JP2007268340A - 気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体と液体との分離性能を向上させた気液分離装置を提供する。
【解決手段】供給口１８は、分離空間Ｓ1を形成する側壁面１６に設けられ、循環ガスが分離空間Ｓ1へと流入するものであり、排出口１９は、側壁面１６の供給口１８よりも上方に設けられ、分離された水素ガスが分離空間Ｓ1から外部へと流出するものである。また、貫通部２０は、分離空間Ｓ1を鉛直方向に貫通する円筒形状の中空部材であって、分離空間Ｓ1のうち、供給口１８を含む第１の空間と排出口１９を含む第２の空間とを、自己の中空空間を介して連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を含む気体（流体）を気体と液体とに分離する気液分離装置に係り、特に、燃料電池システムの反応ガス中に含まれる水を分離する気液分離装置に関する。

従来より、燃料極（アノード）に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極（カソード）に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。この類の燃料電池では、燃料極側からの排出ガスを循環ポンプ等によって燃料ガスの供給側へと循環させることにより、反応効率の向上を図っている。

ところで、この燃料電池では、燃料極および酸化剤極におけるガスの反応に伴って水が生成される。生成水はとくに酸化極側で生じやすいが、電解質膜を通して燃料極側へと移動するため、この生成水が燃料ガスの循環系へと流入し、循環ポンプ等の循環手段に不具合を生じさせるといった問題がある。さらに、この生成水が燃料電池へと流入した場合には、燃料極の反応面積を減少させるといった水詰り（フラッティング）の問題も生じる。そのため、燃料ガスの循環系には、循環ガス（燃料極からの排出ガス）中に含まれる水を分離するための気液分離装置が設けられている。

例えば、特許文献１には、上部を気水分離室とし、下部をドレン溜めとしている１つの容器を主体に構成される気液分離装置が開示されている。この気液分離装置は、気水分離室に連通している蒸気出口管と、ドレン溜めに連通しているドレン出口管と、気水分離室に気水混合蒸気を供給して、この気水分離室で旋回流にする気水混合蒸気供給管とを備えている。さらに、この気液分離装置は、ドレン溜めの水面より上位に位置して、気水分離室で分離されたドレンを通す通路を有して横向きに設けられた仕切板と、この仕切板の下位に固定された縦向きの旋回流防止板とを備えている。
実開平６−２９６１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、気水分離室における旋回流に伴う遠心力によって水を分離しているものの、分離に必要な旋回回転数を得られない可能性がある。そのため、気液の分離を十分に行うことができない可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、気体と液体との分離性能を向上させた気液分離装置を提供することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、分離部と、貯蔵部とを有する気液分離装置を提供する。この気液分離装置において、分離部は、側壁面によって形成された円筒形状の内部空間が分離空間として鉛直方向に延在しており、この分離空間内に供給された流体が側壁面に沿って旋回することにより、流体を液体と気体とに分離する。貯蔵部は、分離部の分離空間と連通する円筒形状の内部空間が貯蔵空間として鉛直方向に延在しており、分離空間において分離された液体を貯める。ここで、分離部は、供給口と、排出口と、貫通部とを有している。供給口は、分離空間を形成する側壁面に設けられ、流体が分離空間へと流入するものであり、排出口は、側壁面の供給口よりも上方に設けられ、分離された気体が分離空間から外部へと流出するものである。また、貫通部は、分離空間を鉛直方向に貫通する円筒形状の中空部材であって、分離空間のうち、供給口を含む第１の空間と排出口を含む第２の空間とを、自己の中空空間を介して連通する。

本発明によれば、その分離空間において流体中に含まれる液体が遠心分離されると、気体成分が、貫通部の中空領域を経由して、排出口へと流れる。その結果、供給口から貫通部の下端へと到達する間に、分離に必要な旋回回転数を与えることが可能となるので、分離性能の向上を図ることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態にかかる気液分離装置について説明する。この気液分離装置は、例えば、燃料電池システム、特に車両搭載用の燃料電池システムに用いられる気液分離装置として好適である。ここで、気液分離装置の具体的な構成の説明に先立ち、燃料電池システムの基本的な構成について簡単に説明する。

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて発電電力を発生する燃料電池スタック１を主体に構成されている。燃料電池スタック１は、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極（カソード）と燃料極（アノード）とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。この燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料供給手段から、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク２に貯蔵された状態から、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。水素供給流路Ｌ1には、水素調圧弁３が設けられており、燃料電池スタック１へ供給される水素の圧力が所望の値となるように、その開度が制御される。燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス（未使用の水素等を含むガス）は、水素循環流路Ｌ2へと排出される。この水素循環流路Ｌ2は、他方の端部が水素供給流路Ｌ1の燃料電池スタック１よりも上流側に接続されており、水素循環流路Ｌ2には、水素循環手段（例えば、水素循環ポンプ４）が設けられている。水素循環ポンプ４を駆動することにより、燃料電池スタック１の燃料極側からの排出ガスは、燃料電池スタック１の燃料極の水素の供給側へと循環される。これにより、燃料電池スタック１における反応効率の向上を図ることができる。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ５によって加圧され、空気供給流路Ｌ3を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ3には、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１からの排出ガスは、空気排出流路Ｌ4を介して外部（大気）へと排出される。この空気排出流路Ｌ4には、空気調圧弁６が設けられている。空気調圧弁６は、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力および流量が所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ５の駆動量（回転数）とともに制御される。

燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルの燃料極側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子とに変換する反応が行われる。この水素イオンは電解質膜中を酸化剤極側に移動し、酸化剤極側では酸素と水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行われる。酸化剤極側で生じた生成水は、酸化剤極から排出される空気とともに空気排出流路Ｌ4に排出されるものの、一方で、電解質膜を通して燃料極側へと移行する。燃料極側へと移行した生成水は、燃料極から排出される排出ガスとともに水素循環流路Ｌ2に排出される。この生成水が水素循環ポンプ４へと流入した場合には、動作の不具合を引き起こしたり、また、この生成水が燃料電池スタック１へと流入した場合には、フラッティングの原因となる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、例えば、水素循環ポンプ４よりも上流側に、排出ガス中に含まれる水を分離した上で、この排出ガスを下流側に流す気液分離装置１０が設けられている。

図２は、気液分離装置１０を示す概略構成図である。気液分離装置１０は、天板１１と、分離部１２と、貯水部（貯蔵部）１３とを主体に構成されており、天板１１と貯水部１３との間に分離部１２を配置した格好となっている。この気液分離装置１０は、これらの部材が互いに組み付けられた状態において、天板１１が鉛直方向の上方に、貯水部１３が鉛直方向の下方に位置するような格好で水素循環流路Ｌ2に介装される。なお、本実施形態では、天板１１、分離部１２、貯水部１３は、それぞれが独立した部材として構成されているが、後述する個々の機能を奏する限り、天板１１と分離部１２、或いは、分離部１２と貯水部１３といったように、種々の部材が一体的に構成されていてもよい。

気液分離装置１０は、分離部１２の内部空間である分離空間Ｓ1と、貯水部１３の内部空間である貯水空間（貯蔵空間）Ｓ2とを含む一連の空間を有している。水素循環流路Ｌ2を流れる循環ガス（ミスト状の水や水素を含む燃料電池スタック１の燃料極側からの排出ガス）は、気液分離装置１０の分離空間Ｓ1へ取り込まれ、この分離空間Ｓ1において、循環ガス（流体）を水素ガス（気体）と水（液体）とに分離する。分離された水素ガスは、分離空間Ｓ1から水素循環流路Ｌ2へと排出され、また、分離された水（以下「分離水」という）は、貯水空間Ｓ2に貯えられる。なお、水素循環流路Ｌ2を流れる循環ガスには、水素ガス以外の気体成分、例えば、窒素ガス等が含まれていることもあるが、本明細書では、便宜上、循環ガス中の気体成分には水素ガスのみが含まれていることとする。

天板１１は、板状の部材であり、分離部１２の上面側に取り付けられることにより、分離空間Ｓ1を密閉する。また、天板１１と分離部１２との取付面の間には、リング状のパッキン（図示せず）が設けられており、天板１１と分離部１２との間のシール性を高めるような工夫が施されている。

貯水部１３は、鉛直方向に延在した円筒形状の内部空間（貯水空間Ｓ2）を備えており、分離部１２の分離空間Ｓ1において分離された水を内部に貯める機能を担っている。この貯水部１３は、その上方が開口した形状となっており、分離部１２の下面側に取り付けられることにより、貯水空間Ｓ2が分離部１２の分離空間Ｓ1と連通する。一方、貯水部１３の底面の中央には、外部配管Ｌ5と貯水空間Ｓ2との間を接続する分離水排出口（液体排出口）１４が形成されている。外部配管Ｌ5には、開閉バルブ８が設けられており、必要に応じて開閉バルブ８を開くことにより、分離水排出口１４および外部配管Ｌ5を介して貯水空間Ｓ2内に貯まった分離水が外部に排出される。なお、貯水空間Ｓ2に貯えられる分離水の水位は、傾きや揺れによる水位変動（例えば、車両搭載時によるもの）を考慮して、分離部１２の分離空間Ｓ1に分離水が流入しない程度の水位を貯水可能な上限水位とし、循環ガスが分離水排出口１４から排出されない程度の水位を排出可能な下限水位とすることが望ましい。上述した開閉バルブ８は、貯水空間Ｓ2に貯まる分離水が上限水位に到達することにより開状態に制御され、また、分離水が外部に排出されてその水位が下限水位に到達することにより閉状態に制御される。

また、貯水部１３には、その本体内部を鉛直方向に貫通する内部流路１５が形成されている。下面側に開口する内部流路１５の端部には、水素循環流路Ｌ2の上流側が接続可能となっている。そのため、水素循環流路Ｌ2を流れる循環ガスは、内部流路１５を介して、鉛直方向の下方から上方にかけて貯水部１３の内部を流れ、そして、分離部１２へと供給される。

分離部１２は、その上下面がともに開口した形状となっており、側壁面１６によって形成される円筒形状の内部空間（分離空間Ｓ1）が鉛直方向へと延在している。この分離空間Ｓ1は、空間内に供給された循環ガスが側壁面１６に沿って旋回することにより、循環ガスを水素ガスと水とに分離する分離室としての機能を担っている。

分離部１２には、その本体内部に内部流路１７が形成されており、この内部流路１７は貯水部１３の内部流路１５と接続可能となっているとともに、分離空間Ｓ1を形成する側壁面１６に設けられた供給口１８へと接続している。この供給口１８は、分離空間Ｓ1に循環ガスが流入するための開口であり、本実施形態では、鉛直方向において、分離空間Ｓ1の中央よりも上方に形成されている。また、分離部１２の側壁面１６には、分離空間Ｓ1において分離された水素ガスを外部へと流出するための開口である排出口１９が形成されている。この排出口１９は、供給口１８よりも上方に設けられている。排出口１９には、図示しない内部流路が接続されており、分離部１２の側面に開口した内部流路の端部には、水素循環流路Ｌ2の下流側が接続可能となっている。

