JP2020181773A - 気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流入量に応じて液体を良好に排出することで、結露水が生じても流路や排水弁の凍結を抑制することができる気液分離装置を提供する。【解決手段】気液分離装置１０は、ケース６６と、内部空間６８に連通する開口７５を介して分離した液体を排水する排水路７４ａとを備える。内部空間６８は、開口７５よりも低い位置に一時貯水空間９４を備えると共に、隔壁９６により、大空間９８と、一時貯水空間９４の少なくとも一部及び開口７５を有する小空間１００とに区画されている。隔壁９６は、クリアランス１０２を形成し、且つ流体の流入量の増加に伴って大空間９８と小空間１００との間に差圧が生じるように小空間１００を囲っている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに適用される気液分離装置に関する。

燃料電池システムは、反応ガス（アノードガス及びカソードガス）の反応により発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックに対し反応ガスの供給及び排出を行う反応ガス系装置とを有する。燃料電池スタックの発電時には、反応により生じる生成水が反応ガスに混じるため、反応ガスの排出経路には、反応ガスに含まれる水を分離する気液分離装置が設けられる。

例えば、特許文献１に開示の燃料電池システムは、アノードオフガスが排出されるオフガス流通路に、水素ガスと水に分離させる気液分離器（気液分離装置）を備える。この気液分離装置は、ケースの下部に水を流動させ、気液分離装置に連通する連通路（排水路）及び排水弁（パージ弁）を介して排出される。

特開２００９−２３１０７３号公報

ところで、この種の燃料電池システムは、低温環境下においてシステムを停止する際に、燃料電池スタックから水素ガス及び水を排出する掃気制御（ソーク）を行うことで、燃料電池スタック内の凍結を防止している。

しかしながら、掃気制御後に低温環境が続くと、温度が高い燃料電池と他の補機との間に温度差が生じて、気液分離装置内に結露が発生する。そのため、気液分離装置は、システム停止後の水（生成水の残水、結露水）がケースの下部から排水路やパージ弁に流入する。これにより低温環境により結露水が凍結すると、流路や排水弁が閉塞してしまう可能性があった。

本発明は、上記の気液分離装置の技術に関連するものであり、流体の流入量に応じて液体を良好に排出することで、結露水が生じても排水路等の凍結を抑制することができる気液分離装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、気体と液体が混じった流体を前記気体と前記液体に分離する内部空間を有するケースと、前記ケースに設けられ、前記内部空間に連通する開口を介して分離した液体を排水する排水路とを備える気液分離装置であって、前記内部空間は、前記開口よりも低い位置に一時貯水空間を備えると共に、前記ケース内に設けられた隔壁により、第１空間と、前記一時貯水空間の少なくとも一部及び前記開口を有する第２空間とに区画されており、前記隔壁は、前記第１空間と前記第２空間とを部分的に連通させるクリアランスを形成し、且つ前記流体の流入量の増加に伴って前記第１空間と前記第２空間との間に差圧が生じるように前記第２空間を囲っている。

上記の気液分離装置は、ケース内の隔壁がクリアランスを形成し、第１空間と第２空間の間に差圧が生じるように第２空間を区画していることで、流体の流入量に応じて液体を良好に排出することができる。すなわち、流体の流入量が少ない場合には、第２空間に貯留される液体が開口と同じ水位に達すると、排水路に液体を排水する。一方、流体の流入量が多くなった場合には、第１空間と第２空間の差圧によりクリアランスを通った流体が一時貯水空間の液体を押し上げて開口から排水路に液体を排水する。これにより、結露水が生じても一時貯水空間に結露水を充分に溜められるようになり、排水路等の凍結を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る気液分離装置を有する燃料電池システムのブロック図である。 気液分離装置の側面断面図である。 気液分離装置の排水機構部を拡大して示す断面斜視図である。 図４Ａは、図３のＩＶＡ−ＩＶＡ線断面図である。図４Ｂは、図３のＩＶＢ−ＩＶＢ線断面図である。 図５Ａは、燃料電池スタックの発電時における気液分離装置の生成水の排水を示す断面斜視図である。図５Ｂは、気液分離装置の生成水の排水を示す側面断面図である。 図６Ａは、燃料電池システムの掃気制御時における生成水の排水を示す断面斜視図である。図６Ｂは、気液分離装置の結露水の貯留を示す側面断面図である。 本発明の第２実施形態に係る気液分離装置の排水機構部を拡大して示す断面斜視図である。 図８Ａは、気液分離装置の掃気制御時における生成水の排水を示す側面断面図である。図８Ｂは、気液分離装置の結露水の貯留を示す側面断面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る気液分離装置１０は、図１に示すように、燃料電池車両１１（燃料電池自動車：以下、単に車両１１という）に搭載される車両１１の燃料電池システム１２に適用される。燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４、反応ガス系装置１５（アノード系装置１６、カソード系装置１８）、冷却装置２０及び制御装置２２（ＥＣＵ）を備える。

