(57)【要約】【課題】  燃料電池内で生成された水を回収する上で生成水量が少ない場合であっても未反応燃料ガスをシステム外に排出することなく、任意のタイミングで生成水を回収することのできる燃料電池装置を提案する。【解決手段】  本発明の燃料電池装置は燃料電池（２０）から排出される未反応燃料ガスを流すための燃料ガス排出流路（３２）に連通して未反応燃料ガスに含まれる水分を貯溜する貯水部（５５）と、貯水部（５５）に貯溜された水を排水する際に貯水部（５５）を燃料ガス排出流路（３２）から遮断する遮断手段（Ａ３）と、燃料ガス排出流路（３２）から遮断された貯水部（５５）に含まれる未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路（３３）に排出する排出手段（３５）とを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出される未反応燃料ガスを流すための燃料ガス排出流路に連通して前記未反応燃料ガスに含まれる水分を貯溜する貯水部と、前記貯水部に貯溜された水を排水する際に前記貯水部を前記燃料ガス排出流路から遮断する遮断手段と、前記燃料ガス排出流路から遮断された前記貯水部に含まれる未反応燃料ガスを前記燃料ガス排出流路に排出する排出手段とを備える、燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置であって、前記排出手段は前記貯水部に内在する未反応燃料ガスを不活性ガスに置換する手段である、燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池装置であって、前記燃料電池と前記貯水部との間の燃料ガス排出流路に前記燃料ガスの背圧を調圧する背圧弁が配設されている、燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池装置と、前記貯水部から回収した水分の成分を分析する分析手段を備える、燃料電池評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置に関し、特に、水回収時における未反応燃料ガスの漏出を抑制するための改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は従来の燃料電池評価装置８０の主要構成を示している。燃料電池２０のアノード極には燃料ガス流路３１を介して燃料ガス（水素）が供給され、カソード極には酸化ガス流路４１を介して酸化ガス（酸素）が供給される。燃料ガスと酸化ガスのそれぞれはマスフローコントローラ５１，６１によって流量制御され、加湿器５２，６２によって適度に加湿された後、ヒータ５３，６３によって昇温される。電池反応に供した後の水素オフガス（アノードオフガス）、酸素オフガス（カソードオフガス）はそれぞれ燃料ガス排出流路３２、酸化ガス排出流路４２を通じて燃料電池２０から排出され、気液分離器７０によって気液分離される。気液分離器７０を通過した水素オフガス、酸素オフガスは更にドレンポッド（貯水部）５４，６４に流入し、残留水分が摘出された後に、燃料ガス排出流路３４、酸化ガス排出流路４３を通じて排気される。水素オフガス、酸素オフガスのそれぞれの背圧は背圧弁Ａ１，Ａ２によって調圧される。ところで、水素オフガス、酸素オフガスには電池反応で生じた水分等が含まれているため、燃料電池２０からのオフガスを気液分離器７０やドレンポッド５４，６４を介さずに直接に背圧弁Ａ１，Ａ２に導くと、背圧弁Ａ１，Ａ２のオリフィスに水分が次第に溜まり始めて液膜を形成する。その液膜がある程度成長すると、背圧の影響で吹き飛ばされて、予期しない背圧変動が生じる虞がある。このため、燃料電池２０と背圧弁Ａ１，Ａ２との間にはオフガスから水分を除去するための気液分離器７０とドレンポッド５４，６４が設置されている。ドレンポッド５４，６４に貯溜するサンプル水は排水弁Ａ５，Ａ６を開弁することにより回収され、成分分析に利用される。
【０００３】
尚、燃料電池の水回収装置に関する他の従来技術として、例えば、特開平８−１９５２０９号、特開平８−１９５２１５号が知られている。特開平８−１９５２１５号には燃料電池に接続する反応ガス流路から下方に分岐して連通する第１のタンクと、この第１のタンクの下部に連通する第２のタンクを設置し、更にこれら各タンクを連通する流路に第１のバルブを設置し、第２のタンクの流出口側に第２のバルブを設置しておき、第１のバルブと第２のバルブを交互に開閉することで、反応ガスに含まれる水分を排水する構成が開示されている。第１のタンクの流入口には気体の透過を阻止し、且つ水分の透過を許容する透水性遮蔽板（親水性多孔質板）が設置されており、第２のタンクからの排水の際に水素ガスがシステム外に排気されないように構成されている。
【特許文献１】特開平８−１９５２０９号
【特許文献２】特開平８−１９５２１５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、図３に示した構成では、背圧弁Ａ１，Ａ２の上流側にドレンポッド５４，６４を設置しているため、ドレンポッド５４，６４に貯溜したサンプル水を試験中（電池運転中）に採取してしまうと、ドレンポッド５４，６４内の容積が変化することにより圧力変動が生じ、背圧制御に影響を及ぼしてしまう。更に、ドレンポッド５４内には水素ガスが充満しているため、試験中にドレンポッド５４に貯溜したサンプル水を完全に抜いてしまうと、水素ガスが排水弁Ａ５を通じてシステム外に漏出してしまう虞がある。このような不都合を回避するには、試験を中止してドレンポッド５４内に充満した水素を窒素に置換してから排水弁Ａ５を開弁してサンプル水を回収する必要があるが、これでは試験効率が低下してしまう。
