WO2022102269A1 - 気液分離器 - Google Patents

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WO2022102269A1
WO2022102269A1 PCT/JP2021/035919 JP2021035919W WO2022102269A1 WO 2022102269 A1 WO2022102269 A1 WO 2022102269A1 JP 2021035919 W JP2021035919 W JP 2021035919W WO 2022102269 A1 WO2022102269 A1 WO 2022102269A1
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gas
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荒川孝一
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株式会社アイシン
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a gas-liquid separator.
  • Patent Document 1 As a gas-liquid separator that separates water from gas, there are those described in Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • the gas-liquid separator described in Patent Document 1 separates water from the anode gas at the upper part of the housing, collects it in the water storage part at the lower part of the housing, and opens the drainage flow path communicating with the water storage part by an electromagnetic on-off valve. By doing so, it is possible to discharge the water stored in the water storage section.
  • the gas-liquid separator described in Patent Document 2 is provided with a valve device at the lower portion, and is configured so that water at the lower portion of the gas-liquid separator can be discharged by opening the valve device.
  • this valve device has a heating device arranged in the fluid introduction section that introduces the fluid into the valve body, and when the valve device freezes, it is configured to enable thawing by the heat of the heating device. There is.
  • the vehicle in a gas-liquid separator that separates water from the cathode gas of a fuel cell provided in a vehicle, the vehicle may be parked outdoors where the temperature drops to below freezing point.
  • the water may freeze at the site of the electromagnetic on-off valve.
  • the characteristic configuration of the gas-liquid separator according to the present invention is a housing to which a water-containing gas is supplied, a gas-liquid separator provided in the upper part of the housing to separate water from the water-containing gas, and a gas-liquid separator provided in the lower part of the housing.
  • a plan view of the annular first water storage section that receives and stores the water separated by the gas-liquid separation section, and the water from the first water storage section that is arranged below the first water storage section at the bottom of the housing.
  • a valve mechanism that enables the discharge of water stored in the second water storage unit and the stop of the discharge by opening and closing the drainage flow path that communicates with the second water storage unit to which the water is supplied and the bottom of the second water storage unit.
  • a tubular wall that is arranged inside the first water storage section, stores the water in the first water storage section until it overflows, and guides the overflowed water to the second water storage section, and an upper side of the tubular wall. It is in that it is provided with a lid-like member that covers the water.
  • the water separated from the water-containing gas in the gas-liquid separation section is first received and stored in the first water storage section, and the water stored in the first water storage section is a cylinder as the water storage amount increases. It overflows the upper end of the shaped wall and is supplied to the second water storage section. Further, the water stored in the second water storage unit can be discharged to the outside by opening the valve mechanism.
  • the upper side of the tubular wall is covered with a lid-like member, the lower part of the first water storage part and the upper part of the second water storage part are in a flow path where the inflow and outflow of external gas is restricted. It becomes a connected structure.
  • the pressure in the second water storage section is reduced, and the pressure in the first water storage section with respect to the second water storage section increases. Due to this pressure difference, the water in the first water storage section overflows the upper end of the tubular wall and flows into the second water storage section, so that the water level in the first water storage section can be lowered. Then, the water that has flowed into the second water storage unit can be discharged to the outside from the valve mechanism.
  • the valve mechanism is opened and the second water storage unit is provided when the vehicle is parked in a cold region by providing the gas-liquid separator having a characteristic configuration. It is possible to greatly lower the water level of the first water storage unit simply by discharging the water from the water. As a result, even if a small amount of water existing inside the fuel cell flows into the housing after the water in the second water storage unit is discharged, or water droplets adhering to the inner surface of the housing may fall, these waters may be dropped. Is received by the first water storage unit, water does not flow into the second water storage unit, and the inconvenience of freezing the region from the drainage flow path to the valve mechanism can be eliminated. As described above, a gas-liquid separator that can satisfactorily discharge the water in the second water storage section and prevents the water from being stored in the second water storage section after the power generation of the fuel cell is stopped is configured.
  • the lid-shaped member may have a vertical wall portion separated from the cylindrical wall.
  • the water level of the water stored in the first water storage part is higher than the lower end of the vertical wall part, the water has entered the gap between the cylindrical wall and the vertical wall part.
  • the lower part and the upper part of the second water storage portion can be connected by a flow path in which the inflow and outflow of external gas is restricted.
  • a plurality of rib bodies for allowing water to flow from the first water storage portion to the second water storage portion between the tubular wall and the vertical wall portion are formed in the tubular shape. It may be provided on at least one of the outer wall surface of the wall and the inner wall surface of the vertical wall portion.
  • the vertical wall portion of the lid-shaped member is externally fitted to the cylindrical wall, and the vertical wall portion is the vertical wall portion in a side view in the externally fitted state. It may have a slit formed from the lower end of the cylinder to the upper side of the upper end of the cylindrical wall.
  • the upper end of the slit is above the frozen surface. Since the part is located, the supply of water-containing gas to the gas-liquid separation part is started, and even in the situation where the water separated from the water-containing gas is received by the first water storage part, this water flows to the upper surface of the frozen surface and from the slit.
  • the inflowing water can be flowed to the second water storage unit in a state of overflowing the upper end portion of the tubular wall.
  • a drainage guiding rib may be formed on the inner circumference of the tubular wall to guide water overflowing from the upper end of the tubular wall to the second water storage portion.
  • the water flowing from the upper end of the tubular wall along the inner wall surface of the tubular wall can be guided by the drainage guide rib and smoothly flowed to the second water storage unit.
  • the lid-shaped member includes a filter between the gas-liquid separation section and the first water storage section to remove dust contained in the water separated by the gas-liquid separation section. May be.
