JP2007323819A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液混合流体の液滴の凍結を防止し、圧力損失を低減したコンパクトな形状の気液分離機構を有する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出される排出ガスを流通する排出ガス流路を有する燃料電池システム１であって、排出ガス流路に設置され、排出ガスに含まれる液滴を除去するメッシュフィルタ４と、メッシュフィルタ４の下流に設けられ、メッシュフィルタ４と異なるメッシュ幅を有する遮蔽用メッシュ６及びイオン交換樹脂５から成る遮蔽体２と、メッシュフィルタ４及び遮蔽体２を収納する筐体９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池から排出される排出ガスが流通する排出ガス流路に設けられ、排出ガスから液滴を除去する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガスとしての水素を燃料極（アノード電極）に供給し、酸化ガスとしての酸素を含んだ空気を酸化剤極（カソード電極）に供給することにより、燃料ガスと酸化ガスを電気化学的に反応させて発電する。しかし、燃料電池における電気化学的な反応においては、供給された総ての燃料ガスである水素が電気化学的な反応に使用されるわけではない。そこで、燃料電池の燃料極から排出された水素を再循環させる燃料ガス循環系が設けられ、水素の有効利用が図られている。

図７に、この燃料電池システム１の燃料ガス循環系２５を示す。燃料電池２０には、酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路２１、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出流路２２、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路２３、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出流路２４が設けられる。この燃料電池２０の燃料ガス排出口２７から排出された排出ガスは、燃料ガスとしての水素と、気体状の水蒸気と、燃料電池２０の電気化学的な反応により生成された凝縮水である液滴とが混合した気液混合流体となる。この排出ガスに含まれる液滴を除去し、燃料ガスを燃料ガス供給流路２３へと循環させるために、燃料ガス排出流路２４には気液分離器２６が配設される。この気液分離器２６により、排出ガスに含まれる液滴は、液滴排出口８から排出される。また、燃料ガスは、ガス排出口７から排出され、燃料ガスタンク２９から新たに供給される燃料ガスと合流点３１で合流して混合される。そして、燃料ガス供給流路２３を経由して燃料ガス供給口２８へと流通し、燃料電池２０へと循環して再利用される。

この燃料電池２０から排出された排出ガスのうち、燃料電池２０の電気化学的な反応により生成された凝縮水である液滴は、再利用することができないため除去する必要がある。また、燃料ガス循環系２５内を流れる液滴には不純物が含まれる。この不純物には、燃料電池２０や燃料電池システム１の配管から溶出した金属イオンが含まれる。この金属イオンの存在により、燃料電池２０の電気化学的な反応の機能低下が発生する。従って、燃料ガス循環系２５内にイオン交換器を設けて除去する必要がある。

この気液分離器２６には、一般に、サイクロン方式、又はねじりリボン方式が用いられる。サイクロン方式とは、円筒状の容器内で気液混合流体を旋回させ遠心力により気体と液体とに分離する方式である。このサイクロン方式は、特許文献１及び特許文献２に開示されている。一方、ねじりリボン方式とは、気液混合流体を捩られたリボンに沿って流し、螺旋流により気体と液体とに分離する方式である。このねじりリボン方式は、特許文献３に開示されている。

特許文献１には、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り除去する燃料電池システムが開示されている。また、この撥水フィルタをサイクロン方式の気液分離器内に配設し、さらに、水素循環系に親水性のイオン交換樹脂膜を配設することが開示されている。特許文献１で開示されているサイクロン方式は、円筒状の容器内で、流入した気液混合流体に対し、円筒内壁面で中心方向に向かう旋回流を発生させる方式である。この旋回流で生じた遠心力により、気液混合流体は、気体と液体とに分離される。

また、特許文献２には、排出ガス通路内において粒子状に飛んでいる水分や、この水分に混在している不純物を除去する不純物除去部材を設置することが開示されている。すなわち、サイクロン方式による気液分離器内に、気液分離器をほぼ埋めるように内壁に接してイオン交換樹脂部材が配設される。また、イオン交換樹脂部材の外面に撥水性の膜を配設することが開示されている。特許文献２で開示されているサイクロン方式は、特許文献１と同様な機構である。

また、特許文献３には、ねじりリボン方式による気液分離器が開示されている。図８に、ねじりリボン方式による気液分離器の１つの実施例を示す。ねじりリボン４０は、外筒４１の本体４２の一端部に気密的に組み付けられた導入口４３と、他端部に気密的に組み付けられた導出口４４とに同軸配置されて接続される。導入口４３から導入された気液２相流体は、ねじりリボン４０の表面に沿って流れて螺旋流を生じ、気相と液相に分離される。

