JP2018032564A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタック内の水素流量の分配率が不均一になることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、アノードガス入口とアノード排ガス出口とを有する燃料電池スタックと、アノードガス入口に接続され、燃料電池スタックに水素を含むアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、アノード排ガス出口とアノードガス供給流路とに接続され、燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスをアノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、を備え、アノードガス供給流路のうち、アノード排ガスとアノードガスの合流位置と、燃料電池のアノードガス入口との間の部分に、ガス混合促進部材が配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

特許文献１には、燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックに水素を含む燃料ガス（アノードガス）を供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックから排出された未使用水素を含む燃料オフガス（アノード排ガス）を燃料ガス供給流路に戻すための燃料ガス循環流路とを備える。燃料ガス供給流路の途上にはエゼクタが配設されており、エゼクタには燃料ガス循環流路が接続されている。燃料オフガスは、エゼクタに吸引されて燃料ガス供給流路に還流され、燃料ガスと合流して燃料電池スタックに供給される。

特開２０１２−１５６０３０号公報

しかしながら、従来技術では、燃料ガス供給流路に還流された燃料オフガスが燃料ガスと十分に混合できず、水素濃度の不均一により燃料電池スタック内の水素流量の分配率が不均一になってしまう可能性があるという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードガス入口とアノード排ガス出口とを有する燃料電池スタックと、前記アノードガス入口に接続され、前記燃料電池スタックに水素を含むアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記アノード排ガス出口と前記アノードガス供給流路とに接続され、前記燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスを前記アノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、を備え、前記アノードガス供給流路のうち、前記アノード排ガスと前記アノードガスの合流位置と、前記燃料電池の前記アノードガス入口との間の部分に、ガス混合促進部材が配置されている。

この形態の燃料電池システムによれば、ガス混合促進部材が配置されているので、アノードガスとアノード排ガスを十分に混合することができ、水素濃度の不均一により燃料電池スタック内の水素流量の分配率が不均一になることを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ガス混合促進部材等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。 アノードガスが流れる様子の一部を示す図。 第１実施形態におけるガス混合促進部材の斜視図。 ガス混合促進部材の一辺から見た平面図。 他のガス混合促進部材の一辺から見た平面図。 燃料電池スタック内の水素流量の分配率を示す図。 第２実施形態におけるガス混合促進部材の側面図。 第３実施形態におけるガス混合促進部材の側面図。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、カソードガス供給排出系１００と、アノードガス供給系２００と、ＦＣ冷却系５００とを備える。本実施形態では、一例として燃料電池車両に搭載された燃料電池システムについて説明する。燃料電池車両は、燃料電池スタック２０により発電した電気を用いてモータを駆動し、走行する。但し、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池車両用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することも可能である。

燃料電池スタック２０は、例えば固体高分子形燃料電池であり、積層された複数の単セルを有する。各単セルは、高分子電解質膜が一対の電極に挟持されて構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟む一対のセパレータとを有している。燃料電池スタック２０は、カソードガスとアノードガスとの酸化還元反応により発電する。

カソードガス供給排出系１００は、カソードガス供給管１１０とカソードガス排出管１２０とを備える。カソードガス供給管１１０には、エアコンプレッサ１６０とガス流量センサ１５０とが設けられている。エアコンプレッサ１６０は、システム外から取り込んだ空気をカソードガスとして燃料電池スタック２０へ供給する。ガス流量センサ１５０は、空気の流量を測定する。カソードガス排出管１２０には、圧力センサ１３０と調圧弁１４０とが設けられている。調圧弁１４０は、燃料電池スタック２０におけるカソードガスの圧力を調整する。圧力センサ１３０は、燃料電池スタック２０のカソードガス出口におけるカソードガスの圧力を測定する。

