JP2009289416A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水分の排水を好適に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、アノードオフガス排出路に設けられ、アノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離装置１３と、気液分離装置１３で分離した水分を排出制御するドレン弁３０を含むドレン排出路と、を備え、アノードオフガス排出路およびカソードオフガス排出路の少なくとも１つと、ドレン排出路とを合流させ、アノードオフガスやカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、アノードオフガス排出路に設けられ、アノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離装置１３と、気液分離装置１３で分離した水分を排出制御するドレン弁３０を含むドレン排出路と、を備え、アノードオフガス排出路およびカソードオフガス排出路の少なくとも１つと、ドレン排出路とを合流させ、アノードオフガスやカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
【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。
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池を用いたシステムでは、アノード極に供給された水素（燃料ガス）が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がカソード極に向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソード極に移動し、カソード極に供給される酸素（酸化剤ガス）と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。
このような燃料電池を用いたシステムでは、アノード極に供給された水素（燃料ガス）が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がカソード極に向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソード極に移動し、カソード極に供給される酸素（酸化剤ガス）と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。
ところで、固体高分子型電解質膜は、そのイオン透過性を保持すべく適度な湿度が必要とされるため、水素と酸素は適度に加湿された状態で燃料電池に供給される。このため、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、固体高分子型電解質膜に吸収されなかった水分や反応生成物である水分を多く含んでいる。
そこで、従来では、アノードオフガス排出路中に気液分離装置を設けて、この気液分離装置によって、アノードオフガスから水分を分離し、この分離された水分をドレン排出路を通じて排出するようにした技術が提案されている（特許文献１、２参照）。ここで、ドレン排出路には、ドレン弁が設置されている。
一方、アノード側に水が溜まると燃料ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら電解質膜をアノード側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。
そこで、従来では、燃料ガス循環流路にパージ弁を設け、アノードに溜まった水や、燃料ガスに混入した窒素を排出して、発電状態を回復することが行われている。
前記特許文献１の燃料電池システムでは、ドレン排出路から排出される水分の更なるスムーズな排出を図るために、水分の排出性の改善が望まれていた。
ところで、ドレン弁の開弁によって排出性を向上させようとすると、ドレン弁からアノードオフガスが必要以上に排出されてしまうため好ましくない。
ところで、ドレン弁の開弁によって排出性を向上させようとすると、ドレン弁からアノードオフガスが必要以上に排出されてしまうため好ましくない。
また、前記特許文献２では、ドレン排出路がアノードオフガス排出路に対して合流しているものが記載されている。しかしながら、ドレン排出路を流れる水分とアノードオフガス排出路を流れるアノードオフガスとの関係については明確に記載されていなかった。
そこで、本発明は、水分の排水を好適に行うことができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガス中に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、を備え、前記アノードオフガス排出路および前記カソードオフガス排出路の少なくとも１つと、前記ドレン排出路とを合流させ、前記アノードオフガスや前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、燃料電池で使用した（燃料電池から排出された）アノードオフガスやカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、パージ弁によりアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁から排出される水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記燃料電池のアノードガス供給側に戻す循環路を備え、前記パージ弁は、前記循環路に設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、循環路によってアノードオフガスが燃料電池のアノードガス供給側に戻されるようになり、未使用の水素を有効利用することができる。また、パージに利用されなかった残りのアノードオフガスは、循環路を通じて燃料電池のアノードガス供給側に戻されることとなるので、これが流路内に滞留するのを好適に防止することができる。
また、前記パージ弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁する構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁が開弁してドレン排出路を水分が流れた後にパージ弁が開弁することとなるので、例えば、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでアノードオフガスが供給されるように、パージ弁の開弁タイミングを設定することによって、アノードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁が開弁してドレン排出路を水分が流れた後にパージ弁が開弁することとなるので、例えば、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでアノードオフガスが供給されるように、パージ弁の開弁タイミングを設定することによって、アノードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
また、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、水分に同伴する水素を希釈器で希釈することができ、希釈器を通じてシステム外に水分を適切に排出することができる。
前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、オリフィスを設けたことによって、排水量が一定量に規制されるようになり、それをパージするようにしてパージ弁が開弁される。このようなオリフィスを設けたことによって、水分だけではなくアノードオフガスも一緒に排出されてしまう可能性を好適に回避することができるとともに、オリフィスで絞られて少量となった水分を、パージにより好適に排出することができる。特に、燃料電池が小負荷でアノードオフガスが少ない稼働状況等において、水分とともにアノードオフガスが一緒に排出されてしまうのを好適に回避することができる。
