JP2017098148A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温起動を容易に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ガス配管途中に、圧力センサ５０が取り付けられるセンサ取付部材４０が挿入されている。このセンサ取付部材４０には、ガスが通るガス通路４１が区画形成されている。センサ取付部材４０におけるガス通路４１を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部４３を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムとは、酸化ガスとしての空気中の酸素と供給した水素を反応させ、発電するシステムである。発電により発生した水が、氷点下において凍結するという問題があり、低温起動（氷点下起動）において重要な課題となっている。特に、エア系、水素系圧力センサ受感部のダイアフラムに付着した水が凍結すると、エアまたは水素の圧力が正常にダイアフラム部に伝達されず、センサ出力異常となり、燃料電池を発電させるための供給エア、水素圧力制御ができず、システム起動不可に陥る。これを解決するために、ヒータを用いてオフガス中の水分の結露を防止する技術がある（特許文献１等）。

特開２００９−１２９７４９号公報

ところで、低温起動を行うべく圧力センサの受感部に付着した氷をヒータで溶かして起動する場合には、ヒータを設置することで、搭載スペースの増加、コストの増加、ヒータへの電力供給ハーネスのスペースの増加等を招くとともに、低温起動立ち上げ時間の増加等を招く。

本発明の目的は、低温起動を容易に行うことができる燃料電池システムを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、供給される水素ガス及び供給される酸化ガスを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、ガス配管途中に、圧力センサが取り付けられるセンサ取付部材が挿入され、前記センサ取付部材には、ガスが通るガス通路が区画形成され、前記センサ取付部材における前記ガス通路を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、センサ取付部材において、圧力センサ付近の雰囲気の水蒸気を、圧力センサから離れた薄肉部において集中的に冷やして低温時に結露水が発生することにより、低温起動の際に結露水が凍っても圧力センサはその影響を受けにくく低温起動を容易に行うことができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記下側に位置する部位の全体が薄肉部となっているとよい。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対し水素ガス供給源から水素ガスが供給されるとともに、前記燃料電池で使用されなかった水素ガスを水素ガス供給源からの水素ガスと集合させて前記燃料電池に循環させる水素循環路を有する燃料電池システムであって、前記センサ取付部材が、前記水素循環路における水素ガス供給源からの水素ガスとの集合部よりも高い位置に配置されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、水素循環路における水素ガス供給源からの水素ガスとの集合部よりも高い位置にセンサ取付部材が配置されているので、水素循環路の水蒸気がセンサ取付部材側に進行しにくくでき、低温起動を更に容易に行うことができる。

本発明によれば、低温起動を容易に行うことができる。

実施形態におけるフォークリフトの概略側面図。 燃料電池システムの概略構成図。 （ａ）はセンサ取付部材及び圧力センサを示す平面図、（ｂ）は同じく正面図、（ｃ）は同じく右側面図。 システム終了後の放置時間に対するＡ，Ｂ点での温度の推移を示す図。 （ａ），（ｂ）は別例のセンサ取付部材及び圧力センサを示す正面図。

以下、本発明をフォークリフトに具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、フォークリフト１０には、車体１１の前部にマスト１２が設けられている。マスト１２にはフォーク１３がリフトブラケット１４を介して昇降可能に装備されるとともに、リフトシリンダ１５の伸縮運動によりフォーク１３がリフトブラケット１４とともに昇降される。車体１１の前下部には駆動輪（前輪）１６が設けられるとともに、駆動輪１６は車軸に装備された差動装置及びギヤ（いずれも図示せず）を介して走行用モータ１７により駆動される。

車体１１の後方には燃料電池システム（ＦＣシステム）１８が搭載されている。燃料電池システム１８はフード１９で覆われている。燃料電池システム１８は、燃料電池２０を備え、リフトシリンダ１５及びティルトシリンダの油圧源となる油圧モータ（図示せず）及び走行用モータ１７の電源として使用される。

次に、燃料電池システム１８について図２を用いて説明する。
図２に示すように、燃料電池（スタック）２０は、例えば固体高分子型の燃料電池が使用される。燃料電池２０の水素供給ポートには水素ガス供給路２１を介して水素タンク２２が接続されている。そして、燃料電池２０に対し水素ガス供給源としての水素タンク２２から水素ガスが水素ガス供給路２１を通して供給される。水素ガス供給路２１は、流路２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有する。

また、コンプレッサ２３が備えられ、コンプレッサ２３で加圧された空気が流路２４により燃料電池２０に供給される。燃料電池２０のカソード極からのオフガス（カソードオフガス）は流路２５を介して排気される。

