JP2006221947A - 気液分離装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】移動体に搭載されたタンク内の液体量を、振動や傾動等に影響されることがなく正確に検出することを可能にする。
【解決手段】気液分離装置50は、オフガスに混在する水分を分離して貯留するタンク52と、このタンク52内の液面を検出する水位センサ54と、前記タンク52内の液面位置が所定の高さ位置を超えた際に、貯留水を前記タンク52から排出するドレン機構56と、前記タンク52内の少なくとも前記水位センサ54の周辺での液面変動を抑制する液面変動抑制機構58とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、移動体に搭載され、ガスに混在する液体を前記ガスから分離するための気液分離装置に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極(燃料極)及びカソード電極(酸化剤極)を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータにより挟んで構成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動する。その移動の間に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。一方、アノード電極では、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因として水が発生する。
ここで、燃料電池から排出される燃料オフガスをリサイクルし、外部より新たに供給された燃料ガスと前記燃料オフガスとを混合させて、前記燃料電池に供給するリサイクル方式が採用されている。このリサイクル方式では、燃料ガス供給路を通じて外部から新たに供給される燃料ガスと、オフガス循環路に流通する高温の燃料オフガスとが、エゼクタポンプにより混合される際、温度低下に伴って前記燃料オフガスに含まれている水蒸気が前記エゼクタポンプの内部や流路内で凝縮し、液体となるおそれがある。
そこで、特許文献1に開示されているように、オフガス循環路にオフガス中に含まれている水分を除去する除湿手段、例えば、気液分離器を備える燃料電池発電装置が知られている。このため、燃料電池から排出される燃料オフガスは、気液分離器で除湿されるとともに、この燃料オフガスから凝縮分離した液体が、ドレンとして前記気液分離器から系外に排出されている。
しかしながら、上記の特許文献1では、気液分離器に貯留される水の量を検出することができず、貯留水をドレンとして前記気液分離器から系外に排出するタイミングを設定することができない。これにより、気液分離器に多量の水が貯留されてしまい、この気液分離器から前記水が溢れる等の問題がある。
そこで、例えば、特許文献2に開示されているように、EGRガスをガスと凝縮水とに分離し、ガスのみを吸気系へ排出する一方、凝縮水をタンク内に貯留するとともに、前記タンク内の水位が設定位置を超えたときに、水位センサの検出信号によってドレンバルブを開き、前記タンク内の水を排出するEGR用冷却装置が知られている。
特開平8−321316号公報(図1) 特開平7−269417号公報(図1)
ところで、上記の特許文献2では、車両等の移動体に適用する場合に、振動時や傾動時の水跳ねや傾斜等によって、タンク内の水位を誤検出するおそれがある。このため、タンク内の水量が規定水位以下であるにもかかわらず、水面変動によって規定水位以上であると誤検出し、このタンクに連結されるドレンバルブを一定時間だけ開放してしまう場合がある。
しかしながら、例えば、特許文献1のように、燃料オフガス経路内に設けられた気液分離器では、水位を誤検出して規定量以下の水量にもかかわらず、ドレンバルブが開放されると、この気液分離器内の水と共に燃料オフガスが廃棄されてしまい、燃費が低下するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、移動体に搭載されたタンク内の液体量を、振動や傾動等に影響されることがなく正確に検出することができるとともに、簡単且つ経済的に構成することが可能な気液分離装置を提供することを目的とする。
本発明は、移動体に搭載され、ガスに混在する液体を前記ガスから分離するための気液分離装置である。この気液分離装置は、ガスから分離される液体を貯留するタンクと、前記タンク内の前記液体の液面を検出する液面検出機構と、前記タンク内の前記液面が所定の高さ位置を超えた際に、前記液体を前記タンクから排出するドレン機構と、前記タンク内の少なくとも前記液面検出機構の周辺での前記液面の変動を抑制する液面変動抑制機構とを備えている。
また、気液分離装置は、反応ガスが供給されることにより発電する車載用の燃料電池と、一方の反応ガスを反応ガス供給路に沿って前記燃料電池に供給するとともに、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通する反応オフガス流路を備える燃料電池システムに組み込まれている。そして、反応オフガス流路には、タンクが接続されるとともに、液面検出機構の検出水位に応じて前記液体の排出制御を行うことが好ましい。
