JP4829494B2

JP4829494B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4829494B2
Application number: JP2004338377A
Authority: JP
Inventors: 丘里糟谷; 治市川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006147440A

Description

本発明は、燃料電池から排出される流体の熱をリサイクルして気液分離器で使用する燃料電池システムに関する。

近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ₂）と空気中の酸素（Ｏ₂）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。

燃料電池システムでは、高圧水素タンクからの水素（アノードガス）が減圧された後に水素供給通路を介してアノード極に供給される一方、電動コンプレッサにより加圧された空気（カソードガス）が空気供給通路を介してカソード極に供給される。アノード極からは燃料電池で消費されなかった水素（アノードオフガス：反応オフガス）が排気ガスとしてアノードオフガス通路を介して排出され、カソード極からは反応後の空気（カソードオフガス）が排気ガスとしてカソードオフガス通路を介して排出される。

ところで、燃料電池は、カソード極で生成された水が薄い電界質膜を介してアノード極に移動するため、アノードオフガスもカソードオフガスと同様に水分を含む。このためアノードガスをリサイクルしようとするとアノードオフガスに水蒸気や水滴のかたちで含まれている反応生成水（以下、単に生成水という）をアノードオフガスから分離する必要がある。このためアノードオフガスから生成水を分離する気液分離器が設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような気液分離器には、冷却水が供給されるようになっており、この冷却水でアノードオフガスを冷却することにより、アノードオフガスに含まれている生成水が凝縮され、ドレン配管を伝わって排出される。一方、生成水が分離されたアノードオフガスは、エゼクタに供給され、このエゼクタで高圧水素タンクからのアノードガスに混合されて、再び燃料電池のアノード極に供給される。これにより、アノードオフガスに含まれる水素がリサイクルされる。
特開平８−３２１３１６号公報（段落００１６〜００１７、図１）

ところで、前記気液分離器では、気液分離器により分離された生成水が貯水部やドレン配管等に残ったまま燃料電池を停止させた状態で氷点下などの外気温度が低い場所に長時間放置されると、残留した生成水が凍結して、低温起動時に新たに生成する水を系外に排出できず、始動性能に影響を及ぼすという問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結した場合でも適切に排出することができ、また凍結を防止することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスがアノード極に、酸化剤ガスがカソード極に供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極から排出されるアノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器と、この気液分離器に設けられ、分離された前記水分を溜める貯水部と、この貯水部から延出して設けられ、溜まった前記水分を排出するドレン配管と、前記ドレン配管を開放あるいは閉塞するドレン弁と、前記気液分離器により水分の分離された前記アノードオフガスを前記燃料電池の前記燃料ガスの供給側に戻す供給通路と、前記気液分離器に隣接して配置されるとともに、前記供給通路により戻された前記アノードオフガスを前記燃料ガスと合流させる再循環合流機構と、前記気液分離器と前記再循環合流機構との間において前記気液分離器に接触して配置され、前記燃料電池からの流体を通流する冷媒通路と、を備え、前記冷媒通路は、前記ドレン配管を内側に含む構造をとり、前記流体は、前記燃料電池を循環して冷却する冷却媒体の一部であり、前記燃料電池から前記供給通路近傍を通過して前記ドレン配管の下流側に向けて流れた後、前記ドレン配管の周囲に沿って前記ドレン弁から前記気液分離器の前記貯水部に向けて流れるときに前記ドレン配管、前記ドレン弁および前記貯水部との間で熱交換し、その後、熱交換器を介して前記燃料電池に導入されることを特徴とする。
係る構成により、ドレン配管等において凍結しても迅速に解凍できるので、燃料電池の低温起動時に生成水を迅速に排出することができる。なお、本発明における近接とは貯水部の氷を解凍できる熱量を与えられる程度の距離である。

また、請求項１に記載の発明によると、ドレン配管の熱を冷媒通路により効果的に伝えることができる。

なお、前記冷媒通路に供給される冷却媒体は前記燃料電池が冷えている起動時や氷点下の温度条件に基づいて供給されることが好ましい。

本発明の燃料電池システムによれば、気液分離器により分離された生成水が、例えばドレン配管等において凍結しても迅速に解凍できるので、燃料電池の低温起動時に生成水を迅速に排出することができる。

以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの主要部を示す概略構成図、図２は同じく燃料電池システムにおける冷却水の流れおよび水素ガスの流れを示す概略図である。

＜燃料電池システムの構成＞

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０と、冷媒通路２０と、気液分離器３０と、再循環合流機構としてのエゼクタ４０とを備え、気液分離器３０とエゼクタ４０とを隣接して一体的に配置するとともに、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に冷媒通路２０が配置されて構成されている。

燃料電池１０は、図２に示すように、水素供給タンク等が設けられた水素供給系Ｃから燃料ガスである水素（アノードガス）が水素熱交換器Ｃ１およびエゼクタ４０を介して燃料電池１０の図示しないアノード極に供給され、一方、空気供給系Ａから酸化剤ガスである空気（カソードガス）が燃料電池１０の図示しないカソード極に供給されることにより、これらを電気化学的に反応させて発電する。発電された電力は、図示しない車両に搭載された走行モータに供給される。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質膜を挟んで図示しないアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
なお、生成水はカソード極側で生成されるが、薄い電解質膜を介してアノード極側に移動するため、リサイクルする水素に多くの生成水が含まれることになる。

