JP7154653B2 - 燃料電池の水素回収装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム制御分野、特に燃料電池の水素回収装置に関するものである。
燃料電池は、新しいタイプの環境に優しい発電装置として、ノイズ及び汚染がなく、サイズが小さく、寿命が長く、エネルギー変換率が高く、メンテナンスが簡単で、コストが低いという利点がある。
水素燃料電池は、水素と酸化剤とを電気エネルギー及び反応産物に変換できる装置である。そして水素を燃料とし、酸素を含む空気（または純粋な酸素）を酸化剤として使用するプロトン交換膜燃料電池において、燃料水素は陽極領域の触媒の電気化学反応によって水素陽イオン（またはプロトンと称する）を生成する。そしてプロトン交換膜は、水素陽イオンが陽極領域から陰極領域に移動するのを補助する。さらに、プロトン交換膜は、水素燃料を含む気流と酸素とを含む気流とを分離して、それらが混合することによる爆発を引き起こさないようにする。
水素燃料電池が作動した状態で電気を発生させる過程に伴って、通常は、水が生成される。燃料電池の正常な動作と性能とを確保するために、燃料電池内で生成された水と過剰な窒素とを排出する必要がある場合が多い。そのため、燃料電池は燃料水素と酸化剤との空気中の計量比が１より大きい状態で作動する必要があり、このような過剰な燃料水素と過剰な空気は、燃料電池内の水とともに燃料電池の外部に直接排出される。
現時点で実行できる解決策としては、過剰な空気を使用して燃料電池内で生成された水を燃料電池の外部に直接排出することである。しかし、過剰な燃料水素を使用して燃料電池の陽極（アノード）領域の水を燃料電池の外部に排出することは実行不可能であり、貴重な燃料水素が無駄になるだけでなく、過剰な水素を含む排気ガスを直接排出することは非常に危険である。
中国特許ＣＮ２０４７９３０４４Ｕでは、燃料電池と、水素入口弁と、水素出口弁と、水素循環ポンプと、止弁と、容器と、空気圧縮機と、排水ソレノイド弁と、水素入口管と、水素出口と、空気入口管と、空気出口管と、を備えた燃料電池の水素回収システムを開示している。そして、水素入口弁は水素入口管に配置され、水素出口弁は水素出口管に配置され、水素出口管の出口は、水素循環ポンプの入口と容器の上部口に接続され、水素循環ポンプの出口は止弁の入口に接続され、止弁の出口は水素入口弁と燃料電池との間の水素入口管に接続され、空気圧縮機は燃料電池の空気入口管に配置され、排水ソレノイド弁は容器に配置されている。しかし、１つの制御サイクルでは、水素出口弁を開くたびに、循環ポンプと止弁とを開く必要があるため、操作が煩雑となるとともに、ソレノイド弁の寿命が短くなり、複数回の操作で漏れが発生する恐れがあり、更に上記のごとく排出された廃気（廃棄物）は不均一なものであり、安全上のリスクもある。
中国特許文献ＣＮ２０４７９３０４４Ｕ
本発明は、上記先行技術に存在する課題を解決するための燃料電池の水素回収装置を提供することを目的とする。
本発明の目的は、以下の技術により達成することができる。
燃料電池と、制御器と、水素循環ポンプ及び止弁が設けられた水素回収管と、燃料電池にそれぞれ接続された空気入口管及び空気排気管と、水素入口弁が設けられた水素入口管及び水素出口弁が設けられた水素排気管と、を備え、前記水素回収管は水素入口管に接続されている燃料電池の水素回収装置であって、当該装置はさらに気液分離貯蔵タンクを備え、前記気液分離貯蔵タンクは、上下に互いに連通した、上部に位置する貯蔵タンクと下部に位置する気液分離器とから構成され、前記貯蔵タンクは、それぞれ水素排気管と水素回収管とが接続され、前記気液分離器は、廃棄物排弁が設けられた廃棄物排出管を介して、廃水及び余剰窒素を排出する。
水素出口弁と貯蔵タンクの入口との間には、制御器と接続された圧力センサーが設けられている。
前記貯蔵タンクには、制御器と接続された窒素濃度測量計が設けられている。
前記気液分離器には、制御器と接続された液位計が設けられている。
前記廃棄物排出管は空気排気管と合流し、合流後の複合パイプラインには、廃棄物排出管から断続的に排出された水素と空気とを均一に混合して水素濃度を低減するための気体混合器が設けられている。
水素排気管には、水素出口弁から貯蔵タンクの入口に至る位置に、気液分離貯蔵タンクの外壁または貯蔵タンクの内壁に複数の放熱フィンが設置されている。
前記貯蔵タンクの容量は必要に応じて設けられ、その範囲は０．５－２０Ｌである。
