JP7127511B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、このような分野の技術として、複数の燃料電池セルが積層される燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素などの燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックから排出された燃料オフガス（すなわち、未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給流路に還流させる循環流路とを備える燃料電池システムが知られている。このような構成を有する燃料電池システムでは、循環流路を流れる燃料オフガスの中に、気液分離器で分離し切れない生成水と凝縮水からなる液水が含まれる可能性がある。そして、液水が燃料ガスの流れによって燃料電池スタックの内部に侵入すると、燃料電池セルの発電性能の低下を招いてしまう。

このような問題を解決するために、様々な工夫が検討されている。例えば下記特許文献１には、燃料ガス供給流路内に燃料ガスと燃料オフガスとを流し、更に強制的な流れを起こすことで燃料オフガスに含まれる液水を撹拌して均一化し、その均一化した状態で燃料電池スタックに供給する燃料電池システムが開示されている（例えば特許文献１の段落０１０２）。

特開２００９－１６４１３６号公報

しかし、上述の燃料電池システムでは、燃料オフガスの流入によって発生した流れは、燃料ガス供給流路に対して螺旋状の流れとなるので、燃料オフガスに含まれる液水が燃料電池セル入口に集中してしまう可能性がある。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、液水が燃料電池セル入口に集中することを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、発電部を有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックと連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合ガス供給流路と、前記混合ガス供給流路に設けられ、前記混合ガスに回転力を付与する撹拌ミキサーと、を備え、前記撹拌ミキサーは、前記混合ガスに含まれる液水を前記発電部側とは反対側に誘導するためのガイドリブを有することを特徴としている。

本発明に係る燃料電池システムでは、撹拌ミキサーは混合ガスに含まれる液水を発電部側とは反対側に誘導するためのガイドリブを有するので、混合ガスに含まれる液水がガイドリブに誘導されて燃料電池セル入口とは逆の方向に移動することになる。このため、液水が燃料電池セル入口に集中することを防止することができる。

本発明によれば、液水が燃料電池セル入口に集中することを防止することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池スタック及びスタックマニホールドを示す斜視図である。 撹拌ミキサー及びガイドリブの配置を説明するための模式図である。 （ａ）撹拌ミキサーを示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ－Ｘ線に沿う断面図である。 （ａ）第２実施形態の撹拌ミキサーを示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ－Ｙ線に沿う断面図である。 実施例１と比較例との解析結果を示す図である。 実施例２と比較例との解析結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。本発明に係る燃料電池システムは、車両、船舶、航空機、電車等に搭載されて駆動源として用いられても良く、建物の発電設備として用いられても良い。

[第１実施形態]
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池スタック及びスタックマニホールドを示す斜視図である。本実施形態の燃料電池システム１は、主に、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系２０と、燃料電池スタック１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系３０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成している。図示しないが、燃料電池セル１１は、例えばイオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）およびカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有する。更に、燃料電池セル１１は、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）を有する。

また、ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が更に形成される場合がある。この場合、ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称される。ＭＥＧＡは、更に上述のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータによって挟持されている。そして、ガス拡散層を有するＭＥＧＡの場合、該ＭＥＧＡは燃料電池セル１１の発電部１１１を構成する。一方、ガス拡散層を有さないＭＥＧＡの場合、該ＭＥＡが燃料電池セル１１の発電部１１１を構成する。

図２に示すように、発電部１１１は燃料電池セル１１の略中央位置に配置されている。燃料電池セル１１において、発電部１１１を挟んで一方側（図２では上側）には、燃料ガス入口連通孔１１２ａと、冷媒出口連通孔１１２ｂと、酸化剤ガス出口連通孔１１２ｃとが順に設けられている。発電部１１１を挟んで他方側（図２では下側）には、酸化剤ガス入口連通孔１１２ｄと、冷媒入口連通孔１１２ｅと、燃料ガス出口連通孔１１２ｆとが順に設けられている。これらの連通孔１１２ａ～１１２ｆは、マニホールド孔ともいい、それぞれ矩形状に形成されている。

