JP2009110817A - 気液分離器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造で、液溜め部の液体の過冷却を防止できる気液分離器を提供する。
【解決手段】気体と液体を分離する気液分離器３６において、気体と液体を含む気液混合体を流入し、当該気液混合体から液体を分離し、気体を流出する気液分離室Ｓと、気液分離室Ｓ内の下部に位置し、分離された液体が溜められる液溜め部５０ｃと、を有する。液溜め部５０ｃには、液体に刺激を与えて液体の過冷却を防止する刺激付与部材が設けられている。刺激付与部材には、液体の凝固点以下になると変形する温度変形板６０が用いられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液分離器と、その気液分離器を用いた燃料電池システムに関する。

例えば燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電す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設けられている。このような配管系には、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。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。

上記気液分離器では、例えば水とガスからなる気液混合体を気液分離器内に流入させ、その気液分離器内の下部に水を溜め、ガスだけを排出することにより気液を分離している。気液分離器に溜められた水は、ドレイン管を通じて適宜排出されている（特許文献１参照）。

特開２００５−３２７６６５号公報 特開２００６−１４７４４０号公報

ところで、上述の燃料電池システムは、氷点下の環境で用いられることがある。このような環境では、気液分離器に溜められた水が過冷却水となることがある。この場合、例えばシステム起動時に、過冷却水がドレイン管に流れると、そのときの振動等により過冷却水が凝固し、バルブの手前などでドレイン管路を閉塞する可能性がある。

そのため、例えば特許文献２に記載されているように、燃料電池から導出された流体（アノード又はカソードから排出されたオフガスや、燃料電池を循環した冷却水）の熱を利用して気液分離器のドレイン部を温めることが考えられる。

しかしながら、燃料電池を循環した冷却水等で気液分離器のドレイン部を加温する場合には、気液分離器のドレイン部までその冷却水用の配管を導かなければならず、配管や気液分離器自体の構成が複雑になってしまう。この場合、例えば燃料電池システムや気液分離器の大型化、高コスト化を招く。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、単純な構造で、内部の液体の過冷却を防止できる気液分離器及びその気液分離器を用いた燃料電池システムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、気体と液体を分離する気液分離器であって、気体と液体を含む気液混合体を流入し、当該気液混合体から液体を分離し、気体を流出する気液分離室と、前記気液分離室内の下部に位置し、分離された液体が溜められる液溜め部と、を有し、前記液溜め部には、液体に刺激を与えて液体の過冷却を防止する刺激付与部材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、液体の凝固点以下の環境になった場合に、液溜め部の液体に刺激を与えて液体を凍らせて、液体が過冷却になることを防止できる。この結果、過冷却水が例えば排出流路に入り込みその中で凍って流路閉塞が起こることを防止できる。また、液溜め部に刺激付与部材を設けるだけなので、単純な構造で液体の過冷却を防止できる。

上記気液分離器の刺激付与部材は、液体の凝固点以下になると変形するものであってもよい。

前記刺激付与部材は、バイメタルであってもよい。かかる場合、熱による収縮を利用するものであるため、製造が容易になる。

また、上記気液分離器の刺激付与部材は、液溜め部内で転がるものであってもよい。

また、前記液溜め部の底面は、下に凸に湾曲していてもよい。かかる場合、刺激付与部材が液溜め部の底面に沿って揺動しやすいので、液体の過冷却をより確実に防止できる。

前記刺激付与部材は、フッ素樹脂により作られていてもよい。この場合、液体にフッ酸等の酸が含まれていても、刺激付与部材が溶解しないので、長期に渡って使用できる。

前記液溜め部には、前記刺激付与部材の転がり範囲を規制する転がり規制部材が設けられていてもよい。

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システムであって、上記いずれかの気液分離器を有し、前記気液分離器によって、電気化学反応により生成されたオフガスから液体が分離されることを特徴とする。

本発明によれば、単純な構造で、内部の液体の過冷却を防止できるので、例えば気液分離器の小型化、低コスト化が図られる。

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気液分離器が用いら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。本実施の形態における燃料電池システム１については、燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用された例を説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸素ガス及び燃料ガス）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に酸素ガスとしての空気を供給する酸素ガス配管系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。

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。

酸素ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸素ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸素オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸素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、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するエアコンプレッサ２４が設けられている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

気液分離器３６は、例えば図２に示すように略直方体状のケーシング５０を有し、その内部に気液分離室Ｓ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）の側壁部には、気液混合体としての水を含んだ水素オフガスを流入する流入部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の他の側面側（図２の右側）の天井部には、水が分離された水素オフガスを排出する排出部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。かかる構成の気液分離室Ｓによれば、流入部５０ａから水を含む水素オフガスを流入し、当該水を含む水素オフガスから水を下方に排出し、その後水素オフガスのみを排出部５０ｂから排出できる。

ケーシング５０の他の側面側の下部には、分離された水を一時的に溜める液溜め部５０ｃが形成されている。液溜め部５０ｃ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５０ｃの排出側には、上述の排出流路３８が接続されている。

液溜め部５０ｃには、水の凝固点（摂氏０℃）以下になると変形する刺激付与部材としての温度変形板６０が設けられている。温度変形板６０は、例えばバイメタルにより形成されている。

温度変形板６０は、例えば常温時に長方形形状を有し、例えば傾斜した状態で、長手方向の一端部が液溜め部５０ｃの底面に固定されている。温度変形板６０は、例えば自由端の先端部が排出側に向くように固定されている。

