WO2007049691A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2007049691A1
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fuel cell
impurity
impurities
oxidizing gas
gas supply
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PCT/JP2006/321366
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Inventor
Toyokazu Baika
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Toyota Jidosha Kabushki Kaisha
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates electrical energy by an electrochemical reaction.
  • a fuel cell system supplies combustion energy such as hydrogen and an oxygen-containing oxygen gas to a fuel cell, and causes an electrochemical reaction via an electrolyte of the fuel cell to obtain electric energy.
  • combustion energy such as hydrogen and an oxygen-containing oxygen gas
  • air is used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell, and gas components (impurities) such as sulfur compounds and nitrogen oxides are included depending on the place of use. If such impurities are supplied to the fuel cell, the fuel cell stack may deteriorate, leading to a decrease in power generation efficiency.
  • the impurity removing means has a limited capacity for removing impurities, and after using a certain amount, replacement or regeneration treatment is required.
  • the impurity removal means of this fuel cell system can desorb the impurities removed from the oxidizing gas, and the impurities of the impurity removal means can be discharged out of the system if necessary (for example, see Patent Document 6). ). Therefore, the impurity removal means can be regenerated and used continuously.
  • Patent Document 1 Japanese Translation of Special Publication 2004- 508693
  • Patent Document 2 JP-A-2005-116353
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-327429
  • Patent Document 4 JP-A-8-138703
  • Patent Document 5 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-100967
  • Patent Document 6 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-129494
  • the above-described fuel cell system also discharges the discharge passage force communicating with the oxygen gas supply passage when discharging the impurities desorbed by the acid removal force by the impurity removal means, but from the impurity removal means. A large amount of impurities may be discharged at once. Then, a large amount of impurities may be used again as an acid gas in this fuel cell system or another fuel cell system, which may affect their operation.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and is a fuel cell system capable of effectively removing impurities contained in the acid gas supplied to the fuel cell, and the impurities removed therefrom
  • the objective is to provide a fuel cell system that does not adversely affect external systems including itself.
  • the present invention relates to a fuel cell that obtains electric power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxidizing gas, an oxidizing gas supply passage through which oxidizing gas supplied to the fuel cell passes, and the oxidizing gas supply passage.
  • An impurity adsorbing means that adsorbs impurities contained in the oxidizing gas, and an impurity discharge passage that leads from the oxidizing gas supply passage downstream of the impurity adsorbing means to the outside without passing through the fuel cell.
  • An impurity releasing means for releasing the impurities adsorbed on the impurity adsorbing means from the impurity adsorbing means, a flow path adjusting means for guiding the impurities released by the impurity releasing means to the impurity discharge passage, and the impurities And a diluting unit for diluting impurities released by the releasing unit.
  • the fuel cell system according to the present invention is provided with an impurity adsorbing means in an oxidizing gas supply passage for supplying an oxidizing gas to the fuel cell, and adsorbs impurities contained in the oxidizing gas by the impurity adsorbing means.
  • impurities include hydrocarbons in the atmosphere, Gas components (impurities) such as nitrogen oxides, sulfur compounds, carbon monoxide, and hydrogen sulfate. Adsorption of these impurities causes deterioration of the fuel cell stack due to the impurities, resulting in reduced power generation efficiency, etc. Adverse effects can be reduced.
  • the fuel cell system according to the present invention includes the impurity releasing means for releasing the adsorbed impurities and the diluting means for diluting the released impurities, the impurities adsorbed from the oxidizing gas can be easily obtained. Can be diluted and discharged out of the system. Therefore, the impurity adsorption means can be regenerated and the impurities of the acid gas can be removed continuously.
  • the fuel cell system according to the present invention includes the impurity discharge passage and flow path adjusting means for guiding the released impurities to the impurity discharge passage.
  • impurities can be discharged without going through the fuel cell. That is, impurities can be prevented from flowing into the fuel cell, and deterioration of the fuel cell stack can be prevented.
  • the fuel cell system according to the present invention further includes an oxidizing gas supply unit that is provided on the oxidizing gas supply passage and supplies the oxidizing gas to the fuel cell, wherein the diluting unit includes the oxidizing gas It is desirable to dilute impurities by supplying an oxidizing gas from a supply means.
  • the oxidizing gas supply means has a function of supplying an oxidizing gas to the fuel cell and a function of diluting impurities to dilute impurities.
  • the impurity adsorption unit is activated carbon
  • the impurity release unit heats the activated carbon to release the impurity adsorbed on the impurity adsorption unit. It is desirable to feature.
  • the activated carbon has a property of adsorbing a substance at a predetermined low temperature and releasing the adsorbed substance at a predetermined high temperature higher than the predetermined low temperature. Therefore, activated carbon is used as the impurity adsorbing means, and the impurity releasing means heats the activated carbon, so that impurities are adsorbed and removed from the oxidizing gas at a predetermined low temperature, and adsorbed at a predetermined high temperature. The released impurities can be discharged out of the system.
  • the predetermined low temperature can be set as appropriate by treating activated carbon, and the operation of the fuel cell. It is set based on the operating temperature of the fuel cell, system layout, etc. so that adsorption can be performed at the inversion temperature.
  • the predetermined high temperature should be set higher than that at the time of operation of the fuel cell so that impurities are not released during operation of the fuel cell. For example, if the operating temperature of the fuel cell is approximately 80 ° C, the specified low temperature is set to 100 ° C or lower and the predetermined high temperature is set to 150 ° C or higher so that impurities are adsorbed but not released during fuel cell operation. Should be set.
