JP4395046B2 - 車載燃料電池用気液分離器 - Google Patents

Description

本発明は、車載燃料電池のオフガスに含まれる水を分離する車載燃料電池用気液分離器に関する。

一般に、燃料電池のスタックは、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソードを区画し、他側にアノードを区画して構成された単セルが積層されており、カソードに供給される空気中の酸素と、アノードに供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池の分野では、燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水を分離するための気液分離器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この気液分離器では、オフガスに含まれる水が分離されるので、オフガスを流通させる配管に水が滞留することが防止される。したがって、この気液分離器によれば、下流側へのオフガスの輸送が円滑に行われる。
特開２００２−３５２８４４号公報（段落番号００２３〜００２８、図１）

昨今、燃料電池が発電した電気を利用して走行する燃料電池自動車が知られている。このような燃料電池自動車に搭載される車載燃料電池の気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）は、燃料電池自動車に対する取り付けスペースを考慮して、気液分離器の高さ方向の厚みが低減されているものが望ましい。そして、厚みを低減した気液分離器としては、例えば、オフガス流通管（オフガス導入管及びオフガス排出管）、排水管等の配管を気液分離器の側壁に取り付けたものが考えられる。
一方、気液分離器は、燃料電池自動車が傾いた際にその傾きに応じて傾く。その結果、オフガスから分離された水が気液分離器内を移動することによって気液分離器の側壁側に偏ることとなる。そして、側壁にオフガス流通管が取り付けられた気液分離器では、側壁に水が偏った際にその水がオフガス流通管に流れ込んでオフガス流通管を閉塞する恐れがある。

そこで、本発明は、車両が傾いた際に、オフガスから分離した水がオフガス流通管に流れ込むことを防止する車載燃料電池用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発明は、燃料電池のオフガスが導入されて前記オフガスに含まれる水を分離する上側チャンバと、分離された前記水を排出する排水部が形成された下側チャンバと、前記上側チャンバと前記下側チャンバとを仕切る仕切りプレートと、前記上側チャンバ内に連通するように前記上側チャンバに取り付けられたオフガス流通管と、前記上側チャンバと前記下側チャンバとを連通させるように前記仕切りプレートに形成された連通孔とを備える車載燃料電池用気液分離器であって、前記仕切りプレート上には前記上側チャンバ内で蛇行する流路が形成されており、前記流路の途中で前記連通孔が、前記オフガス流通管から離れるように前記仕切りプレートの中央部からオフセットした位置のみに形成されていることを特徴とする。

この車載燃料電池用気液分離器では、上側チャンバにおいてオフガスから分離された水が、仕切りプレートの連通孔を介して下側チャンバに入り込んで溜められる。そして、下側チャンバに溜められた水は、排水部を介して間欠的に下側チャンバから排出される。また、この車載燃料電池用気液分離器では、仕切りプレートの連通孔が、オフガス流通管から離れるように仕切りプレートの中央部からオフセットして形成されている。その結果、この車載燃料電池用気液分離器は、上側チャンバ及び下側チャンバが、オフガス流通管が取り付けられた側に向かって傾いたとしても、下側チャンバ内に溜まった水が上側チャンバ内に移動することは仕切りプレートによって妨げられる。したがって、この車載燃料電池用気液分離器では、下側チャンバに溜められた水が上側チャンバに取り付けられたオフガス流通管に流れ込むことが防止される。

また、このような車載燃料電池用気液分離器は、前記流路を形成する流路形成リブが上側チャンバ内を仕切るように立設されていることが望ましい。
また、このような車載燃料電池用気液分離器は、前記オフガス流通管が、前記上側チャンバの側壁に取り付けられていると共に、前記連通孔が、前記仕切りプレートの中央部よりも前記オフガス流通管が取り付けられた前記上側チャンバの側壁の反対側の側壁寄りに形成されていることが望ましい。

また、このような車載燃料電池用気液分離器は、前記下側チャンバ内の底部が凹状となるように傾斜面で形成されており、前記排水部が前記底部の最も低い部分に形成されていることが望ましい。

この車載燃料電池用気液分離器では、上側チャンバにおいてオフガスから分離された水が、仕切りプレートの連通孔を介して下側チャンバに入り込んで溜められる際に、下側チャンバの底部が凹状となるように傾斜面で形成されているので、水が傾斜面を伝って底部の最も低い部分に向かって流れる。したがって、この車載燃料電池用気液分離器では、例えば、底部が平坦な車載燃料電池用気液分離器と比較して、水が底部に効率よく集められる。そして、本発明の車載燃料電池用気液分離器では、底部の最も低い部分に排水部が形成されているので、集められた水は排水部から安定して排出されていく。

