JP5308044B2

JP5308044B2 - 気液分離器

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Publication number: JP5308044B2
Application number: JP2008076265A
Authority: JP
Inventors: 真也渡邉; 健太郎名越; 卓磨金沢
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: JP2009231109A

Description

本発明は、気液分離器に関する。

近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。

このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気（水）を生成し、生成した水の一部は、電解質膜（固体高分子膜）を介して、アノード側に透過する。また、電解質膜の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素、空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿される。したがって、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは多湿となり、液化した生成水（水分）が含まれる。

また、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスには、電極反応で消費されなかった未反応の水素が含まれる。そこで、水素の利用効率を高めるべく、気液分離器によって、アノードオフガスから水分を分離させ、気液分離後のアノードオフガスを、燃料電池の上流に戻し、燃料電池に再供給する、つまり、水素循環系を備える燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−３４２３８５号公報

このような気液分離器については、循環する水素に作用する圧力損失を小さくし、循環効率を低下させずに、水分を効率的に分離可能な構造が要求される。

そこで、本発明は、燃料電池から排出されたオフガスに作用する圧力損失を小さくしつつ、オフガスから水分を好適に分離可能な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分を分離する気液分離器であって、上壁部、下壁部、第１側壁部、第２側壁部、第３側壁部、及び第４側壁部を有し、前記上壁部、前記下壁部、前記第１側壁部、前記第２側壁部、前記第３側壁部、及び前記第４側壁部に閉ざされて内部に気液分離空間が形成される気液分離器本体と、前記気液分離器本体の底面より高い位置で前記第１側壁部に設けられ、前記気液分離器本体にオフガスを導入するオフガス導入部と、前記気液分離器本体の前記上壁部に設けられ、前記オフガス導入部における流路断面積よりも大きい流路断面積を有し、前記気液分離器本体で気液分離されたオフガスを導出するオフガス導出部と、を備え、前記第１側壁部と、前記オフガス導入部と対向する前記第２側壁部と、前記上壁部と、前記下壁部と、前記第３側壁部とで、前記オフガスの流れを規制することにより、前記オフガス導入部から前記気液分離器本体に導入されるオフガスの直線的な流れを、前記第４側壁部側の水平方向に屈曲させる第１屈曲部と、前記第１側壁部と、前記第２側壁部と、前記上壁部と、前記下壁部と、前記第４側壁部とで、前記オフガスの流れを規制することにより、前記第１屈曲部からのオフガスの直線的な流れを、前記オフガス導出部に向けて上向きに屈曲させる第２屈曲部と、を有することを特徴とする気液分離器である。

ここで、水平方向は、略水平方向を含み、上向きは、略上向きを含むとする。
このような気液分離器によれば、オフガス導入部から気液分離器本体に導入されるオフガスの流れは、第１屈曲部において、水平方向に屈曲する。これにより、オフガスに同伴し、オフガスよりも慣性の大きい水分（液化した生成水等）は、第１屈曲部に衝突する。このため、水分をオフガスから効率的に分離できる。

また、気液分離器本体からオフガス導出部に導出されるオフガスの流れは、第２屈曲部において、上向きに屈曲する。これにより、その自重により、気液分離器本体に留まろうとする気液分離後の水分が、オフガス導出部に向かうオフガスに持ち去られにくくなる。
このようにして、オフガスの流れを第１屈曲部及び第２屈曲部で屈曲させることにより、オフガスから水分を効率的に分離できる。

また、オフガスの流れを第１屈曲部及び第２屈曲部で屈曲させるのみであるから、気液分離器を簡易な構造にすることができ、気液分離器を低コストで生産できる。

さらに、オフガスが第１屈曲部及び第２屈曲部で屈曲するのみであるから、例えばオフガス流路が蛇行する気液分離器に対して、オフガスに作用する圧力損失を小さくできる。これにより、燃料電池からのオフガスを、気液分離器から大きな抵抗を受けずに排出できる。
さらにまた、後記する実施形態のように、気液分離後のオフガスを燃料電池の上流に戻し、燃料電池に再供給し、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを循環させる燃料電池システムの場合、圧力損失が小さい気液分離器により、燃料ガス及び／又は酸化剤ガス（後記する実施形態では水素）の循環効率が大幅に低下することはなく、燃料電池の発電効率が大幅に低下することもない。

このような気液分離器によれば、オフガス導出部における流路断面積は、オフガス導入部における流路断面積よりも大きいので、オフガス導出部におけるオフガスの流速は、オフガス導入部におけるオフガスの流速よりも小さくなる。これにより、気液分離後のオフガスにより、気液分離された水分が、気液分離器本体から持ち去られることを防止できる。

