JP5200299B2 - 燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造に係り、詳しくは、燃料電池車両のスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）または始動オフ（Ｏｆｆ）時、アノード側に水素、酸素界面形成による高電圧フィールドが形成されることを防止して安定的なスタック運転を可能とする燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造に関するものである。
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、大きく分けて電気化学反応を起こす電極と、反応により生じる水素イオンを伝達する電解膜と、電極と電解質とを支持するセパレータからなる。
燃料電池のうち高分子電解質燃料電池は、他の形態の燃料電池に比べて効率や電流密度及び出力密度が高くて始動時間が短いと同時に固体電解質を用いるので、腐食及び電解質調節が不要である長所を有し、排気ガスから純粋な水のみを排出する親環境的な動力源として現在、全世界の自動車業界で活発に研究が進んでいる。
燃料電池のうち高分子電解質燃料電池は、他の形態の燃料電池に比べて効率や電流密度及び出力密度が高くて始動時間が短いと同時に固体電解質を用いるので、腐食及び電解質調節が不要である長所を有し、排気ガスから純粋な水のみを排出する親環境的な動力源として現在、全世界の自動車業界で活発に研究が進んでいる。
高分子電解質燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により水と熱を発生させて電気を生じる装置であって、供給される水素がＡｎｏｄｅ電極の触媒で水素イオンと電子に分離され、分離された水素イオンは電解質膜を介してＣａｔｈｏｄｅに移動する。この時、供給された酸素と外部導線に沿って電子とが結合して水を生成し、電気エネルギーを発生させる。この際、発生する理論電位は約１．２３Ｖであり、その反応式は、次のようになる。
Ａｎｏｄｅ： Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ
Ｃａｔｈｏｄｅ： １／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ → Ｈ２Ｏ
Ａｎｏｄｅ： Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ
Ｃａｔｈｏｄｅ： １／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ → Ｈ２Ｏ
自動車用燃料電池においては、前記電位よりさらに高い電位を要するが、さらに高い電位を得るためには個別単位電池を必要な電位だけ積層する必要があり、このように積層したものをスタック（Ｓｔａｃｋ）と称する。
スタックの内部には、アノード電極とカソード電極とが設置され、燃料電池のスタートアップまたはシャットダウン時に空気中の酸素がスタック内部に流入して部分的な高電圧サーキット（ＣＩＲＣＵＩＴ）が形成され、カソード側のカーボンサポート材質が腐食してなくなる問題が発生し、スタックの全体的な性能を低下させる。
このような、アノード側の水素、酸素界面形成は、燃料電池全体システムの性能を低下させ、スタックの寿命を短縮させる問題点を惹起している。
特開２００６−０５９５８６号公報
スタックの内部には、アノード電極とカソード電極とが設置され、燃料電池のスタートアップまたはシャットダウン時に空気中の酸素がスタック内部に流入して部分的な高電圧サーキット（ＣＩＲＣＵＩＴ）が形成され、カソード側のカーボンサポート材質が腐食してなくなる問題が発生し、スタックの全体的な性能を低下させる。
このような、アノード側の水素、酸素界面形成は、燃料電池全体システムの性能を低下させ、スタックの寿命を短縮させる問題点を惹起している。
本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池車両のスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）または始動オフ（Ｏｆｆ）時、アノード側に水素、酸素界面形成による高電圧フィールドが形成されることを防止して安定的なスタック運用が可能な燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造を提供することである。
本発明は、水素を燃料とする燃料電池のスタックのアノード側水素排出口から前記スタックの外側に延長形成され、スタックに供給され使用されずに残った水素を排出する第１水素排気管と、前記第１水素排気管に設置された三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）と、一端が三方バルブに連結設置され、他端に外部空気を供給するチェックバルブが設置された第２水素排気管と、を有して構成された燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造であって、第１水素排気管と第２水素排気管とは、それぞれその内側に触媒を備えたメンブレイン層が形成され、燃料電池車両の稼働オフ（Ｏｆｆ）時にスタックから排出される水素ガスと、チェックバルブを介して供給された空気中の酸素とを触媒により反応させて水を生成し、第１水素排気管と第２水素排気管との内部を、窒素で充満させることを特徴とする。
前記第１水素排気管には、燃料電池車両がスタートアップ（Ｓｔａｒｔｕｐ）時にオープン作動して窒素を排出させる第１調節バルブが設置されたことを特徴とする。
前記チェックバルブは、第２水素排気管の内部圧力によって開閉されるようにセッティングされたことを特徴とする。
