JP2021114372A - 燃料電池システム及び車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおいて、白霧の発生や水かかりを抑制し、且つ、燃料ガスを希釈しつつ、系外への排気や排液を可能とする。【解決手段】燃料電池システムにおいて、アノードオフガス流路及びカソードオフガス流路の各々に気液分離器を設け、排気経路と排液経路とを分けたうえで、アノードオフガス中の気体をカソードオフガス中の気体と混合して排気する一方、アノードオフガス中の液体をカソードオフガス中の液体と混合して排液する。アノードオフガス流路に設けられた気液分離器は、制御部によって液位が制御され、排液の際、液位がゼロとなることがない。これにより、気液分離器において、アノードオフガス中の気体が排液側に流出することを抑制できる。このように、排気系統と排液系統とを別々に設けることで、白霧の発生や水かかりを抑制できる。また、排気系統においてアノード排ガスをカソード排ガスと混合することで、燃料ガスを希釈することができる。【選択図】図１
Description
本願は燃料電池システム及び車両を開示する。
燃料電池で発電を行った場合、燃料電池から系外へと水が排出される。燃料電池から系外へと水を排出する場合、白霧の発生が問題となる場合がある。白霧は、例えば、以下の場合に生じ得る。すなわち、アノードオフガス流路に設けられた気液分離器に捕集された水が、カソードオフガス流路に混合されたときに、高温のカソードオフガスによって気化され、当該気化された水が、カソードオフガス流路から系外へと排出される際に、外気温で冷やされることで白い霧状となる。
特許文献１に開示された技術においては、燃料電池から排出されたアノードオフガスを気液分離器で気体と液体とに分離したうえで、当該液体をカソードオフガスに乗せて外気へと排出し、且つ、カソードオフガスが外気に排出されたときに白霧が発生すると判定された場合に、カソードオフガスの流量や流速を制御している。これにより、白霧の発生を抑制することができる。
尚、燃料電池からのオフガスを気液分離器で気体と液体とに分離する技術は、特許文献２及び３にも開示されている。
特許文献１に開示された技術は、アノードオフガス中の水分をカソードオフガスに混合して、燃料電池からの全排水をカソードオフガスで希釈しようとするものである。しかしながら、燃料電池の運転状況によって、カソードオフガスの流量が変動する場合があり、カソードオフガスによって水分を適切に希釈できない虞がある。また、希釈のためにカソードオフガスの流量を増加させた場合、ガスの総体積が増えるため白霧自体は薄くなると考えられるものの、燃費が低下する虞がある。
燃料電池から系外へと水を排出する場合は、上記の白霧の発生を抑制することのほか、燃料電池の周囲への水の飛散（水かかり）を抑制することが好ましい。水かかりは、例えば、燃料電池を車両に搭載した場合に問題となる。すなわち、車両の走行中に燃料電池から水を排出する際、後続車両にできるだけ水がかからないようにする必要がある。特許文献１に開示された技術においては、上述の通り、カソードオフガスとともに水分を系外へと排出しており、カソードオフガスとともに水分が飛散して、水かかりの問題が生じ易い。
さらに、燃料電池のアノードオフガスには上記の水分のほか、燃料ガスが含まれ得る。燃料ガスを系外に排出する場合は、燃料ガスをできるだけ希釈することが好ましい。
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
燃料電池、
前記燃料電池からアノードオフガスが排出される、第１流路、
前記燃料電池からカソードオフガスが排出される、第２流路、
前記第１流路に接続され、前記アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する、アノード気液分離器、
前記第２流路に接続され、前記カソードオフガスをカソード分離ガスとカソード分離液とに分離する、カソード気液分離器、
前記アノード気液分離器から前記アノード分離ガスが排出される、第３流路、
前記アノード気液分離器から前記アノード分離液が排出される、第４流路、
前記カソード気液分離器から前記カソード分離ガスが排出される、第５流路、
前記カソード気液分離器から前記カソード分離液が排出される、第６流路、
前記アノード分離ガスと前記カソード分離ガスとが混合される、前記第３流路と前記第５流路との第１接続部、
混合された前記アノード分離ガスと前記カソード分離ガスとが前記第１接続部から排出される、第７流路、
前記アノード分離液と前記カソード分離液とが混合される、前記第４流路と前記第６流路との第２接続部、
混合された前記アノード分離液と前記カソード分離液とが前記第２接続部から排出される、第８流路、及び
前記アノード気液分離器の液位を制御する、制御部
を備え、
前記アノード分離液が前記アノード気液分離器の下部から排出され、
前記制御部は前記アノード気液分離器から前記アノード分離液が排出される際に前記アノード気液分離器における前記液位がゼロにならないように制御する、
燃料電池システムを開示する。
燃料電池、
前記燃料電池からアノードオフガスが排出される、第１流路、
前記燃料電池からカソードオフガスが排出される、第２流路、
前記第１流路に接続され、前記アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する、アノード気液分離器、
前記第２流路に接続され、前記カソードオフガスをカソード分離ガスとカソード分離液とに分離する、カソード気液分離器、
前記アノード気液分離器から前記アノード分離ガスが排出される、第３流路、
前記アノード気液分離器から前記アノード分離液が排出される、第４流路、
前記カソード気液分離器から前記カソード分離ガスが排出される、第５流路、
前記カソード気液分離器から前記カソード分離液が排出される、第６流路、
前記アノード分離ガスと前記カソード分離ガスとが混合される、前記第３流路と前記第５流路との第１接続部、
混合された前記アノード分離ガスと前記カソード分離ガスとが前記第１接続部から排出される、第７流路、
前記アノード分離液と前記カソード分離液とが混合される、前記第４流路と前記第６流路との第２接続部、
混合された前記アノード分離液と前記カソード分離液とが前記第２接続部から排出される、第８流路、及び
前記アノード気液分離器の液位を制御する、制御部
を備え、
前記アノード分離液が前記アノード気液分離器の下部から排出され、
前記制御部は前記アノード気液分離器から前記アノード分離液が排出される際に前記アノード気液分離器における前記液位がゼロにならないように制御する、
