(57)【要約】【課題】あらゆる方向に傾いても、長期間高効率で気液分離が可能な気液分離装置並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の気液分離装置は、重力差によって、気液混合流体を気体と液体５０２に分離する気液分離容器１０１を含む。この気液分離容器１０１は、導入管１０５と、排気管１０６と、排液管１０２とを備える。排気管１０６は、気液混合流体から分離された気体を吸い込むための吸気口１０８を先端部に有する吸気管１０７を備え、吸気管１０７の吸気口１０８は、気液分離容器１０１の中央部に配置されている。排液管１０２は、気液混合流体から分離された液体５０２を吸い込むための吸水口１０９を先端部に有する、可撓性を有する吸水管１０３を備え、吸水管１０３の吸水口１０９の近傍には、吸水管１０３の吸水口１０９を気液分離容器１０１内で重力方向に移動させる錘１０４が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と液体の重力差によって、気体と液体とを含む気液混合流体を気体と液体に分離する気液分離容器を含む気液分離装置であって、
前記気液分離容器は、
気液混合流体を前記気液分離容器の外部から内部に導入する導入管と、
前記気液混合流体から分離された気体を前記気液分離容器の内部から外部に排出する排気管と、
前記気液混合流体から分離された液体を前記気液分離容器の内部から外部に排出する排液管とを備えており、
前記排気管は、前記気液混合流体から分離された気体を吸い込むための吸気口を先端部に有する吸気管を備え、
前記吸気管の前記吸気口は、前記気液分離容器の中央部に配置され、
前記排液管は、前記気液混合流体から分離された液体を吸い込むための吸水口を先端部に有する、可撓性を有する吸水管を備え、
前記吸水管の前記吸水口の近傍には、前記吸水管の前記吸水口を前記気液分離容器内で重力方向に移動させる錘が設けられていることを特徴とする気液分離装置。
【請求項２】
前記気液分離容器内で前記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部をさらに含む、請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項３】
前記液体回収部は、
前記気液分離容器の前記排液管から排出された液体を収容する液体回収容器と、
前記気液分離容器の前記排液管と前記液体回収容器との間に配置され、前記気液分離容器の前記排液管から排出された液体が逆流しないように前記液体回収容器に送液するポンプとを含む請求項２に記載の気液分離装置。
【請求項４】
前記気液分離容器の前記排液管、及び、前記吸水口の近傍に錘が設けられた前記吸水管を２つ以上有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項５】
前記気液分離容器の形状は、半球状、卵型、または楕円半球状である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項６】
水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の気液分離装置を備えたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
前記気液分離装置により分離した液体を、前記水素発生材料に供給する水として利用する請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池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、気液混合流体を気体と液体に分離する気液分離装置、並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、室温から１００℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度化が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。
【０００３】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、電解質層としての水素イオン伝導性高分子電解質膜と、その両面に配された触媒層と、さらにその両面に配されたガス拡散層とからなる多孔質の電極基材で構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有している。
【０００４】
固体高分子型燃料電池に用いる燃料としては、水素、エタノールなどが提案され、種々開発が行われているが、高エネルギー密度化が可能な点で、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池が期待されている。
【０００５】
固体高分子型燃料電池の燃料として用いられる水素を製造する方法としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛などの水素発生物質を含む水素発生材料と水とを化学反応させて水素を発生させる方法が知られている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器に水を供給し、水素発生材料収容容器において水素発生材料と水とを反応させて水素を発生させ、発生した水素を水素発生材料収容容器に設けられた水素排出管を通じて燃料電池に供給する水素製造装置が記載されている。ところが、水素発生材料と水との反応の際には、水蒸気や未反応の水などの水分が水素と共に水素排出管へ排出されてしまうことがある。水素排出管を介して水素と共に水が燃料電池に供給されると、燃料電池の出力低下などの問題が生じる虞がある。そこで、特許文献１では、液体と気体との混合物（気液混合流体）を、気液の重力差により、気体と液体に分離する気液分離部を、上記水素排出管の途中に設置することで、燃料電池に供給される水素を含む気体中の液体成分量を減少させている。しかし、気液分離部が傾くと、水素と水とを分離できなくなる場合があり、このような場合の対応策については特許文献１には何ら提案されていない。
【０００７】
これに対し、例えば、特許文献２では、気液分離容器の気体用排出管の開口部に気体のみを通過させる気体抽出膜と、一端が液体用排出管に連結され、他端の近傍に錘が設けられたチューブとを用いることで、気液分離容器を傾けた状態でも気体と液体とを分離し排出できる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１０５９２６号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に記載の方法では、気液分離容器の内部に埃やゴミが混入した場合、埃やゴミが、気液混合流体から分離された液体と共に気液分離容器内に蓄積し、特に長期間の使用においては、気体抽出膜に付着し、気液分離効率が低下する虞がある。また、気液分離容器内に貯留する液体が増した場合、気液分離容器の内圧が上昇し、気体抽出膜の耐圧を超える圧力となる虞がある。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、あらゆる方向に傾いても、長期間高効率で気液分離が可能な気液分離装置並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の気液分離装置は、気体と液体の重力差によって、気体と液体とを含む気液混合流体を気体と液体に分離する気液分離容器を含む気液分離装置であって、上記気液分離容器は、気液混合流体を上記気液分離容器の外部から内部に導入する導入管と、上記気液混合流体から分離された気体を上記気液分離容器の内部から外部に排出する排気管と、上記気液混合流体から分離された液体を上記気液分離容器の内部から外部に排出する排液管とを備えており、上記排気管は、上記気液混合流体から分離された気体を吸い込むための吸気口を先端部に有する吸気管を備え、上記吸気管の上記吸気口は、上記気液分離容器の中央部に配置され、上記排液管は、上記気液混合流体から分離された液体を吸い込むための吸水口を先端部に有する、可撓性を有する吸水管を備え、上記吸水管の上記吸水口の近傍には、上記吸水管の上記吸水口を上記気液分離容器内で重力方向に移動させる錘が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、上記本発明の気液分離装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素製造装置と、上記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、あらゆる方向に傾いても、長期間高効率で気液分離が可能な気液分離装置並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の一例を示す概略透視図である。
【図２】図１の気液分離容器内に水が貯留している様子を示す図である。
【図３】図２の気液分離容器を傾けた状態を示す図である。
