(57)【要約】【課題】  空気排出通路と水素排出通路との合流部下流側での水分の滞留を防止する。【解決手段】  燃料電池に接続する水素排出通路１３の同空気排出通路１１への合流部に気水分離手段１５を設ける。水素排出通路１３から水素導入口２９を経て水素導入空間２３の水素入口側空間２３ａに流入した水分を含む水素は、壁部２１に衝突して気水分離する。水は下部に滞留水Ｗとして溜まり、水素は、隔壁２５の下部の水素流通隙間２７を通って水素出口側空間２３ｂに流れ込み、水素拡散孔３１を経て、空気排出通路１１に連通する空気通路部１９に流出する。滞留水Ｗの水位が上昇するとフロート３５が浮き上がり、排水口３３ａから滞留水Ｗを排水する。【選択図】      図２
2006019167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素および水素を元にして発電する発電手段と、この発電手段に前記酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に前記水素を供給する水素供給手段とをそれぞれ有し、前記発電手段に接続する水素排出通路が、前記発電手段に接続する空気排出通路に合流する燃料電池システムにおいて、前記水素排出通路と前記空気排出通路との合流部に、前水素排出通路を流れる排水素中に含まれる水分を分離する気水分離手段を設け、この気水分離手段は、前記空気排出通路に対し壁部を介して隣接する水素導入空間を備え、この水素導入空間の鉛直方向上部に隔壁を設け、この隔壁の一方側に、水素導入口を備えた水素入口側空間を、同他方側に、前記空気排出通路に連通する水素放出口を前記壁部に備えた水素出口側空間をそれぞれ設け、前記水素導入空間の鉛直方向下部に、前記排水素の気水分離後の下部に滞留した水を外部に排出する排水口および、この排水口を自重により接して密封するとともに前記滞留した水による所定の水位で浮いて前記排水口を開放するフロートをそれぞれ設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素導入口を前記壁部と対向する位置に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素放出口を複数設け、この複数の水素放出口は、鉛直方向上部側ものを同下部側ものに比べて大きくしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記フロートを、側部に開口を備えるフロートガイド内に鉛直方向に移動可能に収容し、このフロートガイドの鉛直方向上端部に、前記フロートが接して密閉される水素流入口を設け、前記水素導入口から前記水素導入空間に導入される排水素を前記水素流入口に向けてガイドする水素ガイドを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水素出口側空間の鉛直方向上部に、前記空気排出通路を流れる排空気を導く空気導入口を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記気水分離手段の上流側の前記空気排出通路を開閉するバルブを設け、前記空気導入口を、全閉時近傍位置での前記バルブと前記空気排出通路内壁との間の隙間を流れる排空気の流れ方向に対向して設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素排出通路を空気排出通路に合流させて排水素を排空気によって希釈する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素を用いて発電するが、例えば下記特許文献１には、燃料電池から排出される排水素を、燃料電池から排出される排空気に合流させ、この合流部下流の合流通路に気水分離器および燃焼器を設ける構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、気水分離器上流側の合流通路に排水素に含まれる水分が溜まった場合、低温凍結時の通路閉塞やバルブ類の氷固着による作動障害を招き、システム再始動に支障を与えるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、空気排出通路と水素排出通路との合流部下流側での水分の滞留を