燃料電池スタック１４は、アノード系装置１６から供給されるアノードガス（水素ガス等の燃料ガス）と、カソード系装置１８から供給されるカソードガス（エア等の酸化剤ガス）との電気化学反応により発電する複数の発電セル２４を有する。複数の発電セル２４は、電極面を立位姿勢にして車両１１の車幅方向に沿って積層されている。なお、複数の発電セル２４は、車両１１の前後方向や重力方向に積層されていてもよい。

発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６（以下、「ＭＥＡ２６」という）と、ＭＥＡ２６を挟持する２つのセパレータ２８とで構成される。ＭＥＡ２６は、電解質膜３０（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜３０の一方の面に設けられたアノード電極３２と、電解質膜３０の他方の面に設けられたカソード電極３４とを有する。２つのセパレータ２８のうち一方は、アノード電極３２と対向し合う面にアノードガスを流動させるアノード流路３６を形成する。２つのセパレータ２８のうち他方は、カソード電極３４と対向し合う面にカソードガスを流動させるカソード流路３８を形成する。また、２つのセパレータ２８同士が対向し合う面は、冷媒を流動させる冷媒流路４０を形成する。

さらに、燃料電池スタック１４は、アノードガス、カソードガス及び冷媒を発電セル２４の積層方向に沿って流動させ、アノード流路３６、カソード流路３８及び冷媒流路４０に流通させる複数の連通孔（不図示）を備える。各連通孔は、燃料電池スタック１４に接続されるアノード系装置１６、カソード系装置１８及び冷却装置２０の配管に連通している。

カソード系装置１８は、配管として、燃料電池スタック１４にカソードガスを供給するカソード供給管４２と、燃料電池スタック１４で発電に使用されたカソードオフガスを排出するカソード排出管４４とを有する。また冷却装置２０は、配管として、燃料電池スタック１４に冷媒を供給する冷媒供給管４６と、燃料電池スタック１４から冷媒を排出する冷媒排出管４８とを有する。

アノード系装置１６は、配管として、燃料電池スタック１４にアノードガスを供給するアノード供給管５０と、燃料電池スタック１４で発電に使用されたアノードオフガスを排出するアノード排出管５２とを有する。また、アノード供給管５０とアノード排出管５２の間には、アノード排出管５２のアノードオフガスに含まれる水素ガス（アノードガス）をアノード供給管５０に戻すためのバイパス管５４が接続されている。

アノード系装置１６は、燃料電池スタック１４にアノードガスを供給するための補機として、アノード供給管５０の上流から下流に向かって順に、タンク５６、インジェクタ５８、エジェクタ６０を備える。タンク５６は、アノード供給管５０の一端に接続され、貯留しているアノードガス（高圧水素ガス）をアノード供給管５０に供給する。インジェクタ５８は、アノード供給管５０において上流側のアノードガスを所定の噴出圧で下流側に噴出する。エジェクタ６０は、インジェクタ５８から噴出したアノードガスの流動に基づき、バイパス管５４からアノードガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１４にアノードガスを供給する。

一方、アノード系装置１６は、燃料電池スタック１４からアノードオフガスを排出する補機としてアノード排出管５２に気液分離装置１０を備える。またアノード系装置１６は、気液分離装置１０にバイパス管５４を接続すると共に、パージ弁６２を介して排水管６４を接続している。この気液分離装置１０は、例えば、燃料電池スタック１４の車幅方向一端（発電セル２４の積層方向一端）に設置される。なお、本実施形態に係る気液分離装置１０は、アノード系装置１６の他の箇所やカソード系装置１８（反応ガス系装置１５）に適用されてもよい。

図２に示すように、気液分離装置１０は、内部空間６８を有するケース６６（構造体）を備える。気液分離装置１０は、内部空間６８においてアノードオフガス（流体）に含まれる発電に使用されていない未反応の水素ガス（気体）と、燃料電池スタック１４の発電で生じた生成水（液体）とを分離する。

なお、以下では、図２中に記載の矢印方向に基づき気液分離装置１０の各構成の位置及び方向を説明していく。この場合、矢印Ａ方向は、車両１１の前後方向（車長方向）に一致し、矢印Ｂ方向は車両１１の上下方向（重力方向）に一致し、矢印Ｃ方向は車両１１の左右方向（車幅方向）に一致する。

