JP5664280B2

JP5664280B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5664280B2
Application number: JP2011014217A
Authority: JP
Inventors: 片野　剛司; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: JP2012156005A

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、気液分離器に取り付けたパージ弁の構造及び排気管との接続構造に関する。

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池において、燃料電池から電気化学反応に用いられたオフガスを外部に排出するための気液分離器及びパージ弁が知られている。

下記の特許文献１には、燃料電池から電気化学反応に用いられたオフガスが導出される分離空間を含む気液分離器と、分離空間に接続されたパージ弁と、パージ弁を介して分離空間に接続され、パージ弁が開弁したときに分離空間に導出されたオフガスを燃料電池システムの外部に排出する排出路を備え、排出路を分離空間に近接して配置する構成が開示されている。パージ弁は、気液分離器に取り付けられ、排気配管も公差吸収のため気液分離器に固定されて設けられる。また、気液分離器の燃料電池スタック端部に設けられるエンドプレートに対する位置も固定される。

特開２００８−２６２８６７号公報

排気排水弁としてのパージ弁は、排水性を考慮すると正立させて設置することが一般的であるが、弁内の流路で高さが必要であるため、高さ方向の寸法を確保する必要がある。また、弁の摺動部を隔離するためにダイヤフラムを設けているが、ダイヤフラムに印加される圧力が低いときには弁のバネ力が勝るため大きな吸引力が必要となり、結果として弁体を駆動するソレノイドも大型化してさらに高さ方向の寸法が増大する。

一方、燃料電池システムを車両のエンジンコンパートメントではなく床下に収納することが検討されており、この場合には高さ方向の寸法が限られていることから高さ方向の寸法を可能な限り小さくすることが望まれる。高さ方向の寸法を小さくするためには、上記のようにパージ弁を正立ではなく横倒しとすることが有効であるが、同時に、横倒しとした場合においても排気排水性の機能を十分に確保することが要求される。

本発明の目的は、パージ弁を正立ではなく横倒しとして高さ方向の寸法を小さくする場合においても、必要な排気排水性を確保することができる技術を提供することにある。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電を行う車両用燃料電池システムであって、前記システムは、車両の床下に搭載され、前記燃料電池から排出されたオフガスから気体と水分を分離する気液分離器と、前記気液分離器に設けられ、分離された水分及びオフガスを排出するパージ弁と、前記パージ弁に接続された排気管とを備え、前記パージ弁は、前記気液分離器と連通し、前記気液分離器から排出された前記水分及び前記オフガスが流入する連通入口側開口部と、前記連通入口側開口部の鉛直上方に設けられ、前記排気管と連通する第１連通出口側開口部と、前記連通入口側開口部の鉛直下方に設けられ、前記排気管と連通する第２連通出口側開口部と、前記連通入口側開口部と前記第１及び第２連通出口側開口部との流路を開閉する弁体とを備え、前記第１連通出口側開口部の流路断面積は、前記第２連通出口側開口部の流路断面積よりも小さく設定されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記気液分離器は、前記燃料電池の端部に配置されるエンドプレートに固定され、前記排気管と前記パージ弁との接続部は、前記気液分離器に面シールされ、車両前方側では前記接続部は前記排気管の鉛直上方の第１位置で面シールされるとともに、車両後方側では前記接続部は前記排気管の鉛直下方の第２位置で面シールされ、かつ、車両前方側では前記気液分離器は前記第１位置よりも前方側で前記エンドプレートに固定され、車両後方側では前記気液分離器は前記第２位置よりも後方側で前記エンドプレートに固定される。

本発明によれば、高さ方向の寸法を小さくするとともに、必要な排気排水性を確保することができる。

燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池システムの車両搭載説明図である。気液分離器と排気管の位置関係を示す説明図である。気液分離器の固定点と排気管の締結点との位置関係を示す説明図である。気液分離器の固定点と排気管の締結点とのその他の位置関係を示す説明図である。パージ弁の縦断面図である。図６のＩ−Ｉ断面図である。パージ弁の端部拡大図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．システム構成
図１に、本実施形態における燃料電池システムの全体構成図を示す。燃料電池システムは、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電して電力を発生する燃料電池（ＦＣ）１０を備えるとともに、この燃料電池１０への酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の配管系１２と、燃料ガスとしての水素のガス供給を調整するアノード系の配管系１４と、オフガスを外部に排出する排気管１６を備える。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを複数積層して構成される燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを積層方向端部から挟持する一対のエンドプレート（ＥＰ）と、一対のエンドプレートを互いに連結するテンションプレートを備える。

