JP4831520B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、ガス配管ラインに気液分離器を設け、気液分離器で分離した液体をシステム外に排出する燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池への水素ガスの循環通路上に設けた気液分離器によって、水素ガスに含まれる水分（燃料電池の反応によって生じた生成水など）を水素ガスの気体分から分離し、その水素ガスを燃料電池に再供給する燃料電池システムが広く知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。このシステムでは、気液分離器で分離された液体分は、気液分離器の液溜まり部に一時的に貯留された後、液溜まり部の下部に接続された排液弁を開放することで、システム外に排出される。
特開２００２−２１６８１２号公報（第９頁および第１図） 特開２００２−２４６０５９号公報（第５頁および第１図）

しかし、このような従来の燃料電池システムでは、排液弁が凍結による一時的な閉弁異常や弁座への異物噛み込みによる閉弁異常など、排液弁が故障した場合に、水素ガスがシステム外に漏洩するおそれがあった。

本発明は、排液弁の故障時に、適切に対応することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池システムは、水素オフガスが流れるガス配管ラインに気液分離器を備えた燃料電池システムであって、気液分離器によって水素オフガスから分離された液体を、システム外に排出する排液通路と、排液通路を開閉する排液弁と、排液弁の下流側の排液通路内の水素オフガスの有無を検出するガス検出センサと、排液通路に分岐接続され、水素オフガスをガス検出センサに誘導するためのガス誘導通路と、を備え、ガス検出センサは、排液通路の外側、かつ、ガス誘導通路のガス検出センサ側の下流口の鉛直上方に設けられる、ものである。

この構成によれば、排液弁の正常時では、気液分離器に流れ込んだ水素オフガスはその気体分と液体分とに分離される。気液分離器で分離された液体は、排液弁の開弁状態で排液通路の下流側へと排出され、最終的にシステム外に排出される。
一方、排液弁の故障時に、気液分離器で分離されるべき水素オフガスの気体分が排液通路の下流側へと流出され得たとしても、ガス検出センサによって水素オフガスの有無が検出される。これにより、ガス検出センサの検出結果を受けて、適切な対応をとることができる。すなわち、上記構成により、フェールセーフ作用を好適に達成することが可能となる。
ここで、ガス配管ラインは、好ましくはオフガスラインであるが、循環ガスラインであってもよい。また、ガス検出センサが水素オフガスの「有」を検出した場合には、例えば、ランプなどの表示やブザーなどの音により、水素オフガスの流出の旨を視聴覚的に報知することができる。またこの場合には、燃料電池システム自体の作動を停止することもできる。

また、ガス検出センサは、排液通路の外側に設けられており、排液通路に分岐接続され、水素オフガスをガス検出センサに誘導するためのガス誘導通路を更に備えているため、ガス検出センサを排液通路内に設けなくて済む。

本発明の他の燃料電池システムは、水素オフガスが流れるガス配管ラインに気液分離器を備えた燃料電池システムであって、気液分離器によって水素オフガスから分離された液体を、システム外に排出する排液通路と、排液通路を開閉する排液弁と、排液弁の下流側の排液通路に設けられ、水素オフガスから液体を分離可能な気液分離部と、気液分離部の気体部内の水素オフガスの有無を検出するガス検出センサと、気体部から水素オフガスをガス検出センサに誘導するためのガス誘導通路と、を備え、ガス検出センサは、気体部の外側、かつ、ガス誘導通路のガス検出センサ側の下流口の鉛直上方に設けられる、ものである。

この構成によれば、排液弁の正常時では、気液分離器で分離された水素オフガスの液体は、排液弁の開弁状態で排液通路の下流側へと排出され、気液分離器とは別体の気液分離部を通って最終的にシステム外に排出される。
一方、排液弁の故障時に、気液分離器で分離されるべき水素オフガスの気体分が排液通路の下流側へと流出され得たとしても、水素オフガスは気液分離部でその気体分と液体分とに分離される。ガス検出センサによって、気液分離部の気体部内に水素オフガスがある旨（「有」）が検出されるため、上記同様に適切な対応をとることができる。すなわち、フェールセーフ作用を好適に達成することが可能となる。

