JP2017195052A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】海塩粒子を含む空気が吸入されても、電解質膜を確実に保護することができ、燃料電池の劣化を可及的に抑制することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６とを備える。酸化剤ガス供給装置１６を構成する空気供給路５０には、エアクリーナ５２が配設される。エアクリーナ５２を構成するクリーナケース５６には、フィルタ収納部５８が設けられ、前記フィルタ収納部５８には、空気中の海塩粒子を捕集する耐塩フィルタ７０が配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出路と、を備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。複数の発電セルが積層された燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

この場合、アノード電極には、燃料ガス供給装置を介して燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード電極には、酸化剤ガス供給装置を介して酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されている。そして、各発電セルは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電している。

酸化剤ガス供給装置では、発電セルに供給される空気を清浄化するために、酸化剤ガス供給路にエアクリーナを配置する構成が知られている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、エアクリーナを構成するクリーナケース内に、空気中の塵埃を除去するエアフィルタが設けられるとともに、コンプレッサの脈動音を低減させる消音装置として、干渉板が設けられている。

特開２００８−５２９６９号公報

ところで、燃料電池電気自動車により沿岸地区等の海沿いを走行する際、あるいは、定置用燃料電池スタックが海沿いに設置される際、酸化剤ガス供給装置により海塩粒子を多く含んだ空気が吸入される場合がある。しかしながら、上記のエアクリーナは、塵埃を除去するものであり、海塩粒子を除去することができない。このため、燃料電池を構成する電解質膜は、空気中に含まれる海塩成分により劣化し易くなり、特に沿岸地区等で運転（発電）される場合のように、海塩粒子を多く含む空気の吸入が継続されると、燃料電池が劣化してしまうおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、海塩粒子を含む空気が吸入されても、前記海塩粒子を確実に吸着して電解質膜を良好に保護することができ、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出路と、を備えている。そして、酸化剤ガス供給路には、酸化剤ガス中の海塩粒子を捕集する耐塩フィルタが配置されている。

また、酸化剤ガス供給路には、耐塩フィルタよりも上流に位置し、前記耐塩フィルタよりも目の粗いフィルタ部材が配置されていることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、耐塩フィルタとフィルタ部材との間には、化学成分を吸着するケミカルフィルタが配置されていることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムでは、フィルタ部材よりも上流には、液状成分が除去された酸化剤ガスを前記フィルタ部材に供給するための気液分離部が設けられていることが好ましい。

また、この燃料電池システムでは、気液分離部は、耐塩フィルタが収納されるクリーナケース内に設けられていることが好ましい。

本発明によれば、酸化剤ガス供給路には、酸化剤ガス中の海塩粒子を捕集する耐塩フィルタが配置されている。このため、沿岸地区等で使用されることにより、海塩粒子を多く含む空気が吸入されても、前記海塩粒子を確実に吸着して電解質膜を良好に保護することができ、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する耐塩フィルタの説明図である。 前記耐塩フィルタの動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する酸化剤ガス供給装置１６とを備える。燃料電池システム１０は、図示しないが、燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置を備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）２０が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２を第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６で挟持する。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２との間に、アノード電極３０に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３４を設ける。第２セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２との間に、カソード電極３２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３６を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路３８が設けられる。

発電セル２０の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、燃料ガス入口４０ａ及び燃料ガス出口４０ｂが設けられる。燃料ガス入口４０ａは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３４の供給側に連通する。燃料ガス出口４０ｂは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３４の排出側に連通する。