本発明の車載燃料電池用気液分離器は、車両が傾いた際に、オフガスから分離した水がオフガス流通管に流れ込むことを防止することができる。

次に、本発明の車載燃料電池用気液分離器における一実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る車載燃料電池用気液分離器が組み込まれた燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車の平面図、図２は、本実施形態に係る車載燃料電池用気液分離器が組み込まれた燃料電池システムのブロック図、図３（ａ）は、本実施形態に係る車載燃料電池用気液分離器を斜め上方から見た斜視図、図３（ｂ）は、本実施形態に係る車載燃料電池用気液分離器を斜め下方から見た斜視図、図４は、本実施形態に係る車載燃料電池用気液分離器の分解斜視図、図５は、図３（ｂ）のＸ−Ｘ断面図、図６は、図３（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。なお、図５中、流路形成リブの記載は便宜上省略している。

まず、本実施形態に係る車載燃料電池用気液分離器（以下、単に「気液分離器」という）の説明に先立って、この気液分離器が組み込まれた燃料電池システムについて説明する。

（燃料電池システム）
図１に示すように、燃料電池システムＳは、車両Ｖの略中央部の床下に配置された燃料電池システムボックスＢ内に収納されており、この燃料電池システムＳは、燃料電池スタック２、加湿器３、希釈器４及び気液分離器１を備えている。また、燃料電池システムＳは、燃料電池スタック２に燃料（水素）を供給する高圧水素容器５（図２参照）や、燃料電池スタック２に空気（酸素）を供給するコンプレッサ６（図２参照）、燃料電池スタック２を冷却するラジエータ（図示せず）等をさらに備えている。

燃料電池スタック２は、図２に示すように、複数の単セル２ａが積層されたものであって、高圧水素容器５に貯蔵された燃料となる水素と、コンプレッサ６から供給される空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行うものである。この燃料電池スタック２のアノード側の入口と高圧水素容器５とは、水素供給配管１０ａで接続されており、燃料電池スタック２のカソード側の入口とコンプレッサ６とは、空気供給配管１０ｂで接続されている。つまり、水素は、水素供給配管１０ａを通じて燃料電池スタック２に供給されることとなり、空気は、空気供給配管１０ｂを通じて燃料電池スタック２に供給されることとなる。

この燃料電池スタック２のアノード側の出口には、発電に使用されなかった水素を含むアノードオフガスを排出するための水素排出配管１０ｃが接続されている。この水素排出配管１０ｃには、後記する気液分離器１が取り付けられている。この気液分離器１は、アノードオフガスに含まれる水を分離するものである。気液分離器１には、排水用配管１０ｄの一端が接続されており、この排水用配管１０ｄの他端は希釈器４に接続されている。排水用配管１０ｄには開閉弁２０ａが取り付けられている。そして、この開閉弁２０ａが間欠的に開かれることによって、気液分離器１で分離された水は希釈器４に向かって排出されることとなる。

水素排出配管１０ｃは、燃料電池スタック２から延びる先端で水素循環用配管１０ｅとパージ水素配管１０ｆとに分岐している。水素循環用配管１０ｅは、アノードオフガスに含まれる水素を燃料電池スタック２での発電に再利用するためのものであり、この水素循環用配管１０ｅは、加湿器３の上流側の水素供給配管１０ａに接続されている。パージ水素配管１０ｆは、アノードオフガスに含まれる水素が水素循環用配管１０ｅを通じて循環使用されることによって、アノードオフガスに溜まっていく窒素等の不純物を排出するものである。パージ水素配管１０ｆは希釈器４と接続されていると共に、このパージ水素配管１０ｆにはパージ弁２０ｄが取り付けられている。このパージ弁２０ｄが間欠的に開かれることによって、水素循環用配管１０ｅ内のアノードオフガスが不純物と共に希釈器４に向かって排出されることとなる。なお、ここではパージ水素配管１０ｆを通じて排出されるアノードオフガスを以下にパージ水素という。

燃料電池スタック２のカソード側の出口には、カソードオフガス（空気）を排出するための空気排出配管１０ｇの一端が接続されている。この空気排出配管１０ｇの他端は、希釈器４に接続されている。
燃料電池スタック２には、発電に伴ってアノードで生成されて凝縮した水（ドレン）を排出するためのアノードドレン配管１０ｈの一端が接続されている。そして、アノードドレン配管１０ｈの他端は、希釈器４に接続されている。このアノードドレン配管１０ｈには、ドレンの流路を開閉するための開閉弁２０ｂが取り付けられている。この開閉弁２０ｂが間欠的に開かれることによって、燃料電池スタック２で生成した水が希釈器４に向かって排出されることとなる。

