WO2013179704A1 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
WO2013179704A1
WO2013179704A1 PCT/JP2013/054999 JP2013054999W WO2013179704A1 WO 2013179704 A1 WO2013179704 A1 WO 2013179704A1 JP 2013054999 W JP2013054999 W JP 2013054999W WO 2013179704 A1 WO2013179704 A1 WO 2013179704A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
gas
manifold
flow path
mixed
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/054999
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
堀田　裕
道太郎 糸賀
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by トヨタ自動車株式会社 filed Critical トヨタ自動車株式会社
Priority to CN201380028865.2A priority Critical patent/CN104380512B/zh
Priority to DE112013002725.9T priority patent/DE112013002725B8/de
Priority to US14/403,270 priority patent/US9692064B2/en
Publication of WO2013179704A1 publication Critical patent/WO2013179704A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • a fuel cell system using a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (anode gas) and an oxidizing gas (cathode gas) as an energy source has attracted attention.
  • a fuel cell used in such a fuel cell system for example, it has a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked, and the fuel cell stack is sandwiched between end plates arranged at both ends in the cell stacking direction. Is known.
  • the fuel gas discharged from the fuel cell stack (hydrogen off gas) is returned to the fuel cell stack and supplied again.
  • the present applicant prevents the moisture contained in the fuel offgas from freezing at the junction of the fuel offgas and the newly supplied fuel gas, and facilitates auxiliary equipment in the fuel offgas circuit.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 proposes a fuel cell system in which a confluence portion and a part of a fuel off-gas circulation path are provided on an end plate.
  • the fuel cell system generally requires a high cooling capacity because the calorific value of the main body of the fuel cell stack and the auxiliary machinery is larger than that of, for example, an internal combustion engine system. In order to satisfy such requirements, it is desirable to increase the efficiency of exchanging heat generated in the fuel cell stack as much as possible.
  • the fuel cell system described in Patent Document 1 since the merge portion of the fuel off gas and the new fuel gas is provided in the manifold, the already heated relatively high temperature fuel off gas is converted into the fuel cell stack. It is further heated by the heat generated in step 1, and it is difficult to say that the heat exchange efficiency is sufficiently high.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the ice from flowing into the fuel cell stack even if the water in the fuel off-gas is frozen and ice is generated.
  • a fuel cell system includes a fuel cell having a stack body having a plurality of cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, and a fuel from a fuel supply source to the stack body.
  • the fuel gas off-circulation system includes a mixture containing fuel off-gas and fuel gas.
  • a mixed fuel gas flow path formed so that the fuel gas flows along the inner surface direction of a substantially plate-shaped manifold installed in the stack body, and one side of the manifold (for example, the outer surface side of the manifold: mixed fuel gas)
  • the fuel-off gas and the fuel gas are merged to obtain a mixed fuel gas.
  • a flow unit a substantially plate-shaped manifold installed in the stack body, and one side of the manifold (for example, the outer surface side of the manifold: mixed fuel gas)
  • the fuel off-gas discharged from the stack body is mixed with the newly supplied fuel gas at the junction, and the mixed fuel gas obtained thereby becomes the mixed fuel gas flow path. Flows in along the inner surface of the manifold and is inserted into the stack body. At this time, since the relatively high-temperature fuel off-gas and the relatively low-temperature fuel gas are mixed, the temperature of the mixed fuel gas generated at the joining portion is lower than the temperature of the fuel off-gas. And since the mixed fuel gas flows in the manifold, it is possible to take more heat generated in the stack body than the fuel off-gas before merging with the fuel gas flows in the manifold. As a result, the heat exchange efficiency is enhanced, and freezing of moisture contained in the fuel off gas can be further suppressed as compared with the conventional case.
  • the mixed fuel gas obtained at the merging portion flows along the inner surface direction of the manifold after passing through the merging portion, the distance of the mixed fuel gas passage is easily increased (longened). Therefore, even if ice derived from moisture in the fuel off-gas is generated in the mixed fuel gas flow path, the ice is easily melted until the mixed fuel gas reaches the stack body.
  • the mixed fuel gas flow path may be defined between the manifold and a terminal disposed adjacent to the manifold. This makes it easier to form the mixed fuel gas flow path so as to extend in a pipe shape and in the plane direction, so that the mixed fuel gas flowing through the mixed fuel gas flow path generates heat generated in the stack body. Makes it easier and more directly heated.
  • the temperature between the manifold (for example, the stack manifold) and the terminal is close (high) to the cell temperature, it is possible to more reliably prevent water from the fuel off-gas contained in the mixed fuel gas from being frozen.
  • “Terminal” means, for example, an electrical connection that is installed at the end of the stack, takes out the electricity generated by the stack, contacts the cell for current collection, and is equivalent or substantially equivalent to the cell. The member which has a plane part of the width of is shown.
  • the mixed fuel gas flow path is provided in the manifold, and the refrigerant supplied to the stack main body is discharged from the stack main body.
  • the refrigerant outlet flow path is provided in the manifold, and is supplied to the stack main body. It is also preferable to form the oxidant gas between the oxidant gas outlet flow path from which the oxidant gas is discharged from the stack body. In such a configuration, the temperature at the refrigerant outlet and the oxidizing gas outlet tends to be higher than other parts due to the exhaust heat from the stack body, so that the effect of preventing freezing of moisture contained in the mixed fuel gas is further enhanced. It is done.
  • the merging portion is provided in the vicinity of the manifold, it is possible to more reliably prevent water from the fuel off-gas contained in the mixed fuel gas from being frozen.
  • the fuel off-gas circulation system may have a pump for circulating the fuel off-gas, and the junction may be provided in the pump housing and downstream of the pump chamber outlet.
  • the heat transfer from the motor part of the pump for circulating the fuel off gas further enhances the effect of preventing freezing of water derived from the fuel off gas contained in the mixed fuel gas.
  • the mixed fuel gas flow path is extended from a portion corresponding to the central portion of the stack body to a fuel gas inlet flow path provided at the edge of the manifold.
  • the stack body may be singular (so-called one stack structure) or plural (for example, two stack structure), and when the stack body is composed of a required number of cells arranged in a row (that is, singular). May be read as “central part of the stack body” as “central part of the cell”.
  • the opposing area of the cell or the stack body particularly the opposing area of the central part of the cell or the stack body, is hotter than the outer peripheral part, so the mixed fuel gas is removed from the part corresponding to the central part of the stack body.
  • the inlet of the fuel off gas to the pump and the outlet of the mixed fuel gas from the pump are arranged on a vertical line or a substantially vertical line.
  • the vertical relationship between the pump chamber inlet and the pump chamber outlet is not particularly limited.
  • the pump chamber inlet may be disposed on the lower side and the pump chamber outlet may be disposed on the upper side. preferable. In this way, it is possible to effectively prevent water generated by condensation of water vapor in the fuel offgas in the flow path of the fuel offgas in the pump, and from the pump chamber after the pump is stopped. The drainage performance is improved.
  • the mixed fuel gas flow path may be formed such that its lowermost surface is positioned vertically below the lowermost surface of the pump chamber outlet flow path of the pump.
  • the mixed fuel gas flow path is formed such that its lowermost surface is positioned vertically below the lowermost surface of the mixed fuel gas inlet flow path provided in the manifold for supplying the mixed fuel gas to the stack body. May be. If comprised in this way, it will become possible to suppress the penetration
  • the present invention it is possible to remarkably improve the heat exchange efficiency when the fuel offgas and the new fuel gas are mixed and supplied to the stack body of the fuel cell, and in the fuel offgas. Even when the water freezes and ice is generated, it is possible to more reliably prevent the ice from flowing into the stack body.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing a preferred embodiment of a fuel cell system according to the present invention. It is a top view which shows the structure of a fuel cell stack roughly. It is a front view which shows the state by which the circulation electric pump was installed in the surface of the stack manifold. It is a front view which shows only the surface of a stack manifold (surface of the state which removed the circulation electric pump from the state shown in FIG. 3).
  • FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of a pump rotor portion of the circulating electric pump taken along line VV shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of a pump rotor portion of the circulating electric pump taken along line VI-VI shown in FIG. 3. It is a front view which shows the back surface of a stack manifold.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing a preferred embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • the fuel cell system 1 shown in the figure includes an in-vehicle power generation system in a vehicle such as a fuel cell vehicle, a power generation system for any moving body such as a ship, an aircraft, a train, or a walking robot, and a building (house, house, etc. It is applicable to a stationary power generation system or the like used as a power generation facility.
  • the fuel cell system 1 is a fuel having, for example, one fuel cell stack 10 (stack body) in which a required number of single cells that generate electric power by generating an electrochemical reaction by receiving an oxidant gas and a fuel gas are stacked.
  • a battery is provided.
  • a cathode-based oxidizing gas supply system 2 that adjusts the gas supply of air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 10 and a hydrogen gas supply as a fuel gas are adjusted.
  • An anode fuel gas supply system 3 and a refrigerant supply system 4 for cooling the fuel cell stack 10 are provided.
  • the oxidizing gas supply system 2 has a humidifier 20, an air supply pipe 21, an air discharge pipe 22, and a discharge pipe 23.
  • the air supply pipe 21 is for supplying the air humidified by the humidifier 20 to the fuel cell stack 10.
  • the air supply pipe 21 is provided with a compressor 24 that takes in air in the atmosphere and pumps it to the humidifier 20.
  • the air discharge pipe 22 is for leading the air off gas (oxidation off gas) discharged from the fuel cell stack 10 to the humidifier 20.
  • the exhaust pipe 23 is for leading the air off gas from the humidifier 20 to the outside.
  • the fuel gas supply system 3 includes a hydrogen tank 30 as a fuel supply source storing high-pressure hydrogen gas, a fuel supply pipe 31, and a circulation pipe 32.
  • the fuel supply pipe 31 is for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell stack 10.
  • the fuel supply pipe 31 is provided with a regulator 33 with a shutoff valve that cuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30 and adjusts the pressure of the hydrogen gas when allowed.
  • the circulation pipe 32 is for returning the hydrogen off-gas (fuel off-gas) discharged from the fuel cell stack 10 to the junction 32c in the fuel supply pipe 31 through the pipe 32b.
  • the hydrogen off-gas and the hydrogen gas from the hydrogen tank 30 are mixed in the junction 32 c, and the obtained mixed hydrogen gas (mixed fuel gas) passes through the fuel supply pipe 31.
  • the fuel cell stack 10 is configured to pass through.
  • a gas-liquid separator 34 for supplying the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell stack 10 to the fuel cell stack 10 again is provided in the piping 32b of the circulation pipe 32.
  • This gas-liquid separator 34 is for gas-liquid separation of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell stack 10, so that a part or most of the moisture contained in the hydrogen off-gas is recovered. It has become.
  • a discharge valve 36 is provided in the discharge pipe 35 connected to the gas-liquid separator 34.
  • This discharge valve 36 is operated by a command from a control device (not shown), and discharges the hydrogen off-gas containing moisture collected by the gas-liquid separator 34 and impurities in the circulation pipe 32 to the outside through the discharge pipe 35 (purge). ).
  • a circulation electric pump 37 (pump) for adjusting the circulation of the gas is provided.
  • the circulation electric pump 37 functions as a pump for fuel off-gas circulation.
  • the fuel off-gas circulation system is configured from the fuel gas supply system 3 excluding the hydrogen tank 30, the regulator 33 with the shutoff valve, the discharge pipe 35, and the discharge valve 36.
  • the refrigerant supply system 4 has a refrigerant pipe 41 communicating with the cooling flow path in each fuel cell stack 10.
  • the refrigerant pipe 41 is provided with a cooling pump 42 for circulating a refrigerant (for example, cooling water) and a radiator 43 for cooling the refrigerant discharged from the fuel cell stack 10.
  • a bypass pipe 44 that bypasses the radiator 43 is connected between the cooling pump 42 and the radiator 43, and the flow of the refrigerant to the radiator 43 and the bypass pipe 44 is adjusted at the connection portion.
  • a switching valve 45 is installed.
  • FIG. 2 is a plan view (top view) schematically showing the configuration of the fuel cell stack 10.
  • each of the fuel cell stacks 10 is configured by laminating a required number of single cells 11 as power generation units, and in a state where the stacking directions of the single cells 11 are arranged in parallel. , And sandwiched between a pair of end plates 12 and 13 having a long plate shape disposed at both ends in the stacking direction. The end plates 12 and 13 are connected to each other by a tension plate (not shown).
  • the fuel cell stack 10 sandwiched between the end plates 12 and 13 in this manner is housed in, for example, the stack case 14, and in this state, the fuel cell stack 10 is mounted in a horizontal direction in a vehicle body of the automobile. Installed.
  • the fuel cell stack 10 will be described on the basis of the posture when the fuel cell stack 10 is installed as such. That is, for example, in FIG. 2 and FIGS. 3 to 7 to be described later, the illustrated X axis indicates the horizontal direction in which the fuel cell stack 10 is installed, and the Y axis is provided with a plurality of single cells 11 arranged in parallel. The horizontal direction is indicated, and the Z-axis indicates a direction perpendicular to them, that is, a vertical direction.
  • a stack manifold 6 (manifold) having a substantially plate shape is provided between one end plate 12 and the fuel cell stack 10.
  • the stack manifold 6 includes a part of the circulation pipe 32, a regulator 33 with a shut-off valve, The gas-liquid separator 34, the discharge pipe 35, the discharge valve 36, and the circulation electric pump 37 are attached in an appropriate arrangement (in FIG. 2, only the circulation electric pump 37 is shown. ).
  • the circulation electric pump 37 includes an electric motor unit 50 that receives power supply and generates a rotational driving force, and a pump rotor unit 51 that rotates with the driving force of the electric motor unit 50 and sucks and discharges hydrogen off-gas.
  • the electric motor unit 50 and the pump rotor unit 51 are arranged in parallel in this direction so that the directions of the rotation axes coincide with each other, thereby forming a long shape in the direction of the rotation axis.
  • FIG. 3 is a front view showing a state in which the circulation electric pump 37 is installed on the surface 6a of the stack manifold 6.
  • FIG. 4 shows only the surface 6a of the stack manifold 6 (in other words, from the state shown in FIG. 3). It is a front view which shows the surface 6a) of the state which removed the circulation electric pump 37.
  • FIG. 4 shows only the surface 6a of the stack manifold 6 (in other words, from the state shown in FIG. 3). It is a front view which shows the surface 6a) of the state which removed the circulation electric pump 37.
  • the circulating electric pump 37 is directly connected to the surface 6a of the stack manifold 6 without a connection member such as a pipe or a relay member.
  • a hydrogen gas inlet 52 supplied from the hydrogen gas tank 30 is provided on the side wall of the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37.
  • the stack manifold 6 has an inlet 61 a for introducing hydrogen off gas from the fuel cell stack 10 to the pump rotor portion 51 at a position corresponding to the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37.
  • a lead-out port 61b for leading the mixed hydrogen gas (mixed fuel gas) obtained by mixing the hydrogen off gas and the newly supplied hydrogen gas in the pump rotor unit 51 to the fuel cell stack 10 is formed.
  • the pump rotor 51 of the circulation electric pump 37 has a pump chamber inlet 53a (fuel off-gas inlet to the pump) and a pump chamber outlet 53b (in a position corresponding to the inlet 61a and outlet 61b). The outlet of the mixed fuel gas from the pump is provided (indicated by arrows in FIG. 4).
  • FIG. 4 illustrates an aspect in which the pump chamber inlet 51a and the inlet 61a are provided on the lower side, and the pump chamber outlet 51b and the outlet 61b are provided on the upper side along the alternate long and short dash line Vz.
  • FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37 along the line VV shown in FIG. 3, and FIG. 6 shows the circulating electric pump 37 along the line VI-VI shown in FIG. It is a general
  • FIG. 7 is a front view showing the back surface 6 b of the stack manifold 6.
  • the pump rotor portion 51c fixed to the stack manifold 6 has a pump chamber outlet via a hydrogen gas G1 (fuel gas) supplied from the hydrogen gas tank 30 and a pump chamber 54 in the pump rotor portion 51c.
  • Hydrogen off-gas G2 (fuel off-gas) derived from 53b flows individually.
  • the hydrogen gas G1 and the hydrogen off gas G2 are merged and mixed on the downstream side of the pump chamber outlet 53b to obtain a mixed hydrogen gas G3 (mixed fuel gas).
  • the merging portion 32c described in FIG. 1 is in the housing of the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37 (inside the pump chamber 54), downstream from the pump chamber outlet 53b, and in the stack manifold 6. It is provided in the vicinity.
  • merging part 32c is arrange
  • the mixed hydrogen gas G ⁇ b> 3 thus obtained circulates in the pump chamber outlet flow path Rd extending in the Y direction from the pump chamber outlet 53 b provided on the side wall of the pump chamber 54.