また、前記ドレン排出路は、前記アノードオフガス排出路の上側から前記アノードオフガス排出路に対して合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路が、アノードオフガス排出路の上側からアノードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってアノードオフガス排出路に流れ落ちることとなり、アノードオフガス排出路を流れるアノードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がアノードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、パージ弁の開閉によって行うことができるので、ドレン弁の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁の開弁時間を短くすることができ、常閉型のドレン弁の場合、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、排水の制御は、パージ弁の開閉によって行うことができるので、ドレン弁の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁の開弁時間を短くすることができ、常閉型のドレン弁の場合、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、前記アノードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分がアノードオフガス排出路側に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な水分の排出が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁の上流側で、アノードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、アノードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁で排出を制御することにより、アノードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁の開閉制御のみによって行うこともできるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器による希釈も好適に行うことができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁の開閉制御のみによって行うこともできるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器による希釈も好適に行うことができる。
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路にオリフィスを設けることで、ドレン排出路からドレン弁を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費を抑えることもできる。
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、燃料電池で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、前記背圧弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁する構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁が開弁してドレン排出路を水分が流れた後に背圧弁が開弁することとなるので、例えば、カソードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでカソードオフガスが供給されるように、背圧弁の開弁タイミングを設定することによって、カソードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁が開弁してドレン排出路を水分が流れた後に背圧弁が開弁することとなるので、例えば、カソードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでカソードオフガスが供給されるように、背圧弁の開弁タイミングを設定することによって、カソードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、水分に同伴する水素を希釈器で希釈することができ、希釈器を通じてシステム外に水分を適切に排出することができる。
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、オリフィスを設けたことによって、排水量が一定量に規制されるようになり、それをパージするようにして背圧弁が開弁されて、オリフィスで絞られて少量排出された水分を、カソードオフガスにより好適に排出することができる。
前記ドレン排出路は、前記カソードオフガス排出路の上側から前記カソードオフガス排出路に対して合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路が、カソードオフガス排出路の上側からカソードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってカソードオフガス排出路に流れ落ちることとなり、カソードオフガス排出路を流れるカソードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がカソードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、背圧弁の開閉によって行うことができるので、ドレン弁の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、排水の制御は、背圧弁の開閉によって行うことができるので、ドレン弁の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
前記カソードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられている構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分がカソードオフガス排出路側に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な排水が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流している構成とするのがよい。
この燃料電池システムによれば、ドレン弁の上流側で、カソードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、カソードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁で排出を制御することにより、カソードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁の開閉制御のみによって行うことができるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器による希釈も好適に行うことができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁の開閉制御のみによって行うことができるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器による希釈も好適に行うことができる。
