(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを燃料電池筐体に格納した燃料電池システムにおいて、燃料電池筐体内に流出した水素ガスを排気するための換気効率を向上させる。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２を燃料電池筐体３に格納しており、燃料電池スタック２から排出されたガスをカソード出口開閉バルブ９を通じて燃料電池筐体３内に供給し、換気バルブ１０及び換気排水バルブ１１から排気することによって燃料電池筐体３の換気を行うようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタックを燃料電池筐体に格納した燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックのカソードから排出されたガスを前記燃料電池筐体内に供給して前記燃料電池筐体内を換気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池筐体の底面近傍に少なくとも１つの換気排水口を設置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記換気排水口にバルブを設置したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池筐体の上面近傍に少なくとも１つの換気口を設置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記換気口にバルブを設置したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池筐体内に高圧の非可燃ガスを供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記高圧の非可燃ガスは、前記燃料電池スタックのカソードに供給される酸化剤ガスであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池筐体内面に凝縮水を前記換気排水口へ導くための流路を形成したことを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池筐体内面に撥水処理を施したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを燃料電池筐体に格納した燃料電池システムに係り、特に燃料電池筐体内における換気効率を向上させた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の式（１）、（２）の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。
【０００３】
陽極反応：Ｈ2→２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                     …（１）
陰極反応：２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  …（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
こうした燃料電池システムを車載するにあたっては燃料電池システムを保護し、安全かつ耐久性に優れた状態で車載することが要求されるので、筐体内に燃料電池システムを格納している。
【０００５】
ここで、上述した燃料電池システムの従来例として、例えば特開平８−１０６９１４号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００６】
このような燃料電池システムを車両に搭載する場合、燃料電池システムから筐体内に流出した水素を換気する必要があり、この水素の換気には酸化剤ガス（空気）を加圧するために設置されたコンプレッサからの供給ラインを途中で分岐し、筐体内の換気を行うようにすることが考えられる。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したようにコンプレッサから供給される酸化剤ガスを分岐して筐体内の換気に利用すると、コンプレッサの効率を低下させてしまい、燃料電池のカソードにおける酸化剤ガスの圧力が低下してしまうという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタックを燃料電池筐体に格納した燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックのカソードから排出されたガスを前記燃料電池筐体内に供給して前記燃料電池筐体内を換気することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックのカソードから排出されたガスを燃料電池筐体内に供給して燃料電池筐体内の換気を行うので、酸化剤ガスを加圧するコンプレッサの効率を落とすことなく、燃料電池筐体内を換気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係わる燃料電池システムの実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を格納する燃料電池筐体３と、各燃料電池スタック２に対して酸化剤ガスまたは冷却媒体を分配、集合させる分配マニホールド４と、酸化剤ガスを加圧して燃料電池スタック２に供給するコンプレッサ５と、高圧の非可燃ガスを供給する非可燃ガス高圧ライン６と、この非可燃ガス高圧ライン６に設置された高圧ライン開閉バルブ７と、カソード出口に設置されたカソード出口開閉バルブ９と、燃料電池筐体３の上面近傍に設置された換気バルブ１０と、燃料電池筐体３の底面近傍に設置された換気排水バルブ１１と、燃料電池筐体３の内部温度を検出する筐体内部温度センサ１２と、燃料電池筐体３の内部の水位を検出する水位センサ１３と、燃料電池筐体３の内部の湿度を検出する湿度センサ１４と、燃料電池筐体３の壁面温度を検出する壁面温度センサ１５と、これらのセンサの検出結果に基づいて各バルブの開閉を制御して燃料電池筐体３内部の換気を行う制御ユニット１６とを備えて構成されている。
