本発明は、燃料電池システムにかかり、特に燃料電池から排出される排出ガスが流通する排出ガス通路を有する燃料電池システムに関する。
従来から、燃料電池を含む燃料電池システムでは、供給された水素の全てが電池反応に使用されるわけではない。しがたって、排出された未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する循環システムが採用されており、燃料電池から排出される排出ガスと、燃料電池の電池反応により生成された水(生成水)とが混合して存在する気液混合流体から水分を除去するための気液分離器が配設されている。
ここで、前記水素循環系内を流れるガスや水には、僅かではあるが、燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物が存在している。また、カソード系の外気より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循環系に混入することもある。特に燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物中に金属イオンが存在している場合は、燃料電池自身の機能低下や寿命低下に通じる虞がある。また、燃料電池内で生成される水が酸性になる場合もある。そこで、従来から、水素循環系内にイオン交換器を配設し、生成水やガス等による燃料電池の劣化を抑制する方法が採用されている。
近年では、燃料電池の生成水が排出される少なくとも一方の排出管の固体高分子型燃料電池側に設けられ、前記排出ガスに同伴する前記生成水中に含まれるイオンを除去する固体高分子型燃料電池システムが紹介されている。この固体高分子型燃料電池システムでは、前記生成水中に含まれるイオンを除去する手段として、イオン交換樹脂を利用し、フッ素イオンを除去することが開示されている。(例えば、特許文献1参照)。
また、燃料電池のエア側排気マニホールドに、不純物除去部材を配置した燃料電池発電装置もある。(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−313404号公報
特開平9−312166号公報
ここで、不純物除去器を通過する流体(気液混合体)のうち、液体(液滴)は、その重さにより、不純物除去器の入側表面(入口表面)において、特定領域に連続的に流入することがある。この現象は、特許文献1に記載された固体高分子型燃料電池システムや、特許文献2に記載された燃料電池発電装置でも発生し、これらの従来技術においても、燃料電池から排出されるガス及び生成水のうち、特に生成水(液滴)は、イオン交換樹脂の入口表面の特定領域に偏って流入されることがある。このため、イオン交換樹脂が局部的に劣化する虞がある。
本発明は、従来の燃料電池システムを改良することを課題とするものであり、生成水が不純物除去器の入側(入口)表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができ、不純物除去器全体を効率よく使用することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
この目的を達成するため、本発明は、燃料電池から排出される流体が流通し、該流体を気体と液体とに分離する気液分離器内に、当該流体に混入する不純物を除去するイオン交換樹脂部材を配設してなる燃料電池システムであって、前記イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設した燃料電池システムを提供するものである。
この構成を備えた燃料電池システムは、イオン交換樹脂部材の入側表面に流体を分散させて流入させることができるため、流体が、イオン交換樹脂部材の入側表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができる。したがって、イオン交換樹脂部材全体を効率よく使用することが可能となる。
なお、流体を分散させて流入させるとは、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に流入する流体(気液混合体)が、当該イオン交換樹脂部材の入側表面の所定領域に継続的に偏って流入することを抑制することを意味し、好ましくは、流体が前記イオン交換樹脂部材の入側表面に対し均等に流入させることを意味している。
前記分散手段は、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に配設されていてもよい。
前記イオン交換樹脂部材の入側表面に配設された分散手段は、当該イオン交換樹脂部材の入側表面で前記流体の流れを分散させることができる。この構成を備えた分散手段は、前記流体のうち、特に液体がイオン交換樹脂部材の入側表面全体に分散するように、流体の流れを誘導することができる。
また、前記イオン交換樹脂部材の入側表面で前記流体の流れを分散させる分散手段は、例えば、前記イオン交換樹脂部材の入側表面の外周部に形成された流体通路を備えることができる。そして、この流体通路は、例えば、前記イオン交換樹脂部材の入側表面に形成された溝状部材から構成してもよい。
そしてまた、前記分散手段は、外周部から中央部に向けて窪むよう傾斜した傾斜面を備えていてもよい。このように構成することで、前記液体は、重力により前記傾斜面に沿って流れるため、排水性をさらに良くすることができる。
