(57)【要約】【課題】  空気排出通路にな空気を供給するバイパス通路中に設けた流量調整手段付近への水滴の残留を防止する。【解決手段】  燃料電池から排空気が流れる空気排出通路１１に、燃料電池から排水素が流れる水素排出通路１３と、空気供給手段から燃料電池をバイパスして空気が流れるバイパス通路１５と、燃料電池からの排出凝縮水が流れる排水通路１７とをそれぞれを接続する。これらの接続部は、ハウジング２３の空気通路形成部２３ａに形成し、ハウジング２３の流量調整手段設置部２３ｂには、バイパス通路１５上に位置するアイドル時流量調整バルブ１９および始動時流量調整バルブ２１を設ける。アイドル時流量調整バルブ１９は始動時流量調整バルブ２１より上流に設置し、上流から下流に向けて鉛直方向下方に傾斜する下方向傾斜通路部３９を設け、さらに上方向傾斜通路部４１を連続して設けてバイパス路合流口４１ａを空気排出通路１１に開口させる。【選択図】      図３
2006019166.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、前記空気供給手段から前記燃料電池をバイパスして前記水素排出通路と前記空気排出通路との合流部に接続するバイパス通路を設け、このバイパス通路の途中に、空気流量を調整する流量調整手段を設け、この流量調整手段から前記合流部までの前記流量調整手段を含む前記バイパス通路中に、前記合流部に向かって鉛直方向下方に傾斜する下方向傾斜部を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、前記下方向傾斜部から前記合流部までの前記バイパス通路中に、前記合流部に向かって鉛直方向上方に向けて傾斜する上方向傾斜部を設け、この上方向傾斜部の前記空気排出通路へのバイパス路合流口を、前記空気排出通路の底面より鉛直方向上方に位置させる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、前記空気排出通路へ開口する前記バイパス路合流口の延長線上に、前記水素排出通路の前記空気排出通路への水素放出口を配置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、前記水素排出通路の前記空気排出通路への水素放出口の開口方向を、前記バイパス路合流口とは異なる方向とし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、前記流量調整手段は、前記燃料電池のアイドル運転時に空気流量を調整するアイドル時調整部と、前記燃料電池の始動時に空気流量を調整する始動時調整部とをそれぞれ有し、前記アイドル時調整部を前記始動時調整部よりも上流に配置し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、システム停止時に所定時間アイドル運転を実施することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電により生成される凝縮水を前記空気排出通路に合流させて排水するための排水通路を設け、この排水通路の前記空気排出通路への排水路合流口の延長線上に、前記水素排出通路の前記空気排出通路への水素放出口を配置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムにおいて、前記排水通路の前記空気排出通路への排水路合流口の開口方向を、前記バイパス路合流口とは異なる方向とし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、空気排出通路に水素排出通路を合流させて排水素を排空気により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、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て希釈する点が開示されている。
【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】
ところで、燃料電池に空気を供給する空気供給手段から燃料電池をバイパスさせた空気を、空気排出通路に合流させて水素希釈空気量を増大させる方法があり、これは希釈性能および燃料電池の湿度管理の面で有効であるが、燃費を考慮すれば常に空気を流す必要はなく、空気流量を制御するためのバルブなどの流量調整手段が必要となる。
【０００４】
