(57)【要約】【課題】燃料電池用水タンクの換気システムにおいて、排気ラインに噴出した水により配管の曲がり部が塞がれ、システム動作が不安定になるのを防止する。【解決手段】燃料電池用水タンクに、タンク内に空気を流通させて内部を換気する換気手段と、燃料電池用水タンクから排気された希釈水素を外部に導く排気ラインと、前記排気ラインに噴出した水分または前記排気されたガスから水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置により分離された水分を外部に導く排水ラインと、前記排水ラインから導かれた水分を希釈する空気供給ラインとを設け、タンクから排出された希釈水素を排気ラインに導き、気液分離装置により希釈水素から水分、または排気ラインに噴出した水を分離するとともに、気液分離装置により分離された水分を排水ラインにより空気供給ラインに導いて、水素を希釈するようにした。【選択図】    図１
2005158403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水循環系に接続され、前記燃料電池に供給するための水を貯蔵する燃料電池用水タンクと、
前記燃料電池用水タンクの内部を換気するための換気手段と、
前記換気手段により前記燃料電池用水タンクから排出されたガスを外部に排気する排気ラインと、
前記排気ラインに噴出した水分または前記排気されたガスから水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置により分離された水分を外部に導く排水ラインと、
前記排水ラインと接続され、前記排水ラインから導かれた水素を希釈する空気供給ラインと、
を備えたことを特徴とする燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項２】
前記気液分離装置は、前記空気供給ラインよりも重力方向において高い位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項３】
前記空気供給ラインは、燃焼器を含む燃焼ガス排気ラインであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項４】
前記排水ラインは、前記燃焼器の下流側で前記燃焼ガス排気ラインと接続されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項５】
前記換気手段として、前記燃料電池用水タンクに空気を供給する空気供給装置と、前記排気ラインの出口端に接続され、前記気液分離装置により水分が分離されたガスを空気により希釈するガス希釈装置とを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項６】
前記気液分離装置以降の前記排気ラインの径は、前記排水ラインの径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項７】
前記気液分離装置以降の前記排気ラインおよび前記排水ラインのそれぞれに絞り手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【請求項８】
前記燃料電池用水タンクはタンク周囲に加熱手段を備え、前記気液分離装置は前記燃料電池用水タンクの外周に接合され、前記加熱手段からの熱が伝導されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池用水タンクの換気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を加湿、冷却するための水を貯蔵する燃料電池用水タンクの換気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載可能な燃料電池システムは、燃料電池の水素極に燃料ガスとなる水素を、また空気極には酸化剤ガスとして空気を供給してこれらを反応させることにより発電電力を得ている。従来、このような燃料電池システムでは、燃料電池の運転中に、電解質膜や燃料極、空気極を加湿、冷却するための水循環システムを備えている（特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−２８２１０６号公報
【特許文献２】特開２００２−２６０７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池の燃料極に供給された水素の一部は、微量ながら水循環システムの流路（以下、適宜に水流路）に混入することが知られている。水循環システムは、純水（以下、適宜に水という）を貯蔵する水タンクとつながっているため、水流路に混入した水素は水とともに回収されて水タンクに溜まることになる。そこで、水タンクに溜まった水素を排出するための換気システムとして、水タンク内に希釈用の空気を送り込み、希釈された水素ガス（以下、希釈水素）を排気ラインから外部に排出するようにしたものがある。
