(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液混合物から液体と気体とを分離する気液分離装置であって、
所定の液体を貯留可能な第１および第２の貯液部と、
前記第１と第２の貯液部とを連通させると共に、前記第１と第２の貯液部に貯留された前記液体を通過させる連通路と、
を備え、
前記第１の貯液部は、前記連通路との接続部位よりも高い位置に設けられて前記気液混合物が流入する流入口と、該流入口よりも高い位置に設けられた排出口と、を備え、
前記第２の貯液部は、前記流入口よりも低く前記連通路との接続部よりも高い位置に設けられた排液口と、前記排液口よりも高い位置に設けられた大気開放口と、を有し、
前記気液分離装置の定常状態では、第１の貯液部内において前記流入口よりも低い位置に第１の液面が形成されると共に、前記第２の貯液部内においては前記排液口の高さ以上であって前記第１の液面よりも高い位置に第２の液面が形成される
気液分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の気液分離装置であって、
前記第１および第２の貯液部に貯留され、前記連通路を通過する前記液体は水であり、
前記流入口から、前記気液混合物として気水混合物が流入して、該気水混合物から水と液体とを分離する
気液分離装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の気液分離装置であって、
前記第１の貯液部と前記第２の貯液部と前記連通路とは、略Ｕ字管を形成する
気液分離装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の気液分離装置であって、
前記排液口の高さは、前記気液分離装置の定常状態における最大流量の気液混合物が前記流入口を介して供給されたときにも、前記気体が前記連通路を定常的に通過することが無いように設定されている、気液分離装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の気液分離装置であって、
前記排液口以降の流路抵抗が、前記気液分離装置が定常状態で運転されているときに前記気液混合物から分離される前記液体に相当する量の液体が排出可能となるように設定されている
気液分離装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の気液分離装置であって、
前記流入口から流入する前記気液混合物の量が増加して前記第１の液面が低下すると共に前記第２の液面が上昇する際に、前記第２の液面が前記排液口よりも高い位置にまで上昇可能となるように、前記排液口以降の流路抵抗が設定されている
気液分離装置。
【請求項７】
燃焼反応を行なう燃焼部に対して、水素を含有する燃焼燃料を供給する燃焼燃料供給装置であって、
水素を含有する所定の気体成分と、該気体成分中に分散して前記気体成分と共に流れる液体と、から成る気液混合物を生成する気液混合物生成部と、
前記気液混合物生成部が生成した前記気液混合物の供給を受け、該気液混合物から前記液体を分離して得られる乾燥ガスを排出する請求項１ないし６いずれか記載の気液分離装置と
を備え、
前記乾燥ガスを前記燃焼燃料として前記燃焼部に供給する燃焼燃焼燃料供給装置。
【請求項８】
水素を含有する燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池システムであって、
所定の改質燃料の供給を受けて改質反応を進行し、前記水素を生成する改質部と、
前記燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼部と、
前記改質部における前記改質反応に供される流体の少なくとも一部と、前記燃焼部で生成された燃焼ガスとを熱交換させて、前記改質反応に先立って前記流体を加熱する加熱部と、
前記燃焼部で燃焼に用いるのに先立って、前記アノード排ガスから水分を除去する水分除去部と
を備え、
前記水分除去部は、
前記アノード排ガスを冷却して、該アノード排ガスを気水混合物とする冷却部と、
請求項１ないし６記載の気液分離装置として形成され、前記気水混合物を供給されて該気水混合物から水を除去する気水分離部と
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体を含有するガスである気液混合物から液体を分離する気液分離技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境に易しいクリーンな動力源の１つとして、燃料電池システムが期待されている。燃料電池システムとしては、いわゆる改質反応を用いて水素リッチな改質ガスを生成する改質装置を備えたシステムが知られている。改質装置は、改質器の上流側に、改質燃料や改質水などの改質原料を加熱するための加熱部（「蒸発部」とも呼ばれる）が設けられていることが多い。この加熱部の熱源としては、燃料電池から排出されるアノード排ガスの燃焼反応を利用することが可能である。しかし、アノード排ガスは、通常はかなりの水分を含んでいる。したがって、加熱部にアノード排ガスを供給する前に、アノード排ガスから水分を除去して燃焼効率を向上させることが好ましい。
【０００３】
