JP6468209B2

JP6468209B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6468209B2
Application number: JP2016013009A
Authority: JP
Inventors: 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017134963A

Description

本発明は、燃料電池と、該燃料電池に酸素ガスを供給するコンプレッサと、を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池システムは、燃料電池を備えており、燃料電池には、電流電池に酸素ガスを供給するためのガス供給配管が接続されている。ここで、燃料電池に供給されるガスに不純物が混入していると、不純物が燃料電池に持ち込まれることになる。

このような点を鑑みて、たとえば特許文献１には、燃料電池に、酸素ガスを供給するガス供給配管が接続されており、該ガス供給配管の途中には、酸素ガス中の不純物が流れ易い向きにガス供給配管から分岐し、末端が閉塞した閉塞支管が接続されている。

特許文献１に係る燃料電池システムによれば、ガス供給配管から分岐した閉塞支管を設けることにより、不純物を閉塞支管で捕捉することができるので、燃料電池に不純物が流れ込むことを抑制することができる。

特開２００５−２６７９８７号公報

しかしながら、燃料電池に酸素ガスを供給する際には、コンプレッサを用いて燃料電池に大流量の酸素ガスを供給するため、特許文献１に示すように、ガス供給配管から分岐した閉塞支管を設けると、燃料電池へ向かう酸素ガスの圧損が大きくなってしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池に向かう酸素ガスの圧損を抑えつつ、燃料電池に酸素ガス中の不純物が流れ込むことを抑制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。

前記課題を鑑みて、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に酸素ガスを供給するコンプレッサと、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池と前記コンプレッサとの間には、前記コンプレッサから前記燃料電池に酸素ガスを供給するガス供給配管が接続されており、該ガス供給配管には、所定の曲率で屈曲した屈曲部が形成されており、該屈曲部の前記酸素ガスが流れる流路には、前記屈曲部の曲げ中央の第１位置から、前記屈曲部の前記燃料電池側の曲げ終端を通過し、さらに前記ガス供給配管の配管径に相当する距離まで伸ばした第２位置までの区間において、前記屈曲部の酸素ガスが流れる内壁のうち、前記屈曲部の半径方向外側の内壁から前記屈曲部の内方に向かって延在するように邪魔板が配置されていることを特徴とする。

本発明よれば、屈曲部が形成されたガス供給配管を通過する酸素ガス中の不純物は、遠心力により、上述した第１位置から第２位置の区間において、屈曲部の半径方向外側を通過し易い。本発明では、この区間において、屈曲部の半径方向外側の内壁から前記屈曲部の内方に向かって邪魔板を配置したので、邪魔板で不純物を捕捉することができる。

また、本発明では、ガス供給配管を分岐させずに、邪魔板によりガス供給配管の流路の一部が部分的に絞られるだけであるので、ガス供給配管を分岐させた場合に比べて、燃料電池に向かう酸素ガスの圧損を低減することができる。

このようにして、本発明によれば、燃料電池に向かう酸素ガスの圧損を抑えつつ、燃料電池に酸素ガス中の不純物が流れ込むことを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。図１に示す燃料電池システムの要部を示した模式図である。図２のＡ−Ａ線矢印断面図である。（ａ）は、本実施形態に係る邪魔板の効果を確認する解析における、屈曲部近傍のモデルの全体図であり、（ｂ）は、（ａ）の邪魔板の近傍の拡大図である。図４（ａ）に示すモデルを用いた、条件（Ａ）〜（Ｄ）における解析結果を示した図である。条件（Ａ）〜（Ｄ）における流量と捕捉率との関係を示したグラフである。流量と圧損の関係を示した解析結果のグラフである。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２にガスを供給するコンプレッサ（ターボコンプレッサ）３と、を少なくとも備えている。燃料電池２とコンプレッサ３との間には、コンプレッサ３から燃料電池２に酸素ガスを供給するガス供給配管４が接続されている。

コンプレッサ３は、酸素を含むガス（酸素ガス）を、燃料電池２へ圧送する圧縮室３１を備えており、圧縮室３１には、酸素ガスを圧縮するインペラ３２が配置されている。圧縮室３１に隣接した位置には、インペラ３２を回転駆動するモータ３３が配置されており、モータ３３は、モータ室３４に収容されている。

酸素ガスを供給する際には、コンプレッサ３を駆動させ、インペラ３２を駆動回転させるモータ３３は、１０万ｒｐｍ程度の高回転で回転する。このため、モータ３３は、高温に発熱し易いため、モータ３３を支承するベアリング、およびモータ３３そのものを冷却すべく、モータ室３４は冷却システム５１に接続されている。

