JP2008103174A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム１０において、氷点下の環境で使用する場合でも、燃料電池スタック１２から水素ガス系ガスを排出するための排気排水流路５４内の凍結を防止することである。
【解決手段】燃料電池スタック１２から排出された水素ガス系ガスおよび気液分離器５２で捕集された水分を排出するための排気排水流路５４と、燃料電池スタック１２に空気を供給するための酸化ガス供給流路１４とを設ける。酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１６よりもガスの下流側から上流側分岐流路６２を分岐させ、上流側分岐流路６２内を流れる温度上昇した空気により、排気排水流路５４を昇温させる熱交換器６６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを排出するための燃料ガス系排出流路とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層した燃料電池セル積層体により構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板、エンドプレート等で狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。

このような燃料電池スタックでは、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電池反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極側では、水が生成される。

このような燃料電池スタックを含む燃料電池システムでは、従来から、燃料電池スタックのアノード側から未反応のままで排出された水素を含む水素ガス系排出ガスを、水素供給源から送られた水素ガスと混合させて、再度燃料電池スタックに送り込むために、燃料ガス系循環経路を設けることが考えられている。この場合、燃料ガス系循環経路には、水素ガス系排出ガスを送り出すための水素ガス系循環ポンプを設ける。

一方、燃料電池スタックのカソード側では水が生成されるが、その水の一部は水蒸気としてカソード側から電解質膜を通過して、アノード側に進入する。このため、燃料電池スタックから排出される水素ガス系排出ガスに多くの水分が含まれる場合がある。

また、カソード側に供給された空気には多くの窒素が含まれ、窒素等の不純物も電解質膜を介してアノード側に侵入する。この結果、アノード側の窒素の分圧と、カソード側の窒素の分圧との差である分圧差をなくすように、アノード側のガス中における窒素の割合が増大する。この結果、燃料ガス系循環経路において、水素ガス系ガス中の水素の割合がその分減少して、燃料電池の発電が不安定になる可能性がある。この様な事情等から、燃料ガス系循環経路の途中から燃料ガス系排出流路を分岐させ、燃料ガス系排出流路に設けたパージ弁を、間欠的または条件に応じて開放することにより、燃料ガス系循環経路における水素ガス系ガス中の窒素や水分等の不純物を減少させ、燃料電池スタックに送られる水素ガスの水素濃度を安定して高くすることが考えられている。
なお、本発明に関連する先行技術文献として特許文献１がある。

特開２００６−１４７４４０号公報

このような燃料電池システムでは、燃料ガス系排出流路に水素ガス系ガスとともに、水分も排出される場合がある。これに対して、例えば、燃料電池システムを搭載した燃料電池車が氷点下（例えば−３０℃前後）の環境で使用される等により、燃料ガス系排出流路内の水分が凍結する可能性がある。このように燃料ガス系排出流路内で凍結した場合には、燃料ガス系排出流路内が狭くなったり、著しい場合には、燃料ガス系排出流路が塞がれてしまう可能性がある。燃料ガス系排出流路内が狭くなる場合には、燃料ガス系循環経路内の窒素や水分等の不純物の割合を有効に減少させることが難しくなるため、燃料電池の出力を安定させる面から改良の余地がある。また、燃料電池の発電時には、燃料ガス系循環経路内の水素ガス系ガスが温度上昇するが、燃料電池車の初期走行時には温度上昇するまでに時間がかかるので、氷点下の環境では凍結が進行する可能性がある。

これに対して、特許文献１には、気液分離器に接続されたドレン配管から気液分離器でガスと分離された生成水を排出するようにするとともに、ドレン配管に冷媒通路や燃料電池のカソード側に接続される空気供給通路を密接させるようにし、さらに、燃料電池を出発する冷却水やカソードガスによりドレン配管を加温するようにした燃料電池システムが記載されている。ただし、ドレン配管は単に生成水を排出するためのものであり、水素ガス系ガスを排出することは考慮されていない。燃料電池システムの発電を安定して行わせ、燃料電池システムの出力を安定させるためには、上記のように水素ガス系ガスを排出する燃料ガス系排出流路を設けることが好ましいが、特許文献１に記載された燃料電池システムでは燃料ガス系排出流路を設けた場合において、氷点下での使用に伴う不都合を解消することは考慮されていない。

