JP2010177148A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの姿勢に関わりなく排水性を確保することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】単セルを積層させた燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０から排出された生成水が最も溜まり易い位置に設けられた第１気液分離器２０と、燃料電池スタック１０を挟んで第１気液分離器２０と対向する位置に設けられた第２気液分離器３０と、第２気液分離器３０と燃料電池スタック１０との間に設けられ、第２気液分離器３０側に流れる方向のみを許容する逆流防止弁３１と、第２気液分離器３０の水位を検出する水位センサ３３と、第１気液分離器２０から生成水を排出する第１ドレイン弁２１と、第２気液分離器３０から生成水を排出する第２ドレイン弁３２と、第１ドレイン弁２１および第２ドレイン弁３２を制御する制御部４０Ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスと生成水とを分離する気液分離器を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックでは、水素と酸素との化学反応により水が生成されるが、この生成水によって燃料電池スタックの電極（アノード、カソード）が覆われるフラッディングという現象が発生して、電極へのガス供給が阻害され、発電性能が低下する問題がある。このため、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック内から生成水を排出することが発電を安定的に継続する上で必須の事項となっている。例えば、水素を循環させるアノード系においては循環ポンプを用いて水素を循環させるときに、気液分離器で生成水（液滴）を除去し、生成水をアノード系外に排出する技術が提案されている。

ところで、通常、気液分離器は燃料電池スタックの出口側に一つ設けられており、重力作用によって気液（生成水とガス）を分離している。このため、燃料電池システムを車両に搭載した場合、気液分離器側が持ち上がるように傾斜した姿勢に保持されたとき、燃料電池スタックを挟んで気液分離器とは反対側の排水性が確保できない問題が発生する。

その解決手法として、燃料電池スタックの気液分離器とは反対側にドレインラインを設け、ジェットポンプや回転子式のポンプを用いて、気液分離器とは反対側の生成水を排水し、排出する方向が提案されている。また、その他の解決手法として、車両に最初から燃料電池スタックを傾斜して配置して、最下点に排水穴を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。さらに、他の解決手法として、傾きセンサおよび車速センサを用いて、車両の傾斜および車速に基づいて、フラッディングの状態を推測する技術が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００８−１３７５６５号公報（図１および図２） 特開２００８−１１２６４７号公報（段落００４９〜００５１、図１）

しかしながら、ジェットポンプを用いた場合、アイドリング時などの極低出力での揚水能力はほとんど確保することができず、また確保しようとするとメインラインを相当絞る必要があり、圧力損失の増加により過大な循環性能を持った循環ポンプが必要となり、消費電力の悪化、ストイキ（stoiciometry）の低下など様々な問題が発生する。また、回転子式のポンプを用いた場合には、騒音や振動、パッケージ性、水位や傾斜を検知して制御する方法などが課題となる。また、傾斜を検知できないシステムの場合、このポンプを常時動作させる必要があるため、振動や騒音、消費電力の問題が発生する。

また、特許文献１に記載の燃料電池スタックを傾斜させて配置する技術では、車両搭載上、デッドスペースが増えるため、搭載性に課題がある。また、特許文献２に記載の傾きセンサ等を用いる技術では、水の発生量が予測制御となるため、過剰検知によるパージ過大、燃費悪化等の課題が発生する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池システムの姿勢などに関わりなく排水性を確保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。

請求項１に係る発明は、反応ガスが上部の入口から供給され、前記反応ガスにより発電を行なう単セルを積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された生成水が、通常時において最も溜まり易い位置に設けられた第１気液分離器と、前記燃料電池スタックを挟んで前記入口とは反対側に設けられ、非通常時において最も溜まり易い位置に設けられた第２気液分離器と、前記第２気液分離器と前記燃料電池スタックとの間に設けられ、前記第２気液分離器側に流れる方向のみを許容する逆流防止弁と、前記第２気液分離器の水位を検出する水位センサと、前記第１気液分離器および前記第２気液分離器から生成水を排出する排水手段と、前記排水手段を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水位センサの水位に応じて排水処理を行うことを特徴とする。

