JP2005243506A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 イオンの排出を確実に抑えることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２から排出されるガスの流路に設けられた気液分離器３４，４４と、燃料電池１２から排出される水分中の所定イオンの濃度を推定する推定手段と、所定イオンの濃度が所定値以上と推定された場合に、気液分離器３４，４４により凝縮される水分量を増大させる冷却ファン５６と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、フッ素系の固体高分子膜を用いた燃料電池が用いられている。このような燃料電池において、特開２００２−３１３４０４号公報には、反応により生成された水分に含まれるフッ素イオンを除去するため、イオン交換樹脂を配設し、大気中に排出されるフッ素イオンを低減する技術が開示されている。

特開２００２−３１３４０４号公報

しかしながら、特開２００２−３１３４０４号公報に開示された方法では、イオン交換樹脂に経時変化が生じた場合、またはイオン交換樹脂に捕獲されたイオン量が増大した場合等には、イオン交換樹脂がその機能を十分に果たさなくなる。この場合、生成水中に含まれるフッ素イオンを低減することは困難となり、フッ素が大気中に排出されるという問題が生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、イオンの排出を確実に抑えることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスの流路に設けられた気液分離器と、前記燃料電池から排出される水分中の所定イオンの濃度を推定する推定手段と、前記所定イオンの濃度が所定値以上と推定された場合に、前記気液分離器により凝縮される水分量を増大させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記気液分離器により凝縮された水分中のイオン濃度を検出するイオン濃度検出手段を備え、前記推定手段は、前記イオン濃度検出手段で検出した前記イオン濃度に基づいて、前記所定イオンの濃度を推定することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記気液分離器の温度を検出する温度検出手段を備え、前記推定手段は、前記温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記所定イオンの濃度を推定することを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記所定イオンがフッ素イオンであることを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記気液分離器への冷却量を増大することで、前記気液分離器に凝縮される水分量を増大させることを特徴とする。

第１の発明によれば、所定イオンの濃度が所定値以上と推定された場合に、気液分離器により凝縮される水分量を増大させるため、凝縮された水分中の所定イオンの濃度を希釈することができる。

第２の発明によれば、気液分離器により凝縮された水分中のイオン濃度を検出することができるため、検出したイオン濃度に基づいて、燃料電池から排出される水分中の所定イオンの濃度を推定できる。

第３の発明によれば、殆どの所定イオンは燃料電池から排出された水蒸気中ではなく水分中に含まれ、また燃料電池から排出された水分の凝縮量は気液分離器の温度に応じて変化するため、気液分離器の温度に基づいて、燃料電池から排出される水分中の所定イオンの濃度を推定することができる。

第４の発明によれば、フッ素系の固体高分子膜を用いた燃料電池において、気液分離器により凝縮された水分中のフッ素イオンの濃度を希釈することができる。

第５の発明によれば、気液分離器への冷却量を増大することで、燃料電池から排出されたガスの温度を低下させることができ、気液分離器に凝縮される水分量を増大させることができる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２はフッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６にはポンプ２０、エアフィルタ２２が設けられており、ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２４を通って再びアノードガス流路１４へ戻され、水素タンク１８から水素が補充されて再度アノードへ送られる。アノードオフガス流路２４には、アノードオフガスをアノードガス流路１４へ送るためのポンプ２６、アノードオフガス中のイオンを除去するイオン除去膜（イオン交換樹脂）２８、アノードオフガスの逆流を抑える逆止弁３６などが設けられている。

一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３２を通り、最終的にはマフラ３８から排出される。カソードオフガス流路３２には、加湿器４０、カソードオフガス中のイオンを除去するイオン除去膜４２などが設けられている。加湿器４０にはカソードガス流路１６も導入されており、加湿器４０は、カソードオフガス中の水分の一部を吸収し、カソードガスへ供給することでカソードガスを加湿する。

マフラ３８と並行して排気水素希釈器４６が設けられている。排気水素希釈器４６は、流路４８によってアノードオフガス流路２４と接続されている。流路４８にはバルブ５０が設けられており、アノードオフガス流路２４→アノードガス流路１４→燃料電池１２を循環するガス中に窒素（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の不純物成分が多く含まれる場合は、バルブ５０を開くことでこれらの成分を排出する。排気水素希釈器４６にはマフラ３８の手前で分岐したカソードオフガスが流れており、窒素等とともに流路４８から排出されたアノードオフガス中の水素は、排気水素希釈器４６で希釈されて排出される。

燃料電池１２から排出される生成水は、水蒸気と水（液体）の２つの形態で排出される。マフラ３８の下流のテールパイプからの飛散水、水蒸気の排出を低減するため、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２には、水蒸気を凝縮させて液化する気液分離器３４，４４が設けられている。

