(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムのアノード再循環ループから水を除去する燃料電池システム用遠心分離装置を提供する。【解決手段】分離装置１００は、チャンバ１１０を形成する第１の部分１０４と第２の部分１０２とを有する。第１の部分は、連続する内壁と端壁とを有し、内壁に吸入管１２２が結合され、端壁に液体ドレン管１２６が結合されている。第２の部分は、端壁と、第１の部分の内壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる吐出管１３０とを有する。分離装置は、側壁により結合されてチャンバの境界を定める第１の端部及び第２の端部を含む。吸入管は、側壁に接して結合されている。吐出管は、第１の端部に結合されて側壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる。液体ドレン管は、第２の端部に結合されている。【選択図】図３
2016072183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記分離装置は、
側壁により結合されてチャンバを形成する第１及び第２の端部と、
前記側壁に接して結合された吸入管と、
前記第１の端部に結合されて前記側壁との間に流路を形成するように前記チャンバへ伸びる吐出管と、
前記第２の端部に結合された液体ドレン管とを有する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１の燃料電池システムにおいて、
前記分離装置は、前記側壁から前記チャンバを通過して延び、かつ前記吐出管と前記第２の端部との間に位置する仕切りを有する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、アノード側とカソード側とを有し、
前記燃料電池システムは、前記アノード側に流体連通した再循環ループを更に備え、
前記再循環ループは、前記分離装置を含み、前記分離装置は前記アノード側の下流にある燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３の燃料電池システムにおいて、
前記アノード側に流体連通し、かつ前記アノード側の上流にあるエゼクタを更に備えた燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４の燃料電池システムにおいて、
前記エゼクタは、前記再循環ループに流体連通し、かつ前記エゼクタは、前記分離装置の下流にある燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、アノード側とカソード側とを有し、
前記燃料電池システムは、前記カソード側に流体連通し、かつ前記カソード側の上流にある加湿器を更に備え、
前記分離装置は、前記加湿器と前記カソード側との間に挿入された燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システム用の液体分離装置であって、
側壁により結合されてチャンバを形成する第１及び第２の端部と、
前記側壁に接して結合された吸入管と、
前記第１の端部に結合されて前記側壁との間に流路を形成するように前記チャンバへ伸びる吐出管と、
前記第２の端部に結合された液体ドレン管とを備えた分離装置。
【請求項８】
請求項７の分離装置において、
前記吐出管への入口と前記第２の端部との間に位置するスクリーンを更に備えた分離装置。
【請求項９】
請求項８の分離装置において、
前記吐出管への前記入口は、ほぼ前記吐出管の直径だけ前記スクリーンから隔てられた分離装置。
【請求項１０】
請求項７の分離装置において、
前記吐出管は、前記吐出管への入口が前記第１の端部から隔てられるように、前記チャンバへ伸びる、全体として円筒形の伸長部を有する分離装置。
【請求項１１】
請求項７の分離装置において、
前記吸入管は、流入流体が前記チャンバの前記流路に入るように、前記第１の端部と、前記側壁の前記吐出管の入口に近接する領域との間に位置する分離装置。
【請求項１２】
請求項７の分離装置において、
前記吐出管は、前記第１の端部に対して全体として垂直に結合された分離装置。
【請求項１３】
請求項７の分離装置において、
前記吸入管の長手方向の軸は、前記吐出管の長手方向の軸に対して全体として垂直である分離装置。
【請求項１４】
請求項７の分離装置において、
前記吐出管は、前記側壁と同軸である分離装置。
【請求項１５】