従って、オフガスから分離される液体がタンクから溢れることがなく、しかも前記タンクから前記オフガスが排出されることを阻止することができる。このため、例えば、オフガスを燃料電池に循環させて反応ガスとして利用する際に、前記反応ガスの消費を低減することが可能になる。
さらに、液面検出機構は、液体を前記タンクから排出するための第1高さ位置と、前記第1高さ位置よりも低い位置で且つ前記液体の排出を停止するための第2高さ位置とを検出することが好ましい。
これにより、タンク内の液体以外の成分、すなわち、オフガスが前記タンクから排出されることを一層確実に阻止することができる。特に、燃料オフガスが再使用されずに廃棄されることがなく、燃費の向上が容易に図られる。
さらに、液面変動抑制機構は、タンク内を複数の室に分割する仕切り板と、液面検出機構を構成するセンサ部を囲繞する隔室を形成する隔壁部材と、前記仕切り板の下端に設けられ、各室同士を連通する第1連通孔部と、前記隔壁部材の下端に設けられ、前記室と前記隔室とを連通する第2連通孔部とを備えることが好ましい。
このため、センサ部の隔室の容量が大幅に狭小化され、振動等による前記隔室内の液面の変動を小さく抑えることができる。しかも、第1及び第2連通孔部は、ダンパ効果(振動減衰効果)を有しており、入力振動に対するセンサ部の振動周波数を小さくすることが可能になる。これにより、液面位置を高精度に検出することができる。
さらにまた、タンクには、一方の反応ガスを導入する反応ガス入口と、前記一方の反応ガスを導出する反応ガス出口と、前記反応ガス入口及び前記反応ガス出口の間に配設され、ガスから液体を分離する遮蔽板部材とが設けられることが好ましい。従って、ガスに混在する水分は、反応ガス入口から反応ガス出口に通過することがなく、遮蔽板部材により補水される。このため、水分が良好に除去されたガスは、反応ガス出口から排出される。
本発明によれば、移動体に振動や傾動等が惹起した際にも、液面変動抑制機構の作用下に、タンク内の少なくとも液面検出機構の周辺での液面の変動を有効に抑制することができる。従って、タンク内の液面位置を正確且つ確実に検出することが可能になり、このタンク内の液量が規定量以上の場合にのみ、ドレン機構を介して前記タンクから液体を排出することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、タンク内の液量を、常に、所定量内に維持するとともに、前記タンクから液体と共にガスが廃棄されることがない。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る気液分離装置を組み込む燃料電池システム10の概略構成図である。
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12を有し、この燃料電池スタック12は、複数の発電セル(燃料電池)14を矢印A方向に積層した積層体として構成される。燃料電池スタック12の積層方向両端部には、エンドプレート16a、16bが設けられ、前記エンドプレート16a、16bが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック12が形成される。
各発電セル14は、電解質膜・電極構造体20と、この電解質膜・電極構造体20を挟持する金属(又はカーボン)のセパレータ22、24とを備える。電解質膜・電極構造体20は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜20bと、この固体高分子電解質膜20b挟んで保持するアノード電極20a及びカソード電極20cとを備える。
セパレータ22と電解質膜・電極構造体20との間には、燃料ガス流路26が設けられるとともに、セパレータ24と前記電解質膜・電極構造体20との間には、酸化剤ガス流路28が形成される。互いに隣接するセパレータ22、24間には、冷却媒体流路30が形成される。
エンドプレート16aには、各燃料ガス流路26に燃料ガス、例えば、水素ガスを供給するための燃料ガス入口32aと、各燃料ガス流路26から導出される未使用の水素ガスを含むオフガスをスタック外部に排出すための燃料ガス出口32bとが設けられる。
エンドプレート16bには、各酸化剤ガス流路28に酸化剤ガス、例えば、空気を供給するための酸化剤ガス入口34aと、各酸化剤ガス流路28から導出される空気をスタック外部に排出するための酸化剤ガス出口34bとが設けられる。なお、エンドプレート16a又はエンドプレート16bには、必要に応じて各冷却媒体流路30に冷却媒体を供給するための冷却媒体入口(図示せず)と、各冷却媒体流路30から導出される冷却媒体をスタック外部に排出するための冷却媒体出口(図示せず)とが設けられる。
燃料電池スタック12には、燃料ガス供給系38、酸化剤ガス供給系40及び冷却媒体供給系(図示せず)が接続される。燃料ガス供給系38は、水素タンク42と燃料電池スタック12の燃料ガス入口32aとに接続される水素供給流路44を備える。この水素供給流路44には、エゼクタ46が配設される。
