JP7075780B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のアノード電極及びカソード電極に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、アノード電極に水素等の燃料ガスを供給し、且つカソード電極に空気等の酸化剤ガスを供給することで電気化学反応を生じさせ発電を行う。アノード電極から排出される燃料排ガスには、電気化学反応で消費されなかった燃料ガスの未消費分が含まれる。この未消費分を再びアノード電極に供給するべく、アノード電極の燃料排ガス排出口と燃料ガス供給口とを連通させる循環流路を設け、該循環流路を介して燃料排ガスを循環させる場合がある。

燃料排ガスには、カソード電極から電解質膜を介してアノード電極に移動してきた、酸化剤ガス中の窒素や生成水等の不純物が含まれる。このため、燃料排ガスから分離した不純物を排出流体として循環流路の外部に排出する排出流路が設けられる。

この種の燃料電池システムは、特に、車載等の用途では、氷点下等の低温環境下で低温起動することも想定される。この場合、低温の排出流路内で生成水等が凍結して、該排出流路が閉塞されることがある。排出流路が閉塞されると、排出流体の適切な排出が妨げられるため、安定した発電が行えなくなる懸念が生じる。排出流路の凍結を抑制するべく燃料電池の発電量を低減させて、生成水の発生量を低減させることも考えられるが、この場合、電気化学反応による発熱量も低減するため、燃料電池システムの暖機に要する時間が長尺化してしまう。

そこで、例えば、特許文献１には、排出流路を開閉するドレイン弁にヒータを取り付けておき、ドレイン弁が凍結した場合にヒータを駆動して凍結を解消することが提案されている。

特開２０１３－１７９０６４号公報

上記のようにヒータを取り付けて凍結を解消する場合、ヒータを設置することができない排出流路の細部の凍結を解消することは困難であり、結局、低温環境下における発電安定性を十分に向上させることができない懸念がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、排出流路の凍結を効果的に抑制又は解消して、低温環境下における発電安定性を向上させること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。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、前記カソード電極に供給する前記酸化剤ガスを圧縮して圧縮酸化剤ガスとする圧縮ポンプと、前記アノード電極から排出される燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、前記気液分離器の液体排出口に連通する排出流路と、前記圧縮酸化剤ガスを前記排出流路又は該排出流路の近傍に導く圧縮酸化剤ガス流路と、を備えることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、気液分離器において燃料排ガスから分離され、該気液分離器の液体排出口から排出される排出流体が排出流路に流入する。排出流体には、燃料電池での電気化学反応によって生じる生成水等の液体が含まれるため、低温環境下では排出流体が凍結して排出流路が閉塞されることも想定される。この排出流路又はその近傍に、圧縮酸化剤ガス流路を介して圧縮酸化剤ガスを導くことができる。

圧縮酸化剤ガスは、圧縮ポンプで圧縮されることにより昇温している。このため、上記のように排出流路又はその近傍に圧縮酸化剤ガスを導くことで、該圧縮酸化剤ガスの熱により排出流路及びその近傍を加熱することができる。この際、気体である圧縮酸化剤ガスであれば、ヒータ等を設置することが困難な排出流路及びその近傍の細部にも容易に流入させることができるため、排出流路及びその近傍の細部まで効果的に加熱することができる。

従って、この燃料電池システムによれば、排出流路の凍結を効果的に抑制又は解消することができるため、低温環境下における燃料電池の発電安定性を向上させることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記圧縮酸化剤ガス流路に介装され、前記排出流路又は該排出流路の近傍に導かれる前の前記圧縮酸化剤ガスを加熱するヒータユニットをさらに備えることが好ましい。気体の熱伝導率は、該気体の温度が上昇するにつれて上昇する。圧縮酸化剤ガスは、上記の通り圧縮されることで昇温している分、熱伝導率も上昇しているため、圧縮酸化剤ガス流路に介装されたヒータユニットにより圧縮酸化剤ガスを加熱することで、その温度を効率的に上昇させることができる。このように、ヒータユニットによってさらに昇温させた圧縮酸化剤ガスを排出流路及びその近傍に導くことで、排出流路の凍結を一層効果的に抑制又は解消することが可能になる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記ヒータユニットに前記圧縮酸化剤ガスを導入するヒータ上流部と、前記ヒータユニットで加熱された前記圧縮酸化剤ガスを前記排出流路又は該排出流路の近傍に導くヒータ下流部と、を有し、前記ヒータユニットは、前記ヒータ上流部と連通する導入空間及び前記ヒータ下流部と連通する加熱空間を形成するボディと、前記加熱空間を加熱するヒータと、前記導入空間と前記加熱空間の連通及び遮断を切り換える弁機構と、を有し、前記弁機構は、前記導入空間と前記加熱空間との間に配置され、且つ線膨張係数が同じ複数枚のプレートが間隔を置いて重ねられた状態で接合された弁プレートと、前記弁プレートの一端縁部の前記加熱空間側が当接することで前記導入空間と前記加熱空間とを遮断し、且つ前記弁プレートの一端縁部が離間することで前記導入空間と前記加熱空間とを連通する弁座部と、を有し、前記弁プレートの他端縁部側が前記ボディに固定された状態で、該弁プレートが前記導入空間と前記加熱空間の温度差及び内圧差に応じて弾性変形することで、前記弁プレートの一端縁部と前記弁座部との距離が調整され、前記弁機構の開度が調整されることが好ましい。

このヒータユニットでは、ヒータによって加熱空間が加熱され、該加熱空間と導入空間との温度差が大きくなると、弁プレートを構成する複数枚のプレートのうち、導入空間に近接して配設される導入空間側のプレートの熱膨張量が、加熱空間に近接して配設される加熱空間側のプレートの熱膨張量よりも大きくなる。

