(57)【要約】【課題】  排空気中の水滴によりシステム再始動に支障を与えることを防止する。【解決手段】  燃料電池に接続する空気排出通路１１に弁体１９を備えた圧力調整手段１３を設ける。圧力調整手段１３の下流の空気排出通路１１に、燃料電池に接続される水素排出通路１５と合流する合流部１７を設ける。閉状態の弁体１９の上流側近傍に、水滴を外部に排出するドレン孔２５を設け、ドレン孔２５にシステム運転圧の下限圧未満で開く開閉弁２７を設ける。閉状態の弁体１９の上流側近傍の側壁２１ｃに、ドレン孔２５に繋がる溝２９を弁体１９に沿って形成する。また、閉状態の弁体１９の下流側近傍の下壁２１ｂに、水滴を溜める凹部３１を形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素および水素を元にして発電する発電手段と、この発電手段に前記酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に前記水素を供給する水素供給手段と、前記発電手段に接続する空気排出通路上に設けた圧力調整手段とをそれぞれ有し、前記発電手段に接続する水素排出通路が、前記圧力調整手段より下流の前記空気排出通路に合流する燃料電池システムにおいて、前記圧力調整手段は、前記空気排出通路を開閉する弁体を備えてその上流側の圧力を調整するもので、前記弁体の閉状態での上流側近傍の前記空気排出通路壁部に、外部と連通する連通孔を設け、前記弁体の閉状態での下流側近傍の上下方向下部における前記空気排出通路内壁に、凹部を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記弁体の閉状態での上流側近傍の前記空気排出通路内壁に、前記連通孔に繋がる溝を前記弁体に沿って設けたこと特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記連通孔に、前記空気排出通路内の圧力が所定圧未満で開く開閉手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定圧は、燃料電池システムの運転下限圧とすることを特徴とする請求項３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，空気排出通路に設けた圧力調整手段の下流に、発電手段から排出される水素を合流させて排水素を希釈・排気する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素を用いて発電するが、例えば下記特許文献１に示されているように、燃料電池から排出される排水素を充分な低濃度にまで希釈して排気する手段として、水素排出通路を空気排出通路に合流させるシステムが記載されている。また、このシステムには、水素排出通路と空気排出通路との合流部上流の空気排出通路に、圧力調整手段となる調圧弁を備える構成も開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報（段落００５０，０１１１，図１，図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、水素排出通路と空気排出通路との合流部上流の空気排出通路に調圧弁を備えるシステムでは、調圧弁に付着した排空気中の水滴が、低温時に凍結し、システム再始動に支障を与えるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、排空気中の水滴によりシステム再始動に支障を与えることを防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、酸素および水素を元にして発電する発電手段と、この発電手段に前記酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に前記水素を供給する水素供給手段と、前記発電手段に接続する空気排出通路上に設けた圧力調整手段とをそれぞれ有し、前記発電手段に接続する水素排出通路が、前記圧力調整手段より下流の前記空気排出通路に合流する燃料電池システムにおいて、前記圧力調整手段は、前記空気排出通路を開閉する弁体を備えてその上流側の圧力を調整するもので、前記弁体の閉状態での上流側近傍の前記空気排出通路壁部に、外部と連通する連通孔を設け、前記弁体の閉状態での下流側近傍の上下方向下部における前記空気排出通路内壁に、凹部を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、圧力調整手段の弁体が閉じるシステム停止時に、圧力調整手段の下流側の空気排出通路の同上流側に対する密閉性を確保して、弁体より上流への排水素の逆流を防ぎながら、圧力調整手段の上流側の空気を連通孔から外部へ放出し、これにより弁体の閉状態での上流側近傍の圧力が負圧となる。この負圧により、弁体の閉状態での上流側近傍に付着した水滴が、空気とともに連通孔から外部へ排出される。また、弁体の閉状態での下流側近傍の上下方向下部に設けた凹部に、弁体の閉状態での下流側近傍に付着した水滴が集められ、弁体から水滴を取り除くことができる。この結果、システム停止後に水滴が凍結するような低温下になっても、システム再始動に支障を与えることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００８】
図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池システム全体の構成図である。燃料電池１には、水素供給手段３を水素供給通路５を介して接続するとともに、空気供給手段７を空気供給通路９を介して接続する。燃料電池１は、その水素極の水素供給口１ａに水素供給手段３から水素が供給されるとともに、その空気極の空気供給口１ｂに空気供給手段７から酸素を含む空気が供給されることで発電する発電手段を構成している。すなわち、この発電手段は酸素および水素を元にして発電する。
【０００９】
燃料電池１の空気極の空気排出口１ｃに接続する空気排出通路１１の途中には、圧力調整手段１３を設ける。圧力調整手段１３は、その上流側の圧力を調整する。一方、燃料電池１の水素極の水素排出口１ｄに接続する水素排出通路１５は、前記した圧力調整手段１３の下流の空気排出通路１１に、合流部１７にて接続する。
