JP2006179373A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】各々単数の水ポンプ及び水フィルタによって燃料電池スタックから排出される水を回収して再使用することにより、構成を簡素化し、消費電力、コスト、騒音及び重量を低減することができるようにする。
【解決手段】燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、空気流路に水を供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、排出される空気中に含まれる水分を回収して循環させるようになっている。

図２は従来の燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、１０１は燃料電池スタック、１０２は該燃料電池スタック１０１から排出された空気が通過する排気マニホールド、１０３は該排気マニホールド１０２の出口端に取り付けられた凝縮器、１０４は該凝縮器１０３を通過する燃料電池の発電によって暖められた空気を冷却するファン、１０５は燃料電池スタック１０１に水と空気を供給するための吸気マニホールド、１０６は該吸気マニホールド１０５を通して燃料電池スタック１０１に空気を供給する空気供給ファンである。

そして、排気マニホールド１０２には凝縮器１０３によって凝縮され、排気マニホールド１０２内に貯留した水を排出する凝縮水排出管路１１１の一端が取り付けられている。また、該凝縮水排出管路１１１の途中には排気マニホールド１０２から排出された水を濾（ろ）過する排出水フィルタ１１２、及び、排気マニホールド１０２から水を吸引して凝縮水排出管路１１１の他端に取り付けられた水タンク１１４に送り込む排水ポンプ１１３が配設されている。

一方、吸気マニホールド１０５には、水をスプレーして、燃料電池スタック１０１の酸素極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル１１８が取り付けられている。そして、該水供給ノズル１１８には、他端が水タンク１１４に取り付けられた吸水管路１１５の一端が接続されている。なお、該吸水管路１１５の途中には水タンク１１４から供給された水を濾過する給水フィルタ１１６、及び、水タンク１１４から水を吸引して水供給ノズル１１８に供給する給水ポンプ１１７が配設されている。

これにより、燃料電池スタック１０１から排出される水を回収して、酸素極を湿潤な状態に維持するために再使用することができるので、水を有効に活用することができ、水の補給量を低減することができる。
特開２００３−３３１９０１号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、凝縮水排出管路１１１及び吸水管路１１５の各々に、排水ポンプ１１３及び給水ポンプ１１７並びに排出水フィルタ１１２及び給水フィルタ１１６が配設されているので、コストが高く、また、消費電力が大きくなってしまう。すなわち、燃料電池システムを運転する際には、排水ポンプ１１３及び給水ポンプ１１７の２つの水ポンプを常時駆動する必要があるが、燃料電池システムの補機類の中で水ポンプは消費電力が最も大きなものであるため、２つの水ポンプを常時駆動するために消費される電力は非常に大きくなってしまう。また、水フィルタは常時メンテナンスが必要な部材であり、排出水フィルタ１１２及び給水フィルタ１１６の２つのフィルタのメンテナンスが必要なため、メンテナンスコストが高くなってしまう。さらに、２つの水ポンプを常時駆動するので駆動音が大きくなってしまう。さらに、水ポンプは重量が大きなものであるため、２つの水ポンプを配設することによって燃料電池システムの重量が非常に大きくなってしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、各々単数の水ポンプ及び水フィルタによって燃料電池スタックから排出される水を回収して再使用することにより、構成を簡素化し、消費電力、コスト、騒音及び重量を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、起動時に前記水タンクと吸気マニホールドとを接続し、水タンク内の水を吸気マニホールドに供給させ、定常運転時に前記排気マニホールドと吸気マニホールドとを接続し、排気マニホールド内の水を吸気マニホールドに供給させ、停止時に前記排気マニホールドと水タンクとを接続し、排気マニホールド内の水を水タンクに供給させる。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有する。

