JP6877803B1 - 燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池にドライ且つクリーンで酸素濃度の高い空気を送気し得る圧縮空気圧回路構造を提供する。【解決手段】燃料電池の空気取入口に接続される圧縮空気圧回路構造であって、エアコンプレッサと、該エアコンプレッサの後段に装備されるエアタンクと、該エアタンクの後段に装備される冷凍式エアドライヤと、該冷凍式エアドライヤの後段に装備されるエアフィルタと、該エアフィルタの後段に装備される酸素ガス発生装置と、該酸素ガス発生装置の後段に装備される減圧弁と、該減圧弁の後段に装備されるラストエアフィルタと、から成る手段を採る。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、該燃料電池の空気取入口に接続される圧縮空気圧回路構造に関するものである。

燃料電池は、水素を酸素と電気化学的な反応をさせて発電を行うもので、その際に排出されるものは水であるため、クリーンエネルギーとして注目を集めている。かかる燃料電池に使用される酸素は、大気中の空気から取り入れる手法が一般的である。

大気中の酸素濃度は、概ね２０％程度であり、残りの８０％は概ね窒素で構成されている。燃料電池は、この大気を取り込んで水素と反応させることで発電を行うが、実際に必要なものは大気中に存する２０％の酸素のみである。すなわち、取り込んだ大気のうち酸素以外の８０％は不要であって、無駄に取り込んでいるのである。

燃料電池における発電に際し、取り込んだ水素が全て消費されずに余る場合がある。この現象の要因として、水素の取込量に対する必要な大気中の酸素量が不足する、いわゆる酸素不足状態（水素過多状態）が想定される。かかる状態のまま燃料電池を運転し続けることは、せっかく供給された水素が無駄になるだけでなく、燃料電池における発電効率の減退化をもたらすこととなる。かかる現象を発生させないためには、取り込まれる大気中の酸素濃度を通常の２０％より上昇させること、好ましくは２５％以上の酸素濃度に高めることが有効となる。

一方、大気中には、空気以外に多様な異物も存在する。大気中に存する異物としては、塵埃やスラッジ、微生物、窒素酸化物などが挙げられる。故に、燃料電池に使用する酸素を大気中の空気から取り入れた場合、これら異物も同時に取り入れることとなる。これら異物は、燃料電池に対し、動作不良や故障の原因となったり、清掃・メンテナンスの頻度増大を招いたり、といった悪影響を及ぼしかねない。

また、燃料電池において、水素と酸素を反応させた際に発生する水は、主に気化した水蒸気の状態で排出される。この水蒸気は、外部へ排出される前に冷やされ、結露となって燃料電池内部のあらゆる箇所に付着したりする。かかる結露をはじめ燃料電池内部の余分な水は、空気や水素のガスを通り難くする原因となるだけでなく、金属でできたセパレーターなどを劣化させるおそれもある。故に、燃料電池にとって余分な水は大敵であって、燃料電池の内部を適度に湿りつつ結露するほど湿りすぎないといった、適度な加湿状態に保つことが重要となる。それを実現するためには、大気中から水蒸気をできる限り取り除いて乾燥状態とした上で、その乾燥空気を燃料電池に取り入れることが有効である。

乾燥空気を得るためには、エアコンプレッサにより空気を圧縮することが有効である。なぜなら、空気の飽和水蒸気量は空気圧によって変動し、加圧状態で減少すると共に減圧（負圧）状態で増大するためである。もちろん、加圧しただけで乾燥空気が得られるわけではなく、加圧した圧縮空気をエアドライヤに介在させて含有水分を取り除くことが好適であり、その際に飽和水蒸気量の関係から、通常の空気よりも圧縮空気の方がより多くの水分を取り除くことができる。

ところで、燃料電池は、取り込む空気の圧力に弱い。具体的には、取り込む空気を加圧された圧縮空気とした場合に、燃料電池は動作不良を起こし、最終的には動作停止となってしまう。かかる動作不良や動作停止は、空気圧が概ね０．８ＭＰａより高い場合に引き起こされる。したがって、乾燥空気を得るべく空気を加圧状態とした場合に、そのまま燃料電池に取り込むことができない。

従来における燃料電池の構成として、高温の圧縮空気を燃料電池のカソード側に供給する空気供給配管部の少なくとも一部と、燃料電池のアノード側の生成水を溜めるタンクとの間で加湿器を介して熱交換を行なうことで、燃料電池に供給される圧縮空気の冷却を行う「燃料電池システム」にかかる技術が提案され、公知となっている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１にかかる技術提案によれば、大気をそのまま加圧した圧縮空気を加圧状態のまま使用して燃料電池に取り入れる構成を採用すると共に、該圧縮空気を冷却のために加湿する構成を採用していることから、既述した問題の解消には至っていない。

