(57)【要約】【課題】  バルブ内に付着する水分をバルブ内から排除して氷点下の環境下でも凍結による固着を回避できるバルブを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水素と水を分離し、分離した水素を再び燃料電池に供給すると共に分離した水を排水管６へと送る分離部と、この分離部で分離された水を排出させるバルブ１と、そのバルブ１の上流に設けた逆止弁２と、からなる水素循環器を備えており、システム起動停止直後に、バルブ１の可動部の上側から乾燥流体を吹き込むと共に、逆止弁２の入口に向けて上流側から乾燥流体を吹き込む。そして、吹き込まれた乾燥流体によってバルブ１の内部から水分１３を排出させ、当該バルブ１の内部を乾燥流体で閉じこめる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を反応させて起電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水素と水を分離し、分離した水素を再び燃料電池に供給すると共に分離した水を排水管へと送る分離部と、この分離部で分離された水を排出させるバルブと、からなる水素循環器と、
前記バルブの可動部に乾燥流体を吹き込むコンプレッサーとを備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記コンプレッサーを前記水素循環器の上部に配置し、前記バルブの可動部の上側から前記乾燥流体を吹き込む第１の導入管を有した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
システム起動停止直後に、前記乾燥流体を前記バルブの可動部に吹き込むように前記コンプレッサーを駆動制御する制御部を有した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載された燃料電池システムであって、
前記バルブの可動部に吹き込まれた乾燥流体を充満させる構造とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記バルブの上流側に逆止弁を設けると共にバルブ内の弁体を閉じて、該バブル内に乾燥流体を充満させる構造とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記逆止弁の入口に向けて上流側から乾燥流体を吹き込む第２の導入管を有した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記分離部と前記逆止弁を結ぶ作動流体配管の流路下端部を、前記逆止弁の流路下端部よりも下方に設けた
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、燃料電池システムに関し、詳細には、氷点下で燃料電池システムを停止して放置させたときのバルブ内に付着する水分の凍結を防止する技術に関する。  
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）を反応ガスとして発電する燃料電池を使用した燃料電池システムでは、発電により生じたアノードオフガスに含まれる水分などがアノードに溜まると発電が不安定になることから、排出弁を用いて溜まった水分を定期的に排出させている。
【０００３】
しかしながら、氷点下の環境下に燃料電池システムを停止させて放置したままにすると、排出弁内に付着した水分が凍結して固着し、システム起動時に排出弁を開けることが出来ず、水分を排出することが不可能になる。
【０００４】
そこで、バルブの凍結による動作不良を防止するために、バルブの軸方向にシート部と離反可能な弁体を設けて開閉自在とし、さらにシート部と弁体を水分が溜まる場所より上方に設けることで、氷点下において水分が凍結してもバルブ開閉に影響がないようにした構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報（第４頁から第６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、確かにシール部と弁体の接触面積を少なくすることで凍結による互いの付着を抑制し得るが、逆に接触面積が少ないというのはＯリングにかかる集中加重が増加し、磨耗やへたりから通常より早い時間で交換が必要になる可能性がある。
【０００６】
また、特許文献１に記載の技術では、接触面積を少なくしていることで、Ｏリングのつぶれ代（圧縮率）が通常シールの状態ほど確保されず、バルブ開閉時のシール性能の信頼性に疑問が残る。これは、つまり作動流体のリークが疑われ、バルブ開閉が正常に行えない可能性があるということである。
【０００７】
そこで、本発明は、バルブ内に付着する水分をバルブ内から排除して氷点下の環境下でも凍結による固着を回避できるバルブを備えた燃料電池システム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】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水素と水を分離し、分離した水素を再び燃料電池に供給すると共に分離した水を排水管へと送る分離部と、この分離部で分離された水を排出させるバルブと、からなる水素循環器と、バルブの可動部に乾燥流体を吹き込むコンプレッサーとを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、バルブの可動部に乾燥流体を吹き込むことで、この乾燥流体によってバルブ可動部に付着した水分を除去でき、氷点下の環境下で燃料電池システムを停止して放置したとしても、可動部での水分凝固は起こらず、凍結によるバルブの固着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】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
