JP2006269155A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換樹脂を使用しなくても不純物濃度が低下した生成水を外部に排出可能とする。
【解決手段】燃料電池システムは、生成水を含む反応ガスを気相成分と液相成分とに分離する気液分離器を有する。気液分離器は気液分離室と蒸発室とを有する。気液分離室で反応ガスから分離された生成水は、案内手段によって蒸発室に案内される。案内された生成水は、加熱手段により生成水中の不純物が気化する温度まで加熱され、不純物ガスとして排出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池の分野では、燃料電池による発電により生成された生成水中に溶出するイオンのような不純物を除去する手法として、例えば特許文献１に示される技術が提案されている。特許文献１では、燃料電池から排出される燃料ガスや酸化剤ガスの流路上にイオン交換樹脂を配置し、燃料オフガスや酸化剤ガスとともに燃料電池から排出される生成水中に含まれたイオンがイオン交換樹脂により除去される。

また、本発明に関連する先行技術として、例えば特許文献２に開示された技術がある。
特開２００２−３１３４０４号公報 特開２００３−７３２３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるようなイオン交換樹脂には寿命がある。このため、イオン交換樹脂が長期間に亘って使用されると、イオン交換樹脂の寿命によるイオン交換性能の低下によりイオンが十分に除去されない可能性があった。この場合、高濃度のイオンを含んだ生成水が外部に排出されてしまう可能性があった。

本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであり、生成水に含まれる不純物の濃度を低下させて外部に排出可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述した目的を達成するために、以下の構成を採用する。

即ち、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるガス中に含まれる生成水を、該生成水中に含まれる水より沸点の高い不純物の少なくとも１つが気化する温度まで加熱する加熱手段と
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、加熱手段によって不純物が生成水ととともに気化されるので、単位体積あたりの不純物の濃度が低下する。このようにして、不純物を含む生成水を外部に排出可能な状態とすることができる。

また、本発明は、
前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であり、
前記不純物がフッ素である
ことを特徴とする。

この場合には、フッ素を含む生成水をフッ素濃度が低下した状態で外部に排出することができる。また、フッ素濃度の低下にイオン交換樹脂を使用する必要がなくなる。

また、本発明は、
前記燃料電池から排出されるガスが流れるガス排出通路と、
前記ガス排出通路に設けられ、前記ガス中の生成水を貯留する貯留部と、
前記貯留部に貯留された生成水中の前記不純物が気化した不純物ガスが流れる不純物ガス排出通路と、
前記貯留部と前記不純物ガス排出通路との間に設けられ、前記貯留部に貯留された生成水を前記不純物ガス排出通路に案内する案内路とを含み、
前記加熱手段は、前記案内路を通って前記貯留部から前記不純物ガス排出通路に案内された生成水中の前記不純物を前記不純物ガス排出通路内で蒸発させる
ことを特徴とする。

また、本発明は、前記案内路を流れる生成水の流量を調整する流量調整手段をさらに含むことを特徴とする。流量が調整されることにより、不純物ガス排出通路内で効率的に不純物を含む生成水を蒸発させることができる。

本発明によれば、生成水に含まれる不純物の濃度を低下させて外部に排出することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

〔第１実施形態〕
〈燃料電池システムの構成例〉
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。図１に示す構成例では、燃料電池１として、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)が適用されている。燃料電池１は、複数のセルが積層されてなるセルスタック構造を持つ。

各セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとからなる。

燃料極は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料ガスが燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路(図示せず)を通って空気極に移動する。

一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質膜を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応により水が生成される。

このような燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１のセルスタックの両端子間に接続される図示しない負荷に対する電力として使用される。

燃料電池１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。図１において、燃料供給／排出系は次のように構成されている。

すなわち、燃料電池１に設けられた燃料入口１Ａは、水素源(例えば、高圧水素を貯留
したタンク)２及び調圧弁３と配管４を介して接続されている。一方、燃料電池１に設けられた燃料出口１Ｂは、配管５を介して、燃料ガスの気液分離器６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、燃料入口１Ａと燃料出口１Ｂとを結び、且つセルの燃料極を経由する燃料通路１Ｃが設けられている。

燃料気液分離器６の気体側出口は、配管７を介して、モータにより駆動する循環ポンプ８の入口に接続されている。循環ポンプ８の出口には配管９が設けられており、配管９は、逆止弁１０を介して配管４に接続されている。また、配管９には、排気管１１及び排気弁１２が配置されている。排気弁１２から排出されるガスは図示せぬ希釈器を通って水素濃度が薄められた後、外部に排出される。

以上の構成において、燃料ガスが通過する配管のうち、配管５、気液分離器６、配管７、配管９は、ステンレス(ＳＵＳ)のような金属製の材質で構成されている。

このような燃料供給／排出系の構成によれば、水素源２から送り出される高圧の水素ガスは、調圧弁３で調圧された後、配管４を通って燃料入口１Ａから燃料電池１内に入り、燃料通路１Ｃを通過する際に燃料極にて電極反応に消費される。その後、燃料極を通過した水素ガスは、水素オフガスとして燃料出口１Ｂから配管５(燃料電池１の外部)へ排出され、気液分離器６へ送られる。

気液分離器６では、燃料オフガスが気相成分と液相成分とに分離され、気相成分は配管７を通って循環ポンプ８により再び配管４に供給される。このように、燃料電池１に供給される燃料ガスが循環するように構成されている。さらに、調圧弁３及び排気弁１２の開閉制御により、燃料ガスの濃度が適正な範囲で保たれるように構成されている。