特開２００１−１５１３５公報には、アノード排ガスから水分を除去するための気水分離装置（凝縮器）を備えた改質装置が開示されている。この装置では、凝縮器における冷却量を燃料電池の運転状態に応じて調整することによって、アノード排ガスから除去する水分量を適正に制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、アノード排ガスの量は、燃料電池の運転状態に依存する。したがって、燃料電池の運転状態が変動するとアノード排ガス量が変動し、これに伴ってアノード排ガスを燃焼させる際の発熱量も変動する。また、上記加熱部において改質水を蒸発させる際には、生成される水蒸気量を精度良く安定して制御することが困難であって、生成される水蒸気量が変動する場合がある。加熱部で生成される水蒸気量が変動すると、改質器から排出される改質ガス量が変動し、その結果アノード排ガス量の変動が引き起こされて、アノード排ガスを燃焼させる際の発熱量も変動する。
【０００５】
アノード排ガスを燃焼させる際の発熱量が変動すると、この熱を利用して加熱部で加熱される改質原料の温度が変動してしまい、改質反応が大きな影響を受ける結果となる。また、アノード排ガスを燃焼させるために燃焼触媒を用いる場合には、発熱量の変動によって燃焼温度が上昇しすぎると、燃焼触媒の短寿命化が引き起こされるおそれがある。さらに、発熱量の変動によって燃焼温度が低下しすぎると、燃焼触媒の活性が低下して、燃焼反応が充分に進行しなくなるおそれがある。
【０００６】
そこで、従来から、燃料電池から排出されるアノード排ガス量が変動したときにも、加熱部に供給されるアノード排ガス量の変動を抑制することのできる技術が望まれていた。なお、このような要望は、燃料電池システムに限らず、一般に、気液混合物から気体を分離して利用するシステムや装置に共通する要望であった。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、気液混合物を気体と液体とに分離する際に、気液混合物の供給量が変動したときにも、分離後に排出される気体量の変動を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、気液混合物から液体と気体とを分離する気液分離装置であって、
所定の液体を貯留可能な第１および第２の貯液部と、
前記第１と第２の貯液部とを連通させると共に、前記第１と第２の貯液部に貯留された前記液体を通過させる連通路と、
を備え、
前記第１の貯液部は、前記連通路との接続部位よりも高い位置に設けられて前記気液混合物が流入する流入口と、該流入口よりも高い位置に設けられた排出口と、を備え、
前記第２の貯液部は、前記流入口よりも低く前記連通路との接続部よりも高い位置に設けられた排液口と、前記排液口よりも高い位置に設けられた大気開放口と、を有し、
前記気液分離装置の定常状態では、第１の貯液部内において前記流入口よりも低い位置に第１の液面が形成されると共に、前記第２の貯液部内においては前記排液口の高さ以上であって前記第１の液面よりも高い位置に第２の液面が形成される
ことを要旨とする。
【０００９】
このような気液分離装置によれば、第１の貯液部内に前記流入口から気液混合物が流入すると、この気液混合物が前記流入口から前記排出口に向かって流れる間に、気液混合物から液体が分離される。前記流入口から流入する気液混合物の量が変動するときには、第１の貯液部内において第１の液面上に形成される空間内の圧力と、大気圧との差に応じて、前記第１の液面および第２の液面が昇降する。すなわち、供給される気液混合物量が増加するときには、第１の液面上に形成される空間の容積が増加し、供給される気液混合物量が減少するときには、この空間の容積が減少する。このように第１の液面上に形成される空間の容積が増減することによって、供給される気液混合物量が変動する場合にも、上記排出口から排出される気体の量が変動するのを抑えることができる。
【００１０】
このような本発明の気液分離装置において、
前記第１および第２の貯液部に貯留され、前記連通路を通過する前記液体は水であり、
前記流入口から、前記気液混合物として気水混合物が流入して、該気水混合物から水と液体とを分離することとしても良い。
【００１１】
本発明の気液分離装置において、
前記第１の貯液部と前記第２の貯液部と前記連通路とは、略Ｕ字管を形成することとしても良い。
【００１２】
また、本発明の気液分離装置において、前記排液口の高さは、前記気液分離装置の定常状態における最大流量の気液混合物が前記流入口を介して供給されたときにも、前記気体が前記連通路を定常的に通過することが無いように設定されていることとしても良い。
【００１３】
あるいは、本発明の気液分離装置において、前記排液口以降の流路抵抗が、前記気液分離装置が定常状態で運転されているときに前記気液混合物から分離される前記液体に相当する量の液体が排出可能となるように設定されていることとしても良い。
【００１４】
さらに、本発明の気液分離装置において、前記流入口から流入する前記気液混合物の量が増加して前記第１の液面が低下すると共に前記第２の液面が上昇する際に、前記第２の液面が前記排液口よりも高い位置にまで上昇可能となるように、前記排液口以降の流路抵抗が設定されていることとしても良い。
【００１５】
また、本発明の燃焼燃料供給装置は、燃焼反応を行なう燃焼部に対して、水素を含有する燃焼燃料を供給する燃焼燃料供給装置であって、
水素を含有する所定の気体成分と、該気体成分中に分散して前記気体成分と共に流れる液体と、から成る気液混合物を生成する気液混合物生成部と、
