図面 (/)

技術 燃料電池システムおよびその動作方法

出願人 日産自動車株式会社
発明者 佐藤雅士武田大
出願日 2016年9月1日 (4年2ヶ月経過) 出願番号 2016-170705
公開日 2018年3月8日 (2年8ヶ月経過) 公開番号 2018-037328
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 冷却液ライン ドレンノズル 給排機構 触媒燃焼式 燃焼ヒータ ガス貯蔵容器 冷却水循環通路 タービン入口圧力
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年3月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器を備える燃料電池システムにおいて、燃焼器をより的確に運転可能とする。

解決手段

燃焼電池10のカソードガス排出通路122に、コンプレッサ201を駆動するタービン22を接続し、カソードガス排出通路122に、タービン22を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器34を介装する。カソードガス排出通路122のうち燃焼器34よりも上流側に気液分離器32を設置し、燃料供給部により、カソードガス排出通路122のうち気液分離器32よりも上流側に、燃焼器34で燃焼させる燃料を供給する。

概要

背景

燃料電池カソードガス供給通路コンプレッサを備え、燃料電池に対し、コンプレッサを通じて酸化剤を供給する一方、カソードガス排出通路タービンが接続され、タービンによりコンプレッサを駆動するように構成された燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムとして、コンプレッサおよびタービンに加え、カソードガス排出通路に燃焼器介装され、燃焼器で生成された燃焼ガスをタービンに供給して、タービンを駆動するように構成されたものも知られている。

特許文献1には、燃料電池のカソードオフガスラインアノードオフガスラインとのそれぞれに気液分離器を備えた燃料電池システムが記載されている。カソードオフガスをカソードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたカソードオフガスを混合器に流入させるとともに、アノードオフガスをアノードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたアノードオフガスを混合器に流入させる。混合器から流出したカソードオフガスおよびアノードオフガスの混合ガス燃焼ヒータに導入してアノードオフガス中燃料燃焼させ、これにより生じた熱エネルギにより冷却液を加熱する。そして、加熱された冷却液を、暖機冷却液ラインを介して燃料電池に供給し、燃料電池の暖機を促進させる。

概要

タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器を備える燃料電池システムにおいて、燃焼器をより的確に運転可能とする。燃焼電池10のカソードガス排出通路122に、コンプレッサ201を駆動するタービン22を接続し、カソードガス排出通路122に、タービン22を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器34を介装する。カソードガス排出通路122のうち燃焼器34よりも上流側に気液分離器32を設置し、燃料供給部により、カソードガス排出通路122のうち気液分離器32よりも上流側に、燃焼器34で燃焼させる燃料を供給する。

目的

特許文献1に記載のシステムは、コンプレッサを駆動するタービンを備えておらず、混合器の下流側に備わる燃焼器は、暖機時における熱エネルギの取得を目的とした

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

燃料および酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサと、前記燃料電池のカソード極に対してカソードガス排出通路を介して接続され、前記コンプレッサを駆動するタービンと、前記カソードガス排出通路に介装され、前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記カソードガス排出通路のうち前記燃焼器よりも上流側に配置された気液分離器と、前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器よりも上流側に、前記燃焼器で燃焼させる燃料を供給する燃料供給部と、を備える、燃料電池システム

請求項2

前記燃料供給部は、前記カソードガス排出通路に前記燃料電池のアノードオフガスを供給する、請求項1に記載の燃料電池システム。

請求項3

前記燃料電池に対して並列に配置され、前記燃料電池のカソードガス供給通路と前記気液分離器よりも上流側の前記カソードガス排出通路とを接続するバイパス通路をさらに備える請求項2に記載の燃料電池システムであって、前記燃料供給部は、前記燃料電池のアノード極と連通し、前記バイパス通路に接続するアノードオフガス通路を有し、前記バイパス通路に前記アノードオフガスを導入することで、前記カソードガス排出通路に前記アノードオフガスを供給する、燃料電池システム。

請求項4

前記燃料供給部は、前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器よりも上流側に前記アノードオフガスを供給する第1の燃料供給部と、前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器と前記燃焼器との間に前記燃料を供給する第2の燃料供給部と、を備える、請求項2または3に記載の燃料電池システム。

請求項5

前記燃料電池に供給される燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池のアノード極とを接続するアノードガス供給通路と、をさらに備える請求項4に記載の燃料電池システムであって、前記第2の燃料供給部は、一端が前記アノードガス供給通路に接続し、他端が前記気液分離器と前記燃焼器との間で前記カソードガス排出通路に接続する燃料通路を有する、燃料電池システム。

請求項6

前記燃焼器は、前記燃料と前記酸化剤との燃焼を促進させる触媒を備えた触媒燃焼器である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