発電セル２０の積層方向（矢印Ａ方向）他端には、酸化剤ガス入口４２ａ及び酸化剤ガス出口４２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口４２ａは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３６の供給側に連通する。酸化剤ガス出口４２ｂは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３６の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、例えば、高圧水素を貯留する水素タンク（図示せず）を備え、この水素タンクは、水素供給路（燃料ガス供給路）４６を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに連通する。水素供給路４６は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。燃料電池スタック１２の燃料ガス出口４０ｂには、燃料ガス排出路（オフガス配管）４８が連通する。燃料ガス排出路４８は、アノード電極３０で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気（酸化剤ガス）を燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４２ａに供給する空気供給路（酸化剤ガス供給路）５０を備える。空気供給路５０には、空気供給方向上流側から下流側に向かって、エアクリーナ５２及びエアポンプ（コンプレッサ）５４が、順次、配設される。

エアクリーナ５２は、クリーナケース５６を備え、前記クリーナケース５６の下部側には、空気導入口５６ａが設けられるとともに、前記クリーナケース５６の上部側には、空気導出口５６ｂが設けられる。クリーナケース５６の内部には、フィルタ収納部５８が形成され、前記フィルタ収納部５８と空気導入口５６ａ側との間には、気液分離部６０が構成される。

気液分離部６０は、複数枚、例えば、２枚の仕切り板６２ａ、６２ｂを設けることによりラビリンス構造を構成し、例えば、上下に屈折する屈折流路６４を有する。クリーナケース５６の屈折流路６４に近接する底面には、ドレイン孔５６ｃが形成される。空気中から除去された液状成分は、ドレイン孔５６ｃからクリーナケース５６の外部に排出される。

フィルタ収納部５８には、下方から上方に向かって、すなわち、空気の流れ方向上流から下流に向かって（矢印Ｆ方向）、プレフィルタ（フィルタ部材）６６、ケミカルフィルタ６８及び耐塩フィルタ７０が配置される。

プレフィルタ６６、ケミカルフィルタ６８及び耐塩フィルタ７０は、フィルタ収納部５８の形状に応じて、例えば、矩形状又は円盤状に形成される。プレフィルタ６６は、後述する耐塩フィルタ７０よりも目の粗いフィルタであり、枯葉等の比較的大きな異物を捕集する。プレフィルタ６６には、撥水性を保持させる処理を施すことが好ましい。ケミカルフィルタ６８は、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の化学成分を吸着する。

耐塩フィルタ７０は、図２に示すように、第１層７２、第２層７４及び第３層７６が、空気の流れ方向（矢印Ｆ方向）に沿って、順次、配置（積層）される。第１層７２、第２層７４及び第３層７６の順に、それぞれのフィルタの目が細かく構成される。第１層７２は、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）繊維やＰＰ（ポリプロピレン）繊維等で形成される不織布層であり、比較的大きな粒子（粗塵）を捕集する。

第２層７４は、親水性繊維を含む吸水性を有する層（例えば、メッシュ層）である。親水性繊維としては、例えば、木綿、パルプ又はレーヨン等の繊維が使用される。なお、親水性繊維は、親水性処理が施された繊維であってもよい。また、親水性繊維は、微細化された極細繊維が束ねられた構造の繊維、繊維断面が異形化された繊維、繊維側面に溝が設けられた繊維、繊維表面に微細な凹みが付与された繊維、多孔質化された繊維又は中空繊維等であってもよい。

親水性繊維は、短繊維の状態で第２層７４に存在してもよく、又は、短繊維を集合させた糸の状態で前記第２層７４に存在してもよい。なお、糸には、必要に応じて疎水性の繊維が混入されてもよい。これらの短繊維や糸は、不織布状に形成されて、あるいは、織布状に形成されて、第２層７４（吸水層）を構成する。第２層７４は、これらの短繊維や糸が、他の繊維に混紡されて不織布状、あるいは、織布状に形成されたものであってもよい。第２層７４は、塩分を含む水分を吸収し、繊維や糸の内部に前記塩分を固定する塩分吸収層である。

第３層７６は、撥水層であるとともに、ＰＥＴ繊維やＰＰ繊維等で形成される不織布層である。第３層７６は、第１層７２よりも密な不織布層を構成して微塵を捕集する。繊維には、フッ素系処理剤やシリコーン系処理剤による撥水処理が施されており、撥水性を保持している。第３層７６が撥水層であるため、塩分を含む水分は、前記第３層７６に保持されて該第３層７６の下流に移動することがない。

