JP5620177B2

JP5620177B2 - 気液分離器

Info

Publication number: JP5620177B2
Application number: JP2010167049A
Authority: JP
Inventors: 谷掛　誠; 誠谷掛
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: JP2012024717A

Description

本発明は、気液分離器に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の燃料供給口および燃料排出口に、それぞれ燃料循環ラインの一端および他端が接続されている。燃料循環ラインから燃料供給口を介して燃料電池に燃料が供給され、燃料電池における電気化学反応により起電力が発生する。電気化学反応により生じる生成物は、未反応の燃料とともに、燃料電池から燃料排出口を介して燃料循環ラインに排出される。

燃料循環ラインの途中部には、気液分離器が介裝されている。気液分離器において、燃料循環ラインを流れてくる液体と気体とが互いに分離され、燃料は、気液分離器から燃料循環ラインに戻される。

従来から提案されている気液分離器の一例では、ケースの側壁に、液体および気体をケース内に導入するためのインレットが形成されている。この提案に係る気液分離器は、水素燃料電池システム用の気液分離器であり、ケース内には、燃料である水素および電気化学反応により生じる生成物である水がインレットから導入される。ケースの底部は、水を貯留するための貯水部とされている。ケース内には、インレットに対してインレットからの水素および水の噴出方向に対向する位置に、貯水部を上方から覆う覆い部が形成されている。覆い部の上面は、インレット側が下がるように傾斜している。そして、ケースの底部の側壁には、貯水部から水を排出するための排水口が形成されている。また、ケースの上壁には、ケース内から水素を排出するためのアウトレットが形成されている。

インレットに流れてくる水素および水は、インレットからケース内に噴出されて、ケース内で互いに分離される。水素は、ケース内で上昇気流となり、アウトレットを介して排出される（燃料循環ラインに戻される）。一方、水は、覆い部の上面を伝って貯水部へと流れ、貯水部に溜められる。貯水部に溜められた水は、排水口を開閉する排水バルブが開かれると、排水口を介して排出される。

特開２００９−１５８１５７号公報

ところが、インレットと覆い部とがインレットからの水素および水の噴出方向に対向しているので、インレットから噴出される水が覆い部の上面を伝って流れる水と衝突し、この衝突により水のミスト（霧状の水滴）が発生する。水のミストが発生すると、その水のミストがアウトレットに向けて流れる水素に混入する。

水のミストの発生を防止するためには、インレットから噴出される水が覆い部の上面を伝って流れる水に勢いよく衝突しないように、インレットと覆い部との間の間隔を空ければよい。しかしながら、インレットと覆い部との間の距離を大きくすると、気液分離器（ケース）のサイズが大型化してしまう。

本発明の目的は、液体のミストが排気口に向けて流れる気体に混入することを防止でき、ひいては容器の小型化を図ることができる、気液分離器を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明は、気体と液体とを分離するための気液分離器において、容器と、前記容器内に設けられ、円形の開口および前記開口の周縁から離れるにつれて窄まる形状の集液面を有する集液部と、気体および液体の混合流体を前記集液面に向けて噴出する噴出口を有し、その混合流体を前記容器内に導入するための導入部と、前記容器内において前記噴出口よりも上方に配置される排気口を有し、前記容器内で液体から分離される気体を前記排気口を介して前記容器外に排出するための排気部とを備えることを特徴としている。

この気液分離器では、気体および液体の混合流体を容器内に導入するための導入部と、容器内で液体から分離される気体を容器外に排出するための排気部とが備えられている。また、容器内には、集液部が設けられている。集液部は、円形の開口と、この開口の周縁から離れるにつれて窄まる形状の集液面とを有している。そして、導入部は、混合流体を集液面に向けて噴出する噴出口を有している。また、排気部は、容器内において噴出口よりも上方に配置される排気口を有している。

混合流体は、噴出口から集液面に向けて噴出される。集液面に入射する混合流体中の液体は、集液面に沿って下方に流れ、集液面上の最下部に集まる。そして、その液体は、集液面の最下部上をその勾配により開口側へ流れ、開口の周縁から容器の底部へと流下する。その結果、混合流体中の液体が容器の底部に集められる。一方、液体から分離した気体は、容器内を排気口に向けて流れる。