この場合、燃料電池システムにおける排水及び給水系統の構成を簡素化することができ、消費電力を低減することができ、メンテナンスコストを低減することができ、騒音を低減することができ、燃料電池システムの重量を低減することができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、起動時に前記水タンクと吸気マニホールドとを接続し、水タンク内の水を吸気マニホールドに供給させ、定常運転時に前記排気マニホールドと吸気マニホールドとを接続し、排気マニホールド内の水を吸気マニホールドに供給させ、停止時に前記排気マニホールドと水タンクとを接続し、排気マニホールド内の水を水タンクに供給させる。

この場合、起動時に十分な量の水を吸気マニホールドに供給することができ、定常運転時に排気マニホールドから安定的に水を排出して吸気マニホールドに供給することができ、停止時に排気マニホールドに水が残留することなく、かつ、効率的に水タンクに回収することができる。

以下、本発明の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。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。なお、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は側面図である。

図１において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極（アノード極）に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成され、生成水が発生する。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

また、図１には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の図示されない燃料貯蔵手段から、燃料供給管路を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス入口、すなわち、燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記燃料供給管路には、燃料供給電磁弁、圧力センサ、圧力調整弁、安全弁等が配設される。

また、燃料電池スタック１１の燃料ガス出口、すなわち、燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って燃料電池スタック１１の外部に排出される。前記燃料排出管路には、水回収ドレインタンク、吸引循環ポンプ、水素循環電磁弁等が配設されている。また、前記燃料排出管路における水回収ドレインタンクと反対側の端部は、燃料供給管路に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路が形成され、燃料電池スタック１１の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

さらに、前記水回収ドレインタンクには、大気排出用管路が接続され、該大気排出用管路には水素排気電磁弁が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。また、燃料供給管路には、外気導入管路が接続されている。そして、該外気導入管路には、外気導入用電磁弁及びエアフィルタが配設され、燃料電池スタック１１の運転終了時に外気を燃料ガス流路に導入することができるようになっている。

一方、酸化剤、すなわち、酸化ガスとしての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ファン１６から、酸化剤供給管路としての吸気マニホールド１５を通って、燃料電池スタック１１の空気流路の酸化ガス入口に供給される。前記空気供給ファン１６は、ファン駆動用モータ１６ａによって駆動され、エアフィルタ１６ｂを介して吸入した空気を吸気マニホールド１５に送り込む。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、燃料電池スタック１１の空気流路の酸化ガス出口から排出される空気は、排気マニホールド１２及び凝縮器１３を通って大気中へ排出される。

また、前記吸気マニホールド１５には、水をスプレーして、燃料電池スタック１１の酸素極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル２７が配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド１２の端部に配設された凝縮器１３は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去する。なお、前記凝縮器１３の空気排出口側のファン１４は、排気温度が所定温度以上のとき、駆動するようになっている。

この場合、前記排気マニホールド１２は、凝縮器１３によって凝縮されて燃料電池スタック１１の空気流路から排出される空気から分離された水を一時収容する機能を備える。本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、空気流路が上下方向に延在するように、すなわち、空気が上から下へ向けて流れるように配設される。そして、図３（ｂ）に示されるように、前記排気マニホールド１２は、燃料電池スタック１１の下面を覆うように取り付けられ、燃料電池スタック１１の後端（図３（ｂ）における左端）から後方斜め上方に向けて延在するように形成されている。なお、排気マニホールド１２の後端に凝縮器１３が配設される。また、排気マニホールド１２の底板１２ａは、燃料電池スタック１１の後端に向けて下降するように斜めに形成されている。そのため、燃料電池スタック１１の空気流路から排出される空気から分離された水は、排気マニホールド１２内に収容され、底板１２ａ上に貯留される。