燃料電池システムを開示する。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記アノード気液分離器が液位センサを備えてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガスが水素を含んでもよい。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であってもよい。
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、上記本開示の燃料電池システムを備える車両を開示する。
本開示の車両において、前記燃料電池システムの排液口が車両の幅方向中央にて下向きに設けられていてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、アノードオフガスに含まれるアノード分離ガスが、カソードオフガスに含まれるカソード分離ガスと混合されて系外に排出される一方、アノードオフガスに含まれるアノード分離液が、カソードオフガスに含まれるカソード分離液と混合されて系外に排出される。また、アノード気液分離器の液位を制御することで、アノード分離ガスの排液系統への混入を抑制することができる。このように、本開示の燃料電池システムにおいては、排気系統と排液系統とが別々に設けられることから、上述した白霧や水かかりの問題が発生し難い。また、本開示の燃料電池システムにおいては、アノード分離ガスをカソード分離ガスと混合することで、アノード分離ガス中の燃料ガスを希釈することが可能である。
１．燃料電池システム
図１に燃料電池システム１００の構成を概略的に示す。図１に示されるように、燃料電池システム１００は、
燃料電池１、
燃料電池１からアノードオフガスが排出される、第１流路１１、
燃料電池１からカソードオフガスが排出される、第２流路１２、
第１流路１１に接続され、アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する、アノード気液分離器２１、
第２流路１２に接続され、カソードオフガスをカソード分離ガスとカソード分離液とに分離する、カソード気液分離器２２、
アノード気液分離器２１からアノード分離ガスが排出される、第３流路１３、
アノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される、第４流路１４、
カソード気液分離器２２からカソード分離ガスが排出される、第５流路１５、
カソード気液分離器２２からカソード分離液が排出される、第６流路１６、
アノード分離ガスとカソード分離ガスとが混合される、第３流路１３と第５流路１５との第１接続部３１、
混合されたアノード分離ガスとカソード分離ガスとが第１接続部３１から排出される、第７流路１７、
アノード分離液とカソード分離液とが混合される、第４流路１４と第６流路１６との第２接続部３２、
混合されたアノード分離液とカソード分離液とが第２接続部３２から排出される、第８流路１８、及び、
アノード気液分離器２１の液位を制御する、制御部４０
を備える。
アノード分離液がアノード気液分離器２１の下部から排出される。
制御部４０はアノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される際にアノード気液分離器２１における液位がゼロにならないように制御する。
図１に燃料電池システム１００の構成を概略的に示す。図１に示されるように、燃料電池システム１００は、
燃料電池１、
燃料電池１からアノードオフガスが排出される、第１流路１１、
燃料電池１からカソードオフガスが排出される、第２流路１２、
第１流路１１に接続され、アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する、アノード気液分離器２１、
第２流路１２に接続され、カソードオフガスをカソード分離ガスとカソード分離液とに分離する、カソード気液分離器２２、
アノード気液分離器２１からアノード分離ガスが排出される、第３流路１３、
アノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される、第４流路１４、
カソード気液分離器２２からカソード分離ガスが排出される、第５流路１５、
カソード気液分離器２２からカソード分離液が排出される、第６流路１６、
アノード分離ガスとカソード分離ガスとが混合される、第３流路１３と第５流路１５との第１接続部３１、
混合されたアノード分離ガスとカソード分離ガスとが第１接続部３１から排出される、第７流路１７、
アノード分離液とカソード分離液とが混合される、第４流路１４と第６流路１６との第２接続部３２、
混合されたアノード分離液とカソード分離液とが第２接続部３２から排出される、第８流路１８、及び、
アノード気液分離器２１の液位を制御する、制御部４０
を備える。
アノード分離液がアノード気液分離器２１の下部から排出される。
制御部４０はアノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される際にアノード気液分離器２１における液位がゼロにならないように制御する。
１．１ 燃料電池
燃料電池１はカソードガス及びアノードガスの供給を受けて発電する。カソードガスは空気等の酸素含有ガスであってもよい。一方、アノードガスは水素であってもよいし、水素以外の燃料ガスであってもよい。燃料電池１の具体例としては固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。ＰＥＦＣは運転温度が低く、上記の白霧や水かかりの問題が生じ易いと考えられるところ、本開示の燃料電池システム１００によれば、当該白霧や水かかりを抑制することができる。燃料電池１は燃料電池スタックであってもよい。燃料電池１と後述の流路との接続形態は特に限定されるものではなく、例えば、一般的な配管接続とすればよい。
燃料電池１はカソードガス及びアノードガスの供給を受けて発電する。カソードガスは空気等の酸素含有ガスであってもよい。一方、アノードガスは水素であってもよいし、水素以外の燃料ガスであってもよい。燃料電池１の具体例としては固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。ＰＥＦＣは運転温度が低く、上記の白霧や水かかりの問題が生じ易いと考えられるところ、本開示の燃料電池システム１００によれば、当該白霧や水かかりを抑制することができる。燃料電池１は燃料電池スタックであってもよい。燃料電池１と後述の流路との接続形態は特に限定されるものではなく、例えば、一般的な配管接続とすればよい。
