JP2004105822A - Gas-liquid separator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気液混合流体を気体と液体に分離して排出する気液分離装置に関し、特に燃料電池車に好適な気液分離装置に係る。
【0002】
【従来の技術】
近時注目されている燃料電池車は、酸素と水素を反応させて発電して電動モータを駆動するものであるが、その空気排出系や水素循環系には、気体(空気あるいは水素)中に液体(水)が含まれた気液混合流体が循環することになる。これらの気液混合流体中の水分は、空気排出系に設けられた消音器の消音性能を低下させたり、燃料電池の化学反応を低下させるおそれがあるため、空気排出系や水素循環系に気液分離装置が設けられている。これは、上記の気液混合流体から水分を分離して排出するもので、分離された水は、一般的にドレンバルブを備えた貯水槽に蓄えられ、適宜排出されるように構成されている。
【0003】
【特許文献1】
上記の気液分離装置のうち、空気排出系に設けられるものとして、特開2002−143617号公報にサイクロン式の気液分離器が開示されている。このようなサイクロン式の気液分離装置に関しては、同公報にも記載のように従来から種々の構造の装置が知られており、上記燃料電池車以外の種々の用途に供されている。
【0004】
【特許文献2】
例えば、実公平1−25638号公報に記載の、火力プラントのブローダウンタンクに供される気液分離装置においては、気液混合流体をタンク内に接線方向から導入する入口管をタンク側壁に設けるとともに、分離蒸気(気体)を排出する蒸気出口管をタンク上部に、分離ドレン(液体)を排出するドレン排出管をタンクの下部にそれぞれ配設することとしている。これにより、入口管からタンク内に導入された気液混合流体は、タンク内壁に沿って旋回運動し、このときの遠心力により蒸気とドレンが分離され、蒸気は蒸気出口管から、ドレンはドレン排出管から、それぞれタンク外に排出されることになる。
【0005】
上記特許文献2(実公平1−25638号)に記載の気液分離装置においては、更に、タンク内に残留する停滞ドレンが気液混合流体の旋回によって、巻き上げられることを防止するため、入口管とドレン排出管との間に、複数の透孔を有する平板状のバッファ板がタンクの軸に直交するように取り付けられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載の気液分離装置においては特に問題とされていないが、気液混合流体には塵などの異物(微小固体)が含まれることがあり、このような異物は分離された液体(水)とともに排出されることになる。しかし、気液分離装置の下流には、他の部品が接続されるので、異物は気液分離装置から排出されないようにすることが望ましい。例えば、気液分離装置の液体排出口がドレンバルブ付き貯水槽に接続される場合には、液体とともに貯水槽内に排出された異物によって、ドレンバルブの閉止機能が損なわれることがないように、上流側の気液分離装置で対処することが望ましい。
【0007】
そこで、本発明は、気液混合流体を気体と液体に分離して排出する気液分離装置において、気液混合流体に混入した異物を液体とともに排出することなく、適切に気液混合流体を分離することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の気液分離装置は、請求項1に記載のように、略円筒状の内壁面を有する容器と、該容器に対し接線方向から気液混合流体を導入する流体導入口と、前記容器の上部に設け、前記容器内で分離した気体を排出する気体排出口と、前記容器の下部に設け、前記容器内で分離した液体を排出する液体排出口を備えた気液分離装置において、前記流体導入口と前記液体排出口との間に介装し前記容器の全断面に亘って配設するフィルタ部材であって、前記容器の内壁近傍に位置する少なくとも一部分を他の部分に対し前記容器の下方側に配置するフィルタ部材を備えることとしたものである。
【0009】
前記フィルタ部材は、請求項2に記載のように、前記容器の上方に向けて中央部が膨出したドーム状とするとよい。この場合には、前記容器の内壁近傍に位置する前記フィルタ部材の全周縁部が中央部に対し前記容器の下方側に配置されることになる。また、前記フィルタ部材は、前記容器の軸心に対し傾斜した面を有する平面状としてもよい。この場合には、前記容器の内壁近傍に位置する前記フィルタ部材の全周縁部の半分が他の半分に対し前記容器の下方側に配置されることになる。
【0010】
また、前記フィルタ部材は、請求項3に記載のように、微細透孔を全面に形成した第1のフィルタの少なくとも一方の面に、粗大透孔を全面に形成した第2のフィルタを積層して成る積層体とするとよい。
【0011】
更に、前記容器を、請求項4に記載のように、開口端に夫々フランジを備えた上部容器及び下部容器によって構成し、前記フィルタ部材の周縁部を前記上部容器及び下部容器のフランジ間に挟持して前記フィルタ部材を前記容器に固定することとするとよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
上記の構成になる本発明の気液分離装置の具体的一態様として、燃料電池車の空気排出系や水素循環系に供される気液分離装置について、以下に図面を参照して説明する。図1乃至図3は燃料電池車の水素循環系に供される気液分離装置の一実施形態を示すもので、水素循環系に混在する余剰水素と生成水を分離し、余剰水素は回収して燃料電池に再利用し、生成水は図示しない貯水槽に排出するように構成されている。
【0013】
