(57)【要約】【課題】  燃料電池を好適に掃気可能とする燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料ガス流路４および酸化剤ガス流路５を有し、燃料ガス流路４に燃料ガスが、酸化剤ガス流路５に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池２と、燃料ガス流路４の下流端に接続した配管２１ａと、オフガス配管２１ａの下流端に接続し、オフガスを気液分離する気液分離器２１と、気液分離器２１に接続し、気液分離されたガスを燃料電池２の燃料ガス供給側に戻す配管２１ａと、配管２４ａに接続し、燃料電池２の掃気時にオフガスが流通する配管２４ａ、２４ｂと、掃気オフガス配管２４ａ、２４ｂに設けられ、燃料電池２の掃気時に開かれる掃気弁２４と、を備えた燃料電池システム１であって、配管２１ａと配管２４ａとの接続点Ｃから掃気弁２４側の圧力損失は、接続点Ｃから気液分離器２１側の圧力損失より小さい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の下流端に接続したオフガス配管と、当該オフガス配管の下流端に接続し、オフガスを気液分離する気液分離器と、当該気液分離器に接続し、気液分離されたガスを前記燃料電池の燃料ガス供給側に戻す分離ガス戻し配管と、前記オフガス配管に接続し、前記燃料電池の掃気時にオフガスが流通する掃気オフガス配管と、当該掃気オフガス配管に設けられ、前記燃料電池の掃気時に開かれる掃気弁と、を備えた燃料電池システムであって、
前記オフガス配管と前記掃気オフガス配管との接続点から前記掃気弁側の圧力損失は、前記接続点から前記気液分離器側の圧力損失より、小さいことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記掃気オフガス配管内の最小流路断面積は、前記オフガス配管の前記接続点から前記気液分離器側の流路の最小流路断面積より、大きい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】
前記掃気弁の高さ位置は前記接続点より高く、前記接続点と前記掃気弁との間の掃気オフガス配管は、前記掃気弁に向かって高くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の下流端に接続したオフガス配管と、当該オフガス配管の下流端に接続し、オフガスを気液分離する気液分離器と、当該気液分離器に接続し、気液分離されたガスを前記燃料電池の燃料ガス供給側に戻す分離ガス戻し配管と、前記オフガス配管に接続し、前記燃料電池の掃気時にオフガスが流通する掃気オフガス配管と、当該掃気オフガス配管に設けられ、前記燃料電池の掃気時に開かれる掃気弁と、を備えた燃料電池システムであって、
前記掃気弁の高さ位置は、前記オフガス配管と前記掃気オフガス配管との接続点より高く、当該接続点と前記掃気弁との間の掃気オフガス配管は、前記掃気弁に向かって高くなっていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって低くなっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記オフガス配管は、前記気液分離器に向かって低くなってい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。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池という場合もある）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下電解質膜という）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した酸化剤ガス（例えば加湿した空気）を、カソード側に供給する方法などが一般に採用されている。
【０００３】
このように、発電により生成した水や加湿により、燃料電池内を流通するガスの含水量は高くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝結する。ゆえに、燃料電池が冬季や寒冷地で使用された場合などであって、燃料電池を停止した後に氷点下に曝されると、燃料電池内が凍結してしまう場合がある。
【０００４】
そこで、このような凍結を防止するために、燃料電池の停止時または起動時などに、燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路を、空気（掃気ガス）で掃気（空気パージ）する方法が提案されている。
【０００５】
