特開 2024-62161 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】P2024062161

(43)【公開日】2024-05-09

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240430BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240430BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022169992

(22)【出願日】2022-10-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】中村 健

(72)【発明者】

【氏名】富本 尚也

(72)【発明者】

【氏名】立川 克之

(72)【発明者】

【氏名】垣見 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】明本 斉

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127AC03

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA39

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB10

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE24

5H127EE29

5H127FF10

(57)【要約】

【課題】燃料電池スタックの内圧を適正な値に保ちつつ、燃料電池スタックでの生成水の溜まりを抑制する。
【解決手段】燃料電池システム２０は、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する燃料電池スタック２２と、カソードガスと燃料電池スタック２２での発電によって生成された生成水とが燃料電池スタック２２から排出される排出流路３７と、排出流路３７に設けられ、開度の調整によって燃料電池スタック２２の内圧を調整可能な調圧弁４１と、を備える。燃料電池システム２０は、排出流路３７の一部の流路断面積を小さくして燃料電池スタック２２の内圧を昇圧させる絞り部５５を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する燃料電池スタックと、
前記カソードガスと前記燃料電池スタックでの発電によって生成された生成水とが前記燃料電池スタックから排出される排出流路と、
前記排出流路に設けられ、開度の調整によって前記燃料電池スタックの内圧を調整可能な調圧弁と、を備える燃料電池システムであって、
前記排出流路の一部の流路断面積を小さくして前記燃料電池スタックの内圧を昇圧させる絞り部を備えることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記絞り部は、前記排出流路のうちで前記調圧弁よりも下流側に設けられる請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記排出流路は、重力方向に直交する直交方向に延びる延出流路を含み、
前記絞り部は、前記延出流路のうちで重力方向の下部を除いた部分に設けられ、
前記生成水は、前記下部を通じて前記延出流路を通過可能である請求項１又は請求項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】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、排出流路と、排出流路に設けられる調圧弁と、を備える。燃料電池スタックは、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する。排出流路には、カソードガスと燃料電池スタックでの発電によって生成された生成水とが燃料電池スタックから排出される。調圧弁は、開度の調整によって燃料電池スタックの内圧を調整可能である。燃料電池スタックの内圧を高めるために、調圧弁の開度が小さくされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１０７５０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

調圧弁の開度が小さくされるとき、調圧弁の開度によっては、排出流路のうち調圧弁よりも上流側から下流側に生成水が流れにくくなることにより、生成水が燃料電池スタックに溜まるおそれがある。燃料電池スタックに多量の生成水が溜まると、燃料電池スタックの発電量に影響が及ぶおそれがある。排出流路のうち調圧弁よりも上流側から下流側に生成水が流れるように調圧弁の開度を比較的大きく調整すれば、燃料電池スタックに生成水が溜まることは抑制できる。しかしながら、調圧弁の開度が大きくされることにより、燃料電池スタックの内圧が適正の値よりも低下するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する燃料電池スタックと、前記カソードガスと前記燃料電池スタックでの発電によって生成された生成水とが前記燃料電池スタックから排出される排出流路と、前記排出流路に設けられ、開度の調整によって前記燃料電池スタックの内圧を調整可能な調圧弁と、を備える燃料電池システムであって、前記排出流路の一部の流路断面積を小さくして前記燃料電池スタックの内圧を昇圧させる絞り部を備えることを特徴とする。

【0006】

上記構成によれば、排出流路のうちで絞り部が設けられた部分をカソードガスが流れる際に圧損が生じる。これにより、絞り部を排出流路に設けない場合と比較して、燃料電池スタックの内圧が上昇する。そのため、燃料電池スタックに生成水が溜まることを抑制すべく、調圧弁の開度を比較的大きく調整しても、燃料電池スタックの内圧を適正な値で得られる。したがって、燃料電池スタックの内圧を適正な値に保ちつつ、燃料電池スタックでの生成水の溜まりを抑制できる。

【0007】

燃料電池システムにおいて、前記絞り部は、前記排出流路のうちで前記調圧弁よりも下流側に設けられてもよい。
上記構成によれば、絞り部が排出流路のうちで調圧弁よりも上流側に設けられる場合よりも、燃料電池スタックと調圧弁との間の排出流路の部分を生成水が流れやすくなる。したがって、燃料電池スタックからの生成水の排水性を向上できるため、燃料電池スタックでの生成水の溜まりをさらに抑制できる。

