(57)【要約】【課題】この発明は、路面に積雪がある場合や、路面が凍結している場合において、燃料電池スタックから排出される液体が、路面の積雪や凍結状態を溶かして路面状態を悪化させることを防止することができる車両用燃料電池システムの排水装置を実現することを目的とする。【解決手段】この発明は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第一気液分離器と、燃料電池スタックのカソード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第二気液分離器とを備えた燃料電池システムの排水装置において、第一気液分離器と第二気液分離器とから排出される液体を貯留する貯留タンクを設け、貯留タンクと接続され、この貯留タンクに貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器を設けていることを特徴する。【選択図】図１
2008166229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第一気液分離器と、
前記燃料電池スタックのカソード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第二気液分離器とを備えた燃料電池システムの排水装置において、
前記第一気液分離器と第二気液分離器とから排出される液体を貯留する貯留タンクを設け、
前記貯留タンクと接続され、この貯留タンクに貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器を設けていることを特徴する車両用燃料電池システムの排水装置。
【請求項２】
前記第二気液分離器により分離された気体を外部へ導く外部排出管と、前記気体を前記貯留タンクヘ導く導入管とのどちらか一方に切り換え可能な切換弁を設け、
前記切換弁は前記貯留タンクに貯留された液体を噴霧器により噴霧する時に、第二気液分離器と導入管とを連通させていることを特徴する請求項１に記載の車両用燃料電池システムの排水装置。
【請求項３】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第一気液分離器と、
前記燃料電池スタックのカソード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第二気液分離器とを備えた燃料電池システムの排水装置において、
前記第一気液分離器から排出される液体を貯留する第一貯留タンクを設け、
前記第二気液分離器から排出される液体を貯留する第二貯留タンクを設け、
前記第一貯留タンク、第二貯留タンクのそれぞれと接続され、これらの貯留タンクに貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器を設けていることを特徴する車両用燃料電池システムの排水装置。
【請求項４】
前記第一気液分離器及び第二気液分離器と、前記噴霧器とを接続する液体用配管を、
前記燃料電池スタックのカソード側へ空気を送出する供給管、あるいは前記燃料電池スタックのカソード側から排出される排気を送出する排出管の少なくともどちらか一方に接する位置に配管していることを特徴する請求項１又は請求項３のいずれか一項に記載の車両用燃料電池システムの排水装置。
【請求項５】
前記第二気液分離器により分離された気体を外部へ導く外部排出管近傍に前記噴霧器を設けていることを特徴する請求項１又は請求項３のいずれか一項に記載の車両用燃料電池システムの排水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は車両用燃料電池システムの排水装置に係り、特に、路面に積雪がある場合や、路面が凍結している場合において、燃料電池スタックから排出される液体が、路面の積雪や凍結状態を溶かして路面状態を悪化させることを防止することができる車両用燃料電池システムの排水装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載した車両用燃料電池システムにおいては、車両の駆動用エネルギ源として、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックを搭載している。図８に示すように、車両用燃料電池システム１０１の燃料電池スタック１０２は、アノードに接続されるアノード側電極１０３とカソードに接続されるカソード側電極１０４とを備えている。
燃料電池スタック１０２は、アノード側電極１０３にアノード側供給管１０５により接続される燃料タンク１０６を設けて燃料である水素を供給し、アノード側供給管１０５の途中に流量制御弁１０７を設けている。また、燃料電池スタック１０２は、カソード側電極１０４にカソード側供給管１０８により接続される空気圧縮機１０９を設けて酸化剤である空気を供給する。前記流量制御弁１０７と空気圧縮機１０９とは、車両用燃料電池システム１０１の制御手段１１０に接続している。
車両用燃料電池システム１０１は、制御手段１１０によって、燃料電池スタック１０２のアノード側に燃料である水素を供給するとともにカソード側に酸化剤である空気を供給し、水素と酸素との反応によって発電を行ない、発電した電力をアノード側電極１０３とカソード側電極１０４とに接続された外部負荷である駆動用モータ１１１に供給する。