一方、燃料ガス（水素ガス）を効率的に利用するために、燃料ガス流路の下流側に気液分離器を接続し、燃料ガス流路から排出されたオフガス中の未反応の燃料ガスを分離し、分離した燃料ガスを水素供給側に戻す構成とした「燃料電池発電装置」が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３２１３１６号公報（段落番号００１６〜００２４、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１に記載された燃料電池発電装置では、燃料電池の掃気時に、燃料電池の燃料ガス流路から、気液分離器に多量の水が供給されてしまい、気液分離器がオーバーフローする場合があった。その結果、オーバーフローした水が、水素ガス供給側に戻されてしまう場合があった。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池を好適に掃気可能とする燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の下流端に接続したオフガス配管と、当該オフガス配管の下流端に接続し、オフガスを気液分離する気液分離器と、当該気液分離器に接続し、気液分離されたガスを前記燃料電池の燃料ガス供給側に戻す分離ガス戻し配管と、前記オフガス配管に接続し、前記燃料電池の掃気時にオフガスが流通する掃気オフガス配管と、当該掃気オフガス配管に設けられ、前記燃料電池の掃気時に開かれる掃気弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記オフガス配管と前記掃気オフガス配管との接続点から前記掃気弁側の圧力損失は、前記接続点から前記気液分離器側の圧力損失より、小さいことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
ここで、「掃気ガス」とは、燃料電池内の水などを、燃料電池外に押し出し、燃料電池内を掃除するための所定圧力のガスであり、例えば、空気、窒素などである。そして、「燃料電池を掃気する」とは、掃気ガスを燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に導入し、燃料電池内の水などを外に押し出すことである。
また、「燃料電池の掃気時」とは、燃料電池の停止時、起動時などに燃料電池内の水を外に押し出すときである。
さらに、「オフガス配管に接続した掃気オフガス配管」とは、掃気オフガス配管が、オフガス配管の最上流端や最下流端に接続した場合も含むものとする。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、オフガス配管と掃気オフガス配管との接続点から掃気弁側の圧力損失は、接続点から気液分離器側の圧力損失より、小さい構成としたことで、燃料電池の掃気時において、掃気ガスによって、燃料電池の燃料ガス流路から押し出された水は、接続点から掃気オフガス配管を経由する掃気弁側に、主として流れる。したがって、気液分離器がオーバーフローしにくくなり、分離ガス戻し配管を介して燃料ガス供給側に水が戻されることは防止される。よって、燃料電池を好適に掃気することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記掃気オフガス配管内の最小流路断面積は、前記オフガス配管の前記接続点から前記気液分離器側の流路の最小流路断面積より、大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、接続点から掃気オフガス配管側の圧力損失は、接続点から気液分離器側の圧力損失より小さくなる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、前記掃気弁の高さ位置は前記接続点より高く、前記接続点と前記掃気弁との間の掃気オフガス配管は、前記掃気弁に向かって高くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムである。
【００１５】
ここで、「接続点と掃気弁との間の掃気オフガス配管は、掃気弁に向かって高くなっている」とは、後記する実施形態で説明するように、「接続点と掃気弁との間の掃気オフガス配管」の全体が上り勾配である場合だけでなく、例えば、上り勾配部分を有する場合や、掃気弁に向かって階段状で高くなっている場合や、接続点から掃気オフガス配管が水平方向に配置された後、掃気弁の直前で鉛直方向に立ち上がっている場合や、掃気オフガス配管が掃気弁との接続直前で若干ながら低くなっていても、接続点と掃気弁との間で実質的に高くなっているに等しい状態とみなせる場合を含む。「実質的に高くなっているに等しい状態」とは、掃気後に掃気弁近傍の水が、掃気オフガス配管を、接続点側（＝上流側）に向かって流れ込み可能な状態である。
なお、このことは請求項４に係る発明においても同様であり、さらに、請求項５における「前記掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって低くなっている」と、請求項７における「前記オフガス配管は、前記気液分離器に向かって低くなっている」に関しても同様とする。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の掃気後において、掃気弁近傍の水が、掃気弁と接続点との間の掃気オフガス配管を、接続点側（＝上流側）に向かって流れやすくなる。したがって、掃気弁に水が溜まりにくくなり、掃気弁の凍結を防止できる。
