(57)【要約】【課題】気液分離システムの貯留部に溜まった水が氷点下で凍り膨張したときに排水口を塞いでしまうことを防止する手段を実現する。【解決手段】気液分離システム１ａは、ガス流路に設置されている。この気液分離システム１ａは、ガス流路内のガスから分離された液体を貯める貯留部１７ａと、貯留部１７ａに貯まった液体２５を外部に排出する排水口１５ａと、を備える。さらに、気液分離システム１ａの貯留部１７ａは、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する構成となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路に設置され、
前記ガス流路内のガスから分離された液体を貯める貯留部と、
前記貯留部に貯まった液体を外部に排出する排水口と、
を備えた気液分離システムであって、
前記貯留部は、低温時において常温時に比べて容積が増大することを特徴とする気液分離システム。
【請求項２】
請求項１に記載の気液分離システムであって、
前記貯留部は、内壁が熱膨張係数の小さい金属で構成され、外壁が熱膨張係数の大きい金属で構成され、底面が伸縮部材で構成されていることを特徴とする気液分離システム。
【請求項３】
請求項１に記載の気液分離システムであって、
前記貯留部に溜まった液体の温度を計測する温度センサを備え、
前記貯留部は、側壁が低温時において常温時のときに比べて伸長する部材により構成されていることを特徴とする気液分離システム。
【請求項４】
請求項１に記載の気液分離システムであって、
前記貯留部に溜まった液体の温度を計測する温度センサを備え、
前記貯留部は、深さが低温時において常温時のときに比べて増大するネジ式容器により構成されていることを特徴とする気液分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムなどに搭載される気液分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の動力源として燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、水素タンクから燃料電池に供給された水素（燃料ガス）が水素イオン化する際に放出する電子を直流電流として取り出すシステムである。
【０００３】
このように発生した水素イオンは、酸素及び電子と結合し水になる。また、燃料電池システムでは、イオン化されずに燃料電池から排気された水素を再利用するための（ガス流路による）循環系を有している。
【０００４】
ところで、燃料電池システムに用いられる（固体高分子）電解質膜は、そのイオン透過性を保持するために適度な湿度を必要とする。このため、燃料電池システムでは、前述した水素と酸素は適度な湿度で燃料電池に供給される。
【０００５】
一方、燃料電池から排気されるガスは、電解質膜に吸収されなかった水分や前述したような水素イオンにより生成された水分を多く含んでいる。このため、燃料電池から排気されるガスが冷却されるとガス流路内で結露が発生する。
【０００６】
このように、ガス流路内に発生した水分が燃料電池に流れ込み電解質膜に付着すると、電解質膜の湿度が前述したような適正な状態よりも高くなってしまい、燃料電池システムの発電効率を著しく低下させてしまう。そこで、従来、ガス流路中に気液分離システムを配置した燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３２７６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的な気液分離システムを図４に示す。図４の（ａ）に示すように、気液分離システム１ｄは、ガス流路に配置され、入口１１ｄと、排気口１３ｄ及び排水口１５ｄと、貯留部１７ｄと、を有している。入口１１ｄからは矢印２１で示すようにガス流路を流れるガス（水分を含むガス）が流入する。
【０００９】
気液分離システム１ｄでは、このように流入したガスが凝結し、貯留部１７ｄに水分２５が溜まる。そして、排気口１３ｄからは矢印２３に示すようにガス（水分が除去されたガス）が排気され、排水口１５ｄからは矢印２７に示すように水が排水される。
【００１０】
ところで、燃料電池システムが、前述したような電気自動車に搭載されていると、気液分離システム１が外気にさらされるため、貯留部１７ｄの温度が氷点下になることもある。このように、貯留部１７ｄの温度が氷点下になってしまうと、図４の（ｂ）に示すように貯留部１７ｄに溜まった水２５が凍り膨張することがある。
【００１１】
このように貯留部１７ｄに溜まった水２５が凍り膨張してしまうと、排水口１５ｄを塞いでしまい気液分離システム１ｄの排水能力が低下し、十分な気液分離が行われなくなる。前述したように、ガス流路内に発生した水分が燃料電池に流れ込み電解質膜に付着すると、燃料電池システムの発電効率を著しく低下させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ガス流路に設置され、前記ガス流路内のガスから分離された液体を貯める貯留部と、前記貯留部に貯まった液体を外部に排出する排水口と、を備えた気液分離システムであって、前記貯留部は、低温時において常温時に比べて容積が増大することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明では、前記貯留部は、内壁が熱膨張係数の小さい金属で構成され、外壁が熱膨張係数の大きい金属で構成され、底面が伸縮部材で構成されていることが望ましい。
