(57)【要約】【課題】  貯水装置の排出バルブの凍結を抑制する技術を提供すること。【解決手段】  燃料電池システム内の水を貯水する貯水装置であって、燃料電池システムにおけるガス流路内の水を貯留する貯留部と、貯留部から貯留部外に延びる通路であり、貯留部内に流入するガスを貯留部外に排出するためのガス排出通路と、この通路とは別の通路であり、一端に貯留部内の貯留水を吸入するための水吸入口を備え、他端にガス排出通路と接続される接続部を備え、貯留部内の貯留水をガス排出通路へ排出するための通路であると共に、水吸入口と接続部との間の少なくとも一部が貯留水の水面よりも高い位置を通る液体排出通路と、ガス排出通路において、接続部から、ガス排出通路を流れるガスの排出方向に対して下流側に接続される排出バルブと、所定のタイミングで貯留水を液体排出通路を通してガス排出通路に吸引する吸引部とを備える。【選択図】        図２
2006032134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池システム内の水を貯留する貯水装置であって、
前記燃料電池システムにおける、前記燃料電池の発電に用いられるガスが流れるガス流路、若しくは、前記燃料電池から排出されるガスが流れるガス流路に設けられ、設けられたガス流路内の水を貯留する貯留部と、
前記貯留部から前記貯留部外に延びる通路であり、前記貯留部内に流入する前記ガスを前記貯留部外に排出するためのガス排出通路と、
前記ガス排出通路とは別の通路であり、一端に前記貯留部内の貯留水を吸入するための水吸入口を備え、他端に前記ガス排出通路と接続される接続部を備え、前記貯留部内の貯留水を前記ガス排出通路へ排出するための通路であると共に、前記水吸入口と前記接続部との間の少なくとも一部が前記貯留水の水面よりも高い位置を通る液体排出通路と、
前記ガス排出通路において、前記接続部から、前記ガス排出通路を流れる前記ガスの排出方向に対して下流側に接続される排出バルブと、
所定のタイミングで前記貯留水を前記液体排出通路を通して前記ガス排出通路に吸引する吸引部と、
を備えたことを特徴とする貯水装置。
【請求項２】
請求項１に記載の貯水装置において、
前記ガス排出通路において、前記貯留部内の前記ガスが流入するガス流入口の位置は、前記ガス流路から前記貯留部内にガスが流入する流路ガス流入口よりも高い位置にあることを特徴とする貯水装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の貯水装置において、
前記貯留部が、前記ガス流路上に設けられた場合であって、
前記ガス流路から前記貯留部内にガスが流入する流路ガス流入口と、前記ガス排出通路とは異なり、前記貯留部内に流入した前記ガスを前記ガス流路のガスの流れに対する下流側に流出する流路ガス流出口とを備え、
前記流路ガス流出口と、前記ガス排出通路における前記貯留部内の前記ガスが流入するガス流入口とは、互いに対向せずに配置されることを特徴とする貯水装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の貯水装置において、
前記排出バルブと前記ガス排出通路との接続部の位置は、前記液体排出通路と前記ガス排出通路との前記接続部の位置より、低い位置にあることを特徴とする貯水装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の貯水装置において、
前記吸引部は、
前記ガス排出通路と前記液体排出通路との前記接続部に設けられたエゼクタであることを特徴とする貯水装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の貯水装置において、
前記排出バルブは、
弁体部と、該弁体部が着座可能に形成された弁座部とを備え、
前記弁座部は、重力方向に対して斜めに配置されていることを特徴とする貯水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内の水を貯留する貯水装置において、貯留水を排出するための排出バルブの凍結を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは電気化学反応によって水が生成される。生成された水は、燃料電池システム内部に備えられる貯水装置に一旦貯留される。そして、貯留された水は、貯水装置に備えられる排出バルブを介して、燃料電池システム外部へ排出されたり、燃料電池システム内部の冷却等に再利用される。なお、下記特許文献１には、貯水装置に貯留した水を排出バルブを介して外部へ排出する技術が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の燃料電池システムにおいて、貯水装置から貯留水を排出し終わっても、排出バルブ内に残留水が生じる場合があった。このような状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池の運転が停止されると、排出バルブ内の残留水が凍結し、排出バルブの開閉ができず、燃料電池の運転に支障が生じるおそれがあった。また、排出バルブ内の残留水が凍結すると、排出バルブが劣化するというおそれもあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、貯水装置の排出バルブの凍結を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の貯水装置は、燃料電池を備えた燃料電池システム内の水を貯留する貯水装置であって、
前記燃料電池システムにおける、前記燃料電池の発電に用いられるガスが流れるガス流路、若しくは、前記燃料電池から排出されるガスが流れるガス流路に設けられ、設けられたガス流路内の水を貯留する貯留部と、
前記貯留部から前記貯留部外に延びる通路であり、前記貯留部内に流入する前記ガスを前記貯留部外に排出するためのガス排出通路と、
前記ガス排出通路とは別の通路であり、一端に前記貯留部内の貯留水を吸入するための水吸入口を備え、他端に前記ガス排出通路と接続される接続部を備え、前記貯留部内の貯留水を前記ガス排出通路へ排出するための通路であると共に、前記水吸入口と前記接続部との間の少なくとも一部が前記貯留水の水面よりも高い位置を通る液体排出通路と、
