JP6739269B2

JP6739269B2 - 燃料電池システム及び燃料電池の生成水霧化装置

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Publication number: JP6739269B2
Application number: JP2016146157A
Authority: JP
Inventors: 吉岡　衛; 衛吉岡; 雅史竹田; 和裕米重
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: JP2018018620A; US20180034080A1; US10224557B2

Description

この発明は、燃料電池に係り、その発電に伴って生成される生成水を、霧状に拡散して放出するように構成した燃料電池システム及び燃料電池の生成水霧化装置に関する。

従来、燃料電池では、その発電に伴って水が生成される。そのため、燃料電池が車両等に搭載された場合は、生成水を適宜処理する必要がある。一般に、生成水は、外部に放出されることで処理されるが、放出した生成水が、周囲の物体にかかることによる不都合を避ける必要がある。例えば、燃料電池が自動車に搭載された場合は、外部へ放出された生成水が後続車などにかかり、後続車の視界を妨げるおそれがある。これについては、既に種々の改善技術が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、この種の技術に関する燃料電池システムが記載されている。このシステムは、車両に搭載された燃料電池と、燃料電池の発電に伴って生成された生成水を、霧化して排出できる排水手段と、特定の状態に応じて排水手段を制御する排水制御手段とを備える。ここで、排水手段として、気液分離器で分離された生成水を貯水タンクに貯め、モータを有するポンプでインジェクタへ圧送してインジェクタから路面へ向けて噴霧するように構成される。このシステムでは、生成水を霧化し路面へ向けて噴射することで、後続車への水滴の付着を回避するようになっている。

特開２００９−１３５００６号公報

ところが、特許文献１に記載のシステムでは、ポンプにより圧送された生成水をインジェクタから路面へ向けて噴霧するように構成されるので、生成水を霧化するために専用のポンプやインジェクタが必要になる。このため、生成水を霧化するだけの装置のためにモータ等の駆動源を有する部品が必要となり、装置が複雑化する傾向があった。一般に燃料電池システムでは、基本構成に多数の部品が使用されることから、排水手段等の付属設備のための部品や駆動源を減らし、構成を極力簡略化することが望まれるところである。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、比較的簡単な構成で生成水を霧化できるようにした燃料電池システム及び燃料電池の生成水霧化装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤を供給するための酸化剤供給手段と、燃料電池にて発電に伴って生成された生成水を霧化して大気へ放出するための霧化手段とを備えた燃料電池システムにおいて、酸化剤供給手段は、酸化剤を燃料電池へ圧送するための酸化剤ポンプを含み、霧化手段は、酸化剤ポンプから吐出される酸化剤を作動流体として利用して生成水を霧化するアスピレータを含み、酸化剤供給手段は、酸化剤ポンプから吐出される酸化剤を冷却するためのインタークーラを含み、アスピレータにて作動流体として利用される酸化剤は、インタークーラより上流からアスピレータに供給されるように構成されることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料電池に酸化剤を供給するための酸化剤ポンプから吐出される酸化剤の一部が、霧化手段であるアスピレータの作動流体として利用され、アスピレータにより生成水が霧化される。また、酸化剤ポンプから吐出される酸化剤は、インタークーラで冷却されてから燃料電池に供給される。ここで、アスピレータにて作動流体として利用される酸化剤の一部は、インタークーラより上流からアスピレータに供給されるので、冷却される前の温度の高い酸化剤が作動流体としてアスピレータに供給される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料電池に酸化剤を供給するための酸化剤供給通路を更に備え、酸化剤供給通路に酸化剤ポンプが設けられ、酸化剤ポンプより下流の酸化剤供給通路には、酸化剤ポンプから燃料電池へ圧送される酸化剤の一部を作動流体としてアスピレータに供給するための作動流体供給通路が接続されることを趣旨とする。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給通路と、燃料電池に酸化剤を供給するための酸化剤供給通路と、酸化剤供給通路に設けられ、酸化剤を燃料電池へ圧送するための酸化剤ポンプと、燃料電池にて発電に伴って生成された生成水を霧化するためのアスピレータと、燃料電池からアスピレータへ生成水を供給するための生成水供給通路と、アスピレータに作動流体を供給するための作動流体供給通路とを備えた燃料電池の生成水霧化装置において、作動流体は、酸化剤供給通路から作動流体供給通路へ取り出される圧縮された酸化剤であり、作動流体供給通路は、酸化剤ポンプより下流の酸化剤供給通路に接続され、アスピレータは生成水を放出する出口を含み、出口には拡散部材が設けられ、拡散部材は、複数の拡散管を含み、複数の拡散管は、その出口の側が末広がりとなるように形成され、酸化剤ポンプから吐出される酸化剤を冷却するためのインタークーラを含み、アスピレータにて作動流体として利用される酸化剤は、インタークーラより上流から作動流体供給通路によりアスピレータに供給されるように構成されることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料電池にて生成された生成水が生成水供給通路を介してアスピレータに供給される。また、燃料電池に酸化剤を供給するために酸化剤ポンプから吐出される酸化剤の一部が、作動流体供給通路を介し作動流体としてアスピレータに供給され、アスピレータにより生成水が霧化される。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤を供給するための酸化剤供給手段と、燃料電池にて発電に伴って生成された生成水を霧化して大気へ放出するための霧化手段とを備えた燃料電池システムにおいて、酸化剤供給手段は、燃料電池に酸化剤を供給するための酸化剤供給通路と、酸化剤供給通路に設けられ、酸化剤を燃料電池へ圧送するための酸化剤ポンプとを含み、酸化剤ポンプから燃料電池へ圧送される酸化剤の一部を霧化手段に供給するための通路が酸化剤ポンプより下流の酸化剤供給通路に接続され、酸化剤供給手段は、酸化剤ポンプから吐出される酸化剤を冷却するためのインタークーラを更に含み、霧化手段に供給される酸化剤は、インタークーラより上流から霧化手段に供給するための通路により霧化手段に供給されるように構成されることを趣旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、アスピレータそのものに駆動源は必要がなく、アスピレータに作動流体を供給するための駆動源を有する専用の供給手段を別途設ける必要がなく、比較的簡単な構成で生成水を霧化することができる。また、作動流体の温度が高い分だけ生成水の霧化を促進することができる。

