JP2020135944A

JP2020135944A - 燃料電池水タンク、及び燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2020135944A
Application number: JP2019023746A
Authority: JP
Inventors: 剛下道; Takeshi Shimomichi
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】燃料電池水タンクに揺動や傾きが生じる場合にも、カソード排気の入口部及び出口部の貯留水による閉塞を抑制可能な燃料電池水タンク、及び燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】本実施形態に係る燃料電池水タンクは、揺動体に配置可能であり、燃料電池に用いる水を貯留するとともに、燃料電池の酸化剤極から排出されたカソード排気に含まれる水分を回収する燃料電池水タンクであって、水を貯留する貯留部と、燃料電池の酸化剤極と、貯留部内に貯留された水の液面より鉛直上側にある気相空間と連通可能であり、貯留部の鉛直上方から下方に向けてカソード排気を導入する第１通気管と、気相空間と連通し、気相空間内のカソード排気を排気する第２通気管とを備え、第２通気管は、第１通気管の端部の外周との間に所定の間隔を開けて、内側に第１通気管の端部の外周を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池水タンク、及び燃料電池発電システムに関する。

燃料電池発電システムは水素と酸素の結合エネルギを直接電気エネルギに変換するものであり、環境性に優れた発電装置として評価されている。比較的小容量の燃料電池発電システムは、据え付けに便利なように、燃料電池本体及び他の機器や配管等がパッケージに納められたパッケージ型の燃料電池発電システムとして構成されている。このパッケージ型の燃料電池発電システムには、燃料電池の冷却水を貯留するとともに、カソード排気に含まれる水を回収する燃料電池水タンクが設けられている。

ところが、このような燃料電池発電システムを車両や船舶などの揺動体の電源装置として搭載する場合には、搭載する車両や船舶の揺動や傾斜の影響を受けてしまう。

特許第４９０２９１０号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池水タンクに揺動や傾きが生じる場合にも、カソード排気の入口部及び出口部の貯留水による閉塞を抑制可能な燃料電池水タンク、及び燃料電池発電システムを提供することである。

本実施形態に係る燃料電池水タンクは、揺動体に配置可能であり、燃料電池に用いる水を貯留するとともに、前記燃料電池の酸化剤極から排出されたカソード排気に含まれる水分を回収する燃料電池水タンクであって、前記水を貯留する貯留部と、前記燃料電池の酸化剤極と、前記貯留部内に貯留された水の液面より鉛直上側にある気相空間と連通可能であり、前記貯留部の鉛直上方から下方に向けて前記カソード排気を導入する第１通気管と、前記気相空間と連通し、前記気相空間内の前記カソード排気を排気する第２通気管とを備え、前記第２通気管は、前記第１通気管の端部の外周との間に所定の間隔を開けて、内側に前記第１通気管の端部の外周を含む。

本実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池と、揺動体に配置可能であり、前記燃料電池に用いる水を貯留するとともに、前記燃料電池の酸化剤極から排出されたカソード排気に含まれる水を回収する燃料電池水タンクとを備える燃料電池発電システムであって、前記燃料電池水タンクは、前記水を貯留する貯留部と、前記燃料電池の酸化剤極と、前記貯留部内に貯留された水の液面より鉛直上側にある気相空間と連通可能であり、前記貯留部の鉛直上方から下方に向けて前記カソード排気を導入する第１通気管と、前記気相空間と連通し、前記気相空間内のカソード排気を排気する第２通気管とを備え、前記第２通気管は、前記第１通気管の端部の外周との間に所定の間隔を開けて、内側に前記第１通気管の端部の外周を含む。

