JP4770159B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。

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）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。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、前記固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。

ところで、酸素極側から燃料極側において余剰となった水分を滞留させておくと水素や酸素の十分な供給が阻害されるので、余剰の水分を排出する必要がある。この場合、酸素極側における余剰の水分は空気とともに大気中に放出することができるが、燃料極側における余剰の水分は、安全上の観点から水素の大気中への放出が制限される。そこで、希釈器を使用して水素ガスの濃度を低下させてから大気中に放出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−５５２８７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、希釈器を使用する必要があるので燃料電池装置全体の構成が複雑かつ大型になってしまい、コストも高くなってしまう。また、空気や水素ガスに含まれる水分を回収せずに排出してしまうので、燃料極側及び酸素極側に供給された水の消費量が増加してしまう。

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、燃料電池スタックにおける酸化ガス出口と排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドの途中に、パージされた燃料ガスを排出する燃料排出管路を接続することによって、希釈器等の装置を使用することなく、簡単な構成で燃料ガスの濃度を低下させてから大気中に放出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、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、前記循環路と排気マニホールドとを接続する燃料排出管路とを有し、前記酸化ガスは、供給ファンによって常圧で前記燃料電池スタックに供給され、前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスは、希釈器を介することなく、直接前記排気マニホールド内に排出される。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記酸化ガスは、水がスプレーされて、前記燃料電池スタックの上面から前記燃料電池スタックに供給され、前記排気マニホールドは、前記燃料電池スタックの下面に接続され、前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、前記循環路と排気マニホールドとを接続する燃料排出管路とを有し、前記酸化ガスは、供給ファンによって常圧で前記燃料電池スタックに供給され、前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスは、希釈器を介することなく、直接前記排気マニホールド内に排出される。

この場合、燃料排出管路から排出された燃料ガスは、排気マニホールド内を通過する酸化ガス流中にスムーズに拡散し、速やかに酸化ガスと混合する。また、希釈器のような燃料ガスを希釈するための特別な機構を備えていないので、燃料電池システムの構成を簡素化して、小型化することができ、コストを抑制することができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記酸化ガスは、水がスプレーされて、前記燃料電池スタックの上面から前記燃料電池スタックに供給され、前記排気マニホールドは、前記燃料電池スタックの下面に接続され、前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている。

この場合、排気マニホールド内における燃料ガスと酸化ガスとの混合距離を長く取ることができるので、燃料ガスと酸化ガスとの混合が促進され、前記燃料ガスは酸化ガス中に十分に拡散して混合し、局所的に高濃度となることがない。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する。

この場合、燃料排出管路から排出された燃料ガスは、排気マニホールド内を通過する十分に多量の酸化ガス流中にスムーズに拡散し、速やかに酸化ガスと混合する。そして、燃料ガスが多量の酸化ガス中に混合しているので、大気中に放出される燃料ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。

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１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、２０は燃料電池（ＦＣ）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２０と図示されない蓄電手段としての二次電池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２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過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。

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とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガス、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（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、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、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成され、生成水が発生する。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。

また、図には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス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２０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７３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、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２０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２０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７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１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２０の燃料ガス入口、すなわち、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２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。なお、前記第１燃料供給管路２１には、燃料電池スタック２０の起動時に前記第２燃料圧力調整弁２５ｂをバイパスして水素ガスを供給するための起動用バイパス管路２２が接続され、該起動用バイパス管路２２には起動用燃料供給電磁弁２３が配設される。また、前記燃料貯蔵手段７３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７３が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２１は、各燃料貯蔵手段７３に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して１本になっている。しかし、燃料貯蔵手段７３は、単数であってもよいし、また、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２０の燃料ガス出口、すなわち、燃料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、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路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。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０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２０の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路が形成され、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、アノードガス排出管としての燃料排出管路５６が接続され、該燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０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、燃料排出管路５６の出口端側は排気マニホールド７１に接続されている。さらに、燃料排出管路５６は途中から分岐し、分岐部分が吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間において燃料排出管路３０に接続されている。また、前記分岐部分には水素起動停止電磁弁５６ａが配設されている。

さらに、前記燃料排出管路３０における第２燃料供給管路３３と水素循環電磁弁３４との間には、外気導入管路２８が接続されている。そして、該外気導入管路２８には、外気導入用電磁弁２８ａ及びエアフィルタ２８ｂが配設され、燃料電池スタック２０の運転終了時に外気を燃料ガス流路に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、前記起動用燃料供給電磁弁２３、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、水素起動停止電磁弁５６ａ及び水素起動排気電磁弁６２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２４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。なお、前記エアフィルタ２８ｂは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。

