(57)【要約】【課題】本発明の目的は、水素供給装置の全般的な温度調節を可能にし、スタックの性能を向上させ、水素再循環ブロワーの故障を低減させる燃料電池自動車用水素再循環供給装置およびその方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、水素を燃料電池スタックの入口に供給し、スタックの出口で発生した残留水素を再使用するために水素再循環ラインおよび水素再循環ブロワーと、前記水素再循環ブロワーと燃料電池スタックの出口を連結する水素再循環ラインに設置され、ライン上に発生する凝縮水を分離する水分離器と、流入されたドライ水素と前記水分離器から発生した再循環水を加湿および熱交換する熱加湿交換機とを含んで構成され、前記熱加湿交換機で交換された水は水素再循環ブロワーの冷却用として再使用後、水分離器から発生した水と合流されることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
始動および停止用電磁弁を開き、燃料タンクに貯蔵された水素を高圧レギュレータおよび低圧レギュレータにより一定な圧力に調整して燃料電池スタックの入口に供給し、スタックの出口で発生した残留水素を再使用するために水素再循環ラインおよび水素再循環ブロワーが設置された燃料電池自動車用水素再循環供給装置において、
前記水素再循環ブロワーと燃料電池スタックの出口を連結する水素再循環ラインに設置され、ライン上に発生する凝縮水を分離する水分離器と、
前記水分離器から発生した水を加湿源として活用し、前記低圧レギュレータを通して流入されたドライ水素と水素再循環ブロワーを通して流入された再循環水素を加湿および熱交換する熱加湿交換機と
を含めて構成され、前記熱加湿交換機で交換された水は水素再循環ブロワーの冷却用として再使用し、前記水素再循環ブロワーで使用された冷却水はブロワーの駆動により温度が上昇して水分離器から発生した水と合流されることを特徴とする燃料電池自動車用水素再循環供給装置。
【請求項２】
前記熱加湿交換機は板形膜加湿器または中空繊維膜加湿器であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池自動車用水素再循環供給装置。
【請求項３】
始動および停止用電磁弁を開き、燃料ランクに貯蔵された水素を高圧レギュレータおよび低圧レギュレータにより一定な圧力に調整して燃料電池スタックの入口に供給し、水素再循環ラインおよび水素再循環ブロワーを通してスタックの出口から発生した残留水素をスタックの入口に再循環させる燃料電池自動車用水素再循環供給方法において、
燃料電池スタックと水素再循環ブロワーの間に設置された水分離器によりスタックの出口から発生した凝縮水を水素再循環ライン上で分離除去する段階と、
前記低圧レギュレータを通してドライ水素の供給を受け、更に、水素再循環ブロワーを通して残留水素の供給を受け、水分離器から発生した水を利用して熱加湿交換機でドライ水素と残留水素を加湿する段階と
を含めてなることを特徴とする燃料電池自動車用水素再循環供給方法。
【請求項４】
前記水が熱加湿交換機で水素と熱交換することで冷却され、水素再循環ブロワーの冷却用として使用される段階と、前記水素再循環ブロワーの駆動によりブロワーの温度が上昇し、加熱された冷却水が水分離器から発生した水に再循環される段階とを含むことを特徴とする、請求項３記載の燃料電池自動車用水素再循環供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池自動車用水素再循環供給装置およびその方法に係り、更に詳しくは、水分離機および熱加湿交換機を利用して水素供給装置の全般的な温度調節が可能でありスタックの性能を向上させることができ、凝縮水の流入による過負荷により水素再循環ブロワーの故障を低減させることができる燃料電池自動車用水素再循環供給装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常的に、燃料電池とは燃料（水素）の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換され、直流電流を発生する能力を有する電池（Ｃｅｌｌ）と定義され、従来の電池とは異なり外部から燃料と空気を供給し、連続的に電気を発生する特徴を有する。
【０００３】
前記燃料電池の燃料である水素は純粋水素を利用したり、メタンやエタノールのような炭化水素を利用して改質という過程を通して発生された水素を利用する。純粋な酸素は燃料電池の効率を高めることができるが、酸素容器による費用と重量が増加するという問題がある。
