(57)【要約】【課題】  ガス流路系内に設置されるタンク内の水位を正確に把握し、排水時のガス混入を検出することができる気液分離器および燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】    ガス流路に設置される気液分離器１Ａであって、前記ガス流路内のガスから分離された液体を貯留するタンク１０と、タンク１０に貯留された液体を外部に排出する排水管１１と、排水管１１を開閉する排水弁１２と、タンク１０における前記ガスが存在する領域内の圧力（ガス圧Ｐ1）と底部側の圧力（水圧ＰH）との差圧ΔＰを検出する差圧検出手段を備えることを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路に設置される気液分離器であって、
前記ガス流路内のガスから分離された液体を貯留するタンクと、
前記タンクに貯留された液体を外部に排出する排水管と、
前記排水管を開閉する排水弁と、
前記タンクにおける前記ガスが存在する領域内の圧力と底部側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を備えることを特徴とする気液分離器。
【請求項２】
ガス流路に設置される気液分離器であって、
前記ガス流路系内のガスから分離された液体を貯留するタンクと、
前記タンクに貯留された液体を外部に排出する排水管と、
前記排水管を開閉する排水弁と、
前記排水管の前記排水弁より下流側の圧力と前記タンクの底部側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を備えることを特徴とする気液分離器。
【請求項３】
前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が閾値以下になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。
【請求項４】
前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が閾値以下になる状態をカウントし、所定回数以上になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。
【請求項５】
前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が閾値以下になる状態、または、閾値以上になる状態をカウントし、所定回数以上になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする請求項２に記載の気液分離器。
【請求項６】
前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が第１の閾値以下になる状態をカウントし、かつ、前記差圧が第２の閾値以上になる状態をカウントし、各カウントがそれぞれ所定回数以上になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする請求項２に記載の気液分離器。
【請求項７】
一対の電極の間に電解質を挟みこんで構成される燃料電池と、
この燃料電池から排出されるオフガスのガス流路に設置される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の気液分離器と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離器および燃料電池システムに関し、詳しくは、ガス流路内の結露水を除去するための気液分離器および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極（アノード極、カソード極）で挟み込んだセルを積層して構成される。この燃料電池を備えた燃料電池システムでは、アノード極に供給された水素（燃料ガス）が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がアノード極に向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソード極に移動し、カソード極に供給される酸素（酸化剤ガス）と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。
【０００３】
ところで、固体高分子電解質膜は、そのイオン透過性を保持すべく適度な湿度が必要とされるため、水素と酸素は適度に加湿された状態で燃料電池に供給される。このため、燃料電池からのオフガスは、固体高分子電解質膜に吸収されなかった水分や反応生成物である水分を多く含んでおり、このオフガスが冷却されると、ガス流路内で結露する。このように、ガス流路内に発生した水が、配管を伝って燃料電池に流れ込み、固体高分子膜に付着すると、燃料電池の発電効率が著しく低下する。
【０００４】
