JP5002885B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素系排出弁を備える燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池システムの分野においては、排出弁を備える燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。
この従来技術においては、燃料電池の起動時に凍結した水素系排出弁を解凍する観点から、水素系排出弁を暖気ボックスの中に配置し、この暖気ボックス内に高温の空気を導入するようにしている。
しかしながら、この従来技術によれば、暖気動作時に暖気ボックスの中に高温の空気を導入することから、そのための流路や制御が必要になるという問題がある。
特開２００２−３１３３８９号公報
本発明の課題は、比較的簡易な構成で、燃料電池の起動時に凍結した排出弁を解凍する（又は凍結しつつある排出弁の凍結を防止する）ための技術を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムであって、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から排出された水素が流れる流路を、互いに合同で形成する第１部分および第２部分と、前記第１部分と第２部分との間の前記流路に配置された水素系排出弁と、を備え、前記第１部分と前記第２部分は互いに直接固定され、両部分は、前記燃料電池本体の起動後に該燃料電池本体から熱量が継続的に供給される構成とした。
本発明によれば、燃料電池の起動後、継続的に熱量が供給される第１部分と第２部分との間に水素系排出弁を配置するようにしたので、燃料電池の起動時に凍結した排出弁を解凍する（又は凍結しつつある排出弁の凍結を防止する）ことが可能となる。
また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記第１部分は、前記燃料電池本体から排出されるガスから熱量を供給される気液分離器である。
これは、第１部分の例示である。従って本発明はこれに限定されず、例えば第１部分は、前記燃料電池本体を構成するスタックに設けられたエンドプレート、その他であってもよい。
また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記第２部分は、前記燃料電池本体から排出されるガスから熱量を供給される水素処理器である。
これは、第２部分の例示である。水素処理器としては例えば希釈器や燃焼器が考えられる。
また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記第１部分は、前記水素系排出弁を収容する空間が内部に形成されたカバー部を備え、前記カバー部の空間に前記水素系排出弁が配置されその空間が前記第２部分によって閉じられた状態で、前記第１部分と第２部分とが直接固定されている。
このようにすれば、水素径排出弁が配置される空間があたかも保温ポットのように機能することから、燃料電池の起動時に凍結した排出弁を解凍する（又は凍結しつつある排出弁の凍結を防止する）ことに極めて有効となる。
また、本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池システムであって、燃料電池本体と、前記燃料電池本体の起動後、継続的に熱量が供給される第１部分と、前記燃料電池本体の起動後、継続的に熱量が供給される第２部分と、水素系排出弁と、を備え、第１部分および第２部分は、前記燃料電池本体から排出された水素が流れる流路を、互いに合同で形成し、前記第１部分と第２部分とで囲われた空間内の前記流路に前記水素系排出弁を配置した構成としてもよい。
本発明によれば、比較的簡易な構成で、燃料電池の起動時に凍結した排出弁を解凍する（又は凍結しつつある排出弁の凍結を防止する）ことが可能となる。
以下、本発明の実施形態である燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０は、循環装置１、気液分離器２（本発明の第１部分に相当）、ＥＣＵなどの制御装置により開閉制御される排出弁３，４（本発明の水素系排出弁に相当）、接続流路５，６、水素処理器７（本発明の第２部分に相当）、シール８から１１，１５、バネ要素１２，１３、及び固定部１４などを備えている。
循環装置１は、水素極側流体を循環させるための装置であり、水素タンク（図示せず）から供給される水素及び気液分離器２から供給される分離後の水素を混合して下流に配置されたスタック（燃料電池本体）Ｓに供給する。
気液分離器２は水素極側スタック出口ガスが流入されその気液を分離する装置である。気液分離器２は水素出口２ａを備え、この水素出口２ａからその分離後の水素（水や不純物などが混じった水素）を流出する。
水素処理器７は、排出された水素を処理するためのものであり、例えば、希釈器である。希釈器７は、排出弁３，４や接続流路５，６を収容する空間が内部に形成されたカバー部７ａと、そのカバー部７ａと一体的に構成されるガス流路７ｂとを備える。希釈器７は、カバー部７ａの空間が気液分離器２によって閉じられた状態で、その固定部１４に挿入されたボルトＢにより気液分離器２にネジ止めで直接固定される（図２参照）。
次に、カバー部７ａ内部の空間における各要素の接続関係について説明する。
図２に示すように、カバー部７ａ内部の空間には排出弁３，４や接続流路５，６が配置され、これらの要素によって気液分離器２から水素出口２ａを介して流入する分離後の水素の流路が形成されている。分離後の水素はこの流路を通って最終的にカバー部７ａ底面に設けられた水素出口７ｄを介してカバー部７ａから流出する。
排出弁３は、そのガス流入口３ａ及び流出口３ｄがそれぞれ、気液分離器２の水素出口（排出弁装着口）２ａ及びカバー部７ａ底面の接続流路５入口（排出弁装着口）７ｃに挿入（又は嵌合）されることで、気液分離器２とカバー部７ａとの間に固定的に配置される。なお、気液分離器２の水素出口（排出弁装着口）２ａと接続流路５入口（排出弁装着口）７ｃとは同軸となっている。
