(57)【要約】【課題】一般的に知られている遠心分離機構を採用した気液分離装置は大型であり、搭載スペースに厳しい制約がある自動車には不向きであった。【解決手段】車両に取り付けられる気液分離装置であって、一端の少なくとも一部が気液混合ガスを導入する導入口である直線状の筒状部と、筒状部のうち一端とは反対の他端に接続され、内部空間の断面積が筒状部側から連続的または段階的に減少する錐状部と、導入口が車両の進行方向に向かうように車両に取り付けるための取付部とを備え、筒状部は、気液混合ガスから分離された気体分を排出する気体排出口を側面に有し、錐状部は、気液混合ガスから分離された液体分を排出する液体排出口を頂部近傍に有する気液分離装置を提供する。【選択図】図２
2018047422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に取り付けられる気液分離装置であって、
一端の少なくとも一部が気液混合ガスを導入する導入口である直線状の筒状部と、
前記筒状部のうち前記一端とは反対の他端に接続され、内部空間の断面積が前記筒状部側から連続的または段階的に減少する錐状部と、
前記導入口が前記車両の進行方向に向かうように前記車両に取り付けるための取付部と
を備え、
前記筒状部は、前記気液混合ガスから分離された気体分を排出する気体排出口を側面に有し、
前記錐状部は、前記気液混合ガスから分離された液体分を排出する液体排出口を頂部近傍に有する気液分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスと液体が混合した状態で流動する混合ガスを取り込んで、ガスと液体を分離して排出する装置が多く知られている。例えば、冷凍装置内を循環する冷媒混合ガスを冷媒液と冷媒ガスに分離する気液分離装置が知られている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１９９６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近時、燃料電池車が知られるようになってきた。燃料電池で発生する水分は、燃料となる水素ガスと共に流通するが、この水分を排出し、水素ガスを回収するために気液分離装置を利用したい。しかし、特許文献１に開示されたような気液分離装置は、湾曲部を必須とする構造であり、装置としては大型化を免れなかった。また、一般的に知られている遠心分離機構を採用した気液分離装置も大型であり、搭載スペースに厳しい制約がある自動車には不向きであった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、乗用車に適した小型の気液分離装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様における気液分離装置は、車両に取り付けられる気液分離装置であって、一端の少なくとも一部が気液混合ガスを導入する導入口である直線状の筒状部と、筒状部のうち一端とは反対の他端に接続され、内部空間の断面積が筒状部側から連続的または段階的に減少する錐状部と、導入口が車両の進行方向に向かうように車両に取り付けるための取付部とを備え、筒状部は、気液混合ガスから分離された気体分を排出する気体排出口を側面に有し、錐状部は、気液混合ガスから分離された液体分を排出する液体排出口を頂部近傍に有する。
【０００６】
このような構成により、液体は直進して錐状部の頂部近傍に凝集して排出され、気体は圧損の大きい錐状部までは到達せずに筒状部の側面から排出される。すなわち、液体と気体が効率よく分離される。特に、気液分離装置は、車両の進行方向に沿って取り付けられるため、車両の加速に伴う慣性を利用することができ、より精度良く気液の分離を行うことができる。また、直線的で単純な構造であるので小型化しやすく、車両への搭載に有利である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、乗用車に適した小型の気液分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】車両に搭載された燃料電池システムの様子を示す概略図である。
【図２】気液分離装置の全体斜視図である。
【図３】気液分離装置の機能を説明するための断面図である。
【図４】他の例の気液分離装置を説明するための断面図である。
【図５】更に他の例の気液分離装置を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、車両９００に搭載された燃料電池システム９０１の様子を示す概略図である。燃料電池システム９０１は、図示するように、例えばフロント部に設けられたスペースに収容されている。車両９００は、燃料電池システム９０１から供給される電力によりモータが駆動されて走行する。
【００１１】