  • the present invention can also be configured as a side force of the emission concentration of the impurities. Therefore, the present invention provides a fuel cell that obtains electric power through an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxidizing gas, an oxidizing gas supply passage through which the oxidizing gas supplied to the fuel cell passes, and the oxidizing gas supply passage.
  • An impurity adsorbing means that adsorbs impurities contained in the oxidizing gas, and an impurity discharge passage that leads from the oxidizing gas supply passage downstream of the impurity adsorbing means to the outside without passing through the fuel cell.
  • Impurity releasing means for releasing impurities adsorbed by the impurity adsorbing means from the impurity adsorbing means, channel adjusting means for guiding the impurities released by the impurity releasing means to the impurity discharge passage, and the impurity releasing means Release concentration limiting means for limiting the concentration of the impurities to a predetermined concentration or less when the impurities released by the device are discharged to the outside through the impurity discharge passage.
  • concentration limiting means for limiting the concentration of the impurities to a predetermined concentration or less when the impurities released by the device are discharged to the outside through the impurity discharge passage.
  • the predetermined concentration is a concentration of the impurity that can avoid an influence on an external system including itself when the impurity is discharged out of the system, and may be set as appropriate. In the fuel cell system configured as described above, it becomes possible to release impurities without going through the fuel cell and without affecting the system.
  • the emission concentration limiting means is a diluter provided in the impurity discharge passage, and the diluter dilutes impurities released by the impurity emission means, so that the impurities are externally supplied.
  • the concentration at the time of being discharged to the predetermined concentration may be equal to or lower than the predetermined concentration, or the discharge concentration limiting means is a flow rate adjusting valve provided in the impurity discharge passage, and the flow rate adjusting valve is By adjusting the flow rate of the off-gas containing impurities flowing through the impurity discharge passage, the concentration when the impurities are released to the outside may be set to the predetermined concentration or less.
  • impurities contained in the oxidant gas supplied to the fuel cell can be effectively removed, and the concentration of the removed impurities is diluted to reduce the concentration of the impurities outside the system. Since it is discharged, it is possible to prevent the removed impurities from adversely affecting the external system including itself.
  • the impurity adsorbing means can be easily regenerated, and the impurities can be discharged out of the system while preventing deterioration of the fuel cell, so that continuous processing is possible.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart showing impurity discharge control.
  • FIG. 3 is a second configuration diagram of the fuel cell system according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system 10 according to an embodiment.
  • This fuel cell system 10 stores the fuel cell 1 and hydrogen gas as a fuel gas, and a high-pressure hydrogen tank 2 that supplies hydrogen gas to the fuel cell 1 and an oxidizing gas that is supplied to the fuel cell 1 pass therethrough.
  • an adsorbent 4 provided on the oxidant gas supply passage 21 and adsorbing impurities of the oxygen gas passing therethrough, and an impurity releasing means for heating the adsorbent 4
  • the heater 5 in the atmosphere, air in the atmosphere as an oxidant gas to the fuel cell 1, an oxidant gas supply means for diluting impurities released from the adsorbent 4 and an air compressor 6 as a dilution means, and the adsorption
  • the oxidant gas supply passage 21 on the downstream side of the material 4 and the impurity discharge passage 22 connecting the system 10 to the outside, and the communication portion between the oxidant gas supply passage 21 and the impurity discharge passage 22 are provided to supply the oxidant gas.
  • a three-way valve 7 as a flow path adjusting means for adjusting the flow path of the oxidizing gas and impurities passing through the passage 21, the filter 8 provided on the acid gas passage 21 upstream of the adsorbent 4, and the Below 3 way valve 7 And a humidifier 9 provided on the oxidant gas supply passage 21 on the flow side.
  • the fuel cell 1 is one in which electric energy is obtained by electrochemically reacting hydrogen gas and oxidizing gas via an electrolyte.
  • the fuel cell 1 is a solid polymer electrolyte fuel cell that is widely used in electric vehicles that run using the fuel cell as a power source.
  • the air compressor 6 supplies air in the atmosphere outside the system to the fuel cell 1 as an oxidizing gas.
  • the atmospheric power also leads the oxygen gas to the fuel cell 1, and therefore the oxygen gas includes gases such as hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur compounds, carbon monoxide, and hydrogen sulfate contained in the atmosphere. It may contain components (impurities) and dust (impurities) such as dust, dust, and debris.
  • a filter 8 is provided upstream of the air compressor 6 to remove the oxidizing gas dust!
  • an adsorbent 4 is provided on the oxidizing gas supply passage 21 on the downstream side of the filter 8 in order to remove the gas component.
  • the adsorbent 4 is activated carbon and adsorbs impurities at the operating temperature of the fuel cell 1.
  • the adsorbent 4 is provided with a heater 5, and the adsorbent 4 can be heated by the heater 5.
  • the adsorbent 4 has substantially the same temperature as that of the fuel cell 1 during normal operation of the fuel cell 1, and is pretreated so as to adsorb impurities at the operating temperature. Further, by heating the adsorbent 4 with the heater 5, the adsorbed impurities can be released.
  • the temperature at which the impurities are released from the adsorbent 4 is set so that the adsorbent 4 does not release impurities during the power generation of the fuel cell 1 that is higher than the operating temperature of the fuel cell 1.
  • the heater 5 is controlled by the ECU 11, and heats the adsorbent 4 and releases impurities from the adsorbent 4 when the power generation of the fuel cell 1 is stopped, such as when the electric vehicle is stopped. Further, the ECU 11 controls the air compressor 6 to supply air to the released impurities when the adsorbent 4 is heated (impurities of the adsorbent 4 are also released). As a result, the adsorbent 4 force can also dilute the released impurities and discharge them out of the system.
