JP2015079667A - 気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の傾斜時における気液分離器の貯水領域からの水の流出を抑制することができ、且つ、気液分離器における構造の複雑化を抑制することができる気液分離器を提供する。【解決手段】気液分離器１は、車両に搭載される燃料電池からの発電後の排気をケース４内に導入して水と分離し、その水をケース４内の最下部に位置する貯水領域１０に溜めてからケース４外に排出する。ケース４内には、車両の傾斜時における貯水領域１０からの水の流出を規制する堰１１が上方に向けて突出形成される。車両の傾斜時における貯水領域１０からの水の流出は、堰１１を上記水が乗り越えなければ実現しないため、その堰１１によって貯水領域１０からの上記水の流出が抑制される。また、この貯水領域１０からの水の流出抑制は、ケース４内における堰１１の上方に向けた突出形成だけで実現可能であるため、堰１１によって気液分離器１の構造が複雑化することはない。【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載される燃料電池用の気液分離器に関する。

燃料電池を搭載した車両には、その燃料電池からの発電後の排気に含まれる水を同排気から分離する気液分離器が設けられる。こうした気液分離器は、上記排気をケース内に導入して水と分離し、その水をケース内の最下部に位置する貯水領域からケース外に排出する。ただし、車両の傾斜時には、貯水領域に溜まった水がケース内の貯水領域以外の部分に流出するため、その水のケース外への排出に悪影響を及ぼすおそれがある。

このため、ケース内の貯水領域を、特許文献１に示すように吸水性を有する中敷部材で閉塞したり、特許文献２に示すように小径の連通孔が形成された仕切り板で閉塞したりすることにより、車両の傾斜時における貯水領域からの水の流出を抑制することが考えられる。このように車両の傾斜時における貯水領域からの水の流出を抑制すれば、その流出がケース外への水の排出に及ぼす悪影響を低く抑えることができる。

特開２０１０−２３４２８９公報 特開２００６−１２０５０３公報

特許文献１の中敷部材や特許文献２の仕切り板でケース内の貯水領域を閉塞することにより、車両の傾斜時における貯水領域からの水の流出を抑制することはできるものの、いずれの場合も上記中敷部材や上記仕切り板の形成及び設置に起因して気液分離器の構造が複雑になることは避けられない。

本発明の目的は、車両の傾斜時における貯水領域からの水の流出を抑制することができ、且つ、構造の複雑化を抑制することができる気液分離器を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する気液分離器は、車両に搭載される燃料電池からの発電後の排気をケース内に導入して水と分離し、その水を前記ケース内の最下部に位置する貯水領域に溜めてからケース外に排出する気液分離器において、前記ケース内に車両の傾斜時の前記貯水領域からの水の流出を規制する堰が上方に向けて突出形成されている。

上記構成によれば、車両の傾斜時に貯水領域内の水の同領域外への流出は、ケース内に上方に向けて突出形成された堰を上記水が乗り越えなければ実現しないため、その堰の形成によって貯水領域からの上記水の流出が抑制される。また、こうした貯水領域からの上記水の流出抑制がケース内における堰の突出形成だけで実現可能であるため、気液分離器の構造が複雑化することはない。

本発明によれば、車両の傾斜時における気液分離器の貯水領域からの水の流出を抑制することができ、且つ、気液分離器における構造の複雑化を抑制することができる。

車両に搭載される気液分離器及びその周辺を示す略図。 気液分離機器の内部構造を示す断面図。 車両の傾斜により気液分離器が傾斜した状態を示す断面図。

以下、気液分離器の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示す気液分離器１は、燃料電池２を搭載した自動車等の車両に設けられている。燃料電池２は負極活物資（水素等）と正極活物質（空気中の酸素等）とを反応させて発電を行う。そして、燃料電池２での上述した両物質の反応による発電後の排気が気液分離器１に送られる。

気液分離器１は、車両に搭載された燃料電池２からの発電後の排気が導入管３を介して導入されるケース４を備え、そのケース４内で排気に含まれる水を同排気から分離する。ケース４内で水と分離した排気には発電のために用いられていない水素等が含まれていることから、その排気はケース４から導出管５を介して燃料電池２に戻されて再び発電のために用いられる。また、ケース４には、排気と分離した上記水をケース４外に排出するための排水出口６が形成されている。更に、ケース４には、上記排水出口６を定期的（例えば一定時間毎に）に開閉するバルブ７が設けられている。