請求項７の分離装置において、
前記第１の端部は、全体として平面形状であり、前記第２の端部は、凹面形状である分離装置。
【請求項１６】
請求項７の分離装置において、
前記側壁は、全体として円筒形である分離装置。
【請求項１７】
請求項７の分離装置において、
前記吸入管及び前記吐出管の直径対前記チャンバの直径の比は、１：２から１：８までの範囲にある分離装置。
【請求項１８】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記分離装置は、チャンバを形成する第１の部分と第２の部分とを有し、
前記第１の部分は、連続する内壁と端壁とを有し、
前記内壁に吸入管が結合され、前記端壁に液体ドレン管が結合され、
前記第２の部分は、端壁と、前記第１の部分の前記内壁との間に流路を形成するように前記チャンバへ伸びる吐出管とを有する燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１８の燃料電池システムにおいて、
前記吸入管は、前記第１の部分の前記内壁に接して結合され、
前記吐出管は、前記第２の部分の前記端壁に対して全体として垂直に結合された燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１８の燃料電池システムにおいて、
前記第１の部分は、前記内壁から前記端壁に対して伸びるフランジを有し、
前記フランジは、前記第２の部分の前記端壁とともに前記チャンバを塞ぐ燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
種々の実施形態は、燃料電池システムから水を除去する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の動作中、生成された水及び窒素並びに未消費の水素のような副産物が、燃料電池スタックのアノード側に生じることがある。ある既知のシステムでは、生成された水の蓄積及び窒素の蓄積が、燃料電池の性能低下及び／又は燃料電池システムの稼働停止を回避しようとして制御される。１つの公知のアプローチは、燃料電池スタックの下流にある流路を介して水及び窒素を解放することである。副産物は、未消費の水素が燃料電池スタックのアノード側に戻るように再循環され得る。また、再循環は、効率的な化学変換を促進し、またセル膜の寿命を延長するように、アノード側を濡らすのに利用され得る。しかしながら、再循環の流れにおける、水滴のような液体の水は、燃料電池スタックの流場流路又はエゼクタにて水閉塞を避けるために、除去されなければならないかも知れない。
【０００３】
伝統的な水分離装置は、水除去のための衝撃流に水滴を乗せる、流路、スクリーン及び／又はメッシュを有する。これらの装置は、例えば９９％に達する、高い水除去効率を持ち得る。しかしながら、これら従来装置の設計は、装置の容積に対して、システム上の相対的に大きな圧力低下を引き起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
受動的再循環ループを持つエゼクタベースの燃料電池システムにとって、燃料電池システムのアノードループを通じた圧力低下を最小化することは、重要であり得る。エゼクタは運動量伝達装置であって、それが引き起こす受動的再循環の流れは、エゼクタによってなされる圧縮仕事の１つの働きである。アノードループにおける圧力低下は、エゼクタにとっての圧縮仕事を増加させ、再循環の流れを制限し得る。アノードループにおける支配的な圧力低下は、燃料電池スタックによって引き起こされ、また水分離装置のような他の構成部分に沿った圧力低下は、エゼクタ及び燃料電池が適正に機能するために最小化される必要がある。加えて、ある程度の湿度が再循環の流れにあることが好ましいので、従来の分離装置の高効率は、湿度を下げ過ぎて、燃料電池の性能及び寿命を毀損する結果を招来し得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施形態によれば、燃料電池システムが、燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備える。分離装置は、側壁により結合されてチャンバを形成する第１及び第２の端部と、側壁に接して結合された吸入管と、第１の端部に結合されて側壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる吐出管と、第２の端部に結合された液体ドレン管とを有する。
【０００６】