加湿器３は、燃料電池スタック２に供給される水素に対して加湿を行うものであって、燃料電池スタック２と高圧水素容器５との間で延びる水素供給配管１０ａの途中に設けられている。この加湿器３には、加湿器３内に溜まった水（ドレン）を排出するための加湿器ドレン配管１０ｊの一端が接続されている。そして、加湿器ドレン配管１０ｊの他端は、希釈器４に接続されている。この加湿器ドレン配管１０ｊには、ドレンの流路を開閉するための開閉弁２０ｃが取り付けられている。この開閉弁２０ｃが間欠的に開かれることによって、加湿器３内に溜まった水が希釈器４に向かって排出されることとなる。

希釈器４は、パージ水素配管１０ｆを通じて排出されるパージ水素を、空気排出配管１０ｇを通じて排出されるカソードオフガス（空気）で希釈して大気中に放出するものである。また、希釈器４は、前記したように、加湿器３からの水（ドレン）、燃料電池スタック２からの水（ドレン）及び気液分離器１からの水を受け入れるようになっている。つまり、これらの水に水素が含まれる場合には、希釈器４がその水素をカソードオフガスで希釈することとなる。

（気液分離器）
気液分離器１は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、上側チャンバ１２と、下側チャンバ１５と、仕切りプレート２１とを備えている。

上側チャンバ１２は、その外形が直方体形状の箱体であって、燃料電池スタック２（図２参照）からのアノードオフガスが導入されてアノードオフガスに含まれる水を分離するものである。この上側チャンバ１２には、アノードオフガスをその内部に導き入れるためのオフガス導入管１３ａと、その内部からアノードオフガスを排出するためのオフガス排出管１３ｂとが取り付けられている。なお、オフガス導入管１３ａは、特許請求の範囲にいう「オフガス流通管」に相当する。

オフガス導入管１３ａは、図２に示す燃料電池スタック２側から延びた水素排出配管１０ｃ、つまり気液分離器１の上流側の水素排出配管１０ｃが接続されるものであり、図３（ａ）に示すように、上側チャンバ１２の側壁１４ａに取り付けられて上側チャンバ１２の側方に向かって突き出ている。

オフガス排出管１３ｂは、図２に示す気液分離器１の下流側の水素排出配管１０ｃが接続されるものであり、図３（ａ）に示すように、上側チャンバ１２の上壁１４ｂと側壁１４ａとに跨って取り付けられて上側チャンバ１２から斜め上方に向かって突き出ている。

下側チャンバ１５は、図３（ｂ）に示すように、その外形が下方に向かって突出する略四角錐状の形状を有している。この下側チャンバ１５は、上側チャンバ１２においてアノードオフガスから分離された水を後記するその底部１６（図５参照）に溜めると共に、溜めた水を後記する排水孔１７（図５参照）を介して間欠的に排出するものである。この下側チャンバ１５内の底部１６は、図４に示すように、下側チャンバ１５の外形に対応するように略四角錐の凹状になっている。つまり、下側チャンバ１５内の底部１６は、凹状となるように傾斜面１８で形成されている。

この底部１６の最も低い部分１６ａには、図４及び図５に示すように、下側チャンバ１５に溜まった水を排出するための排水孔１７が形成されている。この排水孔１７は、特許請求の範囲にいう「排水部」に相当する。そして、図３（ｂ）に示すように、この排水孔１７には排水管１９が取り付けられている。この排水管１９は、図２に示す排水用配管１０ｄが接続されるものであり、図３（ｂ）に示すように、下側チャンバ１５の下方に向かって突き出ている。

仕切りプレート２１は、図４に示すように、流路形成リブ２２が立設された矩形の板状部材であって、上側チャンバ１２と下側チャンバ１５との間に配置されている。この仕切りプレート２１は、上側チャンバ１２と下側チャンバ１５とを仕切っている。
流路形成リブ２２は、図６に示すように、上側チャンバ１２内に導入されたオフガスが上側チャンバ１２内で蛇行するように流路２３を形成するものである。この流路形成リブ２２は、上側チャンバ１２内を仕切ることによってオフガス導入管１３ａからオフガス排出管１３ｂに至るまでのオフガスの流路２３を形成している。
そして、仕切りプレート２１には、図４に示すように、上側チャンバ１２内と下側チャンバ１５内とを連通させる複数の連通孔２４が形成されている。この連通孔２４は、上側チャンバ１２内でアノードオフガスから分離された水を下側チャンバ１５内に導き入れるものである。そして、連通孔２４は、図５及び図６に示すように、仕切りプレート２１の中央部Ｃよりもオフガス導入管１３ａが取り付けられた側壁１４ａの反対側の側壁１４ａ寄りに形成されている。つまり、連通孔２４は、オフガス導入管１３ａから離れるように仕切りプレート２１の中央部Ｃからオフセットして形成されている。

