(57)【要約】【課題】燃料電池の発電時に生成された生成水の凍結を防止し、水素ガス排出管から生成水を円滑に排出することができる燃料電池システムの配管構造を提供する。【解決手段】水素ガスとエアが供給される燃料電池を備えた燃料電池システム１の配管構造１０は、燃料電池２から排出されたエアを、燃料電池システム１の外部に排出するエア排出管１２と、エア排出管１２に接続され、燃料電池２の発電時に生成された生成水が、燃料電池から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに流通する水素ガス排出管１４（１４ｂ）と、を備え、エア排出管１２を流れる一部のエアを、水素ガス排出管１４ｂに案内するように、生成水と排出されたエアが合流するエア排出管１２の内の合流部Ａから、水素ガス排出管１４ｂの内部に延在した案内板２０が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと、酸素ガスを含むエアと、が供給される燃料電池を備えた燃料電池システムの配管構造であって、
前記燃料電池から排出されたエアを、前記燃料電池システムの外部に排出するエア排出管と、
前記エア排出管に接続され、前記燃料電池の発電時に生成された生成水が、前記燃料電池から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに流通する水素ガス排出管と、を備え、
前記エア排出管を流れる一部のエアを、前記水素ガス排出管に案内するように、前記生成水と前記排出されたエアが合流する前記エア排出管の内の合流部から、前記水素ガス排出管の内部に延在した案内板が形成されていることを特徴とする燃料電池システムの配管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの配管構造に係り、特に、燃料電池の発電時に生成された生成水を燃料電池システムの外部に排出する燃料電池システムの配管構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムは、たとえば、水素ガスを含む燃料ガスと、酸素を含むエアとを燃料電池に供給し、水素と酸素の電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池という）を備えている。燃料電池の発電時には、電気反応によって水が生成される。生成された生成水は内部に滞留させ続けると電気化学反応を阻害するため、排出する必要がある。
【０００３】
この種の燃料電池システムの配管構造として、たとえば、特許文献１には、水素ガスとエアが供給される燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水素ガスが通る水素ガス排出管と、水素ガス排出管に接続されるエア排出管と、を備える燃料電池システムの配管構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１４２９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記燃料電池システムの配管構造では、水素ガス排出流路が氷点下になる際に、水素ガスとともに排出された生成水の液滴が水素ガス排出流路に付着している場合、生成水が凍結することがある。これにより、長時間運転後に水素ガス排出流路が閉塞し、燃料電池の安定した運転を阻害するおそれがある。
【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、燃料電池の発電時に生成された生成水の凍結を防止し、水素ガス排出管から生成水を円滑に排出することができ、燃料電池を安定して運転できる燃料電池システムの配管構造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の配管構造は、水素ガスと酸素ガスを含むエアとが供給される燃料電池を備えた燃料電池システムの配管構造であって、前記燃料電池から排出されたエアを、前記燃料電池システムの外部に排出するエア排出管と、前記エア排出管に接続され、前記燃料電池の発電時に生成された生成水が、前記燃料電池から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに、流通する水素ガス排出管と、を備え、前記エア排出管を流れる一部のエアを、前記水素ガス排出管に案内するように、前記生成水と前記排出されたエアが合流する前記エア排出管の内の合流部から、前記水素ガス排出管の内部に延在した案内板が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記のごとく構成された本発明の燃料電池システムの配管構造によれば、燃料電池の発電時に生成された生成水は、水素ガス排出管をエア排出管に向かって流れ、エア排出管との合流部では、エア排出管を流れる一部のエアが案内板によって水素ガス排出管に向けて案内される。