JP2017220401A - 燃料電池システムにおける不純物除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料オフガス中の不純物を分離して燃料オフガス中の燃料ガスを有効に活用する。【解決手段】不純物除去装置２７は、ハウジング５１と、ハウジング５１内に収納されたロータ５０およびステータ６０を含む電動機モータとを備える。ロータ５０には、ハウジング５１内に導入された燃料オフガスにロータ５０の回転中心から径方向外側に向けて遠心力を発生させ得る旋回羽根６４が設けられている。ハウジング５１は、燃料オフガスを内部に導入するためのオフガス流入部７１と、ロータ５１の回転中心から径方向外側にあたるハウジング外周に設けられた不純物排出部７３と、ハウジング端部におけるロータ５１の回転軸付近に設けられた燃料取出部７２とを備える。ロータ５１の回転軸が他の被駆動装置に直接的または間接的に連結されると、電動機モータが被駆動装置の駆動源とされる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムにおける不純物除去装置に関する。

従来より、アノード側に水素を含有する燃料ガスが供給され、カソード側に酸化剤ガスとして空気が供給される燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、アノード側の循環通路内のオフガスを適切なタイミングでパージし、アノードオフガスを再度アノード供給側に循環させることでオフガス内の水素を有効活用する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２１０３９２号公報

ところで、アノード側のオフガスには、未使用水素の他に不純物が含まれている。このため、単にオフガスをアノード供給側に循環させるだけでは、未使用水素の活用効率が低かった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料オフガス中の不純物を分離して燃料オフガス中の燃料ガスを有効に活用することが可能な不純物除去装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムにおける不純物除去装置は、
供給される燃料ガス及び酸化ガスの化学反応による発電作用を有する燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムに組込まれ、前記燃料電池ユニットから送り出される燃料オフガスから燃料ガス以外の不純物を除去する不純物除去装置であって、
ハウジングと、前記ハウジング内に収納されたロータおよびステータを含む電動機モータと、を備え、
前記ロータには、前記ハウジング内に導入された燃料オフガスに前記ロータの回転中心から径方向外側に向けて遠心力を発生させ得る羽根が設けられており、
前記ハウジングは、燃料オフガスを前記ハウジング内に導入するための流入部と、前記ハウジング内の異なる位置からガスを排出するための第１排出部及び第２排出部とを備え、
前記第１排出部は、前記ロータの回転中心から径方向外側にあたるハウジング外周に設けられており、
前記第２排出部は、ハウジング端部における前記ロータの回転軸付近に設けられており、
前記ロータの回転軸が他の被駆動装置に直接的または間接的に連結されると、前記電動機モータが被駆動装置の駆動源とされている。

この構成によれば、不純物除去装置において、ハウジングの流入部からハウジング内に燃料オフガスが流入すると、燃料オフガスに含まれる二酸化炭素や水などの比較的比重の大きい不純物を多く含む気体は遠心力によって第１排出部から排出され、燃料オフガスに含まれる水素などの比較的比重の小さい燃料ガスを多く含む気体は第２排出部から排出される。
このように、不純物除去装置のハウジング内に燃料オフガスを流入させることで、燃料オフガスの比重の違いを利用して不純物を分離して外部に排出させることができる。これにより、燃料オフガスから水素などの燃料ガスを多く含む気体を効率良く取り出し、有効に活用することができる。
また、不純物除去装置は電動機モータを含むので、外部の被駆動装置の駆動源としてそのまま利用でき、不純物除去と外部装置の駆動の両方の機能を不純物除去装置に持たせることができる。しかも、駆動部の駆動源となる不純物除去装置自体も燃料オフガスによって冷却することができる。

本発明によれば、燃料オフガス中の不純物を分離して燃料オフガス中の燃料ガスを有効に活用することができる。

本発明の一実施形態に係る不純物除去装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。 不純物除去装置の一部を破断させた斜視図である。 不純物除去装置の概略断面図である。

