(57)【要約】【課題】燃料電池に対する負荷の増大を招くことなく、システムの掃気を好適に行うことができる燃料電池の掃気システムを提供する。【解決手段】酸化剤供給流路３１ａから分岐され、燃料電池をバイパスして酸化剤排出流路３１ｄを通流する酸化剤オフガスの圧力を制御するエアーコントロールデバイスの上流側に接続されたバイパス流路４０ａと、酸化剤供給流路３１ａに設けられ、酸化剤ガスの通流を、酸化剤供給流路３１ａまたはバイパス流路４０ａに選択的に切り換える流路切換弁と、加湿器とを備え、バイパス流路は、前記燃料電池に加えて前記加湿器をバイパスして前記エアーコントロールデバイスの上流側の前記酸化剤排出流路に接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
2010140813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤供給流路と、
前記酸化剤供給流路に前記酸化剤ガスを吐出する酸化剤供給源と、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤排出流路と、
前記酸化剤排出流路を通流する前記酸化剤オフガスの圧力を制御するエアーコントロールデバイスと、を有する燃料電池の掃気システムであって、
前記酸化剤供給流路から分岐され、前記燃料電池をバイパスして前記エアーコントロールデバイスの上流側に接続されたバイパス流路と、
前記酸化剤供給流路に設けられ、前記酸化剤供給源から吐出された前記酸化剤ガスの通流を、前記酸化剤供給流路または前記バイパス流路に選択的に切り換える流路切換弁と、
前記酸化剤供給流路における前記流路切換弁の下流側に設けられた加湿器と、を備え、
前記バイパス流路は、前記燃料電池に加えて前記加湿器をバイパスして前記エアーコントロールデバイスの上流側に接続されていることを特徴とする燃料電池の掃気システム。
【請求項２】
前記バイパス流路には、前記酸化剤供給源側から前記エアーコントロールデバイス側への酸化剤ガスの通流のみを許容する一方向弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の掃気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の掃気システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス、アノードガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、カソードガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
【０００３】
ところで、前記したような燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気（水）を生成し、生成した水の一部は、電解質膜（固体高分子膜）を介して、アノード側に透過する。また、電解質膜の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素および空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿されている。したがって、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスや、カソードから排出されるカソードオフガスは多湿となり、発電停止後に、燃料電池が低温環境下（例えば０℃未満）に曝されると、燃料電池の内部や付属機器であるエアーコントロールデバイスの周辺等で水分が凍結する虞がある。
【０００４】
そこで、凍結する虞がある場合、燃料電池に掃気ガス（空気や窒素等）を押し込み、燃料電池の内部やエアーコントロールデバイスの周辺等に残留している水分を前記掃気ガスで押し出すようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池の下流側において、流路内に残留している水分が凍ると、エアーコントロールデバイスの周辺に氷の結晶や塊ができてしまい、エアーコントロールデバイスの弁体の固着や、弁体の作動不良を生じるおそれがある。
流路内に存在している水分を、前記した掃気時に効率よく押し出すためには、掃気時における単位時間あたりの空気流量を増大させる手法や、掃気時間を所定の時間よりも長く設定する等の手法が考えられる。
しかしながら、これらの手法により水分を押し出そうとすると、燃料電池に備わる電解質膜等に対して余分な負荷が作用し易くなり、電解質膜等を保護するという観点から好ましくない。
