JP2010242183A - 不純物濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学的水素ポンプを利用して水素ガスに含まれる不純物を濃縮する不純物濃縮装置に関し、電気化学的水素ポンプを構成するセルを複数積層した場合において、特定のセルに不純物が蓄積されないように、水素を無駄に排出しない方法で各セルの不純物濃度を定期的にリセットする。
【解決手段】所定のタイミングにて排気弁を開いて排出を開始し、その直後におけるセル間の印加電圧のばらつきに応じて排気弁の開弁時間を調整する。例えば、ばらつきＶｄ１が第１基準値未満のときには通常の開弁時間だけ開き、ばらつきＶｄ２が第１基準値以上のときには第２基準値以下のばらつきＶｄ３になるまで継続して排気弁を開く。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学的水素ポンプを利用して水素ガスに含まれる不純物を濃縮する不純物濃縮装置に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池で使用された水素ガスのオフガスを系外に排出させずに再び燃料電池に循環させることにより、水素の節約を図る場合がある。しかし、ただ単に水素ガスを循環させたのでは、水素ガス中の不純物濃度の上昇によって燃料電池の性能が低下する。そこで、特開２００６−０１９１２３号公報に開示された燃料電池システムでは、水素ガスの循環系に電気化学的水素ポンプを配置し、電気化学的水素ポンプによって水素ガス中の不純物を取り除くようにしている。

電気化学的水素ポンプの構成は、固体高分子方燃料電池とほぼ同一であり、固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設されている。固体高分子電解質膜に電流が流されることで、電気化学的水素ポンプに供給された水素はアノードでプロトンに変換され、固体高分子電解質膜をカソードに向かって移動する。そして、カソードで電子の供給を受けて再び水素に戻る。これにより、電気化学的水素ポンプのカソード流路からは、不純物が取り除かれた純粋な水素が導出されることになる。一方、電気化学的水素ポンプのアノード流路では、取り除かれた不純物が蓄積されて濃縮されていく。そこで、特開２００６−０１９１２３号公報に開示された電気化学的水素ポンプでは、濃縮された不純物を外部に排気するための排気弁がアノード流路に接続されている。

特開２００８−１７７１０１号公報 特開２００６−０１９１２３号公報 特開２００８−３０５６３６号公報 特開２００７−２２６９８７号公報

ところで、電気化学的水素ポンプを燃料電池システムに搭載する場合、処理すべき水素ガスの量に見合った固体高分子電解質膜の面積が必要とされる。その場合、一枚で必要な面積を確保するか、複数枚を積層することで全体として必要面積を確保するかという選択がある。複数枚を積層する場合、すなわち、複数枚を直列に接続する場合は、枚数に比例して電流量を低減できるため、電気部品の低コスト化をはかることができる。また、保持荷重が低減できるため、締結部品の小型軽量化も可能になる。したがって、少なくとも燃料電池システムに搭載する上では、電気化学的水素ポンプの構成は複数枚のセルが積層されたものとするのが好ましい。

しかしながら、そのような複数セル積層型の電気化学的水素ポンプにおいて実験を行った結果、積層されたセル間で電圧のばらつきが発生することが確認された。これは、各セルのアノード流路内の圧損にばらつきがあることが原因と考えられる。圧損のばらつきに応じて各セルへ流入するガス流量が不均一になり、圧損の高いセルでは、ガス流入が抑制されることによりアノード流路内での不純物の濃縮が進む。不純物の濃縮が進むにつれて当該セルの印加電圧は上昇するため、それがセル間での電圧のばらつきとなって現れるのである。

また、実験によれば、圧損が高いセルほど早期に電圧が低下することが確認された。これは、水素と不純物の窒素とでは窒素のほうが粘度が高いため、不純物濃度が高くなるほどアノード流路内の圧損はより高くなり、不純物の濃縮が加速的に進むことになるからである。特定のセルに不純物が蓄積されると、当該セルでの印加電圧の急激な上昇によって消費電力が増加するだけでなく、水素が欠乏する不純物濃縮領域では固体高分子電解質膜の分解によって穴が開いてしまうおそれもある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、電気化学的水素ポンプを利用して水素ガスに含まれる不純物を濃縮する不純物濃縮装置に関し、電気化学的水素ポンプを構成するセルを複数積層した場合において、特定のセルに不純物が蓄積されないように、水素を無駄に排出しない方法で各セルの不純物濃度を定期的にリセットすることをその目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、複数枚のセルを積層してなる電気化学的水素ポンプを備え、前記電気化学的水素ポンプを利用して水素ガスに含まれる不純物を濃縮する不純物濃縮装置において、
前記電気化学的水素ポンプに供給された水素ガスを各セルのアノード流路に分配する分配手段と、
各セルのアノード流路の下流に接続された排気手段と、
セル間の印加電圧のばらつきを測定する電圧ばらつき測定手段と、
所定のタイミングにて前記排気手段による排気処理を開始し、その直後における印加電圧のばらつきに応じて排気処理の実施時間を調整する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

