JP7141380B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置を備える燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにアノードガス(水素等の燃料ガス)を供給すると共に燃料電池スタックからアノードオフガスを排出するアノードガス系装置と、燃料電池スタックにカソードガス(エア等の酸化剤ガス)を供給すると共に燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える。
例えば、特許文献1には、燃料電池スタックの一方のエンドプレートの側方にアノードガス系装置及びカソードガス系装置を備えた燃料電池システムが開示されている。また特許文献1において、カソードガス系装置の補機である加湿器は、アノードガス系装置(燃料ガスユニット)の下方に隣接して配置されている。
特許第5965423号公報
ところで、燃料電池スタック内には、発電に伴って水(生成水)が生じ、カソードオフガスと共にカソードガス系装置の排出系に排出される。外気温が低下した際、この水は、カソードガス系装置の補機において凍結すると補機に不具合を生じさせる原因となり、また長時間滞留することでカソードガス系装置の配管や補機等に錆を生じさせる原因となる。すなわち、燃料電池システムは、燃料電池スタックで生成される水をカソードガス系装置の配管や補機に留まらせずに円滑に排出する構造が求められている。
本発明は、上記の燃料電池システムの技術に関連するものであり、燃料電池スタックで生成される水をカソードガス系装置から円滑に排出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。
前記の目的を達成するために、本発明の第1の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、前記燃料電池スタックは、複数の発電セルの積層方向一端に補機ケースを備え、前記加湿器及び前記気液分離装置は前記補機ケースの内部に設けられる一方で、前記エキスパンダは前記補機ケースの外部に設けられる燃料電池システムである。
本発明の第2の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、前記気液分離装置は、前記加湿器から流入する前記カソードオフガスの重力方向下方の経路を直線状に延長した方向に前記液水を流出させる燃料電池システムである
上記の燃料電池システムは、加湿器、気液分離装置及びエキスパンダを重力方向下方に向かって順に配置したことで、燃料電池スタックで生成される水(生成水)を、当該水の自重により円滑に排出することができる。これにより、燃料電池システムは、外気温が低下した際、水の凍結による補機の不具合、水の滞留による錆等を良好に抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを部分的に示す説明図である。 燃料電池スタック及び補機ケースの正面断面図である。 図1の燃料電池システムのカソードガス系装置の配管構造を示す側面図である。 カソードガス系装置の流体の流通を示す側面図である。 燃料電池車両の後方に向かう加速度を受けた場合の排水管の状態を示す部分断面図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを部分的に示す説明図である。 図6の燃料電池システムのカソードガス系装置の配管構造を示す側面図である。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム10は、図1に示すように、燃料電池スタック12、アノードガス系装置14及びカソードガス系装置16を備える。燃料電池スタック12は、アノードガス系装置14から供給されるアノードガス(水素等の燃料ガス)と、カソードガス系装置16から供給されるカソードガス(エア等の酸化剤ガス)とに基づき発電を行う。この燃料電池システム10は、例えば、燃料電池車両11(以下、単に車両11ともいう)の図示しないモータルーム等に搭載される。
図2に示すように、燃料電池スタック12は、アノードガスとカソードガスの電気化学反応により発電を行う複数の発電セル18を有する。複数の発電セル18は、燃料電池スタック12を車両11に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車長方向(紙面手前及び紙面奥方向:矢印A方向)に直交する車幅方向(矢印B方向)に沿って積層された積層体20に構成されている。なお、複数の発電セル18は、車長方向や重力方向(矢印C方向)に積層されていてもよい。
発電セル18は、図示しない電解質膜・電極構造体(以下、「MEA」という)と、MEAを挟持する図示しない2つのセパレータとで構成される。隣り合う発電セル18同士のセパレータは、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合され、一体的な接合セパレータに構成される。
発電セル18のMEAは、電解質膜(例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜))と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極とを有する(共に不図示)。2つのセパレータは、MEAと対向し合う面の各々に、アノードガスを流通させるアノードガス流路と、カソードガスを流通させるカソードガス流路とを形成する。また、2つのセパレータ同士が対向し合う面には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される。アノードガス流路、カソードガス流路、冷却媒体流路は、各流体を矢印A方向に流通させる。
また、複数の発電セル18(積層体20)は、アノードガス、カソードガス及び冷却媒体を、発電セル18の積層方向(矢印B方向)に沿ってセパレータ面の各々に独立して流通させる複数の連通孔(アノードガス連通孔22、カソードガス連通孔24、冷却媒体連通孔26)を備える。積層体20内において、アノードガス連通孔22はアノードガス流路に連通し、カソードガス連通孔24はカソードガス流路に連通し、冷却媒体連通孔26は冷却媒体流路に連通している。
