(57)【要約】【課題】気液分離器において、周囲温度に影響を受けることなく、安定した気液分離性能を発揮する燃料電池用気液分離器を提供する。【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池から排出される水分含有のオフガスを導入する入り口部と、前記水分含有のオフガスを水分と気体とに分離する本体部と、前記分離された水分を排水する排水管部と、前記分離された気体を排出する排出管部と、を有する燃料電池用気液分離器であって、前記本体部の構造が断熱構造である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池から排出される水分含有のオフガスを導入する入り口部と、前記水分含有のオフガスを水分と気体とに分離する本体部と、前記分離された水分を排水する排水管部と、前記分離された気体を排出する排出管部と、を有する燃料電池用気液分離器であって、
前記本体部の構造が断熱構造であることを特徴とする燃料電池用気液分離器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用気液分離器であって、前記本体部は外枠部材と断熱材とを有し、前記断熱材を少なくとも１層設けた構造であることを特徴とする燃料電池用気液分離器。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池用気液分離器であって、前記本体部は外枠部材と内枠部材の２部材を有し、前記外枠部材と前記内枠部材との間に空間を設けることを特徴とする燃料電池用気液分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出される水分含有燃料ガスを水分と燃料ガスとに分離する燃料電池用気液分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。一般的に、固体高分子型燃料電池の発電時、アノード極側では、水素ガスを燃料ガス（アノードガス）として供給し、水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード極側に移動し、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。カソード極側では、酸素ガスあるいは空気を酸化性ガス（カソードガス）として供給し、水素イオン、電子及び酸素が反応して水を生成する反応が行われる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を維持するために、前記電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。このため、反応ガス（燃料ガス、酸化性ガスの少なくとも一方を意味する。）は予め加湿した状態で燃料電池に供給されているので、オフガス（燃料オフガス、酸化性オフガスの少なくとも一方を意味する。）も水分を含んだ状態で排出される。また発電時には、前述したようにカソード極側から水が生成されるため、生成水の多くは、酸化性オフガスに含まれて大気中に放出されるが、一部の生成水は電解質膜を通してアノード極に移動し、燃料オフガスに含められ排出される。このように燃料電池の発電中において、燃料オフガス及び酸化性オフガスには多量の水分が含まれることとなる。
【０００４】
省エネルギの観点において固体高分子型燃料電池では、燃料ガスとして供給される水素の無駄な消費を無くすことが重要である。このため、一般的に固体高分子型燃料電池の発電時に排出された燃料オフガスを再び固体高分子型燃料電池に循環させることで、燃料オフガスに含有している水素の有効利用が図られている。しかし燃料オフガスをそのまま循環させて再び燃料ガスとして燃料電池内に供給しようとすると、前述したように燃料オフガスは多量の水分を含んでいるので、燃料ガスの循環系内に燃料オフガスに含まれる水分が滞留する。循環系内の水の滞留はアノード極への燃料ガスの供給を阻害することになり、燃料電池の発電性能の低下を招いてしまう。また水分を多量に含有したオフガスが燃料電池内に供給されると、電解質膜付近で水分過多となるフラディングが起こり、燃料電池内のガス拡散を阻害し発電性能の低下を招いてしまう。
【０００５】
そこで一般的に、ガス循環経路中に気液分離器を配置することによって、オフガス中の水分を除去する。特に燃料オフガス中の水分を除去し、再度燃料ガスを燃料電池内に供給させている。気液分離器には種々のものがあるが、その１例としてサイクロン式気液分離器がある。
【０００６】
図３に、一般的なサイクロン式気液分離器２の概略断面図を示している。燃料電池から排出される水分を含有したオフガスは、入り口部１４から本体部１０ｂの内部（本体内部１１ｂ）に入り、細矢印のように旋回運動をしながら下方に行き、反転して上昇する。このときの旋回運動の遠心力によりオフガス中の気体と水分が分離され、気体は排出管部１８より排気され、水分は本体部１０ｂの内壁面を伝って下降し排水管部１６より排出される。しかし、燃料電池の発電による燃料電池自身の発熱やその他の装置の発熱等によって気液分離器２の周囲温度が高温となる場合がある。周囲温度が高温となることにより、本体内部１１ｂも高温となり、気液分離する際に、前記気液分離された水分が本体部１０ｂの内壁に接触した際に水蒸気化し、前記気液分離された気体と共に排出管部１８から排出されるため、気液分離性能を低下させる。また燃料電池の用途から氷点下環境で発電させる場合があるため、気液分離器２の周囲温度が０度以下の低温となると、前記気液分離された水分が気液分離器２内で凍結し、前記旋回運動の経路を妨害するため、気液分離性能を低下させる。