燃料電池２０は、水素タンク２２から供給される水素ガス及びコンプレッサ２３から供給される酸化ガスとしての空気中の酸素を反応させて直流の電気エネルギーを生成する。
水素ガス供給路２１の途中には燃料電池２０へ供給される水素の圧力を調整するレギュレータ（調圧弁）２６が設けられている。詳しくは、水素タンク２２から流路２１ａが延び、流路２１ａの他端にはレギュレータ（調圧弁）２６が接続され、レギュレータ（調圧弁）２６から流路２１ｂが延びている。レギュレータ２６を用いて燃料電池２０に供給される水素ガスの圧力が運転状態に応じて一定にされる。

水素ガス供給路２１における流路２１ａ及び流路２１ｂの一部は水平方向に延設され、流路２１ｂはＬ字状に延び、レギュレータ２６の下流側においては水平方向に延び、その下流側は鉛直方向に延設されている。

また、燃料電池２０で使用されなかった水素ガスを水素タンク２２からの水素ガスと集合させて燃料電池２０に循環させる水素循環路２７を有する。つまり、燃料電池２０のアノード極からのオフガス（アノードオフガス）は水素循環路２７を介して集合部Ｐ１で水素ガス供給路２１の水素ガスと集合する。水素循環路２７は、流路２７ａ，２７ｂ，２７ｃを有する。

水素循環路２７における流路２７ａは燃料電池２０から延び、流路２７ａの他端には気液分離器２８が接続されている。燃料電池２０から流路２７ａに、水素ガスと水と水蒸気と窒素ガスが排出される。気液分離器２８でアノードオフガスが気体と液体に分離される。気液分離器２８の気体排出ポートから流路２７ｂが延び、流路２７ｂの他端には水素ポンプ２９の水素供給口が接続されている。水素ポンプ２９の水素排出口には流路２７ｃが延び、流路２７ｃの他端が集合部Ｐ１で水素ガス供給路２１と集合している。

また、排気・排水バルブ３０が気液分離器２８の液体排出ポートから延びる水分排出流路３１に設けられている。そして、所定の時間間隔で排気・排水バルブ３０が開かれることにより気液分離器２８で分離された水分がガスと共に排出される。

水素ガス供給路２１の途中には、圧力センサ５０が取り付けられるセンサ取付部材４０が挿入されている。即ち、ガス配管途中としての水素ガス供給路２１における流路２１ｂのうちレギュレータ２６の下流側直下の水平部にセンサ取付部材４０が挿入されている。センサ取付部材４０は金属のブロック（塊）である。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、センサ取付部材４０は直方体をなし、下面が水平状態で設置される。センサ取付部材４０は、ガスが通るガス通路４１が形成されている。ガス通路４１は断面円形をなし、水平方向に延びている。ガス通路４１の一方の開口端には水素ガス供給路２１の端部が接続（例えば配管が溶接やロウ付け）される。また、ガス通路４１の他方の開口端には水素ガス供給路２１の端部が接続（例えば配管が溶接やロウ付け）される。このように、ガス配管途中にセンサ取付部材４０が挿入される。

センサ取付部材４０には、ガス通路４１に連通する圧力センサ取付穴４２が形成されている。圧力センサ取付穴４２は断面円形をなし、センサ取付部材４０の上面から下方に（鉛直方向に）延び、ガス通路４１に開口している。

センサ取付部材４０の圧力センサ取付穴４２に、圧力センサ５０が取り付けられている。例えば圧力センサ取付穴４２の内面にねじが切られており、この雌ねじ部に圧力センサ５０が螺入されている。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、圧力センサ５０はダイアフラム式センサであって、円柱形のセンサ本体５１の先端に受感部５２を有し、受感部５２はダイアフラム部で構成されている。円柱形のセンサ本体５１がセンサ取付部材４０の圧力センサ取付穴４２に挿入され、受感部（ダイアフラム部）５２が、圧力センサ取付穴４２におけるガス通路４１との連通部、即ち、水平方向に延びるガス通路４１の上面に位置している。

