JP2007141524A - 気液分離装置および気液分離装置を備えた燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる気液分離装置及びそれを使用した燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えている。前記反応ガス供給系、水回収系あるいは燃料電池本体を構成する配管の一部に気液分離装置１０を設ける。気液分装置１０は、主配管１１から分岐した分岐配管１２と、前記分岐配管１２の一部に液体貯溜部１３が形成され、この液体貯溜部１３に貯留されている液体内に毛細管力によって液体を保持する多孔質体１４が配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、多孔質の毛細管力を利用した気液分離装置およびそのような気液分離装置を備えた燃料電池発電システムに関する。

近年、高効率のエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。特に、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、コンパクトな構造で高い出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や移動用などの電源として注目されている。

このような固体高分子形燃料電池発電システムとして知られている従来技術の概略を、図１０を用いて以下に説明する。このシステムは、燃料電池本体１と、前記の燃料電池本体１に反応ガスを供給する反応ガス供給系２と、前記燃料電池本体１から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系３と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系４を主要モジュールとして構成されている。以下に主要モジュールを詳細に説明する。

燃料電池本体１は、固体高分子膜の両面にガス拡散電極（燃料極１ａおよび酸化剤極１ｂ）をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給するための反応ガス供給溝を設けた反応ガス供給セパレータとからなる単位電池を、発電の際に発生する熱を除去する冷却板１ｃを介して複数積層した構成である。また、個々の反応ガス供給セパレータへの反応ガス供給または個々の反応ガス供給セパレータからの反応ガス排出のための、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドを前記の積層体側面に設けている。固体高分子膜としては、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸（ナフィオンＲ：米国、デュポン社）が一般的に知られている。また、ガス拡散電極としては白金等を触媒とする触媒層を形成したカーボン多孔質板が一般的に用いられている。

前記の燃料電池本体１に水素を主成分する燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を供給すると、それぞれの単位電池で下記の電気化学反応が進行し、それぞれの単位電池の電極間で１Ｖ程度の起電力が生じる。

燃料極 ：２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （式１）
酸化剤極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ （式２）

燃料極では（式１）に示すように供給した水素は、水素イオンと電子に解離する。水素イオンは固体高分子膜を通って、電子は外部回路を通ってそれぞれ酸化剤極に移動する。一方、酸化剤極では（式２）に示すように供給した空気中の酸素と上記の水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。燃料電池本体１に供給され、反応に使用されなかったガスおよび加湿水蒸気と電池反応により生成した水は既反応ガスとして燃料電池本体１から排出されることから、既反応ガスには多量の水分が含まれる。

反応ガス供給系２は空気供給系２ａと燃料ガス供給系２ｂからなる。固体高分子形燃料電池では、電解質である固体高分子膜は湿潤状態でプロトン伝導性となることから反応ガス供給系２には一般的に加湿器２ｃを設けている。但し、メタンなどの炭化水素を原燃料として使用する場合には、燃料と水蒸気を反応させて水素リッチなガスに改質するための燃料改質器２ｄおよび加熱用バーナ２ｅが必要となるが、改質後の燃料ガスには水蒸気が含まれることから燃料ガス供給系２ｂについては加湿しない場合もある。

なお、図１０では水蒸気改質に必要となる燃料改質器２ｄへの水蒸気供給ラインを省略している。また、２ｆはバーナ２ｅの排気系に設けられた熱交換器、２ｇは燃料改質器２ｄおよび加湿器２ｃから燃料電池本体１へ送出される反応ガスの供給配管である。

水分回収系３は燃料電池本体１から排出される電池反応後の既反応ガスに含まれる水分を除去する系であり、熱交換器３ａと気液分離器３ｂから構成されていることが一般的である。酸化剤極側の気液分離器３ｂに回収される水は、反応ガスに予め加湿した水分および燃料電池本体１での（式２）の反応による生成水であり、一般的には回収する水量が多いことから、回収水はポンプ３ｃにより冷却水タンク４ａに回収され冷却水または加湿水として利用される。なお、水分回収後の既反応の空気はシステム系外に排出される。