  • the fuel is introduced from the outlet 61b of the stack manifold 6 to the mixed fuel gas flow path Rk.
  • the lowermost surface of the mixed fuel gas flow path Rk indicated by the dashed-dotted line Hk in the drawing is the lowermost surface of the pump chamber outlet flow path Rd indicated by the dashed-dotted line Hd in the drawing. It is formed so as to be positioned vertically downward.
  • the mixed fuel gas G3 introduced from the outlet 61b to the back surface 6b (inner surface; the surface facing the fuel cell stack 10) of the stack manifold 6 is mixed with the back surface 6b of the stack manifold 6;
  • a mixed fuel gas flow path Rk defined between terminals (not shown) of the fuel cell stack 10 arranged so as to be adjacent to the stack manifold 6 is arranged along the stack manifold 6 in a horizontal direction (not shown). In the X direction).
  • the mixed fuel gas flow path Rk is formed such that the mixed fuel gas G3 flows along the inner surface direction (X direction on the back surface 6b) of the substantially manifold plate manifold 6 installed in the fuel cell stack 10. Has been.
  • the mixed fuel gas flow path Rk communicates with the mixed fuel gas inlet flow path 62 formed at the edge of the stack manifold 6 at the end thereof, and the mixed hydrogen gas G3 is mixed with the mixed fuel gas inlet flow.
  • the fuel cell stack 10 is supplied from the opening of the passage 62.
  • the mixed fuel gas flow path Rk is a mixed fuel gas inlet flow path provided at the edge of the stack manifold 6 from a portion corresponding to the center of the fuel cell stack 10 (the outlet 61b of the stack manifold 6). It extends to 62.
  • the mixed fuel gas flow path Rk and the mixed fuel gas inlet flow path 62 are the mixed fuel indicated by the one-dot chain line H62 in FIG. It is formed so as to be positioned vertically below the lowermost surface of the gas inlet channel 62.
  • the stack manifold 6 includes a refrigerant outlet channel 64a for supplying a refrigerant to the fuel cell stack 10 by the refrigerant supply system 4, a refrigerant outlet channel 64b for discharging the refrigerant from the fuel cell stack 10, an oxidizing gas.
  • An oxidizing gas inlet channel 66a for supplying the oxidizing gas to the fuel cell stack 10 by the supply system 2 and an oxidizing gas outlet channel 66b for discharging the oxidizing gas from the fuel cell stack 10 are formed to be open. .
  • the mixed fuel gas flow path Rk is provided in the stack manifold 6 between the refrigerant outlet flow path 64b and the oxidizing gas outlet flow path 66b.
  • the hydrogen off-gas G2 discharged from the fuel cell stack 10 is mixed with the hydrogen gas G1 newly supplied from the hydrogen gas tank 30 at the junction 32c.
  • the mixed fuel gas G3 is obtained.
  • the mixed fuel gas G3 flows into the mixed fuel gas flow path Rk, flows along the inner surface direction of the stack manifold 6, and is inserted into the fuel cell stack 10.
  • the temperature of the mixed hydrogen gas G3 generated in the junction 32c is lower than the temperature of the hydrogen off-gas G2.
  • the relatively low temperature mixed hydrogen gas G3 in which the hydrogen off gas G2 and the hydrogen gas G1 are mixed flows through the stack manifold 6, so that the hydrogen off gas G2 before joining the hydrogen gas G1 flows through the stack manifold 6.
  • the heat exchange efficiency is increased, and it is possible to effectively prevent the moisture contained in the hydrogen off gas G2 from freezing.
  • the mixed hydrogen gas G3 obtained at the merging portion 32c in the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37 flows along the inner surface direction of the stack manifold 6 after passing through the merging portion 32c. It is possible to ensure a sufficiently large (long) distance of the flow path Rk. As a result, even if ice derived from moisture in the hydrogen off-gas G2 is generated in the mixed hydrogen gas flow path Rk, the ice is melted before the mixed hydrogen gas G3 reaches the fuel cell stack 10. There is an advantage that it is easy to make.
  • the mixed hydrogen gas flow path Rk is defined between the stack manifold 6 and a terminal disposed adjacent to the stack manifold 6 and extends in a pipe shape in the plane direction.
  • the mixed hydrogen gas G3 flowing through Rk is more easily heated more directly by the heat generated in the fuel cell stack 10, and the heat exchange efficiency can be further improved.
  • the temperature between the stack manifold 6 and the terminal is a high temperature close to the temperature of the single cell 11, so that the water derived from the hydrogen offgas G2 contained in the mixed hydrogen gas G3 is frozen. Can be prevented more reliably.
  • the mixed fuel gas flow path Rk is provided between the refrigerant outlet flow path 64b and the oxidizing gas outlet flow path 66b, and the opening of the refrigerant outlet flow path 64b in the stack manifold 6 and the oxidizing gas outlet flow path 66b. Since the temperature of the opening of the fuel cell stack 10 tends to become higher than that of other parts due to exhaust heat from the fuel cell stack 10, the effect of preventing freezing of moisture contained in the mixed hydrogen gas G2 can be further enhanced.
  • the merging portion 32c of the hydrogen gas G1 and the hydrogen off gas G2 is provided in the housing of the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37 (inside the pump chamber 54) and downstream of the pump chamber outlet 53b, The heat from the electric motor unit 50 of the circulating electric pump 37 is conducted to the housing of the pump rotor unit 51, so that the effect of preventing freezing of water derived from the hydrogen off-gas G2 contained in the mixed hydrogen gas G3 can be further enhanced. .
  • the fact that the joining portion 32c of the hydrogen gas G1 and the hydrogen off gas G2 is provided in the vicinity of the stack manifold 6 also more reliably prevents moisture from the fuel off gas G2 contained in the mixed hydrogen gas G3 from freezing. can do.
  • the mixed fuel gas flow path Rk extends from the portion corresponding to the central portion of the fuel cell stack 10 (the outlet 61a of the stack manifold 6) to the mixed fuel gas inlet flow path 62, the mixed hydrogen gas G3 is introduced into the fuel cell stack 10 from the facing region of the unit cell 11 and the fuel cell stack 10 that are relatively high temperature, in particular, from the facing region in the center of the single cell 11 and the fuel cell stack 10. Therefore, the effect of preventing freezing of moisture derived from the hydrogen off-gas G2 contained in the mixed hydrogen gas G3 can be further enhanced.
  • the circulating electric pump 37 is directly connected to the surface 6a of the stack manifold 6 without using a connecting member such as a pipe or a relay member, the assembling property of the circulating electric pump 37 to the stack manifold 6 is greatly increased. As a result, the economy can be improved by simplifying the structure and reducing the number of man-hours.
  • the pump chamber inlet 51a and the pump chamber outlet 51b are arranged on the vertical line or substantially on the vertical line, the water vapor in the hydrogen off gas G2 condenses in the flow path of the hydrogen off gas G2 in the circulating electric pump 37. Thus, it is possible to effectively prevent the generated moisture from staying. Thereby, after the circulation electric pump 37 stops, the drainage property from the pump chamber 54 of the pump rotor part 51 can be improved.
  • the mixed fuel gas flow path Rk and the mixed fuel gas inlet flow path 62 are such that the lowermost surface of the mixed fuel gas flow path Rk (the chain line Hk in FIGS. 6 and 7) is the uppermost position of the mixed fuel gas inlet flow path 62. Since it is configured to be positioned vertically below the lower surface (dashed line H62 in FIG. 7), from the mixed fuel gas flow path Rk into the pump chamber 54 of the pump rotor portion 51 of the circulating electric pump 37, and Intrusion of droplets (water droplets) into each single cell 11 of the fuel cell stack 10 can be effectively suppressed.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without changing the gist thereof.
  • the vertical relationship between the pump chamber inlet 51a and the pump chamber outlet 51b is not particularly limited, but considering the flow of fuel off gas, the pump chamber inlet 51a is disposed on the lower side as shown in FIG. It is preferable to arrange the outlet 51b on the upper side. Further, a single fuel cell stack may be used.
  • the present invention can remarkably improve the heat exchange efficiency when mixing the fuel offgas and new fuel gas and supplying them to the stack body of the fuel cell, and the moisture in the fuel offgas can be reduced. Even if ice is generated by freezing, it is possible to more reliably prevent the ice from flowing into the stack body, so that fuel cells in general, vehicles equipped with fuel cells, equipment, It can be used widely and effectively in systems, equipment, etc. and their production.
  • Fuel cell system 2 Oxidizing gas supply system 3: Fuel gas supply system (part of which also serves as a fuel off-gas circulation system) 4: Refrigerant supply system 6: Stack manifold (manifold) 6a: Surface 6b of stack manifold 6: Back surface of stack manifold 6: Fuel cell stack (stack body) 11: Single cell (cell) 12, 13: End plate 14: Stack case 20: Humidifier 21: Air supply pipe 22: Air discharge pipe 23: Discharge pipe 24: Compressor 30: Hydrogen tank (fuel supply source) 31: Fuel supply pipe 32: Circulation pipe 32b: Pipe 32c: Junction part 33: Regulator with shutoff valve 34: Gas-liquid separator 35: Discharge pipe 36: Discharge valve 37: Circulation electric pump (pump) 41: Refrigerant piping 42: Cooling pump 43: Radiator 44: Bypass piping 45: Switching valve 50: Electric motor unit 51: Pump rotor unit 52: Inlet 52 53a: Pump chamber inlet (fuel off gas in

