JP2008251330A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池スタック内の空気流量分布が小さく,温度分布、電池反応の分布が小さな電池を提供する。
【解決手段】 上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、前記空気流入口に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトと、前記空気排出口に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気を前記燃料電池の下面とほぼ平行に他方へ排気する空気排気ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの下方に、前記空気排出口から排出される空気の流速の分布を低減するためのバッフルを設置した燃料電池システム。
【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery having a small air flow rate distribution in a fuel cell stack and a small temperature distribution and cell reaction distribution.
A rectangular parallelepiped fuel cell stack having an air inlet formed on an upper surface and an air outlet formed on a lower surface, and connected to the air inlet, the upper surface of the fuel cell stack from one side of the fuel cell stack. The air supply duct that supplies air to the air inlet and the air discharge duct is connected to the air discharge port, and the air discharged from the fuel cell stack is substantially parallel to the lower surface of the fuel cell. A fuel cell system comprising an air exhaust duct for exhausting to the other side, wherein a baffle for reducing a flow velocity distribution of air discharged from the air discharge port is provided below the fuel cell stack.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に常圧作動型の燃料電池における気体の供給および排出機構に特徴を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system characterized by a gas supply and discharge mechanism in a normal pressure operation type fuel cell.
燃料電池は、燃料極と酸素極を電解質膜等を介して配置した単位燃料電池を複極板を介在させて電気的に直列に積層したものを複数個を直列、あるいは直並列に接続して、燃料電池スタックを形成している。
燃料電池スタックの燃料極には燃料供給手段によって水素等の燃料が供給されている。また、燃料電池スタックの酸素極に対して空気を供給する空気供給ファンからの空気を供給する空気供給ダクトとともに、燃料電池反応で生じた水を含んだ空気を排出する空気排気ダクトが結合されている。
In a fuel cell, a unit fuel cell in which a fuel electrode and an oxygen electrode are arranged via an electrolyte membrane is electrically connected in series via a bipolar plate, and a plurality of units are connected in series or in series-parallel. The fuel cell stack is formed.
Fuel such as hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack by the fuel supply means. In addition, an air supply duct that supplies air from an air supply fan that supplies air to the oxygen electrode of the fuel cell stack is combined with an air exhaust duct that discharges air containing water generated by the fuel cell reaction. Yes.
燃料電池スタックに対して加圧した空気を供給する加圧作動型では、燃料電池の出力を高めたることが可能であると言う特徴を有しているものの、空気の加圧手段が必要となる。
しかしながら、改質器等の排出ガスで作動するターボチャージャ等が利用可能な場合でも、燃料電池で発生した電力を自己消費することとなるので、これらのエネルギーを使用できない小型の燃料電池においては加圧式は取り出すことができるエネルギー効率が小さいので有効なものとは言えない。
そこで、本出願人は、常圧作動型であって、空気供給ファンにより導入された空気が空気導入ダクトを介して燃料電池スタックへ均一に供給されるようにした燃料電池システムを提案している(例えば、特許文献1参照)。
The pressurization operation type that supplies pressurized air to the fuel cell stack has a feature that the output of the fuel cell can be increased, but an air pressurizing means is required. .
However, even when a turbocharger that operates with exhaust gas from a reformer or the like is available, the power generated by the fuel cell is self-consumed. The pressure type is not effective because it has low energy efficiency.
In view of this, the present applicant has proposed a fuel cell system that is of the normal pressure operation type, and in which the air introduced by the air supply fan is uniformly supplied to the fuel cell stack via the air introduction duct. (For example, refer to Patent Document 1).
図5は、常圧作動型の燃料電池システムの一例を説明する図である。
図5(A)は斜視図を示し、図5(B)は、空気の流れを説明する平面図である。
燃料電池システム1の燃料電池スタック100には、空気供給ダクト54が結合されており、供給ダクト54は、空気を送気する空気ファン122が設けられている。
空気導入路123から空気ファンで取り込まれた空気が導入されて、空気を拡散するための拡散部材123mによって拡散された後に、空気供給ダクト54内を流れて燃料電池スタック100に送られる。燃料電池スタック100の上面から酸素極に送られた空気は、燃料電池スタック100の下部から排出されて、凝縮器等(図示せず)に送られて燃料電池反応で発生した水、および燃料電池の冷却用に酸素極に供給された水を分離して外部へ放出される。そして凝縮器等で回収された水は、電解質膜を加湿する水として利用される。
燃料電池スタック100の下部に充分な空間がある場合には、燃料電池スタック内での空気流の流速の分布等は生じにくいが、燃料電池システムが自動車等の内部に設置される場合には、設置環境が燃料電池システムの性能に影響を及ぼすことがあった。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a normal-pressure operating fuel cell system.
