(57)【要約】  液体分離器は、流体ストリームから液体を分離するよう構成される。分離器は、筺体と、筺体内に配置される分離チャンバと、ドレインと、入口チャネルと、入口チャネル内に配置される旋回翼と、出口チャネルとを有する。ドレインは、分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有する。更に入口チャネルは、第１の入口端部から、筺体内に分離チャンバの近くに配置される第２の入口端部まで、流体ストリームを伝達するよう構成される。出口チャネルは、第２の入口端部の近くに位置決めされる第１の出口端部から分離チャンバから離れている第２の出口端部まで流体ストリームを伝達するよう構成される。ドレイン通路は、液体の表面張力と、内側通路との間の相互作用によりドレイン通路に幾らかの液体が保持され、保持された液体がドレイン通路の低圧力ガスシールを形成するよう、大きさが決められる内径を有することが好ましい。ドレイン通路が略水平であることが好ましい。筺体は、ベースと、ベースに着脱可能に取り付けられるキャップとを含むことが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ストリームから液体を分離するよう構成される液体分離器であって、
ａ）筺体と、
ｂ）前記筺体内に配置される分離チャンバと、
ｃ）前記分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有するドレインと、
ｄ）第１の入口端部から、前記筺体内に前記分離チャンバの近くに配置される第２の入口端部に、前記流体ストリームを伝達するよう構成される入口チャネルと、
ｅ）前記入口チャネル内に配置される旋回翼と、
ｆ）前記第２の入口端部の近くに位置決めされる第１の出口端部から前記分離チャンバから離れた第２の出口端部に前記流体ストリームを伝達するよう構成される出口チャネルと、を備える液体分離器。
【請求項２】
前記ドレイン通路が、液体の表面張力と、内側通路との間の相互作用により前記ドレイン通路に幾らかの液体が保持され、前記保持された液体が前記ドレイン通路の低圧力ガスシールを形成するよう、大きさが決められる内径を有する、請求項１記載の液体分離器。
【請求項３】
前記分離チャンバが、略円筒形である、請求項１記載の液体分離器。
【請求項４】
前記ドレインが、前記分離チャンバの最も低い点の近くに位置決めされる、請求項１記載の液体分離器。
【請求項５】
前記ドレインが、ドレイン通路を有し、前記ドレイン通路が略水平である、請求項４記載の液体分離器。
【請求項６】
前記入口チャネルが、前記第２の入口端部における前記入口チャネルの直径が前記旋回翼の近くにある前記入口チャネルの直径よりも大きくなるよう、前記第２の入口端部の近くで半径方向外側に広がる、請求項１記載の液体分離器。
【請求項７】
前記筺体が、ベースと、前記ベースに着脱可能に取り付けられるキャップとを含む、請求項１記載の液体分離器。
【請求項８】
前記入口チャネルが前記キャップを通る、請求項７記載の液体分離器。
【請求項９】
前記入口チャネルが、中心軸について略整列される、請求項１記載の液体分離器。
【請求項１０】
前記出口チャネルが、前記中心軸について略整列される、請求項９記載の液体分離器。
【請求項１１】
前記分離チャンバが、前記中心軸について略整列される、請求項９記載の液体分離器。
【請求項１２】
前記入口チャネル、前記出口チャネル、および前記分離チャンバが略同軸である、請求項１記載の液体分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して流体分離器の分野に関し、一般的であり限定的でない電気化学セルシステムに適用される。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池および電解セルは、一般的に電気化学セルと呼ばれている。燃料電池は、様々な適用法がある清潔、効率的かつ環境に優しい電力源として提案されている。従来のプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池は、陽極と、陰極と、二つの電極間に配置される選択電解膜より典型的には構成される。
【０００３】
燃料電池は、燃料ガス（典型的には水素）と酸化剤ガス（典型的には酸素）を陽極と陰極にそれぞれ近づけることで電気を生成している。反応の際、水素のような燃料が陽極で酸化され陽イオン（プロトン）と電子とを生成する。プロトン交換膜は、電子が膜を通ることを防止しながら、陽極から陰極へのプロトンの移動を容易にする。その結果、電子は外部回路中を強制的に流れ、電流を提供する。陰極側では、酸素が電流から戻される電子と反応し、陰イオンを生成する。陰極で生成される陰イオンは、膜を通過したプロトンと反応し、液体水を発生する。
【０００４】
一方で、電解槽は、水を電解するために電気を用いて、その陽極から酸素を生成し、陰極から水素を生成する。燃料電池と同様に、典型的な固体高分子型水電解槽（ＳＰＷＥ）またはプロトン交換膜（ＰＥＭ）電解槽も、陽極と、陰極と、二つの電極間に配置されるプロトン交換膜とよりなる。水は、例えば、電解槽の陽極に導入され、電解槽は好適な直流電圧の正極に接続される。酸素が陽極で発生する。プロトンは、膜を通って陽極から陰極に移動する。直流電圧の負極に接続された陰極では、膜を通って伝達されたプロトンは水素に還元される。
