(57)【要約】【課題】燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部において、水分の凍結による配管の閉塞を防止する。【解決手段】合流部２０は、内側配管から噴出される燃料ガス４０が、外側配管に到達する前に、アノードオフガス４２と混じり合う構造とした。すなわち、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向が、屈曲部の内径側である管壁と噴出口２２ｂとを結ぶ接線方向と、循環管路２６からのアノードオフガス４２の気流方向との間になるようにする。これにより、内側配管から噴出される燃料ガス４０は、外側配管の管壁に到達し難くなり、かつ、アノードオフガス４２が外側配管の管壁を伝うことにより、配管が暖められ、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵タンクから導出する燃料ガス１次供給管路と、前記燃料電池に循環するアノードオフガスを燃料電池から導出する循環管路と、前記燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと、前記循環管路からのアノードオフガスを合流して前記燃料電池に供給する燃料ガス２次供給管路と、を含み、
燃料ガス２次供給管路における、燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと循環管路からのアノードオフガスの合流部は、循環管路に接続された燃料ガス２次供給管路である外側配管と、燃料ガス１次供給管路である内側配管とからなる二重管構造である、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記合流部は、燃料ガス２次供給管路の屈曲部にある、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
前記内側配管の噴出口は、噴出される燃料ガスの気流方向が、前記屈曲部の内径側である管壁と噴射口とを結ぶ接線方向と、前記合流部の上流側から供給されるアノードオフガスの気流方向との間になるように形成されている、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
燃料ガス１次供給管路は、前記合流部の上流側であって前記屈曲部の内径側である管壁より貫通して、内側配管となる、
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、特に固体高分子型燃料電池に燃料ガスを循環して供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。特に、自動車業界では、将来、内燃機関自動車の代替となり得るモータ駆動の電気自動車に搭載する固体高分子型燃料電池の実用化に向けて、研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と記す）は、燃料極（以下、アノードと記す）と、高分子電解質膜と、空気極（以下、カソードと記す）とが順に積層した膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと記す）を、２枚のセパレータで狭持した構造を有している。この構造により１つの電池が構成されるため、一般にこれがセルと称される。アノードとカソードは、電極触媒層とガス拡散層を有しており、電極触媒層が高分子電解質膜側に面し、ガス拡散層がセパレータに面している。各セパレータは、アノードに水素及びカソードに酸素を供給するための流体経路を形成している。
【０００４】
燃料電池の電気化学反応による発電について説明する。アノードの触媒作用によりに水素は、水素イオンと電子に解離される。触媒作用により生成した水素イオンは、高分子電解質膜を透過して、カソードへ送られる。また、触媒作用により生成した電子は、外部回路を通じてカソードへ送られる。一方、カソードでは、高分子電解質膜を透過した水素イオンと、外部回路を通じて供給された電子とが、触媒作用により酸素と反応し、水を生成する。このＭＥＡにおける一連の反応により、セルは外部へ電力供給が可能となる。なお、通常使用される燃料電池システムは、セルを積層方向に多数積層させたセルスタックとして、所望の起電力が得られるようにしてある。
【０００５】
一般に、燃料電池システムは、貯蔵タンク（以下、水素タンクと記す）から供給される水素（以下、燃料ガスと記す）を、燃料電池のセパレータを通じてアノードに供給する。一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ酸素（以下、酸化剤ガスと記す）を、燃料電池のセパレータを通じてカソードに供給する。このとき、アノードにおいて、電気化学反応せずに残った燃料ガスは、燃料電池の外部に排出される。この排出された燃料ガス（以下、アノードオフガスと記す）を再び燃料電池の電気化学反応に使用するために、燃料電池システムは、循環装置を設けて、アノードオフガスを循環させる。そして、アノードオフガスと水素タンクから供給される燃料ガスとを合流させた後に、この合流させた燃料ガスを燃料電池のアノードに供給している。
【０００６】
