JP2022107947A - 燃料電池用気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】導入部に対向する位置に配置された壁部によってフィルタを支持した際の気液分離効率の低下を抑えることを可能にした燃料電池用気液分離器を提供する。【解決手段】燃料電池用の気液分離器１０は、箱状のケース２０と、ケース２０内に水分を含むオフガスを導入するための導入部５５と、ケース２０内に導入されたオフガスを該ケース２０外に導出するための導出部４５と、ケース２０内において導入部５５に接続されたストレーナ７０とを備える。ストレーナ７０は、導入部５５に対向する底壁部５３と、底壁部５３に支持されていて導入部５５と連通する筒状のフィルタ６０とを有する。底壁部５３には、導入部５５側に突出した形状の誘導部５３Ｂが設けられている。誘導部５３Ｂは、突出方向における先端側ほど細い先細り形状である。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用気液分離器に関する。

特許文献１には、燃料電池に設けられる燃料電池用の気液分離器が開示されている。この気液分離器は、導入部及び導出部を有する箱状のケースを備えている。ケースには、導入部を通じて、燃料電池のセルスタックから排出されたオフガスが導入される。気液分離器は、ケース内においてオフガスに含まれる水分を分離する。水分が分離されたオフガスは、導出部からケース外へ導出されて再度セルスタックに供給される。

また、気液分離器は、ケース内に配置されたストレーナを有している。ストレーナは、導入部に接続されたフィルタを備える。気液分離器では、ケース内においてオフガスをストレーナのフィルタを通過させて流動させることで、該オフガスに含まれる異物を除去する。

特開２００９－１５８１５７号公報

特許文献１に記載の燃料電池用気液分離器では、ストレーナのフィルタが不織布または織布から構成されている。こうした構成では、フィルタをケース内において例えば円筒状等の所定の形状に支持するための支持部材をストレーナに設けることが考えられる。支持部材が導入部に対向する位置に設けられた壁部を有する場合、導入部から導入されたオフガスが該壁部に衝突することでオフガスに含まれる水分が飛散し、気液分離効率が低下する虞がある。なお、ストレーナにおいてフィルタが不織布及び織布以外の素材によって構成されている場合であっても、上述したような支持部材を設ける場合には同様の課題が生じ得る。

本発明の目的は、導入部に対向する位置に配置された壁部によってフィルタを支持した際の気液分離効率の低下を抑えることを可能にした燃料電池用気液分離器を提供することにある。

上記課題を解決するための燃料電池用気液分離器は、箱状のケースと、前記ケース内に水分を含むオフガスを導入するための導入部と、前記ケース内に導入されたオフガスを該ケース外に導出するための導出部と、前記ケース内において前記導入部に接続されたストレーナとを備える燃料電池用気液分離器であって、前記ストレーナは、前記導入部に対向する位置に配置された底壁部と、前記底壁部に支持されていて前記導入部と連通する筒状のフィルタとを有し、前記底壁部には、前記導入部側に突出した形状の誘導部が設けられており、前記誘導部は、突出方向における先端側ほど細い先細り形状である。

燃料電池用気液分離器の導入部からケース内に導入されたガスには水分が含まれる。上記構成では、フィルタを支持するとともに導入部に対向する位置に配置された底壁部に、導入部側ほど先細り形状の誘導部が設けられている。そのため、導入部を通じてケース内に導入されたガスは、底壁部に沿って流れるように誘導され、該底壁部に衝突することが抑制される。

一実施形態の燃料電池用気液分離器が設けられる燃料電池の概略構成を示す模式図。 燃料電池用気液分離器の構成を模式的に示す断面図。 燃料電池用気液分離器内のガスの流れを模式的に示す断面図。 ストレーナの変更例の構成を示す模式図。 ストレーナの他の変更例の構成を示す模式図。

燃料電池用セパレータの一実施形態について、図１～図３を参照して説明する。以下では、まず燃料電池用気液分離器が設けられる燃料電池の構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池１００は、発電部としてのセルスタック１１０を有している。セルスタック１１０は、図示しない単セルが複数層積層されて構成されている。燃料電池１００には、セルスタック１１０のカソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気経路１２０が設けられている。空気経路１２０は、セルスタック１１０に空気を供給する空気供給通路１２１と、セルスタック１１０から空気と生成水との混合気である空気オフガスを排出する空気排出通路１２２とを有している。