「燃料電池システムの構成」
図１は、燃料電池システムの水素循環経路を示すブロック図、図２は、バルブの可動部と逆止弁の入口に向けて乾燥流体を吹き込んだ状態を示すバルブ近傍部の要部拡大断面図である。
【００１２】
本実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）を反応させて起電力を発生する燃料電池７は、供給された全ての水素を使用して発電する訳ではなく、反応せずに残った未反応の水素をアノードオフガスとして燃料電池７から外部へ放出させている。放出された水素は、燃費向上のため再度、水素循環器８によって燃料電池７へと供給されるようになされている。このとき、燃料電池システムでは、燃料電池７から排出されたアノードオフガスに含まれる水素を積極的に供給するために、水素を水素ポンプ９で昇圧させて燃料電池７へ供給させている。
【００１３】
そして、水素を循環させる際に水素循環器８内にある水分離室８ａは、燃料電池７から放出されたアノードオフガスには水分も含まれていていることから、この水分が多すぎると燃料電池７に悪影響を及ぼすため水と水素に分離させている。この水分離室８ａに溜められた水は、定期的に水素循環器８に設けられている凍結防止策が施されたバルブ１によって排出される。
【００１４】
水素循環器８には、アノードオフガスに含まれる水素と水とに分離する分離部である水分離室８ａと、凍結防止バルブ１（以下、単にバルブ１という）と、逆止弁２とが設けられている。水分離室８ａとバルブ１とは、この水分離室８ａで分離された水を流通させる作動流体流路５で接続されている。逆止弁２は、水分離室８ａが設けられたバルブ１より上流側に設けられ、該水分離室８ａから流れ出た水をバルブ１方向へと流通させ、その逆方向へは流通させないように構成されている。バルブ１の下流側には、水分離室８ａで分離された水を燃料電池システム外へと放出する排水管６が接続されている。
【００１５】
そして、この燃料電池システムでは、バルブ１の可動部に乾燥流体を吹き込むための圧縮機であるコンプレッサー１０が水素循環器８の上部に配置されている。図１のブロック図では、コンプレッサー１０を平面的に描いているが、天地方向でコンプレッサー１０を水素循環器８の上部に配置させている。かかるコンプレッサー１０は、バルブ１内及び逆止弁２内にある水分を乾燥流体を吹き込んで除去するためのもので、バルブ１の可動部の上側からと逆止弁２の入口に向けて上流側からそれぞれ吹き込むための第１の導入管（バルブ用の導入管）３と第２の導入管（逆止弁用の導入管）４を介してそれぞのバルブ１と逆止弁２に接続されている。
【００１６】
乾燥流体は、別個独立して設けられた図示を省略するタンク内に設けられたものでもよく、または、燃料電池７に供給する圧縮された酸化剤ガスの一部を分岐させたものでもよい。かかる乾燥流体は、燃料電池システムに応じて、独立したタンクからの供給と酸化剤ガスの一部を分岐させることによる供給とに決定することができる。
【００１７】
第１の導入管３は、重力を利用してバルブ１内に付着する水分を効率良く当該バルブ１内から排出させるために、該バルブ１の上部に接続されている。第２の導入管４も同様に、逆止弁２内に残存する水分を効率良く外部へ排水させるために、該逆止弁２の入口に対して斜め上流方向から乾燥流体が導入されるような向きで接続されている。
【００１８】
そして、コンプレッサー１０には、乾燥流体を第１の導入管３と第２の導入管４のそれぞれに吹き込む導入タイミングと導入量を制御する制御部１０が接続されている。かかる制御部１０は、システム起動停止直後に、バルブ１の可動部と逆止弁２の入口に向けて上流側から乾燥流体を吹き込むように制御動作する。乾燥流体の導入を起動停止直後とするのは、バルブ１が起動停止直後で高温状態の方が水分は熱移動により粘性や表面張力が下がり、水分除去効率が上がるからである。また、バルブ１と逆止弁２への乾燥流体の導入タイミングは、特に指定はないが、同時とすることが好ましい。
【００１９】
また、この燃料電池システムでは、水分離室８ａと逆止弁２を結ぶ作動流体配管５の流路下端部５ａを、逆止弁２の流路下端部２ａよりも下方に設けている。逆止弁２の上流側は、後述するように乾燥流体の充満がされない部位であり、水分が貯まる構造になっていると凍結の原因となるため、逆止弁入口の流路下端部２ａよりも作動流体配管５の流路下端部５ａを下になる構造として逆止弁２の上流側に水分が溜まって凍結しないようにしている。
【００２０】
「動作説明」
次に、前記のように構成された燃料電池システムの動作について説明する。図３は、バルブ内及び逆止弁内から水分を排除させた状態を示すバルブ近傍部の要部拡大断面図、図４は、バルブ内に乾燥流体を閉じこめた状態を示すバルブ近傍部の要部拡大断面図である。
【００２１】
燃料電池システムのシステム起動停止直後は、図２に示すように、バルブ１の可動部となる弁体１２を開放状態に保ち、制御部１１によりコンプレッサー１０を駆動制御して乾燥流体を第１の導入管３と第２の導入管４に吹き込む。
【００２２】
すると、第１の導入管３に導入された乾燥流体は、バルブ１の可動部の上部から吹き込まれ、その内部１ａへと送り込まれる。バルブ１の内部１ａに付着した水分１３は、吹き込まれた乾燥流体によって下方へと送られる。このとき、水分１３には、それ自体の自重も作用することからバルブ１の上部から吹き込まれた乾燥流体によってスムーズに水分１３は下方へと流れ落ちる。
