(57)【要約】【課題】筐体内の底部に溜まっていた液体によって筒状部材が凍結している状態でシステムを起動させる場合でも、新たに流入した液体の排出が可能な気液分離器と、これを備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る気液分離器５０は、気液二相流体を導入する気液入口１３、及び気液二相流体より分離した気体を排出する気体出口１４を有する筐体５１を備え、筐体５１内に導入した気液二相流体の速度を変化させることにより、液体を底部に貯留する。また、筐体５１の底部から上部に向けて連通し、底部に貯留した液体を規定水位よりも上方で筐体外へ排出するための多孔体からなる筒状部材２４を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入した気液二相流体から液体を分離して気体を排出するとともに、
分離した液体が筐体の底部に溜り、溜まった液体を筒状部材によって規定水位より上方で筐体外へ排出する気液分離器において、
前記筒状部材は、形態が浸透可能に形成されること
を特徴とする気液分離器。
【請求項２】
気液二相流体を導入する気液入口、及び前記気液二相流体より分離した気体を排出する気体出口を有する筐体を備え、前記筐体内に導入した気液二相流体の速度を変化させることにより、液体を底部に貯留し、貯留した液体を外部に排出する気液分離器であって、
前記筐体の底部から上部に向けて連通し、前記底部に貯留した液体を規定水位よりも上方で筐体外へ排出するための多孔体からなる筒状部材を設けたこと
を特徴とする気液分離器。
【請求項３】
前記多孔体の空隙率は、前記筒状部材の上方から下方に向かうに連れて小さくなること
を特徴とする請求項２に記載の気液分離器。
【請求項４】
前記気体の流れ方向は、前記気液二相流体として筐体内に流入する方向から、筐体内で異なる方向へ変更されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項５】
前記筐体が上下方向に沿って延在し、筐体の底部に近づくにつれて筐体の内側の水平方向円形断面の径が小さくなるテーパー部を有する形状であり、
前記気液二相流体は、筐体の側面の所定部位における接線方向から流入されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項６】
前記筒状部材は、上下方向に沿って延在する排出用二重管であり、
前記排出用二重管は、筒状に形成されて液体を吸収可能な排出用筒状体と、該排出用筒状体の外周または内周を覆う円管と、から構成され、前記円管の側面には、液体が通過可能な挿通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項７】
アノードとカソードとを有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるガスと生成水との気液二相流体が流入する請求項１〜６のいずれか一項に記載の気液分離器と、を備える燃料電池システム。
【請求項８】
前記筒状部材の高さが、前記規定水位と、前記規定水位を基準として前記筒状部材に毛細管現象により吸い上げられる液面の上昇高さと、の和より大きいこと特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記筒状部材の高さが、システム運転中の前記筐体内の圧力と前記筐体外の圧力との圧力差の最小値、前記生成水の密度、及び重力から算出される、前記筐体の底面を基準とする液体の吸い上げられる限界高さより小さいことを特徴とする請求項７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、気体と液体とを分離する気液分離器、および当該気液分離器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池のアノードに供給されるアノードガスとカソードに供給されるカソードガスを用いて、電気化学反応により発電を行うシステムである。発電の安定化のため、アノードに十分な量のアノードガスを供給すると共に、燃料電池のアノードガス出口から排出される余剰ガスを、新たに供給されるガスと混合させてアノードガス入口に再度導入する手法が用いられている。その際、カソード反応で生じた液体が電解質膜を通過して、アノードガスと共に燃料電池から排出される。このような液体を取り除くため、燃料電池から排出される気液二相流体から液体を分離してアノードガスを排出する気液分離器が用いられている。
【０００３】
気液分離器の筐体内の底部に溜まった液体を排出するため、特許文献１は、筐体内の底部から筐体外まで延在する連通管を配設して、底部に溜まった液体を筐体外へ排出する気液分離器を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような気液分離器が備えられる燃料電池システムの停止後、連通管の液体入口が筐体の底部の液体に浸かった状態で、気液分離器が氷点下環境下に晒されると、連通管の入口が凍った液体によって閉塞する、いわゆる連通管が凍結した状態となる。連通管が凍結した状態でシステムが起動し、燃料電池からアノードガス（気体）と液体とが筐体内に流入すると、気液分離器は新たに流入した液体を排出できずに、気液分離器から液体が溢れる虞がある。
【０００６】