また、車両に搭載され、前記オフガス導入部は、前記車両の前方向から前記気液分離器本体に前記オフガスが導入されるように設けられ、前記気液分離器本体において前記オフガス導出部よりも前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。
また、前記気液分離器本体における流路断面積は、前記オフガス導入部における流路断面積よりも大きいことを特徴とする気液分離器である。

このような気液分離器によれば、気液分離器本体における流路断面積は、オフガス導入部における流路断面積よりも大きいので、気液分離器本体におけるオフガスの流速は、オフガス導入部におけるオフガスの流速よりも小さくなる。これにより、気液分離器本体において、水分を、その自重により、オフガスから効率的に分離できる。

本発明によれば、燃料電池から排出されたオフガスに作用する圧力損失を小さくしつつ、オフガスから水分を好適に分離可能な気液分離器を提供できる。

本発明の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有する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。

ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

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単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１（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空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

そして、このように発電すると、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、カソードから排出されるカソードオフガス、アノード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、液化した水分が含まれる。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、エゼクタ２３と、気液分離器３０と、常閉型のパージ弁２４と、常閉型の掃気ガス排出弁２５とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３と、配管２３ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。配管２２ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（図示しない）が設けられており、この減圧弁には、カソード流路１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、前記空気の圧力とアノード流路１１における水素の圧力とが等しくなるように制御する構成となっている。
そして、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。

アノード流路１１の出口は、配管２３ｂ、気液分離器３０、配管２３ｃを介して、エゼクタ２３の吸込口に接続されている。そして、アノード流路１１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、気液分離器３０において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２３に戻されるようになっている。次いで、エゼクタ２３において、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。すなわち、本実施形態において、配管２３ｂ及び配管２３ｃによって、水素を循環させる水素循環ラインが構成されている。
なお、配管２３ｃの気液分離器３０側部分は、鉛直方向で配置されており、水素に同伴する水分が、自重により気液分離器３０に戻されるようになっている。

［パージ弁］
配管２３ｃは、その途中で、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、後記する希釈器４３の上部に接続されている。パージ弁２４は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２３ｂ及び配管２３ｃを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵによって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵは、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２４を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。

［掃気ガス排出弁］
また、配管２４ａの接続位置よりも上流側の配管２３ｃは、配管２５ａ、掃気ガス排出弁２５、配管２５ｂを介して、後記する希釈器４３の近傍の配管４２ｃに接続されている。掃気ガス排出弁２５は、燃料電池スタック１０の掃気時、詳細には、アノード流路１１の掃気時に、コンプレッサ４１が作動した状態で、ＥＣＵによって、後記する掃気ガス導入弁５１と共に開かれる設定となっている。

なお、燃料電池スタック１０の掃気時とは、例えばシステム停止時において、温度センサ（図示しない）によって検出されるシステム温度が所定温度未満であり、この後、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある時である。
そして、燃料電池スタック１０内が凍結する虞がある判定される場合、ＥＣＵは、コンプレッサ４１を作動すると共に、掃気ガス導入弁５１及び掃気ガス排出弁２５を開き、コンプレッサ４１からの掃気ガスを、アノード流路１１及びカソード流路１２に押し込み、アノード流路１１等の水分（水蒸気、結露水等）を押し出し、燃料電池スタック１０を掃気するように設定されている。この場合において、アノード流路１１から押し出された水分は、掃気ガス排出弁２５等を介して、配管４２ｃに排出され、次いで、配管４３ｂ、配管４３ｄを介して車外に排出されるようになっている。

［気液分離器の構成］
次に、気液分離器３０について、図２から図７を参照して具体的に説明する。なお、明確に説明するため、気液分離器３０が取り付けられる燃料電池自動車の車体（図示しない）を基準として、図２から図７に、前後、左右、上下を設定する。ただし、これらが気液分離器３０の取付状態を限定するものでない。
図２に示すように、気液分離器３０は、気液分離器本体３１と、配管２３ｂの下流端が接続されるオフガス導入部３２と、配管２３ｃの上流端が接続されるオフガス導出部３３とを備えている。

［気液分離器−気液分離器本体］
気液分離器本体３１は、左右方向にやや長い箱体であり、前壁部３１ａ、後壁部３１ｂ、左壁部３１ｃ、右壁部３１ｄ、上壁部３１ｅ、及び、下壁部３１ｆを備え、その内部に、アノードオフガス及びこれに同伴する液状の水分の流速を極端に低下させ、アノードオフガスから水分を分離させる気液分離空間を有している。そして、気液分離された水分Ｗは、気液分離器本体３１の下部（タンク部）に一時的に貯溜された後（図６参照）、図１に示すように、下壁部３１ｆに接続された配管２６ａ、ＥＣＵよって適宜に開かれる常閉型のドレン弁２６、配管２６ｂを介して、希釈器４３の上部に排出されるようになっている。

