JP3742893B2 - 燃料電池システムの残留物除去装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、燃料電池システムの内部の水及び水蒸気を除去する装置及び方法に関する。

一般に、燃料電池システムは燃料電池スタック、空気供給系、水素供給系、及び冷却系からなる。燃料電池は、水素（Ｈ_２）と空気中の酸素（Ｏ_２）とを反応させて電気エネルギーを発生する装置であって、膜電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を備える。前記膜電極アセンブリーは、水素イオン（Ｈ^＋）が伝達される電解質膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）を介して、両側に加湿された水素（Ｈ_２）が供給される燃料極（ａｎｏｄｅ）と加湿された空気が供給される空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）とを備える。

前記燃料極と前記空気極との外部には加湿された水素と空気とが前記膜電極アセンブリーに供給されるように、複数のチャンネルまたはグルーブが形成された流動系（ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）が形成される。また、燃料電池スタックを冷却させるための冷却水流動系が形成され、各流動系にはポンプ、ブロワー、バルブなどのような流動を制御する部品が装着される。

上記の構成による燃料電池が燃料電池車両（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｖｅｈｉｃｌｅ；ＦＣＶ）に用いられる場合、前記燃料電池は、車両の運行／停止に対応してオン／オフが繰り返される。さらに、燃料電池には加湿された空気と水素が供給され、電気エネルギーを生産する過程で水が生成され、通常の運転状態ではこれを外部に排出するが、運転が停止された状態では燃料電池システム内に水と水蒸気が残留する。

特に、冬季のように大気温度が零下である場合には、残留した水が冷却されて凍結して、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）が損傷したり、前記流動系が遮断されたり、各流動系内の流動を制御する部品が損傷するという問題点がある。従って、運転が終了した後にシステムの安全性を確保するためには、前記燃料電池システムに残留した水、水素、及び空気を除去する必要がある。

上記の問題点を解決するために、従来は、窒素パージング（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｕｒｓｉｎｇ）を用いて燃料電池スタックの内部に残留している水素、空気、及び水を除去する技術が利用されているが、この場合、専用の窒素タンクと窒素圧力制御装置とを備えなければならず、また、頻繁に窒素を再充填しなければならないという不便さがあった。更に、液体状態で存在する水を完全に除去するためには相当な時間と多量の窒素が必要であるという問題点があった。
運転停止後、乾燥空気を燃料電池システムに供給して、水分を除去する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０８４２２号公報

本発明は、上記の問題点を従来の技術と異なる方法で解決するためのものであって、燃料電池システムの運転が終了した後に、その内部に残留している水及び水蒸気を十分に除去することによって、冷始動性能を向上させることができる装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明による水素流動系と空気流動系とを含む複数の流動系が内部に形成された燃料電池システムの残留物除去装置は、内部に吸着剤を備えて、前記燃料電池システムから供給される残留物を吸着する吸着剤タンクと、前記吸着剤タンクと連結されて、前記吸着剤に吸着された前記残留物を脱着させるポンプと、前記吸着剤タンクの圧力を測定する圧力計と、前記燃料電池システムの前記流動系への入力流路に設置される第１開閉バルブと、前記燃料電池システムの前記流動系からの出力流路に設置される第２開閉バルブと、前記複数の流動系からの前記出力流路から分岐して前記吸着剤タンクと連結される吸着剤タンク入力流路に設置される第３開閉バルブと、前記吸着剤タンクと前記ポンプとを連結する吸着剤タンクの出力流路に設置される第４開閉バルブとを含む。

また、上記目的を達成するための本発明による水素流動系と空気流動系とを含む複数の流動系が内部に形成された燃料電池システムの残留物除去方法は、燃料電池システムの運転が終了した場合に、前記複数の流動系の入力流路および出力流路を閉鎖して、前記複数の流動系を密閉する段階と、前記密閉された複数の流動系を吸着剤を備えた吸着剤タンクと連通させて、前記複数の流動系に残留した残留物を前記吸着剤で吸着する段階と、前記吸着剤タンクと連結された真空ポンプを作動して、前記吸着剤に吸着された残留物を脱着させる段階とを含む。

