(57)【要約】【課題】構成が簡単で、レイアウトにも有利で、気密性の高い流路封止手段を備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２に空気を供給する空気供給流路１１と、燃料電池２から排出される空気を排出する空気排出流路１２と、空気供給流路１１および空気排出流路１２に介装され、鉛直下方に略Ｕ字状に垂れた中間部１６ａ，１７ａを有し中間部１６ａ，１７ａに液体が貯留したときに気体の流通が不可能となる液体封止管１６，１７と、液体を貯留するバッファタンク１８と、バッファタンク１８から液体封止管１６，１７に液体を流通可能とする送液管２０，２１と、送液管２０，２１に設けられた送液弁２２，２３とを備え、燃料電池２の停止時に送液弁２２，２３を開弁して液体封止管１６，１７にバッファタンク１８の液体を送り込む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤を排出する酸化剤排出流路と、
前記酸化剤供給流路と前記酸化剤排出流路の少なくともいずれか一方に介装され、鉛直下方に略Ｕ字状に垂れ、液体が貯留したときに気体の流通が不可能となる液体封止管と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
液体を貯留するタンクと、前記タンクから前記液体封止管に液体を流通可能とする送液管と、を備え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】
前記酸化剤排出流路には凝縮水回収器が設けられ、前記凝縮水回収器から前記タンクに凝縮水を流通可能とする送水管を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤排出流路における前記凝縮水回収器の下流には酸化剤排出流路高圧化弁が設けられ、該酸化剤排出流路高圧化弁の開度を絞ることにより前記凝縮水回収器から前記タンクに凝縮水を送り込むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記タンクには、該タンクから溢流する液体を排出するオーバーフロー管の一端が接続され、前記オーバーフロー管の他端が前記酸化剤排出流路に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記送液管に設けられた送液弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の停止時に前記送液弁を開弁して前記液体封止管に液体を送り込むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤を送出する酸化剤ポンプと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に前記酸化剤ポンプを駆動して液体封止管の液体を移動させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記送液管に設けられた送液弁と、前記酸化剤排出流路に設けられた酸化剤排出流路高圧化弁と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に前記送液弁を開弁するとともに前記酸化剤排出流路高圧化弁を閉弁した後、前記酸化剤ポンプを駆動して、前記液体封止管の液体を前記タンクに移動させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記液体封止管の温度を検出する温度センサと、前記液体封止管の液体を排出する排出手段と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の停止中に前記温度センサで検知された温度が所定値以下となった場合に、前記排出手段により前記液体封止管の液体を排出することを特徴とする請求項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】
この発明は、液封型の流路封止手段を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料と酸化剤を供給されて発電をする燃料電池では、燃料電池に接続される燃料系流路や酸化剤系流路に封止弁を設置し、燃料電池の停止時に前記封止弁を閉じることによって、停止期間中に燃料電池に燃料や酸化剤が新たに流入しないようにする場合がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池から排出される酸化剤の流路に封止弁を設置することが開示されており、特許文献２には、燃料電池から排出される燃料の流路に封止弁を設置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８０１６６号公報
