JP5446080B2 - 燃料電池の排水システム - Google Patents

Description

本発明は、貯水タンクからの排水を制御する燃料電池の排水システムに関する。

燃料ガスを循環させる燃料電池システムにおいて、燃料極から排出された燃料ガスには生成水が含まれるために、燃料ガス循環路に気液分離装置を配置している。そして気液分離装置により液水を分離してガス成分のみを燃料極へ再循環させている。分離した水を系外へ排出する場合、燃料ガスから分離した水をタンクに貯め、常に排出部に水を介在させて、燃料ガス通路と外部とを遮断することで、排水時に可燃性燃料ガスが外部に放出されることを防止している。

しかし、燃料電池車両を零下で放置した場合などタンク内の水が凍結すると、タンク内の氷を解凍する必要がある。解凍時間が長いとそれまで水を排出できないため、起動後すぐに燃料電池の出力を大きくとった場合など、生成水がタンク内をオーバーフローして気液分離ができなくなり、発電に必要な燃料ガスを燃料極へ供給できず、発電ができなくなってしまう可能性がある。そのため、解凍が完了するまでは、燃料電池は暖機のみとし、解凍が完了してからでないと、車両の運転開始ができない。

タンク内の解凍時間を短縮するためには、タンクの外周と内部にそれぞれ熱源を設け、内外部からタンクの氷を加熱して解凍する方法が提案されている（特許文献１）。
特開２００５−２９４１９７号公報（第４頁、図１）

しかしながら、上記従来技術では、タンク内部にヒータが設置されているものの水位センサを直接加熱しているのではないので、水位センサ部を早く解凍させることが難しく、正確な水位検出ができるまでに時間がかかるという問題点があった。

また、水位センサ部のみ先に解凍されて水位検出できるようになっても、タンク内のほかの部分がまだ氷の状態の場合では、タンクに流入、排出する水量変化に対しタンク分の容積全部を活かせないので、単位時間当たりの水位変化が大きくなり、排水制御を行うことが難しいという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと液水を分離する気液分離部と、該気液分離部が分離した水を貯水する貯水タンクと、該貯水タンクの水位を検出する水位検出手段と、前記貯水タンクの水を系外へ排出する排水弁と、前記水位検出手段が検出した水位に基づいて前記排水弁の開閉を制御する制御部と、を備えた燃料電池の排水システムであって、前記貯水タンクの上部は、前記貯水タンクの下部よりも容積及び断面積が大きく、前記水位検出手段は、前記貯水タンクの上部及び下部の水位を検出し、前記貯水タンクの下部は、前記排水弁に連通し、前記制御部は、燃料電池の運転中は、前記貯水タンクの上部に水位が存在するように前記排水弁の開閉制御を行い、燃料電池の運転停止時に、前記貯水タンクの下部に水位を保持するように前記排水弁を制御することを要旨とする。

本発明によれば、貯水タンクの上部は下部よりも容積及び断面積を大きくし、燃料電池の運転中は、燃料電池の出力が大きいときなど、分離された生成水が多量に一度に混入した場合でも、貯水タンクがオーバフローすることなく気液分離機能を保持させながら、燃料電池の停止時には、容積及び断面積の小さな貯水タンク下部に水位を保持させることから、貯水タンク内が凍結した場合でも氷の量が少ないため、解凍時間を短縮させ、早期に排水を開始することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な燃料電池の排水システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池の排水システムを備えた燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、アノード（燃料極）３とカソード（酸化剤極）４を備えた固体高分子型の燃料電池スタック２を備えている。

酸化剤としての空気は、空気取り入れ口５からコンプレッサ６に吸い込まれ、圧縮されてカソード４へ供給される。カソード４で反応に使用された残りの空気は、排気制御弁７により圧力調整されて系外へ排出される。燃料ガスとしての水素は、高圧力で燃料ガスタンク８に貯蔵されている。燃料ガスタンクの高圧水素は、水素調整弁９により圧力調整され、圧力計１０により圧力が測定されて、アノード３へ供給される。アノード３から排出され生成水を含む未反応の燃料ガスは、燃料ガス循環回路１１によりアノード３へ循環される。燃料ガス循環回路１１上には、気液分離装置１３と燃料ガスブロア１２が配置されている。

