JP2018097927A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの外気温が低い場合に、供給流路と循環流路とが接続した接続位置において凍結による閉塞が起こることを防止できる。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池に供給するアノードガスを貯蔵するタンクと、を備えた燃料電池システムであって、前記タンクに接続され、前記燃料電池に向けてアノードガスを送る供給流路と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを送る排出流路と、前記排出流路に接続され、前記アノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と、を備え、前記供給流路は、重力方向上側から前記循環流路に接続され、前記循環流路は、重力方向下側から前記供給流路に接続されている、燃料電池システム。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムには、燃料電池に供給するアノードガスを貯蔵するタンクと、タンクに接続され、燃料電池に向けてアノードガスを送る供給流路と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを送る排出流路と、排出流路に接続され、アノードオフガスを燃料電池に循環させる循環流路と、を備えるものがある。

特開２０１３−２５１１７８号公報

特許文献１の燃料電池システムでは、供給流路が循環流路に対して水平方向から接続されているとともに、循環流路が供給流路に対して重力方向下側から接続されている。このような燃料電池システムの外気温が低い場合、供給流路を流れるアノードガスの温度は低くなる。このとき、供給流路と循環流路とが接続した接続位置においてアノードオフガスが低温のアノードガスと合流することによってアノードオフガスに水蒸気として含まれる水（燃料電池の発電によって生成されたもの）が結露して液体の水となって接続位置に滞留するとともに、滞留した液体の水が凍結して接続位置を閉塞することがある。このような課題を解決するために、合流部において凍結による閉塞が起こることを防止できる技術が望まれていた。

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、燃料電池と、前記燃料電池に供給するアノードガスを貯蔵するタンクと、を備えた燃料電池システムであって、前記タンクに接続され、前記燃料電池に向けてアノードガスを送る供給流路と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを送る排出流路と、前記排出流路に接続され、前記アノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と、を備え、前記供給流路は、重力方向上側から前記循環流路に接続され、前記循環流路は、重力方向下側から前記供給流路に接続されている。このような形態とすれば、アノードオフガスに含まれる水蒸気が結露して生じた液体の水が重力によって循環流路に向けて流れやすくなることから、供給流路と循環流路とが接続した接続位置に液体の水が滞留しにくくなる。よって、燃料電池システムの外気温が低い場合であっても、接続位置において凍結による閉塞が起こることを防止できる。

本発明の形態は、燃料電池システムに限るものではなく、例えば、電力を動力源とする車両および船舶などに搭載される燃料電池システム、車両そのもの、船舶そのものなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

燃料電池システムの構成を示した説明図である。 供給流路と循環流路と合流流路との位置関係を示す説明図である。 接続位置の周辺を拡大した拡大図である。 接続位置の周辺を拡大した拡大図である。 供給流路と循環流路と合流流路との位置関係を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム２０の構成を示した説明図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸におけるＺ軸は、重力方向の下方から上方に向かう座標軸である。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。ＸＹＺ軸において、矢印の指す方向を＋側、矢印の指す方向と反対方向を−側とする。

燃料電池システム２０は、モーターで駆動する車両の電源として搭載される。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック５０と、アノードガス供給系１００とを備える。尚、燃料電池システム２０は、他に、カソードガス供給系およびＦＣ冷却系を備えるが、本実施形態では、理解を容易にするために、燃料電池スタック５０およびアノードガス供給系１００についてのみ説明する。

燃料電池スタック５０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットである。燃料電池スタック５０は、単セル５５を複数積層して形成される。単セル５５は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極（カソード、アノード）を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体の両外側に配置されるセパレータと、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池スタック５０は、種々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。

アノードガス供給系１００は、燃料電池スタック５０にアノードガスを供給する機能と、燃料電池スタック５０から排出されるアノードオフガスを燃料電池システム２０の外部に排出する機能と、アノードオフガスを燃料電池システム２０内において循環させる機能と、を有する。アノードガス供給系１００は、水素タンク１１０と、供給流路１２０と、排出流路１３０と、気液分離部１４０と、排水流路１５０と、循環流路１６０と、合流流路１７０とを備える。

水素タンク１１０は、燃料電池スタック５０に供給するための高圧水素が貯蔵されている。本実施形態では、燃料電池スタック５０には、アノードガスとして、水素が供給されるとともに、カソードガスとして、カソードガス供給系から酸素が供給される。

供給流路１２０は、水素タンク１１０に接続されている。供給流路１２０は、燃料電池スタック５０に向けてアノードガスを送る流路である。供給流路１２０は、Ｙ軸方向に沿って伸びた部分とＺ軸方向に沿って伸びた部分とから構成された流路である。供給流路１２０は、開閉弁１２５を有する。

