JP2021072172A - 燃料電池システム - Google Patents

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）。

特開２０１９−１４００１５号公報

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。

本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。 フィルタ器周辺の断面を示す概略図である。 フィルタ器の外観斜視図である。

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)

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。

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