JP2023085940A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きが可能な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１は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に接続された冷却水排出配管５６と、燃料電池スタック１０から冷却水排出配管５６を介して冷却水を排出する冷却水ポンプ５７と、を備えている。冷却水ポンプ５７の運転中、冷却水排出配管５６内の圧力は、少なくとも燃料電池スタックと冷却水ポンプ５７との間において、大気圧よりも低い。また、冷却水排出配管５６には、燃料電池スタック１０と冷却水ポンプ５７との間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管６０が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、燃料電池システムに関する。
燃料電池スタックは、複数の単セル電池を積層した積層体を備えている。積層体には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流路がそれぞれ形成されている。燃料電池スタックは、積層体に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。積層体には、発熱した積層体を冷却するための冷却水も導入される。特開２０１４－０４９２６７号公報に示されるように、積層体を冷却した冷却水は、冷却水ポンプを用いて燃料電池スタックから排出される。冷却水ポンプは、冷却水の流れ方向において、燃料電池スタックの下流側に配置される。
ここで、燃料電池スタックから排出される冷却水は、気泡を含んでいる場合がある。冷却水ポンプに気泡を含む冷却水が導入されると、冷却水ポンプの作動効率が低下する虞がある。この結果、冷却水を十分に燃料電池スタックに供給することができず、燃料電池スタックを十分に冷却することができない虞がある。燃料電池スタックを十分に冷却することができないと、燃料電池スタックの性能が損なわれる虞がある。このような問題を解決するため、冷却水ポンプの冷却水導入口にエア抜き弁を設けて冷却水中の気泡を大気中に放出し、冷却水ポンプへの気泡の導入を抑制する、ということが行われている。
特開２０１４－０４９２６７号公報
しかしながら、冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合、エア抜き弁で冷却水中の気泡を大気中に放出することは困難である。このため、冷却水ポンプとして特殊なポンプを用いる必要がある。このようなポンプは高価であり、燃料電池システムの設置コストの増大につながる。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
実施の形態による燃料電池システムは、
水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続された冷却水排出配管と、
前記燃料電池スタックから前記冷却水排出配管を介して冷却水を排出する冷却水ポンプと、
を備え、
前記冷却水ポンプの運転中、前記冷却水排出配管内の圧力は、少なくとも前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、大気圧よりも低く、
前記冷却水排出配管には、前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管が接続されている。
実施の形態による燃料電池システムによれば、冷却水の流路の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きが可能である。
図１は、一実施の形態による燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタック内部の流体の流れを説明するための図である。 図３は、図３に示す燃料電池スタックの積層体のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示す図である。 図４は、図１に示す燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 図５は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。 図６は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。 図７は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。 図８は、気抜き配管に設けられた弁の動作を説明するための図である。
以下、図面を参照して一実施の形態について説明する。まず、図１を参照して、燃料電池システムの全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系３０と、燃料ガス排出系３５と、酸化剤ガス供給系４０と、酸化剤ガス排出系４５と、冷却水供給系５０と、冷却水排出系５５と、を有する。燃料電池スタック１０は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる。燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気である。
