JP2016072183A - Centrifugal water separation device for fuel battery system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a centrifugal separation device for a fuel battery system that removes water from an anode recirculation loop of the fuel battery system.SOLUTION: A separation device 100 has a first part 104 and a second part 102 which form a chamber 110. The first part has an inner wall and an end wall which are continuous with each other, a suction pipe 122 is coupled to the inner wall, and a liquid drain pipe 126 is coupled to the end wall. The second part has an end wall, and a discharge pipe 130 which extends to the chamber so as to form a flow path between the discharge pipe 130 and the inner wall of the first part. The separation device contains a first end portion and a second end portion which are coupled to each other through a side wall to define the boundary of the chamber. The suction pipe is brought into contact with and coupled to the side wall. The discharge pipe is coupled to the first end portion, and extends to the chamber so as to form a flow path between the discharge pipe and the side wall. The liquid drain pipe is coupled to the second end portion.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

種々の実施形態は、燃料電池システムから水を除去する装置に関するものである。   Various embodiments relate to an apparatus for removing water from a fuel cell system.

燃料電池の動作中、生成された水及び窒素並びに未消費の水素のような副産物が、燃料電池スタックのアノード側に生じることがある。ある既知のシステムでは、生成された水の蓄積及び窒素の蓄積が、燃料電池の性能低下及び/又は燃料電池システムの稼働停止を回避しようとして制御される。1つの公知のアプローチは、燃料電池スタックの下流にある流路を介して水及び窒素を解放することである。副産物は、未消費の水素が燃料電池スタックのアノード側に戻るように再循環され得る。また、再循環は、効率的な化学変換を促進し、またセル膜の寿命を延長するように、アノード側を濡らすのに利用され得る。しかしながら、再循環の流れにおける、水滴のような液体の水は、燃料電池スタックの流場流路又はエゼクタにて水閉塞を避けるために、除去されなければならないかも知れない。   During operation of the fuel cell, by-products such as water and nitrogen produced and unconsumed hydrogen may occur on the anode side of the fuel cell stack. In some known systems, the water accumulation and nitrogen accumulation produced are controlled in an attempt to avoid fuel cell performance degradation and / or fuel cell system shutdown. One known approach is to release water and nitrogen through a flow path downstream of the fuel cell stack. By-products can be recycled so that unconsumed hydrogen returns to the anode side of the fuel cell stack. Recirculation can also be utilized to wet the anode side to promote efficient chemical conversion and to prolong cell membrane life. However, liquid water, such as water droplets, in the recirculation flow may have to be removed to avoid water blockages in the fuel cell stack flow field flow path or ejector.

伝統的な水分離装置は、水除去のための衝撃流に水滴を乗せる、流路、スクリーン及び/又はメッシュを有する。これらの装置は、例えば99%に達する、高い水除去効率を持ち得る。しかしながら、これら従来装置の設計は、装置の容積に対して、システム上の相対的に大きな圧力低下を引き起こす。   Traditional water separation devices have channels, screens and / or meshes that place water droplets on the impact stream for water removal. These devices can have a high water removal efficiency, for example reaching 99%. However, these conventional device designs cause a relatively large pressure drop on the system relative to the volume of the device.

受動的再循環ループを持つエゼクタベースの燃料電池システムにとって、燃料電池システムのアノードループを通じた圧力低下を最小化することは、重要であり得る。エゼクタは運動量伝達装置であって、それが引き起こす受動的再循環の流れは、エゼクタによってなされる圧縮仕事の1つの働きである。アノードループにおける圧力低下は、エゼクタにとっての圧縮仕事を増加させ、再循環の流れを制限し得る。アノードループにおける支配的な圧力低下は、燃料電池スタックによって引き起こされ、また水分離装置のような他の構成部分に沿った圧力低下は、エゼクタ及び燃料電池が適正に機能するために最小化される必要がある。加えて、ある程度の湿度が再循環の流れにあることが好ましいので、従来の分離装置の高効率は、湿度を下げ過ぎて、燃料電池の性能及び寿命を毀損する結果を招来し得る。   For ejector-based fuel cell systems with passive recirculation loops, it can be important to minimize the pressure drop through the anode loop of the fuel cell system. The ejector is a momentum transmission device and the passive recirculation flow it causes is one function of the compression work done by the ejector. The pressure drop in the anode loop can increase the compression work for the ejector and limit the recirculation flow. The dominant pressure drop in the anode loop is caused by the fuel cell stack, and the pressure drop along other components such as the water separator is minimized in order for the ejector and fuel cell to function properly. There is a need. In addition, since it is preferred that some humidity be in the recirculation flow, the high efficiency of conventional separators can result in over-degrading humidity and degrading fuel cell performance and life.

1つの実施形態によれば、燃料電池システムが、燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備える。分離装置は、側壁により結合されてチャンバを形成する第1及び第2の端部と、側壁に接して結合された吸入管と、第1の端部に結合されて側壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる吐出管と、第2の端部に結合された液体ドレン管とを有する。   According to one embodiment, a fuel cell system includes a fuel cell stack and a separation device in fluid communication with the fuel cell stack. The separation device includes a first and a second end coupled by a side wall to form a chamber, a suction pipe coupled in contact with the side wall, and a flow path between the first end and the side wall. A discharge pipe extending into the chamber to form a liquid drain pipe coupled to the second end.

他の実施形態によれば、燃料電池システム用の液体分離装置が、側壁により結合されてチャンバを形成する第1及び第2の端部を備える。吸入管が、側壁に接して結合されている。吐出管が、第1の端部に結合されて側壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる。液体ドレン管が、第2の端部に結合されている。   According to another embodiment, a liquid separator for a fuel cell system comprises first and second ends that are joined by side walls to form a chamber. A suction pipe is coupled in contact with the side wall. A discharge tube is coupled to the first end and extends into the chamber to form a flow path between the discharge tube. A liquid drain tube is coupled to the second end.

更に他の実施形態によれば、燃料電池システムが、燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備える。分離装置は、チャンバを形成する第1の部分と第2の部分とを有する。第1の部分は、連続する内壁と端壁とを有し、内壁に吸入管が結合され、端壁に液体ドレン管が結合されている。第2の部分は、端壁と、第1の部分の内壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる吐出管とを有する。   According to yet another embodiment, a fuel cell system includes a fuel cell stack and a separation device in fluid communication with the fuel cell stack. The separation device has a first part and a second part forming a chamber. The first portion has a continuous inner wall and an end wall, a suction pipe is coupled to the inner wall, and a liquid drain pipe is coupled to the end wall. The second portion has a discharge tube extending to the chamber so as to form a flow path between the end wall and the inner wall of the first portion.