FIG. 5A shows a perspective view, and FIG. 5B is a plan view for explaining the flow of air.
An
The air taken in by the air fan is introduced from the
When there is sufficient space at the bottom of the
図6は、燃料電池システムの他の例を説明する図である。
図6(A)は斜視図を示し、図6(B)は、空気の流れを説明する平面図であり、図6(C)は、設置時の空気の流れを説明する側面図である。
燃料電池システム1に設けた燃料電池スタック100には空気供給ダクト54が接続されており、空気ファン122から空気導入路123内に設けた拡散部材123mを通じて燃料電池スタック100に送られる。燃料電池スタック100の上面から酸素極に送られた空気は、燃料電池スタック100の下部から空気排気ダクト124を通じて排出される。
ところが、自動車の床部分のように設置部空間130に制限がある場所に設置する場合には、空気供給ダクトおよび空気排気ダクトによって流れ方向が変化させられるので、燃料電池スタックの上部と下部との差圧について分布(偏差)が発生する。すなわち、ファン側Aに比べて出口側Bに近くなるにつれて差圧が大きくなる結果、燃料電池スタック内部の空気の流速はファン側が早く、出口側は遅くなるという現象が生じることが明かとなった。
燃料電池スタック内において、空気の流速に分布が生じると、燃料電池スタックを構成する各単位燃料電池において温度分布や発電反応の分布が発生するので燃料電池の特性にも大きな影響を及ぼすと言う問題があった。
6A shows a perspective view, FIG. 6B is a plan view for explaining the flow of air, and FIG. 6C is a side view for explaining the flow of air during installation.
An
However, when installing in a place where the
In the fuel cell stack, if the air flow velocity distribution occurs, the temperature distribution and power generation reaction distribution will occur in each unit fuel cell that constitutes the fuel cell stack. was there.
本発明は、設置する空間の高さ方向に制約があるために、燃料電池スタックから空気を排出する空気排出ダクトを燃料電池スタックの排出口と直角方向に設けた場合であっても、燃料電池スタック内の流速の分布を小さくした燃料電池システムを提供することを課題とするものである。
また、燃料電池の酸素極側への空気の供給が不均一となって、反応熱による熱分布が不均一となったり、また燃料電池が損傷を受けることを防止することを課題とするものである。
Since the present invention has a restriction in the height direction of the installation space, even if the air discharge duct for discharging air from the fuel cell stack is provided in a direction perpendicular to the discharge port of the fuel cell stack, the fuel cell An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the distribution of flow velocity in the stack is reduced.
Another object of the present invention is to prevent the supply of air to the oxygen electrode side of the fuel cell from becoming uneven, resulting in uneven heat distribution due to reaction heat, and damage to the fuel cell. is there.
本発明は、上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、前記空気流入口に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトと、前記空気排出口に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気を前記燃料電池の下面とほぼ平行に他方へ排気する空気排気ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの下方に、前記空気排出口から排出される空気の流速の分布を低減するためのバッフルを設置した燃料電池システムである。
前記バッフルは、前記燃料電池スタックの空気導入方向と反対側の下端から、前記燃料電池スタックの中心に向かって下方に傾斜して配置されている前記の燃料電池システムである。
前記燃料電池スタックに前記空気供給ダクトを通して常圧空気を供給する空気供給手段を備えた前記の燃料電池システムである。
The present invention includes a rectangular parallelepiped fuel cell stack having an air inlet formed on an upper surface and an air outlet formed on a lower surface, and an upper surface of the fuel cell stack connected to the air inlet from one of the fuel cell stacks. The air supply duct that supplies air to the air inlet and the air discharge duct is connected to the air discharge port, and the air discharged from the fuel cell stack is substantially parallel to the lower surface of the fuel cell. A fuel cell system including an air exhaust duct for exhausting to the other side, wherein a baffle for reducing a flow velocity distribution of air discharged from the air discharge port is installed below the fuel cell stack; is there.
