(57)【要約】【課題】貯水装置内の水の取り出し領域における水の偏りを抑制して、円滑な水の供給を実現できるようにする。【解決手段】貯水装置２の内部を２枚の隔壁９，１０によって領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに３分割し、これら領域のうち、中央の領域Ｂに水導入管１１及び水戻り管１２を挿入して、領域Ｂにおいて水の取り出しや水の戻りが行われるようにする。隔壁９，１０には、それぞれ隣接する領域間を連通する連通機構１３を設ける。この連通機構１３は、水の取り出し及び水の戻りが行われる領域Ｂへの水の流入を許容し、当該領域Ｂから他の領域Ａ，Ｃへの水の流出を妨げる構造とする。【選択図】図２
2005141976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、貯水装置に貯留された水を前記燃料電池に循環供給する水循環手段とを有し、前記燃料電池の運転停止時には、前記燃料電池内の水、並びに前記水循環手段の経路内の水を前記貯水装置に戻す水パージを行う燃料電池システムにおいて、
前記貯水装置の内部が複数の隔壁により複数の領域に分割され、これら分割された複数の領域のうち中央寄りに位置する領域で水の取り出し及び水の戻りが行われるとともに、前記複数の隔壁には、前記水の取り出し及び水の戻りが行われる領域への水の流入を許容し、当該領域からの水の流出を妨げる連通機構が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記連通機構は、前記貯水装置内を移動する水の力で作動する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】
前記連通機構は、前記貯水装置の長手方向において水の流入が行われるように設置されていることを特徴とする請求項１又は２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、燃料電池に対して貯水装置に貯留された水を循環供給する水循環手段を有する燃料電池システムに関するものであり、貯水装置からの水の取り出しを適切に行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。このような固体高分子タイプの燃料電池では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００３】
固体高分子タイプの燃料電池において、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。そこで、固体高分子膜に外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、固体高分子膜自体を加湿したり、供給される水素を加湿する等、通常の燃料電池システムでは固体高分子膜を加湿するための何らかの加湿手段が設けられている。
【０００４】
通常、この種の加湿手段としては、貯水装置内に加湿用の水を貯留するとともに循環経路を構成し、必要量の水を貯水装置内から加湿器や燃料電池に循環供給するという構成が採用されている。
【０００５】
また、燃料電池においては、運転時の温度を適正なものとするために、冷却水による冷却も行われている。この冷却水の供給、循環も、貯水装置及び循環経路によって行われる。
【０００６】
ここで注意すべきは、これら循環経路内の水の凍結である。例えば、燃料電池自動車の動力源として前記固体高分子タイプの燃料電池を用いた場合、寒冷地等での使用等も予想される。このとき、氷点下以下になると、循環経路内の水が凍結してしまい、燃料電池の円滑な始動が困難になる。
【０００７】
そこで、従来の燃料電池システムとして、燃料電池システム起動時に、循環経路や燃料電池内部に水を供給し、燃料電池システム停止時には、水を貯水装置に戻すようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【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】
【０００８】
しかしながら、前述のような燃料電池システムを車両等の移動体に適用する場合、例えば車両の傾斜や旋回、加減速時等において加速度による水の偏りが発生すると、貯水装置内の水の取り出しを行う水ポンプがエアを吸い込む可能性があり、円滑な水の供給の妨げになる。前記水の供給が円滑に行われないと、燃料電池の運転に支障を来す虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、例えば車両の傾斜や旋回、加減速時等のように加速度が加わった場合等においても、貯水装置内の水の取り出し領域における水の偏りを抑制することができ、エアの吸い込みを解消して水の円滑な供給を実現することが可能な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】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、貯水装置に貯留された水を燃料電池に循環供給する水循環手段とを有し、燃料電池の運転停止時には、燃料電池内の水、並びに水循環手段の経路内の水を貯水装置に戻す水パージを行う燃料電池システムである。このような燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、貯水装置の内部を複数の隔壁により複数の領域に分割して、これら分割された領域のうち中央寄りに位置する領域で水の取り出し及び水の戻りが行われるようにした。また、貯水装置の内部を複数の領域に分割する複数の隔壁には、水の取り出し及び水の戻りが行われる領域への水の流入を許容し、当該領域からの水の流出を妨げる連通機構を設けるようにした。
