JP6954166B2

JP6954166B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6954166B2
Application number: JP2018023725A
Authority: JP
Inventors: 航介河北; 裕士鈴木; 濱田　仁; 仁濱田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-02-14
Also published as: JP2019140015A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを燃料電池スタックに再供給するように循環させるものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、アノードガスを供給する経路にアノードオフガスが流入し、燃料電池スタックに供給される。

特開２０１７−１９９５６４号公報

しかし、タンクから供給されるアノードガスと燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスとが十分に混合されないで燃料電池スタックに供給される場合、各セルに分配されるアノードガス流量の差が過度に大きくなり、セル電圧の低下やセルの劣化を引き起こすおそれがある。そのため、各セルに分配されるアノードガス流量の差が過度に大きくなることを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタックと；前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス配管と；前記燃料電池スタックのアノードオフガスを前記燃料電池スタックに循環させる循環配管と；前記アノードガス配管と前記循環配管とが合流する合流部に設けられたフィルタ部と、を備え；前記フィルタ部は、前記アノードガス配管における前記アノードガスの流通方向および前記循環配管における前記アノードオフガスの流通方向から見た場合に、前記アノードガス配管および前記循環配管の断面を分割する位置にそれぞれ配置された梁を有する。この形態の燃料電池システムによれば、フィルタ部の梁によりアノードガスおよびアノードオフガスがより均一に混合するため、燃料電池スタックの供給されるアノードガスの濃度を均一にすることができる。このため、各セルに分配されるアノードガス流量の差が過度に大きくなることを抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムアノードガス配管と循環配管とが合流する合流部や合流部に設けられるフィルタ、これらの製造方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。燃料電池スタックに流れるアノードガスの流路の一部を示す図である。フィルタ部の概略構造の説明図である。図２のＩＶ−ＩＶ矢視図である。図２のＶ−Ｖ矢視図である。水素流量の分配率とセル位置との関係を示したグラフである。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給排出系３０と、アノードガス供給排出系５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）９１と、２次電池９２と、負荷９３と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極を配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行う。

カソードガス供給排出系３０は、カソードガス配管３１と、カソードガスコンプレッサ３２と、第１開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。

カソードガスコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。カソードガスコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３３は、カソードガスコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０との間に設けられている。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口圧力を調整する。

アノードガス供給排出系５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、アノードガスポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。以下では、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。

アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側、から設けられている。

第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかったアノードガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器７０へと誘導する。

気液分離器７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。気液分離器７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６０は、気液分離器７０の下部に設けられている。排気排水弁６０は、気液分離器７０に貯水された水の排水と、気液分離器７０内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６０は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

循環配管６３は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されており、アノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させる。循環配管６３には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６４が設けられている。気液分離器７０によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６４によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

アノードガス配管５１と循環配管６３とが合流する合流部５６にはフィルタ部５７が設けられている。フィルタ部５７は、例えば、アノードガス配管５１や循環配管６３を組み付ける際に混入した異物や、アノードガスポンプ６４や気液分離器７０に付着していた異物等が燃料電池スタック１０に侵入してしまうことを防ぐ。詳細については後述する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部２０の制御に応じて燃料電池スタック１０から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ９１に供給する。ＰＣＵ９１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷９３に電力を供給する。また、ＰＣＵ９１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０とＰＣＵ９１とを介して２次電池９２に蓄電される。

図２は、合流部５６を介して燃料電池スタック１０に流れるアノードガスの流路の一部を示す図である。各単セル１１には、ガス入口マニホールド１２ａと、ガス出口マニホールド１２ｂが設けられている。各ガス入口マニホールド１２ａは互いに連通しており、アノードガス配管５１と連通している。各ガス出口マニホールド１２ｂは互いに連通しており、アノードオフガス配管６１と連通している。

合流部５６には、アノードガス配管５１と接続した接続部５６ａと、循環配管６３と接続した接続部５６ｂと、燃料電池スタック１０のガス入口マニホールド１２ａと接続した接続部５６ｃと、フィルタ部５７を収容した収容部５６ｄと、を有している。アノードガスとアノードオフガスは、フィルタ部５７で混合された後に燃料電池スタック１０に供給される。本実施形態において、アノードガスとアノードオフガスとが混合したものを「混合ガス」と呼ぶ。混合ガスは、単セル１１の積層方向における一端１０ａ側から他端１０ｂ側へ向けて供給される。混合ガスは、ガス入口マニホールド１２ａから各単セル１１に分配され、未使用のアノードガス及び発電により生成した液水がガス出口マニホールド１２ｂによって集められて、アノードオフガス配管６１に排出される。

