JP2010192202A - 排水機構付き燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの正常な動作を維持する。
【解決手段】排水機構付き燃料電池システム１は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２から排出されるアノードオフガスから水分を分離し貯留する気液分離器７と、気液分離器７に貯留された水分を排出する排水弁９と、気液分離器７と排水弁９とを接続する排水流路２３と、排水流路２３に設けられ異物を捉えるフィルタ８と、フィルタ８を迂回しこのフィルタ８の上流と下流を接続するバイパス流路２４と、バイパス流路２４に設けられその上流側と下流側の圧力差によりバイパス流路２４を開閉する差圧作動弁１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、排水機構を備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムにおいては、発電により水が生成されるが、この水は燃料電池システム内で循環させたり、余剰の水はガス中の不純物とともに排出している。この余剰の水やガス中の不純物を排出するために排出弁を設けるが、排出弁の正常な動作を確保するために、排出弁の上流にフィルタを設置し、フィルタで異物を除去することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池システムにおいては、前記異物は個体とは限られない。燃料電池の内部には、例えば、電解質膜における膜自体や、接着剤や、シール材など多種多様な高分子材料が使用されており、これら高分子素材の一部は、劣化したり、所定の温度条件により水中に溶出し易くなる傾向がある。高分子素材の溶出や析出が燃料電池システム内において発生すると、水の循環や排出に影響が出る。例えば、水に溶出した高分子素材が前記排出弁で析出すると、排出弁のシール性に悪い影響を与えるなどの不具合が生じる。
前述のように排出弁の上流にフィルタを設置しておくと、水に溶出した高分子素材が排出弁の上流のフィルタにおいて析出するので、排出弁での析出を防止することができる。

しかしながら、前記フィルタを設置した場合、フィルタが異物で目詰まりすると、排水性能が低下してしまう。これを防止するには、フィルタを定期的に交換する必要がある。
また、フィルタが目詰まりを起こしたときにはフィルタをバイパスして排水することができるように、バイパス流路を設ける方法もある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１０３５０５号公報 特開２００６−１０７８４８号公報

しかしながら、フィルタの定期的な交換はユーザーへの負担増を強いるものであるため、好ましくない。
また、燃料を循環させる流路にフィルタを設置すると、フィルタによる圧損の増大が燃料の循環量を低下させ、発電性能に悪影響を与える虞がある。
また、フィルタをバイパスするバイパス流路を設けると、バイパス流路には常に流体が流れるようになるため、異物の一部が常にバイパス流路を通過することとなり、異物の影響を受け易いバルブの上流に適用するのは困難である。

そこで、この発明は、フィルタのメンテナンスに関わるユーザーの負担を軽減するとともに、正常な動作を維持することができる燃料電池システムを提供するものである。

この発明に係る排水機構付き燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、反応ガス（例えば、後述する実施例における水素ガスと空気）を供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）と、前記燃料電池から排出される前記反応ガスのオフガス（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス）から水分を分離し貯留する気液分離器（例えば、後述する実施例における気液分離器７）と、前記気液分離器に貯留された水分を排出する排水弁（例えば、後述する実施例における排水弁９）と、前記気液分離器と前記排水弁とを接続する排水流路（例えば、後述する実施例における排水流路２３）と、前記排水流路に設けられ異物を捉えるフィルタ（例えば、後述する実施例におけるフィルタ８）と、前記フィルタを迂回し該フィルタの上流と下流を接続するバイパス流路（例えば、後述する実施例におけるバイパス流路２４）と、前記バイパス流路に設けられその上流側と下流側の圧力差により該バイパス流路を開閉する差圧作動手段（例えば、後述する実施例における差圧作動弁１０）と、を備えることを特徴とする排水機構付き燃料電池システム（例えば、後述する実施例における排水機構付き燃料電池システム１）である。
このように構成することにより、フィルタの目詰まりが進行しないときに排水弁が開かれると、バイパス流路は差圧作動手段により閉塞されているので、気液分離器に貯留されていた水分はフィルタを通って排水弁から排出される。フィルタの目詰まりが進行したときに排水弁が開かれると、フィルタの上流と下流との圧力差が大きくなるので、該圧力差に基づいて差圧作動手段が開動作してバイパス流路が開放され、気液分離器に貯留されていた水分はバイパス流路を通って排水弁から排出される。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記差圧作動手段は、前記バイパス流路における流体の流れ方向と逆方向にスプリング（例えば、後述する実施例におけるスプリング１８）で付勢され閉弁する弁手段（例えば、後述する実施例における差圧作動弁１０）で構成されていることを特徴とする。
このように構成したことにより、スプリングの強さの設定次第で差圧作動手段の作動圧を所望に設定することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記バイパス流路には、流体の流れを検出する流れ検出手段（例えば、後述する実施例における流れ検出センサ１９）が設けられていることを特徴とする。
このように構成したことにより、流れ検出手段の検出結果に基づいて差圧作動手段の作動状態を検知することができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記フィルタの目詰まりを報知する報知手段と、前記流れ検出手段により流体の流れが検出されたときに前記報知手段を動作させる制御部（例えば、後述する実施例における制御装置５０）と、を備えることを特徴とする。
このように構成したことにより、フィルタの目詰まりをユーザーに確実に知らせることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、車両に搭載されており、前記フィルタが車両の周面から取り外し可能に設置されていることを特徴とする。
このように構成したことにより、フィルタの清掃、交換が簡単に、確実に実施することができる。