本発明は、燃料電池から排出される流体が流通し、該流体を気体と液体とに分離する気液分離器内に、当該流体に混入する不純物を除去するイオン交換樹脂部材を配設してなる燃料電池システムであって、前記イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設し、前記分散手段は、複数の貫通孔が形成されてなる流体導入部材を備え、前記流体導入部材は、前記イオン交換樹脂部材を収容するケースとして構成されてなる燃料電池システムでもよい。
前記貫通孔は、前記分散手段の中央部から外周部に向けて放射状に配設することができる。また、前記貫通孔は、千鳥状に配設することもできる。前記分散手段に、複数の貫通孔をこのような配置で形成することで、前記流体のうち、特に液体を不純物除去器に、さらに効率よく均一に分散させて流入させることができる。
そしてまた、前記貫通孔は、前記分散手段の中央部から離間した距離によって、開口断面積が異なるように形成してもよい。さらにまた、前記貫通孔の開口断面積は、前記分散手段の中央部側から外周側に配設されるにしたがって大きくなるように形成してもよい。このように構成することで、前記流体のうち、特に液体のイオン交換樹脂部材への流入量をより均一化させることができる。
前記流体導入部材は、外周部から中央部に向けて窪む傾斜面を備え、当該傾斜面に前記複数の貫通孔が形成されていてもよい。
前記流体導入部材は、外周部と前記気液分離器の内壁との間に凹状の流体通路を形成するように構成されていてもよい。
本発明にかかる燃料電池システムは、イオン交換樹脂部材の上流に、当該イオン交換樹脂部材の入側表面に前記流体を分散させて流入させる分散手段を配設したため、生成水がイオン交換樹脂部材の入側(入口)表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができ、イオン交換樹脂部材全体を効率よく使用することができる。
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
図1は、実施例1にかかる燃料電池システムの概略構成図、図2は、図1に示す燃料電池システムの気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように模式的に記載した図、図3は、図2に示すイオン交換樹脂部材の拡大断面図である。
なお、実施例1では、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路として、水素循環系に配設された循環通路を例にとって説明する。
図1に示す実施例1にかかる燃料電池システム1の燃料電池100は、MEAと、前記燃料極(アノード)に燃料ガス(水素)を、酸化剤極(カソード)に酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせたセルを複数備えてなるスタックを内蔵した構成を備えている。
この燃料電池100の空気供給口101には、酸化ガスとしての空気を供給する空気供給通路102が接続され、空気排出口103には、燃料電池100から排出される空気及び水が排出される空気排出通路104が接続されている。また、燃料電池100の水素供給口105には、水素循環系10の一端が接続され、水素排出口106には、水素循環系10の他端が接続されている。
水素循環系10は、燃料電池100から排出された未反応の水素と生成水のうち、未反応の水素を循環させて、新たな水素と共に再び燃料電池100内に供給し、生成水は外部に排出するものである。この水素循環系10は、一端が水素排出口106に接続された循環通路11と、循環通路11の他端に接続され、循環通路11から導入される水素と水とを分離する気液分離器12と、気液分離器12内に配設された不純物除去器としてのイオン交換樹脂部材20と、気液分離器12から排出された気体が導入される循環通路13と、循環通路13の下流側に接続され、水素循環系10の循環動力として働く循環ポンプ15と、一端が水素供給口105に接続されて燃料電池100に水素を供給すると共に、他端側が循環通路13の下流側端部と合流点Aにおいて接続された水素供給通路16と、を備えている。なお、符号24は、燃料電池100に水素を供給する際に、水素の圧力を調整する弁である。
気液分離器12は、特に図2に示すように、中空の略円筒形を備え、循環通路11から排出される水素と水を導入するための気液入口18と、気液分離器12内で分離されたガスを排出するガス排出口19が形成されている。この気液分離器12は、気液入口18から導入された流体F(気液混合体)を、旋回させることによって、気体と液体とに分離するものである。
また、気液分離器12の下部には、気液分離器12で分離された水を収容し、外部に排出する排水口17が形成されている。この排水口17には、気液分離器12で分離された水のみを外部に排出させ、水素は外部に出さない構造のドレイン弁(図示せず)が配設されている。
イオン交換樹脂部材20は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を有し、気液分離器12の内壁に接して配設されている。このため、気液入口18から導入され、気液分離されたガスは、イオン交換樹脂部材20を通過した後、ガス排出口19から循環通路13に排気されることになる。なお、イオン交換樹脂部材20の構成要素であるイオン交換樹脂は、通常粒子状であるが、繊維状のものを使用することもできる。