しかしながら、燃料電池からの排空気および排水素がシステム運転条件により水蒸気・水滴を多量に含むので、空気排出通路に新たな空気を供給するバイパス通路中にバルブなどの流量調整手段を配置するシステムでは、流量調整手段付近に水滴が残留した場合に、低温下で水滴が凍結し流量調整手段の作動不良を引き起こす。
【０００５】
そこで、本発明は、空気排出通路に新たな空気を供給するバイパス通路中に設けた流量調整手段付近への水滴の残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】
【０００６】
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、前記空気供給手段から前記燃料電池をバイパスして前記水素排出通路と前記空気排出通路との合流部に接続するバイパス通路を設け、このバイパス通路の途中に、空気流量を調整する流量調整手段を設け、この流量調整手段から前記合流部までの前記流量調整手段を含む前記バイパス通路中に、前記合流部に向かって鉛直方向下方に傾斜する下方向傾斜部を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、バイパス通路中に設けた流量調整手段から空気排出通路と水素排出通路との合流部までの流量調整手段を含むバイパス通路中に、合流部に向かって鉛直方向下方に傾斜する下方向傾斜部を設けたので、流量調整手段付近に存在する水滴が、下方向傾斜通路部に沿って合流部に向けて流れ落ち、流量調整手段付近への水滴の残留を防止することができ、残留する水滴の凍結による流量調整手段の作動不良を防止することができる。
【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、本発明の一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、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。
【００１１】
また、空気供給通路９を流れる空気を燃料電池１に対してバイパスさせるバイパス通路１５を空気排出通路１１に接続するとともに、燃料電池１の発電により生成される凝縮水を流す排水通路１７を空気排出通路１１に接続する。
【００１２】
バイパス通路１５には、燃料電池１のアイドル運転時および始動時の双方で空気流量を調整するアイドル時調整部としてのアイドル時流量調整バルブ１９と、始動時にのみ空気流量を調整する始動時調整部としての始動時流量調整バルブ２１とを並列に設置する。これら各流量調整バルブ１９，２１は流量調整手段を構成している。
【００１３】
上記した水素排出通路１３，バイパス通路１５，排水通路１７の空気排出通路１１への合流部は、図２に斜視図として示すような、前記各流量調整バルブ１９，２１を含むハウジング２３内に形成してある。
【００１４】
図３は、ハウジング２３の空気排出通路１１と直交する面で切った断面図、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。ハウジング２３は、空気排出通路１１を備える空気通路形成部２３ａと、流量調整手段を備える流量調整手段設置部２３ｂとをそれぞれ備える。
【００１５】
水素排出通路１３は、ハウジング２３における空気通路形成部２３ａの図３中で左上部に設けた排水素導入部２５に接続する。この排水素導入部２５は、先端２５ａが空気排出通路１１の中心部に位置し、先端２５ａに水素放出口としての排水素拡散放出孔２７を設けている。排水素拡散放出孔２７の開口方向は、図４に示すように、排水素導入部２５と反対側となっている。
【００１６】
また、排水通路１７は、ハウジング２３における空気通路形成部２３ａの図３中で右上部に設けた排水路合流口２９に接続し、この排水路合流口２９の延長線上に、前記した排水素拡散放出孔２７を位置させる。
【００１７】
バイパス通路１５は、ハウジング２３における流量調整手段設置部２３ｂの図３中で上部に設けた空気導入口３１に接続する。流量調整手段設置部２３ｂには、空気導入口３１の下端に連通して図３中で左右方向に延びる水平通路部３３と、水平通路部３３の両端から鉛直方向下部に延びる二つの鉛直通路部３５，３７と、各鉛直通路部３５，３７の下端にそれぞれ連通するバルブ挿入孔４３，４５と、バルブ挿入孔４３，４５に連通して図３中で右側ほど鉛直方向下方となるよう傾斜する下方向傾斜部としての下方向傾斜通路部３９と、下方向傾斜通路部３９の鉛直通路部３７より空気排出通路１１側に突出した端部に連通して図３中で右側ほど上方となるよう傾斜する上方向傾斜部としての上方向傾斜通路部４１とを、それぞれ設けている。
【００１８】
