JP2019087302A - 燃料電池スタックが搭載された車両の排ガス配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックが搭載された車両において水蒸気白煙が発生することを抑制する。【解決手段】燃料電池スタックが搭載された車両の排ガス配管構造は、燃料電池スタックに接続される接続部と、車両の外部に開口する開口部と、を有し、燃料電池スタックから排出される排ガスが流れる排ガス配管と、排ガス配管に接続され、排ガス配管に外気を導入する外気導入部と、外気導入部よりも排ガス配管の開口部側に設けられ、排ガスに含まれる水分を低減する水分低減部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池スタックが搭載された車両の排ガス配管構造に関する。

燃料電池から排出される排ガスには、燃料電池によって生成された生成水が水蒸気として含まれている。燃料電池は高温（例えば、比較的運転温度の低い固体高分子型燃料電池でも約８０℃）で運転されているために、通常、排ガスの温度は外気の温度よりも高い。そのため、排ガスが外気に排出されると、排ガスの温度が低下して飽和水蒸気量が低下し、水蒸気が結露した白煙（水蒸気白煙）が発生する場合がある。

特開２００８−２６９９８３号公報

特許文献１には、乾燥剤を用いた水分低減器が排ガスの流路に配置された、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、水蒸気白煙が発生すると判断された場合に、水分低減器により排ガスの水分を低減させて、水蒸気白煙の発生を抑制している。しかし、水蒸気白煙が発生することをより効率的に抑制する技術が望まれていた。

本開示は、上述の課題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。

本開示の一形態によれば、燃料電池スタックが搭載された車両の排ガス配管構造が提供される。この排ガス配管構造は、前記燃料電池スタックに接続される接続部と、前記車両の外部に開口する開口部と、を有し、前記燃料電池スタックから排出される排ガスが流れる排ガス配管と；前記排ガス配管に接続され前記排ガス配管に外気を導入する外気導入部と；前記外気導入部よりも前記排ガス配管の前記開口部側に設けられ、前記排ガスに含まれる水分を低減する水分低減部と；を備える。

この形態によれば、外気導入部から導入された外気と排ガス配管を流れる排ガスとが混合されるので、外気導入部よりも開口部側である下流側の排ガスの温度は、外気導入部よりも上流側の排ガスの温度と比べて低下する。そのため、外気導入部よりも下流側の排ガス配管を流れる、排ガス中の水蒸気分圧が増加するので、排ガスは、水蒸気分圧が増加した状態で水分低減部に導入される。したがって、外気導入部によって排ガス配管に外気が導入されない場合と比較して、水分低減部において、排ガス中の水分を効率的に低減することができる。その結果、開口部から水蒸気白煙が発生することを抑制することができる。

本開示は、上述した燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、排ガス配管構造を備える燃料電池システム、排ガス配管構造を備える車両、燃料電池スタックから排出される排ガス中の水分低減方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構造を示す構成図である。 車両の排ガス配管構造を示す図である。 第２実施形態に係る排ガス配管構造を示す図である。 第３実施形態に係る排ガス配管構造を示す図である。 第３実施形態に係る排ガス配管構造を示す図である。 第４実施形態に係る排ガス配管構造を示す図である。 第５実施形態に係る排ガス配管構造を示す図である。

・第１実施形態
図１は、燃料電池システム１０の概略構造を示す構成図である。燃料電池システム１０は、車両１に搭載される。燃料電池システム１０は、パワースイッチ３のＯＮ操作によって起動し、ＯＦＦ操作によって停止する。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、アノードガス供給部６０と、アノードガス循環排出部７０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、冷媒供給部８０と、制御部９０とを備える。

燃料電池スタック２０は、複数枚の燃料電池セル２１が積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セル２１は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有する。アノードに水素を含む燃料ガスが接触し、カソードに外気中の酸素を含む酸化ガスが接触することにより、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する。カソードでは、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸素が反応して水が生成する。生成した水は水蒸気となり、カソードから排出されるカソード排ガスに含まれて、後述の排ガス配管４１を流れる。

制御部９０は、ＣＰＵとメモリ９１とを備えるコンピュータとして構成されており、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ばれる。制御部９０は、発電要求を受けて、以下に説明する燃料電池システム１０の各構成部を制御し、燃料電池スタック２０から出力電流を出力する。車両１には、車両１の外部の温度である外気温度を計測する外気センサ５が設けられており、制御部９０には、外気センサ５の計測結果が送信される。