他の実施形態によれば、燃料電池システム用の液体分離装置が、側壁により結合されてチャンバを形成する第１及び第２の端部を備える。吸入管が、側壁に接して結合されている。吐出管が、第１の端部に結合されて側壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる。液体ドレン管が、第２の端部に結合されている。
【０００７】
更に他の実施形態によれば、燃料電池システムが、燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックに流体連通した分離装置とを備える。分離装置は、チャンバを形成する第１の部分と第２の部分とを有する。第１の部分は、連続する内壁と端壁とを有し、内壁に吸入管が結合され、端壁に液体ドレン管が結合されている。第２の部分は、端壁と、第１の部分の内壁との間に流路を形成するようにチャンバへ伸びる吐出管とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の種々の実施形態は、非限定の利点に関係する。例えば、分離装置にて小さい圧力低下を実現すると、燃料電池のアノード側における受動的再循環ループの利用が可能になる。小さい圧力低下は、分離装置への円滑な接線方向の流体流入によって、また分離装置内の気相流体流路に追加のメッシュ部材を用いないことによって、分離装置の中で生じる。分離装置は、流体の流れから大きい水滴を除去する一方、水蒸気及び小さいサイズの水滴を残すように設計される。よって、分離装置は、総合的な水除去にとっては、あまり高い効率を有しない。これは、燃料電池が適正に機能するうえでアノード側及びカソード側の双方に湿度が必要であるとの理由から、燃料電池の応用にとっては受け入れ可能である。分離装置は、十分な量、かつスタックのアノード流場のあふれを引き起こすおそれのあるサイズの液滴を除去しなければならない。アノードでの流れは、スタックへの流入に先立って乾燥した新鮮な水素供給と混合されるので、小さい液滴がスタックへの到達に先立って気化する可能性がある。加えて、スタックモジュールは、ある量の液体の水の取り込みを、セル電圧安定性を低下させることなしに許容し得る。この量は、通常は５〜３０ｃｃ／分の範囲にある。分離装置の設計は、実装、重量及びコストが現下の関心事である、車両における燃料電池システムのような応用への活用を許容する、小さく、密であり、かつ製造容易な装置を提供する。加えて、分離装置の構造及び組み立ては、燃料電池スタックのアノード側の下流のような流体の流れにおける水素分子と両立できるように設計される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】１つの実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。
【図２】図１の燃料電池で使用される、１つの実施形態に係る水分離装置の斜視図である。
【図３】図２の水分離装置の部分断面斜視図である。
【図４】種々の質量流量における、従来の分離装置と図２の分離装置との圧力低下を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の詳細な実施形態を、ここに適宜開示する。しかしながら、開示された実施形態は、種々の代替形式に具現化され得る発明の単なる例示であることが、理解されるべきである。図面は必ずしも縮尺が合致するものではなく、また、いくつかの特徴は、特定の構成部分を詳細に提示するために、誇張され又は最小化され得る。したがって、ここに開示された特定の構造的かつ機能的な詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、本発明を様々に用いるよう当業者に教示するための、単に代表的な基準としてのものである。化学式における成分の表記は、当該表記にて特定される任意の組合せに加える際の成分を言い、一旦混合された混合物の成分間の化学的相互作用を必ずしも排除するものではない。
【００１１】
図１は、少なくとも１つの実施形態に係る処理フロー図として、燃料電池システム１０を概略的に例示している。例えば、燃料電池システム１０は、車両を駆動し又は他の車両機能を達成するため、電気モータを作動させる電力を供給するように、車両にて使用され得る。燃料電池システム１０は、従来公知のプロトン交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ）であり得る。