請求項１に係る発明によれば、フィルタの目詰まりが進行してフィルタの上流と下流の圧力差が大きくなると、該圧力差に基づいて差圧作動手段が動作しバイパス流路が開放されるので、フィルタが目詰まりを起こしたときにも気液分離器に貯留された水分をバイパス流路および排水弁を介して排出することができ、燃料電池システムの正常な動作を維持することができる。

請求項２に係る発明によれば、差圧作動手段の作動圧を所望に設定することができる。

請求項３に係る発明によれば、流れ検出手段の検出結果に基づいて差圧作動手段の作動状態を検知することができ、流れ検出手段により流体の流れが検知されたときには、差圧作動手段が開動作したときであり、すなわちフィルタが目詰まりしているときであると判定することができ、フィルタの清掃、交換のタイミングを適切に把握することができる。その結果、燃料電池システムの正常な動作を維持することができる。

請求項４に係る発明によれば、フィルタの目詰まりをユーザーに確実に知らせることができるので、フィルタの清掃、交換を適切なタイミングで行うことができる。その結果、燃料電池システムの正常な動作を維持することができる。
。

請求項５に係る発明によれば、フィルタの清掃、交換が簡単に、確実に実施することができるので、燃料電池システムの正常な動作を維持することができる。

この発明に係る排水機構付き燃料電池システムの実施例における構成図である。 前記実施例の燃料電池システムにおいて用いられる差圧作動手段の概略断面図である。 前記実施例の燃料電池システムにおける排水機構の概略断面図である。

以下、この発明に係る排水機構付き燃料電池システムの実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る排水機構付き燃料電池システムの概略構成図である。この実施例において、燃料電池システム１は燃料電池自動車に搭載されており、固体高分子電解質膜型の燃料電池２を備えている。

燃料電池２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。なお、この実施例において、水素ガスと空気（酸素）は、燃料電池２に供給されて発電をする反応ガスを構成する。

空気はエアコンプレッサ３０により所定圧力に加圧され、空気流路３１を通って燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス流路３２に排出され、圧力制御弁３３を介して排出される。

高圧水素タンク（燃料供給手段）３に収容された水素ガスは、水素供給流路２１を流通して燃料電池２の各セルのアノードに供給される。水素供給流路２１には、高圧水素タンク３に近い側から順に、遮断弁４、圧力調整弁５、エゼクタ６が設けられている。
燃料電池２のアノードに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２２を通ってエゼクタ６に吸引され、高圧水素タンク３から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノードに供給される。すなわち、燃料電池２から排出されるアノードオフガスは燃料ガス（反応ガス）として燃料電池２に循環せしめられる。
エゼクタ６は、燃料電池２のアノードから排出されるアノードオフガスを水素供給流路２１に戻すポンプとして機能する。エゼクタ６に代えてポンプを用いたり、あるいは、エゼクタとポンプを併用することも可能である。

アノードオフガス流路２２の途中には、アノードオフガスに含まれる水分をガス体から分離し、分離した水分を貯留する気液分離器７が設けられている。この気液分離器７においてアノードオフガスから分離された水分はタンク部７ａに貯留され、水分を除去されたアノードオフガスが前述したようにエゼクタ６に吸引される。これにより、燃料電池２への水分供給過多を防止し、燃料電池２内でのフラッディングを防止して、正常な発電状態の維持を図っている。

