JP5221917B2

JP5221917B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5221917B2
Application number: JP2007236263A
Authority: JP
Inventors: 一教福間; 竜也菅原; 卓磨金沢; 伸高中島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009070641A

Description

本発明は、燃料ガス循環流路に逆流防止弁を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料を有効に活用するために、燃料電池から排出された未反応の水素を含む燃料排ガスを、燃料ガス循環流路を介して再び燃料電池に供給することが一般的に行なわれている。また、燃料ガス循環流路には、掃気時に掃気ガスが燃料電池をバイパスして排出され、またパージ時に水素が燃料電池をバイパスして排出されるのを防止するための逆流防止弁が設けられている。

また、燃料電池システムが氷点下に至るような低温環境下で使用される場合には、逆流防止弁の凍結を防止するために、弁体に水が付着し難いような形状を有するいわゆるリード弁を使用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２０３６６１号公報（段落００１７〜００２１、図２）

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、水抜け性を考慮して燃料ガス循環流路が天地方向の下から上に上がる途中に逆流防止弁（リード弁）を配置した場合、逆流防止弁の出口部分に水が溜まり易くなる。微量の水であればイジェクタで循環して燃料電池に戻るので問題はないが、逆流防止弁の出口部分に多量の水が溜まることがある。このように多量に溜まった水が燃料電池システムの運転停止後に抜けないと、凍結時において流路閉塞を引き起こす問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、凍結時の逆流防止弁の流路閉塞を防止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、燃料電池のアノード極へ燃料ガス供給源から燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池から排出された燃料排ガスを、前記燃料ガス供給源からの燃料ガスと混合し、前記燃料電池に再供給するイジェクタを備えた燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路の途中に接続され、前記燃料電池から排出された燃料排ガスを外部に排出するパージ弁を備えたパージ流路と、前記燃料電池のカソード極へ酸化剤ガス供給源から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記アノード極の掃気時に、前記酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを前記燃料ガス供給路に導入可能とする掃気導入手段と、前記イジェクタと前記パージ流路との間の前記燃料ガス循環流路に設けられ、前記掃気導入手段により導入された前記酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスして前記パージ流路に流れることを防止する逆流防止弁と、を備え、前記逆流防止弁は、前記パージ弁の側である一面側と前記イジェクタの側である他面側とに区画する隔壁を備え、前記隔壁には、弁体によって開閉される開口部、および、前記入口側と前記出口側とを常時連通させる水抜き穴が形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、逆流防止弁の出口部分の水を、重力または掃気時などに完全に抜くことができるので、凍結時の逆流防止弁の流路閉塞を防止することが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記水抜き穴は、前記逆流防止弁の開口時の開口面積よりも小さい穴径であり、前記掃気時に前記燃料電池を通過する掃気流量に対する前記燃料電池をバイパスする掃気流量のバイパス率が少なくとも１０％以下となるように構成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、バイパス率が１０％を超えないように水抜き穴の穴径を設定することにより、パージ時や掃気時の逆流量を無視できる程度に小さくできる。

請求項３に係る発明は、前記水抜き穴は、前記開口部よりも下方に位置するとともに、前記出口側から前記入口側に向けて天地方向下方に傾斜していることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、逆流防止弁の出口部分の水を、より抜き易くすることが可能になる。

本発明によれば、凍結時の逆流防止弁の流路閉塞を防止することができる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は逆流防止弁示す断面図、図３は逆流防止弁を示す分解斜視図、図４は図３のＡ−Ａ線断面図、図５は水抜き穴の穴径に対する燃料電池を通過する掃気流量およびバイパス率の関係を示すグラフである。なお、本実施形態の燃料電池システムは、車両（燃料電池自動車等）、船舶、航空機などの移動体、家庭用電源などの定置式のものなどあらゆるものに適用することができる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、アノード掃気手段４０、希釈器５０、制御装置６０などで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜１１の一面側をアノード極１２、他面側をカソード極１３で挟み、さらにその外側を一対の導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有する。また、燃料電池１０のセパレータ１４には、水素（燃料ガス）が流通するアノード流路１４ａ、セパレータ１５には、空気（酸化剤ガス）が流通するカソード流路１５ａが形成されている。また、セパレータ１５（または１４）には、燃料電池１０を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路（図示せず）が形成されている。なお、図１は、説明の便宜上、単セルの積層状態を模式的に図示している。

