JP6713325B2

JP6713325B2 - Fuel cell system and filter device

Info

Publication number: JP6713325B2
Application number: JP2016073525A
Authority: JP
Inventors: 裕哲 ▲高▼口; 振郭; 正和大橋; 淑夫梅田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017183253A

Description

本発明は、ダイレクトメタノール型の燃料電池を備える燃料電池システム及び当該燃料電池システムに用いられるフィルタ装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a direct methanol fuel cell and a filter device used in the fuel cell system.

直接メタノール型燃料電池において、正極排出物と負極排出物を気液分離器によって気液分離し、その後、気相成分をカーボン担体に白金を担持した、撥水性を有する触媒を用いて、酸化剤の存在下で処理する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。上記技術では、触媒において、燃料電池からの排ガス中に含まれるメタノールの不完全酸化物を酸化反応させて浄化した後、システム外部に排出している。 In a direct methanol fuel cell, the positive electrode discharge and the negative electrode discharge are gas-liquid separated by a gas-liquid separator, and then a gas phase component is supported on a carbon carrier with platinum, and a water-repellent catalyst is used to form an oxidizer. There is known a technique of processing in the presence of (see, for example, Patent Document 1). In the above technique, in the catalyst, the incomplete oxide of methanol contained in the exhaust gas from the fuel cell is oxidized and purified, and then discharged to the outside of the system.

国際公開２００７／１１６８７４号International Publication No. 2007/116874

上記技術では、気液分離器から触媒まで気相成分を移送する間に当該気相成分が冷やされて、触媒において結露が生じてしまう。このため、触媒における気相成分の酸化反応が滞り、当該気相成分に含まれる不完全酸化物の除去能力が低下するおそれがある、という問題がある。 In the above technique, the vapor phase component is cooled while being transferred from the vapor-liquid separator to the catalyst, causing dew condensation on the catalyst. Therefore, there is a problem that the oxidation reaction of the gas phase component in the catalyst is delayed and the ability to remove the incomplete oxide contained in the gas phase component may decrease.

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の排出物に含まれる不完全酸化物の除去能力の低下を抑えることができる燃料電池システム及びフィルタ装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system and a filter device capable of suppressing a decrease in the ability to remove incomplete oxides contained in the exhaust of a fuel cell.

［１］本発明に係る燃料電池システムは、ダイレクトメタノール型の燃料電池と、前記燃料電池のカソードの第１の出口及びアノードの第２の出口から前記燃料電池の排出物がそれぞれ導入され、前記排出物に含まれる不完全酸化物を除去するフィルタ装置と、を備え、前記フィルタ装置は、前記排出物に含まれる気相成分及び液相成分を分離する分離部と、前記分離部により分離された前記気相成分を酸化反応させる反応部と、前記分離部及び前記反応部を内部に収容する容器と、を備え、前記容器は、一端が前記分離部を基準にして前記反応部と反対側において前記容器の内部に開口し、他端が第１の流路を介して前記第１の出口と接続されている第１のコネクタと、鉛直方向において前記分離部よりも下方で前記容器の内部に開口する第２のコネクタと、前記分離部を基準にして前記反応部と同じ側において前記容器の内部に開口する第３のコネクタと、を有する燃料電池システムである。 [1] In a fuel cell system according to the present invention, a direct methanol fuel cell, and the exhaust gas of the fuel cell is introduced from a first outlet of a cathode and a second outlet of an anode of the fuel cell, respectively. A filter device for removing incomplete oxides contained in the exhaust gas, wherein the filter device is separated by the separation part for separating the gas phase component and the liquid phase component contained in the exhaust gas, and the separation part. And a container for accommodating the separation part and the reaction part inside, wherein the container has one end opposite to the reaction part with respect to the separation part. A first connector having an opening inside the container and the other end connected to the first outlet via a first flow path; and inside the container below the separating portion in the vertical direction. And a third connector that opens inside the container on the same side as the reaction section with respect to the separation section.

［２］上記発明において、前記反応部は、鉛直方向において、前記分離部に対して上方に位置していてもよい。 [2] In the above invention, the reaction section may be located above the separation section in the vertical direction.

［３］上記発明において、前記容器の内部において、前記分離部を基準にして前記反応部とは反対側に空隙が形成されており、前記第１のコネクタの一端は、前記空隙に対向するように前記容器の内部で開口しており、前記第１のコネクタの軸方向は、前記分離部と重ならなくてもよい。 [3] In the above invention, a void is formed inside the container on the side opposite to the reaction part with respect to the separation part, and one end of the first connector faces the void. Further, the first connector may be opened inside the container, and the axial direction of the first connector may not overlap with the separating portion.

［４］上記発明において、前記フィルタ装置は、前記燃料電池の触媒を被毒して発電反応を阻害する阻害物を吸着する吸着部をさらに備え、前記吸着部は、鉛直方向において、前記分離部に対して下方に位置するように前記容器の内部に収容されていてもよい。 [4] In the above invention, the filter device further includes an adsorbing portion that adsorbs an inhibitor that poisons the catalyst of the fuel cell and inhibits a power generation reaction, and the adsorbing portion in the vertical direction is the separating portion. It may be housed inside the container so as to be located below.

［５］上記発明において、鉛直方向において前記フィルタ装置に対して下方に配置され、メタノールを含む液体燃料を貯蔵する燃料タンクをさらに備え、前記第２のコネクタは、第２の流路を介して前記燃料タンクと接続されていてもよい。 [5] In the above invention, a fuel tank for storing a liquid fuel containing methanol is provided below the filter device in the vertical direction, and the second connector is provided with a second flow path. It may be connected to the fuel tank.

［６］本発明に係るフィルタ装置は、ダイレクトメタノール型の燃料電池の排出物に含まれる不完全酸化物を除去するものであり、前記排出物に含まれる気相成分及び液相成分を分離する分離部と、前記分離部により分離された前記気相成分を酸化反応させる反応部と、前記分離部及び前記反応部を内部に収容する容器と、を備え、前記容器は、前記分離部を基準にして前記反応部と反対側において前記容器の内部に開口する第１のコネクタと、鉛直方向において前記分離部よりも下方で前記容器の内部に開口する第２のコネクタと、前記分離部を基準にして前記反応部と同じ側において前記容器の内部に開口する第３のコネクタと、を有するフィルタ装置である。 [6] The filter device according to the present invention removes incomplete oxides contained in the exhaust of a direct methanol fuel cell, and separates a gas phase component and a liquid phase component contained in the exhaust. A separation unit, a reaction unit for oxidizing the gas phase component separated by the separation unit, and a container for accommodating the separation unit and the reaction unit inside, the container is based on the separation unit. And a second connector that opens inside the container on the side opposite to the reaction part, a second connector that opens inside the container below the separating part in the vertical direction, and the separating part as a reference And a third connector that opens inside the container on the same side as the reaction section.

本発明によれば、分離部及び反応部を同一の容器に収容しているので、反応部において結露が生じ難くなる。これにより、フィルタ装置における不完全酸化物の除去能力の低下を抑制することができる。 According to the present invention, since the separation section and the reaction section are housed in the same container, dew condensation is less likely to occur in the reaction section. As a result, it is possible to suppress a decrease in the ability to remove incomplete oxides in the filter device.

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図２（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視図であり、図２（Ｂ）は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視断面図である。FIG. 2A is a perspective view of a filter device according to an embodiment of the present invention viewed from above, and FIG. 2B is a filter device according to one embodiment of the present invention viewed from above. FIG. 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置の作用を説明するための断面図である。3A and 3B are cross-sectional views for explaining the operation of the filter device according to the embodiment of the present invention. 図４は、図３（Ａ）のIV部の部分拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of the IV portion of FIG. 図５は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a modification of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

本実施形態の燃料電池システム１は、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ、自動車用の電源や、家庭・産業用の電源等として用いられる燃料電池を備え、外部負荷に対して電力を供給するためのシステムである。この燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、燃料タンク３１と、燃料ポンプ３２と、ブロワ３４と、メタノールポンプ３５と、凝縮器３６と、フィルタ装置４０と、を備えている。本実施形態における「燃料電池システム１」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池２」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「燃料タンク３１」が本発明における「燃料タンク」の一例に相当し、本実施形態における「フィルタ装置４０」が本発明における「フィルタ装置」の一例に相当する。 The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a laptop computer, a mobile phone, a small video camera, a fuel cell used as a power source for automobiles, a power source for home/industrial use, etc., and supplies power to an external load. It is a system for. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, a fuel tank 31, a fuel pump 32, a blower 34, a methanol pump 35, a condenser 36, and a filter device 40. ing. The "fuel cell system 1" in the present embodiment corresponds to an example of the "fuel cell system" in the present invention, and the "fuel cell 2" in the present embodiment corresponds to an example of the "fuel cell" in the present invention. The "fuel tank 31" in the embodiment corresponds to an example of the "fuel tank" in the present invention, and the "filter device 40" in the present embodiment corresponds to an example of the "filter device" in the present invention.

