JP2023125687A - 気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの圧損を抑制し、水を効率よく分離できる気液分離器を提供する。
【解決手段】気液分離器１は、内部空間１１を有するハウジング１０と、ハウジング１０の内部空間１１に配置され、ハウジング１０の外部から供給される含水ガスが流通する円筒形状の上部流路２０と、上部流路２０の内部に配置され、含水ガスから水を分離する気液分離部４０と、ハウジング１０の内部空間１１に配置され、気液分離部４０で水が分離された後の除水ガスが流通する円筒形状の下部流路３０と、ハウジング１０に配置され、気液分離部４０で分離された水を貯留する貯水部５０とを備える。該気液分離器１は、鉛直方向に沿って見たときに、上部流路２０の軸芯Ｘと、下部流路３０の軸芯Ｙとが同軸芯になるように上部流路２０と下部流路３０とが配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液分離器に関する。

燃料電池は、アノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含む空気を供給することにより発電が実現する。発電により燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスには未反応の水素と水が含まれており、カソード側から排出されるカソードオフガスには空気と水が含まれている。燃料電池では、未反応の水素を再利用するため、アノードオフガスをアノード側に還元する流路に対して、アノードオフガスに含まれる水を除去する気液分離器を備えている。また、カソードオフガスは、加湿器に供給されて水が分離されるが、燃料電池と加湿器との間の流路に予備的に水を分離する気液分離器を備えているものもある。

特許文献１には、上下を密閉した円筒状の本体部と、該本体部の円筒状の上部近傍で且つ切線方向に設けられた入口管と、本体部の天板部の中央部に該本体部の内外部に突出するように設けられた出口管と、本体部の下部に設けられた排水管とを備えた燃料電池車用気液分離器が開示されている。

この燃料電池車用気液分離器では、入口管より導入された気液混合ガスを遠心力により気体及び液体に分離する。分離された水は、本体部の内周部に形成された螺旋状の水分誘導手段により本体部の下方に送られ、排水管から排出される。水が分離されたガスは、出口管から排気される。

特開２００３－３１１１８５号公報

特許文献１に記載される燃料電池車用気液分離器は、本体部に対して水平方向から気液混合ガスを導入して遠心力により水を分離し、垂直方向から水を分離した後のガスを排気する構成であるため、本体内でガスの流れる方向を９０度曲げる必要があり、圧損が増加する。

そのため、ガスの圧損を抑制し、水を効率よく分離できる気液分離器が求められている。

本発明に係る気液分離器の特徴構成は、内部空間を有するハウジングと、前記ハウジングの前記内部空間に配置され、前記ハウジングの外部から供給される含水ガスが流通する円筒形状の上部流路と、前記上部流路の内部に配置され、前記含水ガスから水を分離する気液分離部と、前記ハウジングの前記内部空間に配置され、前記気液分離部で水が分離された後の除水ガスが流通する円筒形状の下部流路と、前記ハウジングに配置され、前記気液分離部で分離された水を貯留する貯水部とを備え、鉛直方向に沿って見たときに、前記上部流路の軸芯と、前記下部流路の軸芯とが同軸芯になるように前記上部流路と前記下部流路とが配置されている点にある。

この特徴構成によると、上部流路に直線状に供給された含水ガスは、気液分離部で含まれていた水が分離される。その後、水が分離された後の除水ガスは上部流路の軸芯と同軸芯の下部流路を鉛直方向下方に流通する。これにより、気液分離部による圧損を抑制しつつ、水を効率よく分離できる気液分離器を実現することができる。

他の特徴構成として、当該気液分離器が、前記下部流路の外周面に、前記下部流路の延出方向に対して傾斜する姿勢で配置された円環状の遮断壁をさらに備え、前記下部流路の前記外周面と前記遮断壁の内周面との境界に、貫通孔を有する点にある。

この特徴構成によると、含水ガスから分離された水の一部が遮断壁の上面に付着したとしても、貫通孔から下部流路の外周面に沿って水を流すことができるので、遮断壁の上面に水が溜まることはない。これにより、遮断壁の上面に付着した水が、下部流路に流れ込むことを抑制することができる。

