JP2021185577A - 燃料電池用気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて気液分離性能を向上できる燃料電池用気液分離器の提供。【解決手段】気液分離する分離部１２は、ガス排出部１６より上方の位置に、オフガス導入部１４の対向位置に設けられオフガス導入部１４から導入されたオフガスが直接衝突する衝突部１２ａを有しており、衝突部１２ａより下方でガス排出部１６より上方の位置に、衝突部１２ａによって分離された液体が自重で下方に流れてガス排出部１６に流入することを抑制する傘部２４が設けられている。傘部２４が設けられているため、衝突部１２ａで分離された液体が自重で下方に流れてガス排出部１６に流入することを抑制できる。そのため、傘部２４が設けられていない場合に比べて、分離部１２で分離された液体がガス排出部１６に流れ込んでしまうことを抑制でき、気液分離器１０による気液分離性能を高めることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用の気液分離器に関する。

特開２００７−８７７１８号公報は、燃料電池のオフガスから水を分離する分離部と、分離部によって水が分離されたオフガスを分離部から外部に排出するガス排出部と、を有する、燃料電池用気液分離器を開示している。

しかし、上記公報開示の燃料電池用気液分離器には、つぎの問題点がある。
分離部の内面のうち、ガス排出部より上方にある側面部分に、分離された水がある場合、その水が自重で下方に流れると、ガス排出部を通るガス流れにより持ち去られて、ガス排出部から外部に流出してしまうおそれがある。そのため、気液分離器による気液分離性能を向上する点において改善の余地がある。

特開２００７−８７７１８号公報

本発明の目的は、従来に比べて気液分離性能を向上できる燃料電池用気液分離器を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 燃料電池のオフガスから液体を分離する気液分離器であって、
前記オフガスから液体を分離する分離部と、
前記分離部に前記オフガスを導入するオフガス導入部と、
前記分離部によって液体が分離されたオフガスを該分離部から気液分離器の外部に排出するガス排出部と、
前記分離部より下方に設けられており、前記分離部によって分離された液体が流れ込むとともに気液分離器の外部に排出される排液部と、
を有し、
前記分離部は、前記ガス排出部より上方の位置に、前記オフガス導入部の対向位置に設けられ該オフガス導入部から導入された前記オフガスが直接衝突する衝突部を有しており、
前記衝突部より下方で前記ガス排出部より上方の位置に、前記衝突部によって分離された液体が自重で下方に流れて前記ガス排出部に流入することを抑制する傘部が設けられている、
燃料電池用気液分離器。
（２） 前記傘部は、前記分離部の内面から該分離部内に突出して設けられている、（１）記載の燃料電池用気液分離器。
（３） 前記分離部の内面には、前記ガス排出部の上方にある部分を除いた側面部分の少なくとも一部に、上下方向に延びる溝が複数設けられている、（１）または（２）記載の燃料電池用気液分離器。
（４） 前記溝のうち、前記ガス排出部に最も近い位置に設けられる第１溝と、該第１溝の隣に設けられる第２溝との間隔は、その他の隣り合う２つの溝同士の間隔よりも小とされている、（３）記載の燃料電池用気液分離器。

上記（１）の燃料電池用気液分離器によれば、つぎの効果を得ることができる。
傘部が設けられているため、分離部の衝突部で分離された液体が自重で下方に流れてガス排出部に流入することを抑制できる。そのため、傘部が設けられていない場合に比べて、分離部で分離された液体がガス排出部に流れ込んでしまうことを抑制でき、気液分離器による気液分離性能を高めることができる。

上記（２）の燃料電池用気液分離器によれば、つぎの効果を得ることができる。
傘部が分離部の内面から分離部内に突出して設けられているため、簡易な構成で傘部を設けることができ、コスト上有利である。

