(57)【要約】【課題】カソードガスの冷却を効率よく行いつつ、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】本開示の燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガスを圧縮して燃料電池に供給するための、コンプレッサと、コンプレッサによって圧縮されて燃料電池に供給される前のカソードガスを、燃料電池から排出される排水の気化潜熱によって冷却するための、カソードガス冷却装置と、カソードガス冷却装置によってカソードガスを冷却する前の排水から、水酸化物アニオン以外のアニオンを少なくとも部分的に除去するための、アニオン除去装置と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
カソードガスを圧縮して前記燃料電池に供給するための、コンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮された後であって前記燃料電池に供給される前の前記カソードガスを、前記燃料電池から排出される排水の気化潜熱によって冷却するための、カソードガス冷却装置と、
前記カソードガス冷却装置によって前記カソードガスを冷却する前の前記排水から、水酸化物アニオン以外のアニオンを少なくとも部分的に除去するための、アニオン除去装置と、
を有しており、
前記アニオン除去装置は、
前記排水が供給される、容器又は配管と、
前記容器又は配管の内側から外側に貫通し、かつ前記容器又は配管内に供給される前記排水と接するように配置されている、多孔質体と、
前記アニオンを前記容器又は配管の内側から外側に向かわせる電界が前記多孔質体の内部に発生するように配置されている、正極端子及び負極端子と、
を有しており、
前記多孔質体の毛細管力と、前記容器又は配管内に供給される前記排水の水圧とのバランスによって、前記排水が一時的に前記多孔質体に保持され、かつ前記多孔質体に保持された前記排水のうち一部が前記多孔質体を通って前記容器又は配管の外側に流出する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記正極端子は、前記多孔質体の外側面に配置されており、かつ
前記負極端子が、前記容器又は配管である、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記多孔質体が、前記容器又は配管に供給される前記排水の最低水面よりも高い位置に配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記多孔質体が、前記容器又は配管の底面に配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アニオン除去装置の前記容器又は配管が、前記カソードガス冷却装置内に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソードガス冷却装置は、
前記カソードガスが流入する第１内部流路と、前記排水が供給される第２内部流路と、を有し、前記第２内部流路を流れる前記排水の気化潜熱によって前記第１内部流路を流れるカソードガスを冷却する熱交換部を備え、
前記第１内部流路及び前記第２内部流路は、前記第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内に生じた水蒸気が前記第１内部流路に流入しないように、前記熱交換部の内部においてそれぞれ独立した流路とされている、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アニオンが、硫酸アニオン、亜硫酸アニオン、及びスルホン酸アニオンの少なくも一つを含有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素とカソードガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を有する、燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、クリーンな動力源として、燃料電池自動車等に搭載されている。
【０００３】
燃料電池に供給されるカソードガスは、コンプレッサ等により圧縮される場合がある。