アノードガス供給系２００は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給管２２０（アノードガス供給流路）と、アノードガス還流管２３０（アノードガス循環流路）と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、アノードガスポンプ２８０と、気液分離器２９０と、を備える。アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給管２２０を介して燃料電池スタック２０と接続されている。アノードガス供給管２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０とが設けられている。主止弁２５０は、アノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池スタック２０に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池スタック２０に供給されるアノードガスの圧力を測定する。

アノードガス還流管２３０は、燃料電池スタック２０とアノードガス供給管２２０とに接続され、燃料電池スタック２０から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給管２２０に還流させるための流路である。アノードガス還流管２３０には、気液分離器２９０と、アノードガスポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２９０は、燃料電池スタック２０から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、アノードガスポンプ２８０によって駆動され、アノードガス供給管２２０に還流される。分離された液水と窒素ガスは、排気排水弁２９５と排気排水管１２５を通過して、カソードガス排出管１２０の中のカソードガスと合流してシステム外に放出される。また、アノードガス供給管２２０に還流されたアノード排ガスは、アノードガスと合流して再度に燃料電池スタック２０に供給される。

ＦＣ冷却系５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５２０と、ラジエータ５３０と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、冷媒ポンプ５７０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ５７０は、冷媒供給管５１０に設けられており、冷媒を燃料電池スタック２０に供給する。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０への冷媒の流量を調節するための弁である。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。

図２は、アノードガスが燃料電池スタック２０に流れる様子の一部を示す図である。燃料電池スタック２０は、２つのエンドプレート３１，３２と、２つのエンドプレート３１，３２に挟まれたセル積層体４０とを有する。エンドプレート３１には、アノードガス入口２１とアノード排ガス出口２２とが設けられている。アノードガス入口には、アノードガス供給管２２０が接続されており、アノード排ガス出口には、アノードガス還流管２３０が接続されている。セル積層体４０は、複数の単セルＣＬ１〜ＣＬＮが積層されることによって形成される。単セルＣＬ１〜ＣＬＮのそれぞれには、ガス供給マニホールドＭ１〜ＭＮと、ガス排出マニホールドＱ１〜ＱＮが設けられている。ガス供給マニホールドＭ１〜ＭＮは互いに連通しており、アノードガス入口２１と連通している。ガス排出マニホールドＱ１〜ＱＮは互いに連通しており、アノード排ガス出口２２と連通している。

アノードガス供給管２２０の内部には、アノードガス５０（水素を含むアノードガス）とアノード排ガス６０（未使用水素及び少量の水蒸気と窒素を含むアノード排ガス）の合流位置Ｐと、アノードガス入口２１との間の部分２２０Ｓに、ガス混合促進部材２４１，２４２が配置されている。ガス混合促進部材２４１，２４２はアノードガス５０とアノード排ガス６０を十分に混合するための部材であり、その形状的特徴は後述する。アノードガス５０とアノード排ガス６０はガス混合促進部材２４１，２４２によって十分に混合された後、アノードガス７０として再度にアノードガス入口２１を介して燃料電池スタック２０に供給される。アノードガス７０は、ガス供給マニホールドＭ１〜ＭＮから個々の単セルＣＬ１〜ＣＬＮに分配され、未使用のアノードガス及び発電により生成した液水がガス排出マニホールドＱ１〜ＱＮによって集められて、アノード排ガス出口２２を介してアノードガス還流管２３０に排出される。

図３は、ガス混合促進部材２４１，２４２の斜視図である。個々のガス混合促進部材２４１，２４２は、平板を１８０度のひねり角度で捻ったらせん状の形状を有する。例えば、矩形の金属板の対向する二辺１Ｒ，１Ｌのうちの辺１Ｌを、二辺１Ｒ，１Ｌのそれぞれの中点を連結する線を中心軸として１８０度捻ることによって第１のガス混合促進部材２４１を形成することが可能である。この他、樹脂成形によってガス混合促進部材２４１を形成することも可能である。第２のガス混合促進部材２４２は、第１のガス混合促進部材２４１と逆向きに１８０度捻ったものである。第１のガス混合促進部材２４１の対向する二辺１Ｒ，１Ｌは互いに平行であり、第２のガス混合促進部材２４２の対向する二辺２Ｒ，２Ｌは互いに平行である。但し、ガス混合促進部材２４１，２４２のひねり角度は１８０度以外の任意の角度であってもよい。

