特開 2024-31276 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024031276

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240229BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240229BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022134731

(22)【出願日】2022-08-26

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】堀内 悠平

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AC09

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA58

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB13

5H127BB34

5H127BB37

5H127BB39

5H127EE25

(57)【要約】      （修正有）

【課題】外気温が氷点下であるときに燃料電池システムを起動する場合であっても、開閉弁が速やかに開閉動作することを可能とする。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタック及び加湿器（６２）を備える。加湿器の排出口（６２ｏ）には、配管（８４）が設けられる。配管に形成された流通路（８６）には、加湿器を流通したガスが流通する。流通路の出口（８６ｏ）には、開閉弁（７４）が設けられる。さらに、燃料電池システムは、流通路に連通した貯水部（９２）を備える。貯水部は、流通路よりも低位に配置される。また、開閉弁は、貯水部よりも高位に配置される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックのカソード電極に供給される酸化剤ガスと、前記燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスとが導入される加湿器と、
前記加湿器を流通した前記酸化剤ガス、又は前記加湿器を流通した前記カソードオフガスのいずれかが流通する流通路が形成された配管と、
前記流通路の出口に設けられ、前記燃料電池スタックの運転中に前記流通路を開放する一方で、前記燃料電池スタックのソーク中に前記流通路を閉塞する開閉弁と、
前記流通路に連通した貯水部と、
を備え、
鉛直方向において相対的に低位置を低位とし、且つ鉛直方向において相対的に高位置を高位とする場合、前記貯水部が前記流通路よりも低位に配置され、且つ前記開閉弁が前記貯水部よりも高位に配置されている燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水部が前記流通路に連なる凹空間として前記配管に形成され、前記貯水部は、前記流通路の出口における最も低位である箇所よりも低位であり、
且つ前記流通路が、前記貯水部よりも上流側に、前記貯水部に近接するにつれて断面積が小さくなる部分を有する燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水部が前記流通路から分岐して形成され、且つ前記配管に、前記流通路と前記貯水部とを連通する連通路と、前記貯水部にパージガスを供給するためのパージガス供給路とが形成されている、燃料電池システム。

【請求項4】

請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスを前記カソード電極に供給する酸化剤ガス供給ラインと、
前記酸化剤ガス供給ラインから分岐し、且つ前記パージガス供給路に接続されたパージガス供給ラインと、
を備え、
前記酸化剤ガス供給ラインを流通する前記酸化剤ガスの一部を、前記パージガス供給ラインを介して、前記パージガスとして前記貯水部に供給する燃料電池システム。

【請求項5】

請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水部を加温する加温部を備える燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記流通路に前記カソードオフガスが流通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、燃料電池スタック及び加湿器を備える燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。また、地球環境に与える負荷を軽減するため、自動車の排気ガス規制が一段と進んでいる。以上の観点から、自動車において、内燃機関に代替して燃料電池システムを搭載することが試みられている。燃料電池システムでは、ＣＯ₂、ＳＯ_X及びＮＯ_X等が排出されることがないからである。

【0003】

燃料電池システムは、複数個の単位セルが積層された燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックが運転されるとき、単位セルのアノード電極に燃料ガスが供給され、且つ単位セルのカソード電極に酸化剤ガスが供給される。カソード電極では、電極反応によって水が生成される。従って、カソード電極からは、余剰の酸化剤ガスと、生成水とが一緒に排出される。以下、カソード電極を通過した余剰の酸化剤ガスを、カソードオフガスと表記する。

【0004】

カソードオフガスは、加湿器に送られる。加湿器の内部には、多孔質膜が設けられている。カソードオフガス中の生成水は、多孔質膜によって酸化剤ガスと分離される。ここで、加湿器には、カソード電極に新たに供給される酸化剤ガスが流通する。酸化剤ガスには、カソードオフガスから分離された生成水が供与される。生成水によって湿潤状態となった酸化剤ガスは、加湿器からカソード電極に供給される。このように、カソード電極に供給される酸化剤ガス、及びカソード電極を通過したカソードオフガスはいずれも、水分を含む。

【0005】

加湿器と燃料電池スタックとの間には、配管が設けられる。特許文献１には、加湿器から燃料電池スタックに酸化剤ガスを送る配管に、水溜まりトラップを設けることが提案されている。特許文献１には、水溜まりトラップに結露水が貯留されるので、燃料電池スタック及び加湿器に結露水が溜まることを回避することができる、との旨の記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第５１５７０８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

加湿器の周辺の配管には、開閉弁が設けられる。この開閉弁に、カソードオフガス又は酸化剤ガスに含まれている水分が付着して結露することがあり得る。外気温が氷点下である場合、燃料電池スタックのソーク中に結露水が凍結する。一般的に、開閉弁は、燃料電池スタックのソーク中は閉止している。この状態で凍結が起こると、燃料電池システムが所定温度に上昇するまで、開閉弁を開くことが困難となる。

