JP2008103263A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から排出される水分に含まれるイオンを低減する。
【解決手段】燃料電池１から排出される酸化剤ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方の排出経路１１、２１に設けられ、酸化剤ガスあるいは燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離手段２６と、気液分離手段２６により分離された水を燃料電池１に供給するための水供給配管３０とを備える燃料電池システムにおいて、水供給配管３０の内壁の少なくとも一部にイオン吸着剤３３を設ける。気液分離手段２６により分離される水に含まれるイオンを、水供給配管３０の内壁に設けられたイオン吸着剤３３により吸着させるため、燃料電池１から排出される水分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。

燃料電池システムでは、発電に伴い水が生成され、生成水は配管を介して外部に排出される。

この生成水には燃料電池内のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極複合体）や配管から溶出したイオンが含まれることがあり、生成水の導電率が高いことがある。一般的に、ポンプや凝縮器などはボデーにアースされているため、導電率が高い生成水を通じて、燃料電池の電気的な絶縁抵抗が低下する恐れがあった。そのため、生成水を回収するタンク内にイオン吸着装置を設けてイオンを吸着することにより、生成水に含まれるイオンを低減する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給して潜熱冷却を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２）。
特開２００５−１７４６０８号公報 特開平１１−３１７２３５号公報

しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、生成水を回収するタンク内にイオン吸着装置を設置しているのでタンクより下流側の、配管から溶出したイオンを吸着できない問題がある。

また、特許文献2に記載の潜熱冷却を行う燃料電池システムでは、回収された生成水は短時間で燃料電池に供給されるため、特許文献１のように生成水を貯蔵するタンク内にイオン吸着装置を設置したとしても充分にイオンが吸着できずに燃料電池の電気的な絶縁抵抗値の低下が起こる問題がある。

本発明は上記点に鑑み、簡素な構成で、充分なイオン吸着性能を有し、燃料電池から排出される水分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、本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方の排出経路（１１、２１）に設けられ、酸化剤ガスあるいは燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離手段（２６）と、気液分離手段（２６）により分離された水を燃料電池（１）に供給するための水供給配管（３０）とを備え、水供給配管（３０）の内壁の少なくとも一部にはイオン吸着剤（３３）が設けられていることを特徴とする。

これにより、気液分離手段（２６）で分離される水に含まれるイオンを、水供給配管（３０）の内壁に設けられたイオン吸着剤（３３）により吸着させることができ、簡素な構成で燃料電池（１）から排出される水分に含まれるイオンを減少させることができる。

ここで、水供給配管（３０）は充分な長さを有しているため、水供給配管（３０）にイオン吸着剤（３３）を設けることで、イオンの吸着面積を確保することができるため、気液分離手段（２６）により分離された水を燃料電池（１）に供給する場合であっても、充分なイオンの吸着性能を有することができる。

また、水供給配管（３０）の内壁にイオン吸着剤（３３）を塗布した場合には、イオン吸着剤（３３）を膜状にすることができ、イオン吸着剤（３３）の量を低減することができる。

また、イオン吸着剤（３３）は粒子状であり、水供給配管（３０）の内部には、水供給配管（３０）より径が小さくかつイオン吸着剤（３３）より小さい網目を有するメッシュ状配管（３４）が配置されており、水供給配管（３０）とメッシュ状配管（３４）のすきまにイオン吸着剤（３３）を設けた場合には、イオン吸着剤（３３）の量の調整を容易に行うことができる。

また、水供給配管（３０）の少なくとも一部を、イオン吸着剤（３３）から構成する場合には、水供給配管（３０）とイオン吸着剤（３３）とを単一材料から構成することができ、簡素な構成で充分なイオン吸着性能を有することができる。

また、イオン吸着剤（３３）が、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂から構成されている場合には、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。

また、燃料電池（１）は、水供給配管（３０）を介して供給された水が蒸発する際の潜熱により冷却される場合には、水供給配管（３０）を介して供給された水に含まれるイオンを低減させることができる。そのため、導電率の低い水により潜熱冷却を行うことができ、燃料電池（１）の電気的な絶縁抵抗の低下を抑制することができる。