【０００４】
従って、空気中に酸素が多く含まれているため、効率は少し落ちるが空気を直接利用する。
【０００５】
最近では、前記燃料電池が自動車に応用され、多くの研究と開発が行われており、このような燃料電池自動車は電気自動車と殆ど特性が似ており、駆動方法上、根本的な差はないが、燃料電池自動車は環境親和的な側面で非常に有利であり、その駆動原のためのエネルギー源として純粋水素あるいは改質水素を使用して発生する電力を使用する点に差がある。
【０００６】
このように、自動車に適用された燃料電池スタック内で化学反応を行うためには、水素や空気が適切な湿度を維持しなければならない。
【０００７】
水素の湿度を適切に、即ち、相対湿度７０％内外に維持する場合にＭＥＡのドライアウト現象を防ぐことができる。
【０００８】
前記ドライアウト現象とは、電極の湿度が減少しながらイオンおよび電子の移動が急激に鈍化する現象であり、燃料電池の性能低下を招く。
【０００９】
このようなドライアウト現象を防止するために、加湿器にて水素の湿度を適切に維持してスタックに燃料として供給する。
【００１０】
前記加湿器を経由して適切な湿度を保有して供給された水素は図１に図示した通り、燃料電池スタック１００の水素インレットに入り、活動領域で化学的に反応した後、燃料電池スタック１００の水素アウトレットに排出された後、水素循環器により再循環される。
【００１１】
前記水素を再循環させる理由は、前記燃料電池スタック１００内で発生し得るフラッディング現象（水素に含まれた水分が液体状態で水素の移動通路を防ぐ現象）を防ぎ、急な高出力が要求される場合に燃料である水素が急激に消耗され、水素アウトレット付近では水素の量が不足し、その結果、出力低下およびＭＥＡの損傷を引き起こすため、これを防止するためである。
【００１２】
従来の水素供給では燃料電池スタック１００の吸気マニフォールド側に供給しており、前記のように、水素を再循環させるにも関わらず、前記フラッディング現象が発生し易く、急激な負荷増加時、水素アウトレット側に水素が不足し易くなるという問題点がある。
【００１３】
燃料電池システムの水素利用率を向上させるために、未反応水素を再び反応に添加することができるようにスタックの入口側に伝達を行うシステムを水素再循環システムと言う。
【００１４】
前記水素再循環システムには水素再循環ブロワー１１または排出装置を使用するが、これは水素再循環ブロワー１１の場合は制御が簡単であり、代表的に使用される装置と言える。
【００１５】
しかし、水素再循環ラインに水が凝縮されたり、または水素再循環ブロワー内部で水が凝縮されると、高い回転数で長時間駆動する水素再循環ブロワーに強い衝撃（負荷上昇など）を与えてしまい、故障が頻繁に起きる主要原因となる。
【００１６】
即ち、前記凝縮水の流入による過負荷により水素再循環ブロワーが故障すると、加湿量および水素供給量の減少によるスタックの性能低下および劣化の発生を招く。
【００１７】
このような現象を最小化させるために水素再循環ラインに水分離器を置き、凝縮された水を除去する。このように凝縮された水は一般的に、外部に捨てられるが、冬季、道路に捨てる場合、路面が氷板となるおそれがあり、更に、低温始動をかける場合、非常に不利となる。
【００１８】
また、再循環水素と新規供給水素が混合する場合、温度差により水が発生し、ライン上に発生する場合、圧力低下が増加し、更に、スタック内部で発生する場合、水の過剰供給によりスタックの性能が低下する現象が発生する。
【００１９】
更に、前記凝縮水を車両で様々な用途で使用することができるようにする必要がある。
【００２０】
【特許文献１】特開２００５−１１６４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は前記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は水分離により発生した水を利用して新規供給されるドライ水素を熱加湿交換機により加湿させるため、水素再循環ブロワーの故障時にも加湿器の役割を行うことができ、供給水素と再循環水素が前記熱加湿交換機により加湿および熱交換され、温度差による凝縮水の発生を最小化させることで、ブロワーおよびスタックにて水の流入を防ぎ、ブロワー故障の低減およびスタックの性能を向上させることができるようにした燃料電池自動車用水素再循環供給装置およびその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記目的を達成するための本発明の燃料電池自動車用水素再循環供給装置は、始動および停止用電磁弁を開き、燃料タンクに貯蔵された水素を高圧レギュレータおよび低圧レギュレータにより一定な圧力に調整して燃料電池スタックの入口に供給し、スタックの出口で発生した残留水素を再使用するために水素再循環ラインおよび水素再循環ブロワーが設置された燃料電池自動車用水素再循環供給装置において、