このような従来の課題を解決する為に、本発明は、筐体内の底部に溜まっていた液体によって筒状部材が凍結している状態でシステムを起動させる場合でも、新たに流入した液体の排出が可能な気液分離器と、これを備える燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の気液分離器は、気液入口、及び気体を排出する気体出口を有する筐体を備え、筐体内に導入した気液二相流体の速度を変化させることにより、液体を底部に貯留し、貯留した液体を外部に排出する。また、筐体の底部から上部に向けて連通し、底部に貯留した液体を規定水位よりも上方で筐体外へ排出するための多孔体からなる筒状部材を設けている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の気液分離器は、気液入口より気液二相流体が導入されると、速度の変化により液体が底部に貯留する。底部に貯留した液体は、筒状部材が凍結した状態でも、多孔体からなる筒状部材に液体が浸透することで新たな排出経路が形成される。従って、流入した液体の排出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態における気液分離器の概略構成図であり、（ａ）は気液分離器の斜視図、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図であって排出管を省略している。また、（ｃ）は（ａ）の縦断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図であり、（ａ）は、排出用筒状体の中空部の圧力がＰ１の場合を示し、（ｂ）は、排出用筒状体の中空部の圧力がＰ２の場合を示し、（ｃ）は、排出用筒状体に上下方向の全域に亘って液体が浸透した場合を示し、（ｄ）は排出用筒状体の中空部内の液体が筐体外の排出管に流入する場合を示している。
【図４】本発明の第１実施形態における筐体内の液体が凍結した気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。
【図５】２枚のガラス板同士の距離と、２枚のガラス板の間に配置した水の凝固点と、の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態の燃料電池システムにおいて、筐体内の液体の水位が規定水位である場合の、第１実施形態の気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態における気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態における気液分離器の別のバリエーションの縦断面形状を表す概略構成図である。
【図９】本発明の第４実施形態における気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
なお、図１においては、水素含有ガス流通系統と酸素含有ガス流通系統の内、水素含有ガス流通系統のみを図示し、酸素含有ガス流通系統の図示を省略している。
【００１１】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、高圧水素タンク３と、アノードガス供給流路４と、アノードガス調圧弁５と、エゼクタ６と、アノードガス圧力センサ７と、アノードガス排出流路８と、気液分離器５０と、アノードガス循環流路１０と、水素循環ブロア１１と、を備える。なお、燃料電池システム１の各部には、センサ、バルブなどの補器が備えられると共に、制御装置や、冷却系通路などが備えられるが、図１ではこれらの図示を省略している。
【００１２】
燃料電池スタック２は燃料電池の単位セル１２を複数積層したものであり、単位セル１２の燃料極と酸素極に、アノードガスとしての水素とカソードガスとしての空気をそれぞれ供給することにより、発電を行うものである。
【００１３】
単位セル１２は、電解質膜の両面にそれぞれカーボンに白金を担持した触媒層を接合して電極を形成して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両面にセパレータを配設することで水素ガス流路と酸素ガス流路とを各単位セルの膜電極接合体上に構成する。
【００１４】
高圧水素タンク３は、燃料電池スタック２に供給する高圧のアノードガスとしての水素ガスを貯蔵するものである。アノードガス供給流路４は一端４ａが高圧水素タンク３に、他端４ｂが燃料電池スタック２のアノードガス入口２ａに接続される。水素ガスは高圧水素タンク３からアノードガス供給流路４を通して燃料電池スタック２に供給される。
【００１５】
アノードガス調圧弁５は、アノードガス供給流路４に設けられている。そして、アノードガス供給流路４を流れる水素ガスの圧力を燃料電池の発電状態に適した圧力に調圧する。アノードガス調圧弁５は、無段階又は段階的に開度の増減が可能である。
【００１６】
アノードガス排出流路８は、燃料電池スタック２のアノードガス出口２ｂと気液分離器５０の気液入口１３を接続する。さらに、気液分離器５０の気体出口１４からアノードガス還流流路１５が延びて、このアノードガス還流流路１５は、アノードガス供給流路４に配設したエゼクタ６と接続する。そして、アノードガス循環流路１０は、燃料電池スタック２のアノードガス出口２ｂから前記アノードガス還流流路１５を経てアノードガス入口２ａまでアノードガスを還流する流路である。これにより、アノードガス供給流路４、燃料電池スタック２、アノードガス排出流路８、気液分離器５０、アノードガス還流流路１５、およびエゼクタ６でアノードガスの循環流路が構成される。
【００１７】
エゼクタ６は、高圧水素タンク３からアノードガス調圧弁５を介して供給される水素ガスをエゼクタ６内の絞りにより高速化し、高速化された水素ガスに還流流路を流れるアノードガスに対して巻き込み作用を生じさせる。これにより、アノードガスの循環流路内に循環流が生じる。
【００１８】
アノードガス圧力センサ７は、燃料電池スタック２内のアノードガスの圧力を測定するものであり、エゼクタ６の下流のアノードガス供給流路４に配設される。
【００１９】