そこで、従来、ガス流路中に気液分離器を備えた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、配管内で水を凝結させて気液分離し、この水をタンクに貯留するもので、これにより、ガス流路内の水が燃料電池内に流入しないようになっている。そして、タンク内では、水位センサが水位を検出しており、所定の水位になったことを検出したら排水弁を開放し、所定時間が経過した時点で閉止する。これにより、タンク内には水が常に貯留されるように制御されるが、これは、排水弁が開放されたままタンク内が空になり、排水管からガスが排出されるのを防止するためである。従って、タンク内の水位の把握は重要であるとともに、ガスが排出された場合は、排出を最小限で抑える必要がある。
【特許文献１】特開２００２−１２４２９０号公報（段落００３９、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光学系を利用した水位センサでは、車載時の振動や傾斜、ガスが通流するときの水の巻上げなどによる波立ちによっても反応するため、水位を正確に検出するのが困難である。また、フロートを用いた水位センサでは、アノード系内で用いる場合、水素雰囲気下における耐久性および防爆処理を行うため、センサ自身が大きくなり、タンク内のスペース効率が極端に悪化し、気液分離器の性能にも影響を与えてしまう。
また、タンク底部の圧力から水位を検出する方法も考えられるが、燃料電池システムのガス流路内の圧力は発電量により時々刻々と変化するため、タンク底部のみの圧力を測定すると、その圧力値は系内の圧力に応じて変動し、正確な水位を検出することができない。さらに、排水中にガスが混入したか否かの判定はいずれも不可能である。
【０００６】
そこで、本発明は、ガス流路系内に設置されるタンク内の水位を正確に把握し、排水時のガス混入を検出することができる気液分離器および燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ガス流路に設置される気液分離器であって、前記ガス流路内のガスから分離された液体を貯留するタンクと、前記タンクに貯留された液体を外部に排出する排水管と、前記排水管を開閉する排水弁と、前記タンクにおける前記ガスが存在する領域内の圧力と底部側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ガスが存在する領域内の圧力（ガス圧）と底部側の圧力（水圧）との差圧を差圧検出手段で検出する。検出される差圧は、系内のガス圧が変化しても常に水位と対応するため、これにより、タンク内の正確な水位が把握される。また、ガスと液体の混合による圧力の乱れを検出することで、排水弁開放時のガス混入が検知される。
なお、底部側の圧力とは、タンク底部近傍の圧力（水圧）のほか、排水管内の圧力（水圧）等も含まれる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、ガス流路に設置される気液分離器であって、前記ガス流路系内のガスから分離された液体を貯留するタンクと、前記タンクに貯留された液体を外部に排出する排水管と、前記排水管を開閉する排水弁と、前記排水管の前記排水弁より下流側の圧力と前記タンクの底部側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、排水管の下流側の圧力（大気圧または水圧）と底部側の圧力（水圧）との差圧を差圧検出手段で検出する。検出される差圧において、ガスと液体の混合による圧力の乱れを検出することで、排水弁開放時のガス混入が検知される。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の気液分離器において、前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が閾値以下になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用に加え、排水弁を開放後、水位の低下により差圧が低下する。そして、差圧が閾値以下になったところで排水弁を閉止する。差圧は正確な水位に対応するため、所望の水位で排水弁が閉止される。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の気液分離器において、前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が閾値以下になる状態をカウントし、所定回数以上になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用に加え、排水弁を開放後、水位の低下に伴って、タンク内部のガスが混入し始める。このようにガスと液体が混合すると、その粘度の差による圧力の乱れが生じる。このとき、差圧は、水位の低下に伴って低下し、ガスが混入した時点で乱れを生じる。そして、制御部は、差圧が閾値以下になる状態を所定回数検出して排水弁を閉止する。これにより、ガスが混入した時点で排水弁が閉止される。