(57)【要約】【課題】粉塵除去部の粉塵除去性能を長期に維持し、長期に亘り安定な運転を確保できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池１６が、ガス配管を介して、空気供給ポンプ１５と燃料処理器１７と連結され、空気と燃料ガスが燃料電池１６に供給される。燃料電池１６には、水配管と循環ポンプ１９を介して、冷却水タンク１８が連結され、冷却水が燃料電池１６を循環する。空気供給ポンプ１５の空気の吸気方向の上流には、空気中の粉塵を除去するため、吸気口１３と排気口１４を有し、粉塵除去フィルタ１２を収納して構成される粉塵除去部１１が空気供給ポンプ１５と接して配置される。空気供給ポンプ１５の往復運動により発生する振動が粉塵除去部１１に伝播し、粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵を当該粉塵除去フィルタ１２から離脱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給ポンプと、
前記燃料電池より上流に設けられ、空気中の粉塵を除去する粉塵除去部と、
前記粉塵除去部内に収納されている粉塵除去フィルタと、
を有し、
前記粉塵除去部は、前記空気供給ポンプの運転により発生する振動を受けて振動する、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気供給ポンプは、往復式ポンプであり、
前記空気供給ポンプと前記粉塵除去フィルタとは、前記空気供給ポンプの往復方向と前記粉塵除去フィルタを通る空気の通流方向とが略平行になるように配置されている、
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】
前記粉塵除去部は、前記空気供給ポンプと当接して配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記粉塵除去部は、前記空気供給ポンプと接続手段で接続しており、前記接続手段を介して前記空気供給ポンプの振動を受ける、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記接続手段は、空気配管である、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記粉塵除去フィルタの集塵面は、略水平に配置され、
前記粉塵除去部に設けられている吸気口は、前記粉塵除去フィルタより重力方向下側に設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記空気供給ポンプは、ダイヤフラムポンプである、ことを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、都市ガス等の原料ガスを改質して得られる水素リッチな燃料ガスと、空気中の酸素を利用し、電極反応により電力を発生させ、また、電極反応に伴って発生する熱を温水として回収するシステムである。
【０００３】
従来、このような燃料電池システムは、空気供給ポンプを用いて発電に利用する空気を燃料電池に供給していた。また、粉塵除去フィルタを空気供給ポンプの上流に配置し、空気中の粉塵が燃料電池に混入するのを防止する構成としていた（例えば、特許文献１参照）。また、粉塵除去フィルタの耐久性を向上するため、燃料電池システムのパッケージの一つの側面を粉塵除去フィルタで構成し、当該粉塵除去フィルタにバイブレータを別に配置した構成の燃料電池システムもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図４は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの概略を示した構成図である。図４に示すように、燃料電池システムは、空気フィルタ４１と、空気供給ポンプ４５と、燃料電池４６と、燃料処理器４７とを有しており、空気フィルタ４１は、吸気口４２と排気口４３を有するケーシングの内部に粉塵除去フィルタ４４が収納されて構成される。
【０００５】
ここで、燃料電池４６は、空気供給ポンプ４５から供給される空気と、燃料処理器４７で原料ガスを改質して得た水素を主成分とする燃料ガスの供給を受けて発電する。燃料電池４６に供給される空気は、空気フィルタ４１の粉塵除去フィルタ４４を通過する際、その空気中に含まれる粉塵が除去された後に燃料電池４６に送られる。
【０００６】
また、図５は、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムの概略を示した構成図である。図５に示すように、燃料電池システムは、パッケージ５６の内部に、燃料電池５５と、燃料処理器５４と、空気供給ポンプ５３とを収納している。パッケージ５６の一側面の全面には、粉塵除去フィルタ５１を配置し、当該粉塵除去フィルタ５１の上部にはバイブレータ５２が配置される。