アノードガス循環流路１０には、水素循環ブロア１１が設けられ、エゼクタ６に加えて、循環流路内のアノードガスを圧送し、アノード系循環流路内の循環流を生じさせる。なお、水素循環ブロア１１の種類は特に限定されず、ルーツ式、過流式、スクロール式、ターボ式等のブロアや圧縮機を幅広く採用できる。
【００２０】
なお、循環流路では、アノードガスと共に、燃料電池のカソード反応で生じ電解質膜を通過してアノード側へ浸透した生成水が循環される。循環する生成水の量が多くなると、流路抵抗が増大し、燃料電池システム１の発電性能が低下する虞がある。そのため、循環流路に気液分離器５０を備え、循環流路を流れる液体４０を分離する必要がある。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態における気液分離器５０の概略構成図である。気液分離器５０は、略円筒形の筐体５１と、筐体５１の上部に接続される排出管２１と、排出管に設けられる制御弁２２と、筐体５１内の底面５１ａと筐体５１の上部の排出管２１の入口とを結ぶように上下方向に延在する排出用筒状体２３（筒状部材２４）と、から構成される。本実施形態では、排出用筒状体２３が、液体４０が浸透可能な筒状部材２４となる。なお、図２以降では、排出用筒状体２３（筒状部材２４）は点ハッチングで示し、排出用筒状体２３に浸透されている液体４０および筐体５１の内部に貯留されている液体４０は通常の斜線ハッチングで示す。
【００２２】
図２（ａ）、（ｃ）に示すように、本実施形態の気液分離器５０の筐体５１は、上下方向に延びる円筒状に形成されている。詳細には、上部２５の側面は円筒状に形成され、下部２６の側面は、筐体５１の底部２７に近づくにつれて筐体５１の内側の水平方向円形断面の径が小さくなる円錐台形状のテーパー部２８に形成されている。このように、第１実施形態に係る気液分離器５０の筐体５１は、上部２５と下部２６とで側面の形状が異なる。
【００２３】
筐体５１は、アノードガス排出流路８（図１参照）に接続される気液入口１３と、アノードガス還流流路１５（図１参照）に接続される気体出口１４と、を有する。前記気液入口１３からは、気体３９（アノードガス）と液体４０とが混合した気液二相流体３０が筐体５１内に流入し、前記気体出口１４からは、気液二相流体３０から液体４０が分離されたアノードガスが筐体５１外に排出される。流入した気液二相流体３０の内の液体４０は筐体５１の底部２７に溜められる。
【００２４】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、気液入口１３は、筐体５１の上部２５（円筒状に形成された部位）の側面の接線方向に沿って当該側面に接続される。以下、具体的に説明する。図２（ｂ）に示すように、筐体５１の上部２５の側面は上から見ると円形である。この側面の周上の所定部位３１における接線Ｌは、図２（ｂ）における紙面の下側に向けて延在している。そして、気液入口１３の配管も、前記接線Ｌに沿って図２（ｂ）における紙面の下側に向けて延在している。
【００２５】
これにより、気体３９としてのアノードガスと液体４０とからなる気液二相流体３０が気液入口１３から筐体５１内に導入されると、筐体５１の側面の内壁に沿って平面視で円弧状に旋回しながら流れる。また、筐体５１の下部２６のテーパー部２８においては、径寸法が下方に向かうにつれて徐々に小さくなるため、前記気液二相流体３０が下方にいくに従って旋回速度が徐々に速くなる。つまり、気液二相流体３０は、筐体５１内に導入された後、円筒形の筐体５１内で流れ方向が変わり、内部で旋回される。このように、第１実施形態では、気液分離器５０の気液分離方法として遠心分離の原理を利用したサイクロン式を採用している。
【００２６】
なお、本実施形態では、気液分離方法として速度を変化させて重力により液体を下降させるサイクロン方式を採用しているが、本発明はこれに限定されず、筐体５１の内面に気液二相流体３０を衝突させることにより、速度を低下させ重力により液体を筐体５１の底部に貯留させる衝突式を採用することも可能である。即ち、本発明では、筐体５１に導入した気液二相流体３０の速度（絶対値及び向きの少なくとも一方）を、該筐体５１内で変化させることにより、液体と気体を分離する方式を採用する。
【００２７】
気体出口１４は、筐体５１の上部２５の側面と、気液入口１３とは異なる位置で接続される。具体的には、図２（ｂ）に示すように、筐体５１の中心軸Ｏを中心として、気液入口１３が接続される側面の前記所定部位３１とは反対側の他の部位３２に気体出口１４が接続される。つまり、気液入口１３が筐体５１の側面に接続される前記所定部位３１と、気体出口１４が筐体５１の側面に接続される前記他の部位３２とを結ぶ直線は、筐体５１の中心軸Ｏを通る。従って、気体出口１４の延在方向は、気液入口１３の延在方向とほぼ平行であり、図２（ｂ）の紙面の下側に向かっている。このように、気体出口１４の延在方向は、前記他の部位３２における接線方向に沿って延在している。なお、気液分離器５０の気体出口１４からアノードガス還流流路１５へ排出されるアノードガスには、多少の水分が含まれていてもよい。
【００２８】
排出管２１は、気体及び液体が通過できる管であり、一端２１ａが筐体５１の上面５１ｂの略中央部と接続され、他端２１ｂが筐体外の装置等と接続される。筐体外は、高圧のアノードガスが充満する筐体内と比較して低圧となる。排出管２１を通して、筐体内の液体と共に水素を含んだアノードガスが排出されるため、排出管２１の下流には、図示しない水素処理装置等が設けられる。
【００２９】
制御弁２２は、気体３９及び液体４０の流通を制御する弁であり、排出管２１に設けられる。制御弁２２は図示しない制御装置によって開閉され、排出管２１内を流れる気体３９及び液体４０を流通または遮断させる。制御弁２２として、本実施形態では電磁式の開閉弁を採用する。なお、制御弁の種類はこれに限定されない。
【００３０】
