(57)【要約】【課題】堆積物の破片が電磁弁の弁体に噛み込まれて動作不良が生じるのを抑制する燃料電池システム用排水装置を提供する。【解決手段】燃料電池に循環供給される水素に含まれる生成水を気液分離してシステム外に排出する燃料電池システム用排水装置４０であって、水素から分離された生成水を所定排水時期まで一時貯留する底部付き筒状の貯水容器５４と、貯水容器５４内に回転駆動可能に設けられた回転軸５６と、回転軸５６に固定され、回転軸５６の回転駆動時に貯水容器５４の内壁面６２に摺接して内壁面６２上に付着した堆積物を剥ぎ取ると共に剥ぎ取った堆積物を細かく破断する剥ぎ取り破断部材６０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に循環供給される水素に含まれる生成水を気液分離してシステム外に排出する燃料電池システム用排水装置であって、
水素から分離された生成水を所定排水時期まで一時貯留する底部付き筒状の貯水容器と、
貯水容器内に回転駆動可能に設けられた回転軸と、
回転軸に固定され、回転軸の回転駆動時に貯水容器の内壁面に摺接して内壁面上に付着した堆積物を剥ぎ取ると共に剥ぎ取った堆積物を細かく破断する剥ぎ取り破断部材と、を備える燃料電池システム用排水装置。
【請求項２】
燃料電池に循環供給される水素に含まれる生成水を気液分離してシステム外に排出する燃料電池システム用排水装置であって、
水素から分離された生成水を所定排水時期まで一時貯留する底部付き筒状の貯水容器と、
貯水容器の底部を封止状態に貫通して貯水容器の中心軸に沿って貯水容器内に設けられ、貯水容器内の生成水を容器外へ排出するための多数の排水孔が周壁に形成された中空の排水管と、
排水管の排水側端部に接続される配管の途中に設けられるポンプと、
所定のタイミングでポンプを駆動してポンプおよび配管内に溜まっている生成水を排水管の多数の排水孔から貯水容器の内壁面に向けて噴射するようポンプを制御するコントローラと、を備える燃料電池システム用排水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は燃料電池システムに用いられる排水装置に関し、特に、燃料電池に循環供給される水素に含まれる生成水をシステム外に排出するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素等の地球温暖化ガスを放出しない発電システムとして燃料電池システムが注目されており、電気自動車の電源装置として搭載されることが試みられている。燃料電池システムの燃料電池は、固体高分子型の電解質膜を燃料極電極および酸化極電極で挟持して構成される。各電極は、燃料ガスとしての水素および酸化ガスとしての酸素と接触してイオン化させる例えばプラチナ等の触媒を含んで構成される通気性のある電極である。
【０００３】
酸化極電極側には、酸素を含む空気がコンプレッサによって送り込まれる。酸化極電極の触媒の作用によってイオン化した酸素イオンは電解質膜を通過して燃料極電極側へ移動する。一方、例えば水素タンクから燃料極電極に供給された水素は、燃料極電極の触媒の作用によって水素イオンとなる際に電子を放出する。このように放出される電子が発電電力として燃料電池から取り出される。
【０００４】
電解質膜を通過してきた酸素イオンは、燃料極側において水素イオンと電気化学反応により結合して水が生成される。以後、この水を生成水という。生成水は、燃料極側で消費されなかった水素と共に燃料電池から排出され、気液分離器を通過する際に水素から分離される。気液分離器を通過した水素は、循環ポンプによって所定濃度に低下するまで燃料電池に循環して供給される。
【０００５】
一方、気液分離器で分離された生成水は、貯水容器に一旦貯留され、所定のタイミングで排水弁を開くことによって貯水容器から排出され、燃料電池システム外へと放出される。
【０００６】