これによれば、例えば燃料電池スタックに対して第１気液分離器側が持ち上がるように燃料電池システムが傾斜したとき（傾斜姿勢時、非通常時）に、逆流防止弁を通って第２気液分離器に生成水が流れ込むことで、燃料電池スタック内に生成水が溜まることがない。そして、水位センサによって第２気液分離器内の水位が例えば所定値に達したときに排出手段（後記する実施形態ではドレイン弁）を開弁することで、生成水が第２気液分離器から外部に排出される。

なお、通常時とは、例えば燃料電池システムを車両に搭載した場合にあっては、燃料電池スタックが水平を保持している状態を意味している。また、非通常時とは、燃料電池スタックが傾斜している状態だけではなく、燃料電池スタックが水平を保持している状態であっても加速や減速によって燃料電池スタックに加速度（いわゆる加速Ｇ、減速Ｇなど）が作用している状態を含む意味である。

なお、逆流防止弁が設けられていることにより、第２気液分離器に溜まった生成水が燃料電池スタックに逆流することはない。よって、ジェットポンプや回転子式のポンプを用いることなく、燃料電池システム（例えば、車両）の姿勢に関わらず燃料電池スタックの排水性を確保することができる。

また、水位センサを用いることにより、排水が必要なときのみ排水手段を作動させることができるので、的確に排水することが可能になり、排水処理によって反応ガスが無駄に排出されるのを防止できる。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを分配供給する第１連通路と、前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを集合排出する第２連通路と、を備え、前記積層方向が水平方向となるように構成され、前記第２連通路の一端側に前記第１気液分離器を接続し、前記第２連通路の他端側に前記第２気液分離器を接続したことを特徴とする。

これによれば、単セルが水平方向に積層された燃料電池スタックに適用した場合の排水性を確保することができる。なお、これは後記する図２に示す実施形態に相当する。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを分配供給する第１連通路と、前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを集合排出する第２連通路と、を備え、前記積層方向が重力方向となるように構成され、前記第２連通路の下端側に前記第１気液分離器を接続し、前記第１連通路の下端側に前記第２気液分離器を接続したことを特徴とする。

これによれば、単セルが重力方向（鉛直方向）に積層された燃料電池スタックに適用した場合の排水性を確保することができる。なお、これは後記する図４に示す実施形態に相当する。

請求項４に係る発明は、前記第１気液分離器の水位を検出する第１水位センサと、前記第２気液分離器の水位を検出する第２水位センサと、を備え、前記制御部は、前記第１水位センサと前記第２水位センサとの値を比較し、水位の高い方の気液分離器から排水を行うことを特徴とする。

これによれば、燃料電池スタックが通常の姿勢時では第１水位センサによる水位に応じて第１気液分離器から排水することができ、例えば第１気液分離器側が持ち上がるような傾斜時では第２水位センサによる水位に応じて第２気液分離器から排水することができる。

なお、単セルの積層方向が水平方向の燃料電池スタックでは、積層方向が水平方向である状態が通常の姿勢時であり、単セルの積層方向が重力方向（鉛直方向）の燃料電池スタックでは、積層方向が重力方向である状態が通常の姿勢時である。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの姿勢などに関わりなく排水性を確保することができる。

第１実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。 燃料電池スタックの一例を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおける排水制御を示すフローチャートである。 燃料電池スタックの別の実施形態を示し、（ａ）外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 第２実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。 第２実施形態の燃料電池システムにおける排水制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の本実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す燃料電池システム１Ａ，１Ｂでは、燃料電池自動車（図示せず）などの車両を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶、航空機など、例えば燃料電池スタック１０，５０が傾斜状態を保持する可能性のあるものに適用できる。また、本実施形態では、燃料電池スタック１０，５０と第１気液分離器２０と第２気液分離器３０とが車両の前後方向に配列される場合を例に挙げて説明するが、このような配置に限定されるものではなく、左右方向など別の方向に配列されるものであってもよい。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池スタック１０、第１気液分離器２０、第１ドレイン弁２１、第２気液分離器３０、逆流防止弁３１、第２ドレイン弁３２、水位センサ３３、制御部４０Ａなどで構成されている。なお、図１では、燃料電池スタック１０のアノード側の経路のみを図示している。