  • [Basic configuration] 1 to 5 show a gas-liquid separator A that separates water contained in an anode off gas (an example of a water-containing gas) discharged from the anode side of a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle (FCV). ..
  • This gas-liquid separator A is provided with an introduction portion 1 and a lead-out portion 2 at the upper position of the housing H, an electromagnetic on-off valve 3 (an example of a valve mechanism) at the bottom position, and is provided at the upper part of the internal space of the housing H.
  • the gas-liquid separation unit 4 is arranged, and the first water storage unit 5 and the second water storage unit 6 are arranged at the lower part of the internal space.
  • the fuel cell supplies the fuel gas containing hydrogen gas to the anode side via the anode gas flow path, and supplies the oxidizing agent gas (air containing oxygen) to the cathode side through the cathode gas flow path.
  • the anode off gas discharged from the anode side includes unreacted hydrogen gas and water.
  • the gas-liquid separator A separates and discharges the water contained in the anode off gas, recovers the hydrogen gas contained in the anode gas, and transfers the recovered hydrogen gas to the anode gas flow path of the fuel cell. Used to bring it back.
  • the housing H has an upper housing 10 and a lower housing 20, and the upper flange 10f of the upper housing 10 and the lower flange 20f of the lower housing 20 are overlapped with each other. It is integrated by fastening with the fastening bolt 7 of.
  • the upper housing 10 forms a tubular introduction portion 1 that projects laterally with respect to the cylindrical upper side wall 11, and the upper housing 10 projects upward from the flat upper end wall 12 at the upper end of the upper housing 10.
  • the derivation unit 2 is formed.
  • the upper housing 10 and the lower housing 20 are formed of resin, but may be formed of a metal such as aluminum.
  • the gas-liquid separation unit 4 functions to separate the water contained in the gas and drop it downward by continuously contacting the anode off gas introduced from the introduction unit 1 with the plurality of collision walls 13. Further, the dry gas from which the water is separated is discharged upward from the lead-out unit 2.
  • the lower housing 20 has a lower side wall 21 that is cylindrical around the vertical axis core Y, and a guide wall that guides water in a shape that is connected to the lower side and the lower side is gently narrowed. 22 and an inclined wall 23 having a shape connected to the lower side and narrowed in a funnel shape on the lower side, and further connected to the lower side to form a cylindrical wall 24 having a cylindrical shape centered on the vertical axis core Y, and the tubular wall 24.
  • the bottom wall 25 that closes the lower end of the tubular wall 24 is integrally formed.
  • a vertical wall-shaped intermediate wall 23a centered on the vertical axis core Y is formed at the boundary portion connected to the guide wall 22.
  • the cylindrical wall 24 is formed in a region extending from the boundary portion with the inclined wall 23 to the upper side and the lower side.
  • the first water storage portion is an annular space between the outside of the upper region 24a extending upward from the boundary portion with the inclined wall 23 and the inside of the inclined wall 23 and the intermediate wall 23a. 5 is formed.
  • the second water storage portion 6 is formed in a cylindrical space surrounded by the tubular wall 24 and the bottom wall 25.
  • the lower housing 20 is formed with a drainage flow path 26 that communicates with the bottom space of the second water storage portion 6, and the lower portion can control the discharge of water by opening and closing the outer end of the drainage flow path 26.
  • An electromagnetic on-off valve 3 is provided outside the lower end portion of the housing 20.
  • the drainage flow is such that the discharge of the anode off gas containing unreacted hydrogen is suppressed and a certain amount of water is discharged.
  • the road 26 is formed to have a small diameter like an orifice.
  • this gas-liquid separator A the water separated from the anode off-gas by the gas-liquid separator 4 is received and stored by the first water storage unit 5 of the lower housing 20, and further, as shown in FIG. 6, the first water storage unit 5 By overflowing the water stored in the first water storage unit 5 from the upper end of the tubular wall 24 arranged inside the first water storage unit 5, the first water storage unit 5 and the first water storage unit 5 can store this water in the second water storage unit 6. 2
  • the positional relationship with the water storage unit 6 is set.
  • this configuration includes a lid-shaped member 30 that controls the amount of water flowing from the first water storage unit 5 to the second water storage unit 6.
  • the lid-shaped member 30 is arranged (outer-fitted) at a position outwardly separated from the outer wall surface of the upper region 24a of the tubular wall 24, and is viewed from the side (vertical) in this state.
  • a cylindrical vertical wall portion 31 arranged at a position overlapping the upper region 24a in a direction perpendicular to the axis Y) and a lid-shaped portion 32 that closes the upper end of the vertical wall portion 31 are integrally formed. .. That is, the lid-shaped member 30 covers the upper side of the cylindrical wall 24.
  • the vertical wall portion 31 of the lid-shaped member 30 covers the outside of the tubular wall 24, and the lid-shaped portion 32 closes the upper end of the vertical wall portion 31 of the lid-shaped member 30. Therefore, when the water level of the water stored in the first water storage unit 5 is higher than the lower end of the vertical wall portion 31, the lower part of the first water storage unit 5 and the upper part of the second water storage unit 6 are externally connected. It is configured to be connected by a flow path that regulates the inflow and outflow of gas. Since a plurality of slits 31a are formed in the vertical wall portion 31 as described later, some gas flow is allowed by the slits 31a.
  • the lid-shaped member 30 includes a plurality of frames 33 extending radially outward from the outer surface of the upper end of the vertical wall portion 31 and the outer edge of the lid-shaped portion 32, and a ring connected to the extending ends of the plurality of frames 33.
  • a filter 35 is provided between the shaped portion 34 and the ring-shaped portion 34 and the lid-shaped portion 32.