一方、図１において、酸化剤供給／排出系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた酸化剤入口１Ｄは、配管１３を介してエアコンプレッサ１４に接続されている。また、燃料電池１に設けられた酸化剤出口１Ｅは、配管１５を介して酸化剤ガスの気液分離器１６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、酸化剤入口１Ｄと酸化剤出口１Ｅとを結び、且つセルの空気極を経由する酸化剤通路１Ｆが設けられている。さらに、気液分離器６の液相成分の出口は、ドレン弁を介して配管１７の一端に接続されており、配管１７の他端は配管１５に接続されている。

このような酸化剤供給／排出系の構成によれば、エアコンプレッサ１４のモータによる駆動により、酸化剤ガスとしての空気が、エアフィルタ１４Ａを通じてエアコンプレッサ１４内に導入され、圧縮される。エアコンプレッサ１４から吐出される空気は、配管１３を通って燃料電池１に供給される。空気は酸化剤入口１Ｄから燃料電池１内に入り、酸化剤通路１Ｆを通過する際に、空気極にて電極反応に消費される。その後、空気極を通過した空気は、酸化剤オフガスとして酸化剤出口１Ｅから配管１５(燃料電池１の外部)に排出される。配管１５に送り出された酸化剤オフガスは、配管１７から合流する液相成分とともに気液分離器１６へ導入される。

気液分離器１６では、気相成分と液相成分(生成水)との分離が行われる。気相成分は、気相成分出口１６Ａから排出される。このとき、気相成分が図示せぬ希釈器を通るようにしても良い。液相成分(生成水)は、気液分離器１６内で気化され、ドレン１６Ｂから排出される。ドレン１６Ｂから排出される気化ガスは、直接に又は図示せぬ希釈器を通って外気中に排出される。

ところで、燃料電池１では、空気極での反応によって水(生成水)が生成される。生成水は、固体高分子電解質膜を通じて空気極から燃料極に到達する。固体高分子電解質膜には
、フッ素系樹脂系高分子膜が適用されている。このため、燃料極へ移動する生成水中にフッ酸(フッ素イオン)が溶出することがある。

燃料極へ到達した生成水は、燃料ガスとともに、燃料電池１の外部(配管５)に排出される。このとき、燃料電池１から排出される生成水中のフッ素イオンは、配管５等を構成する金属と反応し金属イオン(ステンレス(ＳＵＳ)であれば、鉄(Ｆｅ)，ニッケル(Ｎｉ)，クロム(Ｃｒ)等の各イオン)が溶出する要因となることがある。生成水は、気液分離器６で液相成分として燃料オフガスから分離され、配管１７,１５を通じて気液分離器１６に導入される。

本発明の実施形態は、生成水中に溶出した不純物(例えばイオン(特にフッ素イオン))の濃度を気液分離器１６で低下させて外部に排出可能とする構成について例示する。

〈気液分離器の構成〉
図２は、本発明の第１実施形態に係る気液分離器１６を中心とした構成例を示す図である。気液分離器の本体２０は、上部及び底部が閉塞された円筒形に形成されている。本体２０の内部には、内部空間を上側と下側とに分割する円形の隔壁２１が設けられている。隔壁２１の略中央には、開口部が設けられており、開口部には、上側の内部空間と下側の内部空間とが連通する状態でオリフィス２２が設けられている。

本体２０の上部の側壁には、配管１５が取り付けられ、本体２０の上側の内部空間と配管１５の内部空間とが連通状態となっている。本体２０の上面には、気相成分出口１６Ａが設けられ、気相成分出口１６Ａには、配管２０Ａが取り付けられている。このような構成により、本体２０の上側の内部空間は、次の作用を生じる気液分離室２３として機能する。

即ち、気液分離室２３には、配管１５からの生成水を含む酸化剤オフガスが導入される。ここに、配管１５は、本体２０の水平方向の断面円形状に対する接線方向に酸化剤オフガスを導入するように取り付けられている。このため、気液分離室２３内に導入された酸化剤オフガスは、気液分離室２３の内周面に沿って旋回する。このとき、比重の軽い気相成分(酸化剤オフガス)は、配管１５から気液分離室２３内に導入される酸化剤オフガスに押し出されるようにして気相成分出口１６Ａから配管２０Ａへ排出される。一方、比重の重い液相成分(生成水)は、気液分離室２３の底部(隔壁２１上)に溜まる。このようにして、配管１５，気液分離室２３及び配管２０Ａは、燃料電池から排出されるガス（反応ガス）のガス排出通路として機能し、気液分離室２３の底部は、酸化剤オフガスから分離された生成水が貯留される貯留部として機能する。

気液分離室２３に貯留された生成水は、オリフィス２２を通じて徐々に本体２０の下側の内部空間に案内される。オリフィス２２は、貯留部に貯留された生成水を案内するための案内路として機能する。また、オリフィス２２は、本体２０の下側に案内される生成水の流量を調整する流量調整手段として機能する。

本体２０の下側の内部空間は、オリフィス２２によって案内された生成水に含まれた少なくとも１つの不純物(例えば、フッ素イオン)を蒸発させる蒸発室２４として機能する。本体２０の下部の側壁には、ドレン(排出口)１６Ｂが設けられており、ドレン１６Ｂには、配管２０Ｂが接続されている。これにより、蒸発室２４と配管２０Ｂの内部空間が連通状態となっている。蒸発室２４では、生成水中のフッ素イオンが、後述する加熱手段により気化する温度まで加熱される。加熱により生じた気相のフッ素(「不純物ガス」と称する)は、ドレン１６Ｂから配管２０Ｂへ排出される。蒸発室２４及び配管２０Ｂは不純物
ガス排出通路として機能する。