燃料電池２は、ダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である。一の燃料電池２に代えて、複数の燃料電池２が積層された燃料電池スタックを用いてもよい。この燃料電池２は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１と、当該膜電極接合体２１を挟む一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３と、当該一対のセパレータ２２，２３を挟む一対のエンドプレート２４，２５と、を有している。 The fuel cell 2 is a direct methanol fuel cell (DMFC). Instead of one fuel cell 2, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells 2 are stacked may be used. The fuel cell 2 includes a membrane electrode assembly (MEA) 21, a pair of anode separators 22 and a cathode separator 23 that sandwich the membrane electrode assembly 21, and a pair of separators 22 and 23 that sandwich the membrane electrode assembly 21. The end plates 24 and 25 are included.

膜電極接合体２１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜２１１と、略矩形のアノード触媒層２１２と、カソード触媒層２１３を含み、さらに、略矩形のアノードガス拡散層２１４とカソードガス拡散層２１５を含んでいる。アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層２１４がアノードを構成し、カソード触媒層２１３とカソードガス拡散層２１５がカソードを構成する。 The membrane electrode assembly 21 includes a substantially rectangular polymer electrolyte membrane 211 having hydrogen ion (cation) conductivity, a substantially rectangular anode catalyst layer 212, and a cathode catalyst layer 213, and further, a substantially rectangular anode gas. It includes a diffusion layer 214 and a cathode gas diffusion layer 215. The anode catalyst layer 212 and the anode gas diffusion layer 214 form an anode, and the cathode catalyst layer 213 and the cathode gas diffusion layer 215 form a cathode.

高分子電解質膜２１１としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質型燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（たとえば、米国Ｄｕｐｏｎｔ社製のｎａｆｉｏｎ（商品名、登録商標）、旭化成（株）社製のＡｃｉｌｅｘ（商品名、登録商標）、ジャパンゴアテックス（株）社製のＧＳＩＩ（商品名、登録商標）など）を使用することができる。 The polymer electrolyte membrane 211 is not particularly limited, and a polymer electrolyte membrane mounted in a normal polymer electrolyte fuel cell can be used. For example, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, nafion (trade name, registered trademark) manufactured by Dupont, USA, Acilex (trade name, registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Japan Gore-Tex (stock) ) GSII (trade name, registered trademark) manufactured by KK) can be used.

アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３は、電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン導電性を有する高分子電解質とで構成されている。 The anode catalyst layer 212 and the cathode catalyst layer 213 are composed of an electrode catalyst, conductive carbon particles (carbon powder) carrying the electrode catalyst, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity.

アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における担体である導電性炭素粒子については、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましい。このようなカーボン材料としては、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバ及びカーボンチューブなどを例示することができる。カーボンブラックとしては、たとえば、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック及びアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。 For the conductive carbon particles that are the carriers in the anode catalyst layer 212 and the cathode catalyst layer 213, it is preferable to use a carbon material having conductive pores. Examples of such a carbon material include carbon black, activated carbon, carbon fiber, and carbon tube. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, acetylene black, and the like. In addition, activated carbon can be obtained by carbonizing and activating a material containing various carbon atoms.

アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における電極触媒としては、白金又は白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛及びスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノードとカソードに同じ構成の電極触媒を用いても、異なる構成の電極触媒を用いてもよい。 Platinum or a platinum alloy is preferably used as the electrode catalyst in the anode catalyst layer 212 and the cathode catalyst layer 213. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc and tin. It is preferably an alloy of platinum and one or more metals selected from the group consisting of: Further, the platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and the metal. Furthermore, an electrocatalyst mixture obtained by mixing an electrocatalyst composed of platinum and an electrocatalyst composed of a platinum alloy may be used, or the same electrocatalyst may be used for the anode and the cathode, or the electrocatalysts having different structures may be used. May be.

アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３の外側に配置されるアノードガス拡散層２１４及びカソードガス拡散層２１５としては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャ構造を有するカーボン微粉末、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて製作された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＥＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、基材に撥水処理を施してもよい。さらに、電子導電性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード及びアノードにおいて同じ構成のガス拡散層を用いても異なる構成のガス拡散層を用いてもよい。 As the anode gas diffusion layer 214 and the cathode gas diffusion layer 215 arranged outside the anode catalyst layer 212 and the cathode catalyst layer 213, various gas diffusion layers known in the art can be used. As a base material constituting these gas diffusion layers, a conductive porous substrate produced by using carbon fine powder, carbon paper or carbon cloth having a developed structure structure in order to have gas permeability. Material can be used. Further, in order to improve drainage, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PEA), tetra A water-repellent material (polymer) represented by a fluororesin such as fluoroethylene/ethylene copolymer (ETFE) may be dispersed inside the base material, and the base material may be subjected to a water-repellent treatment. Further, in order to have electronic conductivity, the base material may be made of an electronic conductive material such as carbon fiber, metal fiber or carbon fine powder. The cathode and the anode may use the same gas diffusion layer or different gas diffusion layers.

一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３は、膜電極接合体２１の外側に配置されて、膜電極接合体２１を機械的に固定するための部材である。アノードセパレータ２２のうちの膜電極接合体２１と接触する面には、アノードにメタノール水溶液（ＭｅＯＨ）を含む液体燃料を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質（以下、「アノード排出物」ともいう。）を反応場から外部に排出するためのアノード流路（不図示）が形成されている。同様に、カソードセパレータ２３のうちの膜電極接合体２１と接触する面には、カソードに酸化剤（空気）を供給し、電極反応生成物、膜電極接合体２１を透過（クロスオーバー現象）した未反応のメタノールを含む物質（以下、「カソード排出物」ともいう。）を反応場から外部に運び去るためのカソード流路（不図示）が形成されている。 The pair of anode separator 22 and cathode separator 23 is a member that is arranged outside the membrane electrode assembly 21 and mechanically fixes the membrane electrode assembly 21. A liquid fuel containing an aqueous methanol solution (MeOH) is supplied to the anode on a surface of the anode separator 22 that is in contact with the membrane electrode assembly 21, and an electrode reaction product and a substance containing unreacted methanol (hereinafter, referred to as “anode”). An anode flow channel (not shown) is formed to discharge the "emission" from the reaction field to the outside. Similarly, an oxidant (air) was supplied to the cathode on the surface of the cathode separator 23 that was in contact with the membrane electrode assembly 21, and the electrode reaction product and the membrane electrode assembly 21 were transmitted (crossover phenomenon). A cathode channel (not shown) is formed for carrying away a substance containing unreacted methanol (hereinafter, also referred to as “cathode exhaust”) from the reaction field to the outside.

こうしたアノード流路及びカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路及びカソード流路は、たとえば、複数の直線上溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のＵターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。 Although not shown, the anode channel and the cathode channel are formed by forming grooves on the surfaces of the anode separator 22 and the cathode separator 23, respectively, by a conventional method. Although not particularly limited, the anode flow path and the cathode flow path are configured by, for example, a plurality of linear groove portions and a plurality of U-turn groove portions that connect adjacent linear groove portions from upstream to downstream. It has a serpentine shape.

一対のエンドプレート２４，２５は、一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３の外側に配置されて、膜電極接合体２１及び一対のセパレータ２２，２３を鋏保持するための部材である。エンドプレート２４は、燃料供給口２４１と、燃料排出口２４２とを有している。エンドプレート２５は、空気供給口２５１と、空気排出口２５２とを有している。燃料供給口２４１は、配管Ｆ_１を介して燃料タンク３１に連通されている。燃料排出口２４２は、配管Ｆ_２を介して燃料タンク３１に連通されている。空気供給口２５１は、配管Ｆ_３を介してシステム外部に連通されている。空気排出口２５２は、配管Ｆ_４を介してフィルタ装置４０に連通されている。本実施形態における「燃料排出口２４２」が本発明における「第２の出口」の一例に相当し、本実施形態における「空気排出口２５２」が本発明における「第１の出口」の一例に相当する。 The pair of end plates 24, 25 are members arranged outside the pair of anode separator 22 and the pair of cathode separators 23 to hold the membrane electrode assembly 21 and the pair of separators 22, 23 with scissors. The end plate 24 has a fuel supply port 241 and a fuel discharge port 242. The end plate 25 has an air supply port 251 and an air discharge port 252. The fuel supply port 241 communicates with the fuel tank 31 via the pipe F ₁ . The fuel discharge port 242 is connected to the fuel tank 31 via the pipe F ₂ . The air supply port 251 communicates with the outside of the system via a pipe F ₃ . The air outlet 252 is connected to the filter device 40 via the pipe F ₄ . The "fuel outlet 242" in the present embodiment corresponds to an example of the "second outlet" in the present invention, and the "air outlet 252" in the present embodiment corresponds to an example of the "first outlet" in the present invention. To do.

