JP6861141B2 - Gas-liquid separator - Google Patents
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Description
本発明は、気液分離器に関し、一層詳細には、燃料電池システムに組み込まれるものとして好適な気液分離器に関する。 The present invention relates to a gas-liquid separator, and more particularly to a gas-liquid separator suitable for incorporation into a fuel cell system.
周知の通り、燃料電池は、電解質(例えば、固体高分子膜)を挟んで対向するアノード電極とカソード電極を有し、アノード電極に水素等の燃料ガス、カソード電極に圧縮空気等の酸化剤ガスが供給されることで発電する。燃料ガス及び酸化剤ガスは、少なくとも一部が消費されるが、未反応分が燃料排ガス、酸化剤排ガスとしてアノード電極、カソード電極から、燃料排ガス排出流路、酸化剤排ガス排出流路にそれぞれ排出される。このように、燃料電池に対して反応ガスの供給機器、排出機器等が付設されることで、燃料電池システムが構成される。 As is well known, a fuel cell has an anode electrode and a cathode electrode facing each other across an electrolyte (for example, a solid polymer film), and the anode electrode is a fuel gas such as hydrogen, and the cathode electrode is an oxidizing agent gas such as compressed air. Is supplied to generate electricity. At least a part of the fuel gas and the oxidant gas is consumed, but the unreacted portion is discharged from the anode electrode and the cathode electrode as the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas to the fuel exhaust gas discharge channel and the oxidant exhaust gas discharge channel, respectively. Will be done. In this way, the fuel cell system is configured by attaching the reaction gas supply device, the discharge device, and the like to the fuel cell.
燃料排ガスは、水分を含んだ気液二相流である。そこで、燃料排ガス排出流路に、燃料排ガスを水素と水分に分離するための気液分離器が設けられる。水分が分離された水素は、アノード電極に再供給される。一方、水分は液状水となり、ドレイン弁を介して気液分離器内から排出される。 The fuel exhaust gas is a gas-liquid two-phase flow containing water. Therefore, a gas-liquid separator for separating the fuel exhaust gas into hydrogen and water is provided in the fuel exhaust gas discharge flow path. The hydrogen from which the water has been separated is resupplied to the anode electrode. On the other hand, the water becomes liquid water and is discharged from the gas-liquid separator via the drain valve.
このような機能を営む気液分離器として、特許文献1に記載されたものが知られている。なお、この気液分離器では、エンジンの排気ガスからドレイン水を分離するようにしている。分離されたドレイン水は、一般的に、気液分離器の底部に設けられて液排出部を構成するドレイン口及びドレイン弁から排出される。 As a gas-liquid separator having such a function, the one described in Patent Document 1 is known. In this gas-liquid separator, drain water is separated from the exhaust gas of the engine. The separated drain water is generally discharged from a drain port and a drain valve provided at the bottom of the gas-liquid separator and constituting the liquid discharge portion.
例えば、寒冷地で燃料電池システムを起動する場合、気温が氷点下となっている可能性がある。上記したように、燃料電池スタックを運転する際には、気液分離器にて分離された液状水がドレイン弁を流通する。気温が氷点下である場合、ドレイン弁内で液状水が凍結し、ドレイン弁が動作不良を起こすことが想定される。このような事態が発生すると、気液分離器内から液状水を排出することが困難となり、ひいては燃料電池スタックの運転を継続することが容易でなくなる。 For example, when starting a fuel cell system in cold climates, the temperature may be below freezing. As described above, when operating the fuel cell stack, the liquid water separated by the gas-liquid separator flows through the drain valve. When the air temperature is below freezing point, it is assumed that the liquid water freezes in the drain valve and the drain valve malfunctions. When such a situation occurs, it becomes difficult to discharge the liquid water from the gas-liquid separator, and it becomes difficult to continue the operation of the fuel cell stack.
そこで、ドレイン弁を加温するためのヒータ等を設けることが想起される。しかしながら、この場合、燃料電池システムの構成要素の点数が多くなるので、燃料電池システムの小型化や簡素化を図ることが困難となる。 Therefore, it is recalled to provide a heater or the like for heating the drain valve. However, in this case, since the number of components of the fuel cell system increases, it becomes difficult to miniaturize or simplify the fuel cell system.
このような不都合を回避するべく、燃料電池スタックが十分な温度に上昇するまでの発電量を抑制し、これにより液状水の発生量を少なくすることが考えられる。しかしながら、この場合、アノード電極及びカソード電極での発電反応を抑制せざるを得ないので、燃料電池スタックが十分な温度に上昇するに至るまでの時間(暖機運転時間)が長くなってしまう。 In order to avoid such inconvenience, it is conceivable to suppress the amount of power generation until the fuel cell stack rises to a sufficient temperature, thereby reducing the amount of liquid water generated. However, in this case, since the power generation reaction at the anode electrode and the cathode electrode must be suppressed, the time until the fuel cell stack rises to a sufficient temperature (warm-up operation time) becomes long.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、氷点下で燃料電池システム等の各種システムを起動する場合であってもドレイン弁から液相を排出することが可能であるために暖機運転時間の長期化を回避することができ、しかも、各種システムの小型化や簡素化を図ることが可能な気液分離器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and warms up because the liquid phase can be discharged from the drain valve even when various systems such as a fuel cell system are started below freezing point. It is an object of the present invention to provide a gas-liquid separator capable of avoiding a long operation time and further miniaturizing and simplifying various systems.
前記の目的を達成するために、本発明は、気液二相流が供給される流入口と、前記流入口から導入された前記気液二相流を液相と気流とに分離する気液分離室と、前記気流を排出する流出口と、前記流入口及び前記流出口よりも下方に位置するドレイン口とが形成されたケーシングを有する気液分離器において、
前記ケーシング内の、前記ドレイン口よりも上流側に、前記液相を貯留する第1貯留部、第2貯留部及び第3貯留部が上流側から下流側に向かってこの順序で設けられ、
前記第1貯留部と前記第2貯留部を仕切る第1区画壁に、前記第1貯留部と前記第2貯留部を連通する第1連通孔が形成され、
前記第2貯留部と前記第3貯留部を仕切る第2区画壁に、前記第2貯留部と前記第3貯留部を連通する第2連通孔が形成され、
前記第3貯留部は、連通路を介して前記第1貯留部と直接連通し、
且つ前記第3貯留部と前記ドレイン口とを仕切る第3区画壁に、前記第3貯留部と前記ドレイン口とを連通する第3連通孔が形成されるとともに、前記連通路に指向して延在するダクトが設けられ、
前記第1連通孔及び前記第2連通孔が、前記液相の流通抵抗として作用することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention separates the inflow port to which the gas-liquid two-phase flow is supplied and the gas-liquid two-phase flow introduced from the inflow port into a liquid phase and an air flow. In a gas-liquid separator having a separation chamber, a casing in which an outlet for discharging the airflow, and a drain port located below the inlet and the outlet are formed.
A first storage portion, a second storage portion, and a third storage portion for storing the liquid phase are provided in the casing on the upstream side of the drain port in this order from the upstream side to the downstream side.
A first communication hole for communicating the first storage portion and the second storage portion is formed in the first partition wall that separates the first storage portion and the second storage portion.
Second partition wall that partitions the third reservoir and the second reservoir portion, a second communicating hole communicating the third reservoir and the second reservoir portion is formed,
The third storage unit directly communicates with the first storage unit via a communication passage.
