特許 7267897 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-24

(45)【発行日】2023-05-02

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230425BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230425BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/10 101

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019191399

(22)【出願日】2019-10-18

(65)【公開番号】P2021068531

(43)【公開日】2021-04-30

【審査請求日】2022-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】山田 和順

(72)【発明者】

【氏名】松末 真明

(72)【発明者】

【氏名】竹内 仙光

【審査官】笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２９８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８６７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１７１４４３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを吸入する吸入口、燃料ガスを前記燃料オフガスと共に前記燃料電池に供給する吐出口、を含むエジェクタと、
前記エジェクタよりも重力方向側に位置し、前記エジェクタに供給される前の前記燃料オフガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記エジェクタの吐出口と前記燃料電池を連結した第１配管と、
前記エジェクタの吸入口と前記気液分離器を連結した第２配管と、
前記エジェクタの内部を介して前記第１配管側から前記第２配管側に延びた排出流路と、を備え、
前記排出流路は、一端に形成された第１開口端と、他端に形成された第２開口端とを有し、前記第１開口端から前記第２開口端までの間では密閉された空間を画定し、
前記第１開口端は、前記第１配管内で開口し、前記第１配管と前記エジェクタとの接続部の下端に位置し、
前記第１及び第２開口端は、前記排出流路の前記第１開口端と前記第２開口端との間の部位の少なくとも一部よりも重力方向側に位置している、燃料電池システム。

【請求項2】

前記第２開口端は、前記第２配管内又は前記気液分離器内に位置して、前記第１開口端よりも重力方向側に位置した、請求項１の燃料電池システム。

【請求項3】

前記排出流路は、前記エジェクタの一部の切り欠きにより形成されている、請求項１又は２の燃料電池システム。

【請求項4】

前記排出流路の内部表面には、親水処理が施されている、請求項１乃至３の何れか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、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

インジェクタから噴射された燃料ガスと、燃料電池から排出された燃料オフガスとを、燃料電池に供給するエジェクタが知られている。このようなエジェクタ内やエジェクタと燃料電池とを連通した供給管内では、液水が滞留する場合がある。滞留した液水が燃料電池内に侵入すると、燃料電池の性能に影響を及ぼす可能性がある。また、滞留した液水が燃料電池の発電停止後に凍結すると、発電開始時に燃料ガスの供給に影響を及ぼす可能性がある。従って、このような液水を、一端がエジェクタに接続され他端が気液分離器に接続された排出管を介して、気液分離器へと排出することが知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５０６５８６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような排出管が、エジェクタの外部から接続されている場合には、システム全体が大型化する。また、このような排出管の少なくとも一部がエジェクタ内を通過するように配置することにより、大型化を抑制することもできるが、排出管の延びた方向によっては、重力の作用によっても気液分離器にまで排出できずに、排出管内に液水が滞留する可能性がある。特に、燃料電池の発電が停止された状態では、燃料電池への燃料ガスの供給も停止されるため、排出管の一端側と他端側との圧力差が低下し、液水を気液分離器に排出することができない可能性がある。

【0005】

本発明は、簡易な構成によって、エジェクタと燃料電池との間に滞留した液水を気液分離器に排出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】