燃料極側の気液分離器３ａに回収される水は反応ガスに予め加湿した水分または燃料改質により含まれる水分が殆どであり系外に排出されることもあるが、システム内での水自立運転（外部から水をシステムに供給しないで運転）をする場合にはポンプ３ｃにより冷却水タンク４ａに回収することもある。また、メタンなどの炭化水素を原燃料として使用する場合には、水分回収後の残燃料ガスは燃料改質に必要となる熱を供給するために残燃料ガス回収ライン３ｄにより燃料改質器２ｄに設けたバーナ２ｅに供給され燃焼される。

電池本体冷却系４は燃料電池本体１で発電する際に生じる反応熱を系外に排出する系である。ポンプ４ｂにより冷却水タンク４ａに貯蔵した冷却液を冷却液循環配管４ｃを介して燃料電池本体１の冷却板１ｃに循環している。冷却水タンク４ａに回収された排熱は熱交換器４ｄにより回収され熱利用される。なお、温水として直接利用することも可能である。また、冷却液が水である場合はその一部を反応ガス加湿水として加湿器２ｃに供給して使用することができる。

上記の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、反応ガス供給配管２ｇまたは気液分離後の残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナ２ｅに供給する残燃料ガス回収ライン３ｄ中には多量の水蒸気を含むガスが流通する。このため、配管の温度が一部でも低くなるとその部分で水蒸気が凝縮し気液二相流体となるために種々の問題を引き起こす。特に、システム起動時にはガス配管は冷えていることから、ガス配管内で水蒸気が凝縮しやすいので問題となることが多い。

例えば、反応ガス供給配管２ｇ中で水蒸気が凝縮すると、燃料電池本体１の反応ガス供給マニホールドに供給される反応ガスに含まれる水は反応ガス供給部に近い単位電池に多く供給されることになり、電池本体内での反応ガス配流を悪くする。その結果、各単位電池の電池性能にバラツキが生じ、電池本体の電池性能が著しく不安定となる。なお、燃料電池本体１の反応ガス供給マニホールド内で水蒸気が凝集する場合も、同様の現象が起こる。また、気液分離後の残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナ２ｅに供給する残燃料ガス回収ライン中で水蒸気が凝集すると、燃料改質器用燃焼バーナ２ｅが失火する場合がある。

これらの対策として、特許文献１には水蒸気の凝縮を防止するためにガス配管を保温する方法が開示されている。また、特許文献２には水を除去する手段として吸水剤を充填した吸水器を設ける方法が開示されている。

また、気液二相流体となった場合の対策として、一般的には配管を分岐してＵ字管を設けることにより、気液二相流体を水封して液相体のみを分離排出する方法等が考えられるが、気液二相流体の圧力が高くなると水封が破れることがある。封水耐圧はＵ字管の水頭圧と等しく、高い封水耐圧は期待できない。さらに、液相流体の排出口にバルブを設け、一定の液相流体が溜まった時にバルブを開き、液相流体を排出する方法が考えられるが、排出用のバルブ、および制御のための機器が必要となる。

さらに、燃料電池本体１から排出される既反応ガスは多量の水分を含む気液二相流体となっている。このため既反応ガス配管は水詰まりしやすく圧損が高くなり、反応ガス供給が不安定となることにより電池性能が低下することがある。

上記のことから既反応ガスを速やかに気液分離する必要がある。この対策として、特許文献３には、反応ガス中の水蒸気を凝縮水として気液分離する方法が開示されている。また、凝縮水の排出口にバルブを設け、一定の凝縮水が溜まった時にバルブを開き、凝縮水を排出する方法が考えられるが、排出用のバルブ、水ポンプおよびそれらの制御のための機器が必要となる。