例えば、特許文献１には、燃料電池システムに使用される水抜き装置（１０）が開示されている。この水抜き装置（１０）では、水貯留槽（１１）が燃料電池から水素と共に排出される水を貯留する。水貯留槽（１１）の排水口（１２）に対応して弁座（４２ａ）とニードル（４２）が設けられる。水貯留槽（１１）に設けられるフロート（１４）はレバー（４３）等によりニードル（４２）に連結される。レバー（４３）等は水貯留槽（１１）内の水位上昇に伴いフロート（１４）が上昇するとニードル（４２）を弁座（４１ａ）から引き離し、水位下降に伴いフロート（１４）が下降するとニードル（４２）を弁座（４１ａ）に押し付ける。水抜き装置（１０）は、ニードル（４２）が弁座（４１ａ）から離れるとき、水貯留槽（１１）の貯留水を排水口（１２）から外部へ抜く。水貯留槽（１１）に設けられた副排水口（１６）に対応して電磁式開閉弁（１７）が設けられる。イグニッションスイッチ（１８）のオフ時に電磁式開閉弁（１７）を所定時間だけ開弁して水貯留槽（１１）内のある程度水位を下げておくことにより、水貯留槽（１１）内に残っている水が凍結して膨張するのに伴ってフロート開閉式弁装置が誤作動するのを防止するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３１１２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の水抜き装置において、水の貯留および排水を繰り返すうちに水貯留槽の内壁面に粘着性の付着物が徐々に堆積してくる現象が見られる。このような堆積物が水貯留槽の内壁面から比較的大きな破片として剥がれたとき、排水時に前記粘着性堆積物の破片が水と共に電磁式開閉弁を通過する際に、開閉作動する弁体に噛み込まれて弁体の閉鎖不良を引き起こすおそれがある。
【０００９】
本発明の目的は、生成水の貯水容器の内壁面から粘着性の堆積物を剥ぎ取って細かく破断させてから生成水と共に排水することにより、堆積物の破片が電磁弁の弁体に噛み込まれて動作不良が生じるのを抑制する燃料電池システム用排水装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、燃料電池に循環供給される水素に含まれる生成水を気液分離してシステム外に排出する燃料電池システム用排水装置であって、水素から分離された生成水を所定排水時期まで一時貯留する底部付き筒状の貯水容器と、貯水容器内に回転駆動可能に設けられた回転軸と、回転軸に固定され、回転軸の回転駆動時に貯水容器の内壁面に摺接して内壁面上に付着した堆積物を剥ぎ取ると共に剥ぎ取った堆積物を細かく破断する剥ぎ取り破断部材と、を備える。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、燃料電池に循環供給される水素に含まれる生成水を気液分離してシステム外に排出する燃料電池システム用排水装置であって、水素から分離された生成水を所定排水時期まで一時貯留する底部付き筒状の貯水容器と、貯水容器の底部を封止状態に貫通して貯水容器の中心軸に沿って貯水容器内に設けられ、貯水容器内の生成水を容器外へ排出するための多数の排水孔が周壁に形成された中空の排水管と、排水管の排水側端部に接続される配管の途中に設けられるポンプと、所定のタイミングでポンプを駆動してポンプおよび配管内に溜まっている生成水を排水管の多数の排水孔から貯水容器の内壁面に向けて噴射するようポンプを制御するコントローラと、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システム用排排水装置によれば、第１の態様では貯水容器の内壁面上に付着した堆積物を剥ぎ取り破断部材で剥ぎ取って細かく破断させてから生成水と共に貯水容器から排水し、第２の態様ではポンプの駆動により排水管の多数の排水孔から生成水を貯水容器の内壁面に向けて噴射することにより内壁面上に付着した堆積物を剥ぎ取って細かく破断させてから生成水と共に貯水容器から排水する。これにより、貯水容器から電磁式開閉弁を介して生成水が排水される際、開閉作動する弁体に上記堆積物の比較的大きな破片が噛み込まれるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態である排水装置を含む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１の排水装置の詳細を示す図である。
