JP7443186B2

JP7443186B2 - 燃料電池用不純物除去システム

Info

Publication number: JP7443186B2
Application number: JP2020130390A
Authority: JP
Inventors: 典裕吉永; 恵奈石井; 陽介佐藤; 敬松岡; 恭平山下
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2024-03-05
Anticipated expiration: 2040-07-31
Also published as: JP2022026769A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池用不純物除去システムに関する。

燃料電池のカソード側に酸化剤としての酸素あるいは空気等を送る際には、有害な不純物に注意が必要である。たとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）においては、その中心部分である膜／電極接合体（ＭＥＡ）を構成するイオン交換膜や電極部分に使用されている触媒は、塩素イオン、硝酸イオンあるいは硫酸イオン等が吸着すると、電圧上昇による過電圧や寿命の低下等の悪影響を受ける。

このため、燃料電池に、たとえば酸化剤として空気を送る際には、空気中のこのような成分が燃料電池に至らないように、空気ブロアーの上流側には、フィルターが設けられている。

通常、フィルターは、たとえば不織布等よりなる層と、その前段に設けられたたとえばガラス繊維等からなる層とから構成されている。

特開２０１７－１１３６９２号公報特許第３２５９７８２号公報

特に、船舶に使用される燃料電池システムでは、前述の理由から、海塩粒子に含まれる不純物イオンを十分に除去する対策が必要である。

従来、船舶に使用される燃料電池システムでも、塩分除去フィルターを通して不純物を吸着し劣化を抑制しているが、特に、海塩の多い環境の下での使用となる。このため、塩分除去フィルターに海塩粒子が吸着し、その後、湿度環境によって海塩粒子が水を吸いつけてフィルターの圧損が上がるだけでなく、さらに潮解した海塩粒子が内部に吸い込まれて、塩分除去フィルターの下流側の燃料電池への供給空気中に移行するリスクがある。また、高湿度などの使用状況によっては劣化が早まることから、頻繁な交換が必要となるなどの課題がある。
その他、燃料電池システム以外の保護対象を有するシステムでも、船舶あるいは臨界地域に使用されるような海塩を含む空気を使用する場合、あるいは、換気や冷却に使用される場合にも、同様の課題がある。

そこで、本発明の実施形態は、塩分除去フィルターの使用可能期間を延長可能な燃料電池用不純物除去システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムは、主流路配管と、前記主流路配管に設置された、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気ブロアーと、を有する燃料電池システムの前記空気中の不純物を除去する燃料電池用不純物除去システムであって、前記主流路配管の上流に配され、通常運転モードにおいて前記空気を外部から取り入れる主フィルターを有する主取入れ系統と、前記主流路配管の上流に配され、前記主フィルターに付着した前記不純物を除去するフィルターリフレッシュモードにおいて前記空気を外部から取り入れる補助フィルターを有する補助取入れ系統と、前記主フィルターに付着した前記不純物を除去する際に前記主流路配管から前記主フィルターに前記空気を導くフィルターリフレッシュ系統と、を備えることを特徴とする。

第１の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第１の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの主フィルターの構成および配管との接続部分の構成を示す長手方向に沿った断面図である。第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムにおける回動式フィルターの回動式フィルター本体の正面図である。第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムにおける回動式フィルターを示す正面図である。第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムにおける回動式フィルターを示す図５のＶＩ－ＶＩ線矢視断面図である。第３の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第４の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第５の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第６の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第７の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの構成を示す系統図である。第７の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの有効性を説明するための参考用の系統図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムについて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００の構成を示す系統図である。図１は、燃料電池システム１の構成も併せて示している。

まず、本実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００による空気が供給される対象となる燃料電池システム１の構成を説明する。

燃料電池システム１は、主流路配管２６に設けられた燃料電池スタック１０、空気ブロアー２１、加湿器２２、および除湿器２３を有する。なお、主流路配管２６および後述するそれぞれの配管は、ダクトでもよい。以下、ダクトを含めて配管と呼称するものとする。

燃料電池スタック１０は、水素や炭化水素などの燃料ガスが流れるアノード電極側の燃料側流路１２、酸化剤としての空気が流れるカソード電極側の空気側流路１３、これらを隔離するイオン交換膜１１を有する。空気側流路１３は主流路配管２６に接続されている。

