(57)【要約】【課題】  呼び水用の制御弁内部に滞留している水がポンプに到達して凍結することによる作動不良を招来する可能性を低減することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、燃料電池スタック１にて用いられる水を貯留する水貯留タンク２１から吸い上げた水を循環させる水循環ポンプ２２の吐出側に接続された大気への連通路４０に設けられ且つ水循環ポンプ２２よりも低い位置に設けられる制御バルブ３０を制御する。これにより、この燃料電池システムにおいては、運転開始時には、制御バルブ３０を開制御することにより、水循環ポンプ２２に呼び水を供給することが可能であり、且つ、運転停止時には、この制御バルブ３０内部に滞留していた水が水循環ポンプ２２に到達することを無くす。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池に水を循環させる燃料電池用水供給装置であって、
前記燃料電池に循環させる水を貯留する水貯留タンクと、
前記水貯留タンクと前記燃料電池とを接続する水供給配管と、
前記水貯蔵タンクの水貯留面より高い位置に設けられ、前記水貯留タンクに貯留された水を、前記水供給配管を介して前記燃料電池に供給する水循環ポンプと、
前記水貯留タンク内及び水供給配管内を空気圧で加圧する空気供給手段と、
前記水循環ポンプの水吐出口より低い水供給配管に接続され、大気に連通した連通路と、
前記連通路部分に設けられた制御弁と、
前記燃料電池への水の供給停止時に、前記制御弁を開状態にして前記水循環ポンプ及び水供給配管内の少なくとも一方の水を前記連通路を介して外部に排出させる制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池用水供給装置。
【請求項２】
前記連通路は、前記水循環ポンプの水吐出側の前記水供給配管との接続位置から、前記制御弁が設けられている位置に近くなるほど、前記水循環ポンプの設置位置に対して低い位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項３】
前記水循環ポンプの水吐出側の前記水供給配管に設けられ、前記燃料電池に供給する水に含まれる異物を除去する異物除去手段を更に備え、
前記連通路と、前記水循環ポンプの水吐出側の前記水供給配管との接続位置は、前記水循環ポンプの水吐出口と前記異物除去手段とを接続する水供給配管に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項４】
前記異物除去手段は、前記連通路と前記水循環ポンプの水吐出側の前記水供給配管との接続位置よりも、高い位置に配設されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項５】
前記空気供給手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化剤ガスとして空気を供給することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池への水の供給開始時には、前記空気供給手段から供給される空気圧によって前記水貯留タンク内を加圧させると共に、前記制御弁を開放して前記水循環ポンプの水吸入側を水吐出側よりも高圧にした後、前記水循環ポンプを駆動させることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池への水の供給停止時には、前記空気供給手段から供給される空気圧を前記水供給配管に導入させた後、前記制御弁を開放させることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項８】
前記連通路は、前記水循環ポンプの水吐出側の前記水供給配管と接続され、当該水供給配管との接続位置に対して高くなる位置に配設されている第１配管部と、当該第１配管部と接続され前記制御弁が設けられている位置に近くなるほど前記水循環ポンプの設置位置に対して低い位置に配設されている第２配管部とからなることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項９】
前記水貯留タンクに接続された空気入口となる配管又は空気出口となる配管に設けられ、当該水貯留タンク内の圧力を調整するオリフィス部を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池への水の供給開始時には、前記空気供給手段から供給される空気圧によって前記水貯留タンク内を加圧させると共に、前記制御弁を開放して前記水循環ポンプの水吸入側を水吐出側よりも高圧にした後、前記水循環ポンプを駆動させることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池用水供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに含まれ、燃料電池を発電させているときに、当該燃料電池内を加湿するために燃料電池等に水を供給する燃料電池用水供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質膜の加湿や燃料電池スタックの冷却といった用途に水を必要とする。このため、燃料電池システムは、通常、燃料電池スタックに水を供給すると共に、この水を回収して循環させるために、貯水タンク、水循環ポンプ、及び所定の配管からなるシステムを備えている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、運転を停止したまま氷点下で放置すると、水循環ポンプや配管の内部で水が凍結し、これに起因して、運転不能となったり、凍結による膨張によって配管等を破損したりするといった事態を招来するおそれがある。