前記ガス排出通路において、前記接続部から、前記ガス排出通路を流れる前記ガスの排出方向に対して下流側に接続される排出バルブと、
所定のタイミングで前記貯留水を前記液体排出通路を通して前記ガス排出通路に吸引する吸引部と、
を備えたことを要旨とする。
【０００７】
上記構成によれば、液体排出通路の少なくとも一部が貯留水の水面よりも高くなっているので、例えば、燃料電池が運転されて、吸引部が貯留水を吸引しない限り、貯留水が排出バルブに流れ込むことがない。すなわち、例えば、燃料電池の運転が停止されて、吸引部が作動していない時には、排出バルブに貯留水が流れ込むことがなく、排出バルブが水に浸されるようなことはない。従って、燃料電池の運転が停止されて、気温が氷点下以下というような低温下に一定時間おかれても、排出バルブは、水に浸されていないので、排出バルブが凍結するのを抑制することができる。その結果、燃料電池の冷間始動が容易になる。
【０００８】
上記貯水装置において、
前記ガス排出通路において、前記貯留部内の前記ガスが流入するガス流入口の位置は、前記ガス流路から前記貯留部内にガスが流入する流路ガス流入口よりも高い位置に配置するようにしてもよい。
【０００９】
このようにすれば、ガス排出通路のガス流入口に貯留水が流入することがなく、ガス排出通路から排ガスを貯留部外に円滑に排出することができる。また、貯留部内の貯留水が凍結した場合であっても、ガス排出通路は、塞がれないので、ガス排出通路から排ガスを貯留部外に排出することができる。
【００１０】
上記貯水装置において、
前記貯留部が、前記ガス流路上に設けられた場合であって、
前記ガス流路から前記貯留部内にガスが流入する流路ガス流入口と、前記ガス排出通路とは異なり、前記貯留部内に流入した前記ガスを前記ガス流路のガスの流れに対する下流側に流出する流路ガス流出口とを備え、
前記流路ガス流出口と、前記ガス排出通路における前記貯留部内の前記ガスが流入するガス流入口とは、互いに対向せずに配置されるようにしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、流路ガス流出口から流出したガスが、逆流した場合であっても、ガス排出通路のガス流入口は、逆流したガスを吸い込むことを回避することができる。
【００１２】
上記貯水装置において、
前記排出バルブと前記ガス排出通路との接続部の位置は、前記液体排出通路と前記ガス排出通路との前記接続部の位置より、低い位置に配置するようにしてもよい。
【００１３】
このようにすれば、液体排出通路とガス排出通路との接続部から、ガス排出通路と排出バルブとの接続部との間にある水を、重力で、排出バルブの方へ移動させ、排出バルブ外へ排出させることができる。従って、このような状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池の運転が停止されても、液体排出通路とガス排出通路との接続部から、ガス排出通路と排出バルブとの接続部との間には、ほとんど水がないので、凍結によって、上記２つの接続部の間が塞がれることはない。その結果、燃料電池の冷間始動が可能となる。
【００１４】
上記貯水装置において、
前記吸引部は、
前記ガス排出通路と前記液体排出通路との前記接続部に設けられたエゼクタであってもよい。
【００１５】
このようにすれば、排出バルブが開けられ、ガス排出通路にガスが流れた場合には、エゼクタによるジェットポンプ効果により、貯留水は、吸引されて、ガス排出通路に排出され、排出バルブを通過する。しかしながら、排出バルブが閉じられている場合には、ガス排出通路にガスは流れず、ジェットポンプ効果が生じないので、貯留水は、吸引されず排出バルブを通過しない。言い換えれば、排出バルブを水が通過する場合には、ガスと共に通過し、排出バルブを通る水は、このガスにより、吹き飛ばされる。その結果、このような状態で排出バルブが閉じられても排出バルブに水が残留するのを抑制することができる。
【００１６】
上記貯水装置において、
前記排出バルブは、
弁体部と、該弁体部が着座可能に形成された弁座部とを備え、
前記弁座部は、重力方向に対して斜めに配置するようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、弁座部が、重力方向に対して斜めに配置されているので、仮に、排出バルブ内に残留水が生じていても、その残留水は、弁座部の低い方に残留し、弁座部の大部分がその水に浸されることを防止することができる。従って、この状態で、排出バルブが閉じられ、弁体部が弁座部に着座しても、少なくとも弁体部全体に水が付着することがないので、仮に、気温が氷点下以下というような低温下に一定時間おかれても、少なくとも弁体部全体が凍結することを回避することができる。従って、このような場合、排出バルブの凍結による影響、すなわち、弁体部と弁座部との固着等を、弁体部全体が凍結した場合と比較して、少なくとも減少させることができる。その結果、凍結時において、弁体部と弁座部との固着等による排出バルブの作動障害を抑制させることができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記した装置発明の態様に限ることなく、燃料電池システムとしての態様や、燃料電池システム内の水の貯水方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．装置全体の構成：
Ａ２．貯水装置の構成：
Ａ３．貯水装置の作用：
Ａ４．実施例の効果：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ．第５の実施例：
Ｆ．第６の実施例：
Ｇ．変形例：
【００２０】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．装置全体の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、主に燃料電池１０と、水素タンク２０と、ブロワ３０と、制御部５０と、加湿器６０と、本発明の特徴部分である貯水装置２００とを備えている。