燃料電池スタック12の燃料ガス出口32bには、水素循環流路(反応オフガス流路)48が接続されるとともに、この水素循環流路48は、第1の実施形態に係る気液分離装置50からエゼクタ46を介して水素供給流路44に合流される。
気液分離装置50は、図2及び図3に示すように、オフガスから分離される水(液体)を貯留するタンク52と、前記タンク52内の前記水の水面(液面)53を検出する水位センサ(液面検出機構)54と、前記タンク52内の前記水面が所定の高さ位置を超えた際に、前記水を該タンク52から排出するドレン機構56と、前記タンク52内の少なくとも前記水位センサ54の周辺での前記水面53の変動を抑制する液面変動抑制機構58とを備える。
タンク52は、シンク部60と、ハウジング部62とを備え、前記シンク部60と前記ハウジング部62とが、ボルト64を介して互いに固定される。シンク部60の底面66には、水位センサ54が装着される。この水位センサ54は、例えば、静電容量式水位計であり、底面66に形成された孔部68からシンク部60内に突出するセンサ部70を有する。このセンサ部70は、貯留水をタンク52から排出するための第1高さ位置h1と、前記第1高さ位置h1よりも低い位置で且つ前記貯留水の排出を停止するための第2高さ位置h2とを検出する(図3参照)。
底面66には、ドレン孔部72が連通する。このドレン孔部72は、ドレン機構56を構成するドレンバルブ74を介してドレン流路75に開閉自在である。ドレン流路75は、外部に開放されている。
ハウジング部62には、オフガスをタンク52内に導入するためのオフガス入口(反応ガス入口)76と、前記タンク52から前記オフガスを導出するためのオフガス出口(反応ガス出口)78とが、互いに直交して設けられる。
ハウジング部62内には、オフガス入口76及びオフガス出口78の間に配設され、前記オフガス入口76から導入されるオフガスに混在する水分を補水するための遮蔽板部材80が、鉛直方向(矢印B方向)に向かって設けられる。
液面変動抑制機構58は、タンク52内を複数、例えば、4つの室82a〜82dに分割する仕切り板84a〜84dと、水位センサ54のセンサ部70を囲繞する隔室85を形成する隔壁部材86とを一体的に備える。この隔壁部材86は、円筒状に構成されており、センサ部70との間に狭小な隔室85を形成するとともに、前記隔壁部材86の外周部から径方向外方に放射状に延在して仕切り板84a〜84dが一体成形される。
各仕切り板84a〜84dの下端には、各室82a〜82d同士を連通する円弧状の第1連通孔部88が設けられる。隔壁部材86の下端には、同様に、各室82a〜82dと隔室85とを連通する円弧状の4つの第2連通孔部90が設けられる。第1及び第2連通孔部88、90は、所望のダンパ効果を有するようにそれぞれの径寸法が設定される。
図1に示すように、酸化剤ガス供給系40は、コンプレッサ(又はスーパーチャージャ)92と燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口34aとに接続される空気供給流路94を備える。燃料電池スタック12の酸化剤ガス出口34bには、空気排出流路96が接続され、前記空気排出流路96には、背圧弁98が接続される。
燃料電池システム10は、制御部100によって駆動制御される。制御部100には、イグニッションスイッチ(図示せず)のオン/オフ信号が入力されるとともに、前記制御部100は、水位センサ54の検出信号に基づいてドレンバルブ74を開閉制御する。
このように構成される気液分離装置50を含む燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
燃料電池システム10は、図示していないが、車載用として燃料電池自動車等の車両に搭載されており、以下に示す発電処理を行うことによって前記車両の走行が可能になる。
先ず、燃料ガス供給系38では、水素タンク42から供給される水素ガスは、エゼクタ46を介して水素供給流路44を通り、燃料電池スタック12の燃料ガス入口32aに導入される。この水素ガスは、各発電セル14の構成する燃料ガス流路26に導入されてアノード電極20aに供給される。
一方、酸化剤ガス供給系40では、コンプレッサ92を介して所定圧力に加圧された空気が、空気供給流路94を通って燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口34aに導入される。この空気は、各発電セル14を構成する酸化剤ガス流路28に供給されてカソード電極20cに送られる。従って、各電解質膜・電極構造体20では、アノード電極20aに供給される水素ガスと、カソード電極20cに供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、アノード電極20aから排出された未使用の水素ガスを含むオフガスは、燃料電池スタック12の燃料ガス出口32bから水素循環流路48に排出される。このオフガスは、水素循環流路48を通って気液分離装置50に導入された後、エゼクタ46から水素供給流路44に供給され、再度、燃料電池スタック12に燃料ガスとして供給される。また、カソード電極20cで消費された空気は、燃料電池スタック12の酸化剤ガス出口34bから空気排出流路96に排出される。
