(57)【要約】【課題】水タンクに繋がる水供給系内の水を系外に排出する際に、その水供給系から水をより迅速にかつ確実に排除できるようにした燃料電池システムの提供を図る。【解決手段】  水タンク８に繋がる水供給系１１に排水バルブ１２を設けるとともに、その排水バルブ１２から水を排水する時に水タンク８の内圧を高めるタンク内圧上昇手段１００を設けることにより、高められたその水タンク８内の圧力によって水供給系１１内の水を排水バルブ１２からより迅速にかつ確実に排除して、寒冷地でのシステム停止中に水供給系１１が凍結するのを防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して、該燃料電池の発電によって生じた熱を、前記水の気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、
前記水タンクに繋がる水供給系に排水手段を設けるとともに、その排水手段から水を排水する時に前記水タンクの内圧を高めるタンク内圧上昇手段を設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記タンク内圧上昇手段は、燃料電池や加湿器に空気を供給する空気供給系、または燃料電池や加湿器から空気を排出する空気排気系と水タンク内とを連通し、それら空気供給系または空気排気系の空気を水タンク内に導入する空気取込路である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記タンク内圧上昇手段は、前記空気供給系および前記空気排気系の空気量を増加する空気増量手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記タンク内圧上昇手段は、前記空気排気系の前記空気取込路よりも下流側に配置されて、空気排気量を絞り制御することにより空気取込路に導入する空気圧を昇圧する圧力調整手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記空気排気系の出口部分に大容量中空部を設け、その大容量中空部に前記排水手段から排水される水を一時的に貯留する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記空気排気系に調圧手段を設け、この調圧手段よりも下流側の空気排気系に、前記排水手段から排水される水を排出する排水管を接続した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、とりわけ、燃料電池に供給する水を貯水する水タンクを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発熱を水の気化潜熱を利用して除去する燃料電池システムでは、そのための水を貯水するための水タンクを備えており、このように貯水タンクを備えた燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車では、寒冷地においては水タンク内およびその水タンクに繋がる水供給系内の水が凍結する場合があり、このように凍結した場合は燃料電池システムの起動性が悪化してしまう。
【０００３】
このため、燃料電池の排空気の熱を利用して水タンク内の水を温める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１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１２４３号公報（第５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる従来の燃料電池システムにあっては、水タンク内の水を温めたとしても、あくまでもその水を温めるのはシステム起動後の燃料電池の発熱を利用したもので、寒冷地ではシステム停止中に水タンクやその水タンクに繋がる水供給系に存在（残存）する水が凍結してしまい、システムの円滑な稼働性が悪化してしまう。
【０００５】
このため、システムの停止時に水タンクに繋がる水供給系内の水を系外に排出しておくことにより、システムの停止中にその水供給系内で水が凍結するのを防止でき、そして、システムの起動後に新たな水を水供給系に供給することにより、起動後のシステム稼働を円滑に行うことができる。
【０００６】
そこで、本発明は、水タンクに繋がる水供給系内の水を系外に排出する際に、その水供給系から水をより迅速にかつ確実に排除できるようにした燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して、該燃料電池の発電によって生じた熱を、前記水の気化潜熱で奪って除去する燃料電池システムにおいて、前記水タンクに繋がる水供給系に排水手段を設けるとともに、その排水手段から水を排水する時に前記水タンクの内圧を高めるタンク内圧上昇手段を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水供給系内の水の排水時にタンク内圧上昇手段によって水タンクの内圧を高めることができるので、高められたその水タンク内の圧力によって水供給系内の水を排水手段から効率良く押し出すことができる。このため、システムの停止時等にあって凍結を防止するために水を排水する必要がある場合は、前記タンク内圧上昇手段によって前記水供給系内の水をより迅速にかつ確実に排除して、寒冷地でのシステム停止中に水供給系が凍結するのを防止できる。その結果、本発明によれば、水の凍結による経路の閉塞や配管の破損を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［実施形態１］
