(57)【要約】【課題】  フッ素イオン、金属イオンの排出を確実に抑えることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２から排出される水分に含まれるイオンを低減するイオン除去膜２８，４２と、燃料電池１２から排出される水分に含まれるイオンの量又は燃料電池１２から排出される水分中のイオン濃度を検出するイオン検出手段（イオン検出器５４、流量検出計５８）と、イオンの量又はイオン濃度に基づいて、燃料電池１２からの排水量を制御する流量調整弁６０と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出される水分に含まれるイオンを低減するイオン低減手段と、
前記燃料電池から排出される水分に含まれるイオンの量又は前記燃料電池から排出される水分中のイオン濃度を検出するイオン検出手段と、
前記イオンの量又は前記イオン濃度に基づいて、前記燃料電池からの排水量を制御する排水量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記イオン検出手段は、
前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記カソードから排出されたカソードオフガスに含まれる水分を捕集して排出する気液分離器と、
前記気液分離器に捕集された水分中のイオン濃度を検出するイオン濃度検出手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記イオン検出手段は、
前記気液分離器から排出される排水量を検出する排水量検出手段と、
前記イオン濃度と前記排水量とに基づいて、前記燃料電池から排出される水分に含まれるイオンの量を算出するイオン量算出手段と、
を更に含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池はフッ素系の電解質膜を備え、
前記イオン検出手段は、前記燃料電池から排出される水分に含まれるフッ素イオンの量、又は前記燃料電池から排出される水分中のフッ素イオン濃度を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、フッ素系の固体高分子膜を用いた燃料電池が用いられている。このような燃料電池において、特開２００２−３１３４０４号公報には、反応により生成された水分に含まれるフッ素イオンを除去するため、イオン交換樹脂を配設し、大気中に排出されるフッ素イオンを低減する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開２００２−３１３４０４号公報に開示された方法では、イオン交換樹脂に経時変化が生じた場合、またはイオン交換樹脂に捕獲されたイオン量が増大した場合等には、イオン交換樹脂がその機能を十分に果たさなくなる。この場合、生成水中に含まれるフッ素イオンを低減することは困難となり、フッ素が大気中に排出されるという問題が生じる。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、フッ素の排出を確実に抑えることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される水分に含まれるイオンを低減するイオン低減手段と、前記燃料電池から排出される水分に含まれるイオンの量又は前記燃料電池から排出される水分中のイオン濃度を検出するイオン検出手段と、前記イオンの量又は前記イオン濃度に基づいて、前記燃料電池からの排水量を制御する排水量制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記イオン検出手段は、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記カソードから排出されたカソードオフガスに含まれる水分を捕集して排出する気液分離器と、前記気液分離器に捕集された水分中のイオン濃度を検出するイオン濃度検出手段と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、前記イオン検出手段は、前記気液分離器から排出される排水量を検出する排水量検出手段と、前記イオン濃度と前記排水量とに基づいて、前記燃料電池から排出される水分に含まれるイオンの量を算出するイオン量算出手段と、を更に含むことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池はフッ素系の電解質膜を備え、前記イオン検出手段は、前記燃料電池から排出される水分に含まれるフッ素イオンの量、又は前記燃料電池から排出される水分中のフッ素イオン濃度を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、燃料電池から排出される水分に含まれるイオンの量又は水分中のイオン濃度に基づいて、燃料電池からの排水量を制御するようにしたため、経時変化等によりイオン低減手段の機能が低下した場合であっても、燃料電池の外部へのイオンの排出を確実に抑えることが可能となる。
【００１１】
第２の発明によれば、アノードオフガス又はカソードオフガスに含まれる水分を捕集して排出する気液分離器と、気液分離器に捕集された水分中のイオン濃度を検出するイオン濃度検出手段と、を設けたことにより、燃料電池から排出される水分中のイオン濃度を検出することができる。
【００１２】
第３の発明によれば、気液分離器から排出される排水量を検出する排水量検出手段を設けたため、イオン濃度と排水量とに基づいて燃料電池から排出される水分に含まれるイオンの量を算出することができる。
【００１３】
第４の発明によれば、フッ素系の電解質膜を備えた燃料電池からのフッ素イオンの排出を確実に抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２はフッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６にはポンプ２０、エアフィルタ２２が設けられており、ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。
【００１７】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００１８】
アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２４を通って再びアノードガス流路１４へ戻され、水素タンク１８から水素が補充されて再度アノードへ送られる。アノードオフガス流路２４には、アノードオフガスをアノードガス流路１４へ送るためのポンプ２６、アノードオフガス中のイオンを除去するイオン除去膜（イオン交換樹脂）２８、アノードオフガス中の水分を捕集して流路３０からカソードオフガス流路３２へ排出する気液分離器３４、およびアノードオフガスの逆流を抑える逆止弁３６が設けられている。アノードオフガス中の水分は少ないため、気液分離器３４で捕集した水分をカソードオフガス流路３２に送ることで、アノードオフガス中の水分に含まれるイオン等の不純物を希釈することができる。
