JP2023009572A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】貯水タンク内で凍結した水を効率良く解凍できる燃料電池ユニットを提供すること。【解決手段】燃料電池ユニット１０は、燃料電池１２のカソード極１２ｂから排出されたカソードオフガスを、導入流路２５から貯水タンク１７の内部に直接導入する。このため、貯水タンク１７に貯留された水が凍結している場合であっても、凍結した水には、加熱されたカソードオフガスが直接吹き付けられる。よって、カソードオフガスの熱を、例えば配管を介して貯水タンク１７内の水に伝える場合と比べると、凍結した水を効率良く解凍できる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

従来、燃料電池ユニットは、燃料電池と、貯水タンクと、を有する。貯水タンクは、燃料電池から排出された水を貯留する。
例えば、燃料電池ユニットが低温下で長時間継続して停止した場合、貯水タンクに貯留された水が凍結する虞がある。例えば、特許文献１に開示される燃料電池システムは、凍結した水を解凍する。特許文献１に開示される燃料電池システムは、燃料電池装置と、水タンクとを備える。燃料電池システムは、燃料電池装置から排出される排出空気を水タンクに案内するダクトを備える。

水タンクは、上下にチャンバを有するとともに、両チャンバを連通する複数の細管を有する。そして、ダクト内の排出空気は、細管の間を通過する。これにより、排出空気がダクトにより水タンクを暖気するようになっている。その結果、水タンク内の水が凍結していても、その水を解凍できる。

特開２００３－３１２４３号公報

ところが、凍結した水の解凍を効率良く行うことが常に望まれている。

上記課題を解決するための燃料電池ユニットは、燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って生成された水を貯留する貯水タンクと、を有し、前記燃料電池のカソード極から排出されたカソードオフガスを前記貯水タンクの内部に導入する導入流路を有する。

これによれば、燃料電池では、水素と酸素との化学反応によりカソード極では水が生じるとともに、カソードオフガスは、化学反応で生じる熱により加熱される。そして、加熱されたカソードオフガスは、導入流路を経由して貯水タンクの内部に直接導入される。このため、貯水タンクに貯留された水が凍結している場合であっても、凍結した水には、加熱されたカソードオフガスが直接吹き付けられる。つまり、カソードオフガスの熱を、凍結された水に直接伝えることができる。よって、カソードオフガスの熱を、例えば配管を介して貯水タンク内の水に伝える場合と比べると、凍結した水を効率良く解凍できる。

上記燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池のアノード極から排出されたアノードオフガスに含まれる水素を希釈する希釈器を有し、前記希釈器と前記貯水タンクとは、鉛直方向に交差する方向に並んで配置されているとよい。

これによれば、希釈器が、貯水タンクよりも鉛直方向上側に配置されている場合のように、貯水タンクに貯留された水によって、希釈器と貯水タンクとの連通路が塞がれることを抑制できる。

上記燃料電池ユニットにおいて、前記希釈器と前記貯水タンクとは、一体成形されているとよい。
これによれば、希釈器と貯水タンクとを接続する配管を燃料電池ユニットに設ける必要がない。このため、燃料電池ユニットが配管を有する場合に比べて、部品点数を削減できる。

この発明によれば、貯水タンク内で凍結した水を効率良く解凍できる。

実施形態における燃料電池ユニットを模式的に示す部分破断斜視図。 燃料電池ユニットを示す構成図。 燃料電池ユニットの構成を説明するための概略図。 別の実施形態における燃料電池ユニットの構成を説明するための概略図。

以下、燃料電池ユニットを具体化した一実施形態を図１～図３にしたがって説明する。
＜燃料電池ユニット１０の全体構成＞
図１に示すように、燃料電池ユニット１０は、図示しない産業車両に搭載される。燃料電池ユニット１０は、筐体１１を有する。筐体１１は、底板１１ａと、天板１１ｂと、周壁１１ｃと、を有する。