【図４】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図５】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図６】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図７】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図８】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図９】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図１０】図９に示す気液分離装置を上から見た図である。
【図１１】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図１２】本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例を示す概略透視図である。
【図１３】本発明の気液分離装置を備えた水素製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図１４】本発明の気液分離装置を備えた水素製造装置の他の例を示す概略構成図である。
【図１５】本発明の気液分離装置を備えた水素製造装置の他の例を示す概略構成図である。
【図１６】本発明の気液分離装置を備えた水素製造装置の他の例を示す概略構成図である。
【図１７】本発明の燃料電池システムに用い得る燃料電池の一例を示す断面概略図である。
【図１８】本発明の実施例１で用いた装置の構成の一例である。
【図１９】本発明の実施例１で用いた気液分離容器を異なる４方向に傾けた場合の、気液分離容器の内部の様子を示す模式図である。
【図２０】本発明の実施例２で用いた装置の構成の一例である。
【図２１】本発明の実施例２で用いた気液分離容器を異なる４方向に傾けた場合の、気液分離容器の内部の様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の気液分離装置は、気体と液体の重力差によって、気体と液体とを含む気液混合流体を気体と液体に分離する気液分離容器を備える。上記気液分離容器は、気液混合流体を上記気液分離容器の外部から内部に導入する導入管と、上記気液混合流体から分離された気体を上記気液分離容器の内部から外部に排出する排気管と、上記気液混合流体から分離された液体を上記気液分離容器の内部から外部に排出する排液管とを備える。さらに、上記排気管は、上記気液混合流体から分離された気体を吸い込むための吸気口を先端部に有する吸気管を備え、上記吸気管の上記吸気口は、上記気液分離容器の中央部に配置されている。また、上記排液管は、上記気液混合流体から分離された液体を吸い込むための吸水口を先端部に有する、可撓性を有する吸水管を備え、上記吸水管の上記吸水口の近傍には、上記吸水管の上記吸水口を上記気液分離容器内で重力方向に移動させる錘が設けられている。上記導入管を介して上記気液分離容器内に導入された気液混合流体は、重力差によって、気体と液体とに分離され、上記分離された液体は、上記気液分離容器内で重力方向に移動し、上記錘により上記気液分離容器内で重力方向に移動した上記吸水管の上記吸水口と接触して該吸水口から吸い込まれ、上記排液管を介して上記気液分離容器の外部に排出される。一方、上記分離された気体は、上記吸気管の上記吸気口から選択的に吸い込まれ、上記排気管を介して上記気液分離容器の外部へ排出される。これにより、長期に亘る使用や、容器内に貯留する液体量の増加、特に気液分離容器が傾いた場合においても、高効率で気液分離できる。
【００１７】
上記気液分離容器の形状としては、立方体、直方体、三角柱などの角柱型、三角錐などの角錐型、円柱型、円錐型、球状、半球状、卵型などが挙げられる。容器内部に貯留した液体の排出のしやすさや省スペース化の観点から、半球状もしくは卵型が特に好ましい。
【００１８】
本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、上記本発明の気液分離装置を備えることを特徴とする。これにより、水素製造装置から排出される水素を含む気体中に含まれる液体成分量を減少できる。そのため、本発明の水素製造装置は、燃料電池用の燃料源として利用できる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素製造装置と、上記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを備えることを特徴とする。これにより、水と、水素を含む気体との気液混合流体が供給されることによる燃料電池の出力低下などの発生を防止できる。
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の一例について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。
【００２２】
図１に示す本実施形態の気液分離容器１０１は、排液管１０２、吸水管１０３、導入管１０５、排気管１０６、及び吸気管１０７を有する立方体形状の容器である。この気液分離容器１０１内に導入された気液混合流体は、重力差によって気体と液体に分離され、分離された気体は、吸気管１０７及び排気管１０６を介して気液分離容器１０１の外部へと排出され、分離された液体は、吸水管１０３及び排液管１０２を介して気液分離容器１０１の外部へと排出される。図１において、排液管１０２は、気液分離容器１０１の上面の略中央部に設置されており、導入管１０５及び排気管１０６は、気液分離容器１０１の左側面の略中央部に隣接して設置されている。なお、図１において、排気管１０６と吸気管１０７は、区分不可能なように一体的に形成されている。
【００２３】
排液管１０２は、気液分離容器１０１の表面に配置され、気液分離容器１０１の内部から外部に延伸されたものである。この排液管１０２は、気液分離容器１０１の内部側に第１開口部（符号は付していない）を有し、液体を気液分離容器１０１の内部から外部に排出する。
【００２４】
吸水管１０３は、可撓性を有するものであり、末端部が排液管１０２の第１開口部に連結され、先端部の開口部である吸水口１０９から気液分離容器１０１内に貯留する液体を吸い込み排液管１０２へ輸送する。また、図１では、吸水管１０３の先端部に錘１０４が設けられている。そのため、吸水管１０３の吸水口１０９は、錘１０４により気液分離容器１０１内で重力方向に移動し、気液分離容器１０１内に貯留する液体と接触可能な状態となる。
【００２５】
吸水管１０３としては、中空でかつ可撓性を有するものであれば特に限定されないが、耐熱性及び耐薬品性などに優れたフロンチューブや、シリコンチューブが好適に用いられる。
【００２６】
錘１０４としては、耐薬品性に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、メッキを施した鉛製のものや、ステンレススチール製のものが好適に用いられる。また、錘１０４の重量は、例えば、捕集する液体が水である場合、その比重（ｄ＝１．０）以上であって、吸水管１０３の浮力を差し引いた重量よりも大きければ特に制限されないが、錘の応答性から、比重（ｄ≧１０）以上が好ましい。錘の大きさは、方向自在性を確保するため、壁面や配管に当たらない程度の大きさであれば、特に問題にならないが、気液分離容器全体積の１０％未満であることが好ましい。
【００２７】
導入管１０５は、気液分離容器１０１の表面に配置され、気液分離容器１０１の内部から外部へ延伸されたものである。この導入管１０５は、気液分離容器１０１の内部側に第２開口部（符号は付していない）を有し、気液混合流体を気液分離容器１０１の外部から内部に導入する。
【００２８】
排気管１０６は、気液分離容器１０１の表面に配置され、気液分離容器１０１の内部から外部へ延伸されたものである。この排気管１０６は、気液分離容器１０１の内部側に第３開口部（符号は付していない）を有し、気体を気液分離容器１０１の内部から外部に排出する。
【００２９】
吸気管１０７は、末端部が排気管１０６の第３開口部に連結され、先端部が気液分離容器１０１の中央部に配置され、先端部の開口部である吸気口１０８から気液分離容器１０１内の気体を吸い込み排気管１０６へ輸送する。本実施形態では、吸気管１０７の先端部（吸気口１０８）が気液分離容器１０１の中央部に配置されているため、気液分離容器１０１をどのような方向に傾けても、吸気口１０８が気液分離容器１０１内の液体と接触するのを回避することができ、気液分離容器１０１内に貯留する液体の液面が吸気口１０８にまで達しない限り、排気管１０６方向への液体の混入を抑制できる。
【００３０】
気液分離容器１０１内に貯留する液体量を多くするためには、図１に示されるように、吸気管１０７の吸気口１０８を気液分離容器１０１の中心部に配置するのが望ましい。ただし、吸気口１０８の位置は、気液分離容器１０１の中心部から外側にずれてもよく、実用的には、気液分離容器１０１の中心と容器内面とを結ぶ線の中間より中心寄り、好ましくは、気液分離容器１０１の中心と容器内面とを結ぶ線の容器中心側１／３の範囲にあればよい。すなわち、本発明において「気液分離容器の中央部」とは、気液分離容器の中心と容器内面とを結ぶ線の中間より中心寄りの領域のことを意味する。
【００３１】
なお、図１では吸気管１０７の形状は略Ｕ字型をしているが、吸気口１０８を気液分離容器１０１の中央部に配置できる形状であれば特に限定されない。さらに、吸気管１０７は、錘１０４により各方向に移動する吸水管１０３と絡まないように設置することが好ましく、図１では、Ｕ字型形状の吸気管１０７の大部分が気液分離容器１０１の内面に沿って配置されている。
【００３２】
