JP2006269355A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化を進め、更に、加湿器から排出される湿った酸化剤オフガスに含まれている水の排出性を向上させた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池セル１を積層したスタック２と、スタック２に供給する酸化剤を加湿する加湿器３と、加湿器３のオフガス出口３２ｐから吐出された酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排気部４５とをユニット８として構成されており、酸化剤オフガス排気部４５の酸化剤オフガス排気口４５ａはユニット８の下部に下方に開口して配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池セルを積層したスタックと加湿器とを備える燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池セルを積層したスタックと、スタックから給電されるメインモータと、マニホルドブロックとを一体化させた燃料電池システムが知られている（特許文献１）。マニホルドブロックはスタックの底面側に配置されており、スタックの燃料極に燃料ガスを供給する通路と、スタックの酸化剤極に酸化剤を供給する通路と、スタックの冷却通路に冷却媒体を供給する通路とを一体的に備えている。このものによれば、マニホルドブロックにより配管の取り回しが簡素化され、コンパクト化されている。

また、燃料ガスボンベ、制御装置、燃料電池本体、電力変換器、主水タンク、補助水タンクを可搬式ケースに組み込んでコンパクト化を図った燃料電池装置が知られている（特許文献２）。
特開２００３−２１７６２１号公報 特開平１１−１０２７１７号公報

特許文献１によれば、スタックから排出される水がマニホルドブロックに残留するおそれがある。特許文献２でもスタックから排出される水が残留するおそれがある。更に産業界では、更にコンパクト化を進めた燃料電池システムが要望されている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、コンパクト化を進め、加えて、スタックから排出される発電反応後の湿った酸化剤オフガスに含まれている水の排出性を向上させ、寒冷地などで使用されるときであっても、耐凍結性を向上させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを積層したスタックと、スタックに供給する酸化剤を加湿する加湿器と、加湿器のオフガス出口から吐出された酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排気口を有する酸化剤オフガス排気部とが一体化されてユニットとして構成されており、酸化剤オフガス排気部の酸化剤オフガス排気口はユニットの下部において下方に開口して配置されていることを特徴とするものである。

燃料電池セルを積層したスタックと、スタックに供給する酸化剤を加湿する加湿器と、加湿器のオフガス出口から吐出される酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排気部とをユニットとして構成している。このため燃料電池システムのコンパクト化が図られている。

燃料電池のスタックの酸化剤極の内部においては、発電反応により水が生成される。このためスタックの酸化剤極から吐出される酸化剤オフガスは、湿度が相対的に高いものであり、冷却されると、凝縮水を生成することがある。

このように酸化剤オフガスは湿度が高いため、水が酸化剤オフガス排気部に存在するおそれがある。更に、発電反応で生成された水が酸化剤オフガスと共に酸化剤オフガス排気部に吐出され、存在するおそれがある。この場合、酸化剤オフガス排気部の流路が小さくなったり、寒冷地等では凍結するおそれがある。

この点本発明に係る燃料電池システムによれば、前述したように、酸化剤オフガス排気部の酸化剤オフガス排気口はユニットの下部において下方に開口して配置されているため、水を排出させるのに有利である。従って、水が酸化剤オフガス排気部に存在するおそれが低減される。

本発明によれば、スタック、加湿器、酸化剤オフガス排気部が一体化されてユニットとされ、燃料電池システムのコンパクト化が図られている。更に、酸化剤オフガス排気部はユニットの下部に下方に開口して配置されているため、水を排出させるのに有利である。従って、水が酸化剤オフガス排気部に存在するおそれが低減され、酸化剤オフガス排気部の流路が良好に確保される。故に、燃料電池システムが寒冷地などで使用されるときであっても、酸化剤オフガス排気部における過剰凍結を抑えることができる。

酸化剤を含む流体としては、燃料電池において燃料と共に発電反応を生成する酸素を含む酸素含有ガスが挙げられる。本発明によれば、酸化剤オフガス排気部の酸化剤オフガス排気口は、ユニットの下部において下方に開口して配置されている。ここで、ユニットはスタックと加湿器とを一体的に組み込んだものをいう。ユニットの下部は、ユニットの底面ばかりか、ユニットの側面の下部（ユニットの高さ寸法を相対表示で１００とするとき、ユニットの最底面から３５までの領域）も含む。

本発明によれば、更に、加湿器からスタックに供給される酸化剤の流量を制御する入口バルブと、スタックから加湿器に供給される酸化剤オフガスの流量を制御する出口バルブとがユニットに組み込まれている形態を例示することができる。この場合、入口バルブ、出口バルブもユニットに組み込まれているため、燃料電池システムのコンパクト化に有利である。更に、万一、入口バルブ及び出口バルブに凍結が生じたときであっても、システムの起動運転時（発電運転前）には温水などの供給によりスタックが暖められることが多いため、スタックからの伝熱または放熱により入口バルブ及び出口バルブの凍結を解除するのに有利である。殊に、入口バルブ及び出口バルブをユニットに組み込んでいると、入口バルブ及び出口バルブをスタックに接触または接近させ、入口バルブ及び出口バルブはスタックからの伝熱または放熱を受け易くなる。