ところで、気液分離室２３内の温度は、液回収を効率良く行うために低い温度であることが望ましい。このため、本体２０は、気液分離室２３を構成する上側部分と、蒸発室２４を構成する下側部分とをリング状の断熱材２５を挟んで連結することにより、一体に形成されている。隔壁２１は、その外縁部が断熱材２５に固定されている。このような構成により、加熱手段による熱が本体２０の外壁や隔壁２１を通じて気液分離室２３に伝達されることが防止されている。また、隔壁２１に断熱効果の高い材質を適用することが考えられる。

なお、気液分離器１６の本体２０は、気液分離室２３と蒸発室２４とが異なるハウジングで構成され、二つのハウジングがオリフィス２２を内蔵した配管で連結されるように構成しても良い。

一方で、蒸発室２４は、その内部において少ない熱量で効率良くフッ素イオンが気化されるように構成するのが好ましい。このため、本体２０の下部(蒸発室２４)の外壁は、例えば図２に示されるように、断熱材２６で被覆され、蒸発室２４内の温度が保温されるように構成されている。

〈加熱手段〉
生成水中の不純物(フッ素イオン)は、蒸発室２４内の温度が不純物の沸点まで上昇することにより気化し、不純物ガスとなる。蒸発室２４内の温度を当該沸点まで上昇させる加熱手段は、本実施形態において次のように構成される。図２に示す構成例では、加熱手段として、第１加熱手段と、第２加熱手段とが示されている。

《第１加熱手段》
第１加熱手段は、電力供給部２７と、電力供給部２７に電気的に接続される電熱線ヒータ２８(以下、単に「ヒータ２８」と表記)とを備えている。

電力供給部２７は、図１に示す燃料電池システムが搭載される移動体(例えば車両)の駆動力を生成する発電機(モータ：図示せず)において、移動体の減速時に生じる回生ブレーキにより生成される余剰エネルギーを用いてヒータ２８に対する電力供給(通電(電圧印加))を行う。

電力供給部２７は、移動体駆動用の発電機で発生する回生ブレーキによる電力(回生エネルギー(余剰エネルギー))を受け取るように構成されている。電力供給部２７は、二次電池２７Ａを有しており、発電機からの電力は二次電池２７Ａの充電に使用される。このとき、二次電池２７Ａの充電量が上限に達している場合には、充電しきれない電力が余る。この余りの電力がヒータ２８に供給され、ヒータ２８を発熱させる。

もっとも、上記した構成に代えて、電力供給部２７で受入される回生エネルギーの一部が常にヒータ２８に供給されるように構成しても良い。なお、二次電池２７Ａは、燃料電池１に対する二次電池としても利用できる。

ヒータ２８は、電力供給部２７からの電力供給により発熱し、蒸発室２４(本体２０の下部)を加熱する。これによって、蒸発室２４内の温度が、例えば、フッ素水溶液が蒸発(気化)する温度(１０６℃)以上となるように加熱される。

蒸発室２４内の温度は、蒸発室２４内に設置された温度センサ２９と、気液分離器１６の外部に設置された制御手段としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit：コンピュータ)
３０とによりフィードバック制御することが可能である。温度センサ２９の出力は、ＥＣ
Ｕ３０に入力される。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ(中央演算処理装置)のようなプロセッサ，メモリ(ＲＯＭやＲＡＭ：記憶手段)，入出力インタフェース(Ｉ／Ｏ)等から構成されている。プロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することによって、電力供給部２７を制御する。

例えば、ＥＣＵ３０は、電力供給部２７からヒータ２８に対し、充電しきれない分の電力による通電のみが行われる(ヒータ２８と二次電池２７Ａとの間が開放される)ように、電力供給部２７内のスイッチ制御を行う。ＥＣＵ３０は、温度センサ２９の出力に基づいて蒸発室２４内の温度を監視する。充電しきれない分の通電のみで蒸発室２４内の温度が適正範囲に保たれない場合には、ＥＣＵ３０は、二次電池２７Ａとヒータ２８とが接続され、二次電池２７Ａに蓄積された電力がヒータ２８に通電されるように、電力供給部２７内のスイッチ制御を行う。

以上のような第１加熱手段による蒸発室２４内の温度制御が可能である。但し、図２に示す構成例では、気液分離室２３内に、貯留された液相成分(生成水)の水位を計測する水位センサ(レベルセンサ)３１が取り付けられている。ＥＣＵ３０は、水位センサ３１から受け取る出力信号に基づき気液分離室２３内の水位を測定し、水位の測定結果と、蒸発室２４内の温度とに基づき、次のようなヒータ２８の目標温度のフィードバック制御を行う。

図３は、気液分離室２３内の水位レベルと、ヒータ２８の目標温度との関係を示すグラフである。目標温度は、例えばフッ素水溶液の沸点(気化点)である１０６℃を下限とし、水位レベルが所定値Ｘを上回ると、徐々に上昇するように設定される。水位の上昇によりオリフィス２２を通過して蒸発室２４に案内される生成水の流量が増加するからである。

ＥＣＵ３０のメモリには、図３のグラフに示すような目標温度の設定条件データが記憶されている。ＥＣＵ３０は、設定条件データに基づき、ヒータ２８が水位レベルから決まる目標温度で発熱を行うように、ヒータ２８への通電量を制御する。このとき、通電量が不足する場合には、二次電池２７Ａに蓄積された電力が利用される。

