JP2005243357A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス循環系内において粒子状態で飛んでいる水分や不純物を確実に除去することが可能であり、燃料電池の性能及び寿命を向上させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１００に、燃料電池１００から排出される排出ガスを再循環させて再び燃料電池１００に供給するガス循環系を接続し、このガス循環系に撥水フィルタ１４を設置し、撥水フィルタ１４を通過した流体を燃料電池１００に再び供給する燃料電池システム１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、特に排出ガスを再循環させて燃料電池に供給するガス循環系を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という）と、前記燃料極に燃料ガス（水素）を、酸化剤極に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層した構成のものがある。

このような燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素と、燃料電池で行われた電池反応により生成された水が、水素循環系内を流れている。この燃料電池では、供給された水素の全てが電池反応に使用されるわけではないため、この未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する循環システムが採用されている。そして、電池反応により生成された水は、外部に排出されている。なお、このような水素循環系では、循環動力として、通常、ポンプが経路内に設置されている。

ここで、前記水素循環系内を流れる水には、僅かではあるが、燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した成分が存在している。また、外気より吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素循環系に混入することもある。特に燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した成分の中に金属イオンが存在している場合は、燃料電池自身の機能低下や寿命低下に通じる虞がある。そしてまた、燃料電池内で生成される水が酸性になる場合もある。したがって、水素循環系内に水が残留することを防止する必要があった。

そこで、従来から、このような水素循環系には、水素と水とを分離する気液分離器が配設されており、この気液分離器で分離された水は、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を介して外部に排出されている。

このような燃料電池システムで使用される気液分離器としては、例えば、下部が回収燃料の貯槽である分離器本体部と、その上部が分離器本体部に通じる冷却部とからなり、この冷却部の最上部に撥水性気液分離フィルタを設けたものがある。（例えば、特許文献１参照）。

また、上下を密閉した円筒状の本体内部の上下中間部に、当該本体の内径にほぼ等しい外径を有し、且つ外周に複数の切欠き部が形成された仕切板を設け、燃料電池へ供給する空気中の水分を分離する気液分離器も使用されている。（例えば、特許文献２参照）。

そしてまた、燃料電池へ空気を供給する空気供給装置に、空気中に含まれる塵、油、水分等を分離して燃料電池の空気極に供給する空気の浄化を行なうための浄化フィルタを設けた固体酸化物形燃料電池システムも紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。
特開平４−２２９９５８号公報 特開２００３−１０３３号公報 特開２００３−２７２６７７号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載された気液分離器に配置される撥水性気液分離フィルタは、燃料電池から排出された未消費のメタノール燃料と二酸化炭素ガスとメタノール蒸気のうち、二酸化炭素ガスだけを分離して外気へ排出するためのものであって、循環系内において粒子状態で飛んでいる水分や不純物を確実に除去することについて考慮されたものではない。

また、特許文献２に記載された気液分離器は、水素循環系内の水を９０％程度除去することができるが、ガスの流れに乗って粒子状態で飛んでいる水分を除去することができない。したがって、水素循環系内に残存した水分によって、前述したように、燃料電池自身の機能が低下したり、寿命が短くなる虞があり、水素循環系内の水分や不純物を確実に除去することが望まれている。

そしてまた、特許文献３に記載された燃料電池システムで使用されている浄化フィルタは、コンプレッサが吸引する空気中に含まれる塵、油、水分等を分離するものであって、ガス循環系に配設されているものではなく、燃料電池から排出された排出ガス中に含まれている水分や不純物を確実に除去するものではない。

本発明は、このような従来の燃料電池システムを改良することを課題とするものであり、ガス循環系内において粒子状態で飛んでいる水分や不純物を確実に除去することが可能であり、燃料電池の性能及び寿命を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、排出ガスを再循環させて燃料電池に供給するガス循環系を備えた燃料電池システムであって、前記ガス循環系に撥水フィルタを設置し、当該撥水フィルタを通過した流体を前記燃料電池に再び供給する燃料電池システムを提供するものである。そして、前記ガス循環系は、水素循環系であってもよく、酸素循環系であってもよい。

この構成を備えた燃料電池システムは、撥水フィルタによって、ガス循環系内において粒子状態で飛んでいる水分や不純物を確実に除去することができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記ガス循環系が気液分離器を備え、前記撥水フィルタを、当該気液分離器の下流側に設置することもできる。このように構成することで、気液分離器で除去しきれなかった粒子状態で飛んでいる水分や不純物をさらに効率よく確実に除去することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記ガス循環系が気液分離器を備え、前記撥水フィルタを、当該気液分離器内に設置することもできる。この場合、前記撥水フィルタは、気液分離器内のガス出口側に設置することもできる。このように構成することで、前記と同様に、気液分離器で除去しきれなかった粒子状態で飛んでいる水分や不純物をさらに効率よく確実に除去することができる。