【特許文献２】特開２００５−４４６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記封止弁には、その目的から高い気密性が要求される。また、燃料電池の発電運転のときに封止弁を開弁して燃料および酸化剤を流通させなければならないため、封止弁での圧力損失を小さくする必要がある。
そのため、封止弁本体を大きくせざるを得なくなり、これに伴い駆動部も大型となる。これは、レイアウト上、不利であり、コストアップにもなるという課題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、構成が簡単で、レイアウトにも有利で、気密性の高い流路封止手段を備え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】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）と、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給流路（例えば、後述する実施例における空気供給流路１１）と、前記燃料電池から排出される酸化剤を排出する酸化剤排出流路（例えば、後述する実施例における空気排出流路１２）と、前記酸化剤供給流路と前記酸化剤排出流路の少なくともいずれか一方に介装され、鉛直下方に略Ｕ字状に垂れ、液体が貯留したときに気体の流通が不可能となる液体封止管（例えば、後述する実施例における第１液体封止管１６、第２液体封止管１７）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、液体を貯留するタンク（例えば、後述する実施例におけるバッファタンク１８）と、前記タンクから前記液体封止管に液体を流通可能とする送液管（例えば、後述する実施例における第１送液管２０、第２送液管２１）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記酸化剤排出流路には凝縮水回収器（例えば、後述する実施例における凝縮水回収器１４）が設けられ、前記凝縮水回収器から前記タンクに凝縮水を流通可能とする送水管（例えば、後述する実施例における送水管１９）を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記酸化剤排出流路における前記凝縮水回収器の下流には酸化剤排出流路高圧化弁（例えば、後述する実施例における圧力制御弁１５）が設けられ、該酸化剤排出流路高圧化弁の開度を絞ることにより前記凝縮水回収器から前記タンクに凝縮水を送り込むことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記タンクには、該タンクから溢流する液体を排出するオーバーフロー管（例えば、後述する実施例におけるオーバーフロー管２４）の一端が接続され、前記オーバーフロー管の他端が前記酸化剤排出流路に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記送液管に設けられた送液弁（例えば、後述する実施例における第１送液弁２２、第２送液弁２３）と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の停止時に前記送液弁を開弁して前記液体封止管に液体を送り込むことを特徴とする。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記酸化剤を送出する酸化剤ポンプ（例えば、後述する実施例におけるエアポンプ１０）と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に前記酸化剤ポンプを駆動して液体封止管の液体を移動させることを特徴とする。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の発明において、前記送液管に設けられた送液弁（例えば、後述する実施例における第１送液弁２２、第２送液弁２３）と、前記酸化剤排出流路に設けられた酸化剤排出流路高圧化弁（例えば、後述する実施例における圧力制御弁１５）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に前記送液弁を開弁するとともに前記酸化剤排出流路高圧化弁を閉弁した後、前記酸化剤ポンプを駆動して、前記液体封止管の液体を前記タンクに移動させることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記液体封止管の温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施例における温度センサ３３，３６）と、前記液体封止管の液体を排出する排出手段（例えば、後述する実施例におけるドレン弁３１，３４）と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の停止中に前記温度センサで検知された温度が所定値以下となった場合に、前記排出手段により前記液体封止管の液体を排出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池の発電停止時に液体封止管に液体を貯留することにより、燃料電池のカソードを高い気密性を保って封止することができる。その結果、燃料電池２において水素のクロスリークによるラジカル反応の発生を抑制することができ、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、液体封止管は極めて簡単な構成であり、大型の封止弁を設置する場合に比較して、設置スペースが小さくて済み、レイアウト上も有利であり、また、軽量にでき、コストダウンを図ることもできる。
