(57)【要約】【課題】低温燃料ガスに起因する燃料電池スタックの性能低下を防止できるとともに、システムの小型化を図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、ラジエータ４との間で冷媒を循環させる第１循環流路１１を有するＦＣスタック２と、ＦＣスタック２に水素ガスを供給する高圧タンク３と、を備える。高圧タンク３は、冷媒がＦＣスタック２の冷媒出口２１から口金部３３を経由しＦＣスタック２の冷媒入口２２に戻る第２循環流路１２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジエータとの間で冷媒を循環させる第１循環流路を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するとともに口金部を有する高圧タンクと、を備える燃料電池システムであって、
前記高圧タンクは、前記冷媒が前記燃料電池スタックの冷媒出口から前記口金部を経由し前記燃料電池スタックの冷媒入口に戻る第２循環流路を有す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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、燃料電池スタックと該燃料電池スタックに水素ガスを供給する高圧タンクとを備える燃料電池システムが知られている。このように構成された燃料電池システムでは、高圧タンクから水素ガスを放出する時に、圧力低下の原因で水素ガスの温度が著しく下がるため、放出された水素ガスが低温になる。低温となった水素ガスが燃料電池スタックからの循環水素ガスと合流すると、循環水素ガス内の水蒸気が凝縮してしまい、その液水が燃料電池スタックへと流入し、燃料電池スタックの性能を低下させる問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、種々な技術が提案されている。例えば下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックで温められた冷媒を熱源とする熱交換器を設置し、該熱交換器を利用し水素タンクから放出された低温水素ガスを温めてから燃料電池スタックに供給することにより、上述の低温水素ガスに起因する燃料電池スタックの性能低下を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−８４４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の燃料電池システムでは、低温水素ガスを温める熱交換器を新たに設置する必要があるので、コストアップを招くのみならず、設置スペースの確保によってシステムが大きくなり、システムの小型化を図り難いという問題が新たに生じる。
【０００６】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、低温燃料ガスに起因する燃料電池スタックの性能低下を防止できるとともに、システムの小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、ラジエータとの間で冷媒を循環させる第１循環流路を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するとともに口金部を有する高圧タンクと、を備える燃料電池システムであって、前記高圧タンクは、前記冷媒が前記燃料電池スタックの冷媒出口から前記口金部を経由し前記燃料電池スタックの冷媒入口に戻る第２循環流路を有することを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、高圧タンクは冷媒が燃料電池スタックの冷媒出口から口金部を経由し燃料電池スタックの冷媒入口に戻る第２循環流路を有するので、燃料電池スタックで温められた冷媒を該第２循環流路に流し、高圧タンクの口金部を昇温させることができる。そして、該口金部を介して放出される燃料ガスは、口金部によって温められるので、低温燃料ガスに起因する燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。しかも、従来のような燃料ガスを温める熱交換器が不要になるので、システムの小型化を図ることが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低温燃料ガスに起因する燃料電池スタックの性能低下を防止できるとともに、システムの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】高圧タンクの構成及び冷媒の流れを示す概略断面図である。
【図３】合流弁を示す模式図である。
