JP2009129814A

JP2009129814A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009129814A
Application number: JP2007305746A
Authority: JP
Inventors: Makoto Wada; 信和田; Kazunori Fukuma; 一教福間; Kazuyoshi Miyajima; 一嘉宮島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP5065866B2

Abstract

【課題】燃料ガスと燃料オフガスとの混合ガスを、燃料ガス流路に好適に導入させつつ、燃料ガス流路に掃気ガスを好適に導入可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１０と、水素タンク２１と、アノード流路１５に供給される水素が通る水素供給通路と、アノード流路１５から排出されたアノードオフガスを、水素供給通路に戻すアノードオフガス戻り通路と、水素供給通路に設けられ、アノードオフガスをアノード流路１５に向かう水素に合流させるエゼクタ３０と、アノード流路１５を掃気するための掃気ガスを供給するコンプレッサ５１と、エゼクタ３０のディフューザ３４の外側に、ディフューザ３４とで二重管構造を構成するように配置されると共に、下流端４０ｂがアノード流路１５の入口１５ａに接続され、かつ、掃気ガスが導入される掃気ガス導入孔４０ｃを有する掃気ガス導入管４０と、を備える燃料電池システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。

このような燃料電池のアノードからは、発電に寄与しなかった未反応の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）が排出される。そこで、水素の有効利用を図るため、アノードオフガスを燃料電池の上流に戻し、エゼクタを利用して、燃料電池に再供給する技術が提案されている（特許文献１参照）。

また、燃料電池が発電するとカソードで水（水蒸気）を生成し、さらに、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素、空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿される。したがって、燃料電池内、これに付随する機器内、これらを接続する配管内は、多湿となるので、発電停止後における燃料電池等内の凍結を防止するため、燃料電池等内を掃気する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−１８００１０号公報（図１）

ところが、特許文献１では、エゼクタのディフューザ部と、燃料電池の燃料ガス流路の入口とが離れているため、エゼクタで水素とアノードオフガスとが混合されることで生成した混合ガスが、燃料ガス流路に導入されにくく、アノードオフガスに含まれる水蒸気等が、燃料ガス流路の入口に溜まってしまう虞があった。

これを解決するため、エゼクタのディフューザ部を燃料電池に直接取り付けてしまうと、エゼクタの上流側に掃気ガスの入口を形成しなければならず、このように上流側に掃気ガスの入口を形成すると、掃気ガスがエゼクタのノズル等を経由することになり、ノズル等において大きな圧力損失を受けるという不都合がある。

そこで、本発明は、水素タンク等からの燃料ガスと、燃料電池から排出された燃料オフガスとの混合ガスを、燃料ガス流路に好適に導入させつつ、燃料ガス流路に掃気ガスを好適に導入可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスが通る燃料ガス供給通路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスを、前記燃料ガス供給通路に戻す燃料オフガス戻り通路と、前記燃料ガス供給通路に設けられ、前記燃料オフガス戻り通路で戻される燃料オフガスを、前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスに合流させるエゼクタと、前記燃料ガス流路を掃気するための掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記エゼクタのディフューザ部の外側に、当該ディフューザ部とで二重管構造を構成するように配置されると共に、下流端が前記燃料ガス流路の入口に接続され、かつ、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが導入される掃気ガス導入部を有する掃気ガス導入管と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池を掃気する場合、掃気ガス供給手段からの掃気ガスは、掃気ガス導入部を介して、掃気ガス導入管内に直接導入された後、掃気ガス導入管内を流れ、燃料電池の燃料ガス流路に向かう。すなわち、掃気ガス供給手段からの掃気ガスは、燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するエゼクタのノズルを通らずに、掃気ガス導入管内に導入され、燃料ガス流路に向かう。

これにより、掃気ガスは、エゼクタのノズルにおいて圧力損失を受けることなく、燃料ガス流路に導入されるので、掃気ガス供給手段（後記する実施形態ではコンプレッサ）が余計な負荷を受けずに作動しつつ、掃気ガスを大流量で燃料ガス流路に導入することができる。よって、燃料ガス流路、及びその下流側の配管等の掃気時間を短縮できる。
なお、燃料ガス流路の掃気とは、掃気ガスを用いて、燃料ガス流路内の水分等を、燃料電池の外部に押し出すことであり、掃気ガスとしては、例えば、後記する実施形態のようにコンプレッサからの空気や、窒素が利用される。