特開２００８−１４７０７６号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池にドライ且つクリーンで酸素濃度の高い空気を送気し得る圧縮空気圧回路構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池の空気取入口に接続される圧縮空気圧回路構造であって、エアコンプレッサと、該エアコンプレッサの後段に装備されるエアタンクと、該エアタンクの後段に装備される冷凍式エアドライヤと、該冷凍式エアドライヤの後段に装備されるエアフィルタと、該エアフィルタの後段に装備される酸素ガス発生装置と、該酸素ガス発生装置の後段に装備される減圧弁と、該減圧弁の後段に装備されるラストエアフィルタと、から成る手段を採る。

かかる手段を採用することで、エアコンプレッサにより生成された圧縮空気は、エアタンクに一次的に貯留された後に冷凍式エアドライヤにより乾燥され、その後エアフィルタによりオイルミストや塵埃、摩耗金属粉、窒素酸化物といった異物が一次的に除去され、次いで酸素ガス発生装置により圧縮空気中の酸素濃度を上昇させ、さらに減圧弁を介して所定圧力に減圧された後に酸素ガス発生装置乃至減圧弁にて発生した異物をラストエアフィルタにより取り除き、最終的に燃料電池の空気取入口へドライ且つクリーンで酸素濃度の高い空気が送気される。

また、本発明は、前記酸素ガス発生装置が、ＰＳＡ式酸素ガス発生装置若しくは酸素富化膜式酸素ガス発生装置から成る手段を採用する。

さらに、本発明は、前記冷凍式エアドライヤと前記酸素ガス発生装置との中間に、特性の異なるエアフィルタが複数装備されて成る手段を採用し得る。

またさらに、本発明は、前記エアフィルタと前記酸素ガス発生装置との中間に、中空糸膜式エアドライヤが装備されて成る手段を採用し得る。

さらにまた、本発明は、前記酸素ガス発生装置と前記減圧弁との中間に、流量調整弁及び流量計が装備されて成る手段を採用し得る。

本発明にかかる燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、空気を圧縮することで飽和水蒸気量を減少させると共に、冷凍式エアドライヤが装備されることによって、圧縮空気中に含有される水分を取り除くことが可能であって、ドライな空気を生成することができ、また、酸素ガス発生装置が装備されることで、酸素濃度を上昇させた圧縮空気を生成することができ、さらには、エアフィルタとラストエアフィルタの二段階で異物を除去し得るフィルタが装備されることによって、当初から圧縮空気中に存する塵埃や窒素酸化物といった異物だけでなく、各機器を介することで通過途中に含有され得る塵埃や摩耗金属粉、オイルミストといった異物をも取り除くことが可能であって、クリーンな空気を生成し、最終的にドライ且つクリーンで酸素濃度の高い空気を燃料電池へ送気することが可能である、といった従来にない優れた効果を奏する。

また、本発明にかかる燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、酸素ガス発生装置の前段に中空糸膜式エアドライヤを装備することで、冷凍式エアドライヤと中空糸膜式エアドライヤの二つのエアドライヤにより、圧縮空気中に含有される水分を二重に取り除くことが可能であって、よりドライな空気を生成することが可能になる、といった従来にない優れた効果を奏する。

さらに、本発明にかかる燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、燃料電池がドライ且つクリーンで酸素濃度の高い空気による発電を行うことで、水素との反応効率が向上すると共に、発電効率の向上に資し、さらには、発電寿命の延命化が図られると共に、装置全体の耐久性の向上にも資し、メンテナンス性にも優れる、といった効果を奏する。

本発明にかかる燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造の実施形態を示す説明図である。 大気圧下における飽和水蒸気量を示す表である。 大気圧下と加圧下における露点温度の比較・換算表である。

本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造は、エアコンプレッサ１により生成された圧縮空気について、エアタンク３に一次的に貯留された後に冷凍式エアドライヤ４により乾燥され、その後エアフィルタ６によりオイルミストや塵埃、摩耗金属粉、窒素酸化物といった異物が一次的に除去され、次いで酸素ガス発生装置８により圧縮空気中の酸素濃度が上昇され、さらに減圧弁１１を介して所定圧力に減圧された後に酸素ガス発生装置８乃至減圧弁１１にて発生した異物をラストエアフィルタ１２により取り除き、最終的に燃料電池２０の空気取入口２１へドライ且つクリーンで酸素濃度の高い空気が送気されることを最大の特徴とする。
以下、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造の実施形態、すなわち、構成と動作とを、図面に基づいて説明する。