上記（３）の燃料電池用気液分離器によれば、つぎの効果を得ることができる。
分離部で分離された液体は溝に沿って流れる。そのため、溝が設けられていない場合に比べて、分離部の内面についている液体を効率よく排液部に導くことができる。よって、分離部で分離された液体がガス流れによって再飛散してガス排出部に流れ込んでしまうことを抑制できる。

上記（４）の燃料電池用気液分離器によれば、つぎの効果を得ることができる。
第１溝と第２溝との間隔がその他の隣り合う２つの溝同士の間隔よりも小とされているため、第１溝と第２溝との間隔がその他の隣り合う２つの溝同士の間隔と同じである場合に比べて、第１溝をガス排出部から離して設けることができる。よって、第１溝に沿って流れる液体をガス排出部から離して流すことができ、第１溝に沿って流れる液体がガス排出部に流入してしまうことを抑制できる。

本発明実施例の燃料電池用気液分離器の模式断面図である。 本発明実施例の燃料電池用気液分離器の、斜め上から見たときの分解斜視図である。 本発明実施例の燃料電池用気液分離器の、斜め下から見たときの分解斜視図である。 本発明実施例の燃料電池用気液分離器における、アッパ部材とストレーナのみの、下方から見たときの斜視図である。 本発明実施例の燃料電池用気液分離器における、アッパ部材とストレーナのみの、断面図である。 図５のＢ−Ｂ線部分拡大断面図である。 本発明実施例の燃料電池用気液分離器が設けられる燃料電池システムの系統図である。 本発明実施例の燃料電池用気液分離器が設けられる燃料電池システムの、入側の酸化ガス配管に加湿器が設けられる場合の、系統図である。

以下に、図面を参照して、本発明実施例の燃料電池用気液分離器（以下、単に気液分離器ともいう）１０を説明する。なお、図中ＵＰは上方を示す。

気液分離器１０は、たとえば、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に搭載されていてもよい。燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。

固体高分子型燃料電池は、膜―電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータとの積層体からなる。膜―電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜と、該電解質膜の一面に配置された触媒層を有する電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層を有する電極（カソード、空気極）からなる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードには酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタック１００を構成する。

図７は、燃料電池のガス系（燃料ガス、酸化ガス、ガス供給系、ガス排出系、ガス循環系を含む）の概略を示す。
燃料ガスは、燃料ガス源１０１（たとえば、高圧水素タンク）から入側の燃料ガス配管１０２を通してスタック１００に供給され、一部が消費されて出側の燃料ガス配管１０３に流れ、大部分が燃料ガス循環配管１０４、循環ポンプ１０５を介して入側の燃料ガス配管１０２に循環され、残りは、出側の燃料ガス配管１０３から大気に排出される。
酸化ガスは、コンプレッサ１０６により大気から取り入れられ、エアクリーナ１０７等が設けられた、入側の酸化ガス配管１０９を通してスタック１００に供給され、一部が消費されて出側の酸化ガス配管１１０に流れ、大気に排出される。なお、入側の酸化ガス配管１０９には、図８に示すように、加湿器１０８が設けられていてもよい。

出側の燃料ガス配管１０３は燃料ガスのオフガス系を構成し、出側の酸化ガス配管１１０は酸化ガスのオフガス系を構成する。
出側の燃料ガス配管１０３には燃料ガス側の、出側の酸化ガス配管１１０には酸化ガス側の、気液分離器１０が設けられており、それぞれ、燃料オフガス中の液体（水分等）が燃料オフガスから分離され、酸化オフガス中の液体（水分等）が酸化オフガスから分離される。

気液分離器１０は、図１に示すように、オフガス（燃料オフガスであってもよく、酸化オフガスであってもよい）から液体を分離する分離部１２と、分離部１２にオフガスを導入するオフガス導入部１４と、分離部１２によって液体が分離されたオフガスを分離部１２から気液分離器１０の外部に排出するガス排出部１６と、分離部１２より下方に設けられており分離部１２によって分離された液体が流れ込むとともに気液分離器１０の外部に排出される排液部１８と、を有する。

