JP2018097994A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】インジェクタへの生成水の逆流または滞留を抑制可能な技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システムであって、水素が流入する水素供給口を備える燃料電池スタックと、水素供給口に繋がる水素供給流路と、水素供給流路に接続され、水素供給流路を通じて燃料電池スタックに水素を供給するインジェクタと、を備え、水素供給流路に接続されるインジェクタの水素出口が、燃料電池スタックの水素供給口よりも重力方向で上側に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
特許文献１には、インジェクタを備える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では、水素タンクからインジェクタを介して燃料電池スタックに水素が供給される。
特開２００８−１６４０２号公報
インジェクタの水素出口と、燃料電池スタックの水素供給口の位置関係に起因して、生成水が流路内で滞留して流路が閉塞する場合や、燃料電池スタックからインジェクタに逆流する場合がある。滞留や逆流した生成水は、発電能力の低下や凍結の原因になるおそれがある。そのため、インジェクタへの生成水の逆流または滞留を抑制可能な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、水素が流入する水素供給口を備える燃料電池スタックと；前記水素供給口に繋がる水素供給流路と；前記水素供給流路に接続され、前記水素供給流路を通じて前記燃料電池スタックに水素を供給するインジェクタと、を備え；前記水素供給流路に接続される前記インジェクタの水素出口が、前記燃料電池スタックの前記水素供給口よりも重力方向で上側に配置されている。この形態の燃料電池システムによれば、インジェクタの水素出口が、燃料電池スタックの水素供給口よりも上側に配置されているため、生成水がインジェクタへ逆流することや、生成水が水素供給流路内で滞留することを抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタは、前記燃料電池スタックよりも重力方向で上側に配置されていてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが車両に搭載された場合、インジェクタはエンジンルームの上側に搭載されることとなり、インジェクタが水没することを抑制できる。そのため、インジェクタの防水性を向上することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素出口は、前記インジェクタの水素入口よりも重力方向で下側もしくは同等の位置に配置されていてもよい。この燃料電池システムによれば、インジェクタに接続された水素供給流路の配管が結露した場合でも、結露水がインジェクタ側に垂れてくることを防止できる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両等の態様で実現することが可能である。
燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタックとインジェクタの位置関係を示した説明図である。
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、水素ポンプ３０と、水素循環流路４０と、インジェクタ５０と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
燃料電池スタック１０は、固体高分子形燃料電池であり、インジェクタ５０から水素ガスの供給を受けると共に、空気供給系（図示せず）から空気の供給を受けて発電する。以下では、水素供給管１１は、インジェクタ５０よりも上流側の配管を水素供給管１１ａといい、インジェクタ５０よりも下流側の配管を水素供給管１１ｂという。燃料電池スタック１０は、水素供給管１１ｂが繋がる水素供給口１０ｉｎと、第１水素配管１２に水素オフガスを排出する水素排出口１０ｏｕｔとを備える。水素供給管１１ｂのことを、水素供給流路ともいう。
インジェクタ５０は、制御装置（図示せず）によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ５０は、水素供給管１１ａを通じて水素タンク（図示せず）から水素が流入する水素入口５０ｉｎと、水素供給管１１ｂに水素を排出する水素出口５０ｏｕｔとを備える。
水素供給管１１ｂは、その少なくとも一部が、水素出口５０ｏｕｔから水素供給口１０ｉｎに向けて鉛直または下方に傾斜するように配置されている。また、水素供給管１１ｂは、水素供給口１０ｉｎよりも下側に位置する箇所がないように形成されている。
水素循環流路４０は、燃料電池スタック１０の水素供給口１０ｉｎと水素排出口１０ｏｕｔとに繋がり、第１水素配管１２と、第２水素配管１３と、第３水素配管１４とで構成される。水素循環流路４０は、燃料電池スタック１０の水素オフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。水素循環流路４０には、水素の循環を補助する機構である気液分離器２０と水素ポンプ３０とが、循環系補機として設けられている。
第１水素配管１２は、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔと気液分離器２０とを接続する配管である。第１水素配管１２は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや、窒素ガスや生成水などの不純物を含む水素オフガスを気液分離器２０へと誘導する。
気液分離器２０は、水素循環流路４０の第１水素配管１２と第２水素配管１３との間に接続されている。気液分離器２０は、第１水素配管１２が接続され水素オフガスが流入する気液入口２０ｉｎと、第２水素配管１３が接続され水素を排出する気液出口２０ｏｕｔとを備える。気液分離器２０は、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔから流入した水素オフガスから生成水を分離して内部に貯水する。気液分離器２０の下部には、排気排水弁２１が設けられている。