  • the three-way valve 7 is provided in a communication portion between the oxidizing gas supply passage 21 and the impurity discharge passage 22, and the oxidizing gas and impurities passing through the oxidizing gas supply passage 21 are removed from the fuel cell 1 or the impurity discharge passage. Pour to 22. Specifically, during normal fuel cell power generation, that is, when supplying oxygen gas to the fuel cell 1, the flow path to the impurity discharge passage 22 is closed and the oxidizing gas supply passage is made. The passage 21 is opened and the supplied oxidizing gas is led to the fuel cell 1.
  • the flow path on the fuel cell 1 side of the oxygen gas supply passage 21 is closed, and the impurities are discharged into the impurity discharge passage 22. Lead. In this way, by appropriately adjusting the flow path with the three-way valve 7, it is possible to prevent impurities from flowing into the fuel cell 1 when the impurities are discharged.
  • the ECU 11 controls the hydrogen supply amount from the high-pressure hydrogen tank 2, the heating of the adsorbent 4 by the heater 5, the air supply amount by the air compressor 6, and the flow path selection by the three-way valve 7.
  • the emission control of impurities in the fuel cell system 10 configured as described above will be described in detail.
  • Various controls described below are executed by the ECU 11.
  • the impurity emission control according to the present embodiment is a control executed when the power generation of the fuel cell 1 is stopped, such as when the electric vehicle is stopped, and is traveled every certain time or at a constant distance. Repeated every time.
  • Figure 2 is a flow chart showing the emission control of impurities.
  • the ECU 11 stops the power generation of the fuel cell 1 to regenerate the adsorbent 4 when the electric vehicle is stopped (step 101).
  • the three-way valve 7 closes the flow path of the acid gas leading to the fuel cell 1, and switches the flow path of the acid gas to the impurity discharge path 22 (step 102).
  • the flow path to the impurity discharge passage 22 is closed by the three-way valve 7 and the flow path to the fuel cell 1 is opened.
  • the flow path to the impurity discharge passage 22 is opened by the three-way valve 7 and the flow path to the fuel cell 1 is blocked in order to prevent impurities from flowing into the fuel cell 1.
  • the adsorbent 4 is heated by the heater 5 (step 103). By this heating, the impurities adsorbed on the adsorbent 4 at the time of power generation of the fuel cell 1 are released by the adsorbent 4 force.
  • the ECU 11 determines whether or not it is the power to end the impurity discharge process (step 105). As a method for determining the end of the impurity discharge process, for example, it can be determined whether or not a predetermined time required for impurity discharge that has been obtained in advance by a force experiment, etc.
  • the adsorbent 4 is again heated by the heater 5 (step 103), and the discharge process is continued.
  • the heating of the heater 5 is stopped (step 106), and the air compressor 6 is turned on after waiting for the adsorbent 4 to fall to a temperature below a predetermined temperature at which no impurities are released. Stop (step 107).
  • the predetermined temperature is a temperature at which the adsorbent 4 does not release impurities but adsorbs impurities.
  • the three-way valve 7 closes the impurity discharge passage 22 and switches to the fuel cell 1 side flow path in the oxygen gas supply passage 21 (step 108). . In this way, the impurity discharge process is completed (step 109).
  • the impurities contained in the acid gas can be adsorbed by the adsorbent 4 when the fuel cell 1 generates power. Further, the adsorbent 4 can be regenerated by adsorbing a certain amount of impurities by the adsorbent 4 and then releasing the impurities by the adsorbent 4 force. Therefore, impurities can be removed continuously without requiring maintenance such as replacement of the adsorbent 4. In addition, when impurities are discharged, the impurities are diluted and discharged outside the system without going through the fuel cell 1, thus reducing adverse effects on the external system including itself, and deterioration of the fuel cell stack. Can be prevented.
  • the air conditioner 6 as the diluting means is arranged in the oxygen gas supply passage 21.
  • the diluting means is only required to dilute the impurities released by the adsorbent force. It may be arranged in the discharge passage 22.
  • the impurities are diluted by supplying atmospheric oxygen gas from the air compressor 6, but the air compressor 6 for dilution is provided with a dilution air introducing means separately from the air compressor 6 for supplying the oxidizing gas. May be.
  • the fuel cell system according to the present invention is not limited to the above-described embodiment as long as it can absorb impurities contained in the oxidizing gas and dilute and discharge out of the system. These combinations are included as much as possible.
  • Example 2
  • FIG. 3 The components of the fuel cell system shown in FIG. 3 have the same parts as the components of the fuel cell system of FIG. 1 according to the first embodiment, so these common elements are the same as those of the first embodiment.
  • a diluter 25 and a flow rate adjustment valve 26 are provided on the downstream side of the impurity discharge passage 22 (site closer to the outside of the system).
  • the diluter 25 is a device for diluting off-gas flowing through the impurity discharge passage 22, and its dilution performance is controlled by the ECU 11. Specifically, secondary air for dilution is introduced into the diluter 25, and the introduction performance is adjusted by the ECU 11, whereby the diluting performance of the diluter 25 is controlled.
  • the flow rate adjusting valve 26 is provided on the downstream side of the diluter 25, and adjusts the flow rate of the off-gas flowing through the impurity discharge passage 22 in accordance with a command of the ECU11.
  • the air compressor 6 in this embodiment is driven when it is necessary to supply the fuel cell 1 with air as an acid gas.