上方向傾斜通路部４１の下流端は、バイパス路合流口４１ａとして空気排出通路１１に合流し、バイパス路合流口４１ａの延長線上に、前記した排水素拡散放出孔２７を位置させる。また、このバイパス路合流口４１ａは、空気排出通路１１の底面１１ａより鉛直方向上方に位置している。
【００１９】
また、排水素拡散放出孔２７の空気排出通路１１への開口方向および、排水通路１７に連通する排水路合流口２９の空気排出通路１１への開口方向を、いずれもバイパス路合流口４１ａとは異なる方向としている。
【００２０】
上記したバルブ挿入孔４３，４５は、図４に示すように、ハウジング２３の外部側面から下方向傾斜通路部３９に向けて貫通している。そして、バルブ挿入孔４３にはアイドル時流量調整バルブ１９の弁体１９ａを、バルブ挿入孔４５には始動時流量調整バルブ２１の弁体２１ａをそれぞれ進退移動可能に挿入する。各弁体１９ａ，２１ａが図４中で下方に後退移動して、その先端がバルブ挿入孔４３，４５の大径孔部４３ａ，４５ａにそれぞれ位置することで、鉛直通路部３５，３７と下方向傾斜通路部３９とが互いに連通状態となる。
【００２１】
この場合、アイドル時流量調整バルブ１９と始動時流量調整バルブ２１は、バイパス通路１５全体を考慮すれば、互いに並列に接続した状態となるが、バイパス通路１５の一部である上方向傾斜通路部４１では、アイドル時流量調整バルブ１９が始動時流量調整バルブ２１に対して上流に位置することになる。
【００２２】
上記した燃料電池システムでは、水素排出通路１３を流れる排水素と、空気供給通路９から燃料電池１をバイパスするバイパス通路１５を流れるバイパス空気と、燃料電池１から排水通路１７を流れて排出される凝縮水とを、燃料電池１からの排空気が流れる空気排出通路１１に合流させている。
【００２３】
バイパス空気を空気排出通路１１に供給することで、排水素の希釈空気量が増大し、排水素希釈性能が向上する。バイパス空気を空気排出通路１１に供給する際には、燃料電池１のアイドル運転時には、始動時流量調整バルブ２１を全閉とした状態で、アイドル時流量調整バルブ１９のみの開度調整によって流量調整を行う。一方、燃料電池１の始動時には、アイドル時流量調整バルブ１９および始動時流量調整バルブ２１の双方を開度調整して流量調整を行う。
【００２４】
ここで、ハウジング２３における流量調整手段設置部２３ｂに形成した下方向傾斜通路部３９は、アイドル時流量調整バルブ１９から始動時流量調整バルブ２１に向けて下流側が鉛直方向下方となるよう傾斜しているので、アイドル時流量調整バルブ１９や始動時流量調整バルブ２１付近に水滴が残留していても、この水滴は下方向傾斜通路部３９に沿って下方に向けて流れ、各バルブ１９，２１付近への水滴の残留を防止することができ、低温下での水滴凍結による各バルブ１９，２１の作動不良を防止することができる。
【００２５】
また、下方向傾斜通路部３９に連続して上方向傾斜通路部４１を設けることで、水滴はこれら両通路部３９，４１相互間に溜まることになるが、この水滴は、バイパス通路１５内を空気が流通するときの内部圧によってパージできる。また、本燃料電池システムを車両に搭載した場合には、運転中に路面の影響によりバイパス路合流口４１ａが傾いても、空気排出通路１１に存在する水滴のバイパス通路１５への浸入を防ぐことができる。
【００２６】
また、バイパス路合流口４１ａを排水素拡散放出孔２７に向けることで、バイパス路合流口４１ａから流出する空気を、排水素拡散放出孔２７から流出する排水素に直接当てることができ、水素希釈効果を最大限に発揮できる。
【００２７】
排水通路１７には凝縮水とともに燃料電池１の内部の空気も流通するので、排水路合流口２９を排水素拡散放出孔２７に向けることで、凝縮水とともに流出する空気によって排水素拡散放出孔２７から流出する排水素の希釈を行うことができ、水素希釈性能が向上する。
【００２８】
また、排水素拡散放出孔２７の水素放出方向に、バイパス路合流口４１ａが存在しないことで、排水素中に多量に含む水滴のバイパス路合流口４１ａへの浸入を防止できるとともに、排水路合流口２９の凝縮水放出方向に、バイパス路合流口４１ａが存在しないことで、凝縮水のバイパス路合流口４１ａへの浸入を防止することができる。
【００２９】
本燃料電池システムにおいて、アイドル運転時と始動時ではアイドル運転時の方が使用頻度が高く、このため、アイドル時流量調整バルブ１９を下方向傾斜通路部３９において始動時流量調整バルブ２１より上流に設置することで、下方向傾斜通路部３９に溜まった水滴をより上流側から頻繁にパージできる。
【００３０】
