JP4488061B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを希釈して排気する希釈器に関連する排気装置に関する。

近年、環境に与える影響が少ないことから、自動車または車両に燃料電池スタックの搭載が行われている。燃料電池スタックは、例えば燃料電池のアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出すものである。

カソード側に供給された酸化ガスが燃料電池スタックから排出される際のカソードオフガスには、電気化学反応によって生じた反応生成水が含まれる。一方、アノード側に供給された燃料ガスが燃料電池スタックから排出される際のアノードオフガスにも、電解質膜を通過してきた反応生成水が含まれることになる。

アノードオフガスは、燃料電池スタックのアノードオフガス出口と希釈器とを接続する配管の途上に設けられたパージ弁を所定のタイミングで開弁することによって希釈器に送られる。カソードオフガスもまた、配管を介して燃料電池から希釈器に送られる。そして、希釈器内において、アノードオフガスは、カソードオフガスと混合されて薄められてから、外部に排出される。このとき、カソードオフガスおよびアノードオフガスにそれぞれ含まれる反応生成水も一緒に排出される。

燃料電池スタックのアノードオフガス出口とパージ弁を接続する配管、および、パージ弁と希釈器を接続する配管はいずれも、アノードオフガスに含まれる反応生成水の排水性を確保するため、オフガス排気方向下流側に向かって下り勾配に配置されるのが好ましい。また、燃料電池スタックに対する電気的絶縁をパージ弁と希釈器との間で採る場合、絶縁材料からなる例えばゴムホースでパージ弁と希釈器とを接続することが一般に行われるが、高圧の燃料電池スタックに対する十分な絶縁性を確保するには、ある程度の長さのゴムホースを用いなければならない。その結果、これらの排水性・絶縁性の確保のため、燃料電池スタックのアノードオフガス出口と希釈器のアノードオフガス入口とで、例えば数十センチメートル程度の高低差を設ける必要があった。

例えば、特許文献１には、燃料電池システムから排出される排水を排気管に導くための配管が、内部を流通する流体が流れ易いようにその流体移動方向下流に向けて下り勾配に配置されていることが記載されている。

特開２００５−１６３８１２号公報

ところで、燃料電池スタックおよび関連する各要素を燃料電池ケースに収容して車両の床下部に搭載しようとする試みがある。この場合、車内空間をできるだけ広く確保するために、燃料電池ケースの高さ寸法をできるだけ小さく抑えることが望まれる。

しかし、上述したような数十センチメートルの高低差を設けた状態で希釈器を燃料電池ケースに収容すると、ケース高さ寸法が大きくなってしまう。また、希釈器についても、十分な混合希釈化が行われるように大きな内部空間を持たせる必要があって大型のものになるため、燃料電池ケースを床下搭載する場合に希釈器をケース内に収容することがケース高さ寸法を抑えることの障害となる。

そこで、本発明の目的は、燃料電池ケース内の下部スペースを有効利用することで、ケースの高さ寸法をできるだけ抑えつつケース内に希釈器を収納することを可能にする燃料電池システムを提供することにある。

本発明に係る燃料電池システムは、アノード側に供給されるガスとカソード側に供給されるガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する希釈器と、燃料電池および希釈器を内部に収容する燃料電池ケースとを備えた燃料電池システムであって、希釈器の排気方向下流側に延伸する排気管が通る燃料電池ケースの側面開口部を重力方向に関して希釈器の内面最下部よりも上側に配置したことを特徴とする。

この構成によれば、希釈器の排気方向下流側に延伸する排気管が通る燃料電池ケースの側面開口部を重力方向に関して希釈器の内面最下部よりも上側に配置したことで、燃料電池ケースの側面開口部に下面から側面にかけての立ち上がり縁部を確保しつつ、側面開口部より下方のケース内部空間を希釈器配置スペースとして有効利用することができ、希釈器の容積をケース内で最大限に採ることができる。

本発明に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスが希釈器内に噴出する噴出口を希釈器の内面最下部よりも排気方向上流側に配置することが好ましい。

この構成によれば、排気管から生成水が希釈器内に逆流しても内面最下部に溜まるため、その溜まった生成水が外気温低下により凍結したとしても内面最下部より上流側に位置する噴出口が閉塞されるのを抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスが希釈器内に噴出する噴出口を希釈器の内面最下部よりも重力方向上側に配置するのが好ましい。

