JP2017147052A

JP2017147052A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017147052A
Application number: JP2016026233A
Authority: JP
Inventors: 哲二相島; Tetsuji Aijima; 和輝若林; Kazuki Wakabayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: JP6608723B2

Abstract

【課題】燃料電池に供給される空気を冷却するインタクーラの下流における圧力損失を低減することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、インタクーラ２４から燃料電池へ向かう空気が流れる冷却空気流路２５と、燃料電池から排出される空気が流れる空気排出流路と、インタクーラから空気排出流路へ向かう空気が流れるバイパス流路２６と、を備える。冷却空気流路２５の始端部２５ａとバイパス流路２６の始端部２６ａは、それぞれインタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けられ、冷却空気流路２５の始端部２５ａに入口弁２５Ｖが設けられ、バイパス流路２６の始端部２６ａにバイパス弁２６Ｖが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から空気と水素の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池に供給される圧縮されて昇温した空気を冷却するインタクーラとを備えた燃料電池システムが知られている（下記特許文献１を参照）。

また、燃料電池と、該燃料電池に空気を供給する空気供給流路と、該空気供給流路に設けられ、前記燃料電池に向かって空気が流れる場合に開くリード弁と、前記燃料電池から排出された空気が流れる空気排出流路とを備える燃料電池システムが知られている（下記特許文献２を参照）。

特許文献２に記載された燃料電池システムは、さらに、前記空気排出流路に設けられ、前記燃料電池に供給される空気の背圧を調整する調圧弁と、前記リード弁よりも上流側の前記空気供給流路と前記空気排出流路とを接続するバイパス流路と、を備えている。バイパス流路には、バイパス流路の開閉を行うバイパス弁が設けられている。

特開２００６―２７８２０９号公報国際公開第２０１１／１０４７６２号

前記特許文献２に記載された燃料電池システムのバイパス流路よりも上流側の空気供給流路に対し、前記特許文献１に記載されたインタクーラを設ける構成が考えられる。この構成を採用した場合、インタクーラからリード弁までの流路長と、インタクーラからバイパス弁までの流路長が長くなり、大きな圧力損失が発生するという課題がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給される空気を冷却するインタクーラの下流における圧力損失を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に供給される空気を圧送するコンプレッサと、該コンプレッサによって圧送される空気を冷却するインタクーラと、を備えた燃料電池システムであって、前記インタクーラから前記燃料電池へ向かう空気が流れる冷却空気流路と、前記燃料電池から排出される空気が流れる空気排出流路と、前記インタクーラから前記空気排出流路へ向かう空気が流れるバイパス流路と、を備え、前記冷却空気流路の始端部と前記バイパス流路の始端部は、それぞれ前記インタクーラの筐体に直接取り付けられ、前記冷却空気流路の前記始端部に入口弁が設けられ、前記バイパス流路の前記始端部にバイパス弁が設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムは、例えば、燃料電池に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、燃料電池に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系を備えている。

酸化ガス供給系は、前記した冷却空気流路、バイパス流路、及び空気排出流路の他に、例えば、コンプレッサの上流側に接続される空気導入流路と、コンプレッサとインタクーラを接続する圧縮空気流路と、を備えることができる。空気導入流路には、例えば、大気圧センサ、エアフローメータ、エアクリーナ等が設けられ、コンプレッサによって圧縮される空気が導入される。コンプレッサによって圧縮された空気は、圧縮空気流路を流れてインタクーラに供給される。各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。また、前記空気排出流路には、例えば、燃料電池に供給される空気の背圧を調整するための調圧弁が設けられる。

燃料ガス供給系は、例えば、水素タンク等の燃料ガス供給源と、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料電池へ供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池から排出されたガスを外部へ排出する燃料ガス排出流路と、燃料ガス排出流路のガスを燃料供給流路へ流す循環流路とを備える。燃料ガス供給路には、例えば、燃料ガスの圧力を測定する圧力計が設けられる。燃料ガス排出流路には、例えば、燃料電池から排出されたガスを排出するためのパージ弁が設けられる。循環流路には、例えば、燃料ガス排出流路のガスを燃料供給流路へ循環させる循環ポンプが設けられる。

