JP2022146452A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】排気合流部におけるエアポンプへの水分の逆流を防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１２のカソード電極側から排出される水分を含んだカソード排出流体と、燃料電池スタック１２のアノード電極側から排出される水分を含んだアノード排出流体とを合流させる排気合流部４６を備えた燃料電池システム１０において、排気合流部４６に、カソードオフガスを排出するカソード排出口５０と、アノード排出流体を排出するアノード排出口５２と、カソード排出口５０とアノード排出口５２との合流部５６よりも上流側でカソード排出口５０とアノード排出口５２とを隔てる仕切板を設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、カソードオフガスとアノード排出流体とを合流させて排出する燃料電池システムに関する。
燃料電池は、アノード電極に供給された燃料ガス（例えば、水素ガス）と、カソード電極に供給された酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）とが電気化学反応を起こすことによって発電する。その際に、化学反応により水が発生する。発生した水の大部分は、酸化剤排出ガス（カソードオフガス）と共に燃料電池システムから排出される。また、発生した水の一部は、電解質膜内を移動してアノード電極側に移動する。そのため、燃料排出ガス（アノードオフガス）にも水分が含まれる。
水分を含んだアノードオフガスは、気液分離器により凝縮水と気相成分とに分離される。気液分離器で分離された凝縮水を多く含むアノードオフガス（以下、アノード排出流体と呼ぶ。）は、排気合流部に導かれて、カソードオフガスと合流した後、燃料電池システムの外部に排出される（例えば、特許文献１）。
特開２０１７－１５７３１７号公報
ところが、排気合流部において、カソードオフガスの水分がアノード電極側に逆流する場合や、アノード排出流体の水分がカソード電極側に逆流するという問題がある。
そこで、本発明は、排気合流部における水分の逆流を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
以下の開示の一観点は、燃料電池スタックのカソード電極側から排出される水分を含んだカソード排出流体と、前記燃料電池スタックのアノード電極側から排出される水分を含んだアノード排出流体とを合流させる排気合流部を備えた燃料電池システムであって、前記排気合流部は、前記カソード排出流体を排出するカソード排出口と、前記アノード排出流体を排出するアノード排出口と、前記カソード排出口と前記アノード排出口との合流部よりも上流側で前記カソード排出口と前記アノード排出口とを隔てる仕切板を備える、燃料電池システムにある。
上記観点の燃料電池システムによれば、排気合流部における水分の逆流を防止できる。
実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１の排気合流部の正面側の断面図である。 図１の排気合流部の背面側の断面図である。 図２及び図３に示す排気合流部の作用を示す説明図である。 図２及び図３に示す排気合流部が傾斜した状態の作用を示す説明図である。
以下、燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。
燃料電池スタック１２は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６とを備える。本実施形態では、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして圧縮空気を用いる。
燃料電池スタック１２は、複数の発電セルに積層されて構成される。各々の発電セルは、電解質膜・電極構造体をセパレータ板で挟持して構成される。電解質膜・電極構造体は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜や炭化水素系の薄膜よりなる固体高分子電解質膜を備え、固体高分子電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極を設けて構成される。セパレータ板には、アノード電極に対向する面に設けられ、アノード電極に水素ガスの供給及び排出を行う水素ガス流路（燃料ガス流路）と、カソード電極に対向する面に設けられ、カソード電極に空気の供給及び排出を行う空気流路（酸化剤ガス流路）と、が設けられる。
燃料電池スタック１２には、水素ガス入口１２ａ、水素ガス出口１２ｂ、空気入口１２ｃ、及び空気出口１２ｄが設けられる。水素ガス入口１２ａは、各発電セルの積層方向に貫通し、水素ガス流路の供給側に連通する。水素ガス出口１２ｂは、各発電セルの積層方向に貫通し、水素ガス流路の排出側に連通する。空気入口１２ｃは、各発電セルの積層方向に貫通し、空気流路の供給側に連通する。空気出口１２ｄは、各発電セルの積層方向に貫通し、空気流路の排出側に連通する。
