JP4852845B2

JP4852845B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4852845B2
Application number: JP2004367962A
Authority: JP
Inventors: 泰介宮本; 信雄藤田; 浩之弓矢; 光裕佐藤; 広之関根; 貞利高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006100239A

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、特に燃料電池から排出される排出ガスが流通する排出ガス通路を有する燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池を含む燃料電池システムでは、供給された水素の全てが電池反応に使用されるわけではない。しがたって、排出された未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する循環システムが採用されており、燃料電池から排出される排出ガスと、燃料電池の電池反応により生成された水（生成水）とが混合して存在する気液混合流体から水分を除去するための気液分離器が配設されている。

ここで、前記水素循環系内を流れるガスや水には、僅かではあるが、燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物が存在している。また、カソード系の外気より吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素循環系に混入することもある。特に燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物中に金属イオンが存在している場合は、燃料電池自身の機能低下や寿命低下に通じる虞がある。また、燃料電池内で生成される水が酸性になる場合もある。そこで、従来から、水素循環系内にイオン交換器を配設し、生成水やガス等による燃料電池の劣化を抑制する方法が採用されている。

近年では、燃料電池の生成水が排出される少なくとも一方の排出管の固体高分子型燃料電池側に設けられ、前記排出ガスに同伴する前記生成水中に含まれるイオンを除去する固体高分子型燃料電池システムが紹介されている。この固体高分子型燃料電池システムでは、前記生成水中に含まれるイオンを除去する手段として、イオン交換樹脂を利用し、フッ素イオンを除去することが開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池のエア側排気マニホールドに、不純物除去部材を配置した燃料電池発電装置もある。（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−３１３４０４号公報特開平９−３１２１６６号公報

ここで、不純物除去器を通過する流体（気液混合体）のうち、液体（液滴）は、その重さにより、不純物除去器の入側表面（入口表面）において、特定領域に連続的に流入することがある。この現象は、特許文献１に記載された固体高分子型燃料電池システムや、特許文献２に記載された燃料電池発電装置でも発生し、これらの従来技術においても、燃料電池から排出されるガス及び生成水のうち、特に生成水（液滴）は、イオン交換樹脂の入口表面の特定領域に偏って流入されることがある。このため、イオン交換樹脂が局部的に劣化する虞がある。

本発明は、従来の燃料電池システムを改良することを課題とするものであり、生成水が不純物除去器の入側（入口）表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができ、不純物除去器全体を効率よく使用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。

この目的を達成するため、本発明は、燃料電池から排出される流体が流通し、該流体を気体と液体とに分離する気液分離器内に、当該流体に混入する不純物を除去するイオン交換樹脂部材を配設してなる燃料電池システムであって、前記イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設した燃料電池システムを提供するものである。

この構成を備えた燃料電池システムは、イオン交換樹脂部材の入側表面に流体を分散させて流入させることができるため、流体が、イオン交換樹脂部材の入側表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができる。したがって、イオン交換樹脂部材全体を効率よく使用することが可能となる。

なお、流体を分散させて流入させるとは、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に流入する流体（気液混合体）が、当該イオン交換樹脂部材の入側表面の所定領域に継続的に偏って流入することを抑制することを意味し、好ましくは、流体が前記イオン交換樹脂部材の入側表面に対し均等に流入させることを意味している。

前記分散手段は、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に配設されていてもよい。

前記イオン交換樹脂部材の入側表面に配設された分散手段は、当該イオン交換樹脂部材の入側表面で前記流体の流れを分散させることができる。この構成を備えた分散手段は、前記流体のうち、特に液体がイオン交換樹脂部材の入側表面全体に分散するように、流体の流れを誘導することができる。

また、前記イオン交換樹脂部材の入側表面で前記流体の流れを分散させる分散手段は、例えば、前記イオン交換樹脂部材の入側表面の外周部に形成された流体通路を備えることができる。そして、この流体通路は、例えば、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に形成された溝状部材から構成してもよい。

そしてまた、前記分散手段は、外周部から中央部に向けて窪むよう傾斜した傾斜面を備えていてもよい。このように構成することで、前記液体は、重力により前記傾斜面に沿って流れるため、排水性をさらに良くすることができる。

本発明は、燃料電池から排出される流体が流通し、該流体を気体と液体とに分離する気液分離器内に、当該流体に混入する不純物を除去するイオン交換樹脂部材を配設してなる燃料電池システムであって、前記イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設し、前記分散手段は、複数の貫通孔が形成されてなる流体導入部材を備え、前記流体導入部材は、前記イオン交換樹脂部材を収容するケースとして構成されてなる燃料電池システムでもよい。