分離部１２には、分離空間Ｓ1の略中心に、その分離空間Ｓ1を鉛直方向に貫通する円筒形状の貫通部２０が設けられており、この貫通部２０は、供給口１８よりも上方、より詳細には、供給口１８と排出口１９との間に相当する位置から貯水部１３側まで延在している。貫通部２０の上端には、分離空間Ｓ1の半径方向（すなわち、水平方向）へと延在した円盤状の取付プレート２１が一体的に取り付けられており、この取付プレート２１の外縁部が側壁面１６に接合されることにより、貫通部２０が分離空間Ｓ1に固定される。なお、この取付プレート２１は、供給口１８より分離空間Ｓ1内に流入した循環ガスが排出口１９へと直接的に流れることを規制する役割も担っている。

図３は、図２に示す分離部１２の説明図であり、（ａ）は、図２に示す分離部１２のＡＡ断面図であり、（ｂ）は、分離部１２の内部構造を示す模式図である。同図に示すように、分離部１２は、その分離空間Ｓ1において、貫通部２０から側壁面１６にかけて延在する板状部材が放射状に配置された複数の風向板２２を有している。本実施形態では、それぞれが略扇形状を有する４枚の風向板２２が互いに離間しながら等間隔に設けられている。個々の風向板２２は、一方の縁部が貫通部２０の最下端よりも上方に接合されているととも、それと対向する他方の縁部が側壁面１６に接合されている。また、個々の風向板２２は、分離空間Ｓ1に流入した循環ガスの旋回流の流れ方向（図中の矢印方向）の上流側から下流側にかけて下方に傾斜した形状を有している。

貫通部２０の内部空間（中空空間）には、天板１１から貯水部１３の底面側まで延在する水位センサ（水位検出手段）２３が設けられている。この水位センサ２３は、貯水部１３の貯水空間Ｓ2に貯まる分離水の水位を検出するセンサであり、例えば、静電容量方式のセンサを用いることができる。水位センサ２３によって検出された水位に応じた電気信号は、センサアンプ２４によって増幅されて、図示しないコントローラに出力され、貯水空間Ｓ2に貯まる水位制御の際に参照される。ここで、水位センサ２３として静電容量方式のセンサを用いた場合には、連続的な出力を得ることができるので、貯水空間Ｓ2内の水位コントロールを無段階に設定することができるという点において優れている。

このような構成を有する気液分離装置１０において、循環流路Ｌ2を流れる循環ガスは、貯水部１３に形成された内部流路１５、および、分離部１２に形成された内部流路１７を経由して、分離部１２の側壁面１６に形成された供給口１８より、分離空間内Ｓ1へ流入する。分離空間Ｓ1へと流入した循環ガスは、側壁面１６に沿って分離空間Ｓ1の内部、具体的には、貫通部２０および取付プレート２１と側壁面１６とによって画定されるドーナツ状の空間（すなわち、供給口１８を含む第１の空間）の内部を旋回する。旋回する循環ガスにおいて、循環ガスに含まれる水のうち比較的粒子径の大きなものは、旋回流に伴う遠心力が作用するため、側壁面１６側へと導かれ、これによって、水素ガスと水との分離が行われる。また、分離空間Ｓ1を旋回する循環ガスは、貫通部２０および取付プレート２１によって、排出口１９へと直接的に流れることが規制されているため、分離空間Ｓ1内を旋回しながら下方へと向かい、その後、貫通部２０の下端側の開口へと流れる。この際、貫通部２０の下方位置には複数の風向板２２が設けられている関係上、分離空間Ｓ1を旋回する循環ガスは、風向板２２を通過した後に、貫通部２０の下端側の開口へと流入する。これにより、循環ガスに含まれている水のうち粒子径の小さなものは、風向板２２を通過する際に凝集されて、水素ガスから分離される。このようにして水が分離された循環ガス（すなわち、水素ガス）は、貫通部２０の中空内部を経由した後に、排出口１９を含む第２の空間（第１の空間とは異なる空間）へと流れ、排出口１９を介して水素循環流路Ｌ2へと排出される。

このように本実施形態において、気液分離装置１０は、側壁面１６によって形成された円筒形状の内部空間（分離空間Ｓ1）が鉛直方向に延在しており、この分離空間Ｓ1内に供給された流体（本実施形態では、循環ガス）が側壁面１６に沿って旋回することにより、循環ガスを液体（本実施形態では、水）と気体（本実施形態では、水素ガス）とに分離する分離部１２と、この分離部１２の分離空間Ｓ1と連通する円筒形状の内部空間（貯水空間Ｓ2）が鉛直方向に延在しており、分離空間Ｓ1において分離された水を貯める貯水部１３とを有している。ここで、分離部１２は、分離空間Ｓ1を形成する側壁面１６に設けられ、循環ガスが分離空間Ｓ1へと流入する供給口１８と、側壁面１６の供給口１８よりも上方に設けられ、分離された水素ガスが分離空間Ｓ1から外部へと流出する排出口１９と、分離空間Ｓ1を鉛直方向に貫通する円筒形状の中空部材であって、分離空間Ｓ1のうち、供給口１８を含む第１の空間と排出口１９を含む第２の空間とを、自己の中空空間を介して連通する貫通部２０とを有している。