そして、燃料電池スタック１０の積層方向の一端部には、スタックマニホールド（エンドプレートともいう）１２が配置されている。スタックマニホールド１２は、例えばアルミニウム等の金属材料によって略矩形板状に形成されており、ボルト等で燃料電池スタック１０と締結固定されている。スタックマニホールド１２において、燃料電池セル１１の燃料ガス入口連通孔１１２ａと対応する位置には燃料ガス入口連通孔１２ａ、冷媒出口連通孔１１２ｂと対応する位置には冷媒出口連通孔１２ｂ、酸化剤ガス出口連通孔１１２ｃと対応する位置には酸化剤ガス出口連通孔１２ｃ、酸化剤ガス入口連通孔１１２ｄと対応する位置には酸化剤ガス入口連通孔１２ｄ、冷媒入口連通孔１１２ｅと対応する位置には冷媒入口連通孔１２ｅ、燃料ガス出口連通孔１１２ｆと対応する位置には燃料ガス出口連通孔１２ｆが、それぞれ設けられている。

これらの連通孔１２ａ～１２ｆは、対応する燃料電池セル１１に設けられた連通孔１１２ａ～１１２ｆと同じ大きさを有するように矩形状に形成されている。

図１に示すように、酸化剤ガス供給系２０は、例えば、燃料電池スタック１０のカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路２１と、燃料電池スタック１０に供給され、各燃料電池セル１１で電気化学反応に供された後の酸化剤オフガスを燃料電池スタック１０から排出する酸化剤ガス排出流路２２とを有する。酸化剤ガス供給流路２１は、スタックマニホールド１２の酸化剤ガス入口連通孔１２ｄ及び燃料電池セル１１の酸化剤ガス入口連通孔１１２ｄと順に連通している。酸化剤ガス排出流路２２は、スタックマニホールド１２の酸化剤ガス出口連通孔１２ｃ及び燃料電池セル１１の酸化剤ガス出口連通孔１１２ｃと順に連通している。

酸化剤ガス供給流路２１及び酸化剤ガス排出流路２２は、例えばホース、配管及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。また、酸化剤ガス供給流路２１には、エアクリーナ２３、エアコンプレッサ２４、インタクーラ２５、バルブ等が備えられている。酸化剤ガス排出流路２２には、マフラ２６、バルブ等が備えられている。

一方、燃料ガス供給系３０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０のアノード電極へ供給する燃料ガス供給流路３２と、燃料電池スタック１０から排出された燃料オフガス（すなわち、未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給流路３２に還流させる循環流路３３と、循環流路３３に分岐接続されて循環流路３３内の燃料オフガスを外部へ排出する燃料ガス排出流路３４とを有する。燃料ガス供給流路３２、循環流路３３及び燃料ガス排出流路３４は、例えばホース、配管及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。図示しないが、燃料ガス供給流路３２には、圧力計、インジェクタ、レギュレータ、バルブ等が備えられている。

循環流路３３の上流側（すなわち、燃料電池スタック１０側）の端部は、スタックマニホールド１２の燃料ガス出口連通孔１２ｆ及び燃料電池セル１１の燃料ガス出口連通孔１１２ｆと順に連通している。この循環流路３３には、気液分離器３５、水素循環ポンプ３６等が備えられている。気液分離器３５は、循環流路３３を流れる燃料オフガスに含まれる生成水及び凝縮水（すなわち、液水）を気液分離して貯留する。この気液分離器３５から分岐して、上述の燃料ガス排出流路３４が設けられている。水素循環ポンプ３６は、気液分離器３５で気液分離した燃料オフガスを供給して燃料ガス供給流路３２へ還流させる。

循環流路３３は、合流管３７を介して燃料ガス供給流路３２に接続されている。合流管３７は、燃料ガス供給源３１から供給される燃料ガスと循環流路３３から供給される燃料オフガスとを合流させ、燃料電池スタック１０に送り出す。従って、燃料ガス供給源３１から供給される燃料ガスと循環流路３３から供給される燃料オフガスとは、該合流管３７で混合して混合ガスとなり、混合ガス供給流路３８を経由して燃料電池スタック１０に流れる。