燃料電池ユニット１０が水平面上に置かれているものとして重力の方向をＺ軸で示し、水平面に沿う方向をＸ軸とＹ軸で示す。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、互いに直交する。以下の説明では、Ｚ軸と平行な方向を鉛直方向Ｚともいい、Ｘ軸と平行な方向を奥行方向Ｘともいう。また、Ｙ軸と平行な方向を水平方向Ｙともいう。したがって、水平方向Ｙは、奥行方向Ｘ及び鉛直方向Ｚの両方に直交する方向である。筐体１１において、底板１１ａと天板１１ｂとは鉛直方向Ｚに対向する。周壁１１ｃは、奥行方向Ｘに対向する第１側壁１１ｄ及び第２側壁１１ｅと、水平方向Ｙに対向する第３側壁１１ｆ及び第４側壁１１ｇと、を有する。

図１又は図３に示すように、燃料電池ユニット１０は、燃料電池１２と、水素タンク１３と、エアコンプレッサ１４と、気液分離器１５と、希釈器１６と、貯水タンク１７と、を有する。燃料電池１２と、水素タンク１３と、エアコンプレッサ１４と、気液分離器１５と、希釈器１６と、貯水タンク１７と、は、筐体１１内に収容されている。

図１又は図２に示すように、燃料電池１２は、複数の電池セルが積層されることにより構成された燃料電池スタックである。燃料電池１２は、例えば、固体高分子型燃料電池である。燃料電池１２は、アノード極１２ａと、カソード極１２ｂと、図示しない電解質膜と、を有する。燃料電池１２は、アノード極１２ａに供給される燃料ガスとしての水素と、カソード極１２ｂに供給される酸化剤ガスとしての酸素と、を化学反応させることにより発電する。燃料電池１２では、水素と酸素とが化学反応することにより水が生成される。

図１又は図３に示すように、水素タンク１３は、第４側壁１１ｇに近接している。水素タンク１３は、第１側壁１１ｄ寄りで底板１１ａに支持されている。水素タンク１３の長手軸は、奥行方向Ｘに延びている。水素タンク１３には、燃料電池１２に供給するための水素が貯留されている。

エアコンプレッサ１４は、奥行方向Ｘで第１側壁１１ｄと燃料電池１２との間に配置されている。エアコンプレッサ１４は、大気中の空気を燃料電池１２に供給する。
気液分離器１５は、希釈器１６に内蔵されている。気液分離器１５は、燃料電池１２のアノード極１２ａから排出されたアノードオフガスの水素と水を分離する。

希釈器１６は、ケース１６ａの内部に気液分離器１５を有する。ケース１６ａ内でのガスの流通方向において、気液分離器１５より下流に希釈器１６として機能する部分が配置されている。希釈器１６には、燃料電池１２のアノード極１２ａから排出されたアノードオフガスが導入されるとともに、貯水タンク１７からカソードオフガスが導入される。希釈器１６は、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスを、貯水タンク１７から排出されたカソードオフガスと混合させることにより、水素を希釈する。

貯水タンク１７は、鉛直方向Ｚにおいて、燃料電池１２の下方に配置されている。貯水タンク１７と希釈器１６とは、水平方向Ｙに並んで配置されている。したがって、希釈器１６と貯水タンク１７とは、鉛直方向Ｚに交差する方向に並んで配置されている。貯水タンク１７は、燃料電池１２によって生成された水を貯留する。

図２に示すように、燃料電池ユニット１０は、水素供給路２０と、水素循環路２１と、空気供給路２２と、第１流路２３と、第２流路２４と、導入流路２５と、ガス排出路２６と、水排出路２７と、を有する。

水素供給路２０は、配管である。水素供給路２０は、アノード極１２ａと水素タンク１３とを接続している。水素タンク１３に貯留された水素は、水素供給路２０を経由して燃料電池１２のアノード極１２ａに供給される。水素供給路２０には、開閉弁２０ａが設けられている。開閉弁２０ａは、水素供給路２０を開閉させる。水素供給路２０は、燃料電池１２に水素を供給する流路である。