ここで、従来の燃料電池システムにおいて、燃料ガスとアノードオフガスとが合流する合流部の一例を、図４を用いて説明する。合流部２０は、燃料ガス１次供給管路２２と循環管路２６とが合流する燃料ガス２次供給管路２４の一端である。燃料ガス１次供給管路２２は、燃料電池に供給する燃料ガスを水素タンクから導出する管路であり、循環管路２６は、燃料電池に循環するアノードオフガスを燃料電池から導出する管路である。そして、燃料ガス２次供給管路２４は、合流部２０において、燃料ガス１次供給管路２２からの燃料ガスと循環管路２６からのアノードオフガスとを合流させ、燃料電池に供給する管路である。
【０００７】
合流部２０は、燃料ガス２次供給管路２４の屈曲部にあり、この屈曲部の上流側の側面より燃料ガス１次供給管路２２が接続されている。また、合流部２０の上流側には、循環管路２６が接続されている。循環管路２６から供給されるアノードオフガスは、電気化学反応により暖機した燃料電池より排出されるため、外気温より高温である。また、燃料電池での電気化学反応の生成物である水蒸気を含んでいる。一方で、水素タンクから供給される燃料ガスは、タンク内における高圧状態から減圧弁などにより減圧されて、圧力と供給量が調整されるため、外気温より低温になり、氷点温度以下に低下するおそれがある。
【０００８】
ここで、外気が氷点下、かつ、燃料電池が暖機されている場合、水素タンクより供給された燃料ガスは、外気温よりさらに低温になり、アノードオフガスとの温度差が大きくなる。合流部２０において、アノードオフガスに含まれている水蒸気は、低温の燃料ガスと合流すると、アノードオフガス中の水蒸気が飽和水蒸気圧以下まで冷やされて、凝縮水になる。さらに、冷やされると氷粒になる。燃料ガス１次供給管路２２から供給される燃料ガスは、合流部２０の接続部２２ａにある噴出口２２ｂから噴出された後、管壁に沿って流れるため、管壁を冷やす。そして、この氷粒が冷やされた管壁に付着し堆積する。この状況が継続すると、配管が閉塞して、燃料ガスの供給量が少なくなる。この結果、燃料電池での電気化学反応が減少し、所望の起電力が得られなくなるという問題があった。
【０００９】
特許文献１には、燃料ガスとアノードオフガスの合流部が、燃料ガスを内側にして、アノードオフガスを外側にした二重管構造であるエジェクタを用い、さらに、水分の凍結を防止するために、合流部をヒータにより加熱する技術について開示されている。
【００１０】
また、特許文献２にも、燃料ガスとアノードオフガスの合流部が、燃料ガスを内側にして、アノードオフガスを外側にした二重管構造であるエジェクタを用いる技術について開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−９５５２８号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部にエジェクタを使用することにより、ガスの合流がスムーズになり、ポンプの作用による動力の低減にもなる。しかし、燃料電池システムは、小型化の要求により設置スペースが限られている。このため、各管路は、空いたスペースを縫うように屈曲部を多用して各装置間に接続されており、合流部にエジェクタを使用することが難しい。また、ヒータを用いて加熱することで、水分の凍結を防止する方法では、そのためにヒータが別部材として必要になり、装置の大型化を招き、またコストが上昇するという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部において、水分の凍結による配管の閉塞を防止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】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵タンクから導出する燃料ガス１次供給管路と、前記燃料電池に循環するアノードオフガスを燃料電池から導出する循環管路と、前記燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと、前記循環管路からのアノードオフガスを合流して前記燃料電池に供給する燃料ガス２次供給管路と、を含み、燃料ガス２次供給管路における、燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと循環管路からのアノードオフガスの合流部は、循環管路に接続された燃料ガス２次供給管路である外側配管と、燃料ガス１次供給管路である内側配管とからなる二重管構造であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、前記合流部が、燃料ガス２次供給管路の屈曲部にあることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムは、前記内側配管の噴出口が、噴出される燃料ガスの気流方向が、前記屈曲部の内径側である管壁と噴射口とを結ぶ接線方向と、前記合流部の上流側から供給されるアノードオフガスの気流方向との間になるように形成されていることが望ましい。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス１次供給管路が、前記合流部の上流側であって前記屈曲部の内径側である管壁より貫通して、内側配管となっていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部において、水分の凍結による配管の閉塞を防止することができる燃料電池システムを適用できる。さらに、簡易構造である合流部により、燃料電池システムの小型化に対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、水素タンク１２と、燃料ガス流量制御装置１４と、気液分離装置１８と、循環装置１６とを有している。