排出弁３のガス流入口３ａの表面にはその周方向に延びる凹溝３ｂが形成されており、そこにシール目的でゴムなどの弾性素材からなるＯリング８が若干表面から突出する状態で取り付けられている。従って、排出弁３は、そのガス流入口３ａが気液分離器２の水素出口（排出弁装着口）２ａに挿入されることで、そのＯリング８が水素出口２ａ内壁に密着しシール効果を奏する。
同様に、排出弁３の流出口３ｄの表面にはその周方向に延びる凹溝３ｅが形成されており、そこにシール目的でゴムなどの弾性素材からなるＯリング９が若干表面から突出する
状態で取り付けられている。従って、排出弁３は、その流出口３ｄが接続流路５入口（排出弁装着口）７ｃに挿入されることで、そのＯリング９が接続流路５入口（排出弁装着口）７ｃ内壁に密着しシール効果を奏する。
また、上記のように、弾性素材からなるＯリング８，９を介して排出弁３を装着することで、いわゆる組み付け誤差吸収の効果も奏する。
また、接続流路５入口（排出弁装着口）７ｃと排出弁本体３との間にはバネ要素（コイルバネなど）１２が弾性変形させられた状態で設けられているため、このバネ要素１２が元の形状に復帰しようとする力で排出弁３は図２中左方向へ押される。しかしながら、排出弁３はその流入口３ａに段差部３ｃが形成されていることから、この段差部３ｃが気液分離器２の水素出口（排出弁装着口）２ａに当接する。これにより、排出弁３は、気液分離器２とカバー部７ａとの間に固定的に配置されることになる。
排出弁４は、そのガス流入口４ａ及び流出口４ｄがそれぞれ、接続流路６出口（排出弁装着口）２ｂ、及びカバー部７ａ底面の水素出口（排出弁装着口）７ｄに挿入（又は嵌合）されることで、気液分離器２とカバー部７ａとの間に固定的に配置される。なお、接続流路６出口（排出弁装着口）２ｂとカバー部７ａ底面の水素出口（排出弁装着口）７ｄとは同軸となっている。
排出弁４のガス流入口４ａの表面にはその周方向に延びる凹溝４ｂが形成されており、そこにシール目的でゴムなどの弾性素材からなるＯリング１０が若干表面から突出する状態で取り付けられている。従って、排出弁４は、そのガス流入口４ａが接続流路６出口（排出弁装着口）２ｂに挿入されることで、そのＯリング１０が接続流路６出口（排出弁装着口）２ｂ内壁に密着しシール効果を奏する。
同様に、排出弁４の流出口４ｄの表面にはその周方向に延びる凹溝４ｅが形成されており、そこにシール目的でゴムなどの弾性素材からなるＯリング１１が若干表面から突出する状態で取り付けられている。従って、排出弁４は、その流出口４ｄが底面の水素出口（排出弁装着口）７ｄに挿入されることで、そのＯリング１１が水素出口（排出弁装着口）７ｄ内壁に密着しシール効果を奏する。
また、上記のように、弾性素材からなるＯリング１０，１１を介して排出弁４を装着することで、いわゆる組み付け誤差吸収の効果も奏する。
また、水素出口（排出弁装着口）７ｄと排出弁本体４ｆとの間にはバネ要素（コイルバネなど）１３が弾性変形させられた状態で設けられているため、このバネ要素１３が元の形状に復帰しようとする力で排出弁４は図２中左方向へ押される。しかしながら、排出弁４はその流入口４ａに段差部４ｃが形成されていることから、この段差部４ｃが接続流路６出口（排出弁装着口）２ｂに当接する。これにより、排出弁４は、気液分離器２とカバー部７ａとの間に固定的に配置されることになる。
排出弁３と排出弁４とは、排出弁３の流出口３ｄ、カバー部７ａの底面に沿って延びる接続経路５、各排出弁３，４の軸方向に延びて気液分離器２に達するとさらにこの気液分離器２に沿って延びる接続経路６、及び排出弁４の流入口４ａを介して接続されている。
これにより、カバー部７ａの空間に、気液分離器２から水素出口２ａを介して流入する分離後の水素の流路が形成されている。分離後の水素はこの流路を通って最終的にカバー部７ａ底面に設けられた水素出口７ｄを介してカバー部７ａから流出する。
なお、気液分離器２側に接続経路６が、希釈器７側に接続経路５が、それぞれ形成されており、上記のように気液分離器２と希釈器７とがネジ止めで直接固定されることにより
、接続経路５と６が連結されて、上記分離後の水素の流路が形成される。なお、両接続経路間のシール確保の観点からＯリング１５が設けられている。
次に、ガス流路７ｂについて説明する。ガス流路７ｂは分離後の水素の流入口７ｅと空気極側スタック出口ガスの流入口７ｆとこれらの流入口から流入される水素などを混合する流路７ｇと混合後の水素などを流出する流出口７ｈとを備えている。これにより不純物などが混じった水素を空気と混合して濃度を薄めてから外部環境へ排出するようになっている。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池の起動後、気液分離器２はスタックＳの発熱に応じた熱量を受けた水素極側スタック出口ガスが流入することで継続的に（燃料電池が起動している限り）熱量が供給される。同様に、燃料電池の起動後、希釈器７はスタックＳの発熱に応じた熱量を受けた空気極側スタック出口ガス及び水素極側スタック出口ガスが流入することで継続的に（燃料電池が起動している限り）熱量が供給される。
このように、燃料電池の起動後、スタック（燃料電池本体）Ｓから排出されるガスから熱量を供給される気液分離器２及び希釈器７で囲われた空間に排出弁３，４を配置するようにしたので、低温環境の下で燃料電池を起動した場合に排出弁３，４内部の水が凍結していたとしてもこれを解凍することが可能となる。この解凍のために特別な流路や制御は不要である。また、排出弁３，４内部の水が凍結しつつあったとしても、凍結を防止することが可能となる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、固定箇所が比較的少ないため、組み立て時間の短縮が可能となる。同様に、固定箇所が比較的少ないため、固定に費やす体積が削減でき、小型軽量化が可能となる。また、放熱を促進させる（表面積大）パイプやフランジ部を削減できることから、低温時の凍結を防止できる。
（変形例）