燃料電池スタック１０は、例えばＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）型の燃料電池であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を一対の導伝性のセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セル１１（図２参照）を厚み方向（車両の前後方向）に複数積層して、電気的に直列に接続したものである。ＭＥＡは、電解質膜（例えば、固体高分子膜）を、触媒を含むアノード、カソードなどで挟んで構成したものである。また、アノードに対向するセパレータには、水素（反応ガス、燃料ガス）が流通する流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、空気を含む酸素（反応ガス、酸化剤ガス）が流通する流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１０内部の詳細な流路構造については後記する。

第１気液分離器２０は、例えば重力の作用によって燃料電池スタック１０のアノードの出口１０ｂから排出される水素オフガス（アノードオフガス）とともに排出される生成水（凝縮水）を分離して貯留する貯留部（図示せず）を有している。

すなわち、第１気液分離器２０は、燃料電池スタック１０のアノード側の出口１０ｂと配管ａ１を介して接続され、配管ａ１から第１気液分離器２０内に水素オフガスが排出されて流速が低下することによって、水素オフガスと生成水とが分離され、分離された生成水が貯留部に貯留されるように構成されている。

また、第１気液分離器２０の上部には配管ａ２の一端が接続され、配管ａ２の他端がエゼクタ２２の戻りポート２２ａに接続されている。このエゼクタ２２は、配管ａ３を介して圧縮水素タンク（図示せず）と接続され、配管ａ４を介して燃料電池スタック１０と接続され、エゼクタ２２から水素が放出される際に発生する負圧を利用して、戻りポート２２ａからの未反応の水素を吸引して、再びアノード側の入口１０ａに供給するようになっている。

また、第１気液分離器２０の下部には貯留部（図示せず）と連通する配管ａ５が接続され、この配管ａ５に第１ドレイン弁２１が設けられている。この第１ドレイン弁２１は、制御部４０Ａによって開閉制御される。

なお、図示していないが、配管ａ３には、圧縮水素タンクの下流に、遮断弁、減圧弁などが設けられ、遮断弁を開弁したときに、圧縮水素タンクから供給された水素が減圧弁で所定の圧力に減圧された後にアノードに供給されるようになっている。

また、配管ａ２にはパージ弁２３を備えた配管ａ６が接続されている。パージ弁２３は、制御部４０Ａによって開閉制御され、例えば定期的に開弁されることにより、燃料電池スタック１０内および循環流路（配管ａ１，ａ２，ａ４）に蓄積した不純物を外部に排出するようになっている。不純物とは、燃料電池スタック１０のカソードから電解質膜を介してアノードに透過した空気に含まれる窒素や生成水などである。

第２気液分離器３０は、第１気液分離機２０と同様の構造であり、重力の作用によって生成水を分離して貯留する貯留部（図示せず）を有し、燃料電池スタック１０を挟んで第１気液分離器２０とは反対側の対向する位置に設けられている。

また、第２気液分離器３０の下部には、貯留部（図示せず）と連通するドレイン配管ａ１０が接続され、ドレイン配管ａ１０には第２ドレイン弁３２が設けられている。なお、このドレイン配管ａ１０は、燃料電池スタック１０の上下方向（鉛直方向）の下側に設けられ、第２気液分離機３０に貯留した生成水が重力の作用によって配管ａ１０内に流れ込むようになっている。

逆流防止弁３１は、燃料電池スタック１０から第２気液分離器３０への流れのみを許容する弁であり、配管ａ１１を介して燃料電池スタック１０のドレイン口１０ｃと接続され、配管ａ１２を介して第２気液分離器３０と接続されている。

