JP2020161361A

JP2020161361A - 気液分離器

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Publication number: JP2020161361A
Application number: JP2019060451A
Authority: JP
Inventors: 中根　英樹; Hideki Nakane; 英樹中根; 実海西村; Miu Nishimura; 二咲代藥師; Fusayo Yakushi; 梶尾　克宏; Katsuhiro Kajio; 克宏梶尾
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP7283168B2

Abstract

【課題】燃料電池からのカソードオフガスの流れを抑制することなく、小型でありながら良好に水を分離する気液分離器を構成する。【解決手段】カソードオフガスを受け入れる導入部Ａと、カソードオフガスを排出する排出部Ｂと、導入部Ａと排出部Ｂとの境界に配置され、カソードオフガスに含まれる水を分離して回収する回収部Ｃとを備えている。導入部Ａにおけるカソードオフガスの導入流路２１ａと、排出部Ｂにおけるカソードオフガスの排出流路２２ｃとがずれた位置関係に配置され、導入流路２１ａと排出流路２２ｃとのずれた位置に導入流路２１ａからのカソードオフガスが接触して水を分離する分離壁Ｗが配置され、回収部Ｃの分離壁Ｗより下側に貯水空間Ｓが配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池から排出されるガスから水を分離する気液分離器に関する。

上記構成の気液分離器として特許文献１には、下部に貯水部を有する気液分離器本体が構成され、気液分離器本体の貯水部より高い位置に導入口と、導出口とを備えている。

この特許文献１では、気液分離器本体の内部で、導入口と導出口との中間位置に縦壁状の衝突壁を備え、貯水部（文献では貯溜部）より上側に跳ね返り低減板を備えている。この構成から、導入口から導入されたガスは、衝突壁に衝突することで水が分離し、分離した水が貯水部に貯留され、衝突壁に衝突して水が分離した後のガスは導出口から排出される。

更に、上記構成の気液分離器として特許文献２には、チャンバの上部に吸入管を備え、チャンバ上面に吐出管を備え、チャンバ下端にドレン管を備え、チャンバの内部にスクリーン（フィルタ）を備えている。

この特許文献２では、チャンバが上側の渦流チャンバと、下側の収集チャンバとで構成され、これらの中間にスクリーンが配置されている。吸入管は、渦流チャンバに対して接線方向に流体を供給することで、チャンバ内に渦を作り出し、流体から水を分離するように構成されている。この構成では、流体から分離された水をスクリーンで濾過した後にドレン管から排出し、水が分離された流体を吐出管から排出する。

特開２０１７−１４７１５９号公報特開２０１６−７２１８３号公報

燃料電池はスタックのアノード側に水素ガスが供給され、スタックのカソード側に空気（酸素）が供給されることで発電が行われる。また、発電時にはアノード側からのアノードオフガスに含まれる水素をリサイクルしてアノード側に戻す処理が行われ、このアノードオフガスに含まれる水を分離するために特許文献１と特許文献２とに示される気液分離器が用いられる。

燃料電池では、発電時にはカソード側において酸素と水素とが反応して水が発生するためカソードオフガスには多くの水が含まれることになり、水を除去した状態でカソードオフガスを排出することも望まれている。

そこで、カソードオフガスに含まれる水を除去するため特許文献１あるいは特許文献２に記載されている気液分離器を用いることも考えられるが、これらの文献に記載される気液分離器は、ガスの流れが複雑であるため圧損が比較的大きいものである。また、自動車に備えられる燃料電池は、小型化が求められるものの、特許文献１あるいは特許文献２に記載される気液分離器は、構造が複雑であるため小型化が困難な面もあった。

このような理由から、燃料電池からのカソードオフガスの流れを大きく抑制することなく、小型でありながら良好に水を分離する気液分離器が求められる。

本発明に係る気液分離器の特徴構成は、燃料電池から排出されるカソードオフガスを受け入れる導入部と、カソードオフガスを排出する排出部と、前記導入部と前記排出部との境界に配置され、カソードオフガスに含まれる水を分離して回収する回収部とを備え、前記導入部におけるカソードオフガスの導入流路と、前記排出部におけるカソードオフガスの排出流路とが互いにずれた位置関係に配置され、このずれた位置に前記導入流路からのカソードオフガスが接触して水を分離する分離壁が配置され、この分離壁より下側に前記回収部の貯水空間が配置されている点にある。