吸気管１０７としては、耐熱性及び耐薬品性に優れたものであれば特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）チューブや、硬質シリコンチューブなどが好適に用いられる。
【００３３】
次に、本実施形態の気液分離容器１０１を用いた気液分離について図２及び図３を用いて説明する。図２は、図１に示す気液分離容器１０１内に液体が貯留している様子を示す概略透視図であり、図３は、図２に示す気液分離容器１０１が傾いた状態を示す概略透視図である。図２及び図３において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。図２及び図３において、５０２は、水である。
【００３４】
まず、通常の使用の場合、つまり、気液分離容器１０１が傾いていない場合について図２を用いて説明する。導入管１０５を介して、例えば、水と水素を含む気液混合流体が導入されると、図２に示すように、気液混合流体中の水５０２は、重力差により水素から分離されて気液分離容器１０１内で重力方向（図１において下向き）に移動（貯留）する。このとき、吸水管１０３の吸水口１０９は、図２に示すように、錘１０４の作用により重力方向に移動しているため、吸水口１０９と水５０２とが接触することになる。すると、気液分離容器１０１内に貯留する水５０２は、吸水口１０９から吸い込まれ、吸水管１０３内を通って排液管１０２を介して気液分離容器１０１の外部に排出される。一方、水５０２から分離された水素は、吸気管１０７の吸気口１０８から吸い込まれ、吸気管１０７内を通って排気管１０６を介して気液分離容器１０１の外部に排出される。この排出された水素は、例えば、燃料電池の燃料として用いることができる。
【００３５】
次に、気液分離容器１０１が傾いた場合の一例を図３を用いて説明する。気液分離容器１０１内に貯留する水５０２は、図３に示すように傾いた状態の気液分離容器１０１内で重力方向に移動する。このとき、吸水管１０３の吸水口１０９も、錘１０４の作用により重力方向に移動しているため、吸水口１０９と水５０２とが接触することになる。そして、気液分離容器１０１内の水５０２は、吸水口１０９から吸い込まれ、吸水管１０３内を通って排液管１０２を介して外部へと排出される。一方、吸気管１０７の吸気口１０８は、図３に示すように気液分離容器１０１が傾いた場合も、水５０２と接触することが無いため、吸気管１０７内への水５０２の浸入を回避しつつ、水素を吸気口１０８から吸い込んで排気管１０６を介して外部へ排出できる。
【００３６】
本実施形態の気液分離容器１０１によれば、末端部が排液管１０２の第１開口部に接続され、先端部に錘１０４が設けられた、可撓性を有する吸水管１０３と、末端部が排気管１０６の第３開口部に接続され、先端部の吸気口１０８が気液分離容器１０１の中央部に配置されている吸気管１０７とを有することにより、気液分離容器１０１の傾きによらず、気液を分離できる。
【００３７】
（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図４は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図４において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１と異なる点は、排液管１０２及び吸水管１０３を複数設置した点である。
【００３８】
図４に示す本実施形態の気液分離容器１２１は、２つの排液管１０２、２つの吸水管１０３、導入管１０５、排気管１０６、及び吸気管１０７を有する立方体形状の容器である。排液管１０２及び吸水管１０３を複数有することで、上記実施形態１に比べて、気液分離容器１２１内に貯留する水の排出時間を短縮可能である。また、複数の排液管１０２のそれぞれを、気液分離容器１２１の外部で異なる流路に接続した場合、例えば、燃料電池の動作状態に応じて、２つの排液管１０２のうちのいずれか一方を閉じ、他方を開放することにより、液体の排出流路や排出先を変更することができる。図４において、２つの排液管１０２は、気液分離容器１２１の上面の略中央部に隣接して設置されており、導入管１０５及び排気管１０６は、気液分離容器１２１の左側面の略中央部に隣接して設置されている。
【００３９】
本実施形態では、２つの排液管１０２の第１開口部にはそれぞれ、各吸水管１０３の末端部が接続されており、各吸水管１０３の先端部には錘１０４が設けられている。
【００４０】
また、２つの吸水管１０３は、互いに絡まないように２つの固定バンド１１０を用いて固定されている。これにより、吸水管１０３の曲がる角度を制限し、吸水管１０３同士の絡みつきや、吸水管１０３と排液管１０２または吸気管１０７との絡みつきを抑制可能である。固定バンド１１０としては、腐食しにくいものであれば特に限定されないが、例えば容器と同じ材質のものを用いることができる。
【００４１】
なお、上記絡みつきを抑制する効果は、固定バンド１１０に限定されるものではなく、複数の吸水管１０３を接続する他の機構によっても得ることができる。例えば、錘１０４が複数の吸水管１０３を固定する役割を兼ねるものであれば、固定バンド１１０の設置を省略することができ、固定バンド１１０が外れたりする問題を回避することも可能となる。
【００４２】
なお、本実施形態の気液分離容器１２１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００４３】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図５は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図５において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態２と異なる点は、排気管１０６と排液管１０２とを隣接させて設置した点と、排液管１０２の長さを上記実施形態２の排液管１０２よりも長くした点と、吸気管１０７の形状を直管にした点である。
【００４４】
図５に示す本実施形態の気液分離容器１３１は、排液管１０２の長さを変更したこと、排気管１０６の設置位置を変更したこと、吸気管１０７の形状を変更したこと以外は、上記実施形態２で説明した図４に示す気液分離容器１２１と同じ構成である。図５において、２つの排液管１０２及び排気管１０６は、気液分離容器１３１の上面の略中央部に隣接して設置されており、導入管１０５は、気液分離容器１３１の左側面の略中央部に設置されている。
【００４５】
本実施形態では、排液管１０２の気液分離容器１３１内側の部分（以下、内部排液流路という。）１１１は、気液分離容器１３１内部の中央部まで延びている。また、吸気管１０７は、直管であり、末端部が排気管１０６の第３開口部に接続され、先端部が気液分離容器１３１内部の中央部に配置されている。つまり、図５では、排気管１０６及び吸気管１０７からなる配管は、排液管１０２の長さと同じ長さであり、かつ、排液管１０２と平行になるように設置されている。これにより、吸水管１０３が吸気管１０７や排液管１０２に絡むのを効果的に抑制できる。
【００４６】
なお、本実施形態の気液分離容器１３１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００４７】
本実施形態の気液分離容器１３１によれば、吸気管１０７及び排気管１０６からなる配管の形状を、排液管１０２と同一にし、かつ排液管１０２に隣接させて互いに平行になるように配置したことにより、吸水管１０３が吸気管１０７や排液管１０２に絡みつくのを効果的に抑制できる。
【００４８】
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図６は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図６において、図５と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態３と異なる点は、気液分離容器の形状を球体とした点である。
【００４９】
本実施形態の気液分離容器１４１は、形状が球体であること以外は、上記実施形態３で説明した図５に示す気液分離容器１３１と同じ構成である。容器の形状を球体とすることで、気液分離容器１４１内に貯留する水を吸水口１０９の近傍に集めて、吸水口１０９から吸い込みやすくすることができるので、上記実施形態１〜３のような立方体形状の容器に比べて気液分離容器内に残留する水量を減少させることができ、水の利用効率をより高めることができる。
【００５０】
本実施形態では、錘１０４を含めた吸水管１０３の長さは、球体の内径の半分程度である。
【００５１】
なお、本実施形態の気液分離容器１４１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００５２】
図５に示されるように、気液分離容器の形状が立方体などの角柱型の場合、気液分離容器の角部周辺に錘１０４の底部にある吸水口１０９が届き難いため、気液分離容器内に貯留する水の一部が容器内に残留してしまう場合があるが、本実施形態の気液分離容器１４１によれば、気液分離容器１４１の形状を球体としたことにより、気液分離容器の傾きに関わらず、容器内に貯留する水をより効率よく外部に排出でき、水の利用効率をより高めることができる。
【００５３】
（実施形態５）