排出用筒状体２３は、シート状の金属メッシュを３周ほど重ねて丸め、焼結した円筒形の筒状部材である。すなわち、メッシュの開口部分２３ａ（細孔）を無視すると、長手方向（上下方向）にわたって中空部２３ｄを有する円筒形をしており、例えば外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ程の寸法である。金属メッシュは、ステンレス製鋼のものやアルミ製のものが用いられる。排出用筒状体２３の表面と接触した液体４０は、毛細管現象により金属メッシュの開口部分２３ａ（細孔）を通して排出用筒状体２３に吸収される。即ち、排出用筒状体２３は、表面に多数の空隙部を有する多孔体として構成されている。
【００３１】
なお、本実施形態の排出用筒状体２３を構成する材料として、金属メッシュからなる多孔体を使用したが、実施可能な形態はこれに限らない。例えば、樹脂や、セラミック、ステンレスパウダー等の粒子を焼結させた多孔質材料からなる多孔体を用いてもよい。また、樹脂メッシュや布のような網状の素材を形成してもよい。すなわち、排出用筒状体を、液体が吸収（浸透）可能となるように形成できる材料であれば、様々な素材を材料として採用できる。
【００３２】
排出用筒状体２３は、一端（下面２３ｂ）が筐体５１の底面５１ａに当接し、他端（上面２３ｃ）が筐体５１の上部の排出管２１の一端２１ａと接続される。その際、排出用筒状体２３の中空部２３ｄが排出管２１の内部と連通するように接続される。排出用筒状体２３は、円筒形に形成された筐体５１の上部２５と軸心を合わせて、筐体５１の上面５１ｂの中央部に配置される。このようにして、筐体５１の底部２７から、排出用筒状体２３、排出管２１を介してシステム外まで繋がる液体４０の経路が構成される。
【００３３】
従来の燃料電池システムであれば、システム起動時に気液分離器の排出経路に凍結が生じている場合に、解凍を行うためのヒータを備える必要があったが、本実施形態の気液分離器５０および燃料電池システム１の場合、前記ヒータを省略できる。そのため、気液分離器５０および燃料電池システム１の構成が簡素化され、小型化、省コスト化することができる。
【００３４】
さらに、本実施形態の筐体５１は円筒形であり、図２（ｂ）に示すように、筐体５１の上部２５の内壁の接線方向に沿った角度からアノードガス（気体３９）が導入されるため、筐体５１に流入したアノードガスが筐体５１内で旋回する。さらに、筐体５１は下部２６にテーパー部２８を有するため、テーパー部２８で旋回流が加速されて、加速された旋回流が流入したアノードガスを下部２６に引き込み、排出用筒状体２３の全体の周囲をアノードガスが旋回する。このため、流入したアノードガスと排出用筒状体２３との接触面積がさらに大きくなり、排出用筒状体２３の全体を暖めることができる。これにより、排出用筒状体２３が凍結した場合に、排出用筒状体２３の解凍が促進される。
【００３５】
次に、本発明の第１実施形態における排出用筒状体２３に浸透する液体４０の移動状態について説明する。ただし、図３以降は、判りやすくするため、気液入口１３と気体出口１４が同一直線上に並設しているように図示するが、実際には、図２と同様に、気液入口１３と気体出口１４とは平行に延在している。
【００３６】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、本実施形態の気液分離器５０の縦断面形状を表す概略構成図である。本実施形態では、排出用筒状体２３が筒状部材２４となる。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、本実施形態の燃料電池システムの運転時において、気液分離器５０の筐体５１内の底部２７には燃料電池から排出された液体４０が貯留され、排出用筒状体２３に浸透される。すなわち、筐体５１内の底部２７では、液体４０が排出用筒状体２３に外側表面から染み込み、染み込んだ液体４０の一部は、毛細管現象によって排出用筒状体２３の上方に向けて染み渡るように上昇する一方、液体４０の一部は排出用筒状体２３を半径方向に通過し、排出用筒状体２３の中空部２３ｄに到達する。このように、本実施形態の排出用筒状体２３は液体４０が浸透可能に形成されるため、吸収した液体４０を、排出用筒状体２３の上下方向の全域に染み渡らせることができると共に、液体４０を吸収した下面２３ｂと反対側の上面２３ｃから排出させることができる。
【００３８】
なお、毛細管現象により液体４０が染み渡る高さは様々なパラメータに依存し、メッシュの網目の大きさや、メッシュの厚さ、重なり方、材質、液体４０の粘性などが関係する。
【００３９】
筐体５１内の水位が、システムで規定される規定水位（詳細は後述）より高くなった場合に、筐体５１の上部の制御弁２２を開放する。その際、高圧側となる筐体５１内のアノードガス圧力Ｐａと、低圧側となる制御弁２２よりも下流の圧力Ｐ０（＜Ｐａ）との差により、筐体５１内のアノードガスが排出管２１を通して排出される。その際、筐体５１内のアノードガスは排出用筒状体２３を半径方向に通過して排出管２１へ向かうことになるが、排出用筒状体２３を通過することによる圧力損失が生じ、排出用筒状体２３の中空部２３ｄの圧力は、Ｐａより小さいＰ１となる（Ｐ０＜Ｐ１＜Ｐａ）。
【００４０】
中空部２３ｄの圧力低下により、筐体５１内の排出用筒状体２３の外側の圧力Ｐａで押された液体４０が、中空部２３ｄで排出管側に押し上げられる。中空部２３ｄに収容された液体４０の液面が上昇すると、図３（ｂ）に示すように、さらに毛細管現象で排出用筒状体２３に液体４０が浸透する。液体４０が浸透すると、アノードガスが排出用筒状体２３を通過する際の圧力損失がさらに大きくなり、中空部２３ｄの圧力がさらにＰ２に低下する（Ｐ０＜Ｐ２＜Ｐ１＜Ｐａ）。このような繰り返しにより、やがて排出用筒状体２３に染み渡った液体４０が、図３（ｃ）に示すように筐体５１内の上部まで到達する。
【００４１】