前記気液混合物生成部が生成した前記気液混合物の供給を受け、該気液混合物から前記液体を分離して得られる乾燥ガスを排出する請求項１ないし６いずれか記載の気液分離装置と
を備え、
前記乾燥ガスを前記燃焼燃料として前記燃焼部に供給することを要旨とする。
【００１６】
このような燃焼燃料供給装置によれば、前記気液混合物生成部が生成する気液混合物量、あるいは気液混合物中の水素濃度が変動する場合にも、前記燃焼部に供給される水素量が変動するのを抑え、前記燃焼部における燃焼温度を安定化することができる。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム１０の全体構成：
Ｂ．気水分離部２０の構成：
Ｃ．気水分離部２０の動作：
Ｄ．実施例と比較例の気水分離装置の比較：
Ｅ．変形例
【００１９】
Ａ．燃料電池システム１０の全体構成：
図１は、本実施例の燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。燃料電池システム１０は、所定の改質燃料を改質して得られる水素リッチガスを、燃料ガスとして燃料電池において利用している。以下に、燃料電池において給排されるガスに関わる各部について説明する。
【００２０】
蒸発・混合部３０は、改質燃料と水との供給を受けて、水を気化させると共に、水および改質燃料を混合・昇温させる。本実施例では、改質燃料として天然ガスを用いている。蒸発・混合部３０は、燃料流路６１を介して、天然ガスを供給する商用ガスラインと接続されている。燃料流路６１には、弁５２が設けられており、蒸発・混合部３０に供給する改質燃料の量を調節可能となっている。また、蒸発・混合部３０は、水流路７３を介して、後述する水タンク４２に貯留された水が供給される。水流路７３には、水タンク４２から水を汲み出すポンプ４４が設けられており、ポンプ４４の駆動量を制御することによって、蒸発・混合部３０に供給する水の量を調節可能となっている。この蒸発・混合部３０では、水および改質燃料を気化・昇温させるための熱源として、後述する燃焼部４０から供給される燃焼ガスを用いている。本実施例の蒸発・混合部３０では、改質燃料と水との混合ガスを、５００〜７００℃に昇温させる。
【００２１】
蒸発・混合部３０から排出された改質燃料と水との混合ガスは、混合ガス路６２を介して改質器３２に供給される。改質器３２は、供給された混合ガスを用いて改質反応を進行し、改質ガス（水素リッチガス）を生成する。改質器３２には、用いる改質燃料に応じた改質触媒が備えられている。また、改質器３２は、上記改質燃料を改質する反応に適した温度となるように、その内部温度が制御される。改質器３２で進行する改質反応は、水蒸気改質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたものなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、このように改質器３２内で進行させる改質反応に応じたものを選択すればよい。本実施例では、改質器４６に空気を供給するブロワ４６を設けており、改質器３２では、水蒸気改質反応と共に部分酸化反応を進行可能となっている。このような反応を促進する改質触媒として、本実施例の改質器３２は、ロジウム触媒を備えている。
【００２２】
改質器３２で生成された改質ガスは、改質ガス路６３を介してＣＯ低減部３４に供給され、一酸化炭素濃度が低減される。一酸化炭素は、燃料電池３６が備える触媒を被毒するおそれがあるが、改質ガスは通常所定量の一酸化炭素を含有するため、ＣＯ低減部３４を設けて、燃料電池３６に供給するのに先立ってガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。ＣＯ低減部３４は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部とすることができる。シフト反応を促進する触媒としては、例えば、銅−亜鉛触媒などの銅系触媒を用いることができる。あるいは、鉄−クロム触媒や、酸化物多孔体上に白金などの貴金属を担持させた触媒を用いることとしても良い。また、ＣＯ低減部３４は、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部とすることとしても良い。一酸化炭素選択酸化触媒としては、例えば、白金触媒やルテニウム触媒を用いることができる。また、ＣＯ低減部３４は、これらシフト部と一酸化炭素選択酸化部との両方を備えることとしても良い。
【００２３】
ＣＯ低減部３４において一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス路６４を介して燃料電池３６のアノード側に供給される。
【００２４】
燃料電池３６のカソード側に対しては、ブロワ５０から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。上記燃料ガスおよび酸化ガスを用いることで、燃料電池３６では、電気化学反応によって起電力が生じる。
【００２５】
燃料電池３６は、固体高分子型燃料電池である。以下に、燃料電池３６で進行する電気化学反応を表わす式を示す。
【００２６】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
【００２７】