【００１７】
また、接続点と掃気弁との間の掃気オフガス配管は、掃気弁に向かって上り勾配部分を有する構成とすることが好ましい。掃気オフガス配管をこのような構成とすれば、燃料電池の掃気時に、掃気ガスによって燃料電池から押し出された水が、前記上り勾配部分をかけ上がり、高い位置の掃気弁に到達しやすくなる。したがって、掃気弁の凍結を防止しつつ、掃気時に燃料電池から押し出された水を、掃気オフガス配管を介して好適に排出することができる。さらに、接続点と掃気弁との間の掃気オフガス配管の全体が、上り勾配であると最適である。なお、このことは請求項４に係る発明においても同様である。
【００１８】
請求項４に係る発明は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の下流端に接続したオフガス配管と、当該オフガス配管の下流端に接続し、オフガスを気液分離する気液分離器と、当該気液分離器に接続し、気液分離されたガスを前記燃料電池の燃料ガス供給側に戻す分離ガス戻し配管と、前記オフガス配管に接続し、前記燃料電池の掃気時にオフガスが流通する掃気オフガス配管と、当該掃気オフガス配管に設けられ、前記燃料電池の掃気時に開かれる掃気弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記掃気弁の高さ位置は、前記オフガス配管と前記掃気オフガス配管との接続点より高く、当該接続点と前記掃気弁との間の掃気オフガス配管は、前記掃気弁に向かって高くなっていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の掃気後において、掃気弁近傍の水が、掃気弁と接続点との間の掃気オフガス配管を、接続点側（＝上流側）に向かって流れやすくなる。したがって、掃気弁に水が溜まりにくくなり、掃気弁が凍結することが防止される。すなわち、掃気弁の作動性は確保され、その結果として、燃料電池の掃気時に掃気弁を開き、燃料電池を好適に掃気することができる。
【００２０】
請求項５に係る発明は、前記掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって低くなっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。
【００２１】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の掃気後において、掃気弁近傍の水が、掃気弁の下流側の掃気オフガス配管を、下流側に向かって流れやすくなる。したがって、掃気弁内に水が溜まりにくくなり、掃気弁の凍結を防止できる。
なお、掃気弁の下流側の掃気オフガス配管は、下流側に向かって下り勾配部分を有することが好ましく、特に、掃気弁の下流側の掃気オフガス配管全体が下り勾配であると最適である。
【００２２】
請求項６に係る発明は、前記オフガス配管は、前記気液分離器に向かって低くなってい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である。
【００２３】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の掃気後、燃料電池内に残存した水が、オフガス配管を、気液分離器に向かって流れやすくなる。したがって、燃料電池内の水を外部に確実に排出することができる。
なお、オフガス配管は、気液分離器に向かって下り勾配部分を有することが好ましく、特に、オフガス配管全体が下り勾配であると最適である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池を好適に掃気可能とする燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照して説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２から図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する図であり、図２は燃料電池の通常発電時、図３は燃料電池の掃気時、図４は燃料電池の掃気後の停止時を示す。
【００２６】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車の停止時または起動時（燃料電池２の停止時または起動時）に、燃料電池２に掃気ガスを供給し、燃料電池２の燃料ガス流路４および酸化剤ガス流路５を掃気するシステムである。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２のアノード側に水素ガス（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系と、燃料電池２のカソード側に加湿空気（酸化剤ガス、反応ガス）または掃気ガス（非加湿空気）を供給・排出するカソード系と、掃気時に掃気ガスをカソード系からアノード系に導く掃気ガス導入系とを主に備えている。