【０００４】
特許文献１及び２は、圧縮されたカソードガスを、燃料電池における電池反応により生成した水との熱交換によって冷却する熱交換器を有している燃料電池システムを開示している。
【０００５】
また、特許文献３は、圧縮されたカソードガスを、燃料電池から排出された排出ガスとの熱交換によって冷却する熱交換器を有している燃料電池システムを開示している。
【０００６】
また、特許文献４は、燃料電池から排出される排出ガスを水分源として、加湿器によって燃料電池に供給されるカソードガスを加湿する燃料電池システムにおいて、加湿器と接続する排出ガス配管にインタークーラーを備え、排出ガスを冷却することを開示している。
【０００７】
なお、燃料電池に関する技術とは異なるが、特許文献５は、内燃機関に供給される燃料に含まれる金属イオンを除去するために、陽イオンを引き寄せる陰極と陽イオン交換膜から構成される、金属イオン除去装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１８−１６３８７４号公報
【特許文献２】特開２０１８−５５９３１号公報
【特許文献３】特開２００２−５６８６５号公報
【特許文献４】特開２０１１−４９１３１号公報
【特許文献５】特開２０１１−１３２８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示者らは、燃料電池から排出される排水の気化潜熱を用いて、圧縮されたカソードガスを冷却する機構を備える燃料電池システムにおいて、排水の気化が起こる部分で材料の劣化が起こっていることを見出した。
【００１０】
本開示は、カソードガスの冷却を効率よく行いつつ、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる、燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
《態様１》
燃料電池と、
カソードガスを圧縮して前記燃料電池に供給するための、コンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮された後であって前記燃料電池に供給される前の前記カソードガスを、前記燃料電池から排出される排水の気化潜熱によって冷却するための、カソードガス冷却装置と、
前記カソードガス冷却装置によって前記カソードガスを冷却する前の前記排水から、水酸化物アニオン以外のアニオンを少なくとも部分的に除去するための、アニオン除去装置と、
を有しており、
前記アニオン除去装置は、
前記排水が供給される、容器又は配管と、
前記容器又は配管の内側から外側に貫通し、かつ前記容器又は配管内に供給される前記排水と接するように配置されている、多孔質体と、
前記アニオンを前記容器又は配管の内側から外側に向かわせる電界が前記多孔質体の内部に発生するように配置されている、正極端子及び負極端子と、
を有しており、
前記多孔質体の毛細管力と、前記容器又は配管内に供給される前記排水の水圧とのバランスによって、前記排水が一時的に前記多孔質体に保持され、かつ前記多孔質体に保持された前記排水のうち一部が前記多孔質体を通って前記容器又は配管の外側に流出する、
燃料電池システム。
《態様２》
前記正極端子は、前記多孔質体の外側面に配置されており、かつ
前記負極端子が、前記容器又は配管である、
態様１に記載の燃料電池システム。
《態様３》
前記多孔質体が、前記容器又は配管に供給される前記排水の最低水面よりも高い位置に配置されている、態様１又は２に記載の燃料電池システム。
《態様４》
前記多孔質体が、前記容器又は配管の底面に配置されている、態様１又は２に記載の燃料電池システム。
《態様５》
前記アニオン除去装置の前記容器又は配管が、前記カソードガス冷却装置内に配置されている、態様１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
《態様６》
前記カソードガス冷却装置は、
前記カソードガスが流入する第１内部流路と、前記排水が供給される第２内部流路と、を有し、前記第２内部流路を流れる前記排水の気化潜熱によって前記第１内部流路を流れるカソードガスを冷却する熱交換部を備え、