前記アノード系２０は、燃料電池１０に水素を給排する系であり、水素タンク２１、遮断弁２２、レギュレータ２３、熱交換器２４、イジェクタ２５、パージ弁２６、逆流防止弁２７、配管ａ１〜ａ８などで構成されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記遮断弁２２は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、配管ａ１を介して水素タンク２１と接続されている。

前記レギュレータ２３は、水素タンク２１から供給される高圧の水素を所定圧力に減圧する機能を有し、配管ａ２を介して遮断弁２２と接続されている。

前記熱交換器２４は、燃料電池１０の暖機時に作動し、水素タンク２１から供給される水素を温めて燃料電池１０に供給する機能を有し、配管ａ３を介してレギュレータ２３と接続されている。この熱交換器２４は、例えば、ヒータ（電気式、触媒燃焼式）で温めた冷媒を循環させることにより暖機（熱交換）が行なわれる。

前記イジェクタ２５は、燃料電池１０から排出される燃料排ガス（未反応の水素を含む）を、水素タンク２１から供給される水素と混合し、燃料電池１０に再供給する機能を有する。さらに詳述すると、イジェクタ２５は、水素タンク２１から供給された水素を噴射するノズルを内蔵し、このノズルから水素を噴射させることにより負圧を発生させて、燃料電池１０から排出された燃料排ガスを吸引して、水素タンク２１からの水素と、燃料排ガスとを混合して燃料電池１０に再び供給するようになっている。

また、イジェクタ２５は、配管ａ４を介して熱交換器２４と接続され、配管ａ５を介して燃料電池１０のアノード流路１４ａの入口と接続されている。また、イジェクタ２５は、配管ａ６，ａ７を介して燃料電池１０のアノード流路１４ａの出口と接続されている。

前記パージ弁２６は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、開弁（ＯＮ）することにより、燃料電池１０から排出される燃料排ガスを、燃料電池１０のアノード流路１４ａおよび配管ａ５〜ａ８（アノード循環系）の外部（系外）へ排出する（パージする）機能を有する。また、パージ弁２６は、配管ａ６から分岐した配管ａ８と接続されている。

なお、本実施形態における配管ａ１〜ａ５が燃料ガス供給路に相当し、配管ａ６およびａ７が燃料ガス循環流路に相当し、配管ａ８がパージ流路に相当する。

前記逆流防止弁２７は、燃料ガス循環流路の途中（配管ａ６と配管ａ７との間）に設けられ、パージ時（パージ弁２６の開弁時）や掃気時に燃料電池１０をバイパスして（配管ａ６，ａ７を逆流して）、配管ａ８（パージ流路）に流れるのを防止する機能を有する。

図２に示すように、逆流防止弁２７は、いわゆるリード弁であり、第１弁部２７Ａ（図３および図４参照）および第２弁部２７Ｂを有する隔壁２７Ｓの一面側（入口側）に、第１圧力室２８ａを有するハウジング２８が設けられ、他面側（出口側）に第２圧力室２９ａを有するハウジング２９が設けられて構成されている。なお、図４では、第１弁部２７Ａ、第２弁部２７Ｂの断面を一部簡略化して図示している。

図３および図４に示すように、前記第１弁部２７Ａは、隔壁２７Ｓに形成された角型の開口部２７ａ１と、短冊状のリードバルブ（弁体）２７ａ２と、ストッパ２７ａ３と、ねじ２７ａ５とで構成されている。リードバルブ２７ａ２は、開口部２７ａ１を覆うことができ、さらに開口部２７ａ１の下縁部よりも下方に長く形成されている。ストッパ２７ａ３は、リードバルブ２７ａ２の開弁時のストロークを制限する機能を有し、長穴２７ａ４が形成され、下部から上方に向かって隔壁２７Ｓから離れるように傾斜して（反って）形成されている。ストッパ２７ａ３は、リードバルブ２７ａ２の背面側に設けられ、その下部においてリードバルブ２７ａ２を挟んだ状態で隔壁２７Ｓに対してねじ２７ａ５を用いてねじ留めされている。