【０００７】
本発明は、燃料電池に対する負荷の増大を招くことなく、システムの掃気を好適に行うことができる燃料電池の掃気システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の燃料電池の掃気システムは、燃料電池と、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤供給流路と、前記酸化剤供給流路に前記酸化剤ガスを吐出する酸化剤供給源と、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤排出流路と、前記酸化剤排出流路を通流する前記酸化剤オフガスの圧力を制御するエアーコントロールデバイスと、を有する燃料電池の掃気システムであって、前記酸化剤供給流路から分岐され、前記燃料電池をバイパスして前記エアーコントロールデバイスの上流側に接続されたバイパス流路と、前記酸化剤供給流路に設けられ、前記酸化剤供給源から吐出された前記酸化剤ガスの通流を、前記酸化剤供給流路または前記バイパス流路に選択的に切り換える流路切換弁と、前記酸化剤供給流路における前記流路切換弁の下流側に設けられた加湿器と、を備え、前記バイパス流路は、前記燃料電池に加えて前記加湿器をバイパスして前記エアーコントロールデバイスの上流側に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池の掃気システムによれば、掃気時に、酸化剤供給流路を通じた燃料電池およびエアーコントロールデバイスの周辺の掃気を行うことができるとともに、流路切換弁を切り換えることによって、バイパス流路を通じたエアーコントロールデバイスの周辺の掃気を行うことができ、燃料電池を通じた掃気、および燃料電池を迂回したエアーコントロールデバイスの周辺の掃気のいずれかを選択的に行うことができる。したがって、掃気時には、例えば、酸化剤ガスを酸化剤供給流路に通流して燃料電池および酸化剤排出流路の掃気を行った後に、流路切換弁を切り換えることによって、酸化剤ガスをバイパス流路から直接的にエアーコントロールデバイスの上流側の例えば酸化剤排出流路に通流し、これを掃気するという掃気手法を採ることができる。これにより、燃料電池に対する負荷の増大を招くことなく、システムの掃気を好適に行うことができる。
【００１０】
また、バイパス流路は、燃料電池に加えて加湿器をバイパスしてエアーコントロールデバイスの上流側に接続されているので、加湿器および燃料電池を迂回することで非加湿状態の酸化剤ガスをエアーコントロールデバイス側に供給することができる。したがって、酸化剤供給流路に加湿器が設けられているシステムでありながら、加湿された酸化剤ガスがエアーコントロールデバイス側に供給されることがなく、非加湿の酸化剤ガスでエアーコントロールデバイスの周辺を好適に掃気することができる。このことは、水分の凍結によるエアーコントロールデバイスの弁体の固着や、弁体の作動不良を回避することに好適に寄与する。
【００１１】
また、本願発明は、前記バイパス流路に、前記酸化剤供給源側から前記エアーコントロールデバイス側への酸化剤ガスの通流のみを許容する一方向弁が設けられている構成とするのがよい。
【００１２】
この燃料電池の掃気システムによれば、酸化剤供給流路側からエアーコントロールデバイス側への酸化剤ガスの通流が一方向弁によって許容され、バイパス流路を通じた掃気を実現することができる。一方、一方向弁によって、バイパス流路におけるエアーコントロールデバイス側から酸化剤供給流路側への酸化剤ガスの流れ（逆流）が防止されることとなり、エアーコントロールデバイス側にある加湿された酸化剤ガスがバイパス流路を通じて酸化剤供給流路側に戻されるのを好適に阻止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池に対する負荷の増大を招くことなく、システムの掃気を好適に行うことができる燃料電池の掃気システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照して説明する。
以下の実施形態では、エアーコントロールデバイスを、燃料電池システムのカソード系に設けられる背圧弁とした場合を例として説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池の掃気システムを示す構成図である。