第１のガス混合促進部材２４１と第２のガス混合促進部材２４２は、交互に２つずつ設置されており、隣接する辺１Ｒと辺２Ｌ（辺２Ｒと辺１Ｌ）が垂直になるように配置されている。なお、ガス混合促進部材は複数設けてもよいし、一つのみ設けてもよい。但し、ガス混合促進部材を多く設けると、アノードガス供給管２２０の圧力損失が高くなるおそれがあるので、３〜５個のガス混合促進部材を設けることが好ましい。ガス混合促進部材２４１，２４２は、アノードガス供給管２２０内に静的に配置されており、回転等の動作を行うものではない。なお、ガス混合促進部材２４１，２４２は、アノードガス供給管２２０内に何らかの固定手段（例えば接着剤）によって固定されていてもよく、あるいは、固定されていなくてもよい。

アノードガスとアノード排ガスが合流してアノードガス供給管２２０の部分２２０Ｓに流れ込むと、ガスの流れの方向がガス混合促進部材２４１，２４２のらせん状の外形に沿って導かれる。このため、アノードガスとアノード排ガスを十分に混合することができ、アノードガス供給管２２０内の水素濃度を均一にすることができる。また、ガス混合促進部材２４１，２４２のひねり角度が１８０度であるので、ガスの流れの方向を大きく変えることができ、アノードガスとアノード排ガスを効率よく混合することができる。なお、隣接するガス混合促進部材２４１，２４２の辺１Ｒと辺２Ｌ（辺２Ｒと辺１Ｌ）が垂直であるので、ガスの流れの方向を更に大きく変えることができ、アノードガスとアノード排ガスを更に効率よく混合することができる。但し、隣接するガス混合促進部材２４１，２４２の辺１Ｒと辺２Ｌ（辺２Ｒと辺１Ｌ）が垂直でなくてもよい。

図４は、図３の方向ＩＶから見たガス混合促進部材２４１の平面図である。ガス混合促進部材２４１の辺１Ｌと辺１Ｒは互いに重なっている。また、ガス混合促進部材２４１の外周がほとんどアノードガス供給管２２０の内面と接している。但し、ガス混合促進部材２４１とアノードガス供給管２２０との間に多少の隙間があってもよい。

図５は、図３の方向Ｖから見たガス混合促進部材２４２の平面図である。ガス混合促進部材２４２の辺２Ｌと辺２Ｒは互いに重なっており、図４に示すガス混合促進部材２４１の二辺１Ｌ，１Ｒと垂直である。また、ガス混合促進部材２４２の外周がほとんどアノードガス供給管２２０の内面と接している。但し、ガス混合促進部材２４２とアノードガス供給管２２０との間に多少の隙間があってもよい。

図６は、燃料電池スタック２０（図２）内の水素流量の分配率を示す図である。「水素流量の分配率」とは、各単セルＣＬ１〜ＣＬＮに入る水素の平均流量に対する実際に各単セルＣＬ１〜ＣＬＮに入る水素の流量の比率である。グラフＧ１は比較例であり、グラフＧ２は第１実施形態（図２）の例である。比較例は、第１実施形態（図２）からガス混合促進部材２４１，２４２を省略したものである。これらの水素流量の分配率は、流体解析ソフトウェアを用いて算出した。グラフＧ１が示すように、比較例では、アノードガス入口２１（図２）により近い単セル（例えば単セルＣＬ１）は水素流量の分配率が高く、アノードガス入口２１により遠い単セル（例えば単セルＣＬＮ）は水素流量の分配率が低い。一方、グラフＧ２が示すように、ガス混合促進部材２４１，２４２が設けられた第１実施形態の例では、単セルＣＬ１〜ＣＬＮの水素流量の分配率が均一である。

