JP2006024520A

JP2006024520A - 燃料電池システムの凝縮水回収装置

Info

Publication number: JP2006024520A
Application number: JP2004203463A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Otake; 康貴大竹; Yasushi Araki; 康荒木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】本発明は燃料電池システムの凝縮水回収装置に関し、分析装置による正確な凝縮水分析を簡単な構成によって可能にする。
【解決手段】回収タンク２と分析装置又はサンプル容器とをつなぐ導水管２４にバルブ４を設け、回収タンク２には凝縮水の回収量が第１所定量に達したことを検知する回収完了検知手段１２と、凝縮水の排出量が第１所定量に達したことを検知する排出完了検知手段１４を備える。回収完了検知手段１２からの検知信号に応じてバルブ４を開弁し、排出完了検知手段１４からの検知信号に応じてバルブ４を閉弁することで、回収タンク２から分析装置への凝縮水の供給を周期的に繰り返し行い、回収タンク２から排出される凝縮水への前条件の履歴の影響を低く抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムのオフガス中に含まれる水分を分析装置による分析のために回収する装置に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極が配置された構造を有している。電解質膜は、各電極に供給される反応ガスが混合しないように互いに隔離するとともに、電極間のイオンの移動を媒介する手段として機能している。このような電解質膜の機能は電解質膜内に電解質が十分に含まれていることにより実現されるものであり、電解質量が不足する場合には電解質膜における反応ガスのリーク量が増大したり、電解質膜の内部抵抗が増大したりしてしまう。電解質膜の電解質量は燃料電池の運転に伴って次第に減少していくため、燃料電池の電池性能を高く維持するためには、電解質膜の劣化状態を常に或いは定期的に監視することが重要になる。

電解質膜の劣化状態を監視する方法として、従来、燃料電池のオフガスに含まれる水分を凝縮させて回収し、回収した凝縮水を分析することが行われている。燃料電池内では、カソード電極における電気化学反応により水が生成される。反応により生成された水の多くはカソード電極のオフガスに含まれて大気中に放出され、一部の生成水は電解質膜をアノード電極側に通過してアノード電極のオフガスに含まれて大気中に放出される。電解質膜内の電解質はオフガス中の水分とともに燃料電池から排出されるため、水分を凝縮させて回収し、凝縮水に含まれる電解質の濃度等を分析することによって電解質膜の劣化状態を判断することができる。例えば、特許文献１に記載された従来技術では、凝縮水を回収するドレンタンクを設け、ドレンタンク内のドレン量と電解質濃度を測定し、両測定結果から燃料電池から排出されたトータルの電解質量を求めるようになっている。

特開平６−５２８７６号公報特開２０００−３４８７５２号公報特開平７−７８６２８号公報

上記従来技術では、ドレンタンクから凝縮水を排出した後、ドレンタンク内に残留する電解質が次回の分析結果に与える影響については考慮されていない。高い精度で分析を行うためには、ドレンタンク内の残留電解質の量をできるかぎり少なくすること、つまり、前条件の履歴の影響をできる限り抑えることが必要である。上記従来技術では、前条件の履歴の影響を抑えるためには、毎回の分析後、ドレンタンク内のフラッシングが必要となる。しかし、フラッシングの間は凝縮水を回収することができないため、燃料電池から排出されたトータルの電解質量を正確に測定することができなくなってしまう。

そこで、従来、より高い精度での分析を可能にするため、図５に示すような構成の凝縮水回収装置も提案されている。図５に示す従来の凝縮水回収装置は、オフガス通路３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ）の上流側から順に凝縮器５０、回収タンク６０、ドレンタンク６２を備えている。凝縮器５０と回収タンク６０を結ぶオフガス通路３０ａには、その上流側から順にバルブ４０と継手５２が設けられている。回収タンク６０とドレンタンク６２を結ぶオフガス通路３０ｂには、その上流側から順に継手５４とバルブ４２が設けられている。ドレンタンク６２の底部にはドレンを排水するための排水通路３４が接続され、ドレンタンク６２から延びるオフガス通路３０ｃと排水通路３４のそれぞれにバルブ４６，４８が設けられている。また、ドレンタンク６２にはバルブ４０の上流においてオフガス通路３０ａから分岐したバイパス通路３２が接続されている。バイパス通路３２にもバルブ４４が設けられている。

