JP2005174608A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外部に放出される生成水に含まれるイオンを低減する。
【解決手段】 燃料電池１を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池１から排出された生成水を貯蔵するタンク３と、生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置４とを設ける。生成水に含まれるイオンがイオン吸着装置４にて吸着されるため、タンク３から外部に放出される生成水に含まれるイオンを減少させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。一般に燃料電池システムでは、供給する水素あるいは酸素を加湿して燃料電池に供給する。また、燃料電池システムでは、発電に伴い水が発生する。そこで、その生成水を回収するためのタンクを設け、回収した生成水を水素や酸素の加湿などに再利用し、余った生成水についてはそのまま外部に放出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３７３６９７号公報

ところで、固体高分子型の燃料電池の場合、固体高分子膜、拡散層、セパレータ、配管などからいろいろな物質が生成水中に溶け出すことがあった。因みに、広く自動車用として使われているフッ素系固体高分子膜自体は強酸性であるので、膜が劣化した場合などに結果として生成水も酸性になることがあり、配管類が腐食してそこからイオンが溶け出すことがあった。そして、上記の従来システムでは、余った生成水はそのまま外部に放出するようにしているため、生成水に含まれるイオンは生成水とともに外部に放出されてしまうという問題があった。

本発明は上記点に鑑み、外部に放出される生成水に含まれるイオンを低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１）から排出された生成水を貯蔵するタンク（３）と、生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置（４）とを備えることを特徴とする。

これによると、生成水に含まれるイオンをイオン吸着装置にて吸着しているため、タンクから外部に放出される生成水に含まれるイオンを減少させることができる。

請求項２に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１）から排出された生成水を貯蔵するタンク（３）と、生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置（４）と、生成水をイオン吸着装置（４）に循環させるポンプ（６）とを備えることを特徴とする。

これによると、生成水に含まれるイオンをイオン吸着装置にて吸着しているため、タンクから外部に放出される生成水に含まれるイオンを減少させることができる。また、ポンプによって強制的にイオン吸着装置に生成水を循環させるため、イオン吸着速度を上げることができる。

請求項３に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１）から排出された生成水を貯蔵するタンク（３）と、生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置（４）と、生成水を加熱して蒸気に変換させる電気ヒータ（７）と、タンク（３）に設けられ、蒸気をタンク（３）の外部に放出させる蒸気放出管（３２）とを備えることを特徴とする。

これによると、生成水に含まれるイオンをイオン吸着装置にて吸着しているため、タンクから外部に放出される生成水に含まれるイオンを減少させることができる。

ところで、生成水の発生速度が高いときには、生成水に含まれたイオンが十分にイオン吸着装置に吸着される前に生成水が外部に放出されることがあるが、請求項３に記載の発明では、生成水を蒸気として放出するので、液体として捨てられる生成水の量を減少でき、ひいてはイオンの外部放出量を減少することができる。さらに、液体として放出する量を低減できるので、車両に搭載される燃料電池システムの場合、後続車への被水も防止できる。

請求項４に記載の発明では、イオン吸着装置（４）は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂で構成されていることを特徴とする。これによると、陽イオンおよび陰イオンの両方を吸着することができる。

請求項５に記載の発明では、車両に搭載される燃料電池システムであって、電気ヒータ（７）には回生電力が供給されることを特徴とする。このように、水を蒸気にする際に必要なエネルギーとして、車両減速時の回生電力を使用することにより、車両効率を低下させることが回避できる。

請求項６に記載の発明では、電気ヒータ（７）はＰＴＣヒータであることを特徴とする。このように、ＰＴＣヒータを用いれば、空だき時等においても異常昇温を防止できるので好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図で、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。この燃料電池１は、車両走行駆動源としての電動モータ（図示せず）や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。

本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池１の空気の排気経路２には、燃料電池１から排出された生成水を貯蔵するタンク３が設置されている。タンク３の側面には排水口３１が設けられており、タンク３内の水位が排水口３１の位置まで達すると、生成水が排水口３１より外部に放出されるようになっている。

