JP5126572B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。また、このような燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出されたオフガスの気液を分離する気液分離器を設け、この気液分離器で水分を分離した後のオフガスを再利用することも行われている。気液分離器には、適宜開閉することにより水分をオフガスとともに排出するパージ弁が接続されており、このパージ弁には分離した水分を排出するための排出路が接続されている。

ところで、燃料電池システムにおいては、低温の環境下においてシステム内部の水分が凍結し、システム始動等に影響を及ぼすことがある。そのため、特許文献１においては、燃料電池から導出された流体（アノード又はカソードから排出されたオフガスや、燃料電池を循環した冷却水）の熱を利用して気液分離器のドレン部を温めている。
特開２００６−１４７４４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように、燃料電池を循環した冷却水で気液分離器のドレン部を加温するためには、気液分離器のドレン部までわざわざ冷却水用の配管を導かなければならないので、配管が複雑になってしまう。また、ドレン部は、燃料電池において加温されたオフガスが通る循環路にあるため、その内部が凍結する心配はあまりない。それよりも、気液分離器において分離された水を排出するパージ弁より下流側の排出路において、むしろ水分が凍結し易い。パージ弁が開いた時にしかオフガスが通らないからである。

また、燃料電池からパージ弁までの距離が短いほど放熱が少なくなり、パージ弁の下流側の排出路を温め易くなるため、燃料電池のエンドプレートにパージ弁を搭載することも考えられるが、このエンドプレートは電位を有しているので、パージ弁よりも下流において絶縁を取る必要がある。ところが、材料の観点から、熱伝導と絶縁とを両立させることは困難である。

そこで、本発明は、複雑な配管を設けることなく、パージ弁よりも下流側の排出路の水分の凍結を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて電気化学反応を生じる燃料電池と、前記燃料電池から、電気化学反応に用いられたオフガスが導出される第１の流路と、前記第１の流路に接続されたパージ弁と、前記パージ弁を介して前記第１の流路に接続され、前記パージ弁が開弁したときに、前記第１の流路に導出されたオフガスを燃料電池システムの外部に排出する第２の流路とを備え、前記第１の流路と第２の流路が、互いに接するように配置され、前記パージ弁が閉弁したときにおいても、前記第１の流路に導出されたオフガスの熱により、前記第２の流路が加温される。

かかる構成によれば、燃料電池から第１の流路に導出されたオフガスの熱により、第２の流路を加温することができる。また、パージ弁が閉じられている場合であっても、第１の流路と第２の流路との熱伝導を良好にし、第２の流路を効率良く加温することができる。

ここで、前記第１の流路と前記パージ弁とを接続する開口と、前記パージ弁と前記第２の流路とを接続する開口とを、１つの平面内に配置することにより、第１の流路及び第２の流路と、パージ弁との組み付けが容易となり、また配管も簡単になる。

また、前記第１の流路に、前記燃料電池から導出されたオフガスから水分が分離される気液分離室が配設されており、前記パージ弁が開弁したときに、前記第１の流路においてオフガスから分離された水分が、オフガスと共に前記第２の流路を通って排出されるようにしても良い。
かかる構成によれば、気液分離室に導入されたオフガスの熱により、第２の流路を加温できるので、低温の環境下においても、第２の流路において水分が凍結するのを抑制することが可能になる。

さらに、前記気液分離室及び前記第２の流路を同一の筐体内に配置することにより、気液分離室と第２の流路との熱伝導を良好にし、第２の流路を効率良く加温することができる。

また、前記第２の流路や、前記第１の流路の内、少なくとも前記パージ弁の開口に接続される領域を絶縁材料によって形成することにより、前記パージ弁との絶縁性を維持することができる。

また、燃料ガス及び酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、前記セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートに挟持された燃料電池スタックと、絶縁材料によって形成され、前記パージ弁を前記エンドプレートに固定するための固定部材をさらに備えても良い。
かかる構成によれば、パージ弁をエンドプレートから絶縁しつつ、パージ弁をエンドプレートに対して固定することができるので、熱伝導と絶縁とを両立させることができる。
また、前記筐体を導電材料によって形成し、少なくとも、前記第１及び／又は第２の流路の絶縁材料と前記筐体の導電材料とを二色成型によって形成することにより、導電材料と絶縁材料との熱伝導を良好にし、第２の流路を効率良く加温することができる。

