JP3553377B2 - 燃料電池システムおよびその排水方法 - Google Patents
燃料電池システムおよびその排水方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3553377B2 JP3553377B2 JP18789198A JP18789198A JP3553377B2 JP 3553377 B2 JP3553377 B2 JP 3553377B2 JP 18789198 A JP18789198 A JP 18789198A JP 18789198 A JP18789198 A JP 18789198A JP 3553377 B2 JP3553377 B2 JP 3553377B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- water
- methanol
- fuel cell
- tank
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムおよびその排水方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【0003】
この種の燃料電池スタックは、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス(空気)をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【0004】
ところで、車載型の燃料電池スタックでは、特に定期的なルート走行を目的としない乗用車等において、メタノール水溶液を補給することが困難なものとなっている。このため、メタノールだけを補給し、必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方式が現実的である。ところが、比較的大容量の水タンクを設けるために、寒冷地で使用する際に、改質に必要な水が凍結するおそれがあり、燃料電池スタックの円滑な始動が困難になるという問題がある。
【0005】
そこで、例えば、特開平8−91804号公報に開示されているように、メタノールを貯留するメタノール貯留槽と、このメタノール貯留槽の下側に配設されるとともに、燃料電池から排出される水の供給経路が接続されかつメタノールと水との混合液を貯留する改質原料液貯留槽と、前記メタノール貯留槽と前記改質原料液貯留槽との間に配設され、前記メタノール貯留槽から前記改質原料液貯留槽に流入するメタノールの流入量を、前記改質原料液貯留槽におけるメタノールと水との混合比率が所定の値になるように調整する流入量調整手段とを備えた原料液供給装置が知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、水タンクを用いないために凍結防止が可能であるものの、燃料電池と改質原料液貯留槽とを接続する水の供給経路内に残った水が凍結し易い。これにより、この供給経路内が閉塞されてしまうという問題が指摘されている。
【0007】
しかも、メタノール水溶液の改質反応は、CH3 OH+H2 O→3H2 +CO2 である一方、燃料電池における反応は、3H2 +CO2 +3/2O2 →3H2 O+CO2 である。このため、理論上、メタノール1molを水素に変化させるのに必要な水が1molであるのに対し、燃料電池から排出される生成水は3molとなる。従って、排出原料液貯留槽には、必要以上の生成水が導入されてしまい、メタノールと水との混合比に対して余剰となる水の処理が問題となっている。
【0008】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、システム内での水の凍結を確実に阻止するとともに、余剰な水を簡単に処理し、特に車載に適した燃料電池システムおびその排水方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムおよびその排水方法では、メタノールタンクにメタノールが貯留される一方、水回収タンクに少なくとも燃料電池セルから排出される水分が貯留され、前記メタノールタンクおよび前記水回収タンクから前記メタノールおよび水がそれぞれ計量されてメタノール水溶液タンクに供給される。そして、メタノール水溶液タンクから改質器にメタノールと水の混合液が供給されて改質ガスが生成され、この改質ガスは燃料電池セルに供給されてこの燃料電池セルで発電が開始される。
【0010】
次に、燃料電池システムの運転が停止されると、メタノール水溶液タンクが設定された満水状態に調整された後、水回収タンクの下部に接続された切り換えバルブが開放されてこの水回収タンク内および水経路内の水が全て排水される。これにより、燃料電池システムが停止している間、この燃料電池システム中に水が存在することがなく、特に寒冷地での凍結を可及的に阻止することができ、前記燃料電池システムの信頼性が向上する。
【0011】
ここで、燃料電池システムの運転停止は、システム起動/停止スイッチによりシステム停止信号が入力されることによって判断されるため、簡単かつ確実に燃料電池システムの運転停止状態を判定することができる。
【0012】
また、メタノール水溶液タンクは、起動後に少なくとも燃料電池セルから排出される水分を空の水回収タンク内に回収して前記メタノール水溶液タンクに給水を開始するのに必要な量だけの混合液を貯留可能な容量に設定されている。このため、メタノール水溶液タンクの小容量化が可能になり、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られるとともに、メタノールタンクを有効に大容量化することが可能になる。
【0013】
さらにまた、メタノール水溶液タンクの液面位置が設定高さ以上である際、または、水回収タンクの水位が設定高さ以上である際、切り換えバルブを開放して余剰な水を排水している。従って、燃料電池システム内で水の供給過多やオーバーフローを、簡単な構成で有効に阻止することが可能になる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る車載型の燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、メタノール(CH3 OH)と水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器12と、この改質器12から燃料ガスである前記改質ガスが供給される燃料電池セル14と、前記メタノールを貯留するメタノールタンク16と、少なくとも前記燃料電池セル14から排出される水分を貯留する水回収タンク18と、前記メタノールタンク16および前記水回収タンク18から前記メタノールおよび水がそれぞれ計量されて供給されるとともに、前記改質器12に前記混合液を供給するメタノール水溶液タンク20と、前記水回収タンク18の下部に接続され、該水回収タンク18内および水経路(後述する)内の水を全て排水可能な切り換えバルブ22とを備える。
【0015】