特開２００５−２４３３５７号公報 特開２００５−２８５７３５号公報 特開２００３−６２４１６号公報

上述した従来のサイクロン方式による気液分離器は、円筒内の壁面において気液混合流体に旋回流を発生させる機構を要することからコンパクトな形状にすることが難しい。すなわち、燃料電池の小型化が要請されるなかで、燃料電池の筐体内でのスペースを確保しなければならないという問題がある。

また、このサイクロン方式による気液分離器では、燃料ガス循環系において、気液混合流体に旋回流を発生させることにより、気液分離器の流入口と排出口との間で圧力損失が大きくなり、燃料ガスポンプに負担がかかる。つまり、燃料ガスポンプによる流量を確保するには、圧力損失を低減する気液分離機構としなければならないという問題がある。

また、上述した従来のねじりリボン方式による気液分離器は、気液混合流体自体の螺旋流による方式のため、凝縮水である液滴の分離除去が十分ではない。また、気液分離器の入口部に設定されている、ねじりリボンの羽により、流入してくる気液混合流体の液滴がせき止められ、入口部において凍結する虞がある。

本願の目的は、かかる課題を解決し、気液混合流体の液滴の凍結を防ぎ、圧力損失を低減したコンパクトな形状の気液分離機構を有する燃料電池システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出される排出ガスを流通する排出ガス流路を有する燃料電池システムであって、排出ガス流路に設置され、排出ガスに含まれる液滴を除去するメッシュフィルタと、メッシュフィルタの下流に設けられ、メッシュフィルタと異なるメッシュ幅を有する遮蔽用メッシュを有する遮蔽体と、メッシュフィルタ及び遮蔽体を収納する筐体と、を備えることを特徴とする。

また、燃料電池システムは、遮蔽体が、遮蔽用メッシュにより包まれるイオン交換樹脂を有することが好ましい。

また、燃料電池システムは、メッシュフィルタが、排出ガス流路方向に対して鋭角に向けられたメッシュ面を有することが好ましい。

また、燃料電池システムは、メッシュフィルタが、それぞれが排出ガス流路方向に対して鋭角に向けられた、複数のメッシュ面から構成されることが好ましい。

さらに、燃料電池システムは、遮蔽用メッシュ幅が、メッシュフィルタのメッシュ幅より小さいことが好ましい。

上記構成により、燃料電池システムは、排出ガスに含まれる液滴をメッシュフィルタに凝縮させることで除去し、メッシュフィルタを通過した液滴については、さらに遮蔽体により凝縮させることにより除去する。このメッシュフィルタによる除去と遮蔽体による除去という２つの異なる手段により、排出ガスに含まれる液滴を多段階にて除去することが可能となる。

また、この方式は、気液混合流体に旋回流を発生させる機構が不要となる。つまり、メッシュによる液滴の除去であるため、圧力損失を低減したコンパクトな形状の気液分離機構が可能となる。

また、燃料電池システムの遮蔽体は、遮蔽用メッシュと、その遮蔽用メッシュにより包み込まれるイオン交換樹脂とから成る。メッシュフィルタ及び遮蔽用メッシュを通過した液滴は、イオン交換樹脂に付着し凝縮して除去される。すなわち、排出ガスに含まれる液滴を多段階にて除去することが可能となる。また、遮蔽用メッシュを通過した排出ガスに含まれる不純物は、イオン交換樹脂により除去される。すなわち、排出ガス中に含まれる金属イオンについても気液分離機構内で除去することが可能となる。

また、燃料電池システムのメッシュフィルタは、排出ガス流路方向に対して鋭角に向けられたメッシュ面を有する。或いは、メッシュフィルタは、複数のメッシュ面から構成される。これにより、排出ガスに含まれる液滴がメッシュ面に対して斜めに衝突するため凝縮し易くなる。さらに、このメッシュ面は、水平面に近い角度で設置されるため、凝縮した液滴が容易に下方に滴下し、液滴がメッシュ面に残るのを防ぐ機構となる。このため、メッシュフィルタにおける凍結を防止することが可能となる。

また、燃料電池システムの遮蔽用メッシュの幅をメッシュフィルタの幅より小さくすることで、メッシュフィルタを通過した微細な液滴を、さらに遮蔽体で除去するという多段階の除去が効果的に可能となる。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムによれば、気液混合流体の液滴の凍結を防ぎ、圧力損失を低減したコンパクトな形状の気液分離機構となる。