集液面が円形の開口の周縁から離れるにつれて窄まる形状をなしているので、液体が集液面で反射しても、この反射により生じる液体のミストは、集液面に囲まれる空間内において径方向の内側に向けて飛散する。すなわち、集液面が円形の開口の周縁から離れるにつれて窄まる形状に形成されることにより、集液面での液体の反射により生じるミストの飛散方向が集液面に囲まれる空間内における径方向の内側に向かう方向に制御されている。その結果、排気口に向けて流れる気体に液体のミストが混入することを抑制できる。

よって、噴出口と集液部（集液面）とを大きく離す必要がないので、気液分離器の容器の小型化を図ることができる。

前記集液面は、半球面であることが好適である。この場合、集液面での液体の反射により生じるミストの飛散方向が集液面の中心に向かう方向に制御されるので、排気口に向けて流れる気体に液体のミストが混入することを一層抑制することができる。

本発明によれば、噴出口から集液面に向けて気体と液体との混合流体が噴出される。集液面が円形の開口の周縁から離れるにつれて窄まる形状をなしているので、液体が集液面で反射しても、この反射により生じる液体のミストは、集液面に囲まれる空間内において径方向の内側に向けて飛散する。これにより、排気口に向けて流れる気体に液体のミストが混入することを抑制できる。その結果、気液分離器の容器の小型化を図ることができるので、気液分離器が用いられる燃料電池システムの小型化を図ることができる。ひいては、燃料電池システムが搭載される自動車などの車両の小型化および軽量化を図ることができる。また、気液分離器の小型化に伴い、燃料電池システムおよび車両のコストの低減を図ることもできる。

図１は、本発明の一実施形態に係る気液分離器が用いられる燃料電池システムの構成図である。図２は、図１に示される気液分離器の図解的な断面図である。図３は、図２に示される切断線Ａ−Ａにおける気液分離器の図解的な断面図である。図４は、第1変形例（導入管の位置が変更された構成）に係る気液分離器の図解的な断面図である。図５は、第２変形例（排気管の位置が変更された構成）に係る気液分離器の図解的な断面図である。図６は、第３変形例（ミストトラップが設けられた構成）に係る気液分離器の図解的な断面図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。

燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質体５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質体５は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。

アノード３には、燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、燃料循環ライン７の一端と他端との間に介装されている。具体的には、燃料流路６の一端は、燃料供給口８をなし、この燃料供給口８には、燃料循環ライン７の一部をなす燃料供給ライン９が接続されている。燃料流路６の他端は、燃料排出口１０をなし、この燃料排出口１０には、燃料循環ライン７における燃料供給ライン９以外の部分からなる燃料排出ライン１１が接続されている。

燃料供給ライン９および燃料排出ライン１１には、それぞれ燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が介装されている。

燃料供給ライン９には、燃料供給バルブ１２よりも燃料排出ライン１１側において、燃料タンク１４から延びる燃料補給管１５が接続されている。燃料タンク１４には、液体燃料の一例である水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）が貯留されている。燃料補給管１５の途中部には、燃料補給ポンプ１６が介装されている。燃料補給ポンプ１６が駆動されることにより、燃料タンク１４から燃料補給管１５およびサブタンク２８を通して燃料供給ライン９に液体燃料が供給される。

また、燃料供給ライン９において、燃料補給管１５が接続される部分と燃料供給バルブ１２との間には、燃料循環ポンプ１７が介装されている。燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、液体燃料が燃料供給ライン９を燃料循環ポンプ１７から燃料流路６に向けて流れ、燃料供給口８から燃料流路６に液体燃料が供給される。燃料流路６に供給される液体燃料は、燃料流路６を流れ、燃料排出口１０から燃料排出ライン１１に排出される。このように、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開けられた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、燃料流路６および燃料循環ライン７（燃料供給ライン９および燃料排出ライン１１）を液体燃料が循環する。

