JP2007109555A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に連通するガス流路を流れるガス中に含まれる微細な塵埃を取り除くこと。
【解決手段】ガス供給を受けて発電する燃料電池２０と、該燃料電池２０と連通する空気供給路７１，燃料供給路７４，水素循環路７５，及びパージ流路７６に配設されてガス中の不純物を除去するフィルタ装置１０と、を備えた燃料電池システムであって、前記フィルタ装置１０は、不凍液１３が含浸された海綿状物質１２をフィルタとして備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池と連通するガス流路に配設されてガス中の不純物を除去するフィルタ装置を備えた燃料電池システム及び燃料電池車両に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池のアノード側に燃料ガスとして水素ガスが供給されると共に、カソード側に酸化ガスとして空気が供給されることにより、発電が行われる。そして、燃料電池システムには、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化ガスをクリーン化するフィルタ装置を設け、ガス中に含まれる塵埃を除去して燃料電池に供給するものがある。フィルタとしては、金属または樹脂のメッシュを織り込んだものや、焼結剤を利用したフィルタが用いられる。
特開２００４−１９９８９７号

しかしながら、従来のフィルタでは微細な塵埃を捕集することができず、トラップしきれないダストを含んだ反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）が当該反応ガスを加湿するためにガス流路等に配設された加湿器に流れてその表面にダストが付着し、加湿性能が低下する場合がある。この場合、加湿器の加湿性能が、要求性能を満足できなくなる可能性がある。また、ガス流路に設けられたバルブの表面でダストの噛み込みを起し、バルブが制御不能となる可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、反応ガス中に含まれる微細な塵埃を極力取り除くことのできる燃料電池システム及び燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明においては上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池と連通するガス流路に配設されてガス中の不純物を除去するフィルタ装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記フィルタ装置は、液体が含浸されたフィルタを備える。

この構成によれば、塵埃を含むガスがフィルタ装置を通過することで、フィルタにより大きな塵埃が捕集されながら、フィルタの目を通過した微細な塵埃は液体中に捕集される。これにより、塵埃を含むガスはクリーンなガスに変換される。液体はフィルタに含浸されていることで、例えば車載時等における上下・左右・前後の各動きに対して液体の飛散を防ぐことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記フィルタは、海綿状物質に液体が含浸されたものであってもよい。

この構成によれば、目の粗い海綿状物質に液体が浸漬されていることで、例えば車載時等における上下・左右・前後の各動きに対して液体の飛散を防ぐことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記液体は不凍液であってもよい。

この構成によれば、液体が不凍液であるため、凍結を抑制することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記フィルタ装置は、フィルタケースと、該フィルタケース内の空間を複数に分割する前記フィルタとを備え、分割された前記空間のひとつに不純物を含むガスが供給され、該ガスが他の空間から排出されるようにしてもよい。

この構成によれば、フィルタケース内をフィルタによって二つ又はそれ以上の空間に分割し、フィルタ中に直接ガスを供給するのではなく、フィルタを避けた位置（空間）に供給する。これにより、フィルタ装置を通過する際のガス流路抵抗を低減することができる。

本発明の燃料電池システムにおいては、前記ガス流路に配設されたガス昇圧装置の下流、あるいは、前記ガス流路に配設されたシステム構成要素の上流に、前記フィルタ装置を備えてもよい。

この構成によれば、例えば弁や加湿器等のシステム構成要素、特に、ガス昇圧装置の下流に配設されたシステム構成要素の塵埃による動作不良を抑制することができる。より具体的には、例えば、加湿器表面にダストが付着することによる加湿性能の低下や、弁表面におけるダストの噛み込みを抑制することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記システム構成要素は、前記循環流路内の燃料オフガスを外部に放出するためのパージ弁、燃料ガス供給源の下流に配設された遮断弁、あるいは前記ガスを加湿する加湿器であってもよい。

本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池に戻すための循環流路を備え、前記ガス昇圧装置は、前記循環流路に配設された循環ポンプであってもよい。