このイオン交換樹脂部材20の流体Fが流入する入側表面21の外周部には、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に流体Fを分散させて流入させる分散手段としての流体通路22が形成されている。この流体通路22は、特に図3に示すように、イオン交換樹脂部材20の入側表面21の外周部に形成された凹状部と、気液分離器12の内壁とにより画定された凹状の溝(樋)から形成されており、この流体通路22に収容された生成水等の液体は、流体通路22の全周に行き渡るようになっている。
なお、この流体通路22は、例えば、イオン交換樹脂部材20の構成要素であるイオン交換樹脂を保護するために収容する図示しない樹脂製のケースに形成してもよく、当該ケースと気液分離器12の内壁とにより画定してもよい。
また、気液分離器12の中央部分(円筒形状の軸芯部分)には、イオン交換樹脂部材20の中心部を貫通する気体通路23が形成されている。この気体通路23は、循環通路13に接続されており、気液分離器12によって流体Fから分離された水素を循環通路13へと通過させる。
この構成を備えた燃料電池システム1は、燃料電池100に水素及び空気が供給され、電気反応を開始すると、
燃料極(アノード)側では、 H2→2H++2e-
酸化剤極(カソード)側では、 (1/2)O2+2H++2e-→H2O
燃料電池全体としては、 H2+(1/2)O2→H2O
の反応が起こる。この電池反応により、燃料極(アノード)側では、生成水と共に、未反応の水素が水素排出口106を介して循環通路11に排出される。
循環通路11に排出された生成水と未反応の水素は、循環ポンプ15の動力によって、気液分離器12に移動し、ここで、気体(水素)と液体(水)とに分離される。この時、循環通路11から供給された流体F(気液混合体)は、旋回流(サイクロン)等の乱流となってイオン交換樹脂部材20に流入される。すなわち、流体Fが、イオン交換樹脂部材20に流入する方向とは異なる方向(図2に矢印Dで示す方向)からイオン交換樹脂部材20に流入する。この時、この流体Fのうち、生成水等の液体の大部分は、気液分離器12の内壁を伝って流体通路22に収容される。この流体通路22に収容された液体は、流体通路22の全周に行き渡り、流体通路22から溢れ出た液体が、イオン交換樹脂部材20に流入するため、イオン交換樹脂部材20全体に分散させて前記液体を流入させることができ、イオン交換樹脂部材20全体を効率よく使用することができる。
ここで、従来では、前記流体F(気液混合体)のうち、液体は、主に、循環通路11の内壁(配管の内壁)を伝わって流れるため、気液分離器12に供給されると、その重さにより旋回流から逸脱して重力の影響で落下する。この液体の落下位置は、旋回流の流速によっても異なるが、殆どの場合が、気液入口18の直下付近となる。このような現象は、旋回流を利用して気液を分離するタイプの気液分離器以外でも、流体が流れる配管系全般で一般的に生じる。
しかしながら、実施例1では、前述したように、分散手段としての流体通路22が形成されているため、前記液体が、気液入口18の直下付近に落下しても、この液体は、流体通路22内に収容されるため、イオン交換樹脂部材20全体に分散させて流入されることになる。
イオン交換樹脂部材20に流入した液体は、気液分離器12の内壁を伝わって、排出口17に収容される。一方、水素は、イオン交換樹脂部材20を通過して気液分離器12の下方に移動した後、気体通路23を介して循環通路13へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材20に吸着される。
また、イオン交換樹脂部材20を気液分離器12内に配設した、すなわち、気液分離器12内にもともと存在している空間をイオン交換樹脂部材20の配設スペースとして利用したため、イオン交換樹脂部材20を配設することによって、燃料電池システム1自身が大型化することがない。また、イオン交換樹脂部材20を配設するための部品も必要最低限ですみ、コストの増加を抑制することができる。
なお、実施例1では、イオン交換樹脂部材20の入側表面21の外周部に形成した流体通路22によって、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に流体Fを分散させて流入させる場合について説明したが、これに限らず、イオン交換樹脂部材20の入側表面21と間隔をおいた上流側に、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に流体Fを分散させて流入させる分散手段を配設してもよい。
例えば、分散手段として、図4に示すように、複数の貫通孔25が開口された流体導入部材26を、気液分離器12内のイオン交換樹脂部材20よりも上流側に、イオン交換樹脂部材20の入側表面21と間隔をおいて配設してもよい。このように流体導入部材26を配設することで、循環通路11から気液分離器12内に供給された流体Fは、複数の貫通孔25を通過して分散された状態で、イオン交換樹脂部材20の入側表面21から流入することができる。なお、貫通孔25のサイズ、配設数、配置場所等は、任意に決定することができる。
また、分散手段として、例えば、図5に示すように、循環通路11から気液分離器12内に供給される流体Fの進行方向を任意の方向に変更して誘導する方向変更部材27を、気液分離器12内のイオン交換樹脂部材20よりも上流側に、イオン交換樹脂部材20の入側表面21と間隔をおいて配設してもよい。このように方向変更部材27を配設することで、循環通路11から気液分離器12内に供給された流体Fは、分散した状態でイオン交換樹脂部材20の入側表面21から流入することができる。
