JP2007018758A - Filter structure and fuel cell system - Google Patents

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Kazuhiro Kageyama
和弘 影山
Hisashi Niioka
久 新岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To filter a fluid with optimum permeability in response to temperature variation by deforming a mesh shape in response to the temperature variation, in a filter structure for filtering the fluid. <P>SOLUTION: This filter structure 1 is characterized in that two mesh-shaped layers 2a and 2b for filtering a fluid by the mesh shape are installed in a passage 3 by stacking them on each other; and at least one of the two mesh-shaped layers 2a and 2b is provided with a bimetal 4 deforming so as to separate the two mesh-shaped layers from each other when it is set at a temperature below a freezing temperature T1 at which it may be frozen. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、流体を濾過するためのフィルタ構造に係り、特に温度変化に応じてメッシュ形状を変形させて流体の透過率を変化させるフィルタ構造及びこのフィルタを流路に設置した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a filter structure for filtering a fluid, and more particularly to a filter structure that changes a mesh shape in accordance with a temperature change to change a fluid permeability and a fuel cell system in which the filter is installed in a flow path.

固体高分子型燃料電池では、水素イオンを通す固体高分子電解質膜を、燃料極と空気極とで挟むことによって燃料電池セルを形成し、この燃料電池セルを複数積層させることによって燃料電池スタックとしている。このように構成された燃料電池の燃料極には水素が供給され、空気極には酸化剤として空気が供給されている。そして、水素の供給された燃料極では触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過して空気極まで移動し、空気極で酸素と電気化学反応を起こすことで発電が行われている。   In a polymer electrolyte fuel cell, a fuel cell is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions pass between a fuel electrode and an air electrode, and a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack. Yes. Hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell thus configured, and air is supplied to the air electrode as an oxidant. At the fuel electrode to which hydrogen is supplied, hydrogen ions generated by the catalytic reaction pass through the solid polymer electrolyte membrane and move to the air electrode, and electricity is generated by causing an electrochemical reaction with oxygen at the air electrode. Yes.

このような燃料電池システムには、システム内に多くの電磁バルブが設置されているので、電磁バルブのシート部における異物の噛み込みによって微小な水素リークを防ぐためにフィルタが内蔵されている。   In such a fuel cell system, since many electromagnetic valves are installed in the system, a filter is incorporated in order to prevent minute hydrogen leaks due to biting of foreign matter in the seat portion of the electromagnetic valve.

この種のフィルタの従来例として、形状記憶合金からなる細線を編網して圧縮成形したフィルタの外周にコイルばねを取り付けることによって、流体の温度変化に応じてフィルタの密度を変化させ、温度に応じて流体の粘度が変化した場合でも一定の透過率を保った状態で異物の除去を行なえるようにしたものが知られている（特許文献１）。
実開平６−１１８１７号公報 As a conventional example of this type of filter, by attaching a coil spring to the outer periphery of a filter formed by knitting a fine wire made of a shape memory alloy and compressing it, the density of the filter is changed according to the temperature change of the fluid. In response to this, there is known a technique in which foreign matter can be removed while maintaining a constant transmittance even when the viscosity of the fluid changes (Patent Document 1).
Japanese Utility Model Publication No. 6-11817

上述した従来のフィルタ構造では、流路方向にコイルばねの分の長さを必要とするので、フィルタ自体が大型化し、これに伴ってシステムも大型化してしまうという問題点があった。   In the conventional filter structure described above, since the length of the coil spring is required in the flow path direction, there is a problem that the filter itself is enlarged and the system is enlarged accordingly.

また、固体高分子型燃料電池では、ユーザがその意思によって運転負荷を決定するため、濾過する流体の温度は運転負荷によって変化し、運転負荷の変化により流路内温度に不均一な部分が生じ、形状記憶合金とコイルばねによるフィルタの変形が均一に起こらないという問題点があった。このように、フィルタの変形が均一に起こらないと、流体の温度低下によって流体の粘度が高くなったときにはフィルタの透過率が落ちるために、圧力損失が上昇するという問題を生じることになる。   In the polymer electrolyte fuel cell, since the user determines the operation load according to his / her intention, the temperature of the fluid to be filtered changes depending on the operation load, and the change in the operation load causes an uneven portion of the temperature in the flow path. There is a problem that the deformation of the filter due to the shape memory alloy and the coil spring does not occur uniformly. Thus, if the deformation of the filter does not occur uniformly, the transmittance of the filter decreases when the viscosity of the fluid increases due to a decrease in the temperature of the fluid, resulting in a problem that the pressure loss increases.

さらに、固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、反応ガスは加湿された状態で供給され、燃料電池の発電時には電気化学反応による反応生成水が生成されるため、燃料電池から排出されるオフガスは高湿潤状態となる。このような場所に上述した従来のフィルタを使用すると、システムの停止時にはフィルタが高湿潤環境下にさらされるので、フィルタに結露が生じ、低外気温下では結露水が凍結してフィルタを閉塞させ、システムの起動時間が遅延してしまうことになる。このように、従来のフィルタでは、温度変化に応じて最適な透過率を選択することができないという問題点があった。   Furthermore, in a polymer electrolyte fuel cell, the reaction gas is supplied in a humidified state in order to maintain the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane, and reaction product water is generated by an electrochemical reaction during power generation of the fuel cell. Therefore, the off gas discharged from the fuel cell is in a highly humid state. If the above-mentioned conventional filter is used in such a place, the filter is exposed to a highly humid environment when the system is stopped, so that condensation occurs on the filter, and at low outside air temperature, the condensed water freezes and blocks the filter. The system startup time will be delayed. As described above, the conventional filter has a problem in that an optimum transmittance cannot be selected according to a temperature change.