このように熱膨張量の差が生じた弁プレートでは、その一端縁部を弁座部から導入空間側に向かって離間させる方向に弾性変形させる応力が生じる。この応力が、導入空間に流入した圧縮酸化剤ガスにより弁プレートの一端縁部を弁座部に押圧する押圧力（導入空間と加熱空間との内圧差により生じる押圧力）を超える場合、該一端縁部が弁座部から離間して、加熱空間と導入空間とが連通する。

一方、加熱空間と導入空間との温度差が生じていない又は生じていても小さいことで、弁プレートに生じる上記の応力が圧縮酸化剤ガスによる押圧力を超えない場合は、弁プレートの一端縁部が弁座部に当接するため、加熱空間と導入空間とが遮断される。この場合、導入空間に流入した圧縮酸化剤ガスが、加熱空間に流入しないため、圧縮酸化剤ガス流路のヒータユニットよりも下流側に圧縮酸化剤ガスが流通することを停止することができる。

つまり、このヒータユニットでは、加熱空間と導入空間との温度差や内圧差に応じて、弁プレートの一端縁部と弁座部との距離、換言すると、弁機構の開度が調整される。このようなヒータユニットによれば、電磁弁や電動ポンプ等を制御部によって制御する特別な構成によらず、排出流路及びその近傍に導く圧縮酸化剤ガスの流量を適切に調整することができる。

例えば、このヒータユニットでは、燃料電池システムの暖機の進行に合わせて、ヒータ下流部に適切な流量の圧縮酸化剤ガスを流通させることも可能である。低温環境下で起動した燃料電池システムの暖機初期では、排出流路及びその近傍の温度が低いため、これらに導く圧縮酸化剤ガスの流量が多いことが望ましい。この暖機初期では、導入空間の温度が低い分、ヒータにより加熱した加熱空間と導入空間との温度差が大きくなり、弁機構の開度も大きくなる。これによって、加熱空間に流入する圧縮酸化剤ガスの流量を増大させることができるため、ヒータ下流部を介して排出流路及びその近傍に導く圧縮酸化剤ガスの流量を適切な大きさとすることができる。

一方、暖機後期では、圧縮酸化剤ガスを排出流路及びその近傍に導くことに代えて、カソード電極に供給する圧縮酸化剤ガスの流量を増大させることで、燃料電池での電気化学反応を促進することが望ましい。この暖機後期では、燃料電池システム全体の温度が暖機完了温度に近づいているため、導入空間の温度も上昇しており、加熱空間と導入空間との温度差が小さくなり、弁機構の開度も小さくなる。これによって、圧縮酸化剤ガス流路に流入する圧縮酸化剤ガスの流量を減少させることができる分、カソード電極に供給する圧縮酸化剤ガスの流量を増大させることができる。

また、このヒータユニットでは、導入空間に流入する圧縮酸化剤ガスの単位時間当たりの流量（流速）が変動しても、ヒータの温度制御によらずに、加熱空間から排出される圧縮酸化剤ガスの温度を目標の加熱温度に維持することができる。例えば、導入空間に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が減少した場合、導入空間の内圧が減少して、弁機構の開度が大きくなる。一方、導入空間に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が増大した場合、導入空間の内圧が増大して、弁機構の開度が小さくなる。従って、導入空間に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が増減しても、加熱空間を通過する圧縮酸化剤ガスの流速の増減が抑制されるように弁機構の開度が調整されるため、加熱空間内で圧縮酸化剤ガスを同様に加熱して目標の加熱温度とすることができる。

さらに、このヒータユニットでは、ヒータの温度を調整して、圧縮酸化剤ガスの目標加熱温度を調整した場合であっても、調整後の目標加熱温度を良好に維持することができる。例えば、ヒータの温度を上昇させて加熱空間の温度を上昇させると、加熱空間と導入空間との温度差が大きくなるため、弁機構の開度が大きくなり、加熱空間に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が増大する。これによって、圧縮酸化剤ガスに奪われる加熱空間の熱量が大幅に増大し、加熱空間の温度が低下した場合、上記の温度差が小さくなるため、弁機構の開度が小さくなる。このため、加熱空間からヒータ下流部に流入する圧縮酸化剤ガスの温度を目標加熱温度に維持することができる。

一方、ヒータの温度を降下させると、上記の温度差が小さくなり、弁機構の開度が小さくなるため、加熱空間に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が減少する。これによって、圧縮酸化剤ガスに奪われる加熱空間の熱量が大幅に減少し、加熱空間の温度が上昇した場合、上記の温度差が大きくなるため、弁機構の開度が大きくなる。このため、加熱空間からヒータ下流部に流入する圧縮酸化剤ガスの温度を目標加熱温度に維持することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記排出流路を開閉するドレイン弁をさらに備え、前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記ドレイン弁に前記圧縮酸化剤ガスを導くことが好ましい。ドレイン弁に付着した排出流体が凍結すると、開弁指示を行ってもドレイン弁が開弁せず、排出流体の適切な排出が妨げられることがある。上記のように、圧縮酸化剤ガス流路を介して、ドレイン弁に圧縮酸化剤ガスを導くことで、ドレイン弁を良好に加熱することができるため、ドレイン弁の凍結を効果的に抑制又は解消できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記排出流路を構成する配管の前記ドレイン弁の上流側の外周面を囲う外側管の内部に前記圧縮酸化剤ガスを導き、前記外側管は、前記排出流路の前記ドレイン弁の下流側と連通して、該排出流路内に前記圧縮酸化剤ガスを導くことが好ましい。この場合、外側管の内部に導かれた圧縮酸化剤ガスにより排出流路を加熱することができる。また、外側管がドレイン弁の下流側に連通することで、該外側管からドレイン弁の出口ポートに圧縮酸化剤ガスを導いて、該ドレイン弁の出口ポート側を直接加熱することができる。これらによって、排出流路及びドレイン弁を効果的に加熱することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記排出流路の前記ドレイン弁よりも下流側は、前記カソード電極から酸化剤排ガスが排出される酸化剤排ガス流路に連通することが好ましい。酸化剤排ガスには、カソード電極で生じた生成水が含まれるため、低温環境下では、酸化剤排ガス流路も凍結する場合がある。この場合であっても、排出流路を介して酸化剤排ガス流路に圧縮酸化剤ガスを流通させることで、酸化剤排ガス流路を加熱することができる。従って、酸化剤排ガス流路の凍結も抑制又は解消することが可能になる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記ドレイン弁の下流側で前記圧縮酸化剤ガスの流量を制限する流量制限部により、前記圧縮酸化剤ガス流路に導入される前記圧縮酸化剤ガスの最大流量が制限されることが好ましい。この場合、圧縮酸化剤ガスが流量制限部よりも上流側に滞留し易くなるため、該圧縮酸化剤ガスによって排出流路及びドレイン弁を効果的に加熱することが可能になる。また、流量制限部により、圧縮酸化剤ガスが圧縮酸化剤ガス流路に流入する最大流量を制限することで、カソード電極に供給する圧縮酸化剤ガスの流量を適切に維持することができる。