この構成によれば、排気管から生成水が希釈器内に逆流しても内面最下部に溜まるため、その溜まった生成水が外気温低下により凍結したとしても内面最下部より重力方向上側に位置する噴出口が閉塞されるのを抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、希釈器内でアノードオフガスがカソードオフガスの流れに対向して噴出するように構成したことを特徴とする。
ここで、「対向して」とは、カソードオフガスの排出方向に対して真逆方向に噴出する場合に限るものではなく、アノードオフガスの噴出方向をベクトル分解したときにカソードオフガスの排出方向と真逆の方向成分を有するような噴出方向をすべて含むことを意図している。

この構成によれば、噴出したアノードオフガスがカソードオフガスの流れに対向してぶつかることで、各オフガスが混合しやすくなって小さい空間で効率よく希釈可能になり、希釈器を小型化するのに有利である。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側に供給されるガスに湿り気を付与する加湿器を、排気方向に関して希釈器の下流側に配置して排気管を接続してもよい。

この構成によれば、アノードオフガスおよびカソードオフガスの両方に含まれる生成水を加湿器で回収してカソードガスの加湿に再利用することができ、効率的に加湿を行うことができる。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料等は、本発明の理解を容易にするための一例であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを備えた燃料電池自動車１の概略構成を示す図である。燃料電池自動車１は、前席２の下方の床下部に燃料電池システムの構成要素である燃料電池ケース（以下、「ＦＣケース」という。）１０が搭載されている。

図２に、本実施形態に係る燃料電池システム８の概略構成を示す。図２は、燃料電池システム８を上方から見た状態を示している。燃料電池システム８は、ＦＣケース１０内に収容された燃料電池としての燃料電池スタック１２等の各要素と、ＦＣケース１０の内部構成要素に接続される加湿器４０等とを含んで構成される。ＦＣケース１０は、重力方向に沿う高さ寸法が他辺長さよりも小さい矩形扁平型の筐体で形成されている。ＦＣケース１０は、例えば金属板を曲げ加工、溶接、ねじ留め等することによって形成されている。ＦＣケース１０の内部には、燃料電池スタック１２、パージ弁１４、エア調圧弁１６、および希釈器１８等が収容されている。燃料電池スタック１２は、絶縁部材を介してＦＣケース１０の下面または底面に固定されている。

燃料電池スタック１２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック１２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。

燃料電池スタック１２のアノード側のガス入口には、ケース外部に設置された燃料タンク２０から、ケース内に配置されたインジェクタ２２を介して水素ガスが供給されるようになっている。インジェクタ２２は、燃料タンク２０からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整して噴出する機能を有する。インジェクタ２２から燃料電池スタック１２まで延びる配管２４には、圧力計２６が接続されている。圧力計２６は、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力を検出するものである。なお、図２ではインジェクタ２２および圧力計２６がＦＣケース１０内に収容されているものとして図示されているが、これに限定されものではなく、これらはＦＣケース１０の外部に配置されてもよい。

燃料電池スタック１２のアノード側出口は、パージ弁１４を介して希釈器１８に接続されている。パージ弁１４は、所定のタイミングで一時的に開状態に切り替え制御される。また、パージ弁１４が閉状態にあるとき、アノード側出口から排出されたアノードオフガスは、例えばポンプである循環昇圧器２７によって昇圧されて、燃料電池スタック１２のアノード側入口に戻されて再利用されるようにしてある。このように循環するうちに、アノードオフガスでは、燃料ガスである水素が電気化学反応で消費されることで濃度が低下する一方、カソード側から電解質膜を通過してきた電気化学反応生成水や窒素が含まれてくることになる。希釈器１８は、燃料電池スタック１２から排出されてきた水素および水等を含むアノードオフガスを、カソードオフガスと混合して希釈してからＦＣケース１０外に排出するものである。

希釈器１８は、排気方向下流側において、ケース外部に設けられたエア遮断弁２８を介して加湿器４０に接続されている。希釈器１８とエア遮断弁２８間、または、エア遮断弁２８と加湿器４０間に、例えばゴムホース等の絶縁性配管で接続される部分を設けることで、ＦＣケース１０の内外での電気的絶縁が採られている。エア遮断弁２８が開状態にあるとき、希釈器４０から排出された排ガスは、加湿器４０を通過する際に、加湿器４０に内蔵された多孔質体に水を受け渡した後、図示しない消音器（マフラともいう。）を経由して外部に排出されることになる。

