JP2009231073A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器内の容器内部を貫通する補強部材を設けることができ、水素ガスを含むオフガスの流れを制御することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１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。気液分離器２０は、反応水を含むオフガスをイオン交換フィルタ３０に行き渡らせるための三角形の整流部材５０が設けられている。オフガス流通路４２から直接排出された反応水やイオン交換フィルタ３０から滴下した反応水は、気液分離器２０の連通路２７に蓄えられる。排水弁コントローラ１５により排水弁２５が開かれると水素ガスと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。
【選択図】図１

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。

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。

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、この未反応の水素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。

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器を設け、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している。

特許文献１には、水素ガスの循環系にイオン交換器を設け、粒子状で飛んでいる水分や、この水分に混在している不純物を確実に除去することを目的とし、燃料電池システムで生成された反応水に含まれるイオンをイオン交換器を適切な位置に配置することにより効率良く除去する気液分離器に関す技術が開示されている。

特開２００５−２８５７３５号公報

しかし、上述した技術は、気液分離器内の水素ガスの流れに対するイオン交換器の配置及び形状を最適化するものであり、気液分離器内のオフガスの流れを積極的に制御するものではなかった。また、気液分離器は内圧に耐える構造とするため外壁の肉厚を確保する必要があり、さらなる軽量化は困難であった。

そこで、本発明は燃料電池システムに設けられた気液分離器において、気液分離器内の容器内部を貫通する補強部材を設けることができ、かつ、水素ガスを含むオフガスの流れを制御することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

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チャンバと、チャンバ内に設けられたイオン交換器と、イオン交換器の下に設けられ、オフガスの流れを調整する少なくとも１つの整流部材と、チャンバで分離された液体を受け入れると共に、受け入れられた液体を可動弁の開閉によって発生する排出ガス流により排出する電磁弁と連通する連通路と、電磁弁に接続され、排出ガス流により液体を排水する排水口と、を備え、整流部材は、オフガスをイオン交換器へ均一に導くために、予め決められた配分比によりオフガスを整流することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器の整流部材は、チャンバの強度を向上させる補強部材であることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器の整流部材は、円柱型、三角型、菱型、又は、翼型であることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器の整流部材は、チャンバの一方の側面から他方の側面へ貫通する貫通穴を形成する中空部材であることを特徴とする。

さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器の整流部材は、内部に空気の流通する中空部を有し、流通する空気とオフガスとの熱交換が行われることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムの気液分離器を用いることにより、イオン交換器へのオフガスの流れを積極的に制御することが可能となり、イオン交換効率が向上するという効果がある。また、気液分離器内部に設けた整流部材が補強材としても機能することにより、従来より薄い肉厚とすることが可能となり、さらなる軽量化が可能となる。

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。

図１には、燃料電池システムの全体構成が示されている。なお、便宜上、第１の実施形態という。燃料電池システム１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。

気液分離器２０は、反応水を含むオフガスをイオン交換フィルタ３０に行き渡らせるための三角形の整流部材５０が設けられている。オフガス流通路４２から直接排出された反応水及びイオン交換フィルタ３０から滴下した反応水は、気液分離器２０の連通路２７に蓄えられる。排水弁コントローラ１５により排水弁２５が開かれると水素ガスと反応水３２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３２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。

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（Ｂ）、上面図（Ａ）及びＡＡ’断面図（Ｃ）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チャンバ２２と、気液分離器２０の補強用及びオフガスの整流の為にオフガス導入管２１寄りに設けられた整流部材５１と、反応水が一時的に貯蔵される連通路２７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。

図２（Ｃ）のＡＡ’断面図に示したように、気液分離器２０は、整流部材５１を有する整流部基部２０ｃの下側半分の縦割り型と、整流部材と嵌り合う整流部材受け２０ｂの下側半分の縦割り型と、イオン交換フィルタ３０を内蔵し、下側容器の蓋となる上蓋２０ａと、を有している。

本実施形態に係る気液分離器２０の製造方法において、チャンバと連通路とは、左右の縦割り型と、チャンバの左右側面を貫通する中空部材と、を接合する接合工程により製造されることを特徴としている。具体的には、本実施形態に係る気液分離器２０は、一次噴出により形成された２つの割体の結合部に樹脂を再度噴出する二次噴出により接着する工法であるＤＳＩ工法（Ｄｉｅ Ｓｌｉｄｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）を用いて製造した。この方法を用いることにより、本体の成型に用いた樹脂と同じ樹脂により接着することで、強度の向上とリサイクル性を向上させている。

