JP5434052B2

JP5434052B2 - 気液分離器

Info

Publication number: JP5434052B2
Application number: JP2008291267A
Authority: JP
Inventors: 典彦齋藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: JP2010115603A

Description

本発明は、燃料電池スタックから排出されるオフガスなどのガスの気液を分離する気液分離器に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。
このような燃料電池システムには、水分回収器で回収された水を吸収性多孔質材の毛細管現象により反応空気口ヘッダーへ移動させ、外部からの供給反応空気を加湿するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池スタックにおける反応ガスの入口及び出口にて水分のやり取りを行わせる構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、水素循環路における水素循環ポンプの上流側に気液分離器を設けたシステムも知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平８−３２１３１７号公報特開２００７−３２９００９号公報特開２００５−２４３３５７号公報

ところで、燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質膜を飽和加湿する必要があるが、負荷や温度の状況に応じて必要となる水分量が変動する。具体的には、高負荷高温状態では、電解質膜が乾燥気味となり、また、低負荷低温状態では、水分が過剰となってしまう。
このため、燃料電池からのオフガスを適度な加湿状態として燃料電池へ送り込む技術が要求されている。

そこで、本発明は、送り込まれるガスを適度な加湿状態として送り出すことができる気液分離器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、断面円形に形成された分離室と、前記分離室の側部に接続され、燃料電池から排出されたオフガスを前記分離室に導入する配管と、前記分離室の下方に併設されて所定量の水を貯留可能な貯留室と、前記分離室と前記貯留室とにわたって配設された多孔体とを備え、前記多孔体は、前記分離室ではその内面に当接しており、前記配管から前記分離室に導入された前記オフガスが前記分離室の内面に沿って流れることによる遠心力の作用によって水分量の多い前記オフガスから分離した水分を吸収し、吸収した水分によって乾燥気味の前記オフガスを加湿し、前記燃料電池に前記オフガスを供給する。

係る構成とすることによって、水分量が多いガスが分離室を通過する際には、多孔体によってガスの水分が吸収除去され、多孔体から貯留室に水が貯留される。また、水分量が少ないガスが分離室を通過する際には、貯留室の水で湿った状態の多孔体から水が蒸発することによってガスが加湿される。つまり、分離室に送り込まれるガスを適度な加湿状態にて送り出すことができる。

本発明の気液分離器によれば、送り込まれるガスを適度な加湿状態にて送り出すことができる。

まず、本発明に係る気液分離器の一実施形態が適用された燃料電池システム１の全体構成を説明する。この燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムであるが、車載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、及び圧力調整弁Ａ４が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。

圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。

水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

次に、本発明の一実施形態である上記気液分離器Ｈ４２について、具体的に説明する。
図２及び図３に示すように、気液分離器Ｈ４２は、ケース８１を有している。このケース８１は、上下方向の中間部にくびれ部８１ａが形成され、このくびれ部８１ａを境に、上方側が分離室８１ｂとされ、下方側が貯留室８１ｃとされている。

そして、ケース８１の分離室８１ｂは、断面円形に形成されており、その側部には水素循環路７５の上流側の配管が接続され、また、上部には水素循環路７５の下流側の配管が接続されている。また、貯留室８１ｃの底部には、排水管８３が接続され、この排水管８３との接続箇所には、排水弁Ｈ４１が設けられている。この排水弁Ｈ４１には、フロート８４が取り付けられており、このフロート８４が上下することにより、排水弁Ｈ４１が開閉される。

また、ケース８１には、分離室８１ｂから貯留室８１ｃにわたって多孔体８５が設けられており、分離室８１ｂでは、多孔体８５が、分離室８１ｂの内面に沿って配置されている。

そして、気液分離器Ｈ４２では、燃料電池２０から水素循環路７５に排出された水素オフガスが分離室８１ｂ内へ送り込まれると、分離室８１ｂの内面に沿って水素オフガスが流れることにより、その遠心力によって水分が外周側に寄せられ、分離室８１ｂの内面に沿って配置された多孔体８５にて補足されて吸収される。これにより、水分が除去されたガスが下流側の水素循環路７５へ送り出され、燃料電池２０へ再び戻される。