【００２１】
燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続される所定の負荷（図示せず）に供給される。なお、燃料電池１０としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。
【００２２】
ブロワ３０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０のカソード側に供給するための装置である。ブロワ３０は、カソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード側に接続されている。カソードガス供給流路３４には、加湿器６０が設けられている。ブロワ３０で圧縮された空気は、加湿器６０によって加湿された後に燃料電池１０に供給される。電気化学反応に供された後のカソードからの排ガス（以下、カソード排ガスと呼ぶ。）は、カソード排ガス流路３６を通じて外部に排出される。
【００２３】
水素タンク２０は、水素ガスを貯蔵する貯蔵装置であり、アノードガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード側に接続されている。アノードガス供給流路２４の水素タンク２０の近傍にはレギュレータ２２が設けられている。水素タンク２０からアノードガス供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、レギュレータ２２によって調圧される。調圧された水素ガスは、燃料ガスとして燃料電池１０のアノード側へ供給される。調圧後の圧力は、燃料電池１０に接続される負荷の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。
【００２４】
なお、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。
【００２５】
電気化学反応に供された後のアノードからの排ガス（以下、アノード排ガスと呼ぶ。）は、アノード排ガス流路２６を通じて、燃料電池１０から排出される。アノード排ガス流路２６は、アノードガス供給流路２４の途中の接続点Ｃに接続されている。このように、アノード排ガス流路２６は、アノード排ガスを、アノードガス供給流路２４に戻す循環機能を有している。
【００２６】
アノード排ガス流路２６には、循環ポンプ２８と、貯水装置２００とが設けられている。循環ポンプ２８はアノード排ガスを循環させるための装置である。循環ポンプ２８は、アノード排ガスをアノードガス供給流路２４へ勢いをつけて送り出す。このようにして、アノード排ガスに含まれる水素は、循環して、再び発電に使用される。なお、以下では、貯水装置２００からアノードガス供給流路２４へつながるアノード排ガス流路２６を、特に循環流路２７とも呼ぶ。
【００２７】
ところで、アノード排ガスには、水素以外の不純物が含まれる場合がある。不純物としては、例えば、カソード側から電解質膜を透過してきた窒素、水蒸気等がある。これらの不純物は消費されずに残留するので、アノード排ガス中の不純物の濃度が徐々に増加し、その結果、燃料電池１０の発電効率が低下する。従って、貯水装置２００は、これらアノード排ガス中の不純物の循環量を低減させるために、アノード排ガスに含まれる不純物のうち、水蒸気を凝縮させ、水としてそれに貯留する機能を有する。また、貯水装置２００は、貯留した水、および、上記不純物のうち、凝縮しなかった水蒸気や、窒素を、排出バルブ２４０を介してアノード排ガス流路２６外（すなわち、燃料電池システム１００外）へ排出する機能を有する。この貯水装置２００についての詳細は、後述する。
【００２８】
なお、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池以外の種類のものを用いる場合や、燃料電池１０を使用する環境によっては、他の成分が不純物としてアノード排ガス中に混入する場合もある。
【００２９】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、負荷要求に関する情報等を取得して、燃料電池システム１００を構成する各部、すなわち、上述したレギュレータ２２、ブロワ３０、循環ポンプ２８、および加湿器６０等に駆動信号を出力し、燃料電池システム１００全体の運転状態を制御する。
【００３０】
また、制御部５０は、排出バルブ２４０の開閉状態の制御を行う排出バルブ制御部５２としての機能を有している。この機能については後述する。なお、この機能は、制御プログラムによりソフトウェア的に実現してもよく、一部、又は、全てをハードウェア的に実現してもよい。
【００３１】
Ａ２．貯水装置の構成：
それでは、本発明の特徴部分である貯水装置２００について、以下に説明する。
図２は、本実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
上述したように貯水装置２００は、アノード排ガス中の不純物を、燃料電池システム１００外へ排出するための装置である。この貯水装置２００は、気液分離器２１０と、水排出管２２０と、ガス排出管２３０と、排出バルブ２４０とを備えている。なお、気液分離器２１０、水排出管２２０、および、ガス排出管２３０は、それぞれ、本請求項における貯留部、液体排出通路、およびガス排出通路に該当する。
【００３２】
気液分離器２１０は、図２に示すように、アノード排ガス流路２６と接続されており、アノード排ガス流路２６からアノード排ガスが流入するようになっている。気液分離器２１０に流入したアノード排ガスのうち、アノード排ガスに含まれる水蒸気は、凝縮して水となり、気液分離器２１０内に貯留される。ところで、本実施例では、気液分離器２１０において、この貯留される水（以下、貯留水と呼ぶ。）は、気液分離器２１０とアノード排ガス流路２６との接続口の上部２６ａの高さライン（以下、ラインＹと呼ぶ。）よりも高く貯留されないように、制御部５０により制御されている。このようにするのは、ラインＹよりも貯留水の水位が上昇してしまうと、燃料電池１０内部が浸水した状態となり、燃料電池１０の発電効率が著しく低下してしまうからである。以上のことから、ラインＹは、気液分離器２１０内の貯留水の最高水位（面）を表わす。