また、前記撥水フィルタを気液分離器内に配設する場合は、気液分離器内にもともと存在している空間を配設スペースとして利用することができるため、撥水フィルタを配設することによって、燃料電池システムが大型化することがない。また、撥水フィルタを配設するための部品も必要最低限ですみ、コストの増加を抑制することができる。

前記撥水フィルタは、複数の撥水フィルタ部材を積層した構成を備えることができる。そして、前記撥水フィルタは、メッシュサイズが異なる少なくとも２種類の撥水フィルタ部材を積層してなることができる。撥水フィルタをこのように構成することで、前記利点に加え、ガス循環系内における圧力損失をさらに低減することができる。

また、前記撥水フィルタは、前記各々の撥水フィルタ部材の開口を、隣接した撥水フィルタ部材同士の開口が重ならない位置に配置した構成とすることもできる。このような構成にすることで、前記利点に加え、ガス循環系内における圧力損失をさらに低減することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記ガス循環系に、親水性のイオン交換樹脂膜をさらに配設することもできる。このように構成することで、前記利点に加え、前記水分に不純物イオン等が含まれていても、これらを親水性のイオン交換樹脂膜によって吸着することができ、確実に除去することができる。

この親水性のイオン交換樹脂膜は、前記撥水フィルタと別体に設けても良く、一体的に設けてもよい。

本発明にかかる燃料電池システムは、ガス循環系内において粒子状態で飛んでいる水分や不純物を、撥水フィルタによって確実に除去することができる。この結果、ガス循環系内に存在していた水分に起因する悪影響が燃料電池に生じることを防止することができ、燃料電池の性能及び寿命を向上させることができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池システムの気液分離器及び撥水フィルタ付近を示す拡大断面図、図３は、図１に示す燃料電池システムの撥水フィルタを拡大して示す断面図である。

なお、本実施の形態では、燃料電池に接続されたガス循環系として、水素循環系について説明する。

図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池システム１の燃料電池１００は、ＭＥＡと、前記燃料極（アノード）に燃料ガス（水素）を、酸化剤極（カソード）に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせたセルを複数備えてなるスタックを内蔵した構成を備えている。

この燃料電池１００の空気供給口１０１には、酸化ガスとしての空気を供給する空気供給通路１０２が接続され、空気排出口１０３には、燃料電池１００から排出される空気及び水が排出される空気排出通路１０４が接続されている。また、燃料電池１００の水素供給口１０５には、水素循環系１０の一端が接続され、水素排出口１０６には、水素循環系１０の他端が接続されている。

水素循環系１０は、燃料電池１００から排出された未反応の水素と生成水のうち、未反応の水素を循環させて、新たな水素と共に再び燃料電池１００内に供給し、生成水は外部に排出するものである。この水素循環系１０は、一端が水素排出口１０６に接続された循環通路１１と、循環通路１１の他端に接続され、循環通路１１から導入される水素と水とを分離する気液分離器１２と、気液分離器１２に接続され、気液分離器１２から排出された気体が導入される循環通路１３と、循環通路１３の気液分離器１２側近傍に設けられた撥水フィルタ１４と、循環通路１３の下流側に接続された、水素循環系１０の循環動力としての循環ポンプ１４と、一端が水素供給口１０５に接続されて燃料電池１００に水素を供給すると共に、他端側が循環通路１３の下流側端部と合流点Ａにおいて接続された水素供給通路１６と、を備えている。なお、符号２４は、燃料電池１００に水素を供給する際に、水素の流量を調整する弁である。

気液分離器１２は、特に図２に示すように、中空の略円筒形を備え、循環通路１１から排出された気液混合体（流体）を、旋回させることによって、気体と液体とに分離するものである。この気液分離器１２の下部には、気液分離器１２で分離された水を収容し、外部に排出する排水口１７となっている。この排水口１７には、気液分離器１２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（図示せず）が配設されている。また、排水口１７には、後に詳述する撥水フィルタ１４でトラップ（吸着等）された水分が排出されるための排出通路２３が接続されている。