１．２ 第１流路
第１流路１１には燃料電池１からアノードオフガスが排出される。また、第１流路１１はアノード気液分離器２１と接続される。すなわち、第１流路１１は、燃料電池１から排出されたアノードオフガスをアノード気液分離器２１へと誘導するための流路である。例えば、第１流路１１の上流側の一端が燃料電池１のアノードオフガス排出口に接続され、下流側の他端がアノード気液分離器２１に接続されてもよい。アノードオフガスは、例えば、上記した水素を含み得る。本開示の燃料電池システム１００においては、アノードオフガスが水素を含む場合であっても、当該水素を希釈して排気することができる。或いは、アノードオフガスは、水素以外の燃料ガスを含んでいてよい。さらに、水を含んでいてよい。
第１流路１１には燃料電池１からアノードオフガスが排出される。また、第１流路１１はアノード気液分離器２１と接続される。すなわち、第１流路１１は、燃料電池１から排出されたアノードオフガスをアノード気液分離器２１へと誘導するための流路である。例えば、第１流路１１の上流側の一端が燃料電池１のアノードオフガス排出口に接続され、下流側の他端がアノード気液分離器２１に接続されてもよい。アノードオフガスは、例えば、上記した水素を含み得る。本開示の燃料電池システム１００においては、アノードオフガスが水素を含む場合であっても、当該水素を希釈して排気することができる。或いは、アノードオフガスは、水素以外の燃料ガスを含んでいてよい。さらに、水を含んでいてよい。
１．３ 第２流路
第２流路１２には燃料電池１からカソードオフガスが排出される。また、第２流路１２はカソード気液分離器２２と接続される。すなわち、第２流路１２は、燃料電池１から排出されたカソードオフガスをカソード気液分離器２２へと誘導するための流路である。例えば、第２流路１２の上流側の一端が燃料電池１のカソードオフガス排出口に接続され、下流側の他端がカソード気液分離器２２に接続されてもよい。カソードオフガスは、例えば、酸素や水を含み得る。
第２流路１２には燃料電池１からカソードオフガスが排出される。また、第２流路１２はカソード気液分離器２２と接続される。すなわち、第２流路１２は、燃料電池１から排出されたカソードオフガスをカソード気液分離器２２へと誘導するための流路である。例えば、第２流路１２の上流側の一端が燃料電池１のカソードオフガス排出口に接続され、下流側の他端がカソード気液分離器２２に接続されてもよい。カソードオフガスは、例えば、酸素や水を含み得る。
１．４ 第３流路
第３流路１３にはアノード気液分離器２１からアノード分離ガスが排出される。また、アノード分離ガスとカソード分離ガスとを混合するために、第１接続部３１において第３流路１３と第５流路１５とが接続される。すなわち、第３流路１３は、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離ガスをカソード分離ガスの排出流路である第５流路１５へと誘導するための流路である。例えば、第３流路１３の上流側の一端がアノード気液分離器２１に備えられる排気弁２１ｂに接続され、下流側の他端が第１接続部３１に接続されてもよい。アノード分離ガスは、例えば、水素又は水素以外の燃料ガスを含み得る。また、アノード分離ガスは、水を含み得るが、上記のアノードオフガスよりも水分量が低減されており、白霧や水かかりの問題が生じ難い。
第３流路１３にはアノード気液分離器２１からアノード分離ガスが排出される。また、アノード分離ガスとカソード分離ガスとを混合するために、第１接続部３１において第３流路１３と第５流路１５とが接続される。すなわち、第３流路１３は、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離ガスをカソード分離ガスの排出流路である第５流路１５へと誘導するための流路である。例えば、第３流路１３の上流側の一端がアノード気液分離器２１に備えられる排気弁２１ｂに接続され、下流側の他端が第１接続部３１に接続されてもよい。アノード分離ガスは、例えば、水素又は水素以外の燃料ガスを含み得る。また、アノード分離ガスは、水を含み得るが、上記のアノードオフガスよりも水分量が低減されており、白霧や水かかりの問題が生じ難い。
１．５ 第４流路
第４流路１４にはアノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される。また、アノード分離液とカソード分離液とを混合するために、第２接続部３２において第４流路１４と第６流路１６とが接続される。すなわち、第４流路１４は、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離液をカソード分離液の排出流路である第６流路１６へと誘導するための流路である。例えば、第４流路１４の上流側の一端がアノード気液分離器２１に備えられる排液弁２１ａに接続され、下流側の他端が第２接続部３２に接続されてもよい。アノード分離液は、例えば、水を含み得る。尚、燃料電池システム１００においては、後述するように、制御部４０による液位制御によって、アノード分離液とともにアノード分離ガスが第４流路１４に流れ込むことが抑制される。すなわち、本開示の燃料電池システム１００においては、第４流路１４において、実質的にアノード分離液のみが流通する。
第４流路１４にはアノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される。また、アノード分離液とカソード分離液とを混合するために、第２接続部３２において第４流路１４と第６流路１６とが接続される。すなわち、第４流路１４は、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離液をカソード分離液の排出流路である第６流路１６へと誘導するための流路である。例えば、第４流路１４の上流側の一端がアノード気液分離器２１に備えられる排液弁２１ａに接続され、下流側の他端が第２接続部３２に接続されてもよい。アノード分離液は、例えば、水を含み得る。尚、燃料電池システム１００においては、後述するように、制御部４０による液位制御によって、アノード分離液とともにアノード分離ガスが第４流路１４に流れ込むことが抑制される。すなわち、本開示の燃料電池システム１００においては、第４流路１４において、実質的にアノード分離液のみが流通する。
１．６ 第５流路