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の気液分離器において、前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が閾値以下になる状態、または、閾値以上になる状態をカウントし、所定回数以上になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明による作用に加え、排水弁を開放後、水位の低下に伴って、タンク内部のガスが混入し始める。このようにガスと液体が混合すると、その粘度の差による圧力の乱れが生じる。このとき、差圧は、排水弁の開放後ある期間一定となり、その後、排水にガスが混入した時点で乱れを生じる。そして、制御部は、差圧が閾値以下、または閾値以上になる状態を所定回数検出して排水弁を閉止する。これにより、ガスが混入した時点で排水弁が閉止される。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の気液分離器において、前記排水弁の開閉を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記排水弁を開放した後、前記差圧が第１の閾値以下になる状態をカウントし、かつ、前記差圧が第２の閾値以上になる状態をカウントし、各カウントがそれぞれ所定回数以上になったとき前記排水弁を閉止するように制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明による作用に加え、排水弁を開放後、水位の低下に伴って、タンク内部のガスが混入し始める。このようにガスと液体が混合すると、その粘度の差による圧力の乱れが生じる。このとき、差圧は、排水弁の開放後ある期間一定となり、その後、排水にガスが混入した時点で乱れを生じる。そして、制御部は、差圧が第１の閾値以下になる状態を所定回数検出し、かつ、第２の閾値以上になる状態を所定回数検出した後、排水弁を閉止する。これにより、ガスが混入した状態が請求項５に記載の発明と比べてより正確に把握される。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、一対の電極の間に電解質を挟みこんで構成される燃料電池と、この燃料電池から排出されるオフガスのガス流路に設置される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の気液分離器と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明によれば、オフガス流路において、ガスが存在する領域内の圧力（ガス圧）と底部側の圧力（水圧）との差圧を差圧検出手段で検出する。検出される差圧は、系内のガス圧が変化しても常にタンク内の水位に対応するため、これにより、正確な水位が把握される。また、ガスと液体の混合による圧力の乱れを検出することで、排水弁開放時のガス混入が検知される。
なお、底部側の圧力とは、タンク底部近傍の圧力（水圧）のほか、排水管内の圧力（水圧）等も含まれる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る気液分離器および燃料電池システムによれば、差圧を検出することで、タンク内の水位を正確に把握することができる。これにより、傾斜、振動、波しぶき等による誤検知を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１の実施形態］
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明の特徴的部分である気液分離器の説明に先立って、この気液分離器が組み込まれた燃料電池システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【００２３】
（燃料電池システム）
本実施形態に係る燃料電池システムＳは電気自動車の動力源として利用されるもので、燃料電池スタック２、この燃料電池スタック２に燃料ガス（水素）を供給する水素タンク３、燃料電池スタック２に酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給するコンプレッサ４、水素を加湿する加湿器５、酸素を加湿する加湿器６、アノードオフガスを希釈して大気中に放出する希釈器７、アノードオフガス中の水を分離する気液分離器１Ａとを主に備えて構成される。
【００２４】
燃料電池スタック２は、一対の電極（アノード極、カソード極）の間に電解質である固体高分子電解質膜を挟んでなる単セル２ａ（燃料電池）を複数積層して構成される。この燃料電池スタック２のアノード極側の入口と水素タンク３とは、水素供給配管２０ａで接続されており、燃料電池スタック２のカソード極側の入口とコンプレッサ４とは、空気供給配管２０ｂで接続されている。水素供給配管２０ａには加湿器５が取り付けられており、水素は、加湿器５で適度に加湿された状態で、水素供給配管２０ａを通じてアノード極に供給される。また、空気供給配管２０ｂには加湿器６が取り付けられており、空気は、加湿器６で適度に加湿された状態で、空気供給配管２０ｂを通じてカソード極に供給される。これにより、アノード極で水素イオン化した水素は、固体高分子電解質膜を介してカソード極に移動し、単セル２ａで発電が行われる。なお、水素および空気を加湿するのは、固体高分子電解質膜のイオン透過性を保持するためである。