図２に示すように、気液分離器１のケース４には、上記排気をケース４内に導入するための排気入口８、及び、ケース４内で水と分離した排気を同ケース４外に導出するための排気出口９が、それぞれ必要な排気流通面積を確保した状態で形成されている。これら排気入口８及び排気出口９は、ケース４の上端ＵＴと下端ＬＴとの間に位置するように、且つ、ケース４に対する排気の出入り（導入・導出）が水平方向に行われるように形成されている。ちなみに、この例の気液分離器１では、排気入口８及び排気出口９が共にケース４の上端ＵＴの近くに位置するように形成されている。そして、排気入口８には導入管３（図１）が接続され、排気出口９には導出管５（図１）が接続される。

ケース４内の最下部は、排気と分離した水を溜める貯水領域１０となっている。貯水領域１０はケース４内の右端に位置しており、気液分離器１を車両に設けた状態のもとでは上記貯水領域１０が同車両の前方側に位置するようになる。また、貯水領域１０の下部には、その貯水領域１０に溜まった水をケース４外に水平方向に排出するよう上記排水出口６が形成されている。この排水出口６を開閉するための上記バルブ７は、ケース４の側面であって同ケース４の上端ＵＴと下端ＬＴとの間に位置している。そして、バルブ７は、その弁体７ａを前後方向（図中の左右方向）に変位させることにより、排水出口６を開閉する。

一方、気液分離器１を車両に設けた状態のもとでは、排気入口８が車両の後方側（図中左側）の端に位置する。すなわち、そのように排気入口８が位置するよう、車両の前後方向についての排気入口８の位置が定められている。また、ケース４内の下面における貯水領域１０と排気入口８との間に位置する部分には、車両の傾斜時における貯水領域１０からの水の流出を規制する堰１１が上方に向けて突出形成されている。なお、堰１１の上端には、例えば図中の二点鎖線で示すように庇１２を形成することも考えられる。この場合の庇１２は、堰１１の上端から車両の前方（図中右方）に向けて突出するように、言い換えれば貯水領域１０内の水面の上にさしかかるように形成される。

気液分離器１を車両に設けた状態のもとでは、排気出口９は、車両の前方寄り（図中右側）、且つ、堰１１の上端よりも上方、且つ、貯水領域１０の上方に位置する。すなわち、そのように排気出口９が位置するよう、車両の前後方向及び上下方向についての排気出口９の位置が定められている。また、排気出口９における下面９ａ、言い換えれば貯水領域１０の水面に向かい合う面は、車両が前後方向において傾斜したときに貯水領域１０の水面に対する平行状態に近づくよう傾斜している。ちなみに、この例における排気出口９の下面９ａは、車両が前上がりに傾斜したときに貯水領域１０の水面に対する平行状態に近づくよう傾斜している。すなわち、こうした傾斜が実現されるよう、下面９ａの水平面に対する傾斜角度θが定められている。

なお、図３は、車両が前上がりに傾斜したときの貯水領域１０の水面と排気出口９の下面９ａとの位置関係を示している。
次に、気液分離器１の作用について説明する。

燃料電池２（図１）からの排気は、図２に示す気液分離器１のケース４内に排気入口８を介して導入される。その排気入口８を介してケース４内に導入された排気は、ケース４内における各種の障害物を回り込みつつ貯水領域１０の上方に位置する排気出口９に向けて流れ、その際に排気中に含まれる水と分離される。こうして水と分離された排気は、排気出口９を介してケース４外に導出された後に燃料電池２（図１）に戻される。

また、図２の排気出口９を介してケース４外に導出される排気から分離した水は、自重により流れ落ちて貯水領域１０に溜まる。このように貯水領域１０に水が溜まった状態で、バルブ７の駆動を通じて排水出口６が開かれると、貯水領域１０の水が排水出口６を介してケース４外に排出される。

