(57)【要約】【課題】オフガス循環ラインにおける不純物除去手段としてイオン交換樹脂が用いられているシステムにおける作業性・利便性を向上させる。【解決手段】反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２と、該燃料電池２に反応ガスを供給するガス供給流路２２と、燃料電池２での反応後のオフガスをガス供給流路２２に循環させるオフガス循環ライン２３と、該オフガス循環ライン２３に配置された不純物除去装置３０とを備え、不純物除去装置３０にイオン交換樹脂３２が充填されている燃料電池システムに、イオン交換樹脂３２を再生する再生剤と、該再生剤を供給する再生剤タンク３４および再生剤供給ライン３５と、を備えさせる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するガス供給流路と、前記燃料電池での反応後のオフガスを前記ガス供給流路に循環させるオフガス循環ラインと、該オフガス循環ラインに配置された不純物除去装置とを備え、前記不純物除去装置にイオン交換樹脂が充填されている燃料電池システムにおいて、
前記イオン交換樹脂を再生する再生剤と、
該再生剤を供給する再生剤タンクおよび再生剤供給ラインと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記イオン交換樹脂の劣化判断手段を備え、前記イオン交換樹脂の劣化を判断した際に前記再生剤供給タンクから前記再生剤を前記イオン交換樹脂に供給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。
【請求項３】
前記再生剤の供給を所定時間毎に行うことを特徴とする請求項１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。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池から排出されるオフガス中の不純物を除去するための装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料電池からのオフガスをガス供給流路に循環させるためのオフガス循環ラインに不純物除去装置を備えているものがある。これは、燃料電池から排出される例えば水素ガスの未反応分を有効利用するべくオフガス循環ラインに戻す際、気液分離器によってガスと水分とを分離する場合に、当該ガスや水に含まれることのある不純物を除去するというものである。
【０００３】
従来、このような不純物除去装置における不純物除去手段としてイオン交換樹脂が利用されている。イオン交換樹脂はイオン交換性の基をもつ高分子電解質からなる網状構造の樹脂であり、イオン交換によって吸着したイオンを樹脂の表面だけでなく内部にも入り込ませる。燃料電池システムの配管部品等から溶出した不純物中には金属イオンやフッ素イオンが含まれている場合があり、これらイオンは金属の腐食や燃料電池の機能低下を招くおそれがあるが、このようなイオン交換樹脂によればイオンを吸着して除去することが可能である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２８５７３５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、イオン交換樹脂が劣化した場合にはカートリッジ交換する等して当該樹脂を取り換えなければならない。特にイオン交換樹脂が水素オフガス循環ラインに設けられているような場合には、配管の取外しや組付けが煩雑であるため作業性・利便性といった点で問題である。
【０００５】
そこで、本発明は、オフガス循環ラインにおける不純物除去手段としてイオン交換樹脂が用いられているシステムにおける作業性・利便性を向上させう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】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述したように、イオン交換樹脂はイオン交換によってイオンを吸着するものであるが、このようにして吸着されたイオンは単に水洗しても樹脂からは取り除くことができず、例えば濃厚な塩酸や苛性ソーダ液で洗浄することにより当該イオンを取り除いて樹脂の処理能力を回復させるか、あるいは樹脂ごと交換する必要がある。また、イオン交換樹脂の処理能力を超えたイオン交換量を処理することは当然に不可である。このようなイオン交換樹脂は、ある一定量のイオン成分を吸着するまではそのまま使用され続けている、逆にいえば、交換前の時期には処理能力が低下してしまったまま使用されているというのが現状である。本発明者は燃料電池システムにおけるイオン交換樹脂のこのような特徴に着目してさらに検討を重ねた結果、先述の課題を解決しうる技術を知見するに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくものであり、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するガス供給流路と、前記燃料電池での反応後のオフガスを前記ガス供給流路に循環させるオフガス循環ラインと、該オフガス循環ラインに配置された不純物除去装置とを備え、前記不純物除去装置にイオン交換樹脂が充填されている燃料電池システムにおいて、前記イオン交換樹脂を再生する再生剤と、該再生剤を供給する再生剤タンクおよび再生剤供給ラインと、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