【0008】

燃料電池システムにおいて、前記排出流路は、重力方向に直交する直交方向に延びる延出流路を含み、前記絞り部は、前記延出流路のうちで重力方向の下部を除いた部分に設けられ、前記生成水は、前記下部を通じて前記延出流路を通過可能であってもよい。

【0009】

上記構成によれば、絞り部が延出流路のうちで重力方向の下部を含んだ部分に設けられる場合と比較して、排出流路のうちで絞り部よりも上流側から下流側へと生成水が流れやすくなる。したがって、燃料電池スタックでの生成水の溜まりをさらに抑制できる。

【発明の効果】

【0010】

この発明によれば、燃料電池スタックの内圧を適正な値に保ちつつ、燃料電池スタックでの生成水の溜まりを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】燃料電池システムを示す模式図である。

【図2】燃料電池システムの一部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、燃料電池システムを具体化した実施形態について図面にしたがって説明する。
図１に示すように、産業車両１０は、負荷１１と、電力変換部１２と、キースイッチ１３と、燃料電池システム２０と、を備える。産業車両１０は、例えば、フォークリフト又はトーイングトラクタである。

【0013】

負荷１１は、電力によって駆動する装置である。負荷１１は、例えば、電力によって駆動する電動機である。この電動機の駆動によって産業車両１０は走行する。
電力変換部１２は、燃料電池システム２０から電力変換部１２に入力された電力を変換して出力する。電力変換部１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータを含む。電力変換部１２から出力された電力は負荷１１に供給される。これにより負荷１１は駆動する。

【0014】

キースイッチ１３は、産業車両１０のユーザによって操作される。ユーザによる操作によって、キースイッチ１３はオンとオフとで切り替えられる。以下の説明において、キースイッチ１３がオフされることをキーオフと称し、キースイッチ１３がオンされることをキーオンと称する場合がある。

【0015】

＜燃料電池システム＞
燃料電池システム２０は、例えば、カソード系３０と、アノード系６０と、希釈器６９と、制御部８０と、を有する。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２を備える。

【0016】

燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池セル２２ａをスタック化したものである。燃料電池セル２２ａは、例えば、固体分子型燃料電池である。複数の燃料電池セル２２ａは、筐体２１に収容される。燃料電池スタック２２は、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する。燃料電池セル２２ａは、アノードガスが供給されるアノード極と、カソードガスが供給されるカソード極と、アノード極とカソード極との間に配置されている電解質膜と、を備える。燃料電池セル２２ａは、セパレータによって挟まれている。燃料電池セル２２ａにおいては、発電に伴って生成水Ｗが生成される。生成水Ｗとは、燃料電池スタック２２での発電によって生成される水である。

【0017】

カソード系３０は、カソード流路３０ａを備える。カソード流路３０ａは、筐体２１の内部に位置するカソード内部流路２３を備える。カソード内部流路２３にはカソードガスが流れる。カソード内部流路２３の一部は、例えば、各燃料電池セル２２ａにおけるカソード極に向かい合うセパレータに設けられている。

【0018】

筐体２１には、カソード供給口２４が形成されている。カソードガスは、カソード供給口２４からカソード内部流路２３に供給される。筐体２１には、カソード排出口２５が形成されている。カソードガスは、カソード排出口２５からカソード内部流路２３外に排出される。

【0019】

アノード系６０は、アノード流路６０ａを備える。アノード流路６０ａは、筐体２１の内部に位置するアノード内部流路２６を備える。アノード内部流路２６にはアノードガスが流れる。アノード内部流路２６は、例えば、各燃料電池セル２２ａにおけるアノード極に向かい合うセパレータに設けられている。

【0020】

筐体２１には、アノード供給口２７が形成されている。アノードガスは、アノード供給口２７からアノード内部流路２６に供給される。筐体２１には、アノード排出口２８が形成されている。アノードガスは、アノード排出口２８からアノード内部流路２６外に排出される。

【0021】

アノード内部流路２６を流れるアノードガスと、カソード内部流路２３を流れるカソードガスと、が反応することにより、燃料電池スタック２２は発電を行う。言い換えると、燃料電池スタック２２は、アノード流路６０ａに供給されたアノードガスとカソード流路３０ａに供給されたカソードガスとの反応によって発電を行う。なお、カソードガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスとしては、例えば、空気中の酸素を挙げることができる。アノードガスは、燃料ガスである。燃料ガスとしては、例えば、水素ガスを挙げることができる。

【0022】

アノード系６０は、タンク６１と、アノードガス供給部６２と、気液分離器６５と、循環ポンプ６６と、アノード排水弁６７と、を備える。アノード流路６０ａは、供給路６３と、循環路６４と、を備える。