【0008】

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一実施形態によれば、燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックのカソード電極に供給される酸化剤ガスと、前記燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスとが導入される加湿器と、前記加湿器を流通した前記酸化剤ガス、又は前記加湿器を流通した前記カソードオフガスのいずれかが流通する流通路が形成された配管と、前記流通路の出口に設けられ、前記燃料電池スタックの運転中に前記流通路を開放する一方で、前記燃料電池スタックのソーク中に前記流通路を閉塞する開閉弁と、前記流通路に連通した貯水部と、を備え、鉛直方向において相対的に低位置を低位とし、且つ鉛直方向において相対的に高位置を高位とする場合、前記貯水部が前記流通路よりも低位に配置され、且つ前記開閉弁が前記貯水部よりも高位に配置されている燃料電池システムが提供される。

【発明の効果】

【0010】

燃料電池スタックのソーク中、酸化剤ガス又はカソードオフガスに含まれていた水が結露する。その結果、結露水が生じる。貯水部が流通路よりも低位に配置されているため、結露水は、重力によって貯水部に流入する。開閉弁が貯水部よりも高位に配置されているため、貯水部に貯留された結露水が開閉弁に移動することは困難である。

【0011】

以上のような理由から、結露水が開閉弁に接触することが回避される。このため、外気温が氷点下である場合等、凍結の可能性がある環境下であっても、開閉弁に付着した水分が凍結する懸念が払拭される。従って、外気温が氷点下であるときに燃料電池システムを起動する場合であっても、開閉弁が速やかに開閉動作することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略システム図である。

【図2】図２は、配管を介した加湿器と開閉弁との連結構造の概略縦断面図である。

【図3】図３は、燃料電池スタックが運転されている最中の連結構造の概略縦断面図である。

【図4】図４は、燃料電池スタックの運転停止直後における連結構造の概略縦断面図である。

【図5】図５は、燃料電池スタックがソーク中であるときの連結構造の概略縦断面図である。

【図6】図６は、燃料電池スタックの運転開始直後における連結構造の概略縦断面図である。

【図7】図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略システム図である。

【図8】図８は、燃料電池スタックがソーク中であるときの連結構造の概略縦断面図である。

【図9】図９は、燃料電池スタックの運転開始直後における連結構造の概略縦断面図である。

【図10】図１０は、燃料電池スタックが運転されている最中の連結構造の概略縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下において、アノードオフガスは、図１及び図７に示す燃料電池スタック１２のアノード電極２２から排出された余剰の燃料ガスを意味する。カソードオフガスは、燃料電池スタック１２のカソード電極２４から排出された余剰の酸化剤ガスを意味する。また、「上流」及び「下流」は、それぞれ、酸化剤ガス及びカソードオフガスの流通方向における上流及び下流を表す。「高位」は、鉛直方向において相対的に高位置であることを示し、「低位」は、鉛直方向において相対的に低位置であることを示す。「高位」及び「低位」は、鉛直方向の上下に並んでいる場合に限定されない。

【0014】

はじめに、図１を参照し、第１実施形態に係る燃料電池システム１０につき説明する。なお、図１は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流通過程等の理解を容易にするために簡素化されている。従って、図１に示される方向が、実際の燃料電池システム１０における方向に一致しているとは限らない。また、図１では、第１開閉弁７２、第２開閉弁７４及びバイパス弁７８以外のバルブが省略されている。後述する図７においても同様である。

【0015】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２は、複数個の単位セル１４が積層されることで構成される。単位セル１４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６が第１セパレータ１８と第２セパレータ２０との間に挟まれることで構成される。ＭＥＡ１６は、アノード電極２２とカソード電極２４との間に電解質膜２６が挟まれることで構成される。第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０の素材は、例えば、金属である。電解質膜２６の素材は、例えば、水分を含むパーフルオロスルホン酸等の固体高分子である。

【0016】

第１セパレータ１８には、第１ガス流路３０が形成される。第１ガス流路３０には、アノード電極２２に供給される水素ガス（燃料ガス）が流通する。第２セパレータ２０には、第２ガス流路３２が形成される。第２ガス流路３２には、カソード電極２４に供給される圧縮エア（酸化剤ガス）が流通する。互いに隣接する単位セル１４において、第１セパレータ１８と第２セパレータ２０との間には、不図示の冷却媒体流路が形成される。冷却媒体流路には、冷却媒体が流通する。

【0017】

燃料電池スタック１２には、水素入口３４及び水素出口３６が形成される。水素入口３４は、第１ガス流路３０の入口に連通する。該第１ガス流路３０の出口は、水素出口３６に連通する。燃料電池スタック１２には、エア入口３８及びエア出口４０が形成される。エア入口３８は、第２ガス流路３２の入口に連通する。該第２ガス流路３２の出口は、エア出口４０に連通する。

【0018】

燃料電池システム１０は、高圧タンク５０と、エゼクタ５２とを備える。高圧タンク５０には、水素ガスが充填されている。高圧タンク５０と燃料電池スタック１２との間には、第１供給ライン５４が設けられる。エゼクタ５２は、第１供給ライン５４上に設けられ、アノード電極２２に水素ガスを供給する。エゼクタ５２から送られた水素ガスは、水素入口３４に向かう。

【0019】

燃料電池スタック１２には、第１排気ライン５６を介して気液分離器５８が接続される。水素出口３６から排出されたアノードオフガスは、第１排気ライン５６を介して気液分離器５８に送られる。アノードオフガスは、気液分離器５８において水素ガスと水（液水）とに分離される。水素ガスは、エゼクタ５２に戻された後にアノード電極２２に再供給される。