気液分離器７のタンク部７ａには排水流路２３が接続されており、排水流路２３にはフィルタ８が設けられてるとともに、フィルタ８の下流に排水弁９が設けられている。排水弁９は通常は閉じられており、例えば燃料電池２の運転状態に応じて、あるいは所定時間間隔など適宜のタイミングで開いて、タンク部７ａに貯留された水分とともに気液分離器７を流通するアノードオフガスを排出する。

フィルタ８は、水分およびアノードオフガス中に含まれる異物を捕集するものであり、排水弁９の上流に設置することにより、該異物が排水弁９へ流入しないようにしている。したがって、燃料電池２の内部から高分子素材の一部が水に溶出しても、水に溶出した高分子素材は排水弁９において析出する前に、その上流のフィルタ８において析出するので、排水弁９での析出を防止することができる。なお、フィルタ８により捉えられる異物は、水に溶出した高分子素材に限られるものではなく、個体物などあらゆる異物が含まれる。

また、排水流路２３には、フィルタ８の上流から分岐し、フィルタ８を迂回した後にフィルタ８の下流に合流するバイパス流路２４が接続されている。すなわち、バイパス流路２４は、フィルタ８を迂回してフィルタ８の上流と下流とを接続している。このバイパス流路２４には、差圧作動弁（差圧作動手段）１０が設けられている。差圧作動弁１０は、差圧作動弁１０の上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差に基づいて開閉される弁手段であり、前記圧力差が所定値未満では閉弁し、該所定値以上になると開弁する。

図２は、差圧作動弁１０の具体例を示す概略断面図である。この差圧作動弁１０は、互いに螺合された上流側弁箱１１と下流側弁箱１２とを備え、上流側弁箱１１には流入路１３に連なる弁座１４が設けられ、下流側弁箱１２には流出路１５に連なる弁体収容孔１６が設けられ、弁体収容孔１６には、弁座１４に着座離反可能な球状の弁体１７と、弁体１７を弁座１４に向けて付勢するスプリング１８が収容されて構成されている。なお、上流側弁箱１１と下流側弁箱１２は図示しないシール材によりシールされている。

この差圧作動弁１０では、流入路１３内の圧力と流出路１５内の圧力との圧力差により弁体１７を弁座１４から離間する方向（すなわち、流出路１５に接近する方向）へ押圧する力が、スプリング１８により弁体１７を弁座１４に付勢する力よりも大きくなると、弁体１７が弁座１４から離間して開弁し、流体が流入路１３から流出路１５へと流通する。したがって、差圧作動弁１０は、バイパス流路２４における流体の流れ方向と逆方向にスプリング１８で付勢されて閉弁する弁手段と言うことができる。
なお、差圧作動弁１０はこの構造例に限られるものでないことは勿論である。

図１に戻って、バイパス流路２４において差圧作動弁１０の下流には、流体の流れを検出する流れ検出センサ（流れ検出手段）１９が設置され、流れ検出センサ１９の出力信号が制御装置（制御部）５０に入力される。流れ検出センサ１９は例えば流量センサで構成することができる。
なお、制御装置５０は、車両の運転状態や燃料電池２の運転状態に応じて、遮断弁４、エアコンプレッサ３０、圧力制御弁３３、排水弁９等を制御する。また、制御装置５０は、流れ検出センサ１９が流体の流れを検出した場合に、フィルタ８の目詰まりを乗員に報知する報知手段（図示略）を動作する。報知手段による報知は、ランプの点灯、警報音の出力、画像表示手段によるアイコン表示などを例示することができる。

このように構成された燃料電池システム１によれば、フィルタ８の目詰まりが進行していないときに排水弁９が開弁されると、フィルタ８の上流側圧力と下流側圧力との圧力差が小さいので差圧作動弁１０は閉弁し、バイパス流路２４は閉塞される。したがって、気液分離器７のタンク部７ａに貯留されていた水分はフィルタ８を通って排水弁９から排出される。