The baffle is the fuel cell system, wherein the baffle is disposed so as to be inclined downward from a lower end opposite to an air introduction direction of the fuel cell stack toward a center of the fuel cell stack.
The fuel cell system comprising air supply means for supplying normal pressure air to the fuel cell stack through the air supply duct.
請求項1記載の構成によれば、燃料電池スタックの空気排出口に、該空気排出口の空気排気ダクトの下流部側の端部から中心部に向かって傾斜して延びるバッフルを配置して空気排出ダクト内の流路を制限したので、燃料電池スタックの上部と下部の差圧の分布(差圧)を小さくすることにより、燃料電池スタック内部の流速を流入部との距離にかかわらず均一化することができる。
また、請求項2記載の構成によれば、排出ダクトの壁面との距離が短くなっても燃料電池内部の差圧の分布を均一化することができるので効率的で安定した燃料電池システムを提供することが可能となる。
また、請求項3記載の構成によれば、常圧空気で作動する燃料電池における差圧の分布の乱れの影響を防止し、発電効率、電池特性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
According to the configuration of the first aspect of the present invention, the air exhaust port of the fuel cell stack is provided with the baffle extending obliquely from the end of the air exhaust duct on the downstream side of the air exhaust duct toward the center. Since the flow path in the exhaust duct is restricted, the flow velocity inside the fuel cell stack is made uniform regardless of the distance to the inflow portion by reducing the distribution (differential pressure) of the differential pressure between the upper and lower parts of the fuel cell stack. can do.
According to the second aspect of the present invention, the distribution of the differential pressure inside the fuel cell can be made uniform even when the distance from the wall surface of the discharge duct is shortened, so that an efficient and stable fuel cell system is provided. It becomes possible to do.
Moreover, according to the structure of
本発明は、自動車用の燃料電池のように設置場所に制限を受ける場合であっても、燃料電池スタック内の空気の流速の分布を空気排出路にバッフルを設けることによって差圧が大きくなる部分をなくし、電池スタック内部の空気の流速の分布を均一化することによって、熱分布、電池反応の分布を小さくした燃料電池システムの提供が可能であることを見いだしたものである。 The present invention is a part in which the differential pressure is increased by providing a baffle in the air discharge path of the distribution of the air flow velocity in the fuel cell stack even when the installation location is limited as in a fuel cell for an automobile. The present inventors have found that it is possible to provide a fuel cell system in which the heat distribution and the cell reaction distribution are reduced by eliminating the above and making the air flow velocity distribution in the battery stack uniform.
まず、本発明の燃料電池システムを図1を参照して説明する。
燃料供給系10の構成について説明する。圧縮水素ボンベ、水素吸蔵合金等の水素貯蔵手段11は、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100の燃料取入口101に接続されている。燃料ガス供給流路201Aには、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、二次圧センサS1、第1ガス供給弁20及び水素調圧弁21、第2ガス供給弁22、三次圧センサS2が順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aは、燃料ガス供給流路201Bの一端に接続している。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の燃料取入口101に接続されている。
First, the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG.
