(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含む気体を導入し、前記水蒸気を凝縮分離させて下部に貯留する容器と、
前記容器の下部に貯留された、前記水蒸気が凝縮分離された回収水が所定の液位よりも上昇したときに、前記回収水を前記容器から排出させるドレン機構と、
前記容器からの前記回収水の排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を、前記容器の下部に貯留されている前記回収水に与える電気ヒータとを有する気液分離器と；
燃焼用燃料を燃焼させて発生した熱により、炭化水素系の改質用原料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と；
酸素を含む酸化剤ガスと前記改質ガスとを導入して発電する燃料電池と；
前記気液分離器で分離された前記回収水を導入して貯留する回収水タンクとを備え；
前記気液分離器が、前記改質ガスを前記改質器から前記燃料電池へと導く改質ガスライン、及び前記燃料電池における発電に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを前記燃焼用燃料として前記燃料電池から前記改質器へと導くアノードオフガスラインに、個別に配設された；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離器が、前記燃料電池における発電に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスを前記燃料電池から系外へと導くカソードオフガスライン、及び前記燃焼用燃料を燃焼させることにより発生した排ガスを前記改質器から系外へと導く排ガスラインの少なくとも１つに配設された；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電気ヒータによる前記容器の下部に貯留されている前記回収水の加熱が、主として前記燃料電池の発電が行われていないときに実施されるように構成された；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気液分離器及び燃料電池システムに関し、特に分離された液体の排出が阻害されない気液分離器、及びこの気液分離器の利用に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から排出される燃料排ガスに含まれる燃料電池での発電により生成された水は、燃料処理装置（改質器）における水素生成反応の原料として再利用されるべく気液分離器で燃料排ガス中から分離されることが多い。再利用に供される分離された水は一般に残留塩素濃度が低下していて菌類が繁殖しやすい水質となっており、燃料電池発電システム内部に侵入した菌類が燃料処理装置（改質器）において副反応として生成するメタノールを栄養源として増殖することにより、燃料電池発電システム系内の水配管の閉塞を引き起こす場合がある。水配管の閉塞の惹起を回避するべく、燃料排ガスからの回収水を菌類の栄養源が存在しない状態で回収するシステムとして、燃料電池から排出される燃料排ガスを気体と液体に分離する気液分離器と、分離された液体を循環水として回収し、貯水タンクへ送るための循環水回収経路と、気液分離器よりも下流側の循環水回収経路上に設けられた分離された液体を加熱する加熱装置とを備えた燃料電池発電システムがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３１１１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の燃料電池発電システムは、気液分離器中で菌類が増殖した場合は、気液分離器からの回収水の排出が阻害される場合も起こりうる。
【０００４】
本発明は上述の課題に鑑み、分離された液体の排出が阻害されないようにすることができる気液分離器、及びこの気液分離器の利用に適した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る気液分離器は、例えば図１に示すように、水蒸気を含む気体Ｆｍを導入し、前記水蒸気を凝縮分離させて下部に貯留する容器１１と；容器１１の下部に貯留された、前記水蒸気が凝縮分離された回収水ｗが所定の液位ＰＬ（例えば図２参照）よりも上昇したときに、回収水ｗを容器１１から排出させるドレン機構１２と；容器１１からの回収水ｗの排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を、容器１１の下部に貯留されている回収水ｗに与える加熱手段１５とを備える。
【０００６】
このように構成すると、容器からの回収水の排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を容器の下部に貯留されている回収水に与える加熱手段を備えるので、容器の下部に貯留されている回収水中に菌類が発生しないようにでき、仮に発生した場合であっても滅菌することが可能となって容器からの回収水の排出が阻害されないようにすることができる。