開閉弁１２５は、燃料電池スタック５０に対するアノードガスの流入量を調整できる弁である。開閉弁１２５は、ＥＣＵ（図示しない）によって開閉を制御されることによって、燃料電池スタック５０に対するアノードガスの流入量を制御する。

排出流路１３０は、燃料電池スタック５０に接続されている。排出流路１３０は、燃料電池スタック５０から排出されるアノードオフガスを送る流路である。排出流路１３０は、Ｙ軸方向に沿って伸びた流路である。排出流路１３０は、気液分離部１４０に接続されている。

気液分離部１４０は、排出流路１３０を介して流入するアノードオフガスを気体成分と液体成分とに分離する。気液分離部１４０内において、アノードオフガスの気体成分は、循環流路１６０へ誘導されるとともに、アノードオフガスの液体成分は、排水流路１５０へ誘導される。

排水流路１５０は、気液分離部１４０に接続されている。排水流路１５０は、気液分離部１４０によって分離されたアノードオフガスの液体成分を燃料電池システム２０の外側に排水するための流路である。排水流路１５０は、Ｚ軸方向に沿って伸びた流路である。排水流路１５０は、排水弁１５５を有する。

排水弁１５５は、排水流路１５０の開閉を調整できる弁である。排水弁１５５は、ＥＣＵ（図示しない）によって開閉を制御される。排水弁１５５は、予め設定された排水タイミングや、アノードオフガスの排出タイミングで排水流路１５０を開く。

循環流路１６０は、気液分離部１４０を介して、排出流路１３０に接続されている。循環流路１６０は、アノードオフガスを燃料電池スタック５０に循環させるための流路である。循環流路１６０は、Ｚ軸方向に沿って伸びた流路である。

循環流路１６０は、Ｚ軸方向の−側から供給流路１２０に接続されている。供給流路１２０は、Ｚ軸方向の＋側から循環流路１６０に接続されている。供給流路１２０と循環流路１６０とが接続した位置は、接続位置Ｃｎと呼ぶこととする。循環流路１６０は、循環ポンプ１６５を有する。

循環ポンプ１６５は、気液分離部１４０において分離されたアノードオフガスの気体成分を合流流路１７０へと送り出す循環ポンプとして機能する。アノードオフガスの気体成分には水素が含まれているので、循環ポンプ１６５を運転することにより、燃料電池スタック５０により消費されなかった水素ガスを再び燃料電池スタック５０に循環させることができる。

合流流路１７０は、Ｙ軸方向の＋側から接続位置Ｃｎに接続されている。合流流路１７０は、供給流路１２０から送られるアノードガスおよび循環流路１６０から送られるアノードオフガスを燃料電池スタック５０に向けて送るための流路である。合流流路１７０は、Ｙ軸方向に沿って伸びた円筒形状の流路である。

図２は、供給流路１２０と循環流路１６０と合流流路１７０との位置関係を示す説明図である。図２には、図１の視点Ｅから見た接続位置Ｃｎの周辺を示している。接続位置Ｃｎに対して、供給流路１２０は、Ｚ軸方向の＋側から接続されている。接続位置Ｃｎに対して、循環流路１６０は、Ｚ軸方向の−側から接続されている。接続位置Ｃｎに対して、合流流路１７０は、Ｙ軸方向の＋側から接続されている。

図３は、接続位置Ｃｎの周辺を拡大した拡大図である。図３は、燃料電池システム２０の外気温が低い状況における接続位置Ｃｎの周辺を示している。燃料電池システム２０の外気温が低い場合、供給流路１２０を流れて燃料電池スタック５０に供給されるアノードガスの温度が低くなる。このとき、接続位置Ｃｎにおいて燃料電池スタック５０から排出されたアノードオフガスが低温のアノードガスと合流することによってアノードオフガスに水蒸気として含まれる水（燃料電池スタック５０の発電によって生成されたもの）が結露して液体の水Ｗとなって接続位置Ｃｎに滞留する。本実施形態における供給流路１２０は、接続位置Ｃｎに対してＺ軸方向の＋側から接続されているとともに、循環流路１６０は、接続位置Ｃｎに対してＺ軸方向の−側から接続されている。このため、接続位置Ｃｎにおいて生じた液体の水Ｗは、重力によって循環流路１６０の側に流れていきやすい。