第５流路１５にはカソード気液分離器２２からカソード分離ガスが排出される。また、上述の通り、アノード分離ガスとカソード分離ガスとを混合するために、第１接続部３１において第３流路１３と第５流路１５とが接続される。これにより、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離ガスをカソード気液分離器２１から排出されたカソード分離ガスで希釈して系外へと排出することができる。例えば、第５流路１５の上流側の一端がカソード気液分離器２２に備えられる排気弁（不図示）に接続され、第５流路１５の下流側の他端に第３流路１３との第１接続部３１があり、第１接続部３１の下流側に第７流路１７が設けられ、第７流路１７の下流側が系外に開放されてもよい。カソード分離ガスは、例えば、酸素を含み得る。また、カソード分離ガスは、水を含み得るが、上記のカソードオフガスよりも水分量が低減されており、白霧や水かかりの問題が生じ難い。
第５流路１５にはカソード気液分離器２２からカソード分離ガスが排出される。また、上述の通り、アノード分離ガスとカソード分離ガスとを混合するために、第１接続部３１において第３流路１３と第５流路１５とが接続される。これにより、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離ガスをカソード気液分離器２１から排出されたカソード分離ガスで希釈して系外へと排出することができる。例えば、第５流路１５の上流側の一端がカソード気液分離器２２に備えられる排気弁（不図示）に接続され、第５流路１５の下流側の他端に第３流路１３との第１接続部３１があり、第１接続部３１の下流側に第７流路１７が設けられ、第７流路１７の下流側が系外に開放されてもよい。カソード分離ガスは、例えば、酸素を含み得る。また、カソード分離ガスは、水を含み得るが、上記のカソードオフガスよりも水分量が低減されており、白霧や水かかりの問題が生じ難い。
１．７ 第６流路
第６流路１６にはカソード気液分離器２２からカソード分離液が排出される。また、上述の通り、アノード分離液とカソード分離液とを混合するために、第２接続部３２において第４流路１４と第６流路１６とが接続される。これにより、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離液をカソード気液分離器２２から排出されたカソード分離液とともに系外へと排出することができる。例えば、第６流路１６の上流側の一端がカソード気液分離器２２に備えられる排液弁（不図示）に接続され、第６流路１６の下流側の他端に第４流路１４との第２接続部３２があり、第２接続部３２の下流側に第８流路１８が設けられ、第８流路１８の下流側が系外に開放されてもよい。カソード分離液は、例えば、水を含み得る。また、カソード分離液には、酸素等のガスが混入していてもよい。
第６流路１６にはカソード気液分離器２２からカソード分離液が排出される。また、上述の通り、アノード分離液とカソード分離液とを混合するために、第２接続部３２において第４流路１４と第６流路１６とが接続される。これにより、アノード気液分離器２１から排出されたアノード分離液をカソード気液分離器２２から排出されたカソード分離液とともに系外へと排出することができる。例えば、第６流路１６の上流側の一端がカソード気液分離器２２に備えられる排液弁（不図示）に接続され、第６流路１６の下流側の他端に第４流路１４との第２接続部３２があり、第２接続部３２の下流側に第８流路１８が設けられ、第８流路１８の下流側が系外に開放されてもよい。カソード分離液は、例えば、水を含み得る。また、カソード分離液には、酸素等のガスが混入していてもよい。
１．８ 第７流路及び第８流路
上述の通り、第１接続部３１の下流側に第７流路１７が設けられ、第２接続部３２の下流側に第８流路１８が設けられる。第７流路１７には、混合されたアノード分離ガスとカソード分離ガスとが第１接続部３１から排出される。また、第８流路１８には、混合されたアノード分離液とカソード分離液とが第２接続部３２から排出される。
上述の通り、第１接続部３１の下流側に第７流路１７が設けられ、第２接続部３２の下流側に第８流路１８が設けられる。第７流路１７には、混合されたアノード分離ガスとカソード分離ガスとが第１接続部３１から排出される。また、第８流路１８には、混合されたアノード分離液とカソード分離液とが第２接続部３２から排出される。
１．９ 第１接続部及び第２接続部
第１接続部３１や第２接続部３２における各流路の接続形態は特に限定されるものではなく、例えば、一般的な配管接続を採用し得る。
第１接続部３１や第２接続部３２における各流路の接続形態は特に限定されるものではなく、例えば、一般的な配管接続を採用し得る。
１．１０ アノード気液分離器
アノード気液分離器２１は、第１流路１１に接続され、アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する。また、アノード気液分離器２１は、その下部からアノード分離液を排出する。
アノード気液分離器２１は、第１流路１１に接続され、アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する。また、アノード気液分離器２１は、その下部からアノード分離液を排出する。
本願において、アノード気液分離器２１の「下部」の位置は、アノード気液分離器２１において液位がゼロとなる位置と実質的に同じである。すなわち、アノード気液分離器２１の内部の液位がゼロ超の場合、アノード気液分離器２１の少なくとも下部がアノード分離液によって満たされる。言い換えれば、アノード気液分離器２１の内部の液位がゼロ超である限り、アノード気液分離器２１と第４流路１４との間で、アノード分離液が障壁として機能し、アノード分離ガスが第４流路１４へと流れ込み難い。
図１に示すように、アノード気液分離器２１は、下部に排液口を有し、当該排液口が排液弁２１ａによって開閉可能とされてもよい。また、アノード気液分離器２１は、下部以外の部分に排気口を有し、当該排気口が排気弁２１ｂによって開閉可能とされてもよい。アノード気液分離器２１における排液弁２１ａの位置は、上述した通りアノード気液分離器２１の下部である。一方、アノード気液分離器２１における排気弁２１ｂの具体的な位置は特に限定されるものではなく、下部に設けられた排液弁２１ａよりも上方にあればよい。アノード気液分離器２１の内部の空間を上半分と下半分とに分けて考えた場合、当該上半分の空間に排気弁２１ｂが設けられ、下半分の下部に排液弁２１ａが設けられてもよい。アノード気液分離器２１においては、例えば、特許文献２に開示された気液分離器と同じような構造を採用してもよい。尚、アノード分離ガス中の水素を循環させて再利用するために、アノード気液分離器２１が水素排出経路を別途備え、当該水素排出経路の下流がイジェクタ５０に接続されてもよい。