【００２８】
＜燃料電池＞
燃料電池２（燃料電池スタック）は、主として、１価の陽イオン交換型の電解質膜３の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体とも称される）が、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜３の全面に水素ガス（燃料ガス）、加湿空気（酸化剤ガス）を供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などが燃料ガス流路４、酸化剤ガス流路５として機能している。燃料ガス流路４には水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、酸化剤ガス流路５には、加湿空気が流通し、この流通する加湿空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、加湿空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池２から大きな電力を取り出すことが可能となっている。
【００２９】
＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池２のアノード側に配置され、水素ガスを供給・排出する系である。以下、アノード系の水素ガス供給側、水素ガス排出側の順で説明する。
【００３０】
＜アノード系−水素供給側＞
アノード系の水素供給側は、水素ガスが貯蔵された水素タンク１１と、遮断弁１２と、エゼクタ１３とを主に備えている。水素タンク１１は、配管１１ａを介して下流側の遮断弁１２に接続しており、遮断弁１２は配管１２ａを介してエゼクタ１３に接続している。そして、エゼクタ１３は、配管１３ａを介して、燃料ガス流路４に連通する燃料電池２の燃料ガス導入口４ａに接続している。また、遮断弁１２とエゼクタ１３との間の配管１２ａには、減圧弁（図示しない）が設けられている。
したがって、遮断弁１２を開くと、水素ガスが所定に減圧された後、燃料ガス流路４に供給されるようになっている。
【００３１】
＜アノード系−水素排出側＞
アノード系の水素排出側は、燃料電池２の通常発電時に、燃料ガス流路４から排出されたガス（以下、アノードオフガス）を気液分離する気液分離器２１と、ドレン弁２２と、未反応の水素ガスを希釈する希釈器２３と、掃気時に開かれる掃気弁２４とを主に備えている。
【００３２】
［気液分離器］
気液分離器２１（キャッチタンク）は、通常発電時にアノードオフガスを気液分離して、アノードオフガス中の未反応の水素ガスを回収するための機器である。気液分離器２１の上流側は、配管２１ａ（オフガス配管）を介して、燃料ガス流路４に連通する燃料電池２の燃料ガス排出口４ｂに接続している。そして、気液分離器２１は、冷媒が流通する冷媒配管（図示しない）などを備えており、配管２１ａから導入されるアノードオフガスを所定温度に冷却することで、未反応の水素ガスと水とに気液分離可能となっている。ただし、気液分離器２１の気液分離する方式はこれに限定されず、例えば遠心力により分離する方式であってもよい。
気液分離器２１の下流側は、配管２１ｂ（分離液体排出配管）を介してドレン弁２２と、配管２１ｃ（分離ガス戻し配管）を介してエゼクタ１３とにそれぞれ接続している。配管２１ｂは、分離された水（液体）が排出されるように、気液分離器２１の適所（底壁など）に設けられている。配管２１ｃは、分離された未反応の水素ガスが排出されるように、気液分離器２１の適所（上壁など）に設けられている。
【００３３】
［ドレン弁］
ドレン弁２２は、配管２２ａを介して、下流側の希釈器２３に接続している。したがって、通常発電時にドレン弁２２を適宜に開くことにより、気液分離器２１で分離された水が、配管２１ｂ、ドレン弁２２、配管２２ａを介して、希釈器２３に流れるようになっている。
また、ドレン弁２２は、燃料電池２の掃気時にも開かれ、掃気ガスおよび押し出された水が、希釈器２３に流れるようになっている。
【００３４】
［希釈器］
希釈器２３（希釈ボックス）は、水素ガスを含むアノードオフガスなどを希釈するため、内部に希釈空間を有する箱状の機器である。希釈器２３の上流側は、前記した配管２２ａの他、後記する配管２４ｂと、配管３１ｂとに接続している。
そして、配管２２ａ、配管２４ｂから希釈器２３内に供給されたアノードオフガスなどは、配管３１ｂから供給されるカソードオフガスによって希釈された後、希釈器２３の所定位置に設けられた配管を介して、外気中に排出されるようになっている。
【００３５】
［掃気弁］
掃気弁２４（掃気排出弁）は開閉式の止め弁であり、掃気弁２４の上流側は、配管２４ａ（掃気オフガス配管）を介して、配管２１ａ（オフガス配管）の略中間の接続点Ｃに接続している。言い換えると、配管２４ａは、配管２１ａに分岐するように接続しており、配管２４ａの下流端に掃気弁２４が接続している。一方、掃気弁２４の下流側は、配管２４ｂ（掃気オフガス配管）を介して、希釈器２３に接続している。
なお、本実施形態において、特許請求の範囲における「掃気オフガス配管」は、配管２４ａと配管２４ｂとで構成されている。