一方、酸化剤、すなわち、酸化ガスとしての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。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、排気マニホールド７１及び凝縮器７２を通って大気中へ排出される。この場合、前記排気マニホールド７１は、燃料電池スタック２０の酸化ガス出口から排出された酸化ガスとしての空気、及び、酸素極で発生した生成水を一時収容した後に排出する機能を備える。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極（カソード極）を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、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ができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

そして、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４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。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、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が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、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、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段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モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、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２０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、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、起動用燃料供給電磁弁２３、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動停止電磁弁５６ａ、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック２０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。そして、前記制御手段は、後述されるように、燃料排出管路５６から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールド７１より排出される燃料ガスとしての水素ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように燃料電池スタック２０への酸化ガスとしての空気の供給量を制御する。

次に、燃料排出管路５６の出口端が排気マニホールド７１に接続される部分の構成について詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。なお、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は側面図である。

図２は、車両の床下等に配設された燃料電池スタック２０に取り付けられた吸気マニホールド７４及び排気マニホールド７１の例を示している。この場合、酸化剤供給源７５としてはシロッコファン等から成る空気供給ファンが使用され、吸気マニホールド７４の先端（図１及び２における右端）に接続される。そして、前記吸気マニホールド７４の後端は、燃料電池スタック２０の上面を覆うようにして取り付けられ、前記吸気マニホールド７４を通過して供給されたカソードガスとしての空気は、燃料電池スタック２０内を上方から下方に向けて流通する。すなわち、図２に示される例において、燃料電池スタック２０内の空気流路は、図２（ｂ）における上下方向に延在するように形成されている。そして、燃料電池スタック２０の空気流路から排出された空気は、燃料電池スタック２０の下面を覆うようにして取り付けられた排気マニホールド７１内に流入する。この場合、該排気マニホールド７１は、図２（ｂ）に示されるように、斜め上後方に向けて延在し、後端（図における左端）が図示されない凝縮器７２に接続されている。

ここで、前記排気マニホールド７１には燃料排出管路５６の出口端側が接続され、燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂは、排気マニホールド７１内における空気流路のほぼ中央に位置するように配設されている。また、前記出口端部材５６ｂは、排気マニホールド７１内を通過する空気流路の下流側を向いており、出口端部材５６ｂから排出された水素ガスが排気マニホールド７１内を通過する空気と同方向に流れるようになっている。そのため、前記出口端部材５６ｂから排出された水素ガスは、排気マニホールド７１内を通過する空気流中にスムーズに拡散し、空気と混合する。また、出口端部材５６ｂは、燃料電池スタック２０における空気流路の出口にできる限り近い位置に配設されることが望ましい。すなわち、燃料排出管路５６の出口端は燃料電池スタック２０の酸化ガス出口の近傍に配設されることが望ましい。これにより、排気マニホールド７１内における水素ガスと空気との混合距離を長く取ることができる。

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３は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する図である。なお、図３では、燃料電池システムにおいて動作の説明と関係する部分の構成のみが模式的に示されている。

まず、定常運転における動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、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一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源７５は常に一定量の空気を燃料電池スタック２０の空気流路に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記酸化剤供給源７５、酸化剤供給管路７７、吸気マニホールド７４、排気マニホールド７１、凝縮器７２等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。なお、水素起動停止電磁弁５６ａが閉じた状態となっているので、吸引循環ポンプ３６から排出された水素ガスは、燃料排出管路５６を通って大気中に排出されることなく、第２燃料供給管路３３に導入される。また、外気導入用電磁弁２８ａも閉じた状態となっているので、外気が第２燃料供給管路３３に導入されることもない。

ここで、前記燃料排出管路３０は、水回収ドレインタンク６０上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった乾燥した状態の水素ガスだけが、燃料排出管路３０から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路３１と燃料排出管路３０とは、互いに離れた位置で水回収ドレインタンク６０上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路３１から水回収ドレインタンク６０内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路３０から流出してしまうこともない。これにより、燃料ガス流路に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを乾燥した状態で回収して、再利用することができる。