燃料供給ライン９と燃料排出ライン１１との間には、気液分離器１８が介装されている。燃料排出口１０から燃料排出ライン１１には、液体燃料を主として含む液体とともに気体が排出される。液体燃料および気体は、燃料排出ライン１１から気液分離器１８内に流入する。そして、気液分離器１８内において、液体と気体とが互いに分離される。分離された液体は、気液分離器１８内から燃料供給ライン９に流出する（燃料循環ライン７に戻される）。

気液分離器１８には、ガス放出ライン１９が接続されている。ガス放出ライン１９には、ガス放出バルブ２０が介装されている。ガス放出バルブ２０が開かれると、気液分離器１８内のガスがガス放出ライン１９を通して大気に放出される。

カソード４には、気体流路２１が形成されている。気体流路２１の一端は、気体供給口２２をなし、この気体供給口２２には、エアコンプレッサ２３から延びる空気供給ライン２４が接続されている。気体流路２１の他端は、気体排出口２５をなし、この気体排出口２５には、一端が開放される気体排出ライン２６の他端が接続されている。気体排出ライン２６の途中部には、気体流路２１を流れる空気の圧力を調節するための圧力調節バルブ２７が介装されている。

燃料電池システム１の運転時には、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれ、燃料循環ポンプ１７が駆動されて、アノード３の燃料流路６に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに、圧力調節バルブ２７の開度が調節されることにより、カソード４の気体流路２１に空気が供給される。

これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、アノード３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料排出ライン１１に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、電解質体５を透過して、アノード３に移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）
この結果、アノード３とカソード４との間に、電気化学反応による起電力が発生する。

燃料補給ポンプ１６は、燃料循環ライン７（燃料供給ライン９）に液体燃料を補給する必要が生じたとき（燃料循環ライン７を流れる液体燃料の濃度が所定濃度より低下したとき）に駆動される。

ガス放出バルブ２０は、通常の運転時には開かれている。

図２は、図１に示される気液分離器の図解的な断面図である。図３は、図２に示される切断線Ａ−Ａにおける気液分離器の図解的な断面図である。

気液分離器１８は、容器３１を備えている。容器３１は、中空円柱状（両端が閉塞された円筒状）をなしている。具体的には、容器３１は、円筒状の側壁３２と、側壁３２の下端を閉塞する底壁３３と、側壁３２の上端を閉塞する天壁３４とを備えている。

容器３１内には、集液部３５が設けられている。集液部３５は、底壁３３上に立設され、略半円柱状をなしている。具体的には、集液部３５は、側壁３２の内周面に沿う略半円弧面状の周側面３６と、その周側面３６の周方向の両端縁間を連結する平板状の平側面３７と、周側面３６および平側面３７の各上端縁間に架設された上面３８とを有している。

上面３８は、平側面３７側に下り勾配となる傾斜面をなしている。

そして、集液部３５には、平側面３７において開放される略半球状の集液凹部３９が形成されている。これにより、集液部３５は、平側面３７に形成された円形の開口４０と、その開口４０の周縁から離れるにつれて窄まる略半球面状の集液面４１とを有している。

また、集液凹部３９の下方には、貫通部４２が集液部３５を平側面３７と直交する方向に貫通する空間として形成されている。

側壁３２の上下方向の中央部には、導入管４３が挿通されている。導入管４３は、容器３１内で側壁３２の径方向かつ側壁３２と直交する方向に延びている。導入管４３の基端部には、燃料排出ライン１１が接続されている。導入管４３の先端部（容器３１内に配置される端部）は、集液部３５の集液凹部３９内において、開口４０の近傍であって、開口４０の中心よりも上方の位置に配置されている。そして、導入管４３の先端面には、燃料排出ライン１１から導入管４３に送られてくる液体燃料、窒素ガスおよび水の混合流体を集液面４１に向けて噴出する噴出口４４が形成されている、
また、側壁３２には、貫通部４２に臨む部分に、排液管４５が接続されている。排液管４５の先端部（容器３１外に配置される端部）には、燃料供給ライン９が接続されている。