また、ガス検出センサは、気体部の外側に設けられており、気体部から水素オフガスをガス検出センサに誘導するためのガス誘導通路を更に備えているため、ガス検出センサを気液分離部の気体部内に設けなくて済む。

これらの場合、ガス誘導通路は、ガス検出センサ側の下流口が鉛直下方に向かって開口していることが、好ましい。

この構成によれば、ガス誘導通路の下流口に、外部から異物が混入することを好適に抑制することができる。このため、ガス誘導通路は、所定ガスの誘導を長期にわたって適切に行うことが可能となる。

これらの場合、ガス配管ラインは、アノード排出通路であり、ガス検出センサは、所定ガスとして水素を検出することが、好ましい。

この構成によれば、排液弁の故障時に、燃料電池の発電に供された水素（未反応の水素）がシステム外に漏洩したとしても、その旨がガス検出センサで検出され、上記のように適切な対応をとることが可能となる。適切な対応によって、特に、排液弁の下流側の排出点周囲を高濃度の水素の雰囲気とすることを防止し得る。
ここで、アノード排出通路には、気液分離器を通過した水素を再び燃料電池に供給する循環通路も含まれる。

この場合、アノード排出通路以外のガス配管ラインに設けられた第２の気液分離器と、第２の気液分離器によって分離された液体をシステム外に排出する第２の排液通路と、を更に備え、排液通路と第２の排液通路とは、合流して液体をシステム外に排出することが、好ましい。

この構成によれば、アノード排出通路側の気液分離器で分離された液体と、他のガス配管ラインの第２の気液分離器で分離された液体とを、集液してシステム外に排出することができる。
ここで、第２の気液分離器は、上記の気液分離器や気液分離部とは別体のものである。また、排液通路と第２の排液通路との合流構造は、その一方がその他方に分岐接続される構成であってもよいし、その両方が例えばタンクなどの集水部に接続される構成であってもよい。

本発明の燃料電池システムによれば、排液弁が故障した場合であっても適切に対応することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、気液分離器に接続した排液通路から所定ガスが漏洩した場合にこれを検出することで、適切な対応をとることができるものである。以下では、この所定ガスとして、燃料電池から排出された水素ガスを例に説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池２と、システム全体を統括制御する制御装置３と、を有している。燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造からなり、酸化剤ガスとしての酸化ガス（空気）と、燃料ガスとしての水素ガスとの供給を受けて電力を発生する。なお、燃料電池２を定置用とする場合には、リン酸型が好適である。

燃料電池システム１のガス配管ラインには、燃料電池２に酸化ガスを供給するためのカソード供給通路１１と、燃料電池２から酸化オフガス（未反応の酸化ガス）を排出するためのカソード排出通路１２と、燃料電池２に水素ガスを供給するためのアノード供給通路１３と、燃料電池２から排出された水素オフガス（未反応の水素ガス）を燃料電池２に再び循環供給するためのアノード循環通路１４と、水素オフガスを不純物と共に外部に排出するためのパージ通路１５と、が設けられている。

カソード供給通路１１には、大気中の空気を取り込んで加湿器２１に圧送するコンプレッサ２２が設けられている。加湿器２１は、カソード供給通路１１とカソード排出通路１２との両者に亘って設けられており、浄化済みの酸化ガスと酸化オフガスとの間で水分交換を行う。カソード排出通路１２には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整する調圧弁２３と、加湿器２１の下流側に位置して酸化オフガスから液体分を分離する気液分離器２４と、気液分離器２４の下流側に位置して、気体分のみからなる酸化オフガスを消音する消音器２５と、が設けられている。

気液分離器２４（第２の気液分離器）は、酸化オフガスに含まれる生成水などの液体分を分離し、その分離した液体分を気液分離器内の図外の液溜め部に一時的に貯留する。液溜め部の下部には、これに一時貯留された液体をシステム外に排出するための排液通路２７（第２の排液通路）が接続されている。排液通路２７には、これを開閉するドレン弁２８（第２の排液弁）が介設されている。なお後述するように、アノード側の気液分離された液体も、排液通路２７の途中から流入してシステム外に排出される。