In addition, a third communication hole for communicating the third storage portion and the drain port is formed in the third partition wall that separates the third storage portion and the drain port, and extends toward the communication passage. The existing duct is provided,
The first communication hole and the second communication hole act as a flow resistance of the liquid phase.
第1連通孔及び第2連通孔が液相の流通抵抗となるため、液相の、第1貯留部から第2貯留部への流入速度、第2貯留部から第3貯留部への流入速度が緩慢となる。すなわち、液相は、第1貯留部から第2貯留部に移動し難く、且つ第2貯留部から第3貯留部に移動し難い。換言すれば、第1貯留部ないし第2貯留部に容易に留まる。 Since the first communication hole and the second communication hole act as a flow resistance for the liquid phase, the inflow rate of the liquid phase from the first storage part to the second storage part and the inflow speed from the second storage part to the third storage part. Becomes slow. That is, the liquid phase is difficult to move from the first storage part to the second storage part, and is difficult to move from the second storage part to the third storage part. In other words, it easily stays in the first or second reservoir.
結局、液相は、第1貯留部ないし第2貯留部に一旦貯留される。このため、例えば、気液分離器を含んで構成された各種システムが極低温環境下(例えば、氷点下)で起動されたとき、気液分離器内で気液二相流から分離された低温の液相が即座にドレイン口に到達することが抑制される。従って、ドレイン口に設けられたドレイン弁内で液相が凍結することや、このことに起因してドレイン弁が作動不良を起こすことが回避される。 After all, the liquid phase is temporarily stored in the first storage part or the second storage part. Therefore, for example, when various systems including a gas-liquid separator are started in an extremely low temperature environment (for example, below freezing point), the low temperature separated from the gas-liquid two-phase flow in the gas-liquid separator. It is suppressed that the liquid phase reaches the drain port immediately. Therefore, it is possible to prevent the liquid phase from freezing in the drain valve provided at the drain port and to prevent the drain valve from malfunctioning due to this.
このため、ドレイン弁を加温機構で加温する必要がない。すなわち、加温機構を含めて各種システム(例えば、燃料電池システム)を構成する必要がない。この分、各種システムの構成要素の点数が増加することが回避されるので、該各種システムの小型化や簡素化を図ることができる。 Therefore, it is not necessary to heat the drain valve with a heating mechanism. That is, it is not necessary to configure various systems (for example, a fuel cell system) including a heating mechanism. By this amount, it is possible to avoid an increase in the number of components of the various systems, so that the various systems can be miniaturized and simplified.
また、気液分離器内に液相を一旦貯留することができるので、気液分離器内での気液分離効率を制限する必要がない。このため、当該気液分離器を燃料電池システムに組み込んだ場合であれば、燃料電池スタックの発電量を制限しなくともよい。従って、暖機運転時間が長期化することを回避することができる。 Further, since the liquid phase can be temporarily stored in the gas-liquid separator, it is not necessary to limit the gas-liquid separation efficiency in the gas-liquid separator. Therefore, if the gas-liquid separator is incorporated into the fuel cell system, it is not necessary to limit the amount of power generated by the fuel cell stack. Therefore, it is possible to avoid a long warm-up operation time.
なお、第1貯留部内に気相の一部が進入した場合には、該気相は、第1貯留部から連通路を介して第3貯留部に流入し、さらに、該第3貯留部に設けられたダクトからドレイン口に排出される。このため、当該気液分離器によれば、その内部に液相を貯留しながら、気相を排出することが可能である。従って、気液分離器内で液相に気相の圧力の影響が及ぶことを回避することができる。 When a part of the gas phase has entered the first storage section, the gas phase flows from the first storage section into the third storage section via the communication passage, and further, the gas phase flows into the third storage section. It is discharged from the provided duct to the drain port. Therefore, according to the gas-liquid separator, it is possible to discharge the gas phase while storing the liquid phase inside the gas-liquid separator. Therefore, it is possible to avoid the influence of the pressure of the gas phase on the liquid phase in the gas-liquid separator.
ダクトの貫通孔の径方向断面積は、第1連通孔、第2連通孔及び第3連通孔の各々における径方向断面積の合計に比して大きいことが好ましい。すなわち、貫通孔の径方向断面積をS4、第1連通孔、第2連通孔及び第3連通孔の径方向断面積の合計をそれぞれS1、S2、S3とするとき、S4>S1、S4>S2、S4>S3であるとよい。 The radial cross-sectional area of the through hole of the duct is preferably larger than the total radial cross-sectional area of each of the first communication hole, the second communication hole and the third communication hole. That is, when the radial cross-sectional area of the through hole is S4, and the sum of the radial cross-sectional areas of the first communication hole, the second communication hole, and the third communication hole is S1, S2, and S3, respectively, S4> S1, S4>. It is preferable that S2 and S4> S3.
この場合、貫通孔の圧損が第1連通孔〜第3連通孔に比して小さくなる。従って、気相がダクトを介してドレイン口に到達することが容易となるので、気相を速やかに排出しながら、液相を気液分離器内に一旦貯留することが容易となる。 In this case, the pressure loss of the through hole is smaller than that of the first communication hole to the third communication hole. Therefore, since the gas phase can easily reach the drain port through the duct, it becomes easy to temporarily store the liquid phase in the gas-liquid separator while quickly discharging the gas phase.
また、第3連通孔の径方向断面積の合計が、第1連通孔及び第2連通孔の各々における径方向断面積の合計に比して小さいことが好ましい。すなわち、S1>S3、S2>S3であるとよい。 Further, it is preferable that the total radial cross-sectional area of the third communication hole is smaller than the total radial cross-sectional area of each of the first communication hole and the second communication hole. That is, it is preferable that S1> S3 and S2> S3.
この構成では、第3貯留部の内圧が第1貯留部、第2貯留部に比して相対的に高くなる。このために第2連通孔から第3貯留部に液相が流出し難くなるので、液相が第1貯留部ないし第2貯留部に一層留まり易くなる。すなわち、気液分離器内に液相を一旦貯留することが一層容易となる。 In this configuration, the internal pressure of the third storage section is relatively higher than that of the first storage section and the second storage section. For this reason, the liquid phase is less likely to flow out from the second communication hole to the third storage portion, so that the liquid phase is more likely to stay in the first storage portion or the second storage portion. That is, it becomes easier to temporarily store the liquid phase in the gas-liquid separator.
さらに、第1連通孔の径方向断面積の合計が、第2連通孔の径方向断面積の合計に比して大きいことが好ましい。すなわち、S1>S2であるとよい(なお、上記から諒解されるように、S4>S1>S2>S3が成立することが好適である)。 Further, it is preferable that the total radial cross-sectional area of the first communication hole is larger than the total radial cross-sectional area of the second communication hole. That is, it is preferable that S1> S2 (as can be understood from the above, it is preferable that S4> S1> S2> S3 is satisfied).
これにより、液相の、第1貯留部から第2貯留部への流入速度が、第2貯留部から第3貯留部への流入速度に比して緩慢となる。従って、第1貯留部内で液相に十分な表面張力が発現するので、液相が第1連通孔に一層流入し難くなる。換言すれば、液相が第1貯留部に留まり易くなる。このため、液相を第1貯留部に貯留することがさらに一層容易となる。 As a result, the inflow rate of the liquid phase from the first storage section to the second storage section becomes slower than the inflow rate from the second storage section to the third storage section. Therefore, since a sufficient surface tension is developed in the liquid phase in the first storage portion, it becomes more difficult for the liquid phase to flow into the first communication hole. In other words, the liquid phase tends to stay in the first reservoir. Therefore, it becomes even easier to store the liquid phase in the first storage unit.