なお、図２に示す構成例では、水位センサ３１が気液分離室２３内に配置された例を示した。このような構成に代えて、水位センサ３１が蒸発室２４に配置され、蒸発室２４に滞留した生成水の水位に応じて温度制御が行われるようにしても良い。

《第２加熱手段》
第２加熱手段は、図２に示すように、熱媒体(気体又は液体)の循環路３２と、熱媒体を循環させるポンプ３３と、温度センサ３４とを含んでいる。循環路３２の一部は、配管１３内と、蒸発室２４内とに配置されている。

エアコンプレッサ１４から配管１３に吐出される空気は、その圧縮により高温となる(フッ素水溶液の沸点以上)。ポンプ３３により循環路３２内を循環する熱媒体は、配管１３内の空気から熱を受け取り、蒸発室２４内で熱を解放することができる。これにより、蒸発室２４内の温度がフッ素水溶液の沸点以上に上昇する構成となっている。

但し、エアコンプレッサ１４から吐出される空気の温度(エアコンプレッサ１４の出口直後の配管１３内の温度)は、エアコンプレッサ１４の駆動量に依存する。このため、温度センサ３４が、エアコンプレッサ１４から吐出された直後の配管１３内の温度を計測するように設けられている。温度センサ３４の出力信号は、ＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は、熱媒体の循環により蒸発室２４内が適正に加熱されるように、ポンプ３３のオ
ン／オフを制御する。

図４は、ＥＣＵ３０による処理(第２加熱手段(のポンプ３３)の制御)例を示すフローチャートである。図４において、ＥＣＵ３０は、処理を開始すると、温度センサ３４の出力に基づきエアコンプレッサ１４から吐出される空気の温度(吐出温度)を測定し、吐出温度が所定の設定値(予め設定されている)より大きいか否かを判定する(ステップＳ１)。設定値は、例えば、蒸発室２４内の温度をフッ素水溶液の沸点以上に上昇させることが可能な温度に設定される。

このとき、吐出温度が設定値よりも大きい場合(Ｓ１；ＹＥＳ)には、ポンプ３３がオンにされる(ステップＳ２)。即ち、ＥＣＵ３０は、ポンプ３３の駆動力を生成するモータに対し、オン信号(駆動信号)を与える。

これに対し、吐出温度が設定値未満である場合(Ｓ１；ＮＯ)には、ポンプ３３がオフにされる(ステップＳ３)。即ち、ＥＣＵ３０は、ポンプ３３のモータに対し、オフ信号(停止信号)を与える。

ステップＳ２又はＳ３の処理が終了すると、処理がステップＳ１に戻る。このような制御によって、吐出温度が設定値を上回る間、ポンプ３３が熱媒体を循環させて蒸発室２４内に案内された生成水(フッ素イオンを含む)の加熱が行われる。一方、吐出温度が設定値未満となると、ポンプ３３による熱媒体の循環が停止し、熱媒体との熱交換で蒸発室２４内が冷却されることが防止される。

図２に示すように、第１及び第２加熱手段が用意されている場合には、第１加熱手段を第２加熱手段の補助として使用することが考えられる。例えば、蒸発室２４内の加熱が要求される場合には、優先的に第２加熱手段が利用される。第２加熱手段により適正な温度制御を図ることができない場合に、第１加熱手段が使用される。もっとも、図４に示したような第２加熱手段の動作は、第１加熱手段の動作から独立して行われるように構成することも可能である。

なお、図２には、第１及び第２加熱手段を備える構成例を開示した。但し、本発明において第１及び第２加熱手段を備えることは必須の要件ではない。第１加熱手段と第２加熱手段との一方のみの使用により、蒸発室２４内の温度がフッ素水溶液の沸点以上の温度で維持される場合には、第１加熱手段と第２加熱手段との一方のみを選択的に使用することが可能である。この場合には、使用しない他方の構成を燃料電池システムから省略することができる。

なお、図２において、循環路３２の一部が蒸発室２４内を通過する構成とした。このような構成に代えて、循環路３２が本体２０の下部(蒸発室２４)の外壁に接触するように配置されるように構成しても良い。

或いは、循環路３２の一部がエアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂに接触するように構成し、エアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂの駆動により発生する熱が循環路３２の熱媒体に伝達される構成としても良い。

或いは、蒸発室２４の外壁がエアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂに接触するように構成され、エアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂからの熱が蒸発室２４に伝達されるように構成することも考えられる。この場合、循環路３２及びポンプ３３は不要である。

〈第１実施形態の効果〉
以上説明した第１実施形態によれば、気液分離器１６の蒸発室２４内に案内される不純物(フッ素イオン)を含む生成水が、加熱手段(第１及び／又は第２加熱手段)によりフッ素水溶液の沸点以上になるまで加熱される。

従って、オリフィス２２を通じて蒸発室２４内に案内される生成水中のフッ素イオンは、生成水とともに気化してガスとなり、不純物ガスとして配管２０Ｂへ排出される。不純物ガスの単位体積あたりのフッ素濃度は、フッ素の気化膨張により生成水の単位体積あたりの濃度よりも低下している。

このようにして、フッ素を含む生成水をフッ素濃度が低下した状態で外部に排出することができる。このため、第１実施形態の構成では、フッ素イオンを生成水中から除去するイオン交換樹脂を含むイオン交換器が省略されている。