このような燃料電池発電システムにおける気液二相流体に起因する問題点を解決するために、システムの各所に気液分離装置を設けることも考えられる。例えば、特許文献４には、気液二相流体が流れる配管の途中に液体の分岐配管を分岐し、その分岐部分に多孔質体を配置することで、液体は多孔質体を通過して分岐配管側に流れ、気体は多孔質体の細孔内に浸入した液体の毛細管力に阻止されて分岐配管側へは流出することがないようにした気液分離装置が示されている。

確かに、特許文献４の気液分離装置は配管の分岐部分に毛細管力を利用した多孔質体を設けるという簡単な構成で、気液を効果的に分離できる利点がある。しかし、この種の気液分離装置は、多孔質体中に常時液体が存在しないと、気体の阻止効果がなくなるため、前記のような燃料電池発電システムの各所には利用できないものであった。すなわち、燃料電池発電システム内を流れる気体は必ずしも気液二相体ではない。例えば、燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給配管２ａ、２ｂ内を流通する気体は基本的には相対湿度１００％以下であり、常時液体が含まれているものとは限らない。

そのため、多孔質体内に液体を捕捉した状態では気体のシール効果があったとしても、気体が配管内を流れている間に多孔質体内に存在する液体が蒸発して除去され、毛細管力によるウエットシール機能が失われるため、その部分から気体が分岐管側に漏れてしまう問題を生じる。また、発電停止中には配管内に気体が流通しないかまたは、湿度の低いパージガスが流通するため、多孔質体内に存在する液体が蒸発して除去され、毛細管力によるウエットシール機能が失われることから、起動時に反応ガスが漏れる問題を生じる。

特開２０００−１２０５７号公報 特開２００２−１００３８５号公報 特開２０００−３５７５２９号公報 特開平５−１３７９３３号公報

上記の様に、固体高分子形燃料電池発電システム内には、既反応ガス配管や冷却水タンクの様に、内部に気相流体と液相流体からなる気液二相流体が流通する場所や、反応ガス供給配管や残燃料ガス回収ラインの様に環境温度などの外部条件により内部の流体が気液二相流体となる場所が多い。一方、システム内の気液二相流体は電池性能を不安定にする、または著しく低下させることから、気液二相流体から液相流体を速やかに分離排出する必要がある。

これらの要求に応えるため、前記特許文献４に示すような毛細管力を利用した簡単な構造の気液分離装置を燃料電池発電システムに使用した場合に、配管内を流れる相対湿度１００％以下の気体により多孔質内に捕捉した液体が失われると、毛細管力によるシール機能が失われ、気体の漏洩が生じる不都合があった。

本発明は、バルブ操作など特別な制御を必要とせず、気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる気液分離装置及びそれを使用した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

より具体的には、反応ガス供給系の反応ガス供給配管や残燃料ガス回収ラインについては、前記配管内には通常、相対湿度１００％に近い水蒸気を含むガスが流通しているため、システム起動時や、外気温が低下した時は配管内で水蒸気が凝縮し気液二相流体となることがある。この場合でもバルブ操作など特別な制御を必要とせず、配管内の圧力が上昇しても気相流体を漏らすことなく、液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる技術を提案する。

水分回収系については、バルブ操作など特別な制御を必要とせず、気相流体を漏らすことなく、既反応ガス配管内に流通する気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる技術を提案する。

また、前記燃料電池発電システムの各系統に使用する気液分離装置として、相対湿度１００％以下の気体のように配管内を流れる流体から液体の供給がなくても、多孔質体内に存在する液体が乾燥することなく、毛細管力によるシール機能が確実に発揮され、配管内を流れる気体の漏洩を防止できる技術を提案する。

前記の目的を達成するために、本発明の気液分離装置は、気相流体と液相流体からなる気液二相流体から液相流体を分離する気液分離装置において、気液二相流体が流れる配管と、この配管から分岐した液体の分岐配管とを備え、前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置されていることを特徴とする。前記多孔質体の平均気孔半径は２０μｍ以下であることが望ましい。前記気液二相流体の配管内に、気相流体を凝縮し液相流体とするための熱交換器が設けられていても良い。また、液体貯溜部は、配管の一部をＵ字形に屈曲することで形成されることが望ましい。