分離部１２は、気液分離器１０の上側部分に設けられており、オフガス導入部１４から気液分離器１０に導入されるオフガスから液体を分離する。分離部１２による液体の分離方式は、たとえば慣性衝突式である。そのため、分離部１２は、オフガス導入部１４の対向位置に設けられオフガス導入部１６から導入されたオフガスが直接衝突する衝突部１２ａを有する。オフガス導入部１６から導入されたオフガスは、衝突部１２ａに衝突する。これにより、オフガス中の液体（水分等）が衝突部１２ａに付着し、オフガスから液体（水分等）が分離される。

衝突部１２ａは、１個のみ設けられている。衝突部１２ａは、気液分離器１０の上端部（その近傍を含む）に設けられており、ガス排出部１６より上方の位置に設けられる。衝突部１２ａは、ガス排出部１６を流れるガス流れ方向から見たとき（図１のＡ視）、ガス排出部１６の真上にある。ガス排出部１６と衝突部１２ａとの上下方向間には、少なくとも１段の段差部２０が設けられている。ただし、段差部２０は設けられていなくてもよい。ガス排出部１６と衝突部１２ａとは、段差部２０が設けられている場合には該段差部２０を介して、気液分離器１０の同じ側の側面１０ａに設けられる。

オフガス導入部１４は、管状であり、１個のみ設けられている。オフガス導入部１４は、気液分離器１０の上端部（その近傍を含む）に設けられている。オフガス導入部１４は、気液分離器１０の、衝突部１２ａ及びガス排出部１６が設けられる側の側面１０ａと反対側（対向する側）の側面１０ｂに設けられる。

ガス排出部１６は、管状であり、１個のみ設けられている。ガス排出部１６は、分離部１２の下端部（その近傍を含む）に設けられている。

排液部１８は、分離部１２より下方に設けられている。排液部１８と分離部１２との間には、一部に上下方向の孔４２ａが開いた仕切り板４２が設けられている。仕切り板４２が設けられているため、分離部１２で分離され分離部１２から排液部１８に流れ込んだ液体が、再度分離部１２に戻ってしまうことが抑制される。排液部１８の底面１８ａには、液体が底面１８ａの一箇所（たとえば、中央）に集まるように、傾斜が設定されている。排液部１８は、弁１８ｂを有しており、弁１８ｂの閉時には分離部１２によって分離された液体が排液部１８に貯留され、弁１８ｂの開時には該液体が排液部１８から気液分離器１０の外部に排出される。弁１８ｂは、排液部１８の底面１８ａに設けられていてもよく、排液部１８が底面１８ａに接続される排液管１８ｃを有する場合には該排液管１８ｃに設けられていてもよい。

気液分離器１０には、衝突部１２ａより下方でガス排出部１６より上方の位置に、衝突部１２によって分離された液体が自重で下方に流れてガス排出部１６に最短距離を通って流入することを抑制する傘部（庇といってもよい）２４が設けられている。傘部２４は、後述するガス排出部上方部１２ｂに設けられている。

傘部２４は、気液分離器１０の側面のうち、衝突部１２ａ及びガス排出部１６が設けられる側の側面１０ａ（分離部１２の内面）から、分離部１２内に、オフガス導入部１４が設けられる側の側面１０ｂに向って略水平方向に突出して設けられている。傘部２４の突出方向先端は、オフガス導入部１４が設けられる側面１０ｂに達しておらず、側面１０ｂから離れた位置にある。傘部２４は、たとえば平板状である。ただし、傘部２４の剛性および強度を確保するために、一部に凹部が形成されていてもよく、リブ等が設けられていてもよい。

傘部２４は、図１のＡ視で、図５に示すように、ガス排出部１６の真上にあり衝突部１２ａの真下にある。また、図１のＡ視における傘部２４の幅（Ａ視における左右方向長さ）は、ガス排出部１６の径（入口における径）より大とされている。