本発明によれば、排出流路の凍結を効果的に抑制又は解消して、低温環境下における燃料電池システムの発電安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 ドレイン弁と、その周辺の排出流路、圧縮酸化剤ガス流路、外側管とについての要部概略断面図である。 ヒータユニットの弁機構が閉状態であるときの概略構成図である。 ヒータユニットの弁機構が開状態であるときの概略構成図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態では、図１に示す燃料電池システム１０が、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される場合を例に挙げて説明するが、特にこれには限定されない。例えば、燃料電池システム１０は、燃料電池車両を除く種々の移動体に適用することや、定置型として用いることも可能である。

燃料電池システム１０は、該燃料電池システム１０の制御を行う制御部１２と、発電セル１４を複数積層したスタック（不図示）からなる燃料電池１６を備える。個々の発電セル１４は、例えば、固体高分子からなる電解質膜１８と、該電解質膜１８を挟んで対向するアノード電極２０及びカソード電極２２とを有する電解質膜・電極構造体２４が一対のセパレータ２６で挟持されることにより構成される。アノード電極２０に、水素を含む燃料ガスが供給され、且つカソード電極２２に、酸素を含む酸化剤ガスが供給されることで発電が行われる。

燃料電池１６では、アノード電極２０の燃料ガス供給口２８に、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路３０が接続され、アノード電極２０の燃料排ガス排出口３２に、燃料排ガスを排出するための燃料排ガス流路３４が接続されている。また、カソード電極２２の酸化剤ガス供給口３６に、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路３８が接続され、カソード電極２２の酸化剤排ガス排出口４０に、酸化剤排ガスを排出するための酸化剤排ガス流路４２が接続されている。

酸化剤ガス供給流路３８には、その上流側から順に、圧縮ポンプ４４と、加湿器４６とが設けられる。また、酸化剤ガス供給流路３８の圧縮ポンプ４４と加湿器４６との間には、圧縮酸化剤ガス流路４８が接続されている。圧縮ポンプ４４は、大気から酸化剤ガス供給流路３８に酸化剤ガスとして空気を取り込み、該酸化剤ガスを圧縮した圧縮酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給流路３８の下流側に圧送する。加湿器４６は、酸化剤ガス供給流路３８内の圧縮酸化剤ガスと、酸化剤排ガス流路４２内の酸化剤排ガスとを水分交換させることで、カソード電極２２に供給される前の圧縮酸化剤ガスを加湿する。

燃料ガス供給流路３０には、水素タンク５０に貯留された水素が燃料ガスとして供給される。燃料排ガス流路３４の下流側には、燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器５２が接続されている。燃料排ガスには、アノード電極２０で消費されなかった燃料ガスの未消費分（以下、単に未消費分ともいう）と、カソード電極２２から電解質膜１８を介してアノード電極２０に移動してきた、酸化剤ガス中の窒素や生成水等の不純物が含まれる。

気液分離器５２では、燃料排ガス流路３４を介して流入した燃料排ガスを、未消費分（以下、単に未消費分ともいう）を主に含む排出ガスと、生成水等を主に含む排出流体とに分離する。排出ガスを排出する気液分離器５２の気体排出口５４には、循環流路５６が接続されているため、気体排出口５４から循環流路５６に排出ガスが排出される。

循環流路５６の下流側は、燃料ガス供給流路３０と接続されている。循環流路５６と燃料ガス供給流路３０との接続部にはエジェクタ５８が設けられている。エジェクタ５８には、その上流側に設けられた電磁弁（インジェクタ）６０を介して燃料ガスが供給される。これによって、エジェクタ５８は、排出ガスと燃料ガスとを混合して混合ガスとし、該混合ガスを、燃料ガス供給流路３０の該エジェクタ５８の下流側に排出する。

排出流体を排出する気液分離器５２の液体排出口６２には、排出流路６４が接続されているため、液体排出口６２から排出流路６４に排出流体が排出される。排出流路６４には、該排出流路６４を開閉するドレイン弁６６が介装され、該ドレイン弁６６の下流側に流量制限部６８が介装される。また、排出流路６４の流量制限部６８よりも下流側の端部は、酸化剤排ガス流路４２に接続される。このため、ドレイン弁６６が開状態にあるとき、排出流路６４に排出された排出流体は、流量制限部６８を介して酸化剤排ガス流路４２に流入する。