燃料タンク３１には、液体燃料が貯蔵されている。システムが起動すると、配管Ｆ_１に設けられた燃料ポンプ３２により、液体燃料が燃料タンク３１から燃料供給口２４１を通じて燃料電池２のアノードに供給される。一方、配管Ｆ_３に設けられたブロワ３４により、システム外部の空気が空気供給口２５１を通じて燃料電池２のカソードに供給される。なお、ブロワ３４の吸入側には、吸入する空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ３３が設けられている。 Liquid fuel is stored in the fuel tank 31. When the system starts up, the liquid fuel is supplied from the fuel tank 31 to the anode of the fuel cell 2 through the fuel supply port 241 by the fuel pump 32 provided in the pipe F ₁ . On the other hand, the blower 34 provided in the pipe F ₃ supplies the air outside the system to the cathode of the fuel cell 2 through the air supply port 251. A filter 33 for removing dust and the like contained in the sucked air is provided on the suction side of the blower 34.

アノードでは、下記（１）式で示すように、触媒による酸化反応により二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成される。アノードで生成された電子が外部の回路を通ることで、外部負荷５１に電力が供給される。一方、アノードで生成された水素イオンは、高分子電解質膜２１１を通過してカソードに移動する。カソードでは、下記（２）式で示すように、触媒による酸素の還元反応により水が生成される。下記（１）式及び（２）式が、本発明における「発電反応」に相当する。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻… （１）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ … （２） At the anode, carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons are generated by the catalytic oxidation reaction, as shown in the following formula (1). Electric power is supplied to the external load 51 by the electrons generated at the anode passing through an external circuit. On the other hand, hydrogen ions generated at the anode pass through the polymer electrolyte membrane 211 and move to the cathode. At the cathode, as shown by the following formula (2), water is generated by the reduction reaction of oxygen by the catalyst. The following formulas (1) and (2) correspond to the "power generation reaction" in the present invention.
_{_{CH 3 OH + H 2 O →}} CO 2 + 6H + + 6e - ... (1)
3/2O ₂ +6H ⁺ +6e ⁻ →3H ₂ O (2)

燃料排出口２４２から排出されるアノード排出物は、配管Ｆ_２を介して燃料タンク３１に戻される。燃料タンク３１内では、戻されたアノード排出物のうち気相成分が液面に浮上するので、液相成分と気相成分とが概ね分離される。液面上に浮上した気相成分は、配管Ｆ_５を介してフィルタ装置４０に導入される。本実施形態における「配管Ｆ_２」及び「配管Ｆ_５」が本発明における「第３の流路」の一例に相当する。 The anode exhaust discharged from the fuel discharge port 242 is returned to the fuel tank 31 via the pipe F ₂ . In the fuel tank 31, the gas phase component of the returned anode exhaust gas floats on the liquid surface, so that the liquid phase component and the gas phase component are substantially separated. The gas phase component floating above the liquid surface is introduced into the filter device 40 via the pipe F ₅ . The “pipe F ₂ ”and the “pipe F ₅ ”in the present embodiment correspond to an example of the “third flow path” in the present invention.

一方、空気排出口２５２から排出されるカソード排出物は、配管Ｆ_４を介してフィルタ装置４０に導入される。配管Ｆ_４には、カソードで生じた水蒸気を液化する機能を有する凝縮器３６が設けられている。凝縮器３６は、特に図示しない制御装置からの制御信号に基づき、配管Ｆ_４を流れるカソード排出物への冷却能力を変化させて、水蒸気の液化量を調整できる。本実施形態における「配管Ｆ_４」が本発明における「第１の流路」の一例に相当する。 On the other hand, the cathode exhaust discharged from the air discharge port 252 is introduced into the filter device 40 via the pipe F ₄ . The pipe F ₄ is provided with a condenser 36 having a function of liquefying the water vapor generated at the cathode. The condenser 36 can change the cooling capacity of the cathode exhaust flowing through the pipe F ₄ based on a control signal from a control device (not shown) to adjust the liquefaction amount of water vapor. The “pipe F ₄ ”in this embodiment corresponds to an example of the “first flow path” in the present invention.

ここで、アノード排出物の電極反応生成物には、液相成分として未反応の液体燃料（水及びメタノール）が含まれ、気相成分として上記（１）式のとおり二酸化炭素が含まれるが、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、「アノード不完全酸化物」という。）も気相成分に含まれている。また、カソード排出物の電極反応生成物には、液相成分として上記（２）式のとおり主として水が含まれ、気相成分として未反応の空気が含まれるが、アノードからカソードへ透過したメタノールが酸化反応して生成される二酸化炭素、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、「カソード不完全酸化物」という。）も気相成分に含まれている。 Here, the electrode reaction product of the anode exhaust contains unreacted liquid fuel (water and methanol) as a liquid phase component and carbon dioxide as a gas phase component as shown in the above formula (1), Formaldehyde and formic acid (hereinafter, referred to as “anode incomplete oxide”), which is by-produced as a reaction intermediate without completely oxidizing methanol, are also included in the gas phase component. Further, the electrode reaction product of the cathode exhaust contains mainly water as a liquid phase component as shown in the above formula (2) and unreacted air as a gas phase component, but the methanol permeated from the anode to the cathode. Carbon dioxide, which is produced by the oxidation reaction of methanol, and formaldehyde and formic acid, which are by-produced as a reaction intermediate without being completely oxidized, are also included in the gas phase components. There is.

外部メタノールタンク５０には、高濃度のメタノールが貯蔵されている。燃料電池２での反応によりメタノールが消費され、燃料タンク３１に貯蔵される液体燃料のメタノール濃度が低下すると、メタノールポンプ３５を起動して、配管Ｆ_７を介して外部メタノールタンク５０から燃料タンク３１に高濃度メタノールを追加燃料として供給する。 The external methanol tank 50 stores high-concentration methanol. When methanol is consumed by the reaction in the fuel cell 2 and the concentration of methanol in the liquid fuel stored in the fuel tank 31 decreases, the methanol pump 35 is started and the fuel tank 31 is fed from the external methanol tank 50 via the pipe F _7. High-concentration methanol is supplied as an additional fuel to.

次に、本実施形態のフィルタ装置４０について、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照しながら詳細に説明する。図２（Ａ）は本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視図、図２（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視断面図である。 Next, the filter device 40 of the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 2(A) and 2(B). 2A is a perspective view of a filter device according to an embodiment of the present invention viewed from above, and FIG. 2B is a perspective cross-sectional view of a filter device according to one embodiment of the present invention viewed from above. Is.

フィルタ装置４０は、燃料電池２から移送される排出物に含まれる不完全酸化物（アノード不完全酸化物及びカソード不完全酸化物を含む。）を除去する機能を有する。このフィルタ装置４０は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、容器４１と、分離部４２と、反応部４３と、吸着部４４と、を備えている。本実施形態における「不完全酸化物」が本発明における「不完全酸化物」の一例に相当し、本実施形態における「容器４１」が本発明における「容器」の一例に相当し、本実施形態における「分離部４２」が本発明における「分離部４２」の一例に相当し、本実施形態における「反応部４３」が本発明における「反応部」の一例に相当し、本実施形態における「吸着部４４」が本発明における「吸着部」の一例に相当する。 The filter device 40 has a function of removing incomplete oxides (including incomplete anode oxides and incomplete cathode oxides) contained in the exhaust transferred from the fuel cell 2. As shown in FIGS. 2A and 2B, the filter device 40 includes a container 41, a separation section 42, a reaction section 43, and an adsorption section 44. The “imperfect oxide” in the present embodiment corresponds to an example of the “imperfect oxide” in the present invention, and the “container 41” in the present embodiment corresponds to an example of the “container” in the present invention. The "separation part 42" in 1 corresponds to an example of the "separation part 42" in the present invention, the "reaction part 43" in the present embodiment corresponds to an example of the "reaction part" in the present invention, and the "adsorption" in the present embodiment. The "part 44" corresponds to an example of the "adsorption part" in the present invention.