【００１２】
ここで、燃料電池スタック２のアノードには燃料ガスである水素ガスが図示しない水素タンクから供給され、カソードには酸化剤ガスである空気がコンプレッサ５から供給されている。そして、アノードとカソード間に挟持された電解質膜における電極反応によって発電している。
【００１３】
燃料電池筐体３は、燃料電池システム１を車載するにあたって燃料電池システムを保護して安全性及び耐久性を確保するための筐体であって、燃料電池スタック２の他に燃料電池システム１を構成する各部を格納している。そして、燃料電池筐体３の内面は撥水処理が施されているとともに、凝縮水を換気排水バルブ１１の設置された換気排水口へ導くための図示しない流路（溝など）が形成されている。
【００１４】
分配マニホールド４は、酸化剤ガスや冷却媒体を各燃料電池スタック２に分配するとともに、各燃料電池スタック２から排出される酸化剤ガスや冷却媒体を集合させて燃料電池筐体３の外部配管に接続するものである。
【００１５】
コンプレッサ５は、酸化剤ガスを加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給している。
【００１６】
非可燃ガス高圧ライン６は、空気や窒素などの非可燃ガスを加圧して高圧の非可燃ガスを燃料電池筐体３の内部に供給している。
【００１７】
高圧ライン開閉バルブ７は、制御ユニット１６の制御に基づいて燃料電池筐体３の排水時にバルブを開いて燃料電池筐体３内の圧力を上昇させて、排水を促している。
【００１８】
カソード出口開閉バルブ９は、通常運転時にバルブを開いてカソードから排出されるガスを燃料電池筐体３の内部に供給するようにしている。
【００１９】
換気バルブ１０は、燃料電池筐体３の上面近傍に少なくとも１つ備えられた換気口に設置されており、通常運転時にバルブを開いて燃料電池筐体３内に流出した水素ガスを排気している。
【００２０】
換気排水バルブ１１は、燃料電池筐体３の底面近傍に少なくとも１つ備えられた換気排水口に設置されており、通常運転時には運転負荷に応じてバルブの開閉を行って換気及び排水を適宜行い、排水時にはバルブを開いて燃料電池筐体３内に溜まった凝縮水を排水するようにしている。
【００２１】
制御ユニット１６は、通常運転時における各バルブの開閉やコンプレッサ５の回転数などを制御するとともに、筐体内部温度センサ１２及び壁面温度センサ１５で検出された温度が所定の温度以上に上昇したときには換気バルブ１０及び換気排水バルブ１１を開くように制御し、湿度センサ１４で検出された湿度が所定値以上に上昇したときにも換気バルブ１０及び換気排気バルブ１１を開くように制御している。また、水位センサ１３で検出された凝縮水の水位が所定値以上に上昇すると換気排水バルブ１１を開いて凝縮水を排水するように制御している。
【００２２】
次に、上述したように構成された本実施例の燃料電池システム１による燃料電池筐体３の換気処理について説明する。
【００２３】
まず、通常運転時に制御ユニット１６は、高圧ライン開閉バルブ７を閉、カソード出口開閉バルブ９を開、換気バルブ１０を開、換気排水バルブ１１を運転負荷に応じて開閉となるように制御する。
【００２４】
そして、コンプレッサ５によって酸化剤ガスが大気圧から所定の圧力にまで加圧され、分配マニホールド４を通じて燃料電池スタック２のカソードに供給される。カソードに供給された酸化剤ガスは燃料電池スタック２で消費されてカソード出口から排出され、排出されたガスの一部は分岐してカソード出口開閉バルブ９を通じて燃料電池筐体３内部に供給される。
【００２５】
ここで燃料電池筐体３に供給されるガスはカソードの入口側ほど高圧ではないものの、大気圧よりは十分に高い圧力があるので、燃料電池筐体３内の換気を行うには十分である。
【００２６】
こうして燃料電池筐体３内にガスが供給されると、換気バルブ１０及び運転負荷に応じて開閉される換気排水バルブ１１を通じて、燃料電池筐体３内に流出した水素ガスを燃料電池筐体３の外部に排出して燃料電池筐体３の換気が行われることになる。
【００２７】
しかし、カソード出口から排出されるガスは一般に多量の水蒸気を含んでいるので、カソードから排出されたガスをカソード出口開閉バルブ９から燃料電池筐体３へ供給すると、例えばシステムの停止後に水蒸気が燃料電池筐体３の壁面に凝縮して燃料電池筐体３の錆び及び腐食の原因になる。
【００２８】
そこで、燃料電池システム１の起動時などに排水処理を行っている。この排水処理時に制御ユニット１６は、高圧ライン開閉バルブ７を開、カソード出口開閉バルブ９を閉、換気バルブ１０を閉、換気排水バルブ１１を開となるように制御する。
【００２９】
そして、システムが起動する前などに、非可燃ガス高圧ライン６から高圧の非可燃ガスを燃料電池筐体３内に供給し、この非可燃ガスの圧力によって燃料電池筐体３の内部に溜まった凝縮水を換気排水バルブ１１から排水する。
【００３０】
このとき、燃料電池筐体３の内面には撥水処理が施され、且つ凝縮水を換気排水口１１へ導くための流路が形成されているので、凝縮水を効率良く排水することができる。
【００３１】
また、非可燃ガスは加圧されているので、ある程度温度が上昇している。したがって、高圧の非可燃ガスを燃料電池筐体３内に供給することにより、燃料電池スタック２の起動時における暖機を促進することもできる。