また、エゼクタのディフューザ部と、燃料ガス流路の入口との距離を短くすることができる。そして、このように距離を短くすると、燃料ガス供給手段からの燃料ガスと、燃料オフガス戻り通路からの燃料オフガスとがディフューザ部で混合されることで生成したガスが、燃料ガス流路に導入されやすくなる。これにより、燃料オフガスに同伴する水（水蒸気、結露水等）が、燃料ガス流路の入口部分で溜まることを防止できる。

また、前記掃気ガス導入管の下部には、当該掃気ガス導入管内の水を抜くための水抜き孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、掃気ガス導入管の鉛直方向下部に形成された水抜き孔によって、掃気ガス導入管内の水を抜くことができる。すなわち、燃料電池の発電によって生成した生成水（水蒸気等）が、掃気ガス導入管内で溜まったとしても、この生成水を水抜き孔を介して、掃気ガス導入管外に排出することができる。これにより、掃気ガス導入管の内面と、燃料ガス流路を囲む面とを跨ぐように、生成水が溜まることは防止され、溜まった生成水を介して燃料電池の発電電力が液絡（短絡）することを防止できる。

また、前記燃料オフガス戻り通路に設けられ、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスに含まれる水分を分離させる気液分離器を備え、前記水抜き孔の下流は、前記気液分離器に接続されていることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、掃気ガス導入管内の水を、水抜き孔を介して、気液分離器に排出することができる。

また、前記水抜き孔の下流は、前記エゼクタにおける合流前の燃料オフガスが通る通路、及び、前記エゼクタのディフューザ部内、の少なくとも一方に接続されていることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、水抜き孔の下流が、エゼクタにおける合流前の燃料オフガスが通る通路、及び／又は、エゼクタのディフューザ部内に接続されているので、燃料オフガス及び／又はディフューザ部内のガスの流れによって、掃気ガス導入管内の水を吸引し、抜き出すことができる。
そして、このように水抜き孔を介して抜き出された水は、燃料ガス等と共に燃料ガス流路に導入される。これにより、燃料電池の電解質膜（固体高分子膜）が加湿不足となることを防止でき、燃料電池の発電性能を高めることができる。

また、前記水抜き孔における水の入口は、前記掃気ガス導入管の前記燃料電池側に配置されていることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、水抜き孔における水の入口は、掃気ガス導入管の前記燃料電池側に配置されているので、燃料ガス流路の入口部分や、掃気ガス導入管の燃料ガス流路の入口側に溜まる水を、水抜き孔を介して抜き出すことができ、燃料電池の液絡を好適に防止できる。
また、燃料電池システムが、例えば後記するように燃料電池自動車に搭載された場合において、燃料電池が低くなるように傾き、掃気ガス導入管内の水が、燃料ガス流路側に流れたとしても、この水は水抜き孔を介して抜き出され、燃料ガス流路に流入することを防止できる。

本発明によれば、水素タンク等からの燃料ガスと、燃料電池から排出された燃料オフガスとの混合ガスを、燃料ガス流路に好適に導入させつつ、燃料ガス流路に掃気ガスを好適に導入可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図２を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、図２に示すように、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１を積層し、その両端を一対のエンドプレート１２（図２では一方を示す）で挟持することで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。一対のエンドプレート１２は、例えば、ボルト等の締結手段によって相互に締結されている。

単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータ及びエンドプレート１２には、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため軸方向（積層方向）に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１５（燃料ガス流路）として機能している。
なお、図２では、アノード流路１５の入口１５ａ側、つまり、アノード流路１５を構成する水素導入側の内部マニホールドの入口側を記載している。また、エンドプレート１２に形成されたアノード流路１５の入口１５ａ部分の内径は、図２に示すように、後記する掃気ガス導入管４０の内径と対応して、外側に向かって段違いで拡径している。

カソードセパレータ及びエンドプレート１２には、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため軸方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１６（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１５を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１６を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、エゼクタ３０と、掃気ガス導入管４０と、圧力センサ２２と、気液分離器２３とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、エゼクタ３０、掃気ガス導入管４０を介して、アノード流路１５の入口１５ａに接続されている（図２参照）。配管２１ａには、常閉型の遮断弁、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（ともに図示しない）が設けられている。そして、燃料電池システム１を制御する図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって、前記遮断弁が開かれると、水素タンク２１の水素がアノード流路１５に供給されるようになっている。圧力センサ２２は、アノード流路１５のガス圧力を検出可能なように、掃気ガス導入管４０に取り付けられている（図２参照）。