１．１１ カソード気液分離器
カソード気液分離器２２は気体と液体とを分離できる限り、その形態は特に限定されるものではない。カソード気液分離器２２として公知の気液分離器をいずれも採用可能である。ただし、カソード気液分離器２２において、第５流路１５にカソード分離ガスが混入することを抑制する観点からは、カソード気液分離器２２として、アノード気液分離器２１と同様の構成を備えるものを採用してもよい。また、カソード気液分離器２２において制御部４０によって液位の制御を行ってもよい。
カソード気液分離器２２は気体と液体とを分離できる限り、その形態は特に限定されるものではない。カソード気液分離器２２として公知の気液分離器をいずれも採用可能である。ただし、カソード気液分離器２２において、第５流路１５にカソード分離ガスが混入することを抑制する観点からは、カソード気液分離器２２として、アノード気液分離器２１と同様の構成を備えるものを採用してもよい。また、カソード気液分離器２２において制御部４０によって液位の制御を行ってもよい。
１．１２ 制御部
制御部４０はアノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される際にアノード気液分離器２１における液位がゼロにならないように制御する。制御部４０は一般的な制御手段と同様に構成すればよい。すなわち、制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え得る。
制御部４０はアノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される際にアノード気液分離器２１における液位がゼロにならないように制御する。制御部４０は一般的な制御手段と同様に構成すればよい。すなわち、制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え得る。
上述したように、アノード気液分離器２１の排液の際、アノード気液分離器２１の内部の液位をゼロ超に維持することで、アノード気液分離器２１と第４流路１４との間が、アノード分離液によって閉塞される。これにより、アノード分離ガスが第４流路１４へと流れ込むことを抑制することができ、アノード側の排気系統と排液系統とをより明確に分けることができる。
制御部４０による具体的な制御動作は特に限定されるものではない。例えば、アノード気液分離器２１が液位センサを備えてもよく、アノード気液分離器２１の排液弁２１ａを開いて排液を行う際に、アノード気液分離器２１の液位の変位を液位センサでモニタリングし、液位センサにより取得された当該液位の情報を制御部４０へと伝達させてもよい。この場合、制御部４０は、液位センサによって取得された液位が閾値以上であるか否かを判断し、液位が閾値を上回っている場合は、排液弁２１ａを開いた状態に維持して、第４流路１４への排液を継続するようにし、一方で、液位センサによって取得された液位が閾値を下回った場合は、排液弁２１ａを閉じて、アノード分離液の排液を停止するようにしてよい。これにより、アノード気液分離器２１からアノード分離液が排出される際、アノード気液分離器２１における液位をゼロ超に維持することができる。或いは、液位センサを使用せずに、アノード気液分離器２１の液位を間接的に制御することもあり得る。
１．１３ その他の構成
燃料電池システム１００は、上記の構成に加えて、例えば、以下に説明するような構成を備えていてもよい。
燃料電池システム１００は、上記の構成に加えて、例えば、以下に説明するような構成を備えていてもよい。
１．１３．１ アノードガス供給流路
上述の通り、燃料電池１はアノードガスの供給を受けて発電するものである。すなわち、図１及び２に示されるように、燃料電池システム１００は、外部から燃料電池１へとアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路１９を備えていてもよい。アノードガス供給流路１９は、例えば、上流側の一端がアノードガス源に接続され、下流側の他端が燃料電池１のアノードガス供給口に接続されてもよい。アノードガス源の形態は特に限定されない。燃料ガスを含むタンクや、燃料ガスを吸蔵した合金等を採用可能である。アノードガス供給流路１９の形態は従来と同様でよい。尚、図１及び２に示されるように、アノードガス供給流路１９は、例えば、インジェクタ５０や循環ポンプ等の種々の装置を備えていてもよい。
上述の通り、燃料電池１はアノードガスの供給を受けて発電するものである。すなわち、図１及び２に示されるように、燃料電池システム１００は、外部から燃料電池１へとアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路１９を備えていてもよい。アノードガス供給流路１９は、例えば、上流側の一端がアノードガス源に接続され、下流側の他端が燃料電池１のアノードガス供給口に接続されてもよい。アノードガス源の形態は特に限定されない。燃料ガスを含むタンクや、燃料ガスを吸蔵した合金等を採用可能である。アノードガス供給流路１９の形態は従来と同様でよい。尚、図１及び２に示されるように、アノードガス供給流路１９は、例えば、インジェクタ５０や循環ポンプ等の種々の装置を備えていてもよい。
１．１３．２ カソードガス供給流路
上述の通り、燃料電池１はカソードガスの供給を受けて発電するものである。すなわち、図１及び２に示されるように、燃料電池システム１００は、外部から燃料電池１へとカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路２０を備えていてもよい。カソードガス供給流路２０は、例えば、上流側の一端がカソードガス源に接続され、下流側の他端が燃料電池１のカソードガス供給口に接続されてもよい。カソードガス源の形態は特に限定されない。カソードガスとして空気を利用する場合は、カソードガス供給流路２０の上流側の一端が大気に開放されていてもよい。
上述の通り、燃料電池１はカソードガスの供給を受けて発電するものである。すなわち、図１及び２に示されるように、燃料電池システム１００は、外部から燃料電池１へとカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路２０を備えていてもよい。カソードガス供給流路２０は、例えば、上流側の一端がカソードガス源に接続され、下流側の他端が燃料電池１のカソードガス供給口に接続されてもよい。カソードガス源の形態は特に限定されない。カソードガスとして空気を利用する場合は、カソードガス供給流路２０の上流側の一端が大気に開放されていてもよい。