【００１７】
請求項２に係る発明によれば、タンクに貯留されている液体を、送液管を介して液体封止管に導入することが可能となる。
請求項３に係る発明によれば、凝縮水回収器で回収した水を、送水管を介してタンクに送ることが可能となる。
請求項４に係る発明によれば、酸化剤排出流路高圧化弁の開度を絞ることにより、凝縮水回収器で回収した水をタンクに送り込むことが可能となる。
請求項５に係る発明によれば、タンクから溢流する液体を酸化剤排出流路に排出し、燃料電池から排出された酸化剤とともに排出することが可能となる。
請求項６に係る発明によれば、燃料電池の停止時に、タンクに貯留されている液体を、送液管を介して液体封止管に導入し、燃料電池のカソードを封止することが可能となる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、燃料電池の起動時に酸化剤ポンプを駆動して、酸化剤の圧力により液体封止管に溜めていた液体を圧送し、液体封止管から移動させることができ、液封を解除することが可能となる。
請求項８に係る発明によれば、液体封止管に溜めていた液体を酸化剤の圧力により圧送し、送液管を介してタンクに戻すことが可能となる。
請求項９に係る発明によれば、液体封止管内で液体が凍結するのを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例における概略構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システムにおいて液体封止管への液体導入処理を説明する図である。
【図３】実施例の燃料電池システムにおいて液体封止管からの液体排出処理を説明する図である。
【図４】実施例の燃料電池システムにおいて液体封止管からの液体排出処理を説明する図である。
【図５】実施例の燃料電池システムにおいて低温時の液体封止管からの液体排出処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。この実施例において、燃料電池システム１は燃料電池自動車に搭載されており、固体高分子電解質膜型の燃料電池２を備えている。
【００２１】
燃料電池２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００２２】
高圧水素タンク３に収容された水素は、水素供給流路４を流通して燃料電池２のアノードに供給され、燃料電池２で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池２から水素排出流路５を通って図示しない希釈器に排出される。水素供給流路４、水素排出流路５には遮断弁６，７が設けられている。なお、燃料電池２で消費されなかった未反応の水素を、エゼクタあるいは水素ポンプなどにより水素供給流路４に戻し、循環させるように構成してもよい。
【００２３】
空気はエアポンプ（酸化剤ポンプ）１０により所定圧力に加圧され、空気供給流路（酸化剤供給流路）１１を通って燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２から生成水とともに排出され、空気排出流路（酸化剤排出流路）１２を通って前記希釈器に排出される。以下の説明では、燃料電池２に供給される空気を供給空気とし、燃料電池２から排出される空気を排出空気として区別する。前記希釈器において、燃料電池２から排出された水素は排出空気によって希釈される。
【００２４】
空気供給流路１１と空気排出流路１２の途中には、例えば水透過膜を備えた加湿器１３が設けられており、この加湿器１３において、排出空気中の水分が水透過膜を介して供給空気に移動せしめられる。したがって、加湿器１３において、供給空気は加湿され、排出空気は除湿される。
【００２５】
加湿器１３より下流の空気排出流路１２には、加湿器１３を通過後の排出空気に含まれる水分を凝縮させて捕集する凝縮水回収器１４が設けられており、さらにその下流に、燃料電池２のカソードにおける空気圧力を調整するための圧力制御弁（酸化剤排出流路高圧化弁）１５が設けられている。
【００２６】