【0006】

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを吸入する吸入口、燃料ガスを前記燃料オフガスと共に前記燃料電池に供給する吐出口、を含むエジェクタと、前記エジェクタよりも重力方向側に位置し、前記エジェクタに供給される前の前記燃料オフガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記エジェクタの吐出口と前記燃料電池を連結した第１配管と、前記エジェクタの吸入口と前記気液分離器を連結した第２配管と、前記エジェクタの内部を介して前記第１配管側から前記第２配管側に延びた排出流路と、を備え、前記排出流路は、一端に形成された第１開口端と、他端に形成された第２開口端とを有し、前記第１開口端から前記第２開口端までの間では密閉された空間を画定し、前記第１開口端は、前記第１配管内で開口し、前記第１配管と前記エジェクタとの接続部の下端に位置し、前記第１及び第２開口端は、前記排出流路の前記第１開口端と前記第２開口端との間の部位の少なくとも一部よりも重力方向側に位置している、燃料電池システムによって達成できる。前記第２開口端は、前記第２配管内又は前記気液分離器内に位置して、前記第１開口端よりも重力方向側に位置してもよい。前記排出流路は、前記エジェクタの一部の切り欠きにより形成されていてもよい。前記排出流路の内部表面には、親水処理が施されていてもよい。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、簡易な構成によって、エジェクタと燃料電池との間に滞留した液水を気液分離器に排出できる燃料電池システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、燃料電池システムの構成図である。

【図2】図２は、エジェクタの断面を示した模式図である。

【図3】図３は、変形例のエジェクタの断面を示した模式図である。

【図4】図４は、変形例のエジェクタの断面を示した模式図である。

【図5】図５Ａは、図４の排出通路の断面図であり、図５Ｂ及び図５Ｃは、変形例である排出通路の断面図である。

【図6】図６Ａ～図６Ｅは、変形例である排出通路の断面図である。

【図7】図７Ａ～図７Ｄは、変形例である排出通路の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［燃料電池システムの構成］
図１は、燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、例えば車両に搭載されて走行用モータに電力を供給する。燃料電池システム１は、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４、ＦＣ４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系２０や、その他、ＦＣ４に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサ１４、ＦＣ４を冷却する冷却水の放熱を促進するラジエータ７等を備える。尚、図１には図示を省略してあるが、燃料電池システム１は、ＦＣ４の発電電力を制御する電力制御系をも備える。ＦＣ４は、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する燃料電池であり、固体高分子電解質型の単セルを複数積層してスタック状に構成されている。

【0010】

エアコンプレッサ１４は、酸化剤ガスである酸素を含む空気を、供給配管１３を介して酸化剤ガス供給口４３からＦＣ４に供給する。ＦＣ４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出口４４から酸化剤ガス排出管１５と酸化剤ガス排出管１５に連結された燃料ガス排出管２６とを介して外部へと排出される、酸化剤ガス排出管１５には、ＦＣ４の背圧を調整する調圧弁１６が設けられている。尚、エアコンプレッサ１４の回転速度や調圧弁１６の開度は、ＦＣ４に要求される発電電力に応じて、不図示の制御ユニットにより制御される。

【0011】

燃料ガス供給系２０は、燃料ガスとして水素ガスをＦＣ４に供給し、タンク２１Ｔ、燃料ガス供給管２１、連結管２２、還流管２３、気液分離器２５、燃料ガス排出管２６を含む。タンク２１Ｔはエジェクタ２４に配管を介して連結され、エジェクタ２４はＦＣ４の燃料ガス供給口４１と燃料ガス供給管２１を介して連結されている。燃料ガス供給管２１は、第１配管の一例である。タンク２１Ｔには、アノードガスである水素ガスが貯留されている。連結管２２は、ＦＣ４の燃料ガス排出口４２と気液分離器２５とを連結している。気液分離器２５とエジェクタ２４とは、還流管２３により連結されている。還流管２３は、第２配管の一例である。気液分離器２５は、エジェクタ２４よりも重力方向側に位置している。気液分離器２５には燃料ガス排出管２６の一端が連結されており、燃料ガス排出管２６の他端は外気に開放されている。ここで、気液分離器２５と燃料ガス排出管２６との接続部には不図示の排出弁が設けられており、排出弁が開くことにより気液分離器２５内に貯留した液水は燃料ガス排出管２６を介して外部へと排出される。タンク２１Ｔからエジェクタ２４を介してＦＣ４に供給された燃料ガスは、燃料オフガスとしてＦＣ４から排出される。ＦＣ４から排出された燃料オフガスは、連結管２２、気液分離器２５、還流管２３を介して再びエジェクタ２４に導入され、タンク２１Ｔからエジェクタ２４を介してＦＣ４に供給される燃料ガスと共に再びＦＣ４に供給される。気液分離器２５には、燃料オフガスから水分を分離して貯留する。

