(57)【要約】 【課題】  燃料電池内のフィルタについて、凍結等の目詰まりが発生した場合にも、反応ガスの流れを可能な限り維持する。【解決手段】燃料電池１と、前記燃料電池の反応ガス通路４と、前記反応ガス通路４上に設けられた異物を除去するフィルタ７と、前記フィルタ７の反応ガスの流れに対する上流側と下流側とを連通するバイパス通路１０と、を備え、前記バイパス通路１０の圧損が前記フィルタ７の圧損より大きくなるように設定されていることを特徴する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の反応ガス通路と、
前記反応ガス通路上に設けられた異物を除去するフィルタと、
前記フィルタの反応ガスの流れに対する上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、を備え、
前記バイパス通路の圧損が前記フィルタの圧損より大きくなるように設定されていることを特徴する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパス通路の入口部は重力方向に対して前記フィルタより高い位置に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記フィルタを通過した反応ガスと前記バイパス通路を通過した反応ガスが合流する合流通路部と、
前記反応ガスと混合される被混合ガスを前記合流通路部に導入する被混合ガス導入通路とをさらに備え、
前記被混合ガス導入通路は、管状をなしており、その管外面が前記合流通路部の内面空間に収容されて二重構造をなし、
前記合流通路部を流れる反応ガスが前記被混合ガス通路外面に接触して流れ、前記被混合ガス導入通路末端で被混合ガスと混合される燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記フィルタは編み目状をなす複数の開口を含み、前記バイパス通路が最も細くなる部分での断面積は、前記複数の開口のそれぞれよりも大きい燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素極に供給される燃料ガスである水素と酸素極に供給される酸化剤に含まれる酸素とを反応させて発電する。この水素極に供給された水素は、すべてが完全に反応に使用されるとは限らず、一部は、水素極側の排出口からオフガスとともに排出される。そのため、燃料電池の中には、水素極側の排出口から排出される水素を再利用するために、排出されたオフガスを水素極に環流する水素環流通路を有するものがある。
【０００３】
このような形式の燃料電池では、水素環流通路上にオフガスに含まれる異物が燃料電池内の弁にかみ込まれるような不具合を低減するためフィルタを設けている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０３５０５号公報
【特許文献２】特表平８−５０７４０５号公報
【特許文献３】特表２００２−５０５５０７号公報
【特許文献４】特開２００２−３１３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、フィルタは、除去すべき異物の寸法に応じた細かさの多数の開口（いわゆるフィルタの目）を有している。一方、燃料電池のオフガスには生成水等に起因する水分が含まれることが多い。そのため、フィルタ内で水分が凍結するとオフガスの流れが遮断される事態となる。そうなると水素ポンプが機能しなくなるため、燃料電池の性能が低下するおそれがある。
【０００５】
さらに、水素を供給する主流は、水素タンクから流出する時点で、高圧状態から低圧状態になることで、外気温より温度が低下する。このため、冬場などでは、主流が水素環流通路を通る循環流と混合する過程で、循環流に含まれる生成水を凍結させる原因の１つとなり、その結果として、水素環流通路を閉塞させる可能性がある。いずれにしても、燃料電池の性能が低下することとなり、場合によっては、主流まで閉塞となると、燃料電池の停止につながるおそれがある。
【０００６】
