(57)【要約】【課題】燃料電池に向かう酸化剤ガスの圧損を抑えつつ、燃料電池に酸化剤ガス中に混入したオイル等の不純物が流れ込むことを抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸化剤ガスを供給するコンプレッサ３と、を備え、燃料電池２とコンプレッサ３との間には、コンプレッサ３から燃料電池２に酸化剤ガスを供給するガス供給配管４が接続されており、ガス供給配管４は、接続部Ａで２つの配管４ａ，４ｂが接続されて構成され、コンプレッサ３側の一方の配管４ａは、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部６を有し、燃料電池２側の他方の配管４ｂは、その開口端部において、拡径部６の内径よりも小径の内径を有した小径部１２を有し、小径部１２には一方の配管４ａの拡径部６の内部に向けて開口する溝部１３が小径部１２の開口端部の周縁に沿って形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記コンプレッサとの間には、前記コンプレッサから前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するガス供給配管が接続されており、
該ガス供給配管は、接続部で２つの配管が接続されて構成され、
前記コンプレッサ側の一方の配管は、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部を有しており、
前記燃料電池側の他方の配管は、その開口端部において、前記拡径部の内径よりも小径の内径を有した小径部を有しており、
前記小径部には、前記一方の配管の前記拡径部の内部に向けて開口する溝部が前記小径部の前記開口端部の周縁に沿って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、燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池を備えており、燃料電池には、燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのガス供給配管が接続されている。ここで、燃料電池に供給される酸化剤ガスに不純物が混入していると、不純物が燃料電池に持ち込まれることになり、燃料電池の発電性能が低下することがある。
【０００３】
このような点を鑑みて、たとえば特許文献１には、コンプレッサから酸化剤ガスを供給する屈曲部を有したガス供給配管を備え、屈曲部の流路に、屈曲部の半径方向外側の内壁から屈曲部の内方に向かって邪魔板を延在させた、燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムによれば、屈曲部を通過する酸化剤ガスに含まれるオイルなどの不純物は、遠心力により、屈曲部の半径方向外側を通過し易いことから、この箇所に邪魔板を配置することにより、邪魔板で不純物を捕捉することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１３４９６３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で提案された燃料電池システムは、ガス供給配管内に設けた邪魔板により、配管内での圧力損失（圧損）が発生するおそれがある。このため、酸化剤ガスを燃料電池に供給する際の圧力不足を回避するために、エアコンプレッサの能力を高める必要があり、システムが大型化するとともに、消費電力が多大となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであって、燃料電池に向かう酸化剤ガスの圧損を抑えつつ、酸化剤ガス中に混入したオイル等の不純物が、燃料電池に流れ込むことを抑制す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、燃料電池と、該燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池と前記コンプレッサとの間には、前記コンプレッサから前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するガス供給配管が接続されており、該ガス供給配管は、接続部で２つの配管が接続されて構成され、前記コンプレッサ側の一方の配管は、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部を有しており、前記燃料電池側の他方の配管は、その開口端部において、前記拡径部の内径よりも小径の内径を有した小径部を有しており、前記小径部には、前記一方の配管の前記拡径部の内部に向けて開口する溝部が前記小径部の前記開口端部の周縁に沿って形成されていることを特徴とする。
【０００９】