車両用燃料電池システム１０１においては、燃料電池スタック１０２のカソード側では副生成物として水が生成される。カソード側で生成された水は、カソードに供給された気体である空気の排気とともにカソード側排気として燃料電池スタック１０２から排出される一方、一部の水は拡散により電解質膜を通ってアノード側に移動する。このため、車両用燃料電池システム１０１においては、燃料電池スタック１０２内の水を排出する排水装置１１２を設けている。
【０００３】
車両用燃料電池システム１０１の排水装置１１２は、燃料電池スタック１０２のアノード側電極１０３にアノード側排出管１１３により接続される第一気液分離器１１４を設けている。第一気液分離器１１４は、燃料電池スタック１０２から排出されたアノード側排気を気体と液体とに分離する。第一気液分離器１１４には、第一水位センサ１１５を設け、分離された気体を外部へと排出する第一気体用外部排出管１１６と分離された液体を外部へと排出する第一液体用外部排出管１１７とを接続している。第一液体用外部排出管１１７の途中には、第一液体用外部排出弁１１８を設けている。
また、排水装置１１２は、燃料電池スタック１０２のカソード側電極１０４にカソード側排出管１１９により接続される第二気液分離器１２０を設けている。第二気液分離器１２０は、燃料電池スタック１０２から排出されたカソード側排気を気体と液体とに分離する。第二気液分離器１２０には、第二水位センサ１２１を設け、分離された気体を外部へと排出する第二気体用外部排出管１２２と分離された液体を外部へと排出する第二液体用外部排出管１２３とを接続している。第二液体用外部排出管１２３の途中には、第二液体用外部排出弁１２４を設けている。
前記第一水位センサ１１５と第一液体用外部排出弁１１８と第二水位センサ１２１と第二液体用外部排出弁１２４とは、車両用燃料電池システム１０１の制御手段１１０に接続している。制御手段１１０は、第一水位センサ１１５及び／又は第二水位センサ１２１の検出する水位が設定値に達すると、第一液体用外部排出弁１１８及び／又は第二液体用外部排出弁１２４を開放し、第一気液分離器１１４及び／又は第二気液分離器１２０の液体を外部に放出する。
このように、車両用燃料電池システム１０１の排水装置１１２は、燃料電池スタック１０２のカソード側で生成された副生成物である水及びアノード側に移動して拡散した水を、第一気液分離器１１４及び第二気液分離器１２０により気体と液体である水とに分離して外部に排出する。
【０００４】
従来の車両用燃料電池システムの排水装置としては、燃料電池スタック内に残留する水分を霧化する霧化手段を備え、霧化した水を燃料電池スタック外部に排出可能な排出手段を備えたものがある。
【特許文献１】特開２００５−２５１５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図８に示す車両用燃料電池システム１０１の排水装置１１２においては、カソード側およびアノード側から排出された水分を、加湿のために利用される分を除いて、通常は燃料電池スタック１０２のカソード側・アノード側にそれぞれに設けた第一・第二気液分離器１１４・１２０によりそれぞれの排気から分離して貯留している。第一・第二気液分離器１１４・１２０に貯留された水は、水位が設定値に達すると第一・第二液体用外部排出弁１１８・１２４を設定時間だけ開放し、車両の外部（通常は路面）に排出していた。このとき、一般的な固体高分子型燃料電池を用いた車両用燃料電池システム１０１から排出される水の温度は、車両の暖機前はほぼ外気温と同じで、車両の暖機終了後は最高１００℃程度に達する。
車両用燃料電池システムを搭載した車両である燃料電池自動車は、現在、国内外複数の自動車メーカにより開発され、公道試験が盛んに行われている。また、一部メーカからは、リースという形態で販売され、今後コストダウンや性能向上、インフラの整備が進むにつれて、徐々に市場に浸透していくものと考えられる。
しかしながら、今後、車両用燃料電池システムを搭載した車両が市場に大量に普及すると、寒冷地においては燃料電池スタックから排出される液体、しかも時に高温の排出水により路面上の積雪や氷が溶かされることにより、路面状態を悪化させる問題がある。
このような問題に対しては、前記特許文献１に記載されるように、燃料電池スタック内の水を霧化する霧化手段を備え、水を霧化して外部に排出するものがある。しかしながら、この特許文献１に記載される車両用燃料電池システムの排水装置においては、霧化した水分が配管を通って排気口から排出されるものであることから、配管途中での再結露の可能性も高いため、霧化手段を複数設ける必要があり、構造が複雑化してコストの上昇を招く問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、路面に積雪がある場合や、路面が凍結している場合において、燃料電池スタックから排出される液体が、路面の積雪や凍結状態を溶かして路面状態を悪化させることを防止することができる車両用燃料電池システムの排水装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の車両用燃料電池システムの排水