このような問題を回避するため、例えば、フィルタをバイパスするようにオフガスの通路を切り替える切替弁を設けたとしても、フィルタが凍結するような状態では、切替弁そのものが凍結するおそれがある。また、燃料電池では、環流通路以外でも各種フィルタが使用され、それらのフィルタは凍結以外の様々な原因でも目詰まりを生じる場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、オフガスに限定されず、燃料電池内を流れる各種の反応ガスから異物を除去する各種のフィルタについて、凍結等の目詰まりが発生した場合にも、反応ガスの流れを可能な限り維持する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の反応ガス通路と、前記反応ガス通路上に設けられた異物を除去するフィルタと、前記フィルタの反応ガスの流れに対する上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、を備え、前記バイパス通路の圧損が前記フィルタの圧損より大きくなるように設定されていることを特徴する燃料電池システムである。
【０００９】
本燃料電池システムによれば、バイパス通路の圧損が前記フィルタの圧損より大きくなるように設定されているので、通常状態では、反応ガスはバイパス通路よりもフィルタを多く通過する。しかし、フィルタに目詰まりを生じ、フィルタの圧損が上昇し、あるいは、反応ガスがフィルタを透過できなくなった場合でも、反応ガスはバイパス通路を通過できるので、反応ガスの流れを遮断してしまうことがない。
【００１０】
好ましくは、前記燃料電池システムにおいて、前記バイパス通路の入口部は重力方向に対して前記フィルタより高い位置に設けるようにしてもよい。本燃料電池システムによれば、バイパス通路の入口部がフィルタ入口面に対して上方の位置に設けられているので、反応ガスに含まれる水分は、下方向のフィルタの入口面に向かって移動しやすく、バイパス通路には、水分等が侵入しにくくフィルタ部分よりも凍結する確率を低減できる。
【００１１】
好ましくは、前記燃料電池システムにおいて、前記フィルタを通過した反応ガスと前記バイパス通路を通過した反応ガスが合流する合流通路部と、前記反応ガスと混合される被混合ガスを前記合流通路部に導入する被混合ガス導入通路とをさらに備え、前記被混合ガス導入通路は、管状をなしており、その管外面が前記合流通路部の内面空間に収容されて二重構造をなし、前記合流通路部を流れる反応ガスが前記被混合ガス通路外面に接触して流れ、前記被混合ガス導入通路末端で被混合ガスと混合されるようにしてもよい。
【００１２】
本燃料電池システムによれば、前記合流通路を流れる反応ガスが前記被混合ガス通路外面に接触して流れ、前記被混合ガス導入通路末端で被混合ガスと混合されるので、被混合ガスが反応ガスよりも低温であっても、被混合ガス導入通路内の被混合ガスは、反応ガスによって暖められる。したがって、被混合ガスが低温であっても、反応ガスとの混合時に合流通路が凍結する可能性を低減できる。
【００１３】
好ましくは、前記燃料電池システムにおいて、前記フィルタは編み目状をなす複数の開口を含み、前記バイパス通路が最も細くなる部分での断面積は、前記複数の開口のそれぞれよりも大きくすることが望ましい。すなわち、フィルタの複数の開口は、除去すべき異物に対応した寸法で構成され、開口の数は必要な透過量に対応する圧損から決定される。一方、バイパス通路が最も細くなる部分での断面積は、凍結等の目詰まりがない状態でその圧損が前記フィルタの圧損よりもはるかに大きな値となり、かつ、フィルタの複数の開口のそれぞれよりも大きな寸法になるように設定される。その結果、目詰まりのない状態では、反応ガスはフィルタ通過する。また、フィルタが凍結したような場合でも、バイパス通路が凍結する可能性は少なく、反応ガスはバイパス通路を通過できる。なお、以上説明した構成は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池内で使用される各種のフィルタについて、凍結等の目詰まりが発生した場合にも、反応ガスの流れを可能な限り維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１６】
図１は、本燃料電池システムのシステム構成図である。図１のように、この燃料電池システムは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１に燃料ガスを供給する燃料ガスタンク２２と、燃料ガスタンク２２から燃料電池本体１に供給される燃料ガスが通過する主流配管５と、燃料電池本体１から排出されるオフガスが通過する排出ガス配管２と、排出ガス配管２の下流側を遮断するシャット弁２１と、排出ガス配管２内に滞留するオフガスを主流配管５側に環流する水素ポンプ３と、水素ポンプ３によって環流されるオフガス、すなわち、環流ガスが流れる環流ガス用配管４（本発明の反応ガス通路に相当）と、水素ポンプ３の排出側で主流配管５と環流ガス用配管４とを合流させる合流ブロック部８と、合流ブロック部８で合流される燃料ガスおよび環流ガスの混合ガスを燃料電池本体１に導入する合流配管６を備えている。