次に、本発明の実施例2にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。
図6は、実施例2にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図、図7は、図6に示すVII−VII線に沿った断面図、図8は、図6に示すVIII−VIII線に沿った断面図、図9は、イオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。
なお、実施例2では、実施例1で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図6〜図8に示すように、実施例2にかかる燃料電池システム1の、実施例1と異なる点は、分散手段を、イオン交換樹脂部材20を収容するケース30から形成した点である。
ケース30は、気体通路23が略中央となるように、気体通路23を囲んで配設され、その内部にイオン交換樹脂部材20を収容する空間が形成された中空の略円筒形状を有している。このケース30の入側表面32(図6でいう上面)は、外周部から中央部に向けて、すり鉢状に出側に向けて窪む(凹状となった)傾斜面となっている。このようにすることで、図9に示すように、ケース30の外周部側(実施例2では、後に詳述する流体通路36)に落下した液体が、傾斜面に沿ってイオン交換樹脂部材20の中央部側に向けて移動するため、さらに液体をイオン交換樹脂部材20の入側表面21に均一に分散させることができる。
また、ケース30の入側表面32の外周部は、出側に向けて若干窪んだ状態で形成されており、気液分離器12の内壁との間に凹状の流体通路36を形成するよう構成されている。
また、ケース30の入側表面32には、図6及び図7に示すように、中央部から外周部に向けて、放射状に(実施例2では、2つの同心円上)複数の貫通孔33が、千鳥状に配設されている。これらの貫通孔33は、外周部側に形成された貫通孔33の開口面積が、ケース30の入側表面32の中央部側に形成された貫通孔33の開口面積よりも、大きくなるように形成されている。すなわち、貫通孔33は、中央部側の近くに形成されているものほど小さい開口面積を有するように形成されている。このようにすることで、イオン交換樹脂部材20の入側から出側までの長さが、中央部側よりも外周部側が長くても、液体の通過長さに対する流量を一定に補完することができ、イオン交換樹脂部材20の全体を、より一層効率よく使用することができる。
ケース30の出側表面34(図6でいう下面)は、図6及び図8に示すように、外周部から中央部に向けて、入側に向けて窪んだ傾斜面となっている。そして、ケース30の出側表面34には、複数の貫通孔35が形成されている。この貫通孔35は、貫通孔33の開口面積よりも小さい開口面積を備えている。
このケース30に収容されたイオン交換樹脂部材20を内設した気液分離器12は、実施例1と同様に、循環通路11から供給された流体F(気液混合体)が、旋回流(サイクロン)等の乱流となって供給される。この時、この流体Fのうち、生成水等の液体の大部分は、気液分離器12の内壁を伝って流体通路36に収容される。この流体通路36に収容された液体は、流体通路36の全周に行き渡り、流体通路36から溢れ出た液体が、ケース30の入側表面32に形成された傾斜面に沿って移動し、貫通孔33を通過してイオン交換樹脂部材20の全体に分散した状態で流入する。
この時、前述したように、貫通孔33は、千鳥状に形成されているため、ケース30の内周部側に形成された貫通孔33にも、前記傾斜面を伝わって液体が到達することができる。また、イオン交換樹脂部材20の外周部側に形成されている貫通孔33ほど大きな開口面積を有するため、イオン交換樹脂部材20の入側から出側までの長さが、中央部側よりも外周部側が長くても、液体の通過長さに対する流量を一定に補完することができ、イオン交換樹脂部材20の全体を、より一層効率よく使用することができる。
イオン交換樹脂部材20に流入した液体は、実施例1と同様に、気液分離器12の内壁を伝わって排出口17に収容され、水素は、イオン交換樹脂部材20を通過して気液分離器12の下方に移動した後、気体通路23を介して循環通路13へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材20に吸着される。
なお、実施例2では、気液分離器12の内壁とケース30との間に流体通路36を形成した場合について説明したが、これに限らず、流体通路36は必ずしも形成しなくてもよい。流体通路36を形成しない場合であっても、ケース30の外周部付近に落下した液体は、ケース30の入側表面32に形成された傾斜面に沿って移動し、貫通孔33を通過してイオン交換樹脂部材20の全体に分散した状態で流入することができる。
また、ケース30の入側表面32に形成された傾斜面の傾斜角度は、任意に決定することができる。
さらにまた、実施例2では、複数の貫通孔33を放射状かつ千鳥状に配置した場合について説明したが、これに限らず、貫通孔33のサイズ、設置位置、設置パターン、設置数等は、任意に決定することができる。
次に、本発明の実施例3にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。