混合ガス供給流路３８は、燃料ガス供給流路３２の一部であり、すなわち、燃料ガス供給流路３２のうち合流管３７からスタックマニホールド１２までの区間である。そして、混合ガス供給流路３８の下流側（すなわち、燃料電池スタック１０側）の端部は、スタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａと燃料電池セル１１の燃料ガス入口連通孔１１２ａと順に連通している。

図示しないが、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に冷媒を供給する冷媒供給流路と、燃料電池スタック１０から排出された冷媒をラジエータ側に循環する冷媒排出流路とを備えている。冷媒供給流路は、スタックマニホールド１２の冷媒入口連通孔１２ｅ及び燃料電池セル１１の冷媒入口連通孔１１２ｅと順に連通している。冷媒排出流路は、スタックマニホールド１２の冷媒出口連通孔１２ｂと燃料電池セル１１の冷媒出口連通孔１１２ｂと順に連通している。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、混合ガス供給流路３８に設けられており、燃料ガス及び燃料オフガスを混合するとともに混合した混合ガスに回転力を付与する撹拌ミキサー３９を更に備えている。具体的には、図３に示すように、混合ガス供給流路３８を形成する配管の内部において、混合ガス供給流路３８におけるスタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａの直前位置に、撹拌ミキサー３９が固定されている。

以下、図４を参照して撹拌ミキサー３９の構造を説明する。図４において、（ａ）は撹拌ミキサーを示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ－Ｘ線に沿う断面図である。撹拌ミキサー３９は、例えば一枚の薄板をねじることにより形成された螺旋状のミキサー本体３９１と、ミキサー本体３９１の螺旋形状に沿って設けられたガイドリブ３９２とを有する。ミキサー本体３９１の螺旋形状は、混合ガスの流れを発電部１１１側とは反対側（図３においては上側）に向かわせるようにされている。

一方、ガイドリブ３９２は、長尺状を呈しており、ミキサー本体３９１の螺旋中心軸側の表面から径方向に突出するとともに、ミキサー本体３９１の全長にわたって配置されている。そして、このガイドリブ３９２は、混合ガスに含まれる液水を発電部１１１側とは反対側に誘導するように、ミキサー本体３９１の螺旋形状に倣って形成されている。図４（ｂ）に示すように、ガイドリブ３９２は、断面矩形状を呈し、ミキサー本体３９１と一体化されている。

このような構造を有する撹拌ミキサー３９は、ミキサー本体３９１とガイドリブ３９２とが樹脂成型で一体的に形成されている。なお、撹拌ミキサー３９は、別体に作製したガイドリブ３９２を接着等でミキサー本体３９１に固定することにより形成されても良い。

以上のように構成された燃料電池システム１では、撹拌ミキサー３９が混合ガスに含まれる液水を発電部１１１側とは反対側に誘導するためのガイドリブ３９２を有するので、混合ガスに含まれる液水は、図３の矢印Ｆに示すように、ガイドリブ３９２に誘導されて燃料電池セル１１入口とは逆の方向に移動することになる。このため、液水が燃料電池セル１１入口に集中することを防止することができ、液水の侵入に起因する発電性能の低下を抑制することができる。

また、ガイドリブ３９２を有する撹拌ミキサー３９は、混合ガス供給流路３８における燃料ガス入口連通孔１２ａの直前位置に設けられているので、混合ガスに含まれた液水を燃料電池セル１１の発電部１１１側とは反対側の位置に効率良く移動させることができる。

[第２実施形態]
以下、図５を参照して燃料電池システムの第２実施形態を説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、撹拌ミキサーのガイドリブの形状において上述した第１実施形態と異なっているが、その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

具体的には、図５（ａ）に示すように、撹拌ミキサー３９Ａは、一枚の薄板をねじることにより形成された螺旋状のミキサー本体３９１と、ミキサー本体３９１の螺旋形状に沿って設けられたガイドリブ３９３とを有する。ガイドリブ３９３は、混合ガスに含まれる液水を発電部１１１側とは反対側に誘導するように、ミキサー本体３９１の全長にわたって配置されている。