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、酸素および水素を元にして発電する発電手段と、この発電手段に前記酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に前記水素を供給する水素供給手段とをそれぞれ有し、前記発電手段に接続する水素排出通路が、前記発電手段に接続する空気排出通路に合流する燃料電池システムにおいて、前記水素排出通路と前記空気排出通路との合流部に、前水素排出通路を流れる排水素中に含まれる水分を分離する気水分離手段を設け、この気水分離手段は、前記空気排出通路に対し壁部を介して隣接する水素導入空間を備え、この水素導入空間の鉛直方向上部に隔壁を設け、この隔壁の一方側に、水素導入口を備えた水素入口側空間を、同他方側に、前記空気排出通路に連通する水素放出口を前記壁部に備えた水素出口側空間をそれぞれ設け、前記水素導入空間の鉛直方向下部に、前記排水素の気水分離後の下部に滞留した水を外部に排出する排水口および、この排水口を自重により接して密封するとともに前記滞留した水による所定の水位で浮いて前記排水口を開放するフロートをそれぞれ設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、水分を含む排水素を水素導入空間の水素入口側空間に導入し、この排水素が壁部に衝突することで、水分が壁部に付着して気水分離され、気水分離後の水は下部に溜まり、水素は隔壁の下部を通って水素出口側空間に流入し、さらに水素放出口を通って空気排出通路に排出されるので、空気排出通路と水素排出通路との合流部下流側での水分の滞留を防止することができる。
【０００７】
一方、水素導入空間の下部に溜まった水は、所定の水位でフロートが浮き排水口が開放されて外部へ排出される。排水時には、所定の水位を下回ることでフロートが下方に移動して排水口を密閉し、水が水素導入空間の下部に残留するが、この残留する水により排水素の外部漏れを防ぐことができる。また、この残留した水が低温下で凍結した場合でも、水素導入空間は、空気排出通路に壁部を介して隣接しているので、システム再始動時の排気熱により解凍され、システム再始動に支障を与えることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システム全体の構成図である。燃料電池１には、水素供給手段３を水素供給通路５を介して接続するとともに、空気供給手段７を空気供給通路９を介して接続する。燃料電池１は、その水素極の水素供給口１ａに水素供給手段３から水素が供給されるとともに、その空気極の空気供給口１ｂに空気供給手段７から酸素を含む空気が供給されることで発電する発電手段を構成している。すなわち、この発電手段は酸素および水素を元にして発電する。
【００１０】
燃料電池１の空気極の空気排出口１ｃには空気排出通路１１を接続する一方、同水素極の水素排出口１ｄには水素排出通路１３を接続し、この水素排出通路１３を空気排出通路１１に合流させる。そして、空気排出通路１１と水素排出通路１３との合流部に、気水分離手段１５を設ける。
【００１１】
これにより、燃料電池１の水素極から排出される排水素が、燃料電池１の空気極から排出される排空気で希釈され、混合気としてシステム外部に排出される。
【００１２】
図２は、図１における気水分離手段１５の内部構造を示す斜視図である。気水分離手段１５は、図１中で左右方向に長い直方体形状を呈するハウジング１７を有し、このハウジング１７内に空気通路部１９と、空気通路部１９に対して壁部２１を介して隣接する水素導入空間２３とをそれぞれ備えている。
【００１３】
なお、図２では、内部構造を理解しやすくするために、水素導入空間２３の図２中で紙面手前側および上面をそれぞれ覆うハウジング壁面を省略している。
【００１４】
上記した空気通路部１９は、図２中で左側に空気入口１９ａを、同右側に空気出口１９ｂをそれぞれ備え、これら空気入口１９ａおよび空気出口１９ｂに、前記図１に示した空気排出通路１１を接続する。すなわち、空気通路部１９には、燃料電池１から排出される排空気が空気入口１９ａを通して流入する。
【００１５】
水素導入空間２３は、その鉛直方向上部側を、隔壁２５によって図２中で左側の水素入口側空間２３ａと、同右側の水素出口側空間２３ｂとに区画している。隔壁２５は、その上端２５ａを水素導入空間２３の上部内壁に接続し、下端２５ｂと水素導入空間２３の下部内壁との間に、水素流通隙間２７を形成している。