加熱手段として、回生ブレーキにより生じた電力や、酸化剤ガスの熱、エアコンプレッサ１４等の廃熱を利用する。このため、加熱のために特別なエネルギー源を用意する必要がない。

なお、図２に示した構成例では、気液分離室２３と蒸発室２４との間にオリフィス２２を設けた。オリフィス２２の代わりに、弁の開度を調整可能な流量制御弁が適用されても良い。この場合、ＥＣＵ３０は、例えば、気液分離室２３内の水位が高くなるほど開度が大きくなるように、弁の開度を調整する。また、弁の開度が水位と蒸発室２４内の温度とに基づいて調整されるように構成することも考えられる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態と共通点を有するので、主として相違点について説明し、共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。第２実施形態では、図１に示す燃料電池システムの構成において、気液分離器１６(図２)の代わりに図５に示すような気液分離器４０が適用されている。

〈気液分離器の構成〉
図５は、第２実施形態における気液分離器４０を中心とした構成例を示す図である。図５において、気液分離器４０は、内部空間が気液分離室２３Ａとして機能する第１本体４１と、内部空間が蒸発室として機能する第２本体４２とからなる。第１本体４１と第２本体４２とは、配管４３，三方弁４４及び配管４５を介して連結されている。

第１本体４１は、側面が円筒状に形成されており、配管１５(図１)が第１実施形態と同様の手法で連結されている。第１本体４１の一部が開口した状態で閉塞され、開口部には気液分離室２３Ａで分離された気相成分が排出される排出管４６が接続されている。このような構成により、第１実施形態と同じ原理で、気液分離室２３内に導入される生成水を含む酸化剤オフガスが気相成分と液相成分とに分離される。

第１本体４１の下部は、漏斗状に形成されており、その中心部に配管４３が連結されている。これにより、気液分離室２３Ａ内で分離された液相成分(生成水)が気液分離室２３Ａの底部から配管４３へ向かって流れるように構成されている。配管４３は、三方弁４４の入口に接続されている。この入口が閉じた状態であると、気液分離室２３で分離された生成水は配管４３内を満たした後に、気液分離室２３Ａの底部に貯留される。

気液分離室２３Ａの底部には、イオン交換樹脂４６が配置されている。イオン交換樹脂４６は、気液分離室２３Ａに貯留された生成水に漬かるように配置されている。生成水中
の不純物(フッ素イオン)はイオン交換樹脂４６に吸着する。これにより、生成水からフッ素イオンが除去される。

三方弁４４は、入口，第１出口及び第２出口を有しており、入口は配管４３に接続され、第１出口は配管４７に接続され、第２出口は配管４５に接続されている。これにより、配管４３から三方弁４４の入口に導入される生成水は、第１出口から配管４７へ排出される経路Ｒ１と、第２出口から配管４５へ排出される経路Ｒ２との一方へ案内される。三方弁４４の入口、第１及び第２出口の開弁／閉弁(開度)、即ち経路Ｒ１及び経路Ｒ２に対する生成水の流量は、ＥＣＵ３０Ａにより調整される。

第２本体４２は、配管４５に連結されており、配管４３，三方弁４４及び配管４５で構成される案内路を通じて案内された生成水が第２本体４２内に導入されるように構成されている。第２本体４２の内部空間は蒸発室２４Ａとして使用される。第２本体４２の側面には、排出管４８が接続されており、蒸発室２４Ａで不純物を含む生成水の蒸発により生じたガスは、不純物ガスとして排出管４８を通って外部に排出される。

蒸発室２４Ａの内部は、加熱手段によりフッ素水溶液の沸点以上の温度となるように構成されている。加熱手段の構成は、第１実施形態で説明した第１及び／又は第２加熱手段の構成を適用することができる。図５では、例として、電力供給部２７及びヒータ２８が簡略的に図示されている。また、図５では、気液分離室２３Ａに配置される水位センサや蒸発室２４Ａに配置される温度センサの図示が省略されている。

第２実施形態では、配管１５の第１本体４１の直前部分において、配管１５の内部に、第１の不純物検出手段４９が設けられ、配管４３内に第２の不純物検出手段５０が設けられている。各不純物検出手段４９，５０は、導電率センサ，ｐＨセンサ，イオン濃度計のいずれか又はこれらの組み合わせで構成される。各不純物検出手段４９，５０は、その構成に応じて、配管１５又は配管４３を流れる生成水中のイオン濃度又はイオン量等を検出することができる。

各不純物排出手段４９，５０による検出結果(イオン量及び／又はイオン濃度等)は、ＥＣＵ３０Ａに与えられる。ＥＣＵ３０Ａは、プロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することにより、例えば、イオン交換樹脂４６が劣化したか否かに応じて経路Ｒ１と経路Ｒ２との一方を選択する処理(第１の処理)や、イオン交換樹脂４６の処理能力を越えたか否かに応じて経路Ｒ１と経路Ｒ２との一方を選択する処理(第２の処理)等を行う。

〈ＥＣＵによる処理〉
以下、図６及び図７を用いて、ＥＣＵ３０Ａによる処理を説明する。但し、図６及び図７の説明では、説明を簡略化するために、各不純物検出手段４９,５０はイオン濃度計のみから構成され、イオン濃度の検出結果がＥＣＵ３０Ａに与えられるものと仮定する。

《第１の処理》
図６は、ＥＣＵ３０Ａによる、イオン交換樹脂４６の劣化判定結果に基づく経路選択処理(第１の処理)の例を示すフローチャートである。図６において、ＥＣＵ３０Ａは、処理を開始すると、イオン交換樹脂４６が劣化しているか否かを判定する(ステップＳ０１)。