  • the outer shape of the ring-shaped portion 34 is determined so as to fit into the inner circumference of the intermediate wall 23a at the upper end position of the inclined wall 23, and the filter 35 is separated by the gas-liquid separation portion 4 and supplied from the gas-liquid separation portion 4. It functions to remove dust contained in the water. That is, the filter 35 is located between the gas-liquid separation unit 4 and the first water storage unit 5.
  • An O-ring 36 is attached to the outer periphery of the ring-shaped portion 34 to seal the gap between the ring-shaped portion 34 and the inner circumference of the intermediate wall 23a.
  • the lower end of the ring-shaped portion 34 is supported by the upper end of the inclined wall 23, and the lower surface of the lid-shaped portion 32 is in contact with the upper end of the drainage guide rib 28 described later. By touching it, it is supported in an appropriate position in the vertical direction. Further, the lower end of the vertical wall portion 31 is inclined with respect to the wall surface so as to be parallel to the inclination of the inclined wall 23. By supporting the lid-shaped member 30 at an appropriate position in this way, a gap G is formed in the vertical direction between the lower end of the vertical wall portion 31 and the inclined wall 23. Further, a gap T is formed in the radial direction between the outer wall surface of the upper region 24a of the tubular wall 24 and the inner wall surface of the vertical wall portion 31.
  • the upper portion is formed so that the gap T between the outer wall surface of the upper region 24a of the tubular wall 24 and the inner wall surface of the vertical wall portion 31 is evenly formed on the entire circumference in a plan view.
  • a rib body 27 in a vertically oriented posture is formed on the outer periphery of the region 24a.
  • a plurality of drainage guide ribs 28 are formed to assist the flow of water overflowing from the upper end of the tubular wall 24.
  • the drainage guide rib 28 is formed so as to project upward from the upper end of the tubular wall 24 (the upper end of the upper region 24a).
  • the vertical wall portion 31 of the lid-shaped member 30 is displaced in the vicinity of the tubular wall 24 (displacement in the radial direction) by a plurality of ribs.
  • the body 27 will be regulated, the gap T will be maintained uniformly over the entire circumference, the bias of the water flow in the gap T will be eliminated, and a good flow can be maintained.
  • the drainage guide rib 28 By forming the drainage guide rib 28, the water flowing on the inner surface of the tubular wall 24 is smoothly guided. As described above, the upper end of the drainage guide rib 28 abuts on the lower surface of the lid-shaped portion 32 of the lid-shaped member 30, thereby determining the position of the lid-shaped member 30 in the vertical direction.
  • the vertical wall portion 31 has a slit 31a formed from the lower end to the upper side from the upper end of the cylindrical wall 24 (the upper end of the upper region 24a) in the side view.
  • the notch end of the slit 31a facing upward is located below the filter 35 (on the side of the first water storage unit 5).
  • water continuously separated from the anode off-gas by the gas-liquid separation unit 4 is supplied to the first water storage unit 5, and the water surface of the first water storage unit 5 is the tubular wall 24.
  • the water of the first water storage unit 5 overflows the upper end of the tubular wall 24 and is supplied to the second water storage unit 6.
  • control is performed to open the electromagnetic on-off valve 3 every time the estimated amount of water reaches a preset value. Will be.
  • the pressure in the internal space of the housing H is higher than the pressure in the outside air. Therefore, when the electromagnetic on-off valve 3 is opened, the water in the second water storage unit 6 is discharged through the drainage flow path 26 due to the pressure difference between the second water storage unit 6 and the outside air.
  • the pressure of the second water storage unit 6 becomes lower than the pressure of the first water storage unit 5. Therefore, as shown in FIG. 7, this pressure difference causes the first water storage unit.
  • the water in the gap T overflows the upper end of the tubular wall 24 and is supplied to the second water storage section 6, and the water supplied to the second water storage section 6 in this way is also a drainage channel. It is discharged via 26.
  • the water level of the gap T becomes higher than the water level between the vertical wall portion 31 and the inclined wall 23.
  • the water surface of the first water storage portion 5 drops to the lower end position of the vertical wall portion 31 each time the electromagnetic on-off valve 3 is opened.
  • the time for opening the electromagnetic on-off valve 3 to discharge water is set to a relatively short value, and in this set time, the anode off gas flows to the second water storage unit 6 through the upper end of the slit 31a.
  • the widths of the plurality of slits 31a are set so as not to significantly change the pressure difference (so as not to reduce the pressure difference).
  • the upper end of the slit 31a formed in the vertical wall portion 31 is formed up to a position higher than the water storage level of the first water storage portion 5 (the height corresponding to the upper end of the tubular wall 24). Therefore, when the electromagnetic on-off valve 3 is opened and the pressure of the second water storage unit 6 drops, a part of the anode off gas flows toward the second water storage unit 6 through the upper end of the slit 31a, and the pressure difference is increased.
  • the width of the slit 31a is set so that the opening time of the electromagnetic on-off valve 3 is set short and the gas flow can be restricted.
  • the water of the second water storage unit 6 is discharged through the drainage channel 26, and the pressure difference accompanying this discharge causes the water to be discharged.
  • the water of the first water storage unit 5 overflows the upper end of the tubular wall 24 and is supplied to the second water storage unit 6, and the water supplied in this way is also discharged, so that the total amount of water in the second water storage unit 6 is used. It becomes possible to discharge.
  • the first water storage unit 5 that directly receives the water from the gas-liquid separation unit 4 is provided, and the tubular wall 24 that allows the water from the first water storage unit 5 to flow so as to overflow is provided.
  • a second water storage unit 6 that overflows the 24 and receives the supplied water, and further provided with a lid-like member 30 that causes the water to overflow due to the pressure difference between the first water storage unit 5 and the second water storage unit 6.
  • a gas-liquid separator A capable of discharging the entire amount of water in the second water storage unit 6 and discharging most of the water in the first water storage unit 5 by simply opening the electromagnetic on-off valve 3 was configured.