燃料ガス供給系３０は、燃料ガスタンク等の燃料ガス供給源（図示せず）と、燃料ガス供給配管３１とを含む。燃料ガス供給配管３１は、燃料ガス供給源と燃料電池スタック１０とを接続する。燃料ガス排出系３５は、燃料ガス排出配管３６を含む。燃料ガス排出配管３６の一端は、燃料電池スタック１０に接続されている。
酸化剤ガス供給系４０は、ブロワ等の酸化剤ガス供給源（図示せず）と、酸化剤ガス供給配管４１とを含む。酸化剤ガス供給配管４１は、酸化剤ガス供給源と燃料電池スタック１０とを接続する。酸化剤ガス排出系４５は、酸化剤ガス排出配管４６を含む。酸化剤ガス排出配管４６の一端は、燃料電池スタック１０に接続されている。
冷却水供給系５０は、冷却水供給源５１と、冷却水供給配管５２とを含む。冷却水供給配管５２は、冷却水供給源５１と燃料電池スタック１０とを接続する。図示された例では、冷却水供給源５１は、冷却水タンクである。冷却水タンク５１の上部は大気圧に開放されている。冷却水供給配管５２は、冷却水タンク５１の底部に接続されている。
冷却水排出系５５は、冷却水排出配管５６と冷却水ポンプ５７とを含む。冷却水排出配管５６の一端は、燃料電池スタック１０に接続されている。図示された例では、冷却水排出配管５６の他端は、冷却水タンク５１の上部に接続されている。冷却水ポンプ５７が稼働すると、冷却水排出配管５６内の圧力が低下して、燃料電池スタック１０内の冷却水が冷却水排出配管５６に排出され、冷却水タンク５１内に吐出される。
図１乃至図３に示す例では、燃料電池スタック１０は固体高分子型燃料電池スタックである。燃料電池スタック１０は、複数の単セル電池１１と、マニホールド２１，２２，２３，２４，２５，２６とを含んでいる。
複数の単セル電池１１は、図１及び図２において紙面に垂直な方向に積層されて積層体１２を構成する。積層体１２は、全体として直方体の形状である。積層体１２は、単セル電池１１の積層方向に沿って広がる第１側面１２ａ、第２側面１２ｂ、第３側面１２ｃ及び第４側面１２ｄを有する。第１側面１２ａと第２側面１２ｂとは互いに対向している。第３側面１２ｃと第４側面１２ｄとは、互いに対向している。マニホールド２１，２２，２３，２４，２５，２６は、積層体１２の側面１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに装着されている。
図３に示すように、各単セル電池１１は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１３と、膜電極複合体１３の両側に配置された燃料セパレータ１４及び酸化剤セパレータ１５とを含む。膜電極複合体１３は、高分子電解質膜１３ａと、高分子電解質膜１３ａの両側に配置された一対の電極（燃料極１３ｂ及び酸化剤極１３ｃ）とを含む。燃料セパレータ１４及び酸化剤セパレータ１５は、導電性多孔質材料で構成されている。燃料セパレータ１４及び酸化剤セパレータ１５は、例えば、導電性多孔質カーボン板であってよい。
燃料セパレータ１４の膜電極複合体１３と接する側の表面には燃料ガス流路１６が設けられている。燃料ガス流路１６の一端は、積層体１２の第１側面１２ａに開口している。燃料ガス流路１６の他端は、積層体１２の第２側面１２ｂに開口している。
酸化剤セパレータ１５の膜電極複合体１３と接する側の表面には酸化剤ガス流路１７が設けられている。酸化剤ガス流路１７の一端は、積層体１２の第３側面１２ｃに開口している。酸化剤ガス流路１７の他端は、積層体１２の第４側面１２ｄに開口している。
燃料セパレータ１４のもう一方の表面または酸化剤セパレータ１５のもう一方の表面には、冷却水流路１８が設けられている。図示された例では、冷却水流路１８は、酸化剤セパレータ１５の表面に設けられている。冷却水流路１８の一端は、積層体１２の第４側面１２ｄに開口している。冷却水流路１８の他端は、積層体１２の第３側面１２ｃに開口している。
燃料ガス供給マニホールド２１は、積層体１２の第１側面１２ａに対面して設けられている。燃料ガス供給マニホールド２１の内部空間２１ａは、燃料ガス流路１６の一端に連通している。また、燃料ガス供給マニホールド２１には燃料ガス供給配管３１が接続されており、燃料ガス供給配管３１を通じて、内部空間２１ａに燃料ガスが導入される。
燃料ガス排出マニホールド２２は、積層体１２の第２側面１２ｂに対面して設けられている。燃料ガス排出マニホールド２２の内部空間２２ａは、燃料ガス流路１６の他端に連通している。また、燃料ガス排出マニホールド２２には燃料ガス排出配管３６が接続されており、燃料ガス排出配管３６を通じて、内部空間２２ａから燃料ガスが排出される。
酸化剤ガス供給マニホールド２３は、積層体１２の第３側面１２ｃに対面して設けられている。酸化剤ガス供給マニホールド２３の内部空間２３ａは、酸化剤ガス流路１７の一端に連通している。また、酸化剤ガス供給マニホールド２３には酸化剤ガス供給配管４１が接続されており、酸化剤ガス供給配管４１を通じて、内部空間２３ａに酸化剤ガスが導入される。
酸化剤ガス排出マニホールド２４は、積層体１２の第４側面１２ｄに対面して設けられている。酸化剤ガス排出マニホールド２４の内部空間２４ａは、酸化剤ガス流路１７の他端に連通している。また、酸化剤ガス排出マニホールド２４には酸化剤ガス排出配管４６が接続されており、酸化剤ガス排出配管４６を通じて、内部空間２４ａから酸化剤ガスが排出される。