当該装置の制御方法は以下の通りである：
１）水素入口弁を開き、水素入口管の開通を保持するとともに、水素出口電磁弁、止弁，水素循環ポンプ及び廃棄物排弁の閉弁を保持することにより、燃料電池のスタックの反応が始まり、
２）１つのスタック電気化学反応排気サイクルにおいて、水素出口弁を開け、装置を排気状態にして、水、窒素、及び水素を含む廃気が貯蔵タンクに進入した後、圧力センサーで検出された廃気の圧力値が設定圧力の上限値を超えた時に、水素循環ポンプと止弁とを同時に開いて貯蔵タンク内の水素を抽出して、水素入口管に戻させ、
３）窒素濃度測量計で検出された貯蔵タンク内の窒素濃度値が設定された窒素濃度閾値より高い時、または液位計で検出された水位が設定された水位閾値より高い時には、廃棄物排弁を開いて分離後の液体の液体水及び余剰の窒素を窒素がなくなるまで排出し、廃棄物排弁を閉弁し、
４）圧力センサーで検出された廃気の圧力値が設定された圧力の下限値を下回った時には、水素循環ポンプと止弁とを閉じて、次のスタック電気化学反応排気サイクルの制御が開始される。
前記ステップ２）において、隣り合う排気状態の間は、１つのスタック電気化学反応排気サイクルであり、同一のスタック電気化学反応排気サイクルにおいて、水素出口弁が等間隔で少なくとも一回開き、水素循環ポンプと止弁が一回のみ開く。
同一のスタック電気化学反応排気サイクルにおいて、水素出口弁が開く頻度は水素循環ポンプの開く頻度の１－１０倍である。
従来技術と比較して、本発明は以下の有益な効果を奏する：
一、廃気の緩衝：本発明は、緩衝貯蔵廃気機能を有しない気液分離器を、１つの一体型気液分離貯蔵タンクに改変し、貯蔵タンクの緩衝，貯蔵、及び測量判断を実現し、気液分離器を貯蔵タンクの下側に設け、比重の大きい窒素や液体の水を効果的且つスムーズに排出することができる。
二、効果的な冷却：本発明では、水素排気管において水素出口弁から貯蔵タンク入口までの間の位置に、気液分離貯蔵タンク外の壁または貯蔵タンクの内壁に複数の放熱フィンを仮設し、７０－８０℃の高温廃気を効果的且つ迅速に低減することができるため、気液分離の効率化及び貯蔵タンクの安全性の確保に有利である。
三、均一で安全な排気：本発明は、廃棄物排出管と空気排気管１０とは接続されて合流しており、合流後のパイプには乱流を均一に混合する気体混合器が設けられ、このように排出した廃気は、スタック反応した後に排出した大量の空気を動力源とし、気体混合器で廃気中の水素と空気を乱流にして均一に混合し、最終的に排出する廃気中の水素濃度を２％を下回るよう均一とし、廃気の安全性を効果的に確保する。
四、液体の水の排出と水素の回収とは相互に干渉し合わない：本発明は、水の排出と水素の回収を制御する際に、干渉し合わない論理により独立した判断を行い、圧力閾値範囲を用いて水素出口弁と循環ポンプのサイクル的な開閉を制御し、窒素濃度または液体の水位で廃棄物排弁の開閉を制御し、制御操作を容易なものとする。
本実施例1の装置の構造図。 本実施例１の制御シーケンス図。
以下、実施の形態及び図面に基づいて、本発明の実施例１について詳細に説明する。
図１に示す如く、本実施例１は、燃料電池１と、制御器と、水素循環ポンプ４及び止弁５が設けられた水素回収管と、燃料電池１にそれぞれ接続された空気入口管１１及び空気排気管１０と、水素入口弁２が設けられた水素入口管８及び水素出口弁３が設けられた水素排気管９と、を備えた燃料電池の水素回収装置を提供し、水素回収管は水素入口管８とが接続され、当該装置は更に、一体型の気液分離貯蔵タンク６を備え、気液分離貯蔵タンク６は、上部の貯蔵タンク６１と下部の気液分離器６２とによって一体的に形成されるか、または各部分がメッシュを介して連通するように設けられている。貯蔵タンク６１は、それぞれ水素排気管９と水素回収管とを接続し、気液分離器６２は、廃棄物排弁７が設置されている廃棄物排出管を介して廃水と余剰窒素を排出し、制御器は、それぞれ、水素循環ポンプ４と、止弁５と、廃棄物排弁７と、水素出口弁３と、水素入口弁２と接続され、貯蔵タンク６１は、水素排気管９と接続する位置に、制御器と接続する圧力センサー６１１を設けている。
貯蔵タンク６１には、窒素濃度を検出するための、制御器と接続した窒素濃度測量計６１２が設けられている。
気液分離器６２には、液体の水位を検出するための、制御器と接続した液位計６２１が設けられている。
