(57)【要約】【課題】気液分離器に設けられたイオン交換フィルタ内の排水を促し、内部に不要な残水が残らない燃料電池システムを提供する【解決手段】燃料電池システム１には燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、希釈器１６と、水素供給弁１１と、ポンプ１３及びポンプ用モータ１２と、排水弁コントローラ１５と、燃料電池制御装置１４と、を含んでいる。燃料電池スタック１０からは未反応の水素ガスと反応水とを含むオフガスがオフガス流通路４２を流れて気液分離器２０へ導入される。気液分離器２０は、液滴の落下を促すガイド部材を底面に備えたイオン交換フィルタ３０を有し、反応水は排水流通路４４から希釈器１６へ導入され、希釈器１６により排水及び大気へ放出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス通路に気液分離器を有する燃料電池システムにおいて、
気液分離器は、
燃料電池のオフガスに含まれる液体を分離する上側チャンバと、
上側チャンバ内に設けられたイオン交換器と、
分離された液体を集めて排水する排水部が形成された下側チャンバと、
を有し、
イオン交換器の底面には、液滴の落下を促すガイド部材が鉛直下方に延設されたことを特徴と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、
ガイド部材は、棒状の突起であ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に記載の燃料電池システムにおいて、
ガイド部材は、根本部を太く、かつ、先端部を細くした円錐状の突起であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
ガイド部材は、横長の矩形状リブと三角形状リブとを有し、矩形状リブはオフガスの流れに沿って配置され、三角形状リブは矩形状リブと直交して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
車両に搭載され、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス通路に気液分離器を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の動力源として燃料電池が注目されている。この燃料電池はイオン交換が可能な電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された水素極と、他方の面に配置された酸素極と、それぞれの極に水素ガスと空気を供給するための流路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数枚積層して燃料電池スタックとしている。
【０００３】
このような燃料電池スタックを含む燃料電池システムは、燃料となる水素と空気中の酸素から発電をするもので、燃料電池の水素極に供給された水素ガスが電気化学反応により水素イオン化する際に水素極から酸素極に移動する電子を外部回路によって直流電流として取り出すことができる。水素極に供給された水素ガスの一部は未反応状態で燃料電池スタックから排出されるため、この未反応のオフガスを再度燃料電池スタックに戻して有効利用する循環系が設けられている。
【０００４】
導入されるオフガスは、燃料電池スタックを循環する水素ガスや反応水が含まれている。この水素ガスや反応水には、微量であるが、燃料電池スタックや配管部品などがから溶け出した不純物が存在する。また、外気から吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素ガスの循環系に混入することもある。そこで、水素ガスの循環系にはイオン交換フィルタを設け、反応水、水素ガス及び空気等による燃料電池スタックの劣化を抑制するイオン交換フィルタが設けられている。
【０００５】
特許文献１には、排出ガス路において、粒子状で飛んでくる反応水や、この反応水に混在している不純物を確実に除去することが可能なイオン交換フィルタを内蔵した気液分離器が示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池システムで生成又は利用される反応水に含まれるイオンを燃料電池スタックの外部で除去するイオン交換フィルタに関し、零度以下の環境下において、イオン交換フィルタに入り込んだ反応水が凍結により膨張し、イオン交換フィルタが破損することを防止する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２８５７３５号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献では、排出ガス路において、反応水に混在している不純物を確実に除去することが可能なイオン交換フィルタや、零度以下の環境下において、イオン交換フィルタに入り込んだ反応水が凍結により膨張してイオン交換フィルタが破損することを防止するものであるが、イオン交換フィルタに含まれる不要な残水（反応水）の積極的な排水を促すように構成されておらず、オフガスの通過量を低下させることがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、イオン交換フィルタ内の排水を促進し、内部に不要な残水が残らない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】
