車両用気液分離装置
【課題】気液分離性能を向上させる車両用気液分離装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、車両に搭載する気液分離装置であって、入口管（２１）と、前記入口管（２１）を側壁に連設し、その入口管（２１）に比べて流路断面積を急拡大させて、その入口管（２１）から流入したガスから液体を分離する気液分離部（１１）と、前記気液分離部（１１）の側壁の内面に突き出るように形成され、上方から気液分離部（１１）の天井を透視したときに、中心軸の延長線が入口管（２１）の中心軸の延長線と鋭角又は直角を成して交叉し、気液分離部（１１）で液体が分離されたガスが流出する出口管（２２）と、を含む。
【解決手段】本発明は、車両に搭載する気液分離装置であって、入口管（２１）と、前記入口管（２１）を側壁に連設し、その入口管（２１）に比べて流路断面積を急拡大させて、その入口管（２１）から流入したガスから液体を分離する気液分離部（１１）と、前記気液分離部（１１）の側壁の内面に突き出るように形成され、上方から気液分離部（１１）の天井を透視したときに、中心軸の延長線が入口管（２１）の中心軸の延長線と鋭角又は直角を成して交叉し、気液分離部（１１）で液体が分離されたガスが流出する出口管（２２）と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用気液分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気液混合ガスから液体を遠心分離する遠心式気液分離装置が知られている。従来の気液分離装置は、気液混合ガスが流入する入口管を円筒状の本体部の接線方向に設け、液体が分離されたガスが流出する出口管を本体部の天板部の中央に内部に突出させて設けている。そして入口管から流入される気液混合ガスが旋回流となり遠心力が働く。このためガス中の密度が大きい液体は壁面側に集まり、密度が小さいガスは中央に集まる。よって中央に集まったガスは出口管から外部に流出される（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５８９９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし車両用の気液分離装置のように上下方向の配置空間の制約が厳しい場合は、気液分離装置の出口管を本体部の天板部に上下方向に設けると本体部の高さが低くなって容量が減るので気液分離率が低下する懸念がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、気液分離性能を向上させる車両用気液分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の車両用気液分離装置は、入口管と、入口管を側壁に連設し、その入口管に比べて流路断面積を急拡大させて、その入口管から流入した気液混合ガスから液体を分離する気液分離部とを有する。さらに気液分離部の側壁の内面に突き出るように形成され、上方から気液分離部の天井を透視したときに、中心軸の延長線が入口管の中心軸の延長線と鋭角又は直角を成して交叉し、気液分離部で液体が分離されたガスが流出する出口管を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、入口管から気液分離部に流入する気液混合ガスは気液分離部で流速が低減してから出口管に流れる。気液混合ガスの流速が低下するとガス中に重い液体は下方に落ちやすくなる。これにより出口管からは気液分離部で液体が分離されたガスが流出する。さらに出口管は気液分離部の側壁の内面に付着した液体が側壁を伝って流出するのを防止する構造なので、気液分離性能を向上させる。また気液分離の方法は遠心力を利用する遠心式ではなくガス成分の重力によって分離する重力式を採用するので、出口管を気液分離部の天井面中央に設ける必要がなく気液分離部の高さ方向に設置空間の制約がある場合にも気液分離部の天井を制約空間ぎりぎりに設けることができるので気液分離性能の向上につながる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の気液分離装置が搭載される領域を示す図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】本発明による車両用気液分離装置の第１実施形態を示す構造図である。
【図４】第１実施形態の気液分離装置の気液分離率を比較例の遠心式気液分離装置と比較した図である。
【図５】本発明による車両用気液分離装置の第２実施形態を示す構造図である。
【図６】本発明による車両用気液分離装置の第３実施形態を示す構造図である。
【図７】本発明による車両用気液分離装置の第４実施形態を示す構造図である。
【図８】第４実施形態の気液分離部の側壁に設けられる溝の周辺構造図である。
【図９】第４実施形態の気液分離装置における入口管及び出口管の流路断面積と気液分離率との関係図である。
【図１０】本発明による車両用気液分離装置の第５実施形態を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の気液分離装置１が搭載される領域を示す図である。
【００１２】
本実施形態の気液分離装置１は、車両の燃料電池システム１００の構成要素である。燃料電池システム１００は、車両の床面に取り付けられる。燃料電池システム１００は乗員が座る前部座席から後部座席に亘る車内居室空間の下に配置され、広い室内空間が確保されている。
【００１３】
図２は、本実施形態の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００１４】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、アノードガス供給機構１２０と、カソードガス供給機構１３０と、を備える。
【００１５】
燃料電池スタック１１０は、積層された複数枚の燃料電池を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池は電解質膜を燃料極であるアノード電極と酸化剤極であるカソード電極とによって挟んだ構造である。一般に車両用の燃料電池は燃料の水素をアノード電極（マイナス極）に供給して酸化反応させて、空気中の酸素をカソード電極（プラス極）に供給して還元反応させる。燃料電池は、単体では得られる電圧が小さいため数百枚の燃料電池を積層して使用する。このときアノード電極に供給する水素を含有するガスをアノードガス、カソード電極に供給する酸素を含有するガスをカソードガスという。
【００１６】
アノードガス供給機構１２０は、燃料電池スタック１１０のアノード電極側に設けられ、アノード電極にアノードガスを供給し、アノード電極から排出されるアノードオフガスの未反応水素をアノードガスに還流して水素の利用効率を高めている。アノードガス供給機構１２０は、燃料タンク１２１と、アノードガス供給通路１２２と、気液分離装置１と、アノードオフガス還流通路１２３と、排水通路１２４と、排水バルブ１２４ａと、循環ポンプ１２５と、アノードオフガス排出通路１２６と、アノードオフガス排出バルブ１２６ａと、を備える。
【００１７】
まずアノードガスが燃料タンク１２１からアノードガス供給通路１２２を通って燃料スタック１１０のアノードガス入口孔１１１ａに供給される。そして燃料電池スタック１１０で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０のアノードオフガス出口孔１１１ｂからアノードオフガスが排出される。ここでアノードオフガスとは、燃料電池のアノード電極から排出されるガスのことで、未反応水素ガス及び多くの水分を含有している。アノードオフガスは気液分離装置１に流入する。そして気液分離装置１でアノードオフガスの液水が分離される。液水が分離されたアノードオフガスは再び下流のアノードオフガス還流通路１２３に戻されて循環ポンプ１２５によってアノードガス供給通路１２２に流される。このとき余分なアノードオフガスはアノードオフガス排出通路１２６に流され、アノードオフガス排出バルブ１２６ａで調整されてシステム外部へ排出される。またアノードガス供給通路１２２に戻されるアノードオフガスは再び燃料として燃料電池スタック１１０に供給される。気液分離装置１でアノードオフガスから分離された液水は排水通路１２４に流され、排水バルブ１２４ａで調整されてシステム外部に排水される。