水位センサ３３は、第２気液分離器３０に貯留された生成水の水位を検出する機能を有し、水位（検出値）が制御部４０Ａによって監視される。なお、水位センサ３３は、水位を検出できるものであれば特に限定されるものではないが、静電容量式にすることで、高応答性のセンサを構成できる。

なお、図示省略しているが、燃料電池システム１Ａでは、例えば、燃料電池スタック１０のカソードに、エアコンプレッサによって空気（外気）を取り込んで圧縮し、その空気を加湿器によって加湿したものが供給されるようになっている。また、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスは、図示しない配管等を介して車外に排出されるようになっている。また、燃料電池スタック１０から取り出された発電電力は、走行モータや蓄電装置（バッテリ）などの外部負荷に供給されるようになっている。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０は、例えば、複数の単セル１１が積層され、その積層方向の両端がエンドプレート１２ａ，１２ｂにより挟持された構造を有している。図２での積層方向は水平方向（車両の前後方向）である。

エンドプレート１２ａの上部には、その角部に水素が導入される水素導入孔１２ａ１が形成され、この水素導入孔１２ａ１に対応する位置において、各単セル１１に積層方向に貫通する連通孔１１ａ１が形成されている（図２（ｂ）参照）。なお、この水素導入孔１２ａ１の開口が、燃料電池スタック１０の上部に形成された入口１０ａとなっている。また、水素導入孔１２ａ１と連通孔１１ａ１とで、本実施形態における第１連通路Ｒ１が構成されている。よって、水素導入孔１２ａ１から導入された水素は、各連通孔１１ａ１を介して各単セル１１に分配供給されるようになっている。

また、エンドプレート１２ａの下部には、水素導入孔１２ａ１と対角の位置に、水素オフガスの出口となる水素導出孔１２ａ２が形成され、この水素導出孔１２ａ２と対応する位置において、各単セル１１に、積層方向に貫通する連通孔１１ａ２が形成されている（図２（ｂ）参照）。また、エンドプレート１２ａとは反対側のエンドプレート１２ｂには、連通孔１１ａ２と連通するドレイン孔１２ｂ１が形成されている。この水素導出孔１２ａ２と各連通孔１１ａ２とドレイン孔１２ｂ１とで、本実施形態における第２連通路Ｒ２が構成されている。よって、未反応の水素は、各連通孔１１ａ２を介して集合排出され、水素導出孔１２ａ２から燃料電池スタック１０の外部に排出される。

このように、燃料電池スタック１０に供給された水素は、第１連通路Ｒ１によって各単セル１１のアノードに分配供給され、そして、アノードにおいて反応に寄与しなかった水素（水素オフガス）は、第２連通路Ｒ２によって各単セル１１のアノードから集合排出され、燃料電池スタック１０の外部に排出される。

よって、例えば、燃料電池スタック１０が水平状態（通常時）で発電が行われる場合において、第２連通路Ｒ２の一端側の出口１０ｂが最も生成水が溜まり易い領域となるので、この出口１０ｂに配管ａ１を介して第１気液分離器２０が接続されている。そして、例えば、第１気液分離器２０側が持ち上がるように燃料電池スタック１０が傾斜姿勢を保持した場合（非通常時）には、第２連通路Ｒ２の他端側に生成水が溜まり易くなるので（図２（ｂ）の領域Ｑ１参照）、配管ａ１１、逆流防止弁３１および配管ａ１２を介して第２気液分離器３０が接続されている。

このように、本実施形態では、第２気液分離器３０は、燃料電池スタック１０を挟んで入口１０ａとは反対側の下部に位置している。また、第２気液分離器３０は、燃料電池スタック１０を挟んで第１気液分離器２０と対向する位置に設けられている。