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

　本発明による燃料電池システムは、セルを複数有するスタック本体を有する燃料電池に、燃料供給源から燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、燃料オフガスをスタック本体に再供給する燃料オフガス循環系を備えている。また、燃料ガスオフ循環系は、燃料オフガス及び燃料ガスを含む混合燃料ガスが、スタック本体に設置されたマニホールドの内面方向に沿って流れる混合燃料ガス流路と、マニホールドの一面側に配置され、且つ、燃料オフガスと燃料ガスが合流して上記混合燃料ガスが得られる合流部を有している。これにより、燃料オフガス及び燃料ガスへの熱交換効率を向上させることができ、また、燃料オフガス中の水分に起因する氷が燃料電池スタック内に流入してしまうことを防止することができる。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムに関する。
　近年、燃料ガス（アノードガス）と酸化ガス（カソードガス）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。かかる燃料電池システムに用いられる燃料電池として、例えば、単セルが複数積層された燃料電池スタックを有しており、且つ、その燃料電池スタックが、セル積層方向の両端に配置されたエンドプレートによって挟持されたものが知られている。
　また、このような燃料電池システムには、水素ガス等の燃料ガスを有効利用するべく、燃料電池スタックから排出された燃料オフガス（水素オフガス）を、燃料電池スタックに戻入して再供給する燃料ガス循環系（循環路）を備えるものがある。例えば、本出願人は、燃料オフガスに含まれる水分が燃料オフガスと新たに供給される燃料ガスとの合流部において凍結してしまうことを防止し、且つ、燃料オフガス循環路に補機類を容易に配置することを企図して、その合流部、及び燃料オフガス循環路の一部を、エンドプレートに設けた燃料電池システムを、特許文献１等に提案している。
特開２００８－１７１６５５号公報
　ところで、燃料電池システムは、一般に、燃料電池スタックの本体及び補機類の発熱量が、例えば内燃機関システム等に比して大きいため、高い冷却能力が要求される。かかる要求を満たすには、燃料電池スタックで発生した熱の交換効率を可能な限り高めることが望ましい。これに対し、特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料オフガスと新たな燃料ガスの合流部がマニホールド内に設けられているので、既に加温された比較的高温の燃料オフガスが、燃料電池スタックにおいて発生した熱によって更に加熱されることとなり、熱交換効率が十分に高いとは言い難い。
　また、特許文献１記載の燃料電池システムの構成では、燃料オフガスと新たな燃料ガスの合流部から燃料電池スタックまでの距離が短くなってしまうので、もし燃料オフガスに含まれる水分がその合流部において凍結して氷が生成されてしまった場合、その氷が燃料電池スタック内に混入してしまうことが懸念され得る。
　そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、循環供給される燃料オフガスと新たな燃料ガスを燃料電池のスタック本体に供給するときの熱交換効率を向上させることができ、また、燃料オフガス中の水分が仮に凍結して氷が生じてしまったとしても、その氷が燃料電池スタック内に流入してしまう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目的とする。
　上記課題を解決するために本発明に係る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を複数有するスタック本体を有する燃料電池と、燃料供給源からスタック本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、スタック本体から排出された燃料オフガスをスタック本体に再供給する燃料オフガス循環系とを備えており、その燃料ガスオフ循環系は、燃料オフガス及び燃料ガスを含む混合燃料ガスが、スタック本体に設置された略板状をなすマニホールドの内面方向に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、マニホールドの一面側（例えば、マニホールドの外面側：混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側）に配置され、且つ、燃料オフガスと燃料ガスとが合流して混合燃料ガスが得られる合流部とを有する。
　このように構成された燃料電池システムでは、スタック本体から排出された燃料オフガスは、合流部において、新たに供給される燃料ガスと混合され、それによって得られる混合燃料ガスが、混合燃料ガス流路内に流入し、マニホールドの内面方向に沿って流れ、スタック本体に挿通される。この際、比較的高温の燃料オフガスと比較的低温の燃料ガスが混合されるので、合流部で生じる混合燃料ガスの温度は、燃料オフガスの温度よりも低下する。そして、その混合燃料ガスがマニホールド内を流れることにより、燃料ガスと合流する前の燃料オフガスがマニホールド内を流通するよりも、スタック本体で生じる熱量をより多く奪うことができる。その結果、熱交換効率が高められ、燃料オフガスに含まれる水分が凍結することを、従来に比してより抑止することができる。
　また、合流部で得られた混合燃料ガスは、その合流部を通過した後、マニホールドの内面方向に沿って流れるので、混合燃料ガス流路の距離を大きく（長く）し易くなる。したがって、もし仮に混合燃料ガス流路において、燃料オフガス中の水分に由来する氷が生じたとしても、混合燃料ガスがスタック本体に到達するまでの間に、その氷を溶融させ易くなる。
　より具体的には、混合燃料ガス流路が、マニホールドと、それに隣接して配置されたターミナルとの間に画成されるようにしてもよい。このようにすれば、混合燃料ガス流路を、配管状に且つ面方向に延在させるように形成し易くなるので、混合燃料ガス流路を流通する混合燃料ガスが、スタック本体で生じた熱によって更に且つより直接的に加熱され易くなる。また、マニホールド（例えばスタックマニホールド）及びターミナル間の温度がセル温度に近く（高く）なっていることから、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。なお、「ターミナル」とは、例えばスタックの端部に設置され、スタックで発電した電気を外部へ取り出すための電気的な接続と、集電のためにセルと接触し且つセルと同等又は略同等の広さの平面部を有する部材を示す。
　この場合、混合燃料ガス流路を、マニホールドに設けられ、且つ、スタック本体に供給された冷媒がスタック本体から排出される冷媒出口流路と、マニホールドに設けられ、且つ、スタック本体に供給された酸化ガスがスタック本体から排出される酸化ガス出口流路との間に形成するように構成しても好適である。このような構成においては、冷媒出口及び酸化ガス出口の温度が、スタック本体からの排熱によって他部位よりも高温になる傾向にあるので、混合燃料ガスに含まれる水分の凍結防止効果が更に高められる。
　さらに、合流部をマニホールドの近傍に設けるようにしても、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。
　また、燃料オフガス循環系は、燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、合流部が、そのポンプのハウジング内且つポンプ室出口よりも下流に設けられていてもよい。この場合、燃料オフガス循環用のポンプのモータ部からの伝熱により、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結防止効果が一層高められる。