【００１８】
カソードガス供給機構１３０は、燃料電池スタック１１０のカソード電極側に設けられ、コンプレッサ１３１と、カソードガス供給通路１３２と、カソードオフガス排出通路１３３と、を備える。カソードガスはコンプレッサ１３１を通じて外部から取り込まれた空気であって、カソードガス供給通路１３２を通って燃料電池スタック１１０のカソード電極に供給される。そして燃料電池スタック１１０で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードオフガスがカソードオフガス排出通路１３３を通って外部へ排出される。
【００１９】
続いて本発明である気液分離装置１の構造について説明する。
【００２０】
図３は、本発明による気液分離装置１の第１実施形態を示す構造図である。図３（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００２１】
気液分離装置１は、気液分離部１１と、貯留部１２と、入口管２１と、出口管２２と、排水管２３と、を備える。
【００２２】
気液分離部１１は、円筒形状である。気液分離部１１の側壁には、アノードオフガスの入口管２１と出口管２２とが設けられる。気液分離部１１は、入口管２１及び出口管２２に比べて流路断面積が大きい。気液分離部１１は、重力方向の下方で貯留部１２と連続する。気液分離部１１では、入口管２１から内部に流入されたアノードオフガスから液水を分離する。そして液水が分離されたアノードオフガスは出口管２２を通って外部へ流出する。気液分離部１１でアノードオフガスから分離された液水は、重力によって下方の貯留部１２に貯められる。
【００２３】
貯留部１２は、気液分離部１１と同じ断面で円筒形状である。貯留部１２は、気液分部１１の重力方向の下方に配置される。貯留部１２には、側壁に排水管２３が設けられる。貯留部１２には気液分離部１１でアノードオフガスから分離された液水が貯められ、貯められた液水は排水管２３から外部に排出される。
【００２４】
入口管２１は、気液分離部１１の側壁に連接される。入口管２１は、図３（Ａ）に示すように上面からみたときに中心軸の延長線が気液分離部１１の断面中心を通るように配置される。入口管２１は、図３（Ｃ）に示すように側面からみたときに気液分離部１１の内部に向かって斜め下に傾斜して配置される。入口管２１の流路断面形状は出口管２２と同一断面で円形状である。入口管２１には、燃料電池システム１００のアノードオフガス還流通路１２３の上流側を流れるアノードオフガスが流れる。そしてアノードオフガスは入口管２１を通って気液分離部１１に流入する。
【００２５】
出口管２２は、気液分離部１１の側壁の内面に突き出るように形成される。出口管２２は、図３（Ａ）に示すように上面からみたときに中心軸の延長線が入口管２１の中心軸の延長線と気液分離部１１の断面中心で直交するように配置される。出口管２２は、図３（Ｂ）に示すように側面からみたときに気液分離部の内部に向かって斜め上に傾斜して配置される。出口管２２の流路断面積は、入口管２１の流路断面積と同じである。出口管２２は、気液分離部１１で液水を分離されたアノードオフガスを下流に流す。そして出口管２２を流れるアノードオフガスは、燃料電池システム１００のアノードオフガス還流通路１２３の下流側を流れる。
【００２６】
排水管２３は、貯留部１２の下方の側壁に連接される。排水管２３は、貯留部１２に貯まった水を外部に排水する。排水管２３は、燃料電池システム１００の排水通路１２４に連通する。
【００２７】
本実施形態の作用について説明する。入口管２１から気液分離部１１に流入したアノードオフガスは、液水を含んでいる。入口管２１から気液分離部１１に流れると流路断面積が拡大するのでアノードオフガスの流速が低速になる。よって、アノードオフガスは重力の影響を大きく受けることになる。気液分離部１１の内部を流れる間に重力によってアノードオフガスから液水が分離されて下方の貯留部１２に落ちる。そして気液分離部１１に残った、液水が取り除かれたアノードオフガスが出口管２２から流出する。貯留部１２に溜まる液水は排水管２３から適宜排水される。
【００２８】
このように本発明の気液分離装置１は、ガスの旋回流の遠心力によって気液分離するのではなく、重力によって気液分離する。
【００２９】
図４は、本実施形態の気液分離装置１の気液分離率を比較例の遠心式気液分離装置と比較した図である。横軸は、入口管２１から流入するアノードオフガスに含まれる液水量を示す。入口管２１から流入するアノードオフガスが多くなるほど、流入液水量は増える。縦軸は、前述した流入液水量に対して、気液分離部１１で分離されて貯留部１２に溜まった液水量の割合を示す。流入液水量に対する貯留液水量の割合が大きいほど気液分離率が高い。また、このとき双方の気液分離装置の気液分離部、入口管及び出口管は同じサイズのものとし、気液分離部に流入する流入液水量を変化させて気液分離率を測定する。
【００３０】
図４によると、本実施形態の重力式気液分離装置１は比較例の遠心式気液分離装置に比べて気液分離率が高い。そして流入液水量が増えると気液分離率は低下する傾向にある。比較例の遠心式気液分離装置は、流入液水量の増加に対する気液分離率の低下が著しい。これに対して本実施形態の重力式気液分離装置１は、流入液水量が増えても気液分離率の低下を若干に抑えられる。遠心式気液分離装置はガスの旋回流による遠心力を利用している。そして遠心力は質量の影響を受ける。一般に水素より水の密度が大きい。本実施形態のアノードオフガスの場合は、遠心力により液水が気液分離部１１の側壁側に集まって水素ガスが気液分離部１１の中心に集まることでアノードオフガスから液水が分離される。このため遠心式の場合は、流入するガス量に対して適度な気液分離部１１の容量が必要である。図４では一定容量の気液分離部１１に対して流入するガス量を増やしているので、ガス量が多くなると水素ガスと液水との分離率が低下する。そして重力式気液分離装置１は遠心力を利用せず、アノードオフガスの流速を気液分離部１１で減速させて重力によって水素ガスと液水とを分離する。このため一定容量の気液分離部１１に対して流入するガス量が増えると側壁に付着する液水量が増えることが考えられるが遠心式ほどの気液分離率の低下はない。
【００３１】
本実施形態によれば、入口管２１及び出口管２２を気液分離部１１の側壁に配置して遠心式ではなく重力式の気液分離方法を採用する。これにより流入液水量が多くても良好な気液分離率を保つことができる。
【００３２】
気液分離部１１は、入口管２１及び出口管２２に比べて流路断面積が大きい。このため気液分離部１１に流入したアノードオフガスの流速は低減されて重力の影響を受けやすくなる。流速が低減するほど重力によってアノードオフガスから分離される液水量が増えるので、気液分離率が向上する。
【００３３】
このとき入口管２１及び出口管２２は、気液分離部１１の側壁に設けられる。これにより本実施形態のように上下方向に厳しい空間制約があるような場合に、気液分離部１１の高さを空間の許容限界まで設定することが可能である。気液分離部１１の容量が大きいと気液分離率が向上する。このため空間制約がある中で最適な気液分離性能を得ることができる。
【００３４】
また入口管２１及び出口管２２は、互いの中心軸の延長線が直交する。これにより入口管２１及び出口管２２が向かい合わない。そして入口管２１から流入するアノードオフガスが気液分離部１１に滞留せず液水が分離されないままに出口管２２に流れるのを防止することができる。本実施形態では入口管２１及び出口管２２の互いの中心軸の延長線が直交しているが、鋭角を成すように交叉する場合も互いが向かい合わないので同様の効果が得られる。
【００３５】
さらに入口管２１及び出口管２２の中心軸の延長線はそれぞれ気液分離部１１の中心軸と交叉する。すなわち入口管２１及び出口管２２は気液分離部１１の内部中心に向かって配置される。これにより入口管２１から気液分離部１１の内部中心に向かって流入するアノードオフガスは、気液分離部１１の側壁の内面に到達するまでにその流速が低減する。このためアノードオフガスが気液分離部１１の側壁の内面に衝突して生じる乱流を防止することができる。また気液分離部１１の側壁の内面への液水付着も防止することができる。