【００１６】
水素入口側空間２３ａの上部でかつ隔壁２５から離れた位置の壁部２１と対向するハウジング側面には、水素排出通路１３に接続される水素導入口２９を設けている。すなわち、燃料電池１から排出されて水素排出通路１３を流れる排水素が、水素導入口２９を通して水素導入空間２３の水素入口側空間２３ａに流入する。
【００１７】
一方、水素出口側空間２３ｂにおける壁部２１の上部には、水素出口側空間２３ｂと空気通路部１９とを連通する水素放出口としての水素拡散孔３１を複数形成する。すなわち、この水素拡散孔３１は空気通路部１９を経て空気排出通路１１に連通する。上記した複数の水素拡散孔３１は、鉛直方向上部側のものを下部側ものに比べて大きく形成している。
【００１８】
また、水素出口側空間２３ｂの鉛直方向下部でかつ隔壁２５から離れた位置には、排水口３３ａを備えたブロック３３を設け、このブロック３３上に、排水口３３ａを自重により接して密封するフロート３５を設置する。フロート３５は、スリット３６ａを備えたフロートガイド３６の内側に移動可能に収容し、水素導入空間２３の下部に溜まる水（滞留水Ｗ）の水位が、ブロック３３の上面より上部の所定の水位となったときに、浮き上がって排水口３３ａを開放する。
【００１９】
次に、作用を説明する。図１に示すように、燃料電池１からの排空気が空気排出通路１１を通って気水分離手段１５を通過し、燃料電池１からの排水素が水素排出通路１３を通って気水分離手段１５に流入する。気水分離手段１５では、図３（ａ）に示すように、水素排出通路１３を通る排水素が水素導入口２９から水素導入空間２３の水素入口側空間２３ａに流入する。
【００２０】
ここで、水素入口側空間２３ａに流入する排水素はその前方の壁部２１に衝突し、排水素に含まれる水分が壁部２１に水滴となって付着し、気水分離を行う。壁部２１に付着した水滴は、壁部２１に沿って流れ落ち、水素導入空間２３の下部に滞留水Ｗとして滞留する。このように、排水素がその前方の壁部２１に衝突することで、気水分離が確実になされる。
【００２１】
一方、水分を分離した後の排水素は、矢印Ａで示すように、隔壁２５の下方の水素流通隙間２７を通って水素出口側空間２３ｂに流れ込み、その後上昇して複数の水素拡散孔３１から空気通路部１９に拡散して流出する。ここで、排水素拡散孔３１は、上部のものを下部のものより大きくしているので、水素出口側空間２３ｂでの流路奥側となる図２中で上部側での圧力損失を低下させ、上部に溜まりやすい水素を空気通路部１９に効率よく放出することができる。
【００２２】
空気通路部１９に流出した排水素は、空気排出通路１１を流れてくる排空気と合流し希釈される。したがって、空気通路部１９から排空気出口１９ｂを経て空気排出通路１１に流出するガスは、排空気と気水分離後の排水素との混合ガスである。
【００２３】
このように、気水分離手段１５の下流側の空気排出通路１１すなわち排空気と排水素との合流通路には、水分を除去した混合ガスが流れることになるので、この合流通路での水分の滞留を防止することができ、低温凍結時の通路閉塞やバルブ類の氷固着による作動障害を防止することができる。
【００２４】
上記図３（ａ）の状態では、滞留水Ｗの水位がブロック３３の上面より下方にあるので、フロート３５は排水口３３ａを塞いだままであり、この状態で排水素が水素導入空間２３に流入し続けることで、水が継続して溜まっていく。
【００２５】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態から滞留水Ｗの水位が次第に上昇し、この水位がブロック３３の上面より上方位置となって、フロート３５の自重と浮力とがバランスしている状態である。
【００２６】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）の状態から滞留水Ｗの水位がさらに上昇して所定の水位となった状態であり、フロート３５が浮き上がってブロック３３から離れ、排水口３３ａが開放している。この開放した排水口３３ａから滞留水Ｗが外部に排出される。
【００２７】
排水により滞留水Ｗの水位が下がると、これに対応してフロート３５も下がり、排水口３３ａを塞ぐ図３（ｂ）の状態に戻る。そして、この図３（ｂ）の状態から、排水素の導入量に応じた排水動作が、システム停止時まで繰り返される。