図1及び図2に示すように、本実施形態の気液分離装置における容器1は、上部容器10及び下部容器20が接合されて成り、略円筒状の内壁面を有する分離室が形成される。上部容器10及び下部容器20の開口端には夫々フランジ11及び21が形成されており、これらのフランジ11及び21が接合され、複数のボルト6によって固定される。上部容器10には、同容器に対し接線方向から気液混合流体を導入する流体導入口2と、分離室(上部容器10内)で気液混合流体から分離された気体を排出する気体排出口3が一体的に形成されている。一方、下部容器20には、気液混合流体から分離された液体を排出する液体排出口4が一体的に形成されている。
【0014】
上部容器10には、流体導入口2を構成する導入管部12が一体的に形成されており、開口12aで分離室(上部容器10内)に連通している。また、気体排出口3を構成する排出管部13が、上部容器10の軸心Cを中心に一体的に形成されている。そして、排出管部13が分離室(上部容器10内)に開口する部分を囲繞するように、内筒17が上部容器10に一体的に形成されており、更に内筒17の周囲に内筒18が一体的に形成されている。内筒17は、開口12aを径方向に遮蔽するのに十分な軸方向長さに形成されているのに対し、内筒18は、その開口端が開口12aの略軸方向中心に位置する軸方向長さに形成されている。一方、下部容器20には、液体排出口4を構成する排出管部24が一体的に形成されており、フランジ21から排出管部24に至るまでに断面径が漸減する縮径部22及び23が一体的に形成されている。更に、排出管部24の開口端には他の部品(本実施形態では図示しない貯水槽)との接合用のフランジ27が一体的に形成されている。
【0015】
そして、容器1の上方に向けて中央部が膨出したドーム状のフィルタ部材5が、流体導入口2と液体排出口4との間に介装され、容器1の全断面に亘って配設されている。本実施形態のフィルタ部材5は、膨出部分が球面のドーム形状に形成されており、その全周縁部が上部容器10及び下部容器20のフランジ11及び21間に挟持されている。而して、容器1の内壁近傍に位置するフィルタ部材5の全周縁部が中央部に対し容器1の下方側に配置されている。
【0016】
本実施形態のフィルタ部材5は、図3に拡大して示すように、微細透孔が全面に形成された異物除去用の第1のフィルタ51の下面に、粗大透孔が全面に形成された形状保持用の第2のフィルタ52が積層されると共に、これらの透孔の中間の大きさの透孔が全面に形成された保護用の第3のフィルタ53が積層され、積層体が構成されている。第1のフィルタ51は、流体導入口2から導入された気液混合流体内に異物が混入した場合に、この通過を阻止して排出液体に異物が混入することを阻止するもので、本実施形態では金属製のメッシュで構成されている。第2のフィルタ52も金属製のメッシュで、第1のフィルタ51を下面側から保持し、球面のドーム形状の膨出部分を維持するように構成されている。そして、第3のフィルタ53は、第1のフィルタ51の上面側を保護するもので、本実施形態では金属製のメッシュで構成されている。
【0017】
尚、第3のフィルタ53は省略してもよく、その場合には、第2のフィルタ52を第1のフィルタ51に密着した状態で第1のフィルタ51の上面側に配置することとしてもよい。また、本実施形態では、何れのフィルタも金属製のメッシュで構成されているが、樹脂製やセラミック製のメッシュを用いることとしてもよい。あるいは、それ自体に通気、通水性を有する多孔質材料(金属、樹脂、セラミック等)を用いることとしてもよい。
【0018】
上記の三層構造のフィルタ部材5は、U字断面の金属製環状ブラケット54によって周縁部が保持され、このブラケット54部分がガスケット55を介して上部容器10及び下部容器20のフランジ11及び21間に挟持される。図3に示すように、上部容器10のフランジ11には環状溝15が形成されており、その内径側に段部16が形成されている。同様に、下部容器20のフランジ21には環状溝25が形成されており、その内径側に段部26が形成されている。従って、上部容器10及び下部容器20のフランジ11及び21が接合されると、環状溝15及び25間に環状室が形成されると共に、段部16及び26間に環状の間隙が形成される。
【0019】
ガスケット55は、例えばゴムあるいは樹脂製で、C字状断面の環状のシール部55aと、複数の環状突起が並設されたラビリンス部55bを有し、シール部55aは環状溝15及び25間の環状室内に配置され、ラビリンス部55bは段部16及び26間の間隙に配置されるように構成されている。
【0020】
而して、上記の構成になる本実施形態の気液分離装置によれば、図示しない水素循環系の上流側配管を介して、水素と水からなる気液混合流体が、図1及び図2に白抜矢印で示すように流体導入口2から上部容器10内に導入され、上部容器10の内壁面に沿って旋回する。このとき、遠心力により水素と水が分離し、水素は気体排出口3から、図示しない水素循環系の下流側配管に供給される。一方、水は上部容器10の内壁面を伝って下方に移動し、フィルタ部材5によって異物が濾過された後、下部容器20に導かれ、液体排出口4から図示しない貯水槽に導かれる。このように、フィルタ部材5によって貯水槽への異物の侵入が阻止されるため、図示しないドレンバルブが貯水槽に設けられる構造であっても、その閉止機能が損なわれることはない。
【0021】
特に、本実施形態のフィルタ部材5は容器1の軸心に対して直交する平面ではなく、容器1の上方に向けて中央部が膨出したドーム状であるので、容器1の軸心に直交する平面状のフィルタ部材(図示せず)に比べ、大きな濾過面積を確保することができる。更に、平面状のフィルタ部材の場合には、排出すべき水がフィルタ部材上側の全面に貯留し、下部容器20の空気との置換が困難となり排水不良となるおそれがあるが、排出すべき水は先ずフィルタ部材5の少なくとも一部分(本実施形態では全周縁部)に貯留され、他の部分(本実施形態では中央部)においては下部容器20の空気との置換が容易に行われるため、確実に排水することができる。また、異物に対しても同様に、先ずフィルタ部材5の周縁部で収集されるため、フィルタ部材5の全面が目詰まりを起こすことはない。
【0022】
