JP7358972B2

JP7358972B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7358972B2
Application number: JP2019229976A
Authority: JP
Inventors: 裕也 ▲高▼島
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: JP2021099903A

Description

本発明は、生成水の排水機能を備えた燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池と、この燃料電池からの排気を導いて燃料電池から離れた箇所へ排出する排気ダクトとを有し、排気ダクトの下部に、排気ダクト内で凝縮した水（生成水）を排水する水抜き孔が設けられた燃料電池装置が開示されている。

特開２０１８－７３６２０号公報

ところが、上述の水抜き孔が、燃料電池及びその吸気口の上方または同一高さに設けられているため、この生成水を水抜き孔から、重力を利用して容易に排水することができないという課題がある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、高さ方向のコンパクト化を図りつつ、重力を利用して生成水を容易に排水できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されて設けられた燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに冷却用の空気を導入させるファンと、前記燃料電池スタックから反応用ガスを排出するアノード排ガス用配管と、前記燃料電池スタックから反応用空気を排出するカソード排ガス用配管と、前記ファンの排出側に配置されて、前記アノード排ガス用配管からの前記反応用ガスを、前記ファンからの前記空気及び前記カソード排ガス用配管からの前記反応用空気により希釈する希釈装置と、を有する燃料電池システムであって、前記アノード排ガス用配管及び前記カソード排ガス用配管は、それぞれの一端が前記燃料電池スタックの底面に接続され、それぞれの他端が前記希釈装置の側面下部に接続されて、それぞれが水平方向に配置され、前記希釈装置に導かれた前記反応用ガス及び前記反応用空気に含まれる生成水を排水する排水口が、前記希釈装置の底面に設けられて構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料電池スタックの底面に接続されたアノード排ガス用配管及びカソード排ガス用配管が水平方向に配置され、更に希釈装置の側面下部に接続されたので、これらの配管が希釈装置の底面よりも下方へ突出することを抑制できる。このため、燃料電池システムの高さ方向のコンパクト化を実現できる。

また、生成水を含む反応用ガス、反応用空気をそれぞれ排出するアノード排ガス用配管、カソード排ガス用配管が水平方向に配置されて希釈装置の側面下部に接続され、この希釈装置の底面に排水口が設けられたので、生成水が両排ガス用配管に滞留することがなく、重力を利用して生成水を、両排ガス用配管を経て排水口から容易に排水することができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を斜め上方から目視して示す斜視図。図１の燃料電池システムを示す側面図。図１の燃料電池システムを底面側から目視して示す斜視図。図１の希釈装置の底面を示す底面図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を斜め上方から目視して示す斜視図である。この図１に示す燃料電池システム１０は、ファン１２による冷却風を用いて冷却させる空冷式の燃料電池スタック１１を備え、図２に示すように燃料電池スタック１１、ダクト１３、ファン１２及び希釈装置１４が、ファン１２の回転軸Ｏの方向に沿って順次に隣接配置されて構成される。

燃料電池スタック１１は、高さ方向に離れて配置された一対のエンドプレート１８、１９、２０間に複数の燃料電池セル１７が積層されて構成される。各燃料電池セル１７は、反応用ガス（アノードガス）としての例えば水素ガスと、反応用空気（カソードガス）中の酸素とを化学反応させて電気を発生し、更に水を生成する。

ファン１２は、ダクト１３を介して燃料電池スタック１１に接続され、吸込み負圧を発生することで、燃料電池スタック１１内に冷却用の空気（冷却風）を、図２の矢印Ａに示すように吸引して導入させる。この冷却用の空気により燃料電池スタック１１内の燃料電池セル１７が冷却される。また、ファン１２は、その回転軸Ｏが燃料電池スタック１１の高さ方向の中央位置と略一致するように配置されている。

図３に示すように、燃料電池スタック１１の底面(エンドプレート)１８にアノード供給ガス用配管２１の他端２１Ｂ、カソード供給ガス用配管２２の他端２２Ｂ、アノード排ガス用配管２３の一端２３Ａ、カソード排ガス用配管２４の一端２４Ａがそれぞれ接続される。