【００２８】
図３（ｂ）で示すように、水素導入空間２３の下部に滞留水Ｗが残留することで、排水素の外部漏れを防ぐことができる。
【００２９】
上記図３（ｂ）の状態でシステムが停止し、低温環境下で滞留水Ｗが凍結した場合には、システム再始動時の排気熱により解凍され、システム再始動に支障を来すことはない。
【００３０】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す気水分離手段１５の内部構造を示す斜視図である。この気水分離手段１５は、隔壁２５に隣接する水素入口側空間２３ａ内の下部に、フロート３５を収容するフロートガイド３７を設けている。
【００３１】
フロートガイド３７は、フロート３５を鉛直方向に移動可能にガイドするもので、上下方向に延びる開口となるスリット３７ａ，３７ｂを設けている。このフロートガイド３７の下端の底板部３９には、ハウジング下部を貫通する排水口３９ａを設けている。一方、フロートガイド３７の上端の上板部４１には、フロート３５が接して密閉される水素流入口４１ａを設ける。
【００３２】
そして、上記した上板部４１と水素導入空間２３内の図４中で左側のハウジング内壁とを、水素ガイド４３によって接続し、この水素ガイド４３により水素入口側空間２３ａを、水素導入口２９を備える上部と、滞留水Ｗを溜める下部とに分割する。この滞留水Ｗを溜める下部の空間とフロートガイド３７内とは、前記したスリット３７ａで連通し、フロートガイド３７内と水素出口側空間２３ｂとは、前記したスリット３７ｂで連通する。
【００３３】
水素ガイド４３の上面は、図４中で左側のハウジング内壁側に対して上板部４１側が鉛直方向下部となるよう傾斜面４３ａとなっている。
【００３４】
また、この実施形態では、ハウジング１７の上部に、上部隔壁４５によって空気通路部１９と区画する空気導入空間４７を備えている。この空気導入空間４７は空気排出通路１１に空気取込口４７ａを通して連通するとともに、水素拡散孔３１上方の壁部２１に設けた空気導入口４７ｂを通して水素出口側空間２３ｂに連通する。
【００３５】
なお、図４においては、内部構造を理解しやすくするために、水素導入空間２３の図４中で紙面手前側および上面、ならびに空気導入空間４７の上面をそれぞれ覆うハウジング壁面を省略している。
【００３６】
上記した第２の実施形態では、水素導入空間２３に流入する排水素がその前方の壁部２１に衝突して気水分離を行い、壁部２１に付着した水滴は、壁部２１に沿って流れ落ち、その後水素ガイド４３の傾斜面４３ａにガイドされて水素流入口４１ａを経てフロートガイド３７内に落下し、水素導入空間２３の下部に滞留水Ｗとして溜まる。その後の排水原理は前記した第１の実施形態と同様である。
【００３７】
この第２の実施形態では、水素入口側空間２３ａの排水素の圧力が、フロート３５に対し排水口３９ａを密閉する方向の外力として加わるので、排水素の圧力によりフロート３５が浮いて水素漏れを引起すことを防止できる。
【００３８】
また、排空気を空気導入口４７ｂより水素出口側空間２３ｂに取り込むことで、空気による水素希釈をより促進でき、気水分離器内圧が低く水素が上部に溜まりやすい空間を効率的に掃気することができる。
【００３９】
さらに、滞留水Ｗの溜まる速度が排水速度に比べて速い場合には、フロート３５が浮き、上部の水素流入口４１ａ方向に近づくことで、排水素の流入を制限または停止することができる。
【００４０】
なお、本実施形態におけるハウジング１７上部の空気導入空間４７、空気取込口４７ａおよび空気導入口４７ｂを備える構造を、第１の実施形態に適用してもよい。
【００４１】
図５は、この発明の第３の実施形態を示す気水分離手段１５の内部構造を示す斜視図である。この実施形態は、気水分離手段１５の上流側の空気排出通路１１に、バタフライ型バルブ４９を開閉可能に設置している。
【００４２】
気水分離手段１５は、図２に示した第１の実施形態に対し、そのハウジング１７が直方体形状に代えて円筒形状となっているほかは、基本的な構造についてはほぼ同様であり、同一構成要素には同一符号を付してある。
【００４３】