そこで、本実施の形態においては、水循環管路としての排水吸引管路２１の一端が底板１２ａの最下点近傍に該当する箇所において排気マニホールド１２に接続される。また、前記排水吸引管路２１の他端は、ポンプとしての水ポンプ２２の吸引口に接続されている。なお、水ポンプ２２はポンプ駆動用モータ２２ａによって駆動される。これにより、排気マニホールド１２内に貯留された水は、水ポンプ２２によって吸引されることにより、排水吸引管路２１を通って排水される。なお、該排水吸引管路２１には、電磁制御弁から成る第１開閉弁２４、及び、排水吸引管路２１内を流れる水を濾過する水フィルタ２３が配設されている。また、図３（ａ）に示されるように、排水吸引管路２１の排気マニホールド１２側の端部には、排気マニホールド１２内に延在する吸引管部材２１ａが接続されている。該吸引管部材２１ａは、周囲に多数の孔（あな）が形成されたパイプ状の部材であり、排気マニホールド１２を横断するように底板１２ａの最下点近傍に配設されている。そのため、排気マニホールド１２内に貯留された水は、その量が少なく、水位が低くても、確実に吸引管部材２１ａに吸引され、排水吸引管路２１を通って排水される。

また、前記水ポンプ２２の吐出口には、水循環管路としての水供給管路２５の一端が接続されている。そして、該水供給管路２５の他端は水供給ノズル２７に接続され、水ポンプ２２から吐出された水は、水供給管路２５及び水供給ノズル２７を通って、吸気マニホールド１５内にスプレーされる。これにより、排気マニホールド１２内に貯留された水を排水吸引管路２１及び水供給管路２５を通して循環させ、燃料電池スタック１１の酸素極を湿潤な状態に維持するためにスプレーされる水として再使用することができる。なお、前記水供給管路２５には電磁制御弁から成る第４開閉弁２６が配設されている。

そして、前記排水吸引管路２１には他端が水タンク３２に接続された第１分岐管路３１の一端が接続され、前記水供給管路２５には他端が水タンク３２に接続された第２分岐管路３３の一端が接続されている。なお、前記第１分岐管路３１は、途中に配設された電磁制御弁から成る第２開閉弁３４を備え、前記排水吸引管路２１における第１開閉弁２４と水フィルタ２３との間に接続されている。また、前記第２分岐管路３３は、途中に配設された電磁制御弁から成る第３開閉弁３５を備え、前記水供給管路２５における水ポンプ２２と第４開閉弁２６との間に接続されている。これにより、排気マニホールド１２から排水された水の余剰分を水タンク３２に貯留することができ、吸気マニホールド１５内にスプレーされる水の不足分を水タンク３２から供給することができる。

ここで、前記水ポンプ２２は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ２３は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記水タンク３２にはレベルゲージ（水位計）３２ａが配設されている。

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック１１は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック１１又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記燃料供給電磁弁、圧力調整弁、吸引循環ポンプ、水素循環電磁弁、水素排気電磁弁、外気導入用電磁弁、空気供給ファン１６、ファン１４、水ポンプ２２、第１開閉弁２４、第２開閉弁３４、第３開閉弁３５、第４開閉弁２６等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動時の動作を説明する図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池システムの定常運転時の動作を説明する図、図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムの停止時の動作を説明する図である。

まず、燃料電池システムの起動時における動作について説明する。この場合、制御手段は、水素排気電磁弁を開けて、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内の空気が大気排出用管路を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁を開けて燃料貯蔵手段からの水素ガスが燃料供給管路を通って燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給されるようにする。このとき、水素排気電磁弁が開いているので、前記燃料ガス流路内に残留する空気や水分が供給された水素ガスによってパージされる。また、空気供給ファン１６を作動させ、空気を燃料電池スタック１１の空気流路に供給する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量とする。