本開示の種々の実施形態は、非限定の利点に関係する。例えば、分離装置にて小さい圧力低下を実現すると、燃料電池のアノード側における受動的再循環ループの利用が可能になる。小さい圧力低下は、分離装置への円滑な接線方向の流体流入によって、また分離装置内の気相流体流路に追加のメッシュ部材を用いないことによって、分離装置の中で生じる。分離装置は、流体の流れから大きい水滴を除去する一方、水蒸気及び小さいサイズの水滴を残すように設計される。よって、分離装置は、総合的な水除去にとっては、あまり高い効率を有しない。これは、燃料電池が適正に機能するうえでアノード側及びカソード側の双方に湿度が必要であるとの理由から、燃料電池の応用にとっては受け入れ可能である。分離装置は、十分な量、かつスタックのアノード流場のあふれを引き起こすおそれのあるサイズの液滴を除去しなければならない。アノードでの流れは、スタックへの流入に先立って乾燥した新鮮な水素供給と混合されるので、小さい液滴がスタックへの到達に先立って気化する可能性がある。加えて、スタックモジュールは、ある量の液体の水の取り込みを、セル電圧安定性を低下させることなしに許容し得る。この量は、通常は5〜30cc/分の範囲にある。分離装置の設計は、実装、重量及びコストが現下の関心事である、車両における燃料電池システムのような応用への活用を許容する、小さく、密であり、かつ製造容易な装置を提供する。加えて、分離装置の構造及び組み立ては、燃料電池スタックのアノード側の下流のような流体の流れにおける水素分子と両立できるように設計される。   Various embodiments of the present disclosure relate to non-limiting advantages. For example, realizing a small pressure drop in the separator allows the use of a passive recirculation loop on the anode side of the fuel cell. A small pressure drop occurs in the separator due to smooth tangential fluid flow into the separator and by not using additional mesh members in the gas phase fluid flow path within the separator. The separator is designed to remove large drops of water from the fluid stream while leaving water vapor and small sized drops. Thus, the separation device does not have very high efficiency for total water removal. This is acceptable for fuel cell applications because humidity is required on both the anode and cathode sides for the fuel cell to function properly. The separator must remove a sufficient amount of droplets of a size that can cause overflow of the stack anode flow field. Since the flow at the anode is mixed with a fresh fresh hydrogen supply prior to entry into the stack, small droplets can be vaporized prior to reaching the stack. In addition, the stack module can tolerate the intake of a certain amount of liquid water without reducing cell voltage stability. This amount is usually in the range of 5-30 cc / min. The design of the separation device provides a small, dense and easy to manufacture device that allows its use in applications such as fuel cell systems in vehicles where mounting, weight and cost are current concerns. In addition, the structure and assembly of the separator is designed to be compatible with hydrogen molecules in the fluid flow, such as downstream of the anode side of the fuel cell stack.

1つの実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic view of a fuel cell system according to one embodiment. 図1の燃料電池で使用される、1つの実施形態に係る水分離装置の斜視図である。It is a perspective view of the water separator which concerns on one embodiment used with the fuel cell of FIG. 図2の水分離装置の部分断面斜視図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view of the water separator of FIG. 2. 種々の質量流量における、従来の分離装置と図2の分離装置との圧力低下を比較したグラフである。It is the graph which compared the pressure drop of the conventional separator and the separator of FIG. 2 in various mass flow rates.

本発明の詳細な実施形態を、ここに適宜開示する。しかしながら、開示された実施形態は、種々の代替形式に具現化され得る発明の単なる例示であることが、理解されるべきである。図面は必ずしも縮尺が合致するものではなく、また、いくつかの特徴は、特定の構成部分を詳細に提示するために、誇張され又は最小化され得る。したがって、ここに開示された特定の構造的かつ機能的な詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、本発明を様々に用いるよう当業者に教示するための、単に代表的な基準としてのものである。化学式における成分の表記は、当該表記にて特定される任意の組合せに加える際の成分を言い、一旦混合された混合物の成分間の化学的相互作用を必ずしも排除するものではない。   Detailed embodiments of the present invention are appropriately disclosed herein. However, it is to be understood that the disclosed embodiments are merely exemplary of the invention that may be embodied in various alternative forms. The drawings are not necessarily to scale, and some features may be exaggerated or minimized to present specific components in detail. Accordingly, specific structural and functional details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as representative criteria for teaching those skilled in the art to make various use of the present invention. belongs to. The notation of the component in the chemical formula refers to a component when added to any combination specified by the notation, and does not necessarily exclude the chemical interaction between the components of the mixture once mixed.

図1は、少なくとも1つの実施形態に係る処理フロー図として、燃料電池システム10を概略的に例示している。例えば、燃料電池システム10は、車両を駆動し又は他の車両機能を達成するため、電気モータを作動させる電力を供給するように、車両にて使用され得る。燃料電池システム10は、従来公知のプロトン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEMFC)であり得る。   FIG. 1 schematically illustrates a fuel cell system 10 as a process flow diagram according to at least one embodiment. For example, the fuel cell system 10 can be used in a vehicle to provide power to operate an electric motor to drive the vehicle or achieve other vehicle functions. The fuel cell system 10 may be a conventionally known Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC).

燃料電池システム10は、燃料電池スタック12を有する。スタック12は、アノード側14と、カソード側16と、それらの間の膜18とを有する。燃料電池システム10は、例えば高電圧バス20又は牽引バッテリに対して電気的に連絡し、かつエネルギを供給する。燃料電池スタック12は、冷却ループ(不図示)を更に有し得る。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12. The stack 12 has an anode side 14, a cathode side 16, and a membrane 18 therebetween. The fuel cell system 10 is in electrical communication with, for example, a high voltage bus 20 or a traction battery and supplies energy. The fuel cell stack 12 may further include a cooling loop (not shown).

燃料電池システム10の動作中、生成された水、水素のような残余の燃料、そして窒素のような副産物は、燃料電池スタック12のアノード側14に蓄積し得る。液体状の生成された水及び副産物を除去し、また残余の水素及び水蒸気を再利用しようとする試みは、今までなされてきた。1つのアプローチは、燃料電池スタック12の下流にある分離装置36でこれらの成分を収集し、少なくとも液体の水及び/又は窒素の部分を分離し、そして再循環ループにおける戻り流路を介して残余の成分を燃料電池スタック12へ戻すことである。   During operation of the fuel cell system 10, generated water, residual fuel such as hydrogen, and by-products such as nitrogen may accumulate on the anode side 14 of the fuel cell stack 12. Attempts have been made to remove liquid generated water and by-products and to recycle residual hydrogen and water vapor. One approach is to collect these components with a separator 36 downstream of the fuel cell stack 12, separate at least a portion of liquid water and / or nitrogen, and leave the remainder via a return channel in a recirculation loop. Is returned to the fuel cell stack 12.

初期の燃料源22が、初期の水素源として、燃料電池スタック12のアノード側14に結合されている。初期の水素源22の非限定の例は、高圧水素貯蔵タンク又は水素化物貯蔵装置である。水素源22は、1つ又は複数のエゼクタ24に結合されている。エゼクタ24は、集中・分岐ノズル28の集中部に水素を供給するノズル26を持つ。ノズル28の分岐部は、アノード側14の入力30に結合されている。   An initial fuel source 22 is coupled to the anode side 14 of the fuel cell stack 12 as an initial hydrogen source. A non-limiting example of the initial hydrogen source 22 is a high pressure hydrogen storage tank or hydride storage device. The hydrogen source 22 is coupled to one or more ejectors 24. The ejector 24 has a nozzle 26 that supplies hydrogen to the concentrated portion of the concentrated / branched nozzle 28. The branch of the nozzle 28 is coupled to the input 30 on the anode side 14.

アノード側14の出力32は、受動的再循環ループ34に結合されている。概して、過剰な水素ガスが、スタック12中の全セルにとって十分の利用可能な水素が存在することを保証するために、アノード側14に供給される。換言すれば、水素は、化学量論比が1よりも大きい、すなわち正確な電気化学的な要求に関して燃料リッチな比で燃料電池スタック12に供給される。再循環ループ34は、アノード側14で使用されない過剰の水素が入力30に戻されて廃棄されずに利用され得るように設けられている。   The output 32 on the anode side 14 is coupled to a passive recirculation loop 34. In general, excess hydrogen gas is supplied to the anode side 14 to ensure that there is sufficient available hydrogen for all cells in the stack 12. In other words, hydrogen is supplied to the fuel cell stack 12 at a stoichiometric ratio greater than 1, ie, a fuel rich ratio with respect to precise electrochemical requirements. A recirculation loop 34 is provided so that excess hydrogen not used on the anode side 14 can be returned to the input 30 and utilized without being discarded.

