JP2008171660A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両の姿勢に係わらず燃料電池スタックから水を確実に回収することができ、燃料電池スタックへの酸化剤の供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができ、システム全体を小型化することができるようにする。
【解決手段】燃料電池スタックと、酸化剤出口からの酸化剤とともに排出される水を貯留する酸化剤排出室と、酸化剤排出室から水を回収する水回収装置とを有し、酸化剤排出室の水の溜まる部位を検出し、水を回収するように水回収装置を制御する制御装置を有する。
【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。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持する必要があるので、空気流路に水を供給することによって固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−３０２６５５号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、特に車両に搭載される場合、道路の傾斜等によって車両の姿勢が変化するので、車両の姿勢によっては、空気流路に供給した水を適切に回収することができなくなってしまう。

図２は従来の車両に搭載された燃料電池スタックを示す模式平面図、図３は従来の車両に搭載された燃料電池スタックを示す模式側面図である。

図において、１０１は図示されない車両に搭載された燃料電池スタックであり、１０２は該燃料電池スタック１０１を収容するスタックケースである。なお、図において、左側が車両の進行方向前側であり、右側が車両の進行方向後側である。そして、前記スタックケース１０２の上部には、空気導入ダクト１０３が接続された空気供給室１０４が形成され、図示されない送風機から空気導入ダクト１０３を通して供給された空気が燃料電池スタック１０１の各部に分配して供給される。なお、矢印１１０は、空気の流れを示している。また、前記スタックケース１０２の下部には、空気排出ダクト１０６が接続された空気排出室１０５が形成され、燃料電池スタック１０１を通過した空気は、空気排出ダクト１０６を通って大気に排出される。

そして、前記空気供給室１０４の天井には水を供給するノズル１０９が配設され、該ノズル１０９から噴射された水が拡散して、空気とともに燃料電池スタック１０１の各部に分配して供給される。また、前記空気排出室１０５の底部には水を回収する水回収管路１０７が接続され、空気とともに燃料電池スタック１０１を通過した水は、空気排出室１０５の底部に溜（た）まった後、水ポンプ１０８によって水回収管路１０７を通って、図示されない水タンクに送り込まれる。なお、空気排出室１０５の底部は、水を溜めて回収しやすくするために、図に示されるように、傾斜が設けられている。

しかし、燃料電池スタック１０１は、車両に搭載される場合、乗員が搭乗する客室や荷物を搭載する荷室のスペースを確保するために、床下又はボンネット内に搭載される。この場合、車両の床下やボンネット内の寸法に限りがあるので、空気供給室１０４や空気排出室１０５の容積を大きくすることができず、特に、空気供給室１０４や空気排出室１０５の上下方向の寸法を大きくすることが困難である。そのため、空気排出室１０５の底部の傾斜を急にすることができず、車両の姿勢が変化すると、水が水回収管路１０７の接続部分に集まらずに、水を適切に回収することができないことがある。

例えば、道路が上り坂である場合、車両の進行方向前側（図における左側）が上昇するので、空気排出室１０５の底部に溜まった水は、車両の進行方向後側（図における右側）に移動する。そのため、水が水回収管路１０７に流入せず、水タンクに戻らなくなる。その結果、水タンク内の水を再利用できなくなってしまう。また、空気排出室１０５の底部に溜まった水によって空気の流れが阻害されるので、燃料電池スタック１０１に十分な空気を供給することができず、性能低下を引き起こしてしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、車両の姿勢に係わらず燃料電池スタックから水を確実に回収することができ、燃料電池スタックへの酸化剤の供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができ、システム全体を小型化することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続され、前記酸化剤流路の酸化剤入口及び酸化剤出口が各セパレータに形成された燃料電池スタックと、前記酸化剤出口からの酸化剤とともに排出される水を貯留する酸化剤排出室と、該酸化剤排出室から水を回収する水回収装置とを有し、前記酸化剤排出室の水の溜まる部位を検出し、水を回収するように水回収装置を制御する制御装置を有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水回収装置は、前記酸化剤排出室の複数の部位に配設された開口部を備える水回収管路、前記開口部を開閉する蓋（ふた）部材、及び、前記水回収管路に配設された水回収ポンプを備え、前記蓋部材は、水の溜まる部位に配設された開口部を開放し、水の溜まらない部位に配設された開口部を閉止する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記蓋部材は、水の溜まる部位においては浮力によって開口部を開放し、水の溜まらない部位においては自重によって開口部を閉止する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記開口部に近接して配設された水位センサの検出信号に基づいて酸化剤排出室の水の溜まる部位の変化を判断し、水の溜まる部位に配設された開口部を開放させる。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、酸化剤排出室の水の溜まる部位が変化したと判断すると、前記水回収ポンプを一旦（たん）停止させた後に運転させる。