【０００４】
上記換気システムでは、水タンク内に濃度の高い水素が一時的に溜まることもあるため、水素の濃度を問題のないレベルまで希釈するために、常に大流量の空気を供給する必要がある。しかし、このような大流量の空気を水タンクに供給すると、タンク内部の水面に水しぶきがあがり、排気ラインに水が噴出してしまうことがある。通常、排気ラインには幾つかの曲がり部があるため、排気ラインに噴出した水がライン途中の曲がり部に留まって配管が塞がれると、空気の供給量に比べて排気量が少なくなるために水循環システムの圧力が上がり、システム動作が不安定になるおそれがある。とくに、タンク内の水素濃度が高くなった場合を想定して換気を行うと、常時から多くの空気を供給することになるため、排気ラインに噴出する水の量も多くなることから、システム動作がますます不安定なものとなる。この場合、リリーフ弁などを設けてタンクの内圧上昇を防ぐことも考えられるが、濃度の高い水素がそのまま外部に排気されることになるため、有効な対策とはならない。
【０００５】
また、水循環システムの圧力が上がると、燃料電池のスタック内部の膜に負担がかかり、スタックの破損につながることも考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係わる燃料電池用水タンクの換気システムは、燃料電池の水循環系に接続され、前記燃料電池を加湿、冷却するための水を貯蔵する燃料電池用水タンクと、前記燃料電池用水タンクに空気を流通させて内部を換気するための換気手段と、前記換気手段により前記燃料電池用水タンクから排気されたガスを外部に導く排気ラインと、前記排気ライン上に設けられ、この排気ラインに噴出した水分または前記排気されたガスから水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置により分離された水分を外部に導く排水ラインと、前記排水ラインと接続され、前記排水ラインから導かれた水素を希釈する空気供給ラインとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池用水タンクから排気ラインに排出されたガスに含まれる水分、あるいはタンクの水面に生じた水しぶきにより排気ラインに噴出した水は気液分離装置により分離されるため、それ以降の配管の曲がり部などに水が溜まることがなく、曲がり部が水により塞がれることがない。このため、排気ラインへの水の噴出により水循環システムの圧力が上がることがなくなり、常に安定したシステム動作が可能になるとともに、燃料電池のスタック内部の膜に負担をかけることがないため、スタックの破損を防止することができる。また、気液分離装置で分離された水分は空気供給ラインに排出されるため、この空気供給ラインで水素を確実に希釈して排気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係わる燃料電池用水タンクの換気システムを実施するための最良の形態として、本発明を燃料電池用水タンクの水素換気システムとして構成した場合の実施例について説明する。
【実施例１】
【０００９】
図３は、本実施例に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１０】
燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより直流電力を発電する燃料電池スタックであり、電解質膜１０３の両側に空気極１０１と燃料極１０２とを配置した燃料電池セル構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。燃料電池１内には、空気極１０１、燃料極１０２および電解質膜１０３を加湿、冷却するための図示しない水流路が設けられている。
【００１１】
本実施例では、燃料電池１で発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給するとともに、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。
【００１２】
水タンク１０は、燃料電池１に供給する加湿、冷却用の水を貯蔵するタンクである。水タンク１０から送り出された水は水循環流路Ｌ４により燃料電池１に供給され、余り水は再び水タンク１０に回収される。また、燃料電池１の燃料極１０２から水流路に混入し、水循環流路Ｌ４を通って水タンク１０に溜まった水素は、水タンク１０内で希釈された後、希釈水素排出路Ｌ５により水素希釈装置９に排出される。
