JP4184014B2

JP4184014B2 - 気液分離装置

Info

Publication number: JP4184014B2
Application number: JP2002269475A
Authority: JP
Inventors: 秀明谷口; 潔吉積
Original assignee: Sango Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sango Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP2004105822A

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

Claims

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たことを特徴とする気液分離装置。
前記フィルタ部材が、前記容器の上方に向けて中央部が膨出したドーム状であることを特徴とする請求項１記載の気液分離装置。
前記フィルタ部材は、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であることを特徴とする請求項１又は２記載の気液分離装置。
前記容器は、開口端に夫々フランジを備えた上部容器及び下部容器から成り、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を特徴とする請求項１、２又は３記載の気液分離装置。