(57)【要約】【課題】  燃料電池に接続される燃料電池用ガス管において、管路内に存在する水の影響でガスの流れが阻害されることを簡易な構成で抑制する。【解決手段】  燃料電池に接続され、所定のガスが内部に流れる燃料電池用ガス管において、この燃料電池用ガス管の略水平方向に配置されている水平部分の下側の管壁の一部を、他の部分よりも低く形成した下方凸部を設け、この下方凸部に対向する上側の管壁は、下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成し、前記下方凸部を有する部分における断面積は、下方凸部を有さない部分における断面積よりも小さく形成する。【選択図】  図２
2006339095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に接続され、所定のガスが内部に流れる燃料電池用ガス管であって、
該燃料電池用ガス管の略水平方向に配置されている水平部分において、前記水平部分の下側の管壁の一部を、他の部分よりも低く形成した下方凸部を備え、
該下方凸部に対向する前記燃料電池用ガス管の上側の管壁は、前記下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成されており、
前記下方凸部を有する部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積は、前記下方凸部を有さない部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積よりも小さく形成されている
燃料電池用ガス管。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用ガス管を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に接続され、所定のガスが内部に流れる燃料電池用ガス管に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車の電力源として、燃料電池が注目されている。水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池は、発電の過程において水が生成される。通常、この水は、酸素の供給を受けるカソード側で生成されるが、電解質膜を介してアノード側にも透過する。燃料電池の運転温度は、８０℃程度まで上昇するため、こうして生成された水は水蒸気や細かな液滴となり、燃料電池に接続された種々のガス管に流入する。燃料電池システムの運転時には、これらの水蒸気や液滴は、オフガスとしてシステム外に排出されることになる。
【０００３】
しかし、システムの停止後には、燃料電池の温度の低下につれてガス管内の水蒸気が液滴となり、もともと存在していた液滴とともに重力の影響で、配管経路中の低い部位へと移動する。そのため、燃料電池システムが氷点下の環境で放置された場合には、その部分で水が凍結して管路内を著しく狭めたり、閉塞してしまうことがある。その結果、燃料電池システム内でのガスの流れが阻害され、システムの始動性が低下してしまう。特に、燃料電池のアノードに水素を供給する配管やアノードオフガスの排出を行うガス管は、燃料電池に酸素を供給するガス管に比べて細く形成されていることが多く、このような問題が起こりやすい。
【０００４】
そこで、例えば、オフガスを排出する配管を全長に亘って傾斜させることで水を排出することも考えられるが、車両の構造上、そのような配管構成を採ることが困難な場合がある。なお、下記特許文献１では、燃料電池自体もしくは燃料電池の下縁部を傾斜させることで、燃料電池内のカソード側に発生した水を排出する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３０７２５号公報
【特許文献２】特開２００４−１２７６６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池での発電の過程で生成された水の影響で、燃料電池用ガス管内のガスの流れが阻害されることを簡易な構成で抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明を次のように構成した。すなわち、
燃料電池に接続され、所定のガスが内部に流れる燃料電池用ガス管であって、
該燃料電池用ガス管の略水平方向に配置されている水平部分において、前記水平部分の下側の管壁の一部を、他の部分よりも低く形成した下方凸部を備え、
該下方凸部に対向する前記燃料電池用ガス管の上側の管壁は、前記下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成されており、
前記下方凸部を有する部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積は、前記下方凸部を有さない部分における前記燃料電池用ガス管の中空部分を含む断面積よりも小さく形成されていることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池用ガス管は、その水平部分の下側の管壁の一部が他の部分よりも低く形成されてなる下方凸部を有している。そのため、燃料電池の発電が停止されて、管内に存在する水蒸気が液滴になっても、下方凸部に水が貯留することになり、簡易な構成で配管内のガスの流れが阻害されることを抑制することができる。さらに、下方凸部に対向する上側の管壁は、該下方凸部の形成されていない前記水平部分の下側の管壁よりも高い位置に形成されているため、下方凸部が水で満たされた場合であっても、管路が閉塞することがない。しかも、下方凸部を含むガス管の断面積を、他の部分の断面積よりも小さくしたため、燃料電池を始動した際には、その部分でガスの流速が上がり、下方凸部に溜まった水を効率よく排出することが可能になる。