アノード供給通路１３には、上流側から順に、水素ガスを高圧で貯留する高圧タンクなどのガス供給源３１と、アノード供給通路１３を開閉する元弁となる遮断弁３２と、ガス供給源３１から供給された水素ガスを減圧するレギュレータ３３と、が設けられている。なお、例えば車両において水素ガスに改質する場合には、ガス供給源３１には圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などが貯留される。

アノード循環通路１４（アノード排出通路）には、水素オフガスから液体分を分離させる気液分離器３６と、気液分離器３６の下流側に位置して、水素オフガスをアノード供給通路１３に圧送するポンプ３７と、が設けられている。気液分離器３６の作用により気体分のみとなった水素オフガスは、ガス供給源３１からの新たな水素ガスと合流点Ａで合流して、混合ガスとして燃料電池２に再供給される。気液分離器３６まわりの構成については、詳細を後述する。

パージ通路１５は、ポンプ３７の下流側のアノード循環通路１４の部分に分岐配管されている。パージ通路１５に設けたパージ弁３８を適宜開くことで、アノード循環通路１４を流れる水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共にガス処理装置３９に導かれる。ガス処理装置３９では、この水素オフガスと、カソード排出通路１２の酸素オフガスとを混合して燃焼処理する。そして、燃焼処理後のガスは、カソード排出通路１２の消音器２５の下流側に合流して、最終的に外部に排気される。なお、ガス処理装置３９は、この種の燃焼器の構成に限らず、水素オフガスの水素濃度を低減する希釈器の構成であってもよい。

ここで、気液分離器３６まわりの構成について詳述する。気液分離器３６は、例えばサイクロン式により、気液分離器３６に導入した水素オフガスの流れに旋回流を起こさせることで、水素オフガス中に含まれる生成水などの液体分を気体分から分離する。分離された液体分は、気液分離器３６内の下方の液溜め部に滴下し、ここで一時的に貯留される。一方、分離された気体分のみからなる水素オフガスは、気液分離器３６内の上方の気体部に設けた出口（気体排出部）から排出されて、燃料電池２への再供給に供せられる。なお、気液分離器３６の構造は、サイクロン式に限られない。

液溜め部の下部には、液溜め部に貯留された液体をシステム外に排出する排液通路５１が接続されている。排液通路５１には、これを開閉する排液弁５２が設けられている。排液弁５２は、例えば電磁弁からなり、液溜め部に臨んで設けた図外の水位計の検出結果に基づいて開閉制御される。具体的には、排液弁５２は通常閉弁されており、液溜め部の液量が所定量に達した旨を水位計によって検出されると、その検出信号を受けた制御装置３が、排液弁５２を開弁するように制御信号を出力する。これにより、排液弁５２が開弁して、液溜め部の液体が排液通路５１の下流側へと流出する。

なお、排液弁５２を電磁弁で構成したが、排液弁５２の開閉を機械構造的に行ってもよい。すなわち、液溜め部と排液弁５２との間にフロート式や差圧式などのオートドレイン機構を組み込み、オートドレイン機構によって排液弁５２を適宜開閉することで、液体の排出を調整するようにしてもよい。上記のように水位計で検出する場合には、例えば車両振動や傾斜に伴い水位が変動して誤検出するおそれがあるが、このような機械的な構成とすることで、誤検出を適切に防止することができると共に制御ロジックや配線を単純化することが可能となる。

排液通路５１は、その下流側に向かって液体が移動するように所定の下り勾配を有している。例えば、排液通路５１を構成する管は、車両の後方または側方に向かって且つ斜め下方に向かって延在するように、車両にブラケットを介して取り付けられる。排液通路５１の下流端は、カソード側の排液通路２７の排液弁２８の下流側に合流するように、排液通路２７の途中に接続している。また、排液通路５１の排液弁５２の下流側には、ガス検出センサ６１にガスを誘導可能なガス誘導通路６２が分岐接続されている。