メタノールタンク16は、比較的大容量に設定されており、このメタノールタンク16からメタノール水溶液タンク20にメタノール経路23が設けられるとともに、前記メタノール経路23の途上には、メタノールを所定量だけ供給するための第1計量器24が配置される。
【0016】
水回収タンク18からメタノール水溶液タンク20に第1水経路26が設けられ、この第1水経路26の途上に第2計量器28が配置される。水回収タンク18およびメタノール水溶液タンク20は、メタノールタンク16に比べて相当に小容量に設定されている。具体的には、このメタノール水溶液タンク20は、燃料電池システム10の起動後に少なくとも燃料電池セル14から排出される水分を空の水回収タンク18内に回収して該メタノール水溶液タンク20に給水を開始するのに必要な量だけの混合液を貯留可能な容量に設定されている。水回収タンク18の下部には、ドレン経路30を介して切り換えバルブ22が接続される。
【0017】
メタノール水溶液タンク20には、燃料経路32が設けられる。メタノール水溶液タンク20内の混合液が、この燃料経路32に配置されるポンプ34を介して第3計量器36に供給される。第3計量器36の出口側に蒸発器38が接続されるとともに、この蒸発器38には、燃焼器40から燃焼熱が供給される。蒸発器38の出口側には、改質器12を介して燃料電池スタック42が接続される。
【0018】
燃料電池スタック42は、燃料電池セル14とセパレータ44とを交互に複数積層して構成されている。燃料電池セル14は、固体高分子電解質膜46とこの固体高分子電解質膜46を挟んで対設される水素極(アノード側電極)48および空気極(カソード側電極)50とを有し、この水素極48とこの空気極50とが電気モータ等の負荷52に接続されている。
【0019】
燃料電池スタック42には、大気中の空気(酸化剤ガス)を空気極50に供給するためのエアコンプレッサ54と、この燃料電池スタック42から排出される排出成分をガスと水分とに分離するための第1および第2気液分離器56、58とが接続される。第1および第2気液分離器56、58は、分離された水分を水回収タンク18に供給するための第2および第3水経路60、62と、分離されたガスを燃焼器40に供給するための第1および第2ガス経路64、66とを設ける。
【0020】
改質器12の出口側には、水分を水回収タンク18に供給するための第4水経路68が接続されている。水回収タンク18およびメタノール水溶液タンク20内には、水および混合液の液面高さを検出する第1および第2液面計72、74が設けられ、この第1および第2液面計72、74は、制御回路76に接続される。制御回路76は、切り換えバルブ22およびポンプ34を駆動制御するとともに、第1乃至第3計量器24、28および36の制御を行う。制御回路76には、図示しないシステム起動/停止スイッチの操作により燃料電池システム10の起動信号および停止信号が入力される。
【0021】
このように構成される燃料電池システム10の動作について、その排水方法との関連で以下に説明する。
【0022】
先ず、始動時には、メタノール水溶液タンク20内が満水状態となっており、ポンプ34の作用下に混合液(燃料)が燃料経路32の第3計量器36に送られ、蒸発器38に所定量の混合液が供給される。この蒸発器38で蒸気化された混合液は、改質器12に送られて改質が行われる。これにより、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)が得られ、この改質ガスが燃料電池スタック42の各水素極48に供給される。一方、燃料電池スタック42の各空気極50には、エアコンプレッサ54から大気中の空気(酸化剤ガス)が導入される。
【0023】
従って、各燃料電池セル14では、改質ガスに含まれる水素がイオン化(水素イオン)して固体高分子電解質膜46内を空気極50側に流れ、この水素イオンが前記空気極50で酸素および電子と反応して水が生成される。この電子は負荷52を駆動するための電気エネルギーとなる一方、水素極48側から排出される排出成分および前記空気極50側から排出される排出成分(生成水を含む)は、第1および第2気液分離器56、58に導入される。
【0024】
第1および第2気液分離器56、58により回収された水分は、それぞれ第2および第3水経路60、62を介して水回収タンク18に供給される。また、第1気液分離器56で分離された未反応水素ガスおよび二酸化炭素ガス等のガス成分が第1ガス経路64を介して燃焼器40に導かれる一方、第2気液分離器58で分離された未反応酸素ガスおよび窒素ガス等のガス成分は、第2ガス経路66を介して前記燃焼器40に導かれる。なお、水回収タンク18には、改質器12から導出される水分が第4水経路68を介して供給されている。
【0025】
次に、水回収タンク18内の水位が所定の液面高さになったことが第1液面計72により検出されると、続いてメタノール水溶液タンク20内の液面高さが第2液面計74により検出される。ここで、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面が所定の高さ以下であると、制御回路76の作用下に第1および第2計量器24、28が駆動され、メタノールタンク16および水回収タンク18からそれぞれメタノールと水とが所定の混合比で前記メタノール水溶液タンク20内に供給される。
【0026】
一方、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面が所定の高さ以上であると、切り換えバルブ22が開放されて水回収タンク18内の水がドレン経路30を介して外部に排出される。この水回収タンク18内の液面高さが所定の高さ以下になった際に、切り換えバルブ22が閉じられる。
【0027】
次いで、燃料電池システム10の運転停止信号、例えば、図示しないシステム起動/停止スイッチの停止信号が制御回路76に入力されると、図2に示すフローチャートに基づいて排水処理が開始される。すなわち、運転停止信号が入力されると(ステップST1)、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面高さが検出される(ステップST2)。
【0028】
ここで、混合液の液面が所定の高さ以上であれば(ステップST3中、YES)、ステップST4に進んで切り換えバルブ22が開放される。このため、水回収タンク18内に貯留されている水がドレン経路30から排出され、この水回収タンク18内が空になった後(ステップST5中、YES)、切り換えバルブ22が閉じられる(ステップST6)。
【0029】
一方、メタノール水溶液タンク20内の液面が所定の高さよりも低い場合には、ステップST7に進んでメタノールと水との混合作業が行われる。具体的には、第1および第2計量器24、28が駆動され、メタノールタンク16内のメタノールと水回収タンク18内の水とがそれぞれ所定の混合比でメタノール水溶液タンク20内に供給される。そして、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面が所定の高さ以上になると(ステップST8中、YES)、ステップST4以降に進んで、水回収タンク18内および第1乃至第4水経路26、60、62および68内の水が全て排出される。