本発明によれば、第1区画壁、第2区画壁、第3区画壁によって第1貯留部、第2貯留部、第3貯留部を形成するとともに、第1区画壁に形成した第1連通孔と、第2区画壁に形成した第2連通孔とを、第1貯留部、第2貯留部内の液相の流通抵抗となるようにしている。このため、液相が第1貯留部から第2貯留部に移動することや、第2貯留部から第3貯留部に移動することは容易ではない。すなわち、液相を第1貯留部ないし第2貯留部に留めておくこと、換言すれば、第1貯留部ないし第2貯留部に一旦貯留することが容易である。 According to the present invention, the first compartment wall, the second compartment wall, and the third compartment wall form the first storage portion, the second storage portion, and the third storage portion, and the first communication formed on the first compartment wall. The hole and the second communication hole formed in the second partition wall are made to serve as a flow resistance of the liquid phase in the first storage portion and the second storage portion. Therefore, it is not easy for the liquid phase to move from the first storage part to the second storage part or from the second storage part to the third storage part. That is, it is easy to keep the liquid phase in the first storage part to the second storage part, in other words, to temporarily store the liquid phase in the first storage part to the second storage part.
このため、例えば、気液分離器を含んで構成された各種システムが極低温環境下で起動されたとき、気液分離器内で気液二相流から分離された低温の液相が即座にドレイン口に到達することを抑制することができる。従って、ドレイン口に設けられたドレイン弁内で液相が凍結したり、その結果としてドレイン弁が作動不良を起こしたりすることが回避される。 Therefore, for example, when various systems including a gas-liquid separator are started in an extremely low temperature environment, the low-temperature liquid phase separated from the gas-liquid two-phase flow in the gas-liquid separator is immediately generated. It is possible to suppress the arrival at the drain port. Therefore, it is possible to prevent the liquid phase from freezing in the drain valve provided at the drain port, and as a result, the drain valve does not malfunction.
このような理由から、ドレイン弁を加温するための加温機構を含めて各種システム(例えば、燃料電池システム)を構成する必要がなくなる。この分、各種システムの構成要素の点数が増加することを回避して、該各種システムの小型化や簡素化を図ることができる。 For this reason, it is not necessary to configure various systems (for example, a fuel cell system) including a heating mechanism for heating the drain valve. By this amount, it is possible to avoid an increase in the number of components of the various systems and to reduce the size and simplification of the various systems.
また、気液分離器内に液相を一旦貯留することができることから、例えば、当該気液分離器を燃料電池システムに組み込んだ場合、燃料電池スタックの発電量を制限する必要がない。従って、燃料電池システム等の暖機運転時間が長期化することを回避することができる。 Further, since the liquid phase can be temporarily stored in the gas-liquid separator, for example, when the gas-liquid separator is incorporated into the fuel cell system, it is not necessary to limit the amount of power generated by the fuel cell stack. Therefore, it is possible to avoid prolonging the warm-up operation time of the fuel cell system or the like.
上記のようにして液相を貯留する過程で第1貯留部内に気相の一部が進入したときには、該気相は、第1貯留部から連通路を介して第3貯留部に流入し、さらに、該第3貯留部に設けられたダクトからドレイン口に排出される。このため、気液分離器内で液相に気相の圧力の影響が及ぶことを回避することができる。 When a part of the gas phase enters the first storage part in the process of storing the liquid phase as described above, the gas phase flows from the first storage part into the third storage part through the communication passage. Further, it is discharged to the drain port from the duct provided in the third storage portion. Therefore, it is possible to prevent the liquid phase from being affected by the pressure of the gas phase in the gas-liquid separator.
以下、本発明に係る気液分離器につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態では、気液分離器を燃料電池に付設して燃料電池システムを構成する場合を例示する。また、以下の説明における上下左右は、図2〜図4における上下左右に対応するが、これは理解を容易にするための便宜的なものである。特に、左右方向は、気液分離器を実使用する際の左右方向を特定するものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the gas-liquid separator according to the present invention will be given and will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, a case where a gas-liquid separator is attached to the fuel cell to form a fuel cell system will be illustrated. Further, the top, bottom, left, and right in the following description correspond to the top, bottom, left, and right in FIGS. In particular, the left-right direction does not specify the left-right direction when the gas-liquid separator is actually used.
はじめに、燃料電池システムにつき図1を参照して概略説明する。燃料電池システム10は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両(図示せず)に搭載される車載型である。
First, the fuel cell system will be outlined with reference to FIG. The
燃料電池システム10は、図示しない燃料電池が複数個積層されることで構成された燃料電池スタック12を有する。個々の燃料電池は、例えば、固体高分子膜からなる電解質と、該電解質を挟んで対向するアノード電極及びカソード電極を有する電解質・電極構造体が一対のセパレータで挟持されることで構成される。なお、この構成は周知であり、従って、図示及び詳細な説明は省略する。
The
燃料電池システム10は、さらに、燃料電池スタック12に付設されてアノード電極に燃料ガスを供給するための水素供給流路14(燃料ガス供給流路)と、アノード電極から燃料排ガスを排出するための水素排出流路16(燃料排ガス排出流路)とを有する。この中、水素供給流路14には、燃料ガスとしての高圧水素を貯留した水素タンク18が接続される。