本実施形態５では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図７は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図７において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１と異なる点は、気液分離容器の形状を半球状とした点と、排液管１０２、導入管１０５、及び排気管１０６を、同一平面上に離間させて設置した点である。
【００５４】
図７に示す本実施形態の気液分離容器１５１は、上記実施形態１で説明した図１の気液分離容器１０１と同様、排液管１０２、吸水管１０３、導入管１０５、排気管１０６、及び吸気管１０７を有し、排液管１０２の第１開口部は、吸水管１０３の末端部と接続され、吸水管１０３の先端部には、錘１０４が設けられている。図７では、排液管１０２は、気液分離容器１５１の平面部（図７において上面）の略中央部に設置され、導入管１０５及び排気管１０６はそれぞれ、気液分離容器１５１の平面部の外周側に排液管１０２から離間して設置されている。
【００５５】
本実施形態の気液分離容器１５１の形状は、半球状である。このような形状とすることで、上記実施形態１〜４のような立方体などの角柱型容器に比べて角部が少ないため、気液分離容器１５１が傾いたとしても吸水管１０３の吸水口１０９が気液分離容器１５１の底部に届きやすく、容器内に貯留する水を効率よく外部に排出させ、水の利用効率を高めることができる。また、気液分離容器の形状が球体である場合に比べ、デッドスペースを少なくすることができるため、本実施形態の気液分離容器１５１は、水素発生装置の小型化が求められる場合に有用である。
【００５６】
なお、本実施形態の気液分離容器１５１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００５７】
（実施形態６）
本実施形態６では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図８は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図８において、図７と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態５と異なる点は、排液管１０２及び吸水管１０３を複数設置した点である。
【００５８】
図８に示す本実施形態の気液分離容器１６１は、２つの排液管１０２、２つの吸水管１０３、導入管１０５、排気管１０６、及び吸気管１０７を有する半球状の容器であり、２つの排液管１０２の第１開口部にはそれぞれ、各吸水管１０３の末端部が接続され、各吸水管１０３の先端部には錘１０４が設けられている。排液管１０２及び吸水管１０３を複数有することで、上記実施形態５に比べ、気液分離容器１６１内で分離された水の排出時間を短縮できる。また、複数の排液管１０２のそれぞれを、気液分離容器１６１の外部で異なる流路に接続した場合、例えば、燃料電池の動作状態に応じて、２つの排液管１０２のうちのいずれか一方を閉じ、他方を開放することにより、液体の排出流路や排出先を変更することができる。
【００５９】
また、２つの吸水管１０３は、互いに絡まないように固定バンド１１０で固定されている。これにより、吸水管１０３の曲がる角度を制限でき、吸水管１０３同士の絡みつきや、吸水管１０３と排液管１０２または吸気管１０７との絡みつきを抑制できる。固定バンド１１０としては、腐食しにくいものであれば特に限定されないが、例えば容器と同じ材質のものを用いることができる。なお、上記絡みつきを抑制する効果は、固定バンド１１０に限定されるものではなく、複数の吸水管１０３を接続する他の機構によっても得ることができる。例えば、錘１０４が複数の吸水管１０３を固定する役割を兼ねるものであれば、固定バンド１１０の設置を省略することができ、固定バンド１１０が外れたりする問題を回避することも可能となる。
【００６０】
図８において、２つの排液管１０２は、導入管１０５と排気管１０６とを結ぶ直線上に隣接して設置されている。
【００６１】
なお、本実施形態の気液分離容器１６１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００６２】
（実施形態７）
本実施形態７では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図９は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図であり、図１０は、図９の気液分離容器を上面から見た図である。図９および図１０において、図８と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態６と異なる点は、容器の形状を変更した点と、２つの排液管１０２の設置位置を変更した点である。
【００６３】
図９に示す本実施形態の気液分離容器１７１は、容器の形状を楕円半球状としたこと、２つの排液管１０２を、導入管１０５と排気管１０６とを結ぶ直線Ｘに対して、２つの排液管１０２同士を結ぶ直線Ｙとのなす角度がθとなるように配置したこと以外は、上記実施形態６で説明した図８に示す気液分離容器１６１と同じ構成である。
【００６４】
本実施形態によれば、容器の形状を楕円半球状とすることで、より狭い箇所への設置が可能となる。また、導入管１０５と排気管１０６とを結ぶ直線Ｘと、２つの排液管１０２同士を結ぶ直線Ｙとが交差するように２つの排液管１０２を設置することで、楕円半球体の短軸方向への錘１０９の動きが制限されるのを防ぐことができる。
【００６５】
直線Ｘと直線Ｙとのなす角度θは、容器の大きさによって変わるため、特に特定されないが、例えば、１０度から６０度の範囲で設定できる。２つの吸水管１０３が固定バンド１１０により固定されているため、錘１０９は、２つの排液管１０２同士を結ぶ直線Ｙの方向よりも、これと直交する方向に動きやすくなる。しかし、角度θが１０度より小さい場合は、錘１０９の動きやすい方向と楕円半球体の短軸方向とがほぼ同一方向となるため、錘１０９が容器壁面に当たりやすく、錘１０９の動きが制限を受けやすくなる。一方、角度が６０度より大きい場合は、錘１０９が容器壁面に当たりにくくなるが、直線Ｙの方向には吸水管１０３が曲がりにくいことから、錘１０９の短軸方向への動きが制限される虞がある。
【００６６】
なお、本実施形態の気液分離容器１７１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００６７】
（実施形態８）
本実施形態８では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図１１は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図１１において、図８と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態６と異なる点は、排気管１０６と排液管１０２とを隣接させて設置した点と、排液管１０２の長さを長くした点と、吸気管１０７の形状を直管にした点である。
【００６８】
図１１に示す本実施形態の気液分離容器１８１は、排液管１０２の長さを変更したこと、排気管１０６の設置位置を変更したこと、吸気管１０７の形状を変更したこと以外は、上記実施形態６で説明した図８に示す気液分離容器１６１と同じ構成である。
【００６９】
本実施形態では、排液管１０２の気液分離容器１８１内側の部分（以下、内部排液流路という。）１１１は、気液分離容器１８１内部の中央部まで延びている。また、排気管１０６は、排液管１０２に隣接して設置されている。また、吸気管１０７は直管であり、末端部が排気管１０６の第３開口部に接続され、先端部が気液分離容器１８１内部の中央部に配置されている。つまり、図１１では、排気管１０６及び吸気管１０７からなる配管は、排液管１０２の長さと同じ長さで、かつ、排液管１０２と平行になるように設置されている。これにより、吸水管１０３が吸気管１０７や排液管１０２に絡むのを効果的に抑制できる。
【００７０】
なお、本実施形態の気液分離容器１８１を用いた気液分離については、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００７１】
（実施形態９）
本実施形態９では、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の他の例について説明する。図１２は、本実施形態の気液分離容器を示す概略透視図である。図１２において、図１１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態８と異なる点は、気液分離容器の形状を卵型とした点である。
【００７２】
図１２に示す本実施形態の気液分離容器１９１は、形状が卵型であること以外は、上記実施形態８で説明した図１１に示す気液分離容器１８１と同じ構成である。容器の形状を卵型とすることで、特に容器を上下逆さまに設置させた場合においても、吸水管１０３の先端に設置した錘１０４が気液分離容器１９１の底部に届くため、容器内に貯留している液体の大部分を、容器内に残留させることなく効率よく排出できる。また、気液分離容器の形状が球体である場合に比べ、デッドスペースを少なくすることもできるため、本実施形態の気液分離容器１９１は、水素発生装置の小型化が求められる場合に有用である。
【００７３】
（実施形態１０）
