JP2019109977A - Piping structure for fuel cell system - Google Patents

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貴己 細井
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英行 新井
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Abstract

To provide a piping structure for a fuel cell system capable of smoothly discharging production water from a hydrogen gas discharge pipe by preventing freezing of the production water which is produced during power generation of a fuel cell.SOLUTION: A piping structure 10 for a fuel cell system 1 comprising a fuel cell to which a hydrogen gas and air are supplied comprises: an air discharge pipe 12 for discharging air discharged from the fuel cell 2 to the outside of the fuel cell system 1; and a hydrogen gas discharge pipe 14 (14b) which is connected to the air discharge pipe 12 and in which production water that is produced during power generation of a fuel cell 2 is circulated together with at least a portion of the hydrogen gas discharged from the fuel cell. A guide plate 20 is formed while extending into the hydrogen gas discharge pipe 14b from a confluence part A inside of the air discharge pipe 12 in which the production water and the discharged air are confluent in such a manner that a portion of air flowing in the air discharge pipe 12 is guided to the hydrogen gas discharge pipe 14b.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、燃料電池システムの配管構造に係り、特に、燃料電池の発電時に生成された生成水を燃料電池システムの外部に排出する燃料電池システムの配管構造に関する。   The present invention relates to a piping structure of a fuel cell system, and more particularly to a piping structure of a fuel cell system for discharging generated water generated at the time of power generation of the fuel cell to the outside of the fuel cell system.

従来から、燃料電池システムは、たとえば、水素ガスを含む燃料ガスと、酸素を含むエアとを燃料電池に供給し、水素と酸素の電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池という)を備えている。燃料電池の発電時には、電気反応によって水が生成される。生成された生成水は内部に滞留させ続けると電気化学反応を阻害するため、排出する必要がある。   BACKGROUND ART Conventionally, a fuel cell system supplies a fuel gas containing hydrogen gas and air containing oxygen to a fuel cell, for example, and generates a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel) generating electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It is equipped with a battery). At the time of power generation of the fuel cell, water is generated by an electrical reaction. It is necessary to discharge the generated water, as it will inhibit the electrochemical reaction if it is retained inside.

この種の燃料電池システムの配管構造として、たとえば、特許文献1には、水素ガスとエアが供給される燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水素ガスが通る水素ガス排出管と、水素ガス排出管に接続されるエア排出管と、を備える燃料電池システムの配管構造が提案されている。   As a piping structure of this kind of fuel cell system, for example, in Patent Document 1, in a fuel cell system to which hydrogen gas and air are supplied, a hydrogen gas discharge pipe through which hydrogen gas discharged from the fuel cell passes, and hydrogen gas There has been proposed a piping structure of a fuel cell system including an air discharge pipe connected to the discharge pipe.

特開2017−142982号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2017-142982

しかしながら、前記燃料電池システムの配管構造では、水素ガス排出流路が氷点下になる際に、水素ガスとともに排出された生成水の液滴が水素ガス排出流路に付着している場合、生成水が凍結することがある。これにより、長時間運転後に水素ガス排出流路が閉塞し、燃料電池の安定した運転を阻害するおそれがある。   However, in the piping structure of the fuel cell system, when the hydrogen gas discharge channel is below the freezing point, if the droplets of the product water discharged together with the hydrogen gas adhere to the hydrogen gas discharge channel, the product water is generated. May freeze. As a result, the hydrogen gas discharge passage may be blocked after a long time operation, which may inhibit the stable operation of the fuel cell.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、燃料電池の発電時に生成された生成水の凍結を防止し、水素ガス排出管から生成水を円滑に排出することができ、燃料電池を安定して運転できる燃料電池システムの配管構造を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and can prevent freezing of generated water generated at the time of power generation of a fuel cell, and can smoothly discharge generated water from a hydrogen gas discharge pipe, An object of the present invention is to provide a piping structure of a fuel cell system capable of stably operating a fuel cell.