さらに、前記パージ弁が、樹脂材料によって形成されたモールドにより覆われたソレノイドを有しており、前記モールドに設けられた固定部材をさらに備えることにより、電位を有する部材（例えば、燃料電池のエンドプレート）であっても、そのような部材に対して絶縁性を維持しつつ、パージ弁を固定することができる。

本発明によれば、パージ弁よりも下流側の第２の流路を、燃料電池から導出されるオフガスの流路（例えば、気液分離器内）を通るように配設するので、オフガスの熱により第２の流路を加温することができる。従って、複雑な配管を設けることなく、パージ弁よりも下流側の流路（オフガスの排出路）における水分の凍結を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムについて、図１〜図４を参照しつつ説明する。
図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により発電して電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、この燃料電池１０への酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の酸化ガス配管系２と、燃料ガスとしての燃料ガスのガス供給を調整するアノード系の燃料ガス配管系３とを備えている。

図２に示すように、燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単セル５０を所要数積層して構成される燃料電池スタック５１と、この燃料電池スタック５１を積層方向両端部から挟持する一対のエンドプレート５２及び５３と、エンドプレート５２及び５３を連結するテンションプレート（図示略）とを有している。これらの燃料電池１０等がスタックケース５４内に収納されている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給配管２１と、燃料電池１０のカソード側から排出されたガス（酸化オフガス）を加湿器２０に導く排気配管２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排出配管２３とを備えている。空気供給配管２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

燃料ガス配管系３は、高圧の燃料ガス（水素ガス）を貯留した燃料供給源としての燃料ガスタンク３０と、燃料ガスタンク３０に充填されている燃料ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給配管３１と、燃料電池１０のアノード側から排出されたガス（燃料オフガス）を導く排気配管３２と、排気配管３２の燃料オフガスを燃料供給配管３１に戻す循環配管３３とを備えている。

燃料供給配管３１は、燃料ガスタンク３０に貯留されている燃料ガスを、燃料電池１０に供給する。また、燃料供給配管３１には、燃料ガスタンク３０からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するとともに、許容時に燃料ガスの圧力を調整する遮断弁付レギュレータ３４が設けられている。なお、この遮断弁付レギュレータ３４に換えて、上流側のガス状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を調整して下流側に供給するインジェクタを設けても良い。

排気配管３２は、燃料電池１０から排出された燃料オフガスを、気液分離器３５に導入する。気液分離器３５は、燃料オフガスに含まれている気体と液体（水分）とを互いに分離する。水分を分離されて残った気体（燃料オフガス）は、循環配管３３に向けて導出される。

ここで、図３を参照すると、気液分離器３５には、排気配管３２及び循環配管３３が接続されている。これらの配管は、望ましくは剛性が高い、金属等の導電材によって形成されており、公差吸収のため、気液分離器３５に対して固定されている。また、排気配管３２は、燃料電池スタック５１の端部に配置されたエンドプレート５２に固定されており、循環配管３３は、燃料電池１０に固定されている。それにより、気液分離器３５のエンドプレート５２や燃料電池１０に対する位置が決定される。なお、気液分離器３５の構造については、後で詳しく説明する。

循環配管３３には、循環ポンプ３８が設けられている。循環ポンプ３８は、循環配管３３内の燃料オフガスを吸引して加圧し、燃料供給配管３１側へ吐出することにより、燃料電池１０から排出される燃料オフガスの循環を調整する。燃料供給配管３１に吐出された燃料オフガスは、再び燃料電池１０に供給され、燃料ガスとして再利用される。

また、気液分離器３５には、パージ弁３６が設けられている。パージ弁３６は、図示略の制御装置による制御の下で動作することにより、気液分離器３５において分離された水分と、排気配管３２内の不純物を含む燃料オフガスとを、排出配管３７を介して外部に排出（パージ）する。

パージ弁３６と排出配管３７との間には、気液分離器３５内に形成された流路（排出路６６）が設けられている。また、排出配管３７の先には、排出される燃料オフガスを、排出配管２３を介して導入された酸化オフガスによって希釈する希釈器３９が設けられている。

