JP2008066087A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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５０が複数積層されてなり、セル５０の積層方向両端部に配置された一対のエンドプレート５２に狭持された燃料電池スタック５１と、燃料電池スタック５１から排出されたオフガスの気液を分離する気液分離器３５と、を備えた燃料電池システムで、気液分離器３５をエンドプレート５２に固定する。これにより、燃料電池スタック５１の排熱を有効利用して気液分離器３５を加熱する。
【選択図】図３

Description

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。

近年、燃料ガスと酸化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ッ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、特許文献１参照）。
特開２００５−３３２６７６号公報

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エ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、該リボン部が前記エ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、９０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９０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。

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１０を備えるとともに、この燃料電池１０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２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給配管２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く排気配管２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排出配管２３とを備えている。空気供給配管２１には、大気中の酸化ガス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。

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３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給配管３１と、燃料電池１０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３２と、排気配管３２の水素オフガスを燃料供給配管３１に戻す循環配管３３と、を備えている。

燃料供給配管３１には、燃料電池１０に燃料ガスを供給するために、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３４が設けられている。この遮断弁付レギュレータ３４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３２には、燃料電池１０から排出された水素オフガスを循環配管３３を介して燃料電池１０に再供給するために、気液分離器３５が設けられている。この気液分離器３５は、燃料電池１０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３５には、排気排水弁３６が接続されており、この排気排水弁３６には、排出配管３７が接続されている。

排気排水弁３６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３５で回収した水分と、排気配管３２内の不純物を含む水素オフガスとを排出配管３７を介して外部に排出（パージ）するものである。

循環配管３３には、燃料電池１０から排出された循環配管３３内の水素オフガスを吸引し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１０から排出されるガスの循環を調整する循環ポンプ３８が設けられている。また、排出配管３７には水素オフガスを排出配管２３からの酸化オフガスで希釈するための希釈器３９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３０から燃料供給配管３１を介し遮断弁付レギュレータ３４で調整されて燃料電池１０に供給された水素ガスと、コンプレッサ２４による圧送で空気供給配管２１を介し加湿器２０で加湿されて燃料電池１０に導入された酸化ガスとが、燃料電池１０において電気化学反応を起こし、発電する。

また、燃料電池１０からの水素オフガスは、排気配管３２の気液分離器３５に導入され、循環ポンプ３８で循環配管３３を介して燃料供給配管３１に導入されて、再び燃料電池１０に導入される。さらに、適宜のタイミングで排気排水弁３６が開かれると、燃料電池１０からの水素オフガスは、気液分離器３５から排出配管３７を介して希釈器３９に導入され、この希釈器３９において、燃料電池１０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１０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５０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５１，５１と、これら燃料電池スタック５１，５１を単セル５０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５２，５３と、エンドプレート５２，５３を連結する図示略のテンションプレートとを有しており、スタックケース５４に収納される。

このようにスタックケース５４に収納された状態で、燃料電池１０は、単セル５０の積層方向を水平方向にすると共に、燃料電池スタック５１，５１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５４の下側には図示略のトラクションモータが配置されるため、スタックケース５４の高さは、スペースの都合上、このトラクショ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に示すように、上記した燃料電池１０の車両後方側のエンドプレート５２に、燃料電池スタック５１，５１から排出される水素オフガスの排出流路５５，５５が開口しており、これら排出流路５５，５５に、上記排気配管３２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３２の気液分離器３５がエンドプレート５２に固定されている。

気液分離器３５は、エンドプレート５２の直近に固定されるリボン部６０と、リボン部６０のエンドプレート５２とは反対側に一端側が接続されるとともに他端側がエンドプレート５２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６１と、配管６１の他端側に接続される分離部６２とを備えている。

リボン部６０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６５を有している。このハウジング６５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５２に固定可能なフランジ部６５Ａが形成されている。

そして、このフランジ部６５Ａ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６０がエンドプレート５２に気密的に固定される。このようにエンドプレート５２に固定された状態で、リボン部６０のハウジング６５内が排出流路５５，５５と連通する。