燃料電池システムは、酸化ガス供給系によって燃料電池に供給された酸素等の酸化ガスと、燃料ガス供給系によって燃料電池に供給された水素等の燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う。酸化ガス供給系のコンプレッサと燃料電池との間にインタクーラが設置される場合には、例えば、インタクーラに冷却空気流路を接続し、冷却空気流路からバイパス流路を分岐させる構成が考えられる。

しかし、この構成を採用した場合には、冷却空気流路に設けられる入口弁、及び、バイパス流路に設けられるバイパス弁を、冷却空気流路とバイパス流路との分岐点よりも下流に配置する必要がある。そのため、インタクーラから入口弁までの流路長と、インタクーラからバイパス弁までの流路長が長くなり、圧力損失が大きくなる。

これに対し、本発明の燃料電池システムは、冷却空気流路の始端部とバイパス流路の始端部が、それぞれインタクーラの筐体に直接取り付けられる。また、冷却空気流路の始端部に入口弁が設けられ、バイパス流路の始端部にバイパス弁が設けられている。そのため、インタクーラの下流側の流路長を短くして、インタクーラの下流の圧力損失を低減することができる。

例えば、冷却空気流路の始端部の末端に設けられた入口弁と、バイパス流路の始端部の末端に設けられたバイパス弁とを、それぞれ、インタクーラの筐体に直接取り付けることができる。これにより、インタクーラから入口弁までの流路長と、インタクーラからバイパス弁までの流路長を大幅に減少させ、又は、実質的にゼロにすることができる。なお、入口弁は、必ずしも冷却空気流路の始端部の末端に設ける必要はなく、バイパス弁は、必ずしもバイパス流路の始端部の末端に設ける必要はない。

例えば、冷却空気流路の始端部の末端と、バイパス流路の始端部の末端を、それぞれ、インタクーラの筐体に直接取り付けてもよい。この場合、インタクーラの筐体と冷却空気流路との接続部の近傍、すなわち冷却空気流路の入口の近傍に、入口弁を配置することができる。また、インタクーラの筐体とバイパス流路との接続部の近傍、すなわちバイパス流路の入口の近傍に、入口弁を配置することができる。この場合にも、インタクーラの下流側の流路長を短くして、インタクーラの下流の圧力損失を低減することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、燃料電池に供給される空気を冷却するインタクーラの下流における圧力損失を低減することができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図。図１に示す燃料電池システムのインタクーラの筐体を示す概略図。従来技術に基づく燃料電池システムの概略構成図。図３に示す燃料電池システムのインタクーラの筐体を示す概略図。

以下、図面を参照して本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、単位セルである燃料電池セルを複数個積層させた燃料電池スタックとして構成された燃料電池１０と、燃料電池１０に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系２０と、図示を省略する燃料ガス供給系とを備えている。

酸化ガス供給系２０は、例えば、空気導入流路２１と、コンプレッサ２２と、圧縮空気流路２３と、インタクーラ２４と、冷却空気流路２５と、バイパス流路２６と、空気排出流路２７と、マフラ２８とを備えている。酸化ガス供給系２０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。

空気導入流路２１は、コンプレッサ２２の吸入口に接続され、コンプレッサ２２によって圧縮される空気をコンプレッサ２２の吸入口に導入する。空気導入流路２１には、例えば、図示を省略する大気圧センサ、エアフローメータ、エアクリーナ等が設けられる。

コンプレッサ２２は、空気導入流路２１から導入された空気を圧縮し、圧縮された空気を吐出口から圧縮空気流路２３を介してインタクーラ２４へ圧送する。圧縮空気流路２３は、一端がコンプレッサ２２の吐出口に接続され、他端がインタクーラ２４の空気入口に接続される。圧縮空気流路２３には、コンプレッサ２２から圧送された空気が、インタクーラ２４の空気入口へ向けて流れる。

インタクーラ２４は、コンプレッサ２２から圧送され、空気入口に導入された空気を通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって冷却する。コンプレッサ２２によって圧送され、インタクーラ２４によって冷却された空気は、冷却空気流路２５に接続された一方の空気出口と、バイパス流路２６に接続された他方の空気出口からそれぞれ排出される。