これにより、合流部付近を流れる生成水は、燃料電池から排出されたエアによって昇温され、水素ガス排出管内で、生成水が凍結することを防止することができる。また、エア排出管内の合流部において、案内板の下流には、負圧が発生するため、水素ガス排出管からの生成水が合流部に流れることを促進することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムの配管構造によれば、燃料電池の発電時に生成された生成水が、水素ガス排出管を通るときに凍結することが防止され、生成水を円滑に燃料電池システムから排出することができ、燃料電池の安定した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの配管構造の一実施形態を用いた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１に示す気液分離器を含む配管構造の合流部Ａを示す要部断面図である。
【図３】（ａ）は図２のＢ−Ｂ線に沿う要部断面図、（ｂ）は案内板の平面図である。
【図４】（ａ）は、比較例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図、（ｂ）は、実施例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図である。
【図５】図４（ｂ）のＥ−Ｅ線に沿った断面図であり、（ａ）は、流速分布の解析結果を示した図であり、（ｂ）は、圧力分布の解析結果を示した断面図である。
【図６】実施例に係る燃料電池システムと、比較例に係る燃料電池システムとの氷点下突破時間を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る燃料電池システムの配管構造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の配管構造を用いた燃料電池システムの概略構成図である。
【００１２】
図１において、燃料電池システム１は、水素ガスとエアが供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、複数の単セル２ａ，２ａ…が積層されたスタック構造で構成されている。単セル２ａは、それぞれ単体で発電可能な発電要素であり、第１と第２のエンドプレート３，４によって、その積層方向に挟まれた状態で締結されている。
【００１３】
燃料電池２の第１のエンドプレート３には、燃料電池２にエアと水素ガスを供給するとともに、エアと水素ガスを発電後に排出するための配管構造１０が接続されている。配管構造１０は、エアの供給側として、燃料電池２にエアを供給するエア供給管１１と、燃料電池から排出されたエアを燃料電池システム１の外部に排出するエア排出管１２とを備え、エア供給管１１の途中にエアコンプレッサー５が設置されている。エア供給管１１には、図示していないが、エアフロメーター、開閉弁等を有している。エアコンプレッサー５は、エア供給管１１を介して外気を取り込んで圧縮したエアを、燃料電池２に供給する。
【００１４】
燃料電池２に接続されたエア排出管１２は、燃料電池２内で電気化学反応により発電されたあとのエアを燃料電池システム１の外部に排出する。エア排出管１２には、図示していないが、必要に応じて調圧弁等が設置される。エア排出管１２には、後述する水素ガス排出管が合流部Ａで接続されている。
【００１５】
燃料電池２の第１のエンドプレート３には、配管構造１０の水素ガス供給側として、水素タンク６から水素ガスを燃料電池２に供給する水素ガス供給管１３と、燃料電池から排出された水素ガスを生成水とともに排出する水素ガス排出管１４とが接続されている。水素ガス供給管１３には、図示していないが、開閉弁、レギュレーター、水素供給装置等が設置されている。水素供給装置は、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。
【００１６】
水素ガス排出管１４は、燃料電池２の発電時の電気化学反応で生成された生成水が、燃料電池２から排出された少なくとも一部の水素ガスとともに、流通するものであり、本実施形態では、途中に気液分離器７が設置されている。気液分離器７は、生成水を含む水素ガスを気体成分と液体成分に分離するものである。したがって、水素ガス排出管１４は、水素ガス等の気体と生成水が流れ、気液分離器７の上流側に位置する水素ガス排出管１４ａと、気液分離器７で分離された生成水が流れ、気液分離器７の下流側に位置する水素ガス排出管１４ｂとから構成される。気液分離器７と、水素ガス排出管１４ｂとの間には、排水弁８が設置されている。
【００１７】
気液分離器７で分離された気体成分は、水素ガスを含む気体であり、水素ガス循環管１５を通して水素ガス供給管１３に循環され、再度、燃料電池２に供給される。水素ガス循環管１５には、図示していないが、水素循環用ポンプが設置されている。気液分離器７で分離された液体成分の生成水は、下流側の水素ガス排出管１４ｂを通してエア排出管１２に合流して燃料電池システム１の外部に排出される。なお、本実施形態では、エア排出管１２、気液分離器７、および水素ガス排出管１４ｂは、樹脂またはゴムからなる。