【0012】

［エジェクタの構成］
図２は、エジェクタ２４の断面を示した模式図である。尚、図２には重力方向Ｇを示している。エジェクタ２４は、ノズル部２４１、吸引部２４２、混合部２４３、ディフューザ部２４４を有する。ノズル部２４１は、タンク２１Ｔからの燃料ガスを噴射する不図示のインジェクタに接続されている。吸引部２４２には、還流管２３が接続されている。インジェクタから噴射された燃料ガスはノズル部２４１を介してエジェクタ２４内を通過することにより、ＦＣ４から排出された燃料オフガスは吸引部２４２に吸引される。混合部２４３では、インジェクタから噴射された燃料ガスと、ＦＣ４から排出された燃料オフガスとが混合する。ディフューザ部２４４では、混合部２４３において混合されたガスが流れる。ディフューザ部２４４は、下流側に従って径が徐々に拡大するように形成されている。混合部２４３で新たに噴射された燃料ガスとＦＣ４から排出された燃料オフガスとが混合して、混合した燃料がディフューザ部２４４を流れる過程で、水素濃度が均一となる。これにより、水素濃度が均一な燃料ガスがＦＣ４に供給される。

【0013】

エジェクタ２４は、外壁部２４６と内壁部２４７を含む。内壁部２４７は、内部に吸引部２４２、混合部２４３、及びディフューザ部２４４を確定し、外壁部２４６に格納されている。エジェクタ２４内には排出管３０が設けられている。排出管３０の一部は、ディフューザ部２４４の重力方向Ｇの下面に固定されており、混合部２４３での燃料ガス及び燃料オフガスの混合に影響がないように設けられている。また、排出管３０は、エジェクタ２４の下流側の燃料ガス供給管２１内にまで延びており、一端にある第１開口端３１は、燃料ガス供給管２１内に滞留した液水Ｗに接触するように、燃料ガス供給管２１の底面に接触している。第１開口端３１は、燃料ガス供給管２１内で開口し、燃料ガス供給管２１とエジェクタ２４との接続部の下端に位置している。ここで、液水Ｗは、燃料ガス供給管２１内で最も高さ位置が低い部分に滞留しており、具体的には、エジェクタ２４の吐出口に接続された燃料ガス供給管２１の端部に滞留している。換言すれば、このような液水Ｗが滞留しやすい部位が燃料ガス供給管２１のエジェクタ２４の吐出口の近傍に形成されている。第１開口端３１は、燃料ガス供給管２１の下流側を向いている。

【0014】

また、排出管３０は、エジェクタ２４から吸引部２４２を介して還流管２３内に延びており、他端にある第２開口端３２は還流管２３内に位置している。第２開口端３２は、重力方向Ｇを向いており、気液分離器２５を向いている。ここで、第２開口端３２は第１開口端３１よりも重力方向Ｇに位置しており、第１開口端３１及び第２開口端３２は排出管３０のエジェクタ２４内に位置した部位よりも重力方向Ｇに位置している。排出管３０は、第１開口端３１及び第２開口端３２は開口しているが、第１開口端３１から第２開口端３２まで密閉された空間を画定している。排出管３０は、排出流路の一例である。

