WO2008029948A1 - Système de pile à combustible - Google Patents

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WO2008029948A1
WO2008029948A1 PCT/JP2007/067687 JP2007067687W WO2008029948A1 WO 2008029948 A1 WO2008029948 A1 WO 2008029948A1 JP 2007067687 W JP2007067687 W JP 2007067687W WO 2008029948 A1 WO2008029948 A1 WO 2008029948A1
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gas
fuel cell
liquid separator
cell system
pipe
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PCT/JP2007/067687
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Hiroyuki Sekine
Norio Yamagishi
Kazuyuki Oikawa
Koji Katano
Yasunobu Jufuku
Hidehiko Koyata
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack that receives a reaction gas and generates electric power through an electrochemical reaction.
  • a fuel cell used in this fuel cell system is configured, for example, by fixing a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked to an end plate.
  • This fuel cell is connected to an exhaust pipe through which the off-gas to be discharged flows, and this exhaust pipe is provided with a gas-liquid separator that separates off-gas gas-liquid flowing through the exhaust pipe (for example, 2 0 0 5—3 3 2 6 7 6). Disclosure of the invention
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing freezing of moisture inside the gas-liquid separator.
  • a fuel cell system of the present invention comprises a plurality of cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, and a pair of cells disposed at both ends in the cell stacking direction.
  • the gas-liquid separator can be satisfactorily heated by effectively using the exhaust heat.
  • the gas-liquid separator may include a ribbon portion that separates droplets by turning the introduced off gas into a swirl flow, and the ribbon portion may be disposed adjacent to the end plate.
  • the distance between the fuel cell stack and the ribbon portion can be shortened, and thereby the off-gas discharged from the fuel cell stack can be swirled at a high flow rate, so that the separation performance is improved.
  • the end plate and the ribbon portion are disposed adjacent to each other, an increase in the heat capacity of the member that occurs when a member is disposed between them can be suppressed, and the heating efficiency can be improved.
  • a circulation pump that returns off-gas to the fuel cell stack is connected to the gas discharge port of the gas-liquid separator via a pipe, a folding portion that turns back at an angle exceeding 90 degrees is provided in the pipe. It may be done.
  • the gas-liquid separator may be provided with a water discharge port in a lateral direction, and a bottom portion may be inclined forward and downward toward the water discharge port.
  • a concave portion recessed downward is formed in the bottom portion so as to extend along the inclination direction of the bottom portion, and the water discharge port may be provided on the extension of the concave portion.
  • the bottom portion may be configured such that an inclination angle of a side bottom portion other than the concave portion is larger than an inclination angle of the concave portion.
  • the gas-liquid separator by fixing the gas-liquid separator to the end plate, the gas-liquid separator can be satisfactorily heated by effectively utilizing the exhaust heat of the fuel cell stack. Therefore, freezing of moisture inside the gas-liquid separator can be suppressed.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the stack case of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention and the interior thereof.
  • FIG. 3A shows a main part of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention, and is a plan view in which a circulation pump and the like are omitted, and FIG. 3B is a front view thereof.
  • FIG. 4 is a side sectional view showing the ribbon portion of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the ribbon portion of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention as viewed from the flange portion side.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the gas-liquid separator of the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 7A is a side view showing a gas-liquid separator of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention
  • FIG. 7B is a front view thereof.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of the fuel cell system 1.
  • This fuel cell system System 1 is used as an in-vehicle power generation system for fuel cell vehicles, power generation systems for all moving objects such as ships, aircraft, trains or walking robots, and also as power generation equipment for buildings (homes, buildings, etc.) Although it can be applied to stationary power generation systems, it is specifically for automobiles.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 10 that is supplied with a reaction gas (oxidation gas and fuel gas) and generates electric power through an electrochemical reaction. For example, air as an oxidation gas to the fuel cell 10 is supplied.
  • a cathodic oxidizing gas piping system 2 for adjusting the gas supply and an anode fuel gas piping system 3 for adjusting a gas supply of, for example, hydrogen gas as a fuel gas are provided.
  • the oxidizing gas piping system 2 includes an air supply piping 21 for supplying the oxidizing gas (air) humidified by the humidifier 20 to the fuel cell 10 and a humidifier for the oxidized off-gas discharged from the fuel cell 10.
  • An exhaust pipe 2 2 leading to 20 and a discharge pipe 2 3 for guiding the oxidant off-gas from the humidifier 20 to the outside are provided.
  • the air supply pipe 21 is provided with a compressor 24 that takes in the oxidizing gas in the atmosphere and pumps it to the humidifier 20.
  • the fuel gas piping system 3 includes a hydrogen tank 30 as a fuel supply source storing high-pressure hydrogen gas, a fuel supply piping 31 for supplying the hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10, a fuel An exhaust pipe 3 2 through which hydrogen off-gas as an off-gas of the fuel gas discharged from the battery 10 flows, and a circulation pipe 3 3 for returning the hydrogen off-gas from the exhaust pipe 3 2 to the fuel supply pipe 3 1 are provided.
  • the fuel supply pipe 3 1 is provided with a shutoff valve regulator that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30 and adjusts the pressure of the hydrogen gas when permitted to supply fuel gas to the fuel cell 10.
  • 3 4 is provided.
  • an injector that adjusts the upstream gas state (flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc.) and supplies it to the downstream side may be provided.
  • the exhaust piping 3 2 is a circulation piping for hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10
  • a gas-liquid separator 35 is provided to re-supply the fuel cell 1 via 3 3. This gas-liquid separator 35 separates the gas-liquid of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10, and specifically recovers moisture from the hydrogen off-gas.
  • An exhaust / drain valve 3 6 is connected to the gas-liquid separator 3 5, and an exhaust pipe 3 7 is connected to the exhaust / drain valve 3 6.
