JP2008097972A - 燃料電池システム及び気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目詰まり及び凍結による気液分離機能低下を極力抑える。
【解決手段】反応ガスの反応によって発電する燃料電池から排出される水素オフガスの配管である水素循環路７５に水素オフガスから水を分離する気液分離装置Ｈ４２を設ける。気液分離装置Ｈ４２のケース８１内に、水素オフガス中の水を除去するフィルタ８２を設ける。フィルタ８２の中央部分を使用時における重力方向の上方へ突出させることにより、中央部分を上方側に配置する。フィルタ８２の中央部分の所定範囲Ａ１に撥水処理を施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及び排出されたガスから液体を分離する気液分離装置に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。そして、この燃料電池車等に設けられる燃料電池システムは、燃料電池からの燃料ガスのオフガスを循環させる水素循環路を備えており、この水素循環路には、オフガス中の水分を分離除去するフィルタを備えた気液分離装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２８５７３５号公報

上記気液分離装置のフィルタは、撥水処理を施すことにより排水性が高められており、これにより、水の染み込みによる目詰まりを抑え、低温時における水分の凍結による気液分離機能低下の抑制が図られている。しかしながら、撥水処理を施しただけでは、外気温の影響が大きく、特に寒冷地においては、凍結による気液分離機能低下の抑制効果を十分に得られなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、気液分離装置に設けられているフィルタの目詰まり及び凍結による気液分離機能低下を極力抑えて良好な性能を確保することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスの流路に設けられた気液分離装置と、を備えてなる燃料電池システムであって、前記気液分離装置は、前記オフガス中の液体を除去するフィルタを備え、前記フィルタは、使用時における重力方向に沿う高さ位置が異なる部分を有する。

また、本発明の気液分離装置は、ガス排出源から排出されるガスから液体を分離する気液分離装置であって、前記ガス中の液体を除去するフィルタを備え、前記フィルタは、使用時における重力方向に沿う高さ位置が異なる部分を有する。

以上の構成によれば、フィルタに染み込んだ液体が重力によってフィルタの下方側の部分へ移動する。これにより、このフィルタでは、上方側の部分における液体の染み込み量を極力抑えることができ、フィルタ全面にわたる液体の染み込みによる目詰まりによって気液分離機能が低下することを抑制することができる。特に、外気温が低温であったとしても、フィルタの上方側の部分での凍結を極力抑えて気液分離機能の低下を抑制することができる。

よって、目詰まり及び凍結による機能低下を極力抑えて良好な気液分離性能を維持することができる気液分離装置を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出されるオフガス中の水を良好に除去して、燃料電池における発電効率を良好に維持することができる。

前記フィルタは、前記使用時における重力方向の上方側あるいは下方側へ突出するように湾曲されていても良い。

この構成によれば、上方側あるいは下方側へ突出させることにより、フィルタに高さ位置の異なる部分を容易に形成することができる。

前記フィルタは、前記使用時における重力方向の上方位置に配置された部分に撥水処理が施されていても良い。

この構成によれば、フィルタの上方側の部分に撥水処理を施すことにより、上方側の部分における液体の付着を極力抑えることができ、気液分離機能の低下をより一層確実に抑制することができる。

本発明によれば、目詰まり及び凍結による気液分離機能低下を極力抑えて良好な性能を確保することができる。

まず、本発明に係る気液分離装置の一実施形態が適用された燃料電池システム１の全体構成を説明する。この燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、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の燃料電池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（反応ガス）としての空気は、空気供給路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して清浄するエアクリーナＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、制御部５０によって駆動制御される。

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、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。

圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４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。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。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Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。これら圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。

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７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、及び回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１が設けられている。

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。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。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁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すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により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１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１各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１に設けられた気液分離装置Ｈ４２の構成について説明する。なお、以下の説明における上部、下部、上方、下方とは、当該気液分離装置Ｈ４２の使用時（燃料電池システム１へ搭載された状態での使用時）における重力方向の上部、下部、上方、下方をいうものとする。

気液分離装置Ｈ４２は、図２に示すように、箱形のケース８１を有している。このケース８１には、その内部に、通過する気体中の水分やこの水分に混在している不純物を除去するフィルタ８２が配設されており、このフィルタ８２によって、ケース８１内の空間が上下に分割され、気液分離室８１ａと、循環室８１ａとに区画されている。

そして、ケース８１には、気液分離室８１ａの側部に、水素循環路７５の上流側の配管が接続され、循環室８１ｂの上部に、水素循環路７５の下流側の配管が接続されている。また、気液分離室８１ａの下部には、排水弁Ｈ４１が設けられた排水管８３が接続されている。

気液分離装置Ｈ４２に設けられたフィルタ８２は、その面方向の中央部分（以下、単に「中央部分」という。）が上方へ膨出されている。これにより、このフィルタ８２は、断面視円弧状に湾曲した状態に、上方へ突出した凸型とされている。また、このフィルタ８２は、上方へ膨出された中央部分における所定範囲Ａ１に、撥水処理が施されている。