天壁３４の中央部には、排気管４６が挿通されている。排気管４６は、上下方向に延びている。排気管４６の上端部（排気管４６における容器３１外に配置される端部）には、ガス放出ライン１９が接続されている。排気管４６の下端部は、容器３１内にわずかに突出し、その端面には、容器３１内から気体を排出するための排気口４７が形成されている。

導入管４３の噴出口４４から噴出される混合流体は、集液面４１の上部に入射する。集液面４１に入射する混合流体中の液体（液体燃料および水を主として含む。）は、集液面４１に沿って下方に流れ、集液面４１上の最下部に集まる。そして、その液体は、集液面４１の最下部上をその勾配により開口４０側へ流れ、開口４０の周縁から容器３１の底部へと流下する。その結果、混合流体中の液体が容器３１の底部に集められる。一方、液体から分離した気体、つまり窒素は、容器３１内を排気口４７に向けて流れる。

集液面４１が円形の開口４０の周縁から離れるにつれて窄まる形状をなしているので、液体が集液面４１で反射しても、この反射により生じる液体のミストは、集液面４１に囲まれる空間、つまり集液凹部３９内において径方向の内側に向けて飛散する。具体的には、集液面４１が円形の開口４０の周縁から離れるにつれて窄まる半球面に形成されることにより、集液面４１での液体の反射により生じるミストの飛散方向が集液面４１の中心に向かう方向に制御されている。その結果、排気口４７に向けて流れる気体に液体のミストが混入することを抑制できる。

よって、噴出口４４と集液部３５（集液面４１）とを大きく離す必要がないので、気液分離器１８の容器３１の小型化を図ることができる。

また、集液面４１で液体の反射によるミストの発生が可及的に抑えられているので、容器３１内における導入管４３よりも上方の空間に存在する液体のミストには、重力および気体の上昇気流による抗力が作用し、それら以外の力は作用しないと仮定することができる。そして、その仮定に基づいて、液体のミストが気体の上昇気流により排気口４７に向けて運ばれることを防止するために必要な容器３１の内径Φの最小値を求めることができる。その結果、容器３１の最小サイズの設計が可能となり、容器３１の小型化を図ることができる。

すなわち、導入管４３よりも上方の空間に存在する液体のミストに重力および気体の上昇気流による抗力のみが作用する状況下では、その重力が抗力よりも大きければ、液体のミストが気体の上昇気流に運ばれることを防止できる。ここで、気体の上昇気流の風速をＶ（ｍ／ｓｅｃ）とし、液体の比重をρＬ（ｋｇ／ｍ^３）とし、気体の比重をρＶ（ｋｇ／ｍ^３）とすると、ストークスの沈降速度式より、次式（３）が成立する。

Ｖ＝Ｋ｛（ρＬ−ρＶ）／ρＶ｝／２・・・（３）
Ｋ：定数（ｍ／ｓｅｃ）
液体および気体がそれぞれ水および窒素であると仮定して、比重ρＬ＝９７９．８（ｋｇ／ｍ^３）および比重ρＶ＝１．９７０（ｋｇ／ｍ^３）を前記式（３）に代入するとともに、定数Ｋ＝０．０６（ｍ／ｓｅｃ）を前記式（３）に代入すると、風速Ｖ＝１．３４（ｍ／ｓｅｃ）が得られる。したがって、風速Ｖが１．３４（ｍ／ｓｅｃ）以下であれば、液体のミストが気体の上昇気流に運ばれることを防止できる。たとえば、容器３１内を流れる気体の基準状態（０℃、１ａｔｍ）下での流量を１５５Ｌ／ｍｉｎとすると、風速Ｖ≦１．３４（ｍ／ｓｅｃ）の不等式を満たすことができる容器３１の内径Φは、Φ＝４９．５（ｍｍ）以上となる。よって、液体のミストが気体の上昇気流により排気口４７に向けて運ばれることを防止するために必要な容器３１の内径Φの最小値は、４９．５（ｍｍ）であり、これに基づいて、容器３１の最小サイズの設計が可能となる。