  • impurities in the acid gas are adsorbed by 4 sorbents.
  • the adsorbent 4 is heated by the heater 5 in order to release the adsorbed impurities out of the system, and the acid gas path is switched to the impurity discharge path 22 by the three-way valve 7. Therefore, supply of discharged impurities to the fuel cell 1 is avoided.
  • the off gas is diluted by the diluter 25 so that the impurity concentration in the off gas discharged to the outside of the system becomes a predetermined concentration or less.
  • This predetermined concentration is a concentration that can avoid the influence on external systems including self when impurities are discharged out of the system.
  • a detection value by a concentration sensor (not shown) provided on the downstream side of the diluter 25 is used, and the detection value becomes equal to or less than the predetermined concentration.
  • the amount of secondary air introduced into the diluter 25 is adjusted.
  • a provisional impurity concentration is calculated based on the amount of impurities released estimated from the supply history of the oxidizing gas in the fuel cell 1 (for example, the history of the operating load of the fuel cell 1), and the value is calculated as described above.
  • the diluter 25 may be controlled so as to be less than or equal to the predetermined concentration.
  • the flow rate adjustment valve 26 narrows the off gas flow rate, and the flow rate adjustment is performed so that the impurity concentration released to the outside is equal to or lower than the predetermined concentration.
  • the opening of valve 26 is adjusted.
  • the opening degree of the flow regulating valve 26 is determined based on the concentration of impurities in the off-gas, the amount of impurities estimated to be released from the adsorbent 4, and the like. It should be noted that the opening degree of the flow regulating valve 26 is adjusted not only when the dilution capacity of the diluter 25 is not sufficient as described above, but also when the diluter 25 is not operating. Good.
  • the flow rate adjustment valve 26 is provided on the downstream side of the diluter 25. However, only the flow rate adjustment valve 26 is provided without the diluter 25, whereby the impurity concentration released to the outside is provided. You can adjust.
  • the diluter 25 or the flow control valve 26 enables the impurity concentration to be set to a level that can avoid the influence on the system, It is also possible to prevent deterioration of the fuel cell stack.
  • the fuel cell system according to the present invention can perform power generation without being affected by impurities contained in the oxidizing gas supplied to the fuel cell.
  • the force that can be suitably applied to a fuel cell system for an electric vehicle is not limited thereto, and can be applied to various fuel cell systems.

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Abstract