本実施形態１０では、本発明の気液分離装置を含む水素製造装置の一例について説明する。図１３は、本実施形態の水素製造装置の概略構成を示す図である。図１３において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
図１３に示す本実施形態の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料５０４を収容する水素発生材料収容容器５０３と、気液分離装置１００と、水素発生材料収容容器５０３に水を輸送するためのポンプ３０１とを備え、水素発生材料５０４を用いて水素を製造し、この水素を、例えば、水素を燃料として用いる燃料電池７００に供給する。
【００７５】
ここで、本発明の水素製造装置が気液分離装置１００を備える理由について説明する。水素発生材料収容容器５０３内では、水素発生材料５０４と水とが反応して水素が発生し、発生した水素は、水素発生材料収容容器５０３に設けられた水素排出路（図１３では、配管２０３及び配管２０４）から排出され、例えば燃料電池７００に供給される。ところが、水素発生材料５０４と反応しなかった水や水蒸気が、水素と共に水素排出路から排出されて燃料電池７００に供給されると、燃料電池７００の出力低下などの不具合が生じる。このような不具合の発生を防止するため、本発明では、水素排出路の途中（図１３では、配管２０３と配管２０４との間）に気液分離装置１００を設け、水素排出路内に混入した水や水蒸気を分離（除去）することとした。
【００７６】
本実施形態における気液分離装置１００は、上記実施形態１で説明した気液分離容器１０１と、気液分離容器１０１内で気液混合流体から分離された液体（ここでは、水５０２）を回収する液体回収部としての水収容容器５０１及びポンプ３０２を備えている。なお、気液分離容器１０１については上記実施形態１で説明したため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００７７】
水収容容器５０１は、気液分離容器１０１の排液管１０２から排出された液体を収容する液体回収容器であり、本実施形態では、水素を製造するのに用いられる水を収容する容器としての役割も果たしている。
【００７８】
また、水収容容器５０１には、水収容容器５０１内の圧力が一定圧以上にならないようにするための安全弁６０１が設けられている。安全弁６０１は、通常、水素を含め、内圧上昇時に外部にガスを排出可能な機構であれば特に限定されないが、減圧弁、安全弁、逃がし弁（チェックバルブ）などの、一定の圧力変動以上で自然にガスが排出される構造を有する圧力制御弁などが好適に用いられる。また、上記例示の弁を電気的に駆動可能な電磁弁とすることで、電気的に制御することもできる。
【００７９】
ここで、水収容容器５０１に安全弁６０１を設置する理由について説明する。水素発生材料５０４と水５０２とを用いて水素を製造する場合、ポンプ３０１を停止させて水素発生材料５０４への水５０２の供給を停止しても、水素発生材料５０４と水５０２との水素発生反応はすぐに停止できず、しばらくの間、水素が発生し、これに伴い、水も生成する。この水は気液分離容器１０１で水素から分離され、気液分離容器１０１内で貯留することになるため、ポンプ３０１を停止した後も一定時間はポンプ３０２を駆動させて、気液分離容器１０１内に貯留する水を水収容容器５０１に回収する必要がある。気液分離容器１０１内の水貯留量が増えすぎると、気液分離容器１０１の吸気口１０８（図１）から吸気管１０７（図１）内に水が混入し、排気管１０６から水が排出される虞があるからである。しかし、上記気液分離容器１０１内の水の回収を続けると、水収容容器５０１内に収容される水が増え、水収容容器５０１の内圧が上昇していく。内圧が上昇しすぎると、容器が壊れるなどの問題が発生するため、本実施形態では、安全弁６０１を用いて、水収容容器５０１の内圧がある一定値以上とならないようにした。
【００８０】
ポンプ３０２は、気液分離容器１０１と水収容容器５０１との間（図１３では、配管２０５と配管２０６との間）に配置され、気液分離容器１０１内に貯留する水を排液管１０２、配管２０５、２０６を介して水収容容器５０１へ輸送する輸送手段である。これにより、水収容容器５０１側から気液分離容器１０１側への水の逆流を防止できる。
【００８１】
気液分離容器１０１としては、耐熱性及び耐腐食性に優れ、容器が変形しない不撓性の材料であれば、特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や、５０ｋＰａ程度の減圧及び加圧などの内圧変動に耐えうる構造がより好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル樹脂、硬質のポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状及び球状などが採用できる。
【００８２】
水収容容器５０１についても、気液分離容器１０１と同様に、不撓性材料であって、角柱状、円柱状及び球状などの容器を採用できる。
【００８３】
水素発生材料収容容器５０３は、水素を発生させる水素発生材料５０４を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００８４】
水素発生材料収容容器５０３及び水収容容器５０１は、脱着式とすることもできる。これにより、水素発生材料収容容器５０３内の水素発生材料５０４が消費されつくしたり、水収容容器５０１内の水５０２がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生材料５０４が充填された水素発生材料収容容器５０３や水が充填された水収容容器５０１を新たに取り付けることで、再び水素を製造することができる。
【００８５】
水収容容器５０１に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生材料５０４との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００８６】
水素発生材料収容容器５０３に収容される水素発生材料５０４としては、水と反応して水素を発生させる水素発生物質を含むものであれば特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得る水素発生物質を含むことが望ましい。
【００８７】
水素発生物質としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の一種以上の元素を主体とする合金、さらには、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムといった金属水素化物などが好適に使用できる。上記合金を用いる場合、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。主体となる元素とは、合金全体に対して５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されている元素をいう。なお、水素発生物質としては、上記例示のものを１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用しても良い。
【００８８】
水素発生材料５０４は、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）をさらに含むことが好ましい。この場合、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、上記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。水と反応して発熱する発熱物質としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などが挙げられる。
【００８９】
次に、本実施形態の水素製造装置の動作について図１３を用いて説明する。
【００９０】
水収容容器５０１に収容されている水５０２は、ポンプ３０１を駆動させることによって、配管２０１及び配管２０２を介して水素発生材料収容容器５０３へ輸送される。水素発生材料収容容器５０３内では、水素発生材料５０４と水５０２とが反応して水素が発生し、発生した水素は配管２０３に排出される。このとき、上記水素と共に例えば水蒸気が配管２０３に排出された場合、水蒸気は配管２０３内で冷却されて水となり、水と水素との気液混合流体が導入管１０５を介して気液分離容器１０１内に導入されることになる。気液分離容器１０１内では、上記気液混合流体は、重力差によって、水素を含む気体と、水とに分離される。分離された水素を含む気体は、配管２０４を介して燃料電池７００に供給される。一方、分離された水は、ポンプ３０２を駆動させることによって、排液管１０２から配管２０５、配管２０６を通じて水収容容器５０１へと輸送され、水素発生材料収容容器５０３に供給される水素製造用の水５０２として再利用されることになる。
【００９１】
本実施形態の水素製造装置によれば、上記実施形態１の気液分離容器１０１を用いたことにより、気液分離容器１０１の傾きによらずに気液混合流体を気体と液体に分離し、配管２０４から排出される水素を含む気体中の液体成分量を削減できるとともに、分離した液体を水素製造用に水として再利用し、水の利用効率を高めることができる。また、気液分離容器１０１と水収容容器５０１との間にポンプ３０２を設けたことにより、水収容容器５０１側から気液分離容器１０１側への水の逆流を防止できる。
【００９２】