図３は、フィルタ部５７の概略構造の説明図である。本実施形態において、フィルタ部５７は、円錐台形状であるが、これに限らず、例えば円錐形状や円柱形状等でもよい。フィルタ部５７は、フィルタ５７ａと梁５７ｂとを有する。フィルタ５７ａは、例えば、金属製あるいは樹脂製のメッシュや多孔体によって形成される。本実施形態において、フィルタ５７ａは、格子形状のメッシュである。フィルタ５７ａは、アノードガスおよびアノードオフガスが通過する際に乱流を発生させて混合する。本実施形態において、フィルタ部５７は、直線形状（直棒状）の梁５７ｂを２本有する。なお、梁５７ｂの形状や本数、角度は任意に定めることができる。

図４は、図２のＩＶ−ＩＶ矢視図であり、図５は、図２のＶ−Ｖ矢視図である。図４に示すように、本実施形態において、アノードガスが流入する接続部５６ａとアノードオフガスが流入する接続部５６ｂとは対向せず、収容部５６ｄの中心軸から互いに反対側にオフセットした位置となっている。より具体的には、図２および図４に示すように、アノードガス配管５１と接続する接続部５６ａと循環配管６３と接続する接続部５６ｂとはｘ軸およびｚ軸における位置が異なっている。これにより、アノードガスとアノードオフガスがより混合しやすくなる。梁５７ｂは、それぞれ、アノードガス配管５１におけるアノードガスの流通方向および循環配管６３におけるアノードオフガスの流通方向から見た場合に、アノードガス配管５１および循環配管６３の断面を分割する位置に配置されている。より具体的には、図５に示すように、梁５７ｂは、循環配管６３におけるアノードオフガスの流通方向（ｙ軸方向）から見た場合に、循環配管６３の断面を分割する位置に配置されている。

図６は、水素流量の分配率とセル位置との関係を示したグラフである。このグラフの縦軸は水素流量の分配率を示し、横軸はセル番号を示している。「水素流量の分配率」とは、均一の水素濃度のアノードガスが燃料電池スタック１０に入る場合の各単セル１１の水素流量を分母とし、実際に各単セル１１に入る水素流量を分子とした比率である。セル番号は燃料電池スタック１０の一端１０ａ側の単セル１１から他端１０ｂ側へ順に１枚ずつ付与されている。グラフＧ１は比較例を示し、グラフＧ２は本実施形態の例を示す。比較例は、本実施形態の燃料電池システム１００（図２）からフィルタ部５７を省略したものである。これらの水素流量の分配率は、流体解析ソフトウェアを用いて算出した。グラフＧ１に示すように、比較例では、一端１０ａ側（図２）の単セル１１（例えば、セル番号１）は水素流量の分配率が高く、他端１０ｂ側の単セル（例えば、セル番号Ｎ）は水素流量の分配率が低い。一方、グラフＧ２が示すように、フィルタ部５７が設けられた本実施形態の例では、各単セル１１の水素流量の分配率が理想的な状態に近い。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、フィルタ部５７の梁５７ｂによりアノードガスおよびアノードオフガスがより均一に混合するため、燃料電池スタック１０の供給されるアノードガスの濃度を均一にすることができる。このため、各単セル１１に分配されるアノードガス流量の差が過度に大きくなることを抑制できる。また、フィルタ５７ａにより、異物を捕集できるため、単セル１１内で短絡が発生することを抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック
１０ａ…一端
１０ｂ…他端
１１…単セル
１２ａ…ガス入口マニホールド
１２ｂ…ガス出口マニホールド
２０…制御部
３０…カソードガス供給排出系
３１…カソードガス配管
３２…カソードガスコンプレッサ
３３…第１開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…アノードガス供給排出系
５１…アノードガス配管
５２…アノードガスタンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
５６…合流部
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ…接続部
５６ｄ…収容部
５７…フィルタ部
５７ａ…フィルタ
５７ｂ…梁
６０…排気排水弁
６１…アノードオフガス配管
６３…循環配管
６４…アノードガスポンプ
６５…循環流路
７０…気液分離器
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…ＰＣＵ
９２…２次電池
９３…負荷
１００…燃料電池システム

Claims

燃料電池システムであって、
複数のセルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス配管と、
前記燃料電池スタックのアノードオフガスを前記燃料電池スタックに循環させる循環配管と、
前記アノードガス配管と前記循環配管とが合流する合流部に設けられたフィルタ部と、を備え、
前記フィルタ部は、前記アノードガス配管における前記アノードガスの流通方向および前記循環配管における前記アノードオフガスの流通方向から見た場合に、前記アノードガス配管および前記循環配管の断面を分割する位置にそれぞれ配置された梁を有する、燃料電池システム。