  • the configuration is simple and energy consumption can be suppressed.
  • the first water storage unit 5 when the water remaining in the first water storage unit 5 is frozen and the fuel cell is started and new water is supplied from the gas-liquid separation unit 4, the first water storage unit 5 is used. It is possible to send the newly supplied water to the second water storage unit 6 in the form of passing through the slit 31a and overflowing the upper end of the tubular wall 24, for example, freezing the water in the second water storage unit 6. It does not require a heater or the like to eliminate the problem, and it is simple and can suppress energy consumption.
  • the amount of water is increased on the entire circumference between the outer wall surface of the upper region 24a of the tubular wall 24 and the inner wall surface of the vertical wall portion 31. It is possible to overflow water without bias. Further, it is also possible to determine the position of the lid-shaped member 30 in the vertical direction by the drainage guiding rib 28 for guiding the overflowed water downward.
  • the present invention may be configured as follows in addition to the above-described embodiments (those having the same functions as those of the embodiments are designated by the same numbers and reference numerals as those of the embodiments).
  • a through hole is formed at a position higher than the upper end of the tubular wall 24 in a side view.
  • the electromagnetic on-off valve 3 is opened and the second water storage unit 6 is discharged, so that when the pressure of the second water storage unit 6 is reduced, the water in the first water storage unit 5 is discharged.
  • the opening area of the through hole (in the case of a plurality of through holes, the total of the opening areas) is set so as to obtain a pressure difference capable of overflowing the upper end of the tubular wall 24.
  • the rib body 27 is formed on the outer periphery of the tubular wall 24, but the rib body 27 is formed on the inner circumference of the vertical wall portion 31 of the lid-shaped member 30. Even with the configuration in which the rib body 27 is formed in this way, it is possible to form a gap T in the radial direction between the outer wall surface of the upper region 24a of the tubular wall 24 and the inner wall surface of the vertical wall portion 31. Become.
  • the present invention can be used for a gas-liquid separator.
  • Electromagnetic on-off valve (valve mechanism) 4 Gas-liquid separation part 5 First water storage part 6 Second water storage part 24 Cylindrical wall 26 Drainage flow path 27 Rib body 28 Drainage induction rib 30 Lid-shaped member 31 Vertical wall part 31a Slit 32 Lid-shaped part 35 Filter H Housing

