JP2020098677A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
燃料極反応 :H2 → 2H+ + 2e− (1)
酸化剤極反応:2H+ + 2e− + (1/2)O2 → H2O (2)
[1−1.概略構成]
図1は、第1実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は単数の燃料電池本体2を備え、燃料電池本体2に対して水素含有ガス及び酸素含有ガスを供給することにより発電を行う。
以上のような構成を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池本体2で発電を行うことにより生成水が発生する。発生した生成水は重力により燃料電池本体2の下部に集まる。燃料電池本体2の下部には、酸化剤極オフガス流路8が接続されている。そのため、燃料電池本体2の下部に溜まった生成水は、酸化剤極オフガス流路8へ流入する。
以上のような本実施形態の燃料電池システムでは、冷却ポンプ16を稼働させることで、気液分離機構9が閉塞する生成水を除去することが可能となり、燃料電池本体2に空気を供給しやすくなる。このため、酸化剤極オフガス流路8に閉塞する生成水を排出するためブロワを新たに用意する必要や、酸素含有ガスや水素含有ガス供給用のブロワと共用とする必要がない。つまり、水素含有ガスや酸素含有ガスを供給用のブロワは、その用途に応じた定格のものを用いることができる。そのため、ブロワの消費電力を抑えられ燃料電池システムの発電効率が向上する。
[2−1.構成]
本実施形態では、気液分離機構9は、生成水の水位に応じて動く水より比重の軽いフロートと、このフロートの動きに合わせて開閉する弁とを備えるドレントラップ9aを備えるもとした。図3は、第2実施形態に係る気液分離機構9を示す斜視図である。
以上のような燃料電池システムにおいては、冷却ポンプ16を稼働していなくとも酸化剤極オフガス流路8に溜まった生成水がドレントラップ9aに重力により流入する。このため、効率的に生成水をドレントラップ9a内に集めることができる。また、ドレントラップ9aの内部が生成水で満たされた場合には、フロートが浮いて弁が開き、気液分離機構9本体に生成水が流入する。
[3−1.構成]
本実施形態では、冷却流路14の最上部に水タンク15を備え、水タンク15の上部にオーバーフローライン17が接続されるものとした。図4は、第3実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
以上のような構成を備える燃料電池システムでは、冷却流路14に水タンク15があるため、水タンク15にて冷却流路14の凝縮水などの流速が減速する。水タンク15に接続するオーバーフローライン17の位置まで液面が達するように水タンク15内は生成水を含む液体で満たされる。排気ライン18から冷却流路14から回収した気体が放出される。本実施形態では、水タンク15で流速が落ちるため、冷却流路14から回収した気体が放出されやすくなり、気体が噛んで冷却ポンプ16が空回りし冷媒の流量が減少する現象を抑制することができ、必要な冷媒流量をより少ない冷却ポンプ16の消費電力で供給することができ、発電効率の良い燃料電池システム1を提供することができる。
[4−1.構成]
本実施形態の燃料電池システム1では、燃料電池本体2が多孔質のセパレータを備え、冷却ポンプ16が前記燃料電池よりも下流に位置し、冷却ポンプ16が駆動することにより冷却流路14が燃料電池本体2内の圧力より低い圧力となるようにした。図5は、第4実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
以上のような構成を有する燃料電池システムでは、ポーラスセパレータを酸化剤極11と燃料極13に利用することにより、電解質膜の加湿に必要な水をポーラス内部に含むことができる。また、冷却路14aを反応ガスの圧力よりも低い圧力とすることにより、電極反応による生成水をセパレータから吸い上げて冷却路14aに吸収し、ガス下流側でのフラッディングを防止する。例えば、燃料電池本体2内部の冷却路14aにおいて、水のゲージ圧は−15kPaであり大気圧よりも低い圧力である。この時、燃料極13におけるゲージ圧は、+8kPa、酸化剤極11におけるゲージ圧は+2kPa、冷却流路の気液分離機構の排出9の接続部は−40kPaである。
以上のような燃料電池システムでは、ポーラスセパレータを酸化剤極セパレータ52と燃料極セパレータ51に利用することにより、電解質膜を加湿することができる。燃料電池本体2に供給する空気や水素含有ガスを加湿器を追設することなく、燃料電池本体2内で加湿でき、電解質膜の乾燥による劣化を防ぐことができる。
[5−1.構成]
本実施形態の燃料電池システムでは、図6に示すように、気液分離手段のオフガス流路内から水を取り入れる流路に開閉弁9bを備える。さらに、酸化剤極オフガス流路8内が水により閉塞する閉塞条件を予測し、予測した閉塞条件に応じて開閉弁9bの開閉指示を行う。図7に示すように、制御部40は、閉塞条件予測部41と弁開閉指示部42とを設ける。
以上のような構成を有する燃料電池システムでは、気液分離機構9に設けた開閉弁9bを予測した閉塞条件に応じて開閉させる。図8は、弁の開閉の手順を示すフローチャートである。
[6−1.構成]
