JP2019155334A - 気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードからの含水ガスに含まれる水を分離した後に、分離した水がハウジング内を流れるガスに含まれることのない気液分離器を構成する。【解決手段】ガスの導入口１と、ガスの排出口２とを有し、導入口１と排出口２より下側に貯水部５を有するハウジング１０を備えると共に、ハウジング１０の内部に、導入口１から導入されたガスが衝突することでガスに含まれる水を分離する衝突壁３ａと、衝突壁３ａから落下する水を貯水部５に流す流下壁１８とを備え、排出口２を、ハウジング１０のうち、平面視で流下壁１８に水が流れる方向の下流側に配置している。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、燃料電池のアノードから排出されるガスから水を分離するために用いられる気液分離器の技術に関する。

上記構成の気液分離器として特許文献１には、円筒状の本体部の上部に入口管を備え、本体部の下部に貯水タンク部を備え、この貯水タンクから水を排出する出口管を備えると共に、貯水タンク部の底部に水の移動に抵抗を与える多数のリブを備えた技術が記載されている。

この特許文献１では、入口管が本体部に対して接線方向にガスを供給するように姿勢が設定され、本体部の上面の中央位置に出口管を備え、本体部の内部には漏斗状となる落し板を配置している。

この特許文献１では、入口管から導入された排気ガスを本体部においてサイクロン効果によりガスと水とに分離し、落し板の開口から貯水タンク部に落下させ、ガスを出口管から排出するように構成されている。

また、上記構成の気液分離器として特許文献２には、下部に貯水部を有する気液分離器本体が構成され、貯水部より高い位置となる気液分離器本体に導入口と、導出口とを備えた技術が記載されている。

この特許文献２では、気液分離器本体の内部で、導入口と導出口との中間位置に縦壁状の衝突壁を備え、貯水部より上側に跳ね返り低減板を備えている。この構成から、導入口から導入されたガスは、衝突壁に衝突することで水が分離し、分離した水が貯水部に貯留され、衝突壁に衝突することで水が分離した後のガスは導出口から排出される。

特開２００２−３７３６９９号公報 特開２０１７−１４７１５９号公報

固体高分子型燃料電池では、導電性を有する多項質体で成るアノードと、カソードを、電解質膜を挟んで配置した構成を有し、アノードに水素ガスを供給し、カソードに酸素を含む空気を供給することで発電が行われる。

この構成の燃料電池では、発電時にはカソードにおいて酸素が水素と反応することで水が生成される。また、発電時においてアノードを湿潤状態に維持するため、アノードに供給される水素は加湿器等で加湿される。

従って、アノードから排出されるガスには、未反応の水素と水のミストとが含まれるため、このガスから水を除去し、未反応の水素を再びアノードに戻すために気液分離器が必要とされている。

気液分離器の構成を考えると、特許文献１の技術は、サイクロン効果によりガスから水を分離するものであるため、本体部が円筒状となり、入口管が本体部の内部に対し接線方向にガスを送り込むように姿勢を設定し、出口管の位置も本体部の中央に配置する必要性があり、全体の形状に制約がある。

また、特許文献２の技術では、気液分離器本体に導入口と導出口とを貯水部より高い位置に形成することから、配置上の制約を有している。また、この特許文献２の技術では、貯水部を覆う位置に、貯水部からの水の跳ね返りを低減する跳ね返り低減板を備えており、この跳ね返り低減板は、複数の貫通孔を備えることでガスから分離した貯水部への移動を可能にしつつ、貯水部からの水の跳ね返りを低減するものである。

しかしながら、導入口から導入したガスが貯水部の近傍を流れるため、跳ね返り低減板を備えていても、跳ね返り低減板の上方をガスが流れた場合には、跳ね返り低減板の貫通孔を介して貯水部の水が吹き上げられ、ガスとともに排出されることも想像された。