【００１４】
また、本発明では、前記貯留部に溜まった液体の温度を計測する温度センサを備え、
前記貯留部は、側壁が低温時において常温時のときに比べて伸長する部材により構成されていることが望ましい。
【００１５】
また、本発明では、前記貯留部に溜まった液体の温度を計測する温度センサを備え、前記貯留部は、深さが低温時において常温時のときに比べて増大するネジ式容器により構成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、貯留部に溜まった水が氷点下で凍り膨張しても排水口を塞いでしまうことを防止する手段を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本実施形態に係る気液分離システムについて、図面を用いて詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る気液分離システムの構成を表す断面図である。また、図２は、第２の実施形態に係る気液分離システムの構成を表す断面図である。また、図３は、第３の実施形態に係る気液分離システムの構成を表す断面図である。図４に示した従来の気液分離システムと同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。なお、本実施形態に示す気液分離システムは、電気自動車用の燃料電池システムに搭載されているものとする。
【００１８】
「第１の実施形態」
まず、図１に示す気液分離システム１ａの構成について説明する。図１に示す気液分離システム１ａは、ガス流路に配置され、入口１１ａと、排気口１３ａ及び排水口１５ａと、貯留部１７ａと、を有している（なお、ガス流路は、水素ガス流路でもよいし、酸素ガス等の流路でもよい）。入口１１ａはガス流路からガスが流入する。排気口１３ａは（水分が分離された）ガスを排気する。排水口１５ａは水分を排水する。貯留部１７ａは分離された水分を貯留する。
【００１９】
また、図１に示す気液分離システム１ａの貯留部１７ａは、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する構成になっている。この貯留部１７ａは、内１７−１ａ壁が熱膨張係数の小さい金属で構成され、外壁１７−２ａが熱膨張係数の大きい金属で構成されている（すなわち、バイメタルにより構成されている）。
【００２０】
バイメタルとしては、鉄とニッケルの合金にマンガン、クロム等を添加した２種類の金属板を作るものがあるが、熱膨張係数の異なる異種金属を貼り合わせたものであれば何でもよい。また、貯留部１７ａの底面部は、伸長自在な部材（例えばジャバラ）により構成されている。
【００２１】
図１に示す気液分離システム１ａの常温時の状態と低温時の状態について説明する。図１の（ａ）は、常温時（例えば、０〜４０℃程度）の状態である。このとき、気液分離システム１ａには、従来の気液分離システム１ｄと同様に、入口１１ａから矢印２１で示すようにガス流路を流れるガス（水分を含むガス）が流入する。
【００２２】
そして、流入したガスが凝結することにより生成された水分２５が貯留部１７ａに溜まる。さらに、排気口１３ａからは矢印２３に示すようにガスが排気され、排水口１５ａからは矢印２７に示すように水が排水される。
【００２３】
気液分離システム１ａの貯留部１７ａが氷点下以下（例えば、０℃以下）になると、バイメタルを構成する内壁１７−１ａ及び外壁１７−２ａが縮小する。前述したように、外壁１７−２ａを構成する金属は、内壁１７−１ａを構成する金属よりも、熱膨張係数が小さい。
【００２４】
また、前述したように、貯留部１７ａの下部１７−３ａは、伸長自在な部材（ジャバラ）により構成されている。このため、貯留部１７ａの外壁は低温時に常温時に比べて外側に曲がる。したがって、貯留部１７ａは、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する。
【００２５】
このように、本実施形態に係る気液分離システムの貯留部は、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する。これにより、貯留部に溜まった水が氷点下で凍り膨張しても排水口を塞いでしまうことを防止することができる。なお、本実施形態では、貯留部の下部は、伸長自在な部材であれば、ジャバラ以外の部材（例えば、ダイヤフラム）であってもよいことは言うまでも無い。
【００２６】
「第２の実施形態」
次に、図２に示す気液分離システム１ｂの構成について説明する。図２に示す気液分離システム１ｂは、前述した気液分離システム１ａと同様に、ガス流路に配置され、入口１１ｂと、排気口１３ｂ及び排水口１５ｂと、貯留部１７ｂと、を備え、さらに、貯留部１７ｂに溜まった液体の温度を計測する温度センサ１９ｂを有している。
【００２７】
また、図２に示す気液分離システム１ｂの貯留部１７ｂは、前述した気液分離システム１７ａと同様に、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する構成になっている。この貯留部１７ｂは、側壁１７−１ｂが伸長自在な部材（例えば、ジャバラやダイヤフラム等）により構成されている。
【００２８】
また、この貯留部１７ｂは、前述した伸長自在な部材により構成された側壁１７−１ｂの上端部及び下端部に連結されたアーム１７−３ｂを有している。このアーム１７−３ｂは、ワイヤー型のアームであり、前述した温度センサ１９により検出された温度が低温時において常温時のときに比べてアーム１７−３ｂが伸長する（なお、アーム１７−３ｂの伸縮は図示しないモータ等で行う）。したがって、側壁１７−１ｂは、低温時において常温時のときに比べて伸長する。また、前述した温度センサ１９ｂは、貯留部１７ｂに溜まった水の温度が最も低くなる場所に設置されているのが望ましい。
