JP7154021B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックとドレイン弁を含んで構成される燃料電池システムに関する。

周知の通り、燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード電極に対して燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給・排出するための燃料ガス供給流路・燃料ガス排出流路や、カソード電極に対して酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）を供給・排出するための酸化剤ガス供給流路・酸化剤ガス排出流路等を含んで構成される。このような構成において、例えば、燃料ガス供給流路又は燃料ガス排出流路が何らかの理由によって閉塞したとき、該流路内の圧力が上昇する。

過度の圧力上昇（圧力異常）が起こることを回避するべく、燃料電池システムには、圧力リリーフ弁（例えば、特許文献１参照）又は圧力スイッチが設けられる。前記流路内が所定の圧力まで上昇したとき、圧力リリーフ弁が開弁して燃料ガスが流路外に導出されるか、又は、圧力スイッチがＯＦＦとされて燃料ガスの供給が停止される。その後、流路内の圧力が所定の許容値を下回ると、圧力リリーフ弁が閉弁するか、又は、圧力スイッチがＯＮとされて燃料ガスの供給が再開される。

特開２００７－３１７５９７号公報

圧力リリーフ弁としては、圧力を可及的に短時間で低減するべく大流量のものが採用される。しかしながら、圧力リリーフ弁は、容量が大きなものほど公差バラツキが大きい。このため、一旦開弁すると流路内の圧力が急激に低下することがあり得る。すなわち、流路内の圧力を所望の範囲内に保つことが容易ではない。

また、圧力スイッチを用いた場合、該圧力スイッチがＯＦＦとなった後も残圧によって燃料ガスが供給される。このため、流路内の圧力が一層高くなる懸念がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、反応ガスが流通する流路内の圧力を管理することが容易な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、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ドレイン水の排出と排出停止を切り換えるドレイン弁とを有する燃料電池システムにおいて、
前記ドレイン弁は、所定の圧力が弁体に付与されることで自動的に開弁する一方、圧力が所定値を下回ることで自動的に閉弁する圧力リリーフ弁である燃料電池システムが提供される。

すなわち、本発明においては、ドレイン水を排出するドレイン弁が圧力リリーフ弁としても機能する。ドレイン弁の流量は比較的少なく、このため、公差バラツキが小さい。従って、閉状態から開弁したとき、又は開状態から閉弁したときの圧力変動が小さくなる。その結果として、反応ガスの流通経路内の圧力を所望の範囲内に保つことが容易となる。換言すれば、圧力の管理が容易である。

圧力リリーフ弁としても機能するドレイン弁は、気液分離器に接続される排水流路を開放又は閉止可能な位置（例えば、ドレイン口）に設ければよい。なお、気液分離器は、燃料電池スタックから排出された反応ガスと水分の気液二相流を、反応ガスと水分に分離するとともに、分離された水分を一時的に貯留するためのものである。

又は、燃料電池スタックにドレイン水（生成水や結露水）を流通させるためのドレイン通路が形成されているときには、このドレイン通路の出口にドレイン弁を設けるようにしてもよい。なお、ドレイン通路の出口の開放又は閉止には、ドレイン通路に接続された排水流路の開放又は閉止が含まれる。該排水流路が開放又は閉止されることに伴って、ドレイン通路の出口も開放又は閉止されるからである。

勿論、気液分離器に接続される排水流路を開閉するドレイン弁と、ドレイン通路の出口を開閉するドレイン弁との双方を設けるようにしてもよい。

いずれの場合においても、反応ガスの流通経路に、ドレイン弁とは別の圧力リリーフ弁を設けることが好ましい。この場合、圧力リリーフ弁として、その開弁圧力がドレイン弁に比して高圧であるものを選定する。これにより、ドレイン弁が開弁してもなお反応ガスの流通経路の圧力が低下しないときには、圧力リリーフ弁が開弁することで圧力を低下させることができる。