第２水素排気管は、三方バルブとチェックバルブとの間に触媒部がさらに設置され、触媒を備えたメンブレイン層と共に水を生成させることを特徴とする。
第２水素排気管には、触媒を備えたメンブレイン層または前記触媒部で生成された水が貯蔵される生成水貯蔵タンク、生成水貯蔵タンクと連結された水排出管、及び水排出管上に備えられた第２調節バルブがさらに設置されたことを特徴とする。
前記第２水素排気管には、大気中の汚染物質または有機物質をフィタリングするフィルタ部が設置されたことを特徴とする。
また、一端が前記第２水素排気管のチェックバルブに連結設置され、他端がスタックの外側に分岐された分岐管、及び
一端が前記スタックのカソード側に連結設置され、他端が分岐管と連通する空気排気管が設置されたことを特徴とする。
また、一端が前記第２水素排気管のチェックバルブに連結設置され、他端がスタックの外側に分岐された分岐管、及び
一端が前記スタックのカソード側に連結設置され、他端が分岐管と連通する空気排気管が設置されたことを特徴とする。
前記空気排気管には、燃料電池車両の稼働オフ（Ｏｆｆ）時に前記空気排気管と連結されたカソード側への汚染物質の流入を防止する第３調節バルブが設置されたことを特徴とする。
本発明による燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造は、燃料電池車両のスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）または始動オフ（Ｏｆｆ）時、アノード側に水素、酸素界面形成による高電圧フィールドが形成されることを防止して安定的なスタック運用を可能とする。
また、大気中の汚染物質がスタック内部に流入されることを防止して異物によるスタックの性能減少を防止し、カソード側のカーボン材質の腐食を防止して高価なスタックを安定的に用いることができる効果を有する。
また、大気中の汚染物質がスタック内部に流入されることを防止して異物によるスタックの性能減少を防止し、カソード側のカーボン材質の腐食を防止して高価なスタックを安定的に用いることができる効果を有する。
以下、本発明による燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造を示した図面であり、図２乃至図５は、本発明による燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造の実施形態を示した図面である。
図１乃至図５に示すように、スタック２のアノード４側に供給される水素が排出されるように三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）１１０が設置され、燃料電池車両が始動オフ（Ｏｆｆ）時に、スタックから排出される水素ガスの流れを変更させ、スタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）時に、消滅した水素を除いた窒素を大気中に排出ができるようにスタック２の外側で延長形成された第１水素排気管１００及び第１水素排気管１００の三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）１１０に一段が連結設置されて、他段にチェックバルブ２１０が設置される。
そして、燃料電池車両が稼働オフ（Ｏｆｆ）時にオープン作動したチェックバルブ２１０を介して供給される空気と、第１水素排気管１００内部の水素をそれぞれ反応させてアノード４側を窒素で充満させるように備えられる第２水素排気管２００を含んで構成される。
第１水素排気管１００には、燃料電池車両がスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）時に、オープン作動して窒素を排出させるように第１調節バルブ１２０が設置される。
第１水素排気管１００には、燃料電池車両がスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）時に、オープン作動して窒素を排出させるように第１調節バルブ１２０が設置される。
チェックバルブ２１０は、第２水素排気管２００の内部圧力によってオープンまたはクロージングするようにセッティングされる。
第１水素排気管１００と第２水素排気管２００は、チェックバルブ２１０を通じて流入する空気中に含まれた酸素とアノード側４と第１水素排気管１００内部に充填された水素ガスが結合して水が生成するように第１、２水素排気管１００、２００の内側にメンブレイン層３００が形成されるように構成される。
第１水素排気管１００と第２水素排気管２００は、チェックバルブ２１０を通じて流入する空気中に含まれた酸素とアノード側４と第１水素排気管１００内部に充填された水素ガスが結合して水が生成するように第１、２水素排気管１００、２００の内側にメンブレイン層３００が形成されるように構成される。
第２水素排気管２００は、三方バルブ１１０とチェックバルブ２１０との間に触媒部４００が設置されてメンブレイン層３００と共に水生成を極大化するように構成される。
第２水素排気管２００には、第１、２水素排気管１００、２００に備えるメンブレイン層によって生成される水が貯蔵されるよう生成水貯蔵タンク２２０、生成水貯蔵タンク２２０と連結される排出管上に備えられて生成水貯蔵タンク２２０内部の水を排出させる第２調節バルブ２３０が追加で設置される。
第２水素排気管２００には、第１、２水素排気管１００、２００に備えるメンブレイン層によって生成される水が貯蔵されるよう生成水貯蔵タンク２２０、生成水貯蔵タンク２２０と連結される排出管上に備えられて生成水貯蔵タンク２２０内部の水を排出させる第２調節バルブ２３０が追加で設置される。
第２水素排気管２００には、大気中の汚染物質または有機物質をフィタリングするフィルタ部３０が設置される。フィルタ部３０は、紙、不織布または外部から流入する物質を濾過することができる濾過材を用いることが好ましい。