燃料電池スタック12に供給されたアノードガスは、アノードガス連通孔22(アノード入口連通孔)を流通してアノードガス流路に流入する。アノード電極で発電に使用されたアノードオフガスは、アノードガス流路からアノードガス連通孔22(アノード出口連通孔)に流出して燃料電池スタック12の外部に排出される。
燃料電池スタック12に供給されたカソードガスは、カソードガス連通孔24(カソード入口連通孔)を流通してカソードガス流路に流入する。カソード電極で発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路からカソードガス連通孔24(カソード出口連通孔)に流出して燃料電池スタック12の外部に排出される。
燃料電池スタック12に供給された冷却媒体は、冷却媒体連通孔26(冷却媒体入口連通孔)を流通して冷却媒体流路に流入される。発電セル18を冷却した冷却媒体は、冷却媒体流路から冷却媒体連通孔26(冷却媒体出口連通孔)に流出して燃料電池スタック12の外部に排出される。
さらに、本実施形態に係る燃料電池スタック12は、スタックケース28に積層体20を収容している。スタックケース28の発電セル18の積層方向(矢印B方向)の両側面には、スタックケース28の内部空間に連通する開孔28aが形成されている。
積層体20の矢印B方向の一端側(矢印Br方向)には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートが外方に向かって配置され、これらはスタックケース28内に収容される。スタックケース28の矢印Br方向には、スタックケース28の開孔28aを閉塞するエンドプレート30が取り付けられる。エンドプレート30は、発電セル18の積層方向に締付荷重を付与する。
積層体20の矢印B方向の他端方向(矢印Bl方向)には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートが外方に向かって配置され、これらはスタックケース28内に収容される。そして、スタックケース28の矢印Bl方向には、開孔28aを閉塞するように補機ケース32が取り付けられる。
補機ケース32は、燃料電池システム10の補機34や配管36の一部を収容及び保護するための保護筐体であり、スタックケース28の矢印Bl方向に固定される。補機ケース32は、スタックケース28に接合される凹形状の第1ケース部材38と、第1ケース部材38に接合される凹形状の第2ケース部材40とを備え、これらの部材の内部に、補機34や配管36を収納する収納空間32aを有する。
第1ケース部材38は、ボルトによりスタックケース28に接合され、スタックケース28の内部空間と補機ケース32の収納空間32aとを区画する取付壁部42と、取付壁部42の外縁に連なると共に矢印Bl方向に突出する周壁44とを有する。取付壁部42は、発電セル18の積層体20に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートとしての機能を有している。取付壁部42には、発電セル18のアノードガス連通孔22、カソードガス連通孔24、冷却媒体連通孔26にそれぞれ連通して、流体の流通用の配管36を接続する孔部42aが設けられている。
また、補機ケース32内は、取付壁部42に隣接して主にアノードガス系装置14が設けられる第1空間46と、第1空間46に隣接して主にカソードガス系装置16が設けられる第2空間48とを有する。本実施形態に係る燃料電池システム10の配管構造50は、主にカソードガス系装置16に関わり、その一部が補機ケース32内の第2空間48に設けられると共に、他部が補機ケース32の外部に設けられる。
図1に戻り、次にカソードガス系装置16の全体構成について説明する。カソードガス系装置16は、配管構造50を構成する配管36として、外部のカソードガス(エア)を燃料電池スタック12に供給する供給管52と、燃料電池スタック12から外部にカソードオフガスを排出する排出管54とを有する。さらに、カソードガス系装置16は、供給管52と排出管54の間を接続するバイパス管56を有する。バイパス管56は、供給管52を流通するカソードガスを、燃料電池スタック12に通さずに排出管54に流通させる。
カソードガス系装置16は、供給管52及び排出管54の途上に複数種類の補機34を備える。具体的には、カソードガス系装置16の供給管52には、カソードガスの流通方向上流側から下流側に向かって順に、エアクリーナ58、コンプレッサ96(コンプレッサユニット60)、インタークーラ62、加湿器64及び供給側気液分離装置66が設けられる。このため、供給管52は、エアクリーナ58とコンプレッサ96の間を接続する第1供給管68、コンプレッサ96とインタークーラ62の間を接続する第2供給管70、インタークーラ62と加湿器64の間を接続する第3供給管72、加湿器64と供給側気液分離装置66の間を接続する第4供給管74、及び供給側気液分離装置66と燃料電池スタック12の間を接続する第5供給管76を含んで構成される。
また、カソードガス系装置16の排出管54には、カソードオフガスの流通方向上流側から下流側に向かって順に、加湿器64、排出側気液分離装置78、エキスパンダ98(コンプレッサユニット60)、希釈装置80が設けられる。このため、排出管54は、燃料電池スタック12と加湿器64の間を接続する第1排出管82、加湿器64と排出側気液分離装置78の間を接続する第2排出管84、排出側気液分離装置78とエキスパンダ98の間を接続する第3排出管86、及びエキスパンダ98と希釈装置80の間を接続する第4排出管88を含んで構成される。
エアクリーナ58は、図示しない除去フィルタを内部に有し、外部から取り込んだエアに含まれる異物(ゴミ、塵芥、水等)を取り除き、このエアを第1供給管68に流出する。