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、燃焼用燃料ｆを燃焼させて発生した熱により、炭化水素系の改質用原料ｒ１を改質して水素を含む改質ガスｇを生成する改質器２０と；酸素を含む酸化剤ガスｔと改質ガスｇとを導入して発電する燃料電池６０と；改質ガスｇを改質器２０から燃料電池６０へと導く改質ガスライン５４、燃料電池６０における発電に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼用燃料ｆとして燃料電池６０から改質器２０へと導くアノードオフガスライン５５、燃料電池６０における発電に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを燃料電池６０から系外へと導くカソードオフガスライン５７、５８、及び燃焼用燃料ｆを燃焼させることにより発生した排ガスｅを改質器２０から系外へと導く排ガスライン５３、５８の少なくとも１つに配設された上記本発明の第１の態様に係る気液分離器１０とを備える。
【０００８】
このように構成すると、燃料電池システム内で繰り返し利用される回収水が菌類の繁殖しやすい水質になった場合でも回収水の流通の阻害を抑制することができ、燃料電池システム内の水自立を維持することができる。
【０００９】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１及び図３を参照して示すと、上記本発明の第２の態様に係る燃料電池システム１００において、加熱手段１５による容器１１の下部に貯留されている回収水ｗの加熱が、主として燃料電池６０の発電が行われていないときに実施されるように構成されている。
【００１０】
このように構成すると、気液分離器における気液分離性能の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、容器からの回収水の排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を容器の下部に貯留されている回収水に与える加熱手段を備えるので、容器の下部に貯留されている回収水中に菌類が発生しないようにでき、仮に発生した場合であっても滅菌することが可能となって容器からの回収水の排出が阻害されないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１３】
まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器１０を説明する。図１は、気液分離器１０の縦断面図である。気液分離器１０は、水蒸気を含む気体としての混合流体Ｆｍを導入し水蒸気を凝縮させて分離する機器であり、混合流体Ｆｍから凝縮分離した水蒸気を回収水ｗとして貯留する容器１１と、容器１１に溜まった回収水ｗが所定の液位よりも上昇したときに回収水ｗを容器１１から排出させるドレン機構１２と、容器１１に溜まった回収水ｗを加熱する加熱手段としてのヒータ１５とを備えている。
【００１４】
容器１１は、典型的には円筒状に形成されている。気液分離器１０は、典型的には、円筒状に形成された容器１１の軸（円筒の軸）が鉛直方向に延びるように配設されるため、以下の説明において上下等の位置関係に言及するときは気液分離器１０の典型的な配置における位置関係をいうものとする。容器１１の側面上部には外側に向かって突出した側面突出部１１ａが形成されており、側面突出部１１ａの先端には混合流体Ｆｍを導入する導入口１１ｈａが形成されている。
【００１５】
容器１１の上面には上方に向かって突出した上面突出部１１ｂが形成されており、上面突出部１１ｂの先端には容器１１内で混合流体Ｆｍから回収水ｗ分の水蒸気が分離された気体Ｇを導出する気体導出口１１ｈｂが形成されている。上面突出部１１ｂは容器１１内にも延びている。上面突出部１１ｂが容器１１内に延びる長さは、導入口１１ｈａから導入された混合流体Ｆｍが上面突出部１１ｂの外側に衝突するような位置までとなっている。このように構成されることにより、容器１１内に導入された混合流体Ｆｍが上面突出部１１ｂに衝突して（混合流体Ｆｍが衝突する部分の上面突出部１１ｂを特に「分離部１３」ということとする）、混合流体Ｆｍから回収水ｗが凝縮分離される。
【００１６】
容器１１の底面には、下方及び容器１１内部の双方に向かってわずかに突出する下面突出部１１ｃが形成されている。容器１１の外側の下面突出部１１ｃの先端には、容器１１内で混合流体Ｆｍから分離された回収水ｗを導出する液体導出口１１ｈｃが形成されている。導入口１１ｈａ、気体導出口１１ｈｂ、液体導出口１１ｈｃは、流体（混合流体Ｆｍ、気体Ｇ、回収水ｗ）を搬送する流路を形成する管状部材とねじやフランジで接続可能なように、それぞれ構成されている。
【００１７】