本発明の燃料電池システムの残留物除去装置及び方法によると、燃料電池システムの流動系に残留している残留物を、専用の装置の追加や大量の窒素が必要な従来の窒素パージングを行うこと無しで除去することができる。

以下、添付した図面を参照ながら、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明する実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内において、多様な修正変更が可能である。

図１は本発明の第１実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の構成図を示す。

燃料電池システム２００の内部には、供給される空気、水素、及び冷却水が燃料電池スタックの内部を流れることができるように流動系が、空気流動系２１０、水素流動系２２０、及び冷却水流動系２３０に区分されて形成される。

前記燃料電池システム２００の前記流動系２１０、２２０、２３０の入口と出口には前記流動系２１０、２２０、２３０に対応して各々入力流路と出力流路とが形成され、前記入力流路と出力流路とには各々第１開閉バルブ１００と第２開閉バルブ３００とが設置される。

前記流動系２１０、２２０、２３０と前記第２開閉バルブとの間の前記出力流路が分岐して吸着剤タンク５００への入力流路（吸着剤タンク入力流路）が形成され、前記吸着剤タンクへの入力流路には第３開閉バルブ４００が設置される。

前記吸着剤タンクの出力流路（吸着剤タンク出力流路）は真空ポンプ７００と連結され、前記吸着剤タンクの出力流路には第４開閉バルブ６００が設置される。前記吸着剤タンク５００の内部には水及び水蒸気を吸着することができる吸着剤が備えられる。

前記吸着剤はゼオライトまたはシリカゲルであるのが好ましい。

前記吸着剤は、吸着剤タンクの入口から出口まで複数の層で形成することができる。したがって、水素、空気、及び水流動系を選択的に吸着できる複数の層で形成された吸着剤を前記吸着剤タンク５００の内部に備えることができる。

前記吸着剤タンク５００の圧力を測定するための圧力計８００が前記吸着剤タンク５００に設置される。前記真空ポンプ７００は前記吸着剤タンクと連結され、前記真空ポンプ７００の作動によって吸着剤に吸着された水及び水蒸気などの残留物を吸着剤から脱着させることができる。

前記冷却水流動系２３０の出口側には冷却水排出ポンプを設置して、冷却水流動系２３０の残余冷却水を排出することが好ましい。

以下、上記の構成による燃料電池システムの残留物除去装置の動作を説明する。

車両が運転され燃料電池が稼動している状況においては、前記第１開閉バルブ１００；１００ａ、１００ｂ、１００ｃと前記第２開閉バルブ３００；３００ａ、３００ｂ。３００ｃとは開放された状態であり、前記第３開閉バルブ４００；４００ａ、４００ｂ、４００ｃは閉鎖された状態である。この時、車両の運転が終了して燃料電池スタックの内部での化学反応が中断されると、前記燃料電池システム２００の内部に形成された流動系２１０、２２０には水素、空気、及び水が残留する。例えば、前記空気流動系２１０には空気及び水が、前記水素流動系２２０には水素及び水が残留し、さらに、前記冷却水流動系２３０には冷却水が残留する。

前記冷却水流動系２３０の冷却水が純粋な水である場合には凍結のおそれがあるため、先ず冷却水を前記冷却水流動系２３０の出口側に連結された冷却水排出ポンプを用いて排出させる。

冷却水を前記冷却水排出ポンプを用いて排出しても、前記冷却水流動系２３０には少量の水が残留する。したがって、後述の吸着過程によって残留した水を除去する必要がある。しかし、不凍液を冷却水として用いる場合には前記冷却水流動系の残留物を除去する必要はなく、したがって、冷却水流動系と連結された複数の連結管及び開閉バルブ１００ｃ、３００ｃ、４００ｃは省略できる。

冷却水流動系２３０の冷却水排水ポンプによる冷却水排出過程が終了すると、前記第１開閉バルブ１００；１００ａ、１００ｂ、１００ｃ及び前記第２開閉バルブ３００；３００ａ、３００ｂ、３００ｃが閉鎖される（複数の流動系を密閉する段階）。したがって、前記燃料電池システム２００の流動系２１０、２２０、２３０は密閉されたシステムを構成するようになり、この時、前記第３開閉バルブ４００；４００ａ、４００ｂ、４００ｃを開放すると、前記燃料電池システム２００の流動系２１０、２２０、２３０と前記吸着剤タンク５００とが連通し、前記吸着剤タンク５００の吸着剤による吸着によって流動系２１０、２２０、２３０の内部の残留物の量が減少する（残留物を吸着剤で吸着する段階）。