【００２１】
燃料電池システム１は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するために、燃料ガス１次供給管路２２と、燃料ガス２次供給管路２４と、循環管路２６とを有している。燃料ガス１次供給管路２２は、燃料ガス（本実施形態では水素ガス）を貯蔵している水素タンク１２から燃料ガス流量制御装置１４を経て燃料ガス２次供給管路２４に接続されている。燃料ガス２次供給管路２４は、燃料ガス１次供給管路２２から供給された燃料ガスと、循環管路２６から供給されたアノードオフガスとを合流させる合流部２０を有し、その合流した燃料ガス（水素タンク１２からの燃料ガスと循環管路２６からのアノードオフガスの混合物）を燃料電池１０に供給している。なお、循環管路２６は、アノードオフガスを燃料ガスとして再利用するために、燃料電池１０から気液分離装置１８と循環装置１６を経て燃料ガス２次供給管路２４に接続している。
【００２２】
燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され電気化学反応により発電を行う装置である。なお、燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、その構成の一例は、従来の燃料電池と同様のため、説明を省略する。
【００２３】
水素タンク１２は、燃料ガスとして燃料電池１０へ供給する水素ガスを高圧貯蔵する貯蔵タンクである。ここで、燃料ガスは、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された水素リッチな改質ガスであっても良い。この場合には、炭化水素化合物を貯蔵する貯蔵タンクの他に、炭化水素化合物を水素に改質する改質器が別途必要になる。
【００２４】
燃料ガス流量制御装置１４は、燃料電池１０の要求起電力に応じた必要な燃料ガス量を供給するために、燃料ガスの圧力及び流量を制御する流量調整弁で構成される。燃料ガス流量制御装置１４で制御された燃料ガスの状態は、使用状況にもよるが、流量が約４００Ｌ／ｍｉｎ、温度が約−３０℃である。
【００２５】
気液分離装置１８は、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスに含まれている過剰な水蒸気を除去する。除去された水蒸気は、凝縮されて水となり排出される。循環装置１６は、気体ポンプで構成され、アノードオフガスを吸引し、送り出す。これにより、アノードオフガスは、再び燃料ガスと合流し、燃料電池１０に供給される。アノードオフガスの状態は、使用状況にもよるが、流量が約８０〜１６０Ｌ／ｍｉｎ、温度が約５０〜６０℃である。
【００２６】
次に燃料電池システム１の各ガスの流れについて説明する。燃料ガスは、水素タンク１２から燃料ガス１次供給管路２２を経て燃料ガス流量制御装置１４に供給される。燃料ガス流量制御装置１４は、燃料電池１０の要求起電力に応じて必要な燃料ガス量を供給するために、弁の開度を調整し、適量の燃料ガスを通過させる。その後、燃料ガスは、燃料ガス１次供給管路２２から燃料ガス２次供給管路２４を経て燃料電池１０へ供給される。燃料電池１０では、各セルのセパレータを通じてアノードに供給され、高分子電解質を介し酸化剤ガスと電気化学反応を起こす。未反応の燃料ガスは、アノードオフガスとして、燃料電池１０より排出される。
【００２７】
燃料電池１０から排出されたアノードオフガスは、循環管路２６を経て気液分離装置１８に供給される。気液分離装置１８は、アノードオフガスに含まれる水蒸気を除去する。そして、アノードオフガスは、気液分離装置１８から循環管路２６を経て循環装置１６に吸引される。循環装置１６に内蔵しているポンプの動作により、燃料ガス２次供給管路２４に送り出される。そして、アノードオフガスは、燃料ガス２次供給管路２４の合流部２０において、水素タンク１２から供給される燃料ガスと合流し、合流した燃料ガスとして再び燃料電池１０へ供給される。
【００２８】
一方、燃料電池１０で燃料ガスとの電気化学反応に必要な酸化剤ガスは、酸素を含んでいる空気である。酸化剤ガスは、燃料電池１０の要求起電力に応じて必要な酸化剤ガス量を供給するために、空気を導入し、コンプレッサ（図示せず）により圧縮して、酸化剤ガス供給管路２８を経て燃料電池１０へ供給される。そして、酸化剤ガスは、燃料電池１０の電気化学反応により生成された水と共に、排出管路３０を経て外部へ排出される。
【００２９】
本発明の第１の実施形態について図２を用いて説明する。図２は、合流部２０の概略構成を示す断面図である。合流部２０は、燃料電池システム１の小型化に対応するため、燃料ガス２次側供給管路２４の屈曲部にある。
【００３０】
合流部２０は、外側配管と内側配管とからなる二重管構造である。外側配管は、燃料ガス２次供給管路であり、外側配管の上流側には、循環管路２６が接続されている。また、内側配管は、燃料ガス１次供給管路であり、外側配管との接続部２２ａより外側配管の内側に挿入し、端部には噴出口２２ｂが形成されている。  
【００３１】