前記貫通孔は、前記分散手段の中央部から外周部に向けて放射状に配設することができる。また、前記貫通孔は、千鳥状に配設することもできる。前記分散手段に、複数の貫通孔をこのような配置で形成することで、前記流体のうち、特に液体を不純物除去器に、さらに効率よく均一に分散させて流入させることができる。

そしてまた、前記貫通孔は、前記分散手段の中央部から離間した距離によって、開口断面積が異なるように形成してもよい。さらにまた、前記貫通孔の開口断面積は、前記分散手段の中央部側から外周側に配設されるにしたがって大きくなるように形成してもよい。このように構成することで、前記流体のうち、特に液体のイオン交換樹脂部材への流入量をより均一化させることができる。

前記流体導入部材は、外周部から中央部に向けて窪む傾斜面を備え、当該傾斜面に前記複数の貫通孔が形成されていてもよい。

前記流体導入部材は、外周部と前記気液分離器の内壁との間に凹状の流体通路を形成するように構成されていてもよい。

本発明にかかる燃料電池システムは、イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設したため、生成水がイオン交換樹脂部材の入側（入口）表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができ、イオン交換樹脂部材全体を効率よく使用することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、実施例１にかかる燃料電池システムの概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池システムの気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように模式的に記載した図、図３は、図２に示すイオン交換樹脂部材の拡大断面図である。

なお、実施例１では、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路として、水素循環系に配設された循環通路を例にとって説明する。

図１に示す実施例１にかかる燃料電池システム１の燃料電池１００は、ＭＥＡと、前記燃料極（アノード）に燃料ガス（水素）を、酸化剤極（カソード）に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせたセルを複数備えてなるスタックを内蔵した構成を備えている。

この燃料電池１００の空気供給口１０１には、酸化ガスとしての空気を供給する空気供給通路１０２が接続され、空気排出口１０３には、燃料電池１００から排出される空気及び水が排出される空気排出通路１０４が接続されている。また、燃料電池１００の水素供給口１０５には、水素循環系１０の一端が接続され、水素排出口１０６には、水素循環系１０の他端が接続されている。

水素循環系１０は、燃料電池１００から排出された未反応の水素と生成水のうち、未反応の水素を循環させて、新たな水素と共に再び燃料電池１００内に供給し、生成水は外部に排出するものである。この水素循環系１０は、一端が水素排出口１０６に接続された循環通路１１と、循環通路１１の他端に接続され、循環通路１１から導入される水素と水とを分離する気液分離器１２と、気液分離器１２内に配設された不純物除去器としてのイオン交換樹脂部材２０と、気液分離器１２から排出された気体が導入される循環通路１３と、循環通路１３の下流側に接続され、水素循環系１０の循環動力として働く循環ポンプ１５と、一端が水素供給口１０５に接続されて燃料電池１００に水素を供給すると共に、他端側が循環通路１３の下流側端部と合流点Ａにおいて接続された水素供給通路１６と、を備えている。なお、符号２４は、燃料電池１００に水素を供給する際に、水素の圧力を調整する弁である。

気液分離器１２は、特に図２に示すように、中空の略円筒形を備え、循環通路１１から排出される水素と水を導入するための気液入口１８と、気液分離器１２内で分離されたガスを排出するガス排出口１９が形成されている。この気液分離器１２は、気液入口１８から導入された流体Ｆ（気液混合体）を、旋回させることによって、気体と液体とに分離するものである。

また、気液分離器１２の下部には、気液分離器１２で分離された水を収容し、外部に排出する排水口１７が形成されている。この排水口１７には、気液分離器１２で分離された水のみを外部に排出させ、水素は外部に出さない構造のドレイン弁（図示せず）が配設されている。

イオン交換樹脂部材２０は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を有し、気液分離器１２の内壁に接して配設されている。このため、気液入口１８から導入され、気液分離されたガスは、イオン交換樹脂部材２０を通過した後、ガス排出口１９から循環通路１３に排気されることになる。なお、イオン交換樹脂部材２０の構成要素であるイオン交換樹脂は、通常粒子状であるが、繊維状のものを使用することもできる。

このイオン交換樹脂部材２０の流体Ｆが流入する入側表面２１の外周部には、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に流体Ｆを分散させて流入させる分散手段としての流体通路２２が形成されている。この流体通路２２は、特に図３に示すように、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１の外周部に形成された凹状部と、気液分離器１２の内壁とにより画定された凹状の溝（樋）から形成されており、この流体通路２２に収容された生成水等の液体は、流体通路２２の全周に行き渡るようになっている。

なお、この流体通路２２は、例えば、イオン交換樹脂部材２０の構成要素であるイオン交換樹脂を保護するために収容する図示しない樹脂製のケースに形成してもよく、当該ケースと気液分離器１２の内壁とにより画定してもよい。