（１）式はアノード側における反応を示し、（２）式はカソード側における反応を示し、（３）式は燃料電池全体で行なわれる反応を示す。このように、燃料電池３６のアノード側では水素が消費されるが、燃料電池３６における水素の利用率は、定常状態で約８５〜９０％であり、燃料ガス中の水素の一部はそのままアノード排ガス中に残留する。本実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガス中の水素を燃焼させて、蒸発・混合部３０における熱源として利用している。
【００２８】
アノード排ガスは、アノード排ガス路６５に排出されて、冷却部３８に導かれる。冷却部３８は、アノード排ガスの流路と、所定の冷却水の流路との間で熱交換を行なう熱交換部を内部に備えている。冷却水は、この熱交換部と、図示しないラジエータとの間を循環し、アノード排ガスと熱交換して昇温する動作と、ラジエータで降温する動作とを繰り返す。アノード排ガスが上記熱交換部において降温すると、降温した温度に応じた所定量の水がアノード排ガス中で凝縮する。これによってアノード排ガスは、ガス成分が凝縮液の微粒子と共に流路を流れる気水混合物となる。
【００２９】
冷却部３８で冷却されて気水混合物となったアノード排ガスは、気水混合物流路７０に導かれて気水分離部２０に供給され、ガス成分と凝縮水とが分離される。気水分離部２０の詳しい構成については後述する。気水分離部２０において気水混合物から分離された凝縮水は、水流路７２を介して水タンク４２に供給され、ここに貯留される。水タンク４２に貯留される水は、既述したように、ポンプ４４によって汲み出されて、蒸発・混合部３０を介して改質器３２における改質反応に供される。
【００３０】
気水分離部２０において凝縮水が取り除かれた残りのガス成分である乾燥気体は、ガス流路７１に導かれて燃焼部に供給される。燃焼部４０は、燃焼触媒である白金系触媒を備えている。また、燃焼部４０には、空気を供給するためのブロワ４８が併設されている。乾燥気体が燃焼部４０に供給されると、乾燥気体中の水素が、ブロワ４８によって供給される空気（酸素）と共に燃焼触媒上で燃焼する。燃焼部４０では、ブロワ４８によって供給する空気量を調節することによって、燃焼反応によって得られる燃焼ガスの温度が７００〜９００℃となるように制御される。なお、燃焼部４０には、既述した改質燃料と同様の天然ガスが供給可能となっている（図示せず）。燃焼部４０では、燃焼部４０に供給される乾燥気体量、すなわちアノード排ガス量が不足するときには、天然ガスを燃焼させて、所望の燃焼ガスを得る。
【００３１】
燃焼部４０における燃焼反応で得られる燃焼ガスは、燃焼ガス流路７４を経由して蒸発・混合部３０に供給される。蒸発・混合部３０は熱交換器を備えており、この熱交換器において、既述した水および改質燃料と、燃焼ガスとを熱交換させ、水を気化させると共に水および改質燃料を昇温させる。熱交換に用いて降温した燃焼ガス（燃焼排ガス）は、排ガス路７５に排出される。
【００３２】
なお、冷却部３８には、アノード排ガス路６５に加えて、改質ガス分岐路７６が接続している。改質ガス分岐路７６は、燃料ガス路６４から分岐しており、ＣＯ低減部３４から排出された改質ガスを、燃料電池３６を経由することなくアノード排ガス路６５に導入する。燃料ガス路６４において、改質ガス分岐路７６との分岐部には流路切替弁５４が設けられている。流路切替弁５４を切り替えることで、ＣＯ低減部３４から排出された改質ガスが冷却部３８に導かれると、改質ガスは冷却部３８で冷却されて気水混合物となる。この気水混合物は、気水分離部２０に供給されて凝縮水が取り除かれ、その後燃焼部４０において、燃焼反応に供される。このように流路切替弁５４が切り替えられて改質ガスが冷却部３８に供給される場合としては、燃料電池システム１０の起動時を挙げることができる。すなわち、燃料電池システム１０の始動時には、改質器３２やＣＯ低減部３４の暖機状態が充分ではなく、充分に水素濃度が高く充分に一酸化炭素濃度が低い改質ガスを得ることができない。このような間は、ＣＯ低減部３４から排出される改質ガスを、燃料電池３６に供給することなく、冷却部３８および気水分離部２０を経由させて、燃焼部４０における燃焼反応に供する。
【００３３】
Ｂ．気水分離部２０の構成：
図２は、燃料電池システム１０が備える気水分離部２０の構成を表わす説明図である。気水分離部２０は、Ｕ字管２５を備えている。Ｕ字管２５の内部には、貯留水２６が貯留されている。貯留水２６は、Ｕ字管２５の一端側において水面８０を形成し、Ｕ字管２５の他端側において水面８１を形成している。
【００３４】
Ｕ字管２５の一端（水面８０が形成される側の端部）には、ガス排出口２２が設けられている。また、このガス排出口２２が設けられた上記一端の近傍には、ガス排出口２２よりも下方の位置に、ガス流入口２１が設けられている。このようなＵ字管２５内の一端側において、水面８０上には、気水分離部２０の動作に伴って大きさが変動する空間であるガス流通部８３が形成されている。ガス流通部８３は、上記ガス流入口２１および既述した気水混合物流路７０を介して、冷却部３８と連通している。さらにガス流通部８３は、上記ガス排出口２２および既述したガス流路７１を介して、燃焼部４０と連通している（図１参照）。冷却部３８から気水混合物流路７０およびガス流入口２１を介して流入する気水混合物は、ガス流通部８３において、より上方に設けられたガス排出口２２に向かって流れ、ガス流路７１を介して燃焼部４０側に排出される。このとき、ガス流通部８３では、気水混合物中に含まれる凝縮水が、重力に従って落下したり、Ｕ字管２５の壁面を伝って落下したりして、貯留水２６に混入する。これによって、気水混合物は、凝縮水が取り除かれた乾燥気体となって、ガス排出口２２から排出される。
