JP2009004343A - 燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の始動および中止時、燃料電池のアノード側の水素と酸素の界面形成を抑制することで、カソード側の炭素材質の腐食を抑制することができるようにした燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を提供する。
【解決手段】空気ブロワー、燃料電池、その残留空気を排出する空気排気配管、そこに設置された圧力センサーと空気排気電磁弁、及び圧力センサーからの入力を受けて空気ブロワーおよび空気排気電磁弁の作動を制御する制御部から構成され、燃料電池の始動および中止時、制御部が圧力センサーを通して空気圧力を感知し、空気ブロワーにより空気圧力が設定圧力に到達するまで燃料電池内に空気を供給した後、空気排気電磁弁を閉めて燃料電池内で酸素を全て消尽し、アノード側の水素と酸素の界面形成を抑制することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置に係り、更に詳しくは、燃料電池の始動および中止時、燃料電池のアノード側の水素と酸素の界面形成を抑制することで、カソード側の炭素材質の腐食を抑制することができるようにした燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置に関する。
一般的に、燃料電池自動車の主動力供給源である燃料電池は、空気中の酸素と燃料である水素の供給を受けて電気を生産する装置である。
図１は燃料電池車内の燃料電池システムの一般的な模式図であり、燃料電池１０は分離板１１、アノード１２、電解質膜１３、カソード１４、水素／空気／冷却水分配構造物１５、アノード流路１６、カソード流路１７、冷却水流路１８で構成されている。
燃料電池１０のうち、冷却水流路１８を除く本体部分は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ＿Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＿Ａｓｓｅｍｂｌｙ、膜・電極一体構造）と呼ばれる。
燃料電池を駆動する際、水素は水素供給源１９から供給され、水素供給弁２０および配管３８を経て燃料電池１０のアノード流路１６に供給される。
燃料である水素の利用率を高めるために未反応の水素を再循環し、この過程は浄化弁２１を閉めた状態で水素再循環ブロワー２２を稼動すると、燃料電池内で未反応の水素は配管２３に沿って移動し、水素再循環ブロワー２２および水素再循環遮断弁２４を経て燃料電池アノード流路１６に入る。
定められた時間に水素浄化弁２１を開き、電解質膜１３を通して入ってきた窒素と水分を排出する。
空気は大気４６から供給され、配管２５を経て空気ブロワー２６に供給され、空気ブロワーは条件によって流量を制御し、配管を通して燃料電池のカソード流路１７に供給される。
アノード流路１６の水素（Ｈ２）はアノード１２の触媒でＨ＋イオンとｅ−に変換され、電解質膜１３を通してカソード１４側に入ってくる。カソード流路に存在するＯ２がカソード１４の触媒でＯ−イオンに変換され、前記Ｈ＋イオンとＯ−イオンが反応してＨ２Ｏに変換される。
カソード流路１７に供給された空気中のＯ２を使用し、カソード流路１７は空気中の酸素濃度より低い酸素濃度状態（窒素が多い）となり、この空気は空気排気配管２８を通して出て行く。
燃料電池１０の冷却のために冷却水流路１８に冷却水を供給し、燃料電池を冷却する。最適温度を維持するために冷却水ポンプ２９を条件に従って駆動し、冷却水ポンプが駆動される場合は、冷却水流路１８にある高温の冷却水が配管３０を通して冷却水ポンプ２９に入り、配管３１を通して熱交換器３２で冷却される。
冷却された冷却水は配管３３と冷却水遮断弁３４を経て配管３５に沿って再び冷却水流路１８に入り、燃料電池を冷却する。
しかし、燃料電池の始動および中止時、図２（本図は特許文献２にもＦｉｇ．２として開示されている）に示した通り、‘Ｍ’（電解質膜１３に相当）の下面に沿った、入口Ｉと出口Ｅの間の部分（アノード流路１６に相当）、特に‘３’と記された部分、に空気中の酸素が流入した場合、燃料電池内部に部分的に水素と酸素の界面（図２で、縦方向の破線で示す）が形成され、その結果としてカソード側の炭素担体の材質が腐食されてなくなることで、燃料電池の性能が急激に低下する。