【００１２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を有する。スタック１２は、アノード側１４と、カソード側１６と、それらの間の膜１８とを有する。燃料電池システム１０は、例えば高電圧バス２０又は牽引バッテリに対して電気的に連絡し、かつエネルギを供給する。燃料電池スタック１２は、冷却ループ（不図示）を更に有し得る。
【００１３】
燃料電池システム１０の動作中、生成された水、水素のような残余の燃料、そして窒素のような副産物は、燃料電池スタック１２のアノード側１４に蓄積し得る。液体状の生成された水及び副産物を除去し、また残余の水素及び水蒸気を再利用しようとする試みは、今までなされてきた。１つのアプローチは、燃料電池スタック１２の下流にある分離装置３６でこれらの成分を収集し、少なくとも液体の水及び／又は窒素の部分を分離し、そして再循環ループにおける戻り流路を介して残余の成分を燃料電池スタック１２へ戻すことである。
【００１４】
初期の燃料源２２が、初期の水素源として、燃料電池スタック１２のアノード側１４に結合されている。初期の水素源２２の非限定の例は、高圧水素貯蔵タンク又は水素化物貯蔵装置である。水素源２２は、１つ又は複数のエゼクタ２４に結合されている。エゼクタ２４は、集中・分岐ノズル２８の集中部に水素を供給するノズル２６を持つ。ノズル２８の分岐部は、アノード側１４の入力３０に結合されている。
【００１５】
アノード側１４の出力３２は、受動的再循環ループ３４に結合されている。概して、過剰な水素ガスが、スタック１２中の全セルにとって十分の利用可能な水素が存在することを保証するために、アノード側１４に供給される。換言すれば、水素は、化学量論比が１よりも大きい、すなわち正確な電気化学的な要求に関して燃料リッチな比で燃料電池スタック１２に供給される。再循環ループ３４は、アノード側１４で使用されない過剰の水素が入力３０に戻されて廃棄されずに利用され得るように設けられている。
【００１６】
加えて、蓄積された液相及び気相の水がアノード側１４の出力である。アノード側１４は、効率的な化学変換のために、また膜寿命の延長のために加湿を必要とする。再循環ループ３４は、アノード側１４の入力３０の前段で水素ガスに加湿するように、水を供給するために利用され得る。
【００１７】
再循環ループ３４は、分離装置３６又は脱水装置を有する。分離装置３６は、アノード側１４の出力３２からの水素ガス、窒素ガス及び水の混合物の流れ又は流体を受け取る。水は混合相であってもよく、液相及び気相の両方の水を含む。分離装置３６は少なくとも一部の液相の水を除去し、これはドレン管路３８を通じて分離装置から排出される。少なくとも、窒素ガス、水素ガス及び気相の水の一部は、ドレン管路３８を出て、例えば燃料電池スタック１２の浄化処理の間に制御弁３９を通過し得る。分離装置３６中の残余の流体は、再循環ループ３４中の、エゼクタ２４に結合された流路４０を通して出る。流路４０の流体は、集中・分岐ノズル２８の集中部に供給され、ここでノズル２６及び水素源２２から流入する水素と混合される。
【００１８】
液体の水は、アノード側１４の流路及びセル内での水閉塞を防止するために、アノード側１４から分離装置３６によって除去され得る。燃料電池スタック１２内の水閉塞は、燃料電池スタック１２内のセル電圧の低下及び／又は電圧不安定を引き起こし得る。液体の水は、エゼクタ２４内の閉塞又は部分閉塞を防止するためにも、分離装置３６によって除去され得る。集中・分岐ノズル２８の分岐部中の液状の水滴は、ノズル２８の中に事実上の二次的なベンチュリ部を作り、エゼクタ２４にとってポンピングの不安定をもたらし得る。
【００１９】
スタック１２のカソード側１６は、例えば空気源４２中の成分として、酸素を受け取る。１つの実施形態では、入力酸素を加圧するために、コンプレッサ４４がモータ４６により駆動される。加圧された空気は、次に加湿器４８により、カソード側１６に入る前に加湿される。他の分離装置５０（仮想線で示す）は、加湿器４８の下流に位置し得る。この分離装置５０は、加湿された空気の流れから、入力５２にてスタック１２のカソード側１６に入る前に液体の水を除去するために使用され得る。加湿器４８内で液体の水が空気の高い流速に乗せられることで、加湿器４８の下流に水滴が存在し得る。液体の水は、燃料電池スタック１２内のセル電圧の低下及び／又は不安定を引き起こす、カソード側１６のセル内での水閉塞を防止するために、分離装置５０によって除去され得る。カソード側１６の出力５４は、弁５６に結合されている。分離装置３６からのドレン管路３８と、分離装置５０からのドレン管路５８とは、弁５６の下流の管路６０に結合され得る。他の実施形態では、これらのドレン管路が燃料電池システム１０内の他の箇所へ接続され得る。