前記のごとく構成された本発明の燃料電池システムでは、コンプレッサ側の一方の配管は、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部を有しているため、拡径部に流入する酸化剤ガスの圧力損失を低減することができる。拡径部の下流にある燃料電池側の他方の配管は、その開口端部において、前記拡径部の内径よりも小径の内径を有した小径部を有しており、小径部には、一方の配管の拡径部の内部に向けて開口する溝部が、小径部の開口端部の周縁に沿って形成されている。このため、コンプレッサから燃料電池に向かってガス供給配管を流れる酸化剤ガス中にオイル等の不純物が混入していると、オイル等の不純物は配管の壁面を伝って流れ、小径部に形成された溝部に入り込む。これにより、酸化剤ガス中に含まれるオイル等の不純物を捕捉することができる。このような結果、燃料電池に向かう酸化剤ガスの圧損を抑えつつ、燃料電池に酸素剤ガス中のオイル等の不純物が流れ込むことを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池に向かう酸化剤ガスの圧損を抑えつつ、燃料電池に酸化剤ガス中のオイル等の不純物が流れ込むことを抑制することができ、燃料電池システムの小型化と、低消費電力化を図ることができる。
【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一実施形態を示す模式図である。
【図２】図１のＡ部に示す配管接続部の要部断面図である。
【図３】図２の配管接続部の分解状態を示す要部断面図である。
【図４】図３で示す右方の配管の左側面図である。
【図５】図３で示す右方の配管の他の実施形態の左側面図である。
【図６】（ａ）は、実施例に係る燃料電池システムのガス供給配管のモデルであり、（ｂ）は、実施例に係る燃料電池システムのガス供給配管の流速分布の解析結果であり、（ｃ）は、比較例に係る燃料電池システムのガス供給配管の流速分布の解析結果である。
【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を示す模式図であり、図２は、図１のＡ部に示す配管接続部の要部断面図、図３は、図２の配管接続部の分解状態を示す要部断面図であり、図４は、図３で示す右方の配管の左側面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に、空気（大気）などの酸化剤ガスを供給するコンプレッサ（ターボコンプレッサ）３と、を少なくとも備えている。燃料電池２とコンプレッサ３との間には、コンプレッサ３からの酸化剤ガスを冷却するインタクーラ５６が配置されている。なお、燃料電池２は、水素ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとが供給されることにより、これらが化学反応し、発電する固体高分子型の燃料電池である。
【００１４】
コンプレッサ３と燃料電池２との間には、コンプレッサ３から燃料電池２に酸化剤ガスを供給するガス供給配管４が接続されている。ガス供給配管４は、コンプレッサ３からインタクーラ５６までを接続し、コンプレッサ３から吐出された酸化剤ガスが流通する吐出側配管４Ａと、インタクーラ５６から燃料電池２までを接続し、燃料電池２に酸化剤ガスを導入する導入側配管４Ｂと、を備えている。
【００１５】
吐出側配管４Ａは、コンプレッサ３の吐出側の一方の配管４ａと、一方の配管４ａに接続部Ａで接続された燃料電池２側の他方の配管４ｂで構成されている。ガス供給配管４は、コンプレッサ３の導入側の配管４Ｃをさらに備えており、導入側の配管４Ｃには途中にエアクリーナ５５が設置されている。
【００１６】
コンプレッサ３は、空気（大気）などの酸化剤ガスをエアクリーナ５５を介して導入し、導入した酸化剤ガスを内部で圧縮し、これを吐出側配管４Ａから吐出する装置である。コンプレッサ３は、酸化剤ガスを、燃料電池２へ圧送する圧縮室３１を備えており、圧縮室３１には、酸化剤ガスを圧縮するインペラ３２が配置されている。圧縮室３１に隣接した位置には、インペラ３２を回転駆動するモータ３３が配置されており、モータ３３は、モータ室３４に収容されている。圧縮室３１には外気を導入するガス供給配管４の導入側配管４Ｃと、圧縮されたエアを吐出する吐出側配管４Ａが接続されている。
【００１７】
燃料電池２に酸化剤ガスを供給する際には、コンプレッサ３を駆動させ、インペラ３２を駆動回転させるモータ３３は、１０万ｒｐｍ程度の高回転で回転する。このため、モータ３３は、高温に発熱し易いため、モータ３３を支承するベアリング、およびモータ３３そのものを冷却すべく、モータ室３４は、オイル冷却システム５０に接続されている。
【００１８】
コンプレッサ３には、オイル冷却システム５０が接続されている。オイル冷却システム５０は、冷却用のオイルをモータ室３４に循環させることにより、モータ３３等を冷却するシステムである。オイル収容部５１からのオイルは、オイルポンプ５２を介してモータ室３４に圧送され、モータ室３４から戻るオイルは、オイルクーラ５３で冷却される。
【００１９】
モータ室３４には、オイルが圧縮室３１に漏洩することを防止するために、メカニカルシール等が設けられているが、上述した如く、モータ３３が高回転で回転するため、メカニカルシール等の摺動部から、圧縮室３１に微量のオイルが漏れる可能性がある。
【００２０】