更に本発明によれば、燃料電池のオフガス出口から吐出された酸化剤オフガスを加湿器を介さないで酸化剤オフガス排気部から排出するオフガスバイパス通路がユニットに組み込まれていると共に、オフガスバイパス通路を流れる酸化剤オフガスの流量を調整するバイパスバルブがユニットに組み込まれている形態を例示することができる。この場合、オフガスバイパス通路およびバイパスバルブもユニットに組み込まれているため、燃料電池システムのコンパクト化に有利である。更に、万一、オフガスバイパス通路およびバイパスバルブに凍結が生じたときであっても、システムの起動運転時には温水などの供給によりスタックが暖められることが多いため、スタックからの伝熱または放熱によりオフガスバイパス通路およびバイパスバルブの凍結を解除するのに有利である。殊に、オフガスバイパス通路およびバイパスバルブをユニットに組み込んでいると、オフガスバイパス通路およびバイパスをスタックに接触または接近させ得るため、スタックからの伝熱または放熱を受け易くなる。

更に本発明によれば、酸化剤オフガス排気部としては酸化剤オフガス排出用のマニホルドである形態を例示することができる。マニホルドは、通路を形成する容器状または疑似容器状の通路形成部材をいう。この場合、酸化剤オフガス排出用のマニホルドは、加湿器のオフガス出口から吐出された酸化剤オフガスを排出すると共に下方に開口する酸化剤オフガス排気口と、酸化剤オフガス排気口と加湿器のオフガス出口とを連通する通路とを有する形態を例示することができる。このマニホルドの酸化剤オフガス排気口は下方に開口しているため、水の排出性が確保され、水の存在が抑制される。この場合、燃料電池システムが寒冷地等で使用されるときであっても、過剰凍結を抑制することができる。

ここで、酸化剤オフガス排出用のマニホルドに形成されている通路の通路長としては、オフガスバイパス通路の通路長よりも短く設定されている形態を例示することができる。この場合、酸化剤オフガス排出用のマニホルドに存在する水の量を少なくできる。故に、寒冷地等で使用されるときであっても、過剰凍結を抑制することができる。

更に本発明によれば、起動運転時に加湿器を経ないで燃料電池に酸化剤を供給する供給用副通路をユニットに組み込んでいる形態を例示することができる。また、酸化剤オフガス排出用のマニホルドに形成されている通路の通路長としては、供給用副通路の通路長よりも短く設定されている形態を例示することができる。この場合、仮に、酸化剤オフガス排出用のマニホルドに形成されている通路に水が存在するとしても、その存在する水の量は少量とされる。

システムの起動運転時には供給用副通路に発電用の酸化剤が流れる。供給用副通路を流れる酸化剤は、起動運転における発電反応の効率を高めるためには、早期に予熱することが好ましい。そこで、好ましくは、供給用副通路は、前記ユニットの底面側から前記ユニットの上部にかけてスタックに対面するように延設されており、スタックから受熱し易い構造とされている形態を採用することができる。この場合、供給用副通路を流れる酸化剤をスタックにより早期に予熱することができる。

また、ユニットは、断熱材により覆われている形態を例示することができる。この場合、起動運転時において、燃料電池や加湿器からの放熱が抑制されるため、起動に必要とする時間を短縮化できる。

更に本発明によれば、酸化剤を加湿器に供給する酸化剤搬送源と、放熱性をもつ機器とを具備しており、酸化剤搬送源は放熱性をもつ機器の周辺の酸化剤を加湿器に供給する形態を例示することができる。放熱性をもつ機器としては、制御盤、インバータなどの電気機器が例示され、更に、ポンプ、モータ等の駆動機器が例示される。放熱性をもつ機器から受熱した酸化剤を加湿器に供給することになるため、酸化剤に含ませ得る蒸気量を増加させ、更に、発電効率を向上させることができる。放熱性をもつ機器としては、ユニットに組み込んでいても良いし、組み込んでいなくても良い。

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、スタックと加湿器とを一体化したユニットを模式的に表すシステム図を示す。図２及び図３はユニットを上方から視認した状態の斜視図を示す。図４及び図５はユニットを下方から視認した状態の斜視図を示す。