前記目的を達成すべく、本発明に係る燃料電池システムの配管構造は、水素ガスと酸素ガスを含むエアとが供給される燃料電池を備えた燃料電池システムの配管構造であって、前記燃料電池から排出されたエアを、前記燃料電池システムの外部に排出するエア排出管と、前記エア排出管に接続され、前記燃料電池の発電時に生成された生成水が、前記燃料電池から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに、流通する水素ガス排出管と、を備え、前記エア排出管を流れる一部のエアを、前記水素ガス排出管に案内するように、前記生成水と前記排出されたエアが合流する前記エア排出管の内の合流部から、前記水素ガス排出管の内部に延在した案内板が形成されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the piping structure of a fuel cell system according to the present invention is a piping structure of a fuel cell system provided with a fuel cell to which hydrogen gas and air containing oxygen gas are supplied. And an air discharge pipe for discharging the air discharged from the fuel cell system to the outside, and the air discharge pipe connected to the air discharge pipe, and at least the water produced at the time of power generation of the fuel cell is discharged from the fuel cell The generated water and the discharged air are provided such that a part of the air flowing through the air discharge pipe is guided to the hydrogen gas discharge pipe, with the hydrogen gas discharge pipe circulating along with the part of the hydrogen gas A guide plate is formed in the hydrogen gas discharge pipe from a merge portion of the air discharge pipe where the air flow merges.

前記のごとく構成された本発明の燃料電池システムの配管構造によれば、燃料電池の発電時に生成された生成水は、水素ガス排出管をエア排出管に向かって流れ、エア排出管との合流部では、エア排出管を流れる一部のエアが案内板によって水素ガス排出管に向けて案内される。これにより、合流部付近を流れる生成水は、燃料電池から排出されたエアによって昇温され、水素ガス排出管内で、生成水が凍結することを防止することができる。また、エア排出管内の合流部において、案内板の下流には、負圧が発生するため、水素ガス排出管からの生成水が合流部に流れることを促進することができる。   According to the piping structure of the fuel cell system of the present invention configured as described above, the generated water generated at the time of power generation of the fuel cell flows through the hydrogen gas discharge pipe toward the air discharge pipe and merges with the air discharge pipe. In the section, a part of the air flowing through the air discharge pipe is guided by the guide plate toward the hydrogen gas discharge pipe. As a result, the generated water flowing near the merging portion is heated by the air discharged from the fuel cell, and the generated water can be prevented from freezing in the hydrogen gas discharge pipe. In addition, since a negative pressure is generated downstream of the guide plate in the merging portion in the air discharge pipe, it is possible to promote the flow of generated water from the hydrogen gas discharging pipe to the merging portion.

本発明の燃料電池システムの配管構造によれば、燃料電池の発電時に生成された生成水が、水素ガス排出管を通るときに凍結することが防止され、生成水を円滑に燃料電池システムから排出することができ、燃料電池の安定した運転が可能となる。   According to the piping structure of the fuel cell system of the present invention, the generated water generated at the time of power generation of the fuel cell is prevented from freezing when passing through the hydrogen gas discharge pipe, and the generated water is discharged smoothly from the fuel cell system This enables stable operation of the fuel cell.

本発明に係る燃料電池システムの配管構造の一実施形態を用いた燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a fuel cell system using one embodiment of piping structure of a fuel cell system concerning the present invention. 図1に示す気液分離器を含む配管構造の合流部Aを示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the confluence | merging part A of the piping structure containing the gas-liquid separator shown in FIG. (a)は図2のB−B線に沿う要部断面図、(b)は案内板の平面図である。(A) is principal part sectional drawing in alignment with the BB line of FIG. 2, (b) is a top view of a guide plate. (a)は、比較例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図、(b)は、実施例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図である。(A) is an essential part sectional view showing an analysis result of temperature distribution of a fuel cell system according to a comparative example, and (b) is an essential part sectional view showing an analysis result of temperature distribution of a fuel cell system according to an example is there. 図4(b)のE−E線に沿った断面図であり、(a)は、流速分布の解析結果を示した図であり、(b)は、圧力分布の解析結果を示した断面図である。It is sectional drawing along the EE line of FIG.4 (b), (a) is a figure which showed the analysis result of flow velocity distribution, (b) is a sectional view showing the analysis result of pressure distribution It is. 実施例に係る燃料電池システムと、比較例に係る燃料電池システムとの氷点下突破時間を示したグラフである。It is the graph which showed the subfreezing time of the fuel cell system which concerns on an Example, and the fuel cell system which concerns on a comparative example.

以下、本発明に係る燃料電池システムの配管構造の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの配管構造を用いた燃料電池システムの概略構成図である。   Hereinafter, an embodiment of a piping structure of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail based on the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration view of a fuel cell system using a piping structure of a fuel cell system according to the present embodiment.