本発明は、燃料電池システムにおいて、氷点下の環境で使用する場合でも、燃料ガス系排出流路内の凍結を防止できるようにすることを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを排出するための燃料ガス系排出流路と、ガス圧縮機により圧縮され吐出されることにより温度上昇した酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させるガス排出流路昇温部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。なお、上記の構成において、「燃料ガス系排出流路」は、燃料ガス系ガスとともに、気液分離器で捕集された水分等も排出する機能を有するものである場合も含む。

また、好ましくは、ガス圧縮機から吐出された後の酸化ガスが流れる酸化ガス用配管を備え、ガス排出流路昇温部は、酸化ガス用配管の外周面に設けた酸化ガス用配管側平面部と、燃料ガス系排出流路を構成する排出管の外周面に設けた排出管側平面部とを面接触させて結合することにより構成する。

また、より好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路のガス圧縮機よりもガスの下流側に設けられ、酸化ガスを冷却するインタークーラと、酸化ガス供給流路のガス圧縮機とインタークーラとの間から分岐させたインタークーラ前側分岐流路と、を備え、インタークーラは、燃料電池を冷却する燃料電池用冷却系とは別の冷却系により冷却するものとし、ガス排出流路昇温部は、インタークーラ前側分岐流路内を流れる酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路のガス圧縮機よりもガスの下流側に設けられ、酸化ガスを温度変化させる熱交換器と、酸化ガス供給流路の熱交換器よりもガスの下流側から分岐させた熱交換器後側分岐流路と、を備え、熱交換器は、燃料電池を冷却する燃料電池用冷却系と共通の冷却系により温度変化させるものとし、ガス排出流路昇温部は、熱交換器後側分岐流路内を流れる酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させる。

本発明に係る燃料電池システムの場合、ガス圧縮機により圧縮され吐出されることにより温度上昇した酸化ガスにより、燃料ガス系排出流路を昇温させるガス排出流路昇温部を備える。このため、燃料ガス系排出流路内に水分が存在する場合で、しかも、氷点下の環境で使用する場合でも、燃料ガス系排出流路内の凍結を防止できる。

また、ガス圧縮機から吐出された後の酸化ガスが流れる酸化ガス用配管を備え、ガス排出流路昇温部は、酸化ガス用配管の外周面に設けた酸化ガス用配管側平面部と、燃料ガス系排出流路を構成する排出管の外周面に設けた排出管側平面部とを面接触させて結合することにより構成する構成によれば、ガス排出流路昇温部の熱伝達部の面積を大きくできる。このため、酸化ガス用配管と排出管との間の熱交換効率を向上させて、酸化ガス用配管を流れる温度上昇した酸化ガスにより、燃料ガス系排出流路内の凍結をより有効に防止できる。さらに、ガス排出流路昇温部を含めた管の組み付け性を向上できる。すなわち、酸化ガス用配管側平面部と排出管側平面部との面接触により、管同士の結合位置の位置ずれを防止しつつ、両管を結合する作業を、より容易に行える。

また、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路のガス圧縮機よりもガスの下流側に設けられ、酸化ガスを冷却するインタークーラと、酸化ガス供給流路のガス圧縮機とインタークーラとの間から分岐させたインタークーラ前側分岐流路と、を備え、インタークーラは、燃料電池を冷却する燃料電池用冷却系とは別の冷却系により冷却するものとし、ガス排出流路昇温部は、インタークーラ前側分岐流路内を流れる酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させる構成によれば、ガス圧縮機により温度上昇し、かつ、インタークーラにより冷却していない空気により燃料ガス系排出流路内を加温することができ、燃料ガス系排出流路内の凍結をより有効に防止できる。また、インタークーラを備えていることにより、燃料電池に過度に温度上昇した空気が送られるのを、より有効に防止できる。

