JP6295921B2

JP6295921B2 - 燃料電池の気液分離器

Info

Publication number: JP6295921B2
Application number: JP2014223673A
Authority: JP
Inventors: 訓寛山浦
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: DE102015118418A1; US20160126568A1; US9997793B2; JP2016091733A

Description

本発明は、燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離し、その分離された水を前記ハウジング外に排出する気液分離器に関する。

燃料電池装置は、複数のセルを積層することにより形成された燃料電池本体と、燃料電池本体をセルの積層方向において挟持する一対のエンドプレートとを有する燃料電池スタックを備えている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池スタックには、燃料電池本体に対して燃料ガス（例えば水素）や酸化剤ガス（例えば空気）を供給する供給通路がそれぞれ形成されている。また、燃料電池スタックには、燃料電池本体からの燃料ガスや酸化剤ガスを排出する排出通路がそれぞれ形成されている。

燃料ガスの排出通路には、燃料電池本体からの燃料ガス（以下、排気と称する。）を導入して水と分離する気液分離器が設けられている。また、こうして分離された水は排水弁を通じて排出される。

燃料電池本体からの排気には製造時に混入した異物が含まれていることがあり、そうした異物が排出通路を通じて排水弁に到達すると、排水弁が異物を噛み込むおそれがある。
そこで、特許文献１では、エンドプレートを貫通する排出通路に対して、エンドプレートの下面から同排出通路に挿入する挿入孔が形成されており、この挿入孔にはフィルタが挿通されている。そして、このフィルタによって排気に含まれる異物を捕捉するようにしている。

特開２００９―１２３４５３号公報

ところで、特許文献１に記載の構成においては、エンドプレートに対してフィルタを組み付けるために同エンドプレートに挿入孔を形成する必要がある。そのため、フィルタを組み付けるための構造が複雑なものとなっている。

本発明の目的は、フィルタを組み付けるための構造を簡易なものとすることができる燃料電池の気液分離器を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池の気液分離器は、燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離し、その分離された水を前記ハウジング外に排出する。前記ハウジングは、排気入口が形成されたケースと、分離された水を前記ハウジング外へ排出する排水出口が形成されたキャップと、を備え、前記排気入口には、前記ハウジング内に流入する異物を捕捉するフィルタが同ハウジングの内側から内挿されている。

同構成によれば、ケースの排気入口を利用してケースに対してフィルタが組み付けられることから、フィルタを組み付けるための挿入孔を別途設ける必要がない。

本発明によれば、フィルタを組み付けるための構造を簡易なものとすることができる。

一実施形態に係る燃料電池の気液分離器の斜視図。同実施形態に係るケースを内側から視た正面図。同実施形態に係るキャップを内側から視た正面図。同実施形態に係る気液分離器の断面図。図４の５−５線に沿った断面図。

以下、図１〜図５を参照して、一実施形態について説明する。なお、図１〜図４における上下方向が鉛直方向の上下方向に対応している。
図１に示すように、固体高分子形燃料電池は、車両に搭載されるものであり、複数のセル（図示略）を積層することにより形成された燃料電池本体９１と、燃料電池本体９１をセルの積層方向において挟持する一対のエンドプレート２０とを備えた燃料電池スタック９０を備えている。なお、同図においては、燃料電池本体９１の一端に設けられたエンドプレート２０のみが燃料電池本体９１から離間して示されている。

以降においては、このエンドプレート２０を中心とした燃料ガスの循環構造について説明する。なお、本実施形態では、燃料ガスとして水素が用いられている。
図１、図２、及び図５に示すように、エンドプレート２０は、例えばアルミニウムなどの金属材料により形成されたプレート本体２１を有しており、同プレート本体２１にはその厚さ方向に貫通する貫通孔２４が形成されている。

図１に示すように、燃料電池スタック９０には、燃料電池本体９１からの燃料ガス（以下、排気と称する。）を排出する排出通路９２、排出通路９２からの排気を水と分離する気液分離器１０、及び気液分離器１０からの排気を燃料電池本体９１に戻す戻し通路９３が設けられている。

気液分離器１０のハウジング１１は、いずれも硬質樹脂材料によって形成されたケース３０とキャップ４０とを備えている。
図１、図２及び図５に示すように、ケース３０は、プレート本体２１の貫通孔２４の内部に設けられており、インサート成形によってプレート本体２１と一体形成されている。図２、図４及び図５に示すように、ケース３０の開口３１の周縁にはフランジ３２が形成されている。ケース３０には、排出通路９２に接続される排気入口３５がフランジ３２の内周縁と隣り合って形成されている。また、図２及び図４に示すように、ケース３０には、戻し通路９３に接続される排気出口３６が形成されている。図２に示すように、プレート本体２１には、フランジ３２を囲むようにシート面２２が形成されており、同シート面２２には複数の雌ねじ孔２３ａ〜２３ｄが形成されている。