本発明によれば、燃料電池水タンクに揺動や傾きが生じる場合にも、カソード排気の入口部及び出口部の貯留水による閉塞を抑制できる。

燃料電池発電システムの全体の概略構成図。燃料電池水タンクの断面斜視図。燃料電池水タンクの底面図。定置型の燃料電池水タンクの側面断面。本実施形態に係る燃料電池水タンクの側面断面。第１実施形態の変形例に係る燃料電池水タンクの断面斜視図。第１実施形態の変形例に係る燃料電池水タンクの底面図。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池水タンク、及び燃料電池発電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）
図１は、燃料電池発電システム１の全体の概略構成図である。この図１に示すように、燃料電池発電システム１は、燃料電池の酸化剤極から排出されたカソード排気に含まれる水を回収可能なシステムであり、燃料電池１００と、燃料電池水タンク２００とを備えて構成されている。図１には、更にカソード排気管Ｌ２と、冷却水系流路管Ｌ４と、が図示されている。

燃料電池１００は、水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流通路１００ａと、燃料電池１００を冷却する冷却水流通路１００ｂと、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤極流通路１００ｃとを内部に有する。この燃料電池１００は、燃料極に供給される水素含有ガスと、酸化剤極に供給される酸素含有ガスとを用いて発電する。酸素含有ガスは、例えば空気である。

より具体的には、燃料電池１００は、化学式１で示す反応により発電する。水素含有ガスは、燃料極流通路１００ａの燃料極を流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、酸化剤極流通路１００ｃの酸化剤極を流れ、酸化剤極反応をおこす。燃料電池１００は、これらの電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。

（化学式１）
燃料極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
酸化剤極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

冷却水流通路１００ｂには、冷却水系流路管Ｌ４を介して燃料電池水タンク２００から冷却水が供給され、燃料電池１００を冷却する。この冷却水流通路１００ｂから排出された冷却水は、冷却水系流路管Ｌ４を介して、再び燃料電池水タンク２００に供給される。

本実施形態に係る燃料極流通路１００ａ、冷却水流通路１００ｂ、及び酸化剤極流通路１００ｃは、例えば導電性多孔質材料のセパレータで構成されている。これらのセパレータは、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、冷却水流通路１００ｂを燃料極流通路１００ａ、及び酸化剤極流通路１００ｃ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、セパレータを介して冷却水流通路１００ｂに吸収することが可能である。なお、本実施形態に係る燃料電池１００は、セパレータで構成されているが、これに限定されない。

アノード排気は、燃料電池１００の発電中に燃料極流通路１００ａから排出されるガスである。また、カソード排気は、燃料電池１００の発電中に酸化剤極流通路１００ｃから排出されるガスである。カソード排気には、水分と微量の水素が含まれている。カソード排気は、カソード排気管Ｌ２を介して燃料電池水タンク２００に供給される。そして、カソード排気は燃料電池水タンク２００のカソード排気出口部を通じて排出される。

図２及び図３を参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池水タンク２００の構成を説明する。図２は、燃料電池水タンク２００の断面斜視図である。図３は、燃料電池水タンク２００の底面図である。Ｚ方向が鉛直上方である。また、Ｚ方向に直行するＸＹ平面は水平面に対応する。

燃料電池水タンク２００は、揺動体に搭載可能な燃料タンクであり、貯留部２０２と、第１通気管２０４と、第２通気管２０６とを備えて構成される。揺動体は、例えば船舶や車両である。なお、貯留部２０２、第１通気管２０４、及び第２通気管２０６は一体的に構成してもよい。或いは、貯留部２０２、第１通気管２０４、及び第２通気管２０６のそれぞれを接合して構成してもよい。

貯留部２０２は、燃料電池に用いる貯留水を貯留する。例えば、貯留部２０２は、燃料電池１００（図１）の冷却水流通路１００ｂに供給する冷却水を貯留する。貯留部２０２の上端部２０２ａは円形状であり、第２通気管２０６と連結している。貯留部２０２の底面２０２ｂは例えば水平面に配置されている。底面２０２ｂは円形状である。すなわち、貯留部２０２は、円筒状の形状である。

第１通気管２０４は、燃料電池１００（図１）における酸化剤極流通路１００ｃの酸化剤極と、貯留部２０２内に貯留された水の液面より鉛直上側にある気相空間と連通可能であり、貯留部２０２の鉛直上方から下方に向けてカソード排気を導入する管である。

