JP2022115419A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】流路の体格を小さくすることができるとともに、流路を効率良く加熱することができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池へ供給する反応ガスが循環する流路の一部を構成するボディと、少なくとも一部がボディの外面に露出するとともに、少なくとも他の一部がボディに埋設されている電極と、電極の表面からボディの外面に跨る範囲を覆う、薄膜状の発熱部材と、を備える。【選択図】図２

Description

本明細書に開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に燃料電池システムが開示されている。特許文献１のシステムは、燃料電池から排出されるオフガスがから水分を分離するための気液分離器を備えている。そして、気液分離器により分離された水が流通する流路内に、当該流路を加熱するための発熱体が挿入されている。発熱体が発熱することにより、流路内の凍結を抑制することができる。

特開２０１９－１３９９３５号公報

特許文献１のシステムでは、流路内に発熱体を挿入するための空間を要するため、流路を配設するために大きな空間を確保する必要がある。本明細書では、流路の体格を小さくすることができるとともに、流路を効率良く加熱することができる技術を提供する。

本明細書に開示する燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池へ供給する反応ガスが流通する流路の一部を構成するボディと、少なくとも一部が前記ボディの外面に露出するとともに、少なくとも他の一部が前記ボディに埋設されている電極と、露出した前記電極の表面から前記ボディの前記外面に跨る範囲を覆う、薄膜状の発熱部材と、を備える。

上記の燃料電池システムでは、電極を介して発熱部材に通電することにより、ボディの外面を覆う発熱部材を発熱させて流路を加熱する。この電極は、少なくとも一部がボディに埋設されている。さらに、電極を覆う発熱部材が薄膜状に構成されている。このため、流路（すなわち、ボディ）を加熱するための部材を配置する際に省スペース化を図ることができる。したがって、流路の体格が大きくなることが抑制される。

前記電極は、前記流路の中心軸に対して対向する位置に配置された一対の電極により構成されていてもよい。このような構成では、流路の中心近傍の発熱部材を効率良く発熱させることができ、熱を効率良く流路に伝えることができる。

前記発熱部材の表面を覆う絶縁部材をさらに備えていてもよい。このような構成では、発熱部材が他の部材から絶縁されるため、発熱部材が当該他の部材と短絡してしまうことを抑制することができる。また、発熱部材に外部（すなわち、電極以外）から電力が供給されることを防止することができるため、発熱部材の温度を制御し易い。

前記燃料電池システムは、前記燃料電池から排出される燃料オフガスから水分を分離する気液分離器と、前記気液分離器の下流側に配置される排気排水弁と、をさらに備えてもよい。前記ボディは、前記気液分離器と前記排気排水弁とを接続する流路を構成してもよい。

上記の構成では、気液分離器と排気排水弁との間の流路を加熱することができる。気液分離器から排気排水弁までの流路では、凍結が生じ易い。したがって、このような構成では、当該流路において凍結が生じてしまった場合に、効率良く解凍することができる。

前記気液分離器と前記排気排水弁とを接続する前記流路の中心軸と、前記排気排水弁が配置された流路の中心軸とが同一平面内に位置してもよい。

このような構成では、特に凍結が生じ易い各流路の中心軸が同一平面内に位置しているため、電極や発熱部材を簡易に配置することができる。

燃料電池システムの構成を概略的に示す図。 加熱装置の斜視図。 加熱装置の内部構造を示す側面図。 加熱装置の底面図。

（実施例）
以下、図面を参照して実施例の燃料電池システム１００について説明する。図１に示す燃料電池システム１００は、発電を行う燃料電池１０と、燃料ガス系３０と、酸化ガス系５０と、冷却系６０と、制御ユニット７０と、を備えている。燃料ガス系３０は、燃料電池１０への燃料ガスの供給及び燃料電池１０からの燃料ガスの排出を行う。酸化ガス系５０は、燃料電池１０への酸化ガスの供給及び燃料電池１０からの酸化ガスの排出を行う。冷却系６０は、燃料電池１０の冷却を行う。制御ユニット７０は、燃料電池システム１００全体の動作を制御する。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池電気自動車等の車両に搭載される。

