JP2018181440A - 燃料電池、及び、燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
セルは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって電気エネルギを発生可能に形成され、一方向に沿って積層されている。
燃料ガス用マニホールドは、複数のセルのそれぞれが有する燃料ガス流路(260)に連通し、燃料ガスを流通可能である。
燃料ガス供給管は、燃料ガス用マニホールドに収容されている。燃料ガス供給管は、複数のセルの一方向の一端側から一方向に沿って延びるよう形成され、セルに燃料ガスを供給可能である。
本発明の燃料電池では、複数の燃料ガス供給管の第一燃料ガス供給管(23,38,102)は、複数のセルの一方向の他端側に位置する他端側セル(257)に燃料ガスを供給可能に設けられる。
第一実施形態による燃料電池は、例えば、燃料電池が発生する電気エネルギによってモータを駆動し走行する電気自動車に適用される。図1に、燃料電池1を備える燃料電池システム5の概念図を示す。燃料電池システム5は、燃料電池1、燃料ガス流通系11、酸化剤ガス流通系12、冷却系13、及び、ECU15を備える。燃料電池システム5は、「燃料ガス」としての水素と「酸化剤ガス」としての酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを発生する。
水素タンク110は、燃料電池1に供給される水素を貯留可能である。水素タンク110には、高圧の水素が充填可能である。
燃料電池1に水素を供給するとき、第一封鎖弁113及び第二封鎖弁115は、ECU15の指令に応じて開かれる。このとき、調圧弁114は、ECU15の指令に応じて水素タンク110が供給する水素の圧力が所望の圧力となるよう調整する。また、車両を停止するとき、第一封鎖弁113及び第二封鎖弁115は、安全のため閉じられる。
空気圧縮部120は、空気供給管121に設けられている。空気圧縮部120は、大気を圧縮しつつ燃料電池1に供給する。
水分凝縮部124は、空気排出管122を流れる空気に含まれる水分を凝縮し回収する。回収された水分は、図示しないポンプによって燃料電池1に供給される。
冷却管131は、燃料電池1が有する冷却水用マニホールド281,282,283,284,285,286(図3参照)に接続している。冷却管131は、燃料電池1を冷却する冷却水を流す。
ラジエータ133は、冷却管131を流れる冷却水を冷却する。ファン134は、ECU15と電気的に接続し、ECU15の指令に応じて回転することによってラジエータ133での冷却水の冷却の度合いを調整する。
燃料電池1では、複数のセル25を有する。複数のセル25は、「一方向」としての積層方向(図2に示す実線矢印Ld0が示す方向)に沿って積層され、いわゆる、セルスタックを構成している。複数のセル25のそれぞれが有するアノード及びカソードは、それぞれ電気的に直列に接続されている。
水素供給管21,22,23のそれぞれは、水素を噴射可能な噴射孔210,220,230を有する。噴射孔210,220,230は、複数のセル25のそれぞれの位置に対応するよう形成されている。具体的には、噴射孔210,220,230は、噴射孔210,220,230における水素の噴射方向の先にセル25が位置するよう形成されている。
噴射孔210,220,230は、図2に示すように、内径が積層方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている。本実施形態では、水素供給管21,22,23のそれぞれは、噴射孔210,220,230のそれぞれが形成される長さがほぼ同じ長さになるよう形成されている。
水素供給管22は、積層方向において複数のセル25の略中央、例えば、図2に示すセル256に水素タンク管111を流れる水素を供給可能に形成されている。
「第一燃料ガス供給管」としての水素供給管23は、複数のセル25において積層方向の他端側、例えば、図2に示す「他端側セル」としてのセル257に水素タンク管111を流れる水素を供給可能に形成されている。
図4に示すように、比較例の燃料電池では、水素利用率が低下するとスタック電圧が比較的大きく低下することが明らかとなった。一方、燃料電池1では、図4の実線L11に示すように、水素利用率が低下するときのスタック電圧の低下の度合いは比較例に比べ小さいことが明らかとなった。
図5に示すように、比較例の燃料電池では、一端側から離れるにしたがってセルの出力電圧は比較的大きく低下することが明らかとなった。一方、燃料電池1では、図5の実線L12に示すように、一端側から離れてもセル25の出力電圧の低下は比較的小さく、電圧分布が比較的均一となることが明らかとなった。
第二実施形態による燃料電池を図6に基づき説明する。第二実施形態では、水素濃度センサを備える点が第一実施形態と異なる。
水素濃度センサ361,371,381は、水素用マニホールド261における水素濃度を検出し、ECU15に検出した水素濃度に応じた信号を出力する。
水素濃度センサ362,372,382は、水素用マニホールド262における水素濃度を検出し、ECU15に検出した水素濃度に応じた信号を出力する。
第三実施形態による燃料電池を図7に基づき説明する。第三実施形態では、水素供給管において噴射孔が形成される領域が第一実施形態と異なる。
