(57)【要約】【課題】燃料電池システムから排出された不純物としての水等の液体の凍結を防止して燃料電池システムの稼動を安定させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック２の燃料オフガスを、気液分離器３０に導入する導入配管３２は、燃料電池スタックから気液分離器に向かって、下方に傾斜して配置されている。気液分離器には、導入配管の排出口よりも下方において、気液分離器からの液体を排出する排出経路３３と、液体を貯留する液溜め部３４が形成されている。燃料電池車両が水平の姿勢から、導入配管の下方に傾斜する角度θ２が増加するように傾斜した第１の姿勢において、排出経路は上流側から下流側に向かって上方に傾斜し、かつ、水平の姿勢から、導入配管の下方に傾斜する角度θ２が減少するように傾斜した第２の姿勢において、排出経路は、上流側から下流側に向かって下方に傾斜するように、排出経路が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車両に搭載され、燃料電池スタックから排出される燃料オフガス中に含まれる液体を前記燃料オフガスから分離し、分離した前記液体を貯留して排出する気液分離器を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックには、前記燃料電池スタックの前記燃料オフガスを、前記気液分離器に導入する導入配管が接続されており、前記導入配管は、前記燃料電池スタックから前記気液分離器に向かって、下方に傾斜して配置されており、
前記気液分離器には、前記導入配管の排出口よりも下方において、前記気液分離器からの前記液体を排出する排出経路と、前記排出経路の上流側に、前記液体を貯留する液溜め部が形成されており、
前記燃料電池車両が水平の姿勢から、前記導入配管の下方に傾斜する角度が増加するように前記燃料電池車両が傾斜した第１の姿勢において、前記排出経路は、前記排出経路の上流側から下流側に向かって、上方に傾斜し、かつ、
前記燃料電池車両が水平の姿勢から、前記導入配管の下方に傾斜する角度が減少するように前記燃料電池車両が傾斜した第２の姿勢において、前記排出経路は、前記排出経路の上流側から下流側に向かって、下方に傾斜するように、前記排出経路が形成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、気液分離器を備えた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としては、燃料電池車両に搭載され、燃料電池スタックから排出される燃料オフガス中に含まれる水等の液体を分離し、前記液体を貯留して排出する気液分離器を備えた燃料電池システムが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−９６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に示すような気液分離器には、燃料電池スタックの燃料オフガスを導入する導入配管が接続されている。気液分離器には、導入配管から導入された燃料オフガス中に含まれる水等の液体を燃料オフガスから分離し、分離した液体を排出する排出経路が形成されている。
【０００５】
しかしながら、排出経路は、液体の排水性を考慮して、気液分離器の下部に形成されており、たとえば、燃料電池車両の停車中（具体的には燃料電池システムの発電停止時）に、導入配管から液体が流下した場合、流下した液体が排出経路に滞留することがある。このような状態で、燃料電池車両が氷点下の環境に晒されると、排出経路内で、滞留した液体が凍結しまい、燃料電池システムを再稼働する際に、排気排出経路が閉塞することが想定される。これにより、燃料電池システムの動作不良を引き起こすおそれがあり、凍結した液体を溶かすのにも時間がかかる。
【０００６】
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、その目的とするところは、燃料電池システムから流下した液体が、気液分離器の排出経路内で凍結することを防止して、燃料電池システムの稼動を安定させ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】
【０００７】