【００２０】
燃料電池システム１０のための他のシステム構成も採用可能である。例えば、カソード側１６を通過する流れを引き起こすために、コンプレッサ４４に加えてタービンが使用され得る。１つの例では、カソードスタック出口５４の下流にタービンが配置され、流体の流れがタービンに入る前に液体の水を除去するために、カソード側１６とタービンとの間に分離装置が挿入される。
【００２１】
エゼクタ２４の使用をふまえて、アノード側１４を通過する流れを作り出し、かつ受動的再循環ループ３４を通過する流れを引き起こすために、エゼクタ２４は、燃料電池スタック１２に沿った通常は著しい圧力低下を含む、システム内の圧力低下に打ち勝たねばならない。図示のシステム１０は、再循環ループ３４内に流れを引き起こすための、ポンプ又は他の装置を含んでいない。したがって、全ての圧縮仕事は、エゼクタによって、さもなければ噴流ポンプと称されるものによって、達成されなければならない。この機能を可能にするため、分離装置３６は、自身に沿った小さい圧力低下を有する必要がある。分離装置３６は、燃料電池スタック１２又はエゼクタ２４内で液滴により引き起こされる、再循環の流れにおける水閉塞を防止するために、流体から比較的大きい水滴を除去する必要もある。分離装置３６は、気相の水及び比較的小さい水滴が流路４０にて再循環の流れの中に残留し、かつ加湿の目的のためにエゼクタ２４へ戻ることを許容する。１つの例では、分離装置３６は、１ｍｍのオーダー又はそれより大きい直径を持つ水滴を除去する。
【００２２】
加えて、分離装置３６がアノード側１４から流体の流れを受け取る際に、分離装置３６は、水素ガスを使用するように設計される必要がある。一般に、水素ガスは、材料の劣化又は脆化の問題を引き起こし得る。よって、分離装置３６に使用される材料は、水素と両立できるものである必要がある。加えて、水素は小さい分子であり、従来の設計は、例えば従来のねじ式の結合が漏れを許してしまうため、多くの従来の分離装置は、水素の使用に適していない。他の従来の分離装置は、回転翼等のような、水素と両立し得ない回転部品又は移動部品を含み得る。この場合には、潤滑剤が燃料電池スタックを汚染し、あるいは水素が潤滑剤を劣化させ又は分解し得るのである。
【００２３】
分離装置５０は、燃料電池スタック１２のカソード側１６における流れの中の液滴により引き起こされる水閉塞を防止するために、流体から比較的大きい水滴を除去する必要もある。分離装置５０は、気相の水及び比較的小さい水滴が加湿のための流れの中に残留することを許容する。１つの実施形態によれば、分離装置５０は、カソード側１６の流場の流路幅と同一サイズ又はこれより大きいサイズの水滴を除去する。１つの例では、カソード側の流場の流路が０．２〜１．０ｍｍである。
【００２４】
図２及び図３は、分離装置１００の１つの実施形態を示している。この分離装置１００は、図１に示した燃料電池システム１０のための、分離装置３６として、又は分離装置５０として使用され得る。分離装置１００は、上側部分１０２と下側部分１０４とを有する。これら上側及び下側部分１０２，１０４は、内部の分離チャンバ１０６の境界を定めるものである。
【００２５】
仕切り１０８は、チャンバ１０６を、上側の渦流チャンバ１１０と下側の収集チャンバ１１２とに分割する。仕切り１０８は、スクリーン１１６であり得る。１つの実施形態では、仕切り１０８は、スポット溶接又は他の処理を用いて、下側部分１０４の中に固定されている。スクリーン１１６は、比較的大きいメッシュサイズを持ち、かつ液体がスクリーン１１６上で拡がることを防止しつつ液体が収集チャンバ１１２へ滴下することを許容するように、低い接触角を持つ材料からなり得る。１つの実施形態によれば、スクリーン１１６の接触角は９０度よりも小さい。他の実施形態によれば、スクリーン１１６の接触角は５０度よりも小さい。
【００２６】
下側部分１０４は、全体として円筒形の側壁１１８と、端壁１２０とを有する。側壁１１８及び端壁１２０は、図示のように、一体に形成され得る。他の実施形態では、側壁１１８は、円錐台形、円錐形又は他の適切な形へと、テーパがつけられていてもよい。端壁１２０は、凹面形状又はわん形状であり得る。代替の実施形態では、端壁１２０が平面形状である。
【００２７】
収集チャンバ１１２は、少量の液体の水を収集できるだけの大きさであり得る。下側部分１０４の収集チャンバ１１２は、渦流チャンバ１１０の中で環流する流体が、スクリーン１１６を通した収集チャンバ１１２から渦流チャンバ１１０への液体の跳ね上がりを引き起こす点の前まで、容積を低減し得る。