【０００７】
ここで、燃料電池５５は、空気供給ポンプ５３から供給される空気と、燃料処理器５４で原料ガスを改質して得た水素を主成分とする燃料ガスの供給を受けて発電する。燃料電池５５に供給される空気は、パッケージ５６の外部から、粉塵除去フィルタ５１を通して吸入され、空気供給ポンプ５３により燃料電池５５に供給される。粉塵除去フィルタ５１は、バイブレータ５２が定期的に振動することにより、振動するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００４−５３２１０７号公報
【特許文献２】特開２００５−１００７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記特許文献１に係る従来の構成では、燃料電池システムを、例えば、十数年以上の長期に亘り運転するためには、多量の粉塵を除去する必要があり、粉塵除去
フィルタの容積を極めて大きくする必要があるため、粉塵除去フィルタのコストが高くなるという課題を有していた。また、このような大容積の粉塵除去フィルタを燃料電池システムの内部に配置するためには、燃料電池システム自体の容積を大きく設計する必要があり、燃料電池システムの設置スペースが制限されるという課題をも有していた。一方、粉塵除去フィルタを小容積に構成し、メンテナンス部品として定期的に取り替える方法で使用した場合、粉塵除去フィルタのコストや燃料電池システム自体の容積への影響は少なくなる。しかし、メンテナンス作業が煩雑な上、メンテナンスのタイミングを逸した場合、粉塵除去フィルタの圧力損失が増大し、燃料電池システムへの空気の供給が阻害され、燃料電池システムを長期に亘り安定に運転できなくなるという課題を有していた。
【００１０】
また、前記特許文献２に係る従来の構成では、燃料電池システムのパッケージの一側面を粉塵除去フィルタとするため、燃料電池システムのパッケージの強度を維持することが難しかった。さらに、バイブレータを別に配置する必要があるため、燃料電池システムの容積やコストに影響し、更には、燃料電池システムの主要な構成部材とは別に独立してバイブレータを動作させる必要があるため、燃料電池システム自体の運転が煩雑になるという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムにおいて、長期に亘り粉塵除去性能を維持する粉塵除去手段を提供し、長期に亘って信頼性が高い運転を実現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】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池より上流に、空気中の粉塵を除去するための粉塵除去フィルタを内部に収納した粉塵除去部を有し、当該粉塵除去部が、空気供給ポンプの運転により発生する振動を受けて振動する構成としたものである。
【００１３】
これによって、空気供給ポンプの振動によって、粉塵除去部が振動し、粉塵除去フィルタに付着した粉塵が振動を受けて粉塵除去フィルタから離脱することとなり、粉塵除去フィルタの粉塵除去性能を長期に亘り維持でき、燃料電池システムを長期に亘り安定に運転することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、バイブレータ等の振動手段を別に配置することなく、粉塵除去部の粉塵除去性能を長期に亘り維持できるため、簡易な構成で長期に亘り安定な運転を確保し得る燃料電池システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図
【図４】従来の燃料電池システムの構成図
【図５】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、燃料ガスと空気を電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給ポンプと、前記燃料電池より上流に設けられ、前記空気中の粉塵を除去する粉塵除去部と、前記粉塵除去部内に収納されている粉塵除去フィルタとを有し、前記粉塵除去部は、前記空気供給ポンプの運転により発生する振動を受けて振動する構成とした燃料電池システムである。
【００１７】
この構成により、空気供給ポンプの大きな振動を受けて、当該粉塵除去部が振動し、粉塵除去フィルタに付着した粉塵を当該粉塵除去フィルタから離脱させることにより、粉塵除去部の粉塵除去性能を長期に亘り維持できることとなり、燃料電池システムを長期に亘り安定に運転することが可能になる。
【００１８】