以下、本発明に係る不純物除去装置が組み込まれた燃料電池システムの一実施の形態を説明する。この燃料電池システムは、車両、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体の発電システムへの適用や、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が可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る不純物除去装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、アノードガス供給系２０と、カソードガス供給系３０とを備える。燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１０は、電解質１１の表裏に燃料極であるアノード極１２と、空気極であるカソード極１３とを有する。この燃料電池１０は、アノード極１２側に設けられた流路１５にアノードガス供給系２０から燃料ガスが供給され、カソード極１３側に設けられた流路１６にカソードガス供給系３０から酸化ガスとして空気が供給される。燃料電池１０は、燃料ガス及び空気の供給を受けて発電する。本例では、電解質１１として、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が用いられ、燃料ガスとして、水素（Ｈ₂）と一酸化炭素（ＣＯ）の混合気がアノード極１２側の流路１５に供給される。すると、カソード極１３に供給される空気中の酸素（Ｏ₂）が電子を受け取り、酸化物イオン（Ｏ^2-）になり、電解質１１中をアノード極１２側へ移動する。アノード極１２では、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）が酸化物イオン（Ｏ^2-）と反応して水（Ｈ₂Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成され、このときに放出される電子によって発電される。なお、燃料電池１０には、各種の負荷４０が接続されており、発電した電力が負荷４０に給電される。

アノードガス供給系２０は、それぞれアノード極１２側の流路１５に繋がるアノードガス供給配管２１とアノードガス排出配管２２とを有している。燃料電池１０では、アノード極１２側の流路１５にアノードガス供給配管２１から燃料ガスが供給され、流路１５を流れた燃料オフガスがアノード排出配管２２へ送り出される。

カソードガス供給系３０は、それぞれカソード極１３側の流路１６に繋がるカソードガス供給配管３１とカソードガス排出配管３２とを有している。燃料電池１０では、カソード極１３側の流路１６にカソードガス供給配管３１から空気が供給され、流路１６を流れた空気オフガスがカソード排出配管３２へ送り出される。

アノード排出配管２２には、燃料電池１０側から順に、熱交換器２５、気液分離器２６及び不純物除去装置２７が設けられている。

熱交換器２５は、アノード排出配管２２へ送り出される燃料オフガスを常温程度まで冷却する。これにより、燃料オフガスに含まれる水蒸気が液化される。気液分離器２６は、燃料オフガスに含まれる水分を除去する。そして、熱交換器２５で冷却され、気液分離器２６で水分が除去された燃料オフガスは、不純物除去装置２７に送り込まれる。

図２は、不純物除去装置の一部を破断させた斜視図である。図３は、不純物除去装置の概略断面図である。

図２及び図３に示すように、不純物除去装置２７は、ロータ５０とステータ６０とを有する電動機モータを備えており、例えば、燃料電池システム１に用いる水素ポンプ用モータやコンプレッサ用モータなどの駆動源として用いられる。この不純物除去装置２７は、更に、ハウジング５１と、回転軸６１とを備えている。

ハウジング５１は、円筒部５２と、円筒部５２の両端に設けられた端面板部５３，５４とを有している。ステータ６０は、円筒部５２の内周面に設けられている。端面板部５３，５４は、その中心に、軸挿通孔５６，５７を有している。

回転軸６１は、ハウジング５１に回転可能に支持されている。ロータ５０は、回転軸６１の周囲に設けられている。ロータ５０には、その両端に、旋回羽根６４が設けられている。回転軸６１は、その両端が、ハウジング５１の端面板部５３，５４の軸挿通孔５６，５７に挿通されている。回転軸６１は、軸挿通孔５６，５７と回転軸６１との間に設けられた軸受６５によってハウジング５１に対して回転可能に支持されている。

不純物除去装置２７は、オフガス流入部７１と、燃料取出部７２と、不純物排出部７３とを有している。オフガス流入部７１は、ハウジング５１の一端側の端面板部５３に設けられており、燃料取出部７２は、ハウジング５１の他端側の端面板部５４に設けられている。燃料取出部７２は、中心軸付近に設けられている。不純物排出部７３は、ハウジング５１の円筒部５２における端面板部５４寄りに設けられている。オフガス流入部７１には、アノード排出配管２２が接続される。燃料取出部７２には、アノード供給配管２１に繋がるアノード循環配管７５に接続され、不純物排出路７３には、排気配管７６が接続される（図１参照）。

上記の不純物除去装置２７が組み込まれた燃料電池システム１では、燃料電池１０からアノード排出配管２２に送り出され、熱交換器２５で冷却されて気液分離器２６で水分が除去された燃料オフガスが、オフガス流入部７１から不純物除去装置２７のハウジング５１内に流入する。ハウジング５１内では、旋回羽根６４を有する回転体６１が高速（約１０，０００ｒｐｍ）で回転しており、ハウジング５１内に流入した燃料オフガスは、回転体６１が回転するハウジング５１内を、その一端側から他端側へ向かって流れる際に、高速で回転する回転体６１の旋回羽根６４によって旋回される。