気液分離器３４，４４は、例えばサイクロン式の気液分離器であって、アノードオフガスまたはカソードオフガスを旋回させて、壁面でガスを冷却することで水蒸気を凝縮させるものである。このように、気液分離器３４，４４内で旋回流を生じさせることで、ガスの冷却効果が高められている。更に、気液分離器３４，４４には、放熱のための冷却構造（冷却フィン等）が設けられている。

気液分離器３４には、イオン濃度検出手段５２、温度検出手段５４が設けられている。同様に、気液分離器４４にもイオン濃度検出手段５２、温度検出手段５４が設けられている。イオン濃度検出手段５２は、気液分離器３４または気液分離器４４に捕集された水分中のイオン濃度を検出するものであり、例えばフッ素イオン濃度を検出するフッ素メータから構成されている。

また、温度検出手段５４は、気液分離器３４，４４の本体の温度、より詳細には、アノードオフガスまたはカソードオフガスが旋回流となる気液分離器３４，４４内の内壁面の温度を検出する。また、温度検出手段５４は、気液分離器３４，４４内のガスの温度を検出するものでも良い。更に、気液分離器３４，４４には、捕集した水分を排出するためのバルブ３５が設けられている。

気液分離器３４、気液分離器４４の近傍には冷却ファン５６が設けられている。冷却ファン５６はモータ５８によって駆動され、気液分離器３４，４４に設けられた冷却フィン等に送風することで気液分離器３４，４４を冷却する。

気液分離器３４，４４に液体の状態で捕集される水分量は、気液分離器３４，４４の温度、より詳細には、アノードオフガスまたはカソードオフガスが旋回流となる気液分離器３４，４４内の内壁面の温度と相関があり、内壁面の温度が低くなる程、ガス中に含まれる水蒸気の液化が促進されるため、気液分離器３４，４４に捕集される水分量が多くなる。従って、冷却ファン６０を駆動して気液分離器３４，４４を冷却するほど、ガス中の水蒸気が凝縮し、気液分離器３４，４４に捕集される水分量が多くなる。

本実施形態のようなフッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池１２では、カソードで生成された水分中に分離膜中のフッ素が溶け出す場合がある。また、溶出したフッ素により、各流路を構成する金属（ステンレス）製の配管からニッケル、クロムなどの金属イオンが溶出する場合もある。

溶出したこれらのイオンは、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２に設けられたイオン除去膜２８，４２に捕集されるが、イオン除去膜２８，４２が経時変化等により劣化したり、イオン除去膜２８，４２に捕集されたイオン量が増大すると、イオン除去膜２８，４２が十分にその機能を果たさなくなる場合がある。このため、イオン除去膜２８，４２の機能が低下した場合に、気液分離器３４，４４から排出される水分中のイオン濃度を低減する必要がある。

ここで、上述したフッ素、金属等のイオンは、主としてカソードオフガス又はアノードオフガスに含まれる水蒸気が液化した後の水分中に溶出する。従って、カソードオフガス又はアノードオフガスに含まれる水蒸気中には、イオンが殆ど含まれていないという性質がある。

このため、本実施形態のシステムでは、イオン除去膜２８，４２が十分に機能を果たさなくなった場合は、カソードオフガス又はアノードオフガスに含まれる水蒸気の液化を促進して、気液分離器３４，４４における水分の回収率を高めることで、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオンの濃度を希釈するようにしている。

具体的には、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度をイオン濃度検出手段５２から検出し、イオン濃度が所定の規定値以上の場合は、冷却ファン５６を駆動して気液分離器３４，４４を冷却し、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水蒸気の液化を促進する。上述したように、水蒸気中にイオンは殆ど含まれていないため、水蒸気の液化を促進することで気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を低減することができる。

上述したように、金属イオンの溶出はフッ素イオンに起因すると考えられることから、フッ素イオン濃度が高い場合は金属イオン濃度も高くなる。従って、イオン濃度検出手段５２をフッ素メータから構成した場合、検出したフッ素イオン濃度から金属イオン濃度を予測し、これに基づいて冷却ファン５６を駆動して水蒸気の液化を促進しても良い。また、フッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池１２では、フッ酸以外の酸は殆ど存在しないため、フッ素イオン濃度はペーハー（ｐＨ）によって簡易的に検出できる。従って、イオン濃度検出手段５２はペーハーメータから構成しても良い。

また、温度検出手段５４で検出した温度が所定値よりも高い場合は、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水蒸気がそのまま気液分離器３４，４４を通過して下流に流れてしまうため、気液分離器３４，４４で捕集された水分中のイオンが希釈されず、イオン濃度が高くなる場合がある。従って、温度検出手段５４で検出した温度が所定値よりも高い場合は、冷却ファン５６を駆動して気液分離器３４，４４を冷却し、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水蒸気の液化を促進するようにしても良い。これにより、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を低減することができる。