【００１７】
なお、燃料電池本体１には、燃料ガスの外、空気等の酸化剤ガスが酸化剤ガス通路２３を通じて供給され、酸化剤ガス排出通路２４を通じて排出される。本実施形態では、酸化剤ガスを供給し排出する酸化剤ガス系の構成および作用については説明を省略する。
【００１８】
この燃料電池では、燃料ガスは、燃料タンク２２から主流配管５および合流配管６を通って燃料電池本体１の水素極に導入される。燃料ガスは例えば水素である。また、燃料電池本体１で燃料ガスが反応した後に排出されるオフガスは、排出ガス配管２に排出される。図１のように、本燃料電池では、オフガスは、排出ガス配管２内に滞留しており、末端のシャット弁２１の開弁時に大気中に排出される。
【００１９】
図２に、水素ポンプ３および合流ブロック８に関連する各種ガス通路の構成を示す。水素ポンプ３は、排出ガス配管２内に滞留するオフガスを強制的に吸引し、下流側の合流ブロック８内に放出する。合流ブロック８は、水素ポンプ３から排出されるオフガス内の異物を除去した後、オフガスと主流配管５からの燃料ガスとを混合する。燃料ガスと混合されたオフガスは、合流配管６を通って再度燃料電池本体１の水素極側に供給される。水素極内では、燃料ガスは、例えば、２つのマニホールド６Ａ、６Ｂに分岐して、燃料電池本体１を構成する燃料電池スタックの水素極セパレータに供給される。
【００２０】
なお、水素ポンプ３の排出側には通常逆止弁を設け、主流配管５から排出ガス配管２への燃料ガスの流出を防止するが、図１では省略されている。
図３に、合流ブロック８を通過する環流ガスの流れに沿った合流ブロック８の断面図を示す。また、図４に、図３のＣ矢印方向から見た合流ブロック８の正面図を示す。
【００２１】
この合流ブロック８は、水素ポンプ接続部３Ａと、水素ポンプ接続部３Ａから導入された環流ガスが通過するフィルタ７と、フィルタ７を通過した反応ガスが通過するフィルタ７の鉛直下方の空洞部９Ａおよび主環流通路９と、フィルタ７および主環流通路９を迂回するバイパス通路１０と、主環流通路９およびバイパス通路１０が合流する合流室１２（本発明の合流通路部に相当）と、主流配管５に接続され、主流配管５からの燃料ガスを合流室１２に導入する主流導入ポート１１（本発明の被混合ガス導入通路に相当）と、合流室１２で混合された環流ガスおよび燃料ガスを混合配管６に導入する出口６Ａとを有している。
【００２２】
フィルタ７は、例えば、６００平方ミリメートル程度の寸法に縦横に各々３００本程度の繊維を編んで構成される網状の部材であり、５０パーセント程度の開口率を有する。本実施形態では、フィルタ７のメッシュ寸法は、数十ミクロン角程度で構成される。また、フィルタ７の鉛直下方には、空洞部９Ａが形成されている。
【００２３】
合流室１２は、合流ブロック８内の主環流通路９またはバイパス通路１０を通る環流ガ
スと、主流導入ポート１１を通る燃料ガスを混合する。図４に示すように、合流室１２には、バイパス通路１０、主流導入ポート１１および主環流通路９が出口６Ａと略平行な方向に開口している。鉛直方向（図４の上下方向）では、バイパス通路１０が最上部にあり、主流導入ポート１１が概ね中央に位置し、主環流通路９が下部に位置する。
【００２４】
図３の合流ブロック８では、図面左方からＡ矢印に沿って水素ポンプ３により吸引排気された環流ガスが導入される。環流ガスは、水分および各種異物を含んでおり、鉛直下方向のフィルタ７の上面に入射する。この場合、フィルタ７は、そのメッシュ寸法程度の異物を有効に除去するともに、５０パーセントの開口率に応じた圧損で環流ガスを通過させる。ここで、除去される異物は、例えば、各種配管内面から脱落した金属の微粒子、燃料電池本体１内の高分子膜の破片、電極を構成する炭素の破片等であると考えられる。
【００２５】
上述のように、本実施形態では、フィルタ７の開口率は、５０パーセント程度であるので、実効的には、３００平方ミリメートル程度の開口と同程度の圧損を生じることになる。図３の構造から明らかなように、水素ポンプ３から排出された環流ガスは、バイパス通路１０に向かっても流れる。
【００２６】