また、気液分離器１２の中央部分（円筒形状の軸芯部分）には、イオン交換樹脂部材２０の中心部を貫通する気体通路２３が形成されている。この気体通路２３は、循環通路１３に接続されており、気液分離器１２によって流体Ｆから分離された水素を循環通路１３へと通過させる。

この構成を備えた燃料電池システム１は、燃料電池１００に水素及び空気が供給され、電気反応を開始すると、
燃料極（アノード）側では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
酸化剤極（カソード）側では、（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池全体としては、Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
の反応が起こる。この電池反応により、燃料極（アノード）側では、生成水と共に、未反応の水素が水素排出口１０６を介して循環通路１１に排出される。

循環通路１１に排出された生成水と未反応の水素は、循環ポンプ１５の動力によって、気液分離器１２に移動し、ここで、気体（水素）と液体（水）とに分離される。この時、循環通路１１から供給された流体Ｆ（気液混合体）は、旋回流（サイクロン）等の乱流となってイオン交換樹脂部材２０に流入される。すなわち、流体Ｆが、イオン交換樹脂部材２０に流入する方向とは異なる方向（図２に矢印Ｄで示す方向）からイオン交換樹脂部材２０に流入する。この時、この流体Ｆのうち、生成水等の液体の大部分は、気液分離器１２の内壁を伝って流体通路２２に収容される。この流体通路２２に収容された液体は、流体通路２２の全周に行き渡り、流体通路２２から溢れ出た液体が、イオン交換樹脂部材２０に流入するため、イオン交換樹脂部材２０全体に分散させて前記液体を流入させることができ、イオン交換樹脂部材２０全体を効率よく使用することができる。

ここで、従来では、前記流体Ｆ（気液混合体）のうち、液体は、主に、循環通路１１の内壁（配管の内壁）を伝わって流れるため、気液分離器１２に供給されると、その重さにより旋回流から逸脱して重力の影響で落下する。この液体の落下位置は、旋回流の流速によっても異なるが、殆どの場合が、気液入口１８の直下付近となる。このような現象は、旋回流を利用して気液を分離するタイプの気液分離器以外でも、流体が流れる配管系全般で一般的に生じる。

しかしながら、実施例１では、前述したように、分散手段としての流体通路２２が形成されているため、前記液体が、気液入口１８の直下付近に落下しても、この液体は、流体通路２２内に収容されるため、イオン交換樹脂部材２０全体に分散させて流入されることになる。

イオン交換樹脂部材２０に流入した液体は、気液分離器１２の内壁を伝わって、排出口１７に収容される。一方、水素は、イオン交換樹脂部材２０を通過して気液分離器１２の下方に移動した後、気体通路２３を介して循環通路１３へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材２０に吸着される。

また、イオン交換樹脂部材２０を気液分離器１２内に配設した、すなわち、気液分離器１２内にもともと存在している空間をイオン交換樹脂部材２０の配設スペースとして利用したため、イオン交換樹脂部材２０を配設することによって、燃料電池システム１自身が大型化することがない。また、イオン交換樹脂部材２０を配設するための部品も必要最低限ですみ、コストの増加を抑制することができる。

なお、実施例１では、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１の外周部に形成した流体通路２２によって、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に流体Ｆを分散させて流入させる場合について説明したが、これに限らず、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１と間隔をおいた上流側に、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に流体Ｆを分散させて流入させる分散手段を配設してもよい。

例えば、分散手段として、図４に示すように、複数の貫通孔２５が開口された流体導入部材２６を、気液分離器１２内のイオン交換樹脂部材２０よりも上流側に、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１と間隔をおいて配設してもよい。このように流体導入部材２６を配設することで、循環通路１１から気液分離器１２内に供給された流体Ｆは、複数の貫通孔２５を通過して分散された状態で、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１から流入することができる。なお、貫通孔２５のサイズ、配設数、配置場所等は、任意に決定することができる。

また、分散手段として、例えば、図５に示すように、循環通路１１から気液分離器１２内に供給される流体Ｆの進行方向を任意の方向に変更して誘導する方向変更部材２７を、気液分離器１２内のイオン交換樹脂部材２０よりも上流側に、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１と間隔をおいて配設してもよい。このように方向変更部材２７を配設することで、循環通路１１から気液分離器１２内に供給された流体Ｆは、分散した状態でイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１から流入することができる。

次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。

図６は、実施例２にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図、図７は、図６に示すVII−VII線に沿った断面図、図８は、図６に示すVIII−VIII線に沿った断面図、図９は、イオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。

なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６〜図８に示すように、実施例２にかかる燃料電池システム１の、実施例１と異なる点は、分散手段を、イオン交換樹脂部材２０を収容するケース３０から形成した点である。

ケース３０は、気体通路２３が略中央となるように、気体通路２３を囲んで配設され、その内部にイオン交換樹脂部材２０を収容する空間が形成された中空の略円筒形状を有している。このケース３０の入側表面３２（図６でいう上面）は、外周部から中央部に向けて、すり鉢状に出側に向けて窪む（凹状となった）傾斜面となっている。このようにすることで、図９に示すように、ケース３０の外周部側（実施例２では、後に詳述する流体通路３６）に落下した液体が、傾斜面に沿ってイオン交換樹脂部材２０の中央部側に向けて移動するため、さらに液体をイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に均一に分散させることができる。

また、ケース３０の入側表面３２の外周部は、出側に向けて若干窪んだ状態で形成されており、気液分離器１２の内壁との間に凹状の流体通路３６を形成するよう構成されている。

また、ケース３０の入側表面３２には、図６及び図７に示すように、中央部から外周部に向けて、放射状に（実施例２では、２つの同心円上）複数の貫通孔３３が、千鳥状に配設されている。これらの貫通孔３３は、外周部側に形成された貫通孔３３の開口面積が、ケース３０の入側表面３２の中央部側に形成された貫通孔３３の開口面積よりも、大きくなるように形成されている。すなわち、貫通孔３３は、中央部側の近くに形成されているものほど小さい開口面積を有するように形成されている。このようにすることで、イオン交換樹脂部材２０の入側から出側までの長さが、中央部側よりも外周部側が長くても、液体の通過長さに対する流量を一定に補完することができ、イオン交換樹脂部材２０の全体を、より一層効率よく使用することができる。

ケース３０の出側表面３４（図６でいう下面）は、図６及び図８に示すように、外周部から中央部に向けて、入側に向けて窪んだ傾斜面となっている。そして、ケース３０の出側表面３４には、複数の貫通孔３５が形成されている。この貫通孔３５は、貫通孔３３の開口面積よりも小さい開口面積を備えている。

このケース３０に収容されたイオン交換樹脂部材２０を内設した気液分離器１２は、実施例１と同様に、循環通路１１から供給された流体Ｆ（気液混合体）が、旋回流（サイクロン）等の乱流となって供給される。この時、この流体Ｆのうち、生成水等の液体の大部分は、気液分離器１２の内壁を伝って流体通路３６に収容される。この流体通路３６に収容された液体は、流体通路３６の全周に行き渡り、流体通路３６から溢れ出た液体が、ケース３０の入側表面３２に形成された傾斜面に沿って移動し、貫通孔３３を通過してイオン交換樹脂部材２０の全体に分散した状態で流入する。

この時、前述したように、貫通孔３３は、千鳥状に形成されているため、ケース３０の内周部側に形成された貫通孔３３にも、前記傾斜面を伝わって液体が到達することができる。また、イオン交換樹脂部材２０の外周部側に形成されている貫通孔３３ほど大きな開口面積を有するため、イオン交換樹脂部材２０の入側から出側までの長さが、中央部側よりも外周部側が長くても、液体の通過長さに対する流量を一定に補完することができ、イオン交換樹脂部材２０の全体を、より一層効率よく使用することができる。

イオン交換樹脂部材２０に流入した液体は、実施例１と同様に、気液分離器１２の内壁を伝わって排出口１７に収容され、水素は、イオン交換樹脂部材２０を通過して気液分離器１２の下方に移動した後、気体通路２３を介して循環通路１３へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材２０に吸着される。

なお、実施例２では、気液分離器１２の内壁とケース３０との間に流体通路３６を形成した場合について説明したが、これに限らず、流体通路３６は必ずしも形成しなくてもよい。流体通路３６を形成しない場合であっても、ケース３０の外周部付近に落下した液体は、ケース３０の入側表面３２に形成された傾斜面に沿って移動し、貫通孔３３を通過してイオン交換樹脂部材２０の全体に分散した状態で流入することができる。

また、ケース３０の入側表面３２に形成された傾斜面の傾斜角度は、任意に決定することができる。

さらにまた、実施例２では、複数の貫通孔３３を放射状かつ千鳥状に配置した場合について説明したが、これに限らず、貫通孔３３のサイズ、設置位置、設置パターン、設置数等は、任意に決定することができる。

次に、本発明の実施例３にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。

図１０は、実施例３にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図、図１１は、図１０に示すイオン交換樹脂部材に配設された分散手段としての回転翼の斜視図である。

なお、実施例３では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１０及び図１１に示すように、実施例３にかかる燃料電池システム１の、実施例１と異なる点は、分散手段を回転翼部材４０から構成した点である。