上記実施形態の燃料電池システムにおいては、気液分離器２及び希釈器７で囲われた空間に排出弁３，４を配置するように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図３に概略を示すように、気液分離器２と水素処理器（例えば希釈器）７とを直接固定し、それぞれに隣接させて排出弁３，４を設けるようにしてもよい。これによっても、気液分離器２及び希釈器７で囲われた空間に排出弁３，４を配置したのと同様の効果を得ることが可能である。
また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、気液分離器２及び希釈器７で囲われた空間に、２つの排出弁３，４を配置するように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、排出弁は１つであってもよいし、あるいは２つ以上であってもよい。図４から図６に排出弁が１つの場合を例示する。なお、これら図に示した構成については、上記実施形態で説明したのと同様であるので同一の符号を付してその説明を省略する。
また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、排出弁３，４はバネ要素１２，１３で固定されているように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、排出弁３（排出弁４も同様）のシール方法の片側は、面シールとフランジ固定することで、バネ要素を廃止してもよい。
また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、カバー部７ａの空間が気液分離器２によって閉じられた状態で、水素処理器（希釈器）７と気液分離器２とが直接固定されるように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、気液分離器２に代えて、スタックＳを構成するエンドプレートでカバー部７ａの空間が閉じられた状態で、水素処理
器（希釈器）７をそのエンドプレートに直接固定するようにしてもよい。これは、気液分離器を必要としない燃料電池システムにおいて特に有効となる。
また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、水素処理器７が希釈器であるように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、水素処理器７は、燃焼器など、その他の水素処理装置であってもよい。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。
本発明によれば、比較的簡易な構成で、燃料電池の起動時に凍結した排出弁を解凍する（又は凍結しつつある排出弁の凍結を防止する）ことが可能となる。
本発明の実施形態である燃料電池システムの概略構成を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムにおける気液分離器と水素処理器との間に排出弁を配置した例を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムの変形例の概略構成を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムの変形例の概略構成を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムの変形例における気液分離器と水素処理器との間に排出弁を配置した例を説明するための図である。 図５に示した気液分離器と水素処理器とを同図中右側面からみた図である。 排出弁の装着方法について説明するための図である。
符号の説明
１ 循環装置
２ 気液分離器
３，４ 排出弁
５ 接続流路
６ 接続流路
７ 水素処理器
８〜１１ シール
１２，１３ バネ要素
１４ 固定部
１５ シール

Claims (6)

  1. 燃料電池本体と、
    前記燃料電池本体から排出された水素が流れる流路を、互いに合同で形成する第１部分および第２部分と、
    前記第１部分と第２部分との間の前記流路に配置された水素系排出弁と、
    を備え、
    前記第１部分と前記第２部分は互いに直接固定され、両部分は、前記燃料電池本体の起動後に該燃料電池本体から熱量が継続的に供給される、
    燃料電池システム。
  2. 前記第１部分は、前記燃料電池本体から排出されるガスから熱量を供給される気液分離器である請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第２部分は、前記燃料電池本体から排出されるガスから熱量を供給される水素処理器である請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第１部分は、前記燃料電池本体を構成するスタックに設けられたエンドプレートである請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１部分は、前記水素系排出弁を収容する空間が内部に形成されたカバー部を備え、
    前記カバー部の空間に前記水素系排出弁が配置されその空間が前記第２部分によって閉じられた状態で、前記第１部分と第２部分とが直接固定されている請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 燃料電池本体と、
    前記燃料電池本体の起動後、継続的に熱量が供給される第１部分と、
    前記燃料電池本体の起動後、継続的に熱量が供給される第２部分と、
    水素系排出弁と、
    を備え、
    第１部分および第２部分は、前記燃料電池本体から排出された水素が流れる流路を、互
    いに合同で形成し、
    前記第１部分と第２部分とで囲われた空間内の前記流路に前記水素系排出弁を配置した燃料電池システム。
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