第２の発明は、特に、第１の発明の空気供給ポンプを往復式ポンプとし、空気供給ポンプと粉塵除去フィルタとは、空気供給ポンプの往復方向と粉塵除去フィルタを通る空気の通流方向とが略平行になるように配置されて構成される燃料電池システムである。
【００１９】
この構成により、空気供給ポンプの往復運動によって発生する振動の振動方向が、粉塵除去フィルタにおける空気の通流方向と略平行であるため、粉塵除去フィルタに付着した粉塵が当該粉塵除去フィルタからより離脱し易くなる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、粉塵除去部が空気供給ポンプと当接して配置されて構成される燃料電池システムである。
【００２１】
この構成により、空気供給ポンプの振動が、粉塵除去部に直接的に伝播するため、粉塵除去部が振動し、粉塵除去フィルタに付着した粉塵を当該粉塵除去フィルタから離脱させることができる。
【００２２】
第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、粉塵除去部が空気供給ポンプと接続手段で接続しており、接続手段を介して空気供給ポンプの振動を受ける構成とした燃料電池システムである。
【００２３】
この構成により、空気供給ポンプの振動が、接続手段を介して、粉塵除去部に伝播するため、粉塵除去部が振動し、粉塵除去フィルタに付着した粉塵を当該粉塵除去フィルタから離脱させることができる。
【００２４】
第５の発明は、特に、第４の発明において、接続手段が空気配管である、燃料電池システムである。
【００２５】
この構成により、空気供給ポンプの振動が、空気配管を介して、粉塵除去部に伝播するため、当該粉塵除去部が振動し、粉塵除去フィルタに付着した粉塵を当該粉塵除去フィルタから離脱させることが可能になる。また、粉塵除去部と空気供給ポンプとを連結する接続手段を連結の目的のためだけに新たに設ける必要がないため、燃料電池システムの構成部材をより簡便に配置することができる。
【００２６】
第６の発明は、特に、第１乃至第５の発明において、粉塵除去フィルタの集塵面が、略水平に配置され、粉塵除去部に設けられている吸気口は、粉塵除去フィルタより重力方向下側に設けられて構成される燃料電池システムである。
【００２７】
この構成により、重力の作用により、粉塵除去フィルタに付着した粉塵の粉塵除去フィルタからの離脱がより促進される。
【００２８】
第７の発明は、特に、第１乃至第６の発明において、空気供給ポンプをダイヤフラムポンプで構成される燃料電池システムである。
【００２９】
この構成により、空気供給ポンプの往復運動に発生する大きな振動が、粉塵除去部に伝播することにより、粉塵除去部の粉塵除去性能をより長期に亘り維持できる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。図１において、燃料電池１６は、ガス配管（図示せず）を介して、空気供給ポンプ１５と燃料処理器１７と連結される。また、燃料電池１６は、水配管（図示せず）と循環ポンプ１９を介して、冷却水タンク１８と連結される。ここで、空気供給ポンプ１５の空気の吸気方向の上流には、空気中の粉塵を除去するための粉塵除去部１１が、当該空気供給ポンプ１５と当接して配置される。粉塵除去部１１は、吸気口１３と排気口１４を有し、また、その中に粉塵除去フィルタ１２を収納して構成され、吸気口１３が重力方向に対し、下向きに開口するように構成される。
【００３２】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３３】
まず、都市ガス等の原料ガスが燃料処理器１７に送られ、原料ガスが水素を主成分とする燃料ガスに改質される。燃料処理器１７で改質された燃料ガスは、燃料処理器１７からガス配管（図示せず）を通って、燃料電池１６のアノードに送られる。
【００３４】
一方、空気供給ポンプ１５が往復運動することで、大気中の空気が粉塵除去部１１の吸気口１３、粉塵除去フィルタ１２、排気口１４を通って、空気供給ポンプ１５から燃料電池１６のカソードに送られる。この時、大気中の空気に含まれる粉塵のうち粉塵除去フィルタの目より大きいものは、粉塵除去部１１の粉塵除去フィルタ１２に付着することで取り除かれ、粉塵が除去された空気が燃料電池１６のカソードに送られる。
【００３５】
そして、燃料電池１６において、燃料ガスと空気とが電気化学的に反応して発電が行われ、熱と電力が発生する。
【００３６】
また、粉塵除去部１１における粉塵除去フィルタ１２は、空気供給ポンプ１５の往復運動により発生する振動を直接受けることにより振動し、粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵が、粉塵除去フィルタ１２から離脱する。燃料電池１６は、発電に伴い温度が上昇するが、冷却水タンク１８から、循環ポンプ１９により燃料電池１６を循環する冷却水により冷却され、燃料電池１６が一定温度に保たれる。