請求項３に記載の発明によれば、アスピレータそのものに駆動源は必要がなく、アスピレータに作動流体を供給するための駆動源を有する専用の供給手段を別途設ける必要がなく、比較的簡単な構成で生成水を霧化することができる。

第１実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。第１実施形態に係り、アスピレータを示す断面図。第２実施形態に係り、アスピレータを含む霧化装置の概略を示す断面図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明における燃料電池の生成水霧化装置を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池システムは、燃料としての水素ガスと酸化剤としての空気（エア）の供給を受けて発電を行う燃料電池（ＦＣ）１を備える。燃料電池１で発電した電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給されるようになっている。

燃料電池１のアノード側には、燃料電池１に水素ガスを供給するための水素供給システム２が設けられる。水素供給システム２は、本発明の燃料供給手段の一例に相当し、複数の水素ボンベ１１を備える。複数の水素ボンベ１１には、水素充填口１２から分流管１３、水素充填通路１４及び流路切替器１５を介して水素ガスが充填されるようになっている。この水素供給システム２は、複数の水素ボンベ１１から燃料電池１へ水素ガスを供給するための水素供給通路１６と、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素供給通路１６へ還流するための水素排出通路１７とを備える。上記した流路切替器１５は、主止弁１８を含む。この主止弁１８は、電磁弁より構成され、水素ボンベ１１から水素供給通路１６への水素ガスの供給と遮断を切り替えるようになっている。水素供給通路１６は、本発明の燃料供給通路の一例に相当する。

流路切替器１５より下流の水素供給通路１６には、その上流側から順に、合流管１９、１次圧センサ２０、高圧レギュレータ２１、中圧リリーフ弁２２、２次圧センサ２３、水素流量調節装置２４、低圧リリーフ弁２５及び３次圧センサ２６が設けられる。燃料電池１には、各水素ボンベ１１から、これら機器１９〜２６を介して水素ガスが供給される。１次圧センサ２０は、水素ボンベ１１から流出した水素ガスの圧力を１次圧力として検出するようになっている。高圧レギュレータ２１は、その水素ガスの圧力を減圧するようになっている。中圧リリーフ弁２２は、高圧レギュレータ２１により減圧された水素ガスの圧力の過剰分を逃がすようになっている。２次圧センサ２３は、中圧リリーフ弁２２より下流の水素ガスの圧力を２次圧力として検出するようになっている。水素流量調節装置２４は、デリバリパイプ２７と複数のインジェクタ２８を含み、燃料電池１に供給される水素ガス流量及び圧力を調節するようになっている。低圧リリーフ弁２５は、水素流量調節装置２４により調節された水素ガスの圧力の過剰分を、後述するエア排出通路４２へ逃がすようになっている。３次圧センサ２６は、低圧リリーフ弁２５より下流の水素ガスの圧力を３次圧力として検出するようになっている。

