JP5263571B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、第１系統の第１流体に第２系統の第２流体を合流させ、その合流後の混合流体を分配する流体分配システムと、この流体分配システムを反応ガスの循環系統に適用した燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックから排出される水素オフガス及び酸化オフガス中には、燃料電池スタックの発電に寄与しなかった水素ガス及び酸化ガスが含まれ得る。この未反応の水素ガスを発電に再利用すべく、ポンプやエジェクタを用いて水素オフガスを循環し、水素タンクからの水素ガスに合流させて、その合流後の混合ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−４０６５７号公報

ところで、燃料電池システムとして、二つの燃料電池スタックを備えたものも知られている。このような燃料電子システムで水素オフガスを循環供給する場合、二つの燃料電池スタックに合流後の混合ガスを分配する必要がある。ところが、水素オフガスには、クロスリークにより電解質膜を透過してきた窒素ガス等の不純物が含まれており、水素タンクからの水素ガスよりも水素濃度が低い場合がある。このため、水素オフガス及び水素ガスからなる混合ガスを単純に分配したのでは、水素濃度の分配率に差が生じてしまう。この一例を図３を参照して説明する。

図３（ａ）に示すように、水素ガスの供給系２００に水素オフガスの循環系２１０を接続し、この接続位置の下流で混合ガスを二つの分配流路２２０，２３０に分配する場合を想定する。二つの分配流路２２０，２３０は、一方は分岐部から左方向に延在し、他方は分岐部から右方向に延在する。循環系２１０の導入管２４０は、供給系２００の配管内部にその側方から挿入されて配置され、導入管２４０の導入口２５０は、供給系２００の配管内部の中央で下流に向かって開口する。

図３（ａ）の矢印２６０の方向から（供給系２００の上流側）から見ると、図３（ｂ）に示すように、供給系２００の配管内の流路断面は、その中央から右側にのみ導入管２４０が配置されているので、左右均等にならない。それゆえ、導入管２４０の位置で水素ガスの流路抵抗が左右で異なるため、水素ガスは左側の分配流路２２０に流れ易い一方、水素オフガスは右側の分配流路２３０に流れ易くなる。その結果、左右の分配流路２２０，２３０間で水素濃度に差が生じる。この水素濃度の差によって、二つの燃料電池スタック間の発電特性に差が生じるおそれがある。

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、二つの流体を混合してから分配する場合に、濃度などの流体状態量が均等になるように分配することが可能な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。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、ガス供給源からの供給配管内の反応ガスに、燃料電池の二つのモジュールから排出された循環配管内の反応オフガスを合流させ、その合流後の混合ガスを、前記供給配管の分岐部から左右の方向にそれぞれ延在する二つの分配配管に分配して前記二つのモジュールに供給する燃料電池システムにおいて、前記循環配管は、前記供給配管の内部を左右対称及び上下対称に分断する導入管を有し、前記導入管には、前記供給配管の内部に前記反応オフガスを導入するための導入口が形成され、前記導入口は、前記供給配管の内部で左右対称に位置して当該供給配管の下流側に向かって開口している。

本発明によれば、導入管の配置の仕方を工夫しているので、供給配管内部の流路断面が対称的になり、供給配管内部では反応ガスが導入管の外側を対称的に流れる。また、供給配管内部では導入口が対称的に存在するので、供給配管内部に導入された反応オフガスも対称的に流れる。このような流れとなる反応ガスと反応オフガスとが合流・混合するので、混合ガスとしては反応ガス及び反応オフガスの一方が局部的に多くなることを抑制される。よって、反応ガス及び反応オフガスの一方の流体状態量（濃度、温度又は湿度など）に偏らせることなく、混合ガスを均等に分配することができる。したがって、本発明によれば、燃料電池の各モジュールに同じ流体状態量の混合ガスを供給することができ、モジュール間でのバラツキを抑制できる。

とりわけ、反応オフガスが供給配管内部で左右対称に流れるようになり、且つ、供給配管内部を流れる反応ガスは導入管の前後で左右対称を維持しながら流れるようになるので、左右の各分配配管に分配される混合ガス中の反応オフガスの割合及び反応ガスの割合を均等にできる。さらに、導入口が供給配管の下流側に向かって開口しているので、反応ガスと反応オフガスとの合流時に、両者が相互に受ける抵抗を低減することができる。これにより、混合ガスの圧損を低減することができる。

好ましくは、供給配管及び前記二つの分配配管は、Ｔ字状又はＹ字状の流路を構成するとよい。

こうすることで、分岐部に例えばロータリー弁を設けなくとも、構造上、混合ガスを均等の流量で二つの分配配管に分配することが可能となる。

好ましくは、ガス供給源は、水素を含む燃料ガスの供給源であるとよい。

この構成によれば、混合流体の水素濃度を均等にして、混合流体を各モジュールに分配供給することができる。

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流体分配システムを燃料電池システムの燃料ガスの循環系統に適用した例について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給する酸化ガス配管系２と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する燃料ガス配管系３と、を備える。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。

