(57)【要約】【課題】イオン交換樹脂面内の利用率を均一化できる不純物除去板を提供する。【解決手段】ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板６０において、ガス流路方向から見て方形の複数の樹脂収容部７０ａを形成する枠体７０と、枠体７１の各樹脂収容部７０ａに収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂７１を有する。各イオン交換樹脂７１のガス流入側の面の角部７１ａには、当該角部７１ａを覆ってガスの流入を防止する板状部材７０ｂが設けられている。当該板状部材７０ｂは、枠体７０に形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板であって、
ガス流路方向から見て方形の複数の樹脂収容部を形成する枠体と、
前記枠体の各樹脂収容部に収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂と、を有し、
前記各イオン交換樹脂のガス流入側の面の角部には、当該角部を覆ってガスの流入を防止する板状部材が設けられていることを特徴とする、不純物除去板。
【請求項２】
前記板状部材は、前記枠体に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の不純物除去板。
【請求項３】
前記板状部材は、三角形に形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の不純物除去板。
【請求項４】
ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板であって、
ガス流路方向から見て円形の複数の樹脂収容部を形成する枠体と、
前記枠体の各樹脂収容部に収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂と、を有することを特徴とする、不純物除去板。
【請求項５】
ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板であって、
ガス流路方向から見て方形の複数の樹脂収容部を形成する枠体と、
前記枠体の各樹脂収容部に収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂と、
前記各イオン交換樹脂のガス流出側又はガス流出側の面の中央部を押圧して凹ませる押圧部材と、を有することを特徴とする、不純物除去板。
【請求項６】
前記イオン交換樹脂のガス流入側とガス流出側の面には、不純物を捕集するフィルタが設けられており、
前記フィルタの一部がイオン交換樹脂側に突出して、前記押圧部材を形成していることを特徴とする、請求項５に記載の不純物除去板。
【請求項７】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されたオフガスが流れるガス流路に、請求項１〜６のいずれかに記載の不純物除去板が設けられ、当該不純物除去板によって、前記オフガス中の不純物を除去していることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス流路は、燃料電池から排出された燃料オフガス中に含まれる燃料ガスを燃料電池に戻すための循環流路であり、
前記不純物除去板は、燃料オフガスから不純物を除去していることを特徴とする、請求項７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】
本発明は、不純物除去板と、その不純物除去板を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するための配管系が必要になる。この配管系には、例えば燃料電池から排出された燃料オフガスを再度燃料電池に戻すための循環流路が設けられており、燃料オフガスを再利用することが行われている。
【０００３】
上述のように燃料オフガスを再利用するためには、燃料オフガス中に含まれる水や不純物を除去する必要がある。このため、例えば上記循環流路の気液分離器に、不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂部材を配置したものが提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１００２３９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５７３５号公報（第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のようなイオン交換樹脂部材をガス流路内に設置する場合、例えば図８に示すようにガス流路方向から見て格子状の枠体１００に、方形の複数のイオン交換樹脂１０１を収容した不純物除去板が用いられることがある。
【０００６】
