JP4621007B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、「燃料電池の掃気時」とは、燃料電池の停止時、起動時などに燃料電池内の水を外に押し出すときである。
さらに、「オフガス配管に接続した掃気オフガス配管」とは、掃気オフガス配管が、オフガス配管の最上流端や最下流端に接続した場合も含むものとする。
なお、このことは、「前記掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって低くなっている」と、「前記オフガス配管は、前記気液分離器に向かって低くなっている」に関しても同様とする。
なお、掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって下り勾配部分を有することが好ましく、特に、掃気弁の下流側の掃気オフガス配管全体が下り勾配であると最適である。
なお、オフガス配管は、気液分離器に向かって下り勾配部分を有することが好ましく、特に、オフガス配管全体が下り勾配であると最適である。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車の停止時または起動時(燃料電池2の停止時または起動時)に、燃料電池2に掃気ガスを供給し、燃料電池2の燃料ガス流路4および酸化剤ガス流路5を掃気するシステムである。
燃料電池2(燃料電池スタック)は、主として、1価の陽イオン交換型の電解質膜3の両面をアノード(燃料極)およびカソード(空気極)で挟持してなる膜電極接合体(以下、MEA:Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体とも称される)が、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜3の全面に水素ガス(燃料ガス)、加湿空気(酸化剤ガス)を供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などが燃料ガス流路4、酸化剤ガス流路5として機能している。燃料ガス流路4には水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、酸化剤ガス流路5には、加湿空気が流通し、この流通する加湿空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、加湿空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池2から大きな電力を取り出すことが可能となっている。
アノード系は、燃料電池2のアノード側に配置され、水素ガスを供給・排出する系である。以下、アノード系の水素ガス供給側、水素ガス排出側の順で説明する。
アノード系の水素供給側は、水素ガスが貯蔵された水素タンク11と、遮断弁12と、エゼクタ13とを主に備えている。水素タンク11は、配管11aを介して下流側の遮断弁12に接続しており、遮断弁12は配管12aを介してエゼクタ13に接続している。そして、エゼクタ13は、配管13aを介して、燃料ガス流路4に連通する燃料電池2の燃料ガス導入口4aに接続している。また、遮断弁12とエゼクタ13との間の配管12aには、減圧弁(図示しない)が設けられている。
したがって、遮断弁12を開くと、水素ガスが所定に減圧された後、燃料ガス流路4に供給されるようになっている。
アノード系の水素排出側は、燃料電池2の通常発電時に、燃料ガス流路4から排出されたガス(以下、アノードオフガス)を気液分離する気液分離器21と、ドレン弁22と、未反応の水素ガスを希釈する希釈器23と、掃気時に開かれる掃気弁24とを主に備えている。
気液分離器21(キャッチタンク)は、通常発電時にアノードオフガスを気液分離して、アノードオフガス中の未反応の水素ガスを回収するための機器である。気液分離器21の上流側は、配管21a(オフガス配管)を介して、燃料ガス流路4に連通する燃料電池2の燃料ガス排出口4bに接続している。そして、気液分離器21は、冷媒が流通する冷媒配管(図示しない)などを備えており、配管21aから導入されるアノードオフガスを所定温度に冷却することで、未反応の水素ガスと水とに気液分離可能となっている。ただし、気液分離器21の気液分離する方式はこれに限定されず、例えば遠心力により分離する方式であってもよい。
気液分離器21の下流側は、配管21b(分離液体排出配管)を介してドレン弁22と、配管21c(分離ガス戻し配管)を介してエゼクタ13とにそれぞれ接続している。配管21bは、分離された水(液体)が排出されるように、気液分離器21の適所(底壁など)に設けられている。配管21cは、分離された未反応の水素ガスが排出されるように、気液分離器21の適所(上壁など)に設けられている。
ドレン弁22は、配管22aを介して、下流側の希釈器23に接続している。したがって、通常発電時にドレン弁22を適宜に開くことにより、気液分離器21で分離された水が、配管21b、ドレン弁22、配管22aを介して、希釈器23に流れるようになっている。
また、ドレン弁22は、燃料電池2の掃気時にも開かれ、掃気ガスおよび押し出された水が、希釈器23に流れるようになっている。
希釈器23(希釈ボックス)は、水素ガスを含むアノードオフガスなどを希釈するため、内部に希釈空間を有する箱状の機器である。希釈器23の上流側は、前記した配管22aの他、後記する配管24bと、配管31bとに接続している。