先ず、図１を参照して説明する。燃料電池システムによれば、図１に示すように、高分子型の固体電解質膜１０を挟んだ酸化剤極１１及び燃料極１２を有する燃料電池セル１を積層方向に積層したスタック２が設けられている。スタック２は、酸化剤を酸化剤極１１に供給するスタック入口２ｉと、酸化剤極１１から酸化剤オフガスを吐出するスタック出口２ｐとを有する。スタック２の酸化剤極１１に供給する酸化剤を加湿する加湿器３が設けられている。加湿器３は、含水可能または水透過可能な加湿部３０と、加湿部３０に対面する流路３１及び流路３２とを有する。流路３２を流れる湿った酸化剤オフガス（空気オフガス）は、加湿部３０に水分を与える。流路３１の酸化剤は加湿部３０に接触するため加湿される。更に、酸化剤取入口４１ａをもつ第１マニホルド４１が設けられている。第１マニホルド４１と加湿器３の酸化剤入口３ｉとを繋ぐ第１通路として機能する第１通路管５１が設けられている。第１マニホルド４１には制御バルブとしての三方バルブ５３が設けられている。三方バルブ５３は、酸化剤取入口４１ａから取り入れた酸化剤ガス（酸素含有ガス，空気）を加湿器３を経てスタック２に供給する形態と、酸化剤取入口４１ａから取り入れた酸化剤ガスを加湿器３を経ないでスタック２に供給する形態とを切り替える機能を有する。

加湿器３の酸化剤出口３ｐとスタック２のスタック入口２ｉとを繋ぐ第２マニホルド４２が設けられている。第２マニホルド４２は、互いに接近している加湿器３とスタック２との間に架設されているため、第２マニホルド４２の長さは短くて済み、第２マニホルド４２内における凝縮が抑制される。そして、スタック２のスタック入口２ｉに供給される酸化剤ガス（空気）の流量を調整する入口バルブ５２が第２マニホルド４２に一体的に設けられている。更に、第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａとスタック２のスタック入口２ｉ側の部位（入口バルブ５２よりも上流部位）とを加湿器３を迂回して繋ぐ供給用副通路として機能する供給用副通路管６１が設けられている。供給用副通路管６１は起動用通路として用いることができる。

また図１に示すように、スタック２のスタック出口２ｐから、加湿器３のオフガス入口３２ｉに向かうにつれて、出口バルブ５５、第３マニホルド４３が設けられ、更に、帰還通路として機能する帰還通路管６２、第４マニホルド４４が設けられている。更に加湿器３のオフガス出口３２ｐ側に、酸化剤オフガス排出用の第５マニホルド４５（酸化剤オフガス排気部）が設けられている。第５マニホルド４５は、酸化剤オフガス（空気オフガス）を排出する酸化剤オフガス排気口４５ａと、酸化剤オフガス排気口４５ａと加湿器３のオフガス出口３２ｐとを連通する通路４５ｃとを有する。更に、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された酸化剤オフガスが加湿器３を迂回するように、酸化剤オフガス（空気オフガス）を第５マニホルド４５に流すオフガスバイパス通路として機能するオフガスバイパス通路管６３が設けられている。オフガスバイパス通路管６３を流れる酸化剤オフガスの流量を調整するバイパスバルブ６４が設けられている。バイパスバルブ６４は、スタック２と加湿器３との間に位置するように第３マニホルド４３に隣設して配置されている。バイパスバルブ６４は第３マニホルド４３に連通している。なお、オフガスバイパス通路管６３は、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された湿った暖かい酸化剤オフガスを加湿器３を介さないで、第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａから排出するためのものである。

システムの起動運転時には、ブロアやファン等の酸化剤搬送源１１３が作動すると、酸化剤ガス（空気）が第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａに供給される。第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａから取り入れた酸化剤は、三方バルブ５３のバルブ作用により、加湿器３を通過することなく、供給用副通路管６１を介してスタック２の酸化剤入口２ｉに供給される。このようにシステムの起動運転時には、加湿器３で加湿されていない酸化剤を供給用副通路管６１及び入口バルブ５２を介してスタック２のスタック入口２ｉに供給する。即ち、起動運転時には、加湿しない酸化剤をスタック２に供給する。これにより起動運転時に、スタック２の内部において過剰なフラッディング現象が生じることを抑制することができる。フラッディング現象とは、水がスタック２の内部のガス流路を狭める現象をいう。

更にシステムの起動運転時には、バイパスバルブ６４が開放しており、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された酸化剤オフガスのうちのかなりの部分を、オフガスバイパス通路管６３に流し、更に、第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａから排気する。このように起動運転時には、湿った酸化剤オフガスが加湿器３に多量に供給されることを規制する。この結果、加湿器３の加湿能力が過剰になることを抑制することができる。このためスタック２の内部においてフラッディング現象が生じることを抑制することができる。本実施例では、バイパスバルブ６４が開放しているとき、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された湿った酸化剤オフガスをオフガスバイパス通路管６３に流すものの、湿った酸化剤オフガスが加湿器３にも所定量流れるようにしている。加湿器３の内部における過剰乾燥を抑制するためである。

