JP2006024427A - 燃料電池用気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属イオン等の不純物をも除去可能にした燃料電池用気液分離器を提供すること。
【解決手段】 酸素と水素とを反応させて直接電力を発生する燃料電池の排ガスから液滴を分離する燃料電池用気液分離器１０が、円筒状の空間より成る分離室１４を形成する本体部材１２と、本体部材の上方部分において、分離室１４の内周面に対して接線方向に配設された入口ポート１６と、分離室１４の上端部中央に形成された排気ポート２０と、分離室の下端部中央に形成された排水ポート２８と、排水ポートに連通するフィルタ格納空間３４を画成するフィルタ格納部材３２と、フィルタ格納空間３４に配設されたフィルタ３６とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池用気液分離器に関し、特に、燃料電池を動力源とする電気自動車の燃料電池からの排ガス中に含まれる水分を除去する燃料電池用気液分離器に関する。

従来、酸素と水素を反応させて発電する燃料電池の排ガスには、反応を促進するために加湿した水と、化学反応により生成された水とがミスト状になり多量に含まれている。この排ガスをそのまま排気系ダクトへ流すと排気系の機能、特に、燃料電池を電気自動車に搭載する場合には、電気自動車のマフラーの機能を低下させたり、マフラーの出口から白煙を出すという問題がある。このため、排ガス中の水を排ガスから分離する目的で気液分離器が設けられている。

気液分離器には種々なものがあるが、その一例として特許文献１にはサイクロン式の気液分離器が記載されている。特許文献１の気液分離器では、分離室内に流入する排ガス中に含まれる水分に加えて、該水分中に含まれるゴミを除去するためのフィルタを備えている。
特開２００２−３７３６９８号公報

特許文献１に記載の気液分離器では、サイクロン式の気液分離器の内部に配設されたフィルタにより、排ガス中の液滴に含まれているゴミ等を除去している。然しながら、特許文献１に開示の構成では、フィルタに濾し取られたゴミ等は、気液分離器内の旋回流により巻き上げられ、不純物が液滴を分離した後の排ガスと共に下流へ搬送される可能性がある。特に、気液分離器内の液面高さがフィルタの設置位置よりも低い場合（例えば、寒冷地における凍結防止のために、気液分離器の下部の排水管内の水を外部に排出する排水処理を行った場合）、排ガスによってフィルタからゴミ等の不純物が巻き上げられる可能性が高くなる。

そこで、本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、金属イオン等の不純物をも除去可能にした燃料電池用気液分離器を提供することを目的としている。

請求項１に記載の本発明は、燃料電池の排ガスから液滴を分離する燃料電池用気液分離器において、燃料電池から排ガスを導入して該排ガスから液滴を分離する分離室を形成する本体部材と、液滴が分離された排ガスを前記分離室から前記本体部材の外部へ導出する排気ポートと、前記排ガスから分離された液体を前記分離室から前記本体部材の外部へ導出する排水ポートと、前記排水ポートからの液体を濾過するフィルタと、前記フィルタを格納するフィルタ格納空間を画成するフィルタ格納部材とを具備し、前記フィルタ格納空間は、前記フィルタが前記空間内の気体の流動の影響を受けないように、前記排水ポートに連通していることを特徴とする燃料電池用気液分離器を要旨とする。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、図１を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。第１の実施形態による気液分離器１０は、燃料電池より導入された排ガスから液滴を分離する所定容積の空間としての分離室１４を画成する本体部材１２を具備している。本体部材１２は、中空円筒状の側壁１２ａ、側壁１２ａの上端開口部を閉鎖する天壁１２ｂ、および、側壁１２ａの下端開口部を閉鎖する底壁１２ｃを有し、これにより、分離室１４は、実質的に円筒形状の空間となる。

本体部材１２の側壁１２ａの上端近傍には、管路１８を介して燃料電池（図示せず）に接続された入口ポート１６が形成されている。入口ポート１６は、該入口ポート１６から分離室１４内に流入する液滴、通常は水滴を含んだ燃料電池の排気が、側壁１２ａの内周面に沿って旋回できるように、好ましくは、側壁１２ａの内周面に対して接線方向に向けられている。