燃料電池スタック１０は、それぞれ単体でも燃料電池として機能する二つの制御対象モジュール１０Ａ，１０Ｂ（以下、モジュールと略記する。）を備える。モジュール１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ、固体高分子型の単セルを複数積層してなる。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟む一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路１１に酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路１２に燃料ガスが供給され、これらの電気化学反応により、モジュール１０Ａ，１０Ｂは電力を発生する。また、単セルでの電気化学反応により、発熱が起きると共に、水が生成される。

酸化ガス配管系２は、一系統の供給配管２１と、供給配管２１の下流で分岐した二系統の配管２１Ａ，２１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される酸化オフガスが流れる二系統の配管２２Ａ、２２Ｂと、配管２２Ａ，２２Ｂの下流に合流した一系統の排出配管２２と、を備えている。コンプレッサ２４により取り込まれた大気中の酸化ガスは、加湿器２０で酸化オフガスとの水交換により加湿されてから、配管２１Ａ，２１Ｂを介して二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに分配供給される。

燃料ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留したガス供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０に接続された一系統の供給配管３１と、供給配管３１の下流の分岐部３１ａで分岐した二系統の配管３１Ａ，３１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される水素オフガスが流れる二系統の配管３２Ａ，３２Ｂと、配管３２Ａ，３２Ｂの下流に合流した一系統の循環配管３２と、供給配管３１に設けられた遮断弁付レギュレータ３３と、を備えている。

気液分離器３４は、循環配管３２に設けられ、水素オフガスを気体分と液体分（生成水）を分離する。排出配管３５上の排出弁３６を開弁することで、気液分離器３４で回収した液体分が、水素オフガスとともに排出配管３５を介して外部に排出される。循環ポンプ３７は、供給配管３１の分岐前の合流部３１ｂに戻すように、循環配管３２内の水素オフガスを圧送する。以上のような構成により、水素タンク３０からの水素ガスは、合流部３１ｂで水素オフガスに混合された後、比較的すぐに分岐部３１ａで配管３１Ａ，３１Ｂへと分配されて、二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに供給される。なお、分岐部３１ａは、モジュール１０Ａ，１０Ｂよりも合流部３１ｂに近い位置にある。

水素オフガスには、空気極側から燃料極側へとイオン交換膜を透過してきた窒素ガスなどの不純物が含まれる。このため、水素オフガスは、水素タンク３０からの純粋な水素ガスに比べると、水素濃度が低い。合流部３１ｂで合流・混合した後の水素オフガス及び水素ガス（以下、「混合ガス」という。）は、分岐部３１ａで二方向の配管３１Ａ，３１Ｂへと分配される。本実施形態では、二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂへと分配供給される混合ガスについて、水素濃度の分配率が均等になるように分岐部３１ａまわりの構造を工夫している。

図２は、本発明の流体配分システムを分岐部３１ａまわりの構造に適用した図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。なお、ここでは、流体配分システムは、主に、供給配管３１、循環配管３２及び配管３１Ａ，３１Ｂ等により構成される。

図２（ａ）に示すように、循環配管３２（第２系統）は、その先端部に、供給配管３１（第１系統）の内部に配置された導入管６０を有している。導入管６０は、上記の合流部３１ｂに位置するものであり、供給配管３１よりも径の小さい円筒形状で構成されている。また、導入管６０は、供給配管３１の延在方向（図２（ａ）の前後方向）に直交する方向（図２（ａ）の左右方向）に延在している。

導入管６０は、図示省略した継手等の手段によって、供給管３１の取付け部７０に固定される。一方、導入管６０の先端面６２は、取付け部７０に対向する供給配管３１の内面に隙間無く接合される。導入管６０の円筒形状の周面の一部には、例えば二つの導入口６４，６６が貫通形成されている。導入口６４，６６は、水素オフガスを供給配管３１の内部に導入するためのものであり、供給配管３１の下流側に向かって開口している。

配管３１Ａ，３１Ｂは、混合ガスを分岐させる分岐部３１ａからの分岐直後の位置では、分岐部３１ａから左右の方向にそれぞれ延在している。配管３１Ｂは、循環配管３２と同じく、供給配管３１の右側で延在している。配管３１Ａ，３１Ｂ及び供給配管３１は、全体としてＴ字状の流路を構成しており、Ｔ字の交差部が分岐部３１ａとなっている。なお、配管３１Ａと配管３１Ｂとを連ねる奥側の部位（後側部位）には、供給配管３１の内部に向かって突出する分配促進部７２が形成されている。分配促進部７２は、供給配管３１及び導入管６０からの水素ガス及び水素オフガスを左右に均等に振り分けるように機能する。