以下に、図面を用いて本発明に係る燃料電池システムの実施の形態につき、詳細に説明する。

図1に、本発明に係る燃料電池システムの１つの実施形態の概略構成を断面で示す。また、図２に、図１のＡ−Ａ線で切断した断面を示す。

燃料電池システム１は、排出ガス流入口３、メッシュフィルタ４、遮蔽体２、ガス排出口７、液滴排出口８、及び筐体９から構成される。本実施の形態の燃料電池システム１では、排出ガスは燃料ガスである水素とし、燃料ガス循環系は、水素循環系について説明する。

排出ガス流入口３は、燃料電池２０の燃料ガス排出流路２４に接続される。この燃料ガス排出流路２４からは、水素と、気体状の水蒸気と、燃料電池２０の電気化学的な反応により生成された液体状の液滴（凝縮水）とが混合した気液混合流体が、気液分離器２６である筐体９に流入する。筐体９は、メッシュフィルタ４及び遮蔽体２を内蔵し、ガス排出口７及び液滴排出口８を有する。ガス排出口７は、図７に示すように、燃料ガスタンク２９から新たに供給される燃料ガスと合流点３１で合流して混合される。そして、燃料ガス供給流路２３を経由して燃料ガス供給口２８へと流通し、燃料電池２０へと循環して再利用される。

図３に、本実施の形態でのメッシュフィルタ４を斜視図で示す。図３では、筐体壁面１４,１５と水平板１２，１３とからなる、筐体９内部の排出ガス流路１０の一部を切断してメッシュフィルタ４を示す。また、図４に、排出ガス流路１０内のメッシュフィルタ４を側方からみた断面で示す。筐体壁面１４及び１５には、それぞれ対向する位置に、メッシュフィルタ支持板１１が取り付けられる。メッシュフィルタ支持板１１は、図３に矢印“ａ”で示す排出ガス流路１０方向に対して鋭角に向けられ、複数の板が、連続して折り曲げられて筐体壁面１４及び１５に取り付けられる。これらの対向するメッシュフィルタ支持板１１同士の間に、メッシュ１６が貼り付けられる。このメッシュ１６は、排出ガス流路１０の全断面に亘ってメッシュフィルタ支持板１１の形状に沿って貼り付けられる。

本実施の形態では、このメッシュ１６は、略１００ミクロン程度の幅のメッシュである。排出ガスに含まれるメッシュ幅より大きな液滴は、このメッシュ１６に付着して凝縮される。また、このメッシュ幅より小さな液滴は、このメッシュフィルタ４を通過する場合がある。ここで、凝縮とは、微細な水蒸気の粒子がメッシュ１６に付着し、粒子同士が相互に結合して大きくなり液滴となることを意味する。この液滴は、重力により下方に滴下する。

このメッシュ１６は、排出ガス流路１０方向に対して鋭角に向けられ、複数のメッシュ１６が連続して折り曲げられている。従って、排出ガス流路１０方向に向かって流れる排出ガスに含まれる液滴は、メッシュ１６に対して斜め方向に衝突する。すなわち、排出ガスに含まれる液滴は、図４に示すメッシュフィルタ４の幅（Ｌ）の間で徐々にメッシュ１６に衝突し凝縮することから、排出ガス流路１０方向に対して略垂直に設ける通常のメッシュフィルタと比べて液滴の凝縮が生じ易い。ここで、排出ガス流路１０方向とメッシュ１６とのなす角度は、図４中のθで示される角度をいい、この角度θは９０度未満である。また、メッシュ１６に凝縮した液滴は、液滴となるが、メッシュ１６が、水平方向に近い角度であるため、重力によりメッシュ１６から滴下し易い。このことは、メッシュ１６に液滴が留まり、メッシュ１６に付着した液滴が凍結して排出ガス流路１０を閉鎖することが防止される。メッシュ１６から図４中の矢印“ｂ”の方向に滴下した液滴は、排出ガス流路１０を図４中の矢印“ｃ”の方向に流れ、液滴排出口８より排出される。また、メッシュフィルタ４を通過した排出ガスは、図４中の矢印“ｄ”の方向へ流れる。

図５に、メッシュフィルタ４の他の実施例を示す。このメッシュフィルタ４は、排出ガス流路１０内において、排出ガス流路１０方向に対して鋭角（図５中の角度θ）に向けられていれば良く、例えば、図５（ａ）のように、単一の面であっても、図５（ｂ）のように２つに連続して折れ曲がった面であっても良い。また、その折れ曲がりの回数は限定されない。さらに、この面は、上述した実施例のように平面状でなくても曲面状であっても良い。