タンク３内の底部には、生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置４が設置されている。生成水に溶出するイオンは、陽イオンおよび陰イオンの両方が考えられるので、イオン吸着装置４は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の両方で構成されている。具体的な構成としては、粒子状の陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂がケースに収められており、そのケースには、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の粒子径よりも小さい穴が開けられており、その穴を通じて水がケース内外を移動するようになっている。

タンク３に貯められた水の一部は、配管５を介して加湿水タンク（図示せず）に送られ、水素や酸素の加湿に利用されるようになっている。

上記構成において、燃料電池１の発電に伴い発生した生成水は、排気経路２を介してタンク３に流入する。その生成水には、イオンが溶出している場合がある。生成水に溶出するイオンとしては、鉄イオン（Ｆｅ^３＋）、アルミイオン（Ａｌ^３＋）、フッ素イオン（Ｆ⁻）、亜硫酸イオン（ＳＯ_３ ^２−）などがある。そして、生成水に含まれるイオンは、イオン吸着装置４にて吸着される。したがって、タンク２の排水口３１から外部に放出される生成水に含まれるイオンを減少させることができる。

（第２実施形態）
図２は第２実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、イオン吸着装置４はタンク２の外部に配置されている。タンク２内の生成水はポンプ６によってイオン吸着装置４に送られ、イオン吸着装置４を通過した生成水はタンク２に戻されるようになっている。このように、ポンプ６によって強制的にイオン吸着装置４内部に生成水を循環させることにより、イオン吸着速度を上げることができる。

（第３実施形態）
図３は第３実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。第２実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図３に示すように、タンク２内の生成水を加熱する電気ヒータ７が、タンク２内の底部に設置されている。また、電気ヒータ７に加熱されて蒸発した蒸気を外部に放出させる蒸気放出管３２が、タンク２の上部に設けられている。

ところで、第１実施形態および第２実施形態では、タンク２の容量をオーバーした生成水は水のまま外部に放出される。生成水の発生速度が高いときには、生成水に含まれたイオンが十分にイオン吸着装置４に吸着される前に外部に放出されることがある。

本実施形態の場合、タンク２内の生成水の一部は、電気ヒータ７に加熱されて蒸気として外部に放出されるので、排水口３１より液体として捨てられる量を減少でき、つまり生成水に含まれているイオンの外部放出量を減少できる。また、蒸気で生成水を排出するので、後続車に被水することも避けることができる。

なお、電気ヒータ７として、ＰＴＣヒータを用いれば、空だき時等においても異常昇温を防止できるので好ましい。

また、通常走行時には、減速時の回生電力を電気ヒータ７に供給するのが望ましい。特に、２次電池が満容量になり、２次電池に回生できなくなった回生電力を用いれば、車両として効率低下を防ぐことができる。もちろん、電気ヒータ７は燃料電池１からの電力や２次電池に貯蔵された電力を使って、水を蒸発させても良い。

さらに、第１実施形態のように、タンク３内にイオン吸着装置４を設けてもよい。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、燃料電池１の空気の排気経路２のみに、タンク３およびイオン吸着装置４を設置したが、水素の排気経路（図示せず）にも、タンク３およびイオン吸着装置４を設置しても良い。

また、タンク２の排出口３１には、固体物質の排出防止の為にフィルタを設けても良い。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。

符号の説明

１…燃料電池、３…タンク、４…イオン吸着装置。

Claims (6)

1. 水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池（１）から排出された生成水を貯蔵するタンク（３）と、前記生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置（４）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池（１）から排出された生成水を貯蔵するタンク（３）と、前記生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置（４）と、前記生成水を前記イオン吸着装置（４）に循環させるポンプ（６）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池（１）から排出された生成水を貯蔵するタンク（３）と、前記生成水に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置（４）と、前記生成水を加熱して蒸気に変換させる電気ヒータ（７）と、前記タンク（３）に設けられ、前記蒸気を前記タンク（３）の外部に放出させる蒸気放出管（３２）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記イオン吸着装置（４）は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 車両に搭載される燃料電池システムであって、前記電気ヒータ（７）には回生電力が供給されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記電気ヒータ（７）はＰＴＣヒータであることを特徴とする請求項３または５に記載の燃料電池システム。

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