気液分離装置１３は、アノード３から排出された生成水を含む燃料ガスから、燃料ガスと液水とを分離する。気液分離装置１３で分離された燃料ガスは、燃料ガスブロア１２により圧送され、水素調整弁９から供給される新規水素ガスと混合されてアノード３へ供給される。燃料ガスブロア１２の下流には、パージ弁１６が設けられ、アノード３及び燃料循環回路１１中に不純物が蓄積した場合にパージ弁が開かれて系外へ放出できるようになっている。

燃料電池スタック２において、空気中の酸素と水素ガスが反応して、電気と生成水を生成する。カソード排気に含まれる水は、そのままカソード排気と共に排気制御弁７から排出しても問題はないが、燃料ガスに混入している水は、燃料ガスを排出せずに水のみ排出させる必要がある。そのため、燃料ガスと水を分離する気液分離装置１３が設けられている。

気液分離装置１３には、後述するように気液分離部と貯水タンクと、水位センサ１４と排水弁１５が設けられている。通常の燃料電池運転中は、貯水タンクの上限水位と下限水位との間に水位が維持されるように排水弁１４が制御される。

制御装置１７は、燃料電池システム１の全体を制御するとともに、水位センサ（水位検出手段）１４が検出した水位信号に基づいて、排水弁１５の開閉制御を行い貯水タンク２１の水位を制御する制御手段である。尚、特に限定されないが本実施例では、制御装置１７は、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

次に、図２を参照して本実施例における気液分離装置１３の詳細とその水位制御について、詳細に説明する。図２（ａ）は、実施例１における気液分離装置１３を説明する断面図であり、図２（ｂ）は、実施例１における水位（縦軸）と水位センサ出力電圧（横軸）との関係を示す図である。

図２（ａ）に示すように、気液分離装置は、気液分離部２０と金属製のハウジングを用いた貯水タンク２１を備えている。気液分離部２０には、燃料電池スタックのアノード排気である水素と生成水を含んだ流体が供給される。気液分離部２０では、液水とガス成分が分離され、液水が貯水タンク２１に落下し、水蒸気を含んだ水素ガスが気液分離部２０から排出される。

貯水タンク２１の上部は、その下部に比べて容積及び水平方向の断面積が大きい大径部２２で構成され、貯水タンク２１の下部は、上部に比べて容積及び水平方向の断面積が小さい小径部２４で構成されている。大径部２２と小径部２４との間には、特に限定されないが順次径が変化するテーパー部２３により接続されている。

また小径部２４の下部には、貯水タンク２１から排水するための排水口２５が設けられ、排水口２５には、排水管２６を介して排水弁１５が接続されている。

貯水タンク２１には、水位を検出するために水位センサ１４が設けられている。実施例１では、水位センサ１４は静電容量式の水位センサである。この静電容量式の水位センサ１４は、空気の比誘電率（約１）と液水の比誘電率（約８１）との相違により、水位の変化に応じて電極間静電容量が変化することを利用して、アナログ的に水位を検出するセンサである。

水位センサ１４の一方の電極として、貯水タンク２１の蓋３０から絶縁された金属体である＋電極２７が蓋３０の内側に垂下するように固定されている。水位センサ１４は、中心の＋電極２７と、他方の電極である接地電極（−電極）となる金属製の貯水タンク２１との間の静電容量に比例した電圧を検出することにより、図２（ｂ）に示すように水位を検出する。

燃料電池システムの運転中は、制御装置１７は、図２（ａ）中に示す上限水位と下限水位と間に水位が存在するように、排水弁１５の開閉制御を行う。即ち、水位センサ１４が検出した貯水タンク２１の水位が上限水位を超えると、排水弁１５を開き、同水位が下限水位を下回ると排水弁１５を閉じるように制御装置１７が制御する。これにより、運転中の水位は、共に貯水タンク２１の大径部２２にある上限水位と下限水位との間に維持されることになる。これにより、燃料電池スタックの大出力時など、単位時間当たりの生成水量が増加する場合に一時的に大量の液水が気液分離装置に流入したとしても、容積及び断面積が大きい貯水タンクの上部で受け入れることができ、貯水タンクがオーバーフローして燃料電池側へ液水が戻り燃料ガス供給を妨げることが無くなるという効果がある。