　さらに、混合燃料ガス流路は、スタック本体の中央部に対応する部位から、マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設されていても好適である。なお、スタック本体は、単数（いわゆる１スタック構造）でも複数（例えば２スタック構造）でもよく、スタック本体が一列に連設された所要数のセルから構成されている場合（つまり単数の場合）には、「スタック本体の中央部」を「セルの中央部」と読み替えてもよい。通常、セルやスタック本体の対向領域、特に、セルやスタック本体の中央部の対向領域は外周部に比して高温になるので、混合燃料ガスをスタック本体の中央部に対応する部位から、そのスタック本体へ導入することにより、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結防止効果が更に一層高められる。
　またさらに、燃料オフガス循環用のポンプが、マニホールドに直接（配管等を介さずに）接続されている構成を採用することができる。このようにすれば、ポンプとマニホールド間に配管等の接続部材又は中継部材を設ける必要がないので、組み付け性を大幅に向上させることができる。
　さらにまた、ポンプへの燃料オフガスの入口、及び、ポンプからの混合燃料ガスの出口が、鉛直線上又は略鉛直線上に配設されるとより好ましい。具体的には、例えば、マニホールドに設置するポンプのモータ軸を水平に配置し、燃料オフガスのポンプ室入口及びポンプ室出口を鉛直方向上下に設ける構成が挙げられる。この場合、ポンプ室入口及びポンプ室出口の上下関係は特に制限されないが、燃料オフガスの流通性を考慮すると、ポンプ室入口を下側に配置し、且つ、ポンプ室出口を上側に配置することが好ましい。このようにすれば、ポンプ内における燃料オフガスの流路に、燃料オフガス中の水蒸気が凝結して生成した水分が溜まってしまうことを効果的に抑止することができ、ポンプ停止後のポンプ室内からの排水性が高められる。
　より具体的には、混合燃料ガス流路は、その最下面が、ポンプのポンプ室出口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成されてもよい。
　或いは、混合燃料ガス流路は、その最下面が、スタック本体へ混合燃料ガスを供給するためにマニホールドに設けられた混合燃料ガス入口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成されてもよい。このように構成すれば、混合燃料ガス流路からポンプのポンプ室内、及び、スタック本体のセルへの液滴（水滴）の侵入を抑止することが可能となる。
　以上のことから、本発明によれば、燃料オフガスと新たな燃料ガスとを混合して燃料電池のスタック本体に供給する際の熱交換効率を格段に向上させることができるとともに、燃料オフガス中の水分が仮に凍結して氷が生じてしまった場合でも、その氷がスタック本体内に流入してしまうことをより確実に防止することが可能となる。
本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を示すシステム構成図である。 燃料電池スタックの構成を概略的に示す平面図である。 スタックマニホールドの表面に循環電動ポンプが設置された状態を示す正面図である。 スタックマニホールドの表面のみ（図３に示す状態から循環電動ポンプを取り外した状態の表面）を示す正面図である。 図３に示すＶ－Ｖ線における循環電動ポンプのポンプロータ部の概略部分断面図である。 図３に示すＶＩ－ＶＩ線における循環電動ポンプのポンプロータ部の概略部分断面図である。 スタックマニホールドの裏面を示す正面図である。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
　図１は、本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を示すシステム構成図である。同図に示す燃料電池システム１は、燃料電池自動車等の車両における車載発電システムや、船舶、航空機、電車、或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なものであり、ここでは、具体的に自動車用途のものとして説明する。
　燃料電池システム１は、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発電して電力を発生する単セルが所要数積層されてなる例えば１つの燃料電池スタック１０（スタック本体）を有する燃料電池を備える。また、燃料電池システム１には、それらの燃料電池スタック１０への酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の酸化ガス供給系２と、燃料ガスとしての水素ガスのガス供給を調整するアノード系の燃料ガス供給系３と、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒供給系４が設けられている。
　酸化ガス供給系２は、加湿器２０、空気供給配管２１、空気排出配管２２、及び排出配管２３を有している。これらのうち、空気供給配管２１は、加湿器２０により加湿された空気を燃料電池スタック１０へ供給するためのものである。この空気供給配管２１には、大気中の空気を取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。また、空気排出配管２２は、燃料電池スタック１０から排出された空気オフガス（酸化オフガス）を加湿器２０に導くためのものである。さらに、排出配管２３は、加湿器２０からの空気オフガスを外部へ導出するためのものである。
　一方、燃料ガス供給系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３０、燃料供給配管３１、及び循環配管３２を有している。これらのうち、燃料供給配管３１は、水素タンク３０からの水素ガスを燃料電池スタック１０へ供給するためのものである。また、燃料供給配管３１には、水素タンク３０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３３が設けられている。
　さらに、循環配管３２は、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を、配管３２ｂを通して燃料供給配管３１における合流部３２ｃに戻入するためのものである。このように、燃料電池システム１では、合流部３２ｃにおいて、水素オフガスと、水素タンク３０からの水素ガスとが混合され、そこで得られた混合水素ガス（混合燃料ガス）が、燃料供給配管３１を通って燃料電池スタック１０に供給されるように構成されている。
　また、循環配管３２の配管３２ｂには、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを再び燃料電池スタック１０へ供給するための気液分離器３４が設けられている。この気液分離器３４は、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを気液分離するためのものであり、これにより、水素オフガスに含まれる水分の一部又は大部分が回収されるようになっている。
　また、気液分離器３４に接続された排出配管３５には、排出弁３６が設けられている。この排出弁３６は、図示しない制御装置からの指令によって作動し、気液分離器３４で回収した水分、及び、循環配管３２内の不純物を含む水素オフガスを、排出配管３５を通して外部に排出（パージ）するためのものである。
　さらに、循環配管３２には、燃料電池スタック１０から排出された循環配管３２内の水素オフガスを吸引且つ加圧して燃料供給配管３１側へ吐出することにより、燃料電池スタック１０から排出される水素オフガスの循環を調整する循環電動ポンプ３７（ポンプ）が設けられている。このように、循環電動ポンプ３７は、燃料オフガス循環用のポンプとして機能する。
　以上説明したように、燃料ガス供給系３のうち、水素タンク３０、遮断弁付レギュレータ３３、排出配管３５、及び排出弁３６を除く部分から、燃料オフガス循環系が構成される。
　他方、冷媒供給系４は、各燃料電池スタック１０内の冷却流路に連通する冷媒配管４１を有している。この冷媒配管４１には、冷媒（例えば冷却水）を循環させるための冷却ポンプ４２、及び、燃料電池スタック１０から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３が設けられている。また、冷却ポンプ４２とラジエータ４３との間には、そのラジエータ４３をバイパスするバイパス配管４４が接続されており、その接続部位には、ラジエータ４３及びバイパス配管４４への冷媒の通流を調節する切替弁４５が設置されている。