図３（ｃ）に示すように、排出用筒状体２３が上下の全域に亘って液体４０が浸透した状態になると、排出用筒状体２３の外側の空間と内側の空間（中空部２３ｄ）の間では、気体３９の流通が遮断され、排出用筒状体２３は単なる管（例えば、金属配管や樹脂製パイプなど）と同等の働きをするようになる。すなわち、図３（ｄ）に示すように、筐体５１内の底部２７に溜まった液体４０が、圧力差により排出用筒状体２３の中空部２３ｄを通って筐体外の排出管２１に流入し、排出管２１を介してシステム外へ排出される。このような液体４０の排出が、筐体内の底部２７の液体４０が殆ど全て排出されるまで続く。液体４０の排出が完了すると、排出用筒状体２３に吸収されていた液体４０はほとんど筐体５１内の底部２７に落下し、排出用筒状体２３は乾燥した状態に戻る。以上のように、本実施形態の気液分離器５０の排出用筒状体２３は、液体４０が浸透することで、排出管２１と筐体５１の底部２７を連通する連通管としての機能を果たす。
【００４２】
一方で、図４に示すように、本実施形態の気液分離器５０の筐体５１内の底部２７に溜まっていた液体４０によって底部２７で排出用筒状体２３が凍結した状態で、気液分離器５０が備えられるシステムを起動する場合、起動後に新たに流入した液体４０が、筐体５１内の底部２７の凍結した氷４１の上に溜まる。この場合でも、液体４０は排出用筒状体２３に側面から浸透する。この状態で制御弁２２が開放されると、上述した原理で、新たに流入した水（液体４０）が流れてくる箇所の底部２７（凍った氷４１の表面）と、排出管２１とを連通する機能を有する部分が排出用筒状体２３に形成され、新たに流入した液体４０の排出を行うことができる。このように、本実施形態の気液分離器５０の排出用筒状体２３は、流入した液体４０が浸透することで液体４０を排出する経路を形成されるため、液体４０の流入以前から凍っていた部分によって排出経路が閉塞することはない。
【００４３】
ここで、上述した規定水位とは、筐体５１内の液体４０を排出する基準となる水位であり、水位が既定水位に達した場合に、制御弁２２を開放する。気液分離器５０が備えられるシステムの稼働中に、筐体５１内の液体４０の水位が筐体５１の気液入口１３や気体出口１４の高さに達した場合、液体４０が筐体５１から下流側へ流出するため、筐体５１内の液体４０を排出する必要がある。しかしながら、規定水位を気液入口１３や気体出口１４の高さに設定したのでは、例えば燃料電池システム１の発電量が急増した場合に、多量の液体４０が一度に気液分離器５０に流れ込む可能性があり、その場合、気液分離器５０から溢れた液体４０が下流に流出する虞がある。そのため、規定水位は余裕を持たせて気液入口１３や気体出口１４の高さより低く設定され、例えば気液入口１３と気体出口１４の高さのうち、低い方の高さの半分の高さなどに設定される。なお、図３では、気液入口１３と気体出口１４が同一の高さである例を示しているので、これらの高さの半分の高さに設定する。
【００４４】
なお、気液分離器５０の内部の液体に凍結が生じた場合に、それを感知して、規定水位を高く変更するよう制御してもよい。これにより、底部２７に液体４０の凍結が生じた場合でも、氷４１の上に新たに流入した液体４０がある程度溜まるまで排出操作を待機でき、そのため効率よく液体４０の排出操作を行うことができる。
【００４５】
上述したように、本実施形態の気液分離器５０は、起動時に底部２７の液体４０が凍っている場合、凍った氷４１の上に新たに流入した液体４０が蓄積される。通常、燃料電池より排出される液体４０は、燃料電池の発熱反応により常温以上の温度となるため、本実施形態の気液分離器５０は凍結した氷４１の解凍を促進することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態の気液分離器５０の排出用筒状体２３は、浸透した液体４０の凝固点を降下させ、凍結を抑制する効果を奏する。図５は、本発明に係る排出用筒状体２３に吸収された液体４０の凝固点降下を説明する図である。図５は、２枚のガラス板間に挟持された水の凝固点が、ガラス板間の距離が短くなるほど低下することを示す。ここで、本実施形態の排出用筒状体２３には、非常に小さい細孔が形成されている。このため、この細孔という非常に狭い空間に液体を保持することで、排出用筒状体２３が氷点下の環境下に置かれても、保持した液体４０の凍結を抑制することができる。
【００４７】
また、本実施形態の制御弁２２および排出管２１は、アノード循環流路に溜まった窒素などの不純物を排出するためのパージ弁とパージ配管として用いることもできる。これにより、アノード循環系のシステムをコンパクトにまとめることができる。
【００４８】
なお、本実施形態の排出用筒状体２３は、筐体５１の上面から液体４０を排出したが、液体４０を排出可能な形態はこれに限らない。すなわち、排出用筒状体が気液分離器の規定水位より上方から液体４０を排出できる構成であればよく、この条件を満たせば、例えば筐体５１の側面から液体４０を排出してもよい。
【００４９】
ところで、本実施形態の気液分離器５０では、アノードガスが液体４０との気液二相流体３０として筐体５１内に流入し、この気液二相流体３０は、筐体５１の内壁と衝突して方向転換し、排出用筒状体２３と接触してから排出される。これにより、排出用筒状体２３が凍結している場合でも、アノードガスが排出用筒状体２３と接触せずに排出される場合と比較して、排出用筒状体２３の解凍が促進される。
【００５０】
すなわち、燃料電池から排出されたアノードガスは、燃料電池の発熱反応により暖められているが、アノードガスの流線上に排出用筒状体２３が存在しない場合（従来の場合）には、アノードガスが排出用筒状体２３と接触せず、アノードガスの熱が排出用筒状体２３に殆ど伝わらない。そのため、システム起動時に排出用筒状体２３が凍っている場合でも、アノードガスの熱による解凍は期待できない。
【００５１】