また、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路のガス圧縮機よりもガスの下流側に設けられ、酸化ガスを温度変化させる熱交換器と、酸化ガス供給流路の熱交換器よりもガスの下流側から分岐させた熱交換器後側分岐流路と、を備え、熱交換器は、燃料電池を冷却する燃料電池用冷却系と共通の冷却系により温度変化させるものとし、ガス排出流路昇温部は、熱交換器後側分岐流路内を流れる酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させる構成によれば、ガス圧縮機から吐出され、温度上昇した酸化ガスを、燃料電池の発電に伴って温度上昇する熱交換器に通過させることができる。このため、熱交換器でさらに温度上昇させた空気を熱交換器後側分岐流路に送ることで、より有効に燃料ガス系排出流路を加温することができる。このため、燃料ガス系排出流路内の凍結をより有効に防止できる。

［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。この燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。

各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。アノード側電極からカソード側電極へ図示しない外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。発電した電力は、車両に搭載した図示しない走行用モータを駆動するために利用する。

また、燃料電池スタック１２の内部で、セパレータの近くには、内部冷媒流路を設けている。この内部冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック１２の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。

また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けている。酸化ガス供給流路１４のガスの上流部に、ガス圧縮機であるエアコンプレッサ１６を設けている。外気からエアコンプレッサ１６に取り入れた空気は、エアコンプレッサ１６で加圧した後、インタークーラ１８に通過させるようにしている。

インタークーラ１８は、エアコンプレッサ１６で加圧した空気を冷却するためのもので、インタークーラ１８を冷却するために、冷媒である冷却水を流す第１冷媒流路２０を設けている。また、第１冷媒流路２０の途中に設けた冷媒ポンプである、第１の冷却水ポンプ２２により、冷却水を第１冷媒流路２０内に循環させる。また、第１冷媒流路２０の途中に、冷却水を冷却するための第１ラジエータ２４を設けている。このようなインタークーラ１８により、次に説明する加湿器２６や燃料電池スタック１２の内部に過度に温度上昇した空気が送られないようにしている。

インタークーラ１８を通過した後の空気は、加湿器２６で加湿するようにしている。加湿器２６は、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出流路２８に排出される空気系の排出ガス（以下、「空気オフガス」とする。）に含まれる水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、空気を加湿する役目を果たす。例えば、加湿器２６は、多数の中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なるガスが供給された場合に、水分含有量の多いガス中の水分が中空糸膜を通過するようにして、水分含有量の少ないガスに水分を与える。そして、酸化ガス供給流路１４を流れる加湿器２６で加湿した空気を、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に供給するようにしている。

燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出流路２８を通じて排出され、加湿器２６を介して希釈器３０に送り込み、希釈器３０に送り込まれる後述の水素ガス系排出ガス中の水素濃度を低下させてから、マフラー３２を介して大気に放出される。

また、酸化ガス系排出流路２８の途中で加湿器２６よりもガスの上流側に、圧力調整弁３８を設けている。圧力調整弁３８は、燃料電池スタック１２に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように調整される。

一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために、燃料ガス供給流路４４を設けている。燃料ガス供給装置である高圧水素タンクや、改質反応により水素を生成する改質装置等の、水素ガス供給装置４６から燃料ガス供給流路４４に供給された水素ガスは、圧力調整弁である図示しない減圧弁、燃料ガス系循環経路４８の一部を介して燃料電池スタック１２に供給される。燃料電池スタック１２のアノード側電極側の流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガス系の排出ガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス系循環経路４８を通じて、再度燃料電池スタック１２に戻される。燃料ガス系循環経路４８に、水素ガス系循環ポンプ５０を設けており、水素ガス系循環ポンプ５０で水素ガス系排出ガスを昇圧した後、水素ガス供給装置４６から送られた水素ガスと合流させてから、燃料電池スタック１２に再度送り込む。

また、燃料ガス系循環経路４８に気液分離器５２を設けており、気液分離器５２に燃料ガス系排出流路である排気排水流路５４の上流端を接続している。すなわち、燃料ガス系循環経路４８から排気排水流路５４を分岐させている。気液分離器５２に送られた水素ガス系排出ガスの一部は、気液分離器５２で分離し、捕集した水分とともに、排気排水流路５４を通じて希釈器３０に送り込み、酸化ガス系排出流路２８を通じて送られた空気オフガスと合流させる。排気排水流路５４の途中に排気排水弁であり、電磁弁または機械式弁であるパージ弁５６を設けている。