そして、燃料電池システム１において、燃料電池１０から排出された水を含む水素オフガスから水を分離する際には、当該水を含む水素オフガスが気液分離器３６の流入部５０ａから気液分離室Ｓに流入する。気液分離室Ｓにおいて、水素オフガスに含まれていた水Ｈは、例えば重力により落下し、ケーシング５０の内壁面を伝って液溜め部５０ｃに貯留される。水が分離された水素オフガスは、気液分離室Ｓを通過し、排出部５０ｂから排出される。液溜め部５０ｃ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。

気液分離器３６内の温度が摂氏０℃より高い場合、液溜め部５０ｃの温度変形板６０は、変形せず、長方形状が維持される。そして、気液分離器３６内の温度が摂氏０℃以下になった場合には、温度変形板６０が変形し、例えば先端部が上流方向に反り上がる（図２の矢印方向）。この温度変形板６０の変形により、液溜め部５０ｃ内の水Ｈが刺激されて凍り、水Ｈが過冷却水になることが防止される。

以上の実施の形態によれば、摂氏０℃以下になった場合に、液溜め部５０ｃの水が確実に凍るので、過冷却水が排出流路３８に入り込みその後制御弁３９の手前等で凍って流路閉塞が起こることを防止できる。したがって、流路閉塞による燃料電池システム１の能力低下等を防止できる。また、液溜め部５０ｃに温度変形板６０を設けるだけなので、単純な構造で水Ｈの過冷却を防止できる。したがって、気液分離器３６や燃料電池システム１の大型化、高コスト化を防止できる。

以上の実施の形態では、液溜め部５０ｃの水Ｈに対する刺激付与部材として、温度変形板６０を用いたが、液溜め部５０ｃ内で転がるものを用いてもよい。

かかる場合、例えば図３に示すように湾曲形状の液溜め部５０ｃに、球体７０が入れられる。球体７０は、例えばフッ素樹脂（例えばテフロン（登録商標）素材）により作られている。液溜め部５０ｃには、球体７０の転がり範囲を規制する転がり規制板７１が設けられている。転がり規制板７１は、球体７０の周囲を覆うようにドーム状に形成され、その天井部には、球体７０を出し入れするための開口部７１ａが形成されている。

この例によれば、例えば車両のドアの開閉等、燃料電池システム１にわずかな振動が与えられると、液溜め部５０ｃ内の球体７０が動く。このため、摂氏０℃以下の温度環境においても、当該球体７０の移動により、液溜め部５０ｃ内の水Ｈが刺激されて凍り、水Ｈが過冷却水になることが防止される。この結果、摂氏０℃以下になった場合に、液溜め部５０ｃの水Ｈが確実に凍るので、過冷却水が排出流路３８に入り込みその後制御弁３９の手前等で凍って流路閉塞が起こることを防止できる。

また、液溜め部５０ｃに転がり規制板７１を設けたので、球体７０がケーシング５０内や排出流路３８内に入り込むことを防止できる。

また、液溜め部５０ｃの底面が下に凸に湾曲しているので、球体７０が揺動しやすく、水Ｈの過冷却をより確実に防止できる。

さらに、球体７０がフッ素樹脂により作られているので、例えば上述の燃料電池システム１のように水にフッ酸が含まれているような場合においても、球体７０が溶解することがなく、長期に渡って使用することができる。

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。

例えば以上の実施の形態で記載した温度変形板６０の形状は、凝固点以下で変形するものであれば、他の形状であってもよい。また、球体７０の形状も、液溜め部５０ｃ内で転がるものであれば、他の形状であってもよい。さらに、液体に刺激を与えるものであれば、刺激付与部材は、他の構成を有する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。

以上の実施形態では、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、気液混合体が水を含む水素オフガスであったが、気体や液体が他の例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。

燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 気液分離器の構成の概略を示す断面図の説明図である。 他の気液分離器の構成の概略を示す縦断面の説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３６ 気液分離器
５０ｃ 液溜め部
６０ 温度変形板
Ｓ 気液分離室

Claims (8)

1. 気体と液体を分離する気液分離器であって、
   気体と液体を含む気液混合体を流入し、当該気液混合体から液体を分離し、気体を流出する気液分離室と、
   前記気液分離室内の下部に位置し、分離された液体が溜められる液溜め部と、を有し、
   前記液溜め部には、液体に刺激を与えて液体の過冷却を防止する刺激付与部材が設けられていることを特徴とする、気液分離器。
2. 前記刺激付与部材は、液体の凝固点以下になると変形するものであることを特徴とする、請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記刺激付与部材は、バイメタルであることを特徴とする、請求項２に記載の気液分離器。
4. 前記刺激付与部材は、液溜め部内で転がるものであることを特徴とする、請求項１に記載の気液分離器。
5. 前記液溜め部の底面は、下に凸に湾曲していることを特徴とする、請求項４に記載の気液分離器。
6. 前記刺激付与部材は、フッ素樹脂により作られていることを特徴とする、請求項４に記載の気液分離器。
7. 前記液溜め部には、前記刺激付与部材の転がり範囲を規制する転がり規制部材が設けられていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載の気液分離器。
8. 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システムであって、
   請求項１〜７のいずれかに記載の気液分離器を有し、
   前記気液分離器によって、電気化学反応により生成されたオフガスから液体が分離されることを特徴とする、燃料電池システム。

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