【００２５】
燃料電池スタック２のアノード極側の出口には、発電に使用されなかった水素を含むアノードオフガスを排出するための水素排出配管２０ｃが接続されている。この水素排出配管２０ｃには後記する気液分離器１Ａが取り付けられており、その下流側は水素循環用配管２０ｄとパージ水素配管２０ｅとに分岐している。水素循環用配管２０ｄは、アノードオフガスに含まれる水素を燃料電池スタック２での発電に再利用するためのもので、その先端は加湿器５の上流側の水素供給配管２０ａに接続されている。パージ水素配管２０ｅは、アノードオフガスに含まれる水素が水素循環用配管２０ｄを通じて循環使用されることによって、アノードオフガスに溜まっていく窒素等の不純物を排出するものである。パージ水素配管２０ｅの先端は希釈器７に接続されているとともに、このパージ水素配管２０ｅにはパージ弁３０ａが取り付けられている。このパージ弁３０ａが間欠的に開かれることによって、水素循環用配管２０ｄ内のアノードオフガスが不純物と共に希釈器７に向かって排出されることとなる。なお、パージ水素配管２０ｅを通じて排出されるアノードオフガスを以下、パージ水素という。
【００２６】
燃料電池スタック２のカソード極側の出口には、カソードオフガス（空気）を排出するための空気排出配管２０ｆが接続されており、この空気排出配管２０ｆの先端は、希釈器７に接続されている。これにより、カソードオフガス（空気）は空気排出配管２０ｆを通じて希釈器７に向かって排出される。そして、希釈器７は、パージ水素配管２０ｅを通じて排出されるパージ水素を、空気排出配管２０ｆを通じて排出されるカソードオフガス（空気）で希釈して大気中に放出する。
【００２７】
（気液分離器）
次に、第１の実施形態に係る気液分離器１Ａの詳細について説明する。図２は、気液分離器の構成図であり、（ａ）は気液分離器の構成図、（ｂ）は気液分離器の制御部のブロック図である。
図２（ａ）に示すように、気液分離器１Ａは、タンク１０と、排水管１１と、排水弁１２と、圧力センサ１３Ａ，１４Ａと、制御部１５（図２（ｂ）参照）とを備えている。
【００２８】
タンク１０は、燃料電池スタック２（図１参照）から排出されるアノードオフガスから水を分離し、この分離された水を貯留するためのものである。このタンク１０には、アノードオフガスをその内部に導き入れるためのオフガス導入管１０ａと、その内部からアノードオフガスを排出するためのオフガス排出管１０ｂとが取り付けられている。オフガス導入管１０ａは、図１に示す燃料電池スタック２側から延びた水素排出配管２０ｃ、つまり気液分離器１Ａの上流側の水素排出配管２０ｃに接続される。また、オフガス排出管１０ｂは、気液分離器１Ａの下流側の水素排出配管２０ｃに接続される。
【００２９】
排水管１１は、タンク１０に貯留された水を外部に排出するために設けられるもので、タンク１０の底部１０ｃ側の側面から横向きに延びている。また、この排水管１１には、排水管１１を開閉するための排水弁１２が取り付けられている。この排水弁１２が閉止されているときは、タンク１０内に水が貯留され、排水弁１２が開放されると、タンク１０内の水が排水管１１を通じて外部に排出される。
【００３０】
圧力センサ１３Ａ，１４Ａは、タンク１０内に貯留された水の水位Ｈを把握するためのものである。圧力センサ１３Ａは、タンク１０の底部１０ｃに設けられており、底部１０ｃにおける水圧ＰHを検出する。また、圧力センサ１４Ａは、タンク１０の上部１０ｄに設けられており、タンク１０内のガス圧Ｐ1を検出する。そして、各圧力センサ１３Ａ，１４Ａは検出値（ＰH，Ｐ1）を圧力信号に変換して、制御部１５（図２参照）にそれぞれ出力する。なお、圧力センサ１３Ａ，１４Ａは、［特許請求の範囲］の「差圧検出手段」に相当する。
【００３１】
次に、図２（ｂ）を参照して、制御部１５の機能について説明する。制御部１５は、差圧判定手段１６と、排水弁制御部１７とから構成されている。差圧判定手段１６は、圧力センサ１３Ａ，１４Ａから入力した圧力信号に基づいて、その差圧（ΔＰ＝ＰH−Ｐ1）を演算するとともに、その演算値を差圧信号に変換して排水弁制御部１７に出力する。また、排水弁制御部１７は、差圧判定手段１６から入力した差圧信号に基づいて水位Ｈを把握して、排水弁１２を開放するか否かを判断する。そして、開放する場合は、排水弁１２駆動回路（図示せず）に駆動信号を送信し、排水弁１２を開放する。なお、排水弁制御部１７が［特許請求の範囲］の「制御部」に相当する。
【００３２】
次に、図３を参照して（適宜図２を参照しながら）、差圧ΔＰとタンク１０内の水位Ｈの関係について説明する。図３は、差圧と水位の関係を示す図であり、（ａ）は差圧の挙動イメージ、（ｂ）は水位レベルのイメージを示す図である。なお、差圧ＰHＨｉ，ＰHＬｏｗは予め定められている値であり、水位Ｈが高レベルであるときの差圧ΔＰを差圧ＰHＨｉとし、水位Ｈが低レベルであるときの差圧ΔＰを差圧ＰHＬｏｗとする。