なお、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造は、以下に述べる実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内、すなわち同一の作用効果を発揮できる機器や該機器の構造などに関して適宜変更することができるものである。

先ず、本発明にかかる燃料電池２０の空気取入口２１に接続される圧縮空気圧回路構造の構成について説明する。図１は、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造の実施形態を示す説明図である。
本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造は、エアコンプレッサ（空気圧縮機）１と、エアタンク３と、冷凍式エアドライヤ４と、エアフィルタ６と、酸素ガス発生装置８と、減圧弁１１と、ラストエアフィルタ１２と、で構成されている。

エアタンク３は、圧縮空気を送気するエア配管１３を介してエアコンプレッサ１の後段に装備され、冷凍式エアドライヤ４は同様にエア配管１３を介してエアタンク３の後段に装備され、エアフィルタ６は同様にエア配管１３を介して冷凍式エアドライヤ４の後段に装備され、酸素ガス発生装置７は同様にエア配管１３を介してエアフィルタ６の後段に装備され、減圧弁１１は同様にエア配管１３を介して酸素ガス発生装置７の後段に装備され、ラストエアフィルタ１２は同様にエア配管１３を介して減圧弁１１の後段に装備されている。

エアコンプレッサ（空気圧縮機）１は、空気吸入口２から吸入した空気を圧縮して所定気圧以上の圧縮空気を生成する装置である。該エアコンプレッサ１にはアースが備えられ、エアコンプレッサ１の筐体の基準電位を得る目的やノイズ保護の目的で、直接もしくは電源線などと共に束ねられ最終的に大地に接続される。エアコンプレッサ１は、圧縮空気を生成するための構造によって、往復式や回転式、遠心式、軸流式など種々の方式が存在する。また、前記種々の方式においては、潤滑油を使用する給油タイプと、潤滑油を使用しないオイルフリータイプとがそれぞれ存在している。本発明で使用するエアコンプレッサ１の方式については、特に限定はなく、いずれの方式・構造のものでも使用することが可能である。

エアタンク３は、エアコンプレッサ１により生成された圧縮空気を一時的に貯留するためのものであって、エア配管１３を介してエアコンプレッサ１の後段に装備される。かかるエアタンク３を備えることで、エアコンプレッサ１の始動時や停止時における流体（圧縮空気）の水撃作用（ウォーターハンマー現象）の抑制に資し、後段機器の負荷軽減に資する。

該エアタンク３には、図示の様に、ドレントラップ５を備える態様が好適である。該ドレントラップ５は、圧縮空気が冷却され、該圧縮空気に水蒸気の状態で含有される水分が凝縮されることで、エアタンク３内に発生するドレン水Ｄを排出するために備えられる。ドレントラップ５をエアタンク３の下部に備えて確実にドレン水Ｄを排出することで、滞留するドレン水Ｄにおける菌やウイルスの増殖を防止して臭気の発生・増大を抑制することができる。ドレントラップ５は、電磁式、フロート式、ディスク式などが考えられる。本発明で使用するドレントラップ５の種別については、特に限定されるものではない。

冷凍式エアドライヤ４は、圧縮空気を乾燥させ水分を取り除くための機器であって、エア配管１３を介してエアタンク３の後段に装備される。エアドライヤは、水分の除去方式により冷凍式や中空糸膜式、吸着式などが存在するが、ここでは冷凍式エアドライヤ４が採用される。該冷凍式エアドライヤ４は、冷媒の蒸発潜熱を利用して、圧縮空気を冷却し、含有水分を凝縮して除去するための装置であって、一般に繁用されており、比較的安価に導入することができる。

該冷凍式エアドライヤ４には、図示の様に、ドレントラップ５が備えられている。該ドレントラップ５は、圧縮空気が冷却され、該圧縮空気に水蒸気の状態で含有される水分が凝縮されることで、冷凍式エアドライヤ４内に発生するドレン水Ｄを排出するために備えられる。ドレントラップ５を冷凍式エアドライヤ４の下部に備えて確実にドレン水Ｄを排出することで、滞留するドレン水Ｄにおける菌やウイルスの増殖を防止して臭気の発生・増大を抑制することができる。ドレントラップ５は、電磁式、フロート式、ディスク式などが考えられる。本発明で使用するドレントラップ５の種別については、特に限定されるものではない。