燃料ガス供給装置１４は、例えば、高圧水素ガスを貯留する水素タンクにより構成される。燃料ガス供給装置１４は、水素ガス供給路１８を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口１２ａに接続される。水素ガス供給路１８は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。
水素ガス供給路１８には、インジェクタ２０とエゼクタ２２が直列に設けられる。エゼクタ２２内が負圧になることで、水素循環流路２４から水素ガスが吸引される。
燃料電池スタック１２の水素ガス出口１２ｂには、水素ガス排出路２６が接続される。水素ガス排出路２６は、アノード電極側で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガス（アノードオフガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。
水素ガス排出路２６には、気液分離器２８が接続される。気液分離器２８は、水分を多く含むアノードオフガスを、凝縮水を多く含むアノード排出流体と、凝縮水を分離した水素ガスとに分離する。アノード排出流体には、液相の水と共に水素ガスが含まれる。気液分離器２８には、水素循環流路２４が接続されており、水素循環流路２４には気液分離器２８で分離された水素ガスが供給される。水素循環流路２４の下流側は、エゼクタ２２に接続される。また、気液分離器２８の底部には、アノード排出流体を排出する排出流路３０が接続されている。排出流路３０は、気液分離器２８で分離されたアノード排出流体を排出する。排出流路３０の途上には、ドレイン弁３２が設けられる。
酸化剤ガス供給装置１６は、大気（空気）を取り込み、これを圧縮して空気供給路３４に供給する。本実施形態では、酸化剤ガス供給装置１６は、エアポンプ３６を備える。このエアポンプ３６は、大気（空気）を圧縮して供給するべく、回転駆動手段であるモータを内蔵する圧縮機として構成される。すなわち、エアポンプ３６は、モータが回転することに伴って大気を圧縮し、これにより得た圧縮空気を空気供給路３４から燃料電池スタック１２に供給する。
空気供給路３４は、エアポンプ３６の下流側で燃料電池スタック１２の空気入口１２ｃに接続される。空気供給路３４の途上には、加湿器４０及び気液分離器４２が介装される。
燃料電池スタック１２の空気出口１２ｄには、空気排出路４４が接続される。空気排出路４４は、カソード電極で使用された圧縮空気であるカソードオフガスを、燃料電池スタック１２から排出する。カソード電極では、発電セルの電気化学反応に伴って多量の水分が発生する。カソード電極で発生した水分は、カソードオフガスと共に燃料電池スタック１２から排出される。すなわち、カソードオフガスには多量の水分が含まれる。
空気排出路４４の下流には加湿器４０が配設されている。加湿器４０は、エアポンプ３６から供給された圧縮空気とカソードオフガスとの間で水分及び熱を交換する。さらに、空気排出路４４において、加湿器４０の下流側には、排出流路３０の他端が接続される排気合流部４６が設けられている。
エアポンプ３６は、空気の圧縮にともなって発熱するため、圧縮した空気の一部を利用してモータや各種機器の冷却等の動作条件の調整に用いられる。各種機器の調整に用いられた後の排気（以下、バランスエアとよぶ。）は、エアポンプ３６に接続された調整流路３８から排出される。調整流路３８の下流側は、排気合流部４６に接続される。バランスエアは、排気合流部４６にてカソードオフガス及びアノード排出流体に合流する。
図２及び図３に示すように、排気合流部４６は、筒状の本体部４７と、カソード排出口５０と、アノード排出口５２と、調整流路排出口５４と、これらの出口から流出した流体が合流する合流部５６と、仕切板５８とを備える。
本体部４７は、設置状態の重力方向である矢印Ｃ方向の方向に延びた筒状に形成されている。本体部４７の内部は、仕切板５８が設けられた空洞部４７ａが形成されている。空洞部４７ａにおいて仕切板５８の下端部５８ａよりも下側の部分は、カソードオフガス、アノード排出流体及びバランスエアが合流する合流部５６となっている。本体部４７の合流部５６の流路としての断面積は、カソード排出口５０の後述するオリフィス６２の断面積とアノード排出口５２の断面積と、調整流路排出口５４の断面積の和よりも大きくなっている。
空洞部４７ａの上側には、アノード排出領域６４と、調整流路排出領域６６とが設けられている。アノード排出領域６４は、アノード排出口５２の開口部に隣接した領域であり、調整流路排出領域６６は調整流路排出口５４の開口部に隣接した領域である。アノード排出領域６４は、仕切板５８によって、調整流路排出領域６６と隔てられている。
カソード排出口５０は、図１の空気排出路４４の下流側と接続されている。図２に示すように、カソード排出口５０は、本体部４７の上端部４７ｂから空洞部４７ａの内部に向けて下方に突出して設けられている。カソード排出口５０は、設置状態の重力方向である矢印Ｃ方向に延びる筒状部６０を有しており、筒状部６０に沿ってカソードオフガスが流通する。
筒状部６０の下端部６０ａには、合流部５６に連通するオリフィス６２が下方に向けて開口している。カソードオフガスは、オリフィス６２を通じて合流部５６に排出される。オリフィス６２の流路断面積は、筒状部６０の流路断面積よりも小さく形成されている。オリフィス６２が形成される筒状部６０の下端部６０ａの高さは、仕切板５８の下端部５８ａの高さと略同じ高さとなっており、筒状部６０は、カソードオフガスをアノード排出口５２及び調整流路排出口５４側の流体から隔離する仕切りとして機能する。