この場合、気液分離装置50は、図4に示すフローチャートに沿って制御部100により制御される。先ず、制御部100は、燃料電池システム10の運転を開始するために、図示しないイグニッションスイッチがオンされたか否かを判断する(ステップS1)。イグニッションスイッチのオン信号が入力されると(ステップS1中、YES)、ステップS2に進んで、水位センサ54によりタンク52内の水面53の高さ(水位)が検出される。
水位センサ54により検出された水位が、第1高さ位置h1以上であると判断されると(ステップS2中、YES)、ステップS3に進んで、ドレンバルブ74が開放される。このため、タンク52内に貯留されている水は、ドレン孔部72及びドレン流路75を介して前記タンク52の外部に排出される。
水位センサ54は、タンク52内の貯留水の水位を常時検出しており、この水位センサ54により検出される水位が、第2高さ位置h2と同等以下になるまで、前記ドレンバルブ74が開放される(ステップS4)。そして、水位センサ54による検出水位が、第2高さ位置h2以下となると(ステップS4中、YES)、ステップS5に進んで、ドレンバルブ74が閉塞される。
一方、ステップS2において、水位センサ54による検出水位が、第1高さ位置h1よりも低いと判断されると(ステップS2中、NO)、ステップS4に進む。このステップS4では、検出水位が第2高さ位置h2よりも低いか否かが判断されて、上記と同様の工程が遂行される。
また、図示しないイグニッションスイッチがオフされると(ステップS1中、NO)、ステップS6に進んで、ドレンバルブ74が開放され、タンク52内に貯留されている水が全て外部に排出される。これにより、燃料電池システム10の運転が停止した際には、タンク52内の水が完全に排出されるため、低温時の凍結を防止することができるとともに、安定した起動が行われる。
この場合、第1の実施形態では、タンク52内に液面変動抑制機構58が設けられるため、燃料電池システム10を搭載する図示しない車両の走行時に振動や傾動等が惹起しても、前記液面変動抑制機構58の作用下に、前記タンク52内の水面53の変動を有効に抑制することができる。従って、タンク52内の水面53の位置を正確且つ確実に検出することが可能になり、前記タンク52内の貯水量が規定量以上の場合にのみ、ドレン機構56を介して前記タンク52から貯留水を外部に排出することができる。
これにより、簡単且つ経済的な構成で、タンク52内の水量を、常に、所定量内に維持するとともに、前記タンク52から貯留水と共にオフガスが廃棄されることを阻止することが可能になる。
さらに、水位センサ54は、タンク52内の貯留水を外部に排出するための第1高さ位置h1と、前記貯留水の排出を停止するための第2高さ位置h2とを検出している。従って、タンク52内の貯留水以外の成分、すなわち、オフガスが、前記タンク52からドレン流路75に廃棄されることを一層確実に阻止することができる。このため、特に、水素循環流路48に導出されたオフガスが、エゼクタ46に供給されずに、すなわち、再使用されずに廃棄されることがなく、燃費の向上が容易に図られるという利点がある。
さらにまた、液面変動抑制機構58は、タンク52内を複数、例えば、4つの室82a〜82dに分割する仕切り板84a〜84dと、センサ部70を囲繞する隔室85を形成する隔壁部材86とを備えている。このため、センサ部70を収容する隔室85の容量が大幅に狭小化され、前記隔室85内における振動等による液面の変動を可及的に小さくすることができる。
しかも、仕切り板84a〜84d及び隔壁部材86の下端には、それぞれ第1及び第2連通孔部88、90とが設けられている。従って、第1及び第2連通孔部88、90は、ダンパ効果(振動減衰効果)を有しており、それぞれの開口径を小さくすることによって、入力振動に対するセンサ部70の振動周波数を小さくすることが可能になる。これにより、センサ部70は、タンク52内の液面位置を高精度且つ確実に検出することができる。
また、図3に示すように、ハウジング部62には、オフガス入口76とオフガス出口78とが、互いに直交して設けられるとともに、前記オフガス入口76と前記オフガス出口78との間には、前記ハウジング部62内のオフガスの流れを阻止する位置に遮蔽板部材80が設けられている。従って、オフガスに混在する水分は、タンク52内に導入されて温度低下によって結露するとともに、遮蔽板部材80によって補水される。これにより、水分が良好に除去されたオフガスが、オフガス出口78からエゼクタ46に供給される。
なお、第1の実施形態では、水位センサ54が、タンク52内の貯留水の第1高さ位置h1と、第2高さ位置h2とを検出することにより、前記貯留水の排出を制御しているが、これに限定されるものではない。例えば、第1高さ位置h1又は第2高さ位置h2のいずれか一方に応じて貯留水の排出を制御してもよく、また、水位を一定にする制御を行ってもよい。