なお、燃料電池スタック１０には、図２（ｂ）に示すように、酸素を含む空気の入口となる空気導入孔１２ａ３がエンドプレート１２ａの上部の角部に形成され、この空気導入孔１２ａ３から各単セル１１に連通孔（不図示）を介して空気が送り込まれ、各単セル１１から空気導出孔１２ａ４と連通する連通孔（不図示）を介してカソードオフガスが送り出される。また、図示していないが、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０を冷却する冷媒が流通する流路も形成されている。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの排水制御について図３を参照して説明する。運転者によってイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）にされて、燃料電池スタック１０が発電中である場合、アノードでは、供給された水素から電子が乖離して、電子が外部負荷を通ってカソードに移動するとともに水素イオンが電解質膜を透過してカソードに移動する。カソードでは、アノードからの水素イオンおよび電子と、空気に含まれる酸素との化学反応によって水が生成される。

この生成水は、燃料電池スタック１０のカソード側の空気導出孔１２ａ４から排出されるとともに、電解質膜を通してアノードに透過する。アノードに透過した生成水は、燃料電池システム１Ａ（燃料電池スタック１０）が水平姿勢（通常時）であれば、水素のガス流れとともに燃料電池スタック１０の出口１０ｂから配管ａ１を介して第１気液分離器２０に排出される。第１気液分離器２０では、重力の作用によってアノードオフガスから生成水が分離して、貯留部に貯留される。

また、燃料電池スタック１０の発電中には、第１ドレイン弁２１が定期的に開弁されて、第１気液分離器２０に貯留された生成水が配管ａ５を通って車外（外部）に排出される。なお、第１ドレイン弁２１を開弁するタイミングは、例えば、燃料電池スタック１０から取り出される積算発電量（積算発電電力、積算発電電流など）に基づいて水の生成量を推定して、生成水が所定量を超えたと判断したときに開弁等するようにしてもよい。

ところで、例えば車両が下り坂を走行することによって燃料電池スタック１０に対して第１気液分離器２０側が持ち上がるように傾斜した姿勢が保持された場合（非通常時）、燃料電池スタック１０の第２連通路Ｒ２の領域Ｑ１（図２（ｂ）参照）に生成水が溜まり、電極が生成水で覆われることになる。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０を挟んで入口１０ａとは反対側の下部に第２気液分離器３０を設けたことにより、溜まった生成水が燃料電池スタック１０の内圧および重力によってドレイン孔１２ｂ１から押し出され、配管ａ１１、逆流防止弁３１および配管ａ１２を通って第２気液分離器３０内に排出される。

なお、逆流防止弁３１は、燃料電池スタック１０から第２気液分離器３０への流れのみを許容するものであるので、一旦第２気液分離器３０に入った生成水が燃料電池スタック１０に逆流することはない。

図３のステップＳ１において、制御部４０Ａは、水位センサ３３によって第２気液分離器３０に溜まった生成水の水位を検出して、検出された水位が所定値を超えているか否かを判断する。制御部４０Ａは、水位が所定値を超えていないと判断した場合には（Ｓ１，Ｎｏ）、ステップＳ１を繰り返し、超えていると判断した場合には（Ｓ１，Ｙｅｓ）、ステップＳ２に進み、第２ドレイン弁３２を開弁する。これにより、第２気液分離器３０に溜まった生成水が配管ａ１０を通って外部（車外）に排出される。なお、所定値は、第２気液分離器３０内部の貯留部の容積などに基づいて、生成水が溢れないように設定される。

そして、ステップＳ３に進み、制御部４０Ａは、排水が完了したか否かを判断し、排水が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３を繰り返し、排水が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４に進み、第２ドレイン弁３２を閉じる。なお、排水が完了したかどうかは、水位センサ３３によって検出される水位を監視することによって判断できる。なお、実験等によって排水が完了するまでの時間を予め求めておき、その時間が経過したかどうかによって判断してもよい。

以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、例えば燃料電池スタック１０に対して第１気液分離器２０側が持ち上がるように燃料電池システム１Ａ（車両）が傾斜した場合、燃料電池スタック１０内部の領域Ｑ１（図２（ｂ）参照）に生成水が溜まることがなく、第２気液分離器３０に生成水が流れ込むので、過剰な生成水によって燃料電池スタック１０における発電性能が低下することはない。