気液分離器１０には、分離部１２の内面の側面部分に、上下方向に延びる溝２６が複数形成されている。溝２６は、分離部１２の内面のうち、ガス排出部１６の上方にある部分（以下、ガス排出部上方部という）１２ｂを除いた側面部分の少なくとも一部に、形成されている。溝２６は、分離部１２の内面の側面部分の、ガス排出部上方部１２ｂを除く全体に設けられていてもよい。溝２６が設けられているため、分離部１２で分離されて分離部１２の側面に付着した液体は、自重で溝２６に沿って下方に排液部１８に流れる。

各溝２６のサイズは、特に限定されるものではないが、たとえば、図６に示すように、幅０．５ｍｍ、深さ１ｍｍである。このサイズよりも小型化すると、溝２６を成形するための成形金型の強度確保（製造要件確保）が困難になってしまう。また、このサイズよりも大型化すると、溝２６の本数が減ってしまい、溝２６による液体ガイド効果が低減してしまう。

図５に示すように、複数の溝２６のうち、ガス排出部１６に最も近い位置に設けられる第１溝２６ａと、第１溝２６ａの隣に設けられる第２溝２６ｂとの間隔は、その他の隣り合う２つの溝２６同士の間隔よりも小とされている。特に限定されるものではないが、第１溝２６ａと第２溝２６ｂとの間隔は、たとえば４．５ｍｍであり、その他の溝２６同士の間隔は、たとえば６．５ｍｍである。

ガス導入部１４から気液分離器１０内に導入されたオフガスは、ガス導入部１４から分離部１２に導入され、分離部１２の衝突部１２ａに衝突する。このため、オフガス中の液体が衝突部１２ａに付着し、オフガスから液体が分離される。
液体が分離されたオフガスは、分離部１２内を流れてガス排出部１６に流入し、ガス排出部１６を通って気液分離器１０の外部に排出される。

オフガスから分離された液体は、ガス排出部上方部１２ｂを除く部分にあっては、溝２６に沿って自重で下方に流れ、仕切り板４２の孔４２ａを通って排液部１８に流れる。一方、オフガスから分離された液体であってガス排出部上方部１２ｂを下方に自重で流れる液体は、図５の矢印にて示すように、傘部２４に当たり傘部２４の上面に沿って傘部２４の両側に流れて傘部２４の両外側から下方に流れる。そのため、ガス排出部上方部１２ｂを下方に流れる液体は、傘部２４によりガス排出部１６を避けて下方に流れ、仕切り板４２の孔４２ａを通って排液部１８に流れる。

なお、ガス排出部上方部１２ｂにおいても、傘部２４の上方および／または下方に下方かつガス排出部１６の外側に傾斜するたとえば逆Ｖ字状の補助溝２８が設けられていてもよい。補助溝２８が設けられることで、ガス排出部上方部１２ｂを流れる液体をガス排出部１６の両側に向けて流すことができ、分離部１２で分離された液体のガス排出部１６への流入をさらに抑制できる。

排液部１８に流れた液体は、弁１８ｂの閉時には排液部１８に貯留され、弁１８ｂの開時には排液部１８から気液分離器１０の外部に排出される。

上述した気液分離器１０は、樹脂製であり、図２に示すように、アッパ部材４０、ロア部材４１、仕切り板４２およびストレーナ４３の４部品構造となっている。ただし、アッパ部材４０、ロア部材４１、仕切り板４２、ストレーナ４３の少なくともいずれか１つが複数部品からなることで、５部品以上の部品構造となっていてもよい。