このバイパス通路１０内にオリフィス１２が設けられている。図５に図３のＢ円で示されるオリフィス１２部分の拡大図を示す。図５のように、オリフィス１２は、環状のワッシャ形状であり、バイパス通路１０の圧損を所定値に設定している。本実施形態は、環状部の内側の開口部分は、直径２ミリメートル程度の円（あるいは、２ミリメートル角の矩形）であり、開口面積は、概ね４平方ミリメートル程度である。したがって、メッシュ７を通過する場合と比較して、バイパス通路１０を通過する場合の環流ガスの圧損が概ね１００倍程度となり、通常状態では、大半の環流ガスは、バイパス通路１０を通らず、メッシュ７を通ることになる。
【００２７】
フィルタ７を通過し、異物を除去された環流ガスは、空洞部９Ａおよび主環流通路９を通って合流室１２に達する。合流室１２内には、主流導入ポート１１の外面が露出しているので、環流ガスは、主流導入ポート１１の外面に沿って出口６Ａ方向に流れていく。
【００２８】
すなわち、主流導入ポート１１は、合流室１２内で管路を形成し、合流室１２とともに二重構造をなしている。主流導入ポート１１内の通路には、主流配管５からの燃料ガスが流れる。この構造により、燃料ガスは、環流ガスとは分離された状態で主流導入ポート１１内の通路を通り、合流室１２から合流配管６に通じる出口６Ａ付近で環流ガスに合流する。出口６Ａ付近で合流した環流ガスと燃料ガスは、合流配管６に流入する。
【００２９】
このように、通常状態では、フィルタ７によって異物を除去された環流ガスと燃料タンク２２からの燃料ガスは、合流ブロック８で混合され、燃料電池本体１のマニホールド６Ａ、６Ｂに導入される。
【００３０】
一般的に、燃料ガスは、燃料タンク２２から噴射される際の膨張により、低温になっている。しかし、環流ガスが、主流導入ポート１１の外面に沿って出口６Ａ方向に流れるため、主流導入ポート１１および主流導入ポート１１を流れる燃料ガスが環流ガスにより暖められる。その結果、主流導入ポート１１の末端付近では、燃料ガスが十分に暖められた状態にあり、環流ガスと燃料ガスの混合する出口６Ａ付近が、燃料ガスによって凍結される可能性を低減できる。
【００３１】
また、図３のように、主流導入ポート１１が混合室１２内の中央付近を通り、出口６Ａに向かうので、環流ガスが主流導入ポート１１に流れ込む可能性が少ない。また、燃料ガスの出口６Ａ方向への流れによって環流ガスを吸い上げる効果（負圧）が発生する。その
結果、環流ガスは、水素ポンプ３の吐出による効果と、燃料ガスによる負圧を受けて合流配管６から排出され、混合室１２内の凍結をさらに低減できる。
【００３２】
なお、主流導入ポート１１は、図３の下側から接続される主流配管５と図３の右方向に向かう出口６Ａとを接続する、滑らかに湾曲したＲ形状の通路を有する。このため、圧損の増加を低減した上で燃料タンク２２からの燃料ガスを合流室１２に導入できる。
【００３３】
ところで、低温下では、環流ガスに含まれる水分がフィルタ７のメッシュ上で凍結する場合も想定される。その場合には、フィルタ７の圧損が急速に増大する。図３のＡ矢印で示される環流ガスの流れは、フィルタ７の圧損増加に伴い、次第にバイパス通路１０を通過するようになる。
【００３４】
フィルタ７に環流ガスが侵入する際のフィルタ７の入口面は概ね水平方向に形成され、環流ガスは入口面（フィルタ７の上面）の上側からフィルタ７を透過する。バイパス通路１０は、フィルタ７の上面に対して上方の位置に開口１０Ａ（本発明のバイパス通路の入口部に相当）を有している。そのため、環流ガスに含まれる水分がフィルタ７の上面に堆積しても、開口１０Ａおよびオリフィス１２は、凍結しにくい。
【００３５】
したがって、凍結により環流ガスがフィルタ７を通過できなくなった場合でも、環流ガスは、バイパス通路１０を通って合流室１２に達することができる。すなわち、環流ガスがフィルタ７を通過できなくなった場合でもバイパス通路１０により環流ガスの流れを維持できる。
【００３６】
《変形例》
上記実施形態では、フィルタ７に対するバイパス通路１０を有する混合ブロック８を設けることでフィルタ７が凍結した場合でも、環流ガスの流れを維持できる燃料電池システムについて説明した。以下、そのような混合ブロック８の変形例を説明する。
【００３７】
図６に、主流配管５および主流導入ポート１１を環流ガスの流れに沿って設けた混合ブロック８Ａの例を示す。すなわち、図６の場合も、混合ブロック８Ａは、水素ポンプ接続部３Ａの部分で水素ポンプ３に接続されており、フィルタ７に凍結がない状態ではＡ矢印に沿ってから環流ガスが流れる。さらに、環流ガスは、図３の場合と同様、フィルタ７の鉛直下方の空洞部９Ａおよび主環流通路９を通って合流室１２に達する。