【００３６】
そして、燃料電池２の掃気時や、循環により水分量が多くなった水素ガスを排出（パージ）するとき（以下、水素パージ時）に、掃気弁２４を開くことで、掃気時には燃料電池２から排出された掃気ガス（オフガス）と共に燃料電池２から押し出された水が、水素パージ時には含水量の高い水素ガス（オフガス）が、配管２４ａ、掃気弁２４、配管２４ｂを順に流通し、希釈器２３に送られるようになっている。
【００３７】
ここで、配管２１ａ（オフガス配管）、配管２４ａ（掃気オフガス配管）、配管２４ｂ（掃気オフガス配管）について、さらに詳細に説明する。
【００３８】
配管２１ａは、下流側の気液分離器２１に向かって、高低差Δｈ３で低くなる下り勾配部分を有している。すなわち、配管２１ａは気液分離器２１に向かって、その高さ位置が低くなっている。したがって、図４に示すように、燃料電池２の掃気後の停止時に、燃料電池２の燃料ガス流路４に僅かに水が残存しても、この水が配管２１ａを介して気液分離器２１に流れ込み（図４、矢印Ａ７参照）、燃料電池２が凍結しないようになっている。
【００３９】
配管２４ａおよび配管２４ｂは、配管２１ａより太い内径を有している。言い換えると、配管２４ａおよび配管２４ｂ内の最小流路断面積は、配管２１ａの接続点Ｃから気液分離器２１側の流路の最小流路断面積より大きくなっている。すなわち、接続点Ｃから掃気弁２４側の圧力損失は、接続点Ｃから気液分離器２１側の圧力損失より、小さくなっている。
【００４０】
したがって、図３に示すように、燃料電池２の掃気時に掃気弁２４が開かれたとき、接続点Ｃから掃気弁２４側に流れる流体（主に、掃気ガス＋押し出された水）の流量（図３、矢印Ａ２、矢印Ａ３参照）は、接続点Ｃから気液分離器２１側に流れる流体（主に、掃気ガス＋押し出された水）の流量（図３、矢印Ａ４参照）より多くなっている。よって、掃気時に、燃料電池２の燃料ガス流路４から大量の水が押し出されたとしても、気液分離器２１がオーバーフローしにくくなっている。その結果として、配管２１ｃを介して、水素ガス供給側のエゼクタ１３に水が戻されることが防止されている。
なお、図３では、流量に比例して、矢印Ａ２、Ａ３、Ａ４の太さを描いている。
【００４１】
また、配管２４ａの全体は、図１に示すように、接続点Ｃから掃気弁２４に向かって、高低差（Δｈ１）で高くなる上り勾配となっている。すなわち、配管２４ａは掃気弁２４に向かって、その高さ位置が高くなっている。
したがって、図４に示すように、燃料電池２の掃気後の停止時に、掃気弁２４近傍に残存した水が、配管２４ａを上流側（＝接続点Ｃ側）に向かって流れた後、接続点Ｃから配管２１ａを気液分離器２１に向かって流れるようになっている（図４、矢印Ａ５参照）。よって、掃気弁２４の凍結が防止されるようになっている。また、燃料電池２の掃気時においても、掃気ガスによって燃料電池２から押し出された水が、例えば配管２４ａが途中位置で鉛直上向きに立ち上がる場合などに比べて、上り勾配である配管２４ａをかけ上がり、高い位置の掃気弁２４に到達しやすく、好適に排出可能となっている。
【００４２】
さらに、掃気弁２４の高さ位置は、燃料ガス排出口４ｂよりも低い方が好ましい。このように、掃気弁２４の高さ位置が燃料ガス排出口４ｂより低いと、燃料ガス排出口４ｂにおける押し出された水の位置エネルギより、掃気弁２４における押し出された水の位置エネルギが小さくなり、押し出された水が配管２４ａをかけ上がって、掃気弁２４に到達しやすくなるからである。
【００４３】
さらにまた、配管２４ｂの全体は、下流側の希釈器２３に向かって、高低差（Δｈ２）で低くなる下り勾配となっている。すなわち、配管２４ｂは、下流側に向かって、その高さ位置が低くなっている。
したがって、図４に示すように、燃料電池２の掃気後の停止時に、掃気弁２４近傍に残存した水が、配管２４ｂを下流側（＝希釈器２３側）に向かって流れるようになっている（図４、矢印Ａ６参照）。よって、掃気弁２４の凍結が防止されるようになっている。
【００４４】
なお、燃料電池２の通常発電時は、掃気弁２４が閉じられるため、図２に示すように、燃料電池２の燃料ガス排出口４ｂから排出されたアノードオフガスは、配管２１ａを気液分離器２１に向かって流れる（図２、矢印Ａ１参照）。
【００４５】
＜カソード系＞
次に、図１に戻って、カソード系について説明する。
カソード系は、燃料電池２のカソード側に配置され、主として、空気（通常発電時は加湿空気、掃気時は非加湿空気である掃気ガス）を供給・排出する系であり、ポンプ３１（コンプレッサ）を主に備えている。
【００４６】
＜カソード系−空気供給側＞
まず、カソード系の空気供給側について説明すると、ポンプ３１は、外気を取り込み、所定に圧縮して燃料電池２に送る機器である。ポンプ３１は、配管３１ａを介して、燃料電池２の酸化剤ガス流路５に連通する酸化剤ガス導入口５ａに接続している。また、配管３１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池２の通常発電時は、この加湿器で、ポンプ３１で取り込まれた空気を加湿可能となっている。