カソード系の配管系１２は、空気を圧縮して燃料電池１０に供給するエアコンプレッサ１２ａと、燃料電池１０のカソード側から排出されたオフガスを排気管１６に導く調整弁１２ｂを備える。

アノード系の配管系１４は、図示しない水素タンクから供給された水素ガスを燃料電池１０に供給するインジェクタや、燃料電池１０のアノード側から排出されたオフガスからガスと液体を分離する気液分離器１４ａと、気液分離器１４ａで分離された液体（水分）及びオフガスを排気管１６に排出する排気排水弁としてのパージ弁１４ｂと、オフガスの一部を供給管に戻して循環させる水素ポンプ（循環ポンプ）１４ｃを備える。なお、インジェクタは、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量や圧力、温度、モル濃度等を調整するものである。

パージ弁１４ｂは、図示しない制御装置による制御によって弁体が摺動して開閉し、気液分離器１４ａで分離された水分と、不純物を含むオフガスを配管１６に排出するものであり、気液分離器１４ａに設けられる。また、気液分離器１４ａは燃料電池１０のエンドプレートに設けられる。

図２に、本実施家形態における燃料電池システム１の収納位置を示す。燃料電池システム１は、車両の前部座席の下部の空間に収納される。この空間は高さ方向の寸法が制限されているため、燃料電池システム１に要求される高さ方向の寸法も小さくなる。そこで、本実施形態では、パージ弁１４ｂを正立ではなく横倒しとし、この横倒し状態において水分及びオフガスを排気管１６に排出する。

２．気液分離器及び排気管の配置
図３に、燃料電池１０のエンドプレート、水素ポンプ１４ｃ、気液分離器１４ａ、排気管１６の位置関係を示す側面図を示す。

上記のように、パージ弁１４ｂは気液分離器１４ａ内に設けられ、気液分離器１４ａは燃料電池１０のエンドプレートに固定される。排気管１６は、車両前方から後方に向けて延在し、最下点から若干登り傾斜となってケース外部に出る。パージ弁１４ｂと排気管１６の接続部Ａは、排気管１６の最下点とならないように、最下点から後方側にシフトして設定される。パージ弁１４ｂと排気管１６の接続部Ａは２箇所の締結点を用いて面シールされる。すなわち、図に示すように、車両前方方向では排気管１６の上側位置Ｂｆ、車両後方方向では排気管１６の下側位置Ｂｒで面シールされる。下側位置Ｂｒは接続部Ａの近傍であり、これにより接続部ＡのＯリングを効果的に押圧してシールできる。既述したように、排気管１６は、最下点から若干登り、その後にケースを貫通して外部に排出される。排気管１６の配置がこのような登り配置であるため、仮に車両前方方向で排気管１６の下側位置、車両後方方向で排気管１６の上側位置でシールする構成とすると、確実に面シールするために排気管１６の登り代が大きくなり、この場合には排水に必要なエア流量がより大きくなってしまう。従って、本実施形態のように車両前方方向に排気管１６の上側位置Ｂｆ、車両後方方向に排気管１６の下側位置Ｂｒでシールすることで排気管１６の流路抵抗を低減することができる。

また、気液分離器１４ａはエンドプレートに設けられるが、気液分離器１４ａとエンドプレートとの締結部は、車両前方方向では面シール部位Ｂｆより前側の位置Ｃｆとし、車両後方方向では面シール部位Ｂｒより後側の位置Ｃｒとする。

図４に、気液分離器１４ａとエンドプレートとの接合部Ｃｆ，Ｃｒと、パージ弁１４ｃと排気管１６の面シール部位Ｂｆ，Ｂｒとの相対的位置関係を抜き出して模式的に示す。気液分離器１４ａは、外観平面形状が３つの頂点を有する形状であり、これら３つの頂点においてエンドプレートに接合される。３つの接合部をＣｆ，Ｃｒ及びＣとする。パージ弁１４ｂと排気管１６の接合部Ａは、部位Ｂｆ，Ｂｒで面シールされており、気液分離器１４ａの３つの頂点のうちの前方側の２つＣｆ，Ｃｒはこれら面シール部位Ｂｆ，Ｂｒの近傍に位置するため、どこで接合するかが問題となる。