【0023】

タンク６１は、アノードガスを貯留している。アノードガス供給部６２には、タンク６１からアノードガスが供給される。アノードガス供給部６２は、燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量を調整するための部材である。燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量は、アノードガス供給部６２を制御することで調整可能である。アノードガス供給部６２としては、例えば、インジェクタなどの電磁弁を用いることができる。

【0024】

供給路６３は、アノードガス供給部６２とアノード供給口２７とを接続している。アノードガス供給部６２から噴射されたアノードガスは、供給路６３を通じて燃料電池スタック２２に供給される。

【0025】

循環路６４は、アノード排出口２８と供給路６３とを接続している。循環路６４には、アノード排ガスが流れる。アノード排ガスは、未反応のアノードガスと、燃料電池スタック２２での発電によって生成された生成水Ｗと、を含む。循環路６４は、アノード排ガスに含まれる未反応のアノードガスを供給路６３に戻すための通路である。

【0026】

気液分離器６５は、循環路６４に設けられている。気液分離器６５は、アノード排ガスをアノードガスと生成水Ｗとに分離する。アノード排ガスから分離された生成水Ｗは、気液分離器６５に貯留される。

【0027】

循環ポンプ６６は、循環路６４に設けられている。循環ポンプ６６は、気液分離器６５によってアノード排ガスから分離されたアノードガスを供給路６３に供給する。これにより、アノードガスが循環する。

【0028】

アノード排水弁６７は、気液分離器６５に接続されている。アノード排水弁６７は、開状態と閉状態に切り替えられる。アノード排水弁６７が開状態になると、気液分離器６５から生成水Ｗが排出される。アノード排水弁６７は、気液分離器６５に貯留される生成水Ｗの量が閾値を上回った場合に閉状態から開状態に切り替えられてもよい。アノード排水弁６７は、所定の時間間隔毎に閉状態から開状態に切り替えられてもよい。

【0029】

気液分離器６５は、希釈器６９に接続されている。アノード排水弁６７が開状態になると、気液分離器６５に貯留された生成水Ｗ及びアノード排ガスが希釈器６９に供給される。

【0030】

希釈器６９には、気液分離器６５から排出されたアノード排ガス、及び燃料電池スタック２２から排出されたカソード排ガスが流入する。希釈器６９は、流入したアノード排ガスをカソード排ガスで希釈する。希釈器６９は、アノード排ガスにおける水素ガスの濃度を低下させる。希釈器６９は、水素ガスの濃度を低下させた排出ガスをガス排出路７０に排出する。ガス排出路７０からは、排出ガスが排出される。

【0031】

カソード系３０は、カソードガス吸入口３１と、電動圧縮機３２と、インタークーラ３３と、封止弁４０と、調圧弁４１と、を備える。言い換えると、燃料電池システム２０は、調圧弁４１を備える。カソード流路３０ａは、供給流路３４と、排出流路３７と、を備える。言い換えると、燃料電池システム２０は、排出流路３７を備える。

【0032】

カソードガス吸入口３１は、燃料電池システム２０にカソードガスを吸入するための吸入口である。カソードガスとして空気中の酸素を用いる場合、カソードガス吸入口３１は大気に開放されていてもよい。カソードガス吸入口３１は、カソードガスを貯蔵するガスボンベに接続されていてもよい。

【0033】

電動圧縮機３２は、不図示の電動モータによって駆動する。電動圧縮機３２は、燃料電池スタック２２へのカソードガスの供給量を調整する。詳細には、電動圧縮機３２は、カソードガス吸入口３１から供給されるカソードガスを圧縮して燃料電池スタック２２に供給する。燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスの量は、電動圧縮機３２を制御することで調整可能である。カソードガスは、カソードガス吸入口３１から不図示のエアクリーナを通って電動圧縮機３２に供給されてもよい。電動圧縮機３２から燃料電池スタック２２に供給されたカソードガスは、カソード内部流路２３を流れる。

【0034】

インタークーラ３３には、電動圧縮機３２から吐出されたカソードガスが供給される。インタークーラ３３は、電動圧縮機３２から供給されたカソードガスを冷却する。燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスは、インタークーラ３３によって冷却された後のカソードガスである。

【0035】

供給流路３４は、カソード流路３０ａのうち、カソード内部流路２３よりも上流側に位置する部分である。供給流路３４は、電動圧縮機３２と筐体２１のカソード供給口２４とを接続している。供給流路３４は、第１供給流路３５と、第２供給流路３６と、を含む。第１供給流路３５は、電動圧縮機３２とインタークーラ３３とを接続している。第２供給流路３６は、インタークーラ３３と筐体２１のカソード供給口２４とを接続している。