アノード供給ガス用配管２１は、燃料電池スタック１１へ反応用ガス（アノードガス）としての例えば水素ガスを供給するものであり、一端２１Ａ側に図示しないガスタンク（例えば水素ガスタンク）が接続される。このアノード供給ガス用配管２１には、一端２１Ａ側からインジェクタバルブ２５、インレットバルブ２６が設けられている。インジェクタバルブ２５は、反応用ガス（アノードガス）の圧力調整用であり、ファン１２の下方に位置付けられて、このファン１２に取り付けられる。また、インレットバルブ２６は、燃料電池スタック１１の底面 (エンドプレート) １８に設置され、開弁または閉弁により反応用ガス（アノードガス）の燃料電池スタック１１への供給または供給停止を行う。

カソード供給ガス用配管２２は、燃料電池スタック１１へ反応用空気（カソードガス）を供給するものであり、一端２２Ａが開放端として設けられる。カソード供給ガス用配管２２には、一端２２Ａから大気が導入される。

アノード排ガス用配管２３は、燃料電池スタック１１から未反応の反応用ガス（アノードオフガス）としての水素ガスを排出するものであり、他端２３Ｂが、希釈装置１４における燃料電池スタック１１に対向する側面２７の下部（下部側面２７Ａ）に接続される。下部側面２７Ａは、側面２７に対し燃料電池スタック１１と反対側に窪んで設けられる。このアノード排ガス用配管２３は、一端２３Ａから他端２３Ｂへ向かって水平方向、または一端２３Ａから他端２３Ｂへ向かって下方へ傾斜して配置される。このアノード排ガス用配管２３は、剛性の高い例えば金属あるいは樹脂にて構成されている。

また、アノード排ガス用配管２３にはアノード排気バルブ２８が設けられる。このアノード排気バルブ２８は、反応用ガス（アノードオフガス）の排出量を調整するものであり、燃料電池スタック１１の底面(エンドプレート)１８に設置される。

カソード排ガス用配管２４は、図１～図３に示すように、反応用ガス（アノードガス）と反応した後の余剰の反応用空気（カソードオフガス）を燃料電池スタック１１から排出するものである。このカソード排ガス用配管２４の他端２４Ｂは、希釈装置１４における幅方向に相対する両側面２９のうちの一方の下部（下部側面２９Ａ）に接続される。この下部側面２９Ａは、側面２９に対して希釈装置１４の幅方向内側に窪んで設けられる。また、カソード排ガス用配管２４は、一端２４Ａから他端２４Ｂへ向かって水平方向に、または一端２４Ａから他端２４Ｂへ向かって下方へ傾斜して配置される。

図１及び図２に示すように、カソード排ガス用配管２４にはカソード排気バルブ３０が設けられる。このカソード排気バルブ３０は、反応用ガス（カソードオフガス）の排出量を調整するものである。ファン１２が燃料電池スタック１１に対する冷却性能を満たすものであれば小型化が可能であることから、高さ方向（燃料電池セル１７の積層方向）の寸法が比較的大きなカソード排気バルブ３０は、ファン１２の下方に位置付けられて、このファン１２に取り付けられる。

また、カソード排ガス用配管２４は、燃料電池スタック１１の底面(エンドプレート)１８への取付部３１（一端２４Ａを含む）が、剛性の高い金属または樹脂にて構成される。一方、カソード排ガス用配管２４における希釈装置１４の下部側面２９Ａへの取付部３２（他端２４Ｂを含む）は、取付部３１よりも剛性の低い材質、例えばゴムまたは樹脂にて構成される。なお、カソード排ガス用配管２４は、取付部３１とカソード排気バルブ３０との間の部分も、取付部３１よりも剛性の低い材質で構成されてもよい。