The
水素供給流路14は二叉に分岐しており、このため、水素供給流路14は、第1分岐路20、第2分岐路22を含む。これら第1分岐路20、第2分岐路22には、それぞれ、第1インジェクタ24、第2インジェクタ26が設けられる。第1分岐路20、第2分岐路22は、第1インジェクタ24、第2インジェクタ26の下流側で合流して合流路28となり、該合流路28にエジェクタ30が設けられる。
The hydrogen
一方の水素排出流路16には、気液分離器32が接続される。この気液分離器32から出発する循環流路34は、前記エジェクタ30に接続される。また、気液分離器32の底部には、ドレイン弁36を介して液状水を排出する排水流路38が設けられる。
A gas-
燃料電池システム10は、さらに、カソード電極に酸化剤ガスとしての圧縮空気を供給するための空気供給流路40(酸化剤ガス供給流路)と、カソード電極から排圧縮空気を排出するための空気排出流路42(酸化剤排ガス排出流路)とを有する。この中の空気供給流路40には、大気を圧縮して供給するエアポンプ44(コンプレッサ)が設けられる。
The
燃料電池スタック12には、さらに、該燃料電池スタック12に冷却媒体を供給する図示しない冷却媒体供給流路が設けられるとともに、全体の制御を行う制御部としてのECU46が付設される。以上により、燃料電池システム10が構成される。
The
次に、本実施の形態に係る気液分離器32につき説明する。
Next, the gas-
図2〜図4は、それぞれ、本実施の形態に係る気液分離器32の要部概略斜視図、要部概略側面一部省略図、要部概略側面図である。この気液分離器32は、一端面で開口する内室50が形成された本体部材52と、前記一端面に取り付けられて内室50を閉塞する閉塞部材54とを有するケーシング56を備える。本体部材52と閉塞部材54の間は、シール材58によってシールされる。
2 to 4 are a schematic perspective view of a main part, a schematic side view of the main part, and a schematic side view of the main part of the gas-
本体部材52の他端面における左上方、左下方には、内室50に連通する第1流入口60、第2流入口62がそれぞれ形成される。すなわち、第1流入口60は、第2流入口62に比して上方(高位置)である。また、右上方には流出口64が形成される。従って、この気液分離器32は、複数個(この場合、2個)の流入口60、62と、単一個の流出口64とを有する。
A
内室50には、板材からなる隔壁66が立設される。この隔壁66により、内室50内が、図2における紙面奥側の第1気液分離室70、紙面手前側の第2気液分離室72に区分される。閉塞部材54、隔壁66、第2案内部106及び貯留部形成部材130(いずれも後述)を省略した図3では第1気液分離室70が示され、隔壁66を図示した図4では第2気液分離室72が示されている。
A
なお、隔壁66の面積は、内室50の平面視から求められる該内室50の面積の略半分である(図3参照)。すなわち、内室50には、排水素の流通方向上流側にのみ隔壁66が存在する。内室50内の、隔壁66が存在しない空間は、第1気液分離室70及び第2気液分離室72よりも流通方向下流側であり、第1気液分離室70を通過した排水素と、第2気液分離室72を通過した排水素とが合流(集合)して集合流となる集合室74である。
The area of the
隔壁66の紙面手前側の端面における左上方には、堰止板76が設けられる。この堰止板76は、第1流入口60からケーシング56内に導入された排水素が第2気液分離室72に流入することを阻止するとともに、排水素の流通方向を変化させる役割を果たす。
A dammed
また、隔壁66には、2個の呼吸孔78a、78bが形成される。第1気液分離室70と第2気液分離室72は、これら呼吸孔78a、78bを介して連通する。
Further, two
図2及び図3に示されるように、本体部材52の、第1流入口60、第2流入口62及び流出口64が形成された他端面には、内室50内に突出するようにして第1規制部80、第2規制部82が設けられる。第1規制部80は、鉛直方向に対して若干左下方に傾斜するように延在する。一方、第2規制部82は、左下方から右上方に向かって傾斜する案内傾斜部84と、該案内傾斜部84に連なり鉛直上方に指向して延在する第1鉛直部86と、該第1鉛直部86に連なり左方に向かって水平に延在する第1水平部88とからなる。これら第1規制部80及び第2規制部82により、第1気液分離室70内で排水素の流通方向を変化させる(すなわち、第1気液分離室70内の排水素の流通方向を所定方向に規制する)第1案内部90が構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the other end surface of the
なお、隔壁66は、第1規制部80及び第2規制部82の、紙面手前側の側面部に当接している。そして、隔壁66の左下方には弧状切欠部92が形成されるとともに、第2流入口62から弧状切欠部92にわたって導管94(図2参照)が橋架される。このため、第2流入口62は、導管94を介して隔壁66の第2気液分離室72に臨む面で開口している。
The
導管94の開口、換言すれば、第2流入口62の開口の近傍には、該開口から所定距離で離間した位置で該開口を覆う偏向部材96が配設される。偏向部材96は、導管94(第2流入口62)から流入した排水素の流通方向を変化させるためのものであり、右方の第3規制部98側に臨むように開口している。
In the vicinity of the opening of the
第3規制部98は、支持台100の斜面102に、隔壁66の右方下端を挟持する挟持部104と一体的に突出形成されている。第3規制部98は、前記堰止板76とともに第2案内部106を構成し、第2気液分離室72内で排水素の流通方向を変化させる。すなわち、第2気液分離室72内の排水素の流通方向を所定方向に規制する。
The
第3規制部98は、第1案内部90を構成する第2規制部82と平面視で略重なる位置に設けられる。すなわち、第3規制部98は、第1鉛直部86に略重なる第2鉛直部108と、該第2鉛直部108に連なるとともに左方に向かって水平に延在し、且つ第1水平部88に略重なる第2水平部110とからなる。このことから諒解されるように、第1気液分離室70、第2気液分離室72の内部は、第1案内部90、第2案内部106の各々により、クランク形状をなしている。
The
支持台100は、液滴となった液状水Lを案内する誘導路としての誘導傾斜部112を有する。また、前記斜面102と誘導傾斜部112との間には所定の段差が形成されており、この段差と第3規制部98(第2鉛直部108)とで仮貯液部114が形成される。誘導傾斜部112に誘導された液状水Lは、この仮貯液部114に一旦貯留される。前記挟持部104には、仮貯液部114に貯留された水を第1気液分離室70側に移すための移液孔116(図3及び図4参照)が形成されている。
The
第1気液分離室70及び第2気液分離室72の下方には、2つの傾斜壁同士が互いに接近することで、下方に指向して窪んだ凹部120が形成される。隔壁66は凹部120には延在しておらず、このため、該凹部120は第1気液分離室70及び第2気液分離室72に連通する。
Below the first gas-
凹部120の底部には、後述する貯留部形成部材130の内部を流通した液状水(液相)を排出するドレイン口122が設けられる。前記ドレイン弁36は、ドレイン口122に接続され、開状態となったときに液状水L(図5参照)を排出する。一方、ドレイン弁36が閉状態であるときには、液状水Lがドレイン口122から排出されることが阻止される。
At the bottom of the
そして、凹部120には、液状水Lの流通抵抗を生起する貯留部形成部材130が挿入される。図5及び図6に詳細を示すように、この貯留部形成部材130は、底壁132(第3区画壁)と、該底壁132から略垂直に立ち上がり、図5の紙面奥側に位置する第1気液分離室70の内壁に当接する縦閉塞壁134と、縦閉塞壁134の上端から第2気液分離室72側に向かって突出した水平隔壁136とを有する。なお、図5及び図6の紙面手前側の端面は開放された開端面であり、該開端面は、閉塞部材54(図2参照)に閉塞される。
Then, a storage
貯留部形成部材130の内部、換言すれば、底壁132と水平隔壁136との間には、左第1区画壁140a、右第1区画壁140b、左第2区画壁142a、右第2区画壁142bが設けられ、これらの区画壁140a、140b、142a、142bと底壁132(第3区画壁)によって、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b、左第2貯留部146a、右第2貯留部146b及び第3貯留部148が液状水Lの流通方向上流側からこの順序で形成される。以下、この構成につき詳述する。
Inside the storage
先ず、底壁132は、第1気液分離室70、第2気液分離室72側が凸となる略逆V字状の山形状部位150と、該山形状部位150の裾から突出して凹部120を形成する2つの傾斜壁の傾斜角に対応する角度で傾斜した左傾斜部位152a、右傾斜部位152bとを含む。換言すれば、山形状部位150は、左傾斜部位152aと右傾斜部位152bの間に介在する。山形状部位150の頂部は凹部120の底部から離間しており、このため、凹部120の底部と山形状部位150の頂部との間にドレイン通路154が形成される。このドレイン通路154は、ドレイン口122に連通する。
First, the
また、左傾斜部位152a、右傾斜部位152bの端部は、第1気液分離室70、第2気液分離室72に向かうように略垂直に折曲されている。底壁132は、この折曲によって設けられた左縦壁部位155a、右縦壁部位155bをさらに含む。
Further, the ends of the left inclined
左縦壁部位155a、右縦壁部位155bは、その上端が水平隔壁136よりも下方に位置し、このために水平隔壁136に対して離間する。この離間により、左縦壁部位155aと水平隔壁136との間、水平隔壁136と右縦壁部位155bとの間に第1進入口156a、第2進入口156bがそれぞれ形成される。
The upper ends of the left