このような燃料電池システム１において、燃料ガスタンク３０から供給された燃料ガスと、コンプレッサ２４により取り込まれて加湿された酸化ガスとが、燃料電池１０において電気化学反応を生じることにより、電気が発生する。

また、燃料電池１０からの燃料オフガスは、排気配管３２を通って気液分離器３５に導入され、循環ポンプ３８により循環配管３３を介して燃料供給配管３１に導入され、再び燃料電池１０に導入される。さらに、適切なタイミングでパージ弁３６が開かれると、気液分離器３５内の燃料オフガスが排出され、排出配管３７を介して希釈器３９に導入される。その際に、気液分離器３５において分離された水分も排出配管３７を介して排出される。燃料オフガスは、希釈器３９において、燃料電池１０から排出された酸化オフガスにより希釈されて燃料電池システム１の外部に排出される。

次に、気液分離器３５の構造について、図４を参照しながら説明する。気液分離器３５は、分離空間６０と、分離空間６０の底位置よりも上側で側方に開口して排気配管３２（図１参照）に接続される入口開口部６１と、分離空間６０の天井位置から上方に開口して循環配管３３（図１参照）に接続される循環出口開口部６２と、分離空間６０の底部の高さ位置で入口開口部６１とは反対の側方に開口する排出出口開口部６３とを有している。

分離空間６０は、入口開口部６１から気液分離器３５に導入された燃料オフガスが気体と液体とに分離する気液分離室である。ここで分離された液体（水分）は、分離空間６０内に一旦溜まり、水分を分離された燃料オフガスは、循環出口開口部６２から排出される。

また、気液分離器３５は、排出出口開口部６３の下側にこれと並んで設けられて側方に開口する排出路入口開口部６５と、排出路入口開口部６５から分離空間６０と並んで所定距離延出した後に下方に屈曲する排出路６６と、排出路６６の末端から下方に開口して排出配管３７（図１参照）に接続される排出路出口開口部６７とを有している。

上記の排出路入口開口部６５、排出路６６及び排出路出口開口部６７は、合成樹脂等の絶縁材からなる剛性の低い絶縁部６９で形成されている。また、分離空間６０、入口開口部６１、循環出口開口部６２及び排出出口開口部６３は、すべて金属等の導電材からなる剛性の高い本体部７０で形成されている。この本体部７０は、さらに、絶縁部６９の両側の開口端部６９ａ及び６９ｂを除く排出路６６の外側をすべて覆っている。それにより、気液分離器３５の外面の内、絶縁部６９の開口端部６９ａ及び６９ｂを除く領域は、導電性の本体部７０で形成されることになる。このような本体部７０と絶縁部６９とは、導電材と絶縁材との二色成型で形成されている。

また、上記の排出出口開口部６３及び排出路入口開口部６５は、気液分離器３５の１つの側面である側面部７１に形成されており、この側面部７１にパージ弁３６が接合される。

パージ弁３６は、接合時に排出出口開口部６３に連通する連通入口開口部７３と、接合時に排出路入口開口部６５に連通する連通出口開口部７４とが、金属等の導電材からなる弁ケース７５の１つの側面である側面部７６に形成されており、連通入口開口部７３から気液分離器３５とは反対に延出する流路部７７と、この流路部７７の延出先端から下方に屈曲する流路部７８と、この流路部７８の下端から連通出口開口部７４の方向に延出する流路部７９とが弁ケース７５内に形成されている。弁ケース７５の流路部７７と流路部７８との境界位置には、上側に向いて弁座８１が形成されており、弁座８１の上側には、上下に移動して弁座８１を開閉する弁体８２が設けられている。弁ケース７５の上面には、弁体８２を駆動するソレノイド８３が接合されている。ソレノイド８３の内側には、下から順に弁体８２、弁体８２を下方に押圧するスプリング８４、スプリング８４を押さえるスプリング押さえ部材８７が設けられている。ソレノイド８３は、コイル８５を絶縁性のモールド樹脂部８６で被覆することにより形成されている。

パージ弁３６の側面部７６において、連通入口開口部７３の周囲には、気液分離器３５との接合面からのガスや水分の漏れを規制するＯリング８８が設けられている。また、連通出口開口部７４の周囲にも、気液分離器３５との接合面からのガスや水分の漏れを規制するＯリング８９が設けられている。