この燃料電池システムによれば、再生剤タンクおよび再生剤供給ラインを用い、対象とするイオン交換樹脂に再生剤を供給することができる。この再生剤はイオン交換樹脂を再生するというものであるから、当該イオン交換樹脂を交換することなくその処理能力を回復させることができる。この場合、イオン交換樹脂さらには配管等を取り外したり組み付けたりする手間が省けるから、当該燃料電池システムにおける不純物除去能力を適度に維持しつつ、システムにおける作業性や利便性を向上させることができる。
【０００９】
また、従来のシステムだと、イオン交換樹脂を交換するかまたは再生するまでは当該樹脂による処理能力が低下する一方であり、交換するか再生するまでは当該処理能力を回復させることができなかったのに対し、本発明にかかる燃料電池システムにおいては再生剤をイオン交換樹脂に供給すれば処理能力を回復させることが可能である。したがってこの燃料電池システムによれば、これまでよりも短い周期で当該イオン交換樹脂の処理能力を適宜回復させることが可能となる（図３参照）。
【００１０】
ここで、上述のような燃料電池システムは、前記イオン交換樹脂の劣化判断手段を備え、前記イオン交換樹脂の劣化を判断した際に前記再生剤供給タンクから前記再生剤を前記イオン交換樹脂に供給するものであることが好ましい。このような燃料電池システムによれば、イオン交換樹脂の劣化状況に応じて適宜再生剤を供給し、当該樹脂の処理能力を回復させることができる。
【００１１】
また、当該燃料電池システムにおいて、前記再生剤の供給を所定時間毎に行うことも好ましい。例えば燃料電池システムの運転時間をパラメータとして定期的に再生剤を供給し、従来よりも短い周期でイオン交換樹脂の処理能力を回復させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、オフガス循環ラインにおける不純物除去手段としてイオン交換樹脂が用いられているシステムにおける作業性・利便性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１〜図３に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２と、該燃料電池２に反応ガスを供給するガス供給流路２２と、燃料電池２での反応後のオフガスをガス供給流路２２に循環させるオフガス循環ライン２３と、該オフガス循環ライン２３に配置された不純物除去装置３０とを備え、不純物除去装置３０にイオン交換樹脂３２が充填されているシステムである。本実施形態の燃料電池システム１は、さらにイオン交換樹脂３２を再生する再生剤と、該再生剤を供給する再生剤タンク３４および再生剤供給ライン３５とを備えている。
【００１５】
以下においては、まず燃料電池システム１の全体構成について説明し、その後、イオン交換樹脂が充填された不順物除去装置に関して作業性や利便性を向上させるための構成について説明することとする。
【００１６】
図１に本実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１７】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００１８】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れるガス供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。ガス供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００１９】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れるガス供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）をガス供給流路２２の合流点Ａに戻すための水素オフガス循環ライン（以下、循環路ともいう）２３と、循環路２３内の水素オフガスをガス供給流路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。
【００２０】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、ガス供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００２１】
ガス供給流路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、ガス供給流路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