【0015】

ここで、燃料電池システム１の稼働中には、インジェクタから間欠的に噴射された燃料ガスとそれに吸引された燃料オフガスとがディフューザ部２４４を通過するのに対して、還流管２３には燃料オフガスが通過する。従って、燃料ガス供給管２１内の圧力は還流管２３内の圧力よりも高くなりやすい。この圧力差に基づいて、液水Ｗを排出管３０の第１開口端３１から侵入させて第２開口端３２から気液分離器２５に排出することができ、燃料ガス供給管２１内での液水Ｗの滞留を防ぐことができる。また、上述したように第１開口端３１と第２開口端３２との位置関係により、液水Ｗが排出管３０の第１開口端３１から第２開口端３２に充填されると、サイフォンの原理により、液水Ｗを第１開口端３１から吸引されて第２開口端３２から排出される。第２開口端３２から排出された液水Ｗは気液分離器２５に貯留される。このように簡易な構成により、燃料ガス供給管２１内に貯留した液水ＷがＦＣ４に侵入することを防止できるとともに、発電停止後に燃料ガス供給管２１内で液水Ｗが凍結することも防止できる。

【0016】

また、ＦＣ４の発電停止中であってＦＣ４への燃料ガスの供給が停止されている場合には、燃料ガス供給管２１内と還流管２３内の圧力差はほぼない。しかしながらこの場合であっても、排出管３０内に液水Ｗが充填されている限り、サイフォンの原理により燃料ガス供給管２１内に滞留した液水Ｗを吸引して気液分離器２５に向けて排出することができ、液水Ｗの回収率を向上させることができる。尚、発電停止中には、例えば空気を掃気ガスとして用いたアノード側の掃気（パージ）を併用してもよい。

【0017】

このように排出管３０は燃料ガス供給管２１、エジェクタ２４、及び還流管２３内に配置されている。このため、大型化や構造の複雑化が抑制されている。また、排出管３０の径は、比較的小さく形成されている。これにより、燃料ガスや燃料オフガスの流通に影響を与えずに、且つ排出管３０内を少ない液水Ｗの量で充填することができ、速やかにサイフォンの原理により液水Ｗを気液分離器２５に排出することができる。

【0018】

第２開口端３２は吸引部２４２から離れている方が望ましい。第２開口端３２が吸引部２４２に近いと、吸引部２４２側に吸引される燃料オフガスと共に第２開口端３２から排出された液水Ｗが吸引部２４２側に吸引される可能性があるからである。エジェクタ２４は、混合部２４３及びディフューザ部２４４が水平方向に連続した姿勢で設置されているがこれに限定されずに、ディフューザ部２４４が混合部２４３よりも上方側に位置してもよいし下方側に位置してもよい。

【0019】

次に、複数の変形例について説明する。図３は、変形例のエジェクタ２４ａの断面を示した模式図である。エジェクタ２４ａの排出管３０ａの第２開口端３２ａは、気液分離器２５内に位置している。これにより、第２開口端３２ａから排出された液水Ｗがエジェクタ２４ａ内に吸引されることを防止できる。

【0020】

図４は、変形例のエジェクタ２４ｂの断面を示した模式図である。排出通路３０ｂは、上述した排出管３０及び３０ａと異なり、内壁部２４７ｂと外壁部２４６との間に形成された通路である。具体的には、外壁部２４６の重力方向Ｇ側の底面と、内壁部２４７ｂに形成された切り欠きとにより排出通路３０ｂが画定されており、排出通路３０ｂの第２開口端は、気液分離器２５にまで延びている。排出通路３０ｂも、排出管３０及び３０ａと同様に、第１開口端３１から第２開口端まで密閉された空間を画定する。排出通路３０ｂは、排出流路の一例である。図５Ａは、図４の排出通路３０ｂの断面図である。図５Ａの断面は、排出通路３０ｂが延びた方向に垂直な断面を示している。排出通路３０ｂの断面形状は正方形であるが、これに限定されず、長方形であってもよい。尚、内壁部側ではなく、外壁部側に切り欠きが形成されることにより排出通路を画定してもよい。

【0021】

図５Ｂは、変形例である排出通路３０ｃの断面図である。内壁部２４７ｃに形成された排出通路３０ｃの断面形状は正三角形であるが、これに限定されず、二等辺三角形であってもよいし、それ以外の三角形であってもよい。図５Ｃは、変形例である排出通路３０ｄの断面形状である。内壁部２４７ｄに形成された排出通路３０ｄの断面形状は真半円であるが、半楕円であってもよい。