前記第１内部流路及び前記第２内部流路は、前記第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内に生じた水蒸気が前記第１内部流路に流入しないように、前記熱交換部の内部においてそれぞれ独立した流路とされている、
態様５に記載の燃料電池システム。
《態様７》
前記アニオンが、硫酸アニオン、亜硫酸アニオン、及びスルホン酸アニオンの少なくも一つを含有している、態様１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、カソードガスの冷却を効率よく行いつつ、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる、燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】図２は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池システムが有している、アニオン除去装置を示す模式図である。
【図３】図３は、本開示の他の実施形態に従う燃料電池システムが有している、アニオン除去装置を示す模式図である。
【図４】図４は、本開示の更に他の実施形態に従う燃料電池システムが有している、カソードガス冷却装置の熱交換部を示す模式図である。
【図５】図５は、実施例１の試験における、時間と硫酸アニオンの濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。
【００１５】
本開示の燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガスを圧縮して燃料電池に供給するための、コンプレッサと、コンプレッサによって圧縮された後であって燃料電池に供給される前のカソードガスを、燃料電池から排出される排水の気化潜熱によって冷却するための、カソードガス冷却装置と、カソードガス冷却装置によってカソードガスを冷却する前の排水から、水酸化物アニオン以外のアニオンを少なくとも部分的に除去するための、アニオン除去装置と、を有している。
【００１６】
アニオン除去装置は、排水が供給される、容器又は配管と、容器又は配管の内側から外側に貫通し、かつ容器又は配管内に供給される排水と接するように配置されている、多孔質体と、アニオンを容器又は配管の内側から外側に向かわせる電界が多孔質体の内部に発生するように配置されている、正極端子及び負極端子と、を有している。
【００１７】
また、アニオン除去装置は、多孔質体の毛細管力と、容器又は配管内に供給される排水の水圧とのバランスによって、排水が一時的に多孔質体に保持され、かつ多孔質体に保持された排水のうち一部が多孔質体を通って容器又は配管の外側に流出するように構成されている。
【００１８】
図１は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池システムを示す模式図である。図1に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、カソードガスを圧縮して燃料電池１０に供給するための、コンプレッサ２０と、コンプレッサ２０によって圧縮された後であって燃料電池１０に供給される前のカソードガスを、燃料電池１０から排出される排水の気化潜熱によって冷却するための、カソードガス冷却装置４０と、カソードガス冷却装置４０によってカソードガスを冷却する前の排水から、水酸化物アニオン以外のアニオンを少なくとも部分的に除去するための、アニオン除去装置３０と、を有している。
【００１９】
なお、図１は、本開示の燃料電池システムを限定する趣旨ではない。
【００２０】
また、図２は、本開示の一つの実施形態に従う燃料電池システムが有している、アニオン除去装置を示す模式図である。図２に示すアニオン除去装置３０は、容器３１と、容器３１の内側から外側に貫通し、かつ容器３１内に供給される排水と接するように配置されている、多孔質体３３と、アニオンを容器３１の内側から外側に向かわせる電界が多孔質体３３の内部に発生するように配置されている、正極端子３４を有している。ここで、容器３１は導電性を有しており、負極端子を兼ねている。また、正極端子３４及び容器３１は、外部の電源３６に接続されている。
【００２１】