一方、フィルタ８の目詰まりがある程度まで進行したときに排水弁９が開弁されると、フィルタ８の上流側圧力と下流側圧力との圧力差が大きいので、差圧作動弁１０のスプリング１８の付勢力に抗して弁体１７が弁座１４から離反し、すなわち前記圧力差に基づいて差圧作動弁１０が開動作し、バイパス流路２４が開放される。このときには、気液分離器に貯留されていた水分はバイパス流路２４および差圧作動弁１０を通って排水弁９から排出される。
したがって、フィルタ８が目詰まりを起こしたときにも気液分離器７に貯留された水分をバイパス流路２４および排水弁９を介して排出することができ、燃料電池システム１の正常な動作を維持することができる。

また、バイパス流路２４に水が流れると、流れ検出手段１９が流体の流れを検出し、その出力信号を制御装置５０へ出力する。流れ検出手段１９により流体の流れが検知されたときには、差圧作動弁１０が開動作したときであり、すなわちフィルタ８が目詰まりしているときである。そこで、制御装置５０は、前記報知手段を介して乗員にフィルタ８が目詰まり状態であることを報知する。これにより、フィルタ８の目詰まりを乗員に確実に知らせることができ、また、乗員はフィルタ８の清掃、交換のタイミングを適切に把握することができる。その結果、フィルタ８の清掃、交換を適切なタイミングで実行することができ、燃料電池システムの正常な動作を維持することができる。
また、差圧作動弁１０のスプリング１８の強さの設定次第で、差圧作動弁１０の作動圧を所望に設定することができる。

図３は、前記燃料電池システム１における排水機構部分をより具体的に示した部分断面図である。
この具体例では、アノードオフガス流路２２に設けられた気液分離器７が上下に分離可能に構成されており、タンク部７ａを有する下側本体４１が、図示しない上側本体にボルトを介して締結されるようになっている。図中、符号４２は前記ボルトの挿通孔である。下側本体４１と上側本体との合わせ面４３には、タンク部７ａの外側を一周するシール材４４が配置される。そして、下側本体４１には弁取付部４７が一体に形成されていて、弁取付部４７に排水弁９が設置されている。

下側本体４１には、タンク部７ａと排水弁９の入口側とを連通する排水路４５が設けられ、排水路４５のタンク部７０ａ側にフィルタ８が脱着可能に装着されている。また、下側本体４１には、フィルタ８よりも下流の排水路４５とタンク部７ａとを連通するバイパス路４６が設けられており、バイパス路４６に差圧作動弁１０が取り付けられている。なお、下側本体４１は、車体の下面あるいは側面（車体の外周面＝周面）から取り外し可能な位置に配置するのが好ましい。
このように構成しておくと、フィルタ８が装着された下側本体４１を前記上側本体から容易に取り外すことができ、下側本体４１を取り外すことにより、フィルタ８の清掃、交換を容易に行うことができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、流れ検出手段を、流量センサからなる流れ検出センサ１９で構成したが、差圧作動弁１０の弁作動検知センサや、差圧作動弁１０の上流側と下流側との圧力差が設定値以上となったことを検知する差圧検知センサで構成することも可能である。

１ 排水機構付き燃料電池システム
２ 燃料電池
７ 気液分離器
８ フィルタ
９ 排水弁
１０ 差圧作動弁（差圧作動手段）
１８ スプリング
１９ 流れ検出センサ（流れ検出手段）
２３ 排水流路
２４ バイパス流路
５０ 制御装置（制御部）

Claims (5)

1. 反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される前記反応ガスのオフガスから水分を分離し貯留する気液分離器と、
   前記気液分離器に貯留された水分を排出する排水弁と、
   前記気液分離器と前記排水弁とを接続する排水流路と、
   前記排水流路に設けられ異物を捉えるフィルタと、
   前記フィルタを迂回し該フィルタの上流と下流を接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられその上流側と下流側の圧力差により該バイパス流路を開閉する差圧作動手段と、
   を備えることを特徴とする排水機構付き燃料電池システム。
2. 前記差圧作動手段は、前記バイパス流路における流体の流れ方向と逆方向にスプリングで付勢され閉弁する弁手段で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排水機構付き燃料電池システム。
3. 前記バイパス流路には、流体の流れを検出する流れ検出手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排水機構付き燃料電池システム。
4. 前記フィルタの目詰まりを報知する報知手段と、
   前記流れ検出手段により流体の流れが検出されたときに前記報知手段を動作させる制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の排水機構付き燃料電池システム。
5. 車両に搭載されており、前記フィルタが車両の周面から取り外し可能に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の排水機構付き燃料電池システム。

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