本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記反応ガス供給系、水回収系あるいは燃料電池本体を構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられていることを特徴とする。

前記のような構成を有する本発明の燃料電池発電システムによれば、反応ガス供給系、水回収系あるいは燃料電池本体を構成する配管を流れる気液二相流体から液体を簡単かつ確実に除去することができるので、優れた電池性能を確保することができる。また、気液分離装置として液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に多孔質体を配置したものを使用したため、配管中に相対湿度１００％以下の気体のみが流通するような場合であっても、多孔質体は常に液体中に保持されることになるので、毛細管力によるシール機能を確実に発揮することができ、気体が液体の分岐配管を通って漏洩するおそれがない。

以下、本発明を実施するための最良の形態の幾つかを順次説明する。なお、前記図１０に示した従来の燃料電池発電システムと共通の部分については共通の符号を付し、説明は省略する。

（１）第１実施形態
本実施形態は、本発明の気液分離装置１０を燃料電池発電システム内の反応ガス供給系２および残燃料ガス回収ライン３ｄに取り付けたものである。反応ガス供給配系２においては、燃料改質器２ｄから供給された燃料ガスの配管上及び加湿器２ｃから供給された酸化剤ガスの配管上における燃料電池本体１に近い場所に、また、燃料ガス回収ライン３ｄにおいては燃料改質器２ｄの燃焼バーナ２ｅに近い場所に気液分離装置１０が配設した。これらの気液分離装置１０により、気液二相流体から分離排出した液相流体は冷却水タンク４ａに回収した。

本実施形態に使用した気液分離装置１０の構成を図２に示す。気液二相流体が流通する主配管１１から分岐配管１２を設け、前記の分岐配管１２内に液相流体を滞留させるために２０ｍｍ長のＵ字形の液体貯溜部１３を形成した。また、液相流体が滞留する位置に厚さ５ｍｍ、平均気孔半径が１５μｍの多孔質体１４を配置した。本実施形態で使用した多孔質体１４は発泡金属であるが、カーボン材、樹脂など耐腐食性を有するものであれば良い。また、濾過紙などの多孔質膜でも良い。

このような構成を有する本実施形態において、燃料電池発電システムの起動時はそれぞれの主配管１１の温度が低く、主配管１１内を流通するガス中の水蒸気が凝集して水を生成する。また、外気温が低下した場合にそれぞれの主配管１１からの放熱が大きくなり、主配管１１内を流通するガス中の水蒸気が凝集して水を生成する。上記の様に主配管１１内で生成した水は、図２の気液分離装置１０により分岐配管１２を通して主配管１１から速やかに排出される。

また、主配管１１内の気液二相流体の圧力が上昇し、分岐配管１２のＵ字形の液体貯溜部１３に滞留した水の液面が低下し、気相流体が多孔質体１４に接触しても、水を含んだ多孔質体１４はウエットシール機能を有しているため、気相流体を排出することはない。

一般的に、多孔質体１４のウエットシール機能は、多孔質体１４内の水の毛細管力により決定され、多孔質体１４の毛細管力ΔＰは以下の式で計算できる。
ΔＰ＝２σＣＯＳθ／ｒ
σ：水の表面張力
θ：水の濡れ接触角
ｒ：細孔半径

例えば、水を含んだ気孔半径２０μｍの多孔質体１４の毛細管力ΔＰは上記の式より約５ｋＰａとなる。この場合、気相流体を前記の多孔質体１４を通過させるには５ｋＰａ以上の圧力が必要になる。燃料電池本体１を常圧雰囲気で発電する場合は、反応ガス供給圧力は３ｋＰａ程度であり、５ｋＰａ以上のウエットシール機能が必要であることから、多孔質体１４の気孔半径を２０μｍ以下とすることが好ましい。