【００２８】
下側部分１０４は、吸入管１２２を有する。吸入管１２２は、この吸入管１２２を通して流れる流体がチャンバ１０６に入り、吸入管１２２と下側部分１０４との間の結合の幾何学的形状により方向転換が強制されることなく側壁１１８に沿って円滑に流れるように、側壁１１８に接して結合されている。流体が吸入管１２２からチャンバ１１０へ入る入口点１２４にて、流体は、全体として側壁１１８に対して平行に流れる。
【００２９】
下側部分１０４は、ドレン管１２６をも有する。ドレン管１２６は、端壁１２０の最も低い点に配置されており、通常は端壁１２０の中心又は中央部に、あるいは分離装置１００の長手方向の軸１３６に沿って位置する。チャンバ１１２の最も低い点にドレン管１２６を配置することにより、例えば、凍結があり得るような低い周囲温度環境下に車両又は燃料電池がある場合でも、チャンバ１１２内の液体が容易に除去され得る。
【００３０】
ドレン管１２６は、液体の水が開口を塞いだり覆ったりすることがないようなサイズであり得る。ドレン管１２６は、液体が開口を覆うことを防止するために、低い接触角の材料からなってもよい。
【００３１】
上側部分１０２は、吐出管１３０を支える端壁１２８を有する。吐出管１３０は、それが接続された端壁１２８から全体として垂直に伸びるように、上側部分１０２に結合されている。他の実施形態では、吐出管１３０と端壁１２８との間の結合角度が可変であり得る。吐出管１３０は、チャンバ１０６から吐出管１３０への入口１３４が仕切り１０８から隔てられるようにチャンバ１０６の中へ図示のように伸びる、チューブ１３２の部分を有する。
【００３２】
吐出管１３０のチューブ１３２は、端壁１２８からチャンバ１０６の中へ伸びる。チューブ１３２は、流路を形成するように、下側部分１０４の側壁１１８と組み合わされている。チューブ１３２は、全体として円筒形形状を有する。
【００３３】
１つの実施形態によれば、吸入管１２２は、分離装置１００の上側部分１０２に近接するように、下側部分１０４の上縁に近接して配置されている。吸入管１２２は、渦を引き起こして保持するように、かつ流体の流れがチャンバ１０６を通って近道をすることを防ぐように、チューブ１３２の端部よりも高い位置に配置されている。吸入管は、長手方向の軸１３５を有する。
【００３４】
吐出管１３０は、側壁１１８と吐出管１３０とが互いに同軸となるように、長手方向の軸１３６を分離装置１００と共有する。ドレン管１２６もまた、長手方向の軸１３６に沿って配置されている。
【００３５】
図示の実施形態では、軸１３５が軸１３６に対して垂直である。他の実施形態では、例えば、全体として側壁１１８に接してチャンバの中に流れがもたらされ、かつ流れの下向き成分も生じるように、分離装置１００及び軸１３６に対する軸１３５の配置が変更可能である。軸１３５，１３６は、交差しないように、互いに隔絶される。
【００３６】
車両又は燃料電池の応用では、吸入及び吐出管１２２，１３０がそれぞれ共通の軸に沿って配置される必要はなく、多くの従来の分離装置がそうであるように、互いに直列であってもよい。これにより、利用可能な空間への分離装置１００の改善された実装が可能になる。分離装置１００の全体の寸法は、１つの非限定の例に従って、図２に例示されている。
【００３７】
１つの例によれば、吸入管１２２の直径１３８対チャンバ１０６の直径１４０の比は、１：３である。他の実施形態では、直径１３８対直径１４０の比が１：２と１：８との間であり得る。チャンバ１０６の直径は、円筒形の側壁１１８の直径である。仕切り１０８と吐出管１３０への入口１３４との間隔は、吐出管１３０の直径１４２と等しい。吸入及び吐出管１２２，１３０は、等しい直径を有し得るが、代替の実施形態では異なる直径を有し得る。１つの実施形態では、吸入管１２２の直径が２５ｍｍであり、吐出管１３０の直径が２５ｍｍである。
【００３８】
第１の部分１０２及び第２の部分１０４は、クランプ機構１４６、又は水素を取り扱うに適した公知の他の固定装置を用いて互いに結合される。上側及び下側部分１０２，１０４は、チャンバ１０６を密閉するための合わせ面を有する。上側部分１０２の端壁１２８は、上側部分１０２の合わせ面として機能し得る。下側部分１０４は、側壁１１８から伸びて下側部分１０４の合わせ面として機能するフランジ１４８を有し得る。上側及び下側の面のうちの一方は、チャンバ１０６の密閉に用いられるＯリングのための溝１５０を有し得る。
【００３９】
