(57)【要約】【課題】残存水分によるイオン交換樹脂の凍結を防止できる不純物除去装置を提供する。【解決手段】気液混合ガス中の不純物を除去する不純物除去装置３６において、気液混合ガスを下面から上面に通過させて、気液混合ガスから液体成分と不純物を除去するイオン交換樹脂６０を有し、イオン交換樹脂６０のガス流入側の下面６０ａが傾斜している。イオン交換樹脂６０の下面６０ａは、ケーシング５０の流入口５０ａ側が高くなるように傾斜している。【選択図】図２
2009117106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液混合ガス中の不純物を除去する不純物除去装置であって、
気液混合ガスを下面から上面に通過させて、気液混合ガスから液体成分と不純物を除去する除去部材を有し、
前記除去部材のガス流入側の下面が傾斜していることを特徴とする、不純物除去装置。
【請求項２】
前記除去部材を内部に備え、気液混合ガスを前記除去部材の下面側の下部空間に流入させ、前記除去部材の上面側の上部空間から流出させるケーシングを有し、
気液混合ガスの流入口は、前記ケーシングの下部空間の側方に形成され、
前記除去部材の下面は、前記流入口側が高くなるように傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の不純物除去装置。
【請求項３】
前記除去部材の下面の低い側の端部は、前記ケーシングの内壁面に接触していることを特徴とする、請求項２に記載の不純物除去装置。
【請求項４】
前記ケーシングの下部には、除去された液体成分が溜められる液溜め部が形成され、
前記除去部材の下面の低い側の端部と前記ケーシングの内壁面との接触部より下のケーシングの内壁面は、液体成分が当該内壁面を伝って前記液溜め部に流れ込むように傾斜していることを特徴とする、請求項３に記載の不純物除去装置。
【請求項５】
前記ケーシングの下部空間における前記気液混合ガスの流入口と反対側の内壁面は、下部空間が上方に行くにつれて次第に広がるように傾斜していることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の不純物除去装置。
【請求項６】
前記除去部材は、イオン交換樹脂であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の不純物除去装置。
【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、
請求項１〜６のいずれかに記載の不純物除去装置を有し、
前記不純物除去装置によって、前記燃料電池から排出された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】
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を有し、
前記不純物除去装置は、前記循環流路に設けられ、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、不純物除去装置と、その不純物除去装置を用い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、通常、燃料電池から排出された水を含むオフガスの気液を分離する気液分離器が設けられている。例えばこの気液分離器により、オフガスから水を分離し、その後そのオフガスを再利用することが行われている。
【０００３】
ところで、上述のオフガスには、細かい粒子状の水分や燃料電池や配管等から溶出した不純物が含まれている。オフガスを再利用するためには、この細かい粒子状の水分や不純物を除去する必要がある。このため、例えば上記気液分離器に、細かい水分や不純物を除去するイオン交換樹脂を備えたものが提案されている（特許文献１、２参照）。このイオン交換樹脂には、下から上に流れるオフガス流路を塞ぐような円柱形状を有し、オフガス流路内に水平に設けられているものが多く用いられている。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記気液分離器では、イオン交換樹脂が円柱形状でその下面が水平であるので、イオン交換樹脂の内部で回収した水分は、重力によりイオン交換樹脂の下面まで流れ落ち、その後ある程度の重さになると、下面から離脱して落下する。上記イオン交換樹脂では、水分が下面の全面で分散して流れ落ちるので、水分が重くなるまでに時間がかかり、水分がイオン交換樹脂の下面で滞留することが多くなる。このように、水分がイオン交換樹脂の下面で滞留すると、低温環境下になった場合にその水分が凍り、イオン交換樹脂の凍結破壊を促進させる恐れがある。この結果、イオン交換樹脂の寿命が短くなる恐れがある。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、イオン交換樹脂などの除去部材の残存液体成分による凍結を防止できる気液分離器などの不純物除去装置、及びその不純物除去装置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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、気液混合ガス中の不純物を除去する不純物除去装置であって、気液混合ガスを下面から上面に通過させて、気液混合ガスから液体成分と不純物を除去する除去部材を有し、前記除去部材のガス流入側の下面が傾斜していることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、除去部材の下面が傾斜しているので、除去部材の内部で回収した液体成分が重力により除去部材の下面まで流れ落ち、その後除去部材の下面を伝って下方に流れ落ちる。これにより、除去部材の下面において液体成分が滞留することを防止できる。この結果、例えば除去部材の液体成分による凍結が防止され、除去部材の寿命を延ばすことができる。