気液分離装置Ｈ４２では、燃料電池２０から水素循環路７５に排出された水素オフガスが気液分離室８１ａ内へ送り込まれると、フィルタ８２によって水素オフガス内の水分が除去され、ガスのみがフィルタ８２を通過して循環室８１ｂへ流れ込む。これにより、水素オフガスは、フィルタ８２によって水分及び不純物が取り除かれ、循環室８１ｂから水素循環路７５へ送り出され、燃料電池２０へ再び戻される。

また、フィルタ８２によって水素オフガスから分離された水は、排水弁Ｈ４１が設けられた排水管８３へ送り込まれ、排水弁Ｈ４１が開かれることにより排水される。

ここで、気液分離装置Ｈ４２のケース８１内に設けられたフィルタ８２は、その中央部分が上方へ膨出されて上方へ突出した凸型とされているので、フィルタ８２に染み込んだ水分が重力によって下方側の外周側へ移動する。これにより、このフィルタ８２では、上方側に位置する中央部分における水分の染み込み量を極力抑えることができ、フィルタ全面にわたる水の染み込みによる目詰まりによって気液分離機能が低下することを抑制することができる。

したがって、例えば、外気温が低温であったとしても、フィルタ８２は、中央部分での凍結を極力抑えて気液分離機能の低下を抑制することができる。特に、フィルタ８２は、上方へ突出した中央部分の所定範囲Ａ１に撥水処理が施され、水分の付着が極力抑えられているので、中央部分での凍結の抑制効果をさらに高めることができる。

つまり、上記気液分離装置Ｈ４２では、凍結による機能低下を極力抑えて良好な気液分離性能を確保することができ、そして、この気液分離装置Ｈ４２を備えた燃料電池システム１では、気液分離装置Ｈ４２における良好な性能を維持することができ、発電効率に優れたシステムとすることができる。

なお、フィルタ８２の形状としては、上記のように中央部分を上方へ突出させたものに限らない。

図３は、他の形状のフィルタ８２を備えた気液分離装置Ｈ４２を示すものである。この図３に示すように、この気液分離装置Ｈ４２では、ケース８１内に設けられたフィルタ８２は、その中央部分が下方へ膨出されている。これにより、このフィルタ８２は、断面視円弧状に湾曲した状態に、下方へ凹んだ凹型とされている。そして、このフィルタ８２は、下方へ膨出された中央部分を除いた上方に位置する外周部分の所定範囲Ａ２に、撥水処理が施されている。

このように構成された気液分離装置Ｈ４２では、ケース８１内に設けられたフィルタ８２の中央部分が下方へ膨出されて下方へ凹んだ凹型とされているので、フィルタ８２に染み込んだ水分が重力によって下方側の中央側へ移動する。これにより、このフィルタ８２では、上方側に位置する外周部分における水分の染み込み量を極力抑えることができ、フィルタ全面にわたる水の染み込みによる目詰まりによって気液分離機能が低下することを抑制することができる。

したがって、例えば、外気温が低温であったとしても、フィルタ８２は、外周部分での凍結を極力抑えて気液分離機能の低下を抑制することができる。特に、フィルタ８２は、上方に位置する外周部分の所定範囲Ａ２に撥水処理が施され、水分の付着が極力抑えられているので、外周部分での凍結の抑制効果をさらに高めることができる。

つまり、上記気液分離装置Ｈ４２では、凍結による機能低下を極力抑えて良好な気液分離性能を確保することができ、そして、この気液分離装置Ｈ４２を備えた燃料電池システムでは、気液分離装置Ｈ４２における良好な性能を維持することができ、発電効率に優れたシステムとすることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。 燃料電池システムに設けられた気液分離装置の構成を説明する概略断面図である。 燃料電池システムに設けられた他の気液分離装置の構成を説明する概略断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、７５…水素循環路（配管）、８１…ケース、８２…フィルタ、Ｈ４２…気液分離装置。

Claims (4)

1. ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスの流路に設けられた気液分離装置と、を備えてなる燃料電池システムであって、
   前記気液分離装置は、前記オフガス中の液体を除去するフィルタを備え、
   前記フィルタは、使用時における重力方向に沿う高さ位置が異なる部分を有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であって、
   前記フィルタは、前記使用時における重力方向の上方側あるいは下方側へ突出するように湾曲されている燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記フィルタは、前記使用時における重力方向の上方位置に配置された部分に撥水処理が施されている燃料電池システム。
4. ガス排出源から排出されるガスから液体を分離する気液分離装置であって、
   前記ガス中の液体を除去するフィルタを備え、
   前記フィルタは、使用時における重力方向に沿う高さ位置が異なる部分を有する気液分離装置。

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