　ここで、図２は、燃料電池スタック１０の構成を概略的に示す平面図（上面図）である。同図に示す如く、燃料電池スタック１０は、それぞれ、発電単位である単セル１１を所要数積層して構成されるものであり、単セル１１の積層方向を平行にして並設された状態で、その積層方向の両端部に配置された長尺板形状をなす一対のエンドプレート１２，１３で挟持されている。なお、これらのエンドプレート１２，１３は、図示しないテンションプレート等により互いに連結されている。
　このようにしてエンドプレート１２，１３で挟持された燃料電池スタック１０は、例えば、スタックケース１４に収納され、その状態で、燃料電池スタック１０が水平方向に載置された姿勢で自動車の車両本体に設置される。以下、特に断らない限り、燃料電池スタック１０がそのように設置されたときの姿勢を基準に説明する。すなわち、例えば、図２、及び、後述する図３乃至図７において、図示Ｘ軸は、燃料電池スタック１０が設置される水平方向を示し、Ｙ軸は、複数の単セル１１が並設される水平方向を示し、Ｚ軸は、それらに垂直な方向すなわち鉛直方向を示す。
　また、一方のエンドプレート１２と、燃料電池スタック１０との間には、略板形状をなすスタックマニホールド６（マニホールド）が設けられている。このスタックマニホールド６には、先述した燃料ガス供給系３（前述したとおり、その一部が燃料オフガス循環系を兼ねる。）の構成部品のうち、循環配管３２の一部、遮断弁付レギュレータ３３、気液分離器３４、排出配管３５、排出弁３６、及び循環電動ポンプ３７が適宜の配置で取り付けられている（なお、図２においては、これらのうち循環電動ポンプ３７のみ図示した。
）。
　循環電動ポンプ３７は、給電を受けて回転駆動力を発生させる電動モータ部５０と、この電動モータ部５０の駆動力で回転して水素オフガスを吸引し吐出するポンプロータ部５１とを有しており、これら電動モータ部５０とポンプロータ部５１とが互いの回転軸線方向を一致させてこの方向に並設されることで、この回転軸線方向に長い形状をなしている。
　次に、図３は、スタックマニホールド６の表面６ａに循環電動ポンプ３７が設置された状態を示す正面図であり、図４は、スタックマニホールド６の表面６ａのみ（言わば、図３に示す状態から循環電動ポンプ３７を取り外した状態の表面６ａ）を示す正面図である。
　図３に示すとおり、循環電動ポンプ３７は、スタックマニホールド６の表面６ａに、配管等の接続部材又は中継部材を介さずに直接接続されている。また、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の側壁には、水素ガスタンク３０から供給される水素ガスの導入口５２が設けられている。
　さらに、図４に示す如く、スタックマニホールド６には、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１に対応する位置に、水素オフガスを燃料電池スタック１０からポンプロータ部５１へ導入するための導入口６１ａと、ポンプロータ部５１で水素オフガスと新たに供給される水素ガスが混合されることによって得られる混合水素ガス（混合燃料ガス）を燃料電池スタック１０へ導出するための導出口６１ｂが形成されている。そして、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１には、それらの導入口６１ａ及び導出口６１ｂに対応する位置に、ポンプ室入口５３ａ（ポンプへの燃料オフガスの入口）、及び、ポンプ室出口５３ｂ（ポンプからの混合燃料ガスの出口）が設けられている（それぞれ図４に矢印で示す。）。
　ここで、導入口６１ａ及び導出口６１ｂ、延いてはポンプ室入口５１ａ及びポンプ室出口５１ｂは、鉛直線上又は略鉛直線上に配設される。図４では、鉛直線である一点鎖線Ｖｚに沿って、ポンプ室入口５１ａ及び導入口６１ａが下側に、且つ、ポンプ室出口５１ｂ及び導出口６１ｂが上側に設けられた態様を例示した。
　ここで、図５は、図３に示すＶ－Ｖ線における循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の概略部分断面図であり、図６は、図３に示すＶＩ－ＶＩ線における循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の概略部分断面図である。さらに、図７は、スタックマニホールド６の裏面６ｂを示す正面図である。
　図５に示すとおり、スタックマニホールド６に固定されたポンプロータ部５１ｃには、水素ガスタンク３０から供給された水素ガスＧ１（燃料ガス）と、ポンプロータ部５１ｃにおけるポンプ室５４を介してポンプ室出口５３ｂから導出された水素オフガスＧ２（燃料オフガス）とが、それぞれ個別に流入する。それらの水素ガスＧ１と水素オフガスＧ２は、ポンプ室出口５３ｂよりも下流側で合流して混合され、混合水素ガスＧ３（混合燃料ガス）が得られる。
　すなわち、図１で説明した合流部３２ｃが、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１のハウジング内（ポンプ室５４の内部）で、且つ、ポンプ室出口５３ｂよりも下流で、且つ、スタックマニホールド６の近傍に設けられている。そして、その合流部３２ｃを有する循環電動ポンプ３７が、スタックマニホールド６の外面側（表面６ａ側；後述する混合燃料ガス流路Ｒｋが形成された裏面６ｂの反対面側）に配置されている。
　このようにして得られた混合水素ガスＧ３は、図６に示すように、ポンプ室５４の側壁に設けられたポンプ室出口５３ｂからＹ方向に延びるポンプ室出口流路Ｒｄ内を流通し、一旦流下した後、スタックマニホールド６の導出口６１ｂから混合燃料ガス流路Ｒｋへ導入される。ここで、混合燃料ガス流路Ｒｋ及びポンプ室出口流路Ｒｄは、図示一点鎖線Ｈｋで示す混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面が、図示一点鎖線Ｈｄで示すポンプ室出口流路Ｒｄの最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される。
　次に、図７に示す如く、導出口６１ｂからスタックマニホールド６の裏面６ｂ（内面；燃料電池スタック１０と対向する面）側へ導入された混合燃料ガスＧ３は、スタックマニホールド６の裏面６ｂと、そのスタックマニホールド６に隣接するように配置された燃料電池スタック１０のターミナル（図示せず）との間に画成された混合燃料ガス流路Ｒｋを、スタックマニホールド６に沿って例えば水平方向（図示Ｘ方向）に流通する。このように、混合燃料ガス流路Ｒｋは、燃料電池スタック１０に設置された略板状をなすスタックマニホールド６の内面方向（裏面６ｂにおけるＸ方向）に沿って混合燃料ガスＧ３が流れるように形成されている。
　また、混合燃料ガス流路Ｒｋは、その終端において、スタックマニホールド６の縁部に開口形成された混合燃料ガス入口流路６２に連通しており、混合水素ガスＧ３は、その混合燃料ガス入口流路６２の開口から燃料電池スタック１０内へ供給される。このように、混合燃料ガス流路Ｒｋは、燃料電池スタック１０の中央部に対応する部位（スタックマニホールド６の導出口６１ｂ）から、スタックマニホールド６の縁部に設けられた混合燃料ガス入口流路６２まで延設されている。また、混合燃料ガス流路Ｒｋ及び混合燃料ガス入口流路６２は、図６及び図７において一点鎖線Ｈｋで示す混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面が、図７において一点鎖線Ｈ６２で示す混合燃料ガス入口流路６２の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される。
　加えて、スタックマニホールド６には、冷媒供給系４によって燃料電池スタック１０に冷媒を供給するための冷媒出口流路６４ａ、その冷媒が燃料電池スタック１０から排出される冷媒出口流路６４ｂ、酸化ガス供給系２によって燃料電池スタック１０に酸化ガスを供給するための酸化ガス入口流路６６ａ、及び、その酸化ガスが燃料電池スタック１０から排出される酸化ガス出口流路６６ｂが、開口形成されている。そして、図７に示す如く、混合燃料ガス流路Ｒｋは、スタックマニホールド６において、それらの冷媒出口流路６４ｂと酸化ガス出口流路６６ｂとの間に設けられている。