しかしながら、上記不純物除去板では、格子状の枠体１００にイオン交換樹脂１０１が詰め込まれるため、この際のイオン交換樹脂１０１の変形により、イオン交換樹脂１０１の四隅１０１ａの樹脂密度が他の部分に比べて局所的に低くなる。このため、四隅１０１ａにおけるガスの圧力損失が小さくなり、他の部分に比べて四隅１０１ａにガスが流入しやすくなる。それ故、イオン交換樹脂１０１面内においてガス流量が不均一になり、イオン交換樹脂１０１の中央部の利用率が低下する。この結果、不純物除去板の全体を有効に利用することができず、不純物除去板全体の不純物の除去効率が低下する。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、イオン交換樹脂面内の利用率を均一化できる不純物除去板、及びその不純物除去板を備えた燃料電池システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板であって、ガス流路方向から見て方形の複数の樹脂収容部を形成する枠体と、前記枠体の各樹脂収容部に収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂と、を有し、前記各イオン交換樹脂のガス流入側の面の角部には、当該角部を覆ってガスの流入を防止する板状部材が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、樹脂密度が局所的に小さくなるイオン交換樹脂の角部にガスが流入することを防止できる。このため、イオン交換樹脂の樹脂密度が比較的均一な部分にのみガスが流入するので、そのガスが流入するイオン交換樹脂面内のガス流量が均一化され、各イオン交換樹脂面内の利用率を均一化できる。この結果、不純物除去板全体の不純物の除去効率を向上できる。
【００１０】
前記板状部材は、前記枠体に形成されていてもよい。また、前記板状部材は、三角形に形成されていてもよい。
【００１１】
別の観点による本発明は、ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板であって、ガス流路方向から見て円形の複数の樹脂収容部を形成する枠体と、前記枠体の各樹脂収容部に収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、樹脂密度が局所的に小さくなるイオン交換樹脂の角部がなくなるので、各イオン交換樹脂面内のガスの流入量が均一化され、各イオン交換樹脂面内の利用率を均一化できる。この結果、不純物除去板全体の不純物の除去効率を向上できる。
【００１３】
別の観点による本発明は、ガス流路内に配置され、当該ガス流路内を流れるガス中の不純物を除去する不純物除去板であって、ガス流路方向から見て方形の複数の樹脂収容部を形成する枠体と、前記枠体の各樹脂収容部に収容され、ガスが通過して当該ガス中の不純物を除去するイオン交換樹脂と、前記各イオン交換樹脂のガス流出側又はガス流出側の面の中央部を押圧して凹ませる押圧部材と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、押圧部材により、イオン交換樹脂の中央部が凹むので、その分イオン交換樹脂の四隅の樹脂密度が上昇する。この結果、イオン交換樹脂面内の樹脂密度が均一化されるので、各イオン交換樹脂面内のガスの流入量が均一化され、各イオン交換樹脂面内の利用率を均一化できる。この結果、不純物除去板全体の不純物の除去効率を向上できる。
【００１５】
前記不純物除去板において、前記イオン交換樹脂のガス流入側とガス流出側の面には、不純物を捕集するフィルタが設けられており、前記フィルタの一部がイオン交換樹脂側に突出して、前記押圧部材を形成していてもよい。かかる場合、フィルタが押圧部材を兼用するので、例えば部品点数を少なくし、低コスト化できる。
【００１６】
別の観点による本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出されたオフガスが流れるガス流路に、上記不純物除去板が設けられ、当該不純物除去板によって、前記オフガス中の不純物を除去していることを特徴とする。
【００１７】
前記燃料電池システムにおいて、前記ガス流路は、燃料電池から排出された燃料オフガス中に含まれる燃料ガスを燃料電池に戻すための循環流路であり、前記不純物除去板は、燃料オフガスから不純物を除去するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、各イオン交換樹脂面内の利用率を均一化できるので、不純物除去板全体の不純物の除去効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る不純物除去板が適用される燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００２０】
燃料電池システム１は、図１に示すように反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。
【００２１】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。
【００２２】
酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するエアコンプレッサ２４が設けられている。
【００２３】
水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
【００２４】
なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２５】
供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタ３５が設けられている。
【００２６】