冷却空気流路２５は、一端がインタクーラ２４の一方の空気出口に接続され、他端が燃料電池１０の空気入口に接続されている。冷却空気流路２５には、コンプレッサ２２によって圧送され、インタクーラ２４によって冷却されて一方の空気出口から排出された空気が、燃料電池１０へ向けて流れる。冷却空気流路２５には、インタクーラ２４と燃料電池１０との間の空気の流れを遮断するための入口弁２５Ｖが設けられている。入口弁２５Ｖは、インタクーラ２４から燃料電池１０へ向かう空気の流れによって開弁して空気を流し、燃料電池１０からインタクーラ２４へ向かう空気の流れによって閉弁して空気の流れを遮断する逆止弁であってもよい。

バイパス流路２６は、一端がインタクーラ２４の他方の空気出口に接続され、他端が空気排出流路２７に接続されている。バイパス流路２６には、コンプレッサ２２によって圧送され、インタクーラ２４によって冷却されて他方の空気出口から排出された空気が、冷却空気流路２５及び燃料電池１０をバイパスして空気排出流路２７へ向けて流れる。バイパス流路２６には、インタクーラ２４から空気排出流路２７へ向けて流れる空気を遮断するためのバイパス弁２６Ｖが設けられている。

空気排出流路２７は、一端が燃料電池１０のガス排出口に接続され、他端がマフラ２８に接続される。空気排出流路２７には、燃料電池１０に導入されて電気化学反応に用いられ、ガス排出口から排出された空気が、排出ガスとしてマフラ２８へ向けて流れる。空気排出流路２７には、燃料電池１０に供給される空気の背圧を調整するための調圧弁２７Ｖが設けられる。空気排出流路２７の調圧弁２７Ｖの下流側には、バイパス流路２６が接続されている。マフラ２８は、空気排出流路２７に流れる排出ガスを、例えば、気相と液相とに分離して外部に排出する。

図示を省略する燃料ガス供給系は、燃料電池１０に水素等の燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系は、例えば、水素タンク等の燃料ガス供給源と、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料電池１０へ供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池１０から排出されたガスを外部へ排出する燃料ガス排出流路と、燃料ガス排出流路のガスを燃料供給流路へ流す循環流路とを備える。燃料ガス供給路には、例えば、燃料ガスの圧力を測定する圧力計が設けられる。燃料ガス排出流路には、例えば、燃料電池１０から排出されたガスを排出するためのパージ弁が設けられる。循環流路には、例えば、燃料ガス排出流路のガスを燃料供給流路へ循環させる循環ポンプが設けられる。

本実施形態の燃料電池システム１００は、酸化ガス供給系２０によって燃料電池１０に供給された空気等の酸化ガスと、燃料ガス供給系によって燃料電池１０に供給された水素等の燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う。

図２は、図１に示す燃料電池システム１００のインタクーラ２４の筐体を示す概略図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、冷却空気流路２５の始端部２５ａとバイパス流路２６の始端部２６ａが、それぞれインタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けられ、冷却空気流路２５の始端部２５ａに入口弁２５Ｖが設けられ、バイパス流路２６の始端部２６ａにバイパス弁２６Ｖが設けられることを特徴としている。

図２に示す例では、冷却空気流路２５の始端部２５ａの末端に設けられた入口弁２５Ｖと、バイパス流路２６の始端部２６ａの末端に設けられたバイパス弁２６Ｖとが、それぞれ、インタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けられている。なお、入口弁２５Ｖは、必ずしも冷却空気流路２５の始端部２５ａの末端に設ける必要はなく、バイパス弁２６Ｖは、必ずしもバイパス流路２６の始端部２６ａの末端に設ける必要はない。

例えば、冷却空気流路２５の始端部２５ａの末端とバイパス流路２６の始端部２６ａの末端とを、それぞれ、入口弁２５Ｖとバイパス弁２６Ｖを介さずに、インタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けてもよい。この場合、インタクーラ２４の筐体２４Ａと冷却空気流路２５との接続部の近傍、すなわち冷却空気流路２５の入口の近傍に、入口弁２５Ｖを配置することができる。また、インタクーラ２４の筐体２４Ａとバイパス流路２６との接続部の近傍、すなわちバイパス流路２６の入口の近傍に、バイパス弁２６Ｖを配置することができる。