コンプレッサユニット60は、ステータ(不図示)及びロータ90を筐体92(図3も参照)内に有し、燃料電池システム10の電源(燃料電池スタック12、図示しないバッテリ)から供給される電力によりロータ90を回転させるモータ機構94を備える。ロータ90は、コンプレッサ96を構成する第1フィン96aを一端に有すると共に、エキスパンダ98を構成する第2フィン98aを他端に有する。また、筐体92は、第1及び第2供給管68、70が連通すると共に第1フィン96aを収容するコンプレッサ96の供給用空間と、第3及び第4排出管86、88が連通すると共に第2フィン98aを収容するエキスパンダ98の排出用空間とを備える。
コンプレッサユニット60は、インバータ装置(Power Drive Unit:PDU60a)の電力供給に基づき、ロータ90の回転速度が調整される。コンプレッサ96は、ロータ90(第1フィン96a)の回転により供給管52の第1供給管68からカソードガスを吸引して、第2供給管70に圧縮されたカソードガス(圧縮エア)を流出させる。
インタークーラ62は、第2供給管70を介してコンプレッサ96から流入されるカソードガスを冷却して、第3供給管72に流出させる。インタークーラ62は、空冷式と水冷式の一方又は両方を採ることができる。第3供給管72には、上記のバイパス管56の一端が接続される。
加湿器64は、第3供給管72から供給されるカソードガスを、排出管54のカソードオフガスを利用して加湿する。すなわち、カソードオフガスには、燃料電池スタック12の発電で生じた水(生成水)が含まれており、加湿器64は、この水を移動させてカソードガスを加湿し、第4供給管74にカソードガスを流出させる。
供給側気液分離装置66は、加湿されたカソードガスが供給され、カソードガスから水分を分離し適宜の湿潤状態として、第5供給管76にカソードガスを流出させる。第5供給管76は、燃料電池スタック12のカソードガス連通孔24に連通する孔部42a(図2参照)に接続され、カソードガスを燃料電池スタック12に供給する。
また、燃料電池システム10は、アノードガス系装置14にアノードオフガスの流路を開閉するバルブ106を備える。すなわち、燃料電池システム10は、適宜のタイミングでバルブ106を開閉することで、アノードガス系装置14の気液分離装置14aに流入したアノードオフガス(水及び水素ガス)をカソードガス系装置16の排出系に排出する。
さらに、供給側気液分離装置66には、排水管108が接続され、この排水管108は、所定経路を通って第4排出管88に接続されている。排水管108の途中位置には、排水する水の量を調整するオリフィス110が設けられている。
一方、カソードガス系装置16の第1排出管82には、上記したように、燃料電池スタック12の発電時に生じた水と共にカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、第1排出管82から加湿器64に流入して供給側のカソードガスを加湿する。加湿器64の下流側に接続される第2排出管84には、加湿に利用されなかった水と共にカソードオフガスが流出される。
また、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12の水をカソードガス連通孔24から排出するために、スタックケース28と第4排出管88の間にドレン排出管100を備える。このドレン排出管100の途中位置には、ドレン排出管100の流路を開閉するバルブ102が設けられる。さらに、第1排出管82の途中位置には、第1排出管82とドレン排出管100との間を接続する分岐管83が設けられている。すなわち、第1排出管82を流通する水の一部は、バルブ102の開状態で、加湿器64の上流側から分岐管83に流入して第4排出管88に排出される。
加湿器64のカソードオフガスの流通方向下流側に接続される第2排出管84には、カソードガスの圧力を調整する背圧弁112が設けられている。背圧弁112は、例えばバタフライバルブとして構成され、燃料電池スタック12に要求される発電電流値、図示しない圧力センサや流量センサで検出される圧力値や流量値に基づきその開度が制御される。
排出側気液分離装置78は、第2排出管84から流入されるカソードオフガスを、気体(主にエア)と液体(液水)に分離して水分を除去することで、カソードオフガス中の水分濃度を低下させる。この排出側気液分離装置78には、第2及び第3排出管84、86の他に、排水管114が接続されている。排水管114は、コンプレッサユニット60に導出される第4排出管88に接続されている。また排水管114にはバルブ116が設けられている。バルブ116は、開弁により排出側気液分離装置78内の液水を排出し、閉弁により排出側気液分離装置78内の液水の排出を遮断する。
排出側気液分離装置78は、気体に可及的に水を含まない状態として、この気体(カソードオフガス)を第3排出管86に流出させる。このため例えば、排出側気液分離装置78は、重力方向に適度な深さを有する筒体78aに形成されている(図3も参照)。第3排出管86は、このカソードオフガスをエキスパンダ98に流通させる。
エキスパンダ98は、カソードオフガスにより第2フィン98aが回転することで、カソードオフガスの流体エネルギをコンプレッサ96に伝達する。すなわち流体エネルギの再生装置として機能する。またエキスパンダ98は、流体エネルギの回収に伴いカソードオフガスを膨張することでカソードオフガスの圧力を低下させ、このカソードオフガスを第4排出管88に流出させる。
第3排出管86の途中位置には、バイパス管56の他端が接続されている。バイパス管56には、管内を開閉するバイパス弁120が設けられる。バイパス弁120は、燃料電池システム10のECUの制御下に適宜開閉することで、供給管52のカソードガスを排出管54に流通させ、排出管54を介して排気する。
希釈装置80は、図示しないフィルタを内部に有し、第4排出管88を介して流通してきた気体及び液体が流入される。上記したように第4排出管88には、排水管108、114、及びドレン排出管100が接続されている。このため、希釈装置80は、水素を希釈して車両11の外部に排出する。