【0020】

燃料電池システム１０は、エアポンプ６０と、加湿器６２と、循環ポンプ６４とをさらに備える。エアポンプ６０は、例えば、大気を圧縮して圧縮エアを生成する。燃料電池スタック１２と加湿器６２とは、第２供給ライン６８及び第２排気ライン７０を介して接続される。エアポンプ６０によって得られた圧縮エアには、加湿器６２において、燃料電池スタック１２の発電時に生成された水（後述する生成水ＰＷ）が供与される。これにより、圧縮エアが湿潤状態となる。湿潤状態となった圧縮エアは、第２供給ライン６８を介してエア入口３８に向かう。このように、第２供給ライン６８は、圧縮エア（酸化剤ガス）を供給するための酸化剤ガス供給ラインである。なお、循環ポンプ６４を省略してもよい。

【0021】

エア出口４０から排出されたカソードオフガスは、第２排気ライン７０を介して加湿器６２に送られる。カソードオフガス中の水は、加湿器６２において圧縮エアから分離される。圧縮エアは、例えば、循環ポンプ６４によってカソード電極２４に再供給される。一方、水は、上記したように、エアポンプ６０から送られた新たな圧縮エアに供与される。

【0022】

第２供給ライン６８において、加湿器６２よりも上流には、第１開閉弁７２が設けられる。第２排気ライン７０において、加湿器６２よりも下流には、第２開閉弁７４が設けられる。

【0023】

第２供給ライン６８からは、バイパスライン７６が分岐する。バイパスライン７６は、第２供給ライン６８における加湿器６２よりも下流で、第２供給ライン６８に合流する。すなわち、バイパスライン７６は加湿器６２を迂回する。バイパスライン７６には、バイパス弁７８が設けられる。

【0024】

燃料電池システム１０は、制御装置８０によって制御される。制御装置８０は、例えば、第１開閉弁７２、第２開閉弁７４及びバイパス弁７８の各々を、開状態から閉状態に切り替える。又は、制御装置８０は、第１開閉弁７２、第２開閉弁７４及びバイパス弁７８の各々を、閉状態から開状態に切り替える。制御装置８０は、第１開閉弁７２、第２開閉弁７４及びバイパス弁７８の各々を、開状態又は閉状態のいずれかとして維持することも可能である。

【0025】

このように構成される燃料電池システム１０は、例えば、自動車の車体に搭載される。

【0026】

図２は、加湿器６２におけるカソードオフガスの出口（排出口６２ｏ）と、第２開閉弁７４とを連結する連結構造８２の概略縦断面図である。なお、この図２は、燃料電池スタック１２がソーク中である場合を示している。加湿器６２と第２開閉弁７４とは、連結配管８４を介して連結される。連結配管８４は、第２排気ライン７０の一部である。

【0027】

図２の上下方向は、鉛直方向に相当する。すなわち、図２における上方は、燃料電池システム１０を車体等に搭載したときの上方に相当する。図２における下方は、燃料電池システム１０を車体等に搭載したときの下方に相当する。図２から理解されるように、加湿器６２の排出口６２ｏは、鉛直下方を向いて開口している。

【0028】

連結配管８４には、流通路である排気路８６が形成されている。排気路８６の入口８６ｉは、加湿器６２の排出口６２ｏに対面し、水平方向に沿って延在するように開口している。排気路８６は、第１流路８８及び第２流路９０を有する。第１流路８８は、鉛直方向に対して若干傾斜している。第２流路９０は、第１流路８８に対して所定角度で交差している。これにより、排気路８６は略Ｌ字形状に折曲されている。このため、排気路８６（第２流路９０）の出口８６ｏは、鉛直方向に沿って延在するように開口している。排気路８６の出口８６ｏにおいて、最も低位である箇所は、最下点Ｐ１である。

【0029】

第２流路９０の下方には、該第２流路９０に連なる凹空間が形成されている。この凹空間は、水を貯留する貯水部９２である。貯水部９２は、最下点Ｐ１よりも低位である。図２においては、第２流路９０と貯水部９２との境界を境界線Ｌ１で示している。以上から理解されるように、貯水部９２は、排気路８６の第２流路９０よりも低位に配置され、且つ第２流路９０に連通する。

【0030】

第１流路８８の途中には、第２開閉弁７４に向かって陥没する凹部９４が形成されている。第１流路８８の延在方向に沿った方向から見た凹部９４の断面は、略三角形状である。凹部９４の低位側の山は、第１流路８８と第２流路９０との境界近傍である。このため、第１流路８８の断面積は、凹部９４の谷で大きくなり、第１流路８８と第２流路９０との境界近傍で小さくなる。換言すれば、第１流路８８の断面積は、貯水部９２から離間する上流で大きく、且つ貯水部９２に近接する下流部分で小さい。このように、排気路８６は、貯水部９２に近接するにつれて断面積が小さくなる部分（断面積変化領域８７）を有する。