合流部２０は、水分の凍結による配管の閉塞を防止する構造であることが必要である。配管が閉塞する原因は、燃料ガス１次供給管路２２からの低温の燃料ガスが外側配管を冷やし、そこに、循環管路２６からのアノードオフガスの水蒸気が氷となり付着することによる。そこで、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０が、外側配管に到達する前に、アノードオフガス４２と混じり合う構造とする必要がある。そのためには、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向において、噴出口２２ｂから外側配管の管壁までの直線距離を長くする必要がある。すなわち、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向が、屈曲部の内径側である管壁と噴射口２２ｂとを結ぶ接線方向と、前記合流部の上流側から供給されるアノードオフガス４２の気流方向との間になるようにする。これにより、燃料ガス４０は、屈曲部の内径側と外径側のいずれの管壁まで到達する距離が長くなり、その間にアノードオフガス４２と合流することができる。なお、アノードオフガス４２は、燃料ガス４０に流路を遮られることなく外側配管の管壁を伝うことができ、外気温により冷やされた外側配管を暖める。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。
【００３２】
本実施形態の合流部２０の構造により、アノードオフガス４２に含まれている水蒸気は、凝縮して水となり、さらに氷粒となっても、内壁に付着しない。合流部２０で合流した燃料ガスは、ガス中に氷粒を含みながら燃料電池１０へ供給される。このとき、電気化学反応を起こしている燃料電池１０は、反応熱により高温である。このため、氷粒は、燃料電池１０内では、水もしくは水蒸気となり、氷粒が燃料電池１０の内壁に付着して流路を閉塞する恐れはない。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。図３は、別の合流部２０の概略構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態と同様に、合流部２０は、燃料電池システム１の小型化に対応するため、燃料ガス２次供給管路２４の屈曲部にある。
【００３４】
合流部２０は、外側配管と内側配管とからなる二重管構造である。外側配管は、燃料ガス２次供給管路２４であり、外側配管の上流側には、循環管路２６が接続されている。また、内側配管は、燃料ガス１次供給管路２２であり、外側配管との接続部２２ａより外側配管の内側に挿入し、端部には噴出口２２ｂが形成されている。なお、噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向は、第１の実施形態と同様である。
【００３５】
燃料ガス１次供給管路２２から合流部２０へ低温の燃料ガス４０が供給されることにより、接続部２２ａ及び接続部２２ａ周囲の外側配管は、燃料ガスからの熱伝達により冷やされる。また、噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０が外側配管に直接到達すると、屈曲部の外径側にある管壁が冷やされる。そこで、この外径側にある冷やされる管壁への影響を少なくするため、接続部２２ａを屈曲部の内径側にする。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。
【００３６】
本実施形態においては、噴出口２２ａの形状は、燃料ガスが乱流で噴出すような形状であることが好適である。燃料ガス４０とアノードオフガス４２の合流を促進し、燃料ガス４０が暖められるため、低温のまま燃料ガス４０が合流部２０の外側配管の管壁に到達し難くなる。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。
【００３７】
本実施形態においては、合流部２０は、循環管路２６が地面方向より接続され、噴出口２２ｂが合流部２０の天井面方向に向いていることが好適である。合流部２０で生じた氷粒は、重力により循環管路に落下する。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。
【００３８】
本実施形態においては、屈曲部である合流部２０の曲率半径を大きくすることが好適である。噴出口２２ａから噴出した燃料ガス４０は、合流部２０の外側配管の管壁に到達し難くなる。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係る合流部２０を示す断面図である。
【図３】本発明に係る別の合流部２０を示す断面図である。
【図４】従来の合流部２０を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  燃料電池システム、１０  燃料電池、１２  水素タンク、１４  燃料ガス流量制御装置、１６  循環装置、１８  気液分離装置、２０  合流部、２２  燃料ガス１次供給管路、２２ａ  接続部、２２ｂ  噴出口、２４  燃料ガス２次供給管路、２６  循環管路、２８  酸化剤ガス供給管路、３０  排出管路、４０  燃料ガス、４２  アノードオフガス。
【図１】
2007280696.tif 000003
【図２】
2007280696.tif 000004
【図３】
2007280696.tif 000005
【図４】
2007280696.tif 000006