　燃料電池１に供給する酸化ガスに含まれる不純物を吸着する不純物吸着手段４と、前記不純物吸着手段によって吸着した不純物を不純物吸着手段から放出させる不純物放出手段５と、前記不純物放出手段５から放出された不純物が通る不純物排出通路２２と、前記不純物放出手段により放出された不純物を希釈する希釈手段６と、を備える燃料電池システム１０であって、吸着した不純物を希釈手段６によって希釈してシステム外へ排出する。燃料電池に供給する酸化ガスに含まれる不純物を効果的に除去するとともに、除去した不純物を人体および環境への影響を低減して排出できる。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、電気化学反応にて電気工ネルギを発生させる燃料電池システムに関す るものである。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸ィ匕ガスとを燃料電池に 供給して、燃料電池の電解質を介して電気化学的に反応させて、電気工ネルギを得 るものである。前記燃料電池に供給する酸化ガスは空気が用いられており、使用場 所によっては硫黄化合物や窒素酸化物等のガス成分 (不純物）が含まれている。この ような不純物が燃料電池に供給されると、燃料電池スタックが劣化し、発電効率の低 下を招くおそれがある。
[0003] 従来の燃料電池システムとして、前記不純物が燃料電池に流入されることを防ぐた め、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置から燃料電池への供給過程において、酸 化ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えたものがある（例えば、 特許文献 1、 2、 3、 4、 5参照)。
[0004] 上述の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給する酸化ガス中に含まれる不 純物を除去することができ、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。しかし、 前記不純物除去手段は、不純物を除去できる容量に限界があり、一定量使用した後 は、交換又は再生処理が必要であった。
[0005] このような問題に鑑みて、以下の燃料電池システムが提案されている。この燃料電 池システムの不純物除去手段は、酸化ガスから除去した不純物を脱離可能であり、 必要に応じて不純物除去手段の不純物をシステム外へ排出することができる（例え ば、特許文献 6参照)。従って、不純物除去手段を再生し、継続的な使用が可能であ る。
特許文献 1：特表 2004— 508693号公報
特許文献 2 :特開 2005— 116353号公報 特許文献 3：特開 2004 - 327429号公報
特許文献 4：特開平 8 - 138703号公報
特許文献 5 :特開 2005— 100967号公報
特許文献 6：特開 2005 - 129494号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 上述の燃料電池システムは、不純物除去手段によって酸ィ匕ガス力 脱離した不純 物を排出する際は、酸ィ匕ガス供給通路と連通した排出通路力も排出するが、不純物 除去手段から一度に大量の不純物が排出されることがある。そして、大量の不純物 が再び、この燃料電池システムや別の燃料電池システムに酸ィ匕ガスとして使用される ことで、それらの稼動に影響を及ぼすおそれがある。
[0007] 本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給する酸ィ匕ガスに 含まれる不純物を効果的に除去できる燃料電池システムであって、その除去した不 純物が、自己を含む外部のシステム等に悪影響を及ぼさない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
[0008] 本発明は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前 記燃料電池に供給される酸化ガスが通る酸化ガス供給通路と、前記酸化ガス供給通 路上に設けられ、酸化ガスに含まれる不純物を吸着する不純物吸着手段と、前記不 純物吸着手段より下流側の前記酸化ガス供給通路から前記燃料電池を通らずに外 部へと繋がる不純物排出通路と、前記不純物吸着手段に吸着された不純物を該不 純物吸着手段から放出させる不純物放出手段と、前記不純物放出手段により放出さ れた不純物を前記不純物排出通路に導く流路調整手段と、前記不純物放出手段に より放出された不純物を希釈する希釈手段と、を備えることを特徴とする燃料電池シ ステムである。
[0009] 本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給 通路に不純物吸着手段が設けられており、該不純物吸着手段によって酸化ガスに含 まれる不純物を吸着することができる。この不純物とは、大気に含まれる炭化水素、 窒素酸化物、硫黄化合物、一酸化炭素、水素硫酸物等のガス成分 (不純物)であり、 これらの不純物を吸着することにより、不純物による燃料電池スタックの劣化、これに 伴う発電効率の低下等の悪影響を低減することができる。
[0010] また、本発明に係る燃料電池システムは、吸着した不純物を放出する不純物放出 手段と、放出された不純物を希釈する希釈手段と、を備えているため、酸化ガスから 吸着した不純物を容易に希釈してシステム外に排出することができる。よって、不純 物吸着手段の再生処理ができ、 «続的に酸ィ匕ガスの不純物を除去することができる
[0011] さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記不純物排出通路と、放出された不 純物を不純物排出通路へ導く流路調整手段と、を備えているため、不純物をシステ ム外へ排出する際に、燃料電池を介さずに不純物を排出できる。すなわち、燃料電 池への不純物の流入を防ぐことができ、燃料電池スタックの劣化を防ぐことができる。
[0012] また、本発明に係る燃料電池システムは、前記酸化ガス供給通路上に設けられ、前 記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段を更に備え、前記希釈手段は 、前記酸化ガス供給手段により酸化ガスを供給することで不純物を希釈することを特 徴とすることが望ましい。
[0013] 前記酸化ガス供給手段は、燃料電池への酸化ガスの供給機能と不純物を希釈す る不純物の希釈機能とを備えている。このように構成することで、構成の簡略化、部 品点数の縮減、及び省スペース化を図ることが可能となる。
[0014] また、本発明に係る燃料電池システムは、前記不純物吸着手段が活性炭であり、 前記不純物放出手段が前記活性炭を加熱して前記不純物吸着手段に吸着された 不純物を放出させる構成とすることを特徴とすることが望ましい。
