JP2007048649A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 通常の気液混合流体の時は勿論のこと、気体と液体との混合流量が多く、気体の流量に対して液体の量が少ない気液混合流体が流入した場合であっても、当該気液混合流体に含有された不純物を確実に除去することが可能な不純物除去器が配設されてなる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１００から排出される流体Ｆが流通する排出通路に、流体Ｆに混入する不純物を除去する不純物除去器（イオン交換樹脂部材２０）を配設してなり、不純物除去器に流入した流体Ｆの通過速度を低下させる流速低下手段を備えてなる燃料電池システム１である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、特に、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池を含む燃料電池システムでは、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。したがって、排出された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おり、燃料電池から排出される排出ガス（気体）と、燃料電池の電池反応により生成された水（生成水）とが混合して存在する気液混合流体から水分を除去するための気液分離器が配設されている。

ここで、前記水素循環系内を流れるガスや水には、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不純物が存在している。また、カソード系の外気より吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、燃料電池の構成要素である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不純物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。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。そこで、従来から、水素循環系内にイオン交換器を配設し、生成水やガス等による燃料電池の劣化を抑制する方法が採用されている。

近年では、燃料電池の生成水が排出される少なくとも一方の排出管の固体高分子型燃料電池側に設けられ、前記排出ガスに同伴する前記生成水中に含まれるイオンを除去する固体高分子型燃料電池システムが紹介されている。この固体高分子型燃料電池システムでは、前記生成水中に含まれるイオンを除去する手段として、イオン交換樹脂を利用し、フッ素イオンを除去することが開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池のエア側排気マニホールドに、不純物除去部材を配置した燃料電池発電装置もある。（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−３１３４０４号公報 特開平９−３１２１６６号公報

しかしながら、前述した従来の固体高分子型燃料電池システムや燃料電池発電装置等では、気体と液体との混合流量が多く、気体の流量に対して液体の量が少ない気液混合流体が不純物除去部材（イオン交換樹脂）に流入し、当該不純物除去部材を通過する場合、液体が気体の流れにのって不純物除去部材に接触する時間が短くなる。すなわち、不純物除去部材を通過する単位面積当たりの液体通過速度が、不純物除去部材が有している不純物除去のために必要な液体通過速度よりも速くなる。したがって、不純物除去部材による不純物除去性能を十分に発揮させることが困難になる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、通常の気液混合流体の時は勿論のこと、気体と液体との混合流量が多く、気体の流量に対して液体の量が少ない気液混合流体が流入した場合であっても、当該気液混合流体に含有された不純物を確実に除去することが可能な不純物除去器が配設されてな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、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムであって、前記不純物除去器に流入（浸入）または通過中の流体の通過速度を低下させる流速低下手段を備えてなる燃料電池システムを提供するものである。

この構成を備えた燃料電池システムは、気体と液体との混合流量が多く、気体の流量に対して液体の量が少ない流体（気液混合流体）が不純物除去器に流入した場合であっても、流速低下手段により、この流体が不純物除去器に流入するまたは通過する速度を低下させることができる。したがって、不純物除去器による不純物除去性能を十分に発揮させることができ、当該流体に含有された不純物を確実に除去することができる。

本発明にかかる燃料電池システムの一態様としては、前記流速低下手段は、前記不純物除去器の流体出口面積が、当該不純物除去器の流体入口面積よりも小さい構成にすることができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムの他の一態様としては、前記不純物除去器を気液分離器内に配設してもよい。この場合、前記流速低下手段は、前記不純物除去器の流体入口面積を、前記気液分離器の流体入口面積よりも大きくした構成にすることもできる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムの他の一態様としては、前記流速低下手段は、前記気液分離器の流体入口面積を、前記不純物除去器の流体出口面積よりも大きくした構成を備えていてもよい。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムの他の一態様としては、前記流速低下手段は、前記気液分離器の流体入口面積を、当該気液分離器の気体出口面積以上にした構成を備えていてもよい。

本発明にかかる燃料電池システムは、不純物除去器に流入（浸入）した流体の通過速度を低下させる流速低下手段を備えているため、通常の気液混合流体の時は勿論のこと、気体と液体との混合流量が多く、気体の流量に対して液体の量が少ない気液混合流体が不純物除去器に流入した場合であっても、流速低下手段により、この流体が不純物除去器を通過する速度を低下させることができる。この結果、不純物除去器による不純物除去性能を十分に発揮させることができ、当該流体に含有された不純物を確実に除去することができる。

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例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、本発明の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これに内蔵された不純物除去器としてのイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。

なお、本実施の形態では、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路として、水素循環系に配設された循環通路を例にとって説明する。

図１に示す燃料電池システム１の燃料電池１００は、電解質膜と、この電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード電極と、からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡの両側に各々配設されたセパレータと、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内に配設された不純物除去器としてのイオン交換樹脂部材２０と、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の下流側に接続され、水素循環系１０の循環動力として働く循環ポンプ１５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、水素の圧力を調整する弁である。