天壁１２ｂの中央部には排気ポート２０が形成されており、該排気ポート２０には排気管２２が接続されている。また、天壁１２ｂの内面には、排気ポート２０を包囲するように円筒状の分離壁２４が分離室１４内へ垂下されている。一方、底壁１２ｃには、上方に向かって広がるすり鉢状に形成された液体収集部２６が形成されており、その下端部中央には排水ポート２８が形成されている。排水ポート２８には排水管３０が連結されている。

気液分離器１０は、また、排水ポート２８に連通するフィルタ格納空間３４を画成するフィルタ格納部材３２を具備している。本実施形態では、フィルタ格納部材３２は、上方に開口する有底円筒状の部材より成り、分離室１４の外部において排水ポート２８に隣接させて排水管３０の周辺に配置されている。図１に示すように、排水管３０が有底円筒状の部材より成るフィルタ格納部材３２内に延びるように、フィルタ格納部材３２を排水管３０の周辺に配置することにより、下側に入口３４ａを上側に出口３４ｂを有したフィルタ格納空間３４が、フィルタ格納部材３２と排水管３０との間に画成される。フィルタ格納空間３４内には、排水管３０を包囲するようにフィルタ３６が配置されている。好ましくは、フィルタ３６は、多孔質状のイオン交換樹脂から形成することができる。

本体部材１２の底壁１２ｃの外面には、フィルタ格納部材３２を包囲する下カバー３８が取付けられている。本実施形態では、下カバー３８は、シール部材３８としてのＯリング４０を底壁１２ｃの外面との間に挟んで複数のボルト４２およびナット４３により底壁１２ｃに対して固定される。下カバー３８には、また、フィルタ３６を通過した水を外部へ排出するためのドレン穴３８ａが形成されており、該ドレン穴３８ａにはドレン管４６が連結されている。

以下、本実施形態の作用を説明する。燃料電池から水滴を含んだ排ガスが、管路１８を介して入口ポート１６から分離室１４内に流入する。分離室１４内に流入した排ガスは、側壁１２ａの内周面に沿って旋回し、その遠心力により排ガス中の水滴が側壁１２ａの内周面に付着する。側壁１２ａの内周面に付着した水滴は、重力に該内面を伝って下方へ移動し、更に、収集部２６のすり鉢状の内面に沿って排水ポート２８から分離室１４の外部へ流出する。この水は、更に、排水管３０および入口３４ａを通過してフィルタ格納空間３４内に流入する。

フィルタ格納空間３４は下側に入口３４ａを上側に出口３４ｂを有しているので、フィルタ格納空間３４内の水はフィルタ３６内を下から上へ流通し、フィルタ保持部材３２と下カバー３８との間の空間４４、下カバー３８のドレン穴３８ａおよびドレン管４６を介して気液分離器１０の外部へ排出される。前記水がフィルタ３６を通過する間、該水に含まれている不純物がフィルタ３６により除去される。その際、本実施形態では、フィルタ格納空間３４およびフィルタ３６が、分離室１４の外部において排水ポート２８に隣接させて排水管３０の周辺に配置されているために、分離室１４内で旋回する排ガスの流動の影響を受けず、従来技術のように、排ガスによってフィルタ３６からゴミ等の不純物が巻き上げられることがなくなる。

特許文献１に記載の気液分離器では、フィルタとして、ポリプロピレン等の樹脂により円形状の金網の外周をインサートモールドしたものが用いられており、排ガス中の水分に含まれるゴミを物理的に濾し取ることしかできない。実際には燃料電池の排ガスには金属イオン等の不純物が含まれているために、特許文献１に記載の気液分離器ではこうした不純物を除去することができない。これに対して本実施形態では、上述したように、フィルタ３６は、多孔質状のイオン交換樹脂から形成することができ、この場合、フィルタ３６は金属イオン等の不純物も除去可能である。