図３に示すように、アノード排出口５２は、本体部４７の上端部４７ｂ付近の側部に接続されている。アノード排出口５２は、矢印Ａ方向（設置状態の横方向）に向けて開口している。アノード排出口５２の下端部５２ａの高さは、筒状部６０の下端部６０ａ（及び仕切板５８の下端部５８ａ）と同等又はそれよりも高い位置に設けられている。図示の例では、アノード排出口５２は、筒状部６０の外側部に向かい合うように配置されている。アノード排出口５２の配置位置は、図示の例に限定されるものではなく、アノード排出口５２の軸線と、筒状部６０とはオフセットしてもよい。
本体部４７の上端部４７ｂには、上方に向けて膨出した膨出部４７ｃが設けられている。調整流路排出口５４は、本体部４７の膨出部４７ｃに接続されている。調整流路排出口５４は、矢印Ａ方向（設置状態の横方向）に向けて開口している。調整流路排出口５４の開口位置は、アノード排出口５２よりも高い位置に設けられている。本実施形態において、調整流路排出口５４の下端部５４ａの高さＨ２は、カソード排出口５０の筒状部６０の下端部６０ａ（及び仕切板５８の下端部５８ａ）の高さＨ１よりも高い位置に設けられている。また、調整流路排出口５４は、アノード排出口５２と排気合流部４６の中心軸を挟んで対向する位置に配置されている。
本体部４７の上端部４７ｂからは、下方に向けて仕切板５８が突出して設けられている。仕切板５８は、調整流路排出口５４とアノード排出口５２との間に設けられており、その一端は本体部４７の側壁に接続され、仕切板５８の他端は筒状部６０に接続している。仕切板５８の下端部５８ａは、筒状部６０の下端部６０ａと同じ位置にまで延び出ている。この仕切板５８は、排気合流部４６の合流部５６の上部を、調整流路排出口５４に連通する領域と、とアノード排出口５２とに仕切る。
本実施形態の燃料電池システム１０は以上のように構成され、以下、排気合流部４６の作用について説明する。
図４に示すように、排気合流部４６には、カソード排出口５０を通じて水分を多く含むカソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、オリフィス６２を通じて、カソード排出口５０よりも断面積が大きな合流部５６に放出される。カソード排出口５０のカソードオフガスは、オリフィス６２によって絞られることにより、カソード排出口５０の内圧は、合流部５６よりも高くなる。そのため、合流部５６側からカソード排出口５０に向けた逆流を防止できる。
カソードオフガスに含まれる凝縮水は、筒状部６０によって、アノード排出口５２及び調整流路排出口５４から隔てられた状態で、オリフィス６２に導かれ、オリフィス６２を通じてカソードオフガスと共に勢いよく合流部５６に放出される。そのため、アノード排出口５２及び調整流路排出口５４側へのカソードオフガスの凝縮水の逆流を防止できる。
また、排気合流部４６には、アノード排出口５２からは、アノード排出領域６４を通じてアノード排出流体が合流部５６に排出される。アノード排出領域６４は、調整流路排出領域６６と仕切板５８で隔離されているため、調整流路排出口５４側へのアノード排出流体に含まれる凝縮水の逆流を防止できる。
調整流路排出口５４からは、バランスエアが排出される。バランスエアは、調整流路排出領域６６を通じて合流部５６に導かれ、合流部５６においてカソードオフガス及びアノード排出流体と合流し、これらを希釈する。本実施形態において、合流部５６の断面積はオリフィス６２、アノード排出口５２及び調整流路排出口５４のいずれの断面積よりも大きいため、合流部５６の内圧はこれらよりも低い状態に保たれる。そのため、合流部５６からカソード排出口５０、アノード排出口５２、調整流路排出口５４への流体の逆流を防止できる。
また、本実施形態においては、調整流路排出口５４の下端部５４ａが、仕切板５８の下端部５８ａよりも高い位置に設けられている。これにより、図５に示すように、燃料電池システム１０（図１参照）が設置される輸送機器（船舶、車両、又は航空機等）が傾斜した場合であっても、調整流路排出口５４への凝縮水の流入を阻止することができる。これにより、エアポンプ３６への凝縮水の逆流に起因する機能低下を防止することができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることができる。
本実施形態の燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。
本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２のカソード電極側から排出される水分を含んだカソード排出流体（例えば、カソードオフガス）と、燃料電池スタック１２のアノード電極側から排出される水分を含んだアノード排出流体とを合流させる排気合流部４６を備える。排気合流部４６は、カソード排出流体を排出するカソード排出口５０と、アノード排出流体を排出するアノード排出口５２と、カソード排出口５０とアノード排出口５２との合流部５６よりも上流側でカソード排出口５０とアノード排出口５２とを隔てる仕切板（例えば、筒状部６０を含む）を備える。