装置は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第一気液分離器と、前記燃料電池スタックのカソード側から排出される排気を気体と液体とに分離する第二気液分離器とを備えた燃料電池システムの排水装置において、前記第一気液分離器と第二気液分離器とから排出される液体を貯留する貯留タンクを設け、前記貯留タンクと接続され、この貯留タンクに貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器を設けていることを特徴する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の車両用燃料電池システムの排水装置は、燃料電池スタックから排出される液体を外気へ霧状に放出するので、路面に積雪がある場合や、路面が凍結している場合において、従来のような燃料電池スタックから排出される液体が、路面の積雪や凍結状態を溶かして、路面状態を悪化させることを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明の車両用燃料電池システムの排水装置は、燃料電池スタックから排出される液体を外気へ霧状に放出することで、路面の積雪や凍結状態を溶かして、路面状態を悪化させることを防ぐものである。
以下図面に基づいて、この発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００１０】
図１〜図６は、この発明の実施例を示すものである。図１は車両用燃料電池システムの排水装置の概略構成図、図２は排水装置の状態遷移図、図３は車両用燃料電池システムの概略構成図、図４は燃料電池スタックのスタックセルの断面図、図５は液体用配管をカソード側供給管及びカソード側排出管に接する位置に配管した状態の斜視図、図６は第二気体用外部排出管近傍に設けた噴霧器の斜視図である。
図３において、１は車両に搭載された車両用燃料電池システムである。車両用燃料電池システム１は、燃料である水素及び酸化剤である空気の供給を受けて発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２で発電された直流電力を三相交流電力に変換し、駆動用モータを駆動制御するインバータ３と、インバータ３より供給された電力によって駆動する駆動用モータ４とを備えている。駆動用モータ４で発生した駆動力は、変速機を介して駆動輪に伝達され、車両を走行させる。
なお、車両用燃料電池システム１には、燃料電池スタック２と並列に二次電池やキャパシタなどの蓄電装置を接続し、インバータ３ヘの電力供給を補助するとともに、燃料電池スタック２の発電電力や、車両減速時におけるインバータ３からの回生電力を受け入れる構成とする場合もある。
燃料電池スタック２とインバータ３とを繋ぐメイン高電圧バスである第１・第２メイン電線５・６には、燃料電池スタック２に酸化剤である圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ７が第１・第２サブ電線８・９により接続されている。エアコンプレッサ７は、大気中から吸入した空気を燃料電池スタック２が要求する圧力まで圧縮し、必要流量だけ供給するためのものである。また、第１・第２メイン電線５・６には、エアコンプレッサ７の他にも、車両の車室内空調用のエアコン用コンプレッサ等の高電圧で駆動される高電圧補機類１０が第３・第４サブ電線１１・１２により複数接続されている。
燃料電池スタック２の出力段である第１・第２サブ電線８・９よりも燃料電池スタック２側の第１・第２メイン電線５・６には、燃料電池スタック２への電流の逆流を防ぐための逆流防止ダイオード１３を備え、第１・第２メイン電線５・６から燃料電池スタック２を切り離すための燃料電池用リレー１４を備え、燃料電池スタック２の端子間電圧を測定する燃料電池用電圧計１５を備えている。
【００１１】
また、第３・第４サブ電線１１・１２よりインバータ３側の第１・第２メイン電線５・６には、双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６が第５・第６サブ電線１７・１８により接続されている。双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の低電圧側には、前照灯やラジオ、水ポンプ等のその他の車両補機類１９と、車両補機類１９を駆動するための補機駆動用バッテリ２０（通常は１２Ｖバッテリ）が、第７・第８サブ電線２１・２２により並列に接続されている。
双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池スタック２や蓄電装置からの電力、あるいはインバータ３からの回生電力の電圧を、車両補機類１９を駆動するための電圧（通常は１２Ｖ系統）に変換し、また、逆に車両補機類１９を駆動するための補機駆動用バッテリ２０の電圧を、高電圧補機類１０を駆動し、あるいは蓄電装置を補充電するための電圧に変換する。この双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、双方向型に限るものではなく、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータと降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの両方を並列に備えているものでも良い。