図1において、燃料電池システム1は、水素ガスとエアが供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形の燃料電池2を備えている。燃料電池2は、複数の単セル2a,2a…が積層されたスタック構造で構成されている。単セル2aは、それぞれ単体で発電可能な発電要素であり、第1と第2のエンドプレート3,4によって、その積層方向に挟まれた状態で締結されている。   In FIG. 1, a fuel cell system 1 is provided with a solid polymer fuel cell 2 which is supplied with hydrogen gas and air and generates electricity by an electrochemical reaction of oxygen and hydrogen. The fuel cell 2 has a stack structure in which a plurality of unit cells 2a, 2a,... Are stacked. The unit cell 2a is a power generation element capable of generating electric power alone, and is fastened by the first and second end plates 3 and 4 in a state of being sandwiched in the stacking direction.

燃料電池2の第1のエンドプレート3には、燃料電池2にエアと水素ガスを供給するとともに、エアと水素ガスを発電後に排出するための配管構造10が接続されている。配管構造10は、エアの供給側として、燃料電池2にエアを供給するエア供給管11と、燃料電池から排出されたエアを燃料電池システム1の外部に排出するエア排出管12とを備え、エア供給管11の途中にエアコンプレッサー5が設置されている。エア供給管11には、図示していないが、エアフロメーター、開閉弁等を有している。エアコンプレッサー5は、エア供給管11を介して外気を取り込んで圧縮したエアを、燃料電池2に供給する。   A pipe structure 10 for supplying air and hydrogen gas to the fuel cell 2 and discharging the air and hydrogen gas after power generation is connected to the first end plate 3 of the fuel cell 2. The piping structure 10 includes an air supply pipe 11 for supplying air to the fuel cell 2 as an air supply side, and an air discharge pipe 12 for discharging air discharged from the fuel cell to the outside of the fuel cell system 1; An air compressor 5 is installed in the middle of the air supply pipe 11. Although not shown, the air supply pipe 11 has an air flow meter, an on-off valve, and the like. The air compressor 5 supplies the fuel cell 2 with the air taken in and compressed from the outside air through the air supply pipe 11.

燃料電池2に接続されたエア排出管12は、燃料電池2内で電気化学反応により発電されたあとのエアを燃料電池システム1の外部に排出する。エア排出管12には、図示していないが、必要に応じて調圧弁等が設置される。エア排出管12には、後述する水素ガス排出管が合流部Aで接続されている。   The air discharge pipe 12 connected to the fuel cell 2 discharges the air generated after the electrochemical reaction in the fuel cell 2 to the outside of the fuel cell system 1. Although not shown, a pressure control valve or the like is installed in the air discharge pipe 12 as necessary. A hydrogen gas discharge pipe, which will be described later, is connected to the air discharge pipe 12 at a junction A.

燃料電池2の第1のエンドプレート3には、配管構造10の水素ガス供給側として、水素タンク6から水素ガスを燃料電池2に供給する水素ガス供給管13と、燃料電池から排出された水素ガスを生成水とともに排出する水素ガス排出管14とが接続されている。水素ガス供給管13には、図示していないが、開閉弁、レギュレーター、水素供給装置等が設置されている。水素供給装置は、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。   On the first end plate 3 of the fuel cell 2, as a hydrogen gas supply side of the piping structure 10, a hydrogen gas supply pipe 13 for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 6 to the fuel cell 2, and hydrogen discharged from the fuel cell A hydrogen gas discharge pipe 14 for discharging gas together with generated water is connected. Although not shown, an on-off valve, a regulator, a hydrogen supply device, and the like are installed in the hydrogen gas supply pipe 13. The hydrogen supply device is constituted by an injector which is an electromagnetically driven on-off valve.

水素ガス排出管14は、燃料電池2の発電時の電気化学反応で生成された生成水が、燃料電池2から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに、流通するものであり、本実施形態では、途中に気液分離器7が設置されている。気液分離器7は、生成水を含む水素ガスを気体成分と液体成分に分離するものである。したがって、水素ガス排出管14は、水素ガス等の気体と生成水が流れ、気液分離器7の上流側に位置する水素ガス排出管14aと、気液分離器7で分離された生成水が流れ、気液分離器7の下流側に位置する水素ガス排出管14bとから構成される。気液分離器7と、水素ガス排出管14bとの間には、排水弁8が設置されている。   The hydrogen gas discharge pipe 14 distributes the generated water generated by the electrochemical reaction at the time of power generation of the fuel cell 2 together with at least a part of the hydrogen gas discharged from the fuel cell 2, and in the present embodiment On the way, a gas-liquid separator 7 is installed. The gas-liquid separator 7 separates hydrogen gas containing generated water into a gas component and a liquid component. Therefore, in the hydrogen gas discharge pipe 14, gas such as hydrogen gas and generated water flow, and the hydrogen gas discharge pipe 14 a located on the upstream side of the gas liquid separator 7 and the generated water separated in the gas liquid separator 7 The flow is composed of a hydrogen gas discharge pipe 14 b located on the downstream side of the gas-liquid separator 7. A drain valve 8 is installed between the gas-liquid separator 7 and the hydrogen gas discharge pipe 14b.