「他の燃料ガス供給管」としての水素供給管37は、積層方向において複数の略中央のセル25、例えば、図7に示すセル256に水素を供給可能に形成されている。
「第一燃料ガス供給管」としての水素供給管38は、セル257を含む積層方向の他端側に水素を供給可能に形成されている。
燃料電池3では、噴射孔360,380の数が比較的少ない水素供給管36,38が積層方向の両端に水素を供給可能に設けられている。これにより、水素供給管36,38の噴射孔360,380を通る水素の量が比較的多くなるため、温度の低下によって水素流路260に対流している水を水素の流れによって排出することができる。したがって、第三実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、水素流路260に滞留する水によって低下するおそれがあるセル25の出力電圧を回復させることができる。
第四実施形態による燃料電池を図8に基づき説明する。第四実施形態では、水素供給管の構成が第一実施形態と異なる。
外側管421は、筒状に形成されている水素供給管42の外郭であって、図8に示すように、水素が流れる方向に沿う外側管421の中心軸C42に対して垂直な断面形状が略環状に形成されている。外側管421は、側壁に外側噴射孔423を有する。外側噴射孔423は、内径が積層方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている。
また、セル25への水素の供給量を0とするとき、外側管421に対して内側管422を回転し、図8(b)に示すように、外側噴射孔423に対して内側噴射孔426をずらした位置にする。これにより、水素供給路420と外側噴射孔423とは遮断されるため、セル25への水素の供給が停止する。
第五実施形態による燃料電池システムを図9〜14に基づき説明する。第五実施形態では、切替弁を備える点が第一実施形態と異なる。
水素供給管101は、積層方向の一端側から積層方向に沿って延びるよう形成されている。水素供給管101は、水素を噴射可能な噴射孔103を有する。噴射孔103は、燃料電池10が備える全てのセル25のそれぞれの位置に対応するよう形成されている。
水素供給管102は、積層方向の一端側から積層方向に沿って延びるよう形成されている。水素供給管102は、水素が噴射可能な噴射孔104を有する。噴射孔104は、積層方向の他端側のセル25、例えば、図9に示すセル257の位置に対応するよう形成されている。
導入口611は、第一ハウジング61の径方向外側の側壁614に形成されている。導入口611は、調圧弁114が圧力を調整した水素が第一ハウジング61の「ハウジング内」としての内部空間600に導入可能である。
第一導出口612は、第一ハウジング61の底部615に形成されている。第一導出口612は、水素供給管101に接続している。第一導出口612は、内部空間600の水素を水素供給管101に導出可能である。
第二導出口613は、第一ハウジング61の側壁614であって、切替弁60の中心軸C60を挟んで導入口611とは反対側に形成されている。第二導出口613は、水素供給管102に接続している。第二導出口613は、内部空間600の水素を水素供給管102に導出可能である。
当接部631は、内部空間600において第一導出口612側に設けられている。当接部631は、第一導出口612の内部空間600側の縁部616に当接可能に形成されている。
このように、切替弁60が図13の状態になると、燃料電池10では、積層方向の他端側のセル25のみに水素供給管102からの水素が供給される。
燃料電池システム6では、このようにして、水素の供給先を切り替える。
一方、積層方向の他端側のセル257に水素を優先的に供給する場合、水素の圧力が回復用圧力となるよう調圧弁114において調整することによって、図14(b)に示すように、弁部材63を第一導出口612の方向に移動する。これにより、導入口611と第二導出口613とが連通するため、水素タンク管111の水素は、水素供給管102によって積層方向の他端側のセル25に供給される(図14(b)の実践矢印F52参照)。
このように、燃料電池システム6では、水素の圧力の大きさに応じて水素の供給先を切替可能な切替弁60によって、水素が行き渡りにくい積層方向の他端側のセル25に容易に水素を供給することができる。したがって、第五実施形態は、水素の圧力制御によって出力電圧を安定させつつ増大することができる。
第六実施形態による燃料電池システムを図15に基づき説明する。第六実施形態では、切替弁の構成が第五実施形態と異なる。
第一導出口711は、第一ハウジング71の底部713に形成されている。第一導出口711は、水素供給管101に接続している。第一導出口711は、「ハウジング内」としての内部空間700の水素を水素供給管101に導出可能である。
第二導出口712は、第一ハウジング71の径方向外側の側壁714に形成されている。第二導出口712は、水素供給管102に接続している。第二導出口712は、内部空間700の水素を水素供給管102に導出可能である。
導入口721は、切替弁70において第一導出口711とは反対側に形成されている。導入口721は、水素タンク管111に接続している。導入口721は、内部空間700に水素を導入可能である。