ケース６６は、矢印Ａ方向且つ矢印Ｂ方向からなる２次元面において所定形状を呈する一方で、この２次元面に直交する厚み方向（矢印Ｃ方向）に比較的薄い立体形状に形成されている。詳細には、ケース６６の２次元面の全体的な外形は、前端から後側（矢印Ａ２側）に向かって重力方向上側（矢印Ｂ１側）に湾曲して延びる略円弧状（略Ｌ字状）に形成されている。なお、ケース６６の形状は、特に限定されず、種々の形状を適用可能である。

また、ケース６６には、アノード排出管５２が接続される流入ポート７０、バイパス管５４が接続される排気ポート７２、及びパージ弁６２が接続される排水ポート７４が設けられている。

流入ポート７０は、ケース６６の側部（矢印Ａ１側）に設けられている。流入ポート７０は、内部空間６８に連通してアノード排出管５２から内部空間６８にアノードオフガスを流入させる流入路７０ａを有する。なお、燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に複数のアノード排出管５２を接続し、気液分離装置１０に設けられた複数の流入ポート７０に対して各アノード排出管５２が接続される構成でもよい。

排気ポート７２は、ケース６６の上部（矢印Ｂ１側）に設けられている。排気ポート７２は、内部空間６８に連通して内部空間６８からバイパス管５４に水素ガスを流出させる排気路７２ａを有する。

排水ポート７４は、ケース６６の下部（矢印Ｂ２側）に設けられた排水機構部７６（後記の底壁８４内）に設けられている。排水ポート７４の背面側にはパージ弁６２が取り付けられており、排水ポート７４は、内部空間６８とケース６６の外部とを連通する排水路７４ａを介してパージ弁６２に水を流出させる。パージ弁６２は、制御装置２２の制御下に開閉し、燃料電池スタック１４の発電時や掃気時に気液分離装置１０から水を排出する。

以上のケース６６の内部空間６８は、アノード排出管５２（流入ポート７０）から流入したアノードオフガスを矢印Ａ２側且つ矢印Ｂ１側に向かって流動させることで、流動中に水素ガスと生成水に分離させる。そして、内部空間６８は、バイパス管５４（排気ポート７２）に水素ガスを排出する一方で、排水ポート７４を通してパージ弁６２に分離した生成水を排出する。

内部空間６８は、ケース６６の外形に略一致する形状に形成され、またアノードオフガスの流動中に水素ガスと生成水を分離する適宜の分離構造を有する。例えばケース６６は、図２中において２点鎖線で示すように、２次元平面における内部空間６８の略中間位置を延在するように仕切り壁７８を備え、仕切り壁７８により内部空間６８の下側を２つの空間に仕切るように構成することができる。この仕切り壁７８は、水素ガスを上方向に流動させつつ、流動時に付着した水を重力方向下側に誘導する。なお、分離構造は、仕切り壁７８に限らず、アノードオフガスを蛇行させて流動させるラビリンス構造等が適用されてもよい。

また図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、排水機構部７６は、ケース６６内で排水ポート７４の形成箇所（矢印Ｂ２側）に設けられ、アノードオフガスの流動経路に対してケース６６自体を矢印Ｂ２側に向かって突出させることで構成されている。具体的には、ケース６６の突出部分６７は、側面断面視で、前壁８０、後壁８２、底壁８４を有する方形状を呈している。前壁８０及び後壁８２は、流入ポート７０が設けられる基部壁８６から下方向に短く突出し、底壁８４は、この前壁８０及び後壁８２の下端を塞いでいる。なお図示は省略するが、突出部分６７の車幅方向（矢印Ｃ方向）の一対の側壁も、前壁８０及び後壁８２と同様に下方向に突出している。

突出部分６７の底壁８４は、パージ弁６２が取り付けられる基礎壁８８と、基礎壁８８から重力方向下側に傾斜する傾斜内壁９０とを有する。基礎壁８８は矢印Ｃ１側（右側）に位置する一方で、傾斜内壁９０は矢印Ｃ２側（左側）に位置する。

さらに、基礎壁８８は、重力方向上側に隆起する隆起部９２を備える。隆起部９２の突出端は水平方向に延在する平坦面９２ａに形成され、この平坦面９２ａには排水路７４ａの開口７５が形成されている。すなわち、底壁８４は、傾斜内壁９０と隆起部９２とを備えることで、開口７５よりも低い空間部分（一時貯水空間９４）を突出部分６７内に形成している。