また、燃料電池１００には、セルスタック１１０のアノード電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素経路１３０が設けられている。水素経路１３０は、一端がセルスタック１１０に接続された水素供給通路１３１を有している。水素供給通路１３１の他端は、水素タンク１３２に接続されている。水素供給通路１３１は、水素タンク１３２からセルスタック１１０に水素ガスを供給する。水素供給通路１３１の途中には、流量調節弁１３３が設けられている。流量調節弁１３３は、水素タンク１３２からセルスタック１１０に供給される水素ガスの量を調節する。また、水素経路１３０は、セルスタック１１０において未反応であった余剰の水素ガスと生成水との混合気である水素オフガスを排出する水素排出通路１３４を有している。水素排出通路１３４は、一端がセルスタック１１０に接続されている。水素排出通路１３４の他端は、燃料電池用気液分離器としての気液分離器１０に接続されている。

気液分離器１０は、水素オフガスに含まれる水分を分離する。気液分離器１０には、循環通路１３５の一端が接続されている。循環通路１３５の他端は、水素供給通路１３１に接続されている。循環通路１３５の途中には、循環ポンプ１３６が設けられている。循環ポンプ１３６の駆動により、気液分離器１０において水分が分離されたオフガスが水素供給通路１３１に還流される。これにより、セルスタック１１０において未反応であった余剰の水素ガスをセルスタック１１０に循環させる。

次に、気液分離器１０の構成について詳細に説明する。
図２に示すように、気液分離器１０は、箱状のケース２０を有している。ケース２０は、例えば樹脂によって構成されている。ケース２０は、四角板状の下壁２１と、下壁２１の周縁から立設された周壁２２と、周壁２２の上端を繋ぐ上壁２３とを有している。上壁２３は、ケース２０において鉛直方向の上方に配置されている。周壁２２は、右壁２２Ａ及び左壁２２Ｂと、右壁２２Ａと左壁２２Ｂとを繋ぐ前壁２２Ｃ及び後壁とからなる。なお、図２では後壁が省略されている。

ケース２０には、下壁２１から上方に延びる隔壁２４が設けられている。隔壁２４は、ケース２０内において左壁２２Ｂ側に配置されている。隔壁２４は、前壁２２Ｃ及び後壁を繋ぐように延びており、ケース２０内の下方の空間を区画している。すなわち、ケース２０の下部には、左壁２２Ｂ側の小容量の排出部３０と、右壁２２Ａ側の大容量の貯水部３１とが設けられている。排出部３０は、下壁２１、左壁２２Ｂ、前壁２２Ｃ、後壁、及び隔壁２４によって構成されている。また、貯水部３１は、下壁２１、右壁２２Ａ、前壁２２Ｃ、後壁、及び隔壁２４によって構成されている。なお、貯水部３１の側壁３１Ａは、右壁２２Ａ、前壁２２Ｃ、後壁、及び隔壁２４によって構成されている。

ケース２０には、右壁２２Ａの下端部に排水部３５が設けられている。排水部３５は、筒状に構成されていて内部が貯水部３１と連通している。排水部３５には、排水弁４０が設けられている。排水弁４０は、例えば電磁弁によって構成されている。排水弁４０は、燃料電池１００の図示しない制御装置からの制御信号を基づき開閉駆動される。

また、ケース２０には、左壁２２Ｂの上端部に導出部４５が設けられている。導出部４５は、筒状に構成されており、内部が排出部３０と連通している。導出部４５には、上述した循環通路１３５の一端が接続される。

ケース２０には、上壁２３に開口部２３Ａが設けられている。開口部２３Ａは、貯水部３１の上方に設けられている。開口部２３Ａには、樹脂製の筒体５０が組付けられている。筒体５０は、円筒状に形成されている上筒部５１と、該上筒部５１から下方に延びる複数の柱部５２と、柱部５２の下端を繋ぐ底壁部５３とを有している。

上筒部５１には、外周面から側方に延びているフランジ部５１Ａが設けられている。フランジ部５１Ａの下面は、ケース２０の上壁２３における上面に当接している。フランジ部５１Ａが例えばボルト締結や溶着等によって上壁２３に固定されることで、筒体５０がケース２０に組付けられている。

上筒部５１におけるフランジ部５１Ａよりも上方の部分には、上述した水素排出通路１３４の他端が接続される。そのため、セルスタック１１０から排出された水素オフガスは、水素排出通路１３４から上筒部５１を通じてケース２０内に導入される。すなわち、上壁２３の開口部２３Ａ及び筒体５０の上筒部５１は、ケース２０内に水分を含むオフガスを導入するための導入部５５を構成している。