【００１１】
本発明の燃料電池システムでは、貯水装置内部の中央寄りに位置する領域で例えば水ポンプによる水の取り出しが行われ、この領域の水位が低下すると、他の領域内の水が隔壁に設けられた連通機構を通じて中央寄りの領域内に流れ込む。このとき、連通機構は中央寄りの領域から他の領域への水の流出を妨げるので、中央寄りの領域では水の取り出しによる水位の低下が速やかに解消されることになる。
【００１２】
また、旋回等により加速度が加わった場合、各領域内の水は加速度が加わる方向に流れ込もうとするが、中央寄りの領域から他の領域への水の流出は連通機構によって妨げられるので、中央寄りの領域では水の取り出しに必要な水位が確保されることになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムによれば、例えば車両の傾斜や旋回、加減速時等のように加速度が加わった場合等においても、貯水装置内の水の取り出し領域における水の偏りを抑制することができる。したがって、本発明の燃料電池システムによれば、例えば水ポンプによるエアの吸い込みを等の問題を解消することができ、円滑な水の供給を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明は主に水系システムに関わるものであるので、以下の実施形態では、この水系システムの構成についてのみ説明し、その他の構成については説明を省略する。本発明は、水系システムを有する燃料電池システムのいずれにも適用可能であり、燃料電池システムのその他の構成については、従来公知の構成がいずれも採用可能である。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、燃料電池システムにおける水系システムの一構成例を模式的に示すものである。この水系システムは、発電を行う燃料電池１と、水を貯留する貯水装置２、水を循環供給するための水供給経路３及び水戻り経路４、水を循環させるための水ポンプ５を備えている。そして、水供給経路３には、水パージを行う際に必要な空気圧を導入するための空気ライン６が接続され、水パージ時に当該水供給経路３を遮断するためのバルブ７ａ，７ｂが設けられている。また、空気ライン６には、通常運転時に空気圧の導入を遮断するためのバルブ８が設けられている。
【００１６】
以上の構成を有する燃料電池システムでは、燃料電池１の運転時においては、水供給経路３及び水戻り経路４により燃料電池１に水が循環供給される。また、燃料電池１の運転停止時には、空気ライン６から必要な空気圧が導入されて水パージが行われ、燃料電池１内や循環経路の各部品内の水が、貯水装置２内へ戻される。
【００１７】
このような燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車等の車両に搭載される。このとき、車両の加速、減速時における貯水装置２内の水の偏りを低減しつつ貯水装置２の貯水量を確保するために、貯水装置２はほぼ直方体形状に形成されて、その短辺が車両の前後方向、長辺が左右方向に向くように設置される。このように、貯水装置２が車両の左右方向に長い形状とされているので、左右の旋回時の貯水装置２内の水の移動を抑える必要がある。
【００１８】
図２は、貯水装置２の内部構造を示すものである。貯水装置２は、前記の通り、車両の左右方向に長いので、左右旋回時に加わる加速度Ｇに対応するために、貯水装置２の内部を車両の左右方向に沿って３つの領域に分割する２枚の隔壁９，１０が設けられている。貯水装置２内は、これら２枚の隔壁９，１０によって、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに３分割されている。
【００１９】
これらの領域のうち、中央の領域Ｂには、前記水系システムにおける水供給経路３の基端部となる水導入管１１が底部付近まで挿入されるとともに、水戻り経路４の先端部である水戻り管１２が上部に挿入されている。貯水装置２内の水は、前記領域Ｂにおいて水導入管１１から水ポンプ５により吸い込まれ、循環経路内を循環した後、水戻り管１２から再び前記領域Ｂ内に戻される。
【００２０】
前記隔壁９、１０には、それぞれ隣接する領域間を連通して貯水装置２内部の長手方向に水の流入が行われるようにする連通機構１３が設けられている。これら連通機構１３は、回転軸１３ａを中心に回動自在とされる可動壁１３ｂと、この可動壁１３ｂの回動を規制するストッパ１３ｃとを備えている。各可動壁１３ｂは、ストッパ１３ｃの働きにより、中央の領域Ｂへの水の流入は許容するが、領域Ｂから他の領域Ａ，Ｃへの水の流出は妨げるように動作する。すなわち、隔壁９に設けられた可動壁１３ｂは、図２中右方向に向かって回動するが、ストッパ１３ｃの働きにより、これとは反対側に向かって回動することはできない。逆に、隔壁１０に設けられた可動壁１３ｂは、図２中左方向に向かって回動するが、ストッパ１３ｃの働きにより、これとは反対側に向かって回動することはできない。