図10は、実施例3にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図、図11は、図10に示すイオン交換樹脂部材に配設された分散手段としての回転翼の斜視図である。
なお、実施例3では、実施例1で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図10及び図11に示すように、実施例3にかかる燃料電池システム1の、実施例1と異なる点は、分散手段を回転翼部材40から構成した点である。
回転翼部材40は、特に図11に示すように、気液分離器12内に形成された気体通路23の外周に回転可能に取付けられる回転軸41と、回転軸41から放射状に互いに等間隔で配設された8枚の回転翼42を備えて構成されている。この回転翼42は、回転軸41の軸芯O方向に対し、略垂直方向(径方向)に延出されており、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に接触する位置に設けられている。そして、気液分離機12内に供給された流体Fの旋回流によって回転可能となっている。
この回転翼部材40が設けられたイオン交換樹脂部材20を内設した気液分離器12は、実施例1と同様に、循環通路11から供給された流体F(気液混合体)が、旋回流(サイクロン)等の乱流となって供給される。この時、この旋回流によって回転翼部材40が回転し、当該流体Fをスプリンクラーのように飛散させ、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に均一に分散させて流入させることができる。
また、回転翼42は、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に接触させて配設されているため、この入側表面21に落下した流体(特に液体)を回転翼42によりかき集めて、入側表面21により均一に分散させることができる。
イオン交換樹脂部材20に流入した液体は、実施例1と同様に、気液分離器12の内壁を伝わって排出口17に収容され、水素は、イオン交換樹脂部材20を通過して気液分離器12の下方に移動した後、気体通路23を介して循環通路13へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材20に吸着される。
なお、実施例3では、回転軸41の軸芯O方向に対し、略垂直方向(径方向)に延出した回転翼42を形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図12に示すように、回転翼42は、回転軸41の軸芯O方向に対し、所定の角度αで傾斜させて形成してもよい。このように、回転翼42を傾斜させて形成することで、回転翼部材40の回転力が小さくなっても、流体Fをスプリンクラーで放出するように飛散させることができる。
また、他の実施例としては、図13に示すように、回転翼42は、回転軸41からの距離に応じて回転軸41方向へ徐々に湾曲させた構成にしてもよい。あるいは、図14に示すように、回転翼42は、回転軸41から所定の位置で回転軸方向へ屈曲させた構成にしてもよい。このようにすることで、回転翼部材40の内側方向へも、液体を積極的に飛散させることができる。これらの構成を備えた回転翼42の場合も、図12に示すように、回転軸41の軸芯O方向に対し、所定の角度αで傾斜させてもよい。
そしてまた、他の実施例としては、図15に示すように、回転翼42は、回転軸41から外周側に向かって、回転軸41側が出側に向けて凹状に窪んだ傾斜(勾配)を形成した構成を備えていてもよい。この場合、この回転翼42の傾斜に相補した傾斜面を、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に形成することが好ましい。このようにすることで、回転翼部材40の外周側に落下した液体が、回転軸41方向に、一層移動し易くなり、さらに液体を入側表面21により均一に分散させることができる。この構成を備えた回転翼42の場合も、図12に示すように、回転軸41の軸芯O方向に対し、所定の角度αで傾斜させてもよい。
さらにまた、他の実施例としては、図16に示すように、回転翼42の下流側(この実施例では下側)に、複数の貫通孔45が形成された多孔部材46を配設してもよい。このようにすることで、回転翼42と多孔部材46とで形成される空間(部屋)47によって、流体Fのうち、特に液体を受けることができる。したがって、一旦、この空間47に液体を保持した後、多孔部材46の貫通孔45から液体をイオン交換樹脂部材20の入側表面21に到達させることができる。このため、入側表面21に液体をより均一に分散させて流入させることができる。
また、多孔部材46に形成された複数の貫通孔45は、回転軸41を中心とした放射状に、千鳥状で配設することができる。このようにすることで、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に、液体をより一層均一に分散させて流入させることができる。
そしてまた、多孔部材46は、図17に示すように、回転軸41から外周側に向かって、回転軸41側が出側に向けて凹状に窪んだ傾斜(勾配)を形成した構成を備えていてもよい。このようにすることで、多孔部材46に落下した液体が回転軸41方向に、一層移動し易くなり、さらに液体を入側表面21により均一に分散させることができる。この場合も、多孔部材46の傾斜に相補した傾斜面を、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に形成することが好ましい。