本実施形態の燃料電池システムでは、反応オフガス流路内が水により閉塞する条件を予測し、予測した閉塞条件に応じて前記冷却ポンプ16の流量の調整を行う。図9に示すように、制御部は、閉塞条件予測部41とポンプ流路指示部43とを設ける。
以上のような構成を有する燃料電池システムでは、酸化剤極オフガス流路8内が水により閉塞する条件を予測し、予測した閉塞条件に応じて冷却ポンプ16の流量の調整を行う。調整を行うことで、気液分離機構9の酸化剤極オフガス流路8の接続箇所と冷却流路の接続箇所の圧力差を変化させる。それにより、過不足なく凝縮水を冷却流路に吸い込むことができる。
2…燃料電池本体
3…水素含有ガス供給装置
4…水素含有ガス供給流路
5…燃料極オフガス流路
6…酸素含有ガス供給装置
7…酸素含有ガス供給流路
8…酸化剤極オフガス流路
9…気液分離機構
9a…ドレントラップ
9b…開閉弁
11…酸化剤極
12…固体高分子電解質膜
13…燃料極
14a…冷却路
14b…冷却ライン
14c…最上部ライン
14d…垂直ライン
14e…下部ライン
14…水流経路
15…水タンク
16…冷却ポンプ
17…オーバーフローライン
18…排気ライン
30…負荷
40…制御装置
50…セル
51…燃料極セパレータ
52…酸化剤極セパレータ
53…燃料極流路
54…酸化剤極流路
56…膜電極複合体
Claims (9)
- 反応ガスが供給されて発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池本体から排出される反応ガスを前記燃料電池本体よりも上方に流す反応オフガス流路と、
前記反応オフガス流路内、且つ前記燃料電池よりも下部に取り入れ口を有し、取り入れた水を気体と分離し、水を排出口より排出する気液分離手段と、
前記燃料電池本体を冷却する冷媒を冷却ポンプにより循環させる冷却流路と、
前記冷却流路内の気体を排出するオーバーフローラインと、
を備え、
前記気液分離手段の前記排出口は、前記ポンプ駆動時に前記取り入れ口よりも低い圧力となることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記オーバーフローラインは前記冷却流路の最上部に設置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却ポンプは、発電開始前または発電中においても駆動することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却流路は、最上部にタンクを備え、
前記タンクの上部に前記オーバーフローラインが接続されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池本体は、多孔質のセパレータを備え、
前記冷却ポンプが前記燃料電池よりも下流に位置し、
前記冷却ポンプが駆動することにより、前記冷却流路が前記燃料電池本体内の圧力より低い圧力となることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記気液分離手段は、
水位に応じて動く水より比重の軽いフロートと、
前記フロートの動きに合わせて開閉する弁と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記気液分離手段は、
前記反応オフガス流路内から水を取り入れる流路に設けられる開閉弁を備え、
前記反応オフガス流路内が水により閉塞する閉塞条件を予測する閉塞条件予測部と、
予測した閉塞条件に応じて前記開閉弁の開閉指示を出力する弁開閉指示部と、
を有する制御部を更に備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記閉塞条件予測部は、
前記燃料電池本体における生成水量、燃料電池本体内部の温度、空気利用率、または水素利用率のうち少なくとも1つを用い、前記反応オフガス流路内が水により閉塞する流路閉塞時間を算出し、
前記弁開閉指示部は、算出した前記流路閉塞時間に応じて前記開閉弁の開閉時間を算出することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。 - 前記反応オフガス流路内が水により閉塞する条件を予測する閉塞条件予測部と、
予測した閉塞条件に応じて前記冷却ポンプの流量の調整を行うポンプ流路指示部と、
を有する制御部を更に備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の燃料電池システム。
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CN116742080A (zh) * | 2023-07-19 | 2023-09-12 | 江苏申氢宸科技有限公司 | 氢燃料电池水分离方法及系统 |
CN116742080B (zh) * | 2023-07-19 | 2024-05-28 | 江苏申氢宸科技有限公司 | 氢燃料电池水分离方法及系统 |
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2018
- 2018-12-17 JP JP2018235223A patent/JP7110079B2/ja active Active
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