【００３５】
Ｕ字管の他端（水面８１が形成される側の端部）には、開口部２４が設けられている。また、この開口部２４が設けられた上記他端の近傍には、排水口２３が設けられている。このようなＵ字管２５内の他端側において、水面８１上には、気水分離部２０の動作に伴って大きさが変動する空間である大気開放部８４が形成されている。大気開放部８４は、上記開口部２４を介して大気開放されている。また、上記排水口２３は、水流路７２を介して水タンク４２と連通している（図１参照）。水面８１の高さが排水口２３よりも高くなるときには、貯留水２６の一部が排水口２３および水流路７２を介して水タンク４２に導かれる。
【００３６】
上記のように、ガス流通部８３においては、燃料電池３６から排出されるアノード量に応じた量の気水混合物が流入する。また、ガス流通部８３から乾燥気体が供給される燃焼部４０では燃焼反応が進行しているため、ガス流通部８３から乾燥気体を排出する際には、所定の抵抗が生じる。したがって、ガス流通部８３は、大気圧となっている大気開放部８４に比べて圧力が高い状態となる。そのため、気水分離部２０では、水面８０の高さと水面８１の高さの差Ｈ1 は、ガス流通部８３内の圧力と大気圧との差に応じた大きさとなる。
【００３７】
Ｃ．気水分離部２０の動作：
（Ｃ−１）定常状態：
燃料電池システム１０では、改質反応に供される改質燃料および水の量は、燃料電池３６における負荷要求の大きさに従って制御される。すなわち、負荷要求が大きくなるときには、改質器３２で生成される改質ガスの量が多くなるよう制御され、負荷要求が小さくなるときには、改質ガスの量が少なくなるように制御される。このような負荷要求の大きさの変動に伴って行なわれる改質ガス量の制御は、所定の遅れを伴うものである。そのため、改質器３２で生成される改質ガス量（さらに、燃料電池３６から排出されるアノード排ガス量）の変動の程度は、負荷要求の変動の程度に比べて緩やかとなる。また、負荷要求量の変動に応じて改質ガスの量を増減させたときには、燃料電池３６で消費される水素量も同様に変動するため、アノード排ガス中に残留する水素量が、負荷要求の変動に伴って大きく変動することはない。このように、アノード排ガス量、あるいはアノード排ガス中の水素量や水素濃度が、所定の範囲内で比較的緩やかに変動する状態を、定常状態と呼ぶこととする。このような定常状態における気水分離部２０の動作を、以下に説明する。
【００３８】
気水分離部２０が図２に示した状態であり、燃料電池システム１０が定常状態で運転しているときには、気水混合物から分離された凝縮水が貯留水２６として溜まることにより貯留水２６の水面（水面８０および水面８１）は次第に上昇する。このとき、水面８０の高さと水面８１の高さの差は、定常状態における高さの差Ｈ1 として、ガス流通部８３内の圧力と大気圧との差に応じた所定の範囲の大きさに保たれる。
【００３９】
気水混合物から分離された凝縮水が貯留水２６として溜まり、貯留水２６の水面が次第に上昇すると、やがて、水面８１の高さが、排水口２３の高さに達する。図３は、定常状態で水面８１が排水口２３の高さに達した状態を表わす。その後、気水混合物から分離された凝縮水が貯留水２６にさらに加わると、過剰の貯留水２６は、排水口２３を介して水タンク４２に供給される。なお、本実施例の気水分離部２０では、定常状態で分離される凝縮水量に見合う量の貯留水２６を排水可能となるように、排水口２３から水タンク４２に貯留水２６を導く流路全体の流路抵抗（排水口２３以降の流路抵抗）が充分に小さく形成されている。したがって、定常状態のときには、気水分離部２０における貯留水２６の状態は、図３に示した状態で安定する。すなわち、定常状態において、気水分離部２０に供給される気水混合物量が所定範囲で増減するときには、そのような所定範囲の増減に応じて各水面は昇降するが、やがて水面８１が排水口２３の高さと略等しくなる状態となって安定する。なお、本実施例では、排水口２３から水タンク４２に貯留水２６を導く流路を形成する管の管径を所定の大きさに形成することによって、この流路の流路抵抗を所望の状態に設定した。
【００４０】
なお、気水分離部２０では、水面８０が最も低くなり得る位置と排水口２３との距離Ｈ0 （図２参照）は、少なくとも、定常状態における２つの水面の高さの差Ｈ1 の最大値よりも大きな値に確保されている。
【００４１】
（Ｃ−２）ガス流量増加時：
気水分離部２０に供給される気水混合物量は、上記した定常状態に対応する所定の範囲内で変動する他に、急激に増減する（脈動する）場合がある。このように気水混合物の供給量が脈動する原因の一つとして、蒸発・混合部３０における水の蒸発量の制御を充分な精度で行なうことが困難であることが挙げられる。蒸発・混合部３０において発生する水蒸気量が不安定になり脈動する場合には、このような水蒸気を含有する混合ガスの供給を受ける改質器３２において、下流側に排出される改質ガス量も脈動してしまう。したがって、燃料電池３６から排出されるアノード排ガス量が脈動する。このようにアノード排ガス量が脈動するときには、気水分離部２０に供給される気水混合物量は、既述した定常状態における増減の範囲を超えて、急激に増減する。以下に、気水分離部２０に供給される気水混合物量が急激に増減する際の気水分離部２０の動作について説明する。
【００４２】