【0036】

封止弁４０は、供給流路３４に設けられている。本実施形態の封止弁４０は、第２供給流路３６に設けられている。封止弁４０は、第１供給流路３５に設けられていてもよい。封止弁４０は、例えばバタフライ弁である。封止弁４０は、開状態と閉状態とに切り替えられる。封止弁４０が開状態になると、供給流路３４を介してカソード内部流路２３にカソードガスが供給される。封止弁４０が閉状態になると、カソード内部流路２３が封止される。

【0037】

制御部８０は、プロセッサ８１と、記憶部８２と、を備える。記憶部８２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。記憶部８２は、処理をプロセッサ８１に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部８２、すなわち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部８０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部８０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ８１、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

【0038】

制御部８０は、例えば、燃料電池スタック２２の出力電力［ｋＷ］を制御する。燃料電池スタック２２の出力電力は、燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスの量と、燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量と、によって変化する。燃料電池スタック２２の出力電力は、燃料電池スタック２２の発電電力である。制御部８０は、アノードガス供給部６２を制御することで、燃料電池スタック２２へのアノードガスの供給量を制御する。制御部８０は、電動圧縮機３２を制御することで、燃料電池スタック２２へのカソードガスの供給量を制御する。

【0039】

制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電についての制御を行う。制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電状態と発電停止状態とを切り替える。発電状態は、低負荷発電状態、中負荷発電状態、及び高負荷発電状態を含む。制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電状態を遷移させることで、燃料電池スタック２２の発電電力を段階的に変化させることができる。

【0040】

制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電電力の目標値である目標電力Ｅｔを変更することにより、燃料電池スタック２２の発電状態を切り替えている。燃料電池スタック２２は、第１目標電力Ｅ１と、第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅｔに切り替えられながら発電している。詳細には、燃料電池スタック２２を高負荷発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅｔを第１目標電力Ｅ１として制御を行う。燃料電池スタック２２を中負荷発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅｔを第２目標電力Ｅ２として制御を行う。燃料電池スタック２２を低負荷発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅｔを第３目標電力Ｅ３として制御を行う。第３目標電力Ｅ３は、第２目標電力Ｅ２よりも小さい。第３目標電力Ｅ３は、例えば、３［ｋＷ］である。第２目標電力Ｅ２は、例えば、５［ｋＷ］である。第２目標電力Ｅ２は第１目標電力Ｅ１よりも小さい。第１目標電力Ｅ１は、例えば、８［ｋＷ］である。制御部８０は、目標電力Ｅｔに応じて、燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスの量と、燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量と、を変更する。

【0041】

制御部８０は、キースイッチ１３のオンとオフとを判定可能である。制御部８０は、産業車両１０がキーオフされると、アノードガスの供給、及びカソードガスの供給を停止することによって燃料電池スタック２２の発電を停止する。制御部８０は、アノード内部流路２６を封止することによって、アノードガスの供給を停止する。アノード内部流路２６の封止は、アノード排水弁６７を閉状態に維持することで行われる。

【0042】

制御部８０は、例えば、封止弁４０及び調圧弁４１の開度を制御する。制御部８０は、カソード内部流路２３を封止することによって、カソードガスの供給を停止する。カソード内部流路２３の封止は、封止弁４０及び調圧弁４１を閉状態に維持することで行われる。

【0043】

制御部８０は、産業車両１０がキーオンされると、アノードガスの供給、及びカソードガスの供給を行うことによって燃料電池スタック２２の発電を行う。カソードガスの供給が行われる際、制御部８０は、封止弁４０を開状態に維持するとともに、調圧弁４１の開度を調整する。

【0044】

＜排出流路＞
排出流路３７は、カソード流路３０ａのうち、カソード内部流路２３よりも下流側に位置する部分である。排出流路３７は、筐体２１のカソード排出口２５を介して筐体２１の内部と連通している。排出流路３７は、カソード排出口２５と希釈器６９とを接続している。

【0045】

排出流路３７は、カソード排ガスが流れる流路である。カソード排ガスは、燃料電池スタック２２から排出されるカソードガスであって、生成水Ｗを含んだカソードガスである。言い換えると、排出流路３７は、カソードガスと燃料電池スタック２２での発電によって生成された生成水Ｗとが燃料電池スタック２２から排出される。排出流路３７には、燃料電池スタック２２に供給されたカソードガスが燃料電池スタック２２から排出される。カソード排ガスは、排出流路３７から希釈器６９に排出される。希釈器６９は、気液分離器６５から供給されたアノード排ガスをカソード排ガスによって希釈して大気中に排出する。