加えて、蓄積された液相及び気相の水がアノード側14の出力である。アノード側14は、効率的な化学変換のために、また膜寿命の延長のために加湿を必要とする。再循環ループ34は、アノード側14の入力30の前段で水素ガスに加湿するように、水を供給するために利用され得る。   In addition, the accumulated liquid and vapor phase water is the output on the anode side 14. The anode side 14 requires humidification for efficient chemical conversion and for extended membrane life. A recirculation loop 34 may be utilized to supply water to humidify the hydrogen gas upstream of the input 30 on the anode side 14.

再循環ループ34は、分離装置36又は脱水装置を有する。分離装置36は、アノード側14の出力32からの水素ガス、窒素ガス及び水の混合物の流れ又は流体を受け取る。水は混合相であってもよく、液相及び気相の両方の水を含む。分離装置36は少なくとも一部の液相の水を除去し、これはドレン管路38を通じて分離装置から排出される。少なくとも、窒素ガス、水素ガス及び気相の水の一部は、ドレン管路38を出て、例えば燃料電池スタック12の浄化処理の間に制御弁39を通過し得る。分離装置36中の残余の流体は、再循環ループ34中の、エゼクタ24に結合された流路40を通して出る。流路40の流体は、集中・分岐ノズル28の集中部に供給され、ここでノズル26及び水素源22から流入する水素と混合される。   The recirculation loop 34 has a separator 36 or a dehydrator. Separator 36 receives a flow or fluid mixture of hydrogen gas, nitrogen gas and water from output 32 on anode side 14. The water may be a mixed phase and includes both liquid and gas phase water. Separator 36 removes at least a portion of the liquid phase water, which is discharged from the separator via drain line 38. At least some of the nitrogen gas, hydrogen gas, and vapor phase water may exit the drain line 38 and pass through the control valve 39 during, for example, the purification process of the fuel cell stack 12. Residual fluid in separator 36 exits through a flow path 40 coupled to ejector 24 in recirculation loop 34. The fluid in the flow path 40 is supplied to the concentrated portion of the concentrated / branched nozzle 28 where it is mixed with hydrogen flowing from the nozzle 26 and the hydrogen source 22.

液体の水は、アノード側14の流路及びセル内での水閉塞を防止するために、アノード側14から分離装置36によって除去され得る。燃料電池スタック12内の水閉塞は、燃料電池スタック12内のセル電圧の低下及び/又は電圧不安定を引き起こし得る。液体の水は、エゼクタ24内の閉塞又は部分閉塞を防止するためにも、分離装置36によって除去され得る。集中・分岐ノズル28の分岐部中の液状の水滴は、ノズル28の中に事実上の二次的なベンチュリ部を作り、エゼクタ24にとってポンピングの不安定をもたらし得る。   Liquid water can be removed from the anode side 14 by the separator 36 to prevent water blockage in the flow paths and cells on the anode side 14. A water blockage in the fuel cell stack 12 may cause cell voltage drop and / or voltage instability in the fuel cell stack 12. Liquid water can also be removed by the separation device 36 to prevent blockage or partial blockage in the ejector 24. Liquid water droplets in the branching portion of the concentration / branching nozzle 28 can create a virtual secondary venturi in the nozzle 28 and cause pumping instability to the ejector 24.

スタック12のカソード側16は、例えば空気源42中の成分として、酸素を受け取る。1つの実施形態では、入力酸素を加圧するために、コンプレッサ44がモータ46により駆動される。加圧された空気は、次に加湿器48により、カソード側16に入る前に加湿される。他の分離装置50(仮想線で示す)は、加湿器48の下流に位置し得る。この分離装置50は、加湿された空気の流れから、入力52にてスタック12のカソード側16に入る前に液体の水を除去するために使用され得る。加湿器48内で液体の水が空気の高い流速に乗せられることで、加湿器48の下流に水滴が存在し得る。液体の水は、燃料電池スタック12内のセル電圧の低下及び/又は不安定を引き起こす、カソード側16のセル内での水閉塞を防止するために、分離装置50によって除去され得る。カソード側16の出力54は、弁56に結合されている。分離装置36からのドレン管路38と、分離装置50からのドレン管路58とは、弁56の下流の管路60に結合され得る。他の実施形態では、これらのドレン管路が燃料電池システム10内の他の箇所へ接続され得る。   The cathode side 16 of the stack 12 receives oxygen, for example, as a component in the air source 42. In one embodiment, the compressor 44 is driven by a motor 46 to pressurize the input oxygen. The pressurized air is then humidified by the humidifier 48 before entering the cathode side 16. Another separation device 50 (shown in phantom) may be located downstream of the humidifier 48. This separation device 50 can be used to remove liquid water from the humidified air stream before entering the cathode side 16 of the stack 12 at the input 52. Water droplets may exist downstream of the humidifier 48 by placing liquid water in the humidifier 48 at a high air flow rate. Liquid water can be removed by the separator 50 to prevent water blockage in the cells on the cathode side 16 that causes cell voltage drop and / or instability in the fuel cell stack 12. The output 54 on the cathode side 16 is coupled to a valve 56. A drain line 38 from the separator 36 and a drain line 58 from the separator 50 can be coupled to a line 60 downstream of the valve 56. In other embodiments, these drain lines may be connected to other locations within the fuel cell system 10.

燃料電池システム10のための他のシステム構成も採用可能である。例えば、カソード側16を通過する流れを引き起こすために、コンプレッサ44に加えてタービンが使用され得る。1つの例では、カソードスタック出口54の下流にタービンが配置され、流体の流れがタービンに入る前に液体の水を除去するために、カソード側16とタービンとの間に分離装置が挿入される。   Other system configurations for the fuel cell system 10 can also be employed. For example, a turbine may be used in addition to the compressor 44 to cause a flow through the cathode side 16. In one example, a turbine is positioned downstream of the cathode stack outlet 54 and a separator is inserted between the cathode side 16 and the turbine to remove liquid water before fluid flow enters the turbine. .

エゼクタ24の使用をふまえて、アノード側14を通過する流れを作り出し、かつ受動的再循環ループ34を通過する流れを引き起こすために、エゼクタ24は、燃料電池スタック12に沿った通常は著しい圧力低下を含む、システム内の圧力低下に打ち勝たねばならない。図示のシステム10は、再循環ループ34内に流れを引き起こすための、ポンプ又は他の装置を含んでいない。したがって、全ての圧縮仕事は、エゼクタによって、さもなければ噴流ポンプと称されるものによって、達成されなければならない。この機能を可能にするため、分離装置36は、自身に沿った小さい圧力低下を有する必要がある。分離装置36は、燃料電池スタック12又はエゼクタ24内で液滴により引き起こされる、再循環の流れにおける水閉塞を防止するために、流体から比較的大きい水滴を除去する必要もある。分離装置36は、気相の水及び比較的小さい水滴が流路40にて再循環の流れの中に残留し、かつ加湿の目的のためにエゼクタ24へ戻ることを許容する。1つの例では、分離装置36は、1mmのオーダー又はそれより大きい直径を持つ水滴を除去する。   In order to create a flow through the anode side 14 and to cause a flow through the passive recirculation loop 34 in light of the use of the ejector 24, the ejector 24 typically has a significant pressure drop along the fuel cell stack 12. The pressure drop in the system must be overcome, including The illustrated system 10 does not include a pump or other device for causing flow in the recirculation loop 34. Thus, all compression work must be accomplished by the ejector, otherwise by what is referred to as a jet pump. In order to enable this function, the separating device 36 needs to have a small pressure drop along itself. Separation device 36 also needs to remove relatively large drops of water from the fluid to prevent water blockages in the recirculation flow caused by the drops in fuel cell stack 12 or ejector 24. Separator 36 allows vapor phase water and relatively small droplets to remain in the recirculation stream in flow path 40 and return to ejector 24 for humidification purposes. In one example, the separation device 36 removes water droplets having a diameter on the order of 1 mm or larger.