エアフィルタ６は、圧縮空気中の異物を除去するための機器であって、エア配管１３を介して冷凍式エアドライヤ４の後段に装備される。エアコンプレッサ１は、大気を原料として圧縮空気を生成するものであって、そもそも大気中には種々異物が存在することから、そのまま生成された圧縮空気中にも、かかる異物が存在する。圧縮空気中に存する異物の具体例としては、大気中に元来存在するものとして、塵埃やスラッジ、微生物、窒素酸化物などが挙げられる。また、エアコンプレッサ１が給油式の場合には、生成された圧縮空気中にオイルミストの混入が想定し得る。さらに、エアコンプレッサ１の往復運動やエア配管１３の内壁から発生する摩耗金属粉が、圧縮空気中に混入することも想定される。これら異物は、後段機器並びに燃料電池２０に対し、動作不良や故障の原因となったり、清掃・メンテナンスの頻度増大を招いたり、といった悪影響を及ぼしかねない。そこで、エアフィルタ６を装備することで、圧縮空気中に存在する異物を取り除き、クリーンな状態で圧縮空気を送気するものである。

該エアフィルタ６の具体的構造については、特に限定するものではなく、例えば樹脂製若しくは紙製で網状乃至中空糸膜状のエアフィルタ、活性炭や油吸着材を包んだエアフィルタなどが用いられる。尚、構造の相違によりエアフィルタ６の特性は異なり、除去可能な異物の種類も異なってくる。したがって、塵埃やスラッジ、摩耗金属粉、微生物、オイルミスト、窒素酸化物など多様な異物を可能な限り圧縮空気中から除去すべく、特性の異なるエアフィルタ６を複数装備する態様が好適である。図面では、二機のエアフィルタ６を装備した場合について示しており、例えば、塵埃やスラッジ、摩耗金属粉、微生物などの異物を有効に除去し得るサイクロン方式のエアフィルタ６を前段に備え、後段には活性炭や油吸着材を有してオイルミストや窒素酸化物などの異物を有効に除去し得るエアフィルタ６を装備する態様が考え得る。

酸素ガス発生装置８は、圧縮空気中の酸素濃度を上昇させるための機器であって、エア配管１３を介してエアフィルタ６の後段に装備される。当初の圧縮空気における酸素濃度は、大気と同様に概ね２０％程度であり、酸素ガス発生装置８を介在させることで、酸素濃度が上昇された高い酸素濃度の圧縮空気が生成されることとなる。燃料電池２０における発電効率は、概ね５５％以下といわれている。すなわち、供給された水素ガスが余すことなく完全に使い切られることはなく、少なくとも供給量の４０％程度の水素ガスが残余分として、燃料電池２０から廃棄若しくは回収して再利用される。供給された水素ガスを余すことなく使い切って発電効率を向上させるためには、かかる水素ガスと反応させる酸素の供給量を上昇させることが有効な手段であり、そこで燃料電池２０に取り込まれる大気中の酸素濃度を通常の２０％より上昇させること、好ましくは２５％以上の酸素濃度に高めることが有効となる。酸素ガス発生装置７を介在させた後の圧縮空気中の酸素濃度については、設定や機器性能によって決定されるもので一様ではないが、概ね２８〜９５％程度の酸素濃度を有する圧縮空気が生成されるもので、燃料電池２０の発電効率向上に有効な２５％以上の酸素濃度条件を達成することができる。

該酸素ガス発生装置８は、酸素を生成する方式により、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ)式や酸素富化膜式、ＰＶＳＡ式、深冷分離式などが存在するが、本発明における酸素ガス発生装置８の具体的方式については、いずれの方式であってもよく、特に限定されるものではない。但し、ＰＶＳＡ式並びに深冷分離式の酸素ガス発生装置は、一般に設備費用が高騰するため、好ましくはＰＳＡ式酸素ガス発生装置８ａあるいは酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂのいずれかを採用することが好適である。尚、図１（ａ）はＰＳＡ式酸素ガス発生装置８ａを採用した場合、図１（ｂ）は酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂを採用した場合について示している。