ドレン機構１２は、容器１１内に配設されており、フロート１２ｆと、ばね１２ｓと、ディスク１２ｄとを含んで構成されている。フロート１２ｆは、容器１１内に貯留された回収水ｗから浮力を受けて、容器１１内に貯留された回収水ｗの液位に応じて上下に移動するように構成されている。ばね１２ｓは、典型的にはコイルばねであり、フロート１２ｆを下方に付勢するように、フロート１２ｆの下部（底部を含む）と容器１１の底部とに接続されている。ディスク１２ｄは、液体導出口１１ｈｃを塞ぐように、かつ液体導出口１１ｈｃに対して開閉可能なように（液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出を許可及び不許可とする状態とするように）、片開き状に容器１１内に取り付けられている。ディスク１２ｄは、フロート１２ｆとレバー１２ｒで連結されており、フロート１２ｆが上昇すると開いて回収水ｗを液体導出口１１ｈｃから導出可能となり、フロート１２ｆが下端に位置すると閉じて液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出がされないように構成されている。
【００１８】
ここで図２を参照して、容器１１に貯留された回収水ｗが排出される手順を説明する。図２では、気液分離器１０のフロート１２ｆまわりを示し、上部（側面突出部１１ａ及び上面突出部のまわり）は省略している。図２（ａ）に示すように、容器１１内に回収水ｗがないときは、フロート１２ｆが重力及びばね１２ｓの引っ張り力により容器１１の底部に下降している。このとき、レバー１２ｒを介してフロート１２ｆに連結されているディスク１２ｄは、液体導出口１１ｈｃを塞いでいる。図２（ｂ）に示すように、容器１１内に回収水ｗが溜まってくるとフロート１２ｆに浮力が生じてくるが、フロート１２ｆはバネ１２ｓにより底面側に付勢されているので、ばね１２ｓの引っ張り力に打ち勝つ程の浮力が生じるまでフロート１２ｆは上昇しない。フロート１２ｆが上昇せずに底部に下降したままのときは、容器１１内に回収水ｗが溜まっていても液体導出口１１ｈｃがディスク１２ｄにより塞がれているので回収水ｗは容器１１から導出されない。そして、図２（ｃ）に示すように、ばね１２ｓの引っ張り力に打ち勝ってフロート１２ｆが上昇しようとする浮力が発生する液位ＰＬ（この液位ＰＬが「所定の液位」に相当する）よりも容器１１内の回収水ｗの液位が上昇したときに、フロート１２ｆは上昇して底部から離れる。フロート１２ｆが上昇すると、レバー１２ｒを介して連結されているディスク１２ｄが開き、容器１１内に貯留していた回収水ｗが液体導出口１１ｈｃから導出される。
【００１９】
再び図１に戻って気液分離器１０の構成の説明を続ける。ヒータ１５は、容器１１内に貯留された回収水ｗの最高液位から下方に向かって、貯留された回収水ｗが存在する部分の容器１１を包むように、容器１１の外側に設けられている。ヒータ１５は、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出を阻害するように回収水ｗをスライム化させる原因となる菌類が容器１１内に貯留された回収水ｗ中に発生したときに、その菌類を滅菌することができる熱量を出力可能なように構成されている。
【００２０】
次に図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００について説明する。燃料電池システム１００は、炭化水素系の改質用原料としての改質原料ｒ１を導入して水素に富む改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入して発電する燃料電池６０と、上述した気液分離器１０と、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置９０とを含んで構成されている。
【００２１】
改質器２０は、改質原料ｒ１と改質用水ｓとを導入して改質原料ｒ１を水蒸気改質し水素に富むガスを生成する改質部２１と、水素に富むガスから一酸化炭素濃度を低減した改質ガスｇを生成する一酸化炭素低減部２２と、改質原料ｒ１の水蒸気改質に用いる改質熱を発生させるバーナー２５とを有している。さらに一酸化炭素低減部２２は、水素に富むガス中の一酸化炭素を変成して水素に富むガスから一酸化炭素が低減した変成ガスとする変成部２３と、選択酸化空気ａ１を導入し変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化して変成ガスからさらに一酸化炭素が低減した改質ガスｇを生成する選択酸化部２４とを有している。炭化水素系の改質用原料（改質原料ｒ１）は、炭化水素あるいは炭化水素を主成分とする混合物の総称であり、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする炭化水素系の燃料である。また、水素に富むガスは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んでいる。水素に富むガスから一酸化炭素を低減した改質ガスｇも水素に富むガスと同程度の水素が含まれている。改質ガスｇの水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池６０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質ガスｇには水蒸気が含まれている。水素に富むガスには、典型的には一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。