例えば、ＥＣＵ３０Ａは、各不純物検出手段４９，５０からイオン濃度の検出結果を受け取り、イオン濃度の差(低減率：不純物検出手段４９で検出されたイオン濃度に対する差の割合)を求める。

続いて、ＥＣＵ３０Ａは、低減率が予め用意された規定値を下回っているか否かを判定
する。ここに、規定値は、排出に適した生成水中のイオン濃度を考慮して決定される。即ち、生成水中のイオン濃度はイオン交換樹脂４６を通過することによって排出に適した濃度まで低減することが想定されている。低減率が規定値を上回る範囲であれば、配管４３中の生成水のイオン濃度は排出に適した範囲に収まっている。これに対し、低減率が規定値未満である場合には、配管４３中の生成水のイオン濃度は排出に適さない濃度となっている。

ＥＣＵ３０Ａは、低減率が規定値を上回る場合(Ｓ０１；ＹＥＳ)には、経路Ｒ１を選択する(ステップＳ０２)。即ち、ＥＣＵ３０Ａは、三方弁４４に対し、入口及び第１出口を開き、第２出口を閉じる制御信号を与える。これによって、気液分離室２３Ａから排出された生成水は、三方弁４４を通って配管４７に液体で排出される。

これに対し、ＥＣＵ３０Ａは、低減率が規定値を下回る場合(Ｓ０１；ＮＯ)には、経路Ｒ２を選択する(ステップＳ０３)。即ち、ＥＣＵ３０Ａは、三方弁４４に対し、入口及び第２出口を開き、第１出口を閉じる制御信号を与える。これによって、気液分離室２３Ａから排出された生成水は、三方弁４４を通って配管４５に排出され、蒸発室２４Ａ内に案内される。

ＥＣＵ３０Ａは、イオン交換樹脂４６が劣化したと判定すると、電力供給部２７に対し、ヒータ２８への通電を開始させる。これにより、蒸発室２４Ａ内は、例えばフッ素水溶液の沸点(１０６℃)以上に加熱される。このため、生成水中の不純物(フッ素イオン)は、生成水とともに蒸発し、不純物ガスとして排出管４８へ排出される。

《第２の処理》
図７は、ＥＣＵ３０Ａによる、イオン交換樹脂４６の処理能力(浄化性能)超過の判定結果に基づく経路選択処理(第２の処理)の例を示すフローチャートである。図７において、ＥＣＵ３０Ａは、処理を開始すると、イオン濃度がイオン交換樹脂４６の処理能力を超過しているか否かを判定する(ステップＳ１１)。

例えば、ＥＣＵ３０Ａは、不純物検出手段５０から得られる配管４３中のイオン濃度の絶対値が、予め用意された規定値を超えているか否かを判定する。規定値以上の濃度は、生成水のままでの排出に適さない濃度であることを示す。

ＥＣＵ３０Ａは、イオン濃度が規定値を下回る場合(Ｓ１１；ＹＥＳ)には、経路１を選択する(ステップＳ１２)。これによって、気液分離室２３Ａから排出された生成水は、三方弁４４を通って配管４７に液体で排出される。

これに対し、ＥＣＵ３０Ａは、低減率が規定値を下回る場合(Ｓ１１；ＮＯ)には、経路２を選択する(ステップＳ１３)。これによって、気液分離室２３Ａから排出された生成水は、三方弁４４を通って配管４５に排出され、蒸発室２４Ａ内に案内される。

ＥＣＵ３０Ａは、イオン交換樹脂４６の処理能力超過と判定すると、電力供給部２７に対し、ヒータ２８への通電を開始させる。これにより、蒸発室２４Ａ内は、例えばフッ素水溶液の沸点(１０６℃)以上に加熱される。このため、生成水中の不純物(フッ素イオン)は、生成水とともに蒸発し、不純物ガスとして排出管４８へ排出される。

なお、第２の処理におけるステップＳ１１において、ＥＣＵ３０Ａが、第１の処理と同様の手法(低減率が規定値未満か否かの判定)で、イオン濃度がイオン交換樹脂４６の処理能力を超過しているか否かを判定するように構成しても良い。或いは、気液分離室２３Ａ内の水位，燃料電池１の負荷(発電量)，背圧等、これらの組み合わせからイオン交換樹脂
４６の処理能力超過を判定することもできる。

〈第２実施形態の効果〉
第２実施形態によれば、ＥＣＵ３０Ａが、判定手段として、イオン交換樹脂が劣化しているか否か、或いはイオンがイオン交換樹脂の処理能力を超過しているか否かを判定する。ＥＣＵ３０Ａは、判定結果に基づき、生成水の排出経路として、液体の状態で排出する経路１と、加熱手段により不純物とも気化させて気体の状態で排出する経路２との一方を選択する。

これによって、イオン交換樹脂４６によって十分にイオン濃度の低下を図ることができない場合でも、イオンを含む生成水をイオン濃度が低下した状態で外部に排出することが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明による燃料電池システムの第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１及び第２実施形態と共通点を有するので、主として相違点について説明し、共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。第３実施形態は、図１に示す燃料電池システムの構成において、気液分離器１６(図２)の代わりに気液分離器５０が適用されている。

〈気液分離器の構成〉
図８は、第３実施形態における気液分離器５１を中心とした構成例を示す図である。図８において、気液分離器５１の本体５２は、内部が中空状の円柱形状を有し、その側面に配管５３が取り付けられ、上面に排出管５４が取り付けられている。配管５３及び排出管５４の取り付け状態は、図２に示した配管１５及び配管２０Ａと同様となっている。