請求項１の構成によれば、車両の姿勢に係わらず燃料電池スタックから水を確実に回収することができる。そのため、酸化剤流路への酸化剤の供給が阻害されることがなく、燃料電池の性能低下を防止することができる。また、効率よく水を回収することができ、燃料電池が安定的に発電をすることができる。さらに、酸化剤排出室を大型化する必要がなく、燃料電池システム全体を小型化及び低コスト化することができる。

請求項２の構成によれば、水の溜まらない部位に配設された開口部を蓋部材が閉止するので、酸化剤中の塵埃（じんあい）等の異物が開口部から水回収管路内に流入することを防止することができる。また、水回収ポンプが酸化剤を吸い込むことがないので、水回収ポンプの吸引力が向上する。したがって、酸化剤排出室に貯留された水を効果的に回収することができる。

請求項３の構成によれば、簡単な構成でありながら、開口部を確実に開閉することができ、酸化剤排出室に貯留された水を確実に回収することができる。

請求項４の構成によれば、車両の姿勢の変化を適確に判断することができ、車両の姿勢に応じた酸化剤排出室の部位から水を効果的に回収することができる。

請求項５の構成によれば、水の溜まる部位における蓋部材が浮力によって開口部を開放することができ、車両の姿勢に応じた酸化剤排出室の部位から水を効果的に回収することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、１１は燃料電池装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と後述される蓄電手段としてのキャパシタユニット６３とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを移動する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、複数の後述されるセルモジュール７１を有する。該セルモジュール７１は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスの流路としての水素ガス流路とカソードガスの流路としての空気流路とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール７１は、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。

この場合、セルモジュール７１は、導電可能に、かつ、燃料流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。

そして、単位セルは、固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、酸化剤流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。

図には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段２１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段２１から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２２、及び、該第１燃料供給管路２２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２２には、燃料貯蔵手段元開閉弁２３、第１圧力センサ２７ａ、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６及び第３圧力センサ２７ｃが配設される。また、前記第１燃料供給管路２２には、第２燃料圧力調整弁２５ｂをバイパスするバイパス管路２２ａが接続され、該バイパス管路２２ａには第２圧力センサ２７ｂ及び起動用電磁弁２６ａが配設される。

この場合、前記燃料貯蔵手段２１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図に示される例においては、燃料貯蔵手段２１が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２２は、各燃料貯蔵手段２１に接続される部分で複数本に分割され、途中で合流して１本になっている。前記燃料貯蔵手段２１は、単数であってもよいし、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。

そして、燃料電池スタック１１の水素ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第１燃料排出管路３０を通って燃料電池スタック１１外に排出される。前記第１燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第１燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。さらに、前記第１燃料排出管路３０における燃料電池スタック１１と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の水素ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記第１燃料排出管路３０における燃料電池スタック１１と吸引循環ポンプ３６との間には、第２燃料排出管路３８が接続され、該第２燃料排出管路３８には水素起動排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第２燃料排出管路３８の出口端は排気マニホールド１３に接続されている。

さらに、前記第１燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、他端が前記第２燃料排出管路３８に接続された第３燃料排出管路３８ａが接続されている。そして、該第３燃料排出管路３８ａには、燃料電池スタック１１内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁３７ａが配設されている。また、前記第１燃料排出管路３０には、外気導入電磁弁３５及びエアフィルタ３５ａが接続され、燃料電池スタック１１の停止時に外気を導入することができるようになっている。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、起動用電磁弁２６ａ、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２３は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ５３を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン５１に吸引され、該空気供給ファン５１から、空気供給管路５２及び吸気マニホールド１２を通って、燃料電池スタック１１の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン５１は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ５３は、空気に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド１３、凝縮器１４、出口側排気マニホールド５４及び排気口５５を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド１３には燃料電池スタック１１から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器５６が配設され、出口側排気マニホールド５４には凝縮器１４から排出された直後の空気の温度を検出する凝縮器排気温度検出器５７が配設されている。