【0031】

断面積変化領域８７の下流端は、断面積変化領域８７において最も断面積が小さい絞り部８７ａである。絞り部８７ａは、貯水部９２の上方に位置し、且つ貯水部９２に向かい合う。貯水部９２は、排気路８６の出口８６ｏから遠い側の端部９２ｅを有する。絞り部８７ａは、貯水部９２の端部９２ｅに向かい合う。貯水部９２は、貯水部９２において最も低位である底部９２ａと、底部９２ａに向かって傾斜する傾斜部９２ｂとを有する。底部９２ａは、傾斜部９２ｂよりも出口８６ｏの近くに設けられる。傾斜部９２ｂは、絞り部８７ａの下方で絞り部８７ａと向き合っている。傾斜部９２ｂの一部が端部９２ｅである。なお、第１流路８８の断面積とは、カソードオフガスの流通方向に直交する方向の断面積である。

【0032】

排気路８６（第２流路９０）の出口８６ｏには、第２開閉弁７４が設けられる。第２開閉弁７４はいわゆるバタフライ弁であり、ハウジング１００と、回転シャフト１０２と、弁体１０４とを有する。ハウジング１００は、図示しないボルト等を介して連結配管８４に連結されている。回転シャフト１０２は、ハウジング１００に回転可能に支持されている。弁体１０４は、回転シャフト１０２に設けられており、回転シャフト１０２と一体的に回転する。

【0033】

第２開閉弁７４の弁体１０４の高さ位置は、排気路８６の出口８６ｏの高さ位置と略等しい。すなわち、第２開閉弁７４は貯水部９２よりも高位に配置されている。

【0034】

第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成される。次に、燃料電池システム１０の作用効果について説明する。

【0035】

燃料電池システム１０は、例えば、自動車の車体に搭載される。燃料電池システム１０は、自動車を運転するときに起動される。このとき、制御装置８０（図１参照）の指令信号に基づき、高圧タンク５０から第１供給ライン５４を介して燃料電池スタック１２に水素ガスが供給される。また、制御装置８０は、指令信号によって第１開閉弁７２及び第２開閉弁７４を開状態とし、且つバイパス弁７８を閉状態とする。すなわち、第２供給ライン６８及び第２排気ライン７０が開放状態となる。

【0036】

開状態となった第２開閉弁７４は、図３に示されている。このとき、回転シャフト１０２及び弁体１０４が一体的に回転し、排気路８６の出口８６ｏを開放状態とする。従って、カソードオフガスは、加湿器６２から循環ポンプ６４に向かって流通可能である。

【0037】

水素ガスは、エゼクタ５２を通過して水素入口３４から第１ガス流路３０に流入する。水素ガスは、第１ガス流路３０を流通する最中にアノード電極２２に接触して酸化反応を起こす。余剰の水素ガス（アノードオフガス）は、水分を含んだ状態で、第１ガス流路３０から水素出口３６を経て、第１排気ライン５６に排出される。

【0038】

その後、気液分離器５８において、アノードオフガス中の水と水素ガスとが分離される。湿度が低下した水素ガスは、エゼクタ５２に流れる。エゼクタ５２において、高圧タンク５０から供給された新たな水素ガスと、気液分離器５８から排出された水素ガスとが合流する。合流した水素ガスは、上記と同様の経路から、第１ガス流路３０に流入する、以降は、上記の循環が繰り返される。

【0039】

その一方で、エアポンプ６０から第２供給ライン６８を介して燃料電池スタック１２に圧縮エアが供給される。圧縮エアは、加湿器６２内を流通する。このとき、圧縮エアに水分が供与される。すなわち、圧縮エアの湿度が上昇する。圧縮エアは、エア入口３８から第２ガス流路３２に流入する。圧縮エア中の酸素は、第２ガス流路３２を流通する最中にカソード電極２４に接触して還元反応を起こす。この還元反応において、水が生成される。この水は、図３に示す生成水ＰＷである。

【0040】

生成水ＰＷは、余剰の圧縮エア（カソードオフガス）と一緒に、第２ガス流路３２からエア出口４０を経て、第２排気ライン７０に排出される。生成水ＰＷを含んだカソードオフガスは、加湿器６２内に流入する。加湿器６２において、カソードオフガスが図示しない多孔質膜を通過するとき、圧縮エアと生成水ＰＷとが分離される。すなわち、圧縮エアの湿度が低下する。圧縮エアの全部又は一部は、循環ポンプ６４（図１参照）によって加湿器６２に戻される。その途中で、圧縮エアと、エアポンプ６０から送られた新たな圧縮エアとが合流する。合流した圧縮エアは、加湿器６２に流入する。このとき、上記と同様に圧縮エアに生成水ＰＷが水分として供与される。水分が供与された圧縮エアは、上記と同様の経路から、第２ガス流路３２に流入する。以降は、上記の循環が繰り返される。

【0041】

加湿器６２の排出口６２ｏ（図３参照）から排出されたカソードオフガスは、連結配管８４の排気路８６を流通する。ここで、カソードオフガスは、上記したように生成水ＰＷを含んでいる。生成水ＰＷは、例えば、第１流路８８又は第２流路９０の内壁で結露し、液滴となって低位に向かう。第２流路９０が貯水部９２に連通しているので、生成水ＰＷが貯水部９２に捕集される。これにより、生成水ＰＷが貯水部９２に貯留される。生成水ＰＷの貯留量が貯水部９２の最大容量を超えた場合、余剰の生成水ＰＷは、開状態を維持している第２開閉弁７４から排出される。