かかる構成によれば、分離部１２の側壁面１６に形成された供給口１８より分離空間Ｓ1へと供給された循環ガスは、その分離空間（特に、供給口１８を含む第１の空間）Ｓ1において循環ガス中に含まれる水が遠心分離されると、気体成分である水素ガスが、貫通部２０の中空領域を経由して、排出口１９を含む第２の空間へと流れ、そして、排出口１９から外部へと排出される。換言すれば、この貫通部２０は、分離空間Ｓ1において分離された水素ガスを、自己の中空空間を介して排出口１９側へと導入する機能を担っている。その結果、供給口１８から貫通部２０の下端へと到達する間に、すなわち、第１の空間において分離に必要な旋回回転数を与えることが可能となるので、分離性能の向上を図ることができる。これにより、例えば、車両に搭載した燃料電池システムにおいても、車両の走行に伴い発生する加速度による液面の揺れや、車両の傾きによる水面の変化に対してもロバストな構成、すなわち、どのような条件下でも分離能力、圧力損失等を同じ能力として発揮できる構成を実現することができる。

特に、本実施形態において、貫通部２０は、分離空間Ｓ1の略中央に配置されているとともに、供給口１８よりも上方から貯水部１３側まで延在している。これにより、貫通部２０が循環ガスの旋回を妨げるといった事態が抑制されるとともに、分離に必要な旋回回転数を与えることが可能となるので、分離性能の向上を図ることができる。

また、本実施形態において、貯水部１３は、貯水空間Ｓ2の底面の中央に、この貯水空間Ｓ2に貯まる水（分離水）を外部に排出するための分離水排出口１４を有している。かかる構成によれば、車両の走行に伴う加速度や、路面の傾斜等に起因して、貯水空間Ｓ2に貯まった分離水が偏ったりした場合であっても、分離水排出口１４が分離水によって覆われ易い格好となる。そのため、分離水排出口１４が剥き出しのままとなり、これにより、水素ガスが分離水排出口１４から外部に排出されるといった事態を抑制することができる。

本実施形態において、分離部１２は、供給口１８よりも下方位置において、貫通部２０側から側壁面１６側へと延在する板状部材が放射状に配置された複数の風向板２２をさらに有している。かかる構成によれば、分離空間Ｓ1を旋回する循環ガスは、その循環ガスに含まれる水のうち、粒子径の大きなものが遠心力により分離され、また、貫通部２０の下端側への開口へと向かう際に、風向板２２を通過して流れることとなる。これにより、循環ガスに含まれる水のうち、粒子径の小さいものを、風向板２２で凝集させることができる。これにより、分離性能の向上を図ることができる。

本実施形態において、風向板２２のそれぞれは、分離空間Ｓ1を旋回する循環ガスの流れ方向において上流側から下流側にかけて下方へ傾斜した形状を有している。かかる構成によれば、分離空間Ｓ1を循環ガスが旋回しながら下方に向かって流れる際に、その流れが風向板２２によって規制されるため、旋回流を徐々に下降させることができる。これにより、風向板２２の傾斜に応じて、分離に必要な旋回回転数を与えるように調整したり、粒子径の小さい水滴を凝集させる割合等を調整したりすることができるため、分離性能の向上を一層図ることができる。

なお、本実施形態では、風向板２２を循環ガスの流れ方向にかけて下方へ傾斜させた形態としたが、本発明はこれに限定されない。風向板２２は、水平方向にフラットな形状を有していてもよく、また、循環ガスの流れ方向において上流側から下流側にかけて上方へ傾斜した形状を有していてもよい。このような形態であっても、分離空間Ｓ1を旋回する循環ガスは、貫通部２０の下端側への開口へと向かう際に、風向板２２を通過して流れることにより、その循環ガスに含まれる水のうち、粒子径の小さいものを風向板２２で凝集させることができる。これにより、分離性能の向上を図ることができる。ただし、上述したように、風向板２２を循環ガスの流れ方向にかけて下方へ傾斜させた場合には、旋回流を徐々に下降させることができるといった点において有利である。

さらに、本実施形態において、風向板２２のそれぞれは、一方の縁部が貫通部２０の最下端よりも上方に接合されているとともに、この一方の縁部と対向する他方の縁部が側壁面１６に接合されている。ところで、循環ガスに含まれる水が中央に位置する貫通部２０の外壁面に付着し、その付着した水がそのまま貫通部２０に沿って下方に流れ落ちた場合には、貫通部２０の下端よりその内部へと流入する循環ガス（具体的には、水が分離された水素ガス）とともに、外壁面に付着した水が貫通部２０の中空空間に回り込んでしまうことが考えられる。しかしながら、本実施形態の構成によれば、貫通部２０の外壁面に付着した水は、貫通部２０に接合された風向板２２へと伝わり、循環ガスの旋回流も作用して、分離空間Ｓ1を形成する側壁面１６側へと導かれる。これにより、貫通部２０の中空空間へと水が回り込むといった事態を抑制することができるので、分離性能の向上を図ることができる。