前記インバータ３、エアコンプレッサ７、高電圧補機類１０、燃料電池用リレー１４、燃料電池用電圧計１５、双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、車両補機類１９の各制御対象は、車両用燃料電池システム１の制御手段２３に接続されている。制御手段２３には、キースイッチや車速センサ、ブレーキスイッチ、シフト位置スイッチ等のセンサ類２４が接続されている。制御手段２３は、センサ類２４により収集した各種情報及び内部のメモリ２５に格納された情報を基に、前記インバータ３等の各制御対象を制御する。
【００１２】
この車両用燃料電池システム１の燃料電池スタック２は、図４に示すように、スタックセル２６を備えている。スタックセル２６は、水素及び空気（酸素）をそれぞれ供給されるアノード２７とカソード２８とに挟まれて、拡散層２９・３０及び反応活性化のための触媒層３１・３２、そして中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜３３を配設している。燃料電池スタック２は、最小単位のスタックセル２６を複数積層し、隣接する二つのスタックセル２６の、一方のスタックセル２６のカソード２８と他方のスタックセル２６のアノード２７とを導電体により電気的に接続している。
アノード２７とカソード２８との間に電解質膜３３を挟みこむことにより構成されたスタックセル２６を複数積層した燃料電池スタック２は、図１に示すように、積層方向一端のスタックセル２６のアノード２７に接続されるアノード側電極３４と、積層方向他端のスタックセル２６のカソード２８に接続されるカソード側電極３５とを備えている。
燃料電池スタック２は、アノード側電極３４にアノード側供給管３６により接続される燃料タンク３７を設けて燃料である水素を供給し、アノード側供給管３７の途中に流量制御弁３８を設けている。また、燃料電池スタック２は、カソード側電極３５にカソード側供給管３９により接続される前記エアコンプレッサ７を設けて酸化剤である空気を供給する。前記流量制御弁３８とエアコンプレッサ７とは、車両用燃料電池システム１の前記制御手段２３に接続している。
車両用燃料電池システム１は、制御手段２３によって、燃料電池スタック２のアノード２７側に燃料である水素を供給するとともにカソード２８側に酸化剤である空気を供給し、水素及び酸素の反応によって発電を行ない、発電した電力をアノード側電極３４とカソード側電極３５とに接続された外部負荷である前記駆動用モータ４に供給する。
【００１３】
燃料電池スタック２の発電にかかわる電気化学反応と、それに付随する水の生成について、図４に基づき説明する。スタックセル２６のアノード２７に供給された水素分子は、アノード２７の電解質膜３３側の表面にある触媒層３１において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。図４において、［１］で示されるこの反応は、式１で表される。
式１により発生した水素イオンは、電解質膜３３に含まれる水分を伴ってアノード２７側からカソード２８側へと電解質膜３３中を移動し、また、電子は外部回路を通じてカソード２８に移動する。外部回路に介装された外部負荷である前記駆動用モータ４には、電子の移動により電流が流れる。
一方、カソード２８に供給された空気中の酸素分子は、触媒層３２において外部回路から供給された電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜３３を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図４において、［２］で示されるこの反応は、式２で表される。このようにして生成された水分の一部は、濃度拡散によりカソード２８側からアノード２７側へと移動する。
【００１４】
この車両用燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池スタック２内の水を排出する排水装置４０を設けている。排水装置４０は、燃料電池スタック２のアノード側電極３４にアノード側排出管４１により接続される第一気液分離器４２を設けている。第一気液分離器４２は、燃料電池スタック２から排出されたアノード側排気を気体と液体とに分離する。第一気液分離器４２には、水位を検出する第一水位センサ４３を設け、分離された気体を外部へと排出する第一気体用外部排出管４４と分離された液体を外部へと排出する第一液体用外部排出管４５とを接続している。第一液体用外部排出管４５の途中には、第一液体用外部排出弁４６を設けている。
また、排水装置４０は、燃料電池スタック２のカソード側電極３５にカソード側排出管４７により接続される第二気液分離器４８を設けている。第二気液分離器４８は、燃料電池スタック２から排出されたカソード側排気を気体と液体とに分離する。第二気液分離器４８には、水位を検出する第二水位センサ４９を設け、分離された気体を外部へと排出する第二気体用外部排出管５０と分離された液体を外部へと排出する第二液体用外部排出管５１とを接続している。第二液体用外部排出管５１の途中には、第二液体用外部排出弁５２を設けている。