【００３８】
ただし、図６の例では、主環流通路９の内径は、主流導入ポート１１の外形よりも大きい。したがって、主環流通路９は、その内部に主流導入ポート１１を収容できるだけの断面積を有している。
【００３９】
合流室１２から左方に延びる主流導入ポート１１は、主環流通路９内で二重の配管構造を構成している。主流導入ポート１１は、途中で主流配管５に接続され、主流配管５は、フィルタ７の鉛直下方の空洞部９Ａを通って燃料タンク２２方向に延びている。
【００４０】
この構成では、図３の場合と比較して、主流配管５および主流導入ポート１１の外面がさらに長い範囲に渡って環流ガスと接触することになる。その結果、水素タンク２２より排出された低温の燃料ガスはさらに暖められ、主流導入ポート１１から排出された燃料ガスによって出口６Ａ付近が凍結される可能性をさらに低減できる。
【００４１】
図７に、混合室１２を燃料電池本体１に直結した混合ブロック８Ｂの例を示す。この例では、混合ブロック８Ｂの混合室１２は、分岐部１３により直接燃料電池本体１のマニホールド６Ａおよび６Ｂに接続されている。他の構成部分は、図３の場合と同様であるので
、同様の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
図７では、混合ブロック８Ｂに分岐部１３を一体で組み付けるため混合室１２から排出される混合ガスの流れがスムーズとなり、圧損が小さくなる。また、混合ブロック８Ｂに分岐部１３を一体で組み付けるため、製作が容易になる。
【００４３】
図８に、フィルタ７に替えて丸形のプリーツ状のフィルタ７Ａを使用する例を示す。他の構成部分は、図３の場合と同様であるので、同様の符号を付してその説明を省略する。
フィルタ７Ａは、主環流通路９に設けられ、主環流通路９の内壁に接する円筒状のかごである。フィルタ７Ａは、環流ガスの流れに対して上流側端部に開口を有し、下流側端部は底部を構成している。フィルタ７Ａの円筒面および底部は、メッシュで構成されている。このような、丸形のプリーツ状のフィルタ７Ａを有する燃料電池システムにおいても、バイパス通路１０を設けることで、フィルタ７Ａが凍結した場合でも、環流ガスの流れを確保できる。
【００４４】
上記実施形態では、水素を環流する環流ガス用配管４に設けたフィルタの目詰まりが発生した場合に環流ガスの流れを維持する燃料電池システムの例を説明した。しかし、本発明の実施は水素の環流経路に限定されるものではなく、酸素供給通路２３、酸素排出経路２４、排出ガス配管２その他様々な通路（本発明の反応ガス通路に相当）にフィルタが設けられる場合に、そのフィルタの目詰まり発生時に、フィルタを通過していたガスの流れの遮断を極力維持する技術として適用できる。
【００４５】
また、上記実施形態では、フィルタ７の目詰まりの原因として主として凍結による場合を想定した。しかし、本発明は、凍結に限られず、様々な原因でフィルタ７が目詰まりを生じた場合に、フィルタを通過していたガスの流れの遮断を極力維持する技術として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】水素ポンプおよび合流ブロックに関連する各種ガス通路の構成を示す図である。
【図３】環流ガスの流れに沿った合流ブロックの断面図である。
【図４】図３のＣ矢印方向から見た合流ブロックの正面図である。
【図５】図３のＢ円で示されるオリフィス部分の拡大図である。
【図６】主流配管および主流導入ポートを環流ガスの流れに沿って設けた混合ブロックの変形例を示す図である。
【図７】混合室を燃料電池本体に直結した混合ブロックの変形例を示す図ある。
【図８】丸形のプリーツ状のフィルタを使用する変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    燃料電池本体
２    排出ガス配管
３    水素ポンプ
４    環流ガス用配管
５    主流配管
６    合流配管
７    フィルタ
８    混合ブロック
９    主環流通路
１０    バイパス通路
１１    主流導入ポート
１２    合流室
２１    シャット弁
２２    燃料タンク
【図１】
2006107848.tif 000003
【図２】
2006107848.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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