なお、本実施形態によれば、風向板２２は貫通部２０と側壁面１６とにそれぞれ接合されているが、本発明は、これに限定されるものではない。図４は、側壁面１６のみと接合された風向板２２ａを示す説明図である。同図に示すように、風向板２２ａを分離部１２の側壁面１６のみに接合する形態であっても、上述したように、分離空間Ｓ1を旋回する循環ガスは、貫通部２０の下端側への開口へと向かう際に、風向板２２ａを通過して流れることにより、その循環ガスに含まれる水のうち、粒子径の小さいものを風向板２２ａで凝集させることができる。これにより、分離性能の向上を図ることができる。なお、風向板２２を貫通部２０と接合させた場合には、貫通部２０の中空空間へと水が回り込むといった事態を抑制することができるので、側壁面１６のみに接合する風向板２２ａを採用する場合には、同図に示すように、すべての風向板を側壁面１６のみに接続するのではなく、一部の風向板２２ａのみを側壁面１６に接続するようにしてもよい。また、特段図示しないが、風向板２２は、側壁面１６のみと接合している形態以外にも、貫通部２０のみに接合している形態であってもよい。かかる形態であっても、上述した効果を奏することができる。

図５は、図３に示す風向板２２の変形例である風向板２２ｂを示す説明図である。本実施形態によれば、図３に示すように、風向板２２のそれぞれは、互いに離間した状態で配置されている。しかしながら、貫通部２０の外壁面を流れ落ちる水を中空空間へ流入させないといった観点から、図５に示すように、風向板２２ｂのそれぞれは、貫通部２０との接合部が、円周方向にかけて互いにオーバーラップするように配置してもよい。かかる構成によれば、貫通部２０と風向板２２ｂとの接合部の面積が増加するため、貫通部２０の外壁面に付着した水を側壁面１６側へ効果的に導くことが可能となる。これにより、貫通部２０の中空空間へと水が流入するといった事態を抑制することができるので、分離性能の向上を図ることができる。

図６は、図３に示す分離部１２の変形例を示す説明図である。上述しように、貫通部２０の中空空間に対する水の流入を抑制するといった観点から、分離部１２は、突起部（第１の突起部）２５をさらに有していてもよい。この突起部２５は、貫通部２０の下方側に接合されており、具体的には、風向板２２の接合位置よりも下方側に接合されており、その接合位置よりも下方に向かってテーパ状に拡幅し、円周方向に連続する略円錐形状の側面で構成されている。この場合、突起部２５は、その下方側の端部が、貫通部２０の最下端よりも下方に突出していることが望ましい。かかる構成によれば、貫通部２０に付着した水が貫通部２０の最下端へと到達することが突起部２５によって規制される。これにより、貫通部２０の中空空間へと水が流入するといった事態を抑制することができるので、分離性能の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態にかかる気液分離装置１０の概略構成図である。この第２の実施形態にかかる気液分離装置１０が第１の実施形態のそれと相違する点は、水位センサ２３の構成である。なお、第１の実施形態において例示した分離部１２の構成、および、分離部１２に関する種々の変形例については、本実施形態においても同様に適用可能である。

水位センサ２３は、センサ部（図示せず）と、壁部２６と、センサアンプ２４とを主体に構成されている。センサ部は、貫通部２０の中空空間に挿入されて、分離空間Ｓ1から貯水空間Ｓ2へと貫通しており、貯水空間Ｓ2に貯まる分離水の水位を検出する。壁部２６は、センサ部の周囲を覆う円筒形状の部材である。センサアンプ２４は、センサ部から出力される電気信号を増幅する。本実施形態における水位センサ２３の特徴の一つは、壁部２６がガス抜き穴２７を備えることである。このガス抜き穴２７は、壁部２６の内外を貫通する開口であり、貯水空間Ｓ2の上方に配置されている。具体的には、ガス抜き穴２７は、貯水空間Ｓ2に貯まる分離水の上限水位よりも上方に、かつ、分離部１２よりも下方に配置されている。ここで上限水位は、貯水空間Ｓ2に貯まる分離水の制御目標値であり、この上限水位に分離水の貯水量が到達した場合には、分離水排出口１４を介して内部に貯まった分離水が外部へと排出される。

このように本実施形態によれば、水位センサ２３を貫通部２０の中空空間に設けることにより、貯水空間Ｓ2に貯まる分離水の揺れ等に拘わらず、水位を的確に検出することが可能になる。また、分離された水素ガスを排出口１９へと導く貫通部２０の中空空間を水位センサ２３の設置空間として併用することにより、内部空間のスペースを効率的に使用することができる。

また、ガス抜き穴の形成位置によっては、分離空間Ｓ1における旋回流の流れが影響し、壁部２６の内部と外部との間で水位を変化させる可能性がある。例えば、ガス抜き穴の中に旋回流の伴うガスが流れ込んだ場合には、壁部２６の内部の水を吸い上げたり、または、ガス抜き穴にガスが流れ込んだ勢いによって、壁部２６の内部の水を押し下げたりしてしまうといった如くである。このような水位の変化は、水位の検出誤差に繋がる可能性がある。本実施形態では、貯水空間Ｓ2の上方にガス抜き穴２７を配置することにより、検出誤差となる旋回流の影響が最小となる位置にガス抜き穴２７が位置することとなる。これにより、水位の検出精度の向上を図ることができる。

図８は、貯水空間Ｓ2の側壁面に配置される突出部２８の説明図である。ガス抜き穴２７に対する旋回流の影響を抑制するといった観点から、この気液分離装置１０は、上述した実施形態の構成以外にも、貯水部１３が突出部２８をさらに備えていてもよい。この突出部２８は、貯水空間Ｓ2を形成する側壁面の周方向にかけて、半径方向へと突出する環状の部材であり、壁部２６のガス抜き穴２７よりも上方に配置されている。この突出部２８は、半径方向へと突出した突起を円周方向に連続的に接合することによって構成することも可能であり、また、中央に開口が形成された円盤状の部材を貯水空間Ｓ2の側壁面に内接することによって構成することも可能である。