この特徴構成によると、燃料電池から排出されたカソードオフガスは、分離壁に接触した後に導入部から排出部に流れる。カソードオフガスが分離壁に接触することによりカソードオフガスに含まれる水が分離し、回収部の貯水空間に貯留される。特に、カソードオフガスが、互いにずれた位置関係に配置された導入流路と排出流路を流通し、このずれた位置に対して分離壁が形成されるため、分離壁にカソードオフガスが接触しても、カソードオフガスの流れが大きく抑制されることがなく、圧損が大きくなることもない。
従って、燃料電池からのカソードオフガスの流れを大きく抑制することなく、小型でありながら良好に水を分離する気液分離器が構成される。

他の構成として、前記ずれた位置関係として、前記導入流路と前記排出流路とが互いに食い違う関係で配置されることで段差部が形成され、この段差部に前記分離壁が形成されても良い。

これによると、導入流路と排出流路とが互いに食い違う関係に配置されることから段差部が形成され、この段差部に分離壁が形成されるため、分離壁を形成するために特別な部材を必要とすることはない。また、導入流路からのカソードオフガスを段差部に形成された分離壁に接触させてカソードオフガスに含まれる水を分離できるため、カソードオフガスの流れに無理がなく、円滑な流れにできる。

他の構成として、前記導入流路の流路中心に対し、前記排出流路の流路中心が傾斜しても良い。

これによると、導入流路に流れるカソードオフガスが、分離壁に接触した後に排出流路に流れる際には、導入流路から離間する方向にカソードオフガスを流すため、例えば、導入流路の流路中心と排出流路の流路中心とが同一位置に配置されたものと比較して気液分離性能の向上を図ることが可能となる。

燃料電池ユニットの構成を示す図である。気液分離器の断面図である。別実施形態（ａ）の気液分離器の断面図である。別実施形態（ｂ）の気液分離器の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、燃料電池車（ＦＣＶ）に搭載される燃料電池ユニットＦＣを示している。この燃料電池ユニットＦＣは、燃料電池１に燃料ガスとしての水素ガスを給排するアノード側ブロックＦＣａ（同図で燃料電池１より左側）と、酸素ガスを含む空気を給排するカソード側ブロックＦＣｃ（同図で燃料電池１より右側）とを備えている。

アノード側ブロックＦＣａには、アノードガス流路２と、アノードオフガス流路３とを備えている。カソード側ブロックＦＣｃには、カソードガス流路４と、カソードオフガス流路５とを備えている。

アノード側ブロックＦＣａのアノードガス流路２には、水素ガスを貯留するタンク７と、水素ガスの供給量を制御する流量制御バルブ８と、エゼクタ９とを備えている。アノードオフガス流路３には、気液分離ユニット１０を備え、この気液分離ユニット１０で分離された水素ガスをエゼクタ９に供給する還元流路１１を備えている。

気液分離ユニット１０は、特許文献１（特開２０１７−１４７１５９号公報）あるいは特許文献２（特開２０１６−７２１８３号公報）等に記載された一般的な構成を有している。この気液分離ユニット１０は、排水制御バルブ１０ａによりアノードオフガスから分離した水が排出され、排ガス制御バルブ１０ｂによりアノードオフガスから分離した水素ガスの排出が可能に構成されている。

カソード側ブロックＦＣｃは、カソードガス流路４とカソードオフガス流路５とに亘る領域に加湿装置１３を備えており、この加湿装置１３を通過させずに空気を送るバイパス流路４ａを備えている。加湿装置１３は、カソードオフガス流路５のカソードオフガスから水分と熱とを取り込み、取り込んだ水分と熱とをカソードガス流路４のカソードガスに与える温度湿度交換型に構成されている。

カソードガス流路４には、空気を供給するエアーポンプ１４を備えると共に、空気を加湿装置１３に供給する状態と、バイパス流路４ａに空気を流す状態とに切り換え自在な三方弁型の切換バルブ１５を備えている。

カソードオフガス流路５は、カソードオフガスに含まれる水を除去する気液分離器２０（この気液分離器２０の詳細は後述する）と、カソードオフガスの排出を制御する排出制御バルブ１６とを備えている。また、カソードガス流路４とカソードオフガス流路５との間で空気の流れを可能にする合流制御バルブ１７を備えている。

この燃料電池ユニットＦＣでは、流量制御バルブ８と排水制御バルブ１０ａと排ガス制御バルブ１０ｂと、排出制御バルブ１６と、合流制御バルブ１７とが電磁ソレノイドの駆動により開閉作動を行い、電磁ソレノイドに供給される電流に対応した開度の設定が可能な電磁弁として構成されている。また、切換バルブ１５は電動モータの駆動により流路の切り換えを行えるように構成され、エアーポンプ１４は電動モータの駆動により空気を供給できるように構成されている。

〔燃料電池の作動〕
このように燃料電池ユニットＦＣが構成されることにより、流量制御バルブ８の制御によりタンク７の水素ガスをアノードガス流路２から燃料電池１のアノード側に供給し、これと同時にエアーポンプ１４の駆動により空気がカソードガス流路４から燃料電池１のカソード側に供給することにより燃料電池１での発電が実現する。

この発電時には、アノードオフガス流路３にアノードオフガスが排出され、気液分離ユニット１０によってアノードオフガスに含まれる水素と水とが分離される。分離された水素は還元流路１１によりエゼクタ９に戻され、このエゼクタ９からアノードガス流路２に供給される。また、分離された水は、分離器内部に一時的に貯留され、排水制御バルブ１０ａの開放により外部に排出される。

また、発電時には、カソードオフガス流路５にカソードオフガスが排出され、気液分離器２０によってカソードオフガスに含まれる空気と水とが分離される。分離された空気は排出制御バルブ１６を介して排出される。分離した水は分離器内部に一時的に貯留され、排出バルブ２４の開放作動により排出される。

加湿装置１３では、カソードオフガスが内部に流れることにより、カソードオフガスから水分と熱を取り込み、カソードガスに与える。これにより水分を含み温度が上昇したカソードガスが、カソードガス流路４から燃料電池１のカソード側に供給される。

特に、このカソードオフガス流路５では、気液分離器２０より下流側に加湿装置１３が配置されているため、気液分離器２０ではカソードオフガスに含まれる水を一部残すように気液分離を行うことが望ましい。

〔気液分離器〕
図２に示すように、気液分離器２０は、本体ブロック２１に排出管２２と回収ブロック２３を連結して構成され、回収ブロック２３に排出バルブ２４を備えている。これら本体ブロック２１と、排出管２２と、回収ブロック２３とは樹脂によって形成されている。

気液分離器２０は、本体ブロック２１の導入部Ａからカソードオフガスを導入し、導入されたカソードオフガスを排出管２２の突出端の排出部Ｂから排出すると共に、カソードオフガスに含まれる水を、導入部Ａと排出部Ｂとの境界に配置した回収部Ｃとしての回収ブロック２３で回収する。

図２に示すように、本体ブロック２１は、水平方向Ｘへの流れを許容するようにカソードオフガスを受け入れる導入流路２１ａと、受け入れたカソードオフガスを斜上方向Ｙに案内する導出流路２１ｂと、回収した水を鉛直下方向Ｚに案内する回収流路２１ｃとが形成されている。また、排出管２２の内部には、排出流路２２ｃでカソードオフガスを排出方向Ｅｘに案内するように構成され、この排出方向Ｅｘは、斜上方向Ｙの延長線上に配置される。

図２において水平方向Ｘとして示した矢印は、導入流路２１ａの流路中心の位置も示している。これと同様に排出方向Ｅｘは排出流路２２ｃの流路中心の位置も示している。同図から明らかなように導入流路２１ａの流路中心に対して、導出流路２１ｂの流路中心が傾斜している。

カソードオフガスの導入部Ａは、本体ブロック２１の導入流路２１ａの導入方向の上流側の端部位置に配置されている。図２に示すように、導入流路２１ａの内径Ｄと、導出流路２１ｂの内径Ｄと、回収流路２１ｃの内径Ｄとが等しい値に設定されている。これにより、各々の流路の断面形状が等しい円形となる。更に、排出管２２の内径は導出流路２１ｂの内径Ｄと等しい内径の円形に形成されている。カソードオフガスが気液分離器２０を通過するときの圧損を抑制するために、導出流路２１ｂの内径を導入流路２１ａの内径Ｄより大きくしても良い。

回収流路２１ｃの上端部分のうち、導入流路２１ａに沿って流れるカソードオフガスに接触する部位によって分離壁Ｗが形成されている。この分離壁Ｗは、回収流路２１ｃに連なる位置に配置されるため回収流路２１ｃの円筒内面状に沿う形状に形成されている。

図２に示すように、排出管２２は、筒状の部材を湾曲させた形状を有している。排出管２２は、斜上方向Ｙに沿って流れるカソードオフガスを受け入れる基端管部２２ａと、この基端管部２２ａからのカソードオフガスを水平に送り出す排出管部２２ｂとが一体的に形成されている。この排出管２２の内部に排出流路２２ｃが形成され、この排出管２２の排出側の端部に排出部Ｂが配置されている。

排出管２２の基端管部２２ａの端部にはフランジ状部を備えており、このフランジ状部が、本体ブロック２１の導出流路２１ｂに連通する位置に対し熱溶着や接着の技術、あるいは、ボルト類を用いた技術により固定されている。

図２に示すように、回収ブロック２３は、鉛直下方向Ｚに沿う姿勢で形成された案内筒部２３ａと、この案内筒部２３ａの下端を塞ぐ位置に配置された底壁部２３ｂとを有すると共に、この底壁部２３ｂの上部位置に濾過ユニットＦを備え、底壁部２３ｂの外部に排出バルブ２４を備えている。

この回収ブロック２３は、案内筒部２３ａの下端部分と底壁部２３ｂとで取り囲まれる空間で貯水空間Ｓが形成され、この貯水空間Ｓの上方位置に濾過ユニットＦが配置されている。濾過ユニットＦは案内筒部２３ａの内周に密着する環状フレーム２６の内周に金属線またはナイロンを用いた網材で成るフィルタ２７とで構成され、回収した水に含まれる異物を除去するように機能する。

底壁部２３ｂには横方向に向けて排水流路２３ｃが形成され、排水流路２３ｃの下流側には、排出バルブ２４が接続されている。排出バルブ２４は、排水流路２３ｃを開閉する弁体２４ａと、通電により弁体を作動させる電磁ソレノイド２４ｂとを備えている。

案内筒部２３ａの上端部分はフランジ状部を備えており、このフランジ状部が、本体ブロック２１の回収流路２１ｃに連通する位置に対し、熱溶着や接着の技術、あるいは、ボルト類を用いた技術により固定されている。

〔気液分離器での気液分離〕
図２に示すように、気液分離器２０は、導入流路２１ａと排出流路２２ｃとが上下方向にずれた位置関係に配置されている。このような位置関係から、導入流路２１ａと排出流路２２ｃとが食い違う段差部が形成され、この段差部に分離壁Ｗが形成されている。

また、導入流路２１ａの流路中心（水平方向Ｘとして図面に示す位置）と排出流路２２ｃの流路中心（排出方向Ｅｘとして図面に示す位置）とが傾斜している。従って、導入流路２１ａにおいて水平方向Ｘに流れるカソードオフガスの一部は分離壁Ｗに接触した後に、斜上方向Ｙに流れ、更に、排出流路２２ｃの排出方向Ｅｘに沿って流れ外部に送り出される。

つまり、ミスト等の状態の水を含んだカソードオフガスが分離壁Ｗに接触することによりガスに含まれる水が分離壁Ｗに付着し、分離壁Ｗの表面を流下する。また、カソードオフガスが分離壁Ｗに接触しない場合でも、流動方向が斜上方向Ｙに変化する際に重量の大きい水が自重により下方に落下する。

このように、分離壁Ｗの作用によりカソードオフガスから分離した水（水滴）は、鉛直下方向Ｚに沿って落下し、回収ブロック２３の底部の貯水空間Ｓに貯留される。

特に、この構成では、カソードオフガスが、単一の分離壁Ｗに接触する構成であるため、例えば、複数の壁体に接触させる構成や、カソードオフガスで渦流を作り出すものと比較して、構造が簡単で、カソードオフガスの圧損が少なく、カソードオフガスを円滑に送り出せる。

また、回収ブロック２３（回収部Ｃ）で回収された水は、貯水空間Ｓに貯留されるものの、排出バルブ２４の開放作動により外部に排出される。燃料電池ユニットＦＣでは、燃料電池１から出力される電流値等の情報に基づいてカソードオフガスに含まれる水量を推定しており、推定される水量の増大に伴い排出バルブ２４を開放するインターバルを短くするように制御形態が設定されている。

このように気液分離器２０は、小型で簡単な構造でありながらカソードオフガスから良好に水を分離して回収する。しかも、カソードオフガスの一部が分離壁Ｗに接触することなく排出部Ｂから排出される構造であるため、カソードオフガスに含まれる水の一部を残した状態で排出される。これにより、加湿装置１３においてカソードオフガスから水を取り込み、カソードガスに与える処理が無理なく行われる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）図３に示すように、分離壁Ｗの上下方向の寸法を、導入流路２１ａの内径Ｄより大きくする。その具体例として、本体ブロック２１の導入流路２１ａの上端レベルＬｔより高い位置に達するように分離壁Ｗの上端位置を決める。

このように構成することにより、導入部Ａから導入されたカソードオフガスが分離壁Ｗに接触する確率を高め、カソードオフガスが上方に流れる際の流動方向に変化（角度変化）を大きくして水の分離性能を高めることになる。

尚、この別実施形態（ａ）の構成でも、「実施形態」の図２において説明したものと同様に導入流路２１ａの断面形状と、導出流路２１ｂの断面形状とが、等しい内径Ｄの円形に形成される。カソードオフガスが気液分離器２０を通過するときの圧損を抑制するために、導出流路２１ｂの内径を導入流路２１ａの内径Ｄより大きくしても良い。

（ｂ）図４に示すように、分離壁Ｗの姿勢を、導出流路２１ｂが形成される方向（斜上方向Ｙ）と等しくする。その具体例として、本体ブロック２１の導入流路２１ａの下端レベルＬｂと等しい位置に分離壁Ｗの下端位置を決め、分離壁Ｗの姿勢を決めている。

このように構成することにより、導入部Ａから導入されたカソードオフガスが分離壁Ｗに接触した際の圧損を小さくすると共に、カソードオフガスを円滑に上方に流すことも可能にする。

（ｃ）分離壁Ｗを平坦な面で形成する、あるいは、緩やかに湾曲する面で形成する。つまり、「実施形態」として図２において説明した分離壁Ｗと、別実施形態（ａ）の分離壁Ｗとは、回収流路２１ｃの一部で構成されるため、回収流路２１ｃの円筒状の内面の一部で形成されるものである。これに対して、この別実施形態（ｃ）では、分離壁Ｗを平坦な面、あるいは、緩やかに湾曲する面で形成することにより、導入部Ａから水平方向Ｘに沿って流れるカソードオフガスが接触する分離壁Ｗの面積を拡大し、気液の分離性能の向上が可能となる。また、この別実施形態（ｃ）では、水平方向Ｘに沿う方向で見たときに、導入流路２１ａと導出流路２１ｂの一部が重なっている。このため、カソードオフガスが気液分離器２０を流通するときの圧損を更に低下させることができる。

（ｄ）本体ブロック２１の導入流路２１ａと導出流路２１ｂとの内面に、小さい凹凸を形成することや粗面に形成することによりカソードオフガスが接触する面積を増大させる。このように構成することにより、カソードオフガスが接触した場合には、カソードオフガスに含まれる水を水滴化させることも可能となり、水の分離性能の向上が可能となる。

（ｅ）導入部Ａより高い位置でカソードオフガスを水平（水平方向Ｘと平行する方向に）に送り出すようにカソードオフガスの排出方向を設定する。この構成では、導入部Ａと排出部Ｂとの間に段差部が形成され、この段差部に分離壁Ｗが形成される単純な構成となるものであるが、カソードオフガスから水の分離性能を高くできる。

この別実施形態（ｄ）の変形例として、導入部Ａにおいてカソードオフガスを斜め上方から斜め下方に送り込む等、非水平姿勢で供給するように構成する。また、排出部Ｂにおいてカソードオフガスを斜め下方等非水平方向に送り出すように構成する。

（ｆ）本体ブロック２１の内部に専用の部材を備えることで分離壁Ｗを構成する。つまり、「実施形態」あるいは「別実施形態」においては分離壁Ｗを回収流路２１ｃの内壁に連なる内面により構成していたが、専用の板状材等を用いて分離壁Ｗを構成することにより、気液分離に適した材料の使用が可能になるだけでなく、分離壁Ｗの角度の調節を可能にする。

本発明は、燃料電池のカソードオフガスの気液分離を行う気液分離器に利用することができる。

１燃料電体
２１ａ導入流路
２２ｃ排出流路
Ａ導入部
Ｂ排出部
Ｃ回収部
Ｓ貯水空間
Ｗ分離壁

Claims

燃料電池から排出されるカソードオフガスを受け入れる導入部と、
カソードオフガスを排出する排出部と、
前記導入部と前記排出部との境界に配置され、カソードオフガスに含まれる水を分離して回収する回収部とを備え、
前記導入部におけるカソードオフガスの導入流路と、前記排出部におけるカソードオフガスの排出流路とが互いにずれた位置関係に配置され、
このずれた位置に前記導入流路からのカソードオフガスが接触して水を分離する分離壁が配置され、この分離壁より下側に前記回収部の貯水空間が配置されている気液分離器。
前記ずれた位置関係として、前記導入流路と前記排出流路とが互いに食い違う関係で配置されることで段差部が形成され、この段差部に前記分離壁が形成されている請求項１に記載の気液分離器。
前記導入流路の流路中心に対し、前記排出流路の流路中心が傾斜している請求項１に記載の気液分離器。