以上のように構成されるカソードガス系装置16は、カソードオフガスが流通する排出管54の上流側に多くの水(燃料電池スタック12の生成水)が含まれる。このためカソードガス系装置16の排出系の配管構造(第2排出管84)を適切にレイアウトすることにより、重力方向の高低差を利用して水(液水)の排出を促進することで、生成水の凍結による配管閉塞等を防止することができる。
以下、図3を参照して、カソードガス系装置16を車両11に搭載した際のレイアウトについて詳述していく。なお以下では、図3(又は図2)の矢印表記に基づき各構成の位置及び方向を説明する。図示例の矢印A方向は車両11の前後方向であり、矢印Af方向は車両11の前方向に相当し、矢印Ar方向は車両11の後方向に相当する。図示例の矢印B方向は車両11の左右方向であり、矢印Bl方向は車両11の左方向に相当し、矢印Br方向は車両11の右方向に相当する。図示例の矢印C方向は車両11の上下方向(重力方向)であり、矢印Ctは車両11の上方向に相当し、矢印Cbは車両11の下方向に相当する。
図3は、補機ケース32の第1ケース部材38から第2ケース部材40を外した状態におけるカソードガス系装置16(燃料電池システム10)の配管構造50を示す側面図である。なお、カソードガス系装置16は、上記したようにアノードガス系装置14の外側隣接位置に設けられており(図2も参照)、図3中では図示は省略するが、カソードガス系装置16の奥側にアノードガス系装置14の補機34や配管36が部分的に設けられる。
車両11の搭載において、燃料電池スタック12は、図示しないマウント構造によりモータルームに収納される。コンプレッサユニット60は、燃料電池スタック12よりも重力方向下方(矢印Cb方向)に設置されて、燃料電池スタック12から離間し、且つ平面視で燃料電池スタック12の矢印Af側と重なる位置に固定されている。コンプレッサユニット60の周囲には、エアクリーナ58及びインタークーラ62が配置されている。つまり、カソードガス系装置16の供給系上流側の補機34(エアクリーナ58、コンプレッサユニット60、インタークーラ62)は、補機ケース32の外部に設けられる。
その一方で、カソードガス系装置16の加湿器64は、燃料電池スタック12の側方(補機ケース32内の上側)に設けられる。また、加湿器64よりも重力方向下方(矢印Cb方向:補機ケース32内の下側)には、供給側気液分離装置66及び排出側気液分離装置78が設けられる。供給側気液分離装置66は、補機ケース32の矢印Ar側に配置され、排出側気液分離装置78は、補機ケース32の矢印Af側に配置される。つまり、カソードガス系装置16の加湿器64、2つの気液分離装置66、78は、補機ケース32内に収容される。
カソードガス系装置16の供給管52及び排出管54は、上記のように配置された各補機34を、図1に示す接続関係で連結する。具体的には、第1供給管68は、エアクリーナ58の上端部とコンプレッサユニット60の筐体92の矢印Af側との間を接続している。第2供給管70は、コンプレッサユニット60の矢印Af側の上部とインタークーラ62の矢印Ar側との間を接続している。
第3供給管72は、インタークーラ62の上部と加湿器64の矢印Af側との間を接続している。第3供給管72は、補機ケース32の外と内を貫通するように補機ケース32に固定されるコネクタ部材122を有する。このコネクタ部材122は、補機ケース32の外部においてバイパス管56が接続される分岐部122aを有するT型又はY型コネクタに構成されている。
第4供給管74は、加湿器64の矢印Ar側と、供給側気液分離装置66の上部との間を接続している。また、供給側気液分離装置66と燃料電池スタック12との間を接続する第5供給管76は、取付壁部42の孔部42aに接続される。
一方、第1排出管82は、燃料電池スタック12の矢印Af側且つ矢印C方向の中間部と、加湿器64の矢印Af側との間を接続している。第1排出管82から分岐する分岐管83は、矢印Ar方向に延在した後、下方に向かいドレン排出管100に接続されている。第2排出管84は、加湿器64の筒状側面の下側から重力方向下方(矢印Cb方向)に突出し、排出側気液分離装置78の上端部78bに接続されている。第2排出管84と排出側気液分離装置78の接続箇所に設けられた継手124の内部には、背圧弁112が設けられている。
排出側気液分離装置78は、第2排出管84が接続される上端部78bから矢印Cb方向に所定長さ延在すると共に、上端部78b付近から矢印A方向に突出する突出部134を有するT字状の筒体78aに形成されている。筒体78aの下部には、カソードオフガスから分離した水が貯留される。そして、排出側気液分離装置78は、加湿器64から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路を略直線状に延長した方向に液水を流出させる。排出側気液分離装置78の突出部134には、水から分離した気体が流通する。この突出部134には、第3排出管86が接続されると共にバイパス管56が接続される。
バイパス管56は、コネクタ部材122から補機ケース32の外を矢印Cb方向に延在し補機ケース32の下部に固定されたバルブ付コネクタ部材126に接続される外管128と、補機ケース32内でバルブ付コネクタ部材126から突出部134に向かう内管130とを有する。バルブ付コネクタ部材126の内部にはバイパス弁120が設けられている。
第3排出管86は、突出部134に接続されると共に補機ケース32に固定されるコネクタ部(不図示)を有し、コネクタ部から矢印Cb方向に延びてコンプレッサユニット60に接続される外管136とを備える。外管136は、コンプレッサユニット60(円筒状の筐体92)の矢印Ar側の外周面に接続される。
そして、第4排出管88は、コンプレッサユニット60(筐体92)の矢印Ar側の端面中心部から矢印Ar方向に向かって延在している。この第4排出管88は、筐体92から矢印Ar方向且つ斜め上方に向かって所定長さ延在し、第4排出管88に設定された曲部138に至る。そして、第4排出管88は、曲部138において湾曲し、矢印Ar方向且つ斜め下方に再び延在し、希釈装置80(図1参照)に接続されている。希釈装置80は、例えば、車両11の矢印Ar側に配置される。