センサ取付部材４０において、水平方向に延びるガス通路４１の下面と外表面との厚みｔ１が、他の部位の厚みｔ２，ｔ３，ｔ４よりも薄くされ、薄肉部４３を構成している。即ち、ガス通路４１の下面とセンサ取付部材４０の下面との厚みｔ１は、ガス通路４１の上面とセンサ取付部材４０の上面との厚みｔ２よりも薄く、かつ、ガス通路４１の側面とセンサ取付部材４０の側面との厚みｔ３，ｔ４よりも薄い。本実施形態では、下側に位置する部位の全体（ガス通路４１における下面全体）が薄肉部４３となっている。図３（ｃ）で説明すると、ガス通路４１の中心とセンサ取付部材４０の上面との距離Ｘ１よりも、ガス通路４１の中心とセンサ取付部材４０の下面との距離Ｘ２の方が小さい。

このように、ガス配管途中に、圧力センサ５０が取り付けられるセンサ取付部材４０が挿入され、センサ取付部材４０には、ガスが通るガス通路４１が区画形成され、センサ取付部材４０におけるガス通路４１を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部４３を有する。

図１に示すように、センサ取付部材４０が、水素循環路２７における水素タンク２２からの水素ガスとの集合部Ｐ１よりも所定の高さ分ΔＨだけ高い位置に配置されている。
図２に示すように、コントローラ６０が備えられている。コントローラ６０はマイコンを中心に構成されている。コントローラ６０は圧力センサ５０からの信号により水素ガスの圧力を検知する。この水素ガスの圧力に基づいてレギュレータ（調圧弁）２６が制御される。具体的には、水素ガスの圧力が所望の値となるようにコントローラ６０によりレギュレータ（調圧弁）２６の開度が調整される。

次に、作用について説明する。
燃料電池２０の稼動時には、水素タンク２２から所定の加圧状態で水素が燃料電池２０のアノード（水素極）に供給される。また、コンプレッサ２３が稼動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池２０のカソード（空気極）に供給される。

アノードに供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜を通ってカソードへ移動する。カソードでは、カソードに供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソードに達した水素イオンと、外部回路を通ってきた電子とが結合して電力を発生させるとともに水が生成される。そして、カソードで発生した水は水蒸気の状態で未反応の空気とともにカソードオフガスとして放出される。

カソードの水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制すべくアノードに溜まった水分及び窒素が水素ガスと共に水分排出流路３１へ排出される（アノードパージが行われる）。

アノードパージにより燃料電池２０から水素循環路２７へ排出されたアノードオフガス（パージガス）は、水素循環路２７を介して気液分離器２８に送られる。アノードオフガスに含まれる水分は、気液分離器２８で分離されてタンク等に溜められる。

氷点下起動、即ち、０℃以下の環境下において、フォークリフト１０をキーオフした状態で、次にキーオンする場合には次のようになる。
センサ取付部材４０におけるガス通路４１を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部４３を有する。つまり、ｔ１＜ｔ２、ｔ１＜ｔ３、ｔ１＜ｔ３、ｔ１＜ｔ４となるセンサ取付部材（ブロック）４０に圧力センサ５０が取り付けられている。

よって、図３（ｂ）に示すように、燃料電池システム（ＦＣシステム）１８の終了後において、外気により、水平方向に延びるガス通路４１のうち上面中央位置でのＡ点及びガス通路４１の下面中央位置（圧力センサ受感部５２の配置部分）でのＢ点は冷やされる。しかしながら、放置時間と温度の関係は、図４に示すように、Ａ点の温度はＢ点より常に高くなり、水蒸気の凝結はＡ点よりもＢ点で多くなる。その結果、Ａ点付近の圧力センサ５０の受感部５２への凝結水の付着が抑制される。

即ち、センサ取付部材４０において、圧力センサ５０付近の雰囲気の水蒸気を、離れた場所に集中的に冷やせる所があり、圧力センサ５０付近の雰囲気の水蒸気を、圧力センサ５０から離れた薄肉部４３において集中的に冷やして低温時に結露水が発生する。これにより、低温起動の際に結露水が凍っても圧力センサ５０は影響を受けにくく受感部（ダイアフラム部）５２に付着した結露水が氷結することにより圧力センサ５０が出力異常となることが回避される。その結果、低温起動が容易に行われる。

このようにして、圧力センサ５０の受感部５２に水が付着し、低温環境下で凍結して圧力センサ５０の出力異常となることが防止される。
比較例として、センサ取付部材（ブロック）における圧力センサの受感部付近にヒータを設置する構造を採用することにより、氷点下時にヒータを発熱することによって熱を圧力センサの受感部に伝達し、圧力センサの受感部に付着した氷を解凍する。ヒータの設置により、正常にセンサは圧力検知することが可能になり、圧力制御、氷点下起動が可能となる。