  • the exhaust / drain valve 3 6 is operated by a command from a control device (not shown) to discharge moisture collected by the gas-liquid separator 35 and hydrogen off-gas containing impurities in the exhaust pipe 3 2. 3 It is discharged (purged) to the outside through 7.
  • the circulation pipe 3 3 is discharged from the fuel cell 10 by suctioning and pressurizing the hydrogen gas in the circulation pipe 3 3 discharged from the fuel cell 10 and discharging it to the fuel supply pipe 3 1 side.
  • a circulation pump 38 is provided to regulate the circulation of gas.
  • the discharge pipe 37 is provided with a diluter 39 for diluting the hydrogen off gas with the oxidation off gas from the discharge pipe 23.
  • Oxidized gas and power that have been humidified by the humidifier 20 through the air supply pipe 21 by the pressure feed by 24 and introduced into the fuel cell 10 cause an electrochemical reaction in the fuel cell 10, and generate electricity.
  • the hydrogen off-gas from the fuel cell 10 is introduced into the gas-liquid separator 3 5 in the exhaust pipe 3 2, introduced into the fuel supply pipe 3 1 through the circulation pipe 3 3 by the circulation pump 3 8, and again Introduced into the fuel cell 10. Further, when the exhaust drain valve 3 6 is opened at an appropriate timing, the hydrogen off-gas from the fuel cell 10 is introduced from the gas-liquid separator 3 5 to the diluter 3 9 via the discharge pipe 37, and this In the diluter 39, it is diluted with the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 10 and discharged to the outside.
  • the fuel cell 10 is supplied with a reaction gas and receives an electrochemical reaction.
  • Multiple (two) fuel cell stacks 5 1, 5 1 configured by stacking the required number of single cells 50 that generate electricity according to the stack, and stacking these fuel cell stacks 5 1, 5 1 into single cells 50
  • a pair of end plates 5 2, 5 3 that are arranged parallel to each other and sandwiched from both ends in the stacking direction, and a tension plate (not shown) that connects the end plates 5 2, 5 3, Case 5 4
  • the stacking direction of the unit cells 50 is set to the horizontal direction, and the juxtaposed direction of the fuel cell stacks 51, 51 is set to the horizontal direction. It will be installed on the car body in the posture. At this time, since a traction motor (not shown) is disposed below the stack case 54, the height of the stack case 54 is limited by the traction motor due to space constraints. In the following, the posture will be described when installed on the vehicle body.
  • the hydrogen off-gas discharge flow path 5 discharged from the fuel cell stacks 5 1 and 5 1 is connected to the end plate 5 2 on the vehicle rear side of the fuel cell 10 described above.
  • 5 and 5 5 are open, and the exhaust pipe 3 2 is connected to the discharge channels 5 5 and 5 5.
  • the gas-liquid separator 35 of the exhaust pipe 32 is fixed to the end plate 52.
  • the gas-liquid separator 35 includes a ribbon portion 60 fixed immediately near the end plate 52, one end connected to the opposite side of the end plate 52 of the ribbon portion 60, and the other end end 5 2 is provided with a pipe 61 made of a pipe member that bends along the surface direction of 2 and a separation part 62 connected to the other end of the pipe 61.
  • the ribbon unit 60 is of a cyclone type that generates a swirling force on the introduced gas to separate water droplets in the gas, and is formed in a bottomed cylindrical shape as shown in FIGS.
  • the housing 6 5 is provided.
  • One end (upstream end) of the housing 65 is opened, and a flange portion 65 A that can be fixed to the end plate 52 is formed in the opening.
  • the ribbon portion 60 is hermetically fixed to the end plate 52 by fastening and fixing the flange portion 65 A with a bolt or the like via a sealing material (not shown). In this state fixed to the end plate 52, the inside of the housing 65 of the ribbon portion 60 communicates with the discharge flow paths 55, 55.
  • the housing 65 is formed in a tapered shape that gradually narrows toward the other end (downstream end), and a ribbon plate 67 is fixed therein.
  • the ribbon plate 67 has a swivel plate portion 67a that is spirally twisted along the axial direction, and both sides of the swivel plate portion 67a are on the inner peripheral surface of the housing 65. It is fixed.
  • One end portion (upstream end portion) of the ribbon plate 6 7 is a separation plate portion 6 7 b made of a flat plate. This separation plate portion 6 7 b is arranged at the approximate center between the discharge channels 5 5 and 5 5 formed in the end plate 52 so as to divide the housing 65 into left and right objects in plan view. (See Figure 5).
  • the hydrogen off gas sent from the discharge flow paths 55, 55 to the ribbon portion 60 is swirled by the separation plate portion 6 7b of the ribbon plate 6 7 in a spiral shape of the ribbon plate 6 7 It is distributed to each spiral flow path formed by the plate portion 6 7 a.
  • the distribution of the hydrogen off-gas is made uniform, and the hydrogen off-gas having a speed in the direction intersecting the ribbon plate 67 is smoothly led to the downstream side.
  • the hydrogen off-gas that has flowed into the spiral flow path becomes a swirling flow, and is introduced into the separation section 62 through the pipe 61 while guiding the moisture in the gas to the outside by the centrifugal force.
  • the separation part 62 has a box-shaped case 70 whose other end side is connected to the side surface.
  • the water guided to the outside by centrifugal force becomes water droplets on the inner surface of the case 70 and flows downward to form the case 7 0 is stored at the bottom.
  • a pipe 7.2 constituting the circulation pipe 33 into which the hydrogen off-gas from which moisture has been separated is sent is connected. Further, an exhaust / drain valve 36 is provided between the separation part 62 and the end plate 52 to discharge water stored at the bottom of the housing 65 and discharge hydrogen off-gas.
  • the pipe 7 2 is composed of a pipe member.