アノードガス供給部６０は、アノードガス配管６１と、水素タンク６２と、開閉弁６３と、レギュレータ６４とを備える。水素タンク６２には、水素が充填されている。水素タンク６２は、アノードガス配管６１を介して燃料電池スタック２０のアノードと接続されている。

開閉弁６３及びレギュレータ６４は、アノードガス配管６１に、この順序で上流側（つまり水素タンク６２に近い側）から設けられている。開閉弁６３は、制御部９０からの指令により開閉し、水素タンク６２からの水素の流入を制御する。レギュレータ６４は、水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部９０によって制御されている。

アノードガス循環排出部７０は、アノード排ガス配管７１と、気液分離器７２と、アノードガス循環配管７３と、水素循環用ポンプ７４と、アノード排水配管７５と、排水弁７６とを備える。アノード排ガス配管７１は、燃料電池スタック２０のアノードの出口と気液分離器７２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離器７２へと誘導する。

気液分離器７２は、アノードガス循環配管７３と、アノード排水配管７５とに接続されている。気液分離器７２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管７３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管７５へと誘導する。

アノードガス循環配管７３は、アノード排ガス配管７１に接続されている。アノードガス循環配管７３には、水素循環用ポンプ７４が設けられている。水素循環用ポンプ７４は、気液分離器７２において分離された気体成分に含まれる水素を、アノードガス配管６１へ送り出す。

アノード排水配管７５は、気液分離器７２において分離された水分を車両１の外部へと排出するための配管である。本実施形態では、アノード排水配管７５は、燃料電池スタック２０のカソード側に接続された排ガス配管４１と接続されており、排ガス配管４１を介して水分を車両１の外部へと排出する。アノード排水配管７５は、排ガス配管４１と接続されていなくともよく、水分は、車両１の外部に設けられた開口から排出されてもよい。排水弁７６は、アノード排水配管７５に設けられており、制御部９０からの指令に応じて開閉する。

冷媒供給部８０は、冷媒用配管８１と、ラジエータ８２と、冷媒循環用ポンプ８３と、を備える。冷媒用配管８１は、燃料電池スタック２０に設けられた冷媒用の入口マニホールドと出口マニホールドとを連結する配管であり、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒を循環させる。ラジエータ８２は、冷媒用配管８１に設けられており、冷媒用配管８１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。

冷媒循環用ポンプ８３は、冷媒用配管８１において、ラジエータ８２より下流側（燃料電池スタック２０の冷媒入口側）に設けられており、ラジエータ８２において冷却された冷媒を燃料電池スタック２０に送り出す。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、インタークーラ３３とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック２０のカソード側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック２０と接続されており、外気を取り込んで圧縮し、圧縮された外気を燃料電池スタック２０に供給する。インタークーラ３３は、エアコンプレッサ３２により圧縮されたカソードガスの温度を下げるための装置である。

図２は、車両１の排ガス配管構造５０の概略構成を示す図である。以下、図１及び図２を参照し、カソードガス排出部４０について説明する。カソードガス排出部４０は、排ガス配管４１と、排ガスセンサ４２と、調圧弁４３と、外気導入部５１と、水分低減部５３と、マフラ５７と、を備える。

排ガス配管４１は、燃料電池スタック２０のカソード側に接続された配管である。排ガス配管４１は、燃料電池スタック２０に接続される接続部４５と、車両１の外部において開口する開口部４４（図２）を備える。接続部４５と開口部４４とは排ガス配管４１の開口端である。本実施形態では、排ガス配管４１には、燃料電池スタック２０から排出されるカソード排ガスと、アノード排水配管７５から排ガス配管４１に流入したアノード排ガス及び水分とが流れる。カソード排ガス及びアノード排ガスは、開口部４４から外気へ排出される。カソード排ガス及びアノード排ガスを、まとめて「排ガス」とも呼ぶ。

調圧弁４３、排ガスセンサ４２、外気導入部５１、水分低減部５３、マフラ５７は、排ガス配管４１に、この順序で上流側（つまり燃料電池スタック２０に近い側）から接続されている。本実施形態では、アノード排水配管７５は、外気導入部５１よりも上流側に接続されている。他の実施形態では、アノード排水配管７５は、外気導入部５１と水分低減部５３との間に接続されていてもよいし、排ガス配管４１に接続されていなくてもよい。