【００２１】
なお、可動壁１３ｂの開閉は、特に外部エネルギを使うことはなく、貯水装置２内を移動する水の力で作動する構造となっている。
【００２２】
このような水系システムを有する燃料電池システムにおいては、起動時成立性とエアの吸い込み対策の２つの機能が成立していることが必要となる。ここで、起動成立性とは、システム停止時に貯水装置２内が満水となった状態から、燃料電池システムが起動して各部に水が充填された後の状態まで、燃料電池システムからの要求循環水量を水ポンプ５が吐出できることを言う。
【００２３】
一方、水ポンプ５のエアの吸い込みは、例えば坂道を走行している際の車両の傾き、加速や減速、旋回時の加速度による貯水装置２内の水の偏りにより、水導入管１１が挿入された部分の水位が極端に低下して、水ポンプ５がエアを吸い込み、吐出圧が維持できなることを言い、エアの吸い込み対策とは、このエアの吸い込みを防止することを言う。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムでは、前記起動成立性は、隔壁９，１０に連通機構１３を設けることにより得られる。
【００２５】
詳述すると、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時には、空気ライン６による空気圧の導入により水パージが行われて、燃料電池１内や水循環径路（水供給経路３や水戻り経路４、さらには水経路の各部品）内の水が貯水装置２に戻されるため、水循環径路内にはほとんど水が無い状態となり、貯水装置２が満水の状態となる。そして、起動時には、燃料電池システムの起動と共に水ポンプ５も作動を開始し、貯水装置２から水を取り出す。貯水装置２から取り出された水は、水供給経路３や水戻り経路４、さらには水径路の各部品や燃料電池１内を流れ、再び貯水装置２に戻るようになっている。
【００２６】
したがって、システム起動時に貯水装置２に貯留された水を水循環経路内に送り出すと、貯水装置２内の水位は低下し、水循環経路内に水が満たされて貯水装置２に水が戻り始めるまで、貯水装置２の水位は低下し続けることになる。ここで、貯水装置２に水が戻り始めた時の水位を起動後の水位と呼ぶ。
【００２７】
貯水装置２の容量を必要最小限にした場合、システム停止時（パージ後）の水位と起動後の水位との差は大きくなる。そして、本実施形態の燃料電池システムでは、貯水装置２の内部を隔壁９，１０によって３分割し、中央の領域Ｂからポンプ５により水を吸い出す構造としているため、他の領域Ａ，Ｃから中央の領域Ｂへの水の流入がないと水循環径路内に水を満たすことができなくなり、円滑な水の循環を行うことができない。
【００２８】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、隔壁９，１０にそれぞれ可動壁１３ｂを有する連通機構１３を設けることで、領域Ａ，Ｃから領域Ｂに水が流入できるようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時に領域Ｂの水位が低下すると、領域Ａ，Ｃの水位と領域Ｂの水位ヘッド差で連通機構１３の可動壁１３ｂが開き、領域Ａ，Ｃから領域Ｂに水が流入するようになっている。これにより、領域Ｂに必要な水位が確保され、起動成立性が得られることになる。
【００２９】
次に、燃料電池システムの起動後に車両が走行した際の旋回時における水ポンプ５のエアの吸い込み防止について説明する。
【００３０】
車両の旋回時に加速度が加わると、図２に示すように、貯水装置２内部に貯留されている水に偏りが生じることになる。この水の偏りが極端に大きい場合には、水の取り出しが行われる位置での水位が水ポンプ５の吸い込み限界を下回って、水ポンプ５がエアの吸い込みを起す可能性が高い。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システムでは、貯水装置２内部が隔壁９，１０により３つの領域に分割されているので、車両の旋回時には、各領域内の水が、加速度が加わる方向の隣接領域に流出しようとする。このとき、水の取り出しが行われる中央の領域Ｂから水が流出する側にある隔壁（図２に示す例では左側の隔壁９）に設けられた連通機構１３では、可動壁１３ｂがストッパ１３ｃによって回動が規制されて開くことがないので、中央の領域Ｂから領域Ａへの水の流出が妨げられる。
【００３２】
一方、中央の領域Ｂに水が流入する側にある隔壁（図２に示す例では右側の隔壁１０）に設けられた連通機構１３では、旋回時の水の移動に伴って可動壁１３ｂが開くので、領域Ｃから領域Ｂに水が流入することになる。
【００３３】
その結果、車両の旋回時には、水の取り出しが行われる領域Ｂからは水がほとんど流出せず、逆にこの領域Ｂには他の領域から水が流入するので、領域Ｂ内での水の偏りはあるものの、ポンプ５がエアの吸い込みを起さない程度の水位は確保できる。
