(57)【要約】【課題】分離済み気体が分離済み液水と共に排出されてしまうことを抑制する。【解決手段】気液分離器の機器下端側に円錐状の底壁部を備え、この底壁部の円錐先端部位を排水口とする。その上で、排水口に直上から流れ込む液水の流れに対して抵抗となる抵抗体を、排水口の開口部から所定の間隙を隔てて保持する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液分離器であって、
当該気液分離器の機器下端側に形成された円錐状の底壁部と、
該底壁部の円錐先端部位に形成された排水口と、
前記排水口の開口部から所定の間隙を隔てて保持され、前記排水口に直上から流れ込む液水の流れに対して抵抗となる抵抗体とを備える、
気液分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
気液分離器は、気体に含まれる水分を分離して、気体の再利用を図る機器として種々の分野で用いられている。例えば、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を図る燃料電池システムでは、気液分離器を排水素ガスの循環経路に組み込んで、排水素ガスから気液分離した水素ガスを再利用することがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２４２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で提案された気液分離器に限らず、気液分離器は、円錐状の底壁部を機器下端側に備え、円錐先端部位を排水口とし、この排水口に接続した排水流路を開閉するシャット弁を備える。分離された液水は、シャット弁の流路開放に伴い排水口から排水流路に流出する。この流出の際に、円錐先端部位の排水口への液水の流れ込みに伴って排水口中央に吸引力が生じ、液水がこの吸引力を受けて水面がすり鉢状に下がり、水位が下がった水面付近の分離済み気体が周囲の液水と共に排水口に入り込んで排出されてしまうことが危惧される。こうした事態は、機器内の液水が円錐状の底壁部において渦流となることでより顕著となる。分離済み気体の排出は、燃料電池システムにおいては、水素ガスの再利用の効率低下を来すので、その改善が要請されるに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を踏まえてなされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
気液分離器の一形態は、当該気液分離器の機器下端側に形成された円錐状の底壁部と、該底壁部の円錐先端部位に形成された排水口と、前記排水口の開口部から所定の間隙を隔てて保持され、前記排水口に直上から流れ込む液水の流れに対して抵抗となる抵抗体とを備える。
【０００７】
この形態の気液分離器では、排水口の直上から排水口への液水の流れ込みを、抵抗体から及ぶ抵抗により、抵抗体の周縁を回り込んだ上での排水口への流れ込みとする。これにより、排水口への液水の流れ込みの圧損が大きくなると共に、排水口への液水の流れ込みの流速は低下する。よって、排水口への液水の流れ込みに伴う排水口での吸引力が小さくなるので、分離済み気体が周囲の液水と共に排水口に入り込んで排出されてしまう事態を抑制できる。この結果、この形態の気液分離器によれば、分離済みガスの再利用の効率を高めることができる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、気液分離器の液水排出方法や気液分離機器を有する燃料電池システム等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る気液分離器を含む燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【図２】気液分離器の概略断面図である。
【図３】保持アームで保持された排水口遮蔽体の概略図である。
【図４】本実施形態の気液分離器における液水の排出の様子を鉛直断面視において模式的に示す説明図である。
【図５】本実施形態の気液分離器における液水の排出の様子を平面視において模式的に示す説明図である。
【図６】他の実施形態の気液分離器の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は実施形態に係る気液分離器２９０を含む燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、カソードガス供給排出系１００と、アノードガス供給系２００と、冷却系５００と、制御装置７００と、を備える。本実施形態では、一例として燃料電池車両に搭載された燃料電池システムについて説明する。燃料電池車両は、燃料電池２０により発電した電気を用いてモータを駆動し、走行する。なお、本実施形態の気液分離器２９０は、燃料電池車両等の燃料電池システムに限定されるものではなく、他の用途に適用することも可能である。