　このように構成された燃料電池システム１によれば、上述したとおり、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスＧ２が、合流部３２ｃにおいて、水素ガスタンク３０から新たに供給される水素ガスＧ１と混合されて、混合燃料ガスＧ３が得られる。この混合燃料ガスＧ３は、混合燃料ガス流路Ｒｋ内に流入し、スタックマニホールド６の内面方向に沿って流れ、燃料電池スタック１０に挿通される。その際、比較的高温の水素オフガスＧ２と比較的低温の水素ガスＧ１が混合されるので、合流部３２ｃで生成する混合水素ガスＧ３の温度は、水素オフガスＧ２の温度より低下する。
　このように水素オフガスＧ２と水素ガスＧ１が混合された比較的低温の混合水素ガスＧ３がスタックマニホールド６内を流通することにより、水素ガスＧ１と合流する前の水素オフガスＧ２がスタックマニホールド６内を流通する場合に比して、燃料電池スタック１０で生じる熱量をより多く奪うことができる。その結果、熱交換効率が高められ、水素オフガスＧ２に含まれる水分が凍結することを効果的に抑止することが可能となる。
　また、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１内の合流部３２ｃで得られた混合水素ガスＧ３は、その合流部３２ｃを通過した後、スタックマニホールド６の内面方向に沿って流れるので、混合水素ガス流路Ｒｋの距離を十分に大きく（長く）確保することが可能となる。これにより、もし仮に混合水素ガス流路Ｒｋにおいて、水素オフガスＧ２中の水分に由来する氷が生じたとしても、混合水素ガスＧ３が燃料電池スタック１０に到達するまでの間に、その氷を溶融させ易くなる利点がある。
　また、混合水素ガス流路Ｒｋが、スタックマニホールド６と、それに隣接して配置されたターミナルとの間に画成されており、配管状に且つ面方向に延在するので、混合水素ガス流路Ｒｋを流通する混合水素ガスＧ３が、燃料電池スタック１０で生じた熱によって更に且つより直接的に加熱され易くなり、熱交換効率を更に向上させることができる。しかも、燃料電池システム１の運転中は、スタックマニホールド６及びターミナル間の温度が、単セル１１の温度に近い高温になっているので、混合水素ガスＧ３に含まれる水素オフガスＧ２由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。
　さらに、混合燃料ガス流路Ｒｋが、冷媒出口流路６４ｂと酸化ガス出口流路６６ｂとの間に設けられており、スタックマニホールド６における冷媒出口流路６４ｂの開口部及び酸化ガス出口流路６６ｂの開口部の温度は、燃料電池スタック１０からの排熱によって他の部位よりも高温になる傾向にあるので、混合水素ガスＧ２に含まれる水分の凍結防止効果を更に一層高めることができる。
　またさらに、水素ガスＧ１と水素オフガスＧ２の合流部３２ｃが、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１のハウジング内（ポンプ室５４の内部）且つポンプ室出口５３ｂよりも下流に設けられているので、ポンプロータ部５１のハウジングに、循環電動ポンプ３７の電動モータ部５０からの熱が伝導することにより、混合水素ガスＧ３に含まれる水素オフガスＧ２由来の水分の凍結防止効果をより一層高めることができる。加えて、水素ガスＧ１と水素オフガスＧ２の合流部３２ｃが、スタックマニホールド６の近傍に設けられていることによっても、混合水素ガスＧ３に含まれる燃料オフガスＧ２由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。
　また、混合燃料ガス流路Ｒｋが、燃料電池スタック１０の中央部に対応する部位（スタックマニホールド６の導出口６１ａ）から、混合燃料ガス入口流路６２まで延設されているので、混合水素ガスＧ３が、比較的高温である単セル１１や燃料電池スタック１０の対向領域、特に、単セル１１や燃料電池スタック１０の中央部の対向領域から、燃料電池スタック１０内へ導入される。よって、混合水素ガスＧ３に含まれる水素オフガスＧ２由来の水分の凍結防止効果を殊更に高めることができる。
　さらに、循環電動ポンプ３７が、スタックマニホールド６の表面６ａに、配管等の接続部材又は中継部材を介さずに直接接続されているので、循環電動ポンプ３７のスタックマニホールド６への組み付け性を大幅に向上させることができ、その結果、構造の簡略化と工数の低減により経済性を向上させることもできる。
　またさらに、ポンプ室入口５１ａ及びポンプ室出口５１ｂが、鉛直線上又は略鉛直線上に配設されているので、循環電動ポンプ３７内における水素オフガスＧ２の流路に、水素オフガスＧ２中の水蒸気が凝結して生成した水分が滞留してしまうことを効果的に抑止することができる。これにより、循環電動ポンプ３７停止後において、ポンプロータ部５１のポンプ室５４内からの排水性を高めることができる。
　さらにまた、混合燃料ガス流路Ｒｋ及び混合燃料ガス入口流路６２は、混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面（図６及び図７における一点鎖線Ｈｋ）が、混合燃料ガス入口流路６２の最下面（図７における一点鎖線Ｈ６２）よりも鉛直下方に位置するように構成されているので、混合燃料ガス流路Ｒｋから循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１のポンプ室５４内への、及び、燃料電池スタック１０の各単セル１１への液滴（水滴）の侵入を有効に抑止することができる。
　なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ポンプ室入口５１ａ及びポンプ室出口５１ｂの上下関係は特に制限されないが、燃料オフガスの流通性を考慮すると、図４に示す如く、ポンプ室入口５１ａを下側に配置し、且つ、ポンプ室出口５１ｂを上側に配置することが好ましい。また、燃料電池スタックは単一でもよい。
　以上説明したとおり、本発明は、燃料オフガスと新たな燃料ガスとを混合して燃料電池のスタック本体に供給する際の熱交換効率を格段に向上させることができるとともに、燃料オフガス中の水分が仮に凍結して氷が生じてしまった場合でも、その氷がスタック本体内に流入してしまうことをより確実に防止することが可能となるので、燃料電池全般、燃料電池を備える車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。
１：燃料電池システム
２：酸化ガス供給系
３：燃料ガス供給系（一部が燃料オフガス循環系を兼ねる）
４：冷媒供給系
６：スタックマニホールド（マニホールド）
６ａ：スタックマニホールド６の表面
６ｂ：スタックマニホールド６の裏面
１０：燃料電池スタック（スタック本体）
１１：単セル（セル）
１２，１３：エンドプレート
１４：スタックケース
２０：加湿器
２１：空気供給配管
２２：空気排出配管
２３：排出配管
２４：コンプレッサ
３０：水素タンク（燃料供給源）
３１：燃料供給配管
３２：循環配管
３２ｂ：配管
３２ｃ：合流部
３３：遮断弁付レギュレータ
３４：気液分離器
３５：排出配管
３６：排出弁
３７：循環電動ポンプ（ポンプ）
４１：冷媒配管
４２：冷却ポンプ
４３：ラジエータ
４４：バイパス配管
４５：切替弁
５０：電動モータ部
５１：ポンプロータ部
５２：導入口５２
５３ａ：ポンプ室入口（ポンプへの燃料オフガスの入口）
５３ｂ：ポンプ室出口（ポンプからの混合燃料ガスの出口）
５４：ポンプ室
６１ａ：導入口
６１ｂ：導出口
６２：混合燃料ガス入口流路
６４ａ：冷媒入口流路
６４ｂ：冷媒出口流路
６６ａ：酸化ガス入口流路
６６ｂ：酸化ガス出口流路
Ｇ１：水素ガス（燃料ガス）
Ｇ２：水素オフガス（燃料オフガス）
Ｇ３：混合水素ガス（混合燃料ガス）
Ｈｄ：ポンプ室出口流路Ｒｄの最下面
Ｈｋ：混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面
Ｈ６２：混合燃料ガス入口流路６２の最下面
Ｒｄ：ポンプ室出口流路
Ｒｋ：混合燃料ガス流路