前記燃料電池の始動および中止時、水素と酸素の界面形成による性能低下を低減するために特許文献１、特許文献２、および特許文献３に開示された諸方法を使用し、これらを整理すると下記の通りである。
１．装置の追加
１）抵抗器（特許文献１）
２）ガスバーナー（特許文献３）
３）水素再循環ブロワー内の水素ガスバーナー（特許文献２）
４）窒素ボンベ
２．燃料電池スタートアップ／シャットダウンプロセス
１）シャットタウン時、アノード窒素の浄化、空気浄化（特許文献１）
２）スタートアップ時、アノード側の水素供給を先に実施（特許文献１）
３）水素再循環ブロワー内の水素ガスバーナーに水素を供給して酸素除去（特許文献２）
ところが、ガスバーナーは水素ガスを燃やす役割を行うが、安全上、問題があり、追加的な装置が多量に必要となる。
このような追加的な装置は電力を消耗し、装置の構成において、車両のレイアウト上、大量の空間を占めるという問題点がある。
更に、水素ラインを構成する場合、フィッティングなどでライン構成を行わなければならないため、水素漏出に対する安全性の問題を引き起こし得る。
そして、窒素ボンベを使用することは車両で追加的な装置および窒素が消尽した場合、再充填をしなければならないという問題点がある。
前記燃料電池のシャットダウン時、空気浄化を行う場合、特許の基本概念であるアノード側の水素と酸素の界面が起きる外なく、アノード側が空気で満たされる時間を短縮する状況となり、スタートアップ時にアノード側に水素が供給された時、常に水素と酸素の界面が形成され、燃料電池の性能を低下させる。
例えば、既存特許を活用しない状態でシャットダウンした直後にスタートアップをする場合、アノード側は水素で満たされているため、シャットダウン時とスタートアップ時、２度の水素と酸素の界面形成が起きない。
従って、既存の特許方法を使用する場合、人為的な装置と浄化工程を通して燃料電池の長期耐久性能に対して良くない影響を及ぼし得る。
また、燃料電池のスタートアップ／シャットダウンプロセスの場合、始動および中止時に多くの時間が必要となるため、運転便宜性が良くないという問題点がある。
そして、水素排気側と空気排気側が大気に露出された場合、外部の汚染物質により燃料電池が損傷される可能性がある。
米国特許公開公報２００３／００３４１６５ 米国特許公開公報２００３／０１２９４６２ 米国特許公開公報２００３／００３１９６６
本発明は前記のような点を勘案してなされたものであり、本発明の目的は燃料電池の始動および中止時に、アノードおよびカソード側で酸素を全て消尽して、アノード側には水素のみ残り、カソード側には窒素のみ残り、水素と酸素の界面形成によるカソード側の炭素腐食を防止することができるようにした燃料電池用カソードの炭素腐食抑制措置を提供する。
前記目的を達成するための本発明は、水素と酸素の化学反応のためにカソード側に空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、
空気供給源から受け取った空気を燃料電池に供給する空気ブロワー、前記空気ブロワーから空気の供給を受けて化学反応により電気を発生する燃料電池、前記燃料電池で酸素が反応した後、残留空気を排出する空気排気配管、前記空気排気配管に設置されて燃料電池内の空気圧力を測定する圧力センサー、前記空気排気配管に設置されて空気排気配管の空気フローを開閉する空気排気電磁弁、および前記圧力センサーから感知シグナルの入力を受けて前記空気ブロワーおよび空気排気電磁弁の作動を制御する制御部とを含めて構成され、燃料電池の始動および中止時、前記制御部が圧力センサーを通して空気圧力を感知し、前記空気ブロワーにより空気圧力が設定圧力に到達するまで燃料電池内に空気を供給した後、前記空気排気電磁弁を閉めて燃料電池内で酸素を全て消尽し、アノード側の水素と酸素の界面形成を抑制することを特徴とする。
好ましい具現例として、前記圧力センサーおよび空気排気電磁弁の間に安全弁（ＰＲＶ）が設置されることを特徴とする。
更に好ましい具現例として、前記空気排気配管を通して排出される水を貯蔵するために空気排気配管に設置された貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクの水を排出するために貯蔵タンク下部に設置された水排出電磁弁を含むことを特徴とする。
また、前記空気排気電磁弁は温度が零下まで下がる場合、水による凍結を防止するために熱線が内蔵されることを特徴とする。
更に、前記水排出電磁弁は温度が零下まで下がる場合、水による凍結を防止するために熱線が内蔵されることを特徴とする。