本実施例における燃料電池システム９０１は、主に燃料電池スタック９１０、接続部９２０、回収管９３０、排出管９４０および気液分離装置１００によって構成される。燃料電池スタック９１０は、水素タンクから水素を、大気中から酸素を取り込んで電力を発生させる。燃料電池スタック９１０で同時に生成される液水は、水素を含む循環ガス中に放散され、混合ガスとして接続部９２０を介して気液分離装置１００へ送出される。
【００１２】
詳しくは後述するが、気液分離装置１００は、接続部９２０から導入された混合ガスを、循環ガスと液水に分離し、循環ガスを回収管９３０へ、液水を排出管９４０へ排出する。回収管９３０は、燃料電池スタック９１０に接続されており、循環ガスに含まれる水素を更に燃料として利用する。排出管９４０は、車外に排出される排気エアの流路に接続されており、液水は、排出管９４０を通って排気エアと共に車外に排出される。
【００１３】
車両９００は、矢印で示すｘ軸プラス方向に前進する。詳しくは後述するが、気液分離装置１００は、車両９００の進行方向に沿って混合ガスが導入されるように、車両９００に取り付けられている。
【００１４】
図２は、気液分離装置１００の全体斜視図である。気液分離装置１００は、主に筒状部１１０、錐状部１２０および取付部１０１によって構成される。気液分離装置１００は、ステンレスなどの耐腐食性素材によって形成される。
【００１５】
筒状部１１０は、直進円筒形状を成す。筒状部１１０の一端は、混合ガスを導入する導入口１１１としての開口部が設けられている。導入口１１１は、閉塞された一端の一部が開口されるように設けられていても良い。導入口１１１は、接続部９２０の排出部に連通される。
【００１６】
筒状部１１０の円筒側面には、複数のガス排出口１１２が設けられている。ガス排出口１１２は、例えば打ち抜き加工により形成された孔である。混合ガスから分離された気体分である循環ガスは、ガス排出口１１２から排出されて回収管９３０に導かれる。なお、ガス排出口１１２は、穿孔によって形成されなくても良く、例えば金属メッシュが円筒側面に巻かれることによって形成されていても良い。また、ガス排出口１１２は、図では円筒側面の全周に亘って設けられているが、例えば燃料電池スタック９１０に対向する側面の一部に設けられていても良い。
【００１７】
錐状部１２０は、円錐形状を成す。具体的には、錐状部１２０は、筒状部１１０のうち導入口１１１が設けられた一端とは反対の他端側に接続され、筒状部１１０の内部空間と連続する錐状部１２０の内部空間の断面積が、筒状部側から連続的に減少するように形成されている。そして、その先端である頂部には、混合ガスから分離された液体分である液水を排出するための液体排出口１２２が設けられている。
【００１８】
錐状部１２０は、本実施例においては板材をプレスして円錐形状を形成するので外観形状も内部空間も円錐であるが、内部空間が円錐形状であれば良い。したがって、例えば柱状素材から内部を円錐状にくり抜いて錐状部１２０を形成しても良い。また、本実施例では、筒状部１１０と錐状部１２０を別々に形成して連結しているが、一体的に形成しても良い。
【００１９】
取付部１０１は、筒状部１１０と錐状部１２０の側面に１箇所ずつ設けられている。取付部１０１は、ビス孔１０１ａを備え、車両９００側から挿通されるビスによって車両９００に固定される。具体的には、取付部１０１は、気液分離装置１００の長手方向に沿って設けられており、気液分離装置１００の長手方向が車両９００の走行方向（ｘ軸方向）に沿うように車両９００に取り付けられる。このように取り付けられると、導入口１１１は、車両９００の進行方向であるｘプラス方向に向かって開口することになる。なお、取付部１０１は、図示するようなビス孔１０１ａによる取付部に限らず、車両９００の走行方向に沿って取り付けられるものであれば、他の様々な態様の取付部を採用し得る。
【００２０】
図３は、気液分離装置１００の機能を説明するための断面図である。なお、図３では取付部１０１を省略して示している。
【００２１】
導入口１１１から取り込まれた混合ガスは、筒状部１１０の内部を直進する。混合ガス中には、燃料電池スタック９１０で生成され発散された液水が、細分化された液滴８０１として浮遊している。このとき、混合ガス中の気体成分である循環ガスと、液体成分である液滴８０１との密度は２０００倍程度の差があり、それぞれに作用する慣性が大きく異なる。すなわち、液滴８０１は直進性が高く、錐状部１２０の頂部までまっすぐ進む。すなわち、液滴８０１は錐状部１２０の頂部で一旦液溜まりを形成する。
【００２２】
一方、循環ガスは圧損の大きい円錐内を進んで頂部まで到達することはなく、むしろ錐状部１２０で高まる圧力が壁となって、筒状部１１０の側面に設けられたガス排出口１１２へ逸れて逃げていく。錐状部１２０の頂部に形成された液溜まりは、循環ガスに押されて、先端に開口した液水排出口１２２から液水として飛散する。液水排出口１２２から飛散した液水は、液滴８０１よりも径の大きな液滴８０２となって、排出管９４０を下って車外に排出される。
【００２３】