排出側気液分離装置78の排水管114は、補機ケース32に固定され、バルブ116を内部に有するバルブ付コネクタ部材140を介して、筒体78aの下端部に接続されている。この排水管114は、補機ケース32の外部に露出されて、モータルーム内を矢印Ar方向且つ斜め下方に緩やかに延在している。また、排水管114は、途中位置114aにおいて若干曲がり、下方に急角度となった後に第4排出管88の接続コネクタ142に接続されている。第4排出管88の接続コネクタ142は、第4排出管88の曲部138よりも矢印Ar方向(下流側)に向かって(コンプレッサユニット60から)離れた位置に設けられている。
さらに、供給側気液分離装置66の排水管108は、補機ケース32に取り付けられるオリフィス付コネクタ部材144を介して、供給側気液分離装置66の下端部に接続されている。オリフィス付コネクタ部材144の内部にはオリフィス110が設けられている。排水管108は、補機ケース32の外部に露出されて下方に向かって延在し、第4排出管88の接続コネクタ142に接続されている。
またドレン排出管100は、燃料電池スタック12の矢印Cb側の孔部42aから突出し、バルブ102を有するバルブ付コネクタ部材146を介して下方に延在し、接続コネクタ142に接続されている。例えば、接続コネクタ142は、メインの配管36(第4排出管88)に対し複数の配管36(ドレン排出管100、排水管108、114)を接続可能な分岐部を有するマニホールドに構成されているとよい。
カソードオフガスを排出する排出系の各補機34の位置関係をまとめると、カソードガス系装置16は、燃料電池スタック12の側方で重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって順に、加湿器64、背圧弁112、排出側気液分離装置78、バルブ116を配置している。つまり加湿器64の下流側でカソードオフガスに含まれる水分は重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって略直線状に流通する経路をたどる。そして、カソードオフガスの気体の経路は、水分の経路に対して矢印A方向(矢印Af方向)にずれた位置で重力方向下方(矢印Cb方向)に延在している。
また、カソードガスをバイパスするバイパス管56(及びバイパス弁120)は、背圧弁112や排出側気液分離装置78の上部(突出部134)と同じ高さ位置に設けられている。さらにドレン排出管100に設けられるバルブ102はバルブ116と同じ高さ位置に設けられている。ドレン排出管100、排水管108、114は、重力方向下方(矢印Cb方向)に延在し、補機ケース32よりも重力方向下方(矢印Cb方向)の第4排出管88の接続コネクタ142に接続されている。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成され、以下、その作用について説明する。
図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12の発電において、アノードガス系装置14により燃料電池スタック12にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック12からアノードオフガスを排出する。また燃料電池システム10は、燃料電池スタック12の発電時に、カソードガス系装置16によりカソードガスを燃料電池スタック12に供給すると共に、燃料電池スタック12からカソードオフガスを排出する。
詳細にはカソードガス系装置16は、図1及び図4に示すように、エアクリーナ58を介して第1供給管68にカソードガスを流入させる。このカソードガスは、コンプレッサ96の駆動に基づき加圧され、第2供給管70、インタークーラ62及び第3供給管72を介して加湿器64に供給される。そしてカソードガスは、加湿器64において加湿されると、第4供給管74、供給側気液分離装置66、第5供給管76を介して燃料電池スタック12に供給される。
カソードガスは、燃料電池スタック12の発電により使用されることで、水を多量に含むカソードオフガスとなる。このカソードオフガスは、燃料電池スタック12から第1排出管82に排出される。そしてカソードオフガスは、第1排出管82から加湿器64に流入すると、保有する水分により供給するカソードガスを加湿する一方で、残った水分を含んだまま第2排出管84に排出される。
さらに、カソードオフガスは、第2排出管84から排出側気液分離装置78に流入して、排出側気液分離装置78により気体と液体(液水)に分離される。排出側気液分離装置78により液水が分離されたカソードオフガスは、排出側気液分離装置78の突出部134に接続された第3排出管86を介してエキスパンダ98に流通する。排出側気液分離装置78の下流側に流出したカソードオフガスに含まれる液水は少ない。よって、エキスパンダ98は、液水が流入することによる動作不良が抑制され、良好な運転状態を維持し続けることができる。
また、カソードガス系装置16は、補機ケース32内において、カソードオフガスに含まれる水を、重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって流出させる。すなわち、カソードオフガスに含まれる水は、重力方向下方に並ぶ加湿器64、継手124(背圧弁112)、排出側気液分離装置78の順に略直線状に流れ、排出側気液分離装置78において気体から分離されて液水となる。排出側気液分離装置78は、この液水を、加湿器64から略直線状に延びる重力方向下方の経路に沿って(延長線上に)そのまま流出させる。この液水は、排出側気液分離装置78の下部に設けられたバルブ付コネクタ部材140(バルブ116)に流通した後、補機ケース32の外部の排水管114において矢印Cb方向且つ矢印Ar方向に傾斜して排出される。
従って、カソードオフガスに含まれる水は、その自重により重力方向下方に円滑に流通して滞留が抑制される。また図5に示すように、排水管114内の液水は、車両11の前進時における加速度を受けることで、矢印Ar方向に延在する排水管114内で矢印Ar側にスムーズに移動して、第4排出管88に合流する。従って、排出側気液分離装置78から液水を良好に排出することができる。