水素排出通路１７には、気液分離器２９と水素ポンプ３０が設けられる。燃料電池１から排出される水素オフガスは、これら機器２９，３０を介して水素供給通路１６へ戻される。気液分離器２９は、水素排出通路１７を流れる水素オフガスから生成水を分離するようになっている。気液分離器２９の排水側には、排気排水弁３１が設けられる。この排気排水弁３１の出口は、後述する貯水タンク５０に接続される。排気排水弁３１は、電動弁より構成され、開弁されることにより気液分離器２９で分離された生成水を貯水タンク５０へ流すようになっている。この生成水は、燃料電池１にて発電に伴って生成される水である。水素ポンプ３０は、駆動源であるモータを有し、水素オフガスを水素供給通路１６へ圧送するようになっている。

一方、燃料電池１のカソード側には、燃料電池１にエアを供給するためのエア供給システム３が設けられる。エア供給システム３は、本発明の酸化剤供給手段の一例に相当し、燃料電池１にエアを供給するためのエア供給通路４１と、燃料電池１から排出されるエアオフガスが流れるエア排出通路４２と、エア供給通路４１とエア排出通路４２との間をバイパスするエアバイパス通路４３とを備える。エア供給通路４１には、その上流側から順に、エアクリーナ４４、エアポンプ４５、インタークーラ４６、エア圧センサ４７及びエア入口弁４８が設けられる。外部のエアは、これら機器４４〜４８を介して燃料電池１に供給される。エアクリーナ４４は、エア供給通路４１へ吸入されるエアを浄化するようになっている。エアポンプ４５は、駆動源であるモータを有し、本発明の酸化剤ポンプの一例に相当し、燃料電池１へ向けてエアを圧送するようになっている。インタークーラ４６は、エアポンプ４５から吐出されるエアを冷却するようになっている。エア圧センサ４７は、エアポンプ４５から吐出されるエアの圧力を検出するようになっている。エア入口弁４８は、電磁弁より構成され、燃料電池１へ供給されるエアの流量を調節するようになっている。エア供給通路４１は、本発明の酸化剤供給通路の一例に相当する。

エア排出通路４２には、その上流側から順に、エア出口弁４９、貯水タンク５０及びマフラ５１が設けられる。燃料電池１からエア排出通路４２へ流れるエアオフガスは、これら機器４９〜５１を介して外部へ排出されるようになっている。エア出口弁４９は、電磁弁より構成され、燃料電池１から排出されるエアオフガスの流量を調節するようになっている。貯水タンク５０は、燃料電池１で生成された生成水を貯めると共に、溢流した生成水をエア排出通路４２へ流すようになっている。マフラ５１は、エアオフガスの排気を減圧するようになっている。エアバイパス通路４３には、エアバイパス弁５２が設けられる。エアバイパス弁５２は電磁弁により構成され、エアバイパス通路４３を流れるエアの流量を調節するようになっている。

上記構成において、水素ボンベ１１から水素供給通路１６へ流れ出た水素ガスは、高圧レギュレータ２１で減圧され、水素流量調節装置２４で流量と圧力が調節されてから燃料電池１に供給される。燃料電池１に供給された水素ガスは、同電池１にて発電に使用された後、同電池１から水素オフガスとして水素排出通路１７へ導出され、気液分離器２９及び水素ポンプ３０を介して水素供給通路１６へ戻される。

また、上記構成において、エアポンプ４５が動作することにより、エアクリーナ４４からエア供給通路４１へ吸入されたエアは、インタークーラ４６で冷やされた後、エア入口弁４８を介して燃料電池１に供給される。燃料電池１に供給されたエアは、同電池１にて発電に使用された後、同電池１からエアオフガスとしてエア排出通路４２へ流れ、貯水タンク５０及びマフラ５１を介して外部へ排出される。このとき、貯水タンク５０から溢流した生成水は、エアオフガスと共にエア排出通路４２へ流れる。