分離装置１００が上側部分と下側部分とを有するものと説明したが、分離装置は、本開示の種々の実施形態に従って、他の態様で構成され得る。例えば、当該両部分は、一体に形成されてもよく、分解可能である必要はない。両部分は、溶接又は他の方法により結合され得る。
【００４０】
分離装置１００の動作を、図２及び図３を参照して説明する。アノード１４からの流体の流れは、吸入管１２２を通して分離装置１００に入るが、水素ガス、窒素ガス，水蒸気及び液体の水を含んでいる。流体は、側壁１１８に対して平行に又は接線方向にてチャンバ１１０に入る。これは、分離装置に沿った総合的な圧力低下を低減する。チャンバ１１０の側壁１１８と、伸長部１３２とは、両者間に形成する流路へチャンバ１１０内の流体を案内するように作用する。流体の流れに乗せられた液体を除去するために、流体は、矢印で示すように、伸長部１３２のあたりでチャンバ１１０内でスピンさせられる。回転する流体の流れにより生成される遠心加速度は、液滴を壁１１８に向かって移動させる。液滴は壁１１８に衝突し、その後は重力により、液体が壁１１８をつたって落ちて収集チャンバ１１２の中へ入る。水素ガス、窒素ガス、水蒸気及び比較的小さい水滴を含んだ残余の流体は、分離装置１００の中でスピンを続ける。比較的小さい水滴は、遠心力が作用して壁１１８に向かって移動しかつこれに衝突するには、その質量が不十分であるので、スピンを続け、又は流体の流れとともに回転する。
【００４１】
吸入管１２２からチャンバ１１０に入った後、流体は、吐出管１３０へ向かって流れるため、９０度方向転換する。この９０度方向転換は、流体流路が螺旋パターン又は渦巻パターンをなす一方、緩やかであり得る。吐出管１３０への入口１３４は、吸入管１２２から隔てられ、かつ全体として向きが逸れている。入口１３４はまた、壁１１８からも隔てられ、かつ全体として分離装置１００の中心に位置する。チューブ１３２へ向けてチャンバ１１０から出るために、流体は、１８０度方向転換する。このことは、流体の流れに乗せられた水滴の、更なる分離をもたらす。分離装置１００の幾何学的形状により、図３中に矢印で示すように、流体の流れが、吐出管１３０の入口１３４に到達するために、１８０度方向転換し、かつ壁から離れる。あるサイズを上回る液滴は、その運動量のゆえに、この方向転換に追従し得ないため、流体の流れから分離される。そして、これらの液滴は、収集チャンバ１１２へと向かう。流体の流れは、吸入管１２２と吐出管１３０との間に、全体として妨害されない、連続した流路を有する。このことは、分離装置１００に沿った圧力低下を低減する。
【００４２】
液滴の運動量と、遠心加速度に起因した力とは、液滴が分離装置１００の外壁１１８へ向かって直進を続ける原因となる。流体の流れのうちのガス部分は、かなり低い濃度を有するので、方向転換してチャンバ１０６の湾曲に沿って流れることができる。入口部１２４の後の流体の流れの最初の方向転換は、液体の水分離の第１段階を引き起こし、壁１１８に衝突した水は、壁１１８を下って、下方の収集チャンバ１１２に流れ込む。流体は、分離装置１００の垂直軸１３６のまわりの環状又は螺旋状の動きを始めるとき、チャンバ１１０内の比較的大きな容積の中へ拡散して、流速が減少する。流体の流れは、吐出管１３０の入口１３４に向かって、下向きに９０度方向転換させられる。その後、流体の流れは、分離装置の幾何学的形状により、１８０度の第２方向転換をし、吐出管１３０の直径が吸入管１２２の直径とほぼ等しいと仮定した場合、吐出管１３０に入る際には、初速とほぼ等しい速度まで加速することを強制される。流体の流れの中の水滴は、１８０度方向転換の初期段階で、下向きに投げ飛ばされて、分離スクリーン１１６及び収集チャンバ１１２に至る。水滴は、その運動量が大き過ぎるので、流れに乗ることができず、したがって流れの軌道が分離装置１００との内部衝突及び流体の流れからの分離を引き起こすためである。低濃度のガス又は非常に小さい液滴のみが、流体の流れに乗り、重力に抗して吐出管１３０に流れ込むという、第２のきつい方向転換をすることができる。このような方向転換をする水滴は、非常に細かく分散させられるので、エゼクタ２４における混合の際に気化され得る。
【００４３】
仕切り１０８のスクリーン１１６は、凝縮が生じるための場所を作り出し、渦流チャンバ１１０内で環流する流体に対する流れの円滑化効果をも提供する。スクリーン１１６はまた、収集チャンバ１１２内の相対的に静かな環境を維持するように作用し、かつ上側のチャンバ１１０への跳ね上がりのような流体の動きを防止する。スクリーン１１６の下の収集チャンバ１１２は、液体の水を収集して、これをドレン管１２６へと導く。
【００４４】