調圧弁４３は、制御部９０からの指令により排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０の背圧）を調整する。

排ガスセンサ４２は、燃料電池スタック２０から排出された排ガスの温度と、排ガスの単位体積当たりの水蒸気量を計測するセンサである。排ガスセンサ４２は、その計測結果を制御部９０に送信する。排ガスセンサ４２は排ガス配管４１の任意の位置に設けることができる。排ガスセンサ４２は、例えば、排ガス配管４１とアノード排水配管７５との接続箇所と、調圧弁４３と、の間に設けられてもよい。

外気導入部５１は、排ガス配管４１に接続され、排ガス配管４１へ外気を導入する機構である。本実施形態では、外気導入部５１はエアブロアにより構成される。外気導入部５１は、制御部９０からの指令により駆動し、排ガス配管４１へ外気を導入する。外気導入部５１により導入された外気は、排ガス配管４１と外気導入部５１との接続箇所Ｐにおいて燃料電池スタック２０から排出された排ガスと混合される。通常、排ガスセンサ４２により計測される温度は、外気センサ５により計測される外気温度よりも低い。例えば、排ガスセンサ４２により計測される排ガスの温度は、約８０℃である。そのため、外気と混合された後の排ガスの温度は低下する。他の実施形態では、排ガス配管４１と外気導入部５１との接続箇所Ｐにおける排ガス配管４１の内径は、排ガス配管４１の他の箇所に比べて太くなっていてもよい。また、排ガス配管４１に接続され、外気と排ガスとを混合するための混合室を、接続箇所Ｐの箇所に設けてもよい。こうすることにより、排ガスと外気との混合をより促進し、排ガスの温度をより低下させることができる。

水分低減部５３は、外気導入部５１よりも排ガス配管４１の開口部４４側に設けられ、排ガスに含まれる水分を低減する。本実施形態では、水分低減部５３は気液分離器である。気液分離器としては、排ガスを高速旋回させることによって水分を遠心方向に飛翔させて気液分離するサイクロン式の気液分離器を用いることができる。また、気液分離器としては、冷却フィンや保冷材を備え、冷却フィンや保冷材により排ガスを冷却して水分を生成させる気液分離器、整流板を備え、排ガスの流速を低下させるとともに排ガスを冷却して水分を生成させる気液分離器を用いることができる。水分低減部５３に接続された排水配管５４には、排水弁５６が設けられており、制御部９０からの指令に応じて開閉して水分を排出する。他の実施形態では、排水配管５４には排水弁５６が設けられていなくともよく、水分低減部５３から排出された水分は、排水配管５４を介して車両１外へ排出されてもよい。

マフラ５７は、開口部４４から排出される排ガスの音を低減する消音装置である。本実施形態では、マフラ５７は、外気導入部５１及び水分低減部５３よりも下流に配置されている。そのため、外気導入部５１、水分低減部５３から発生する音は、マフラ５７によって低減される。他の実施形態では、マフラ５７は、外気導入部５１と水分低減部５３の間に配置されていてもよいし、外気導入部５１より上流側に配置されていてもよい。

制御部９０は、外気センサ５により計測された外気温度と、排ガスセンサ４２により計測された排ガス中の水蒸気量（水蒸気分圧）とを用いて、開口部４４から水蒸気白煙が発生するか否かを判定する。「水蒸気白煙が発生する」とは、開口部４４から外気に排出された排ガスに含まれる水蒸気が白く視認できる状態になることをいう。制御部９０は、温度と飽和水蒸気量との関係をメモリ９１に記憶しており、外気導入部５１に到達する前の排ガス中の水蒸気量が、外気温度に対する飽和水蒸気量より大きい場合に、水蒸気白煙が発生すると判定する。制御部９０は、外気導入部５１に到達する前の排ガス中の水蒸気量を外気温度に対する飽和水蒸気量で除算した結果が、予め定められた閾値、例えば、１、０．９といった数値である場合に、水蒸気白煙が発生すると判定してもよい。閾値は、実験やシミュレーションにより求められてもよい。本実施形態では、制御部９０は、水蒸気白煙が発生すると判定した場合に、外気導入部５１を駆動する。制御部９０は、水蒸気白煙が発生しないと判定した場合に、外気導入部５１が駆動している場合にはその駆動を停止し、外気導入部５１が駆動していない場合には非駆動状態を維持する。他の実施形態では、制御部９０は、外気センサ５、排ガスセンサ４２の計測結果によらず、パワースイッチ３がＯＮされた場合に外気導入部５１を駆動し、パワースイッチ３がＯＦＦされた場合に外気導入部５１を停止するようにしてもよい。この場合には、燃料電池システム１０は、外気センサ５、排ガスセンサ４２を備えていなくともよい。