排気処理を開始した直後に測定されるセル間の印加電圧のばらつきは、セル間の不純物蓄積量のばらつきを表している。したがって、排気処理の開始直後における印加電圧のばらつきに応じて排気処理の実施時間を調整すれば、排気量が少なすぎるために蓄積された不純物を十分に排出できないことも、排気量が多すぎるために水素を無駄に排出してしまうことも、共に防ぐことができる。

本発明の実施の形態１の不純物濃縮装置にかかる排気制御の方法を説明するための図である。 運転開始後のセル内のガスの分布状況を示す図である。 図２に示す濃淡電池の電位差と水素濃度差（不純物濃度差）との関係を示したグラフである。 本発明の実施の形態２の不純物濃縮装置にかかる排気制御の方法を説明するための図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。

本実施の形態の不純物濃縮装置は、複数セル積層型の電気化学的水素ポンプであって、セルが複数枚直列に積層されてなる。セルは夫々が電気化学的水素ポンプであり、アノード流路とカソード流路との間に固体高分子電解質膜が挟まれた構造になっている。各セルのアノード流路の入口は、水素ガスを各セルに分配するための入口マニホールドに接続されている。各セルのアノード流路の出口は、出口マニホールドを介して排気弁に接続されている。排気弁の開／閉は制御装置によって制御されている。

本実施の形態の不純物濃縮装置は、制御装置による排気弁の制御方法に特徴がある。制御装置には、各セルの電圧を測定する電圧モニタが接続されている。制御装置は、電圧モニタの信号からセル間の印加電圧のばらつきを測定し、その測定結果を用いて排気弁を制御する。本実施の形態で行われる排気制御の方法を時間図で示したものが図１である。

図１において縦軸は電圧であり、図中の各曲線は各セル（図１では４つのセル）の電圧の挙動を表している。各セルの電圧と図中に破線で示す基準電圧との差は各セルの印加電圧の大きさを示している。図１からは、時点ｔ０で運転を開始した後、各セルの印加電圧は上昇していることが確認できる。これはアノードガス流路内での不純物の濃縮が進んだことによる。また、セルによって印加電圧の上昇状況にばらつきがあることも確認できるが、これは各セルのアノード流路内の圧損にばらつきがあるためである。印加電圧の上昇が最も激しいセルが最も圧損の高いセルである。

制御装置は、あるタイミングにて排気弁を開き、各セルの内部に溜まった不純物を系外に排出する。本発明の実施においては排気弁を開くタイミングには限定はない。ただし、好ましくは、印加電圧の上昇が最も激しいセル（高圧損セル）において、その印加電圧が所定の基準電圧を上回った場合に排気弁を開くようにする。

排気弁を開いて内部の不純物を排出することにより、排気弁を開いた直後から各セルの電圧は回復する。ただし、排気弁を開いた直後の各セルの印加電圧にはセル間でばらつきがあることが分かる。ここでは、最も印加電圧が高いセルと最も印加電圧が低いセルとの間の電圧差を印加電圧のばらつきと定義する。排気弁を開いた直後の印加電圧にばらつきがあるのは、残存している不純物濃縮領域の面積にセル間でばらつきがあるためである。最も印加電圧が低いセルでは不純物がきちんと排出されていると考えられることから、印加電圧のばらつきは、最も印加電圧が高いセル（高圧損セル）の不純物濃縮面積に対応しているとみることができる。水素ポンプに必要な過電圧の電流密度依存性を予め調査してマップ化しておくならば、印加電圧のばらつきから高圧損セルの不純物濃縮面積を把握することもできる。