【００３３】
図２に示すように、気液分離器２１０には、ガス排出管２３０が接続されている。ガス排出管２３０は、筒状の管であり、気液分離器２１０内から気液分離器２１０外へ導かれている。このガス排出管２３０は、不純物のガス（すなわち、気液分離器２１０内に流入したアノード排ガスの水蒸気のうち凝縮しなかった水蒸気や、窒素など。以下、不純物ガスと呼ぶ。）を含むアノード排ガスを、アノード排ガス流路２６の外部へ排出する機能を有する。また、ガス排出管２３０は、気液分離器２１０内に、アノード排ガスが流入するガス流入口２３０ａを備えている。このガス流入口２３０ａは、アノード排ガス流路２６と略平行に形成されており、ラインＹよりもやや上方に、設置されている。
【００３４】
また、図２に示すように、気液分離器２１０には、水排出管２２０が接続されている。水排出管２２０は、筒状の管であり、気液分離器２１０内から、ラインＹよりも高い位置を通して気液分離器２１０外へ導かれ、気液分離器２１０外でガス排出管２３０と接続されている。この水排出管２２０は、気液分離器２１０内の貯留水をガス排出管２３０へ排出する機能を有する。また、水排出管２２０は、一端に気液分離器２１０内に貯留水を吸入する水吸入口２２０ａを備え、他端にガス排出管２３０との接続部Ｘに接続口２２０ｂを備えている。水吸入口２２０ａは、気液分離器２１０内の貯留水をできるだけ吸い上げるために、気液分離器２１０の底面近くに設置されている。また、図２に示すように、ガス排出管２３０と水排出管２２０との接続部Ｘは、エゼクタ構造となっており、水排出管２２０の接続口２２０ｂの先端が細く絞って形成されている。なお、ガス排出管２３０と水排出管２２０との接続部Ｘが、本請求項における吸引部に該当する。
【００３５】
排出バルブ２４０は、略水平なガス排出管２３０上に設けられ、ガス排出管２３０と水排出管２２０との接続部分より、ガス排出管２３０の不純物ガス（アノード排ガス）の排出方向に対して下流側に配置されている。排出バルブ２４０において、ガス排出管２３０と接続する接続口２４０ａの位置は、水排出管２２０の接続口２２０ｂよりも低い位置に設置されている。また、本実施例では、この排出バルブ２４０は、排出バルブ制御部５２により一定のタイミングで開閉の制御が行われる。この開閉のタイミングは、例えば、気液分離器２１０の貯留水の貯水率（すなわち、貯留水の貯まる時間的割合）などを参考に予め決定されている。ここで、排出バルブ２４０の構成を以下に説明する。
【００３６】
図３は、本実施例における排出バルブの概略断面を表わした模式図である。
本実施例の排出バルブ２４０は、図３に示すように、主に、ピストン状の弁体部３１０と、弁体部３１０が着座可能に形成された弁座部３３０と、制御部５０の指示により作動し、弁体部３１０を可動させるソレノイド部３００と、アノード排ガスや貯留水が流れる流路部３４０と、を備えている。また、弁体部３１０は、ガス排出管２３０側の先端にシート部３２０を備えている。この排出バルブ２４０は、図３に示すように、弁座部３３０が重力方向に対して、アノード排ガスの排出方向とは逆向きに４５°傾斜している。従って、弁体部３１０、およびソレノイド部３００も、それぞれ、弁座部３３０に対応して、同様に傾斜している。流路部３４０は、ガス排出管２３０と平行に設けられ、それと連結されている。なお、後述する実施例の効果の説明を簡単にするために、弁座部３３０において、流路部３４０の底面に近い方を弁座部３３０ａとし、流路部３４０の上面に近い方を弁座部３３０ｂとする。なお、上述した弁座部３３０や弁体部３１０などの重力方向に対する傾斜角度は、４５°に限られず、０°よりも大きく９０°よりも小さい任意の角度に設定してもよい。
【００３７】
排出バルブ２４０は、制御部５０から排出バルブ開放の指示があると、ソレノイド部３００を作動させて、弁体部３１０を重力方向とは反対の傾斜方向に動かす。これにより、アノード排ガスは、排出バルブ２４０を通過することが可能となり、燃料電池システム１００外部へ排出される。一方、排出バルブ２４０は、制御部５０から排出バルブ閉鎖の指示があると、ソレノイド部３００により弁体部３１０を動かし、弁座部３３０に着座させる。これにより、アノード排ガスは、排出バルブ２４０を通過できなくなり、燃料電池システム１００外部へのアノード排ガスの排出が止まる。
【００３８】
また、気液分離器２１０の上部面には、アノードガス供給流路２４へつながる循環流路２７が接続されている。この循環流路２７の循環口２７ａは、アノード排ガス流路２６と略平行に形成されている。
【００３９】
以上のように、本実施例の貯水装置２００は、構成される。そして、この貯水装置２００は、主に、以下の作用を有する。
気液分離器２１０内にアノード排ガス流路２６からアノード排ガスが流入すると、気液分離器２１０内の圧力が高まる。この状態で、排出バルブ２４０が開かれると、不純物ガスを含むアノード排ガスの一部は、圧力差により、ガス排出管２３０、排出バルブ２４０を通って、燃料電池システム１００外部へ排出される。この時、エゼクタ構造である接続部Ｘでは、ガス排出管２３０を流れるアノード排ガスの勢いによるジェットポンプ効果により、気液分離器２１０内の貯留水を吸引する吸引力が発生する。そして、気液分離器２１０内の貯留水は、この吸引力により水排出管２２０の水吸入口２２０ａから吸い上げられ、接続部Ｘの接続口２２０ｂを介して、ガス排出管２３０へ排出される。排出された水は、ガス排出管２３０を流れるアノード排ガスとともに、排出バルブ２４０を通って、燃料電池システム１００外部へ排出される。また、気液分離器２１０へ流入したアノード排ガスの一部は、循環流路２７を介して、アノードガス供給流路２４へ送れられる。
【００４０】
Ａ４．実施例の効果：