空気供給流路１１における加湿器１３と燃料電池２との間、および、空気排出流路１２における燃料電池２と加湿器１３との間には、それぞれ第１液体封止管１６、第２液体封止管１７が介装されている。第１液体封止管１６、第２液体封止管１７はいずれも、鉛直下方に垂れ下がり略Ｕ字状に屈曲する中間部１６ａ，１７ａを備えており、中間部１６ａに液体を貯留させると第１液体封止管１６は液封されて気体の流通は不可能となり、中間部１７ａに液体を貯留させると第２液体封止管１７は液封されて気体の流通は不可能となる。
【００２７】
また、燃料電池システム１は、水を溜めるバッファタンク１８を備えている。バッファタンク１８と凝縮水回収器１４は送水管１９によって接続されていて、凝縮水回収器１４で回収された凝縮水を送水管１９を通してバッファタンク１８に送り込むことが可能となっている。
【００２８】
バッファタンク１８の底部と第１液体封止管１６の中間部１６ａの最下部は第１送液管２０によって接続されており、バッファタンク１８の底部と第２液体封止管１７の中間部１７ａの最下部は第２送液管２１によって接続されている。第１送液管２０と第２送液管２１には第１送液弁２２，第２送液弁２３が設けられている。なお、この実施例において、バッファタンク１８は、第１液体封止管１６および第２液体封止管１７よりも高い位置に配置されている。
【００２９】
バッファタンク１８には、バッファタンク１８の溢流水を排出するオーバーフロー管２４の一端が接続されており、オーバーフロー管２４の他端は圧力制御弁１５よりも下流の空気排出流路１２に接続されている。これにより、バッファタンク１８から溢流する水を空気排出流路１２に排出し、燃料電池２から排出される排出空気とともに希釈器に排出することができるようになっている。
また、燃料電池システム１は図示しない制御装置（制御部）を備えており、制御装置によって、燃料電池１、遮断弁６，７、エアポンプ１０、圧力制御弁１５、第１送液弁２２、第２送液弁２３が制御される。
【００３０】
次に、この燃料電池システム１の停止制御を説明する。停止制御は前記制御装置により実行される。
制御装置に発電停止信号が入力されると、図２に示すように、遮断弁６，７を閉弁して水素の供給、排出を停止するとともに、エアポンプ１０を停止して燃料電池２への空気の供給を停止する。なお、圧力制御弁１５は開弁状態に維持する。
【００３１】
次に、第１送液弁２２と第２送液弁２３を所定時間だけ開弁して、バッファタンク１８に貯留されている水を、第１送液管２０を介して第１液体封止管１６の中間部１６ａに導入し、第２送液管２１を介して第２液体封止管１７の中間部１７ａに導入する。この実施例では、バッファタンク１８が、第１液体封止管１６および第２液体封止管１７よりも高い位置に配置されているので、重力によってバッファタンク１８の水を中間部１６ａ，１７ａに送水することができ、ポンプなどの動力が不要である。
【００３２】
Ｕ字状の中間部１６ａに水が導入されることにより第１液体封止管１６は液封され、加湿器１３と燃料電池２との間の空気供給流路１１が閉塞され、Ｕ字状の中間部１７ａに水が導入されることにより第２液体封止管１７は液封され、燃料電池２と加湿器１３との間の空気排出流路１２が閉塞される。その後、第１送液弁２２と第２送液弁２３を閉弁する。
【００３３】
この第１液体封止管１６の液封、および、第２液体封止管１７の液封は、バルブ等による閉塞と比較しても、極めて気密性が高い。したがって、燃料電池２の発電停止中に、燃料電池２のカソードに新たに空気が供給されるのを確実に阻止することができるとともに、燃料電池２のカソードから空気が排出されるのを確実に阻止することができ、燃料電池２のカソードを確実に封止状態に保持することができる。
【００３４】
これにより、燃料電池２の発電停止中に、固体高分子電解質膜型を介してアノードからカソードに、カソードからアノードにガスが透過（クロスリーク）するのを抑制することができる。その結果、水素のクロスリークによるラジカル反応の発生を抑制することができ、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００３５】
次に、この燃料電池システム１の起動制御を説明する。起動制御は前記制御装置により実行される。
制御装置に起動信号が入力されると、図３に示すように、第１送液弁２２と第２送液弁２３を閉弁し、エアポンプ１０を駆動して、空気供給流路１１に加圧空気を供給する。なお、圧力制御弁１５は開弁状態に維持するが、その開度を発電時よりも絞るように制御する。これにより、第１液体封止管１６の中間部１６ａに溜められていた水は供給空気により押し出され、供給空気とともに燃料電池２のカソードを通って空気排出流路１２に排出される。これと同時に、第２液体封止管１７の中間部１７ａに溜められていた水も、燃料電池２から排出される排出空気によって押し出される。このようにして第１液体封止管１６および第２液体封止管１７から押し出された水は、空気とともに加湿器１３を通って凝縮水回収器１４に排出され、凝縮水回収器１４において空気から分離される。ここで、圧力制御弁１５の開度が絞られており、凝縮水回収器１４の内圧が高められているので、分離された水は送水管１９を通ってバッファタンク１８に圧送され、回収される。また、水を分離された空気は圧力制御弁１５を通過して希釈器に排出される。