他の特徴構成として、当該気液分離器において、前記上部流路の鉛直方向の下端と前記下部流路の鉛直方向の上端とは離間しており、前記上部流路の前記下端の外径は、前記下部流路の内周面の内径よりも大きい点にある。

この特徴構成によると、上部流路の鉛直方向の下端から滴下した水が下部流路内に入り込まないようにすることができる。

他の特徴構成として、当該気液分離器において、前記気液分離部は、前記上部流路の内周面に前記含水ガスの流通方向に対して傾斜姿勢で配置された複数の分離羽根を有して構成されており、前記鉛直方向に沿って見たときに、それぞれの前記分離羽根は、隣接する前記分離羽根と一部が重なるように配置されている点にある。

この特徴構成によると、含水ガスの流通方向を鉛直方向への直線的な流れから旋回流に変えることができ、遠心力による水の分離を可能にすることができる。また、上部流路に供給された含水ガスが分離羽根に衝突せずに気液分離部を通過することを防止することができる。

他の特徴構成として、当該気液分離器において、前記ハウジングは、前記気液分離部で分離された水を前記貯水部に集める傾斜面を有する点にある。

この特徴構成によると、気液分離部で分離された水を確実に貯水部に集めることができる。

本実施形態に係る気液分離器の斜視図である。 気液分離器の縦断面図である。 気液分離器の平面図である。 下部ハウジングの平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る気液分離器について、図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
〔全体構成〕
図１、図２には燃料電池車（ＦＣＶ）に搭載される燃料電池（不図示）のカソード側から排出されるカソードオフガス（含水ガスの一例）に含まれる水を分離する気液分離器１が示されている。気液分離器１は、上部流路２０と、下部流路３０と、気液分離部４０と、貯水部５０と、をハウジング１０の内部空間１１に備えている。ハウジング１０は上部ハウジング１２と下部ハウジング１３とを複数のボルト１４により締結されて構成されている。上部ハウジング１２の上面には上部流路２０と繋がった導入口１５が形成され、下部ハウジング１３の下面には下部流路３０と繋がった排気口１６が形成されている。下部ハウジング１３の外部には、貯水部５０に貯留された水の排出を制御する電磁開閉弁５２が備えられている。

この気液分離器１は、カソードオフガスに含まれる水を分離して回収するように機能するものであり、水が分離されたカソードオフガス（除水ガスの一例）を排気口１６から排気して燃料電池の加湿器（不図示）に戻す還元流路に備えられる。気液分離器１で水が分離されたカソードオフガスは、加湿器に供給されて、加湿器内を流通する酸化剤ガス（酸素を含む空気）を加湿するので、気液分離器１でカソードオフガスに含まれる水の全てを分離する必要はない。気液分離器１で水が分離されたカソードオフガスには、加湿器内で酸化剤ガスを加湿できる程度の水が依然として含まれている。

燃料電池は、アノード側に対し、アノードガス流路（不図示）を介して水素ガスを含む燃料ガスを供給し、カソード側に対し、カソードガス流路（不図示）を介して酸化剤ガスを加湿して供給することにより発電が行われる。カソードガス流路に供給する酸化剤ガスを加湿する理由は、燃料電池のカソード側を湿潤させて水素と結合させるためであり、カソード側から排出されるカソードオフガスには未反応の酸化剤ガスと水とが含まれる。

図１、図２に示すように、気液分離器１は、燃料電池のカソード側から排出されたカソードオフガスが、ハウジング１０の導入口１５からハウジング１０の内部空間１１に配置された上部流路２０に供給されて上部流路２０を流通し、気液分離部４０においてカソードオフガスから水が分離される。水が分離されたカソードオフガスは下部流路３０を流通して排気口１６から排気される。また、気液分離部４０で分離された水は、ハウジング１０の内部空間１１に形成された流下壁部１７の流下案内面（傾斜面の一例）１８に沿って集水口５１（図４参照）に集められ、集水口５１から集水流路（不図示）を流下して貯水部５０に貯溜される。貯水部５０に貯留された水は、電磁開閉弁５２が開弁したときに排水流路５３から排出される。

〔ハウジング〕
気液分離器１は、図１、図２に示すように上下方向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１２と下部ハウジング１３とを有し、上部ハウジング１２の上部フランジ１２ａと、下部ハウジング１３の下部フランジ１３ａとを複数のボルト１４で締結することで内部空間１１が形成される。