ここで、燃料側流路１２を含む燃料側システム１４は、空気側とは隔離され、空気側には開放されていない、空気側から見て閉じた体系となっている。

運転状態においては、水素イオンがイオン交換膜１１を介してカソード電極側に移動して空気中の酸素と反応する。この結果、燃料電池スタック１０においては、電力の発生とともに、熱および水が発生する。

空気ブロアー２１は、後述する塩害防止フィルターを介して外部の空気を取り入れ、燃料電池スタック１０に供給する。

加湿器２２は空気ブロアー２１と燃料電池スタック１０との間に配されて、空気ブロアー２１により燃料電池スタック１０に供給される空気を加湿する。

除湿器２３は、燃料電池スタック１０からの湿分の多い空気を除湿する。除湿により分離された水は、純水戻り管２３ａを介して加湿器２２に回収される。なお、加湿器２２および除湿器２３は、必ずしも、設けられていなくともよい。

燃料電池システム１の、燃料電池スタック１０、空気ブロアー２１、加湿器２２、および除湿器２３は、収納容器２５内に収納されている。また、空気ブロアー２１、燃料電池スタック１０、加湿器２２、および除湿器２３は、主流路配管２６に配されている。

次に、本実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００について説明する。

燃料電池用不純物除去システム１００は、主フィルター１１０を含む主取入れ系統、補助フィルター１２０を含む補助取入れ系統、通常運転モードから切り替わったフィルターリフレッシュモードにおいて主流路配管２６から主フィルター１１０にリフレッシュ用の空気を送るためのフィルターリフレッシュ系統を有する。フィルターリフレッシュ系統は、主流路配管２６から分岐して主フィルター１１０まで延びた戻り配管管および戻り配管に設けられた戻り弁を有する。

なお、主フィルター１１０あるいは補助フィルター１２０は、燃料電池スタック１０用の空気のみではなく、燃料電池システム１の機器あるいはその他の機器の冷却、あるいは換気用の空気も併せて通過させるものである場合であってもよい。

ここで、通常運転モードとは、外気取入れ口の塩分除去フィルターとして主フィルター１１０が用いられ、主取入れ系統を経由して外気が取り入れられて、燃料電池スタック１０により発電が行われる運転モードである。

また、フィルターリフレッシュモードとは、主フィルター１１０のリフレッシュを行う運転モードである。フィルターリフレッシュモードにおいては、外気取入れ口の塩分除去フィルターとして、補助フィルター１２０が用いられ、補助取入れ系統を経由して外気が取り入れられる。なお、フィルターリフレッシュモードにおいても、燃料電池スタック１０により発電が継続される。

主取入れ系統は、主フィルター１１０、主フィルターに接続された主フィルター側配管１４１ａ、主フィルター側配管１４１ａに設けられた主フィルター側止め弁１５１ａを有する。主フィルター側配管１４１ａは、燃料電池システム１の主流路配管２６の入り口端部２６ａ、すなわち、空気ブロアー２１の上流側の端部と主フィルター１１０とを接続する。
補助取入れ系統は、補助フィルター１２０、補助フィルター側配管１４１ｂ、補助フィルター側配管１４１ｂに設けられた補助フィルター側止め弁１５１ｂを有する。補助フィルター側配管１４１ｂは、主流路配管２６の入り口端部２６ａと補助フィルター１２０を接続する。
フィルターリフレッシュ系統は、主流路配管２６の加湿器２２の出口側から分岐する戻り配管１４２ｈおよび戻り配管１４２ｈに設けられた戻り弁１５２ｈ、戻り配管１４２ｈと主フィルター１１０を接続する戻り配管１４２を有する。

燃料電池用不純物除去システム１００の主フィルター１１０および補助フィルター１２０は、収納容器２５に形成された開口に取り付けられており、以上に説明した各要素のうち、主フィルター１１０および補助フィルター１２０以外は、収納容器２５内に収納されている。

図２は、第１の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００の主フィルター１１０の構成および配管との接続部分の構成を示す長手方向に沿った断面図であり、図１のＡ部の詳細を示している。

主フィルター１１０は、たとえばガラス繊維等からなる第１層１１１、たとえば不織布等よりなる第２層１１２、これらを保持する固定枠１１３、および接続ピース１１８を有する。なお、主フィルター１１０のフィルター本体部分は、第１層１１１と第２層１１２とからの構成に限定されず、単一の層、あるいは３つ以上の層で構成された場合でもよい。