この場合（比較例）には、ヒータを設置することで、搭載スペースの増加、コストの増加となる。また、ヒータ本体、ヒータへの電力供給ハーネスのスペースの増加だけでなく、ヒータを取り付ける取付部材のスペースの増加となる。これは、ヒータ本体、ハーネス、ヒータ取付部材の部品コストの増加にもつながる。また、ハーネス取り回しについては、コントローラ、電源からヒータへのハーネス取り回しを最短にするために、コントローラ、電源、ヒータの搭載位置を近づけるというレイアウト上の制約が発生してしまう。さらにヒータを設置する場合には、低温起動立ち上げ時間の増加となる。ＦＣシステム終了後、放置中に例えば１９０ｋＰａの水素低圧系閉空間、即ち、図２の流路２１ｂ，２１ｃ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃで示す部位に残存した水蒸気が凝結、凍結する虞がある。システム全体が冷やされることにより、飽和蒸気圧が下がり、水蒸気量が飽和蒸気圧以上となり、システム内部品に凝結水が付着する。凝結水は、圧力センサの受感部にも付着し、氷点下では凍結する。そのため、ヒータを設置しても、ヒータの熱がセンサ受感部に伝わり、付着した氷を解凍するには時間がかかり、低温起動の立ち上げ時間の増加につながる。

これに対し本実施形態においては、ヒータを用いておらず、ヒータ設置によるスペースの増加、コストの増加、レイアウト上の制約発生を防止するとともに、低温起動時にヒータによる加熱時間、即ち、圧力センサ５０の受感部５２に付着した凝結氷を解凍するための時間は必要なく起動時間の短縮を図ることができる。その結果、燃料電池システムにおける低温起動が可能となる。

一方、水素循環系ではなく、レギュレータ２６のすぐ下流のドライ環境に圧力センサ５０が設置されている。上述したように圧力センサ５０の取付部材（取付ブロック）４０の構造として、圧力センサ５０の受感部５２の付近の厚みがガス通路４１の下側の部分よりも厚くなっている。これにより、圧力センサ５０の受感部５２への水の付着を抑制し、低温（氷点下）起動が可能となる。

また、水素循環系ではなく、レギュレータ２６のすぐ下流のドライ環境に圧力センサ５０が設置されている。この水素循環低圧系では、燃料電池（スタック）２０で生成した水が、水素ポンプ２９によって循環系を循環している。即ち、燃料電池（スタック）２０から、気液分離器２８、水素ポンプ２９を介して燃料電池（スタック）２０を循環している。

一方、レギュレータ２６のすぐ下流の配管における、集合部（分岐点）Ｐ１までのラインは、レギュレータ２６の上流からの水素はドライである。そのため、水素循環系で生成した水が付着しづらい場所であり、その水素ドライ環境に圧力センサ５０が設置されており、圧力センサ５０への水の付着が防止される。

つまり、図２において、流路２７ａによる経路Ｒ１、流路２７ｂ，２７ｃによる経路Ｒ２、流路２１ｃによる経路Ｒ３は、水分を含んだ水素ガス経路である。また、流路２１ａ，２１ｂによる経路Ｒ１０は水分を含んでいない水素ガス経路である。流路２１ｂにおいて、集合部Ｐ１からセンサ取付部材４０に向かって水分が経路Ｒ２０で進行しようとする。この際、センサ取付部材４０が、水素循環路２７における水素タンク２２からの水素ガスとの集合部Ｐ１よりも高い位置に配置されている。よって、水素循環系内に充満する水蒸気が、センサ取付部材４０（圧力センサ５０）まで到達しづらい。つまり、水蒸気は水素と比較して分子量が大幅に大きい。そのため、循環系内の重い水蒸気は軽い水素で充満するセンサ取付部材４０（圧力センサ５０）に到達しづらい。即ち、集合部（分岐点）Ｐ１からセンサ取付部材４０に向かって水蒸気が経路Ｒ２０で進行しにくい。

よって、圧力センサ５０の受感部５２に水が付着して低温環境下で凍結し圧力センサ５０が出力異常となることが更に防止される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）燃料電池システム１８の構成として、ガス配管途中に、圧力センサ５０が取り付けられるセンサ取付部材４０が挿入されている。このセンサ取付部材４０には、ガスが通るガス通路４１が区画形成されている。センサ取付部材４０におけるガス通路４１を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部４３を有する。よって、センサ取付部材４０において、圧力センサ５０付近の雰囲気の水蒸気を、圧力センサ５０から離れた薄肉部４３において集中的に冷やして低温時に結露水が発生することにより、低温起動の際に結露水が凍っても圧力センサ５０はその影響を受けにくくなる。その結果、圧力センサ５０の受感部（ダイアフラム部）５２に付着した結露水が氷結することにより圧力センサ５０が出力異常になることなく低温起動を容易に行うことができる。つまり、燃料電池システムにおける低温起動の際に、ヒータ設置によるスペースの増加、コストの増加、レイアウト上の制約の発生を防止することができる。また、低温起動時においてセンサ受感部に付着した凝結氷を解凍するための時間を短縮することができる。