第１層７２、第２層７４及び第３層７６は、例えば、一般的に不織布を製造する方法であるニードルパンチ法や、各層に熱溶融性繊維を混在させておき、熱プレスにより一体化させる等、公知の方法によって一体化される。

図１に示すように、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口４２ｂには、カソード電極３２で少なくとも一部が使用された空気を排出する空気排出路（酸化剤ガス排出路）７８が接続される。空気排出路７８の下流には、燃料電池スタック１２に供給される空気圧を調整する背圧弁８０が配設される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク（図示せず）から水素供給路４６に水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに供給され、前記燃料ガス入口４０ａから燃料ガス流路３４に導入される。水素ガスは、燃料ガス流路３４に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ５４の回転作用下に、空気供給路５０に外部から空気が吸引されてエアクリーナ５２に送られる。この空気は、空気導入口５６ａからエアクリーナ５２を構成するクリーナケース５６の内部に吸引され、まず、気液分離部６０に供給される。

気液分離部６０では、ラビリンス構造を有する屈折流路６４に沿って空気が移動することにより、前記空気に含まれる液状成分が気体成分から分離される。液状成分は、凝縮して液状水となり、ドレイン孔５６ｃからクリーナケース５６の外部に排出される。液状成分が除去された空気は、フィルタ収納部５８に導入される。

フィルタ収納部５８では、まず、空気がプレフィルタ６６を透過することにより、前記空気の流れに伴って前記フィルタ収納部５８に進入した枯葉等の比較的大きな異物が捕集される。プレフィルタ６６を透過した空気は、ケミカルフィルタ６８を透過することにより、前記空気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の化学成分が吸着される。さらに、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等が除去された空気は、耐塩フィルタ７０に導入される。

その際、図３に示すように、空気は、第１層７２、第２層７４及び第３層７６の中、最上流に配置されている前記第１層７２を透過する。第１層７２は、粗塵層であり、空気中に混在していた比較的大きな粒子（粗塵）が捕集される。第１層７２を透過した空気は、第２層７４を透過することにより、潮解されて液状化された塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）が、塩分吸収層である前記第２層７４に吸収される。塩化ナトリウムは、結晶化されて繊維に捕集される。

第２層７４を透過した空気は、第３層７６に供給される。第３層７６は、撥水層であり、第２層７４を透過した塩化ナトリウムを含む水分は、前記第３層７６を透過することがなく、液滴となって前記第２層７４に戻される。このため、塩化ナトリウムは、第２層７４により確実に捕集される一方、第３層７６により空気中の微小な粒子（微塵）が捕集される。

図１に示すように、フィルタ収納部５８を通過した空気は、空気導出口５６ｂから空気供給路５０に導出され、エアポンプ５４に吸引された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４２ａに供給される。空気は、酸化剤ガス入口４２ａから酸化剤ガス流路３６に導入され、酸化剤ガス流路３６に沿って移動して電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、アノード電極３０に供給される水素ガスと、カソード電極３２に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、アノード電極３０に供給されて一部が消費された水素ガスは、燃料ガス出口４０ｂから燃料ガス排出路４８に排出される。一方、カソード電極３２に供給されて一部が消費された空気は、酸化剤ガス出口４２ｂから空気排出路７８に排出される。

この場合、第１の実施形態では、空気供給路５０には、空気中の海塩粒子を捕集する耐塩フィルタ７０が配置されている。このため、沿岸地区等で使用されることにより、海塩粒子を多く含む空気が吸入されても、前記海塩粒子を確実に吸着して固体高分子電解質膜２８を良好に保護することができる。従って、発電セル２０の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