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Abstract

低温環境で使用する場合でも水を良好に排出できると共に、燃料電池の発電停止後の電磁開閉弁近傍への水の貯留を防止する気液分離器を構成する。該気液分離器は、ハウジングの上部で含水ガスから水を分離する気液分離部と、ハウジングの下部で気液分離部からの水を受け止めて貯留する環状の第１貯水部と、第１貯水部より下側に配置される第２貯水部と、第２貯水部の底部に連通する排水流路を開閉する弁機構とを備えている。この気液分離器は、第１貯水部の内側に配置され第１貯水部をオーバーフローした水を第２貯水部に案内する筒状壁と、筒状壁の上側を覆う蓋状部材とを備えている。

Description

気液分離器
　本発明は、気液分離器に関する。
　ガスから水を分離する気液分離器として、特許文献１と、特許文献２とに記載されるものが存在する。
　特許文献１に記載される気液分離器は、ハウジングの上部でアノードガスから水を分離してハウジングの下部の貯水部に回収し、貯水部に連通する排水流路を、電磁開閉弁によって開放することで、貯水部に貯留された水の排出を可能に構成している。
　また、特許文献２に記載される気液分離器は、下部に弁装置を備えており、この弁装置を開放することで気液分離器の下部の水を排出できるように構成されている。特に、この弁装置は、弁本体に流体を導入する流体導入部に加熱装置を配置しており、弁装置が凍結した場合には、加熱装置による熱で解凍を可能にするように構成されている。
特開２０１９－１５５３３４号公報 特開２０１９－１３９９３５号公報
　特許文献１に記載されるように、車両に備えた燃料電池のカソードガスから水を分離する気液分離器では、温度が氷点下まで低下する屋外に車両を駐車することもあり、このような場合に、燃料電池の発電停止後の水滴の落下等の理由により気液分離器の底部に水が残留している場合には、電磁開閉弁の部位で水が凍結するおそれがある。
　このような場合、燃料電池による発電を開始した直後に、新たに発生した水の排出が困難になり得る。
　このような不都合に対し、特許文献２のように気液分離器に加熱装置を備え、加熱装置からの熱で弁装置の凍結を解除することで水の排出を可能にすることも考えられるが、加熱装置を備えるものでは、製造コストを上昇させ、発電したエネルギーを消費するため車両の航続距離を低下させるものであった。また、弁装置の凍結解除までの時間は水を排出することはできないという不都合を生じてしまう。
　このような理由から、底部の水を確実に排出できると共に、燃料電池の発電停止後の電磁開閉弁近傍への水の貯留を防止する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、含水ガスが供給されるハウジングと、前記ハウジングの上部に備えられ含水ガスから水を分離する気液分離部と、前記ハウジングの下部に備えられ前記気液分離部で分離された水を受け止めて貯留する平面視で環状の第１貯水部と、前記ハウジングの底部で前記第１貯水部より下側に配置され、前記第１貯水部からの水が供給される第２貯水部と、前記第２貯水部の底部に連通する排水流路を開閉することで前記第２貯水部に貯留された水の排出および排出の停止を可能にする弁機構と、前記第１貯水部の内側に配置され、前記第１貯水部の水をオーバーフローするまで貯留し、オーバーフローした水を前記第２貯水部に案内する筒状壁と、前記筒状壁の上側を覆う蓋状部材とを備えている点にある。
　この特徴構成によると、気液分離部で含水ガスから分離した水は、まず、第１貯水部に受け止められて貯留され、この第１貯水部に蓄えられた水は貯水量の増大に伴い筒状壁の上端をオーバーフローして第２貯水部に供給される。また、第２貯水部に貯留された水は、弁機構の開放により外部に排出できる。この気液分離器では、筒状壁の上側を蓋状部材が覆っているため、第１貯水部の下部と第２貯水部の上部とを、外部のガスの出入りが規制される流路で接続した構造となる。これにより、弁機構の開放により第２貯水部の水を排出した場合には、第２貯水部が減圧することで、この第２貯水部に対する第１貯水部の圧力が上昇することになり、この圧力差により第１貯水部の水が筒状壁の上端をオーバーフローして第２貯水部に流れ、第１貯水部の水面を低下させることが可能となる。そして、第２貯水部に流れ込んだ水は、弁機構から外部に排出できる。
　例えば、燃料電池と気液分離器とを備えた車両を想定すると、特徴構成の気液分離器を備えることにより、寒冷地に車両を駐車する場合に、弁機構を開放して第２貯水部の水を排出するだけで、第１貯水部の水面を大きく低下させることが可能となる。これにより、第２貯水部の水を排出した後に燃料電池の内部に存在する僅かな水がハウジング内に流れ込むことや、ハウジングの内面に付着した水滴が落下することがあっても、これらの水は第１貯水部に受け止められ、第２貯水部に水が流れ込むことがなく、排水流路から弁機構に亘る領域を凍結させる不都合を解消できる。
　このように、第２貯水部の水を良好に排出できると共に、燃料電池の発電停止後の第２貯水部への水の貯留を防止する気液分離器が構成された。
　上記構成に加えた構成として、前記蓋状部材は、前記筒状壁と離間した縦壁部を有しても良い。
　これによると、第１貯水部に貯留された水の水位が縦壁部の下端より高くなった状態では、筒状壁と縦壁部の隙間に水が入り込んでいるので、第１貯水部の下部と第２貯水部の上部とを、外部のガスの出入りが規制される流路で接続した構成にすることができる。
　上記構成に加えた構成として、前記筒状壁と前記縦壁部との間に、前記第１貯水部から前記第２貯水部へと水が流れるようにする複数のリブ体を、前記筒状壁の外壁面と前記縦壁部の内壁面との少なくとも一方に有しても良い。
　これによると、複数のリブ体を形成することで、筒状壁の外壁面と、蓋状部材の縦壁部の内壁面との間に形成される隙間に水を流すことが可能となり、第１貯水部の水を第２貯水部に流れやすくすることができる。
　上記構成に加えた構成として、前記蓋状部材の前記縦壁部が前記筒状壁に外嵌されており、外嵌された状態での側面視において、前記縦壁部が、前記縦壁部の下端から前記筒状壁の上端より上側まで形成されたスリットを有しても良い。