本発明の燃料電池車両は、上記構成からなる燃料電池システムを駆動源として備える。

この燃料電池車両によれば、ガス中に含まれる微細な塵埃を極力除去した上で当該ガスを燃料電池に供給することが可能になるので、発電性能および応答性の低下を抑制することができる。

本発明によれば、フィルタ装置にガスが導入されると、フィルタにより大きな塵埃を捕集しながら、フィルタの目を通過した微細な塵埃を液体中に捕集することができる。よって、例えば、加湿器等の表面にダストが付着することによる加湿性能のダウンや、弁表面におけるダストの噛み込みを抑制することができ、要求性能の確保や信頼性の向上を図ることができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路（ガス流路、酸化ガス流路）７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサ（ガス昇圧装置）Ａ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器（システム構成要素）Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。

制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び不図示の圧力調整弁の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。また、コンプレッサＡ３の下流側で分岐路７７が分岐し、後述する排気路７２の気液分離器Ａ４の下流側で合流している。分岐路７７にはエアシャットバルブ７８が設けられている。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、加湿器Ａ２１の熱交換器、気液分離器Ａ４、及び水素希釈器Ａ５が設けられている。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源（燃料ガス供給源）３０から燃料供給路（ガス流路）７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（システム構成要素）Ｈ１００等が設けられている。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路（循環流路）７５に排出され、燃料供給路７４の遮断弁Ｈ１００の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２及び水素オフガスを加圧する水素ポンプ（ガス昇圧装置、循環ポンプ）Ｈ５０が設けられている。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。

水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。

水素循環路７５は、遮断弁（パージ弁、システム構成要素）Ｈ５１を介して、パージ流路（ガス流路）７６によって排気路７２の気液分離器Ａ４下流側に接続されている。遮断弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池やキャパシタ等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。

本燃料電池システムにおいては、空気供給路７１上のコンプレッサＡ３と加湿器Ａ２１との間（図１中の（ａ）参照）、水素供給源３０と燃料供給路７４上の遮断弁Ｈ１００との間（図１中の（ｂ）参照）、パージ流路７６に設けられた遮断弁Ｈ５１の上流側（図１中の（ｃ）参照）、及び、水素ポンプＨ５０の下流側（図１中の（ｄ）参照）に、以下に説明するフィルタ装置１０が設けられている。

各フィルタ装置１０は各々同様の構成を有する。したがって、以下では、フィルタ装置１０の一つのみについて説明する。

図２に示したように、フィルタ装置１０は、フィルタケース１１と、フィルタケース１１内に設けられた目の粗い海綿状物質（フィルタ）１２と、海綿状物質１２の上面を超えないように該海綿状物質１２に含浸させた不凍液（液体）１３とを備える。海綿状物質１２としては、例えば発泡樹脂、発泡金属、樹脂または金属の多孔体、樹脂または金属のメッシュ構造体等を採用することができる。

また、フィルタケース１１には、空気供給路７１等からガスが供給される入口配管１４が挿入され、該入口配管１４の先端は海綿状物質１２の内部で開口している。さらに、フィルタケース１１には空気供給路７１等へ再びガスを送る出口配管１５が設けられている。出口配管１５の端部は、海綿状物質１２の上面より上方の空間に開口している。

以上のように構成されていることにより、入口配管１４からフィルタ装置１０の内部に塵埃を含むガスが供給されると、海綿状物質１２により大きな塵埃が捕集されながら、海綿状物質１２の目を通過した微細な塵埃が不凍液１３中に捕集される。したがって、ガスが不凍液１３と海綿状物質１２とを通過することによって、クリーンなガスに変換される。このクリーンなガスは出口配管１５から吐出される。

不凍液１３は海綿状物質１２に含浸されていることで、燃料電池システム車載後の上下・左右・前後の各動きに対して不凍液１３の飛散を防ぐことができる。また、不凍液１３を用いていることから、低外気温時における凍結を抑制することができる。