接続ピース１１８は、一方の端部を固定枠１１３と接続し、二股に分岐して、分岐後の端部は、それぞれ、主フィルター側配管１４１ａおよび戻り配管１４２と接続する。接続は、図２に示すようなフランジによって結合してもよいし、あるいは溶接、ロー付け等によって接合してもよい。

ここで、変形例を説明する。
以上の説明では、主流路配管２６から主フィルター１１０にリフレッシュ用の空気を送るため系統をフィルターリフレッシュ系統としている。ここで、主流路配管２６から補助フィルター１２０にリフレッシュ用の空気を送るための同様の系統を設けてもよい。この場合は、燃料電池用不純物除去システムにおいて、主フィルター１１０と補助フィルター１２０が、互いに同様の位置づけとなり、どちらのフィルターも主フィルターかつ補助フィルターとして機能させることができる。

次に本実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００の作用を説明する。

図１に示した系統図は、通常運転モードにおける状態を示している。すなわち、主フィルター側止め弁１５１ａが開状態、補助フィルター側止め弁１５１ｂが閉状態、かつ、戻り弁１５２ｈが閉状態である。なお、以下、系統図においては、閉状態の弁を黒塗りで、開状態の弁を白塗りで表示している。

この状態では、空気は、主フィルター１１０から取り入れられ、主流路配管２６を流れて、空気ブロアー２１、加湿器２２、燃料電池スタック１０、および除湿器２３を経由して、最終的に、収納容器２５外に排出される。

通常運転モードからフィルターリフレッシュモードへの切り替えは、主取入れ系統と補助取入れ系統との切り替え、およびフィルターリフレッシュ系統により主流路配管２６から主フィルター１１０への空気の還流により行われる。
燃料電池用不純物除去システム１００このフィルターリフレッシュモードにおいては、主フィルター側止め弁１５１ａが閉状態、補助フィルター側止め弁１５１ｂが開状態、かつ、戻り弁１５２ｈが開状態である。

すなわち、主流路配管２６には、補助フィルター側止め弁１５１ｂを介して補助フィルター１２０から外部の空気が供給され、燃料電池システム１の運転が継続可能である。

また、主流路配管２６の加湿器２２の出口側の空気の一部が、戻り弁１５２ｈを介して、主フィルター１１０に供給される。このとき、主フィルター側止め弁１５１ａが閉状態であるから、主フィルター１１０には逆圧が印加され、主フィルター１１０に供給される空気は、全量、主フィルター１１０から外部に放出される。

この状態においては、主フィルター１１０を通過する空気は、通常運転モードの流れ方向とは逆方向に流れる。また、主フィルター１１０を流れる空気は、加湿器２２を通過した湿分の多い加湿空気である。

主フィルター１１０には逆圧が印加され、加湿空気が流れることによって、主フィルター１１０に付着している海塩粒子は加湿空気中の湿分に溶解し、海塩粒子の溶解により生じていた溶解物とともに、主フィルター１１０の外側（外気側）に吹き飛ばされ、主フィルター１１０に付着していた海塩粒子およびその溶解物は除去される。

その効果の程度とし、フィルターの交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約２倍程度の交換間隔にまで延長される。

このように、燃料電池システム１の運転を継続しながら、フィルターリフレッシュがなされることにより、塩分除去フィルターとしての主フィルター１１０の使用可能期間を延長することができる。

［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ａの構成を示す系統図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、第１の実施形態における補助フィルター１２０は設けられておらず、また、主フィルター１１０に代えて回動式フィルター１３０が設けられている。この結果、第１開口側配管１４１ｃおよび第１開口側止め弁１５１ｃが設けられている。その他の点では、第１の実施形態と同様である。

図４は、第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ａにおける回動式フィルター１３０の回動式フィルター本体１３０ａの正面図である。

回動式フィルター本体１３０ａは、第１ユニット１３１、第２ユニット１３２、固定枠１３３および区画部材１３４を有する。ほぼ半円形の領域を占める第１ユニット１３１および第２ユニット１３２は、第１の実施形態における主フィルター１１０のフィルター本体と同様に第１層１１１および第２層１１２（図６）よりなる構成であり、区画部材１３４を介して互いに隣接し、円形の固定枠１３３内に周囲を固定されている。

図５は、第２の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ａにおける回動式フィルター１３０を示す正面図であり、図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線矢視断面図である。