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、ドレン排出路にオリフィスを設けることで、ドレン排出路からドレン弁を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費も抑えることができる。
本発明によれば、水分の排水を好適に行うことのできる燃料電池システムが得られる。
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しながら説明する。なお、説明において、同一の要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
≪燃料電池システムの構成≫
図１において、本実施形態の燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系４と、燃料電池スタック２のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系６と、を備えている。
（第１実施形態）
≪燃料電池システムの構成≫
図１において、本実施形態の燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系４と、燃料電池スタック２のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系６と、を備えている。
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック２は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を備えている。
燃料電池スタック２は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えている。アノードおよびカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がアノード流路２Ａ（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がカソード流路２Ｂ（酸化剤ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がカソード流路２Ｂ（酸化剤ガス流路）として機能している。
このようなアノード流路２Ａを介して各アノードに水素が供給されると、後記式（１）の電極反応が起こり、また、カソード流路２Ｂを介して各カソードに空気が供給されると、後記式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。そして、燃料電池スタック２と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続されて電流が取り出されると、燃料電池スタック２が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
このようにして燃料電池スタック２が発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。したがって、カソードから排出されるカソードオフガス、およびアノードから排出されるアノードオフガスは、いずれも多湿となる。
＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池スタック２よりも上流側に備えられる、水素タンク１０（燃料ガス供給手段）、常閉型の遮断弁１１、エゼクタ１２、および燃料電池スタック２よりも下流側に備えられる、気液分離器（気液分離装置）１３、常閉型のパージ弁１４、を備えている。
アノード系は、燃料電池スタック２よりも上流側に備えられる、水素タンク１０（燃料ガス供給手段）、常閉型の遮断弁１１、エゼクタ１２、および燃料電池スタック２よりも下流側に備えられる、気液分離器（気液分離装置）１３、常閉型のパージ弁１４、を備えている。
水素タンク１０は、配管１１ａ、遮断弁１１、配管１２ａ、エゼクタ１２、および配管１２ｂを介して、アノード流路２Ａの入口側に接続されている。配管１１ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（不図示）が設けられている。この減圧弁には、カソード流路２Ｂに向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力されており、減圧弁は、前記空気の圧力とアノード流路２Ａにおける水素の圧力とが対応して変動するように制御するようになっている。
そして、燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック２の起動が要求されて、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０により遮断弁１１が開かれると、水素タンク１０の水素が配管１１ａ等を介してアノード流路２Ａに供給されるようになっている。
そして、燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック２の起動が要求されて、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０により遮断弁１１が開かれると、水素タンク１０の水素が配管１１ａ等を介してアノード流路２Ａに供給されるようになっている。
アノード流路２Ａの出口は、配管１３ａ、気液分離器１３、配管１３ｂ、配管１３ｃを介して、エゼクタ１２の吸込口に接続されている。そして、アノード流路２Ａ（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、気液分離器１３において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック２の上流側のエゼクタ１２に戻されるようになっている。
そして、エゼクタ１２に戻されたアノードオフガスは、水素タンク１０からの水素と混合された後、アノード流路２Ａに再供給されるようになっている。つまり、本実施形態では、配管１３ａ、１３ｂおよび配管１３ｃによって、水素を循環させて再利用する水素の循環路が構成されている。
なお、配管１３ｂの気液分離器１３側に近い部分は、鉛直方向で配置されており、アノードオフガスに同伴する水分が含まれているときに、これが自重により気液分離器１３に戻されるようになっている。
そして、エゼクタ１２に戻されたアノードオフガスは、水素タンク１０からの水素と混合された後、アノード流路２Ａに再供給されるようになっている。つまり、本実施形態では、配管１３ａ、１３ｂおよび配管１３ｃによって、水素を循環させて再利用する水素の循環路が構成されている。
なお、配管１３ｂの気液分離器１３側に近い部分は、鉛直方向で配置されており、アノードオフガスに同伴する水分が含まれているときに、これが自重により気液分離器１３に戻されるようになっている。
一方、気液分離器１３で分離された水分は、一時的に気液分離器１３内に貯溜された後、配管３０ａ、ＥＣＵ２０により適宜に開かれる常閉型のドレン弁３０、配管３０ｂ、配管３１を通じて、後記する希釈器４３に排出されるようになっている。この例では、配管３０ａ、配管３０ｂが、特許請求の範囲にいうドレン排出路に相当し、このドレン排出路に、ドレン弁３０が設けられている。また、配管３１は、特許請求の範囲にいう合流路に相当する。
［パージ弁］
パージ弁１４は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック２の発電時において、配管１３ａおよび配管１３ｂを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵ２０によって開かれるとともに、後記するように気液分離器１３に貯留された水分をドレン弁３０を通じて排出する場合に、ＥＣＵ２０によって開かれる弁である。パージ弁１４の上流側は、配管１４ａを介して配管１３ｂに接続され、下流側は、配管１４ｂを介して、配管３０ｂに接続され、ドレン排出路（配管３０ｂ）に合流している。この例では、循環路の上流側となる配管１３ａおよび配管１３ｂと、循環路から分岐された配管１４ａおよび配管１４ｂとが、特許請求の範囲にいうアノードオフガス排出路に相当し、このアノードオフガス排出路中に、気液分離器１３およびパージ弁１４が設けられている。