図５に示す従来の凝縮水回収装置は、通常、バイパス通路３２のバルブ４４は閉じ、オフガス通路３０ａ，３０ｂ，３０ｃのバルブ４０，４２，４６は開いた状態で運転される。これにより、凝縮器５０で凝縮したオフガス中の水分は回収タンク６０内に回収され、水分を除去されたオフガスは回収タンク６０からドレンタンク６２を通って排気される。回収タンク６０内の凝縮水量が規定量に達したときには、バイパス通路３２のバルブ４４が開かれ、オフガス通路３０ａ，３０ｂのバルブ４０，４２は閉じられる。この状態で継手５２，５４を外して回収タンク６０をオフガス通路３０ａ，３０ｂから切り離し、内部を洗浄された新しい回収タンク６０をオフガス通路３０ａ，３０ｂに取り付ける。この間、凝縮水はオフガスとともにバイパス通路３２を通ってドレンタンク６２に流入し、ドレンタンク６２にて回収される。ドレンタンク６２に回収された凝縮水は定期的にまとめて廃棄される。新しい回収タンク６０の取り付け完了後は、再びオフガス通路３０ａ，３０ｂのバルブ４０，４２は開かれ、バイパス通路３２のバルブ４４は閉じられる。これにより、新しい回収タンク６０に凝縮水が回収されていくようになる。

上記の従来の凝縮水回収装置によれば、回収タンク６０を新しいものに交換することによって前条件の履歴の影響を排除することができ、運転中に回収タンク６０のフラッシングを行う必要もない。しかし、この凝縮水回収装置は構造が複雑で大型であるため、コストが高いという課題がある。

また、上記の従来の凝縮水回収装置では、回収タンク６０の交換を速やかに行うことができれば、ドレンタンク６２に流れる凝縮水の量を抑えることもできる。しかし、実際には、取り付け取り外し作業やリークチェック等に時間がかかるため、回収タンク６０の交換を短時間で行うことは難しい。このため、回収タンク６０の交換の際には少なからぬ凝縮水がドレンタンク６２に流れてしまうことになり、実際の総凝縮水量と回収タンク６０による回収量との間には差が生じてしまう。また、回収６０タンク内にはアノードオフガス（水素ガス）が存在しているため、回収タンク６０を交換するには、回収タンク６０内から水素をパージする必要がある。そのため、パージ時には燃料電池の運転を停止するか、或いは回収タンク６０にパージ機構を設けなければならない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、分析装置による正確な凝縮水分析を簡単な構成によって可能にした燃料電池システムの凝縮水回収装置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、燃料電池システムのオフガス中に含まれる水分を分析装置による分析のために回収する装置であって、
オフガス通路に配置された凝縮器と、
前記凝縮器により凝縮されたオフガス中の水分を回収する回収タンクと、
前記回収タンクの底部に接続され、前記回収タンクにより回収された凝縮水を前記分析装置又はサンプル容器へ導水する導水管と、
前記導水管に設けられたバルブと、
前記回収タンクへの凝縮水の回収量が第１所定量に達したことを検知する回収完了検知手段と、
前記回収タンクからの凝縮水の排出量が前記第１所定量に達したことを検知する排出完了検知手段と、
前記バルブの閉弁後、前記回収完了検知手段により凝縮水の回収量が前記第１所定量に達したことを検知された場合に前記バルブを開弁し、前記バルブの開弁後、前記排出完了検知手段により凝縮水の排出量が前記第１所定量に達したことを検知された場合に前記バルブを閉弁するバルブ制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記バルブの閉弁時、前記バルブの上流には第２所定量の凝縮水が残存するように構成されていることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、前記第２所定量は前記第１所定量よりも少ないことを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記回収タンク内の凝縮水の水位が所定の第１水位に達したことを検知する第１水位センサと、
前記回収タンク内の凝縮水の水位が前記第１水位よりも高い所定の第２水位に達したことを検知する第２水位センサと、
前記バルブの閉弁後、前記回収タンク内の凝縮水の水位が前記第１水位に達してから前記第２水位に達するまでの所要時間を測定し、前記所要時間から凝縮水生成速度を求める演算手段と、
をさらに備えることを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、前記演算手段は、前記所要時間を複数サイクルについて測定し、測定した複数サイクルの平均所要時間から凝縮水生成速度を求めることを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、前記回収タンクはアノードオフガス通路とカソードオフガス通路のそれぞれに配置されており、前記アノードオフガス通路に配置される前記回収タンクの容積と前記カソードオフガス通路に配置される前記回収タンクの容積の比は、アノードオフガスに含まれる水分量とカソードオフガスに含まれる水分量の比とほぼ等しく設定されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、回収タンクからの凝縮水の排出が周期的に繰り返し行われるので、回収タンクから排出される凝縮水への前条件の履歴の影響は低く抑えられ、分析装置による正確な凝縮水分析が可能になる。また、回収タンクの交換が不要であるので、装置の構成も簡単で済むという利点もある。