なお、図１に図示する構成の場合と異なり、排気排水流路５４の途中で、燃料電池スタック１２と気液分離器５２との間等、気液分離器５２とは別の部分から燃料ガス系排出流路を分岐させ、燃料ガス系排出流路に送られた水素ガス系排出ガスをパージ弁を介して希釈器３０に送り込むこともできる。

また、燃料電池スタック１２を冷却するために、燃料電池スタック１２の内部冷媒流路と通じさせた第２冷媒流路５８を設けている。第２冷媒流路５８の途中に、第２の冷却水ポンプ６０と第２ラジエータ６１とを設けている。第２の冷却水ポンプ６０は、冷却水を第２冷媒流路５８に循環させる役目を果たす。

特に、本実施の形態の場合、酸化ガス供給流路１４の途中でインタークーラ１８よりもガスの上流側から、それぞれがインタークーラ前側分岐流路である上流側分岐流路６２と、下流側分岐流路６４とを分岐させている。上流側分岐流路６２の下流側と下流側分岐流路６４の上流側とは、ガス排出流路昇温部である熱交換器６６を介して接続している。

熱交換器６６は、上流側分岐流路６２の上流側から送られた空気により、排気排水流路５４を昇温させる機能を有する。このために、熱交換器６６は、複数の伝熱管（チューブ）と、複数の伝熱管同士の間に配置した複数のフィンとを備える、ラジエータのような構造の外部をケースで覆っている。複数の伝熱管に、排気排水流路５４の上流側から送られた水分および燃料ガス系排出ガスを流す。本実施の形態では、複数の伝熱管が排気排水流路５４の一部となる。また、ケースの内側において、複数の伝熱管と複数のフィンとにより構成するコア部の外側に、上流側分岐流路６２の上流側から送られた空気を通過させ、複数の伝熱管内を流れる流体（水分および燃料ガス系排出ガス）とコア部外側を通過する空気とを熱交換させる。熱交換された空気は下流側分岐流路６４に送られ、熱交換された複数の伝熱管内を流れた流体は、排気排水流路５４の下流側に送られ、希釈器３０で空気オフガスと合流することにより、水素濃度を低下させられた後、マフラー３２を介して大気に排出される。

下流側分岐流路６４に送られた空気は、下流側分岐流路６４と酸化ガス供給流路１４との接続部でエアコンプレッサ１６から送られた空気と合流した後、インタークーラ１８、加湿器２６を介して燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に送られる。なお、上流側分岐流路６２と下流側分岐流路６４とにおいて、空気を図１に矢印で示す方向に流すために、図示しない逆止弁を設けることもできる。

このような本実施の形態の燃料電池システムの場合、エアコンプレッサ１６により圧縮され吐出されることにより温度上昇した空気により、排気排水流路５４の一部である伝熱管を昇温させる熱交換器６６を備える。このため、伝熱管内に水分が存在する場合で、しかも氷点下の環境で使用する場合でも、伝熱管内の凍結を防止できる。また、伝熱管を流れる流体により排気排水流路５４の他の部分も加温でき、排気排水流路５４内の凍結を防止できる。

また、下流側分岐流路６４から酸化ガス供給流路１４に戻される空気は、熱交換器６６での熱交換により温度低下するため、燃料電池スタック１２に送られる空気の過度の温度上昇を有効に防止できるとともに、インタークーラ１８の性能を過度に高くする必要がなくなる。また、インタークーラ１８を条件により省略できる可能性もある。

さらに、熱交換器６６がフィン、伝熱管を備える構造であるため、伝熱管を流れる水分（排水）を、上流側分岐流路６２を通じて送られた空気により温度上昇させやすくでき、水分の沸騰熱伝達により、より積極的に熱交換を行える。