【０００７】
一方、気液分離器としては、例えば特許文献１，２に記載されている技術を挙げることが出来る。
【０００８】
特許文献１では、気液分離器の底部に溜まった気液分離された水分が、前記旋回運動後の上昇気流に乗って飛散し、気体と共に排出管から流出するという問題に対し、気液分離器内部の中間部に、切り欠き部を有する仕切り板を設けることで、気液分離された水分は切り欠き部を通り下方に流れ、気体は旋回しながら仕切り板に遮られ反転して上昇するため、気液分離器の底部に留まった水分の飛散を防止している。
【０００９】
また特許文献２では、気液分離器の底部に燃料オフガスの入り口部を設け、中間部に気体は通過するが液体は通過しない気液分離膜を備えることにより、気液分離後の水分を気体と共に排出管に流出することを防止している。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−００１０３３号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし特許文献１，２では、周囲温度の影響を考慮していないため、周囲温度の変化によって安定した気液分離性能を発揮することが出来ない。
【００１２】
本発明は、気液分離器において、周囲温度に影響を受けることなく、安定した気液分離性能を発揮する燃料電池用気液分離器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池から排出される水分含有オフガスを導入する入り口部と、前記水分含有のオフガスを水分と気体とに分離する本体部と、前記分離された水分を排水する排水管部と、前記分離された気体を排出する排出管部と、を有する燃料電池用気液分離器であって、前記本体部の構造が断熱構造である。
【００１４】
また、前記燃料電池用気液分離器であって、前記本体部は外枠部材と断熱材とを有し、前記断熱材を少なくとも１層設けた構造であることが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池用気液分離器であって、前記本体部は外枠部材と内枠部材の２部材を有し、前記外枠部材と前記内枠部材との間に空間を設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池用気液分離器では、周囲温度の影響を受けにくい断熱構造を有することにより、周囲温度が高温の場合には、気液分離した水分の水蒸気化を防ぎ、周囲温度が低温の場合には、オフガス中の水分の凍結を防止し、安定した気液分離性能を発揮することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１８】
まず図１に、本実施形態に係る燃料電池用気液分離器を利用した燃料電池システム３の構成の一例について以下に説明する。
【００１９】
本実施形態に係る燃料電池用気液分離器を利用した燃料電池システム３の構成としては、燃料電池スタック２６と本実施形態に係る燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂと配管類とを有する。
【００２０】
燃料電池スタック２６は、燃料電池セルを複数個、例えば１００個積層して形成される。燃料電池セル２６は、固体高分子電解質膜と、それを挟持する空気極（カソード極）と燃料極（アノード極）と各電極の外側に配置されたセパレータとを有する固体高分子型燃料電池である。
【００２１】
配管類は、燃料電池スタック２６のアノード極側では、燃料電池スタック２６と燃料電池スタック２６に燃料ガスを供給する高圧ガスタンク２８とを接続する燃料ガス供給路３０と、燃料電池スタック２６から排出される燃料オフガスを導入する燃料電池用気液分離器１ａと燃料電池スタック２６とを接続する燃料ガス排出路３２と、燃料電池用気液分離器１ａによって分離された気体を再び燃料ガスとして燃料電池スタック２６に供給する循環経路３４と、燃料電池用気液分離器１ａによって分離された水分を燃料電池システム３の外部に排出する排水路３６ａと、を有する。一方、燃料電池スタック２６のカソード極側では、外気から酸化性ガスを吸引するエアブロワ３８と燃料電池スタック２６とを接続する酸化性ガス供給路４０と、燃料電池スタック２６から排出される酸化性オフガスを導入する燃料電池用気液分離器１ｂと燃料電池スタック２６とを接続する酸化性ガス排出路４２ａと、燃料電池用気液分離器１ｂによって分離された気体を燃料電池システム３の外部に排出する酸化性ガス排出路４２ｂと、燃料電池用気液分離器１ｂによって分離された水分を燃料電池システム３の外部に排出する排水路３６ｂと、を有する。
【００２２】