【0030】
このように、本実施形態では、燃料電池システム10の運転が停止している間、この燃料電池システム10内に水が残留することがなく、例えば、第1乃至第4水経路26、60、62および68内で水が凍結することがなく、凍結による管内の閉塞を可及的に阻止することができる。これにより、特に寒冷地においても燃料電池システム10の始動を確実に行うことができ、前記燃料電池システム10の信頼性を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【0031】
しかも、メタノール水溶液タンク20を可及的にに小容量化することができ、燃料電池システム10全体の小型化が図られるととともに、メタノールタンク16の大容量化が可能になる。従って、メタノールを頻繁に補充することなく、長距離走行が達成されて使い勝手の向上が図られる。
【0032】
さらにまた、燃料電池システム10の運転中にメタノール水溶液タンク20の液面位置が所定位置より高くなったとき、または、水回収タンク18内の液面高さが所定位置より高くなったときには、切り換えバルブ22を開放して余剰の水を容易かつ迅速に排水することができる。
【0033】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムおよびその排水方法では、メタノールを貯留するメタノールタンクと、燃料電池セル等から排出される水分を貯留する水回収タンクと、前記メタノールと水とを混合して混合液を得るメタノール水溶液タンクと、前記水回収タンクの下部に接続される排水用切り換えバルブとを備えており、燃料電池システムの運転が停止される際に、前記切り換えバルブを開放させるだけで、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排水させることができる。これにより、運転停止時における凍結の発生を防止することが可能になる。また、燃料電池システム内に余剰の水が発生した際には、切り換えバルブを開放させるだけで、この余剰な水を容易かつ迅速に排水することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】本発明の排水方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池システム 12…改質器
14…燃料電池セル 16…メタノール
18…水回収タンク 20…メタノール水溶液タンク
22…切り換えバルブ 24、28、36…計量器
26、60、62、68…水経路 38…蒸発器
40…燃焼器 42…燃料電池スタック
72、74…液面計 76…制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムおよびその排水方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【0003】
この種の燃料電池スタックは、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス(空気)をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【0004】
ところで、車載型の燃料電池スタックでは、特に定期的なルート走行を目的としない乗用車等において、メタノール水溶液を補給することが困難なものとなっている。このため、メタノールだけを補給し、必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方式が現実的である。ところが、比較的大容量の水タンクを設けるために、寒冷地で使用する際に、改質に必要な水が凍結するおそれがあり、燃料電池スタックの円滑な始動が困難になるという問題がある。
【0005】
そこで、例えば、特開平8−91804号公報に開示されているように、メタノールを貯留するメタノール貯留槽と、このメタノール貯留槽の下側に配設されるとともに、燃料電池から排出される水の供給経路が接続されかつメタノールと水との混合液を貯留する改質原料液貯留槽と、前記メタノール貯留槽と前記改質原料液貯留槽との間に配設され、前記メタノール貯留槽から前記改質原料液貯留槽に流入するメタノールの流入量を、前記改質原料液貯留槽におけるメタノールと水との混合比率が所定の値になるように調整する流入量調整手段とを備えた原料液供給装置が知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、水タンクを用いないために凍結防止が可能であるものの、燃料電池と改質原料液貯留槽とを接続する水の供給経路内に残った水が凍結し易い。これにより、この供給経路内が閉塞されてしまうという問題が指摘されている。
【0007】
しかも、メタノール水溶液の改質反応は、CH3 OH+H2 O→3H2 +CO2 である一方、燃料電池における反応は、3H2 +CO2 +3/2O2 →3H2 O+CO2 である。このため、理論上、メタノール1molを水素に変化させるのに必要な水が1molであるのに対し、燃料電池から排出される生成水は3molとなる。従って、排出原料液貯留槽には、必要以上の生成水が導入されてしまい、メタノールと水との混合比に対して余剰となる水の処理が問題となっている。
【0008】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、システム内での水の凍結を確実に阻止するとともに、余剰な水を簡単に処理し、特に車載に適した燃料電池システムおびその排水方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムおよびその排水方法では、メタノールタンクにメタノールが貯留される一方、水回収タンクに少なくとも燃料電池セルから排出される水分が貯留され、前記メタノールタンクおよび前記水回収タンクから前記メタノールおよび水がそれぞれ計量されてメタノール水溶液タンクに供給される。そして、メタノール水溶液タンクから改質器にメタノールと水の混合液が供給されて改質ガスが生成され、この改質ガスは燃料電池セルに供給されてこの燃料電池セルで発電が開始される。
【0010】
次に、燃料電池システムの運転が停止されると、メタノール水溶液タンクが設定された満水状態に調整された後、水回収タンクの下部に接続された切り換えバルブが開放されてこの水回収タンク内および水経路内の水が全て排水される。これにより、燃料電池システムが停止している間、この燃料電池システム中に水が存在することがなく、特に寒冷地での凍結を可及的に阻止することができ、前記燃料電池システムの信頼性が向上する。
【0011】
ここで、燃料電池システムの運転停止は、システム起動/停止スイッチによりシステム停止信号が入力されることによって判断されるため、簡単かつ確実に燃料電池システムの運転停止状態を判定することができる。