しかも本実施の形態の場合、上流側分岐流路６２を、酸化ガス供給流路１４の加湿器２６よりもガスの上流側から分岐させているため、上流側分岐流路６２、下流側分岐流路６４内を流れる流体の湿度を十分に低くできる。このため、上流側分岐流路６２および下流側分岐流路６４を構成する分岐管の直径が配置空間のスペース上小さくなりやすいのにも関わらず、分岐管の内部が凍結により塞がれるのを、より有効に防止できる。

また、本実施の形態の場合、燃料電池スタック１２に空気を供給するための酸化ガス供給流路１４と、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１６よりもガスの下流側に設けて、空気を冷却するインタークーラ１８と、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１６とインタークーラ１８との間から分岐させた上流側分岐流路６２とを備える。また、インタークーラ１８は、燃料電池スタック１２を冷却する燃料電池スタック１２用の冷却系とは別の冷却系により冷却している。このため、エアコンプレッサ１６により温度上昇し、かつ、インタークーラ１８により冷却していない空気により、排気排水流路５４を加温することができ、排気排水流路５４内の凍結をより有効に防止できる。また、インタークーラ１８を備えていることにより、燃料電池スタック１２や加湿器２６に過度に温度上昇した空気が送られるのを、より有効に防止できる。

また、酸化ガス系排出流路２８に設けた圧力調整弁３８の調整により、エアコンプレッサ１６による空気の圧縮量を大きくし、すなわち圧縮仕事を大きくして、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１６吐出後の空気の温度上昇をより大きくし、排気排水流路５４内の凍結をより有効に防止することもできる。また、酸化ガス供給流路１４の途中に圧力調整弁を設けることにより、この圧力調整弁に圧力調整弁３８と同様の機能、すなわち、排気排水流路５４内の凍結をより有効に防止するための機能を持たせることもできる。

［第２の発明の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の図１に示した第１の実施の形態において、熱交換器６６（図１参照）を設けていない。その代わりに、本実施の形態では、排気排水流路５４を構成する排気排水管６８の一部と、酸化ガス用分岐流路７０を構成する分岐管７２の一部との外周面同士を接触させた状態で結合している。すなわち、本実施の形態では、図１の第１の実施の形態における上流側分岐流路６２と下流側分岐流路６４との代わりに、１本の分岐流路７０を設けている。そして、分岐流路７０の上流端と下流端とを、図１に示した第１の実施の形態での分岐流路６２，６４の接続位置と同様の、酸化ガス供給流路１４の途中で、エアコンプレッサ１６とインタークーラ１８との間に接続している。

そして、図２に一点鎖線で示す範囲部分において、排気排水流路５４を構成する排気排水管６８の一部と分岐流路７０を構成する分岐管７２の一部との外周面同士を接触させた状態で、排気排水管６８と分岐管７２との周囲に５mm程度の厚さのスポンジ等の他の部材（図示せず）を介して、または直接に締め付けたバンド等の締め部材（図示せず）により両管６８，７２を結合して、いわゆる抱き合わせ構造としている。そして、両管６８，７２を熱伝達可能に接触させることにより、分岐流路７０を流れる酸化ガスにより排気排水流路５４を昇温させるガス排出流路昇温部７４を構成している。

このような本実施の形態によれば、ガス排出流路昇温部７４を安価かつ容易に構成できる。その他の構成および作用については、上記の図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明および図示を省略する。

［第３の発明の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態を示している。本実施の形態の場合、上記の図１に示した第１の実施の形態において、インタークーラ１８を省略し、その代わりに、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１６よりもガスの下流側で、加湿器２６よりもガスの上流側に、エアコンプレッサ１６から吐出された空気を、熱交換器用冷却水により温度変化させる熱交換器７６を設けている。また、熱交換器７６用の冷却水は、燃料電池スタック１２の内部に通過させ、燃料電池スタック１２を冷却する燃料電池スタック１２用の冷却水としても使用する。すなわち、上記の第１の実施の形態の場合と異なり、本実施の形態では、熱交換器７６を、燃料電池スタック１２を冷却する燃料電池用冷却系と共通の冷却系により温度変化させている。このような本実施の形態では、熱交換器７６と燃料電池スタック１２との両方に通過させる冷却水を流すための冷媒流路７８を設けるとともに、冷媒流路７８の途中に、冷却水ポンプ８０とラジエータ８２とを設けている。