以上のように、上述の燃料電池システム１００における貯水装置２００では、ガス排出管２３０が、気液分離器２１０内から気液分離器２１０外へ導かれ、気液分離器２１０外のガス排出管２３０上に排出バルブ２４０が設けられている。一方で、水排出管２２０は、気液分離器２１０内から、ラインＹよりも高い位置を通して気液分離器２１０外へ導かれ、排出バルブ２４０よりもガス排出方向の上流側において、気液分離器２１０外のガス排出管２３０と接続し、その接続部Ｘは、エゼクタ構造となっている。
【００４１】
このようにすれば、ガス排出管２３０内にアノード排ガスが流れると、ジェットポンプ効果により、気液分離器２１０内の貯留水は、水排出管２２０の水吸入口２２０ａから吸い上げられ、アノード排ガスと共に、ガス排出管２３０、および排出バルブ２４０を通過して排出される。すなわち、排出バルブ２４０が開けられ、ガス排出管２３０にアノード排ガスが流れた場合だけ、貯留水は、排出バルブ２４０を通過する。従って、この排出バルブ２４０を通る水は、アノード排ガスにより、吹き飛ばされるので、このような状態で排出バルブ２４０が閉じられても排出バルブ２４０に水が残留するのを抑制することができる。特に、燃料電池１０の動作終了前（アイドル状態）には、燃料電池１０で生成される水（水蒸気）の量が減少し、気液分離器２１０内に新たに生成される貯留水の水量よりも、水吸入口２２０ａから吸い上げられ外部へ排出される貯留水の水量の方が多いため、最終的には、ほとんど貯留水が吸い上げられなくなり、排出バルブ２４０を通る水がほとんどなくなる。従って、排出バルブ２４０では、ほとんどアノード排ガスが通過することになり、それが排出バルブ２４０に残る水を吹き飛ばし、その結果、排出バルブ２４０に水が残留するのを抑制することができる。そして、このような状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池１０の運転が停止されても、排出バルブ２４０内には、ほとんど残留水がないので、排出バルブ２４０の凍結を抑制することができる。さらには、排出バルブ２４０の凍結による劣化を抑制することができる。
【００４２】
一方、上述の構成では、排出バルブ２４０が閉められている時には、ジェットポンプ効果が得られず、また、水排出管２２０がラインＹより高い位置を通っているため、貯留水は、排出バルブ２４０に達することができず、排出バルブ２４０が水に浸ることはない。従って、このような状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池１０の運転が停止されても、排出バルブ２４０は水に浸ってないので、排出バルブ２４０の凍結を抑制することができる。さらには、排出バルブ２４０の凍結による劣化を抑制することができる。
【００４３】
なお、排出バルブ２４０の凍結を回避することができれば、燃料電池１０の運転前の作動チェックが実施でき、冷間始動が容易となる。
【００４４】
また、上述の図３のごとく、排出バルブ２４０は、弁座部３３０および弁体部３１０が重力方向に対して、アノード排ガスの排出方向とは逆向きに４５°傾斜するように構成されている。このようにすれば、排出バルブ２４０にアノード排ガスと共に、吸い上げられた貯留水が流れてくる場合において、その水は、基本的に流路部３４０の底面に沿って流れるので、流路部３４０の上面に近い弁座部３３０ｂ付近には、水が残留しにくく、残留水が生じるにしても、流路部３４０の底面に近い弁座部３３０ａ付近にほとんどが残留する。そして、この状態で、燃料電池の終了前などにおいて、排出バルブ２４０にアノード排ガスのみが流れると、シート部３２０に付着した水を簡単に吹き飛ばすことができるので、排出バルブ２４０に水が残留するのを抑制することができる。
【００４５】
さらに、上述の図３のごとく、排出バルブ２４０を構成すれば、排出バルブ２４０が閉じられている場合において、流路部３４０内に残留水があり、シート部３２０に残留水が付着していても、シート部３２０は、傾斜しているので、付着した水は、重力により、シート部３２０を伝って、弁座部３３０ａの周辺に落ちる。また、上述したように、アノード排ガスと共に、吸い上げられた貯留水が流れてくる場合において、その水が残留する場合には弁座部３３０ａ付近にほとんどが残留する。仮に、このような状態で、排出バルブ２４０が閉じられたまま残留水が凍結しても、シート部３２０において凍結の影響を受けるのは、水がある弁座部３３０ａに接する部分のシート部３２０の下端のみであり、シート部３２０の大部分は、凍結の影響を受けない。従って、この場合、小さな力で、シート部３２０を弁座部３３０ａから容易にはがすことができ、凍結によって、排出バルブ２４０が開閉不能になることはない。また、この場合、小さな力で、シート部３２０を弁座部３３０ａからはがすことができるので、凍結による影響を考慮して、ソレノイド部３００を強力にする必要がなく、また、ソレノイド部３００を省電力で動かすことができる。
【００４６】
上述のように貯水装置２００を構成すれば、水排出管２２０とガス排出管２３０のそれぞれに排出バルブを設ける必要が無いので、コストを削減することができる。
【００４７】
上述の貯水装置２００では、ガス排出管２３０における気液分離器２１０内のガス流入口２３０ａは、アノード排ガス流路２６と略平行であり、ラインＹよりもやや上方に、設置されている。このようにすれば、ガス排出管２３０は、アノード排ガス流路２６から気液分離器２１０へ流入するアノード排ガスの流れを妨げることはない。また、このようにすれば、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａに貯留水が流入することがなく、気液分離器２１０内の不純物ガスを含むアノード排ガスを燃料電池システム１００外部へ円滑に排出することができる。さらに、気液分離器２１０内の貯留水が凍結した場合であっても、ガス排出管２３０は塞がれないので、気液分離器２１０内の不純物ガスが混ざったアノード排ガスを貯水装置２００外部に排出することができる。
【００４８】