加えて、分離装置36がアノード側14から流体の流れを受け取る際に、分離装置36は、水素ガスを使用するように設計される必要がある。一般に、水素ガスは、材料の劣化又は脆化の問題を引き起こし得る。よって、分離装置36に使用される材料は、水素と両立できるものである必要がある。加えて、水素は小さい分子であり、従来の設計は、例えば従来のねじ式の結合が漏れを許してしまうため、多くの従来の分離装置は、水素の使用に適していない。他の従来の分離装置は、回転翼等のような、水素と両立し得ない回転部品又は移動部品を含み得る。この場合には、潤滑剤が燃料電池スタックを汚染し、あるいは水素が潤滑剤を劣化させ又は分解し得るのである。   In addition, when the separator 36 receives a fluid flow from the anode side 14, the separator 36 needs to be designed to use hydrogen gas. In general, hydrogen gas can cause material degradation or embrittlement problems. Therefore, the material used for the separation device 36 needs to be compatible with hydrogen. In addition, hydrogen is a small molecule and many conventional separation devices are not suitable for the use of hydrogen because conventional designs, for example, allow conventional screw-type bonds to leak. Other conventional separation devices may include rotating or moving parts that are incompatible with hydrogen, such as rotor blades. In this case, the lubricant can contaminate the fuel cell stack, or hydrogen can degrade or decompose the lubricant.

分離装置50は、燃料電池スタック12のカソード側16における流れの中の液滴により引き起こされる水閉塞を防止するために、流体から比較的大きい水滴を除去する必要もある。分離装置50は、気相の水及び比較的小さい水滴が加湿のための流れの中に残留することを許容する。1つの実施形態によれば、分離装置50は、カソード側16の流場の流路幅と同一サイズ又はこれより大きいサイズの水滴を除去する。1つの例では、カソード側の流場の流路が0.2〜1.0mmである。   Separator 50 also needs to remove relatively large drops of water from the fluid to prevent water blockage caused by drops in the flow at the cathode side 16 of the fuel cell stack 12. Separator 50 allows vapor phase water and relatively small droplets to remain in the humidification stream. According to one embodiment, the separation device 50 removes water droplets that are the same size or larger than the channel width of the flow field on the cathode side 16. In one example, the flow field flow path on the cathode side is 0.2 to 1.0 mm.

図2及び図3は、分離装置100の1つの実施形態を示している。この分離装置100は、図1に示した燃料電池システム10のための、分離装置36として、又は分離装置50として使用され得る。分離装置100は、上側部分102と下側部分104とを有する。これら上側及び下側部分102,104は、内部の分離チャンバ106の境界を定めるものである。   2 and 3 show one embodiment of the separation device 100. The separation device 100 can be used as the separation device 36 or as the separation device 50 for the fuel cell system 10 shown in FIG. Separation device 100 has an upper portion 102 and a lower portion 104. These upper and lower portions 102, 104 define the interior separation chamber 106.

仕切り108は、チャンバ106を、上側の渦流チャンバ110と下側の収集チャンバ112とに分割する。仕切り108は、スクリーン116であり得る。1つの実施形態では、仕切り108は、スポット溶接又は他の処理を用いて、下側部分104の中に固定されている。スクリーン116は、比較的大きいメッシュサイズを持ち、かつ液体がスクリーン116上で拡がることを防止しつつ液体が収集チャンバ112へ滴下することを許容するように、低い接触角を持つ材料からなり得る。1つの実施形態によれば、スクリーン116の接触角は90度よりも小さい。他の実施形態によれば、スクリーン116の接触角は50度よりも小さい。   The partition 108 divides the chamber 106 into an upper vortex chamber 110 and a lower collection chamber 112. The partition 108 can be a screen 116. In one embodiment, the divider 108 is secured in the lower portion 104 using spot welding or other processes. Screen 116 may have a relatively large mesh size and may be made of a material with a low contact angle to allow liquid to drip into collection chamber 112 while preventing liquid from spreading on screen 116. According to one embodiment, the contact angle of the screen 116 is less than 90 degrees. According to other embodiments, the contact angle of the screen 116 is less than 50 degrees.

下側部分104は、全体として円筒形の側壁118と、端壁120とを有する。側壁118及び端壁120は、図示のように、一体に形成され得る。他の実施形態では、側壁118は、円錐台形、円錐形又は他の適切な形へと、テーパがつけられていてもよい。端壁120は、凹面形状又はわん形状であり得る。代替の実施形態では、端壁120が平面形状である。   The lower portion 104 has a generally cylindrical side wall 118 and an end wall 120. Sidewall 118 and end wall 120 may be integrally formed as shown. In other embodiments, the sidewall 118 may taper to a frustoconical shape, a conical shape, or other suitable shape. The end wall 120 can be concave or bowl-shaped. In an alternative embodiment, the end wall 120 is planar.

収集チャンバ112は、少量の液体の水を収集できるだけの大きさであり得る。下側部分104の収集チャンバ112は、渦流チャンバ110の中で環流する流体が、スクリーン116を通した収集チャンバ112から渦流チャンバ110への液体の跳ね上がりを引き起こす点の前まで、容積を低減し得る。   The collection chamber 112 can be large enough to collect a small amount of liquid water. The collection chamber 112 of the lower portion 104 may reduce in volume until the fluid that circulates in the vortex chamber 110 causes the liquid to bounce from the collection chamber 112 to the vortex chamber 110 through the screen 116. .

下側部分104は、吸入管122を有する。吸入管122は、この吸入管122を通して流れる流体がチャンバ106に入り、吸入管122と下側部分104との間の結合の幾何学的形状により方向転換が強制されることなく側壁118に沿って円滑に流れるように、側壁118に接して結合されている。流体が吸入管122からチャンバ110へ入る入口点124にて、流体は、全体として側壁118に対して平行に流れる。   The lower portion 104 has a suction pipe 122. The suction tube 122 is along the side wall 118 without fluid flowing through the suction tube 122 entering the chamber 106 and being forced to turn due to the geometry of the coupling between the suction tube 122 and the lower portion 104. It is joined in contact with the side wall 118 so as to flow smoothly. At an entry point 124 where fluid enters the chamber 110 from the suction tube 122, the fluid generally flows parallel to the sidewall 118.

下側部分104は、ドレン管126をも有する。ドレン管126は、端壁120の最も低い点に配置されており、通常は端壁120の中心又は中央部に、あるいは分離装置100の長手方向の軸136に沿って位置する。チャンバ112の最も低い点にドレン管126を配置することにより、例えば、凍結があり得るような低い周囲温度環境下に車両又は燃料電池がある場合でも、チャンバ112内の液体が容易に除去され得る。   The lower portion 104 also has a drain tube 126. The drain tube 126 is located at the lowest point of the end wall 120 and is typically located at the center or center of the end wall 120 or along the longitudinal axis 136 of the separation device 100. By placing the drain tube 126 at the lowest point of the chamber 112, the liquid in the chamber 112 can be easily removed even when the vehicle or fuel cell is in a low ambient temperature environment where freezing may occur, for example. .