Claims (10)

  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を複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
    　燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
    　前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
    を備えており、
    　前記燃料ガスオフ循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体に設置された略板状をなすマニホールドの内面方向に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記マニホールドの一面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有する、
    燃料電池システム。
  2. 　前記混合燃料ガス流路は、前記マニホールドと、該マニホールドに隣接して配置されたターミナルとの間に画成される、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 　前記混合燃料ガス流路は、前記マニホールドに設けられ、且つ、前記スタック本体に供給された冷媒が該スタック本体から排出される冷媒出口流路と、前記マニホールドに設けられ、且つ、前記スタック本体に供給された前記酸化ガスが該スタック本体から排出される酸化ガス出口流路と、の間に形成される、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 　前記合流部は、前記マニホールドの近傍に設けられている、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  5. 　前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、
    　前記合流部は、前記ポンプのハウジング内且つポンプ室出口よりも下流に設けられている、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 　前記混合燃料ガス流路は、前記スタック本体の中央部に対応する部位から、前記マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設されている、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  7. 　前記ポンプは、前記マニホールドに直接（配管等を介さずに）接続されている、
    請求項５記載の燃料電池システム。
  8. 　前記ポンプへの前記燃料オフガスの入口、及び、前記ポンプからの前記混合燃料ガスの出口が、鉛直線上又は略鉛直線上に配設される、
    請求項５記載の燃料電池システム。
  9. 　前記混合燃料ガス流路は、該混合燃料ガス流路の最下面が、前記ポンプのポンプ室出口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される、
    請求項５記載の燃料電池システム。
  10. 　前記混合燃料ガス流路は、該混合燃料ガス流路の最下面が、前記スタック本体へ前記混合燃料ガスを供給するために前記マニホールドに設けられた混合燃料ガス入口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される、
    請求項６記載の燃料電池システム。
PCT/JP2013/054999 2012-06-01 2013-02-26 燃料電池システム WO2013179704A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201380028865.2A CN104380512B (zh) 2012-06-01 2013-02-26 燃料电池系统
DE112013002725.9T DE112013002725B8 (de) 2012-06-01 2013-02-26 Brennstoffzellensystem
US14/403,270 US9692064B2 (en) 2012-06-01 2013-02-26 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012125923A JP5733578B2 (ja) 2012-06-01 2012-06-01 燃料電池システム
JP2012-125923 2012-06-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013179704A1 true WO2013179704A1 (ja) 2013-12-05

Family

ID=49672920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/054999 WO2013179704A1 (ja) 2012-06-01 2013-02-26 燃料電池システム

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9692064B2 (ja)
JP (1) JP5733578B2 (ja)
CN (1) CN104380512B (ja)
DE (1) DE112013002725B8 (ja)
WO (1) WO2013179704A1 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101683992B1 (ko) 2014-10-29 2016-12-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 매니폴더 장치
KR101714295B1 (ko) * 2016-01-06 2017-03-09 현대자동차주식회사 연료전지
JP6788836B2 (ja) * 2016-12-05 2020-11-25 スズキ株式会社 燃料電池船
JP6819252B2 (ja) 2016-12-05 2021-01-27 スズキ株式会社 燃料電池船
JP7006365B2 (ja) * 2018-02-23 2022-02-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7152241B2 (ja) * 2018-10-12 2022-10-12 株式会社Soken 流体合流継手
JP2020119850A (ja) * 2019-01-28 2020-08-06 株式会社豊田自動織機 燃料電池
EP4027054A4 (en) * 2019-09-04 2022-11-02 NISSAN MOTOR Co., Ltd. COMBUSTION CHAMBER AND FUEL CELL SYSTEM WITH IT

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001143734A (ja) * 1999-11-12 2001-05-25 Isuzu Motors Ltd 燃料電池組立体
JP2007141780A (ja) * 2005-11-22 2007-06-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008016402A (ja) * 2006-07-10 2008-01-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010186730A (ja) * 2009-01-14 2010-08-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008171655A (ja) 2007-01-11 2008-07-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4403563B2 (ja) 2008-06-10 2010-01-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の車載構造

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001143734A (ja) * 1999-11-12 2001-05-25 Isuzu Motors Ltd 燃料電池組立体
JP2007141780A (ja) * 2005-11-22 2007-06-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008016402A (ja) * 2006-07-10 2008-01-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010186730A (ja) * 2009-01-14 2010-08-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
US20150111116A1 (en) 2015-04-23
DE112013002725T5 (de) 2015-03-05
JP5733578B2 (ja) 2015-06-10
DE112013002725B8 (de) 2021-10-28
DE112013002725B4 (de) 2021-09-09
CN104380512B (zh) 2016-10-12
JP2013251178A (ja) 2013-12-12
US9692064B2 (en) 2017-06-27
CN104380512A (zh) 2015-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5733578B2 (ja) 燃料電池システム
CN108011116B (zh) 燃料电池系统以及车辆
US9079508B2 (en) Fuel cell vehicle
JP4670544B2 (ja) 燃料電池システム
US9156331B2 (en) Air-cooled fuel cell vehicle
US9882230B2 (en) Fuel cell stack
US8241806B2 (en) Fuel cell system
US8883362B2 (en) Fuel cell system
US10207597B2 (en) Fuel cell system as well as vehicle having such a fuel cell system
US10516178B2 (en) Fuel cell system and method for recirculating water in a fuel cell system
CN112635792B (zh) 燃料电池系统
CN112018410B (zh) 燃料电池系统
WO2014136553A1 (en) Fuel cell system
JP2007242280A (ja) 燃料電池システム
JP2008269844A (ja) 燃料電池システム
US11652222B2 (en) Fuel cell system
US10998570B2 (en) Fuel cell vehicle
US8647786B2 (en) Fuel cell system
US11552307B2 (en) Fuel cell system
JP2005032685A (ja) 燃料電池システム
JP2008251439A (ja) 燃料電池システム
JP2008277198A (ja) 燃料電池コージェネレーション装置
JP4925078B2 (ja) 固体高分子形燃料電池
CN219066856U (zh) 燃料电池系统
JP2019021545A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13796954

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14403270

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120130027259

Country of ref document: DE

Ref document number: 112013002725

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13796954

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1