筒体５０の柱部５２は、周方向に等間隔で複数（本実施形態では４つ）配置されている。柱部５２は、ケース２０の上壁２３の下面と同じ位置から下方に延びていて貯水部３１の内域まで至っている。底壁部５３は、上筒部５１と同じ外径形状であって、上筒部５１に対向した位置に配置されている。すなわち、上筒部５１の開口を下方へ投影した領域に底壁部５３の少なくとも一部が位置するように底壁部５３は配置されている。

筒体５０の柱部５２及び底壁部５３には、フィルタ６０が固定されている。これら柱部５２、底壁部５３、及びフィルタ６０によって、ケース２０内において導入部５５に接続されたストレーナ７０が構成されている。

フィルタ６０は、例えば金属メッシュであり、円筒状に形成されている。フィルタ６０の内域は、上筒部５１の内域と連通している。そのため、上筒部５１、すなわち導入部５５に導入された水素オフガスは鉛直方向において下方に流れ、次にフィルタ６０の内域に流入する。フィルタ６０は、周方向における一部が柱部５２に埋め込まれている。また、フィルタ６０は、下端部が底壁部５３に埋め込まれている。そのため、フィルタ６０は、円筒形状を保持した状態で柱部５２及び底壁部５３に支持されている。

なお、このように筒体５０とフィルタ６０とを一体化した構成は、例えば円筒状に形成したフィルタ６０を型にセットしてインサート成形すること等で実現できる。また、フィルタ６０を柱部５２及び底壁部５３の外周面に接着するなどして固定してもよい。フィルタ６０は金属に限らず、例えば樹脂等の他の素材で構成してもよい。

底壁部５３は、フィルタ６０の下端を支持する円板状の底板部５３Ａと、該底板部５３Ａから導入部５５側（図２の上側）に突出した形状の誘導部５３Ｂとを有している。誘導部５３Ｂは、円錐形状に形成されている。そのため、誘導部５３Ｂは、導入部５５側、すなわち突出方向における先端側ほど細い先細り形状に形成されている。誘導部５３Ｂは、断面視において二等辺三角形を形成するテーパ面５３１Ｂを有している。

図２に二点鎖線で示すように、燃料電池１００では、気液分離器１０における貯水部３１の水位が排水の必要な第１水位Ｒ１になったときに制御装置が排水弁４０を開弁させる。そして、貯水部３１の水位が第１水位Ｒ１よりも低い第２水位Ｒ２まで下がると、制御装置は排水弁４０を閉弁させる。

本実施形態では、図２に一点鎖線で示すように、誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを延長した仮想線Ｌ１と、貯水部３１の側壁３１Ａとの交わる位置が、上記第１水位Ｒ１と同じ高さとなるように、誘導部５３Ｂの先端の高さを設定している。これにより、誘導部５３Ｂは、導入部５５を通じてケース２０内に導入された水素オフガスを、貯水部３１の側壁３１Ａに向けて誘導する。

すなわち、図３に実線の矢印で示すように、導入部５５を通じてケース２０内に導入された水素オフガスは、まずストレーナ７０の内部を鉛直方向に沿って上方から下方へと流れる。誘導部５３Ｂは、円錐状であることから、そのテーパ面５３１Ｂによって水素オフガスは貯水部３１の側壁３１Ａに向けて誘導される。そして、水素オフガスは、フィルタ６０を通過してストレーナ７０の外部へ排出される。

ストレーナ７０では、水素オフガスがフィルタ６０を通過するときに水素オフガスに含まれる異物を除去する。異物が除去された水素オフガスは、貯水部３１の側壁３１Ａに衝突する。水素オフガスが貯水部３１の側壁３１Ａに衝突することで、水素オフガスに含まれる水分が側壁３１Ａに付着して分離される。側壁３１Ａに付着した水分は、水素オフガスの側壁３１Ａに沿った下方への流れと、重力の作用とによって、図３に一点鎖線の矢印で示すように下方へと流動し、貯水部３１に貯留される。また、図３に二点鎖線の矢印で示すように、水分が分離された水素オフガスは、下方へ流れた後、貯水部３１の水面で上方へ向けて折り返され、ストレーナ７０と側壁３１Ａとの間を通過して、排出部３０へ流動する。排出部３０へ流れた水素オフガスは、導出部４５を通じてケース２０外、すなわち循環通路１３５へ導出される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）本実施形態では、ストレーナ７０においてフィルタ６０を支持する底壁部５３を導入部５５に対向する位置に設けた。そして、底壁部５３に、円錐状の誘導部５３Ｂを設けた。誘導部５３Ｂは、導入部５５側ほど先細り形状であることから、導入部５５を通じてケース２０内に導入された水素オフガスは、底壁部５３における誘導部５３Ｂに沿って流れるように誘導され、該底壁部５３に衝突することが抑制される。このように、ケース２０内に導入された水素オフガスが底壁部５３に衝突することが抑制されることで、水素オフガスが底壁部５３に衝突することに起因して該水素オフガスに含まれる水分がケース２０内に飛散することが抑えられる。したがって、導入部５５に対向する位置に配置された底壁部５３によってフィルタ６０を支持した際の気液分離効率の低下を抑えることが可能になる。