本体５２の内部空間は気液分離室２３Ｂとして機能する。配管５３からは、生成水を含む燃料オフガスが気液分離室２３Ｂ内に導入される。すると、第１実施形態における気液分離室２３(図２)と同様の原理により、燃料オフガスが気相成分と液相成分(生成水)とに分離され、気相成分は排出管５４から排出され、生成水は気液分離室２３Ｂの底部に溜まる。

第３実施形態では、気液分離室２３Ｂ内の生成水に対する加熱が行われる。このため、本体５２の内部空間は、蒸発室としても機能する。加熱手段として、図８に示す例では、第１加熱手段(電力供給部２７及びヒータ２８)が適用されている。

電力供給部２７には、回生ブレーキにより生じたエネルギー(電力)が入力され、入力された電力で電力供給部２７内の二次電池２７Ａが充電され、余った分がヒータ２８に通電されるように構成されている。このように、第３実施形態では、回生ブレーキによって生じた余剰エネルギーのみで生成水(不純物(フッ素イオン))に対する加熱が行われる。

配管５３は、三方弁５５を介して配管１５(図１)に接続されている。三方弁５５は、配管１５と接続される入口、配管５３と接続される第１出口、配管５６と接続される第２出口とを有しており、配管５６は、内部にイオン交換樹脂が配置されたイオン交換器５７に接続されている。

このような構成により、配管１５を流れる生成水を含む燃料オフガスは、三方弁５５において、配管５３へ排出される経路Ｒ３と、配管５６へ排出される経路Ｒ４との一方から排出される。三方弁５５の入口,第１及び第２出口の開度(各経路Ｒ３,Ｒ４への流量)は、ＥＣＵ３０Ｂによって調整される。

〈ＥＣＵによる処理〉
次に、ＥＣＵ３０Ｂによる処理について説明する。図９は、ＥＣＵ３０Ｂによる第１の処理を示すフローチャートであり、図１０は、ＥＣＵ３０Ｂによる第２の処理を示すフローチャートである。

《第１の処理》
図９に示す第１の処理が開始されると、ＥＣＵ３０Ｂは、最初に、余剰エネルギーの値が設定値を上回っているか否かを判定する(ステップＳ２１)。

例えば、ＥＣＵ３０Ｂは、電力供給部２７に入力される回生エネルギー(受入電力)値と、二次電池２７Ａの充電量とを電力供給部２７から検出するように構成されており、入力される電力及び二次電池２７Ａから供給可能な電力を余剰エネルギー値として予め用意された設定値と対比する。

このとき、余剰エネルギーが設定値以上である場合(Ｓ２１；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３０Ｂは、ヒータ２８で気液分離室(蒸発室)２３Ｂ内を十分に加熱できるものとして、経路Ｒ３を選択する(ステップＳ２２)。即ち、ＥＣＵ３０Ｂは、三方弁５５の入口及び第１出口を開き、且つ第２出口を閉じる制御信号を三方弁５５に与える。これにより、配管１５を流れる生成水を含む燃料オフガスは、配管５３を通って気液分離室２３Ｂ内に導入される。導入された生成水は、ヒータ２８からの熱で、例えばフッ素水溶液の沸点以上に加熱される。これにより、生成水中の不純物(フッ素イオン)は蒸発して、排出管５４から濃度が低下した状態で排出される。

これに対し、余剰エネルギーが設定値未満である場合(Ｓ２１；ＮＯ)には、生成水を十分に加熱できないので、ＥＣＵ３０Ｂは、経路Ｒ４を選択する(ステップＳ２３)。即ち、ＥＣＵ３０Ｂは、三方弁５５の入口及び第２出口を開き、且つ第１出口を閉じる制御信号を三方弁５５に与える。これによって、配管１５を流れる生成水を含む燃料オフガスは、配管５６を通ってイオン交換器５７に導入される。イオン交換器５７内では、生成水中の不純物(フッ素イオン)がイオン交換樹脂に吸着し、生成水から除去される。イオンが除去された生成水は、イオン交換器５７に接続されたドレン管から排出される。

第１の処理によれば、気液分離室２３Ｂ内に貯留された生成水を加熱するための余剰エネルギーが十分にある(設定値を上回る)場合には、経路Ｒ３が選択される。この場合、経路Ｒ４(イオン交換器５７)には生成水が導入されないので、イオン交換器５７の使用頻度が低下する。従って、イオン交換器５７内のイオン交換樹脂の寿命を延ばすことができる。

上述した例では、生成水の通過経路が経路３から経路４との間で完全に切り替わる場合について説明した。このような構成に代えて、三方弁５５として、第１及び第２出口の通過量を調整可能な流量制御弁を適用し、例えばステップＳ２３において、配管１５からの生成水が経路３及び経路４に分流するようにしても良い。

《第２の処理》
第１の処理として、ＥＣＵ３０Ｂが余剰エネルギーに基づいて生成水の通過経路を切り替える処理について説明した。次に、第２の処理として、ＥＣＵ３０Ｂが気液分離室２３Ｂ内に配置され、気液分離室２３Ｂ内に貯留した生成水の水位を計測する水位センサ５９の出力(水位(水量))に基づいて、生成水の通過経路を切り替える処理について説明する。