請求項7

前記気液分離器は、遠心式の気液分離器である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

請求項8

燃料電池のカソード極に対し、タービンにより駆動可能なコンプレッサを通じて酸化剤を供給し、前記燃料電池のカソードオフガスと燃料または前記燃料電池のアノードオフガスとを混合させて混合ガスを生成し、前記混合ガスから水分を除去し、水分が除去された前記混合ガスを前記燃焼器に導入して、前記燃料または前記アノードオフガス中の燃料を前記カソードオフガス中の酸化剤により燃焼させて燃焼ガスを生じさせ、前記燃焼ガスを前記タービンに供給して、前記タービンを駆動する、燃料電池システムの動作方法

技術分野

0001

本発明は、燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動する燃料電池システムおよびその動作方法に関する。

背景技術

0002

燃料電池カソードガス供給通路コンプレッサを備え、燃料電池に対し、コンプレッサを通じて酸化剤を供給する一方、カソードガス排出通路にタービンが接続され、タービンによりコンプレッサを駆動するように構成された燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムとして、コンプレッサおよびタービンに加え、カソードガス排出通路に燃焼器が介装され、燃焼器で生成された燃焼ガスをタービンに供給して、タービンを駆動するように構成されたものも知られている。

0003

特許文献1には、燃料電池のカソードオフガスラインアノードオフガスラインとのそれぞれに気液分離器を備えた燃料電池システムが記載されている。カソードオフガスをカソードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたカソードオフガスを混合器に流入させるとともに、アノードオフガスをアノードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたアノードオフガスを混合器に流入させる。混合器から流出したカソードオフガスおよびアノードオフガスの混合ガス燃焼ヒータに導入してアノードオフガス中燃料燃焼させ、これにより生じた熱エネルギにより冷却液を加熱する。そして、加熱された冷却液を、暖機冷却液ラインを介して燃料電池に供給し、燃料電池の暖機を促進させる。

先行技術

0004

特開2005−310464号公報

発明が解決しようとする課題

0005

燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動するものでは、タービンを効率よく作動させるため、燃焼器をタービンによる動力回収の観点から最適に運転することが求められる。具体的には、燃焼器に対する水分の流入を回避するとともに、燃焼器に対し、燃料と酸化剤とを充分に混合させた状態で導入する。燃焼器に水分が流入すれば、燃焼促進のために燃焼器に保持されている触媒に水分が付着して、燃料の着火性が悪化し、燃料と酸化剤との混合が不充分であれば、燃焼温度分布むらが生じて、触媒を局所的に劣化させたり、触媒の劣化を抑制するために燃焼温度を下げる必要が生じたりするからである。

0006

特許文献1に記載のシステムは、コンプレッサを駆動するタービンを備えておらず、混合器の下流側に備わる燃焼器は、暖機時における熱エネルギの取得を目的としたものであり、燃焼ガスの生成自体を目的としたものではない。そして、この目的に起因して、特許文献1において、カソードオフガスおよびアノードオフガスは、暖機が完了した後、いずれも燃焼器に供給されず、排水素の処理のため、燃焼器を迂回して希釈装置に導入されている。よって、特許文献1に記載の技術は、燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動するシステムにおいて、燃焼器の最適な運転の実現に資するものではない。

課題を解決するための手段

0007

本発明では、燃焼電池のカソードガス排出通路に、コンプレッサを駆動するタービンを接続し、カソードガス排出通路に、タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器を介装する。カソードガス排出通路のうち燃焼器よりも上流側に気液分離器を設置し、燃料供給部により、カソードガス排出通路のうち気液分離器よりも上流側に燃焼器で燃焼させる燃料を供給する。

発明の効果

0008

本発明によれば、燃焼器に対する水分の流入を抑制するとともに、燃料とカソードオフガスとを充分に混合させた状態で燃焼器に導入することができ、燃焼器をより的確に運転することが可能となる。

図面の簡単な説明

0009

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。
図2は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。
図3は、同上実施形態に係る燃料電池システムの変形態様の構成を概略的に示す全体構成図である。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。
図5は、同上実施形態に係る燃料電池システムの変形態様の構成を概略的に示す全体構成図である。

実施例

0010

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

0011

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム101の構成を概略的に示している。

0012

燃料電池システム101は、大別すると、燃料電池10と、カソードガス給排機構12と、アノードガス給排機構14と、加熱/冷却機構16と、負荷装置18と、を備える。さらに、燃料電池システム101は、カソードガス給排機構12に電動コンプレッサ20およびタービン22を備える。電動コンプレッサ20は、コンプレッサ201および電動モータ202を備え、タービン22は、コンプレッサ201を電動モータ202とは独立に駆動可能に構成されている。図1に明示しないが、燃料電池システム101は、電子制御ユニットとして構成されたシステムコントローラを備え、システムコントローラにより、燃料電池10の発電電力等、燃料電池システム101の運転状態が制御される。本実施形態において、燃料電池システム101は、車両に搭載され、燃料電池10は、車両の走行に必要な電力発電する。