一方、本実施形態の気液分離器５０は、導入されたアノードガスが筐体５１内で方向転換され、排出用筒状体２３の周囲を流れたのちに排出される。そのため、アノードガスの流線上に排出用筒状体２３が存在しない場合と比較して、アノードガスと排出用筒状体２３の間の接触面積が大きくなるため、アノードガスの熱を排出用筒状体２３に伝えることができ、排出用筒状体２３の解凍が促進されるという効果を奏する。
【００５２】
本実施形態の気液分離器５０を備えた燃料電池システムによれば、気液分離器５０の底部２７で排出用筒状体２３が凍結した状態で、燃料電池システムを起動させる場合でも、燃料電池から新たに流入した液体を排出することができる。従来の燃料電池システムであれば、システム起動時に気液分離器の排出経路に凍結が生じている場合に、解凍を行うためのヒータを備える必要があったが、本実施形態の燃料電池システム１の場合、そのヒータを省略できる。そのため、システムを小型化、省コスト化することができる。
【００５３】
本実施形態の気液分離器５０を備えた燃料電池システム１において、排出用筒状体２３の高さ（長さ）を、以下のように設定することが望ましい。
図６は、筐体内の水位が前述した規定水位である場合の、第１実施形態の気液分離器の縦断面形状を表す概略構成図である。図６を用いて、排出用筒状体の高さに設定される最小値を説明する。
【００５４】
図６に示すように、排出用筒状体の高さｈは、規定水位Ｈ０と、規定水位Ｈ０を基準として前記排出用筒状体２３に毛細管現象により吸い上げられる液面の上昇高さＨ１と、の和より大きいことが望ましい。つまり、排出用筒状体に吸収された液体の水位Ｈ２は、前記規定水位Ｈ０と前記上昇高さＨ１との和である。
【００５５】
規定水位Ｈ０は、気液分離器の形状や燃料電池システムの運転条件等から決定される。
【００５６】
一方で、規定水位Ｈ０を基準として排出用筒状体２３内に毛細管現象により発生する液面の上昇高さＨ１は、排出用筒状体２３の形状や材質等が決まれば、燃料電池システム運転時に想定される液体４０の密度や粘性等を考慮して、ほぼ一定値に定まる。この液面の上昇高さＨ１は、計算により算出しても、実験により確かめてもよい。
【００５７】
上述した気液分離器内の規定水位Ｈ０と、液面の上昇高さＨ１の和（即ち、水位Ｈ２）が、燃料電池システムの運転停止に、排出用筒状体２３に凍結が発生しうる領域の最大高さとなる。
【００５８】
したがって、気液分離器５０に備えられる排出用筒状体２３の長さを、規定水位Ｈ０と液面の上昇高さＨ１の和より大きく設定することで、毛細管現象を考慮しても、排出用筒状体２３の上部にはシステム停止時に確実に液体４０が存在しない領域が確保される。そのため、システム運転開始時に気液分離器５０の内部の液体４０が凍結していたとしても、排出用筒状体２３の上部には凍結が生じていない部分が残る。そのため、筐体５１内に規定水位に溜まった液体４０によって排出用筒状体２３が凍結した状態で、システム起動時に新しく液体４０が流入しても、排出用筒状体２３の凍結していない上部から液体４０を吸収でき、制御弁２２を開けることで排出経路が形成され、液体４０を排出できる。このように、排出用筒状体２３の高さを上記のようにして決定される所定値より大きく設定することで、排出用筒状体２３が凍結する可能性を考慮しても、システム起動時に液体４０を確実に排出できる。
【００５９】
次に、排出用筒状体の高さに設定される最大値を説明する。排出用筒状体の高さは、システム運転中の筐体内の圧力と筐体外の圧力との圧力差の最小値、生成水の密度、及び重力から算出される、筐体底面を基準とする液体４０の吸い上げられる限界高さより小さいことが望ましい。
【００６０】
図３（ｃ）に示すように、本発明の第１実施形態の排出用筒状体は、吸収された水（液体）により筒状の液体壁が構成されることにより液体が浸透した部位はストローのような機能をして、中空部を液体４０が通過する際に排出用筒状体の外側に漏れにくくなる。
そのため、排出用筒状体は少なくとも、排出用筒状体の上端まで液体が吸収された際に、中空部を通して、筐体５１の底部の液体４０を排出できることが望ましい。
【００６１】
その際、排出用筒状体の中空部を通して液体４０を鉛直上向きに上昇できる高さは、システム運転中の筐体内の圧力と筐体外の圧力との圧力差、生成水の密度と、重力とから決定される。ここで、システム運転中の筐体内の圧力と筐体外の圧力との圧力差の最小値を基準に排出用筒状体の高さを設定することで、燃料電池の低出力時等に筐体内のアノードガス圧力が比較的小さくなる場合においても、気液分離器に溜まった液体４０を排出することができる。すなわち、システム運転中に規定水位に達したときは、確実に液体４０を排出できる。
【００６２】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態における気液分離器１００の縦断面形状を表す概略構成図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同様の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、排出用二重管１２３が、液体４０を吸収可能な筒状部材２４となる。つまり、本実施形態において、気液分離器１００の排出用二重管１２３は、第１実施形態に係る排出用筒状体２３と、該排出用筒状体２３の外周を覆う円管１２５と、から構成される。すなわち、円管１２５の中に丸められた金属メッシュが収められることになる。この円管１２５は液体４０が浸透されない円管であり、例えば一般的なステンレス鋼製の円管１２５である。円管１２５には、液体４０が通過可能な挿通孔１２６が異なる高さに複数箇所設けられる。即ち、排出用筒状体２３は空隙率が大きく、その外周を覆う円管１２５は空隙率が小さい。換言すれば、筒状部材２４は、その径方向に向けて空隙率が変化している。なお、排出用筒状体２３における下端部２３ｅの外周には、円管１２５が設けられず、排出用筒状体２３が露出している。