【0012】
また、メタノール水溶液タンクは、起動後に少なくとも燃料電池セルから排出される水分を空の水回収タンク内に回収して前記メタノール水溶液タンクに給水を開始するのに必要な量だけの混合液を貯留可能な容量に設定されている。このため、メタノール水溶液タンクの小容量化が可能になり、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られるとともに、メタノールタンクを有効に大容量化することが可能になる。
【0013】
さらにまた、メタノール水溶液タンクの液面位置が設定高さ以上である際、または、水回収タンクの水位が設定高さ以上である際、切り換えバルブを開放して余剰な水を排水している。従って、燃料電池システム内で水の供給過多やオーバーフローを、簡単な構成で有効に阻止することが可能になる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る車載型の燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、メタノール(CH3 OH)と水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器12と、この改質器12から燃料ガスである前記改質ガスが供給される燃料電池セル14と、前記メタノールを貯留するメタノールタンク16と、少なくとも前記燃料電池セル14から排出される水分を貯留する水回収タンク18と、前記メタノールタンク16および前記水回収タンク18から前記メタノールおよび水がそれぞれ計量されて供給されるとともに、前記改質器12に前記混合液を供給するメタノール水溶液タンク20と、前記水回収タンク18の下部に接続され、該水回収タンク18内および水経路(後述する)内の水を全て排水可能な切り換えバルブ22とを備える。
【0015】
メタノールタンク16は、比較的大容量に設定されており、このメタノールタンク16からメタノール水溶液タンク20にメタノール経路23が設けられるとともに、前記メタノール経路23の途上には、メタノールを所定量だけ供給するための第1計量器24が配置される。
【0016】
水回収タンク18からメタノール水溶液タンク20に第1水経路26が設けられ、この第1水経路26の途上に第2計量器28が配置される。水回収タンク18およびメタノール水溶液タンク20は、メタノールタンク16に比べて相当に小容量に設定されている。具体的には、このメタノール水溶液タンク20は、燃料電池システム10の起動後に少なくとも燃料電池セル14から排出される水分を空の水回収タンク18内に回収して該メタノール水溶液タンク20に給水を開始するのに必要な量だけの混合液を貯留可能な容量に設定されている。水回収タンク18の下部には、ドレン経路30を介して切り換えバルブ22が接続される。
【0017】
メタノール水溶液タンク20には、燃料経路32が設けられる。メタノール水溶液タンク20内の混合液が、この燃料経路32に配置されるポンプ34を介して第3計量器36に供給される。第3計量器36の出口側に蒸発器38が接続されるとともに、この蒸発器38には、燃焼器40から燃焼熱が供給される。蒸発器38の出口側には、改質器12を介して燃料電池スタック42が接続される。
【0018】
燃料電池スタック42は、燃料電池セル14とセパレータ44とを交互に複数積層して構成されている。燃料電池セル14は、固体高分子電解質膜46とこの固体高分子電解質膜46を挟んで対設される水素極(アノード側電極)48および空気極(カソード側電極)50とを有し、この水素極48とこの空気極50とが電気モータ等の負荷52に接続されている。
【0019】
燃料電池スタック42には、大気中の空気(酸化剤ガス)を空気極50に供給するためのエアコンプレッサ54と、この燃料電池スタック42から排出される排出成分をガスと水分とに分離するための第1および第2気液分離器56、58とが接続される。第1および第2気液分離器56、58は、分離された水分を水回収タンク18に供給するための第2および第3水経路60、62と、分離されたガスを燃焼器40に供給するための第1および第2ガス経路64、66とを設ける。
【0020】
改質器12の出口側には、水分を水回収タンク18に供給するための第4水経路68が接続されている。水回収タンク18およびメタノール水溶液タンク20内には、水および混合液の液面高さを検出する第1および第2液面計72、74が設けられ、この第1および第2液面計72、74は、制御回路76に接続される。制御回路76は、切り換えバルブ22およびポンプ34を駆動制御するとともに、第1乃至第3計量器24、28および36の制御を行う。制御回路76には、図示しないシステム起動/停止スイッチの操作により燃料電池システム10の起動信号および停止信号が入力される。
【0021】
このように構成される燃料電池システム10の動作について、その排水方法との関連で以下に説明する。
【0022】
先ず、始動時には、メタノール水溶液タンク20内が満水状態となっており、ポンプ34の作用下に混合液(燃料)が燃料経路32の第3計量器36に送られ、蒸発器38に所定量の混合液が供給される。この蒸発器38で蒸気化された混合液は、改質器12に送られて改質が行われる。これにより、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)が得られ、この改質ガスが燃料電池スタック42の各水素極48に供給される。一方、燃料電池スタック42の各空気極50には、エアコンプレッサ54から大気中の空気(酸化剤ガス)が導入される。
【0023】
従って、各燃料電池セル14では、改質ガスに含まれる水素がイオン化(水素イオン)して固体高分子電解質膜46内を空気極50側に流れ、この水素イオンが前記空気極50で酸素および電子と反応して水が生成される。この電子は負荷52を駆動するための電気エネルギーとなる一方、水素極48側から排出される排出成分および前記空気極50側から排出される排出成分(生成水を含む)は、第1および第2気液分離器56、58に導入される。
【0024】
第1および第2気液分離器56、58により回収された水分は、それぞれ第2および第3水経路60、62を介して水回収タンク18に供給される。また、第1気液分離器56で分離された未反応水素ガスおよび二酸化炭素ガス等のガス成分が第1ガス経路64を介して燃焼器40に導かれる一方、第2気液分離器58で分離された未反応酸素ガスおよび窒素ガス等のガス成分は、第2ガス経路66を介して前記燃焼器40に導かれる。なお、水回収タンク18には、改質器12から導出される水分が第4水経路68を介して供給されている。
【0025】
次に、水回収タンク18内の水位が所定の液面高さになったことが第1液面計72により検出されると、続いてメタノール水溶液タンク20内の液面高さが第2液面計74により検出される。ここで、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面が所定の高さ以下であると、制御回路76の作用下に第1および第2計量器24、28が駆動され、メタノールタンク16および水回収タンク18からそれぞれメタノールと水とが所定の混合比で前記メタノール水溶液タンク20内に供給される。
