(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水素排出ラインに挿入され、両端に水素流入管が装着される流入口と水素流出管が装着される排出口が形成され、水平方向に設置されるドレーンタンク、
前記ドレーンタンクの前記流入口を通して流入した水素中の水分が凝縮して生じた凝縮水を重力により分離し、下方向に排水するように前記ドレーンタンク内部に設置された多数のドレーンホールを有する排水体、
および、
前記排水体のドレーンホールを通して分離した凝縮水を排出するために前記ドレーンタンクの外側に連結された、センサーと弁機能を備えたＭＥＭＳ型（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）排水用ポンプ、
とを含めて構成される燃料電池車両用の凝縮水排出装置において、
前記ドレーンタンクは、車両のフロア下部に水平方向に配置される、直径に比べて長さが相対的に長いシリンダー形態であり、
前記ドレーンタンクの前記流入管は前記水素の進行方向に対して下向きに傾斜する形態で前記流入口に装着され、前記ドレーンタンクの前記排出管は上向きに傾斜する形態で前記流出口に装着され、
前記排水体は、前記ドレーンタンク内に二重管構造として設置され、前記流入口および前記排出口と一体に形成されるチューブ形態であって、
前記ＭＥＭＳ型排水用ポンプは、その入口側に装着され、前記ドレーンタンクから排出した流体が水素または凝縮水であるかを感知するロッドセルを含み、前記ロッドセルにより感知されたシグナルの入力を受けて、前記ドレーンタンクから排出した流体が水素である場合は閉状態を維持し、凝縮水である場合は開状態で作動する、
ことを特徴とする燃料電池車両用凝縮水排出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池車両用凝縮水排出装置に係り、更に詳しくは、水素再循環時にアノード側で発生した凝縮水が水素と混ざらないように凝縮水を分離する燃料電池車両用凝縮水排出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池自動車の主動力供給源である燃料電池は、空気中の酸素と燃料である水素の供給を受けて電気を生産する装置である。
燃料電池は分離板、アノード、電解質膜、カソード、水素・空気・冷却水分配構造物、アノード流路、カソード流路、冷却流路とで構成されている。
燃料電池駆動時、水素は水素供給源から供給され、水素供給電磁弁および配管を経て燃料電池のアノード流路に供給される。
【０００３】
燃料である水素は、利用率を高めるために未反応水素を再循環させる。浄化弁を閉めた状態で水素再循環ブロワーを稼動させると、燃料電池内で未反応水素は配管に沿って移動し、水素再循環ブロワーおよび水素再循環遮断弁を経て燃料電池アノード流路に入っていく。
定められた時間に水素浄化弁を開き、電解質膜を通して入ってきた窒素と水分を排出させる。
空気は大気から供給され、配管を通して空気ブロワーに供給され、空気ブロワーは条件によって流量を制御し、配管を通して燃料電池のカソード流路に供給される。
【０００４】
アノード流路の水素（Ｈ２）は、アノードの触媒でＨ＋イオンとｅ−に変換され、電解質膜を通してカソード側に移動する。カソード流路に存在するＯ２がカソードの触媒でＯ−イオンに変換され、Ｈ＋イオンとＯ−イオンが反応してＨ２Ｏに変換される。
従来の燃料電池車両では、カソードだけでなくアノード側でも運転条件によって水蒸気が凝縮され、このような凝縮水を除去することで、燃料電池システムの耐久寿命の延長および性能向上に寄与することができる。
【０００５】
燃料電池システムのアノード側で発生した水は、燃料電池システムから排出され、水素再循環ブロワーに入り、水素タンクから出てきた水素と混合されて燃料電池のアノード流路に再び入る。
このようにすることで、水素の浪費なしに水素の使用量を最大にすることができ、水素が大気中に排出された場合の安全上の問題も解決することができる。
【０００６】
しかし、燃料電池から排出される水素には燃料電池から必然的に発生する水が混入している。水蒸気形態となっている場合は全く問題はないが、運転条件によっては凝縮水の形態で出る量が存在する。
水素（アノード）側から発生した凝縮水が再循環ブロワーに入る場合、再循環ブロワーに過負荷がかかり、燃料電池システムの入口側にフローディングを誘発し、システムおよび再循環ブロワーの耐久性に致命的な影響を及ぼす。
更に、凝縮水を排出する際、水素が排出されると車両の安全性に深刻な問題を引き起こすため、水素は排出されないようにしなければならない。
【０００７】
このような問題点を解決するために既存の燃料電池車両では、重力により凝縮水を除去する水排出装置を採用してきた。
図１は、従来の水排出装置の一例を表す図である。燃料電池システムがエンジンルームに位置し、凝縮水の流入および排出のために、上段および下段に流入口１と排出口２が形成されたハウジング３と、排出口２に設置されて流量を調節する電磁弁４と、ハウジング内部の凝縮水の水位を感知する水位センサー５，６とで構成されている。
ハウジングは、全長が１８５ｍｍ、総容量は６８０ｍｌであり、水位センサーはハウジング３の上部に設置された高水位センサー５と、ハウジング３の下部に設置された下水位センサー６から構成される。