【００３３】
まず、図３（ａ）に示すように、（１）差圧ＰHＬｏｗが検出され、水位Ｈが低レベルになったことが把握されると、排水弁１２が閉止され、図３（ｂ）に示すように、タンク１０内に水が溜まり始める。そして、（２）時間の経過とともにタンク１０内で水位Ｈが上昇すると、水圧ＰHが高くなり、それに対応して差圧ΔＰも高くなる。その後、（３）差圧ＰHＨｉが検出され、水位Ｈが高レベルに達したことが把握されると、排水弁１２が開放されて、タンク１０から水が排出される。これにより、（４）タンク１０内の水位Ｈが低下すると、水圧ＰHが低くなり、それに対応して差圧ΔＰも低くなる。つまり、水圧ＰHだけを検出すると、アノードオフガスのガス圧Ｐ1の変動に対応してその値が変動するため、水位Ｈを把握することができないが、その差圧ΔＰを検出することで、ガス圧Ｐ1の変動にかかわらず正確な水位Ｈを把握することができる。それから、（５）排水弁１２を閉止することで、タンク１０内に水が溜まり始める。
【００３４】
次に、排水弁制御部１７の排水弁１２の制御方法について説明する。図４は、排水弁制御部の処理手順を示すフローチャートである。まず、最初は、排水弁１２は閉止されている（ステップＳ１）。そして、排水弁制御部１７は所定間隔（例えば１０ｍｓ）ごとに、差圧ΔＰが差圧ＰHＨｉを上回ったか否かを判定する（ステップＳ２）。その判定において、まだ差圧ΔＰが差圧ＰHＨｉに達していないと判定されると（ステップＳ２でＮｏ）、ステップＳ１に戻って、再度判定を実行する。一方、ステップＳ２の判定において、差圧ΔＰが差圧ＰHＨｉ以上になったと判定されると（ステップＳ２でＹｅｓ）、排水弁制御部１７は排水弁１２を開放する（ステップＳ３）。これにより、タンク１０内に水が充分に溜まった時点で、タンク１０内の水が排水管１１から排水される。そして、差圧ΔＰは、水位Ｈの低下とともに低下する。
【００３５】
その後、排水弁制御部１７は所定間隔ごとに、差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗを下回ったか否かを判定する（ステップＳ４）。その判定において、まだ差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗに達していないと判定されると（ステップＳ４でＮｏ）、ステップＳ３に戻って、再度判定を実行する。一方、ステップＳ４の判定において、差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗ以下になったと判定されると（ステップＳ４でＹｅｓ）、排水弁制御部１７は排水弁１２を閉止する（ステップＳ５）。これにより、タンク１０内が所望の水位Ｈ（低水位）まで低下した時点で排水を閉止し、タンク１０内に水を溜め始める。そして、差圧ΔＰは、水位Ｈの上昇とともに上昇する。
【００３６】
次に、図１を参照して、燃料電池システムＳの全体的な作用について説明する。図１に示すように、燃料電池システムＳにおいて、燃料電池スタック２では、水素タンク３から供給される水素と、コンプレッサ４から供給される酸素とを反応させ、発電させる。そして、燃料電池スタック２内で発電に使用されなかった水素（アノードオフガス）は、気液分離器１Ａで水を分離された後、水素循環用配管２０ｄを通じて、再び、燃料電池スタック２に供給される。このように、気液分離器１Ａで水を分離することで、各配管内の結露を防止し、配管（水素排出配管２０ｃ、水素循環用配管２０ｄ等）を伝って燃料電池スタック２内に水が流れ込むことを防止できる。これにより、燃料電池システムＳの良好な発電性能を維持することができる。なお、循環使用により窒素濃度が高まったアノードオフガスは、パージ水素配管２０ｅを通じて希釈器７に導入され、空気排出配管２０ｆを通じて導入される空気で希釈した後、大気中に放出される。
【００３７】
また、気液分離器１Ａにおいては、図２（ａ）に示すように、オフガス導入管１０ａから導入されたアノードオフガスに含まれる水が分離され、タンク１０に溜められる。タンク１０内の水位Ｈは、排水弁制御部１７（図２（ｂ）参照）によって差圧ΔＰと対応づけられて監視されており、水位Ｈが高レベルに達したと判定されると、排水弁１２が開放されて、タンク１０から排水する。これにより、タンク１０から水が溢れ、配管（水素排出配管２０ｃ等）を伝って、燃料電池スタック２内に水が流れ込むことを防止できる。また、水位Ｈが低レベルに達したと判定されると、排水弁１２が閉止されて、タンク１０に水を溜め始める。これにより、タンク１０内において、水が常に溜められている状態を実現できる。従って、排水弁１２が開放されたままタンク１０内が空になって、排水管１１からアノードオフガスが排出されるのを防止することができる。
【００３８】
以上によれば、本実施形態の気液分離器１Ａにおいて以下の効果を得ることができる。