前記第２弁部２７Ｂは、前記した第１弁部２７Ａと同様に、隔壁２７Ｓに形成された角型の開口部２７ｂ１と、短冊状のリードバルブ２７ｂ２と、ストッパ２７ｂ３と、ねじ２７ｂ５とで構成されている。開口部２７ｂ１は、前記開口部２７ａ１に対して上下方向および左右方向（水平方向）に位置をずらして形成されている。リードバルブ２７ｂ２は、開口部２７ｂ１を覆うことができ、さらに開口部２７ｂ１の上縁部よりも上方に長く形成されている。ストッパ２７ｂ３は、リードバルブ２７ｂ２の開弁時のストロークを制限する機能を有し、長穴２７ｂ４が形成され、上部から下方へ向かって隔壁２７Ｓから離れるように傾斜して（反って）形成されている。また、ストッパ２７ｂ３は、リードバルブ２７ｂ２の背面側に設けられ、その上部においてリードバルブ２７ｂ２を挟んだ状態で隔壁２７Ｓに対してねじ２７ｂ５を用いてねじ留めされている。

前記ハウジング２８は、配管ａ６（図２参照）から第１圧力室２８ａに導入される導入穴２８ｂが形成されている。前記ハウジング２９は、第２圧力室２９ａから配管ａ７（図２参照）へ排出される排出穴２９ｂが形成されている。なお、第１圧力室２８ａが、通常運転時（定常運転時）における、燃料電池１０から排出された未反応の水素を含む燃料排ガスの循環時の入口側となり、第２圧力室２９ａが、燃料排ガスの循環時の出口側となる。

なお、第１圧力室２８ａ内の圧力が第２圧力室２９ａ内の圧力よりも高くなると、リードバルブ２７ａ２，２７ｂ２が開弁する方向に作用し、その圧力差に応じた開度で開弁する。その結果、燃料電池１０から排出された燃料排ガスが、第１圧力室２８ａから、開口部２７ａ１，２７ｂ１を通って第２圧力室２９ａへと流れる。逆に、第２圧力室２９ａ内の圧力が第１圧力室２８ａ内の圧力よりも高くなると、リードバルブ２７ａ２，２７ｂ２が隔壁２７Ｓに押し付けられて閉弁する。

図２および図３に示すように、隔壁２７Ｓには、開口部２７ａ１，２７ｂ１よりも下方に水抜き穴２７Ｃが設けられている。この水抜き穴２７Ｃは、図２に示すように、天地方向に対して、第２圧力室２９ａ（出口側）から第１圧力室２８ａ（入口側）に向けて下方に傾斜するように連通して形成されている。

なお、本実施形態では、水抜き穴２７Ｃが１箇所に形成されている場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく複数箇所に形成されていてもよい。また、水抜き穴２７Ｃは、斜めに限定されるものではなく、天地方向に沿うように真下に向けて連通させて形成するようにしてもよい。

また、水抜き穴２７Ｃは、逆流防止弁２７の開口部２７ａ１，２７ｂ１の開口面積（開口時の開口面積）よりも小さい穴径である。なお、この穴径は、図５に示すように、掃気時の燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）１０を通過する掃気流量に対して、燃料電池１０をバイパスする掃気流量のバイパス率が少なくとも１０％以下となるように設定することが好ましい。なお、図５において、最大可能掃気流量とは、掃気導入弁４２を開いた状態においてエアコンプレッサ３１によって導入可能な最大可能掃気流量であり（水抜き穴２７Ｃの穴径が０のとき）、また要求掃気流量下限値とは、燃料電池１０のアノード極１２などを掃気する際に、必要とされる要求掃気流量の下限値である。つまり、要求掃気流量の下限値に対して、水抜き穴２７Ｃの穴径は、この水抜き穴２７Ｃによってバイパスする掃気流量があっても、逆流しない掃気流量（エアコンプレッサ３１によって導入可能な最大可能掃気流量−バイパス掃気流量）が下限値に対して余裕のある穴径を設定する。このように水抜き穴２７Ｃの穴径を余裕のある１０％以下とすることによって、エアコンプレッサ３１での消費電力を抑えることが可能になる。

ちなみに、例えば、水抜き穴２７Ｃの穴径をφ１（直径１ｍｍ）にした場合、逆流防止弁２７の開口部２７ａ１，２７ｂ１の合計の開口面積はφ２０（φ相当に換算したもの）に設定することが好ましく、この場合（穴径／開口部）の面積比が（１／４００程度）となるため、掃気時やパージ時の逆流量は無視できるほど小さいものになる。

前記カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３、配管ｃ１〜ｃ３などで構成されている。なお、本実施形態における配管ｃ１およびｃ２が酸化剤ガス供給路に相当する。

前記エアコンプレッサ３１は、モータで駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、外気を取り込んで圧縮して、圧縮した空気を燃料電池１０に向けて供給する機能を有する。