  • a straight portion 7 2 a extending horizontally from the side surface of the housing 65 along the surface direction of the end plate 52, and the straight portion 7 2 Bend from the end of a to the upper side of the end plate 5 2 along the surface direction of the end plate 5 2 in a circular arc shape (turned part) 7 2 b, and the end of the end of the bent portion 7 2 b from the end of the end plate 5 2
  • the linear portion 7 2 c that extends horizontally in the direction approaching the housing 65 along the direction, and is curved upward along the surface direction of the end plate 52 from the tip of the linear portion 7 2 c And a curved portion 7 2 d.
  • a circulation pump 38 that returns hydrogen off-gas to the fuel cell stacks 51 and 51 is connected to a flange portion 72 e formed at the upper end of the curved portion 72 d at the lower portion thereof.
  • the curved portion 7 2 b has a semicircular shape of 1800 degrees, and the pipe 7 2 is folded back at a central angle of 180 degrees that exceeds the central angle of 90 degrees.
  • the housing 65 of the ribbon part 60 is formed by pressing a thin plate as a main component, and the ribbon plate 67 is also formed by pressing a thin plate. Further, the case 70 of the separation part 62 is also formed by pressing a thin plate as a main component.
  • the gas-liquid separator 3 5 for separating off-gas gas-liquid discharged from the fuel cell stacks 5 1 and 5 1 is attached to the end plate 52.
  • the exhaust heat of the fuel cell stacks 5 1 and 5 1 is effectively transmitted to the gas-liquid separator 35 via the end plate 52, and the gas-liquid separator 35 is good. Can be heated. Therefore, freezing of the water inside the gas-liquid separator 35 can be suppressed.
  • the ribbon portion 60 of the gas-liquid separator 35 is disposed adjacent to the end plate 52, the distance between the fuel cell stack 5 1, 5 1 and the ribbon portion 60 can be reduced, and the fuel cell stack Since the hydrogen off-gas discharged from 5 1 and 5 1 can be swirled at a high flow rate, the separation performance is improved.
  • the ribbon part 60 of the gas-liquid separator 35 and the separation part 62 are separated from each other and connected to each other via the pipe 61 so that the hydrogen off gas generated in the ribbon part 60 can be swirled.
  • the distance that the flow can flow can be secured, and as a result, the gas and liquid can be separated well.
  • the pipe 7 2 connecting the gas discharge port 7 1 of the gas-liquid separator 3 5 and the circulation pump 3 8 is provided with a curved portion 7 2 b that turns back at 90 ° exceeding 180 °. Therefore, when the off-gas containing moisture that could not be separated by the gas-liquid separator 3 5 is sent from the gas discharge port 7 1 to the circulation pump 3 8 via the pipe 7 2, the gas is further removed from the curved portion 7 2 b. Liquid separation will occur.
  • the gas and liquid can be sufficiently separated if the pipe 72 is folded back at an angle exceeding 90 degrees without being folded back at 180 degrees.
  • the pipe 7 2 that connects the gas outlet 7 1 of the gas-liquid separator 3 5 and the circulation pump 3 8 does not have a front-falling part from upstream to downstream, so the water separated in the middle of the pipe 7 2 Can be returned to the separation part 6 2 of the gas-liquid separator 35.
  • the pipe 72 from the gas-liquid separator 35 is connected to the circulation pump 38 from the lower side, it is possible to further suppress moisture from entering the circulation pump 38. Furthermore, since the ribbon part 60 and the separation part 62 of the gas-liquid separator 35 are mainly composed of thin plates used for press forming, and these are connected by a pipe 61 made of a pipe member, the heat capacity From this point, the gas-liquid separator 35 can be warmed up immediately.
  • the gas-liquid separator 80 includes a horizontally long box-shaped case 8 1, a gas introduction pipe 8 2 extending from a side surface on one end side in the longitudinal direction of the case 8 1, and the long side of the case 8 1.
  • Water discharge pipe 8 4 that extends laterally from the opposite side of the direction and opens the water discharge port 8 3 at the front end in the horizontal direction, and gas discharge pipe 8 5 that extends from the upper surface of the case 8 1 And have.
  • the case 8 1 has a substantially cylindrical body portion 8 7 and side plate portions 8 8 and 8 9 that close the openings on both sides of the body portion 8 7.
  • the body portion 8 7 and the side plate portion 8 8 and 8 9 are formed by press-molding a thin plate.
  • a gas introduction pipe 8 2 is connected to the side plate portion 8 8
  • a water discharge pipe 8 4 is connected to the side plate portion 8 9
  • a gas discharge pipe 8 5 is connected to the body portion 8 7.
  • the body portion 87 has a plurality of reinforcing ribs 90 formed thereon.
  • a flange portion 8 2 A is formed at the tip of the gas introduction pipe 8 2, and the gas-liquid separator 80 is fixed to the end plate 52 by bolting or the like at this flange portion 8 2 A.
  • the gas introduction pipe 8 2 extends from the flange portion 8 2 A in the direction perpendicular to the surface direction of the end plate 52 and then bends along the surface direction of the end plate 52. This portion is the case 8 Connected to the top of 1.
  • Case 8 1 includes a filter 9 2 that removes foreign substances from the hydrogen off-gas introduced through the gas introduction pipe 8 2, and a hydrogen off-gas that has passed through the filter 9 2. And an ion exchanger 93 for removing metal ions.
  • the water droplets separated from the hydrogen off-gas by the gas-liquid separator 80 will flow down the bottom surface 95 of the case 8 1 along the surface of the case 8 1. Since the body portion 8 7 is formed from a thin plate having a constant thickness, the bottom portion 9 5 also has a constant thickness, and this bottom portion 9 5 is a front view as viewed from a direction perpendicular to the end plate 52. As described above, the gas introduction pipe 8 2 has a water discharge pipe 8 4, that is, an inclined shape inclined forward and downward toward the water discharge port 8 3 at the tip.
  • a concave portion 96 that is recessed downward is formed extending along the inclination direction of the bottom portion 95.
