JP2017147159A

JP2017147159A - 気液分離器

Info

Publication number: JP2017147159A
Application number: JP2016029221A
Authority: JP
Inventors: 貴志河浦; Takashi Kawaura; 朋彦畠田; Tomohiko Hatada; 亮一吉冨; Ryoichi Yoshitomi; 沼田　英雄; Hideo Numata; 英雄沼田; 鈴木　昭博; Akihiro Suzuki; 昭博鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: JP6242413B2

Abstract

【課題】液絡を防止しつつ小型の気液分離器を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１０から排出されたアノードオフガスに含まれる水を分離する気液分離器１であって、下部に分離された水が貯溜される貯溜部２１を有する気液分離器本体１０と、外部から気液分離器本体１０へのアノードオフガスの導入口３１と、気液分離器本体１０から外部への水が分離されたアノードオフガスの導出口３３と、を備え、導出口３３は、導入口３１よりも上方に配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、気液分離器に関する。

燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスは、未反応の水素と液体状の水とを含んでいる。そこで、未反応の水素を再びアノードに供給するため、アノードオフガスから液体状の水を分離する気液分離器が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−３１３４０３号公報

ここで、燃料電池及び気液分離器が燃料電池車（車両）に搭載される場合、燃料電池システムを小型化するため、燃料電池のアノードオフガスの出口と気液分離器におけるアノードオフガスの導入口とが隣接して配置される。ところが、このように隣接して配置すると、水を介して燃料電池と気液分離器とが電気的に導通してしまう、つまり、液絡する虞がある。

そこで、本発明は、液絡を防止しつつ小型の気液分離器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水を分離する気液分離器であって、下部に分離された水が貯溜される貯溜部を有する気液分離器本体と、外部から前記気液分離器本体へのオフガスの導入口と、前記気液分離器本体から外部への水が分離されたオフガスの導出口と、を備え、前記導出口は、前記導入口よりも上方に配置されていることを特徴とする気液分離器である。

このような構成によれば、導出口は導入口よりも上方に配置されているので、気液分離器本体から外部へのオフガスに水が含まれ難くなり、気液分離器本体の高さ寸法を小さくし、小型化できる。また、水が良好に分離され導出口から導出されるオフガスを燃料電池に再供給することもできる。

また、前記導入口と前記導出口との間において、前記導入口からのオフガスが衝突する衝突壁部を備えることが好ましい。

このような構成によれば、前記導入口と前記導出口との間において、導入口からのオフガスが衝突壁部に衝突するので、オフガス及び水がそのまま導出口から外部に導出することを防止できる。

また、前記導入口から前記貯溜部に延びる導入流路の底壁部は、前記気液分離器本体の側壁面から突出し、前記底壁部の下面には、前記導入流路と前記貯溜部との間で水が不連続となるように上方に凹む水切り部が形成されていることが好ましい。

ここで、導入流路と前記貯溜部との間で水が不連続になるとは、導入流路を通流する水と、貯溜部に貯溜する水とが、不連続であり、電気的に導通していないことを意味する。
このような構成によれば、底壁部の下面に形成された上方に凹む水切り部によって、導入流路と貯溜部との間で水が不連続となる。これにより、導入流路と貯溜部との間において電気的に導通し難くなり、液絡し難くなる。

また、前記水切り部と前記貯溜部との間には、前記貯溜部に貯溜された水の跳ね返りを低減する跳ね返り低減板を備えることが好ましい。

このような構成によれば、水切り部と貯溜部との間に設けられた跳ね返り低減板によって、貯溜部に貯溜された水の跳ね返りを低減できる。

また、前記跳ね返り低減板に対する前記水切り部の高さは、前記水切り部と前記跳ね返り低減板との間において水が不連続となる高さであることが好ましい。

このような構成によれば、水切り部と跳ね返り低減板との間において水が不連続となるので、水切り部と跳ね返り低減板との間において液絡しない。

また、前記貯溜部に貯溜する水の水位を検出する電気抵抗式の水位センサを備えることが好ましい。

このような構成によれば、電気抵抗式の水位センサで、貯溜部に貯溜する水の水位を検出できる。

また、前記水位センサの棒状の検出部は、鉛直方向に対して斜めであることが好ましい。

このような構成によれば、水位センサの棒状の検出部が鉛直方向に対して斜めであるので、検出部が鉛直方向である構成に対して、検出範囲が広くなる。

また、前記水位センサが水を検出している間、開くことで前記貯溜部の水を外部に排出する排水弁を備えることが好ましい。

このような構成によれば、水位センサが水を検出している間、排水弁が開くことで貯溜部の水を外部に排出できる。そして、貯溜部における水の貯溜量を最小とでき、貯溜部を小型化できる。また、満タン側の水位を検出する水位センサは不要であるので、簡便な構成となる。

