JP2008270134A - 気液分離装置および排出バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、水位センサを用いることなく、簡便な構造で水等の液体のみを排出可能な低コストの気液分離装置および排水バルブを提供することにある。
【解決手段】本発明に関わる気液分離装置は、ガス中に混在する気化した状態の液体をガスから分離するための気液分離装置４であって、ガスから分離される液体Ｗを貯留するタンク４ａと、該タンク４ａ内の液体Ｗの液面高さに依存して変位するフロート部材５ｆと、該フロート部材５ｆの変位位置が所定の変位位置を越えた場合、該フロート部材５ｆの所定の変位位置を越える動作によって開閉弁部５ｂ4、５ｚを開弁し液体Ｗをタンク４ａから排出させるドレン機構５ｃ、Ｐ、５ｂ、５ｔとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、水位を検知して排水を行う気液分離装置および排出バルブに関する。

一般に、燃料電池は、高分子電解質膜を挟んで一方側に空気中の酸素が供給されるカソード電極を区画するとともに他方側に燃料ガスの水素が供給されるアノード電極を区画したセルを、多数直列に積層したスタック構造で構成されている。そして、燃料電池は、各セルの電気化学反応によってそれぞれ発電し、各セルを直列に接続したスタックの発電の電気エネルギーを負荷に供給している。なお、燃費を改善する等の理由により、燃料電池のスタックから排出した水素をスタック直前の燃料ガス供給路に導く循環流路をスタックからエゼクタを介して該燃料ガス供給路に接続して、燃料電池のスタックから排出した水素(以下、排水素と称す)を、この循環流路およびエゼクタを介してスタック直前の燃料ガス供給路に導き、再循環している。

ここで、カソード電極には、酸素が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される一方、アノード電極では、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因として水が発生する。そして、燃料ガス供給路を通じて外部から新たに供給される水素と、循環流路を通して循環する高温の排出した水素とが、エゼクタにおいて混合される際、温度低下に伴って排水素とに含まれている水蒸気が凝縮し、液体となる可能性がある。そこで、従来、循環流路に排出した排水素中に含まれている水分を除去するために、除湿手段である気液分離装置を備えている。この気液分離装置において、燃料電池から排出される排水素は、気液分離装置で冷却され除湿され、この凝縮分離した液体が気液分離装置内に溜まり、ドレンとして気液分離装置から系外に排出されている。

このように、燃料電池システムのアノード系内で発生した水は、通常、スタック出口に接続される循環流路中にある気液分離装置に集められて、ドレン弁を用いて車外に排出されている。この気液分離装置からの排水に際して、気液分離装置において排水素から凝縮して溜まる発生水量は、スタックの運転状態、出力状態等に依存し一定でないため、該水量を水位センサ等で検知して排水量を決定して排水している。また、水位センサを用いない場合には、気液分離装置からのオバーフローを防ぐため、スタックの運転状態等からフィードフォワード制御を行って排水量を決定し、ドレン弁を開閉して排水している。
なお、本願に係る文献公知発明として、下記の特許文献がある。
特開平８−３２１３１６号公報(図１) 特開平７−２６９４１７号公報(図１) 特開２００６−２２１９４７号公報(段落番号００３１、００４４および図４、図６)

ところで、水位センサを用いないフィードフォワード制御による排水の場合、実際に気液分離装置内に溜まった水量を検知しないため、ドレン弁を水中に没した状態でなく開閉することが起こり、凝縮した水とともに燃料ガスである水素が車外に捨てられることがある。そのため、燃費が悪くなるおそれがある。一方、水位センサを用いた排水制御の場合、水中に没したドレン弁を開閉することになるため、水素が排出されることはないが、水位センサの分、重量が重くなり、部品点数が増えて構造が複雑化しコストが上昇する。

本発明は前記実状に鑑み、水位センサを用いることなく、簡便な構造で水等の液体のみを排出可能な低コストの気液分離装置および排水バルブの提供を目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明に関わる気液分離装置は、ガス中に混在する気化した状態の液体をガスから分離するための気液分離装置であって、ガスから分離される液体を貯留するタンクと、該タンク内の液体の液面高さに依存して変位するフロート部材と、該フロート部材の変位位置が所定の変位位置を越えた場合、該フロート部材の所定の変位位置を越える動作によって開閉弁部を開弁し液体をタンクから排出させるドレン機構とを備えている。

本発明の請求項１に関わる気液分離装置または請求項６に関わる排出バルブによれば、液面高さに依存して変位するフロート部材の動作によって開閉弁部を開弁するので、水位センサを用いずに簡便な構造で液体のみを排出可能であり、小型、軽量化、原価低減および燃費の向上を図れる。

本発明の請求項２に関わる気液分離装置または請求項７に関わる排出バルブによれば、簡便な構成で開閉弁部を開弁するドレン機構を得られる。

本発明の請求項３に関わる気液分離装置または請求項８に関わる排出バルブによれば、フロート部材の変位量に対するエアギャップ量の変化割合を小さく変更するリンク機構を備えるので、フロート部材の変位量を縮小させたエアギャップ量に変更でき、移動体の振動等による誤開弁を抑制することができる。