  • the recess 96 has a shape in which the lower edges of a pair of standing plates 9 7 and 9 7 projecting downward from the side closer to the end plate 52 and the side far from the end plate 52 are connected by a semi-cylindrical bottom plate 9 8.
  • the bottom 9 5 of the case 8 1 has the recess 9 6 and the side bottom 1 0 0, 1 extending from the upper edge of the recess 9 6 to both sides.
  • the inclination angle ⁇ 1 in the front view of the bottom plate portion 98 of the recess 96 is set to the first predetermined angle that does not reverse when the mounted vehicle is inclined in the normal range.
  • the inclination angle ⁇ 2 in the front view of the side bottom portions 1 0 0, 1 0 1 is set to a second predetermined angle larger than the first predetermined angle. That is, the bottom 9 5 is a recess
  • the inclination angle ⁇ 2 of the side bottom parts 1 0 0, 1 0 0 1 other than the recesses 9 6 is made larger than the inclination angle ⁇ 1 of 9 6.
  • the side bottom portions 10 0, 1 0 1 on both sides are inclined so that the concave portion 96 side is lowered in a side view, and this inclination angle 0 is also the same as the bottom plate portion 9 8 of the concave portion 96. It is set to a predetermined angle.
  • the water discharge pipe 8 4 has a flange portion 8 4 ⁇ formed at the position of the water discharge port 8 3, and the exhaust drain valve is connected through this flange portion 8 4 A.
  • the hydrogen off-gas from which water has been removed by the gas-liquid separator 80 is discharged from the upper gas discharge pipe 85, and a flange portion 85A is formed at the upper end of the gas discharge pipe 85. Yes.
  • a circulating pump 3 8 (see FIG. 1) for returning the hydrogen off-gas from which moisture has been removed to the fuel cell 10 is joined to the flange portion 85 A.
  • the gas-liquid separator 80 that separates the gas-liquid of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell stacks 51 and 51 is connected to the end plate 5 2.
  • the exhaust heat from the fuel cell stacks 51 and 51 is effectively transmitted to the gas-liquid separator 80 through the end plate 52, thereby improving the gas-liquid separator 80. Can be heated. Therefore, freezing of moisture inside the gas-liquid separator 80 can be suppressed.
  • the gas-liquid separator 80 is provided with a water discharge port 83 in the lateral direction, the height of the gas-liquid separator 80 is limited due to the interference with the lower traction motor. However, the size of the case 8 1 that accumulates water can be secured. Accordingly, the interval between the opening operations of the exhaust discharge valve 36 can be lengthened.
  • the bottom portion 9 5 as a whole is inclined forward and downward toward the water discharge port 8 3, even if the water discharge port 8 3 is provided in the lateral direction, water can be satisfactorily watered by the inclination of the bottom portion 9 5. It can be guided to the outlet 8 3.
  • a concave portion 96 that is recessed downward is formed in the bottom portion 9 5 so as to extend along the inclined direction of the bottom portion 95, and the water discharge port 8 3 is provided on the extension, so that it has accumulated. Even when the amount of water is small, the height of the water can be secured by the recess 96, and the amount of hydrogen off-gas discharged when water is discharged from the water outlet 83 can be suppressed.