冷却システム５１は、冷却用のオイルをモータ室３４に循環させることにより、モータ３３等を冷却する。冷却システム５１からのオイルは、オイルポンプ５２を介してモータ室３４に圧送され、モータ室３４から戻るオイルは、オイルクーラ５３で冷却される。

モータ室３４には、オイルが圧縮室３１に漏洩することを防止するために、メカニカルシール等が設けられているが、上述した如く、モータ３３が高回転で回転するため、メカニカルシール等の摺動部から、圧縮室３１に微量のオイルが漏れる可能性がある。

さらに、通常は、圧縮室３１の圧力は、モータ室３４の圧力よりも高い状態を保持しているが、モータ室３４の室内の温度が上昇することにより、モータ室３４の圧力が高圧になることがある。これにより、モータ室３４から圧縮室３１にオイルが流れ込むことが想定される。

さらに、この他にも、モータ３３の回転速度が減速した時などには、圧縮室３１の圧力が負圧になることがあり、モータ室３４の圧力が、圧縮室３１の圧力よりも相対的に高くなることがある。この場合も、モータ室３４から圧縮室３１にオイルが流れ込むことが想定される。

このようなオイルは、コンプレッサ３の圧縮室３１の上流側に、エアクリーナ５５を設けたとしても、ガス供給配管４を介して、１００μｍ程度の粒子となって燃料電池２に流れ込んでしまう。本実施形態では、コンプレッサ３で吸い込まれた酸素ガスに含まれる不純物ばかりでなく、このようなオイルも、燃料電池２内に流れ込むことを抑制するために、以下の構造を採用している。

具体的には、本実施形態では、図２に示すように、ガス供給配管４は、直管の配管を９０°に屈曲した配管を用いている。より具体的には、ガス供給配管４には、コンプレッサ３に接続された直管部４１と、直管部４１から連続し直管部４１に対して所定の曲率で９０°に屈曲した屈曲部４２と、屈曲部４２から連続し燃料電池２に接続された直管部４３とが形成されている。

ここで、ガス供給配管４を流れる酸素ガス中のオイルなどの不純物は、酸素ガスよりも比重が大きいため、遠心力により、屈曲部４２の半径方向外側を通過し易い。より具体的には、屈曲部４２の曲げ中央の第１位置４２ａから、屈曲部４２の燃料電池２側の曲げ終端４２ｂを通過し、さらにガス供給配管４の配管径Ｄに相当する距離まで伸ばした第２位置４２ｃまでの区間において、不純物が屈曲部４２の半径方向外側を通過し易い。

したがって、この不純物が通過し易い第１位置４２ａから第２位置４２ｃまでの間において、屈曲部４２の半径方向外側の内壁４５ａから屈曲部４２の内方に向かって延在するように邪魔板４７を配置するとよい。これにより、邪魔板４７で、酸素ガス中に含まれる不純物を好適に捕捉することができる。

本実施形態では、図２に示すように、屈曲部４２の酸素ガスが流れる流路のうち、屈曲部４２の燃料電池側の曲げ終端４２ｂにおいて、屈曲部４２の半径方向外側の内壁４５ａから屈曲部４２の内方に向かって延在するように、邪魔板４７が配置されている。このような位置に、邪魔板４７を配置したので、邪魔板４７で不純物を捕捉することができる。

また、本実施形態では、ガス供給配管４を分岐させずに、邪魔板４７によりガス供給配管４の流路の一部が部分的に絞られるだけであるので、従来の如くガス供給配管を分岐させた場合に比べて、燃料電池２に向かう酸素ガスの圧損を低減することができる。

ここで、図３に示すように、邪魔板４７の高さＨを、配管径Ｄの４分の１以下にすることにより、燃料電池２に向かう酸素ガスの圧損をより効果的に抑えることができる。

また、邪魔板４７で、不純物としてオイルを捕捉する際には、オイル等の液体を吸収することができる多孔質または繊維状の素材を用いてもよい。また、邪魔板４７の表面に一旦付着したオイルを保持できるように、ガス供給配管４の内壁面の表面粗さよりも、邪魔板４７の表面粗さを大きくしてもよい。

図４（ａ）は、本実施形態に係る邪魔板４７の効果を確認する解析における、屈曲部近傍のモデルの全体図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の邪魔板４７の近傍の拡大図である。

図４（ａ）に示すように、この解析では、内径４０ｍｍのガス供給配管４を想定しており、直管部４１，４３の長さ１００ｍｍであり、屈曲部４２は、屈曲部４２の半径方向内側（内周側）が、曲率半径５０ｍｍで、９０°に屈曲している。