ＰＳＡ式酸素ガス発生装置８ａは、空気中の窒素を吸着することでその残余として酸素を得る方式で、具体的には、吸着剤(合成ゼオライト)の窒素と酸素の平衡吸着量が加圧下で大きく異なる性質を利用し、空気中の窒素を加圧下で吸着除去し、高純度の酸素を得るものである。基本的に二以上の吸着容器を必要とし、一方の容器で圧縮空気から窒素を吸着し、他方の容器で吸着材が再生され、これを互いの容器で交互に繰り返すことで、酸素を生成するものである。このＰＳＡ式酸素ガス発生装置８ａにより得られる酸素濃度は、最大で９５％以上と極めて高濃度の酸素を含有する空気を生成し得る。

酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂは、混合ガスから気体を分離する膜分離法を活用した方式で、具体的には、酸素を選択的に透過させるシリコンゴム薄膜や中空糸膜などの高分子膜を用い、酸素濃度を高めた空気を生成するものである。この酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂにより得られる酸素濃度は、概ね２８〜３５％程度とＰＳＡ式に比べ低いが、通常の空気の酸素濃度よりは高い酸素濃度の空気を生成でき、燃料電池２０の発電効率向上のためには充分な酸素濃度を得ることができる。

ところで、エアフィルタ６と酸素ガス発生装置８との中間に、図示の様に、中空糸膜式エアドライヤ７を装備する態様を採用し得る。
中空糸膜式エアドライヤ７は、圧縮空気を乾燥させ水分を取り除くための機器であって、エア配管１３を介してエアフィルタ６の後段に装備される。圧縮空気中の水分は、第一に冷凍式エアドライヤ４によって取り除かれることとなるが、それによっても未だ圧縮空気中の水分はゼロではなく、該圧縮空気の圧力下における飽和水蒸気量と同等程度の水蒸気量を含有する。そこで、中空糸膜式エアドライヤ７を介在させることで、圧縮空気中の水蒸気が極限まで取り除かれることとなる。尚、中空糸膜式エアドライヤ７にて取り除かれたドレン水は、パージ孔７ａから外部へ排出される。

減圧弁１１は、圧縮空気を所定圧力に減圧するための機器であって、エア配管１３を介して酸素ガス発生装置８の後段に装備される。燃料電池２０は、送気される空気の圧力が概ね０．４ＭＰａより高い場合に、動作不良を起こし、最終的には動作停止となってしまう。したがって、概ね０．３ＭＰａ以下にまで圧縮空気を減圧した状態で燃料電池２０に送気することを要し、そのために減圧弁１１を介して圧縮空気を所定圧力（０．３ＭＰａ以下）まで減圧する。

ところで、酸素ガス発生装置８と減圧弁１１との中間に、図示の様に、流量調整弁９及び流量計１０を装備する態様を採用し得る。
流量調整弁９は、エア配管１３を流れる圧縮空気の流量を一定に保つためのバルブであり、バルブに入ってくる前の流体圧力と、バルブから出た後の流体圧力の差を検知し、絞り具合を調整することで流量を一定に保つもので、エア配管１３を介して酸素ガス発生装置８の後段に装備される。中空糸膜式エアドライヤ７が装備された場合の中空糸膜や、前段の酸素ガス発生装置８が酸素富化膜式であった場合の高分子膜は、経時的に目詰まりを起こす可能性があり、それにより圧縮空気の圧力損失を増大させ流量を減少させるおそれがある。そこで、中空糸膜式エアドライヤ７や酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂの後段に流量調整弁９を装備することで、該中空糸膜式エアドライヤ７並びに酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂの不具合の不具合に対して一定の流量を保つように仕向けることが可能となる。

流量計１０は、エア配管１３を流れる圧縮空気の流量を計測するもので、エア配管１３を介して流量調整弁９の後段に装備される。該流量計１０を装備することにより、中空糸膜式エアドライヤ７や酸素ガス発生装置８（特に酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂ）の不具合を検知し、且つ、流量調整弁９の調整に資する。

ラストエアフィルタ１２は、圧縮空気中の異物を除去するための機器であって、減圧弁１１の後段に装備される。圧縮空気中の異物は、前段に存するエアフィルタ６でも一次的に取り除かれるが、各種機器やエア配管１３を通過する過程でも発生し、そのまま異物が運ばれて最終的に燃料電池２０に送られることで、該燃料電池２０の動作不良や故障の原因となり、さらには、清掃・メンテナンスの頻度増大を招く可能性が想定される。そこで、圧縮空気が燃料電池２０に取り入れられる直前で、かかる異物が除去されることが有効であり、そのため燃料電池２０の前段にラストエアフィルタ１２が装備される。