（２）センサ取付部材４０は、下側に位置する部位の全体が薄肉部４３となっているので、製造が容易である。
（３）燃料電池２０に対し水素ガス供給源としての水素タンク２２から水素ガスが供給されるとともに、燃料電池２０で使用されなかった水素ガスを水素タンク２２からの水素ガスと集合させて燃料電池２０に循環させる水素循環路２７を有する燃料電池システムである。センサ取付部材４０が、水素循環路２７における水素タンク２２からの水素ガスとの集合部Ｐ１よりも高い位置に配置されている。よって、水素循環路２７における水素タンク２２からの水素ガスとの集合部Ｐ１よりも高い位置にセンサ取付部材４０が配置されているので、水素循環路２７の水蒸気がセンサ取付部材４０側に進行しにくくでき、低温起動を更に容易に行うことができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・センサ取付部材４０において図３（ｂ）に示すごとくガス通路４１のうち下面の全体が薄肉部４３となっていたが、これに限ることはない。例えば、図５（ａ）に示すように、センサ取付部材４０の下面に円弧状の切欠き７０を設け、これにより、センサ取付部材４０におけるガス通路４１を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部４４を有する構成としてもよい。他にも、図５（ｂ）に示すように、センサ取付部材４０の下面に矩形の切欠き７１を設け、これにより、センサ取付部材４０におけるガス通路４１を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部４５を有する構成としてもよい。図５（ｂ）のように、切欠き７１は圧力センサ取付穴４２の開口部とは水平方向においてずれていてもよい。

要は、圧力センサ５０付近の雰囲気の水蒸気を、離れた場所に集中的に冷やせる所があればよい。
・センサ取付部材４０において圧力センサ５０は上に配され、圧力センサ取付穴４２は上から下に向かって延びていたが（圧力センサ５０は上から下に延びていたが）、これに限らない。例えば、センサ取付部材４０において圧力センサ取付穴４２は側方に延びており、圧力センサ５０はセンサ取付部材４０の側面に取り付けられていてもよい。

・燃料電池２０で使用されなかった水素ガスを燃料電池２０に循環させる方式に適用したが、これに限らない。つまり、水素ガスを燃料電池２０に循環させない場合において燃料電池（スタック）２０から水素ガス路に水分が戻ってくることがあるので、水素ガスを燃料電池２０に循環させない方式にも適用できる。

・水素ガスの圧力センサに適用したが、これに限らない。つまり、センサ取付部材（４０）は水素ガスが流れるガス配管途中に設けたが、水素ガスが流れるガス配管以外の配管、例えば空気が流れるガス配管の途中に設けてもよい。

・フォークリフトに具体化したが、これに限るものではない。例えば、産業車両以外の移動体に具体化してもよく、空港等で使用されるトーイング車等において、低温（氷点下）起動時に応用できる。

１８…燃料電池システム、２０…燃料電池、２１…水素ガス供給路、２２…水素タンク、２７…水素循環路、４０…センサ取付部材、４１…ガス通路、４３…薄肉部、４４…薄肉部、４５…薄肉部、Ｐ１…集合部。

Claims (3)

1. 供給される水素ガス及び供給される酸化ガスを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   ガス配管途中に、圧力センサが取り付けられるセンサ取付部材が挿入され、
   前記センサ取付部材には、ガスが通るガス通路が区画形成され、前記センサ取付部材における前記ガス通路を区画形成する部位のうち重力方向の下側に位置する部位において少なくとも一部に他の部位よりも薄い薄肉部を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記下側に位置する部位の全体が薄肉部となっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に対し水素ガス供給源から水素ガスが供給されるとともに、前記燃料電池で使用されなかった水素ガスを水素ガス供給源からの水素ガスと集合させて前記燃料電池に循環させる水素循環路を有する燃料電池システムであって、
   前記センサ取付部材が、前記水素循環路における水素ガス供給源からの水素ガスとの集合部よりも高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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