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）
以下、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図１〜図２に基づいて説明する。本第１実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池１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の概念図である。図１に示すように、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。ここで、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素を含んだ空気が本発明の酸化剤ガスに相当する。

本第１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、電解質膜の両側面に電極が接合されたMEAと、MEAを挟持する一対のセパレータから構成されるセルが複数個積層され、か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。

（水素極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素が通過する水素供給経路１０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路１１が設けられている。水素供給経路１０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素を供給するための水素供給装置１２が設けられている。本第１実施形態では、水素供給装置１２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。

水素供給経路１０には、上流側から順に第１シャット弁１３、調圧弁１４、第２シャット弁１５が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、第１シャット弁１３と第２シャット弁１５を開き、調圧弁１４によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。車両停止時には、安全のため第１シャット弁１３、第２シャット弁１５は閉められる。

水素排出経路１１には、第３シャット弁１６が設けられている。必要に応じて第３シャット弁１６を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出経路１１を介して、未反応水素、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。

燃料電池システムには、燃料電池１の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本第１実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータと機械的に接続されている。空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力を調整する調圧弁２３が設けられている。

燃料電池１は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば７０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１の温度を許容温度以下に保持する必要がある。

そのため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４３、ファン４２を備えたラジエータ４１（放熱器）が設けられている。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４１をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。

さらに、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却するために潜熱冷却システムが設けられている。潜熱冷却システムには、空気排出経路２１を通過する空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分を凝縮させる凝縮器２４、凝縮器２４により凝縮された水を分離する気液分離器２６（気液分離手段）が設けられている。ここで、凝縮器２４には、ファン２５が設けられている。また、潜熱冷却システムには、気液分離器２６により分離された水を貯蔵するタンク３１、タンク３１に貯蔵された水を燃料電池１に供給するための水供給配管３０、水供給配管３０を通過する水を供給させる水供給ポンプ３２が設けられている。

水供給ポンプ３２は、図示しない水供給ポンプ用モータを回転させることにより水供給ポンプ３２を回転させて水供給配管３０を介して燃料電池１にタンク３１内の水を供給する。供給された水が、蒸発する際の潜熱により冷却されることで燃料電池１の潜熱冷却を行う。ここで、水供給ポンプ３２は、燃料電池１に供給させる水は多くないため小型のポンプを用いることができる。

水供給配管３０の内壁には、水供給配管３０を通過する水に含まれるイオンを吸着するためのイオン吸着剤３３が設けられている。なお、イオン吸着剤３３は、水供給配管３０の一部に設けてもよく、全体に設けてもよい。本第1実施形態では、イオン吸着剤３３としてイオン交換樹脂を用いており、イオン交換樹脂は、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。

次に、イオン吸着剤３３の具体的な構成について、図２を用いて説明する。図２（ａ）から図２（ｃ）は、水供給配管３０におけるイオン吸着剤３３が設けられた部位の断面図である。図２（ａ）に示すように、水供給配管３０の内壁は、膜状のイオン交換樹脂が塗布されている構成とすることができる。あるいは、図２（ｂ）に示すように、水供給配管３０の内部に、メッシュ状配管３４を配置し、水供給配管３０とメッシュ状配管３４のすきまに粒子状のイオン交換樹脂を設ける構成とすることができる。ここで、水供給配管３０とメッシュ状配管３４との間で、イオン交換樹脂を保持するため、メッシュ状配管３４の径は、水供給配管３０の径よりも小さくかつメッシュ状配管３４の網目の大きさはイオン交換樹脂の径よりも小さくする必要がある。あるいは、図２（ｃ）に示すように、水供給配管３０自体の少なくとも一部をイオン交換樹脂から構成することで、水供給配管３０にイオン吸着剤３３を設けることができる。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部１００（ＥＣＵ）が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。

上記構成の燃料電池システムでは、空気供給経路２０および水素供給経路１０から燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行われる。燃料電池１の発電に伴い燃料電池１の空気極側では生成水が発生し、この生成水は、空気極側排出ガスに含まれる状態で燃料電池１から排出される。空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分は、空気排出経路２１に設けられた凝縮器２４で凝縮され液滴となる。凝縮器２４によって凝縮された液滴は、気液分離器２６で空気から分離され、空気は空気排出経路２１を介して外部に排出され、水はタンク３１に貯蔵される。