ハウジング６５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６７が固定されている。このリボン板６７は、軸方向に沿って螺旋状に捻られた旋回板部６７ａを有しており、この旋回板部６７ａの両側部がハウジング６５の内周面に固定されている。

このリボン板６７の一端部分（上流端部分）は、平板からなる分離板部６７ｂとされている。この分離板部６７ｂは、平面視にてハウジング６５を左右対象に分割するように、エンドプレート５２に形成された排出流路５５，５５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５５，５５からリボン部６０に送り込まれた水素オフガスは、リボン板６７の分離板部６７ｂによって、リボン板６７の螺旋状に捻られた旋回板部６７ａ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６７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６１を通って分離部６２に導入される。

図３に示すように、分離部６２は、配管６１の他端側が側面に接続される箱状のケース７０を有している。そして、このケース７０に配管６１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７０の内面で水滴となり下方へ流れてケース７０の底部に貯留される。

分離部６２のケース７０の配管６１とは反対側面のガス排出口７１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３３を構成する配管７２が接続されている。また、分離部６２とエンドプレート５２との間には、ハウジング６５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３６が設けられている。

配管７２は、パイプ部材からなるもので、ハウジング６５の側面からエンドプレート５２の面方向に沿って水平側方に延出する直線状部７２ａと、この直線状部７２ａの先端からエンドプレート５２の面方向に沿って上側に１８０度円弧状に湾曲する湾曲部（折返部）７２ｂと、湾曲部７２ｂの先端からエンドプレート５２の面方向に沿ってハウジング６５に近づく方向に水平に延出する直線状部７２ｃと、この直線状部７２ｃの先端からエンドプレート５２の面方向に沿って上方向に湾曲する湾曲部７２ｄとを有している。

そして、この湾曲部７２ｄの上端部に形成されたフランジ部７２ｅに、水素オフガスを燃料電池スタック５１，５１に戻す循環ポンプ３８がその下部において接続されている。ここで、湾曲部７２ｂは１８０度の半円状をなしており、配管７２を９０度の中心角を超える１８０度の中心角で折り返している。

なお、リボン部６０のハウジング６５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６７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６２のケース７０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５１，５１から排出されたオフガスの気液を分離する気液分離器３５をエンドプレート５２に固定したことにより、燃料電池スタック５１，５１の排熱を、エンドプレート５２を介して気液分離器３５に伝達させることで有効利用して、気液分離器３５を良好に加熱することができる。したがって、気液分離器３５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３５のリボン部６０がエンドプレート５２に隣接配置されているため、燃料電池スタック５１，５１とリボン部６０との距離を短縮でき、燃料電池スタック５１，５１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５２とリボン部６０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３５のリボン部６０と分離部６２とを別体とし、これらを配管６１を介して接続することで、リボン部６０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３５のガス排出口７１と循環ポンプ３８とを接続する配管７２に、９０度を超える１８０度で折り返す湾曲部７２ｂが設けられているため、気液分離器３５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７１から配管７２を介して循環ポンプ３８に送られる際に、湾曲部７２ｂでさらに気液分離されることになる。

よって、気液分離器３５で分離しきれなかった水分が循環ポンプ３８に流入することを抑制可能となる。ここで、湾曲部７２ｂ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３５の分離部６２に戻される。なお、配管７２は１８０度折り返さなくても９０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３５のガス排出口７１と循環ポンプ３８とを接続する配管７２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７２の途中で分離された水の液滴を気液分離器３５の分離部６２に良好に戻すことができる。

また、気液分離器３５からの配管７２が循環ポンプ３８に下側から接続されるため、循環ポンプ３８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３５のリボン部６０及び分離部６２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６１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３５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及び図７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８０は、横長箱状のケース８１と、ケース８１の長手方向の一端側の側面から延出するガス導入配管８２と、ケース８１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８３を横方向に開口させる水排出配管８４と、ケース８１の上面から延出するガス排出配管８５とを有している。

ケース８１は、略筒状をなす胴部８７と、胴部８７の両側の開口部を閉塞する側板部８８，８９とを有しており、これら胴部８７及び側板部８８，８９は、薄板をプレス成形することで形成されている。側板部８８にガス導入配管８２が、側板部８９に水排出配管８４が、胴部８７にガス排出配管８５が、それぞれ接続されている。なお、胴部８７には補強用のリブ９０が複数形成されている。