[0015] 前記活性炭は、所定低温下において物質を吸着し、所定低温より高い所定高温下 において吸着した物質を放出する性質がある。従って、前記不純物吸着手段として 活性炭を用いて、前記不純物放出手段が活性炭を加熱する構成とすることにより、所 定低温下において不純物を吸着して酸化ガスから除去して、所定高温下において吸 着した不純物を放出してシステム外へ排出することができる。
[0016] 前記所定低温は、活性炭を処理することにより適宜設定可能であり、燃料電池の運 転温度下において吸着できるように、燃料電池の運転温度、システムの配置等に基 づいて設定する。また、前記所定高温は、燃料電池の運転時において不純物が放 出されないように燃料電池の運転時より高い温度に設定すべきである。例えば、燃料 電池の運転温度が約 80°Cの場合には、所定低温を 100°C以下、所定高温を 150°C 以上として、燃料電池の運転時に不純物を吸着するが放出はしないように温度設定 すべきである。
[0017] また、本発明を上記不純物の放出濃度の側面力も構成することも可能である。そこ で、本発明は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前 記燃料電池に供給される酸化ガスが通る酸化ガス供給通路と、前記酸化ガス供給通 路上に設けられ、酸化ガスに含まれる不純物を吸着する不純物吸着手段と、前記不 純物吸着手段より下流側の前記酸化ガス供給通路から前記燃料電池を通らずに外 部へと繋がる不純物排出通路と、前記不純物吸着手段に吸着された不純物を不純 物吸着手段から放出させる不純物放出手段と、前記不純物放出手段により放出され た不純物を前記不純物排出通路に導く流路調整手段と、前記不純物放出手段によ り放出された不純物が前記不純物排出通路を経て外部へ放出されるときの、該不純 物の濃度を所定濃度以下に制限する放出濃度制限手段と、を備えることを特徴とす る燃料電池システムである。
[0018] 上記所定濃度とは、不純物をシステム外に排出するとき自己を含む外部のシステム 等への影響を回避できる程度の、該不純物の濃度であり、適宜設定されればよい。こ のように構成される燃料電池システムにおいては、不純物を燃料電池を介さずに、且 つシステムに影響を及ぼさない状態で外部に放出することが可能になる。
[0019] そして、前記放出濃度制限手段は、前記不純物排出通路に設けられた希釈器であ つて、該希釈器は、前記不純物放出手段により放出された不純物を希釈することで、 該不純物が外部に放出されるときのその濃度を前記所定濃度以下してもよぐ若しく は前記放出濃度制限手段は、前記不純物排出通路に設けられた流量調整弁であつ て、該流量調整弁は、該不純物排出通路を流れる不純物を含むオフガスの流量を 調整することで、該不純物が外部に放出されるときのその濃度を前記所定濃度以下 としてちよい。 発明の効果
[0020] 本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に供給する酸化ガスに含まれ る不純物を効果的に除去でき、除去した不純物を希釈等してその濃度を下げてシス テム外へ排出するため、除去した不純物が、自己を含む外部のシステム等に悪影響 を及ぼさないようにすることが可能となる。また、不純物吸着手段を容易に再生して、 燃料電池の劣化を防ぎつつ不純物をシステム外へ排出できるため、継続的な処理が 可能となる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
[図 2]不純物の排出制御を示すフローチャートである。
[図 3]実施の形態に係る燃料電池システムの第二の構成図である。
発明を実施するための最良の形態
[0022] 本発明に係る燃料電池システムの実施の形態にっ 、て図面に基づ!/、て詳細に説 明する。
実施例 1
[0023] 図 1は、実施の形態に係る燃料電池システム 10のシステム構成図である。この燃料 電池システム 10は、燃料電池 1と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料 電池 1に水素ガスを供給する高圧水素タンク 2と、燃料電池 1に供給される酸化ガス が通る酸化ガス供給通路 21と、前記酸化ガス供給通路 21上に設けられ、通過する 酸ィ匕ガスの不純物を吸着する不純物吸着手段としての吸着材 4と、前記吸着材 4を 加熱する不純物放出手段としてのヒータ 5と、大気中の空気を酸化ガスとして燃料電 池 1に導くとともに、前記吸着材 4から放出された不純物を希釈する酸化ガス供給手 段及び希釈手段としてのエアコンプレッサ 6と、前記吸着材 4より下流側の酸化ガス 供給通路 21と当該システム 10外部とを繋ぐ不純物排出通路 22と、前記酸化ガス供 給通路 21と不純物排出通路 22との連通部に設けられ、酸化ガス供給通路 21を通る 酸化ガスおよび不純物の流路を調整する流路調整手段としての三方弁 7と、前記吸 着材 4より上流側の酸ィ匕ガス通路 21上に設けられたフィルタ 8と、前記三方弁 7より下 流側の酸化ガス供給通路 21上に設けられた加湿器 9と、を備えて 、る。
[0024] 前記燃料電池 1は、水素ガスと酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ て電気工ネルギを得るものである。燃料電池 1は、燃料電池を電源として走行する電 気自動車にお!、て多用されて 、る固体高分子電解質型燃料電池である。
[0025] 前記エアコンプレッサ 6は、システム外の大気中の空気を酸化ガスとして燃料電池 1 に供給する。このように大気力も酸ィ匕ガスを燃料電池 1に導くため、当該酸ィ匕ガスに は、大気に含まれる炭化水素、窒素酸化物、硫黄化合物、一酸化炭素、水素硫酸物 等のガス成分 (不純物）、及び塵、埃、屑等の粉塵 (不純物）が含まれていることがあ る。前記粉塵を除去するため、エアコンプレッサ 6の上流には、酸化ガスの粉塵を除 去するフィルタ 8が設けられて!/、る。
[0026] さらに、前記ガス成分を除去するため、前記フィルタ 8の下流側の酸化ガス供給通 路 21上には、吸着材 4が設けられている。この吸着材 4は活性炭であり、燃料電池 1 の運転温度下において不純物を吸着する。前記吸着材 4には、ヒータ 5が配置されて おり、該ヒータ 5によって吸着材 4を加熱することができる。吸着材 4は、燃料電池 1の 通常運転時においては燃料電池 1と略同等の温度であり、その運転温度下において 不純物を吸着するように予め処理されている。また、前記ヒータ 5によって吸着材 4を 加熱することにより、吸着した不純物を放出することができる。吸着材 4から不純物を 放出させる温度は、燃料電池 1の運転温度より高ぐ燃料電池 1の発電時においては 吸着剤 4が不純物を放出しな 、ように設定されて 、る。