本実施形態の気液分離装置１０を配置した燃料電池発電システムを起動および連続運転して、液相体を分離排出する効果を検討した。従来のシステムでは起動時に反応ガス供給配管中での水蒸気の凝縮水が原因と思われる燃料電池本体１の性能低下や、残燃料ガス回収ライン３ｄ配管中での水蒸気の凝縮水が原因と思われる燃料改質器２ｄの燃焼バーナ２ｅの消火が起こっていた。一方、本実施形態のシステムでは、起動時や配管放熱により発生した凝縮水を速やかに主配管１１外に排出することができ、起動時の燃料電池本体１の性能低下や燃焼バーナ２ｅの消火は発生しなかった。

また、反応ガス供給配管２ｇの圧力を５ｋＰａとしたが、気相流体の放出はみられず多孔質体１４のウエットシールが機能していることを確認した。なお、多孔質体１４を配置しない場合は５００ｍｍ長のＵ字管が必要となる。

上記の様に、本実施形態によれば、主配管１１内の圧力が上昇しても気相流体を漏らすことなく、液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出することができ、配管内の水蒸気の凝縮による燃料電池本体１の性能低下や燃料改質器の燃焼バーナの消火を防止することができる。しかも、主配管１１内が相対湿度１００％以下の気体のみとなっても、多孔質体１４はＵ字形部１２内に貯留されている液体内に配置されており、その細孔内には常時液体が存在するので毛細管力が失われることがなく、ウェットシール機能が保持されるため、主配管１１内の気体が分岐配管１２から外部に漏洩することもない。

（２）第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態を示すものであって、この実施形態は、燃料電池本体１における反応ガス供給マニホールド１ｄと既反応ガス排出マニホールド１ｅの底部に、図２の気液分離装置１０を設けたものである。

このような構成を有する第２実施形態では、反応ガス供給配管２ｇから反応ガス供給マニホールド１ｄを介して燃料電池本体１に供給される反応ガス中、及び燃料電池本体１から既反応ガス排出マニホールド１ｅ及び既反応ガス排出配管２ｈを通って排気される既反応ガス内の液体が、気液分離装置１０によって分離される。特に、既反応ガスの内、燃料極１ａからの残燃料ガスについては、この気液分離装置１０によって液体成分が効果的に除去されるため、これを燃料改質器用燃焼バーナ２ｅに供給した場合に、残燃料ガス中の液体によるバーナの失火などの不都合が解消される。

（３）第３実施形態
図４は、本発明の第３実施形態を示すもので、この第３実施形態は、気液分離装置１０を燃料電池発電システム内の水分回収系３に配置したものである。すなわち、前記図１０に示したように、従来技術では、その水分回収系３に熱交換器３ａと気液分離器３ｂから構成される気液分離装置が設けられていたが、本実施形態では、この気液分離器３ｂに代えて図５に示す気液分離装置１０を設けたものである。

本実施形態の気液分離装置１０は、水分回収系３における燃料極１ａおよび酸化剤極１ｂの既反応ガス排出配管２ｈに取り付けられている。すなわち、既反応ガス排出配管２ｈに、気液二相流体が流れる垂直部分とその側方に伸びる液体を分離後の気体が流れる水平部分とからなるＬ字形の屈曲部１５が設けられ、前記Ｌ字形の垂直部分の下部から気液分離装置１０の分岐配管１２が垂直に分岐され、この分岐配管１２に連続して多孔質体１４を内蔵したＵ字形部１３が形成されている。また、前記気液二相流体が流れる配管の垂直部分内には、前記気液二相流体に含まれる気相流体（主として水蒸気）の一部を凝縮し液相流体とするための熱交換器１６が収容されている。