上述した課題を解決するために、本発明のフィルタ構造は、メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層を複数重ね合わせることで形成されたフィルタ構造であって、前記複数のメッシュ形状層の少なくとも１つに、予め設定された温度になると前記メッシュ形状層のメッシュ形状を変形させる変形手段を設けたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the filter structure of the present invention is a filter structure formed by superposing a plurality of mesh-shaped layers that filter a fluid in a mesh shape, and at least one of the plurality of mesh-shaped layers. In addition, a deforming means is provided for deforming the mesh shape of the mesh shape layer when a preset temperature is reached.

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電し、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路にはフィルタが設置された燃料電池システムにおいて、前記フィルタは、メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層を複数重ね合わせて構成され、前記複数のメッシュ形状層の少なくとも１つに、予め設定された温度になると前記メッシュ形状層のメッシュ形状を変形させる変形手段を備えることを特徴とする。   The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system in which a fuel gas and an oxidant gas are reacted by an electrochemical reaction to generate power, and a filter is installed in a flow path of the fuel gas or oxidant gas. The filter is configured by superimposing a plurality of mesh-shaped layers that filter the fluid according to the mesh shape, and deforms the mesh shape of the mesh-shaped layer at a preset temperature in at least one of the plurality of mesh-shaped layers. A deformation means is provided.

本発明に係るフィルタ構造では、メッシュ形状層を複数重ねて流路に設置し、予め設定された温度になると変形手段が変形してメッシュ形状層のメッシュ形状を変形させるので、運転負荷の変化により流路内温度に不均一な部分が生じても、フィルタを確実に変形させることができるため、温度変化に応じて最適な透過率で流体を濾過することができる。また、メッシュ形状層を重ねただけなので薄くすることができ、フィルタ自体が大型化することを防ぐことができる。   In the filter structure according to the present invention, a plurality of mesh-shaped layers are stacked and installed in the flow path, and when the temperature reaches a preset temperature, the deforming means is deformed to deform the mesh shape of the mesh-shaped layer. Since the filter can be reliably deformed even when a non-uniform portion occurs in the temperature in the flow path, the fluid can be filtered with an optimum transmittance according to the temperature change. Further, since the mesh-shaped layers are simply stacked, the thickness can be reduced, and an increase in size of the filter itself can be prevented.

以下、本発明に係わるフィルタ構造及び燃料電池システムの実施例について説明する。   Embodiments of a filter structure and a fuel cell system according to the present invention will be described below.

図１は実施例１に係わるフィルタ構造を示す図である。図１では、同一のフィルタ構造１の温度による変動を（１）、（２）として示している。   FIG. 1 is a diagram illustrating a filter structure according to the first embodiment. In FIG. 1, the fluctuation | variation with the temperature of the same filter structure 1 is shown as (1), (2).

図１に示すように、本実施例のフィルタ構造１は、メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層２ａ、２ｂを二層に重ね合わせて構成したもので、流路３内に設置されている。この２枚のメッシュ形状層２ａ、２ｂのうちの少なくとも１つには、凍結する可能性のある凍結温度以下になると２枚のメッシュ形状層を分離させるように変形するバイメタル（変形手段）４が取り付けられている。図１では、メッシュ形状層２ａのみにバイメタル４を取り付けているが、両方のメッシュ形状層２ａ、２ｂにバイメタル４を取り付けてもよい。また、メッシュ形状層は２枚だけではなく、３枚以重ね合わせてもよい。   As shown in FIG. 1, the filter structure 1 of the present embodiment is configured by superposing two mesh-shaped layers 2 a and 2 b for filtering a fluid in a mesh shape, and is installed in a flow path 3. . At least one of the two mesh-shaped layers 2a and 2b has a bimetal (deformation means) 4 that is deformed so as to separate the two mesh-shaped layers when the temperature falls below a freezing temperature at which the two mesh-shaped layers may be frozen. It is attached. In FIG. 1, the bimetal 4 is attached only to the mesh shape layer 2a, but the bimetal 4 may be attached to both mesh shape layers 2a and 2b. Further, not only two mesh shape layers but also three or more mesh shape layers may be overlapped.

メッシュ形状層２ａ、２ｂは、それぞれメッシュサイズが異なっており、流路３の流れ方向において上流側に設置されたメッシュ形状層２ｂのほうがメッシュサイズが小さく目の粗い網目になっており、下流側のメッシュ形状層２ａのほうがメッシュサイズが大きく細かい目となっている。   The mesh shape layers 2a and 2b have different mesh sizes, and the mesh shape layer 2b installed on the upstream side in the flow direction of the flow path 3 has a smaller mesh size and a coarse mesh, and the downstream side The mesh shape layer 2a has a larger mesh size and finer eyes.

このメッシュサイズとは、網目の細かさを表しており、１ｃｍ四方の正方形を何本の線で分割するかを示している。したがって、メッシュサイズが大きくなるほど分割する本数が増えて目の細かい網目となる。   This mesh size represents the fineness of the mesh, and indicates how many lines a 1 cm square is divided into. Therefore, as the mesh size increases, the number of divisions increases, resulting in a fine mesh.

次に、メッシュ形状層２ａに取り付けられたバイメタル４の構造を図２に基づいて説明する。図２はバイメタル４の構造図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。   Next, the structure of the bimetal 4 attached to the mesh shape layer 2a will be described with reference to FIG. 2A and 2B are structural views of the bimetal 4, wherein FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a side view.