The configuration of the
燃料電池スタック100の燃料排出口102には、燃料排出流路202の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環ポンプ25、循環電磁弁26が配置されている。
トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。
One end of a fuel
A water level sensor S10 is attached to the
次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、空気導入路123と、空気供給ダクト54と、空気排出路である空気排出ダクト124とを備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気供給ダクト54の順で空気の流れる方向に沿って設けられている。
Next, the
空気導入路123内には、拡散手段である板状のメッシュ、ハニカム等で構成された拡散部材123mが設けられ、更に、その下流側には、空気供給ダクト54内の直前の位置に、加湿冷却水を空気導入路123内へ向けて噴射するノズル55が設けられている。このノズル55は、空気導入ダクト54内に設けられていてもよい。
空気導入路123の空気導入側端部の取入口には、送風手段としての空気ファン122が接続されている。空気ファン122の吸引口には、フィルタ121が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン122は、回転翼を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータMが、回転翼の回転軸に接続されている。
In the
An
拡散部材123mは、空気導入路123の横断面全面を覆い、空気マニホールド54へ送られる空気は、拡散部材123mを通過する際に拡散されて、空気導入路内を均一に流れるように構成されている。
The
次に、燃料電池の空気の排気側について説明する。燃料電池スタック100の空気の出口側には、燃料電池スタック100の空気排出口の開口面に平行な方向へ空気排出ダクト124が設けられており、空気排出ダクト124にはバッフルが取り付けられており、燃料電池スタック内の空気の流速を均一なものとしている。
空気排出ダクト124から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ排出する。空気ダクト124の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分を取り出す。また、ノズル55から供給された水のうち燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。
Next, the air exhaust side of the fuel cell will be described. An
The air that has flowed out from the
次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水管57と、水タンク531の水を上述したノズル55へ導く給水管56とを有する。導水管57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気から取り出された水を、水タンク531へ送り込む。また、給水管56には、フィルタ64、水供給手段である供給ポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。
Next, the water supply system will be described. The
燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極端には、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、IGBT等の半導体スイッチング素子等のスイッチング手段75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、二次電池、電池二重層キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。
A
燃料電池システム1の制御系は、各センサS0〜S4、S7、S9、S10の検出値が入力され、レギュレータ19、各電磁弁18〜19、20、22、26、27、各ポンプ25、61、62、空気ファン122、凝縮器51のファン、インバータ73、スイッチング手段75を制御する制御装置(ECU)を備えている。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
The control system of the
図2は、本発明の燃料電池システムの実施態様を説明する図である。
図2(A)は、本発明の燃料電池システムの一実施態様を説明する図であり、図2(B)は、他の実施態様を説明する図であり、いずれも側面から見た各構成要素の配置を説明する図である。
図2(A)に示す燃料電池システム1では、複数の単位燃料電池が積層された燃料電池スタックの上部の空気流入口103に、空気流入口103の開口面と平行な方向で該燃料電池スタックの空気流入口103を端部とする流路を形成する空気供給ダクト54が結合されている。ここで、開口面と平行な方向とは、厳密な意味での平行ではなく、水平な空気流入口の開口面に対して概ね横方向であることを意味している。
FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of the fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 (A) is a diagram for explaining one embodiment of the fuel cell system of the present invention, and FIG. 2 (B) is a diagram for explaining another embodiment, both of which are viewed from the side. It is a figure explaining arrangement | positioning of an element.
In the
また、空気供給ダクト54には、空気を吸引して送風する空気ファン122が接続されている。空気は空気ファンによって大気圧よりも0.1kPaないし3kPaの圧力であって、一般に常圧と称される大気圧よりもわずかに高い圧力で送風される。また、空気供給ダクト54内に結合した空気導入路123には空気を拡散する拡散部材123mが設けられている。
The
燃料電池スタック100の下部の空気排出口104の開口面と平行方向に、空気供給ダクト54内の空気流の流れ方向と同方向の流路を形成する空気排気ダクト124が結合されており、該燃料電池スタックの空気排出口104の空気排気ダクト124の下流部側の端部104Aから空気排出口104の中心方向であって、該空気排出口に対向する空気排気ダクト面側に傾斜して延びて空気排気ダクトの流路を制限するバッフル105が設けられている。空気排気ダクトを出た水蒸気を含んだ空気は凝縮器51によって水を分離して外部へ放出される。
An
図2(B)は、他の実施態様を説明する図である。図2(A)で示した例が、バッフルを燃料電池スタック100の空気排出口104の空気排気ダクト124の下流部側の端部104Aに設けたものであるのに対して、図2(B)で示した例では、下流部側の端部104Aに、バッフル105Aを設けるとともに、空気排出口104の空気排気ダクト124の上流側の端部104Bに、上流部側の端部104Bから空気排出口104の中心方向であって、該空気排出口に対向する空気排気ダクト面側に傾斜して延びて空気排気ダクトの流路を制限するするバッフル105Bを設けたものである。
以上のように、空気排気ダクトにバッフルを設けて燃料電池上部と下部の差圧についての分布すなわち偏差を小さくすることにより、燃料電池スタック内で生じる流速の分布を小さなものとすることが可能となる。
また、バッフルは、燃料電池スタックの空気排出口の半分の長さの75%ないし80%の位置まで延びたものとすることが好ましい。また高さについては、排出口の開口部面から排気ダクトの壁面までの半分程度の位置まで延びたものとすることが好ましい。
FIG. 2B is a diagram for explaining another embodiment. In the example shown in FIG. 2A, the baffle is provided at the
As described above, it is possible to reduce the distribution of flow velocity generated in the fuel cell stack by providing a baffle in the air exhaust duct and reducing the distribution of the differential pressure between the upper and lower portions of the fuel cell, that is, the deviation. Become.
