(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素排出流速と除水器内の圧力を利用する手段により、燃料電池スタックから排出される残余水素と、前記燃料電池スタックで生成し、除水器内に集められた水を同時に排出させることができる燃料電池車両用除水器であって、
前記水素排出流速と除水器内の圧力を利用する手段は、
前記燃料電池スタックから延長されてその末端部が前記除水器の上段内部を貫通するアノード出口ラインと、
前記アノード出口ラインの終端に連結された前記除水器の出口弁と、
前記燃料電池スタックから延長されてその末端部が前記除水器の上段部に連結された水出口ラインと、
前記除水器の内部において、前記アノード出口ラインに連結され前記除水器の底側に延長された水排出パイプと
を含めて構成され、
前記水排出パイプの直径は、前記アノード出口ラインの直径より小さく形成され、前記燃料電池スタックの稼働を止める時、前記徐水器の水が、前記水排出パイプを通じて強制除去されることを特徴とする燃料電池車両用除水器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池車両用除水器（ｗａｔｅｒ  ｔｒａｐ）に係り、更に詳しくは、燃料電池スタックから残余水素および除水器内に集まった残余冷却水を同時に排出させることのできる燃料電池車両用除水器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に適用されている燃料電池スタックは、最も内側に電極膜（ＭＥＡ）が位置し、この電極膜は水素陽イオンを移動させることのできる固体高分子電解質膜と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、即ちカソードおよびおよびアノードとで構成されている。
更に、電極膜（ＭＥＡ）の外側部分、即ち、カソードおよびアノードが位置する外側部分にガス拡散層（ＧＤＬ）が位置し、ガス拡散層の外側に燃料を供給して反応により発生した水を排出するように流路が形成された分離板が位置する。
【０００３】
従って、水素と酸素が各々の触媒層による化学反応にてイオン化が行われ、水素側は水素イオンと電子が発生する酸化反応を行い、酸素側は酸素イオンが水素イオンと反応して水が生成される還元反応を行う。
即ち、水素がアノード（“酸化電極”とも言う）に供給され、酸素（空気）はカソード（“還元電極”とも言う）に供給され、アノードに供給された水素は電解質膜の両側に構成された電極層の触媒により水素イオンと電子で分解され、このうち水素イオンのみが選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、同時に電子は導体である気体拡散層と分離板を通してカソードに伝達される。
【０００４】
そこで、カソードでは電解質膜を通して供給された水素イオンと分離板を通して伝達された電子が空気供給器によりカソードに供給された空気中の酸素と出会い、水を生成する反応を起こす。
この時に起きる水素イオンの移動に起因し、外部導線を通した電子の流れにより電流が生成され、合わせて水生成反応により熱も付随的に発生する。
一方、水素イオンをカソードに供給された酸素側に移動させる絶縁体が濡れた状態でなく、乾いた状態の場合、水素イオンの円滑な流れが行われなくなるため、酸素側で生成される水以外に、より多くの水分、即ち、加湿のためのイオンが存在しない水が必要である。
【０００５】
従って、燃料電池スタックには冷却と加湿のための冷却水が流れ、この冷却と加湿を行う冷却水は、燃料電池スタックに供給されるガス（水素、空気）に水不足が起きない程度のバランスを維持する。
一般的に、水不足が起きると、燃料電池の性能および劣化に影響を及ぼすため、常に燃料電池スタックの外部に出ていく水の量と同量の水が燃料電池内に残るように設計されている。
そこで残余冷却水は除水器に集められ、その集められた量が適正値以上になると、外部に自動排出される。残余冷却水の排出が円滑でなくなると、加湿バランスに影響を与え、結局燃料電池スタックの性能を落とす原因となる。
【０００６】
一方、水素燃料は水素タンクから供給された水素と、燃料電池スタックで反応を行った後、アノード出口ラインに排出される未反応水素が混合し、燃料電池スタックの水素入口端に供給される。
しかし、アノード出口ラインから排出された水素を継続して再循環させると、水素濃度が落ちてしまうため、予め設定された制御ロジックに従って水素を再循環させずに、水素通気弁および消音器を通して外部に排出させる場合もある。
【０００７】
以下に、既存の排気装置構造およびこれを利用した残余冷却水の排出作動について説明する。
図２は既存の除水器およびその連結ラインを表す概略図である。
燃料電池スタック１００の共用分配器に内設されたアノード出口ライン（水素排出ライン）１０には水素通気弁４０および消音器５０が順に連結され、また、燃料電池スタックの共用分配器の冷却水出口ライン３０には除水器２０が連結される。
更に、除水器２０の上段とアノード出口ライン１０の間には水素に含まれた水分液滴が除水器２０に排出されるようにした別途の水分除去ライン６０が連結される。
【０００８】
既存の除水器２０は上下部分に各々第１および第２レベルセンサー７０ａ，７０ｂが装着され、下段部には除水器２０の出口弁８０が装着されている。
従って、第１レベルセンサー７０ａで冷却水の水位が高く感知されると、出口弁８０が開かれて水が排出され、第２レベルセンサー７０ｂで冷却水の水位が低く感知されると、出口弁８０が閉じられる。
このように除水器２０内部に第２レベルセンサー７０ｂで感知することのできる程度の冷却水を残しておく理由は、冷却水が除水器２０に一定量残るようにし、アノード出口ライン１０を通して排出される水素が水素通気弁４０を通して消音器５０側に排出されずに、水分除去ライン（アノード出口ライン内の水素に含有された冷却水分除去のための配管）６０を通して除水器側に排出されるのを防止するためである。
【０００９】
このような既存の除水器２０には下記のような問題点がある。
１）レベルセンサーの誤作動および故障により除水器２０に残った冷却水が除去されないため、燃料電池スタックの性能が低下する。
２）アノード出口ラインを通して排出される水素は常圧より高く排出騒音を減らすための消音器、２個のラベルセンサー、アノード出口ラインと除水器２０を連結する水分除去ラインなどが必要であるため製作費が高くなる。
【特許文献１】特開２００２−１５５３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前記のような問題点を勘案してなされたものであり、本発明の目的はアノード出口ラインを直接除水器の内部を貫通する構造に改善すると同時に、アノード出口ラインには除水器の底部近傍まで延長される小径の冷却水排出パイプを一体に形成し、ベルヌーイの定理によりアノード出口ライン内の水素が除水器の出口弁に排出される時、除水器内の冷却水も冷却水排出パイプに沿って除水器の出口弁にて同時排出されるようにした燃料電池車両用除水器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するための本発明は、燃料電池車両用除水器（ｗａｔｅｒ  ｔｒａｐ）において、水素排出流速と除水器内の圧力を利用する手段により、燃料電池スタックから排出される残余水素と、燃料電池スタックで生成し、除水器内に集められた水を同時に排出させることができる燃料電池車両用除水器であって、水素排出流速と除水器内の圧力を利用する手段は、燃料電池スタックから延長されてその末端部が除水器の上段内部を貫通するアノード出口ラインと、アノード出口ラインの終端に連結された除水器の出口弁と、燃料電池スタックから延長されてその末端部が前記除水器の上段部に連結された水出口ラインと、除水器の内部において、アノード出口ラインに連結され除水器の底側に延長された水排出パイプと
を含めて構成され、水排出パイプの直径は、アノード出口ラインの直径より小さく形成され、燃料電池スタックの稼働を止める時、徐水器の水が、水排出パイプを通じて強制除去されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による燃料電池車両用除水器では以下の効果が得られる。
１）アノード出口ラインを除水器を過ぎ、除水器の出口弁に連結し、アノード出口ラインに除水器の底部まで延長される冷却水排出パイプを一体に形成し、水素と冷却水を同時に排出させることができるようにすることで、既存の冷却水排出のためのレベルセンサー、水素排出のための通気弁および消音器、水分除去ラインなどの部品が配置され、原価節減効果が得られる。
２）水素排出時、冷却水が希釈混用されて排出されることにより、冷却水が水素排出騒音を吸収し、別の消音器がなくとも排出騒音を低減させることができ、排出水素の発火性も著しく減少する効果がある。
【００１４】
３）除水器内に残っている冷却水が非常に少なく、冷始動時の熱線を利用した冷却水（氷）の解凍や、追加解凍のための熱線が必要ないため、原価節減効果を有する。
４）既存のレベルセンサーが必要ないため、レベルセンサーの誤作動による冷却水未除去による燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照にして詳しく説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は本発明による燃料電池車両用除水器の概略図である。
燃料電池用共用分配器は、燃料電池スタックモジュールに燃料電池反応に必要な水素と空気（酸素）を分配供給する役割を有し、その内部には水素および空気の供給および排出ラインが配置されており、そのうち一つがアノード出口ライン１０である。
アノード出口ライン１０は、燃料電池スタック１００で反応を終えた水素が排出されるラインであり、このアノード出口ライン１０を通して排出される未反応水素は再循環され、あるいは、水素濃度が低くなる場合、そのまま外気に排出される。
【００１７】
前述の通り、既存の装置では、アノード出口ライン（水素排出ライン）１０に水素通気弁４０および消音器５０が順に連結されていたが、本発明では水素通気弁４０および消音器５０を排除し、直接アノード出口ライン１０を除水器２０を貫通させて除水器の出口弁８０に連結させる。
より詳しくは、燃料電池スタック１００から延長されたアノード出口ライン１０の末端部が除水器２０の上段内部を貫通し、その終端が除水器の出口弁８０に直接連結される。
特に、除水器２０内部を過ぎるアノード出口ライン１０には除水器２０の底側に延長される冷却水排出パイプ９０が連結され、この冷却水排出パイプ９０の直径はアノード出口ライン１０の直径より小さくされる。
【００１８】
一方、燃料電池スタック１００、即ち、燃料電池スタックの共用分配器の冷却水の出口ライン３０が除水器２０の上段部に連結され、この冷却水の出口ライン３０を通して排出された冷却水が除水器２０に集まる。
更に、除水器２０に集まる冷却水の量は反応した水素の量に比例し、水素排出周期、または、反応した水素の量に比例するため、冷却水の増減と比例して水素排出を通した冷却水の排出量も増減する。
【００１９】
以下に、前記のように構成された本発明の除水器の動作について説明する。
燃料電池スタック１００で反応を終えて排出される残余水素、即ち未反応水素がアノード出口ライン１０に沿って排出され、水素がアノード出口ライン１０のうち除水器２０に貫通された部分を過ぎ、除水器の出口弁８０を通して外気に排出される。
これと同時に、除水器２０の内部に集まった冷却水が、アノード出口ライン１０から除水器２０の底側に延長された冷却水排出パイプ９０側に入り、上昇し、同時にアノード出口ライン１０を過ぎる水素と希釈混用され、除水器の出口弁８０を通して外気に排出される。
【００２０】
このように除水器内の冷却水が水素と共に排出される理由は下記の通りである。
高圧の水素は、アノード出口ライン１０を通して排出される時、ベルヌーイの定理によりその水素流体の速度が増加すると圧力は減少し、更に、冷却水排出パイプ９０は狭い管であるため、その内部は流速増加により圧力が減少した状態となる。
アノード出口ライン１０および冷却水排出パイプ９０内の圧力は、除水器２０内の圧力より低い状態となり、噴霧器の動作のように除水器２０内の冷却水が冷却水排出パイプ９０に入ると同時に上昇し、アノード出口ライン１０を過ぎる水素と希釈混用されると主に、噴水装置出口弁８０を通して外気に排出される。
【００２１】
従って、アノード出口ライン１０を通して排出される水素に冷却水が希釈混用されることにより、水素排出時の騒音減少効果を得て、排出水素の発火性もまた著しく減少する。
このように、ベルヌーイの定理によりアノード出口ライン１０内の水素が除水器の出口弁８０に排出される時、除水器２０内の冷却水も冷却水排出パイプ９０に沿って除水器の出口弁８０に同時排出されるようにすることで、既存の冷却水排出のためのレベルセンサー、水素排出のための通気弁および消音器、水分除去ラインなどの部品が排除され、高い原価節減効果が得られる。
【００２２】
また、除水器内部に全ての冷却水が除去された場合、アノード出口ラインを通して排出される水素に含有された水分が自重により冷却水排出パイプに沿って除水器に集まる効果も得られる。
更に、冷始動時に始動を止める場合、既存の除水器の場合には、残っている冷却水を除去するために除水器の出口弁を追加的に開くものの、スタック内の圧力の大部分が通気ラインに抜け、重力のみでは冷却水除去量が少なくなる。反面、本発明による除水器の場合には、始動を止める時、冷却水排出パイプを通して除水器の出口弁で水が強制除去されるため残っている冷却水量が少なくなる。結局、除水器内に残っている冷却水が非常に少ないため、冷始動時に熱線を利用した冷却水（氷）解凍や、追加解凍のための熱線が必要ないため、さらに原価節減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による除水器を表す概略図である。
【図２】既存の除水器を表す概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  アノード出口ライン
２０  除水器
３０  冷却水出口ライン
４０  水素通気弁
５０  消音器
６０  水分除去ライン
７０ａ  第１レベルセンサー
７０ｂ  第２レベルセンサー
８０  出口弁
９０  冷却水排出パイプ
１００  燃料電池スタック
【図１】
0005313476.tif 000002
【図２】
0005313476.tif 000003