また、前記燃料電池内で反応する空気の量を最小化し、カソード側が窒素で満たされる時間を縮小するために空気ブロワーおよび燃料電池の間に空気供給電磁弁が設置されることを特徴とする。
更に、前記燃料電池内で反応する空気中、酸素を早く消尽するために燃料電池にエネルギー貯蔵および消尽装置が連結されることを特徴とする。
本発明による燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置によると、燃料電池の始動および中止時、空気排気配管に設置した圧力センサーおよび空気排気電磁弁を利用してカソード側の空気圧力を感知し、一定圧力に到達するまで空気を供給した後、水素と酸素の反応により水が生成され酸素を全て消尽することができるので、アノード側の水素と酸素の界面形成によるカソード側の炭素腐食を防止し、燃料電池の耐久性および性能を向上することができる。
以下、本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照して詳しく説明する。
図３は本発明の第１の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図であり、図４は本発明の第２の実施例に係る空気排気配管に設置された安全弁を表す概略図である。
図５は本発明の第３の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図であり、図６は本発明の第４の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図であり、図７は本発明の第５の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図である。
ここで、先に図示した図面と同一の参照符合は同一機能を行う同一部材を指す。
従来は下記のような問題点があった。
１）複雑な構造の装置（抵抗、水素再循環ラインの水素バーナー、窒素タンク）
２）複雑なスタートアップ／シャットダウンプロセスによる始動／中止時間の過多
３）人為的な装置による短時間のスタートアップ／シャットダウン時、アノード側の空気流入による耐久性能の低下
４）水素排気／空気排気側の大気露出による燃料電池汚染による耐久性能の低下
即ち、乾燥した大気状態で燃料電池内部の水分が全て蒸発し、ＭＥＡの加湿水が蒸発して性能が低下し得る。
更に、長期放置時、周辺大気の汚染物質（ＣＯ、ＨＣ、Ｏ３、Ｈ２Ｓ）および有機物質が燃料電池１０の内部に浸透して燃料電池１０の性能が永久的に低下し得る。
本発明は前記のような従来の問題点を解決しながらスマートアップ／シャットダウン時、アノード１２側の水素と酸素の界面形成を同時に抑制することができるようにした点に主眼点がある。
図３を参照すると、本発明の一実施例による空気排気配管２８には圧力センサー３７および空気排気電磁弁３６が設置されている。
通常、燃料電池１０の運転時に燃料電池から排出される空気は、空気排気配管２８を通過して外部に排出される。
前記燃料電池１０の始動および中止時には、燃料電池から電気を供給する端子が短絡されず、燃料電池は開放回路電圧（ＯＣＶ；Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）状態となる。
この時、水素が水素供給弁２０を通して水素供給配管３８を経て燃料電池１０に供給し続け、水素排気弁２１は閉じた状態となり、燃料電池で反応に関与した後、残留水素は水素再循環ブロワー２２により水素が再循環され続ける。
ここで、前記圧力センサー３７は空気排気配管２８の空気圧力を測定し、制御部が圧力センサー３７から感知シグナルの入力を受けて空気ブロワー２６に制御シグナルを送り、一定圧力に到達するまで空気ブロワー２６が作動して燃料電池１０に空気を供給し、一定圧力に到達すると、空気ブロワー２６の作動が止まり、空気排気電磁弁３６が閉まる。
この時、設定圧力値は絶対圧１．０１〜３ｂａｒで使用が可能であるが、一般的に１．１〜２．０ｂａｒの範囲で使用することが好ましい。
このような構成により本発明の一実施例による燃料電池１０において、水素および酸素の反応過程を説明すると下記の通りである。
１．アノード１２側での水素および酸素の反応
アノード１２、アノード流路１６、および配管２３、３９は水素で満たされており、水素がカソード１４側から入ってくる酸素と反応をし、アノード１２側で水に変わる。即ち、２個のＨ２分子が１個のＯ２分子と反応をして２個のＨ２Ｏに変わる。