また、実施例3では、回転翼部材40を、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に接触させた状態で回転可能に配設した場合について説明したが、これに限らず、回転翼部材40は、イオン交換樹脂部材20の入側表面21と所定の間隔をおいた上流側に配設してもよい。
そしてまた、回転翼42のサイズや配設枚数、回転翼42の傾き角度(α)等は、任意に決定することができる。
また、実施例1〜実施例3で説明した分散手段は、旋回流を利用して気液を分離する方式(サイククロン方式)の気液分離器12のみならず、例えば、圧力差や温度差等により気液を分離する等、旋回流を利用して気液を分離する方式以外の気液分離器にも応用可能であることは勿論である。
次に、本発明の実施例4にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。
図18は、実施例4にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図、図19は、図18に示すXIX−XIX線に沿った断面図であり、イオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。
なお、実施例4では、実施例1で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図18及び図19に示すように、実施例4にかかる燃料電池システム1の、実施例1と異なる点は、気液分離器112における気液分離方式と、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に配設した流体通路55の形状である。
気液分離器112は、特に図18に示すように、中空の略四角柱形を備え、循環通路11から排出される水素と水を導入するための気液入口18と、気液分離器112内で分離されたガスを排出するガス排出口19が形成されている。この気液分離器112は、気液入口18から導入された流体F(気液混合体)を、旋回流ではなく、圧力の差等によって、気体と液体とに分離するものである。
また、気液分離器112の下部には、気液分離器112で分離された水を収容し、外部に排出する排水口17が形成されている。この排水口17には、気液分離器112で分離された水のみを外部に排出させ、水素は外部に出さない構造のドレイン弁(図示せず)が配設されている。
気液分離器112内に配設されているイオン交換樹脂部材20の入側表面21には、この入側表面21に流体Fを分散させて流入させる分散手段としての流体通路55が形成されている。この流体通路55は、特に図19に示すように、イオン交換樹脂部材20の外周(四辺)に形成された凹状部と、気液分離器112の内壁とによって画定される外周溝と、この外周溝に連通し、イオン交換樹脂部材20の入側表面21を四分割する十字状の溝と、を備えて構成されている。なお、この十字状の溝の中央部分には、気体通路23が貫通されている。そして、この流体通路55に収容された生成水等の液体は、流体通路55の全体に行き渡るようになっている。
なお、この流体通路55は、例えば、イオン交換樹脂部材20の構成要素であるイオン交換樹脂を保護するために収容する図示しない樹脂製のケースに形成してもよい。
この気液分離器112は、前述したように、実施例1で説明した気液分離器12とは違い、旋回流によって気液を分離する方式ではなく、循環通路11から流体F(気液混合体)が、所定の速度、圧力等で供給され、流体Fが気液分離器112の内壁に衝突し、この流体Fのうち、生成水等の液体の大部分は、気液分離器112の内壁を伝って流体通路55に収容される。この時、流体Fは、気体通路23を構成する外壁にも衝突し、液体は、この外壁伝って流体通路55に収容される。
この流体通路55に収容された液体は、流体通路55の全体に行き渡り、流体通路55から溢れ出た液体が、イオン交換樹脂部材20に流入するため、当該液体をイオン交換樹脂部材20全体に分散させて流入させることができ、イオン交換樹脂部材20全体を効率よく使用することができる。
イオン交換樹脂部材20に流入した液体は、実施例1と同様に、気液分離器112の内壁を伝わって排出口17に収容され、水素は、イオン交換樹脂部材20を通過して気液分離器112の下方に移動した後、圧力差等によって、気体通路23を介して循環通路13へと移動する。また、前記液体に含まれていた不純物は、イオン交換樹脂部材20に吸着される。
なお、実施例4では、イオン交換樹脂部材20の入側表面21の外周(四辺)に配設した溝と、入側表面21を四分割するように配設された溝によって流体通路55を構成した場合について説明したが、これに限らず、流体通路55は、例えば、図20に示すように、イオン交換樹脂部材20の入側表面21をさらに細かく分割してもよい。このようにすることで、入側表面21に、さらに液体を分散させて流入させることができる。
また、イオン交換樹脂部材20の入側表面21に流体Fを分散させて流入させる、他の構成を備えた分散手段としては、例えば、図21〜図24に示すように、平板63にパンチングメンタル方式により複数の凸状の孔62を形成した流体導入部材61を使用してもよい。この流体導入部材61は、特に図24に示すように、循環通路11から供給された液体が、凸状の孔62によって画定された凹部64に溜まり、この凹部64から溢れ出た液体が、凸状の孔62を介してイオン交換樹脂部材20に流入するため、当該液体をイオン交換樹脂部材20全体に分散させて流入させることができ、イオン交換樹脂部材20全体を効率よく使用することができる。