さらに、水ポンプ２２を作動させ、水供給ノズル２７から水を吸気マニホールド１５内にスプレーして、燃料電池スタック１１の酸素極を湿潤な状態に維持する。ところで、燃料電池システムの起動時においては、排気マニホールド１２内に水が貯留されていないので、水タンク３２内に貯留された水を水供給ノズル２７に供給する必要がある。そのため、第１開閉弁２４及び第３開閉弁３５を閉じ、第２開閉弁３４及び第４開閉弁２６を開ける。これにより、図４に示されるように、水タンク３２内の水は、第１分岐管路３１を通って排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引される。そして、該水ポンプ２２から吐出された水は、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給され、吸気マニホールド１５内にスプレーされる。この場合、第１開閉弁２４が閉じているので、排気マニホールド１２から水が水ポンプ２２に吸引されることがない。また、第３開閉弁３５が閉じているので、水ポンプ２２から吐出された水が第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入することがない。そして、該水タンク３２内に貯留されている水が吸気マニホールド１５内にスプレーされることによって、燃料電池スタック１１の酸素極が湿潤な状態に維持される。

続いて、水タンク３２内に貯留されている水の量が減少し、所定の水位以下になったことがレベルゲージ３２ａによって検出されると、第１開閉弁２４を開け、第２開閉弁３４を閉じる。なお、第３開閉弁３５は閉じた状態を継続し、第４開閉弁２６は開けた状態を継続する。これにより、図５に示されるように、排気マニホールド１２内の水は、排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引される。そして、該水ポンプ２２から吐出された水は、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給され、吸気マニホールド１５内にスプレーされる。この場合、第２開閉弁３４が閉じているので、水タンク３２からの水が第１分岐管路３１を通って水ポンプ２２に吸引されることがない。また、第３開閉弁３５が閉じているので、水ポンプ２２から吐出された水が第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入することがない。すなわち、水は、水タンク３２並びに第１分岐管路３１及び第２分岐管路３３をバイパスし、排水吸引管路２１及び水供給管路２５を通って流れる。そして、排気マニホールド１２内に貯留されている水が吸気マニホールド１５内にスプレーされることによって、燃料電池スタック１１の酸素極が湿潤な状態に維持される。

この場合、燃料電池システムの起動してから定常運転時の動作に移行するまでには、ある程度の時間が経過しているので、その間に、燃料電池スタック１１から排出される空気から凝縮器１３によって除去されて排気マニホールド１２内に貯留された水の量は、吸引管部材２１ａによって吸引されるのに十分な量となっている。そのため、排水吸引管路２１には十分な量の水が流入する。また、燃料電池システムの運転時においては、水供給ノズル２７から吸気マニホールド１５内にスプレーされる水に加えて、生成水も燃料電池スタック１１の空気流路から排出される。そのため、蒸発して散逸してしまう水分量を考慮しても、吸気マニホールド１５内にスプレーされた水の量以上の水が排気マニホールド１２内に貯留されるので、水供給ノズル２７に供給される水が不足することはない。

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。この場合、制御手段は、燃料供給電磁弁及び水素循環電磁弁を閉じて、燃料ガス流路への水素ガスの供給を遮断する。そして、水素排気電磁弁を開いて、燃料ガス流路内の水素ガスをパージする。この場合、吸引循環ポンプが作動しているので、燃料電池スタック１１、水回収ドレインタンク、燃料供給管路、燃料排出管路等に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプによって排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。

また、第３開閉弁３５を開け、第４開閉弁２６を閉じる。なお、第１開閉弁２４は開けた状態を継続し、第２開閉弁３４は閉じた状態を継続する。これにより、図６に示されるように、排気マニホールド１２内に貯留された水は、排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引される。そして、該水ポンプ２２から吐出された水は、第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入する。この場合、第２開閉弁３４が閉じているので、水タンク３２から水が水ポンプ２２に吸引されることがない。また、第４開閉弁２６が閉じているので、水供給管路２５を通って水が水供給ノズル２７に供給されることがない。そして、排気マニホールド１２内の水が排出されるので、排気マニホールド１２内に水分が残留することがない。