ドレン管126は、液体の水が開口を塞いだり覆ったりすることがないようなサイズであり得る。ドレン管126は、液体が開口を覆うことを防止するために、低い接触角の材料からなってもよい。   The drain tube 126 may be sized so that liquid water does not block or cover the opening. The drain tube 126 may be made of a low contact angle material to prevent liquid from covering the opening.

上側部分102は、吐出管130を支える端壁128を有する。吐出管130は、それが接続された端壁128から全体として垂直に伸びるように、上側部分102に結合されている。他の実施形態では、吐出管130と端壁128との間の結合角度が可変であり得る。吐出管130は、チャンバ106から吐出管130への入口134が仕切り108から隔てられるようにチャンバ106の中へ図示のように伸びる、チューブ132の部分を有する。   The upper portion 102 has an end wall 128 that supports the discharge pipe 130. The discharge tube 130 is coupled to the upper portion 102 so as to extend generally vertically from the end wall 128 to which it is connected. In other embodiments, the coupling angle between the discharge tube 130 and the end wall 128 may be variable. The discharge tube 130 has a portion of a tube 132 that extends as shown into the chamber 106 such that an inlet 134 from the chamber 106 to the discharge tube 130 is spaced from the partition 108.

吐出管130のチューブ132は、端壁128からチャンバ106の中へ伸びる。チューブ132は、流路を形成するように、下側部分104の側壁118と組み合わされている。チューブ132は、全体として円筒形形状を有する。   A tube 132 of the discharge tube 130 extends from the end wall 128 into the chamber 106. The tube 132 is combined with the side wall 118 of the lower portion 104 so as to form a flow path. The tube 132 has a cylindrical shape as a whole.

1つの実施形態によれば、吸入管122は、分離装置100の上側部分102に近接するように、下側部分104の上縁に近接して配置されている。吸入管122は、渦を引き起こして保持するように、かつ流体の流れがチャンバ106を通って近道をすることを防ぐように、チューブ132の端部よりも高い位置に配置されている。吸入管は、長手方向の軸135を有する。   According to one embodiment, the suction tube 122 is disposed proximate to the upper edge of the lower portion 104 so as to be proximate to the upper portion 102 of the separation device 100. The suction tube 122 is positioned higher than the end of the tube 132 so as to create and hold a vortex and prevent fluid flow from taking a shortcut through the chamber 106. The suction tube has a longitudinal axis 135.

吐出管130は、側壁118と吐出管130とが互いに同軸となるように、長手方向の軸136を分離装置100と共有する。ドレン管126もまた、長手方向の軸136に沿って配置されている。   The discharge pipe 130 shares the longitudinal axis 136 with the separation device 100 so that the side wall 118 and the discharge pipe 130 are coaxial with each other. A drain tube 126 is also disposed along the longitudinal axis 136.

図示の実施形態では、軸135が軸136に対して垂直である。他の実施形態では、例えば、全体として側壁118に接してチャンバの中に流れがもたらされ、かつ流れの下向き成分も生じるように、分離装置100及び軸136に対する軸135の配置が変更可能である。軸135,136は、交差しないように、互いに隔絶される。   In the illustrated embodiment, axis 135 is perpendicular to axis 136. In other embodiments, the arrangement of the shaft 135 relative to the separation device 100 and the shaft 136 can be changed, for example, so that flow is brought into the chamber generally against the sidewall 118 and also a downward component of the flow. is there. The axes 135 and 136 are isolated from each other so as not to intersect.

車両又は燃料電池の応用では、吸入及び吐出管122,130がそれぞれ共通の軸に沿って配置される必要はなく、多くの従来の分離装置がそうであるように、互いに直列であってもよい。これにより、利用可能な空間への分離装置100の改善された実装が可能になる。分離装置100の全体の寸法は、1つの非限定の例に従って、図2に例示されている。   In vehicle or fuel cell applications, the inlet and outlet tubes 122, 130 need not be arranged along a common axis, but may be in series with each other, as are many conventional separation devices. . This allows an improved mounting of the separation device 100 in the available space. The overall dimensions of the separation device 100 are illustrated in FIG. 2 according to one non-limiting example.

1つの例によれば、吸入管122の直径138対チャンバ106の直径140の比は、1:3である。他の実施形態では、直径138対直径140の比が1:2と1:8との間であり得る。チャンバ106の直径は、円筒形の側壁118の直径である。仕切り108と吐出管130への入口134との間隔は、吐出管130の直径142と等しい。吸入及び吐出管122,130は、等しい直径を有し得るが、代替の実施形態では異なる直径を有し得る。1つの実施形態では、吸入管122の直径が25mmであり、吐出管130の直径が25mmである。   According to one example, the ratio of the diameter 138 of the suction tube 122 to the diameter 140 of the chamber 106 is 1: 3. In other embodiments, the ratio of diameter 138 to diameter 140 can be between 1: 2 and 1: 8. The diameter of the chamber 106 is the diameter of the cylindrical side wall 118. The distance between the partition 108 and the inlet 134 to the discharge pipe 130 is equal to the diameter 142 of the discharge pipe 130. The inlet and outlet tubes 122, 130 may have equal diameters, but may have different diameters in alternative embodiments. In one embodiment, the suction tube 122 has a diameter of 25 mm and the discharge tube 130 has a diameter of 25 mm.

第1の部分102及び第2の部分104は、クランプ機構146、又は水素を取り扱うに適した公知の他の固定装置を用いて互いに結合される。上側及び下側部分102,104は、チャンバ106を密閉するための合わせ面を有する。上側部分102の端壁128は、上側部分102の合わせ面として機能し得る。下側部分104は、側壁118から伸びて下側部分104の合わせ面として機能するフランジ148を有し得る。上側及び下側の面のうちの一方は、チャンバ106の密閉に用いられるOリングのための溝150を有し得る。   The first portion 102 and the second portion 104 are coupled together using a clamping mechanism 146 or other known securing device suitable for handling hydrogen. The upper and lower portions 102, 104 have mating surfaces for sealing the chamber 106. The end wall 128 of the upper portion 102 can function as a mating surface for the upper portion 102. The lower portion 104 may have a flange 148 that extends from the sidewall 118 and functions as a mating surface for the lower portion 104. One of the upper and lower surfaces may have a groove 150 for an O-ring used to seal the chamber 106.

分離装置100が上側部分と下側部分とを有するものと説明したが、分離装置は、本開示の種々の実施形態に従って、他の態様で構成され得る。例えば、当該両部分は、一体に形成されてもよく、分解可能である必要はない。両部分は、溶接又は他の方法により結合され得る。   Although the separation device 100 has been described as having an upper portion and a lower portion, the separation device may be configured in other ways in accordance with various embodiments of the present disclosure. For example, the two parts may be integrally formed and need not be disassembled. Both parts can be joined by welding or other methods.