更に、本実施形態のフィルタ部材5は、図1に示すように膨出部分が球面の半球状のドーム形状に形成されているので、車両姿勢に影響されることなく上記の効果を奏することができる。しかも、フィルタ部材5の剛性が高く、フィルタ部材5の振動、変形を防止することができ、耐久性が向上する。特に、微細透孔が全面に形成された金属製メッシュの第1のフィルタ51の両面に、粗大透孔及び中間透孔が全面に形成された金属製メッシュの第2のフィルタ52及び第3のフィルタ53が積層され、多層構造とされているので、フィルタ部材5としての剛性が高く、耐久性が向上する。また、フィルタ部材5は上部容器10と下部容器20間で挟持されるように構成されているので、フィルタ部材5を適切に保持することができ、フィルタ部材5が取り外し可能であるので、フィルタ部材5の清掃、交換作業を容易に行うことができる。
【0023】
あるいは、図1に示すドーム形状のフィルタ部材5に代えて、容器1の軸心に対し傾斜した面を有する平面状のフィルタ部材(図示せず)としてもよい。この場合には、容器1の内壁近傍に位置するフィルタ部材5の全周縁部の半分が他の半分に対し容器1の下方側に配置されることになり、容器1の軸心に対して直交する平面状のフィルタ部材に比べ、大きな濾過面積を確保することができ、排出すべき水及び異物は先ずフィルタ部材5の少なくとも一部分(全周縁部の下方の半分)に貯留され、他の部分(上方の半分)においては確実に排水することができる。尚、本発明は、燃料電池車に限らず、種々の気液分離装置に適用することができる。
【0024】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項1に記載の気液分離装置においては、フィルタ部材が、流体導入口と液体排出口との間に介装され容器の全断面に亘って配設されると共に、容器の内壁近傍に位置する少なくとも一部分が他の部分に対し容器の下方側に配置されており、排出すべき水及び異物は先ずフィルタ部材の少なくとも一部分に貯留されるので、異物を排出することなく、他の部分においては確実に排水することができる。
【0025】
前記フィルタ部材は、請求項2に記載のように構成すれば、容器の内壁近傍に位置するフィルタ部材の全周縁部が中央部に対し容器の下方側に配置されることになり、排出すべき水及び異物は先ずフィルタ部材の少なくとも一部分に貯留されるので、異物を排出することなく、他の部分においては確実に排水することができる。
【0026】
また、前記フィルタ部材は、請求項3に記載のように積層体とすることにより、良好な耐久性を確保することができる。更に、前記容器を、請求項4に記載のように構成し、フィルタ部材の周縁部を上部容器及び下部容器のフランジ間に挟持して固定することとすれば、フィルタ部材を適切に保持すると共に、フィルタ部材の清掃、交換作業を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る気液分離装置の断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る気液分離装置の平面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る気液分離装置におけるフィルタ部材の固定部の拡大断面図である。
【符号の説明】
1 容器, 2 流体導入口, 3 気体排出口, 4 液体排出口,
5 フィルタ部材, 10 上部容器, 11 フランジ,
20 下部容器, 21 フランジ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas-liquid separator that separates a gas-liquid mixed fluid into a gas and a liquid and discharges the separated gas, and particularly to a gas-liquid separator suitable for a fuel cell vehicle.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell vehicle that has recently attracted attention is one that generates electric power by reacting oxygen and hydrogen to drive an electric motor, and its air discharge system and hydrogen circulation system include gas (air or hydrogen) The gas-liquid mixed fluid containing the liquid (water) circulates. Moisture in these gas-liquid mixed fluids may reduce the silencing performance of the silencer provided in the air discharge system or reduce the chemical reaction of the fuel cell. A liquid separation device is provided. This is to separate and discharge water from the gas-liquid mixed fluid, and the separated water is generally stored in a water storage tank having a drain valve, and is configured to be appropriately discharged. .
[0003]
[Patent Document 1]