【０００９】
前記気液分離器は、前記除去部材を内部に備え、気液混合ガスを前記除去部材の下面側の下部空間に流入させ、前記除去部材の上面側の上部空間から流出させるケーシングを有し、気液混合ガスの流入口は、前記ケーシングの下部空間の側方に形成され、前記除去部材の下面は、前記流入口側が高くなるように傾斜していてもよい。かかる場合、ケーシングに流入した気液混合ガスが除去部材の傾斜面に沿って流れるので、除去部材の下面における液体除去を促進させることができる。また、気液混合ガスの流入口からより遠い位置の除去部材に気液混合ガスが当たりやすくなるので、流入口から遠い部分の除去部材の利用率を上げることができる。この結果、除去部材による液体成分と不純物の除去をより効率的に行うことができる。
【００１０】
前記除去部材の下面の低い側の端部は、前記ケーシングの内壁面に接触していてもよい。かかる場合、除去部材の下面を伝って流れた液体が、表面張力の作用によりケーシングの内壁面に伝わりやすくなるため、除去部材の下面の液体成分をより効果的に排除できる。
【００１１】
前記ケーシングの下部には、除去された液体成分が溜められる液溜め部が形成され、前記除去部材の下面の低い側の端部と前記ケーシングの内壁面との接触部より下のケーシングの内壁面は、液体成分が当該内壁面を伝って前記液溜め部に流れ込むように傾斜していてもよい。かかる場合、除去部材から排出された液体を液溜め部に適正に流し込むことができる。
【００１２】
前記ケーシングの下部空間における前記気液混合ガスの流入口と反対側の内壁面は、下部空間が上方に行くにつれて次第に広がるように傾斜していてもよい。かかる場合、例えば流入口から流入した気液混合ガスの圧力損失を最小限に抑えることができる。
【００１３】
以上に記載の不純物除去装置の除去部材は、イオン交換樹脂であってもよい。
【００１４】
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、上記不純物除去装置を有し、前記不純物除去装置によって、前記燃料電池から排出されたオフガス中の不純物を除去していることを特徴とする。
【００１５】
前記燃料電池システムは、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を有し、前記不純物除去装置は、前記循環流路に設けられ、燃料オフガスから不純物を除去していてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液体成分による除去部材の凍結を防止できるので、例えば除去部材の寿命を延ばし、引いては不純物除去装置の寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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装置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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
循環流路３２には、水素オフガスから水を分離する、本実施の形態に係る不純物除去装置の機能を有する気液分離器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、気液分離器３６の構成の詳細は後述する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、気液分離器３６について説明する。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。
【００２９】
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気液混合ガスとしての水素オフガスが流入する流入口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の天井部には、水等が分離された水素オフガスが流出する流出口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、概して下から上に向かう水素オフガスの流路が形成される。
【００３０】
ケーシング５０の中央部には、水素オフガス内の細かい粒子状の水分や不純物を除去する除去部材としてのイオン交換樹脂６０が設けられている。このイオン交換樹脂６０は、例えば水素オフガスを下面から上面に通過させ、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。
【００３１】
イオン交換樹脂６０は、例えばケーシング５０内の下から上へと流れる水素オフガスの流路を塞ぐように略円柱形状に形成されている。このイオン交換樹脂６０によって、ケーシング５０内は、流入口５０ａ側の下部空間Ｓ１と、流出口５０ｂ側の上部空間Ｓ２に分けられている。イオン交換樹脂６０の下面６０ａは、流入口５０ａに近い方が高くなるように傾斜しており、上面６０ｂは水平に形成されている。
【００３２】
イオン交換樹脂６０の下面６０ａの低い方の端部６０ｃは、流入口５０ａと対向するケーシング５０の他の側面側（図２の右側）の内壁面に接触している。そのイオン交換樹脂６０の端部６０ｃが接触したケーシング５０の内壁面５０ｃは、湾曲形状に傾斜している。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。
【００３３】
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の底面により開口部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。