図２に示す整流部材５１は、オフガスの流れに対してついたてとして機能し、オフガス導入管２１近傍に偏りがちなオフガスの拡散を整流作用により促進させ、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。また、整流部材５１は中空構造であり、外気による冷却で過飽和状態の反応水を凝出させると共に、整流部材５１に設けられた溝４８やリブ４９により滴下を容易にしている。

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から排出され、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の底面から滴下する。

図２のオフガス導入管２１からチャンバ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、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、連通路２７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２５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。

図３は、整流部材に円柱を用いた第２の実施形態に係る気液分離器２０の構成を示し、オフガスが流れる場所に整流部材５２である円柱型の中空パイプが配置されている。本実施形態では、通常状態におけるオフガスの流れを拡散させると共に、排水弁２５が開いた時に発生する流速で円柱型後方に発生するカルマン渦を意図的に発生させて拡散を促進するものである。なお、円柱表面形状はオフガスの流れ方向を変化させやすい形状とするため、例えば、細かい凹凸を有するディンプル形状となっている。

図４は、整流部材５３に菱形を用いた第３の実施形態に係る気液分離器の構成を示している。第１の実施形態では、図４の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように三角形の角の位置を変化させることにより予め決められた整流の比率を設定している。例えば、図４（Ａ）では、整流の割合を上側に対して下側を１対２の比率に分配し、図４（Ｂ）ではほとんど上側に配分し、図４（Ｃ）では、上側に対して下側を２対１の比率に分配している。これに対し、第３の本実施形態ではイオン交換フィルタの隅まで届かせるために三角形を二つ合わせた菱形の整流部材５３を用いている。この形状により、菱形の角（前縁と後縁）の位置を調整することにより、整流特性を向上させている。

図５は、整流部材に翼型を用いた第４実施形態に係る気液分離器の構成を示している。オフガスの流れの中に翼型の整流部材５４を配置することで、翼面にオフガスが当たり、翼面に沿って流れることでより細かいオフガス流の制御が可能となる。

上述したように、本実施形態に係る気液分離器は、イオン交換器へのオフガスの流れを積極的に制御することによりイオン交換効率が向上する。また、気液分離器内部の整流部材が補強材としても機能することにより、従来より薄い肉厚とすることができ、さらなる軽量化が可能となる。なお、本実施形態で実施した整流部材にかぎらず、同様の機能を果たす部材でもよい。また、整流部材を複数設置してもよいことはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 本発明の燃料電池システムにおける気液分離器の構成を説明する説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る気液分離器の構成を説明する説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る気液分離器の構成を説明する説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る気液分離器の構成を説明する説明図である。

符号の説明

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 チャンバ、２４ 循環排出管、２５ 排水弁、２６ 排出管、２７ 連通路、３０ イオン交換フィルタ、３２ 反応水、３４ イオン交換樹脂、４１ 水素供給流通路、４２ オフガス流通路、４４ 排水流通路、４８ 溝、４９ リブ、５０，５１，５２，５３，５４ 整流部材。

Claims (5)

1. 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チャンバと、
   チャンバ内に設けられたイオン交換器と、
   イオン交換器の下に設けられ、オフガスの流れを調整する少なくとも１つの整流部材と、
   チャンバで分離された液体を受け入れると共に、受け入れられた液体を可動弁の開閉によって発生する排出ガス流により排出する電磁弁と連通する連通路と、
   電磁弁に接続され、排出ガス流により液体を排水する排水口と、
   を備え、
   整流部材は、オフガスをイオン交換器へ均一に導くために、予め決められた配分比によりオフガスを整流することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   気液分離器の整流部材は、チャンバの強度を向上させる補強部材であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   気液分離器の整流部材は、円柱型、三角型、菱型、又は、翼型であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   気液分離器の整流部材は、チャンバの一方の側面から他方の側面へ貫通する貫通穴を形成する中空部材であることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   気液分離器の整流部材は、内部に空気の流通する中空部を有し、流通する空気とオフガスとの熱交換が行われることを特徴とする燃料電池システム。

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