なお、燃料電池スタック１０が傾斜姿勢の場合だけではなく、例えば燃料電池スタック１０が水平状態（通常の姿勢）であって車両に減速時の減速Ｇが発生したとしても、図２（ｂ）に示す領域Ｑ１（図示左側を前側とする）のように生成水が溜まることがなく、第２気液分離器３０に生成水が流れ込むので、過剰な生成水によって燃料電池スタック１０における発電性能が低下することはない。また、第１気液分離器２０と第２気液分離器３０とが前後逆に配置されている場合には、加速時の加速Ｇが発生したとしても、発電性能が低下することはない。

また、第１実施形態によれば、水位センサ３３によって第２気液分離器３０内の水位が所定値に達したら、第２ドレイン弁３２を開弁するので、第２気液分離器３０内が生成水で溢れて、燃料電池スタック１０からの生成水を貯留できなくなるといったことがなく、燃料電池スタック１０の排水性を確保することができる。

よって、ジェットポンプを用いることがないので、極低流量であっても排水性を確保することができ、またメインラインを大きく絞る必要もない。また回転子式のポンプを用いる必要がないので、騒音や振動の発生を防止することができ、またパッケージ性などが損なわれることがなく、消費電力も低減できる。また、車両に燃料電池スタック１０を前もって傾斜させた状態で配置することがないので、無駄容積（デッドスペース）が生じることもない。また、傾きセンサなどに基づく予測制御ではなく、水位センサによる実測制御であるので、過剰検知によって排水（パージ）処理が過剰に行われることがなく、燃費が悪化することもない。したがって、本実施形態では、車両の姿勢に関わりなく燃料電池スタック１０の排水性を確保することが可能になる。

なお、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、図２に示すように、単セル１１を車両の前後方向（水平方向）に積層した燃料電池スタック１０を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、単セル１１を重力方向（上下方向、鉛直方向）に積層した燃料電池スタック５０としてもよい。図４（ｂ）では、カソード側の流路断面の図示を省略している。

図４に示す燃料電池スタック５０は、一方（上側）のエンドプレート１２ｃの角部に、水素導入孔１２ｃ１が形成され、この水素導入孔１２ａ１に対応する位置において、各単セル１１を積層方向（上下方向）に貫通する連通孔１１ａ１が形成されている（図４（ｂ）参照）。また、他端（下側）のエンドプレート１２ｄには、連通孔１１ａ１と対応する位置において、ドレイン孔１２ｄ１が形成されている。なお、水素導入孔１２ａ１の開口が、燃料電池スタック１０の上部に形成された入口１０ａ（図１参照）となっている。また、水素導入孔１２ｃ１と各連通孔１１ａ１とドレイン孔１２ｄ１とで、本実施形態における第１連通路Ｒ３が構成されている。

また、エンドプレート１２ｄには、ドレイン孔１２ｄ１と対角の位置に、水素オフガスの出口となる水素導出孔１２ｄ２が形成されている。また、水素導出孔１２ｄ２に対応する位置に、各単セル１１を積層方向に貫通する連通孔１１ａ２が形成されている。この水素導出孔１２ｄ２と各連通孔１１ａ２とで、本実施形態における第２連通路Ｒ４が構成されている。

なお、燃料電池スタック５０は、エンドプレート１２ｃに、空気の入口となる空気導入孔１２ｃ２が形成され、この空気導入孔１２ｃ２から各単セル１１に図示しない連通孔を介して空気が分配供給され、図示しない連通孔を介して各単セル１１からカソードオフガスが集合排出される。また、エンドプレート１２ｄには、カソードオフガスが排出される空気導出孔１２ｄ３が形成されている。

よって、図４に示すような単セル１１の積層方向が鉛直方向（重力方向）である燃料電池スタック５０では、第２連通路Ｒ４の一端側（下端）に配管ａ１（図１参照）を介して第１気液分離器２０が接続されている。この第１気液分離器２０が設けられている位置が、通常の姿勢（通常時）において、生成水が最も溜まり易い位置である。また、燃料電池スタック５０を挟んで入口１０ａとは反対側の下部に第２気液分離器３０が設けられている。なお、図４に示す実施形態においても、燃料電池スタック１０のドレイン孔１２ｄ１には、配管ａ１１、逆流防止弁３１および配管ａ１２を介して第２気液分離器３０が接続されている。