【０００８】
ハウジング３の流入口１を通して凝縮水が高水位センサー５の水準まで到達すると、電磁弁４を開いて水を排出させ、凝縮水が低水位水準まで到達すると、弁を閉めて水が更に排出されないように制御することで、再循環水素に含まれた水分を除去し、大気中に水素が排出されることが防ぐ。
しかし、今後、セダンのような車両に燃料電池システムが適用される場合、燃料電池システムが車両のフロアに位置するため、このように配置される場合、既存の重力により凝縮水を除去する水排出装置を適用することができなくなる。
【０００９】
燃料電池システムが車両のフロアに配置される場合、既存の水排出装置を適用することができない理由は下記の通りである。
図２はセダン型車両の中央フロア７に燃料電池８を装着する場合の地上高を表す概略図である。図２に表した地上高は今後改善され得るが、その幅は制限される。符号９は水素タンクである。
【００１０】
この場合、地上高から燃料電池８の最低面までの長さは１７０ｍｍであり、全長が１８５ｍｍである既存の水排出装置を利用することが難しい。すなわち、既存の水排出装置は重量を利用して水を排出する装置であるため、燃料電池の最低面より下側に位置してこそ燃料電池から排出された水が重量により排出されるが、図２のようなセダンで重量を利用して凝縮水を除去する場合、地上高の高さが１５０ｍｍ以下と低くなければならないが、それにも拘わらず、既存の装置はわずか２０ｍｍの高さしか確保することができないからである。
既存の装置を変形して使用するとしても、既存の長さが１８５ｍｍであるため、地上高を確保するのに無理がある。
【特許文献１】特開２００６−２２８６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は前記のような点を勘案してなされたものであり、本発明の目的は水素排出ラインの中間に凝縮水を捕捉するシリンダー形態のドレーンタンクを設置し、ＭＥＭＳ型ポンプを使用して所望する時間に、所望する量の凝縮水をシステム外部に排出させることで、水素が再循環ブロワーおよび燃料電池に再循環される時、凝集水が共に入っていくのを防止し、シリンダー形態のドレーンタンクを水平に設置して地上高を確保することで、セダン型燃料電池車両にも適用することができるようにした燃料電池用凝縮水排出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池の水素排出ラインに挿入され、両端に水素流入管が装着される流入口と水素流出管が装着される排出口が形成され、水平方向に設置されるドレーンタンク、前記ドレーンタンクの前記流入口を通して流入した水素中の水分が凝縮して生じた凝縮水を重力により分離し、下方向に排水するように前記ドレーンタンク内部に設置された多数のドレーンホールを有する排水体、および、前記排水体のドレーンホールを通して分離した凝縮水を排出するために前記ドレーンタンクの外側に連結された、センサーと弁機能を備えたＭＥＭＳ型（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）排水用ポンプ、とを含めて構成される燃料電池車両用の凝縮水排出装置において、前記ドレーンタンクは、車両のフロア下部に水平方向に配置される、直径に比べて長さが相対的に長いシリンダー形態であり、前記ドレーンタンクの前記流入管は前記水素の進行方向に対して下向きに傾斜する形態で前記流入口に装着され、前記ドレーンタンクの前記排出管は上向きに傾斜する形態で前記流出口に装着され、前記排水体は、前記ドレーンタンク内に二重管構造として設置され、前記流入口および前記排出口と一体に形成されるチューブ形態であって、前記ＭＥＭＳ型排水用ポンプは、その入口側に装着され、前記ドレーンタンクから排出した流体が水素または凝縮水であるかを感知するロッドセルを含み、前記ロッドセルにより感知されたシグナルの入力を受けて、前記ドレーンタンクから排出した流体が水素である場合は閉状態を維持し、凝縮水である場合は開状態で作動する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による燃料電池用凝縮水排出装置によると、水素排出ラインの中間に水素と混ざり合っている凝縮水を容易に捕捉することができる構造のドレーンタンクを設置し、ポンプを利用して所望する時間に、所望する量の凝縮水を排出させることで、水素の再循環時、凝縮水が共に循環されることを防止するだけでなく、水素が大気中に排出されないようにすることで、燃料電池の性能向上および安定性を図ることができる。
【００１８】
更に、胴体が直系に比べて長いシリンダー形態であり、流入口および排出口が一定角度に傾斜するように装着されることで、重力により凝縮水を水素から分離しながら一定高さの地上高を確保することができるため、セダン型燃料電池車両に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
【実施例】
【００２０】
図３は本発明の一実施例による燃料電池用凝縮水排出装置を表す斜視図であり、図４は図３の側面図であり、図５は図３のドレーンタンクの内部構造を表す断面図である。
本発明は、燃料電池１０のアノード側で発生した凝縮水が、水素の再循環時に共に混ざり合わないように分離し、大気中に水素が排出されないようにすることを狙ったものである。