【０００５】
また、特開平８−１９５２１５号に開示された構成では、第２のタンクが満水になる前に排水すると、水素ガスが水とともにシステム外に排出されてしまう虞がある。更に、第２のタンクが満水にならないと排水しないように構成されているため、任意のタイミングで排水することができない。しかも、透水性遮蔽板によってガスの透過を防ぐには透水性遮蔽板の透孔全てが水分で閉塞している必要があるが、各タンクに供給される水の量が少ない場合には、透水性遮蔽板の透孔が閉塞されずに水素ガスが各タンクに充満する虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は燃料電池内で生成された水を回収する上で生成水量が少ない場合であっても、未反応燃料ガスをシステム外に排出することなく、任意のタイミングで生成水を回収することのできる燃料電池装置及び燃料電池評価装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池装置は、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを流すための燃料ガス排出流路に連通して未反応燃料ガスに含まれる水分を貯溜する貯水部と、貯水部に貯溜された水を排水する際に貯水部を燃料ガス排出流路から遮断する遮断手段と、燃料ガス排出流路から遮断された貯水部に含まれる未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路に排出する排出手段とを備える。貯水部から水を回収する際に貯水部と燃料ガス排出流路を遮断し、貯水部に充満する未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路に排出することで、未反応燃料ガスをシステム外に漏出することなく、生成水を任意のタイミングで排水することができる。また、本発明の燃料電池装置を車両に搭載した場合には燃料電池装置内に保持する水の量を減らすことができるため、燃費向上が可能である。
【０００８】
ここで、排出手段としては、貯水部に内在する未反応燃料ガスを不活性ガスに置換する手段が望ましい。燃料ガス排出流路と遮断された貯水部に不活性ガスをパージすることによって、未反応燃料ガスを容易に排出できる。
【０００９】
本発明の燃料電池装置は燃料電池と貯水部との間の燃料ガス排出流路に燃料ガスの背圧を調圧する背圧弁が配設されている。貯水部の上流側に背圧弁を設置することで、貯水部からの水回収に伴う貯水部内の圧力変動が背圧弁の背圧制御に影響を与える虞がない。
【００１０】
本発明の燃料電池評価装置は本発明の燃料電池装置と、貯水部から回収した水分の成分を分析する分析手段を備える。燃料電池内で生じた水の成分分析を行うことで、燃料電池の特性評価を行える。また、生成水を任意のタイミングで排水できるため、時系列での詳細な分析評価が可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、貯水部から水を回収する際に貯水部と燃料ガス排出流路を遮断し、貯水部に内在する未反応燃料ガスを燃料ガス排出流路に排出することで、未反応燃料ガスをシステム外に漏出することなく、生成水を任意のタイミングで排水することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１、図２は本実施形態の燃料電池評価装置１０の構成図である。図３に付した符号と同一符号の装置等は同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。図中、各種の配管系統において、実線はガス（水素ガス、酸素ガス、不活性ガス等）又は液体（サンプル水等）が流れている部位を示し、点線はガス又は液体が流れていない部位を示している。
【００１３】
燃料電池評価装置１０のアノード側の水回収系統は、サンプルポッド（貯水部）５５とドレンポッド５４を多段接続（縦続接続）した二段構成を備えている。水素オフガス（未反応燃料ガス）の排出経路には三方弁Ａ３が設置されており、水素オフガスの排出経路を切り替え可能に構成している。三方弁Ａ３のポートＰ１は燃料ガス排出流路３２に、ポートＰ２はサンプルポッド５５に、ポートＰ３は燃料ガス排出流路３４に、それぞれ連通している。燃料ガス排出流路３４はポートＰ３とドレンポッド５４を接続し、ドレンポッド５４に内在する水素オフガスをシステム外に排気するように構成されている。燃料ガス排出流路３３はサンプルポッド５５に導入された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、その下流において燃料ガス排出流路３４に合流している。燃料ガス排出流路３３，３４の下流には水素オフガスの逆流を抑制するための逆止弁Ａ７，Ａ８が設置され、更にその下流側には水素オフガスを十分な低濃度に希釈するための希釈器（図示せず）が設置されている。また、サンプルポッド５５にはポッド内の水素オフガスを不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス等）に置換し、水素オフガスを燃料ガス排出流路３３に排出するための不活性ガス流路３５が連通している。