かかるラストフィルタ１２の具体的構造については、前段に存するエアフィルタ６と同様、特に限定するものではなく、例えば樹脂製若しくは紙製で網状乃至中空糸膜状のエアフィルタ、活性炭や油吸着材を包んだエアフィルタなどが用いられる。尚、各種機器やエア配管１３を通過する過程で発生する異物の主なものは、塵埃や摩耗金属粉、オイルミストであるため、これらを除去するのに特化した構造を有するエアフィルタ、例えばサイクロン方式のエアフィルタを採用するのが好適である。

エア配管１３は、圧縮空気を送気するための中空管であって、上記各構成要素間及び後述の燃料電池２０との間を接続するものである。該エア配管１３の素材について特に限定はないが、例えば銅や鉄などの主に金属素材より成る略剛性の配管や、ゴム、ポリエチレン、塩ビ製の樹脂管あるいは炭素繊維やガラス繊維から成る繊維管など略柔軟性の配管で構成される。

上記各構成要素から成る圧縮空気圧回路は、最終的に燃料電池２０の空気取入口２１に接続される。燃料電池２０は、酸素と水素ガスとを水Ｗに変化させる反応によって電力２４を発生させるもので、ラストエアフィルタ１２の後段に装備される。前記反応において使用される酸素は、大気中に含まれるものであって本発明では圧縮空気圧回路を介して生成された圧縮空気に含まれる酸素が用いられる。すなわち、燃料電池２０の空気取入口２１には、圧縮空気が送気される。また、燃料供給口２３からは水素ガスが送られ、酸素と水素ガスの化学反応によって、水Ｗと電力２４を発生させる。前記反応に供される酸素が除かれたその余が窒素リッチガスであり、排気取出口２２を介して外部へ放出される。また、前記反応により発生した水Ｗは、排水口２５を介して外部へ排水される。

次いで、本発明にかかる燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造の動作態様について説明する。尚、説明の便宜上、エアフィルタ６と酸素ガス発生装置８との中間に中空糸膜式エアドライヤ７、そして、酸素ガス発生装置８と減圧弁１１との中間に流量調整弁９及び流量計１０、が夫々装備された場合について説明する。これらが装備されていない場合については、当該部分を省略して解するものとする。

エアコンプレッサ１は、空気吸入口２から空気である大気を吸気し、所定圧（例えば０．７ＭＰａ）へと昇圧して圧縮させる。大気には、水蒸気が含まれており、例えば気温４０℃、湿度８０％と仮定すると、図２に示す様に飽和水蒸気量は５１．１ｇ／立方メートルであって、水蒸気量は４０．８８ｇ／立方メートルとなる。また大気には、異物（塵埃やスラッジ、微生物、窒素酸化物など）も含まれている。エアコンプレッサ１で製造された圧縮空気は、この段階では圧縮熱を帯びた状態となっている。

エアコンプレッサ１により生成された圧縮空気は、エア配管１３を通過してエアタンク３に送られ、該エアタンク３にて一次的に貯留される。このとき、エア配管１３やエアタンク３の外部周囲温度によって圧縮空気は冷却され、それにより凝縮水であるドレン水Ｄが発生することが想定される。エア配管１３で発生したドレン水Ｄは、圧縮空気と共にエアタンク３に送られ、ドレントラップ５により外部へ排出される。

エアタンク３に一次的に貯留された圧縮空気は、その後エア配管１３を通過して冷凍式エアドライヤ４に送られ、該冷凍式エアドライヤ４にて冷却による含有水分（水蒸気）の凝縮・除去が行われることで一次乾燥がなされる。上記仮定によれば、圧縮空気の圧力は０．７ＭＰａ、水蒸気量は４０．８８ｇ／立方メートルであり、この圧縮空気を例えば圧力下温度１０℃まで冷却する。このとき、図３に示す様に大気圧における露点温度は−１７℃となり、その場合の飽和水蒸気量は図２に示す様に１．３７ｇ／立方メートルである。よって、この冷凍式エアドライヤ４を出る迄に、４０．８８−１．３７＝３９．５１ｇ／立方メートルのドレン水Ｄが発生し、圧縮空気から取り除かれることとなる。相対湿度で換算すると、１．３７÷４０．８８≒０．０３４、すなわち当初の３．４％にまで含有水分が減少された乾燥した圧縮空気が、この時点で生成されることとなる。尚、冷凍式エアドライヤ４で発生したドレン水Ｄは、ドレントラップ５により外部へ排出される。

冷凍式エアドライヤ４を出た圧縮空気は、エア配管１３を通過してエアフィルタ６に送られ、該エアフィルタ６にて圧縮空気中の塵埃やスラッジ、摩耗金属粉、微生物、オイルミスト、窒素酸化物などといった異物が一次的に除去される。