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池の掃気システムは、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されるものであり、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、アノードガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、カソードガス）を給排するカソード系と、を備えている。
【００１５】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）、常閉型の遮断弁２２、減圧弁２３、エゼクタ２４、常閉型のパージ弁２５、常閉型の掃気ガス排出弁２６を備え、水素タンク２１からの水素は、遮断弁２２、減圧弁２３、エゼクタ２４を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１１の入口側に供給されるようになっている。そして、アノード流路１１の出口は、循環路２４ａを介してエゼクタ２４の吸込口に接続されている。そして、エゼクタ２４に戻されたアノードオフガスは、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。
【００１６】
また、アノード流路１１の出口には、パージ弁２５、掃気ガス排出弁２６が接続されている。
パージ弁２５は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１０の発電時において、循環路２４ａを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合に、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって適宜に開かれるようになっている。
ここで、ＥＣＵは、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２５を開くように設定されている。
パージ弁２５を通じて排出されたアノードオフガスは、下流側に接続された希釈器３６で希釈された後、外部に排出されるようになっている。
【００１７】
掃気ガス排出弁２６は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１０の掃気時に開かれる弁である。掃気ガス排出弁２６は、燃料電池スタック１０の掃気時、ここでは、アノード流路１１の掃気時に、後記するカソード系のコンプレッサ３１が作動された状態で、ＥＣＵからの指令により開かれるようになっている。
ここで、掃気ガス排出弁２６は、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く分岐流路３１ｂに設けられた、常閉型の掃気ガス導入弁３１ｃとともに開かれる設定となっている。
【００１８】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤供給源）と、開閉弁３２（流路切換弁）と、インタクーラ（熱交換器）３３と、加湿器３４と、背圧弁３５（エアーコントロールデバイス）と、希釈器３６（ガス処理装置）とを備えている。
【００１９】
コンプレッサ３１は、酸化剤供給流路３１ａを介して、燃料電池スタック１０のカソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵの指令にしたがって作動すると、コンプレッサ３１は、酸素を含む空気を取り込み、圧縮空気をカソードガスとしてカソード流路１２に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０や燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
【００２０】
酸化剤供給流路３１ａには、上流側から、開閉弁３２、インタクーラ３３、加湿器３４が順に接続されている。
酸化剤供給流路３１ａには、コンプレッサ３１と開閉弁３２との間に、酸化剤供給流路３１ａから分岐されたバイパス流路４０ａの一端側が接続されている。バイパス流路４０ａの詳細は後記する。
【００２１】
開閉弁３２は、常開型の電磁弁であり、実質的にはインタクーラ３３のインレットバルブとして機能するが、燃料電池スタック１０の掃気時にコンプレッサ３１が作動された状態において、ＥＣＵからの指令により閉じられることで流路切換弁として機能するようになっている。開閉弁３２は、開弁状態とされることによって、カソード系を流れるカソードガスが、酸化剤供給流路３１ａを通じて燃料電池スタック１０に供給されるように制御し、また、掃気時にＥＣＵの指令により閉弁状態とされることによって、カソードガスが、酸化剤供給流路３１ａから後記するバイパス流路４０ａを経て（燃料電池スタック１０を迂回して）、背圧弁３５の上流側となる酸化剤排出流路３１ｄに直接供給されるように制御する。