［気液分離器−オフガス導入部］
図２に戻って説明を続ける。
オフガス導入部３２は、配管２３ｂからのアノードオフガスを、気液分離器本体３１に導入する部分であり、気液分離器本体３１の前壁部３１ａの左側部分から前方に突出するように設けられ（図３、図４参照）、オフガス導入部３２内は気液分離器本体３１内と連通している。そして、図２から図４に示すように、オフガス導入部３２から気液分離器本体３１内に導入されたアノードオフガス（矢印Ａ１参照）は、気液分離器本体３１の後壁部３１ｂに衝突し、その流れ方向を右向きに屈曲し、気液分離器本体３１の右壁部３１ｄに向かうようになっている（矢印Ａ２参照）。

すなわち、本実施形態では、オフガス導入部３２から気液分離器本体３１に導入されるアノードオフガスを、燃料電池自動車の車体（図示しない）を基準として、水平方向である右向きに屈曲させる第１屈曲部は、気液分離器本体３１の左半分と、前壁部３１ａ及び後壁部３１ｂに対して垂直で配置されたオフガス導入部３２と、によって構成されている。

また、オフガス導入部３２は、気液分離器本体３１の底面よりも高い位置に設けられている（図４、図６参照）。これにより、気液分離器本体３１の下部が、気液分離器本体３１で分離された水分を一時的に貯溜するタンク部として機能すると共に、一時的に貯溜された水分が、オフガス導入部３２に逆流しないようになっている。

［気液分離器−オフガス導出部］
オフガス導出部３３は、気液分離器本体３１で水分が分離された後のアノードオフガスを、気液分離器本体３１から配管２３ｃに導出する部分であり、気液分離器本体３１の上壁部３１ｅの右側部分から上方に突出するように設けられ（図２、図４、図５参照）、オフガス導出部３３内は気液分離器本体３１内と連通している。そして、図２及び図５に示すように、気液分離器本体３１内を右向きで進むアノードオフガス（矢印Ａ２参照）は、右壁部３１ｄに衝突し、その流れを鉛直上向きに屈曲し、オフガス導出部３３に向かうようになっている（矢印Ａ３参照）。

すなわち、本実施形態では、気液分離器本体３１からオフガス導出部３３に導出されるアノードオフガスを、燃料電池自動車の車体（図示しない）を基準として、鉛直上向きで屈曲させる第２屈曲部は、右向きで進むアノードオフガスに対して垂直で配置された右壁部３１ｄを有する気液分離器本体３１の右半分と、鉛直方向で配置されたオフガス導出部３３と、によって構成されている。

つまり、気液分離器本体３１内には、アノードオフガス等が後壁部３１ｂに向かって後ろ向きに進む第１流路と、アノードオフガス等が右壁部３１ｄに向かって右向きに進む第２流路と、アノードオフガス等がオフガス導出部３３に向かって鉛直上向きに進む第３流路と、が形成されている。

また、オフガス導出部３３の内面と、気液分離器本体３１に貯溜される水分の水面との間の角度θは、９０°以上、つまり、仰角で設計されている（図５参照）。このように角度θが９０°以上で設計されていることにより、アノードオフガスによって水分が持ち去られようとしても、水分がその自重により落下し、気液分離器本体３１内に戻されるようになっている。したがって、持ち去られようとする水分が、容易に落下するように、オフガス導出部３３の内周面に撥水層を形成してもよい。

さらに、オフガス導出部３３の位置及び内径は、アノードオフガスの流量及びこれに同伴する水分の量が増加し、気液分離器本体３１に貯溜される水分の量が増加しても、オフガス導出部３３が閉塞しないように設計されている（図７参照）。

すなわち、オフガス導出部３３が、オフガス導入部３２よりも高い位置である気液分離器本体３１の上部に設けられているので、燃料電池スタック１０の発電量が増加し、アノードオフガスの流速が高まり、これに同伴する水分の量が増加した場合、図７に示すように、気液分離器本体３１内に貯溜された水分の水面は、下流側が高くなるように斜めになり、気液分離器本体３１内に貯溜可能な水分の容量、つまり、水分を貯溜するタンク部の容量が増加するようになっている。これにより、気液分離器３０を小型化しつつ、その機能（水分の分離・貯溜機能）が維持されるようになっている。