気液分離器１Ａにおいて、タンク１０内の水位Ｈを差圧ΔＰに対応付けて把握することで、系内のガス圧Ｐ1の変化にかかわらず、正確な水位Ｈを把握することができる。これにより、従来の接触式の水位センサのように、タンク１０（車両）の傾斜、振動、または、タンク１０内の波しぶき等で反応するようなことがなく、水位Ｈの誤検知を防止することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る気液分離器について説明する。図５は、第２の実施形態に係る気液分離器の構成図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態に係る気液分離器１Ａの構成を一部変更したものであるので、同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。具体的には、第２の実施形態に係る気液分離器１Ｂでは、圧力センサ１３Ｂの取付位置と排水弁１２の制御方法が第１の実施形態と異なる。
【００４０】
図５に示すように、第２の実施形態に係る気液分離器１Ｂは、タンク１０と、排水管１１と、排水弁１２と、圧力センサ１３Ｂ，１４Ｂと、制御部１５（図２（ｂ）参照）とを備えている。
【００４１】
圧力センサ１３Ｂ，１４Ｂは、タンク１０内に貯留された水の水位Ｈを把握するためのものである。圧力センサ１３Ｂは、排水弁１２より上流側の排水管１１内部に設けられており、排水管１１内における水圧ＰHを検出する。また、圧力センサ１４Ｂは、タンク１０の上部１０ｄに設けられており、タンク１０内のガス圧Ｐ1を検出する。そして、各圧力センサ１３Ｂ，１４Ｂは検出値（ＰH，Ｐ1）を圧力信号に変換して、制御部１５（図２参照）にそれぞれ出力する。なお、圧力センサ１３Ｂ，１４Ｂは、［特許請求の範囲］の「差圧検出手段」に相当する。
【００４２】
次に、図６を参照して（適宜図２を参照しながら）、差圧ΔＰ（＝ＰH−Ｐ1）とタンク１０内の水位Ｈの関係について説明する。図６は、差圧と水位の関係を示す図であり、（ａ）は差圧の挙動イメージ、（ｂ）は水位レベルのイメージを示す図である。なお、差圧ＰHＨｉ，ＰHＬｏｗは予め定められている値であり、水位Ｈが高レベルであるときの差圧ΔＰを差圧ＰHＨｉとし、水位Ｈが低レベルであるときの差圧ΔＰを差圧ＰHＬｏｗとする。
【００４３】
まず、図６（ａ）に示すように、（１１）排水弁１２が閉止されると、図６（ｂ）に示すように、タンク１０内に水が溜まり始める。そして、（１２）時間の経過とともに、水位Ｈが上昇すると、水圧ＰＨが高くなり、それに対応して差圧ΔＰも高くなる。その後、（１３）差圧ＰHＨｉが検出され、水位Ｈが高レベルに達したことが把握されると、排水弁１２が開放されて、タンク１０から水が排出される（（１３）→（１８））。なお、このとき、（１４）で一時的に差圧ΔＰが低下するのは、排水時の大気開放による圧力低下のためである。また、（（１５）→（１６））では、タンク１０内の水位Ｈの低下に合わせて、水圧ＰHが低くなり、それに対応して差圧ＰHも低くなる。そして、（（１７）→（１８））では、排水にガスが混入し始めたことで、ガスと液体の粘度の差による圧力値（水圧ＰH）の乱れが生じるため、差圧ΔＰが乱れた状態で検出される。つまり、この乱れを検出することでガスの排出および排出時間を検出することができる。それから、（１８）排水弁１２を閉止することで、タンク１０内に再度水が溜まり始める。
【００４４】
次に、排水弁制御部１７（図２（ｂ）参照）の排水弁１２の制御方法について説明する。図７は、排水弁制御部の処理手順を示すフローチャートである。まず、最初は、排水弁１２は閉止されている（ステップＳ１１）。また、排水弁制御部１７は、ＣＴ＿Ｐｍｉｎ（差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗを下回った回数）を０にリセットする（ステップＳ１２）。そして、排水弁制御部１７は、所定間隔（例えば１０ｍｓ）ごとに、差圧ΔＰが差圧ＰHＨｉを上回ったか否かを判定する（ステップＳ１３）。その判定において、まだ差圧ΔＰが差圧ＰHＨｉに達していないと判定されると（ステップＳ１３でＮｏ）、ステップＳ１３の判定を所定間隔ごとに繰り返す。一方、ステップＳ１３の判定において、差圧ΔＰが差圧ＰHＨｉ以上になったと判定されると（ステップＳ１３でＹｅｓ）、排水弁制御部１７は排水弁１２を開放する（ステップＳ１４）。これにより、タンク１０内に水が充分に溜まった時点で、タンク１０内の水が排水管１１から排水される。そして、差圧ΔＰは、水位Ｈの低下とともに低下する。
【００４５】