前記目的を達成すべく、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載され、燃料電池スタックから排出される燃料オフガス中に含まれる液体を前記燃料オフガスから分離し、分離した前記液体を貯留して排出する気液分離器を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックには、前記燃料電池スタックの前記燃料オフガスを、前記気液分離器に導入する導入配管が接続されており、前記導入配管は、前記燃料電池スタックから前記気液分離器に向かって、下方に傾斜して配置されており、前記気液分離器には、前記導入配管の排出口よりも下方において、前記気液分離器からの前記液体を排出する排出経路と、前記排出経路の上流側に、前記液体を貯留する液溜め部が形成されており、前記燃料電池車両が水平の姿勢から、前記導入配管の下方に傾斜する角度が増加するように前記燃料電池車両が傾斜した第１の姿勢において、前記排出経路は、前記排出経路の上流側から下流側に向かって、上方に傾斜し、かつ、前記燃料電池車両が水平の姿勢から、前記導入配管の下方に傾斜する角度が減少するように前記燃料電池車両が傾斜した第２の姿勢において、前記排出経路は、前記排出経路の上流側から下流側に向かって、下方に傾斜するように、前記排出経路が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
前記のごとく構成された本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックで発電した際に生成される生成水などの液体は、燃料オフガスとともに、導入配管を介して気液分離器に導入される。気液分離器に導入され、分離された液体は、液溜め部に貯留された後、液溜め部からその下流に形成された排出経路を介して、気液分離器から排出される。
【０００９】
液溜め部から液体が排出され、燃料電池スタックの発電が停止した後に、燃料電池車両が第１の姿勢である際には、導入配管の下方に傾斜する角度が増加するので、導入配管内に付着した液体は、導入配管から流下し易い。導入配管から流下した液体は、液溜め部に貯留され、液溜め部の下流の排出経路は、上流側から下流側に向かって上方に傾斜するので、排出経路には、液体が滞留し難い。このように、燃料電池車両の第１の姿勢では、排出経路内において液体が滞留し難いため、液体の凍結により排出経路を閉塞することを防止することができる。
【００１０】
一方、燃料電池車両が第２の姿勢である際には、導入配管の下方に傾斜する角度が減少するので、導入配管内に付着した液体は、導入配管から流下し難い。一方、排出経路が、上流側から下流側に向かって下方に傾斜するので、液溜め部に残留する液体および排出経路に滞留する液体は、排出経路から排出し易い。このように、燃料電池車両の第２の姿勢でも、排出経路内において液体が滞留し難いため、液体の凍結により排出経路を閉塞することを防止することができる。
【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概略構成を示す模式的図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの要部構成を示す側面図である。
【図３】図１、２に示される気液分離器の要部構成を示す模式的断面図であり、燃料電池車両が水平の姿勢における気液分離器の断面図である。
【図４】燃料電池車両が第１の姿勢において、図３に示す気液分離器の状態を説明する模式的断面図である。
【図５】燃料電池車両が第２の姿勢において、図３に示す気液分離器の状態を説明する模式的断面図である。
【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１〜５を参照しながら、詳細に説明する。なお、図１、２では、燃料電池スタックを模式的に図示しており、図１では、スタックフレームを省略しており、図２では酸化剤ガスの供給系を省略している。なお、図１〜図５に示す、燃料電池車両（以下「車両」という）１００に対して、Ｆは前方向、Ｂは後方向、Ｕは上方向、Ｄは下方向、Ｌは左方向、Ｒは右方向を示している。
【００１３】
本実施形態の燃料電池システム１は、駆動用の電源を供給するためのシステムであり、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系１０と、燃料電池スタック２に空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系２０とを備えている。
【００１４】
燃料電池スタック２は、車両１００のフロントルームＦに搭載されている。燃料電池スタック２は、複数の単セルを積層させた状態で、エンドプレート３、３で挟み込んだ構造であり、スタックケース（図示せず）に収容されている。
【００１５】
一方のエンドプレート３には、積層された単セルの発電領域（図示せず）に燃料ガス、酸化剤ガス、および冷媒を供給するとともに、排出するための開口部が６個形成されている。
【００１６】
図１では、開口部３ａが、燃料ガスの供給口であり、開口部３ｂが、発電後の燃料オフガスの排出口である。一方、開口部３ｃが、酸化剤ガスの供給口であり、開口部３ｄが、発電後の酸化剤オフガスの排出口である。開口部３ｅが、冷却用冷媒の供給口であり、開口部３ｆが、冷却用冷媒の排出口である。
【００１７】
図２に示すように、燃料電池スタック２は、車両１００のフロントルームＳ内でスタックフレーム２ａに固定されて収容されている。燃料電池スタック２は、車両長さ方向において、車両の前方向Ｆから車両１００の後方向Ｂに進むにつれて下方に傾斜するように設置され、その傾斜角度はθ１に設定されている。