廃棄物排出管と空気排気管１０とは接続されて合流しており、合流後のパイプには、乱流を均一に混合する気体混合器１４が設けられ、廃棄物排出管から断続的に排出された水素を空気と均一に混合することにより、水素濃度が下がる。
水素排気管９において水素出口弁３から貯蔵タンク６１の入口までの間の位置に、気液分離貯蔵タンク６の外壁または貯蔵タンク６１の内壁に複数の放熱フィンが設けられている。
本実施例では、具体的な必要に応じて貯蔵タンク６１が設けられ、複数回排出された廃気（排気ガズ）の貯蔵を確実なものとするため、その範囲を０．５－２０Ｌとしている。
図２に示す如く、本装置による制御方法は次のとおりである：
１）水素入口弁２を開き、水素入口管８を開通した状態で、同時に水素出口電磁弁３，止弁５，水素循環ポンプ４及び廃棄物排弁７を閉じた状態にすることにより、燃料電池１のスタックが反応を始める、
２）１つのスタック電気化学反応排気サイクルＴ０において、水素出口弁３を開け、装置が排気状態にして（隣り合う排気状態の間は１つのスタック電気化学反応の排気サイクルであり、同一のスタック電気化学反応の排気サイクル内には、水素出口弁３が複数回において等間隔で開き（即ち、１つの排気状態）、水素循環ポンプ４と止弁５は１回のみ開き（持続時間はＴ２）、本実施例においては、同一のスタック電気化学反応の排気サイクル内に、水素出口弁３の開く頻度は、水素循環ポンプ４が開く頻度の１－１０倍である）、水，窒素、及び水素を含む廃気が貯蔵タンク６１内に進入した後、圧力センサー６１１によって検出された廃気圧力値が設定圧力の上限値を超えた時に、同時に水素循環ポンプ４と止弁５を開いて貯蔵タンク６１内の水素を抽出し、水素入口管８に戻る、
３）窒素濃度測量計６１２が検出した貯蔵タンク内の窒素濃度値が設定した窒素濃度閾値より高い時、または液位計６２１で検出した水位が設定した水位閾値より高い時は、廃棄物排弁７を開いて、分離後の水と余剰窒素（過剰な窒素）を排出し、窒素がなくなったら廃棄物排弁７を閉じる（持続時間はＴ３）、
４）圧力センサー６１１が検出した廃気圧力値が設定圧力の下限値を下回った時は、水素循環ポンプ４と止弁５とが閉じられ、次回のスタック反応の排気サイクルの制御が始まる。
本発明は、複数回の短い等間隔の時間で水素出口弁３を開いてスタック反応の廃気を貯蔵タンク６１に均一に排出し、貯蔵タンクは、これらの廃気を収納及び緩衝して廃気をすべて貯蔵するために用いられ、この場合、止弁５と水素循環ポンプ４は、毎回水素出口弁３により開閉させる必要がないため、使用寿命が延び、さらに一定の検出と制御とを容易行うことができる。この例では、水素出口弁３の毎回の開放時間Ｔ１は通常０．１－０．１５秒であるが、これに限定されるものではなく、また回数は通常１－１０回であるが、これに限定されるものではない。
１、燃料電池、２、水素入口弁、３、水素出口弁、４、水素循環ポンプ、５、止弁、６、気液分離貯蔵タンク、６１、貯蔵タンク、６１１、圧力センサー、６１２、窒素濃度測量計、６２、気液分離器、６２１、液位計、７、廃棄物排弁、８、水素入口管、９、水素排気管、１０、空気排気管、１１、空気入口管、１２、スタック出力電圧陽極、１３、スタック出力電圧負極、１４、気体混合器

Claims (15)

  1. 燃料電池（１）と、
    制御器と、
    上下に互いに連通した、上部にある貯蔵タンク（６１）と下部にある気液分離器（６２）とから構成される気液分離貯蔵タンク（６）と、
    を少なくとも備えている燃料電池の水素回収装置であって、
    前記貯蔵タンク（６１）は、それぞれ水素排気管（９）と水素回収管とに接続され、
    前記燃料電池の前記水素排気管（９）には、水素出口弁（３）が設けられ、
    前記水素回収管には、水素循環ポンプ（４）と止弁（５）とが設けられ、
    隣り合う排気状態の間は、１つのスタック電気化学反応の排気サイクルであり、
    同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクル内に、前記水素出口弁（３）は、少なくとも一回等間隔で開き、前記水素循環ポンプ（４）と前記止弁（５）は一回のみ開くことを特徴とする燃料電池の水素回収装置。
  2. 同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクル内において、前記水素出口弁（３）が開く頻度は、前記水素循環ポンプ（４）が開く頻度の１－１０倍であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素回収装置。