【００２３】
一方、第２の導入管４に導入された乾燥流体は、逆止弁２の入口に向けて上流側の斜め上方から流路内に吹き込まれるので、当該逆止弁２の流路内に付着する水分１３が外部へと吹き飛ばされる。
【００２４】
そして、図３に示すように、バルブ１の内部１ａ及び逆止弁２の流路内に付着した水分１３が除去されたら乾燥流体の導入を停止し、図４に示すように、バルブ１内の弁体１２を閉じて乾燥流体をバルブ１と逆止弁２の内部に閉じ込める。すると、逆止弁２は、下流から上流への流体移動は構造上出来ないため、結果として乾燥流体をバルブ１と逆止弁２の間で閉じ込め、当該乾燥流体をバルブ１内に充満させることができる。
【００２５】
乾燥流体は、一度閉じ込めると再起動してバルブ２内の弁体１２を開放するまではバルブ１の外部に出ることは出来ず、外部からの水分の浸入も出来ない。よって、バルブ１と逆止弁２の間は完全な乾燥状態を保てるため、バルブ１の外部（燃料電池システム）が氷点下に長時間保持されたとしても凍結を防止することができる。したがって、燃料電池システムの起動停止後、氷点下の下に長時間放置されてもバルブ１及び逆止弁２の内部には水分１３が存在しないことから、当該バルブ１を氷結させて固着させることを防止でき、システム停止状態から燃料電池システムを起動してもバルブ１よりアノードオフガスに含まれた水を排出させることができる。
【００２６】
「本実施の形態の作用・効果」
本実施の形態によれば、バルブ１の可動部に乾燥流体を吹き込むようにしているので、バルブ１内に吹き込んだ乾燥流体でバルブ可動部（弁体１２が可動する内部１ａ空間）に付着した水分１３を除去することができる。そのため、氷点下の下に燃料電池システムを停止して放置したとしてもバルブ可動部での水分凝固は起こらず、凍結によるバルブ１の固着を防止することができる。
【００２７】
また、本実施の形態によれば、バルブ１の可動部の上側から乾燥流体を吹き込んでいるため、吹き込まれた乾燥流体によってバルブ可動部に付着した水分１３が押し流され、当該乾燥流体による吹き込み力と水分自体の重力を利用して効率的にバルブ内部から水分１３を排出することができる。
【００２８】
また、本実施の形態によれば、バルブ１の可動部に乾燥流体を吹き込むタイミングを、起動停止直後のバルブ可動部が高温となっている状態のときに行うため、バルブ１の可動部に付着する水分１３が温度と粘度の関係より常温時より粘性が下がっていることから、水分除去を常温時より効率よく行うことができる。
【００２９】
また、本実施の形態によれば、バルブ可動部に吹き込んだ乾燥流体を充満させる構造としたので、バルブ可動部は乾燥流体で覆われる他、バルブ外部からの加湿流体の進入が生じないことから、燃料電池システム（バルブ）が氷点下環境に放置されてもバルブ可動部の固着を防止することができる。
【００３０】
また、本実施の形態によれば、バルブ１の上流側に逆止弁２を設けると共にバルブ内の弁体１２を閉じ、そのバルブ内に乾燥流体を充満させるので、バルブ内に充満された乾燥流体は逆止弁２の作用によりバルブ外部へ放出されることはなく、当該乾燥流体をバルブ内で保持させることができる。そのため、バルブ可動部を乾燥させることができ、当該バルブ内の水分１３を一切排除させることが可能となる。
【００３１】
また、本実施の形態によれば、逆止弁２の入口に向けて乾燥流体を吹き込むようにしているため、逆止弁入口に残存する水分１３を効率良く逆止弁外部へ排水させることができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、作動流体配管５の流路下端部５ａを、逆止弁２の流路下端部２ａよりも下方に設けたので、逆止弁入口に水分１３が溜まって凍結することを防止できる。
【００３３】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００３４】
例えば、第１の導入管３から乾燥流体をバルブ内に吹き込むのに、多少斜め方向からバルブ内へ乾燥流体を吹き込むようにしているが、バルブ内へストレートに乾燥流体を吹き込むように、第１の導入管３をバルブ１の軸線と同一軸線上に設けてもよい。
【００３５】
また、第２の導入管４から乾燥流体を逆止弁２の入口に向けて吹き込むのに、斜め上方から乾燥流体を吹き込むようにしているが、その傾斜角度は、逆止弁２の流路内に付着する水分１３を効率よく排出することができる角度とすることが望ましい。
【００３６】
また、図２から図４に示したバルブ１の形状は、一実施の形態であり、この形状に制限されることはなく、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】燃料電池システムの水素循環経路を示すブロック図である。
【図２】バルブの可動部と逆止弁の入口に向けて乾燥流体を吹き込んだ状態を示すバルブ近傍部の要部拡大断面図である。
【図３】バルブ内及び逆止弁内から水分を排除させた状態を示すバルブ近傍部の要部拡大断面図である。
【図４】バルブ内に乾燥流体を閉じこめた状態を示すバルブ近傍部の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…バルブ
２…逆止弁
２ａ…逆止弁の流路下端部
３…第１の導入管
４…第２の導入管
５…作動流体配管
５ａ…作動流体配管の流路下端部
６…配水管
７…燃料電池
８…水素循環器
９…水素ポンプ
１０…コンプレッサー
１１…制御部
１２…弁体
１３…水分
【図１】
2006147401.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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