また、多孔体８５によって水素オフガスから分離された水は、多孔体８５を伝わり、下方側の貯留室８１ｃに貯留される。そして、この水の貯留量が増えて所定量以上となると、フロート８４が浮かぶことにより、排水弁Ｈ４１が開かれ、貯留室８１ｃの水が排水管８３へ送り込まれて排水される。そして、貯留室８１ｃにおける水位が下がると、フロート８４が水位とともに下がり、排水弁Ｈ４１が閉ざされる。これにより、貯留室８１ｃは、所定量の水が貯留した状態とされる。

上記の燃料電池システム１において、低負荷常温低温での運転時には、水分量が多い水素オフガス中の水分が上記の気液分離器Ｈ４２によって除去されて適度な加湿状態で燃料電池２０へ送り込まれる。

ところが、燃料電池車において登坂路を走行する場合などの高負荷高温での運転時には、燃料電池２０の電解質膜が乾燥気味となり、燃料電池２０から乾燥気味の水素オフガスが排出される。したがって、このような状態にて、燃料電池２０からの水素オフガスの水分を除去して燃料電池２０へ戻すと、燃料電池２０内の電解質膜の乾燥をさらに促進させてしまうという不具合が生じる。

しかし、このような場合においても、上記の気液分離器Ｈ４２では、燃料電池２０からの乾燥気味の水素オフガスが気液分離器Ｈ４２に送られてくると、分離室８１ｂの内面に沿って水素オフガスが流れて多孔体８５にあたり、多孔体８５に含まれている水が水素オフガスの熱によって蒸発し、水素オフガスが加湿される。よって、燃料電池２０には、気液分離器Ｈ４２にて加湿されて水素循環路７５へ送り出された水素オフガスが送り込まれ、これにより、燃料電池２０の電解質膜が適度の湿度に維持される。また、気液分離器Ｈ４２の多孔体８５は、分離室８１ｂにて水が蒸発するが、下方側が貯留室８１ｃの水に浸されているので、常に水が吸い上げられ、分離室８１ｂにおいても適度に水分を含んだ状態に維持される。

以上、説明したように、本実施形態にかかる気液分離器によれば、水分量が多い水素オフガスが分離室８１ｂを通過する際には、多孔体８５によって水素オフガスの水分が吸収除去され、多孔体８５から貯留室８１ｃに水が貯留される。また、水分量が少ない水素オフガスが分離室８１ｂを通過する際には、貯留室８１ｃの水で湿った状態の多孔体８５から水が蒸発することによって水素オフガスが加湿される。つまり、燃料電池２０の運転時の状態にかかわらず、分離室８１ｂに送り込まれる水素オフガスを適度な加湿状態にて送り出すことができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。燃料電池システムに設けられた気液分離器の構成を説明する概略側断面図である。燃料電池システムに設けられた気液分離器の構成を説明する概略平面である。

符号の説明

２０…燃料電池、８１ｂ…分離室、８１ｃ…貯留室、８５…多孔体、Ｈ４２…気液分離器。

Claims

断面円形に形成された分離室と、
前記分離室の側部に接続され、燃料電池から排出されたオフガスを前記分離室に導入する配管と、
前記分離室の下方に併設されて所定量の水を貯留可能な貯留室と、
前記分離室と前記貯留室とにわたって配設された多孔体とを備え、
前記多孔体は、前記分離室ではその内面に当接しており、前記配管から前記分離室に導入された前記オフガスが前記分離室の内面に沿って流れることによる遠心力の作用によって水分量の多い前記オフガスから分離した水分を吸収し、吸収した水分によって乾燥気味の前記オフガスを加湿し、前記燃料電池に前記オフガスを供給することを特徴とする気液分離器。