前記水素再循環ブロワーと燃料電池スタックの出口を連結する水素再循環ラインに設置され、ライン上に発生する凝縮水を分離する水分離器と、前記水分離器から発生した水を加湿源として活用し、前記低圧レギュレータを通して流入されたドライ水素と水素再循環ブロワーを通して流入された再循環水素を加湿および熱交換する熱加湿交換機とを含めて構成され、前記熱加湿交換機で交換された水は水素再循環ブロワーの冷却用として再使用し、前記水素再循環ブロワーで使用された冷却水はブロワーの駆動により温度が上昇して水分離器から発生した水と合流されることを特徴とする。
【００２３】
好ましい具体例として、前記熱加湿交換機は板形膜加湿器または中空繊維膜加湿器であることを特徴とする。
【００２４】
また、前記目的を達成するための本発明の燃料電池自動車用水素再循環供給方法は、始動および停止用電磁弁を開き、燃料ランクに貯蔵された水素を高圧レギュレータおよび低圧レギュレータにより一定な圧力に調整して燃料電池スタックの入口に供給し、水素再循環ラインおよび水素再循環ブロワーを通してスタックの出口から発生した残留水素をスタックの入口に再循環させる燃料電池自動車用水素再循環供給方法において、
燃料電池スタックと水素再循環ブロワーの間に設置された水分離器によりスタックの出口から発生した凝縮水を水素再循環ライン上で分離除去する段階と、前記低圧レギュレータを通してドライ水素の供給を受け、更に、水素再循環ブロワーを通して残留水の供給を受け、水分離器から発生した水を利用して熱加湿交換機でドライ水素と残留水素を加湿する段階とを含めてなることを特徴とする。
【００２５】
好ましい具体例として、前記水は熱加湿交換機で水素と熱交換することで冷却され、水素再循環ブロワーの冷却用として使用される段階と、前記水素再循環ブロワーの駆動によりブロワーの温度が上昇し、加熱された冷却水が水分離器から発生した水に再循環される段階とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による燃料電池自動車用水素再循環供給装置およびその方法によると、水分離器を利用して水素再循環ブロワーおよびスタック内部の凝縮水の流入を防止することで、水素の利用率および加湿量を増加させ、スタックの性能および耐久性を向上させることができる。
【００２７】
また、前記水分離器から発生した水を利用し、熱加湿交換機の加湿用および水素再循環ブロワーの冷却用として使用することで、水素再循環供給装置の全般的な温度調節が可能であり、水素再循環ブロワーの耐久性を向上させることができ、スタックの温度が上昇しなくともブロワーの温度上昇により冷却水の温度を早期に昇温させ、低温始動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】
【００２８】
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。
【００２９】
図２は本発明の一実施例による水素再循環供給装置を表す構成図である。
【００３０】
本発明の一実施例は、水分離器および熱加湿交換機を利用して水素供給装置の温度を全般的に調節することで、ブロワーの故障低減およびスタックの性能向上に寄与することができるようにした点に主眼点がある。
【００３１】
水素供給システムでは、燃料タンク１２に高圧で充填された水素が高圧レギュレータ１３を通して一定圧力に調節され、車両の始動をかけるために始動および停止用電磁弁１４を通して排出され、低圧レギュレータ１５により熱加湿交換機１６に加湿および熱交換が可能な圧力に減圧させて供給される。
【００３２】
前記始動および停止用電磁弁１４を通して排出されたドライ水素は、熱加湿交換機１６を通過する間に加湿され、適当な湿度を維持しながら燃料電池スタック１０の入口に供給される。
【００３３】
前記燃料電池スタック１０に流入される新規供給水素は電気化学反応により使用された後、残留水素がスタックの入口に再供給されるようにするために、水素再循環ライン１７に流入される。
【００３４】