燃料電池の浸漬の間、例えば燃料電池の始動時に又は始動前に、またシステム動作中に、分離装置１００は、燃料電池のアノードループから水を除去するために使用され得る。加えて、過剰の窒素は、浄化処理にて燃料電池のアノード側１４から除去され得る。燃料電池のアノード側１４における窒素の濃度又は分圧が高過ぎる場合には、水素濃度が不十分であり、あるいは水素の分圧が低過ぎるので、燃料電池１０の性能が低下する。燃料電池のアノード側１４を浄化することにより、過剰の窒素は、スタック１２のアノード側１４から追い出される。水素と、過剰の窒素と、液相及び気相の水との混合物が、浄化処理の間に分離装置１００に入る。分離装置１００は、液体の水と、過剰の窒素と、一部の水素とが分離装置のドレン管１２６から出るようにさせる。流れの中のいくらかの水素と他の成分とは、分離装置の吐出管１３０を通してエゼクタ２４へ戻り得る。エゼクタ２４はまた、高濃度の窒素が存在する場合に、窒素の濃度が水素の濃度よりも高いとの理由で、うまく動作しないことがある。したがって、浄化処理の間に燃料電池のアノード側１４から過剰の窒素を除去することにより、総合的な燃料電池性能が向上し得る。
【００４５】
図４は、種々の質量流量における、産業上の従来の遠心分離装置と、図２の分離装置との圧力差又は圧力低下を例示している。圧力低下の単位は、ミリバール（ｍｂａｒ）である。質量流量の単位は、キログラム／時間（ｋｇ／ｈｒ）である。従来の分離装置は、全体のサイズが図２の分離装置の約２倍である。従来の分離装置は、直列の吸入及び吐出管と、その下に全体として配置された円筒形のチャンバとを有する、従来タイプである。従来の分離装置は、分離装置へ入る際と分離装置から出る際との両方で、流体の流れが鋭く方向転換する。従来の分離装置に沿った圧力低下は、ライン１６０で示されている。図２の分離装置に沿った圧力低下は、ライン１６２で示されている。図４から分かるように、本開示に係る分離装置に沿った圧力低下は、テストされた全ての流量にて、従来例よりもかなり低い。燃料電池システム１０では、通常動作中の再循環ループにおける典型的な連続した質量流量は、約２０ｋｇ／ｈｒである。燃料電池システム１０のコールドスタート中の充填動作のための典型的な再循環ループの質量流量は、約４５ｋｇ／ｈｒである。もちろん、これらの値は燃料電池システムの典型例に過ぎず、非限定の例として使われている。
【００４６】
本開示の種々の実施形態は、非限定の利点に関係する。例えば、分離装置にて小さい圧力低下を実現すると、燃料電池のアノード側における受動的再循環ループの利用が可能になる。小さい圧力低下は、分離装置への円滑な接線方向の流体流入によって、また分離装置内の気相流体流路に追加のメッシュ部材を用いないことによって、分離装置の中で生じる。分離装置は、流体の流れから比較的大きい水滴を除去する一方、水蒸気及び比較的小さいサイズの水滴を残すように設計される。よって、分離装置は、総合的な水除去にとっては、あまり高い効率を有しない。これは、燃料電池が適正に機能するうえでアノード側及びカソード側の双方に湿度が必要であるとの理由から、燃料電池の応用にとっては受け入れ可能である。アノードでの流れは、スタックへの流入に先立って乾燥した新鮮な水素供給と混合されるので、小さい液滴がスタックへの到達に先立って気化する可能性がある。加えて、スタックモジュールは、ある量の液体の水の取り込みを、セル電圧安定性を低下させることなしに許容し得る。この量は、通常は５〜３０ｃｃ／分の範囲にある。分離装置の設計は、実装、重量及びコストが現下の関心事である、車両における燃料電池システムのような応用への活用を許容する、小さく、密であり、かつ製造容易な装置を提供する。加えて、分離装置の構造及び組み立ては、アノード側の下流のような流体の流れにおける水素分子と両立できるように設計される。
【００４７】
以上に例示的な実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の全ての取り得る形態を記述することを意図したものではない。明細書中で用いられた語句は、限定よりもむしろ説明のための語句であって、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることが理解されるべきである。加えて、種々の実施形態における特徴は、本発明の他の実施形態を形成するように組合せが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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