  3. 前記水素出口弁（３）と前記貯蔵タンク（６１）の入口との間には、前記制御器と接続された圧力センサー（６１１）が設けられ、
    １つの前記スタック電気化学反応の排気サイクル内において、前記水素出口弁（３）を開いて装置を排気状態とし、水，窒素、及び水素を含む廃気が前記貯蔵タンク（６１）に入った後、前記圧力センサー（６１１）で検出された廃気圧力値が設定された圧力の上限値を超えた時、同時に前記水素循環ポンプ（４）と前記止弁（５）とを開いて前記貯蔵タンク（６１）内の水素を取り出して水素入口管（８）に戻させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素回収装置。
  4. 前記気液分離器（６２）は、廃棄物排弁（７）が設けられた廃棄物排出管を通じて廃水と余剰の窒素とを排出し、
    前記貯蔵タンク（６１）には、前記制御器と接続された窒素濃度測量計（６１２）が設けられ、前記気液分離器（６２）には、前記制御器と接続された液位計（６２１）が設けられ、
    前記気液分離器（６２）は前記廃棄物排弁（７）に接続され、
    前記窒素濃度測量計（６１２）で検出された前記貯蔵タンク内の窒素濃度値が設定された窒素濃度閾値よりも高い時、又は前記液位計（６２１）で検出された水位が設定された水位閾値より高い時、前記制御器は前記廃棄物排弁（７）を開いて分離後の液体水と余剰の窒素とをなくなるまで排出し、前記廃棄物排弁（７）を閉じることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池の水素回収装置。
  5. 前記気液分離器（６２）は、前記貯蔵タンク（６１）の下方に設けられ、比重の大きい窒素と液体水とを効果的且つスムーズに排出可能とされていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の水素回収装置。
  6. 少なくとも燃料電池（１）と制御器とを備えている燃料電池システムであって、
    該燃料電池システムは、上下に互い連通した、上部にある貯蔵タンク（６１）と下部にある気液分離器（６２）とから構成される気液分離貯蔵タンク（６）を更に備え、前記貯蔵タンク（６１）は、それぞれ水素排気管（９）と、該水素排気管（９）を水素入口管（８）に接続する水素回収管とに接続され、前記気液分離器（６２）は、廃棄物排弁（７）が設けられた廃棄物排出管を介して廃水と余剰の窒素とを排出し、
    前記気液分離器（６２）内には、前記制御器と接続した液位計（６２１）が設けられ、
    前記液位計で検出された水位が設定された水位閾値よりも高い時、前記制御器は前記廃棄物排弁を開いて分離後の液体水と余剰の窒素とを排出し、前記制御器は液体の水位によって前記廃棄物排弁（７）の開閉を制御し、
    その中で、
    隣り合う排気状態の間は、１つのスタック電気化学反応の排気サイクルであり、同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクル内において、前記水素排気管（９）に設けられた水素出口弁（３）は少なくとも一回等間隔で開き、前記水素回収管に設けられた水素循環ポンプ（４）及び止弁（５）を前記水素出口弁（３）の毎回の開閉に伴い開閉する必要がなく、
    同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクル内において、前記水素出口弁（３）の開く頻度は、前記水素循環ポンプ（４）が開く頻度の１－１０倍であることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 隣り合う排気状態の間は、１つの前記スタック電気化学反応の排気サイクルであり、同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクル内において、前記水素循環ポンプ（４）及び前記止弁（５）はただ一回のみ開くことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素出口弁（３）と前記貯蔵タンク（６１）の入口との間には、前記制御器と接続された圧力センサー（６１１）が設けられ、
    １つの前記スタック電気化学反応の排気サイクル内において、前記水素出口弁（３）を開くことにより装置が排気状態になり、水、窒素、及び水素を含む廃気が前記貯蔵タンク（６１）に入った後、