容器４１は、鉛直方向（図中Ｚ方向）に延びる円筒形状とされ、一端に円形状の開口を有する有底の本体部４１１と、本体部４１１の開口を覆うように当該本体部４１１の上方に設けられた蓋部４１２と、を有している。本体部４１１と蓋部４１２とは、特に図示しない係合手段によって着脱可能に係合している。この容器４１（具体的には、本体部４１１）の内部に分離部４２、反応部４３、及び吸着部４４を収容・保持することができる。このため、本実施形態では、各構成要素（分離部４２、反応部４３、及び吸着部４４）同士の間に、配管などが介在していない。なお、容器４１の形状は特に上述に限定されず、角柱形状であってもよい。 The container 41 has a cylindrical shape that extends in the vertical direction (Z direction in the drawing), has a bottomed main body 411 having a circular opening at one end, and above the main body 411 so as to cover the opening of the main body 411. And a lid portion 412 provided on the. The main body portion 411 and the lid portion 412 are detachably engaged with each other by engagement means (not shown). The separation section 42, the reaction section 43, and the adsorption section 44 can be housed and held inside the container 41 (specifically, the main body section 411). Therefore, in the present embodiment, no pipe or the like is interposed between the respective constituent elements (separation section 42, reaction section 43, and adsorption section 44). The shape of the container 41 is not particularly limited to the above, and may be a prismatic shape.

分離部４２は、フィルタ装置４０に導入される燃料電池２の排出物（アノード排出物及びカソード排出物を含む。）に含まれる気相成分と液相成分とを分離する機能を有する。この分離部４２は、ステンレス製の金属メッシュを積層したデミスタを用いることができる。なお、分離部４２を構成する材料としては、メタノールに耐食性があれば特に限定されず、たとえば、ステンレスに代えてフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を用いてもよい。なお、分離部４２としては、デミスタを用いるものに限定されるものではなく、気液分離膜を用いたもの、邪魔板を用いたもの、サイクロン式分離器、重力による分離機構を用いたもの等を採用することができるが、気液分離性及びフィルタ装置４０の小型化の観点から、デミスタを採用することが好ましい。 The separation unit 42 has a function of separating the gas phase component and the liquid phase component contained in the exhaust (including the anode exhaust and the cathode exhaust) of the fuel cell 2 introduced into the filter device 40. As the separating part 42, a demister in which stainless steel metal meshes are laminated can be used. The material forming the separation portion 42 is not particularly limited as long as methanol has corrosion resistance, and for example, fluororesin (PTFE) may be used instead of stainless steel. The separating unit 42 is not limited to one using a demister, but one using a gas-liquid separation film, one using a baffle plate, a cyclone separator, one using a separation mechanism by gravity, etc. However, it is preferable to use a demister from the viewpoint of gas-liquid separation and miniaturization of the filter device 40.

分離部４２は、容器４１の内部に収容されている。本実施形態では、分離部４２は、本体部４１１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。排出物が気液分離されることなく分離部４２を通過するのを防ぐため、分離部４２は、本体部４１１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。 The separation unit 42 is housed inside the container 41. In the present embodiment, the separating section 42 is fixed to the inner surface of the main body section 411 by fixing means (not shown). In order to prevent the discharged matter from passing through the separation portion 42 without being separated into gas and liquid, the separation portion 42 is filled to the extent that no gap is formed between the separation portion 42 and the inner surface of the main body portion 411.

反応部４３は、分離部４２により分離された排出物の気相成分を酸化反応させるために用いられ、少なくとも気相成分に含まれる不完全酸化物を酸化させ水と二酸化炭素に変換する機能を有する。気相成分の酸化反応に用いられる酸化剤としては、ブロワ３４により燃料電池２に供給され、当該燃料電池２での反応に寄与することなく排出された空気（酸素）を用いる。この反応部４３では、不完全酸化物の他に、排出物に同伴されフィルタ装置４０に入り込んだ未反応のメタノール蒸気も酸化され、水と二酸化炭素に分解される。 The reaction part 43 is used for oxidizing the gas phase component of the effluent separated by the separation part 42, and has a function of oxidizing at least an incomplete oxide contained in the gas phase component to convert it into water and carbon dioxide. Have. Air (oxygen) supplied to the fuel cell 2 by the blower 34 and discharged without contributing to the reaction in the fuel cell 2 is used as the oxidant used for the oxidation reaction of the gas phase component. In the reaction section 43, in addition to the incomplete oxide, unreacted methanol vapor entrained in the exhaust gas and entering the filter device 40 is also oxidized and decomposed into water and carbon dioxide.

このような反応部４３は、触媒を担持させたステンレス製のメッシュ構造物、ハニカム構造物、又は発泡金属等を積層したものが用いられる。なお、反応部４３における排液性を向上する観点から、触媒を担持させたメッシュ構造物を用いることが好ましい。触媒としては、比較的低温状態（たとえば、５０℃）でメタノール蒸気や不完全酸化物の酸化反応に利用できるものが好ましく、具体的には、白金微粒子をカーボン担体に担持したものを用いることができる。なお、触媒としては、上記アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における電極触媒と同様のものを用いてもよい。 As the reaction part 43, a catalyst-supported stainless mesh structure, honeycomb structure, or a laminated metal foam is used. From the viewpoint of improving the drainage property in the reaction section 43, it is preferable to use a mesh structure supporting a catalyst. The catalyst is preferably one that can be used for the oxidation reaction of methanol vapor or incomplete oxide at a relatively low temperature (for example, 50° C.). Specifically, a catalyst in which platinum fine particles are supported on a carbon carrier is used. it can. As the catalyst, the same catalyst as the electrode catalyst in the anode catalyst layer 212 and the cathode catalyst layer 213 may be used.

反応部４３は、容器４１の内部に収容されており、鉛直方向において分離部４２に対して上方であって、当該分離部４２に重ねて配置されている。この反応部４３は、本体部４１１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。排出物が反応部４３を通過することなくシステム外部に流出するのを防ぐため、反応部４３は、本体部４１１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。 The reaction section 43 is housed inside the container 41, is arranged above the separation section 42 in the vertical direction, and is arranged so as to overlap the separation section 42. The reaction section 43 is fixed to the inner surface of the main body section 411 by a fixing means (not shown). In order to prevent the discharged matter from flowing out of the system without passing through the reaction section 43, the reaction section 43 is filled to the extent that no gap is formed between the reaction section 43 and the inner surface of the main body section 411.

本実施形態では、後述する排気コネクタ４１５に対して気相成分を滑らかに集合させるため、容器４１を密閉した状態において排気コネクタ４１５と反応部４３との間に間隙４７が形成されている。さらに気相成分を排気コネクタ４１５に集合し易くする観点から、容器４１の蓋部４１２を排気コネクタ４１５に向かって漸次的に縮径する円錐状に形成してもよい。 In the present embodiment, a gap 47 is formed between the exhaust connector 415 and the reaction section 43 in a state where the container 41 is sealed in order to smoothly collect the gas phase components in the exhaust connector 415 described later. Further, from the viewpoint of facilitating collection of the gas phase component in the exhaust connector 415, the lid portion 412 of the container 41 may be formed in a conical shape whose diameter gradually decreases toward the exhaust connector 415.

吸着部４４は、燃料電池２の触媒を被毒して上記（１）式及び（２）式の反応を阻害する阻害物を吸着する機能を有する。阻害物としては、燃料電池２のカソードに供給される空気に含まれる微量の窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、アンモニア、硫化水素、有機溶剤蒸気やタール等の有機物、及び一酸化炭素等がある。このような阻害物が燃料電池２に入り込むと、電極触媒が被毒し劣化してしまい、燃料電池２の寿命が短くなる。しかし、吸着部４４は、阻害物を吸着除去する事が可能であるため、これによって、阻害物は燃料電池２に入り込みにくくなる事から、電極触媒の被毒を防いで、燃料電池２の長寿命化を実現する事が可能となる。このような吸着部４４としては、活性炭等の多孔質体を用いることができる。 The adsorption part 44 has a function of adsorbing an inhibitor that poisons the catalyst of the fuel cell 2 and inhibits the reactions of the above formulas (1) and (2). As the inhibitor, trace amounts of nitrogen oxides (NO, NOx), sulfur oxides (SOx), ammonia, hydrogen sulfide, organic substances such as organic solvent vapor and tar contained in the air supplied to the cathode of the fuel cell 2, And carbon monoxide. When such an obstacle enters the fuel cell 2, the electrode catalyst is poisoned and deteriorates, and the life of the fuel cell 2 is shortened. However, since the adsorbing section 44 can adsorb and remove the inhibitor, this makes it difficult for the inhibitor to enter the fuel cell 2. Therefore, poisoning of the electrode catalyst can be prevented and the length of the fuel cell 2 can be reduced. It is possible to achieve a longer life. A porous body such as activated carbon can be used as the adsorption unit 44.