0013

燃料電池10は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、カソードガス給排機構12を介して空気の供給を受けるとともに、アノードガス給排機構14を介して水素ガスの供給を受け、空気中の酸素水素との化学反応により発電する。本実施形態では、水素が燃料であり、空気中の酸素が酸化剤である。発電により生じた電気は、車両走行用の電動モータの駆動に用いられるほか、電動コンプレッサ20に備わる電動モータ202等の各種補機の駆動に用いられる。本実施形態では、負荷装置18が、車両走行用の電動モータである。

0014

(カソードガス給排機構)
カソードガス給排機構12は、カソードガス供給通路121と、カソードガス排出通路122と、を備える。

0015

カソードガス供給通路121は、燃料電池10のカソード極に供給される空気(カソードガス)が流れる通路であり、一方の端部がコンプレッサ201のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池10のカソード極のガス流入口に接続されている。大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ201により加圧され、カソードガス供給通路121を介して燃料電池10のカソード極に供給される。

0016

カソードガス排出通路122は、燃料電池10のカソード極から排出されるカソードオフガスが流れる通路であり、燃料電池10のカソード極のガス流出口と、タービン22のガス流入口と、の間に接続されている。カソードガス排出通路122には、カソードオフガスの流れに関して上流側から順に気液分離器32、水素燃焼器34および可変ノズルベーン36が介装されている。燃料電池10における発電反応に寄与せずに残った酸素と、発電反応により生じた水分と、を含んだカソードオフガスは、気液分離器32に導入され、気液分離器32により水分が除去された後、水素燃焼器34を通過し、可変ノズルベーン36による制御を受けてタービン22に供給される。そして、カソードオフガスは、エネルギの一部がタービン22の駆動に用いられた後、タービン排気通路123を介して外部に排出される。

0017

気液分離器32は、遠心式の気液分離器であり、水分を含んだカソードオフガスを受容し、カソードオフガスから水分を除去する。気液分離器32は、さらに、後に述べるようにカソードガス排出通路122にアノードオフガスが導入される場合に、カソードオフガスに加え、アノードオフガスに含まれている水分も除去する。除去された水分は、ドレンノズルを介して外部に排出される。

0018

水素燃焼器34は、白金等の触媒を担持した触媒燃焼器であり、燃料とカソードオフガス中の酸素(酸化剤)とをこの触媒上で燃焼させ、燃焼ガスを生成する。本実施形態において、燃料は、アノードオフガス中の水素である。水素燃焼器34には、カソードガス排出通路122を介してカソードオフガスが供給されるとともに、後に述べるアノードガス循環通路143からアノードオフガス通路144を介してアノードオフガスが供給される。図1に明示しないが、水素燃焼器34にミキサーを内蔵し、触媒への導入前にアノードオフガスとカソードオフガスとの混合が促進されるようにしてもよい。

0019

本実施形態では、水素燃焼器34として触媒燃焼式の燃焼器を採用するが、水素燃焼器34には、拡散燃焼式または希薄予混合燃焼式の燃焼器等、触媒燃焼器以外の燃焼器を採用することもできる。触媒燃焼器によれば、拡散燃焼式等、他の方式の燃焼器による場合と比較して窒素化合物の発生を抑制することが可能である。

0020

可変ノズルベーン36は、タービン22のガス流入口に設置され、ノズルベーン開度(以下「ノズル開度」という)が可変に構成されている。可変ノズルベーン36のノズル開度を変化させることで、タービン22に供給される燃焼ガスの流速を調節し、タービン22が生じさせる動力回収動力)を変化させることができる。可変ノズルベーン36は、開放状態でタービン22への入口流路有効断面積を増大させ、カソードガス排出通路122からタービン22に流入する燃焼ガスの圧力損失を相対的に減少させる。一方で、閉塞状態では、タービン22への入口流路の有効断面積を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を相対的に増大させる。このように、可変ノズルベーン36のノズル開度を減少させることで、タービン22による回収動力を増大させ、システムの運転圧力を増大させることが可能である。

0021

さらに、カソードガス排出通路122には、水素燃焼器34の下流側(本実施形態では、可変ノズルベーン36の上流側)にタービンバイパス通路124が接続されている。水素燃焼器34により生成された燃焼ガスのうち、タービン22に供給されるもの以外の燃焼ガスは、タービンバイパス通路124を介して加熱/冷却機構16に供給される。

