(57)【要約】【目的】燃料電池システムにおいて、ガス排出管の形状変更だけで、気体と液体との性質の違いを利用して気液分離を可能とし、従来の気液分離器を不要とし、省スペース化を図り、スペース上有利とし、システムをコンパクト化し、また、部品点数を低減し、廉価とすることにある。【構成】水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池を設け、この燃料電池から排出される排ガスを導くガス排出管を設けた燃料電池システムにおいて、ガス排出管には気液分離機能を備えた湾曲部が形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池を設け、この燃料電池から排出される排ガスを導くガス排出管を設けた燃料電池システムにおいて、前記ガス排出管には気液分離機能を備えた湾曲部が形成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記湾曲部の外側には、排ガス中に含有した水分を捕集する捕集部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記湾曲部の前記捕集部と接する部位には、排ガス中に含有した水分を通過させる多数の微細孔からなるメッシュ部が形成されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記捕集部の下部には、捕集した水分を外部に排出するドレン弁を設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池から排出される排ガス中に含有した水分を除去する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極（水素極）とカソード側電極（空気極）とを対向して配置した燃料電池セルを備えている。そして、この燃料電池から排出される排ガス中には、アノード側排ガス、カソード側排ガスを問わず、水分が含まれている。排ガスは、燃料電池から排出された直後では、燃料電池の温度と略同じ温度であるものの、ガス排出管内を移動して行く過程で冷却が進み、排ガス中の水蒸気成分が液状の水へと変化して行くので、ガス排出管中の液状の水が蓄積してガス排出管を閉塞すると、ガス排出管中の圧力変動を起こして、燃料電池の作動に悪影響（出力低下等）を及ぼす場合がある。
【０００３】
また、アノード側排ガスに未反応水素が含有し、この未反応水素を、有効利用するために、再び燃料電池に還流するときに、アノード側排ガス中に液状の水が存在すると、この液状の水が排ガスに比べて密度が大きく且つ重量が大きいので、循環用ポンプへの負担（消費電力）が大きくなり、システムの効率が低下し、また、水が滞積してガス排出管を閉塞した場合には、循環用ポンプへの負担がさらに大きくなり、システムの効率が一層低下する。
【０００４】
このため、図７に示す如く、燃料電池システム１０２において、燃料電池１０４の燃料電池セル１０６のアノード側電極１０８にアノード側供給管１１０を接続して第１供給源（タンク）１１２からの水素を供給し、このアノード側供給管１１０途中に循環用ポンプ又は流量制御装置等の第１流量制御部１１４を設け、また、燃料電池セル１０６のアノード側電極１０８にアノード側ガス排出管１１６を接続して燃料電池１０４からのアノード側排ガスを導き、このアノード側ガス排出管１１６途中に第１気液分離器１１８と第１背圧弁１２０とを順次に設け、一方、燃料電池セル１０６のカソード側電極１２２には、カソード側供給管１２４を接続して第２供給源（タンク）１２６からの酸素又は空気を供給し、このカソード側供給管１２４途中に循環用ポンプ又は流量制御装置等の第２流量制御部１２８を設け、また、燃料電池セル１０６のカソード側電極１２２にカソード側ガス排出管１３０を接続して燃料電池セル１０６からのカソード排ガスを導き、このカソード側ガス排出管１３０途中に第２気液分離器１３２と第２背圧弁１３４とを順次に設け、また、アノード側電極１０８とカソード側電極１２２とに電気線１３６−１、１３６−２を介して電気モータ等の外部負荷１３８を設けたものがある。
【０００５】
図８に示す如く、この燃料電池システム１０２において、例えば、第１気液分離器１１８と第１背圧弁１２０間のアノード側ガス排出管１１６には、第１供給源１１２と第１流量制御部１１４間のアノード側供給管１１０に連通する還流管１４０を接続し、アノード側排ガスに含有した未反応水素を、再び燃料電池に還流して有効利用を図っている。
【０００６】