また、本実施形態では、フィルタ格納空間３４は、図１に示すように、その入口３４ａが下側に配置され、出口３４ｂが上側に配置されているので、水は、フィルタ３６の一部を迂回することなく、フィルタ３６の高さ方向に概ねその全体にわたってフィルタ３６内を流通し、フィルタ３６を有効に利用することが可能となる。また、入口３４ａが下側に配置され、出口３４ｂが上側に配置されていることから、排水管３０およびフィルタ格納空間３４内には、最大で出口３４ｂの高さまで水が貯留することとなる。従って、分離室１４内の圧力が排水管３０およびフィルタ格納空間３４内に貯留した水の水頭圧を越えないように、排気ポート２０、排気管２２および排気管２２の下流側の背圧を調節することにより、分離室１４内の排ガスが排水ポート２８から流出する吹き抜けを防止することが可能となる。

次に、図２、３を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。
第１の実施形態では、フィルタ格納部材３２は排水管３０の周辺に形成され、フィルタ３６は排水管３０を包囲するように配置されていたが、本実施形態では、フィルタ格納部材およびフィルタは排水管から離れた位置に設けられている。

図２において、気液分離器５０は、実質的に円筒状の空間より成る分離室５１を画成する中空状の本体部材５２と、管路、好ましくはゴムやプラスチックから形成される柔軟な管路６４を介して本体部材５２に接続されたフィルタ集成体６６とを具備している。本体部材５２は、第１の実施形態による本体部材と実質的に同様に形成されており、入口ポート５４、排気ポート５６および本体部材５２の下端に形成された収集部６０および該収集部６０の下端中央部に形成された排水ポート５８を有している。

図３を参照すると、フィルタ集成体６６は、上方に開口した有底状のハウジング６８、該ハウジング６８の上端開口部を閉鎖する上カバー７０およびハウジング６８内に格納される矩形の板状のフィルタ７８とを具備している。上カバー７０には、接続管路６４を介して排水ポート５８に連通する導入口８４が形成されており、導入口８４には継手管７２が連結されている。ハウジング６８には、ハウジング６８の底壁には排出口８６が形成されており、該排出口８６にはドレン管８８が連結されている。なお、本実施形態においても、フィルタ７８は、フィルタ３６と同様に、多孔質状のイオン交換樹脂から形成することができる。

また、上カバー７０の天壁の内面およびハウジング６８の底壁の内面には、フィルタ７８の両端部の各々に当接するフィルタ固定部材８０、８２が取付けられている。本実施形態では、上カバー７０、ハウジング６８および固定部材８０、８２によりフィルタ格納空間が形成され、フィルタ固定部材８０とハウジング６８の底壁の間の隙間８０ａがフィルタ格納空間への入口を形成し、上カバー７０とフィルタ固定部材８２との間の隙間８２ｂがフィルタ格納空間からの出口を形成している。

なお、上カバー７０の天壁およびハウジング６８の底壁には、上カバー７０およびハウジング６８を補強するためのリブ７４、７６を形成することができる。この場合、図２に示すように、リブ７４、７６を内側に突出させて内部に格納されるフィルタ７８に接触または係合できるように形成することにより、フィルタ７８を一層良好に固定することが可能となる。

以下、本実施形態の作用を説明する。燃料電池から水滴を含んだ排ガスが、入口ポート５４から分離室５１内に流入し、分離室５１の内周面に沿って旋回する。その際、遠心力により排ガス中の水滴が分離室５１の内周面に付着して、重力に該内面を伝って下方へ移動し、収集部６０のすり鉢状の内面に沿って排水ポート５８から排水管６２を介して本体部材５２の外部に流出する。次いで、この水は、管路６４を介してフィルタ集成体６６へ流入する。より詳細には、水は、管路６４、継手管７２、入口ポート８４を介してフィルタ集成体６６の内部空間へ流入する。

フィルタ集成体６６の内部空間へ流入した水は、フィルタ格納空間への入口８０ａからフィルタ格納空間へ流入し、フィルタ格納空間に格納されているフィルタ７８内を流通して、フィルタ格納空間の出口８２ｂを通過してフィルタ格納空間から流出する。前記水がフィルタ７８を通過する間、該水に含まれている不純物がフィルタ７８により除去される。その際、本実施形態では、前記フィルタ格納空間は、分離室５１の外部において管路６４を介して排水ポート５８に接続されているために、分離室５１内で旋回する排ガスの流動の影響を受けず、従来技術のように、排ガスによってフィルタ７８からゴミ等の不純物が巻き上げられることがなくなる。