１．１３．３ バイパス流路
図２に示されるように、燃料電池システム１００は、カソードガス供給流路２０から分岐してカソードオフガス排出流路（第５流路１５）に接続されたバイパス流路２０ａを備えてもよい。バイパス流路２０ａは、例えば、流路２０のカソードガスの流量や圧力が過剰となった場合に、過剰分のカソードガスを流路２０から第５流路１５へと排出する流路として機能し得る。また、バイパス流路２０ａは、後述するコンプレッサ６０がターボ型コンプレッサ（例えば、遠心式コンプレッサ）であった場合に、当該ターボ型コンプレッサのサージングを回避するための流路としても機能し得る。すなわち、燃料電池１に必要なカソードガス流量がターボ型コンプレッサの下限流量を下回る場合に、バイパス流路２０ａを利用してターボ形コンプレッサのカソードガス流量を下限流量以上に維持してサージングを回避しつつ、バイパス流路２０ａにカソードガスの一部を分流させることで、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を調整することができる。さらに、バイパス流路２０ａは、何らかの理由で燃料電池１へのカソードガスの供給を絞りたい又は遮断したい場合に、当該カソードガスを排出するための流路としても機能し得る。図２に示されるように、燃料電池１００においては、バイパス流路２０ａにおけるカソードガスの流量が流量調整弁８１によって調整されてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００は、カソードガス供給流路２０から分岐してカソードオフガス排出流路（第５流路１５）に接続されたバイパス流路２０ａを備えてもよい。バイパス流路２０ａは、例えば、流路２０のカソードガスの流量や圧力が過剰となった場合に、過剰分のカソードガスを流路２０から第５流路１５へと排出する流路として機能し得る。また、バイパス流路２０ａは、後述するコンプレッサ６０がターボ型コンプレッサ（例えば、遠心式コンプレッサ）であった場合に、当該ターボ型コンプレッサのサージングを回避するための流路としても機能し得る。すなわち、燃料電池１に必要なカソードガス流量がターボ型コンプレッサの下限流量を下回る場合に、バイパス流路２０ａを利用してターボ形コンプレッサのカソードガス流量を下限流量以上に維持してサージングを回避しつつ、バイパス流路２０ａにカソードガスの一部を分流させることで、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を調整することができる。さらに、バイパス流路２０ａは、何らかの理由で燃料電池１へのカソードガスの供給を絞りたい又は遮断したい場合に、当該カソードガスを排出するための流路としても機能し得る。図２に示されるように、燃料電池１００においては、バイパス流路２０ａにおけるカソードガスの流量が流量調整弁８１によって調整されてもよい。
１．１３．４ コンプレッサ
図２に示されるように、カソードガス供給流路２０にはコンプレッサ６０が設けられてもよい。コンプレッサ６０はバイパス流路２０ａよりも上流側に配置されてもよい。コンプレッサ６０は燃料電池１へと供給されるカソードガスの圧力を高める機能を有する。コンプレッサ６０の種類は特に限定されるものではない。コンプレッサ６０は、例えば、ターボ型であってもよいし、スクロール式であってもよいし、ヘリカルルーツ式であってもよい。また、エキスパンダ付きのコンプレッサ６０を採用し、当該エキスパンダ付きコンプレッサ６０を第５流路１５に接続してもよい。上記の通り、本開示の燃料電池システム１００においては、カソードオフガスを気液分離することで、第５流路１５における水分量が低減されていることから、エキスパンダへの液水の混入を抑制することができる。
図２に示されるように、カソードガス供給流路２０にはコンプレッサ６０が設けられてもよい。コンプレッサ６０はバイパス流路２０ａよりも上流側に配置されてもよい。コンプレッサ６０は燃料電池１へと供給されるカソードガスの圧力を高める機能を有する。コンプレッサ６０の種類は特に限定されるものではない。コンプレッサ６０は、例えば、ターボ型であってもよいし、スクロール式であってもよいし、ヘリカルルーツ式であってもよい。また、エキスパンダ付きのコンプレッサ６０を採用し、当該エキスパンダ付きコンプレッサ６０を第５流路１５に接続してもよい。上記の通り、本開示の燃料電池システム１００においては、カソードオフガスを気液分離することで、第５流路１５における水分量が低減されていることから、エキスパンダへの液水の混入を抑制することができる。
１．１３．５ 冷却液流路及び熱交換器
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、燃料電池１と熱交換器６１との間で冷却液を循環させる冷却液流路５１、５２が設けられてもよい。冷却液流路５１、５２や熱交換器６１は従来と同様のものを採用すればよい。例えば、熱交換器６１としてラジエータ、インタークーラ、オイルクーラ又はこれらの組み合わせを用いてもよい。車両への搭載を考える場合、少なくともラジエータを含む熱交換器６１としてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、燃料電池１と熱交換器６１との間で冷却液を循環させる冷却液流路５１、５２が設けられてもよい。冷却液流路５１、５２や熱交換器６１は従来と同様のものを採用すればよい。例えば、熱交換器６１としてラジエータ、インタークーラ、オイルクーラ又はこれらの組み合わせを用いてもよい。車両への搭載を考える場合、少なくともラジエータを含む熱交換器６１としてもよい。
１．１３．６ インタークーラ
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、コンプレッサ６０の下流側にインタークーラ６２が設けられてもよい。すなわち、コンプレッサ６０による昇圧によって温度が上昇したカソードガスが、所定の圧力を維持しつつ、インタークーラ６２によって冷却されてもよい。インタークーラ６２は、例えば、上述の冷却液流路５１、５２に接続されてもよい。すなわち、冷却液流路５１、５２を循環する冷却液の一部を、流路５３を介してインタークーラ６２へと分流させることで、インタークーラ６２において必要な冷却性能を容易に確保できる。インタークーラ６２へと供給された冷却液は、流路５４を介して冷却液流路５２へと戻されてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、コンプレッサ６０の下流側にインタークーラ６２が設けられてもよい。すなわち、コンプレッサ６０による昇圧によって温度が上昇したカソードガスが、所定の圧力を維持しつつ、インタークーラ６２によって冷却されてもよい。インタークーラ６２は、例えば、上述の冷却液流路５１、５２に接続されてもよい。すなわち、冷却液流路５１、５２を循環する冷却液の一部を、流路５３を介してインタークーラ６２へと分流させることで、インタークーラ６２において必要な冷却性能を容易に確保できる。インタークーラ６２へと供給された冷却液は、流路５４を介して冷却液流路５２へと戻されてもよい。