【0042】

駐車等によって自動車の運転が停止されるとき、燃料電池システム１０の運転も停止される。このとき、制御装置８０は、第１開閉弁７２を閉状態とし、且つバイパス弁７８（図１参照）を開状態とする。また、制御装置８０は、エアポンプ６０の運転を継続し、且つ第２開閉弁７４の開状態を維持する。このため、エアポンプ６０から供給された圧縮エアは、バイパスライン７６を通過して第２ガス流路３２を通り、第２排気ライン７０から加湿器６２に流入する。圧縮エアは、加湿器６２において水分を供与されることなく、図４に示すように、排出口６２ｏを介して連結配管８４の排気路８６に流入する。

【0043】

上記したように、排気路８６の第１流路８８の断面積は、貯水部９２に近接する下流（絞り部８７ａ）で小さくなる。絞り部８７ａにより、第１流路８８から第２流路９０への入口は、ノズル形状となっている。このため、第２流路９０に流入する圧縮エアの流速は、第１流路８８を流通する圧縮エアの流速よりも大きい。第２流路９０が貯水部９２に連通しているので、流速が上昇して第２流路９０に流入した圧縮エアは、傾斜部９２ｂに案内されて流通する。その結果、図４に示すように、圧縮エアは、貯水部９２に残留している生成水ＰＷを、出口８６ｏ側に吹き飛ばす（パージする）。第２流路９０に流入した圧縮エアの流速が十分に上昇しているので、貯水部９２に残留した生成水ＰＷの多くが、第２開閉弁７４を介して貯水部９２から排出される。このように、第１実施形態によれば、貯水部９２に残留する生成水ＰＷの量を少なくすることができる。

【0044】

圧縮エア及び生成水ＰＷは、開状態を維持している第２開閉弁７４から排出される。圧縮エアは、例えば、循環ポンプ６４によってバイパスライン７６に戻され、第２ガス流路３２に再供給される。又は、圧縮エアは大気に放出される。生成水ＰＷは、例えば、大気に向かって排出される。

【0045】

所定時間が経過した後、制御装置８０は、バイパス弁７８及び第２開閉弁７４を閉状態とする。これにより、燃料電池スタック１２がソーク状態となる。ソーク中、図５に示すように、加湿器６２の内部に滞留していた水蒸気が結露する。また、連結配管８４の排気路８６に滞留していた水蒸気も結露する。結露によって生じた液水（結露水ＤＷ）は、上記と同様に貯水部９２に貯留される。図４に示すように、この時点では、生成水ＰＷの多くが貯水部９２から既に排出されている。従って、貯水部９２の貯水容量が十分に確保される。このため、結露水ＤＷの量が貯水部９２の最大容量を超えることが回避されるので、結露水ＤＷの液面が最下点Ｐ１を超えることが回避される。

【0046】

すなわち、結露水ＤＷが弁体１０４に接触することが回避される。従って、外気温が氷点下となり、結露水ＤＷが凍結した場合であっても、凍結した結露水ＤＷを介して弁体１０４がハウジング１００等に固着することが回避される。

【0047】

外気温が氷点下である場合等、凍結が予測される状況下で燃料電池システム１０を起動するとき、制御装置８０は、暖機運転を行う。具体的に、制御装置８０は、第１供給ライン５４を介して燃料電池スタック１２に水素ガスを供給し、且つ第２供給ライン６８を介して燃料電池スタック１２に圧縮エアを供給する制御を行う。このとき、制御装置８０は、燃料電池スタック１２を低電流密度で発電させる。従って、アノードオフガス及びカソードオフガスの生成量は比較的少ない。

【0048】

燃料電池スタック１２が発電することに伴い、カソードオフガスの温度が上昇する。カソードオフガスは、加湿器６２の排出口６２ｏを介して連結配管８４の排気路８６に流入する。カソードオフガスは、貯水部９２内の結露水ＤＷに接触する。このため、貯水部９２内の結露水ＤＷが凍結していた場合には、結露水ＤＷが氷解する。圧縮エアから結露水ＤＷに熱が伝わるからである。凍結した結露水ＤＷを介して弁体１０４がハウジング１００等に固着している場合も同様に、結露水ＤＷが氷解する。従って、この時点で第２開閉弁７４が開状態となる。

【0049】

氷解して液相となった結露水ＤＷは、図６に示すように、第２流路９０に流入したカソードオフガスによって吹き飛ばされる。上記と同様の理由から、第２流路９０に流入したカソードオフガスの流速が十分に上昇している。従って、結露水ＤＷの多くが、第２開閉弁７４を介して貯水部９２から排出される。このように、第１実施形態によれば、凍結によって第２開閉弁７４が動作不能となることを防止することができる。また、たとえ凍結が生じた場合であっても、第２開閉弁７４を速やかに動作可能な状態とすることが可能である。

【0050】

次に、図７～図１０を参照し、第２実施形態に係る燃料電池システム１１０につき説明する。なお、図１～図６に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0051】