【００２９】
次に、図２に示す気液分離システム１ｂの常温時の状態と低温時の状態について説明する。図２の（ａ）は、常温時（例えば、０〜４０℃程度）の状態である。このとき、気液分離システム１ｂは、図１に示す気液分離システム１ａと同様に、入口１１ｂには矢印２１で示すようにガス流路を流れるガス（水分を含むガス）が流入し、流入したガスが凝結することにより生成された水分２５が貯留部１７ｂに溜まる。そして、排気口１３ｂからは矢印２３に示すようにガスが排気され、排水口１５ｂからは矢印２７に示すように水が排水される。
【００３０】
そして、気液分離システム１ｂの貯留部１７ｂが氷点下以下（例えば、０℃以下）になると、前述したようにアーム１７−３ｂが伸長する。また、前述したように、貯留部１７ｂの側壁１７−１ｂは、伸長自在な部材により構成されている。このため、貯留部１７ｂの側壁１７−１ｂは、アーム１７−３ｂと共に伸長する。したがって、貯留部１７ｂは、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する。なお、常温時から低温時におけるアーム１７−３ｂの伸長の制御は上述のような２値的なものに限らず、段階的又は連続的に行ってもよい。
【００３１】
このように、本実施形態に示す気液分離システムの貯留部が低温時において常温時のときに比べて容積が増大することにより、貯留部に溜まった水が氷点下で凍り膨張しても排水口を塞いでしまうことを防止することができる。なお、本実施形態では側壁を伸長させるための手段としてアームを用いたが他の伸長手段であってもよいことは言うまでも無い。
【００３２】
「第３の実施形態」
次に、図３に示す気液分離システム１ｃの構成について説明する。図３に示す気液分離システム１ｃは、前述した気液分離システム１ａ及び１ｂと同様に、ガス流路に配置され、入口１１ｃと、排気口１３ｃ及び排水口１５ｃと、貯留部１７ｃと、を備え、さらに、貯留部１７ｃに溜まった液体の温度を計測する温度センサ１９ｃを有している。
【００３３】
また、図３に示す気液分離システム１ｃの貯留部１７ｃは、前述した気液分離システム１７ａ及び１７ｂと同様に、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する構成になっている。この気液分離システム１ｃの貯留部１７ｃは、低温時において常温時のときに比べて、その深さが増大するネジ式容器により構成されている。
【００３４】
なお、このネジ式容器の深さを調節するために例えばモータ等（図示せず）を用いるのが望ましい。また、前述した温度センサ１９ｃは、貯留部１７ｃに溜まった水の温度が最も低くなる場所に設置されているのが望ましい。
【００３５】
図３に示す気液分離システム１ｃの常温時の状態と低温時の状態について説明する。図３の（ａ）は、常温時の状態である。このとき、気液分離システム１ｃは、前述した気液分離システム１７ａ及び１７ｂと同様に、入口１１ｃには矢印２１で示すようにガス流路を流れるガス（水分を含むガス）が流入し、流入したガスが凝結することにより生成された水分２５が貯留部１７ｃに溜まる。そして、排気口１３ｃからは矢印２３に示すように気体が排気され、排水口１５ｃからは矢印２７に示すように水（及び若干のガス）が排水される。
【００３６】
そして、気液分離システム１ｃの貯留部１７ｃが氷点下以下（例えば、０℃以下）になると、ネジ式の容器で構成された貯留部１７ｃは、前述したように、その深さが増大する。したがって、貯留部１７ｃは、低温時において常温時のときに比べて容積が増大する。なお、常温時から低温時における貯留部１７ｃの深さの制御は上述のような２値的なものに限らず、段階的又は連続的に行ってもよい。
【００３７】
このように、本実施形態に係る気液分離システムの貯留部が低温時において常温時のときに比べて容積が増大することにより、貯留部に溜まった水が氷点下で凍り膨張しても排水口を塞いでしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態に係る気液分離システムの構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る気液分離システムの構成を示す断面図である。
【図３】第３の実施形態に係る気液分離システムの構成を示す断面図である。
【図４】従来の気液分離システムの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ  気液分離システム、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  入口、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ  排気口、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ  排水口、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ  貯留部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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