【０００４】
そこで、このような運転停止時における凍結を防止するために、従来では、システムの起動時に空気圧を貯水タンクに導入すると共に、水循環ポンプの吐出側に配置された大気への連絡路を開閉する制御弁を開放して水循環ポンプに呼び水を供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
具体的には、この特許文献１には、燃料電池本体と、冷却水を貯留するタンクと、このタンクに貯留されている冷却水を燃料電池本体に導いた後、タンクに還流させる水路と、この水路に設けられ冷却水を水路に循環させる水循環ポンプと、この水循環ポンプ停止時に、水路内に残存する冷却水をタンクに回収させる冷却水回収手段とを備える燃料電池システムが開示されている。これにより、この燃料電池システムは、寒冷地で用いた場合であっても、速やかに起動することができるとしている。
【特許文献１】特開平９−１４７８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、運転中に呼び水用の制御弁内部に滞留した水が落下してポンプ部に到達するおそれがあった。したがって、この燃料電池システムにおいては、氷点下での水の凍結により、次回の起動時に作動不良を招来する可能性が否めないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、呼び水用に滞留させている水がポンプに到達して凍結する可能性を低減することができる燃料電池用水供給装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池に水を循環させる燃料電池用水供給装置であって、燃料電池に循環させる水を貯留する水貯留タンクと、水貯留タンクと燃料電池とを接続する水供給配管と、水貯蔵タンクの水貯留面より高い位置に設けられ、水貯留タンクに貯留された水を、水供給配管を介して燃料電池に供給する水循環ポンプと、水貯留タンク内及び水供給配管内を空気圧で加圧する空気供給手段と、水循環ポンプの水吐出口より低い水供給配管に接続され、大気に連通した連通路と、連通路部分に設けられた制御弁とを備える。
【０００９】
このような燃料電池用水供給装置は、制御手段により、燃料電池への水の供給停止時に、制御弁を開状態にして水循環ポンプ内の水を連通路を介して外部に排出させることにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池用水供給装置によれば、燃料電池への水の供給停止時に、制御弁を開状態にして水循環ポンプ内の水を連通路を介して外部に排出させるので、制御弁内部に滞留していた水が水循環ポンプに到達することがなく、呼び水用に滞留させている水がポンプに到達して凍結する可能性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な第１実施形態〜第３実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムに含まれるダイレクト水素型燃料電池用加湿システムに適用される。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
本発明を適用したダイレクト水素型燃料電池用加湿システムは、図１にその構成例を示すように、当該燃料電池システムの主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１に接続される。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで、燃料ガスを供給する水素極であるアノード２と酸化剤ガスを供給する空気極であるカソード３とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、アノード２にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過してカソード３に到達し、この水素イオンがカソード３にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００１４】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御する制御手段であるコントロールユニット４を備える。このコントロールユニット４は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池起動プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと指令を送ることにより、各部を制御する。