図２に示すように、バイメタル４は一端がメッシュ形状層２ａの少なくとも１点、図２では中心部で拘束されており、他端がメッシュ形状層２ａの周縁部に固定されている。そして、温度変化が与えられて予め設定された温度になると、バイメタル４の飛越え座屈現象によってバイメタル４が変形し、その変形によってメッシュ形状層２ａに対しても変形が与えられる構造になっている。この変形によってメッシュ形状層２ａはメッシュサイズが変更され、最適な透過率で流体を濾過することができる。   As shown in FIG. 2, one end of the bimetal 4 is constrained at at least one point of the mesh-shaped layer 2a, in FIG. 2, at the center, and the other end is fixed to the peripheral edge of the mesh-shaped layer 2a. Then, when the temperature change is given and a preset temperature is reached, the bimetal 4 is deformed by the jumping buckling phenomenon of the bimetal 4, and the deformation also gives deformation to the mesh-shaped layer 2 a. Yes. By this deformation, the mesh size of the mesh-shaped layer 2a is changed, and the fluid can be filtered with an optimum transmittance.

このように構成されたフィルタ構造１では、予め実験によってフィルタ構造１が凍結する可能性のある凍結温度Ｔ１を求め、メッシュ形状層２ａに取り付けるバイメタル４として、凍結温度Ｔ１以下の温度で飛び越え座屈現象により変形するような温度特性をもつバイメタルを選択する。これによれば、図１の（１）に示すように、流体や周辺の温度が凍結温度Ｔ１よりも大きいときにはバイメタル４が変形せずに、２枚のメッシュ形状層２ａ、２ｂは重なり合った状態で流体を濾過することになる。   In the filter structure 1 configured as described above, a freezing temperature T1 at which the filter structure 1 may be frozen by experiment is obtained in advance, and the bimetal 4 attached to the mesh shape layer 2a is jumped over at a temperature below the freezing temperature T1. Select bimetals with temperature characteristics that can be deformed by the phenomenon. According to this, as shown in FIG. 1 (1), when the fluid or the surrounding temperature is higher than the freezing temperature T1, the bimetal 4 is not deformed, and the two mesh-shaped layers 2a and 2b overlap each other. The fluid will be filtered.

そして、流体の流れが停止して低外気温下にさらされ、図１の（２）に示すように温度が凍結温度Ｔ１以下になり、メッシュ形状層２ａに付着した結露水が凍結する可能性が高くなってくると、バイメタル４が飛超え座屈現象を起こし、メッシュ形状層２ａをメッシュ形状層２ｂから分離させる方向に変形する。   Then, the flow of the fluid is stopped and exposed to a low outside air temperature. As shown in (2) of FIG. 1, the temperature becomes the freezing temperature T1 or less, and the condensed water adhering to the mesh shape layer 2a may be frozen. As the height increases, the bimetal 4 jumps over and buckles, and deforms in a direction to separate the mesh-shaped layer 2a from the mesh-shaped layer 2b.

この変形によって、メッシュ形状層２ａはメッシュ形状層２ｂから分離されるとともに、メッシュサイズが小さくなって網目が粗くなるため、メッシュ形状層２ａは結露水を保持することが困難になって結露水を排出するので、フィルタ構造１の凍結による流路３の閉塞を防止することができる。   As a result of this deformation, the mesh-shaped layer 2a is separated from the mesh-shaped layer 2b, and the mesh size becomes smaller and the mesh becomes rougher. Therefore, it becomes difficult for the mesh-shaped layer 2a to hold the condensed water, and the condensed water is removed. Since the discharge is performed, blockage of the flow path 3 due to freezing of the filter structure 1 can be prevented.

また、温度が凍結温度Ｔ１以下になり、バイメタル４がメッシュ形状層２ａをメッシュ形状層２ｂから分離させる方向に変形したときには、メッシュサイズが小さくなって網目が粗くなるため、温度が低下して流体の粘度が高くなったときにフィルタ構造１によって生じる圧力損失の上昇を防ぐことができる。   Further, when the temperature is lower than the freezing temperature T1 and the bimetal 4 is deformed in a direction to separate the mesh-shaped layer 2a from the mesh-shaped layer 2b, the mesh size becomes smaller and the mesh becomes coarser. An increase in pressure loss caused by the filter structure 1 when the viscosity of the filter becomes high can be prevented.

なお、本実施例では、メッシュ形状層２ａにバイメタル４を取り付けているが、メッシュ形状層２ｂにバイメタル４を取り付けるようにしてもよい。   In the present embodiment, the bimetal 4 is attached to the mesh shape layer 2a, but the bimetal 4 may be attached to the mesh shape layer 2b.

このように、本実施例のフィルタ構造１では、メッシュ形状層２ａ、２ｂを複数重ねて流路３に設置し、予め設定された温度になるとバイメタル４が変形してメッシュ形状層２ａのメッシュ形状を変形させるようにしたので、運転負荷の変化により流路内温度に不均一な部分が生じても、フィルタを確実に変形させることができるため、温度変化に応じて最適な透過率で流体を濾過することができる。   Thus, in the filter structure 1 of the present embodiment, a plurality of mesh-shaped layers 2a and 2b are placed in the flow path 3 in a stacked manner, and the bimetal 4 is deformed at a preset temperature to deform the mesh shape of the mesh-shaped layer 2a. Since the filter can be reliably deformed even if the temperature in the flow path is uneven due to changes in the operating load, the fluid can be transferred with the optimum permeability according to the temperature change. It can be filtered.