【0046】

調圧弁４１は、排出流路３７に設けられている。排出流路３７のうち、調圧弁４１よりも上流側の部分を上流流路３８とする。排出流路３７のうち、調圧弁４１よりも下流側の部分を下流流路３９とする。上流流路３８は、燃料電池スタック２２に接続されている。上流流路３８は、筐体２１のカソード排出口２５と調圧弁４１とを接続している。下流流路３９は、調圧弁４１と希釈器６９とを接続している。

【0047】

図２では、重力方向をＺ軸で示している。以下では重力方向を重力方向Ｚともいう。また、図２では、重力方向Ｚに直交する方向のうち、一方向をＸ軸で示している。以下では、重力方向Ｚに直交する直交方向を、直交方向Ｘともいう。

【0048】

図２に示すように、排出流路３７のうち、上流流路３８は、上流流路３８の全体が重力方向Ｚの同位置に位置するように、カソード排出口２５から直交方向Ｘに延びている。排出流路３７のうち、下流流路３９は、下流流路３９の下流の部分ほど重力方向Ｚの下方に位置するように、直交方向Ｘに延びている。本実施形態では、上流流路３８及び下流流路３９が延出流路に相当する。すなわち、排出流路３７は、燃料電池スタック２２から重力方向Ｚに直交する直交方向Ｘに延びる延出流路を含んでいる。

【0049】

上流流路３８の重力方向Ｚの下部を上流流路３８の下部３８ａともいう。下流流路３９の重力方向Ｚの下部を下流流路３９の下部３９ａともいう。上流流路３８の下部３８ａ及び下流流路３９の下部３９ａは、延出流路の重力方向Ｚの下部に相当する。

【0050】

上流流路３８の下部３８ａは、上流流路３８のガス流れ方向に沿って上流流路３８の全体に位置する。上流流路３８のガス流れ方向に直交する断面形状をみて、上流流路３８の下部３８ａは、上流流路３８を構成する壁部の内面のうちで重力方向Ｚの最下部を含んだ一部である。

【0051】

下流流路３９の下部３９ａは、下流流路３９のガス流れ方向に沿って下流流路３９の全体に位置する。下流流路３９のガス流れ方向に直交する断面形状をみて、下流流路３９の下部３９ａは、下流流路３９を構成する壁部の内面のうちで重力方向Ｚの最下部を含んだ一部である。

【0052】

＜調圧弁＞
調圧弁４１は、例えばバタフライ弁である。調圧弁４１は、開度の調整によって燃料電池スタック２２の内圧を調整可能である。調圧弁４１の開度が小さいほど、燃料電池スタック２２の内圧が高まる。調圧弁４１が全閉にされると、カソード内部流路２３が封止される。調圧弁４１は、例えば、シール部材４４と、弁体４８と、回転軸５１と、を有する。

【0053】

シール部材４４は、排出流路３７に設けられている。シール部材４４は、例えば、ゴム製である。シール部材４４は、例えば円環状である。シール部材４４は、座面４４ａを有する。座面４４ａは、シール部材４４の内周面である。弁体４８は、排出流路３７に設けられている。弁体４８は、本体４９と、連結部５０と、を備える。本体４９は、例えば板状である。

【0054】

回転軸５１は、連結部５０に設けられている。回転軸５１の回転に伴い弁体４８が回転することによって、調圧弁４１の開度が調整される。調圧弁４１が全閉の場合、弁体４８がシール部材４４と密着する。これによってカソード内部流路２３が封止される。シール部材４４は、弁体４８をシールする。不図示の駆動装置によって回転軸５１が回転することにより、弁体４８が回転する。制御部８０が駆動装置を制御することによって、調圧弁４１の開度は調整可能である。

【0055】

図２に実線で示す弁体４８のように、弁体４８が座面４４ａから離れることにより、調圧弁４１の開度は大きくなる。調圧弁４１において、座面４４ａに対して弁体４８が近づくことで開度が小さくなる。調圧弁４１は、弁体４８が回転することで座面４４ａに対して弁体４８が近づく。