【００６４】
この場合でも第１実施形態と同様に、排出用二重管１２３の下端部又は円管１２５に設けられた挿通孔１２６から、排出用筒状体２３に液体４０が吸収され、制御弁２２の操作により液体４０を排出できる。また、筐体５１の底部２７に液体４０の凍結が生じ、排出用二重管１２３の下端部における排出用筒状体２３の下端部２３ｅの露出部分を通して液体４０が排出用筒状体２３に浸透する経路が封鎖されても、筐体５１内の水位が増せば、円管１２５に形成された複数の挿通孔１２６のうち凍結で封止されていない挿通孔１２６を通して、液体４０が排出用筒状体２３内に浸透できる。そして、第１実施形態と同等に、液体４０の排出を行うことができる。それに加えて本実施形態では、排出用筒状体２３が円管１２５に覆われることで剛性が向上されるため、排出用筒状体２３の肉厚部の体積を減らしても、排出用筒状体２３が変形することを抑制できる。これにより、排出用筒状体２３の材料コストを削減できる。
【００６５】
さらに、本実施形態に係る排出用二重管１２３においては、排出用筒状体２３の外周が円管１２５で覆われているため、制御弁２２を開けた際に、アノードガスが排出用筒状体２３を通過する際の圧力損失を大きくすることができる。そのため、排出用二重管１２３の断面積が小さい場合でも、気液分離器１００の排水性能を確保できる。
【００６６】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態における気液分離器２００の縦断面形状を表す概略構成図である。本実施形態では、排出用二重管２２３が筒状部材２４となる。つまり、図８において、気液分離器２００の排出用二重管２２３は、第１、２実施形態に係る排出用筒状体２３と、該排出用筒状体２３の内周を覆う円管２２５と、から構成される。すなわち、円管２２５の外周に、金属メッシュが巻き付けられた構造となる。なお、円管２２５は筐体５１の上部の排出管２１と連通される。円管２２５には第２実施形態と同様に、複数の挿通孔２２６が異なる箇所に設けられる。即ち、排出用筒状体２３は空隙率が大きく、その内周を覆う円管２２５は空隙率が小さい。換言すれば、筒状部材２４は、その径方向に向けて空隙率が変化している。この場合も、排出用筒状体２３における下端部２３ｅの内周には、円管２２５を設けず、排出用筒状体２３が露出していることが望ましい。
【００６７】
この場合でも、排出用筒状体２３の外側に円管１２５を設けた第２実施形態の場合と同等の作用効果を奏する。また、排出用筒状体２３を多孔質体で形成した場合、円管２２５の外周側に多孔質体からなる排出用筒状体２３が設けられることになるため、排出用筒状体２３（多孔質体）の外表面積が大きくなり、液体４０が吸収しやすくなる。
【００６８】
なお、上述した例を複合して、円管の内周側と外周側との両方に排出用筒状体を設ける構成としてもよい。すなわち、径の異なる二本の排出用筒状体の間に円管が挟まれる構成となる。その場合、排出用筒状体の体積が増え、より多くの液体４０を一度に吸収でき、排水性能が向上される。
【００６９】
（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態における気液分離器２５０の縦断面形状を表す概略構成図である。なお、以下の各実施形態において、前述した第１実施形態と同様の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７０】
第４実施形態に係る気液分離器２５０は、前述した図３に示した気液分離器５０と対比して、排出用筒状体３０３（筒状部材２４）を形成する多孔体の空隙率を上下方向（軸方向）で変化させている点で相違する。具体的には、上部領域３０１は空隙率を高くし、下部領域３０２は空隙率を低くしている。例えば、排出用筒状体３０３を巻線メッシュで形成し、上部領域３０１では巻線メッシュの線間ピッチを大きくすることにより空隙率を高め、下部領域３０２では巻線メッシュの線間ピッチを小さくすることにより、空隙率を低くすることができる。従って、排出用筒状体３０３の上方は吸水性を低くすることができ、一方、下方は吸水性を高くすることができる。
【００７１】
従って、筐体５１内の水位が低い場合には、底部に貯留されている水は空隙率が低く親水性が高まり、毛細管現象にてより高い位置まで水が上昇し、貯留水の排出効率が向上する。また、筐体５１内の水位が高い状態で放置された場合には、多孔体の空隙率が高く、撥水性が高まるので、排出用筒状体３０３内部への水の滞留を防止でき、凍結による排出用筒状体３０３の閉塞を防止できる。
【００７２】
また、図９に示した例は、上部領域３０１と下部領域３０２で空隙率を２段階に変化させる例について説明したが、３段階以上に空隙率を変化させることも可能である。また、排出用筒状体３０３を巻線メッシュで形成し、該巻線メッシュの線間ピッチを徐々に変化させることにより、上下方向に向けて連続的に空隙率を変化させることも可能である。具体的には、上方から下方に向かうに連れて、巻線メッシュの線間ピッチを徐々に大きくすることにより、該巻線メッシュで形成される排出用筒状体３０３の空隙率は、上方から下方に向けて徐々に小さくなるように構成することが可能となる。
【００７３】
このようにして、第４実施形態に係る気液分離器２５０では、筒状部材２４の軸方向に沿って多孔体の空隙率を変化させている。従って、筐体５１内に貯留した水を効率良く外部へ排出することができる。更に、多孔体からなる気液分離器２５０が上方から下方に向かうに連れて、空隙率が小さくなるように設定されるので、排出用筒状体３０３内の水位が低い場合には、該排出用筒状体３０３より効率良く水を吸い上げて外部へ排出することができる。また、水位が高い位置のときに放置された場合（例えば、停止時）でも、排出用筒状体３０３の上方での水の滞留を抑制できるので、凍結閉塞が発生することを防止できる。
