分31a2の高さ位置が下流側の部分31a1の高さ位置よりも高くなるように形成される点で図1に示す燃料電池システムAと相違する。以下、相違点について主に説明する。
Next, a fuel cell system A according to still another embodiment will be described with reference to FIGS. In the fuel cell system A shown in FIGS. 12 and 13, the downstream fuel
図12を参照すると、下流側燃料ガス供給管31aが燃料ガス通路30の入口30aから燃料ガスインジェクタ35へ向かって延びる延在方向31asは、水平方向HRに対し傾斜角SAだけ傾斜している。その結果、下流側燃料ガス供給管31aにおける下流側の部分31a1が下流側燃料ガス供給管31aにおける上流側の部分31a2よりも低くなる。
Referring to FIG. 12, the extending direction 31as in which the downstream fuel
多孔質部材70は下流側燃料ガス供給管31aの上流側の部分31a2の内壁に沿って略円筒状に形成されている。多孔質部材70の内部には空洞領域71が形成されている。多孔質部材70の下流端は燃料ガス通路30の入口30aから離間して配置され、多孔質部材70の上流端は燃料ガスインジェクタ35から離間して配置される。多孔質部材70には燃料ガスや水蒸気が流通すると共に凝縮水も流通する。図示しない別の実施例では空洞領域71が形成されない。図示しない更に別の実施例では、多孔質部材70の下流端は燃料ガス通路30の入口30aに隣接して配置される。
The
多孔質部材70は、燃料電池スタック10から離れているので、比較的低温である。したがって、燃料ガス供給管31内の水分(多孔質部材70内の水分を含む)は、凝縮水になり易い。
Since the
多孔質部材70では、図13に示すように、燃料ガスインジェクタ35から燃料ガスが吐出されていないときには、燃料ガス通路30の入口30aから流出した水蒸気w1は下流側燃料ガス供給管31a内を燃料ガスインジェクタ35へ向かって拡散する。水蒸気w1は燃料電池スタック10から離れるに連れて冷めて行き、やがて下流側燃料ガス供給管31aの上流側の部分31a2内に配置された温度の低い多孔質部材70において、凝縮して凝縮水w2になる。凝縮水w2は多孔質部材70での毛管現象及び重力により、燃料ガス通路30の入口30a側、すなわち燃料電池スタック10側へ多孔質部材70内、次いで下流側燃料ガス供給管31aの内壁上を移動する。凝縮水w2は燃料電池スタック10に近づくに連れて温まって行き、やがて下流側燃料ガス供給管31aの下流側の部分31a1において、下流側燃料ガス供給管31a内壁から蒸発して再び水蒸気w1となる。ここで、燃料ガスインジェクタ35から燃料ガスが吐出されるときには、水蒸気w1は燃料ガスインジェクタ35から吐出された燃料ガスと共に燃料ガス通路30の入口30aを介して燃料電池スタック10内に戻される。それにより、水蒸気が燃料ガスインジェクタ35に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ35の腐食が抑制される。一方、燃料ガスインジェクタ35から燃料ガスが吐出されないときには、水蒸気w1は再び下流側燃料ガス供給管31a内を燃料ガスインジェクタ35へ向かって拡散し、多孔質部材70で再び凝縮して凝縮水w2となり、毛管現象及び重力により燃料電池スタック10側へ移動する。それにより、燃料ガスインジェクタ35から燃料ガスが吐出されないときでも、水蒸気w1は凝縮水w2となり燃料電池スタック10側へ戻されるので、水蒸気が燃料ガスインジェクタ35に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ35の腐食が抑制される。
In the
なお、図12及び図13に示す実施例は、上記の各実施例にも適用可能である。 The embodiments shown in FIGS. 12 and 13 are also applicable to the above-described embodiments.
上記各実施例では燃料電池システムAが、燃料ガス通路30の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管31とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管31へ循環しないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムである。図示しない別の実施例では、燃料電池システムAは、燃料ガス通路30の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管31とが連結され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管31へ循環するシステム、すなわち燃料ガス循環式の燃料電池システムである。言い換えると、上記各実施例は、燃料ガス供給管31へ循環するシステムへも適用可能である。
In each of the above embodiments, the fuel cell system A is a system in which the fuel gas discharge port that is the outlet of the
A 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
30 燃料ガス通路
30a 燃料ガス通路の入口
31 燃料ガス供給管
31a 下流側燃料ガス供給管
35 燃料ガスインジェクタ
70 多孔質部材
A
Claims (10)
前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管内に配置され、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタと、
前記燃料ガスインジェクタの下流側の前記燃料ガス供給管である下流側燃料ガス供給管の内部に配置された多孔質部材と、
を備える、
燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas;
A fuel gas supply pipe connected to an inlet of a fuel gas passage formed in the fuel cell stack;
A fuel gas injector disposed in the fuel gas supply pipe for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
A porous member disposed inside a downstream fuel gas supply pipe which is the fuel gas supply pipe downstream of the fuel gas injector;
Comprising
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The porous member is formed in a cylindrical shape along the inner wall of the fuel gas supply pipe.