１．１３．７ 加湿器
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、カソードガス供給流路２０に加湿器７０が設けられてもよい。加湿器７０は燃料電池１とバイパス流路２０ａとの間に配置されてもよい。また、図２に示されるように、加湿器７０はカソードガス供給流路２０とカソードオフガス排出流路（第５流路１５）との双方に接続されていてもよい。具体的には、加湿器７０は、燃料電池１から第５流路１５に排出されたカソードオフガス中の水分を利用して燃料電池１の内部を加湿するものであってよい。言い換えれば、燃料電池システム１００において、燃料電池１とカソードガス供給流路２０と第５流路１５と加湿器７０とを介して水分を循環させるようにしてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００においては、カソードガス供給流路２０に加湿器７０が設けられてもよい。加湿器７０は燃料電池１とバイパス流路２０ａとの間に配置されてもよい。また、図２に示されるように、加湿器７０はカソードガス供給流路２０とカソードオフガス排出流路（第５流路１５）との双方に接続されていてもよい。具体的には、加湿器７０は、燃料電池１から第５流路１５に排出されたカソードオフガス中の水分を利用して燃料電池１の内部を加湿するものであってよい。言い換えれば、燃料電池システム１００において、燃料電池１とカソードガス供給流路２０と第５流路１５と加湿器７０とを介して水分を循環させるようにしてもよい。
１．１３．８ 弁
各流路には上記した以外の弁を備えてもよい。例えば、図２に示されるように、第５流路１５は、バイパス流路２０ａよりも上流側（燃料電池１とバイパス流路２０ａとの間）において、弁８２を備えてもよい。弁８２の開度を調整することで、カソードガスの流量や圧力を調整することができる。例えば、燃料電池１の内部の圧力が低下した場合、弁８２の開度を小さくするとともに、コンプレッサ６０によってカソードガス供給流路２０内の圧力を上昇させてもよい。
各流路には上記した以外の弁を備えてもよい。例えば、図２に示されるように、第５流路１５は、バイパス流路２０ａよりも上流側（燃料電池１とバイパス流路２０ａとの間）において、弁８２を備えてもよい。弁８２の開度を調整することで、カソードガスの流量や圧力を調整することができる。例えば、燃料電池１の内部の圧力が低下した場合、弁８２の開度を小さくするとともに、コンプレッサ６０によってカソードガス供給流路２０内の圧力を上昇させてもよい。
図２に示されるように、カソードガス供給流路２０は、バイパス流路２０ａよりも下流側（燃料電池１とバイパス流路２０ａとの間）において、弁８３を備えてもよい。弁８３の開度を調整することで、カソードガスの流量や圧力を調整することができる。例えば、燃料電池１に供給されるカソードガス流量が必要量よりも過剰である場合、弁８３の開度を小さくするとともに、流量調整弁８１の開度を大きくすることで、コンプレッサ６０のカソードガス流量を変化させることなく、燃料電池１に供給されるカソードガス流量を低下させてもよい。
図２に示されるように、燃料電池システム１００において加湿器７０が設けられる場合カソードガス供給流路２０は加湿器７０を迂回する流路を備えてもよく、当該迂回流路に弁８４が備えられてもよい。また、この場合、図２に示されるように、上記弁８３が加湿器７０よりも上流側（迂回流路と加湿器７０との間）に設けられてもよい。すなわち、図２に示されるように、加湿器７０によって燃料電池１の内部を加湿する場合は弁８３の開度を大きくする一方で弁８４の開度を小さくしてもよく、加湿器７０による加湿が不要である場合は弁８３の開度を小さくする一方で弁８４の開度を大きくしてもよい。
尚、燃料電池システム１００においては、上述の制御部４０によって弁８１〜８４の開閉制御を行ってもよい。すなわち、制御部４０は、少なくとも、アノード気液分離器２１の排液の際にアノード気液分離器２１における液位を制御するものであればよく、これに加えて、各流路におけるガス流量や燃料電池１の湿度を制御するものであってもよいし、これ以外の制御をさらに行うものであってもよい。
１．１３．９ その他
燃料電池システム１００は図示していないその他の構成を備え得る。燃料電池システム１００は、例えば、コンプレッサ６０へとカソードガスを流し込む前に、カソードガスに含まれる塵やゴミを除去するためのクリーナを備えてもよい。また、言うまでもないが、燃料電池１から外部へと延びる配線等を備えてもよい。これらも従来と同様の構成とすればよい。
燃料電池システム１００は図示していないその他の構成を備え得る。燃料電池システム１００は、例えば、コンプレッサ６０へとカソードガスを流し込む前に、カソードガスに含まれる塵やゴミを除去するためのクリーナを備えてもよい。また、言うまでもないが、燃料電池１から外部へと延びる配線等を備えてもよい。これらも従来と同様の構成とすればよい。
尚、図２に示された各構成は、本開示の燃料電池システムが備え得る構成の一例である。本開示の燃料電池システムは、図１に示された基本構成を備えつつ、図２に示された各構成の一部を省略して備えていてもよいし、図２に示された各構成以外の構成を備えていてもよい。
２．車両
本開示の技術は車両としての側面も有する。図３Ａ及びＢに示されるように、本開示の車両２００は、燃料電池システム１００を備える。
本開示の技術は車両としての側面も有する。図３Ａ及びＢに示されるように、本開示の車両２００は、燃料電池システム１００を備える。
車両における燃料電池システム１００の搭載位置は特に限定されるものではない。例えば、図３Ａに示されるように車両２００の前方部分に燃料電池システム１００を搭載してもよい。或いは、車両２００の前後方向中央部分や車両の後方に燃料電池システムを搭載してもよい。また、車両２００において、燃料電池システム１００から排出される排液の出口の位置も特に限定されるものではない。特に、図３Ｂに示されるように、燃料電池システム１００の排液口１０１が車両２００の幅方向中央にて下向きに設けられる場合に、車両走行時、燃料電池システム１００からの排液が車輪と接触することを回避でき、排液の飛散を抑えることもでき、さらには、路面の轍掘れ部分に排液が溜まることを抑制することができ、寒冷地において轍掘れ部分における路面の凍結や当該凍結による車両のスリップを抑制することもできる。排液口１０１は、例えば、上述した第８流路１８の下流側の端部に設けられてもよい。