吸着部４４は、容器４１の内部に収容されており、鉛直方向において分離部４２に対して下方であって、分離部４２と離間した状態で配置されている。また、後述する供給コネクタ４１３から導入されるカソード排出物に含まれる阻害物を効率良く捕集する観点から、吸着部４４は、当該供給コネクタ４１３よりも下方に配置されている。この吸着部４４は、本体部４１１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。排出物が吸着部４４を通過することなくフィルタ装置４０の外部に流出するのを防ぐため、吸着部４４は、本体部４１１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。 The suction unit 44 is housed inside the container 41, is disposed below the separating unit 42 in the vertical direction, and is separated from the separating unit 42. Further, from the viewpoint of efficiently collecting the obstacle contained in the cathode discharge introduced from the supply connector 413 described later, the adsorption unit 44 is arranged below the supply connector 413. The suction portion 44 is fixed to the inner surface of the main body portion 411 by a fixing means (not shown). In order to prevent the discharged matter from flowing out of the filter device 40 without passing through the suction portion 44, the suction portion 44 is filled to the extent that no gap is formed between the suction portion 44 and the inner surface of the main body portion 411.

本実施形態では、後述する排液コネクタ４１４に対して液相成分を滑らかに集合させるため、排液コネクタ４１４と吸着部４４との間に間隙４６が形成されている。さらに液相成分を排液コネクタ４１４に集合し易くする観点から、容器４１の底部を排液コネクタ４１４に向かって漸次的に縮径する円錐状に形成してもよい。 In the present embodiment, a gap 46 is formed between the drain connector 414 and the suction portion 44 in order to smoothly collect the liquid phase component in the drain connector 414 described later. Further, from the viewpoint of facilitating the collection of the liquid phase component in the drainage connector 414, the bottom of the container 41 may be formed in a conical shape whose diameter gradually decreases toward the drainage connector 414.

容器４１の内部において、分離部４２と吸着部４４との間には、空隙４５が形成されている。この空隙４５は、分離部４２を基準にして反応部４３とは反対側に位置している。なお、本発明において、吸着部４４は、フィルタ装置４０において必須の構成ではなく、必要に応じて省略することができる。この場合、空隙４５は、容器４１の内部において、分離部４２を基準にして反応部４３とは反対側であって、分離部４２と排液コネクタ４１４との間に形成される。 Inside the container 41, a space 45 is formed between the separation part 42 and the adsorption part 44. The void 45 is located on the opposite side of the reaction section 43 with respect to the separation section 42. In the present invention, the suction unit 44 is not an essential component of the filter device 40 and can be omitted if necessary. In this case, the void 45 is formed inside the container 41 on the opposite side of the reaction part 43 with respect to the separation part 42 and between the separation part 42 and the drain connector 414.

本実施形態の容器４１は、供給コネクタ４１３と、排液コネクタ４１４と、排気コネクタ４１５と、を有している。本実施形態における「供給コネクタ４１３」が本発明における「第１のコネクタ」の一例に相当し、本実施形態のおける「排液コネクタ４１４」が本発明における「第２のコネクタ」の一例に相当し、本実施形態における「排気コネクタ４１５」が本発明における「第３のコネクタ」の一例に相当する。 The container 41 of the present embodiment has a supply connector 413, a drainage connector 414, and an exhaust connector 415. The “supply connector 413” in the present embodiment corresponds to an example of the “first connector” in the present invention, and the “drainage connector 414” in the present embodiment corresponds to an example of the “second connector” in the present invention. However, the “exhaust connector 415” in the present embodiment corresponds to an example of the “third connector” in the present invention.

供給コネクタ４１３は、空気排出口２５２からカソード排出物をフィルタ装置４０（具体的には、容器４１）の内部に受け入れるためのコネクタである。この供給コネクタ４１３は、容器４１の本体部４１１の側面に設けられ、水平方向（図中Ｘ方向）に容器４１の中心から離れる方向に向けて延出している。 The supply connector 413 is a connector for receiving the cathode discharge from the air discharge port 252 into the inside of the filter device 40 (specifically, the container 41). The supply connector 413 is provided on the side surface of the main body 411 of the container 41 and extends in the horizontal direction (X direction in the drawing) in the direction away from the center of the container 41.

供給コネクタ４１３の一端は、分離部４２を基準にして反応部４３と反対側において容器４１の内部に開口している。特に、本実施形態では、この供給コネクタ４１３の一端は、空隙４５に対向するように容器４１の内部で開口している。この場合、カソード排出物は、供給コネクタ４１３から水平方向に向かって空隙４５に噴射され、断面視における本体部４１１の側面のうち供給コネクタ４１３が設けられる側と反対側の側面に吹き付けられる。供給コネクタ４１３の他端は、配管Ｆ_４を介して空気排出口２５２と接続されている。 One end of the supply connector 413 opens inside the container 41 on the side opposite to the reaction section 43 with respect to the separation section 42. Particularly, in the present embodiment, one end of the supply connector 413 opens inside the container 41 so as to face the space 45. In this case, the cathode discharge is ejected from the supply connector 413 in the horizontal direction into the gap 45, and is sprayed on the side surface of the main body 411 on the side opposite to the side where the supply connector 413 is provided in the cross-sectional view. The other end of the supply connector 413 is connected to the air outlet 252 via the pipe F ₄ .

本実施形態では、カソード排出物が分離部４２に直接吹き付けることを防ぐため、供給コネクタ４１３の軸方向を分離部４２と重ならないようにする。すなわち、供給コネクタ４１３の軸方向が分離部４２の下側に位置する様に設ける様にする。ただし、特に上述に限定されず、供給コネクタ４１３の軸方向が、少なくとも分離部４２の一部と重なっていてもよく、たとえば、供給コネクタ４１３の一端を分離部４２と対向するように設けてもよい。 In this embodiment, the axial direction of the supply connector 413 is not overlapped with the separation part 42 in order to prevent the cathode discharge from directly spraying the separation part 42. That is, the supply connector 413 is provided so that the axial direction thereof is located below the separating portion 42. However, the invention is not particularly limited to the above description, and the axial direction of the supply connector 413 may at least partially overlap the separation section 42. For example, one end of the supply connector 413 may be provided so as to face the separation section 42. Good.

排液コネクタ４１４は、分離部４２で分離された液相成分をフィルタ装置４０の外部に排出するためのコネクタである。また、本実施形態では、排液コネクタ４１４は、燃料排出口２４２からアノード排出物をフィルタ装置４０（具体的には、容器４１）の内部に受け入れるためのコネクタも兼ねる。この排液コネクタ４１４は、液相成分を重力により効率良く集合させる観点から、鉛直方向において容器４１の最下端に設けられることが好ましい。本実施形態では、排液コネクタ４１４は、その軸が容器４１の軸と同軸上であって、容器４１の本体部４１１の底面に設けられている。 The drain connector 414 is a connector for discharging the liquid phase component separated by the separation unit 42 to the outside of the filter device 40. Further, in the present embodiment, the drain connector 414 also serves as a connector for receiving the anode exhaust from the fuel exhaust port 242 into the filter device 40 (specifically, the container 41). The drain connector 414 is preferably provided at the lowermost end of the container 41 in the vertical direction from the viewpoint of efficiently collecting the liquid phase components by gravity. In the present embodiment, the drain connector 414 has its axis coaxial with the axis of the container 41 and is provided on the bottom surface of the main body 411 of the container 41.