【０００９】
また、本発明は、燃料電池用ガス管としての構成以外にも、上述した燃料電池用ガス管を備える燃料電池システムとして構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
図１は、実施例としての燃料電池用ガス管を備える燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。本実施例における燃料電池用ガス管は、後述する水素循環管３３に相当する。図示するように、燃料電池システム１００は、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池１０や、水素を貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に対して空気を供給するエアコンプレッサ４１、希釈器４４、水素ポンプ４５などを備えている。本実施例の燃料電池システム１００は、車両に搭載され、車軸駆動用の電動モータ５０を動作させる電力源として用いられる。
【００１１】
燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。
【００１２】
燃料電池１０のカソードには、空気供給配管３５とカソードオフガス排出管３６とが接続されている。燃料電池１０には、空気供給配管３５を通じて、エアコンプレッサ４１により圧縮された空気が供給される。この空気は、燃料電池１０内での電気化学反応によって酸素が消費された後、カソードオフガス排出管３６を通じて外部に排出される。こうしてカソードから排出されるガスをカソードオフガスという。カソードオフガス排出管３６には、圧力調整弁２７と、希釈器４４とが接続されている。圧力調整弁２７は、空気供給配管３５から供給される空気の背圧を調整するためのバルブであり、この圧力調整弁２７によって、エアコンプレッサ４１から供給される空気の供給量が調整される。希釈器４４は、カソードオフガスによって後述するアノードオフガスを希釈して排出するための装置である。
【００１３】
燃料電池１０のアノードには、水素供給配管３２と水素循環管３３とが接続されている。アノードには、水素供給配管３２を通じて、水素タンク２０から水素が供給される。水素供給配管３２には、レギュレータ２３が備えられており、このレギュレータ２３によって、水素タンク２０から供給される高圧水素が、燃料電池１０での発電に適した圧力まで減圧される。
【００１４】
アノードに供給された水素の一部は、燃料電池１０内での電気化学反応によって消費される一方、電気化学反応によって消費しきれなかった水素は、アノードオフガスとして水素循環管３３に排出される。アノードオフガスには、水素以外にも、燃料電池１０内の電解質膜を通じてカソード側から透過してきた水分や窒素等が含まれる。
【００１５】
水素循環管３３に排出されたアノードオフガスは、下方凸部２００を通って、その後、水素ポンプ４５によって加圧される。こうして加圧されたアノードオフガスは、逆止弁２８を通って、再度、水素供給配管３２に供給される。つまり、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスは、燃料電池１０に循環して供給されることになる。上述したように、アノードオフガスには、燃料電池１０による電気化学反応で消費しきれなかった水素が含まれるため、こうして燃料電池１０に循環して供給することにより、効率的に水素を利用することができる。なお、下方凸部２００の詳細については、後述する。
【００１６】
水素循環管３３中の水素ポンプ４５と逆止弁２８との間には、排出バルブ２６を介してアノードオフガス排出管３４が接続されている。このアノードオフガス排出管３４の他端は、希釈器４４に接続されている。排出バルブ２６は、定期的に開弁され、ここからアノードオフガスがアノードオフガス排出管３４を通じて希釈器４４に排出される。希釈器４４に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガスによって希釈された後、外部へ排出される。上述したように、アノードオフガスには水分や窒素などが含まれるため、循環を繰り返すとこれらの濃度が高くなる。そのため、排出バルブ２６を定期的に開弁して排出することで、これらの不純物を水素とともに外部に排出し、その濃度を低下させることができる。
【００１７】
図２は、下方凸部２００を有する水素循環管３３の配管形状を示す説明図である。図中には、水素循環管３３の側断面図と、下方凸部２００を含む部分における水素循環管３３のＡ−Ａ'断面図と、下方凸部２００を含まない部分における水素循環管３３のＢ−Ｂ'断面図と、断面積を比較するために各断面の長軸方向を揃えて重ね合わせた参考図とを示している。
【００１８】
水素循環管３３は、ステンレスや樹脂によって形成されており、図２の側断面図に示すように、水平方向に設けられた水素循環管３３の下側の管壁の一部が、他の部分よりも低く形成されることによって下方凸部２００が形成されている。また、下方凸部２００に対向する水素循環管３３の上側の管壁２２０は、下方凸部２００の形成されていない下側の管壁２３０よりも高い位置に形成されている。下方凸部２００は、燃料電池の発電終了時に水素循環管３３内に存在する水分の総量を実験的に計測し、その水量を蓄えられるだけの容積を有する形状とすることができる。
【００１９】