　これによると、第１貯水部に貯留される水の水面が、筒状壁の上端の近くにある状況において、この第１貯水部の水が凍結した場合でも、凍結面より上側にスリットの上端部分が位置するため、気液分離部に含水ガスの供給を開始し、含水ガスから分離した水が、第１貯水部で受け止められた状況でも、この水が凍結面の上面に流れ、スリットから流入した水を、筒状壁の上端部分をオーバーフローする状態で第２貯水部に流すことが可能となる。
　上記構成に加えた構成として、前記筒状壁の内周には、前記筒状壁の上端をオーバーフローした水を前記第２貯水部に案内する排水誘導リブが形成されても良い。
　これによると、筒状壁の上端から筒状壁の内壁面に沿って流れる水を排水誘導リブで案内して第２貯水部に円滑に流すことが可能となる。
　上記構成に加えた構成として、前記蓋状部材は、前記気液分離部と前記第１貯水部との間に、前記気液分離部で分離された水に含まれる塵埃を除去するフィルタを備えても良い。
　これによると、ハウジングの内部で水に塵埃が含まれても、フィルタで塵埃を除去することが可能となり、例えば、水に含まれる塵埃によって弁機構の適正な作動が抑制される不都合に繋がることもない。
は、気液分離器の斜視図である。 は、気液分離器の分解斜視図である。 は、一部を切り欠いた気液分離器の部分断面斜視図である。 は、一部を切り欠き上方から見た気液分離器の部分断面分解斜視図である。 は、一部を切り欠き下方から見た気液分離器の部分断面分解斜視図である。 は、水がオーバーフローする状態の第１貯水部等を示す拡大断面図である。 は、電磁開閉弁が開放した際の第１貯水部から第２貯水部への水の流れを示す拡大断面図である。 は、図６のVIII－VIII線断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
　図１～図５には燃料電池車（ＦＣＶ）に搭載される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（含水ガスの一例）に含まれる水を分離する気液分離器Ａを示している。この気液分離器Ａは、ハウジングＨの上部位置に導入部１と、導出部２とを備え、底部位置に電磁開閉弁３（弁機構の一例）を備え、ハウジングＨの内部空間の上部に気液分離部４を配置し、内部空間の下部に第１貯水部５と、第２貯水部６とを配置している。
　燃料電池は、アノード側に対し、アノードガス流路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、カソードガス流路を介して酸化剤ガス（酸素を含む空気）を供給することにより発電が行われる。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ガスと水とが含まれる。このような理由から、気液分離器Ａは、アノードオフガスに含まれる水を分離して排出し、アノードガスに含まれる水素ガスを回収し、回収した水素ガスを燃料電池のアノードガス流路に戻すために用いられる。
〔ハウジング〕
　図１～図５に示すように、ハウジングＨは、上部ハウジング１０と下部ハウジング２０とを有すると共に、上部ハウジング１０の上部フランジ１０ｆと、下部ハウジング２０の下部フランジ２０ｆとを重ね合わせ、これらを複数の締結ボルト７で締結することで一体化されている。
　上部ハウジング１０は、筒状の上側壁１１に対し側方に突出する姿勢となる筒状の導入部１を形成し、この上部ハウジング１０の上端の平坦な上端壁１２から上方に突出する姿勢で導出部２を形成している。これら上部ハウジング１０と下部ハウジング２０とは樹脂によって形成されるものであるが、アルミニウム等の金属で形成されるものでも良い。
　上部ハウジング１０の内部空間には、導入部１から供給されたアノードオフガスが接触することで、アノードオフガスに含まれる水を分離するための板状となる複数の衝突壁１３を内部に収容した気液分離部４を構成している。
　この気液分離部４は、導入部１から導入されたアノードオフガスを複数の衝突壁１３に連続的に接触させることでガスに含まれる水を分離して下方に落下させるように機能する。また、水が分離した乾燥ガスは導出部２から上方に排出される。
　図３～図５に示すように、下部ハウジング２０は、縦軸芯Ｙを中心に円筒形となる下側壁２１と、この下側に連なり下側が緩やかに窄まる形状で水を案内する案内壁２２と、この下側に連なり下側が漏斗状に窄まる形状の傾斜壁２３とを形成し、更に、この下側に連なり縦軸芯Ｙを中心に円筒形となる筒状壁２４と、この筒状壁２４の下端を塞ぐ底壁２５とを一体的に形成している。
　尚、傾斜壁２３の上端位置で、案内壁２２に連なる境界部位に縦軸芯Ｙを中心とする縦壁状の中間壁２３ａが形成されている。
　図６、図７に示すように、筒状壁２４は、傾斜壁２３との境界部分から上側と下側とに亘る領域に形成されている。この筒状壁２４のうち、傾斜壁２３との境界部分から上側に延出する上部領域２４ａの外側と、傾斜壁２３および中間壁２３ａの内側との間の円環状の空間で第１貯水部５が形成されている。また、筒状壁２４と、底壁２５とに囲まれる円筒状の空間で第２貯水部６が形成されている。
　下部ハウジング２０には、第２貯水部６の底部空間に連通する排水流路２６が形成されており、この排水流路２６の外端を開閉することで水の排出を制御できるように、下部ハウジング２０の下端部分の外部に電磁開閉弁３が備えられている。
　尚、電磁開閉弁３が開放されて第２貯水部６の水が排出される際、未反応の水素を含むアノードオフガスの排出を抑制すると共に、一定量の水を排出するように、排水流路２６はオリフィスのように小径に形成されている。
　この気液分離器Ａでは、気液分離部４でアノードオフガスから分離した水を下部ハウジング２０の第１貯水部５で受け止めて貯留し、更に、図６に示すように、第１貯水部５に貯留された水を第１貯水部５の内側に配置された筒状壁２４の上端からオーバーフローさせることで、この水を第２貯水部６に貯留できるように、第１貯水部５と第２貯水部６との位置関係が設定されている。特に、この構成では、第１貯水部５から第２貯水部６に流れる水量を制御する蓋状部材３０を備えている。
〔蓋状部材〕
　図２～図７に示すように、蓋状部材３０は、筒状壁２４の上部領域２４ａの外壁面から外方に離間した位置に配置（外嵌）され、この状態での側面視（縦軸芯Ｙに垂直な方向視）で上部領域２４ａに重複する位置に配置された筒状の縦壁部３１と、この縦壁部３１の上端を塞ぐ蓋状部３２とが一体形成されている。すなわち、蓋状部材３０は、筒状壁２４の上側を覆っている。このように、気液分離器Ａでは、蓋状部材３０の縦壁部３１が筒状壁２４の外部を覆い、この蓋状部材３０の縦壁部３１の上端を蓋状部３２が塞ぐ構造であるため、第１貯水部５に貯留された水の水位が縦壁部３１の下端より高くなった状態では、第１貯水部５の下部と第２貯水部６の上部とを、外部のガスの出入りが規制される流路で接続した構成となる。尚、後述するように縦壁部３１に複数のスリット３１ａが形成されるため、このスリット３１ａによって多少のガスの流動は許容される。