排水装置４０は、第一液体用外部排出管４５と第二液体用外部排出管５１とが接続される貯留タンク５３を設けている。貯留タンク５３は、前記第一気液分離器４２と第二気液分離器４８とから排出される液体を貯留する。貯留タンク５３には、液体を外部へ導く噴霧用排出管５４の一端側を接続している。噴霧用排出管５４の他端側には、貯留タンク５３に貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器５５を設けている。噴霧用排出管５４の途中には、噴霧器５５から液体を噴霧させる時に開かれる開閉弁５６を設けている。
排水装置４０は、前記第二気液分離器４８により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０と貯留タンク５３とを接続する導入管５７を設けている。第二気体用外部排出管５０と導入管５７との接続部分には、第二気液分離器４８により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０と、前記気体を貯留タンク５３ヘ導く導入管５７との、どちらか一方に切り換え可能な切換弁５８を設けている。切換弁５８は、貯留タンク５３に貯留された液体を噴霧器５５により噴霧する時に、第二気液分離器４８と導入管５７とを連通させ、第二気液分離器４８の圧力を貯留タンク５３に導く。
【００１５】
前記貯留タンク５３には、水位を検出する貯留タンク水位センサ５９を設け、圧力を検出する圧力センサ６０を設け、タンク内圧を外部へ導く減圧通路６１を設けている。減圧通路６１の途中には、タンク内圧を外部へ逃がす時に開かれる減圧弁６２を設けている。
前記第一水位センサ４３、第一液体用外部排出弁４６、第二水位センサ４９、第二液体用外部排出弁５２、開閉弁５６、切換弁５８、貯留タンク水位センサ５９、圧力センサ６０、減圧弁６２は、車両用燃料電池システム１の前記制御手段２３に接続している。
制御手段２３は、第一水位センサ４３及び／又は第二水位センサ４９の検出する水位が設定値に達した場合に、減圧弁６２を開放するとともに第一液体用外部排出弁４６及び／又は第二液体用外部排出弁５２を開放し、第一気液分離器４２及び／又は第二気液分離器４８の液体を貯留タンク５３に導入する。制御手段２３は、貯留タンク５３への液体の導入が終了すると、減圧弁６２を閉塞するとともに第一液体用外部排出弁４６及び／又は第二液体用外部排出弁５２を閉塞する。
また、制御手段２３は、貯留タンク水位センサ５９の検出する水位が設定値に達した場合に、切換弁５８により第二気液分離器４８と導入管５７とを連通させて第二気液分離器４８により分離された気体の圧力を貯留タンク５３に導入し、開閉弁５６を開放して噴霧器５５から液体を噴霧させる。制御手段２３は、貯留タンク５３の内圧が設定圧力に達すると、切換弁５８により第二気液分離器４８と第二気体用外部排出管５０とを連通させて分離された気体を外部へ導びき、貯留タンク５３からの液体の噴霧が終了すると、開閉弁５６を閉塞する。
【００１６】
次に、作用を説明する。
車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、図２に示すように、初期状態（Ｓ０１）では、第一気液分離器４２を貯留タンク５３に接続する第一液体用外部排出管４５の第一液体用外部排出弁４６、第二気液分離器４８を貯留タンク５３に接続する第二液体用外部排出管５１の第二液体用外部排出弁５２、貯留タンク５３を噴霧ノズル５５に接続する噴霧用排出管５４の開閉弁５６、そして貯留タンク５３の減圧弁６２をそれぞれ閉塞し、また、第二気体用外部排出管５０に配した切換弁５８により貯留タンク５３側への導入管５７を閉塞とした状態である。
この状態（Ｓ０１）において、第二気液分離器４８の水位が上昇し、第二水位センサ４９の検出する水位が設定された高水位に達すると、第二液体用外部排出管５１の第二液体用外部排出弁５２を開放し、状態（Ｓ０２）に遷移する。この時、同時に貯留タンク５３の圧力を抜くため、減圧弁６２を開放する。また、第一液体用外部排出管４５の第一液体用外部排出弁４６、噴霧用排出管５４の開閉弁５６、貯留タンク５３側への導入管５７は、閉鎖している。
この状態（Ｓ０２）において、設定時間△ｔが経過し、第二気液分離器４８の水位が設定された低水位まで低下すると、第二液体用外部排出管５１の第二液体用外部排出弁５２及び貯留タンク５３の減圧弁６２を閉塞し、状態（Ｓ０１）に戻る。
同様に、状態（Ｓ０１）において、第一気液分離器４２の水位が上昇し、第一水位センサ４３の検出する水位が設定された高水位に達すると、第一液体用外部排出管４５の第一液体用外部排出弁４６を開放し、状態（Ｓ０３）に遷移する。この時、同時に貯留タンク５３の圧力を抜くため、減圧弁６２を開放する。また、第二液体用外部排出管５１の第二液体用外部排出弁５２、噴霧用排出管５４の開閉弁５６、貯留タンク５３側への導入管５７は、閉鎖している。
この状態（Ｓ０３）において、設定時間△ｔが経過し、第一気液分離器４２の水位が設定された低水位まで低下すると、第一液体用外部排出管４５の第一液体用外部排出弁４６及び貯留タンク５３の減圧弁６２を閉塞し、状態（Ｓ０１）に戻る。
【００１７】