左第2区画壁142a、右第2区画壁142bは、左傾斜部位152a、右傾斜部位152bから水平隔壁136に向かって突出するとともに、水平隔壁136に近接するに従って互いに接近するように傾斜する。左第1区画壁140a、右第1区画壁140bは水平隔壁136から離間しており、この離間により、左第1区画壁140aと水平隔壁136との間、水平隔壁136と右第1区画壁140bとの間に第1連通口158a、第2連通口158b(いずれも連通路)がそれぞれ形成される。
The left
また、左第1区画壁140a、右第1区画壁140bは、左第2区画壁142a、右第2区画壁142bから突出して延在し、左縦壁部位155a、右縦壁部位155bの各々に連なる。左第2区画壁142a、右第2区画壁142bの傾斜角は、左傾斜部位152a、右傾斜部位152bの傾斜角に比して若干小さく設定されている。
Further, the left
以上の構成において、左第1区画壁140a、左第2区画壁142aの上部、左縦壁部位155aの上部、縦閉塞壁134の左上部、水平隔壁136の左部に囲繞された空間が左第1貯留部144aとなり、右第1区画壁140b、右縦壁部位155bの上部、右第2区画壁142bの上部、縦閉塞壁134の右上部、水平隔壁136の右部に囲繞された空間が右第1貯留部144bとなる。また、左第2貯留部146aは、左傾斜部位152a、左縦壁部位155aの下部、左第2区画壁142aの下部、縦閉塞壁134の左下部、左第1区画壁140aに囲繞された空間であり、右第2貯留部146bは、右傾斜部位152b、右縦壁部位155bの下部、右第2区画壁142bの下部、縦閉塞壁134の右下部、右第1区画壁140bに囲繞された空間である。さらに、貯留部形成部材130の内部には、山形状部位150、左傾斜部位152a及び右傾斜部位152bの各一部、左第2区画壁142a、右第2区画壁142b、水平隔壁136の中央部に囲繞された空間が形成される。この空間が、第3貯留部148である。
In the above configuration, the space surrounded by the left
左第1区画壁140a、右第1区画壁140bには、各々の厚み方向に沿って複数個の左第1連通孔160a、右第1連通孔160bが形成される。左第1貯留部144aと左第2貯留部146aは、これら複数個の左第1連通孔160aを介して連通し、同様に、右第1貯留部144bと右第2貯留部146bは、複数個の右第1連通孔160bを介して連通する。なお、複数個の左第1連通孔160a、右第1連通孔160bは、図6を併せて参照して諒解されるように、図5の紙面に直交する方向に沿って並列されている。
A plurality of left
左第2区画壁142a、右第2区画壁142bにも、各々の厚み方向に沿って延在し且つ図5の紙面に直交する方向に沿って並列された複数個の左第2連通孔162a、右第2連通孔162bが形成される。左第2連通孔162aによって左第2貯留部146aと第3貯留部148が連通するとともに、右第2連通孔162bによって右第2貯留部146bと第3貯留部148が連通する。
A plurality of left
上記したように、左第2区画壁142a、右第2区画壁142bと水平隔壁136との間には第1連通口158a、第2連通口158bが形成されている。このため、第1連通口158aを介して左第1貯留部144aと第3貯留部148が直接連通し、且つ第2連通口158bを介して右第1貯留部144bと第3貯留部148が直接連通する。
As described above, the
さらに、山形状部位150の各裾の近傍にも、各々の厚み方向に沿って延在し且つ図5の紙面に直交する方向に沿って並列された複数個の左第3連通孔164a、右第3連通孔164bが形成される。左第3連通孔164a、右第3連通孔164bは、ドレイン通路154を介してドレイン口122に連通する。
Further, a plurality of left
左第1連通孔160a、右第1連通孔160b、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの孔径は、これら左第1連通孔160a、右第1連通孔160b、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bを覆った液状水Lが、その表面張力によって流入口側に留まり、内部に容易に進入しない程度に設定される。従って、液状水Lが、左第1貯留部144a(右第1貯留部144b)から左第2貯留部146a(右第2貯留部146b)、左第2貯留部146a(右第2貯留部146b)から第3貯留部148に迅速に流通することが阻害される。すなわち、これらの連通孔160a、160b、162a、162bは、液状水Lの流通抵抗となる。
The hole diameters of the left
左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの径方向断面積の合計は、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積の合計に比して大きく設定することが好ましい。また、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの径方向断面積の合計は、左第1連通孔160a、右第1連通孔160b、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積の合計に比して小さく設定することが好ましい。すなわち、左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの径方向断面積の合計をS1、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積の合計をS2、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの径方向断面積の合計をS3とするとき、S1>S2>S3の関係が成り立つとよい。この理由については後述する。
The total radial cross-sectional area of the left
S1>S2とするには、例えば、左第1連通孔160a、右第1連通孔160b、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの個数を同一とするとともに、個々の左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの径方向断面積を、個々の左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積に比して大きくすればよい。又は、個々の左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの径方向断面積と、個々の左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積とを同一とし、且つ左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの個数を、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの個数よりも多くすればよい。
In order to make S1> S2, for example, the number of the left
また、S2>S3とするには、上記と同様に、例えば、左第2連通孔162a、右第2連通孔162b、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの個数を同一とするとともに、個々の左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積を、個々の左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの径方向断面積に比して大きく設定する。又は、個々の左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積と、個々の左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの径方向断面積とを同一とし、且つ左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの個数を、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの個数よりも多く設定する。
Further, in order to make S2> S3, for example, the number of the left
山形状部位150には、さらに、水平隔壁136に指向して突出したダクト168が立設される。該ダクト168は、その長手方向に沿って延在する貫通孔170を有する円筒形状体であり、該ダクト168を介して第3貯留部148とドレイン通路154が連通される。
Further, a
ダクト168の貫通孔170の径方向断面積をS4とするとき、S4は、左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの径方向断面積の合計S1、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積の合計S2、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの径方向断面積の合計S3に比して大きく設定することが好ましい。すなわち、S4>S1>S2>S3の関係が成り立つことが好適である。この理由についても後述する。
When the radial cross-sectional area of the through
本実施の形態に係る気液分離器32は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
The gas-
燃料電池システム10は、例えば、自動車車体に搭載されて燃料電池車を構成する。燃料電池車は、例えば、寒冷地の冬季等で運転されることもある。このときには、氷点下で燃料電池システム10を起動することがあり得る。以下、この場合を例示して説明する。
The