したがって、本実施形態の燃料電池システムにおいては、微細な塵埃であっても捕集することができ、加湿器Ａ２１の表面にダストが付着することによる加湿性能の低下を抑制し、要求性能を確保することができる。また、遮断弁Ｈ５１，Ｈ１００の表面におけるダストの噛み込みを抑制することができ、可動部品の信頼性をより向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両によれば、反応ガスをそれに含まれる微細な塵埃を極力除去した上で燃料電池に供給することが可能になるので、発電性能および応答性の低下を抑制することができる。

上記フィルタ装置１０は、図３に示したように構成してもよい。図３のフィルタ装置２１では、フィルタケース２２と、フィルタケース２２内の空間を二分する海綿状物質（フィルタ）２３とを備え、二分された前記空間の一方（下部空間２４）に入口配管１４の開口が位置しており、他方の空間（上部空間２５）に出口配管１５の開口が位置している。

下部空間２４と海綿状物質２３には、海綿状物質２３の上面を超えないように不凍液が封入されている。

このように構成されていることにより、下部空間２４に不純物を含むガスが供給され、上部空間２５から出口配管１５を通して不純物が除去されたガスが排出される。

フィルタ装置２１を以上のように構成することで、上記フィルタ装置１０の作用効果に加え、反応ガスが海綿状物質２３を避けた下部空間２４に供給される結果、反応ガスがフィルタ装置２１を通過する際の送気抵抗が軽減し、コンプレッサＡ３や水素ポンプＨ５０の負荷を軽減することができる。

なお、上記においては海綿状物質２３によってフィルタケース２２内を二分したが、複数層の海綿状物質２３を相互に間隔をおいて配設することにより、３つ以上の空間に分割してもよい。

本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。 同燃料電池システムに設けられるフィルタ装置の断面図である。 同フィルタ装置の他の例について示した断面図である。

符号の説明

１０，２１…フィルタ装置、１１…フィルタケース、１２，２３…海綿状物質（フィルタ）、１３，２４…不凍液（液体）、２０…燃料電池、２４…下部空間、２５…上部空間、３０…水素供給源（燃料ガス供給源）、５０…制御部、７１…空気供給路（ガス流路、酸化ガス流路）、７２…排気路、７４…燃料供給路（ガス流路）、７５…水素循環路（循環流路）、７６…パージ流路（ガス流路）、Ａ３…コンプレッサ（ガス昇圧装置）、Ａ２１…加湿器（システム構成要素）、Ｈ５０…水素ポンプ（ガス昇圧装置、循環ポンプ）、Ｈ５１…遮断弁（パージ弁、システム構成要素）、Ｈ１００…遮断弁（システム構成要素)

Claims (12)

1. ガス供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池と連通するガス流路に配設されてガス中の不純物を除去するフィルタ装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記フィルタ装置は、液体が含浸されたフィルタを備える燃料電池システム。
2. 前記フィルタは、海綿状物質に液体が含浸されたものである請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記液体が不凍液である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記フィルタ装置は、フィルタケースと、該フィルタケース内の空間を複数に分割するように配設された前記フィルタとを備え、
   分割された前記空間のいずれかに不純物を含むガスが供給され、該ガスが他の空間から排出される請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス流路に配設されたガス昇圧装置の下流に、前記フィルタ装置を備える請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス流路に配設されたシステム構成要素の上流に、前記フィルタ装置を備えた請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記ガス昇圧装置は、酸化ガス流路に配設されたコンプレッサである請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池に戻すための循環流路を備え、
   前記ガス昇圧装置は、前記循環流路に配設された循環ポンプである請求項５に記載の燃料電池システム。
9. 前記システム構成要素は、前記循環流路内の燃料オフガスを外部に放出するためのパージ弁である請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記システム構成要素は、燃料ガス供給源の下流に配設された遮断弁である請求項６に記載の燃料電池システム。
11. 前記システム構成要素は、前記ガスを加湿する加湿器である請求項６に記載の燃料電池システム。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池システムを駆動源として備える燃料電池車両。

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