(57)【要約】【課題】気液分離器の排出流路の液水付着による凍結閉塞を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、アノードガス供給流路と、アノードガス循環流路と、アノードガス循環流路に設けられた気液分離器と、気液分離器に接続された主排出流路と、主排出流路よりも重力方向の上方の接続位置において気液分離器に接続された副排出流路と、を備え、気液分離器は、重力方向に沿って上下に分割された上方ケースと下方ケースとを有し、上方ケースは、アノードガス循環流路にそれぞれ接続されたガス入口及びガス出口を有し、下方ケースは、主排出流路及び副排出流路とそれぞれ接続されており、気液分離器を重力方向に沿って投影して観察したとき、上方ケースの壁面は、副排出流路の接続位置の上方を覆うオーバーハング部を有し、上方ケースのガス入口及びガス出口は、オーバーハング部以外の位置に設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを前記アノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、
前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノード排ガスから液水を分離する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され、前記気液分離器に滞留する前記液水を排出する主排出流路と、
前記主排出流路よりも重力方向の上方の接続位置において前記気液分離器に接続された副排出流路と、
を備え、
前記気液分離器は、前記重力方向に沿って上下に分割された上方ケースと下方ケースとを有し、
前記上方ケースは、前記アノードガス循環流路にそれぞれ接続されたガス入口及びガス出口を有し、
前記下方ケースは、前記主排出流路及び前記副排出流路とそれぞれ接続されており、
前記気液分離器を前記重力方向に沿って投影して観察したとき、前記上方ケースの壁面は、前記副排出流路の前記接続位置の上方を覆うオーバーハング部を有し、
前記上方ケースの前記ガス入口及び前記ガス出口は、前記オーバーハング部以外の位置に設けられている、
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関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池等の燃料電池に用いられる電解質膜は、高湿潤状態において高い発電性能を発揮できるため、燃料電池に供給する反応ガスが加湿されることがある。また、アノードガスの利用率の向上と燃料電池内における水の滞留の抑制を目的として、燃料電池から排出されたアノード排ガスから水を分離し、得られたアノードガスを再び燃料電池に供給する燃料電池システムが用いられることがある。このような燃料電池システムでは、アノード排ガスから水を分離するために気液分離器が用いられる。特許文献１には、燃料電池システムのアノードガス循環流路に設けられた気液分離器が開示されている。この気液分離器の一例では、重力方向において、気液分離器の上方の面にはアノードガス還流管が接続されており、下方の面には液水排出管が接続されており、側面にはバイパス管が接続されている。燃料電池から排出された液水混じりのアノード排ガスが気液分離器の側面のガス入口に流れ込むと、未使用の比重の小さいアノードガスは、アノードガス還流管を介してアノードガス供給管に戻される。比重の大きい液水は、液水排出管を介して燃料電池システムの外部に排出される。比重の大きい不純物ガス、例えば窒素ガスは、バイパス管を介して燃料電池システムの外部に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０１４４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術の気液分離器では、アノードガス循環流路から垂れてきた液水がバイパス管の内面に付着し、外気温が零下の場合にその液水が凍結してバイパス管を閉塞してしまう可能性があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを前記アノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノード排ガスから液水を分離する気液分離器と、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器に滞留する前記液水を排出する主排出流路と、前記主排出流路よりも重力方向の上方の接続位置において前記気液分離器に接続された副排出流路と、を備え、前記気液分離器は、前記重力方向に沿って上下に分割された上方ケースと下方ケースとを有し、前記上方ケースは、前記アノードガス循環流路にそれぞれ接続されたガス入口及びガス出口を有し、前記下方ケースは、前記主排出流路及び前記副排出流路とそれぞれ接続されており、前記気液分離器を前記重力方向に沿って投影して観察したとき、前記上方ケースの壁面は、前記副排出流路の前記接続位置の上方を覆うオーバーハング部を有し、前記上方ケースの前記ガス入口及び前記ガス出口は、前記オーバーハング部以外の位置に設けられている。
【０００７】
この形態の燃料電池システムによれば、副排出流路の接続位置の上方にオーバーハング部があるので、重力によって上方ケースのガス入口とガス出口から垂れてきた液水がオーバーハング部によって避けられ、その液水が副排出流路の接続位置に付着して凍結閉塞を起こす可能性を低減することができる。