【図３】図２の排水装置の剥ぎ取り破断部材の作動タイミングを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である排水装置を含む燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】図４の排水装置の詳細を示す図である。
【図６】図５の排水装置のポンプの作動タイミングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、下記の説明では、燃料電池システムが電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載される場合を例示して説明するが、燃料電池システムの適用は車両に限定されないことは勿論のことである。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態である燃料電池システム用排水装置（以下、適宜に「排水装置」とだけいう）４０を含む燃料電池システム１０の概略構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料である水素を貯留する水素タンク１２、水素タンク１２から供給される高圧の水素ガスを適度に減圧するレギュレータ１４、燃料電池１６、燃料電池１６とレギュレータ１４との間の水素配管に設けられる電磁式開閉弁１８、燃料電池１６から水素循環系配管２０を介して戻ってきた生成水混じりの水素ガスから生成水を分離する気液分離器２４、および、気液分離器２４で生成水が分離された水素ガスを加圧して水素供給系配管２６に再供給する循環ポンプ２８を備える。
【００１６】
また、燃料電池システム１０は、酸化ガスとしての酸素を含む空気を燃料電池１６に加圧供給するためのコンプレッサ２９を備える。燃料電池１６内を通って排気管３０を介して排出された排空気は、図示しない希釈器へと送られる。水素循環系から所定のタイミングで希釈器へと送られてくる排水素ガスは、排空気と混合されて希釈された後、車両の場合にはマフラ等を介して車外に排気される。
【００１７】
なお、燃料電池１６から排出される排空気にも生成水が含まれることから、その排空気を希釈器へ送る前に加湿器（図示せず）を通過させてそこで生成水を回収する。加湿器で回収された生成水は、コンプレッサ２９によって燃料電池１６に供給される空気に適度な湿り気を付与するのに用いられる。これにより、固体高分子型電解質膜が乾燥するのを防止して、酸素イオンの透過を良好な状態に保つことができる。
【００１８】
燃料電池１６は、固体高分子型電解質膜を燃料側電極と酸化側電極との間に挟持してなる燃料電池セルが隔壁を介して多数積層されて互いに直列接続された燃料電池スタックである。コンプレッサ２９によって燃料電池１６に供給された空気中の酸素は、各燃料電池セルの酸化側電極に含まれる触媒の作用より活性化されて酸素イオンが生成される。この酸素イオンは電解質膜を通過して燃料極電極側へ移動する。
【００１９】
一方、水素タンク１２からレギュレータ１４および開閉弁１８を介して燃料電池１６に供給された水素は、各燃料電池セルの燃料側電極の触媒の作用により活性化されて水素イオンが生成される。この際、水素原子から放出される電子が各燃料電池セルから集電されて、発電電力として燃料電池１６から取り出される。燃料電池システム１０による発電電力は、リチウムイオン電池等のバッテリ３２に充電され、そこから走行用動力源であるモータ３４を駆動するための電力として用いられる。
【００２０】
排水装置４０は、気液分離器２４と、気液分離器２４に接続される排水用配管４２の途中に設けられる電磁式開閉弁４４と、この開閉弁４４の開閉と後述する気液分離器２４内のモータの作動等を制御するコントローラ４６とを含む。
【００２１】
気液分離器２４は、その上部に位置して燃料電池１６からの排水素ガスが導入される気液分離部４８と、気液分離部４８の下部に連設されて気液分離部４８で水素ガスから分離された生成水を一時的に貯留する貯水部５０とからなっている。