気液分離器7で分離された気体成分は、水素ガスを含む気体であり、水素ガス循環管15を通して水素ガス供給管13に循環され、再度、燃料電池2に供給される。水素ガス循環管15には、図示していないが、水素循環用ポンプが設置されている。気液分離器7で分離された液体成分の生成水は、下流側の水素ガス排出管14bを通してエア排出管12に合流して燃料電池システム1の外部に排出される。なお、本実施形態では、エア排出管12、気液分離器7、および水素ガス排出管14bは、樹脂またはゴムからなる。   The gas component separated by the gas-liquid separator 7 is a gas containing hydrogen gas, is circulated to the hydrogen gas supply pipe 13 through the hydrogen gas circulation pipe 15, and is supplied to the fuel cell 2 again. Although not shown, a hydrogen circulation pump is installed in the hydrogen gas circulation pipe 15. The generated water of the liquid component separated by the gas-liquid separator 7 joins the air discharge pipe 12 through the hydrogen gas discharge pipe 14 b on the downstream side and is discharged to the outside of the fuel cell system 1. In the present embodiment, the air discharge pipe 12, the gas-liquid separator 7, and the hydrogen gas discharge pipe 14b are made of resin or rubber.

本実施形態の配管構造10では、燃料電池2から排出された酸素ガスを含むエア(大気)を燃料電池システム1の外部に排出するエア排出管12に、生成水と、排出された一部の水素ガスと、が流通する水素ガス排出管14aが、接続されている。したがって、エア排出管12には、エアと、生成水および水素ガスが合流する合流部Aが形成されている。以下に、図2および図3を参照して合流部Aについて詳細に説明する。図2は、気液分離器7を含む合流部Aの要部断面図であり、図3(a)は、図2のB−B線に沿う要部断面図、図3(b)は案内板の平面図である。   In the piping structure 10 of the present embodiment, generated water and a part of the discharged water are discharged to the air discharge pipe 12 for discharging the air (atmosphere) containing the oxygen gas discharged from the fuel cell 2 to the outside of the fuel cell system 1. A hydrogen gas discharge pipe 14a through which hydrogen gas flows is connected. Therefore, the air discharge pipe 12 is formed with a merging portion A in which the air, the generated water and the hydrogen gas merge. The junction A will be described in detail below with reference to FIGS. 2 and 3. 2 is a cross-sectional view of the main part of the merging portion A including the gas-liquid separator 7, FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of the main part along line B-B in FIG. 2, FIG. 3 (b) is a guide It is a top view of a board.

合流部Aは、水素ガス排出管14aからの生成水と水素ガスの一部が、燃料電池から排出されたエアに合流する部分であり、合流部Aは、エア排出管12内に形成されている。合流部Aには、エア排出管12を流れる一部のエアを、水素ガス排出管14(14b)に案内するように、案内板20が設けられている。   The merging portion A is a portion where part of the generated water from the hydrogen gas discharge pipe 14 a and hydrogen gas merges with the air discharged from the fuel cell, and the merging portion A is formed in the air discharge pipe 12 There is. A guide plate 20 is provided at the merging portion A so as to guide a part of the air flowing through the air discharge pipe 12 to the hydrogen gas discharge pipe 14 (14b).

具体的には、案内板20は、生成水と排出されたエアが合流するエア排出管12の内の合流部Aから、下流側の水素ガス排出管14bの内部に延在している。エア排出管12の管径は水素ガス排出管14の管径より大きく形成され、大径φ1のエア排出管12に小径φ2の水素ガス排出管14が合流するようになっている。   Specifically, the guide plate 20 extends from the merging portion A in the air discharge pipe 12 where the generated water and the discharged air merge, to the inside of the hydrogen gas discharge pipe 14b on the downstream side. The pipe diameter of the air discharge pipe 12 is larger than the pipe diameter of the hydrogen gas discharge pipe 14, and the hydrogen gas discharge pipe 14 of small diameter 2 is joined to the air discharge pipe 12 of large diameter 1.