0022

ここで、燃料電池10が低温状態にあるときに、燃焼ガスの熱を利用して燃料電池10を加熱し、暖機を促進させることが可能である。本実施形態において、加熱/冷却機構16は、熱交換器41を備え、熱交換器41に対し、燃焼ガスがタービンバイパス通路124を介して供給され、熱交換器41により燃料電池10の冷却水を加熱することで、燃料電池10の暖機を促進させる。加熱/冷却機構16に供給された燃焼ガスは、熱交換器41で熱が回収された後、タービン排気通路123を流れる燃焼ガスと合流し、外部に排出される。

0023

(電動コンプレッサおよびタービン)
電動コンプレッサ20は、コンプレッサ201と電動モータ202とを備え、コンプレッサ201の回転軸203に対し、電動モータ202によりモータトルク印加可能に構成されている。コンプレッサ201は、カソードガス供給通路121の入口部に設置されており、大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ201により圧縮され、カソードガス供給通路121を介して燃料電池10のカソード極に供給される。

0024

タービン22は、カソードガス排出通路122とタービン排気通路123との間に設置され、水素燃焼器34から燃焼ガスの供給を受けて作動する。本実施形態において、コンプレッサ201のインペラとタービン22のタービンブレードとは、回転軸203を介して互いに連結されており、タービン22により燃焼ガスから回収された動力が回転軸203を介してコンプレッサ201に伝達され、コンプレッサ201が作動する。タービン22および電動モータ202は、互いに独立してコンプレッサ201を駆動することが可能である。

0025

ここで、コンプレッサ201の動力要求が比較的大きい場合は、タービン22に流入する燃焼ガスの流量(タービン入口流量)、温度(タービン入口温度)および圧力(タービン入口圧力)を増大させることで、タービン22による回収動力を増大させ、コンプレッサ201に対して要求に応じた動力を供給することが可能である。水素燃焼器34における燃焼状態を制御するとともに、可変ノズルベーン36のノズル開度を調節することで、具体的には、要求動力の増大に対して燃焼温度(タービン入口温度)を上昇させるかまたはノズル開度を減少させることで、タービン22による回収動力を増大させることが可能である。

0026

電動モータ202は、筐体内周面ステータが設けられるとともに、回転軸203と同軸ロータが形成され、燃料電池10および図示しないバッテリから電力の供給を受けて回転軸203にモータトルクを印加し(力行モード)、タービン22によるコンプレッサ201の回転駆動補助する。さらに、電動モータ202は、回転軸203の回転動力により発電することが可能であり(回生モード)、発電した電力を図示しないバッテリに供給する。

0027

(アノードガス給排機構)
アノードガス給排機構14は、高圧水素タンク141と、アノードガス供給通路142と、アノードガス循環通路143と、アノードオフガス通路144と、を備える。本実施形態において、アノードガス供給通路142には、水素ヒータ42が介装され、燃料電池10のアノード極に対し、水素ヒータ42により加熱された水素ガスを供給することが可能である。

0028

高圧水素タンク141は、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。

0029

アノードガス供給通路142は、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガス(アノードガス)が流れる通路であり、高圧水素タンク141と、燃料電池10のアノード極のガス流入口と、の間に接続されている。高圧水素タンク141に貯蔵されている水素ガスは、アノードガス供給通路142を介して燃料電池10のアノード極に供給される。本実施形態において、アノードガス供給通路142には、水素ヒータ42の下流側に圧力調節弁51が介装され、圧力調節弁51により、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガスの圧力(流量)が調節される。本実施形態では、さらに、圧力調節弁51の下流側にエゼクタ52が設置され、圧力調節弁51による制限を受けた水素ガスは、エゼクタ52を介して燃料電池10のアノード極に供給される。

0030

アノードガス循環通路143は、燃料電池10のアノード極から排出されたアノードオフガスをアノード極に循環させるための通路であり、燃料電池10のアノード極のガス流出口と、アノードガス供給通路142と、の間に接続されている。本実施形態において、アノードガス供給通路142には、アノードガス循環通路143との接続部にエゼクタ52が設置され、発電反応に寄与せずに残った水素と、カソード極から漏洩した水分および窒素等の不純物と、を含んだアノードオフガスは、エゼクタ52の内部で高圧水素タンク141から供給された水素ガスの噴流により形成される負圧の作用を受けてアノードガス供給通路142に吸入され、燃料電池10のアノード極に供給される。