図３に示すように、アッパ部材４０に、分離部１２、オフガス導入部１４、ガス排出部１６が設けられている。また、アッパ部材４０の内壁面に溝２６と補助溝２８が設けられている。図２に示すように、ロア部材４１は、アッパ部材４０の下方に配置されてアッパ部材４０と溶着等で固定される。ロア部材４１には、排液部１８が設けられている。仕切り板４２は、アッパ部材４０とロア部材４１とで挟持されており、分離部１２と排液部１８を仕切る。ストレーナ４３には傘部２４が設けられている。ストレーナ４３は、傘部２４に加えて、傘部２４を支持する枠部４３ａを有しており、枠部４３ａにてアッパ部材４０に設けられる座部４０ａ（図５参照）に固定して取付けられている。

つぎに、本発明実施例の作用、効果を説明する。
図５に示すように、傘部２４が設けられているため、分離部１２の衝突部１２ａで分離された液体が自重で下方に流れて（最短距離を通って）ガス排出部１６に流入することを抑制できる。そのため、傘部２４が設けられていない場合に比べて、分離部１２で分離された液体がガス排出部１６に流れ込んでしまうことを抑制でき、気液分離器１０による気液分離性能を高めることができる。

傘部２４が分離部１２の内面から分離部１２内に突出して設けられているため、簡易な構成で傘部２４を設けることができ、コスト上有利である。

気液分離器１０には、分離部１２の内面の側面部分に、上下方向に延びる溝２６が複数形成されているため、分離部１２で分離された液体は溝２６に沿って流れる。そのため、溝２６が設けられていない場合に比べて、分離部１２の内面についている液体を効率よく排液部１８に導くことができる。よって、分離部１２で分離された液体がガス流れによって再飛散してガス排出部１６に流れ込んでしまうことを抑制できる。

第１溝２６ａと第２溝２６ａとの間隔がその他の隣り合う２つの溝２６同士の間隔よりも小とされているため、第１溝２６ａと第２溝２６ｂとの間隔がその他の隣り合う２つの溝２６同士の間隔と同じである場合に比べて、第１溝２６ａをガス排出部１６から離して設けることができる。よって、第１溝２６ａに沿って流れる液体をガス排出部１６から離して流すことができ、第１溝２６ａに沿って流れる液体がガス排出部１６に流入してしまうことを抑制できる。

１０ 気液分離器
１２ 分離部
１２ａ 衝突部
１２ｂ ガス排出部上方部
１４ オフガス導入部
１６ ガス排出部
１８ 排液
１８ａ 底面
１８ｂ 弁
１８ｃ 排液管
２０ 段差部
２４ 傘部
２６ 溝
２６ａ 第１溝
２６ｂ 第２溝
２８ 補助溝
４０ アッパ部材
４０ａ 座部
４１ ロア部材
４２ 仕切り板
４２ａ 孔
４３ ストレーナ
４３ａ 枠部
１００ スタック
１０１ 燃料ガス源
１０２ 入側の燃料ガス配管
１０３ 出側の燃料ガス配管
１０４ 燃料ガス循環配管
１０５ 循環ポンプ
１０６ コンプレッサ
１０７ エアクリーナ
１０８ 加湿器
１０９ 入側の酸化ガス配管
１１０ 出側の酸化ガス配管

Claims (1)

1. 燃料電池のオフガスから液体を分離する気液分離器であって、
   前記オフガスから液体を分離する分離部と、
   前記分離部に前記オフガスを導入するオフガス導入部と、
   前記分離部によって液体が分離されたオフガスを該分離部から気液分離器の外部に排出するガス排出部と、
   前記分離部より下方に設けられており、前記分離部によって分離された液体が流れ込むとともに気液分離器の外部に排出される排液部と、
   を有し、
   前記分離部は、前記ガス排出部より上方の位置に、前記オフガス導入部の対向位置に設けられ該オフガス導入部から導入された前記オフガスが直接衝突する衝突部を有しており、
   前記衝突部より下方で前記ガス排出部より上方の位置に、前記衝突部によって分離された液体が自重で下方に流れて前記ガス排出部に流入することを抑制する傘部が設けられており、
   前記傘部の幅は、前記ガス排出部の径よりも大とされている、
   燃料電池用気液分離器。

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