冷却水供給マニホールド２５は、積層体１２の第４側面１２ｄに対面して設けられている。冷却水供給マニホールド２５の内部空間２５ａは、冷却水流路１８の一端に連通している。また、冷却水供給マニホールド２５には冷却水供給配管５２が接続されており、冷却水供給配管５２を通じて、内部空間２５ａに冷却水が導入される。
冷却水排出マニホールド２６は、積層体１２の第３側面１２ｃに対面して設けられている。冷却水排出マニホールド２６の内部空間２６ａは、冷却水流路１８の他端に連通している。また、冷却水排出マニホールド２６には冷却水排出配管５６が接続されており、冷却水排出配管５６を通じて、内部空間２６ａから冷却水が排出される。
図２に、燃料電池スタック１０における燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流れを、それぞれ破線矢印、一点鎖線矢印及び実線矢印で示す。図２に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給配管３１から、燃料ガス供給マニホールド２１の内部空間２１ａを通じて、積層体１２に供給される。積層体１２に供給された燃料ガスは、各単セル電池１１の燃料ガス流路１６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管４１から、酸化剤ガス供給マニホールド２３の内部空間２３ａを通じて、積層体１２に供給される。積層体１２に供給された酸化剤ガスは、各単セル電池１１の酸化剤ガス流路１７に導入される。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が単セル電池１１で反応し、電気と水が生成される。燃料ガス流路１６から排出された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド２２を通じて、燃料ガス排出配管３６に流入する。酸化剤ガス流路１７から排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニホールド２４を通じて、酸化剤ガス排出配管４６に流入する。
冷却水は、冷却水供給配管５２から、冷却水供給マニホールド２５を通じて、積層体１２に供給される。積層体１２に供給された冷却水は、各単セル電池１１の冷却水流路１８に導入され、単セル電池１１を冷却するために使用される。冷却水流路１８から排出された冷却水は、冷却水排出マニホールド２６を通じて、冷却水排出配管５６に流入する。
図示された燃料電池システム１は、冷却水ポンプ５７が稼働すると、冷却水排出配管５６内の圧力が、少なくとも燃料電池スタック１０と冷却水ポンプ５７との間において大気よりも低い圧力になるように、構成されている。これにより、燃料電池スタック１０内において、冷却水流路１８内の圧力が燃料ガス流路１６や酸化剤ガス流路１７内の圧力よりも十分に低くなる。この結果、冷却水流路１８の冷却水が燃料ガス流路１６または酸化剤ガス流路１７に染み出す、という虞が効果的に抑制される。また、酸化剤極１３ｃで生成された生成水が、上記の圧力差によって酸化剤極１３ｃから多孔質体であるガス拡散層及びセパレータを通って冷却水流路１８内へ移動し、燃料電池スタック１０の外へ除去される。
ところで、燃料電池スタックから排出される冷却水は、気泡を含んでいる場合がある。冷却水ポンプに気泡を含む冷却水が導入されると、ポンプの作動効率が低下する虞がある。この結果、冷却水を十分に燃料電池スタックに供給することができず、燃料電池スタックを十分に冷却することができない虞がある。燃料電池スタックを十分に冷却することができないと、燃料電池の性能が損なわれる虞がある。このような問題を解決するため、冷却水ポンプの冷却水導入口にエア抜き弁を設けて冷却水中の気泡を大気中に放出し、冷却水ポンプへの気泡の導入を抑制する、ということが行われている。
しかしながら、冷却水排出配管内の圧力が大気圧よりも低い場合には、エア抜き弁で冷却水中の気泡を大気中に放出することは困難である。このため、冷却水ポンプとして特殊なポンプを用いる必要がある。このようなポンプは高価であり、燃料電池システムの設置コストの増大につながる。
このような事情を考慮して、本実施の形態の燃料電池システム１は、冷却水排出配管５６内の圧力が大気圧よりも低い場合であっても冷却水のエア抜きを可能とするための工夫がなされている。
具体的には、冷却水排出配管５６に、気抜き配管６０が接続されている。気抜き配管６０は、燃料電池スタック１０と冷却水ポンプ５７との間で、冷却水排出配管５６に接続されている。気抜き配管６０は、概ね上下方向に延びている。気抜き配管６０の下端が、冷却水排出配管５６に接続されている。気抜き配管６０を通じて、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡を、冷却水排出系５５の外へ放出することができる。