The baffle preferably extends to a position that is 75% to 80% of the half length of the air discharge port of the fuel cell stack. Further, the height is preferably extended to about half the position from the opening surface of the discharge port to the wall surface of the exhaust duct.
図3は、燃料電池スタックにおける流速分布の一例を説明する図である。
図3は、横軸に燃料電池スタックの空気供給ファン側からの距離を示し、縦軸には流速を示したものである。
バッフルを設置していない場合には、ファン側から出口側に向かうにしたがって流速が大きく減少することを示しているのに対して、出口側のみに1枚のバッフルを中心部に向けて設けた場合、およびファン側にもバッフルを設けた場合のいずれの場合にも流速分布が大きく改善することを示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the flow velocity distribution in the fuel cell stack.
In FIG. 3, the horizontal axis indicates the distance from the air supply fan side of the fuel cell stack, and the vertical axis indicates the flow velocity.
In the case where no baffle is installed, the flow velocity greatly decreases from the fan side toward the outlet side, whereas one baffle is provided only on the outlet side toward the center. This shows that the flow velocity distribution is greatly improved in both cases and when the baffle is provided on the fan side.
図4は、バッフルの一例を説明する図である。
図4(A)は、バッフルを説明する斜視図であり、バッフル105は、耐食性がある金属、合成樹脂の板状体で作製することができる。バッフル105は、支柱105C、側柱105Dを設けてたわみを防止することが好ましい。
また、バッフル105と燃料電池スタック100の会合部は、ガスケット107あるいはその他のシール材等を配置して隙間から空気が漏れないようにすることが好ましい。
図4(B)は、バッフルの設置状体を説明する側面図であり、バッフルを1個のみを配置した例であり、燃料電池スタック100の周縁部100Aには、ガスケット107を配置してバッフル105と周縁部100Aとの間に空隙が生じないようにしたものである。
また、他方の周縁部100Bには、スペーサ108Bが配置されて燃料電池スタック100を保持している。
図4(C)は、バッフルの設置状体を説明する他の側面図であり、バッフルを1個のみを配置した例であり、燃料電池スタック100の周縁部100Aには、スペーサ108Aに加えてガスケット107とバッフル105と周縁部100Aとの空隙が生じないようにしたものである。また、他方の周縁部100Bには、スペーサ108Bが配置されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a baffle.
FIG. 4A is a perspective view illustrating a baffle, and the
Moreover, it is preferable to arrange a
FIG. 4B is a side view for explaining the installation state of the baffle, which is an example in which only one baffle is arranged. The
A
FIG. 4C is another side view for explaining the installation state of the baffle, which is an example in which only one baffle is arranged. In addition to the
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの空気排出口に、該空気排出口の空気排気ダクトの下流部側の端部から中心部に向かって傾斜して延びるバッフルを配置して空気排出ダクト内の流路を制限したので、燃料電池スタックの空気排気ダクトの下流部側に生じる圧力分布(偏差)を小さくすることにより、流速分布が小さくなり燃料電池スタック内部の流速を流入部との距離にかかわらず均一化することができるので、流量の不均一によって生じる特性の劣化を防止することができる。また、常圧作動型の燃料電池システムに極めて有用である In the fuel cell system of the present invention, a baffle extending at an inclination from the end of the air exhaust duct at the downstream side of the air exhaust duct toward the center is disposed at the air exhaust duct of the fuel cell stack. The flow path inside the fuel cell stack is reduced by reducing the pressure distribution (deviation) generated on the downstream side of the air exhaust duct of the fuel cell stack. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of characteristics caused by the non-uniform flow rate. In addition, it is extremely useful for an atmospheric pressure type fuel cell system.
1…燃料電池システム、
100…燃料電池スタック、100A,100B…燃料電池スタックの周縁部
104…空気排出口、104A…下流部側の端部、104B…上流側の端部
105,105A,105B…バッフル、105C…支柱、105D…側柱
107…ガスケット
108,108A,108B…スペーサ
123…空気導入路、123m…拡散部材、124…空気排気ダクト
130…設置部空間
54…空気供給ダクト
1 ... Fuel cell system,
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