【００１５】
このような燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスとしての空気は、外気を取り込む空気供給手段であるコンプレッサ１１から空気供給配管１２を介して圧送されることで、燃料電池スタック１に供給される。このとき、コントロールユニット４は、外部からの燃料電池スタック１の発電要求に応じて、コンプレッサ１１を駆動する図示しないコンプレッサモータの駆動量を制御し、空気流量及び空気圧力を制御する。また、コントロールユニット４は、カソード３の入口付近に設けられた図示しない圧力センサからのセンサ信号を読み込み、この検出値に応じて、カソード３における空気圧力を負荷に応じた圧力とするように、空気流量及び空気圧力を制御する。そして、空気は、燃料電池スタック１の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック１から排出される。
【００１６】
一方、燃料ガスとしての水素は、例えば図示しない高圧水素貯蔵タンク等の水素供給系から燃料電池スタック１に供給される。このとき、コントロールユニット４は、アノード２の入口付近に設けられた図示しない圧力センサからのセンサ信号を読み込み、この検出値に応じて、アノード２における水素圧力を負荷に応じた圧力とするように、水素流量及び水素圧力を制御する。そして、水素は、空気とともに燃料電池スタック１の発電反応に使用される。
【００１７】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池スタック１における固体高分子電解質膜の加湿するために、燃料電池スタック１に水を供給するための水供給システム（ダイレクト水素型燃料電池用加湿システム）を備える。
【００１８】
具体的には、この水供給システムは、燃料電池スタック１の加湿に用いられる水を貯留する水貯留手段である水貯留タンク２１と、水を燃料電池スタック１に循環させる水循環ポンプ２２と、水中の異物を除去する異物除去手段である異物除去フィルタ２３と、コントロールユニット４の制御に従って開閉動作する複数の第１〜第７制御バルブ２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０とを備える。
【００１９】
水貯留タンク２１は、燃料電池スタック１に供給する水を貯留する。この水貯留タンク２１に貯留されている水は、水循環ポンプ２２によって吸い上げられ、所定の配管群を介して燃料電池スタック１へと供給される。ここで、水循環ポンプ２２と水貯留タンク２１とを接続する配管３１における上流側の端部は、水貯留タンク２１に貯留されている水を吸い上げるため、常に水内に浸漬された状態となっている。
【００２０】
水循環ポンプ２２は、通常運転時には、図示しないポンプモータによって駆動されて燃料電池スタック１の出力等に応じて必要とされる量の水を水貯留タンク２１から吸い上げ、同図中矢印Ａで示す方向へと水を循環させる。このとき、水循環ポンプ２２は、内部が水で満たされていない場合には、水貯留タンク２１に貯留されている水を吸い上げることはできないが、後述するように、呼び水が供給されることによって水の吐出が可能となる。
【００２１】
また、水循環ポンプ２２は、水貯留タンク２１の貯水面２１ａよりも高い位置に配設される。これにより、水供給システムにおいては、水循環ポンプ２２内部に滞留している水に対して水貯留タンク２１に落下させる重力を付与することができ、外気環境の氷点下時に水が凍結した場合であっても水循環ポンプ２２の不都合を防止することができる。この水循環ポンプ２２から排出された水は、水循環ポンプ２２と異物除去フィルタ２３とを接続する配管３２及び配管３３を介して異物除去フィルタ２３へと供給される。
【００２２】
異物除去フィルタ２３は、燃料電池スタック１の水入口側であって且つ水循環ポンプ２２の水吐出側に設けられる。この異物除去フィルタ２３は、内部に設けられた図示しない所定の樹脂フィルタを用いて水中の異物を除去する。この異物除去フィルタ２３によって異物が除去された水は、異物除去フィルタ２３と燃料電池スタック１の水入口側とを接続する配管３４を介して燃料電池スタック１へと供給される。
【００２３】
この配管３４に設けられている第１制御バルブ２４は、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第１制御バルブ２４は、コントロールユニット４の制御に従って、通常運転時には所定の開度で開放される一方で、運転停止時には、コンプレッサ１１から供給される空気圧によって燃料電池スタック１、水循環ポンプ２２、及び異物除去フィルタ２３内部の水を排出して水貯留タンク２１へと回収する動作を行うために閉塞される。
【００２４】