このような理由から、合理的な構成により、アノードからの含水ガスに含まれる水を分離し、分離した水がガスとともに排出されることのない気液分離器が求められる。

本発明に係る気液分離器の特徴構成は、ガスの導入口と、ガスの排出口とを有し、前記導入口と前記排出口より下側に貯水部を有するハウジングを備えると共に、前記ハウジングの内部に、前記導入口から導入された水を含有するガスが衝突することで、ガスの流動方向を変化させつつ、水を付着させてガスから分離する衝突壁と、前記衝突壁から落下する水を前記貯水部に流入させ、ガスの流動方向を変化させる流下壁とを備えている点にある。

この特徴構成によると、導入口から導入されたガスは、衝突壁に衝突することによりガスに含まれる水が分離して衝突壁に付着し、更に、付着した水は衝突壁の部位から下方に落下する。このように落下した水は流下壁を流れることで貯水部に貯留される。この構成では、衝突壁において水滴化した水が貯水部に対して直接的に落下せず、ガスの流れが直接貯水部に当たらないため、貯水部の水が跳ね上がる現象がない。

更に、この構成では、サイクロン型と比較するとハウジングを円筒状に形成することや、ガスの導入口とガスの排出口との配置が決まる等の制約がなく、例えば、衝突壁に衝突した後のガスを貯水部の上方の空間を送り、排出口から上方に排出するように構成する等、振動等により貯水部の水が持ち上げられても、水がハウジング内のガスに含まれる不都合を抑制できる。
従って、アノードからのガスに含まれる水を分離し、分離した水がガスとともに排出されることのない気液分離器が構成された。

他の構成として、前記流下壁が、前記衝突壁から離間し且つ前記衝突壁の鉛直下方に配置されても良い。

これによると、衝突壁に衝突することで、衝突壁に付着する状態でガスから分離した水は、衝突壁の部位から流下壁の上面に落下し、この流下壁に沿って貯水部に流れ込む。この構成では、この流下壁の上面は常に水が流れる状態となり、この流下壁に落下した水滴は、流れる状態にある水に接触して運動エネルギーが吸収されるため、落下した水滴から飛沫が発生しても、この飛沫は高く跳ねることがない。また、ガスから分離し、貯水された水がハウジング内部で跳ね上がる現象もガスにより抑制できる。

他の構成として、前記衝突壁に対して斜め上方からガスを供給するように、前記導入口の位置と、当該導入口によるガスの供給方向が設定されても良い。

これによると、導入口から導入されるガスは、衝突壁に対し斜め上方から衝突壁に衝突することになり、衝突したガスは下方に向けて流れることになり、ガスから分離した水を下方に送り出すことも可能となる。また、下方に向けられたガスは流下壁により、貯水部に当たらないため、貯水部の水の跳ね上げを防止できる。

他の構成として、前記衝突壁の上端より上側に前記導入口の下端位置が設定されても良い。

これによると、導入口から供給されたガスを、衝突壁の高い位置に衝突させることが可能となり、しかも、衝突した後のガスが下方に流れる際に、再び衝突壁に接触させることが可能となり、ガスに含まれる水を効率良く分離することも可能となる。

気液分離器の斜視図である。 気液分離器の縦断側面図である。 膨出壁部において導入口を含む部位の横断平面図である。 膨出壁部の中間部位の横断平面図である。 濾過ユニットの斜視図である。 弁体が開放した状態の電磁開閉弁の部位の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔本体構成〕
図１、図２に示すように、水を含有するガス（以下、含水ガスと称する）の導入口１と、含水ガスの排出口２と、気液分離部３と、流下案内部４と、貯水部５とを有するハウジング１０を備えると共に、貯水部５に貯留された水の排出を行う電磁開閉弁６を備えて気液分離器Ａが構成されている。

この気液分離器Ａは、固体高分子型燃料電池（図示せず）の電力により走行する車両において、燃料電池のアノードから排出される含水ガスを導入口１からハウジング１０の内部に導入し、気液分離部３で含水ガスから水を分離して貯水部５に貯留すると共に、水が分離されたガスを排出口２から排出するように構成されている。

つまり、固体高分子型燃料電池では、アノードに対し、水素ガスと窒素ガスとを混合した燃料ガスを加湿して供給し、カソードに酸化剤ガス（酸素を含む空気）を供給することにより発電が行われる。燃料ガスを加湿する理由は、アノードを湿潤させるためであり、アノードから排出されるガス（含水ガス）には窒素ガスと未反応の水素ガスと水とが含まれる。