また、本実施例のフィルタ構造１では、バイメタル４は、予め設定された温度になると、重ねられた複数のメッシュ形状層２ａ、２ｂを分離させるように変形するので、メッシュ形状層２ａのメッシュサイズが小さくなって網目が粗くなり、結露水の付着を防止することができる。   Further, in the filter structure 1 of this embodiment, when the bimetal 4 reaches a preset temperature, the bimetal 4 is deformed so as to separate the plurality of superimposed mesh-shaped layers 2a and 2b, so that the mesh size of the mesh-shaped layer 2a Becomes smaller and the mesh becomes rougher, and the adhesion of condensed water can be prevented.

さらに、本実施例のフィルタ構造１では、メッシュ形状層２ａ、２ｂを２枚重ねて流路３に設置し、凍結する可能性のある凍結温度Ｔ１以下になるとバイメタル４が２枚のメッシュ形状層２ａ、２ｂを分離させるように変形するので、メッシュ形状層２ａのメッシュサイズを小さくして網目を粗くすることができ、これによって結露水の付着を防止して結露水の凍結による流路３の閉塞を防止することができる。   Further, in the filter structure 1 of the present embodiment, two mesh-shaped layers 2a and 2b are stacked and installed in the flow path 3, and the bimetal 4 has two mesh-shaped layers when the freezing temperature T1 is lower than the freezing temperature T1. 2a and 2b are separated so that the mesh size of the mesh-shaped layer 2a can be reduced to roughen the mesh, thereby preventing the condensation water from adhering and freezing the condensation water. Blockage can be prevented.

また、本実施例のフィルタ構造１では、メッシュ形状層２ａ、２ｂをそれぞれ異なるメッシュサイズにしたので、異なる透過率で流体を濾過することができる。   Moreover, in the filter structure 1 of the present embodiment, since the mesh shape layers 2a and 2b have different mesh sizes, fluids can be filtered with different transmittances.

さらに、本実施例のフィルタ構造１では、メッシュ形状層２ａを変形させる変形手段としてバイメタル４を利用しているので、電力の消費を必要とせず、簡単な構造でメッシュ形状層２ａを変形させることができる。   Furthermore, in the filter structure 1 of the present embodiment, the bimetal 4 is used as a deformation means for deforming the mesh-shaped layer 2a. Therefore, the mesh-shaped layer 2a can be deformed with a simple structure without requiring power consumption. Can do.

図３は、実施例２に係わるフィルタ構造を示す図である。図３では、同一のフィルタ構造３１の温度による変動を（１）〜（３）として示している。   FIG. 3 is a diagram illustrating a filter structure according to the second embodiment. In FIG. 3, fluctuations due to temperature of the same filter structure 31 are shown as (1) to (3).

図３に示すように、本実施例のフィルタ構造３１は、バイメタル４ａが取り付けられて変形するメッシュ形状層２ａと、変形することのないメッシュ形状層２ｂと、バイメタル４ｃが取り付けられて変形するメッシュ形状層２ｃとを３枚重ね合わせて構成したもので、流路３内に設置されている。   As shown in FIG. 3, the filter structure 31 of the present embodiment includes a mesh-shaped layer 2a that is deformed when the bimetal 4a is attached, a mesh-shaped layer 2b that is not deformed, and a mesh that is deformed when the bimetal 4c is attached. The shape layer 2c is superposed on three sheets and is installed in the flow path 3.

メッシュ形状層２ａ〜２ｃは、それぞれメッシュサイズが異なっており、流路３の上流側に設置されたメッシュ形状層２ｃが最もメッシュサイズが小さく目の粗い網目になっており、中間のメッシュ形状層２ｂではメッシュサイズがやや大きくなって細かい目になり、下流側のメッシュ形状層２ａではメッシュサイズが最も大きくなって最も細かい目になっている。   The mesh shape layers 2a to 2c have different mesh sizes, and the mesh shape layer 2c installed on the upstream side of the flow path 3 has the smallest mesh size and a coarse mesh, and the intermediate mesh shape layer In 2b, the mesh size is slightly larger and becomes finer, and in the mesh shape layer 2a on the downstream side, the mesh size is largest and becomes the finest.

このように構成されたフィルタ構造３１では、予め実験によってフィルタ構造３１が凍結する可能性のある凍結温度（第２温度）Ｔ１を求めると共に、この凍結温度Ｔ１と流体の最高温度ＴＨとの間の温度で、流体の温度上昇によって流体の粘度が低下して流体内に異物が発生しやすくなる粘度低下温度（第１温度）Ｔ２も求める（ただし、第２温度＜第１温度とする）。   In the filter structure 31 configured as described above, a freezing temperature (second temperature) T1 at which the filter structure 31 may be frozen by an experiment is obtained in advance, and between the freezing temperature T1 and the maximum fluid temperature TH. The temperature is also determined as a viscosity lowering temperature (first temperature) T2 at which the viscosity of the fluid is lowered due to the temperature rise of the fluid and foreign matter is likely to be generated in the fluid (where 2nd temperature <first temperature).

そして、メッシュ形状層２ａに取り付けるバイメタル４ａとして、粘度低下温度Ｔ２以下になったときに変形するような温度特性をもつバイメタルを選択し、また、メッシュ形状層２ｃに取り付けるバイメタル４ｃとして、粘度低下温度Ｔ２以下になったときに変形するような温度特性をもつバイメタルを選択する。   Then, as the bimetal 4a to be attached to the mesh shape layer 2a, a bimetal having a temperature characteristic that deforms when the viscosity lowering temperature T2 or lower is selected, and as the bimetal 4c to be attached to the mesh shape layer 2c, the viscosity lowering temperature is selected. A bimetal having a temperature characteristic that deforms when T2 or less is selected.