（実施形態１１）
本実施形態１１では、本発明の気液分離装置を含む水素製造装置の他の例について説明する。図１４は、本実施形態の水素製造装置の概略構成を示す図である。図１４において、図１３と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１０と異なる点は、気液分離容器１０１に代えて上記実施形態２の気液分離容器１２１を設けた点、気液分離容器１２１と水収容容器５０１との間の配管２０５の途中にポンプを設けていない点、水収容容器５０１から水素発生材料収容容器５０３への水供給路（配管２０１及び配管２０２）に接続される配管２０７及び三方バルブ４０１を設けた点である。
【００９３】
図１４に示す本実施形態の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料５０４を収容する水素発生材料収容容器５０３と、気液分離装置１００と、水素発生材料収容容器５０３に水を輸送するためのポンプ３０１とを備え、水素発生材料５０４を用いて水素を製造し、この水素を、例えば、水素を燃料として用いる燃料電池７００に供給する。
【００９４】
本実施形態における気液分離装置１００は、上記実施形態２で説明した気液分離容器１２１と、気液分離容器１２１内で気液混合流体から分離された液体（ここでは、水５０２）を回収する液体回収部としての水収容容器５０１及び三方バルブ４０１を備えている。なお、気液分離容器１２１については上記実施形態２で説明したため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００９５】
本実施形態では、気液分離容器１２１の２つの排液管のうち、一方を１０２ａとし、他方を１０２ｂとした。排液管１０２ａは、配管２０５の一端と接続しており、配管２０５の他端は水収容容器５０１と接続している。排液管１０２ｂは、配管２０７の一端と接続しており、配管２０７の他端は三方バルブ４０１と接続している。また、三方バルブ４０１には、配管２０１、配管２０２、配管２０７が連結しているが、通常は、配管２０１と配管２０２とが通じる状態に切り替えられている。
【００９６】
次に、本実施形態の水素製造装置の動作について図１４を用いて説明する。なお、水素発生材料収容容器５０４に水を供給してから、気液分離容器１２１で気液分離を行うまでの動作については上記実施形態５と同様であるため、ここではその説明を省略する。上記実施形態１０と異なる点は、気液分離容器１２１で分離した水を回収する機構である。本実施形態において、気液分離容器１２１により分離された水を回収する機構としては、水素発生材料収容容器５０３への水供給を行っている場合と、上記水供給を停止している場合に分けられ、それぞれについて以下に説明する。
【００９７】
まず、水素発生材料収容容器５０３への水供給を行っている場合の水回収機構を説明する。ポンプ３０１を駆動させて水収容容器５０１から水素発生材料収容容器５０３への水供給を続けていると、水収容容器５０１の容器は、不撓性の材料でかつ密閉構造であるため、水収容容器５０１内部の圧力が減圧状態になる。この減圧状態を補償するため、配管２０５内において、気液分離容器１２１の排液管１０２ａ側から水収容容器５０１側の方向に吸引力が生じる。この現象を利用することにより、気液分離容器１２１内に貯留している水を水収容容器５０１に回収することができる。この場合、上記実施形態５のように、配管２０５の途中に気液分離容器１２１から水収容容器５０１に水を輸送するためのポンプ３０２（図１３）を設ける必要がないため、省電力化できる。
【００９８】
次に、水素発生材料収容容器５０３への水供給を停止した場合の水回収機構を説明する。上記実施形態５でも説明したように、ポンプ３０１を停止させて水素発生材料収容容器５０３への水５０２の供給を停止しても、水素発生材料５０４と水５０２との水素発生反応はすぐに停止できず、しばらくの間、水素及び水が生成される。本実施形態では、水素発生材料収容容器５０３への水供給を停止した後に生じた水を、気液分離容器１２１で水素から分離した後、水収容容器５０１に回収するために、三方バルブ４０１を配管２０７と配管２０１が通じる方向に切り替え、水収容容器５０１から水素発生材料収容容器５０３へ輸送する方向とは逆向きにポンプ３０１を動作させることによって、気液分離容器１２１内に溜まった水を配管２０７及び配管２０１を通じて水収容容器５０１に回収できる。一方、水素発生材料収容容器５０３から気液分離容器１２１に流入する水素や、気液分離容器１２１から配管２０７及び配管２０１を通じて水収容容器５０１に水が回収されることにより、水収容容器５０１の内部から押し出されて配管２０５を通じて気液分離容器１２１に流入する水素（この水素は、水素発生材料収容容器５０３内での水素発生反応の開始後、気液分離容器１２１内に水が溜まるまでの間、気液分離容器１２１から配管２０５を介して水収容容器５０１に流入していた水素である。）は、配管２０４を経て燃料電池７００に送られ、燃料電池７００の負極側で消費される。このため、気液分離容器１２１及び水収容容器５０１の内圧上昇や、配管２０３の内部の閉塞を防ぐことができ安全である。
【００９９】
本実施形態の水素製造装置によれば、上記実施形態２の気液分離容器１２１を用いたことにより、気液分離容器１２１の傾きによらずに気液混合流体を気体と液体に分離し、配管２０４から排出される水素を含む気体中の液体成分量を削減できる。また、分離した液体を水素製造用の水として再利用できるため、水の利用効率を高めることができる。また、水収容容器５０１から水素発生材料収容容器５０３への水５０２の供給中は、水収容容器５０１の内圧が下がることにより生じた吸引力を利用して気液分離容器１２１内に貯留する水を配管２０５を通じて水収容容器５０１に回収できるとともに、水収容容器５０１から水素発生材材料収容容器５０３への水５０２の供給を停止中は、三方バルブ４０１を配管２０７と配管２０１とが通じる方向に切り替え、ポンプ３０１を逆向きに動作させることによって、気液分離容器１２１内に貯留する水を配管２０７、２０１を通じて水収容容器５０１に回収できるため、水回収用のポンプを別途設ける必要がなく、省電力化できる。
【０１００】
なお、本実施形態では、上記実施形態２の気液分離容器１２１を用いた場合について説明したが、上記実施形態３の気液分離容器１３１や上記実施形態４の気液分離容器１４１を用いることもできる。特に、気液分離容器１４１を用いた場合には、気液分離容器内の水貯留量を低下させ、水の利用効率を高めることができる。
【０１０１】
（実施形態１２）
本実施形態１２では、本発明の気液分離装置を含む水素製造装置の他の例について説明する。図１５は、本実施形態の水素製造装置の概略構成を示す図である。図１５において、図１３と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１０と異なる点は、気液分離容器１０１に代えて、上記実施形態５の気液分離容器１５１を設けた点である。
【０１０２】
図１５に示す本実施形態の水素製造装置は、気液分離容器として上記実施形態５の気液分離容器１５１を用いたこと以外は、上記実施形態１０と同じ構成である。気液分離容器１５１を用いたことにより、より水の利用効率を高めることができる。
【０１０３】
なお、本実施形態の水素製造装置の動作については、上記実施形態１０と同様であるため、その説明を省略する。
【０１０４】
（実施形態１３）
本実施形態１３では、本発明の気液分離装置を含む水素製造装置の他の例について説明する。図１６は、本実施形態の水素製造装置の概略構成を示す図である。図１６において、図１４と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１１と異なる点は、気液分離容器１２１に代えて上記実施形態６の気液分離容器１６１を設けた点である。
【０１０５】
図１６に示す本実施形態の水素製造装置は、気液分離容器として上記実施形態６の気液分離容器１６１を用いたこと以外は、上記実施形態１１と同じ構成である。気液分離容器１６１を用いたことにより、より水の利用効率を高めることができる。
【０１０６】
なお、本実施形態の水素製造装置の動作については、上記実施形態１１と同様であるため、その説明を省略する。
【０１０７】
また、本実施形態では、上記実施形態６の気液分離容器１６１を用いた場合について説明したが、上記実施形態７の気液分離容器１７１、上記実施形態８の気液分離容器１８１、上記実施形態９の気液分離容器１９１を用いることもできる。
【０１０８】
（実施形態１４）
本実施形態１４では、本発明の燃料電池システムの一例について説明する。
【０１０９】
本実施形態の燃料電池システムは、上記実施形態１〜９のいずれかの気液分離容器を有する水素製造装置と、該水素製造装置により製造された水素を用いて発電する燃料電池とを備えている。これにより、水と、水素を含む気体との気液混合流体が供給されることによる燃料電池の出力低下などの発生を防止できる。
【０１１０】
ここで、燃料電池７００について図１７を用いて説明する。図１７は、本発明の燃料電池システムに用い得る燃料電池７００の一例を示す断面概略図である。
【０１１１】
図１７に示す本実施形態における燃料電池７００は、電気的に直列に接続された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）７１０を有し、水素を燃料源として発電するものである。なお、図１７では、３つのＭＥＡ７１０が組み合わさって一つの燃料電池７００を構成している状態を示しているが、これは一例であり、一単位としての燃料電池におけるＭＥＡの数は３つに限定されず、また、複数のＭＥＡから構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池とすることもできる。