以上のようにして構成された排ガス配管構造５０では、外気導入部５１から導入された外気と排ガス配管４１を流れる排ガスとが混合されるので、外気導入部５１よりも下流側の排ガスの温度は、外気導入部５１よりも上流側の排ガスの温度と比べて低下する。そのため、外気導入部５１よりも下流側の排ガス配管４１を流れる、排ガス中の水蒸気分圧が増加するので、排ガスは、水蒸気分圧が増加した状態で水分低減部５３に導入される。したがって、外気導入部５１によって排ガス配管４１に外気が導入されない場合と比較して、水分低減部５３において、排ガス中の水分を効率的に低減することができる。その結果、開口部４４から水蒸気白煙が発生することを抑制することができる。

・第２実施形態
図３は、第２実施形態に係る排ガス配管構造５０ａを示す図である。第２実施形態の排ガス配管４１ａは、外気導入部５１ａとの接続箇所Ｐにおいて、排ガス配管４１ａの内径が縮小したベンチュリ管が配置された構造を有する。具体的には、図３に示すように、排ガス配管４１ａの内径は、外気導入部５１ａと排ガス配管４１ａの接続箇所Ｐにおいて最も小さくなるように上流側から接続箇所Ｐに向けて小さくなり、接続箇所Ｐから下流側に向けて大きくなっている。接続箇所Ｐでは、いわゆるベンチュリ効果により、排ガス配管４１ａの他の箇所に比べて圧力が低下している。

外気導入部５１ａは、排ガス配管４１ａに接続される配管５６ａと、開閉弁５２ａと、を備える。開閉弁５２ａが制御部９０からの指令により開くと、圧力が低下した接続箇所Ｐに向けて外気が導入される。第２実施形態の排ガス配管構造５０ａ、燃料電池システム１０、車両１のその他の構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。また、ベンチュリ管と開閉弁５２ａとにより排ガス配管４１に外気を導入することができるので、外気導入部５１としてエアブロアを用いる場合と比較して、燃料電池システム１０の構成を簡易にすることができる。

・第３実施形態
図４及び図５は、第３実施形態に係る排ガス配管構造５０ｂを示す図である。第３実施形態の排ガス配管４１ｂは、外気導入部５１ｂとの接続箇所Ｐにおいて、排ガス配管４１ａの内径が最も縮小したベンチュリ管ｖが配置された構造（図４）と、接続箇所Ｐ以外の箇所の内径と同一の内径を有するストレート管ｓが配置された構造（図５）と、が切り替えて接続される。外気導入部５１ｂは、接続箇所Ｐに接続され、外気に開口した配管５６ｂである。制御部９０は、外気導入部５１ｂに接続された図示しないモータを制御し、図４に示すように、外気導入時にはベンチュリ管ｖを排ガス配管４１ｂに接続する。制御部９０は、例えば、水蒸気白煙が発生すると判定した場合に、ベンチュリ管ｖを排ガス配管４１ｂに接続する。ベンチュリ管ｖが排ガス配管４１ｂに接続されると、圧力が低下した接続箇所Ｐに向けて外気が導入される。制御部９０は、図５に示すように、外気非導入時にはストレート管ｓを排ガス配管４１ｂに接続する。第３実施形態の排ガス配管構造５０ｂ、燃料電池システム１０、車両１のその他の構成は、第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。第３実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を奏するのに加え、外気非導入時には、ストレート管ｓにより排ガスを開口部４４へ効率的に導くことができる。

・第４実施形態
図６は、第４実施形態に係る排ガス配管構造５０ｃを示す図である。第４実施形態の水分低減部５３ｃは、筐体内部に水分吸着材料が充填された構造を有する。水分吸着材料は、例えば、ゼオライト、シリカ等である。排ガス中の水分は、水分低減部５３ｃにおいて水分吸着材料に吸着される。水分低減部５３ｃには、ヒータ５８が近接して配置されている。ヒータ５８は、制御部９０からの指令により水分低減部５３ｃを加熱する。本実施形態では、制御部９０は、パワースイッチ３がＯＮにされた場合にヒータ５８による加熱を開始し、パワースイッチ３がＯＦＦにされた場合に加熱を停止する。水分低減部５３ｃが加熱されることによって、水分吸着材料の水分吸着能力が再生される。第４実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