この時、アノード１２側はこのような反応が持続的に起きると、次第に水素が枯渇し、圧力が落ちてしまう。
２．カソード１４側での水素および酸素の反応
更に、カソード１４、カソード流路１７、および空気排気配管２８は空気で満たされており、空気中の酸素がアノード１２側から入ってくる水素と反応してカソード１４側で水に変わる。即ち、２個のＨ２分子が１個のＯ２分子と反応をして２個のＨ２Ｏに変わる。
この時、カソード１４側はこのような反応が持続的に起きると、次第に空気中の酸素が枯渇し、圧力が落ちてしまう。
前記のような反応は空気供給配管２７、カソード流路１７、空気排気配管２８にある空気中にある酸素が全て消尽されるまで行われる。
前記酸素が全て消尽すると、空気中の酸素の比率が約２０％であるため、空気供給配管２７、カソード流路１７および空気排気配管２８の圧力が設定圧力より約２０％低くなる。
この時、アノード１２側とカソード１４側の圧力差が±１ｂａｒ以内で管理されることが一般的であるが、その圧力差が０．５ｂａｒ以内であることが更に好ましい。
従って、前記酸素が全てなくなった後には、カソード１４の内部は全て窒素（Ｎ２）で満たされ、アノード１２側は水素で満たされているため、水素供給源１９からすぐさま水素を供給しても、水素と酸素の界面形成が起きないためアノード１２側の水素と酸素の界面形成によるカソード１４側の炭素腐食を防止することができる。
また図４を参照すると、本発明の第２の実施例では、空気排気配管２８に、空気排気電磁弁３６と圧力センサー３７に加えて、圧力センサーの誤作動時もしくは空気ブロワーの誤作動による過圧力を防止するために安全弁である圧力安全装置（ＰＲＶ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｌｉｅｆ Ｖａｌｕｅ）４０を装着することで、燃料電池内のＭＥＡを保護することができる。
前記ＰＲＶ４０は機械的に一定圧力以上で作動し、高い圧力での供給を遮断する。
前記のような構造で、水素と空気反応により生成された水の量が多い場合、内部に水が多く、空気排気電磁弁が冬季には氷結し得る。
図５を参照すると、前記のような問題点を防止するために、本発明の第３の実施例による空気排気配管には熱線内蔵型電磁弁４１が装着される。即ち、前記空気排気電磁弁３６の内部に熱線が設置される。
更に、前記空気排気配管２８に生成された水を貯蔵するための貯蔵タンク４２が熱線内蔵型電磁弁４１の前側に設置され、貯蔵タンク４２の水排出のために貯蔵タンクの下部に水排出用熱線内蔵型電磁弁４３が設置される。
このような貯蔵タンク４２および水排出用熱線内蔵型電磁弁４３の追加構成は、他の全ての実施例に適用が可能である。
図６を参照すると、本発明の第４の実施例では、燃料電池１０の内部で反応する空気の量を最小化し、カソード１４側が窒素で満たされる時間を短縮することができるようにするために、空気ブロワー２６と燃料電池１０の間の空気供給配管２７に空気供給電磁弁４４を提供する。
この時、前記圧力センサー３７は空気排気配管２８の空気圧力を測定し、制御部が圧力センサー３７から感知シグナルの入力を受けて空気ブロワーに制御シグナルを送り、一定圧力に到達するまで空気ブロワー２６が作動して燃料電池１０に空気を供給し、一定圧力に到達すると、空気ブロワー２６の作動が止まり、空気排気電磁弁３６および空気供給電磁弁４４が閉まる。
このような空気供給電磁弁４４の追加構成は他の全ての実施例に適用が可能である。
図７を参照すると、本発明の第５別の実施例では、燃料電池１０内で反応する空気中の酸素を早く消尽するために燃料電池１０と連結されるエネルギー貯蔵および消尽装置４５を提供する。
前記エネルギー貯蔵装置はバッテリーおよびスーパーコンデンサなどの電気を貯蔵することのできる全ての装置を含む。更に、前記エネルギー消尽装置は車両内の全ての部品に適用される。
従って、前記エネルギー貯蔵および消尽装置を利用して燃料電池内で反応する空気中の酸素を早く消尽することで、アノード１２側の水素と酸素の界面形成によるカソード１４側の炭素腐食を防止することができる。