【００１３】
水素希釈装置（ガス希釈装置）９は、燃料電池１の燃料極１０２から排出された水素を燃料供給流路Ｌ２から、またパージすべき水素を燃料パージ流路Ｌ３から、さらに水タンク１０から排出された希釈水素を希釈水素排出路Ｌ５からそれぞれ導入し、これら水素および希釈水素を外気導入した空気を用いて希釈して排気する。
【００１４】
図３に示す燃料電池システムは、燃料電池１に空気を供給する空気系と、燃料電池１に水素ガスを供給する燃料系と、燃料電池１に加湿、冷却用の純水を供給する水循環系と、水タンク１０内に溜まった水素を希釈して排気するための水素希釈系と、図示しない熱交換器を加熱するための燃焼ガス系と、水タンク１０から水素希釈系に入り込んだ水を排出するための水排出系とを備えている。
【００１５】
空気系は、空気供給流路Ｌ１に、空気を圧送するコンプレッサ２、圧力調整用の制御弁３が設けられて構成されている。
【００１６】
燃料系は、燃料供給流路Ｌ２に、燃料貯蔵用タンク４、圧力調整用の制御弁５、燃料循環用のエゼクタポンプ６が設けられて構成されている。また、燃料系には、燃料供給流路Ｌ２から分岐した燃料パージ流路Ｌ３が設けられている。燃料パージ流路Ｌ３はエゼクタポンプ６の下流から分岐した水素排出配管７で構成され、水素放出弁８が設けられて水素希釈装置９に接続されている。
【００１７】
水循環系は、水タンク１０につながる水循環流路Ｌ４に、駆動速度を無段階調節可能なポンプ１１が設けられて構成され、燃料電池１に加湿、冷却用の水を供給している。
【００１８】
水素希釈系は、希釈水素排出路Ｌ５（排気ライン）に、希釈ブロア（空気供給装置）１２、水タンク１０、セパレータ（気液分離装置）１３が設けられて構成され、水素希釈装置９に接続されている。希釈ブロア１２と水素希釈装置９は、本実施例における換気手段を構成する。
【００１９】
燃焼ガス系は、燃焼ガス排出路（空気供給ライン、燃焼ガス排気ライン）Ｌ６に、燃焼空気ブロア１４、燃焼器１５が設けられて構成されている。
【００２０】
水排出系は、希釈水素排出路Ｌ５のセパレータ１３から取り出された水排出ライン（排水ライン）Ｌ７からなり、燃焼器１５の下流側で燃焼ガス排出路Ｌ６と接続されている。
【００２１】
図３において、水タンク１０、水素希釈装置９、希釈ブロア１２、セパレータ１３、燃焼器１５、希釈水素排出路Ｌ５、水排出ラインＬ７、燃焼ガス排出路Ｌ６は、本実施例における水素換気システムを構成する。
【００２２】
図１は、本実施例に係わる水素換気システムを示す概略構成図であり、図３と同一部分を同一符号で示している。
【００２３】
水素希釈装置９は、希釈ブロア９ａ、各流路からの入口配管およびこれらを収納する筐体により構成されている（一部図示を省略）。水素希釈装置９には、図示しない水素排出配管７（図３）、および希釈水素排出配管３０が接続され、これら配管から排出された希釈水素を外気導入した空気により希釈して排気する。
【００２４】
燃焼ガス排出配管３２は、燃焼ガス系の燃焼ガス排出路Ｌ６（図３）として設けられ、燃焼空気ブロア１４、燃焼器１５が接続されている。燃焼空気ブロア１４により外気導入された空気は燃焼器１５へ送られ、燃焼器１５での燃焼反応により生じた燃焼ガスが燃焼ガス排出配管３２を介して熱交換器へ排出される。
【００２５】
水タンク１０は、底面壁１６と、４方に配置された外側面壁１７と、これらの上面をふさぐ上面壁１８によって外側が囲まれた気密構造の貯水槽として構成されている。また、４方の外側面壁１７で囲まれた内側には、内側面壁１９により４方が囲まれた純水槽２０が設けられている。更に、内側面壁１９と外側面壁１７との間には熱媒体槽２１が形成されている。すなわち、水タンク１０は二重構造であり、内部には、内側面壁１９により囲まれた純水槽２０と、内側面壁１９及び外側面壁１７により囲まれた熱媒体槽２１とが形成されている。純水槽２０には純水２２が貯水され、熱媒体槽２１には熱媒体２３が充填されている。
【００２６】
水タンク１０の熱媒体槽２１には、熱媒体供給配管２４、熱媒体戻り配管２５が接続されている。熱媒体２３は図示しないヒータ、ポンプにより熱媒体供給配管２４に供給され、熱媒体槽２１内で純水２２を加温し、熱媒体戻り配管２５から排出された後、再びヒータ、ポンプへ戻される。このように熱媒体２３は、図示しないヒータ、ポンプ、熱媒体槽２１を回る経路を循環している。図１に示す熱媒体槽２１と熱媒体２３は本実施例における加熱手段を構成する。本実施例では、加熱手段として熱媒体槽２１と熱媒体２３を用いた例を示したが、加熱手段としては電熱線等によるヒータや、燃焼器１５につながる図示しない熱交換器の熱を利用したものでもよい。
【００２７】