第4排出管88は、エキスパンダ98から矢印Ar方向且つ斜め上方に一旦延在した後に、曲部138から矢印Ar方向且つ斜め下方に延在している。排水管114を通して第4排出管88に流入する液水は、曲部138よりも後方の接続コネクタ142から合流することで、エキスパンダ98側への逆流が防止される。なお、第4排出管88の接続コネクタ142には、上記したようにドレン排出管100の水、及び排水管108を介した供給側気液分離装置66の液水や水素(アノードオフガス)も流入される。この液水についてもエキスパンダ98側に逆流することを防止することができる。そして、第4排出管88は、接続コネクタ142よりも矢印Ar方向の排出経路を通して、カソードオフガス(エア)、水、アノードオフガス(水素)を流通させ、さらに希釈装置80を介してこれらを車両11の外部に排出する。
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム10Aについて説明する。なお、以降の説明において、燃料電池システム10と同一の構成又は同一の機能を有する構成には、同一の符号を付与してその詳細な説明は省略する。
図6に示すように、燃料電池システム10Aは、供給管52(第3供給管72)の途中位置に供給側バルブ150を備える点で、上記の燃料電池システム10と異なる。供給側バルブ150は、図示しないECUの制御下に開閉操作がなされることで、供給管52から燃料電池スタック12へのカソードガスの供給又は供給停止を行う。
また、燃料電池システム10Aは、水が流通する箇所(ドレン排出管100、アノードガス系装置14の排水管108)のバルブ102、バルブ106にヒータ102a、106aを備える。ヒータ102a、106aは、低温環境下でバルブ102、106を加熱することにより、水の凍結によるバルブ102、106の動作不良(閉塞等)を回避する。
さらに、燃料電池システム10Aは、図7に示すように、第3供給管72とバイパス管56の分岐部分を構成するユニット構造体152を備える。ユニット構造体152は、補機ケース32の外側に設けられる外側固定マニホールド154と、外側固定マニホールド154に連結されると共に補機ケース32の内側に収容されるバルブユニット156とを含む。
外側固定マニホールド154は、その上端部154aに第3供給管72の可撓管が接続される。外側固定マニホールド154は、上端部154aから矢印Ar方向に延在する第1管部154bと、上端部154aから下方に短く延在した後矢印Ar方向に延在する第2管部154cとを備える。
バルブユニット156は、補機ケース32内に矢印A方向に短く延在して第1管部154bが接続される第1筒部156aと、同じく矢印A方向に短く延在して第2管部154cが接続される第2筒部156bとを有する。第1筒部156aと第2筒部156bは矢印C方向に並んで相互に連結されている。そして、第1筒部156aの内部には供給側バルブ150が設けられ、第2筒部156bの内部にはバイパス弁120が設けられている。
第1筒部156aは、バルブユニット156の矢印Ar方向に設けられた加湿器64に接続される一方で、第2筒部156bは、矢印A方向後方に設けられた排出側気液分離装置158に接続される。すなわち、カソードガスは、インタークーラ62の下流において第3供給管72を流通すると、供給側バルブ150の開状態で、第1管部154b、第1筒部156aを流通して加湿器64に流入する。またカソードガスは、バイパス弁120の開状態で、第2管部154c、第2筒部156bを流通して排出側気液分離装置158に流入する。
排出側気液分離装置158は、補機ケース32内において加湿器64よりも重力方向下方(矢印Cb方向)に配置され、且つ矢印A方向に延在している。排出側気液分離装置158は、上記の第2筒部156bに接続される供給系ポート158aと、加湿器64の下流側の第2排出管84を構成する継手124に接続される排出系ポート158bとを有する。継手124内には、背圧弁112が設けられている。
排出側気液分離装置158は、矢印A方向に延在する内部空間内で第2排出管84のカソードオフガスを気体と液体に分離して水分を除去することで、カソードオフガス中の水分濃度を低下させる。そして排出側気液分離装置158の矢印Ar側の端部には、気体(空気、水素等)を流出させる気体流出ポート158cと、分離した液体(液水)を流出させる液体流出ポート158dとが設けられている。
気体流出ポート158cは、排出側気液分離装置158の本体部分から上方に突出し、また第3排出管86の一端が接続される固定コネクタ160が設けられている。第3排出管86は、固定コネクタ160から重力方向下方に延在し、その他端がエキスパンダ98に接続される。液体流出ポート158dは、排出側気液分離装置158の矢印Ar側の下部に設けられ、バルブ116を内部に有するバルブ付コネクタ部材140を介して排水用コネクタ162に接続されている。すなわち、排出側気液分離装置158は、加湿器64から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路に対し水平方向にずらした位置の重力方向下方に液水を流出させる
排水用コネクタ162は、バルブ付コネクタ部材140から重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって突出し、また補機ケース32の外部において排水管114が接続されている。排水用コネクタ162には、供給側気液分離装置66につながる排水管108と、分岐管83がつながるドレン排出管100とが接続されている。
排水管114は、排水用コネクタ162の下端に連結される硬質配管164(樹脂配管、金属配管)により構成されている。硬質配管164(排水管114)は、排水用コネクタ162の接続箇所から矢印Ar方向且つ下方に緩やかに傾斜して延在している。硬質配管164が斜め下方に延在している途中位置には、矢印Bl方向(図2参照:車幅方向)に第4排出管88が接続される接続コネクタ164aが設けられている。第4排出管88は、エキスパンダ98から矢印Ar方向且つ上方(矢印Ct方向)に傾斜して延在し、また接続コネクタ164aよりも若干上方に位置する曲部138を経由して、矢印Ar方向且つ下方に延在して接続コネクタ164aに接続されている。