その後、排水弁制御部１７は所定間隔ごとに、差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗを下回ったか否かを判定する（ステップＳ１５）。その判定において、まだ差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗに達していないと判定されると（ステップＳ１５でＮｏ）、ステップＳ１５の判定を所定間隔ごとに繰り返す。一方、ステップＳ１５の判定において、差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗ以下になったと判定されると（ステップＳ１５でＹｅｓ）、排水弁制御部１７はＣＴ＿Ｐｍｉｎが２回以上であるかを判定する（ステップＳ１６）。そして、ＣＴ＿Ｐｍｉｎが２回未満である場合は（ステップＳ１６でＮｏ）、ＣＴ＿Ｐｍｉｎを１回カウントし（ステップＳ１７）、その後、ステップＳ１５に戻って、その判定を繰り返す。また、ステップＳ１６において、ＣＴ＿Ｐｍｉｎが２回以上である場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、排水弁１２を閉止し（ステップＳ１８）、タンク１０内に水を溜め始める。このように、本実施形態では、差圧ΔＰが差圧ＰHＬｏｗを下回った回数をカウントすることで、排水にガスが混合したことを検出し、排水弁１２の閉止制御に利用している。
【００４６】
このような気液分離器１Ｂにおいては、タンク１０内の水位Ｈは、排水弁制御部１７（図２（ｂ）参照）によって差圧ΔＰと対応づけられて監視されており、水位Ｈが高レベルに達したと判定されると、排水弁１２が開放されて、タンク１０から排水する。これにより、タンク１０から水が溢れ、配管（図１、水素排出配管２０ｃ等）を伝って、燃料電池スタック２内に水が流れ込むことを防止できる。また、排水時に差圧ΔＰに乱れが生じ、排水にガスが混合したことが検出されると、排水弁１２が閉止されて、タンク１０に水を溜め始める。
【００４７】
以上によれば、本実施形態の気液分離器１Ｂにおいて以下の効果を得ることができる。
気液分離器１Ｂにおいて、タンク１０内の水位Ｈを差圧ΔＰに対応付けて把握することで、系内のガス圧Ｐ1の変化にかかわらず、正確な水位Ｈを把握することができる。これにより、従来の接触式の水位センサのように、タンク１０（車両）の傾斜、振動、または、タンク１０内の波しぶき等で反応するようなことがなく、水位Ｈの誤検知を防止することができる。また、差圧ΔＰに乱れが生じたことで、排水にガスが混合したことを把握し、排水弁１２を閉止することで、タンク１０からのガス（アノードオフガス）の流出を最小限に抑えることができる。
【００４８】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る気液分離器について説明する。図８は、第３の実施形態に係る気液分離器の構成図である。なお、本実施形態は、第２の実施形態に係る気液分離器１Ｂの構成を一部変更したものであるので、同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。具体的には、第３の実施形態に係る気液分離器１Ｃでは、圧力センサ１４Ｃの取付位置と排水弁１２の制御方法が第２の実施形態と異なる。
【００４９】
図８に示すように、第３の実施形態に係る気液分離器１Ｃは、タンク１０と、排水管１１と、排水弁１２と、圧力センサ１３Ｃ，１４Ｃと、制御部１５（図２（ｂ）参照）とを備えている。
【００５０】
圧力センサ１３Ｃ，１４Ｃは、排水時のガスの混入を検出するためのものである。圧力センサ１３Ｃは、排水弁１２より上流側の排水管１１内部に設けられており、排水管１１内における水圧ＰH1を検出する。また、圧力センサ１４Ｃは、排水弁１２より下流側の排水管１１内部に設けられており、その排水管１１内における圧力ＰH2を検出する。そして、各圧力センサ１３Ｃ，１４Ｃは検出値（ＰH1，ＰH2）を圧力信号に変換して、制御部１５（図２参照）にそれぞれ出力する。なお、圧力センサ１３Ｃ，１４Ｃは、［特許請求の範囲］の「差圧検出手段」に相当する。
【００５１】
次に、図９を参照して（適宜図２を参照しながら）、差圧ΔＰ（＝ＰH1−ＰH2）とタンク１０内の水位Ｈの関係について説明する。図９は、差圧と水位の関係を示す図であり、（ａ）は差圧の挙動イメージ、（ｂ）は水位レベルのイメージを示す図である。なお、差圧ΔＰＨ，ΔＰＬはハンチング（乱れ）判定するために予め定められている値であり、差圧ΔＰの上限閾値を差圧ΔＰＨとし、下限閾値を差圧ΔＰＬとする。
【００５２】
まず、図９（ａ）に示すように、（２１）排水弁１２が開放されると、タンク１０内から排水管１１を通じて水が排出され、差圧ΔＰが一気に低下する。そして、（２２）図９（ｂ）に示すように、タンク１０内の水位が低下する間、排水管１１内部に水が通流することで、排水管１１内部はいずれの部位も同じ水圧となり、差圧ΔＰが所定期間一定値になる。その後、（（２３）→（２４））排水にガスが混入し始めたことで、ガスと液体の粘度の差による圧力値の乱れが生じるため、差圧ΔＰが乱れた状態で検出される。つまり、このように、差圧ΔＰＨ，ΔＰＬを繰り返し跨ぐことを検出することで、ガスの排出及び排出時間を正確に検出することができる。それから、（２４）排水弁１２を閉止することで、タンク１０内に再度水が溜まり始める。
【００５３】