第２の発明によれば、回収タンク内の凝縮水を全て排出させるのではなく一部の凝縮水は回収タンク内に残存させることで、導水管からのオフガスのリークを防止することができる。また、第３の発明によれば、回収タンク内に残存させる凝縮水量を回収タンクから排出する凝縮水量よりも少なくすることで、排出後に回収タンク内に残存する電解質量を少なくすることができ、前条件の履歴の影響をより低く抑えることができる。

第４の発明によれば、回収タンク内の凝縮水の水位が第１水位に達してから第２水位に達するまでの所要時間から凝縮水生成速度が求められるので、凝縮水量を直接測定することなく、凝縮水生成速度と運転時間から総凝縮水量を正確に測定することができる。なお、凝縮水はオフガス通路内で付着と流れを繰り返しながら流れるため、回収タンクに流れる凝縮水の流量は一定ではない。第５の発明によれば、複数サイクルについて測定した結果の平均値から凝縮水生成速度が求められるので、総凝縮水量をより正確に測定することができる。

第６の発明によれば、回収される凝縮水量に合わせて各回収タンクの容積が設定されるので、装置全体を小型化することができる。

以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての凝縮水回収装置の概略構成図である。この図に示すように、オフガス通路２０には凝縮器６が配置され、凝縮器６の下流に回収タンク２が配置されている。燃料電池からオフガス通路２０に排出されたオフガスは凝縮器６を通り、その際、オフガス中の水分は凝縮して凝縮水となる。凝縮器６としては、例えば熱交換器を用いることができる。凝縮水はオフガス通路２０を流れて回収タンク２内に回収される。回収タンク２は底部が円錐状であり、その先端部に三方弁４が設けられている。三方弁４には排水通路２２と図示しない分析装置又はサンプル容器へ通じるサンプル通路２４が接続されている。サンプル通路２４がサンプル容器へ接続される場合、凝縮水は一旦、サンプル容器に回収された後、分析装置に供給されて分析される。三方弁４の開閉は燃料電池システムを統合制御している制御装置１０によって制御される。本実施形態では、サンプル通路２４が第１の発明の「導水管」に相当し、三方弁４が第１の発明の「バルブ」に相当している。

回収タンク２内には、回収タンク２内の水位を検知する水位センサ１２，１４が上下２箇所に設けられている。水位センサ１２，１４が出力する信号は、水位が水位センサ１２，１４の位置以上のときにオンとなり、水位センサ１２，１４の位置より低いときにはオフとなる。水位センサ１２，１４は制御装置１０に接続され、制御装置１０は水位センサ１２，１４からの信号に基づいて三方弁４を制御している。具体的には、回収タンク２内の水位が上部水位センサ１２の位置に達したら、制御装置１０は三方弁４のサンプル通路２４側を開き、回収タンク２とサンプル通路２４とを連通させる。これにより、回収タンク２に回収された凝縮水はサンプル通路２４に排出され、サンプル通路２４を通って分析装置又はサンプル容器に供給される。凝縮水が排出されることで回収タンク２内の水位は低下していき、水位が下部水位センサ１４の位置まで低下したところで制御装置１０は三方弁４を閉弁させる。三方弁４の閉弁により回収タンク２からの凝縮水の排出は停止し、回収タンク２内の水位は再び上昇していく。本実施形態では、上部水位センサ１２が第１の発明の「回収完了検知手段」に相当し、下部水位センサ１４が第１の発明の「排出完了検知手段」に相当している。

上記のように回収タンク２内の水位に応じて三方弁４が開閉されることで、回収タンク２から分析装置への凝縮水の供給が周期的に繰り返されることになる。本実施形態の凝縮水回収装置では、下部水位センサ１４から上部水位センサ１２までの体積Ｖ１が一回の回収・排出サイクルで回収タンク２から排出される凝縮水の量となり、三方弁４から下部水位センサ１４までの体積Ｖ２が回収タンク２内に残留する凝縮水の量となる。この体積Ｖ２の残留凝縮水は、回収タンク２内のオフガスが三方弁４を通ってリークすることを防止するために必要である。