回転翼部材４０は、特に図１１に示すように、気液分離器１２内に形成された気体通路２３の外周に回転可能に取付けられる回転軸４１と、回転軸４１から放射状に互いに等間隔で配設された８枚の回転翼４２を備えて構成されている。この回転翼４２は、回転軸４１の軸芯Ｏ方向に対し、略垂直方向（径方向）に延出されており、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に接触する位置に設けられている。そして、気液分離機１２内に供給された流体Ｆの旋回流によって回転可能となっている。

この回転翼部材４０が設けられたイオン交換樹脂部材２０を内設した気液分離器１２は、実施例１と同様に、循環通路１１から供給された流体Ｆ（気液混合体）が、旋回流（サイクロン）等の乱流となって供給される。この時、この旋回流によって回転翼部材４０が回転し、当該流体Ｆをスプリンクラーのように飛散させ、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に均一に分散させて流入させることができる。

また、回転翼４２は、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に接触させて配設されているため、この入側表面２１に落下した流体（特に液体）を回転翼４２によりかき集めて、入側表面２１により均一に分散させることができる。

なお、実施例３では、回転軸４１の軸芯Ｏ方向に対し、略垂直方向（径方向）に延出した回転翼４２を形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図１２に示すように、回転翼４２は、回転軸４１の軸芯Ｏ方向に対し、所定の角度αで傾斜させて形成してもよい。このように、回転翼４２を傾斜させて形成することで、回転翼部材４０の回転力が小さくなっても、流体Ｆをスプリンクラーで放出するように飛散させることができる。

また、他の実施例としては、図１３に示すように、回転翼４２は、回転軸４１からの距離に応じて回転軸４１方向へ徐々に湾曲させた構成にしてもよい。あるいは、図１４に示すように、回転翼４２は、回転軸４１から所定の位置で回転軸方向へ屈曲させた構成にしてもよい。このようにすることで、回転翼部材４０の内側方向へも、液体を積極的に飛散させることができる。これらの構成を備えた回転翼４２の場合も、図１２に示すように、回転軸４１の軸芯Ｏ方向に対し、所定の角度αで傾斜させてもよい。

そしてまた、他の実施例としては、図１５に示すように、回転翼４２は、回転軸４１から外周側に向かって、回転軸４１側が出側に向けて凹状に窪んだ傾斜（勾配）を形成した構成を備えていてもよい。この場合、この回転翼４２の傾斜に相補した傾斜面を、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に形成することが好ましい。このようにすることで、回転翼部材４０の外周側に落下した液体が、回転軸４１方向に、一層移動し易くなり、さらに液体を入側表面２１により均一に分散させることができる。この構成を備えた回転翼４２の場合も、図１２に示すように、回転軸４１の軸芯Ｏ方向に対し、所定の角度αで傾斜させてもよい。

さらにまた、他の実施例としては、図１６に示すように、回転翼４２の下流側（この実施例では下側）に、複数の貫通孔４５が形成された多孔部材４６を配設してもよい。このようにすることで、回転翼４２と多孔部材４６とで形成される空間（部屋）４７によって、流体Ｆのうち、特に液体を受けることができる。したがって、一旦、この空間４７に液体を保持した後、多孔部材４６の貫通孔４５から液体をイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に到達させることができる。このため、入側表面２１に液体をより均一に分散させて流入させることができる。

また、多孔部材４６に形成された複数の貫通孔４５は、回転軸４１を中心とした放射状に、千鳥状で配設することができる。このようにすることで、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に、液体をより一層均一に分散させて流入させることができる。

そしてまた、多孔部材４６は、図１７に示すように、回転軸４１から外周側に向かって、回転軸４１側が出側に向けて凹状に窪んだ傾斜（勾配）を形成した構成を備えていてもよい。このようにすることで、多孔部材４６に落下した液体が回転軸４１方向に、一層移動し易くなり、さらに液体を入側表面２１により均一に分散させることができる。この場合も、多孔部材４６の傾斜に相補した傾斜面を、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に形成することが好ましい。

また、実施例３では、回転翼部材４０を、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に接触させた状態で回転可能に配設した場合について説明したが、これに限らず、回転翼部材４０は、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１と所定の間隔をおいた上流側に配設してもよい。

そしてまた、回転翼４２のサイズや配設枚数、回転翼４２の傾き角度（α）等は、任意に決定することができる。

また、実施例１〜実施例３で説明した分散手段は、旋回流を利用して気液を分離する方式（サイククロン方式）の気液分離器１２のみならず、例えば、圧力差や温度差等により気液を分離する等、旋回流を利用して気液を分離する方式以外の気液分離器にも応用可能であることは勿論である。