ここで、図５に示すように、接合部Ｃｆの位置を、面シール部位Ｂｆよりも車両後方側に設定したとする。すると、図中破線１００で示す分だけ気液分離器１４ａの容積が減少してしまう。これに対し、図４に示すように、接合部Ｃｆを面シール部位Ｂｆより車両前方側に設定し、接合部Ｃｒを面シール部位Ｂｒより車両後方側に設定することで、気液分離器１４ａの容積を極大化することができる。

すなわち、パージ弁１４ｂと排気管１６の接合部Ａを面シールする場合に、車両前方側では排気管の上方、車両後方側では排気管の下方で排気管１６を気液分離器１４ａに締結するとともに、気液分離器１４ａをエンドプレートに固定する際には、車両前方側では排気管１６の締結位置より前方とし、車両後方側では排気管１６の締結位置より後方とすることで、接合部Ａを確実に面シールできるとともに、気液分離器１４ａの容積を極大化して排気排水性能を確保することができる。

３．パージ弁の構成
一方、パージ弁１４ｂについては、気液分離器１４ａ内に横倒しで設けられ、弁体が従来のように正立しておらず水平方向に移動するため、横倒しの状態であっても排気排水性能を確保する必要がある。

そこで、本実施形態では、パージ弁１４ｂの排気管１６への排出路を１箇所ではなく鉛直方向の上下に２箇所設けるとともに、これら２箇所の排出流路の断面積に特定の大小関係を設定する。

図６に、本実施形態におけるパージ弁１４ｂの縦断面図を示す。排気排水弁としてのパージ弁１４ｂは、気液分離器１４ａ内に設けられ、気液分離器１４ａで分離された水分及びオフガスの排出出口に連通する連通入口開口部２０と、排気管１６との接続部Ａ（図３及び図４を参照されたい）にともに連通する上方の連通出口開口部２２及び下方の連通出口側開口部２４を備える。連通入口開口部２０と上方の連通出口開口部２２との間、及び連通入口開口部２０と下方連通出口側開口部２４との間は流路が形成され、連通入口側開口部２０から上方の連通出口側開口部２２に流れる流路と、連通入口側開口部２０から下方の連通出口側開口部２４に流れる流路に分岐する。

上方及び下方への流路の分岐点には、弁体２６が設けられる。また、図示していないが、弁体２６に対向する位置には弁座が形成される。弁体２６は、車両の水平方向に横倒し状態で設定され、ソレノイド３０により車両の前後方向に駆動される。弁体２６はスプリングにより連通入口開口部２０の方向（図中左方向）に付勢される。ソレノイドに通電していない状態では、弁体２６はスプリングにより弁座方向に付勢され、弁座に密着して閉状態となる。ソレノイド３０に通電すると、弁体２６はダイヤフラム２８を介してスプリングの付勢力に抗して前後方向に移動して弁座から離間し、開状態となる。この開状態において、気液分離器１４ａからの水分及びオフガスは、連通入口側開口部２０を通り、上方の連通出口側開口部２２、及び下方の連通出口側開口部２４を通って排気管１６に導かれ、外部に排出される。なお、スプリングはスプリング押さえ部により固定され、ソレノイド３０はコイルを絶縁性のモールド樹脂部で被覆して構成される。

このように、開弁時には、気液分離器１４ａから排出された水分及びオフガスは、連通入口側開口部２０から流路に流れ込み、弁体２６が開状態となると上方の連通出口側開口部２２に向けて流れる経路と、下方の連通出口側開口２４に流れる経路の２つに分岐する。出口側開口部が上方と下方の２箇所存在することで、１箇所だけの場合に比べて水分及びオフガスの排出性能が向上する。

その一方で、水分は下方の連通出口側開口部２４により流れ込むため、下方の連通出口側開口部２４の流路に水分が溜まり閉塞状態となる可能性がある。

そこで、本実施形態では、上方の連通出口側開口部２２の流路断面積を、下方の連通出口側開口部２４の流路断面積よりも小さくする。

図７に、図６におけるＩ−Ｉ断面図を示す。上方の連通出口側開口部２２の流路断面積をＳｕ、下方の連通出口開口部２４の流路断面積をＳｄとすると、
Ｓｕ＜Ｓｄ
となるように設定する。連通入口側開口部２０の流路断面積をＳｉとすると、
Ｓｕ＜Ｓｉ＜Ｓｄ
の関係を満たす。