一時貯水空間９４は、生成水を貯留すると共に、後述する掃気後の結露水を貯留する。この一時貯水空間９４は、ケース６６の一方（矢印Ｃ２側）の側壁と傾斜内壁９０とにより三角形状に形成されている。傾斜内壁９０とケース６６の側壁との連結箇所は、一時貯水空間９４の谷部９０ａ（後記の小空間１００の最下端）となっている。

また、隆起部９２は、排水路７４ａの開口７５を一時貯水空間９４よりも高い位置に配置させる。隆起部９２は、下部に対し上部（平坦面９２ａ）が小さい四角錐状の台形に形成され、この台形内を排水路７４ａが貫通している。平坦面９２ａの四方の周囲は、基礎壁８８から平坦面９２ａに向かって傾斜する土手面９２ｂに形成されている。

また、ケース６６は、突出部分６７の内側に箱状の隔壁９６を備えることで、排水機構部７６の空間を他の空間から区画している。つまり、本実施形態に係る内部空間６８は、ケース６６内の隔壁９６により、内部空間６８の大部分を構成する大空間９８（第１空間）と、大空間９８の重力方向下側で排水機構部７６の空間を構成する小空間１００（第２空間）とに分かれている。

隔壁９６は、前壁８０の近傍位置に形成される前側部９６ａ、後壁８２の近傍位置に形成される後側部９６ｂ、及び前側部９６ａと後側部９６ｂの上端を連結する天井部９６ｃを有し、側面断面視でコ字状を形成している。前側部９６ａ、後側部９６ｂ及び天井部９６ｃの各々は、突出部分６７の一対の側壁に連結している。

天井部９６ｃは、ケース６６内で、アノード排出管５２が接続される流入ポート７０よりも低い位置（重力方向下側位置）で平坦状に形成されている。また、天井部９６ｃは、排水路７４ａの開口７５に対向して、水平方向（矢印Ａ方向且つ矢印Ｃ方向）に延在している。

一方、前側部９６ａと後側部９６ｂは、小空間１００を挟んで互いに対称形状に形成されている。前側部９６ａと後側部９６ｂの下縁部９７は、ケース６６の底壁８４に対応する形状で、且つケース６６の底壁８４に対し一定の間隔からなるクリアランス１０２を形成する。すなわち、前側部９６ａ及び後側部９６ｂの下縁部９７は、基礎壁８８の位置で、クリアランス１０２の分だけ離間して矢印Ｃ方向に延在する基礎壁対向縁９７ａを有する。また前側部９６ａと後側部９６ｂは、傾斜内壁９０の位置で、クリアランス１０２の分だけ離間して矢印Ｃ２側且つ矢印Ｂ２側に傾斜する傾斜内壁対向縁９７ｂを有する。

なお、本実施形態に係る気液分離装置１０は、矢印Ａ方向に沿った側面断面視で、排水路７４ａの開口７５を、前側部９６ａと後側部９６ｂで挟んだ小空間１００の矢印Ａ方向中央に設定している。また気液分離装置１０は、矢印Ｃ方向に沿った側面断面視で、排水路７４ａの開口７５を、矢印Ｃ１側でクリアランス１０２よりも高い位置に設定している。

上記のように構成される排水機構部７６（隔壁９６）内の小空間１００は、クリアランス１０２を介して大空間９８に連通する。そのため大空間９８の水は、隔壁９６（前側部９６ａ、後側部９６ｂ）の下側のクリアランス１０２から小空間１００に導かれる。

この排水機構部７６は、クリアランス１０２以外の小空間１００の周囲（殆どの部分）を隔壁９６により囲っていることで、アノード排出管５２からのカソードオフガスの流入量の増加に伴い、大空間９８と小空間１００との間に差圧（圧力差）を生じさせる。そして、差圧が高まると圧力損失によりクリアランス１０２を通過する断面積が必要となることで、排水機構部７６は、一時貯水空間９４に存在する生成水を開口７５に運ぶ圧力を発生させる。これにより、排水機構部７６は、一時貯水空間９４の生成水を開口７５の高さまで容易に押し上げることができる。

特に、クリアランス１０２の最下端は、一時貯水空間９４の谷部９０ａを臨んでいる。このため排水機構部７６は、アノードオフガスを谷部９０ａにも流動させて、谷部９０ａの生成水を押し上げることができる。