かかる構成によれば、突出部２８によって貯水空間Ｓ2の内径が部分的に縮小されるので、分離空間Ｓ1内の旋回流が下降する量が規制される。これにより、壁部２６のガス抜き穴２７に吹きかかるガスの量を低減することができるので、壁部２６の内外における水位変化を抑制することができる。そのため、水位センサ２３の検出精度の向上を図ることができる。また、このようなガス抜き穴２７に吹きかかるガスの量を突出部２８によって調整することができるので、貯水空間Ｓ2の高さ方向の大きさをコンパクト化することも可能となる。なお、突出部２８の半径方向への突出量は、それが大きい程、旋回流による影響を抑制することができるが、分離水が貯水空間Ｓ2の下方へと移動する際の妨げとなる虞がある。そのため、突出部２８の半径方向への突出量は、これらの両者のバランスを考慮して、実験やシミュレーションを通じてその最適値を設定することが好ましい。

図９は、壁部２６に配置される突起部２９の説明図である。ガス抜き穴２７に対する旋回流の影響を抑制するといった観点から、この気液分離装置１０は、上述した実施形態の構成以外にも、水位センサ２３が突起部（第２の突起部）２９をさらに備えていてもよい。突起部２９は、壁部２６のガス抜き穴２７よりも上方に接合されており、このガス抜き穴２７を覆うように、接合位置よりも下方に向かってテーパ状に拡幅し、円周方向に連続する円錐形状の側面で構成されている。かかる構成によれば、ガス抜き穴２７が突起部２９によって覆われるため、旋回流の流れにともなってガス抜き穴２７に吹きかかるガスの量を低減することができるので、壁部２６の内外における水位変化を抑制することができる。これにより、水位センサ２３の検出精度の向上を図ることができる。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる気液分離装置が適用された燃料電池システムを示すブロック図である。第３の実施形態にかかる気液分離装置１０が第１の実施形態のそれと相違する点は、気液分離装置１０を加熱するヒータ（加熱手段）７をさらに有することである。なお、第１の実施形態または第２の実施形態において例示した気液分離装置１０の構成、および、種々の変形例については、本実施形態においても同様に適用可能である。

図１１は、気液分離装置１０の加熱処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、燃料電池システムを運転状態を制御するコントローラ（図示せず）によって実行される。このコントローラとしては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、燃料電池システムの運転を停止するシステム停止であるか否かが判定される。このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、システム停止の場合には、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、システム停止前の場合には、再度ステップ１の処理を繰り返す。

ステップ２において、水位センサ２３からの検出信号が読み込まれることにより、システム停止時における分離水の水位（水位レベル）Ｌ1が検出される。検出された水位レベルＬ1は、必要に応じて、コントローラの記憶領域に格納される。なお、システム停止後は、燃料電池スタック１の運転が停止するため、貯水空間Ｓ2に流入する分離水はなく、また、貯水空間Ｓ2から排出される分離水もない。そのため、システム停止時から次回のシステム起動時までの間には、貯水空間Ｓ2に貯まっている分離水量に変化がない状態となる。

ステップ３（Ｓ３）において、燃料電池システムを起動するシステム起動であるか否かが判定される。このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、システム起動の場合には、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、システム起動前の場合には、再度ステップ３の処理を繰り返す。

ステップ４において、水位センサ２３からの検出信号が読み込まれることにより、システム起動時の分離水の水位（水位レベル）Ｌ2が検出される。

ステップ５において、システム停止時の水位レベルＬ1とシステム起動時の水位レベルＬ2とが参照され、水位レベルＬ1と水位レベルＬ2とが対応しているか否かが判定される。この判定において、両者の水位レベルが対応している状態とは、基本的に、水位レベルＬ1と水位レベルＬ2とが値的に一致した状態を示すが（Ｌ1＝Ｌ2）、検出誤差等を考慮して、許容可能なずれの範囲内において両者の水位レベルＬ1，Ｌ2が近似している場合にも、水位レベルＬ1，Ｌ2とが対応しているとの判定を行うこととする。このステップ５において肯定判定された場合、すなわち、水位レベルＬ1と水位レベルＬ2とが対応している場合には、本ルーチンを終了する。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、水位レベルＬ1と水位レベルＬ2とが対応していない場合には、ステップ６（Ｓ６）に進む。

ステップ６において、気液分離装置１０を加熱するヒータ７に対して電源オンが指示される。この電源オンの指示以降は、ヒータ７によって気液分離装置１０の加熱が行われる。そして、ステップ７（Ｓ７）において、水位センサ２３からの検出信号が読み込まれることにより、ヒータ加熱後の分離水の水位（水位レベル）Ｌ3が検出される。

ステップ８（Ｓ８）において、上述したステップ５の処理と同様に、システム停止時の水位レベルＬ1とヒータ加熱後の水位レベルＬ3とが対応しているか否かが判定される。このステップ８において肯定判定された場合、すなわち、水位レベルＬ1と水位レベルＬ3とが対応している場合には、ステップ９（Ｓ９）に進む。一方、ステップ８において否定判定された場合、すなわち、水位レベルＬ1と水位レベルＬ3とが対応していない場合には、再度ステップ７以降の処理を繰り返す。