カソード排ガス用配管２４の取付部３１は、剛性の高い金属等で構成されることで、剛性の低いゴム等の場合に比べて曲げ半径を小さく設定して湾曲させることが可能になり、燃料電池スタック１１の高さ方向下方への飛び出し量が抑制される。また、カソード排ガス用配管２４の取付部３２が剛性の低いゴム等で構成されることで、カソード排ガス用配管２４の組み付け時の公差の吸収が可能になる。

図１及び図２に示すように、前記希釈装置１４は、ファン１２の回転軸Ｏの方向に沿って、ファン１２の排出側に隣接して配置される。この希釈装置１４は、アノード排ガス用配管２３からの未反応の反応用ガス（カソードオフガス）としての水素ガスを、ファン１２からの排出空気（排気）の一部と、カソード排ガス用配管２４からの余剰の反応用空気（カソードオフガス）とにより混合して希釈するものである。なお、希釈装置１４には、ファン１２からの排出空気の大部分を排出するための排風口３４が設けられている。

希釈装置１４の幅方向に相対する両側面２９間の寸法Ｎは、燃料電池スタック１１の幅方向に相対する両側面(エンドプレート)１９間の寸法Ｍの範囲に収まるように構成される。更に、希釈装置１４の凹凸形状の天面３３の最上位置は、燃料電池スタック１１の平坦面形状の天面(エンドプレート)２０の位置よりも低く設定される。

図３及び図４に示すように、前述の如く、アノード排ガス用配管２３は、その他端２３Ｂが希釈装置１４の燃料電池スタック１１に対向する側面２７の下部（下部側面２７Ａ）に接続され、カソード排ガス用配管２４は、その他端２４Ｂが希釈装置１４における幅方向に相対する両側面２９のうちの一方の下部（下部側面２９Ａ）に接続される。

更に、これらのアノード排ガス用配管２３とカソード排ガス用配管２４は、他端２３Ａを通り希釈装置１４内へ延びるアノード排ガス用配管２３の中心線の延長線３５と、他端２４Ｂを通り希釈装置１４内へ延びるカソード排ガス用配管２４の中心線の延長線３６とが希釈装置１４内で交差するように、希釈装置１４に接続される。これにより、アノード排ガス用配管２３から希釈装置１４内に導入される反応用ガス（アノードオフガス）と、カソード排ガス用配管２４から希釈装置１４内に導入される反応用空気（カソードオフガス）とが衝突して混合するよう設けられる。図４に、反応用ガス（アノードオフガス）と反応用空気（カソードオフガス）との衝突領域Ｓを示す。

また、アノード排ガス用配管２３から希釈装置１４内に導入される反応用ガス（アノードオフガス）とカソード排ガス用配管２４から希釈装置１４内に導入される反応用空気（カソードオフガス）には、燃料電池スタック１１にて生成された生成水が含まれ、この生成水が希釈装置１４内に溜まる。このため、希釈装置１４には、底面４０の略最下位置に、生成水を排水する排水口４１が設けられる。図２中の符号４２は、排水口４１から排水される生成水を示す。

排水口４１は、希釈装置１４における反応用ガス（アノードオフガス）と反応用空気（カソードオフガス）との衝突領域Ｓからカソード排ガス用配管２４の希釈装置１４への接続位置（つまりカソード排ガス用配管２４の他端２４Ｂ）までの希釈装置１４の幅方向に沿う範囲Ｊに設けられる。具体的には、排水口４１は、希釈装置１４に対するアノード排ガス用配管２３とカソード排ガス用配管２４のそれぞれの接続位置（他端２３Ｂ、他端２４Ｂ）間における希釈装置１４の幅方向に沿う範囲Ｔに設けられる。

カソード排ガス用配管２４からの反応用空気（カソードオフガス）の流量がアノード排ガス用配管２３からの反応用ガス（アノードオフガス）の流量よりも大きいことから、上記位置に排水口４１が設けられることで、アノード排ガス用配管２３から希釈装置１４内に導入された反応用ガス（アノードオフガス）が、希釈される前に排水口４１から排出されることが防止される。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）～（８）を奏する。
（１）図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１１の底面(エンドプレート)１８に接続されたアノード排ガス用配管２３、カソード排ガス用配管２４が水平方向に配置され、更に希釈装置１４の下部側面２７Ａ、下部側面２９Ａにそれぞれ接続されたので、これらの配管２３、２４が希釈装置１４の底面４０よりも下方へ突出することを抑制できる。このため、燃料電池システム１０の高さ方向のコンパクト化を実現できる。