また、燃料電池システムとしては、燃料電池からの未使用水素ガスを排出する未使用水素排出ラインに、未使用水素ガス中の水蒸気を凝縮水として気液分離する気液分離器を設け、凝縮水が加湿水供給系のメイン水タンクに回収するものがある（例えば、特許文献１）。また、燃料電池システムには、加湿用の水分を供給する水タンクと、この加湿された水素ガスが供給される燃料電池と、この燃料電池から排出される排気成分をガスと水分とに分離するとともに分離された水分を水タンクに戻すための第１、第２気液分離器を設けたものがある（例えば、特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−３５７５２９号公報（第３〜５頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−１７４３８号公報（第２、３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来、燃料電池システムにおいて、図７、８の燃料電池システムや上記の各特許文献に記載のように、ガス排出管途中に気液分離器を別途に設けた場合に、この気液分離器のための特別な設置スペースを確保する必要があり、このため、スペース上不利になるとともに、システムの大型化を招き、また、部品点数が増加し、高価になるという不都合があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明は、上述の不都合を除去すべく、水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池を設け、この燃料電池から排出される排ガスを導くガス排出管を設けた燃料電池システムにおいて、前記ガス排出管には気液分離機能を備えた湾曲部が形成されたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明は、燃料電池から排出される排ガスを導くガス排出管には、気液分離機能を備えた湾曲部が形成されているので、ガス排出管の形状変更だけで、気体と液体との性質の違いを利用して気液分離を可能とすることから、従来の気液分離器を不要とし、省スペース化を図り、スペース上有利とし、システムをコンパクト化し、また、部品点数を低減し、廉価とすることができる。
【００１１】
【実施例】
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。図１〜３は、この発明の第１実施例を示すものである。図２において、２は燃料電池システムである。この燃料電池システム２は、水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池４を備えている。この燃料電池４の燃料電池セル６には、アノード側電極（水素極）８とカソード側電極（空気極）１０とが設けられている。このアノード側電極（水素極）８とカソード側電極（空気極）１０とには、電気線１２−１、１２−２を介して電気モータ等の外部負荷１４が接続している。
【００１２】
アノード側電極８には、アノード側供給管１６の一端側が接続している。このアノード側供給管１６には、他端側に水素の第１供給源（タンク）１８が接続しているとともに、途中に循環用ポンプ又は流量制御装置等の第１流量制御部２０が設けられている。
【００１３】
また、カソード側電極１０には、カソード側供給管２２の一端側が接続している。このカソード側供給管２２には、他端側に酸素又は空気の第２供給源（タンク）２４が接続しているとともに、途中に循環用ポンプ又は流量制御装置等の第２流量制御部２６が設けられている。
【００１４】
アノード側電極８には、燃料電池４から排出される排ガスを導くアノード側ガス排出管２８の一端側が接続している。このアノード側ガス排出管２８の他端側には、第１背圧弁３０が設けられている。
【００１５】
このアノード側ガス排出管２８は、燃料電池４側で第１高さＨ１位置で水平方向に指向して形成された電池側水平部３２と、この電池側水平部３２に連設して下方に向かって折曲形成された鉛直部３４と、この鉛直部３４に連設して半径Ｒ１に湾曲形成された湾曲部３６と、この湾曲部３６に連設して前記第１高さＨ１よりも距離Ｄだけ下方位置の第２高さＨ２で水平方向に指向した端側水平部３８とから形成されている。
【００１６】
前記湾曲部３６は、鉛直部３４と端側水平部３８と共働してＬ字形状に形成され、気体と液体との性質の違いを利用して気液分離を可能とする第１の気液分離機構４０−１を構成するものである。
【００１７】
この第１の気液分離機構４０−１においては、湾曲部３６の外側には、排ガス中に含有した水分を捕集するように、所定容積の捕集空間４２を形成する捕集容器４４を備えた捕集部４６が設けられている。
【００１８】
また、湾曲部３６の捕集部４６と接する部位（図１において湾曲部３６の下側管部）には、排ガス中に含有した水分を通過させる多数の微細孔からなる網状のメッシュ部（金網状）４８（図１の破線で示す）が形成されている。このメッシュ部４８は、例えば、１０〜５０メッシュ程度に形成されている。