[0027] 前記ヒータ 5は、 ECU11によって制御されており、電気自動車の停止時等燃料電 池 1の発電停止時に、吸着材 4を加熱し、吸着材 4力 不純物を放出させる。また、 E CU11は、吸着材 4を加熱する（吸着材 4力も不純物を放出させる）際に、前記ェアコ ンプレッサ 6を制御して、放出された不純物に対して空気を供給する。これにより、吸 着材 4力も放出された不純物を希釈して、システム外へ排出することができる。
[0028] 前記三方弁 7は、酸化ガス供給通路 21と、不純物排出通路 22の連通部に設けら れており、酸化ガス供給通路 21を通る酸化ガス及び不純物を燃料電池 1又は不純 物排出通路 22に流す。具体的には、通常の燃料電池の発電時、すなわち燃料電池 1に酸ィ匕ガスを供給する際は、不純物排出通路 22への流路を塞ぎ、酸化ガス供給通 路 21を開放して、供給される酸化ガスを燃料電池 1に導く。また、吸着材 4カゝら不純 物を放出させ、不純物 4をシステム外へ排出する際は、酸ィ匕ガス供給通路 21の燃料 電池 1側の流路を塞ぎ、不純物排出通路 22に不純物を導く。このように、三方弁 7に よって適宜流路を調整することにより、不純物の排出時に燃料電池 1に不純物が流 人することを防ぐことができる。
[0029] 前記 ECU11は、前記高圧水素タンク 2からの水素供給量、ヒータ 5による吸着材 4 の加熱、エアコンプレッサ 6による空気供給量、三方弁 7による流路選択を制御して いる。
[0030] 以下、上記のように構成された燃料電池システム 10における不純物の排出制御に ついて詳細に説明する。以下に説明する各種制御は、前記 ECU11によって実行さ れる。また、本実施の形態に係る不純物の排出制御は、電気自動車の停止時等、燃 料電池 1の発電を停止した際に実行される制御であって、一定時間経過毎、又は一 定距離走行毎に繰り返し実行される。図 2は、不純物の排出制御を示すフローチヤ ートである。
[0031] ECU11は、電気自動車の停止時等、吸着材 4の再生処理をすべく燃料電池 1の 発電を停止する (ステップ 101)。燃料電池 1の発電を停止した後、三方弁 7で燃料電 池 1に通じる酸ィ匕ガスの流路を塞ぎ、酸ィ匕ガスの流路を不純物排出通路 22に切り替 える (ステップ 102)。燃料電池の発電時は、燃料電池 1に酸ィ匕ガスを供給するため、 三方弁 7によって不純物排出通路 22への流路を塞ぎ、燃料電池 1への流路を開放 する。これに対して、不純物排出時は、燃料電池 1に不純物が流入することを防ぐた め、三方弁 7によって不純物排出通路 22への流路を開放し、燃料電池 1への流路を 塞ぐ。次いで、前記ヒータ 5によって吸着材 4を加熱する (ステップ 103)。この加熱に よって燃料電池 1の発電時に吸着剤 4に吸着していた不純物が、該吸着材 4力 放 出される。
[0032] 次いで、エアコンプレッサ 6によって、不純物排出通路 22に空気を供給する (ステツ プ 104)。これにより、吸着材 4力も放出された不純物は、希釈されて不純物排出通 路 22に流入する。前記不純物排出通路 22はシステム外部と繋がっているため、流 入した不純物は空気に希釈され、システム外部へ排出されること〖こなる。 [0033] ECU11は、不純物の排出を開始した後、不純物の排出処理を終了する力否かを 判定する (ステップ 105)。不純物の排出処理の終了の判定方法としては、例えば不 純物の排出を開始して力 実験等で事前に求めておいた不純物排出に要する所定 時間を経過したか否かをもって判定することができる。判定の結果、不純物の排出を 継続する場合には、再度ヒータ 5によって吸着材 4を加熱して (ステップ 103)、排出 処理を継続する。一方、不純物の排出処理を終了する場合は、前記ヒータ 5の加熱 を停止して (ステップ 106)、吸着材 4が不純物を放出しない所定温度以下の温度に 下がるのを待って、エアコンプレッサ 6を停止する（ステップ 107)。前記所定温度とは 、吸着材 4が不純物を放出せず、不純物を吸着する温度である。吸着材 4が所定温 度以下に下がると不純物は放出されないため、三方弁 7で不純物排出通路 22を塞 ぎ、酸ィ匕ガス供給通路 21の燃料電池 1側の流路に切り替える (ステップ 108)。このよ うにして不純物の排出処理を完了する (ステップ 109)。
[0034] 以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム 10によれば、燃料電池 1の 発電時には、吸着材 4によって酸ィ匕ガスに含まれる不純物を吸着できる。また、一定 量の不純物を吸着材 4によって吸着した後に吸着材 4力 不純物を放出させて、吸 着材 4を再生することができる。よって、吸着材 4の交換等のメンテナンスを要すること なく継続的に不純物を除去することが可能となる。さらに、不純物の排出時には、不 純物を希釈して、燃料電池 1を介さずにシステム外へ排出するため、 自己を含む外 部のシステム等への悪影響を低減できるとともに、燃料電池スタックの劣化を防ぐこと ができる。
[0035] なお、本実施の形態では、酸ィ匕ガス供給通路 21に希釈手段としてのエアコンプレ ッサ 6を配置したが、希釈手段は、吸着材力 放出された不純物を希釈できればよく 、不純物排出通路 22に配置してもよい。さらに、実施の形態では、エアコンプレッサ 6 による大気力もの酸ィ匕ガスの供給で不純物を希釈したが、当該酸化ガス供給用のェ アコンプレッサ 6とは別に希釈用のエア導入手段を備えて希釈してもよい。
[0036] 以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスに含まれる不純物を吸 着して、システム外へ希釈して排出できるものであればよぐ上記実施形態に限られ ず、可能な限りこれらの組み合わせをも含むものである。 実施例 2
[0037] 次に、本発明に係る燃料電池システムの第二の実施例を、図 3に基づいて説明す る。尚、図 3に示す燃料電池システムの構成要素は、第一の実施例に係る図 1の燃 料電池システムの構成要素と共通する部分があるので、それら共通要素については 第一の実施例の場合と同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。
[0038] 本実施例に係る燃料電池システムでは、不純物排出通路 22の下流側（システムの 外部により近い部位）に、希釈器 25と流量調整弁 26が設けられている。希釈器 25は 、不純物排出通路 22を流れるオフガスを希釈するための装置であり、 ECU11によつ てその希釈性能が制御される。具体的には、希釈器 25には希釈用の二次空気が導 入されており、 ECU11によってその導入量が調整されることで、希釈器 25の希釈性 能が制御される。また、流量調整弁 26は、希釈器 25の下流側に設けられ、 ECU11 力もの指令に従って不純物排出通路 22を流れるオフガスの流量を調整する。尚、本 実施例におけるエアコンプレッサ 6は、燃料電池 1に酸ィ匕ガスとしての空気を供給す る必要があるときに駆動する。