図２に示すように、ドレイン弁６６は、ソレノイド部７０と弁部７２とを有する。ソレノイド部７０は、ソレノイドコイル７４と、固定コア７６と、プランジャ７８と、固定コア７６及びプランジャ７８の間に介在するリターンスプリング８０とを主に有する。ソレノイド部７０では、ソレノイドコイル７４の励磁によりプランジャ７８を固定コア７６で磁気吸引することが可能になっている。つまり、ソレノイドコイル７４への通電を停止している状態では、プランジャ７８は、リターンスプリング８０の弾発力によって、固定コア７６から離間した状態で維持される。一方、ソレノイドコイル７４に通電を行っている状態では、プランジャ７８は、リターンスプリング８０の弾発力に抗して固定コア７６に接近した状態で維持される。

弁部７２は、入口ポート８２及び出口ポート８４が設けられた本体部８６と、プランジャ７８の固定コア７６とは反対側の端部に取り付けられたダイヤフラム８８とを主に有する。入口ポート８２の上流側の端部は、排出流路６４のドレイン弁６６の上流側を構成する第１配管９０（配管）とシール部材９２を介して接続される。このため、液体排出口６２から第１配管９０の内部の排出流路６４に流入した排出流体は、ドレイン弁６６の入口ポート８２に流入する。

入口ポート８２の下流側の端部は、弁座９４を構成する。プランジャ７８が固定コア７６から離間した状態にあるとき、弁座９４にダイヤフラム８８が着座する。この場合、入口ポート８２の下流側の端部がダイヤフラム８８によって閉塞されるため、ドレイン弁６６は閉状態となる。

一方、プランジャ７８が固定コア７６に接近した状態にあるとき、弁座９４からダイヤフラム８８が離間する。この場合、入口ポート８２の下流側の端部が開放され、ドレイン弁６６は開状態となる。ドレイン弁６６が開状態にあるとき、入口ポート８２と該入口ポート８２の外周側に設けられた出口ポート８４とが連通するため、排出流体が入口ポート８２から出口ポート８４へと流通する。出口ポート８４は、後述する外側管９６の内部に連通する。

上記の通り、圧縮酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス供給流路３８に接続されることで、圧縮酸化剤ガスが流入する（図１参照）。また、図２に示すように、圧縮酸化剤ガス流路４８を構成する第２配管９８の下流側の端部は、外側管９６の上流側に接続されている。これによって、圧縮酸化剤ガス流路４８を介して外側管９６の内部に圧縮酸化剤ガスが導入される。

外側管９６は、第１配管９０の少なくともドレイン弁６６の近傍の外周面と、ドレイン弁６６の本体部８６とを囲うことで、該第１配管９０と二重管構造を形成する。外側管９６の内周面と、第１配管９０の外周面とが離間して、互いの間に圧縮酸化剤ガスの流路が形成されるように、外側管９６の内径は、第１配管９０の外径より大きく設定されている。

外側管９６の上流側の端部には、該外側管９６の内周面と第１配管９０の外周面との間を閉塞する閉塞部１００が設けられる。外側管９６の下流側の端部は、ドレイン弁６６の本体部８６の出口ポート８４にシール部材１０２を介して外嵌される。また、外側管９６の下流側の端部の近傍には、排出流路６４のドレイン弁６６の下流側を構成する第３配管１０４が接続されている。このため、ドレイン弁６６の入口ポート８２から出口ポート８４に排出された排出流体は外側管９６の内部を介して第３配管１０４の内部、すなわち、排出流路６４に流入する。また、圧縮酸化剤ガス流路４８を介して外側管９６の内部に導入された圧縮酸化剤ガスも、第３配管１０４の内部の排出流路６４に流入する。

第３配管１０４の内部には、流量制限部６８が設けられている。流量制限部６８は、例えば、オリフィス等からなり、外側管９６の内部から排出流路６４へと排出される圧縮酸化剤ガスの流量を制限する。これによって、酸化剤ガス供給流路３８から圧縮酸化剤ガス流路４８に流入する圧縮酸化剤ガスの最大流量を所定の大きさに制限する。

図１に示すように、圧縮酸化剤ガス流路４８には、外側管９６の内部に導入される前の圧縮酸化剤ガスを加熱するヒータユニット１０６が介装される。つまり、圧縮酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス供給流路３８からヒータユニット１０６に圧縮酸化剤ガスを導入するヒータ上流部４８ａと、ヒータユニット１０６で加熱された圧縮酸化剤ガスを外側管９６の内部に導くヒータ下流部４８ｂとを有する。

図３及び図４に示すように、ヒータユニット１０６は、ヒータ上流部４８ａと連通する導入空間１１２及びヒータ下流部４８ｂと連通する加熱空間１１４を形成するボディ１１６と、加熱空間１１４を加熱するヒータ１１８と、導入空間１１２と加熱空間１１４の連通及び遮断を切り換える弁機構１２０とを有する。

ヒータ１１８は、その一端部側が、ボディ１１６に設けられた貫通孔１２２を介して加熱空間１１４の内部に挿通される。また、加熱空間１１４の外部に露出するヒータ１１８の他端部側は、不図示の電源に接続されている。なお、ヒータ１１８は、加熱空間１１４の内部に挿通されることに代えて、ボディ１１６の外部から加熱空間１１４を加熱可能に設けられてもよい。

弁機構１２０は、弁プレート１２４と、弁座部１２６とを主に有する。弁プレート１２４は、例えば金属等からなる線膨張係数が同じ複数枚のプレート１２８を、間隔をおいて重ねた状態で接合して形成される。本実施形態では、弁プレート１２４は、互いに間隔をおいて重ねた２枚のプレート１２８ａ、１２８ｂが、その鉛直方向の上側の一端縁部に設けられた接合部１３０を介して接合されている。