図５（ｂ）に示すように、ガイドリブ３９３は、断面Ｌ字状を呈し、ミキサー本体３９１から径方向に突出する基端部３９３ａと、基端部３９３ａの先端から該ガイドリブ３９３と直交するように折り曲げられる折曲部３９３ｂとを有する。折曲部３９３ｂは、ミキサー本体３９１の螺旋中心軸側に向って折り曲げられている。このような構造を有する撹拌ミキサー３９Ａは、ミキサー本体３９１とガイドリブ３９３とが樹脂成型で一体的に形成されている。

本実施形態の燃料電池システムによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の効果を奏する。すなわち、撹拌ミキサー３９Ａのガイドリブ３９３が、径方向に突出する基端部３９３ａと該基端部３９３ａと直交する折曲部３９３ｂとを有するので、基端部３９３ａと折曲部３９３ｂとで形成された隅部が液水をキャッチする役割を果たす。このため、液水が燃料電池セル１１入口に集中することを防止する効果を一層高めることができる。

本願発明者らは、本発明の効果を検証するために、上述した燃料電池システム１を用いて、ガイドリブを有さない撹拌ミキサー（比較例）、第１実施形態と同じ構造のガイドリブを有する撹拌ミキサー（実施例１）、第２実施形態と同じ構造のガイドリブを有する撹拌ミキサー（実施例２）についてそれぞれモデルを作製し、作製した各モデルに対して流体解析ソフトウェアFluent（アンシス・ジャパン株式会社製）で燃料電池セル入口の液水量の解析を行った。

図６は実施例１と比較例との解析結果を示す図である。図６に示すように、比較例と比べて実施例１の方は、燃料電池セル入口の液水量が６７％減少したことが分かった。これによって、撹拌ミキサーにガイドリブを設けることにより燃料電池セル入口の液水の集中を防止できることが証明された。

図７は実施例２と比較例との解析結果を示す図である。図７に示すように、比較例と比べて実施例２の方は、燃料電池セル入口の液水量が８３％減少したことが分かった。これによって、撹拌ミキサーにガイドリブを設けることにより燃料電池セル入口の液水の集中を防止できることが証明された。更に、実施例１と比べて実施例２の方は、燃料電池セル入口の液水量が更に減少したことが分かった。これによって、第２実施形態で述べたように、ガイドリブの基端部及び折曲部により形成された隅部で液水をキャッチし、燃料電池セル入口における液水の集中を防止する効果を更に高めるできることが証明された。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、燃料電池スタックは、スタックマニホールドに隣接する位置にダミーセル（非発電セル）を更に設けても良い。この場合は、上述の実施形態と同じ作用効果を得られる。

また、上述の実施形態において、ガイドリブについて断面矩形状及び断面Ｌ字状の例を説明したが、ガイドリブの断面形状はこれらに限定されず、断面円弧状や断面三日月状等であっても良い。また、ガイドリブは、ミキサー本体ではなく、合流管内壁（撹拌ミキサーの位置）に設けられても良く、或いは混合ガス供給流路内壁の撹拌ミキサーに対応する位置に設けられても良い。更に、燃料電池システムの構造は上述の内容に限らず、例えば、混合ガス供給流路において撹拌ミキサーの上流側に不純物を除去するフィルターを更に設けても良い。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１１ 燃料電池セル
１２ スタックマニホールド
１２ａ 燃料ガス入口連通孔
３０ 燃料ガス供給系
３２ 燃料ガス供給流路
３３ 循環流路
３７ 合流管
３８ 混合ガス供給流路
３９，３９Ａ 撹拌ミキサー
１１１ 発電部
１１２ａ 燃料ガス入口連通孔
３９１ ミキサー本体
３９２，３９３ ガイドリブ
３９３ａ 基端部
３９３ｂ 折曲部

Claims (1)

1. 発電部を有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックと連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合ガス供給流路と、
   前記混合ガス供給流路に設けられ、前記混合ガスに回転力を付与する撹拌ミキサーと、を備え、
   前記撹拌ミキサーは、前記混合ガスの流れを前記発電部側とは反対側に向かわせるように螺旋状に形成されるミキサー本体と、前記混合ガスに含まれる液水を前記発電部側とは反対側に誘導するように前記ミキサー本体の螺旋中心軸方向に沿って前記ミキサー本体の全長にわたって配置されるガイドリブを有することを特徴とする燃料電池システム。

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