ここで、車両が前後方向において傾斜した場合、例えば車両が前上がりに傾斜した場合には、気液分離器１が図３に示すように傾斜する。このとき、仮に堰１１が存在しないとすると、貯水領域１０から水が流出してしまい、排水出口６の下端が貯水領域１０の水面よりも上に露出してしまうおそれがある。この場合、バルブ７の駆動を通じて排水出口６を開いても、その排水出口６からケース４外への水の排出を行うことが困難になる。

しかし、上述した車両の傾斜時における貯水領域１０からの水の流出は、ケース４内に上方に向けて突出形成された堰１１を上記水が乗り越えなければ実現しないため、その堰１１の形成によって貯水領域１０からの上記水の流出が抑制される。従って、上記車両の傾斜時に貯水領域１０からの水の流出により、排水出口６の下端が貯水領域１０の水面よりも上に露出してしまい、その排水出口６からケース４外への水の排出を行うことが困難になることを抑制できる。

なお、上述した貯水領域１０からの上記水の流出抑制については、ケース４内における堰１１の上方に向けた突出形成だけで実現可能であるため、その堰１１の形成に伴って気液分離器１の構造が複雑化することはない。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）車両の傾斜時における気液分離器１の貯水領域１０からの水の流出を抑制することができ、且つ、気液分離器１における構造の複雑化を抑制することができる。

（２）ケース４内の排気を同ケース４外に水平方向に排出する排気出口９が、貯水領域１０の上方、且つ、堰１１の上端よりも上方に形成されている。更に、排気出口９の下面９ａは、車両が前上がりに傾斜したときに貯水領域１０の水面に対する平行状態に近づくよう、水平方向（前後方向）に対し傾斜角度θをもって傾斜している。このため、車両が加速や登坂のために前上がりに傾斜したとき、堰１１によって水が留められる貯水領域１０の水面に対し、排気出口９の下面９ａが平行状態に近づき、それによって貯水領域１０の水面と排気出口９の下面９ａとの間の距離が可能な限り大きくされる。

ここで、燃料電池２の発電に基づき走行する電気車両に気液分離器１を設ける場合、加速や登坂などで車両の駆動力が大きくなるときに燃料電池２からの排気の流量が多くなるため、ケース４内での排気の流れが強くなって同排気による貯水領域１０の水の排気出口９への持ち去りが生じやすくなる。しかし、加速や登坂による車両の前上がりの傾斜時、上述したように貯水領域１０の水面と排気出口９の下面９ａとの間の距離が可能な限り大きくされるため、排気入口８からケース４内に導入された排気が排気出口９を介してケース４外に導出される際、その排気の流れによる貯水領域１０の水の排気出口９への持ち去りが生じにくくなる。

（３）気液分離器１は、燃料電池２からの排気に含まれる水を分離して保持するため、車両において燃料電池２よりも低い位置に設けられる。一方、車両が走行する路面と気液分離器１との干渉や同路面から気液分離器１に向けた飛び石を避けるべく、それらを実現するための空間を気液分離器１と上記路面との間に確保しておく必要もある。このため、車両における気液分離器１の設置可能なスペースは車両の上下方向に小さく限定されており、そうしたスペースに気液分離器１を設けることができるよう、同気液分離器１及びその周辺機器を上下方向にコンパクトにすることが望まれている。

こうした要望に対応するため、排水出口６は水を水平方向に流すようにケース４に形成されており、排気入口８及び排気出口９は排気を水平方向に流すようにケース４に形成されている。更に、それら排水出口６、排気入口８、及び排気出口９がそれぞれ、ケース４の上端ＵＴと下端ＬＴとの間に位置するようにケース４に形成されている。これにより、排水出口６に対応して設けられるバルブ７のケース４の下端ＬＴから下方へのはみ出しや、排気入口８及び排気出口９にそれぞれ接続される導入管３及び導出管５のケース４の上端ＵＴから上方へのはみ出しが可能な限り抑制される。その結果、気液分離器１及びその周辺機器を上下方向にコンパクトにすることができる。

（４）排水出口６を開閉するための上記バルブ７は、ケース４の側面であって同ケース４の上端ＵＴと下端ＬＴとの間に位置するように設けられる。このため、バルブ７がケース４の上端ＵＴと下端ＬＴとの間から上下方向に突出した状態となり、それが気液分離器１の上下方向についてのコンパクト化の妨げとなることを防止できる。