前記加湿器３２は、圧縮した空気を加湿して燃料電池１０のカソード極１３に供給する機能を有する。なお、この加湿器３２は、例えば燃料電池１０のカソード極１３から排出された生成水を加湿源とするものである。また、加湿器３２は、配管ｃ１を介してエアコンプレッサ３１と接続され、配管ｃ２を介して燃料電池１０のカソード流路１５ａの入口と接続されている。

前記背圧弁３３は、例えば、バタフライ弁などの開度を調節可能な弁で構成され、カソード系３０（カソード極１３）の圧力を適宜調節する機能を有する。また、背圧弁３３は、配管ｃ３を介して燃料電池１０のカソード流路１５ａの出口と接続されている。

前記アノード掃気手段４０は、掃気導入配管４１と掃気導入弁４２とで構成されている。

前記掃気導入配管４１は、一端(上流側)が加湿器３２の上流の配管ｃ１と接続され、他端（下流側）がイジェクタ２５の下流の配管ａ５と接続されている。

前記掃気導入弁４２は、掃気導入配管４１に設けられ、後記する制御装置６０によって開閉制御される。なお、掃気挿入弁４２は、掃気導入配管４１の途中に設けられるものに限定されず、例えば３方弁により構成して配管ｃ１と掃気導入配管４１との接続部に設けるようにしてもよい。

前記したアノード掃気手段４０は、燃料電池システム１の運転停止後に行なわれる掃気時にエアコンプレッサ３１からの空気を掃気ガスとしてアノード系２０に供給して、アノード系２０内の水分を排出して凍結を防止する機能を有する。なお、アノード系２０内の水分は、燃料電池１０のカソード極１３から電解質膜１１を介してアノード極１２に透過した生成水である。

前記希釈器５０は、前記パージ弁２６に接続された配管５１と、背圧弁３３に接続された配管５２とがそれぞれ接続され、アノード極１２から排出された水素を、カソード極１３から排出されたカソード排ガスで希釈して系外（外部）に排出する機能を有する。

前記制御装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、各種回路などで構成されている。また、制御装置６０は、遮断弁２２、パージ弁２６、エアコンプレッサ３１、背圧弁３３、掃気導入弁４２と接続され、遮断弁２２、パージ弁２６および掃気導入弁４２を開閉し、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を制御し、背圧弁３３の開度を制御する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について説明する。まず、通常運転時（定常運転時）には、制御装置６０の制御によって、掃気導入弁４２が閉じられた状態において、遮断弁２２が開弁されて水素タンク２１から燃料電池１０のアノード極１２に、レギュレータ２３で所定の圧力に減圧された水素が供給される。また、制御装置６０の制御によって、エアコンプレッサ３１が駆動されて、加湿器３２で加湿された空気が燃料電池１０のカソード極１３に供給される。これにより、アノード極１２では、触媒の作用によって、水素が水素イオンと電子に分離され、水素イオンが電解質膜１１を介してカソード極１３に透過し、電子が外部負荷（図示せず）を通ってカソード極１３に移動することにより発電が可能になる。また、カソード極１３では、触媒の作用によって、水素イオンと電子と酸素との反応により水が生成される。

そして、燃料電池１０から排出された未反応の水素を含む燃料排ガスは、図２の符号Ｒ１で示すように、配管ａ６を介して逆流防止弁２７の第１圧力室２８ａ、開口部２７ａ１，２７ｂ１、第２圧力室２９ａ、配管ａ７を通り、イジェクタ２５に戻る。イジェクタ２５に戻った燃料排ガスは、水素タンク２１からの水素と混合されて、燃料電池１０のアノード極１２に再供給される。また、燃料排ガスが配管ａ６，ａ７を循環している場合には、逆流防止弁２７の第２圧力室２９ａ内に残留する少量の水は、その流れとともに燃料電池１０のアノード極１２に流れ込む。

そして、燃料電池１０において発電が継続されると、カソード極１３側の空気に含まれる窒素や、カソード極１３で生成された水などが電解質膜１１を透過してアノード極１２に移動し、アノード極１２側（アノード流路１４ａ、配管ａ５，ａ６，ａ７）の水素濃度が低下する。このため、アノード系２０においてはパージが実行される。すなわち、制御装置６０によって例えば定期的にパージ弁２６が開弁されることで、窒素などの不純物が配管ａ８および配管５１を介して系外に排出されるとともに、水素タンク２１から新鮮な水素が供給されて、水素濃度の低下による発電性能の低下が防止される。