【０００８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、気液分離器、気液分離器の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。
【図２】気液分離器の断面図。
【図３】外気温が零度よりも高い場合の気液分離器の状態を示す図。
【図４】外気温が零度よりも高い場合に気液分離器内の液水が増加する状態を示す図。
【図５】気液分離器が排気排水する状態の一例を示す説明図。
【図６】外気温が零度以下の場合の気液分離器の状態を示す図。
【図７】外気温が零度以下の場合に気液分離器内の液水が増加する状態を示す図。
【図８】気液分離器が排気排水する状態の一例を示す説明図。
【図９】気液分離器が排気排水する状態の他の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の一形態における燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、カソードガス供給排出系１００と、アノードガス供給系２００と、ＦＣ冷却系５００と、制御装置７００と、を備える。本実施形態では、一例として燃料電池車両に搭載された燃料電池システムについて説明する。燃料電池車両は、燃料電池２０により発電した電気を用いてモータを駆動し、走行する。但し、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車両用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することも可能である。
【００１１】
燃料電池２０は、例えば固体高分子形燃料電池であり、複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。各単セルは、高分子電解質膜が一対の電極に挟持されて構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟む一対のセパレータとを有している。燃料電池２０は、カソードガスとアノードガスとの酸化還元反応により発電する。
【００１２】
カソードガス供給排出系１００は、カソードガス供給管１１０とカソードガス排出管１２０とを備える。カソードガス供給管１１０には、エアコンプレッサ１６０とガス流量センサ１５０とが設けられている。エアコンプレッサ１６０は、システム外から取り込んだ空気をカソードガスとして燃料電池２０へ供給する。ガス流量センサ１５０は、空気の流量を測定する。カソードガス排出管１２０には、圧力センサ１３０と調圧弁１４０とが設けられている。調圧弁１４０は、燃料電池２０におけるカソードガスの圧力を調整する。圧力センサ１３０は、燃料電池２０のカソードガス出口におけるカソードガスの圧力を測定する。インタークーラ１７０は、カソードガス供給管１１０とカソードガス排出管１２０を跨いで配置されており、燃料電池２０に供給されるカソードガスを加熱すると共に燃料電池２０から排出されたカソードガスを冷却する。
【００１３】
アノードガス供給系２００は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給管２２０（アノードガス供給流路）と、アノードガス排出管２３０と、アノードガス還流管２４０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、アノードガスポンプ２８０と、気液分離器２９０と、窒素濃度計２４５と、を備える。アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給管２２０を介して燃料電池２０と接続されている。アノードガス供給管２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０とが設けられている。主止弁２５０は、アノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池２０に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池２０に供給されるアノードガスの圧力を測定する。
【００１４】
アノードガス排出管２３０とアノードガス還流管２４０は、アノードガス循環流路２３５を構成する。アノードガス循環流路２３５は、燃料電池２０から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給管２２０に還流させるための流路である。アノードガス循環流路２３５には、窒素濃度計２４５と、気液分離器２９０と、アノードガスポンプ２８０とが設けられている。窒素濃度計２４５は、アノードガス循環流路２３５内の窒素濃度を測定する。気液分離器２９０は、アノードガス排出管２３０を介して流れてきた液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも分離される。未使用のアノードガスは、アノードガスポンプ２８０によって駆動され、アノードガス還流管２４０を介してアノードガス供給管２２０に還流される。分離された液水と窒素ガスは、排気排水弁２９５と排気排水管１２５を通過して、カソードガス排出管１２０の中のカソードガスと合流してシステム外に放出される。気液分離器２９０の詳細は後述する。
【００１５】
ＦＣ冷却系５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５２０と、ラジエータ５３０と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、冷媒ポンプ５７０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ５７０は、冷媒供給管５１０に設けられており、冷媒を燃料電池２０に供給する。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０への冷媒の流量を調節するための弁である。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。