【００１８】
すなわち、燃料電池スタック２は、車両前方が高く、車両後方に進むにつれて低くなるように水平方向に対して傾斜して設置されている。このため、燃料電池スタック２内で化学反応後に生成される水等の液体は、重力を利用して車両後方に集められて容易に排出できる構成となっている。
【００１９】
酸化剤ガス供給系２０は、例えば、燃料電池スタック２（のカソード電極）に酸化剤ガスを供給する供給流路２５と、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の酸化剤オフガスを燃料電池スタック２から排出する排出流路２９と、を備えている。酸化剤ガス供給系２０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等の配管によって構成することができる。
【００２０】
供給流路２５には、上流側から、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、インタクーラ２３等が、燃料電池スタック２の下方に設けられ、排出流路２９には、マフラ（不図示）が設けられている。
【００２１】
供給流路２５において、エアクリーナ２１は、大気中から取り込む酸化剤ガス（空気等）中の塵埃を除去する。コンプレッサ２２は、エアクリーナ２１を介して導入された酸化剤ガスを圧縮し、圧縮された酸化剤ガスをインタクーラ２３へ圧送する。
【００２２】
インタクーラ２３は、コンプレッサ２２から圧送されて導入された酸化剤ガスを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって冷却し、燃料電池スタック２（のカソード電極）に供給する。なお、供給流路２５には、インタクーラ２３と燃料電池スタック２との間の酸化剤ガスの流れを遮断するための入口弁２７が設けられている。
【００２３】
燃料ガス供給系１０は、水素ガス等の高圧の燃料ガスを貯留する水素タンク等の供給源１１と、供給源１１からの燃料ガスを燃料電池スタック２（のアノード電極）へ供給する供給流路１２と、を備えている。
【００２４】
さらに、燃料ガス供給系１０は、燃料電池スタック２から排出された燃料オフガス（未消費の燃料ガス）の一部を供給流路１２に還流させる循環流路１３と、循環流路１３に分岐接続されて循環流路１３内の燃料オフガスを外部へ排出（大気放出）する排出流路１４とを備えている。
【００２５】
供給流路２５には、上流から、遮断弁１５、レギュレータ１６、インジェクタ１７等が、設けられ、排出流路１４には、上流から、気液分離器３０、排出弁１９等が備えられ、循環流路１３には、ポンプ１８が備えられている。本実施形態では、気液分離器３０の下方に排出弁１９が設けられている。
【００２６】
本実施形態では、気液分離器３０、および、排出弁１９は、燃料電池スタック２の下方に配置され、かつ、酸化剤オフガスが排出される側（開口部３ｄ寄り）に配置されている。これにより、気液分離器３０よりも上流側の排出流路１４ａの流路長を長くすることができ、燃料電池システム１の発電時において、生成水等の液体が凍結した排出流路１４ａを、発電時に生成される液体（生成水）で昇温することができる。
【００２７】
これに加えて、酸化剤オフガスの排出流路２９の近傍に、燃料オフガスの下流側の排出流路１４ｂを設けることができ、後述する下流側の排出流路１４ｂの流路長をより短くし、酸化剤オフガスの排出流路２９に、燃料オフガスを合流させることができる。これにより、排出流路１４内における液体の滞留を抑え、この液体の凍結を抑制することができる。
【００２８】
本実施形態では、循環流路１３が、供給流路１２に合流する（還流する）部分の近傍に、ポンプ１８が配置されている。これにより、合流する部分における燃料ガスの圧損を低減するとともに、ポンプ１８の発熱により、この部分における液体の凍結を防止することができる。
【００２９】
排出流路１４には、気液分離器３０が設置されており、上流側の排出流路１４ａと下流側の排出流路１４ｂとを備えている。気液分離器３０は、詳細は後述するが、本発明に係る特徴構成を有するものであり、燃料電池スタック２から排出される燃料オフガス中に含まれる水等の液体を分離し、液体を貯留して排出する機能を有している。燃料ガス供給系１０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等の配管によって構成することができる。
【００３０】
供給源１１に充填された水素ガス等の燃料ガスは、遮断弁１５、レギュレータ１６、インジェクタ１７を通過し、燃料電池スタック２の開口部３ａに供給される。一方、大気等の酸化剤ガスは、前記のように、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、インタクーラ２３、入口弁２７を通過し、燃料電池スタック２の開口部３ｃに供給される。燃料電池スタック２に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、化学反応することで、燃料電池スタック２は発電し、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスとして排出される。