ここで、燃料オフガスは、発電に使われなかった水素と、発電で生成された二酸化炭素とを含んでいる。二酸化炭素は比重１．９６ｋｇ／ｍ³であり、水素の比重０．０９Ｋｇ／ｍ³の約２０倍である。このため、ハウジング５１内で旋回する燃料オフガスは、遠心力によって比較的比重の大きい二酸化炭素を多く含む気体が径方向外方に集まり、比較的比重の小さい水素を多く含む気体が中心軸付近に集まる。これにより、燃料オフガスは、ハウジング５１の他端側において、中心軸付近の水素を多く含む気体と径方向外方の二酸化炭素を多く含む気体とに分離される。

そして、ハウジング５１内で中心軸付近に集まる水素を多く含む気体は、水素取出部７２からアノード循環配管７５に送り出され、アノード供給配管２１へ送り込まれ、燃料ガスとして燃料電池１０へ供給される。これに対して、ハウジング５１内で径方向外方に集まる二酸化炭素を多く含む気体は、不純物として不純物排出路７３から排気配管７６へ送り出されて排出される。

以上、説明したように、本実施形態によれば、不純物除去装置２７のハウジング５１のオフガス流入部７１からハウジング５１内に燃料オフガスが流入すると、燃料オフガスに含まれる二酸化炭素などの比較的比重の大きい不純物を含む気体が遠心力によって不純物排出部７３から排出され、燃料オフガスに含まれる水素などの比較的比重の小さい燃料ガスを多く含む気体が燃料取出部７２から取り出される。

このように、不純物除去装置２７のハウジング５１内に燃料オフガスを流入させることで、燃料オフガスに含まれる複数種のガスの比重の違いを利用して不純物を外部に排出させることができる。これにより、燃料オフガスから水素などの燃料ガスを多く含む気体を効率良く取り出し、有効に活用することができる。また、不純物除去装置２７の回転軸６１の回転駆動力によって水素ポンプやコンプレッサなどの各種の駆動部を駆動させることができ、しかも、駆動部の駆動源となる不純物除去装置２７自体も燃料オフガスによって冷却することができる。
なお、不純物除去装置２７は、回転軸６１を高速で回転させて燃料オフガスを旋回させる。したがって、不純物除去装置２７の回転軸６１と駆動部との間に減速機を設けてもよい。

上記実施形態では、不純物除去装置２７から取り出した水素を燃料ガスとして燃料電池１０へ供給したが、取り出した水素は、燃料電池１０へ供給せずに水素バーナ等へ供給して用いても良い。

また、上記実施形態では、燃料ガスとして、水素と一酸化炭素の混合気を燃料電池１０へ供給したが、燃料電池１０へ供給する燃料ガスとしては、水素だけでも良い。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池（燃料電池ユニット）
２７ 不純物除去装置
５１ ハウジング
５０ ロータ
６０ ステータ
６１ 回転軸
６４ 旋回羽根（羽根）
７１ オフガス流入部（流入部）
７２ 燃料取出部（第２排出部）
７３ 不純物排出部（第１排出部）

Claims (1)

1. 供給される燃料ガス及び酸化ガスの化学反応による発電作用を有する燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムに組込まれ、前記燃料電池ユニットから送り出される燃料オフガスから燃料ガス以外の不純物を除去する不純物除去装置であって、
   ハウジングと、前記ハウジング内に収納されたロータおよびステータを含む電動機モータと、を備え、
   前記ロータには、前記ハウジング内に導入された燃料オフガスに前記ロータの回転中心から径方向外側に向けて遠心力を発生させ得る羽根が設けられており、
   前記ハウジングは、燃料オフガスを前記ハウジング内に導入するための流入部と、前記ハウジング内の異なる位置からガスを排出するための第１排出部及び第２排出部とを備え、
   前記第１排出部は、前記ロータの回転中心から径方向外側にあたるハウジング外周に設けられており、
   前記第２排出部は、ハウジング端部における前記ロータの回転軸付近に設けられており、
   前記ロータの回転軸が他の被駆動装置に直接的または間接的に連結されると、前記電動機モータが被駆動装置の駆動源とされる、燃料電池システムにおける不純物除去装置。

Images