ガス誘導通路６２は、ガスを積極的に且つ液体分を消極的にガス検出センサ６１に導くように、鉛直上方に向かって延在している。ガス誘導通路６２を設けることで、ガス検出センサ６１を排液通路５１内でなく、排液通路５１の外側に設けることが可能となる。

ガス検出センサ６１は、排液弁５２の下流側の排液通路５１内の水素オフガス（水素）の有無を、ガス誘導通路６２から導かれた水素オフガスの有無によって検出するものである。ガス検出センサ６１は、制御装置３に接続されており、その検出結果を制御装置３に適宜出力している。すなわち、制御装置３は、ガス検出センサ６１の出力を常時監視している。

制御装置３（ＥＣＵ）は、図示省略したＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有している。制御装置３は、ガス検出センサ６１などその他の図示省略した各種のセンサからの検出信号を入力すると共に、各種構成機器（２２，２３，３２，３３，３７，３８など）の各種ドライバに制御信号を出力することにより燃料電池システム１全体を制御する。

例えば、燃料電池システム１の正常時では、排液通路５１には液体のみしか流れないため、ガス検出センサ６１は、排液通路５１への水素オフガスの漏洩がない「無」の旨を検出する。しかし、排液弁５２の弁部の噛み込みなど、排液弁５２が故障した燃料電池システム１の異常時では、水素オフガスが気液分離器３６から排液弁５２を介して排液通路５１に漏洩する。漏洩した水素オフガスの一部は、ガス誘導通路６２によってガス検出センサ６１に導かれる。

このとき、ガス検出センサ６１は、排液通路５１への水素オフガスの漏洩がある「有」の旨を検出し、その検出結果を制御装置３に出力する。この検出信号を入力した制御装置３は、様々な適切な処置をとるように制御信号を出力して、システム全体を制御する。

例えば、制御装置３は、レギュレータ３３、コンプレッサ２２および調圧弁２３などを制御して、燃料電池２に供給する水素ガスおよび酸化ガスの流量を低減するようにしてもよいし、燃料電池システム１自体の作動を停止するようにしてもよい。また、制御装置３は、図示省略したランプなどの表示手段を点灯させたり、ブザーなどで音声を発したりすることによって、水素オフガスの漏洩がある旨を車内者に報知するようにしてもよい。この種の報知手段を用いることで、車内者に排液弁５２の交換を促すことができる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、排液弁５２の故障時に、気液分離器３６で分離されるべき水素オフガス（の気体分）が、排液通路５１の下流側からシステム外へと流出したとしても、このことがガス検出センサ６１で迅速に検出される。これにより、水素オフガスの漏洩があったとしても、上記のように早期に適切な対応をとることができ、フェールセーフ作用を好適に達成することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図２を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態との主な相違点は、ガス誘導通路６２の形状と、ガス誘導通路６２と排液通路５１との分岐部９１の構造との２点である。なお、第１実施形態と対応する部分については、同一符号を付し、その説明を省略する。

ガス誘導通路６２は、排液通路５１との分岐部９１から鉛直上方に向かって延在しており、ガス検出センサ６１側の下流端部がＵ字状（Ｊ字状）に形成されている。ガス誘導通路６２の下流口８１は、鉛直下方に向かって開口している。このような構成とすることで、ガス誘導通路６２の下流口８１に、外部から異物が混入することが抑制される。そして、ガス誘導通路６２の下流口８１の鉛直上方にガス検出センサ６１が設けられており、両者の間の距離はＬに設定されている。なお、このガス誘導通路６２の形状は、第１実施形態にも適用することができる。

分岐部９１は、排液通路５１を流れ得る水素オフガスから、液体を分離可能に構成されている。すなわち、分岐部９１は実質的に気液分離部に相当しており、分岐部９１内は、水素オフガスから分離された液体を一時貯留可能な液溜め部と、液溜め部の上方に設けた気体部と、気体部の鉛直上方に設けられた気体排出部と、で主として区画されている。液溜め部の下部に排液通路５１の下流側が接続され、気体排出部にガス誘導通路６２の上流側が接続されている。