図示された例では、冷却水排出配管５６は、気抜き配管６０との接続部において概ね水平に延びている。言い換えると、冷却水排出配管５６は、燃料電池スタック１０と冷却水ポンプ５７との間に概ね水平に延びる水平部５６ａを有しており、気抜き配管６０は水平部５６ａに接続している。冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡は、水平部５６ａにおいて、冷却水排出配管５６の上半部に向かって移動する傾向にある。気抜き配管６０は、水平部５６ａの上半部に接続している。これにより、水平部５６ａを流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管６０内に効率よく捕捉することができる。
また、冷却水排出配管５６の断面積は、次のように決められている。すなわち、気抜き配管６０との接続部における冷却水排出配管５６の断面積が、燃料電池スタック１０との接続部における冷却水排出配管５６の断面積よりも大きい、というように決められている。これにより、燃料電池スタック１０から冷却水排出配管５６に流入した冷却水の流速が、冷却水排出配管５６と気抜き配管６０との接続部において低下する。この結果、当該接続部において、冷却水中の気泡がより多く上方に移動する。したがって、冷却水中の気泡を、より多く気抜き配管６０内に捕捉することができる。
図示された例では、水平部５６ａは膨大部５６ｂを有する（図５乃至図８参照）。膨大部５６ｂの断面積は、冷却水排出配管５６の膨大部５６ｂ以外の部分の断面積よりも大きい。気抜き配管６０は、膨大部５６ｂの上半部に接続している。
冷却水タンク５１は、気抜き配管６０の上方に位置している。気抜き配管６０の上端は、冷却水タンク５１の底部に接続されている。気抜き配管６０の下端と上端との間には、第１開閉弁６１が設けられている。また、気抜き配管６０の下端と第１開閉弁６１との間には、第２開閉弁６２が設けられている。第１開閉弁６１は、第２開閉弁６２よりも上方に位置している。燃料電池システム１がこのような気抜き配管６０及び開閉弁６１，６２を有することにより、冷却水排出配管５６内を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管６０を通じて効率よく排出することができる。具体的には、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２を、図４乃至図８を参照して説明する制御方法によって制御することにより、冷却水排出配管５６内を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管６０を通じて排出することができる。図示された例では、燃料電池システム１は、第１開閉６１弁及び第２開閉弁６２を制御する制御装置６５を有する。
なお、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２は、気抜き配管６０を必要に応じて閉塞／開放可能な弁であれは特に限定されない。第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２は、例えば電磁弁であってよい。
図４乃至図８を参照して、燃料電池システム１の制御方法について説明する。以下では、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２の制御方法を中心に説明する。図５乃至図８において、図示の単純化のため、冷却水供給配管５２の図示を省略している。
燃料電池システム１による発電を開始する際、まず、制御装置６５からの制御信号を受けて、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２が開かれる。これにより、冷却水タンク５１内の冷却水が気抜き配管６０内に流入して、気抜き配管６０が冷却水で満たされる（図４のステップＳ１）。
次に、図５に示すように、制御装置６５からの制御信号を受けて、第２開閉弁６２が開かれたまま第１開閉弁６１が閉じられる（図４のステップＳ２）。これにより、気抜き配管６０のうち第１開閉弁６１よりも下の領域が、冷却水タンク５１を通じて大気圧の影響を受ける、ということが防止される。以下では、第１開閉弁６１が閉じており且つ第２開閉弁６２が開いている状態を、「第１の状態」とも呼ぶ。
次に、燃料電池スタック１０への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の供給を開始する。燃料電池スタック１０への冷却水の供給は、冷却水ポンプ５７を運転して、冷却水排出配管５６内の圧力を低下させることにより行われる。図示された例では、冷却水排出配管５６内の圧力は、少なくとも燃料電池スタック１０と冷却水ポンプ５７との間において、大気圧よりも低くされる。これにより、燃料電池スタック１０の冷却水流路１８内の圧力も十分に低下して、冷却水タンク５１から冷却水流路１８に冷却水が供給される。また、燃料電池スタック１０内の冷却水が、冷却水排出配管５６に排出される。そして、冷却水排出配管５６内を流れる冷却水は、冷却水ポンプ５７を通って冷却水タンク５１に吐出される。このようにして、冷却水が冷却水供給系５０、燃料電池スタック１０及び冷却水排出系５５を循環する。
冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡は、冷却水排出配管５６内で上昇し、冷却水排出配管５６に開口する気抜き配管６０内に捕捉される。気抜き配管６０内に捕捉された気泡は、気抜き配管６０のうち第１開閉弁６１と第２開閉弁６２との間の領域に溜まる。