水素循環路２１は、配管である。水素循環路２１は、燃料電池１２と、水素供給路２０と、を接続している。水素循環路２１は、燃料電池１２のアノード極１２ａから排出されたアノードオフガスを水素供給路２０に循環させる。アノードオフガスは、燃料電池１２で未反応の水素と、燃料電池１２で生成された水とが含まれる排気である。

空気供給路２２は、配管である。空気供給路２２は、エアコンプレッサ１４と、燃料電池１２と、を接続している。大気中の酸素を含む空気は、エアコンプレッサ１４によって、空気供給路２２を経由して燃料電池１２のカソード極１２ｂに供給される。空気供給路２２は、燃料電池１２に空気を供給する流路である。

ガス排出路２６は、配管である。ガス排出路２６の第１端２６ａは、希釈器１６に接続されている。ガス排出路２６の第１端２６ａは、希釈器１６の内部に向けて開口している。ガス排出路２６の第２端２６ｂは大気開放されている。つまり、希釈器１６は、ガス排出路２６によって大気開放されているといえる。ガス排出路２６は、希釈器１６によって希釈された水素を含むガスを外部へ排出する流路である。

第１流路２３は、配管である。第１流路２３の第１端２３ａは、燃料電池１２のアノード極１２ａに接続されている。第１流路２３の第２端２３ｂは希釈器１６に接続されている。第１流路２３の第２端２３ｂは、希釈器１６の内部に向けて開口している。希釈器１６は大気開放されているため、燃料電池１２のアノード極１２ａから排出されたアノードオフガスは、第１流路２３を経由して希釈器１６の内部に導入される。アノードオフガスは、希釈器１６に内蔵された気液分離器１５に導入される。第１流路２３は、アノードオフガスを気液分離器１５に導入する流路である。

第１流路２３には、図示しない開閉弁が配置されている。開閉弁は、間隔を空けて又は任意の時点で開閉される。このため、アノードオフガスは、間隔を空けて又は任意の時点で希釈器１６に導入される。

第２流路２４は、配管である。第２流路２４の第１端２４ａは、希釈器１６に接続されている。第２流路２４の第１端２４ａは、希釈器１６の内部に向けて開口している。第２流路２４の第２端２４ｂは、貯水タンク１７に接続されている。第２流路２４の第２端２４ｂは、貯水タンク１７の内部に向けて開口している。第２流路２４は、気液分離器１５によって分離された水を貯水タンク１７へ排出する。また、希釈器１６は大気開放されているため、貯水タンク１７の内部に向けて開口している。第２流路２４は、貯水タンク１７に導入されたカソードオフガスを希釈器１６へ導入する。

導入流路２５は、配管である。導入流路２５の第１端２５ａは、燃料電池１２のカソード極１２ｂに接続されている。導入流路２５の第２端２５ｂは、貯水タンク１７の内部に向けて開口している。貯水タンク１７は、第２流路２４を介して希釈器１６に接続されている。希釈器１６は大気開放されているため、燃料電池１２のカソード極１２ｂから排出されたカソードオフガスは、導入流路２５を経由し貯水タンク１７の内部に導入される。導入流路２５は常時、貯水タンク１７と連通しているため、燃料電池１２の発電中は、カソードオフガスは常時、貯水タンク１７の内部に導入される。貯水タンク１７の内部に導入されたカソードオフガスは、第２流路２４を経由して希釈器１６に導入される。

水排出路２７は、配管である。水排出路２７の第１端２７ａは、貯水タンク１７に接続されている。水排出路２７の第２端２７ｂは大気開放されている。水排出路２７には、排水弁２８が設けられている。排水弁２８は、水排出路２７を開閉させる。排水弁２８を閉じて水排出路２７を閉じることで、貯水タンク１７に水が貯留される。排水弁２８を開いて水排出路２７を開くことで、貯水タンク１７に貯留された水が外部へ排出される。

上記したように、燃料電池ユニット１０は、希釈器１６に接続されたガス排出路２６によって、希釈器１６によって希釈された水素を含むガスを外部へ排出できる。このため、燃料電池ユニット１０は、希釈された水素を含むガスと、貯水タンク１７に貯留された水と、を別々の経路によって外部へ排出できる。