回動式フィルター１３０は、回動式フィルター本体１３０ａ、回動駆動部１３５、伝達部１３６、およびこれらを収納する回動式フィルター枠１３７を有する。

回動式フィルター本体１３０ａは、電動機などの回動駆動部１３５によりたとえばベルトなどの伝達部１３６を介して回転駆動される。なお、図５および図６では、回動式フィルター枠１３７内部の回動式フィルター本体１３０ａおよび回動駆動部１３５の支持部の図示を省略しているが、通常の機構で構成されている。

回動式フィルター枠１３７は、中空容器であり、収納容器２５の内側に向かう側の面には、それぞれ半円状の第１開口１３７ａおよび第２開口１３７ｂが形成され、反対側の面には円形の第３開口１３７ｃが形成されている。回動式フィルター枠１３７の第１開口１３７ａが形成された部分は第１開口側配管１４１ｃに接続され、第２開口１３７ｂが形成された部分は戻り配管１４２に接続されている。

回動式フィルター本体１３０ａ、回動駆動部１３５および伝達部１３６が、回動式フィルター枠１３７に収納された状態では、第１開口１３７ａが形成されている領域に回動式フィルター本体１３０ａの第１ユニット１３１が、また、第２開口１３７ｂが形成されている領域に第２ユニット１３２が位置するように調整、設定される。

このように設定することにより、回動式フィルター本体１３０ａの第１ユニット１３１は、通常運転モードにおいては、主フィルターに対応する機能を有し、第２ユニット１３２は待機側フィルターとして機能する。

回動式フィルター本体１３０ａは、回動駆動部１３５の動作により、この状態から周方向に１８０度回転して、第１ユニット１３１と第２ユニット１３２が入れ替わった状態となる。なお、さらに第１ユニット１３１と第２ユニット１３２とが入れ替わった状態にするにあたっては、そのままの回転方向に１８０度回転してもよいし、元の回転角度位置に復帰することでもよい。

次に、本実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ａの作用を説明する。

図３に示した系統図は、通常運転モードにおける状態を示している。すなわち、第１開口側止め弁１５１ｃが開状態、かつ、戻り弁１５２ｈが閉状態である。

この状態では、空気は、主フィルターの機能を有する第１ユニット１３１から取り入れられ、主流路配管２６を流れて、空気ブロアー２１、加湿器２２、燃料電池スタック１０、および除湿器２３を経由して、最終的に、収納容器２５外に排出される。

燃料電池用不純物除去システム１００ａのフィルターリフレッシュモードへの移行は、第１開口側止め弁１５１ｃおよび戻り弁１５２ｈが開状態となり、かつ、回動式フィルター本体１３０ａが周方向に１８０度回動することにより行われる。
回動式フィルター本体１３０ａは、回動の結果、第１ユニット１３１が第２開口側、第２ユニット１３２が第１開口側となる。

すなわち、主流路配管２６には、第１開口側止め弁１５１ｃを介して回動式フィルター本体１３０ａの補助フィルターの機能を有する第２ユニット１３２から外部の空気が供給され、燃料電池システム１の運転が継続可能である。

また、主流路配管２６の加湿器２２の出口側の空気の一部が、戻り弁１５２ｈを介して、主フィルターに相当する第１ユニットにリフレッシュ用の空気として供給される。このとき、第２ユニット１３２には逆圧が印加され、第２ユニット１３２に供給される空気は、全量、主フィルター１１０から外部に放出される。この結果、第１の実施形態で説明したように、第２ユニット１３２に付着していた海塩粒子及びその溶解物は除去される。

このように、フィルターリフレッシュを実施した後は、回動式フィルター本体１３０ａを１８０度回動させて、第１ユニット１３１と第２ユニット１３２の位置を交換することにより、第２ユニット１３２を補助フィルターとして、また、第１ユニット１３１を主フィルターとして使用することができる。

以上のように、本実施形態では、第１の実施形態の主フィルターと補助フィルターに代えて、回動式フィルター１３０とすることにより、第１フィルター１３１と第２フィルター１３２が、モードに応じて、主フィルターの機能と補助フィルターの機能を果たす。

この結果、第１の実施形態と同様の効果に加えて、配管系、弁類を削減できる。また、第１ユニット１３１と第２ユニット１３２は互に機能交換が可能であるから、第１フィルター１３１と第２フィルター１３２の交互の切り替えにより、塩害除去フィルターのより有効な利用が可能となる。