  • the inclination angle ⁇ 2 of the side bottom portions 100 0, 100 1 other than the concave portion 9 6 in the bottom portion 9 5 is larger than the inclination angle 1 of the concave portion 9 6, it is stored in the concave portion 9 6. Even when the vehicle is inclined, it is possible to maintain the inclined state of the bottom portion 95 as a whole at the side bottom portions 1 0 0, 1 0 1 while securing the water capacity. Further, since the bottom plate portion 98 of the recess 96 has a semi-cylindrical shape, it is possible to secure the water capacity of the recess 96 while maintaining workability.

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Description

明細 燃料電池システム
技術分野
本発明は、 反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池 スタックを備えた燃料電池システムに関する。 背景技術
近年、 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によつて発電する燃料電池を エネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。 この燃料電池システ ムに用いられる燃料電池は、 例えば、 単セルを複数積層した燃料電池スタツ クをエンドプレートに固定して構成されている。
この燃料電池には、排出するオフガスが流れる排気配管が接続されており、 この排気配管には、 排気配管を流れるオフガスの気液を分離する気液分離器 が設けられている （例えば、 特開 2 0 0 5— 3 3 2 6 7 6号公報参照）。 発明の開示
ところで、 気液分離器は、 外気温が低い場合に内部の水分が凍結してしま うことがあり、 これにより気液の分離率が低下してしまう可能性があった。 また、 気液分離器の水分が凍結してしまうと、 その下流側にポンプが設けら れている場合に、 このポンプに作動不良を生じてしまう可能性があった。 そこで、 本発明は、 気液分離器の内部の水分の凍結を抑制することができ る燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、 本発明の燃料電池システムは、 燃料ガスと酸化 ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、 前記セ ルの積層方向両端部に配置された一対のェンドプレートに狭持された燃料電 池スタックと、 前記燃料電池スタックから排出されたオフガスの気液を分離 する気液分離器と、 を備え、 前記気液分離器が前記エンドプレートに固定さ れているものである。
この構成によれば、 燃料電池スタックの排熱を、 エンドプレートを介して 気液分離器に伝達させることにより、 当該排熱を有効利用して気液分離器を 良好に加熱することができる。
前記気液分離器は、 導入されたオフガスを旋回流とすることで液滴を分離 するリボン部を備え、 該リボン部が前記ェンドプレートに隣接配置されてい ても良い。
この構成によれば、 燃料電池スタックとリボン部との距離を短縮でき、 こ れにより、 燃料電池スタックから排出されたオフガスを流速が高い状態で旋 回流にすることができるため、 分離能が向上する。 また、 エンドプレートと リボン部とを隣接配置するため、 これらの間に部材を配設した場合に生じる この部材分の熱容量増を抑制でき、 加熱効率を向上できる。
前記気液分離器のガス排出口に、 オフガスを前記燃料電池スタックに戻す 循環ポンプが、 配管を介して接続されている場合に、 前記配管に、 9 0度を 超える角度で折り返す折返部が設けられていても良い。
この構成によれば、 気液分離器で分離しきれなかった水分を含むオフガス がガス排出口から配管を介して循環ポンプに送られる際に、 配管の 9 0度を 超える角度で折り返す折返部でさらに気液分離されることになる。 よって、 気液分離器で分離しきれなかった水分が循環ポンプに流入することを抑制可 能となる。
また、 前記気液分離器は、 横方向に水排出口が設けられ、 底部が前記水排 出口に向けて前下がりに傾斜していても良い。
前記底部には、 下方に凹む凹部が該底部の傾斜方向に沿って延在形成され ており、 該凹部の延長上に前記水排出口が設けられていても良い。 前記底部は、 前記凹部の傾斜角度に対して該凹部以外の側底部の傾斜角度 が大きくされていても良い。
本発明によれば、 気液分離器をエンドプレートに固定したことにより、 燃 料電池スタックの排熱を有効利用して気液分離器を良好に加熱することがで きる。したがって、気液分離器の内部の水分の凍結を抑制することができる。
図面の簡単な説明 図 1は、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態を示す構成図であ る。
図 2は、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態のスタックケース 及びその内部の平面図である。
図 3 Aは、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態の要部を示すも ので循環ポンプ等を略した平面図、 図 3 Bはその正面図である。
図 4は、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態のリボン部を示す 側断面図である。
図 5は、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態のリボン部を示す フランジ部側から見た図である。
図 6は、 本発明に係る燃料電池システムの第 2実施形態の気液分離器を示 す斜視図である。
図 7 Aは、 本発明に係る燃料電池システムの第 2実施形態の気液分離器を 示す側面図、 図 7 Bはその正面図である。
発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態を図 1〜図 5を参照 しつつ説明する。