第２制御バルブ２５は、コンプレッサ１１から燃料電池スタック１へと接続される空気供給配管１２とは別個に設けられた配管であって、コンプレッサ１１と、異物除去フィルタ２３と第１制御バルブ２４との間部分の配管３４とを接続する配管３５に設けられる。
【００２５】
この第２制御バルブ２５は、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第２制御バルブ２５は、通常運転時には閉塞される一方で、運転停止時には、配管３５を介してコンプレッサ１１から供給される空気圧によって水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３内部の水を排出して水貯留タンク２１へと回収する動作を行うために、所定の開度で開放される。
【００２６】
第３制御バルブ２６は、コンプレッサ１１から燃料電池スタック１へと接続される空気供給配管１２とは別個に設けられた配管であって、コンプレッサ１１と、第１制御バルブ２４と燃料電池スタック１との間部分の配管３４とを接続する配管３６に設けられる。
【００２７】
この第３制御バルブ２６は、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第３制御バルブ２６は、通常運転時には閉塞される一方で、運転停止時には、配管３６を介してコンプレッサ１１から供給される空気圧によって燃料電池スタック１内部の水を排出して水貯留タンク２１へと回収する動作を行うために、所定の開度で開放される。
【００２８】
第４制御バルブ２７は、コンプレッサ１１から燃料電池スタック１へと接続される空気供給配管１２とは別個に設けられた配管であって、コンプレッサ１１と、水貯留タンク２１とを接続する配管３７に設けられる。
【００２９】
この第４制御バルブ２７は、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第４制御バルブ２７は、システムの起動時には、水循環ポンプ２２に呼び水を供給する動作を行うために、所定の開度で開放される。
【００３０】
第５制御バルブ２８は、燃料電池スタック１と水貯留タンク２１とを接続する配管３８に設けられる。
【００３１】
この第５制御バルブ２８は、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第５制御バルブ２８は、通常、所定の開度で開放され、燃料電池スタック１からの水を同図中矢印Ａで示す方向へと循環させるために用いられる。
【００３２】
第６制御バルブ２９は、水貯留タンク２１に設けられた配管３９に設けられ、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第６制御バルブ２９は、システムの起動時には、水循環ポンプ２２に呼び水を供給する動作を行うために閉塞され、以後の運転時にも閉塞された状態とされる。また、第６制御バルブ２９は、水貯留タンク２１内部の水を配管３９を介して外部へと排出する際に開放される。
【００３３】
第７制御バルブ３０は、水循環ポンプ２２の水吐出口と異物除去フィルタ２３とを接続する配管３２及び配管３３に接続され、当該配管３２及び配管３３の連通口４０ａから分岐した大気への連通路４０に設けられる。この連通路４０は、連通口４０ａから次第に水循環ポンプ２２に対して低くなるように構成されている。これにより、第７制御バルブ３０は、水循環ポンプ２２よりも低い位置に設けられる。
【００３４】
この第７制御バルブ３０は、図示しないアクチュエータがコントロールユニット４に制御されることによって開閉動作する。具体的には、第７制御バルブ３０は、システムの起動時には、水循環ポンプ２２に呼び水を供給する動作を行うために所定の開度で開放され、通常運転時には閉塞される。また、第７制御バルブ３０は、システムの停止時には、配管３５を介してコンプレッサ１１から供給される空気圧によって水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３の付近の配管等に滞留している水を外部へと排出する動作を行うために、所定の開度で開放される。
【００３５】
［水供給システムの動作］
このような水供給システムにおいては、コンプレッサ１１を、水貯留タンク２１を空気圧によって加圧するための空気を供給する加圧用空気供給手段として利用して以下の動作を行うことにより、水循環ポンプ２２への呼び水の供給や、燃料電池スタック１をはじめとする各部に滞留している水の排出を行う。
【００３６】
［水供給システムのシステム起動時の動作］
先ず、水供給システムにおいて、燃料電池スタック１への水供給を開始するときのシステム起動時の動作について図２のフローチャートを参照して説明する。
【００３７】
先ず、ステップＳ１において、コントロールユニット４では、第４制御バルブ２７を開状態、第６制御バルブ２９を閉状態、第７制御バルブ３０を開状態に制御する。なお、このステップＳ１においては、制御バルブ２４，２８，２５，２６は閉状態に保持されている。
【００３８】