案内板20は、樹脂またはゴムからなる板状の部材である。案内板20は、下流側の水素ガス排出管14bの内径と同等の幅Wを有し、一端側は水素ガス排出管14bの内部に進入し、他端側はエア排出管12の対向する内壁面に到達する長さLを有する板材で形成されている。案内板20の他方の端部は、エア排出管12の内壁の円弧に合わせた形状の円弧に形成されている。案内板20は、下流側の水素ガス排出管14bとともに一体的に成形され、その一方の端部は、水素ガス排出管14内に位置し、その他方の端部は燃料電池2から排出されたエア排出管12に進入して邪魔板として機能するものである。   The guide plate 20 is a plate-like member made of resin or rubber. The guide plate 20 has a width W equal to the inner diameter of the hydrogen gas discharge pipe 14b on the downstream side, one end thereof enters the inside of the hydrogen gas discharge pipe 14b, and the other end is the inside of the air discharge pipe 12 facing It is formed of a plate having a length L which reaches the wall surface. The other end of the guide plate 20 is formed into a circular arc shaped to match the circular arc of the inner wall of the air discharge pipe 12. The guide plate 20 is integrally formed with the hydrogen gas discharge pipe 14b on the downstream side, one end of which is located in the hydrogen gas discharge pipe 14 and the other end of which is discharged from the fuel cell 2 It enters into the air discharge pipe 12 and functions as a baffle.

案内板20は、他方端がエア排出管12の流路に進入しているが、案内板20の幅Wはエア排出管12の内径より小さいものである。本実施形態では、案内板20の先端がエア排出管12の内壁に接触したときに、案内板20とエア排出管12の内壁との間に、連通隙間21,21が形成されている。これにより、燃料電池2から排出されたエアの一部が通過できる流路が形成される。   The other end of the guide plate 20 enters the flow path of the air discharge pipe 12, but the width W of the guide plate 20 is smaller than the inner diameter of the air discharge pipe 12. In the present embodiment, when the front end of the guide plate 20 contacts the inner wall of the air discharge pipe 12, the communication gaps 21, 21 are formed between the guide plate 20 and the inner wall of the air discharge pipe 12. Thereby, a flow path through which a part of the air discharged from the fuel cell 2 can pass is formed.

なお、図2に示す気液分離器7には上流側の水素ガス排出管14aが接続されるとともに、気体成分を水素ガス供給管13に循環させる水素ガス循環管15が接続されている。   A hydrogen gas discharge pipe 14a on the upstream side is connected to the gas-liquid separator 7 shown in FIG. 2, and a hydrogen gas circulation pipe 15 for circulating gas components to the hydrogen gas supply pipe 13 is connected.

前記の如く構成された本実施形態に係る燃料電池システム1の配管構造10の動作について以下に説明する。エア供給管11を通して吸入されたエアは、エアコンプレッサー5で圧縮され、燃料電池2に供給される。水素タンク6に貯留された水素ガスは、水素ガス供給管13を通して燃料電池2に供給され、燃料電池2では電気化学反応により発電され、燃料電池2内部では生成水が生成される。そして、エアは燃料電池2からエア排出管12を通して燃料電池システム1の外部に排出される。排出されるエアは、燃料電池2の上流側のエアコンプレッサー5で一旦圧縮される際に昇温され、燃料電池2内での電気化学反応によりさらに昇温される。   The operation of the piping structure 10 of the fuel cell system 1 according to the present embodiment configured as described above will be described below. The air taken in through the air supply pipe 11 is compressed by the air compressor 5 and supplied to the fuel cell 2. The hydrogen gas stored in the hydrogen tank 6 is supplied to the fuel cell 2 through the hydrogen gas supply pipe 13. The fuel cell 2 generates electric power by an electrochemical reaction, and generated water is generated inside the fuel cell 2. Then, the air is discharged from the fuel cell 2 through the air discharge pipe 12 to the outside of the fuel cell system 1. The air to be discharged is heated when it is once compressed by the air compressor 5 on the upstream side of the fuel cell 2, and is further heated by the electrochemical reaction in the fuel cell 2.