【００２２】
排出路２５には、遮断弁であるパージ弁２９が設けられている。パージ弁２９が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁２９の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２３】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００２４】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００２５】
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
【００２６】
補機インバータ６５，６６，６７は、それぞれ、対応するモータ１４ａ，２４ａ，４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ６５，６６，６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１４ａ，２４ａ，４２ａに供給する。補機インバータ６５，６６，６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１４ａ，２４ａ，４２ａで発生する回転トルクを制御する。
【００２７】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００２８】
続いて、本実施形態の燃料電池システム１において、不純物除去装置に充填されているイオン交換樹脂を適宜再生可能とするための構成について説明する（図２参照）。上述したように、本実施形態にかかる燃料電池システム１は循環路（水素オフガス循環ライン）２３に不純物除去装置３０を備えており、この不純物除去装置３０にはイオン交換樹脂を充填した構成となっている。
【００２９】
不純物除去装置３０は、燃料電池２から排出される例えば水素ガスのオフガスを循環路２３を通じてガス供給流路２２に戻す際、当該ガスや水に含まれる不純物を除去するというものである。例えば本実施形態では、循環路２３の途中に気液分離器３１を配置し、当該気液分離器３１の内部にイオン交換樹脂３２を充填し、これらによって不純物除去装置３０を構成している（図２参照）。
【００３０】
気液分離器３１は例えば中空の略円筒形容器などからなり、燃料電池２から排出される水素（オフガス）と水を導入するための気液入口と、当該気液分離器３１内で分離されたガスを排出するガス排出口を備えている。気液分離器３１としては、気液入口から導入された流体（気液混合体）を旋回させることによって気体と液体とに分離するサイクロン方式を採用したもの等がある。
【００３１】
また、気液分離器３１の下部には、当該気液分離器３１で分離された水を外部に排出するための排水口が形成され、さらにこの排水口１７には排出管３３が接続されている。この排出管３３には、気液分離器３１で分離された水のみを外部に排出させ、水素は外部に出さない構造のドレイン弁３３ａが設けられている（図２参照）。
【００３２】
イオン交換樹脂３２はイオン交換性の基をもつ高分子電解質からなる網状構造の樹脂であり、イオン交換によってイオンを吸着する機能を有している。例えば本実施形態におけるイオン交換樹脂３２はカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを有しているもので、気液分離器３１内の所定位置に充填される。イオン交換樹脂３２は通常粒子状であるが繊維状のものを使用することもできる。
【００３３】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１は、処理能力が低下したイオン交換樹脂３２を再生するための再生剤、該再生剤を供給するための再生剤タンク３４、および再生剤供給ライン３５を備えた構成となっている（図２参照）。
【００３４】
再生剤はイオン交換樹脂３２を再生して処理能力を回復させるための薬液である。イオン成分を吸着する能力を回復させるものとして、例えば濃厚な塩酸や苛性ソーダ液などをこの再生剤として用いることができる。
【００３５】
再生剤タンク３４は上述の再生剤を貯留するための容器である。また、この再生剤３４とイオン交換樹脂３２の間で再生剤を循環させつつ該イオン交換樹脂３２に再生剤を供給するべく再生剤供給ライン３５が形成されている。例えば本実施形態の場合、再生剤タンク３４からイオン交換樹脂３２までのライン、およびイオン交換樹脂３２から再生剤タンク３４までのライン、再生剤の流量調整ないしは遮断を可能とする弁３５ａ，３５ｂがそれぞれ設けられている（図２参照）。さらに、再生剤タンク３４からイオン交換樹脂３２までのラインには、再生剤を圧送するための再生剤ポンプ３６が設けられている。この再生剤ポンプ３６は、モータ３６ａで駆動されることによって再生剤供給ライン３５内の再生剤をイオン交換樹脂３２に順次供給する。このモータ３６ａに対しては、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に接続された補機インバータ３７が電力を供給して駆動させる（図２参照）。