第２水素排気管２００は、チェックバルブ２１０と一段が連結設置されて他段がスタック２の外側に分岐された分岐管２４０、スタック２のカソード６側と一段が連結設置されて他段が分岐管２４０と連通された空気排気管２５０が設置されるように構成される。
空気排気管２５０には、燃料電池車両が始動オフ（Ｏｆｆ）時に空気排気管２５０と連結されるカソード６側への汚染物質の流入を防止する第３調節バルブ２５２が設置される。
第２水素排気管２００は、チェックバルブ２１０と一段が連結設置されて他段がスタック２の外側に分岐された分岐管２４０、スタック２のカソード６側と一段が連結設置されて他段が分岐管２４０と連通された空気排気管２５０が設置されるように構成される。
空気排気管２５０には、燃料電池車両が始動オフ（Ｏｆｆ）時に空気排気管２５０と連結されるカソード６側への汚染物質の流入を防止する第３調節バルブ２５２が設置される。
次に、本発明による燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造の作動状態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、燃料電池車両に運転者が搭乗する状態でスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）すると、燃料供給部１０と空気供給部２０を介してそれぞれ水素と酸素がスタック２内部に供給される。スタック２内部に供給される水素は、アノードフローフィールド（Ａｎｏｄｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）４ａに供給され、空気供給部２０を介して供給された空気中の酸素は、カソードフローフィールド（Ｃａｔｈｏｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）６ａに供給されて化学反応が行われ、スタック２のアノード４側に供給された水素が排出される第１水素排気管１００に沿って水素がスタック２の外側に排出される。この時、第１調節バルブ１２０は、オープン作動して水素及び残留酸素及び窒素の排出がなされる。
図１に示すように、燃料電池車両に運転者が搭乗する状態でスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）すると、燃料供給部１０と空気供給部２０を介してそれぞれ水素と酸素がスタック２内部に供給される。スタック２内部に供給される水素は、アノードフローフィールド（Ａｎｏｄｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）４ａに供給され、空気供給部２０を介して供給された空気中の酸素は、カソードフローフィールド（Ｃａｔｈｏｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）６ａに供給されて化学反応が行われ、スタック２のアノード４側に供給された水素が排出される第１水素排気管１００に沿って水素がスタック２の外側に排出される。この時、第１調節バルブ１２０は、オープン作動して水素及び残留酸素及び窒素の排出がなされる。
前記のようにスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）時には、第１水素排気管１００に設置された三方バルブ１１０が第１調節バルブ１２０で窒素が排出されるように作動する。
燃料電池車両が始動オフ（Ｏｆｆ）時には、三方バルブ１１０が第２水素排気管２００の方に気体が流動されるように作動する。この時、アノードフローフィールド４ａと第１水素排気管１００との内部は、水素が充填された状態になり、カソードフローフィールド６ａとカソード６を介して移動した酸素と水素が反応して水が発生する。ｂ
燃料電池車両が始動オフ（Ｏｆｆ）時には、三方バルブ１１０が第２水素排気管２００の方に気体が流動されるように作動する。この時、アノードフローフィールド４ａと第１水素排気管１００との内部は、水素が充填された状態になり、カソードフローフィールド６ａとカソード６を介して移動した酸素と水素が反応して水が発生する。ｂ
この時、アノードフローフィールド４ａにおいて、前記反応が持続的になされることで、水素は次第に枯渇し、アノードフローフィールド４ａの圧力は、大気圧以下に下降する。アノードフローフィールド４ａの圧力が大気圧以下に下降すると、チェックバルブ２１０が自動オープン作動して大気中の空気が第１調節バルブ１２０と第２水素排気管２００とを経由して第１水素排気管１００に供給される。第１、２水素排気管１００、２００の内側には、メンブレイン層３００が形成されていてメンブレイン層３００に備えられた触媒と反応して水が生成する。
前記のような反応は、第１、２水素排気管１００、２００内部の全ての水素がなくなるまで進行するが、水素が全部なくなれば、第１、２水素排気管１００、２００の内部圧力が外部圧力と同一になってチェックバルブ２１０が自動クロージングし、第１、２水素排気管１００、２００の内部には、窒素が充満する。
燃料電池車両がスタートアップする場合には、三方バルブ１１０が第１調節バルブ１２０の設置された方に作動して、燃料供給部１０を介して水素が供給されても、アノード４側は窒素で充満されていて水素、酸素界面形成が発生しなくなり燃料電池の耐久性を向上させることができる。
以下、図２を参照しながら、本発明の他の実施形態を説明する。
図２では、第２水素排気管２００のライン上に触媒部４００を設置している。触媒部４００は、担体内部に水素、空気の接触面積を極大化できるようにメンブレイン上にカーボンサポーターを備え、メンブレイン層３００と相まって水を生成するが、作動方法は前記と同様である。
図２では、第２水素排気管２００のライン上に触媒部４００を設置している。触媒部４００は、担体内部に水素、空気の接触面積を極大化できるようにメンブレイン上にカーボンサポーターを備え、メンブレイン層３００と相まって水を生成するが、作動方法は前記と同様である。