ここで、圧力リリーフ弁としては、開弁圧力ないし流量が比較的小さいものを選定することができる。ドレイン弁が開弁することで圧力が十分に低下するからである。すなわち、公差バラツキが小さいものを採用することができるので、反応ガスの流通経路内の圧力を管理することが一層容易となる。

圧力リリーフ弁に代替し、圧力スイッチを設けるようにしてもよい。なお、圧力スイッチとしては、ドレイン弁の開弁圧力に比して作動圧力が高いものが選定される。この場合、ドレイン弁が開弁してもなお反応ガスの流通経路の圧力が低下しないときには、圧力スイッチが作動してＯＮ状態となることで圧力を低下させることができる。上記と同様の理由から、圧力スイッチとしては作動圧力が小さいものを選定することができるので、ＯＮからＯＦＦに切り換わったときの残圧が小さくなる。従って、圧力スイッチのＯＦＦ後に圧力が上昇することが抑制される。

ドレイン弁は、例えば、燃料ガスの流通経路、すなわち、燃料電池スタックのアノード電極に燃料ガスを供給する供給経路、又はアノード電極から燃料ガスを排出する排出経路側反応ガス排出流路等に設けることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックからのドレイン水の排出・排出停止を切り換えるドレイン弁を、圧力リリーフ弁としても機能させるようにしている。これにより、該ドレイン弁が閉状態から開弁したとき、又は開状態から閉弁したときの圧力変動が小さくなるので、反応ガスの流通経路内の圧力を所望の範囲内に保つことが容易となる。換言すれば、圧力の管理が容易である。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図２の燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの積層方向に沿う概略側面断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０ａの概略構成図である。この燃料電池システム１０ａは、図示しない単位セルが複数個積層されることで構成された燃料電池スタック１２ａを有する。個々の単位セルは、例えば、固体高分子膜からなる電解質と、該電解質を挟んで対向するアノード電極及びカソード電極を有する電解質・電極構造体が一対のセパレータで挟持されることで構成される。

アノード電極に臨むアノード側セパレータには水素流路が形成され、カソード電極に臨むカソード側セパレータには空気流路が形成される。また、燃料電池スタック１２ａの内部には、その積層方向に沿って延在する燃料ガス供給連通孔１４ａ、燃料ガス排出連通孔１４ｂ、酸化剤ガス供給連通孔１６ａ、酸化剤ガス排出連通孔１６ｂが形成される。なお、以上の構成は周知であることから、図示及び詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１０ａは、さらに、燃料ガス供給連通孔１４ａを介して水素流路に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給流路１８（燃料ガス供給流路）と、水素流路から燃料ガス排出連通孔１４ｂを介して排水素ガスを排出するための水素排出流路２０（燃料排ガス排出流路）とを有する。この中、水素供給流路１８には、燃料ガスとしての高圧水素を貯留した水素タンク２２が接続される。

水素供給流路１８は二叉に分岐しており、このため、水素供給流路１８は、第１分岐路２３ａ、第２分岐路２３ｂを含む。これら第１分岐路２３ａ、第２分岐路２３ｂには、それぞれ、第１インジェクタ２４ａ、第２インジェクタ２４ｂが設けられる。第１分岐路２３ａ、第２分岐路２３ｂは、第１インジェクタ２４ａ、第２インジェクタ２４ｂの下流側で合流して合流路２６となり、該合流路２６にエジェクタ２８が設けられる。

エジェクタ２８の下流側には、圧力リリーフ弁３０が配設される。該圧力リリーフ弁３０は、水素供給流路１８、水素流路、水素排出流路２０（以上を総括して「アノード系流路」とも表記する）のいずれかが閉塞し、アノード系流路内の圧力が所定値まで上昇したときに開弁する。