水タンク１０の純水槽２０には、水循環流路Ｌ４につながる水供給配管２６および水戻り配管２７が接続されている。水供給配管２６は、純水槽２０内から上面壁１８を貫通して外部に導かれ、その純水槽２０側の先端開口部２６ａは純水槽２０内の底面近傍に配置されている。水戻り配管２７は、外部より上面壁１８を貫通して純水槽２０内に導かれ、その純水槽２０側の先端開口部２７ａは純水槽２０の水面側に突出して配置されている。
【００２８】
水タンク１０純水槽２０には、希釈ブロア１２からの送風された空気を純水槽２０の上部空間２０ａに供給する空気供給配管２８が接続されている。また純水槽２０には、純水槽２０の上部空間２０ａで希釈された希釈水素を排出する希釈水素排出配管２９が接続されている。
【００２９】
水タンク１０の一側面には、純水槽２０から排出された希釈水素から水分を分離、および希釈水素排出配管２９に噴出した水を分離するセパレータ１３が配置されている。本実施例において、セパレータ１３は、燃焼ガス排出配管３２よりも重力方向において高い位置に設けられている。
【００３０】
図２は、セパレータ１３とその周辺部分を示す概略構成図である。本実施例において、セパレータ１３は水タンク１０の一側面に、熱媒体槽２１内を循環する熱媒体２３からの熱（破線矢印）が伝達されるように接合されている。セパレータ１３は、水タンク１０の側面に直接に接合されてもよいし、熱伝導部材等を介して間接的に接合されていてもよい。
【００３１】
セパレータ１３の上部には、水タンク１０から排出された水分を含む希釈水素を導入するための希釈水素排出配管２９が接続されるとともに、水分が分離された希釈水素を後段の水素希釈装置９へ排出するための希釈水素排出配管３０が接続されている。一方、セパレータ１３の下部には、希釈水素から分離された水または希釈水素排出配管２９に噴出した水を排出するための排水配管３１が取り付けられ、燃焼ガス排出配管３２（図１）に接続されている。本実施例において、セパレータ１３からの排水配管３１は、燃焼器１５の下流側で燃焼ガス排出配管３２に接続されている。
【００３２】
なお、本実施例では、排水配管３１を燃焼ガス排出配管３２に接続した例について示しているが、排水配管３１により排出した水を希釈するための空気供給ラインを別系統のラインとして設け、ここに排水配管３１を接続するように構成してもよい。
【００３３】
希釈水素排出配管３０には絞り手段としてのオリフィス３３が設けられ、排水配管３１には同じく絞り手段としてのオリフィス３４が設けられている。このうち、オリフィス３３はセパレータ１３から排出される希釈水素の量を制御するために設けられ、オリフィス３４はセパレータ１３から排出される水（または希釈水素）の量を制御するために設けられている。これらのオリフィス３３、３４の内径を適宜に選定することにより、希釈水素排出配管３０から排出される希釈水素と排水配管３１から排出される水（または希釈水素）の流量バランスを調整することができる。
【００３４】
また、本実施例において、セパレータ１３の出口側に取り付けられた希釈水素排出配管３０の配管径（内径）は、セパレータ１３の下部に取り付けられた排水配管３１の配管径よりも大きくなるように選定されている。
【００３５】
図２において、水タンク１０に溜まった水分を含む希釈水素または水面から噴出した水は、入口側の希釈水素排出配管２９を通じてセパレータ１３へ導入され、セパレータ１３内で水分が分離された後、希釈水素は出口側の希釈水素排出配管３０を通じて水素希釈装置９へ排出される。また、分離された水分はセパレータ１３の底面部１３ａに溜まり、そのうちの一部は排水配管３１を通って燃焼ガス排出配管３２に排出される。排水配管３１には分離された水が流れるだけでなく、この水が流れていないときには、希釈水素が排出される。
【００３６】
次に、上記のように構成された換気システムにおける水タンク１０の換気動作について説明する。
【００３７】
図３に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池１の燃料極１０２に供給された水素が図示しないセパレータを通過して水流路に混入した場合、この水素は水循環流路Ｌ６を通って水タンク１０に溜まることになる。水タンク１０には、図１に示すように、希釈ブロア１２の送風による空気が空気供給配管２８から供給されているため、水タンク１０の上部空間２０ａに溜まった水素が希釈されて、希釈水素として換気される。この希釈水素または水面から噴出した水は希釈水素排出配管２９を通ってセパレータ１３へ導入される。セパレータ１３では、希釈水素に含まれる水分または噴出した水が分離されて、希釈水素は希釈水素排出配管３０を通って水素希釈装置９へ排出され、水分はセパレータ１３の下部から排水配管３１を通って燃焼ガス排出配管３２へ排出される。水素希釈装置９へ排出された希釈水素は、外気導入した空気により希釈された後、外部に排気される。また排水配管３１へ排出された水は、燃焼ガス排出配管３２において、燃焼器１５から送られてきた燃焼ガスにより希釈される。