【００２２】
バーナー２５は、燃焼用燃料ｆと燃焼空気ａ２とを導入し、燃焼用燃料ｆを燃焼させて改質原料ｒ１の水蒸気改質に必要な改質熱を得る部分である。燃焼用燃料ｆとしては、炭化水素系の燃焼燃料ｒ２、後述するアノードオフガスｐ、あるいはこれらの混合物が用いられる。本実施の形態では、燃焼燃料ｒ２は、改質原料ｒ１と同じ物質であり、説明の便宜上用途に応じた呼称に変えたものである。バーナー２５に導入される燃焼用燃料ｆ及び燃焼空気ａ２と、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２内を流通する改質原料ｒ１及び改質ガスｇとが混合しないように、バーナー２５と、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２とは隔壁等で隔離されている。バーナー２５は、改質部２１における水蒸気改質反応に用いられる改質熱を効率的に改質部２１に与えることができるように、改質部２１近傍に配設されている。
【００２３】
燃料電池６０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池６０は、改質ガスｇを導入するアノード６１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード６２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部６３とを含んで構成されている。酸化剤ガスｔは、典型的には所定の加湿度に加湿された空気である。燃料電池６０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード６１とカソード６２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部６３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池６０では、アノード６１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード６２に移動すると共に電子がアノード６１とカソード６２とを結ぶ導線（不図示）を通ってカソード６２に移動して、カソード６２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池６０は、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（不図示）と電気的に接続される。
【００２４】
燃料電池６０のアノード６１では、導入された改質ガスｇ中の水素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池６０における発電）に利用される訳ではなく、一部の水素が利用される。アノード６１からは、燃料電池６０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出される。アノードオフガスｐには、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気等が含まれている。燃料電池６０のカソード６２では、導入された酸化剤ガスｔ中の酸素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池６０における発電）に利用される訳ではなく、一部の酸素が利用される。カソード６２からは、燃料電池６０での電気化学的反応に利用されなかった酸素と、水蒸気とを含むカソードオフガスｑが排出される。
【００２５】
改質器２０の選択酸化部２４と燃料電池のアノード６１とは、改質ガスラインとしての改質ガス管５４で接続されている。改質ガス管５４には、気液分離器１０（以下、改質ガス管５４に配設された気液分離器１０を他の気液分離器と区別する必要があるときはその符号を「１０Ａ」と表す。）が挿入配置されている。気液分離器１０Ａは、燃料電池６０に導入される際の温度にできるだけ近い温度で改質ガスｇを気液分離器１０Ａに導入させる観点から、燃料電池６０近傍に配設されることが好ましい。つまり、このようにすると、気液分離器１０Ａから導出された改質ガスｇの温度が低下することにより凝縮水が含まれた状態の改質ガスｇが燃料電池６０に導入されることを回避することができる。気液分離器１０Ａは、導入口１１ｈａが選択酸化部２４側に、気体導出口１１ｈｂがアノード６１側に位置するように、改質ガス管５４に配設されている。気液分離器１０Ａの液体導出口１１ｈｃには改質ガス回収水管４１の一端が接続されており、その他端は回収水タンク８５に接続されている。
【００２６】