弁プレート１２４は、ボディ１１６の内部の導入空間１１２と加熱空間１１４との間に配設され、該弁プレート１２４の一端縁部が弁座部１２６に臨むように、該弁プレート１２４の他端縁部側（鉛直方向の下側）が、固定部１３１を介してボディ１１６に固定されている。

弁座部１２６は、図３に示すように、弁プレート１２４の一端縁部の加熱空間１１４側が該弁座部１２６に当接することで、導入空間１１２と加熱空間１１４とを遮断し、且つ図４に示すように、弁プレート１２４の一端縁部が該弁座部１２６から離間することで導入空間１１２と加熱空間１１４とを連通するように、ボディ１１６の鉛直方向上部に該ボディ１１６と一体に設けられる。

導入空間１１２の弁座部１２６の近傍には、弁プレート１２４の一端縁部が、弁座部１２６と当接する位置（閉位置）と、弁座部１２６から離間する位置（開位置）との間を移動可能にするべく、ボディ１１６の鉛直方向の上側に向かって広がる膨出部１３２が設けられている。

このように構成されるヒータユニット１０６では、弁プレート１２４が導入空間１１２と加熱空間１１４の温度差及び内圧差に応じて弾性変形することで、弁プレート１２４の一端縁部と弁座部１２６との距離、換言すると、弁機構１２０の開度が調整される。

具体的には、ヒータ１１８によって加熱空間１１４が加熱され、該加熱空間１１４と導入空間１１２との温度差が大きくなると、弁プレート１２４を構成するプレート１２８ａ、１２８ｂのうち、導入空間１１２に近接して配設される導入空間１１２側のプレート１２８ａの熱膨張量が、加熱空間１１４に近接して配設される加熱空間１１４側のプレート１２８ｂの熱膨張量よりも大きくなる。

このように熱膨張量の差が生じた弁プレート１２４では、その一端縁部を弁座部１２６から導入空間１１２側に向かって離間させる方向に弾性変形させる応力が生じる。この応力が、ヒータ上流部４８ａから導入空間１１２に流入した圧縮酸化剤ガスにより弁プレート１２４の一端縁部を弁座部１２６に押圧する押圧力（導入空間１１２と加熱空間１１４との内圧差により生じる押圧力）を超える場合、該一端縁部が弁座部１２６から離間する。すなわち、弁機構１２０が開状態となる。

一方、加熱空間１１４と導入空間１１２との温度差が生じていない又は生じていても小さいことで、弁プレート１２４に生じる上記の応力が圧縮酸化剤ガスによる押圧力を超えない場合は、弁プレート１２４の一端縁部が弁座部１２６に当接する。すなわち、弁機構１２０が閉状態となる。

燃料電池１６は、該燃料電池１６に設けられた冷却媒体流路１３３に、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体供給流路１３４及び冷却媒体排出流路１３６がさらに付設されている。

制御部１２は、不図示のＣＰＵ等を備えるマイクロコンピュータとして構成され、該ＣＰＵは、制御プログラムに従って所定の演算を実行し、燃料電池システム１０の通常運転制御や、暖機制御等の種々の処理や制御を行う。また、制御部１２は、燃料電池システム１０の温度を検出する温度センサの検出情報のほか、燃料電池システム１０を構成する各流路に流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、燃料電池システム１０がおかれる環境温度を検出する外気温センサの検出情報等が入力される（何れのセンサも不図示）。

そして、制御部１２は、各センサの検出情報等に基づき、圧縮ポンプ４４、ドレイン弁６６、電磁弁６０等を制御する。この制御により、燃料電池システム１０には、要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスが燃料電池１６に供給される。また、燃料電池システム１０の通常運転時には、所定のタイミングでドレイン弁６６を開閉することで、燃料排ガスから分離された窒素等の不純物の排出も行われる。

基本的には、上記のように構成される燃料電池システム１０の低温起動時の動作について、以下に説明する。

上記の温度センサや外気温センサの検出情報等に基づいて、燃料電池システム１０の暖機が必要であると制御部１２により判断された場合、燃料電池システム１０の暖機運転を開始する。これによって、水素タンク５０から燃料ガス供給流路３０に燃料ガスが供給されるとともに、圧縮ポンプ４４の回転作用下に酸化剤ガス供給流路３８に圧縮酸化剤ガスが供給される。燃料ガス供給流路３０に供給された燃料ガスは、電磁弁６０及びエジェクタ５８を経由して、アノード電極２０に供給される。酸化剤ガス供給流路３８に供給された酸化剤ガスは、その一部が圧縮酸化剤ガス流路４８のヒータ上流部４８ａに流入し、残部が加湿器４６を経由してカソード電極２２に供給される。この圧縮酸化剤ガスは、圧縮ポンプ４４により圧縮されることで、圧縮前の酸化剤ガスよりも高温になっている。

ヒータ上流部４８ａに流入した圧縮酸化剤ガスは、ヒータユニット１０６の導入空間１１２に流入する。ヒータユニット１０６では、ヒータ１１８により加熱空間１１４が加熱されている。また、低温環境下での起動時である分、導入空間１１２の温度が低くなっている。このため、加熱空間１１４と導入空間１１２との温度差が大きく、図４に示すように、弁機構１２０が開状態となっている。従って、互いに離間した弁プレート１２４の一端縁部と、弁座部１２６との間を介して導入空間１１２から加熱空間１１４へと圧縮酸化剤ガスが流入する。

加熱空間１１４に流入した圧縮酸化剤ガスは、ヒータ下流部４８ｂに向かって加熱空間１１４内を流通する間に加熱される。ヒータユニット１０６では、目標の加熱温度となった圧縮酸化剤ガスがヒータ下流部４８ｂに流入するように、加熱空間１１４を圧縮酸化剤ガスが流れる流速やヒータ１１８の温度等が設定される。