よって、本実施形態では、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）からアノード流路１５（燃料ガス流路）に供給される水素が通る水素供給流路（燃料ガス供給流路）は、配管２１ａと、掃気ガス導入管４０とを備えて構成されている。そして、エゼクタ３０は、配管２１ａ等から構成される水素供給流路上に設けられている。

次に、アノード流路１５の下流について説明する。
アノード流路１５の出口には、配管２３ａ、気液分離器２３、配管２３ｂ、逆流を防止する逆止弁２４、配管２４ａが順に接続されており、配管２４ａの下流端はエゼクタ３０に接続されている。

そして、アノード流路１５から排出された発電に寄与しなかった未反応の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管２３ａ、気液分離器２３、配管２３ｂ、逆止弁２４、配管２４ａを順に通って、エゼクタ３０に戻され、エゼクタ３０において、水素タンク２１からの水素と混合された後、再びアノード流路１５に供給されるようになっている。その結果、水素がアノード流路１５を経由して循環し、水素の有効利用が図られている。

よって、本実施形態では、アノード流路１５（燃料ガス流路）から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を、前記水素供給流路に戻すアノードオフガス戻り通路（燃料オフガス戻り通路）は、配管２３ａと、配管２３ｂと、配管２４ａとを備えて構成されている。そして、気液分離器２３は、配管２３ａ等から構成されるアノードオフガス戻り通路上に設けられている。

気液分離器２３は、アノードオフガスから水蒸気（水分）を分離するための機器であって、例えば、その内部に低温冷媒が通流する冷媒管を備えている。そして、アノードオフガスが、この低温冷媒と熱交換することで、前記水蒸気が凝縮して凝縮水を生成し、その結果、アノードオフガスから水蒸気が分離されるようになっている。次いで、水蒸気が分離されたアノードオフガスは、配管２３ｂに流入するようになっている。

一方、凝縮水は、一時的に、気液分離器２３のタンク部（図示しない）に貯溜されるようになっている。そして、ドレン弁２５が開かれると、タンク部の凝縮水が、配管２５ａ、配管２５ｂを介して、後記する希釈器５２に排出されるようになっている。

また、配管２３ｂの途中は、配管２６ａ、パージ弁２６、配管２６ｂを介して、希釈器５２に接続されている。パージ弁２６は、常閉型の弁であって、単セル１１の電圧（セル電圧）が低下し、アノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）が多いとＥＣＵが判断した場合、開かれる設定となっている。そして、このようにパージ弁２６が開かれると、不純物を含むアノードオフガスは配管２６ａ、２６ｂを介して、希釈器５２に排出されるようになっている。
なお、パージ弁２６及びドレン弁２５は、燃料電池スタック１０の掃気時には、開かれる設定となっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ５１（酸化剤ガス供給手段）と、希釈器５２とを備えている。
コンプレッサ５１は、配管５１ａを介して、カソード流路１６の入口に接続されており、ＥＣＵ（図示しない）の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１６に供給するようになっている。
なお、コンプレッサ５１は、燃料電池スタック１０の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。また、配管５１ａには、カソード流路１６に向かう空気と、後記する多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、カソード流路１６に向かう空気を加湿するための中空糸膜を備える加湿器（図示しない）が設けられている。ただし、燃料電池スタック１０の掃気時には、コンプレッサ５１からの空気は、この加湿器をバイパスし、非加湿の空気が掃気ガスとして、燃料電池スタック１０に供給されるようになっている。

カソード流路１６の出口には、配管５２ａ、希釈器５２が順に接続されており、カソード流路１６から排出されたカソードオフガスが、希釈器５２に供給されるようになっている。希釈器５２は、パージ弁２６が開かれた場合に導入されるアノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管５２ｂを介して、車外に排出されるようになっている。

＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池スタック１０の掃気時に、コンプレッサ５１からの掃気ガスをアノード系に導く系であり、常閉型の掃気弁６１を備えている。掃気弁６１の上流は、配管６１ａを介して配管５１ａに接続されており、掃気弁６１の下流は、配管６１ｂを介して掃気ガス導入管４０に接続されている（図２参照）。そして、燃料電池スタック１０を掃気する場合、つまり、例えばシステム停止中において、外気温度が０℃未満となり、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある場合、ＥＣＵはコンプレッサ５１を作動すると共に、掃気弁６１を開き、掃気ガスを掃気ガス導入管４０に導入するようになっている。

＜エゼクタ、掃気ガス導入管の具体的構造＞
次に、図２を参照して、エゼクタ３０、掃気ガス導入管４０の具体的構造を説明する。なお、図２において、紙面上が鉛直上方である。

エゼクタ３０は、水素タンク２１からの水素をノズル３２で噴射することで負圧を発生させ、配管２４ａ経由で戻されるアノードオフガスを吸引し、水素タンク２１からの水素とアノードオフガスとを混合する機器である。このようなエゼクタ３０は、基体３１と、基体３１に螺設されたノズル３２と、ノズル３２の中心軸線上を進退するニードル３３と、ノズル３２の外側で基体３１に螺設されたディフューザ３４とを備えている。水素タンク２１からの水素は、配管２１ａから基体３１内の水素通路３１ａを通り、ノズル３２で噴射されるようになっている。

ニードル３３は、圧縮コイルバネ３５によってノズル３２側に付勢されている。そして、ソレノイド３６がＯＦＦされている場合、ニードル３３の基端部３３ａが基体３１に当接し、ニードル３３がソレノイド３６のＯＦＦ位置で配置されるようになっている。このようにニードル３３がＯＦＦ位置にある場合、ニードル３３の先端３３ｂがノズル３２の噴射口３２ａから突出し、噴射口３２ａにおける噴射断面積が小さくなり、噴射される水素の流量が減少するように設計されている。

一方、ソレノイド３６がＯＮされた場合、ニードル３３がノズル３２に対して後退し、ソレノイド３６のＯＮ位置で配置されるようになっている。このようにニードル３３がＯＮ位置にある場合、ニードル３３の先端３３ｂが噴射口３２ａから離間し、噴射口３２ａにおける水素の噴射断面積が大きくなり、噴射される水素の流量が増加するように設計されている。
なお、図２は、ソレノイド３６がＯＦＦされている状態を示している。また、ソレノイド３６は、ＥＣＵ（図示しない）によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。

ディフューザ３４は、その中心軸線上に水素流路３４ａを有すると共に、その下流側に向かって、略円形の水素流路３４ａの断面積が徐々に縮径する縮径部３４ｂと、断面積が最小となるスロート部３４ｃと、断面積が徐々に拡径する拡径する拡径部３４ｄと、を備えている。縮径部３４ｂには、周方向において複数（例えば８つ）のアノードオフガス導入孔３４ｅが形成されている。

そして、パージ弁２６（図１参照）が閉じた状態において、水素タンク２１からの水素が、ノズル３２から噴射されると、縮径部３４ｂ内で負圧が発生するようになっている。次いで、この負圧により、アノードオフガスが、配管２４ａから、掃気ガス導入管４０の周壁部に形成されたアノードオフガス導入孔４１ａ、掃気ガス導入管４０とディフューザ３４との間に形成されたリング状のマニホールド空間４１ｂ、複数のアノードオフガス導入孔３４ｅを介して、水素流路３４ａに吸引されるようになっている。吸引されたアノードオフガスは、ノズル３２から噴射された水素と、拡径部３４ｄ内で混合された後、掃気ガス導入管４０の一部を介して、アノード流路１５の入口１５ａに向かうようになっている。

また、ディフューザ３４は、その軸線と、アノード流路１５の入口１５ａ部分の軸線とが、略一致するように配置されると共に、アノード流路１５の入口１５ａと所定距離Ｄ１離間して配置されている。なお、所定距離Ｄ１は、掃気ガス導入管４０内に導入され、アノード流路１５に向かう掃気ガスの流れを妨げない程度に、なるべく短く設定されている。これにより、水素タンク２１からの水素とアノードオフガスとがディフューザ３４で混合することで生成し、ディフューザ３４から吐出される混合ガス（水素タンク２１からの水素＋アノードオフガス）が、アノード流路１５に好適に導入されるようになっている。そのため、アノードオフガスに含まれる水蒸気が、アノード流路１５の入口１５ａで滞留しにくく、入口１５ａ部分で結露水が生成しにくくなっている。