なお、酸化剤排出流路３１ｄには、バイパス流路４０ａの接続位置よりも上流側に一方向弁３７が接続されている。この一方向弁３７は、加湿器３４側から背圧弁３５側へのカソードオフガス（掃気時には掃気ガス）の通流を許容する逆止弁として機能するものである。
【００２２】
インタクーラ３３は、コンプレッサ３１から吐出された比較的高温の酸化剤ガスを冷却する放熱機器として機能する。インタクーラ３３で冷却された酸化剤ガスは、酸化剤供給流路３１ａにより加湿器３４を介して燃料電池スタック１０のカソード流路１２に供給される。
【００２３】
加湿器３４は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かうカソードガスと、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜等を備えている。
【００２４】
バイパス流路４０ａは、コンプレッサ３１から吐出されたカソードガスを、燃料電池スタック１０および加湿器３４を迂回して背圧弁３５の上流側における酸化剤排出流路３１ｄに供給するための流路であり、一端側が、酸化剤供給流路３１ａに接続され、他端側が、燃料電池スタック１０の下流側で、背圧弁３５の上流側となる酸化剤排出流路３１ｄに接続されている。
このようなバイパス流路４０ａには、流量制御弁４１が接続され、この流量制御弁４１の下流側に一方向弁４２が接続されている。流量制御弁４１は、バタフライ型の弁体を有する制御弁であり、後記する掃気時において、ＥＣＵの制御により弁体の開度調整が行われることによってバイパス流路４０ａを流れる掃気ガス（カソードガス）の流量を調節するようになっている。
一方向弁４２は、コンプレッサ３１側から背圧弁３５側へ掃気ガスが通流するのを許容する逆止弁として機能するものである。このような一方向弁４２がバイパス流路４０ａに配置されることによって、背圧弁３５側からコンプレッサ３１側への通流が遮断されるようになり、背圧弁３５の上流側の酸化剤排出流路３１ｄを通流する加湿されたカソードオフガス（加湿された掃気ガスを含む）が、バイパス流路４０ａを通じてコンプレッサ３１側へ戻されることが好適に阻止される。
【００２５】
背圧弁３５は、カソード流路１２の出口側に接続された酸化剤排出流路３１ｄに接続されており、下流側の希釈器３６を通じて大気側に排気されるカソードオフガス（後記する掃気時には掃気ガス、以下同じ）の排出量を調節し、同時に、燃料電池スタック１０のカソード流路１２に供給されるカソードガスの圧力を制御する役割をなす。
【００２６】
酸化剤排出流路３１ｄの下流側は、希釈器３６に接続されており、カソード流路１２（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスが、希釈器３６に供給されるようになっている。
【００２７】
希釈器３６は、パージ弁２５から導入されるアノードオフガスと、コンプレッサ３１からのカソードオフガス（希釈用ガスとして作用）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器である。希釈器３６で生成した混合ガスは、車外に排出されるようになっている。
【００２８】
次に、本実施形態における燃料電池の掃気システムの作用を図２から図４を参照して説明する。
はじめに、運転者が図示しないイグニッションスイッチをオフにした場合に行われるカソード系の掃気について説明する。
運転者がイグニッションスイッチをオフにすると、燃料電池スタック１０の発電を停止させる信号がＥＣＵに出力され、ＥＣＵは遮断弁２２を閉弁制御する。これにより水素の供給が遮断され、アノード流路１１を含む燃料ガス流通路が密閉される。
一方、ＥＣＵは、コンプレッサ３１の運転を継続し、背圧弁３５の弁体を全開に制御する。これにより、コンプレッサ３１から取り込んだ空気が、図２に示すように、掃気ガス（カソードガス）として酸化剤供給流路３１ａに吐出され続け、掃気ガスが、開閉弁３２からインタクーラ３３および加湿器３４を通じて燃料電池スタック１０のカソード流路１２に押し込まれる。
【００２９】
そして、カソード流路１２から排出された掃気ガス（オフガス）は、押し出された水分とともに酸化剤排出流路３１ｄを通じて下流側へ流れ、酸化剤排出流路３１ｄに存在する水分とともに背圧弁３５を通じて希釈器３６に流れる。その後、掃気ガスは、希釈器３６から車外に排出される。これにより、発電停止時点で燃料電池スタック１０および酸化剤排出流路３１ｄや背圧弁３５に残留している水分が大気中（車外）に排出される。