次に、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２が第１の状態にされてから所定時間が経過して気抜き配管６０内にある程度の量の気体が溜まると（図４のステップＳ４のＹＥＳ）、図６に示すように、制御装置６５からの制御信号を受けて、第１開閉弁６１が閉じられたまま第２開閉弁６２が閉じられる（ステップＳ５）。ここで、上記所定時間は、気抜き配管６０内に気体が溜まりすぎない時間長であればよい。例えば、気抜き配管６０内に捕捉される気体の量が気抜き配管６０のうち第１開閉弁６１と第２開閉弁６２との間の領域に収まる量となるような時間長であればよい。以下では、第１開閉弁６１と第２開閉弁６２とが共に閉じた状態を、「中間状態」とも呼ぶ。
次に、図７に示すように、制御装置６５からの制御信号を受けて、第２開閉弁６２が閉じられたまま第１開閉弁６１が開かれる（ステップＳ６）。これにより、第１開閉弁６１と第２開閉弁６２の間の領域に捕捉された気泡が上昇して冷却水タンク５１に放出されると同時に、冷却水タンク５１の冷却水が、気抜き配管６０のうち第２開閉弁６２よりも上の領域に導入される。なお、第１開閉弁６１を開放中に第２開閉弁６２が閉じられたままであることにより、気抜き配管６０のうち第２開閉弁６２よりも下の領域が、冷却水タンク５１を通じて大気圧の影響を受ける、ということが防止される。したがって、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡は、気抜き配管６０内に捕捉され続ける。以下では、第１開閉弁６１が開いており且つ第２開閉弁６２が閉じた状態を、「第２の状態」とも呼ぶ。
次に、図８に示すように、制御装置６５からの制御信号を受けて、第２開閉弁６２が閉じられたまま第１開閉弁６１が閉じられる（ステップＳ７）。すなわち、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２が中間状態にされる。
次に、図５に示すように、制御装置６５からの制御信号を受けて、第１開閉弁６１が閉じられたまま第２開閉弁６２が開かれる（ステップＳ８）。すなわち、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２が第１の状態にされる。第２開閉弁６２の開放中に第１開閉弁６１が閉じられたままであることにより、気抜き配管６０のうち第１開閉弁６１よりも下の領域が、冷却水タンク５１を通じて大気圧の影響を受ける、ということが防止される。したがって、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡は、気抜き配管６０内に捕捉され続ける。そして、気抜き配管６０内に捕捉された気泡（気体）は、気抜き配管６０のうち第１開閉弁６１と第２開閉弁６２との間の領域に溜まる。
ここで、燃料電池システム１による発電が継続される場合、燃料電池スタック１０への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の供給が継続される。したがって、冷却水ポンプ５７の運転も継続される。ステップＳ９において冷却水ポンプ５７の運転が継続されている場合は（ステップＳ９のＹＥＳ）、ステップＳ４に戻って第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２の制御が継続される。
一方で、燃料電池システム１による発電が終了される場合、燃料電池スタック１０への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の供給が停止される。したがって、冷却水ポンプ５７の運転も停止される。冷却水ポンプ５７の運転が停止されると、冷却水ポンプ５７にこれ以上冷却水は導入されない。したがって、ステップＳ９において冷却水ポンプ５７の運転が継続されていない場合は（ステップＳ９のＮＯ）、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２の制御が終了される。
また、ステップＳ４において、一定時間が経過していない場合（ステップＳ４のＮＯ）、ステップＳ４に戻る。
なお、上述した実施の形態では、冷却水流路１８が設けられたセパレータ１５は多孔質材料で構成されているが、これに限られない。冷却水流路１８が設けられたセパレータ１５は、例えば金属板等の水を透過させない材料で構成されていてもよい。この場合も、冷却水が冷却水供給系５０や冷却水排出系５５から漏れ出ることを抑制するために、冷却水排出配管５６内の圧力を大気圧よりも低くすることがあり、上述した問題と同様の問題が生じる虞がある。
また、上述した実施の形態では、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２を、第１の状態にしてから所定時間経過した後に中間状態にするが、これに限られない。第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２を、第１の状態にしてから気抜き配管６０内に所定量の気体が溜まった後に中間状態にしてもよい。この場合、気抜き配管６０内の冷却水の水面の高さを測定する液面計やレベルセンサ（レベルスイッチやレベル計）を気抜き配管６０に設け、液面計やレベルセンサによる測定結果に基づいて、第１の状態から中間状態への切り替えを行ってもよい。
