(57)【要約】【課題】  車両搭載用燃料電池システムの小型化を図る。【解決手段】  空気と水素とを供給されて電気化学反応により発電する燃料電池１と、前記燃料電池に供給される水素を発電に適した温度まで加熱する加熱手段５と、前記加熱手段へ水素を輸送する水素輸送ライン４と、前記加熱手段から加熱した水素を燃料電池へ供給する水素供給ライン７とを備えた燃料電池システムであって、前記水素輸送ラインは、前記加熱手段からの熱を遮熱する断熱構造１２を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と水素とを供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される水素を発電に適した温度まで加熱する加熱手段と、
前記加熱手段へ水素を輸送する水素輸送ラインと、
前記加熱手段から加熱した水素を燃料電池へ供給する水素供給ラインと
を備えた燃料電池システムであって、
前記水素輸送ラインは、前記加熱手段からの熱を遮熱する断熱構造を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素輸送ラインは、前記水素供給ラインよりも鉛直方向下側に設けられるとともに、
前記加熱手段の水素ガス流入口は、前記加熱手段の水素ガス流出口よりも鉛直方向下側に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱手段の下流側に位置して、前記加熱した水素の圧力または流量を調整する調整手段を設け、
前記の加熱手段の水素流出口、前記調整手段および前記水素供給ラインは、略直線状に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出された水素を回収し、前記調整手段に還流する水素回収手段を備え、
前記水素回収手段は、前記調整手段よりも鉛直方向下側に設けられることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素回収手段は、前記燃料電池から排出される水素ガスからの液滴を分離する気液分離手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱手段と前記調整手段は、一体的に構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料として空気と水素とを燃料電池に供給し、発電を行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、発電効率の向上のため、発電後に排出される水素を回収して再度発電に用いる循環方式のものが広く知られているが、一方で、システムを構成する部品のコストが大きな課題となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池スタックに水素を供給する部品の設計要件としては、取り扱う流体が水素であり、腐食に対応できる材料の選定が必要なこと、スタック供給圧に調圧するまで数ＭＰａ程度の圧力が負荷されること、スタックによる発電のため温度の制御が必要なこと等を考慮して設計する必要がある。
【０００４】
本発明は上記の課題を鑑みて、その目的とするところは、燃料電池システムのコスト低減を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、空気と水素とを供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される水素を発電に適した温度まで加熱する加熱手段と、前記加熱手段へ水素を輸送する水素輸送ラインと、前記加熱手段から加熱した水素を燃料電池へ供給する水素供給ラインとを備えた燃料電池システムであって、前記水素輸送ラインは、前記加熱手段からの熱を遮熱する断熱構造を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては、水素輸送中に加熱された水素により、水素輸送ラインの圧力が上昇することを避けることができる。これにより、数メガパスカルの内圧がかかるラインの信頼性を保持し、ラインへの熱応力の抑制、またはラインの応力腐食を回避できる。したがって、より安価な材料を水素輸送ラインに用いることができ、燃料電池システムのコストを低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
【実施例】
【０００８】
図１は、本発明を適用する燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池１は、水素と酸素とを用いて発電する、例えば、固体高分子電解質形燃料電池であり、水素を水素極に供給するための水素高圧タンク２と、酸素極に酸素を供給するためのコンプレッサ３とを備える。水素高圧タンク２から排出された水素は、水素輸送ライン４を通じて加熱手段５に送られ、加熱手段５で燃料電池１での発電に適した温度まで加熱される。加熱された水素は、圧力制御弁からなる調整手段６で調圧されて、水素供給ライン７を通じて所定圧力で燃料電池１に供給される。なお、調整手段６は、流量を制御するようにしてもよい。
【０００９】
ここで、水素輸送ライン４、加熱手段５および調整手段６には、断熱材を巻き付ける等の断熱構造１１が施されており、加熱手段５および調整手段６からの放熱を抑えるとともに、水素輸送ライン４での水素の温度上昇を低減するように構成される。また加熱手段４と調整手段６は、一体的に構成して小型化を図る。
【００１０】
燃料電池１は、供給された水素と酸素を用いて電気化学反応により発電し、発電に供されなかった水素と酸素とを排水素及び排酸素として排出する。排出された排水素は、水素回収ライン８を通じて気液分離手段９に送られる。そして気液分離手段９の分離部９ａで、排水素中の水滴を分離して、水タンク９ｂに貯留し、水分を除去した排水素は調整手段６に送られ、再び発電に供せられる。なお、排水素中の不活性ガス濃度が高い場合には、パージライン１０から排水素を外部に排出する。ここで、水素回収ライン８と気液分離手段９とが、請求項の水素回収手段に相当する。