図２では、容器の内側３２には排水３５が供給されており、多孔質体３３内に排水が保持されている。そして、正極端子３４及び容器３１の間に電圧が印加されており、それによって、多孔質体３３の内部にアニオンを容器３１の内側から外側に向かわせる電界が発生している。
【００２２】
そして、この電界によって、排水中のアニオンの一種である硫酸アニオンが、多孔質体内に移動して濃縮されている。硫酸アニオンが濃縮された排水は、多孔質体に保持された排水のうち一部３７として、多孔質体を通って容器の外側に流出している。
【００２３】
なお、図２は、本開示の燃料電池システムを限定する趣旨ではない。
【００２４】
原理によって限定されるものではないが、本開示の燃料電池システムによって、カソードガスの冷却を効率よく行いつつ、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる原理は、以下のとおりである。
【００２５】
燃料電池から排出される排水は、水以外にも、例えば燃料電池の劣化等によって、燃料電池の材料に由来するアニオン、例えば硫酸アニオン（ＳＯ４２−）、亜硫酸アニオン（ＨＳＯ３ー）、及び／又はスルホン酸アニオン（Ｒ−ＳＯ３−：ここで、Ｒは炭素骨格を表す。）等を含んでいる場合がある。
【００２６】
通常は、燃料電池の劣化は起こりにくく、排水に含まれうるこれらのアニオンはわずかであるため、排水のｐＨは、燃料電池システムの部材を腐食等よって劣化させるほどには低くない。
【００２７】
しかしながら、これらのアニオンが不揮発性であることから、圧縮されたカソードガスの冷却を排水の気化潜熱によって行う場合に、排水中の水が気化することにより、冷却装置内に蓄積されている排水中において、これらのアニオンの濃度が徐々に増加する。そのため、冷却装置の長期間の使用により、冷却装置内に蓄積されている排水のｐＨが徐々に低下して、冷却装置のうち排水と接している部分が腐食等によって劣化されやすくなる。
【００２８】
更には、冷却装置の部材のうち排水と接している部分において排水が気化する際に、当該部分の周辺において、これらのアニオンの濃度が局所的に増加して、当該部分の周辺のｐＨが低下する。加えて、当該部分において、排水が加熱される。これにより、当該部分が高温かつ低ｐＨ環境下となり、当該部分が腐食等によって劣化しやすくなる。
【００２９】
これに関して、本開示の燃料電池システムは、アニオン除去装置によって、排水中のこれらのアニオンの濃度を低減させることにより、燃料電池システムの部材の腐食等による劣化を抑制することができる。
【００３０】
本開示の燃料電池システムが有しているアニオン除去装置は、排水が供給される、容器又は配管と、容器又は配管の内側から外側に貫通し、かつ容器又は配管内に供給される排水と接するように配置されている、多孔質体と、多孔質体の内部に、アニオンを容器又は配管の内側から外側に向かわせる電界が発生するように配置されている、正極端子及び負極端子と、を有している。
【００３１】
そして、正極端子は、多孔質体の外側面に配置されており、多孔質体の毛細管力と、容器又は配管内に供給される排水の水圧とのバランスによって、排水が一時的に多孔質体に保持され、かつ多孔質体に保持された排水のうち一部が多孔質体を通って容器又は配管の外側に流出するように構成されている。なお、多孔質体の外側面とは、多孔質体の面のうち、容器又は配管の外側に露出している面を意味する。
【００３２】
多孔質体の毛細管力によって、多孔質体の内部には排水が保持されているため、正極端子及び負極端子の間に電圧をかけることにより生じる電界によって、排水中のアニオンが多孔質体の正極端子側に濃縮された状態になる。そして、多孔質体の正極端子側は、容器又は配管の外部とつながっており、アニオンが濃縮された排水が、排水が配管の外に流れ出る。これにより、容器又は配管の内部の排水のアニオンの濃度を低減させることができる。
【００３３】
《アニオン除去装置》
アニオン除去装置は、カソードガス冷却装置によってカソードガスを冷却する前の排水から、水酸化物アニオン以外のアニオンを少なくとも部分的に除去する装置である。
【００３４】
アニオン除去装置によって除去されるアニオンは、硫酸アニオン、亜硫酸アニオン、及びスルホン酸アニオンの少なくも一つを含有していることができる。より具体的には、アニオンは、燃料電池の排水中に含まれる、燃料電池材料由来のアニオン、例えば燃料電池の電解液等が劣化等して生成する硫酸アニオン、亜硫酸アニオン、及び／又はスルホン酸アニオンを含んでいることができる。