・第５実施形態
図７は、第５実施形態に係る排ガス配管構造５０ｄを示す図である。排ガス配管構造５０ｄは、エアコンプレッサ３２とインタークーラ３３の間のカソードガス配管３１と、水分低減部５３ｃと、を接続するバイパス配管４６と、バイパス配管４６上に設けられたバイパス弁４７と、を備える。バイパス弁４７は、制御部９０からの指令により開閉する。制御部９０は、パワースイッチ３がＯＮにされた場合にバイパス弁４７を開き、パワースイッチ３がＯＦＦにされた場合にバイパス弁４７を閉じる。バイパス弁４７が開かれることで、エアコンプレッサ３２下流の比較的高温度の外気が水分低減部５３ｃに流入する。こうすることで、水分吸着材料の水分吸着能力が再生される。第５実施形態によれば、第４実施形態と同様の効果を奏する。

・他の実施形態
上記実施形態において、水分低減部５３が気液分離器である場合には、気液分離器はマフラ５７と一体に構成されていてもよい。

第４実施形態において、制御部９０は、水蒸気白煙が発生すると判定した場合にヒータ５８をＯＮにし、水蒸気白煙が発生しないと判定した場合にヒータ５８をＯＦＦにしてもよい。また、例えば、制御部９０は、水分低減部５３ｃの水分吸着能力と、水分吸着能力が不十分となる燃料電池スタック２０の積算運転時間の閾値と、水分吸着能力が回復可能なヒータ５８の駆動時間と、の関係をメモリ９１に記憶していてもよい。制御部９０は、燃料電池スタック２０の積算運転時間が閾値に達した場合に、ヒータ５８をＯＮにし、水分吸着能力が回復可能な時間が経過した場合に、ヒータ５８をＯＦＦにしてもよい。制御部９０は、第５実施形態に係るバイパス弁４７の開閉を、ヒータ５８のＯＮ、ＯＦＦと同様に制御してもよい。

上述の各実施形態は組み合わせることも可能である。例えば、第１、第２、第３実施形態のうちのいずれかの実施形態と、第４、第５実施形態のいずれかとは、組み合わせられてもよい。

本開示は、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、他の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。

１…車両
５…外気センサ
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…燃料電池セル
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…インタークーラ
４０…カソードガス排出部
４１…排ガス配管
４１ａ…排ガス配管
４１ｂ…排ガス配管
４２…排ガスセンサ
４３…調圧弁
４４…開口部
４５…接続部
４６…バイパス配管
４７…バイパス弁
５０…排ガス配管構造
５０ａ…排ガス配管構造
５０ｂ…排ガス配管構造
５０ｃ…排ガス配管構造
５０ｄ…排ガス配管構造
５１…外気導入部
５１ａ…外気導入部
５１ｂ…外気導入部
５２ａ…開閉弁
５３…水分低減部
５３ｃ…水分低減部
５４…排水配管
５６…排水弁
５６ａ…配管
５６ｂ…配管
５７…マフラ
５８…ヒータ
６０…アノードガス供給部
６１…アノードガス配管
６２…水素タンク
６３…開閉弁
６４…レギュレータ
７０…アノードガス循環排出部
７１…アノード排ガス配管
７２…気液分離器
７３…アノードガス循環配管
７４…水素循環用ポンプ
７５…アノード排水配管
７６…排水弁
８０…冷媒供給部
８１…冷媒用配管
８２…ラジエータ
８３…冷媒循環用ポンプ
９０…制御部
９１…メモリ
Ｐ…接続箇所
ｓ…ストレート管
ｖ…ベンチュリ管

Claims (1)

1. 燃料電池スタックが搭載された車両の排ガス配管構造であって、
   前記燃料電池スタックに接続される接続部と、前記車両の外部に開口する開口部と、を有し、前記燃料電池スタックから排出される排ガスが流れる排ガス配管と、
   前記排ガス配管に接続され前記排ガス配管に外気を導入する外気導入部と、
   前記外気導入部よりも前記排ガス配管の前記開口部側に設けられ、前記排ガスに含まれる水分を低減する水分低減部と、
   を備える、排ガス配管構造。

Images