このような構成を有する本実施形態においては、既反応ガス排出配管２ｈ内を流れる気液二相流体は、熱交換器１６によってその液体が凝縮され、垂直部分の下方に配置された分岐配管１２内に滴下する。分岐配管１２内に貯留した液体は多孔質体１４を通過して気液分離装置１０外部に排出され、液体が除去された気体はＬ字形の水平部分から排気もしくは残燃料ガスとして改質器バーナ２ｅに送られる。すなわち、水を分離排出した後の酸化剤極１ｂ側の既反応ガスはそのまま大気に排出され、一方、水を分離排出した後の燃料極１ａ側の既反応ガスは残燃料ガス回収ライン３ｄを通して、燃料改質器用の燃焼バーナ２ｅに供給される。

このような構成を有する本実施形態によれば、従来の気液分離器、ポンプ、バルブ等が不要となるので、従来技術の比較して簡単な構成により、燃料電池本体からの既反応ガス中の水分を除去して、大気へ排気あるいは燃焼バーナに供給することが可能になる。特に、熱交換器１６を配管中に設けることにより、気液二相流体中に含まれた液体の凝縮を促進して、より効率良く液体を分離できる利点もある。

なお、前記気液分離装置１０は、その内部に熱交換器１６を設けることは要件ではなく、気液分離装置１０を設けた配管自体を低温度とすることなどの手段で液化を促進することができれば、図６に示すような熱交換器１６を持たないものを使用することも可能である。

（４）第４実施形態
図７は、本発明の第４実施形態を示すものであって、この実施形態は、図１０に示す従来の燃料電池発電システムでは燃料極側および酸化剤極側で分離排出した水をそれぞれ気液分離器３ｂ，３ｂに蓄え、一定水量になった時にポンプ３ｃおよびバルブ３ｅを操作して冷却水タンク４ａに水を排出していたのに対して、従来の気液分離器３ｂ、ポンプ３ｃ、バルブ３ｅ等を必要とせず、分離排出した水を直接、冷却水タンク４ａに排出するようにしたものである。

すなわち、本実施形態では、図８の拡大図に示すように、前記気液分離装置１０におけるＵ字形の分岐配管１１の入口が燃料極１ａからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器１７の底部に接続され、前記分岐配管１１の出口が酸化剤極１ｂからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器１８の側面に接続され、その熱交換器容器１９の底部に設けられたドレン配管１９が冷却水タンク４ａに接続されている。

このような構成を有する本実施形態では、熱交換器容器１７内で凝縮した燃料極１ａからの既反応ガス内の水分は、熱交換器容器１７底部の気液分離装置１０を通って、酸化剤極１ｂからの既反応ガスが導入される熱交換器容器１８に回収される。この場合、気液分離装置１０の多孔質体１４によって燃料極１ａからの残燃料ガスが熱交換器容器１８側に漏洩することが確実に防止される。一方、酸化剤極１ｂからの既反応ガスは、熱交換器容器１８内の熱交換器によって、それに含まれた液体（水分）が凝縮され、熱交換器容器１８底部に溜まる。このようにして、熱交換器容器１８底部に溜まった両系統の既反応ガスから除去された液体は、ドレン配管１９を介して冷却液タンク４ａに回収される。

この場合、本実施形態では、熱交換器容器１８のドレン配管１９上に気液分離装置１０を設けることも可能であるが、酸化剤極１ｂからの既反応ガスに含まれる液体は水分が主であり、また、水分が除去された気体は大気中に排気されることから、燃料極１ａからの既反応ガスの場合に比較して水分の除去の程度が緩やかであるため、特に、気液分離装置１０を設けなくても良い。

上記の様に、本実施形態によれば、水ポンプやバルブ操作など特別な制御を必要とせず、気相流体を漏らすことなく、既反応ガス配管内に流通する気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出することより、安定したシステムの運転が可能となる。