この燃料電池システムは、発電に伴って燃料電池１で生成された生成水を霧化して大気へ放出するための生成水霧化装置４を更に備える。生成水霧化装置４は、エア排出通路４２に設けられた生成水トラップタンク６１と、そのタンク６１に貯まった生成水を吸引して霧化するためのアスピレータ６２と、アスピレータ６２にエアを作動流体（作動エア）として供給するための作動エア供給通路６３と、同通路６３に設けられた開閉弁６４とを備える。この実施形態で、作動エア供給通路６３の入口は、エアポンプ４５より下流であってインタークーラ４６より上流のエア供給通路４１に接続される。生成水トラップタンク６１は、貯水タンク５０から溢流し、エアオフガスと共にエア排出通路４２を流れる生成水を捕集して貯めるようになっている。生成水トラップタンク６１は、生成水供給通路６５を介してアスピレータ６２に接続される。この実施形態において、アスピレータ６２は、本発明の霧化手段の一例に相当し、エアポンプ４５から吐出されるエアを作動エアとして利用して生成水を霧化するようになっている。すなわち、この実施形態では、アスピレータ６２に作動エアを供給する専用ポンプは設けられず、エアポンプ４５が作動エアを供給するポンプとして利用され、エア供給通路４１を流れるエアがアスピレータ６２の作動エアとして利用されるように構成される。作動エア供給通路６３は、本発明の作動流体供給通路の一例に相当する。

図２に、アスピレータ６２を断面図により示す。アスピレータ６２は、全体がＴ型管状をし、主管６２ａと、主管６２ａの中央に形成された絞り部６２ｂと、絞り部６２ｂにて主管６２ａと直角に交わる導入管６２ｃとを含む。主管６２ａの一端の入口６２ｄには、作動エア供給通路６３が接続される。導入管６２ｃの入口６２ｅには、生成水供給通路６５が接続される。そして、このアスピレータ６２では、主管６２ａの入口６２ｄに供給される作動エアが主管６２ａを流れることにより、絞り部６２ｂにて作動エアの流速が増し、ベンチュリ効果によって負圧が発生する。そして、この負圧により導入管６２ｃから絞り部６２ｂへ生成水が吸入され、その生成水が作動エアに衝突することにより、生成水が霧化されて主管６２ａの他端の出口６２ｆから大気へ拡散放出される。

以上説明したこの実施形態における燃料電池の生成水霧化装置によれば、燃料電池１で生成されて生成水トラップタンク６１に貯められた生成水が生成水供給通路６５を介してアスピレータに供給される。また、燃料電池１にエアを供給するためにエアポンプ４５から吐出されるエアの一部が、作動エア供給通路６３を介してアスピレータ６２に供給され、作動エアとして利用され、アスピレータ６２により生成水が霧化される。従って、アスピレータ６２そのものに駆動源は必要がなく、アスピレータ６２にて作動エアを供給するためのモータを有する専用のポンプ等の供給手段を別途設ける必要がない。このため、比較的簡単な構成で生成水を霧化することができる。

また、この実施形態の構成によれば、エアポンプ４５から吐出されるエアは、インタークーラ４６で冷却されてから燃料電池１に供給される。ここで、アスピレータ６２にて作動エアとして利用されるエアは、インタークーラ４６より上流から作動エア供給通路６３を介してアスピレータ６２に供給されるので、冷却される前の温度の高いエアが作動エアとしてアスピレータ６２に供給される。このため、作動エアの温度が高い分だけ生成水の霧化を促進することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明における燃料電池の生成水霧化装置を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、霧化手段の構成の点で第１実施形態と異なる。図３に、アスピレータ６２を含む霧化装置６６の概略を断面図により示す。この霧化装置６６は、アスピレータ６２の他に、アスピレータ６２から放出される霧を、作動エアにより更に微粒化するための微粒化器６７を含む。微粒化器６７は、アスピレータ６２の出口６２ｆに設けられる拡散部材６８と、アスピレータ６２の入口６２ｄに導入される作動エアＯＡの一部を拡散部材６８へ案内するためのエア通路６９とを含む。拡散部材６８は、アスピレータ６２の出口６２ｆと対向する拡散板６８ａと、その拡散板６８ａの周りに配置された複数の拡散管６８ｂとを含む。複数の拡散管６８ｂは、その出口６８ｃの側が末広がりとなるように形成される。エア通路６９は、作動エア供給通路６３から二股に分岐し、アスピレータ６２を迂回して拡散板６８ａの近傍にて拡散部材６８に導入されるように形成される。