さらに、通常は、圧縮室３１の圧力は、モータ室３４の圧力よりも高い状態を保持しているが、モータ室３４の室内の温度が上昇することにより、モータ室３４の圧力が高圧になることがある。これにより、モータ室３４から圧縮室３１にオイルが流れ込むことが想定される。
【００２１】
この他にも、モータ３３の回転速度が減速した時などには、圧縮室３１の圧力が負圧になることがあり、モータ室３４の圧力が、圧縮室３１の圧力よりも相対的に高くなることがある。この場合も、モータ室３４から圧縮室３１にオイルが流れ込むことが想定される。
【００２２】
このようなオイルは、ガス供給配管４を介して、１００μｍ程度の粒子となって、インタクーラ５６を通過し、燃料電池２に流れ込んでしまう。本実施形態では、コンプレッサ３で吸い込まれた酸化剤ガスに含まれる不純物、コンプレッサ３から漏出したオイル等が、燃料電池２内に流れ込むことを抑制するために、以下の構造を採用している。
【００２３】
具体的には、本実施形態では、図２から図４に示すように、ガス供給配管４（吐出側配管４Ａ）は、接続部Ａで２つの配管、すなわちコンプレッサ３側の一方の配管４ａと燃料電池２側の他方の配管４ｂとが接続されて構成されている。上流にある一方の配管４ａと下流にある他方の配管４ｂとの間にはガスケット（Ｏリング）５が介設され、両配管４ａ，４ｂは漏洩しないように接続されている。ガスケット５は、他方の配管４ｂの接合面１０に開口する円周状の嵌合溝１１に挿入されて、これに嵌合される。なお、一方の配管４ａと他方の配管４ｂとは、図示していないフランジ部等をボルトナット等で締め付けることで接続されている。
【００２４】
コンプレッサ３側の一方の配管４ａは、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部６を有している。具体的には、図３に示すように、一方の配管４ａの流通部の内径Φａに対して、燃料電池２側の他方の配管４ｂは、その開口端部において、拡径部６の内径Φｂよりも小径の内径Φｃを有した小径部１２を有している。拡径部６の内径Φｂは、拡径部６の上流側の配管４ａの内径Φａよりも大きく設定され、流通部（一般部）の内径Φａから拡径部６の内径Φｂの間は緩やかな勾配で徐々に大径となるように形成されている。さらに、拡径部６から外周側には、つば部７が形成され、つば部７の開放側端面（右端面）が平坦な接合面８となっている。
【００２５】
燃料電池２側の他方の配管４ｂは、その開口端部において、平坦な接合面１０を有しており、接合面１０は、一方の配管４ａの接合面８と対向するように当接する。他方の配管４ｂの接合面１０および一方の配管４ａの接合面８は、ともに配管の軸芯（配管の中心線）に対して直角に形成されている。
【００２６】
また、他方の配管４ｂは、その開口端部において、拡径部６の内径Φｂよりも小径の内径Φｃを有した小径部１２を有している。この実施形態では、他方の配管４ｂの小径部１２の内径Φｃは、一方の配管４ａの内径Φａとは、同じ径であり、小径部１２の内径Φｃは、一方の配管４ａの内径Φａ以上であることが好ましい。これらの中心は、酸化剤ガスが流れる流方向に沿った配管の中心線に一致している。これにより、拡径部６を設けても、一方の配管４ａから他方の配管４ｂに流れる酸化剤ガスの圧損を抑えることができる。
【００２７】
他方の配管４ｂの小径部１２には、その開放側端面において、一方の配管４ａの拡径部６の内部に向けて開口する溝部１３が形成されている。溝部１３は、小径部１２の開口端部の周縁に沿って円周状に形成されている。より詳しくは、溝部１３は、一方の配管４ａの流通部の内径Φａと、拡径部６の内径Φｂとにより形成された段差の領域（つまり内径Φａより外周側で内径Φｂより内周側の円筒状の領域）に開口している。このため、小径部１２の開口端部に形成された溝部１３は、酸化剤ガスの上流側を向いて開口している。
【００２８】
また、拡径部６の長さＬは、拡径部６の内径Φｂの１〜２倍であることが好ましく、内径Φｂは、溝部１３の中心から、溝部１３の外側壁までの間に設定されることが好ましい。一方の配管４ａから拡径部６までの傾斜は、２５°〜４５°の範囲が好ましい。このような範囲に設定することにより、拡径部６を通過する酸化剤ガスの圧損を低減することができる。
【００２９】
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の動作について以下に説明する。ガス供給配管４の導入側の配管４Ｃを通して吸入された酸化剤ガスは、コンプレッサ３で圧縮され、燃料電池２に吐出側配管４Ａの一方の配管４ａと、一方の配管４ａと接続部Ａで接続された他方の配管４ｂを流れたのち、インタクーラ５６を介して、導入側配管４Ｂに流れる。
【００３０】
コンプレッサ３では、オイル冷却システム５０によって冷却用のオイルがモータ室３４を循環し、モータ３３等は冷却される。モータ室３４では、上述した理由から、微量のオイルが圧縮室３１に漏出することがある。
【００３１】
本実施形態のガス供給配管４は、コンプレッサ３側の一方の配管４ａは、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部６を有しているため、この拡径部６から他方の配管に流れる酸化剤ガスの圧損を低減することができる。
【００３２】