【００１０】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載され、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス通路に気液分離器を有する燃料電池システムにおいて、気液分離器は、燃料電池のオフガスに含まれる液体を分離する上側チャンバと、上側チャンバ内に設けられたイオン交換器と、分離された液体を集めて排水する排水部が形成された下側チャンバと、を有し、イオン交換器の底面には、液滴の落下を促すガイド部材が鉛直下方に延設されたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ガイド部材は、棒状の突起であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ガイド部材は、根本部を太く、かつ、先端部を細くした円錐状の突起であることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ガイド部材は、横長の矩形状リブと三角形状リブとを有し、矩形状リブはオフガスの流れに沿って配置され、三角形状リブは矩形状リブと直交して配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの気液分離器を用いると、イオン交換フィルタに含まれる不要な残水の積極的な排水を促すことができ、オフガス通過量の低下を防止することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、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）を、図面に従って説明する。
【実施例】
【００１６】
図１には燃料電池システム１の構成が示されている。燃料電池システム１には燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、希釈器１６と、水素供給弁１１と、ポンプ１３及びポンプ用モータ１２と、排水弁コントローラ１５と、燃料電池制御装置１４と、を含んでいる。水素ガスは、水素供給弁１１を開状態にすることで、水素供給流通路４１に流れ、燃料電池スタック１０へ導入される。燃料電池スタック１０には、水素ガスの他に、空気中の酸素が導入され、電気化学反応により、電流が発生し、反応水が生成される。燃料電池スタック１０からは未反応の水素ガスと反応水とを含むオフガスがオフガス流通路４２を流れて気液分離器２０へ導入される。
【００１７】
気液分離器２０は、液滴の落下を促すガイド部材を底面に備えたイオン交換フィルタ３０を有し、反応水は排水流通路４４から希釈器１６へ導入され、希釈器１６により排水及び大気へ放出される。なお、反応水が分離された水素ガスはポンプ１３により再び水素供給流通路４１へ戻される。
【００１８】
図２には、燃料電池システムにおける気液分離器２０の正面図及び上面図が示されている。図に示すように、気液分離器２０の排水方向の長さ（Ｗ）が奥行き方向（Ｄ）よりも長く設定され、気液分離器２０と配管とを組み合わせた形状となっている。また、気液分離器２０は、オフガスを導入するオフガス導入管２１と、導入されたオフガスが最初に入る上側チャンバ２２と、反応水が一時的に貯蔵される下側チャンバ２３と、反応水を排出するための排水弁２５と、排水弁２５に接続されている排出管２６と、反応水が分離された水素ガスが排出される循環排出管２４と、を有している。
【００１９】
図３は気液分離器２０に内蔵されるイオン交換フィルタ３０の外観を示している。説明のため、イオン交換フィルタ３０の底面を正面図とし、イオン交換フィルタ３０の側面を上面図として示している。イオン交換フィルタ３０は、フィルタケース３２とネット３３，３５で形成される空間にイオン交換樹脂３４が充填されている。イオン交換フィルタ３０の底面には、イオン交換樹脂３４を保持するネット３３と、ネット３３と先端部が球状の棒で構成されるガイド部材３６とを支持するリブ３１と、が設けられている。粒状樹脂３７自身に含まれる反応水と各粒状樹脂３７の隙間を伝って流れる反応水とは、ネット３３及びリブ３１を伝わり、液滴の落下を促すガイド部材３６により、イオン交換フィルタ３０の外部に排水される。