【0026】
一方、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面が所定の高さ以上であると、切り換えバルブ22が開放されて水回収タンク18内の水がドレン経路30を介して外部に排出される。この水回収タンク18内の液面高さが所定の高さ以下になった際に、切り換えバルブ22が閉じられる。
【0027】
次いで、燃料電池システム10の運転停止信号、例えば、図示しないシステム起動/停止スイッチの停止信号が制御回路76に入力されると、図2に示すフローチャートに基づいて排水処理が開始される。すなわち、運転停止信号が入力されると(ステップST1)、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面高さが検出される(ステップST2)。
【0028】
ここで、混合液の液面が所定の高さ以上であれば(ステップST3中、YES)、ステップST4に進んで切り換えバルブ22が開放される。このため、水回収タンク18内に貯留されている水がドレン経路30から排出され、この水回収タンク18内が空になった後(ステップST5中、YES)、切り換えバルブ22が閉じられる(ステップST6)。
【0029】
一方、メタノール水溶液タンク20内の液面が所定の高さよりも低い場合には、ステップST7に進んでメタノールと水との混合作業が行われる。具体的には、第1および第2計量器24、28が駆動され、メタノールタンク16内のメタノールと水回収タンク18内の水とがそれぞれ所定の混合比でメタノール水溶液タンク20内に供給される。そして、メタノール水溶液タンク20内の混合液の液面が所定の高さ以上になると(ステップST8中、YES)、ステップST4以降に進んで、水回収タンク18内および第1乃至第4水経路26、60、62および68内の水が全て排出される。
【0030】
このように、本実施形態では、燃料電池システム10の運転が停止している間、この燃料電池システム10内に水が残留することがなく、例えば、第1乃至第4水経路26、60、62および68内で水が凍結することがなく、凍結による管内の閉塞を可及的に阻止することができる。これにより、特に寒冷地においても燃料電池システム10の始動を確実に行うことができ、前記燃料電池システム10の信頼性を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【0031】
しかも、メタノール水溶液タンク20を可及的にに小容量化することができ、燃料電池システム10全体の小型化が図られるととともに、メタノールタンク16の大容量化が可能になる。従って、メタノールを頻繁に補充することなく、長距離走行が達成されて使い勝手の向上が図られる。
【0032】
さらにまた、燃料電池システム10の運転中にメタノール水溶液タンク20の液面位置が所定位置より高くなったとき、または、水回収タンク18内の液面高さが所定位置より高くなったときには、切り換えバルブ22を開放して余剰の水を容易かつ迅速に排水することができる。
【0033】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムおよびその排水方法では、メタノールを貯留するメタノールタンクと、燃料電池セル等から排出される水分を貯留する水回収タンクと、前記メタノールと水とを混合して混合液を得るメタノール水溶液タンクと、前記水回収タンクの下部に接続される排水用切り換えバルブとを備えており、燃料電池システムの運転が停止される際に、前記切り換えバルブを開放させるだけで、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排水させることができる。これにより、運転停止時における凍結の発生を防止することが可能になる。また、燃料電池システム内に余剰の水が発生した際には、切り換えバルブを開放させるだけで、この余剰な水を容易かつ迅速に排水することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】本発明の排水方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池システム 12…改質器
14…燃料電池セル 16…メタノール
18…水回収タンク 20…メタノール水溶液タンク
22…切り換えバルブ 24、28、36…計量器
26、60、62、68…水経路 38…蒸発器
40…燃焼器 42…燃料電池スタック
72、74…液面計 76…制御回路
Claims (6)
- メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムであって、
前記メタノールを貯留するメタノールタンクと、
前記燃料電池セルから排出される排出成分をガスと水分に分離する気液分離手段と、
少なくとも前記気液分離手段から供給される水分を貯留する水回収タンクと、前記メタノールタンクおよび前記水回収タンクから第1および第2計量器を介して前記メタノールおよび前記水がそれぞれ計量されて供給されるとともに、前記改質器に前記メタノールと前記水の混合液を供給するメタノール水溶液タンクと、
前記水回収タンクの下部に接続され、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排出可能な切り換えバルブと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、システム起動/停止スイッチによりシステム停止信号が入力される際に前記切り換えバルブを開放する制御回路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記メタノール水溶液タンクは、起動後に少なくとも前記燃料電池セルから排出される水分を空の前記水回収タンク内に回収して該メタノール水溶液タンクに給水を開始するのに必要な量だけの前記混合液を貯留可能な容量に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
- メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムの排水方法であって、
前記燃料電池セルから排出される排出成分を気液分離手段によりガスと水分に分離し、前記水分を水回収タンクに供給する工程と、
メタノールタンクに貯留された前記メタノールを計量してメタノール水溶液タンクに供給するとともに、少なくとも前記気液分離手段から供給される水分を貯留する前記水回収タンクから前記水を計量して前記メタノール水溶液タンクに供給し、前記メタノールと前記水の混合液を得る工程と、
前記メタノール水溶液タンクから前記改質器に前記メタノールと前記水の混合液を供給して前記改質ガスを生成する工程と、
前記燃料電池システムの運転が停止された後、前記メタノール水溶液タンクを設定された満水状態に調整する工程と、