【００１９】
更に、捕集部４６の捕集容器４４の下部には、捕集した液状の水分を外部に導くドレン管５０が接続されている、このドレン管５０には、捕集した水分を外部に排出するドレン弁５２が設けられている。
【００２０】
一方、カソード側電極１０には、燃料電池４から排出される排ガスを導くカソード側ガス排出管５４の一端側が接続している。カソード側ガス排出管５４の他端側には、第２背圧弁５６が設けられている。
【００２１】
このカソード側ガス排出管５４の途中には、前記第１の気液分離機構４０−１と同様に、第２の気液分離機構４０−２が設けられている。この第２の気液分離機構４０−２は、第１の気液分離機構４０−１と同様に構成されているので、ここでは、その説明を省略する。
【００２２】
次に、この第１実施例の作用を説明する。
【００２３】
アノード側排ガス側の第１の気液分離機構４０−１を例にして説明すると、燃料電池４から排出された気体や水蒸気からなるアノード側排ガスは、アノード側ガス排出管２８の電池側水平部３２に導かれ、そして、、鉛直管部３４から湾曲部３６に至ると、気体は、端側水平部３８側に流動するが（図１の白抜きの矢印で示す）、アノード側排ガスに含有した液状の水は、自重があって慣性が強く働いていることから、その重力によって下方に直線的に進み（図１の黒塗りの矢印で示す）、メッシュ部４８を通過して捕集部４６の捕集容器４４の捕集空間４２に滞積する。
【００２４】
そして、この捕集容器４４の捕集空間４２の上部位が網状のメッシュ部４８による膜で封鎖されていることから、一度、捕集空間４２に滞積した水が湾曲部３６内に戻ることがない。つまり、鉛直部３４から湾曲部３６に流れる液状の水は、慣性を持っているので、メッシュ部４８を通過するが、一度、捕集空間４２に捕捉された水は、その慣性が失われ、メッシュ部４８を通過して再び上方の湾曲部３６内に戻るのは、重力に逆らう方向に運動する必要がある。このような想定のもとで、メッシュ部４８の最適なメッシュの大きさは、１０〜５０メッシュ程度が好ましいものである。
【００２５】
また、捕集空間４２に滞積した水は、時間と共に水嵩を増すので、放置すると氾濫してしまうことから、捕集容器４４の下部のドレン弁５２を定期的に開動作することで、捕集空間４２に捕集した水を外部に排出させ、水の氾濫を防止する。つまり、捕集空間４２に捕集した水を定期的に排出する機構を備える限り、捕集空間４２を大容量化する必要がなくなり、捕集空間４２を例えば５００〜１００立方センチメータ程度の小容量で形成すれば十分であり、これにより、従来の気液分離器に比べて小型化して気液分離を実現することができる。
【００２６】
一方、カソード側ガス側のカソード側ガス排出管５４の第２の気液分離機構４０−２においても、第１の気液分離機構４０−１と同様に液状の水の捕集が行われるので、ここでは、その説明を省略する。
【００２７】
また、この第１実施例においては、図３に示す如く、アノード側排ガスに含有した未反応水素を、再び燃料電池に還流して有効利用を図るために、湾曲部３６と第１背圧弁３０間の端側水平部３８には、第１供給源１８と第１流量制御部２０間のアノード側供給管１６に連通する還流管５８を接続した構成で、第１の気液分離機構４０−１を同様に設けることができる。
【００２８】
これにより、アノード側排ガスに未反応水素が含有し、この未反応水素を、有効利用するために、再び燃料電池に還流するときに、アノード側排ガス中の液状の水を除去することができ、循環用ポンプ等の第１流量制御部２０への負担（消費電力）を小さくし、システムの効率を向上することができる。
【００２９】
この結果、燃料電池４から排出される排ガスを導くガス排出管には気液分離機能を備えた湾曲部３６が形成されているので、ガス排出管の形状変更だけで、気体と液体との性質の違いを利用して気液分離を可能とすることから、従来の気液分離器を不要とし、省スペース化を図り、スペース上有利とし、システムをコンパクト化し、また、部品点数を低減し、廉価とすることができる。
【００３０】
図４、５は、この発明の第２実施例を示すものである。
【００３１】
以下の実施例においては、上述の第１実施例と同一機能を果す箇所には同一符号を付して説明する。
【００３２】
この第２実施例の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、アノード側ガス排出管２８は、燃料電池４側で第１高さＨ１位置で水平方向に指向して形成された電池側水平部３２と、この電池側水平部３２に連設して下方に向かって折曲形成された一側鉛直部３４−１と、この一側鉛直部３４−１に連設して半径Ｒに湾曲形成され且つ前記第１高さＨ１よりも距離Ｄだけ下方位置の第２高さＨ２で底部となる円弧形状の湾曲部３６と、この湾曲部３６に連設してして前記第１高さＨ１まで立ち上がった他側鉛直部３４−２と、この他側鉛直部３４−２に連設して前記第１高さＨ１で水平方向に指向した端側水平部３８とから形成されている。