起動運転から通常運転に移行すると、バイパスバルブ６４は閉鎖されるか、あるいはその開度が小さくなる。このため、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された湿った暖かい酸化剤オフガスの全部または大半は、帰還通路管６２及び第４マニホルド４４を介して加湿器３のオフガス入口３２ｉに供給される。これにより加湿器３が暖められると共に、加湿器３の加湿部３０の水分が増加し、加湿器３の加湿能力が向上する。従って加湿器３の加湿能力は通常運転に適したものとなる。

また、通常運転では、三方バルブ５３のバルブ作用により、第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａから取り入れた酸化剤を第１通路管５１から加湿器３の酸化剤入口３ｉに供給する。すると、加湿器３内に供給された酸化剤は、流路３１において加湿部３０により加湿される。流路３１において加湿された酸化剤は、加湿器３の酸化剤出口３ｐから第２マニホルド４２、入口バルブ５２を介してスタック２のスタック入口２ｉに供給され、スタック２の酸化剤極１１において発電反応に使用される。

更に図１に示すように、スタック２の燃料極１２の燃料入口２０ｉに燃料ガスを燃料入口バルブ２１ｘを介して供給する燃料通路２１が設けられている。スタック２の燃料極１２の燃料出口２０ｐから燃料出口バルブ２２ｘを介して燃料オフガスを排出する燃料オフガス通路２２が設けられている。スタック２内に供給された燃料ガス及び酸化剤により発電反応が生じると、スタック２の温度は上昇する。更に、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された暖かい湿った酸化剤オフガスが加湿器３にも流れると、加湿器３の温度も上昇すると共に、加湿器３の加湿部３０の水分量も増加する。

なお、通常運転時にはスタック２が昇温しているため、図１に示すように、スタック２を冷却すべく、冷却水供給路９０から冷却水がスタック２の冷却水入口９０ｉからスタック２に供給される。冷却水は、スタック２の冷却水出口９１ｐから冷却水帰還路９１を経て帰還する。これに対して起動運転時（発電運転前）には、スタック２は低温であるため、改質部のバーナ等の熱源で加熱された暖かい温水が冷却水供給路９０から冷却水入口９０ｉを介してスタック２に供給され、冷却水出口９１ｐから冷却水帰還路９１を経て帰還する。これによりスタック２が暖められ、起動運転の立ち上がりが早められる。

さて本実施例によれば、図２に示すように、スタック２は上面２ｕと底面２ｄと側面２ｓとを有している。スタック２は、複数の燃料電池セル１をその厚み方向に積層することにより形成されている。燃料電池セル１の積層方向に直交するスタック２の断面は高さ方向が長い縦長の形状とされている。加湿器３は上面３ｕと底面３ｄと側面３ｓとを有している。加湿器３は加湿セル３４を厚み方向に積層することにより形成されている。加湿セル３４の積層方向に直交する加湿器３の断面は高さ方向が長い縦長の形状とされている。図２においてスタック２の積層厚さはＭ１として示され、加湿器３の積層厚さはＭ２として示されている。ここで、スタック２の積層方向と加湿器３の積層方向とは同じ方向（横方向）に設定されている。そして図２に示すように、スタック２及び加湿器３を互いに平行または実質的に平行となるように、スタック２の側面２ｓと加湿器３の側面３ｓとを対面させつつ、スタック２と加湿器３とを並設し、この状態で腕状の連結具７０を橋架させている。これによりスタック２と加湿器３とが一体化され、ユニット８が形成されている。この結果、コンパクト化が図られており、省スペース化に有利である。図２に示すように、連結具７０はスタック２の上面２ｕに固定されている。連結具７０は、スタック２の上面２ｕと加湿器３の上面３ｕとに橋架されて、ボルト状の取付具７１でスタック２と加湿器３とが一体的に固定されている。この場合、スタック２と加湿器３とが接近または接触している。このため運転時に昇温するスタック２から加湿器３への伝熱を期待でき、加湿器３の加湿能力を向上させるのに有利である。なお、スタック２の側面２ｓと加湿器３の側面３ｓとの間には、電気絶縁材を介在させることが好ましい。

図２に示すように、加湿器３の上面３ｕは、スタック２の上面２ｕとほぼ同じ高さである。これに対して加湿器３の底面３ｄは、スタック２の底面２ｄよりも下方向に突き出ている。これによりスタック２の底面２ｄよりも下方の配管スペースＷ１は、ユニット８の底面に確保されている。図５に示すように、配管スペースＷ１を有効利用し、ユニット８の底面において、コ字形状の第１通路管５１、Ｌ字形状のオフガスバイパス通路管６３，第５マニホルド４５、第１マニホルド４１等が配置されている。なお、スタック２の底部には、ユニット８を据え付けるためのブラケット状の固定具７２が設けられている。固定具７２はボルト等を挿入させる透孔７２ｍを有する。なお、この第１通路管５１、オフガスバイパス通路管６３は固定具７２の底面７２ｂよりも上方に位置している。