図３に示すように、第１通気管２０４の端部２０４ａの内周は円形状をしている。また、第１通気管２０４から所定距離に位置する内周部２０４ｂも円形状をしている。このように、気相空間内における第１通気管２０４の端部２０４ａから所定範囲の第１通気管２０４の内周は、端部２０４ａから鉛直上側に向かうに従い短くなる。すなわち、第１通気管２０４の内径は、内周部２０４ｂから端部２０４ａまで下流側に向かうに従い長くなる。また、第１通気管２０４の入口部２０４ｃは、カソード排気管Ｌ２と連結されている。

円形状である底面２０２ｂの中心から鉛直上方に第１通気管２０４の端部２０４ａが配置される。すなわち、貯留部２０２の上端部２０２ａの内周から所定の距離範囲内に第１通気管２０４の端部２０４ａが配置される。例えば、貯留部２０２の上端部２０２ａの内周から等距離の位置に第１通気管２０４の端部２０４ａが配置される。このように、第１通気管２０４は、第２通気管２０６を貫通し、燃料電池水タンク２００の中心位置に端部２０４ａである換気入口を配置する。

図２に示すように、第２通気管２０６は、燃料電池水タンク２００の気相空間と連通し、気相空間内のカソード排気を排気する管である。第２通気管２０６は、貯留部２０２の上端部２０２ａの内周よりも出口部２０６ａの内周が短く構成されている。このように、第２通気管２０６は、貯留部２０２の上端部２０２ａの全周から上方に向かい内径が絞られながら出口部２０６ａまで延設されている。

また、第２通気管２０６の内側と第１通気管２０４の端部２０４ａの外周との間に所定の間隔を開けて、第１通気管２０４と第２通気管２０６とは接合されている。このように、第２通気管２０６は、第１通気管２０４の端部２０４ａの外周との間に所定の間隔を開けて、内側に第１通気管２０４の端部２０４ａの外周を含むように構成されている。

図４は定置型の燃料電池水タンク２００ａの側面断面である。定置型の燃料電池水タンク２００ａは上面の両端部に換気入口３００と換気出口３０２が設けられる。左図は水平面上に定置型の燃料電池水タンク２００ａを配置した例を示し、右図は傾斜面上に定置型の燃料電池水タンク２００ａを配置した例を示している。右図に示すように、定置型として設計された燃料電池水タンク２００ａを船舶や車両の上で運用した場合、冷却水タンク内水面の揺動により換気出口が水没してしまい、換気が阻害される。これにより、換気が阻害されカソード空気の流れが止まる事で電池電圧が低下し、シャットダウンに至る。

図５は本実施形態に係る燃料電池水タンク２００の側面断面である。左図は水平面上に燃料電池水タンク２００を配置した例を示し、右図は傾斜面上に燃料電池水タンク２００を配置した例を示している。上述したように、第２通気管２０６は、第１通気管２０４の端部２０４ａの外周との間に所定の間隔を開けて、内側に第１通気管２０４の端部２０４ａの外周を含むように構成されている。このため、右図に示すように、第１通気管２０４の端部２０４ａが完全に水没しない限り、揺動や傾斜により水面が変動しても換気出口はかならず開放される。また、第１通気管２０４の端部２０４ａは、円形状である底面２０２ｂの中心から鉛直上方に配置されるので、揺動や傾斜により水面が変動しても第１通気管２０４の端部２０４ａが完全に水没ことはないように構成されている。このように、換気出口は、端部２０４ａの外周にあり、端部２０４ａの外周の一部が水没しても必ず反対側は開放されており、換気流路は確保され、閉塞しない。このため、燃料電池１００の発電が維持される。また、貯留部２０２の上端部２０２ａの内周から等距離の位置に第１通気管２０４の端部２０４ａが配置されるので、燃料電池水タンク２００がいずれの方向に傾いても、換気流路は確保される。