0031

アノードオフガス通路144は、燃料電池10のアノード極から排出されたアノードオフガスのうち、アノードガス供給通路142に循環されるもの以外のガスが流れる通路であり、アノードガス循環通路143とカソードガス排出通路122との間に接続されている。本実施形態において、アノードオフガス通路144は、カソードガス排出通路122に対し、気液分離器32の上流側に接続され、燃料電池10のアノード極から排出されたアノードオフガスは、アノードガス循環通路143からアノードオフガス通路144に分岐し、アノードオフガス通路144を介して気液分離器32の上流側でカソードガス排出通路122に導入される。このように、本実施形態では、アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122との接続部に燃料導入口122aが形成され、アノードオフガス通路144は、後に述べる流量調節弁53とともに、カソードガス排出通路122に水素燃焼器34で燃焼させる燃料(水素)を供給する「燃料供給部」を構成する。「燃料導入口」とは、燃料またはアノードオフガスがカソードガス排出通路122に流入する際に通過するカソードガス排出通路122の開口部をいい、本実施形態では、気液分離器32の上流側に形成される。燃料導入口122aを介してカソードガス排出通路122に導入され、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスと合流したアノードオフガスは、気液分離器32で水分が除去された後、水素燃焼器34に供給される。アノードオフガス通路144には、流量調節弁53が介装され、流量調節弁53により、アノードオフガス通路144を介して水素燃焼器34に供給されるアノードオフガスの流量が調節される。

0032

(加熱/冷却機構)
加熱/冷却機構16は、冷却水循環通路161と、冷却水分岐通路162と、熱交換器41と、水素ヒータ42と、冷却水循環ポンプ43と、ラジエータ等の図示しない冷却装置と、を備える。

0033

冷却水循環通路161は、燃料電池10の冷却水を、熱交換器41を介して循環させるための通路であり、燃料電池10の冷却水入口10aと冷却水出口10bとの間に接続されている。燃料電池10の冷却水出口10bから流出した冷却水は、熱交換器41に流入し、熱交換器41により加熱された後、燃料電池10の冷却水入口10aから燃料電池10の冷却水通路に供給される。燃料電池10に供給された冷却水は、燃料電池10の暖機に寄与した後、冷却水出口10bから排出される。

0034

冷却水分岐通路162は、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガスの加熱に用いられる冷却水が流れる流路であり、熱交換器41に対して並行に配置され、冷却水循環通路161のうち熱交換器41の上流側と下流側とを跨ぐように接続されている。冷却水出口10bを介して燃料電池10から流出した冷却水は、その一部が冷却水循環通路161から冷却水分岐通路162に流入し、冷却水分岐通路162を介して水素ヒータ42に供給される。そして、水素ヒータ42に供給された冷却水は、水素ガスの加熱に用いられた後、熱交換器41の下流側で冷却水循環通路161を流れる冷却水と合流し、燃料電池10の冷却水通路に供給される。

0035

熱交換器41は、冷却水循環通路161を流れる冷却水と、タービンバイパス通路124を流れる燃焼ガスと、の間で熱交換を行い、冷却水を加熱するものである。本実施形態では、加熱/冷却機構16に図示しない冷却装置が設けられており、燃焼ガスとの熱交換により加熱された冷却水を、この冷却装置により冷却することも可能である。

0036

水素ヒータ42は、熱交換器として構成され、加熱/冷却機構16で回収された熱により高圧水素タンク141から供給された水素ガスを加熱するものである。具体的には、水素ヒータ42に対し、加熱/冷却機構16の熱交換器41により加熱された冷却水と、高圧水素タンク141に貯蔵されている水素ガスと、が供給され、両者の間での熱交換により水素ガスが加熱される。

0037

(負荷装置)
負荷装置18は、燃料電池10の正極端子負極端子との間に接続されており、燃料電池10または図示しないバッテリから供給される電力の供給を受けて駆動する。本実施形態において、負荷装置18は、車両走行用の電動モータである。

0038

作用効果の説明)
本実施形態に係る燃料電池システム101は、以上のように構成され、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

0039

第1に、本実施形態では、アノードガス循環通路143からアノードオフガス通路144を延設し、アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122とを、カソードガス排出通路122におけるカソードオフガスの流れに関して気液分離器32よりも上流側で接続し、アノードオフガス通路144および流量調節弁53により「燃料供給部」を構成することとした。これにより、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側に形成された燃料導入口122aを介してアノードオフガス(具体的には、アノードオフガス中の水素)が供給され、アノードオフガスとカソードオフガス(具体的には、カソードオフガス中の酸素)とを、気液分離器32を通じて充分に混合させるとともに、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を除去した状態で、水素燃焼器34に供給することができる。