次のステップＳ２において、コントロールユニット４では、コンプレッサ１１を起動することにより、コンプレッサ１１から配管３７及び第４制御バルブ２７を介して水貯留タンク２１に空気を供給し、当該空気圧によって水貯留タンク２１内を加圧する。このような状態において、水供給システムは、第７制御バルブ３０を開放すると共に第６制御バルブ２９を閉塞することにより、配管３７、水貯留タンク２１及び配管３１からなる水循環ポンプ２２の水吸入側を、配管３２及び連通路４０からなる水循環ポンプ２２の水吐出側よりも高圧状態とする。
【００３９】
次のステップＳ３において、コントロールユニット４では、ステップＳ２にてコンプレッサ１１を起動した時刻から所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、水循環ポンプ２２の水吸入側の圧力状態が、水循環ポンプ２２の吐出側よりも高圧となって、水循環ポンプ２２に呼び水を供給する動作が完了する時間である。したがって、水供給システムでは、所定時間が経過した時点では、水貯留タンク２１から水循環ポンプ２２に呼び水が供給完了した状態となり、水循環ポンプ２２による水の吸い上げが可能な状態となる。
【００４０】
次のステップＳ４において、コントロールユニット４では、水循環ポンプ２２を起動させる。これにより、水供給システムでは、水貯留タンク２１の水を燃料電池スタック１に供給する状態となり、通常運転動作へと移行することができる。
【００４１】
次のステップＳ５において、コントロールユニット４では、ステップＳ１にて各制御バルブを制御した状態から、第４制御バルブ２７を閉状態、第６制御バルブ２９を開状態、第７制御バルブ３０を閉状態に制御する。また、このステップＳ５では、コントロールユニット４により、制御バルブ２４，２８を開状態に制御する。
【００４２】
［水供給システムのシステム停止時の動作］
つぎに、水供給システムにおいて、燃料電池スタック１への水供給を停止するときのシステム停止時の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。
【００４３】
この水供給システムでは、先ずステップＳ１１において、コントロールユニット４により水循環ポンプ２２を停止させる。
【００４４】
次のステップＳ１２において、コントロールユニット４では、燃料電池スタック１、異物除去フィルタ２３、水循環ポンプ２２の内部の水の排出を行って水貯留タンク２１に回収する。具体的には、コントロールユニット４は、コンプレッサ１１を動作させた状態にて、第１制御バルブ２４を閉状態、第３制御バルブ２６を開状態、第２制御バルブ２５を開状態、第７制御バルブ３０を閉状態とする。
【００４５】
これにより、水供給システムにおいては、コンプレッサ１１から図中矢印Ｂで示す方向に空気が流れることにより、配管３６及び配管３４を介して燃料電池スタック１に空気が導入される。したがって、水供給システムにおいては、コンプレッサ１１からの空気圧を利用して、第１制御バルブ２４から燃料電池スタック１の内部の水を、配管３８を介して同図中矢印Ａで示す方向へと排出して水貯留タンク２１に回収する。
【００４６】
また、この水供給システムにおいては、第１制御バルブ２４を閉塞すると共に、第２制御バルブ２５を開放することにより、コンプレッサ１１から図中矢印Ｃで示す方向に空気が流れることにより、配管３５を介して異物除去フィルタ２３及び水循環ポンプ２２に空気が導入される。したがって、水供給システムにおいては、コンプレッサ１１からの空気圧を利用して、異物除去フィルタ２３及び水循環ポンプ２２内部の水を、同図中矢印Ｄで示す方向へと排出して水貯留タンク２１に回収する。
【００４７】
次のステップＳ１３において、コントロールユニット４では、ステップＳ１２にて制御バルブ２４，２５，２６，３０を制御した時刻から所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、燃料電池スタック１、異物除去フィルタ２３、水循環ポンプ２２の内部の水の排出を行うのに十分な時間が予め設定されている。
【００４８】
次のステップＳ１４において、コントロールユニット４では、第７制御バルブ３０を一時的に開状態に制御する。これにより、水供給システムでは、水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３の付近の配管等に滞留している水を連通路４０を介して同図中矢印Ｅで示す方向へと排出することができる。
【００４９】
ここで、連通路４０は、連通口４０ａから第７制御バルブ３０が設けられている位置に近くなるほど水循環ポンプ２２に対して低位置に配設されている。このため、水供給システムにおいては、配管内部の水を容易に排出することが可能となる。
【００５０】
また、連通口４０ａは、水循環ポンプ２２の吐出側と異物除去フィルタ２３とを接続する配管３２，３３上に設けられている。このため、水供給システムにおいては、水の排出時に、排出しにくい異物除去フィルタ２３内部の水が水循環ポンプ２２に流入してしまう事態を回避することができる。
【００５１】