従って、第2実施形態に係るカソードガス系装置16の排出系も、燃料電池スタック12の側方で重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって順に、加湿器64、背圧弁112、排出側気液分離装置158、バルブ116を配置している。また、カソードオフガスの気体の経路は、排出側気液分離装置158の液水の貯留部よりも上方(矢印Ct方向)から重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって延在している。
さらにカソードガスをバイパスするバイパス管56(及びバイパス弁120)は、排出側気液分離装置158の矢印Af側に接続されている。ドレン排出管100及び排水管108は、補機ケース32内の下側で排水用コネクタ162に接続されている。排水用コネクタ162の下端に接続される硬質配管164は、重力方向下方(矢印Cb方向)且つ矢印Ar方向に延在している。
第2実施形態に係る燃料電池システム10Aは、基本的には以上のように構成され、以下その作用効果について説明する。
燃料電池システム10Aのカソードガス系装置16では、コンプレッサ96の駆動に基づきカソードガスを加圧することで、カソードガスが第3供給管72を矢印Ct方向に流通してユニット構造体152内に流入する。ユニット構造体152では、供給側バルブ150が開放している場合に、第1管部154b、第1筒部156aを介してカソードガスを加湿器64に供給する。カソードガスは、加湿器64にて加湿されると、加湿器64から供給側気液分離装置66等を介して燃料電池スタック12に供給される。
燃料電池スタック12の発電により使用されたカソードオフガスは、第1排出管82を介して加湿器64に流入する。加湿器64においてカソードオフガスは、保有する水分により供給するカソードガスを加湿する一方で、残った水分を含んだまま排出され、さらに排出系ポート158bを介して排出側気液分離装置158に流入する。
また、ユニット構造体152においてバイパス弁120が開放している場合には、第2管部154c、第2筒部156b、供給系ポート158aを介して排出側気液分離装置158にカソードガスが供給される。排出側気液分離装置158では、カソードガス又はカソードオフガスが矢印Ar方向に移動し、この移動時に気体と液水を分離する。そして、気体は、排出側気液分離装置158の上部の気体流出ポート158c、固定コネクタ160を介して流出し、第3排出管86に沿って矢印Cb方向のエキスパンダ98に向かう。この気体に含まれる液水は少ないので、エキスパンダ98は、液水が流入することによる動作不良が抑制され、良好な運転状態を維持し続けることができる。
また、燃料電池システム10Aのカソードガス系装置16も、補機ケース32内において、カソードオフガスに含まれる水を、重力方向下方(矢印Cb方向)に向かって流出させる。すなわち、カソードオフガスに含まれる水は、重力方向下方に並ぶ加湿器64、継手124(背圧弁112)、排出側気液分離装置158の順に略直線状に流れ、排出側気液分離装置158において気体から分離されて液水となる。排出側気液分離装置158の液水は、加湿器64から流入するカソードオフガスの経路に対し水平方向にずらした位置で重力方向下方に流出される。この液水は、重力方向下方に向かって下方側のバルブ付コネクタ部材140(バルブ116)、排水用コネクタ162を流通し、補機ケース32の排水管114(硬質配管164)において矢印Cb方向且つ矢印Ar方向に傾斜して排出される。
硬質配管164は、傾斜角度が固定されている(可撓性を有していない)ことで液水をスムーズに流出させる。そして液水は、硬質配管164を流通する途中の接続コネクタ164aにおいて、エキスパンダ98から排出される気体と合流する。液水は、その自重により硬質配管164内を斜め下方に傾斜して流通していることで、接続コネクタ164aから第4排出管88を介したエキスパンダ98側への逆流が抑制される。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の一態様は、燃料電池スタック12と、燃料電池スタック12にカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタック12からカソードオフガスを排出するカソードガス系装置16とを備える燃料電池システム10、10Aであって、カソードガス系装置16は、カソードオフガスに含まれる水によりカソードガスを加湿する加湿器64と、加湿器64のカソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置(排出側気液分離装置78、158)と、気液分離装置のカソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、気体を膨張させるエキスパンダ98とを備え、重力方向下方に向かって順に、加湿器64、気液分離装置及びエキスパンダ98を配置した。
上記の燃料電池システム10、10Aは、加湿器64、気液分離装置(排出側気液分離装置78、158)及びエキスパンダ98を重力方向下方に向かって順に配置したことで、燃料電池スタック12で生成される水(生成水)を、当該水の自重により円滑に排出することができる。これにより、燃料電池システム10、10Aは、水の凍結による補機34の不具合、水の滞留による錆等を良好に抑制することができる。
また、カソードオフガスの流通方向の加湿器64と気液分離装置(排出側気液分離装置78、158)の間に、カソードガスの圧力を調整する背圧弁112を備え、重力方向下方に向かって順に、加湿器64、背圧弁112及び気液分離装置を配置した。これにより、燃料電池システム10、10Aは、燃料電池スタック12で生成される水を加湿器64、背圧弁112及び気液分離装置の順に一層円滑に流通させ、背圧弁112付近での水の滞留を抑制することが可能となる。