図６に、遮蔽体２による排出ガスに含まれた液滴の除去についての説明図を示す。排出ガスに含まれる液滴は、上述したように、メッシュフィルタ４で液滴として除去されるが、メッシュ１６の幅より小さな水蒸気の粒子は、図６中の矢印“ｄ”で示すように、このメッシュ１６を通過する場合がある。このメッシュ１６を通過した水蒸気の粒子は、メッシュフィルタ４の下流に設けられた遮蔽体２に衝突する。この遮蔽体２は、遮蔽用メッシュ６と、その遮蔽用メッシュ６により包み込まれるイオン交換樹脂５とから成る。このイオン交換樹脂５は、ペレット状の樹脂である。

遮蔽用メッシュ６の幅は、メッシュフィルタ４のメッシュ１６の幅よりも小さいため、水蒸気の粒子は、図６中の矢印“ｅ”で示すように遮蔽用メッシュ６に衝突して凝縮し液滴となって滴下する。本実施の形態では、この遮蔽用メッシュ６の幅は、略４３ミクロンであり、略１００ミクロンであるメッシュフィルタ４のメッシュ１６に比べて小さい。但し、これらのメッシュ６，１６の幅は、設計により設定され、これらの値には限らない。また、この遮蔽用メッシュ６を通過した微小な水蒸気の粒子は、さらに遮蔽用メッシュ６の内部に充填されたイオン交換樹脂５に吸着して凝縮し、図６中の矢印“ｇ”で示すように液滴となって滴下する。すなわち、遮蔽体２は、メッシュフィルタ４及びその内部のイオン交換樹脂５が協同し、いわゆる「じゃま板」となって排出ガスに含まれる液滴をそれぞれが除去する。

従って、排出ガスの液滴は、図６中の矢印“ｂ”，“ｅ”，“ｇ”という３つの経路により図６中の矢印“ｃ”の方向に流れる。筐体９の底面は、水勾配が設けられ、これらの液滴を、筐体９の下部に設けられた液滴排出口８へ導き排出する。

ガス排出口７は、遮蔽体２の上方に設けられ、遮蔽体２のイオン交換樹脂５を通過した排出ガスのみを、図６中”ｊ”で示す方向に排出し、燃料ガス供給流路２３に循環させる。排出ガスが遮蔽体２のイオン交換樹脂５を通過する際に、排出ガスに含まれる金属イオンは、イオン交換樹脂５に吸着される。従って、ガス排出口７には、液滴と金属イオンが排除された燃料ガスが取り出される。

本発明に係る燃料電池システムの実施形態の概略構成を示す断面図である。 図１の燃料電池システムをＡ−Ａ線で切断して示した断面図である。 本実施の形態におけるメッシュフィルタを示す斜視図である。 本実施の形態におけるメッシュフィルタを側方から示す断面図である。 メッシュフィルタの形状の他の実施例を示す断面図である。 遮蔽体による排出ガスに含まれた液滴の除去についての説明図である。 燃料電池システムの燃料ガス循環系を示す概略構成図である。 ねじりリボン方式による気液分離器の１つの実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 遮蔽体、３ 排出ガス流入口、４ メッシュフィルタ、５ イオン交換樹脂、６ 遮蔽用メッシュ、７ ガス排出口、８ 液滴排出口、９ 筐体、１０ 排出ガス流路、１１ メッシュフィルタ支持板、１２，１３ 水平板、１４,１５ 筐体壁面、１６ メッシュ、２０ 燃料電池、２１ 酸化ガス供給流路、２２ 酸化ガス排出流路、２３ 燃料ガス供給流路、２４ 燃料ガス排出流路、２５ 燃料ガス循環系、２６ 気液分離器、２７ 燃料ガス排出口、２８ 燃料ガス供給口、２９ 燃料ガスタンク、３０ 調圧弁、３１ 合流点、４０ ねじりリボン、４１ 外筒、４２ 本体、４３ 導入口、４４ 導出口。

Claims (5)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出される排出ガスを流通する排出ガス流路を有する燃料電池システムであって、
   排出ガス流路に設置され、排出ガスに含まれる液滴を除去するメッシュフィルタと、
   メッシュフィルタの下流に設けられ、メッシュフィルタと異なるメッシュ幅を有する遮蔽用メッシュを有する遮蔽体と、
   メッシュフィルタ及び遮蔽体を収納する筐体と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、遮蔽体は、遮蔽用メッシュにより包まれるイオン交換樹脂を有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、メッシュフィルタは、排出ガス流路方向に対して鋭角に向けられたメッシュ面を有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、メッシュフィルタは、それぞれが排出ガス流路方向に対して鋭角に向けられた、複数のメッシュ面から構成されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、遮蔽用メッシュ幅は、メッシュフィルタのメッシュ幅より小さいことを特徴とする燃料電池システム。

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