図 1は、 燃料電池システム 1のシステム構成図である。 この燃料電池シス テム 1は、 燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、 航空機、 電車あるい は歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、 さらには、 建物 （住 宅、 ビル等） 用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可 能であるが、 具体的には自動車用となっている。
燃料電池システム 1は、 反応ガス （酸化ガス及び燃料ガス） の供給を受け て電気化学反応により電力を発生する燃料電池 1 0を備えるとともに、 この 燃料電池 1 0への酸化ガスとしての例えば空気のガス供給を調整するカソー ド系の酸化ガス配管系 2と、 燃料ガスとしての例えば水素ガスのガス供給を 調整するアノード系の燃料ガス配管系 3とを備えている。
酸化ガス配管系 2は、 加湿器 2 0により加湿された酸化ガス （空気） を燃 料電池 1 0に供給する空気供給配管 2 1と、 燃料電池 1 0から排出された酸 化オフガスを加湿器 2 0に導く排気配管 2 2と、 加湿器 2 0から外部に酸化 オフガスを導くための排出配管 2 3とを備えている。空気供給配管 2 1には、 大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器 2 0に圧送するコンプレッサ 2 4が設 けられている。
燃料ガス配管系 3は、 高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素 タンク 3 0と、 水素タンク 3 0の水素ガスを燃料電池 1 0に供給するための 燃料供給配管 3 1と、 燃料電池 1 0から排出された燃料ガスのオフガスとし ての水素オフガスが流れる排気配管 3 2と、 排気配管 3 2の水素オフガスを 燃料供給配管 3 1に戻す循環配管 3 3と、 を備えている。
燃料供給配管 3 1には、 燃料電池 1 0に燃料ガスを供給するために、 水素 タンク 3 0からの水素ガスの供給を遮断又は許容するとともに許容時に水素 ガスの圧力を調整する遮断弁付レギュレータ 3 4が設けられている。 この遮 断弁付レギユレータ 3 4に換えて、 上流側のガス状態 （流量、 圧力、 温度、 モル濃度等） を調整して下流側に供給するインジェクタを設けても良い。 排気配管 3 2には、 燃料電池 1 0から排出された水素オフガスを循環配管 3 3を介して燃料電池 1◦に再供給するために、 気液分離器 3 5が設けられ ている。 この気液分離器 3 5は、 燃料電池 1 0から排出された水素オフガス の気液を分離するもので、 具体的には水素オフガスから水分を回収するもの である。 この気液分離器 3 5には、 排気排水弁 3 6が接続されており、 この 排気排水弁 3 6には、 排出配管 3 7が接続されている。
排気排水弁 3 6は、 図示略の制御装置からの指令によって作動することに より、 気液分離器 3 5で回収した水分と、 排気配管 3 2内の不純物を含む水 素オフガスとを排出配管 3 7を介して外部に排出（パージ）するものである。 循環配管 3 3には、 燃料電池 1 0から排出された循環配管 3 3内の水素ォ フガスを吸引し加圧して燃料供給配管 3 1側へ吐出することにより、 燃料電 池 1 0から排出されるガスの循環を調整する循環ポンプ 3 8が設けられてい る。 また、 排出配管 3 7には水素オフガスを排出配管 2 3からの酸化オフガ スで希釈するための希釈器 3 9が設けられている。
このような燃料電池システム 1の第 1実施形態において、 水素タンク 3 0 から燃料供給配管 3 1を介し遮断弁付レギユレータ 3 4で調整されて燃料電 池 1 0に供給された水素ガスと、 コンプレッサ 2 4による圧送で空気供給配 管 2 1を介し加湿器 2 0で加湿されて燃料電池 1 0に導入された酸化ガスと 力 燃料電池 1 0において電気化学反応を起こし、 発電する。
また、 燃料電池 1 0からの水素オフガスは、 排気配管 3 2の気液分離器 3 5に導入され、 循環ポンプ 3 8で循環配管 3 3を介して燃料供給配管 3 1に 導入されて、 再び燃料電池 1 0に導入される。 さらに、 適宜のタイミングで 排気排水弁 3 6が開かれると、 燃料電池 1 0からの水素オフガスは、 気液分 離器 3 5から排出配管 3 7を介して希釈器 3 9に導入され、 この希釈器 3 9 において、 燃料電池 1 0から排出された酸化オフガスで希釈されて外部に排 出される。
燃料電池 1 0は、 図 2に示すように、 反応ガスの供給を受けて電気化学反 応により発電する単セル 5 0を所要数積層して構成される複数 （二つ） の燃 料電池スタック 5 1 , 5 1と、 これら燃料電池スタック 5 1 , 5 1を単セル 5 0の積層方向を平行に並設して積層方向両端部から挟持する一対のエンド プレート 5 2 , 5 3と、 エンドプレート 5 2 , 5 3を連結する図示略のテン シヨンプレートとを有しており、 スタックケース 5 4に収納される。
このようにスタックケース 5 4に収納された状態で、 燃料電池 1 0は、 単 セル 5 0の積層方向を水平方向にすると共に、 燃料電池スタック 5 1， 5 1 の並設方向を水平方向にした姿勢で車体に設置されることになる。その際に、 スタックケース 5 4の下側には図示略のトラクシヨンモータが配置されるた め、 スタックケース 5 4の高さは、 スペースの都合上、 このトラクシヨンモ ータで制限を受ける。 以下、 車体への設置時の姿勢で説明する。
図 3 A, 図 3 Bに示すように、 上記した燃料電池 1 0の車両後方側のェン ドブレート 5 2に、 燃料電池スタック 5 1， 5 1から排出される水素オフガ スの排出流路 5 5， 5 5が開口しており、 これら排出流路 5 5， 5 5に、 上 記排気配管 3 2が接続されることになる。 第 1実施形態では、 この排気配管 3 2の気液分離器 3 5がエンドプレート 5 2に固定されている。
気液分離器 3 5は、 エンドプレート 5 2の直近に固定されるリボン部 6 0 と、 リボン部 6 0のエンドプレート 5 2とは反対側に一端側が接続されると ともに他端側がェンドブレート 5 2の面方向に沿うように湾曲するパイプ部 材からなる配管 6 1と、 配管 6 1の他端側に接続される分離部 6 2とを備え ている。
リボン部 6 0は、 導入されたガスに旋回力を生じさせて当該ガス中の水の 液滴を分離するサイクロンタイプのもので、 図 4及び図 5に示すように、 有 底筒状に形成されたハウジング 6 5を有している。 このハウジング 6 5は、 その一端 （上流端） が開口されており、 この開口部分には、 エンドプレート 5 2に固定可能なフランジ部 6 5 Aが形成されている。 そして、 このフランジ部 6 5 Aを、 図示しないシール材を介してボルト等 によって締結固定することにより、 リボン部 6 0がェンドブレート 5 2に気 密的に固定される。 このようにエンドプレート 5 2に固定された状態で、 リ ボン部 6 0のハウジング 6 5内が排出流路 5 5 , 5 5と連通する。