排液弁５２の故障によって、分岐部９１に水素オフガスが流れ込んだ場合には、ここで水素オフガスが気液分離されて、その液体分は液溜め部から排液通路５１を通ってシステム外に排液される。一方、分離された気体分のみからなる気体部内の水素オフガスは、気体排出部からガス誘導通路６２を通ってガス検出センサ６１に導かれる。これにより、ガス検出センサ６１では、気体部内に水素オフガスが存在する「有」の旨、すなわち水素オフガスが漏洩している旨が検出される。そして、この検出結果を受けて制御装置３によって、上記所定の処置がとられる。

したがって、本実施形態の燃料電池システム１によっても、上記同様に排液弁５２の故障時に、早期に適切な対応をとることができ、フェールセーフ作用を好適に達成することができる。また、分岐部９１を実質的に気液分離部として構成することで、ガス誘導通路６２に液体分のない水素オフガスを適切に誘導し、排液通路５１の下流側に気体分のない液体を適切に排液することができる。また、上記したように、ガス検出センサ６１は水素オフガスを常時監視しているものであるが、その検出性能を設定距離Ｌを調整することで可変することができる。

なお、アノード側の排液通路５１をカソード側の排液通路２７に分岐接続させて、両者の液体を集合排液するようにしているが、もちろんこれらをシステム外に別々に排液する構造としてもよい。あるいは、両者の排液通路２７，５１の下流端をタンクなどの集水部に接続し、タンクで集水してからシステム外に排液するようにしてもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムのガス検出センサのまわりの構成を示す構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、３ 制御装置、１４ アノード循環通路（アノード排出通路）、２４ 第２の気液分離器、２７ 第２の排液通路、３６ 気液分離器、５１ 排液通路、５２ 排液弁、６１ ガス検出センサ、６２ ガス誘導通路、８１ 下流口、８２ 分岐部（気液分離部）

Claims (5)

1. 水素オフガスが流れるガス配管ラインに気液分離器を備えた燃料電池システムであって、
   前記気液分離器によって前記水素オフガスから分離された液体を、システム外に排出する排液通路と、
   前記排液通路を開閉する排液弁と、
   前記排液弁の下流側の前記排液通路内の前記水素オフガスの有無を検出するガス検出センサと、
   前記排液通路に分岐接続され、前記水素オフガスを前記ガス検出センサに誘導するためのガス誘導通路と、
   を備え、
   前記ガス検出センサは、前記排液通路の外側、かつ、前記ガス誘導通路の前記ガス検出センサ側の下流口の鉛直上方に設けられる、燃料電池システム。
2. 水素オフガスが流れるガス配管ラインに気液分離器を備えた燃料電池システムであって、
   前記気液分離器によって前記水素オフガスから分離された液体を、システム外に排出する排液通路と、
   前記排液通路を開閉する排液弁と、
   前記排液弁の下流側の前記排液通路に設けられ、前記水素オフガスから液体を分離可能な気液分離部と、
   前記気液分離部の気体部内の前記水素オフガスの有無を検出するガス検出センサと、
   前記気体部から前記水素オフガスを前記ガス検出センサに誘導するためのガス誘導通路と、
   を備え、
   前記ガス検出センサは、前記気体部の外側、かつ、前記ガス誘導通路の前記ガス検出センサ側の下流口の鉛直上方に設けられる、燃料電池システム。
3. 前記ガス誘導通路は、前記ガス検出センサ側の下流口が鉛直下方に向かって開口している請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス配管ラインは、アノード排出通路である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記アノード排出通路以外のガス配管ラインに設けられた第２の気液分離器と、
   前記第２の気液分離器によって分離された液体をシステム外に排出する第２の排液通路と、を更に備え、
   前記排液通路と前記第２の排液通路とは、合流してシステム外に液体を排出する請求項４に記載の燃料電池システム。

Images