一方の水素排出流路２０には、気液分離器３２が接続される。この気液分離器３２から出発する循環流路３４は、前記エジェクタ２８に接続される。また、気液分離器３２の底部にはドレイン口が形成されるとともに、該ドレイン口にドレイン弁３６が設けられる。気液分離器３２内の水分は、ドレイン口からドレイン弁３６を介して排水流路３８に排出される。

ここで、ドレイン弁３６は、ソレノイド部に通電を行うことで開弁が可能な電磁弁であると同時に、所定の圧力が弁体に作用したときに開弁する圧力リリーフ弁としても構成されている。すなわち、ドレイン弁３６は、ソレノイド部に通電がなされることにより、又は、弁体に圧力が付与されることにより、開弁する。

なお、上記したように、ドレイン弁３６の開弁圧力は、圧力リリーフ弁３０に比して小さい。すなわち、アノード系流路の圧力が上昇したとき、圧力リリーフ弁３０に先んじてドレイン弁３６が開弁する。

燃料電池システム１０ａは、さらに、酸化剤ガス供給連通孔１６ａを介して空気流路に酸化剤ガスとしての圧縮空気を供給するための空気供給流路４０（酸化剤ガス供給流路）と、空気流路から酸化剤ガス排出連通孔１６ｂを介して排空気を排出するための空気排出流路４２（酸化剤排ガス排出流路）とを有する。この中の空気供給流路４０には、大気を圧縮して供給するエアポンプ４４（コンプレッサ）が設けられる。

燃料電池スタック１２ａには、さらに、該燃料電池スタック１２ａに冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路（図示せず）が設けられるとともに、全体の制御を行う制御部としてのＥＣＵ４６が付設される。以上により、燃料電池システム１０ａが構成される。

第１実施形態に係る燃料電池システム１０ａは、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

燃料電池スタック１２ａを運転するに際しては、水素タンク２２から水素供給流路１８に燃料ガスとしての水素が供給される。水素は、第１分岐路２３ａの第１インジェクタ２４ａ、又は第２分岐路２３ｂの第２インジェクタ２４ｂのいずれかを通過した後、さらに合流路２６のエジェクタ２８を経由する。さらにその後、燃料ガス供給連通孔１４ａを介して水素流路を流通することにより、燃料電池スタック１２ａを構成する各単位セルのアノード電極に供給される。

その一方で、エアポンプ４４を介して、空気供給流路４０に酸化剤ガスである圧縮空気が送られる。圧縮空気は、後述する排空気によって加湿された後、酸化剤ガス供給連通孔１６ａを介して空気流路を流通することにより、燃料電池スタック１２ａを構成する各単位セルのカソード電極に供給される。

以上のようにして反応ガスが供給されることにより、各単位セルのアノード電極、カソード電極で電極反応がそれぞれ生起される。これにより、発電が行われる。なお、燃料電池スタック１２ａには冷却媒体流路が形成されており、該冷却媒体流路に、前記冷却媒体供給流路を介して供給された冷却媒体が流通される。

カソード電極に供給されて一部が消費された圧縮空気は、排空気として、酸化剤ガス排出連通孔１６ｂから空気排出流路４２に排出される。排空気は、カソード電極での電極反応によって生成した水分を含む湿潤ガスである。この排空気は、図示しない加湿器において、カソード電極に新たに供給される圧縮空気を加湿する。その後、所定の圧力に設定されて燃料電池システム１０ａの外部に排出される。

一方、アノード電極に供給されて一部が消費された水素は、排水素として、燃料ガス排出連通孔１４ｂを介して水素排出流路２０に排出される。排水素は、水素排出流路２０を流通する過程で気液分離器３２に供給される。この気液分離器３２内において、排水素が、液相である水分と、気相である水素気流とに分離される。

この中の水分は、気液分離器３２の底部に貯留される。液位計等で所定量の水分（ドレイン水）が貯留されたことが検出されると、ＥＣＵ４６は、ドレイン弁３６を構成するソレノイド部に「通電開始」の指令信号を発する。この指令信号を受けてソレノイド部に通電がなされることにより、ドレイン弁３６が開弁する。すなわち、排水流路３８が開放され、その結果、水分がドレイン口、ドレイン弁３６を介して排水流路３８から排出される。