燃料電池スタック12を起動するに際しては、水素タンク18から水素供給流路14に燃料ガスとしての水素が供給される。水素は、第1分岐路20の第1インジェクタ24、又は第2分岐路22の第2インジェクタ26のいずれかを通過した後、さらに合流路28のエジェクタ30を経由して、燃料電池スタック12を構成する各燃料電池のアノード電極に供給される。
When starting the
その一方で、エアポンプ44を介して、空気供給流路40に酸化剤ガスである圧縮空気が送られる。圧縮空気は、後述する排圧縮空気によって加湿された後、燃料電池スタック12を構成する各燃料電池のカソード電極に供給される。
On the other hand, compressed air, which is an oxidant gas, is sent to the air
以上のように反応ガスが供給されることにより、各燃料電池のアノード電極、カソード電極で電極反応がそれぞれ生起される。これにより、発電が行われる。なお、燃料電池スタック12には冷却媒体流路が形成されており、該冷却媒体流路に、前記冷却媒体供給流路を介して供給された冷却媒体が流通される。
By supplying the reaction gas as described above, an electrode reaction occurs at the anode electrode and the cathode electrode of each fuel cell, respectively. As a result, power generation is performed. A cooling medium flow path is formed in the
カソード電極に供給されて一部が消費された圧縮空気は、排圧縮空気として空気排出流路42に排出される。排圧縮空気は、カソード電極での電極反応によって生成した水分を含む湿潤ガスである。この排圧縮空気は、図示しない加湿器において、カソード電極に新たに供給される圧縮空気を加湿する。
The compressed air supplied to the cathode electrode and partially consumed is discharged to the air
一方、アノード電極に供給されて一部が消費された水素は、排水素として水素排出流路16に排出される。排水素は、水素排出流路16を流通する過程で気液分離器32に流入し、第1気液分離室70、第2気液分離室72の各々にて水素(気相)と水分(液相)に分離される。
On the other hand, the hydrogen supplied to the anode electrode and partially consumed is discharged to the
一層具体的には、排水素は、図2に示す第1流入口60と第2流入口62から個別にケーシング56内に導入される。上方の第1流入口60から流入した排水素は、内室50の内壁に沿って右下方に傾斜するように若干進行し、隔壁66が存在することで図2の紙面奥側に形成された第1気液分離室70に流入する。なお、第2気液分離室72に進行しようとする排水素は、隔壁66の紙面手前側の端面に設けられた堰止板76で堰止される。このため、第1流入口60から流入した排水素が第2気液分離室72に流入することが阻止される。
More specifically, the waste water is introduced into the
第1気液分離室70に流入した排水素は、第1規制部80の延在方向に沿って流通する。このため、排水素の流通方向が、それまでの右下方向きから、鉛直下方よりも若干左方向きとなる。
The waste water flowing into the first gas-
排水素は、その後、第2規制部82の案内傾斜部84、第1鉛直部86、第1水平部88に沿って進行する。このため、排水素の流通方向は、左下方から右上方、右上方から水平方向(左方)の順序で変化する。排水素は、さらに、第1規制部80の、第2規制部82に臨む側の端面によって案内されることで上昇し、その後、流通方向が集合室74側に偏向される。その結果、第1気液分離室70から導出されて集合室74に到達する。図3には、以上の流通過程を矢印で示している。
The wastewater then proceeds along the guide inclined
この流通過程で、排水素の流速が急速に低下する。さらに、第1気液分離室70内に第1案内部90(第1規制部80、第2規制部82)が形成され、該第1気液分離室70内がクランク形状とされている。このため、排水素が、第1気液分離室70内に比較的長時間滞在する。以上のような理由から、第1流入口60から第1気液分離室70内に供給された排水素(気液二相流)が、液相である水分と、気相である第1水素気流とに効率よく分離される。水分は凹部120内の貯留部形成部材130内に第1進入口156aを介して進入し、第1水素気流は集合室74に流入する。
In this distribution process, the flow velocity of wastewater drops rapidly. Further, a first guide unit 90 (
その一方で、下方の第2流入口62側に回り込んだ排水素は、第1気液分離室70内に配設された導管94を経由し、該導管94の、第2気液分離室72内に臨む開口から導出される。このため、第2流入口62から流入した排水素が第1気液分離室70に流入することが阻止される。
On the other hand, the waste water that wraps around to the lower second gas-
前記開口の近傍には、上記したように、右方が開口した偏向部材96が設けられている。このため、導管94から導出された排水素の流通方向は、閉塞部材54側から右方の第3規制部98側に変化する。排水素は、その後、第3規制部98の第2鉛直部108、第2水平部110に沿って進行する。このため、排水素の流通方向は、一旦左下方から右上方に向かい、その後、右上方から水平方向(左方)に向かうように変化する。排水素は、さらに、内室50の内壁に案内されながら上昇し、さらに、堰止板76の、第2気液分離室72に臨む側の端面に案内されることで、流通方向が下方に偏向される。その結果、排水素は、第2気液分離室72から導出されて集合室74に到達する。図4には、以上の流通過程を矢印で示している。
As described above, a
第2気液分離室72内でも同様に、上記の流通過程で、排水素の流速が急速に低下する。さらに、第2気液分離室72内に第2案内部106(第3規制部98、堰止板76)が形成されているために、該第2気液分離室72内がクランク形状とされている。このため、排水素が、第2気液分離室72内に比較的長時間滞在する。従って、第2流入口62(導管94)から第2気液分離室72内に供給された排水素(気液二相流)もまた、液相である水分と、気相である第2水素気流とに効率よく分離される。水分は、第1気液分離室70で分離された水分と同じく凹部120内の貯留部形成部材130内に第2進入口156b又は第1進入口156aを介して進入し、第2水素気流は集合室74に流入する。
Similarly, in the second gas-
仮に、第1気液分離室70での気液分離効率が第2気液分離室72に比して大きく、第1気液分離室70で水分が多く分離されるような場合には、呼吸孔78a、78bを介して水分が第2気液分離室72に移る。第2気液分離室72での気液分離効率が第1気液分離室70に比して大きいときには、これとは逆に、呼吸孔78a、78bを介して水分が第1気液分離室70に移る。このため、第1気液分離室70又は第2気液分離室72に過度に多量の液相が貯留されることや、このことに起因して第1気液分離室70又は第2気液分離室72で気液分離が困難となることが回避される。
If the gas-liquid separation efficiency in the first gas-
燃料電池システム10が氷点下で起動されているため、第1気液分離室70、第2気液分離室72にて排水素から分離された水分は、0℃近傍の低温である。
Since the
第1気液分離室70から導出された第1水素気流と、第2気液分離室72から導出された第2水素気流は、集合室74で集合して集合流となる。すなわち、第1水素気流及び第2水素気流は、流通方向が互いに略平行となる。この集合流が、流出口64を介して循環流路34(図1参照)に流入する。集合流は、その後、循環流路34からエジェクタ30に吸引され、新たに供給された水素とともにアノード電極に再供給される。
The first hydrogen airflow derived from the first gas-
排水素の一部や、カソード電極に供給された圧縮空気に含まれて電解質膜を透過した窒素は、第1進入口156a及び第2進入口156bを介して凹部120内の貯留部形成部材130内、すなわち、左第1貯留部144a、右第1貯留部144bに進入する。これらの気相は、図5に矢印で示すように、第1連通口158a、第2連通口158bを介して第3貯留部148に流通し、さらに、ダクト168(貫通孔170)を経由してドレイン通路154に流通する。ECU46の制御作用下にドレイン弁36が開放されることに伴い、気相がドレイン口122を介して排出される。
A part of the waste water and nitrogen contained in the compressed air supplied to the cathode electrode and permeated through the electrolyte membrane are passed through the
集合流(第1水素気流及び第2水素気流)には、未だ若干の水分が含まれる。このため、集合流が集合室74の内壁に接触することに伴い、水分が液化して液滴の液状水Lとなり、集合室74の内壁に付着する。
The aggregated flow (first hydrogen stream and second hydrogen stream) still contains some water. Therefore, as the collecting flow comes into contact with the inner wall of the collecting