本実施の形態の排気制御方法によれば、制御装置は、排気弁を開いた直後のセル間の印加電圧のばらつきを測定し、その測定値に応じて排気弁の開弁時間を調整する。より詳しくは、測定した印加電圧のばらつきを第１基準値と比較し、ばらつきが第１基準値未満であれば通常の開弁作時間だけ排気弁を開く。一方、ばらつきが第１基準値以上であれば通常の開弁作時間を越えて排気弁を開き、高圧損セルからの不純物の排出を促すようにする。その間、セル間の印加電圧のばらつきの測定は継続して行い、ばらつきが第２基準値（もちろん第１基準値よりも低い値）まで低下したら排気弁を閉じる。各基準値は、印加電圧と不純物濃縮面積との関係から任意に定めることができる。

図１には、排気弁を開いた直後のセル間の印加電圧のばらつきをＶｄ１，Ｖｄ２で示している。ここでは、最初の開弁時のばらつきＶｄ１は第１基準値未満であるが、２回目の開弁時のばらつきＶｄ２は第１基準値以上になったものとする。このような場合、２回目の開弁後はすぐには排気弁は閉じられず、第２基準値以下のばらつきＶｄ３になるまで継続して排気弁が開かれる。

以上のような方法で排気弁の開弁時間を制御することにより、開弁時間が短すぎるために蓄積された不純物を十分に排出できないことも、開弁時間が長すぎるために水素を無駄に排出してしまうことも、共に防ぐことができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図２乃至図４の各図を参照して説明する。

本実施の形態の不純物濃縮装置は、排気弁の開弁時間の判断方法に特徴がある。本実施の形態では、濃淡電池の原理を利用して高圧損セル内での不純物濃縮面積を把握し、それに基づいて排気弁の開弁時間を調整する。

図２は、運転開始後のセル内のガスの分布状況を示している。セルのカソード流路の内部のガスは純水素であるのに対し、アノード流路の内部のガスは水素と窒素との混合ガスになっている。この状態で、電流の供給を停止すると、濃淡電池の原理によってアノードとカソードとの間に電位差が発生する。その電位差は両流路間の水素濃度の差、言い換えれば、アノード流路の窒素濃度によって決まる。図３は、電位差と水素濃度差（もしくはアノード側の不純物濃度）との関係を示したグラフである。このグラフから、アノード流路の不純物濃縮面積が大きくなるほど、セルの濃淡電池としての電位差は大きくなることが分かる。

本実施の形態で行われる排気制御の方法を時間図で示したものが図４である。本実施の形態の排気制御方法によれば、制御装置は、排気弁を開くと同時に電気化学的水素ポンプへの電流の供給を停止する（電源ＯＦＦ）。電流の供給が停止されることで、電気化学的水素ポンプを構成する各セルは濃淡電池して機能するようになり、各セルそれぞれに電位差が発生する。電位差は残存している不純物濃縮領域の面積によって異なり、不純物濃縮領域の面積が大きいセルほど電位差は大きくなる。制御装置は、セル間の電位差のばらつきを測定し、その測定値に応じて排気弁の開弁時間を調整する。より詳しくは、測定した電位差のばらつきを第１基準値と比較し、ばらつきが第１基準値未満であれば通常の開弁作時間だけ排気弁を開く。一方、ばらつきが第１基準値以上であれば通常の開弁作時間を越えて排気弁を開き、高圧損セルからの不純物の排出を促すようにする。その間、セル間の電位差のばらつきの測定は継続して行い、ばらつきが第２基準値（もちろん第１基準値よりも低い値）まで低下したら排気弁を閉じる。そして、それと同時に電気化学的水素ポンプへの電流の供給を再開する（電源ＯＮ）。

以上のような方法で排気弁の開弁時間を制御することにより、実施の形態１と同様、開弁時間が短すぎるために蓄積された不純物を十分に排出できないことも、開弁時間が長すぎるために水素を無駄に排出してしまうことも、共に防ぐことができる。

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。

Claims (1)

1. 複数枚のセルを積層してなる電気化学的水素ポンプを備え、前記電気化学的水素ポンプを利用して水素ガスに含まれる不純物を濃縮する不純物濃縮装置において、
   前記電気化学的水素ポンプに供給された水素ガスを各セルのアノード流路に分配する分配手段と、
   各セルのアノード流路の下流に接続された排気手段と、
   セル間の印加電圧のばらつきを測定する電圧ばらつき測定手段と、
   所定のタイミングにて前記排気手段による排気処理を開始し、その直後における印加電圧のばらつきに応じて排気処理の実施時間を調整する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする不純物濃縮装置。

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