本実施形態に係る気液分離装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１２は、制御装置２２の制御下に、アノード系装置１６のアノード供給管５０から燃料電池スタック１４にアノードガスを供給し、カソード系装置１８のカソード供給管４２から燃料電池スタック１４にカソードガスを供給する。これにより燃料電池スタック１４内では、各発電セル２４のアノード電極３２にアノードガスが供給される一方で、各発電セル２４のカソード電極３４にカソードガスが供給され、各発電セル２４が発電を行う。また、制御装置２２は、燃料電池スタック１４の発電時に、冷却装置２０を動作して冷媒を循環させ、燃料電池スタック１４の冷却を行う。

燃料電池スタック１４は、発電時に、アノード系装置１６のアノード排出管５２にアノードオフガスを排出し、カソード系装置１８のカソード排出管４４にカソードオフガスを排出する。アノード排出管５２に排出されたアノードオフガスは、下流側の気液分離装置１０に流動して、気液分離装置１０内で水素ガスと水（生成部位）に分離する。そして気液分離装置１０の水素ガスは、エジェクタ６０の吸引に基づきバイパス管５４に流動し、アノード供給管５０に供給される。

また、燃料電池システム１２は、制御装置２２の制御下にパージ弁６２を開放することで、発電時やシステム停止時に、気液分離装置１０の水を排水管６４に排水させる。

ここで、燃料電池スタック１４の発電時には、アノードオフガスが内部空間６８に連続的に流入するものの単位時間当たりの流入量が少ない。この場合、排水機構部７６は、大空間９８と小空間１００の差圧が小さい。そのため図５Ａ及び図５Ｂに示すように、内部空間６８で分離した生成水は、クリアランス１０２から小空間１００に流れ込むと、一時貯水空間９４を含む小空間１００内に貯留されていく。そして、生成水は、小空間１００内で開口７５よりも高い水位になると、開口７５に流れ込み、排水路７４ａを介してパージ弁６２及び排水管６４に排水される。

一方、燃料電池システム１２は、発電の停止時に、車両１１の温度センサ１０４（図１参照）による検出温度等に基づき、制御装置２２において車両１１が低温環境下にあることを判別すると、燃料電池スタック１４の掃気制御を実施する。掃気制御において、アノード系装置１６は、燃料電池スタック１４に水素ガスを多量に供給することで、アノード流路３６に存在する水を燃料電池スタック１４から排出させて、燃料電池スタック１４内の凍結を抑制する。このため、アノード排出管５２には発電時のアノードオフガスに対して生成水の混合量が少ないアノードオフガスが多量に排出され、このアノードオフガスが気液分離装置１０に流入する。

そして図６Ａに示すように、気液分離装置１０の排水機構部７６は、単位時間当たりのアノードオフガスの流入量の増加に応じて、大空間９８と小空間１００との間に大きな差圧を生じさせる。これにより、クリアランス１０２から小空間１００に向かう力（圧力）が、一時貯水空間９４に残存している生成水にもかかることになり、一時貯水空間９４の生成水が小空間１００内の上方に流動する。また、排水機構部７６の底壁８４は、傾斜内壁９０及び隆起部９２（土手面９２ｂ）により開口７５に至るまで傾斜しており、生成水を開口７５にスムーズに導くことができる。従って、気液分離装置１０は、掃気制御において、一時貯水空間９４の生成水を排出することができる。その結果、掃気制御後は、一時貯水空間９４に、生成水が殆どない状態となる。

燃料電池システム１２は、システムの停止後（掃気制御後）に、低温環境が続くことで結露が生じる。特に、燃料電池システム１２は燃料電池スタック１４と補機類との温度差が発生し易いため、補機の中でも燃料電池スタック１４の近くで連通している気液分離装置１０内に結露水が蓄積し易い。

上記したように、気液分離装置１０は、掃気制御によって一時貯水空間９４から生成水を排出した状態となっている。このため図６Ｂに示すように、気液分離装置１０に結露水が生じても、一時貯水空間９４に結露水を溜めることが可能となる。従って、小空間１００において溜まった結露水は、排水機構部７６の傾斜内壁９０や隆起部９２を越えることがなく、開口７５への流入が抑制される。その結果、結露水が排水路７４ａやパージ弁６２で凍結することがなくなり、凍結による排水路７４ａの閉塞を回避することが可能となる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、気液分離装置１０は、開口７５よりも重力方向下側に一時貯水空間９４を有していればよく、一時貯水空間９４の形状やクリアランス１０２の形状は特に限定されるものではない。例えば、気液分離装置１０は、開口７５を有する面（基礎壁８８又は隆起部９２）と、一時貯水空間９４との間に直角な段差（壁）を備えた構成でもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る気液分離装置１０Ａについて、図７、図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明する。なお、以降の説明において、上記の実施形態と同じ構成又は同じ機能を有する要素には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る気液分離装置１０Ａは、排水機構部７６Ａとして、ケース６６が三角形状の底壁１１０を備え、この底壁１１０との間に小空間１００を形成する覆い部１１２（隔壁）を設けた点で、第１実施形態の気液分離装置１０と異なる。