【図４】分配弁を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池車に搭載されて車両の駆動源として用いられるものであり、主に、水素と酸素との化学反応で発電する燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）スタック（以下、ＦＣスタックという）２と、ＦＣスタック２に水素ガスを供給する高圧タンク３とを備えている。
【００１２】
ＦＣスタック２は、複数の単セルを積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。図示しないが、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体と、該膜／電極接合体を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。そして、ＦＣスタック２は、カソード電極側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガスと、アノード電極側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。
【００１３】
上述の化学反応に伴い熱が発生するので、ＦＣスタック２の昇温を防止するため、本実施形態のＦＣスタック２は、ラジエータ４との間で冷媒を循環させる第１循環流路１１を有するように構成されている。図１に示すように、第１循環流路１１は、ＦＣスタック２の冷媒出口２１からラジエータ４を経由しＦＣスタック２の冷媒入口２２に戻り、更にＦＣスタック２内部を通過するように形成されている。冷媒としては、例えばエチレングリコールを含む水が用いられている。
【００１４】
そして、第１循環流路１１を流れる冷媒は、ＦＣスタック２の内部を通過する際に、上述の化学反応により生じた熱を吸収し温められ、更にラジエータ４を通過するときに放熱することで、冷却される。
【００１５】
図２は高圧タンクの構成及び冷媒の流れを示す概略断面図である。高圧タンク３は、内部に高圧水素を貯留する円筒状のライナー３１と、ライナー３１の外壁と密着して設けられた繊維強化樹脂層３２とを有する。ライナー３１は、例えば樹脂材料やアルミニウム等の軽金属材料によって形成されている。繊維強化樹脂層３２は、ライナー３１の外表面を覆う補強層であり、ライナー３１の外表面に巻き付けられる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）等の強化繊維と、その強化繊維同士を結着する熱硬化性樹脂とで形成されている。
【００１６】
ライナー３１及び繊維強化樹脂層３２の長手方向（すなわち、高圧タンク３の軸方向）の一端部（図２において、上端部）は開口されており、その中に口金部３３が内挿されている。口金部３３は、バルブ３４を取り付けるための接続部材であり、略円筒状の本体部３３ａと、本体部３３ａの略中央位置から径方向外方へ張り出す鍔部３３ｂとを有する。本体部３３ａは、その上端部だけが繊維強化樹脂層３２から外部に露出し、他の部分が全て繊維強化樹脂層３２の内部に挿入されている。そして、本体部３３ａの内部には、ライナー３１の内部と連通し、貯留される水素ガスを外部に放出できる連通路が形成されている。
【００１７】
鍔部３３ｂは、本体部３３ａと一体的に形成されており、ライナー３１と繊維強化樹脂層３２との間に嵌入されている。一方、バルブ３４は、螺合等で口金部３３に装着されている。口金部３３とバルブ３４とは、例えば熱伝導性の良いステンレスやアルミニウムなどの金属部材によって形成されている。
【００１８】
図１に示すように、高圧タンク３内に貯留された水素ガスは、高圧タンク３とＦＣスタック２との間に設けられた水素供給循環経路１３を介してＦＣスタック２に供給される。水素供給循環経路１３は、バルブ３４と接続されて高圧タンク３内の水素ガスをＦＣスタック２に供給するための供給部１３ａと、ＦＣスタック２から排出された水素ガスを循環させて再び供給部１３ａに戻すための循環部１３ｂとを有する。循環部１３ｂには、気液分離器１４と水素循環ポンプ１５とが設けられている。
【００１９】
そして、高圧タンク３内部に貯留された水素ガスは、口金部３３、バルブ３４及び水素供給循環経路１３の供給部１３ａを経由して、ＦＣスタック２に供給される。一方、ＦＣスタック２から排出された水素ガス及び生成水は、水素供給循環経路１３の循環部１３ｂを経由して気液分離器１４に供給され、該気液分離器１４で水素ガスと生成水に分離される。気液分離器１４によって生成水から分離された水素ガスは、水素循環ポンプ１５によって供給部１３ａに戻され、再び燃料電池スタック２に供給される。このようにすれば、ＦＣスタック２から排出された未反応の水素ガスは、再利用される。
【００２０】