上部ハウジング１２と下部ハウジング１３とは樹脂で形成され、上部フランジ１２ａと下部フランジ１３ａとの境界面にシール材１３ｂが挟み込まれている。なお、上部ハウジング１２と下部ハウジング１３とをアルミニウム等の金属で形成してもよい。

上部ハウジング１２の上面には、平面視（鉛直方向に沿って見たとき）で円形状の導入口１５が貫通孔として形成されている（図３参照）。上部ハウジング１２の導入口１５には、図２に示すように、上部ハウジング１２の内部（内部空間１１を構成する空間）に向けて鉛直下方に延出する円筒形状の上部流路２０がシール材２０ａを挟んで取り付けられている。燃料電池のカソード側から排出されたカソードオフガスは、導入口１５から気液分離器１に供給され、重力方向（鉛直方向下方）に沿って上部流路２０の内部を流通する。本実施形態では上部ハウジング１２と上部流路２０とは別部材であるが、一体として形成されてもよい。上部流路２０の詳細については後述する。

下部ハウジング１３は、流下壁部１７と、下部流路３０と、貯水部５０と、排水流路５３とが一体的に形成されている。下部流路３０は、円筒形状を有しており、下部ハウジング１３の内部（内部空間１１を構成する空間）から端部にまで鉛直下方に延出している。カソードオフガスは上部流路２０から供給され重力方向に沿って下部流路３０の内部を流通して排気口１６から下部ハウジング１３の外部（気液分離器１の外部）に排気される。

下部ハウジング１３には、貯水部５０の上方に位置する集水口５１に近い位置ほど低い位置となる傾斜姿勢の流下壁部１７が形成されると共に、この流下壁部１７の内面側に流下案内面１８が形成されている。下部流路３０の一部は、流下壁部１７よりも鉛直方向下方に突出している。下部流路３０の下端は、平面視で円形状の排気口１６となっている。本実施形態では、下部流路３０は下部ハウジング１３の一部として一体的に形成されているが、下部流路３０が下部ハウジング１３の他の部分とは別部材で構成されてもよい。

下部ハウジング１３において、流下案内面１８の最も低い位置に集水口５１が設けられており、集水口５１及び集水口５１の下方に配置された貯水部５０は下部流路３０に隣接して配置されている（図１、図４参照）。貯水部５０は、カソードオフガスから分離された水が貯留される場所である。貯水部５０の底部は、不図示のオリフィス流路を介して排水流路５３と連通している。オリフィス流路と排水流路５３とは、電磁開閉弁５２が閉弁しているときには遮断されており、貯水部５０に貯留された水は排出されない。電磁開閉弁５２が開弁すると、オリフィス流路と排水流路５３とが連通し、貯水部５０に貯留された水はオリフィス流路を流通して排水流路５３から排出される。

〔ハウジング内部の構造〕
ハウジング１０は、図３に示すように、平面視で角丸の矩形状を有している。角丸の半径は角により異なっており、左上の角丸の半径が最も小さい。導入口１５は、左上の角丸近傍に形成されている。上述したように、上部流路２０は、導入口１５から繋がって鉛直下方に延出した円筒形状を有している。図２、図３に示すように、上部流路２０の軸芯Ｘと下部流路３０の軸芯Ｙとは同軸芯になるように配置されており、上部流路２０の内径は、下部流路３０の内径よりも大きくなるように構成されている。また、上部流路２０の鉛直方向の下側には、鉛直方向下方に向かうにつれて外径が大きくなる（外方に広がる）拡径部２１が形成されている。拡径部２１は鉛直方向に延出する直線状の流路を外方に湾曲させた後で直線状のテーパ面で拡径されている。