気水分離部２０に供給される気水混合物量が急増すると、ガス流通部８３内の圧力が急増し、これによって水面８０の高さが低下すると共に水面８１の高さが上昇する。供給される気水混合物量が急増したときの気水分離部２０の様子を、図４に示す。
【００４３】
気水分離部２０に供給される気水混合物の量が所定量よりも多くなると、気水分離部２０では、水面８１の高さは、排水口２３に達した後にさらに上昇しようとする。この理由は、排水口２３から排出される貯留水２６を水タンク４２に導く流路において、流路全体の流路抵抗（排水口２３以降の流路抵抗）が充分に大きく形成されているためである。具体的には、例えば、排水口２３と水流路７２とがほぼ同一の内径を有しているときには、これらの内径の値が充分に小さな値に設定されている。この結果、供給される気水混合物量が急激に増加したときには、水面８１は排水口２３を超えて上昇することができる。このとき、水面８０の高さと水面８１の高さの差Ｈ2 は、気水混合物量の急増によって上昇したガス流通部８３内の圧力と、大気圧との差に応じた大きさとなる。なお、供給される気水混合物量が急激に増加したときには、全体として水面８０が低下すると共に水面８１が上昇するが、慣性が働くことにより、各水面は振動する。しかしながら、このような各水面の振動は、気水混合物量の急増に伴う大きな圧力変化に比べると小さいため、無視することができる。
【００４４】
このように、水面８１の高さが上昇すると共に水面８０の高さが低下するときには、ガス流通部８３の容積が増大する。気水分離部２０に供給される気水混合物量が急増するときには、気水分離部２０から燃焼部４０に供給される乾燥気体量も増加するが、ガス流通部８３の容積が増大することによって、燃焼部４０に供給される乾燥気体量の増加が和らげられる。
【００４５】
図４に示すように水面８１が排水口２３よりも高い位置にあるときには、貯留水２６は、排水口２３を介して水タンク４２に供給され続ける。気水分離部２０において、排水口２３から水タンク４２に貯留水２６を導く流路を、その流路抵抗が所定の値以下となるように形成することで、気水混合物量が急増したときに気水混合物から分離される凝縮水量以上の量の貯留水を、排出可能となる。このような場合には、水面８１の高さが排水口２３の高さを超えた後は、水面８０および水面８１は、ガス流通部８３内の圧力と大気圧との差に応じた高さの差を維持しつつ、両者とも低下を始める。
【００４６】
気水分離部２０に供給される気水混合物量が急増した後に、定常状態に戻ると、ガス流通部８３内の圧力が低下することによって水面８０の高さが上昇すると共に、水面８１の高さが低下する。このとき、水面８１が排水口２３を超えて上昇したことによって貯留水２６の量が減少しているため、気水分離部２０は、図２に示す状態に戻る。その後、定常状態が続くと、貯留水２６は次第に増加して、気水分離部２０は図３に示す状態で安定する。
【００４７】
（Ｃ−３）ガス流量減少時：
気水分離部２０に供給される気水混合物量が急減すると、ガス流通部８３内の圧力が急減し、これによって水面８０の高さが上昇すると共に水面８１の高さが低下する。供給される気水混合物量が急減したときの気水分離部２０の様子を、図５に示す。
【００４８】
このとき、水面８０の高さと水面８１の高さの差Ｈ3 は、気水混合物量が急減したときのガス流通部８３内の圧力と、大気圧との差に応じた大きさとなる。このように、水面８０の高さが上昇すると共に水面８１の高さが低下するときには、ガス流通部８３の容積が減少する。気水分離部２０に供給される気水混合物量が急減するときには、気水分離部２０から燃焼部４０に供給される乾燥気体量も減少するが、ガス流通部８３の容積が減少した分のガスが補われることによって、燃焼部４０に供給される乾燥気体量の減少が和らげられる。
【００４９】
気水分離部２０に供給される気水混合物量が急減して、水面８０および水面８１が図５に示す状態となったときにも、気水混合物から凝縮水が分離される動作は継続する。したがって、水面８０と水面８１とは、ガス流通部８３内の圧力と大気圧との差に応じた高さの差Ｈ3 を維持した状態で、上昇を始める。
【００５０】
気水分離部２０に供給される気水混合物量が急減した後に、定常状態に戻ると、ガス流通部８３内の圧力が上昇することによって水面８０の高さが低下すると共に、水面８１の高さが上昇する。このとき、水面８１が排水口２３を超えると、貯留水２６は排水口２３から排出される。その後、定常状態が続くと、過剰の貯留水２６が排水口２３から排出されることによって、気水分離部２０は図３に示す状態で安定する。
【００５１】
（Ｃ−４）水素濃度変動時：
気水分離部２０においては、上記のように供給される気水混合物量が増減するほかに、気水混合物中、あるいは気水分離部２０から排出される乾燥気体中の水素濃度が増減する（脈動する）ことがある。このように水素濃度が増減する原因の一つとしては、既述したように蒸発・混合部３０で発生する水蒸気量が増減することが挙げられる。水蒸気量が増減することで、気体全体に対する相対的な水素濃度も増減する。さらに、上記気体中の水素濃度は、冷却部３８でアノード排ガスを冷却する際の温度が変動することによっても増減する。冷却する際の温度が変動することで、凝縮する水の量が変動し、これによって気体全体に対する相対的な水素濃度も増減する。このように、気水分離部２０を流通する気体中の水素濃度が増減するときの、気水分離部２０の動作について、以下に説明する。
【００５２】