【００２２】
気液分離部４８内に噴出導入された生成水混じりの排水素ガスは、気液分離部４８内で渦巻き流を形成し、そのときの遠心力によって排水素ガス中に含まれる生成水が水素ガスから分離され、下方に位置する貯水部５０へと流れ落ちる。生成水が分離された水素ガスは、気液分離部４８の上部に接続された水素循環系配管５２を介して循環ポンプ２８に送られる。
【００２３】
なお、上記気液分離部は、上述したように遠心力を利用して気液分離するものに限定されるものではなく、同様の気液分離機能を果たす如何なる公知構成のものが用いられてもよい。
【００２４】
図２は、排水装置４０の詳細を示す図である。ただし、気液分離部４８は図示を省略してある。気液分離器２４の貯水部５０内には、気液分離部４８から流下した生成水を貯留するための貯水容器５４が設けられている。貯水容器５４は、底部が閉じた円筒状の金属製の容器である。貯水容器５４内には、金属製の中空パイプからなる回転軸５６が円筒の中心軸に沿って設けられている。回転軸５６の周壁には、多数の排水孔５８が軸方向の略全体に亘る範囲に形成されており、貯水容器５４内から生成水を排水する排水管としても機能する。
【００２５】
また、回転軸５６には、複数の剥ぎ取り破断部材６０が固定されている。剥ぎ取り破断部材６０の外側端部は、貯水容器５４の内壁面６２に接触している。図２では、剥ぎ取り破断部材６０が、軸方向に間隔を置いて示されているが、回転軸５６と共に回転したときに貯水容器５４の内壁面６２に剥ぎ取り破断部材６０の外側端部が隈なく摺接するように、回転軸５６の軸方向に段違いに配置されるのが好ましい。さらに、最下部の剥ぎ取り破断部材６０は、貯水容器５４の底面にも摺接するように形成されるのが好ましい。
【００２６】
剥ぎ取り破断部材６０は、摺接により貯水容器５４の内壁面６２を傷つけないような材料、例えばゴム製のブレードとして形成されるのが好ましく、上方から見たときに回転軸５６を中心とする例えばスクリュのように構成されることができる。
【００２７】
回転軸５６の下端部は、貯水容器５４の底部６４を貫通して下方に突出している。回転軸５６は、貯水容器５４の底部６４に対して防水性能を有する軸受によって、回転可能で且つ防水シールされた状態で支持されている。貯水容器５４の下方に突出した回転軸５６の最下部外周には、金属製のギヤ６６が固定されている。このギヤ６６は、貯水部５０内に設けたモータ６８に連結された駆動ギヤ７０と噛合している。モータ６８は、コントローラ４６からの指令を受けて回転駆動される。
【００２８】
貯水容器５４とギヤ６６（または回転軸５６）とには、静電容量センサ７２が接続されている。静電容量センサ７２は、貯水容器５４の内壁面６２や底面に堆積した粘着性の付着物または堆積物の堆積具合を両者間の静電容量の変化により検出するものである。
【００２９】
貯水容器５４内には、多数の通水孔７４が形成された絶縁性材料、例えば樹脂からなるフロート７６が収容されている。また、貯水容器５４の内壁面６２の上部には、水位センサ７８が取り付けてある。水位センサ７８は、貯水容器５４に溜まった生成水が所定水位になったことを検出するためのもので、水位上昇に伴うフロート７６の上面の接近または接触によって所定水位に達したことを検出できるよう構成されている。水位センサ７８による水位検出信号は、コントローラ４６に入力される。
【００３０】
続いて、上記構成からなる排水装置４０の動作について図３も参照して説明する。図３は、排水装置４０の剥ぎ取り破断部材６０の作動タイミング（すなわちモータ６８の駆動タイミング）を示すタイミングチャートである。
【００３１】
燃料電池システム１０が運転されているとき、燃料電池１６から排出される排水素ガス中に含まれる生成水が気液分離部４８で水素ガスから分離されて、下方に位置する貯水部５０に流下して貯水容器５４内に溜まっていく。そして、貯水容器５４内の生成水が所定水位に達したことが水位センサ７８で検出されると、コントローラ４６は、排水用開閉弁４４を所定時間ｔ１だけ開弁する。これにより、貯水容器５４内に溜まった生成水は、回転軸５６の多数の排水孔５８を介して回転軸５６内に流入し、回転軸５６から排水用配管４２を経てシステム外に排出される。このとき、貯水容器５４内の略全量の生成水が排水されるのが好ましい。燃料電池システム１０の運転が継続されている間、上記のような排水動作が繰り返し実行される。