当接部731は、内部空間700において第一導出口711側に設けられている。当接部731は、第一導出口711の内部空間700側の縁部715に当接可能に形成されている。
摺動部732は、略柱状に形成され、当接部731の導入口721側に設けられている。摺動部732の径外方向の壁面733は、第一ハウジング71の側壁714の内壁面716に摺動可能に形成されている。これにより、摺動部732は、内部空間700を第一導出口711側の「第一空間」としての空間701と導入口721側の「第二空間」としての空間702とに区画する。
弁部材73は、切替弁70の中心軸C70に沿うよう形成されている複数のオリフィス734を有する。オリフィス734は、空間701と空間702とを連通する。
第七実施形態による燃料電池システムを図16に基づき説明する。第七実施形態では、切替弁の構成が第五実施形態と異なる。
第一導出口811は、第一ハウジング81の底部812に形成されている。第一導出口811は、水素供給管101に接続している。第一導出口811は、第一ハウジング81の「ハウジング内」としての内部空間800の水素を水素供給管101に導出可能である。
導入口821は、切替弁80の中心軸C80から比較的離れた位置に複数形成されている。導入口821は、水素タンク管111に接続している。導入口821は、内部空間800に水素を導入可能である。
第二導出口822は、第二ハウジング82において複数の導入口821の径内方向に形成されている。本実施形態では、第二導出口822は、中心軸C80上に形成されている。第二導出口822は、水素供給管102に接続している。第二導出口822は、内部空間800の水素を水素供給管102に導出可能である。
第一軸部831は、内部空間800において第一導出口811側に設けられている略柱状の部位である。第一軸部831は、第一導出口811の内径に比べ小さい外径を有する。
第一当接部832は、第一軸部831の径方向外側に設けられる鍔状の部位である。第一当接部832は、第一導出口811の内部空間800側の縁部813に当接可能に形成されている。
第二当接部835は、第二軸部834の径方向外側に設けられる鍔状の部位である。第二当接部835は、第二導出口822の内部空間800側の縁部816に当接可能に形成されている。
第八実施形態による燃料電池システムを図17に基づき説明する。第八実施形態では、切替弁の構成が第五実施形態と異なる。
導入口911は、第一ハウジング91の径方向に沿って第一ハウジング91の「ハウジング内」としての内部空間900と外部とを連通可能に形成されている。本実施形態では、導入口911は、図17に示すように、第二ハウジング92の近傍に形成されている。導入口911は、水素タンク管111に接続している。導入口911は、内部空間900に水素を導入可能である。
第二導出口912は、第一ハウジング91の導入口911とは異なる場所に第一ハウジング91の径方向に沿って内部空間900と外部とを連通可能に形成されている。本実施形態では、第二導出口912は、導入口911に比べ第二ハウジング92から離れた位置に形成されている。第二導出口912は、水素供給管102に接続している。第二導出口912は、内部空間900の水素を水素供給管102に導出可能である。
閉塞部921は、第一ハウジング91の開口を塞ぐよう形成されている略平板状の部位である。
突出部922は、弁部材93を挟んで導入口911とは反対側の閉塞部921に設けられている。突出部922は、閉塞部921の内部空間900側の端面923から内部空間900に突出するよう形成されている。突出部922は、内部空間900側の端部に開口924を有する。開口924が形成されている「縁部」としての端面925は、端面923に対して傾斜するよう形成されている。
第二ハウジング92は、開口924を介して内部空間900と外部とを連通する第一導出口926を有する。第一導出口926は、水素供給管101に接続している。第一導出口926は、内部空間900の水素を水素供給管101に導出可能である。
回転シャフト931は、閉塞部921上に回転可能に設けられている。
延長部932は、回転シャフト931から第一ハウジング91の内壁面913まで第一ハウジング91の径方向に延びるよう形成されている。延長部932は、複数のオリフィス934を有する。
摺動部933は、延長部932の回転シャフト931に接続する側とは反対側の端部から第一ハウジング91の内壁面913に沿うよう形成されている。摺動部933の壁面935は、内壁面913に摺動可能に形成されている。これにより、内部空間900は、第一導出口926側の「第一空間」としての空間901と、第二導出口912側の「第二空間」としての空間902とに区画される。空間901と空間902とは、オリフィス934によって連通している。
弁部材93は、回転シャフト931の回転軸C90を回転中心として、第一ハウジング91の内壁面913に摺動しつつ、図17に示す白抜き矢印F81のように回転可能に設けられている。
上述の実施形態では、「燃料ガス」を水素とし、「酸化剤ガス」を空気とした。しかしながら、燃料ガス及び酸化剤ガスは、これに限定されない。燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって電気エネルギを発生可能であればよい。
101,21,22,36,37,42・・・水素供給管(燃料ガス供給管)