（２）本実施形態では、導入部５５をケース２０において鉛直方向における上方に設けられた上壁２３に設けるとともに、該導入部５５の下方に貯水部３１を設けた。上述したように、導入部５５を通じて上方からケース２０内に導入された水素オフガスは、下方の貯水部３１へ向けて流れる。このように水素オフガスが流れた先に貯水部３１が設けられているため、水素オフガスから分離された水分を水素オフガスの流れに沿って貯水部３１に集めやすくできる。したがって、気液分離効率の向上を図ることができる。

（３）本実施形態では、誘導部５３Ｂによって貯水部３１の側壁３１Ａに向けて水素オフガスを誘導するようにした。そのため、貯水部３１に貯留されている液水に導入部５５から導入された水素オフガスが直接吹き付けられることが抑制される。これにより、貯水部３１内の液水に水素オフガスが直接吹き付けられることによって該液水が巻き上げられることが抑えられる。その結果、気液分離効率を一層高めることに寄与できる。

（４）本実施形態では、誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを延長した仮想線Ｌ１と、貯水部３１の側壁３１Ａとの交わる位置が、上記第１水位Ｒ１と同じ高さとなるように、誘導部５３Ｂの先端の高さを設定した。そのため、気液分離器１０において貯水部３１の水位が最も高くなる状況であっても、導入部５５を通じてケース２０内に導入された水素オフガスを貯水部３１の側壁３１Ａに向けて誘導することが可能になる。

なお、誘導部５３Ｂの先端の位置を過度に低くした場合には、貯水部３１の側壁３１Ａに向けて水素オフガスを誘導しやすくなるものの、テーパ面５３１Ｂが水平に近づくことから、水素オフガスが誘導部５３Ｂに衝突しやすくなる。

したがって、本実施形態のように誘導部５３Ｂの先端の高さを設定することで、誘導部５３Ｂと水素オフガスとの衝突に起因した生成水の飛散と、水素オフガスが貯水部３１に貯留されている液水に直接吹き付けられることに起因した液水の飛散との両方を抑制することが可能になる。

（５）本実施形態では、ケース２０に隔壁２４を設けている。そのため、ケース２０内に導入された水素オフガスが、貯水部３１の水面で折り返されるときに仮に液水を巻き上げたとしても、巻き上げられた液水が導出部４５まで流れ難くできる。したがって、気液分離器１０における気液分離効率を更に一層高めることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本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。
・上記実施形態では、ケース２０に隔壁２４を設けるようにしたが、隔壁２４は必ずしも設ける必要はない。

・上記実施形態では、誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを延長した仮想線Ｌ１と、貯水部３１の側壁３１Ａとの交わる位置が、上記第１水位Ｒ１と同じ高さとなるように誘導部５３Ｂの先端の高さを設定した。こうした構成は適宜変更が可能である。例えば、誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを延長した仮想線Ｌ１と、貯水部３１の側壁３１Ａとの交わる位置が、第１水位Ｒ１よりも低い位置であって、上記第２水位Ｒ２よりも高い位置となるように、誘導部５３Ｂの先端の高さを設定してもよい。また、誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを延長した仮想線Ｌ１と、貯水部３１の側壁３１Ａとの交わる位置が、第１水位Ｒ１よりも高い位置となるように、誘導部５３Ｂの先端の高さを設定してもよい。さらには、誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを延長した仮想線Ｌ１と、貯水部３１の側壁３１Ａとの交わる位置が、第２水位Ｒ２よりも低い位置となるように、誘導部５３Ｂの先端の高さを設定してもよい。