燃料電池６０のアノード６１と改質器２０のバーナー２５とは、アノードオフガスラインとしてのアノードオフガス管５５で接続されている。アノードオフガス管５５には、気液分離器１０（以下、アノードオフガス管５５に配設された気液分離器１０を他の気液分離器と区別する必要があるときはその符号を「１０Ｂ」と表す。）が挿入配置されている。気液分離器１０Ｂは、導入口１１ｈａがアノード６１側に、気体導出口１１ｈｂがバーナー２５側に位置するように、アノードオフガス管５５に配設されている。気液分離器１０Ｂの液体導出口１１ｈｃにはアノードオフガス回収水管４２の一端が接続されており、その他端は回収水タンク８５に接続されている。アノードオフガス管５５に気液分離器１０Ｂが配設されていることにより、バーナー２５に供給されるアノードオフガスｐに過剰な水分が随伴されることがなく、アノードオフガスｐを燃焼させたときに失火等の不都合が生ずることを回避することができる。
【００２７】
回収水タンク８５は、各気液分離器１０で分離された回収水ｗを貯留するタンクである。回収水タンク８５には、貯留されている回収水ｗを改質用水ｓとして改質部２１に導く改質用水管７１が接続されている。改質用水管７１には、改質用水ｓを回収水タンク８５から改質部２１へと圧送する改質用水ポンプ８１が配設されている。
【００２８】
改質部２１には、改質用水管７１のほかに、改質原料ｒ１を導入する改質原料管５１ａが接続されている。改質用水管７１は、改質部２１に直接接続されるのではなく改質原料管５１ａに接続されていてもよい。改質原料管５１ａは、原料ｒを搬送する原料管５１から分岐した管である。原料管５１から分岐した他方は燃焼燃料管５１ｂである。燃焼燃料管５１ｂは、搬送する燃焼燃料ｒ２の供給先であるバーナー２５に接続されている。改質原料ｒ１及び燃焼燃料ｒ２は、上述のように、原料ｒを用途に応じて区別した呼称であり、物性は同じものである。原料管５１には、原料ｒを脱硫する脱硫器８６が配設されているとよい。
【００２９】
バーナー２５には、アノードオフガス管５５及び燃焼燃料管５１ｂのほかに、燃焼空気ａ２を導入する燃焼空気管５２ｂが接続されている。燃焼燃料管５２ｂは、空気ａを搬送する空気管５２から分岐した管である。空気管５２から分岐した他方は選択酸化空気管５２ａである。選択酸化空気管５２ａは、搬送する選択酸化空気ａ１の供給先である選択酸化部２４に接続されている。選択酸化空気ａ１及び燃焼空気ａ２は、空気ａを用途に応じて区別した呼称である。また、バーナー２５には、燃焼用燃料ｆを燃焼した後に生じる燃焼排ガスｅを排出する排ガスラインとしての排ガス管５３が接続されている。本実施の形態では、排ガス管５３は改質部２１を貫通しており（ただし、改質部２１とは連通していない（改質部２１に排ガスｅの出入があるようにはなっていない））、排ガスｅの熱を改質熱として利用可能に構成されている。
【００３０】
燃料電池６０のカソード６２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５６及びカソードオフガスｑを導出するカソードオフガスラインとしてのカソードオフガス管５７が接続されている。カソードオフガス管５７は、排ガス管５３に接続されている。排ガス管５３とカソードオフガス管５７とが接続した後は、１本の混合排ガス管５８となって、燃焼排ガスｅとカソードオフガスｑとが混合した混合排ガスｍを系外（燃料電池システム１００外）に排出するように構成されている。つまり、混合排ガス管５８は、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを兼ねるものである。混合排ガス管５８には気液分離器１０（以下、混合排ガス管５８に配設された気液分離器１０を他の気液分離器と区別する必要があるときはその符号を「１０Ｃ」と表す。）が挿入配置されている。気液分離器１０Ｃは、できるだけ低い温度で混合排ガスｍを気液分離器１０Ｃに導入させる観点から、混合排ガスｍを系外に排出する排気口（不図示）近傍に配設されることが好ましい。つまり、このようにすると、比較的高温である燃焼排ガスｅが比較的低温であるカソードオフガスｑと混合して降温した後に放熱によりさらに温度が低下してから気液分離器１０Ｃで水蒸気が除去されるので、気液分離器１０Ｃから導出された混合排ガスｍの温度が低下することにより混合排ガスｍ中の水分が凝縮して排気口（不図示）から排出される混合排ガスｍが「白煙」となることを回避することができる。気液分離器１０Ｃは、導入口１１ｈａが改質器２０及び燃料電池６０側に、気体導出口１１ｈｂが系外側に位置するように、混合排ガス管５８に配設されている。気液分離器１０Ｃの液体導出口１１ｈｃには排ガス回収水管４３の一端が接続されており、その他端は回収水タンク８５に接続されている。
【００３１】