本発明によれば、液絡を防止しつつ小型の気液分離器を提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。本実施形態に係る気液分離器の斜視図である。本実施形態に係る気液分離器の正面図（図２のＸ１矢視図）である。本実施形態に係る気液分離器の側断面図（図２のＸ２−Ｘ２線断面図）である。本実施形態に係る気液分離器の横断面図（図２のＸ３−Ｘ３線断面図）である。本実施形態に係る気液分離器の側面図（図２のＸ４矢視図）である。本実施形態に係る気液分離器の平断面図（図２のＸ５−Ｘ５線断面図）である。

本発明の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
燃料電池システム１００は、燃料電池車（図示しない）に搭載されており、走行用の電動モータへの電力を生成するものである。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、エゼクタ１２１と、気液分離器１と、ＥＣＵ１５０と、を備えている。燃料電池スタック１１０、エゼクタ１２１及び気液分離器１は、ボンネット下の限られた空間に配置されているので、小型化が要求されている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、複数の固体高分子型の単セル１１１が積層されることで構成されたスタックであり、その外形は直方体である。単セル１１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、アノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための孔や溝が形成されている。この貫通孔及び溝は、アノード流路１１２（燃料ガス流路）として機能している。

カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して酸素を含む空気を給排するための貫通孔や溝が形成されている。この貫通孔及び溝は、カソード流路１１３（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、燃料電池スタック１１０が発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソード流路１１３から排出されるカソードオフガス、アノード流路１１２から排出されるアノードオフガスは、多湿となり、カソードオフガス及びアノードオフガスには、液体状の水が含まれる。

なお、アノード流路１１２には、水素タンク（図示しない）からの水素が、配管１２１ａ、エゼクタ１２１、配管１２１ｂを通って供給されるようになっている。アノード流路１１２からのアノードオフガスは、気液分離器１で水が分離された後、配管１２１ｃを通って、エゼクタ１２１に供給されるようになっている。

また、カソード流路１１３には、外気を圧縮して吐出するコンプレッサ（図示しない）からの空気が、配管１３１ａを通って供給されるようになっている。カソード流路１１３からのカソードオフガスは、配管１３１ｂを通って、車外に排出されるようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１５０は、燃料電池システム１００を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ１５０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。

≪気液分離器の構成≫
気液分離器１について、図２〜図７を参照して説明する。なお、図２〜図７は、燃料電池車が平地を走行している場合における気液分離器１の姿勢を記載している。

気液分離器１は、アノードオフガスから液体状の水を分離する装置である。気液分離器１は、燃料電池スタック１１０の左側面に密着するように配置されており（図１、図２参照）、アノード流路１１２の出口１１２ｂと気液分離器本体１０の後記する導入口３１とは直接に接続されている。つまり、出口１１２ｂと導入口３１との間に、ホース等の配管は存在しない。

気液分離器１は、気液分離器本体１０と、跳ね返り低減板４０と、水位センサ５０と、排水弁６０と、を備えている。

＜気液分離器本体＞
気液分離器本体１０は、内部が中空部である概ね箱状（殻状）の容器である。気液分離器本体１０は、下方が開口した半殻状の上ハーフ１０Ａと、上方が開口した半殻状の下ハーフ１０Ｂとを備え、上ハーフ１０Ａと下ハーフ１０Ｂとが組み合わせられることで構成されている（図４参照）。上ハーフ１０Ａと下ハーフ１０Ｂは、絶縁材料、例えば、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ、Polyphenylenesulfide）に、ガラス繊維を混入したもので形成されている。