このように、本実施の形態においては、各々１つの水ポンプ２２及び水フィルタ２３によって燃料電池スタック１１から排出される水を回収して再使用する。すなわち、燃料電池システムの起動時には、水タンク３２内の水が第１分岐管路３１を通って排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引され、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給される。また、燃料電池システムの定常運転時には、排気マニホールド１２内の水が排水吸引管路２１に流入し、水タンク３２をバイパスして、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引され、水供給管路２５を通って水供給ノズル２７に供給される。さらに、燃料電池システムの停止時には、排気マニホールド１２内の水が排水吸引管路２１に流入し、水フィルタ２３を通過して濾過された後、水ポンプ２２に吸引され、第２分岐管路３３を通って水タンク３２に流入する。

そのため、燃料電池システムにおける排水及び給水系統の構成を簡素化することができ、１つの水ポンプ２２だけを作動させればよいので消費電力を低減することができ、１つの水フィルタ２３だけのメンテナンスを行えばよいのでメンテナンスコストを低減することができ、１つの水ポンプ２２だけを作動させればよいので騒音を低減することができ、重量の大きな水ポンプ２２が１つだけなので燃料電池システムの重量を低減することができる。

ところで、本実施の形態においては、「背景技術」の項で説明したような従来の燃料電池システムと比較して、水ポンプ及びフィルタを１つずつ削減しているものの、４つの電磁制御弁、すなわち、第１開閉弁２４、第２開閉弁３４、第３開閉弁３５及び第４開閉弁２６を使用するので、消費電力がさほど削減されないようにもみえる。しかし、燃料電池システムの運転状態は、起動時、定常運転時及び停止時の３つに分類されるところ、３つの運転状態のうち、定常運転時が大半を占める。そのため、定常運転時に開けた状態となる第１開閉弁２４及び第４開閉弁２６として、電流を供給すると弁が閉じ、電流を供給しないと弁が開いた状態を維持するノーマルオープンの電磁制御弁を使用し、一方、定常運転時に閉じた状態となる第２開閉弁３４及び第３開閉弁３５として、電流を供給すると弁が開き、電流を供給しないと弁が閉じた状態を維持するノーマルクローズの電磁制御弁を使用することによって、定常運転時における４つの電磁制御弁の消費電力をゼロとすることができる。したがって、大半を占める定常運転時において、１つの水ポンプ２２だけを作動させればよいので、燃料電池システムの消費電力を大幅に低減することができる。

また、水を大量に貯留する水タンク３２が燃料電池スタック１１と別体として構成されているので、燃料電池スタック１１の下方に水を大量に貯留するための容器を配設する必要がなく、燃料電池スタック１１の取り付け位置を下げることができ、車両の重心位置を低下させることができる。

さらに、燃料電池スタック１１の酸素極を加湿するためにスプレーされた水を回収して再利用するので、燃料電池スタック１１の酸素極を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク３２を小型軽量化することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 従来の燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動時の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの定常運転時の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの停止時の動作を説明する図である。

符号の説明

１１ 燃料電池スタック
１２ 排気マニホールド
１５ 吸気マニホールド
２１ 排水吸引管路
２２ 水ポンプ
２３ 水フィルタ
２５ 水供給管路
３１ 第１分岐管路
３２ 水タンク
３３ 第２分岐管路

Claims (2)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの酸化ガス入口に酸化ガスを供給する吸気マニホールドと、
   前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガスを排出する排気マニホールドと、
   前記吸気マニホールドと排気マニホールドとを接続し、水ポンプ及び水フィルタが配設された水循環管路と、
   前記水ポンプ及び水フィルタの前後において前記水循環管路に一端が接続され、他端が水タンクに接続された第１及び第２分岐管路と、
   前記水循環管路並びに第１及び第２分岐管路を選択的に開閉して、起動時、定常運転時及び停止時における水の流れを制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、起動時に前記水タンクと吸気マニホールドとを接続し、水タンク内の水を吸気マニホールドに供給させ、
   定常運転時に前記排気マニホールドと吸気マニホールドとを接続し、排気マニホールド内の水を吸気マニホールドに供給させ、
   停止時に前記排気マニホールドと水タンクとを接続し、排気マニホールド内の水を水タンクに供給させる請求項１に記載の燃料電池システム。

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