パージ弁１４は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック２の発電時において、配管１３ａおよび配管１３ｂを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵ２０によって開かれるとともに、後記するように気液分離器１３に貯留された水分をドレン弁３０を通じて排出する場合に、ＥＣＵ２０によって開かれる弁である。パージ弁１４の上流側は、配管１４ａを介して配管１３ｂに接続され、下流側は、配管１４ｂを介して、配管３０ｂに接続され、ドレン排出路（配管３０ｂ）に合流している。この例では、循環路の上流側となる配管１３ａおよび配管１３ｂと、循環路から分岐された配管１４ａおよび配管１４ｂとが、特許請求の範囲にいうアノードオフガス排出路に相当し、このアノードオフガス排出路中に、気液分離器１３およびパージ弁１４が設けられている。
ドレン排出路とアノードオフガス排出路とは、ドレン弁３０の下流側で合流しており、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、ドレン排出路を成す配管３０ｂにアノードオフガス排出路を成す配管１４ｂが、上側から下流方向（水分の流れに沿う方向）に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、アノードオフガス排出路からのアノードオフガスが配管３１内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むアノードオフガスによって、水分の排水が好適にアシストされるようになっている。つまり、後記するように、ドレン排出路を成す配管３０ｂを伝わって排出されてきた水分は、合流位置から配管３１内にスムーズに流れ込むようになり、また、配管３１内を下流側へ向けて流れていた水分も、流れ込んだアノードオフガスに押されるようにして、下流側の希釈器４３に好適に排出されることとなる。
ここで、ドレン排出路を成す配管３０ｂよりもアノードオフガス排出路を成す配管１４ｂは、大径とされており、合流位置よりも下流側となる配管３１は、配管１４ｂと略同径としてある。つまり、合流位置よりも下流側では、配管１４ｂに倣って配管３１を大径としてある。これによって、水分およびアノードオフガスのスムーズな流れを実現している。
ここで、ＥＣＵ２０は、燃料電池スタック２の稼働状況等から、気液分離器１３に貯留される水分の容積を算出して監視しており、例えば、水分が、予め設定された所定の最大容積となった際に、ドレン弁３０を開弁制御するとともに、パージ弁１４を開弁制御する。つまり、パージ弁１４から排出されるアノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出がアシストされるように制御する。
本実施形態では、ドレン弁３０のＯＮ（開弁）・ＯＦＦ（閉弁）制御と、パージ弁１４のＯＮ（開弁）・ＯＦＦ（閉弁）制御とを、気液分離器１３に貯溜される水分の容積に対応して、次のように関連付けて制御している。
すなわち、図２に示すように、ＥＣＵ２０の算出等によって求められた水分の容積が、予め設定された所定の最大容積になった際に、ＥＣＵ２０（図１参照）は、まず、ドレン弁３０を先に開弁制御し、所定時間経過後に、パージ弁１４を開弁制御する。つまり、ＥＣＵ２０は、ドレン弁３０を先行開放してからパージ弁１４を開放するように制御し、ドレン弁３０とパージ弁１４との間に遅延時間をもたせて開弁制御するようになっている。
すなわち、図２に示すように、ＥＣＵ２０の算出等によって求められた水分の容積が、予め設定された所定の最大容積になった際に、ＥＣＵ２０（図１参照）は、まず、ドレン弁３０を先に開弁制御し、所定時間経過後に、パージ弁１４を開弁制御する。つまり、ＥＣＵ２０は、ドレン弁３０を先行開放してからパージ弁１４を開放するように制御し、ドレン弁３０とパージ弁１４との間に遅延時間をもたせて開弁制御するようになっている。
このようにドレン弁３０が先に開弁されると、ドレン弁３０を通じて配管３０ｂに水分が排出されるようになり、排出された水分は、パージ弁１４からのアノードオフガスに先行して、合流位置に達する（あるいは合流位置から配管３１に流れ込む）こととなる。そして、このような水分が合流位置に達するタイミング（予め設定された遅延時間に基づくタイミング）でパージ弁１４が開弁されることで、パージ弁１４を通じて排出されたアノードオフガスの流れで、合流位置あるいは合流位置から配管３１に流れ込んだ水分を下流側（希釈器４３側）へ押すことができる。これによって、アノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出がアシストされ、気液分離器１３に貯留される水分が最小容積に低下する。その後、ドレン弁３０およびパージ弁１４が閉弁されて、ドレン弁３０とパージ弁１４との連動動作が終了する。
なお、パージ弁１４は、このような水分の排出をアシストする機能の他に、燃料電池スタック２を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、ＥＣＵ２０が不純物を排出する必要があると判定して、ＥＣＵ２０によって開弁されるように設定されている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出され、ＥＣＵ２０に入力される。そして、パージ弁１４は、ＥＣＵ２０の指令によって開弁し、燃料電池スタック２のアノード流路２Ａから送られてくるアノードオフガスを、配管１４ｂ、配管３１を通じて後段の希釈器４３に排出する。なお、この際に流れるアノードオフガスによっても、配管３１内に残留している水分がある場合には、これが好適に排出されることとなる。
また、パージ弁１４とドレン弁３０との開弁動作は、連動するものに限られることはなく、独立して行ってもよい。この場合には、パージによる水素状態を調節しながら、同時に水分の排出をアシストすることが可能である。
また、パージ弁１４とドレン弁３０との開弁動作は、連動するものに限られることはなく、独立して行ってもよい。この場合には、パージによる水素状態を調節しながら、同時に水分の排出をアシストすることが可能である。
また、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置から上流側のドレン排出路には、図示しないオリフィスが設けられている。このようなオリフィスが設けられていることによって、排水量が一定量に規制されるようになり、それをパージするようにしてパージ弁１４が開弁される。このようなオリフィスを設けたことによって、水分だけではなくアノードオフガスも一緒に排出されてしまう可能性を好適に回避することができるとともに、オリフィスで絞られて少量排出された水分を、パージにより好適に排出することができる。特に、燃料電池が小負荷でアノードオフガスが少ない稼働状況等において、水分とともにアノードオフガスが一緒に排出されてしまうのを好適に回避することができる。
＜カソード系＞
図１に戻って説明を続ける。
カソード系６は、コンプレッサ４０（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器４１と、背圧弁４２と、希釈器４３（ガス処理装置）とを備えている。
図１に戻って説明を続ける。
カソード系６は、コンプレッサ４０（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器４１と、背圧弁４２と、希釈器４３（ガス処理装置）とを備えている。
コンプレッサ４０は、配管４１ａ、加湿器４１、配管４１ｂを介して、カソード流路２Ｂの入口に接続されている。そして、ＥＣＵ２０の指令にしたがって作動すると、コンプレッサ４０は、酸素を含む空気を取り込み、空気をカソード流路２Ｂに供給するようになっている。また、コンプレッサ４０は、燃料電池スタック２の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ４０は、燃料電池スタック２および／または燃料電池スタック２の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