また、酸化ガス供給流路１４の途中で熱交換器７６よりもガスの下流側から、熱交換器後側分岐流路である上流側分岐流路６２ａと、下流側分岐流路６４ａとを分岐させている。上流側分岐流路６２ａの下流側と下流側分岐流路６４ａの上流側とを、ガス排出流路昇温部である熱交換器６６を介して接続している。

このような本実施の形態の場合、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１６よりもガスの下流側に設けて、空気を温度変化させる熱交換器７６と、酸化ガス供給流路１４の熱交換器７６よりもガスの下流側から分岐させた上流側分岐流路６２ａとを備える。また、熱交換器７６は、燃料電池スタック１２を冷却する燃料電池スタック１２用冷却系と共通の冷却系により温度変化させる。このため、燃料電池スタック１２の発電による温度上昇時に（例えば７０度程度に）温度上昇した冷却水を、そのままの高温で、またはラジエータ８２で、ある程度の高温の温度に温度調整してから、熱交換器７６に通過させることができる。したがって、エアコンプレッサ１６から吐出され、温度上昇した空気を熱交換器７６に通過させることにより、さらに温度上昇させ、その温度上昇した空気を上流側分岐流路６２ａに送ることで、より有効に排気排水流路５４を加温することができる。この結果、排気排水流路５４内の凍結をより有効に防止できる。

また、燃料電池スタック１２の温度が過度に上昇しそうになる場合には、ラジエータ８２で冷却水の温度が所定の温度に低下するように制御する。この場合、ラジエータ８２のファンモータの駆動状態を、制御部である電子制御装置により制御する。その他の構成および作用は、上記の図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

なお、本実施の形態の構成を、上記の図２に示した第２の実施の形態と組み合わせる、すなわち、熱交換器６６を省略する代わりに、排気排水流路５４を構成する排気排水管と、分岐流路を構成する分岐管とを接触させた状態で結合することもできる。

［第４の発明の実施の形態］
図４から図５は、本発明の第４の実施の形態を示している。本実施の形態の場合、上記の図２に示した第２の実施の形態において、ガス排出流路昇温部７４ａでの熱交換性能をより向上させるものである。このために、図４に示す排気排水管６８と分岐管７２とを、図４に一点鎖線で示す範囲部分で面接触させて接合している。図５は、排気排水管６８と分岐管７２との結合部を示す、図４のＡ−Ａ断面図である。図５に示すように、排気排水管６８と分岐管７２との円周方向一部を潰した状態で互いに押し付け合うようにして熱伝達可能に結合している。このために、例えば、排気排水管６８と分岐管７２との内側に、外面の一部に平面部を設けた図示しない中子をそれぞれ挿入し、管６８、７２同士を押し付け合うようにすることで、それぞれの管６８，７２の一部に排気排水管側平面部８４と分岐管側平面部８６とを設ける。そして、両平面部８４，８６同士をろう付けにより接合することで、両管６８，７２を面接触させた状態で接合する。排気排水管６８と分岐管７２とは、例えばステンレス鋼等の金属により構成する。図５に矢印イで示す斜線部分がろう付け部である。そして、分岐管７２の外周面に設けた分岐管側平面部８６と、排気排水管６８の外周面に設けた排気排水管側平面部８４とを面接触させて接合することにより、ガス排出流路昇温部７４ａを構成している。

なお、両管６８，７２の外側に部分円筒面状の凹部を有する２個の型を配置し、凹部にそれぞれの管をはめ込んだ状態で、２個の型を近づけるように変位させることにより、それぞれの管６８，７２の突合せ部に排気排水管側平面部８４と分岐管側平面部８６とを設けることもできる。また、排気排水管６８と分岐管７２とを面接触させた状態でろう付けにより接合した後で、これら両管６８，７２の周囲に、スポンジ等の他の部材を介して、または直接に締め付けたバンド等の締め部材により、両管６８，７２の結合強度をより高くすることもできる。