車両２００において、燃料電池システム１００から排出される排ガスの出口の位置も特に限定されるものではない。他車、通行人、乗員等への影響が小さい位置に設ければよい。例えば、車両２００の前後方向中央部分に排ガスの出口を下向きに設けてもよい。排ガスの出口は、例えば、上述した第５流路１５の下流側の端部に設けられてもよい。尚、本開示の燃料電池システム１００においては、排気系統と排液系統とが別々とされることから、排気系統から排出されるガスによる白霧や水かかりの問題が生じ難い。そのため、排ガスの出口を車両の後方部分に配置したとしても、後続車への影響が少ない。
以上の通り、本開示の燃料電池システム１００によれば、アノードオフガスに含まれるガス（アノード分離ガス）を、カソードオフガスに含まれるガス（カソード分離ガス）と混合して系外に排出する一方、アノードオフガスに含まれる液水（アノード分離液）を、カソードオフガスに含まれる液水（カソード分離液）と混合して系外に排出することができる。また、アノード気液分離器２１の液位を制御することで、アノード分離ガスの排液系統への混入を抑制することができる。このように、本開示の燃料電池システム１００においては、排気系統と排液系統とが別々に設けられ、排気系統における水分量を低減することができることから、排気系統における排ガスの流量等を制御せずとも、白霧が発生し難い。また、排気系統における水分量が低減されることで、排ガスとともに水が飛散し難く、水かかりの問題が発生し難い。さらに、本開示の燃料電池システム１００においては、アノード分離ガスをカソード分離ガスと混合することで、アノード分離ガス中の燃料ガスを希釈することが可能である。
１ 燃料電池
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１３ 第３流路
１４ 第４流路
１５ 第５流路
１６ 第６流路
１７ 第７流路
１８ 第８流路
１９ アノードガス供給流路
２０ カソードガス供給流路
２０ａ バイパス流路
２１ アノード気液分離器
２１ａ 排液弁
２１ｂ 排気弁
２２ カソード気液分離器
３１ 第１接続部
３２ 第２接続部
４０ 制御部
５０ イジェクタ
５１、５２ 冷却液流路
５３、５４ 冷却液分岐流路
６０ コンプレッサ
６１ 熱交換器
６２ インタークーラ
７０ 加湿器
８１ 流量調整弁
８２、８３、８４ 弁
１００ 燃料電池システム
１０１ 排液口
２００ 車両
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１３ 第３流路
１４ 第４流路
１５ 第５流路
１６ 第６流路
１７ 第７流路
１８ 第８流路
１９ アノードガス供給流路
２０ カソードガス供給流路
２０ａ バイパス流路
２１ アノード気液分離器
２１ａ 排液弁
２１ｂ 排気弁
２２ カソード気液分離器
３１ 第１接続部
３２ 第２接続部
４０ 制御部
５０ イジェクタ
５１、５２ 冷却液流路
５３、５４ 冷却液分岐流路
６０ コンプレッサ
６１ 熱交換器
６２ インタークーラ
７０ 加湿器
８１ 流量調整弁
８２、８３、８４ 弁
１００ 燃料電池システム
１０１ 排液口
２００ 車両
Claims (6)
- 燃料電池、
前記燃料電池からアノードオフガスが排出される、第１流路、
前記燃料電池からカソードオフガスが排出される、第２流路、
前記第１流路に接続され、前記アノードオフガスをアノード分離ガスとアノード分離液とに分離する、アノード気液分離器、
前記第２流路に接続され、前記カソードオフガスをカソード分離ガスとカソード分離液とに分離する、カソード気液分離器、
前記アノード気液分離器から前記アノード分離ガスが排出される、第３流路、
前記アノード気液分離器から前記アノード分離液が排出される、第４流路、
前記カソード気液分離器から前記カソード分離ガスが排出される、第５流路、
前記カソード気液分離器から前記カソード分離液が排出される、第６流路、
前記アノード分離ガスと前記カソード分離ガスとが混合される、前記第３流路と前記第５流路との第１接続部、
混合された前記アノード分離ガスと前記カソード分離ガスとが前記第１接続部から排出される、第７流路、
前記アノード分離液と前記カソード分離液とが混合される、前記第４流路と前記第６流路との第２接続部、
混合された前記アノード分離液と前記カソード分離液とが前記第２接続部から排出される、第８流路、及び
前記アノード気液分離器の液位を制御する、制御部
を備え、
前記アノード分離液が前記アノード気液分離器の下部から排出され、
前記制御部は前記アノード気液分離器から前記アノード分離液が排出される際に前記アノード気液分離器における前記液位がゼロにならないように制御する、
燃料電池システム。 - 前記アノード気液分離器が液位センサを備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記アノードオフガスが水素を含む、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池が固体高分子形燃料電池である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムを備える車両。
- 前記燃料電池システムの排液口が車両の幅方向中央にて下向きに設けられる、
請求項５に記載の車両。
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- 2020-01-16 JP JP2020005248A patent/JP7243645B2/ja active Active
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- 2020-12-11 US US17/119,078 patent/US11424461B2/en active Active
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2021
- 2021-01-07 CN CN202110018349.8A patent/CN113206278A/zh active Pending
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