状態（Ｓ０１）において、貯留タンク５３中の水位が上昇し、貯留タンク水位センサ５９の検出する水位が設定された高水位に達すると、第二気体用外部排出管５０に配した切換弁５８の貯留タンク５３側への導入管５７を開放し、状態（Ｓ０４）に遷移する。このとき、第一液体用外部排出弁４６、第二液体用外部排出弁５２、開閉弁５６、減圧弁６２は、閉鎖している。これにより、貯留タンク５３には、カソード側排気が導入され、タンク内圧力が上昇する。
状態（Ｓ０４）において、貯留タンク５３に備えた圧力センサ６０の検出する圧力が設定値に達すると、第二気体用外部排出管５０に配した切換弁５８により貯留タンク５３側への導入管５７を閉塞し、貯留タンク５３を噴霧器５５に接続する噴霧用排出管５４の開閉弁５６を開放することにより噴霧器５５から水を外気に噴霧する、状態（Ｓ０５）に遷移する。この時、氷点下であれば、噴霧された霧状の水は瞬時に凍結し、粉状の氷となって大気中に拡散される。また、第一液体用外部排出弁４６、第二液体用外部排出弁５２、減圧弁６２は、閉鎖している。
状態（Ｓ０５）において、貯留タンク５３の水位が設定された低水位まで低下すると、貯留タンク５３から噴霧器５５に接続する噴霧用排出管５４の開閉弁５６を閉塞し、初期状態（Ｓ０１）に戻る。また、第一液体用外部排出弁４６、第二液体用外部排出弁５２、減圧弁６２、導入管５７は、閉鎖している。
【００１８】
このように、この車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、燃料電池スタック２から排出される液体を外気へ霧状に放出するので、噴霧された霧状の水は、極低温時には瞬時に氷結し、また氷結するに至らない温度域においても、気中に大きく霧散されるため、路面に積雪がある場合や、路面が凍結している場合において、従来のような燃料電池スタックから排出される液体が、路面の積雪や凍結状態を溶かして、路面状態を悪化させることを防ぐことができる。
また、排水装置４０は、第二気液分離器４８により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０と、前記気体を貯留タンク５３ヘ導く導入管５７との、どちらか一方に切り換え可能な切換弁５８を設け、貯留タンク５３に貯留された液体を噴霧器５５により噴霧する時に、切換弁５８によって第二気液分離器４８と導入管５７とを連通させて、第二気液分離器４８の圧力を貯留タンク５３に導いているので、貯留タンク５３から液体を噴霧させるための動力源を、専用に新たに付加する必要がない。これにより、この排水装置４０は、構成の簡素化に貢献できる。
【００１９】
上述したように、車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、排水による路面の積雪や結氷の溶解防止には有効である。一方、排水装置４０は、カソード２７及びアノード２８側の第一・第二気液分離器４２・４８から貯留タンク５３に至る第一・第二液体用外部排出管４５・５１や、貯留タンク５３から噴霧器５５に至る噴霧用排出管５４が常に水で満たされており、寒冷時にはこれら液体用配管４５・５１・５４や噴霧器５５の凍結が懸念される。
一般的に、車両用燃料電池システム１においては、エアコンプレッサ７から燃料電池スタック２に至るカソード側供給管３９は、エアコンプレッサ７の圧縮仕事に伴う圧縮空気の昇温により加熱される。空気温度は、空気の圧力や流量に依存するが、その最大値は一般的に１００℃以上の高温となる。また、燃料電池スタック２からのカソード側排出管４７もまた、燃料電池スタック２での電気化学反応における反応熱により加熱され、固体高分子型燃料電池の場合、その最大温度は６０℃〜１００℃程度である。
そこで、この車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、第一・第二液体用外部排出管４５・５１や噴霧用排出管５４からなる液体用配管やの凍結を防止するために、図５・図６に示すように、カソード側供給管３９及びカソード側排出管４７のカソード側配管の廃熱を利用する構成としている。
【００２０】
図５に示す排水装置４０は、第一気液分離器４２及び第二気液分離器４８と、噴霧器５５とを接続する液体用配管である第一・第二液体用外部排出管４５・５１を、燃料電池スタック２のカソード２８側へ空気を送出するカソード側供給管３９に接する位置に配管し、固定用ブラケット６３により固定している。
つまり、排水装置４０は、第一気液分離器４２及び第二気液分離器４８と、噴霧器５５とを接続する液体用配管である第一・第二液体用外部排出管４５・５１や噴霧用排出管５４を、燃料電池スタック２のカソード２８側へ空気を送出するカソード側供給管３９、あるいは燃料電池スタック２のカソード２８側から排出される排気を送出するカソード側排出管４７の少なくともどちらか一方に接する位置に配管する。
これにより、この車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、燃料電池スタック２の反応熱により加温された空気が通過するカソード側配管（カソード２８ヘ空気を送り出すためのカソード側供給管３９、カソード２８から外部へ排気を送出するカソード側排出管４７）に接して、液体を排出するため液体用配管である第一・第二液体用外部排出管４５・５１や噴霧用排出管５４を設けているので、専用の凍結防止装置を新たに付加することなく、液体用配管内の液体の凍結を防止することができる。また、この排水装置４０は、システム暖機前の冷間時において、液体用配管が一時的に凍結したとしても、システムの暖機に伴いカソード側配管が加熱されるため、その熱伝播により液体用配管中の氷も溶解することができる。