分離装置100の動作を、図2及び図3を参照して説明する。アノード14からの流体の流れは、吸入管122を通して分離装置100に入るが、水素ガス、窒素ガス,水蒸気及び液体の水を含んでいる。流体は、側壁118に対して平行に又は接線方向にてチャンバ110に入る。これは、分離装置に沿った総合的な圧力低下を低減する。チャンバ110の側壁118と、伸長部132とは、両者間に形成する流路へチャンバ110内の流体を案内するように作用する。流体の流れに乗せられた液体を除去するために、流体は、矢印で示すように、伸長部132のあたりでチャンバ110内でスピンさせられる。回転する流体の流れにより生成される遠心加速度は、液滴を壁118に向かって移動させる。液滴は壁118に衝突し、その後は重力により、液体が壁118をつたって落ちて収集チャンバ112の中へ入る。水素ガス、窒素ガス、水蒸気及び比較的小さい水滴を含んだ残余の流体は、分離装置100の中でスピンを続ける。比較的小さい水滴は、遠心力が作用して壁118に向かって移動しかつこれに衝突するには、その質量が不十分であるので、スピンを続け、又は流体の流れとともに回転する。   The operation of the separation device 100 will be described with reference to FIGS. The fluid flow from the anode 14 enters the separation device 100 through the suction pipe 122, and contains hydrogen gas, nitrogen gas, water vapor and liquid water. Fluid enters the chamber 110 either parallel to the sidewall 118 or tangentially. This reduces the overall pressure drop along the separation device. The side wall 118 of the chamber 110 and the extension part 132 act so as to guide the fluid in the chamber 110 to the flow path formed therebetween. In order to remove the liquid entrained in the fluid flow, the fluid is spun in the chamber 110 around the extension 132 as indicated by the arrows. Centrifugal acceleration generated by the rotating fluid flow causes the droplet to move toward the wall 118. The droplets impinge on the wall 118, and then by gravity, the liquid falls down the wall 118 and enters the collection chamber 112. The remaining fluid containing hydrogen gas, nitrogen gas, water vapor and relatively small water droplets continues to spin in the separation device 100. The relatively small water droplets continue to spin or rotate with the fluid flow because their mass is insufficient to move towards and collide with the wall 118 due to centrifugal forces.

吸入管122からチャンバ110に入った後、流体は、吐出管130へ向かって流れるため、90度方向転換する。この90度方向転換は、流体流路が螺旋パターン又は渦巻パターンをなす一方、緩やかであり得る。吐出管130への入口134は、吸入管122から隔てられ、かつ全体として向きが逸れている。入口134はまた、壁118からも隔てられ、かつ全体として分離装置100の中心に位置する。チューブ132へ向けてチャンバ110から出るために、流体は、180度方向転換する。このことは、流体の流れに乗せられた水滴の、更なる分離をもたらす。分離装置100の幾何学的形状により、図3中に矢印で示すように、流体の流れが、吐出管130の入口134に到達するために、180度方向転換し、かつ壁から離れる。あるサイズを上回る液滴は、その運動量のゆえに、この方向転換に追従し得ないため、流体の流れから分離される。そして、これらの液滴は、収集チャンバ112へと向かう。流体の流れは、吸入管122と吐出管130との間に、全体として妨害されない、連続した流路を有する。このことは、分離装置100に沿った圧力低下を低減する。   After entering the chamber 110 from the suction pipe 122, the fluid flows toward the discharge pipe 130 and thus turns 90 degrees. This 90 degree turn may be gradual while the fluid flow path forms a spiral or spiral pattern. The inlet 134 to the discharge pipe 130 is separated from the suction pipe 122 and deviated as a whole. The inlet 134 is also spaced from the wall 118 and is centrally located in the separation device 100 as a whole. To exit the chamber 110 towards the tube 132, the fluid is turned 180 degrees. This results in further separation of the water droplets carried in the fluid flow. Due to the geometry of the separation device 100, the fluid flow is turned 180 degrees and away from the wall to reach the inlet 134 of the discharge tube 130, as indicated by the arrows in FIG. Droplets that exceed a certain size are separated from the fluid flow because they cannot follow this turning due to their momentum. These droplets then travel to the collection chamber 112. The fluid flow has a continuous flow path between the suction pipe 122 and the discharge pipe 130 that is not disturbed as a whole. This reduces the pressure drop along the separation device 100.

液滴の運動量と、遠心加速度に起因した力とは、液滴が分離装置100の外壁118へ向かって直進を続ける原因となる。流体の流れのうちのガス部分は、かなり低い濃度を有するので、方向転換してチャンバ106の湾曲に沿って流れることができる。入口部124の後の流体の流れの最初の方向転換は、液体の水分離の第1段階を引き起こし、壁118に衝突した水は、壁118を下って、下方の収集チャンバ112に流れ込む。流体は、分離装置100の垂直軸136のまわりの環状又は螺旋状の動きを始めるとき、チャンバ110内の比較的大きな容積の中へ拡散して、流速が減少する。流体の流れは、吐出管130の入口134に向かって、下向きに90度方向転換させられる。その後、流体の流れは、分離装置の幾何学的形状により、180度の第2方向転換をし、吐出管130の直径が吸入管122の直径とほぼ等しいと仮定した場合、吐出管130に入る際には、初速とほぼ等しい速度まで加速することを強制される。流体の流れの中の水滴は、180度方向転換の初期段階で、下向きに投げ飛ばされて、分離スクリーン116及び収集チャンバ112に至る。水滴は、その運動量が大き過ぎるので、流れに乗ることができず、したがって流れの軌道が分離装置100との内部衝突及び流体の流れからの分離を引き起こすためである。低濃度のガス又は非常に小さい液滴のみが、流体の流れに乗り、重力に抗して吐出管130に流れ込むという、第2のきつい方向転換をすることができる。このような方向転換をする水滴は、非常に細かく分散させられるので、エゼクタ24における混合の際に気化され得る。   The momentum of the droplet and the force due to the centrifugal acceleration cause the droplet to continue straight toward the outer wall 118 of the separation device 100. The gas portion of the fluid flow has a fairly low concentration so that it can turn and flow along the curvature of the chamber 106. The initial diversion of the fluid flow after the inlet 124 causes a first stage of liquid water separation, where water impinging on the wall 118 flows down the wall 118 and into the lower collection chamber 112. As the fluid begins an annular or helical movement around the vertical axis 136 of the separation device 100, it diffuses into a relatively large volume within the chamber 110, reducing the flow rate. The fluid flow is diverted 90 degrees downward toward the inlet 134 of the discharge tube 130. The fluid flow then turns 180 degrees second due to the geometry of the separation device and enters the discharge tube 130 assuming that the diameter of the discharge tube 130 is approximately equal to the diameter of the suction tube 122. In some cases, it is forced to accelerate to a speed almost equal to the initial speed. Water droplets in the fluid stream are thrown downwards to the separation screen 116 and collection chamber 112 at an early stage of 180-degree turning. This is because water droplets cannot ride the flow because their momentum is too great, so the flow trajectory causes internal collisions with the separation device 100 and separation from the fluid flow. Only a low concentration of gas or very small droplets can take a fluid flow and make a second tight turn, flowing against discharge tube 130 against gravity. The water droplets that change the direction are dispersed so finely that they can be vaporized during mixing in the ejector 24.

仕切り108のスクリーン116は、凝縮が生じるための場所を作り出し、渦流チャンバ110内で環流する流体に対する流れの円滑化効果をも提供する。スクリーン116はまた、収集チャンバ112内の相対的に静かな環境を維持するように作用し、かつ上側のチャンバ110への跳ね上がりのような流体の動きを防止する。スクリーン116の下の収集チャンバ112は、液体の水を収集して、これをドレン管126へと導く。   The screen 116 of the partition 108 creates a place for condensation to occur and also provides a flow smoothing effect for the fluid circulating in the vortex chamber 110. The screen 116 also acts to maintain a relatively quiet environment within the collection chamber 112 and prevents fluid movement such as splashing into the upper chamber 110. A collection chamber 112 under the screen 116 collects liquid water and directs it to the drain tube 126.