上述の貯水装置２００では、排出バルブ２４０とガス排出管２３０の接続口２４０ａの位置は、水排出管２２０の接続口２２０ｂよりも低い位置に設置されている。このようにすれば、接続口２２０ｂから接続口２４０ａに残った水は、重力で、排出バルブ２４０の方へ移動するので、排出バルブ２４０を開けることにより、この残り水を燃料電池システム１００外へ排出することができる。一方、接続口２２０ｂから接続口２４０ａの間に水が残った状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池１０の運転が停止されると、その水が凍結し、ガス排出管２３０を塞ぐことが考えられる。従って、上述のようにすれば、接続口２２０ｂから接続口２４０ａの間に水が残らないので、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池１０の運転が停止されても、残り水が凍結することがなく、それによりガス排出管２３０を塞ぐこともない。その結果、燃料電池１０の冷間始動を行うことができる。
【００４９】
上述の貯水装置２００では、排出バルブ２４０が気液分離器２１０の横に設置されている。このようにすれば、貯水装置２００は、気液分離器２１０の下に排出バルブを設ける場合と比べて、貯留水の貯留方向の高さを抑制することができ、燃料電池システム１００の設計の自由度を向上させることができる。
【００５０】
上述の貯水装置２００では、気液分離器２１０の上部面には、アノードガス供給流路２４へつながる循環流路２７が接続されている。この循環流路２７の循環口２７ａは、アノード排ガス流路２６と略平行に形成されている。一方、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａも、アノード排ガス流路２６と略平行に形成されている。このようにすれば、循環流路２７に送られたアノード排ガスが、逆流した場合であっても、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａは、循環口２７ａと対向せずに略同一方向を向いているので、逆流したアノード排ガスを吸い込むことを回避することができる。
【００５１】
Ｂ．第２の実施例：
図４は、本実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
第２の実施例における貯水装置４００は、第１の実施例の貯水装置２００とほとんど同じ構成となっている。しかしながら、第１の実施例の貯水装置２００では、ガス排出管２３０は、気液分離器２１０内にガス流入口２３０ａを備え、気液分離器２１０内から気液分離器２１０外へ導かれていたが、本実施例の貯水装置４００は、図４に示すように、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａは、気液分離器２１０内に備えられるのではなく、循環流路２７に接続されている。
【００５２】
このようにすれば、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａを気液分離器２１０内部に設置する場合と比べて、ガス流入口２３０ａを循環流路２７の外部に取り付けることができるので、その取り付け作業が容易となる。
【００５３】
Ｃ．第３の実施例：
図５は、本実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
第３の実施例における貯水装置５００は、第１の実施例の貯水装置２００とほとんど同じ構成となっている。しかしながら、本実施例の貯水装置５００では、図５に示すように、気液分離器２１０内のアノード排ガス流路２６の上部２６ａ周辺にコの字の形をしたポケット部５１０が設けられ、そのポケット部５１０内にガス排出管２３０のガス流入口２３０ａが備えられている。そして、このポケット部５１０の下部には、通風孔５２０が設けられ、アノード排ガス流路２６からのアノード排ガスがポケット部５１０に流入するようになっている。
【００５４】
このようにすれば、循環流路２７に送られたアノード排ガスが、逆流した場合であっても、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａは、ポケット部５１０に流入したアノード排ガスのみを吸い込むので、逆流したアノード排ガスを吸い込むことを回避することができる。
【００５５】
Ｄ．第４の実施例：
図６は、本実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
第４の実施例における貯水装置６００は、第１の実施例の貯水装置２００とほとんど同じ構成となっている。しかしながら、本実施例の貯水装置６００では、図６に示すように、ガス排出管２３０は、アノード排ガス流路２６内を介し、そのガス流入口２３０ａが、燃料電池１０の燃料電池スタック内にそれを積層方向に貫通するアノードガス排出マニホールドの排出口に対向して設けられている。なお、アノードガス排出マニホールドは、各燃料電池スタックにおいて、電気化学反応後のアノード排ガスを集める機能を有するものであり、集めたアノード排ガスを排出口より排出する。また、上記ガス排出管２３０は、アノード排ガス流路２６を通すため、撓みやすい材質にすることが望ましい。
【００５６】
このようにすれば、循環流路２７に送られたアノード排ガスが、逆流した場合であっても、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａは、アノードガス排出マニホールドの近辺に設けられ、その排出口と、対向して設けられているので、アノード排ガスのみを直接吸い込むことができ、逆流したアノード排ガスを吸い込むことを確実に回避することができる。
【００５７】
Ｅ．第５の実施例：
図７は、本実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
第５の実施例における貯水装置７００は、第１の実施例の貯水装置２００とほとんど同じ構成となっている。第１の実施例の貯水装置２００では、水排出管２２０とガス排出管２３０との接続口２２０ｂが、エゼクタ構造となっており、ガス排出管２３０にアノード排ガスが流れると、水排出管２２０の水吸入口２２０ａから貯留水が吸い上げられるようになっていたが、本実施例の貯水装置７００は、図７に示すように、水排出管２２０に吸引ポンプ７２０を設け、それで、貯留水を吸い上げるようにしている。