【００１１】
燃料電池２０は、例えば固体高分子形燃料電池であり、複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。各単セルは、高分子電解質膜が一対の電極に挟持されて構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟む一対のセパレータとを有している。燃料電池２０は、カソードガスとアノードガスとの酸化還元反応により発電する。
【００１２】
カソードガス供給排出系１００は、カソードガス供給管１１０とカソードガス排出管１２０とを備える。カソードガス供給管１１０には、エアコンプレッサ１６０とガス流量センサ１５０とが設けられている。エアコンプレッサ１６０は、システム外から取り込んだ空気をカソードガスとして燃料電池２０へ供給する。ガス流量センサ１５０は、空気の流量を測定する。カソードガス排出管１２０には、圧力センサ１３０と調圧弁１４０とが設けられている。調圧弁１４０は、燃料電池２０におけるカソードガスの圧力を調整する。圧力センサ１３０は、燃料電池２０のカソードガス出口におけるカソードガスの圧力を測定する。インタークーラ１７０は、カソードガス供給管１１０とカソードガス排出管１２０を跨いで配置されており、燃料電池２０に供給されるカソードガスを加熱すると共に燃料電池２０から排出されたカソードガスを冷却する。
【００１３】
アノードガス供給系２００は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給管２２０と、アノードガス排出管２３０と、アノードガス還流管２４０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、アノードガスポンプ２８０と、気液分離器２９０と、を備える。アノードガスタンク２１０は、高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給管２２０を介して燃料電池２０と接続されている。アノードガス供給管２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０とが設けられている。主止弁２５０は、アノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池２０に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池２０に供給されるアノードガスの圧力を測定する。
【００１４】
アノードガス排出管２３０とアノードガス還流管２４０は、アノードガス循環流路２３５を構成する。アノードガス循環流路２３５は、燃料電池２０から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給管２２０に還流させるための流路である。アノードガス循環流路２３５には、気液分離器２９０と、アノードガスポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２９０は、アノードガス排出管２３０を介して流れてきた液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。アノード排ガスから分離された未使用の水素ガス（アノードガス）は、アノードガスポンプ２８０によって、アノードガス還流管２４０を介してアノードガス供給管２２０に還流される。分離された液水は、シャット弁２９５と排気排水管１２５を通過して、カソードガス排出管１２０の中のカソードガスと合流してシステム外に放出される。気液分離器２９０の詳細は後述する。
【００１５】
冷却系５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５２０と、ラジエータ５３０と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、冷媒ポンプ５７０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ５７０は、冷媒供給管５１０に設けられており、冷媒を燃料電池２０に供給する。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０への冷媒の流量を調節するための弁である。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。
【００１６】