【００３７】
以上のように、本実施の形態においては、粉塵除去部１１における粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵を、空気供給ポンプ１５の往復運度により発生する振動を利用して粉塵除去フィルタ１２から離脱する構成とすることにより、粉塵除去部１１の粉塵除去性能を格段に向上できる。その結果、粉塵除去部１１の容積を大きくすることなく、また、別途バイブレータ等の振動手段を配置することなく、粉塵除去部１１の粉塵除去性能を長期に亘り維持することが可能になり、長期に亘り安定に運転できる燃料電池システムが実現できることになる。
【００３８】
さらに、粉塵除去フィルタ１２の集塵面が、略水平に配置され、粉塵除去部１１に設けられている吸気口１３は、粉塵除去フィルタ１２より重力方向下側に設けられているので、重力の作用により、粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵の粉塵除去フィルタ１２からの離脱がより促進される。
【００３９】
特に、空気供給ポンプ１５は、燃料電池システムの構成要素の中でも振動が大きく、粉塵除去フィルタ１２に空気が通るときは原則として空気供給ポンプ１５が動作して振動し
ているので、粉塵除去フィルタ１２に空気が通るときはより確実に粉塵フィルタを振動させて、粉塵を除去することができる。
【００４０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図を示すものである。なお、図２において、図１と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４１】
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、粉塵除去部１１を空気供給ポンプ１５と接して配置するのではなく、粉塵除去部１１と空気供給ポンプ１５を接続手段２１を介して接続した点で、実施の形態１の構成と異なる。
【００４２】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００４３】
まず、都市ガス等の原料ガスが燃料処理器１７に送られ、原料ガスが水素を主成分とする燃料ガスに改質される。燃料処理器１７で改質された燃料ガスは、燃料処理器１７からガス配管（図示せず）を通って、燃料電池１６のアノードに送られる。
【００４４】
一方、空気供給ポンプ１５が往復運動することで、大気中の空気が粉塵除去部１１の吸気口１３、粉塵除去フィルタ１２、排気口１４を通って、空気供給ポンプ１５から燃料電池１６に送られる。この時、大気中の空気に含まれる粉塵は粉塵除去部１１の粉塵除去フィルタ１２に付着することで取り除かれ、粉塵が除去されて空気が燃料電池１６のカソードに送られる。
【００４５】
また、粉塵除去部１１における粉塵除去フィルタ１２は、接続手段２１を介して、空気供給ポンプ１５の往復運動により発生する振動を受けることにより振動し、粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵が粉塵除去フィルタ１２から離脱する。
【００４６】
燃料電池１６は発電に伴い温度が上昇するが、冷却水タンク１８から、循環ポンプ１９により燃料電池１６を循環する冷却水により冷却され、燃料電池１６が一定温度に保たれる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態においては、粉塵除去部１１における粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵を、空気供給ポンプ１５の往復運度により発生する振動を利用して粉塵除去フィルタ１２から離脱する構成とすることにより、粉塵除去部１１の粉塵除去性能を格段に向上できる。その結果、粉塵除去部１１の容積を大きくすることなく、また、別途バイブレータ等の振動手段を配置することなく、粉塵除去部１１の粉塵除去性能を長期に亘り維持することが可能になり、長期に亘り安定に運転できる燃料電池システムが実現できることになる。
【００４８】
特に、空気供給ポンプ１５は、燃料電池システムの構成要素の中でも振動が大きく、粉塵除去フィルタ１２に空気が通るときは原則として空気供給ポンプ１５が動作して振動しているので、粉塵除去フィルタ１２に空気が通るときは確実に粉塵フィルタを振動させて、粉塵を除去することができる。
【００４９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。なお、図３において、図１、図２と同一の構成は同じ符号を用い、説明を省略する。