燃料電池システムの運転停止時には、制御装置１７は排水弁１５を開いて貯水タンク２１から排水し、貯水タンク２１の小径部２４にある停止時水位まで排水したところで排水弁１５を閉じるように制御する。これにより燃料電池システムの停止中は、容積及び断面積が小さい貯水タンク下部の小径部２４に停止水位が維持されるので、外気温度が氷点下に低下して貯水タンク内の液水が凍結しても解凍すべき氷の量が少ないので、解凍時間が短縮される。

また、燃料電池システムの運転中及び停止操作時及び停止中を通じて、常に貯水タンクに水が保持され、排水弁を通じて可燃性の燃料ガスが系外へ放出されることはない。

以上説明した本実施例によれば、貯水タンクの上部は下部よりも容積及び断面積を大きくしたので、燃料電池の運転中は、燃料電池の出力が大きいときなど、多量の生成水が一度に流入した場合でも気液分離機能を保持させながら、燃料電池の停止時には、容積及び断面積の小さな貯水タンク下部まで水を排出させて停止させるので、貯水タンク内が凍結した場合でも氷の量が少ないため、解凍時間を短縮させ、早期に排水を開始することができるという効果がある。

尚、本実施例では、貯水タンク２１は、タンク上部である容積及び断面積が大きい大径部２２と、タンク下部である容積及び断面積が小さい小径部２４とを備える構成としたが、タンク上部の容積及び断面積がタンク下部の容積及び断面積より大きければ、タンクの水平方向の断面形状は、円形に限らず楕円形や方形でも本実施例と同様の効果があることは言うまでもない。

次に、本発明の実施例２を説明する。実施例２が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。図３は実施例２における気液分離装置１３を説明する断面図である。

本実施例２と実施例１との相違は、本実施例において貯水タンク２１の内部に、互いに水が連通する孔２９を備えた分離壁２８が追加されていることと、分離壁２８が貯水タンク２１の大径部２２における水位センサ１４の接地電極（−電極）を兼ねていることである。そして＋電極２７は、分離壁２８と貯水タンク２１の小径部２４からなる接地電極に対して共通の＋電極となっている。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

分離壁２８は、貯水タンク２１の蓋３０の内側に垂下するように固定され、貯水タンク２１内の空間を分離壁２８の内側と外側とに分離している。分離壁２８の下端は、貯水タンク２１のテーパー部２３の高さであり、分離壁２８の下端で内側と外側とが連通している。また、分離壁２８の上限水位より高い位置に、内側と外側とを連通する連通孔２９が設けられている。さらに分離壁２８の内側には、水位センサ１４の＋電極２７が配置され、＋電極２７の先端部は、貯水タンク２１の小径部２４の停止時水位より下方まで伸びている。そして、本実施例では、静電容量型の水位センサ１４の接地電極として、分離壁２８と貯水タンク２１を使用している。

このように、本実施例は、貯水タンク内に分離壁２８を設け、分離壁２８の中心部に設けた＋電極２７と、分離壁２８との間の静電容量により貯水タンク２１の水位を検出しているので、燃料電池システムを搭載した車両の揺動や傾きがあっても貯水タンク２１の中央部における水位を正確に検出することができるという効果がある。

次に、本発明の実施例３を説明する。実施例３が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。図４は実施例３における気液分離装置１３を説明する断面図である。

本実施例３と実施例１との相違は、本実施例において貯水タンク２１の内部に、互いに水が連通する孔２９を備えた分離壁２８が追加されていることと、静電容量式の連続的に水位を検出する水位センサ１４に代えて、上限レベルセンサ３１、下限レベルセンサ３２、停止時レベルセンサ３３を備えていることである。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

分離壁２８は、貯水タンク２１の蓋３０の内側に垂下するように固定され、貯水タンク２１内の空間を分離壁２８の内側と外側とに分離している。分離壁２８の下端は、貯水タンク２１のテーパー部２３の高さであり、分離壁２８の下端で内側と外側とが連通している。また、分離壁２８の上限水位より高い位置に、内側と外側とを連通する連通孔２９が設けられている。さらに貯水タンク２１と分離壁２８とを貫通するように、上限レベルセンサ３１、下限レベルセンサ３２が配置されている。また、貯水タンク２１の小径部２４に設定された停止時水位の高さに停止時レベルセンサ３３が配置されている。