次に、本発明の実施例４にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。

図１８は、実施例４にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図、図１９は、図１８に示すXIX−XIX線に沿った断面図であり、イオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。

なお、実施例４では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１８及び図１９に示すように、実施例４にかかる燃料電池システム１の、実施例１と異なる点は、気液分離器１１２における気液分離方式と、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に配設した流体通路５５の形状である。

気液分離器１１２は、特に図１８に示すように、中空の略四角柱形を備え、循環通路１１から排出される水素と水を導入するための気液入口１８と、気液分離器１１２内で分離されたガスを排出するガス排出口１９が形成されている。この気液分離器１１２は、気液入口１８から導入された流体Ｆ（気液混合体）を、旋回流ではなく、圧力の差等によって、気体と液体とに分離するものである。

また、気液分離器１１２の下部には、気液分離器１１２で分離された水を収容し、外部に排出する排水口１７が形成されている。この排水口１７には、気液分離器１１２で分離された水のみを外部に排出させ、水素は外部に出さない構造のドレイン弁（図示せず）が配設されている。

気液分離器１１２内に配設されているイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１には、この入側表面２１に流体Ｆを分散させて流入させる分散手段としての流体通路５５が形成されている。この流体通路５５は、特に図１９に示すように、イオン交換樹脂部材２０の外周（四辺）に形成された凹状部と、気液分離器１１２の内壁とによって画定される外周溝と、この外周溝に連通し、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１を四分割する十字状の溝と、を備えて構成されている。なお、この十字状の溝の中央部分には、気体通路２３が貫通されている。そして、この流体通路５５に収容された生成水等の液体は、流体通路５５の全体に行き渡るようになっている。

なお、この流体通路５５は、例えば、イオン交換樹脂部材２０の構成要素であるイオン交換樹脂を保護するために収容する図示しない樹脂製のケースに形成してもよい。

この気液分離器１１２は、前述したように、実施例１で説明した気液分離器１２とは違い、旋回流によって気液を分離する方式ではなく、循環通路１１から流体Ｆ（気液混合体）が、所定の速度、圧力等で供給され、流体Ｆが気液分離器１１２の内壁に衝突し、この流体Ｆのうち、生成水等の液体の大部分は、気液分離器１１２の内壁を伝って流体通路５５に収容される。この時、流体Ｆは、気体通路２３を構成する外壁にも衝突し、液体は、この外壁伝って流体通路５５に収容される。

この流体通路５５に収容された液体は、流体通路５５の全体に行き渡り、流体通路５５から溢れ出た液体が、イオン交換樹脂部材２０に流入するため、当該液体をイオン交換樹脂部材２０全体に分散させて流入させることができ、イオン交換樹脂部材２０全体を効率よく使用することができる。

イオン交換樹脂部材２０に流入した液体は、実施例１と同様に、気液分離器１１２の内壁を伝わって排出口１７に収容され、水素は、イオン交換樹脂部材２０を通過して気液分離器１１２の下方に移動した後、圧力差等によって、気体通路２３を介して循環通路１３へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材２０に吸着される。

なお、実施例４では、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１の外周（四辺）に配設した溝と、入側表面２１を四分割するように配設された溝によって流体通路５５を構成した場合について説明したが、これに限らず、流体通路５５は、例えば、図２０に示すように、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１をさらに細かく分割してもよい。このようにすることで、入側表面２１に、さらに液体を分散させて流入させることができる。

また、イオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に流体Ｆを分散させて流入させる、他の構成を備えた分散手段としては、例えば、図２１〜図２４に示すように、平板６３にパンチングメンタル方式により複数の凸状の孔６２を形成した流体導入部材６１を使用してもよい。この流体導入部材６１は、特に図２４に示すように、循環通路１１から供給された液体が、凸状の孔６２によって画定された凹部６４に溜まり、この凹部６４から溢れ出た液体が、凸状の孔６２を介してイオン交換樹脂部材２０に流入するため、当該液体をイオン交換樹脂部材２０全体に分散させて流入させることができ、イオン交換樹脂部材２０全体を効率よく使用することができる。

そしてまた、他の実施例としては、例えば、図２５に示すように、気液入口１８を広くとり、循環通路１１と気液入口１８との間に、先端に行くにしたがって広がる略扇形としたノズル状通路７１を配設することにより、流体Ｆがイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に偏って供給されることを抑制してもよい。この場合、図２６に示すように、このノズル状通路７１のみによって分散手段を構成してもよく、図２５に示すように、流体通路５５と併用して分散手段を構成してもよい。