前記メタノール水溶液タンクが満水状態になった際、前記水回収タンクの下部に接続された切り換えバルブを開放し、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排水する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの排水方法。 - 請求項4記載の排水方法において、システム起動/停止スイッチによりシステム停止信号が入力されることによって前記燃料電池システムの運転停止が判断されることを特徴とする燃料電池システムの排水方法。
- 請求項4記載の排水方法において、前記メタノール水溶液タンクの液面位置が設定高さ以上である際、または、前記水回収タンクの水位が設定高さ以上である際、前記切り換えバルブを開放して余剰な水を排水する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの排水方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18789198A JP3553377B2 (ja) | 1998-07-02 | 1998-07-02 | 燃料電池システムおよびその排水方法 |
US09/344,518 US6242119B1 (en) | 1998-07-02 | 1999-06-25 | Fuel cell system and draining method for the same |
DE19929732A DE19929732B4 (de) | 1998-07-02 | 1999-06-29 | Brennstoffzellensystem und Ablaßverfahren für ein solches System |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18789198A JP3553377B2 (ja) | 1998-07-02 | 1998-07-02 | 燃料電池システムおよびその排水方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000021430A JP2000021430A (ja) | 2000-01-21 |
JP3553377B2 true JP3553377B2 (ja) | 2004-08-11 |
Family
ID=16214012
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18789198A Expired - Fee Related JP3553377B2 (ja) | 1998-07-02 | 1998-07-02 | 燃料電池システムおよびその排水方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6242119B1 (ja) |
JP (1) | JP3553377B2 (ja) |
DE (1) | DE19929732B4 (ja) |
Families Citing this family (33)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6423434B1 (en) * | 1999-08-09 | 2002-07-23 | Motorola, Inc. | Method and apparatus for managing fuel cell performance |
DE10000514C2 (de) * | 2000-01-08 | 2002-01-10 | Daimler Chrysler Ag | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen |
US6489048B1 (en) * | 2000-02-11 | 2002-12-03 | Plug Power Inc. | Operating a fuel cell system during low power demand |
DE10015332A1 (de) * | 2000-03-28 | 2001-10-04 | Volkswagen Ag | Verfahren zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen und entsprechende Vorrichtung |
DE10018067A1 (de) * | 2000-04-12 | 2001-10-25 | Volkswagen Ag | Verfahren zum Rückgewinnen von Wasser aus einem Abgas in einer Brennstoffzellenvorrichtung und entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung |
DE10035756A1 (de) | 2000-07-22 | 2002-01-31 | Daimler Chrysler Ag | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen |
US6434943B1 (en) | 2000-10-03 | 2002-08-20 | George Washington University | Pressure exchanging compressor-expander and methods of use |
DE10137847B4 (de) * | 2001-08-02 | 2019-06-06 | General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) | Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Temperaturen im Gefrierbereich von Wasser auftreten können sowie Brennstoffzellensystem |
DE10147680A1 (de) * | 2001-09-27 | 2003-04-10 | Ballard Power Systems | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben |
EP1306916B1 (en) * | 2001-10-23 | 2016-09-28 | NuCellSys GmbH | Fuel cell system and method for operating the same |
US6942718B1 (en) | 2002-01-31 | 2005-09-13 | Ball Aerospace & Technologies Corp. | Orientation insensitive combined liquid reservoir and gas/liquid separator |