（２）生成水を含む未反応の反応用ガス（アノードオフガス）、余剰の反応用空気（カソードオフガス）をそれぞれ排出するアノード排ガス用配管２３、カソード排ガス用配管２４が水平方向に配置されて希釈装置１４の下部側面２７Ａ、下部側面２９Ａにそれぞれ接続され、この希釈装置１４の底面４０に排水口４１が設けられている。このため、生成水がアノード排ガス用配管２３及びカソード排ガス用配管２４に滞留することがなく、重力を利用して生成水を、両排ガス用配管２３、２４を経て排水口４１から容易に排水することができる。

（３）図３に示すように、燃料電池スタック１１の底面(エンドプレート)１８にアノード供給ガス用配管２１の他端２１Ｂ、カソード供給ガス用配管２２の他端２２Ｂ、アノード排ガス用配管２３の一端２３Ａ及びカソード排ガス用配管２４の一端２４Ａがそれぞれ接続されて集約されている。このため、これらの配管２１、２２、２３及び２４が、燃料電池スタック１１の天面(エンドプレート)２０と底面(エンドプレート)１８にそれぞれ分散して配置される場合に比べ、燃料電池システム１０の高さを抑制でき、燃料電池システム１０のコンパクト化を促進できる。

（４）図２に示すように、カソード排ガス用配管２４に配置されたカソード排気バルブ３０が、ファン１２の下方に位置付けられている。このカソード排気バルブ３０は、高さ方向の寸法が比較的大きなものであるが、小型化が可能なファン１２の下方に位置づけられることで、このカソード排気バルブ３０を備えるカソード排ガス用配管２４の下方への飛び出し量を抑制できる。この結果、燃料電池システム１０のコンパクト化を一層促進できる。

（５）カソード排ガス用配管２４においては、燃料電池スタック１１の底面(エンドプレート)１８への取付部３１が剛性の高い例えば金属にて構成され、希釈装置１４の下部側面２９Ａへの取付部３２が剛性の低い例えばゴムにて構成されている。これにより、カソード排ガス用配管２４の取付部３１は、曲げ半径を小さく設定できるので、カソード排ガス用配管２４の下方への飛び出し量を抑制して、燃料電池システム１０のコンパクト化に寄与できる。また、カソード排ガス用配管２４の燃料電池スタック１１への取付部３１の剛性が高いことで、カソード排ガス用配管２４がカソード排気バルブ３０の重さによって下方へ垂れ下がることを抑制でき、カソード排ガス用配管２４に生成水が滞留することを防止できる。

更に、カソード排ガス用配管２４の希釈装置１４への取付部３２が、剛性の低い例えばゴム製であることで、カソード排ガス用配管２４の組付時の公差を吸収でき、カソード排ガス用配管２４の組付性を向上させることができる。

（６）図４に示すように、アノード排ガス用配管２３とカソード排ガス用配管２４は、それらの中心線の延長線３５、３６が希釈装置１４内で交差するように接続されている。このため、アノード排ガス用配管２３から希釈装置１４内に導入される反応用ガス（アノードオフガス）と、カソード排ガス用配管２４から希釈装置１４内に導入される反応用空気（カソードオフガス）とを希釈装置１４内で衝突させることができる。この結果、希釈装置１４による反応用ガス（アノードガス）の希釈効果を向上させることができるので、希釈装置１４を小型化できる。