　蓋状部材３０は、縦壁部３１の上端の外面且つ蓋状部３２の外縁から半径方向の外方に延出する複数のフレーム３３と、複数のフレーム３３の延出端に連結されたリング状部３４と、リング状部３４と蓋状部３２との間に配置されるフィルタ３５を備えている。
　リング状部３４は、傾斜壁２３の上端位置の中間壁２３ａの内周に嵌まり込むように外形が決められ、フィルタ３５は、気液分離部４で分離され気液分離部４から供給される水に含まれる塵埃を除去するように機能する。つまり、フィルタ３５は、気液分離部４と第１貯水部５との間に位置する。リング状部３４の外周には、Ｏリング３６が装着され、リング状部３４と、中間壁２３ａの内周との隙間を封止している。
　図６、図７に示すように、この蓋状部材３０は、リング状部３４の下端が傾斜壁２３の上端に支持され、後述する排水誘導リブ２８の上端に蓋状部３２の下面が当接することにより、上下方向で適正な位置に支持される。また、縦壁部３１の下端は傾斜壁２３の傾きと平行になるように壁面に対して傾斜している。このように蓋状部材３０が適正な位置に支持されることにより、縦壁部３１の下端と、傾斜壁２３との間に上下方向で間隙Ｇが形成される。また、筒状壁２４の上部領域２４ａの外壁面と、縦壁部３１の内壁面との間に半径方向で隙間Ｔが形成される。
　筒状壁２４の上部領域２４ａの外壁面と、縦壁部３１の内壁面との間の隙間Ｔが、平面視で全周において均等に形成されるように、図８に示すように、上部領域２４ａの外周には縦向き姿勢のリブ体２７が形成されている。また、筒状壁２４の内周から外周に亘る領域には、筒状壁２４の上端をオーバーフローした水の流れを補助するため複数の排水誘導リブ２８を形成している。この排水誘導リブ２８は、筒状壁２４の上端（上部領域２４ａの上端）より上方に突出する形態で形成されている。
　これにより、蓋状部材３０を下部ハウジング２０の内部に装着する場合に、蓋状部材３０の縦壁部３１が、筒状壁２４に近接する変位（半径方向での変位）を、複数のリブ体２７が規制することになり、全周における隙間Ｔを均一に維持し、この隙間Ｔにおける水の流れの偏りをなくし、良好な流れの維持が可能となる。
　また、排水誘導リブ２８が形成されることにより、筒状壁２４の内面を流れる水を円滑に案内する。前述したように排水誘導リブ２８は上端が蓋状部材３０の蓋状部３２の下面に当接することで、蓋状部材３０の上下方向での位置を決めることになる。
　図５～図８に示すように、縦壁部３１は、側面視において下端から筒状壁２４の上端（上部領域２４ａの上端）より上側まで形成されたスリット３１ａを有している。尚、上方に向かうスリット３１ａの切れ込み端は、フィルタ３５よりも下側（第１貯水部５の側）に位置している。
〔第１貯水部から第２貯水部への水の流れ〕
　この気液分離器Ａでは、気液分離部４でアノードオフガスから分離した水の一部は、蓋状部材３０の上面や、フィルタ３５の上面に落下し、他の一部は、下部ハウジング２０の案内壁２２の内面と傾斜壁２３とに沿って流れ、結果として、フィルタ３５で濾過された後に第１貯水部５に貯留される。
　燃料電池が発電を継続する状況では、気液分離部４でアノードオフガスから連続して分離された水が第１貯水部５に供給され、この第１貯水部５の水面が筒状壁２４の上端より上昇することで、図６に示すように第１貯水部５の水が筒状壁２４の上端をオーバーフローして第２貯水部６に供給される。
　気液分離部４でアノードオフガスから分離した水量は、燃料電池の発電量から推定できるため、推定された水量が、予め設定された値に達する毎に、電磁開閉弁３を開放する制御が行われる。この気液分離器ＡではハウジングＨの内部空間の圧力が外気の圧力より高い状態にある。従って、電磁開閉弁３が開放された場合には、第２貯水部６と外気との圧力差により、第２貯水部６の水が排水流路２６を介して排出される。
　更に、第２貯水部６の水の排出に伴い、第２貯水部６の圧力が、第１貯水部５の圧力より低下するため、図７に示すように、この圧力差により、第１貯水部５に貯留された水のうち隙間Ｔの水が筒状壁２４の上端をオーバーフローして第２貯水部６に供給され、このように第２貯水部６に供給された水も排水流路２６を介して排出される。このとき、隙間Ｔの水位が、縦壁部３１と傾斜壁２３との間の水位より高くなる。このように水が流れることにより、電磁開閉弁３を開放する毎に第１貯水部５の水面が、縦壁部３１の下端位置まで低下することになる。
　また、水を排出するために電磁開閉弁３が開放する時間を、比較的短い値に設定しており、この設定時間において、アノードオフガスがスリット３１ａの上端を介して第２貯水部６に流れるガス量を制限することで、圧力差を大きく変化させないように（圧力差を小さくしないように）、複数のスリット３１ａの幅（縦壁部３１の周方向での幅）が設定されている。
　つまり、縦壁部３１に形成されたスリット３１ａの上端が第１貯水部５の貯水レベル（筒状壁２４の上端と一致する高さ）より高い位置まで形成されている。このため、電磁開閉弁３が開放して第２貯水部６の圧力が低下した場合に、アノードオフガスの一部がスリット３１ａの上端を介して第２貯水部６に向けて流れ、圧力差を小さくすることも考えられるが、電磁開閉弁３が開放する時間を短く設定し、ガスの流れを制限できるようにスリット３１ａの幅が設定されている。
　ここで、寒冷地において燃料電池の発電を停止した状態で駐車する状況を考えると、例えば、第２貯水部６から排水流路２６に亘る領域に水が残留する場合には、水が凍結することにより、燃料電池の発電を開始した直後に、電磁開閉弁３を開放しても第２貯水部６の水を排出できない状況になり得る。このような不都合を解消するため、駐車する場合には、電磁開閉弁３を開放する制御が行われる。
　このように駐車時に電磁開閉弁３を開放する制御が行われることにより、前述したように、第２貯水部６の水が排水流路２６を介して排出され、この排出に伴う圧力差により、第１貯水部５の水が筒状壁２４の上端をオーバーフローして第２貯水部６に供給され、このように供給された水も排出されるため、第２貯水部６の水の全量を排出することが可能となる。