気水混合物中の水素濃度、さらに、燃焼部４０に供給される乾燥気体中の水素濃度が上昇して、燃焼部４０に供給される水素量が増加する場合には、燃焼部４０における燃焼温度が上昇する。燃焼部４０における燃焼温度が上昇すると、燃焼部４０においては、その内部圧力が上昇する。燃焼部４０の燃焼温度が上昇して内部圧力が上昇すると、気水分離部２０内の圧力も上昇する。したがって、気水分離部２０は、水面８０が低下すると共に水面８１が上昇して、図４に示すような状態となる。このようにガス流通部８３の容積が大きくなることで、燃焼部４０に供給される乾燥気体量が減少し、これによって、燃焼部４０に供給される水素量の増加の程度が和らげられる。
【００５３】
これに対して、燃焼部４０に供給される乾燥気体中の水素濃度が低下して、燃焼部４０に供給される水素量が減少する場合には、燃焼部４０における燃焼温度が低下する。燃焼部４０における燃焼温度が低下すると、燃焼部４０においては、その内部圧力が低下する。このような場合には、上記した燃焼温度が上昇する場合とは逆に、ガス流通部８３内の圧力が低下する。したがって、気水分離部２０は、水面８０が上昇すると共に水面８１が低下して、図５に示すような状態となる。このようにガス流通部８３の容積が小さくなることで、燃焼部４０に供給される乾燥気体量が補われ、これによって、燃焼部４０に供給される水素量の減少の程度が和らげられる。
【００５４】
Ｄ．実施例と比較例の気水分離装置の比較：
図６は、比較例としての気水分離部２０Ａの構成を表わす説明図である。気水分離部２０Ａは、充分な気密性を有する分離容器２５Ａと、この分離容器２５Ａ内に貯留される貯留水２６とを備えている。分離容器２５Ａ内では、貯留水２６の上部に、ガス流通部８３Ａが形成されている。また、分離容器２５Ａには、ガス流入口２１Ａと、ガス排出口２２Ａと、排水口２３Ａとが設けられている。冷却部３８から供給される気水混合物は、気水混合物流路７０およびガス流入口２１Ａを介して、ガス流通部８３Ａ内に導かれる。導かれた気水混合物が、ガス流入口２１Ａからガス排出口２２Ａに向かって流れる間に、気水混合物中の凝縮水は気体から分離される。分離された凝縮水は、貯留水２６中に混入する。貯留水２６の一部は、排水口２３Ａおよび水流路７２を介して、水タンク４２に供給される。また、気水混合物から凝縮水が取り除かれた乾燥気体は、ガス排出口２２Ａおよびガス流路７１を介して、燃焼部４０に導かれ、燃焼反応に供される。
【００５５】
図７は、上記比較例の気水分離部２０Ａおよび本実施例の気水分離部２０のそれぞれを用いて、燃焼部４０における燃焼温度が時間と共に変化していく様子を比較した結果を表わす図である。図７（Ａ）は、比較例の気水分離部２０Ａを用いた結果を表わし、図７（Ｂ）は、本実施例の気水分離部２０を用いた結果を表わす。図７に示すように、比較例の気水分離部２０Ａを用いた場合には、燃焼部４０における燃焼温度は、頻繁に変動を繰り返した。これに対し、本実施例の気水分離部２０を用いた場合には、燃焼部４０における燃焼温度を、より安定化させることができた。このように、燃焼温度を安定化できることにより、燃焼温度が上昇しすぎて燃焼触媒の短寿命化を引き起こしたり、燃焼温度が低下しすぎて触媒の活性が低下し、燃焼反応がの進行が不十分となったりするのを防止することができる。
【００５６】
既述したように、本実施例の気水分離部２０では、供給される気水混合物量が増加したり気水混合物中の水素濃度が上昇して、燃焼部４０に供給される水素量が増加するときには、ガス流通部８３の容積が増加する。これによって、燃焼部４０に供給される水素量の増加の程度が和らげられ、燃焼温度の上昇が抑えられる。反対に、気水分離部２０に供給される気水混合物量が減少したり気水混合物中の水素濃度が低下して、燃焼部４０に供給される水素量が減少するときには、ガス流通部８３の容積が減少する。これによって、燃焼部４０に供給される水素量の減少の程度が和らげられ、燃焼温度の低下が抑えられる。そのため、気水分離部２０に供給される気水混合物においてその量や水素濃度が変動を続ける場合にも、燃焼部４０における燃焼温度を安定化することができる。
【００５７】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５８】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例の気水分離部２０では、排水口２３から水タンク４２に貯留水２６を導く流路は、定常状態で気水混合物から分離される水に相当する量の水を排水可能なように、流路抵抗が充分に小さく形成されていることとした。これに対して、定常状態に水面８１が排水口２３の高さに達した後に、水面８１がさらに上昇し得るように、流路抵抗をより大きく形成することとしても良い。気水分離部２０に供給される気水混合物の量や濃度についての予測される変動の範囲内で、これらの変動に応じて燃焼部４０における燃焼温度を均一化するよう、気水分離部２０が良好に動作可能であればよい。
【００５９】
Ｅ２．変形例２：
既述した実施例では、気水分離部２０は、Ｕ字管を用いて形成することとしたが、異なる形状としても良い。図８に、変形例としての気水分離部１２０の構成を示す。変形例の気水分離部１２０は、図１に示した燃料電池システム１０と同様のシステムにおいて用いられるものであり、実施例の気水分離部２０と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。気水分離部１２０は、Ｕ字管２５に代えて、第１の貯水部１２７と、第２の貯水部１２９と、これら２つの貯水部を接続する連通路１２８とを備えている。第１の貯水部１２７と第２の貯水部１２９と連通路１２８とは、それぞれ略円柱状に形成されており、第１の貯水部１２７および第２の貯水部１２９の下端部側において、連通路１２８は両者を接続している。