【００３６】
また出口管２２は、気液分離部１１の側壁の内面に突き出して設けられる。これにより気液分離部１１の側壁の内面に付着した液水が側壁を伝って出口管２２から流出するのを防止することができる。また出口管２２を気液分離部１１において車両後方にあたる側壁に配置するとブレーキによる慣性力で貯留部１２の液水が車両前方に揺れて出口管２２から流出するのを防止することができる。
【００３７】
また入口管２１及び出口管２２を気液分離部１１の側壁に設けるので、車両の前後左右方向に流路が延びる。車両の前後左右方向は上下方向に比べてスペースに余裕がある。このため入口管２１及び出口管２２の流路を気液分離部１１の開口からある程度直線に設けることができる。これにより入口管２１及び出口管２２の開口付近の流路抵抗を小さくしてガスの流入及び流出をスムーズにすることができる。
【００３８】
また気液分離部１１と貯留部１２とは、同一断面の円筒形状とする。気液分離部１１と貯留部１２とはそれぞれの側壁の内面が連続する。また気液分離部１１と貯留部１２との間に介在するものはない。このため気液分離部１１で分離した液水が貯留部１２に落下する間、液水の落下を妨げるものはなく、分離した液水はほとんど貯留部１２に溜めることができる。よって気液分離部１１での気液分離性能を維持することができる。
【００３９】
以上の効果が得られることから、本実施形態において気液分離性能が向上する。
【００４０】
（第２実施形態）
図５は、本発明による気液分離装置１の第２実施形態を示す構造図である。図５（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。なお以下では前述した内容と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４１】
本実施形態では、第１実施形態から出口管２２の配置を変更する。図５（Ｂ）に示すように出口管２２を気液分離部１１の側壁に対して垂直に、すなわち地面に対して水平に配置する。また本実施形態の気液分離部１１の高さは、第１実施形態から低くなっている。気液分離部１１の高さは必要最低限とする。
【００４２】
本実施形態によれば、出口管２２を水平に配置する。このため出口管２２を上向きに配置する場合に比べて、出口管２２よりも上方の空間に流れるアノードオフガスから重力によって分離される液水が下方の貯留部１２に落下せずに出口管２２から流出するのを防ぐことができる。また出口管２２を下向きに配置する場合に比べて、出口管２２の下方に位置する貯留部１２に溜められる液水が車両の振動等により跳ねかえって気液分離部１１に戻るようなときに出口管２２からの液水の流出を防ぐことができる。特に本実施形態のように気液分離部１１の高さ制約が厳しく必要最低限の高さしか確保できない場合に出口管２２を水平に配置することは、上下方向からの出口管２２への液水の流入を防止するのに有効である。よって出口管２２への液水流入を防止するので、気液分離性能が向上する。
【００４３】
（第３実施形態）
図６は、本発明による気液分離装置１の第３実施形態を示す構造図である。図６（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００４４】
本実施形態では、第２実施形態から入口管２１の配置を変更する。図６（Ｃ）に示すように入口管２１を気液分離部１１の側壁に対して垂直に、すなわち地面に対して水平に配置する。さらに本実施形態では、入口管２１及び出口管２２をそれぞれの中心軸が気液分離部１１の高さを等分する位置となるように配置する。
【００４５】
本実施形態によれば、入口管２１を水平に配置する。このため入口管２１を上向きに配置する場合に比べて、入口管２１よりも上方の空間に流れるアノードオフガス量を低減することができる。また入口管２１を下向きに配置する場合に比べて、貯留部１２の液面に入口管２１からのアノードオフガスの流れが届くのを防止できるので、貯留部１２の液水の攪拌や飛散を防止することができる。さらに入口管２１の高さ方向の配置を気液分離部１１の高さの中間にするので、前述した入口管２１の上方空間に流れるアノードオフガス量の低減効果及び貯留部１２の液水の攪拌や飛散の防止効果をバランスよく得ることができる。また出口管２２も入口管２１と同様に高さ方向の配置を気液分離部１１の高さの中間にする。これにより出口管２２より上方で分離された液水の流入防止効果及び貯留部１２の液水の流入防止効果をバランスよく得ることができる。特に本実施形態のように気液分離部１１の高さが必要最低限しかない場合に、入口管２１及び出口管２２を本実施形態のような配置にすることは気液分離性能を保つのに有効である。言い換えると入口管２１及び出口管２２を気液分離部１１の上下方向の中間に水平に配置することで、気液分離部１１の容量に対する気液分離性能を向上させることができる。また気液分離性能が向上した分、気液分離部１１の必要高さを低くすることも可能となるので、気液分離装置１をコンパクト化できる。よって気液分離性能や車両搭載性が向上する。
【００４６】
（第４実施形態）
図７は、本発明による気液分離装置１の第４実施形態を示す構造図である。図７（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００４７】
本実施形態では、第３実施形態から入口管２１の流路断面積Ａｉと出口管２２の流路断面積Ａｏ及び突出量Ｌ０とを変更する。また出口管２２と気液分離部１１の側壁との間には側壁の内面に開口して溝１１ａが設けられる。さらに気液分離装置１の上面中央から上下方向に水位センサ３０が設けられる。
【００４８】
入口管２１の流路断面積Ａｉは、出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定する。出口管２２の流路断面積Ａｏは、気液分離部１１で液水を分離したアノードオフガスを流出するための必要最低限の断面積とする。出口管２２の突出量Ｌ０は、気液分離部１１の側壁の内面から水位センサ３０の測定管３１の壁面までの距離Ｌ１の半分とする。溝１１ａは、出口管２２の外周面に沿って形成される。水位センサ３０の測定管３１は気液分離部１１の天井から貫通して気液分離部１１を通り貯留部１２の液面の位置を測定する。
【００４９】
ここで気液分離部１１の側壁に設けられる溝１１ａ及び出口管２２について説明する。図８は、本実施形態の気液分離部１１の側壁に設けられる溝１１ａの周辺構造図である。図８（Ａ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面を気液分離部１１の部分だけ拡大した図である。図８（Ｂ）は、出口管２２の分解斜視図である。
【００５０】
溝１１ａは、出口管２２の外周面に沿って気液分離部１１の側壁に、側壁の内面に開口して形成される。出口管２２は、突出部２２ａと、側壁内部２２ｂと、ガス還流通路部２２ｃと、からなる。突出部２２ａは、気液分離部１１の側壁の内面から内部空間へ突出する。側壁内部２２ｂは、一端が突出部２２ａに連続して気液分離部１１の側壁を通って、他端がガス還流通路部２２ｃに連続する。側壁内部２２ｂとガス還流通路部２２ｃとは、互いの配管のフランジ部分でボルト結合される。ガス還流通路部２２ｃは、側壁内部２２ｂに直交して設けられ、前述した燃料電池システム１００のアノードオフガス還流通路１２３に接続する。溝１１ａは出口管２２の側壁内部２２ｂの外周面と、気液分離部１１の側壁との間に形成される。
【００５１】