一方、燃料電池自動車１は、燃料電池スタック１２のカソード側に供給する酸化ガス、例えば酸素の供給源としての酸化ガス源４２をケース外部に備えている。酸化ガス源４２は、実際には酸素を含んだ大気を用いることができる。酸化ガス源４２からの空気は、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）で昇圧された後、加湿器４０を通過する際に適度な湿り気が付与されてから、燃料電池スタック１２のカソード側入口に供給されるようになっている。なお、本実施形態では、酸化ガス源４２およびエアコンプレッサ４４をＦＣケース１０に対して燃料タンク２０と反対側に設けているが、これに限定されるものではなく、酸化ガス源４２およびエアコンプレッサ４４をＦＣケース１０に対して燃料タンク２０と同じ側に設置してもよい。このようにすれば、エアコンプレッサ４４から加湿器４４までのエア供給経路を短くできる利点がある。

燃料電池スタック１２のカソード側出口は、エア調圧弁１６を介して希釈器１８に接続されている。エア調圧弁１６は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック１２への空気の流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。カソード出口から排出されたカソードオフガスは、希釈器１８においてアノードオフガスに含まれる水素濃度が所定濃度以下になるように薄めるための希釈ガスとして利用される。また、カソードオフガスには、燃料電池スタック１２における電気化学反応によって生成された水が含まれている。

図３は、本実施形態に係る燃料電池システム８の排気装置の構成要素である希釈器４０の重力方向に沿った断面を示す。希釈器１８は、カソードオフガスである空気が導入される導入管３０と、パージ弁１４から噴出されたアノードオフガスが空気と混合して希釈される希釈部３２と、希釈された排ガスが排出される排気管３４とからなっている。希釈器１８は、ＦＣケース１０の底面１１に近接して設置されている。

希釈器１８の希釈部３２は、アノードオフガスの希釈化が十分に行われるように大きな内部空間を有することが好ましく、排気方向に直交する方向の断面が例えば円形、楕円形、略ロ字形等の筒体で構成することができる。また、希釈部３２の内面の一部をなす下面３６は、排気方向下流側に向かって下り勾配に形成されており、下流側排気管３４との境界部、すなわち下面３６が上り勾配に移行する部分が最下部３８になっている。なお、希釈部３２に関して上面と下面を平行に形成し、下面が下り勾配をもつように希釈器１８自体を傾けて設置してもよい。また、希釈部３２の下面３６を水平方向と平行に形成または配置し、下面３６全体が最下部となるよう構成してもよい。

図３に示すように、パージ弁１４から希釈部３２内にアノードオフガスが噴出される噴出口３３は、排気方向に関して最下部３８よりも上流側に配置されている。また、噴出口３３は、最下部３８よりも重力方向上側に高低差ｈをもって配置されている。このように噴出口３３を配置することで、希釈部３２の最下部３８を含む下面３６に溜まった水が外気温低下によって凍結した場合でも、噴出口が閉塞されてしまうのを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、噴出口３３を希釈器１８内の最下部３８よりも排気方向上流側で且つ重力方向上側に配置するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、いずれか一方、すなわち排気方向上流側または重力方向上側の条件を満たしていれば噴出口３３の凍結閉塞を抑制する効果がある。

図４（ａ），（ｂ）は、パージ弁１４および希釈器１８を上方から見た図である。パージ弁１４は、希釈器１８の希釈部３２の水平方向側方に近接して配置されている。そして、パージ弁１４と希釈部３２とは連結管１５によって連結されており、連結管１５の出口が噴出口３３となっている。連結管１５は、希釈部３２の軸心方向に対して斜めに連結されている。これにより、連結管１５を介して希釈部３２内に排気方向上流側に向けて噴出されるアノードオフガスが、カソードオフガスであるエアの流れ方向に斜めから対向して噴出されるよう構成されている。この構成により、噴出したアノードオフガスがカソードオフガスの流れに対向してぶつかることで、アノードオフガスに含まれる高濃度水素部分Ｓが排気方向およびこれに交差する方向に迅速に拡大して低濃度化すなわち希釈化され易くなり、その結果、小さい空間での効率的な希釈化が可能になって希釈器を小型化するのに有利である。また、パージ弁１４が希釈器１８の水平方向側方に設けられていることで、パージ弁１４と希釈器１８との間に高低差を大きく設ける必要がなくなり、ＦＣケース１０の高さ寸法を小さくするのに有利である。