そしてまた、他の実施例としては、例えば、図25に示すように、気液入口18を広くとり、循環通路11と気液入口18との間に、先端に行くにしたがって広がる略扇形としたノズル状通路71を配設することにより、流体Fがイオン交換樹脂部材20の入側表面21に偏って供給されることを抑制してもよい。この場合、図26に示すように、このノズル状通路71のみによって分散手段を構成してもよく、図25に示すように、流体通路55と併用して分散手段を構成してもよい。
さらにまた、他の実施例としては、例えば、図27に示すように、ノズル状通路71内に、循環通路11から供給される流体Fの状態に応じて、当該流体Fの流動方向を制御して、流体Fがイオン交換樹脂部材20の入側表面21に流入する方向とは異なる方向に、流体Fの供給方向を変更させる方向変更器72を設けてもよい。この方向変更器72は、回転軸74を通る直線上に配設された2枚の羽根73を備え、回転軸74を中心として、所定の角度で回転することで、ノズル状通路71の流体Fが通過可能な開口面積を変更すると共に、流体Fの進行方向を変更することができる。
分散手段として、このような方向変更器72を設けることでも、流体Fがイオン交換樹脂部材20の入側表面21に偏って供給されることを抑制することができる。なお、この場合も、図28に示すように、このノズル状通路71及び方向変更器72によって分散手段を構成してもよく、図27に示すように、流体通路55と併用して分散手段を構成してもよい。
また、図28に示す構成のように、ノズル状通路71及び方向変更器72によって分散手段を構成する場合は、分散手段として、燃料電池100の作動状態(例えば、発電量、供給されるガス流量、排出されるガス流量、供給されるガス圧に応じて、排出されるガス圧等)に応じて、方向変更器72の回転軸74の回転角度を制御し、イオン交換樹脂部材20に流入される流体Fの供給状態(流速、圧力、流れ方向等)を変更する流体供給状態変更手段80を配設した構成としてもよい。
この流体供給状態変更手段80は、例えば、図29に示すように、ノズル状通路71に配設された方向変更器72と、燃料電池100の発電量を測定する発電量測定部81と、方向変更器72の回転軸74に接続されると共に、発電量測定部81から入力された情報(データ)に応じて回転軸74の回転角度を制御する回転角度制御部82と、を備えて構成される。このように、流体供給状態変更手段80によっても、液体をイオン交換樹脂部材20全体に分散させて流入させることができ、イオン交換樹脂部材20全体を効率よく使用することができる。
なお、流体供給状態変更手段80は、例えば、図30に示す燃料電池システム2のように、循環通路11の、気液分離器12の上流側に配設することができ、前述した構成の他、例えば、燃料電池100から排出された流体Fを、流体チャンバに一旦収容し、この流体チャンバから気液分離器12に供給する際に流体Fの供給状態(流速、圧力、流れ方向等)を変更する等してもよい。
また、実施例4では、旋回流を利用して気液を分離する方式以外の気液分離器に、分散手段を配設した場合について説明したが、これに限らず、実施例4で説明した分散手段は、旋回流を利用して気液を分離する方式(サイククロン方式)の気液分離器にも応用可能であることは勿論である。
次に、本発明の実施例5にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。
図31は、実施例5にかかる燃料電池システムに配設され、内部にイオン交換樹脂部材が配設された気液分離器の平面図、図32は、図31に示すXXXII−XXXII線に沿った断面図である。
なお、実施例5では、実施例1で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図31及び図32に示すように、実施例5にかかる燃料電池システム1の、実施例1と異なる点は、分散手段を、気液分離器12に接続された2つの流体通路111から構成した点である。
すなわち、実施例5にかかる燃料電池システム1は、実施例1のようにイオン交換樹脂部材20の表面に流体通路22を設ける代わりに、気液分離器12の上方に、2つの流体通路111を接続した構成を備えている。この流体通路111は、燃料電池システム1の循環通路11の気液分離器12近傍側端部を2つに分岐し(図示せず)、この分岐された循環通路11に各々接続されて、循環通路11から供給される流体Fを気液分離器12内に供給するようになっている。この2つの流体通路111は、気液分離器12の互いに180度位相した位置(対角線上)に接続されている。
この構成を備えた気液分離器12では、流体Fが2つの流体通路111から気液分離器12内にそれぞれ供給されることになる。したがって、この流体Fは、イオン交換樹脂部材20の入側表面に分散された状態で流入することになり、流体Fが、イオン交換樹脂部材20の入側表面の特定領域に偏って流入することを抑制することができる。このため、イオン交換樹脂部材20全体を効率よく使用することが可能となる。
なお、実施例5では、2つの流体通路111を気液分離器12に接続した場合について説明したが、これに限らず、流体通路111は、気液分離器12に3つ以上接続してもよい。なお、流体通路111の配設数が多いほど、流体Fは、イオン交換樹脂部材20の入側表面により一浪分散された状態で流入することになる。また、この流体通路111の配設位置は、所望により任意に設定することができる。