この理由から、この種の車両では、アノードから排出される含水ガスから水を分離して貯水部５に貯留すると共に、水が分離したガスを燃料電池のアノードに戻す還元経路に気液分離器Ａを備えている。

この構成の燃料電池では、発電量から貯水部５に貯留される水量を推定できるため、発電量に基づいて貯水部５の水量をＥＣＵ等の制御装置で推定する。この推定に基づき制御装置が電磁開閉弁６を制御して水を排出する制御を行う。尚、気液分離器Ａでは、貯水部５に貯留された水量を検知するセンサを備え、このセンサの検知結果に基づいて電磁開閉弁６を開放するように構成しても良い。

〔ハウジング〕
気液分離器Ａは、図１、図２に示すように上下関係を設定した姿勢で車両に備えられる。ハウジング１０は、上部ハウジング１１と下部ハウジング１５とを有し、上部ハウジング１１の上部フランジ１１ｆと、下部ハウジング１５の下部フランジ１５ｆとを複数のボルト７で接合することで内部空間を形成している。尚、内部空間に対し導入口１と排出口２とが連通し、貯水部５に対し排出流路１７ａが連通する構造を有している。

上部ハウジング１１と下部ハウジング１５とは樹脂で形成され、上部フランジ１１ｆと下部フランジ１５ｆとの境界面にシール材が挟み込まれている。尚、上部ハウジング１１と下部ハウジング１５とをアルミニウム等の金属で形成しても良い。

上部ハウジング１１には、平面視で貯水部５を挟んで導入口１と排出口２が形成され、この排出口２は、上部ハウジング１１上下方向に貫通する形態で形成されている。また、上部ハウジング１１は、上方に膨出する膨出壁１２が一体形成され、この膨出壁１２の内部に分離空間３Ｓが形成されている。更に、膨出壁１２の上端部には導入口１が形成され、膨出壁１２の内部の分離空間３Ｓに気液分離部３が配置されている。

図２〜図４に示すように、膨出壁１２は、平面視で円形となる内壁を有しているため分離空間３Ｓは円柱状の空間として形成される。気液分離部３は、膨出壁１２の内壁に沿って複数（同図では６つ）の衝突壁３ａを一体形成しており、導入口１から供給される含水ガスを複数の衝突壁３ａに衝突させることで、含水ガスに含まれる水を衝突壁３ａに水滴として付着させる状態で分離し、更に、分離した水を水滴として衝突壁３ａから下方に落下させる。

導入口１は、複数の衝突壁３ａの上端近傍に高さが設定されている。この導入口１は、図３に示すように分離空間３Ｓの内周に沿う接線方向で、且つ、図２に示すように斜め下方に含水ガスを送り込むよう導入姿勢が設定されている。これにより、図２、図３において導入経路Ｓとして矢印で示す方向に含水ガスが導入された際には、導入筒体１３の内部の分離空間３Ｓにおいて旋回（図３、図４で反時計回りで旋回）するスワール流が作り出されると共に、このスワール流が旋回しつつ下方に移動する。尚、導入口１は複数の衝突壁３ａより高い位置に設定することにより、水の分離性能が高くなるため、図２に示す位置より高い位置に設定しても良い。

具体構成として、気液分離部３は、導入口１から分離空間３Ｓに供給された含水ガスが、最初に複数の衝突壁３ａの１つに衝突するように、導入口１の導入経路Ｓの導入方向と、衝突壁３ａとの位置関係が設定されている。更に、衝突した含水ガスを隣接する衝突壁３ａに向けて流すように複数の衝突壁３ａの角度が設定されている。これにより、導入口１から分離空間３Ｓに供給された含水ガスは、複数の衝突壁３ａに順次衝突することで流動方向を変化させ、分離空間３Ｓにおいて旋回するスワール流を作り出す。