具体的には、底壁１１０は、矢印Ａ方向に沿った側面断面視で、重力方向下側に突出する最下端を挟んで一対の傾斜内壁１１４を有する。また、最下端の上部（内部空間６８側）には、一対の傾斜内壁１１４が構成する谷部分から突出するように隆起部１１６が設けられている。

隆起部１１６は、水平方向に延びる平坦面１１６ａと、平坦面１１６ａの両側辺に連なり外側に向かって下方に傾斜する一対の土手面１１６ｂとを有する。また底壁１１０及び隆起部１１６の内部には、ケース６６（頂部）の厚さ方向（矢印Ｂ方向）に貫通するように排水路７４ａが設けられ、平坦面１１６ａに排水路７４ａの開口７５が設けられている。一対の土手面１１６ｂは、平坦面１１６ａを挟んで相互に対称をなし、平坦面１１６ａに対し適宜の鈍角を形成している。

覆い部１１２は、一対の傾斜内壁１１４の下部及び隆起部１１６を覆いつつ、底壁１１０との間（重力方向下側）に小空間１００を形成する。このため、覆い部１１２は、側面断面視で、上記の底壁１１０の形状に対応したＷ字状に形成されている。なお、覆い部１１２は、本実施形態においてケース６６と別部材で構成されているが、ケース６６に一体成形された構成でもよい。

詳細には、覆い部１１２は、傾斜内壁１１４に対向する一対の外側傾斜天井部１１８と、一対の外側傾斜天井部１１８の内側に連なり一対の土手面１１６ｂに対向する一対の内側傾斜天井部１２０と、一対の内側傾斜天井部１２０の内側に連なり突出端面に対向する中央天井部１２２とを有する。各外側傾斜天井部１１８、各内側傾斜天井部１２０及び中央天井部１２２は、それぞれ底壁１１０から一定の間隔だけ離間して小空間１００を形成している。

一対の外側傾斜天井部１１８は、覆い部１１２を底壁１１０に固定するための側部１２４をそれぞれ有する。一対の側部１２４は、各外側傾斜天井部１１８の外側寄りに形成されている。各側部１２４は、各外側傾斜天井部１１８から下方向に突出する脚部１２６を矢印Ｃ方向に複数並設して構成される。隣り合う脚部１２６同士の間には、クリアランス１２８が形成されている。

クリアランス１２８は、一対の傾斜内壁１１４の最下端が形成する谷部１１４ａよりも高い位置にあるものの、一対の傾斜内壁１１４に沿って谷部１１４ａを臨むように設けられている。このクリアランス１２８は、一対の側部１２４の矢印Ａ方向内側に形成される小空間１００に、気液分離装置１０Ａの水を流動させる。

上記の底壁１１０と覆い部１１２は、側面断面視で、開口７５を挟んで対称形状に形成されている。これにより、底壁１１０と覆い部１１２の間の小空間１００も対称形状（側面断面視でＷ字状）に形成される。この小空間１００は、矢印Ａ方向の中央部において排水路７４ａの開口７５に連通している。

また小空間１００には、底壁１１０及び覆い部１１２の形状により開口７５よりも低い箇所に一時貯水空間１３０が形成されている。一時貯水空間１３０は、底壁１１０における一対の傾斜内壁１１４及び隆起部１１６の土手面１１６ｂと、覆い部１１２における一対の外側傾斜天井部１１８及び一対の内側傾斜天井部１２０とにより、所定の（結露水を貯留可能な）容積に設定される。

第２実施形態に係る気液分離装置１０Ａは、以上のように構成され、この場合でも第１実施形態に係る気液分離装置１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、燃料電池システム１２による燃料電池スタック１４の発電時には、気液分離装置１０Ａ内でアノードオフガスが水素ガスと生成水に分離すると、生成水が小空間１００に向かって流動する。小空間１００では、生成水の水位が隆起部１１６の平坦面１１６ａを越えることに基づき、開口７５から排水路７４ａに生成水を排水する。