燃料電池の浸漬の間、例えば燃料電池の始動時に又は始動前に、またシステム動作中に、分離装置100は、燃料電池のアノードループから水を除去するために使用され得る。加えて、過剰の窒素は、浄化処理にて燃料電池のアノード側14から除去され得る。燃料電池のアノード側14における窒素の濃度又は分圧が高過ぎる場合には、水素濃度が不十分であり、あるいは水素の分圧が低過ぎるので、燃料電池10の性能が低下する。燃料電池のアノード側14を浄化することにより、過剰の窒素は、スタック12のアノード側14から追い出される。水素と、過剰の窒素と、液相及び気相の水との混合物が、浄化処理の間に分離装置100に入る。分離装置100は、液体の水と、過剰の窒素と、一部の水素とが分離装置のドレン管126から出るようにさせる。流れの中のいくらかの水素と他の成分とは、分離装置の吐出管130を通してエゼクタ24へ戻り得る。エゼクタ24はまた、高濃度の窒素が存在する場合に、窒素の濃度が水素の濃度よりも高いとの理由で、うまく動作しないことがある。したがって、浄化処理の間に燃料電池のアノード側14から過剰の窒素を除去することにより、総合的な燃料電池性能が向上し得る。   During soaking of the fuel cell, for example, at or prior to starting the fuel cell, and during system operation, the separation device 100 can be used to remove water from the anode loop of the fuel cell. In addition, excess nitrogen can be removed from the anode side 14 of the fuel cell in a purification process. If the nitrogen concentration or partial pressure on the anode side 14 of the fuel cell is too high, the hydrogen concentration is insufficient, or the hydrogen partial pressure is too low, so the performance of the fuel cell 10 is degraded. By purging the anode side 14 of the fuel cell, excess nitrogen is expelled from the anode side 14 of the stack 12. A mixture of hydrogen, excess nitrogen, and liquid and gas phase water enters the separator 100 during the purification process. Separator 100 allows liquid water, excess nitrogen, and some hydrogen to exit from separator drain 126. Some hydrogen and other components in the stream may return to the ejector 24 through the separator discharge tube 130. The ejector 24 may also not work well when a high concentration of nitrogen is present because the concentration of nitrogen is higher than the concentration of hydrogen. Therefore, removing the excess nitrogen from the anode side 14 of the fuel cell during the purification process can improve overall fuel cell performance.

図4は、種々の質量流量における、産業上の従来の遠心分離装置と、図2の分離装置との圧力差又は圧力低下を例示している。圧力低下の単位は、ミリバール(mbar)である。質量流量の単位は、キログラム/時間(kg/hr)である。従来の分離装置は、全体のサイズが図2の分離装置の約2倍である。従来の分離装置は、直列の吸入及び吐出管と、その下に全体として配置された円筒形のチャンバとを有する、従来タイプである。従来の分離装置は、分離装置へ入る際と分離装置から出る際との両方で、流体の流れが鋭く方向転換する。従来の分離装置に沿った圧力低下は、ライン160で示されている。図2の分離装置に沿った圧力低下は、ライン162で示されている。図4から分かるように、本開示に係る分離装置に沿った圧力低下は、テストされた全ての流量にて、従来例よりもかなり低い。燃料電池システム10では、通常動作中の再循環ループにおける典型的な連続した質量流量は、約20kg/hrである。燃料電池システム10のコールドスタート中の充填動作のための典型的な再循環ループの質量流量は、約45kg/hrである。もちろん、これらの値は燃料電池システムの典型例に過ぎず、非限定の例として使われている。   FIG. 4 illustrates the pressure difference or pressure drop between a conventional industrial centrifuge and the separator of FIG. 2 at various mass flow rates. The unit of pressure drop is millibar (mbar). The unit of mass flow rate is kilogram / hour (kg / hr). The conventional separation device has an overall size approximately twice that of the separation device of FIG. A conventional separation device is of the conventional type having a series of suction and discharge tubes and a cylindrical chamber disposed generally below. Conventional separators sharply redirect the fluid flow both when entering and leaving the separator. The pressure drop along the conventional separator is shown by line 160. The pressure drop along the separation device of FIG. As can be seen from FIG. 4, the pressure drop along the separation device according to the present disclosure is significantly lower than the prior art at all tested flow rates. In the fuel cell system 10, the typical continuous mass flow rate in the recirculation loop during normal operation is about 20 kg / hr. A typical recirculation loop mass flow rate for a fill operation during a cold start of the fuel cell system 10 is about 45 kg / hr. Of course, these values are only typical examples of fuel cell systems and are used as non-limiting examples.

本開示の種々の実施形態は、非限定の利点に関係する。例えば、分離装置にて小さい圧力低下を実現すると、燃料電池のアノード側における受動的再循環ループの利用が可能になる。小さい圧力低下は、分離装置への円滑な接線方向の流体流入によって、また分離装置内の気相流体流路に追加のメッシュ部材を用いないことによって、分離装置の中で生じる。分離装置は、流体の流れから比較的大きい水滴を除去する一方、水蒸気及び比較的小さいサイズの水滴を残すように設計される。よって、分離装置は、総合的な水除去にとっては、あまり高い効率を有しない。これは、燃料電池が適正に機能するうえでアノード側及びカソード側の双方に湿度が必要であるとの理由から、燃料電池の応用にとっては受け入れ可能である。アノードでの流れは、スタックへの流入に先立って乾燥した新鮮な水素供給と混合されるので、小さい液滴がスタックへの到達に先立って気化する可能性がある。加えて、スタックモジュールは、ある量の液体の水の取り込みを、セル電圧安定性を低下させることなしに許容し得る。この量は、通常は5〜30cc/分の範囲にある。分離装置の設計は、実装、重量及びコストが現下の関心事である、車両における燃料電池システムのような応用への活用を許容する、小さく、密であり、かつ製造容易な装置を提供する。加えて、分離装置の構造及び組み立ては、アノード側の下流のような流体の流れにおける水素分子と両立できるように設計される。   Various embodiments of the present disclosure relate to non-limiting advantages. For example, realizing a small pressure drop in the separator allows the use of a passive recirculation loop on the anode side of the fuel cell. A small pressure drop occurs in the separator due to smooth tangential fluid flow into the separator and by not using additional mesh members in the gas phase fluid flow path within the separator. The separation device is designed to remove relatively large drops of water from the fluid stream while leaving water vapor and relatively small sized drops. Thus, the separation device does not have very high efficiency for total water removal. This is acceptable for fuel cell applications because humidity is required on both the anode and cathode sides for the fuel cell to function properly. Since the flow at the anode is mixed with a fresh fresh hydrogen supply prior to entry into the stack, small droplets can be vaporized prior to reaching the stack. In addition, the stack module can tolerate the intake of a certain amount of liquid water without reducing cell voltage stability. This amount is usually in the range of 5-30 cc / min. The design of the separation device provides a small, dense and easy to manufacture device that allows its use in applications such as fuel cell systems in vehicles where mounting, weight and cost are current concerns. In addition, the structure and assembly of the separation device is designed to be compatible with hydrogen molecules in the fluid flow, such as downstream on the anode side.

以上に例示的な実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の全ての取り得る形態を記述することを意図したものではない。明細書中で用いられた語句は、限定よりもむしろ説明のための語句であって、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることが理解されるべきである。加えて、種々の実施形態における特徴は、本発明の他の実施形態を形成するように組合せが可能である。   Although exemplary embodiments have been described above, these embodiments are not intended to describe all possible forms of the invention. It is to be understood that the terms used in the specification are words of description rather than limitation, and various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. In addition, the features in the various embodiments can be combined to form other embodiments of the invention.