【０００５】
実際には、セルは単一のユニットとして動作されない。その代わりにセルは、直列に接続される、互いに重なり合う、または、隣り合わせに配置される。セルスタックと呼ばれる一連のセルは、通常筺体に囲まれる。燃料セルスタックについて、燃料と酸化剤は筺体内のマニホールドを介して電極に方向付けられる。燃料電池は、反応剤または冷却媒体のいずれかによって冷却される。燃料セルスタックは、電流コレクタ、セル対セルシール、および絶縁体を更に備え、必要なパイピングおよび計測器は燃料セルスタックの外部に設けられる。燃料セルスタック、筺体、および関連するハードウェアは、燃料セルモジュールを構成する。同様にして電解セルも典型的には直列に接続され、電解スタックを形成する。
【０００６】
燃料セルスタックおよび電解スタックの両方に関して取り組まなくてはならない共通の問題は、処理ガスストリームからの水の制御された除去である。ガスストリーム中に水が存在することで、電気化学セルの効率性が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、発明者は、流体ストリームから液体を分離し、電気化学セルとの使用に適応した流体分離装置が必要であると考えた。
【０００８】
本発明は、流体ストリームから液体を分離するよう構成される液体分離器に関わる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
分離器は、筺体と、筺体内に配置される分離チャンバと、ドレインと、入口チャネルと、入口チャネルに配置される旋回翼と、出口チャネルと、を備える。ドレインは、分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有する。更に入口チャネルは、第１の入口端部から、筺体内に分離チャンバの近くに配置される第２の入口端部まで、流体ストリームを伝達するよう構成される。出口チャネルは、第２の入口端部の近くに位置決めされる第１の出口端部から分離チャンバから離れている第２の出口端部まで流体ストリームを伝達するよう構成される。
【００１０】
ドレイン通路は、液体の表面張力と、内側通路との間の相互作用によりドレイン通路に幾らかの液体が保持され、保持された液体がドレイン通路の低圧力ガスシールを形成するよう、大きさが決められる内径を有することが好ましい。ドレイン通路は略水平であることが好ましい。
【００１１】
入口チャネルは、第２の入口端部における入口チャネルの直径が旋回翼の近くにある入口チャネルの直径よりも大きくなるよう、第２の入口端部の近くで半径方向外側に広がる。
【００１２】
筺体は、ベースと、ベースに着脱可能に取り付けられるキャップとを含むことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願は、参照として全体的に組み込む米国仮特許出願第６０／４９７，５４８号の優先権を主張する。
【００１４】
本発明は、同様の符号が同様の構成要素に付与される添付の図面を参照して、例としてのみ以下に説明される。
【００１５】
図１および図２を同時に参照すると、本発明に従って形成される液体分離器１０が例示される。分離器１０は、キャップ部１２とベース１３とを有する主筺体１１を含む。キャップ１２は、典型的には、ねじ１４またはナットおよびボルトを用いてベース１３に着脱可能に取り付けられる。略円筒形の分離チャンバ２１が筺体１１の内部領域に設けられる。多くの低圧力適用法のために、筺体１１はプラスチックまたは他の好適な材料よりなる。
【００１６】
略円筒形の入口チャネル２２がキャップ１２を通って設けられ、流体ストリーム（典型的には、処理ガスとして水滴と酸素または水素を含む）を第１の入口端部１７から分離チャンバ２１の近くにある第２の入口端部２４に伝達するよう構成される。Ｏリングまたは他のタイプのシールが入口チャネル２２の外（または内）周の周りに設けられ、処理ガスを含む流体ストリームを供給するための入口ホースまたは他の管路の接続を容易にする。
【００１７】
旋回翼１６は、入口チャネル２２内に着脱可能に取り付けられる。図４に示されるように、旋回翼１６は軸方向シャフト３３について回転する複数の弓形ベーン３４を有する略プロペラ形状を有する。入口チャネル２２に旋回翼を取り外し可能に取り付けるピンまたは同様の装置を受容するピン孔３６が軸方向シャフト３３に設けられる。着脱可能な旋回翼１６により、分離器１０のメンテナンスおよび掃除が容易になる。
【００１８】
図２から明らかとなるように、旋回翼１６の近くのチャネル２２の断面直径よりも第２の入口端部２４のチャネル２２の断面直径の方が大きくなるよう、入口チャネル２２は旋回翼１６の近くで半径方向外側にテーパが付けられ始める。チャネル２２のテーパが付けられた部分は略円錐である。
【００１９】