ハウジング 6 5は、 他端 （下流端） へ向かって次第に窄まる先細り形状に 形成されており、 その内部にリボン板 6 7が固定されている。 このリボン板 6 7は、 軸方向に沿って螺旋状に捻られた旋回板部 6 7 aを有しており、 こ の旋回板部 6 7 aの両側部がハウジング 6 5の内周面に固定されている。 このリボン板 6 7の一端部分 （上流端部分） は、 平板からなる分離板部 6 7 bとされている。 この分離板部 6 7 bは、 平面視にてハウジング 6 5を左 右対象に分割するように、 エンドプレート 5 2に形成された排出流路 5 5 , 5 5同士の略中央に配置されている （図 5参照）。
ここで、 排出流路 5 5， 5 5からリボン部 6 0に送り込まれた水素オフガ スは、 リボン板 6 7の分離板部 6 7 bによって、 リボン板 6 7の螺旋状に捻 られた旋回板部 6 7 aで形成される螺旋状の各流路へ分配される。 これによ り、 水素オフガスの分配が均一化され、 また、 リボン板 6 7と交差する方向 に速度を持った水素オフガスが円滑に下流側へ導かれる。
そして、 螺旋状の流路へ流された水素オフガスは、 旋回流となり、 その遠 心力でガス中の水分を外側へ導きながら、 配管 6 1を通って分離部 6 2に導 入される。
図 3 A, 図 3 Bに示すように、 分離部 6 2は、 配管 6 1の他端側が側面に 接続される箱状のケース 7 0を有している。 そして、 このケース 7 0に配管 6 1を介して旋回流の状態で導入された水素オフガスのうち、 遠心力で外側 へ導かれた水分がケース 7 0の内面で水滴となり下方へ流れてケース 7 0の 底部に貯留される。
分離部 6 2のケース 7 0の配管 6 1とは反対側面のガス排出口 7 1には、 水分が分離された水素オフガスが送り込まれる循環配管 3 3を構成する配管 7.2が接続されている。また、分離部 6 2とェンドブレート 5 2との間には、 ハウジング 6 5の底部に貯留された水分を排出するとともに水素オフガスを 排出する排気排水弁 3 6が設けられている。
配管 7 2は、 パイプ部材からなるもので、 ハウジング 6 5の側面からェン ドブレート 5 2の面方向に沿って水平側方に延出する直線状部 7 2 aと、 こ の直線状部 7 2 aの先端からェンドプレート 5 2の面方向に沿って上側に 1 8 0度円弧状に湾曲する湾曲部 （折返部） 7 2 bと、 湾曲部 7 2 bの先端か らェンドプレート 5 2の面方向に沿ってハウジング 6 5に近づく方向に水平 に延出する直線状部 7 2 cと、 この直線状部 7 2 cの先端からエンドプレー ト 5 2の面方向に沿って上方向に湾曲する湾曲部 7 2 dとを有している。 そして、 この湾曲部 7 2 dの上端部に形成されたフランジ部 7 2 eに、 水 素オフガスを燃料電池スタック 5 1 , 5 1に戻す循環ポンプ 3 8がその下部 において接続されている。
ここで、 湾曲部 7 2 bは 1 8 0度の半円状をなしており、 配管 7 2を 9 0度 の中心角を超える 1 8 0度の中心角で折り返している。
なお、 リボン部 6 0のハウジング 6 5は、 主要な構成部品が薄板をプレス 成形することで形成されており、 リボン板 6 7も薄板をプレス成形すること で形成されている。 さらに、 分離部 6 2のケース 7 0も、 主要な構成部品が 薄板をプレス成形することで形成されている。
以上に述べた燃料電池システム 1の第 1実施形態によれば、 燃料電池スタ ック 5 1， 5 1から排出されたオフガスの気液を分離する気液分離器 3 5を エンドプレート 5 2に固定したことにより、 燃料電池スタック 5 1 , 5 1の 排熱を、 エンドプレート 5 2を介して気液分離器 3 5に伝達させることで有 効利用して、 気液分離器 3 5を良好に加熱することができる。 したがって、 気液分離器 3 5の内部の水分の凍結を抑制することができる。 また、 気液分離器 3 5のリボン部 6 0がエンドプレート 5 2に隣接配置さ れているため、 燃料電池スタック 5 1 , 5 1とリボン部 6 0との距離を短縮 でき、 燃料電池スタック 5 1 , 5 1から排出された水素オフガスを流速が高 い状態で旋回流にできることから、 分離能が向上する。
加えて、 エンドプレート 5 2とリボン部 6 0とを隣接配置するため、 これ らの間に部材が配設される場合に生じるこの部材分の熱容量増を抑制でき、 加熱効率を向上できる。 よって、 即座に暖機できる。
さらに、 気液分離器 3 5のリボン部 6 0と分離部 6 2とを別体とし、 これ らを配管 6 1を介して接続することで、 リボン部 6 0で発生した水素オフガ スの旋回流が流れる距離を確保でき、 この結果、 良好に気液を分離できる。 また、 気液分離器 3 5のガス排出口 7 1と循環ポンプ 3 8とを接続する配 管 7 2に、 9 0度を超える 1 8 0度で折り返す湾曲部 7 2 bが設けられてい るため、 気液分離器 3 5で分離しきれなかった水分を含むオフガスが、 ガス 排出口 7 1から配管 7 2を介して循環ポンプ 3 8に送られる際に、 湾曲部 7 2 bでさらに気液分離されることになる。
よって、 気液分離器 3 5で分離しきれなかった水分が循環ポンプ 3 8に流 入することを抑制可能となる。 ここで、 湾曲部 7 2 bで分離された水の液滴 は、 車両の傾斜等により気液分離器 3 5の分離部 6 2に戻される。 なお、 配 管 7 2は 1 8 0度折り返さなくても 9 0度を超える角度で折り返していれば 十分に気液を分離できる。
さらに、 気液分離器 3 5のガス排出口 7 1と循環ポンプ 3 8とを接続する 配管 7 2に、 上流から下流にかけて前下がりの部分がないため、 配管 7 2の 途中で分離された水の液滴を気液分離器 3 5の分離部 6 2に良好に戻すこと ができる。
また、 気液分離器 3 5からの配管 7 2が循環ポンプ 3 8に下側から接続さ れるため、 循環ポンプ 3 8に水分が入り込むことをさらに抑制できる。 さらに、 気液分離器 3 5のリボン部 6 0及び分離部 6 2をプレス成形に供 される薄板を主体として構成し、 これらをパイプ部材からなる配管 6 1で連 結しているため、 熱容量を低減でき、 この点からも気液分離器 3 5を即座に 暖機できる。
次に、 本発明に係る燃料電池システムの第 2実施形態を主に図 6、 図 7 A 及び図 7 Bを参照しつつ第 1実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、 第 1実施形態と同様の部分に同一の符号を付す。
第 2実施形態においては、 気液分離器が第 1実施形態とは相違している。 第 2実施形態の気液分離器 8 0は、 横長箱状のケース 8 1と、 ケース 8 1の 長手方向の一端側の側面から延出するガス導入配管 8 2と、 ケース 8 1の長 手方向の逆端側の側面から横方向に延出してその先端の水排出口 8 3を横方 向に開口させる水排出配管 8 4と、 ケース 8 1の上面から延出するガス排出 配管 8 5とを有している。