更に本実施例によれば、図３に示すように、酸化剤用の入口バルブ５２、酸化剤オフガス用の出口バルブ５５、酸化剤オフガスを流すオフガスバイパス通路管６３、バイパスバルブ６４をユニット８に一体化に組み込んでいる。更に、入口バルブ５２及び出口バルブ５５を駆動させるモータ５７もユニット８に一体化に組み込んでいる。オフガスバイパス通路管６３及びバイパスバルブ６４は、ユニット８の下部に配置されている。オフガスバイパス通路管６３及びバイパスバルブ６４からの排水性を向上させることを考慮したものである。

本実施例によれば、酸化剤ガスまたは酸化剤オフガスが流れる前記した第１マニホルド４１、第２マニホルド４２、第３マニホルド４３、第４マニホルド４４、第５マニホルド４５を、ユニット８に一体的に組み込んでいる。図４及び図５に示すように酸化剤取入側の第１マニホルド４１と、酸化剤オフガス排出側の第５マニホルド４５とは、ユニット８の下部つまりユニット８の底面に配置されている。また、図３に示すように、加湿器３で加湿された酸化剤が流れる第２マニホルド４２は、ユニット８の側面の上部において、加湿器３とスタック２とを架設するように配置されている。また、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された酸化剤オフガスが流れる第３マニホルド４３は、ユニット８の側面の下部において、第２マニホルド４２の下方に位置し、且つ、加湿器３とスタック２とを架設するように配置されている。更に、湿った酸化剤オフガスが流れる第４マニホルド４４は、ユニット８の加湿器３のエンドプレート３９の上部において、第２マニホルド４２に隣設して配置されている。このためスタック２から吐出された湿った酸化剤オフガスは、加湿器３の内部をこれの上部から下部に向けて下向きに流れる。

本実施例によれば、加湿器３のオフガス出口３２ｐから吐出された湿った酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス排気部として機能する第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａから下向き（矢印Ｄ１方向）に排出される。酸化剤オフガスは、スタック２の発電反応で生成した水の影響を受けて、湿度が高く、水分を有することが多い。このため、ユニット８の酸化剤オフガス排出機能を有する第５マニホルド４５の内部には、水が存在するおそれがある。

この点本実施例によれば、図４及び図５に示すように、第５マニホルド４５はユニット８の下部（底面）に取り付けられており、しかも、酸化剤オフガス排気口４５ａはユニット８の下部において下方に開口して配置されている。このため、第５マニホルド４５に存在する水の排出性を向上させることができ、水が第５マニホルド４５に存在するおそれが低減される。故に、燃料電池システムが寒冷地などで使用されるときであっても、過剰凍結を抑えることができ、起動時における酸化剤オフガスの排出性が良好に確保され、システムの再起動を良好に行うことができる。

加えて本実施例によれば、第１マニホルド４１〜第５マニホルド４５、バイパスバルブ６４、オフガスバイパス通路管６３、入口バルブ５２，出口バルブ５５、帰還通路管６２等の各要素は、ユニット８に一体的に組み込まれている。このため各要素の全部あるいは大部分（過半数以上）は、スタック２及び加湿器３から伝熱または放熱を効果的に受けるように、スタック２の壁面及び加湿器３の壁面に接触または接近（例えば３０ミリメートル以内、好ましくは２０ミリメートル以内、１０ミリメートル以内）している。各要素の全部あるいは大部分（過半数以上）は、要素の個数的な意味である。

このため、寒冷地などで使用されたため、これらの各要素が仮に凍結したとしても、システムの起動運転時（発電運転開始前）には、改質部のバーナ等の熱源で加熱された暖かい温水が冷却水供給路９０を介してスタック２の内部の冷却通路に流れるため、スタック２は所定温度域（例えば３０〜６０℃程度）昇温される。ひいては加湿器３も昇温される。このため、スタック２や加湿器３からの放熱また伝熱により、第５マニホルド４５、バイパスバルブ６４、オフガスバイパス通路管６３等の各要素における解凍を促進させることが容易となり、凍結解除性が向上している。故に、寒冷地等においても、起動運転時の立ち上がりを早めることができる。

しかも本実施例によれば、ユニット８の全体が断熱層８０で包囲されており、ユニット８から外部への放熱性が抑えられている。即ち、前記した第１マニホルド４１〜第５マニホルド４５、バイパスバルブ６４、オフガスバイパス通路管６３、入口バルブ５２，出口バルブ５５、帰還通路管６２等の各要素は、断熱層８０で包囲されている。このため仮に前記各要素が凍結しているときであっても、各要素における解凍を促進させることが一層容易となり、起動運転時の立ち上がりを早めることができる。

