JP2021072172A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】アノードオフガスに含まれる液水がセル間のガス導入部に滞留しにくい燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタックと、アノードガスとアノードオフガスを混合した混合ガスを燃料電池スタックに供給する混合配管と、混合配管と燃料電池スタックの境界領域に配設され、混合ガスを底部の開口から取り込んで側部のフィルタを通過させることにより異物を除去する円錐形状のフィルタ器とを備え、フィルタ器は、境界領域に配設された状態において、円錐頂点が底部の中心を通る中心軸に対して複数のセルとは反対側に偏位している。【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスをアノードガスに混合して燃料電池スタックに再度供給する燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。
アノードオフガスをアノードガスに混合して燃料電池スタックに再度供給する場合に、アノードオフガスに含まれる液水がセル間のガス導入部に滞留し、出力電圧の低下を招く場合があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、アノードオフガスに含まれる液水がセル間のガス導入部に滞留しにくい燃料電池システムを提供するものである。
本発明の具体的態様における燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタックと、アノードガスとアノードオフガスを混合した混合ガスを燃料電池スタックに供給する混合配管と、混合配管と燃料電池スタックの境界領域に配設され、混合ガスを底部の開口から取り込んで側部のフィルタを通過させることにより異物を除去する円錐形状のフィルタ器とを備え、フィルタ器は、境界領域に配設された状態において、円錐頂点が底部の中心を通る中心軸に対して複数のセルとは反対側に偏位している。このように、円錐頂点がセルとは反対側に偏位していることにより、円錐側面に沿って誘導される液水が円錐頂点からセルとは遠ざかる方向へ吹き飛ばされるので、液水が適度に除去された混合ガスがセルに導かれる。
本発明により、アノードオフガスに含まれる液水がセル間のガス導入部に滞留しにくい燃料電池システムを提供することができる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム100の構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、主に燃料電池スタック10、制御部20、パワーコントロールユニット(以下、「PCU」という)21、DC/DCコンバータ22、カソードガス供給排出系30、およびアノードガス供給排出系50を備える。燃料電池システム100は、外部の二次電池92および負荷93に接続されている。本実施形態の燃料電池システム100は、例えば燃料電池車両に搭載され、制御部20は、燃料電池車両のコンピュータとの間で制御信号を授受する。
燃料電池スタック10は、反応ガスとしてアノードガス(例えば、水素)とカソードガス(例えば、空気)との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック10は、複数のセル11が積層されて構成されている。それぞれのセル11は、電解質膜(図示せず)の両面に電極を配置した膜電極接合体(図示せず)と、膜電極接合体を挟持する1組のセパレータとを有する。
制御部20は、CPU、メモリ、およびインタフェース回路を備えたコンピュータとして構成されている。CPUは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム100による発電の制御を行う。
カソードガス供給排出系30は、主に、カソードガス配管31、カソードガスコンプレッサ32、第1開閉弁33、カソードオフガス配管41、および第1レギュレータ42を備える。カソードガスコンプレッサ32は、カソードガス配管31を介して燃料電池スタック10と接続されている。カソードガスコンプレッサ32は、制御部20からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック10に供給する。第1開閉弁33は、カソードガスコンプレッサ32と燃料電池スタック10との間に設けられている。
カソードオフガス配管41は、燃料電池スタック10から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム100の外部へと排出する。第1レギュレータ42は、制御部20からの制御信号に応じて、燃料電池スタック10のカソードガス出口圧力を調整する。