図１０に示す第２の処理が開始されると、最初に、ＥＣＵ３０Ｂは、水位センサ５９に
より計測される水位が所定の設定値を超えているか否かを判定する(ステップＳ３１)。このとき、水位が設定値を超えていない場合(Ｓ３１；ＮＯ)には、ＥＣＵ３０Ｂは、経路３を選択する(ステップＳ３２)。これに対し、水位が設定値を超えている場合(Ｓ３１；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３０Ｂは、経路４を選択する(ステップＳ３３)。

第２の処理によれば、気液分離室２３Ｂ内の水位上昇速度に生成水の気化速度が追いつかない場合には、経路４が選択されることで、イオン交換器５７に生成水の処理を負担させることができる。

上述した処理では、経路３と経路４との一方が選択的に使用される例を示したが、水位に応じて経路４を流れる生成水の量が増減するように三方弁５５をＥＣＵ３０Ｂが制御する構成を適用することも可能である。

また、図８に示すように、配管１５内に、不純物検出手段６０を配置し、不純物検出手段６０による検出結果(例えばイオン濃度)に応じて、経路３及び経路４を流れる生成水の流量を調整するように構成することも可能である。

例えば、不純物検出手段６０で検出されるイオン濃度が所定濃度以上となった場合には、経路３及び経路４に生成水が流れるようにＥＣＵ３０Ｂが三方弁５５を制御し、イオン濃度の高い生成水が気液分離器５１とイオン交換器５７との双方で処理されるように構成することができる。

さらに、図８に示すように、ドレン管５８上に不純物検出手段６１を設け、第２実施形態で説明した第１及び第２の処理が実行され、イオン交換器５７内のイオン交換樹脂の劣化や能力超過が認められる場合に、経路Ｒ３のみが選択されるように構成することも可能である。

なお、第３実施形態に第２加熱手段の構成をさらに適用し、第１及び第２加熱手段が併用されるように構成することも可能である。

〈その他〉
上述した第１〜第３の実施形態では、酸化剤オフガスの気液分離器(１６，４０，５１)に対して本発明を適用した例を示した。本発明の構成(生成水を加熱手段で生成水内の不純物が気化する温度まで加熱する構成)は、図１に示す燃料オフガスの気液分離器６に対して適用することも可能である。

酸化剤オフガスの気液分離器に本発明の構成を適用した理由の一つには、燃料電池１内の生成水が主に酸化剤オフガス中に含まれて燃料電池１から排出されることを考慮したものである。酸化剤オフガスに含まれる生成水の量が微量であり、その濃度を考慮する必要がない場合には、燃料オフガスの気液分離器のみに本発明の構成を適用することが考えられる。

また、第１〜第３の実施形態では、燃料電池１としてＰＥＦＣが適用され、ＰＥＦＣ内で生成水中に溶出するフッ素イオンを不純物とし、フッ素イオン濃度をイオン交換樹脂を用いることなく低減する構成について説明した。もっとも、本発明は、対象となる不純物を加熱手段で気化する温度まで加熱できる限り、様々な不純物を対象として適用が可能なものである。従って、本発明を適用可能な燃料電池は、ＰＥＦＣに限られず、これ以外の種類の燃料電池に対しても適用可能である。

図１は、本発明による燃料電池システムの実施形態の構成例を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態における気液分離器を中心とした構成例を示す図である。 図３は、気液分離室内の水位レベルとヒータの目標温度との関係を示すグラフである。 図４は、第１実施形態におけるＥＣＵにより実行される処理を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態における気液分離器を中心とした構成例を示す図である。 図６は、第２実施形態におけるＥＣＵにより実行される第１の処理(イオン交換樹脂劣化判定に基づく経路選択処理)の例を示すフローチャートである。 図７は、第２実施形態におけるＥＣＵにより実行される第２の処理(イオン交換樹脂処理能力超過判定に基づく経路選択処理)の例を示すフローチャートである。 図８は、本発明の第３実施形態における気液分離器を中心とした構成例を示す図である。 図９は、第３実施形態におけるＥＣＵにより実行される第１の処理(余剰エネルギーの充足判定に基づく経路選択処理)の例を示すフローチャートである。 図１０は、第３実施形態におけるＥＣＵにより実行される第２の処理(水位に応じた経路選択処理)の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・燃料電池(ＰＥＦＣ)
１４・・・エアコンプレッサ
１６,４０,５１・・・気液分離器
２２・・・オリフィス
２３,２３Ａ,２３Ｂ・・・気液分離室
２４,２４Ａ・・・蒸発室
２７・・・電力供給部
２７Ａ・・・二次電池
２８・・・電熱線ヒータ
３０,３０Ａ,３０Ｂ・・・ＥＣＵ
３２・・・循環路
３３・・・ポンプ
４４,５５・・・三方弁

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるガス中に含まれる生成水を、該生成水中に含まれる水より沸点の高い不純物の少なくとも１つが気化する温度まで加熱する加熱手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、
   前記不純物はフッ素である
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池から排出されるガスが流れるガス排出通路と、
   前記ガス排出通路に設けられ、前記ガス中の生成水を貯留する貯留部と、
   前記貯留部に貯留された生成水中の前記不純物が気化した不純物ガスが流れる不純物ガス排出通路と、
   前記貯留部と前記不純物ガス排出通路との間に設けられ、前記貯留部に貯留された生成水を前記不純物ガス排出通路に案内する案内路とを含み、
   前記加熱手段は、前記案内路を通って前記貯留部から前記不純物ガス排出通路に案内された生成水中の前記不純物を前記不純物ガス排出通路内で蒸発させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記案内路を流れる生成水の流量を調整する流量調整手段をさらに含む
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

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