特に、本発明は、重量によりアノード側で発生された凝縮水を分離排出する装置がセダン型燃料電池車両にも適用が可能な構造である。
【００２１】
本発明の一実施例による凝縮水排出装置は、燃料電池から排出される水素を再循環ブロワーを通して再循環させるために、燃料電池の出口側に設置された水素排出ライン１１の中間に設置される。
凝縮水排出装置は、両端に流入口と排出口が形成されたドレーンタンク１２と、ドレーンタンクに捕捉された凝縮水を所望する時間に、所望する量を取り出す排水用ポンプ１３から構成されている。
ドレーンタンク１２の胴体は、シリンダー形態であり、直径に比べて長さが相対的に長い構造であり、タンク内部を水素が移動しながら水素に含まれた凝縮水が下方向に形成されたドレーンホール１４を通して抜けていく構造である。
【００２２】
また、水素に含まれた重量が大きい凝縮水が重力の影響により下部方向に排出され場合、重力は位置エネルギーに比例するため、凝縮水が重力の影響を多く受けるように流入口１５と排出口１６が一定角度で傾斜するよう設置される。
この時、流入口１５は水素進行方向を基準に下向き傾斜するように、そして排出口１６は上向き傾斜するように形成されている。
そして、ドレーンタンク１２の下段にはドレーンホール１４を通して凝縮水を排出させるためのドレーンフォト１７が形成されている。
【００２３】
このような構造は、凝縮水排出装置がセダン型燃料電池車両に適用される場合、燃料電池１０がフロアの下部に配置されるため、最大限の地上高を確保すると同時に、重量による凝縮水の排出効率を向上させるためのものである。
排水用ポンプ１３は、ドレーンタンク１２のドレーンホール１４を通して貯蔵された凝縮水を外に排出するための装置であり、ポンプとドレーンタンクの間には凝縮水を排出するための連結ホースまたは連結パイプが設置される。
【００２４】
また、ポンプは、ＭＥＭＳ用として開発されたポンプなどを使用し、ポンプの必要条件は下記の通りである。
第１に、水の排出量が１分当り１００ｍＬ以上の時に、システムの最大出力条件で発生する最大量を排出することができること。
第２に、既存のシステムが有する２個の水位センサーおよび電磁弁をポンプ一つで代替するために、ポンプがセンサー機能と弁機能を有していること。
【００２５】
ここで、ポンプはノーマルクローズ方式で、ポンプの入口端にロッドセンサー機能を有する必要がある。即ち、ポンプに液体が流入する時と気体が流入する時ではポンプにかかる負荷が異なるが（公知技術）、これを感知し、液体である場合、ポンプを動作させる機能が含まれる必要がある。また、水素による腐食を防止するためにポンプはＰＴＦＥ材料であるダイアフラム方式（公知技術）を使用する。
【００２６】
以下、このような構成による本発明の一実施例による燃料電池用凝縮水排出装置の作動状態を説明する。
水素が供給される燃料電池１０のアノードには、凝縮水が、電解質膜を通して、あるいは、再循環水素と共に流入する。このような凝縮水は、再循環ブロワーの負荷を増加させ、あるいは、燃料電池の電極に凝縮水が付着して燃料電池の性能を低下させる問題が生じるため、凝縮水を水素から分離して排出するために、水素排出ライン１１の中間に設置されたドレーンタンク１２に流入させる。
【００２７】
ドレーンタンク１２の流入口１５を通して内部に流入する水素が、長く形成されたシリンダー型胴体を通る場合、重量が大きい凝縮水はドレーンホール１４を通して下部方向に抜けていき、ドレーンフォト１７を通して排水用ポンプ１３に移動する。
万一、ポンプの入口側に移動した流体が凝縮水ではない水素気体である場合は、ロッドセルがこれを感知してポンプ１３が閉められた状態を維持し、凝縮水である場合はポンプ１３が閉状態となり外部に排出される。この時、排水用ポンプ１３は、電磁弁のようにロッドセルから感知されたシグナルにより開閉制御される。
【００２８】
従って、本発明の一実施例による凝縮水排出装置は、フロア下部に燃料電池システムを適用させる場合、水素排出ラインに設置されたドレーンタンク１２を利用して一定の地上高さを確保し、再循環される水素に含有された水分を分離することができ、ロッドセルの装着された排水用ポンプ１３を利用して、水素および凝縮水を感知して凝縮水のみを外部に排出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の燃料電池用水排出装置の一例を表す斜視図である。
【図２】セダン型燃料電池車両において、燃料電池システムが装着された状態を表す概略図である。
【図３】本発明の一実施例による燃料電池用凝縮水排出装置を表す斜視図である。
【図４】図３の側面図である。
【図５】図３のドレーンタンクの内部構造を表す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
８，１０  燃料電池
１１  水素排出ライン
１２  ドレーンタンク
１３  排水用ポンプ
１４  ドレーンホール
１５  流入口
１６  排出口
１７  ドレーンフォト
【図１】
0005495353.tif 000002
【図２】
0005495353.tif 000003
【図３】
0005495353.tif 000004
【図４】
0005495353.tif 000005
【図５】
0005495353.tif 000006