[0039] 本実施例に係る燃料電池システムでは、先の第一の実施例と同様に、吸着剤 4〖こ よって酸ィ匕ガス中の不純物が吸着される。そして、その吸着された不純物をシステム 外に放出するために、ヒータ 5によって吸着剤 4の加熱が行われるとともに、三方弁 7 によって酸ィ匕ガスの流路が不純物排出通路 22に切り替えられることで、排出された 不純物の燃料電池 1への供給が回避される。そして、それと同時に、システム外に放 出されるオフガス中の不純物濃度が所定濃度以下になるように、希釈器 25によって オフガスの希釈が行われる。この所定濃度とは、不純物をシステム外に排出するとき 自己を含む外部のシステム等への影響を回避できる程度の、その濃度である。
[0040] このとき、オフガス中の不純物濃度として、希釈器 25の下流側に設けられた濃度セ ンサ（図示せず）による検出値を用いて、その検出値が上記の所定濃度以下となるよ うに、希釈器 25に導入される二次空気量が調整される。また、燃料電池 1における酸 化ガスの供給履歴 (例えば、燃料電池 1の運転負荷の履歴等)から推定される不純 物の放出量に基づいて暫定的な不純物濃度を算出し、その値が上記の所定濃度以 下となるように希釈器 25が制御されてもよい。 [0041] 更に、希釈器 25でオフガスの十分な希釈ができない場合には、流量調整弁 26で オフガス流量を絞り込んで、外部に放出される不純物濃度が上記の所定濃度以下に なるように流量調整弁 26の開度が調整される。流量調整弁 26の開度は、オフガス中 の不純物の濃度や、吸着剤 4から放出されると推定される不純物量等に基づ 、て決 定される。尚、流量調整弁 26の開度が調整されるのは、上記のように希釈器 25の希 釈能力が十分でない場合だけではなぐ希釈器 25が稼動していない場合に単独で 行われてもよい。更には、本実施例では、希釈器 25の下流側に流量調整弁 26を設 けたが、希釈器 25を設けずに流量調整弁 26のみを設けて、それによつて外部に放 出される不純物濃度を調整してもよ ヽ。
[0042] 以上のように、本実施例に係る燃料電池システムでは、希釈器 25又は流量調整弁 26によって不純物濃度をシステムへの影響を回避できる程度の濃度とすることが可 能となるとともに、燃料電池スタックの劣化を防ぐことも可能となる。
産業上の利用可能性
[0043] 本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化ガスに含まれる不 純物に影響されることなぐ発電を行うことが可能となる。例えば、電気自動車のため の燃料電池システムに好適に適用できる力 それだけに限られず様々な燃料電池シ ステムに適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスが通る酸化ガス供給通路と、
前記酸化ガス供給通路上に設けられ、酸化ガスに含まれる不純物を吸着する不純 物吸着手段と、
前記不純物吸着手段より下流側の前記酸化ガス供給通路から前記燃料電池を通 らずに外部へと繋がる不純物排出通路と、
前記不純物吸着手段に吸着された不純物を不純物吸着手段から放出させる不純 物放出手段と、
前記不純物放出手段により放出された不純物を前記不純物排出通路に導く流路 調整手段と、
前記不純物放出手段により放出された不純物を希釈する希釈手段と、を備えること を特徴とする燃料電池システム。
[2] 前記酸化ガス供給通路上に設けられ、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガ ス供給手段を更に備え、
前記希釈手段は、前記酸化ガス供給手段により酸化ガスを供給することで不純物 を希釈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。
[3] 前記流路調整手段は、前記酸化ガス供給通路と前記不純物排出通路の連結部に 設けられた三方弁であって、
前記希釈手段は、前記三方弁によって前記酸化ガス供給通路での前記燃料電池 への酸化ガスの供給が遮断された状態で、前記酸化ガス供給手段により酸化ガスを 供給することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池システム。
[4] 前記希釈手段は、前記燃料電池にぉ 、て発電が行われて 、な 、ときに、前記酸化 ガス供給手段により酸化ガスを供給することを特徴とする請求項 2又は請求項 3に記 載の燃料電池システム。
[5] 水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスが通る酸化ガス供給通路と、
前記酸化ガス供給通路上に設けられ、酸化ガスに含まれる不純物を吸着する不純 物吸着手段と、
前記不純物吸着手段より下流側の前記酸化ガス供給通路から前記燃料電池を通 らずに外部へと繋がる不純物排出通路と、
前記不純物吸着手段に吸着された不純物を不純物吸着手段から放出させる不純 物放出手段と、
前記不純物放出手段により放出された不純物を前記不純物排出通路に導く流路 調整手段と、
前記不純物放出手段により放出された不純物が前記不純物排出通路を経て外部 へ放出されるときの、該不純物の濃度を所定濃度以下に制限する放出濃度制限手 段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
[6] 前記放出濃度制限手段は、前記不純物排出通路に設けられた希釈器であって、 該希釈器は、前記不純物放出手段により放出された不純物を希釈することで、該不 純物が外部に放出されるときのその濃度を前記所定濃度以下とする、請求項 5に記 載の燃料電池システム。
[7] 前記放出濃度制限手段は、前記不純物排出通路に設けられた流量調整弁であつ て、該流量調整弁は、該不純物排出通路を流れる不純物を含むオフガスの流量を 調整することで、該不純物が外部に放出されるときのその濃度を前記所定濃度以下 とする、請求項 5に記載の燃料電池システム。
[8] 前記不純物吸着手段は、活性炭であり、
前記不純物放出手段は、前記活性炭を加熱して前記不純物吸着手段に吸着され た不純物を放出させることを特徴とする請求項 1から請求項 7の何れかに記載の燃料 電池システム。
[9] 前記活性炭は、前記燃料電池の発電時においては酸ィ匕ガス中の不純物を吸着し 、該活性炭の温度が該燃料電池の発電時の温度より高い所定高温に至ると吸着し ている不純物を放出することを特徴とする請求項 8に記載の燃料電池システム。
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