ここで、前記水素再循環ライン１７に水が凝縮されたり、または、水素再循環ブロワー１１の内部で水が凝縮され、ブロワーが損傷されるのを防ぐために燃料電池スタック１０と水素再循環ブロワー１１の間の水素再循環ライン１７に水分離器１８が設置される。
【００３５】
前記水素再循環ライン１７およびスタック上の凝縮水が水分離器１８に溜まり、水分離器１８に溜まる水の温度はスタックの負荷により異なるが、一般的に０〜８０℃を維持する。この時、スタックの出力が上昇するほど温度が上昇するが、低温始動時に温度を早く上昇させるには多少困難がある。
【００３６】
前記水分離器１８から発生した水はスタックの出口の温度とほぼ同一であり、４０〜６０℃の温度で熱加湿交換機に供給し、新規供給されるドライ水素を加湿および熱交換するための資源として活用される。
【００３７】
前記熱加湿交換機１６で熱交換された水は約１０〜２０℃低下し、これは再び水素再循環ブロワー１１に供給されて冷却用として使用され、水素再循環ブロワー１１が高ＲＰＭで駆動する際、低温でも水素再循環ブロワー１１の温度が上昇するため、低温時にも水の温度を早く上昇させることができ、水素再循環ブロワー１１から発生した水は５０〜６０℃の温度に上昇し、水分離器１８から発生した水と共に同一温度で熱加湿交換機１６の加湿および熱交換資源として再活用される。
【００３８】
このように、水分離器１８から発生した水を多角的用途で活用することで、水素再循環ブロワー１１のモータ冷却にて温度を調節することができ、水分離器１８により水素再循環ライン１７および水素再循環ブロワー１１への凝縮水流入を防止し、水素再循環ブロワー１１の故障を低減させることができる。
【００３９】
更に、水素再循環ブロワー１１の安定的な運転を通して高ＲＰＭ運転が可能となるため、水素再循環流量を増加させることができ、熱加湿交換機１６によるドライ水素の加湿ができ、スタック１０の入口で凝縮水流入が低減し、それによるフラッディング現象の最小化および水素再循環ブロワー１１の故障時にも加湿が可能となることで、スタック１０の性能および耐久性を向上させることができる。
【００４０】
特に、前記熱加湿交換機１６で供給水素と再循環水素の温度をほぼ同一に合わせることで、凝縮現象を最小化することができ、加湿量の増加によるスタックの性能を向上させることができ、水分離器１８が水素解放（ｐｕｒｇｅ）時に緩衝役割を行い、急激な圧力低下を防止することができる。
【００４１】
図３は図２の熱加湿交換機に適用される板形膜加湿器を表す構成図であり、図４は図２の熱加湿交換機に適用される中空繊維膜加湿器を表す構成図であり、図５は図２の水分離器を表す概略図である。
【００４２】
前記熱加湿交換機１６は図３および図４に図示した通り、主に膜加湿器が使用され、膜加湿器は大きく板形膜加湿器（図３）と中空繊維膜加湿器（図４）に区分され、熱水の温度および湿度により水と気体の交換により加湿され、加湿方法は当該技術分野で通常的に知られている方法ならば特に制限なく採択できる。
【００４３】
前記水分離器１８は図５に図示した通り、水素再循環ライン１７上で発生する凝縮水を分離して除去し、圧力降下の低減、水の円滑な除去、波打つ水により気体供給に影響を及ぼさないことに主眼点を置いて設計されなければならず、水分離方法は当該技術分野で通常的に知られている方法ならば特に制限なく採択できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の水素供給システムを説明するための構成図である。
【図２】本発明の一実施例による水素再循環供給装置を表す構成図である。
【図３】図２の熱加湿交換機に適用される板形膜加湿器を表す構成図である。
【図４】図２の熱加湿交換機に適用される中空繊維膜加湿器を表す構成図である。
【図５】図２の水分離器を表す概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  燃料電池スタック                  
１１  水素再循環ブロワー
１２  燃料タンク                        
１３  高圧レギュレータ
１４  始動および停止用電磁弁
１５  低圧レギュレータ
１６  熱加湿交換機
１７  水素再循環ライン
１８  水分離器
１９  浄化用電磁弁
２０  水素排気装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009176422.tif 000006
【図５】
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