【0056】

排出流路３７の流路断面積のうち、弁体４８と座面４４ａの間でガスが流れる部分の断面積のことを、以下では調圧弁４１の有効断面積とも称する。有効断面積は、座面４４ａに対して弁体４８が近づくほど小さくなる。すなわち、調圧弁４１の開度が小さくなるほど、調圧弁４１の有効断面積は小さくなる。

【0057】

調圧弁４１には、調圧弁４１の開度が座面４４ａに弁体４８が接する開度であって調圧弁４１が全閉ではない領域が存在する。この領域を、以下では低開度領域とも称する。弁体４８が座面４４ａから離れた位置から座面４４ａに対して近づくように移動した後、弁体４８が座面４４ａに接することで、調圧弁４１の開度は低開度領域の開度となる。

【0058】

弁体４８が座面４４ａから離れた位置から座面４４ａに接したタイミングにおいては、図２に二点鎖線で示す弁体４８のように、弁体４８の周縁部のうちで、弁体４８の周方向の一部が座面４４ａに接する。そのため、低開度領域においては、弁体４８の周縁部のうちで座面４４ａに接していない部分と座面４４ａとの間にてガスの通過が可能であるため、調圧弁４１の有効断面積は０（ゼロ）ではない。

【0059】

低開度領域において、調圧弁４１の開度が小さく変更されると、弁体４８は座面４４ａを押圧しながら移動する。このとき、シール部材４４は、弁体４８からの押圧を受けて変形する。これにより、低開度領域において調圧弁４１の開度が小さくなるほど、弁体４８の周縁部のうちで座面４４ａに接する部分の割合が増えるため、調圧弁４１の有効断面積が小さくなる。調圧弁４１の開度が全閉となると、弁体４８の周縁部の全体が座面４４ａに接することにより、調圧弁４１の有効断面積は０（ゼロ）となる。

【0060】

低開度領域に含まれる調圧弁４１の開度の中で、最も大きい開度を第１開度Ａ１とする。第１開度Ａ１は、座面４４ａに弁体４８が接する開度であって弁体４８と座面４４ａの間でカソードガスが流れる開度である。

【0061】

調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下であるとき、調圧弁４１による有効断面積が小さいために、燃料電池スタック２２にて生成された生成水Ｗが上流流路３８から下流流路３９に通過しにくくなる。そのため、仮に、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である状況下で、燃料電池スタック２２の発電が行われると、燃料電池スタック２２及び上流流路３８に生成水Ｗが溜まる。なお、燃料電池スタック２２に溜まる生成水Ｗとは、筐体２１の内部に溜まる生成水Ｗのことである。

【0062】

本実施形態では、上記のように生成水Ｗが溜まることを抑制するため、燃料電池スタック２２の発電が行われる状況下では、第１開度Ａ１より大きい開度である第２開度Ａ２以上となるように調圧弁４１の開度が調整されている。具体的には、例えば制御部８０は、燃料電池スタック２２を高負荷発電状態に制御するとき、調圧弁４１の開度を第２開度Ａ２に制御する。調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上であるときは、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下であるときよりも、調圧弁４１を介して上流流路３８から下流流路３９に生成水Ｗが流れやすい。そのため、調圧弁４１の開度を第２開度Ａ２にすることで、燃料電池スタック２２及び上流流路３８に生成水Ｗが溜まることを抑制できる。

【0063】

また、例えば、制御部８０は、燃料電池スタック２２を低負荷発電状態や中負荷発電状態に制御するとき、調圧弁４１の開度を第２開度Ａ２より大きい開度に制御する。なお、制御部８０によって調整される調圧弁４１の開度は、燃料電池スタック２２を低負荷発電状態に制御するときと中負荷発電状態に制御するときと、で互いに同じ開度であってもよいし、異なる開度であってもよい。後者の場合、例えば、制御部８０は、燃料電池スタック２２を中負荷発電状態に制御するとき、制御部８０によって調整される調圧弁４１の開度を、燃料電池スタック２２を低負荷発電状態に制御するときよりも小さい開度に調整してもよい。

【0064】

調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２であるときは、調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２より大きいときよりも、燃料電池スタック２２の内圧が高まる。そのため、制御部８０によって燃料電池スタック２２が高負荷発電状態に制御されるときは、燃料電池スタック２２が中負荷発電状態や低負荷発電状態に制御されるときよりも、燃料電池スタック２２の内圧が高められることになる。

【0065】

＜絞り部＞
燃料電池システム２０は、絞り部５５を備える。絞り部５５は、排出流路３７の一部の流路断面積を小さくするものである。具体的には、本実施形態の絞り部５５は、排出流路３７の一部の流路断面積を小さくしたオリフィスである。絞り部５５は、固定絞りである。本実施形態の絞り部５５は、延出流路としての下流流路３９に設けられている。すなわち、絞り部５５は、排出流路３７のうちで調圧弁４１よりも下流側に設けられる。絞り部５５は、下流流路３９の一か所に設けられている。