図２（ｂ）に示すように、導入管６０は、供給配管３１の内部を上下対称に分断する。詳細には、導入管６０の軸線は、供給配管３１の中心を通る左右方向の中心線Ｌ１に合致しており、供給配管３１の流路断面は、中心線Ｌ１に対して上下対称になる。その上下対称の流路断面は、導入管６０の上側及び下側にあり、略扇形を呈する。また、供給配管３１の流路断面は、供給配管３１の中心を通る上下方向の中心線Ｌ２に対して左右対称になる。一方、導入口６４と導入口６６とは、供給配管３１の中央内部で開口し、中心線Ｌ２に対して左右対称に位置する。また、導入口６４，６６は、その開口中心が中心線Ｌ１上に位置する。

ここで、分岐部３１ａ及び合流部３１ｂまわりの水素ガス、水素オフガス及び混合ガスの流れについて説明する。

供給配管３１内の水素ガスは、導入管６０の上側及び下側の空間を、それぞれ同じ流量で通過する。これは、上記のとおり、供給配管３１の流路断面が上下対称及び左右対称になっているために、導入管６０の上側及び下側の空間における流路抵抗が同じになるからである。一方、循環配管３２内の水素オフガスは、左右の導入口６４，６６からそれぞれ同じ流量で供給配管３１の下流側へと導入される。これは、上記のとおり、導入口６４，６６が供給配管３１の内部で左右対称に位置するからである。したがって、導入口６４，６６の下流側で合流した水素ガス及び水素オフガスは、それぞれが少なくとも左右方向において均等に存在する混合ガスとなる。混合ガスは、その後、分配促進部７２で左右への分配を促進されて、配管３１Ａ，３１Ｂに分配される。

以上説明した本実施形態によれば、分配前の混合ガスでは、水素ガス及び水素オフガスが左右方向（分配方向）において均等に存在するので、分配前から水素濃度を左右で等濃にしておくことができる。これにより、混合ガスの分配後においても水素濃度を左右で等濃に保つことができ、混合ガスを配管３１Ａ，３１Ｂに均等分配することができる。

したがって、燃料電池スタック１０のモジュール１０Ａ，１０Ｂに、同じ水素濃度の混合ガスを供給することができる。このような本実施形態による構造は、特に、水素ガス及び水素オフガスの合流後にすぐに分配させる場合に有効である。また、構造自体が単純であるので、省スペース化を図ることができる。

なお、混合ガスは、水素濃度の分配率だけが均等になるのではなく、他の状態量の分配率も均等になる。例えば、水素オフガスは、生成水の気体成分を含むために水素ガスよりも湿度が高いが、この湿度の分配率も配管３１Ａ，３１Ｂ間で均等になる。また、水素オフガスは、燃料電池スタック１の発熱反応のために水素ガスよりも高温となるが、この温度の分配率も配管３１Ａ，３１Ｂ間で均等になる。

＜変形例＞
上記した本実施形態は、本発明の範囲を逸脱しない限り、適宜、設計変更することが可能である。

例えば、導入口６４，６６の数は任意であり、例えば一つであってもよい。その場合には、中心線Ｌ１と中心線Ｌ２との交差点に導入口を形成すればよい。また、配管３１Ａ，３１Ｂ及び供給配管３１からなる全体の流路は、Ｔ字状のみならず、その他の好ましい形状としては例えばＹ字状であるが、これらの形状に限られるものではない。さらに、分岐部３１ａにはロータリー弁を配置して、混合ガスを配管３１Ａ，３１Ｂに強制的に且つ流量制御可能に分配してもよい。

また、流体配分システムを燃料ガスの循環系統に適用した例を説明したが、酸化オフガスも燃料電池スタック１に循環供給する場合には、酸化ガスの循環系統に適用してもよい。さらに、流体配分システムは燃料電池システム１のみならず、流体を扱うシステムであればこれに適用することができ、また、流体の種類も気体及び液体を問わない。加えて、混合ガスを分配する方向を二方向としたが、これに限らず、三以上の複数であってもよい。

実施形態に係る流体分配システムを適用した燃料電池システムの構成図である。 実施形態に係る流体分配システムを燃料電池システムの分岐部まわりの構造に適用した図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 比較例に係る流体分配システムの図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印２５０の方向から見た正面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…燃料ガス配管系、３０…水素タンク（ガス供給源）、３１…供給配管（第１系統）、３１Ａ，３１Ｂ…配管（分配流路）、３２…循環配管（第２系統）、６０…導入管、６４，６６…導入口

Claims (3)

1. ガス供給源からの供給配管内の反応ガスに、燃料電池の二つのモジュールから排出された循環配管内の反応オフガスを合流させ、その合流後の混合ガスを、前記供給配管の分岐部から左右の方向にそれぞれ延在する二つの分配配管に分配して前記二つのモジュールに供給する燃料電池システムにおいて、
   前記循環配管は、前記供給配管の内部を左右対称及び上下対称に分断する導入管を有し、
   前記導入管には、前記供給配管の内部に前記反応オフガスを導入するための導入口が形成され、
   前記導入口は、前記供給配管の内部で左右対称に位置して当該供給配管の下流側に向かって開口している、燃料電池システム。
2. 前記供給配管及び前記二つの分配配管は、Ｔ字状又はＹ字状の流路を構成する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス供給源は、水素を含む燃料ガスの供給源である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。