燃料電池システム１１０は、図７に示すパージガス供給ライン１１２を備える。パージガス供給ライン１１２は、第２供給ライン６８において、第１開閉弁７２よりも上流で該第２供給ライン６８から分岐する。パージガス供給ライン１１２は、図８に示す連結構造１１４を構成する連結配管１１６に向かって延びる。パージガス供給ライン１１２には、第２供給ライン６８から分流された圧縮エアが流通する。

【0052】

図８に示すように、加湿器６２と第２開閉弁７４とは、連結配管１１６を介して連結される。連結配管１１６は、第２排気ライン７０の一部である。なお、図８は、燃料電池スタック１２がソーク中である場合を示している。

【0053】

図８の上下方向は、鉛直方向に相当する。すなわち、図８における上方は、燃料電池システム１１０を車体等に搭載したときの上方に相当する。図８における下方は、燃料電池システム１１０を車体等に搭載したときの下方に相当する。図２と同様に、加湿器６２の排出口６２ｏは、鉛直下方を向いて開口している。

【0054】

連結配管１１６には、流通路である排気路１１８が形成されている。排気路１１８の入口１１８ｉは、加湿器６２の排出口６２ｏに対面し、水平方向に沿って延在するように開口している。排気路１１８は、Ｃ字形状に湾曲している。このため、排気路１１８の出口１１８ｏは、鉛直方向に沿って延在するように開口している。排気路１１８において、最も低位である箇所は、最下点Ｐ２である。

【0055】

排気路１１８の下方には、貯水部１２０が形成されている。すなわち、貯水部１２０は、排気路１１８よりも低位に配置されている。貯水部１２０の最上点は、排気路１１８の最下点Ｐ２よりも低位に配置されている。貯水部１２０は、排気路１１８から分岐された空間として、連結配管１１６に形成されている。貯水部１２０は、連通路１２２を介して排気路１１８に連通する。具体的に、連通路１２２は、貯水部１２０の底部から、排気路１１８の出口１１８ｏ近傍まで延びる。連通路１２２の断面積は、排気路１１８の断面積に比べて小さい。ここで、排気路１１８及び連通路１２２の断面積とは、カソードオフガスの流通方向に直交する方向の断面積である。貯水部１２０の容積は、連通路１２２の容積よりも大きい。

【0056】

連結配管１１６には、パージガス供給路１２４が形成されている。パージガス供給路１２４は、例えば、排気路１１８の湾曲頂部の近傍から、貯水部１２０の上部に向かって延びる。パージガス供給路１２４の出口１２４ａ（下流端）は、貯水部１２０の上部に接続される。パージガス供給路１２４には、図示しない継手部材を介してパージガス供給ライン１１２が接続される。このように、貯水部１２０には、パージガス供給ライン１１２及びパージガス供給路１２４を介して、パージガスである圧縮エアを供給することが可能である。パージガス供給路１２４を流通する圧縮エアの圧力は、排気路１１８を流通するカソードオフガスの圧力よりも高い。

【0057】

排気路１１８の出口１１８ｏ近傍には、リング部材１２６が位置決め固定されている。リング部材１２６は、連通路１２２よりも下流に位置する。リング部材１２６は、排気路１１８の内壁から内方に突出する。リング部材１２６において、連結配管１１６の内部（上流）を向く面は、結露水ＤＷを連通路１２２に案内する案内壁としての役割を果たす。リング部材１２６に代替し、Ｃ字型形状（スナップリング形状）の弧状部材を用いてもよい。この場合、Ｃ字の開口を鉛直下方に向ける。

【0058】

連結配管１１６において、貯水部１２０が形成された部位の外部には、加温部であるヒータ１２８が設けられる。ヒータ１２８は、ＯＮ状態であるとき、貯水部１２０を加温する。

【0059】

排気路１１８の出口１１８ｏには、第２開閉弁７４が設けられる。すなわち、加湿器６２と第２開閉弁７４とは、連結配管１１６を介して連結される。第２開閉弁７４の弁体１０４の高さ位置は、排気路１１８の出口１１８ｏの高さ位置と略等しい。すなわち、弁体１０４は貯水部１２０よりも高位に配置されている。

【0060】

燃料電池システム１１０は、例えば、自動車を運転するときに起動される。起動時の外気温が、例えば、氷点下～数℃であるとき、制御装置８０（図１参照）は、「連結構造１１４における結露水ＤＷの凍結が予想される」と判断する。この場合、制御装置８０は、ヒータ１２８をＯＮ状態に切り替える。仮に結露水ＤＷが凍結しているときには、結露水ＤＷがヒータ１２８によって加温されることで氷解する。これに対し、外気温が、例えば、１０℃以上であるとき、制御装置８０は、「連結構造１１４における結露水ＤＷの凍結は予想されない」と判断する。この場合、制御装置８０は、ヒータ１２８のＯＦＦ状態を継続する。

【0061】

その一方で、制御装置８０の指令信号に基づき、高圧タンク５０から第１供給ライン５４を介して燃料電池スタック１２に水素ガスが供給される。また、制御装置８０は、指令信号によって第１開閉弁７２及び第２開閉弁７４を開状態とする。連結構造１１４では結露水ＤＷが液相であるので、第２開閉弁７４が開状態となることが容易である。これにより、第２供給ライン６８、第２排気ライン７０及びパージガス供給ライン１１２が開放状態となる。これに伴い、第２供給ライン６８を介して圧縮エアがカソード電極２４に供給される。また、カソード電極２４から第２排気ライン７０にカソードオフガスが排出される。