また、フィルタ格納空間内において、前記水は、フィルタ７８内を図２において左下から右上へ、フィルタ７８の一部を迂回することなく、概ねその全体にわたってフィルタ７８内を流通するので、フィルタ７８を有効に利用することが可能となる。また、フィルタ集成体６６内には、出口８２ｂの高さまで、水が貯留されることとなるので、分離室５１内の圧力がフィルタ集成体６６内に貯留した水の水頭圧を越えないように、排気ポート５６およびその下流側の背圧を調節することにより、分離室５１内の排ガスが排出口８６から流出する吹き抜けを防止することが可能となる。

本発明の燃料電池用気液分離器の第１の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の燃料電池用気液分離器の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図２の燃料電池用気液分離器のフィルタ集成体を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０ 気液分離器
１２ 本体部材
１４ 分離室
１６ 入口ポート
２０ 排気ポート
２８ 排水ポート
３０ 排水管
３２ フィルタ格納部材
３４ フィルタ格納空間

Claims (7)

1. 燃料電池の排ガスから液滴を分離する燃料電池用気液分離器において、
   燃料電池から排ガスを導入して該排ガスから液滴を分離する分離室を形成する本体部材と、
   液滴が分離された排ガスを前記分離室から前記本体部材の外部へ導出する排気ポートと、
   前記排ガスから分離された液体を前記分離室から前記本体部材の外部へ導出する排水ポートと、
   前記排水ポートからの液体を濾過するフィルタと、
   前記フィルタを格納するフィルタ格納空間を画成するフィルタ格納部材とを具備し、
   前記フィルタ格納空間は、前記フィルタが前記空間内の気体の流動の影響を受けないように、前記排水ポートに連通していることを特徴とする燃料電池用気液分離器。
2. 燃料電池の排ガスから液滴を分離する燃料電池用気液分離器において、
   円筒状の空間より成る分離室を形成する本体部材と、
   前記本体部材の上方部分において、前記分離室の内周面に対して接線方向に配設された入口ポートと、
   前記分離室の上端部中央に形成された排気ポートと、
   前記分離室の下端部中央に形成された排水ポートと、
   前記排水ポートに連通するフィルタ格納空間を画成するフィルタ格納部材と、
   前記フィルタ格納空間に配設されたフィルタとを具備する燃料電池用気液分離器。
3. 前記本体部材は、前記分離室の下端部に上方に広がるすり鉢状の収集部を有しており、前記排水ポートは前記収集部の下端中央に形成されている請求項１または２に記載の燃料電池用気液分離器。
4. 前記排水ポートには前記分離室の中心軸線に沿って延設された排水管が接続されており、
   前記フィルタ格納部材は、前記分離室外部において前記排水管の周辺に形成されており、前記フィルタは前記フィルタ格納空間内において前記排水管を包囲するように配置されている請求項１または２に記載の燃料電池用気液分離器。
5. 前記フィルタ格納部材は、上方に開口した有底状のハウジングと、該ハウジングの開口部を閉じる上カバーとを具備し、
   前記フィルタ格納空間を管部材を介して前記排水ポートに連通させるようにして前記フィルタ格納部材を前記排水ポートから離間配置可能にした請求項１または２に記載の燃料電池用気液分離器。
6. 前記フィルタ格納部材は、上方に開口した有底状のハウジングと、該ハウジングの開口部を閉じる上カバーとを具備し、
   前記フィルタ格納空間内に配設されたフィルタの一端に係合する第１のフィルタ保持部材が前記カバー内面に配設されており、前記フィルタにおいて第１のフィルタ保持部材と係合する端部とは反対側の端部と係合する第２のフィルタ保持部材が前記ハウジング内面に配設されている請求項１または２に記載の燃料電池用気液分離器。
7. 前記第１は前記上カバーの内面に取付けられ、前記第２のフィルタ保持部材は前記ハウジングの内面に取付けられている請求項６に記載の燃料電池用気液分離器。

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