【００３３】
前記湾曲部３６は、一側鉛直部３４−１と他側鉛直部３４−２と共働してＵ字形状に底部として形成され、気体と液体との性質の違いを利用して気液分離を可能とする第１気液分離機構４０−１を構成するものである。
【００３４】
この第１の気液分離機構４０−１においては、底部となる湾曲部３６全体の外側（下方）には、排ガス中に含有した水分を捕集するように、所定容積の捕集空間４２を形成する捕集容器４４を備えた捕集部４６が設けられている。
【００３５】
また、湾曲部３６の捕集部４６と接する部位（図４において湾曲部３６の下側管部で円弧形状の底部）には、排ガス中に含有した水分を通過させる多数の微細孔からなる網状のメッシュ部（金網状）４８（図４の円弧形状の破線で示す）が形成されている。このメッシュ部４８は、例えば、１０〜５０メッシュ程度に形成されている。
【００３６】
更に、捕集部４６の捕集容器４４の下部には、捕集した液状の水分を外部に導くドレン管５０が接続されている、このドレン管５０には、捕集した水分を外部に排出するドレン弁５２が設けられている。
【００３７】
一方、カソード側ガス側のカソード側ガス排出管５４には、同様に、第２の気液分離機構４０−２が設けられる。ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
この第２実施例の構成によれば、湾曲部３６が円弧形状で底部として形成されていることから、重力によって下方に直線的に進む排ガス中に含有した水分を、より効率良く確実に捕集することができる。
【００３９】
また、この第２実施例においても、図６に示す如く、アノード側排ガスに含有した未反応水素を、再び燃料電池に還流して有効利用を図るために、湾曲部３６と第１背圧弁３０間の端側水平部３８には、第１供給源１８と第１流量制御部２０間のアノード側供給管１６に連通する還流管５８を接続した構成で、第１の気液分離機構４０−１を同様に設けることができる。
【００４０】
なお、この発明においては、湾曲部は、配管のいずれの箇所でも設置することができ、設置の自由度を高くすることができる。
【００４１】
また、捕集容器内の水分をポンプやバッテリ等の熱を生ずる発熱機器に導いて、この発熱機器を冷却するとともに、この結果として、水分を蒸散させることもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳細な説明から明らかなようにこの発明によれば、燃料電池から排出される排ガスを導くガス排出管には、気液分離機能を備えた湾曲部を形成したことにより、ガス排出管の形状変更だけで、気体と液体との性質の違いを利用して気液分離を可能とすることから、従来の気液分離器を不要とし、省スペース化を図り、スペース上有利とし、システムをコンパクト化し、また、部品点数を低減し、廉価とし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例においてガス排出管の湾曲部の拡大断面図である。
【図２】第１実施例において燃料電池システムの構成図である。
【図３】第１実施例において燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【図４】第２実施例においてガス排出管の湾曲部の拡大断面図である。
【図５】第２実施例において燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２実施例において燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【図７】従来において燃料電池システムの構成図である。
【図８】従来において他の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
２  燃料電池システム
４  燃料電池
８  アノード側電極
１０  カソード側電極
２８  アノード側ガス排出管
４０  気液分離機構
４６  捕集部
４８  メッシュ部
５２  ドレン弁
５４  カソード側ガス排出管
【図１】
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【図２】
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【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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