ステップ９において、ヒータ７に対して電源オフが指示される。この電源オフの指示以降は、ヒータ７による気液分離装置１０の加熱が停止される。

このように本実施形態によれば、気液分離装置１０は、貯水部１３を加熱するヒータ７と、第１のタイミング（本実施形態では、システム停止時）において水位センサ２３で検出された分離水の水位（水位レベル）Ｌ1と、第1のタイミングよりも後の第２のタイミング（本実施形態では、システム起動時）において水位センサ２３で検出された分離水の水位（水位レベル）Ｌ2とを比較し、この比較結果に基づいて、ヒータ７の電源状態を制御する制御手段とをさらに有している。この制御手段による機能は、気液分離装置１０の加熱状態を制御する専用のコントローラによって実現してもよいし、本実施形態のように、燃料電池システムの運転状態を制御するコントローラによって実現されてもよい。ここで、制御手段は、システム停止時からシステム起動時までの間において、貯水空間Ｓ2に貯まっている分離水量に変化がないことを条件に、水位の比較を行う。

空気に対する氷の比誘電率は水のそれと比べ低くなる。したがって、貯水空間Ｓ2に貯まっている分離水量に変化がない場合であっても、分離水が凍結している場合には、水位センサ２３による検出値（水位レベル）には差異が生じることとなる。そのため、水位センサ２３によって検出される分離水の水位を異なるタイミングにおいて比較することにより、その期間内に分離水が凍結したか否かを判断することができる。そのため、水位センサ２３による水位の比較結果に基づいて、ヒータ７の電源状態を制御することにより、分離水の凍結を解凍する加熱処理を適切に実行することが可能となる。

また、本実施形態において、制御手段は、システム停止時における水位レベルＬ1と、システム起動時における水位レベルＬ2とが対応している場合には、ヒータ７に対して電源オフを指示し、システム停止時における水位レベルＬ1と、システム起動時における水位レベルＬ2とが対応していない場合には、ヒータ７に対して電源オンを指示する。これにより、分離水の凍結状態を適切に判断した上、この凍結した分離水をヒータ７によって解凍することができる。

さらに、本実施形態において、制御手段は、ヒータ７に対して電源オンを指示した後に、水位センサ２３で検出された分離水の水位（水位レベル）Ｌ3が、システム停止時における水位レベルＬ1と対応した場合には、ヒータ７に対して電源オフを指示する。これにより、凍結した分離水の解凍とタイミングを同期してヒータ７による加熱を終了することができるので、不必要なヒータ加熱を継続するといった事態を抑制することができる。

なお、本実施形態では、処理手順を説明する関係上、ステップ１からステップ９の処理を一連のプロセスとして説明したが、システム停止時に水位レベルＬ1を検出して記憶するルーチン（ステップ１からステップ２）と、システム停止時の水位レベルＬ1を読み込んだ上で、システム起動時に水位レベルＬ2を検出してヒータの電源制御を行うルーチン（ステップ３からステップ９）とを個別に実行してもよい。

なお、上述した各実施形態では、気液分離装置１０を水素循環流路L２の水素循環ポンプ４よりも上流側に設置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、空気排出流路Ｌ4の空気調圧弁６よりも下流側に設置することもできるし、空気供給流路Ｌ3に設置することもできる。また、本発明の気液分離装置は、燃料電池システムに適用されるのみならず、気液が混合した流体を気体と液体とに分離する用途に汎用的に用いることができる。

第１の実施形態にかかる気液分離装置が適用された燃料電池システムを示すブロック図 第１の実施形態にかかる気液分離装置１０を示す概略構成図 図２に示す分離部１２の説明図 図３に示す風向板２２の変形例である風向板２２ａを示す説明図 図３に示す風向板２２の変形例である風向板２２ｂを示す説明図 図３に示す分離部１２の変形例を示す説明図 第２の実施形態にかかる気液分離装置１０の概略構成図 貯水空間Ｓ2の側壁面に配置される突出部２８の説明図 壁部２６に配置される突起部２９の説明図 第３の実施形態にかかる気液分離装置が適用された燃料電池システムを示すブロック図 気液分離装置１０の加熱処理の手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 燃料タンク
３ 水素調圧弁
４ 水素循環ポンプ
５ コンプレッサ
６ 空気調圧弁
７ ヒータ
８ 開閉バルブ
１０ 気液分離装置
１１ 天板
１２ 分離部
１３ 貯水部
１４ 分離水排出口
１５ 内部流路
１６ 側壁面
１７ 内部流路
１８ 供給口
１９ 排出口
２０ 貫通部
２１ 取付プレート
２２ 風向板
２３ 水位センサ
２４ センサアンプ
２５ 突起部
２６ 壁部
２７ ガス抜き穴
２８ 突出部
２９ 突起部

Claims (17)