【００３２】
燃料電池システム１０の運転が長時間あるいは長期間に亘ってくると、上記のような排水動作を繰り返していくうちに、生成水中に混じっている異物（例えば燃料電池セルから流出したゲル状の炭素系水和物等）が貯水容器５４の内壁面６２や底面に次第に付着・堆積してくる。それに伴って、図３に示すように、静電容量センサ７２による静電容量Ｃの測定値が次第に高くなってくる。
【００３３】
そして、その静電容量Ｃの測定値が閾値Ｃｔｈに達したとき、コントローラ４６は、モータ６８を所定時間ｔ３だけ駆動して回転軸５６を回転させる。これにより、回転軸５６と共に回転する剥ぎ取り破断部材６０が貯水容器５４の内壁面６２や底面を摺接して、そこに堆積した付着物を剥ぎ取る。これと同時に、上記内壁面６２等から剥ぎ取られて生成水内に浮遊する付着物が、高速回転するブレード状の剥ぎ取り破断部材６０によって細かく破断される。その結果、上記付着物が比較的大きな破片となって生成水と一緒に貯水容器５４から流出するのを抑制できる。
【００３４】
モータ６８の作動によって上記付着物が容器内壁面６２から除去されていくことで、静電容量センサ７２による測定値は元の値まで低下する。
【００３５】
このように本実施形態の排水装置４０によれば、貯水容器５４の内壁面６２等に付着物がある程度堆積したときに上記のように剥ぎ取りおよび細片への破断を行うことで、車両の振動等によって貯水容器５４の内壁面６２等から剥がれた比較的大きい付着物の破片が開閉弁４４の開閉作動する弁体に噛み込まれて作動不良が発生するのを抑制できる。
【００３６】
なお、上記においては静電容量センサ７２による測定値に基づいて付着物除去のタイミングを設定したが、これに限定されず、例えば燃料電池システム１０の運転時間が所定時間に達するごとに上記と同様の付着物除去制御を実行してもよい。
【００３７】
次に、図４〜６を参照して本発明の第２の実施形態の排水装置４１について説明する。図４は排水装置４１を含む燃料電池システム１１の概略構成を示し、図５は排水装置４１の詳細を示し、図６は排水装置４１のポンプ４３の作動タイミングを示す。ここでは、上述した第１の実施形態の排水装置４０および燃料電池システム１０と同一の部材および要素について同一符号を付して、繰り返しとなる説明はなるべくしない。
【００３８】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１１における排水装置４１は、気液分離器２４と排水用開閉弁４４との間の排水用配管４２の途中にポンプ４３が設けられている点で、上記排水装置４０と異なる。ポンプ４３は、コントローラ４６からの指令を受けて作動する。
【００３９】
また、図５に示すように、貯水容器５４内には、上記排水装置４０における回転軸５６と同様の形態をなす排水管５７が貯水容器５４の中心軸に沿って設けられている。排水管５７の周壁に多数の排水孔５８が形成されている。ただし、排水管５７は、貯水容器５４の底部６４を水漏れしない封止状態で貫通させて溶接等により固定されている点および上端部が閉鎖されている点で、上記排水装置４０の回転軸５６と異なる。このように本実施形態の排水装置４１では排水管５７が貯水容器５４に対して固定されているため、上記排水装置４０におけるギヤ６６、モータ６８および駆動ギヤ７０は設けられていない。
【００４０】
気液分離器２４に接続される排水用配管４２の上端部は、貯水容器５４の底部から下方に突出した排水管５７の下端部５７ａに接続されている。また、貯水容器５４と排水管５７の下端部５７ａとには、抵抗センサ７３が接続されている。抵抗センサ７３は、貯水容器５４の内壁面６２や底面に堆積した粘着性の付着物または堆積物の堆積具合を両者間の電気抵抗の変化により検出するものである。上述した以外の排水装置４１の構成は、上記排水装置４０と同一である。