発電後に燃料電池2から排出された水素ガスは、水素ガス排出管14aを通して気液分離器7に送られ、水素ガスを含む気体成分と生成水とに分離される。水素ガスを含む気体成分は、水素ガス循環管15を通して水素ガス供給管13に循環されるため、水素ガスを再利用することができる。気液分離器7で分離された液体成分である生成水は、排水弁8が開いているときに下流側の水素ガス排出管14bを通してエア排出管12に合流され、燃料電池システム1の外部に排出される。水素ガス排出管14bでは、図2に示すように、気液分離器7で分離されなかった水素d1と、生成水d2とがエア排出管12に向かって、排水弁8の開閉により断続的に排出される。   The hydrogen gas discharged from the fuel cell 2 after power generation is sent to the gas-liquid separator 7 through the hydrogen gas discharge pipe 14a, and is separated into the gas component containing the hydrogen gas and the produced water. Since the gas component containing hydrogen gas is circulated to the hydrogen gas supply pipe 13 through the hydrogen gas circulation pipe 15, the hydrogen gas can be reused. The product water, which is a liquid component separated by the gas-liquid separator 7, is joined to the air discharge pipe 12 through the hydrogen gas discharge pipe 14b on the downstream side when the drain valve 8 is open, to the outside of the fuel cell system 1. Exhausted. In the hydrogen gas discharge pipe 14b, as shown in FIG. 2, the hydrogen d1 not separated in the gas-liquid separator 7 and the generated water d2 are directed toward the air discharge pipe 12 and intermittently by opening and closing the drain valve 8. Exhausted.

エア排出管12への水素ガス排出管14bの合流部Aでは、エア排出管12を流れる一部のエアが案内板20によって水素ガス排出管14bに向けて矢印Y1のように案内される。具体的には、案内されたエアは、案内板20の上部を生成水の流れる方向と逆の方向に流れ、案内板20の端部(右端)で矢印Y2のように旋回して案内板20の下部を生成水と同じ方向に流れ、エア排出管12に戻って合流する。   In the joining portion A of the hydrogen gas discharge pipe 14b to the air discharge pipe 12, a part of the air flowing through the air discharge pipe 12 is guided by the guide plate 20 toward the hydrogen gas discharge pipe 14b as shown by arrow Y1. Specifically, the guided air flows in the upper part of the guide plate 20 in the direction opposite to the flowing direction of the generated water, and is swirled at the end (right end) of the guide plate 20 as shown by arrow Y 2 to guide plate 20. It flows in the same direction as the product water in the lower part of and flows back into the air discharge pipe 12 and merges.

これにより、燃料電池2から排出され、昇温されたエアが、水素ガス排出管14bを流れる生成水を加熱するため、氷点下の環境下にあっても、水素ガス排出管14a内で生成水が凍結することを抑制することができる。特に、本実施形態では、水素ガス排出管14aからは、排水弁8の開閉により、断続的に水素d1と生成水d2とが断続的に流れるため、これらの熱は少なく、かつ、エア排出管12、気液分離器7、および水素ガス排出管14bは、樹脂またはゴムからなるため、これらは燃料電池2および気液分離器7からの熱も金属に比べて伝達され難い。しかしながら、このような場合であっても、上述した案内板20を設けることにより、エアにより水素ガス排出管14aが昇温され、その内部で生成水が凍結することを抑制することができる。   Thereby, since the air discharged from the fuel cell 2 and heated air heats the generated water flowing through the hydrogen gas discharge pipe 14b, the generated water is generated in the hydrogen gas discharge pipe 14a even under the environment below the freezing point. It is possible to suppress freezing. In particular, in the present embodiment, since the hydrogen d1 and the generated water d2 intermittently flow intermittently from the hydrogen gas discharge pipe 14a by opening and closing the drain valve 8, these heats are small and the air discharge pipe 12, since the gas-liquid separator 7 and the hydrogen gas discharge pipe 14b are made of resin or rubber, they are less likely to transfer the heat from the fuel cell 2 and the gas-liquid separator 7 as compared to metal. However, even in such a case, by providing the above-described guide plate 20, the temperature of the hydrogen gas discharge pipe 14a is raised by air, and it is possible to suppress the generated water from being frozen inside.

また、エア排出管12内の案内板20の下部領域Cが負圧状態となるため、案内板20の下方では、生成水とともに案内されたエアがエア排出管12に流れ易くなる。これにより、水素ガス排出管14a内における生成水の排出を促進することができ、水素ガス排出管14aからの円滑に生成水を排水が行える。   In addition, since the lower region C of the guide plate 20 in the air discharge pipe 12 is in a negative pressure state, the air guided with the generated water easily flows to the air discharge pipe 12 below the guide plate 20. Thereby, the discharge of the generated water in the hydrogen gas discharge pipe 14a can be promoted, and the generated water can be drained smoothly from the hydrogen gas discharge pipe 14a.