また、前記パージ時において、水素が配管ａ７を逆流したとしても、第２圧力室２９ａの圧力が第１圧力室２８ａの圧力よりも高くなるので、開口部２７ａ１，２７ｂ１がリードバルブ２７ａ２，２７ｂ２によって閉塞され、水素タンク２１からの水素が開口部２７ａ１，２７ｂ１を介して第２圧力室２９ａから第１圧力室２８ａに抜け出ることはない。ただし、逆流防止弁２７に形成された水抜き穴２７Ｃを介して微量の水素が漏れ出ることはあるが、このとき水抜き穴２７Ｃから漏れ出る水素は、図５で説明したように、水抜き穴２７Ｃの開口径（開口面積）が開口部２７ａ１，２７ｂ１の開口径（開口面積）に対して十分に小さく（例えば、１対４００程度）形成されているので、燃料電池１０のアノード極１２をバイパスする水素の逆流量を無視できるほどに小さくできる。したがって、パージ時にアノード極１２に十分な量の水素を確実に供給することができる。なお、パージ時にパージ弁２６から排出された水素は、希釈器５０にてカソード極１３から排出されるカソード排ガスによって希釈されて系外（外部）に排出される。

そして、燃料電池システム１に対して運転停止指示が行なわれると、制御装置６０は、遮断弁２２を閉じて、燃料電池１０のアノード極１２への水素の供給を停止する。また、制御装置６０は、燃料電池システム１内に残留する水が凍結するおそれがあると判断した場合には、掃気（カソード掃気、アノード掃気）を実行する。なお、掃気を実行するか否かの条件は、例えば、外気温度などに基づいて判断してもよく、現在地の天気予報情報に基づいて判断してもよい。

制御装置６０は、掃気を実行すると判断した場合には、例えばまずカソード掃気を実行する。すなわち、制御装置６０によって背圧弁３３が全開にされることで、エアコンプレッサ３１から空気（カソードガス）が掃気ガスとして、例えば所定時間（所定流量）供給されて、カソード系３０に残留する水などが系外に排出される。

そして、制御装置６０によって、パージ弁２６および掃気導入弁４２が開弁され、背圧弁３３が閉方向に制御されて、エアコンプレッサ３１からの空気が掃気ガスとして供給されてアノード系２０が掃気される（アノード掃気）。すなわち、配管ａ５に供給された空気は、燃料電池１０のアノード流路１４ａを通り、配管ａ６，ａ８を介してパージ弁２６から、残留水とともに排出される。なお、このとき空気（掃気ガス）が配管ａ７を逆流したとしても、第２圧力室２９ａの圧力が第１圧力室２８ａの圧力よりも高くなるので、開口部２７ａ１，２７ｂ１がリードバルブ２７ａ２，２７ｂ２によって閉塞され、空気が開口部２７ａ１，２７ｂ１を介して第２圧力室２９ａから第１圧力室２８ａに漏れ出ることはない。ただし、逆流防止弁２７に形成された水抜き穴２７Ｃから微量の空気が抜け出るが、このとき水抜き穴２７Ｃから漏れ出る空気は、図５で説明したように、水抜き穴２７Ｃの開口径（開口面積）が開口部２７ａ１，２７ｂ１の開口径（開口面積）に対して十分に小さく（例えば、１対４００程度）形成されているので、燃料電池１０のアノード極１２をバイパスする空気の逆流量を無視できるほどに小さくできる。したがって、掃気時にアノード極１２に十分な流量の空気を供給できるので、アノード極１２内に残留する水分を確実に排出することが可能になる。

また、燃料電池システム１の運転停止指令時のカソード掃気時に、逆流防止弁２７の第２圧力室２９ａに多量の水が溜まっている場合には、第２圧力室２９ａ内の水が重力によって水抜き穴２７Ｃを通って第１圧力室２８ａに抜け出る（図２の符号Ｒ２参照）。一方、アノード掃気時に逆流防止弁２７の第２圧力室２９ａに多量の水が溜まっている場合には、多量に溜まった水は、掃気ガスとして導入される空気の圧力によって水抜き穴２７Ｃを通って第１圧力室２８ａに押し出される（図２の符号Ｒ２参照）。

このように逆流防止弁２７に多量の水が（例えば、第２圧力室２９ａの排出穴２９ｂの高さ位置まで）溜まったとしても、その多量の水を、水抜き穴２７Ｃを介して逆流防止弁２７から完全に抜くことができるので、凍結時の流路閉塞を防止できるようになる。