一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、水回収ドレインタンク６０内の下部に貯留水として貯留する。ここで、前記水回収ドレインタンク６０の容量が十分に大きい場合には、燃料電池スタック２０を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填（てん）してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填するまでの間に、水回収ドレインタンク６０から水分を排出する必要がない。しかし、前記水回収ドレインタンク６０の容量が十分に大きくない場合には、燃料電池システムにおける定常運転時にも、水回収ドレインタンク６０から水分を排出するための動作としてのパージを行う必要がある。

パージを行う場合、制御手段は、水素循環電磁弁３４を閉じて水素ガスの循環を停止させる。そして、水素起動排気電磁弁６２を開いて、水回収ドレインタンク６０内に貯留された貯留水を燃料排出管路５６から排出させる。また、水素起動停止電磁弁５６ａを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路５６から排出させる。これにより、水素ガスは、水回収ドレインタンク６０内の貯留水、燃料電池スタック２０の燃料流路内の水分、その他の不純物等を伴って、図３において矢印８１で示されるように、燃料排出管路５６内を流れ、出口端部材５６ｂから排気マニホールド７１内に流入する。すなわち、循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスが、燃料排出管路５６によって排気マニホールド７１内に排出される。

前述したように、燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂは、排気マニホールド７１内における空気流路のほぼ中央に位置するように配設され、排気マニホールド７１内を通過する空気流路の下流側を向き、出口端部材５６ｂから排出された水素ガスが排気マニホールド７１内を通過する空気と同方向に流れるようになっている。そして、酸化剤供給源７５から供給された多量の空気が、図３において矢印８２で示されるように、吸気マニホールド７４、燃料電池スタック２０内の空気流路、排気マニホールド７１及び凝縮器７２内を流通している。

また、前記制御手段は、酸化剤供給源７５から十分に多量の空気を供給させる。この場合、前記制御手段は、水素ガス量−空気量マップに基づき、酸化剤供給源７５から供給される空気量を設定する。前記水素ガス量−空気量マップは、燃料排出管路５６から排出された水素ガスの量と、該排出された水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量との関係を示すマップであり、記憶手段に格納されている。これにより、設定された水素ガスの排出量に対して、酸化剤供給源７５から十分に多量の空気を供給させることができる。

さらに、前記制御手段は、酸化剤供給源７５が設定された量の空気の供給を開始してから、所定時間が経過した後に、燃料排出管路５６からの水素ガスの排出を開始させる。前記所定の時間は、酸化剤供給源７５が設定された量の空気の供給を開始してから、排気マニホールド７１内を設定された量の空気が流通するようになるまでの時間であって、あらかじめ設定されている。

そのため、出口端部材５６ｂから排出された水素ガスは、排気マニホールド７１内を通過する十分に多量の空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。また、出口端部材５６ｂは、燃料電池スタック２０における空気流路の出口にできる限り近い位置に配設されることが望ましい。これにより、排気マニホールド７１内における水素ガスと空気との混合距離を長く取ることができる。

なお、前記排気マニホールド７１内の出口端部材５６ｂよりも下流側に水素濃度検出器を配設することもできる。この場合、前記制御手段は、水素濃度検出器によって検出した水素濃度と水素濃度−空気量マップとに基づき、酸化剤供給源７５から供給される空気量を設定する。前記水素濃度−空気量マップは、排気マニホールド７１内の空気中の水素濃度が所定値以上である場合に、排気マニホールド７１内の空気中の水素濃度と、排気マニホールド７１内の空気中の水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量との関係を示すマップであり、記憶手段に格納されている。これにより、水素ガスの濃度を大気中に放出可能な程度までに低下させるために必要な量の空気を酸化剤供給源７５から供給させることができる。

そして、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器７２を通過して、大気中に放出される。この場合、凝縮器７２を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進される。そして、水素ガスが多量の空気中に混合しているので、凝縮器７２を通過して放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。また、前記水素ガスは、凝縮器７２を通過して放出される空気中に十分に拡散して混合しているので、局所的に高濃度となることもなく、安全である。

なお、水素ガスとともに燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂから排気マニホールド７１内に流入した水分も、空気中に混合するが、凝縮器７２を通過する際に、凝縮されて空気中から除去される。そして、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収され、その後、給水管路５３を通って水供給ノズル７６からスプレーされ、燃料電池スタック２０の空気極を湿潤な状態に維持し、かつ、冷却するために再利用される。