【0062】

開状態となった第２開閉弁７４は、図９に示されている。このとき、回転シャフト１０２及び弁体１０４が一体的に回転し、排気路１１８の出口１１８ｏを開放状態とする。従って、カソードオフガスは、加湿器６２から循環ポンプ６４に向かって流通可能である。

【0063】

さらに、第２供給ライン６８を流通する圧縮エアの一部が、パージガス供給ライン１１２に分流する。この圧縮エアは、パージガス供給ライン１１２を流通し、図９に示すように、パージガス供給路１２４にパージガスとして供給される。パージガスは、パージガス供給路１２４の出口１２４ａから貯水部１２０に流入する。パージガスは、貯水部１２０内に貯留された結露水ＤＷを、上方から押圧する。これにより、パージガスに押圧された結露水ＤＷが貯水部１２０から吹き飛ばされ、開状態となっている第２開閉弁７４から排出される。これにより、貯水部１２０の貯水量が略０となる。

【0064】

以降は第１実施形態と同様にして、燃料電池スタック１２が運転される。この最中、図１０に示すように、パージガス供給ライン１１２及びパージガス供給路１２４を介してパージガスが貯水部１２０に供給される。すなわち、パージガスは、起動時から継続して貯水部１２０に供給される。パージガスは、貯水部１２０から連通路１２２を介して排気路１１８に流入する。パージガスは、その後、排気路１１８の出口１１８ｏ及び第２開閉弁７４を介して排気路１１８から排出される。

【0065】

連通路１２２から排出されるパージガスは、連通路１２２のエアカーテンとなる。このため、カソードオフガスに含まれる生成水ＰＷが連通路１２２から貯水部１２０に進入することが回避される。従って、生成水ＰＷは、カソードオフガスと一緒に、第２開閉弁７４を介して排気路１１８から排出される。このため、貯水部１２０に生成水ＰＷが貯留されることはほとんどない。

【0066】

駐車等によって自動車の運転が停止されるとき、燃料電池システム１１０の運転も停止される。このとき、制御装置８０は、第１開閉弁７２及び第２開閉弁７４を閉状態とする。また、制御装置８０は、エアポンプ６０及び循環ポンプ６４の運転を停止する。すなわち、第２実施形態では、燃料電池システム１１０の運転を停止した後、貯水部１２０に対するパージは行われない。

【0067】

燃料電池システム１１０が停止されることに基づいて、燃料電池スタック１２がソーク状態となる。ソーク中、図８に示すように、加湿器６２の内部に滞留していた水蒸気が結露する。また、連結配管１１６の排気路１１８に滞留していた水蒸気も結露する。結露によって生じた液水（結露水ＤＷ）は、排気路１１８の内壁、又は、リング部材１２６の一端面を伝って、連通路１２２の開口に移動する。結露水ＤＷは、さらに、連通路１２２を介して貯水部１２０に流入する。以上により、結露水ＤＷが貯水部１２０に捕集される。

【0068】

上記したように、燃料電池システム１１０を運転している最中、生成水ＰＷの多くがカソードオフガスとともに第２開閉弁７４から排出されている（図１０参照）。すなわち、第２実施形態においても、貯水部１２０の貯水容量が十分に確保される。このため、結露水ＤＷの量が貯水部１２０の最大容量を超えることが回避されるので、結露水ＤＷが連通路１２２から排気路１１８内に溢れることが回避される。結露水ＤＷの液面が最下点Ｐ２を超えることが回避される。

【0069】

すなわち、第２実施形態においても、結露水ＤＷが弁体１０４に接触することが回避される。従って、外気温が氷点下となり、結露水ＤＷが凍結した場合であっても、凍結した結露水ＤＷを介して弁体１０４がハウジング１００等に固着することが回避される。

【0070】

上述の第１実施形態及び第２実施形態では、連結構造８２及び連結構造１１４を第２開閉弁７４に設ける場合をそれぞれ例示している。しかしながら、連結構造８２又は連結構造１１４を第１開閉弁７２に設けてもよい。連結構造８２又は連結構造１１４を、第１開閉弁７２及び第２開閉弁７４の双方に設けてもよい。さらに、例えば、連結構造８２を第１開閉弁７２に設け、且つ連結構造１１４を第２開閉弁７４に設けてもよいし、これとは逆に、連結構造１１４を第１開閉弁７２に設け、且つ連結構造８２を第２開閉弁７４に設けてもよい。

【0071】

以上説明したように、本実施形態は、燃料電池スタック（１２）を含む燃料電池システム（１０）であって、前記燃料電池スタックのカソード電極（２４）に供給される酸化剤ガスと、前記燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスとが導入される加湿器（６２）と、前記加湿器を流通した前記酸化剤ガス、又は前記加湿器を流通した前記カソードオフガスのいずれかが流通する流通路（８６）が形成された配管（８４）と、前記流通路の出口（８６ｏ）に設けられ、前記燃料電池スタックの運転中に前記流通路を開放する一方で、前記燃料電池スタックのソーク中に前記流通路を閉塞する開閉弁（７４）と、前記流通路に連通した貯水部（９２）と、を備え、鉛直方向において相対的に低位置を低位とし、且つ鉛直方向において相対的に高位置を高位とする場合、前記貯水部が前記流通路よりも低位に配置され、且つ前記開閉弁が前記貯水部よりも高位に配置されている燃料電池システムを開示する。