【００５８】
具体的には、吸引ポンプ７２０は、図７に示すように、気液分離器２１０外の水排出管２２０において、接続口２２０ｂよりも貯留水の吸い上げ方向に対して上流側に備えられている。また、吸引ポンプ７２０は、制御部５０に接続されており、制御部５０からの指示により、気液分離器２１０内の貯留水を吸い上げる。
【００５９】
一方、本実施例では、制御部５０は、吸引ポンプ制御部７１０を備えている。この吸引ポンプ制御部７１０は、吸引ポンプ７２０の作動を制御する機能を有している。吸引ポンプ制御部７１０は、任意のタイミングで吸引ポンプ７２０を作動させることができ、例えば、貯留水がある程度貯まると、吸引ポンプ７２０を作動させ、貯留水を吸い上げさせる。なお、この機能は、制御プログラムによりソフトウェア的に実現してもよく、一部、又は、全てをハードウェア的に実現してもよい。
【００６０】
このようにすれば、吸引ポンプ７２０を制御することにより、完全に貯留水の吸い上げタイミングを決定することができるので、排出バルブ２４０内をアノード排ガスのみ通過させることができる。従って、排出バルブ２４０内に残留水がある場合には、アノード排ガスにより、吹き飛ばすことができ、排出バルブ２４０内に残留水が生じるのを抑制することができる。そして、このような状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池１０の運転が停止されても、排出バルブ２４０内には、ほとんど残留水がないので、排出バルブ２４０の凍結を抑制することができる。さらには、排出バルブ２４０の凍結による劣化を抑制することができる。
【００６１】
Ｆ．第６の実施例：
図８は、本実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
第６の実施例における貯水装置８００は、第１の実施例の貯水装置２００とほとんど同じ構成となっている。第１の実施例の貯水装置２００における排出バルブ２４０の開閉のタイミングは、予め決められた一定のタイミングで行われていたが、本実施例の貯水装置８００における排出バルブ２４０の開閉のタイミングは、貯留水の貯水量によって決定される。
【００６２】
本実施例では、図８に示すように、気液分離器２１０の底面に、貯留水の水位を測ることができる水位センサー８１０が備えられている。この水位センサー８１０は、貯留水の水圧を水位に換算することで、貯留水の水位を測ることができる。また、水位センサー８１０は、制御部５０と接続されており、貯留水の水位を制御部５０に知らせることができる。
【００６３】
一方、本実施例では、制御部５０は、貯水量判断部８２０を備えている。この貯水量判断部８２０は、水位センサー８１０から送られてくる貯留水の水位と、予め知らされている気液分離器２１０の形状情報（例えば、底面積など。）とから気液分離器２１０の貯留水の貯水量を求める機能を有している。そして、制御部５０は、求めた貯留水の貯水量が或る一定量になると、排出バルブ２４０を開け、貯留水を燃料電池システム１００外部に排出させる。なお、貯水量判断部８２０は、制御プログラムによりソフトウェア的に実現してもよく、一部、又は、全てをハードウェア的に実現してもよい。
【００６４】
このようにすれば、貯留水の貯水量が一定量に達するまでは、排出バルブ２４０を開くことがない。従って、排出バルブ２４０を無駄に開くことがなく、効率よくアノード排ガス、および貯留水を排出することができる。
【００６５】
Ｇ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００６６】
Ｇ１．変形例１：
上記第１の実施例では、水排出管２２０は、気液分離器２１０内から、ラインＹよりも高い位置を通して気液分離器２１０外へ導かれ、そのままガス排出管２３０と接続されているが、本発明はこれに限られるものではない。上記実施例における水排出管２２０は、水吸入口２２０ａから接続口２２０ｂの間の少なくとも一部が、ラインＹより、高い位置を通っていればよく、例えば、下記の図９に示す構成としてもよい。
【００６７】
図９は、本変形例における貯水装置の概略を表す模式図である。
本変形例における貯水装置９００では、図９に示すように、水排出管２２０は、気液分離器２１０内から、ラインＹよりも高い位置を通して気液分離器２１０外へ導かれ、その後、ラインＹよりも低い位置を通り、そのままガス排出管２３０と接続している。
【００６８】
このようにしても、水排出管２２０において、少なくとも一部がラインＹよりも高い位置を通っているので、排出バルブ２４０が閉められている時には、貯留水は、排出バルブ２４０に達することができず、排出バルブ２４０が水に浸ることはない。従って、このような状態で、気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間燃料電池１０の運転が停止されても、排出バルブ２４０は水に浸ってないので、排出バルブ２４０の凍結を抑制することができる。さらには、排出バルブ２４０の凍結による劣化を抑制することができる。
【００６９】
Ｇ２．変形例２：
上記実施例では、アノード排ガス流路２６に貯水装置２００を設けていたが、本発明はこれに限られるものではない。アノード排ガス流路２６ではなく、カソード排ガス流路３６に貯水装置２００を設け、カソード排ガス流路３６内に生じた水を燃料電池システム１００外へ排出する構成としてもよい。また、アノード排ガス流路２６およびカソード排ガス流路３６の両方に貯水装置２００を設けるようにしてもよい。この他、燃料電池システム１００において、水が留まる可能性のあるガス流路に貯水装置２００を設けるようにしてもよい。例えば、貯水装置２００を、燃料電池１０から排出されるアノード排ガスの循環流路上、すなわち、循環流路２７に設けてよいし、燃料電池１０の発電に用いるガスを供給する給気流路、すなわち、アノードガス供給流路２４やカソードガス供給流路３４に設けるようにしてもよい。このようにすれば、ガス流路内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００７０】
Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、貯水装置２００に貯留された水は、燃料電池システム１００外部へ排出されているが、本発明はこれに限られるものではない。貯水装置２００に貯められた水は、燃料電池１０を冷却するための冷却水などに用いられてもよい。
【００７１】
Ｇ４．変形例４：
上記第１の実施例において、気液分離器２１０の上部面に設置される循環流路２７の循環口２７ａは、アノード排ガス流路２６と略平行に形成されており、一方で、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａも、アノード排ガス流路２６と略平行に形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。これら循環口２７ａとガス流入口２３０ａとの配置関係は、循環流路２７に送られたアノード排ガスが、逆流した場合であっても、ガス流入口２３０ａが、逆流したアノード排ガスを吸い込むことを回避することができるように設定されればよい。例えば、ガス排出管２３０のガス流入口２３０ａをアノード排ガス流路２６とは略垂直に向け、気液分離器２１０内において、アノード排ガス流路２６との接続部周辺に設置するようにしてもよい。
【００７２】
Ｇ５．変形例５：
上記第１の実施例において、排出バルブ２４０は、水平なガス排出管２３０に平行に接続されており、かつ、排出バルブ２４０の弁座部３３０は、重力方向に対して、ガス排出管２３０を流れるアノード排ガスの排出方向とは逆向きに４５°傾斜するように構成されているが、本発明はこれに限られるものではない。本発明の排出バルブ２４０において、弁座部３３０は、重力方向に対して、傾斜するように構成されていればよい。例えば、排出バルブ２４０の弁座部３３０の傾斜方向は、重力方向に対して、ガス排出管２３０を流れるアノード排ガスの排出方向に傾斜するようにしてもよい。また、排出バルブ２４０を水平なガス排出管２３０に平行に接続させるのではなく、ガス排出管２３０を水平方向に対して傾斜させて構成し、それに排出バルブ２４０を接続することで、弁座部３３０を、重力方向に対して、傾斜するように構成してもよい。この場合、例えば、弁座部３３０は、傾斜させたガス排出管２３０に対して略垂直になるように構成する。なお、以上のように、弁座部３３０を重力方向に対して、傾斜させて構成した場合には、弁体部３１０全体を弁座部３３０に対応させて傾斜させ、若しくは、弁体部３１０のシート部３２０を弁座部３３０に対応させて傾斜させて、弁座部３３０に着座可能に構成すればよい。
【００７３】
以上のようすれば、排出バルブ２４０にアノード排ガスと共に、吸い上げられた貯留水が流れてくる場合において、その水は、基本的に流路部３４０の底面に沿って流れるので、弁座部３３０付近に残留水が生じるにしても、その水は、重力方向に対して傾斜した弁座部３３０において、低い方の縁付近に残留する。仮に、このような状態で、残留水が凍結しても、弁座部３３０に着座する弁体部３１０のシート部３２０において、凍結の影響を受けるのは、残留水がある弁座部３３０の一方の縁に接する部分のシート部３２０であり、シート部３２０全体が凍結の影響を受けるわけではない。従って、この場合、小さな力で、シート部３２０を弁座部３３０から容易にはがすことができ、凍結によって、排出バルブ２４０が開閉不能になることはない。なお、このような排出バルブを備えた燃料電池システムを自動車などの車体に積んだ場合には、平常走行時を想定している。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
【図３】第１の実施例における排出バルブの概略断面を表わした模式図である。
【図４】第２の実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
【図５】第３の実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
【図６】第４の実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
【図７】第５の実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
【図８】第６の実施例における貯水装置の概略を表す模式図である。
【図９】変形例１における貯水装置の概略を表す模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２２...レギュレータ
２４...アノードガス供給流路
２６...アノード排ガス流路
２７...循環流路
２７ａ...循環口
２８...循環ポンプ
３０...ブロワ
３４...カソードガス供給流路
３６...カソード排ガス流路
５０...制御部
５２...排出バルブ制御部
６０...加湿器
１００...燃料電池システム
２００...貯水装置
２１０...気液分離器
２２０...液体用排出管
２２０ａ...水吸入口
２２０ｂ...接続口
２３０...気体用排出管
２３０ａ...ガス流入口
２４０...排出バルブ
２４０ａ...接続口
３００...ソレノイド部
３１０...弁体部
３２０...シート部
３３０...弁座部
３４０...流路部
４００...貯水装置
５００...貯水装置
５１０...ポケット部
５２０...通風孔
６００...貯水装置
７００...貯水装置
７１０...吸引ポンプ制御部
７２０...吸引ポンプ
８００...貯水装置
８１０...水位センサー
８２０...貯水量判断部
９００...貯水装置
【図１】
2006032134.tif 000003
【図２】
2006032134.tif 000004
【図３】
2006032134.tif 000005
【図４】
2006032134.tif 000006
【図５】
2006032134.tif 000007
【図６】
2006032134.tif 000008
【図７】
2006032134.tif 000009
【図８】
2006032134.tif 000010
【図９】
2006032134.tif 000011