制御装置７００は、中央処理装置と、主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、燃料電池システム１０内の各種機器の動作、例えばシャット弁２９５の開閉等を制御する。図１では、図示の便宜上、制御装置７００とシャット弁２９５との間の制御信号やセンサ信号のための接続関係を破線で示している。
【００１７】
図２は気液分離器２９０の概略断面図である。なお、簡明な図示のため、断面ハッチについては図示を省略した。以下の説明において、重力方向Ｇと同一の方向を「下方」と呼び、重力方向Ｇと逆の方向を「上方」と呼ぶ。また、Ｈ方向は水平方向である。気液分離器２９０は、例えば樹脂やプレス成形された金属板等によって形成され、図示しない取り付け金具により、後述の排水口４１２を下方側に位置させてシステム構造材、例えば車両フレームに固定される。
【００１８】
気液分離器２９０は、重力方向Ｇに沿って上下に分割された上方ケース３００と、下方ケース４００とを有する。上方ケース３００は、その側壁にアノード排ガスが入り込むガス入口３５０を有し、このガス入口３５０には、アノードガス排出管２３０が接続されている。下方ケース４００は、その天井壁に、分離済みの水素ガスを排出するガス出口３６０を有し、このガス出口３６０には、アノードガス還流管２４０が接続されている。
【００１９】
気液分離器２９０は、下方ケース４００の下方側である機器下端側に形成された円錐状の底壁部４１０と、底壁部４１０の円錐先端部位に形成された排水口４１２とを有する。この排水口４１２には、排出流路４５０が接続されている。排出流路４５０は、気液分離器２９０で分離した液水を排出するための流路であり、排出流路４５０を開閉するシャット弁２９５を介して排気排水管１２５に接続されている。気液分離器２９０は、底壁部４１０の内壁面と排出流路４５０の内壁面とに、フッ素等の撥水性の樹脂をコーティングした撥水層４１４を備える。気液分離器２９０は、分離して底壁部４１０に貯まった液水Ｗを、撥水層４１４による撥水作用により、撥水層４１４に沿って排水口４１２に促進して流れ込ませる。なお、液水Ｗは、撥水層４１４の撥水作用を受けて、液水エッジＷｅを湾曲させる。
【００２０】
この他、気液分離器２９０は、排水口遮蔽体４２０とこの排水口遮蔽体４２０を保持する保持アーム４２２とを備える。図３は保持アーム４２２で保持された排水口遮蔽体４２０の概略図である。排水口遮蔽体４２０と保持アーム４２２とは、気液分離器２９０の構成部材と同じ或いは同質の樹脂、加工性に富むアルミ等の金属を用いた一体成形品であり、排水口遮蔽体４２０は、放射状に等ピッチで突出した保持アーム４２２により保持される。
【００２１】
排水口遮蔽体４２０は、数ｍｍ径の排水口４１２を、その上方側から遮蔽するように保持アーム４２２により保持され、排水口４１２にその直上から流れ込む液水Ｗの流れに対して抵抗となる抵抗体として機能する。本実施形態では、排水口遮蔽体４２０を１０〜３０ｍｍの直径の円盤状のプレート体とし、図３に示すように、周縁を弧状とした。なお、排水口遮蔽体４２０は、円盤状に限らず、排水口４１２をその直上から遮蔽できれば、正方形のプレート体や、円錐形、円錐台形のプレート体としてもよい。また、底壁部４１０は、周縁が角状であってもよい。
【００２２】
保持アーム４２２は、本実施形態では、排水口遮蔽体４２０の周縁から等ピッチで４本備え付けられたプレート体であり、アーム先端において、底壁部４１０の表面に接着剤や固定用ビス等で固定される。底壁部４１０への固定により、保持アーム４２２は、排水口遮蔽体４２０を、排水口４１２の開口部から所定の間隙ｔを隔てて、排水口４１２に対向して保持する。本実施形態の気液分離器２９０は、底壁部４１０に数十ｃｃの液水Ｗが分離・貯留されると液水排出を行うことを想定しているので、保持アーム４２２は、２〜５ｍｍの間隙ｔを確保して底壁部４１０を保持する。このように排水口４１２からの間隙ｔを確保して底壁部４１０を保持することで、排水口４１２にその直上から流れ込もうとする液水Ｗは、排水口遮蔽体４２０から抵抗を受けた上で、流速低下を来すことになる。また、保持アーム４２２は、底壁部４１０を保持して底壁部４１０に固定された状態において、プレート幅方向を上下方向とするので、底壁部４１０の液水Ｗに起きた渦流の妨げとなる。
【００２３】
図４は本実施形態の気液分離器２９０における液水Ｗの排出の様子を鉛直断面視において模式的に示す説明図である。図５は本実施形態の気液分離器２９０における液水Ｗの排出の様子を平面視において模式的に示す説明図である。図示するように、気液分離器２９０の底壁部４１０に貯まった液水Ｗは、排水口４１２に向けて、排水口４１２の直上から流れ込もうとしたり、底壁部４１０に沿って流れ込もうとする。排水口４１２の直上から排水口４１２に流れ込もうとする液水Ｗは、図４における白抜き矢印に示すように、排水口遮蔽体４２０から及ぼされる抵抗により、この底壁部４１０の周縁を回り込んだ上での排水口４１２への流れ込みとなる。これにより、排水口４１２への液水Ｗの流れ込みの圧損が大きくなると共に、排水口４１２への液水Ｗの流れ込みの流速は低下する。よって、排水口４１２への液水Ｗの流れ込みに伴う排水口４１２での吸引力が小さくなるので、気液分離器２９０で分離済みの水素ガスが周囲の液水Ｗと共に排水口４１２に入り込んで排出されてしまう事態を抑制できる。