US7140328B2 (en) * | 2002-03-11 | 2006-11-28 | Ztek Corporation | Miniature vaporizers for use with chemical converters and energy devices |
JP2003272682A (ja) * | 2002-03-14 | 2003-09-26 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料改質型燃料電池システム |
KR20030075943A (ko) * | 2002-03-21 | 2003-09-26 | 주식회사 엘지이아이 | 연료전지 시스템의 연료 공급 장치 |
KR20030078975A (ko) * | 2002-03-21 | 2003-10-10 | 주식회사 엘지이아이 | 연료전지 시스템의 연료 공급 장치 |
JP4140294B2 (ja) * | 2002-07-05 | 2008-08-27 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
JP4040062B2 (ja) | 2002-07-30 | 2008-01-30 | 松下電器産業株式会社 | 燃料電池発電装置 |
JP2004111142A (ja) * | 2002-09-17 | 2004-04-08 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
US20040197622A1 (en) * | 2003-04-04 | 2004-10-07 | Texaco Inc. | Method and apparatus for separating liquid from a gas stream |
JP2005108649A (ja) * | 2003-09-30 | 2005-04-21 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池システムの停止方法、燃料電池システムの起動方法、および燃料電池システム |
JP4843898B2 (ja) * | 2003-10-08 | 2011-12-21 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池装置及びその制御方法 |
JP2005141924A (ja) * | 2003-11-04 | 2005-06-02 | Nissan Motor Co Ltd | 移動体用燃料電池システム |
US20080233437A1 (en) * | 2004-04-01 | 2008-09-25 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | Fuel Cell System and Control Method Therefor |
JP2005294108A (ja) * | 2004-04-01 | 2005-10-20 | Yamaha Motor Co Ltd | 燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器 |
JP2007043846A (ja) | 2005-08-04 | 2007-02-15 | Toyota Motor Corp | 移動体 |
US20070128486A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-07 | Charn-Ying Chen | Fuel cell system with waste-heat recovery |
US20080187800A1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-08-07 | Chien-An Chen | Water recycling system for fuel cell |
US8770156B2 (en) * | 2009-01-13 | 2014-07-08 | Honda Motor Co., Ltd. | Cold start system for a motor vehicle |
US20110281186A1 (en) | 2009-01-26 | 2011-11-17 | Darling Robert M | Apparatus and method for fuel cell start from freezing without melting ice |
KR101147209B1 (ko) * | 2010-06-30 | 2012-05-25 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지 시스템의 운전 방법 |
DE112010005734B4 (de) * | 2010-07-13 | 2018-01-11 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, mit Rohrleitungseinheit ausgestattete Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellensystem |
WO2014073583A1 (en) * | 2012-11-06 | 2014-05-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Photonic device and optical coherence tomography apparatus including the photonic device as light source |
KR101710924B1 (ko) * | 2015-05-12 | 2017-02-28 | 국방과학연구소 | 저온 환경에서 동작하는 연료전지 시스템 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4670359A (en) * | 1985-06-10 | 1987-06-02 | Engelhard Corporation | Fuel cell integrated with steam reformer |
US4585708A (en) * | 1985-06-11 | 1986-04-29 | Energy Research Corporation | Fuel cell system with premixing of water miscible hydrocarbon fuel and water |
US5599638A (en) * | 1993-10-12 | 1997-02-04 | California Institute Of Technology | Aqueous liquid feed organic fuel cell using solid polymer electrolyte membrane |