図１，図２は本発明にかかる燃料電池システムの実施形態１を示し、図１は車両に搭載した燃料電池システムの全体概略構成図、図２は燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【００１１】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図１に示すように車両Ｍに搭載された場合を例にとって示し、燃料電池１と、燃料電池１に燃料としての水素を供給する燃料供給手段と、燃料電池１に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給手段と、発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却させる水供給手段とを主要な構成要素として備え、燃料電池１に水素と空気をそれぞれ供給することで、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【００１２】
燃料電池１は、電解質膜をアノード側電極（燃料極）とカソード側電極（酸化剤極）とで挟み込んでなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体の両側に水素、空気及び水を供給するための流路が形成されたセパレータを配置した単位燃料電池セル（単セル）を複数積層してなるセルスタックからなり、本実施形態の燃料電池システムＦＣでは、電極及びセパレータを多孔質体として形成し、水を電解質膜へと浸み出させ、その水の気化潜熱にて発電で生じた熱を除去するように構成されている。
【００１３】
燃料供給手段は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンク、水素供給管、バルブ、水素排気管、水素希釈装置、水素燃焼装置（何れも図示は省略する）等を有する。高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給管を通じて燃料電池１の燃料極へと供給される。また、燃料電池１の燃料極から排出されたアノード排出ガスは、水素排気管を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈されるか水素燃焼装置で燃焼されて酸化された上で、システム外部に排出される。
【００１４】
酸化剤供給手段は、例えば、空気を圧縮し燃料電池１の酸化剤極へ供給する圧縮機（コンプレッサ）２、圧縮した空気を燃料電池１に送る空気供給管３、その空気を所定湿度にする加湿器４、燃料電池１から排気された空気温度を下げる空気冷却装置（コンデンサ）５、コンデンサ５で凝縮された排空気中に含まれる水を分離する気液分離器（セパレータ）６等を有する。
【００１５】
圧縮機２で圧縮して供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整されるとともに、加湿器４によって適切な温度・湿度に調整されて燃料電池１の酸化剤極へ供給され、そして、燃料電池１の酸化剤極から排出された排空気は、上流側の空気排気管７Ａからそのコンデンサ５に送られて冷却された後、気液分離器６で気液分離されて下流側の空気排気管７Ｂを介してシステム外部へ排出される。
【００１６】
水供給手段は、例えば水を貯水する水タンク８と、この水タンク８から燃料電池１（または加湿器４を介して燃料電池１）へと水を供給する水供給管９と、気液分離器６で分離した水を再び水タンク８へ戻すポンプ１０等を有する。図１では、水タンク８から燃料電池１へ直接水を水供給管９で供給するようにしてあるが、加湿器４を燃料電池１の上流に配置し、この加湿器４を介して燃料電池１に水を供給するようにしてもよい。
【００１７】
ここで、本実施形態の燃料電池システムＦＣは、図２にも示すように前記水タンク８に繋がる水供給系１１に排水手段としての排水バルブ１２を設けるとともに、その排水バルブ１２から水を排水する時に前記水タンク８の内圧を高めるタンク内圧上昇手段１００を設けてある）。
【００１８】
前記水供給系１１は、前記コンデンサ５で凝縮した水を分離して溜める前記気液分離器６と、この気液分離器６内の水を揚水する前記ポンプ１０と、このポンプ１０で揚水された水を前記水タンク８に供給する水供給配管１３と、によって構成される。
【００１９】
前記排水バルブ１２は、気液分離器６の底部に連通した排水管１４に設けられ、その排水バルブ１２を開弁することにより気液分離器６内の水を排水管１４を介してシステム外部に排水する一方、前記水供給配管１３内の水およびポンプ１０内の水を気液分離器６内に逆流させて、その逆流させた水も同時に排水管１４から排水する。
【００２０】
前記タンク内圧上昇手段１００は、図２に示すように燃料電池１から空気を排出する空気排気系１５と水タンク８内とを連通し、その空気排気系１５の空気を水タンク８内に導入する空気取込路１０１によって形成してある。
【００２１】
前記空気排気系１５は、燃料電池１に連通する前記上流側の空気排気管７Ａ、前記コンデンサ５、前記気液分離器６、この気液分離器６の上部に連通する前記下流側の空気排気管７Ｂとから構成され、前記空気取込路１０１は前記上流側の空気排気管７Ａから分岐して設けられる。また、前記下流側の空気排気管７Ｂには下流側調圧弁１７が設けられている。
【００２２】
前記燃料電池１は、図２に示すように対向する多孔質のセパレータ２１間に酸化剤極（カソード側電極）、電解質膜２２、燃料極（アノード側極）を配置したセル２３を複数積層したスタック２０を備え、そのスタック２０の側方にマニホールド２４を配置して構成される。前記セパレータ２１には、前記酸化剤極と対向する面には空気流路２５が形成されるとともに、前記燃料極と対向する面には水素流路２６が形成されている。また、セパレータ２１同士の対向面には、水が流通する水流路２７が形成されている。