例えば、燃料電池スタック５０に対して第１気液分離器２０側が持ち上がるように燃料電池システム１Ａが傾斜した場合（非通常時）、燃料電池スタック５０内部の図４（ｂ）の領域Ｑ２のように生成水が溜まることはなく、第２気液分離器３０に生成水が流れ込むので、過剰な生成水によって燃料電池スタック５０における発電性能が低下することはない。

なお、燃料電池スタック５０が傾斜姿勢の場合だけではなく、例えば燃料電池スタック５０が水平状態（通常の姿勢）であって車両に加速時の加速Ｇが発生したとしても、図４（ｂ）に示す領域Ｑ１（図示左側を前側とする）のように生成水が溜まることがなく、第２気液分離器３０に生成水が流れ込むので、過剰な生成水によって燃料電池スタック５０における発電性能が低下することはない。また、第１気液分離器２０と第２気液分離器３０とが前後逆に配置されている場合には、減速時の減速Ｇが発生したとしても、発電性能が低下することはない。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態の燃料電池システムを示す構成図、図６は第２実施形態の燃料電池システムにおける排水制御を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの第１気液分離器に第１水位センサ２４を追加した構成である。

すなわち、第１水位センサ２４は、第１気液分離器２０に貯留された生成水の水位を検出するものであり、制御部４０Ｂによって監視するようになっている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

第２実施形態の動作について説明すると、図６に示すように、ステップＳ１０において、制御部４０Ｂは、第１水位センサ２４によって検出された水位１と、第２水位センサ３３によって検出された水位２とを比較して、水位１が水位２よりも高いか否かを判断する。この水位１および水位２の検出は、例えば制御部４０Ｂによって所定時間毎に検出される。

ちなみに、水位１が水位２よりも高くなるのは、燃料電池システム１Ａが水平状態（通常時）を保持した場合であり、水位２が水位１以上となるのは、例えば燃料電池システム１Ａが傾斜姿勢（非通常時）を保持した場合である。

ステップＳ１０において、制御部４０Ｂは、水位１が水位２よりも高いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０に進み、第１ドレイン弁２１を開弁する。これにより、第１気液分離器２０に溜まった生成水は、配管ａ５を介して外部に排出される。

また、ステップＳ１０において、制御部４０Ｂは、水位２が水位１以上と判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０に進み、第２ドレイン弁３２を開弁する。これにより、第２気液分離器３０に溜まった生成水は、配管ａ１０を介して外部に排出される。

なお、第１ドレイン弁２１または第２ドレイン弁３２を開弁する場合において、水位１の値または水位２の値が所定値を超えていない場合つまり水位が比較的低い場合には開弁しないように制御してもよい。

そして、ステップＳ４０に進み、制御部４０Ｂは、排水が完了したか否かを判断する。排水完了の判断は、第１水位センサ２４、第２水位センサ３３の検出値に基づいて判断することができる。なお、水位に限定されるものではなく、水位に基づいて設定された時間が経過したかどうかによって判断してもよい。

ステップＳ４０において、制御部４０Ｂは、排水が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４０の処理を繰り返し、排水が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５０に進み、第１ドレイン弁２１を開弁している場合には第１ドレイン弁２１を閉弁し、第２ドレイン弁３２を開弁している場合には第２ドレイン弁３２を閉弁する。

このように第２実施形態の燃料電池システム１Ｂによれば、燃料電池スタック１０，５０に対して第１気液分離器２０側が持ち上がるように燃料電池システム１Ｂが傾斜した場合には、第２気液分離器３０に生成水が流れ込むことで、燃料電池スタック５０の排水性を確保することができる。