さらにまた、他の実施例としては、例えば、図２７に示すように、ノズル状通路７１内に、循環通路１１から供給される流体Ｆの状態に応じて、当該流体Ｆの流動方向を制御して、流体Ｆがイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に流入する方向とは異なる方向に、流体Ｆの供給方向を変更させる方向変更器７２を設けてもよい。この方向変更器７２は、回転軸７４を通る直線上に配設された２枚の羽根７３を備え、回転軸７４を中心として、所定の角度で回転することで、ノズル状通路７１の流体Ｆが通過可能な開口面積を変更すると共に、流体Ｆの進行方向を変更することができる。

分散手段として、このような方向変更器７２を設けることでも、流体Ｆがイオン交換樹脂部材２０の入側表面２１に偏って供給されることを抑制することができる。なお、この場合も、図２８に示すように、このノズル状通路７１及び方向変更器７２によって分散手段を構成してもよく、図２７に示すように、流体通路５５と併用して分散手段を構成してもよい。

また、図２８に示す構成のように、ノズル状通路７１及び方向変更器７２によって分散手段を構成する場合は、分散手段として、燃料電池１００の作動状態（例えば、発電量、供給されるガス流量、排出されるガス流量、供給されるガス圧に応じて、排出されるガス圧等）に応じて、方向変更器７２の回転軸７４の回転角度を制御し、イオン交換樹脂部材２０に流入される流体Ｆの供給状態（流速、圧力、流れ方向等）を変更する流体供給状態変更手段８０を配設した構成としてもよい。

この流体供給状態変更手段８０は、例えば、図２９に示すように、ノズル状通路７１に配設された方向変更器７２と、燃料電池１００の発電量を測定する発電量測定部８１と、方向変更器７２の回転軸７４に接続されると共に、発電量測定部８１から入力された情報（データ）に応じて回転軸７４の回転角度を制御する回転角度制御部８２と、を備えて構成される。このように、流体供給状態変更手段８０によっても、液体をイオン交換樹脂部材２０全体に分散させて流入させることができ、イオン交換樹脂部材２０全体を効率よく使用することができる。

なお、流体供給状態変更手段８０は、例えば、図３０に示す燃料電池システム２のように、循環通路１１の、気液分離器１２の上流側に配設することができ、前述した構成の他、例えば、燃料電池１００から排出された流体Ｆを、流体チャンバに一旦収容し、この流体チャンバから気液分離器１２に供給する際に流体Ｆの供給状態（流速、圧力、流れ方向等）を変更する等してもよい。

また、実施例４では、旋回流を利用して気液を分離する方式以外の気液分離器に、分散手段を配設した場合について説明したが、これに限らず、実施例４で説明した分散手段は、旋回流を利用して気液を分離する方式（サイククロン方式）の気液分離器にも応用可能であることは勿論である。

次に、本発明の実施例５にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。

図３１は、実施例５にかかる燃料電池システムに配設され、内部にイオン交換樹脂部材が配設された気液分離器の平面図、図３２は、図３１に示すXXXII−XXXII線に沿った断面図である。

なお、実施例５では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３１及び図３２に示すように、実施例５にかかる燃料電池システム１の、実施例１と異なる点は、分散手段を、気液分離器１２に接続された２つの流体通路１１１から構成した点である。

すなわち、実施例５にかかる燃料電池システム１は、実施例１のようにイオン交換樹脂部材２０の表面に流体通路２２を設ける代わりに、気液分離器１２の上方に、２つの流体通路１１１を接続した構成を備えている。この流体通路１１１は、燃料電池システム１の循環通路１１の気液分離器１２近傍側端部を２つに分岐し（図示せず）、この分岐された循環通路１１に各々接続されて、循環通路１１から供給される流体Ｆを気液分離器１２内に供給するようになっている。この２つの流体通路１１１は、気液分離器１２の互いに１８０度位相した位置（対角線上）に接続されている。

この構成を備えた気液分離器１２では、流体Ｆが２つの流体通路１１１から気液分離器１２内にそれぞれ供給されることになる。したがって、この流体Ｆは、イオン交換樹脂部材２０の入側表面に分散された状態で流入することになり、流体Ｆが、イオン交換樹脂部材２０の入側表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができる。このため、イオン交換樹脂部材２０全体を効率よく使用することが可能となる。

なお、実施例５では、２つの流体通路１１１を気液分離器１２に接続した場合について説明したが、これに限らず、流体通路１１１は、気液分離器１２に３つ以上接続してもよい。なお、流体通路１１１の配設数が多いほど、流体Ｆは、イオン交換樹脂部材２０の入側表面により一浪分散された状態で流入することになる。また、この流体通路１１１の配設位置は、所望により任意に設定することができる。