さらにまた、第１通気管２０４の内径は、内周部２０４ｂから端部２０４ａまで下流側に向かうに従い長くなる。これにより、第１通気管２０４から導入されるカソード排気は、液面に沿って排気され、掃気の効率を上げる共に、第１通気管２０４が閉塞するのを抑制する。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２通気管２０６は、１通気管２０４の端部２０４ａの外周との間に所定の間隔を開けて、内側に１通気管２０４の端部２０４ａの外周を含むように構成することとした。これにより、燃料電池水タンク２００の揺動や傾斜により水面が変動しても換気出口は開放された状態を維持されるので、カソード排気の連続的な排出が維持可能となる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例に係る燃料電池水タンク２００は、貯留部２０２が方筒型であることで第１実施形態に係る燃料電池水タンク２００と相違する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池水タンク２００と相違する点に関して説明する。

図６は、第１実施形態の変形例に係る燃料電池水タンク２００の断面斜視図である。Ｚ方向が鉛直上方である。また、Ｚ方向に直行するＸＹ平面は水平面に対応する。
図７は、第１実施形態の変形例に係る燃料電池水タンク２００の底面図である。

図６及び図７に示すように、貯留部２０２の底面２０２ｂは方形で構成されている。すなわち、貯留部２０２は方筒型である。四角形である底面２０２ｂの対角線の交差点から鉛直上方に第１通気管２０４の端部２０４ａが配置される。

以上説明したように、本実施形態によれば、貯留部２０２を方筒型とすることとした。これにより、燃料電池水タンク２００の配置スペースに制約がある場合にも、配置が可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池発電システム、１００：燃料電池、２００：燃料電池水タンク、２０２：貯留部、２０２ａ：貯留部の上端部、２０２ｂ：底面、２０４：第１通気管、２０４ａ：第１通気管の端部、２０４ｃ：入口部、２０６：第２通気管、２０６ａ：出口部。

Claims

揺動体に配置可能であり、燃料電池に用いる水を貯留するとともに、前記燃料電池の酸化剤極から排出されたカソード排気に含まれる水分を回収する燃料電池水タンクであって、
前記水を貯留する貯留部と、
前記燃料電池の酸化剤極と、前記貯留部内に貯留された水の液面より鉛直上側にある気相空間と連通可能であり、前記貯留部の鉛直上方から下方に向けて前記カソード排気を導入する第１通気管と、
前記気相空間と連通し、前記気相空間内の前記カソード排気を排気する第２通気管とを備え、
前記第２通気管は、前記第１通気管の端部の外周との間に所定の間隔を開けて、内側に前記第１通気管の端部の外周を含む、燃料電池水タンク。
前記第２通気管は、前記貯留部の上端部の内周よりも前記カソード排気を排気する出口部の内周が短い、請求項１に記載の燃料電池水タンク。
前記気相空間内における前記第１通気管の端部から所定範囲の前記第１通気管の内周は、鉛直上側から前記端部に向かうに従い長くなる、請求項１又は２に記載の燃料電池水タンク。
前記貯留部の上端部の内周から所定の距離範囲内に前記第１通気管の端部が配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池水タンク。
前記貯留部は円筒状の形状であり、円形である底面の中心から鉛直上方に前記第１通気管の端部が配置される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池水タンク。
前記貯留部は方筒状の形状であり、四角形である底面の対角線の交差点から鉛直上方に前記第１通気管の端部が配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池水タンク。
燃料電池と、
揺動体に配置可能であり、前記燃料電池に用いる水を貯留するとともに、前記燃料電池の酸化剤極から排出されたカソード排気に含まれる水を回収する燃料電池水タンクとを備える燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池水タンクは、
前記水を貯留する貯留部と、
前記燃料電池の酸化剤極と、前記貯留部内に貯留された水の液面より鉛直上側にある気相空間と連通可能であり、前記貯留部の鉛直上方から下方に向けて前記カソード排気を導入する第１通気管と、
前記気相空間と連通し、前記気相空間内のカソード排気を排気する第２通気管とを備え、
前記第２通気管は、前記第１通気管の端部の外周との間に所定の間隔を開けて、内側に前記第１通気管の端部の外周を含む、燃料電池発電システム。