希釈器１８の排気管３４は、希釈部３２から排気方向下流側に延伸して、ＦＣケース１０の側面１３に形成された開口部１３ａを通ってケース外部まで伸びている。開口部１３ａには例えばグロメット等の弾性部材５０が取り付けられて、開口部１３ａの縁部と排気管３４との接触を防止するとともに、開口部１３ａの縁部と排気管３４との間の隙間がシールされている。

ＦＣケース１０の開口部１３ａは、希釈部３２の内面最下部３８よりも重力方向上側に配置されている。このように開口部１３ａを配置することで、ＦＣケース１０の開口部１３ａに下面１１から側面１３にかけての立ち上がり縁部１３ｂを確保しつつ、開口部１３ａより下方のケース内部空間を希釈器１８の配置スペースとして有効利用することができ、希釈器１８の容積をケース内で最大限に採ることができる。また、開口部１３ａの下部縁部として立ち上がり縁部１３ｂを確保できることで、ＦＣケース１０について開口部形成領域での強度低下を抑制できるとともに、側面開口部１３ａにリング状のシール部材を容易かつ確実に取り付けることができる。

続いて、本実施形態に係る燃料電池システム８の動作および作用について説明する。 燃料電池スタック１２には、酸化ガス源４２からエアコンプレッサ４４によって昇圧された空気が加湿器４０で適度な湿り気を付与された後、カソード側入口に供給される。一方、燃料タンク２０からＦＣケース１０内に流入した水素ガスは、インジェクタ２２によって適当な圧力および流量に調節された後に、燃料電池スタック１２のアノード側入口に供給される。燃料電池スタック１２では、それぞれ供給された空気中の酸素と水素とが電解質膜を介しての電気化学反応により発電して電力が出力される。

燃料電池スタック１２のカソード側出口から排出されたカソードオフガスは、電気化学反応により生成された水を含んだ空気であり、エア調圧弁１６を介して希釈器１８に送られる。一方、燃料電池スタック１２のアノード側出口から排出されたアノードオフガスは、未消費の水素と電気化学反応により生成された水等を含んだガスであり、パージ弁１４が閉状態にある間は、循環昇圧器２７によって昇圧されながらアノード側入口に再度供給されて循環する。そして、パージ弁１４が所定のタイミングで一時的に開状態に切り替えられると、アノードオフガスはパージ弁１４および連結管１５を介して希釈部３２に送り込まれる。

希釈器１８の希釈部３２において、噴出口３３から噴出したアノードオフガスは、導入管３０から流入したカソードオフガスによって希釈された後、排気管３４を通ってＦＣケース１０外に排出される。このとき、アノードオフガスおよびカソードオフガスの両方に含まれる水は、高速かつ大流量で流れるアノードガスの勢いにより飛沫状になって希釈器１８から下流側に排出されることになるが、上記水の一部が希釈部３２に下面３６に溜まり得る。しかし、本実施形態の希釈器１８では、アノードオフガスの噴出口３３が下面最下部３８よりも上流側で且つ重量方向上側に配置されているため、外気温低下によって希釈部３２の下面に溜まった水が凍結しても噴出口３３が閉塞されてしまう事態を回避または抑制することができる。

アノードオフガスおよびカソードオフガスの混合ガスからなる排ガスは、排気管３４からエア遮断弁２８経由で加湿器４０に流入する。そこで排ガスに含まれる水は、内蔵された多孔質体に捕捉されて回収される。多孔質体に回収された水は、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿に利用される。加湿器４０を通過した排ガスは、消音器を介して外部に排出される。

本実施の形態では、加湿器４０を希釈器１８の下流側に配置しているため、大きな加湿器４０をＦＣケース１０に収容せずともよく、ＦＣケース１０の高さ寸法を小さくするのに有利である。また、何らかの原因で加湿器４０内の多孔質体が乾燥してくると、排ガス中の水素が多孔質体を介してカソード側に供給される空気に混入するクロスリークが発生する。その場合に、クロスリークした水素が空気とともに燃料電池スタック１２のカソード側に供給されると触媒反応によって水が生成され、その水がカソードオフガスに含まれて希釈器１８を介して加湿器４０に到達して回収されることで、加湿器４０の乾燥状態を応急的に軽減することができる。