【００３５】
〈容器又は配管〉
アニオン除去装置の容器又は配管は、排水が供給されるように構成されている。したがって、アニオン除去装置が容器を有する場合には、容器は、例えば、燃料電池から排出される排水が供給されるように、流路によって燃料電池と接続されていることができる。また、アニオン除去装置が配管を有する場合には、配管は、例えば燃料電池からカソードガス冷却装置に排水を供給するための流路であってよい。
【００３６】
アニオン除去装置は、燃料電池システム内において、カソードガス冷却装置においてカソードガスの冷却に用いられる排水からアニオンを除去することができる任意の位置に配置されてよい。
【００３７】
例えば、アニオン除去装置は、燃料電池からカソードガス冷却装置に排水を供給するための流路の途中に設けられていることができる。この場合において、アニオン除去装置が配管を有している場合には、この配管は、燃料電池からカソードガス冷却装置に排水を供給するための流路であってよい。
【００３８】
また、アニオン除去装置の容器又は配管は、カソードガス冷却装置内に配置されていることができる。
【００３９】
容器又は配管の材料は特に限定されないが、例えば金属、より具体的にはアルミニウム、鉄、銅、ニッケル、チタン、並びにこれらの合金、又はステンレス鋼などであってよい。但し、容器又は配管を負極端子としても用いる場合、容器又は配管には、導電性を有する材料が用いられる。
【００４０】
〈多孔質体〉
多孔質体は、アニオン除去装置の容器又は配管の内側から外側に貫通し、かつ容器又は配管内に供給される排水と接するように配置されている。
【００４１】
多孔質体の材料、平均細孔径、並びに配置位置等の組み合わせは、多孔質体の毛細管力と、容器又は配管内に供給される排水の水圧とのバランスによって、排水が一時的に多孔質体に保持され、かつ多孔質体に保持された排水のうち一部が多孔質体を通って容器又は配管の外側に流出するように選択される。
【００４２】
一般的に、材料が同一であれば、平均細孔径が小さい程、毛細管力は大きくなる傾向にあると考えられる。また、一般的に、多孔質体の配置位置が液面に対して低いほど、多孔質体にかかる水圧は大きくなると考えられる。
【００４３】
多孔質体の材料、平均細孔径、並びに配置位置等の組み合わせは、例えば実験により求めることができる。
【００４４】
多孔質体の材料は、貫通孔を有する任意の多孔質材料を用いることができる。多孔質体としては、例えば、セラミックス又は金属の焼結体等の材料を用いることができる。
【００４５】
多孔質材料の平均細孔径は、５０μｍ以上、２００μｍ以下であってよい。多孔質材料の平均細孔径は、５０μｍ以上、７０μｍ以上、１００μｍ以上、又は１１０μｍ以上であってよく、２００μｍ以下、１８０μｍ以下、１５０μｍ以下、又は１２０μｍ以下であってよい。
【００４６】
多孔質材料の空隙率は、２０％以上、７０％以下であってよい。多孔質材料の空隙率は、２０％以上、３０％以上、４０％以上、又は５０％以上であってよく、７０％以下、６０％以下、５０％以下、又は４０％以下であってよい。
【００４７】
多孔質材料の厚さは特に限定されないが、例えば、１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であってよい。多孔質材料の厚さは、１ｍｍ以上、３ｍｍ以上、５ｍｍ以上、又は１０ｍｍ以上であってよく、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、又は５ｍｍ以下であってよい。
【００４８】
アニオン除去装置における多孔質体の位置は、アニオン除去装置の容器又は配管の内側から外側に貫通し、かつ容器又は配管内に供給される排水と接するように配置されており、多孔質体の毛細管力と、容器又は配管内に供給される排水の水圧とのバランスによって、排水が一時的に多孔質体に保持され、かつ多孔質体に保持された排水のうち一部が多孔質体を通って容器又は配管の外側に流出することができる位置であれば、特に限定されない。
【００４９】
アニオン除去装置における多孔質体の位置は、例えば、容器又は配管の側面又は底面であってよい。
【００５０】