これによって、吸着剤タンク５００に移動する水素、空気、水などの残留物は吸着剤がそれ以上残留物を吸着することができない程度まで減少する。従って、前記吸着剤の量を調節することによって流動系２１０、２２０、２３０の内部の残留物の量を調節することができる。

燃料電池システム２００の内部の残留物が吸着剤タンク５００に備えられた吸着剤に吸着された後に、燃料電池スタックが運転状態になると、前記第１開閉バルブ１００；１００ａ、１００ｂ、１００ｃと前記第２開閉バルブ３００；３００ａ、３００ｂ、３００ｃとは開放され、前記第３開閉バルブ４００；４００ａ、４００ｂ、４００ｃは閉鎖される。

車両の運転が進むほど前記燃料電池システム２００の温度が上昇し６０〜８０℃に達するので、燃料電池システム２００から放出される熱が前記吸着剤タンク５００に伝達されて前記吸着剤タンク５００の内部の圧力が上昇する。

前記圧力計８００によって検出された吸着剤タンク５００の圧力が設定された圧力に到達すると、前記第４開閉バルブ６００を開放し、真空ポンプ７００を作動させて、前記吸着剤タンク５００に備えられた吸着剤に吸着されている残留物を脱着させる（吸着された残留物を脱着させる段階）。

前記吸着剤タンクの温度が上昇して圧力が上昇すると、前記真空ポンプ７００の負荷が減少して残留物を吸着剤から容易に脱着させることができる。

前記圧力計８００の圧力が変化しなければ、吸着剤に吸着された残留物の脱着が完了したと判断して、前記第４開閉バルブ６００を閉鎖させる。この状態で、吸着剤タンク５００は次の吸着のための準備を完了する。

図２は本発明の第２実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の構成を示す。

前記第２実施例は、図１に示した第１実施例に熱交換器９００が追加されている。前記熱交換器９００は、前記燃料電池システム２００と吸着剤タンク５００との間に備えられ、運転中に燃料電池システム２００から放出される熱を吸着剤タンク５００に伝達する機能を果たす。これにより、運転中に前記吸着剤タンク５００の圧力が速かに前記設定された圧力に到達し、したがって、吸着剤タンク５００に備えられた吸着剤に吸着された水素、空気、水などの残留物を速かに脱着させて大気に排出することができる。

図３は本発明の第３実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の構成を示す。

前記第３実施例では、前記流動系２１０、２２０、２３０に対応して前記吸着剤タンク５００の内部を３つのセクション５００ａ、５００ｂ、５００ｃに区分して形成し、前記３つのセクション５００ａ、５００ｂ、５００ｃに吸着される残留物の種類に基づいて各々異なる種類の吸着剤を備える。

前記３つのセクション５００ａ、５００ｂ、５００ｃは前記吸着剤タンクへの入力流路に各々対応して連結される。

図４は本発明の第４実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の構成を示す。

第４実施例では、前記燃料電池システム２００の空気流動系２１０と水素流動系２２０との入力流路に加湿器（ｈｕｍｉｄｉｆｉｅｒ）１０００が連結される。

固体高分子膜（ｓｏｌｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ）から形成された膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）を含む燃料電池スタックの場合には、燃料電池の円滑な作動のために供給される水素及び空気が所定の水分を含んでいるのが好ましい。

従って、前記燃料電池スタックの水素及び空気流動系の入力流路に加湿器１０００が設置される。好ましくは、前記加湿器１０００の内部は水素流動系及び空気流動系が区分されて形成される。

加湿器が備えられた場合には、燃料電池システム２００の運転が終了すると、加湿器によって供給された水分が燃料電池スタックの内部に相当量残留し、また、加湿器の内部にも水分が残留するため、これを除去しなければならない。このため、図４に示された構成とすることで、加湿器１０００の内部及び燃料電池システム２００の内部の残留水分を同時に効率的に除去することができる。