【００１０】
これにより、燃料電池１の水素極から排出される排水素が、燃料電池の空気極から排出される排空気で希釈され、混合気としてシステム外部に排出される。
【００１１】
図２は、図１における圧力調整手段１３および合流部１７周辺の通路内部構造図である。圧力調整手段１３は、空気排出通路９を開閉する弁体１９をハウジング２１内に備えている。弁体１９は、ハウジング２１の上壁２１ａと同下壁２１ｂとの間の中間部位にて、ハウジング２１の図中で紙面裏側の側壁２１ｃと同表側の側壁２１ｄ（図３参照）とに両端を連結する弁軸２３を中心として、実線に示す閉状態と二点鎖線で示す開状態との間を回転変位する。閉状態の弁体１９は、その上下流間相互を密閉状態とする。
【００１２】
弁体１９の実線で示す閉状態での上流側近傍におけるハウジング２１の空気排出通路壁部となる下壁２１ｂには、連通孔としてのドレン孔２５を形成し、ドレン孔２５には、開閉手段としての開閉弁２７を設けている。開閉弁２７は、所定圧となる燃料電池システムの運転下限圧以上で閉じる一方、運転下限圧未満で開く。図２の状態では開閉弁２７は開いており、この開状態から上方に移動することで閉状態となる。
【００１３】
また、弁体１９の実線で示す閉状態での上流側近傍におけるハウジング２１の側壁２１ｃ，２１ｄの空気排出通路内壁となる部位に、上壁２１ａから下部のドレン孔２５に繋がる位置まで、弁体１９に沿って溝２９を形成する。このため、前記した開閉弁２７は、閉時にその機能を果たすために、図３中で上下両側部が溝２９内に入り込んでいる。
【００１４】
上記した溝２９は、図３（ａ）の平面断面図で示すように、閉状態の弁体１９の側縁１９ａの一部に対向する位置からその上流側にかけて形成するか、あるいは図３（ｂ）に示すように、閉状態の弁体１９の側縁１９ａのほぼ全域に対向する位置からその上流側にかけて形成する。溝２９を図３（ａ）のように設定することで、閉状態の弁体１９の側縁１９ａが両側壁２１ｃ，２１ｄに重なり合う領域を図３（ｂ）に比べて充分確保できるので、弁体１９の閉時での上下流間の密閉度を高めることができる。
【００１５】
また、弁体１９の実線で示す閉状態での下流側近傍におけるハウジング２１の下壁２１ｂの空気排出通路内壁となる部位には、凹部３１を形成する。凹部３１は、その上流側および下流側の各端部に傾斜面３１ａ，３１ｂをそれぞれ備えている。
【００１６】
ここで、弁体１９の上流側の内部圧をＰ1、同下流側の内部圧をＰ2、外部の大気圧をＰ3とすると、システム運転時ではＰ1＞Ｐ2＞Ｐ3となる。
【００１７】
次に、図４に基づいて、システム停止時に弁体１９周りの水滴を排水するメカニズムを説明する。
【００１８】
図４（ａ）は、所定圧以上の燃料電池システムの運転時であり（Ｐ2＜Ｐ1）、弁体１９は開き、ドレン孔２５に設けた開閉弁２７は閉じていて、排空気が外部に排出されることはなく、このため目標運転圧に対する空気供給手段７の負荷が過剰になることを防止できる。
【００１９】
図４（ｂ）は、燃料電池システムの停止時であり（Ｐ3＜Ｐ1）、弁体１９の上流側の内圧を開閉弁２７が開く所定圧未満の状態となるよう調整して弁体１９を閉じる。開閉弁２７が開くことで、排空気がドレン孔２５を通して外部に排出され、この結果弁体１９の上流側近傍の弁体１９周りに負圧が発生する。
【００２０】
この負圧による空気のドレン孔２５に向かう流れに伴って、弁体１９の上流側の面に付着した水滴が、ドレン孔２５に流出して外部へ排出される。また、この負圧により、弁体１９の側縁１９ａ周辺に付着した水滴が、溝２９に沿って空気とともに下方に流れ、ドレン孔２５を通して外部へ排出される。
【００２１】
一方、弁体１９の下流側では、閉状態の弁体１９の下流側の面に付着している水滴が、重力によって凹部３１へと落ちて集められる。弁体１９の下流側の面は通常水滴が直接付着することはなく、上流面に対して少量であり、凹部３１からあふれることはない。
【００２２】
このように、燃料電池システムの停止時に、閉状態の弁体１９の上流側および下流側の両面およびその周囲近傍の水滴を除去できるので、システム停止後に水滴が凍結する低温環境下になっても、凍結による弁体１９の作動不良を防止でき、燃料電池システムを容易に再始動することができる。
【００２３】
本発明によれば、前記弁体の閉状態での上流側近傍の前記空気排出通路内壁に、前記連通孔に繋がる溝を前記弁体に沿って設けたので、弁体閉によって弁体上流側が負圧となったときに、弁体周辺部に付着した水滴が溝に沿って連通孔まで排空気とともに流出し、弁体周辺部の水滴除去をより効果的に行うことができる。
【００２４】
前記連通孔に、前記空気排出通路内の圧力が所定圧未満で開く開閉手段を設けたので、所定圧以上の運転時では開閉手段が閉じることで排空気の外部への流出を回避でき、目標運転圧に対する空気供給手段の負荷を軽減できる。
【００２５】
前記所定圧は、燃料電池システムの運転下限圧とすることで、システム運転時は連通孔から排空気の外部への流出を回避でき、空気供給手段の負荷を確実に軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システム全体の構成図である。
【図２】図１における圧力調整手段および合流部周辺の通路内部構造図である。
【図３】図１における圧力調整手段周辺の平面断面図である。
【図４】（ａ）は所定圧以上の燃料電池システムの運転時での作用説明図、（ｂ）は燃料電池システムの停止時での作用説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  燃料電池（発電手段）
３  水素供給手段
７  空気供給手段
１１  空気排出通路
１３  圧力調整手段
１５  水素排出通路
１７  空気排出通路と水素排出通路との合流部
１９  弁体
２１ｂ  下壁（空気排出通路壁部，空気排出通路内壁）
２１ｃ，２１ｄ  側壁（空気排出通路内壁）
２５  ドレン孔（連通孔）
２７  開閉弁（開閉手段）
２９  溝
３１  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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