また、図２に示す例では、冷却空気流路２５の始端部２５ａが接続されたインタクーラ２４の一方の空気出口２４ａの中心線ＣＬ１は、インタクーラ２４の筐体２４Ａの空気の流れ方向に沿う中心線ＣＬに対して、角度αの傾きを有している。また、バイパス流路２６の始端部２６ａが接続されたインタクーラ２４の他方の空気出口２４ｂの中心線ＣＬ２は、インタクーラ２４の空気の流れ方向に沿う中心線ＣＬに対して、角度βの傾きを有している。

さらに、図２に示す例では、インタクーラ２４の一方の空気出口２４ａの中心Ｃ１とインタクーラ２４の筐体２４Ａの中心線ＣＬとの距離は、Ｈαであり、インタクーラ２４の他方の空気出口２４ｂの中心Ｃ２とインタクーラ２４の筐体２４Ａの中心線ＣＬとの距離は、Ｈβである。

以下、従来技術に基づく燃料電池システムと比較した本実施形態の燃料電池システム１００の作用について説明する。

図３は、従来技術に基づく燃料電池システム９００の概略構成図である。図４は、図３に示す燃料電池システム９００のインタクーラ９２４の筐体９２４Ａの概略図である。なお、図３及び図４に示す燃料電池システム９００において、本実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

図３及び図４に示す従来技術に基づく燃料電池システム９００は、酸化ガス供給系９２０のコンプレッサ２２と燃料電池１０との間に設置されたインタクーラ９２４に冷却空気流路２５が接続され、冷却空気流路２５からバイパス流路２６が分岐される構成を有している。この場合、冷却空気流路２５に設けられる入口弁２５Ｖ、及び、バイパス流路２６に設けられるバイパス弁２６Ｖを、冷却空気流路２５とバイパス流路２６との分岐点よりも下流に配置する必要がある。そのため、インタクーラ９２４から入口弁２５Ｖまでの流路長Ｌ１と、インタクーラ９２４からバイパス弁２６Ｖまでの流路長Ｌ２が長くなり、圧力損失が大きくなる。

ここで、冷却空気流路２５及びバイパス流路２６を構成する管内を流れる流体の体積流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］と、流速ｖ［ｍ/ｓ］との関係は、流出係数Ｃと流路面積Ａ［ｍ^２］を用いて、以下の式（１）によって表すことができる。

Ｑ＝Ｃ×Ａ×ｖ …（１）

また、冷却空気流路２５及びバイパス流路２６を構成する管の圧力損失Δｐ［Ｐａ］、内径ｄ［ｍ］、及び長さｌ［ｍ］、並びに空気の流速ｖ［ｍ/ｓ］との関係は、以下のダルシー・ワイスバッハ（Darcy-Weisbach）の式（２）によって表わされる。

Δｐ=｛（ρ×λ×ｌ）／（２ｄ）｝×ｖ^２ …（２）

したがって、燃料電池システム９００では、インタクーラ９２４から入口弁２５Ｖまでの流路長Ｌ１と、インタクーラ９２４からバイパス弁２６Ｖまでの流路長Ｌ２が長くなり、圧力損失が大きくなる。また、燃料電池システム９００では、インタクーラ９２４の周辺の構成の変更が困難であり、冷却空気流路２５とバイパス流路２６に対する圧力損失Δｐの分配調整が困難である。そのため、圧力損失Δｐに対する要求や制御が変更される都度、冷却空気流路２５とバイパス流路２６の内径ｄの変更や、流路長Ｌ１，Ｌ２の変更を余儀なくされる。

これに対し、本実施形態の燃料電池システム１００は、図２に示すように、冷却空気流路２５の始端部２５ａとバイパス流路２６の始端部２６ａが、それぞれインタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けられ、冷却空気流路２５の始端部２５ａに入口弁２５Ｖが設けられ、バイパス流路２６の始端部２６ａにバイパス弁２６Ｖが設けられている。そのため、図３及び図４に示す燃料電池システム９００と比較して、インタクーラ２４の下流側の流路長を短くして、インタクーラ２４の下流の圧力損失を低減することができる。