これによれば、図３の（１）に示すように、流体の温度が最高温度ＴＨ以下で粘度低下温度Ｔ２よりも大きい場合には、バイメタル４ａが変形しないので、３枚のメッシュ形状層２ａ〜２ｃが重なった状態で流体を濾過することになる。   According to this, as shown in (1) of FIG. 3, when the fluid temperature is equal to or lower than the maximum temperature TH and is higher than the viscosity lowering temperature T2, the bimetal 4a is not deformed, so that the three mesh-shaped layers 2a The fluid is filtered in a state where ˜2c overlaps.

このように、流体の粘度が低く、流体内に異物が流出しやすい粘度低下温度Ｔ２より温度が高い場合には、メッシュ形状層２ａ〜２ｃが層状に重なり合ってメッシュサイズが大きくなり、網目が細かくなるので、流体の温度上昇による粘度低下によって流出した異物を捕捉することができる。   As described above, when the temperature of the fluid is low and the temperature is higher than the viscosity lowering temperature T2 at which foreign matter easily flows into the fluid, the mesh-shaped layers 2a to 2c overlap each other in a layer shape, resulting in a larger mesh size and a fine mesh. As a result, foreign matter that has flowed out due to a decrease in viscosity due to an increase in the temperature of the fluid can be captured.

そして、図３の（２）に示すように、流体の温度が粘度低下温度Ｔ２以下になると、バイメタル４ａが飛越え座屈現象を起こし、メッシュ形状層２ａをメッシュ形状層２ｂから分離させる方向に変形する。この変形によって、異物の流出が少なくなる粘度低下温度Ｔ２以下では、フィルタ構造３１によって生じる圧力損失の上昇を防ぐことができる。   Then, as shown in (2) of FIG. 3, when the temperature of the fluid becomes equal to or lower than the viscosity lowering temperature T2, the bimetal 4a jumps over and buckles, and the mesh-shaped layer 2a is separated from the mesh-shaped layer 2b. Deform. Due to this deformation, an increase in pressure loss caused by the filter structure 31 can be prevented below the viscosity lowering temperature T2 at which the outflow of foreign matter is reduced.

さらに、図３の（３）に示すように、流体の流れが停止して低外気温下にさらされ、温度が凍結温度Ｔ１以下になり、メッシュ形状層２ｃに付着した結露水が凍結する可能性が高くなってくると、バイメタル４ｃが飛超え座屈現象を起こしてメッシュ形状層２ｃをメッシュ形状層２ｂから分離させる方向に変形する。   Furthermore, as shown in FIG. 3 (3), the flow of fluid stops and the fluid is exposed to a low outside air temperature, the temperature becomes below the freezing temperature T1, and the condensed water adhering to the mesh shape layer 2c can be frozen. When the property increases, the bimetal 4c jumps over and buckles, and deforms in a direction to separate the mesh-shaped layer 2c from the mesh-shaped layer 2b.

この変形によって、メッシュ形状層２ｃはメッシュ形状層２ｂから分離され、メッシュサイズが小さくなって網目が粗くなるので、結露水を保持することが困難になり、フィルタ構造３１の凍結による流路３の閉塞を防止することができる。   Due to this deformation, the mesh-shaped layer 2c is separated from the mesh-shaped layer 2b, and the mesh size becomes smaller and the mesh becomes coarser. Therefore, it becomes difficult to hold the dew condensation water, and the filter structure 31 is frozen. Blockage can be prevented.

このように、本実施例のフィルタ構造３１では、メッシュ形状層２ａ〜２ｃを３枚重ね合わせて流路３に設置し、予め設定された温度になるとバイメタル４ａ、４ｃが変形してメッシュ形状層２ａ、２ｃのメッシュ形状を変形させるようにしたので、運転負荷の変化により流路内温度に不均一な部分が生じても、フィルタを確実に変形させることができるため、温度変化に応じて最適な透過率で流体を濾過することができる。   Thus, in the filter structure 31 of the present embodiment, three mesh-shaped layers 2a to 2c are overlapped and installed in the flow path 3, and when the temperature reaches a preset temperature, the bimetals 4a and 4c are deformed and the mesh-shaped layers are formed. Since the mesh shapes 2a and 2c are deformed, the filter can be reliably deformed even if the temperature in the flow path is uneven due to changes in the operating load. The fluid can be filtered with a high permeability.

なお、本実施例では、粘度低下温度Ｔ２以下になるとメッシュ形状層２ａが変形し、凍結温度Ｔ１以下になるとメッシュ形状層２ｃが変形するように設定されているが、逆に粘度低下温度Ｔ２以下になるとメッシュ形状層２ｃが変形し、凍結温度Ｔ１以下になるとメッシュ形状層２ａが変形するように設定してもよい。   In this embodiment, the mesh-shaped layer 2a is deformed when the viscosity lowering temperature T2 or lower, and the mesh-shaped layer 2c is deformed when the freezing temperature T1 or lower, but conversely the viscosity lowering temperature T2 or lower. Then, the mesh shape layer 2c may be deformed, and the mesh shape layer 2a may be deformed when the freezing temperature T1 or lower.