上部流路２０の鉛直方向の上側の内部には、気液分離部４０が配置されている。図１，図２に示すように、気液分離部４０は、上部流路２０の内周面２２にカソードオフガス流通方向である鉛直方向に対して傾斜姿勢（約５０度）で且つ周方向に沿って配置された複数（本実施形態においては６枚）の分離羽根４１を有して構成されている。また、図２、図３に示すように、それぞれの分離羽根４１は、平面視で周方向で隣接する分離羽根４１と一部が重なるように配置されている。これにより、上部流路２０に供給されたカソードオフガスが分離羽根４１に衝突せずに気液分離部４０を通過することを防止している。なお、分離羽根４１の枚数は６枚に限定されず、５枚以下であっても７枚以上であってもよい。また、傾斜姿勢の角度も５０度に限定されない。これらは、カソードオフガスに含まれる水の含有量と、気液分離部４０の通過後にカソードオフガスに含ませておきたい水の量とによって適宜設定することができる。

気液分離部４０では、上部流路２０に鉛直下方に供給されたカソードオフガスが、分離羽根４１に衝突する。これにより、カソードオフガスの流通方向が鉛直方向への直線的な流れから旋回流に変えられる。これにより、遠心力による水の分離を可能にする。また、カソードオフガスが分離羽根４１に衝突することにより、カソードオフガスに含まれている水が分離される。分離された水は分離羽根４１に付着する。分離された水は、その後、分離羽根４１から上部流路２０の内周面２２、拡径部２１の内周面２２を伝い、流下案内面１８に滴下する。分離羽根４１により水が分離されて旋回流に変えられたカソードオフガスは、気液分離部４０を通過後、遠心力により水をさらに分離しつつ、旋回流のまま下方に流れていく。遠心力により分離された水は、上部流路２０の内周面２２、拡径部２１の内周面２２を伝って、拡径部２１の下端２１ａから流下壁部１７の流下案内面１８に滴下する。流下案内面１８に滴下した水は、傾斜している流下案内面１８に案内されて集水口５１に集まり、そこから不図示の集水流路を流通して貯水部５０に集められる（図２、図４参照）。

図２に示すように、下部流路３０の鉛直方向の上端３０ａと、上部流路２０の拡径部２１の下端２１ａとは、鉛直方向で僅かに離間している。また、下部流路３０の外周面３２の鉛直方向の上端３０ａの近傍には、下部流路３０の延出方向に対して傾斜する姿勢（約５０度）で円環状の遮断壁３１が配置されている。遮断壁３１の外周面３１ｃは、下部流路３０の上端３０ａよりも鉛直方向で少し下方に位置している。上部流路２０の拡径部２１の下端２１ａの外径は、下部流路３０の内周面３４の内径よりも大きい。このため、拡径部２１の下端２１ａから滴下した水は、下部流路３０内に入り込まずに、流下案内面１８に付着する。

遮断壁３１は、水が分離した後のカソードガスの流れ（旋回流）によって、流下案内面１８に滴下した水が巻き上げられ、下部流路３０に流れ込むことを抑制するために配置されている。また、これにより、燃料電池車が傾斜地を走行して気液分離器１が傾いたときであっても、流下案内面１８にある水が下部流路３０に流れ込むことを抑制することができる。本実施形態において、遮断壁３１と下部流路３０とは別部材であり、遮断壁３１の内周面３１ａと下部流路３０の外周面３２とは密着している。

図２に示すように、遮断壁３１の内周面３１ａは、遮断壁３１のうち鉛直方向で最も低い位置にある。このため、遮断壁３１の上面３１ｂに水が付着したときには、水は内周面３１ａに向かって流れるが、内周面３１ａと下部流路３０の外周面３２とは密着しており、当該密着箇所の境界からは水は漏れない。しかし、ここに水が溜まったまま放置されると、振動その他の原因により、水が下部流路３０に入り込むおそれがある。そこで、遮断壁３１と下部流路３０の外周面３２との境界には、複数（本実施形態では４つ）の貫通孔３３が形成されている（図４参照）。これにより、流下案内面１８から巻き上げられた水や上部流路２０で分離された水の一部が遮断壁３１の上面３１ｂに付着したときであっても、水が貯留されずに貫通孔３３から下部流路３０の外周面３２に沿って水を流すことができ、遮断壁３１の上面３１ｂに水が溜まることはない。

本実施形態では、貫通孔３３は遮断壁３１に形成されたが、これに限るものではない。貫通孔３３は、遮断壁３１にではなく、または、遮断壁３１に加えて下部流路３０の外周面３２に形成されてもよく、遮断壁３１から外周面３２に亘って形成されてもよい。ただし、下部流路３０の外周面３２に形成された貫通孔３３は、下部流路３０の内周面３４にまで貫通はされない。なお、本実施形態では、下部流路３０と遮断壁３１とは別部材であったが、一体的に形成されてもよい。