燃料電池ユニット１０では、貯水タンク１７を設けずに、燃料電池１２で生成された水を希釈器１６及びガス排出路２６を経由して外部に排出することも可能である。しかし、ガス排出路２６は常時大気開放されているため、水は常時外部に排出されることになる。このような水の常時排出を回避するため、燃料電池ユニット１０に貯水タンク１７、水排出路２７及び排水弁２８を設けている。排水弁２８を閉じることで、貯水タンク１７に水を貯留できるとともに、水の常時排出を回避できる。そして、排水弁２８を開閉する時点を選択することで、水を外部に排出する時点及び場所を選択できるようになっている。

＜作用＞
次に、本実施形態の作用について説明する。なお、排水弁２８が閉じられることにより、水排出路２７は閉じられている。

燃料電池１２のアノード極１２ａから排出されたアノードオフガスは、第１流路２３を経由して希釈器１６に導入される。希釈器１６内に導入されたアノードオフガスは、希釈器１６に内蔵された気液分離器１５によって水素と水とが分離される。アノードオフガスから分離された水は、第２流路２４を経由して貯水タンク１７に自重により導入されるとともに、貯水タンク１７に貯留される。

また、燃料電池１２のカソード極１２ｂから排出されたカソードオフガスは、導入流路２５を経由して貯水タンク１７に導入される。貯水タンク１７に導入されたカソードオフガスは、貯水タンク１７によって空気と水とが分離される。

貯水タンク１７によって分離された空気がカソードオフガスとして第２流路２４を経由して希釈器１６に導入される。希釈器１６では、分離された空気がアノードオフガスから分離された水素と混合されることにより、水素が希釈される。希釈された水素を含むガスは、ガス排出路２６を経由して燃料電池ユニット１０の外部へ排出される。カソードオフガスから分離された水は、貯水タンク１７に貯留される。そして、アノードオフガスから分離された水とともに、貯水タンク１７に貯留される。

燃料電池ユニット１０が搭載される産業車両が低温下に長時間停車される等、低温下で燃料電池ユニット１０の停止状態が長時間継続した場合、貯水タンク１７内で水が凍結することがある。

燃料電池ユニット１０が始動すると、燃料電池１２では、水素と酸素との化学反応によりカソード極１２ｂでは水が生じるとともに、カソードオフガスは、化学反応で生じる熱により加熱される。そして、加熱されたカソードオフガスは、導入流路２５を経由して貯水タンク１７の内部に直接導入される。このため、凍結した水には、加熱されたカソードオフガスが直接吹き付けられる。つまり、カソードオフガスの熱を、凍結された水に直接伝えることができる。その結果、貯水タンク１７内で凍結した水が解凍される。

例えば、カソードオフガスが、気液分離器１５を経由して貯水タンク１７に導入される場合を比較例とする。比較例では、燃料電池１２と気液分離器１５とを接続する配管、及び気液分離器１５を経由して貯水タンク１７に導入される。この場合、カソードオフガスは、燃料電池１２と気液分離器１５とを接続する配管、及び気液分離器１５を通過する間に温度が低下する場合がある。

これに対して、本実施形態では、燃料電池１２のカソード極１２ｂから排出されたカソードオフガスは、気液分離器１５を経由せずに貯水タンク１７に直接導入されるため、カソードオフガスの温度が低下しにくい。そのため、カソードオフガスは、高い温度を維持した状態で貯水タンク１７に導入される。その結果、貯水タンク１７に貯留された水が凍結している場合であっても、高い温度を維持した状態のカソードオフガスによって解凍できる。

＜効果＞
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）燃料電池ユニット１０は、燃料電池１２のカソード極１２ｂから排出されたカソードオフガスを、導入流路２５から貯水タンク１７の内部に直接導入する。このため、貯水タンク１７に貯留された水が凍結している場合であっても、凍結した水には、加熱されたカソードオフガスが直接吹き付けられる。よって、カソードオフガスの熱を、例えば配管を介して貯水タンク１７内の水に伝える場合と比べると、凍結した水を効率良く解凍できる。