さらに、耐塩フィルタ７０は、図２及び図３に示すように、空気の流れ方向に沿って、第１層７２、第２層７４及び第３層７６が、順次、配置されている。そして、第１層７２は、比較的大きな粒子を捕集する粗塵層であり、第２層７４は、液状化した塩分を吸収する塩分吸収層であり、第３層７６は、前記液状化した塩分を前記第２層７４に戻すとともに、微小な粒子を捕集する撥水層及び微塵層である。これにより、空気中に混在する粗塵、塩分及び微塵を確実に捕集することができる。しかも、第３層７６の目詰まりが抑制されるため、圧損の上昇が抑制されるとともに、耐用性が良好に向上するという利点がある。

さらにまた、図１に示すように、フィルタ収納部５８には、耐塩フィルタ７０よりも上流に位置し、前記耐塩フィルタ７０よりも目の粗いプレフィルタ６６が配置されている。このため、耐塩フィルタ７０には、枯葉等の比較的大きな異物が進入することがなく、前記耐塩フィルタ７０の目詰まりを阻止することが可能になる。

また、フィルタ収納部５８には、耐塩フィルタ７０とプレフィルタ６６との間に位置して、化学成分を吸着するケミカルフィルタ６８が配置されている。従って、ケミカルフィルタ６８により、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の化学成分が吸着され、耐塩フィルタ７０に、前記化学成分が進入することがない。これにより、発電セル２０に硫黄酸化物（ＳＯｘ）等が進入することを阻止することができる。

さらに、プレフィルタ６６よりも上流には、液状成分が除去された空気をフィルタ収納部５８に供給するための気液分離部６０が設けられている。このため、フィルタ収納部５８に液状成分が進入することを可及的に抑制することが可能になる。

さらにまた、気液分離部６０は、耐塩フィルタ７０が収納されるクリーナケース５６内に設けられている。従って、エアクリーナ５２全体の構成が有効に簡素化されるという効果がある。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム９０は、酸化剤ガス供給装置９２を備える。酸化剤ガス供給装置９２を構成する空気供給路（酸化剤ガス供給路）９４には、空気の流れ方向に沿って、気液分離器（気液分離部）９６とエアクリーナ９８とが個別に配設される。エアクリーナ９８を構成するクリーナケース１００内には、プレフィルタ６６、ケミカルフィルタ６８及び耐塩フィルタ７０が、矢印Ｆ方向に沿って配設（積層）される。

このように構成される第２の実施形態では、エアクリーナ９８とは別体に専用の気液分離器９６が設けられている。このため、特に耐塩フィルタ７０に多量の水がかかるおそれがある環境下で、良好に使用することができる。従って、水により、耐塩フィルタ７０の性能低下が惹起されることを、有効に抑制することが可能になる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
２０…発電セル ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード電極 ３２…カソード電極
３４…燃料ガス流路 ３６…酸化剤ガス流路
４０ａ…燃料ガス入口 ４０ｂ…燃料ガス出口
４２ａ…酸化剤ガス入口 ４２ｂ…酸化剤ガス出口
５０…空気供給路 ５２…エアクリーナ
５４…エアポンプ ５６…クリーナケース
５６ａ…空気導入口 ５６ｂ…空気導出口
５６ｃ…ドレイン孔 ５８…フィルタ収納部
６０…気液分離部 ６４…屈折流路
６６…プレフィルタ ６８…ケミカルフィルタ
７０…耐塩フィルタ ７２、７４、７６…層

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出路と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記酸化剤ガス供給路には、前記酸化剤ガス中の海塩粒子を捕集する耐塩フィルタが配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給路には、前記耐塩フィルタよりも上流に位置し、該耐塩フィルタよりも目の粗いフィルタ部材が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、前記耐塩フィルタと前記フィルタ部材との間には、化学成分を吸着するケミカルフィルタが配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムであって、前記フィルタ部材よりも上流には、液状成分が除去された前記酸化剤ガスを該フィルタ部材に供給するための気液分離部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、前記気液分離部は、前記耐塩フィルタが収納されるクリーナケース内に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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