多孔質体が容器又は配管の側面に位置している場合、容器又は配管の底面から所定の高さに多孔質体を配置することにより、容器又は配管の外部に流出することができる排水の量を制限して、容器又は配管の内部における排水の水面の高さを所定の範囲に維持することができる。これにより、例えば本開示の燃料電池システムを停止しても、容器又は配管内部における排水の量を一定量維持することができる。
【００５１】
特に、多孔質体は、容器又は配管に供給される排水の最低水面よりも高い位置に配置されていることが好ましい。
【００５２】
ここで、最低水面とは、カソードガスを所定の温度まで冷却するために必要な排水の量を容器又は配管が蓄えるための最低限の液面高さである。最低水面は、具体的には、本開示の燃料電池システムにおけるカソード冷却装置において、カソードガスを所定の温度まで冷却するために必要な最低限の排水の量と、容器又は配管の容積との関係により定めることができる。
【００５３】
なお、カソードガスを所定の温度まで冷却するために必要な最低限の排水の量は、実験的に求めてもよく、又は計算によって、例えば、カソードガスがカソード冷却装置に流入する際の平均温度と、カソード冷却装置によって低下するべき所定の温度と、カソードガスの流量等から求められる、冷却のために必要な熱エネルギーと、排水の単位量当たりの気化潜熱とから計算してもよい。
【００５４】
また、多孔質体が、容器又は配管の底面に配置されている場合には、排水の量が少ない場合であっても排水中からアニオンを除去することができる。
【００５５】
多孔質体が、容器又は配管の底面に配置されているアニオン除去装置としては、例えば、図３に示すような構成を挙げることができる。図３は、本開示の他の実施形態に従う燃料電池システムが有している、アニオン除去装置を示す模式図である。
【００５６】
図３に示すアニオン除去装置３０において、多孔質体３３は、図２に示すアニオン除去装置３０と異なり、容器３１の底面に配置されている。その他の構成は、図２と同様である。
【００５７】
なお、図３は、本開示の燃料電池システムを限定する趣旨ではない。
【００５８】
〈正極端子及び負極端子〉
正極端子及び負極端子は、アニオンを容器又は配管の内側から外側に向かわせる電界が多孔質体の内部に発生するように配置されている。
【００５９】
正極端子は、例えば、多孔質体の容器又は配管の外側面に配置されていることができる。
【００６０】
正極端子と多孔質体とは、接していても接していなくてもよい。正極端子と多孔質体とが接していない場合には、正極端子と多孔質体との間隔は、毛細管現象によって排水を正極端子と多孔質体との間に保持することができる間隔を有していてよい。このような間隔は、多孔質体に保持されている排水が多孔質体から染み出て、正極端子と多孔質体との間に保持されるように、正極端子と多孔質体との間の距離を調節することによって、容易に決定することができる。また、正極端子と多孔質体との間の距離は、上記の多孔質体の平均細孔径を決定するために用いた考え方と同様の観点から求めることができる。
【００６１】
正極端子と多孔質体との間の距離は、０．０１ｍｍ以上、１．００ｍｍ以下であってよい。正極端子と多孔質体との間の距離は、０．０１ｍｍ以上、０．０２ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以上、又は０．０７ｍｍ以上であってよく、１．００ｍｍ以下、０．８０ｍｍ以下、０．６０ｍｍ以下、又は０．４０ｍｍ以下であってよい。
【００６２】
また、負極端子は、正極端子及び負極端子の間に電圧を印加することによってアニオンを容器又は配管の内側から外側に向かわせる電界を発生させることができる任意の位置に配置されていてよい。負極端子は、容器又は配管自体であってよい。
【００６３】
《燃料電池》
本開示において、燃料電池は、水素を含有しているアノードガスと、酸素を含有しているカソードガスとを反応させて電気を得ることができる、任意の燃料電池に用いることができる。カソードガスは、例えば大気を燃料電池システムに取り込んで使用してもよい。なお、燃料電池は、複数の構成単位セルが互いに積層されている燃料電池積層体の形態であってよい。
【００６４】
《コンプレッサ》
コンプレッサは、燃料電池に供給するカソードガスを圧縮する装置である。コンプレッサは、カソードガスを圧縮することができる任意の装置であってよい。コンプレッサは、例えば、遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであってよい。