このように、本実施例のフィルタ構造３１では、メッシュ形状層２ａ〜２ｃを３枚重ねて流路３内に設置し、粘度低下温度Ｔ２以下になるとメッシュ形状層２ａをバイメタル４ａによって分離させるように変形させ、凍結温度Ｔ１以下になるとメッシュ形状層２ｃをバイメタル４ｃによって分離させるように変形させるようにしたので、粘度低下温度Ｔ２以上ではメッシュ形状層２ａ〜２ｃが層状に重なり合って流体の粘度低下により流出した異物を捕捉することができ、また凍結温度Ｔ１以下ではメッシュ形状層２ａ、２ｃを分離して結露水の付着を防いで、フィルタ構造３１の凍結による流路３の閉塞を防止することができる。   Thus, in the filter structure 31 of the present embodiment, three mesh-shaped layers 2a to 2c are stacked and installed in the flow path 3, and the mesh-shaped layer 2a is separated by the bimetal 4a when the viscosity lowering temperature T2 or lower. Since the mesh-shaped layer 2c is deformed so as to be separated by the bimetal 4c when the freezing temperature T1 or lower, the mesh-shaped layers 2a to 2c overlap each other at a temperature lower than the viscosity lowering temperature T2 and the viscosity of the fluid decreases. The foreign matter that has flowed out can be captured, and at the freezing temperature T1 or lower, the mesh-shaped layers 2a and 2c are separated to prevent the condensation water from adhering and the filter structure 31 can be prevented from being blocked by the freezing of the filter structure 31. Can do.

図４は、実施例３の燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示すように、本実施例の燃料電池システム４１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池４２と、燃料電池４２の燃料極に燃料ガスである水素を供給する水素供給経路４３と、未反応の水素などを含む燃料極のオフガスを燃料電池４２から排出する水素循環路４４と、水素循環路４４に設置されたフィルタ４５と、燃料電池４２の酸化剤極に酸化剤ガスである空気を供給する空気供給路４６と、酸化剤極からのオフガスを燃料電池４２から排出する空気排気路４７と、空気の流量を制御する流量制御弁４８と、水素循環路４４から不要な窒素をパージする窒素パージ弁４９とを備えて構成されている。   FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. As shown in FIG. 4, the fuel cell system 41 of this embodiment includes a fuel cell 42 that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, and a fuel gas at the fuel electrode of the fuel cell 42. A hydrogen supply path 43 for supplying hydrogen, a hydrogen circulation path 44 for discharging off-gas of the fuel electrode containing unreacted hydrogen and the like from the fuel cell 42, a filter 45 installed in the hydrogen circulation path 44, and a fuel cell 42 An air supply path 46 for supplying air as oxidant gas to the oxidant electrode, an air exhaust path 47 for discharging off-gas from the oxidant electrode from the fuel cell 42, a flow rate control valve 48 for controlling the flow rate of air, A nitrogen purge valve 49 for purging unnecessary nitrogen from the hydrogen circulation path 44 is provided.

燃料電池システム４１は、車両に搭載されたシステムであり、発電した電力をモータなどに供給して車両を駆動するためのシステムである。   The fuel cell system 41 is a system mounted on a vehicle, and is a system for driving the vehicle by supplying generated electric power to a motor or the like.

燃料電池４２は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟み込んで形成した燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックによって構成されている。   The fuel cell 42 is configured by a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode are stacked.

フィルタ４５は、上述した実施例１あるいは実施例２で示したフィルタ構造をしており、メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層を複数重ねることによって構成され、複数のメッシュ形状層の少なくとも１つには、予め設定された温度になるとメッシュ形状層のメッシュ形状を変形させるバイメタル（変形手段）が取り付けられている。そして、バイメタルは予め設定された温度になると、重ねられた複数のメッシュ形状層を分離させるように変形する。また、複数のメッシュ形状層はそれぞれ異なるメッシュサイズで形成されている。
このように構成された燃料電池システム４１において、燃料電池４２は水素供給経路４３から燃料極に水素が供給されるとともに、空気供給路４６から酸化剤極に空気が供給される。燃料極では触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過して酸化剤極まで移動し、酸素と電気化学反応を起こして発電し、生成水を生じさせる。このとき未反応の水素はオフガスとして水素循環路４４へ排出され、水素供給経路４３に再び戻されて再利用される。また、水素循環路４４中で不要となった窒素は窒素パージ弁４９によって空気排気路４７に排出される。 The filter 45 has the filter structure shown in the first embodiment or the second embodiment described above, and is configured by stacking a plurality of mesh-shaped layers that filter fluid according to a mesh shape, and at least one of the plurality of mesh-shaped layers. Is attached with a bimetal (deformation means) that deforms the mesh shape of the mesh-shaped layer when a preset temperature is reached. Then, when the bimetal reaches a preset temperature, the bimetal is deformed so as to separate the plurality of superimposed mesh layers. The plurality of mesh shape layers are formed with different mesh sizes.
In the fuel cell system 41 configured as described above, the fuel cell 42 is supplied with hydrogen from the hydrogen supply path 43 to the fuel electrode and supplied with air from the air supply path 46 to the oxidant electrode. At the fuel electrode, hydrogen ions generated by the catalytic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the oxidant electrode, cause an electrochemical reaction with oxygen, generate electricity, and generate water. At this time, unreacted hydrogen is discharged as an off-gas to the hydrogen circulation path 44 and returned to the hydrogen supply path 43 for reuse. Further, nitrogen that is no longer necessary in the hydrogen circulation path 44 is discharged to the air exhaust path 47 by the nitrogen purge valve 49.

一方、酸化剤極では、反応済みの空気はオフガスとして空気排気路４７から大気中へ排出される。また、空気排気路４７には流量制御弁４８が設置されており、燃料電池４２に要求される負荷に応じて必要な空気流量を供給できるように制御されている。   On the other hand, at the oxidant electrode, the reacted air is discharged as off-gas from the air exhaust path 47 to the atmosphere. In addition, a flow control valve 48 is installed in the air exhaust passage 47 and is controlled so that a necessary air flow rate can be supplied according to the load required for the fuel cell 42.