気液分離器本体１０は、概ね、前側の前壁部１１と、後側の後壁部１２と、左側の左壁部１３と、右側（燃料電池スタック１１０側）の右壁部１４と、上側の天壁部１５と、下側の底壁部１６と、を備えている。そして、気液分離器本体１０の概ね下部１／３は貯溜部２１を構成しており、気液分離器本体１０の概ね上部２／３はガス通流部２２を構成している。

＜貯溜部＞
貯溜部２１は、アノードオフガスから分離された水を一時的に貯溜する部分であり、概ね、前壁部１１、後壁部１２、左壁部１３及び右壁部１４のそれぞれ下部と、底壁部１６とで構成されている。貯溜部２１は、気液分離器本体１０を高さ方向において小型化するため全体として浅底であるが、貯溜部２１の底を構成する底壁部１６は前側に向かうにつれて下方に傾斜している（図４参照）。つまり、貯溜部２１は、前側に向かうにつれて深くなっている。貯溜部２１の容量（満タン時の水位Ｌ１）は、アノード流路１１２（燃料電池スタック１１０）から一度に排出される最大量の水を貯溜可能な大きさに設定されている。

＜ガス通流部＞
ガス通流部２２は、アノードオフガスの通流する部分であり、概ね、前壁部１１、後壁部１２、左壁部１３及び右壁部１４のそれぞれ上部と、天壁部１５とで構成されている。

＜導入口＞
右壁部１４の後上寄りに導入口３１が形成されている。導入口３１は、燃料電池スタック１１０（外部）から気液分離器本体１０へのアノードオフガスの入口である。これにより、アノードオフガスは、導入口３１を通って、概ね左向きに通流し（図５、矢印Ａ１参照）、左壁部１３に衝突した後、前向きに通流するようになっている（図４、矢印Ａ２参照）。

＜衝突壁部＞
側面視において、導入口３１のやや前側で、導入口３１と後記する導出口３３との間において、左右方向に延びる板状の衝突壁部３２が形成されている（図４参照）。高さ方向において、衝突壁部３２の下端は、導入口３１の下端と略同一高さである。これにより、前方に向かうアノードオフガスは衝突壁部３２に衝突し、流速が低下しつつ、これに含まれる水が下向きに落下し（図４、矢印Ａ３参照）、アノードオフガスから水が良好に分離されるようになっている。

＜導出口＞
水が分離した後のアノードオフガスは、ガス通流部２２を概ね前向きに通流して（図４、矢印Ａ４参照）、前壁部１１に衝突した後、概ね上向きに通流して（図４、矢印Ａ５参照）、導出口３３を通って配管１２１ｃ（外部）に排出されるようになっている（図４、矢印Ａ６参照）。導出口３３は、気液分離器本体１０から外部への水が分離されたアノードオフガスの出口であり、前壁部１１の上寄りに形成されている。

＜導入口と導出口との高さ関係＞
導出口３３は、導入口３１よりも上方に配置されている。すなわち、導出口３３の中心は、導入口３１の中心よりも、高さΔＨ１にて高く配置されている（図４参照）。これにより、気液分離器本体１０の高さ寸法を小さくしつつ、気液分離器本体１０においてアノードオフガスから水が良好に分離されるようになっている。また、水を含むアノードオフガスがそのまま導出口３３から外部に導出し難くなっている。なお、本実施形態では、導入口３１は、導出口３３よりも大きい構成である。

＜水切り溝＞
導入口３１から貯溜部２１に向かって左右方向に延びる導入流路３４の底壁部３５（図５参照）は、右壁部１４の内壁面１４ａ（側壁面）から左方に突出すると共に、底壁部３５は貯溜部２１の天壁部を部分的に構成している。すなわち、底壁部３５の下面３５ａは貯溜部２１の天壁面でもある。そして、下面３５ａには、上方に凹むと共に前後方向に延びる溝状の水切り溝３６（水切り部）が形成されている。つまり、平面視において、水切り溝３６の延びる前後方向と、導入流路３４の延びる左右方向とは、直交している。

これにより、図５に示すように、アノードオフガスに含まれる水５０１が、導入流路３４から下面３５ａに回り込んだとしても、水５０１は上方に凹む水切り溝３６を横切ることはできず、水滴５０２となって滴下する。すなわち、導入流路３４と貯溜部２１との間において水膜は不連続となる。したがって、導入流路３４と貯溜部２１との間において水膜を介して電気的に導通せず、液絡し難くなる。