102,23,38・・・水素供給管(燃料ガス供給管、第一燃料ガス供給管)
25,255,256・・・セル
257・・・セル(他端側セル)
260・・・水素流路(燃料ガス流路)
261・・・水素用マニホールド(燃料ガス用マニホールド)
5,6・・・燃料電池システム
Claims (10)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって電気エネルギを発生可能に形成され、一方向に沿って積層されている複数のセル(25)と、
複数の前記セルのそれぞれが有する燃料ガス流路(260)に連通し、燃料ガスを流通可能な燃料ガス用マニホールド(261)と、
前記燃料ガス用マニホールドに収容され、複数の前記セルの前記一方向の一端側から前記一方向に沿って延びるよう形成され、前記セルに燃料ガスを供給可能な複数の燃料ガス供給管(101,102,21,22,23,36,37,38,42)と、
を備え、
複数の前記燃料ガス供給管の第一燃料ガス供給管(23,38,102)は、複数の前記セルの前記一方向の他端側に位置する他端側セル(257)に燃料ガスを供給可能に設けられる燃料電池。 - 前記燃料ガス供給管は、燃料ガスを複数の前記セルのそれぞれに向けて噴射可能な複数の噴射孔(210,220,230,360,370,380,423,426,103,104)を有する請求項1に記載の燃料電池。
- 複数の前記噴射孔は、内径が複数の前記セルの前記一方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている請求項2に記載の燃料電池。
- 複数の前記燃料ガス供給管の第二燃料ガス供給管(36)は、複数の前記セルの前記一方向の一端側に位置する一端側セル(255)に燃料ガスを供給可能に設けられ、
前記第一燃料ガス供給管が有する前記噴射孔の数または前記第二燃料ガス供給管が有する前記噴射孔の数は、複数の前記燃料ガス供給管の前記第一燃料ガス供給管及び前記第二燃料ガス供給管を除く他の燃料ガス供給管(37)が有する前記噴射孔の数に比べ少ない請求項2または3に記載の燃料電池。 - 前記燃料ガス供給管は、前記噴射孔の径方向外側となる前記噴射孔としての外側噴射孔(423)を有する外側管(421)、及び、前記外側管の径方向内側において前記外側管の中心軸(C42)と同軸上で前記外側管に対して相対回転可能に設けられ前記外側噴射孔と連通可能な前記噴射孔としての内側噴射孔(426)を有する内側管(422)を有する請求項2〜4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの濃度を検出可能な燃料ガス濃度検出部(361,362,371,372,381,382)をさらに備える請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 燃料ガスタンクが供給する燃料ガスの圧力を調整可能な圧力調整部(114)と、
前記圧力調整部と複数の前記燃料ガス供給管との間に設けられ、燃料ガスの圧力に応じて燃料ガスの供給先を切替可能な切替弁(60,70,80,90)と、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記圧力調整部によって圧力が制御された燃料ガスの物理量を検出可能に設けられ、当該物理量に応じた信号を出力可能な物理量検出部(691,692)と、
前記圧力調整部及び前記物理量検出部と電気的に接続し、前記物理量検出部が出力する信号に基づいて前記圧力調整部の作動を制御する制御部(15)と、
を備える燃料電池システム。 - 前記物理量検出部は、前記燃料ガス用マニホールドにおける燃料ガスの濃度を検出可能であって、
前記制御部は、前記物理量検出部が検出する燃料ガスの濃度が閾値以下になる場合、燃料ガスの圧力を増大するよう前記圧力調整部の作動を制御し、
前記切替弁は、燃料ガスの供給先を前記第一燃料ガス供給管に切り替える請求項7に記載の燃料電池システム。 - 前記切替弁は、
複数の前記燃料ガス供給管の前記第一燃料ガス供給管以外の燃料ガス供給管に連通可能な第一導出口(612,711,811,926)、及び、前記第一燃料ガス供給管に連通可能な第二導出口(613,712,922,912)を有するハウジング(61,62,71,72,81,82,91,92)と、
前記ハウジング内(600,700,800,900)に往復移動可能に設けられ、前記ハウジング内を前記第一導出口に連通可能な第一空間(601,701,801,901)と前記第二導出口に連通可能な第二空間(603,702,802,902)とに区画可能に形成され、前記第一空間と前記第二空間とを連通するオリフィス(636,734,837,934)を有し、前記第一導出口の前記ハウジング内側の縁部(616,715,816,925)に当接可能な弁部材(63,73,83,93)と、
を有する請求項7または8に記載の燃料電池システム。 - 前記弁部材は、燃料ガスの圧力が作用する第一受圧面(640)及び燃料ガスの圧力が作用する面積が前記第一受圧面の燃料ガスの圧力が作用する面積に比べ大きい第二受圧面(638)を有し、
前記第一受圧面に燃料ガスの圧力が作用した後、前記第二受圧面に燃料ガスの圧力が作用する請求項9に記載の燃料電池システム。
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