燃料電池１から排出される生成水には、燃料電池１内のＭＥＡや配管からイオンが溶出している場合がある。燃料電池１の発電に伴い発生した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⁻）などの陽イオンおよび陰イオンがある。

タンク３１に貯蔵された水は、水供給ポンプ３２により水供給配管３０を介して燃料電池１に供給される。そして、タンク３１に貯蔵された水が水供給配管３０を介して供給される際に、水供給配管３０を通過する水に含まれるイオンは、水供給配管３０の内壁に設けられたイオン吸着剤３３にて吸着される。

したがって、水供給配管３０から燃料電池１に供給される水に含まれるイオンを減少させることができる。これにより、燃料電池１の電気的な絶縁抵抗値の低下を抑制することができる。ここで、イオン吸着剤３３としてのイオン交換樹脂は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の両方から構成されているため、燃料電池１に供給される水に含まれる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。

なお、イオン吸着剤３３が、水供給配管３０の内壁に塗布された構成の場合（図２（ａ））は、イオン吸着剤３３を膜状にすることができ、イオン吸着剤３３の量を低減することができる。さらに、イオン吸着剤３３が、水供給配管３０の内壁とメッシュ状配管３４のすきまに設けた場合（図２（ｂ））には、イオン吸着剤３３の量の調整を容易に行うことができる。さらにまた、水供給配管３０が、イオン交換樹脂で形成する場合（図２（ｃ））には、水供給配管３０とイオン交換樹脂を単一材料から構成することができ、簡素な構成で充分なイオン吸着性能を有することができる。

なお、図２（ａ）から図２（ｃ）に示すように、イオン吸着剤３３を水供給配管３０の一部に設ける構成によれば、水供給配管３０は、充分な長さを有しているため、水供給配管３０から燃料電池１に供給される水に含まれるイオンの吸着時間、吸着面積を確保することができる。これにより、充分なイオンの吸着性能を有することができる。

また、燃料電池システムに、別体でイオン吸着装置を設ける必要はなく、イオン吸着剤３３の性能が劣化した場合は、水供給配管３０を交換すればよいため、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

燃料電池１からの空気極側排出ガスに含まれる水が凝縮して液滴状態となり、その水が空気排出経路２１の内壁で連続的に繋がった状態となった場合、イオンを含んだ水により電気的な経路ができるので、燃料電池１外部に対する電気的な絶縁抵抗が低下することがある。

図３は、空気排出経路２１の断面図である。図３に示す矢印は、空気（空気極側排出ガス）および空気に含まれる水の流れ方向を示している。図３に示すように、空気排出経路２１は、絶縁性材料である樹脂製で形成されている。
また、図３に示すように、空気排出経路２１において空気に含まれる水が連続的に繋がった状態とならないようにするために、空気排出経路２１の内壁は、撥水処理された突出部５０が設けられている。突出部５０は、空気排出経路２１の内壁に環状に設けられている。
突出部５０は、空気排出経路２１の内壁に対して鈍角をなし、下流側に向かって徐々に径方向内側に突出する第１面と、空気排出経路２１の内壁に対して直角な第２面とから構成されている。第１面は、下流側に行くに従って、傾斜角度が大きくなる湾曲面となっている。第２面は、空気排出経路２１の内壁に対して直交する面となっている。２つの面の間の突出部５０先端は、鋭角となるように形成されている。
突出部５０の表面部分（図中の太線部）は、撥水処理としてフッ素コーティングがなされている。
上記構成において、空気に含まれる水は、空気排出経路２１に流入する。空気排出経路２１は、絶縁性材料である樹脂製で形成されているため、空気排出経路２１内壁に連続的に繋がる状態の水分を電気的に接続することを防止することができる。空気排出経路２１内壁の突出部５０になされた撥水処理により、空気に含まれる水は、空気排出経路２１の内壁から剥離しやすい状態となる。また、空気に含まれる水は、突出部５０先端部分で空気排出経路２１の内壁から剥離する。そのため、空気に含まれる水は、空気排出経路２１の内壁で連続的に繋がる状態とならない。図3に示すように、突出部５０により液滴が水供給配管３０の内壁から剥離される突出部５０下流の所定区間が、剥離区間となっている。