従って、分離空間３Ｓに導入口１から含水ガスが供給された場合には、衝突壁３ａに含水ガスが衝突する毎に含水ガスに含まれる水が水滴化して衝突壁３ａに付着する。また、含水ガスの流れが乱され流速が低下することにより含水ガスに含まれる微細な水も分離する。その結果、水滴は図２において水経路Ｗとして矢印で示すように下方に落下し、流下案内部４から貯水部５に流れ、水滴が分離した状態のガスは、図２においてガス流Ｇとして矢印で示すように分離空間３Ｓの下部から排出口２の方向に流れ、排出口２から上方に排出される。

下部ハウジング１５には、中央部分から下方に向けて延出する有底筒状の貯水部壁１７を備えている。また、下部ハウジング１５には、分離空間３Ｓの下側において貯水部壁１７に近い部位ほど低い傾斜姿勢の流下壁１８（流下案内部４の具体構成）を形成している。

貯水部壁１７で取り囲まれ上方に開放する空間で貯水部５が形成され、この貯水部壁１７の下部の外面に電磁開閉弁６を備えている。また、貯水部５の上部には水に含まれる異物を除去する濾過ユニットＦを備えている。

図２に示すように、貯水部壁１７に排出流路１７ａが形成されている。電磁開閉弁６は、バネ付勢力により排出流路１７ａを閉塞する位置に保持される弁体６ａと、通電によりバネ付勢力に抗して弁体６ａを開放作動させる電磁ソレノイド６ｂとを備えて構成されている。この排出流路１７ａは図１に示す排水口１７ｂと連通しており、電磁開閉弁６が開放されることにより貯水部５の水が排水口１７ｂから排出される。

尚、この電磁開閉弁６は、弁体６ａには貯水部壁１７に当接する部位に柔軟に変形する樹脂製のシール膜６ｃを備えており、弁体６ａが図２に示す閉塞位置にある場合には、シール膜６ｃが接触することで排出流路１７ａを閉塞する。また、電磁ソレノイド６ｂを駆動した場合には、弁体６ａの作動に伴い図６に示すようにシール膜６ｃが排出流路１７ａから離間するように構成されている。

濾過ユニットＦは、図２、図５に示すように貯水部壁１７に嵌め込まれる樹脂製の環状フレーム２１と、この環状フレーム２１の内周に張設され金属線またはナイロンを用いた網材で成るフィルタ２２と、フィルタ２２の中心領域に配置される樹脂製の固定リング２３とを備えて構成されている。また、環状フレーム２１の外周の環状溝に対しリング状のシール２１ａが嵌め込まれている。

環状フレーム２１は平面視で円形であり、この中心領域に対し環状フレーム２１と同軸芯で貫通孔を有する固定リング２３が配置され、この固定リング２３の外周と環状フレーム２１との間にフィルタ２２が備えられている。尚、一例として、これに限定されないが、フィルタ２２は、環状フレーム２１と固定リング２３とを金型により成形する際にインサートにより備えられる。

また、貯水部５の底壁の中央から上方に向けて保持突起１９が形成され、この保持突起１９の上端を濾過ユニットＦの固定リング２３の貫通孔に挿通した状態で濾過ユニットＦが固定されている。

この濾過ユニットＦでは、環状フレーム２１の外周のシール２１ａを、貯水部壁１７の内周に密着させることで、流下壁１８から流れる水を確実にフィルタ２２に供給するように構成されている。

〔実施形態の作用効果〕
この構成から、導入口１から導入経路Ｓに沿って含水ガスが導入された場合には、導入された含水ガスを、衝突壁３ａの高い位置に衝突させると共に、スワール流を作り出す。このスワール流が分離空間３Ｓに流れる際には、含水ガスを複数の衝突壁３ａに連続的に衝突させる状態で、衝突位置を順次下方に移動させることにより、複数の衝突壁３ａに対して繰り返して接触させ、含水ガスに含まれる水を効率良く分離できる。

また、含水ガスが衝突壁３ａに衝突し付着することで含水ガスに含まれる水が水滴化した場合には、水滴が衝突位置から水経路Ｗに沿って下方に落下し、流下壁１８（流下案内部４）で受け止められると共に、この流下壁１８に沿って（水経路Ｗに沿って）流れることで貯水部５に貯留される。