【００２３】
図１及び図２では、水タンク８に連通する前記空気取込路１０１を空気排気系１５に設けたが、燃料電池１や加湿器４に空気を供給する空気供給系１６に前記空気取込路１０１を設けるようにしてもよい。空気供給系１６は、前記圧縮機２およびこの圧縮機２の圧縮空気を燃料電池１に送給する空気供給管３によって構成される。
【００２４】
また、前記タンク内圧上昇手段１００は、空気排気系１５の空気を水タンク８内に導入する前記空気取込路１０１に加えて、前記空気供給系１６および前記空気排気系１５の空気量を増加する前記圧縮機２を空気増量手段として用いてある。
【００２５】
つまり、圧縮機２の空気吐出量を増加することにより、空気供給系１６を通過する空気量を増加し、かつ、その増加した空気量は燃料電池１内を通過した際にも余剰空気が増量して、前記空気排気系１５を通過する空気量をも増加することができ、ひいては、前記空気取込路１０１を介して水タンク８内に導入される空気量を増加することができる。
【００２６】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、空気排気管７Ａから分岐した空気取込路１０１を水タンク８に連通してタンク内上昇手段１００を構成し、水タンク８に繋がる水供給系１１内の水の排水時に、前記タンク内上昇手段１００によって水タンク８の内圧を高めるようにしたので、高められたその水タンク８内の圧力によって水供給系１１の水供給配管１３内の水を逆流させて気液分離器６内に効率良く押し出すことができ、更に、その気液分離器６内の水は排水バルブ１２を開弁することにより排水管１４からシステム外部へと排出させることができる。
【００２７】
従って、燃料電池システムＦＣの停止時等にあって水の排水を必要とする場合は、水タンク８内の圧力が高められて水を前記水供給系１１から迅速にかつ確実に排除でき、寒冷地でのシステム停止中に水供給系１１が凍結するのを防止できる。このため、その後に燃料電池システムＦＣを起動した際に、前記水供給系１１に新たな水が供給されることにより、システムの稼働を円滑に行うことができる。また、水の凍結による経路の閉塞や配管の破損を回避することが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態の燃料電池システムＦＣでは、水供給系１１内の水を排水バルブ１２を介して排水管１４からシステム外へと排出できることにより、水タンク８に手動で給水できる構造である場合に、水タンク８内の水量を適正水位とするオーバーフロー機能を兼ねることができる。
【００２９】
更に、前記タンク内圧上昇手段１００を、空気排気系１５と水タンク８内とを連通して、その空気排気管７Ａの空気を水タンク８内に導入する空気取込路１０１で形成したので、空気排気系１５と水タンク８とを空気取込路１０１で単に連通するという簡単な構造によってタンク内圧上昇手段１００を構成することができるので、コストの大幅な上昇を来すことなく前記水供給系１１の水を排出することができる。
【００３０】
更にまた、前記タンク内圧上昇手段１００は、圧縮機２を空気増量手段として空気供給系１６および空気排気系１５の空気量を増加するようにしたので、これに伴って水タンク８に導入する空気量も増加することにより水タンク８内の圧力を更に高めることができるようになり、その水タンク８と水の排出部分、つまり、本実施形態では気液分離器６との差圧を増大して水の排水性を高めることができる。
【００３１】
[実施形態２]
図３は本発明の実施形態２を示し、前記実施形態１と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとし、図３は燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【００３２】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは基本的に実施形態１と略同様の構成となり、図３に示すように空気排気管７Ａから分岐した空気取込路１０１を水タンク８に連通して空気排気系１５の空気を水タンク８内に導入し、かつ、気液分離器６の底部に連通した排水管１４に排水バルブ１２を設けてある。
【００３３】
そして、本実施形態のタンク内圧上昇手段１１０は、前記空気取込路１０１に加えて、空気排気系１５の前記空気取込路１０１よりも下流側に配置されて、空気排気量を絞り制御することにより空気取込路１０１に導入する空気圧を昇圧する圧力調整手段としての上流側調圧弁１１１を設けてある。
【００３４】
上流側調圧弁１１１は、空気排気系１５の空気排気管７Ａに設けられ、空気取込路１０１の分岐部分１０２とコンデンサ５との間に配置される。そして、上流側調圧弁１１１の絞り量を調整することにより、その上流側調圧弁１１１よりも上流側の空気排気管７Ａ内の排空気圧を高めることができ、ひいては、前記空気取込路１０１から水タンク８に供給する空気圧を高めることができる。
【００３５】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、空気排気管７Ａから分岐した空気取込路１０１を水タンク８に連通するとともに、気液分離器６の底部に排水バルブ１２を設けた排水管１４を連通してあるので、実施形態１と同様の作用効果を奏するのは勿論のこと、特に本実施形態ではタンク内圧上昇手段１１０を、前記空気取込路１０１に加えて、空気排気管７Ａの前記空気取込路１０１よりも下流側に上流側調圧弁１１１を設けたので、その上流側調圧弁１１１により空気排気量を絞り制御することにより、前記空気取込路１０１に導入する空気圧を昇圧させて水タンク８内の圧力を上昇させることができるので、水タンク８と気液分離器６との差圧を増大して水の排水性を高めることができる。