ヒータ下流部４８ｂに流入した圧縮酸化剤ガスは、外側管９６の内部に導かれる。外側管９６の内部では、圧縮酸化剤ガスの熱によって、第１配管９０を介して排出流路６４が加熱される。また、外側管９６に導入された圧縮酸化剤ガスは、排出流路６４を加熱しつつドレイン弁６６の出口ポート８４の内部まで流通するため、ドレイン弁６６の出口ポート８４側も直接加熱することができる。

上記のように外側管９６を流通した圧縮酸化剤ガスは、該外側管９６の下流側の端部の近傍に接続された第３配管１０４の内部の排出流路６４に流入する。第３配管１０４の内部には、流量制限部６８が設けられている。このため、第３配管１０４の流量制限部６８の下流側には、圧縮酸化剤ガスが流量を制限されつつ流入する。流量制限部６８を通過する圧縮酸化剤ガスの流量は、酸化剤ガス供給流路３８から圧縮酸化剤ガス流路４８に流入する圧縮酸化剤ガスの最大流量が適切な大きさとなるように設定されている。

排出流路６４の流量制限部６８の下流側に流入した圧縮酸化剤ガスは、酸化剤排ガス流路４２に導入される。これによって、圧縮酸化剤ガスは、酸化剤排ガス流路４２を加熱する。

燃料電池１６では、上記のように供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが、アノード電極２０のアノード触媒及びカソード電極２２のカソード触媒での電気化学反応で消費され、発電が行われる。なお、燃料電池１６の冷却媒体流路１３３には、冷却媒体供給流路１３４から冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路１３３を流通した後、冷却媒体排出流路１３６に排出される。

カソード電極２２に供給されて一部の酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス流路４２に排出される。この酸化剤排ガスは、例えば、加湿器４６において、カソード電極２２に新たに供給される酸化剤ガスを加湿した後、上記のように排出流路６４を介して酸化剤排ガス流路４２に流入した排出流体とともに燃料電池システム１０の外部に排出される。

アノード電極２０で消費されなかった燃料ガスの未消費分及び生成水や窒素等の不純物は、燃料排ガスとして燃料排ガス流路３４に排出された後、気液分離器５２に導入される。これによって、燃料排ガスは、気体成分である排出ガスと、液体成分である排出流体とに分離される。

上記のように電磁弁６０からエジェクタ５８の上流側に燃料ガスが噴射されることにより、循環流路５６には負圧が生じている。このため、排出ガスは、循環流路５６を介してエジェクタ５８に吸引され、燃料ガス供給流路３０に新たに供給された燃料ガスと混合された状態で、エジェクタ５８の下流側に排出される。

つまり、発電反応で消費されずに燃料排ガスとしてアノード電極２０から排出された未消費分は、生成水等の液体の水が分離されて排出ガスとなった後、再びアノード電極２０に供給される。

一方、燃料排ガスから分離された、生成水等の液体の水を含む排出流体は、第１配管９０の内部の排出流路６４に流入する。上記の通り、排出流路６４及びドレイン弁６６は、圧縮酸化剤ガスにより加熱されるため、排出流路６４やドレイン弁６６の内部で排出流体が凍結することが抑制される。また、排出流路６４やドレイン弁６６の内部で排出流体が凍結した場合であっても、該凍結が解消される。

従って、排出流体は、第１配管９０の内部と、制御部１２による開弁指示に応じて開弁したドレイン弁６６とを通過した後、外側管９６の内部の圧縮酸化剤ガスとともに第３配管１０４の内部へ流入する。これによって、排出流体は、圧縮酸化剤ガス及び酸化剤排ガスとともに酸化剤排ガス流路４２に流入し、燃料電池システム１０の外部に排出される。

上記のように燃料電池システム１０の暖機運転を行うことで、例えば、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度に達したと制御部１２により判断された場合には、暖機運転を終了し、燃料電池システム１０の通常運転を開始する。

以上から、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、上記の通り、外側管９６の内部に高温の圧縮酸化剤ガスを導くことで、該圧縮酸化剤ガスの熱により排出流路６４やドレイン弁６６を加熱することができる。気体である圧縮酸化剤ガスによれば、ヒータ等を設置することが困難な細部であっても容易に流入させて、排出流路６４やドレイン弁６６をその細部まで効果的に加熱することができる。

従って、この燃料電池システム１０によれば、排出流路６４やドレイン弁６６の凍結を効果的に抑制又は解消することができるため、低温環境下における燃料電池１６の発電安定性を良好に向上させることができる。

上記の通り、燃料電池システム１０では、外側管９６に導入される前の圧縮酸化剤ガスを加熱するヒータユニット１０６を備えることとした。気体の熱伝導率は、該気体の温度が上昇するにつれて上昇する。圧縮酸化剤ガスは、上記の通り圧縮ポンプ４４により圧縮されることで昇温している分、熱伝導率も上昇している。このため、ヒータユニット１０６により圧縮酸化剤ガスを加熱することで、その温度を効率的に上昇させることができる。このように、ヒータユニット１０６によってさらに昇温させた圧縮酸化剤ガスを外側管９６の内部に導くことで、排出流路６４の凍結を一層効果的に解消することが可能になる。

ヒータユニット１０６が、上記のように構成されることで、電磁弁や電動ポンプ等を制御部１２によって制御する特別な構成（不図示）によらず、排出流路６４やドレイン弁６６に導く圧縮酸化剤ガスの流量を適切に調整することができる。