　また、電磁開閉弁３を開放する制御の後には、第１貯水部５には、縦壁部３１の下端位置まで水面が低下した僅かに水が残留する。燃料電池は発電を停止した後において内部に残留した僅かな水が排出され、気液分離器Ａの第１貯水部５に流れ込むこともあるものの、第１貯水部５に残留する水は僅かであるため、この水は第１貯水部５に蓄えられることになり第２貯水部６に流れ込む不都合を解消できる。
　また、第１貯水部５に僅かに残留する水が凍結した状況において、燃料電池での発電を開始し、気液分離部４からの新たな水が第１貯水部５に供給された場合には、水は間隙Ｇからではなく、スリット３１ａから隙間Ｔに流入する。そして、凍結状態にある水の表面に水が貯留され、水面が上昇して、この水面が筒状壁２４の上端まで上昇した場合に、その水が、筒状壁２４の上端をオーバーフローすることで、第２貯水部６に供給される。
〔実施形態の作用効果〕
　このように、気液分離部４からの水を直接的に受け止める第１貯水部５を備え、この第１貯水部５からの水がオーバーフローするように流す筒状壁２４を備え、筒状壁２４をオーバーフローして供給される水を受け止める第２貯水部６を備え、更に、第１貯水部５と第２貯水部６との圧力差によって水をオーバーフローさせる蓋状部材３０を備えることにより、電磁開閉弁３を開放するだけで第２貯水部６の水の全量を排出し、しかも、第１貯水部５の水の多くを排出できる気液分離器Ａが構成された。
　この構成では、例えば、第２貯水部６の水の凍結を解消するためのヒータを必要としないため、構成が単純でエネルギーの消費抑制も可能となる。
　また、この構成では、第１貯水部５に残留する水が凍結した状況において、燃料電池を起動させて、気液分離部４から新たに水が供給される場合には、第１貯水部５に新たに供給された水を、スリット３１ａを通過させ、筒状壁２４の上端をオーバーフローさせる形態で第２貯水部６に送り出すことが可能となり、例えば、第２貯水部６の水の凍結を解消するためにヒータ等を必要とすることがなく、単純でエネルギーの消費抑制も可能となる。
　更に、複数のリブ体２７を筒状壁２４の外面に形成しているため、筒状壁２４の上部領域２４ａの外壁面と、縦壁部３１の内壁面との間の全周において水量に偏りのない状態で水をオーバーフローさせることが可能となる。また、オーバーフローした水を下方に案内するための排水誘導リブ２８によって蓋状部材３０の上下方向での位置を決めることも可能となる。
〔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）縦壁部３１に形成されるスリット３１ａに代えて、側面視で筒状壁２４の上端より高い位置に貫通孔を形成する。このように貫通孔を形成することにより、第１貯水部５の水が凍結する状態で、気液分離部４から水が供給された場合には、第１貯水部５に供給された水を、貫通孔を介して隙間Ｔに流し、筒状壁２４の上端をオーバーフローさせる形態で第２貯水部６に送り出すことが可能となる。
　このように貫通孔を形成する場合、電磁開閉弁３が開放し、第２貯水部６が排出されることで、第２貯水部６の圧力が低下した場合に、第１貯水部５の水が筒状壁２４の上端をオーバーフローできる圧力差を得るように貫通孔の開口面積（貫通孔が複数である場合には開口面積の総和）が設定されることになる。
（ｂ）実施形態では、リブ体２７を筒状壁２４の外周に形成していたが、リブ体２７を蓋状部材３０の縦壁部３１の内周に形成する。このようにリブ体２７を形成する構成であっても筒状壁２４の上部領域２４ａの外壁面と、縦壁部３１の内壁面との間に半径方向で隙間Ｔを形成することが可能となる。
（ｃ）縦壁部３１の下端と、傾斜壁２３との間に間隙Ｇを形成するために、縦壁部３１から下方に伸びる複数の突起を、縦壁部３１に一体的に形成する。このように構成したものでも、負圧の作用により第１貯水部５の水を第２貯水部６に送る際に、間隙Ｇに水を流すことが可能となる。
　本発明は、気液分離器に利用することができる。
３　　　　　電磁開閉弁（弁機構）
４　　　　　気液分離部
５　　　　　第１貯水部
６　　　　　第２貯水部
２４　　　　筒状壁
２６　　　　排水流路
２７　　　　リブ体
２８　　　　排水誘導リブ
３０　　　　蓋状部材
３１　　　　縦壁部
３１ａ　　　スリット
３２　　　　蓋状部
３５　　　　フィルタ
Ｈ　　　　　ハウジング

Claims (6)

  1. 　含水ガスが供給されるハウジングと、
    　前記ハウジングの上部に備えられ含水ガスから水を分離する気液分離部と、
    　前記ハウジングの下部に備えられ前記気液分離部で分離された水を受け止めて貯留する平面視で環状の第１貯水部と、
    　前記ハウジングの底部で前記第１貯水部より下側に配置され、前記第１貯水部からの水が供給される第２貯水部と、
    　前記第２貯水部の底部に連通する排水流路を開閉することで前記第２貯水部に貯留された水の排出および排出の停止を可能にする弁機構と、
    　前記第１貯水部の内側に配置され、前記第１貯水部の水をオーバーフローするまで貯留し、オーバーフローした水を前記第２貯水部に案内する筒状壁と、
    　前記筒状壁の上側を覆う蓋状部材とを備えている気液分離器。
  2. 　前記蓋状部材は、前記筒状壁と離間した縦壁部を有している請求項１に記載の気液分離器。
  3. 　前記筒状壁と前記縦壁部との間に、前記第１貯水部から前記第２貯水部へと水が流れるようにする複数のリブ体を、前記筒状壁の外壁面と前記縦壁部の内壁面との少なくとも一方に有している請求項２に記載の気液分離器。
  4. 　前記蓋状部材の前記縦壁部が前記筒状壁に外嵌されており、外嵌された状態での側面視において、前記縦壁部が、前記縦壁部の下端から前記筒状壁の上端より上側まで形成されたスリットを有している請求項２又は３に記載の気液分離器。
  5. 　前記筒状壁の内周には、前記筒状壁の上端をオーバーフローした水を前記第２貯水部に案内する排水誘導リブが形成されている請求項１～４のいずれか一項に記載の気液分離器。
  6. 　前記蓋状部材は、前記気液分離部と前記第１貯水部との間に、前記気液分離部で分離された水に含まれる塵埃を除去するフィルタを備えている請求項１～５のいずれか一項に記載の気液分離器。
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