0040

よって、本実施形態によれば、水素燃焼器34に対する水分の流入を回避して、触媒に対する水分の付着による着火性の悪化を抑制するとともに、水素燃焼器34に対し、燃料と酸化剤とを充分に混合させた状態で導入して、燃焼温度の分布を均一に近付けて、触媒の局所的な加熱による劣化を防止し、水素燃焼器34をより高温側の作動領域に至るまで使用することが可能となる。

0041

さらに、燃料供給部の燃料導入口122aと水素燃焼器34との間に気液分離器32が介在することで、燃料と酸化剤との混合に要する距離を確保することが容易となる。

0042

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガス中の酸素が酸化剤である。

0043

第2に、本実施形態では、カソードガス排出通路122にアノードオフガスを導入し、燃焼ガスの生成にアノードオフガス中の水素を利用することとした。これにより、水素の無駄な排出を抑制し、燃料電池システム101の運転効率をシステム全体として向上させることができる。

0044

以上に加え、本実施形態では、水素燃焼器34に触媒燃焼器を採用し、水素燃焼器34への水分の流入を回避可能としたことで、触媒に対する水分の付着を防止し、燃料の着火性が悪化するのを防止することができる。

0045

さらに、気液分離器32として遠心式のものを採用し、気液分離器32の上流側でアノードオフガスを導入したことで、気液分離器32に流入するガス(カソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガス)の流速を増大させ、遠心分離の機能をより効果的に生じさせることができる。

0046

本実施形態では、カソードガス排出通路122に対し、アノードオフガス通路144を気液分離器32の上流側で接続し、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給することとしたが、アノードオフガスに代えるかまたはこれに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、カソードガス排出通路122に対して直接(換言すれば、燃料電池10を介さずに)導入するようにしてもよい。これにより、水素燃焼器34に対し、気液分離器32を通じて水素ガスとカソードオフガスとを充分に混合させた状態で供給することができる。

0047

(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム102Aの構成を概略的に示している。

0048

本実施形態では、第1の実施形態と同様に、アノードオフガス通路144をカソードガス排出通路122に接続し、アノードガス循環通路143を流れるアノードオフガスをアノードオフガス通路144に分岐させ、アノードオフガス通路144を介してカソードガス排出通路122に導入する。カソードガス排出通路122に流入したアノードオフガスは、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスとともに気液分離器32に導入され、気液分離器32で水分が除去された後、水素燃焼器34に供給される。

0049

本実施形態において、カソードガス供給通路121とカソードガス排出通路122とは、バイパス通路125を介して互いに接続されている。コンプレッサ201により圧縮された空気は、その一部が燃料電池10のカソード極に供給され、それ以外の残部がカソードガス供給通路121からバイパス通路125に流入し、燃料電池10を迂回してカソードガス排出通路122に導入される。カソードガス排出通路122に流入した空気は、燃料電池10のカソード極から排出されたカソードオフガスと合流して気液分離器32に流入し、水素燃焼器34に供給される。

0050

バイパス通路125には、バイパス弁38が設けられている。バイパス弁38は、バイパス通路125を流れる空気の流量を調節するものである。具体的には、コンプレッサ201により吐出された空気の流量が燃料電池10による発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、バイパス弁38の開度を増大させ、燃料電池10のカソード極に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池10の電解質膜過度に乾燥することを防止する。

0051

このように、カソードガス給排機構12にバイパス通路125を備える場合に、アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122とを気液分離器32よりも上流側で接続して、気液分離器32の上流側に燃料導入口122aを形成し、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給することで、第1の実施形態と同様に、アノードオフガスとカソードオフガスとを、気液分離器32を通じて充分に混合させるとともに、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を除去した状態で、水素燃焼器34に供給することができる。そして、燃料供給部の燃料導入口122aと水素燃焼器34との間に気液分離器32が介在することで、燃料と酸化剤との混合に要する距離を確保することが容易となる。

0052

本実施形態では、燃料電池10を迂回するバイパス通路125を形成し、空気をカソードガス供給通路121からバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に導入したことで、水素燃焼器34に供給される混合ガスのうちカソードオフガスが占める量を相対的に減少させ、水素燃焼器34に対する水分の流入をより確実に回避することが可能である。さらに、燃料電池10の発電に必要な空気が少なく、カソードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずにバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に空気を導入し、カソードオフガスの不足分を空気で補うことが可能となる。

0053

アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122との接続部(この接続部に燃料導入口122aが形成される)は、図2に示すように、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスの流れに関してバイパス通路125とカソードガス排出通路122との接続部P1よりも下流側(点P2)でもよいが、上流側(点P3)でもよい。アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122との接続部を接続部P1よりも上流側(点P3)とすることで、燃料導入口122aから水素燃焼器34に至るまでの距離を延長し、燃料と酸化剤との混合をさらに促進させることができる。これに対し、接続部P1よりも下流側の接続部P2を採用する場合は、上流側の接続部P3を採用する場合に比べて、燃料導入口122aが水素燃焼器34に近いことから、水素燃焼器34の応答性を向上させることができる。