次に、排水弁制御部１７（図２（ｂ）参照）の排水弁１２の制御方法について説明する。図１０は、排水弁制御部の処理手順を示すフローチャートである。まず、最初は、排水弁１２を閉止し、ＴＭ（排水弁ＯＮ／ＯＦＦインターバルタイマー）を０にリセットする（ステップＳ２１）。排水弁制御部１７は、予め定められたＴＭＶＬＶ（排水弁ＯＮ／ＯＦＦインターバルタイマー設定値）をＴＭが上回ったか否かを監視し（ステップＳ２２）、まだ達していないと判定した場合は（ステップＳ２２でＮｏ）、ＴＭを１回カウントして（ステップＳ２３）、ステップＳ２２の処理を繰り返す。一方、ステップＳ２２の判定でＴＭが上回ったと判定されると（ステップＳ２２でＹｅｓ）、ＣＴ＿ＰＨ（差圧ΔＰが差圧ΔＰＨを上回った回数）およびＣＴ＿ＰＬ（差圧ΔＰが差圧ΔＰＬを下回った回数）を０にリセットする（ステップＳ２４）とともに、排水弁１２を開放する（ステップＳ２５）。
【００５４】
排水弁１２の解放後、排水弁制御部１７は、差圧ΔＰが差圧ΔＰＨを上回ったかを判定し（ステップＳ２６）、上回っている場合はＣＴ＿ＰＨを１回カウントし（ステップＳ２７）、ステップＳ２８に進む。一方、ステップＳ２６で差圧ΔＰが差圧ΔＰＨを上回っていない場合は（ステップＳ２６でＮｏ）、そのまま、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、差圧ΔＰが差圧ΔＰＬを下回ったか否かを判定し、下回っている場合はＣＴ＿ＰＬを１回カウントし（ステップＳ２９）、ステップＳ３０に進む。一方、ステップＳ２８で差圧ΔＰが差圧ΔＰＨを下回っていない場合は（ステップＮ２８でＮｏ）、そのまま、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、差圧ΔＰが差圧ΔＰＨを上回った回数が２回以上、かつ、差圧ΔＰが差圧ΔＰＬを下回った回数が２回以上であるかを判定し、条件を具備しない場合は（ステップＳ３０でＮｏ）、ステップＳ２６に戻って同じ処理を繰り返す。一方、ステップＳ３０の条件を具備する場合は（ステップＳ３０でＹｅｓ）、排水弁１２を閉止するとともに、ＴＭを０にリセットして（ステップＳ３１）、その処理を終了する。
【００５５】
以上によれば、本実施形態の気液分離器１Ｃにおいて以下の効果を得ることができる。
気液分離器１Ｃにおいて、差圧ΔＰが上限閾値（差圧ΔＰＨ）および下限閾値（差圧ΔＰＬ）を複数回跨ぐことで差圧ΔＰの乱れを検出する。これにより、第２の実施形態に係る気液分離器１Ｂと比べて、より正確に、排水にガスが混入したことを把握することができる。そして、排水弁１２を閉止することで、アノードオフガスの流出を最小限に抑えることができる。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更をして実施することができる。
【００５７】
例えば、気液分離器１Ａ，１Ｂ，１Ｃの形状等は限定されるものではなく、底部がテーパ状に傾斜していたり、排水管が底部に取り付けられていたりするものであってもよい。
【００５８】
また、気液分離器１Ａ，１Ｂ，１Ｃの取付場所は、水素排出配管２０ｃだけに限定されず、空気排出配管２０ｆ等であってもよい。また、Ｓ１６、Ｓ３０で差圧ΔＰが各閾値を超えた回数が何回カウントされたならば、排水弁を閉めるかという回数については、本発明においては、２回としているがこの回数は任意の値であり、適宜最適な回数を設定すればよい。
【００５９】
さらに、気液分離器１Ａ，１Ｂ，１Ｃがガスから分離するのは液体であればよく、水に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、気液分離器の構成図であり、（ａ）は気液分離器の構成図、（ｂ）は気液分離器の制御部のブロック図である。
【図３】差圧と水位の関係を示す図であり、（ａ）は差圧の挙動イメージ、（ｂ）は水位レベルのイメージを示す図である。
【図４】排水弁制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に係る気液分離器の構成図である。
【図６】差圧と水位の関係を示す図であり、（ａ）は差圧の挙動イメージ、（ｂ）は水位レベルのイメージを示す図である。
【図７】排水弁制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】第３の実施形態に係る気液分離器の構成図である。
【図９】差圧と水位の関係を示す図であり、（ａ）は差圧の挙動イメージ、（ｂ）は水位レベルのイメージを示す図である。
【図１０】排水弁制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  気液分離器
２      燃料電池スタック
１０    タンク
１０ｃ  底部
１０ｄ  上部
１１    排水管
１２    排水弁
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ  圧力センサ
１５    制御部
１６    差圧判定手段
１７    排水弁制御部
Ｈ      水位
Ｓ      燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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