図１に示すように、冷媒通路２０は、気液分離器３０とエゼクタ４０との間を貫通するかたちで配設されており、気液分離器３０およびエゼクタ４０に略一体的に設けられている。冷媒通路２０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水（冷却媒体）が通流するようになっている。ここで、冷却水が通流する冷却系は、図２に示すように、主として、冷却水が燃料電池１０から冷媒通路２０を通り、その後、熱交換器１１を介して再び燃料電池１０に供給されるという循環経路を備えて構成されており、熱交換器１１により放熱した冷却水を循環ポンプ１２により燃料電池１０へ送出する冷却水循環往路１３Ａと、燃料電池１０から吸熱した冷却水を熱交換器１１に戻す冷却水循環復路１３Ｂとを少なくとも備えている。なお、ここで冷却水は、氷点下の温度になっても凍結しない不凍水であることとする。

再び図１を参照して説明すると、気液分離器３０は、燃料電池１０から排出された余剰水素ガスである高湿潤のアノードオフガスから反応生成水（水分）を分離する役割をなす。

気液分離器３０とエゼクタ４０との間には、気液分離器３０により反応生成水の分離された後のアノードオフガスを、燃料ガス(水素)の供給側であるエゼクタ４０の吸込口側に戻す供給通路３５が配設されている。

気液分離器３０の下部には、断面逆三角形状の貯水部３１が設けられている。気液分離器３０と貯水部３１との間には、例えば、複数の透孔３０ｂ（図１では拡大して１つのみ図示）が形成された仕切り板３０ａが配設されており、気液分離器３０で分離された反応生成水が透孔３０ｂを通過して貯水部３１に溜まるようになっている。

貯水部３１の下部には、冷媒通路３２が、貯水部３１の底面に密着（接）した状態に配設されている。冷媒通路３２は、ドレン配管３２ａが外管３２ｂの内側に含まれる二重管構造とされており、ドレン配管３２ａが、貯水部３１の排出口３１ａに連通してドレン管として機能するとともに、外管３２ｂが、前記冷却水循環復路１３Ｂ（図２参照）に連通して、冷却水の通流する通路として機能する。これにより、貯水部３１に溜まった反応生成水は、冷媒通路３２のドレン配管３２ａを通じて排出され、一方、冷却水循環復路１３Ｂからの冷却水が、冷媒通路３２の外管３２ｂを通じて貯水部３１に供給される。つまり、ドレン配管３２ａは、燃料電池１０を通過した後の温かい冷却水により加温される。ここで、ドレンは、ドレン配管３２ａを図１中矢印Ｘ１方向に流れ、また、冷却水は、外管３２ｂを図１中矢印Ｘ２方向に流れる。すなわち、ドレン配管３２ａの下流側に外管３２ｂの上流側が位置することとなり、ドレン配管３２ａの下流側がドレン配管３２ａの上流側より先に冷却水で加温される構造となっている。なお、冷媒通路３２は、冷却水の流れる方向（図１中矢印Ｘ２方向）を基準として、貯水部３１の排出口３１ａより上流側がドレン配管３２ａと外管３２ｂとからなる二重管構造とされ、また、排出口３１ａより下流側が外管３２ｂのみから構成されている。

冷媒通路３２には、ドレン弁３３が接続されており、このドレン弁３３の開閉により、ドレン配管３２ａが開放あるいは閉塞されるようになっている。なお、気液分離器３０および貯水部３１の内部は、燃料電池１０より排出された反応オフガスにより大気よりも圧力が高くなっているので、ドレン弁３３が開かれると、ドレン配管３２ａを通じてドレンが排出される。
なお、エゼクタ４０の上流側には、図示しない減圧弁が配設され、さらに、空気供給系Ａには、図示しないエアクリーナや、加湿器、電動コンプレッサ等が配設されている。

＜実施形態の作用＞
燃料電池システムを起動すると、図示しないスロットルペダルの踏込み量や各機器（灯火装置や空調装置等）の消費電力等に基づき燃料電池１０から取り出すべき電流量が図示しない制御装置により決定され、その電流量に応じたカソードガスが燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０にアノードガスが供給されることで、アノード極からカソード極への水素の移動に伴って電力が発生するとともに、消費されたアノードガスが水素供給タンクから供給される。そして、アノード極から消費されなかった余剰の水素は、アノードオフガスとしてアノードオフガス通路１５を通じて気液分離器３０に排出されここで含まれる水分が分離される。このようにして、水分が取り除かれたアノードオフガスは供給通路３５を経由してエゼクタ４０に送られる。また、カソード極から反応後の空気がカソードオフガスとして排出される。

そして、エゼクタ４０においては、送られたアノードオフガスに、さらに水素供給タンクＣから、新たな水素ガスを注ぎ足して燃料電池１０のアノード極に再び供給する。これを繰り返すことにより、アノードオフガスは循環してリサイクルされることになる。