0054

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路144および流量調節弁53が「燃料供給部」を構成する。

0055

本実施形態では、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給することとしたが、アノードオフガスに代えるかまたはこれに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、カソードガス排出通路122に対して直接導入するようにしてもよい。これにより、水素燃焼器34に対し、気液分離器32を通じて水素ガスとカソードオフガスとを充分に混合させた状態で供給することができる。

0056

(第2の実施形態の変形態様)
図3は、第2の実施形態に係る燃料電池システムの変形態様102Bの構成を概略的に示す全体構成図である。

0057

図2に示す燃料電池システム102Aとの相違点を述べると、アノードガス供給通路142とカソードガス排出通路122とが水素ガス通路145を介して接続され、水素ガス通路145に流量調節弁54が介装されている。具体的には、アノードガス供給通路142のうち水素ガスの流れに関して水素ヒータ42よりも下流側(本態様では、圧力調節弁51よりも上流側)と、カソードガス排出通路122のうちカソードオフガスの流れに関して水素燃焼器34よりも上流側(本態様では、気液分離器32よりも下流側)と、が水素ガス通路145を介して接続されている。水素ガス通路145とカソードガス排出通路122との接続部に第2の燃料導入口122bが形成され、水素ガス通路145および流量調節弁54は、「第2の燃料供給部」を構成する。「第2の燃料導入口」とは、燃料(水素)が気液分離器32の下流側でカソードガス排出通路122に流入する際に通過するカソードガス排出通路122の開口部をいう。高圧水素タンク141から流出し、水素ヒータ42を通過した水素ガスは、その一部がアノードガス供給通路142から水素ガス通路145に流入し、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34よりも上流側でカソードガス排出通路122に導入され、水素燃焼器34に供給される。水素ガス通路145に介装された流量調節弁54により、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に供給される水素ガスの流量が調節される。

0058

上記以外の構成は、図2に示す燃料電池システム102Aと同様である。

0059

このように、アノードオフガスに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に直接(換言すれば、燃料電池10を介さずに)導入可能としたことで、燃料電池10の発電に必要な水素ガスが少なく、アノードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずに水素ガス通路145を介してカソードガス排出通路122に水素ガスを導入し、アノードオフガスの不足分を水素ガスで補い、水素燃焼器34に対して最適な量の燃料を供給することが可能となる。

0060

さらに、第2の燃料供給部の燃料導入口(第2の燃料導入口122b)を気液分離器32と水素燃焼器34との間に形成したことで、水素燃焼器34に対してより近い位置で水素ガスをカソードガス排出通路122に導入可能とし、水素燃焼器34をより高い応答性をもって作動させることができる。そして、水素ガスを気液分離器32に流入させず、乾いた状態のまま水素燃焼器34に供給可能としたことで、燃料の着火性をより良好に維持するとともに、水素ガスが気液分離器32に流入することに伴うドレンノズル等からの水素ガスの漏れを回避することができる。

0061

本態様では、アノードオフガス中の水素と高圧水素タンク141から水素ガスとして供給される水素とが燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路144および流量調節弁53が「第1の燃料供給部」を構成し、水素ガス通路145および流量調節弁54が「第2の燃料供給部」を構成する。水素ガス通路145は、「燃料通路」に相当する。

0062

(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム103Aの構成を概略的に示している。

0063

以上の説明では、アノードガス循環通路143から分岐したアノードオフガスをアノードオフガス通路144からカソードガス排出通路122に直接導入する場合について説明した。これに対し、本実施形態では、カソードガス供給通路121とカソードガス排出通路122との間に燃料電池10を迂回するバイパス通路125を形成し、アノードオフガス通路144をバイパス通路125に接続することで、アノードガス循環通路143から分岐したアノードオフガスを、カソードガス排出通路122に対し、バイパス通路125を介して間接的に導入する。

0064

本実施形態において、カソードガス供給通路121とカソードガス排出通路122とは、バイパス通路125を介して互いに接続され、コンプレッサ201により圧縮された空気の一部が、カソードガス供給通路121からバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に導入される。カソードガス排出通路122に流入した空気は、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスと気液分離器32よりも上流側で合流し、水素燃焼器34に供給される。バイパス通路125にバイパス弁38が設けられ、バイパス弁38により燃料電池10のカソード極に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池10の電解質膜が過度に乾燥するのを防止可能であることは、第2の実施形態と同様である。