アノードガス供給排出系50は、主に、アノードガス配管51、アノードガスタンク52、第2開閉弁53、第2レギュレータ54、インジェクタ55、排気排水弁60、アノードオフガス配管61、循環配管63、アノードガスポンプ64、混合配管66、および気液分離器70を備える。アノードガスタンク52は、アノードガス配管51等を介して燃料電池スタック10と接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック10に供給する。
アノードガスタンク52から燃料電池スタック10へ向かって順に、第2開閉弁53、第2レギュレータ54、およびインジェクタ55が互いにアノードガス配管51を介して接続されている。一端でインジェクタ55の下流側に接続されたアノードガス配管51は、他端で混合配管66に接続されている。第2開閉弁53は、制御部20からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム100の停止時には第2開閉弁53は閉じられる。第2レギュレータ54は、制御部20からの制御信号に応じて、インジェクタ55の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ55は、制御部20によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部20は、インジェクタ55の駆動周期や開弁時間を制御することによって、混合配管66へ送り出すアノードガスの量を制御する。
アノードオフガス配管61は、燃料電池スタック10のアノードガス出口と気液分離器70とを接続する配管である。アノードオフガス配管61は、発電反応に用いられることのなかった未反応のアノードガスを含むアノードオフガスを気液分離器70へと誘導する。気液分離器70は、アノードオフガス配管61と循環配管63との間に接続されている。気液分離器70は、アノードオフガスから不純物としての液水を分離する。
排気排水弁60は、気液分離器70の下部に設けられている。排気排水弁60は、気液分離器70で分離された液水の排水と、気液分離器70内の不要なガス(主に窒素ガス)の排気とを行う。燃料電池システム100の運転中は、通常、排気排水弁60は閉じられており、制御部20からの制御信号に応じて開閉する。排気排水弁60の排出配管68は、カソードオフガス配管41に接続されており、排気排水弁60によって排出された液水および不要なガスは、排出配管68およびカソードオフガス配管41を通じて外部へ排出される。
循環配管63は、アノードオフガスを燃料電池スタック10へ向けて循環させる。アノードガスポンプ64は、循環配管63と混合配管66の間に接続され、循環配管63から供給されるアノードオフガスを混合配管66へ送り出す。
混合配管66は、インジェクタ55から供給されるアノードガスと、アノードガスポンプ64から供給されるアノードオフガスとが混合された混合ガスを、燃料電池スタック10へ供給する。このようにアノードオフガスを循環させて再び燃料電池スタック10へ供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
本実施形態においては、混合配管66と燃料電池スタック10の間である境界領域に、フィルタ器57を備えるエンドプレート56を介在させている。フィルタ器57は、主に、混合ガスに混入した異物を取り除く機能を担う。詳細については後述する。
DC/DCコンバータ22は、制御部20の制御に応じて燃料電池スタック10から出力された電圧を昇圧してPCU21に供給する。PCU21は、インバータを内蔵し、制御部20の制御に応じてインバータを介して外部の負荷93に電力を供給する。PCU21は、負荷93に電力を供給しない場合に、あるいは負荷93に電力を供給しながら、燃料電池スタック10によって発電された電力を外部の二次電池92に蓄電する。また、PCU21は、状況に応じて、二次電池92に蓄電された電力を負荷93へ供給する。
図2は、フィルタ器57周辺の断面を示す概略図である。混合配管66を燃料電池スタック10へ向かって流れてきた混合ガスは、流路の折曲部に設けられたガイドリブ58で整流されてエンドプレート56へ導かれる。エンドプレート56は、混合配管66の終端開口と燃料電池スタック10の混合ガス取込口とを流路として接続するマニホールドを有する。マニホールドの内部には、頂点が偏位した円錐形状のフィルタ器57が、その底部である円環開口を混合配管66の終端開口に向けて配設されている。混合ガスは、円環開口からフィルタ器57の内部に取り込まれ、側部を形成するフィルタを通過して燃料電池スタック10へ向かう間に、包含する異物がフィルタによって除去される。
さて、アノードオフガスは、気液分離器70を通過した後であっても、分離しきれなかった多少の液水を含んでいる。混合ガスはアノードオフガスを含むので、当該液水は、燃料電池スタック10の内部へ到達する。もし、フィルタ器57を通過した混合ガスの流れが互いに隣接するセル11間のガス導入部11aに向かっていると、液水はガス導入部11aに滞留してしまい、出力電圧の低下を招く場合がある。そこで、本実施形態においては、図示するように、フィルタ器57の円錐頂点を、フィルタ器57がエンドプレート56に配設された状態において、セル11の配列側とは反対の内壁10a側に若干偏位させている。このような構造により、破線矢印で示すように、偏位した円錐頂点から内壁10aへ向かう混合ガスの流れが形成され、フィルタ器57において円錐側面に沿って誘導される液水も、円錐頂点から内壁10aへ向かって吹き飛ばされる。
