JP2009123518A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle and having a gas-liquid separator in an exhaust gas passage through which off-gas from the fuel cell flows.
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。 Fuel cells are attracting attention as power sources for electric vehicles. In this fuel cell, an ion exchangeable electrolyte membrane, a hydrogen electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane, an oxygen electrode disposed on the other surface, and hydrogen gas and air are supplied to each electrode. And a separator that forms the flow path, and a plurality of the cells are stacked to form a fuel cell stack.
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。 A fuel cell system including such a fuel cell stack generates power from hydrogen as fuel and oxygen in the air, and when hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell is hydrogen ionized by an electrochemical reaction. Electrons moving from the hydrogen electrode to the oxygen electrode can be taken out as a direct current by an external circuit. Since part of the hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode is discharged from the fuel cell stack in an unreacted state, a circulation system is provided in which the unreacted off-gas is returned to the fuel cell stack again for effective use.
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。 The introduced off gas contains hydrogen gas and reaction water circulating in the fuel cell stack. The hydrogen gas and reaction water contain trace amounts of impurities that are dissolved from the fuel cell stack and piping components. Impurities may also enter from the air sucked from outside air and pass through the electrolyte membrane and enter the hydrogen gas circulation system. Therefore, an ion exchange filter is provided in the hydrogen gas circulation system, and an ion exchange filter that suppresses deterioration of the fuel cell stack due to reaction water, hydrogen gas, air, and the like is provided.
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。 Patent Document 1 discloses a gas-liquid separator that incorporates an ion exchange filter capable of reliably removing reaction water flying in particulate form and impurities mixed in the reaction water in an exhaust gas passage. It is shown.
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。 Patent Document 2 relates to an ion exchange filter that removes ions contained in reaction water generated or used in a fuel cell system outside the fuel cell stack, and enters the ion exchange filter in an environment of zero degrees or less. A technique for preventing reaction water from expanding due to freezing and damaging the ion exchange filter is disclosed.
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。 In the above-mentioned patent documents, the ion exchange filter that can reliably remove impurities mixed in the reaction water in the exhaust gas passage, or the reaction water that has entered the ion exchange filter in an environment of zero degrees or less is frozen. It is intended to prevent the ion exchange filter from damaging due to expansion, but is not configured to encourage the active drainage of unnecessary residual water (reaction water) contained in the ion exchange filter. The amount of passage may be reduced.
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。 Then, an object of this invention is to provide the fuel cell system which accelerates | stimulates the waste_water | drain in an ion exchange filter and does not leave unnecessary residual water inside.
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。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention is mounted on a vehicle and has a gas-liquid separator in an exhaust gas passage through which off-gas from the fuel cell flows. The separator includes an upper chamber for separating liquid contained in the off-gas of the fuel cell, an ion exchanger provided in the upper chamber, and a lower chamber in which a drainage unit for collecting and draining the separated liquid is formed. , And a guide member that promotes the drop of the liquid droplets extends vertically downward on the bottom surface of the ion exchanger.
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。 In the fuel cell system according to the present invention, the guide member is a rod-shaped protrusion.
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。 In the fuel cell system according to the present invention, the guide member is a conical protrusion having a thick root portion and a thin tip portion.
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。 Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, the guide member has a horizontally long rectangular rib and a triangular rib, the rectangular rib is disposed along the flow of off-gas, and the triangular rib is a rectangular rib. It is characterized by being arranged orthogonally.
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。 When the gas-liquid separator of the fuel cell system according to the present invention is used, positive drainage of unnecessary residual water contained in the ion exchange filter can be promoted, and the effect of preventing a decrease in the amount of off-gas passage can be prevented. There is.
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。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 shows the configuration of the fuel cell system 1. The fuel cell system 1 includes a
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。
The gas-
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。
FIG. 2 shows a front view and a top view of the gas-
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。
FIG. 3 shows the appearance of the
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。
FIG. 4 shows a cross section of the gas-
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。
The off gas introduced from the off
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。
The off gas introduced into the
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。
FIG. 5 shows the appearance of the gas-
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。
The off-
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。
The air guide
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。 As described above, by using the gas-liquid separator according to the present embodiment, aggressive drainage of unnecessary residual water contained in the ion exchange filter can be promoted, and a decrease in the amount of off-gas passage is prevented. It becomes possible. In addition, since the height of the protrusion provided as a guide member, thickness, and the number differ in every fuel cell system, it cannot be overemphasized that it is necessary to set the optimal value for every fuel cell system.
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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system, 10 Fuel cell stack, 11 Hydrogen supply valve, 12 Pump motor, 13 Pump, 14 Fuel cell control apparatus, 15 Drain valve controller, 16 Diluter, 20 Gas-liquid separator, 21 Off-gas introduction pipe, 22 Upper chamber, 23 Lower chamber, 24 Circulation discharge pipe, 25 Drain valve, 26 Drain pipe, 27 Communication hole, 30 Ion exchange filter, 31 Rib, 32 Filter case, 32 Reaction water, 33, 35 Net, 34 Ion exchange resin , 36 guide member, 37 granular resin, 38 air guide triangular rib, 39 conical protrusion, 41 hydrogen supply flow passage, 42 off-gas flow passage, 44 drainage flow passage.
Claims (4)
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。 In a fuel cell system that is mounted on a vehicle and has a gas-liquid separator in an exhaust gas passage through which off-gas from the fuel cell flows,
The gas-liquid separator
An upper chamber for separating liquid contained in the off-gas of the fuel cell;
An ion exchanger provided in the upper chamber;
A lower chamber in which a drainage part for collecting and draining the separated liquid is formed;
Have
A fuel cell system, characterized in that a guide member that prompts the drop of a droplet extends vertically downward on the bottom surface of the ion exchanger.
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。 The fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell system, wherein the guide member is a rod-shaped protrusion.
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。 The fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell system, wherein the guide member is a conical protrusion having a thick root portion and a thin tip portion.
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。 The fuel cell system according to claim 1,
The guide member has a horizontally long rectangular rib and a triangular rib, the rectangular rib is disposed along the flow of off-gas, and the triangular rib is disposed orthogonal to the rectangular rib. Fuel cell system.
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US9105886B2 (en) | 2011-06-13 | 2015-08-11 | Hyundai Motor Company | Large-area demineralizer for fuel cell |
DE102023112068A1 (en) | 2022-11-01 | 2024-05-02 | GM Global Technology Operations LLC | INTEGRATED PASSIVE SEPARATION COMPONENTS FOR SEPARATION OF HYDROGEN AND WATER IN FUEL CELL SYSTEMS |
-
2007
- 2007-11-15 JP JP2007296216A patent/JP2009123518A/en active Pending
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DE102023112068A1 (en) | 2022-11-01 | 2024-05-02 | GM Global Technology Operations LLC | INTEGRATED PASSIVE SEPARATION COMPONENTS FOR SEPARATION OF HYDROGEN AND WATER IN FUEL CELL SYSTEMS |
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