液滴(液状水L)は、重力の作用下に下方、すなわち、集合室74の底部に向かって流下する。ここで、集合室74の底部には、支持台100に設けられた誘導傾斜部112が位置する。液滴は、この誘導傾斜部112に誘導され、第3規制部98の第2鉛直部108に堰止されることで前記仮貯液部114に一旦貯留される。仮貯液部114が流出口64から大きく離間した位置にあるので、仮貯液部114に貯留された水分が集合流とともにエジェクタ30に吸引されることが回避される。
The droplet (liquid water L) flows downward under the action of gravity, that is, toward the bottom of the
支持台100の挟持部104には、移液孔116が形成されている。従って、段差部に所定量の液滴が液状水Lとして貯留されると、該液状水Lは移液孔116からオーバーフローする。これにより、液状水Lが、凹部120内の貯留部形成部材130内に第2進入口156bを介して進入する。
A
第1進入口156aから左第1貯留部144aに進入した液状水Lは、乾燥した左第1区画壁140aに沿って流下し、左第1区画壁140aと左第2区画壁142aの交点近傍に向かって移動する。同様に、第2進入口156bから右第1貯留部144bに進入した液状水Lは、乾燥した右第1区画壁140bに沿って流下し、右第1区画壁140bと右第2区画壁142bの交点近傍に向かって移動する。この過程で、液状水Lは、左第1連通孔160a、右第1連通孔160bを覆う。
The liquid water L that has entered the left
上記したように、本実施の形態では、左第1連通孔160a及び右第1連通孔160bの孔径が十分に小さく設定されている。従って、左第1連通孔160a及び右第1連通孔160b上の液状水Lが左第1連通孔160a及び右第1連通孔160bに流入するに至るまで、比較的長時間を有する。左第1連通孔160a及び右第1連通孔160b上の液状水Lに十分な表面張力が作用するからである。このように、左第1連通孔160a及び右第1連通孔160bが液状水Lの流通抵抗となるので、液状水Lは、図7に示すように、左第1貯留部144a、右第1貯留部144bに比較的長時間留まる。
As described above, in the present embodiment, the hole diameters of the left
燃料電池スタック12の運転が継続されると、さらに液状水Lが発生する。運転継続に伴って燃料電池スタック12の温度が上昇するため、この液状水Lは、燃料電池システム10の起動初期に発生した液状水Lに比して高温である。高温の液状水Lが上記と同様にして貯留部形成部材130内に進入することにより、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b内に貯留された液状水Lが増加する。
When the operation of the
増加した液状水Lの自重が表面張力を上回ると、液状水Lが左第1連通孔160a、右第1連通孔160bに進入して左第2貯留部146a、右第2貯留部146bに流入し始める。すなわち、左第2貯留部146a及び右第2貯留部146bにおける液状水Lの貯留が開始される。
When the increased own weight of the liquid water L exceeds the surface tension, the liquid water L enters the left
左第2貯留部146a及び右第2貯留部146bにある程度の液状水Lが貯留されると、該液状水Lは、左第1区画壁140a、右第1区画壁140bに形成された左第2連通孔162a及び右第2連通孔162bを覆う。左第2連通孔162a及び右第2連通孔162bの孔径も十分に小さく設定されているため、上記と同様に、液状水Lが表面張力に抗して左第2連通孔162a及び右第2連通孔162bに流入するに至るまで比較的長時間を有する。すなわち、左第2連通孔162a及び右第2連通孔162bも液状水Lの流通抵抗となり、液状水Lは、左第2貯留部146a、右第2貯留部146bにも比較的長時間留まる。
When a certain amount of liquid water L is stored in the left
以上のようにして左第1貯留部144a、右第1貯留部144b、左第2貯留部146a及び右第2貯留部146bに液状水Lが貯留される間も、気相(排水素の一部や窒素)が第1進入口156a、第2進入口156bから貯留部形成部材130内に進入する。ここで、左第1連通孔160a、右第1連通孔160bの径方向断面積の合計S1、左第2連通孔162a、右第2連通孔162bの径方向断面積の合計S2、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bの径方向断面積の合計S3、ダクト168の貫通孔170の径方向断面積S4との間にS4>S1、S4>S2、S4>S3の関係が成立していると、気相が、断面積が最大である貫通孔170を優先的に通過するようになる。すなわち、気相は、第1連通口158a、第2連通口158bから第3貯留部148に容易に進入し、その後、ダクト168及びドレイン通路154を通過してドレイン口122から排出される。
As described above, while the liquid water L is stored in the left
また、S1>S3、S2>S3の関係が成立していると、第3貯留部148の内圧が最も大きくなるので、液状水Lが左第2貯留部146a、右第2貯留部146b内で堰き止められるようになる。加えて、S1>S2の関係が成立していると、液状水Lの左第1貯留部144a、右第1貯留部144bから左第2貯留部146a、右第2貯留部146bへの流入速度が、左第2貯留部146a、右第2貯留部146bから第3貯留部148への流入速度に比して緩慢となる。
Further, when the relationship of S1> S3 and S2> S3 is established, the internal pressure of the
このように液状水Lの流入速度が緩慢となることから、液状水Lに十分な表面張力が発現する。従って、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b内の液状水Lが左第1連通孔160a、右第1連通孔160bに流入し難くなるとともに、左第2貯留部146a、右第2貯留部146b内の液状水Lが左第2連通孔162a、右第2連通孔162bに流入し難くなる。以上のような理由が相俟って、液状水Lが、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b、左第2貯留部146a、右第2貯留部146bに留まり易くなる。
Since the inflow rate of the liquid water L becomes slow as described above, a sufficient surface tension is developed in the liquid water L. Therefore, it becomes difficult for the liquid water L in the left
このように、本実施の形態によれば、気相がダクト168を介して速やかにケーシング56外に排出される一方で、液状水L(液相)が貯留部形成部材130中の左第1貯留部144a、右第1貯留部144b、左第2貯留部146a、右第2貯留部146bに貯留される。すなわち、気相を排出するためにドレイン口122を開放しているにも関わらず、低温の液状水Lを気液分離器32の内部に留めておくことができる。
As described above, according to the present embodiment, the gas phase is rapidly discharged to the outside of the
すなわち、低温の液状水Lがドレイン口122から排出されてドレイン弁36に接触することを可及的に抑制することができる。これにより、低温の液状水Lがドレイン弁36で凍結することを防止することが可能となり、その結果、凍結に起因してドレイン弁36が動作不良を起こすことを回避することが可能となる。
That is, it is possible to prevent the low-temperature liquid water L from being discharged from the
従って、ドレイン弁36を加温するための加温機構、例えば、ヒータ等を付設する必要がない。このため、燃料電池システム10の構成要素の点数が増加することが回避されるので、該燃料電池システム10の小型化や簡素化を図ることが容易となる。
Therefore, it is not necessary to provide a heating mechanism for heating the
しかも、気液分離器32内で液状水Lを十分に貯留することができるので、液状水Lの発生量を抑制する必要、換言すれば、燃料電池スタック12の発電量を制限する必要がない。このため、暖機運転時間が長期化することを回避することができる。
Moreover, since the liquid water L can be sufficiently stored in the gas-
燃料電池スタック12の運転がなおも継続されると、燃料電池スタック12の温度が十分に上昇し、一層高温の液状水Lが発生する。高温の液状水Lが上記と同様にして左第1貯留部144a、右第1貯留部144b内に進入することにより、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b内が略満水となる。この状況下では、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b内の液状水Lが自重によって左第2貯留部146a、右第2貯留部146b内に比較的急速に流入し、左第2貯留部146a、右第2貯留部146b内の液状水Lも自重によって第3貯留部148内に比較的急速に流入する。第3貯留部148に流入する液状水Lは、高温の液状水Lが混合しているために氷点下を十分に上回る温度となっている。
When the operation of the