燃料電池１０は、例えば、固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル１１が積層されたスタック構造を有している。燃料電池１０は、燃料ガスとしての水素ガス、及び酸化ガスとしての空気が供給されると、電気化学反応による発電を行う。

燃料ガス系３０は、燃料ガスタンク３１、インジェクタ３２、エジェクタ３３、気液分離器３５、循環ポンプ３６、排気排水弁３７、加熱装置８０、及び流路４１、４２、４３、４４を備えている。

燃料ガスタンク３１に貯蔵された燃料ガスは、燃料ガス供給流路４１を介して燃料電池１０のアノードに供給される。インジェクタ３２は、燃料ガスタンク３１から導かれた燃料ガスを下流側に噴射する。エジェクタ３３は、インジェクタ３２から噴射された燃料ガスに負圧を発生させて、後述する流路４３の燃料オフガスを吸い込み、燃料ガスに混合して下流側に吐出する。

燃料電池１０のアノードからの排ガス（以下、燃料オフガスとも称する。）は、燃料オフガス流路４２を介して燃料電池１０から導出される。燃料オフガス流路４２には、気液分離器３５が設けられている。気液分離器３５は、燃料オフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった燃料ガスとを分離する。気液分離器３５には、循環流路４３が連結されている。気液分離器３５によって分離された燃料ガスは、循環ポンプ３６が配設された循環流路４３を介して、エジェクタ３３に導かれる。

また、気液分離器３５には、気液分離器３５に貯留された水を排出するための排出流路４４が接続されており、この排出流路４４には、排気排水弁３７を有する加熱装置８０（後述）が設けられている。排気排水弁３７は、通常時には閉じられており、気液分離器３５の貯水量に応じて開弁されて、貯水が排出流路４４を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。

排気排水弁３７は、燃料オフガスを燃料電池システム１００の外部に排出する弁としても機能する。排気排水弁３７は、通常時には閉じられており、燃料オフガスが燃料電池１０に循環する。一方で、排気排水弁３７は、燃料オフガスに含まれる窒素ガスや水蒸気などの不純物濃度が所定値よりも高くなったときに開弁される。これにより、燃料オフガスが排出流路４４を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。この結果、窒素ガスや水蒸気などの不純物がアノード側から取り除かれ、アノード側の不純物濃度の上昇が抑制される。

酸化ガス系５０は、エアポンプ５１、及び流路５３、５４を備えている。エアポンプ５１によって大気から吸入された空気は、酸化ガス供給流路５３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、酸化オフガスとも称する。）は、酸化オフガス流路５４を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。

冷却系６０は、ラジエータ６１、循環ポンプ６２、及び流路６３、６４を備えている。流路６３、６４は、燃料電池１０とラジエータ６１とに接続されている。流路６３、６４の内部を流れる冷却水は、循環ポンプ６２の圧力によって、燃料電池１０とラジエータ６１の間を循環する。このため、燃料電池１０の電気化学反応に伴って生じる熱は、循環する冷却水によって吸収され、この冷却水によって吸収された熱が、ラジエータ６１によって放熱される。これにより、燃料電池１０の温度が適切な温度に保たれる。

制御ユニット７０は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるコンピュータによって構成されている。制御ユニット７０は、車両からの出力要求や各種センサによる検出状態に基づいて、インジェクタ３２、エジェクタ３３、循環ポンプ３６、排気排水弁３７、エアポンプ５１、循環ポンプ６２、加熱装置８０等に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム１００２の運転動作等を制御する。

次に、図２～図４を参照して、加熱装置８０の構成について説明する。加熱装置８０は、気液分離器３５の下流側の排出流路４４に設けられている。図２に示すように、加熱装置８０は、ボディ８２、電極８４、発熱部材８６、絶縁部材８８、流体導入部１０２（図３参照）、及び流体導出部１０４を有している。