燃料電池６０の冷却部６３には、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水管７３が接続されている。冷却水管７３には、冷却水ｃの熱を放熱する熱交換器８８が配設されている。熱交換器８８で放出された熱は、典型的には、排熱回収水等の熱媒体（不図示）を介して貯湯槽（不図示）に蓄えられる。冷却水管７３は、冷却水ｃを冷却部６３から熱交換器８８に導く第１冷却水管７３Ａと、冷却水ｃを熱交換器８８から冷却部６３に導く第２冷却水管７３Ｂとを含んで構成されている。第２冷却水管７３Ｂには、冷却水管７３内で冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ８３が配設されている。また、冷却水ポンプ８３よりも上流側の第２冷却水管７３Ｂには、冷却水管７３に冷却水を補充する冷却水補充管７８が接続されている。冷却水補充管７８の他端は回収水タンク８５の底部に接続されており、回収水タンク８５に収集された回収水ｗを冷却水ｃの補充用に用いることができるように構成されている。
【００３２】
制御装置９０は、改質器２０に導入される改質原料ｒ１や燃焼用燃料ｆや改質用水ｓ
等の流量をバルブ（不図示）や改質用水ポンプ８１等を調節して制御することにより、改質器２０の運転（改質ガスｇの生成量）を制御することができるように構成されている。また、制御装置９０は、燃料電池６０に導入される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの流量をバルブ（不図示）や酸化剤ガスブロワ等を調節して制御することにより、燃料電池６０の運転（発電電力）を制御することができるように構成されている。また、制御装置９０は、冷却水ポンプ８３の発停や回転速度を制御することができるように構成されている。また、制御装置９０は、気液分離器１０のヒータ１５（図１参照）の出力を調節（停止状態も含む）することができるように構成されている。
【００３３】
図１〜図３を参照して、気液分離器１０及び燃料電池システム１００の作用を説明する。なお、気液分離器１０の作用は、燃料電池システム１００の作用の一環として説明する。燃料電池システム１００が停止している状態から起動するには、改質部２１に改質原料ｒ１及び改質用水ｓを供給し、バーナー２５に燃焼用燃料ｆとしての燃焼燃料ｒ２及び燃焼空気ａ２を供給する。バーナー２５で燃焼燃料ｒ２を燃焼させて改質熱を発生させることにより、改質部２１に供給された改質原料ｒ１は水蒸気改質反応により水素に富むガスに改質される。水素に富むガスは、変成部２３で変成反応が行われ、選択酸化部２４では導入された選択酸化空気ａ１により選択酸化反応が行われて、一酸化炭素濃度が低減した水素に富むガスである改質ガスｇとなる。改質ガスｇは、改質部２１において比較的高いＳ／Ｃ（スチームとカーボンの比）で改質されるため、ほぼ水蒸気が飽和した状態となっている。他方、バーナー２５で燃焼用燃料ｆが燃焼することにより生じる燃焼排ガスｅは、改質器２０から排出されて排ガス管５３内を流れる。
【００３４】
改質器２０で生成された改質ガスｇは、アノード６１に導かれる途中で気液分離器１０Ａに流入する。気液分離器１０Ａに流入した改質ガスｇは、分離部１３に衝突し、改質ガスｇ中の水蒸気が凝縮分離されて回収水ｗとして容器１１内に貯留される。容器１１内に貯留された回収水ｗは、所定の液位ＰＬを超えると気液分離器１０Ａから導出されて回収水タンク８５に貯留される。他方、回収水ｗ分の水蒸気が分離された改質ガスｇは気体導出口１１ｈｂから導出されてアノード６１に導入される。なお、改質器２０の起動当初は生成される改質ガスｇの組成が安定していないため、組成が安定していない改質ガスｇを気液分離器１０Ａから導出後にアノード６１に導入させずにバイパス管（不図示）及びアノードオフガス管５５を介してバーナー２５に導いて燃焼させ、燃焼により発生した熱を改質熱として利用することが好ましい。
【００３５】
改質ガスｇがアノード６１に導入されると、制御装置９０は酸化剤ガスブロワ（不図示）を起動して酸化剤ガスｔをカソード６２に供給する。改質ガスｇと酸化剤ガスｔとが供給された燃料電池６０では、以下のような電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード６１では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード６２では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ・・・（１）
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード６１の電子が外部電気回路（不図示）を通ってカソード６２に移動する際に電力を得ることができる。アノード６１の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード６２に移動し、酸素と結合して水分が発生する。上述のように、この電気化学的反応は発熱反応である。
【００３６】