【００３０】
このような、燃料電池スタック１０を通じた掃気が所定時間行われた後、ＥＣＵは、コンプレッサ３１の運転を継続した状態で、開閉弁３２を閉弁制御するとともに、流量制御弁４１を、例えば、全開に制御する。これにより、図３に示すように、コンプレッサ３１から吐出した掃気ガスが、酸化剤供給流路３１ａからバイパス流路４０ａ側に流れ、流量制御弁４１および一方向弁４２を通じて背圧弁３５の上流側における酸化剤排出流路３１ｄに流れる。
【００３１】
そして、バイパス流路４０ａから酸化剤排出流路３１ｄに流れ込んだ掃気ガスは、背圧弁３５の周りの酸化剤排出流路３１ｄを、背圧弁３５の上流側から、背圧弁３５を通じて下流側の希釈器３６に流れ、その後、希釈器３６から車外に排出される。これにより、前記の掃気に加えて、背圧弁３５の周辺における酸化剤排出流路３１ｄの掃気（一方向弁３７よりも下流側の酸化剤排出流路３１ｄの掃気）が行われ、この部分に残留している水分がある場合には、その水分が掃気ガスによって下流側の希釈器３６に押し出される。つまり、燃料電池スタック１０（および加湿器３４）を迂回するようにして流されたドライな掃気ガスによって、背圧弁３５の周辺の酸化剤排出流路３１ｄの掃気が行われる。
【００３２】
次に、例えば、システム停止時において、ＥＣＵによって、燃料電池スタック１０内が凍結する虞があると判定された際の掃気について説明する。
ＥＣＵによって、図示しない温度センサから得られる温度情報に基づいて燃料電池スタック１０が凍結する虞があると判定されると、ＥＣＵがコンプレッサ３１を作動し、背圧弁３５の弁体を全開に（あるいは所定の開度となるように）制御する。これにより、コンプレッサ３１から取り込んだ空気が、図４に示すように、掃気ガス（カソードガス）として酸化剤供給流路３１ａに吐出され、掃気ガスが、開閉弁３２からインタクーラ３３および加湿器３４を通じて燃料電池スタック１０のカソード流路１２に押し込まれる。
【００３３】
一方、ＥＣＵは、掃気ガス導入弁３１ｃを開弁制御するとともに、掃気ガス排出弁２６を開弁制御する。これによって、酸化剤供給流路３１ａを流れる掃気ガスが、分岐流路３１ｂを通じてアノード流路１１に押し込まれる。これによって、カソード流路１２およびアノード流路１１の水分（水蒸気、結露水等）が押し出され、燃料電池スタック１０が掃気される。
【００３４】
カソード流路１２から排出された掃気ガスは、押し出された水分とともに酸化剤排出流路３１ｄを通じて下流側へ流れ、背圧弁３５を通じて希釈器３６に押し込まれ、その後、車外に排出される。
一方、アノード流路１１から排出された掃気ガスは、押し出された水分とともに、掃気ガス排出弁２６を介して希釈器３６に押し込まれ、その後、車外に排出される。
【００３５】
このような、燃料電池スタック１０を通じたカソード系およびアノード系の掃気が所定時間行われた後、ＥＣＵは、コンプレッサ３１の運転を継続した状態で、開閉弁３２を閉弁制御するとともに、流量制御弁４１を全開に制御する。これにより、コンプレッサ３１から吐出した掃気ガスが、図３に示すように、酸化剤供給流路３１ａからバイパス流路４０ａに流れ、流量制御弁４１および一方向弁４２を通じて背圧弁３５の上流側における酸化剤排出流路３１ｄに流れる。これにより、前記の掃気に加えて、背圧弁３５の周辺における酸化剤排出流路３１ｄの掃気（一方向弁３７よりも下流側の酸化剤排出流路３１ｄの掃気）が行われ、この部分に残留している水分がある場合には、その水分が掃気ガスによって下流側の希釈器３６に押し出される。つまり、燃料電池スタック１０（および加湿器３４）を迂回するようにして流された掃気ガスによって、背圧弁３５の周辺の酸化剤排出流路３１ｄの掃気が行われる。
【００３６】
なお、酸化剤供給流路３１ａを通じた掃気に連続してバイパス流路４０ａを通じた掃気を行っているが、酸化剤供給流路３１ａを通じた掃気から所定時間後にバイパス流路４０ａを通じた掃気を行ってもよい。また、酸化剤供給流路３１ａを通じた掃気後にバイパス流路４０ａを通じた掃気を行っているが、バイパス流路４０ａを通じた掃気を単独で行ってもよい。
また、カソード系の掃気とアノード系の掃気を同時に行っているが、カソード系の掃気を開始してから所定時間経過後にアノード系の掃気が開始されるようにしてもよい。
【００３７】