例えば、このヒータユニット１０６では、燃料電池システム１０の暖機の進行に合わせて、ヒータ下流部４８ｂに適切な流量の圧縮酸化剤ガスを流通させることが可能である。低温環境下で起動した燃料電池システム１０の暖機初期では、排出流路６４やドレイン弁６６等の温度が低いため、外側管９６の内部に導く圧縮酸化剤ガスの流量が多いことが望ましい。この暖機初期では、導入空間１１２の温度が低い分、ヒータ１１８により加熱した加熱空間１１４と導入空間１１２との温度差が大きくなり、弁機構１２０の開度も大きくなる。これによって、加熱空間１１４に流入する圧縮酸化剤ガスの流量を増大させることができるため、ヒータ下流部４８ｂを介して外側管９６の内部に導く圧縮酸化剤ガスの流量を適切な大きさとすることができる。

一方、暖機後期では、圧縮酸化剤ガスを外側管９６の内部に導くことに代えて、カソード電極２２に供給する圧縮酸化剤ガスの流量を増大させることで、燃料電池１６での電気化学反応を促進することが望ましい。この暖機後期では、燃料電池システム１０全体の温度が暖機完了温度に近づいているため、導入空間１１２の温度も上昇しており、加熱空間１１４と導入空間１１２との温度差が小さくなり、弁機構１２０の開度も小さくなる。これによって、酸化剤ガス供給流路３８から圧縮酸化剤ガス流路４８に流入する圧縮酸化剤ガスの流量を減少させることができる分、カソード電極２２に供給する圧縮酸化剤ガスの流量を増大させることができる。

また、このヒータユニット１０６では、導入空間１１２に流入する圧縮酸化剤ガスの単位時間当たりの流量（流速）が変動しても、ヒータ１１８の温度制御によらずに、加熱空間１１４から排出される圧縮酸化剤ガスの温度を目標の加熱温度に維持することができる。例えば、導入空間１１２に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が減少した場合、導入空間１１２の内圧が減少して、弁機構１２０の開度が大きくなる。一方、導入空間１１２に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が増大した場合、導入空間１１２の内圧が増大して、弁機構１２０の開度が小さくなる。従って、導入空間１１２に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が増減しても、加熱空間１１４を通過する圧縮酸化剤ガスの流速の増減が抑制されるように弁機構１２０の開度が調整されるため、加熱空間１１４内で圧縮酸化剤ガスを同様に加熱して目標の加熱温度とすることができる。

さらに、このヒータユニット１０６では、ヒータ１１８の温度を調整して、圧縮酸化剤ガスの目標加熱温度を調整した場合であっても、調整後の目標加熱温度を良好に維持することができる。例えば、ヒータ１１８の温度を上昇させて加熱空間１１４の温度を上昇させると、加熱空間１１４と導入空間１１２との温度差が大きくなるため、弁機構１２０の開度が大きくなり、加熱空間１１４に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が増大する。これによって、圧縮酸化剤ガスに奪われる加熱空間１１４の熱量が大幅に増大し、加熱空間１１４の温度が低下した場合、上記の温度差が小さくなるため、弁機構１２０の開度が小さくなる。このため、加熱空間１１４からヒータ下流部４８ｂに流入する圧縮酸化剤ガスの温度を目標加熱温度に維持することができる。

一方、ヒータ１１８の温度を降下させると、上記の温度差が小さくなり、弁機構１２０の開度が小さくなるため、加熱空間１１４に流入する圧縮酸化剤ガスの流速が減少する。これによって、圧縮酸化剤ガスに奪われる加熱空間１１４の熱量が大幅に減少し、加熱空間１１４の温度が上昇した場合、上記の温度差が大きくなるため、弁機構１２０の開度が大きくなる。このため、加熱空間１１４からヒータ下流部４８ｂに流入する圧縮酸化剤ガスの温度を目標加熱温度に維持することができる。

上記の通り、燃料電池システム１０では、圧縮酸化剤ガス流路４８が外側管９６の内部に圧縮酸化剤ガスを導き、外側管９６が第３配管１０４の内部の排出流路６４に圧縮酸化剤ガスを導くこととした。これによって、排出流路６４を加熱することと、ドレイン弁６６の出口ポート８４側を直接加熱することができるため、排出流路６４やドレイン弁６６の凍結をより効果的に抑制又は解消することができる。なお、圧縮酸化剤ガス流路４８が圧縮酸化剤ガスを導く先は、外側管９６の内部に限定されるものではなく、少なくとも排出流路６４又はその近傍であればよい。

上記の通り、燃料電池システム１０では、排出流路６４のドレイン弁６６よりも下流側が、酸化剤排ガス流路４２に連通することとした。これによって、排出流路６４を介して酸化剤排ガス流路４２に圧縮酸化剤ガスを流通させることができるため、酸化剤排ガス流路４２を加熱することも可能になる。その結果、酸化剤排ガス流路４２における、酸化剤排ガスに含まれる生成水等の凍結も抑制及び解消することが可能になる。なお、排出流路６４の下流側は、酸化剤排ガス流路４２に連通していなくてもよく、例えば、排出流路６４から燃料電池システム１０の外部に直接圧縮酸化剤ガスを排出可能な構成としてもよい。また、圧縮酸化剤ガスを、酸化剤排ガス流路４２以外の加熱することが好ましい燃料電池システム１０の構成要素に導いてもよい。

上記の通り、燃料電池システム１０では、ドレイン弁６６の下流側で圧縮酸化剤ガスの流量を制限する流量制限部６８により、圧縮酸化剤ガス流路４８に導入される圧縮酸化剤ガスの最大流量が制限されることとした。これによって、圧縮酸化剤ガスが流量制限部６８よりも上流側に滞留し易くなるため、該圧縮酸化剤ガスによって排出流路６４及びドレイン弁６６を効果的に加熱することが可能になる。なお、流量制限部６８は、圧縮酸化剤ガス流路４８のドレイン弁６６の上流側に設けられていてもよいし、圧縮酸化剤ガス流路４８に設けられていなくてもよい。