これに加えて、上り坂、下り坂、曲がった道路等を燃料電池自動車が走行することで、燃料電池自動車が傾いても、気液分離器３０の姿勢が維持され、オフガス導出部３３が閉塞しないように、気液分離器３０の姿勢を制御する姿勢制御機構を備える構成としてもよい。

［気液分離器−流路断面積］
また、図２に示すように、オフガス導入部３２における流路断面積Ｓ１と、気液分離器本体３１内を後向きに進む部分（矢印Ａ１参照）における流路断面積Ｓ２と、気液分離器本体３１内を右向きに進む部分（矢印Ａ２参照）における流路断面積Ｓ３と、オフガス導出部３３における流路断面積Ｓ４との関係は、「Ｓ２＞Ｓ３≫Ｓ４＞Ｓ１」となっている。

すなわち、オフガス導出部３３における流路断面積Ｓ４は、オフガス導入部３２における流路断面積Ｓ１よりも大きい関係となっている。また、気液分離器本体３１における流路断面積Ｓ２、Ｓ３は、オフガス導入部３２における流路断面積Ｓ１よりも大きい関係となっている。

流路断面積Ｓ１〜Ｓ４がこのように設計されているので、オフガス導入部３２における流速Ｖ１と、気液分離器本体３１内を後向きに進む部分（矢印Ａ１参照）における流速Ｖ２と、気液分離器本体３１内を右向きに進む部分（矢印Ａ２参照）における流速Ｖ３と、オフガス導出部３３における流速Ｖ４との関係は、「Ｖ２＜Ｖ３≪Ｖ４＜Ｖ１」となっている。

＜カソード系＞
図１に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ４１（酸化剤ガス供給手段、掃気手段）と、加湿器４２と、希釈器４３とを備えている。

コンプレッサ４１は、配管４１ａ、加湿器４２、配管４２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵの指令に従って作動すると、コンプレッサ４１は、酸素を含む空気を取り込み、空気をカソード流路１２に供給するようになっている。また、コンプレッサ４１は、燃料電池スタック１０の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ４１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。

カソード流路１２の出口は、配管４２ｂ、加湿器４２、配管４２ｃを介して、希釈器４３に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管４２ｂ等を介して、希釈器４３に供給されるようになっている。なお、配管４２ｃには、カソード流路１２における空気の圧力を制御する図示しない背圧弁（バタフライ弁等）が設けられている。

＜加湿器＞
加湿器４２は、コンプレッサ４１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜４２ｄを備えている。

＜希釈器＞
希釈器４３は、パージ弁２４から導入されるアノードオフガスと、配管４２ｃから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間４３ａを備えている。具体的には、希釈器４３は、希釈空間４３ａの鉛直下方に、カソードオフガスが流れる配管４３ｂを有しており、配管４３ｂには、その内部と希釈空間４３ａとを連通させる連通孔４３ｃが形成されている。

そして、カソードオフガスの一部は、連通孔４３ｃを通って、希釈空間４３ａに流出し、アノードオフガスと混合することで混合ガスを生成すると共に、水素を希釈するようになっている。次いで、生成した混合ガスは、配管４３ｂを流れるカソードオフガスにより、連通孔４３ｃを介して、配管４３ｂ内に吸引され、さらに希釈されながら、配管４３ｄを介して車外に排出されるようになっている。

＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池スタック１０の掃気時に、コンプレッサ４１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く系であり、常閉型の掃気ガス導入弁５１を備えている。掃気ガス導入弁５１の上流は、配管５１ａを介して配管４１ａに接続されており、掃気ガス導入弁５１の下流は、配管５１ｂを介して配管２３ａに接続されている。

≪燃料電池システム（気液分離器）の動作・効果≫
次に、気液分離器３０を備える燃料電池システム１の動作・効果を説明する。
アノードオフガス及びこれに同伴する液状の水分は、図２に示すように、オフガス導入部３２から気液分離器本体３１内に導入される。このとき、「流路断面積Ｓ２＞流路断面積Ｓ３≫流路断面積Ｓ１」の関係にあるので、気液分離器本体３１内に入ると、アノードオフガス及び水分の流速は、大きく低下する（Ｖ２＜Ｖ３≪Ｖ１）。これにより、その自重によりその場に留まろうとする水分は、アノードオフガスから効率的に分離され、気液分離器本体３１の下部に貯溜される（図６参照）。