更に説明すると、錐状部１２０の内部空間は、図示するように、筒状部１１０と接続された入り口では直径がＤ１の円形断面であるが、液水排出口１２２では直径がＤ１より小さいＤ２の円形断面である。すなわち、錐状部１２０の内部空間は、ｘ軸マイナス方向に向かって直線的に、その断面積の直径がＤ１からＤ２に連続的に変化するように狭まる漏斗状に形成されているので、液水は頂部で液溜まりを作りやすく、循環ガスは直進を阻まれる構造であると言える。特に、気液分離装置１００は、導入口１１１が進行方向に向かって開かれており、内部空間が直線状に形成されているので、車両走行時の加速度が液滴８０１に作用する慣性力を増大させて、液滴８０１がより直線的に錐状部１２０の頂部へ到達する。すなわち、車両走行時の加速度が、気液の分離性能を高めていると言える。
【００２４】
混合ガスに遠心力を作用させて気液を分離するタイプの従来からよく知られた気液分離装置は、混合ガスを巻回させる空間が必要であったので、小型化に適さなかった。しかし、本実施例にかかる気液分離装置１００のように全体として直線的な構造であれば、搭載スペースに厳しい制約がある自動車にも設置しやすい。
【００２５】
次に、気液分離装置１００の変形例として、いくつかの気液分離装置を説明する。図４は、他の例の気液分離装置２００を説明するための断面図である。気液分離装置２００を構成する各要素のうち、気液分離装置１００と同一の構成要素は同じ符番を付してその説明を省略する。
【００２６】
気液分離装置２００は、気液分離装置１００と、液水を排出する開口の位置が異なる。気液分離装置２００の液水排出口２２２は、気液分離装置１００の液水排出口１２２のように錐状部１２０の頂部先端に設けられているのではなく、頂部先端に近い位置に下向き（図においてｚ軸マイナス方向）に設けられている。このように、液水排出口２２２が下向きに設けられると、重力と車両９００の走行時における上下振動の作用により、液溜まりから液水が振り落とされる効果を期待できる。しかも、混合ガスの気体成分である循環ガスが液溜まりを走行方向（ｘ軸マイナス方向）に押圧する効果は気液分離装置１００と同様に期待できるので、液水は効率よく排出される。
【００２７】
気液分離装置１００であれ、気液分離装置２００であれ、液水を排出する開口（液水排出口１２２、２２２）は、錐状部１２０の頂部近傍に設けられている。したがって、漏斗状の絞り効果によってまとまった液溜まりが形成されやすく、混合ガスがその液溜まりを頂部に向かって押しつけるという効果が期待できる。これらの効果により、気液分離性能の向上と液水の円滑な排出が実現される。
【００２８】
図５は、更に他の例の気液分離装置３００を説明するための断面図である。気液分離装置３００を構成する各要素のうち、気液分離装置１００と同一の構成要素は同じ符番を付してその説明を省略する。
【００２９】
気液分離装置３００は、気液分離装置１００と共に用いる。具体的には、図示するように、気液分離装置１００と直列的に配列し、気液分離装置１００が排出した液水を導入して更に気液分離を実行する。気液分離装置１００が排出する液水は、循環ガスを気泡状に包含している場合があり、その気泡を循環ガスとして再利用するために、気液分離装置３００は、気液分離装置１００の後段に配列されている。より具体的には、気液分離装置３００は、気液分離装置１００の液水排出口１２２が導入口３１１の内側に若干入り込むように配置される。
【００３０】
また、気液分離装置３００の液水排出口３２２は、その開口径であるＤ３が気液分離装置１００の液水排出口１２２の開口径であるＤ２よりも大きく形成されている。これにより、比較的大きくなって飛散する液滴８０２を集めて効率的に排出することができる。
【００３１】
以上説明した各気液分離装置の錐状部１２０の内部空間は、断面積の直径が連続的に小さくなる漏斗状に形成されていたが、断面積の直径が段階的に小さくなる形状であっても良い。段階的に絞られた形状であっても、上述の効果と同様の効果を奏する。また、いずれの気液分離装置も、従来の気液分離装置と組み合わせて、より純度の高い混合ガスを排出させるように構成しても良い。
【００３２】
また、上述の実施例では、乗用車としての車両９００に搭載される燃料電池システム９０１に用いられる気液分離装置として説明したが、乗用車に限らず、車両一般に用いられる気液分離装置であって良い。また、水素を含む混合ガスや、生成される液体が水である場合に限らず、気体と液体が混合した気液混合ガスから気体分と液体分を分離する装置であれば良い。
【符号の説明】
【００３３】
１００、２００、３００  気液分離装置、１０１  取付部、１１０  筒状部、１１１、３１１  導入口、１１２  ガス排出口、１２０  錐状部、１２２、２２２、３２２  液水排出口、８０１、８０２  液滴、９００  車両、９０１  燃料電池システム、９１０  燃料電池スタック、９２０  接続部、９３０  回収管、９４０  排出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2018047422.tif 000006
【図５】
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