JP5308044B2 - 気液分離器 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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 (3)
- 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。
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