【0066】

絞り部５５は、燃料電池スタック２２の内圧を昇圧させるものである。なお、絞り部５５の排出流路３７への設置位置及び絞り部５５の形状は、上記の内圧の上昇が得られる態様に設定されている。例えば、排出流路３７のガス流れ方向において、絞り部５５と調圧弁４１との距離は、燃料電池スタック２２と調圧弁４１との距離よりも小さい。ここで、燃料電池スタック２２と調圧弁４１との距離とは、例えば、カソード排出口２５の開口位置と調圧弁４１との距離のことである。なお、排出流路３７のガス流れ方向において、絞り部５５と調圧弁４１との距離は、燃料電池スタック２２と調圧弁４１との距離以上であってもよい。

【0067】

燃料電池スタック２２が高負荷発電状態に制御されるとき、調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２に制御されるとともに、絞り部５５によって燃料電池スタック２２の内圧が昇圧する。これにより、仮に絞り部５５を排出流路３７に設けない態様にて高負荷発電状態に制御されるとともに調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下に制御された場合に得られる燃料電池スタック２２の内圧と、同等の内圧まで燃料電池スタック２２の内圧を昇圧できる。

【0068】

絞り部５５は、例えば、下流流路３９を構成する壁部の内面の一部から下流流路３９内に突出する形状を有する。絞り部５５は、延出流路としての下流流路３９のうちで重力方向Ｚの下部３９ａを除いた部分に設けられている。生成水Ｗは、下流流路３９の下部３９ａを通じて延出流路としての下流流路３９を通過可能である。

【0069】

［実施形態の作用］
本実施形態の作用について説明する。
排出流路３７のうちで絞り部５５が設けられた部分をカソードガスが流れる際に圧損が生じる。これにより、絞り部５５を排出流路３７に設けない場合と比較して、絞り部５５を排出流路３７に設ける実施形態では、排出流路３７のうちで絞り部５５よりも上流側の部分と燃料電池スタック２２との内圧が上昇する。そのため、燃料電池スタック２２に生成水Ｗが溜まることを抑制すべく、調圧弁４１の開度を比較的大きく調整しても、燃料電池スタック２２の内圧を適正な値で得られる。

【0070】

［実施形態の効果］
本実施形態の効果について説明する。
（１）燃料電池スタック２２は、排出流路３７の一部の流路断面積を小さくして燃料電池スタック２２の内圧を昇圧させる絞り部５５を備える。そのため、燃料電池スタック２２に生成水Ｗが溜まることを抑制すべく、調圧弁４１の開度を比較的大きく調整しても、燃料電池スタック２２の内圧を適正な値で得られる。したがって、燃料電池スタック２２の内圧を適正な値に保ちつつ、燃料電池スタック２２での生成水Ｗの溜まりを抑制できる。

【0071】

（２）絞り部５５は、排出流路３７のうちで調圧弁４１よりも下流側に設けられる。そのため、絞り部５５が排出流路３７のうちで調圧弁４１よりも上流側に設けられる場合よりも、燃料電池スタック２２と調圧弁４１との間の排出流路３７の部分である上流流路３８を生成水Ｗが流れやすくなる。したがって、燃料電池スタック２２からの生成水Ｗの排水性を向上できるため、燃料電池スタック２２での生成水Ｗの溜まりをさらに抑制できる。

【0072】

（３）排出流路３７は、重力方向Ｚに直交する直交方向Ｘに延びる延出流路としての上流流路３８及び下流流路３９を含んでいる。絞り部５５は、延出流路としての下流流路３９のうちで重力方向Ｚの下部３９ａを除いた部分に設けられている。生成水Ｗは、下流流路３９の下部３９ａを通じて下流流路３９を通過可能である。そのため、絞り部５５が延出流路としての下流流路３９のうちで重力方向Ｚの下部３９ａを含んだ部分に設けられる場合と比較して、排出流路３７のうちで絞り部５５よりも上流側から下流側へと生成水Ｗが流れやすくなる。したがって、燃料電池スタック２２での生成水Ｗの溜まりをさらに抑制できる。