燃料電池スタック２６の発電時における反応ガスの流れを図１及び図２を用いて説明する。なお反応ガスとは、燃料ガス、酸化性ガスの少なくともどちらか一方を意味する。燃料ガスの流れにおいて、図１に示す高圧ガスタンク２８から供給される燃料ガスが燃料ガス供給路３０を通り、燃料電池スタック２６に供給され燃料電池スタック２６の発電に利用される。発電に利用された燃料ガスの残留分は、燃料オフガスとして燃料ガス排出路３２を通り、図２に示す燃料電池用気液分離器１ａの入り口部１４に導入される。導入された燃料排ガスは、燃料電池用気液分離器１ａにより気体と水分とに分離され（分離方法については後述する）、分離された気体は図２で示す燃料電池用気液分離器１ａの排出管部１８から図１に示す循環経路３４を通り燃料電池スタック２６に再び燃料ガスとして供給され、分離された水分は図２に示す燃料電池用気液分離器１ａの排水管部１６から図１に示す排水路３６ａを通り、燃料電池システム３の外部に排出される。一方酸化性ガスの流れは、図１に示すエアブロワ３８から供給される酸化性ガスが酸化性ガス供給路４０を通り、燃料電池スタック２６に供給され燃料電池スタック２６の発電に利用される。発電に利用された酸化性ガスの残留分は、酸化性オフガスとして酸化性ガス排出路４２ａを通り、図２に示す燃料電池用気液分離器１ｂの入り口部１４に導入される。導入された酸化性オフガスは燃料電池用気液分離器１ｂより気体と水分とに分離され（分離方法については後述する）、分離された気体は図２で示す燃料電池用気液分離器１ｂの排出管部１８から図１に示す酸化性ガス排出路４２ｂを通り、燃料電池システム３外に排出され、分離された水分は図２に示す燃料電池用気液分離器１ｂの排水管部１６から図１に示す排水路３６ｂを通り、燃料電池システム３の外部に排出される。しかし本実施形態に係る燃料電池システム３はこれに限定されるものではなく、例えば燃料オフガスは、循環経路３４を備えることにより再び燃料ガスとして利用されることが好ましいが、循環経路３４を備えず燃料オフガスが燃料電池システム３の外部に排出されるものであっても良い。例えば酸化性オフガスは、酸化性ガス排出路４２ｂを通り、燃料電池システム３外に排出されるのが好ましいが、酸化性ガス排出路４２ｂを通る酸化性オフガスがエアブロワ３８に供給されるものであっても良い。
【００２３】
図２は、本実施形態に係る燃料電池用気液分離器の構成の一例を示す。図２に示すように燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂは、外枠部材２０と内枠部材である断熱材２２とを備えた本体部１０ａと本体部１０ａの側面上部に設けられた入り口部１４と本体部１０ａの底部に設けられた排水管部１６と上部に設けられた排出管部１８とを有する。また、本体部１０ａは、円筒状の形状であり、本体部１０ａの中間部から底部にかけて絞り込みをかけた形状である。しかし本体部１０ａの形状は、本体部１０ａの内部（本体内部１１ａ）で旋回運動により気液分離させる機能を阻害しないものであれば、必ずしも前記形状に限定されるものではない。
【００２４】
本実施形態に係る燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂは、支え部２４を熱溶着させた断熱材２２を外枠部材２０に嵌め込み、支え部２４によって外枠部材２０に断熱材２２を固定したものである。また支え部２４は、外枠部材２０と断熱材２２との間に空間を設けるためのものでもあり、より効果的に周囲温度を遮断する断熱層１２を形成する。
【００２５】
本実施形態に係る燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂにおいて、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池から排出される水分を含有したオフガスが、入り口部１４から導入され、本体内部１１ａで旋回運動の遠心力により気体と水分とに分離され、気体は排出管部１８から排出され、水分は断熱材２２の内壁に沿って落下し、排水管部１６から排水される。燃料電池用気液分離器分離１ａにより分離された気体は、循環され再び燃料ガスとして利用されることが好ましい。なお、オフガスとは、燃料オフガス、酸化性オフガスの少なくとも一方を意味する。
【００２６】
例えば周囲温度が高温（例えば６０℃〜８０℃）の場合、オフガスから分離された水分が内壁に接触しても、断熱材２２及び断熱層１２を有していることにより、外枠部材２０が高温となっても、断熱材２２は外気の影響を受けずに、断熱材２２に接触した水分が水蒸気化することがほとんどないため、気液分離器の気液分離性能が低下することを防止できる。また周囲温度が低温の場合（例えば−３０℃〜０℃）であっても、断熱材２２及び断熱層１２を有していることにより、外枠部材２０が低温となっても、本体内部１１ａ内の温度低下を防止することができ、オフガス中の水分が凍結することなく、気液分離器の気液分離性能が低下することを防止できる。
【００２７】