1. 側壁面によって形成された円筒形状の内部空間が分離空間として鉛直方向に延在しており、当該分離空間内に供給された流体が前記側壁面に沿って旋回することにより、前記流体を液体と気体とに分離する分離部と、
   前記分離部の分離空間と連通する円筒形状の内部空間が貯蔵空間として鉛直方向に延在しており、前記分離空間において分離された液体を貯める貯蔵部とを有し、
   前記分離部は、
   前記分離空間を形成する側壁面に設けられ、前記流体が前記分離空間へと流入する供給口と、
   前記側壁面の前記供給口よりも上方に設けられ、前記分離された気体が前記分離空間から外部へと流出する排出口と、
   前記分離空間を鉛直方向に貫通する円筒形状の中空部材であって、前記分離空間のうち、前記供給口を含む第１の空間と前記排出口を含む第２の空間とを、自己の中空空間を介して連通する貫通部と
   を有することを特徴とする気液分離装置。
2. 側壁面によって形成された円筒形状の内部空間が分離空間として鉛直方向に延在しており、当該分離空間内に供給された流体が前記側壁面に沿って旋回することにより、前記流体を液体と気体とに分離する分離部と、
   前記分離部の分離空間と連通する円筒形状の内部空間が貯蔵空間として鉛直方向に延在しており、前記分離空間において分離された液体を貯める貯蔵部とを有し、
   前記分離部は、
   前記分離空間を形成する側壁面に設けられ、前記流体が前記分離空間へと流入する供給口と、
   前記側壁面の前記供給口よりも上方に設けられ、前記分離された気体が前記分離空間から外部へと流出する排出口と、
   前記分離空間を鉛直方向に貫通する円筒形状の中空部材であって、前記分離空間において分離された気体を、自己の中空空間を経由させて前記排出口側へと導く貫通部と
   を有することを特徴とする気液分離装置。
3. 前記貫通部は、前記分離空間の略中央に配置されているとともに、前記供給口よりも上方から前記貯蔵部側まで延在していることを特徴とする請求項１または２に記載された気液分離装置。
4. 前記分離部は、前記供給口よりも下方位置において、前記貫通部側から前記側壁面側へと延在する板状部材が放射状に配置された複数の風向板をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された気液分離装置。
5. 前記風向板のそれぞれは、前記分離空間内を旋回する前記流体の流れ方向において、上流側から下流側にかけて下方に傾斜した形状を有することを特徴する請求項４に記載された気液分離装置。
6. 前記風向板のそれぞれは、一方の縁部が前記貫通部の最下端よりも上方に接合されているとともに、当該一方の縁部と対向する他方の縁部が前記側壁面に接合されていることを特徴とする請求項４または５に記載された気液分離装置。
7. 前記風向板のそれぞれは、前記貫通部との接合部が、円周方向にかけて互いにオーバーラップするように配置されていることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載された気液分離装置。
8. 前記分離部は、前記貫通部の下方側に接合されており、当該接合位置よりも下方に向かってテーパ状に拡幅し、円周方向に連続する略円錐形状の側面で構成される第１の突起部をさらに有し、
   前記第１の突起部は、下方側の端部が、前記貫通部の最下端よりも下方に突出していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された気液分離装置。
9. 前記貫通部の中空空間に挿入されるとともに、前記分離空間から前記貯蔵空間へと貫通し、前記貯蔵空間に貯まる液体の水位を検出する水位検出手段をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された気液分離装置。
10. 前記水位検出手段は、前記分離空間から前記貯蔵空間へと延在し、液体の水位を検出する検出部と、
    前記検出部の周囲を覆う円筒形状の壁部とを有し、
    前記壁部は、前記貯蔵空間における上方位置に、内外を貫通する開口をガス抜き穴として一つ以上備えることを特徴とする請求項９に記載された気液分離装置。
11. 前記ガス抜き穴は、前記貯蔵空間に貯まる液体の上限水位よりも上方に、かつ、前記分離部よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載された気液分離装置。
12. 前記貯蔵部は、前記貯蔵空間を形成する側壁面の周方向にかけて、半径方向へと突出する環状の突出部をさらに有し、
    前記突出部は、前記壁部のガス抜き穴よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載された気液分離装置。
13. 前記水位検出手段は、前記壁部のガス抜き穴よりも上方に接合されており、当該ガス抜き穴を覆うように、前記接合位置よりも下方に向かってテーパ状に拡幅し、円周方向に連続する円錐形状の側面で構成される第２の突起部をさらに有することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載された気液分離装置。
14. 前記貯蔵部は、前記貯蔵空間の底面の中央に、当該貯蔵空間に貯まる前記液体を外部に排出するための液体排出口をさらに有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載された気液分離装置。
15. 前記貯蔵部を加熱する加熱手段と、
    第１のタイミングにおいて前記水位検出手段で検出された液体の水位と、前記第1のタイミングよりも後の第２のタイミングにおいて前記水位検出手段で検出された液体の水位とを比較し、当該比較結果に基づいて、前記加熱手段の電源状態を制御する制御手段とをさらに有し、
    前記制御手段は、前記第１のタイミングから前記第２のタイミングまでの間において、前記貯蔵空間に貯まっている液体量に変化がないことを条件に、前記水位の比較を行うことを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載された気液分離装置。
16. 前記制御手段は、前記第１のタイミングにおける前記液体の水位と、前記第２のタイミングにおける前記液体の水位とが対応している場合には、前記加熱手段に対して電源オフを指示し、前記第１のタイミングにおける前記液体の水位と、前記第２のタイミングにおける前記液体の水位とが対応していない場合には、前記加熱手段に対して電源オンを指示することを特徴とする請求項１５に記載された気液分離装置。
17. 前記制御手段は、前記加熱手段に対して電源オンを指示した後に、前記水位検出手段で検出された液体の水位が、前記第１のタイミングにおける前記液体の水位と対応した場合には、前記加熱手段に対して電源オフを指示することを特徴とする請求項１６に記載された気液分離装置。

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