【0022】

図６Ａは、変形例である排出通路３０ｅの断面図である。内壁部２４７ｅに形成された、断面形状が正方形の排出通路３０ｅ内に排出管３３が収納されている。排出管３３は、断面形状が円形である。尚、排出管３３と排出通路３０ｅとの間にはシール部材３４が充填されているがこれに限定されず、シール部材３４が設けられていなくてもよい。この場合、排出管３３内と、排出管３３と排出通路３０ｅとの間を液水Ｗが流れる。排出管３３は、金属製であるがこれに限定されず、例えば合成樹脂製やゴム製であってもよい。

【0023】

図６Ｂは、変形例である排出通路３０ｆの断面図である。内壁部２４７ｆに形成された、断面形状が長方形である排出通路３０ｆ内に排出管３３ｆが収納されている。排出管３３ｆは、断面形状が楕円であり、排出通路３０ｆ内に圧入されている。液水Ｗは、排出管３３ｆを流れるとともに、排出管３３ｆと排出通路３０ｆとの間の４つの隅部にも流れる。ここで、この隅部の流路断面積は、排出管３３ｆの流路断面積よりも小さい。このため、この隅部の第１開口端から第２開口端にまで充填させるのに必要な液水Ｗの量は少なくて済み、速やかにサイフォンの原理を利用して液水Ｗを排出できる。

【0024】

図６Ｃは、変形例である排出通路３０ｇの断面図である。内壁部２４７ｇに形成された、断面形状が正方形である排出通路３０ｇ内に中実管３３ｇが収納されている。従って液水Ｗは中実管３３ｇと排出通路３０ｇとの隙間を流れる。

【0025】

図６Ｄは、変形例である排出通路３０ｈの断面図である。内壁部２４７ｈに形成された、断面形状が正方形である排出通路３０ｈ内に排出管３３ｈが収納されている。排出管３３ｈは合成樹脂製である。

【0026】

図６Ｅは、変形例である排出通路３０ｉの断面図である。内壁部２４７ｉに形成された排出通路３０ｉ内に排出管３３ｉが収納されている。排出管３３ｉの内面は、親水性を向上させた親水処理が施されている。これにより排出管３３ｉの内面に液水Ｗを導入しやすくなり、排出管３３ｉ内に空気が混入することを抑制し、上述したサイフォンの原理により液水Ｗの吸引及び排出が容易となる。

【0027】

図７Ａは、変形例である排出通路３０ｊの断面図である。排出通路３０ｊは、内壁部２４７ｊに形成された、断面形状が正方形の切り欠きであり、排出通路３０ｊの内面には親水処理が施されている。図７Ｂは、変形例である排出通路３０ｋの断面図である。排出通路３０ｋは、内壁部２４７ｋに形成された、断面形状が正三角形の切り欠きであり、排出通路３０ｋの内面には親水処理が施されている。図７Ｃは、変形例である排出通路３０ｌの断面図である。排出通路３０ｌは、内壁部２４７ｌに形成された、断面形状が半真円の切り欠きであり、排出通路３０ｌの内面には親水処理が施されている。

【0028】

図７Ｄは、変形例である排出通路３０ｍの断面図である。内壁部２４７ｍに形成された、断面形状が正方形の排出通路３０ｍ内に中実管３３ｍが収納されている。中実管３３ｍの外面及び切り欠きの内面には親水処理が施されている。これによっても、液水Ｗをサイフォンの原理により吸引及び排水が容易となる。

【0029】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0030】

１ 燃料電池システム
２４ エジェクタ
３０ 排出管（排出流路）
３０ｂ 排出通路（排出流路）
３１ 第１開口端
３２ 第２開口端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】