このような本実施の形態の場合、分岐管７２の外周面に設けた分岐管側平面部８６と、排気排水管６８の外周面に設けた排気排水管側平面部８４とを面接触させて結合することにより、ガス排出流路昇温部７４ａを構成している。このため、ガス排出流路昇温部７４ａの、管７２，６８同士の間での熱伝達部の面積を、上記の図２に示した第２の実施の形態の場合よりも大きくできる。このため、管７２，６８同士の間の熱交換効率を向上させて、分岐管７２を流れる温度上昇した空気により、排気排水流路５４内の凍結をより有効に防止できる。さらに、ガス排出流路昇温部７４ａを含めた管７２，６８の組み付け性を、上記の図２に示した第２の実施の形態の場合よりも向上できる。すなわち、平面部８４，８６同士の面接触により、管７２，６８同士の結合位置の位置ずれを防止しつつ、両管７２，６８を結合する作業を、より容易に行える。その他の構成および作用は、上記の図２に示した第２の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

なお、本実施の形態の構成を、上記の図３に示した第３の実施の形態と組み合わせる、すなわち、第３の実施の形態で熱交換器６６（図３）を省略する代わりに、排気排水流路５４を構成する排気排水管６８と、分岐流路７０を構成する分岐管７２とを、図４から図５に示すようにして面接触させた状態で結合することもできる。また、管６８，７２同士をろう付け接合せず、単にバンド等の締め部材により平面部８４，８６同士を面接触させた状態で結合することもできる。

本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態において、ガス排出流路昇温部を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態において、ガス排出流路昇温部を示す図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池スタック、１４ 酸化ガス供給流路、１６ エアコンプレッサ、１８ インタークーラ、２０ 第１冷媒流路、２２ 第１の冷却水ポンプ、２４ 第１ラジエータ、２６ 加湿器、２８ 酸化ガス系排出流路、３０ 希釈器、３２ マフラー、３８ 圧力調整弁、４４ 燃料ガス供給流路、４６ 水素ガス供給装置、４８ 燃料ガス系循環経路、５０ 水素ガス系循環ポンプ、５２ 気液分離器、５４ 排気排水流路、５６ パージ弁、５８ 第２冷媒流路、６０ 第２の冷却水ポンプ、６１ 第２ラジエータ、６２，６２ａ 上流側分岐流路、６４，６４ａ 下流側分岐流路、６６ 熱交換器、６８ 排気排水管、７０ 分岐流路、７２ 分岐管、７４、７４ａ ガス排出流路昇温部、７６ 熱交換器、７８ 冷媒流路、８０ 冷却水ポンプ、８２ ラジエータ、８４ 排気排水管側平面部、８６ 分岐管側平面部。

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを排出するための燃料ガス系排出流路と、
   ガス圧縮機により圧縮され吐出されることにより温度上昇した酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させるガス排出流路昇温部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   ガス圧縮機から吐出された後の酸化ガスが流れる酸化ガス用配管を備え、
   ガス排出流路昇温部は、酸化ガス用配管の外周面に設けた酸化ガス用配管側平面部と、燃料ガス系排出流路を構成する排出管の外周面に設けた排出管側平面部とを面接触させて結合することにより構成していることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、
   酸化ガス供給流路のガス圧縮機よりもガスの下流側に設けられ、酸化ガスを冷却するインタークーラと、
   酸化ガス供給流路のガス圧縮機とインタークーラとの間から分岐させたインタークーラ前側分岐流路と、
   を備え、
   インタークーラは、燃料電池を冷却する燃料電池用冷却系とは別の冷却系により冷却するものであり、
   ガス排出流路昇温部は、インタークーラ前側分岐流路内を流れる酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、
   酸化ガス供給流路のガス圧縮機よりもガスの下流側に設けられ、酸化ガスを温度変化させる熱交換器と、
   酸化ガス供給流路の熱交換器よりもガスの下流側から分岐させた熱交換器後側分岐流路と、
   を備え、
   熱交換器は、燃料電池を冷却する燃料電池用冷却系と共通の冷却系により温度変化させるものであり、
   ガス排出流路昇温部は、熱交換器後側分岐流路内を流れる酸化ガスにより燃料ガス系排出流路を昇温させることを特徴とする燃料電池システム。

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