循環流路３２には、本実施の形態に係る後述する不純物除去板６０を有し、水素オフガスから水を分離する気液分離器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。気液分離器３６には、気液分離器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、気液分離器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。なお、不純物除去板６０の構成の詳細は後述する。
【００２７】
制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００２８】
制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の電力を消費する負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。
【００２９】
制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及びインジェクタ３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。
【００３０】
次に、上記不純物除去板６０の構成を、気液分離器３６の構成とともに説明する。図２は、気液分離器３６の構成の概略を示す縦断面の説明図である。
【００３１】
気液分離器３６は、例えば図２に示すように全体が略筒状のケーシング５０を有し、その内部に気液分離室が形成されている。ケーシング５０の一の側面側（図２の左側）の側壁部の下部には、水や不純物を含んだ水素オフガスが流入するガス流入口５０ａが形成され、燃料電池１０側の循環流路３２が接続されている。また、ケーシング５０の上壁部には、水等が分離された水素オフガスが流出するガス流出口５０ｂが形成され、水素ポンプ３７側の循環流路３２が接続されている。かかる構成により、ケーシング５０内には、概して下から上に流れるガス流路が形成される。
【００３２】
ケーシング５０の中央部には、水素オフガス中の細かい粒子状の水分や不純物を除去する不純物除去板６０が設けられている。この不純物除去板６０は、例えば水素オフガスを通過させ、その水素オフガス内の水分を捕集したり、イオン化した不純物を水素イオンと交換する機能を有する。
【００３３】
不純物除去板６０は、例えばケーシング５０内のガス流路を塞ぐような略円板形状に形成され、上下方向のガス流路方向に板面が向くように水平に設置されている。この不純物除去板６０によって、ケーシング５０内は、ガス流入口５０ａ側の下部空間Ｓ１と、ガス流出口５０ｂ側の上部空間Ｓ２に分けられている。
【００３４】
不純物除去板６０は、例えば不純物除去板６０の外形を形成し複数のイオン交換樹脂を保持する枠体７０と、複数のイオン交換樹脂７１と、比較的大きな不純物を捕集するメッシュ状のフィルタ７２を備えている。
【００３５】
枠体７０は、内側が例えば図３に示すように格子状に形成され、平面から見て方形の複数の樹脂収容部７０ａが縦横に並べて形成されている。それらの各樹脂収容部７０ａに、直方体形状のイオン交換樹脂７１が収容されている。図４及び図５に示すように枠体７０のガス流入側（下面）の端部には、イオン交換樹脂７１の下面の角部７１ａを覆う板状部材７０ｂが形成されている。板状部材７０ｂは、例えば三角形に形成されている。これにより、図４に示すように下方から各イオン交換樹脂７１の角部７１ａへのガスの流入が防止されている。
【００３６】
フィルタ７２は、例えば薄板状に形成され、図２及び図４に示したように枠体７０の上面と下面にそれぞれ取り付けられている。
【００３７】
図２に示すようにガス流入口５０ａに対向するケーシング５０の他の側面側（図２の右側）の側壁部には、湾曲形状に傾斜した内壁面５０ｃが形成されている。内壁面５０ｃは、上部に行くにつれて次第に広がるように傾斜している。また、内壁面５０ｃは、下端が後述する液溜め部５０ｄの開口部５０ｅに通じている。
【００３８】
ケーシング５０の他の側面側（図２の右側）の下部には、分離或いは回収された水を一時的に溜める液溜め部５０ｄが形成されている。内壁面５０ｃの下端とケーシング５０の底部により開口部５０ｅが形成されており、液溜め部５０ｄには、その開口部５０ｅから水が流入する。液溜め部５０ｄは、例えばケーシング５０の底面の一部が下に凸に湾曲して形成されており、所定量の水を溜めることができる。液溜め部５０ｄの排出側には、上述の排出流路３８が接続されている。
【００３９】
次に、以上のように構成された気液分離器３６と不純物除去板６０の作用について説明する。例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われると、燃料電池１０から循環流路３２を通じて、気液分離器３６に水を含む水素オフガスが送られる。水を含む水素オフガスは、ガス流入口５０ａからケーシング５０内に流入され、例えばケーシング５０内の下部空間Ｓ１において、水素オフガスに含まれていた水は、重力により落下し、図２に示すようにケーシング５０の底面を通って液溜め部５０ｄに貯留される。
【００４０】
水が分離された水素オフガスは、下部空間Ｓ１から不純物除去板６０の各イオン交換樹脂７１を通過し、上部空間Ｓ２に流れ出る。このときイオン交換樹脂７１により、例えば水素オフガス中の細かい粒子状の水分や不純物が捕集され、除去される。また、各イオン交換樹脂７１においては、角部７１ａに板状部材７０ｂが設けられているので、図４に示したように角部７１ａより内側の樹脂密度が均一な部分にガスが流れる。
【００４１】
上部空間Ｓ２に流出した水素オフガスは、ガス流出口５０ｂから循環流路３２に排出される。
【００４２】