撥水フィルタ１４は、特に図３に示すように、循環通路１３の上流側に配設された撥水フィルタ収容部２０に配設されている。この撥水フィルタ１４は、複数枚の撥水フィルタシート２１を積層し、これらを所定のフレーム２２に支持させた構造を有しており、循環通路１３のガスの通路となる部分、すなわち、循環通路１３の長手方向に略垂直な断面全体を覆うように配設されている。したがって、気液分離器１２から排出された気体及び気液分離器１２で除去しきれなかった水分は、この撥水フィルタ１４に到達する。この撥水フィルタ１４は、後に詳述するが、気液分離器１２で除去しきれなかった水分を確実にトラップして除去する。

なお、本実施の形態では、３枚の撥水フィルタシート２１を積層しているが、これらの撥水フィルタシート２１は、気液分離器１２側（上流側）に、メッシュサイズが細かいものを、下流側に、メッシュサイズが上流側よりも大きいものを配設した。そして、本実施の形態では、撥水フィルタ１４として、フッ素樹脂等の撥水性を有する高分子材料繊維等で構成されるポーラス皮膜を使用した。

また、撥水フィルタ収容部２０には、撥水フィルタ１４でトラップされた水分を気液分離器１２の排水口１７に排出するための排出通路２３が設けられている。

この構成を備えた燃料電池システム１は、燃料電池１００に水素及び空気が供給され、電気反応を開始すると、
燃料極（アノード）側では、 Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
酸化剤極（カソード）側では、 （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池全体としては、 Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
の反応が起こる。この電池反応により、燃料極（アノード）側では、生成水と共に、未反応の水素が水素排出口１０６を介して循環通路１１に排出される。

循環通路１１に排出された生成水と未反応の水素は、循環ポンプ１５の動力によって、気液分離器１２に移動し、ここで、水素と水とに分離される。この時、循環通路１１から排出された水の約９０％程度は、水素と分離されて排出口１７に収容され、ここから外部に排出される。しかしながら、水素の流れに乗って粒子状態で飛んでいる水分を除去することは困難であり、この粒子状態の水分は、水素と共に気液分離器１２から循環通路１３に排出されてしまう。

次に、循環通路１３に排出された水素及び気液分離器１２で除去しきれなかった水分は、撥水フィルタ１４に到達する。ここで、粒子状態の水分は撥水フィルタ１４にトラップされる。一方、水素は撥水フィルタ１４を通過して循環通路１３の下流側へと移動する。撥水フィルタ１４にトラップされた粒子状態の水分は、排出通路２３を通って、排出口１７に送られる。

このように、本実施の形態にかかる燃料電池システム１では、撥水フィルタ１４を配設したことによって、燃料電池１００から発生する生成水を１００％近く外部に排出することができる。したがって、燃料電池１００に生成水が再流入することを防止することができる。

ここで、従来、燃料電池での電池反応に伴い、発生する生成水と接触する燃料電池内の部品や、循環通路等の配管系部品から、僅かな材料やその成分が溶出する。また、外気より吸い込んだ空気からも不純物成分が入り込み、電解質膜を通過して水素循環系１０に混入することがある。そして、こうした汚れ成分は、燃料電池に再流入する。特に、汚れ成分の中にイオン物質が存在していると、電解質膜（高分子材料）がイオン交換膜であることから、イオン物質を吸着したり、想定していない反応を引き起こす等して、電解質膜の寿命を短くすることがある。また、水素分子を原子に解離させるために、電解質膜表面に装着されている白金触媒に悪影響を及ぼす虞もある。そしてまた、燃料電池内で生成される水が酸性になる場合もある。

本実施の形態にかかる燃料電池システム１では、前述したように、撥水フィルタ１４によって、水素循環系内において粒子状態で飛んでいる水分を確実にトラップし、除去することができる。このため、燃料電池１００に生成水が再流入することを防止することができ、燃料電池１００の性能及び寿命を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、複数枚の撥水フィルタシート２１を積層し、これらを所定のフレーム２２に支持させた構造の撥水フィルタ１４を用いた場合について説明したが、これに限らず、撥水フィルタは、例えば、図４に示すように、互いに隣接する撥水フィルタシート２１同士間で、一部に開口２５が形成されるように、複数の撥水フィルタシート２１を積層し、これらを所定のフレーム２２に支持させた構造としてもよい。この構成の場合、隣接した撥水フィルタシート２１同士の開口２５が重ならないように、開口２５の位置を決定する。このような構造にすることでも、前記と同様に、撥水フィルタ１４を通過しようとするガスに含まれている水分をトラップして除去することが可能で有ると共に、水素循環系１０内における圧力損失をさらに低減することができる。