【００１６】
制御装置７００は、中央処理装置と、主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、燃料電池システム１０内の各種機器の動作を制御する。図１では、図示の便宜上、制御装置７００と、窒素濃度計２４５及び排気排水弁２９５との間の制御信号やセンサ信号のための接続関係を破線で示している。制御装置７００は、窒素濃度計２４５から供給される信号を用いて、排気排水弁２９５の開閉を制御する。
【００１７】
図２は、気液分離器２９０の断面図である。本明細書では、重力方向Ｇと同一の方向を「下方」と呼び、重力方向Ｇと逆の方向を「上方」と呼ぶ。また、Ｈ方向は水平方向である。気液分離器２９０は、例えば樹脂やプレス成形された金属板等によって形成される。気液分離器２９０は、重力方向Ｇに沿って上下に分割された上方ケース３００と、下方ケース４００とを有する。上方ケース３００の壁面は、側面３１０，３２０と、上面３３０とを有する。側面３１０は、アノード排ガス用のガス入口３５０を有する。ガス入口３５０には、アノードガス排出管２３０が接続されている。上面３３０は、未使用のアノードガス用のガス出口３６０を有する。ガス出口３６０には、アノードガス還流管２４０が接続されている。
【００１８】
下方ケース４００の壁面は、気液分離器２９０の最下点から上方に向けて広がる斜面４３０，４４０と、これらの斜面４３０，４４０それぞれに連結する側面４１０，４２０とを有する。下方ケース４００の最下点では、主排出流路４５０が接続位置４５０Ｅにおいて接続されている。主排出流路４５０は、気液分離器２９０に滞留する液水や窒素ガスを排出するための流路である。斜面４４０では、副排出流路４６０が接続位置４６０Ｅにおいて接続されている。副排出流路４６０用の接続位置４６０Ｅは、重力方向Ｇにおいて、主排出流路４５０用の接続位置４５０Ｅの上方に位置する。以降では、接続位置４５０Ｅを「主排出流路４５０の入口４５０Ｅ」と呼び、接続位置４６０Ｅを「副排出流路４６０の入口４６０Ｅ」と呼ぶ場合もある。副排出流路４６０は、主排出流路４５０の入口４５０Ｅが閉塞した場合に、気液分離器２９０内の液水や窒素ガスを排出するために設けられている。また、副排出流路４６０の下流側は、主排出流路４５０の下流側と連通している。なお、主排出流路４５０の下流側には、排気排水弁２９５と排気排水管１２５が接続されている。
【００１９】
本実施形態では、副排出流路４６０は、圧力損失が主排出流路４５０の圧力損失よりも大きくなるように構成されている。例えば、副排出流路４６０の流路径が主排出流路４５０の流路径よりも小さく設定されている。圧力損失を大きくするためには、流路径を小さくする他に、副排出流路４６０の長さを大きくしたり、副排出流路４６０の内面に不織布等の高圧損体を取り付けたりする方法も利用可能である。なお、主排出流路４５０と副排出流路４６０の内面には、撥水コーティングが施されている。こうすれば、これらの流路の入口付近に付着している液水が容易にこれらの流路に入ることができない。但し、主排出流路４５０と副排出流路４６０の内面に撥水コーティングを施さなくてもよい。
【００２０】
気液分離器２９０を重力方向Ｇに沿って投影して観察したとき、上方ケース３００の壁面は、副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅの上方を覆うオーバーハング部３４０を有する。オーバーハング部３４０は水平である。また、上方ケース３００のガス入口３５０及びガス出口３６０は、オーバーハング部３４０以外の位置に設けられている。この理由は後述する。上方ケース３００と下方ケース４００は、その外周に設けられた複数の締結部２１において、ボルト１８とナット１９によって締結されている。
【００２１】
図３は、燃料電池システム１０（図１）の始動前における気液分離器２９０の断面図であり、外気温が零度よりも高い状態を示している。このとき、気液分離器２９０の底部には液水７０が溜まっている。液水７０は、燃料電池システム１０が停止中に、ガス入口３５０とガス出口３６０から、重力によって垂れてきた配管２３０，２４０内の残留液水である。主排出流路４５０の内面に撥水コーティングが施されているので、液水７０は主排出流路４５０に流れ込まない。また、副排出流路４６０の入口４６０Ｅ（接続位置４６０Ｅ）の上方にオーバーハング部３４０があるので、ガス入口３５０とガス出口３６０から垂れてきた液水がオーバーハング部３４０によって避けられ、副排出流路４６０に流れ込まない。
【００２２】
図４は、燃料電池システム１０（図１）が起動し、図３から液水が増加した状態を示している。このとき、アノードガス排出管２３０から流れてきたアノード排ガス６０は、未使用のアノードガス９０と、液水７０と、窒素ガス８０を含む。このときの液水７０は、発電反応によって生じた液水や、反応ガスを加湿するための液水等が含まれている。窒素ガス８０は、燃料電池２０内においてカソード側からアノード側に移動した窒素ガスである。比重の小さい未使用のアノードガス９０（例えば水素ガス）は上方に拡散し、アノードガス還流管２４０に流れ込む。比重の大きい液水７０と窒素ガス８０は沈下して下方に溜まる。窒素濃度計２４５（図１）によって測定されたアノードガス循環流路２３５内の窒素濃度が予め定められた閾値に到達したときに、制御装置７００（図１）が排気排水弁２９５を開放させ、窒素ガス８０と液水７０を排出させる。なお、この閾値は、経験的または実験的に設定される。