【００２１】
また、図６に示す排水装置４０は、第二気液分離器４２により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０近傍の排気口６４に臨ませて噴霧器５５を設けている。
これにより、この車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、燃料電池スタック２の反応熱により加温された空気が通過する第二気体用外部排出管５０のそばに噴霧器５５を設けているので、専用の凍結防止装置を新たに付加することなく、噴霧器５５の凍結を防止することができる。
【００２２】
図７は、車両用燃料電池システムの排水装置の変形例を示すものである。この変形例において、前述実施例と同一機能を果たす箇所には、同一符合を付して説明する。
車両用燃料電池システム１は、図３のように構成されている。車両用燃料電池システム１の燃料電池スタック２は、図４のように構成されている。
車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、図７に示すように、燃料電池スタック２のアノード側電極３４にアノード側排出管４１により接続される第一気液分離器４２を設け、第一気液分離器４２に第一水位センサ４３を設け、第一気液分離器４２に第一気体用外部排出管４４と第一液体用外部排出管４５とを接続し、第一液体用外部排出管４５の途中に第一液体用外部排出弁４６を設けている。また、排水装置４０は、燃料電池スタック２のカソード側電極３５にカソード側排出管４７により接続される第二気液分離器４８を設け、第二気液分離器４８に第二水位センサ４９を設け、第二気液分離器４８に第二気体用外部排出管５０と第二液体用外部排出管５１とを接続し、第二液体用外部排出管５１の途中に第二液体用外部排出弁５２を設けている。
【００２３】
この排水装置４０は、第一液体用外部排出管４５に接続されて第一気液分離器４２から排出される液体を貯留する第一貯留タンク６５を設け、第二液体用外部排出管５１に接続されて第二気液分離器４８から排出される液体を貯留する第二貯留タンク６６を設けている。第一貯留タンク６５には、液体を外部へ導く第一噴霧用排出管６７の一端側を接続している。第二貯留タンク６６には、液体を外部へ導く第二噴霧用排出管６８の一端側を接続している。第一噴霧用排出管６７の他端側と第二噴霧用排出管６８の他端側とは、集合して集合噴霧用排出管６９に接続している。
集合噴霧用排出管６９の他端側には、第一貯留タンク６５と第二貯留タンク６６とに貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器７０を設けている。第一噴霧用排出管６７の途中には、噴霧器７０から第一貯留タンク６５の液体を噴霧させる時に開かれる第一開閉弁７１を設けている。第二噴霧用排出管６８の途中には、噴霧器７０から第二貯留タンク６６の液体を噴霧させる時に開かれる第二開閉弁７２を設けている。
排水装置４０は、前記第二気液分離器４８により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０と第一貯留タンク６５、第二貯留タンク６６とを接続する導入管７３を設けている。導入管７３は、一端側を第二気体用外部排出管５０に接続し、他端側を分岐して第一貯留タンク６５、第二貯留タンク６６に接続している。第二気体用外部排出管５０と導入管７３との接続部分には、第二気液分離器４８により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０と、前記気体を第一貯留タンク６５、第二貯留タンク６６ヘ導く導入管７３との、どちらか一方に切り換え可能な切換弁７４を設けている。切換弁７４は、第一貯留タンク６５、第二貯留タンク６６に貯留された液体を噴霧器７０により噴霧する時に、第二気液分離器４８と導入管７３とを連通させ、第二気液分離器４８の圧力を第一貯留タンク６５、第二貯留タンク６６に導く。
前記第一貯留タンク６５には、水位を検出する第一貯留タンク水位センサ７５を設け、圧力を検出する第一圧力センサ７６を設け、タンク内圧を外部へ導く第一減圧通路７７を設けている。第一減圧通路７７の途中には、タンク内圧を外部へ逃がす時に開かれる第一減圧弁７８を設けている。前記第二貯留タンク６６には、水位を検出する第二貯留タンク水位センサ７９を設け、圧力を検出する第二圧力センサ８０を設け、タンク内圧を外部へ導く第二減圧通路８１を設けている。第二減圧通路８１の途中には、タンク内圧を外部へ逃がす時に開かれる第二減圧弁８２を設けている。
【００２４】
前記第一水位センサ４３、第一液体用外部排出弁４６、第二水位センサ４９、第二液体用外部排出弁５２、第一開閉弁７１、第二開閉弁７２、切換弁７４、第一貯留タンク水位センサ７５、第一圧力センサ７６、第一減圧弁７８、第二貯留タンク水位センサ７９、第二圧力センサ８０、第二減圧弁８２は、車両用燃料電池システム１の前記制御手段２３に接続している。