【００３１】
開口部３ｂから排出される燃料オフガスは、排出流路１４の上流側の排出流路１４ａを通して気液分離器３０に導入され、気体と水等の液体に分離される。分離された気体は、循環流路１３を通してポンプ１８に供給される。ポンプ１８に供給された気体は、燃料ガスが供給される開口部３ａに圧送され、供給源１１から供給される燃料ガスと合流され、燃料電池スタック２内で発電に再使用される。
【００３２】
気液分離器３０で分離された水等の液体は、気液分離器３０の下流側に配置された排出弁１９の開弁により、排出流路１４ｂを介して、システム外に排出される。開口部３ｄから排出された酸化剤オフガスは、排出流路２９を通してシステム外に排出される。排出弁１９よりも下流の排出流路１４ｂは、酸化剤オフガスが排出される排出流路２９に合流し、気液分離器３０で分離された液体等は、酸化剤オフガスと共に、車両１００の外部に排出される。
【００３３】
つぎに、本実施形態の燃料電池システム１で使用される気液分離器３０について、図３を参照して詳細に説明する。気液分離器３０は、燃料電池スタック２から排出される燃料オフガス中に含まれる水等の液体を分離し、分離された液体を貯留して排出するものである。また、気液分離器３０は、分離された気体を循環させ、燃料ガスに合流させて燃料電池スタック２に供給する機能も有している。
【００３４】
気液分離器３０は、上ケース３１ａと下ケース３１ｂとからなるケース３１で構成され、図示していないＯリング等で密閉ケースとなっている。上ケース３１ａには、上部には、排出流路１４ｂを形成する導入配管３２が設けられ、燃料電池スタック２の燃料オフガスが排出される開口部３ｂに連通し、燃料電池スタック２で発電した後の燃料オフガスがケース３１内に導入されるようになっている。
【００３５】
この導入配管３２は、排出流路１４の上流側の排出流路１４ａであり、車両前方向Ｆから後方向Ｂに向けて下方に傾斜している。具体的には、導入配管３２は、燃料電池スタック２から気液分離器３０に向かって下方に傾斜し、気液分離器３０に連結されている。導入配管３２は、車両１００に設置されるときの基準線（水平線）Ｌに対して、所定の傾斜角度θ２に設定されている。
【００３６】
気液分離器３０には、導入配管３２の排出口３２ａより下方において、分離された水等の液体を排出する排出経路３３と、この排出経路３３の上流側に、分離された液体を貯留する液溜め部３４が形成されている。
【００３７】
具体的には、下ケース３１ｂは、下方に向けて徐々につぼまるような形状をしており、液溜め部３４は、下ケース３１ｂの最下部の凹部に形成されている。排出経路３３は、液溜め部３４の底面より僅かに高い位置に、車両１００が水平の姿勢で、略水平方向に貫通する貫通孔である。
【００３８】
排出経路３３としての貫通孔は、ケース３１外まで通じており、ケース外に設置された排出弁１９に接続されている。したがって、導入配管３２で燃料電池スタック２から排出された燃料オフガスは気液分離器３０のケース３１内に導入され、気体と液体に分離される。
【００３９】
気液分離器３０により分離された気体は、燃料電池システム１の稼働中には、上ケース３１ａから上方に開口する排気孔３５から循環流路１３を通して供給流路１２に合流され、燃料電池スタック２に供給されるようになっている。
【００４０】
一方、気液分離器３０により分離された液体は、燃料電池システム１の稼働中には、排出弁１９を閉弁した状態で、下ケース３１ｂの液溜め部３４に貯留される。所定量の液体が液溜め部３４に貯留されたことを、液溜め部３４の液面センサ（図示せず）が検出すると、排出弁１９が開弁し、貯留された液体が、排出経路３３を通過して外部に排出される。なお、燃料電池システム１の停止時にも、排出弁１９は開弁した状態となる。
【００４１】
ここで、車両１００が水平の姿勢において、図３に示すように、排出経路３３の水平方向における液体の流れの成分が、導入配管３２の水平方向における燃料オフガスの流れの成分に対して、反対方向の成分を有する位置に、排出経路３３が形成されている。
【００４２】
具体的には、排出経路３３は、車両１００が水平の姿勢から、導入配管３２の下方に傾斜する角度が増加する（図３のθ２から図４のθ３に変化する）ように車両１００が傾斜した第１の姿勢において、排出経路３３が排出経路３３の上流側から下流側に向かって上方に傾斜するように形成されている。
【００４３】
これに加えて、排出経路３３は、車両１００が水平の姿勢から、導入配管３２の下方に傾斜する角度が減少する（図４のθ３から図５のθ４に変化する）ように車両１００が傾斜した第２の姿勢において、排出経路３３が排出経路３３の上流側から下流側に向かって下方に傾斜するように形成されている。
【００４４】
このように構成された燃料電池システム１の動作を説明する。まず、燃料電池システム１の稼働時には、燃料ガスはエンドプレート３の開口部３ａから供給され、酸化剤ガスはエンドプレート３の開口部３ｃから供給され、燃料電池スタック２内で化学反応して発電される。