したがって、空気に含まれる水は、空気排出経路２１の内壁において連続的に繋がる状態とならないため、燃料電池システムの絶縁抵抗低下を抑制することができる。なお、本第２実施形態の構成の場合、燃料電池システムの絶縁性低下の抑制を簡素な構成で実現することができる。また、空気排出経路２１の全体を樹脂製としているが、少なくとも突出部５０下流の所定の剥離区間について樹脂製とする構成としてもよい。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、
燃料電池１の空気排出経路２１側のみに、イオン吸着剤３３を備える潜熱冷却システムを設けたが、水素排出経路１１側に上記各実施形態と同様のイオン吸着剤３３を備える潜熱冷却システムを設ける構成としてもよい。水素排出経路１１側にも空気極側から電解質膜を通過して水素極側に生成水が混入し、拡散してきた水にはイオンが含まれる場合があるため、水素排出経路１１側にイオン吸着剤３３を備える潜熱冷却システムを設けることで、その水に含まれるイオンを減少させることができる。
また、上記各実施形態では、気液分離器２６により分離された水を燃料電池１に供給し潜熱冷却を行ったが、これに限らず、気液分離器２６により分離された水を燃料電池１の電解質膜を加湿するために利用してもよい。

また、第２実施形態の構成において、空気排出経路２１が水平に設置される場合には、液滴が下方にのみ存在することになるので、空気排出経路２１の鉛直方向の下側にのみ突出部５０を設けてもよい。

また、第２実施形態では、空気排出経路２１の内壁に撥水処理された突出部５０が設けられているが、突出部５０を設けず空気排出経路２１の内壁の少なくとも一部に撥水処理を施しただけの構成としてもよい。このような構成によっても、空気に含まれる水は、空気排出経路２１の内壁において連続的に繋がる状態となること回避することができ、燃料電池システムの絶縁抵抗低下を抑制することができる。

また、第２実施形態では、空気排出経路２１の内壁の表面部分には、撥水処理としてフッ素コーティングがなされているが、空気排出経路２１の内壁の表面を微細な凹凸構造の撥水処理を形成してもよい。

上記第1実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 水供給配管におけるイオン吸着剤が設けられた部位の断面図である。 上記第２実施形態における空気排出経路の断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、１０…水素供給経路、１１…水素排出経路、２０…空気供給経路、２１…空気排出経路、２４…凝縮器、２５…ファン、２６…気液分離器、３０…水供給配管、３１…タンク、３２…水供給ポンプ、３３…イオン吸着剤、３４…メッシュ状配管、５０…突出部。

Claims (6)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方の排出経路（１１、２１）に設けられ、
   前記酸化剤ガスあるいは前記燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離手段（２６）と、
   前記気液分離手段（２６）により分離された水を前記燃料電池（１）に供給するための水供給配管（３０）とを備え、
   前記水供給配管（３０）の内壁の少なくとも一部にはイオン吸着剤（３３）が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記イオン吸着剤（３３）は前記水供給配管（３０）の内壁に塗布されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
3. 前記イオン吸着剤（３３）は粒子状であり、
   前記水供給配管（３０）の内部には、前記水供給配管（３０）より径が小さくかつ前記イオン吸着剤（３３）より小さい網目を有するメッシュ状配管（３４）が配置されており、
   前記イオン吸着剤（３３）は、前記水供給配管（３０）と前記メッシュ状配管（３４）のすきまに設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
4. 前記水供給配管（３０）の少なくとも一部は、前記イオン吸着剤（３３）から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
5. 前記イオン吸着剤（３３）が、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂から構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池（１）は、前記水供給配管（３０）を介して供給された水が蒸発する際の潜熱により冷却されることを特徴とする請求項1ないし請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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