従来図３で示す、断熱材２２を有する断熱構造を持たない気液分離器２においては、周囲温度が高温であれば、例えば燃料オフガスから分離された水分が内壁に接触した場合、接触した水分は水蒸気化し、燃料ガスと共に排出管部１６から排出されるため、気液分離性能が低下する。前記水蒸気化した水分は燃料ガスの循環経路３４内に滞留することとなり、燃料電池の発電性能を低下させる。また低温の場合、例えば燃料オフガス中の水分が凍結し、燃料オフガスの旋回運動の経路を阻害することによって、気液分離性能を低下させる。
【００２８】
燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂに用いられる断熱材２２としては、断熱性能を有すればよく、特に制限はないが、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリウレタン系樹脂、セルロース系樹脂等の樹脂が、加工性、耐腐食性、機械強度性、耐摩耗性、耐熱性、耐水性、耐防湿性、耐寒性等の点から好ましい。また更に断熱効果を高めるものとしては、例えば発泡ポリスチレン、発泡ポリウレタン等の発泡樹脂が好ましい。具体的には、ポリプロピレンを使用することが出来る。燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂに用いられる断熱材２２の厚さは例えば、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上である。断熱材２２の厚さが１ｍｍより薄いと、耐久性が弱くなる場合がある。
【００２９】
燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂに用いられる支え部２４としては、特に制限はないが、断熱材２２と同様の材料であることが好ましい。具体的にはポリプロピレンを使用することが出来る。燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂに用いられる支え部２４は、断熱材２２を外枠部材２０に固定すると共に、外枠部材２０と断熱材２２との間に形成する空間を設け、断熱層１２の厚さを制御し、断熱効果を高めるためのものでもあり、断熱層１２の厚さは例えば、１ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上である。しかし、断熱材２２自身が高い断熱効果を有するものであれば、必ずしも断熱層１２を備える必要はなく、断熱材２２と外枠部材２０を密着させた構造であってもよい。また支え部２４を用いる場合は、断熱材２２に対して部分的なものとする。これは、気液分離された水分が断熱材２２を透過した場合であっても、水分が支え部２４によって完全に堰止められることなく排水管部１６から排水されるためである。また、外枠部材２０と内枠部材である断熱材２２との間に空間として断熱層１２を設けることにより、それ自体で断熱効果を有するものであるため、断熱層１２が形成されていれば、内枠部材である断熱材２２は、特に制限されるものでなく、金属、セラミック、樹脂等でも良い。
【００３０】
燃料電池用気液分離器１ａ，１ｂに用いられる外枠部材２０としては、特に制限はないが、ステンレス等の金属が好ましい。しかし、気液分離の際の旋回運動による圧力に耐えるものであり、オフガスに対して不透過性を有するものであれば、これに限定されるものでなく、断熱材２２と同様の材料であってもよい。
【００３１】
以上のような本発明の実施形態に係る燃料電池用気液分離器により、周囲温度の影響を受けにくい断熱構造を有することにより、外気が高温の場合には、気液分離した水分の水蒸気化を防ぎ、外気が低温の場合には、オフガス中の水分の凍結を防止し、安定した気液分離性能を発揮することが出来る。サイクロン式気液分離器は他の気液分離器と比較して気液分離性能の点において利点があるため、サイクロン式気液分離と断熱構造を組み合わせることによって特に高温、低温環境での気液分離性能を向上させる利点がある。
【００３２】
上記これらの実施形態に係る燃料電池用気液分離器は、サイクロン式気液分離器に限られず、フィルタ式気液分離器、邪魔板式気液分離機等外気の影響を受けることによって気液分離性能を低下させる可能性のある全ての気液分離器に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池用気液分離器を利用した燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池用気液分離器の構成の一例を示す概略図である。
【図３】一般的なサイクロン式気液分離器の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１ａ，１ｂ，２  燃料電池用気液分離器、３  燃料電池システム、１０ａ，ｂ 本体部、１１ａ，ｂ  本体内部、１２  断熱層、１４  入り口部、１６  排水管部、１８  排出管部、２０  外枠部材、２２  断熱材、２４  支え部、２６  燃料電池スタック、２８  高圧ガスタンク、３０  燃料ガス供給路、３２  燃料ガス排出路、３４  循環経路、３６ａ，３６ｂ  排水路、３８  エアブロワ、４０  酸化性ガス供給路、４２ａ，４２ｂ  酸化性ガス排出路。
【図１】
2007184144.tif 000003
【図２】
2007184144.tif 000004
【図３】
2007184144.tif 000005