JP5272379B2

JP5272379B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5272379B2
Application number: JP2007287244A
Authority: JP
Inventors: 道太郎糸賀; 明司森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2027-11-05
Also published as: JP2009117108A

Description

本発明は、気液分離器を用いた燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するための配管系が必要になる。この配管系には、通常、燃料電池から排出された水を含むオフガスの気液を分離する気液分離器が設けられている。例えばこの気液分離器により、オフガスから水を分離し、その後そのオフガスを再利用することが行われている（特許文献１参照）。

特開２００６−１３４７４３号公報

しかしながら、上述のような燃料電池システムの気液分離器は、狭いスペースに搭載されることが多いため、例えば配管系のホースなどの管や配線系の電線などの周辺部材との間に十分なクリアランスが採れない。このため、システム稼働時などに管や電線が揺動すると、当該管や電線が気液分離器に干渉する恐れがあった。

また、管や電線の揺動を防止するために、例えば外部からシステム内に例えばクリップを組み付けてそのクリップに管や電線を固定しようとすると、狭いスペースにクリップを取り付け、そこに管や電線を留める必要があるため、時間がかかり作業性が悪くなる。また、部品点数が増えてコストも高くなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、周辺にある管や電線との干渉を防止しつつ、管や電線の取り付けの際の作業性を向上し、さらに部品のコストも低減できる、気液分離器を用いた燃料電池システムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池において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であって、燃料電池に燃料ガスを供給する供給流路と、前記燃料電池の電気化学反応により生成された燃料ガスのオフガスを前記供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に設けられ、電気化学反応により生成された前記オフガスから液体を分離する気液分離器と、を有し、前記気液分離器は、気体と液体を含む気液混合体が流入し、当該気液混合体から液体を分離し、気体を流出させるケーシングと、前記ケーシング内の下部に位置し、分離された液体が溜められる液溜め部と、流体が通過する際に脈動する管を留める留め部材と、を有し、前記留め部材は、前記ケーシングの下部の外壁面であって、前記液溜め部の近傍に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、気液分離器の外壁面の留め部材に管を留めることができるので、周辺の管が揺動して気液分離器と干渉することを防止できる。また、外部からクリップを持ち込んで組み付けそのクリップに管を固定する必要がないので、管の取り付けの際の作業性を向上できる。また、留め部材が気液分離器の外壁面に形成されているので、部品点数を減らして部品のコストを低減できる。

また、上記燃料電池システムによれば、留め部材に留められた管の脈動により、気液分離器内で分離された液体に振動を与え、低温環境下でも当該液体が過冷却となることを防止できる。この結果、過冷却となった液体が気液分離器の排出管に流れ込みそこで凝固して、配管閉塞や弁凍結を起こすことを防止できる。

上記燃料電池システムによれば、留め部材の管の脈動により、ケーシングを通じて液溜め部に振動を与え、低温環境下で液溜め部の液体を確実に凝固させて、液体の過冷却を防止できる。この結果、気液分離器の排出管における配管閉塞や弁凍結をより確実に防止できる。

本発明にかかる燃料電池システムによれば、気液分離器と管との干渉を防止しつつ、気液分離器の搭載性を向上できる。

本発明によれば、気液分離器とその周辺の管や電線との干渉を防止しつつ、管や電線の取り付けの際の作業性を向上し、さらに部品のコストも低減できる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る気液分離器が用いられる燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に空気などの酸化ガスを供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路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。

水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタ３５が設けられている。

循環流路３２には、水素オフガスから水を分離する、本実施の形態に係る気液分離器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。気液分離器３６には、気液分離器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、気液分離器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。なお、気液分離器３６の構成の詳細は後述する。

制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の電力を消費する負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。

制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及びインジェクタ３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。

次に、気液分離器３６について説明する。図２は、気液分離器３６の構成の概略を示す縦断面の説明図である。

気液分離器３６は、例えば図２に示すように全体が略直方体状のケーシング５０を有し、その内部に気液分離室Ｓが形成されている。ケーシング５０の一の側面側（図２の左側）の側壁部には、気液混合体としての水を含んだ水素オフガスを流入する流入部５０ａが形成され、燃料電池１０側の循環流路３２が接続されている。また、ケーシング５０の天井部には、水が分離された水素オフガスを排出する排出部５０ｂが形成され、水素ポンプ３７側の循環流路３２が接続されている。かかる構成のケーシング５０によれば、流入部５０ａから水を含む水素オフガスを流入し、当該水を含む水素オフガスから水を下方に排出し、その後水素オフガスのみを排出部５０ｂから排出できる。

ケーシング５０の他の側面側（図２の右側）の下部には、分離された水を一時的に溜める液溜め部５０ｃが形成されている。液溜め部５０ｃは、例えばケーシング５０の底面の一部が下に凸に湾曲して形成されており、所定量の水を溜めることができる。液溜め部５０ｃの排出側には、上述の排出流路３８が接続されている。