邪魔板４７は、図２に示したガス供給配管４と同じように、屈曲部４２の燃料電池側の曲げ終端４２ｂに配置されている。このモデルでは、邪魔板４７の厚さｔが５ｍｍであり、高さＨが１０ｍｍである。邪魔板４７の高さＨは、配管径Ｄの４分の１に相当する。

このようなモデルを用いて、
条件（Ａ）：不純物の粒径１００μｍ、酸素ガスの流量４５０ＮＬ／ｍｉｎ、
条件（Ｂ）：不純物の粒径１００μｍ、酸素ガスの流量５７００ＮＬ／ｍｉｎ、
条件（Ｃ）：不純物の粒径１０μｍ、酸素ガスの流量４５０ＮＬ／ｍｉｎ、
条件（Ｄ）：不純物の粒径１０μｍ、酸素ガスの流量５７００ＮＬ／ｍｉｎ、
の４つの条件で解析を行った。この結果を、図５に示す。図５は、図４（ａ）に示すモデルを用いた、条件（Ａ）〜（Ｄ）における解析結果を示した図である。

さらに、以下の式を用いて、邪魔板による不純物（粒子）の捕捉率を算出した。
捕捉率（％）＝邪魔板で補足した不純物（粒子）の個数／放出した粒子の個数×１００

この結果を、図５および図６に示す。図６は、条件（Ａ）〜（Ｄ）における流量と捕捉率との関係を示したグラフである。

さらに、酸素ガスの流量４５０ＮＬ／ｍｉｎ、５７００ＮＬ／ｍｉｎにおける酸素ガスの圧損（圧力損失）を演算した。この結果を図７に示す。図７は、流量と圧損の関係を示した解析結果のグラフである。

（結果）
図５，図６に示すように、不純物の粒径が１００μｍとなる条件（Ａ），（Ｂ）では、不純物の粒径が１０μｍとなる条件（Ｃ），（Ｄ）に比べて、邪魔板による捕捉率が高かった。これは、不純物が大きいと、不純物の慣性により、屈曲部で不純物に遠心力が作用し、邪魔板が配置された屈曲部の半径方向外側の内壁に、不純物が向かうからであると考えられる。不純物がオイルである場合には、その粒径は、１００μｍ程度であるので、条件（Ａ），（Ｂ）に合致し、不純物を邪魔板により効率良く捕捉することができる。

さらに、条件（Ｃ）に比べて、条件（Ｄ）の方が、邪魔板による捕捉率が高かった。これは、条件（Ｃ）の場合には、流量が多いため、直管部における不純物の直線性が高く、不純物が屈曲部の半径方向外側の内壁に衝突し易いからである。

なお、条件（Ｂ）に比べて、条件（Ａ）の方が、邪魔板による捕捉率が高かったのは、解析上、流量の多い条件（Ｂ）では、邪魔板に衝突した不純物が跳ね返ったことによると考えられる。不純物がオイルである場合には、このような現象はほとんどないと考えられるため、実機でオイルを捕捉する際には、条件（Ａ）に比べて、条件（Ｂ）の方が、邪魔板による捕捉率が高くなると考えられる。

さらに、図７に示すように、酸素ガスの流量が４５０ＮＬ／ｍｉｎの場合には、ほとんど圧損がなく、酸素ガスの流量が、５７００ＮＬ／ｍｉｎの場合であっても、圧損は、１ＭＰａ（１０００Ｐａ）程度である。したがって、邪魔板により、燃料電池へ向かう酸素ガスの圧損の影響は少ないと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：コンプレッサ、４：ガス供給配管、４１，４３：直管部、４２：屈曲部、４２ａ：第１位置、４２ｂ：終端、４２ｃ：第２位置、４５：内壁、４５ａ：半径方向外側の内壁、４７：邪魔板、Ｄ：配管径。

Claims

燃料電池と、該燃料電池に酸素ガスを供給するコンプレッサと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記コンプレッサとの間には、前記コンプレッサから前記燃料電池に酸素ガスを供給するガス供給配管が接続されており、
該ガス供給配管には、所定の曲率で屈曲した屈曲部が形成されており、
該屈曲部の前記酸素ガスが流れる流路には、前記屈曲部の曲げ中央の第１位置から、前記屈曲部の前記燃料電池側の曲げ終端を通過し、さらに前記ガス供給配管の配管径に相当する距離まで伸ばした第２位置までの区間において、前記屈曲部の酸素ガスが流れる内壁のうち、前記屈曲部の半径方向外側の内壁から前記屈曲部の内方に向かって延在するように邪魔板が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。