（２）燃料電池１２のカソード極１２ｂから排出されたカソードオフガスは、気液分離器１５を経由せずに貯水タンク１７に直接導入される。よって、カソードオフガスの熱を、例えば配管や気液分離器１５を経由して貯水タンク１７内の水に伝える場合と比べると、カソードオフガスの温度が低下しにくい。したがって、凍結した水をさらに効率良く解凍できる。

（３）希釈器１６と、貯水タンク１７と、は、水平方向Ｙに並んで配置されている。これによれば、希釈器１６が、貯水タンク１７よりも鉛直方向Ｚ上側に配置されている場合のように、貯水タンク１７に貯留された水によって、希釈器１６と貯水タンク１７との連通路となる第２流路２４が塞がれることを抑制できる。その結果、貯水タンク１７から希釈器１６にカソードオフガスを供給でき、希釈器１６で水素を希釈できる。

（４）燃料電池ユニット１０は、導入流路２５によって、カソードオフガスを気液分離器１５や希釈器１６に導入する前に貯水タンク１７に導入する。これによれば、貯水タンク１７によってマフラー効果が付与される。そのため、例えば、カソードオフガスが気液分離器１５や希釈器１６を経由して貯水タンク１７に導入される場合に比べて、カソードオフガスが通過する際に生じる脈動が低減される。したがって、産業車両の静音性を向上できる。

（５）燃料電池１２の発電中は、カソードオフガスは、常時、燃料電池１２から貯水タンク１７に導入される。このため、アノードオフガスのように、間隔を空けたり、任意の時点で燃料電池１２から排出されたりする場合と比べると、凍結した水を解凍しやすい。

（６）燃料電池ユニット１０は、導入流路２５により、カソードオフガスを気液分離器１５や希釈器１６に導入する前に貯水タンク１７に導入する。そして、貯水タンク１７では、カソードオフガスから水が分離される。そして、希釈器１６は、大気開放されているため、貯水タンク１７のカソードオフガスを希釈器１６に導入できる。このため、カソードオフガスを貯水タンク１７に直接導入する構成であっても、カソードオフガスを気液分離できる。

＜変更例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 図４に示すように、希釈器１６と貯水タンク１７とが一体成形されていてもよい。これによれば、希釈器１６と貯水タンク１７とを接続する第２流路２４を燃料電池ユニット１０に設ける必要がない。このため、燃料電池ユニット１０が第２流路２４を有する場合に比べて、部品点数を削減できる。

○ 実施形態において、希釈器１６と貯水タンク１７とは、例えば、鉛直方向Ｚに重なるように配置されていてもよい。
○ 実施形態において、気液分離器１５は、希釈器１６に内蔵されていなくてもよい。つまり、気液分離器１５と希釈器１６とが別々に配置されており、配管によって接続されている構成であればよい。気液分離器１５と希釈器１６との配置関係については、特に限定されない。

○ 実施形態において、筐体１１内における燃料電池１２、水素タンク１３、エアコンプレッサ１４、気液分離器１５、希釈器１６、及び貯水タンク１７の配置される位置は、適宜変更してもよい。

○ 実施形態において、燃料電池ユニット１０は、筐体１１を有していなくてもよい。

１０…燃料電池ユニット、１２…燃料電池、１２ａ…アノード極、１２ｂ…カソード極、１６…希釈器、１７…貯水タンク、２５…導入流路、Ｚ…鉛直方向。

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の発電に伴って生成された水を貯留する貯水タンクと、を有する燃料電池ユニットであって、
   前記燃料電池のカソード極から排出されたカソードオフガスを前記貯水タンクの内部に導入する導入流路を有することを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記燃料電池のアノード極から排出されたアノードオフガスに含まれる水素を希釈する希釈器を有し、
   前記希釈器と前記貯水タンクとは、鉛直方向に交差する方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記希釈器と前記貯水タンクとは、一体成形されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池ユニット。

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