また、本実施形態では、水抜き穴の大きさ（穴径）を開口部２７ａ１，２７ｂ１の開口よりも十分に小さく形成しているので、パージ時やアノード掃気時において燃料電池１０をバイパスして排出されるガス流量を無視できるほどに小さくできる。したがって、パージ時においては、水素タンク２１からの水素を燃料電池１０のアノード極１２に十分に供給することができる。またアノード掃気時においては、掃気ガス（空気）を燃料電池１０のアノード極１２に供給して、アノード極１２に残留する水を確実に排出することができる。

また、本実施形態では、水抜き穴２７Ｃの出口側（第２圧力室２９ａ）から入口側（第１圧力室２８ａ）に向けて天地方向に対して下方に傾斜するように形成しているので、第２圧力室２９ａに溜まった水を重力によって排出し易くできる。

また、本実施形態のように、パージ時およびアノード掃気時において、水抜き穴２７Ｃの出口近傍に燃料電池１０から配管ａ６，ａ８を通ってパージ弁２６に向かう速い流れを生じさせることにより、水抜き穴２７Ｃの第１圧力室２８ａ側の近傍に負圧が発生し、水抜き穴２７Ｃを介して第２圧力室２９ａに溜まった水が吸引されるので、逆流防止弁２７に溜まった水の排出性能をより高めることができる。

なお、本実施形態の逆流防止弁２７の形状や、逆流防止弁２７に接続される配管ａ６，ａ７，ａ８の接続位置などは一例であり、燃料電池システム１のレイアウト構成に応じて適宜変更することができる。例えば、前記した実施形態では、パージ弁２６を備えた配管ａ８（パージ流路）を配管ａ６に対して分岐するように構成した例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、配管ａ６を逆流防止弁２７の第１圧力室２８ａの天地方向の下部に接続するとともに（図２の状態）、パージ弁２６を備えた配管ａ８（パージ流路）を、逆流防止弁２７の第１圧力室２８ａの天地方向の上部に接続、すなわち水抜き穴２７Ｃの位置が配管ａ６と配管ａ８との間に位置するように接続してもよい。

また、本実施形態では、カソード掃気を実行し、その後にアノード掃気を実行する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード掃気とアノード掃気を同時に実行するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。逆流防止弁示す断面図である。逆流防止弁を示す分解斜視図である。図３のＡ−Ａ線断面図である。水抜き穴の穴径に対する燃料電池を通過する掃気流量およびバイパス率の関係を示すグラフである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
２１水素タンク（燃料ガス供給源）
ａ１〜ａ５配管（燃料ガス供給路）
ａ６，ａ７配管（燃料ガス循環流路）
ａ８配管（パージ流路）
ｃ１，ｃ２配管（酸化剤ガス供給路）
２１水素タンク（燃料ガス供給源）
２６パージ弁
２７逆流防止弁
２７ａ１，２７ｂ１開口部
２７Ｃ水抜き穴
３１エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給源）
４０アノード掃気手段
４１掃気導入配管
４２掃気導入弁

Claims

燃料電池のアノード極へ燃料ガス供給源から燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを、前記燃料ガス供給源からの燃料ガスと混合し、前記燃料電池に再供給するイジェクタを備えた燃料ガス循環流路と、
前記燃料ガス循環流路の途中に接続され、前記燃料電池から排出された燃料排ガスを外部に排出するパージ弁を備えたパージ流路と、
前記燃料電池のカソード極へ酸化剤ガス供給源から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記アノード極の掃気時に、前記酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを前記燃料ガス供給路に導入可能とする掃気導入手段と、
前記イジェクタと前記パージ流路との間の前記燃料ガス循環流路に設けられ、前記掃気導入手段により導入された前記酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスして前記パージ流路に流れることを防止する逆流防止弁と、を備え、
前記逆流防止弁は、前記燃料排ガスの循環時の入口側と前記燃料排ガスの循環時の出口側とに区画する隔壁を備え、
前記隔壁には、弁体によって開閉される開口部、および、前記入口側と前記出口側とを常時連通させる水抜き穴が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記水抜き穴は、前記逆流防止弁の開口時の開口面積よりも小さい穴径であり、前記掃気時に前記燃料電池を通過する掃気流量に対する前記燃料電池をバイパスする掃気流量のバイパス率が少なくとも１０％以下となるように構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。
前記水抜き穴は、前記開口部よりも下方に位置するとともに、前記出口側から前記入口側に向けて天地方向下方に傾斜していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。