【００２４】
また、排水口４１２への液水Ｗの引き込まれにより、底壁部４１０において排水口４１２を中心とする渦流が仮に発生しても、この渦流の流れは、上下方向をプレート幅方向とする保持アーム４２２から、図５に示すように抵抗を受ける。よって、本実施形態の気液分離器２９０では、排水口４１２への液水Ｗの引き込まれに伴う渦流は、発生しがたくなる。これに加え、底壁部４１０の内周壁面では、撥水層４１４による撥水機能により、撥水層４１４に対する液水Ｗの剪断力が低下するので、液水Ｗは、撥水層４１４に留まることなく排水口４１２に向けて流れ易くなる。これらの結果、本実施形態の気液分離器２９０によれば、燃料電池２０から排出されたアノード排ガスから分離した水素ガスの再利用の効率を高めることができる。しかも、こうした再利用率の向上を、排水口遮蔽体４２０を保持アーム４２２を用いて底壁部４１０に追加設置すれば足り、既存の気液分離器の再利用率を容易に向上させることができる。
【００２５】
図６は他の実施形態の気液分離器２９０Ａの概略断面図である。この気液分離器２９０Ａは、下方ケース４００の側壁間に十字状のクロスバー４２４を掛け渡して備え、このクロスバー４２４から垂下した垂下アーム４２６で、排水口遮蔽体４２０を、排水口４１２の上方側から保持する。排水口遮蔽体４２０の保持は、既述した気液分離器２９０と同様であり、クロスバー４２４と垂下アーム４２６は、排水口遮蔽体４２０を、排水口４１２から既述した間隙ｔを確保して、排水口４１２に対向して保持する。この実施形態の気液分離器２９０Ａによっても、既述した効果を奏することができる。
【００２６】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【００２７】
既述した実施形態では、排水口遮蔽体４２０を、保持アーム４２２により水平方向から保持したり、クロスバー４２４と垂下アーム４２６と上方側から保持したが、これに限らない。例えば、排水口４１２の周囲において、底壁部４１０の内周壁から複数の支持腕を立設させ、この支持腕で排水口遮蔽体４２０をその周縁近傍で下支えするようにしてもよい。また、上方ケース３００の天井壁から垂下した垂下アームで排水口遮蔽体４２０を保持してもよい。
【００２８】
既述した実施形態では、保持アーム４２２により、排水口遮蔽体４２０を２〜５ｍｍの間隙ｔを確保して底壁部４１０を保持したが、この間隙ｔは、排水口４１２の孔径や、底壁部４１０における液水Ｗの貯水量に応じて調整される。つまり、間隙ｔは、排水口４１２にその直上から流れ込もうとする液水Ｗが排水口遮蔽体４２０から抵抗を受けて流速低下を来すように、調整される。排水口遮蔽体４２０の大きさについても、排水口４１２に直上から流れ込む液水Ｗの流れに対して抵抗となれば、既述した１０〜３０ｍｍの大きさに限らず、排水口４１２の孔径や間隙ｔの大きさに応じて調整してもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
１００…カソードガス供給排出系
１１０…カソードガス供給管
１２０…カソードガス排出管
１２５…排気排水管
１３０…圧力センサ
１４０…調圧弁
１５０…ガス流量センサ
１６０…エアコンプレッサ
１７０…インタークーラ
２００…アノードガス供給系
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給管
２３０…アノードガス排出管
２３５…アノードガス循環流路
２４０…アノードガス還流管
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力センサ
２８０…アノードガスポンプ
２９０、２９０Ａ…気液分離器
２９５…シャット弁
３００…上方ケース
３５０…ガス入口
３６０…ガス出口
４００…下方ケース
４１０…底壁部
４１２…排水口
４１４…撥水層
４２０…排水口遮蔽体
４２２…保持アーム
４２４…クロスバー
４２６…垂下アーム
４５０…排出流路
５００…冷却系
５１０…冷媒供給管
５２０…冷媒排出管
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
５７０…冷媒ポンプ
７００…制御装置
Ｇ…重力方向
Ｗ…液水
Ｗｅ…液水エッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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