図４及び図５に示すように、排気入口３５には、排出通路９２を通じてハウジング１１内に流入する異物を捕捉するフィルタ６０が同ハウジング１１の内側から内挿されている。

図５に示すように、フィルタ６０は、排気入口３５に挿通される円筒状の基部６１と、同基部６１の先端に設けられ、メッシュ状の部位を有する濾過部６５とを備えている。基部６１及び濾過部６５は樹脂材料によって形成されている。基部６１における排気入口３５の内周面に対向する外周面には環状溝６２が形成されており、環状溝６２にはＯリング６６が外嵌されている。このＯリング６６によって基部６１と排気入口３５との間がシールされている。基部６１の先端外周面には、環状の拡径部６３が形成されている。

図３及び図５に示すように、キャップ４０の開口４１の周縁にはフランジ４２が形成されている。フランジ４２における前記雌ねじ孔２３ａ〜２３ｄに対応する位置には、ボルト孔４６ａ〜４６ｄが形成されている。

図１及び図４に示すように、キャップ４０には、排気から分離された水をハウジング１１外へ排出する排水出口４５が形成されている。キャップ４０には、排水出口４５を開閉する排水弁５０が設けられている。排水弁５０は、図示しない駆動部によって弁体５１を図４の左右方向に変位させることによって排水出口４５を開閉する。

キャップ４０のボルト孔４６ａ〜４６ｄにそれぞれボルト１２を挿通し、同ボルト１２をそれぞれプレート本体２１の雌ねじ孔２３ａ〜２３ｄに螺入することにより、図１に示すようにキャップ４０がプレート本体２１に締結される。なお、ケース３０のフランジ３２及びプレート本体２１のシート面２２とキャップ４０のフランジ４２との間には、シール部材（図示略）が介設されている。

図３及び図４に示すように、キャップ４０のフランジ４２の内周縁には、３つの規制突部４４ａ〜４４ｃが互いに間隔をおいて形成されている。これら規制突部４４ａ〜４４ｃはキャップ４０の底面まで延びている。図５に示すように、規制突部４４ａはフィルタ６０の拡径部６３の端面６４に当接されている。なお、他の２つの規制突部４４ｂ，４４ｃも前記規制突部４４ａと同様にしてフィルタ６０の前記端面６４に当接されている（図４参照）。すなわち、これら規制突部４４ａ〜４４ｃの端面は、排気入口３５に対するフィルタ６０の挿通方向（図５の上下方向）においてフィルタ６０の拡径部６３の端面６４に対向しており、排気入口３５からフィルタ６０が抜けようとすることが規制突部４４ａ〜４４ｃによって規制されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
気液分離器１０においては、ケース３０の排気入口３５を利用してケース３０に対してフィルタ６０が組み付けられることから、フィルタ６０を挿入するための挿入孔を別途設ける必要がない。従って、フィルタ６０を組み付けるための構造が簡易なものとなる。

ところで、車載の燃料電池においては、車両振動などによって排気入口３５に内挿されたフィルタ６０が振動し、同排気入口３５から抜けるおそれがある。
この点、本実施形態の気液分離器１０によれば、フィルタ６０の振動、ひいては排気入口３５からのフィルタ６０の抜け出しがキャップ４０の規制突部４４ａ〜４４ｃによって規制される。このため、Ｏリング６６のみによってフィルタ６０の抜け止めを行なう場合に比べて、フィルタ６０の抜け止めが確実に行なわれる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池の気液分離器によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）気液分離器１０のハウジング１１は、排気入口３５が形成されたケース３０と、分離された水をハウジング１１外へ排出する排水出口４５が形成されたキャップ４０とを備えている。排気入口３５には、ハウジング１１内に流入する異物を捕捉するフィルタ６０が同ハウジング１１の内側から内挿されている。

こうした構成によれば、ケース３０の排気入口３５を利用してケース３０に対してフィルタ６０が組み付けられることから、フィルタ６０を挿入するための挿入孔を別途設ける必要がない。従って、フィルタ６０を組み付けるための構造を簡易なものとすることができる。

（２）キャップ４０には、排気入口３５からのフィルタ６０の抜けを規制する規制突部４４ａ〜４４ｃが形成されている。
こうした構成によれば、フィルタ６０の振動、ひいては排気入口３５からのフィルタ６０の抜け出しがキャップ４０の規制突部４４ａ〜４４ｃによって規制されるため、フィルタ６０の抜け止めを確実に行なうことができる。