さらに、第２実施形態によれば、通常時（水平姿勢時）には、第１水位センサ２４の水位１に応じて第１気液分離器２０から排水することが可能になり、非通常時（傾斜時、加速時、減速時）には、第２気液分離器３０に生成水が溜まった段階で、第２水位センサ３３の水位２に応じて第２気液分離器３０から排水することが可能になる。このように、第１気液分離器２０や第２気液分離器３０に生成水が実際に溜まった段階で、第１ドレイン弁２１や第２ドレイン弁３２を開弁して排水を行うので、排水（パージ）処理が過剰に行われるといった不都合を防止できる。よって、排水処理に伴って水素が第１ドレイン弁２１や第２ドレイン弁３２から排出されることもないので、排水処理において燃料（水素）が無駄に消費されるのを防止できる。

また、図２に示すような燃料電池スタック１０に適用することにより、単セル１１が水平方向（例えば、車両の前後方向）に積層されたものであっても、燃料電池スタック１０の傾斜時など（非通常時）に最も溜まり易い位置に第２気液分離器３０を設けたので、燃料電池スタック１０の排水性を確保することができる。

また、図４に示すような燃料電池スタック５０に適用することにより、単セル１１が上下方向に積層されたものであっても、燃料電池スタック５０の傾斜時など（非通常時）に最も溜まり易い位置に第２気液分離器３０を設けたので、燃料電池スタック５０の排水性を確保することができる。

なお、本実施形態では、アノード側を例に挙げて説明したが、アノード側に限定されるものではなく、カソード側において、通常時（水平姿勢時）に生成水が最も溜まり易い側に第１気液分離を設け、非通常時（例えば、傾斜姿勢時）に生成水が最も溜まり易い側に第２気液分離器を設ける構成であってもよい。

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１０，５０ 燃料電池スタック
１０ａ 入口
１０ｂ 出口
１０ｃ ドレイン口
１１ 単セル
１１ａ１，１１ａ２ 連通孔
１２ａ１ 水素導入孔
１２ａ２ 水素導出孔
１２ｂ１ ドレイン孔
２０ 第１気液分離器
２１ 第１ドレイン弁（排水手段）
２４ 第１水位センサ
３０ 第２気液分離器
３１ 逆流防止弁
３２ 第２ドレイン弁（排水手段）
３３ 水位センサ（第２水位センサ）
４０Ａ，４０Ｂ 制御部
Ｒ１，Ｒ３ 第１連通路
Ｒ２，Ｒ４ 第２連通路

Claims (4)

1. 反応ガスが上部の入口から供給され、前記反応ガスにより発電を行なう単セルを積層した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出された生成水が、通常時において最も溜まり易い位置に設けられた第１気液分離器と、
   前記燃料電池スタックを挟んで前記入口とは反対側に設けられ、非通常時において最も溜まり易い位置に設けられた第２気液分離器と、
   前記第２気液分離器と前記燃料電池スタックとの間に設けられ、前記第２気液分離器側に流れる方向のみを許容する逆流防止弁と、
   前記第２気液分離器の水位を検出する水位センサと、
   前記第１気液分離器および前記第２気液分離器から生成水を排出する排水手段と、
   前記排水手段を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水位センサの水位に応じて排水処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを分配供給する第１連通路と、
   前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを集合排出する第２連通路と、を備え、
   前記積層方向が水平方向となるように構成され、
   前記第２連通路の一端側に前記第１気液分離器を接続し、前記第２連通路の他端側に前記第２気液分離器を接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを分配供給する第１連通路と、
   前記燃料電池スタックの各単セルの積層方向に形成され、反応ガスを集合排出する第２連通路と、を備え、
   前記積層方向が重力方向となるように構成され、
   前記第２連通路の下端側に前記第１気液分離器を接続し、前記第１連通路の下端側に前記第２気液分離器を接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１気液分離器の水位を検出する第１水位センサと、
   前記第２気液分離器の水位を検出する第２水位センサと、を備え、
   前記制御部は、前記第１水位センサと前記第２水位センサとの値を比較し、水位の高い方の気液分離器から排水を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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