また入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きくする。ここで入口管２１の流路断面積Ａｉと出口管２２の流路断面積Ａｏとの大小関係が気液分離率に及ぼす影響を説明する。図９は、本実施形態の気液分離装置における入口管及び出口管の流路断面積と気液分離率との関係図である。横軸の流入液水量及び縦軸の気液分離率は、図４で説明した通りそれぞれ入口管２１から流入するアノードオフガスに含まれる液水量と、流入液水量に対して気液分離部１１で分離されて貯留部１２に溜まった液水量の割合とを示す。そして入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定したときの流入液水量と気液分離率との関係をプロットして図中の三角で示す。同一流入液量のときに複数の三角印があるのは、入口管２１の流路断面積Ａｉと出口管２２の流路断面積Ａｏとの断面積の差を変えて測定しているからである。双方の断面積の差が大きくなるほど、気液分離率は高くなる。同様に入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも小さく設定したときの流入液水量と気液分離率との関係をプロットして図中のひし形で示す。このとき双方の断面積の差が大きくなるほど、気液分離率は低くなる。なお入口管２１の流路断面積Ａｉ及び出口管２２の流路断面積Ａｏを除いて他は同じ仕様とする。
【００５２】
図９によると、入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定するほうが、入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも小さく設定するときよりも気液分離率が高い。また入口管２１の流路断面積Ａｉが出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きい場合は、流路断面積の差が大きいほど気液分離率が上がる傾向にある。逆に入口管２１の流路断面積Ａｉが出口管２２の流路断面積Ａｏよりも小さい場合は、流路断面積の差が大きいほど気液分離率が下がる傾向にある。これらの傾向は、流入液水量が増えても変わらない。これは入口管２１の流路断面積Ａｉを大きく設定したほうが、気液分離部１１に流入するアノードオフガスの流速が低減し、液水が落下し易くなるためと考えられる。また出口管２２の流路断面積Ａｏは小さく設定したほうが、液水の流出を防止することができる。
【００５３】
本実施形態によれば、入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定する。これにより入口管２１から気液分離部１１に流入するアノードオフガスの流速が低減されるので、気液分離部１１で液水が分離しやすい。
【００５４】
また出口管２２の流路断面積Ａｏは、気液分離部１１で液水を分離したアノードオフガスを流出するための必要最低限の断面積とする。これにより出口管２２からの液水の流出を防止することができる。
【００５５】
また出口管２２の気液分離部１１の空間への突出量Ｌ０を気液分離部１１の側壁の内面から水位センサ３０の測定管３１までの距離Ｌ１の半分とする。すなわち出口管２２の突出量Ｌ０は、気液分離部１１の側壁の内面と、出口管２２を延長して最初に突きあたる壁面と、の間の距離の半分とする。これにより気液分離部１１の側壁の内面を伝って出口管２２から流出する液水量と、水位センサ３０の測定管３１の壁面に付着する液水の跳ねかえりによって出口管２２から流出する液水量と、をバランスよく抑制することができる。
【００５６】
さらに出口管２２の外周面に沿って気液分離部１１の側壁に、側壁の内面に開口して溝１１ａを形成する。これにより気液分離部１１の側壁の内面を伝う液水が出口管２２から流出しづらくなる。
【００５７】
以上の効果が得られることから、本実施形態ではさらに気液分離性能が向上する。
【００５８】
（第５実施形態）
図１０は、本発明による気液分離装置１の第５実施形態を示す構造図である。図１０（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００５９】
本実施形態では、第４実施形態から貯留部１２の円筒の円断面積を気液分離部１１の円筒の円断面積よりも大きくする。
【００６０】
本実施形態によれば、貯留部１２の断面積を気液分離部１１の断面積よりも大きくする。本実施形態のように気液分離装置１を車両に搭載する場合には、車両の加速減速時には前後Ｇがかかりコーナリング時には横Ｇがかかるので、貯留部１２の液面が揺動する。このように貯留部１２の液水が偏っても、貯留部１２の側壁の内面は気液分離部１１の側壁の内面と連続しておらず、貯留部１２の液水が壁伝いに気液分離部１１に戻って出口管２２から流出するのを防止できる。また貯留部１２の断面積が気液分離部１１の断面積よりも大きいので、貯留部１２の液水が揺動して側壁にあたっても貯留部１２の天井を伝うにとどまる。よって貯留部１２の液水が気液分離部１１に戻るのを防止できるので、気液分離部１１の気液分離性能を維持することができる。
【００６１】
また本実施形態の気液分離部１１及び貯留部１２はそれぞれ均一断面の円筒形状であるが、均一断面でない場合は気液分離部１１と貯留部１２との境界において気液分離部１１の断面積よりも貯留部１２の断面積のほうが大きくなるようにすれば同様の効果が得られる。
【００６２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００６３】
例えば実施形態は燃料電池用の気液分離装置で説明をしたが、本発明の気液分離装置は燃料電池用に限らず適用することが可能である。例えば内燃機関においてブローバイガスから潤滑油を分離するブリーザ装置のような流体から液体を分離する装置に適用できる。また気液分離部及び貯留部の形状を同一断面の円筒形状としたがこれに限らない。円筒形状は加工しやすいのでコストが低い利点があるが、搭載スペースの制約等により直方体などにしてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１ 気液分離装置
１１ 気液分離部
１１ａ 溝
１２ 貯留部
２１ 入口管
２２ 出口管
２２ａ 突出部
２３ 排出管
３０ 水位センサ
３１ 測定管
１００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用気液分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気液混合ガスから液体を遠心分離する遠心式気液分離装置が知られている。従来の気液分離装置は、気液混合ガスが流入する入口管を円筒状の本体部の接線方向に設け、液体が分離されたガスが流出する出口管を本体部の天板部の中央に内部に突出させて設けている。そして入口管から流入される気液混合ガスが旋回流となり遠心力が働く。このためガス中の密度が大きい液体は壁面側に集まり、密度が小さいガスは中央に集まる。よって中央に集まったガスは出口管から外部に流出される（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５８９９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし車両用の気液分離装置のように上下方向の配置空間の制約が厳しい場合は、気液分離装置の出口管を本体部の天板部に上下方向に設けると本体部の高さが低くなって容量が減るので気液分離率が低下する懸念がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、気液分離性能を向上させる車両用気液分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の車両用気液分離装置は、入口管と、入口管を側壁に連設し、その入口管に比べて流路断面積を急拡大させて、その入口管から流入した気液混合ガスから液体を分離する気液分離部とを有する。さらに気液分離部の側壁の内面に突き出るように形成され、上方から気液分離部の天井を透視したときに、中心軸の延長線が入口管の中心軸の延長線と鋭角又は直角を成して交叉し、気液分離部で液体が分離されたガスが流出する出口管を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、入口管から気液分離部に流入する気液混合ガスは気液分離部で流速が低減してから出口管に流れる。気液混合ガスの流速が低下するとガス中に重い液体は下方に落ちやすくなる。これにより出口管からは気液分離部で液体が分離されたガスが流出する。さらに出口管は気液分離部の側壁の内面に付着した液体が側壁を伝って流出するのを防止する構造なので、気液分離性能を向上させる。また気液分離の方法は遠心力を利用する遠心式ではなくガス成分の重力によって分離する重力式を採用するので、出口管を気液分離部の天井面中央に設ける必要がなく気液分離部の高さ方向に設置空間の制約がある場合にも気液分離部の天井を制約空間ぎりぎりに設けることができるので気液分離性能の向上につながる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の気液分離装置が搭載される領域を示す図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】本発明による車両用気液分離装置の第１実施形態を示す構造図である。