この燃料電池システム４１において、フィルタ４５は高湿潤なアノードオフガスが流れる水素循環路４４内に設置されているので、車両停止時には高湿度の環境下にさらされ、結露が生じることになる。   In the fuel cell system 41, the filter 45 is installed in the hydrogen circulation path 44 through which the highly humid anode off gas flows. Therefore, when the vehicle is stopped, the filter 45 is exposed to a high humidity environment and condensation occurs.

しかしながら、フィルタ４５は上述した実施例１あるいは実施例２で示したフィルタ構造であるため、外気温が低下してフィルタが凍結する可能性のある凍結温度Ｔ１以下になると、メッシュ形状層が分離するように変形してメッシュサイズを小さくして網目が粗くなるので、フィルタ４５に結露水が付着していることが困難になって排出され、結露水の凍結による水素循環路４４の閉塞を防止することができ、これによって低外気温下における燃料電池システム４１の起動性を向上させることができる。   However, since the filter 45 has the filter structure shown in the first embodiment or the second embodiment described above, the mesh-shaped layer is separated when the outside air temperature drops below the freezing temperature T1 at which the filter may freeze. Since the mesh size is reduced and the mesh is coarsened, it is difficult for the condensed water to adhere to the filter 45 and it is discharged, and the blockage of the hydrogen circulation path 44 due to freezing of the condensed water is prevented. Thus, the startability of the fuel cell system 41 under a low outside temperature can be improved.

ここで、フィルタ４５によって生ずる圧力損失の変化を図５に基づいて説明する。図５に示すように、予め設定された温度でバイメタルが変形してメッシュ形状層が分離するように変形すると、メッシュサイズが小さくなって網目が粗くなるので、フィルタ４５によって生ずる圧力損失も減少する。なお、図５において、破線の領域はメッシュサイズが変化しない場合の圧力損失を示している。   Here, a change in pressure loss caused by the filter 45 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, when the bimetal is deformed at a preset temperature so that the mesh-shaped layer is separated, the mesh size is reduced and the mesh becomes rough, so that the pressure loss caused by the filter 45 is also reduced. . In FIG. 5, the broken line area indicates the pressure loss when the mesh size does not change.

したがって、本実施例の燃料電池システム４１において、低負荷から中負荷域の使用頻度の高い運転領域ではメッシュサイズが変更されて圧力損失が減少するように設定しておけば、燃料電池システム４１の燃費を向上させることができる。   Therefore, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, if the mesh size is changed and the pressure loss is reduced in the operation range where the load frequency is high from the low load to the medium load range, the fuel cell system 41 Fuel consumption can be improved.

このとき、実施例２で示した３枚のメッシュ形状層で形成されたフィルタ構造を採用した場合には、粘度低下温度Ｔ２は、予め実験により異物の流出が問題にならないアノードオフガス温度とメッシュサイズとのバランスによって決定することができる。   At this time, when the filter structure formed of the three mesh-shaped layers shown in Example 2 is employed, the viscosity lowering temperature T2 is the anode off-gas temperature and the mesh size at which the outflow of foreign matter does not become a problem in advance through experiments. And can be determined by the balance.

なお、本実施例ではフィルタ４５が水素循環路４４に設置されている場合について説明したが、燃料電池システム４１のその他の場所に設置されているフィルタであってもよい。   In the present embodiment, the case where the filter 45 is installed in the hydrogen circulation path 44 has been described. However, a filter installed in another place of the fuel cell system 41 may be used.

このように、本実施例の燃料電池システム４１では、メッシュ形状層を複数重ねることによって構成され、予め設定された温度になるとバイメタルによってメッシュ形状が変形するフィルタ４５を、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路に設置したので、結露水が付着することを防止して結露した水の凍結による流路の閉塞を防止することができる。   As described above, the fuel cell system 41 of the present embodiment is configured by stacking a plurality of mesh-shaped layers, and the filter 45 whose mesh shape is deformed by the bimetal when the temperature reaches a preset temperature is replaced with a fuel gas or an oxidant gas. Since it was installed in the flow path, it is possible to prevent the condensed water from adhering and prevent the flow path from being blocked due to freezing of the condensed water.

また、本実施例の燃料電池システム４１では、フィルタ４５に取り付けられたバイメタルが予め設定された温度になると、重ねられた複数のメッシュ形状層を分離させるように変形するので、メッシュ形状層のメッシュサイズが小さくなって網目が粗くなり、結露水の付着を防止することができる。   Further, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, when the bimetal attached to the filter 45 reaches a preset temperature, it is deformed so as to separate a plurality of superimposed mesh-shaped layers. The size becomes small and the mesh becomes rough, and the adhesion of condensed water can be prevented.

さらに、本実施例の燃料電池システム４１では、フィルタ４５のメッシュ形状層をそれぞれ異なるメッシュサイズにしたので、異なる透過率で流体を濾過することができる。   Furthermore, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, the mesh-shaped layers of the filter 45 have different mesh sizes, so that the fluid can be filtered with different transmittances.

また、本実施例の燃料電池システム４１では、フィルタ４５のメッシュ形状層を変形させる変形手段としてバイメタルを利用しているので、電力の消費を必要とせず、簡単な構造でメッシュ形状層を変形させることができる。   Further, in the fuel cell system 41 of this embodiment, bimetal is used as a deformation means for deforming the mesh-shaped layer of the filter 45, so that the mesh-shaped layer is deformed with a simple structure without requiring power consumption. be able to.