一方の水素気流は、気液分離器３２に形成された出口ポートから循環流路３４（図１参照）に流入する。水素気流は、その後、循環流路３４からエジェクタ２８に吸引され、新たに供給された水素とともにアノード電極に再供給される。

以上のようにして発電が行われている最中、水素供給流路１８、電極供給用水素流路、水素排出流路２０のいずれかが何らかの原因で閉塞することが想定される。この場合、アノード系流路内の圧力が上昇する。

アノード系流路内が所定の圧力に到達すると、ドレイン弁３６に作用する圧力により、該ドレイン弁３６の弁体が弁座から離間する。上記したように、ドレイン弁３６が圧力リリーフ弁としても機能するからである。この結果、ドレイン弁３６が開弁し、水分とともにアノード系流路内の水素が該流路外に導出される。これによりアノード系流路内の圧力が低下することから、アノード系流路内の圧力が過度に上昇することが防止される。

ドレイン弁３６は、圧力リリーフ弁３０よりも低圧で開弁する。すなわち、ドレイン弁３６が開弁したとき、圧力リリーフ弁３０は閉止した状態を保っている。従って、アノード系流路内に蓄積された水素は、ドレイン弁３６からのみ導出される。

このような低圧で開弁する圧力リリーフ弁３０は、閉弁から開弁、又はその逆方向に切り換わったときの流量が小さい。従って、開弁したときの圧力の低下幅や、閉弁したときの圧力の上昇幅、換言すれば、圧力変動幅も比較的小さい。このため、アノード系流路内の圧力を所望の範囲内に保つことが容易となる。

ドレイン弁３６が開弁してもなおアノード系流路内の圧力が上昇するときには、圧力リリーフ弁３０が開弁する。これにより、アノード系流路内の圧力が一層低下する。

ドレイン弁３６の開弁によってアノード系流路内の燃料ガスがある程度導出されるので、圧力リリーフ弁３０として、流量が比較的小さいもの、すなわち、公差バラツキが小さいものを採用することができる。従って、圧力リリーフ弁３０の開弁又は閉弁に伴う圧力変動幅が比較的小さい。このため、圧力リリーフ弁３０が開弁又は閉弁したときにも、アノード系流路内の圧力を所望の範囲内に保つことが容易である。

また、圧力リリーフ弁３０に代替して圧力スイッチを採用したときにも、ドレイン弁３６にて圧力を低下させることができるので、残圧が低減される。従って、アノード系流路内の圧力が高くなる懸念が払拭される。

このように、ドレイン弁３６を圧力リリーフ弁として機能させることにより、アノード系流路内の圧力を所定の範囲内に管理することが容易となる。

アノード系流路内の圧力が所定値を下回ると、ドレイン弁３６が自動的に閉弁する。これに伴い、ドレイン水及び排水素の排出が停止される。

次に、図２に示す第２実施形態に係る燃料電池システム１０ｂにつき説明する。なお、図１に示される構成要素と同一の構成要素に対しては同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この燃料電池システム１０ｂは、気液分離器３２のドレイン口に接続された第１排水流路３８ａと、燃料電池スタック１２ｂに設けられた後述のドレイン通路６２（図３参照）に接続された第２排水流路３８ｂとを有する。第１排水流路３８ａには第１ドレイン弁３６ａが設けられ、第２排水流路３８ｂには第２ドレイン弁３６ｂが設けられている。これら第１ドレイン弁３６ａ及び第２ドレイン弁３６ｂはいずれも、第１実施形態におけるドレイン弁３６と同様に圧力リリーフ弁としても機能する。

ここで、燃料電池スタック１２ｂにつき、図３を参照して概略説明する。燃料電池スタック１２ｂは、単位セル４８が積層された積層体を有する。この積層体の一端には、電力を取り出すためのターミナルプレート５０ａ、絶縁プレート５２ａ、エンドプレート５４ａが内方から外方に向かってこの順序で配設される。他端にも同様に、ターミナルプレート５０ｂ、絶縁プレート５２ｂ及びエンドプレート５４ｂが内方から外方に向かってこの順序で配設される。

燃料電池スタック１２ｂには、積層方向一端側から他端側に向かって延在する燃料ガス供給連通孔１４ａが形成される。また、積層方向他端側から一端側にかけては、２個の燃料ガス排出連通孔、すなわち、下側燃料ガス排出連通孔１４ｂ１、上側燃料ガス排出連通孔１４ｂ２が延在する。燃料ガスである水素がアノード側セパレータに形成された水素流路を通過した後、排水素が下側燃料ガス排出連通孔１４ｂ１、上側燃料ガス排出連通孔１４ｂ２に分流される。なお、特に詳細は図示しないが、燃料電池スタック１２ｂには、酸化剤ガス供給連通孔１６ａ、２個の酸化剤ガス排出連通孔１６ｂ１、１６ｂ２、２個の冷却媒体供給連通孔、及び２個の冷却媒体排出連通孔が形成される。

この場合、下側燃料ガス排出連通孔１４ｂ１と上側燃料ガス排出連通孔１４ｂ２は、エンドプレート５４ｂ側の端部で、絶縁プレート５２ｂに設けられた連結流路６０により連通されている。

一層具体的には、連結流路６０は、絶縁プレート５２ｂ内で上下方向に延在している。連結流路６０は、下側燃料ガス排出連通孔１４ｂ１に連通するとともに、上方で上側燃料ガス排出連通孔１４ｂ２に連通する。なお、この構成に代替し、連結流路６０を、ターミナルプレート５０ｂ又はエンドプレート５４ｂに設ける構成を採用してもよい。

下側燃料ガス排出連通孔１４ｂ１の下方には、アノード電極側で生じた生成水や、結露水等のドレイン水Ｗを排出するためのドレイン通路６２が設けられている。このドレイン通路６２は、積層方向に沿って延在するとともに、連結流路６０に連通している。ドレイン通路６２は、延在方向に対して直交する方向の断面が略真円形状をなす。

前記第２ドレイン弁３６ｂは、このドレイン通路６２の出口に設けられている。従って、第２ドレイン弁３６ｂが開弁すると、ドレイン通路６２から第２ドレイン弁３６ｂを介して第２排水流路３８ｂにドレイン水Ｗが導出される。

第２実施形態では、アノード系流路内の圧力が上昇すると、第１ドレイン弁３６ａと第２ドレイン弁３６ｂの開弁圧力が同一である場合、ドレイン通路６２でのドレイン水Ｗの貯留量が僅かであれば、第１ドレイン弁３６ａと第２ドレイン弁３６ｂが同時に開弁する。

燃料電池スタック１２ｂが、例えば、車両に搭載され、該車両が上り勾配で停車した場合、図３に示すように、水平面Ｓに対して燃料電池スタック１２ｂが傾斜姿勢となる。

ドレイン通路６２の容量が大きい場合には、傾斜したドレイン通路６２にドレイン水Ｗが多量に貯留される。従って、ドレイン水Ｗ及び排水素の全量が第２ドレイン弁３６ｂを通過する時間が長くなる。すなわち、アノード系流路内の圧力が低下するのに比較的長時間を要する。これに対し、ドレイン通路６２の容量が小さいと、該ドレイン通路６２に貯留可能な量が少なくなる。このためにドレイン水Ｗ及び排水素の全量が第２ドレイン弁３６ｂを通過する時間が短くなるので、アノード系流路内の圧力が比較的短時間で低下する。

ドレイン通路６２の容量は、長手方向に直交する方向の断面積に依存して変化する。すなわち、断面積が大きくなるに従って容量も大きくなる。このことから諒解されるように、ドレイン通路６２の断面積を小さくするほど、第２ドレイン弁３６ｂの応答速度を大きくすることができる。

このように、ドレイン通路６２の断面積を適宜設定することにより、第１ドレイン弁３６ａと第２ドレイン弁３６ｂの応答速度を相違させ、リリーフタイミングを相違させることが可能である。

そして、上記の通り、ドレイン通路６２が形成された燃料電池スタック１２ｂにおいても、アノード系流路内の圧力が上昇したとき、気液分離器３２のドレイン口に設けた第１ドレイン弁３６ａ、又は、ドレイン通路６２の出口に設けた第２ドレイン弁３６ｂが開弁することによって水素の導出がなされる。このため、アノード系流路内の圧力が過度に上昇することを防止することができる。

本発明は上述した第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、圧力リリーフ弁３０を水素排出流路２０に設けるようにしてもよい。

また、ドレイン弁３６（第１ドレイン弁３６ａ）を、空気排出流路４２に配設するようにしてもよい。さらに、第２実施形態では、２個の酸化剤ガス排出連通孔１６ｂ１、１６ｂ２に連通するドレイン通路を形成し、該ドレイン通路の出口に第２ドレイン弁３６ｂを設けるようにしてもよい。以上の構成においては、圧力リリーフ弁３０を、空気供給流路４０又は空気排出流路４２に設けるようにすればよい。

１０ａ、１０ｂ…燃料電池システム １２ａ、１２ｂ…燃料電池スタック
１４ａ…燃料ガス供給連通孔
１４ｂ、１４ｂ１、１４ｂ２…燃料ガス排出連通孔
１６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 １６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
１８…水素供給流路 ２０…水素排出流路
２２…水素タンク ２４ａ、２４ｂ…インジェクタ
２８…エジェクタ ３０…圧力リリーフ弁
３２…気液分離器 ３６、３６ａ、３６ｂ…ドレイン弁
３８、３８ａ、３８ｂ…排水流路 ４０…空気供給流路
４２…空気排出流路 ４４…エアポンプ
６０…連結流路 ６２…ドレイン通路

Claims (4)

1. 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノード電極から排出されたドレイン水の排出と排出停止を切り換えるドレイン弁とを有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックに、前記アノード電極に供給された燃料ガスが流通する排出通路と、前記排出通路に連通し、前記排出通路のドレイン水を流通させるためのドレイン通路とが形成され、
   前記ドレイン弁は、所定の圧力が弁体に付与されることで自動的に開弁する一方、圧力が所定値を下回ることで自動的に閉弁する圧力リリーフ弁であるとともに、前記ドレイン通路の出口を開放又は閉止し、
   前記排出通路と前記ドレイン通路は、前記燃料電池スタックの積層方向一端部で連通し、
   前記ドレイン通路は、前記燃料電池スタック内で、前記排出通路よりも下方に位置し、且つ前記燃料電池スタックの積層方向に沿って延在し、
   前記排出通路の出口と、前記ドレイン通路の出口とが、前記燃料電池スタックの積層方向他端部に形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックのアノード電極から排出された燃料ガスと水分の気液二相流を前記燃料ガスと前記水分に分離するとともに前記水分を貯留する気液分離器と、
   前記ドレイン弁とは別のドレイン弁と、
   を有し、
   前記別のドレイン弁は、所定の圧力が弁体に付与されることで自動的に開弁する一方、圧力が所定値を下回ることで自動的に閉弁する圧力リリーフ弁であるとともに、前記気液分離器に設けられた排水流路を開放又は閉止することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記ドレイン弁とは別の圧力リリーフ弁を有し、且つ前記別の圧力リリーフ弁の開弁圧力が前記ドレイン弁に比して高圧であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記ドレイン弁の開弁圧力に比して作動圧力が高い圧力スイッチが設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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