排液コネクタ４１４の一端は、鉛直方向において分離部４２よりも下方であって、分離部４２を基準にして反応部４３と反対側において容器４１の内部に開口している。この場合、排液コネクタ４１４の一端と吸着部４４とは、相互に対向配置されている。排液コネクタ４１４の他端は、配管Ｆ_５を介して燃料タンク３１に接続されている。本実施形態では、燃料タンク３１を、鉛直方向においてフィルタ装置４０（具体的には、排液コネクタ４１４）に対して下方に配置しており、重力によって液相成分をフィルタ装置４０から燃料タンク３１に送ることができる。また、排液コネクタ４１４の他端は、配管Ｆ_２，Ｆ_５を介して燃料排出口２４２に接続されている。本実施形態における「配管Ｆ_５」が本発明における「第２の流路」の一例に相当する。 One end of the drainage connector 414 is below the separating section 42 in the vertical direction, and opens inside the container 41 on the side opposite to the reaction section 43 with respect to the separating section 42. In this case, one end of the drainage connector 414 and the suction portion 44 are arranged to face each other. The other end of the drain connector 414 is connected to the fuel tank 31 via a pipe F ₅ . In the present embodiment, the fuel tank 31 is arranged below the filter device 40 (specifically, the drain connector 414) in the vertical direction, and the liquid phase component is gravitationally fed from the filter device 40 to the fuel tank 31. Can be sent to. Further, the other end of the drain connector 414 is connected to the fuel discharge port 242 via the pipes F ₂ and F ₅ . The “pipe F ₅ ”in the present embodiment corresponds to an example of the “second flow path” in the present invention.

排気コネクタ４１５は、分離部４２で分離され、反応部４３における酸化反応により変換されて通過した気相成分をフィルタ装置４０の外部に排出するためのコネクタである。この排気コネクタ４１５は、気相成分を効率良く集合させる観点から、鉛直方向において容器４１の最上端に設けられていることが好ましい。本実施形態では、排気コネクタ４１５は、その軸が容器４１の軸と同軸上であって、容器４１の蓋部４１２に設けられている。 The exhaust connector 415 is a connector for discharging to the outside of the filter device 40 the gas phase component separated by the separation unit 42, converted by the oxidation reaction in the reaction unit 43, and passed. The exhaust connector 415 is preferably provided at the uppermost end of the container 41 in the vertical direction from the viewpoint of efficiently collecting the gas phase components. In the present embodiment, the exhaust connector 415 has its axis coaxial with the axis of the container 41 and is provided on the lid portion 412 of the container 41.

排気コネクタ４１５の一端は、分離部４２を基準にして反応部４３と同じ側において容器４１の内部に開口している。この場合、排気コネクタ４１５の一端と反応部４３とは、相互に対向配置されている。排気コネクタ４１５の他端は、配管Ｆ_６を介してシステム外部に連通している。 One end of the exhaust connector 415 opens inside the container 41 on the same side as the reaction section 43 with respect to the separation section 42. In this case, one end of the exhaust connector 415 and the reaction section 43 are arranged to face each other. The other end of the exhaust connector 415 communicates with the outside of the system via a pipe F ₆ .

次に作用を説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置の作用を説明するための断面図、図４は図３（Ａ）のIV部の部分拡大図である。 Next, the operation will be described. 3(A) and 3(B) are sectional views for explaining the operation of the filter device according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a partially enlarged view of the IV portion of FIG. 3(A). ..

燃料電池システム１が起動すると、燃料電池２では、上記（１）式及び（２）式に示す反応が進み、燃料排出口２４２からはアノード排出物が排出され、空気排出口２５２からはカソード排出物が排出される。燃料排出口２４２から排出されたアノード排出物は、燃料タンク３１に送られ、気相成分が微小な液滴飛沫を同伴したまま配管Ｆ_５を介して排液コネクタ４１４からフィルタ装置４０に導入される（図３（Ａ）中における網掛けの矢印で表示）。 When the fuel cell system 1 is started, in the fuel cell 2, the reactions shown in the above formulas (1) and (2) proceed, the anode discharge is discharged from the fuel discharge port 242, and the cathode discharge is generated from the air discharge port 252. Objects are discharged. The anode discharge discharged from the fuel discharge port 242 is sent to the fuel tank 31, and is introduced into the filter device 40 from the drain connector 414 via the pipe F ₅ while the gas phase component accompanies the minute droplet splash. (Indicated by hatched arrows in FIG. 3A).

空気排出口２５２から排出されたカソード排出物は、凝縮器３６を通じて水蒸気が概ね液化した後、配管Ｆ_４を介して供給コネクタ４１３からフィルタ装置４０に導入される（図３（Ａ）における網掛けの矢印で表示）。カソード排出物は、空隙４５に向けて噴射され、本体部４１１の側面に衝突し、大きな液滴は重力によって落下する。 The cathode discharge discharged from the air discharge port 252 is introduced into the filter device 40 from the supply connector 413 via the pipe F ₄ after the water vapor is almost liquefied through the condenser 36 (shaded in FIG. 3A). Indicated by the arrow). The cathode discharge is ejected toward the gap 45, collides with the side surface of the main body 411, and a large droplet drops due to gravity.

フィルタ装置４０に導入されたアノード排出物は、容器４１の内部（具体的には、空隙４５）でカソード排出物と合流し、これら排出物が微小な液滴飛沫を同伴したまま分離部４２に流入する。 The anode discharge introduced into the filter device 40 merges with the cathode discharge inside the container 41 (specifically, the void 45), and these discharges enter the separation section 42 while accommodating minute droplets. Inflow.

図４に示すように、分離部４２に流入した排出物のうち気相成分は、当該分離部４２を通過して、流入した側と反対側に抜ける（図４における白抜きの矢印で表示）。一方、気相成分に同伴された液滴飛沫は、分離部４２を通過することができず、分離部４２のデミスタにおける慣性衝突、直接さえぎり、及びブラウン運動の作用により、しだいに大きな水滴を形成し、重力によって落下する（図４における黒塗りの矢印で表示）。このため、分離部４２において、排出物の液相成分及び気相成分が相互に分離される。 As shown in FIG. 4, the gas phase component of the exhaust that has flowed into the separation unit 42 passes through the separation unit 42 and escapes to the side opposite to the inflow side (indicated by the white arrow in FIG. 4 ). .. On the other hand, the droplet droplets entrained in the gas phase component cannot pass through the separation unit 42, and due to the action of inertia collision, direct interruption, and Brownian motion in the demister of the separation unit 42, gradually form large water droplets. And falls due to gravity (indicated by a black arrow in FIG. 4). Therefore, in the separation unit 42, the liquid phase component and the gas phase component of the effluent are separated from each other.

分離部４２を通過した気相成分は、反応部４３に流入する。反応部４３では、気相成分に含まれるメタノール蒸気及び不完全酸化物が酸化して、水及び二酸化炭素に変換される。反応部４３で生じた水は、メタノール蒸気及び不完全酸化物の燃焼熱により当該反応部４３の温度が１００℃程度に昇温されていることから、瞬時に気化する。 The gas phase component that has passed through the separation section 42 flows into the reaction section 43. In the reaction part 43, the methanol vapor and the incomplete oxide contained in the gas phase component are oxidized and converted into water and carbon dioxide. The water generated in the reaction part 43 is instantly vaporized because the temperature of the reaction part 43 is raised to about 100° C. due to the combustion heat of methanol vapor and incomplete oxide.

図３（Ｂ）に示すように、フィルタ装置４０の内部で分離された排出物のうち液相成分は、吸着部４４を通過した後、重力によって容器４１の下部に集合され、配管Ｆ_５を介して排液コネクタ４１４をから燃料タンク３１に送られる（図３（Ｂ）の黒塗りの矢印で表示）。一方、気相成分は、反応部４３において不完全酸化物及びメタノール蒸気が除去された後、浮上して容器４１の上部に集合され、配管Ｆ_６を介して排気コネクタ４１５からシステム外部に排出される（図３（Ｂ）の白抜きの矢印で表示）。 As shown in FIG. 3(B), the liquid phase component of the discharged matter separated inside the filter device 40 passes through the adsorption section 44, and then is gathered at the lower part of the container 41 by gravity, and then the pipe F ₅ is connected. The liquid is sent from the drain connector 414 to the fuel tank 31 (indicated by a black arrow in FIG. 3B). On the other hand, after the incomplete oxide and the methanol vapor are removed in the reaction section 43, the gas phase component floats and is collected at the upper part of the container 41, and is discharged from the exhaust connector 415 to the outside of the system through the pipe F _6. (Indicated by a white arrow in FIG. 3B).