A cyclone-type gas-liquid separator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-143617 as one of the gas-liquid separators provided in the air discharge system. Regarding such a cyclone-type gas-liquid separation device, as described in the same publication, devices having various structures are conventionally known, and are provided for various uses other than the fuel cell vehicle.
[0004]
[Patent Document 2]
For example, in a gas-liquid separation device described in Japanese Utility Model Publication No. 1-25638 for use in a blowdown tank of a thermal power plant, an inlet pipe for introducing a gas-liquid mixed fluid into the tank from a tangential direction is provided on the tank side wall. At the same time, a steam outlet pipe for discharging separated steam (gas) is provided at the upper part of the tank, and a drain discharge pipe for discharging separated drain (liquid) is provided at the lower part of the tank. As a result, the gas-liquid mixed fluid introduced from the inlet pipe into the tank swirls along the inner wall of the tank, and the centrifugal force at this time separates steam and drain.The steam is discharged from the steam outlet pipe, and the drain is drained. Each of them is discharged from the discharge pipe to the outside of the tank.
[0005]
In the gas-liquid separation device described in Patent Document 2 (Japanese Utility Model Publication No. 1-25638), an inlet pipe is further provided to prevent the stagnant drain remaining in the tank from being wound up by the swirling of the gas-liquid mixed fluid. A flat buffer plate having a plurality of through holes is mounted between the tank and the drain discharge pipe so as to be orthogonal to the axis of the tank.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Although not particularly problematic in the gas-liquid separation device described in the above-mentioned publication, foreign matters (fine solids) such as dust may be contained in the gas-liquid mixed fluid, and such foreign matters are separated liquid ( Water). However, since other components are connected downstream of the gas-liquid separation device, it is desirable to prevent foreign matter from being discharged from the gas-liquid separation device. For example, when the liquid outlet of the gas-liquid separator is connected to a water tank with a drain valve, the foreign matter discharged into the water tank together with the liquid does not impair the closing function of the drain valve, It is desirable to take measures with the gas-liquid separation device on the upstream side.