また、前記空気供給管路５２には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル４７が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド１３の端部に配設された凝縮器１４は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器１４によって凝縮された水は凝縮水排出管路４１を通って水タンク４３に回収される。なお、前記凝縮水排出管路４１には水回収ポンプ４２が配設され、前記水タンク４３にはレベルゲージ４５が取り付けられている。

そして、前記水タンク４３内の水は、給水管路４６を通って水供給ノズル４７に供給される。なお、前記給水管路４６には、給水ポンプ４４が配設されている。ここで、前記水回収ポンプ４２及び給水ポンプ４４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路４１、水回収ポンプ４２、水タンク４３、給水ポンプ４４及び給水管路４６は、水循環システムとして機能する。

さらに、燃料電池スタック１１の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置６１、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット６３が並列に接続されている。該キャパシタユニット６３は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、インバータ装置６１は、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３が並列に接続されて、前記インバータ装置６１に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック１１が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６１に電流が自動的に供給される。

なお、６２は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を備えるＩＧＢＴユニットであり、キャパシタユニット６３の充電を制御する制御回路である。

そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット６３に供給され、該キャパシタユニット６３が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記キャパシタユニット６３が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック１１が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット６３に供給される。

このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット６３が常時充電され、前記燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６１に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン５１、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、水回収ポンプ４２、給水ポンプ４４等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、前記燃料電池スタック１１の構成を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式平面図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池スタックを示す模式側面図、図６は本発明の実施の形態における空気排出室の要部拡大側面図である。

図１に示されるように、燃料電池スタック１１は、積層された複数、例えば、１０個のセルモジュール７１、積層されたセルモジュール７１を両側から挟み込むエンドプレート７２、該エンドプレート７２を結合する締付ロッド７３及び該締付ロッド７３の両端に螺（ら）合された締付ナット７４を備える。そして、前記燃料電池スタック１１は、スタックケース８１内に収容される。なお、該スタックケース８１の上部は、酸化剤流路の酸化剤入口に酸化剤を供給するための酸化剤供給室として機能する空気供給管路５２及び吸気マニホールド１２から成り、その内部には水供給ノズル４７が配設されている。また、前記スタックケース８１の下部には排気マニホールド１３が接続されている。なお、前記スタックケース８１の下部は、燃料電池スタック１１の酸化剤流路の酸化剤出口から空気を排出する酸化剤排出室としての空気排出室８２として機能する。該空気排出室８２には、燃料電池スタック１１の酸化剤流路から排出された水が貯留される。

そして、空気排出室８２には、水回収ポンプ４２を介して凝縮水排出管路４１が接続されており、空気排出室８２に貯蔵された水が水回収ポンプ４２によって水タンク４３内に送水されるようになっている。ここで、空気排出室８２は、矩（く）形の底面を有する薄型の箱状に形成されており、凝縮水排出管路４１は、空気排出室８２の四隅、すなわち、前後左右の各隅に開口部８４ａを臨ませて分岐した水回収管路８４を備えている。

また、空気排出室８２に貯留された水を余すところなく回収するという観点から、水回収管路８４は空気排出室８２におけるできる限り低い部位に接続されることが望ましく、水回収管路８４の開口部８４ａも空気排出室８２内におけるできる限り低い部位に位置することが望ましい。図６に示される例において、水回収管路８４は、空気排出室８２の底面に接するようにしてその側壁を貫通し、開口部８４ａが上を向いて空気排出室８２の底面と平行になっている。空気排出室８２の底面から開口部８４ａまでの高さは、該高さ未満に水位８６が低下すれば、空気排出室８２内の空気の流れが空気排出室８２に貯留された水によって阻害されず、燃料電池スタック１１の発電に影響がない程度に設定される。

なお、前記開口部８４ａには、開閉動作を行う蓋部材８５が回動可能に取り付けられている。該蓋部材８５は、それ自体の浮力によって回動することにより、開口部８４ａを開閉するものであり、フロート付きの弁として機能する。

そのため、図６（ａ）に示されるように、空気排出室８２に貯留された水の水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上である場合、蓋部材８５は、浮力によって上方に回動し、空気排出室８２の底面に対して傾斜し、開口部８４ａを開放する。これにより、空気排出室８２に貯留された水は、開口部８４ａから水回収管路８４内に流入することができる。また、図６（ｂ）に示されるように、空気排出室８２に貯留された水の水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満である場合、蓋部材８５は、自重によって下方に回動して、空気排出室８２の底面と平行になり、開口部８４ａを閉止する。これにより、空気中の塵埃等の異物が開口部８４ａから水回収管路８４内に流入することを防止することができる。