なお、コンプレッサ４０は、燃料電池スタック２および／または燃料電池スタック２の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
カソード流路２Ｂの出口は、配管４２ａ、背圧弁４２、配管４２ｂを介して、希釈器４３に接続されている。そして、カソード流路２Ｂから排出された多湿のカソードオフガスは、配管４２ａ等を介して、希釈器４３に供給されるようになっている。
背圧弁４２は、カソード流路２Ｂにおける空気の圧力を制御する弁であり、バタフライ弁等から成る。
背圧弁４２は、カソード流路２Ｂにおける空気の圧力を制御する弁であり、バタフライ弁等から成る。
＜加湿器＞
加湿器４１は、コンプレッサ４０からカソード流路２Ｂに向かう空気を加湿するため、カソード流路２Ｂに向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる図示しない中空糸膜を備えている。
加湿器４１は、コンプレッサ４０からカソード流路２Ｂに向かう空気を加湿するため、カソード流路２Ｂに向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる図示しない中空糸膜を備えている。
＜希釈器＞
希釈器４３は、パージ弁１４から導入されるアノードオフガスと、配管４２ｂから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。希釈器４３で希釈されたガスは車外に排出されるようになっている。
希釈器４３は、パージ弁１４から導入されるアノードオフガスと、配管４２ｂから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。希釈器４３で希釈されたガスは車外に排出されるようになっている。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック２で使用したアノードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、パージ弁１４によりアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスにより、ドレン弁３０から排出される水分の排出をアシストしているので、パージにより排出されるアノードオフガスが有効に利用されるようになり、水分の排出性も向上させることができる。
また、循環路を備えているので、この循環路によってアノードオフガスが燃料電池スタック２のアノードガス供給側に戻されるようになり、未使用の水素を有効利用することができる。また、パージに利用されなかった残りのアノードオフガスも、循環路を通じて燃料電池スタック２のアノードガス供給側に戻されることとなるので、これが流路内に滞留するのを好適に防止することができる。
また、連動動作時に、パージ弁１４は、ドレン弁３０が開弁した後に開弁するようになっているので、ドレン弁３０が開弁してドレン排出路を水分が流れた後にパージ弁１４が開弁することとなり、例えば、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置を水分が通過するタイミングでアノードオフガスが供給されるように、パージ弁１４の開弁タイミングを設定することによって、アノードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことが可能となる。
また、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流路となる配管３１は、その下流側が、希釈器４３に接続されているので、水分に同伴する水素を希釈器４３で希釈することができ、希釈器４３を通じてシステム外に水分を適切に排出することができる。
（第２実施形態）
図３（ａ）は本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の下流側のドレン排出路を成す配管３０ｂが、アノードオフガス排出路を成す配管１４ｂの上側から配管１４ｂに対して合流している点が異なっている。
図３（ｂ）に示すように、ドレン弁３０は、配管１４ｂの上側に位置しており、ドレン弁３０の下端に設けられた連通孔３３を通じて、ドレン排出路が配管１４ｂに合流するようになっている。なお、この例では、連通孔３３を通じてドレン排出路が配管１４ｂに合流する構成であるので、ドレン排出路を成す配管３０ｂは、省略されたものとなっている。
ドレン弁３０は、図示しないソレノイド等と、このソレノイド等によって駆動される弁体３２と、連通孔３３とを有しており、弁体３２が連通孔３３の上側に設けられた図示しない弁座に着座することで、ドレン弁３０が閉弁状態となり、ソレノイド等によって上方へ駆動されることで弁体３２が離座して開弁されるようになっている。
図３（ａ）は本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の下流側のドレン排出路を成す配管３０ｂが、アノードオフガス排出路を成す配管１４ｂの上側から配管１４ｂに対して合流している点が異なっている。
図３（ｂ）に示すように、ドレン弁３０は、配管１４ｂの上側に位置しており、ドレン弁３０の下端に設けられた連通孔３３を通じて、ドレン排出路が配管１４ｂに合流するようになっている。なお、この例では、連通孔３３を通じてドレン排出路が配管１４ｂに合流する構成であるので、ドレン排出路を成す配管３０ｂは、省略されたものとなっている。
ドレン弁３０は、図示しないソレノイド等と、このソレノイド等によって駆動される弁体３２と、連通孔３３とを有しており、弁体３２が連通孔３３の上側に設けられた図示しない弁座に着座することで、ドレン弁３０が閉弁状態となり、ソレノイド等によって上方へ駆動されることで弁体３２が離座して開弁されるようになっている。
この燃料電池システム１によれば、ドレン排出路が、アノードオフガス排出路の上側からアノードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってアノードオフガス排出路（配管１４ｂ）に流れ落ちることとなり、アノードオフガス排出路を流れるアノードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がアノードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、パージ弁１４の開閉によって行うことができるので、ドレン弁３０の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁３０の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、排水の制御は、パージ弁１４の開閉によって行うことができるので、ドレン弁３０の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁３０の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
（第３実施形態）
図４（ａ）は本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の上流側で、アノードオフガス排出路を成す配管１４ｂとドレン排出路を成す配管３０ａとが合流している点が異なっている。
図４（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の弁体３２の上流側に、パージ弁１４からアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスが導入されるようになっており、ドレン弁３０が前記したようにパージ弁１４と連動して開弁されることによって、アノードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