本実施形態の凝縮水回収装置によれば、回収タンク２からの凝縮水の排出が周期的に繰り返し行われることで、回収タンク２内のフラッシングを行わずとも、回収タンク２から排出される凝縮水への前条件の履歴の影響は低く抑えられる。なお、凝縮水の排出間隔（回収・排出サイクルの周期）は回収タンク２に流入する凝縮水の流量と体積Ｖ１により決まる。体積Ｖ１を小さく設定するほど排出間隔は短くなり、前条件の履歴の影響が残存する期間も短くなる。また、体積Ｖ２が小さいほど凝縮水の残留量も少なくなるため、前条件の履歴の影響は小さくなる。したがって、前条件の履歴の影響を抑えるためには、体積Ｖ１は小さいほうが好ましく、体積Ｖ２も小さいほうが好ましい。

図２は、排出間隔を変化させたときに前条件の履歴の影響がどのように変化するかを説明するためのグラフである。図２には、回収タンク２内に所定濃度のサンプルが残留している状況で回収タンク２内に水を供給し始め、各排出間隔（１時間、５時間、１０時間、２０時間）で回収タンク２内の水を排出した場合のサンプル濃度の時間変化が示されている。ただし、体積比Ｖ１／Ｖ２は５に設定されている。この図に示すように、排出間隔が短いほど残留水のサンプル濃度は短期間で減少していく。つまり、前条件の履歴の影響は小さくなっていく。

また、図３は、体積比Ｖ１／Ｖ２を変化させたときに前条件の履歴の影響がどのように変化するかを説明するためのグラフである。図３には、回収タンク２内に所定濃度のサンプルが残留している状況で回収タンク２内に水を供給し始め、所定の排出間隔（ここでは５時間）で回収タンク２内の水を排出した場合のサンプル濃度の時間変化が体積比Ｖ１／Ｖ２（１，２，３，５，１０）毎に示されている。この図に示すように、体積比Ｖ１／Ｖ２が大きいほど残留水のサンプル濃度は短期間で減少していく。つまり、前条件の履歴の影響は小さくなっていく。

本実施形態の凝縮水回収装置では、体積Ｖ１は排出間隔が５時間以内となるように設定され、体積Ｖ２は体積Ｖ１との比Ｖ１／Ｖ２が５以上になるように設定されている。このような設定によれば、前条件の履歴の影響を十分に低く抑えて正確な凝縮水分析を行うことができる。なお、体積Ｖ１，Ｖ２の具体的な値は、回収タンク２が配置されるオフガス通路２０がアノードオフガス通路かカソードオフガス通路かによって大きく異なる。オフガス中の水分量はアノードオフガスよりもカソードオフガスの方が断然多いためである。単位時間当たりの凝縮水の回収量を考慮すると、アノードオフガス通路に配置される回収タンクの容積を１としたとき、カソードオフガス通路に配置される回収タンクの容積は７〜２０程度に設定するのが好ましい。このように回収される凝縮水量に合わせて回収タンク２の容積を設定することで、装置全体を小型化することが可能になる。

ところで、燃料電池から排出された総電解質量を測定するためには凝縮水の電解質濃度と総凝縮水量を正確に測定する必要がある。回収タンク２内の水位の変化を正確に測定できるならば、その水位の変化を積算することで総凝縮水量を正確に測定することができる。しかし、実際には、水位センサ１２，１４が水位を検知してから三方弁４が動作するまでには応答遅れがあるため、三方弁４が開弁したときの回収タンク１２内の水位は上部水位センサ１２の位置よりもオーバーシュートしており、また、三方弁４が閉弁したときの回収タンク１２内の水位は下部水位センサ１４の位置よりもアンダーシュートしている。このため、回収タンク２内の水位の変化からは総凝縮水量を正確に測定することはできない。