[0007]
Accordingly, the present invention provides a gas-liquid separation device that separates and discharges a gas-liquid mixed fluid into a gas and a liquid, and separates the gas-liquid mixed fluid appropriately without discharging foreign substances mixed in the gas-liquid mixed fluid together with the liquid. The task is to
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a gas-liquid separation device according to the present invention, as described in
[0009]
It is preferable that the filter member has a dome shape with a central portion bulging upward toward the upper side of the container. In this case, the entire periphery of the filter member located near the inner wall of the container is disposed below the container with respect to the center. Further, the filter member may have a flat shape having a surface inclined with respect to the axis of the container. In this case, half of the entire peripheral edge of the filter member located near the inner wall of the container is disposed below the container with respect to the other half.
[0010]
Further, the filter member is formed by laminating a second filter having a coarse through-hole on the entire surface on at least one surface of the first filter having a fine through-hole on the entire surface. It is good to be a laminated body composed of
[0011]
Further, as described in claim 4, the container is constituted by an upper container and a lower container each having a flange at an open end, and a peripheral portion of the filter member is sandwiched between the flanges of the upper container and the lower container. Then, the filter member may be fixed to the container.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As a specific embodiment of the gas-liquid separation device of the present invention having the above configuration, a gas-liquid separation device provided for an air discharge system or a hydrogen circulation system of a fuel cell vehicle will be described below with reference to the drawings. FIGS. 1 to 3 show an embodiment of a gas-liquid separation device provided in a hydrogen circulation system of a fuel cell vehicle, in which excess hydrogen and product water mixed in the hydrogen circulation system are separated, and the excess hydrogen is recovered. The fuel cell is reused for fuel cells, and the generated water is discharged to a water storage tank (not shown).
[0013]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
[0014]
The
[0015]
Then, a dome-shaped filter member 5 whose central portion bulges upward from the
[0016]
In the filter member 5 of the present embodiment, as shown in an enlarged manner in FIG. 3, a coarse through-hole is formed on the entire lower surface of the
[0017]
Note that the
[0018]
The periphery of the filter member 5 having the three-layer structure described above is held by a metal
[0019]
The
[0020]
Thus, according to the gas-liquid separator of the present embodiment having the above-described configuration, the gas-liquid mixed fluid composed of hydrogen and water is supplied to the gas-liquid mixed fluid of FIG. 1 and FIG. As shown by a white arrow, the liquid is introduced into the
[0021]
In particular, since the filter member 5 of the present embodiment is not a plane perpendicular to the axis of the
[0022]
Furthermore, the filter member 5 of the present embodiment has the above-mentioned effect without being affected by the vehicle posture, since the bulging portion is formed in a hemispherical dome shape as shown in FIG. it can. Moreover, the rigidity of the filter member 5 is high, vibration and deformation of the filter member 5 can be prevented, and durability is improved. In particular, the
[0023]
Alternatively, a flat filter member (not shown) having a surface inclined with respect to the axis of the
[0024]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained. That is, in the gas-liquid separation device according to the first aspect, the filter member is interposed between the fluid introduction port and the liquid discharge port, is disposed over the entire cross section of the container, and is close to the inner wall of the container. Is disposed below the container with respect to the other parts, and water and foreign substances to be discharged are first stored in at least a part of the filter member. Can be drained reliably.
[0025]
If the filter member is configured as described in
[0026]
In addition, by forming the filter member as a laminate as described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas-liquid separation device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the gas-liquid separation device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a fixing portion of a filter member in the gas-liquid separation device according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 container, 2 fluid inlet, 3 gas outlet, 4 liquid outlet,
5 filter member, 10 upper container, 11 flange,
20 lower container, 21 flange
Claims (4)
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