図３は、加熱装置８０の内部構造を模式的に示している。図３の細線が加熱装置８０の外観形状を表しており、太線が加熱装置８０内部に形成された流路を表している。なお、図３では、ボディ８２に設けられた電極８４及び発熱部材８６の位置を破線により示している。図３に示すように、加熱装置８０の内部には、排出流路４４ａ、４４ｃ、排気排水弁３７、排出流路４４ｂが設けられている。排出流路４４ａの上流側が気液分離器３５に接続されており、排出流路４４ｂの下流側が燃料電池システム１００の外部に連通している。すなわち、矢印９０に示すように、気液分離器３５から流体導入部１０２を介して加熱装置８０に流入した水や燃料オフガスは、排出流路４４ａを通過した後、排気排水弁３７が配置された排出流路４４ｃを介して排出流路４４ｂに導かれ、矢印９２に示すように流体導出部１０４から外部に排出される。なお、本実施例では、排気排水弁３７には、ダイヤフラム弁が用いられる。

図３及び図４に示すように、排出流路４４ａの中心軸Ａ１と、排気排水弁３７が配置された排出流路４４ｃの中心軸Ａ２とは、同一平面内（すなわち、ｘｚ平面内）に位置している。

図２～図４に示すように、ボディ８２には、一対の電極８４が設けられている。図２に示すように、電極８４は、ｘ方向に沿ってボディ８２の外面に露出する第１部分８４ａと、ボディ８２のｘ方向端部に位置する面から突出する第２部分８４ｂを有している。また、図３及び図４に示すように、第１部分８４ａと第２部分８４ｂとは、ボディ８２の内部に屈曲して埋設された第３部分８４ｃによって接続されている。また、第１部分８４ａの第３部分８４ｃとは反対側の端部からは、ボディ８２の内部に向かって屈曲して埋設された第４部分８４ｄが伸びている。ボディ８２と電極８４とは、インサート成形によって一体的に形成されている。図４に示すように、一対の電極８４は、排出流路４４ａの中心軸Ａ１に対して対向する位置に配置されている。

電極８４（詳細には第１部分８４ａ）の表面には、薄膜状の発熱部材８６が設けられている。発熱部材８６は、電極８４の表面からボディ８２の外面に跨る範囲を覆っている。具体的には、発熱部材８６は、一方の電極８４が露出するボディ８２の一方の側面から、ボディ８２の底面、及び他方の電極８４が露出するボディ８２の他方の側面に跨る範囲に設けられている。発熱部材８６は、主に炭素と、エラストマーやプラスチック等の樹脂との化合物によって構成されている。発熱部材８６は、電流を流すことにより、発熱するように構成されている。発熱部材８６は、スプレー法や印刷法といった公知の手法により被覆することができる。

図４に示すように、発熱部材８６の表面には、薄膜状の絶縁部材８８が設けられている。絶縁部材８８は、発熱部材８６の表面の略全域を覆っている。すなわち、絶縁部材８８も、発熱部材８６と同様に、ボディ８２の一方の側面からボディ８２の底面、及びボディ８２の他方の側面に跨る範囲に設けられている。絶縁部材８８は、例えば、液晶ポリマーによって構成されている。なお、図４では、ボディ８２の底面（流体導出部１０４が設けられている面）に設けられた発熱部材８６及び絶縁部材８８の図示を省略している。

続いて、加熱装置８０の動作について説明する。本実施例では、電極８４の第２部分８４ｂが車両のバッテリ（不図示）に接続されている。すなわち、第２部分８４ｂは、電極８４に電流を流すための端子として機能する。この加熱装置８０によりボディ８２を加熱する際には、制御ユニット７０が、バッテリから電極８４へ電流を流すことにより、発熱部材８６に通電する。これにより、発熱部材８６が発熱する。図３及び図４に示すように、発熱部材８６は、排出流路４４ａを包囲するようにボディ８２の外面を覆っている。このため、発熱部材８６が発熱することによって、ボディ８２内部に形成された排出流路４４ａを加熱することができる。