【００３８】
上記換気システムによれば、水タンク１０から希釈水素排出配管２９に排出される希釈空気に含まれる水分、あるいは水タンク１０の水面に生じた水しぶきにより希釈水素排出配管２９に噴出した水はセパレータ１３により希釈空気と分離されるため、それ以降の希釈水素排出配管３０のオリフィス３３や配管の曲がり部に水が溜まることがなく、オリフィス３３や配管の曲がり部が水により塞がれることがない。このため、排気ラインへの水の噴出により水循環システムの圧力が上がることがなくなり、常に安定したシステム動作が可能になる。また、燃料電池のスタック内部の膜に負担をかけることがないため、スタックの破損を防止することができる。
【００３９】
とくに本実施例では、セパレータ１３の後段に水素希釈装置９を設けたことにより、水タンク１０から一時的に濃度の高い希釈水素が流れてきたとしても、この希釈水素を十分に希釈して排気することができるため、外部に高濃度の水素が排気されるのを防ぐことができる。また、水タンク１０内に一時的に濃度の高い希釈水素が流れることを想定して、大流量の空気を供給する必要がないため、タンク内の水素を少ない空気で希釈、排出することができる。さらに、大流量の空気を供給しないため、タンク内部の水面に水しぶきがあがることがなく、排気ラインへの水の噴出をより少なくすることができる。
【００４０】
また、分離された水は燃焼ガス排出配管３２に排出されるため、ここで、燃焼器１５から送られてきた燃焼ガスにより確実に希釈することができる。なお、排水配管３１内に水が流入していないときは、セパレータ１３に排出された希釈水素が流れるが、排水配管３１は燃焼ガス排出配管３２と接続されているため、一時的に濃度の高い希釈水素が排水配管３１に流れたとしても、燃焼器１５からの燃焼ガスにより十分に希釈することができる。
【００４１】
また、セパレータ１３内に残留している水は、水量の増加、希釈水素の通過による空気の流れ、あるいは揺れ等により排水配管３１に流れ込むことになる。本実施例では、セパレータ１３が燃焼ガス排出配管３２よりも重力方向において高い位置に設けられているため、セパレータ１３内の水が排水配管３１に流れ込んだ状態でシステムの運転が止まっても、排水配管３１内の水は自重で燃焼ガス排出配管３２へ排出される。したがって、低温環境下において、内部に残った水の凍結により排水配管３１が塞がってしまうことがない。
【００４２】
また、セパレータ１３から排水配管３１により排出した水を燃焼ガス排出配管３２へ排出するようにしているため、排水配管３１により排出した水を希釈するための専用の空気供給ラインを設ける必要がなく、設備を簡素化することができる。
【００４３】
また、セパレータ１３から取り出された排水配管３１は、燃焼器１５の下流側で燃焼ガス排出配管３２に接続されているため、燃焼器１５の上流側に接続した場合に比べて、燃焼器１５の燃焼温度を下げることがなく、常に安定した燃焼を行うことができる。
【００４４】
また、セパレータ１３に出口側に取り付けられた希釈水素排出配管３０の配管径が、下部に取り付けられた排水配管３１の配管径よりも大きくなるように選定されているため、希釈水素を希釈水素排出配管３０により多く排出することができる。
【００４５】
また、セパレータ１３は水タンク１０の周囲に接合され、熱媒体槽２１からの熱が伝達されるように構成されているため、希釈水素排出配管３０のオリフィス３３や配管の曲がり部などに残った水滴が低温環境下で凍結しても、熱媒体槽２１からの熱により自己解凍することができる。このように、低温環境下においても、水滴の凍結により排気ラインが塞がれることがないため、水循環システムの圧力が上がることがなく、常に安定したシステム動作とスタックの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例に係わる水素換気システムを示す概略構成図。
【図２】セパレータとその周辺部分を示す概略構成図。
【図３】実施例に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池
７…水素排出配管
９…水素希釈装置
１０…水タンク
１２…希釈ブロア
１３…セパレータ
１４…燃焼空気ブロア
１５…燃焼器
２０…純水槽
２１…熱媒体槽
２２…純水
２３…熱媒体
２８…空気供給配管
２９、３０…希釈水素排出配管
３１…排水配管
３２…燃焼ガス排出配管
３３、３４…オリフィス
【図１】
2005158403.tif 000003
【図２】
2005158403.tif 000004
【図３】
2005158403.tif 000005