【図４】第１実施形態の気液分離装置の気液分離率を比較例の遠心式気液分離装置と比較した図である。
【図５】本発明による車両用気液分離装置の第２実施形態を示す構造図である。
【図６】本発明による車両用気液分離装置の第３実施形態を示す構造図である。
【図７】本発明による車両用気液分離装置の第４実施形態を示す構造図である。
【図８】第４実施形態の気液分離部の側壁に設けられる溝の周辺構造図である。
【図９】第４実施形態の気液分離装置における入口管及び出口管の流路断面積と気液分離率との関係図である。
【図１０】本発明による車両用気液分離装置の第５実施形態を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の気液分離装置１が搭載される領域を示す図である。
【００１２】
本実施形態の気液分離装置１は、車両の燃料電池システム１００の構成要素である。燃料電池システム１００は、車両の床面に取り付けられる。燃料電池システム１００は乗員が座る前部座席から後部座席に亘る車内居室空間の下に配置され、広い室内空間が確保されている。
【００１３】
図２は、本実施形態の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００１４】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、アノードガス供給機構１２０と、カソードガス供給機構１３０と、を備える。
【００１５】
燃料電池スタック１１０は、積層された複数枚の燃料電池を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池は電解質膜を燃料極であるアノード電極と酸化剤極であるカソード電極とによって挟んだ構造である。一般に車両用の燃料電池は燃料の水素をアノード電極（マイナス極）に供給して酸化反応させて、空気中の酸素をカソード電極（プラス極）に供給して還元反応させる。燃料電池は、単体では得られる電圧が小さいため数百枚の燃料電池を積層して使用する。このときアノード電極に供給する水素を含有するガスをアノードガス、カソード電極に供給する酸素を含有するガスをカソードガスという。
【００１６】
アノードガス供給機構１２０は、燃料電池スタック１１０のアノード電極側に設けられ、アノード電極にアノードガスを供給し、アノード電極から排出されるアノードオフガスの未反応水素をアノードガスに還流して水素の利用効率を高めている。アノードガス供給機構１２０は、燃料タンク１２１と、アノードガス供給通路１２２と、気液分離装置１と、アノードオフガス還流通路１２３と、排水通路１２４と、排水バルブ１２４ａと、循環ポンプ１２５と、アノードオフガス排出通路１２６と、アノードオフガス排出バルブ１２６ａと、を備える。
【００１７】
まずアノードガスが燃料タンク１２１からアノードガス供給通路１２２を通って燃料スタック１１０のアノードガス入口孔１１１ａに供給される。そして燃料電池スタック１１０で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０のアノードオフガス出口孔１１１ｂからアノードオフガスが排出される。ここでアノードオフガスとは、燃料電池のアノード電極から排出されるガスのことで、未反応水素ガス及び多くの水分を含有している。アノードオフガスは気液分離装置１に流入する。そして気液分離装置１でアノードオフガスの液水が分離される。液水が分離されたアノードオフガスは再び下流のアノードオフガス還流通路１２３に戻されて循環ポンプ１２５によってアノードガス供給通路１２２に流される。このとき余分なアノードオフガスはアノードオフガス排出通路１２６に流され、アノードオフガス排出バルブ１２６ａで調整されてシステム外部へ排出される。またアノードガス供給通路１２２に戻されるアノードオフガスは再び燃料として燃料電池スタック１１０に供給される。気液分離装置１でアノードオフガスから分離された液水は排水通路１２４に流され、排水バルブ１２４ａで調整されてシステム外部に排水される。
【００１８】
カソードガス供給機構１３０は、燃料電池スタック１１０のカソード電極側に設けられ、コンプレッサ１３１と、カソードガス供給通路１３２と、カソードオフガス排出通路１３３と、を備える。カソードガスはコンプレッサ１３１を通じて外部から取り込まれた空気であって、カソードガス供給通路１３２を通って燃料電池スタック１１０のカソード電極に供給される。そして燃料電池スタック１１０で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードオフガスがカソードオフガス排出通路１３３を通って外部へ排出される。
【００１９】
続いて本発明である気液分離装置１の構造について説明する。
【００２０】
図３は、本発明による気液分離装置１の第１実施形態を示す構造図である。図３（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００２１】
気液分離装置１は、気液分離部１１と、貯留部１２と、入口管２１と、出口管２２と、排水管２３と、を備える。
【００２２】
気液分離部１１は、円筒形状である。気液分離部１１の側壁には、アノードオフガスの入口管２１と出口管２２とが設けられる。気液分離部１１は、入口管２１及び出口管２２に比べて流路断面積が大きい。気液分離部１１は、重力方向の下方で貯留部１２と連続する。気液分離部１１では、入口管２１から内部に流入されたアノードオフガスから液水を分離する。そして液水が分離されたアノードオフガスは出口管２２を通って外部へ流出する。気液分離部１１でアノードオフガスから分離された液水は、重力によって下方の貯留部１２に貯められる。
【００２３】
貯留部１２は、気液分離部１１と同じ断面で円筒形状である。貯留部１２は、気液分部１１の重力方向の下方に配置される。貯留部１２には、側壁に排水管２３が設けられる。貯留部１２には気液分離部１１でアノードオフガスから分離された液水が貯められ、貯められた液水は排水管２３から外部に排出される。
【００２４】
入口管２１は、気液分離部１１の側壁に連接される。入口管２１は、図３（Ａ）に示すように上面からみたときに中心軸の延長線が気液分離部１１の断面中心を通るように配置される。入口管２１は、図３（Ｃ）に示すように側面からみたときに気液分離部１１の内部に向かって斜め下に傾斜して配置される。入口管２１の流路断面形状は出口管２２と同一断面で円形状である。入口管２１には、燃料電池システム１００のアノードオフガス還流通路１２３の上流側を流れるアノードオフガスが流れる。そしてアノードオフガスは入口管２１を通って気液分離部１１に流入する。
【００２５】
出口管２２は、気液分離部１１の側壁の内面に突き出るように形成される。出口管２２は、図３（Ａ）に示すように上面からみたときに中心軸の延長線が入口管２１の中心軸の延長線と気液分離部１１の断面中心で直交するように配置される。出口管２２は、図３（Ｂ）に示すように側面からみたときに気液分離部の内部に向かって斜め上に傾斜して配置される。出口管２２の流路断面積は、入口管２１の流路断面積と同じである。出口管２２は、気液分離部１１で液水を分離されたアノードオフガスを下流に流す。そして出口管２２を流れるアノードオフガスは、燃料電池システム１００のアノードオフガス還流通路１２３の下流側を流れる。
【００２６】
排水管２３は、貯留部１２の下方の側壁に連接される。排水管２３は、貯留部１２に貯まった水を外部に排水する。排水管２３は、燃料電池システム１００の排水通路１２４に連通する。