次に、本実施形態に係る気液分離器１の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、上側チャンバ及び下側チャンバが傾いたときの様子を示す模式図である。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）中、流路形成リブの記載は便宜上省略している。

図２に示すように、この気液分離器１には、燃料電池スタック２から水素排出配管１０ｃを通じて水を含んだアノードオフガスが導入される。この際、アノードオフガスは、図６に示すように、この水素排出配管１０ｃ（図２参照）に接続されたオフガス導入管１３ａを介して上側チャンバ１２内に入り込む。そして、アノードオフガスは、上側チャンバ１２内を流路形成リブ２２で仕切られて蛇行する流路２３に沿ってオフガス導入管１３ａからオフガス排出管１３ｂに向かって流れていく。この際、アノードオフガスに含まれる水滴は、流路形成リブ２２や、上側チャンバ１２の側壁１４ａの内側、上側チャンバ１２の上壁１４ｂ（図３（ａ）参照）の内側と衝突することによってアノードオフガスから分離される。そして、アノードオフガスに含まれる水蒸気は、上側チャンバ１２自体及び仕切りプレート２１自体に潜熱を奪われて凝縮することによってアノードオフガスから分離される。

次いで、上側チャンバ１２内で分離された水は、図５に示す連通孔２４を介して下側チャンバ１５内に移動する。そして、図２に示す開閉弁２０ａが閉じられている状態で、水は、図５に示す下側チャンバ１５内の底部１６に溜められていく。

この気液分離器１では、下側チャンバ１５の底部１６に水が溜められる際に、底部１６が凹状となるように傾斜面１８で形成されているので、水は傾斜面１８を伝って底部１６の最も低い部分１６ａに向かって効率よく集められていく。

また、この気液分離器１は、図７（ａ）に示すように、上側チャンバ１２及び下側チャンバ１５が、オフガス導入管１３ａが取り付けられた側に向かって傾いた際に、下側チャンバ１５内に溜まった水Ｗが上側チャンバ１２内に移動することは仕切りプレート２１によって妨げられる。したがって、この気液分離器１では、下側チャンバ１５内に溜められた水Ｗが上側チャンバ１２に取り付けられたオフガス導入管１３ａに流れ込むことが防止される。

また、図７（ｂ）に示すように、上側チャンバ１２及び下側チャンバ１５が、オフガス導入管１３ａが取り付けられていない側に傾いた際には、水Ｗがオフガス導入管１３ａに流入する恐れはない。そして、下側チャンバ１５内に溜められた水Ｗ（図７（ａ）及び図７（ｂ）参照）は、図２に示す開閉弁２０ａが間欠的に開かれた際に、図５に示す排水孔１７及び排水管１９、並びにこの排水管１９に接続された排水用配管１０ｄ（図２参照）を介して希釈器４（図２参照）内に排出される。そして、希釈器４に排出された水Ｗ（図７（ａ）及び図７（ｂ）参照）は、パージ水素配管１０ｆ（図２参照）からのパージ水素、空気排出配管１０ｇ（図２参照）からのカソードオフガス（空気）、加湿器ドレン配管１０ｊ（図２参照）からの水（ドレン）、及びアノードドレン配管１０ｈ（図２参照）からの水（ドレン）と一緒になって、希釈器４から大気中に放出される。

このような気液分離器１によれば、車両Ｖが傾いた際に、下側チャンバ１５に集めた水がオフガス導入管１３ａに流れ込む恐れを低減することができる。その結果、この気液分離器１を使用した燃料電池システムＳは、燃料電池スタック２への水素循環用配管１０ｅを介してのアノードオフガスの供給（アノードオフガスの循環使用）を円滑に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、前記実施形態では、オフガス導入管１３ａが上側チャンバ１２の側壁１４ａに取り付けられ、オフガス排出管１３ｂが上壁１４ｂに取り付けられた気液分離器１を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、オフガス導入管１３ａとオフガス排出管１３ｂの両方が側壁１４ａに取り付けられたものであってもよい。また、オフガス導入管１３ａが上側チャンバ１２の上壁１４ｂに取り付けられ、オフガス排出管１３ｂが側壁１４ａに取り付けられたものであってもよい。この気液分離器では、オフガス排出管１３ｂが特許請求の範囲にいう「オフガス流通管」に相当する。つまり、本発明の気液分離器は、オフガス導入管１３ａ及びオフガス排出管１３ｂの少なくともいずれか一方が上側チャンバ１２の側壁１４ａに取り付けられていればよい。なお、オフガス導入管１３ａ及びオフガス排出管１３ｂの両方が側壁１４ａに取り付けられた気液分離器１は、その高さ方向の厚みを低減することができる。