以上説明した本実施形態の燃料電池の掃気システムによれば、掃気時に、酸化剤供給流路３１ａを通じた燃料電池スタック１０および背圧弁３５の周辺における酸化剤排出流路３１ｄの掃気を行うことができるとともに、開閉弁３２を切り換えることによって、バイパス流路４０ａを通じた背圧弁３５の周辺における酸化剤排出流路３１ｄのみの掃気を行うことができ、燃料電池スタック１０を通じた掃気、および燃料電池スタック１０を迂回した酸化剤排出流路３１ｄの掃気のいずれかを選択的に行うことができる。したがって、掃気時には、例えば、掃気ガスを酸化剤供給流路３１ａに通流して燃料電池スタック１０および酸化剤排出流路３１ｄの掃気を行った後に、開閉弁３２を切り換えることによって、掃気ガスをバイパス流路４０ａから直接的に背圧弁３５の周辺における酸化剤排出流路３１ｄに通流し、これを掃気するという掃気手法を採ることができる。これにより、燃料電池スタック１０に対する負荷の増大を招くことなく、システムの掃気を好適に行うことができる。
【００３８】
また、酸化剤供給流路３１ａにおける開閉弁３２の下流側に加湿器３４が設けられており、バイパス流路４０ａは、燃料電池スタック１０に加えて加湿器３４をバイパスして背圧弁３５の上流側の酸化剤排出流路３１ｄに接続されているので、加湿器３４および燃料電池スタック１０を迂回することで非加湿状態の掃気ガスを背圧弁３５側に供給することができる。したがって、酸化剤供給流路３１ａに加湿器３４が設けられているシステムでありながら、加湿された掃気ガスが背圧弁３５側に供給されることがなく、非加湿の掃気ガスで背圧弁３５の周辺における酸化剤排出流路３１ｄを好適に掃気することができる。このことは、水分の凍結による背圧弁３５の弁体の固着や、弁体の作動不良を回避することに好適に寄与する。
【００３９】
また、バイパス流路４０ａに、一方向弁４２が設けられているので、酸化剤供給流路３１ａ側から背圧弁３５側への掃気ガスの通流が一方向弁４２によって許容され、バイパス流路４０ａを通じた掃気を好適に実現することができる。一方、一方向弁４２によって、バイパス流路４０ａにおける背圧弁３５側から酸化剤供給流路３１ａ側への掃気ガスの流れが防止されることとなり、背圧弁３５側にある加湿された掃気オフガスがバイパス流路４０ａを通じて酸化剤供給流路３１ａ側に戻されるのを好適に阻止することができる。
【００４０】
（第２実施例）
図５は第２実施形態の燃料電池の掃気システムを示す構成図、図６は背圧弁の要部を示す模式断面図である。
本実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、図５に示すように、バイパス流路４０ａの一端側が前記した酸化剤排出流路３１ｄに接続されずに背圧弁３５に対して直接接続されている点であり、その他の点に変わりはない。つまり、コンプレッサ３１から吐出された掃気ガス（カソードガス）がバイパス流路４０ａによって燃料電池スタック１０および加湿器３４を迂回して背圧弁３５に対し直接供給されるように構成されている。
【００４１】
背圧弁３５は、図６に示すように、導入路３５０を有したボディ３５１に、図示しないＤＣモータやギアプレート等が備えられ、このＤＣモータにより駆動されるギアプレートによってシャフト３５４が回動されるようになっている。シャフト３５４には、ねじ部材３５３ａにより弁体３５３が取り付けられている。
【００４２】
導入路３５０は、断面円形状に形成されており、その内面には撥水コーティング等が施されている。導入路３５０の上流側には、燃料電池スタック１０（図５参照）からのカソードオフガスが流れる酸化剤排出流路３１ｄの一端部が接続されており、導入路３５０の下流側には、希釈器３６（図５参照）に通じる配管３５ａの他端部が接続されている。導入路３５０の下方のフランジ部３５０ａには、先端部３６１が導入路３５０に開口するノズル３６０が埋設されており、このノズル３６０には、バイパス流路４０ａの一端部が接続されている。これにより、掃気時にバイパス流路４０ａを通じて供給された掃気ガスがノズル３６０を通じて導入路３５０の上流側に直接供給されるようになっている。
【００４３】
本実施形態では、ノズル３６０の先端部３６１が導入路３５０の図示しない軸線に沿うようにして導入路３５０の下部内面３５０ｂ上に配置されており、ノズル３６０の先端部３６１から吐出された掃気ガスが導入路３５０の下部内面３５０ｂに沿って下流側へ流れるようになっている。
導入路３５０には、その中空を上下方向に貫通するようにして前記したシャフト３５４が配置されており、ノズル３６０の先端部３６１から吐出された掃気ガスが、前記のように下部内面３５０ｂに沿って下流側へ流れる過程で、シャフト３５４の下部周りに吹き付けられるようになっている。
これによって、下部内面３５０ｂ上に水滴となって滞留している水分がある場合に、これをノズル３６０から吐出された掃気ガスによって下流側の配管３５ａを通じて後段の希釈器３６に押し出すことができる。
【００４４】