【0073】

［変更例］
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0074】

○ 燃料電池スタック２２の目標電力Ｅｔには、第１目標電力Ｅ１、第２目標電力Ｅ２、及び第３目標電力Ｅ３に加えて、１以上の目標電力Ｅｔが含まれてもよい。燃料電池スタック２２の目標電力Ｅｔに第３目標電力Ｅ３が含まれていなくてもよい。要するに、燃料電池スタック２２は、第１目標電力Ｅ１と、第１目標電力Ｅ１よりも小さい第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅｔに切り替えられながら発電するものであればよい。

【0075】

○ 燃料電池スタック２２の目標電力Ｅｔは、第１目標電力Ｅ１及び第２目標電力Ｅ２といった異なる値に切り替えられず、一定の電力であってもよい。
○ 調圧弁４１としては、グローブ弁やボール弁といったバタフライ弁以外の弁を採用可能である。

【0076】

○ 絞り部５５は、排出流路３７の流路断面積を変更可能な可変のオリフィスであってもよい。
○ 絞り部５５は、オリフィス等の排出流路３７の壁部とは別体のものではなく、排出流路３７の壁部から構成されたものであってもよい。この場合の絞り部５５は、例えば、排出流路３７の一部で流路断面積が小さくなるように排出流路３７の壁部の形状が設定されることによって構成される。

【0077】

○ 排出流路３７のうちで調圧弁４１よりも上流側に、絞り部５５を設けてもよい。この場合の絞り部５５は、例えば延出流路としての上流流路３８に設けられる。さらに、この場合の絞り部５５は、上流流路３８の重力方向Ｚの下部３８ａを除いた部分に設けられてもよい。これにより、生成水Ｗは、上流流路３８の下部３８ａを通じて上流流路３８を通過可能となる。また、上流流路３８と下流流路３９との両方に、絞り部５５を設けてもよい。上流流路３８及び下流流路３９の少なくとも一方に、複数の絞り部５５を設けてもよい。

【0078】

○ 絞り部５５は、延出流路のうちで重力方向Ｚの下部を含んで設けられてもよい。例えば、上流流路３８に絞り部５５を設ける場合、上流流路３８の下部３８ａを含んで絞り部５５が設けられてもよい。下流流路３９に絞り部５５を設ける場合、下流流路３９の下部３９ａを含んで絞り部５５が設けられてもよい。

【0079】

○ 下流流路３９は、下流流路３９の下流の部分ほど重力方向Ｚの下方に位置するように延びるものに限らない。例えば、下流流路３９は、下流流路３９の全体が重力方向Ｚの同位置に位置するように、直交方向Ｘに延びていてもよい。この場合の下流流路３９も、実施形態と同様に延出流路に相当する。

【0080】

○ 上流流路３８は、上流流路３８の全体が重力方向Ｚの同位置に位置するように、カソード排出口２５から直交方向Ｘに延びるものに限らない。例えば、上流流路３８は、上流流路３８の下流の部分ほど重力方向Ｚの下方に位置するように、カソード排出口２５から直交方向Ｘに延びていてもよい。この場合の上流流路３８も、実施形態と同様に延出流路に相当する。

【0081】

○ 上流流路３８及び下流流路３９のいずれか一方が、流路の全体が直交方向Ｘの同位置に位置するように、重力方向Ｚに延びるものであってもよい。この場合、上流流路３８及び下流流路３９のうちで、上記の重力方向Ｚに延びるものでない流路が延出流路に相当する。また、上流流路３８の一部が、上記のように重力方向Ｚに延びるものであり、その他の部分が、直交方向Ｘに延びる延出流路に相当するものであってもよい。下流流路３９の一部が、上記のように重力方向Ｚに延びるものであり、その他の部分が、直交方向Ｘに延びる延出流路に相当するものであってもよい。

【0082】

○ 上流流路３８及び下流流路３９の両方が、流路の全体が直交方向Ｘの同位置に位置するように、重力方向Ｚに延びるものであってもよい。この場合の排出流路３７は、延出流路を含まなくてもよい。また、この場合の絞り部５５は、排出流路３７の一部に設けられる。

【0083】

○ 燃料電池システム２０は、乗用車、船舶、鉄道などに搭載されていてもよい。
○ 燃料電池システム２０は、定置式の発電装置として用いられてもよい。

【符号の説明】

【0084】

Ｗ…生成水、Ｘ…直交方向、Ｚ…重力方向、２０…燃料電池システム、２２…燃料電池スタック、３７…排出流路、３８…（延出流路としての）上流流路、３９…（延出流路としての）下流流路、３８ａ，３９ａ…下部、４１…調圧弁、５５…絞り部。

【図1】

【図2】