【０１１２】
図１７において、燃料電池７００は、正極拡散層７１１及び正極触媒層７１２からなる正極と、固体高分子電解質膜７１３と、負極拡散層７１５及び負極触媒層７１４からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ７１０を３個有する。ここでは、３個のＭＥＡ７１０は平面状に配置されている。
【０１１３】
各ＭＥＡ７１０の正極側には、正極集電プレート７２４、正極絶縁プレート７２２及び正極パネルプレート７２０が順次配置されている。また、各ＭＥＡ７１０の負極側には、負極集電プレート７２６、負極絶縁プレート７２３及び負極パネルプレート７２１が順次配置されている。そして、全てのＭＥＡ７１０が、正極パネルプレート７２０と負極パネルプレート７２１とに挟持されて一体化している。また、図１７では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ７１０同士は、正極集電プレート７２４と負極集電プレート７２６との電気的接続によって、直列に接続されている。
【０１１４】
正極集電プレート７２４、正極絶縁プレート７２２及び正極パネルプレート７２０には、燃料電池７００外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート７２４の酸素導入孔、正極絶縁プレート７２２の酸素導入孔及び正極パネルプレート７２０の酸素導入孔により、正極パネルプレート７２０の外表面からＭＥＡ７１０の正極拡散層７１１にまで到達する複数の正極開口部７３０が形成され、これら正極開口部７３０から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層７１１に供給される。
【０１１５】
負極集電プレート７２６、負極絶縁プレート７２３及び負極パネルプレート７２１には、燃料タンク部７２９内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート７２６の燃料導入孔、負極絶縁プレート７２３の燃料導入孔及び負極パネルプレート７２１の燃料導入孔により、負極パネルプレー７２１の燃料タンク部７２９側表面からＭＥＡ７１０の負極拡散層７１５にまで到達する複数の負極開口部７３１が形成され、これら負極開口部７３１から、燃料タンク部７２９内の燃料（水素）が負極拡散層７１５に供給される。
【０１１６】
正極パネルプレート７２０と負極パネルプレート７２１（更には燃料タンク部７２９）は、ボルト７３２とナット７３３によって固定されている。図１７中、７２８ａ及び７２８ｂはシール部である。
【０１１７】
正極拡散層７１１及び負極拡散層７１５は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層７１１や負極拡散層７１５の触媒層側には、更なる撥水性向上及び触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子など］を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【０１１８】
正極触媒層７１２は、正極拡散層７１１を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有する。正極触媒層７１２は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有する。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【０１１９】
正極触媒層７１２で用いられる触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【０１２０】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ2／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。炭素粉末と触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【０１２１】
正極触媒層７１２に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【０１２２】
正極触媒層７１２におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【０１２３】
正極触媒層７１２に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体及びエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
【０１２４】
正極触媒層７１２におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【０１２５】
負極触媒層７１４は、負極拡散層７１５を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層７１４は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【０１２６】
負極触媒層７１４に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層７１２に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層７１４に係る上記炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダについても、正極触媒層７１２に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
【０１２７】
固体高分子電解質膜７１３は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜７１３を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜７１３の材料として用いることができる。
【０１２８】
なお、図１７では示していないが、燃料電池の有するＭＥＡは、正極と負極とを、例えば、抵抗及びスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように形成されていることが好ましい。この場合、燃料電池による発電の終了時に、上記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素を消費できる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制できる。
【０１２９】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、上記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池システムに係る燃料電池の停止後、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【実施例】
【０１３０】
下記実施例に基づいて本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器の気液分離の効果について詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
【０１３１】
（実施例１）
図１８に示すように、気液分離容器１２１（図４）と水収容容器５０１と排液側水捕集容器５１２とを有する気液分離装置１００、水素発生材料収容容器５０３、及び排気側水捕集容器５１１を備えた水素製造装置を組み立てた。また、排気側水捕集容器５１１には、水素を排出可能な配管２０９を設け、配管２０９には、乾燥剤８０３及び水素モニタリング装置としてのデジタルマスフローメータ８０１を設置した。さらに、気液分離容器１２１から排液側水捕集容器５１２への水の回収や、水収容容器５０１から水素発生材料収容容器５０３への水５０２の供給に伴い、排液側水捕集容器５１２及び水収容容器５０１の容器内の内圧が変化して許容内圧範囲外となるのを防止するため、内圧調整用の配管２０８を設けた。このときの気液分離容器１２１の内部の様子を、図１９Ａに模式的に示した。図１９Ａは、気液分離容器１２１が傾いていない通常の状態を示しており、排液管１０２が気液分離容器１２１の上面（上側）に配置され、導入管１０５及び排気管１０６が、気液分離容器１２１の左側面（左側）に配置されている。
【０１３２】
本実施例では、気液分離容器１２１には、７０ｍｍ角のポリプロピレン製の立方体容器を用い、気液分離容器１２１の２つの排液管１０２のうち、一方の排液管１０２を塞ぎ、他方の排液管１０２を配管２０５を通じて排液側水捕集容器５１２に接続した。水収容容器５０１には、硬質のポリエチレンテレフタレート製の円筒容器を用いた。水素発生材料収容容器５０３には、内容積１８０ｃｍ3のポリプロピレン製の角柱状容器を用いた。配管２０１及び２０２には、内径１．０ｍｍのシリコンチューブを用い、配管２０３、２０４、２０５、２０８、２０９には、内径３．０ｍｍのシリコンチューブを用いた。ポンプ３０１には、チューブポンプを用いた。