これらの上限レベルセンサ３１、下限レベルセンサ３２、停止時レベルセンサ３３は、例えば，光学式のレベルセンサであって、各レベルセンサの検出位置における流体が空気か水かを判定して２値信号を出力するものであり、レベルスイッチと呼ばれることもある。制御装置１７の制御内容は、実施例１が連続的な水位信号を処理していたのに対して、本実施例では、上限レベルセンサ３１、下限レベルセンサ３２及び停止時レベルセンサ３３がそれぞれ出力する３本の２値信号に応じて、排水弁１５を制御することになる以外は、実施例１ととほぼ同様である。

以上説明した本実施例によれば、貯水タンク上部では分離壁内部の水位をレベルセンサで検出しているので、燃料電池システムを搭載した車両の揺動や傾きがあっても貯水タンクの中央部における水位を正確に検出することができるという効果がある。

次に、本発明の実施例４を説明する。実施例４が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。図５（ａ）は実施例４における気液分離装置１３を説明する断面図であり、図５（ｂ）は、実施例４における水位（縦軸）と水位センサ出力電圧（横軸）との関係を示す図である。

本実施例４と実施例１との相違は、本実施例において貯水タンク２１の内部に、互いに水が連通する孔２９を備えた分離壁２８が追加されていることと、分離壁２８が貯水タンク２１の大径部２２における水位センサ１４の接地電極（−電極）を兼ねていることである。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

分離壁２８は、貯水タンク２１の蓋３０の内側に垂下するように固定され、貯水タンク２１内の空間を分離壁２８の内側と外側とに分離している。分離壁２８の下端は、貯水タンク２１の大径部２２の下端部とほぼ同じ高さであり、分離壁２８の下端で内側と外側とが連通している。また、分離壁２８の上限水位より高い位置に、内側と外側とを連通する連通孔２９が設けられている。さらに分離壁２８の内側には、水位センサ１４の＋電極２７が配置され、＋電極２７の先端部は、貯水タンク２１の小径部２４の停止時水位より下方まで伸びている。そして、本実施例では、静電容量型の水位センサ１４の接地電極として、分離壁２８と貯水タンク２１を使用している。

さらに本実施例では、分離壁２８の内径と貯水タンク２１の小径部２４の内径が等しくなるように寸法設定が行われている。このため、図５（ｂ）に示す本実施例における水位センサ１４の電圧と水位との対応関係において、運転中水位及びその上下の水位、及び停止時水位の上下の水位において、単位水位変化に対する水位センサ出力電圧の変化率が等しくなり、制御装置１７による水位制御が容易となる効果がある。

次に、本発明の実施例５を説明する。実施例５が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。図６（ａ）は実施例５における気液分離装置１３を説明する断面図であり、図６（ｂ）は、実施例５における水位（縦軸）と水位センサ出力電圧（横軸）との関係を示す図である。

本実施例５と実施例４との相違は、本実施例において貯水タンク２１の下部及び排水管２６を加熱する加熱手段として、電気ヒータ３４が追加されていることである。その他の構成は、実施例４と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。加熱手段は、貯水タンク２１の下部を内部から加熱する手段でもよい。また加熱手段は、電気ヒータに限らず加熱された熱媒体を貯水タンク２１の下部の周囲に循環させる手段でもよい。

制御装置１７は、貯水タンク２１の下部である小径部２４内の水が凍結している場合に、電気ヒータ３４に通電して、小径部２４及び排水管２６の氷を解凍することができる。

本実施例によれば、貯水タンク下部を加熱する加熱手段を設けたので、水位センサの電極部である貯水タンク内壁を直接加熱できるので、燃料電池システムの停止中にタンク内部が凍結した場合でも、解凍時間を早めることができるという効果がある。

次に、本発明の実施例６を説明する。実施例６が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。図７（ａ）は実施例６における気液分離装置１３を説明する断面図であり、図７（ｂ）は、実施例６における水位（縦軸）と水位センサ出力電圧（横軸）との関係を示す図である。

本実施例６と実施例５との相違は、本実施例において、貯水タンク２１下部の内壁に温度検出手段として、温度センサ３５が追加され、温度センサ３５の検出信号が制御装置１７へ入力されていることである。その他の構成は、図６に示した実施例５と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