    前記圧力センサー（６１１）で検出された廃気圧力値が設定された圧力の上限値を超えた時、同時に前記水素循環ポンプ（４）と前記止弁（５）とを開き、前記貯蔵タンク（６１）内の水素を取り出して前記水素入口管（８）に戻させることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記水素排気管において前記水素出口弁から前記貯蔵タンクの入口までの間の位置に、前記気液分離貯蔵タンクの外壁或いは前記貯蔵タンクの内壁に少なくとも１つの放熱フィンが設置され、前記放熱フィンは、高温の廃気を外界の温度にまで下げるように気液分離の効率を向上させることを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記廃棄物排出管は空気排気管（１０）に合流し、合流後のパイプに気体混合器（１４）が設けられ、前記廃棄物排出管から断続的に排出された水素と空気排気管（１０）からの空気とを均一に混合して水素濃度を低減することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. １）水素入口弁（２）を開き、水素入口管（８）の開通を保持するとともに、水素出口弁（３）、止弁（５）、水素循環ポンプ（４）及び廃棄物排弁（７）の閉弁を保持することにより、燃料電池（１）のスタックが反応を始めるステップと、
    ２）１つのスタック電気化学反応の排気サイクルにおいて、前記水素出口弁（３）を開け、装置を排気状態にして、水、窒素、及び水素を含む廃気が貯蔵タンク（６１）に進入した後、圧力センサー（６１１）で検出された廃気の圧力値が設定された圧力の上限値を超えた時に、前記水素循環ポンプ（４）と前記止弁（５）とを同時に開いて前記貯蔵タンク（６１）内の水素を抽出して前記水素入口管（８）に戻させるステップと、
    を少なくとも含み、
    隣り合う排気状態の間は、１のスタック電気化学反応排気サイクルであり、同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクルにおいて、前記水素出口弁（３）が少なくとも等間隔で一回開き、前記水素循環ポンプ（４）及び前記止弁（５）が一回のみ開く、ことを特徴とする燃料電池の水素回収方法。
  12. 窒素濃度測量計（６１２）で検出された前記貯蔵タンク内の窒素濃度値が設定された窒素濃度閾値よりも高い時、又は液位計（６２１）で検出された水位が設定の水位閾値よりも高い時には、前記廃棄物排弁（７）を開け、分離後の液体水と余剰の窒素とをなくなるまで排出し、前記廃棄物排弁（７）を閉じ、
    前記圧力センサー（６１１）で検出された廃気圧力値が設定された圧力の下限値より低い時には、前記水素循環ポンプ（４）と前記止弁（５）とを閉じて、次の前記スタック電気化学反応の排気サイクルの制御が始まることを更に含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の水素回収方法。
  13. 同一の前記スタック電気化学反応の排気サイクルにおいて、前記水素循環ポンプ（４）は、前記水素出口弁（３）の毎回の開閉に伴い開閉する必要がなく、
    前記水素出口弁（３）が開く頻度は、前記水素循環ポンプ（４）が開く頻度の１～１０倍であることを更に含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の水素回収方法。
  14. 廃棄物排出管と、空気排気管（１０）とが合流し、合流後のパイプに気体混合器（１４）を設け、廃棄物排出管から断続的に排出された水素と空気排気管（１０）からの空気とを均一に混合して、水素濃度を低減することを更に含む、ことを特徴とする請求項１１～１３のいずれか１項に記載の燃料電池の水素回収方法。
  15. 水素排気管において前記水素出口弁から前記貯蔵タンクの入口までの位置に、気液分離貯蔵タンクの外壁又は前記貯蔵タンクの内壁に少なくとも１つの放熱フィンが設置され、前記放熱フィンは、高温の廃気を外界の温度にまで下げるように気液分離の効率を向上させることを更に含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池の水素回収方法。
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