JP3638970B2 (ja) | 1994-09-16 | 2005-04-13 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用メタノール改質器の改質原料液供給装置 |
JP3519828B2 (ja) * | 1995-08-30 | 2004-04-19 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
JPH10223249A (ja) | 1997-02-03 | 1998-08-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池装置および燃料電池装置の流路凍結防止方法 |
DE19707814C1 (de) * | 1997-02-27 | 1998-08-20 | Dbb Fuel Cell Engines Gmbh | Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage |
US6063515A (en) * | 1997-12-22 | 2000-05-16 | Ballard Power Systems Inc. | Integrated fuel cell electric power generation system for submarine applications |
DE19802038A1 (de) * | 1998-01-21 | 1999-07-22 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit gasförmigem Brennstoff |
US6068941A (en) * | 1998-10-22 | 2000-05-30 | International Fuel Cells, Llc | Start up of cold fuel cell |
-
1998
- 1998-07-02 JP JP18789198A patent/JP3553377B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-06-25 US US09/344,518 patent/US6242119B1/en not_active Expired - Fee Related
- 1999-06-29 DE DE19929732A patent/DE19929732B4/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US6242119B1 (en) | 2001-06-05 |
DE19929732B4 (de) | 2004-12-30 |
DE19929732A1 (de) | 2000-01-05 |
JP2000021430A (ja) | 2000-01-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3553377B2 (ja) | 燃料電池システムおよびその排水方法 | |
JP4081207B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP4482057B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
EP1684372B1 (en) | Fuel cell system and mobile body | |
US20080160363A1 (en) | Control of the Polymer Humidifying Membrane of a Fuel Cell | |
US6800387B2 (en) | Fuel cell system and method for operating the same | |
US20100297513A1 (en) | Fuel cell system | |
JP5351651B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US6777121B1 (en) | Fuel cell system and gas/liquid separation method for the same | |
US20100055523A1 (en) | Fuel cell system | |
JPH10223249A (ja) | 燃料電池装置および燃料電池装置の流路凍結防止方法 | |
JP5103776B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
JP4742592B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
KR100639013B1 (ko) | 물회수장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템 | |
JP5314332B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
JP2002124290A (ja) | 燃料電池システム | |
JP3705182B2 (ja) | 水循環装置 | |
JP2002313376A (ja) | 燃料電池のガス供給装置 | |
JP2007250218A (ja) | 燃料電池システム | |
JP4802476B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
JP2008251216A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2008166052A (ja) | 水浄化装置及びそれを有する燃料電池システム | |
US20080118810A1 (en) | Fuel recycling device and fuel cell system having the same | |
KR101002647B1 (ko) | 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 구동 방법 | |
JP4894126B2 (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040420 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040428 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080514 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090514 Year of fee payment: 5 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |