JP2021077481A - 気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】排水路に設けられた排水弁の位置が高くなるようにケースが傾いた状態で排水弁を開弁してもケース内の燃料ガスが排水路からケース外へ排出されることを抑制できる気液分離器を提供する。【解決手段】気液分離器１５は、燃料電池スタックから排出された水素をケース２０内に流入させて水と分離し、その水をケース２０内の下端部に位置する貯水領域２５に溜めてから排水路２７を介してケース２０外に排出する。排水路２７はケース２０の第２側壁２６の下端部に第２側壁２６を貫通するように設けられ、排水路２７の下流端には排水弁２８が設けられている。ケース２０における排水路２７よりも下側には、一端が貯水領域２５における排水路２７側とは反対側の端部と連通するとともに他端が排水路２７の途中位置に接続されたバイパス通路３０が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックから排出された燃料ガスから水を分離する気液分離器に関する。

一般に、この種の気液分離器は、例えば特許文献１に示すように、内部に燃料電池スタックから排出された燃料ガスを収容するケースを有しており、当該ケース内における下端部が燃料ガスから分離された水が貯留される貯水領域になっている。ケースの下端部には貯水領域に貯留された水をケース外に排出するための水平に延びる排水路の一端部が接続され、当該排水路の他端部には制御系からの指令に基づいて開閉されるドレイン弁が設けられている。

そして、燃料電池スタックから排出される燃料ガスから水がケース内で分離されると、水が分離された状態の燃料ガスが燃料電池スタックに戻されて再使用されるとともに、燃料ガスから分離された水が貯水領域に溜まる。貯水領域に所定量以上の水が溜まった場合には、ドレイン弁が開弁されて貯水領域の水が排水路からケース外へ排出される。

特開２０１９−９６４４８号公報

ところで、上述のような気液分離器では、ケースの下端部よりもドレイン弁の方が高くなるように傾いた状態でドレイン弁が開弁されると、排水路から水がなくなってしまうので、ケース内の燃料ガスが排水路からケース外へ排出されてしまうという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、排水路に設けられた排水弁の位置が高くなるようにケースが傾いた状態で排水弁を開弁してもケース内の燃料ガスが排水路からケース外へ排出されることを抑制できる気液分離器を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する気液分離器は、燃料電池スタックから排出された燃料ガスをケース内に流入させて水と分離し、その水を前記ケース内の下端部に位置する貯水領域に溜めてから排水路を介して前記ケース外に排出する気液分離器において、前記排水路は、前記ケースの一側壁の下端部に当該一側壁を貫通するように設けられ、前記排水路の下流端には排水弁が設けられ、前記ケースにおける前記排水路よりも下側には、一端が前記貯水領域における前記排水路側とは反対側の端部と連通するとともに他端が前記排水路の途中位置に接続されたバイパス通路が設けられていることを要旨とする。

この構成によれば、排水路に設けられた排水弁の位置が高くなるようにケースが傾いた状態で排水弁を開弁した場合でも、ケース内の圧力によって貯水領域の水をバイパス通路から排水路へ導くことができるので、排水路を水で塞ぐことができる。したがって、排水路に設けられた排水弁の位置が高くなるようにケースが傾いた状態で排水弁を開弁してもケース内の燃料ガスが排水路からケース外へ排出されることを抑制できる。

一実施形態の気液分離器を備えた燃料電池システムを示すブロック図。 気液分離器の断面模式図。 図２の要部拡大図。 排水弁の位置が高くなるように傾いた状態の気液分離器を示す断面模式図。

以下、燃料電池システムに備えられる気液分離器の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、例えば自動車などの移動体（図示略）に搭載される。燃料電池システム１１は、燃料ガスの一例としての水素が充填された水素タンク１２と、水素タンク１２の水素を燃料電池スタック１３に供給する供給経路１４と、燃料電池スタック１３から排出される未反応の余剰の水素と水（反応生成水）とを分離する気液分離器１５が途中位置に設けられるとともに気液分離器１５で分離された水素を供給経路１４の途中位置に戻す回収経路１６と、を備えている。

供給経路１４における水素タンク１２と回収経路１６が接続される接続部１７との間には、水素タンク１２から燃料電池スタック１３に供給される水素の圧力を調整する圧力調整弁１８が設けられている。回収経路１６における気液分離器１５と接続部１７との間には、気液分離器１５で分離された水素を供給経路１４に向けて送り出すポンプ１９が設けられている。すなわち、ポンプ１９は、回収経路１６における気液分離器１５よりも下流側に配置されている。

燃料電池スタック１３は、複数のセル（図示略）を積層した構造になっている。燃料電池スタック１３を構成する各セル（図示略）は、水素極（負極）と酸素極（正極）とで固体高分子電解質膜を挟み、さらにこれらを外側から一対のセパレータによって挟んだ構造になっている。

燃料電池スタック１３は、水素タンク１２からの水素と外部からの空気とが供給されると、水素と空気中の酸素とが化学反応を起こすことによって電気と水（反応生成水）とを生じさせる。このとき生じた水は、不要な水として捨てられるが、一部が未反応の余剰の水素に混じって回収経路１６に排出される。

図１及び図２に示すように、気液分離器１５は、略直方体状をなす中空のケース２０を備えている。ケース２０の第１側壁２１の上端部には、回収経路１６の上流側から流れてくる水素と水とがケース２０内に流入する流入口２２が設けられている。ケース２０の上壁２３の中央部には、ケース２０内で水と分離された水素がケース２０内から回収経路１６の下流側に流出する流出口２４が設けられている。

ケース２０内の下端部は、ケース２０内で水素と分離された水が溜まる貯水領域２５になっている。ケース２０の一側壁の一例としての第２側壁２６の下端部には、貯水領域２５に溜まった水をケース２０外に排出するための排水路２７が第２側壁２６を貫通するように設けられている。第２側壁２６は水平方向において第１側壁２１と対向しており、排水路２７は第２側壁２６と直交するように真っ直ぐに延びている。すなわち、排水路２７は、水平方向に真っ直ぐに延びている。

排水路２７の中央部よりも下流側の部分はケース２０外に突出しており、排水路２７の中央部よりも上流側の部分はケース２０内の貯水領域２５における第２側壁２６側の端部に配置されている。貯水領域２５には、ケース２０が水平な状態において、常に水面ＷＳが排水路２７よりも上側に位置する程度の水が溜められている。排水路２７の下流端には、排水路２７を開閉する排水弁２８が設けられている。

排水弁２８は、例えば電磁弁によって構成される。そして、排水弁２８が開弁されることによって貯水領域２５の水が排水路２７を介してケース２０外へ排出されるようになっている。ケース２０における排水路２７よりも下側、すなわちケース２０の底壁２９には、一端が貯水領域２５における排水路２７側とは反対側の端部と連通するとともに他端が排水路２７の途中位置に接続されたバイパス通路３０が設けられている。

この場合、バイパス通路３０は、貯水領域２５における排水路２７側とは反対側の端部と排水路２７の中央部とを、貯水領域２５及び排水路２７よりも下側で連通するように繋いでいる。バイパス通路３０は、両端部が上下方向に真っ直ぐに延びており、両端部同士の間の部分である中間部が排水路２７と平行となるように水平方向に真っ直ぐに延びている。

図２及び図３に示すように、排水路２７におけるバイパス通路３０との接続部分には、排水路２７における他の部位よりも断面積を小さくした絞り部３１が設けられている。すなわち、絞り部３１の断面積は、絞り部３１の上流側及び下流側のそれぞれの断面積よりも小さくなっている。この場合、排水路２７において、絞り部３１に対して上流側で隣接する部分は上流側一般部３２とされ、絞り部３１に対して下流側で隣接する部分は下流側一般部３３とされている。

次に、燃料電池システム１１の作用について説明する。
図１に示すように、燃料電池スタック１３に水素タンク１２からの水素が供給経路１４を介して供給され且つ燃料電池スタック１３に外部から空気が供給されると、水素と空気中の酸素とが化学反応を起こすことによって電気と水（反応生成水）とが生じる。このとき生じた水は不要な水として外部に捨てられるが、当該水の一部は未反応の余剰の水素に混じって回収経路１６に排出される。一方、このとき生じた電気は、移動体（図示略）の動力源として利用される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１３から回収経路１６に排出された水素及び水は、気液分離器１５のケース２０の流入口２２からケース２０内に流入する。すると、ケース２０内で水素と水とが分離され、比較的軽い水素は流出口２４からケース２０の下流側の回収経路１６に流出するとともに比較的重い水は落下して貯水領域２５に溜まる。

流出口２４からケース２０よりも下流側の回収経路１６に流出する水素には、若干の水蒸気が混じっている。そして、これらの水素及び水蒸気は、ポンプ１９の駆動により接続部１７から供給経路１４に送られて、水素タンク１２からの水素と一緒に燃料電池スタック１３に供給される。一方、ケース２０内の貯水領域２５に溜まった水は、所定量以上になると、排水弁２８が開弁されて、排水路２７からケース２０外へ排出される。

次に、排水弁２８の位置が高くなるように気液分離器１５が傾いたときの気液分離器１５の作用について説明する。
燃料電池システム１１は移動体（図示略）に搭載されているため、当該移動体が傾いた場合には、気液分離器１５（ケース２０）も同様に傾く。そして、排水弁２８の位置が高くなるように気液分離器１５が傾いた場合には、図４に示すように、ケース２０内の貯水領域２５に溜まった水が貯水領域２５における排水路２７側（排水弁２８側）とは反対側の端部に偏る。

