JP5281272B2

JP5281272B2 - 燃料電池システム及び希釈装置

Info

Publication number: JP5281272B2
Application number: JP2007297661A
Authority: JP
Inventors: 敏博柴田; 秀明谷口; 哲平安田
Original assignee: Sango Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sango Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP2009123578A

Description

本発明は、酸化オフガスに燃料オフガスを混合させる希釈部を備えた燃料電池システム、および被希釈ガスを希釈ガスに混合させて希釈する希釈装置に関する。

燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスに混合させることにより燃料ガス濃度を低減させて排出している。
このような燃料電池システムにおいて、酸化オフガスへの燃料オフガスの混合を良好にするために、酸化オフガスとの混合箇所の上流側にて、燃料オフガスの流路を複数の邪魔板間に導いて蛇行させたり、拡散空間と絞り空間とを通過させることにより、希釈性能を高める希釈器を設けたものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
また、ガスの希釈率を高めるため、導入空気を絞るオリフィスの下流側にて、排ガスを排出する技術も知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００７−１８８４８号公報特開２００７−２６７４７号公報特開２００１−２４９０６４号公報

ところで、上記特許文献１では、複数の邪魔板を配置し、特許文献２では、拡散空間と搾り空間とを交互に形成し、特許文献３では、配管を二重構造としているため、いずれも構造の複雑化によるコストアップを招いてしまう。
また、燃料電池システムでは、燃料オフガスに水が含まれるため、この燃料オフガスの水が希釈器内などの溜まってしまうことがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料オフガス（被希釈ガス）中の水を溜めることなく、燃料オフガス（被希釈ガス）を良好に希釈することができる燃料電池システム及び希釈装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガス及び燃料ガスを供給し、これらガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池から排出された酸化オフガスに混合させて希釈する希釈部を備え、前記希釈部は、酸化オフガスが流される酸化オフガス配管に対して燃料オフガスが流される燃料オフガス配管が接続されているとともに、前記燃料オフガス配管の吐出端部が前記酸化オフガス配管内に上流側へ向けられて配置されてなる。

この構成によれば、燃料オフガス配管から吐出される燃料オフガスが酸化オフガスの流れに逆らって酸化オフガス配管内に吐出され、これにより、燃料オフガスが酸化オフガスに円滑に混合される。したがって、燃料オフガス配管から吐出される燃料オフガスを良好に希釈することができる。

前記酸化オフガス配管内における前記燃料オフガス配管の吐出端部の周面に複数の孔部が形成されていても良い。
この構成によれば、燃料オフガス配管の吐出端部に、複数の孔部が形成されているので、これら孔部から燃料オフガスを酸化オフガス配管内に拡散させながら吐出させることができ、酸化オフガスへ燃料オフガスをさらに良好に混合させることができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガス及び燃料ガスを供給し、これらガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池から排出された酸化オフガスに混合させて希釈する希釈部を備え、前記希釈部は、酸化オフガスが流される酸化オフガス配管にバイパス流路が設けられているとともに、このバイパス流路に、燃料オフガス配管の吐出端部から燃料オフガスが吐出されるように構成されてなる。

この構成によれば、バイパス流路を流れる酸化オフガスに燃料オフガスを混合させた後、さらに酸化オフガス配管を流れる酸化オフガスに混合ガスを混合させることができ、燃料オフガス配管から吐出される燃料オフガスを良好に希釈することができる。

前記バイパス流路の上部には、窓部を有する分離板を介して導入室が形成され、この導入室に、前記燃料オフガス配管の吐出端部が接続されていても良い。
この構成によれば、燃料オフガス配管からの燃料オフガスを導入室に一旦流入させて窓部から下側のバイパス流路へ流れ込ませ、バイパス流路を流れる酸化オフガスに燃料オフガスを円滑に混合させることができる。

前記酸化オフガス配管には、前記バイパス流路との下流側の接続箇所よりも上流側に、オリフィスが設けられていても良い。
この構成によれば、オリフィスの下流側にて酸化オフガスに乱流を生じさせ、バイパス流路から酸化オフガス配管に流れ込む燃料オフガスと酸化オフガスとの混合ガスを、酸化オフガス配管内を流れる酸化オフガスに良好に混合させることができ、希釈効率を高めることができる。

前記燃料オフガス配管は、前記吐出端部が最下方位置に配置されていても良い。
この構成によれば、燃料オフガス配管内の水を、吐出端部に溜めることなく滴下させて排出させることができる。

本発明の希釈装置は、被希釈ガスを希釈ガスに混合させて希釈する希釈装置であって、希釈ガスが流される希釈ガス配管に対して被希釈ガスが流される被希釈ガス配管が接続されているとともに、前記被希釈ガス配管の吐出端部が前記希釈ガス配管内に上流側へ向けられて配置されてなる。
また、本発明の希釈装置は、被希釈ガスを希釈ガスに混合させて希釈する希釈装置であって、希釈ガスが流される希釈ガス配管にバイパス流路が設けられているとともに、このバイパス流路に、被希釈ガスが流される被希釈ガス配管の吐出端部から被希釈ガスが吐出されるように構成されてなる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料オフガス（被希釈ガス）中の水を溜めることなく、燃料オフガス（被希釈ガス）を良好に希釈することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一の実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。
図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する不図示の圧力センサ、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。

燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス、希釈ガス）は、排気路（酸化オフガス配管）７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する不図示の圧力センサ、圧力調整弁Ａ４及び加湿器Ａ２１が設けられている。この圧力センサは、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。

これら圧力センサの図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する不図示の圧力センサ、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する不図示の圧力センサ、燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する不図示の圧力センサが設けられている。

水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサの図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス、被希釈ガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する不図示の温度センサ、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する不図示の遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の不図示のタンク等に回収する排出制御弁Ｈ５１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサの図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。

水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路（燃料オフガス配管）７６によって排気路７２に接続されており、この排気路７２との接続箇所が、希釈部（希釈装置）１０とされている。
排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは希釈部１０にて、空気オフガスに混合されて外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

希釈部１０は、図２に示すように、排気路７２の上部に、パージ流路７６が接続されてパージ流路７６における最下方位置とされた構造とされており、さらに、このパージ流路７６の吐出端部７６ａが、排気路７２の上流側へ向けて配置されている。
また、図３に示すように、パージ流路７６の吐出端部７６ａには、複数の孔部７６ｂが形成されている。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する不図示の温度センサ、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する不図示の温度センサが設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

上記の希釈部１０を備えた燃料電池システム１では、前述したように、パージ流路７６からの水素オフガスが希釈部１０にて、空気オフガスに混合されることにより、水素ガスが希釈される。

このとき、希釈部１０では、パージ流路７６の吐出端部７６ａが、排気路７２の上流側へ向けて配置されているので、パージ流路７６からの水素オフガスが空気オフガスの流れに逆らって排気路７２内に吐出され、これにより、水素オフガスが空気オフガスに円滑に混合される。したがって、パージ流路７６から吐出される水素オフガスの水素ガスを良好に希釈して排出することができる。

また、パージ流路７６の吐出端部７６ａに、複数の孔部７６ｂが形成されているので、これら孔部７６ｂから水素オフガスを排気路７２内に拡散させながら吐出させることができ、空気オフガスへ水素オフガスをさらに良好に混合させることができる。
さらに、パージ流路７６の吐出端部７６ａが排気路７２の上部に配置されて吐出端部７６ａがパージ流路７６の最下方位置とされているので、パージ流路７６内の水を、パージ流路７６の吐出端部７６ａに溜めることなく、排気路７２内に滴下させて排出させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。
なお、第２実施形態では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
第２実施形態に係る燃料電池システム１では、第１実施形態とは、希釈部１０の構造が異なっている。