また、実施例５では、旋回流を利用して気体と液体とに分離する方式の気液分離器１２に流体通路１１１を接続した場合について説明したが、これに限らす、流体通路１１１は、旋回流ではなく、圧力の差等によって、気体と液体とに分離する方式の気液分離器１１２（図１８参照）に接続してもよい。

そしてまた、実施例５では、気液分離器１２内にイオン交換樹脂部材２０を配設した構成とし、この気液分離器１２に流体通路１１１を接続した場合について説明したが、これに限らず、イオン交換樹脂部材２０に複数の排出通路（流体通路）から流体Ｆを供給することが可能であれば、例えば、イオン交換樹脂を収容するケース（ハウジング）等に複数の排出通路（流体通路）を接続してもよい。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、実施例５にかかる分散手段としての流体通路１１１の配設と、前述した実施例１〜４にかかる分散手段の設置とを組み合わせてもよい。

また、前述した実施例１〜実施例５では、分散手段を水素循環系１０の循環通路に配設した場合について説明したが、これに限らず、本発明にかかる分散手段は、酸化ガス（空気）供給系に配設してもよく、また、他の配管系に配設してもよい。

本発明の実施例１にかかる燃料電池システムの概略構成図である。図１に示す燃料電池システムの気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。図２に示すイオン交換樹脂部材の拡大断面図である。本発明の他の実施例にかかる気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。本発明の他の実施例にかかる気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。本発明の実施例２にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。図６に示すVII−VII線に沿った断面図である。図６に示すVIII−VIII線に沿った断面図である。実施例２にかかるイオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。本発明の実施例３にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。図１０に示すイオン交換樹脂部材に配設された分散手段としての回転翼の斜視図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。本発明の他の実施例にかかる気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の断面図である。本発明の実施例４にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。図１８に示すXIX−XIX線に沿った拡大断面図であり、イオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段としての流体通路、及びイオン交換樹脂部材の平面図である。本発明の他の実施例にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段の斜視図である。図２２に示すXXIII−XXIII線に沿った断面図である。図２３に示す分散手段に形成され凹部に溜まった液体が、凸状の孔を介してイオン交換樹脂部材へ流入する状態を示す模式断面図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す平面模式図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す側面模式図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す平面模式図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す側面模式図である。本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す模式図である。本発明の他の実施例にかかる燃料電池システムの概略構成図である。本発明の実施例５にかかる燃料電池システムに配設され、内部にイオン交換樹脂部材が配設された気液分離器の平面図である。図３１に示すXXXII−XXXII線に沿った断面図である。

符号の説明

１、２燃料電池システム
１０水素循環系
１１循環通路
１２、１１２気液分離器
２０イオン交換樹脂部材
２１入側表面
２２、３６、５５流体通路
２６、６１流体導入部材
２７方向変更部材
４０回転翼部材
７１ノズル状通路
７２方向変更器
８０流体供給状態変更手段
１１１流体通路

Claims

燃料電池から排出される流体が流通し、該流体を気体と液体とに分離する気液分離器内に、当該流体に混入する不純物を除去するイオン交換樹脂部材を配設してなる燃料電池システムであって、
前記イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設し、
前記分散手段は、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に配設され、前記イオン交換樹脂部材の入側表面の外周部に形成された流体通路を備えてなる燃料電池システム。
前記流体通路は、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に形成された溝状部材からなる請求項１に記載の燃料電池システム。
前記分散手段は、外周部から中央部に向けて窪む傾斜面を備えてなる請求項２に記載の燃料電池システム。
燃料電池から排出される流体が流通し、該流体を気体と液体とに分離する気液分離器内に、当該流体に混入する不純物を除去するイオン交換樹脂部材を配設してなる燃料電池システムであって、
前記イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設し、
前記分散手段は、複数の貫通孔が形成されてなる流体導入部材を備え、
前記流体導入部材は、前記イオン交換樹脂部材を収容するケースとして構成されてなる燃料電池システム。
前記貫通孔は、前記流体導入部材の中央部から外周部に向けて放射状に配設されてなる請求項４に記載の燃料電池システム。
前記貫通孔は、前記流体導入部材の中央部から外周部に向けて千鳥状に配設されてなる請求項４に記載の燃料電池システム。
前記貫通孔は、前記流体導入部材の中央部から離間した距離によって、開口断面積が異なる請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。
前記貫通孔の開口断面積は、前記流体導入部材の中央部側から外周側に配設されるにしたがって大きくなる請求項７に記載の燃料電池システム。
前記流体導入部材は、外周部から中央部に向けて窪む傾斜面を備え、当該傾斜面に前記複数の貫通孔が形成されている請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記流体導入部材は、外周部と前記気液分離器の内壁との間に凹状の流体通路を形成するように構成されてなる請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。