更に図示はしないものの、燃料入口バルブ２１ｘ及び燃料出口バルブ２２ｘもユニット８に一体化に組み込んでおり、ユニット８からの伝熱または放熱により燃料入口バルブ２１ｘ及び燃料出口バルブ２２ｘの凍結解除性が向上している。

本実施例によれば、図２に示すように、第５マニホルド４５の上面４５ｕはスタック２の底面２ｄに当てがわれていると共に、第５マニホルド４５の側面４５ｓは加湿器３のエンドプレート３９に当てがわれた状態で、ユニット８の底側の配管スペースＷ１に配置されている。これにより、酸化剤オフガスを排出する第５マニホルド４５は、スタック２及び加湿器３からの伝熱または放熱を受け易くされており、第５マニホルド４５における凍結解除性が向上している構造とされている。

本実施例によれば、加湿器３とスタック２とが接近しているため、酸化剤オフガスを排出する第５マニホルド４５が加湿器３とスタック２との双方に接触している。これにより第５マニホルド４５が効果的に暖められる。特に加湿器３とスタック２とが接触していると、それらと接触しない部分が存在しないので、より効果的である。

なお、図２に示すように、スタック２の燃料入口２０ｉ及び燃料出口２０ｐはスタック２のエンドプレート２９に形成されている。

また、図３に示す供給用副通路管６１は、起動運転時に加湿していない発電前の酸化剤をスタック２のスタック入口２ｉに供給するものである。従って、発電反応の効率を高めるためには、供給用副通路管６１を流れる酸化剤を早期に予熱することが好ましい。そこで本実施例によれば、図３に示すように、発電反応前の酸化剤が流れる供給用副通路管６１は、スタック２の側面であるエンドプレート２９に対向しつつエンドプレート２９に接近して配置されている。このため、起動運転時に冷却水供給路９０の温水で暖められるスタック２から供給用副通路管６１への放熱または伝熱を期待することができる。しかも、図３に示すように、供給用副通路管６１は、スタック２の高さ寸法に相当する長さまたはこれ以上の長さを有するように、スタック２の下部から上部にかけて、つまり、ユニット８の底面の第１マニホルド４１からユニット８の上端部にかけて、縦方向に沿って延設されている。この結果、供給用副通路管６１を流れる酸化剤を予熱する予熱距離が確保されている。故に、起動運転時においても、供給用副通路管６１を流れる発電反応前の酸化剤をスタック２により早期に暖めることが可能となり、システムの起動運転性を向上させるのに有利である。なお、図３に示すように、発電反応後の酸化剤オフガスが流れる帰還通路管６２は、縦方向に沿っており、供給用副通路管６１に対してほぼ平行に並走しているものの、スタック２の側面であるエンドプレート２９に対向していない。

更に本実施例によれば、図４及び図５に示すように、第１マニホルド４１と加湿器３の酸化剤入口３ｉとを繋ぐ第１通路管５１は、コの字形状をなすように、互いに並走する一端通路管５１ａ及び他端通路管５１ｂと、これらを繋ぐつなぐ中間通路管５１ｃとを有している。そして、第１通路管５１を構成する一端通路管５１ａ及び他端通路管５１ｂの間に、第５マニホルド４５が配置されている。よって、第５マニホルド４５はコの字形状の第１通路管５１内に配置されている。この結果、第５マニホルド４５に形成されている通路４５ｃの通路長ＬＡ（図５参照）は、短く設定されている。故に、第５マニホルド４５に形成されている通路４５ｃの通路長ＬＡは、第１通路管５１の通路長、オフガスバイパス通路管６３の通路長、帰還通路管６２の通路長、供給用副通路管６１の通路長のいずれよりも短く設定されている。この結果、仮に、通路４５ｃに水が存在するとしても、その存在する水の量は少量とされる。従って凍結するような寒冷地等で燃料電池システムが使用される場合であっても、過剰凍結を抑えることができ、あるいは、凍結を無しにすることができる。従って、凍結に起因して酸化剤オフガスの排出性が損なわれる不具合を改善できる。更に、通路４５ｃの通路長は短く設定されているため、酸化剤オフガス排出用の第５マニホルド４５における圧損も低減させることができる。

更に図５に示すように、湿った酸化剤オフガスが流れるオフガスバイパス通路管６３は、ユニット８の底側においてバイパスバルブ６４と第５マニホルド４５とを繋ぐように横方向に沿って配置されている。そして図５に示すように、オフガスバイパス通路管６３の通路長は第５マニホルド４５の通路４５ｃの通路長ＬＡよりも長いものの、他の配管の通路長、即ち、供給用副通路管６１の通路長、第１通路管５１の通路長よりも短く設定されている。このように湿った酸化剤オフガスが流れるオフガスバイパス通路管６３の通路長は短く設定されているため、オフガスバイパス通路管６３に存在する水の量を少なくでき、オフガスバイパス通路管６３における過剰凍結を抑制するのに有利である。