また、気液分離装置(排出側気液分離装置78、158)の重力方向上方に前記エキスパンダ98に繋がる配管(第3排出管86)が接続される。これにより、燃料電池システム10、10Aは、気液分離装置において分離した液水を含まない気体を、気液分離装置からエキスパンダ98に安定的に流出させることができる。
また、気液分離装置(排出側気液分離装置78、158)の重力方向下方には、開弁により当該気液分離装置内の液水を排出し、閉弁により当該気液分離装置内の液水の排出を遮断するバルブ116が設けられる。これにより、燃料電池システム10、10Aは、気液分離装置から重力方向下方のバルブ116に液水をスムーズに移動させ、バルブ116の開弁により液水を確実に排出することが可能となる。
また、バルブ116の下端部には、重力方向下方に向かって傾斜して延在する排水管114が接続されている。これにより、燃料電池システム10、10Aは、排水管114を介してバルブ116から流出する液水をスムーズに流出させることができる。
また、燃料電池スタック12は、複数の発電セル18の積層方向一端に補機ケース32を備え、加湿器64及び気液分離装置(排出側気液分離装置78、158)は補機ケース32の内部に設けられる一方で、エキスパンダ98は補機ケース32の外部に設けられる。これにより、燃料電池システム10、10Aは、加湿器64及び気液分離装置を補機ケース32により保護する共に、カソードオフガスを補機ケース32内で重力方向下方に安定的に流通させることが可能となる。
また、気液分離装置(排出側気液分離装置78)は、加湿器64から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路を直線状に延長した方向に液水を流出させる。これにより、燃料電池システム10は、気液分離装置で分離した液水の滞留を抑制して、気液分離装置の重力方向下方に液水を容易に排出することができる。
また、気液分離装置(排出側気液分離装置158)は、加湿器64から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路に対し水平方向にずらした位置の重力方向下方に液水を流出させる。これにより、燃料電池システム10Aは、気液分離装置内に一旦流入したカソードオフガスから液水を充分に分離させることが可能となる。従って、燃料電池システム10Aは、水分を殆ど含まないカソードオフガスをエキスパンダ98に導くことができ、エキスパンダ98を安定的に動作させることができる。
10、10A…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
16…カソードガス系装置 18…発電セル
32…補機ケース 34…補機
36…配管 64…加湿器
78、158…排出側気液分離装置 82…第1排出管
84…第2排出管 86…第3排出管
88…第4排出管 98…エキスパンダ
112…背圧弁 114…排水管
116…バルブ

Claims (7)

  1. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、
    前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、
    重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、
    前記燃料電池スタックは、複数の発電セルの積層方向一端に補機ケースを備え、
    前記加湿器及び前記気液分離装置は前記補機ケースの内部に設けられる一方で、前記エキスパンダは前記補機ケースの外部に設けられる
    燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
    前記カソードオフガスの流通方向の前記加湿器と前記気液分離装置の間に、前記カソードガスの圧力を調整する背圧弁を備え、
    重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記背圧弁及び前記気液分離装置を配置した
    燃料電池システム。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、
    前記気液分離装置の重力方向上方に前記エキスパンダに繋がる配管が接続される
    燃料電池システム。
  4. 請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記気液分離装置の重力方向下方には、開弁により当該気液分離装置内の前記液水を排出し、閉弁により当該気液分離装置内の前記液水の排出を遮断するバルブが設けられる
    燃料電池システム。
  5. 請求項4記載の燃料電池システムにおいて、
    前記バルブの下端部には、重力方向下方に向かって傾斜して延在する排水管が接続されている
    燃料電池システム。
  6. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、
    前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、
    重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、
    前記気液分離装置は、前記加湿器から流入する前記カソードオフガスの重力方向下方の経路を直線状に延長した方向に前記液水を流出させる
    燃料電池システム。
  7. 請求項1~6のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記気液分離装置は、前記加湿器から流入する前記カソードオフガスの重力方向下方の経路に対し水平方向にずらした位置の重力方向下方に前記液水を流出させる
    燃料電池システム。

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