そして、配管22a、配管24bから希釈器23内に供給されたアノードオフガスなどは、配管31bから供給されるカソードオフガスによって希釈された後、希釈器23の所定位置に設けられた配管を介して、外気中に排出されるようになっている。
掃気弁24(掃気排出弁)は開閉式の止め弁であり、掃気弁24の上流側は、配管24a(掃気オフガス配管)を介して、配管21a(オフガス配管)の略中間の接続点Cに接続している。言い換えると、配管24aは、配管21aに分岐するように接続しており、配管24aの下流端に掃気弁24が接続している。一方、掃気弁24の下流側は、配管24b(掃気オフガス配管)を介して、希釈器23に接続している。
なお、本実施形態において、特許請求の範囲における「掃気オフガス配管」は、配管24aと配管24bとで構成されている。
なお、図3では、流量に比例して、矢印A2、A3、A4の太さを描いている。
したがって、図4に示すように、燃料電池2の掃気後の停止時に、掃気弁24近傍に残存した水が、配管24aを上流側(=接続点C側)に向かって流れた後、接続点Cから配管21aを気液分離器21に向かって流れるようになっている(図4、矢印A5参照)。よって、掃気弁24の凍結が防止されるようになっている。また、燃料電池2の掃気時においても、掃気ガスによって燃料電池2から押し出された水が、例えば配管24aが途中位置で鉛直上向きに立ち上がる場合などに比べて、上り勾配である配管24aをかけ上がり、高い位置の掃気弁24に到達しやすく、好適に排出可能となっている。
したがって、図4に示すように、燃料電池2の掃気後の停止時に、掃気弁24近傍に残存した水が、配管24bを下流側(=希釈器23側)に向かって流れるようになっている(図4、矢印A6参照)。よって、掃気弁24の凍結が防止されるようになっている。
次に、図1に戻って、カソード系について説明する。
カソード系は、燃料電池2のカソード側に配置され、主として、空気(通常発電時は加湿空気、掃気時は非加湿空気である掃気ガス)を供給・排出する系であり、ポンプ31(コンプレッサ)を主に備えている。
まず、カソード系の空気供給側について説明すると、ポンプ31は、外気を取り込み、所定に圧縮して燃料電池2に送る機器である。ポンプ31は、配管31aを介して、燃料電池2の酸化剤ガス流路5に連通する酸化剤ガス導入口5aに接続している。また、配管31aには、加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池2の通常発電時は、この加湿器で、ポンプ31で取り込まれた空気を加湿可能となっている。
次に、カソード系の空気排出側について説明すると、配管31bの上流端は、酸化剤ガス流路5の酸化剤ガス排出口5bに接続している。そして、配管31bの下流端は、前記したアノード系の希釈器23に接続している。したがって、酸化剤ガス流路5から排出されるカソードオフガス(通常発電時は加湿空気+生成した水、掃気時は掃気ガス+押し出された水)が、配管31bを介して希釈器23に供給されるようになっている。
掃気ガス導入系は、燃料電池2の掃気時に、掃気ガス(空気)を、カソード系からアノード系に導く系であり、開閉弁41(掃気導入弁)を主に備えている。
開閉弁41の上流側は、配管41aを介して、カソード系の配管31a(前記加湿器の下流側)に接続している。開閉弁41の下流側は、配管41bを介して、アノード系の配管13aに接続している。
同様に、配管24b、配管21aも、部分的に下り勾配部分を有する構成などであってもよい。
2 燃料電池
4 燃料ガス流路
5 酸化剤ガス流路
21 気液分離器
21a 配管(オフガス配管)
21c 配管(分離ガス戻し配管)
24 掃気弁
24a、24b 配管(掃気オフガス配管)
Δh1、Δh2、Δh3 高低差
C 接続点
Claims (4)
- 燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の下流端に接続したオフガス配管と、当該オフガス配管の下流端に接続し、オフガスを気液分離する気液分離器と、当該気液分離器に接続し、気液分離されたガスを前記燃料電池の燃料ガス供給側に戻す分離ガス戻し配管と、前記オフガス配管に接続し、前記燃料電池の掃気時にオフガスが流通する掃気オフガス配管と、当該掃気オフガス配管に設けられ、前記燃料電池の掃気時に開かれる掃気弁と、を備えた燃料電池システムであって、
前記掃気オフガス配管内の最小流路断面積は、前記オフガス配管と前記掃気オフガス配管との接続点から前記気液分離器側の流路の最小流路断面積より、大きく、
前記接続点から前記掃気弁側の圧力損失は、前記接続点から前記気液分離器側の圧力損失より、小さいことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記掃気弁の高さ位置は前記接続点より高く、前記接続点と前記掃気弁との間の掃気オフガス配管は、前記掃気弁に向かって高くなっていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって低くなっていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記オフガス配管は、前記気液分離器に向かって低くなっていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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