ただし、この実施形態では、水素導入空間２３を、ハウジング１７の外壁部１７ａと内壁部１７ｂとの間の環状の空間で構成してあり、また、空気入口側空間２３ａの上端部には、前記図４に示した第２の実施形態における空気導入空間４７に相当する空気導入空間５１を備えている。この空気導入空間５１は、空気排出通路１１に図５中で左側の端部が空気取込口５１ａを通して連通し、水素出口側空間２３ｂには図５中で右側の端部が空気導入口５１ｂを通して連通する。
【００４４】
そして、前記したバタフライ型バルブ４９は水平方向に延びる弁軸５３によって弁体５５が開閉可能であり、図５に示す全閉時近傍の状態では、弁体５５の上下両端と空気排出通路１１の内壁との間の隙間５７，５９を排空気が通過する。このうち上部の隙間５７での排空気の流れ方向に対向する位置に、前記した空気取込口５１ａが存在する。
【００４５】
したがって、この実施形態では、排空気量が少ない状態においても、空気排出通路１１を流れる排空気を、空気導入空間５１を経て効率的に水素出口側空間２３ｂに取り込むことができる。
【００４６】
本発明によれば、前記水素導入口を前記壁部と対向する位置に設けたので、排水素がその前方の壁部に衝突することで、気水分離が確実になされる。
【００４７】
前記水素放出口を複数設け、この複数の水素放出口は、鉛直方向上部側ものを同下部側ものに比べて大きくしたので、流路奥側となる上部側での圧力損失を低下させ、上部に溜まりやすい水素を空気排出通路に効率よく放出することができる。
【００４８】
前記フロートを、側部に開口を備えるフロートガイド内に鉛直方向に移動可能に収容し、このフロートガイドの鉛直方向上端部に、前記フロートが接して密閉される水素流入口を設け、前記水素導入口から前記水素導入空間に導入される排水素を前記水素流入口に向けてガイドする水素ガイドを設けたので、排水素の圧力が、フロートに対し排水口を密閉する方向の外力として加わり、排水素の圧力によりフロートが浮いて水素漏れを引起すことを防止できる。また、滞留水の溜まる速度が排水速度に比べて速い場合には、フロートが浮き、上部の水素流入口方向に近づくことで、排水素の流入を制限または停止することができる。
【００４９】
前記水素出口側空間の鉛直方向上部に、前記空気排出通路を流れる排空気を導く空気導入口を設けたので、排空気を空気導入口より水素出口側空間に取り込むことで、空気による水素希釈をより促進でき、内圧が低く水素が上部に溜まりやすい空間を効率的に掃気することができる。
【００５０】
前記気水分離手段の上流側の前記空気排出通路を開閉するバルブを設け、前記排空気導入口を、全閉時近傍での前記バルブと前記空気排出通路内壁との間の隙間を流れる排空気の流れ方向に対向して設けたので、排空気量が少ない状態においても、空気排出通路を流れる排空気を、効率的に水素出口側空間に取り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システム全体の構成図である。
【図２】図１における気水分離手段の内部構造を示す斜視図である。
【図３】図１における気水分離手段の作用説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す燃料電池システム全体の構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す燃料電池システム全体の構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料電池（発電手段）
３  水素供給手段
７  空気供給手段
１１  空気排出通路
１３  水素排出通路
１５  気水分離手段
２１  壁部
２３  水素導入空間
２３ａ  水素入口側空間
２３ｂ  水素出口側空間
２５  隔壁
２９  水素導入口
３１  水素拡散孔（水素放出口）
３３ａ，３９ａ  排水口
３５  フロート
３７  フロートガイド
３７ａ，３７ｂ  スリット（開口）
４１ａ  水素流入口
４３  水素ガイド
４７ｂ，５１ｂ  空気導入口
４９  バタフライ型バルブ
５７  バルブとと空気排出通路内壁との間の隙間
【図１】
2006019167.tif 000003
【図２】
2006019167.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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