【００６５】
《カソードガス冷却装置》
カソードガス冷却装置は、コンプレッサによって圧縮されて燃料電池に供給される前のカソードガスを、排水の気化潜熱によって冷却する装置である。
【００６６】
カソードガス冷却装置は、排水を蒸発させたときの気化潜熱を利用して、高温のカソードガスを冷却することができるように構成されている。より具体的には、カソードガス冷却装置は、排水との熱交換によってカソードガスを冷却するように構成されていてよい。このような装置としては、例えば、蒸発器を挙げることができる。
【００６７】
カソードガス冷却装置は、排水の一部のみを気化させる構成を有していてよい。具体的には、カソードガス冷却装置は、カソードガスの冷却のために気化する以上の量の排水を、カソードガスの冷却に用いてもよい。
【００６８】
カソードガス冷却装置は、例えば、カソードガスが流入する第１内部流路と、排水が供給される第２内部流路と、を有し、第２内部流路を流れる排水の気化潜熱によって第１内部流路を流れるカソードガスを冷却する熱交換部を備え、第１内部流路及び第２内部流路は、第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路内に生じた水蒸気が第１内部流路に流入しないように、熱交換部の内部においてそれぞれ独立した流路とされる、構成を有していてよい。
【００６９】
なお、第１内部流路及び第２内部流路は、例えば配管であってよい。
【００７０】
カソードガス冷却装置の各部材の材料、特に、第１内部流路及び第２内部流路の材料としては、例えば金属材料、具体的には、アルミニウム、鉄、銅、ニッケル、及びこれらの合金、並びにステンレス鋼等を挙げることができるが、これらに限定されない。
【００７１】
アニオン除去装置の容器又は配管が、カソードガス冷却装置内に配置されている場合には、アニオン除去装置の容器又は配管は、第２内部流路の一部を構成していることができる。
【００７２】
アニオン除去装置の容器又は配管が、カソードガス冷却装置内に配置されている場合には、多孔質体が配置される位置は、カソードガス冷却装置の他の構成、例えば第１内部流路との位置関係を考慮して、例えば多孔質体を通って第２内部流路の外側に流出する排水が、第１内部流路に流入しないように構成されていることができる。
【００７３】
図４は、本開示の更に他の実施形態に従う燃料電池システムが有している、カソードガス冷却装置の熱交換部を示す模式図である。
【００７４】
図４に示す熱交換部４１は、隔壁４７によって仕切られた第１内部流路４３と、第２内部流路４５と、を有しており、第１内部流路４３を流れるカソードガスの熱を、隔壁４７を介して第２内部流路内の排水に伝えることができるようになっている。
【００７５】
また、また第１内部流路４３及び第２内部流路４５は、第１内部流路４３を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路４５内に生じた水蒸気が、第１内部流路４３に流入しないように、それぞれが独立した流路となっている。すなわち、第２内部流路４５内に生じた水蒸気が、熱交換部４１の内部でカソードガスの加湿に使用されることなく、第２内部流路４５から熱交換部４１の外部に排出されるようになっている。
【００７６】
なお、図４において、矢印６０ａは、加熱されたカソードガスの流れを、矢印６０ｂは、熱交換部４１によって冷却されたカソードガスの流れを、矢印７０は、排水が気化したことにより生じた水蒸気の流れを、それぞれ示している。
【００７７】
また、図４に示す熱交換部４１の第２内部流路４５は、アニオン除去装置の配管を兼ねている。第２内部流路４５の底部には、第２内部流路４５の内側から外側に貫通し、かつ第２内部流路４５内に供給される排水と接するように配置されている、多孔質体３３と、多孔質体３３の内部にアニオンを容器３１の内側から外側に向かわせる電界が発生するように配置されている、正極端子３４が配置されている。
【００７８】
ここで、第２内部流路４５は導電性を有しており、負極端子を兼ねている。また、正極端子３４及び第２内部流路４５は、外部の電源３６に接続されている。
【００７９】