また、本燃料電池システム停止時に所定時間アイドル運転を実施することで、システム停止時に、下方向傾斜通路部３９における上流側に位置するアイドル時流量調整バルブ１９から下流側をパージでき、バイパス通路１５内温度を極力低下させた状態で水滴除去を行え、水滴除去を効率よく行うことができる。
【００３１】
なお、上記した実施形態では、流量調整手段として、アイドル時流量調整バルブ１９および始動時流量調整バルブ２１の二つのバルブを設置しているが、このバルブを一つとして、アイドル時と始動時の双方にて流量制御することもできる。ただ、バルブを一つとした場合には、アイドル時に比べて流量大となる始動時に対応させるために大きな開度制御が必要となって、システムの大型化を招くので、本実施形態のように、小流量対応で小型のバルブを二つとすることで、システムの小型化を達成できる。
【００３２】
本発明によれば、前記下方向傾斜部から前記合流部までの前記バイパス通路中に、前記合流部に向かって鉛直方向上方に向けて傾斜する上方向傾斜部を設け、この上方向傾斜部の前記空気排出通路へのバイパス路合流口を、前記空気排出通路の底面より鉛直方向上方に位置させたので、水滴は上方向傾斜部と下方向傾斜部との間に溜まることになるが、この水滴は、バイパス通路内を空気が流通するときの内部圧によってパージできる。また、本燃料電池システムを車両に搭載した場合には、運転中に路面の影響により下方向傾斜部が傾いても、空気排出通路に存在する水滴のバイパス路合流口への浸入を防ぐことができる。
【００３３】
前記空気排出通路へ開口する前記バイパス路合流口の延長線上に、前記水素排出通路の前記空気排出通路への水素放出口を配置したので、バイパス路合流口から流出する排空気を、水素放出口から流出する排水素に直接当てることができ、水素希釈効果を最大限に発揮できる。
【００３４】
前記水素排出通路の前記空気排出通路への水素放出口の開口方向を、前記バイパス路合流口とは異なる方向としたので、排水素中に多量に含む水滴のバイパス路合流口への浸入を防止できる。
【００３５】
前記流量調整手段は、前記燃料電池のアイドル運転時に空気流量を調整するアイドル時調整部と、前記燃料電池の始動時に空気流量を調整する始動時調整部とをそれぞれ有し、前記アイドル時調整部を前記始動時調整部よりも上流に配置したので、始動時に比べて使用頻度が高いアイドル運転時で、通路内に溜まった水滴をより上流側から頻繁にパージできる。
【００３６】
システム停止時に所定時間アイドル運転を実施することで、システム停止時に、上流側に位置するアイドル時調整部から下流側をパージでき、バイパス通路内温度を極力低下させた状態で水滴除去を行え、水滴除去を効率よく行うことができる。
【００３７】
前記燃料電池の発電により生成される凝縮水を前記空気排出通路に合流させて排水するための排水通路を設け、この排水通路の前記空気排出通路への排水路合流口の延長線上に、前記水素排出通路の前記空気排出通路への水素放出口を配置したので、凝縮水とともに排水通路を流通する空気によって、水素放出口から流出する排水素の希釈を行うことができ、水素希釈性能が向上する。
【００３８】
前記排水通路の前記空気排出通路への排水路合流口の開口方向を、前記バイパス路合流口とは異なる方向としたので、凝縮水のバイパス路合流口への浸入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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における水素排出通路，バイパス通路，排水通路の空気排出通路への合流部および流量調整バルブを含むハウジングの断面図である。
【図３】図２に示すハウジングの空気排出通路と直交する面で切った断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
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
１１ａ  空気排出通路の底面
１３  水素排出通路
１５  バイパス通路
１７  排水通路
１９  アイドル時流量調整バルブ（アイドル時調整部，流量調整手段）
２１  始動時流量調整バルブ（始動時調整部，流量調整手段）
２７  排水素拡散放出孔（水素放出口）
２９  排水路合流口
３９  下方向傾斜通路部（下方向傾斜部）
４１  上方向傾斜通路部（上方向傾斜部）
４１ａ  バイパス路合流口
【図１】
2006019166.tif 000003
【図２】
2006019166.tif 000004
【図３】
2006019166.tif 000005
【図４】
2006019166.tif 000006