図４（ａ）は本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の上流側で、アノードオフガス排出路を成す配管１４ｂとドレン排出路を成す配管３０ａとが合流している点が異なっている。
図４（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の弁体３２の上流側に、パージ弁１４からアノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスが導入されるようになっており、ドレン弁３０が前記したようにパージ弁１４と連動して開弁されることによって、アノードオフガスのアシストで水分を排出することができる。
この燃料電池システム１によれば、ドレン弁３０の上流側で、アノードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、アノードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁３０で排出を制御することにより、水分を好適に排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁３０の開閉制御のみによって行うことも可能であるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器４３による希釈も好適に行うことができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁３０の開閉制御のみによって行うことも可能であるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器４３による希釈も好適に行うことができる。
（第４実施形態）
図５（ａ）は本発明の第４実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン排出路にオリフィス５０が設けられており、ドレン排出路から前記したドレン弁３０（図１等参照、以下同じ）を無くしてある。
この例では、図５（ｂ）に示すように、ドレン排出路を成す配管３０ｂにアノードオフガス排出路を成す配管１４ｂが、上側から下流方向（水分の流れに沿う方向）に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、アノードオフガス排出路からのアノードオフガスが配管３１内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むアノードオフガスによって、ドレン排出路側が負圧となって水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
図５（ａ）は本発明の第４実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン排出路にオリフィス５０が設けられており、ドレン排出路から前記したドレン弁３０（図１等参照、以下同じ）を無くしてある。
この例では、図５（ｂ）に示すように、ドレン排出路を成す配管３０ｂにアノードオフガス排出路を成す配管１４ｂが、上側から下流方向（水分の流れに沿う方向）に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、アノードオフガス排出路からのアノードオフガスが配管３１内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むアノードオフガスによって、ドレン排出路側が負圧となって水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
この燃料電池システム１によれば、ドレン弁３０を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁３０を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費も抑えることができる。
パージ弁１４のＯＮ（開弁）・ＯＦＦ（閉弁）制御は、気液分離器１３に貯溜される水分の容積に対応して、次のように関連付けて制御される。
すなわち、図６に示すように、ＥＣＵ２０（図５（ａ）参照、以下同じ）の算出等によって求められた水分の容積が、予め設定された所定の容積になった際に、ＥＣＵ２０は、パージ弁１４を開弁制御する。つまり、気液分離器１３に貯溜される水分の容積が所定の容積になった際に、オリフィス５０を通じてそれまで規定量ずつ排出されていた水分を、パージ弁１４からのアノードオフガスを利用して短時間で一気に排出することができる。
すなわち、図６に示すように、ＥＣＵ２０（図５（ａ）参照、以下同じ）の算出等によって求められた水分の容積が、予め設定された所定の容積になった際に、ＥＣＵ２０は、パージ弁１４を開弁制御する。つまり、気液分離器１３に貯溜される水分の容積が所定の容積になった際に、オリフィス５０を通じてそれまで規定量ずつ排出されていた水分を、パージ弁１４からのアノードオフガスを利用して短時間で一気に排出することができる。
また、オリフィス５０を設けたことによって、水分だけではなくアノードオフガスも一緒に排出されてしまう可能性を好適に回避することができるとともに、オリフィス５０で絞られて少量排出された水分を、パージにより好適に排出することができる。特に、燃料電池スタック２が小負荷でアノードオフガスが少ない稼働状況等において、水分とともにアノードオフガスが一緒に排出されてしまうのを回避しつつ、水分の好適な排出が可能となる。
（第５実施形態）
図７（ａ）は本発明の第５実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図７（ａ）（ｂ）に示すように、カソードオフガス排出路を成す配管４２ｂがドレン排出路を成す配管３０ｂに合流しており、燃料電池スタック２で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出をアシストする点が異なっている。
図７（ａ）は本発明の第５実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図７（ａ）（ｂ）に示すように、カソードオフガス排出路を成す配管４２ｂがドレン排出路を成す配管３０ｂに合流しており、燃料電池スタック２で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出をアシストする点が異なっている。
この例では、図７（ｂ）に示すように、ドレン排出路を成す配管３０ｂにカソードオフガス排出路を成す配管４２ｂが、上側から下流方向（水分の流れに沿う方向）に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、カソードオフガス排出路からのカソードオフガスが配管３１内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むカソードオフガスによって、水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
また、背圧弁４２は、ドレン弁３０が開弁した後に開弁するようになっている。
また、背圧弁４２は、ドレン弁３０が開弁した後に開弁するようになっている。
この燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック２で使用したカソードオフガスの流れを利用して、ドレン弁３０から排出されてくる水分の排出をアシストしているので、水分の排出がスムーズに行われ、水分の排出性を向上させることができる。
また、ドレン弁３０が開弁してドレン排出路をなす配管３０ｂに水分が流れた後に背圧弁４２が開弁することとなるので、例えば、配管４２ｂと配管３０ｂとの合流位置を水分が通過するタイミングでカソードオフガスが供給されるように、背圧弁４２の開弁タイミングを設定することによって、カソードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