【００１１】
なお、燃料電池１、コンプレッサ３、加熱手段５、調整手段６及び気液分離手段９は、燃料電池システムを統合的に制御する図示しないコントローラにより制御される。
【００１２】
図２は、本発明の燃料電池システムの水素流通レイアウトを説明する図である。
【００１３】
断熱材１２を巻き付けられた水素輸送ライン４から供給される水素は、加熱手段４において加熱され、加熱手段４の上部に位置した調整手段６に送られる。加熱手段５と調整手段６は一体的に構成され、小型化が図れるとともに、断熱構造１１を有し、外部へ放熱が抑制される。調整手段６も断熱構造１１を備え、水素輸送ライン４の上部に設置される。
【００１４】
また、水素輸送ライン４を一体化した加熱手段５と調整手段６に隣接して設置することでシステムを一層小型化することができる。加熱手段４は、その水素流入口４ａが水素流出口４ｂに対して鉛直方向下側に位置するように形成されており、加熱手段４内を水素が垂直方向上側に流れる。このような構成により、加熱された水素が、下流側の調整手段６に流れやすくなる。
【００１５】
また、加熱手段５と調整手段６には断熱構造１１が採用されているため、これらからの放熱が抑制され、放熱による水素輸送ライン内を流通する水素の温度上昇が制限される。水素輸送ライン４への伝熱は、水素輸送ライン４自体に断熱材１２を取り付けることで一層、制限される。
【００１６】
加熱された水素は、調整手段６で所定圧に調圧されて、燃料電池１の水素極に供給される。燃料電池１から排出された排水素は、水素回収ライン８から気液分離手段９に送られて、水分を分離し、水素を調整手段６に供給される。ここで、調整手段６と水素供給ライン７と燃料電池１と気液分離手段９とは、ほぼ同一高さにレイアウトされる。また、加熱手段５の出口部と圧力調整部６と水素供給ライン７は略直線上に配置され、圧力損失を低減し、システムの応答性を向上できる。また、水素輸送ライン４が水素供給ライン７より下方に位置するため、水素供給ラインからの熱が伝わり難く、水素の温度上昇を抑制することができる。
【００１７】
このように本発明においては、加熱手段５上流に位置する水素輸送ライン４に、加熱手段５または調整手段６からの熱を遮熱する断熱構造１２を備えたため、水素輸送中に加熱された水素により、水素輸送ラインの圧力が上昇することを避けることができる。これにより、数メガパスカルの内圧がかかるラインの信頼性を保持し、ラインへの熱応力の抑制、またはラインの応力腐食を回避できる。すなわち、ラインの材料の選択にあたり、材料の耐食性を考慮しなければならないが、ライン温度が６０℃程度以下の条件であればＳＵＳ３０４などの比較的安価で入手性の良い材料を用いることが可能となる。
【００１８】
また、水素輸送中に水素が加熱されることを回避できるので、水素が水素輸送ライン内で膨張することを避けることができ、水素輸送ライン４での輸送効率悪化を避けることが出来る。
【００１９】
図３は、第２の実施例の構成を示し、この実施例は、第１の実施例に対して、水素輸送ライン４のレイアウトを変更している。
【００２０】
この実施例では、水素輸送ライン４と水素供給ライン７での水素の流れ方向が同一となるように水素輸送ライン４を配置した。このようなレイアウトとすることで、水素供給ライン７からの熱から水素輸送ライン４を遠ざけることができ、水素輸送ライン４への熱量をさらに低下させることができる。
【００２１】
図４は第３の実施例を示しており、この実施例は、第２の実施例に対して、気液分離手段９の配置を変更したものである。
【００２２】
この実施例は、気液分離手段９を調整手段６と水素供給手段７の鉛直方向下側に配置したもので、このような構成とすることで、燃料電池１と気液分離手段９との配置に高低差を設け、水素回収ライン８の内壁に付着した水滴が壁面を伝って気液分離手段９内に流れ込むことになる。これによりシステム中の水の回収効率を向上できる。なお、壁面に溝を設け、付着した水滴を一層効率よく流れ込むようにしてもよい。
【００２３】
また、システム停止時等のシステム冷却時に生じた水滴も、気液分離手段９に流れ込むため、システム冷却時に生じた水滴も気液分離手段に捕集することができる。さらには、気液分離手段９がシステムの最下部に配置されるため、気液分離手段９からの水抜きが容易に実施される。また、調整手段６がもっとも上側にレイアウトされるため、調整手段周辺に設けられる流量制御のための電子バルブ、もしくは、ハーネス等を上側にまとめることができメンテナンス性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明を適用した水素流通部品は、小型化が図れるため車両搭載用の燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】本発明による部品構成レイアウトを説明する図である。
【図３】第２の実施例としての部品構成レイアウトを説明する図である。
【図４】第３の実施例としての部品構成レイアウトを説明する図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：燃料電池スタック
２：コンプレッサ（空気供給手段）
３：水素供給手段
４：水素輸送ライン
５：加熱手段
６：調整手段
７：水素供給ライン
８：水素回収ライン
９：気液分離手段
１０：パージライン
１１：断熱構造または断熱材
１２：断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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