ソレノイド８３が駆動されていない場合に、弁体８２はスプリング８４の付勢力で弁座８１に着座した状態となっており、このとき、分離空間６０と排出路６６との連通は遮断されている。一方、ソレノイド８３が駆動されると、弁体８２がスプリング８４の付勢力に抗して弁座８１から離座し、分離空間６０と排出路６６とが流路部７７〜７９を介して連通する。それにより、分離空間６０に溜まった水分が、オフガスの圧力でオフガスとともに排出される。

以上説明した第１の実施形態によれば、燃料電池スタック５１から排出されたオフガスが通過する気液分離器３５に、パージ弁３６よりも下流側の排出路６６を設けるので、パージ弁３６が閉じられている間であっても、オフガスの熱により排出路６６を加温することができる。それにより、低温の環境下においても、パージ弁３６よりも下流側の排出路６６の水分の凍結を抑制することができる。

また、気液分離器３５と、パージ弁３６よりも下流側の配管は、もともと近くに配設されているので、排出路６６を気液分離器３５に設ける際にも、別途配管を設ける等構成を複雑にしないで済む。

また、気液分離器３５からパージ弁３６への流路と、パージ弁３６から気液分離器３５に設けられた排出路６６への流路とを、１つの平面（側面部７１）に設けられた開口（排出出口開口部６３及び連通入口開口部７３、並びに、連通出口開口部７４及び排出入口開口部）において連通させるので、気液分離器３５とパージ弁３６との組み付けが容易となる。また、それにより、公差による取り付け誤差を吸収するためのベローズやゴムホースを用いる必要がなくなる。その結果、パージ弁３６から排出路６６への経路長が短くなるので熱容量が小さくなり、排出路６６がより温まり易くなると共に、排水性も良くなる。

加えて、気液分離器３５が、導電性がある本体部７０と排出路６６を形成する絶縁部６９とで形成されているため、静電気防止及び絶縁が可能となる。なお、排出路６６を、絶縁材料ではなく、導電材料によって形成し（即ち、本体部７０のみで一体形成し）、気液分離器３５と排出路６６よりも下流である排出配管３７との間、あるいは排出配管３７の途中に絶縁部を設けることも可能である。

さらに、気液分離器３５は、導線性の本体部７０と絶縁性の絶縁部６９とが二色成型で形成されることで密に結合するため、排出路６６への熱伝導率を上げることができ、熱をより有効に利用できる。

加えて、気液分離器３５の外面の内、絶縁部６９の開口端部６９ａ及び６９ｂを除く領域は、すべて導電性の本体部７０で形成されているため、気液分離器３５に導入されたオフガスの熱をより有効に利用できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に以下に説明する。
第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様に、気液分離器３５の排出路入口開口部６５、排出路６６、及び、排出路出口開口部６７が絶縁部６９によって形成されているのに加えて、さらに、排出出口開口部６３も合成樹脂等の絶縁材からなる絶縁部９１によって形成されている。つまり、パージ弁３６への入口側及び出口側の両方が絶縁部とされている。これらの絶縁部６９及び絶縁部９１も、第１の実施形態と同様に、本体部７０と共に二色成型によって形成されている。
また、パージ弁３６のソレノイド８３のモールド樹脂部８６には、パージ弁３６を他に固定するために、絶縁性の部材によって形成された固定部９２が設けられている。

本実施形態において、固定部９２を設ける理由は、次の通りである。即ち、第２の実施形態においても、気液分離器３５からパージ弁３６への流路と、パージ弁３６から気液分離器３５に設けられた排出路６６への流路とが、１つの平面（側面部７１）に設けられた開口において連通するように、気液分離器３５とパージ弁３６とが組み付けされる。ところが、パージ弁３６への入口側及び出口側の両方を絶縁材料（絶縁部６９及び９１）によって形成すると、気液分離器３５に対するパージ弁３６の取り付け強度が十分でなくなるおそれが生じる。特に、本実施形態におけるように、パージ弁３６としてソレノイド弁を用いる場合には、弁自体に比較的重量があるので、流路の連通部周辺以外にも、固定部材を設けることが望ましい。一方、パージ弁３６の固定先は燃料電池１０のエンドプレート５２（図２参照）が適切であるが、電位を有している。