また、ドレン弁３０が開弁してドレン排出路をなす配管３０ｂに水分が流れた後に背圧弁４２が開弁することとなるので、例えば、配管４２ｂと配管３０ｂとの合流位置を水分が通過するタイミングでカソードオフガスが供給されるように、背圧弁４２の開弁タイミングを設定することによって、カソードオフガスの流れを有効に利用した水分の排出を好適に行うことができる。
（第６実施形態）
図８（ａ）は本発明の第６実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図８（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の下流側のドレン排出路を成す配管３０ｂが、カソードオフガス排出路を成す配管４２ｂの上側から配管４２ｂに対して合流している点が異なっている。
図８（ｂ）に示すように、ドレン弁３０は、配管４２ｂの上側に位置しており、ドレン弁３０の下端に設けられた連通孔３３を通じて、ドレン排出路が配管４２ｂに合流するようになっている。なお、この例では、連通孔３３を通じてドレン排出路が配管４２ｂに合流する構成であるので、ドレン排出路を成す配管３０ｂは、省略されたものとなっている。
図８（ａ）は本発明の第６実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図８（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の下流側のドレン排出路を成す配管３０ｂが、カソードオフガス排出路を成す配管４２ｂの上側から配管４２ｂに対して合流している点が異なっている。
図８（ｂ）に示すように、ドレン弁３０は、配管４２ｂの上側に位置しており、ドレン弁３０の下端に設けられた連通孔３３を通じて、ドレン排出路が配管４２ｂに合流するようになっている。なお、この例では、連通孔３３を通じてドレン排出路が配管４２ｂに合流する構成であるので、ドレン排出路を成す配管３０ｂは、省略されたものとなっている。
この燃料電池システム１によれば、前記した第２実施形態と同様の効果が得られる。つまり、ドレン排出路が、カソードオフガス排出路の上側からカソードオフガス排出路に対して合流しているので、ドレン排出路を流れてきた水分は、重力によってカソードオフガス排出路（配管４２ｂ）に流れ落ちることとなり、カソードオフガス排出路を流れるカソードオフガスによって好適に排出されることとなる。したがって、ドレン排出路を流れてきた水分の排出がカソードオフガスの流れによって好適にアシストされ、排出性が向上するようになる。
また、排水の制御は、ドレン弁３０の開閉によって行うことができるので、ドレン弁３０の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁３０の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、排水の制御は、ドレン弁３０の開閉によって行うことができるので、ドレン弁３０の開弁時間は、水分の排水量だけを考慮して設定することが可能となる。したがって、ドレン弁３０の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
（第７実施形態）
図９（ａ）は本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図９（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の上流側で、カソードオフガス排出路を成す配管４２ｂとドレン排出路を成す配管３０ａとが合流している点が異なっている。
図９（ａ）は本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図９（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン弁３０の上流側で、カソードオフガス排出路を成す配管４２ｂとドレン排出路を成す配管３０ａとが合流している点が異なっている。
この燃料電池システム１によれば、前記した第３実施形態と同様の効果が得られる。つまり、ドレン弁３０の上流側で、カソードオフガス排出路とドレン排出路とが合流しているので、カソードオフガスと水分とを合流させた後に、ドレン弁３０で排出を制御することにより、水分を好適に排出することができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁３０の開閉制御のみによって行うことも可能であるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器４３による希釈も好適に行うことができる。
また、水分の排出制御は、ドレン弁３０の開閉制御のみによって行うことも可能であるので、制御が簡単であり、水素の排出濃度の管理が簡単になって希釈器４３による希釈も好適に行うことができる。
（第８実施形態）
図１０（ａ）は本発明の第８実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン排出路にオリフィス５０が設けられており、ドレン排出路から前記したドレン弁３０（図１等参照、以下同じ）を無くしてある。
また、この例では、図１０（ｂ）に示すように、ドレン排出路を成す配管３０ｂにカソードオフガス排出路を成す配管４２ｂが、上側から下流方向（水分の流れに沿う方向）に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、カソードオフガス排出路からのカソードオフガスが配管３１内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むカソードオフガスによって、ドレン排出路側が負圧となって水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
図１０（ａ）は本発明の第８実施形態の燃料電池システムを示す構成図、（ｂ）は合流位置を示す模式拡大図である。
本実施形態では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ドレン排出路にオリフィス５０が設けられており、ドレン排出路から前記したドレン弁３０（図１等参照、以下同じ）を無くしてある。
また、この例では、図１０（ｂ）に示すように、ドレン排出路を成す配管３０ｂにカソードオフガス排出路を成す配管４２ｂが、上側から下流方向（水分の流れに沿う方向）に向けて下り傾斜状に合流している。これによって、カソードオフガス排出路からのカソードオフガスが配管３１内にスムーズに流れ込むこととなり、この流れ込むカソードオフガスによって、ドレン排出路側が負圧となって水分の排水が好適にアシストされるようになっている。
この燃料電池システム１によれば、前記した第４実施形態と同様の効果が得られる。つまり、ドレン弁３０を無くしてあるので、構成が簡単になり、コストの低減を図ることができる。また、ドレン弁３０を無くしてあるので、その分、排水制御が簡単になり、電力の消費も抑えることができる。
前記した各実施形態において、アノードオフガス排出路とドレン排出路との合流位置や、カソードガス排出路とドレン排出路との合流位置に、ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して吸い出すベンチュリ部を設けてもよい。
このようなベンチュリ部を設けることによって、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分が排出路側（アノードオフガス排出路側あるいはカソードガス排出路側）に好適に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な排水が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁３０の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