また、液溜め部５０ｄに貯留された水Ｈは、例えば所定量溜まると、適宜排出流路３８から排出される。
【００４３】
以上の実施の形態によれば、不純物除去板６０の各イオン交換樹脂７１のガス流入側の面の角部７１ａに、板状部材７０ｂが設けられているので、樹脂密度が局所的に小さくなる各イオン交換樹脂７１の四隅にガスが流入することを防止できる。このため、各イオン交換樹脂７１の樹脂密度が比較的均一な部分にのみガスが流入するので、そのガスが流入するイオン交換樹脂７１面内のガス流量が均一化され、各イオン交換樹脂７１面内の利用率を均一化できる。この結果、不純物除去板６０全体の不純物の除去効率を向上できる。
【００４４】
また、本実施の形態では、板状部材７０ｂが枠体７０に一体的に形成されているので、例えば部品点数を減らすことができ、低コスト化できる。また、板状部材７０ｂが、三角形に形成されているので、角部７１ａへのガスの流入を適正に防止できる。
【００４５】
また、本実施の形態では、上記不純物除去板６０を燃料電池システム１の循環流路３２に適用したので、当該燃料電池システム１において燃料電池１０から排出された水素オフガスの不純物の除去を効率的に行い、水素オフガスの再利用を効率的に行うことができる。
【００４６】
前記実施の形態では、枠体７０に平面から見て方形の樹脂収容部７０ａが形成されていたが、枠体７０に平面から見て円形の樹脂収容部を形成するようにしてもよい。かかる場合、例えば図６に示すように枠体７０に、平面から見て円形の複数の樹脂収容部７０ａが形成される。樹脂収容部７０ａは、縦横に並べて配置され、例えば隣合う列のもの同士が千鳥状になるように配置される。各樹脂収容部７０ａには、円柱状のイオン交換樹脂７１が収容される。
【００４７】
かかる例によれば、樹脂密度が局所的に小さくなるイオン交換樹脂７１の角部がなくなるので、これによっても、各イオン交換樹脂７１面内のガスの流入量が均一化され、各イオン交換樹脂７１面内の利用率を均一化できる。この結果、不純物除去板６０全体の不純物の除去効率を向上できる。
【００４８】
上記実施の形態で記載した方形の樹脂収容部７０ａを有する不純物除去板６０において、板状部材７０ｂを設ける代わりに、各イオン交換樹脂７１のガス流出側の面の中央部を押圧して凹ませる押圧部材を設けるようにしてもよい。
【００４９】
かかる場合、例えば図７に示すように不純物除去板６０のガス流出側（上側）のフィルタ７２の一部７２ａが、各イオン交換樹脂７１の中央部に略半球状に突出している。このフィルタ７２の一部７２ａが、各イオン交換樹脂７１の中央部を押圧し、各イオン交換樹脂７１の上面の中央部に凹みが形成される。これにより、イオン交換樹脂７１の中央部付近の樹脂が外側に押し出され、イオン交換樹脂７１の四隅の樹脂密度が上昇する。
【００５０】
かかる例によれば、各イオン交換樹脂７１の中央部に凹みが形成されて、各イオン交換樹脂７１の四隅の樹脂密度が上昇するので、イオン交換樹脂７１の面内の樹脂密度の均一化が図られる。この結果、各イオン交換樹脂７１面内のガスの流入量が均一化され、各イオン交換樹脂７１面内の利用率を均一化できる。よって、不純物除去板６０全体の不純物の除去効率を向上できる。
【００５１】
また、フィルタ７２を用いてイオン交換樹脂７１を押圧したので、例えば部品点数を減らし、低コスト化できる。
【００５２】
なお、上記例において、イオン交換樹脂７１のガス流出側の中央部を凹ませていたが、ガス流入側（下側）の中央部を凹ませてもよい。また、上記例において、フィルタ７２を用いてイオン交換樹脂７１を押圧していたが、別途押圧部材を設けてもよい。
【００５３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５４】
例えば以上の実施の形態の不純物除去板６０の形状は、他の形状であってもよい。また、以上の実施の形態では、不純物除去板６０が気液分離器３６に設けられている例について説明したが、本発明は、不純物除去板６０が気液分離器３６以外の装置に設けられている場合にも適用できる。
【００５５】
以上の実施の形態では、燃料電池システム１において循環流路３２に設けられる不純物除去板６０を例に採って説明したが、燃料電池システムの他のガス流路に設けられる不純物除去板に、本発明を適用してもよい。また、上記実施の形態において、ガスが、不純物を含む水素オフガスであったが、酸化オフガスなどの他の種類のガスであっても本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】気液分離器の構成の概略を示す断面図の説明図である。
【図３】イオン交換樹脂を有する枠体の上面の部分拡大図である。
【図４】不純物除去板の縦断面の拡大図である。
【図５】イオン交換樹脂を有する枠体の下面の部分拡大図である。
【図６】円形のイオン交換樹脂を有する枠体の部分拡大図である。
【図７】他の構成の不純物除去板の縦断面の拡大図である。
【図８】従来の不純物除去板の一部の平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池システム
３６  気液分離器
５０  ケーシング
５０ａ  ガス流入口
５０ｂ  ガス流出口
６０  不純物除去板
７０  枠体
７０ａ  樹脂収容部
７０ｂ  板状部材
７１  イオン交換樹脂
７１ａ  角部
７２  フィルタ
【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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