掃気ガス導入管４０は、ディフューザ３４の外側に、ディフューザ３４との間に所定距離Ｄ２を隔てつつ、ディフューザ３４とで二重管構造を構成するように配置されている。掃気ガス導入管４０の上流端４０ａは、ディフューザ３４のフランジ部３４ｆに固定されており、掃気ガス導入管４０の下流端４０ｂは、アノード流路１５の入口１５ａに接続されている。

そして、掃気ガス導入管４０の図２の紙面奥側の側部には、掃気ガス導入孔４０ｃ（掃気ガス導入部）が形成されており、掃気ガス導入孔４０ｃには配管６１ｂが接続されている。そして、配管６１ｂからの掃気ガスが、掃気ガス導入孔４０ｃを介して、掃気ガス導入管４０の内部に直接導入され、アノード流路１５に向かうようになっている。これにより、燃料電池スタック１０の掃気時において、掃気ガス導入管４０内に導入される掃気ガスが、アノード流路１５の入口１５ａ部分に溜まる水（結露水、水蒸気等）を、アノード流路１５内に押し込み、アノード流路１５の入口１５ａ部分の水を除去するようになっている。

さらに説明すると、掃気ガス導入孔４０ｃは、掃気ガス導入管４０内のディフューザ３４の下流端よりもやや上流側に形成されており、導入された掃気ガスが、ディフューザ３４の外周面に付着した結露水等も除去するようになっている。
また、掃気ガス導入孔４０ｃは、掃気ガス導入管４０の中心軸線よりもやや鉛直下方にオフセットした位置に形成されている。これにより、導入された掃気ガスが、掃気ガス導入管４０内に溜まった結露水等を除去しやすくなっている。
さらに、アノード流路１５内のガス圧力を検出する圧力センサ２２は、掃気ガス導入孔４０ｃに対応して配置されており、導入された掃気ガスが、圧力センサ２２のセンサ素子２２ａに吹き付けられやすくなっている。これにより、掃気時においてセンサ素子２２ａに付着する結露水等も除去されやすくなっている。なお、圧力センサ２２に代えて、又は加えて、他のセンサ類（例えば温度センサ）を設けてもよい。

掃気ガス導入管４０の鉛直方向下部であってアノード流路１５の入口１５ａ側（詳細には、ディフューザ３４の下流端よりもアノード流路１５の入口１５ａ側）には、水抜き孔４２が形成されている。水抜き孔４２の内径は、ディフューザ３４からアノード流路１５に向かう水素が、水抜き孔４２を通って多量に流出しない程度、例えば、直径０．５〜１．０ｍｍ程度に設定される。そして、本実施形態では、水抜き孔４２は、配管４３を介して、気液分離器２３に接続されている。
なお、気液分離器２３に対する配管４３の接続位置は、例えば、気液分離器２３に導入されるアノードオフガスの導入部分でもよいし、分離された水が一時的に貯溜されるタンク部でもよい。

これにより、アノード流路１５の入口１５ａ部分に溜まる結露水等が、水抜き孔４２、配管４３を介して、気液分離器２３に抜き出されるようになっている。そのため、燃料電池スタック１０の発電中において、アノード流路１５の入口１５ａ部分において、単セル１１と掃気ガス導入管４０とを電気的に接続するように結露水等が溜まることは防止され、燃料電池スタック１０が液絡（短絡）しないようになっている。

また、水抜き孔４２における水の入口は、アノード流路１５の入口１５ａ側に配置されているので、燃料電池自動車の走行により、燃料電池スタック１０が下がるように燃料電池システム１が傾き、掃気ガス導入管４０内の結露水等がアノード流路１５に向かって流れも、このように流れる結露水等が、水抜き孔４２を介して抜き出されるようになっている。

さらに、水抜き孔４２は、水の入口が大きくなるように、掃気ガス導入管４０の周壁部に対して斜めに形成されている。これにより、結露水等が水抜き孔４２に流入しやすくなっており、結露水等の抜き出しが促進されるようになっている。なお、さらに好適に抜き出されるように、例えば、水抜き孔４２の入口縁部分を、テーパ状としてもよい。また、このように水抜き孔４２を斜めにすることで、掃気ガス導入管４０の周壁部を薄肉とすることもできる。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
燃料電池スタック１０を掃気する場合、コンプレッサ５１からの掃気ガスが、エゼクタ３０のノズル３２を通らず、掃気ガス導入管４０内を通って、アノード流路１５に導入される。これにより、ノズル３２による圧力損失を受けずに、コンプレッサ５１を作動させつつ、掃気ガスを大流量でアノード流路１５に導入することができる。