一方、冷却系の循環ポンプ１２が駆動制御され、図２に示すように、循環ポンプ１２から吐出された冷却水が冷却水循環往路１３Ａを通じて燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給されて燃料電池１０を冷却した後の冷却水は、燃料電池１０から吸熱して冷却水循環復路１３Ｂに排出され、その後、冷媒通路２０に供給される。
。

その後、冷媒通路２０を通過した冷却水の一部は、図２に示すように、冷媒通路３２に供給され、冷媒通路３２内においてドレン配管３２ａの周囲に沿って、ドレン弁３３から気液分離器３０の貯水部３１に向けて流れ、その後、冷却水循環復路１３Ｂに戻される。この際、冷媒通路２０を流れる冷却水と、ドレン配管３２ａ、ドレン弁３３および貯水部３１との間で熱交換がなされ、ドレン配管３２ａ、ドレン弁３３および貯水部３１がそれぞれ加温される。これにより、アノードオフガスから分離されて存在している生成水のうち、凍結しているものがあれば解凍される。そして、解凍されることにより新たに生成される生成水の排出が可能になる。また、貯水部３１及びドレン配管３２ａの周囲が保温されることにより、再凍結が防止される。さらに保温されることにより、エゼクタ４０に向かう途中経路での生成水の凝縮が防止される。なお、冷媒通路３２に供給される冷却水は、貯水部３１に溜まった反応生成水が蒸発することのない温度に設定され、好ましくは、燃料電池１０やその他の機関が冷えている起動時や氷点下の温度条件において供給される。

冷却水循環復路１３Ｂに戻された冷却水は、冷媒通路２０を通過したした後の冷却水とともに冷却水循環復路１３Ｂをさらに循環して熱交換器１１に流入し、熱交換器１１で放熱された後に再び循環ポンプ１２により燃料電池１０に向けて吐出される。

以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、
冷媒通路３２を流れる冷却水により、気液分離器３０の下部に設けられた貯水部３１、ドレン弁３３およびドレン配管３２ａが、低温起動時においても昇温速度の速い冷却水の熱で加温されることとなり、気液分離器３０により分離された生成水が凍結してドレン配管３２ａ等を閉塞し、分離された生成水があふれることを防止することができる。

また、冷媒通路３２のドレン配管３２ａの下流側に、外管３２ｂの上流側が位置し、ドレン配管３２ａの下流側がドレン配管３２ａの上流側より先に冷却水で加温される構造となっているので、ドレンの凍結しやすい部分から加温されることとなり、ドレン配管３２ａ等において凍結したドレンを解凍することができ、さらに再凍結の防止が効果的に行われる。

本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、また、前記実施形態では燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や航空機等の移動体、あるいは定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記実施形態ではＰＥＭ型の燃料電池を備えた燃料電池システムを取り上げたが、本発明は、アルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池等、他種の燃料電池を備えた燃料電池システムにも当然に適用できる。また、燃料電池システムを構成する各機器のレイアウト等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
また、本実施例において、貯水部３１は断面逆三角形状ではなくてもよく、直方体形状や円柱形状などでもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの主要部を示す概略構成図である。同じく燃料電池システムにおける冷却水の流れおよび水素ガスの流れを示す概略図である。

符号の説明

１０燃料電池
１１熱交換器
１２循環ポンプ
１３Ａ冷却水循環往路
１３Ｂ冷却水循環復路
１５アノードオフガス通路（通路）
３０気液分離器
３１貯水部
３２冷媒通路（通路）
３２ａドレン配管
３２ｂ外管
３３ドレン弁
３５供給通路（通路）

Claims

燃料ガスがアノード極に、酸化剤ガスがカソード極に供給されて発電を行う燃料電池と、
前記アノード極から排出されるアノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器と、
この気液分離器に設けられ、分離された前記水分を溜める貯水部と、
この貯水部から延出して設けられ、溜まった前記水分を排出するドレン配管と、
前記ドレン配管を開放あるいは閉塞するドレン弁と、
前記気液分離器により水分の分離された前記アノードオフガスを前記燃料電池の前記燃料ガスの供給側に戻す供給通路と、
前記気液分離器に隣接して配置されるとともに、前記供給通路により戻された前記アノードオフガスを前記燃料ガスと合流させる再循環合流機構と、
前記気液分離器と前記再循環合流機構との間において前記気液分離器に接触して配置され、前記燃料電池からの流体を通流する冷媒通路と、を備え、
前記冷媒通路は、前記ドレン配管を内側に含む構造をとり、
前記流体は、前記燃料電池を循環して冷却する冷却媒体の一部であり、前記燃料電池から前記供給通路近傍を通過して前記ドレン配管の下流側に向けて流れた後、前記ドレン配管の周囲に沿って前記ドレン弁から前記気液分離器の前記貯水部に向けて流れるときに前記ドレン配管、前記ドレン弁および前記貯水部との間で熱交換し、その後、熱交換器を介して前記燃料電池に導入されることを特徴とする燃料電池システム。
前記冷媒通路に供給される冷却媒体は前記燃料電池が冷えている起動時や氷点下の温度条件に基づいて供給され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。