また、本実施の形態では、気液分離器１２側（上流側）に、メッシュサイズが細かいものを、下流側に、メッシュサイズが上流側よりも大きいものを配設した場合について説明したが、これに限らず、同じメッシュサイズの撥水フィルタシート２１を積層してもよい。また、異なったメッシュサイズの撥水フィルタシート２１を積層する場合、メッシュサイズにより、配設位置が限定されるものではない。さらにまた、撥水フィルタ１４は、ここを通過しようとするガスに含まれている水分をトラップして除去することが可能であれば、必ずしも複数枚の撥水フィルタシート２１を積層した構造にしなくてもよいし、複数枚積層する場合は、その積層枚数は、所望により決定することができる。

そしてまた、本実施の形態では、循環通路１３の気液分離器１２側近傍に撥水フィルタ１４を配設した場合について説明したが、これに限らず、撥水フィルタ１４は、例えば、図５に示すように、気液分離器１２内の循環通路１３との接続部側に設けてもよい。この構成の場合、撥水フィルタ１４は、循環通路１３の長手方向に略垂直な断面全体を覆うように配設される。このように、撥水フィルタ１４を気液分離器１２内に配設すれば、撥水フィルタ１４にトラップされた水分は、排水口１７に直接落下するため、排出通路２３を設ける必要がない。また、この構成の場合、気液分離器１２内にもともと存在している空間を、撥水フィルタ１４の配設スペースとして利用することができるため、より小型化することができる。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システム１では、図６に示すように、水素循環系１０に、親水性のイオン交換樹脂膜３０をさらに配設することができる。このように、親水性のイオン交換樹脂膜３０を配設することにより、気液分離器１２で除去しきれなかった水分に不純物イオン等が含まれていたとしても、これらを親水性のイオン交換樹脂膜３０によって吸着することができ、より確実に除去することができる。

なお、親水性のイオン交換樹脂膜３０は、図７に示すように、撥水フィルタ１４と一体的に設けても良い。また、親水性のイオン交換樹脂膜３０を撥水フィルタ１４と別体に配設する場合は、その配設位置は、撥水フィルタ１４の上流側でも下流側でもよい。特に、撥水フィルタ１４の下流側に親水性のイオン交換樹脂膜３０を配設することで、圧力損失を考慮して撥水フィルタシート２１に開口２５を設定した場合に、下流側へ微量流出する水分に含まれる不純物イオン等も浄化可能である。

そしてまた、本実施の形態では、撥水フィルタ１４を水素循環系１０に配設した場合について説明したが、これに限らず、撥水フィルタ１４は、酸素循環系に配設してもよい。また、撥水フィルタ１４は、水素循環系１０及び酸素循環系の両方に配設してもよい。

本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムの気液分離器及び撥水フィルタ付近を示す拡大断面図である。 図１に示す燃料電池システムの撥水フィルタを拡大して示す断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの撥水フィルタを拡大して示す断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの気液分離器及び撥水フィルタ付近を示す拡大断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの撥水フィルタ及び親水性のイオン交換樹脂膜を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 水素循環系
１２ 気液分離器
１４ 撥水フィルタ
２１ 撥水フィルタシート
２５ 開口
３０ 親水性のイオン交換樹脂膜
１００ 燃料電池

Claims (10)

1. 排出ガスを再循環させて燃料電池に供給するガス循環系を備えた燃料電池システムであって、
   前記ガス循環系に撥水フィルタを設置し、当該撥水フィルタを通過した流体を前記燃料電池に再び供給する燃料電池システム。
2. 前記ガス循環系が水素循環系である請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス循環系が気液分離器を備え、前記撥水フィルタを、当該気液分離器の下流側に設置した請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス循環系が気液分離器を備え、前記撥水フィルタを、当該気液分離器内に設置した請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記撥水フィルタを、前記気液分離器内のガス出口側に設置した請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記撥水フィルタは、複数の撥水フィルタ部材を積層してなる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記撥水フィルタは、メッシュサイズが異なる少なくとも２種類の撥水フィルタ部材を積層してなる請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記各々の撥水フィルタ部材の開口は、隣接した撥水フィルタ部材同士の開口が重ならない位置に配置されている請求項６または請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記ガス循環系に、親水性のイオン交換樹脂膜をさらに配設した請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記親水性のイオン交換樹脂膜を、前記撥水フィルタと一体的に設けた請求項９記載の燃料電池システム。
    
    

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