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｂの構成を示す系統図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態における戻り配管１４２ｈおよび戻り弁１５２ｈに代えて、主流路配管２６の除湿器２３の出口から分岐して戻り配管１４２に接続する戻り配管１４２ｄおよび戻り配管１４２ｄに設けられた戻り弁１５２ｄを有する。これ以外は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｂでは、燃料電池スタック１０を通過し温度が上昇した後に除湿器２３を経た乾燥空気が主フィルター１１０に供給される。このため、乾燥状態で、加熱しながら主フィルター１１０に付着した海塩粒子を吹き飛ばすことができる。

その効果の程度とし、フィルターの交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約２．３倍程度の交換間隔にまで延長される。

このように、燃料電池システム１の運転を継続しながら、燃料電池スタック１０の熱を利用したフィルターリフレッシュがなされることにより、塩分除去フィルターとしての主フィルター１１０の使用可能期間を延長することができる。

［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｃの構成を示す系統図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態における戻り配管１４２ｈおよび戻り弁１５２ｈに加えて、主流路配管２６の燃料電池スタック１０の出口から分岐して戻り配管１４２に接続する戻り配管１４２ｆおよび戻り配管１４２ｆに設けられた戻り弁１５２ｆをさらに有する。これ以外は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｃでは、戻り弁１５２ｈおよび戻り弁１５２ｆを開状態としたフィルターリフレッシュモードにおいて、加湿器２２出口の加湿空気と、反応により温度が上昇している燃料電池スタック１０の出口の加熱空気の両者が、主フィルター１１０に供給される。このため、加湿空気で加熱しながら主フィルター１１０に付着した海塩粒子を溶解させ、吹き飛ばすことができる。

なお、戻り弁１５２ｈと戻り弁１５２ｆのいずれか一方を先に開いた状態を経過した後に他方を開くような運用を行ってもよい。

本実施形態の効果の程度とし、フィルターの交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約２．７倍程度の交換間隔にまで延長される。

［第５の実施形態］
図９は、第５の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｄの構成を示す系統図である。

本実施形態は、第４の実施形態の変形である。第４の実施形態の構成に加えて、主流路配管２６の空気ブロアー２１の出口から分岐して、戻り配管１４２に合流する戻り配管１４２ｂおよび戻り配管１４２ｂに設けられた戻り弁１５２ｂをさらに有する。

本実施形態は、フィルター第１リフレッシュモードおよびフィルター第２リフレッシュモードの２つのフィルターリフレッシュモードを有する。

燃料電池用不純物除去システム１００ｄのフィルター第１リフレッシュモードにおいては、主フィルター側止め弁１５１ａが閉状態、補助フィルター側止め弁１５１ｂが開状態であり、主フィルター１１０への戻りラインの状態は、空気ブロアー２１の出口からの戻り弁１５２ｂが開状態、加湿器２２の出口からの戻り弁１５２ｈおよび燃料電池スタック１０からの戻り弁１５２ｆが閉状態である。すなわち、第１リフレッシュモードすなわち、リフレッシュモードの最初の段階では、空気ブロアー２１の出口の加湿されていない状態の空気が主フィルター１１０を通過する。この結果、まず、主フィルター１１０に付着した海塩粒子が吹き飛ばされる。

燃料電池用不純物除去システム１００ｄのフィルター第２リフレッシュモードにおいては、主フィルター１１０への戻りラインの状態が変化し、空気ブロアー２１の出口からの戻り弁１５２ｂが閉状態、加湿器２２の出口からの戻り弁１５２ｈおよび燃料電池スタック１０からの戻り弁１５２ｆが開状態であり、第４の実施形態のフィルターリフレッシュモードと同じ状態である。すなわち、第２リフレッシュモードすなわち、リフレッシュモードの後半の段階では、加熱された空気、および加熱後加湿された空気が主フィルター１１０を通過する。この結果、第１リフレッシュモードで除去されなかった残りの海塩粒子が溶解しながら吹き飛ばされる。

その効果の程度とし、フィルター交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約２．７倍程度にまで延長される。

このように、性状の異なる空気を段階的に通過させることにより、除去効果をより高めることができる。

なお、本実施形態の変形として、同じ構成のもとで、第２リフレッシュモードを先に実施し、その後に第１リフレッシュモードを実施してもよい。この場合、前半で、海塩粒子を溶かして吹き飛ばし、後半で、乾燥させるので、より高い効果が望める。その効果の程度とし、フィルターの交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約４．３倍程度の交換間隔にまで延長される。