また、各開口部８４ａに近接した部位には、空気排出室８２に貯留された水の水位８６を検出する水位センサ８３が配設されている。前述のように、図１に示される例においては、水回収管路８４が空気排出室８２の前後左右の各隅に接続されているので、水位センサ８３も空気排出室８２の前後左右の各隅に配設されている。これにより、空気排出室８２の前後左右の各隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上であるか否か、すなわち、水があるか否かを検出することができる。

燃料電池スタック１１が搭載されている車両の姿勢が変化すると、燃料電池スタック１１の姿勢も変化して空気排出室８２の底面の角度が変化する。そして、空気排出室８２の前後左右の各隅の内で最も低くなる隅に水が集中するので、当該隅における水位８６が上昇し、他の隅における水位８６が下降する。したがって、空気排出室８２の前後左右の各隅における水位８６を検出することによって、燃料電池スタック１１の姿勢、ひいては、車両の姿勢を検出することができる。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

図７は本発明の実施の形態における燃料電池スタックが傾いた状態を示す模式側面図、図８は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの動作を示すフローチャートである。

ここでは、燃料電池システムの定常運転時に車両の姿勢が変化した場合の動作について説明する。

まず、空気排出室８２の前後左右の各隅に配設された各水位センサ８３は、空気排出室８２に貯留された水の水位８６を検出する。すなわち、空気排出室８２の前後左右の各隅における水の有無を検出する（ステップＳ１）。そして、制御装置は、各水位センサ８３の検出信号に基づいて、水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上である場所が変化したか否かを判断する。すなわち、水検出箇所が変わったか否かを判断する（ステップＳ２）。

例えば、図７に示されるように、道路が上り坂となって車両の進行方向前側（図における左側）が上昇すると、空気排出室８２に溜まった水が車両の進行方向後側（図における右側）に移動するので、Ａで示される空気排出室８２の隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上となり、Ｂで示される空気排出室８２の隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満となる。また、道路が下り坂となって車両の進行方向前側が下降すると、Ａで示される空気排出室８２の隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満となり、Ｂで示される空気排出室８２の隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上となる。同様に、道路が横方向に傾斜していて車両が進行方向左右いずれかに傾斜すると、空気排出室８２の右又は左隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満となり、空気排出室８２の左又は右隅における水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上となる。

このような場合、制御装置は、水検出箇所が変わったものと判断する。そして、水検出箇所が変わらないと判断すると、再度、空気排出室８２に貯留された水の水位８６を検出して、前述の動作を繰り返す。

また、水検出箇所が変わったと判断すると、水回収口の蓋の開閉異常検出を行う。この場合、制御装置は、空気排出室８２の各隅における水位８６と水回収口の蓋としての蓋部材８５の姿勢とに基づいて、蓋部材８５の開閉異常を検出する（ステップＳ３）。すなわち、水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満となっている隅に配設されている蓋部材８５が自重によって回動して下方に位置していない場合には、異常を検出したものと判断する。なお、蓋部材８５の位置が下方であるか否かは、例えば、蓋部材８５の自由端と開口部８４ａの周縁との接触又は非接触を検出するセンサによって検出することができる。

続いて、制御装置は、蓋部材８５の開閉異常を検出したか否かを判断し（ステップＳ４）、検出していない場合には、水回収ポンプ４２を停止させる（ステップＳ５）。すると、該水回収ポンプ４２が運転することによって発生する蓋部材８５を開口部８４ａに吸引する力が消滅する。

図６（ｂ）に示されるように、蓋部材８５が開口部８４ａを閉止している状態で水回収ポンプ４２が運転を継続すると、水回収管路８４中の水や空気が水回収ポンプ４２によって排出されるので、水回収管路８４中が負圧となり、蓋部材８５を開口部８４ａに吸引する。そのため、水回収ポンプ４２の運転を継続させたままにすると、水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上となって蓋部材８５に浮力が生じても、該蓋部材８５は、上方に回動せず、開口部８４ａを開放しない。しかし、前述のように、水回収ポンプ４２を停止させると、蓋部材８５を開口部８４ａに吸引する力が消滅するので、水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上に変化した隅における蓋部材８５は、浮力によって上方に回動して開口部８４ａを開放する。なお、水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満に変化した隅、及び、水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満のままで変化しない隅における蓋部材８５は、浮力が生じないので、水回収ポンプ４２を停止させても、開口部８４ａを開放しない。