従って、作動エア供給通路６３からアスピレータ６２に導入される作動エアＯＡは、生成水供給通路６５からアスピレータ６２に導入される生成水を霧化し、その出口６２ｆから放出する。そして、霧化された生成水は、拡散部材６８の拡散板６８ａに衝突して更に微粒化される。これと同時に、エア通路６９を流れる作動エアは、拡散板６８ａの近傍に導入され、微粒化された生成水（霧）を拡散管６８ｂへ押し流す。これにより、拡散管６８ｂの出口６８ｃからは微粒化された生成水（霧）が放出される。このように、この霧化装置６６では、アスピレータ６２により霧化された生成水が、微粒化器６７により更に細かく微粒化されて外部へ放出される。このため、生成水が霧化状態より更に微粒化されるので、微粒化された生成水（霧）の更なる微粒化によって生成水が拡散されるため、気化を促進することができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

この発明は、例えば、自動車に搭載される燃料電池システムに適用することができる。

１燃料電池
２水素供給システム（燃料供給手段）
３エア供給システム（酸化剤供給手段）
４生成水霧化装置
１６水素供給通路（燃料供給通路）
４１エア供給通路（酸化剤供給通路）
４５エアポンプ（酸化剤ポンプ）
４６インタークーラ
６１生成水トラップタンク
６２アスピレータ（霧化手段）
６３作動エア供給通路（作動流体供給通路）
６５生成水供給通路

Claims

燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を供給するための燃料供給手段と、
前記燃料電池に前記酸化剤を供給するための酸化剤供給手段と、
前記燃料電池にて発電に伴って生成された生成水を霧化して大気へ放出するための霧化手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤供給手段は、前記酸化剤を前記燃料電池へ圧送するための酸化剤ポンプを含み、
前記霧化手段は、前記酸化剤ポンプから吐出される前記酸化剤を作動流体として利用して前記生成水を霧化するアスピレータを含み、
前記酸化剤供給手段は、前記酸化剤ポンプから吐出される前記酸化剤を冷却するためのインタークーラを含み、
前記アスピレータにて作動流体として利用される前記酸化剤は、前記インタークーラより上流から前記アスピレータに供給されるように構成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池に前記酸化剤を供給するための酸化剤供給通路を更に備え、
前記酸化剤供給通路に前記酸化剤ポンプが設けられ、
前記酸化剤ポンプより下流の前記酸化剤供給通路には、前記酸化剤ポンプから前記燃料電池へ圧送される前記酸化剤の一部を前記作動流体として前記アスピレータに供給するための作動流体供給通路が接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を供給するための燃料供給通路と、
前記燃料電池に前記酸化剤を供給するための酸化剤供給通路と、
前記酸化剤供給通路に設けられ、前記酸化剤を前記燃料電池へ圧送するための酸化剤ポンプと、
前記燃料電池にて発電に伴って生成された生成水を霧化するためのアスピレータと、
前記燃料電池から前記アスピレータへ前記生成水を供給するための生成水供給通路と、
前記アスピレータに作動流体を供給するための作動流体供給通路と
を備えた燃料電池の生成水霧化装置において、
前記作動流体は、前記酸化剤供給通路から前記作動流体供給通路へ取り出される圧縮された酸化剤であり、
前記作動流体供給通路は、前記酸化剤ポンプより下流の前記酸化剤供給通路に接続され、
前記アスピレータは前記生成水を放出する出口を含み、前記出口には拡散部材が設けられ、
前記拡散部材は、複数の拡散管を含み、前記複数の拡散管は、その出口の側が末広がりとなるように形成され、
前記酸化剤ポンプから吐出される前記酸化剤を冷却するためのインタークーラを含み、
前記アスピレータにて作動流体として利用される前記酸化剤は、前記インタークーラより上流から前記作動流体供給通路により前記アスピレータに供給されるように構成される
ことを特徴とする燃料電池の生成水霧化装置。
燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を供給するための燃料供給手段と、
前記燃料電池に前記酸化剤を供給するための酸化剤供給手段と、
前記燃料電池にて発電に伴って生成された生成水を霧化して大気へ放出するための霧化手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤供給手段は、前記燃料電池に前記酸化剤を供給するための酸化剤供給通路と、前記酸化剤供給通路に設けられ、前記酸化剤を前記燃料電池へ圧送するための酸化剤ポンプとを含み、
前記酸化剤ポンプから前記燃料電池へ圧送される前記酸化剤の一部を前記霧化手段に供給するための通路が前記酸化剤ポンプより下流の前記酸化剤供給通路に接続され、
前記酸化剤供給手段は、前記酸化剤ポンプから吐出される前記酸化剤を冷却するためのインタークーラを更に含み、
前記霧化手段に供給される前記酸化剤は、前記インタークーラより上流から前記霧化手段に供給するための前記通路により前記霧化手段に供給されるように構成される
ことを特徴とする燃料電池システム。