この構成では、衝突壁３ａにおいて水滴化した水が貯水部５に対して直接的に落下しないため、貯水部５の水が跳ね上がる現象が防止される。しかも、流下壁１８が斜め姿勢で形成されているため、この流下壁１８の上面は常に水が流れる状態にあり、この流下壁１８に落下した水滴は、流れる状態にある水に接触することで運動エネルギーが吸収され、落下した水滴から飛沫が発生しても、この飛沫は高く跳ねることがない。また、含水ガスから分離し、貯水された水がハウジング内部で跳ね上がる現象もガスにより抑制できる。

また、貯水部５の上部位置には濾過ユニットＦを備えているため、微粒子状の異物を除去できるだけでなく、貯水部５に水滴が直接的に落下することがあっても濾過ユニットＦのフィルタ２２に接触するため、貯水部５に貯留されている水に直接的に接触することはなく、水が跳ね上げられることもない。

そして、フィルタ２２に水に含まれる異物が除去されるため、電磁開閉弁６が電磁ソレノイド６ｂの駆動により弁体６ａを作動させる構成であっても、弁体６ａが開放位置から閉塞位置に移動する際に、水に含まれる異物が弁体６ａに挟み込まれる不都合がなく、電磁開閉弁６を適正に作動させることが可能となる。

導入口１から分離空間３Ｓに供給された含水ガスは、分離空間３Ｓでスワール流として流れるため、分離空間３Ｓに達したガスは水平方向に向けて容易に流れることで排出口２に達し、この排出口２から上方に排出される。これにより、水が分離したガスを、ハウジング１０の内部において貯水部５に接近させずに送ることで水に接触する可能性を低くし、分離した水が再びガスに含まれる不都合を抑制できる。

特に、気液分離器Ａとしてサイクロン効果により含水ガスから水を分離するものと比較すると、この構成では、導入口１の位置と排出口２との位置や、ハウジング１０の形状に制約がなく、設計が容易になる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）実施形態において説明したように、導入口１の開口縁の下端を、複数の衝突壁３ａの上端より高い位置に配置する。このように構成することにより、気液分離部３での水の分離性能を一層高めることが可能となる。

（ｂ）衝突壁３ａの表面を粗面に仕上げることや、多数の突起を形成する。また、衝突壁３ａを、垂直方向に対して傾斜する斜め姿勢で配置する。このように構成することにより分離空間３Ｓの含水ガスの流れを乱すことや、含水ガスと衝突壁３ａとの接触時間を長くすることが可能となり、含水ガスに含まれる水を良好に分離することが可能となる。

（ｃ）気液分離部３を複数備え、各々の気液分離部３に導入口１を形成する。このように構成したものであっても、効率的に含水ガスから水を分離できる。尚、排出口２も複数備えても良い。

（ｃ）衝突壁３ａの下端一部を、流下壁１８（流下案内部４）の上面に接触させるように構成する。このように構成することにより、衝突壁３ａから流下壁１８に対して落下する水滴の量を減じ、流下壁１８での水の飛沫の発生を抑制できる。

本発明は、ガスに含まれる水を除去する気液分離器に利用することができる。

１ 導入口
２ 排出口
３ａ 衝突壁
５ 貯水部
１０ ハウジング
１８ 流下壁

Claims (4)

1. ガスの導入口と、ガスの排出口とを有し、前記導入口と前記排出口より下側に貯水部を有するハウジングを備えると共に、
   前記ハウジングの内部に、前記導入口から導入された水を含有するガスが衝突することで、ガスの流動方向を変化させつつ、水を付着させてガスから分離する衝突壁と、前記衝突壁から落下する水を前記貯水部に流入させ、ガスの流動方向を変化させる流下壁とを備えている気液分離器。
2. 前記流下壁が、前記衝突壁から離間し且つ前記衝突壁の鉛直下方に配置されている請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記衝突壁に対して斜め上方からガスを供給するように、前記導入口の位置と、当該導入口によるガスの供給方向が設定されている請求項１又は２に記載の気液分離器。
4. 前記衝突壁の上端より上側に前記導入口の下端位置が設定されている請求項１〜３の何れか一項に記載の気液分離器。

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