気液分離器１２は、図２に示すように、中空の略円筒形を備え、循環通路１１から排出される水素と水を導入するための流体入口１８と、気液分離器１２内で分離されたガス（気体）を排出するガス排出口１９が形成されている。このガス排出口１９は、気液分離器１２の前記中空を画定する円筒形の気体通路２３に連通していると共に、循環通路１３に接続されており、気液分離器１２によって流体Ｆから分離された水素を循環通路１３へと通過させる。なお、本実施の形態では、流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）と、ガス排出口１９の開口面積（Ｓ_OUT）とが等しく（Ｓ_IN＝Ｓ_OUT）なるようにした。

また、気液分離器１２の下部には、流体Ｆから分離された水を収容し、外部に排出する排水口１７が連通形成されている。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。

なお、本実施の形態では、気液分離器１２として、流体入口１８から導入された流体Ｆ（気液混合流体）を旋回させることによって、気体（ガス）と液体とに分離するサイクロン式気液分離器を使用した。

イオン交換樹脂部材２０は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を含み、このイオン交換樹脂部材２０は、ケース３０内に収容されて気液分離器１２の内壁に接して配設されている。そして、流体入口１８から導入された流体Ｆは、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１から浸入してイオン交換樹脂部材２０を通過した後、イオン交換樹脂部材２０の流体出口３６から気液分離器１２の下部３９に到達し、ここで水素（ガス）と液体とに分離される。分離された液体は、排水口１７に到達して、ここから外部に排出され、分離された水素は、ガス排出口１９から循環通路１３に排気されることになる。

ケース３０は、気体通路２３が略中央となるように、気体通路２３を囲んで配設され、その内部にイオン交換樹脂部材２０の構成要素である前述したカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を収容する空間が形成された中空の略円筒形状を有している。このケース３０の上面３２は、図２に示すように、外周部から気体通路２３に向けて、すり鉢状に下方に向けて窪む（凹状となった）傾斜面となっている。そしてまた、このケース３０の上面３２には、複数の貫通孔３３が、気体通路２３からケース３０の外周部に向けて放射状に形成されており、これらの貫通孔３３によって、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１が構成されている。

一方、このケース３０の下面３４は、図２に示すように、気体通路２３から外周部に向けて下方に傾斜した、すなわち、気体通路２３から離間するにしたがって、重力方向に向かうよう傾斜した傾斜面となっている。この傾斜面は、イオン交換樹脂部材２０に流入した流体Ｆのうち、特に液体を前記外周部側に向けて移動するように誘導し、この部分に液体を集中させる役割を果たしている。また、ケース３０の下面３４には、複数の貫通孔３５が形成されており、これらの貫通孔３５によって、イオン交換樹脂部材２０の流体出口３６が構成されている。

また、ケース３０の下面３４の気体通路２３との境界部分には、気体通路２３から離れる方向に湾曲した偏向ガイド部３７が形成されている。この偏向ガイド部３７は、この部分に到達した流体の流れを気体通路２３から離れる方向に偏向させて誘導する役割を果たしている。

なお、ケース３０の上面３２に複数形成された貫通孔３３と、下面３４に複数形成された貫通孔３５は、貫通孔３３の合計開口面積が、貫通孔３５の合計開口面積よりも大きくなるように形成されている。すなわち、イオン交換樹脂部材２０は、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１の面積（Ｉ_IN）は、イオン交換樹脂部材２０の流体出口３６の面積（Ｉ_OUT）よりも大きい（Ｉ_IN＞Ｉ_OUT）構成を備えている。また、貫通孔３３の合計開口面積（すなわち、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１の面積（Ｉ_IN））は、気液分離器１２の流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）よりも大きく（Ｉ_IN＞Ｓ_IN）なるように形成されている。さらにまた、気液分離器１２の流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）は、貫通孔３５の合計開口面積（すなわち、イオン交換樹脂部材２０の流体出口３６の面積（Ｉ_OUT））よりも大きく（Ｓ_IN＞Ｉ_OUT）なるように形成されている。

ここで、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１の面積（Ｉ_IN）、イオン交換樹脂部材２０の流体出口３６の面積（Ｉ_OUT）、気液分離器１２の流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）及び気液分離器１２のガス排出口１９の開口面積（Ｓ_OUT）の関係をまとめると、
Ｉ_IN＞Ｓ_IN＝Ｓ_OUT＞Ｉ_OUT
となる。本実施の形態では、上記関係が、イオン交換樹脂部材２０浸入した流体の通過速度を低下させる流速低下手段を構成している。

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、
アノード電極側では、 Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード電極側では、 （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。この電気化学反応により、アノード電極側では、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に排出された流体Ｆ（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、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１（貫通孔３３）からイオン交換樹脂部材２０に浸入する。イオン交換樹脂部材２０に浸入した流体Ｆでは、水（液体）が水素（ガス）の流れにのってイオン交換樹脂部材２０に接触しながら不純物が除去されながらイオン交換樹脂部材２０の流体出口３６に向けて進む。流体出口３６から排出された流体Ｆは、気液分離器１２の下部３９で、サイクロンにより、水素（ガス）と液体とに分離され、液体は、排水口１７に到達して、ここから外部に排出され、水素は、ガス排出口１９から循環通路１３に排気される。