つぎに、本実施形態の案内板20を形成した配管構造10を備える燃料電池システム1(実施例に係る配管構造)と、案内板を形成していない従来の配管構造を備える燃料電池システム(従来システム)とを比較した解析を行った。この結果を、図4〜図6を参照して説明する。   Next, a fuel cell system 1 (pipe structure according to the embodiment) including the pipe structure 10 in which the guide plate 20 of the present embodiment is formed, and a fuel cell system including the conventional pipe structure in which the guide plate is not formed We made an analysis comparing it with the system). This result will be described with reference to FIGS.

図4(a)は、比較例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図、図4(b)は、実施例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図である。なお、図4(a)、(b)は、エアの排出から10秒後の解析結果である。図5は、図4(b)のE−E線に沿った断面図であり、(a)は、流速分布の解析結果を示した図であり、(b)は、圧力分布の解析結果を示した断面図である。図6は、実施例に係る燃料電池システムと、比較例に係る燃料電池システムとの氷点突破時間を示したグラフである。   FIG. 4 (a) is a cross-sectional view of the main part showing the analysis result of the temperature distribution of the fuel cell system according to the comparative example, and FIG. 4 (b) is a main point showing the analysis result of the temperature distribution of the fuel cell system according to the embodiment. FIG. 4 (a) and 4 (b) are analysis results after 10 seconds from the discharge of air. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line E-E of FIG. 4 (b), where (a) is an analysis result of flow velocity distribution, and (b) is an analysis result of pressure distribution It is sectional drawing shown. FIG. 6 is a graph showing the freezing point breakthrough time of the fuel cell system according to the example and the fuel cell system according to the comparative example.

なお、気液分離器7および水素ガス排出管14bは、それぞれPPS樹脂、ナイロン系樹脂であり、エア排出管12はEPDMゴムを想定した物性値を設定した。解析条件としては、外気温が−30℃で、熱伝導率は5W/m−K(無風状態)とした。この状態で、エアの流量を1400NL/min(一定)とし、温度を60℃(一定)とした。気液分離器7に流れるクーラント(FCC)を12L/min(一定)とし、温度を62℃(一定)とした。 In addition, the gas-liquid separator 7 and the hydrogen gas discharge pipe 14b are respectively PPS resin and nylon resin, and the air discharge pipe 12 set the physical property value supposing EPDM rubber. As analysis conditions, the outside temperature was -30 ° C., and the thermal conductivity was 5 W / m 2 -K (no wind). In this state, the flow rate of air was set to 1400 NL / min (constant), and the temperature was set to 60 ° C. (constant). The coolant (FCC) flowing to the gas-liquid separator 7 was 12 L / min (constant), and the temperature was 62 ° C. (constant).

図4(a)に示すように、比較例に係る燃料電池システムではエア排出管12と下流側の水素ガス排出管14bとの合流部Aよりも上流側のD部では、水素ガス排出管14bの内部は低温状態であった。一方、案内板20を形成した本実施形態の燃料電池システムの合流部Aよりも上流側のD部では、図4(b)に示すように、案内板20により燃料電池2から排出されたエアが水素ガス排出管14b内に案内され、比較例のものよりも、高い温度状態にあることが分かった。   As shown in FIG. 4A, in the fuel cell system according to the comparative example, the hydrogen gas discharge pipe 14b is located at the D portion on the upstream side of the joining portion A of the air discharge pipe 12 and the hydrogen gas discharge pipe 14b on the downstream side. The inside of was cold. On the other hand, in the portion D on the upstream side of the merging portion A of the fuel cell system of the present embodiment in which the guide plate 20 is formed, the air discharged from the fuel cell 2 by the guide plate 20 as shown in FIG. Was guided into the hydrogen gas discharge pipe 14b and found to be at a higher temperature than that of the comparative example.

また、図6に示すように、比較例では、氷点下突破時間は584秒であったのに対し、実施例では59秒であり、実施例では、案内板20を合流部Aに形成することにより、昇温性が向上することが確認できた。   Further, as shown in FIG. 6, in the comparative example, the subfreezing point time is 584 seconds, whereas in the example, it is 59 seconds, and in the example, the guide plate 20 is formed at the joining portion A. It has been confirmed that the temperature rising property is improved.

