(57)【要約】【課題】水貯留槽内が負圧になっても同タンク内に排水口から外気が吸い込まれることを防止すること。【解決手段】水抜き装置１０は、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池システムに使用される。水貯留槽１１は、燃料電池から水素と共に排出される水を貯留する。水貯留槽１１の底部の排水口１２に対応して開閉弁１３が設けられる。この開閉弁１３を開弁することにより、水貯留槽１１の水が排水口１２を通じて外部へ抜かれる。排水口１２に対応して設けられた逆止弁３９は、水貯留槽１１から外部へ向かう水流を許容し、外部から水貯留槽１１へ向かう空気流を遮断する。開閉弁１３は、水位検出器１４で検出される水貯留槽１１内の水位が所定値を越えるときにコントローラ１５により開弁制御される。【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発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに使用される水抜き装置であって、
前記燃料電池から水素と共に排出される水を貯留する水貯留槽と、
前記水貯留槽の底部に設けられた排水口と、
前記排水口に対応して設けられた開閉弁と
を備え、前記開閉弁を開弁することにより前記水貯留槽に貯留された水を前記排水口を通じて外部へ抜くように構成した燃料電池システムの水抜き装置において、
前記水貯留槽から外部へ向かう水流を許容し、前記外部から前記水貯留槽へ向かう空気流を遮断する逆止弁を前記排水口に対応して設けたことを特徴とする燃料電池システムの水抜き装置。
【請求項２】
前記水貯留槽内の水位を検出するための水位検出手段と、
前記検出される水位が所定値を越えるときに前記開閉弁を開弁制御するための制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水抜き装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて燃料電池から水素と共に排出される水を外部へ抜くように構成した水抜き装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の燃料電池システムとして、例えば、下記の特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１には、メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、燃料電池セルに改質ガスを供給するようにした燃料電池システムが記載される。この燃料電池システムは、燃料電池セルから排出される水分を貯留する水回収タンクと、その水回収タンクの下部に接続され、水回収タンク内及び水経路内の水を全て排水可能な切り換えバルブと、水回収タンク内における水液面高さを検出する液面計と、その液面計による検出結果に基づいて切り換えバルブを駆動制御する制御回路とを備える。この燃料電池システムは、同システムの運転が停止される際に、液面計により検出される液面高さが所定値より高いときに、制御回路が切り換えバルブを開放させ、水回収タンク内及び水経路内の水を全て迅速に排出させるようになっている。これにより、運転停止時における凍結を防止するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２１４３０号公報（第２〜５頁、図１，２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、水回収タンクから水を排出するために切り換えバルブが開放されるとき、そのタンクの内圧が負圧になることが考えられる。この場合、切り換えバルブが開放されると同時に、水回収タンク内に空気が吸い込まれるおそれがある。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、水貯留槽内が負圧になることがあっても、同タンク内に排水口から外気が吸い込まれることを防止することを可能とした燃料電池システムの水抜き装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに使用される水抜き装置であって、燃料電池から水素と共に排出される水を貯留する水貯留槽と、水貯留槽の底部に設けられた排水口と、排水口に対応して設けられた開閉弁とを備え、開閉弁を開弁することにより水貯留槽に貯留された水を排水口を通じて外部へ抜くように構成した燃料電池システムの水抜き装置において、水貯留槽から外部へ向かう水流を許容し、外部から水貯留槽へ向かう空気流を遮断する逆止弁を排水口に対応して設けたことを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、燃料電池から水素と共に排出される水は、水貯留槽に貯留される。ここで、開閉弁を開弁することにより、水貯留槽に貯留された水が、同タンクの底部に設けられた排水口から外部へ抜かれ、水貯留槽内の水位が下がる。排水口から外部へ水が抜かれるとき、逆止弁により水貯留槽から外部へ向かう水流が許容される。一方、水貯留槽内が負圧になるときは、開閉弁が開弁されても、外部から水貯留槽へ向かう空気流が逆止弁により遮断される。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、水貯留槽内の水位を検出するための水位検出手段と、検出される水位が所定値を越えるときに開閉弁を開弁制御するための制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、水位検出手段により検出される水位が所定値を越えるとき、開閉弁が制御手段により開弁制御されるので、水貯留槽内の水位が所定値を越えない水位に自動調節される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの水抜き装置を具体化した一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１に燃料電池システムの概略構成図を示す。このシステムは、主として燃料タンク１、改質器２、燃料電池３、トラップ装置４、ポンプ５、コンプレッサ６、レギュレータ２７及び電磁弁２８を備えて構成される。燃料タンク１は、水素の原料となる天然ガスやメタノール等の燃料を貯留する。改質器２は、燃料タンク１から送られる燃料を分解して水素を取り出す。改質器２により取り出された水素はレギュレータ２７で調圧され、電磁弁２８を通過して燃料電池３へ送られる。燃料電池３には、コンプレッサ６により圧縮された酸素（空気）が供給される。燃料電池３では、改質器２から送られる水素とコンプレッサ６から送られる酸素とを反応させて発電が行われる。水素と酸素の反応過程で生じる水は燃料電池３から外部へ排出される。この実施の形態で、燃料電池３で発電された電気は、バッテリ７に蓄えられる。バッテリ７に蓄えられた電気は、モータ８で動力を発生させるために使用される。
【００１２】
トラップ装置４は、燃料電池３において発電の過程で余った水素をリサイクルするために、燃料電池３から水素と共に排出される水を回収し処理する。トラップ装置４は、主として気液分離器９と水抜き装置１０から構成される。燃料電池３から排出される水分混じりの水素は、ポンプ５により吸い上げられて気液分離器９へ送られる。気液分離器９では、水分混じりの水素が、水素（気体）と水（液体）とに分離される。分離された水素は、改質器２にて取り出される水素に合流して再び燃料電池３へ送られる。分離された水は、水抜き装置１０により回収され、外部へ抜かれる。
【００１３】
この実施の形態で、水抜き装置１０は、主として水貯留槽１１、排水口１２、開閉弁１３、水位検出器１４及びコントローラ１５を備えて構成される。水貯留槽１１は、燃料電池３から排出されて気液分離器９で分離される水を貯留する。排水口１２は、水貯留槽１１の底部に設けられる。開閉弁１３は、排水口１２に対応して設けられる。水位検出器１４は、水貯留槽１１内の水位を検出するためのものであり、本発明の水位検出手段に相当する。コントローラ１５は、水位検出器１４により検出される水位が所定値を越えるときに開閉弁１３を開弁制御するためのものであり、本発明の制御手段に相当する。上記のように構成した水抜き装置１０は、開閉弁１３を開弁することにより、水貯留槽１１に貯留された水が排水口１２から外部へ抜かれる。
【００１４】
図２，３に、トラップ装置４の構造を断面図に示す。図４，５に、水貯留槽１１の底部付近を拡大断面図に示す。気液分離器９は、ほぼ円筒状をなして内部にサイクロン室２１ａを形成するサイクロン２１により構成される。サイクロン２１の上部側面には、接線方向に延びる気液入口２２が設けられる。サイクロン２１の下部には、下方へ延びる液出口２３が設けられる。サイクロン２１の上側には、上方へ延びる気排出路２４が設けられる。
【００１５】
気液分離器９で分離される水分混じりの水素は、ポンプ５により気液入口２２を通じてサイクロン室２１ａに吸い込まれる。このとき、水分混じりの水素は、サイクロン２１の接線方向からサイクロン室２１ａに送り込まれることにより、同室２１ａにて渦巻き状に旋回させられ、遠心力により水素と水とに分離される。分離された水は、液出口２３を通じて水抜き装置１０へ流れ下る。分離された水素は、気排出路２４へ排出される。
【００１６】
水貯留槽１１は、上部ケース３１及び下部ケース３２を互いにフランジ３１ａ，３２ａにて接合することにより構成される。両フランジ３１ａ，３２ａの間には、シール３３が介在される。水貯留槽１０は、その内部に水を貯留するフロート室１１ａを含む。ほぼ円筒状をなす上部ケース３１の上部には、気液分離器９の液出口２３に連通する液入口３４が設けられる。漏斗状をなす下部ケース３２の底部には、排水通路３５を含む排水部３２ｂが設けられる。排水部３２ｂは、側方へ向かって開口する凹部３２ｃを含む。排水通路３５の開口３５ａは、この凹部３２ｃに連通して設けられる。排水口１２は、排水部３２ｂの底面に設けられる。排水部３２ｂの端部には、開閉弁１３が固定される。電磁弁より構成される開閉弁１３は、ソレノイド３６により駆動される弁体３７を含む。弁体３７の先端は、排水通路３５の開口３５ａに対して進退可能に設けられる。
【００１７】
排水口１２に対応して、排水部３２ｂの底面には、シートプレート３８が固定される。このプレート３８には、上下に貫通する複数の連通孔３８ａが設けられる。このプレート３８には、各連通孔３８ａを開閉可能とした逆止弁３９が取り付けられる。逆止弁３９は、ゴム製等の弾性材から形成される。図４，５に示すように、逆止弁３９は軸部３９ａと傘部３９ｂとを含む。逆止弁３９の軸部３９ａはシートプレート３８に対して垂直に組み込まれて固定される。逆止弁３９の傘部３９ｂは、エンドプレート３８の下面側に配置される。
【００１８】
図２，３に示すように、水位検出器１４は、棒状をなす検出器本体１６と、その本体１６に沿って上下動可能に設けられたフロート１７とを備える。フロート１７は、フロート室１１ａの水面に浮かび、その水位と共に上下に変位可能である。この水位検出器１４は、検出器本体１６内に設けられた上下二つのリミットスイッチ１８Ａ，１８Ｂが、フロート１７内に設けられた上下二つのマグネット１９Ａ，１９Ｂに近接することにより所定の水位を検出するようになっている。即ち、フロート室１１ａ内の水位が、図３に示すように、所定値Ｈ１を越えて高くなったとき、その所定値Ｈ１に対応する位置に配置されたリミットスイッチ１８Ａがマグネット１９Ａに反応して高水位を示す検出信号を出力する。又、フロート室１１ａ内の水位が、図２に示すように、所定値Ｈ２を下回って低くなったとき、フロート１７が検出器本体１６の下端まで下がり、その所定値Ｈ２に対応する位置に配置されたリミットスイッチ１８Ｂがマグネット１９Ｂに反応して低水位を示す検出信号を出力する。
【００１９】
開閉弁１３と水位検出器１４はコントローラ１５に接続される。コントローラ１５は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリ等を備えた周知構成のものである。このメモリには、水位検出器１４からの検出信号に基づいて開閉弁１３を制御するための制御プログラム等が格納される。
【００２０】
この制御プログラムの一つの内容は以下の通りである。燃料電池システムの通常運転時において、コントローラ１５は、水位検出器１４からの高水位を示す検出信号が入力されるとき、開閉弁１３に開弁信号を出力する。これにより、開閉弁１３の弁体３７を駆動させて排水通路３５の開口３５ａを開く。コントローラ１５は、水位検出器１４からの低水位を示す検出信号が入力されるとき、開閉弁１３に閉弁信号を出力する。これにより、開閉弁１３の弁体３７を駆動させて排水通路３５の開口３５ａを閉じる。
【００２１】
この制御プログラムの別の内容は以下の通りである。燃料電池システムの停止直後において、コントローラ１５は、水位検出器１４からの検出信号の入力にかかわらず、タイマー制御により開閉弁１３に所定時間Ｔ１だけ開弁信号を出力して、開閉弁１３を所定時間Ｔ１だけ開弁保持した後、開閉弁１３に閉弁信号を出力する。ここで、上記の所定時間Ｔ１とは、水貯留槽１１内の水面がフロート１７に接触しなくなる程度の時間として予め確認されたものである。
【００２２】
以上説明したこの実施の形態の水抜き装置１０によれば、燃料電池システムの通常運転時において、燃料電池３から水素と共に排出される水は、トラップ装置４の気液分離器９にて水素と水に分離され、その分離された水が水抜き装置１０の水貯留槽１１に回収され、貯留される。
【００２３】
ここで、図２に示すように、水貯留槽１１内の水位が所定の低水位（所定値Ｈ２）を下回るときは、その水位が水位検出器１４により検出され、コントローラ１５が開閉弁１３を閉弁する。これにより、排水通路３５の開口３５ａが開閉弁１３の弁体３７により閉鎖され、排水通路３５から排水口１２へ向かう水流が遮断される。
【００２４】
一方、図３に示すように、水貯留槽１１内の水位が所定の高水位（所定値Ｈ１）を越えるときは、その水位が水位検出器１４により検出され、コントローラ１５が開閉弁１３を開弁する。これにより、排水通路３５の開口３５ａが弁体３７により開放され、排水通路３５から排水口１２へ向かう水の流れが許容される。従って、水貯留槽１１に貯留された水が排水口１２からエンドプレート３８の連通孔３８ａを通じて外部へ抜かれ、水貯留槽１１内の水位が低下する。このようにして、水貯留槽１１内の水位が所定値Ｈ１〜Ｈ２の範囲でほぼ一定に保たれる。
【００２５】
ここで、図３，４に示すように、水貯留槽１１から排水口１２と連通孔３８ａを通じて外部へ水が抜かれるときには、逆止弁３９の傘部３９ｂが下方向へ変形することから、連通孔３８ａが逆止弁３９により塞がれることはなく、排水口１２及び連通孔３８ａから外部へ向かう水流が許容される。通常は水貯留槽１１内が正圧となることから、開閉弁１３や逆止弁３９が開いても、排水通路３５を通じて水貯留槽１１内に外気が入り込むことはない。
【００２６】
一方、電磁弁２８が閉固着したり、ポンプ５の過回転現象が発生したりした場合には、水貯留槽１１内が負圧となるおそれがあり、図５に示すように、開閉弁１３が開弁されるときには、水貯留槽１１内の負圧が連通孔３８ａを通じて逆止弁３９に作用し、その傘部３９ｂが吸引力により上方向へ変形して連通孔３８ａが塞がれる。従って、開閉弁１３が開弁されても、排水口１２及び排水通路３５を通じて水貯留槽１１へ向かう空気流が逆止弁３９により遮断される。このため、水貯留槽１１内が負圧になっても、同タンク１１内に排水口１２及び排水通路３５を通じて外気が吸い込まれることを未然に防止することができる。これにより、燃料電池システムの水素循環系において不用意な酸素の浸入を未然に防止することができる。
【００２７】
この実施の形態の水抜き装置１０によれば、水位検出器１４により検出される水貯留槽１１内の水位が所定値を越えるときに、開閉弁１３がコントローラ１５により開弁制御されるので、水貯留槽１１内の水位が所定値を越えないように自動調節される。これにより、水貯留槽１１内の水位管理と水抜きの自動化を図ることができる。
【００２８】
この実施の形態の水抜き装置１０によれば、燃料電池システムの運転停止直後には、開閉弁１３が所定時間だけ開弁保持されるので、水貯留槽１１内の水位が強制的に下げられる。このため、システム停止後に、水貯留槽１１内の水が凍結して氷の膨張により水位が上昇しても、その上昇によりフロート１７が持ち上がることがない。従って、水凍結時に燃料電池システムを始動させても、水位検出器１４が誤って高水位を検出することがない。この結果、システム始動時に、開閉弁１３が誤って開弁されることがなく、水貯留槽１１内へ不用意に外気を浸入させることがない。又、水が解凍されても開閉弁１３が誤って開弁されることがなく、水貯留槽１１内の水素を不用意に外部へ排出することがない。
【００２９】
尚、この発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明の構成によれば、水貯留槽内が負圧になることがあっても、同タンク内に排水口から外気が吸い込まれることを未然に防止することができるという効果がある。
【００３１】
請求項２に記載の発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、水貯留槽内の水位管理と水抜きの自動化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】トラップ装置の構造を示す断面図。
【図３】トラップ装置の構造を示す断面図。
【図４】水貯留槽の底部付近を示す拡大断面図。
【図５】水貯留槽の底部付近を示す拡大断面図。
【符号の説明】
３    燃料電池
１０  水抜き装置
１１  水貯留槽
１２  排水口
１３  開閉弁
１４  水位検出器（水位検出手段）
１５  コントローラ（制御手段）
３９  逆止弁
【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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