本発明の請求項４に関わる気液分離装置によれば、フロート部材を囲んで形成される隔壁部材を備えるので、フロート部材廻りの液体の液面の変動を抑制することができる。

本発明の請求項５に関わる気液分離装置によれば、タンクまたは容体内を複数の室に分割する仕切り壁を備えるので、タンクまたは容体内の液体の液面の変動を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１に示すように、本発明を適用した燃料電池システム１の燃料電池２は、車両(図示せず)に搭載されたものであり、アノード電極２ｂに燃料ガスの水素が供給されるとともにカソード電極２ｃに空気中の酸素が供給され、水素と酸素との電気化学反応が進行し走行モータ等の負荷(図示せず)へと電流が取り出され、供給された水素および酸素が消費される。なお、供給された水素及び酸素は、燃料電池２から電流が取り出されることに用いられない場合、消費されることなく、そのまま燃料電池２から排水素、排空気として排出される。また、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された水素を、循環流路Ｊ１等を通してスタック２Ｓ直前の水素供給路Ｈ１にエゼクタ３を介して、循環して使用している。なお、図１は、燃料電池システム１における燃料電池２のスタック２Ｓとスタック２Ｓ近傍の配管内の水素、空気の流れを矢印で表した概念的構成図である。

この燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード電極２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両面を導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだセルが、多数、例えば、２００枚直列に積層されたスタック２Ｓの構造に形成されている。前記セパレータには水素の通路、空気の通路、冷却水の通路が形成されており、供給される空気、水素、および冷却水循環装置(図示せず)から供給される水が、それぞれ混合しないように通流されている。
ここで、発電中のスタック２Ｓ内の温度は、例えば８０度乃至９０度の高温となるため、スタック２Ｓから排出され、循環流路Ｊ１等を通して循環する水素(以下、排水素と称す)は、高温となっている。そのため、スタック２Ｓから排出され循環する排水素をそのまま循環させた場合、エゼクタ３において水素供給路Ｈ２を通して新たに供給される水素と混合される際、温度低下に伴って排水素に含まれる水蒸気が凝縮し、液体となる可能性がある。そこで、スタック２Ｓから循環流路Ｊ１に排出した排水素中に含まれている水分を除去するため、除湿手段である気液分離装置(排出バルブ)４を循環流路Ｊ１、Ｊ２間に備えている。

［実施形態１］
図２は、実施形態１の気液分離装置４の構造および排水バルブを閉じた状態を示す要部断面概念図である。また、図３(ａ)は、実施形態１の気液分離装置４において排水バルブを開く直前の状態を示す要部断面概念図、図３(ｂ)は、実施形態１の気液分離装置４において排水バルブを開けた状態を示す要部断面概念図である。
図２に示すように、気液分離装置４は、排水素に含まれる水蒸気が冷却され凝縮した凝縮水(液体)Ｗが収容されるタンク(容体)４ａと、タンク４ａの上方を覆う蓋体４ｂとを備えている。このタンク４ａの側壁上部には、循環流路Ｊ１を通して循環される排水素がタンク４ａ内に入るためのオフガス入口４ａ1が穿設されるとともに、タンク４ａ内の凝縮水Ｗを排水するための排水口４ａ2が穿設されている。また、タンク４ａの上方を覆う蓋体４ｂには、気液分離装置４内で水分が凝縮された後の排水素を気液分離装置４から循環流路Ｊ２を通して排出するためのオフガス出口４ｂ1が穿設されている。この構成により、スタック２Ｓから排出された排水素は、図１、図３に示すように、循環流路Ｊ１からオフガス入口４ａ1を通って気液分離装置４内に入り、気液分離装置４内で排水素に含まれる水分が冷却され凝縮された後、水分が除去された排水素が、オフガス出口４ｂ1から出て、循環流路Ｊ２を通ってエゼクタ３に送られる。

気液分離装置４の蓋体４ｂには、ソレノイド(ドレン機構)を構成し、通電されることにより磁界を発生する円筒状の電磁コイル(ドレン機構)５ｃが配設されており、この電流による磁界の磁力によって排水口４ａ2を閉塞する後記の弁体５ｂ4および弁座シール５ｚを開くように構成されている。また、この電磁コイル５ｃ内には電磁コイル５ｃに流れる電流よって発生する磁界によって磁石となる固定鉄心(ドレン機構)５ｔが固定されている。
また、電磁コイル５ｃの内周面内には、ガイドを介して図２に示す矢印α方向、すなわち上下方向に挿通自在に可動鉄心(ドレン機構)５ｋが配設されており、この可動鉄心５ｋの下方端部には気液分離装置４に溜まった凝縮水Ｗの上に浮くフロート部材５ｆが固定されている。この可動鉄心５ｋおよびフロート部材５ｆでソレノイドの可動プランジャ(ドレン機構)Ｐを構成している。ここで、可動プランジャＰの一部を成すフロート部材５ｆが凝縮水Ｗ上に浮くことから、凝縮水Ｗの水位の上昇、下降に従って、可動プランジャＰが上下動し、この可動プランジャＰの上下動に伴い、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋが電磁コイル５ｃ内を矢印α方向に移動するように構成されている。従って、可動プランジャＰ全体の比重が凝縮水Ｗの比重より小さく可動プランジャＰのフロート部材５ｆが凝縮水Ｗ上に浮くように、フロート部材５ｆは、樹脂成形品等の凝縮水Ｗより比重の小さい材料が適宜、選択されるとともに必要な体積を有し、所定の浮力を有するように形成されている。