【０１３３】
そして、水収容容器５０１には、水５０２を５００ｇ収容し、水素発生材料収容容器５０３には、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）９５．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）１３．１ｇとを収容し、下記の試験を行った。
【０１３４】
まず、水収容容器５０１に収容されている水５０２を、ポンプ３０１を用いて３．５ｇ／ｍｉｎの供給速度で配管２０１及び配管２０２を通じて水素発生材料収容容器５０３に供給した。水素発生材料収容容器５０３内では、水素発生材料５０４と水５０２とが反応して水素が発生し、発生した水素は配管２０３から気液分離容器１２１に排出される。このとき、発生した水素と共に水や水蒸気などの水分も排出された場合、気液分離容器１２１内では、水分は重力差により水素から分離されて、気液分離容器１２１内で重力方向に落下する。
【０１３５】
そして、気液分離容器１２１内で水素から分離された水分を、排液管１０２及び配管２０５を通じて排液側水捕集容器５１２に捕集した。このとき、ポンプ３０１によって水収容容器５０１から水素発生材料収容容器５０３へ水５０２が輸送される際に、水収容容器５０１内が減圧状態になることにより生じる吸引力を利用し、気液分離容器１２１の排液管１０２から排液側水捕集容器５１２に上記水分を捕集した。ポンプ３０１の供給速度は、３．５ｇ／ｍｉｎとした。
【０１３６】
一方、分離された水素を含む気体は、配管２０４、排気側水捕集容器５１１、配管２０９、乾燥剤８０３を通じて外部に排出される。排気側水捕集容器５１１には、配管２０４から排出された水素を含む気体中の水分が貯留する。
【０１３７】
そして、上記水素発生材料収容容器５０３への水５０２の供給を開始してから３時間後に、ポンプ３０１を停止させ、上記試験を終了した。
【０１３８】
さらに、上記試験と同様の試験を、気液分離容器１２１を図１９Ｂ〜Ｄに示すように傾けて行った。図１９Ｂの場合、排液管１０２が左側面（左側）に位置し、導入管１０５及び排気管１０６が底面（下側）に位置するように気液分離容器１２１が傾いている。図１９Ｃの場合、排液管１０２が右側面（右側）に位置し、導入管１０５及び排気管１０６が上面（上側）に位置するよう気液分離容器１２１が傾いている。図１９Ｄの場合、排液管１０２が底面（下側）に位置し、導入管１０５及び排気管１０６が右側面（右側）に位置するよう気液分離容器１２１が傾いている。
【０１３９】
上記各試験の終了後、排気側水捕集容器５１１及び排液側水捕集容器５１２に捕集した水の合計量に対する、排液側水捕集容器５１２に回収された水の重量割合は、気液分離容器１２１が図１９Ａ〜Ｄに示すいずれの方向に傾いていても、ほぼ１００％であった。すなわち、気液分離容器１２１による気液分離の効果を確認できた。
【０１４０】
（実施例２）
図２０に示す水素製造装置を組み立てた。図２０に示す本実施例の水素製造装置は、気液分離容器として実施形態６の気液分離容器１６１（図８）を用いたこと以外は、図１８に示す上記実施例１と同じ構成である。本実施例では、気液分離容器１６１として、厚さ２ｍｍで直径５０ｍｍのアクリル製の半球状容器を用いた。図２０Ａは、気液分離容器１６１の内部の様子を模式的に示したものであり、気液分離容器１６１が傾いていない状態、つまり、通常の使用状態を示している。
【０１４１】
そして、上記実施例１と同様、水収容容器５０１には、水５０２を５００ｇ収容し、水素発生材料収用容器５０３には、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）９５．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）１３．１ｇとを収容し、上記実施例１と同様の試験を行った。すなわち、水収容容器５０１に収容されている水５０２を、ポンプ３０１を用いて３．５ｇ／ｍｉｎの供給速度で配管２０１及び配管２０２を通じて水素発生材料収容容器５０３に供給し、上記水素発生材料収容容器５０３への水供給を開始してから３時間後にポンプ３０１を停止させ、試験を終了した。
【０１４２】
また、上記試験と同様の試験を、気液分離容器１６１を図２１Ｂ〜Ｄに示すように傾けた場合についても行った。排液管１０２、導入管１０５及び排気管１０６は、図２１Ｂの場合、左側に位置し、図２１Ｃの場合、下側に位置し、図２１Ｄの場合、右側に位置するように、気液分離容器１６１が傾いている。
【０１４３】
上記各試験の終了後、排気側水捕集容器５１１及び排液側水捕集容器５１２に捕集した水の合計量に対する、排液水捕集容器５１２に回収された水の重量割合を算出したところ、図２１に示される４方向のいずれの場合においても、ほぼ１００％であった。すなわち、気液分離容器１６１による気液分離の効果を確認できた。
【０１４４】
以上のことから、本発明の気液分離装置に用いられる気液分離容器は、配置する方向に係わらず、効率的に気液分離できると考えられる。
【０１４５】
（気液分離容器内の水残留率）
ところで、上記実施例１及び２において、気液分離容器（１２１、１６１）の内部に残留している水の量をＸ（ｇ）、排気側水捕集容器５１１内に捕集した水の量をＹ（ｇ）、排液側水捕集容器５１２内に捕集した水の量をＺ（ｇ）として、気液分離容器の内部に残留している水の重量割合α（ｗｔ％）を式（１）によって算出した。
α（ｗｔ％）＝［Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）］×１００  ・・・（１）
【０１４６】
実施例１及び２の双方における気液分離容器内部に残留している水の重量割合α（ｗｔ％）の結果を表１に示した。
【０１４７】
【表１】
2011206756.tif 000003
【０１４８】
表１から、気液分離容器の形状が立方体である実施例１に比べ、半球状である実施例２の方が、容器内部の残留する水の量が４方向いずれの場合においても大幅に減少していることがわかった。よって、水の利用効率の観点からは、気液分離容器の形状は半球状の方が好ましいと言える。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明の気液分離装置は、気液分離容器がどのような方向に傾いても効率よく気液分離できる装置として様々な分野で利用可能である。また、本発明の水素製造装置は、例えば、燃料電池用の燃料源として利用可能である。また、本発明の燃料電池システムは、特に方向自在性が要求されるポータブル電源に適している。
【符号の説明】
【０１５０】
１００  気液分離装置
１０１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１、１７１、１８１、１９１  気液分離容器
１０２  排液管
１０３  吸水管
１０４  錘
１０５  導入管
１０６  排気管
１０７  吸気管
１０８  吸気口
１０９  吸水口
１１０  固定バンド
１１１  内部排液流路
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９  配管
３０１、３０２  ポンプ
４０１  三方バルブ
５０１  水収容容器
５０２  水
５０３  水素発生材料収容容器
５０４  水素発生材料
５１１  排気側水捕集容器
５１２  排液側水捕集容器
６０１  安全弁
７００  燃料電池
７１０  電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
７１１  正極拡散層
７１２  正極触媒層
７１３  固体高分子電解質膜
７１４  負極触媒層
７１５  負極拡散層
７２０  正極パネルプレート
７２１  負極パネルプレート
７２２  正極絶縁プレート
７２３  負極絶縁プレート
７２４  正極集電プレート
７２６  負極集電プレート
７２８ａ、７２８ｂ  シール部
７２９  燃料タンク部
７３０  正極開口部
７３１  負極開口部
７３２  ボルト
７３３  ナット
８０１  デジタルマスフローメータ
８０３  乾燥剤
【図１】
2011206756.tif 000004
【図２】
2011206756.tif 000005
【図３】
2011206756.tif 000006
【図４】
2011206756.tif 000007
【図５】
2011206756.tif 000008
【図６】
2011206756.tif 000009
【図７】
2011206756.tif 000010
【図８】
2011206756.tif 000011
【図９】
2011206756.tif 000012
【図１０】
2011206756.tif 000013
【図１１】
2011206756.tif 000014
【図１２】
2011206756.tif 000015
【図１３】
2011206756.tif 000016
【図１４】
2011206756.tif 000017
【図１５】
2011206756.tif 000018
【図１６】
2011206756.tif 000019
【図１７】
2011206756.tif 000020
【図１８】
2011206756.tif 000021
【図１９】
2011206756.tif 000022
【図２０】
2011206756.tif 000023
【図２１】
2011206756.tif 000024