【００４７】
＜カソード系−空気排出側＞
次に、カソード系の空気排出側について説明すると、配管３１ｂの上流端は、酸化剤ガス流路５の酸化剤ガス排出口５ｂに接続している。そして、配管３１ｂの下流端は、前記したアノード系の希釈器２３に接続している。したがって、酸化剤ガス流路５から排出されるカソードオフガス（通常発電時は加湿空気＋生成した水、掃気時は掃気ガス＋押し出された水）が、配管３１ｂを介して希釈器２３に供給されるようになっている。
【００４８】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、燃料電池２の掃気時に、掃気ガス（空気）を、カソード系からアノード系に導く系であり、開閉弁４１（掃気導入弁）を主に備えている。
開閉弁４１の上流側は、配管４１ａを介して、カソード系の配管３１ａ（前記加湿器の下流側）に接続している。開閉弁４１の下流側は、配管４１ｂを介して、アノード系の配管１３ａに接続している。
【００４９】
したがって、燃料電池２の掃気時に、開閉弁４１および前記した掃気弁２４を開くことで、カソード系からアノード系に掃気ガスを導入し、酸化剤ガス流路５と共に燃料ガス流路４を掃気可能となっている。一方、燃料電池２の通常発電時は開閉弁４１および掃気弁２４は閉じられる。
【００５０】
このように本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、「燃料電池２の掃気時」において、燃料ガス流路４から押し出された水が、接続点Ｃから圧力損失の小さい掃気弁２４側に優先的に流れる（図３、矢印Ａ２、Ａ３、Ａ４参照）。その結果として、気液分離器２１がオーバーフローせず、配管２１ｃを介して水素ガス供給側に水が戻ることが防止される。
【００５１】
また、掃気弁２４の上流側の配管２４ａは、掃気弁２４に向かって上り勾配であり、掃気弁２４の下流側の配管２４ｂは、下流側（＝希釈器２３側）に向かって下り勾配であるため、「燃料電池２の掃気後の停止時」において、掃気弁２４近傍の水が上流側（図４、矢印Ａ５参照）や、下流側（図４、矢印Ａ６参照）に流れやすくなっている。これにより、掃気弁２４は凍結しにくくなり、次回の掃気に備えて、掃気弁２４の作動性を好適に確保することができる。
【００５２】
さらに、燃料電池２の燃料ガス排出口４ｂと気液分離器２１とを接続する配管２１ａは、下り勾配であるため、「燃料電池２の掃気後の停止時」において、燃料電池２に残存する水が、配管２１ａを介して気液分離器２１に流れやすくなっている（図４、矢印Ａ７参照）。よって、燃料電池２の凍結を防止することができる。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
【００５４】
前記した実施形態では、配管２４ａ、２４ｂの内径を、配管２１ａの内径より太く設定することで、言い換えると、配管２４ａ、２４ｂ内の最小流路断面積を、配管２１ａ内の最小流路断面積より大きく設定することで、燃料電池２の掃気時に掃気弁２４が開かれたとき、接続点Ｃから掃気弁２４側の圧力損失が、接続点Ｃから気液分離器２１側の圧力損失より小さくなるとしたが、圧力損失差を設定する方法はこれに限定されず、例えば、配管２１ａの接続点Ｃの下流側（＝気液分離器２１側）を長くすることで、圧力損失差を設定してもよい。
【００５５】
前記した実施形態では、配管２４ａは、配管２１ａの略中間に接続しているとしたが、配管２４ａの接続位置（＝接続点Ｃの位置）は、例えば、配管２１ａの最上流端や、最下流端であってもよく、このような位置であっても、本発明の技術的範囲に属する。
【００５６】
前記した実施形態では、配管２４ａは、その全体が下流側の掃気弁２４に向かって上り勾配であるとしたが、その他に例えば、配管２４ａは部分的に上り勾配部分を有する構成であってもよいし、階段状で高くなる構成や、接続点Ｃから配管２４ａが水平方向に配置された後、掃気弁２４の直前で鉛直方向に立ち上がる構成などであってもよい。
同様に、配管２４ｂ、配管２１ａも、部分的に下り勾配部分を有する構成などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００５８】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
４      燃料ガス流路
５      酸化剤ガス流路
２１    気液分離器
２１ａ  配管（オフガス配管）
２１ｃ  配管（分離ガス戻し配管）
２４    掃気弁
２４ａ、２４ｂ  配管（掃気オフガス配管）
Δｈ１、Δｈ２、Δｈ３  高低差
Ｃ      接続点                                                                                
【図１】
2006147450.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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