なお、本実施形態において説明した希釈器１８について、種々の変更や改良が可能である。例えば、図５に示すように、上り勾配になった排気管３４の下面にせき止め部５２を突設してもよい。このせき止め部５２によって排気管３４から希釈部３２への水の逆流を防止できるとともに、せき止め部５２に対応する位置で排気管３４の流路断面積を絞ることで排気流速が速くなるため、せき止め部５２の下流側に溜まった水が下流側に吹き飛ばされ易くなる効果がある。また、せき止め部５２および排気管３４を絶縁体で形成すれば、希釈部３２の下面３６に溜まった水との絶縁を短距離で確保することができる。ここで、上記絶縁体としてＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）等の樹脂が例示されるが、このような絶縁性樹脂でせき止め部５２および排気管３４の表面がコーティングされることで上記絶縁体が構成されてもよい。

また、図６に示すように、パージ弁１４と希釈部３２が、希釈部３２内の下面３６近傍に連通するように接続された第１の連結管１５ａと、第１の連結管１５ａの重力方向上側に配置された第２の連結管１５ｂとによって連結されていてもよい。この構成によれば、希釈部３２内の下面３６に溜まった水が凍結して第１の連結管１５ａが閉塞された場合でも、第２の連結管１５ｂを介してのアノードオフガスの希釈部３２内への噴出経路が確保されるため、完全閉塞状態に陥る危険性を回避できる。また、第１の連結管１５ａを希釈部３２の下面３６近傍に連通するように接続することで、燃料電池スタック１２のアノードオフガス出口から希釈部３２内の下面３６までの高低差を最大限に利用して排水性能を高めることができる。なお、第２の連結管１５ｂは、第１の連結管１５ａに対して真上でなくても重力方向の上側にあればよく、水平方向にずれていてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムが搭載される燃料電池自動車の概略構成図である。 燃料電池システムの概略構成図である。 図２における燃料電池システムの希釈器の重力方向断面図である。 （ａ），（ｂ）共に、希釈器およびこれに連結されたパージ弁を上方から見た状態を概略的に示す図である。 希釈器の変形例を示す図である。 パージ弁と希釈器との間に２本の連結管を設けた変形例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池自動車、２ 前席、８ 燃料電池システム、１０ 燃料電池ケース、１１ 底面または下面、１２ 燃料電池スタック、１３ 側面、１３ａ 開口部、１３ｂ 縁部、１４ パージ弁、１５ 連結管、１６ エア調圧弁、１８ 希釈器、２０ 燃料タンク、２２ インジェクタ、２４ 配管、２６ 圧力計、２７ 循環昇圧器、２８ エア遮断弁、３０ 導入管、３２ 希釈部、３３ 噴出口、３４ 排気管、３６ 下面、３８ 下面最下部、４０ 加湿器、４２ 酸化ガス源、４４ エアコンプレッサ、５０ 弾性部材。

Claims (6)

1. アノード側に供給されるガスとカソード側に供給されるガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する希釈器と、燃料電池および希釈器を内部に収容する燃料電池ケースとを備えた燃料電池システムであって、
   希釈器の排気方向下流側に延伸する排気管が通る燃料電池ケースの側面開口部を重力方向に関して希釈器の内面最下部よりも上側に配置し、希釈器内でアノードオフガスがカソードオフガスの流れに対向して噴出するように構成したことを特徴とす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において、
   アノードオフガスが希釈器内に噴出する噴出口を希釈器の内面最下部よりも排気方向上流側に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   アノードオフガスが希釈器内に噴出する噴出口を希釈器の内面最下部よりも重力方向上側に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池のカソード側に供給されるガスに湿り気を付与する加湿器を、排気方向に関して希釈器の下流側に配置して排気管を接続したことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
   排気管は希釈器の内面最下部から排気方向に向かって上り勾配になった下面を有し、この下面上に水の逆流を防止するせき止め部が突設されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池からアノードオフガスを排出するアノード側出口は、開閉制御されるパージ弁とパージ弁および希釈器間の連結管とを介して希釈器に接続されており、連結管は、希釈器内の下面近傍に連通するように接続された第１の連結管と、第１の連結管の重力方向上側に配置された第２の連結管とからなることを特徴とする燃料電池システム。

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