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。この場合、制御手段は、まず、燃料供給電磁弁２６及び水素循環電磁弁３４を閉じて、燃料ガス流路への水素ガスの供給を遮断する。そして、水素起動停止電磁弁５６ａを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂから排気マニホールド７１内に排出させる。これにより、水回収ドレインタンク６０内に貯留された貯留水も排出される。

この場合、吸引循環ポンプ３６が作動しているので、燃料電池スタック２０、水回収ドレインタンク６０、第２燃料供給管路３３、燃料排出管路３０及び燃料排出管路３１に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂから排気マニホールド７１内に排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。

そして、前述した定常運転においてパージを行う場合と同様に、制御手段は、酸化剤供給源７５から十分に多量の空気を供給させる。そのため、出口端部材５６ｂから排出された水素ガスは、排気マニホールド７１内を通過する十分に多量の空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。

さらに、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器７２を通過して、大気中に放出される。この場合、凝縮器７２を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進される。そして、水素ガスが多量の空気中に混合しているので、凝縮器７２を通過して放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。また、前記水素ガスは、凝縮器７２を通過して放出される空気中に十分に拡散して混合しているので、局所的に高濃度となることもなく、安全である。

また、水素ガスとともに燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂから排気マニホールド７１内に流入した水分も、空気中に混合するが、凝縮器７２を通過する際に、凝縮されて空気中から除去される。そして、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。

なお、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力は、圧力センサ７８によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁２６から吸引循環ポンプ３６までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ７８が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ７８の検出する圧力は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の圧力に等しい。

続いて、この状態で該燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力以下となるか、前記圧力が所定圧力となるまでの時間である所定時間が経過すると、前記制御手段は外気導入用電磁弁２８ａを開き、空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁２６は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段７３の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、前記空気はエアフィルタ２８ｂを通過して濾（ろ）過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。

続いて、この状態で燃料電池スタック２０の出力が所定電圧以下となるか、又は、前記出力が所定電圧となるまでの所定時間が経過するまで待機する。ここで、前記所定電圧は、燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極と空気極との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧である。

そして、燃料電池スタック２０の出力が前記所定電圧以下となるか、又は、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は吸引循環ポンプ３６を停止させ、外気導入用電磁弁２８ａを閉じ、最後に酸化剤供給源７５を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の出力が停止された状態となる。

なお、前記燃料電池システムの運転を開始する場合には、まず、水素起動排気電磁弁６２及び水素起動停止電磁弁５６ａを開けて、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内の空気が燃料排出管路５６を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁２６をオンして燃料貯蔵手段７３からの水素ガスが第１燃料供給管路２１及び第２燃料供給管路３３を通って燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されるようにする。このとき、水素起動排気電磁弁６２及び水素起動停止電磁弁５６ａが開いているので、前記燃料ガス流路内に残留する空気や水分が供給された水素ガスによってパージされる。

このように、本実施の形態においては、燃料電池システムは、燃料電池スタック２０の出口に接続された排気マニホールド７１内に燃料排出管路５６の出口端部材５６ｂを配設し、パージされた水素ガスを排気マニホールド７１内に排出するようになっている。そのため、前記出口端部材５６ｂから排出された水素ガスは、排気マニホールド７１内を通過する空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。

また、排出された水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量が酸化剤供給源７５から排気マニホールド７１内に供給される。そのため、大気中に放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。

さらに、排気マニホールド７１の後端には凝縮器７２が接続され、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器７２を通過して大気中に放出される。そのため、凝縮器７２を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進されるので、前記水素ガスは空気中に十分に拡散して混合し、局所的に高濃度となることがない。

さらに、水素ガスとともに排気マニホールド７１内に流入した水分は、空気中に混合するが、凝縮器７２を通過する際に、凝縮されて空気中から除去され、水タンク５２に回収して再利用される。そのため、燃料電池スタック２０の空気極を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク５２を小型軽量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。

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に取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールド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システムの動作を説明する図である。

符号の説明

２０ 燃料電池スタック
３０、３１、５６ 燃料排出管路
７１ 排気マニホールド

Claims (3)

1. 燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、
   前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、
   前記循環路と排気マニホールドとを接続する燃料排出管路とを有し、
   前記酸化ガスは、供給ファンによって常圧で前記燃料電池スタックに供給され、
   前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスは、希釈器を介することなく、直接前記排気マニホールド内に排出されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化ガスは、水がスプレーされて、前記燃料電池スタックの上面から前記燃料電池スタックに供給され、
   前記排気マニホールドは、前記燃料電池スタックの下面に接続され、
   前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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