【００１４】
次に、サンプル水の回収操作について説明する。通常運転時には、図１に示すように、ポートＰ１とポートＰ２を連通し、ポートＰ３を閉弁することによって、水素オフガスをサンプルポッド５５内に導き、水素オフガスに含まれている水分をサンプルポッド５５内に貯溜する。燃料ガス排出流路３２を通じてサンプルポッド５５内に導入された水素オフガスは燃料ガス排出流路３３を通じてシステム外に排出される。このようにしてサンプルポッド５５内に貯溜されたサンプル水を回収するには、図２に示すように、ポートＰ１とポートＰ３を連通し、ポートＰ２を閉弁することによって、水素オフガスをドレンポッド５４内に導き、水素オフガスをドレンポッド５５内に貯留する。燃料ガス排出流路３２を通じてドレンポッド５４内に導入された水素オフガスは燃料ガス排出流路３４を通じてシステム外に排出される。このようにして、水素オフガスの排出経路が切り替えられたならば、遮断弁Ａ４を開弁してサンプルポッド５５内に不活性ガスを導入し、サンプルポッド５５内に内在する水素オフガスを不活性ガスに置換する。これにより、サンプルポッド５５内に内在していた水素オフガスは燃料ガス排出流路３３に押し流され、システム外に排気される。サンプルポッド５５内の水素オフガスが不活性ガスに置換されたところで、排水弁Ａ５を開き、サンプル水を回収する。回収されたサンプル水は分析手段７１によって成分分析され、燃料電池２０の特性評価に用いられる。このように、三方弁Ａ３はサンプルポッド５５と燃料ガス排出流路３２との連通を遮断する遮断手段として機能し、不活性ガス流路３５と遮断弁Ａ４はサンプルポッド５５から水素オフガスを排出する排出手段として機能する。
【００１５】
燃料電池評価装置１０は上述の構成に加えて、燃料ガスの背圧を調整する背圧弁Ａ１を燃料電池２０のアノード側出口とサンプルポッド５５との間（サンプルポッド５５の前段若しくは上流側）に配設し、酸化ガスの背圧を調整する背圧弁Ａ２を燃料電池２０のカソード側出口とドレンポッド６４との間（ドレンポッド６４の前段若しくは上流側）に配設している。かかる構成により、サンプルポッド５５とドレンポッド６４のそれぞれからサンプル水を回収する際に、サンプルポッド５５とドレンポッド６４の水位低下に伴う圧力変化が背圧弁Ａ１，Ａ２に影響を及ぼすことがない。
【００１６】
また、燃料電池２０のアノード側出口又はカソード側出口と背圧弁Ａ１，Ａ２との間にヒータ５３，６３を設置し、水素オフガス又は酸素オフガスを適度に保温することで、背圧弁Ａ１，Ａ２への水分供給を抑制できる。背圧弁Ａ１，Ａ２に水分が供給されると、背圧弁Ａ１，Ａ２のオリフィスに水分が溜まり始めて液膜が形成されるが、その液膜がある程度成長すると、背圧の影響で吹き飛ばされて、予期しない背圧変動が生じる虞があるため、背圧弁Ａ１，Ａ２への水分供給は出来るだけ抑制するのが好ましい。ヒータ５３，６３の加熱能力としては、オフガスを適度に保温し、オフガス含有水分が結露しない程度の温度に昇温させることができるものが望ましい。オフガス温度としては、例えば、９０℃前後が好適である。また、ヒータ５３，６３の取り付け位置としては、燃料電池２０と背圧弁Ａ１，Ａ２との間（更には、加湿器５２，６２と燃料電池２０との間）に出来るだけ均等に設置し、ガス温度に温度分布が生じないように構成するのが望ましい。ヒータ５３，６３としては、例えば、リボンヒータを用いることにより、燃料ガス排出流路３２、酸化ガス排出流路４２に巻回するなどして容易に取り付けることができる。燃料ガス排出流路３２、酸化ガス排出流路４２としては、ヒータ加熱に適した熱伝導性に優れたものが好適である。
【００１７】
本実施形態によれば、サンプルポッド５５内に内在する水素オフガスを不活性ガスで置換してからサンプル水を回収する構成であるため、サンプル水回収時に水素オフガスがシステム外に漏出する虞がない。また、本発明の燃料電池装置を車両に搭載した場合には燃料電池装置内に保持する水の量を減らすことができるため、燃費向上が可能である。更にサンプル水を回収するための条件として、サンプルポッド５５が満水になることを要しないため、任意のタイミングでサンプル水を回収できる。また、分析手段７１によってサンプル水を成分分析する場合に、時系列での詳細な評価が可能になる。また、背圧弁Ａ１，Ａ２をサンプルポッド５５又はドレンポッド６４の上流側に配設することにより、サンプル水回収時に背圧弁Ａ１，Ａ２の背圧制御に影響を及ぼすことがない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の燃料電池評価装置の構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池評価装置の構成図である。
【図３】従来の燃料電池評価装置の構成図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０…燃料電池評価装置  ２０…燃料電池  ３２，３３，３４…燃料ガス排出流路  ４２…酸化ガス排出流路  ５４…ドレンポッド  ５５…サンプルポッド  ６４…ドレンポッド  ７１…分析手段  Ａ１，Ａ２…背圧弁  Ａ３…三方弁  Ａ４…遮断弁  Ａ５，Ａ６…排水弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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