【００１８】
本実施形態の配管構造１０では、燃料電池２から排出された酸素ガスを含むエア（大気）を燃料電池システム１の外部に排出するエア排出管１２に、生成水と、排出された一部の水素ガスと、が流通する水素ガス排出管１４ａが、接続されている。したがって、エア排出管１２には、エアと、生成水および水素ガスが合流する合流部Ａが形成されている。以下に、図２および図３を参照して合流部Ａについて詳細に説明する。図２は、気液分離器７を含む合流部Ａの要部断面図であり、図３（ａ）は、図２のＢ−Ｂ線に沿う要部断面図、図３（ｂ）は案内板の平面図である。
【００１９】
合流部Ａは、水素ガス排出管１４ａからの生成水と水素ガスの一部が、燃料電池から排出されたエアに合流する部分であり、合流部Ａは、エア排出管１２内に形成されている。合流部Ａには、エア排出管１２を流れる一部のエアを、水素ガス排出管１４（１４ｂ）に案内するように、案内板２０が設けられている。
【００２０】
具体的には、案内板２０は、生成水と排出されたエアが合流するエア排出管１２の内の合流部Ａから、下流側の水素ガス排出管１４ｂの内部に延在している。エア排出管１２の管径は水素ガス排出管１４の管径より大きく形成され、大径φ１のエア排出管１２に小径φ２の水素ガス排出管１４が合流するようになっている。
【００２１】
案内板２０は、樹脂またはゴムからなる板状の部材である。案内板２０は、下流側の水素ガス排出管１４ｂの内径と同等の幅Ｗを有し、一端側は水素ガス排出管１４ｂの内部に進入し、他端側はエア排出管１２の対向する内壁面に到達する長さＬを有する板材で形成されている。案内板２０の他方の端部は、エア排出管１２の内壁の円弧に合わせた形状の円弧に形成されている。案内板２０は、下流側の水素ガス排出管１４ｂとともに一体的に成形され、その一方の端部は、水素ガス排出管１４内に位置し、その他方の端部は燃料電池２から排出されたエア排出管１２に進入して邪魔板として機能するものである。
【００２２】
案内板２０は、他方端がエア排出管１２の流路に進入しているが、案内板２０の幅Ｗはエア排出管１２の内径より小さいものである。本実施形態では、案内板２０の先端がエア排出管１２の内壁に接触したときに、案内板２０とエア排出管１２の内壁との間に、連通隙間２１，２１が形成されている。これにより、燃料電池２から排出されたエアの一部が通過できる流路が形成される。
【００２３】
なお、図２に示す気液分離器７には上流側の水素ガス排出管１４ａが接続されるとともに、気体成分を水素ガス供給管１３に循環させる水素ガス循環管１５が接続されている。
【００２４】
前記の如く構成された本実施形態に係る燃料電池システム１の配管構造１０の動作について以下に説明する。エア供給管１１を通して吸入されたエアは、エアコンプレッサー５で圧縮され、燃料電池２に供給される。水素タンク６に貯留された水素ガスは、水素ガス供給管１３を通して燃料電池２に供給され、燃料電池２では電気化学反応により発電され、燃料電池２内部では生成水が生成される。そして、エアは燃料電池２からエア排出管１２を通して燃料電池システム１の外部に排出される。排出されるエアは、燃料電池２の上流側のエアコンプレッサー５で一旦圧縮される際に昇温され、燃料電池２内での電気化学反応によりさらに昇温される。
【００２５】
発電後に燃料電池２から排出された水素ガスは、水素ガス排出管１４ａを通して気液分離器７に送られ、水素ガスを含む気体成分と生成水とに分離される。水素ガスを含む気体成分は、水素ガス循環管１５を通して水素ガス供給管１３に循環されるため、水素ガスを再利用することができる。気液分離器７で分離された液体成分である生成水は、排水弁８が開いているときに下流側の水素ガス排出管１４ｂを通してエア排出管１２に合流され、燃料電池システム１の外部に排出される。水素ガス排出管１４ｂでは、図２に示すように、気液分離器７で分離されなかった水素ｄ１と、生成水ｄ２とがエア排出管１２に向かって、排水弁８の開閉により断続的に排出される。
【００２６】
エア排出管１２への水素ガス排出管１４ｂの合流部Ａでは、エア排出管１２を流れる一部のエアが案内板２０によって水素ガス排出管１４ｂに向けて矢印Ｙ１のように案内される。具体的には、案内されたエアは、案内板２０の上部を生成水の流れる方向と逆の方向に流れ、案内板２０の端部（右端）で矢印Ｙ２のように旋回して案内板２０の下部を生成水と同じ方向に流れ、エア排出管１２に戻って合流する。
【００２７】