【００３６】
[実施形態３]
図４は本発明の実施形態３を示し、前記各実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとし、図４は燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムＦＣは、基本的に実施形態２と略同様の構成となり、図４に示すように空気排気管７Ａから分岐した空気取込路１０１を水タンク８に連通するとともに、気液分離器６の底部に連通した排水管１４に排水バルブ１２を設けてあり、かつ、空気排気管７Ａの空気取込路１０１の分岐部分１０２とコンデンサ５との間に上流側調圧弁１１１を設けてある。
【００３８】
そして、本実施形態の燃料電池システムＦＣでは、前記空気排気系１５の出口部分、つまり下流側の空気排気管７Ｂに大容量中空部１２０を設け、その大容量中空部１２０に前記排水バルブ１２から排水される水Ｗを一時的に貯留するようになっている。大容量中空部１２０としては、例えばステンレス板などによって全ての空間が排水で満水にならない程度の大容量とした内部空間とした円柱体或いは矩形体などとして形成される。
【００３９】
このとき、前記大容量中空部１２０は、前記空気排気管７Ｂの下流側調圧弁１７よりも下流側に配置されるようになっており、かつ、前記排水バルブ１２を設けた排水管１４の下流側を前記大容量中空部１２０に連通させてある。
【００４０】
従って、排水管１４から排出される水Ｗは前記大容量中空部１２０に流入することになるが、その大容量中空部１２０に流入した水は所定量蓄溜された後に排出管１２１からシステム外へと排出される。このとき、前記空気排気管７Ｂの排空気Ａも前記排出管１２１から排出される。
【００４１】
また、本実施形態では前記空気排気系１５である下流側の空気排気管７Ｂに調圧手段としての下流側調圧弁１７を設け、この下流側調圧弁１７よりも下流側の空気排気管７Ｂに、前記排水バルブ１２から排出される水を排出する排水管１４を接続してある。
【００４２】
即ち、本実施形態では前記排水バルブ１２を設けた排水管１４の出口部分を前記大容量中空部１２０に接続してあり、このように排水管１４を大容量中空部１２０に接続することにより、その排水管１４を空気排気管７Ｂの下流側調圧弁１７よりも下流側に接続した状態となっている。
【００４３】
以上の構成により本実施形態の燃料電池システムＦＣによれば、空気取込路１０１を水タンク８に連通するとともに、気液分離器６の底部に排水バルブ１２を設けた排水管１４を連通し、かつ、空気排気管７Ａの空気取込路１０１の分岐部分１０２とコンデンサ５との間に上流側調圧弁１１１を設けてあるので、実施形態２と同様の作用効果を奏するのは勿論のこと、特に本実施形態では下流側の空気排気管７Ｂに設けた大容量中空部１２０に前記排水バルブ１２から排水される水Ｗを一時的に貯留するようにしたので、システムを停止する都度に水供給系１１の水Ｗが排水バルブ１２から一度に車外へ排出されるのを防止でき、例えば駐車場等にあって路面を水浸しにしてしまうことが無いので、車両としての商品価値が低下されるのを避けることができる。
【００４４】
また、前記大容量中空部１２０に水Ｗが蓄溜した状態で凍結した場合にも、その凍結部分は大容量中空部１２０の断面内の一部であって排空気Ａの通過スペースは常時確保された状態にあり、システム起動時に排空気Ａが詰まってしまうのを防止できる。
【００４５】
そして、システム稼働に伴って大容量中空部１２０内で凍結した水Ｗは徐々に解凍され、解凍された水Ｗは排空気Ａに伴って車外に放出されるが、その放出時は、通常、車両が走行状態にあるため商品価値への影響はほとんど無い。
【００４６】
更に、本実施形態では下流側調圧弁１７よりも下流側の空気排気管７Ｂに排水管１４を接続したので、前記下流側調圧弁１７を絞ることにより気液分離器６内の圧力を高めて、空気排気管７Ｂの下流側調圧弁１７よりも下流側の排空気との差圧を大きくできるので、気液分離器６内の水を迅速にかつ確実に排水管１４から外部（本実施形態では大容量中空部１２０内）に排出して水の排水性を高めることができる。
【００４７】
ところで、本発明の燃料電池システムは前記各実施形態に例をとって説明したが、これら実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態１における車両に搭載した燃料電池システムの全体概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態１における燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態２における燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態３における燃料電池システムの要部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池
２  圧縮機（空気増量手段）
４  加湿器
８  水タンク
１１  水供給系
１２  排水バルブ（排水手段）
１４  排水管
１５  空気排気系
１６  空気供給系
１００，１１０  タンク内圧上昇手段
１０１  空気取込路
１１１  上流側調圧弁（圧力調整手段）
１２０  大容量中空部
ＦＣ  燃料電池システム
【図１】
2007242326.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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