制御手段２３は、第一水位センサ４３及び／又は第二水位センサ４９の検出する水位が設定値に達した場合に、第一減圧弁７８及び／又は第二減圧弁８２を開放するとともに第一液体用外部排出弁４６及び／又は第二液体用外部排出弁５２を開放し、第一気液分離器４２及び／又は第二気液分離器４８の液体を夫々第一貯留タンク６５及び／又は第二貯留タンク６６に導入する。制御手段２３は、第一貯留タンク６５及び／又は第二貯留タンク６６への液体の導入が終了すると、第一減圧弁７８及び／又は第二減圧弁８２を閉塞するとともに第一液体用外部排出弁４６及び／又は第二液体用外部排出弁５２を閉塞する。
また、制御手段２３は、第一貯留タンク水位センサ７５及び／又は第二貯留タンク水位センサ７９の検出する水位が設定値に達した場合に、切換弁７４により第二気液分離器４８と導入管７３とを連通させて第二気液分離器４８により分離された気体の圧力を第一貯留タンク６５及び／又は第二貯留タンク６６に導入し、第一開閉弁７１及び／又は第二開閉弁７２を開放して噴霧器７０から液体を噴霧させる。制御手段２３は、第一貯留タンク６５及び／又は第二貯留タンク６６の内圧が設定圧力に達すると、切換弁７４により第二気液分離器４８と第二気体用外部排出管５０とを連通させて分離された気体を外部へ導びき、第一貯留タンク６５及び／又は第二貯留タンク６６からの液体の噴霧が終了すると、第一開閉弁７１及び／又は第二開閉弁７２を閉塞する。
【００２５】
このように、この車両用燃料電池システム１の排水装置４０は、第一気液分離器４２から排出される液体を貯留する第一貯留タンク６５を設け、第二気液分離器４８から排出される液体を貯留する第二貯留タンク６６を設け、これら第一貯留タンク６５、第二貯留タンク６６のそれぞれと接続され、これらの貯留タンク６５・６６に貯留された液体を外気へ霧状に噴霧する噴霧器７０を設けている。
これにより、この排水装置４０は、前述実施例と同様に、燃料電池スタック２から排出される液体を外気へ霧状に放出するので、噴霧された霧状の水は、極低温時には瞬時に氷結し、また氷結するに至らない温度域においても、気中に大きく霧散されるため、路面に積雪がある場合や、路面が凍結している場合において、従来のような燃料電池スタックから排出される液体が、路面の積雪や凍結状態を溶かして、路面状態を悪化させることを防ぐことができる。
また、この排水装置４０は、前述実施例と同様に、第一気液分離器４２及び第二気液分離器４８と、噴霧器７０とを接続する液体用配管である第一・第二液体用外部排出管４５・５１や第一・第二噴霧用排出管６７・６８、集合噴霧用排出管６９を、燃料電池スタック２のカソード側供給管３９、あるいはカソード側排出管４７の少なくともどちらか一方に接する位置に配管することで（図５参照）、専用の凍結防止装置を新たに付加することなく、液体用配管内の液体の凍結を防止することができ、システム暖機前の冷間時において、液体用配管が一時的に凍結したとしても、システムの暖機に伴いカソード側配管が加熱されるため、その熱伝播により液体用配管中の氷も溶解することができる。
さらに、この排水装置４０は、前述実施例と同様に、第二気液分離器４８により分離された気体を外部へ導く第二気体用外部排出管５０近傍に臨ませて噴霧器７０を設けることで（図６参照）、専用の凍結防止装置を新たに付加することなく、噴霧器７０の凍結を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
この発明の車両用燃料電池システムの排水装置は、燃料電池スタックから排出される液体を外気へ霧状に放出することで、路面の積雪や凍結状態を溶かして、路面状態を悪化させることを防ぐものであり、エネルギ源として燃料電池システムを搭載した産業機器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施例を示す車両用燃料電池システムの排水装置の概略構成図である。
【図２】排水装置の状態遷移図である。
【図３】車両用燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】燃料電池スタックのスタックセルの断面図である。
【図５】液体用配管をカソード側供給管に接して配管した状態の斜視図である。
【図６】第二気体用外部排出管近傍に設けた噴霧器の斜視図である。
【図７】変形例を示す車両用燃料電池システムの排水装置の概略構成図である。
【図８】従来例を示す車両用燃料電池システムの排水装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  車両用燃料電池システム
２  燃料電池スタック
７  エアコンプレッサ
２３  制御手段
２７  アノード
２８  カソード
３３  電解質膜
３７  燃料タンク
４０  排水装置
４２  第一気液分離器
４８  第二気液分離器
５３  貯留タンク
５４  噴霧用排出管
５５  噴霧器
５７  導入管
５８  切換弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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