【００３２】
このように、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２のカソードから排出されたガスを燃料電池筐体３内に供給して燃料電池筐体３の換気を行うので、酸化剤ガスを加圧するコンプレッサ５の効率を落とすことなく、燃料電池筐体３内を換気して水素ガスを排出することができる（請求項１の効果）。
【００３３】
また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池筐体３の底面近傍に少なくとも１つの換気排水口を設置したので、燃料電池筐体３から水素ガスを排出して換気できるとともに、燃料電池筐体３に溜まった凝縮水を排水することもできる（請求項２の効果）。
【００３４】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、換気排水口に換気排水バルブ１１を設置したので、燃料電池筐体３の換気及び排水を通常運転時や排水時などの状況に応じて調節することができる（請求項３の効果）。
【００３５】
また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池筐体３の上面近傍に少なくとも１つの換気口を設置したので、燃料電池筐体３内に流出した水素ガスを排出して効率良く燃料電池筐体３の換気を行うことができる（請求項４の効果）。
【００３６】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、換気口に換気バルブ１０を設置したので、通常運転時にはバルブを開けて燃料電池筐体３の換気を行い、凝縮水を排水するときにはバルブを閉じて燃料電池筐体３の内部圧力を上昇させて凝縮水の排水を促進することができる（請求項５の効果）。
【００３７】
また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池筐体３内に高圧の非可燃ガスを供給するので、システムの起動時などに燃料電池筐体３の内部圧力を上昇させて効率良く凝縮水を排水することができる（請求項６の効果）。
【００３８】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池筐体３の内面に換気排水口へ導く流路を形成したので、燃料電池筐体３の壁面に生じた凝縮水を効率良く換気排水口へ導くことができる（請求項８の効果）。
【００３９】
また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池筐体３の内面に撥水処理を施したので、燃料電池筐体３の壁面に生じた凝縮水を効率的に換気排水口へと導くことができるとともに、燃料電池筐体３の内面の錆びを防止することができる（請求項９の効果）。
【実施例２】
【００４０】
図２は、実施例２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施例の燃料電池システム２１は、非可燃ガス高圧ライン２６をコンプレッサ５からカソードへ酸化剤ガスを供給するラインから分岐させるようにしたことが第１の実施例と異なっており、それに伴ってカソードの入口にカソード入口開閉バルブ２８を設置している。その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００４１】
本実施例の燃料電池システム２１では、通常運転時には高圧ライン開閉バルブ２７を閉じ、カソード入口開閉バルブ２８を開くように制御することで、コンプレッサ５から送出される高圧の酸化剤ガスをカソードに供給し、排水時には高圧ライン開閉バルブ２７を開き、カソード入口開閉バルブ２８を閉じて高圧の酸化剤ガスを燃料電池筐体３内に供給するように制御している。
【００４２】
したがって、コンプレッサ５から送出される高圧の酸化剤ガスを燃料電池筐体３に供給するのは凝縮水の排水時のみとなり、通常運転時にはコンプレッサ５からの酸化剤ガスはすべてカソードに供給されるので、コンプレッサ５の効率を落とすことなく、通常の運転を行うことができる。
【００４３】
このように、本実施例の燃料電池システム２１では、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスを燃料電池筐体３に供給される高圧の非可燃ガスとして利用したので、別に非可燃ガス高圧ラインを設けずに既存のコンプレッサ５を用いて排水時に高圧の非可燃ガスを燃料電池筐体３に供給することができ、これによって排水時における凝縮水の排水を促進することができる（請求項７の効果）。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
燃料電池スタックを燃料電池筐体に格納した燃料電池システムに係り、特に燃料電池筐体内に流出した水素ガスを排気するときの換気効率を向上させるための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】実施例２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１、２１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  燃料電池筐体
４  分配マニホールド
５  コンプレッサ
６、２６  非可燃ガス高圧ライン
７、２７  高圧ライン開閉バルブ
９  カソード出口開閉バルブ
１０  換気バルブ
１１  換気排水バルブ
１２  筐体内部温度センサ
１３  水位センサ
１４  湿度センサ
１５  壁面温度センサ
１６  制御ユニット
２８  カソード入口開閉バルブ
【図１】
2006210053.tif 000003
【図２】
2006210053.tif 000004