図３に示す通り、水素、空気反応によって多量の水が生成する場合には、第１、２水素排気管１００、２００内部に水が多くなってメンブレイン層３００の反応を妨害したり、あるいは、冬場に氷結が発生することがあるので、生成水貯蔵タンク２２０を設置して第１、２水素排気管１００、２００内部の水を貯蔵する。生成水貯蔵タンク２２０に貯蔵された水は、燃料電池車両が始動すれば、第２調節バルブ２３０が開放されて車両外部に排出される。
図４に示すように、第２水素排気管２００上には、フィルタ部３０を設置して大気中の汚染物質（ＣＯ、ＨＣ、Ｏ３ 、Ｈ２Ｓ）、または、有機物質をフィタリングする。
また、図５に示すように、カソード６側と連結された空気排気管２５０と分岐管２４０とを第２水素排気管２００に連結して、アノード４側に圧力がかかる場合、アノード４またはカソード６に疲労による損傷が発生することがあるので、空気排気管２５０をカソード６側と連結してスタック２内部の圧力を均一に維持する。また、第３調節バルブ２５２を設置してカソード６側への汚染物質流入を遮断する。
従って、燃料電池車両のスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）または始動オフ（Ｏｆｆ）時にアノード４側に水素、酸素界面が形成されないためスタックの損傷が防止できる。
また、図５に示すように、カソード６側と連結された空気排気管２５０と分岐管２４０とを第２水素排気管２００に連結して、アノード４側に圧力がかかる場合、アノード４またはカソード６に疲労による損傷が発生することがあるので、空気排気管２５０をカソード６側と連結してスタック２内部の圧力を均一に維持する。また、第３調節バルブ２５２を設置してカソード６側への汚染物質流入を遮断する。
従って、燃料電池車両のスタートアップ（Ｓｔａｒｔ ｕｐ）または始動オフ（Ｏｆｆ）時にアノード４側に水素、酸素界面が形成されないためスタックの損傷が防止できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
１０…燃料供給部
２０…空気供給部
１００…第１水素排気管
１１０…三方バルブ
２００…第２水素排気管
２１０…チェックバルブ
３００…メンブレイン層
４００…触媒部
２０…空気供給部
１００…第１水素排気管
１１０…三方バルブ
２００…第２水素排気管
２１０…チェックバルブ
３００…メンブレイン層
４００…触媒部
Claims (8)
- 水素を燃料とする燃料電池のスタックのアノード側水素排出口から前記スタックの外側に延長形成され、前記スタックに供給され使用されずに残った水素を排出する第１水素排気管と、
前記第１水素排気管に設置された三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）と
一端が前記三方バルブに連結設置され、他端に外部空気を供給するチェックバルブが設置された第２水素排気管と、を有して構成された燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造であって、
前記第１水素排気管と前記２水素排気管とは、それぞれその内側に触媒を備えたメンブレイン層が形成され、燃料電池車両の稼働オフ（Ｏｆｆ）時にスタックから排出された水素ガスと、前記チェックバルブを介して供給された空気中の酸素とを前記触媒により反応させて水を生成し、前記第１水素排気管と前記２水素排気管との内部を、窒素で充満させることを特徴とする燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。 - 前記第１水素排気管には、燃料電池車両がスタートアップ（Ｓｔａｒｔｕｐ）時にオープン作動して窒素を排出させる第１調節バルブが設置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。
- 前記チェックバルブは、第２水素排気管の内部圧力によって開閉されるようにセッティングされたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。
- 前記第２水素排気管は、前記三方バルブと前記チェックバルブとの間に触媒部がさらに設置され、前記触媒を備えたメンブレイン層と共に水を生成させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。
- 前記第２水素排気管には、前記触媒を備えたメンブレイン層または前記触媒部で生成された水が貯蔵される生成水貯蔵タンク、
前記生成水貯蔵タンクと連結された水排出管、及び
前記水排出管上に備えられた第２調節バルブがさらに設置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。 - 前記第２水素排気管には、大気中の汚染物質または有機物質をフィタリングするフィルタ部が設置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。
- 一端が前記第２水素排気管の前記チェックバルブに連結設置され、他端がスタックの外側に分岐された分岐管、及び
一端が前記スタックのカソード側に連結設置され、他端が前記分岐管と連通する空気排気管が設置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。 - 前記空気排気管には、燃料電池車両の稼働オフ（Ｏｆｆ）時に前記空気排気管と連結されたカソード側への汚染物質の流入を防止する第３調節バルブが設置されたことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池車両のアノード側水素、酸素界面形成抑制構造。
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