さらに、異物除去フィルタ２３は、連通口４０ａよりも高い位置に配設されている。このため、燃料電池システムにおいては、当該異物除去フィルタ２３の水はけをより良好とすることができる。同様に、水循環ポンプ２２も、連通口４０ａよりも高い位置に配設されていることから、燃料電池システムにおいては、当該水循環ポンプ２２の水はけをより良好とすることができる。
【００５２】
次にコントロールユニット４では、ステップＳ１５においてコンプレッサ１１の動作を停止させ、ステップＳ１６において、第１制御バルブ２４を開状態、第２制御バルブ２５を閉状態、第３制御バルブ２６を閉状態、第７制御バルブ３０を閉状態に制御し、ステップＳ１７において所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３内部の水が、ある程度第７制御バルブ３０から排出されるのに十分な時間が設定されている。
【００５３】
そして、コントロールユニット４では、所定時間を経過した場合には、ステップＳ１８において、再度第７制御バルブ３０を一時的に開状態にすることにより、ステップＳ１７にて設定した所定時間でためた水を排出する。
【００５４】
このように、燃料電池システムにおいては、コントロールユニット４によって制御バルブ２４，２５，２６を制御して、燃料電池スタック１、水循環ポンプ２２、及び異物除去フィルタ２３内部の水を排出した後、第７制御バルブ３０を制御することにより、連通路４０を介して水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３の付近の配管等に滞留している水を完全に排出する。
【００５５】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した水供給システムによれば、水循環ポンプ２２の水吐出側の配管３２に接続され、大気に連通した連通路４０を設け、当該連通路４０の水循環ポンプ２２の設置位置よりも低い位置に第７制御バルブ３０を設けることにより、システム起動時には、第７制御バルブ３０を開状態にして水循環ポンプ２２の水吐出側よりも水吸入側の圧力を高くして水循環ポンプ２２に呼び水を供給することができる。また、この水供給システムによれば、システム停止時には、第７制御バルブ３０から排水させることにより水循環ポンプ２２の水を排出することができ、呼び水用の第７制御バルブ３０内部に滞留していた水が水循環ポンプ２２に到達することがなく、水の凍結に起因して次回の起動時に作動不良を招来する可能性を低減することができる。
【００５６】
また、この水供給システムによれば、第７制御バルブ３０に、運転開始時では水循環ポンプ２２の吐出側の圧力を低下させて呼び水を供給させる機能と、運転停止時では水を排出する機能とを兼ねさせることができる。したがって、この水供給システムによれば、制御バルブの数を削減することができ、システムの構成を簡素化して低コスト化を実現することができる。
【００５７】
更に、この水供給システムによれば、連通口４０ａから第７制御バルブ３０が設けられる位置に近くなるほど、水循環ポンプ２２の設置位置に対して低い位置となる連通路４０を備えているので、配管３２，３３内部、水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３内部の水を容易に排出することが可能となる。
【００５８】
更にまた、この水供給システムによれば、連通路４０と、水循環ポンプ２２の水吐出側の配管３２，３３との接続位置を、水循環ポンプ２２の水吐出口と異物除去フィルタ２３との間としたので、水の排出時に、排出しにくい異物除去フィルタ２３内部の水が水循環ポンプ２２に流入してしまう事態を回避することができる。
【００５９】
更にまた、この水供給システムによれば、異物除去フィルタ２３を、連通口４０ａよりも高い位置に配設しているので、当該異物除去フィルタ２３の水はけをより良好とすることができる。
【００６０】
更にまた、この水供給システムによれば、燃料電池スタック１の発電に必要な酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ１１を用いて、各部を加圧するので、簡便な構成で容易に水貯留タンク２１等の加圧をすることができる。
【００６１】
更にまた、この水供給システムによれば、燃料電池スタック１への水の供給開始時には、コンプレッサ１１から供給される空気圧によって水貯留タンク２１内を加圧させると共に、第７制御バルブ３０を開放して水循環ポンプ２２の水吸入側を水吐出側よりも高圧にした後、水循環ポンプ２２を駆動させるので、簡便な制御で水循環ポンプ２２に呼び水を確実に供給することができる。
【００６２】
更にまた、この水供給システムによれば、燃料電池スタック１への水の供給停止時には、コンプレッサ１１から供給される空気圧を配管３４，３３，３２に導入させた後、第７制御バルブ３０を開放させるので、燃料電池スタック１、水循環ポンプ２２、及び異物除去フィルタ２３内部の水のみならず、水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３の付近の配管等に滞留している水を完全に排出することができる。