また、上述した実施の形態では、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２の制御を、制御装置６５を用いて行っているが、これに限られない。第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２の制御は、手動で行われてもよい。
また、上述した実施の形態では、気抜き配管６０の上端は冷却水供給系５０に含まれる冷却水タンク５１に接続されているが、これに限られない。気抜き配管６０の上端は、冷却水供給系５０の冷却水タンク５１とは別の冷却水タンクに接続されていてもよい。なお、気抜き配管６０が冷却水供給系５０の冷却水タンク５１に接続される場合、上記冷却水タンク５１とは別の冷却水タンクに接続される場合と比較して、燃料電池システム１を小型化することができる。
以上のように、本実施の形態による燃料電池システム１は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に接続された冷却水排出配管５６と、燃料電池スタック１０から冷却水排出配管５６を介して冷却水を排出する冷却水ポンプ５７と、を備えている。冷却水ポンプ５７の運転中、冷却水排出配管５６内の圧力は、少なくとも燃料電池スタックと冷却水ポンプ５７との間において、大気圧よりも低い。また、冷却水排出配管５６には、燃料電池スタック１０と冷却水ポンプ５７との間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管６０が接続されている。このような燃料電池システム１によれば、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡を、当該冷却水が冷却水ポンプ５７に導入される前に、気抜き配管６０を通じて排出することができる。
また、本実施の形態による燃料電池システム１において、冷却水排出配管５６は、気抜き配管６０との接続部において概ね水平に延びている。また、気抜き配管６０は、冷却水排出配管５６の上半部に接続している。これにより、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管６０を通じて効率よく排出することができる。
また、本実施の形態による燃料電池システム１において、気抜き配管６０との接続部における冷却水排出配管５６の断面積が、燃料電池スタック１０との接続部における冷却水排出配管５６の断面積よりも大きい。これにより、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管６０を通じてより多く排出することができる。
また、本実施の形態による燃料電池システム１において、気抜き配管６０の下端が冷却水排出配管５６に接続されている。また、気抜き配管６０の上端が冷却水タンク５１に接続されている。また、気抜き配管６０の下端と上端との間に第１開閉弁６１が設けられている。また、気抜き配管６０の下端と第１開閉弁６１との間に第２開閉弁６２が設けられている。燃料電池システム１がこのような気抜き配管６０及び開閉弁６１，６２を有することにより、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡を、気抜き配管６０を通じて効率よく排出することができる。
具体的には、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２が、第１開閉弁６１が閉じられ且つ第２開閉弁６２が開かれた第１状態から、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２が共に閉じられた中間状態を経て、第１開閉弁６１が開かれ且つ第２開閉弁６２が閉じられた第２状態に移行することにより、冷却水排出配管５６を流れる冷却水中の気泡が除去される。
また、本実施の形態による燃料電池システム１は、一端が燃料電池スタック１０に接続され、他端が冷却水タンク５１に接続された冷却水供給配管５２を更に備える。言い換えると、気抜き配管６０は、冷却水供給系５０の冷却水タンク５１に接続される。この場合、気抜き配管６０が上記冷却水タンク５１とは別の冷却水タンクに接続される場合と比較して、燃料電池システム１を小型化することができる。
また、本実施の形態による燃料電池システム１において、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２は、第１状態が所定時間だけ持続された後、中間状態に切り替えられる。これにより、気抜き配管６０内に気体が溜まりすぎる、ということが防止される。
あるいは、本実施の形態による燃料電池システム１において、第１開閉弁６１及び第２開閉弁６２は、気抜き配管６０の下端と第１開閉弁６１との間に気体が所定量溜まるまで第１状態が持続された後、中間状態に切り替えられる。このことによっても、気抜き配管６０内に気体が溜まりすぎる、ということが防止される。