上述したように、本実施例では、電極８４を介して発熱部材８６に通電することにより、ボディ８２の外面を覆う発熱部材８６を発熱させて流路を加熱する。この電極８４は、少なくとも一部（すなわち、第３部分８４ｃ及び第４部分８４ｄ）がボディ８２に埋設されている。さらに、電極８４を覆う発熱部材８６が薄膜状に構成されている。このため、ボディ８２（すなわち、排出流路４４ａ）を加熱するための部材を配置する際に省スペース化を図ることができる。したがって、流路全体の体格が大きくなることが抑制される。

また、本実施例では、２つの電極８４は、排出流路４４ａの中心軸Ａ１に対して対向する位置に配置されている。このため、排出流路４４ａの中心近傍の発熱部材８６が効率良く発熱し、熱を効率良く排出流路４４ａに伝えることができる。

また、本実施例では、発熱部材８６の表面の略全域が絶縁部材８８によって覆われている。このため、発熱部材８６が他の部材から絶縁され、発熱部材８６が他の部材と短絡してしまうことを抑制することができる。また、発熱部材８６に外部（すなわち、電極８４以外）から電力が供給されることを防止することができるため、発熱部材８６の温度を容易に制御することができる。

また、本実施例では、排出流路４４ａと排出流路４４ｃの中心軸Ａ１、Ａ２が、同一平面内に位置している。このため、電極８４や発熱部材８６を簡易に配置することができる。

排出流路４４ａが「反応ガスが流通する流路の一部」の一例である。第１部分８４ａが「少なくとも一部」の一例であり、第３部分８４ｃ及び第４部分８４ｄが「少なくとも他の一部」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下に変形例を記載する。

上述した実施例では、気液分離器３５と排気排水弁３７とを接続する流路（排出流路４４ａ）を加熱して凍結することを抑制したが、加熱対象となる流路はこれに限られない。凍結し得る流路等、加熱すべき流路に加熱装置８０を配置すればよく、例えば、酸化オフガス流路５４に加熱装置８０を配置してもよい。また、本明細書に開示する技術では、気液分離器３５やエジェクタ３３自体をボディ８２として利用してもよい。この場合、気液分離器３５やエジェクタ３３の本体に、電極８４及び発熱部材８６を設けてよい。また、加熱装置８０は、ボディ８２、電極８４、及び発熱部材８６を少なくとも備えていればよく、排気排水弁３７や絶縁部材８８を備えていなくてもよい。

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：燃料電池、３０：燃料ガス系、３５：気液分離器、３７：排気排水弁、４１：燃料ガス供給流路、４２：燃料オフガス流路、４３：循環流路、４４：排出流路、５０：酸化ガス系、６０：冷却系、７０：制御ユニット、８０：加熱装置、８２：ボディ、８４：電極、８４ａ：第１部分、８４ｂ：第２部分、８４ｃ：第３部分、８４ｄ：第４部分、８６：発熱部材、８８：絶縁部材、１００：燃料電池システム

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池へ供給する反応ガスが流通する流路の一部を構成するボディと、
   少なくとも一部が前記ボディの外面に露出するとともに、少なくとも他の一部が前記ボディに埋設されている電極と、
   露出した前記電極の表面から前記ボディの前記外面に跨る範囲を覆う、薄膜状の発熱部材と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記電極は、前記流路の中心軸に対して対向する位置に配置された一対の電極により構成されている、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記発熱部材の表面を覆う絶縁部材をさらに備えている、燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスから水分を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の下流側に配置される排気排水弁と、をさらに備えており、
   前記ボディは、前記気液分離器と前記排気排水弁とを接続する流路を構成する、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記気液分離器と前記排気排水弁とを接続する前記流路の中心軸と、前記排気排水弁が配置された流路の中心軸とが同一平面内に位置している、燃料電池システム。
   
   

Images