【００１９】
一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３２を通り、最終的にはマフラ３８から排出される。カソードオフガス流路３２には、加湿器４０、カソードオフガス中のイオンを除去するイオン除去膜４２、気液分離器４４が設けられている。加湿器４０にはカソードガス流路１６も導入されており、加湿器４０は、カソードオフガス中の水分の一部を吸収し、カソードガスへ供給することでカソードガスを加湿する。
【００２０】
カソードオフガス流路３２には、マフラ３８と平行して排気水素希釈器４６が設けられている。排気水素希釈器４６は、流路４８によってアノードオフガス流路２４と接続されている。流路４８にはバルブ５０が設けられており、アノードオフガス流路２４→アノードガス流路１４→燃料電池１２を循環するガス中に窒素（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）等の成分が多く含まれる場合は、バルブ５０を開くことでこれらの成分を排出する。排気水素希釈器４６にはマフラ３８の手前で分岐したカソードオフガスが流れており、窒素等とともに流路４８から排出されたアノードオフガス中の水素は、排気水素希釈器４６で希釈されて排出される。
【００２１】
フッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池では、カソードで生成された水分中に分離膜中のフッ素が溶け出す場合がある。また、溶出したフッ素により、各流路を構成する金属（ステンレス）製の配管からニッケル、クロムなどの金属イオンが溶出する場合もある。
【００２２】
溶出したイオンは、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２に設けられたイオン除去膜２８，４２に捕集されるが、イオン除去膜２８，４２が経時変化等により劣化したり、イオン除去膜２８，４２に捕集されたイオン量が増大すると、イオン除去膜２８，４２が十分にその機能を果たさなくなる場合がある。このため、本実施形態のシステムでは、イオン除去膜２８，４２が十分に機能を果たさなくなった場合であっても、排出されるイオン量を低減するイオン排出低減手段５２を備えている。
【００２３】
イオン排出低減手段５２は、カソードオフガス流路３２を流れる水分を捕集する気液分離器４４、気液分離器４４で捕集された水分中に含まれるイオン成分、濃度を検出するイオン検出器５４、気液分離器４４で捕集された水分を排出する流路５６、流路５６における排水流量を検出する流量検出計５８、流路５６における排水量を調整する流量調整弁６０を有している。
【００２４】
本実施形態のシステムでは、アノードオフガス流路２４を流れる水分は気液分離機３４に捕集され、流路３０からカソードオフガス流路３２へ送られる。また、カソードオフガス流路３２を流れる水分は気液分離機４４に捕集される。従って、アノードオフガス流路２４、およびカソードオフガス流路３２を流れる水分は全て気液分離器４４に捕集されることになり、水分に溶出したイオンの成分、濃度はイオン検出器５４によって検出することができる。
【００２５】
イオン検出器５４で検出したイオン濃度と、流路５６を流れる排水流量とから、外部に排出されるイオンの総量が算出される。そして、流路５６から外部に排出されるイオンの量が多い場合は、流量調整弁６０の開度を小さくし、外部へのイオンの排出を抑える制御を行う。これにより、フッ素イオン、またはニッケル、クロムなどの金属イオンの外部への排出量を抑制することが可能となる。
【００２６】
次に、図２のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料電池システム１０における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、流量調整弁６０の開度を初期化し、開度を１００％（全開）の状態に設定する。
【００２７】
次のステップＳ２では、イオン検出器５４により気液分離器４４に捕集された水分中のイオン濃度を検出し、また、流量検出計５８により流路５６における排水流量を検出する。
【００２８】
次のステップＳ３では、ステップＳ２で検出したイオン濃度と排水流量に基づいて、流路５６から排出されるイオン排出量を算出する。
【００２９】
次のステップＳ４では、ステップＳ３で算出したイオン排出量と所定の規定値を比較し、イオン排出量≧規定値であるか否かを判定する。イオン排出量≧規定値の場合はイオン排出量が規定値以上であるため、ステップＳ５へ進み、流量調整弁６０の開度を調整してイオン排出量を抑える制御を行う。一方、ステップＳ４でイオン排出量＜規定値の場合は、イオン排出量が規定値に達していないため、ステップＳ２へ戻り、以降のステップで引き続きイオン排出量を監視する。
【００３０】
ステップＳ５の後はステップＳ６へ進み、ステップＳ５で流量調整弁６０の開度を調整した結果、イオン排出量＜規定値となったか否かを判定する。イオン排出量＜規定値の場合は、イオン排出量が規定値未満となったため処理を終了する(END)。一方、イオン排出量≧規定値の場合は、ステップＳ５へ戻り、流量調整弁６０の開度を再度調整する。
【００３１】
なお、図２の処理では、イオン濃度と排水流量とから求めたイオンの排出量に基づいて判定を行っているが、イオン濃度と所定の規定値とを比較し、イオン濃度が規定値以上となった場合に流量調整弁６０の開度小さくして、排出されるイオンの量を低減させても良い。
【００３２】
以上説明したように本実施形態によれば、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２を流れる水分を気液分離器４４に捕集し、気液分離器４４から外部へ排出されるイオン排出量を求め、イオン排出量が規定値を超えている場合は流量調整弁６０により排出量を抑制するようにしたため、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２に設けられたイオン除去膜２８，４２の能力が低下した場合であっても、外部にイオンが排出されてしまうことを確実に抑止することが可能となる。
【００３３】
なお、上述した実施形態では、アノードオフガス流路２４、カソードオフガス流路３２にイオン除去膜２８，４２を設けてイオンを低減させているが、イオン除去膜２８，４２を設けずに、金属配管等の表面にイオンの溶出を抑える表面処理を施すことでイオンを低減させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池
２８，４２  イオン除去膜
３４，４４  気液分離器
５４  イオン検出器
５８  流量検出計
６０  流量調整弁
【図１】
2005228591.tif 000003
【図２】
2005228591.tif 000004