ここで、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の排出物を気液分離する気液分離器と、当該気液分離器から送られる気相成分を酸化反応させる触媒とが分離して、それぞれ別々に設けられている。このため、気液分離器から触媒まで気相成分を移送する間に当該気相成分が冷やされて、触媒において結露が生じてしまう。この場合、触媒における気相成分の酸化反応が滞り、当該気相成分に含まれる不完全酸化物の除去能力が低下してしまう、という問題がある。この不完全酸化物としては、ホルムアルデヒドや蟻酸等の揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Volatile organic compounds）が含まれるが、これらの排出量は厳しく規制されており、外部に放出する前の不完全酸化物の処理は必須である。 Here, in a conventional fuel cell system, a gas-liquid separator that separates the fuel cell exhaust gas into a liquid and a catalyst that causes an oxidation reaction of a gas phase component sent from the gas-liquid separator are separated and separated from each other. It is provided in. For this reason, the gas phase component is cooled during the transfer of the gas phase component from the gas liquid separator to the catalyst, and dew condensation occurs on the catalyst. In this case, there is a problem that the oxidation reaction of the gas phase component in the catalyst is delayed and the ability to remove the incomplete oxide contained in the gas phase component is reduced. The incomplete oxides include volatile organic compounds (VOCs) such as formaldehyde and formic acid, but their emissions are strictly regulated and incomplete oxides before they are released to the outside. Processing is required.

これに対し、本実施形態では、分離部４２と反応部４３とを同一の容器４１に収容している。このため、分離部４２と反応部４３との距離が短くなり、分離部４２を通過して反応部４３に到達するまでの時間が短縮される。これにより、分離部４２を通過して反応部４３に到達するまでの間に、気相成分に含まれる水蒸気が冷え難く、反応部４３において結露が生じ難い。これにより、反応部４３における不完全酸化物の酸化反応が滞って、フィルタ装置４０における不完全酸化物の除去能力が低下するのを抑制することができる。 On the other hand, in this embodiment, the separation part 42 and the reaction part 43 are accommodated in the same container 41. Therefore, the distance between the separation unit 42 and the reaction unit 43 is shortened, and the time required to reach the reaction unit 43 through the separation unit 42 is shortened. This makes it difficult for the water vapor contained in the vapor phase component to cool before passing through the separation section 42 and reaching the reaction section 43, and it is difficult for dew condensation to occur in the reaction section 43. Accordingly, it is possible to prevent the oxidation reaction of the incomplete oxide in the reaction section 43 from being delayed and the deterioration of the removal ability of the incomplete oxide in the filter device 40.

なお、供給コネクタ４１３及び排液コネクタ４１４を、分離部４２を基準にして反応部４３と反対側において容器４１の内部に開口させることで、燃料電池２の排出物が、直接反応部４３に流入するのを防ぐことができる。これにより、気相成分と液相成分とがより分離された状態で気相成分が反応部４３に到達する事が可能となるため、液滴飛沫を同伴したままの気相成分が反応部に流入する事を抑制する事が可能となる。したがって、反応部４３における不完全酸化物の酸化反応の停滞をより確実に防ぐことができる。 Note that the supply connector 413 and the drain connector 414 are opened inside the container 41 on the side opposite to the reaction part 43 with respect to the separation part 42, so that the discharge of the fuel cell 2 directly flows into the reaction part 43. Can be prevented. As a result, the gas phase component can reach the reaction part 43 in a state where the gas phase component and the liquid phase component are more separated, so that the gas phase component still entrained in the droplet droplets enters the reaction part 43. It is possible to suppress the inflow. Therefore, the stagnation of the oxidation reaction of the incomplete oxide in the reaction part 43 can be prevented more reliably.

また、本実施形態では、反応部４３を、鉛直方向において分離部４２に対して上方に位置させている。これにより、燃料電池２の排出物が、直接反応部４３に流入するのをより確実に防ぐことができ、フィルタ装置４０における不完全酸化物の除去能力の低下をさらに抑制することができる。 Moreover, in this embodiment, the reaction part 43 is located above the separation part 42 in the vertical direction. As a result, it is possible to more reliably prevent the exhaust of the fuel cell 2 from directly flowing into the reaction section 43, and it is possible to further suppress a decrease in the ability to remove incomplete oxides in the filter device 40.

また、本実施形態では、供給コネクタ４１３の軸方向を、分離部４２と重ならないようにすることで、カソード排出物が分離部４２に直接吹き付けられることを防いでいる。なお、分離部４２にカソード排出物を直接吹き付けると、カソード排出物に含まれる多量の液滴が分離部のデミスタの網目に詰まり、分離部における圧力損失が増大して、分離部における気液分離能が低下するおそれがある。この場合、液滴飛沫を同伴したままの気相成分が反応部に流入して、反応部における不完全酸化物の酸化反応が停滞してしまうおそれがある。しかし、本実施形態では、供給コネクタ４１３の軸方向を分離部４２と重ならないように設けている為、カソード排出物が分離部４２に直接吹き付けられることを防ぐ事が可能となる。このため、カソード排出物に含まれる多量の液滴が分離部４２のデミスタの網目に詰まる事を抑制できる事から、分離部４２における圧力損失が増大して分離部４２における気液分離能が低下する事を抑制できる。したがって、液滴飛沫を同伴したままの気相成分が反応部４３に流入する事を抑制できるため、反応部４３における不完全酸化物の酸化反応の停滞を抑制する事が可能となる。 Further, in the present embodiment, by making the axial direction of the supply connector 413 not overlap the separating portion 42, it is possible to prevent the cathode discharge from being directly blown to the separating portion 42. When the cathode discharge is directly sprayed to the separation unit 42, a large amount of liquid droplets contained in the cathode discharge clog the mesh of the demister of the separation unit, the pressure loss in the separation unit increases, and the gas-liquid separation in the separation unit occurs. There is a risk that the performance will decrease. In this case, there is a possibility that the gas phase component with the droplets entrained may flow into the reaction section, and the oxidation reaction of the incomplete oxide in the reaction section may be delayed. However, in this embodiment, since the supply connector 413 is provided so as not to overlap the separating portion 42 in the axial direction, it is possible to prevent the cathode discharge from being directly blown to the separating portion 42. For this reason, it is possible to prevent a large amount of liquid droplets contained in the cathode exhaust from clogging the mesh of the demister of the separation unit 42, so that the pressure loss in the separation unit 42 increases and the gas-liquid separation ability in the separation unit 42 decreases. Can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the gas phase component, which is still entrained with the droplets, from flowing into the reaction section 43, so that it is possible to suppress the stagnation of the oxidation reaction of the incomplete oxide in the reaction section 43.

また、本実施形態のフィルタ装置４０は、燃料電池２の触媒を被毒して上記（１）式及び（２）式の反応を阻害する阻害物を吸着する吸着部４４を備えている。これにより、燃料電池２の電極触媒が被毒し劣化するのを抑え、燃料電池２の長寿命化を実現することができる。特に、本実施形態では、吸着部４４を分離部４２に対して下方に配置している。これにより、分離部４２で分離された液相成分に含まれる阻害物が重力によって吸着部４４に捕集される様になるため、上記の阻害物を効率的に捕集することができる。 In addition, the filter device 40 of the present embodiment is provided with an adsorption unit 44 that adsorbs an inhibitor that poisons the catalyst of the fuel cell 2 and inhibits the reactions of the above formulas (1) and (2). Thereby, the electrode catalyst of the fuel cell 2 can be prevented from being poisoned and deteriorated, and the life of the fuel cell 2 can be extended. Particularly, in the present embodiment, the suction section 44 is arranged below the separation section 42. As a result, the inhibitor contained in the liquid phase component separated by the separation unit 42 is collected by the adsorption unit 44 due to gravity, so that the above-described inhibitor can be collected efficiently.

また、本実施形態では、鉛直方向においてフィルタ装置４０（具体的には、排液コネクタ４１５）に対して下方に燃料タンク３１を配置し、配管Ｆ_５を介して排液コネクタ４１４と燃料タンク３１とが接続されている。これにより、フィルタ装置４０で分離された液相成分は、燃料タンク３１に戻される。フィルタ装置４０で分離された液相成分は主として水であるが、本実施形態では、これを燃料タンク３１に送り、高濃度メタノールの希釈用として用いている。このため、アノードでの反応に必要な水を燃料電池２に供給する受水設備を燃料電池システム１の内部に設ける必要がなくなるため、システムの小規模化を図ることができる。また、受水設備の故障などシステムの不具合が生じないので、燃料電池システム１のメンテナンスが容易となる。 Further, in the present embodiment, the fuel tank 31 is arranged below the filter device 40 (specifically, the drain connector 415) in the vertical direction, and the drain connector 414 and the fuel tank 31 are connected via the pipe F _5. And are connected. As a result, the liquid phase component separated by the filter device 40 is returned to the fuel tank 31. The liquid phase component separated by the filter device 40 is mainly water, but in the present embodiment, this is sent to the fuel tank 31 and used for diluting the high-concentration methanol. For this reason, it is not necessary to provide a water receiving facility for supplying water necessary for the reaction at the anode to the fuel cell 2 inside the fuel cell system 1, so that the system can be downsized. Further, since the system malfunction such as the failure of the water receiving facility does not occur, the maintenance of the fuel cell system 1 becomes easy.