【００２０】
図４には、図３のイオン交換フィルタ３０と異なる気液分離器２０の断面が示されている。図３と異なる点は、液滴の落下を促進すると共に、液滴の落下方向と逆行するオフガス流によりイオン交換フィルタ３０内に戻る反応水を減少させるため、イオン交換フィルタ３０の棒状の突起が円錐状の突起に置き換えられていることである。円錐状の突起部の根本には液滴が伝わりやすく、一度根本に伝わった液滴は逆行しにくいからである。
【００２１】
オフガス導入管２１から気液分離器２０へ導入されるオフガスには、燃料電池スタック１０を循環する水素ガスや反応水が含まれている。この水素ガスや反応水の中に含まれる微量の不純物は、イオン交換フィルタ３０の底面から入り、内部のイオン交換樹脂３４により吸着され除去される。さらに、不純物が取り除かれた水素ガスはイオン交換フィルタ３０の上面から循環排出管２４へ排出され、同様に不純物が取り除かれた反応水は重力によりオフガス流に対して逆方向に進み、イオン交換フィルタ３０の底面に設けられている円錐状突起３９に伝わって先端部から滴下する。なお、図４には図示しなかったが、円錐状突起３９の中心部に中空部を設けパイプ状としても良い。
【００２２】
図４のオフガス導入管２１から上側チャンバ２２に導入されたオフガスは、水素ガスと、反応水に分離され、循環排出管２４から排出される。また、反応水は、上側チャンバ２２の側面及び傾斜した底面を伝って連通孔２７を通り、下側チャンバ２３に一時的に貯蔵（反応水３２）される。貯蔵された反応水３２の排出は、燃料電池制御装置及び排水弁コントローラにより排水弁が制御され、水素ガスの圧力と、連通孔２７を流れる水素ガスの流速と、の相乗効果により反応水３２を瞬間的に吹き飛ばすフラッシュ排水を行う。
【００２３】
図５はオフガスの流れを利用して液滴落下を促進させたイオン交換フィルタ３０を有する気液分離器２０の外観を示している。なお、同一部分については説明を割愛する。
【００２４】
図５の気液分離器２０のオフガス導入管２１と循環排出管２４とは、イオン交換効率を向上させるために離間させることが望ましいが、オフガス流通路を短くするために循環排出管２４はオフガス導入管２１に接近している。そこで、本実施形態では、ガイド部材としてオフガスを導く導風三角リブ３８を設け、オフガス流をイオン交換フィルタ３０の奥へ効率的に導いている。
【００２５】
導風三角リブ３８は、横長の矩形状リブと三角形状リブとを有し、矩形状リブはオフガスの流れに沿って配置され、三角形状リブは矩形状リブと直交して配置される。また、矩形状リブは、オフガス導入口付近はガイド部の高さが低く、奥に行くほどガイド部の高さを高く設定されている。このため、オフガス導入口付近のオフガスは、その噴出速度を保ったまま奥側まで導かれ、イオン交換フィルタ３０の底面隅々に導かれる。
【００２６】
以上、上述したように、本実施形態に係る気液分離器を用いることにより、イオン交換フィルタに含まれる不要な残水の積極的な排水を促すことができ、オフガス通過量の低下を防止することが可能となる。なお、ガイド部材として設けた突起の高さ、太さ、及び、本数は、燃料電池システム毎に異なるため、燃料電池システム毎に最適な値を設定する必要があることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムに設けられた気液分離器の外観を説明する説明図である。
【図３】本実施形態の気液分離器に内蔵されるイオン交換フィルタの外観を説明する説明図である。
【図４】本実施形態の気液分離器に内蔵される別形態のイオン交換フィルタを説明する説明図である。
【図５】本実施形態の気液分離器に内蔵される別形態のイオン交換フィルタを説明する説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池システム、１０  燃料電池スタック、１１  水素供給弁、１２  ポンプ用モータ、１３  ポンプ、１４  燃料電池制御装置、１５  排水弁コントローラ、１６  希釈器、２０  気液分離器、２１  オフガス導入管、２２  上側チャンバ、２３  下側チャンバ、２４  循環排出管、２５  排水弁、２６  排出管、２７  連通孔、３０  イオン交換フィルタ、３１  リブ、３２  フィルタケース、３２  反応水、３３，３５  ネット、３４  イオン交換樹脂、３６  ガイド部材、３７  粒状樹脂、３８  導風三角リブ、３９  円錐状突起、４１  水素供給流通路 、４２  オフガス流通路、４４  排水流通路。
【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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