また、本実施の形態による燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０は、高分子電解質膜１３ａと、高分子電解質膜１３ａの両側に配置された燃料極１３ｂ及び酸化剤極１３ｃと、を含む膜電極複合体１３と、膜電極複合体１３の両側に配置された燃料セパレータ１４及び酸化剤セパレータ１５と、を含んでいる。燃料セパレータ１４の一方の面には燃料ガス流路１６が設けられている。酸化剤セパレータ１５の一方の面には酸化剤ガス流路１７が設けられている。燃料セパレータ１４又は酸化剤セパレータ１５の他方の面には冷却水流路１８が設けられている。冷却水流路１８が設けられたセパレータは、多孔質材料で構成されている。このような燃料電池システム１において、冷却水排出配管５６内の圧力が大気よりも低くされると、燃料電池スタック１０内において、冷却水流路１８内の圧力が燃料ガス流路１６または酸化剤ガス流路１７内の圧力よりも十分に低くなる。この結果、冷却水流路１８の冷却水が燃料ガス流路１６または酸化剤ガス流路１７に染み出す、という虞が効果的に抑制される。また、酸化剤極１３ｃで生成された生成水は、上記の圧力差によって酸化剤極１３ｃから多孔質体であるガス拡散層及びセパレータを通って冷却水流路１８へ移動し、燃料電池スタック１０の外へ除去される。
本発明の実施形態といくつかの変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内でこれらの実施形態および変形例を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
１：燃料電池システム、１０：燃料電池スタック、１２：積層体、３０：燃料ガス供給系、３１：燃料ガス供給配管、３５：燃料ガス排出系、３６：燃料ガス排出配管、４０：酸化剤ガス供給系、４１：酸化剤ガス供給配管、４５：酸化剤ガス排出系、４６：酸化剤ガス排出配管、５０：冷却水供給系、５１：冷却水タンク、５２：冷却水供給配管、５５：冷却水排出系、５６：冷却水排出配管、５７：冷却水ポンプ、６０：気抜き配管、６１：第１開閉弁、６２：第２開閉弁、６５：制御装置

Claims (9)

  1. 水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに接続された冷却水排出配管と、
    前記燃料電池スタックから前記冷却水排出配管を介して冷却水を排出する冷却水ポンプと、
    を備え、
    前記冷却水ポンプの運転中、前記冷却水排出配管内の圧力は、少なくとも前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、大気圧よりも低く、
    前記冷却水排出配管には、前記燃料電池スタックと前記冷却水ポンプとの間において、概ね上下方向に延びる気抜き配管が接続されている、燃料電池システム。
  2. 前記冷却水排出配管は、前記気抜き配管との接続部において概ね水平に延び、
    前記気抜き配管は、前記冷却水排出配管の上半部に接続している、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記気抜き配管の下端が前記冷却水排出配管に接続されており、
    前記気抜き配管の上端が冷却水タンクに接続されており、
    前記気抜き配管の下端と上端との間に第１開閉弁が設けられており、
    前記気抜き配管の下端と前記第１開閉弁との間に第２開閉弁が設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 一端が前記燃料電池スタックに接続され、他端が前記冷却水タンクに接続された冷却水供給配管を更に備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁が、前記第１開閉弁が閉じられ且つ前記第２開閉弁が開かれた第１状態から、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁が共に閉じられた中間状態を経て、前記第１開閉弁が開かれ且つ前記第２開閉弁が閉じられた第２状態に移行することにより、前記冷却水排出配管を流れる冷却水中の気泡が除去される、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁は、前記第１状態が所定時間だけ持続された後、前記中間状態に切り替えられる、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁は、前記気抜き配管の下端と前記第１開閉弁との間に気体が所定量溜まるまで前記第１状態が持続された後、前記中間状態に切り替えられる、請求項５に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開閉を制御する制御部を更に備える、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池スタックは、
    高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された燃料極及び酸化剤極と、を含む膜電極複合体と、
    前記膜電極複合体の両側に配置された燃料セパレータ及び酸化剤セパレータと、
    を含み、
    前記燃料セパレータの一方の面には燃料ガス流路が設けられており、
    前記酸化剤セパレータの一方の面には酸化剤ガス流路が設けられており、
    前記燃料セパレータ又は前記酸化剤セパレータの他方の面には冷却水流路が設けられており、
    前記冷却水流路が設けられたセパレータは、多孔質材料で構成されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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