その一方で、燃料電池システム１２の停止時に掃気制御を実施した際に、気液分離装置１０Ａは、アノードオフガスの流入量の増加に伴い、大空間９８と、底壁１１０と覆い部１１２を形成した小空間１００との間に大きな差圧を生じさせる。このため、気液分離装置１０Ａは、一時貯水空間１３０の生成水を開口７５に導く圧力を小空間１００にかける。つまりクリアランス１２８から一時貯水空間１３０にアノードオフガスが流入して、一時貯水空間１３０の生成水が開口７５に排水される。従って、気液分離装置１０Ａも、内部空間６８に結露水が生じた場合に、この結露水を一時貯水空間１３０に溜めて、排水路７４ａやパージ弁６２への結露水の流動を抑制することが可能となる。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

本発明の一態様は、気体（水素ガス）と液体（生成水）が混じった流体（アノードオフガス）を気体と液体に分離する内部空間６８を有するケース６６と、ケース６６に設けられ、内部空間６８に連通する開口７５を介して分離した液体を排水する排水路７４ａとを備える気液分離装置１０、１０Ａであって、内部空間６８は、開口７５よりも低い位置に一時貯水空間９４、１３０を備えると共に、ケース６６内に設けられた隔壁９６（又は覆い部１１２）により、第１空間（大空間９８）と、一時貯水空間９４、１３０の少なくとも一部及び開口７５を有する第２空間（小空間１００）とに区画されており、隔壁９６は、第１空間と第２空間とを部分的に連通させるクリアランス１０２、１２８を形成し、且つ流体の流入量の増加に伴って第１空間と第２空間との間に差圧が生じるように第２空間を囲っている。

上記によれば、気液分離装置１０、１０Ａは、ケース６６内の隔壁９６がクリアランス１０２、１２８を形成し、第１空間と第２空間の間に差圧が生じるように第２空間を区画していることで、流体の流入量に応じて液体を良好に排出することができる。すなわち、流体の流入量が少ない場合には、第２空間に貯留される液体が開口７５と同じ水位に達すると、排水路７４ａに液体を排水する。一方、流体の流入量が多くなった場合には、第１空間と第２空間の差圧によりクリアランス１０２を通った流体が一時貯水空間９４、１３０の液体を押し上げて開口７５から排水路７４ａに液体を排水する。これにより、結露水が生じても一時貯水空間９４、１３０に結露水を充分に溜められるようになり、排水路７４ａやパージ弁６２の凍結を抑制することができる。

また、ケース６６は、第２空間（小空間１００）の下側を構成する底壁８４、１１０を有し、底壁８４、１１０は、開口７５を有し水平方向に延在する平坦面９２ａ、１１６ａと、開口７５の近傍位置において傾斜する土手面９２ｂ、１１６ｂとを有する。これにより、気液分離装置１０、１０Ａは、クリアランス１０２から流体が入り込んだ際に土手面９２ｂ、１１６ｂを介して一時貯水空間９４、１３０の液体を開口７５にスムーズに流動させることができる。

また、底壁１１０は、土手面９２ｂ、１１６ｂよりも低い位置又は土手面９２ｂ、１１６ｂの水平方向の位置で傾斜していることで、一時貯水空間９４、１３０を構成する傾斜内壁９０、１１４を有する。これにより、気液分離装置１０、１０Ａは、結露水を充分に貯留可能な容積の一時貯水空間９４、１３０を形成しつつ、傾斜内壁９０、１１４によって液体をスムーズに流動させることができる。

また、傾斜内壁９０、１１４の最下端は、一時貯水空間９４、１３０の谷部９０ａ、１１４ａを形成し、クリアランス１０２、１２８は、谷部９０ａ、１１４ａを臨んでいる。これにより、気液分離装置１０、１０Ａは、クリアランス１０２、１２８を介して液体が溜まる谷部９０ａ、１１４ａにも流体を導くことができ、一時貯水空間９４、１３０の液体を一層良好に排出することができる。

また、隔壁９６は、開口７５に対向する天井部９６ｃと、天井部９６ｃから底壁８４に向かって突出する側部（前側部９６ａ、後側部９６ｂ）とを有し、クリアランス１０２は、側部の下縁部９７と、底壁１１０との間に形成されている。気液分離装置１０は、天井部９６ｃ及び側部を有する隔壁９６により第２空間（小空間１００）の容積を適切に確保しつつ、下縁部９７と底壁８４との間に形成されたクリアランス１０２を介して第２空間内に流体を導くことができる。

また、クリアランス１０２は、側部の下縁部９７の延在方向に沿って一定の間隔で設けられている。これにより、第２空間（小空間１００）には、下縁部９７の延在方向に沿って延在するクリアランス１０２全体から流体を流入して、液体を一層安定的に排水することができる。