この状態で、貯水領域２５に溜まった水を排水路２７からケース２０外へ排出するべく排水弁２８を開弁すると、図４で白抜き矢印によって示したケース２０内の圧力によって貯水領域２５に溜まった水が押圧される。すると、貯水領域２５に溜まった水は、バイパス通路３０を通って排水路２７に導かれる。このバイパス通路３０から排水路２７に導かれた水は、排水路２７の絞り部３１及び下流側一般部３３を通って排水弁２８から排出される。

この場合、絞り部３１の断面積は下流側一般部３３の断面積よりも小さいので、排水路２７からケース２０外へ排出される水の流速は、絞り部３１に比べて下流側一般部３３の方が速くなる。このため、絞り部３１に比べて下流側一般部３３の方が低圧になる。したがって、絞り部３１と下流側一般部３３との圧力差によってバイパス通路３０の水を排水路２７に向かって吸引する効果を得ることができるので、排水路２７からケース２０外への水の排出を円滑に行うことができる。

よって、排水路２７に設けられた排水弁２８の位置が高くなるように気液分離器１５（ケース２０）が傾いた状態で排水弁２８を開弁しても、バイパス通路３０の水が無くならない限り、ケース２０内の水素が排水路２７からケース２０外へ排出されることはない。

因みに、バイパス通路３０が存在しない状態で、排水路２７に設けられた排水弁２８の位置が高くなるように気液分離器１５（ケース２０）が傾いた状態で排水弁２８を開弁すると、排水路２７が水で塞がれないので、ケース２０内の水素が排水路２７からケース２０外へ排出されてしまう。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）気液分離器１５において、ケース２０における排水路２７よりも下側には、一端が貯水領域２５における排水路２７側とは反対側の端部と連通するとともに他端が排水路２７の途中位置に接続されたバイパス通路３０が設けられている。この構成によれば、排水路２７に設けられた排水弁２８の位置が高くなるようにケース２０が傾いた状態で排水弁２８を開弁した場合でも、ケース２０内の圧力によって貯水領域２５の水をバイパス通路３０から排水路２７へ導くことができるので、排水路２７を水で塞ぐことができる。したがって、排水路２７に設けられた排水弁２８の位置が高くなるようにケース２０が傾いた状態で排水弁２８を開弁してもケース２０内の水素が排水路２７からケース２０外へ排出されることを抑制できる。よって、水素（燃料ガス）の無駄を省くことができる。

（２）気液分離器１５において、排水路２７におけるバイパス通路３０との接続部分には、排水路２７における上流側一般部３２及び下流側一般部３３よりも断面積を小さくした絞り部３１が設けられている。この構成によれば、排水路２７に設けられた排水弁２８の位置が高くなるようにケース２０が傾いた状態で排水弁２８を開弁すると、貯水領域２５の水がケース２０内の圧力によって押されることでバイパス通路３０を通って排水路２７へ導かれた後、排水路２７からケース２０外へ排出される。この場合、排水路２７からケース２０外へ排出される水の流速は、排水路２７における絞り部３１に比べて下流側一般部３３の方が速くなる。このため、排水路２７における絞り部３１に比べて下流側一般部３３の方が低圧になる。したがって、排水路２７における絞り部３１と下流側一般部３３との圧力差によってバイパス通路３０の水を排水路２７に向かって吸引することができる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・気液分離器１５において、排水路２７の絞り部３１は必ずしも設ける必要はない。
・気液分離器１５において、流出口２４はケース２０の側壁に設けてもよい。
・気液分離器１５において、流入口２２はケース２０の上壁に設けてもよい。

・燃料電池スタック１３が搭載される移動体（図示略）は、自動車に限らず、例えば、航空機、船舶、ドローンなどであってもよい。

１３…燃料電池スタック、１５…気液分離器、２０…ケース、２５…貯水領域、２６…一側壁の一例としての第２側壁、２７…排水路、２８…排水弁、３０…バイパス通路、３１…絞り部。

Claims (2)

1. 燃料電池スタックから排出された燃料ガスをケース内に流入させて水と分離し、その水を前記ケース内の下端部に位置する貯水領域に溜めてから排水路を介して前記ケース外に排出する気液分離器において、
   前記排水路は、前記ケースの一側壁の下端部に当該一側壁を貫通するように設けられ、
   前記排水路の下流端には排水弁が設けられ、
   前記ケースにおける前記排水路よりも下側には、一端が前記貯水領域における前記排水路側とは反対側の端部と連通するとともに他端が前記排水路の途中位置に接続されたバイパス通路が設けられていることを特徴とする気液分離器。
2. 前記排水路における前記バイパス通路との接続部分には、前記排水路における他の部位よりも断面積を小さくした絞り部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。

Images