さらに、図5(a)、(b)に示すように、実施例では、案内板20の上流側では、案内板20にエアが衝突することにより、エアの圧力が上昇し、その下流側では、エアの剥離流が発生し、エアの圧力が負圧になっていることが分かった。このエアの負圧により、水素ガス排出管14aの生成水の流れが促進されることがわかる。   Furthermore, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), in the embodiment, the air collides with the guide plate 20 on the upstream side of the guide plate 20, and the pressure of the air rises. It was found that the separated flow of air was generated, and the pressure of the air was negative. It can be seen that the negative pressure of the air promotes the flow of generated water in the hydrogen gas discharge pipe 14a.

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。   As mentioned above, although one embodiment of the present invention was explained in full detail, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It is a range which does not deviate from the spirit of the present invention indicated in a claim. It is possible to make design changes.

例えば、前記した実施形態では、燃料電池から排出された水素ガスを含む生成水が流れる水素ガス排出管の途中に気液分離器を備える構成を示したが、気液分離器は必ずしも必要ではなく、水素ガス排出管が直接エア排出管に接続されるように構成してもよい。   For example, in the above-described embodiment, the gas-liquid separator is provided in the middle of the hydrogen gas discharge pipe through which the generated water containing hydrogen gas discharged from the fuel cell flows, but the gas-liquid separator is not necessarily required. The hydrogen gas discharge pipe may be directly connected to the air discharge pipe.

また、エア排出管を流れる一部のエアを、水素ガス排出管に案内する案内板の形状は、前記した実施形態の形状に限られるものでなく、燃料電池から排出されたエアを水素ガス排出管の方向に案内できる形状であれは適宜の形状でよいことは勿論である。さらに、案内板はエア排出管の内壁に突き当たる形状でなく、間隔をあけて形成したものでもよい。   Further, the shape of the guide plate for guiding a part of the air flowing through the air discharge pipe to the hydrogen gas discharge pipe is not limited to the shape of the embodiment described above, and the air discharged from the fuel cell can be discharged from the hydrogen gas Of course, any shape that can be guided in the direction of the tube may be used. Furthermore, the guide plate may not be in a shape that abuts on the inner wall of the air discharge pipe, but may be formed at an interval.

1:燃料電池システム、2:燃料電池、5:エアコンプレッサー、6:水素タンク、7:気液分離器、8:排水弁、10:配管構造、11:エア供給管、12:エア排出管、13:水素ガス供給管、14、14a、14b:水素ガス排出管、20:案内板、21:連通隙間、A:合流部 1: Fuel cell system, 2: Fuel cell, 5: Air compressor, 6: Hydrogen tank, 7: Gas-liquid separator, 8: Drain valve, 10: Piping structure, 11: Air supply pipe, 12: Air exhaust pipe, 13: hydrogen gas supply pipe, 14, 14a, 14b: hydrogen gas discharge pipe, 20: guide plate, 21: communication gap, A: merging portion

Claims (1)

水素ガスと、酸素ガスを含むエアと、が供給される燃料電池を備えた燃料電池システムの配管構造であって、
前記燃料電池から排出されたエアを、前記燃料電池システムの外部に排出するエア排出管と、
前記エア排出管に接続され、前記燃料電池の発電時に生成された生成水が、前記燃料電池から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに流通する水素ガス排出管と、を備え、
前記エア排出管を流れる一部のエアを、前記水素ガス排出管に案内するように、前記生成水と前記排出されたエアが合流する前記エア排出管の内の合流部から、前記水素ガス排出管の内部に延在した案内板が形成されていることを特徴とする燃料電池システムの配管構造。

A piping structure of a fuel cell system provided with a fuel cell to which hydrogen gas and air containing oxygen gas are supplied,
An air discharge pipe for discharging the air discharged from the fuel cell to the outside of the fuel cell system;
A hydrogen gas discharge pipe connected to the air discharge pipe, and generated water generated at the time of power generation of the fuel cell flows along with at least a part of hydrogen gas discharged from the fuel cell;
The hydrogen gas is discharged from a merging portion in the air discharge pipe where the generated water and the discharged air merge so as to guide a part of the air flowing through the air discharge pipe to the hydrogen gas discharge pipe. A piping structure of a fuel cell system characterized in that a guide plate is formed inside the tube.

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