（５）堰１１の上端に貯水領域１０の水面の上方にさしかかる庇１２（図２の二点鎖線）を形成すれば、ケース４内における排気入口８から排気出口９に向かって排気が流れる際、その排気が貯水領域１０の水面を打って水しぶきが上がることを抑制でき、その水しぶきが排気の流れにより排気出口９に持ち去られることを抑制できる。また、車両が前上がりに傾斜したとき、貯水領域１０内の水の排気出口９に向かう流れを庇１２により効果的に規制することができる。

（６）貯水領域１０からの水の流出を規制するうえで、その水が隙間など少量でとどまる箇所は存在しない構造となるため、その少量でとどまる水が冬季に凍結するといった問題が生じることは抑制される。ちなみに、貯水領域１０のように、ある程度の水量がある箇所では、冬季であっても凍結することはない。このため、貯水領域１０の水が冬季に凍結することにより、その水をケース４外に排出できなくなることもない。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・堰１１については、車両の水平状態のもとで図２に示すように上方に突出する形状とする代わりに、車両が前上がりに傾斜した状態のもとで図３に二点鎖線で示すように上方に突出する形状としてもよい。

・庇１２については必ずしも設ける必要はない。
・バルブ７をケース４の下端ＬＴに対し下側にはみ出させてもよい。
・排水出口６については、そこからケース４外に排出される水の流れ方向が水平方向以外となるよう形成してもよい。

・排気入口８及び排気出口９については、そこを流れる排気の流れ方向が水平方向以外となるよう形成してもよい。
・排水出口６、排気入口８、及び排気出口９については、ケース４の上端ＵＴと下端ＬＴとの間から外れた位置にあってもよい。

・貯水領域１０が車両の後方側に位置するように気液分離器１を車両に設けてもよい。この場合、車両が前下がりに傾斜するとき、貯水領域１０からの水の流出が堰１１により規制される。また、このときの排気出口９の下面９ａは、車両が前下がりに傾斜するとき、堰１１によって水が留められる貯水領域１０の水面に対し平行状態に近づくよう水平方向（前後方向）に対し傾斜される。

・排気出口９の下面９ａは必ずしも水平方向に対し傾斜している必要はない。
・ケース４における排気出口９の形成位置は、貯水領域１０の上方以外の位置であってもよい。この場合の排気出口９の形成位置については、必ずしも堰１１の上端よりも上方である必要はない。

・ケース４における排気入口８の形成位置や排気出口９の形成位置を適宜変更してもよい。

１…気液分離器、２…燃料電池、３…導入管、４…ケース、５…導出管、６…排水出口、７…バルブ、７ａ…弁体、８…排気入口、９…排気出口、９ａ…下面、１０…貯水領域、１１…堰、１２…庇。

Claims (5)

1. 車両に搭載される燃料電池からの発電後の排気をケース内に導入して水と分離し、その水を前記ケース内の最下部に位置する貯水領域に溜めてからケース外に排出する気液分離器において、
   前記ケース内に車両の傾斜時の前記貯水領域からの水の流出を規制する堰が上方に向けて突出形成されていることを特徴とする気液分離器。
2. 前記ケース内で水と分離した排気を同ケース外に水平方向に導出して前記燃料電池に戻す排気出口が、前記ケースにおける前記貯水領域の上方、且つ、前記堰の上端よりも上方に形成されており、
   前記排気出口の下面は、車両が前後方向において傾斜したときに前記貯水領域の水面に対する平行状態に近づくよう傾斜している請求項１記載の気液分離器。
3. 前記ケースには、前記排気をケース内に水平方向に導入する排気入口、及び、前記貯水領域に溜まった水をケース外に水平方向に排出する排水出口が形成されており、
   前記排気入口、前記排気出口、及び前記排水出口はそれぞれ、前記ケースの上端と下端との間に位置している請求項２記載の気液分離器。
4. 前記排水出口を開閉するバルブが前記ケースの側面であって同ケースの上端と下端との間に位置するように設けられている請求項３記載の気液分離器。
5. 前記堰の上端には前記貯水領域の水面の上にさしかかる庇が形成されている請求項２〜４のいずれか一項に記載の気液分離器。