このようなベンチュリ部を設けることによって、ベンチュリ部による負圧を利用して、ドレン排出路にある水分が排出路側（アノードオフガス排出路側あるいはカソードガス排出路側）に好適に吸い出されるようになり、排出性が向上する。つまり、パージ量を増加させることなく良好な排水が可能となる。また、流速を利用して排出性を向上できるため、結果的にドレン弁３０の開弁時間を短くすることができ、その分、電力の消費を抑えることができる。
また、前記した各実施形態において、合流位置の配管寸法や配管同士の合流角度等は任意に設定することができる。
また、前記した各実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよく、また、住居、店舗、オフィス等の用途とした燃料電池システムでもよい。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
１３ 気液分離器
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ 配管（アノードオフガス排出路）
１３ｃ 配管（循環路）
１４ パージ弁
２０ ＥＣＵ
３０ ドレン弁
３０ａ、３０ｂ 配管（ドレン排出路）
３１ 配管（合流路）
４２ 背圧弁
４２ａ、４２ｂ 配管（カソードオフガス排出路）
４３ 希釈器
５０ オリフィス
２ 燃料電池スタック
１３ 気液分離器
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ 配管（アノードオフガス排出路）
１３ｃ 配管（循環路）
１４ パージ弁
２０ ＥＣＵ
３０ ドレン弁
３０ａ、３０ｂ 配管（ドレン排出路）
３１ 配管（合流路）
４２ 背圧弁
４２ａ、４２ｂ 配管（カソードオフガス排出路）
４３ 希釈器
５０ オリフィス
Claims (18)
- アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、
前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、を備え、
前記アノードオフガス排出路および前記カソードオフガス排出路の少なくとも１つと、前記ドレン排出路とを合流させ、前記アノードオフガスや前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。 - アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、
前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、
前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、
前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記燃料電池のアノードガス供給側に戻す循環路を備え、
前記パージ弁は、前記循環路に設けられてい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。 - 前記パージ弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、
その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記ドレン排出路は、前記アノードオフガス排出路の上側から前記アノードオフガス排出路に対して合流していることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記アノードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられてい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。
- 前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流していることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、
前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、
前記気液分離装置によって水分を分離された残りの前記アノードオフガスを、前記アノードオフガス排出路に排出するパージ弁と、を備え、
前記アノードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、
前記パージ弁により前記アノードオフガス排出路に排出された前記アノードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。 - アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、
前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置で分離した水分を排出制御するドレン弁を含むドレン排出路と、
前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを合流させ、
前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記ドレン弁から排出されてくる水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記背圧弁は、前記ドレン弁が開弁した後に開弁することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
- 前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路との合流路は、その下流側が、前記アノードオフガスを希釈する希釈器に接続されていることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の燃料電池システム。
- 前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の下流側で合流しており、
その合流位置から上流側の前記ドレン排出路には、オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記ドレン排出路は、前記カソードオフガス排出路の上側から前記カソードオフガス排出路に対して合流していることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記カソードオフガス排出路における前記ドレン排出路との合流位置には、前記ドレン排出路にある水分を、負圧を利用して前記アノードオフガス排出路側に吸い出すベンチュリ部が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
- 前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とは、前記ドレン弁の上流側で合流していることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出路と、
前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスに同伴される水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置で分離した水分を排出するドレン排出路と、
前記ドレン排出路に設けられたオリフィスと、
前記燃料電池からの前記カソードオフガスの圧力を制御する背圧弁と、を備え、
前記カソードオフガス排出路と前記ドレン排出路とを前記オリフィスの下流側で合流させ、
前記背圧弁により前記カソードオフガス排出路に排出された前記カソードオフガスの流れを利用して、前記オリフィスを通じて排出される水分の排出をアシストするようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
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