略管状の出口チャネル２３がベース１２に形成され、第２の入口端部２４の近くに位置決めされる第１の出口端部２５と、分離チャンバ２１から離れている第２の出口端部１９との間で流体を伝達する。出口チャネル２３は、分離チャンバ２１と筺体１１の外部との間で流体接続を形成する。チャネル２３は、第１の出口端部２５から第２の出口端部１９まで、チャネル２３の一部分について略外方にテーパが付けられる。その結果、第１の出口端部２５におけるチャネル２３の断面直径は、第２の出口端部１９におけるチャネル２３の断面直径よりも小さくなる。更に、典型的には、第１の出口端部２５は第２の入口端部２４の近くで入口チャネル２２内に僅かにはめ込まれる。それにより、入口チャネル２２と出口チャネル２３の重なり合う部分は間に環状の空間または隙間を作り、その中を流体が流れることができる。
【００２０】
電気化学セルに流体ストリーム（分離器１０によって液体が除去されている）を方向付ける出口ホースまたは他の管路の接続を容易にするために出口チャネル２３の外部（または内部）円周にわたってＯリングまたは他のタイプのシールが設けられる。
【００２１】
第１の出口端部２５は、第２の入口端部２４内に僅かにはめ込まれ、略軸方向に整列されている。入口チャネル２２、旋回翼１６、分離チャンバ２１、および出口チャネル２３は、例えば、中心軸１００について略同軸上に整列されることが好ましい。中心軸１００が略水平であることが好ましい。
【００２２】
ドレイン２０は、分離チャンバ２１の最も低い点の近くに設けられ、分離チャンバ２１と流体接続されている。例示する実施形態では、分離チャンバ２１の最も低い点（したがって、ドレイン２０の場所）は、中心軸１００の下にある。ドレイン２０は、流体ストリームから分離された液体を分離チャンバ２１から排出するドレイン通路２９を含む。分離器１０の外寸法を最小化するために、ドレイン通路２９が略水平であることが好ましく、更に、通路２９が中心軸１００に対して平行であることが好ましい。
【００２３】
ドレイン通路２９の内径２９’は、液体の表面張力とドレイン通路２９の内表面との間の相互作用により幾らかの液体（例えば、小滴３２）がドレイン通路２９で保持されるように大きさが決められる。より高い表面張力を有する液体に対するドレイン通路２９の直径２９’が、より低い表面張力を有する液体に対するそれよりも大きいことは理解されるであろう。保持された液体は、ドレイン通路の低圧力ガスシールを形成する。分離された液体を処分または再利用のいずれかのために所望の場所に方向付けるために、ドレインライン（図示せず）がドレイン通路２９に接続されてもよい。
【００２４】
使用の際、ガスと液体の小滴の組み合わせよりなる流体ストリームは、入口チャネル２２の第１の入口端部１７に典型的には低圧力下（例えば、３−１０ｐｓｉ）で方向付けられる。流体ストリームは、旋回翼１６のベーン３４を通り、それによって流体ストリームはサイクロン状に半径方向外側にかつ入口チャネル２２の内部表面に対して旋回し、その後分離チャンバ２１内及びチャンバ２１の内部表面に対して流出する。流体ストリームに与えられるスピニング運動が遠心力を発生させ、それにより、液体の小滴が入口チャネル２２および分離チャンバ２１の内部表面に衝突しかつ収集されることは理解されるであろう。入口チャネル２２内で収集される液体の小滴は、流体ストリームの流れによって分離チャンバ２１へと推し進められる。
【００２５】
分離チャンバ２１で液体が収集されると、液体が重力によってチャンバ２１の最も低い点まで下方向に降ろされ、液体はドレイン２０を通ってチャンバ２１から排出される。上述したように、ドレイン通路２９の内径と共に、液体とドレイン通路２９の内部表面３１との間の表面張力により、幾らかの液体（図３に示される小滴３２等）が通路２９内で保持される。保持された液体は、バルブを形成し、それにより、流体ストリームからの全ての処理ガスの逃げが防止される。
【００２６】
流体ストリーム（少なくとも幾らかの、好ましくは、殆どの液体が除去された）は第１の出口端部２５を介して出口チャネル２３に入り、分離チャンバ２１を出て、最終的に、第２の出口端部１９を通って出口チャネル２３および分離器１０を出ることができる。
【００２７】
前述したように、分離器１０用の筺体１１は、ベース１３と、ベース１３に着脱可能に取り付けられるキャップ１２とを含む。このような設計は、一般的に、分離器１０の掃除およびメンテナンスを容易にする。キャップ１２が除去されると、入口および出口チャネル２２，２３、分離チャンバ２１、およびドレイン２０が掃除またはメンテナンスのために簡単にアクセスできることが好ましい。
【００２８】
したがって、本願に例示され説明される実施形態は本発明の好ましい実施形態であるが、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ得ることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による液体分離器の正面斜視図である。
【図２】図１の液体分離器の側断面図である。
【図３】図１の液体分離器のドレイン通路の概略的な側面図である。
【図４】図１の液体分離器の旋回翼の上斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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