ケーシング５０の下部の外壁面には、例えば周辺の管としてのホース６０を留めるための留め部材としてのクリップ５０ｄが形成されている。クリップ５０ｄは、ケーシング５０と一体成型され、例えば下部に切り欠きのあるリング状に形成されている。クリップ５０ｄは、例えば液溜め部５０ｃに隣接した位置に形成されている。

そして、例えば燃料電池車両への燃料電池システム１の組み込み作業時には、気液分離器３６の外壁面のクリップ５０ｄに、図３に示すように例えばエンジン冷却水用のＬＬＣ（ロングライフクーラント）を流すホース６０が留められる。

そして、燃料電池車両において燃料電池システム１が作動し、燃料電池システム１において、燃料電池１０から排出された水を含む水素オフガスから水を分離する際には、当該水を含む水素オフガスが気液分離器３６の流入部５０ａからケーシング５０内に流入する。ケーシング５０内において、水素オフガスに含まれていた水Ｈは、例えば重力により落下し、図２に示すようにケーシング５０の内壁面を伝って液溜め部５０ｃに貯留される。水が分離された水素オフガスは、ケーシング５０内を通過し、排出部５０ｂから排出される。液溜め部５０ｃに貯留された水Ｈは、例えば所定量溜まると、適宜排出流路３８から排出される。

また、クリップ５０ｄに留められたホース６０には、適宜ＬＬＣが流されて、ホース６０が脈動される。この脈動により、ケーシング５０を通じて液溜め部５０ｃに振動が伝えられる。

以上の実施の形態によれば、気液分離器３６の外壁面に、周辺のホース６０を留めるクリップ５０ｄが形成されたので、ホース６０が揺動して気液分離器３６と干渉することを防止できる。また、狭いシステム内に外部からクリップを組み付けそのクリップにホースを固定する場合に比べて、ホース６０の取り付けの作業性を向上できる。また、部品点数を減らすことができるので、部品コストも低減できる。さらに、ホース６０を気液分離器３６に密着させることができるので、気液分離器３６周りの燃料電池車両への搭載性を向上できる。

また、クリップ５０ｄは、液体が通過する際に脈動するホース６０を留めるものであるので、ホース６０の脈動により液溜め部５０ｃに振動が伝わり、低温環境下でも、液溜め部５０ｃの水が過冷却となることを防止できる。この結果、過冷却水が気液分離器３６の排出流路３８に流れ込み、そこで凝固して配管閉塞や弁凍結を起こすことを防止できる。

また、クリップ５０ｄは、ケーシング５０の下部の外壁面であって、液溜め部５０ｃの近傍に設けられたので、ホース６０の脈動に起因する振動が液溜め部５０ｃに伝わりやすくなり、液溜め部５０ｃの水を確実に凍らせて水の過冷却を防止できる。この結果、気液分離器３６の排出流路３８における配管閉塞や弁凍結を確実に防止できる。

また、本実施の形態では、狭いスペースに搭載されることが多い燃料電池システム１に、上記クリップ５０ｄを有する気液分離器３６を適用したので、上述の気液分離器３６とホース６０との干渉を防止する効果は大きい。また、気液分離器３６周りの搭載性も向上できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態で記載したクリップ５０ｄは、ＬＬＣ用のホース６０を留めるものであったが、他の液体やガスを流すホースを留めるものであってもよい。また、クリップ５０ｄは、ホースに限られず、他の種類の管を留めるものであってもよい。さらに、クリップ５０ｄは、ハーネスなどの電線を留めるものであってもよい。また、気液分離器３６の外壁面には、複数のクリップ５０ｄが形成されていてもよい。また、気液分離器３６のケーシング５０などの構成も、本実施の形態の例に限られず、他のものであってもよい。

以上の実施の形態では、燃料電池システム１において循環流路３２に設けられる気液分離器３６を例に採って説明したが、燃料電池システムに設けられる他の気液分離器に、本発明を適用してもよい。また、上記実施の形態において、気液混合体が水を含む水素オフガスであったが、気体や液体が他の例であっても本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、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に適用したものであってもよい。

燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。気液分離器の構成の概略を示す断面図の説明図である。クリップにホースを取り付けた状態を示す説明図である。

符号の説明

１燃料電池システム
３６気液分離器
５０ケーシング
５０ｃ液溜め部
５０ｄクリップ

Claims

燃料電池において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であって、
燃料電池に燃料ガスを供給する供給流路と、
前記燃料電池の電気化学反応により生成された燃料ガスのオフガスを前記供給流路に戻すための循環流路と、
前記循環流路に設けられ、電気化学反応により生成された前記オフガスから液体を分離する気液分離器と、を有し、
前記気液分離器は、
気体と液体を含む気液混合体が流入し、当該気液混合体から液体を分離し、気体を流出させるケーシングと、
前記ケーシング内の下部に位置し、分離された液体が溜められる液溜め部と、
流体が通過する際に脈動する管を留める留め部材と、を有し、
前記留め部材は、前記ケーシングの下部の外壁面であって、前記液溜め部の近傍に設けられていることを特徴とする、燃料電池システム。