【００２７】
本実施形態の作用について説明する。入口管２１から気液分離部１１に流入したアノードオフガスは、液水を含んでいる。入口管２１から気液分離部１１に流れると流路断面積が拡大するのでアノードオフガスの流速が低速になる。よって、アノードオフガスは重力の影響を大きく受けることになる。気液分離部１１の内部を流れる間に重力によってアノードオフガスから液水が分離されて下方の貯留部１２に落ちる。そして気液分離部１１に残った、液水が取り除かれたアノードオフガスが出口管２２から流出する。貯留部１２に溜まる液水は排水管２３から適宜排水される。
【００２８】
このように本発明の気液分離装置１は、ガスの旋回流の遠心力によって気液分離するのではなく、重力によって気液分離する。
【００２９】
図４は、本実施形態の気液分離装置１の気液分離率を比較例の遠心式気液分離装置と比較した図である。横軸は、入口管２１から流入するアノードオフガスに含まれる液水量を示す。入口管２１から流入するアノードオフガスが多くなるほど、流入液水量は増える。縦軸は、前述した流入液水量に対して、気液分離部１１で分離されて貯留部１２に溜まった液水量の割合を示す。流入液水量に対する貯留液水量の割合が大きいほど気液分離率が高い。また、このとき双方の気液分離装置の気液分離部、入口管及び出口管は同じサイズのものとし、気液分離部に流入する流入液水量を変化させて気液分離率を測定する。
【００３０】
図４によると、本実施形態の重力式気液分離装置１は比較例の遠心式気液分離装置に比べて気液分離率が高い。そして流入液水量が増えると気液分離率は低下する傾向にある。比較例の遠心式気液分離装置は、流入液水量の増加に対する気液分離率の低下が著しい。これに対して本実施形態の重力式気液分離装置１は、流入液水量が増えても気液分離率の低下を若干に抑えられる。遠心式気液分離装置はガスの旋回流による遠心力を利用している。そして遠心力は質量の影響を受ける。一般に水素より水の密度が大きい。本実施形態のアノードオフガスの場合は、遠心力により液水が気液分離部１１の側壁側に集まって水素ガスが気液分離部１１の中心に集まることでアノードオフガスから液水が分離される。このため遠心式の場合は、流入するガス量に対して適度な気液分離部１１の容量が必要である。図４では一定容量の気液分離部１１に対して流入するガス量を増やしているので、ガス量が多くなると水素ガスと液水との分離率が低下する。そして重力式気液分離装置１は遠心力を利用せず、アノードオフガスの流速を気液分離部１１で減速させて重力によって水素ガスと液水とを分離する。このため一定容量の気液分離部１１に対して流入するガス量が増えると側壁に付着する液水量が増えることが考えられるが遠心式ほどの気液分離率の低下はない。
【００３１】
本実施形態によれば、入口管２１及び出口管２２を気液分離部１１の側壁に配置して遠心式ではなく重力式の気液分離方法を採用する。これにより流入液水量が多くても良好な気液分離率を保つことができる。
【００３２】
気液分離部１１は、入口管２１及び出口管２２に比べて流路断面積が大きい。このため気液分離部１１に流入したアノードオフガスの流速は低減されて重力の影響を受けやすくなる。流速が低減するほど重力によってアノードオフガスから分離される液水量が増えるので、気液分離率が向上する。
【００３３】
このとき入口管２１及び出口管２２は、気液分離部１１の側壁に設けられる。これにより本実施形態のように上下方向に厳しい空間制約があるような場合に、気液分離部１１の高さを空間の許容限界まで設定することが可能である。気液分離部１１の容量が大きいと気液分離率が向上する。このため空間制約がある中で最適な気液分離性能を得ることができる。
【００３４】
また入口管２１及び出口管２２は、互いの中心軸の延長線が直交する。これにより入口管２１及び出口管２２が向かい合わない。そして入口管２１から流入するアノードオフガスが気液分離部１１に滞留せず液水が分離されないままに出口管２２に流れるのを防止することができる。本実施形態では入口管２１及び出口管２２の互いの中心軸の延長線が直交しているが、鋭角を成すように交叉する場合も互いが向かい合わないので同様の効果が得られる。
【００３５】
さらに入口管２１及び出口管２２の中心軸の延長線はそれぞれ気液分離部１１の中心軸と交叉する。すなわち入口管２１及び出口管２２は気液分離部１１の内部中心に向かって配置される。これにより入口管２１から気液分離部１１の内部中心に向かって流入するアノードオフガスは、気液分離部１１の側壁の内面に到達するまでにその流速が低減する。このためアノードオフガスが気液分離部１１の側壁の内面に衝突して生じる乱流を防止することができる。また気液分離部１１の側壁の内面への液水付着も防止することができる。
【００３６】
また出口管２２は、気液分離部１１の側壁の内面に突き出して設けられる。これにより気液分離部１１の側壁の内面に付着した液水が側壁を伝って出口管２２から流出するのを防止することができる。また出口管２２を気液分離部１１において車両後方にあたる側壁に配置するとブレーキによる慣性力で貯留部１２の液水が車両前方に揺れて出口管２２から流出するのを防止することができる。
【００３７】
また入口管２１及び出口管２２を気液分離部１１の側壁に設けるので、車両の前後左右方向に流路が延びる。車両の前後左右方向は上下方向に比べてスペースに余裕がある。このため入口管２１及び出口管２２の流路を気液分離部１１の開口からある程度直線に設けることができる。これにより入口管２１及び出口管２２の開口付近の流路抵抗を小さくしてガスの流入及び流出をスムーズにすることができる。
【００３８】
また気液分離部１１と貯留部１２とは、同一断面の円筒形状とする。気液分離部１１と貯留部１２とはそれぞれの側壁の内面が連続する。また気液分離部１１と貯留部１２との間に介在するものはない。このため気液分離部１１で分離した液水が貯留部１２に落下する間、液水の落下を妨げるものはなく、分離した液水はほとんど貯留部１２に溜めることができる。よって気液分離部１１での気液分離性能を維持することができる。
【００３９】
以上の効果が得られることから、本実施形態において気液分離性能が向上する。
【００４０】
（第２実施形態）
図５は、本発明による気液分離装置１の第２実施形態を示す構造図である。図５（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。なお以下では前述した内容と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４１】
本実施形態では、第１実施形態から出口管２２の配置を変更する。図５（Ｂ）に示すように出口管２２を気液分離部１１の側壁に対して垂直に、すなわち地面に対して水平に配置する。また本実施形態の気液分離部１１の高さは、第１実施形態から低くなっている。気液分離部１１の高さは必要最低限とする。
【００４２】
本実施形態によれば、出口管２２を水平に配置する。このため出口管２２を上向きに配置する場合に比べて、出口管２２よりも上方の空間に流れるアノードオフガスから重力によって分離される液水が下方の貯留部１２に落下せずに出口管２２から流出するのを防ぐことができる。また出口管２２を下向きに配置する場合に比べて、出口管２２の下方に位置する貯留部１２に溜められる液水が車両の振動等により跳ねかえって気液分離部１１に戻るようなときに出口管２２からの液水の流出を防ぐことができる。特に本実施形態のように気液分離部１１の高さ制約が厳しく必要最低限の高さしか確保できない場合に出口管２２を水平に配置することは、上下方向からの出口管２２への液水の流入を防止するのに有効である。よって出口管２２への液水流入を防止するので、気液分離性能が向上する。
【００４３】
（第３実施形態）
図６は、本発明による気液分離装置１の第３実施形態を示す構造図である。図６（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００４４】
本実施形態では、第２実施形態から入口管２１の配置を変更する。図６（Ｃ）に示すように入口管２１を気液分離部１１の側壁に対して垂直に、すなわち地面に対して水平に配置する。さらに本実施形態では、入口管２１及び出口管２２をそれぞれの中心軸が気液分離部１１の高さを等分する位置となるように配置する。