0065

本実施形態において、アノードオフガス通路144は、アノードガス循環通路143と、バイパス通路125のうち空気の流れに関して流量調節弁38の下流側と、の間に接続されている。これにより、本実施形態では、バイパス通路125とカソードガス排出通路122との連通口として、気液分離器32の上流側に燃料導入口122aを形成し、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給する。

0066

よって、本実施形態によれば、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を、気液分離器32により水素燃焼器34への供給前に除去するとともに、水素燃焼器34への供給に先立ち、アノードオフガスとカソードオフガスとを充分に混合させることができる。ここで、本実施形態では、アノードオフガス通路144をバイパス通路125に接続し、アノードオフガスをバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に流入させ、水素燃焼器34に供給することで、バイパス通路125を燃料の拡散に利用することが可能となり、燃料と酸化剤との混合をさらに促進させることができる。

0067

さらに、本実施形態では、アノードオフガス通路144をバイパス通路125に接続したことで、アノードオフガス通路144の連通口がカソードオフガス中の水分の凍結により閉塞されるのを回避することができる。

0068

さらに、燃料電池10を迂回するバイパス通路125を形成し、空気をカソードガス供給通路121からバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に導入可能としたことで、水素燃焼器34に供給される混合ガスのうちカソードオフガスが占める量を相対的に減少させ、水素燃焼器34に対する水分の流入をより確実に回避することが可能となる。そして、カソードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずにバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に空気を導入し、カソードオフガスの不足分を空気で補うことができる。

0069

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路144、バイパス通路125および流量調節弁38、53が「燃料供給部」を構成する。

0070

(第3の実施形態の変形態様)
図5は、第3の実施形態に係る燃料電池システム103Bの変形態様の構成を概略的に示している。

0071

図4に示す燃料電池システム103Aとの相違点を述べると、アノードガス供給通路142とカソードガス排出通路122とが水素ガス通路145を介して接続され、水素ガス通路145に流量調節弁54が介装されている。水素ガス通路145とカソードガス排出通路122との接続部に第2の燃料導入口122bが形成され、水素ガス通路145および流量調節弁54は、「第2の燃料供給部」を構成する。高圧水素タンク141から流出し、水素ヒータ42を通過した水素ガスは、その一部がアノードガス供給通路142から水素ガス通路145を介して水素燃焼器34よりも上流側(本態様では、気液分離器32よりも下流側)でカソードガス排出通路122に導入され、水素燃焼器34に供給される。水素ガス通路145に介装された流量調節弁54により、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に供給される水素ガスの流量が調節される。

0072

上記以外の構成は、図4に示す燃料電池システム103Aと同様である。

0073

このように、アノードオフガスに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に直接導入可能としたことで、第2の実施形態の変形態様と同様に、アノードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずに水素ガス通路145を介してカソードガス排出通路122に水素ガスを導入し、アノードオフガスの不足分を水素ガスで補うことができる。

0074

さらに、第2の燃料供給部の燃料導入口(第2の燃料導入口122b)を気液分離器32と水素燃焼器34との間に形成したことで、水素燃焼器34に対してより近い位置で水素ガスをカソードガス排出通路122に導入可能とし、水素燃焼器34をより高い応答性をもって作動させることができる。そして、水素燃焼器34に対し、水素ガスを乾いた状態のまま供給可能としたことで、燃料の着火性をより良好に維持することができる。

0075

本態様では、アノードオフガス中の水素と高圧水素タンク141から水素ガスとして供給される水素とが燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。アノードオフガス通路144、バイパス通路125および流量調節弁38、53が「第1の燃料供給部」を構成し、水素ガス通路145および流量調節弁54が「第2の燃料供給部」を構成する。水素ガス通路145は、「燃料通路」に相当する。

0076

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。

0077

101、102A、102B、103A、103B…燃料電池システム
12…カソードガス給排機構
14…アノードガス給排機構
16…加熱/冷却機構
18…負荷装置
20…電動コンプレッサ
22…タービン
32…気液分離器
34…水素燃焼器
38…バイパス弁
41…熱交換器
42…水素ヒータ
51…圧力調整弁
52…エゼクタ
53…流量調節弁
54…水素ガス通路
121…カソードガス供給通路
122…カソードガス排出通路
122a…燃料導入口(第1の燃料導入口)
122b…燃料導入口(第2の燃料導入口)
125…バイパス通路
141…高圧水素タンク
142…アノードガス供給通路
143…アノードガス循環通路
144…アノードオフガス通路
145…水素ガス通路
201…コンプレッサ
202…電動モータ
203…回転軸
P1…バイパス通路とカソードガス排出通路との接続部
P2、P3…アノードオフガス通路とカソードガス排出通路との接続部

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