更に、図５に示すように、オフガスバイパス通路管６３及びバイパスバルブ６４はスタック２の底面２ｄよりも下に配置されている。これによりオフガスバイパス通路管６３及びバイパスバルブ６４を利用しての水排出性が向上する利点が得られる。

更にまた、図５に示すように、第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａと第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａとは、ユニット８の下部において共に同じ方向（下方向）に開口して、且つ、互いに接近して配置されている。このため、酸化剤を流す酸化剤配管系の配置レイアウトを簡素化を図り得る利点が得られる。

また本実施例によれば、図３に示すように、帰還通路管６２は、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された湿った酸化剤オフガスを上向きに加湿器３の上部のオフガス入口３２ｉに向けて流す（矢印Ａ１方向）ものであり、ユニット８の側面において、第３マニホルド４３と第４マニホルド４４とを繋ぐように縦方向に沿って配置されている。このため帰還通路管６２内で凝縮した水は流下し、帰還通路管６２内に水が存在することが抑制されている。

更に、図３に示すように、スタック２のスタック出口２ｐから吐出された湿った酸化剤オフガスが流れる第３マニホルド４３の下方に、第３マニホルド４３に連通するバイパスバルブ６４及びオフガスバイパス通路管６３が配置されている。このため、帰還通路管６２内及び第３マニホルド４３内に存在する水を、バイパスバルブ６４及びオフガスバイパス通路管６３に流すことができる。更に、その水を、オフガスバイパス通路管６３を介して第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａから排出させることを期待できる。これにより水の残留防止性が向上している。

殊に本実施例によれば、スタック２の発電運転が停止された後においても、酸化剤搬送源１１３を所定時間作動させた状態で、バイパスバルブ６４を開放させ酸化剤をバイパスバルブ６４及びオフガスバイパス通路管６３に流す。このため、バイパスバルブ６４及びオフガスバイパス通路管６３に存在する水を酸化剤で押し流して第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａから排出することができる。このためバイパスバルブ６４及びオフガスバイパス通路管６３における水残留を抑えることができ、バイパスバルブ６４及びオフガスバイパス通路管６３における過剰凍結を防止するのに有利である。

なお本実施例によれば、第２マニホルド４２がユニット８の上部に形成されていること、加湿器３の空気出口である酸化剤出口３ｐが加湿器３の上部でスタック２側に設けられていること、スタック２のスタック入口２ｉがスタック２の上部で空気出口である酸化剤出口３ｐとほぼ同じ高さに設けられていること、第２マニホルド４２がスタック２および加湿器３に近接して設けられている。このような構造により、温度が相対的に低い加湿器３からの酸化剤ガス（空気）が、相対的に温度が高いスタック２の熱で暖められながら、スタック２に供給されるため、水蒸気がこれの凝縮が抑制されつつスタック２に供給される効果をほ期待できる。

図６は全体システム図を示す。スタック２及び加湿器３を一体化したユニット８は、断熱性をもつ断熱層８０を有するハウジング８１により覆われている。この場合、起動運転時において、スタック２や加湿器３からの放熱が抑制されるため、スタック２や加湿器３の昇温性を向上させることができ、起動に必要とする時間を短縮化できる。ユニット８を覆うハウジング８１は、ケース１００内の上部に配置されている。これは、スタック２では発電反応に基づいて多量の生成水が発生するため、生成水の自然落下による水放出性を考慮したものである。故に図６に示すように、ユニット８はケース１００内の上部に配置されている。ケース１００は上面１００ｕ，底面１００ｄ，側面１００ｓを有する。ケース１００内には、基板やインバータなどの電気機器１１１（放熱性を有する機器）を含む制御ボックス１１０が配置されており、更に、加湿器３に繋がる第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａに酸化剤を供給する酸化剤搬送源１１３（ファン）が配置されている。電気機器１１１周辺の酸化剤は、電気機器１１１の熱を受けて暖められる。ここで、酸化剤搬送源１１３が作動すると、電気機器１１１から受熱した酸化剤を、浄化フィルタ１２０を介してユニット８の第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａに供給することができる。このように加湿器３及び燃料電池セル１に供給する酸化剤を制御ボックス１１０の電気機器１１１の熱で予熱できるため、起動運転時及び通常運転時において発電効率を向上させることができる。

更に図６に示すように、ケース１００内には、バーナ２０１を有する改質部２００、ＣＯ浄化部２０２、ＣＯシフト部２０３、凝縮器群２０４が配置されている。そして、燃焼用の燃料ガスと酸化剤とがバーナ２０１に供給され、バーナ２０１における燃焼反応により改質部２００は高温領域に維持される。高温領域に加熱された改質部２００に原料ガス及び原料水が供給されると、水蒸気改質反応により改質ガスが生成される。改質ガスはＣＯ浄化部２０２及びＣＯシフト部２０３を経るため、改質ガスに含まれているＣＯガスは低減される。