（７）希釈装置１４の底面４０に設けられた排水口４１が、希釈装置１４内での反応用ガス（アノードオフガス）と反応用空気（カソードオフガス）との衝突領域Ｓからカソード排ガス用配管２４の希釈装置１４への接続位置（他端２４Ｂ位置）までの希釈装置１４の幅方向に沿う範囲Ｊに設定されている。カソード排ガス用配管２４から希釈装置１４内に導入される反応用空気（カソードオフガス）の流量が、アノード排ガス用配管２３から希釈装置１４内に導入される反応用ガス（アノードオフガス）の流量よりも大きなことから、排水口４１が上述の位置に設定されることで、この排水口４１から反応用ガス（アノードオフガス）が希釈されずに排出されてしまう事態を防止できる。

（８）図１に示すように、希釈装置１４の幅方向に相対する両側面２９間の寸法Ｎが、燃料電池スタック１１の幅方向に相対する側面(エンドプレート)１９間の寸法Ｍの範囲に収まり、更に、希釈装置１４の天面３３の最上位置が、燃料電池スタック１１の天面(エンドプレート)２０の位置よりも低く設定されている。これらの観点からも燃料電池システム１０のコンパクト化を実現でき、更に、燃料電池スタック１１の天面(エンドプレート)２０よりも上方に他の部品を容易にレイアウトすることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…ファン、１４…希釈装置、１７…燃料電池セル、１８…底面(エンドプレート)、１９…側面(エンドプレート)、２０…天面(エンドプレート)、２１…アノード供給ガス用配管、２２…カソード供給ガス用配管、２３…アノード排ガス用配管、２４…カソード排ガス用配管、２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ…一端、２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ…他端、２７、２９…側面、２７Ａ、２９Ａ…下部側面、３０…カソード排気バルブ、３１、３２…取付部、３３…天面、３５、３６…延長線、４０…底面、４１…排水口、Ｍ、Ｎ…寸法、Ｊ、Ｔ…範囲、Ｓ…衝突領域

Claims

複数の燃料電池セルが積層されて設けられた燃料電池スタックと、
この燃料電池スタックに冷却用の空気を導入させるファンと、
前記燃料電池スタックから反応用ガスを排出するアノード排ガス用配管と、
前記燃料電池スタックから反応用空気を排出するカソード排ガス用配管と、
前記ファンの排出側に配置されて、前記アノード排ガス用配管からの前記反応用ガスを、前記ファンからの前記空気及び前記カソード排ガス用配管からの前記反応用空気により希釈する希釈装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記アノード排ガス用配管及び前記カソード排ガス用配管は、それぞれの一端が前記燃料電池スタックの底面に接続され、それぞれの他端が前記希釈装置の側面下部に接続されて、それぞれが水平方向に配置され、
前記希釈装置に導かれた前記反応用ガス及び前記反応用空気に含まれる生成水を排水する排水口が、前記希釈装置の底面に設けられて構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池スタックへ反応用ガスを供給するアノード供給ガス用配管と、前記燃料電池スタックへ反応用空気を供給するカソード供給ガス用配管とを備え、これらのアノード供給ガス用配管及びカソード供給ガス用配管が、前記燃料電池スタックの底面に接続されて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記カソード排ガス用配管には、反応用空気の排出量を調整するカソード排気バルブが設けられ、このカソード排気バルブは、燃料電池スタックの高さ方向中央位置に配置されたファンの下方に位置づけられて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記カソード排ガス用配管は、燃料電池スタックへの取付部が金属または樹脂にて構成され、希釈装置への取付部を少なくとも含む部分が、前記燃料電池スタックへの前記取付部よりも剛性が低い材質にて構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記アノード排ガス用配管からの反応用ガスと前記カソード排ガス用配管からの反応用空気とが希釈装置内で衝突するように、前記アノード排ガス用配管と前記カソード排ガス用配管は、それぞれの軸線の延長線が交差するように前記希釈装置の側面下部に接続され、
希釈装置の底面に設けられる排水口は、前記反応用ガスと前記反応用空気との衝突領域から前記カソード排ガス用配管の前記希釈装置への接続位置までの範囲に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記希釈装置の幅方向に対向する側面間寸法が、燃料電池スタックの幅方向に対向する側面間寸法の範囲内に収まり、前記希釈装置の天面位置が、前記燃料電池スタックの天面位置よりも低く設定されて構成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。