そして、燃料電池スタック10内に到達する多くの液水は、燃料電池スタック10の内壁に付着し、内壁に沿って外部へ排出される。一方、液水が適度に除去された混合ガスは、ガス導入部11aに導かれる。このように混合ガスを誘導することにより、ガス導入部11aに液水が滞留して出力電圧が低下することを防ぐことができる。
図3は、フィルタ器57の外観斜視図である。図示するように、フィルタ器57は、底部の円環開口を形成する開口環57aと、側部のフィルタを形成する金属メッシュ57bを備える。開口環57aは不図示の取付部を有し、フィルタ器57は、当該取付部を介してエンドプレート56に取り付けられる。金属メッシュ57bは、想定される異物を通過させない程度の間隙を有する。なお、フィルタは、金属メッシュに限らず、多孔質シート等を採用しても良い。
真円錐形状であれば、底部円環の中心を通る中心軸上に円錐頂点が存在するが、フィルタ器57の頂点部57cは、図示するように、当該中心軸に対して偏位している。そして、フィルタ器57がエンドプレート56に取り付けられると、頂点部57cは、上述のように内壁10a側に寄る。換言すると、フィルタ器57は、頂点部57cが底部円環の中心を通る中心軸に対してセル11とは反対側に偏位するように取り付けられる。なお、本実施形態においては、エンドプレート56を混合配管66と燃料電池スタック10の境界領域に介在させたが、エンドプレート56を介在させずに両者を直接接続する場合には、当該境界領域にフィルタ器57を同様の向きで配設すれば良い。
以上説明した本実施形態においては、燃料電池システム100が制御部20、PCU21、DC/DCコンバータ22およびアノードガスタンク52を備える例を説明した。しかし、これらの一つあるいは複数の要素が外部要素として構成され、燃料電池システム100と接続される態様であっても構わない。逆に、二次電池92等が燃料電池システム100の内部要素として組み込まれた構成であっても構わない。
100 燃料電池システム、10 燃料電池スタック、10a 内壁、11 セル、11a ガス導入部、20 制御部、21 PCU、22 DC/DCコンバータ、30 カソードガス供給排出系、31 カソードガス配管、32 カソードガスコンプレッサ、33 第1開閉弁、41 カソードオフガス配管、42 第1レギュレータ、50 アノードガス供給排出系、51 アノードガス配管、52 アノードガスタンク、53 第2開閉弁、54 第2レギュレータ、55 インジェクタ、56 エンドプレート、57 フィルタ器、58 ガイドリブ、57a 開口環、57b 金属メッシュ、57c 頂点部、60 排気排水弁、61 アノードオフガス配管、63 循環配管、64 アノードガスポンプ、66 混合配管、68 排出配管、70 気液分離器、92 二次電池、93 負荷
Claims (1)
- 複数のセルを有する燃料電池スタックと、
アノードガスとアノードオフガスを混合した混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合配管と、
前記混合配管と前記燃料電池スタックの境界領域に配設され、前記混合ガスを底部の開口から取り込んで側部のフィルタを通過させることにより異物を除去する円錐形状のフィルタ器と
を備え、
前記フィルタ器は、前記境界領域に配設された状態において、円錐頂点が前記底部の中心を通る中心軸に対して前記複数のセルとは反対側に偏位している燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2019196467A JP2021072172A (ja) | 2019-10-29 | 2019-10-29 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2021072172A true JP2021072172A (ja) | 2021-05-06 |
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JP2019196467A Pending JP2021072172A (ja) | 2019-10-29 | 2019-10-29 | 燃料電池システム |
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2019
- 2019-10-29 JP JP2019196467A patent/JP2021072172A/ja active Pending
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