この時、気液分離器１２とイオン交換樹脂部材２０との間には、前述したように、
Ｉ_IN＞Ｓ_IN＝Ｓ_OUT＞Ｉ_OUT
の関係が成立している。このため、イオン交換樹脂部材２０に浸入した流体Ｆの通過速度を低下させることができる。したがって、流体Ｆが、水素と水との混合流量が多く、水素の流量に対して水の量が少ないという条件であっても、この流体Ｆがイオン交換樹脂部材２０を通過する速度が低下するため、流体Ｆがイオン交換樹脂部材２０内に留まる時間を長くすることができる。この結果、イオン交換樹脂部材２０による不純物除去性能を十分に発揮させることができる、流体Ｆに含有されていた不純物を確実に除去することができる。

さらに、本実施の形態では、気液分離器１２内にもともと存在している空間内にイオン交換樹脂部材２０を配設した構成としたため、燃料電池システム１の小型化に貢献でき、また、イオン交換樹脂部材２０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。

なお、本実施の形態では、イオン交換樹脂部材２０に浸入（流入）した流体Ｆの通過速度を低下させるため、Ｉ_IN＞Ｓ_IN＝Ｓ_OUT＞Ｉ_OUTの関係を成立させた場合について説明したが、これに限らず、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１の面積（Ｉ_IN）を、イオン交換樹脂部材２０の流体出口３６の面積（Ｉ_OUT）よりも大きく設定する、前記流速低下手段は、イオン交換樹脂部材２０の流体入口３１の面積（Ｉ_IN）を、気液分離器１２の流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）よりも大きくする、気液分離器１２の流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）を、気液分離器１２のガス排出口１９の開口面積（Ｓ_OUT）よりも大きくする、気液分離器１２の流体入口１８の開口面積（Ｓ_IN）を、気液分離器１２のガス排出口１９の開口面積（Ｓ_OUT）以上にする、の少なくとも一つを満足させれば、流体Ｆがイオン交換樹脂部材２０を通過する速度を低下させることが可能である。

また、本実施の形態では、気液分離器１２として、サイクロン式の気液分離器を使用した場合について説明したが、これに限らず、イオン交換樹脂部材２０は、他の方式の気液分離器を用いた場合にも適用可能であることは勿論である。

そしてまた、本実施の形態では、気液分離器１２内に収容されたイオン交換樹脂部材２０を水素循環系１０の循環通路に配設した場合について説明したが、これに限らず、本発明にかかるイオン交換樹脂部材２０は、酸化ガス（空気）供給系に配設してもよく、また、他の配管系に配設してもよい。さらに、イオン交換樹脂部材２０（不純物除去器）は、気液分離器１２内に収容せずに配設してもよい。

また、本実施の形態では、不純物除去器として、イオン交換樹脂部材２０を配設した場合について説明したが、これに限らず、不純物除去器は、流体中の不純物を除去することが可能であれば、イオン交換樹脂を主体とした構成を備えていなくてもよい。

そしてまた、イオン交換樹脂部材２０を収容するケース３０は、イオン交換樹脂部材２０（不純物除去器）の移動を制限する筐体であってもよい。この場合、筐体のうち、鉛直方向上方から流体が供給され、下方から流体が排出されるように構成することもできる。そして、前記流体が筐体から排出される部分の抵抗が、供給される部分の抵抗よりも大きくなるように構成することができる。

また、本発明にかかる流速低下手段における流体の流れの抵抗は、不純物除去器での流れの抵抗よりも大きくすることができる。

本発明の実施例１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これに内蔵された不純物除去器としてのイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…水素循環系、１１…循環通路、１２…気液分離器、１３…循環通路、１６…水素供給通路、１７…排水口、１８…流体入口、１９…ガス排出口、２０…イオン交換樹脂部材、２３… 気体通路、３０…ケース、３１… 流体入口、３３、３５…貫通孔、３６…流体出口、１００…燃料電池

Claims (6)

1. 燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムであって、
   前記不純物除去器に流入または通過中の流体の通過速度を低下させる流速低下手段を備えてなる燃料電池システム。
2. 前記流速低下手段は、前記不純物除去器の流体出口面積が、当該不純物除去器の流体入口面積よりも小さい構成を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記不純物除去器を、気液分離器内に配設してなる請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記流速低下手段は、前記不純物除去器の流体入口面積を、前記気液分離器の流体入口面積よりも大きくした構成を備えてなる請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記流速低下手段は、前記気液分離器の流体入口面積を、前記不純物除去器の流体出口面積よりも大きくした構成を備えてなる請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記流速低下手段は、前記気液分離器の流体入口面積を、当該気液分離器の気体出口面積以上にした構成を備えてなる請求項３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。
   
   
   

Images