［第６の実施形態］
図１０は、第６の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｅの構成を示す系統図である。

本実施形態は、第４の実施形態の変形である。第４の実施形態の構成に加えて、主流路配管２６の除湿器２３の出口から分岐して、戻り配管１４２に合流する戻り配管１４２ｄおよび戻り配管１４２ｄに設けられた戻り弁１５２ｄをさらに有する。
図１０に示した系統図は、通常運転モードにおける状態を示している。

本実施形態は、２つのフィルターリフレッシュモードを有する。

燃料電池用不純物除去システム１００ｅのフィルター第１リフレッシュモードにおける主フィルター１１０への戻りラインの状態は、加湿器２２の出口からの戻り弁１５２ｈおよび燃料電池スタック１０からの戻り弁１５２ｆが開状態、除湿器２３の出口からの戻り弁１５２ｄが閉状態である。すなわち、第４の実施形態のフィルターリフレッシュモードと同じ状態である。具体的には、第１リフレッシュモードすなわち、リフレッシュモードの前半の段階では、加熱された空気、および加熱後加湿された空気が主フィルター１１０を通過する。この結果、海塩粒子が乾燥状態となる。

燃料電池用不純物除去システム１００ｅのフィルター第２リフレッシュモードにおける主フィルター１１０への戻りラインの状態は、加湿器２２の出口からの戻り弁１５２ｈおよび燃料電池スタック１０からの戻り弁１５２ｆが閉状態、除湿器２３の出口からの戻り弁１５２ｄが開状態であり、除湿器２３からの加熱された乾燥空気が主フィルター１１０を通過する。この結果、第１リフレッシュモードで除去されなかった残りの海塩粒子が乾燥状態で吹き飛ばされる。

その効果の程度とし、フィルターの交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約５．３倍程度の交換間隔にまで延長される。

［第７の実施形態］
図１１は、第７の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システム１００ｆの構成を示す系統図である。

本実施形態は、第２の実施形態の変形であり、第２の実施形態における加湿器２２の出口から分岐する戻り配管１４２ｈおよび戻り配管１４２ｈに設けられた戻り弁１５２ｈに代えて、空気ブロアー２１の出口から分岐する戻り配管１４２ｂおよび戻り配管１４２ｂに設けられた戻り弁１５２ｂが設けられている。
図１１に示されている状態は、通常運転モードにおける状態である。

燃料電池用不純物除去システム１００ｆのフィルターリフレッシュモードにおいては、回動式フィルター１３０の第１ユニット１３１からの外気取入れを継続しながら、空気ブロアー２１の出口の空気が直接に第２ユニット１３２に送られる。

この場合、加湿されていない空気により、第２ユニット１３２に付着した海塩粒子を吹き飛ばす。

その効果の程度とし、フィルターの交換間隔は、フィルターリフレッシュを行わない従来の場合を比較例とすると、その約１．７倍程度の交換間隔にまで延長される。

ここで、回動式フィルター１３０を用いず、かつ、補助フィルターを用いない場合は、本実施形態のような効果を奏しないことを、図１２を用いて説明する。

図１２は、第７の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムの有効性を説明するための参考用の系統図である。図１２は、リフレッシュモードの状態を示し、主フィルター側止め弁１５１ａおよび戻り弁１５２ともに開状態である。

この構成により、空気ブロアー２１が主フィルター１１０を介して外気を取り入れて、空気ブロアー２１の出口側から戻り弁１５２ｂを経由して主フィルター１１０に空気を戻す。しかしながら、主フィルター１１０に戻った空気は、主フィルター１１０を逆流することはない。代わりに、主フィルター１１０から取り入れる外気の量が減少する。

空気ブロアー２１には、外部から主フィルター１１０を介して流入した外気と、戻り弁１５２ｂを流れる再循環空気の合計量が流れるという状態に落ち着く。

すなわち、図１２のような構成では、主フィルター１１０を用いたのでは効果を奏することができず、このような構成では、回動式フィルター１３０を用いることが有効であることが示される。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態に係る燃料電池用不純物除去システムを説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
たとえば、実施形態では、対象とする燃料電池について、燃料電池スタック１０がＰＥＦＣの場合を例にとって示したが、たとえば、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等の他の方式の燃料電池の場合でも適用可能である。

第２の実施形態は、第１の実施形態に回動式フィルター１３０を適用したものである。第３ないし第６の実施形態についても、それぞれに第２の実施形態の特徴と組み合わせて、回動式フィルター１３０を適用してもよい。