このように、本実施形態のシステムでは、水蒸気の液化を促進することで気液分離器３４，４４に捕集された水分中のフッ素イオン、金属イオン等のイオン濃度を希釈し、低減することができる。なお、上述したように、金属イオンの溶出はフッ素イオンに起因すると考えられることから、フッ素イオン濃度を低減することで、結果として金属イオンの溶出を抑えることができる。

次に、図２及び図３のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料電池システム１０における処理の手順について説明する。ここで、図２はイオン濃度検出手段５２の検出値に基づいて冷却ファン５６を駆動する制御を示している。この場合、先ずステップＳ１では、イオン濃度検出手段５２により気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を検出する。

次のステップＳ２では、ステップＳ１で検出したイオン濃度が所定の規定値以上であるか否かを判定し、検出したイオン濃度≧規定値の場合は、ステップＳ３へ進んで冷却ファン５６をＯＮにして気液分離器３４，４４を冷却する。これにより、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水蒸気の液化が促進され、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を低減することができる。

一方、ステップＳ２で、検出したイオン濃度＜規定値の場合は、ステップＳ４へ進む。この場合、イオン濃度が規定値よりも小さいため、水蒸気の液化を促進する必要はない。従って、ステップＳ４では冷却ファンをＯＦＦにする。これにより、モータ５８の消費電力を低減することができる。

図３は、温度検出手段５４の検出値に基づいて冷却ファン５６を駆動する制御を示している。この場合、先ずステップＳ１１では、温度検出手段５４により気液分離器３４，４４の温度を検出する。

次のステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出した温度が所定の規定値以上であるか否かを判定する。ステップＳ１２で検出した温度≧規定値の場合は、水蒸気の液化が少なく、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度が高くなることが推定されるため、ステップＳ１３へ進んで冷却ファン５６をＯＮにし、気液分離器３４，４４を冷却する。これにより、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水蒸気の液化が促進され、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を低減することができる。

一方、ステップＳ１２で、検出した温度＜規定値の場合は、ステップＳ１４へ進む。この場合、気液分離器３４，４４の温度が規定値よりも小さいため、水蒸気が適度に液化されていると判断できる。従って、ステップＳ１４では冷却ファンをＯＦＦにする。このように、外気温が低い場合など気液分離器３４，４４の温度が規定値よりも小さい場合は、冷却ファン５６をＯＦＦにすることでモータ５８の消費電力を低減することができる。

以上の処理により気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を規定値よりも低下させた後は、気液分離器３４，４４に設けられたバルブ３５を開いて排水を行う。これにより、イオン濃度を規定値以下に低減させた状態で排水を行うことができる。なお、本システムによれば、気液分離器３４，４４に捕集したイオン濃度を規定値以下にする制御が逐次行われるため、気液分離器３４，４４にバルブ３５を設けずに、イオン濃度を低減した水分を逐次排出するようにしても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度が高いと推定される場合は、気液分離器３４，４４を冷却してガス中の水蒸気の液化を促進するようにしたため、イオンを殆ど含まない水蒸気を液化することによって、気液分離器３４，４４に捕集された水分中のイオン濃度を低減することが可能となる。従って、イオン濃度を基準値以下に低減させた状態で排水を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、アノードオフガス流路２４とカソードオフガス流路３２の双方に気液分離器３４，４４を設けたが、いずれか一方のみの流路に気液分離器を設けても良い。

また、上述した実施形態では、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２にイオン除去膜２８，４２を設けてイオンを低減させているが、イオン除去膜２８，４２を設けずに、金属配管等の表面にイオンの溶出を抑える表面処理を施すことでイオンを低減させても良い。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
３４，４４ 気液分離器
５２ イオン濃度検出手段
５４ 温度検出手段
５６ 冷却ファン

Claims (5)

1. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるガスの流路に設けられた気液分離器と、
   前記燃料電池から排出される水分中の所定イオンの濃度を推定する推定手段と、
   前記所定イオンの濃度が所定値以上と推定された場合に、前記気液分離器により凝縮される水分量を増大させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記気液分離器により凝縮された水分中のイオン濃度を検出するイオン濃度検出手段を備え、
   前記推定手段は、前記イオン濃度検出手段で検出した前記イオン濃度に基づいて、前記所定イオンの濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記気液分離器の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記推定手段は、前記温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記所定イオンの濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記所定イオンがフッ素イオンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記気液分離器への冷却量を増大することで、前記気液分離器に凝縮される水分量を増大させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。

Images