【００４１】
続いて、本実施形態の排水装置４１の動作について説明する。燃料電池システム１１が運転されているとき、燃料電池１６から排出される排水素ガス中に含まれる生成水が気液分離部４８で水素ガスから分離されて、下方に位置する貯水部５０に流下して貯水容器５４内に溜まっていく。そして、貯水容器５４内の生成水が所定水位に達したことが水位センサ７８で検出されると、コントローラ４６は、排水用開閉弁４４を所定時間ｔ１だけ開弁する。これにより、貯水容器５４内に溜まった生成水は、排水管５７の多数の排水孔５８を介して排水管５７内に流入し、配管４２からポンプ４３および開閉弁４４を経てシステム外に排出される。このとき、貯水容器５４内の略全量の生成水が排水される。燃料電池システム１０の運転が継続されている間、上記のような排水動作が繰り返し実行される（図３参照）。
【００４２】
燃料電池システム１１の運転が長時間あるいは長期間に亘ってくると、上記のような排水動作を繰り返していくうちに、生成水中に混じっている異物が貯水容器５４の内壁面６２や底面に次第に付着・堆積してくる。それに伴って、図６に示すように、抵抗センサ７３による抵抗Ｒの測定値が次第に低くなってくる。
【００４３】
そして、その抵抗Ｒの測定値が下限閾値ＲｔｈLに達したとき、コントローラ４６は、ポンプ４３を駆動すると共に開閉弁４４を開弁する。このポンプ４３の作動等は、貯水容器５４からの排水動作を一旦完了した後に配管４２およびポンプ４３内に生成水が十分に溜まったタイミングで実行するのが好ましいが、貯水容器５４内に生成水が溜まっている状態で行ってもよい。
【００４４】
上記ポンプ４３の作動によって配管４２およびポンプ４３内にある生成水が配管４２から排水管５７へと高圧で逆流し、排水管５７の排水孔５８から貯水容器５４の内壁面６２に向けて高速噴射される。このように高速噴射された生成水によって内壁面６２に付着・堆積した付着物が剥ぎ取られると共に細かく破断される。これにより上記付着物が容器内壁面６２から剥ぎ取られることで抵抗センサ７３による測定値が次第に高くなっていき、上限閾値ＲｔｈUに達したところでコントローラ４６はポンプ４３の作動を停止すると共に開閉弁４４を閉弁する。
【００４５】
上述したように本実施形態の排水装置４１によっても、上記排水装置４０と同様に、貯水容器５４の内壁面６２から剥がれた比較的大きい付着物の破片が開閉弁４４の開閉作動する弁体に噛み込まれて作動不良が発生するのを抑制できる。
【００４６】
なお、上記においては抵抗センサ７３による測定値に基づいてポンプ作動のタイミングを設定したが、これに限定されず、例えば燃料電池システム１０の運転時間が所定時間に達するごとに生成水噴射による付着物除去動作を実行してもよいし、あるいは、抵抗センサ７３に代えて静電容量センサ７２を用いて上記排水装置４０と同様に静電容量の変化を監視してポンプ作動のタイミングを設定してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０，１１  燃料電池システム、１２  水素タンク、１４  レギュレータ、１６  燃料電池、１８  電磁式開閉弁、２０  水素循環系配管、２４  気液分離器、２６  水素供給系配管、２６  水素タンク、２８  循環ポンプ、２９  コンプレッサ、３０  排気管、３２  バッテリ、３４  モータ、４０，４１  排水装置、４２  排水用配管、４３  ポンプ、４４  電磁式開閉弁、４６  コントローラ、４８  気液分離部、５０  貯水部、５２  水素循環系配管、５４  貯水容器、５６  回転軸、５７  排水管、５８  排水孔、６０  剥ぎ取り破断部材、６２  内壁面、６４  底部、６６  ギヤ、６８  モータ、７０  駆動ギヤ、７２  静電容量センサ、７３  抵抗センサ、７４  通水孔、７６  フロート、７８  水位センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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