【００４５】
反応後の燃料オフガスは開口部３ｂから排出され、排出流路１４の上流側の排出流路１４ａを形成する導入配管３２を介して気液分離器３０に導入される。また、燃料電池スタック２内において、反応後の酸化剤オフガスは開口部３ｄから排出され、排出流路２９を通して外部に排出される。
【００４６】
気液分離器３０に導入された燃料オフガスは気体と、水等の液体に分離され、気体は循環流路１３を通して供給流路１２に合流され、再度、燃料電池スタック２で利用される。気液分離器３０で分離された液体は、ケース３１内で下方の液溜め部３４に貯留され、排出経路３３から排出弁１９を経由して、排出流路１４の下流側の排出流路１４ｂを通して外部に排出される。
【００４７】
気液分離器３０に燃料オフガスを導入する導入配管３２は、水平に対して傾斜角度θ２で下方に向けて傾いているため、燃料オフガス中の液体分は重力によって確実に滴下し、液溜め部３４に貯留される。液溜め部３４に貯留された液体は、排出弁１９の開弁時に、外部に排水される。このように、燃料電池システム１が稼動中は、気液分離器３０で分離された液体は確実に外部に排水される。
【００４８】
燃料電池システム１を停止したときは、排出流路１４の上流側の排出流路１４ａ（導入配管３２）中に僅かに液体が残留している。この残留した僅かな液体は、徐々に滴下して液溜め部３４に貯留される。液溜め部３４の底面に対して、排出経路３３の貫通孔は僅かに高い位置にあるため、少量の液体が溜まる。
【００４９】
燃料電池システム１を停止した際、車両１００が水平の状態から第１の姿勢に傾斜することがある。本実施形態では、上述したように、第１の姿勢は、燃料電池システム１の気液分離器３０が、図４に示すように、水平の姿勢から、導入配管３２の下方に傾斜する角度が増加するように、すなわち、傾斜角度がθ２より大きいθ３に増加するように車両１００が傾斜した姿勢である。第１の姿勢では、排出経路３３は上流側から下流側に向かって上方に傾斜し、水平線Ｌに対してα１の角度で上方に傾斜する。
【００５０】
第１の姿勢では、燃料オフガスが気液分離器３０に導入される導入配管３２は、その傾斜角度がθ２からθ３に増加するため、導入配管３２中に残留する液体は勾配が急になるため滴下しやすく、液溜め部３４に液体を貯留することができる（図４、Ｗ１）。
【００５１】
これに加え、液溜め部３４の下流の排出経路は、上流側から下流側に向かって上方に傾斜するので、排出経路３３には、液体が滞留し難い。このように、燃料電池車両の第１の姿勢では、排出経路３３内において液体が滞留し難いため、液体の凍結により排出経路３３を閉塞することを防止することができる。
【００５２】
燃料電池システム１を停止したとき、車両１００が水平の状態から第２の姿勢に傾斜することがある。本実施形態では、上述したように、第２の姿勢は、燃料電池システム１の気液分離器３０が、図５に示すように、水平の姿勢から、導入配管３２の下方に傾斜する角度が減少するように、すなわち、傾斜角度がθ２より小さいθ４に減少するように車両１００が傾斜した姿勢である。この第２の姿勢では、排出経路３３は上流側から下流側に向かって下方に傾斜し、水平線Ｌに対してα２の角度で下方に傾斜する。
【００５３】
第２の姿勢では、燃料オフガスが気液分離器３０に導入される導入配管３２は、その傾斜角度がθ２からθ４に減少するため、導入配管３２に付着した液体は、導入配管３２から滴下しなくなる。
【００５４】
一方、排出経路が、上流側から下流側に向かって下方に傾斜するので、液溜め部３４に残留する液体および排出経路３３に滞留する液体は、排出経路３３から排出し易い。このように、車両１００の第２の姿勢でも、排出経路３３内において液体が滞留し難いため、液体の凍結により排出経路３３を閉塞することを防止することができる。
【００５５】
以上、本発明の一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。
【００５６】
例えば、気液分離器で分離される液体として、燃料電池スタックでの発電時の化学反応で、燃料ガスとして水素ガスと、酸化剤ガスとして酸素ガスとが化合して生成された水を排出するものを説明したが、水のみでなく、水に不純物が混じった液体を排出するものでもよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１：燃料電池システム、２：燃料電池スタック、３：エンドプレート、１０：燃料ガス供給系、１３：循環流路、１４：排出流路、１９：排出弁、２０：酸化剤ガス供給系、３０：気液分離器、３１：ケース、３２：導入配管、３３：排出経路、３４：液溜め部、１００：燃料電池車両（車両）
【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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