また、実施例5では、旋回流を利用して気体と液体とに分離する方式の気液分離器12に流体通路111を接続した場合について説明したが、これに限らす、流体通路111は、旋回流ではなく、圧力の差等によって、気体と液体とに分離する方式の気液分離器112(図18参照)に接続してもよい。
そしてまた、実施例5では、気液分離器12内にイオン交換樹脂部材20を配設した構成とし、この気液分離器12に流体通路111を接続した場合について説明したが、これに限らず、イオン交換樹脂部材20に複数の排出通路(流体通路)から流体Fを供給することが可能であれば、例えば、イオン交換樹脂を収容するケース(ハウジング)等に複数の排出通路(流体通路)を接続してもよい。
さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、実施例5にかかる分散手段としての流体通路111の配設と、前述した実施例1〜4にかかる分散手段の設置とを組み合わせてもよい。
また、前述した実施例1〜実施例5では、分散手段を水素循環系10の循環通路に配設した場合について説明したが、これに限らず、本発明にかかる分散手段は、酸化ガス(空気)供給系に配設してもよく、また、他の配管系に配設してもよい。
本発明の実施例1にかかる燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示す燃料電池システムの気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。
図2に示すイオン交換樹脂部材の拡大断面図である。
本発明の他の実施例にかかる気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。
本発明の他の実施例にかかる気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。
本発明の実施例2にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。
図6に示すVII−VII線に沿った断面図である。
図6に示すVIII−VIII線に沿った断面図である。
実施例2にかかるイオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。
本発明の実施例3にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。
図10に示すイオン交換樹脂部材に配設された分散手段としての回転翼の斜視図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。
本発明の他の実施例にかかる気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す断面図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の斜視図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段としての回転翼の断面図である。
本発明の実施例4にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。
図18に示すXIX−XIX線に沿った拡大断面図であり、イオン交換樹脂部材への流体の流入状態を示す模式図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段としての流体通路、及びイオン交換樹脂部材の平面図である。
本発明の他の実施例にかかる燃料電池システムに配設された気液分離器及びイオン交換樹脂部材付近を示す斜視図であって、内部が見えるように記載した図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段の斜視図である。
図22に示すXXIII−XXIII線に沿った断面図である。
図23に示す分散手段に形成され凹部に溜まった液体が、凸状の孔を介してイオン交換樹脂部材へ流入する状態を示す模式断面図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す平面模式図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す側面模式図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す平面模式図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す側面模式図である。
本発明の他の実施例にかかる分散手段付近を示す模式図である。
本発明の他の実施例にかかる燃料電池システムの概略構成図である。
本発明の実施例5にかかる燃料電池システムに配設され、内部にイオン交換樹脂部材が配設された気液分離器の平面図である。
図31に示すXXXII−XXXII線に沿った断面図である。
符号の説明
1、2 燃料電池システム
10 水素循環系
11 循環通路
12、112 気液分離器
20 イオン交換樹脂部材
21 入側表面
22、36、55 流体通路
26、61 流体導入部材
27 方向変更部材
40 回転翼部材
71 ノズル状通路
72 方向変更器
80 流体供給状態変更手段
111 流体通路