なお、フィルタ装置４０からの水（液相成分）の供給量（生成量）が、燃料タンク３１での必要量を上回る場合には、凝縮器３６の冷却能力を変化させて、カソード排出物に含まれる水分を水蒸気の状態でフィルタ装置４０に導入し、そのまま配管Ｆ_６を介してシステム外部に水蒸気を排出すればよい。これにより、フィルタ装置４０から燃料タンク３１への水の供給量を適切に調整することができる。 In addition, when the supply amount (production amount) of water (liquid phase component) from the filter device 40 exceeds the required amount in the fuel tank 31, the cooling capacity of the condenser 36 is changed to produce cathode emission. The contained water may be introduced into the filter device 40 in the form of water vapor, and the water vapor may be discharged to the outside of the system through the pipe F ₆ as it is. Thereby, the amount of water supplied from the filter device 40 to the fuel tank 31 can be appropriately adjusted.

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiments described above are described to facilitate the understanding of the present invention, and are not described to limit the present invention. Therefore, each element disclosed in the above-described embodiment is intended to include all design changes and equivalents within the technical scope of the present invention.

たとえば、本実施形態の排液コネクタ４１４は、分離部４２で分離された液相成分をフィルタ装置４０の外部に排出するためのコネクタと、燃料排出口２４２から排出されたアノード排出物をフィルタ装置４０の内部に受け入れるためのコネクタとを兼ねるが、これらのコネクタを別々に設けてもよい。具体的には、図５に示すように、配管Ｆ_５とは別に、燃料タンク３１とフィルタ装置４０とを接続する配管Ｆ_８を設けて、燃料排出口２４２からアノード排出物をフィルタ装置４０の内部に受け入れるためのコネクタとして、当該配管Ｆ_８に接続される供給コネクタ４１６を容器４１に設けてもよい。これにより、分離部４２で分離された液相成分と燃料排出口２４２から排出されたアノード排出物とを別々の配管によって流すことが可能となる為、上記の液相成分とアノード排出物とをより一層スムーズに送る事が可能となる。本例における「配管Ｆ_２」及び「配管Ｆ_８」が本発明における「第３の流路」の一例に相当し、本例における「供給コネクタ４１６」が本発明における「第４のコネクタ」の一例に相当し、本例における「排液コネクタ４１４」が本発明における「第２のコネクタ」の一例に相当し、本例における「配管Ｆ_５」が本発明における「第２の流路」の一例に相当する。 For example, the drain connector 414 of the present embodiment includes a connector for discharging the liquid phase component separated by the separation unit 42 to the outside of the filter device 40, and the anode exhaust discharged from the fuel discharge port 242. Although it also serves as a connector for receiving the inside of 40, these connectors may be provided separately. Specifically, as shown in FIG. 5, a pipe F ₈ that connects the fuel tank 31 and the filter device 40 is provided separately from the pipe F _5, and the anode exhaust from the fuel exhaust port 242 of the filter device 40 is provided. A supply connector 416 connected to the pipe F ₈ may be provided in the container 41 as a connector for receiving the inside. This makes it possible to flow the liquid phase component separated by the separation section 42 and the anode exhaust discharged from the fuel discharge port 242 through separate pipes, so that the liquid phase component and the anode exhaust are separated from each other. It is possible to send it more smoothly. The “pipe F ₂ ”and the “pipe F ₈ ”in this example correspond to an example of the “third flow path” in the present invention, and the “supply connector 416” in this example corresponds to the “fourth connector” in the present invention. The “drainage connector 414” in this example corresponds to an example of the “second connector” in the present invention, and the “pipe F ₅ ”in this example corresponds to the “second flow path” in the present invention. This corresponds to an example.

１…燃料電池システム
２…燃料電池
２１…膜電極接合体
２１１…高分子電解質膜
２１２…アノード触媒層
２１３…カソード触媒層
２１４…アノードガス拡散層
２１５…カソードガス拡散層
２２…アノードセパレータ
２３…カソードセパレータ
２４…エンドプレート
２４１…燃料供給口
２４２…燃料排出口
２５…エンドプレート
２５１…空気供給口
２５２…空気排出口
３１…燃料タンク
３２…燃料ポンプ
３３…フィルタ
３４…ブロワ
３５…メタノールポンプ
３６…凝縮器
４０…フィルタ装置
４１…容器
４１１…本体部
４１２…蓋部
４１３…供給コネクタ
４１４…排液コネクタ
４１５…排気コネクタ
４１６…供給コネクタ
４２…分離部
４３…反応部
４４…吸着部
４５…空隙
４６…空隙
４７…空隙
Ｆ_１〜Ｆ_８…配管
５０…外部メタノールタンク
５１…外部負荷 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Fuel cell system 2... Fuel cell 21... Membrane electrode assembly 211... Polymer electrolyte membrane 212... Anode catalyst layer 213... Cathode catalyst layer 214... Anode gas diffusion layer 215... Cathode gas diffusion layer 22... Anode separator 23... Cathode Separator 24... End plate 241... Fuel supply port 242... Fuel discharge port 25... End plate 251... Air supply port 252... Air discharge port 31... Fuel tank 32... Fuel pump 33... Filter 34... Blower 35... Methanol pump 36... Condensation Container 40... Filter device 41... Container 411... Main body part 412... Lid part 413... Supply connector 414... Drainage connector 415... Exhaust connector 416... Supply connector 42... Separation part 43... Reaction part 44... Adsorption part 45... Void 46... the gap 47 ... void F ₁ to F 8 _... pipe 50 ... external methanol tank 51 ... external load

Claims

Direct methanol fuel cell,
A filter device for respectively introducing exhaust gas of the fuel cell from a first outlet of the cathode of the fuel cell and a second outlet of the anode of the fuel cell to remove incomplete oxides contained in the exhaust gas;
The filter device is
A separation unit for separating a gas phase component and a liquid phase component contained in the discharge,
A reaction part for oxidizing the gas phase component separated by the separation part,
A container accommodating the separation part and the reaction part therein,
The container is
A first connector having one end opened inside the container on the side opposite to the reaction part with respect to the separation part, and the other end connected to the first outlet via a first flow path; ,
A second connector that opens inside the container below the separating portion in the vertical direction;
The separation unit with respect to the have a, and a third connector opening into the interior of the container at the same side as the reaction portion,
Inside the container, a void is formed on the side opposite to the reaction part based on the separation part,
One end of the first connector is opened inside the container so as to face the void,
A fuel cell system in which an axial direction of the first connector does not overlap with the separation portion .

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The reaction section is a fuel cell stem located above the separation section in the vertical direction.

The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein
The filter device further includes an adsorption unit that adsorbs an inhibitor that poisons the catalyst of the fuel cell and inhibits a power generation reaction,
The fuel cell system in which the adsorption unit is housed inside the container so as to be positioned below the separation unit in the vertical direction.

The fuel cell system according to any one of claim 1 to 3
Further comprising a fuel tank that is arranged below the filter device in the vertical direction and stores a liquid fuel containing methanol,
The fuel cell system in which the second connector is connected to the fuel tank via a second flow path.

A filter device for removing incomplete oxides contained in the exhaust of a direct methanol fuel cell,
A separation unit for separating a gas phase component and a liquid phase component contained in the discharge,
A reaction part for oxidizing the gas phase component separated by the separation part,
A container accommodating the separation part and the reaction part therein,
The container is
A first connector that opens inside the container on the side opposite to the reaction part based on the separation part;
A second connector that opens inside the container below the separating portion in the vertical direction;
The separation unit with respect to the have a, and a third connector opening into the interior of the container at the same side as the reaction portion,
Inside the container, a void is formed on the side opposite to the reaction part based on the separation part,
One end of the first connector is opened inside the container so as to face the void,
A filter device in which the axial direction of the first connector does not overlap with the separating portion .