エアフィルタ６を出た圧縮空気は、エア配管１３を通過して中空糸膜式エアドライヤ７に送られ、中空糸膜による残存水蒸気の除去が行われることで二次乾燥がなされる。エアフィルタ６と酸素ガス発生装置８との中間に、中空糸膜式エアドライヤ７を介在させることで、冷凍式エアドライヤ４と中空糸膜式エアドライヤ７の二つのエアドライヤにより、圧縮空気中に含有される水分を二重に取り除くことができるため、よりドライな空気生成に資する。上記仮定によれば、既述のとおり未だ１．３７ｇ／立方メートルの含有水分が圧縮空気中に存在し、その含有水分を中空糸膜によりできる限り除去する。除去可能な水分量は、中空糸膜の精度によって異なってくるが、一般にドレン水Ｄが全く発生しなくなる経済的な露点温度は大気圧下で−３０℃とされており、当該温度での飽和水蒸気量は０．４４８ｇ／立方メートルであって、概ねその程度まで残存する含有水分量を減少させることが可能である。すなわち、中空糸膜により概ね０．９２２ｇ／立方メートル程度の水分除去が可能であって、それにより１．３７−０．９２２＝０．４４８ｇ／立方メートルの水分が圧縮空気中に残存する最終的な水蒸気量となる。相対湿度で換算すると、０．４４８÷４０．８８≒０．０１１、すなわち当初の１．１％にまで含有水分が減少された超乾燥状態の圧縮空気が、この時点で生成されることとなる。尚、中空糸膜式エアドライヤ７で取り除かれたドレン水は、パージ孔７ａから外部へ排出される。

中空糸膜式エアドライヤ７を出た圧縮空気は、エア配管１３を通過して酸素ガス発生装置８に送られ、圧縮空気中の酸素濃度を上昇させることで、高濃度の酸素を含有する圧縮空気が生成される。生成後の圧縮空気中の酸素濃度は、概ね２８〜９５％程度となる。

酸素ガス発生装置８を出た圧縮空気は、エア配管１３を通過して流量調整弁９にて一定の流量を保持した状態で、さらにエア配管１３及び流量計１０を通過し、その後減圧弁１１へ送られる。酸素ガス発生装置８と減圧弁１１との中間に、流量調整弁９及び流量計１０を介在させることで、中空糸膜式エアドライヤ７並びに酸素ガス発生装置８（特に酸素富化膜式酸素ガス発生装置８ｂ）の不具合検知、高分子膜並びに中空糸膜による圧縮空気の圧力損失の補正に資する。

減圧弁１１へ送られた圧縮空気は、該減圧弁１１により所定圧力に減圧される。燃料電池２０は、概ね０．４ＭＰａより高い圧力の空気が取り込まれると、動作不良や動作停止の起因となるため、減圧弁１１にて概ね０．３ＭＰａ以下にまで圧縮空気を減圧する。このとき、上記仮定によれば、圧縮空気中の含有水分量は僅か０．４４８ｇ／立方メートル程度であるため、減圧してもドレン水Ｄが発生することはない。

減圧弁１１を出た圧縮空気は、エア配管１３を通過してラストエアフィルタ１２に送られ、該ラストエアフィルタ１２にて圧縮空気中の塵埃や摩耗金属粉、オイルミストなどの異物が二次的に除去される。前段に存するエアフィルタ６で一次的に異物が取り除かれた後も、各種機器やエア配管１３を圧縮空気が通過する過程で、塵埃や摩耗金属粉、オイルミストなどの異物発生が想定されることから、燃料電池２０に送られる最終段階にて、これら異物を除去するものである。

以上の動作態様から成る圧縮空気圧回路構造を経て、圧縮空気は最終的に燃料電池２０へ送られることとなる。すなわち、ラストエアフィルタ１２を出た圧縮空気は、エア配管１３を通過して空気取入口２１から燃料電池２０へ取り込まれる。
燃料電池２０では、取り込まれた圧縮空気における高濃度の酸素と燃料供給口２３から取り込まれた水素ガスとを反応させ、電力２４と水Ｗを発生させる。圧縮空気から反応に供される酸素が除かれたその余は、排気取出口２２を介して外部へ放出され、また、反応により発生した水Ｗは、排水口２５を介して外部へ排水される。