【００７４】
（その他の実施形態）
本発明の気液分離器および燃料電池システムは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部材の形状、個数および材質等々を適宜変更することが可能である。例えば、気液分離器については、筐体の形状や、入口流路や出口流路、排水管の配置、向き、寸法、流路の断面形状などを適宜変更することができる。
【００７５】
また、上記各実施形態の排出用筒状体は、中空部を有するものであるが、本発明の筒状部材２４は中空の円筒に限らず、中実の円柱も含む概念である。図１２に、筒状部材２４が、中実の円柱に形成された排出用中実体３２３である場合の気液分離器３０９の縦断面形状を表す概略構成図を示す。
【００７６】
このような気液分離器３０９に溜まった液体４０を排出する場合、排出用中実体３２３の外表面と中心軸付近との圧力差により、液体４０が排出される経路が形成される。すなわち、制御弁２２を開いた際に、中実円柱に形成された排出用中実体３２３の外表面付近に比べて、中心軸付近の圧力が小さくなる。この圧力差によって、筐体５１の底部２７に溜まった液体４０は、主に中心軸付近の浸透経路を介して、筐体５１の外部へ排出される。
【００７７】
また、筒状部材２４の断面形状も円筒形や中実円柱形のものに限らず、三角柱や四角柱などの角柱形や、楕円形など様々な形状のものを筒状部材として採用できる。第１実施形態の金属メッシュのように薄い素材を丸めて使用する場合は、１周巻いただけでも液体を排出する効果を奏する。
また、長手方向の形状も、真っ直ぐなものに限らず、途中で折れ曲がる形状や、分岐する形状など、様々なものを採用できる。
また、筒状部材の下面は筐体の底面と当接されなくてもよい。その場合、筒状部材の下面が液体４０に浸かった時点から、液体４０の排出が可能となる。
【００７８】
さらに、気液分離器の気液分離方法も、サイクロン式に限らず、単に重力により気液分離を行うものや、その他の気液分離方法のものも採用できる。
サイクロン式気液分離器以外の例として、図１３に重力のみにより気液分離を行う気液分離器４０９の縦断面形状を表す概略構成図を示す。図１３の気液分離器は、円筒形の筐体に、半径方向からアノードガスと液体との気液二相流体が流入し、重力により液体を分離された後、半径方向からアノードガスを排出する。
【００７９】
例えば、上記各実施形態において、気液分離器の筐体の形状はテーパー部を有したが、図１３に示すように、下端から上端に至るまでテーパー部がない円筒状の筐体４２０に形成してもよい。また、直方体形や円錐形など様々な形状のものを選択可能である。
【００８０】
さらに、図１３の気液分離器４０９は、気液入口４１３と気体出口４１４の高さが異なっている。具体的には、気液入口４１３の方が気体出口４１４よりも高い位置に配置されている。このような気液分離器４０９の場合、気液入口４１３から流入する気液二相流体３０に含まれるアノードガス（気体３９）は、先に進むにつれて徐々に高さが低くなり、側面を概略的に見ると、波状の流線形（Ｓ字状）の流れになって、気体出口４１４から排出される。従って、気液入口４１３と気体出口４１４とを直線で結んだ流れの場合と比較すると、図１３の流れの方が気体と排出用筒状体２３の接触面積が大きくなる。したがって、筐体４２０内の気体の流れが、気液入口４１３と気体出口４１４とを直線で結んだ流れの場合と比較して、筐体４２０内の排出用筒状体２３に凍結が生じた場合でも、速やかに凍結を解消することができる。
【００８１】
また、上記の各実施形態では、気液分離器が分離する気体と液体との組み合わせとして、アノードガスと水の例を示したが、勿論その組み合わせに限らず、任意の気体と液体とが流れる流路に本発明の気液分離器を配設することが可能であり、その場合も同等の効果を奏する。したがって、気液分離器が配設される対象は燃料電池システムに限らず、様々なシステムに配設されることで、当該システムにおいて気液分離を行うことができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
２ａ  アノードガス入口
２ｂ  アノードガス出口
３  高圧水素タンク
４  アノードガス供給流路
５  アノードガス調圧弁
６  エゼクタ
７  アノードガス圧力センサ
８  アノードガス排出流路
１０  アノードガス循環流路
１１  水素循環ブロア
１２  単位セル
１３  気液入口
１４  気体出口
１５  アノードガス還流流路
２１  排出管
２２  制御弁
２３  排出用筒状体
２４  筒状部材
２５  上部
２６  下部
２７  底部
２８  テーパー部
３０  気液二相流体
３１  所定部位
３２  部位
３９  気体
４０  液体
４１  氷
５０，１００，２００，３０９，４０９  気液分離器
５１，４２０  筐体
１２３，２２３  排出用二重管（筒状部材）
１２５，２２５  円管
１２６，２２６  挿通孔
２５０  気液分離器
３０１  上部領域
３０２  下部領域
３０３  排出用筒状体
３２３  排出用中実体
４１３  気液入口
４１４  気体出口
【図１】
2016219415.tif 000003
【図２】
2016219415.tif 000004
【図３】
2016219415.tif 000005
【図４】
2016219415.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2016219415.tif 000009
【図８】
2016219415.tif 000010
【図９】
2016219415.tif 000011
【図１０】
2016219415.tif 000012
【図１１】
2016219415.tif 000013