続いて、制御装置は、水回収ポンプ４２を運転させる（ステップＳ６）。なお、水回収ポンプ４２を停止させてから運転させるまでの時間は、蓋部材８５を開口部８４ａに吸引する力が一旦消滅する程度の時間でよい。これにより、水位８６が開口部８４ａまでの高さ以上に変化した隅の開口部８４ａからは、水が水回収管路８４に流入し、水回収ポンプ４２によって水タンク４３内に送水され、回収される。したがって、空気排出室８２に貯留された水は、確実に回収され、空気排出室８２内の空気の流れが空気排出室８２に貯留された水によって阻害されず、燃料電池スタック１１の発電に影響することがない。

一方、水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満の隅における蓋部材８５は、開口部８４ａに吸引されているので、車両の振動等の外力が加えられても、開口部８４ａを開放することがない。したがって、空気中の塵埃等の異物が開口部８４ａから水回収管路８４内に流入することを防止することができる。また、水位８６が開口部８４ａまでの高さ未満の隅における蓋部材８５が閉止しているため、水回収ポンプ４２が空気を吸い込むことがないので、水回収ポンプ４２の吸引力が向上する。したがって、空気排出室８２に貯留された水を効果的に回収することができる。

そして、制御装置は、燃料電池システムの定常運転中、前述の動作を繰り返して行う。なお、蓋部材８５の開閉異常を検出したか否かを判断し、検出した場合、制御装置は燃料電池システムを停止させる（ステップＳ７）。

このように、本実施の形態においては、車両の姿勢を検出し、車両の姿勢に対応して空気排出室８２において水の溜まる部位から水を排出するようになっている。これにより、車両の姿勢に係わらず燃料電池スタック１１から水を確実に回収することができる。そのため、燃料電池スタック１１への空気の供給が阻害されることがなく、燃料電池スタック１１の性能低下を防止することができる。また、効率よく水を回収することができ、燃料電池スタック１１が安定的発電することができる。さらに、スタックケース８１を大型化する必要がなく、燃料電池システム全体を小型化することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば、制御装置は、水回収ポンプを停止させてから運転させるまでの時間を蓋部材８５を開口部８４ａに吸引する力が一旦消滅する程度の時間に設定されているが、各蓋部材８５に開閉センサを設け、蓋部材８５が開いている時を検知して水回収ポンプ４２を運転させてもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式平面図である。 従来の車両に搭載された燃料電池スタックを示す模式平面図である。 従来の車両に搭載された燃料電池スタックを示す模式側面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックを示す模式側面図である。 本発明の実施の形態における空気排出室の要部拡大側面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックが傾いた状態を示す模式側面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 燃料電池スタック
４２ 水回収ポンプ
４７ 水供給ノズル
５２ 空気供給管路
８２ 空気排出室
８３ 水位センサ
８４ 水回収管路
８４ａ 開口部
８５ 蓋部材

Claims (5)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続され、前記酸化剤流路の酸化剤入口及び酸化剤出口が各セパレータに形成された燃料電池スタックと、
   前記酸化剤出口からの酸化剤とともに排出される水を貯留する酸化剤排出室と、
   該酸化剤排出室から水を回収する水回収装置とを有する燃料電池システムであって、
   前記酸化剤排出室の水の溜まる部位を検出し、水を回収するように水回収装置を制御する制御装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水回収装置は、前記酸化剤排出室の複数の部位に配設された開口部を備える水回収管路、前記開口部を開閉する蓋部材、及び、前記水回収管路に配設された水回収ポンプを備え、前記蓋部材は、水の溜まる部位に配設された開口部を開放し、水の溜まらない部位に配設された開口部を閉止する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記蓋部材は、水の溜まる部位においては浮力によって開口部を開放し、水の溜まらない部位においては自重によって開口部を閉止する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記開口部に近接して配設された水位センサの検出信号に基づいて酸化剤排出室の水の溜まる部位の変化を判断し、水の溜まる部位に配設された開口部を開放させる請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、酸化剤排出室の水の溜まる部位が変化したと判断すると、前記水回収ポンプを一旦停止させた後に運転させる請求項４に記載の燃料電池システム。

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