【００３６】
このように、イオン交換樹脂３２を再生するための再生剤、該再生剤を供給するための再生剤タンク３４、再生剤供給ライン３５等を備えた構成の本実施形態の燃料電池システム１によれば、不純物除去に伴う作業性・利便性を向上させることが可能だという利点がある。すなわち、アノード系（水素系）における循環路（水素オフガス循環ライン）２３における不純物除去手段としてイオン交換樹脂３２を利用している場合、当該燃料電池システム１の内部に配置されることが一般的に多く、当該イオン交換樹脂３２を取り換えるとすれば配管の取外しや再度の組付けが必要であり煩雑となりやすい。この点、上述した燃料電池システム１によれば、樹脂自体を取り換えずとも、再生剤を供給・循環させれば当該イオン交換樹脂３２を再生して処理能力を回復させることができる。このため、配管の取外し等といった煩雑な作業が不要であり、不純物除去に伴う作業性・利便性が向上するという点で好適である。
【００３７】
また、従前、イオン交換樹脂はある一定量のイオン成分を吸着するまでそのまま使用され続けていることが多く、交換前の時期には処理能力が大きく低下してしまいがちである（図３中の二点鎖線参照）。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１においては、弁３５ａ，３５ｂ、再生剤ポンプ３６等を用いて再生剤を適宜供給することができるから、従前におけるイオン交換樹脂３２の交換周期（再生周期）よりも短い周期で当該イオン交換樹脂３２を再生し、処理能力を回復させることができる。これによれば、処理能力の変動幅を従前よりも小さくし、安定した状態を継続して不純物除去を行うことが可能となる（図３中の実線参照）。
【００３８】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１によれば、循環し続けて再生剤の処理能力（イオン交換樹脂３２を再生する能力）が劣化した場合には、当該再生剤を交換することによって初期の処理能力を得ることが可能である。しかも、再生剤は再生剤タンク３４に貯留されているために交換作業が実施しやすい（図２参照）。つまり、例えば自動車におけるオイルや冷却水を交換するのと同様の保守作業によって所要の機能または能力を維持することが可能であるから、煩雑な作業を経ることなく迅速に行うことが可能なユーザフレンドリーなシステム、サービス性の高いシステムを実現することが可能である。
【００３９】
なお、イオン交換樹脂３２の再生周期の設定手法としては種々のものがあるが、例示すれば、イオン交換樹脂３２の劣化状況を判断しうる劣化判断手段を利用することが好適である。これによれば、当該イオン交換樹脂３２における実際の劣化状況に基づいて再生剤を適宜供給し処理能力を回復させることができるから、処理能力をより安定させた状態下での不純物除去が可能になるという点で好ましい。特に図示はしていないが、劣化判断手段としては、当該イオン交換樹脂３２の導電率を測定して劣化状況の判断材料とする導電率センサなどがある。
【００４０】
あるいは、上述した手法に代え、再生剤の供給を所定時間毎に行うようにしてもよい。例えば燃料電池システム１の運転時間をパラメータとして定期的に再生剤を供給することによっても当該イオン交換樹脂３２の処理能力を安定させることが可能である。供給間隔を短くすれば、その分だけ短い周期でイオン交換樹脂３２の処理能力を回復させることができる。また、ある程度のマージンを見込み、再生剤の供給間隔を短めとしたりあるいは供給量を多めとしたりすることも好ましい。
【００４１】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態ではイオン交換樹脂３２を充填した不純物除去装置３０を燃料ガス配管系（アノード系）４、より詳しくは循環路（水素オフガス循環ライン）２３に配置した例を示したがこれは好適な一例に過ぎず、これ以外として酸化ガス配管系（カソード系）３に配置した場合にあっても本発明を適用することが可能である。いずれにせよ、不純物除去装置３０が燃料電池システム１の内部に配置されていて配管の取外しや再度の組付けが必要であり煩雑になるような場合、本発明は不純物除去に伴う作業性や利便性、さらにはサービス性を向上させうるという点で特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】燃料電池システムにおける水素オフガス循環ライン、再生剤供給ライン等の構成を示す図である。
【図３】燃料電池システムの運転時間経過に伴うイオン交換樹脂の処理能力の変化を概略的に示す図で、実線が本実施形態のもの、二点鎖線が従前のものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２２…ガス供給流路、２３…水素オフガスの循環路（オフガス循環ライン）、３０…不純物除去装置、３２…イオン交換樹脂、３４…再生剤タンク、３５…再生剤供給ライン
【図１】
2007287545.tif 000003
【図２】
2007287545.tif 000004
【図３】
2007287545.tif 000005