従来の燃料電池車内の燃料電池システムの一般的な模式図である。 従来の燃料電池内の水素と酸素の界面形成を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図である。 本発明の第２の実施例に係る空気排気配管に設置された安全弁を表す概略図である。 本発明の第３の実施例に係る燃料電池量カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図である。 本発明の第４の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図である。 本発明の第５の実施例に係る燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置を説明するための構成図である。
符号の説明
１０ 燃料電池
１１ 分離板
１２ アノード
１３ 電解質膜
１４ カソード
１５ 水素／空気／冷却水分配構造物
１６ アノード流路
１７ カソード流路
１８ 冷却水流路
１９ 水素供給源
２０ 水素供給弁
２１ 水素排気弁（浄化弁）
２２ 水素再循環ブロワー
２３、３０、３１、３３、３５、３９ 配管
２４ 水素再循環遮断弁
２５、２７ 空気供給配管
２６ 空気ブロワー
２８ 空気排気配管
２９ 冷却水ポンプ
３２ 熱交換器
３４ 冷却水遮断弁
３６ 空気排気電磁弁
３７ 圧力センサー
３８ 水素供給配管
４０ ＰＲＶ
４１ 空気排気熱線内蔵型電磁弁
４２ 貯蔵タンク
４３ 水排出熱線内蔵型電磁弁
４４ 空気供給電磁弁
４５ エネルギー貯蔵および消尽装置
４６ 大気

Claims (7)

  1. 水素と酸素の化学反応のためにカソード側に空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、
    空気供給源から受け取った空気を燃料電池に供給する空気ブロワー、
    前記空気ブロワーから空気の供給を受けて化学反応により電気を発生する燃料電池、
    前記燃料電池で酸素が反応した後、残留空気を排出する空気排気配管、
    前記空気排気配管に設置されて燃料電池内の空気圧力を測定する圧力センサー、
    前記空気排気配管に設置されて空気排気配管の空気フローを開閉する空気排気電磁弁、および
    前記圧力センサーから感知シグナルの入力を受け、前記空気ブロワーおよび空気排気電磁弁の作動を制御する制御部、
    を含めて構成され、燃料電池の始動および中止時、前記制御部が圧力センサーを通して空気圧力を感知し、前記空気ブロワーにより空気圧力が設定圧力に到達するまで燃料電池内に空気を供給した後、前記空気排気電磁弁を閉めて燃料電池内で酸素を全て消尽し、アノード側の水素と酸素の界面形成を抑制することを特徴とする燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
  2. 前記圧力センサーおよび空気排気電磁弁の間に安全弁（ＰＲＶ）が設置されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
  3. 前記空気排気配管を通して排出される水を貯蔵するために空気排気配管に設置された貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクの水を排出するために貯蔵タンク下部に設置された水排出電磁弁を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２記載の燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
  4. 前記空気排気電磁弁は、温度が零下まで下がる場合、水による凍結を防止するために熱線が内蔵されることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
  5. 前記水排出電磁弁は、温度が零下まで下がる場合、水による凍結を防止するために熱線が内蔵されることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
  6. 前記燃料電池内で反応する空気の量を最小化し、カソード側が窒素で満たされる時間を短縮するために、空気ブロワーおよび燃料電池の間に空気供給電磁弁が設置されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
  7. 前記燃料電池内で反応する空気中の酸素を早く消尽するために、燃料電池にエネルギー貯蔵および消尽装置が連結されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用カソードの炭素腐食抑制装置。
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