本実施形態において、高圧タンク３は、冷媒をＦＣスタック２の冷媒出口２１から高圧タンク３の口金部３３を経由し、ＦＣスタック２の冷媒入口２２に戻る第２循環流路１２を更に有する。図２に示すように、第２循環流路１２は、口金部３３の本体部３３ａにおける外部に露出した上端部から高圧タンク３の軸方向に沿って該本体部３３ａの下端部まで延び、更に本体部３３ａの下端部から上端部に戻るように形成されている。
【００２１】
ここで、冷媒に口金部３３を通過させる際に口金部３３との熱交換率を高めるために、口金部３３を通過する第２循環流路１２の部分は螺旋状に形成されることが好ましい。具体的には、図２の破線部分で示すように、口金部３３を通過する第２循環流路１２の部分は、口金部３３の上端部から下端部に向かって螺旋状になるように形成されている。このようにすれば、冷媒と口金部３３との熱交換面積を増やすことができるので、熱交換率の向上を図ることができる。
【００２２】
また、図１に示すように、第２循環流路１２は、ＦＣスタック２の冷媒入口２２の付近に配置された合流弁５と、冷媒出口２１の付近に配置された分配弁６とで、第１循環流路１１とそれぞれ接続されている。
【００２３】
図３は合流弁を示す模式図である。合流弁５は、ラジエータ４から戻る冷媒と口金部３３から戻る冷媒とを合流させてＦＣスタック２の冷媒入口２２に戻すＴ字管５１と、該Ｔ字管５１の内部に設けられた仕切壁５２とを有する。仕切壁５２は、例えば円板状を呈し、Ｔ字管５１のストレート部の内壁面に回動可能に配置されている。好ましくは、仕切壁５２は、Ｔ字管５１のストレート部の内壁面に配置された部分を中心として回動するように、制御部（図示せず）に制御されている。このようにすれば、該仕切壁５２の回動角度を調整することで、ラジエータ４からの冷媒と口金部３３からの冷媒とをスムーズに合流することができる。
【００２４】
図４は分配弁を示す模式図である。分配弁６は、ＦＣスタック２からの冷媒をラジエータ４側と口金部３３側に分配するＴ字管６１と、該Ｔ字管６１の内部に設けられた仕切壁６２とを有する。仕切壁６２は、例えば円板状を呈し、Ｔ字管６１のストレート部の内壁面に回動可能に配置されている。好ましくは、仕切壁６２は、Ｔ字管６１のストレート部の内壁面に配置された部分を中心として回動するように、制御部に制御されている。このようにすれば、該仕切壁６２の回動角度を調整することで、口金部３３側に流れる冷媒の流量を確実に確保することができる。
【００２５】
本実施形態の燃料電池システム１では、高圧タンク３は冷媒がＦＣスタック２の冷媒出口２１から口金部３３を経由しＦＣスタック２の冷媒入口２２に戻る第２循環流路１２を有するので、燃料電池スタック２で温められた冷媒を該第２循環流路１２に流すことで口金部３３を昇温させることができる。そして、該口金部３３を介して放出される水素ガスは、口金部３３を通過するときに、該口金部３３によって温められるので、低温水素ガスに起因するＦＣスタック２の性能低下を防止することができる。そして、口金部３３を通過した後の冷媒は、熱を奪われ温度が下がるので、冷却される。このようにラジエータ４に加えて口金部３３を利用して冷媒を冷却するので、ラジエータだけを用いた従来の製品と比べてラジエータの負荷を軽減することができ、冷媒を冷却するためのエネルギを削減することができる。
【００２６】
また、口金部３３と締結されたバルブ３４は、口金部３３を介して伝わってきた熱に温められる。このため、口金部３３で温められた水素ガスは、バルブ３４を通過する際に、更に該バルブ３４によって温められるので、性能低下の防止効果を一層高めることができる。更に、本実施形態の燃料電池システム１によれば、従来のような水素ガスを温める熱交換器が不要になるので、システムの小型化を図ることができるとともに、コストアップを抑制する効果を奏する。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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。例えば、上述の実施形態では、合流弁５及び分配弁６についてそれぞれＴ字管を有する例を説明したが、Ｙ字状の管を有しても良い。
【符号の説明】
【００２８】
１    燃料電池システム
２    ＦＣスタック
３    高圧タンク
４    ラジエータ
５    合流弁
６    分配弁
１１    第１循環流路
１２    第２循環流路
１３    水素供給循環経路
１４    気液分離器
１５    水素循環ポンプ
２１    冷媒出口
２２    冷媒入口
３１    ライナー
３２    繊維強化樹脂層
３３    口金部
３３ａ    本体部
３３ｂ    鍔部
３４    バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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