また、後方に向かって直進するアノードオフガス及び水分（矢印Ａ１参照）が、気液分離器本体３１の後壁部３１ｂに衝突し、アノードオフガス及び水分の流れが、水平方向である右向きに屈曲する（矢印Ａ２参照）。これにより、水素等よりも慣性の大きい液状の水分が、その水分に作用する遠心力により分離される。さらに、このように後壁部３１ｂに衝突するので、後壁部３１ｂにおいて、アノードオフガスに含まれる水蒸気が結露し、アノードオフガスから分離される。

次いで、気液分離器本体３１内を右向きで進むアノードオフガス及び水分（矢印Ａ２参照）は、右壁部３１ｄに衝突し、アノードオフガス及び水分の流れが、鉛直上向きに屈曲する（矢印Ａ３参照）。これにより、慣性の大きい液状の水分が、その水分に作用する遠心力により好適に分離される。また、このように右壁部３１ｄに衝突するので、右壁部３１ｄにおいて、アノードオフガスに含まれる水蒸気が結露し、アノードオフガスから分離される。

さらに、その後、アノードオフガスは、鉛直上向きで流れるので、気液分離器本体３１に貯溜している水分が、導出するアノードオフガスに持ち去られること、つまり、アノードオフガスと共に導出することを防止できる。このとき、「流路断面積Ｓ１＜流路断面積Ｓ４」の関係にあるので、オフガス導出部３３における流速Ｖ４は、オフガス導入部３２における流速Ｖ１よりも小さくなり、気液分離器本体３１の水分が持ち去られることは、好適に防止される。

このようにして気液分離器３０において、アノードオフガスから水分を効率的に分離できる。
また、気液分離器３０は簡易な構成であるので、低コストで生産できる。
さらに、気液分離器３０において、アノードオフガスが２回にて屈曲するのみであるから、アノードオフガスが気液分離器３０から受ける圧力損失は小さくなり、水素の循環効率が大幅に低下することはなく、好適にアノード流路１１に再供給される。その結果、アノードにおいて水素不足になることは防止され、燃料電池スタック１０の発電に影響を及ぼさないレベルに抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組合させてもよい。

前記した実施形態では、気液分離器３０がアノード流路１１の下流に配置され、アノードオフガスから水分を分離する構成を例示したが、例えば、気液分離器３０がカソード流路１２の下流に配置され、カソードオフガスから水分を分離する構成でもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態に係る気液分離器の斜視図である。図２に示す気液分離器のＸ１−Ｘ１線断面図である。図２に示す気液分離器のＸ２−Ｘ２線断面図である。図２に示す気液分離器のＸ３−Ｘ３線断面図である。本実施形態に係る気液分離器の縦断面図であって、気液分離器をアノードオフガスの流れ方向において展開した図である。本実施形態に係る気液分離器の縦断面図であって、気液分離器をアノードオフガスの流れ方向において展開した図であり、アノードオフガスの流量が多く、貯溜された水分量が多い状態を示す。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
３０気液分離器
３１気液分離器本体
３２オフガス導入部
３３オフガス導出部

Claims

燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器であって、
上壁部、下壁部、第１側壁部、第２側壁部、第３側壁部、及び第４側壁部を有し、前記上壁部、前記下壁部、前記第１側壁部、前記第２側壁部、前記第３側壁部、及び前記第４側壁部に閉ざされて内部に気液分離空間が形成される気液分離器本体と、
前記気液分離器本体の底面より高い位置で前記第１側壁部に設けられ、前記気液分離器本体にオフガスを導入するオフガス導入部と、
前記気液分離器本体の前記上壁部に設けられ、前記オフガス導入部における流路断面積よりも大きい流路断面積を有し、前記気液分離器本体で気液分離されたオフガスを導出するオフガス導出部と、
を備え、
前記第１側壁部と、前記オフガス導入部と対向する前記第２側壁部と、前記上壁部と、前記下壁部と、前記第３側壁部とで、前記オフガスの流れを規制することにより、前記オフガス導入部から前記気液分離器本体に導入されるオフガスの直線的な流れを、前記第４側壁部側の水平方向に屈曲させる第１屈曲部と、
前記第１側壁部と、前記第２側壁部と、前記上壁部と、前記下壁部と、前記第４側壁部とで、前記オフガスの流れを規制することにより、前記第１屈曲部からのオフガスの直線的な流れを、前記オフガス導出部に向けて上向きに屈曲させる第２屈曲部と、を有する
ことを特徴とする気液分離器。
車両に搭載され、
前記オフガス導入部は、前記車両の前方向から前記気液分離器本体に前記オフガスが導入されるように設けられ、前記気液分離器本体において前記オフガス導出部よりも前方に配置さ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。
前記気液分離器本体における流路断面積は、前記オフガス導入部における流路断面積よりも大きい
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。