以上説明したように、第１実施形態では、アノードガス供給管２２０のうち、アノードガス５０とアノード排ガス６０の合流位置Ｐと、アノードガス入口２１との間の部分２２０Ｓに、ガス混合促進部材２４１，２４２が配置されているので、アノードガスとアノード排ガスを十分に混合することができ、水素濃度の不均一により燃料電池スタック２０内の水素流量の分配率が不均一になることを抑制できる。

・第２実施形態：
図７は、本発明の第２実施形態におけるガス混合促進部材２４１ａ，２４２ａの側面図である。図２に示す第１実施形態との違いは、ガス混合促進部材２４１ａ，２４２ａの形状のみであり、他の構成は第１実施形態と同様である。第２実施形態では、ガス混合促進部材２４１ａ，２４２ａは、径の異なる孔１Ｈと孔２Ｈを有するオリフィス板によって構成される。ガス混合促進部材２４１ａ，２４２ａはアノードガス供給管２２０の内面に取り付けられている。アノードガスとアノード排ガスは、矢印のように、径の異なる孔１Ｈ，２Ｈを通過することによって、ガスの流れの方向が変わる。このため、アノードガスとアノード排ガスを十分に混合することができ、水素濃度の不均一により燃料電池スタック２０内の水素流量の分配率が不均一になることを抑制できる。なお、孔が１つのオリフィス板の代わりに、複数の孔を有する多孔板を用いてもよい。

・第３実施形態：
図８は、本発明の第３実施形態におけるガス混合促進部材２４１ｂの側面図である。図２に示す第１実施形態との違いは、ガス混合促進部材２４１ｂの形状のみであり、他の構成は第１実施形態と同様である。第３実施形態では、ガス混合促進部材２４１ｂは、略半円状の板がアノードガス供給管２２０の内面に上下交互に取り付けられることによって構成される。アノードガスとアノード排ガスは、矢印のように、アノードガス供給管２２０の上方側と下方側を交互に通過することによって、ガスの流れの方向が変わる。このため、アノードガスとアノード排ガスを十分に混合することができ、水素濃度の不均一により燃料電池スタック２０内の水素流量の分配率が不均一になることを抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１Ｈ，２Ｈ…孔
１Ｌ，１Ｒ…辺
２Ｌ，２Ｒ…辺
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…アノードガス入口
２２…アノード排ガス出口
３１，３２…エンドプレート
４０…セル積層体
５０，７０…アノードガス
６０…アノード排ガス
１００…カソードガス供給排出系
１１０…カソードガス供給管
１２０…カソードガス排出管
１２５…排気排水管
１３０…圧力センサ
１４０…調圧弁
１５０…ガス流量センサ
１６０…エアコンプレッサ
２００…アノードガス供給系
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給管
２２０Ｓ…部分
２３０…アノードガス還流管
２４１，２４２…ガス混合促進部材
２４１ａ，２４２ａ…ガス混合促進部材
２４１ｂ…ガス混合促進部材
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力センサ
２８０…アノードガスポンプ
２９０…気液分離器
２９５…排気排水弁
５００…ＦＣ冷却系
５１０…冷媒供給管
５２０…冷媒排出管
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
５７０…冷媒ポンプ
ＣＬ１〜ＣＬＮ…単セル
Ｍ１〜ＭＮ…ガス供給マニホールド
Ｑ１〜ＱＮ…ガス排出マニホールド

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   アノードガス入口とアノード排ガス出口とを有する燃料電池スタックと、
   前記アノードガス入口に接続され、前記燃料電池スタックに水素を含むアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
   前記アノード排ガス出口と前記アノードガス供給流路とに接続され、前記燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスを前記アノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、
   を備え、
   前記アノードガス供給流路のうち、前記アノード排ガスと前記アノードガスの合流位置と、前記燃料電池スタックの前記アノードガス入口との間の部分に、ガス混合促進部材が配置されている、
   燃料電池システム。

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