図４では、第２内部流路４５内には排水が供給されており、多孔質体３３内に排水が保持されている。そして、正極端子３４及び第２内部流路４５の間に電圧が印加されており、それによって、多孔質体３３の内部にアニオンを第２内部流路４５の内側から外側に向かわせる電界が発生している。
【００８０】
そして、この電界によって、排水中のアニオンの一種である硫酸アニオンが、多孔質体３３内に移動して濃縮されている。硫酸アニオンが濃縮された排水は、多孔質体に保持された排水のうち一部３７として、多孔質体３３を通って第２内部流路４５の外側に流出している。
【００８１】
なお、図４は、本開示の燃料電池システムを限定する趣旨ではない。
【実施例】
【００８２】
《実施例１》
〈アニオン除去装置の作製〉
液面高さが１５０ｍｍのステンレス鋼製の容器の下部に、容器の内側から外側に貫通するように多孔質体を設けた。なお、多孔質体として、孔径１００μｍ、空隙率４９％、高さ２０ｍｍ、幅５０ｍｍ、かつ厚み３ｍｍの多孔質体セラミックスを用いた。
【００８３】
多孔質体の、容器の外側の面に、１ｍｍの間隔をあけて、多孔質体に平行になるようにして、チタン板（高さ２５ｍｍかつ幅６０ｍｍ）を設けた。
【００８４】
最後に、チタン板を正極端子とし、ステンレス鋼製の容器を負極端子として、それぞれ導線で外部電源に接続して、実験的なアニオン除去装置を作製した。
【００８５】
〈アニオンの除去〉
上記によって製造したアニオン除去装置の容器内に、硫酸アニオン（ＳＯ４２−）の濃度が５００ｐｐｍである硫酸水溶液を入れた。このとき、多孔質体の内部及び多孔質体とチタン板との間に硫酸水溶液が保持されていた。
【００８６】
アニオン除去装置に、外部電源によって２Ｖの電圧を印加して、硫酸アニオンの濃度の時間による変化を１５分間測定した。
【００８７】
〈結果〉
図５は、実施例１の試験における、時間と硫酸アニオンの濃度との関係を示すグラフである。図５に示すように、硫酸アニオンの濃度は、電圧の印加を開始してから３分後には約２００ｐｐｍに、５分後には約１５０ｐｐｍに、１０分後には約１００ｐｐｍに、かつ１５分後には約３０ｐｐｍに、低下した。
【００８８】
すなわち、上記のアニオン除去装置によって、硫酸水溶液中の硫酸アニオンの濃度を低下させることができた。
【００８９】
《参考例１〜３》
以下のようにして、硫酸アニオンの濃度と金属の腐食との関係を調べた。
【００９０】
〈参考例１〉
ステンレス鋼の板（２０ｍｍ×２５ｍｍ）を粒度８００の研磨紙で湿式研磨し、蒸留水及びアセトンで超音波洗浄した。その後、被覆銅線をこの板に半田付けし、測定面積約１ｃｍ２を残してその他の部分をシリコン樹脂で被覆して、試験片を調製した。
【００９１】
試験片を、硫酸アニオン（ＳＯ４２−）の濃度が５００ｐｐｍである硫酸水溶液に浸漬し、アノード分極測定法により、試験片の腐食速度を測定した。
【００９２】
具体的には、試験片を硫酸水溶液に浸漬して、−０．７Ｖ  ｖｓ  ＳＣＥで１０分間カソード処理を行い、その後、腐食電位（自然電位）から電位掃引速度２０ｍＶ／ｍｉｎの動電位法で、電位が１．１Ｖ  ｖｓ  ＳＣＥに達するまでアノード分極線を測定した。
【００９３】
〈参考例２及び３〉
硫酸水溶液の硫酸アニオンの濃度を、それぞれ２００ｐｐｍ及び３０ｐｐｍとしたことを除いて、参考例１と同様にして試験片の腐食速度を測定した。
【００９４】
〈結果〉
参考例１〜３の測定結果を、以下の表１にまとめた。
【００９５】
【表１】
2020145041.tif 000003
【００９６】
表１に示すように、硫酸水溶液の硫酸アニオンの濃度が小さいほど、試験片の腐食速度は小さかった。
【符号の説明】
【００９７】
１０    燃料電池
２０    コンプレッサ
３０    アニオン除去装置
３１    配管
３２    配管内部
３３    多孔質体
３４    正極端子
３５    排水
３６    電源
３７    アニオンが濃縮された液体
４０    カソードガス冷却装置
４１    熱交換部
４３    第１内部流路
４５    第２内部流路
４７    隔壁
１００    燃料電池システム
【図１】
2020145041.tif 000004
【図２】
2020145041.tif 000005
【図３】
2020145041.tif 000006
【図４】
2020145041.tif 000007
【図５】
2020145041.tif 000008