以上のとおり、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、空気を圧縮することで飽和水蒸気量を減少させると共に、冷凍式エアドライヤ４が装備されることによって、圧縮空気中に含有される水分を取り除いてドライな空気を生成し得るため、そのドライな空気によって燃料電池２０を作動させることで、反応効率が向上すると共に、発電寿命の延命化並びに耐久性の向上を実現することができる。

また、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、酸素ガス発生装置８が装備されることで、酸素濃度を上昇させた圧縮空気を生成し得るため、その酸素濃度が高い空気によって燃料電池２０を作動させることで、発電効率の向上を実現することができる。

さらに、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、酸素ガス発生装置８の前段に中空糸膜式エアドライヤ７を装備することで、冷凍式エアドライヤ４と中空糸膜式エアドライヤ７の二つのエアドライヤにより、圧縮空気中に含有される水分を二重に取り除くことが可能であって、よりドライな空気を生成し得るため、その極めてドライな空気によって燃料電池２０を作動させることで、より反応効率が向上すると共に、発電寿命の延命化並びに耐久性の更なる向上を実現することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池２０に接続される圧縮空気圧回路構造によれば、エアフィルタ６とラストエアフィルタ１２の異物を除去し得るフィルタが二段階で装備されることによって、当初から圧縮空気中に存する塵埃や窒素酸化物といった異物だけでなく、各機器を介することで通過途中に含有され得る塵埃や摩耗金属粉、オイルミストといった異物をも取り除いて極めてクリーンな空気を生成し得るため、そのクリーンな空気によって燃料電池２０を作動させることで、反応効率が向上すると共に、発電寿命の延命化並びに耐久性の向上を実現でき、さらにメンテナンス性にも優れた効果を奏する。

本発明は、「発明の効果」記載の通り、燃料電池における反応効率の向上、発電効率の向上、発電寿命の延命化、耐久性の向上、メンテナンス性の向上といった、多くの優れた効果を奏するものである。したがって、本発明にかかる「燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造」の産業上の利用可能性は大であると思料する。

１ エアコンプレッサ（空気圧縮機）
２ 空気吸入口
３ エアタンク
４ 冷凍式エアドライヤ
５ ドレントラップ
６ エアフィルタ
７ 中空糸膜式エアドライヤ
７ａ パージ孔
８ 酸素ガス発生装置
８ａ ＰＳＡ式酸素ガス発生装置
８ｂ 酸素富化膜式酸素ガス発生装置
９ 流量調整弁
１０ 流量計
１１ 減圧弁
１２ ラストエアフィルタ
１３ エア配管
２０ 燃料電池
２１ 空気取入口
２２ 排気取出口
２３ 燃料供給口
２４ 電力
２５ 排水口
Ｄ ドレン水
Ｗ 水

Claims (5)

1. 燃料電池の空気取入口に接続される圧縮空気圧回路構造であって、
   エアコンプレッサと、該エアコンプレッサの後段に装備されるエアタンクと、該エアタンクの後段に装備される冷凍式エアドライヤと、該冷凍式エアドライヤの後段に装備されるエアフィルタと、該エアフィルタの後段に装備される酸素ガス発生装置と、該酸素ガス発生装置の後段に装備される減圧弁と、該減圧弁の後段に装備されるラストエアフィルタと、から成り、
   エアコンプレッサにより生成された圧縮空気は、エアタンクに一次的に貯留された後に冷凍式エアドライヤにより乾燥され、その後エアフィルタにより圧縮空気中の異物が一次的に除去され、次いで酸素ガス発生装置により圧縮空気中の酸素濃度を上昇させ、さらに減圧弁を介して所定圧力に減圧された後に酸素ガス発生装置乃至減圧弁にて発生した異物をラストエアフィルタにより取り除き、最終的に燃料電池の空気取入口へ送気されることを特徴とする燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造。
2. 前記酸素ガス発生装置が、ＰＳＡ式酸素ガス発生装置若しくは酸素富化膜式酸素ガス発生装置から成ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造。
3. 前記冷凍式エアドライヤと前記酸素ガス発生装置との中間に、特性の異なるエアフィルタが複数装備されて成ることを特徴とする請求項1または請求項２に記載の燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造。
4. 前記エアフィルタと前記酸素ガス発生装置との中間に、中空糸膜式エアドライヤが装備されて成ることを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造。
5. 前記酸素ガス発生装置と前記減圧弁との中間に、流量調整弁及び流量計が装備されて成ることを特徴とする請求項1から請求項４のいずれかに記載の燃料電池に接続される圧縮空気圧回路構造。

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