（５）第５実施形態
前記の第４実施形態は、Ｕ字形の配管を有する気液分離装置１０を、燃料極１ａからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器１７の底部と、酸化剤極１ｂからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器１８の側面に接続したものであるが、第５実施形態は、熱交換器容器１７，１８と気液分離装置１０とが全体としてＵ字形のウォーターシール部を形成するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、気液分離装置１０の分岐配管１１の入口を熱交換器容器１７の底部に、出口を熱交換器容器１８の底部に接続し、ドレン配管１９は熱交換器容器１８の側面の分岐配管１１の接続部よりも高い位置に設けたものである。

このような構成を有する第５実施形態では、２つの熱交換器の容器と気液分離装置１０のは移管とで全体としてＵ字形の部分が形成され、その内部に常時貯留される液体内に多孔質体１４を配設することができる。その結果、多孔質体１４が乾燥して気体が通過するような現象が生じることがなく、既反応ガスが冷却液タンク４ａ側に漏出することがない。このように、配管そのものをＵ字形としなくとも、液体貯溜部を形成することが可能であり、そのような液体貯溜部内に多孔質体１４を配置することが可能である。

本発明の燃料電池発電システムの第１実施形態を示す配管図。 本発明の第１実施形態に使用される気液分離装置の一例を示す断面図。 本発明の燃料電池発電システムの第２実施形態を示す配管図。 本発明の燃料電池発電システムの第３実施形態を示す配管図。 本発明の第３実施形態に使用される気液分離装置の一例を示す断面図。 本発明の第３実施形態に使用される気液分離装置の他の例を示す断面図。 本発明の燃料電池発電システムの第４実施形態を示す配管図。 本発明の第４実施形態に使用される気液分離装置の一例を示す断面図。 本発明の第５実施形態に使用される気液分離装置の他の例を示す断面図。 従来の燃料電池発電システムを示す配管図。

符号の説明

１…燃料電池本体
２…反応ガス供給系
３…水分回収系
４…電池本体冷却系
１０…気液分離装置
１１…主配管
１２…分岐配管
１３…Ｕ字形の液体貯溜部
１４…多孔質体１４
１５…Ｌ字形の屈曲部
１６…熱交換器
１７，１８…熱交換器容器
１９…ドレン配管

Claims (10)

1. 気相流体と液相流体からなる気液二相流体から液相流体を分離する気液分離装置において、気液二相流体が流れる配管と、この配管から分岐した液体の分岐配管とを備え、
   前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置されていることを特徴とする気液分離装置。
2. 多孔質体の平均気孔半径は２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の気液分離装置。
3. 前記気液二相流体の配管内に、気相流体を凝縮し液相流体とするための熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１記載の気液分離装置。
4. 燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記反応ガス供給系を構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 前記気液分離装置が、反応ガス供給系における燃料改質器から供給された燃料ガスの配管上及び加湿器から供給された酸化剤ガスの配管上にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記水分回収系から排出された既反応ガスに含まれる残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナに供給する残燃料ガス回収ラインと、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記残燃料ガス回収ラインを構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記水分回収系を構成する配管の一部に、この配管から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 前記気液分離装置が、水回収系の配管における気液二相流体が流れる垂直部分とその側方に伸びる液体を分離後の気体が流れる水平部分とからなるＬ字形の屈曲部分に配置され、前記Ｌ字形の垂直部分の下部から前記分岐配管が垂直に分岐されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記気液分離装置が、燃料電池本体の燃料極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器と、燃料電池本体の酸化剤極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器との間に設けられ、
   前記気液分離装置における分岐配管の入口が燃料極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器の底部に接続され、前記分岐配管の出口が酸化剤極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器の側面に接続され、酸化剤極からの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器容器の底部に設けられたドレン配管が冷却水タンクに接続されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
10. 燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
    前記燃料電池本体における反応ガス供給マニホールドと既反応ガス排出マニホールドの底部に、各マニホールドの底部から分岐した液体の分岐配管が設けられ、前記分岐配管の一部に液体貯溜部が形成され、この液体貯溜部に貯留されている液体内に毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が配置された気液分離装置が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。

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