このように流路断面積の大小関係を設定しておくことで、例えば下方の連通出口側開口部２４の流路に水分が溜まり、図６の領域Ｐで閉塞状態に至った場合、その上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２との差圧Ｐ１−Ｐ２に着目すると、上方の連通出口側開口部２２が小さい方が差圧Ｐ１−Ｐ２が短時間に大きくなる。すると、この差圧Ｐ１−Ｐ２の増大により閉塞している水分が排気管１６側により排出され易くなり、閉塞状態を迅速に解消することができる。

なお、上方の連通出口側開口部２２及び下方の連通出口側開口部２４は、ともに排気管１６との接続部Ａに接続されるが、その接続部Ａまでの接続流路に関しては、上方の連通出口側開口部２２の接続流路のみを下り傾斜とし、下方の連通出口側開口部２４の接続流路は水平もしくは登り傾斜とするのが好適であり、上方の連通出口側開口部２２の接続流路のみを下り傾斜とすることで、下り傾斜を実現するために必要な高さを縮小することができる。さらに、下方の連通出口側開口部２４の接続流路において水分が逆流し、低温時に凍結した場合においても、下り傾斜の上方の連通出口側開口部２４の接続流路を用いて排気排水を確保できる利点もある。

図８に、弁体２６の端部拡大図を示す。弁体２６の端部、すなわち弁座と対向する端部には、連通入口側開口部２０の流路から水分が流れ込み衝突する。従って、弁体２６の端部が平坦である場合、衝突した水分がダイヤフラム２８側に飛散するおそれがある。

そこで、図８（ａ）に示すように、弁体２６の端部の外周部に突起２６ａを形成する。突起２６ａは、衝突する水分の返しとして機能するため、ダイヤフラム２８側に飛散することを有効に防止できる。

なお、図８（ｂ）に示すように、突起２６ａに代えて、弁体２６の端部の中央に半球状の凹部２６ｂを形成してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、上方の連通出口側開口部２２及び下方の連通出口側開口部２４はともに接続部Ａにて排気管１６に接続されているが、上方の連通出口側開口部２２は接続部Ａに接続し、下方の連通出口側開口部２４は他の接続部で排気管１６に接続されていてもよい。

また、本実施形態におけるパージ弁１４ｂは横倒し状態で設置されているが、そのコネクタは鉛直上方に突出させることが好適である。これにより、排気管１６と干渉することなくコネクタの差し込みが容易化され、また、コネクタを差し込むために排気管１６を曲げたとしても、排気管１６は図３のように当初より下方に向けて曲げられた状態で配置されているから排水性が低下することもない。

１０燃料電池（ＦＣ）、１２カソード系の配管系、１４アノード系の配管系、１４ａ気液分離器、１４ｂパージ弁、１４ｃ水素ポンプ、１６排気管。

Claims

燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電を行う車両用燃料電池システムであって、
前記システムは、車両の床下に搭載され、
前記燃料電池から排出されたオフガスから気体と水分を分離する気液分離器と、
前記気液分離器に設けられ、分離された水分及びオフガスを排出するパージ弁と、
前記パージ弁に接続された排気管と、
を備え、
前記パージ弁は、
前記気液分離器と連通し、前記気液分離器から排出された前記水分及び前記オフガスが流入する連通入口側開口部と、
前記連通入口側開口部の鉛直上方に設けられ、前記排気管と連通する第１連通出口側開口部と、
前記連通入口側開口部の鉛直下方に設けられ、前記排気管と連通する第２連通出口側開口部と、
前記連通入口側開口部と前記第１及び第２連通出口側開口部との流路を開閉する弁体と、
を備え、前記第１連通出口側開口部の流路断面積は、前記第２連通出口側開口部の流路断面積よりも小さく設定される
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離器は、前記燃料電池の端部に配置されるエンドプレートに固定され、
前記排気管と前記パージ弁との接続部は、前記気液分離器に面シールされ、
車両前方側では前記接続部は前記排気管の鉛直上方の第１位置で面シールされるとともに、車両後方側では前記接続部は前記排気管の鉛直下方の第２位置で面シールされ、かつ、車両前方側では前記気液分離器は前記第１位置よりも前方側で前記エンドプレートに固定され、車両後方側では前記気液分離器は前記第２位置よりも後方側で前記エンドプレートに固定される
ことを特徴とする燃料電池システム。