そこで、本実施形態では、総凝縮水量は凝縮水の生成速度から間接的に測定される。凝縮水生成速度が分かれば、運転時間に凝縮水生成速度を掛け算することで総凝縮水量を簡単且つ正確に求めることができる。制御装置１０は、上記のように三方弁４を開閉制御する機能に加えて凝縮水の生成速度を演算する機能も有しており、下部水位センサ１４の信号がオンになってから上部水位センサ１２の信号がオンになるまでの所要時間Ｔを測定し、水位センサ１２，１４間の体積Ｖ１と所要時間Ｔから凝縮水生成速度Ｙ（Ｙ＝Ｖ１／Ｔ）を演算している。なお、凝縮水生成速度Ｙの演算に用いる所要時間Ｔには、複数サイクルについて測定した結果の平均値が用いられる。これは、凝縮水はオフガス通路２０内で付着と流れを繰り返しながら流れるため、図４に示すように、回収タンク２に流入する凝縮水の流量は一定にはならないためである。凝縮水の流量が一定でなければ所要時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４にも長短が生じてしまうため、単発の測定では凝縮水生成速度を正確に求めることができない。本実施形態の凝縮水回収装置によれば、複数サイクルについて測定した所要時間の平均値から凝縮水生成速度が求められるので、総凝縮水量をより正確に測定することができる。本実施形態では、上部水位センサ１２が第４の発明の「第２水位センサ」に相当し、下部水位センサ１４が第４の発明の「第１水位センサ」に相当している。また、制御装置１０が第４の発明の「演算手段」に相当している。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上記実施の形態ではバルブとして三方弁４を配置しているが、通常のオン／オフバルブを用いてもよい。

本発明の実施の形態としての凝縮水回収装置の概略構成を示す図である。図１の凝縮水回収装置において、排出間隔を変化させたときに前条件の履歴の影響がどのように変化するかを説明するためのグラフである。図１の凝縮水回収装置において、体積比Ｖ１／Ｖ２を変化させたときに前条件の履歴の影響がどのように変化するかを説明するためのグラフである。図１の凝縮水回収装置において、回収タンクに流入する凝縮水の流量の変化の様子を示す図である。従来の凝縮水回収装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

２回収タンク
４三方弁
６凝縮器
１０制御装置
１２上部水位センサ
１４下部水位センサ
２０オフガス通路
２２排出通路
２４サンプル通路

Claims

燃料電池システムのオフガス中に含まれる水分を分析装置による分析のために回収する装置であって、
オフガス通路に配置された凝縮器と、
前記凝縮器により凝縮されたオフガス中の水分を回収する回収タンクと、
前記回収タンクの底部に接続され、前記回収タンクにより回収された凝縮水を前記分析装置又はサンプル容器へ導水する導水管と、
前記導水管に設けられたバルブと、
前記回収タンクへの凝縮水の回収量が第１所定量に達したことを検知する回収完了検知手段と、
前記回収タンクからの凝縮水の排出量が前記第１所定量に達したことを検知する排出完了検知手段と、
前記バルブの閉弁後、前記回収完了検知手段により凝縮水の回収量が前記第１所定量に達したことを検知された場合に前記バルブを開弁し、前記バルブの開弁後、前記排出完了検知手段により凝縮水の排出量が前記第１所定量に達したことを検知された場合に前記バルブを閉弁するバルブ制御手段と、
を備えることを特徴とする凝縮水回収装置。
前記バルブの閉弁時、前記バルブの上流に第２所定量の凝縮水が残存するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の凝縮水回収装置。
前記第２所定量は前記第１所定量よりも少ないことを特徴とする請求項２記載の凝縮水回収装置。
前記回収タンク内の凝縮水の水位が所定の第１水位に達したことを検知する第１水位センサと、
前記回収タンク内の凝縮水の水位が前記第１水位よりも高い所定の第２水位に達したことを検知する第２水位センサと、
前記バルブの閉弁後、前記回収タンク内の凝縮水の水位が前記第１水位に達してから前記第２水位に達するまでの所要時間を測定し、前記所要時間から凝縮水生成速度を求める演算手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の凝縮水回収装置。
前記演算手段は、前記所要時間を複数サイクルについて測定し、測定した複数サイクルの平均所要時間から凝縮水生成速度を求めることを特徴とする請求項４記載の凝縮水回収装置。
前記回収タンクはアノードオフガス通路とカソードオフガス通路のそれぞれに配置されており、前記アノードオフガス通路に配置される前記回収タンクの容積と前記カソードオフガス通路に配置される前記回収タンクの容積の比は、アノードオフガスに含まれる水分量とカソードオフガスに含まれる水分量の比とほぼ等しく設定されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の凝縮水回収装置。