Claims (20)

燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記分離装置は、
側壁により結合されてチャンバを形成する第1及び第2の端部と、
前記側壁に接して結合された吸入管と、
前記第1の端部に結合されて前記側壁との間に流路を形成するように前記チャンバへ伸びる吐出管と、
前記第2の端部に結合された液体ドレン管とを有する燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell stack and a separation device in fluid communication with the fuel cell stack,
The separation device includes:
First and second ends joined by sidewalls to form a chamber;
A suction pipe coupled in contact with the side wall;
A discharge pipe coupled to the first end and extending to the chamber to form a flow path between the side wall;
A fuel cell system having a liquid drain tube coupled to the second end.
請求項1の燃料電池システムにおいて、
前記分離装置は、前記側壁から前記チャンバを通過して延び、かつ前記吐出管と前記第2の端部との間に位置する仕切りを有する燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The separator is a fuel cell system having a partition extending from the side wall through the chamber and positioned between the discharge pipe and the second end.
請求項1の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、アノード側とカソード側とを有し、
前記燃料電池システムは、前記アノード側に流体連通した再循環ループを更に備え、
前記再循環ループは、前記分離装置を含み、前記分離装置は前記アノード側の下流にある燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell stack has an anode side and a cathode side,
The fuel cell system further comprises a recirculation loop in fluid communication with the anode side,
The recirculation loop includes the separation device, and the separation device is downstream of the anode side.
請求項3の燃料電池システムにおいて、
前記アノード側に流体連通し、かつ前記アノード側の上流にあるエゼクタを更に備えた燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3, wherein
A fuel cell system further comprising an ejector in fluid communication with the anode side and upstream of the anode side.
請求項4の燃料電池システムにおいて、
前記エゼクタは、前記再循環ループに流体連通し、かつ前記エゼクタは、前記分離装置の下流にある燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 4, wherein
The fuel cell system, wherein the ejector is in fluid communication with the recirculation loop, and the ejector is downstream of the separator.
請求項1の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、アノード側とカソード側とを有し、
前記燃料電池システムは、前記カソード側に流体連通し、かつ前記カソード側の上流にある加湿器を更に備え、
前記分離装置は、前記加湿器と前記カソード側との間に挿入された燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell stack has an anode side and a cathode side,
The fuel cell system further comprises a humidifier in fluid communication with the cathode side and upstream of the cathode side,
The separation device is a fuel cell system inserted between the humidifier and the cathode side.
燃料電池システム用の液体分離装置であって、
側壁により結合されてチャンバを形成する第1及び第2の端部と、
前記側壁に接して結合された吸入管と、
前記第1の端部に結合されて前記側壁との間に流路を形成するように前記チャンバへ伸びる吐出管と、
前記第2の端部に結合された液体ドレン管とを備えた分離装置。
A liquid separator for a fuel cell system, comprising:
First and second ends joined by sidewalls to form a chamber;
A suction pipe coupled in contact with the side wall;
A discharge pipe coupled to the first end and extending to the chamber to form a flow path between the side wall;
A separator comprising a liquid drain tube coupled to the second end;
請求項7の分離装置において、
前記吐出管への入口と前記第2の端部との間に位置するスクリーンを更に備えた分離装置。
The separation device of claim 7,
A separation device further comprising a screen positioned between the inlet to the discharge pipe and the second end.
請求項8の分離装置において、
前記吐出管への前記入口は、ほぼ前記吐出管の直径だけ前記スクリーンから隔てられた分離装置。
The separation device of claim 8,
Separation device wherein the inlet to the discharge tube is separated from the screen by approximately the diameter of the discharge tube.
請求項7の分離装置において、
前記吐出管は、前記吐出管への入口が前記第1の端部から隔てられるように、前記チャンバへ伸びる、全体として円筒形の伸長部を有する分離装置。
The separation device of claim 7,
The separation apparatus has a generally cylindrical extension that extends into the chamber such that an inlet to the discharge pipe is spaced from the first end.
請求項7の分離装置において、
前記吸入管は、流入流体が前記チャンバの前記流路に入るように、前記第1の端部と、前記側壁の前記吐出管の入口に近接する領域との間に位置する分離装置。
The separation device of claim 7,
The suction pipe is a separation device located between the first end and a region of the side wall close to the inlet of the discharge pipe so that inflow fluid enters the flow path of the chamber.
請求項7の分離装置において、
前記吐出管は、前記第1の端部に対して全体として垂直に結合された分離装置。
The separation device of claim 7,
The separation apparatus, wherein the discharge pipe is coupled vertically to the first end as a whole.
請求項7の分離装置において、
前記吸入管の長手方向の軸は、前記吐出管の長手方向の軸に対して全体として垂直である分離装置。
The separation device of claim 7,
Separation device in which the longitudinal axis of the suction pipe is generally perpendicular to the longitudinal axis of the discharge pipe.
請求項7の分離装置において、
前記吐出管は、前記側壁と同軸である分離装置。
The separation device of claim 7,
The separation device, wherein the discharge pipe is coaxial with the side wall.
請求項7の分離装置において、
前記第1の端部は、全体として平面形状であり、前記第2の端部は、凹面形状である分離装置。
The separation device of claim 7,
The first end portion has a planar shape as a whole, and the second end portion has a concave shape.
請求項7の分離装置において、
前記側壁は、全体として円筒形である分離装置。
The separation device of claim 7,
The separation device, wherein the side wall is generally cylindrical.
請求項7の分離装置において、
前記吸入管及び前記吐出管の直径対前記チャンバの直径の比は、1:2から1:8までの範囲にある分離装置。
The separation device of claim 7,
The separation device wherein the ratio of the diameter of the suction pipe and the discharge pipe to the diameter of the chamber ranges from 1: 2 to 1: 8.
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記分離装置は、チャンバを形成する第1の部分と第2の部分とを有し、
前記第1の部分は、連続する内壁と端壁とを有し、
前記内壁に吸入管が結合され、前記端壁に液体ドレン管が結合され、
前記第2の部分は、端壁と、前記第1の部分の前記内壁との間に流路を形成するように前記チャンバへ伸びる吐出管とを有する燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell stack and a separation device in fluid communication with the fuel cell stack,
The separation device has a first part and a second part forming a chamber;
The first portion has a continuous inner wall and an end wall;
A suction pipe is coupled to the inner wall, and a liquid drain pipe is coupled to the end wall;
The fuel cell system, wherein the second part includes an end wall and a discharge pipe extending to the chamber so as to form a flow path between the inner wall of the first part.
請求項18の燃料電池システムにおいて、
前記吸入管は、前記第1の部分の前記内壁に接して結合され、
前記吐出管は、前記第2の部分の前記端壁に対して全体として垂直に結合された燃料電池システム。
The fuel cell system of claim 18, wherein
The suction pipe is coupled in contact with the inner wall of the first portion;
The fuel cell system, wherein the discharge pipe is coupled vertically to the end wall of the second portion as a whole.
請求項18の燃料電池システムにおいて、
前記第1の部分は、前記内壁から前記端壁に対して伸びるフランジを有し、
前記フランジは、前記第2の部分の前記端壁とともに前記チャンバを塞ぐ燃料電池システム。
The fuel cell system of claim 18, wherein
The first portion has a flange extending from the inner wall to the end wall;
The fuel cell system, wherein the flange closes the chamber together with the end wall of the second portion.
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