そして、その後、エアポンプ１０の運転を継続し燃料電池２のカソードに空気を供給しながら、図１に示すように遮断弁６，７を開弁して燃料電池２のアノードに水素を供給し、暖機運転を開始し、その後、発電運転に移行する。
【００３６】
なお、バッファタンク１８の貯留水量が少ないときなど、起動時に水を強制的にバッファタンク１８に回収したい場合には、図４に示すように、起動時に第１送液弁２２と第２送液弁２３を開弁し、圧力制御弁１５を閉弁した後、エアポンプ１０を駆動して空気供給流路１１に加圧空気を供給する。このようにすると、第１液体封止管１６の中間部１６ａに溜められていた水を、第１送液管２０、第１送液弁２２を通してバッファタンク１８に強制的に押し戻すことができ、第２液体封止管１７の中間部１７ａに溜められていた水を、第２送液管２１、第２送液弁２３を通してバッファタンク１８に強制的に押し戻すことができる。
【００３７】
このように第１送液弁２２と第２送液弁２３を水強制回収に必要な時間だけ開弁した後、第１送液弁２２および第２送液弁２３を閉弁する。そして、図１に示すように、圧力制御弁１５を開弁して燃料電池２のカソードに空気を供給し、遮断弁６，７を開弁して燃料電池２のアノードに水素を供給して、暖機運転を開始し、その後、発電運転に移行する。
【００３８】
また、寒冷地において、発電停止中に第１液体封止管１６の中間部１６ａ、第２液体封止管１７の中間部１７ａに溜めておいた水が凍結する虞がある場合には、前述した起動時と同様に、エアポンプ１０を駆動して空気により前記水を圧送しバッファタンク１８に戻してもよいが、図５に示すように、排水機構を設けて排水してもよい。
【００３９】
排水機構について詳述すると、第１液体封止管１６の中間部１６ａに、ドレン弁（排出手段）３１を備えたドレン管３２を連結するとともに、中間部１６ａの水温を検出する温度センサ３３を設け、第２液体封止管１７の中間部１７ａに、ドレン弁（排液弁）３４を備えたドレン管３５を連結するとともに、中間部１７ａの水温を検出する温度センサ３６を設ける。そして、制御装置は、温度センサ３３により検出される水温が所定温度（例えば、３゜Ｃ）以下に下がったときに、ドレン弁３１を開弁して第１液体封止管１６の中間部１６ａに溜めていた水をドレン管３２を介して排水し、温度センサ３６により検出される水温が所定温度（例えば、３゜Ｃ）以下に下がったときに、ドレン弁３４を開弁して第２液体封止管１７の中間部１７ａに溜めていた水をドレン管３５を介して排水する。これにより、第１液体封止管１６および第２液体封止管１７内で水が凍結するのを防止することができ、燃料電池２の起動時に燃料電池に空気を供給できなくなるのを未然に防止することができる。
【００４０】
この実施例の燃料電池システム１によれば、燃料電池２の停止期間中、燃料電池２のカソード側を高い気密性を保って封止することができる。その結果、燃料電池２において水素のクロスリークによるラジカル反応の発生を抑制することができ、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
しかも、その封止機構は第１液体封止管１６、第２液体封止管１７という極めて簡単な構成であるので、大型の封止弁を設置する場合に比較して、設置スペースが小さくて済み、レイアウト上も有利であり、また、軽量にでき、コストダウンを図ることもできる。
【００４１】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、空気供給流路１１と空気排出流路１２の両方に液体封止管１６，１７を設けたが、空気供給流路１１と空気排出流路１２のいずれか一方にだけ液体封止管を設けても、この発明は成立する。
また、前述した実施例では、燃料電池２のカソードにおける空気圧力を調整するための圧力制御弁１５が酸化剤排出流路高圧化弁を兼ねていたが、圧力制御弁１５とは別に酸化剤排出流路高圧化弁を設けてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
１０  エアポンプ（酸化剤ポンプ）
１１  空気供給流路（酸化剤供給流路）
１２  空気排出流路（酸化剤排出流路）
１４  凝縮水回収器
１５  圧力制御弁（酸化剤排出流路高圧化弁）
１６  第１液体封止管
１７  第２液体封止管
１８  バッファタンク（タンク）
１９  送水管
２０  第１送液管
２１  第２送液管
２２  第１送液弁
２３  第２送液弁
２４  オーバーフロー管
３１，３４  ドレン弁（排出手段）
３３，３６  温度センサ
【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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