ただし、液体のミストが排気口４７を介して容器３１外に流出することを確実に防止するため、容器３１内を流れる気体の基準状態下での流量が１５５Ｌ／ｍｉｎである場合、容器３１の内径Φは、Φ＝１００（ｍｍ）以上とされることが好ましい。また、容器３１の底部に貯留した液体の液面と天壁３４の内面（下面）との間隔Ｈは、内径Φの最小値の３倍以上、つまり１５０（ｍｍ）以上とされることが好ましい。

このように、気液分離器１８の容器３１の小型化を図ることができるので、気液分離器１８が用いられる燃料電池システム１の小型化を図ることができる。ひいては、燃料電池システム１が搭載される自動車などの車両の小型化および軽量化を図ることができる。また、気液分離器１８の小型化に伴い、燃料電池システム１および車両のコストの低減を図ることもできる。

さらに、集液面４１が半球面に形成されているので、集液面４１の最下部上を開口４０側に流れる液体は、開口４０付近でその流れの勢いが弱まり、開口４０の周縁から容器３１の底部に溜められた液体の液面に穏やかに流入する。よって、このときに液体のミストが発生することを防止でき、排気口４７に向けて流れる気体に液体のミストが混入することを一層防止できる。

また、集液部３５の上面３８に平側面３７側に下り勾配となる傾斜がつけられているので、上面３８に液体が付着しても、その液体は、上面３８上を平側面３７に向けて流れ、平側面３７を伝って流下する。よって、上面３８に付着した液体を容器３１の底部に集めることができ、液体を燃料循環ライン７（燃料供給ライン９）に効率よく戻すことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、導入管４３の位置および姿勢は、気液分離器１８の設計に応じて適宜変更することができる。すなわち、前述の実施形態では、導入管４３が容器３１内で側壁３２の径方向かつ側壁３２と直交する方向に延び、導入管４３の先端部が開口４０の中心よりも上方の位置に配置される構成を取り上げた。しかしながら、図４に示されるように、導入管４３が容器３１内で側壁３２の径方向かつ側壁３２と直交する方向に延び、導入管４３の先端部が開口４０の中心とほぼ同じ高さの位置に配置されてもよい。また、噴出口４４が集液面４１に向いていれば、導入管４３が側壁３２に対して傾斜する方向に延びる姿勢をなしてもよい。さらには、導入管４３の先端部が集液部３５の集液凹部３９外に配置されてもよい。

また、排気管４６は、天壁３４の中央部に限らず、図５に示されるように、平面視で天壁３４の中央部に対して導入管４３と反対側に片寄った位置に配置されてもよい。この配置により、導入管４３から排気口４７までの距離を稼ぐことができ、液体のミストが排気口４７に到達することを一層防止することができる。

さらに、以上の構成によれば、液体のミストを捕獲するためのミストトラップを必要としないので、そのミストトラップの省略により、気液分離器１８の小型化および低コスト化を図ることができる。しかしながら、液体のミストが排気口４７を介して容器３１外に流出することをより確実に防止するため、図６に示されるように、集液部３５と天壁３４との間において、排気口４７の下方に、ＳＵＳ（ステンレス）のメッシュ構造体からなるミストトラップ５１が設けられてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１８気液分離器
３１容器
３５集液部
４０開口
４１集液面
４３導入管（導入部）
４４噴出口
４６排気管（排気部）
４７排気口

Claims

気体と液体とを分離するための気液分離器であって、
容器と、
前記容器内に設けられ、円形の開口および前記開口の周縁から離れるにつれて窄まる形状の集液面を有する集液部と、
気体および液体の混合流体を前記集液面に向けて噴出する噴出口を有し、その混合流体を前記容器内に導入するための導入部と、
前記容器内において前記噴出口よりも上方に配置される排気口を有し、前記容器内で液体から分離される気体を前記排気口を介して前記容器外に排出するための排気部とを備え、
前記集液部は、
前記容器の側壁の内周面に沿う半円弧面状の周側面と、
前記周側面の周方向の両端縁間を連結する平板状の平側面と、
前記周側面および前記平側面の各上端縁間に架設され、前記平側面側に下り勾配となる傾斜面をなす上面と
を有している、気液分離器。