図３に示すように、第２実施形態における希釈部１０は、排気路７２の上部に、希釈ケース８１を備えており、この希釈ケース８１の上部に、パージ流路７６の吐出端部７６ａが接続され、吐出端部７６ａがパージ流路７６における最下方位置とされている。
この希釈ケース８１には、高さ方向の中間部に、略水平に配置された分離板８２が設けられており、この分離板８２によって、希釈ケース８１内が、上部側の導入室８１ａと、下部側のバイパス室８１ｂとに区画されている。また、この分離板８２には、排気路７２の上流側に、窓部８２ａが形成されており、この窓部８２ａを介して導入室８１ａとバイパス室８１ｂとが連通されている。

また、希釈ケース８１のバイパス室８１ｂ側には、排気路７２の上流側に導入管路８３が接続され、排気路７２の下流側に排出管路８４が接続されている。これら導入管路８３及び排出管路８４は、いずれも、排気路７２の上部に接続されており、これにより、排気路７２内を流れる空気オフガスの一部が、導入管路８３から希釈ケース８１のバイパス室８１ｂ内へ導入されて通過し、排出管路８４から排気路７２へ戻される。つまり、これら導入管路８３、バイパス室８１ｂ及び排出管路８４によって、排気路７２に対する空気オフガスのバイパス流路が形成されている。

また、排気路７２には、導入管路８３と排出管路８４との間の位置に、オリフィス８５が設けられており、このオリフィス８５の下流側にて、排気路７２内を流れる空気オフガスに乱流が生じるようになっている。

上記の希釈部１０を備えた燃料電池システム１では、パージ流路７６からの水素オフガスが希釈部１０の希釈ケース８１における導入室８１ａに流入し、分離板８２に当たって窓部８２ａからバイパス流路を構成するバイパス室８１ｂへ流れ込む。これにより、この水素オフガスは、バイパス室８１ｂ内を流れる空気オフガスに円滑に混合される。その後、この混合ガスは、排出管路８４から排気路７２に流れ込む。
これにより、排出管路８４から排気路７２に流れ込む空気オフガスと水素オフガスの混合ガスは、排気路７２内を流れる空気オフガスに混合され、さらに希釈される。したがって、パージ流路７６から吐出される水素オフガスの水素ガスを良好に希釈して排出することができる。

また、排気路７２における排出管路８４の接続箇所よりも上流側に設けられたオリフィス８５によって空気オフガスに乱流を生じさせるので、排出管路８４から排気路７２に流れ込む水素オフガスと空気オフガスの混合ガスを、排気路７２内を流れる空気オフガスに良好に混合させることができ、水素ガスの希釈効率を高めることができる。

さらに、パージ流路７６の吐出端部７６ａが希釈ケース３１の上面に接続され、吐出端部７６ａがパージ流路７６の最下方位置とされているので、パージ流路７６内の水を、パージ流路７６の吐出端部７６ａに溜めることなく、排気路７２内に滴下させて排出させることができる。

本発明の燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。第１実施形態にかかる希釈部の構造を示す断面図である。第１実施形態にかかる希釈部におけるパージ流路の吐出端部を示す断面図である。第２実施形態にかかる希釈部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０…希釈部（希釈装置）、２０…燃料電池、７２…排気路（酸化オフガス配管）、７６…パージ流路（燃料オフガス配管）、７６ａ…吐出端部、７６ｂ…孔部、８１ａ…導入室、８１ｂ…バイパス室（バイパス流路）、８２…分離板、８２ａ…窓部、８３…導入管路（バイパス流路）、８４…排出管路（バイパス流路）、８５…オリフィス、１００…燃料電池システム。

Claims

燃料電池に酸化ガス及び燃料ガスを供給し、これらガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池から排出された酸化オフガスに混合させて希釈する希釈部を備え、
前記希釈部は、酸化オフガスが流される酸化オフガス配管に対して燃料オフガスが流される燃料オフガス配管が接続されているとともに、前記燃料オフガス配管の吐出端部が前記酸化オフガス配管内に上流側へ向けられて配置されてなる燃料電池システム。
前記酸化オフガス配管内における前記燃料オフガス配管の吐出端部の周面に複数の孔部が形成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料オフガス配管は、前記吐出端部が最下方位置に配置されている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。