さらに、燃料電池２側の他方の配管４ｂは、その開口端部において、拡径部６の内径Φｂよりも小径の内径Φｃを有した小径部１２を有している。さらに、小径部１２には、一方の配管４ａの拡径部６の内部に向けて開口する溝部１３が小径部１２の開口端部の周縁に沿って形成されている。
【００３３】
このような構造を採用することにより、コンプレッサ３からオイルが漏れ出した場合、オイルは一方の配管４ａの内壁面を伝って流れ、拡径部６の内壁面に到達する。そして、拡径部６の内壁面に到達したオイルは、他方の配管４ｂの小径部１２に開口して形成された溝部１３に入り込み捕捉される。
【００３４】
溝部１３は、一方の配管４ａの拡径部６に向けて上流側に開口しているため、拡径部６の内壁面を伝って移動するオイル等の不純物は、上流側から流れる気流によって押し込まれるため、確実に捕捉することができる。したがって、不純物であるオイルにリンや硫黄含有物質等が含まれる場合には、これらを溝部１３で捕捉することができる。
【００３５】
この結果、燃料電池２へオイル等の不純物の流入を防止することができる。しかも、オイル等の不純物を捕捉するために他方の配管４ｂに形成した溝部１３は、接続部Ａの上流側の一方の配管４ａの拡径部６に向かって開口しているため、酸化剤ガスの流通における圧力損失の増大を抑制することができる。
【００３６】
本発明の他の実施形態を図５に基づき詳細に説明する。図５は、本発明に係る燃料電池システムで使用する配管の他の実施形態の左側面図である。なお、この実施形態は、前記した実施形態の円周状に全周に形成された溝部に対し、溝部が円周状に分割して形成された点が相違する。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。
【００３７】
前記のように、接続部Ａで接続される一方の配管４ａは、その開口端部において、外方に向けて内径が広がる拡径部６を有している点で、前述した実施形態のものと同じである。一方、他方の配管４ｂは、その開口端部において、拡径部６の内径Φｂよりも小径の内径Φｃを有した小径部１２を有している。そして、図５に示すように、他方の配管４ｂの小径部１２には、一方の配管４ａの拡径部６の内部に向けて開口する複数の溝部１４，１４…が小径部１２の開口端部の周縁に沿って、円周状に分割して形成されている。したがって、他方の配管４ｂの接合面１０には、上流側の一方の配管４ａに向かって、複数の溝部１４，１４…が開口している。
【００３８】
この実施形態の他方の配管４ｂにおいても、前記した実施形態と同様に、ガス供給配管４（吐出側配管４Ａ）を流れる酸化剤ガス中に、オイル等の不純物が混入していても、配管の接続部Ａで、一方の配管４ａに形成された拡径部６と、他方の配管４ｂの小径部１２に形成された溝部１４，１４…でオイル等の不純物を確実に捕捉することができる。
【００３９】
以下に、図６（ａ）は、実施例に係る燃料電池システムのガス供給配管のモデルであり、図６（ｂ）は、実施例に係る燃料電池システムのガス供給配管の流速の解析結果であり、図６（ｃ）は、比較例に係る燃料電池システムのガス供給配管の流速の解析結果である。なお、比較例は、実施例のガス供給配管４の一方の配管４ａに拡径部６を設けず、他方の配管に、溝部１３（１４）を設けていない従来のモデルを用いた。
【００４０】
なお、これらの解析では、流入する酸化剤ガスの流量を４９７２ＮＬ／分とし、入口圧力を２２１．２ｋＰａとし、入口温度を１７０℃とし、酸化剤ガスの平均分子量を２８．８５ｇ／ｍｏｌとし、粘性係数２．４９０×１０−５Ｐａ・Ｓとした。
【００４１】
図６（ｂ）に示すように、一方の配管４ａの近傍の他方の配管４ｂの壁面の酸化剤ガスの剥離流の高さは低く、流速も低く、図６（ｃ）の比較例のものと同程度であった。この結果、比較例から実施例のような構造を採用しても、圧力損失はほとんどないと言える。
【００４２】
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。
【００４３】
例えば、一方の配管の拡径部の内部に向けて開口する溝部として、円周状の溝部の例を示したが、円周状に限られるものでなく、開口端部の周縁に沿って形成されていれば、複数の円形の溝部を配列した形状でもよい。
【００４４】
さらに、オイル等の不純物を捕捉するための溝部は、不純物が入り込む陥没部（凹部）であれば、その溝断面の形状はいかなる形状でもよい。また、ガス供給配管として、酸化剤ガスを供給する例を示したが、これに限られるものでなく、燃料電池に水素ガスを供給する例にも適用できることは勿論である。さらに、他の気体を供給する場合でも適用できるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：コンプレッサ、４：ガス供給配管、４ａ：一方の配管、４ｂ：他方の配管、５：ガスケット、６：拡径部、１１：嵌合溝、１２：小径部、１３：円周状の溝部、１４：分割された溝部、φａ：流通部の内径、φｂ：拡径部の内径、φｃ：小径部の内径、Ａ：接続部
【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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