さらに、第1の実施形態では、気液分離装置50が、水素循環流路48に組み込まれているが、これに限定されるものではなく、使用済みの反応オフガスを排出する反応オフガス流路であれば、適用することができる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る気液分離装置110の断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る気液分離装置50と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
気液分離装置110は、タンク52内に配置される液面変動抑制機構112を備える。この液面変動抑制機構112は、略円筒状の隔壁部材86の外周部に放射状(又は格子状)に一体成形される複数枚の仕切り板114を設けるとともに、各仕切り板114には、水平方向に延在する複数の板部116が一体的に設けられている。
従って、第2の実施形態では、タンク52内が仕切り板114を介して複数の室118に分割されるとともに、各室118には、水平方向に延在する板部116が配設されている。これにより、各室118における液面の変動を一層確実に阻止することができ、センサ部70による液面検出精度が一層向上するという効果が得られる。
本発明の第1の実施形態に係る気液分離装置を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。 前記気液分離装置の一部切り欠き斜視説明図である。 気液分離装置の断面説明図である。 前記気液分離装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第2の実施形態に係る気液分離装置の断面説明図である。
符号の説明
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…発電セル 16a、16b…エンドプレート
20…電解質膜・電極構造体 20a…アノード電極
20b…固体高分子電解質膜 20c…カソード電極
22、24…セパレータ 26…燃料ガス流路
28…酸化剤ガス流路 32a…燃料ガス入口
32b…燃料ガス出口 34a…酸化剤ガス入口
34b…酸化剤ガス出口 38…燃料ガス供給系
40…酸化剤ガス供給系 42…水素タンク
44…水素供給流路 46…エゼクタ
48…水素循環流路 50、110…気液分離装置
52…タンク 54…水位センサ
56…ドレン機構 58、112…液面変動抑制機構
70…センサ部 72…ドレン孔部
74…ドレンバルブ 75…ドレン流路
76…オフガス入口 78…オフガス出口
80…遮蔽板部材 82a〜82d、118…室
84a〜84d、114…仕切り板
86…隔壁部材 88、90…連通孔部
92…コンプレッサ 116…板部

Claims (5)

  1. 移動体に搭載され、ガスに混在する液体を前記ガスから分離するための気液分離装置であって、
    前記ガスから分離される前記液体を貯留するタンクと、
    前記タンク内の前記液体の液面を検出する液面検出機構と、
    前記タンク内の前記液面が所定の高さ位置を超えた際に、前記液体を前記タンクから排出するドレン機構と、
    前記タンク内の少なくとも前記液面検出機構の周辺での前記液面の変動を抑制する液面変動抑制機構と、
    を備えることを特徴とする気液分離装置。
  2. 請求項1記載の気液分離装置において、前記気液分離装置は、反応ガスが供給されることにより発電する車載用の燃料電池と、一方の反応ガスを反応ガス供給路に沿って前記燃料電池に供給するとともに、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通する反応オフガス流路を備える燃料電池システムに組み込まれ、
    前記反応オフガス流路には、前記タンクが接続されるとともに、
    前記液面検出機構の検出水位に応じて前記液体の排出制御を行うことを特徴とする気液分離装置。
  3. 請求項1又は2記載の気液分離装置において、前記液面検出機構は、前記液体を前記タンクから排出するための第1高さ位置と、
    前記第1高さ位置よりも低い位置で且つ前記液体の排出を停止するための第2高さ位置と、
    を検出することを特徴とする気液分離装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の気液分離装置において、前記液面変動抑制機構は、前記タンク内を複数の室に分割する仕切り板と、
    前記液面検出機構を構成するセンサ部を囲繞する隔室を形成する隔壁部材と、
    前記仕切り板の下端に設けられ、各室同士を連通する第1連通孔部と、
    前記隔壁部材の下端に設けられ、前記室と前記隔室とを連通する第2連通孔部と、
    を備えることを特徴とする気液分離装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の気液分離装置において、前記タンクには、前記一方の反応ガスを導入する反応ガス入口と、
    前記一方の反応ガスを導出する反応ガス出口と、
    前記反応ガス入口及び前記反応ガス出口の間に配設され、前記ガスから前記液体を分離する遮蔽板部材と、
    が設けられることを特徴とする気液分離装置。
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