ここで、導入流路３４と貯溜部２１とが水膜を介して電気的に導通すると、燃料電池スタック１１０と貯溜部２１とが電気的に導通し、さらに、燃料電池スタック１１０と車体（ボディ）とが電気的に導通してしまう虞がある。貯溜部２１の下流側は、排水ポート３７、配管６０ａ、排水弁６０、配管６０ｂ等を介して、車体と電気的に接続している可能性があるからである。

＜跳ね返り低減板＞
跳ね返り低減板４０は、薄板状の部材であって、貯溜部２１とガス通流部２２とに配置され、これらを不完全に仕切り、ガス通流部２２から貯溜部２１に水が落下した場合において、貯溜部２１の水の跳ね返りを低減する仕切り板（セパレータ）である（図３、図４、図５参照）。跳ね返り低減板４０は底壁部１６から上方に突出するボス部１６ａに固定されている。跳ね返り低減板４０の外周縁と、気液分離器本体１０との間には、水の通過可能な隙間が形成されている。

跳ね返り低減板４０には、導入口３１側である後側の複数の第１貫通孔４１と、導出口３３側である前側の複数の第２貫通孔４２とが形成されている（図６参照）。第１貫通孔４１は第２貫通孔４２よりも大きい。これにより、例えば、導入流路３４から大量の水が流れ込んでも、水が大きい第１貫通孔４１を通って貯溜部２１に良好に流入するようになっている。また、貯溜部２１の水は、小さい第２貫通孔４２を通り抜け難く、導出口３３に向かうアノードオフガスに混入し難くなっている。

＜水切り溝と跳ね返り低減板との距離＞
跳ね返り低減板４０に対する水切り溝３６の高さΔＨ２は、水切り溝３６と跳ね返り低減板４０との間において水が不連続となる高さに設定されている（図５参照）。つまり、水切り溝３６と跳ね返り低減板４０との間において、連続した水層は形成されず、不連続な水滴となる高さに設定されている。これにより、水切り溝３６と跳ね返り低減板４０との間において、液絡しないようになっている。

＜水位センサ＞
水位センサ５０は、貯溜部２１に貯溜されている水の水位を検出する電気抵抗式のセンサである（図３、図４、図６参照）。水位センサ５０は、下ハーフ１０Ｂに固定されており、その棒状の検出部５１の軸線Ｏ５１は、貯溜部２１内において、鉛直方向に対して斜めに配置されている。具体的には、棒状の検出部５１の先端は左後ろを向いており、検出部５１の前側から後側に向かうにつれて、左側かつ上側に傾くように傾斜している。

ここで、電気抵抗式の検出部５１には、軸方向において、第１プラス極５２ａ、マイナス極５３ａ、第２プラス極５２ｂのように、その検知部が区分けされおり、第１プラス極５２ａとマイナス極５３ａ、又は、マイナス極５３ａと第２プラス極５２ｂを跨ぐように水が接触すると、第１プラス極５２ａとマイナス極５３ａとの間、マイナス極５３ａと第２プラス極５２ｂとの間における電気抵抗値が変化し、水の有無を検出するセンサである。

そして、このように電気抵抗式の検出部５１が鉛直方向に対して斜めであることにより、水の有無の検出範囲が広くなっている。つまり、検出部５１が水平方向である場合、第１プラス極５２ａとマイナス極５３ａとの間の抵抗値と、マイナス極５３ａと第２プラス極５２ｂとの間の抵抗値とが同時に変化することになるが、このように斜めである場合、変化するタイミングがずれるので、水の有無の検出範囲が広くなる。

具体的には、上り坂、下り坂等を燃料電池車が走行し、気液分離器１及び水位センサ５０の姿勢が所定角度（例えば２０°）にて傾斜しても、検出部５１が水の有無を検出可能に構成されている。なお、気液分離器１及び水位センサ５０は、前後方向において傾く場合のみでなく、平面視において全方向（３６０°）に傾いても検出可能に構成されている。

また、電気抵抗式の検出部５１の取り付け向きが自由であるため、水位センサ５０の取り付け位置についての制約は受け難くなり、水位センサ５０の取り付け位置を自由にレイアウトできる。これに対して、例えば、フロート式の水位センサは、フロートが鉛直方向に移動可能なように取り付ける必要ある。