【００６３】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００６４】
例えば、上述の実施形態では、水を燃料電池スタック１に直接的に供給する場合について説明したが、本発明は、燃料電池スタック１に供給するガスを加湿させることにより、間接的に水を燃料電池スタック１に供給する加湿器を用いるような場合であっても適用することができる。
【００６５】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６６】
この燃料電池システムは、図４に示すように、上述した燃料電池システムにおける連通路４０に代えて、連通口４０ａと第７制御バルブ３０とを接続する経路を、連通口４０ａに対して高い位置となる第１連通路５０ａと、当該第１連通路５０ａと接続され、第１連通路５０ａとの接続位置から第７制御バルブ３０に向かうに従って低い位置となる第２連通路５０ｂとからなる連通路５０を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００６７】
このような第２実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１への水供給を停止するとき、第１実施形態と同様に、配管３５を介して異物除去フィルタ２３及び水循環ポンプ２２に空気が導入され、空気圧を利用して異物除去フィルタ２３及び水循環ポンプ２２内部の水を水貯留タンク２１に回収した後に、第７制御バルブ３０を開状態にして、水循環ポンプ２２及び異物除去フィルタ２３の付近の配管等に滞留している水を排出する。
【００６８】
このとき、コントロールユニット４では、システム停止時に連通口４０ａと第１制御バルブ２４との間に滞留している水を空気圧によって、同図中矢印Ｄで示す方向へと排出して水貯留タンク２１に回収するが、一部の水が第１連通路５０ａ及び第２連通路５０ｂを介して第７制御バルブ３０側に送るようにコンプレッサ１１を制御する。そして、コントロールユニット４では、配管３２及び配管３３の配管容積に対して十分小さい水残存量となるまで空気圧によって水を回収した後に、第７制御バルブ３０を開状態にして、第２連通路５０ｂに残存している水を排出する。
【００６９】
ここで、燃料電池システムでは、異物除去フィルタ２３の性能や容量によって水の流出時間が長いものがある。この場合、燃料電池システムでは、コンプレッサ１１の動作を停止して、第７制御バルブ３０から水を排出した場合であっても、異物除去フィルタ２３から連通路４０ａに向けて水が流出する。
【００７０】
これに対し、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、連通口４０ａに対して高い位置となる第１連通路５０ａを有する連通路５０を備えるので、コンプレッサ１１の停止後に異物除去フィルタ２３から流出した水を連通口４０ａ及び第１連通路５０ａ付近で蓄積する。これにより、燃料電池システムでは、異物除去フィルタ２３から流出した水が第７制御バルブ３０に流れることを防止する。
【００７１】
したがって、この第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、コンプレッサ１１によって配管３３及び配管３２の水を水貯留タンク２１に回収及び第７制御バルブ３０から排出した後に、異物除去フィルタ２３から流出した水を第７制御バルブ３０で滞留させることなく、連通口４０ａ及び第１連通路５０ａ付近にとどめておくことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、異物除去フィルタ２３に残存した水が第７制御バルブ３０に滞留したことによって、当該水によって第７制御バルブ３０が凍結することなく、次回の起動時において第７制御バルブ３０が動作不能となる事態を抑制することができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、異物除去フィルタ２３に残存した水が第７制御バルブ３０の微小間隙に流入して凍結させることがない。
【００７２】
なお、この燃料電池システムでは、異物除去フィルタ２３から流出した水によってシステム停止後に配管３２及び配管３３内の水が凍結することがあるが、システム停止時に配管３２及び配管３３の容量よりも十分に小さい水の容量となるように空気圧で水を回収するので、次回の起動時に水の循環が不能となることない。また、この燃料電池システムにおいて、連通口４０ａに対する第１連通路５０ａと第２連通路５０ｂとの接続部分の高さは、コンプレッサ１１の停止後に再度第７制御バルブ３０を開状態にした後に異物除去フィルタ２３から流出する水量、すなわち異物除去フィルタ２３の性能や容量、配管３２や配管３３の容量に基づいて、少なくともシステム停止後に異物除去フィルタ２３から第７制御バルブ３０に水が流入しない高さと設定することが望ましい。
【００７３】