ガス導入配管８２の先端にはフランジ部８２Ａが形成されており、このフランジ部８２Ａで気液分離器８０がエンドプレート５２にボルト止め等で固定される。ガス導入配管８２は、フランジ部８２Ａからエンドプレート５２の面方向と垂直な方向に延出した後にエンドプレート５２の面方向に沿うように屈曲しており、この部分がケース８１の上部に接続されている。

ケース８１内には、ガス導入配管８２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９２と、フィルタ９２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９３とが設けられている。

気液分離器８０で水素オフガスから分離された水の液滴は、ケース８１の内面を伝ってケース８１の底部９５に流れ落ちることになる。胴部８７が一定板厚の薄板から形成されるため、底部９５も一定板厚であり、この底部９５は、エンドプレート５２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８２側から水排出配管８４、つまり、その先端の水排出口８３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８１の底部９５には、下方に凹む凹部９６が底部９５の傾斜方向に沿って延在形成されている。この凹部９６は、エンドプレート５２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９７，９７の下縁部を半円筒状の底板部９８でつないだ形状をなしており、ケース８１の底部９５はこの凹部９６と、凹部９６の上縁部から両側に延出する側底部１００，１０１とで構成されている。

ここで、凹部９６の底板部９８の正面視の傾斜角度α１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１００，１０１の正面視の傾斜角度α２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９５は凹部９６の傾斜角度α１に対して凹部９６以外の側底部１００，１０１の傾斜角度α２が大きくされている。

また、両側の側底部１００，１０１は、側面視でも、凹部９６側が低くなるように傾斜しており、この傾斜角度βも凹部９６の底板部９８と同じ第１所定角度に設定されている。

そして、凹部９６の延在方向の延長上に水排出配管８４及びその水排出口８３が設けられている。この水排出配管８４には水排出口８３の位置にフランジ部８４Ａが形成されており、このフランジ部８４Ａを介して排気排水弁３６（図１参照）に接合される。

気液分離器８０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８５から排出されることになり、このガス排出配管８５の上端にはフランジ部８５Ａが形成されている。このフランジ部８５Ａに、水分が除去された水素オフガスを燃料電池１０に戻す循環ポンプ３８（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５１，５１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８０をエンドプレート５２に固定したことにより、燃料電池スタック５１，５１の排熱を、エンドプレート５２を介して気液分離器８０に伝達させることで有効利用して、気液分離器８０を良好に加熱することができる。したがって、気液分離器８０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８０は、横方向に水排出口８３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８０の高さに制限があっても、水をためるケース８１の大きさを確保できる。したがって、排気排出弁３６の開作動の間隔を長くできる。

しかも、底部９５が全体として水排出口８３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８３を設けていても、底部９５の傾斜によって良好に水を水排出口８３に案内することができる。

さらに、底部９５には、下方に凹む凹部９６が底部９５の傾斜方向に沿って延在形成されており、その延長上に水排出口８３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９６によって水の高さを確保でき、水排出口８３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９６の傾斜角度α１に対して底部９５における凹部９６以外の側底部１００，１０１の傾斜角度α２が大きくされているため、凹部９６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１００，１０１で底部９５の全体としての傾斜状態を維持可能になる。

また、凹部９６の底板部９８が半円筒状をなしているため、加工性を維持しつつ凹部９６の水の容量を確保できる。

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。 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。 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、（ａ）は循環ポンプ等を略した平面図、（ｂ）は正面図である。 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。 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。 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。 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もので、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３５，８０…気液分離器、５０…単セル、５１…燃料電池スタック、５２，５３…エンドプレート、６０…リボン部、７１…ガス排出口、３８…循環ポンプ、７２…配管、７２ｂ…湾曲部（折返部）、８３…水排出口、９５…底部、９６…凹部、１００，１０１…側底部。

Claims (6)

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エ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燃料電池システム。
2. 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、該リボン部が前記エンドプレートに隣接配置されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 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、９０度を超える角度で折り返す折返部が設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 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請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 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請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 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請求項５に記載の燃料電池システム。

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