上記の構成によれば、カソード排出流体のアノード排出口５２への逆流や、アノード排出流体のカソード排出口５０への逆流を防止できる。
上記の燃料電池システム１０において、カソード排出口５０は、上下方向に延びる筒状部６０と、筒状部６０の下端部６０ａに設けられ下方に向けて開口したオリフィス６２と、を有し、アノード排出口５２は、筒状部６０の側方に配置されており、カソード排出口５０とアノード排出口５２が筒状部６０によって仕切られてもよい。この構成によれば、カソード排出流体及びアノード排出流体の逆流を防止できる。
上記燃料電池システム１０において、オリフィス６２の断面積は筒状部６０の断面積よりも小さくてもよい。この構成によれば、筒状部６０の内圧を合流部５６の内圧よりも高くすることができ、合流部５６側の流体の逆流を防止できる。
上記の燃料電池システム１０において、さらに、燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）を供給する酸化剤ガス供給装置１６（例えば、エアポンプ３６）と、酸化剤ガスの一部を排気合流部４６に導く調整流路３８と、を備え、排気合流部４６には調整流路３８に接続された調整流路排出口５４が設けられており、調整流路排出口５４とアノード排出口５２とが仕切板５８によって仕切られてもよい。この構成によれば、調整流路排出口５４へのアノード排出流体の逆流を防止できる。そのため、エアポンプ３６に凝縮水が逆流して入り込む事象を防止できる。
上記の燃料電池システム１０において、調整流路排出口５４は、排気合流部４６の中心軸を挟んでアノード排出口５２と周方向に対向する位置に配置されてもよい。
上記の燃料電池システム１０において、仕切板５８の下端部５８ａが、筒状部６０の下端部６０ａと同じ高さに形成されてもよい。この構成によれば、排気合流部４６の内部の合流部５６よりの上部側において、調整流路排出口５４とアノード排出口５２とを仕切ることができ、アノード排出流体に含まれる凝縮水が、調整流路排出口５４に逆流する事象を防止できる。
上記の燃料電池システム１０において、排気合流部４６において、調整流路３８の調整流路排出口５４はアノード排出口５２よりも高い位置に配置されてもよい。この構成によれば、燃料電池システム１０が傾斜した場合であっても、調整流路排出口５４への凝縮水の逆流を防止できる。
上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１６…酸化剤ガス供給装置 ３８…調整流路
４６…排気合流部 ５０…カソード排出口
５２…アノード排出口 ５２ａ、５４ａ、５８ａ、６０ａ…下端部
５４…調整流路排出口 ５６…合流部
５８…仕切板 ６０…筒状部
６２…オリフィス

Claims (7)

  1. 燃料電池スタックのカソード電極側から排出される水分を含んだカソード排出流体と、前記燃料電池スタックのアノード電極側から排出される水分を含んだアノード排出流体とを合流させる排気合流部を備えた燃料電池システムであって、前記排気合流部は、
    前記カソード排出流体を排出するカソード排出口と、
    前記アノード排出流体を排出するアノード排出口と、
    前記カソード排出口と前記アノード排出口との合流部よりも上流側で前記カソード排出口と前記アノード排出口とを隔てる仕切板を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記カソード排出口は、上下方向に延びる筒状部と、前記筒状部の下端部に設けられ下方に向けて開口したオリフィスと、を有し、前記アノード排出口は、前記筒状部の側方に配置されており、前記カソード排出口と前記アノード排出口とが前記筒状部によって仕切られる、燃料電池システム。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、前記オリフィスの断面積は前記筒状部の断面積よりも小さい、燃料電池システム。
  4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記酸化剤ガスの一部を前記排気合流部に導く調整流路と、を備え、
    前記排気合流部には前記調整流路に接続された調整流路排出口が設けられており、
    前記調整流路排出口と前記アノード排出口とが前記仕切板によって仕切られている、燃料電池システム。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、前記調整流路排出口は、前記排気合流部の中心軸を挟んで前記アノード排出口と周方向に対向する位置に配置されている、燃料電池システム。
  6. 請求項４又は５記載の燃料電池システムであって、
    前記仕切板の下端部が、前記筒状部の下端部と同じ高さに形成されている、燃料電池システム。
  7. 請求項４～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記排気合流部において、前記調整流路排出口は前記アノード排出口よりも高い位置に配置されている、燃料電池システム。
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