検出部５１は、後記する連通孔３８よりも上方に配置されている。すなわち、検出部５１は、連通孔３８よりも、高さΔＨ３にて高く配置されている（図３参照）。高さΔＨ３は、燃料電池車が、上り坂、下り坂等を走行し、気液分離器１の姿勢が変化しても、検出部５１が連通孔３８よりも上方に配置される高さに設定されている。

これにより、検出部５１が水を検出している間、連通孔３８及び排水ポート３７に水が存在することになる。したがって、検出部５１が水を検出している間、排水弁６０が開弁する構成としても、連通孔３８等に水が存在するので、アノードオフガスが排水弁６０を通って排出されることはない。

＜排水弁＞
排水弁６０は、開くことで貯溜部２１の水を外部に排出する常閉型の電磁弁ある（図１、図３参照）。排水弁６０は、配管６０ａを介して、気液分離器本体１０の排水ポート３７に接続されている。排水ポート３７は、底壁部１６が下方に隆起することで形成されたポートであり、連通孔３８を介して貯溜部２１に連通している。

排水弁６０は、ＥＣＵ１５０によって開閉制御される構成である。具体的には、ＥＣＵ１５０は、水位センサ５０を介して水があることを検出している間、排水弁６０を開く構成となっている。言い換えると、ＥＣＵ１５０は、水位センサ５０を介して水があることを検出しない場合、排水弁６０を閉じる構成となっている。

これにより、貯溜部２１における水の貯溜量を最小とでき、貯溜部２１を小型化できる。また、満タン側の水位を検出しない構成であるので、満タン側の水位センサは不要となり、システム構成は簡易となる。さらに、排水弁６０を介して水素が車外に排出されず、燃料電池車の燃費が向上する。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。

前記した実施形態では、気液分離器本体１０が、上ハーフ１０Ａと下ハーフ１０Ｂとの２部品が組み合わされてなる構成を例示したが、その他に例えば、一体成型品である構成でもよいし、３部品構成等でもよい。

前記した実施形態では、気液分離器１かアノード流路１１２の下流に配置され、アノードオフガスから水を分離する構成を例示したが、その他に例えば、気液分離器１がカソード流路１１３の下流に配置され、カソードオフガスから水を分離する構成でもよい。

１気液分離器
１０気液分離器本体
１４ａ内壁面（側壁面）
２１貯溜部
２２ガス通流部
３１導入口
３２衝突壁部
３３導出口
３４導入流路
３５底壁部
３５ａ下面
３６水切り溝（水切り部）
４０跳ね返り低減板
５０水位センサ
５１検出部
６０排水弁
１１０燃料電池スタック
１１２アノード流路

Claims

燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水を分離する気液分離器であって、
下部に分離された水が貯溜される貯溜部を有する気液分離器本体と、
外部から前記気液分離器本体へのオフガスの導入口と、
前記気液分離器本体から外部への水が分離されたオフガスの導出口と、
を備え、
前記導出口は、前記導入口よりも上方に配置されている
ことを特徴とする気液分離器。
前記導入口と前記導出口との間において、前記導入口からのオフガスが衝突する衝突壁部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。
前記導入口から前記貯溜部に延びる導入流路の底壁部は、前記気液分離器本体の側壁面から突出し、
前記底壁部の下面には、前記導入流路と前記貯溜部との間で水が不連続となるように上方に凹む水切り部が形成されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気液分離器。
前記水切り部と前記貯溜部との間には、前記貯溜部に貯溜された水の跳ね返りを低減する跳ね返り低減板を備える
ことを特徴とする請求項３に記載の気液分離器。
前記跳ね返り低減板に対する前記水切り部の高さは、前記水切り部と前記跳ね返り低減板との間において水が不連続となる高さである
ことを特徴とする請求項４に記載の気液分離器。
前記貯溜部に貯溜する水の水位を検出する電気抵抗式の水位センサを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の気液分離器。
前記水位センサの棒状の検出部は、鉛直方向に対して斜めである
ことを特徴とする請求項６に記載の気液分離器。
前記水位センサが水を検出している間、開くことで前記貯溜部の水を外部に排出する排水弁を備える
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の気液分離器。