上記のヒータユニット１０６では、弁座部１２６がボディ１１６の鉛直方向上部に設けられることとしたため、例えば、ヒータユニット１０６を流通する圧縮酸化剤ガスに結露水等が含まれていた場合であっても、該結露水が弁座部１２６や、弁プレート１２４の一端縁部に付着することを回避できる。これによって、上記の結露水によって妨げられることなく、ヒータユニット１０６を通過する圧縮酸化剤ガスの流量を弁機構１２０によって良好に制御することができる。なお、ボディ１１６の弁座部１２６が設けられる箇所は、鉛直方向上部に限定されない。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、圧縮酸化剤ガス流路４８にヒータユニット１０６を介装することとしたが、燃料電池システム１０は、ヒータユニット１０６を備えていなくてもよい。また、ヒータユニット１０６に代えて、不図示のヒータ等の圧縮酸化剤ガスを加熱する構成と、不図示の電磁弁等の圧縮酸化剤ガス流路４８を流通する圧縮酸化剤ガスの流量を制御する構成とをそれぞれ別個に設けてもよい。

上記の実施形態では、接続部にエジェクタ５８を設けることとしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、エジェクタ５８を設けることに代えて、循環流路５６に不図示のポンプ等を設けて、循環ガスを循環させてもよい。

１０…燃料電池システム １６…燃料電池
２０…アノード電極 ２２…カソード電極
３８…酸化剤ガス供給流路 ４２…酸化剤排ガス流路
４４…圧縮ポンプ ４８…圧縮酸化剤ガス流路
４８ａ…ヒータ上流部 ４８ｂ…ヒータ下流部
５２…気液分離器 ６２…液体排出口
６４…排出流路 ６６…ドレイン弁
６８…流量制限部 ９６…外側管
１０６…ヒータユニット １１２…導入空間
１１４…加熱空間 １１６…ボディ
１１８…ヒータ １２０…弁機構
１２４…弁プレート １２６…弁座部
１２８、１２８ａ、１２８ｂ…プレート

Claims (6)

1. 燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
   前記カソード電極に供給する前記酸化剤ガスを圧縮して圧縮酸化剤ガスとする圧縮ポンプと、
   前記アノード電極から排出される燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液体排出口に連通する排出流路と、
   前記圧縮酸化剤ガスを前記排出流路又は該排出流路の近傍に導く圧縮酸化剤ガス流路と、
   前記圧縮酸化剤ガス流路に介装され、前記排出流路又は該排出流路の近傍に導かれる前の前記圧縮酸化剤ガスを加熱するヒータユニットと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記ヒータユニットに前記圧縮酸化剤ガスを導入するヒータ上流部と、前記ヒータユニットで加熱された前記圧縮酸化剤ガスを前記排出流路又は該排出流路の近傍に導くヒータ下流部と、を有し、
   前記ヒータユニットは、前記ヒータ上流部と連通する導入空間及び前記ヒータ下流部と連通する加熱空間を形成するボディと、前記加熱空間を加熱するヒータと、前記導入空間と前記加熱空間の連通及び遮断を切り換える弁機構と、を有し、
   前記弁機構は、前記導入空間と前記加熱空間との間に配置され、且つ線膨張係数が同じ複数枚のプレートが間隔を置いて重ねられた状態で接合された弁プレートと、前記弁プレートの一端縁部の前記加熱空間側が当接することで前記導入空間と前記加熱空間とを遮断し、且つ前記弁プレートの一端縁部が離間することで前記導入空間と前記加熱空間とを連通する弁座部と、を有し、
   前記弁プレートの他端縁部側が前記ボディに固定された状態で、該弁プレートが前記導入空間と前記加熱空間の温度差及び内圧差に応じて弾性変形することで、前記弁プレートの一端縁部と前記弁座部との距離が調整され、前記弁機構の開度が調整されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
   前記カソード電極に供給する前記酸化剤ガスを圧縮して圧縮酸化剤ガスとする圧縮ポンプと、
   前記アノード電極から排出される燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液体排出口に連通する排出流路と、
   前記圧縮酸化剤ガスを前記排出流路又は該排出流路の近傍に導く圧縮酸化剤ガス流路と、
   前記排出流路を開閉するドレイン弁と、を備え、
   前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記ドレイン弁に前記圧縮酸化剤ガスを導き、
   前記ドレイン弁の下流側で前記圧縮酸化剤ガスの流量を制限する流量制限部により、前記圧縮酸化剤ガス流路に導入される前記圧縮酸化剤ガスの最大流量が制限されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
   前記カソード電極に供給する前記酸化剤ガスを圧縮して圧縮酸化剤ガスとする圧縮ポンプと、
   前記アノード電極から排出される燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液体排出口に連通する排出流路と、
   前記圧縮酸化剤ガスを前記排出流路又は該排出流路の近傍に導く圧縮酸化剤ガス流路と、
   前記排出流路を開閉するドレイン弁と、を備え、
   前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記ドレイン弁に前記圧縮酸化剤ガスを導き、
   前記圧縮酸化剤ガス流路は、前記排出流路を構成する配管の前記ドレイン弁の上流側の外周面を囲う外側管の内部に前記圧縮酸化剤ガスを導き、
   前記外側管は、前記排出流路の前記ドレイン弁の下流側と連通して、該排出流路内に前記圧縮酸化剤ガスを導くことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排出流路の前記ドレイン弁よりも下流側は、前記カソード電極から酸化剤排ガスが排出される酸化剤排ガス流路に連通することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ドレイン弁の下流側で前記圧縮酸化剤ガスの流量を制限する流量制限部により、前記圧縮酸化剤ガス流路に導入される前記圧縮酸化剤ガスの最大流量が制限されることを特徴とする燃料電池システム。

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