排気排水弁２１は、気液分離器２０に貯水された生成水の排水と、気液分離器２０内の水素オフガスの排気と、を行う電磁弁である。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁２１は閉じられており、制御装置（図示せず）からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁２１は、水素オフガス配管２２に接続されており、排気排水弁２１によって排出された生成水および水素オフガスは、水素オフガス配管２２を通じて外部へ排出される。
第２水素配管１３は、気液分離器２０の気液出口２０ｏｕｔと水素ポンプ３０とを接続する配管である。第２水素配管１３は、気液分離器２０によって生成水が分離された水素オフガスを水素ポンプ３０へと誘導する。
水素ポンプ３０は、水素循環流路４０の第２水素配管１３と第３水素配管１４との間に接続されている。水素ポンプ３０は、制御装置（図示せず）からの制御信号に応じて駆動される。水素ポンプ３０は、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔから流入した水素オフガスを水素供給口１０ｉｎに圧送するためのポンプである。より具体的には、水素ポンプ３０は、気液分離器２０によって生成水が分離された水素オフガスを、第３水素配管１４へと圧送する。水素ポンプ３０は水素オフガスが流入するポンプ入口３０ｉｎと、第３水素配管１４に水素オフガスが流出するポンプ出口３０ｏｕｔとを備える。
第３水素配管１４は、水素ポンプ３０のポンプ出口３０ｏｕｔと燃料電池スタック１０の水素供給口１０ｉｎとを接続する配管である。第３水素配管１４は、水素ポンプ３０によって送出された水素オフガスを燃料電池スタック１０へ誘導する。
図２は、燃料電池スタック１０とインジェクタ５０の位置関係を示した説明図である。図２において、下側が重力方向での下側にあたる。位置ａ、ｂは、それぞれ重力方向における位置を示している。インジェクタ５０の水素出口５０ｏｕｔの位置ａは、水素供給口１０ｉｎの位置ｂよりも上側に配置されている。
本実施形態では、位置ａおよび位置ｂは、ポンプ出口３０ｏｕｔの位置ｃおよび気液分離器２０の位置ｅよりも上である。また、水素供給口１０ｉｎの位置ｂは、水素排出口１０ｏｕｔの位置ｄよりも上側に配置されている。
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、インジェクタ５０の水素出口５０ｏｕｔは燃料電池スタック１０の水素供給口１０ｉｎよりも上側に配置されているため、例えば、燃料電池システム１００の搭載された車両が傾斜した場合や、インジェクタ５０を用いず水素ポンプ３０を用いて水素を供給する間欠運転時に、生成水がインジェクタ５０へ逆流することや、生成水が水素供給管１１ｂ内で滞留することを抑制できる。この結果、例えば、生成水の逆流に起因する、インジェクタ５０の腐食や凍結を抑制することができる。
上記実施形態において、インジェクタ５０は、燃料電池スタック１０の上側に設置されることが好ましい。このような配置であれば、燃料電池システム１００が車両に搭載された場合、インジェクタ５０はエンジンルームの上側に搭載されることとなり、インジェクタ５０が水没することを抑制できる。そのため、例えばインジェクタ５０全体をカバーで覆うような対策や、外部から内部への水の侵入を防ぐシール部材の追加などを行わなくてもよい。この結果、燃料電池システム１００の製造コストを削減することができる。
その他、水素入口５０ｉｎと水素出口５０ｏｕｔとの位置関係は、水素出口５０ｏｕｔが水素入口５０ｉｎよりも下側もしくは同等の位置であることが好ましい。水素出口５０ｏｕｔが水素入口５０ｉｎよりも上側に位置していなければ、水素供給管１１ｂが結露した場合でも、結露水がインジェクタ５０側に垂れてくることを防止できる。
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、上述した課題を解決するために、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。
１０…燃料電池スタック
１０ｉｎ…水素供給口
１０ｏｕｔ…水素排出口
１１、１１ａ、１１ｂ、…水素供給管
１２…第１水素配管
１３…第２水素配管
１４…第３水素配管
２０…気液分離器
２０ｉｎ…気液入口
２０ｏｕｔ…気液出口
２１…排気排水弁
２２…水素オフガス配管
３０…水素ポンプ
３０ｉｎ…ポンプ入口
３０ｏｕｔ…ポンプ出口
４０…水素循環流路
５０…インジェクタ
５０ｉｎ…水素入口
５０ｏｕｔ…水素出口
１００…燃料電池システム
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ…位置

Claims (3)

  1. 燃料電池システムであって、
    水素が流入する水素供給口を備える燃料電池スタックと、
    前記水素供給口に繋がる水素供給流路と、
    前記水素供給流路に接続され、前記水素供給流路を通じて前記燃料電池スタックに水素を供給するインジェクタと、を備え、
    前記水素供給流路に接続される前記インジェクタの水素出口が、前記燃料電池スタックの前記水素供給口よりも重力方向で上側に配置されている、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記インジェクタは、前記燃料電池スタックよりも重力方向で上側に配置されている、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記水素出口は、前記インジェクタの水素入口よりも重力方向で下側もしくは同等の位置に配置されている、燃料電池システム。
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