また、ディフューザ３４は、アノード流路１５の入口１５ａと、所定距離Ｄ１を隔てながらも、入口１５ａの近くに配置されているので、水素タンクからの水素とアノードオフガスとがディフューザ３４で混合することで生成した混合ガスが、アノード流路１５に好適に流入することができる。これにより、アノードオフガスに含まれる水蒸気等も、アノード流路１５の入口１５ａ部分に溜まりにくくなる。

掃気ガス導入管４０の鉛直下部であって、アノード流路１５側に形成された水抜き孔４２により、燃料電池システム１が傾いたとしても、掃気ガス導入管４０内、アノード流路１５の入口１５ａ近傍の水を、気液分離器２３に抜き出すことができる。これにより、単セル１１と掃気ガス導入管４０とが、液絡により電気的に導通することを防止できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組み合わせてもよい。

前記した実施形態では、水抜き孔４２の下流が気液分離器２３に接続された構成を例示したが（図１、図２参照）、次のように構成してもよい。
図３に示すように、斜めに形成された水抜き孔４４の下流を、掃気ガス導入管４０の周壁部に軸方向で形成されたバイパス通路４５を介して、アノードオフガスが導入されるアノードオフガス導入孔４１ａに連通させる構成としてもよい。このような構成にすれば、アノードオフガスの流れによって、掃気ガス導入管４０内の水を吸引し、抜き出すことができる。そして、抜き出された水は、ノズル３２から噴射される水素と混合された後、アノード流路１５に導入されるので、燃料電池スタック１０の電解質膜が加湿不足となることを防止でき、燃料電池スタック１０の発電性能を高めることができる。

また、図４に示すように、斜めに形成された水抜き孔４６の下流を、バイパス通路４７、配管４８を介して、ディフューザ３４の拡径部３４ｄ内に連通させる構成としてもよい。このような構成にすれば、ノズル３２から噴射される水素と吸引されるアノードオフガスとの流れによって、掃気ガス導入管４０内の水を吸引し、抜き出すことができる。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システムの要部の構成を示す縦断面図である。変形例に係る燃料電池システムの要部の縦断面図である。変形例に係る燃料電池システムの要部の縦断面図である。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
１５アノード流路（燃料ガス流路）
１５ａアノード流路の入口
１６カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１水素タンク（燃料ガス供給手段）
２３気液分離器
２１ａ配管（燃料ガス供給流路）
２３ａ、２３ｂ、２４ａ配管（燃料オフガス戻り通路）
３０エゼクタ
３２ノズル
３４ディフューザ
４０掃気ガス導入管（燃料ガス供給流路）
４０ｂ下流端
４０ｃ掃気ガス導入孔（掃気ガス導入部）
４２、４４、４６水抜き孔
５１コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段）

Claims

燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスが通る燃料ガス供給通路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスを、前記燃料ガス供給通路に戻す燃料オフガス戻り通路と、
前記燃料ガス供給通路に設けられ、前記燃料オフガス戻り通路で戻される燃料オフガスを、前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスに合流させるエゼクタと、
前記燃料ガス流路を掃気するための掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記エゼクタのディフューザ部の外側に、当該ディフューザ部とで二重管構造を構成するように配置されると共に、下流端が前記燃料ガス流路の入口に接続され、かつ、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが導入される掃気ガス導入部を有する掃気ガス導入管と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記掃気ガス導入管の下部には、当該掃気ガス導入管内の水を抜くための水抜き孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料オフガス戻り通路に設けられ、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスに含まれる水分を分離させる気液分離器を備え、
前記水抜き孔の下流は、前記気液分離器に接続されている
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水抜き孔の下流は、前記エゼクタにおける合流前の燃料オフガスが通る通路、及び、前記エゼクタのディフューザ部内、の少なくとも一方に接続されている
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水抜き孔における水の入口は、前記掃気ガス導入管の前記燃料電池側に配置されている
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。