以上、本発明のフィルタ構造及び燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。   The filter structure and the fuel cell system of the present invention have been described based on the illustrated embodiments. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is of an arbitrary configuration having the same function. Can be replaced.

実施例１に係るフィルタ構造を説明するための図である。3 is a diagram for explaining a filter structure according to Embodiment 1. FIG. バイメタルの構造図である。（ａ）は平面図。（ｂ）は側面図。It is a structural diagram of a bimetal. (A) is a top view. (B) is a side view. 実施例２に係るフィルタ構造を説明するための図である。10 is a diagram for explaining a filter structure according to Embodiment 2. FIG. 実施例３に係るフィルタの設置された燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system with which the filter which concerns on Example 3 was installed. 燃料電池システムに設置されたフィルタによる圧力損失の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change of the pressure loss by the filter installed in the fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

１、３１ フィルタ構造
２ａ、２ｂ、２ｃ メッシュ形状層
３ 流路
４、４ａ、４ｃ バイメタル（変形手段）
４１ 燃料電池システム
４２ 燃料電池
４３ 水素供給経路
４４ 水素循環路
４５ フィルタ
４６ 空気供給路
４７ 空気排気路
４８ 流量制御弁
４９ 窒素パージ弁 1, 31 Filter structure 2a, 2b, 2c Mesh shape layer 3 Flow path 4, 4a, 4c Bimetal (deformation means)
41 Fuel Cell System 42 Fuel Cell 43 Hydrogen Supply Path 44 Hydrogen Circulation Path 45 Filter 46 Air Supply Path 47 Air Exhaust Path 48 Flow Control Valve 49 Nitrogen Purge Valve

Claims (10)

メッシュ形状により流体を濾過するメッシュ形状層を複数重ね合わせることで形成されたフィルタ構造であって、
前記複数のメッシュ形状層の少なくとも１つに、予め設定された温度になると前記メッシュ形状層のメッシュ形状を変形させる変形手段を設けたことを特徴とするフィルタ構造。 A filter structure formed by superimposing a plurality of mesh-shaped layers that filter fluid by mesh shape,
A filter structure characterized in that at least one of the plurality of mesh-shaped layers is provided with deformation means for deforming the mesh shape of the mesh-shaped layer when a preset temperature is reached. 前記変形手段は、予め設定された温度になると、重ね合わされた複数の前記メッシュ形状層を分離させるように変形することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ構造。   2. The filter structure according to claim 1, wherein the deforming unit is deformed so as to separate the plurality of mesh-shaped layers that are overlaid when the temperature reaches a preset temperature. メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層を２枚重ね合わせることで形成されたフィルタ構造であって、
前記２枚のメッシュ形状層の少なくとも１つに、凍結する可能性のある凍結温度以下になると前記２枚のメッシュ形状層を分離させるように変形する変形手段を設けたことを特徴とするフィルタ構造。 A filter structure formed by superposing two mesh-shaped layers that filter fluid by mesh shape,
A filter structure characterized in that at least one of the two mesh-shaped layers is provided with a deformation means for deforming the two mesh-shaped layers so as to be separated when the temperature is below a freezing temperature at which the two mesh-shaped layers are likely to freeze. . メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層を３枚重ね合わせることで形成されたフィルタ構造であって、
予め設定された第１温度以下になると前記３枚のメッシュ形状層のうちの１枚を分離させるように変形し、予め設定された第２温度（＜第１温度）以下になると前記３枚のメッシュ形状層のうちの２枚を分離させるように変形する変形手段を設けたことを特徴とするフィルタ構造。 A filter structure formed by superimposing three mesh-shaped layers that filter fluid by mesh shape,
When the temperature is lower than a preset first temperature, one of the three mesh-shaped layers is deformed to be separated. When the temperature is lower than a preset second temperature (<first temperature), the three A filter structure comprising a deformation means for deforming so as to separate two of the mesh-shaped layers. 前記メッシュ形状層はそれぞれ異なるメッシュサイズであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のフィルタ構造。   The filter structure according to claim 1, wherein the mesh shape layers have different mesh sizes. 前記変形手段はバイメタルであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のフィルタ構造。   The filter structure according to claim 1, wherein the deforming means is a bimetal. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電し、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路にはフィルタが設置されている燃料電池システムにおいて、
前記フィルタは、メッシュ形状によって流体を濾過するメッシュ形状層を複数重ね合わせることで形成され、前記複数のメッシュ形状層の少なくとも１つに、予め設定された温度になると前記メッシュ形状層のメッシュ形状を変形させる変形手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system in which a fuel gas and an oxidant gas are reacted by an electrochemical reaction to generate electric power, and a filter is installed in the flow path of the fuel gas or oxidant gas.
The filter is formed by superimposing a plurality of mesh-shaped layers that filter a fluid according to a mesh shape, and when at least one of the plurality of mesh-shaped layers reaches a preset temperature, the mesh shape of the mesh-shaped layer is changed. A fuel cell system comprising deformation means for deforming. 前記変形手段は、予め設定された温度になると、重ねられた複数の前記メッシュ形状層を分離させるように変形す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。   8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the deforming means deforms so as to separate a plurality of the layered mesh layers when the temperature reaches a preset temperature. 前記複数のメッシュ形状層はそれぞれ異なるメッシュサイズであることを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の燃料電池システム。   9. The fuel cell system according to claim 7, wherein the plurality of mesh shape layers have different mesh sizes. 前記変形手段はバイメタルであることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 7 to 9, wherein the deformation means is a bimetal.
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