【００４５】
本実施形態によれば、入口管２１を水平に配置する。このため入口管２１を上向きに配置する場合に比べて、入口管２１よりも上方の空間に流れるアノードオフガス量を低減することができる。また入口管２１を下向きに配置する場合に比べて、貯留部１２の液面に入口管２１からのアノードオフガスの流れが届くのを防止できるので、貯留部１２の液水の攪拌や飛散を防止することができる。さらに入口管２１の高さ方向の配置を気液分離部１１の高さの中間にするので、前述した入口管２１の上方空間に流れるアノードオフガス量の低減効果及び貯留部１２の液水の攪拌や飛散の防止効果をバランスよく得ることができる。また出口管２２も入口管２１と同様に高さ方向の配置を気液分離部１１の高さの中間にする。これにより出口管２２より上方で分離された液水の流入防止効果及び貯留部１２の液水の流入防止効果をバランスよく得ることができる。特に本実施形態のように気液分離部１１の高さが必要最低限しかない場合に、入口管２１及び出口管２２を本実施形態のような配置にすることは気液分離性能を保つのに有効である。言い換えると入口管２１及び出口管２２を気液分離部１１の上下方向の中間に水平に配置することで、気液分離部１１の容量に対する気液分離性能を向上させることができる。また気液分離性能が向上した分、気液分離部１１の必要高さを低くすることも可能となるので、気液分離装置１をコンパクト化できる。よって気液分離性能や車両搭載性が向上する。
【００４６】
（第４実施形態）
図７は、本発明による気液分離装置１の第４実施形態を示す構造図である。図７（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００４７】
本実施形態では、第３実施形態から入口管２１の流路断面積Ａｉと出口管２２の流路断面積Ａｏ及び突出量Ｌ０とを変更する。また出口管２２と気液分離部１１の側壁との間には側壁の内面に開口して溝１１ａが設けられる。さらに気液分離装置１の上面中央から上下方向に水位センサ３０が設けられる。
【００４８】
入口管２１の流路断面積Ａｉは、出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定する。出口管２２の流路断面積Ａｏは、気液分離部１１で液水を分離したアノードオフガスを流出するための必要最低限の断面積とする。出口管２２の突出量Ｌ０は、気液分離部１１の側壁の内面から水位センサ３０の測定管３１の壁面までの距離Ｌ１の半分とする。溝１１ａは、出口管２２の外周面に沿って形成される。水位センサ３０の測定管３１は気液分離部１１の天井から貫通して気液分離部１１を通り貯留部１２の液面の位置を測定する。
【００４９】
ここで気液分離部１１の側壁に設けられる溝１１ａ及び出口管２２について説明する。図８は、本実施形態の気液分離部１１の側壁に設けられる溝１１ａの周辺構造図である。図８（Ａ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面を気液分離部１１の部分だけ拡大した図である。図８（Ｂ）は、出口管２２の分解斜視図である。
【００５０】
溝１１ａは、出口管２２の外周面に沿って気液分離部１１の側壁に、側壁の内面に開口して形成される。出口管２２は、突出部２２ａと、側壁内部２２ｂと、ガス還流通路部２２ｃと、からなる。突出部２２ａは、気液分離部１１の側壁の内面から内部空間へ突出する。側壁内部２２ｂは、一端が突出部２２ａに連続して気液分離部１１の側壁を通って、他端がガス還流通路部２２ｃに連続する。側壁内部２２ｂとガス還流通路部２２ｃとは、互いの配管のフランジ部分でボルト結合される。ガス還流通路部２２ｃは、側壁内部２２ｂに直交して設けられ、前述した燃料電池システム１００のアノードオフガス還流通路１２３に接続する。溝１１ａは出口管２２の側壁内部２２ｂの外周面と、気液分離部１１の側壁との間に形成される。
【００５１】
また入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きくする。ここで入口管２１の流路断面積Ａｉと出口管２２の流路断面積Ａｏとの大小関係が気液分離率に及ぼす影響を説明する。図９は、本実施形態の気液分離装置における入口管及び出口管の流路断面積と気液分離率との関係図である。横軸の流入液水量及び縦軸の気液分離率は、図４で説明した通りそれぞれ入口管２１から流入するアノードオフガスに含まれる液水量と、流入液水量に対して気液分離部１１で分離されて貯留部１２に溜まった液水量の割合とを示す。そして入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定したときの流入液水量と気液分離率との関係をプロットして図中の三角で示す。同一流入液量のときに複数の三角印があるのは、入口管２１の流路断面積Ａｉと出口管２２の流路断面積Ａｏとの断面積の差を変えて測定しているからである。双方の断面積の差が大きくなるほど、気液分離率は高くなる。同様に入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも小さく設定したときの流入液水量と気液分離率との関係をプロットして図中のひし形で示す。このとき双方の断面積の差が大きくなるほど、気液分離率は低くなる。なお入口管２１の流路断面積Ａｉ及び出口管２２の流路断面積Ａｏを除いて他は同じ仕様とする。
【００５２】
図９によると、入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定するほうが、入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも小さく設定するときよりも気液分離率が高い。また入口管２１の流路断面積Ａｉが出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きい場合は、流路断面積の差が大きいほど気液分離率が上がる傾向にある。逆に入口管２１の流路断面積Ａｉが出口管２２の流路断面積Ａｏよりも小さい場合は、流路断面積の差が大きいほど気液分離率が下がる傾向にある。これらの傾向は、流入液水量が増えても変わらない。これは入口管２１の流路断面積Ａｉを大きく設定したほうが、気液分離部１１に流入するアノードオフガスの流速が低減し、液水が落下し易くなるためと考えられる。また出口管２２の流路断面積Ａｏは小さく設定したほうが、液水の流出を防止することができる。
【００５３】
本実施形態によれば、入口管２１の流路断面積Ａｉを出口管２２の流路断面積Ａｏよりも大きく設定する。これにより入口管２１から気液分離部１１に流入するアノードオフガスの流速が低減されるので、気液分離部１１で液水が分離しやすい。
【００５４】
また出口管２２の流路断面積Ａｏは、気液分離部１１で液水を分離したアノードオフガスを流出するための必要最低限の断面積とする。これにより出口管２２からの液水の流出を防止することができる。
【００５５】
また出口管２２の気液分離部１１の空間への突出量Ｌ０を気液分離部１１の側壁の内面から水位センサ３０の測定管３１までの距離Ｌ１の半分とする。すなわち出口管２２の突出量Ｌ０は、気液分離部１１の側壁の内面と、出口管２２を延長して最初に突きあたる壁面と、の間の距離の半分とする。これにより気液分離部１１の側壁の内面を伝って出口管２２から流出する液水量と、水位センサ３０の測定管３１の壁面に付着する液水の跳ねかえりによって出口管２２から流出する液水量と、をバランスよく抑制することができる。
【００５６】
さらに出口管２２の外周面に沿って気液分離部１１の側壁に、側壁の内面に開口して溝１１ａを形成する。これにより気液分離部１１の側壁の内面を伝う液水が出口管２２から流出しづらくなる。
【００５７】
以上の効果が得られることから、本実施形態ではさらに気液分離性能が向上する。
【００５８】
（第５実施形態）
図１０は、本発明による気液分離装置１の第５実施形態を示す構造図である。図１０（Ａ）は、上方から気液分離装置１の天井を透視した図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００５９】