燃料電池６０によって得られる電力は直流電力であり、必要に応じてパワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に送電される。他方、燃料電池６０で発生する熱は、燃料電池６０を冷却する冷却水ｃ及び排熱回収水（不図示）を媒体として、例えば貯湯槽（不図示）に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。燃料電池６０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１００の効率が向上することとなる。燃料電池６０における電気化学的反応後にアノード６１から導出されるアノードオフガスｐは、バーナー２５に導かれる途中で気液分離器１０Ｂに流入する。気液分離器１０Ｂに流入したアノードオフガスｐは、分離部１３に衝突し、アノードオフガスｐ中の水蒸気が凝縮分離されて回収水ｗとして容器１１内に貯留される。容器１１内に貯留された回収水ｗは、所定の液位ＰＬを超えると気液分離器１０Ｂから導出されて回収水タンク８５に貯留される。他方、回収水ｗ分の水蒸気が分離されたアノードオフガスｐは気体導出口１１ｈｂから導出されてバーナー２５に導入される。バーナー２５に導入されたアノードオフガスｐは、燃焼用燃料ｆとして燃焼されて改質熱を発生させる。燃焼用燃料ｆがアノードオフガスｐで足りる場合（必要な改質熱を得られる場合）はバーナー２５への燃焼燃料ｒ２の供給が停止され、アノードオフガスｐで足りない場合であっても不足分を補う流量に燃焼燃料ｒ２が減らされる。アノードオフガスｐは、燃焼されるとアノードオフガスｐ中の水素が酸素と結合して水が生成され、生成された水は水蒸気として燃焼排ガスｅ中に含まれた状態で排ガス管５３内を流れる。
【００３７】
他方、燃料電池６０における電気化学的反応後にカソード６２から導出されるカソードオフガスｑは、バーナー２５から排出された燃焼排ガスｅと合流して混合排ガスｍとなり混合排ガス管５８内を流れる。混合排ガスｍは、系外に排出される前に気液分離器１０Ｃに流入する。気液分離器１０Ｃに流入した混合排ガスｍは、分離部１３に衝突し、混合排ガスｍ中の水蒸気が凝縮分離されて回収水ｗとして容器１１内に貯留される。容器１１内に貯留された回収水ｗは、所定の液位ＰＬを超えると気液分離器１０Ｃから導出されて回収水タンク８５に貯留される。他方、回収水ｗ分の水蒸気が分離された混合排ガスｍは系外に排出される。
【００３８】
各気液分離器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃから回収水タンク８５に回収された回収水ｗは、改質用水ｓとして改質部２１に供給され、再び燃料電池システム１００の系内で利用される。このように、気液分離器１０で分離回収された回収水ｗを燃料電池システム１００で利用することで、水自立を達成することができる。なお、水分が系外にキャリーオーバー等することにより燃料電池システム１００内の水分が減少し、回収水タンク８５内の回収水ｗが減少した場合は、系外から回収水タンク８５に水が補充される。
【００３９】
燃料電池システム１００は、起動していないときは各気液分離器１０への混合流体Ｆｍ（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ、混合排ガスｍ）の流入がないため、新たな水蒸気の分離が行われない。新たな水蒸気の分離が行われないと容器１１内の回収水ｗの量も増加しないため、容器１１からの回収水ｗの排出が行われない状態が維持される。このとき、容器１１内には所定の液位ＰＬ以下の液位の回収水ｗが貯留されていることになる。そして、容器１１内に貯留されている回収水ｗの温度は、各気液分離器１０で分離された直後は８０℃を超えているが、時間が経過するにつれて低下していく。容器１１内に貯留されている回収水ｗは、４０℃前後（例えば３５〜４５℃程度）で滞留すると菌類が繁殖しやすくなる。回収水ｗ中に菌類が繁殖すると菌類がスライムとなって、気液分離器１０の液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出が阻害されるおそれが生じる。
【００４０】
そこで、制御装置９０は、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出が阻害されるほど菌類が繁殖する前に、気液分離器１０のヒータ１５に通電させて、容器１１内に貯留されている回収水ｗを、滅菌するために加熱する。「滅菌」は、典型的には、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出阻害が生じない程度に殺菌をすることである。滅菌を行う際、制御装置９０は、滅菌に必要な熱量をヒータ１５から容器１１内に貯留されている回収水ｗに与えることができるように、ヒータ１５の出力を調節する。滅菌に必要な熱量は、例えば容器１１内に貯留されている回収水ｗが７０℃以上の状態を１５分間継続できるような熱量である。滅菌を行うタイミングは、例えば燃料電池６０における発電が停止してから所定の時間が経過したときに行うとよい。「所定の時間」は、典型的には、容器１１内に貯留されている回収水ｗが、液体導出口１１ｈｃからの導出阻害が生じるほど菌類が繁殖する程度に滞留している時間未満の時間であって、できるだけ長い時間である。できるだけ長い時間とするのは、消費電力の低減及び気液分離器１０における気液分離性能の維持の観点から、ヒータ１５の起動をできるだけ回避するためである。
【００４１】