そこで、本実施形態においては、パージ弁３６の内、絶縁性の材料によって形成されているモールド樹脂部８６に、固定部９２を斜め上向きの側方に延出して形成し、この固定部９２をエンドプレート５２に直接ボルト止めする構造を採用している。それにより、パージ弁３６をエンドプレート５２から絶縁しつつ、パージ弁３６をエンドプレート５２に対して固定することが可能になる。

以上説明した本発明の第１及び第２の実施形態においては、気液分離器３５の筐体とも呼べる本体部７０の内部に、分離空間６０に近接するように排出路６６を配置した。しかしながら、排出路６６の配置はこれらの実施形態に限定されず、パージ弁３６よりも下流に配置される排出路６６が、パージ弁３６よりも上流の流路を通過するオフガスの熱によって加温される構成であればどのような形態であっても良い。例えば、排出路６６を気液分離器３５の外側に直接接触するように設けても良いし、それらの間に熱伝導率の高い材料を介在させても良い。或いは、排出路６６を分離空間６０の中を通るように配設しても良い。

また、以上の実施形態においては、気液分離器においてオフガスから液体（水分）を分離し、分離された水分をオフガスと共に燃料電池システムの外部に排出する構成について説明した。しかしながら、本発明は、気液分離器の代わりに単なる配管を設け、オフガスから特に水分を分離することなく、オフガスを燃料電池に循環させたり、燃料電池システムの外部に排出する構成にも適用することができる。例えば、図４に示すパージ弁３６の連通入口開口部７３に、燃料電池からオフガスが導出される第１の配管を接続し、パージ弁３６の連通出口開口部７４に、オフガスを燃料電池システムの外部に排出する第２の配管を接続する。そして、第２の配管を第１の配管に近接して配置する。それにより、パージ弁３６が閉弁している間であっても、第１の配管を通過するオフガスの熱により、第２の配管を温めることができる。それにより、低温の環境下においても、第２の配管に滞留する水分が凍結するのを抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 図１に示す燃料電池の内部を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す正断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す正断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３５…気液分離器、３６…パージ弁、６０…分離空間、６６…排出路、６９…絶縁部、６９ａ，６９ｂ…開口端部、７０…本体部、７１…側面部、８３…ソレノイド、８６…モールド樹脂部、９２…固定部

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
   燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて電気化学反応を生じる燃料電池と、
   前記燃料電池から、電気化学反応に用いられたオフガスが導出される第１の流路と、
   前記第１の流路に接続されたパージ弁と、
   前記パージ弁を介して前記第１の流路に接続され、前記パージ弁が開弁したときに、前記第１の流路に導出されたオフガスを燃料電池システムの外部に排出する第２の流路と、を備え、
   前記第１の流路と第２の流路が、互いに接するように配置され、
   前記パージ弁が閉弁したときにおいても、前記第１の流路に導出されたオフガスの熱により、前記第２の流路が加温される、燃料電池システム。
2. 前記第１の流路と前記パージ弁とを接続する開口と、前記パージ弁と前記第２の流路とを接続する開口とが、１つの平面内に配置されている、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記第１の流路に、前記燃料電池から導出されたオフガスから水分が分離される気液分離室が配設されており、
   前記パージ弁が開弁したときに、前記第１の流路においてオフガスから分離された水分が、オフガスと共に前記第２の流路を通って排出される、
   請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記気液分離室及び前記第２の流路が、同一の筐体内に配置されている、請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記第２の流路が絶縁材料によって形成されている、請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記第１の流路の内、少なくとも前記パージ弁の開口に接続される領域が、絶縁材料に
   よって形成されている、請求項５記載の燃料電池システム。
7. 燃料ガス及び酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、前記セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートに挟持された燃料電池スタックと、
   絶縁材料によって形成され、前記パージ弁を前記エンドプレートに固定するための固定部材をさらに備える請求項１記載の燃料電池システム。
8. 前記筐体が導電材料によって形成されており、
   少なくとも、前記第１及び／又は第２の流路の絶縁材料と前記筐体の導電材料とが、二色成型によって形成されている、
   請求項５又は６記載の燃料電池システム。
9. 前記パージ弁が、樹脂材料によって形成されたモールドにより覆われたソレノイドを有しており、
   前記モールドに設けられた固定部材をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項記載の燃料電池システム。

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