また、前記実施形態では、排水孔１７（排出部）が下側チャンバ１５の底部１６の最も低い部分１６ａに形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、排水孔１７が、オフガス導入管１３ａが取り付けられた上側チャンバ１２の側壁１４ａと反対側の側壁１４ａ寄りの底部１６に形成されたものであってもよい。

また、前記実施形態では、下側チャンバ１５の底部１６が略四角錐状になるように形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、底部１６が略円錐状になっているものであってもよい。また、上側チャンバ１２、下側チャンバ１５は、その外形が円柱状や楕円柱状であってもよいし、上側チャンバ１２、下側チャンバ１５は、少なくともいずれか一方が椀状であってもよい。

また、前記実施形態では、気液分離器１が水素排出配管１０ｃに取り付けられる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素循環用配管１０ｅや空気排出配管１０ｇに取り付けられるものであってもよい。

また、前記実施形態では、気液分離器１から水を排出する排水用配管１０ｄの他端が希釈器４に接続されたものを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排出用配管１０ｄが加湿器３に接続されたものであってもよい。このような気液分離器１は、燃料（水素）を加湿するための水を供給することができる。

また、前記実施形態では、加湿器３が水素供給配管１０ａだけに取り付けられているが、加湿器３は、空気供給配管１０ｂだけに取り付けられていてもよく、また、水素供給配管１０ａ及び空気供給配管１０ｂの両方に取り付けられていてもよい。

実施形態に係る気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）が組み込まれた燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車の平面図である。 実施形態に係る気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）が組み込まれた燃料電池システムのブロック図である。 図３（ａ）は、実施形態に係る気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）を斜め上方から見た斜視図、図３（ｂ）は、実施形態に係る気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）を斜め下方から見た斜視図である。 実施形態に係る気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）の分解斜視図である。 図３（ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。 図３（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、上側チャンバ及び下側チャンバが傾いたときの様子を示す模式図である。

符号の説明

１ 気液分離器（車載燃料電池用気液分離器）
２ 燃料電池スタック
１２ 上側チャンバ
１３ａ オフガス導入管（オフガス流通管）
１３ｂ オフガス排出管
１４ａ 側壁
１５ 下側チャンバ
１６ 下側チャンバ内の底部
１６ａ 底部の最も低い部分
１７ 排水孔（排出部）
１８ 傾斜面
２１ 仕切りプレート
２４ 連通孔
Ｃ 仕切りプレートの中央部
Ｖ 車両
Ｗ 水

Claims (4)

1. 燃料電池のオフガスが導入されて前記オフガスに含まれる水を分離する上側チャンバと、
   分離された前記水を排出する排水部が形成された下側チャンバと、
   前記上側チャンバと前記下側チャンバとを仕切る仕切りプレートと、
   前記上側チャンバ内に連通するように前記上側チャンバに取り付けられたオフガス流通管と、
   前記上側チャンバと前記下側チャンバとを連通させるように前記仕切りプレートに形成された連通孔とを備える車載燃料電池用気液分離器であって、
   前記仕切りプレート上には前記上側チャンバ内で蛇行する流路が形成されており、
   前記流路の途中で前記連通孔が、前記オフガス流通管から離れるように前記仕切りプレートの中央部からオフセットした位置のみに形成されていることを特徴とする車載燃料電池用気液分離器。
2. 前記流路を形成する流路形成リブが上側チャンバ内を仕切るように立設されていることを特徴とする請求項１に記載の車載燃料電池用気液分離器。
3. 前記オフガス流通管が、前記上側チャンバの側壁に取り付けられていると共に、前記連通孔が、前記仕切りプレートの中央部よりも前記オフガス流通管が取り付けられた前記上側チャンバの側壁の反対側の側壁寄りに形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車載燃料電池用気液分離器。
4. 前記下側チャンバ内の底部が凹状となるように傾斜面で形成されており、前記排水部が、前記底部の最も低い部分に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車載燃料電池用気液分離器。

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