また、滅菌を行うタイミングを、燃料電池システム１００が起動した直後としてもよい。この場合、容器１１内に回収水ｗが貯留されている時間が所定の時間を超えて滞留すると、液体導出口１１ｈｃからの回収水ｗの導出阻害が生じるほど菌類が繁殖することがありうる。しかし、燃料電池システム１００の起動後、改質器２０や燃料電池６０が予定された能力を発揮する定常運転に至って分離されるべき水蒸気を含んだ混合流体Ｆｍ（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ、混合排ガスｍ）が気液分離器１０に導入されるまでにタイムラグがあるため、気液分離器１０で分離された回収水ｗが容器１１からあふれる前に回収水ｗの導出阻害が生じないように滅菌を行うことができる。
【００４２】
以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００によれば、容器１１からの回収水ｗの排出を阻害する原因となる菌類を滅菌する熱量を容器１１の下部に貯留されている回収水ｗに与えるヒータ１５を有する気液分離器１０を備えるので、容器１１の下部に貯留されている回収水ｗ中に菌類が発生した場合であっても滅菌することが可能となって容器１１からの回収水ｗの排出が阻害されないようにすることができ、安定した運転を行うことができる。
【００４３】
以上の説明では、容器１１が円筒状に形成されているとしたが、軸直角断面の形状が四角形や八角形等の多角形に形成された中空多角柱状に形成されていてもよい。
【００４４】
以上の説明では、ドレン機構１２がフロート１２ｆ及びディスク１２ｄを有しているとしたが、これらに替えて液体導出口１１ｈｃを開閉可能な電磁弁及び容器１１内の液位を検出可能な液位検出器を設け、制御装置９０が、液位検出器が所定の液位ＰＬを超えた液位を検出したときに電磁弁を開にさせるように制御することとしてもよい。ドレン機構１２がフロート１２ｆを有するか電磁弁を有するかは、各気液分離器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃごとに、混合流体Ｆｍ（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ、混合排ガスｍ）の性質等を勘案して適宜決定すればよい。
【００４５】
以上の説明では、フロート１２ｆを下方に付勢するように、フロート１２ｆの下部（底部を含む）と容器１１の底部とがばね１２ｓで接続されているとしたが、液体導出口１１ｈｃを閉止する方向にディスク１２ｄを付勢するように、ディスク１２ｄと容器１１の底部とをばね１２ｓで接続してもよい。
【００４６】
以上の説明では、加熱手段としてのヒータ１５が容器１１の外側に設けられているとしたが、容器１１内に貯留された回収水ｗを滅菌できる温度に加熱することができれば、容器１１内に設けられていてもよく（例えば、発熱体を容器１１内の下部に設ける等）、また、ヒータ１５以外の加熱手段（例えば、内部に流体を流すジャケット型熱交換器等）を用いてもよい。
【００４７】
以上の説明では、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを兼ねる混合排ガス管５８に気液分離器１０Ｃが設けられているとしたが、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とのそれぞれに気液分離器１０を設けてもよい。このとき、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを接続して混合排ガス管５８とせずに、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを別々に系外に導いてもよい。しかしながら、設置スペースの縮小及び系外に排出するガスの温度を効率的に低下させる観点から、排ガス管５３とカソードオフガス管５７とを兼ねる混合排ガス管５８に気液分離器１０Ｃを設けることとするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器の縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器の作用を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの系統図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  気液分離器
１１  容器
１２  ドレン機構
１５  加熱手段
２０  改質器
５３  排ガスライン
５４  改質ガスライン
５５  アノードオフガスライン
５７  カソードオフガスライン
５８  混合排出ガスライン
６０  燃料電池
１００  燃料電池システム
Ｆｍ  混合流体
ｅ  排ガス
ｆ  燃焼用燃料
ｇ  改質ガス
ｐ  アノードオフガス
ｑ  カソードオフガス
ｒ１  改質用原料
ｔ  酸化剤ガス
ｗ  回収水
【図１】
0005242126.tif 000002
【図２】
0005242126.tif 000003
【図３】
0005242126.tif 000004