より詳細には、本実施形態の燃料電池システム１００において、冷却空気流路２５の始端部２５ａの末端に設けられた入口弁２５Ｖと、バイパス流路２６の始端部２６ａの末端に設けられたバイパス弁２６Ｖとは、それぞれ、インタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けられている。これにより、インタクーラ２４から入口弁２５Ｖまでの流路長と、インタクーラ２４からバイパス弁２６Ｖまでの流路長を大幅に減少させ、又は、実質的にゼロにすることができる。したがって、図３及び図４に示す燃料電池システム９００と比較して、インタクーラ２４の下流の圧力損失を大幅に低減することができる。

なお、入口弁２５Ｖは、必ずしも冷却空気流路２５の始端部２５ａの末端に設ける必要はなく、バイパス弁２６Ｖは、必ずしもバイパス流路２６の始端部２６ａの末端に設ける必要はない。例えば、冷却空気流路２５の始端部２５ａの末端と、バイパス流路２６の始端部２６ａの末端を、それぞれ、インタクーラ２４の筐体２４Ａに直接取り付けてもよい。

この場合、インタクーラ２４の筐体２４Ａと冷却空気流路２５との接続部の近傍、すなわち冷却空気流路２５の入口の近傍に、入口弁２５Ｖを配置することができる。また、インタクーラ２４の筐体２４Ａとバイパス流路２６との接続部の近傍、すなわちバイパス流路２６の入口の近傍に、入口弁２５Ｖを配置することができる。この場合にも、図３及び図４に示す燃料電池システム９００と比較して、インタクーラ２４の下流側の流路長を短くして、インタクーラ２４の下流の圧力損失を低減することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、冷却空気流路２５の始端部２５ａが接続されたインタクーラ２４の一方の空気出口２４ａの中心線ＣＬ１は、インタクーラ２４の筐体２４Ａの空気の流れ方向に沿う中心線ＣＬに対して、角度αの傾きを有している。また、バイパス流路２６の始端部２６ａが接続されたインタクーラ２４の他方の空気出口２４ｂの中心線ＣＬ２は、インタクーラ２４の空気の流れ方向に沿う中心線ＣＬに対して、角度βの傾きを有している。

また、インタクーラ２４の一方の空気出口２４ａの中心Ｃ１とインタクーラ２４の筐体２４Ａの中心線ＣＬとの距離は、Ｈαであり、インタクーラ２４の他方の空気出口２４ｂの中心Ｃ２とインタクーラ２４の筐体２４Ａの中心線ＣＬとの距離は、Ｈβである。そのため、距離Ｈα、距離Ｈβ、角度α、及び角度βを調節することで、インタクーラ２４の空気出口２４ａ，２４ｂの面積、すなわち冷却空気流路２５及びバイパス流路２６の有効断面積をコントロールすることができる。

したがって、本実施形態の燃料電池システム１００では、インタクーラ２４の周辺の構成を大きく変更することなく、主流側の冷却空気流路２５における圧力損失と分流側のバイパス流路２６における圧力損失との適切な分配が可能になる。具体的には、例えば、主流側の圧力損失を低減させたい場合、距離Ｈα若しくは角度αを小さくするか、又は、距離Ｈβ若しくは角度βを大きくすればよい。このような圧力損失の最適な分配は、例えばシミュレーションによって決定することができ、これにより配管部品点数の削減、コスト低減、及び重量の低減を実現することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、従来技術の組み合わせに係る燃料電池システム９００と比較して、燃料電池１０に供給される空気を冷却するインタクーラ２４の下流における圧力損失を低減することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０燃料電池
２２コンプレッサ
２４インタクーラ
２４Ａ筐体
２５冷却空気流路
２５ａ始端部
２５Ｖ入口弁
２６バイパス流路
２６ａ始端部
２６Ｖバイパス弁
２７空気排出流路
１００燃料電池システム

Claims

燃料電池と、該燃料電池に供給される空気を圧送するコンプレッサと、該コンプレッサによって圧送される空気を冷却するインタクーラと、を備えた燃料電池システムであって、
前記インタクーラから前記燃料電池へ向かう空気が流れる冷却空気流路と、前記燃料電池から排出される空気が流れる空気排出流路と、前記インタクーラから前記空気排出流路へ向かう空気が流れるバイパス流路と、を備え、
前記冷却空気流路の始端部と前記バイパス流路の始端部は、それぞれ前記インタクーラの筐体に直接取り付けられ、前記冷却空気流路の前記始端部に入口弁が設けられ、前記バイパス流路の前記始端部にバイパス弁が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。