【００３４】
次に、以上のように構成された気液分離器３６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、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。
【００３５】
水が分離された水素オフガスは、下部空間Ｓ１からイオン交換樹脂６０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６０により、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。この際、イオン交換樹脂６０の下面６０ａが流入口５０ａ側を向くように傾斜しているので、流入口５０ａから遠い側のイオン交換樹脂６０にも十分に水素オフガスが流れ込み、イオン交換樹脂６０の全面において偏りなく、水分と不純物の除去が行われる。
【００３６】
上部空間Ｓ２に流出した水素オフガスは、流出口５０ｂから循環流路３２に排出される。
【００３７】
また、イオン交換樹脂６０で捕集された水分は、例えば図３に示すように重力によりイオン交換樹脂６０の内部を下方に流れ落ち、下面６０ａに到達する。その後水分は、傾斜している下面６０ａを伝って下方に流れ落ち、端部６０ｃに到達する。その後水分は、ケーシング５０の内壁部５０ｃを伝って流れ落ち、開口部５０ｅから液溜め部５０ｄに流れ込む。
【００３８】
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。
【００３９】
以上の実施の形態によれば、イオン交換樹脂６０の下面６０ａが傾斜しているので、イオン交換樹脂６０で捕集した水分が下面６０ａを伝って流れ落ちる。これにより、イオン交換樹脂６０の下面６０ａに水分が滞留することがなく、低温環境下におけるイオン交換樹脂６０の凍結が防止される。よって、例えばイオン交換樹脂６０の寿命が延ばされる。
【００４０】
また、以上の実施の形態では、水素オフガスの流入口５０ａがケーシング５０の下部空間Ｓ１の側方に形成され、イオン交換樹脂６０の下面６０ａが、流入口５０ａ側が高くなるように傾斜しているので、流入口５０ａと下面６０ａが対向するようになる。これにより、流入口５０ａから流入した水素オフガスが下面６０ａに当たって当該下面６０ａに沿って流れるので、下面６０ａに付着している水分の排水をより促進させることができる。また、流入口５０ａから遠い位置のイオン交換樹脂６０に、水素オフガスが当たりやすくなるので、流入口５０ａから遠い位置のイオン交換樹脂６０の利用率を上げることができる。この結果、イオン交換樹脂６０の全面において水分と不純物の除去が偏りなく行われ、水分と不純物の除去をより効率的に行うことができる。
【００４１】
また、イオン交換樹脂６０の下面６０ａの低い側の端部６０ｃが、ケーシング５０の内壁面５０ｃに接触しているので、表面張力の作用により、イオン交換樹脂６０の下面６０ａの水分が内壁面５０ｃに流れ込みやすくなり、下面６０ａの水分をより効果的に除去できる。
【００４２】
また、ケーシング５０の内壁面５０ｃは、水分が当該内壁面５０ｃを伝って液溜め部５０ｄに流れ込むように傾斜しているので、イオン交換樹脂６０から除去された水分を液溜め部５０ｄに適正に流し込むことができる。
【００４３】
また、ケーシング５０の内壁面５０ｃは、上方に行くにつれて次第に広がるようにも傾斜しているので、例えば流入口５０ａから流入した水素オフガスが内壁面５０ｃに衝突した際の圧力損失を最小限に抑えることができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、上記気液分離器３６を燃料電池システム１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適正に行い、水素オフガスの再利用を適正に行うことができる。
【００４５】
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。
【００４６】
例えば以上の実施の形態では、除去部材がイオン交換樹脂６０であったが、気液混合ガスから水分と所望の不純物を除去するものであれば、他のものであってもよい。また、気液分離器３６のケーシング５０などの構成も、本実施の形態の例に限られず、他のものであってもよい。また、以上の実施の形態では、不純物除去装置の機能を有する気液分離器３６について説明したが、本発明は、気液分離器と別体の不純物除去装置や、気液分離器以外の装置と兼用の不純物除去装置にも適用できる。
【００４７】
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に設けられる気液分離器３６を例に採って説明したが、燃料電池システムの他の流路に設けられる他の気液分離器に、本発明を適用してもよい。また、上記実施の形態において、気液混合ガスが水を含む水素オフガスであったが、他の種類の気液混合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】
【００４８】
【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】気液分離器の水分の流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池システム
３６  気液分離器
５０  ケーシング
５０ａ  流入口
５０ｂ  流出口
５０ｃ  内壁部
５０ｄ  液溜め部
６０  イオン交換樹脂
６０ａ  下面
【図１】
2009117106.tif 000003
【図２】
2009117106.tif 000004
【図３】
2009117106.tif 000005