（３）ケース３０、キャップ４０、及びフィルタ６０はいずれも樹脂材料によって形成され、規制突部４４ａ〜４４ｃは、キャップ４０の開口４１の内周縁に一体形成されている。

こうした構成によれば、排気入口３５から排気出口３６に至る排気の通路を構成する部位が樹脂材料によって形成されることとなる。このため、こうした通路に金属材料が用いられる構成とは異なり、排気などとの化学反応によって金属材料がイオン化され、燃料電池本体９１に還流される排気に金属イオンが混入することを適切に抑制することができる。従って、燃料電池本体９１の電解質膜が前記金属イオンによって化学的に劣化することを適切に抑制することができる。

（４）フィルタ６０には、排気入口３５に対する同フィルタ６０の挿通方向において規制突部４４ａ〜４４ｃに対向する端面６４が全周にわたって形成されている。
こうした構成によれば、挿通方向においてフィルタ６０の端面６４とキャップ４０の規制突部４４ａ〜４４ｃとが対向することから、フィルタ６０の抜け止めを一層適切に行なうことができる。

また、規制突部４４ａ〜４４ｃがフィルタ６０の全周にわたって形成されているため、排気入口３５に対してフィルタ６０を内挿する際に、フィルタ６０の端面６４と規制突部４４ａ〜４４ｃとが対向するようにフィルタ６０の位置合せを行なう必要がなくなる。従って、フィルタ６０の組み付けを容易に行なうことができる。

（５）エンドプレート２０は、金属材料により形成されたプレート本体２１を有し、ケース３０は、樹脂材料により形成され、プレート本体２１に一体形成されている。
こうした構成によれば、ケース３０がエンドプレート２０の一部とされるため、ケース３０とエンドプレート２０とを別体にて形成し、エンドプレートを貫通する排出通路とケースの排気入口とを配管によって接続する構成に比べて、部品点数を削減することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・規制突部４４ａ〜４４ｃとフィルタ６０の端面６４との間に、排気入口３５からのフィルタ６０の抜けを規制することができる範囲内で隙間を設定することもできる。

・気液分離器１０をエンドプレート２０とは別体にて構成することもできる。この場合、エンドプレート２０を貫通する孔とケース３０の排気入口３５とを配管によって接続するようにすればよい。

・フィルタ６０の拡径部６３を周方向において部分的に設けるようにしてもよい。
・規制突部４４ａ〜４４ｃの個数や大きさを適宜変更することもできる。また、規制突部４４ａ〜４４ｃを省略することもできる。

１０…気液分離器、１１…ハウジング、１２…ボルト、２０…エンドプレート、２１…プレート本体、２２…シート面、２３ａ〜２３ｄ…雌ねじ孔、２４…貫通孔、３０…ケース、３１…開口、３２…フランジ、３５…排気入口、３６…排気出口、４０…キャップ、４１…開口、４２…フランジ、４４ａ〜４４ｃ…規制突部（規制部）、４５…排水出口、４６ａ〜４６ｄ…ボルト孔、５０…排水弁、５１…弁体、６０…フィルタ、６１…基部、６２…環状溝、６３…拡径部、６４…端面、６５…濾過部、６６…Ｏリング、９０…燃料電池スタック、９１…燃料電池本体、９２…排出通路、９３…戻し通路。

Claims

燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離し、その分離された水を前記ハウジング外に排出する気液分離器において、
前記ハウジングは、排気入口が形成されたケースと、分離された水を前記ハウジング外へ排出する排水出口が形成されたキャップと、を備え、
前記排気入口には、前記ハウジング内に流入する異物を捕捉するフィルタが同ハウジングの内側から内挿されている、
燃料電池の気液分離器。
前記キャップには、前記排気入口からの前記フィルタの抜けを規制する規制部が形成されている、
請求項１に記載の燃料電池の気液分離器。
前記規制部は、前記キャップの開口の内周縁に一体形成された突部である、
請求項２に記載の燃料電池の気液分離器。
前記フィルタには、前記排気入口に対する同フィルタの挿通方向において前記規制部に対向する端面が全周にわたって形成されている、
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池の気液分離器。
前記気液分離器は、前記燃料電池本体の一端にエンドプレートが設けられる燃料電池スタックに適用され、
前記エンドプレートは、金属材料により形成されたプレート本体を有し、
前記ケースは、樹脂材料により形成され、前記プレート本体に一体形成されている、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池の気液分離器。