【００２３】
図５は、図４から気液分離器２９０の排気排水を実行する状態を示す説明図である。このとき、排気排水弁２９５が開弁すると、液水７０と窒素ガス８０が主排出流路４５０から排出される。また、わずかな窒素ガス８０が副排出流路４６０からも排出される。副排出流路４６０の圧損が主排出流路４５０の圧損よりも大きいので、気液分離器２９０が満水の場合においても、ほとんどの液水７０と窒素ガス８０が主排出流路４５０から排出される。
【００２４】
図６は、外気温が零度以下となって気液分離器２９０内の液水が凍結した状態を示す説明図である。この場合に、図３に示した気液分離器２９０の底部に溜まっていた液水が氷７５となる。このため、主排出流路４５０の入口４５０Ｅが氷７５によって塞がれる。一方、副排出流路４６０の入口４６０Ｅの上方にオーバーハング部３４０があるので、入口４６０Ｅには液水の付着がなく、凍結閉塞が発生していない。
【００２５】
図７は、燃料電池システム１０（図１）が起動し、図６から液水が増加した状態を示している。図４と同様に、アノード排ガス６０のうち、未使用のアノードガス９０はアノードガス還流管２４０に流れ込み、液水７０と窒素ガス８０は気液分離器２９０下方に溜まる。
【００２６】
図８は、図７から気液分離器２９０の排気排水を実行する状態を示す説明図である。図５と同様に、アノードガス循環流路２３５内の窒素濃度が閾値に到達し、排気排水弁２９５が制御装置７００によって開放される。このとき、窒素ガス８０のみが副排出流路４６０から排出され、液水７０が引き続き氷７５の上に溜まっていく。但し、氷７５は、アノード排ガス６０や液水７０により暖められるので、徐々に水に変化してゆく。
【００２７】
図９は、図８から液水が増加した状態を示す説明図である。図８の状態から液水７０が継続的に氷７５の上に溜まっていき、その液面が副排出流路４６０の入口４６０Ｅよりも高くなると、液水７０が窒素ガス８０と共に副排出流路４６０から排出される。
【００２８】
以上説明したように、本発明の一実施形態では、気液分離器２９０を重力方向Ｇに沿って投影して観察したとき、副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅの上方にオーバーハング部３４０があるので、重力によってガス入口３５０とガス出口３６０から垂れてきた液水がオーバーハング部３４０によって避けられ、その液水が副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅに付着して凍結閉塞を起こす可能性を低減することができる。
【００２９】
・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３０】
・変形例１：
以上の実施形態では、オーバーハング部３４０が水平であるものとしているが、オーバーハング部３４０が水平方向Ｈより多少傾いてもよい。但し、この場合においても、気液分離器２９０を重力方向Ｇに沿って投影して観察したとき、オーバーハング部３４０が副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅの上方にあることが好ましい。
【００３１】
・変形例２：
以上の実施形態では、副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅにおいて、下方ケース４００が斜面４４０となっているが、副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅにおいて下方ケース４００が水平面となってもよい。但し、この場合においても、重力方向Ｇにおいて、副排出流路４６０の接続位置４６０Ｅが主排出流路４５０の接続位置４５０Ｅの上方に位置することが好ましい。
【００３２】
本発明は、上述の実施形態、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…燃料電池システム
１８…ボルト
１９…ナット
２０…燃料電池
２１…締結部
６０…アノード排ガス
７０…液水
７５…氷
８０…窒素ガス
９０…アノードガス
１００…カソードガス供給排出系
１１０…カソードガス供給管
１２０…カソードガス排出管
１２５…排気排水管
１３０…圧力センサ
１４０…調圧弁
１５０…ガス流量センサ
１６０…エアコンプレッサ
１７０…インタークーラ
２００…アノードガス供給系
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給管
２３０…アノードガス排出管
２３５…アノードガス循環流路
２４０…アノードガス還流管
２４５…窒素濃度計
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力センサ
２８０…アノードガスポンプ
２９０…気液分離器
２９５…排気排水弁
３００…上方ケース
３１０，３２０…側面
３３０…上面
３４０…オーバーハング部
３５０…ガス入口
３６０…ガス出口
４００…下方ケース
４１０，４２０…側面
４３０，４４０…斜面
４５０…主排出流路
４５０Ｅ…接続位置（入口）
４６０…副排出流路
４６０Ｅ…接続位置（入口）
５００…ＦＣ冷却系
５１０…冷媒供給管
５２０…冷媒排出管
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
５７０…冷媒ポンプ
７００…制御装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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