次に、本実施例の動作を説明する。燃料電池の起動時に、制御装置１７は温度センサ３５により、タンク下部の内壁温度を検出することで、タンク下部の水が凍結しているか否かを正確に判断することができる。この凍結判断に基づいて、制御装置１７は、起動時に加熱用の電気ヒータ３４に通電して加熱を開始するか否かを判断する。また通電開始した場合、温度センサ３５が検出した温度に基づいて正確な通電停止のタイミングを判断することができる。

凍結判断の温度としては、例えば２℃以下であれば少なくとも一部の水が凍結していると判断して電気ヒータ３４に通電開始する。また、温度センサ３５が検出した温度が例えば５℃に上昇した場合、解凍されたと判断して、電気ヒータ３４の通電を停止し、排水弁１５を開く許可を行う。以後、貯水タンク２１の水位が上限水位を超えた場合、排水弁１５を開く制御を行うことができる。

以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムを起動する場合、貯水タンク内が凍結しているか否か、言い換えれば、加熱手段である電気ヒータに通電するか、通電停止するかを正確に判断できる。これにより電気ヒータによる消費電力を最小限に抑制することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池の排水システムを備えた燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。 （ａ）は、実施例１における気液分離装置を説明する断面図であり、（ｂ）は、実施例１における水位と水位センサ出力電圧との関係を示す図である。 実施例２における気液分離装置を説明する断面図である。 実施例３における気液分離装置を説明する断面図である。 （ａ）は、実施例４における気液分離装置を説明する断面図であり、（ｂ）は、実施例４における水位と水位センサ出力電圧との関係を示す図である。 （ａ）は、実施例５における気液分離装置を説明する断面図であり、（ｂ）は、実施例５における水位と水位センサ出力電圧との関係を示す図である。 （ａ）は、実施例６における気液分離装置を説明する断面図であり、（ｂ）は、実施例６における水位と水位センサ出力電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池スタック、３…アノード、４…カソード、５…空気取り入れ口、６…コンプレッサ、７…排気制御弁、８…燃料ガスタンク、９…水素調整弁、１０…圧力計、１１…燃料ガス循環回路、１２…燃料ガスブロア、１３…気液分離装置、１４…水位センサ、１５…排水弁、１６…パージ弁、１７…制御装置、２０…気液分離部、２１…貯水タンク、２２…大径部、２３…テーパー部、２４…小径部、２５…排水口、２６…排水管、２７…＋電極、２８…分離壁、２９…連通孔、３０…蓋、３１…上限レベルセンサ、３２…下限レベルセンサ、３３…停止時レベルセンサ、３４…電気ヒータ、３５…温度センサ

Claims (6)

1. 燃料ガスと液水を分離する気液分離部と、該気液分離部が分離した水を貯水する貯水タンクと、該貯水タンクの水位を検出する水位検出手段と、前記貯水タンクの水を系外へ排出する排水弁と、前記水位検出手段が検出した水位に基づいて前記排水弁の開閉を制御する制御部と、を備えた燃料電池の排水システムであって、
   前記貯水タンクの上部は、前記貯水タンクの下部よりも容積及び断面積が大きく、
   前記水位検出手段は、前記貯水タンクの上部及び下部の水位を検出し、
   前記貯水タンクの下部は、前記排水弁に連通し、
   前記制御部は、燃料電池の運転中は、前記貯水タンクの上部に水位が存在するように前記排水弁の開閉制御を行い、燃料電池の運転停止時には、前記貯水タンクの下部に水位を保持するように前記排水弁を制御することを特徴とする燃料電池の排水システム。
2. 前記貯水タンクの内部に互いに水が連通する孔を設けた分離壁を設け、分離壁で囲われた容積の小さい内側と容積の大きい分離壁の外側を有し、前記水位検知手段を分離壁の内側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排水システム。
3. 前記水位検知手段は、接地電極と正側電極とを有する静電容量式の水位センサであり、貯水タンク上部は前記分離壁を接地電極とし、貯水タンク下部は貯水タンク内壁を接地電極とし、正側電極は貯水タンク上部及び貯水タンク下部で共通としたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の排水システム。
4. 前記分離壁の内側の断面積と、貯水タンク下部の断面積とを等しくしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の排水システム。
5. 前記貯水タンクの下部を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池の排水システム。
6. 貯水タンク下部の内壁に温度検出手段を備え、前記制御部は、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記加熱手段のオン・オフを行なうことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の排水システム。

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