(57)【要約】【課題】管内で燃料オフガス中に含まれる水分が凍結することを抑えることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、燃料電池から排出される燃料オフガスを循環させ、再度、燃料電池に供給する燃料ガス供給部２０は、燃料ガスが流れる内管２１および内管を覆うように燃料オフガスが流れる外管２２を備えた２重管部２３と、２重管部を流れた燃料ガスと燃料オフガスが、２重管部の下流で合流する合流部２４と、を備えている。外管２２には、燃料オフガスを導入する第２の導入管２５Ｂが接続されており、第２の導入管２５Ｂは、内管２１の周りに燃料オフガスが螺旋状に旋回しながら外管２２内を流れるように、内管２１の中心線ＣＬ１に向かう方向に対して、距離Ｄだけオフセットした位置に接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを循環させ、再度、前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料ガスが流れる内管および前記内管を覆うように前記燃料オフガスが流れる外管を備えた２重管部と、前記２重管部を流れた前記燃料ガスと前記燃料オフガスが、前記２重管部の下流で合流する合流部と、を備えており、
前記外管には、前記燃料オフガスを導入する導入管が接続されており、
前記導入管は、前記内管の周りに前記燃料オフガスが螺旋状に旋回しながら前記外管内を流れるように、前記内管の中心線に向かう方向に対して、オフセットした位置に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池から排出される燃料オフガスを再度燃料電池に循環させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、燃料電池から排出される燃料オフガスを循環させ、再度、燃料電池に供給する燃料ガス供給部を備えている。
【０００３】
たとえば、特許文献１にはこの種の燃料電池システムが提案されており、この燃料電池システムの燃料ガス供給部は、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを送る供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを送る排出流路と、燃料オフガスを燃料電池に循環させる循環流路とを備えており、これらは配管により形成されている。
【０００４】
さらに、特許文献１の燃料ガス供給部は、燃料ガスおよび燃料オフガスを燃料電池に送る合流流路を備えており、合流流路は、その流路断面において、一方側から流入するアノードガスと、他方側から流入するアノードオフガスと、によって旋回流が発生するよう、供給流路と排出流路に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１０６８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、合流流路内において、比較的に高温である燃料オフガスと、比較的低温である燃料ガスとが直接合流している。氷点下においては、燃料オフガス中に含まれる水分が燃料ガスにより冷却されて液化し、燃料ガス供給部を構成する管内で滞留して凍結することが想定される。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、管内で燃料オフガス中に含まれる水分が凍結することを抑えることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題に鑑みて、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを循環させ、再度前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部を備えた燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給部は、前記燃料ガスが流れる内管および前記内管を覆うように前記燃料オフガスが流れる外管を備えた２重管部と、前記２重管部を流れた前記燃料ガスと前記燃料オフガスが、前記２重管部の下流で合流する合流部と、を備えており、前記外管には、前記燃料オフガスを導入する導入管が接続されており、前記導入管は、前記内管の周りに前記燃料オフガスが螺旋状に旋回しながら前記外管内を流れるように、前記内管の中心線に向かう方向に対して、オフセットした位置に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、２重管部の内管に燃料ガスが流れ、２重管部の外管に、燃料オフガスが流れ、これらを合流部で合流させることができる。ここで、燃料オフガスは、燃料電池から排出されたガスであるので、燃料ガスに比べてガスの温度が高い。これに加えて、燃料オフガスは、導入管により、内管の周りに燃料オフガスが螺旋状に旋回しながら外管を流れるため、２重管部内において、燃料オフガスで内管を温めることができる。
【００１０】
これにより、燃料オフガス中に含まれる水分が内管の表面等で凍結することを抑制することができる。また、内管を流れる燃料ガスも、燃料オフガスで温められるため、合流部において、燃料オフガスの水分が凍結することを防止することができる。さらに、燃料オフガスの気体部分の旋回流により燃料ガスとの均一な合流が可能となり、合流後の燃料ガス濃度を均一にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける燃料ガスと燃料オフガスとの合流部を備える燃料ガス供給部を示し、（ａ）は要部正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。
【図３】（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態における燃料ガスと燃料オフガスとの合流部を備える燃料ガス供給部の要部正面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図、図２は、図１の燃料電池システムの合流部を備える燃料ガス供給部の要部正面図および右側面図、図３（ａ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１３】
図１において、燃料電池システム１は、燃料ガスとして水素ガスと、酸化剤ガスとしてエアが供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、複数の単セル２ａ，２ａ…が積層されたスタック構造で構成されている。単セル２ａは、それぞれ単体で発電可能な発電要素であり、第１と第２のエンドプレート３，４によって、その積層方向に挟まれた状態で締結され、単セル２ａ、２ａ、…が直列に接続されている。
【００１４】
燃料電池２の第１のエンドプレート３には、燃料電池２にエアと水素ガスを供給するとともに、エアと水素ガスを発電後に排出するための配管構造１０が接続されている。配管構造１０は、エアの供給側として、燃料電池２にエアを供給するエア供給管１１と、燃料電池から排出されたエアを燃料電池システム１の外部に排出するエア排出管１２とを備えている。
【００１５】
エア供給管１１と燃料電池２との間には、エアコンプレッサー５が設置されている。エア供給管１１には、図示していないが、エアフロメーター、開閉弁等を有している。エアコンプレッサー５は、エア供給管１１を介して外気を取り込んで圧縮したエアを、燃料電池２に供給する。
【００１６】
燃料電池２に接続されたエア排出管１２は、燃料電池２内で電気化学反応により発電された後のエアを燃料電池システム１の外部に排出する。エア排出管１２には、図示していないが、必要に応じて調圧弁等が設置される。エア排出管１２には、後述する下流側の水素ガス排出管１４ｂが合流部９で接続されている。
【００１７】
燃料電池２の第１のエンドプレート３には、配管構造１０の水素ガス供給側として、水素ガスタンク６から水素ガスを燃料電池２に供給する水素ガス供給管１３と、燃料電池２から排出された水素オフガスを生成水とともに排出する水素ガス排出管１４とが接続されている。水素ガスタンク６は、高圧の水素ガスが充填された燃料ガス供給源であり、水素ガスの供給時には、水素ガスタンク６内の水素ガスは、断熱膨張するため、水素ガス供給管１３を流れる水素ガスは、氷点下（たとえば、−３０℃）になることがある。水素ガス供給管１３には、図示していないが、開閉弁、レギュレーター、水素供給装置等が設置されている。水素供給装置は、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。
【００１８】
水素ガス排出管１４は、燃料電池２の発電時の電気化学反応で生成された水素オフガスおよび生成水が、燃料電池２から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに、流通するものであり、本実施形態では、途中に気液分離器７が設置されている。気液分離器７は、生成水を含む水素オフガスを気体成分と液体成分に分離するものである。
【００１９】
したがって、水素ガス排出管１４は、水素ガス等の気体と生成水が流れ、気液分離器７の上流側に位置し気体が流れる水素ガス排出管１４ａと、気液分離器７で分離された生成水が流れ、気液分離器７の下流側に位置する水素ガス排出管１４ｂとから構成される。気液分離器７と、水素ガス排出管１４ｂとの間には、排水弁８が設置されている。
【００２０】
気液分離器７で分離された気体成分は、水素ガスを含む気体であり、水素ガス循環管１５を通して水素ガス供給管１３に循環され、再度、燃料電池２に供給される。水素ガス循環管１５には、図示していないが、水素循環用ポンプが設置されている。気液分離器７で分離された液体成分の生成水は、下流側の水素ガス排出管１４ｂを通してエア排出管１２に合流部９で合流して燃料電池システム１の外部に排出される。なお、本実施形態では、エア排出管１２、気液分離器７、および水素ガス排出管１４ｂは、樹脂またはゴムからなる。
【００２１】
合流部９では、燃料電池２から排出された酸素ガスを含むエア（大気）を燃料電池システム１の外部に排出するエア排出管１２に、気液分離器７で分離された生成水が流通する水素ガス排出管１４ｂが接続されている。したがって、合流部９の下流では、エア排出管１２を流通するエアと、水素ガス排出管１４ｂを流通する生成水が流れている。
【００２２】
本実施形態の燃料電池システム１では、気液分離器７を通過した水素オフガスを、再度燃料電池２に供給する水素ガス供給部（燃料ガス供給部）２０を備えている。水素ガス供給部２０は、水素ガス供給管１３に導入させる導入管としての水素ガス循環管（燃料オフガス循環管）１５が、水素ガス供給管１３に接続されている。
【００２３】
したがって、導入管としての水素ガス循環管１５を流通する水素オフガスの気体部分は、水素ガス供給管１３に水素ガス供給部２０で合流され、水素ガス供給管１３を流れる水素ガスとともに燃料電池２に供給される。このように、燃料電池システム１は、水素ガスタンク６から燃料電池２に水素ガスを供給するとともに、燃料電池２から排出される水素オフガスを、水素ガス循環管１５を通して循環させ、再度、燃料電池２に供給するシステムである。
【００２４】
つぎに、図２および図３を参照して、燃料電池２に水素ガスを供給するとともに、燃料電池２から排出される水素オフガスを循環させ、再度、燃料電池２に供給する水素ガス供給部２０について詳細に説明する。水素ガス供給部２０では、水素ガスと水素オフガスが合流して混合され、燃料電池２に供給される。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給管１３に、燃料電池２から排出される水素オフガスを、再度、燃料電池２に循環させる水素ガス循環管１５が接続されている。
【００２５】
燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給管１３は、水素ガス供給部２０では、水素ガスが流れる内管２１および内管２１を覆うように水素オフガスが流れる外管２２を備えた２重管部２３と、水素ガスと水素オフガスが、２重管部２３の下流で合流する合流部２４と、を備えている。
【００２６】
２重管部２３は、所定長Ｌを有する小径の内管２１の中心線に対して、大径の外管２２の中心線が同一の中心線となるように構成されており、内管２１と外管２２の中心線は図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）では、ＣＬ１となっている。合流部２４は、２重管部２３の内管２１を流れる水素ガスと、外管２２を流れる水素オフガスが、２重管部２３の下流で合流するように構成されている。所定長Ｌは、内管２１の直径の１〜３倍程度の短い長さに設定されている。
【００２７】
本実施形態では、小径の内管２１には、第１の導入管２５Ａが接続されており、第１の導入管２５Ａは、外管２２の外周壁面を貫通して外管２２の外部に露出している。第１の導入管２５Ａの中心線ＣＬ２は、２重管部２３の中心線ＣＬ１と直交している。たとえば、内管２１と第１の導入管２５Ａとは、ストレート管を屈曲させることにより成形することができる。
【００２８】
内管２１には水素ガスが流入され、外管２２には水素オフガスが流入され、外管２２は水素ガス供給管１３として燃料電池２に接続されている。大径の外管２２は、図２（ａ）で左端側は燃料電池２に連結されており、右端側は閉じられて閉塞部２２ａとなっている。
【００２９】
外管２２の閉塞部２２ａ側には、外周側から直交して水素オフガスを導入する水素ガス循環管として第２の導入管２５Ｂが接続されている。第２の導入管２５Ｂは、本発明でいうところの「導入管」に相当する。第２の導入管２５Ｂは、内管２１の周りに水素オフガスが螺旋状に旋回しながら外管２２内を流れるように、内管２１の中心線ＣＬ１に向かう方向に対して、オフセットした位置に接続されている。
【００３０】
具体的には、図２（ｂ）に示すように、第２の導入管２５Ｂは、内管２１および外管２２の同一中心である中心線ＣＬ１と直角に交差する方向に沿って、中心線ＣＬ１から外周方向に、距離Ｄだけオフセットされた方向に向けて接続されている。したがって、合流管２３の中心線ＣＬ３は、内管２１および外管２２の中心線ＣＬ１から、距離Ｄだけ離れている。
【００３１】
このように構成された水素ガス供給部２０は、図１に示すように、水素ガスタンク６から水素ガスを供給する水素ガス供給管１３と水素ガス循環管１５との連結部分に形成されている。水素ガス供給管１３を流れる水素ガスは、燃料電池２から気液分離器７を介して水素ガス循環管１５を流れる燃料オフガスと、水素ガス供給部２０で合流する。
【００３２】
前記の如く構成された本実施形態の燃料電池システム１の作用について以下に説明する。エア供給管１１を通して吸入されたエアは、エアコンプレッサー５で圧縮され、燃料電池２に供給される。水素ガスタンク６に貯留された水素ガスは、水素ガス供給管１３を通して燃料電池２に供給され、燃料電池２では電気化学反応により発電され、燃料電池２内部では生成水が生成される。
【００３３】
そして、エアは燃料電池２からエア排出管１２を通して燃料電池システム１の外部に排出される。排出されるエアは、燃料電池２の上流側のエアコンプレッサー５で一旦圧縮される際に昇温され、燃料電池２内での電気化学反応によりさらに昇温される。
【００３４】
発電後に燃料電池２から排出された水素オフガスは、水素ガス排出管１４ａを通して気液分離器７に送られ、水素ガスを含む気体成分と生成水とに分離される。水素ガスを含む気体成分は、水素ガス循環管１５を通して水素ガス供給管１３に循環されるため、水素ガスを再利用することができる。気液分離器７で分離された液体成分である生成水は、排水弁８が開いているときに下流側の水素ガス排出管１４ｂを通してエア排出管１２に合流され、燃料電池システム１の外部に排出される。
【００３５】
ここで、水素ガスタンク６から燃料電池２に水素ガスを供給するとともに、燃料電池２から排出される水素オフガスを循環させ、再度、燃料電池２に供給する水素ガス供給部２０について、以下に説明する。水素ガス供給部２０では、２重管部２３の内管２１には、第１の導入管２５Ａが接続されており、第１の導入管２５Ａは、水素ガスタンク６から供給された水素ガスを内管２１に導入する。２重管部２３の外管２２には、水素オフガスを循環させる第２の導入管２５Ｂが接続されており、第２の導入管２５Ｂには、燃料電池２から排出された水素オフガスが外管２２に導入する。
【００３６】
外管２２内に導入された水素オフガスは、２重管部２３の中心線ＣＬ１に対して直交する方向に、しかも中心線ＣＬ１から距離Ｄだけオフセットされて導入されるため、外管２２の内壁に沿って流入される。このため、外管２２内では水素オフガスは螺旋状に旋回しながら閉塞部２２ａと反対方向に、図３（ａ）では左方向に向かって螺旋流２６として流れる。
【００３７】
そして、内管２１が途切れる２重管部２３の下流の合流部２４では、内管２１を流れる水素ガスが中心線ＣＬ１に沿って放出され、外管２２の周りを旋回しながら螺旋流２６となって流れる水素オフガスと合流して混合される。この合流部２４では、管内中心を流れる水素ガス流は、外周側を旋回して螺旋状に流れる水素オフガスで囲まれるように合流するため、２重管部２３の短い距離Ｌで均一に混合され、合流後の水素ガス濃度は均一となる。
【００３８】
また、内管２１を通して中心を流れる水素ガスは比較的に低温であるが、燃料電池２から排出される水素オフガスは比較的に高温である。したがって、これに加えて、水素オフガスは、第２の導入管２５Ｂにより、内管２１の周りに水素オフガスが螺旋状に旋回しながら外管２２を流れるため、２重管部２３内において、水素オフガスで内管２１を温めることができる。
【００３９】
これにより、燃料オフガス中に含まれる水分が内管２１の表面等で凍結することを抑制することができる。また、内管２１を流れる水素ガスも、水素オフガスで温められるため、合流部２４において、水素オフガスの水分が凍結することを防止することができる
【００４０】
つぎに、本発明の他の実施形態を図４、図５に基づき詳細に説明する。図４は本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態の燃料ガス供給部の要部正面図であり、図５は、図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。なお、この実施形態は、前記した実施形態に対し、２重管部を構成する内管が屈曲しておらず、直線状であることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４１】
図４、図５において、水素ガス供給部２０Ａを構成する２重管部２３の内管２１と第１の導入管２５Ａとの間は、屈曲せずに直線状の配管で構成されている。このため、内管２１は外管２２の管端の閉塞部２２ａを貫通して外部に露出している。
【００４２】
外管２２には、管端の閉塞部２２ａに近接して第２の導入管２５Ｂが接続されている。第２の導入管２５Ｂは前記の実施形態と同じ構成であり、第２の導入管２５Ｂは内管２１の周りに水素オフガスが螺旋状に旋回しながら外管２２内を流れるように、内管２１の中心線ＣＬ１に向かう方向に対して、オフセットした位置に接続されている。具体的には、第２の導入管２５Ｂは、内管２１および外管２２の同一中心である中心線ＣＬ１と直角に交差する方向に沿って、中心線ＣＬ１から外周方向に、距離Ｄだけオフセットされた方向に向けて接続されている。
【００４３】
この実施形態においても、水素ガス供給部２０Ａの２重管部２３の中心側の内管２１に水素ガスが供給され、外周側の外管２２に水素オフガスが導入される。本実施形態では、内管２１を流れた水素ガスと、外管２２を流れた水素オフガスとが合流する合流部（図示せず）は、燃料電池２内に設けられている。具体的には、本実施形態では、内管２１と外管２２とが、直接的に燃料電池２（具体的には第１のエンドプレート３）に接続され、燃料電池２の第１のエンドプレート３（具体的には、燃料ガスが流れるマニホールド（図示せず））で、水素ガスと水素オフガスが合流するようになっている。
【００４４】
このようにして、本実施形態でも、水素オフガスが水素ガスと合流し、混合されて燃料電池２に循環されるようになっている。水素オフガスと水素ガスとの合流に際して、低温の水素ガスは２重管部２３の内管２１を流通し、高温の水素オフガスは外周側の外管２２内を流通する。
【００４５】
そして、第２の導入管２５Ｂから外管２２内に導入された水素オフガスは、外管２２の中心線ＣＬ１と交差する方向からオフセットされた状態で外管２２内に導入されるため、内管２１の周りに螺旋状に旋回する螺旋流２６が発生する。この螺旋流２６によって、合流後の水素ガス濃度は均一となる。また、２重管部２３内において、水素オフガスで内管２１を温めることができるため、水素オフガスの水分が凍結することを防止することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、６：水素ガスタンク（燃料ガス供給源）、１３：水素ガス供給管（燃料ガス供給管）、１４：水素ガス排出管（燃料オフガス排出管）、１５：水素ガス循環管（燃料オフガス循環管）、２０：水素ガス供給部（燃料ガス供給部）、２１：内管、２２：外管、２３：２重管部、２４：合流部、２５Ｂ：第２の導入管（導入管）、２６：螺旋流、Ｄ：オフセット距離、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３：中心線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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