これにより、燃料電池２から排出され、昇温されたエアが、水素ガス排出管１４ｂを流れる生成水を加熱するため、氷点下の環境下にあっても、水素ガス排出管１４ａ内で生成水が凍結することを抑制することができる。特に、本実施形態では、水素ガス排出管１４ａからは、排水弁８の開閉により、断続的に水素ｄ１と生成水ｄ２とが断続的に流れるため、これらの熱は少なく、かつ、エア排出管１２、気液分離器７、および水素ガス排出管１４ｂは、樹脂またはゴムからなるため、これらは燃料電池２および気液分離器７からの熱も金属に比べて伝達され難い。しかしながら、このような場合であっても、上述した案内板２０を設けることにより、エアにより水素ガス排出管１４ａが昇温され、その内部で生成水が凍結することを抑制することができる。
【００２８】
また、エア排出管１２内の案内板２０の下部領域Ｃが負圧状態となるため、案内板２０の下方では、生成水とともに案内されたエアがエア排出管１２に流れ易くなる。これにより、水素ガス排出管１４ａ内における生成水の排出を促進することができ、水素ガス排出管１４ａからの円滑に生成水を排水が行える。
【００２９】
つぎに、本実施形態の案内板２０を形成した配管構造１０を備える燃料電池システム１（実施例に係る配管構造）と、案内板を形成していない従来の配管構造を備える燃料電池システム（従来システム）とを比較した解析を行った。この結果を、図４〜図６を参照して説明する。
【００３０】
図４（ａ）は、比較例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図、図４（ｂ）は、実施例に係る燃料電池システムの温度分布の解析結果を示す要部断面図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）は、エアの排出から１０秒後の解析結果である。図５は、図４（ｂ）のＥ−Ｅ線に沿った断面図であり、（ａ）は、流速分布の解析結果を示した図であり、（ｂ）は、圧力分布の解析結果を示した断面図である。図６は、実施例に係る燃料電池システムと、比較例に係る燃料電池システムとの氷点突破時間を示したグラフである。
【００３１】
なお、気液分離器７および水素ガス排出管１４ｂは、それぞれＰＰＳ樹脂、ナイロン系樹脂であり、エア排出管１２はＥＰＤＭゴムを想定した物性値を設定した。解析条件としては、外気温が−３０℃で、熱伝導率は５Ｗ／ｍ２−Ｋ（無風状態）とした。この状態で、エアの流量を１４００ＮＬ／ｍｉｎ（一定）とし、温度を６０℃（一定）とした。気液分離器７に流れるクーラント（ＦＣＣ）を１２Ｌ／ｍｉｎ（一定）とし、温度を６２℃（一定）とした。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、比較例に係る燃料電池システムではエア排出管１２と下流側の水素ガス排出管１４ｂとの合流部Ａよりも上流側のＤ部では、水素ガス排出管１４ｂの内部は低温状態であった。一方、案内板２０を形成した本実施形態の燃料電池システムの合流部Ａよりも上流側のＤ部では、図４（ｂ）に示すように、案内板２０により燃料電池２から排出されたエアが水素ガス排出管１４ｂ内に案内され、比較例のものよりも、高い温度状態にあることが分かった。
【００３３】
また、図６に示すように、比較例では、氷点下突破時間は５８４秒であったのに対し、実施例では５９秒であり、実施例では、案内板２０を合流部Ａに形成することにより、昇温性が向上することが確認できた。
【００３４】
さらに、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例では、案内板２０の上流側では、案内板２０にエアが衝突することにより、エアの圧力が上昇し、その下流側では、エアの剥離流が発生し、エアの圧力が負圧になっていることが分かった。このエアの負圧により、水素ガス排出管１４ａの生成水の流れが促進されることがわかる。
【００３５】
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。
【００３６】
例えば、前記した実施形態では、燃料電池から排出された水素ガスを含む生成水が流れる水素ガス排出管の途中に気液分離器を備える構成を示したが、気液分離器は必ずしも必要ではなく、水素ガス排出管が直接エア排出管に接続されるように構成してもよい。
【００３７】
また、エア排出管を流れる一部のエアを、水素ガス排出管に案内する案内板の形状は、前記した実施形態の形状に限られるものでなく、燃料電池から排出されたエアを水素ガス排出管の方向に案内できる形状であれは適宜の形状でよいことは勿論である。さらに、案内板はエア排出管の内壁に突き当たる形状でなく、間隔をあけて形成したものでもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、５：エアコンプレッサー、６：水素タンク、７：気液分離器、８：排水弁、１０：配管構造、１１：エア供給管、１２：エア排出管、１３：水素ガス供給管、１４、１４ａ、１４ｂ：水素ガス排出管、２０：案内板、２１：連通隙間、Ａ：合流部
【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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