【0072】

燃料電池スタックのソーク中、酸化剤ガス又はカソードオフガスに含まれていた水が結露する。貯水部が流通路よりも低位に配置されているので、結露水は、重力によって貯水部に流入する。換言すれば、貯水部に結露水が捕集される。ここで、開閉弁が貯水部よりも高位に配置されているので、貯水部に捕集された結露水が、重力に抗して開閉弁に移動することは困難である。従って、結露水が開閉弁に接触することが回避される。

【0073】

このため、外気温が氷点下である場合等、凍結の可能性がある環境下であっても、開閉弁に付着した水分が凍結する懸念が払拭される。従って、外気温が氷点下であるときに燃料電池システムを起動する場合であっても、開閉弁が速やかに開閉動作することが可能である。

【0074】

本実施形態は、前記貯水部が前記流通路に連なる凹空間として前記配管に形成され、前記貯水部は、前記流通路の出口における最も低位である箇所よりも低位であり、且つ前記流通路が、前記貯水部よりも上流側に、前記貯水部に近接するにつれて断面積が小さくなる部分（８７）を有する燃料電池システムを開示する。

【0075】

この場合、例えば、燃料電池スタックの運転が開始された直後に、カソードオフガスによって、貯水部に貯留された生成水を吹き飛ばす（パージする）ことができる。また、流通路が、貯水部に近接するにつれて断面積が小さくなる部分を有するので、カソードオフガスの流速が大きくなる。このため、多量の生成水を貯水部から容易に排出することができる。これにより、貯水部の貯水容量が確保される。

【0076】

本実施形態は、前記貯水部が前記流通路から分岐して形成され、且つ前記配管に、前記流通路と前記貯水部とを連通する連通路（１２２）と、前記貯水部にパージガスを供給するためのパージガス供給路（１２４）とが形成されている、燃料電池システムを開示する。

【0077】

この場合、パージガスによって連通路にエアカーテンを形成することができる。従って、例えば、燃料電池スタックの運転中に、生成水が連通路から貯水部に流入することを回避しつつ、該生成水を、開閉弁を介して流通路から排出することができる。このため、燃料電池スタックの運転中に貯水部に生成水が貯留されることが回避される。これにより貯水部の貯水容量が確保されるので、燃料電池スタックのソーク中に生じる結露水を十分に貯水部に貯留することができる。

【0078】

本実施形態は、前記酸化剤ガスを前記カソード電極に供給する酸化剤ガス供給ライン（６８）と、前記酸化剤ガス供給ラインから分岐し、且つ前記パージガス供給路に接続されたパージガス供給ライン（１１２）と、を備え、前記酸化剤ガス供給ラインを流通する前記酸化剤ガスの一部を、前記パージガス供給ラインを介して、前記パージガスとして前記貯水部に供給する燃料電池システムを開示する。

【0079】

この構成によれば、酸化剤ガスの一部をパージガスとして貯水部に供給することが可能である。従って、パージガス供給源と酸化剤ガス供給源とを共通化することができる。換言すれば、パージガス供給源を新たに設ける必要がない。このため、パージガスを貯水部に供給する場合であっても、燃料電池システムの構成が複雑となることが回避される。

【0080】

本実施形態は、前記貯水部を加温する加温部（１２８）を備える燃料電池システムを開示する。

【0081】

外気温が氷点下であっても、加温部で貯水部を加温することにより、貯水部内の水を速やかに氷解することができる。このため、貯水部から水を容易にパージすることができる。

【0082】

本実施形態は、前記流通路に前記カソードオフガスが流通する燃料電池システムを開示する。

【0083】

カソードオフガスには、酸化剤ガスに湿度を付与するための水分と、燃料電池スタックの発電に伴って生成した水分とが含まれる。従って、加湿器から排出されたカソードオフガスが流通する配管に貯水部を設けることにより、これらの水分を十分に捕集することができる。

【0084】

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0085】

１０、１１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…単位セル １６…電解質膜・電極構造体
２２…アノード電極 ２４…カソード電極
３０…第１ガス流路 ３２…第２ガス流路
５０…高圧タンク ５４…第１供給ライン
５６…第１排気ライン ６０…エアポンプ
６２…加湿器 ６２ｏ…排出口
６８…第２供給ライン ７０…第２排気ライン
７２…第１開閉弁 ７４…第２開閉弁
７６…バイパスライン ７８…バイパス弁
８０…制御装置 ８２、１１４…連結構造
８４、１１６…連結配管 ８６、１１８…排気路
８６ｉ、１１８ｉ…入口 ８６ｏ、１１８ｏ…出口
８７…断面積変化領域 ８７ａ…絞り部
８８…第１流路 ９０…第２流路
９２、１２０…貯水部 ９４…凹部
１００…ハウジング １０２…回転シャフト
１０４…弁体 １１２…パージガス供給ライン
１２４…パージガス供給路 １２６…リング部材
１２８…ヒータ ＤＷ…結露水
ＰＷ…生成水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】