また、前記加湿器１０００は別途のポンプ（図示せず）または前記冷却水排出ポンプと連結されて、吸着剤によって水分を除去する前に一次的に加湿器１０００の内部の水分を除去することも可能である。これは前記加湿器１０００が膜加湿器である場合に特に有用である。

本発明の第１実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の概略的な構成図である。 本発明の第２実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の概略的な構成図である。 本発明の第３実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の概略的な構成図である。 本発明の第４実施例による燃料電池システムの残留物除去装置の概略的な構成図である。

符号の説明

１００ 第１開閉バルブ
２００ 燃料電池システム
２１０ 空気流動系
２２０ 水素流動系
２３０ 冷却水流動系
３００ 第２開閉バルブ
４００ 第３開閉バルブ
５００ 吸着剤タンク
６００ 第４開閉バルブ
７００ 真空ポンプ
８００ 圧力計
９００ 熱交換器
１０００ 加湿器

Claims (10)

1. 水素流動系と空気流動系とを含む複数の流動系が内部に形成された燃料電池システムの残留物除去装置であって、
   内部に吸着剤を備えて、前記燃料電池システムから供給される残留物を吸着する吸着剤タンクと、
   前記吸着剤タンクと連結されて、前記吸着剤に吸着された前記残留物を脱着させる真空ポンプと、
   前記吸着剤タンクの圧力を測定する圧力計と、
   前記燃料電池システムの前記流動系への入力流路に設置される第１開閉バルブと、
   前記燃料電池システムの前記流動系からの出力流路に設置される第２開閉バルブと、
   前記複数の流動系からの前記出力流路から分岐して前記吸着剤タンクと連結される吸着剤タンク入力流路に設置される第３開閉バルブと、
   前記吸着剤タンクと前記真空ポンプとを連結する吸着剤タンク出力流路に設置される第４開閉バルブとを含むことを特徴とする燃料電池システムの残留物除去装置。
2. 前記複数の流動系は冷却水流動系をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの残留物除去装置。
3. 前記冷却水流動系からの出力流路には冷却水排出ポンプが設置されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システムの残留物除去装置。
4. 前記吸着剤はゼオライトまたはシリカゲルからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの残留物除去装置。
5. 前記吸着剤タンクの内部は前記水素流動系と空気流動系とに対応して区分されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの残留物除去装置。
6. 前記区分された吸着剤タンクの内部には供給される残留物の種類によって吸着剤が選択的に備えられることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システムの残留物除去装置。
7. 前記燃料電池システムの残留物除去装置は熱交換器をさらに含み、
   前記熱交換器は、燃料電池スタックと前記吸着剤タンクとの間に介在され、前記燃料電池スタックから放出される熱を前記吸着剤タンクに伝達することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの残留物除去装置。
8. 水素流動系と空気流動系とを含む複数の流動系が内部に形成された燃料電池システムの残留物除去方法において、
   燃料電池スタックの運転が終了した場合に、前記複数の流動系の入力流路および出力流路を閉鎖して、前記複数の流動系を密閉する段階と、
   前記密閉された複数の流動系を吸着剤を備えた吸着剤タンクと連通させて、前記複数の流動系に残留した残留物を前記吸着剤で吸着する段階と、
   前記吸着剤タンクと連結された真空ポンプを作動して、前記吸着剤に吸着された残留物を脱着させる段階とを含むことを特徴とする燃料電池システムの残留物除去方法。
9. 前記吸着剤に吸着された残留物を脱落させる段階以前に、
   前記吸着剤タンクの圧力が正常な状態であるか判断する段階と、
   前記吸着剤タンクの圧力が正常な状態である場合には、前記吸着剤タンクを密閉する段階と、
   前記燃料電池スタックから放出される熱を前記吸着剤タンクに伝達する段階と、
   前記吸着剤タンクの圧力を設定された圧力と比較する段階とをさらに含み、
   前記吸着剤タンクの圧力が前記設定された圧力を超える場合には、前記吸着剤タンクを開放して真空ポンプを作動する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システムの残留物除去方法。
10. 前記複数の流動系は冷却水流動系をさらに含み、
    前記複数の流動系を密閉する段階以前に、
    前記冷却水流動系の出力流路に設置された冷却水排出ポンプを作動して前記冷却水流動系の残留冷却水を排出する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システムの残留物除去方法。

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