本実施形態では、第４実施形態から貯留部１２の円筒の円断面積を気液分離部１１の円筒の円断面積よりも大きくする。
【００６０】
本実施形態によれば、貯留部１２の断面積を気液分離部１１の断面積よりも大きくする。本実施形態のように気液分離装置１を車両に搭載する場合には、車両の加速減速時には前後Ｇがかかりコーナリング時には横Ｇがかかるので、貯留部１２の液面が揺動する。このように貯留部１２の液水が偏っても、貯留部１２の側壁の内面は気液分離部１１の側壁の内面と連続しておらず、貯留部１２の液水が壁伝いに気液分離部１１に戻って出口管２２から流出するのを防止できる。また貯留部１２の断面積が気液分離部１１の断面積よりも大きいので、貯留部１２の液水が揺動して側壁にあたっても貯留部１２の天井を伝うにとどまる。よって貯留部１２の液水が気液分離部１１に戻るのを防止できるので、気液分離部１１の気液分離性能を維持することができる。
【００６１】
また本実施形態の気液分離部１１及び貯留部１２はそれぞれ均一断面の円筒形状であるが、均一断面でない場合は気液分離部１１と貯留部１２との境界において気液分離部１１の断面積よりも貯留部１２の断面積のほうが大きくなるようにすれば同様の効果が得られる。
【００６２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００６３】
例えば実施形態は燃料電池用の気液分離装置で説明をしたが、本発明の気液分離装置は燃料電池用に限らず適用することが可能である。例えば内燃機関においてブローバイガスから潤滑油を分離するブリーザ装置のような流体から液体を分離する装置に適用できる。また気液分離部及び貯留部の形状を同一断面の円筒形状としたがこれに限らない。円筒形状は加工しやすいのでコストが低い利点があるが、搭載スペースの制約等により直方体などにしてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１ 気液分離装置
１１ 気液分離部
１１ａ 溝
１２ 貯留部
２１ 入口管
２２ 出口管
２２ａ 突出部
２３ 排出管
３０ 水位センサ
３１ 測定管
１００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載する気液分離装置であって、
入口管と、
前記入口管を側壁に連設し、その入口管に比べて流路断面積を急拡大させて、その入口管から流入したガスから液体を分離する気液分離部と、
前記気液分離部の側壁の内面に突き出るように形成され、上方から気液分離部の天井を透視したときに、中心軸の延長線が前記入口管の中心軸の延長線と鋭角又は直角を成して交叉し、気液分離部で液体が分離されたガスを流出する出口管と、
を含む車両用気液分離装置。
【請求項２】
前記入口管は、燃料電池システムのアノードオフガス還流通路の上流側に接続され、
前記出口管は、燃料電池システムのアノードオフガス還流通路の下流側に接続され、
前記気液分離部は、アノードオフガス還流通路を流れるオフガスから液水を分離する、
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用気液分離装置。
【請求項３】
前記入口管及び前記出口管の中心軸の延長線は、それぞれ前記気液分離部の中心軸と交叉する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用気液分離装置。
【請求項４】
前記入口管は、水平に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項５】
前記出口管は、水平に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項６】
前記入口管及び前記出口管は、前記気液分離部の上下方向の中央に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項７】
前記出口管の外周には、前記気液分離部の側壁の内面に開口する溝が設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項８】
前記出口管は、前記気液分離部の側壁の内面から突き出る突出量を、内面から出口管を延長して最初に突き当たる壁面までの距離の略半分にする、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項９】
前記入口管の流路断面積は、前記出口管の流路断面積以上である、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項１０】
前記気液分離部の下方に設けられ、ガスから分離された液体を貯める貯留部を有し、
前記貯留部と前記気液分離部との境界において、貯留部の断面積は気液分離部の断面積以上である、
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項１】
車両に搭載する気液分離装置であって、
入口管と、
前記入口管を側壁に連設し、その入口管に比べて流路断面積を急拡大させて、その入口管から流入したガスから液体を分離する気液分離部と、
前記気液分離部の側壁の内面に突き出るように形成され、上方から気液分離部の天井を透視したときに、中心軸の延長線が前記入口管の中心軸の延長線と鋭角又は直角を成して交叉し、気液分離部で液体が分離されたガスを流出する出口管と、
を含む車両用気液分離装置。
【請求項２】
前記入口管は、燃料電池システムのアノードオフガス還流通路の上流側に接続され、
前記出口管は、燃料電池システムのアノードオフガス還流通路の下流側に接続され、
前記気液分離部は、アノードオフガス還流通路を流れるオフガスから液水を分離する、
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用気液分離装置。
【請求項３】
前記入口管及び前記出口管の中心軸の延長線は、それぞれ前記気液分離部の中心軸と交叉する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用気液分離装置。
【請求項４】
前記入口管は、水平に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項５】
前記出口管は、水平に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項６】
前記入口管及び前記出口管は、前記気液分離部の上下方向の中央に配置される、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項７】
前記出口管の外周には、前記気液分離部の側壁の内面に開口する溝が設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項８】
前記出口管は、前記気液分離部の側壁の内面から突き出る突出量を、内面から出口管を延長して最初に突き当たる壁面までの距離の略半分にする、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項９】
前記入口管の流路断面積は、前記出口管の流路断面積以上である、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【請求項１０】
前記気液分離部の下方に設けられ、ガスから分離された液体を貯める貯留部を有し、
前記貯留部と前記気液分離部との境界において、貯留部の断面積は気液分離部の断面積以上である、
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の車両用気液分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１６０３９（Ｐ２０１１−１６０３９Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６０６７７（Ｐ２００９−１６０６７７）
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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