また、隔壁（覆い部１１２）は、開口７５に対向する天井部（外側傾斜天井部１１８、内側傾斜天井部１２０、中央天井部１２２）と、底壁１１０と天井部の間に設けられる複数の脚部１２６とを備え、クリアランス１０２は、隣り合う脚部１２６同士の間に形成されている。天井部９６ｃ及び脚部１２６を有する覆い部１１２は、第２空間の容積を小さく形成し、且つ脚部１２６同士の間に形成されたクリアランス１２８を介して第２空間内に流体を導くことができる。

また、隔壁（覆い部１１２）及び底壁１１０は、側面断面視で、開口７５を挟んで対称形状に形成されている。これにより、気液分離装置１０Ａは、側面断面視で対称形状をなす覆い部１１２の両側のクリアランス１２８から第２空間（小空間１００）に流体を導くことが可能となり、液体の排水を迅速に行うことができる。

また、隔壁９６（又は覆い部１１２）は、ケース６６内で、流体が内部空間６８に流入する流入ポート７０よりも低い位置に設けられている。これにより、気液分離装置１０、１０Ａは、流体の流入を安定的に実施させつつ、隔壁９６（又は覆い部１１２）による流体の排水効果を確実に得ることができる。

１０、１０Ａ…気液分離装置 １２…燃料電池システム
６６…ケース ６８…内部空間
７０…流入ポート ７４…排水ポート
７４ａ…排水路 ７５…開口
８４、１１０…底壁 ９０、１１４…傾斜内壁
９０ａ、１１４ａ…谷部 ９２ａ、１１６ａ…平坦面
９２ｂ、１１６ｂ…土手面 ９４、１３０…一時貯水空間
９６…隔壁 ９６ａ…前側部
９６ｂ…後側部 ９６ｃ…天井部
９７…下縁部 ９８…大空間
１００…小空間 １０２、１２８…クリアランス
１１２…覆い部 １２６…脚部

Claims (9)

1. 気体と液体が混じった流体を前記気体と前記液体に分離する内部空間を有するケースと、
   前記ケースに設けられ、前記内部空間に連通する開口を介して分離した前記液体を排水する排水路とを備える気液分離装置であって、
   前記内部空間は、前記開口よりも低い位置に一時貯水空間を備えると共に、前記ケース内に設けられた隔壁により、第１空間と、前記一時貯水空間の少なくとも一部及び前記開口を有する第２空間とに区画されており、
   前記隔壁は、前記第１空間と前記第２空間とを部分的に連通させるクリアランスを形成し、且つ前記流体の流入量の増加に伴って前記第１空間と前記第２空間との間に差圧が生じるように前記第２空間を囲っている
   気液分離装置。
2. 請求項１記載の気液分離装置において、
   前記ケースは、前記第２空間の下側を構成する底壁を有し、
   前記底壁は、前記開口を有し水平方向に延在する平坦面と、前記開口の近傍位置において傾斜する土手面とを有する
   気液分離装置。
3. 請求項２記載の気液分離装置において、
   前記底壁は、前記土手面よりも低い位置又は前記土手面の水平方向の位置で傾斜していることで、前記一時貯水空間を構成する傾斜内壁を有する
   気液分離装置。
4. 請求項３記載の気液分離装置において、
   前記傾斜内壁の最下端は、前記一時貯水空間の谷部を形成し、
   前記クリアランスは、前記谷部を臨んでいる
   気液分離装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の気液分離装置において、
   前記隔壁は、前記開口に対向する天井部と、前記天井部から前記底壁に向かって突出する側部とを有し、
   前記クリアランスは、前記側部の下縁部と、前記底壁との間に形成されている
   気液分離装置。
6. 請求項５記載の気液分離装置において、
   前記クリアランスは、前記側部の下縁部の延在方向に沿って一定の間隔で設けられている
   気液分離装置。
7. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の気液分離装置において、
   前記隔壁は、前記開口に対向する天井部と、前記底壁と前記天井部の間に設けられる複数の脚部とを備え、
   前記クリアランスは、隣り合う脚部同士の間に形成されている
   気液分離装置。
8. 請求項７記載の気液分離装置において、
   前記隔壁及び前記底壁は、側面断面視で、前記開口を挟んで対称形状に形成されている
   気液分離装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の気液分離装置において、
   前記隔壁は、前記ケース内で、前記流体が前記内部空間に流入する流入ポートよりも低い位置に設けられている
   気液分離装置。

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