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 In the porous member, a downstream end of the porous member is disposed adjacent to an inlet of the fuel gas passage, and an upstream end of the porous member is disposed apart from the fuel gas injector.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 A cooling structure for cooling the upstream portion of the porous member with a cooling medium from the outside of the fuel gas supply pipe;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の出口に連結された冷却水排出管と、
前記冷却水供給管内又は前記冷却水排出管内に配置された冷却水ポンプと、
前記冷却水供給管と前記冷却水排出管との間に配置されたラジエータと、
を更に備え、
前記冷却媒体は、前記冷却水供給管内の冷却水である、
請求項4に記載の燃料電池システム。 A cooling water supply pipe connected to an inlet of a cooling water passage formed in the fuel cell stack;
A cooling water discharge pipe connected to an outlet of a cooling water passage formed in the fuel cell stack;
A cooling water pump disposed in the cooling water supply pipe or the cooling water discharge pipe;
A radiator disposed between the cooling water supply pipe and the cooling water discharge pipe;
Further comprising
The cooling medium is cooling water in the cooling water supply pipe.
The fuel cell system according to claim 4.
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の出口に連結された冷却水排出管と、
前記冷却水供給管内又は前記冷却水排出管内に配置された冷却水ポンプと、
前記冷却水供給管と前記冷却水排出管との間に配置されたラジエータと、
前記ラジエータに空気を吹き付けるクーリングファンと、
を更に備え、
前記冷却媒体は、前記クーリングファンから吹き付けられる空気である、
請求項4に記載の燃料電池システム。 A cooling water supply pipe connected to an inlet of a cooling water passage formed in the fuel cell stack;
A cooling water discharge pipe connected to an outlet of a cooling water passage formed in the fuel cell stack;
A cooling water pump disposed in the cooling water supply pipe or the cooling water discharge pipe;
A radiator disposed between the cooling water supply pipe and the cooling water discharge pipe;
A cooling fan for blowing air to the radiator;
Further comprising
The cooling medium is air blown from the cooling fan.
The fuel cell system according to claim 4.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 A heating structure for heating the downstream portion of the porous member with a heat medium from the outside of the fuel gas supply pipe;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
前記酸化剤ガス供給管内に配置され、前記酸化剤ガス供給管へ酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、
を更に備え、
前記熱媒体は、前記コンプレッサよりも下流側の前記酸化剤ガス供給管内の酸化剤ガスである、
請求項7に記載の燃料電池システム。 An oxidant gas supply pipe connected to an inlet of an oxidant gas passage formed in the fuel cell stack;
A compressor disposed in the oxidant gas supply pipe and pumping the oxidant gas to the oxidant gas supply pipe;
Further comprising
The heat medium is an oxidant gas in the oxidant gas supply pipe on the downstream side of the compressor.
The fuel cell system according to claim 7.
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の出口に連結された冷却水排出管と、
前記冷却水供給管内又は前記冷却水排出管内に配置された冷却水ポンプと、
前記冷却水供給管と前記冷却水排出管との間に配置されたラジエータと、
を更に備え、
前記熱媒体は、前記冷却水排出管の冷却水である、
請求項7に記載の燃料電池システム。 A cooling water supply pipe connected to an inlet of a cooling water passage formed in the fuel cell stack;
A cooling water discharge pipe connected to an outlet of a cooling water passage formed in the fuel cell stack;
A cooling water pump disposed in the cooling water supply pipe or the cooling water discharge pipe;
A radiator disposed between the cooling water supply pipe and the cooling water discharge pipe;
Further comprising
The heat medium is cooling water of the cooling water discharge pipe.
The fuel cell system according to claim 7.
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the downstream fuel gas supply pipe is formed such that a height position of an upstream portion is higher than a height position of a downstream portion. system.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN106196171A (en) * | 2016-08-26 | 2016-12-07 | 北京航天动力研究所 | A kind of gasifier section |
JP2018097994A (en) * | 2016-12-12 | 2018-06-21 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP2020074274A (en) * | 2019-09-30 | 2020-05-14 | 三浦工業株式会社 | Multistage fuel cell system |
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