【００３４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、貯水装置２の内部を隔壁９，１０によって領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに３分割し、領域Ｂで水ポンプ５による水の取り出しや水の戻りが行われるようにすると共に、隔壁９，１０に、領域Ｂへの水の流入を許容し、領域Ｂから他の領域Ａ，Ｃへの水の流出を妨げる連通機構１３を設けるようにしているので、貯水装置２内の水の取り出し領域Ｂにおいて適切な水位を維持することができる。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、水の円滑な供給を実現することが可能となる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、貯水装置２の隔壁に設けた連通機構の構成が、上述した第１の実施形態とは異なるものである。その他の構成は、第１の実施形態のものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００３６】
図３は、本実施形態の燃料電池システムが備える貯水装置２の内部構造を示すものである。この貯水装置２では、隔壁９，１０の下端側にそれぞれ開口部１４ａが設けられ、中央の領域Ｂ内に、この領域Ｂ内を移動して隔壁９，１０に設けられた開口部１４ａを選択的に開放或いは閉塞する移動壁１４ｂが設けられている。そして、これら開口部１４ａと移動壁１４ｂとにより、貯水装置２内部の隣接する領域間を連通して貯水装置２の長手方向に水の流入が行われるようにする連通機構１４が構成されている。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、起動成立性に関しては、上述した第１の実施形態とほぼ同様で、第１の実施形態では可動壁１３ｂが開閉することにより起動成立性が確保されたのに対し、本実施形態では、移動壁１４が図３中左右方向に移動することで、起動成立性を確保している。
【００３８】
また、車両の旋回時に加速度が加わると、図３に示すように貯水装置２内部に貯留されている水に偏りが生じることになるが、この水の偏りにより移動壁１４ｂは水が移動する方向に移動する。この移動壁１４の移動により、水の取り出しが行われる中央の領域Ｂから水が流出する側にある隔壁（図３に示す例では左側の隔壁９）に設けられた連通機構１４では、開口部１４ａが移動壁１４ｂによって閉塞され、中央の領域Ｂから領域Ａへの水の流出が妨げられる。
【００３９】
一方、中央の領域Ｂに水が流入する側にある隔壁（図３に示す例では右側の隔壁１０）に設けられた連通機構１４では、開口部１４ａが開放されるので、領域Ｃから領域Ｂに水が流入することになる。
【００４０】
その結果、車両の旋回時には、水の取り出しが行われる領域Ｂからは水がほとんど流出せず、逆にこの領域Ｂには他の領域から水が流入するので、領域Ｂ内での水の偏りはあるものの、ポンプ５がエアの吸い込みを起さない程度の水位は確保できる。
【００４１】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１の実施形態と同様に、貯水装置２の内部を隔壁９，１０によって領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに３分割し、領域Ｂで水ポンプ５による水の取り出しや水の戻りが行われるようにすると共に、隔壁９，１０に、領域Ｂへの水の流入を許容し、領域Ｂから他の領域Ａ，Ｃへの水の流出を妨げる連通機構１４を設けるようにしているので、貯水装置２内の水の取り出し領域Ｂにおいて適切な水位を維持することができる。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、水の円滑な供給を実現することが可能となる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上述したような連通機構を有する隔壁を、車両の前後方向と左右方向に共に設置することも可能であり、その場合には、車両の加減速による水の偏り、旋回による水の偏りによるポンプ５のエアの吸い込みを共に防止できるので、貯水装置２の形状を正方形に近い形とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムが備える貯水装置の内部構造を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムが備える貯水装置の内部構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池
２  貯水装置
３  水供給経路
４  水戻り経路
５  水ポンプ
９，１０  隔壁
１３  連通機構
１３ａ  回転軸
１３ｂ  可動壁
１３ｃ  ストッパ
１４  連通機構
１４ａ  開口部
１４ｂ  移動壁
【図１】
2005141976.tif 000003
【図２】
2005141976.tif 000004
【図３】
2005141976.tif 000005