また、連通口４０ａから低い位置となる第１配管を連通口４０ａに接続し、当該第１配管から一旦高い位置となる第２配管を接続し、更に、当該第２配管から低い位置となる第３配管を第７制御バルブ３０に接続した連通路を使用した場合には、異物除去フィルタ２３から流出した水の全てが第１配管と第２配管との接続部分に集中して、当該接続部分の配管の水が凍結して、水の循環が行えなくなる場合がある。これに対し、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、連通口４０ａから高い位置となる第１連通路５０ａを、連通口４０ａに接続したので、異物除去フィルタ２３から流出した水を第１連通路５０ａ、配管３２及び配管３３に分散することができるので、凍結によって水詰まりとなることを抑制することができる。
【００７４】
更に、この燃料電池システムによれば、異物除去フィルタ２３として水の流出時間が長いものを使用した場合であっても、第７制御バルブ３０にて水が凍結することがないので、例えば異物除去フィルタ２３内の水を除去するためのコンプレッサ１１の駆動時間（図３のステップＳ１３における所定時間）、第７制御バルブ３０を開状態としておく時間（図３のステップＳ１７における所定時間）を短くしても、第７制御バルブ３０が凍結する事態を抑制することができる。
【００７５】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７６】
この第３実施形態に係る燃料電池システムは、図５に示すように、第４制御バルブ２７に代えて第１オリフィス部６１を設けると共に、第６制御バルブ２９に代えて第２オリフィス部６２を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００７７】
このような燃料電池システムでは、図６に示すように、システム起動時に、コントロールユニット４により、第７制御バルブ３０のみを開状態にし（ステップＳ２１）、コンプレッサ１１を駆動させる（ステップＳ２）。これにより、燃料電池システムでは、コンプレッサ１１から水貯留タンク２１内に空気が導入され、第１オリフィス部６１及び第２オリフィス部６２の作用によって水貯留タンク２１内の圧力を上昇させる。
【００７８】
そして、コントロールユニット４では、水貯留タンク２１内の圧力が水循環ポンプ２２の水吐出側と比較して高くなり、水循環ポンプ２２に呼び水が到達したと判定する所定時間が経過した場合には（ステップＳ３）、水循環ポンプ２２を起動させて（ステップＳ４）、第７制御バルブ３０を閉状態にする（ステップＳ２２）。これにより、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１への水の循環を開始する。
【００７９】
このような第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、システムの起動時に水循環ポンプ２２に呼び水を供給するに際して、弁の開閉動作を電気的に制御することなく、第１実施形態と比較して簡単な制御によりシステムを起動させることができる。また、この燃料電池システムによれば、弁の駆動トルクを発生させるためのアクチュエータ等を設ける必要なくシステムの簡略化やコストの低減を実現することができる。
【００８０】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおける水供給システムを含む燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおける水供給システムのシステム起動時の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおける水供給システムのシステム停止時の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおける水供給システムを含む燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおける水供給システムを含む燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおける水供給システムのシステム起動時の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１  燃料電池スタック
２  アノード
３  カソード
４  コントロールユニット
１１  コンプレッサ
１２  空気供給配管
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９  配管
２１  水タンク
２２  水循環ポンプ
２３  フィルタ
２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０  制御バルブ
４０，５０  連通路
５０ａ  第１連通路
５０ｂ  第２連通路
４０ａ  連通口
６１  第１オリフィス部
６２  第２オリフィス部
【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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