一方、上部流路２０から下部流路３０に供給されたカソードオフガスは、下部流路３０内を旋回しながら流通し、排気口１６から排気される。

このような構成であれば、上部流路２０に直線状に供給されたカソードオフガスは、分離羽根４１に衝突して旋回流に変えられ、同時に含まれていた水が分離される。その後、水が分離されたカソードオフガスは旋回しながらも上部流路２０の軸芯Ｘと同軸芯の下部流路３０を鉛直方向下方に流通するので、気液分離部４０による圧損を抑制しつつ、水を効率よく分離できる気液分離器１を実現することができる。また、下部流路３０に遮断壁３１を配置することにより、流下案内面１８に滴下した水が巻き上げられたり、燃料電池車が傾斜地を走行して気液分離器１が傾いたりしたときであっても、分離された水が下部流路３０に流れ込むことを抑制することができる。もし、分離された水の一部が遮断壁３１の上面３１ｂに付着したときであっても、遮断壁３１と下部流路３０の外周面３２との境界には、複数の貫通孔３３が形成されているので、水が遮断壁３１の上面３１ｂに貯留されることはなく、貫通孔３３から下部流路３０の外周面３２に沿って水を流すことができる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記の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）本実施形態の気液分離器１は、カソードオフガスから水を分離するものであったが、アノードオフガスから水を分離する箇所に用いられてもよい。

（ｂ）本実施形態では、拡径部２１は鉛直方向に延出する直線状の流路を外方に湾曲させた後で直線状になるテーパ面で拡径されていたが、これに限られるものではない。拡径部２１は、直線状の流路を外方に屈曲させた後で直線状になるテーパ面で拡径されてもよいし、直線状の流路を外方に湾曲させる曲面で拡径されてもよい。

上記の構成は可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、気液分離器に利用することができる。

１０ ：ハウジング
１１ ：内部空間
１８ ：流下案内面（傾斜面）
２０ ：上部流路
２１ａ ：下端
２２ ：内周面
３０ ：下部流路
３０ａ ：上端
３１ ：遮断壁
３１ａ ：内周面
３２ ：外周面
３３ ：貫通孔
３４ ：内周面
４０ ：気液分離部
４１ ：分離羽根
５０ ：貯水部
Ｘ ：軸芯
Ｙ ：軸芯

Claims (5)

1. 内部空間を有するハウジングと、
   前記ハウジングの前記内部空間に配置され、前記ハウジングの外部から供給される含水ガスが流通する円筒形状の上部流路と、
   前記上部流路の内部に配置され、前記含水ガスから水を分離する気液分離部と、
   前記ハウジングの前記内部空間に配置され、前記気液分離部で水が分離された後の除水ガスが流通する円筒形状の下部流路と、
   前記ハウジングに配置され、前記気液分離部で分離された水を貯留する貯水部とを備え、
   鉛直方向に沿って見たときに、前記上部流路の軸芯と、前記下部流路の軸芯とが同軸芯になるように前記上部流路と前記下部流路とが配置されている気液分離器。
2. 前記下部流路の外周面に、前記下部流路の延出方向に対して傾斜する姿勢で配置された円環状の遮断壁をさらに備え、
   前記下部流路の前記外周面と前記遮断壁の内周面との境界に、貫通孔を有する請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記上部流路の鉛直方向の下端と前記下部流路の鉛直方向の上端とは離間しており、
   前記上部流路の前記下端の外径は、前記下部流路の内周面の内径よりも大きい請求項２に記載の気液分離器。
4. 前記気液分離部は、前記上部流路の内周面に前記含水ガスの流通方向に対して傾斜姿勢で配置された複数の分離羽根を有して構成されており、
   前記鉛直方向に沿って見たときに、それぞれの前記分離羽根は、隣接する前記分離羽根と一部が重なるように配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の気液分離器。
5. 前記ハウジングは、前記気液分離部で分離された水を前記貯水部に集める傾斜面を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の気液分離器。

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