ケース 8 1は、 略筒状をなす胴部 8 7と、 胴部 8 7の両側の開口部を閉塞 する側板部 8 8， 8 9とを有しており、 これら胴部 8 7及び側板部 8 8 , 8 9は、 薄板をプレス成形することで形成されている。 側板部 8 8にガス導入 配管 8 2が、 側板部 8 9に水排出配管 8 4が、 胴部 8 7にガス排出配管 8 5 、 それぞれ接続されている。 なお、 胴部 8 7には補強用のリブ 9 0が複数 形成されている。
ガス導入配管 8 2の先端にはフランジ部 8 2 Aが形成されており、 このフ ランジ部 8 2 Aで気液分離器 8 0がエンドプレート 5 2にボルト止め等で固 定される。 ガス導入配管 8 2は、 フランジ部 8 2 Aからエンドプレート 5 2 の面方向と垂直な方向に延出した後にエンドプレート 5 2の面方向に沿うよ うに屈曲しており、 この部分がケース 8 1の上部に接続されている。
ケース 8 1内には、 ガス導入配管 8 2を介して導入された水素オフガスか ら異物を除去するフィルタ 9 2と、 フィルタ 9 2を通過した水素オフガスか ら金属イオンを除去するイオン交換器 9 3とが設けられている。
気液分離器 8 0で水素オフガスから分離された水の液滴は、 ケース 8 1の 內面を伝ってケース 8 1の底部 9 5に流れ落ちることになる。 胴部 8 7がー 定板厚の薄板から形成されるため、 底部 9 5も一定板厚であり、 この底部 9 5は、 エンドプレート 5 2に対し垂直な方向から見た正面視で、 全体として ガス導入配管 8 2側から水排出配管 8 4、 つまり、 その先端の水排出口 8 3 側に向けて前下がりに傾斜する傾斜形状をなしている。
ケース 8 1の底部 9 5には、 下方に凹む凹部 9 6が底部 9 5の傾斜方向に 沿って延在形成されている。 この凹部 9 6は、 エンドプレート 5 2に近い側 と遠い側とからそれぞれ下方に突出する一対の立板部 9 7 , 9 7の下縁部を 半円筒状の底板部 9 8でつないだ形状をなしており、 ケース 8 1の底部 9 5 はこの凹部 9 6と、 凹部 9 6の上縁部から両側に延出する側底部 1 0 0 , 1
0 1とで構成されている。
ここで、 凹部 9 6の底板部 9 8の正面視の傾斜角度 α 1は、 搭載車両が通 常範囲で傾斜した場合でも逆の傾斜にならない第 1所定角度に設定されてお り、 これに対し側底部 1 0 0 , 1 0 1の正面視の傾斜角度 α 2は、 第 1所定 角度よりも大きい第 2所定角度に設定されている。 つまり、 底部 9 5は凹部
9 6の傾斜角度 α 1に対して凹部 9 6以外の側底部 1 0 0 , 1 0 1の傾斜角 度 α 2が大きくされている。
また、 両側の側底部 1 0 0 , 1 0 1は、 側面視でも、 凹部 9 6側が低くな るように傾斜しており、 この傾斜角度 0も凹部 9 6の底板部 9 8と同じ第 1 所定角度に設定されている。
そして、 凹部 9 6の延在方向の延長上に水排出配管 8 4及びその水排出口
8 3が設けられている。 この水排出配管 8 4には水排出口 8 3の位置にフラ ンジ部 8 4 Αが形成されており、 このフランジ部 8 4 Aを介して排気排水弁
3 6 (図 1参照） に接合される。 気液分離器 8 0で水分が除去された水素オフガスは、 上部のガス排出配管 8 5から排出されることになり、 このガス排出配管 8 5の上端にはフランジ 部 8 5 Aが形成されている。 このフランジ部 8 5 Aに、 水分が除去された水 素オフガスを燃料電池 1 0に戻す循環ポンプ 3 8 (図 1参照）が接合される。 以上に述べた燃料電池システム 1の第 2実施形態によれば、 燃料電池スタ ック 5 1， 5 1から排出された水素オフガスの気液を分離する気液分離器 8 0をエンドプレート 5 2に固定したことにより、 燃料電池スタック 5 1 , 5 1の排熱を、 ェンドブレート 5 2を介して気液分離器 8 0に伝達させること で有効利用して、 気液分離器 8 0を良好に加熱することができる。 したがつ て、 気液分離器 8 0の内部の水分の凍結を抑制することができる。
また、 気液分離器 8 0は、 横方向に水排出口 8 3が設けられているため、 下側のトラクションモータとの干渉の関係から気液分離器 8 0の高さに制限 があっても、 水をためるケース 8 1の大きさを確保できる。 したがって、 排 気排出弁 3 6の開作動の間隔を長くできる。
しかも、 底部 9 5が全体として水排出口 8 3に向けて前下がりに傾斜して いるため、 横方向に水排出口 8 3を設けていても、 底部 9 5の傾斜によって 良好に水を水排出口 8 3に案内することができる。
さらに、 底部 9 5には、 下方に凹む凹部 9 6が底部 9 5の傾斜方向に沿つ て延在形成されており、 その延長上に水排出口 8 3が設けられているため、 溜まった水の量が少ない場合でも、 凹部 9 6によって水の高さを確保でき、 水排出口 8 3から水を排出する際に排出される水素オフガスの量を抑制でき る。
加えて、 凹部 9 6の傾斜角度ひ 1に対して底部 9 5における凹部 9 6以外 の側底部 1 0 0 , 1 0 1の傾斜角度 α 2が大きくされているため、 凹部 9 6 に溜められる水の容量を確保しつつ、 車両傾斜時でも側底部 1 0 0 , 1 0 1 で底部 9 5の全体としての傾斜状態を維持可能になる。 また、 凹部 9 6の底板部 9 8が半円筒状をなしているため、 加工性を維持 しつつ凹部 9 6の水の容量を確保できる。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積 層されてなり、 前記セルの積層方向両端部に配置された一対のェンドブレー トに狭持された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出されたオフガスの気液を分離する気液分離 器と、 を備え、
前記気液分離器が前記ェンドプレートに固定されている燃料電池システム。
2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離器は、 導入されたオフガスを旋回流とすることで液滴を分 離するリボン部を備え、 該リボン部が前記ェンドプレートに隣接配置されて いる燃料電池システム。
3 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離器のガス排出口に、 オフガスを前記燃料電池スタックに戻す 循環ポンプが、 配管を介して接続されており、
前記配管に、 9 0度を超える角度で折り返す折返部が設けられている燃料 電池システム。
4 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離器は、 横方向に水排出口が設けられ、 底部が前記水排出口に 向けて前下がりに傾斜している燃料電池システム。
5 . 請求項 4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記底部には、 下方に凹む凹部が該底部の傾斜方向に沿って延在形成され ており、 前記凹部の延長上に前記水排出口が設けられている燃料電池システ ム。
6 , 請求項 5に記載の燃料電池システムにおいて、
前記底部は、 前記凹部の傾斜角度に対して該凹部以外の側底部の傾斜角度 が大きくされている燃料電池システム。
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