以上説明した実施形態によれば、アノードオフガスに含まれる水蒸気が結露して生じた液体の水Ｗが重力によって循環流路１６０に向けて流れやすくなることから、供給流路１２０と循環流路１６０とが接続した接続位置Ｃｎに液体の水Ｗが滞留しにくくなる。よって、燃料電池システム２０の外気温が低い場合であっても、接続位置Ｃｎにおいて凍結による閉塞が起こることを防止できる。尚、循環流路１６０に向けて流れた液体の水Ｗは、循環ポンプ１６５を介して、気液分離部１４０に流入したのち、排水流路１５０を介して、燃料電池システム２０の外側に排水される。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態の燃料電池システム２０ａにおける接続位置Ｃｎａの周辺を拡大した拡大図である。燃料電池システム２０ａは、第１実施形態における供給流路１２０とは異なる供給流路１２０ａを備える点を除き、第１実施形態における燃料電池システム２０と同様の構成である。供給流路１２０ａと循環流路１６０とが接続した位置を、接続位置Ｃｎａと呼ぶこととする。

供給流路１２０ａは、燃料電池スタック５０に向けてアノードガスを送る流路である。供給流路１２０ａは、Ｚ軸方向の＋側であって、かつ、Ｙ軸方向の−側から循環流路１６０に接続されている。換言すれば、図４において、供給流路１２０ａは、右上の方向から循環流路１６０に接続されている。

第２実施形態においても、供給流路１２０ａは重力方向上側から循環流路１６０に接続されているとともに、循環流路１６０は、重力方向下側から供給流路１２０ａに接続されている。よって、アノードオフガスに含まれる水蒸気が結露して生じた液体の水Ｗが重力によって循環流路１６０に向けて流れやすくなることから、供給流路１２０ａと循環流路１６０とが接続した接続位置Ｃｎａに液体の水Ｗが滞留しにくくなる。よって、燃料電池システム２０ａの外気温が低い場合であっても、接続位置Ｃｎａにおいて凍結による閉塞が起こることを防止できる。

Ｃ．変形例：
図５は、他の実施形態である燃料電池システム２０ｂにおいて、供給流路１２０ｂと循環流路１６０ｂと合流流路１７０との位置関係を示す説明図である。燃料電池システム２０ｂは、第１実施形態における供給流路１２０および循環流路１６０とは異なる供給流路１２０ｂおよび循環流路１６０ｂを備える点を除き、第１実施形態における燃料電池システム２０と同様の構成である。

供給流路１２０ｂは、燃料電池スタック５０に向けてアノードガスを送る流路である。循環流路１６０ｂは、アノードオフガスを燃料電池スタック５０に循環させるための流路である。供給流路１２０ｂと循環流路１６０ｂとが接続した位置は、接続位置Ｃｎｂと呼ぶこととする。接続位置Ｃｎｂに対して、供給流路１２０ｂは、Ｚ軸方向の＋側方向よりＸ軸方向の＋側に傾いた方向から接続されている。接続位置Ｃｎに対して、循環流路１６０ｂは、Ｚ軸方向の−側方向よりＸ軸方向の＋側に傾いた方向から接続されている。接続位置Ｃｎに対して、合流流路１７０は、Ｙ軸方向の＋側から接続されている。第１実施形態の燃料電池システム２０における供給流路１２０と循環流路１６０との位置関係に限られず、燃料電池システム２０ｂにおける供給流路１２０ｂと循環流路１６０ｂとの位置関係であっても、接続位置Ｃｎｂに液体の水Ｗが滞留しにくくなる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

２０…燃料電池システム
２０ａ…燃料電池システム
２０ｂ…燃料電池システム
５０…燃料電池スタック
５５…単セル
１００…アノードガス供給系
１１０…水素タンク
１２０…供給流路
１２０ａ…供給流路
１２０ｂ…供給流路
１２５…開閉弁
１３０…排出流路
１４０…気液分離部
１５０…排水流路
１５５…排水弁
１６０…循環流路
１６０ｂ…循環流路
１６５…循環ポンプ
１７０…合流流路
Ｃｎ…接続位置
Ｃｎａ…接続位置
Ｃｎｂ…接続位置

Claims (1)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に供給するアノードガスを貯蔵するタンクと、を備えた燃料電池システムであって、
   前記タンクに接続され、前記燃料電池に向けてアノードガスを送る供給流路と、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを送る排出流路と、
   前記排出流路に接続され、前記アノードオフガスを前記燃料電池に循環させる循環流路と、を備え、
   前記供給流路は、重力方向上側から前記循環流路に接続され、
   前記循環流路は、重力方向下側から前記供給流路に接続されている、燃料電池システム。

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