・上記実施形態では、誘導部５３Ｂを、断面が二等辺三角形状となるような円錐状に形成したが、誘導部５３Ｂの形状はこうしたものに限らない。
例えば、図４に示すように、誘導部５３Ｂを円錐状にしつつも、先端の位置を左壁２２Ｂ側（図４の左側）に偏心させた形状としてもよい。こうした構成では、図４に実線の矢印で示すように、導入部５５を通じてケース２０内に導入された水素オフガスは、誘導部５３Ｂによって右壁２２Ａ側（図４の右側）へ誘導されやすくなる。そのため、ストレーナ７０が貯水部３１に対して、上記実施形態よりも左壁２２Ｂ側に位置する構成において、貯水部３１に向けて水素オフガスを誘導しやすくできる。このように、水素オフガスを誘導したい方向に対応させて誘導部５３Ｂにおける先端の位置を偏心させることも可能である。

また、図５に示すように、断面視において誘導部５３Ｂのテーパ面５３１Ｂを直線とするのではなく曲面として構成することも可能である。
さらには、誘導部５３Ｂを円錐状ではなく、角錐状に形成してもよい。要は、先端側ほど細い先細り形状の誘導部５３Ｂであればどのような形状であっても、上記（１）の作用効果と同様の作用効果を得ることが可能である。

・誘導部５３Ｂは、側壁３１Ａではなく、下壁２１へ向けて水素オフガスを誘導するものであってもよい。
・上記実施形態では、貯水部３１を導入部５５の下方に配置した例を示したが、こうした構成は必ずしも必要ない。すなわち、貯水部３１を、導入部５５の真下に配置するのではなく、導入部５５に対して左右方向や前後方向にずれた位置に配置してもよい。

・上記実施形態では、筒体５０におけるフランジ部５１Ａの下面がケース２０における上壁２３の上面に当接するように筒体５０をケース２０に固定した。こうした構成に変えて、ケース２０内から筒体５０を組付ける等して、フランジ部５１Ａの上面が上壁２３の下面に当接した状態で筒体５０をケース２０に固定してもよい。また、筒体５０とケース２０とを別体とせずに一体として構成してもよい。

・上記実施形態において、導出部４５を左壁２２Ｂではなく、他の周壁２２や上壁２３に設けることも可能である。
・上記実施形態において、導入部５５を鉛直方向に沿って設けたが、鉛直方向に対して傾斜させて設けてもよい。また、導入部５５を上壁２３ではなく、周壁２２に設けることも可能である。

・上記実施形態では、ケース２０を略直方体の箱状に形成したが、ケース２０の形状は他の形状であってもよい。
・上記実施形態では、水素経路１３０に気液分離器１０を設けた構成を例に説明したが、空気経路１２０に設けられる気液分離器１０に上記実施形態と同様の構成を適用してもよい。

１０…気液分離器（燃料電池用気液分離器）
２０…ケース
２１…下壁
２２…周壁
２２Ａ…右壁
２２Ｂ…左壁
２２Ｃ…前壁
２３…上壁
２３Ａ…開口部
２４…隔壁
３０…排出部
３１…貯水部
３１Ａ…側壁
３５…排水部
４０…排水弁
４５…導出部
５０…筒体
５１…上筒部
５１Ａ…フランジ部
５２…柱部
５３…底壁部
５３Ａ…底板部
５３Ｂ…誘導部
５３１Ｂ…テーパ面
５５…導入部
６０…フィルタ
７０…ストレーナ
１００…燃料電池
１１０…セルスタック
１２０…空気経路
１２１…空気供給通路
１２２…空気排出通路
１３０…水素経路
１３１…水素供給通路
１３２…水素タンク
１３３…流量調節弁
１３４…水素排出通路
１３５…循環通路
１３６…循環ポンプ
Ｌ１…仮想線
Ｒ１…第１水位
Ｒ２…第２水位

Claims (3)

1. 箱状のケースと、
   前記ケース内に水分を含むオフガスを導入するための導入部と、
   前記ケース内に導入されたオフガスを該ケース外に導出するための導出部と、
   前記ケース内において前記導入部に接続されたストレーナとを備える燃料電池用気液分離器であって、
   前記ストレーナは、
   前記導入部に対向する位置に配置された底壁部と、
   前記底壁部に支持されていて前記導入部と連通する筒状のフィルタとを有し、
   前記底壁部には、前記導入部側に突出した形状の誘導部が設けられており、
   前記誘導部は、突出方向における先端側ほど細い先細り形状である燃料電池用気液分離器。
2. 前記ケースは、鉛直方向における上方に配置された上壁を有し、
   前記導入部は、前記上壁に設けられ、
   前記ケースには、前記導入部の下方に、前記オフガスから分離された水分を貯留する貯水部が設けられている
   請求項１に記載の燃料電池用気液分離器。
3. 前記誘導部は、前記貯水部の側壁に向けて前記ガスを誘導する
   請求項２に記載の燃料電池用気液分離器。

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