【００５０】
図３に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、粉塵除去部１１の排気口１４と空気供給ポンプ１５を連結する樹脂製の空気供給配管３１を、粉塵除去部１１と空気供
給ポンプ１５の接続手段とした点で、実施の形態２の構成と異なる。空気供給配管３１は、弾性が低い樹脂製で成形されているが、金属製の配管を用いても良い。
【００５１】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００５２】
まず、都市ガス等の原料ガスが燃料処理器１７に送られ、原料ガスが水素を主成分とする燃料ガスに改質される。燃料処理器１７で改質された燃料ガスは、燃料処理器１７からガス配管（図示せず）を通って、燃料電池１６に送られる。一方、空気供給ポンプ１５が往復運動することで、大気中の空気が粉塵除去部１１の吸気口１３、粉塵除去フィルタ１２、排気口１４、空気供給配管３１を通って、空気供給ポンプ１５から燃料電池１６に送られる。この時、大気中の空気に含まれる粉塵は粉塵除去部１１の粉塵除去フィルタ１２に付着することで取り除かれ、粉塵が除去された空気が燃料電池１６に送られる。
【００５３】
また、粉塵除去部１１における粉塵除去フィルタ１２は、空気供給配管３１を介して、空気供給ポンプ１５の往復運動により発生する振動を受けることにより振動し、粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵が粉塵除去フィルタ１２から離脱する。燃料電池１６は発電に伴い温度が上昇するが、冷却水タンク１８から、循環ポンプ１９により燃料電池１６を循環する冷却水により冷却され、燃料電池１６が一定温度に保たれる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態においては、粉塵除去部１１における粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵を、空気供給ポンプ１５の往復運度により発生する振動を利用して粉塵除去フィルタ１２から離脱する構成とすることにより、粉塵除去部１１の粉塵除去性能を格段に向上できる。その結果、別途バイブレータ等の振動手段を配置することなく、粉塵除去部１１の粉塵除去性能を長期に亘り維持することが可能になり、長期に亘り安定に運転できる燃料電池システムが実現できることになる。また、空気供給配管３１を接続手段と併用できるため、粉塵除去部１１と空気供給ポンプ１５の配置をより簡便に行うことが可能になる。
【００５５】
なお、上記実施の形態に記載した空気供給ポンプ１５としては、空気を吸入し、吐出する機能を有し、かつ振動するものであればよく、例えば、往復式ポンプ、遠心式ポンプ、軸流式ポンプ、斜流式ポンプ、回転式ポンプ等も利用可能である。特に、ピストンやダイアフラムの往復運動で空気を吸入し、吐出することで、空気を輸送する往復式ポンプは、粉塵除去部１１に一方向の振動を与えることができるので、粉塵除去フィルタ１２に付着した粉塵を粉塵除去フィルタ１２からより効果的に離脱することができる。また、ダイアフラムを利用した往復式ポンプは、大容量の空気の吸入、吐出ができ、大きな振動を粉塵除去部に与えることができるので、粉塵除去フィルタからの粉塵の離脱をより効果的に行うことができる。
【００５６】
また、粉塵除去フィルタ１２としては、ＵＬＰＡフィルタやＨＥＰＡフィルタ等が利用できる。
【００５７】
さらに、本実施の形態においては、粉塵除去部１１を空気供給ポンプ１５の空気の吸気方向の上流に配置しているが、空気供給ポンプ１５の空気の吸気方向の下流に配置するなど、燃料電池１６より上流に配置すれば同一の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、粉塵除去部における粉塵除去フィルタの粉塵除去性能を長期に亘り維持することが可能となるので、長期に亘り安定な運転を維持する固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池などを有する燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１１  粉塵除去部
１２  粉塵除去フィルタ
１３  吸気口
１４  排気口
１５  空気供給ポンプ
１６  燃料電池
１７  燃料処理器
１８  冷却水タンク
１９  循環ポンプ
２１  接続手段
３１  空気供給配管
【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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