ＣＯガスが低減された改質ガスは、凝縮器群２０４を経て燃料通路２１を介してスタック２の燃料極１２の燃料入口２０ｉに燃料として供給される。図６に示すように、ユニット８に制御ボックス１１０が隣設されており、且つ、ユニット８に取り付けられている第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａは、第５マニホルド４５の酸化剤オフガス排気口４５ａよりも酸化剤搬送源１１３に近い位置に配置されている。故に、酸化剤搬送源１１３と第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａとの間の距離を短縮できる。この場合、電気機器１１１で暖めた酸化剤の温度を維持しつつ、ユニット８の第１マニホルド４１の酸化剤取入口４１ａに供給するのに有利である。

スタック２の燃料極１２の燃料出口２０ｐから排出された燃料オフガスは、燃料オフガス通路２２を介して凝縮器群２０４を経た後に、通路３２１を介してバーナ２０１に供給され、燃料オフガスに存在している可燃成分が燃焼され、その後、ケース１００の排気部１１５から外方に排出される。なお図６に示すように、制御ボックス１１０と改質部２００との間にユニット８が配置されている。このため改質部２００の高温となるバーナ２０１から制御ボックス１１０を離すことができ、改質部２００が制御ボックス１１０の電気機器１１１に熱影響しないようにされている。

（他の実施形態）
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用等の燃料電池システムに利用することができる。

スタックと加湿器とを一体化したユニットを模式的に示すシステム図である。 ユニットを上方から視認した状態の斜視図である。 ユニットを上方の他方向から視認した状態の斜視図である。 ユニットを下方から視認した状態の斜視図である。 ユニットを下方の他方向から視認した状態の斜視図である。 改質部、凝縮器群、ＣＯシフト部等を含む燃料電池システムのシステム図である。

符号の説明

１は燃料電池、１１は酸化剤極、１２は燃料極、２はスタック、２ｉはスタック入口、２ｐはスタック出口、３は加湿器、３０は加湿部、３２ｉはオフガス入口、３２ｐはオフガス出口、４１は第１マニホルド、４２は第２マニホルド、４３は第３マニホルド、４４は第４マニホルド、４５は第５マニホルド（酸化剤オフガス排気部）、４５ａは酸化剤オフガス排気口、４５ｃは通路、６１は供給用副通路管（供給用副通路）、６２は帰還用通路管（帰還用通路）、６３はオフガスバイパス通路管（オフガスバイパス通路）、６４はバイパスバルブを示す。

Claims (9)

1. 燃料電池セルを積層したスタックと、前記スタックに供給する酸化剤を加湿する加湿器と、前記加湿器のオフガス出口から吐出された酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排気口を有する酸化剤オフガス排気部とが一体化されてユニットとして構成されており、
   前記酸化剤オフガス排気部の酸化剤オフガス排気口は前記ユニットの下部において下方に開口して配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、更に、前記加湿器から前記スタックに供給される酸化剤の流量を制御する入口バルブと、前記スタックから前記加湿器に供給される酸化剤オフガスの流量を制御する出口バルブとが前記ユニットに組み込まれていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、更に、前記スタックのオフガス出口から吐出される酸化剤オフガスを前記加湿器を介さないで前記酸化剤オフガス排気部から排出するオフガスバイパス通路と、前記オフガスバイパス通路を流れる酸化剤オフガスの流量を調整するバイパスバルブとが前記ユニットに組み込まれていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記酸化剤オフガス排気部は酸化剤オフガス排出用のマニホルドであり、前記酸化剤オフガス排出用のマニホルドは、前記加湿器のオフガス出口から吐出された酸化剤オフガスを排出すると共に下方に開口する酸化剤オフガス排気口と、前記酸化剤オフガス排気口と前記加湿器のオフガス出口とを連通する通路とを有することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記酸化剤オフガス排出用のマニホルドに形成されている通路の通路長は、前記オフガスバイパス通路の通路長よりも短く設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか一項において、更に、起動運転時に前記加湿器を経ないで前記スタックに酸化剤を供給する供給用副通路を前記ユニットに組み込んでおり、酸化剤オフガス排出用の前記マニホルドに形成されている通路の通路長は、前記供給用副通路の通路長よりも短く設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、前記供給用副通路は、前記ユニットの底面側から前記ユニットの上部にかけて前記スタックに対面するように延設されており、前記スタックから受熱し易い構造とされていることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のうちのいずれか一項において、前記ユニットは断熱材により覆われていることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のうちのいずれか一項において、酸化剤を前記加湿器に供給する酸化剤搬送源と、放熱性をもつ機器とを具備しており、前記酸化剤搬送源は前記放熱性をもつ機器の周辺の酸化剤を前記加湿器に供給することを特徴とする燃料電池システム。

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