【００６０】
気水分離部１２０において、第１の貯水部１２７および第２の貯水部１２９の下部と、連通路１２８には、貯留水２６が満たされている。第１の貯水部１２７において、貯留水２６の水面である水面８０の上部には、気水混合物が流入すると共に、これより凝縮水を取り除いた乾燥気体が排出されるガス流通部８３が、形成されている。また、第２の貯水部１２９において、貯留水２６の水面である水面８１の上部には、大気開放された大気開放部８４が形成されている。
【００６１】
このような気水分離部１２０も、実施例の気水分離部２０と同様の動作を行なうことができる。すなわち、ガス流通部８３に流入する気水混合物の量や水素濃度が変動するときには、そのときのガス流通部８３内の圧力と大気圧との差に応じて水面８０および水面８１が昇降し、排出される乾燥気体中の水素量が変動するのを抑える。これによって、乾燥気体の供給を受ける燃焼部４０における燃焼温度を安定化することができる。
【００６２】
また、他の変形例としての気水分離部２２０の構成を、図９に示す。気水分離部２２０は、Ｕ字管２５に代えて、第１の貯水部２２７と、第２の貯水部２２９と、これら２つの貯水部を連通させる連通路２２８とを備えている。第１の貯水部２２７と第２の貯水部２２９と連通路２２８とは、それぞれ略三角錐状に形成されている。また、連通路２２８は、これら第１の貯水部２２７と第２の貯水部２２９のそれぞれの底面に接続することで、両者を連通させている。
【００６３】
気水分離部２２０において、第１の貯水部２２７および第２の貯水部２２９の下部と、連通路２２８には、貯留水２６が満たされている。第１の貯水部２２７において、水面８０の上部にはガス流通部８３が形成されており、第２の貯水部２２９において、水面８１の上部には大気開放部８４が形成されている。この気水分離部２２０を、図１に示した燃料電池システム１０と同様のシステムにおいて用いる場合には、既述した気水分離部２０および気水分離部１２０と同様の効果を奏することができる。
【００６４】
Ｅ３．変形例３：
既述した実施例および変形例の気水分離部は、燃料電池システムにおいて用いることとしたが、本発明の気水分離装置を、異なるシステムに適用することとしても良い。すなわち、気水混合物から凝縮水を回収して乾燥気体を得る装置として、他のシステムに適用することとしても良い。このとき、乾燥気体中の水素を燃焼させる燃焼部４０のように、乾燥気体中の所定の成分をさらに利用する装置に乾燥気体を供給する場合には、供給される気水混合物量が変動しても、この装置における動作を安定化させる効果を得ることができる。
【００６５】
Ｅ４．変形例４：
また、上記した気水分離装置を、水以外の液体と気体とから成る気液混合物から、液体と気体とを分離するために用いることとしても良い。水以外の液体と気体とから成る気液混合物から液体と気体とを分離する際にも、本発明を適用することにより、供給される気液混合物量が変動しても、分離される気体量の変動を抑える同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。
【図２】気水分離部２０の構成を表わす説明図である。
【図３】定常状態で水面８１が排水口２３の高さに達した状態を表わす説明図である。
【図４】供給される気水混合物量が急増したときの気水分離部２０の様子を表わす説明図である。
【図５】供給される気水混合物量が急減したときの気水分離部２０の様子を表わす説明図である。
【図６】従来の気水分離部として用いた気水分離部２０Ａの構成を表わす説明図である。
【図７】燃焼部４０における燃焼温度が時間と共に変化していく様子を比較した結果を表わす図である。
【図８】変形例としての気水分離部１２０の構成を示す説明図である。
【図９】他の変形例としての気水分離部２２０の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２０，２０Ａ…気水分離部
２１，２１Ａ…ガス流入口
２２，２２Ａ…ガス排出口
２３，２３Ａ…排水口
２４…開口部
２５…Ｕ字管
２５Ａ…分離容器
２６…貯留水
３０…蒸発・混合部
３２…改質器
３４…ＣＯ低減部
３６…燃料電池
３８…冷却部
４０…燃焼部
４２…水タンク
４４…ポンプ
４６，４８，５０…ブロワ
５２…弁
５４…流路切替弁
６１…燃料流路
６２…混合ガス路
６３…改質ガス路
６４…燃料ガス路
６５…アノード排ガス路
７０…気水混合物流路
７１…ガス流路
７２…水流路
７３…水流路
７４…燃焼ガス流路
７５…排ガス路
７６…改質ガス分岐路
８０…水面
８１…水面
８３，８３Ａ…ガス流通部
８４…大気開放部
１２０，２２０…気水分離部
１２７，２２７…第１の貯水部
１２８，２２８…連通路
１２９，２２９…第２の貯水部
【図１】
0003753055.tif 000002
【図２】
0003753055.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003753055.tif 000006
【図６】
0003753055.tif 000007
【図７】
0003753055.tif 000008
【図８】
0003753055.tif 000009
【図９】
0003753055.tif 000010