また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…燃料電池システム、１０…燃料電池スタック、１１…イオン交換膜、１２…燃料側流路、１３…空気側流路、１４…燃料側システム、２１…空気ブロアー、２２…加湿器、２３…除湿器、２３ａ…純水戻り管、２５…収納容器、２６…主流路配管、２６ａ…入り口端部、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ…燃料電池用不純物除去システム、１１０…主フィルター、１１１…第１層、１１２…第２層、１１３…固定枠、１１４…分離部、１１８…接続ピース、１２０…補助フィルター、１３０…回動式フィルター、１３０ａ…回動式フィルター本体、１３１…第１ユニット、１３２…第２ユニット、１３３…固定枠、１３４…区画部材、１３５…回動駆動部、１３６…伝達部、１３７…回動式フィルター枠、１３７ａ…第１開口、１３７ｂ…第２開口、１３７ｃ…第３開口、１４０…配管類、１４１ａ…主フィルター側配管、１４１ｂ…補助フィルター側配管、１４１ｃ…第１開口側配管、１４２、１４２ｂ、１４２ｄ、１４２ｆ、１４２ｈ…戻り配管、１５０…弁類、１５１ａ…主フィルター側止め弁、１５１ｂ…補助フィルター側止め弁、１５１ｃ…第１開口側止め弁、１５２、１５２ｂ、１５２ｄ、１５２ｆ、１５２ｈ…戻り弁

Claims

主流路配管と、前記主流路配管に設置された、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気ブロアーと、を有する燃料電池システムの前記空気中の不純物を除去する燃料電池用不純物除去システムであって、
前記主流路配管の上流に配され、通常運転モードにおいて前記空気を外部から取り入れる主フィルターを有する主取入れ系統と、
前記主流路配管の上流に配され、前記主フィルターに付着した前記不純物を除去するフィルターリフレッシュモードにおいて前記空気を外部から取り入れる補助フィルターを有する補助取入れ系統と、
前記主フィルターに付着した前記不純物を除去する際に前記主流路配管から前記主フィルターに前記空気を導くフィルターリフレッシュ系統と、
を備えることを特徴とする燃料電池用不純物除去システム。
前記主フィルターと前記補助フィルターは固定枠とともに互いに隣接して一体物を構成し前記一体物において互いに切り替え可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記一体物は、円板状であり、前記固定枠内で回転可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュモードにおいても前記燃料電池システムによる発電が可能に、前記主流路配管における前記空気の流れを確保可能な請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュ系統は、前記主流路配管における前記空気ブロアーの出口から、前記主フィルターに戻る第１の戻り配管および前記第１の戻り配管に設けられた第1の戻り弁をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュ系統は、前記主流路配管における前記燃料電池スタックの出口から、前記主フィルターに戻る第２の戻り配管および前記第２の戻り配管に設けられた第２の戻り弁をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記燃料電池システムは、前記主流路配管において前記空気ブロアーと前記燃料電池スタックとの間に配されて、前記燃料電池スタックに供給される前記空気に湿分を加える加湿器をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュ系統は、前記主流路配管における前記加湿器の出口から、前記主フィルターに戻る第３の戻り配管および前記第３の戻り配管に設けられた第３の戻り弁をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュ系統は、前記主流路配管における前記空気ブロアーの出口、前記加湿器の出口および前記燃料電池スタックの出口のそれぞれから、前記主フィルターに戻る第１の戻り配管、第３の戻り配管および第２の戻り配管および前記第１の戻り配管、前記第３の戻り配管および前記第２の戻り配管にそれぞれ設けられた第１の戻り弁、第３の戻り弁および第２の戻り弁をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの空気側流路を通過した前記空気から湿分を除去する除湿器をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュ系統は、前記主流路配管における前記除湿器の出口から、前記主フィルターに戻る第４の戻り配管および前記第４の戻り配管に設けられた第４の戻り弁をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用不純物除去システム。
前記フィルターリフレッシュ系統は、前記主流路配管における加湿器、前記燃料電池スタックおよび前記除湿器のそれぞれの出口から、前記主フィルターに戻る第３の戻り配管、第２の戻り配管および第４の戻り配管および前記第３の戻り配管、前記第２の戻り配管および前記第４の戻り配管にそれぞれ設けられた第３の戻り弁、第２の戻り弁および第４の戻り弁をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用不純物除去システム。