第3貯留部148の内圧は、上記したように貯留部形成部材130中で最も大きい。この大きな内圧により、第3貯留部148に流入した液状水Lは、比較的短時間で貫通孔170に流入してドレイン通路154に排出され、さらに、ドレイン口122及びドレイン弁36を介して排水流路38に排出される。
As described above, the internal pressure of the
ドレイン弁36に接触する液状水Lは、上記したように氷点下を十分に上回る温度となっている。このため、ドレイン弁36内で液状水Lが凍結することや、この凍結に起因してドレイン弁36が動作不良を起こすことが回避される。
The temperature of the liquid water L in contact with the
燃料電池スタック12が定常運転となった後、第1気液分離室70、第2気液分離室72内で排水素から分離された水分は、液状水Lとして左第1貯留部144a、右第1貯留部144b、左第2貯留部146a、右第2貯留部146b、第3貯留部148を速やかに通過し、ドレイン通路154、ドレイン口122、ドレイン弁36を介して排水流路38に排出される。すなわち、ケーシング56内に貯留部形成部材130を設けたことによって液状水Lの排出が妨げられることはない。
After the
なお、左第1連通孔160a、右第1連通孔160bに進入した低温の液状水Lが、該左第1連通孔160a、該右第1連通孔160b内で凍結することが想定される。この場合、図8に示すように、液状水Lが第1連通口158a、第2連通口158bからオーバーフローし、第3貯留部148に流入する。ここで、左第3連通孔164a、右第3連通孔164bに進入した低温の液状水Lが、該左第3連通孔164a、該右第3連通孔164b内で凍結する可能性もある。
It is assumed that the low-temperature liquid water L that has entered the left
このような状況となると、液状水Lが第3貯留部148に貯留される。燃料電池スタック12の継続運転に伴って比較的高温の液状水Lが第1連通口158a、第2連通口158bから第3貯留部148に流入して液面がダクト168よりも高くなると、第3貯留部148内の液状水Lがオーバーフローしてダクト168からドレイン通路154に排出される。このように、本実施の形態では、第1連通口158a、第2連通口158bを設けて左第1貯留部144a、右第1貯留部144bを第3貯留部148に直接連通するとともに、第3貯留部148に、ドレイン通路154を介してドレイン口122に連通するダクト168を設けるようにしている。これにより、左第1連通孔160a、右第1連通孔160b、左第3連通孔164a、右第3連通孔164b内で液状水Lが凍結した場合であっても、貯留部形成部材130内で液状水Lを一旦貯留し、その後にドレイン口122から排出することが可能となる。
In such a situation, the liquid water L is stored in the
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、この実施の形態では、ケーシング56とは別部材のものとして貯留部形成部材130を構成し、左第1貯留部144a、右第1貯留部144b、左第2貯留部146a、右第2貯留部146b及び第3貯留部148を設けるようにしているが、左第1区画壁140a、右第1区画壁140b、左第2区画壁142a、右第2区画壁142b等をケーシング56と一体的に形成し、ケーシング56内に貯留部形成部を設けるようにしてもよい。
For example, in this embodiment, the storage
また、この実施の形態では、第1貯留部として左第1貯留部144a、右第1貯留部144bの2個を設けるとともに、第2貯留部として左第2貯留部146a、右第2貯留部146bの2個を設けるようにしているが、第1貯留部及び第2貯留部の個数は1個であってもよい。さらに、流入口及び気液分離室も1個であってもよい。
Further, in this embodiment, two storage units, a left
さらにまた、気液分離器32を含む燃料電池システム10は、車載型のものに特に限定されず、定置型のものであってもよい。
Furthermore, the
そして、気液分離器32は、複数個の流入口から気液二相流をケーシング56内に導入するものとして用いられるものであればよく、燃料電池システム10を構成するものに特に限定されるものではない。気液二相流も、水分を含んだ水素以外のものであってもよい。
The gas-
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…水素供給流路 16…水素排出流路
18…水素タンク 24…第1インジェクタ
26…第2インジェクタ 30…エジェクタ
32…気液分離器 34…循環流路
36…ドレイン弁 38…排水流路
40…空気供給流路 42…空気排出流路
50…内室 52…本体部材
56…ケーシング 60…第1流入口
62…第2流入口 64…流出口
66…隔壁 70…第1気液分離室
72…第2気液分離室 74…集合室
76…堰止板 78a、78b…呼吸孔
80…第1規制部 82…第2規制部
90…第1案内部 94…導管
96…偏向部材 98…第3規制部
100…支持台 106…第2案内部
112…誘導傾斜部 114…仮貯液部
116…移液孔 120…凹部
122…ドレイン口 130…貯留部形成部材
132…底壁 136…水平隔壁
140a、140b…第1区画壁 142a、142b…第2区画壁
144a、144b…第1貯留部 146a、146b…第2貯留部
148…第3貯留部 154…ドレイン通路
156a、156b…進入口 158a、158b…連通口
160a、160b…第1連通孔 162a、162b…第2連通孔
164a、164b…第3連通孔 168…ダクト
170…貫通孔 L…液状水
10 ...
Claims (4)
前記ケーシング内の、前記ドレイン口よりも上流側に、前記液相を貯留する第1貯留部、第2貯留部及び第3貯留部が上流側から下流側に向かってこの順序で設けられ、
前記第1貯留部と前記第2貯留部を仕切る第1区画壁に、前記第1貯留部と前記第2貯留部を連通する第1連通孔が形成され、
前記第2貯留部と前記第3貯留部を仕切る第2区画壁に、前記第2貯留部と前記第3貯留部を連通する第2連通孔が形成され、
前記第3貯留部は、連通路を介して前記第1貯留部と直接連通し、
且つ前記第3貯留部と前記ドレイン口とを仕切る第3区画壁に、前記第3貯留部と前記ドレイン口とを連通する第3連通孔が形成されるとともに、前記連通路に指向して延在するダクトが設けられ、
前記第1連通孔及び前記第2連通孔が、前記液相の流通抵抗として作用することを特徴とする気液分離器。 An inflow port to which a gas-liquid two-phase flow is supplied, a gas-liquid separation chamber that separates the gas-liquid two-phase flow introduced from the inflow port into a liquid phase and an air flow, and an outlet for discharging the air flow. In a gas-liquid separator having a casing in which the inlet and the drain port located below the outlet are formed.
A first storage portion, a second storage portion, and a third storage portion for storing the liquid phase are provided in the casing on the upstream side of the drain port in this order from the upstream side to the downstream side.
A first communication hole for communicating the first storage portion and the second storage portion is formed in the first partition wall that separates the first storage portion and the second storage portion.
Second partition wall that partitions the third reservoir and the second reservoir portion, a second communicating hole communicating the third reservoir and the second reservoir portion is formed,
The third storage unit directly communicates with the first storage unit via a communication passage.
In addition, a third communication hole for communicating the third storage portion and the drain port is formed in the third partition wall that separates the third storage portion and the drain port, and extends toward the communication passage. The existing duct is provided,
A gas-liquid separator characterized in that the first communication hole and the second communication hole act as a flow resistance of the liquid phase.
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