なお、シャフト３５４は、上端部側および下端部側がベアリング３５４ａ、３５４ｂを介してボディ３５１に軸支されている。また、ベアリング３５４ａ、３５４ｂの側方には、シール部材３５４ｃ、３５４ｃがそれぞれ装着されている。
【００４５】
弁体３５３は、導入路３５０の断面形状に対応した円形形状を呈しており、前記したように、ねじ部材３５３ａ、３５３ａによってシャフト３５４に形成された長四角形状の貫通孔３５４ｄに挿通された状態で固定されている。
【００４６】
以上説明した本実施形態の燃料電池の掃気システムによれば、導入路３５０内の下部内面３５０ｂ上に存在している水分がある場合にこれを、ノズル３６０の先端部３６１から吐出された掃気ガスで直接的に押し出すことができる。これによって、導入路３５０内におけるシャフト３５４の周りに滞留していた水分を除去して、これが凍結することにより生じるシャフト３５４の固着やシャフト３５４の作動不具合等が生じるのを確実に阻止することができる。
【００４７】
ここで、本実施形態では、導入路３５０の下部内面３５０ｂ上にノズル３６０を設けたが、これに限られることはなく、導入路３５０の上部内面３５０ｃ上にノズル３６０を配置してもよい。また、下部内面３５０ｂ上と上部内面３５０ｃ上との両方にノズル３６０を配置して、上下２箇所から導入路３５０の下流側へ掃気ガスが吐出されるように構成してもよい。これによって、シャフト３５４の上下における両支持部付近が、滞留した水分で凍結してしまうのを好適に阻止することができる。
【００４８】
また、ノズル３６０の先端部３６１から導入路３５０内に掃気ガスが吐出する構成としたが、これに限られることはなく、ノズル３６０の形状を、導入路３５０の内周面に合わせてリング状部を有する形状とし、そのリング状部の周方向に所定の間隔を置いて複数の吐出口を設け、この複数の吐出口から掃気ガスを下流側に向けて吐出するようにしてもよい。
このように構成することによって、シャフト３５４に取り付けられた円形状の弁体３５３の周囲部分と導入路３５０の円形状の内面との隙間に掃気ガスを供給することができる。これによって、前記隙間に水分が滞留するのを好適に防止することができ、滞留した水分によって弁体３５３が導入路３５０の内面に固着するのを好適に阻止することができる。
【００４９】
また、ノズル３６０の先端部３６１の配置は、導入路３５０の図示しない軸線に沿うようにして配置したものに限られることはなく、図示しない軸線に対して角度を有するように傾斜させて配置してもよい。
このように構成することによって、導入路３５０内を流れる掃気ガスは、旋回方向の速度成分を有したものとなり、導入路３５０内を旋回しながら通流して水滴等となって滞留した水分を好適に下流側へ押し出すことができる。
【００５０】
また、ノズル３６０をボディ３５１に埋設した構成としたが、これに限られることはなく、ボディ３５１に対してノズル３６０の役割をなす流路を形成して、この流路にバイパス流路４０ａからの掃気ガスが供給されるように構成してもよい。
このように構成することによって、部品点数を減らすことができ、コストの低減を図ることができて経済的である。
【００５１】
また、前記した実施形態では、燃料電池スタック１０を有するシステムが燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよく、また、住居、店舗、オフィス用等として用いられる燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の掃気システムを示す構成図である。
【図２】カソード系の掃気を説明するための説明図である。
【図３】カソード系の掃気を説明するための説明図である。
【図４】カソード系およびアノード系の掃気を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の掃気システムを示す構成図である。
【図６】背圧弁の要部を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    燃料電池スタック
１１    アノード流路
１２    カソード流路
３１    コンプレッサ
３１ａ  酸化剤供給流路
３１ｂ  分岐流路
３１ｃ  掃気ガス導入弁
３１ｄ  酸化剤排出流路
３２    開閉弁（流路切換弁）
３３    インタクーラ
３４    加湿器
３５    背圧弁
４０ａ  バイパス流路
４１    流量制御弁
４２    一方向弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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