本実施例では、下方凸部２００を含む部分における水素循環管３３は、Ａ−Ａ'断面図に示すように、鉛直方向に長軸を有する楕円形状を呈している。一方、下方凸部２００を含まない部分における水素循環管３３は、Ｂ−Ｂ'断面図に示すように、水平方向に長軸を有する楕円形状を呈している。また、参考図に示すように、下方凸部２００を有する部分（Ａ−Ａ'断面）の中空部分を含む断面積ＳＡが、下方凸部２００を有さない部分（Ｂ−Ｂ'断面）の中空部分を含む断面積ＳＢよりも小さく形成されている。断面積ＳＡの断面積ＳＢに対する面積比は、例えば、５０％〜８０％の間で設定することができ、本実施例では、断面積ＳＡは、断面積ＳＢの７０％程度の面積であるものとした。なお、この断面積ＳＡと断面積ＳＢとの面積比は、下方凸部２００の存在する部分によってアノードオフガスの流れが阻害されることがなく、かつ、下方凸部２００内に貯留した水を押し出して吹き飛ばすことが可能な流速となる値を実験的に求めて設定することができる。また、水素ポンプ４５の回転数や燃料電池１０の発電量、水素循環管３３の通常部分の断面積ＳＢなどからアノードオフガスの通常の流速を求め、この流速が、下方凸部２００内に貯留した水を押し出して吹き飛ばすことが可能な程度の流速まで増加するように断面積ＳＡの値を設定するものとしてもよい。
【００２０】
このような形状を有する水素循環管３３によれば、燃料電池システム１００が停止されたことに伴い、燃料電池の温度が低下して、水素循環管３３中に存在する水蒸気が液滴になったとしても、この液滴は、重力の影響で、水素循環管３３中の下方凸部２００に貯留することになる。また、下方凸部２００に対向する上側の管壁は、下方凸部２００の形成されていない下側の管壁２３０よりも高い位置に形成されているため、下方凸部２００全体が水で満たされたとしても、管路全体が水で満たされることがない。そのため、氷点下環境に燃料電池システム１００を放置したとしても、下方凸部２００に貯留した水が凍結するに留まり、水素循環管３３の管路全体が凍結して閉塞してしまうことを抑制することができる。
【００２１】
しかも、本実施例の水素循環管３３は、下方凸部２００を含む部分の断面積を、他の部分の断面積よりも小さく形成した。そのため、下方凸部２００を含む部分でアノードオフガスの流速が上がり、下方凸部２００に貯留した水が押し出され、下方凸部２００に溜まった水を効率良く排出することが可能になる。また、断面積が変化した部分において乱流が発生し、留まった水が巻き上げられて排出されると考えることもできる。
【００２２】
なお、下方凸部２００を含む部分は、他の部分よりも断面積が小さいため、圧力損失が発生するおそれがある。しかし、アノードオフガスの主成分である水素は、空気中の窒素や酸素にくらべ、粘性が低く、また、質量も小さい。そのため、下方凸部２００における圧力損失が、その部分を流れるアノードオフガスの流動性に与える影響は極めて低いと考えることができる。
【００２３】
以上、本発明の一実施例について説明した。上述した実施例によれば、燃料電池１０に接続される配管が凍結によって閉塞することを簡易な構成によって抑制することができる。この結果、燃料電池システム１０の配管設計を自由度高く行うことが可能になる。なお、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、次のような変形が可能である。
【００２４】
図３ないし図６は、水素循環管３３の変形例を示す説明図である。例えば、上記実施例では、水素循環管３３の配管形状は、下方凸部２００を含む部分および含まない部分とも、その断面は楕円形状であるものとした。これに対して、図３で示すように、例えば、下方凸部２００を含まない部分の断面を円形状としてもよい。また、下方凸部２００の底面は、図４に示すように、方形状であるものとしてもよい。また、図５に示すように、水素循環管３３の下方凸部に対向する上側の管壁に、上方凸部２１０や下方凸部２１５（図中の破線で示した部分）が設けられていてもよい。また、図６の側断面図に示すように、下方凸部はその中心付近が突出した形状であってもよい。
【００２５】
これらの変形例に示すように、水素循環管３３は、その下側の管壁の一部が、他の部分よりも低く形成された下方凸部２００を有しており、下方凸部２００に対向する上側の管壁が、下方凸部２００の形成されていない部分の下側の管壁よりも高い位置に形成され、下方凸部２００を有する部分における断面積が、下方凸部２００を有さない部分における断面積よりも小さく形成されていればよい。
【００２６】
また、上記実施例では、水素循環管３３に下方凸部２００を形成するものとしたが、水素供給配管３２やアノードオフガス排出管３４にも下方凸部２００を形成するものとしてもよい。これらの配管中にも、水蒸気や液滴が存在する場合があるからである。もちろん、空気供給配管３５や、カソードオフガス排出管３６に形成するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。
【図２】下方凸部２００を含む水素循環管３３の配管形状を示す説明図である。
【図３】水素循環管３３の変形例を示す説明図である。
【図４】水素循環管３３の変形例を示す説明図である。
【図５】水素循環管３３の変形例を示す説明図である。
【図６】水素循環管３３の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２３...レギュレータ
２６...排出バルブ
２７...圧力調整弁
２８...逆止弁
３２...水素供給配管
３３...水素循環管
３４...アノードオフガス排出管
３５...空気供給配管
３６...カソードオフガス排出管
４１...エアコンプレッサ
４４...希釈器
４５...水素ポンプ
５０...電動モータ
１００...燃料電池システム
２００...下方凸部
【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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【図６】
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