また、燃料電池システム１は車両に搭載されているため、旋回、登り坂等の走行中に凝縮水Ｗが変動し、凝縮水Ｗ上に浮くフロート部材５ｆの動きが不安定になり易い。そのため、フロート部材５ｆと蓋体４ｂ間には圧縮バネｂ１が配設されており、この圧縮バネｂ１の押圧力によってフロート部材５ｆを凝縮水Ｗに押圧することにより、フロート部材５ｆの動きを安定化している。
また、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの中央部には、その下方にかけて、小径の貫通孔５k1が長手方向の寸法が長い態様で穿設されており、この貫通孔５k1の上部には、貫通孔５k2が、貫通孔５k1より大きな径であるとともに長手方向の寸法が短く穿設されており、貫通孔５k1、５k2間には段部５ｋ3が形成されている。

この可動鉄心５ｋの小径の貫通孔５k1に案内されて上下方向に移動自在に、排水口４ａ2の開閉を行うための弁棒体(ドレン機構)５ｂが配設されている。この弁棒体５ｂは、貫通孔５k1に案内され上下方向に移動する案内部５ｂ1と、案内部５ｂ1上端に連続して形成され案内部５ｂ1より大きな径をもって貫通孔５k1上部の段部５ｋ3に係合する係合部５ｂ2と、案内部５ｂ1下端に連続して形成され下方にいくに従い径が大きくなるフランジ部５ｂ3と、フランジ部５ｂ3に連続して形成されその下方端縁部で排水口４ａ2を閉じる弁体(開閉弁部)５ｂ4とを有して形成されており、さらに、弁棒体５ｂの弁体５ｂ4の側壁を覆う態様で排水口４ａ2の径より大きな径をもつ弁座シール(開閉弁部)５ｚが、柔軟であって流体のシール作用を有する、例えばゴムを用いて成型され固定されている。図２に示すように、排水口４ａ2を閉じる際、弁棒体５ｂの弁体５ｂ4および弁座シール５ｚにより排水口４ａ2を閉じるが、弁座シール５ｚはゴム製であるため、弾性変形して排水口４ａ2の上部近傍に密着してシールし、水漏れを防いでいる。
なお、弁棒体５ｂにおける係合部５ｂ2は、弁棒体５ｂの案内部５ｂ1とは別体に製造され、組立に際しては、係合部５ｂ2を除く弁棒体５ｂの案内部５ｂ1を可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの貫通孔５k1に挿通した後、係合部５ｂ2を案内部５ｂ1の上部にネジ留め等により固定する。

また、弁棒体５ｂの一方端部の係合部５ｂ2と固定鉄心５ｔ間には圧縮バネ(ドレン機構)ｂ２が配設されており、圧縮バネｂ２によって弁棒体５ｂを下方に押圧して、弁棒体５ｂの他方端部の弁体５ｂ4および弁座シール５ｚによって排水口４ａ2を閉塞する構成としている。なお、圧縮バネｂ２の押圧力は、弁棒体５ｂに凝縮水Ｗの浮力および車両の走行による振動等が働いても排水口４ａ2を閉塞し続けるとともに、凝縮水Ｗの排水に際して可動鉄心５ｋを引き上げるソレノイドの所定の推力が働いた場合には該推力の方が大きくなるように設定されている。
また、図３に示すように、気液分離装置４のタンク４ａ内には、車両の旋回および登坂の走行等による凝縮水Ｗの液面の変動を低下させることを目的にフロート部材５ｆの周囲、例えば４方を囲んで隔室を形成するように隔壁部材６が設けられている。そのため、車両の旋回などの走行によって気液分離装置４内の凝縮水Ｗが波打った場合には、凝縮水Ｗの波が隔壁部材６にぶつかって減衰され、フロート部材５ｆの周囲の凝縮水Ｗの液面の変動が大きくならないように構成されている。なお、隔壁部材６は、フロート部材５ｆの周囲の４方、または３方、または２方等、隔壁部材６を設ける面は４方のうちの少なくとも１方を選択して設けることが可能であるが、フロート部材５ｆの４方を囲んで隔壁部材６を設ける場合には、隔壁部材６内外部の凝縮水Ｗが行き来して、隔壁部材６の内外部の凝縮水Ｗの水位が同じになるように、隔壁部材６の下部に挿通孔６ｋが設けられる。また、隔壁部材６は、上面視で円形状、楕円状等の任意の形に形成できることは言うまでもない。

次に、燃料電池２の発電中における気液分離装置４の動作について説明する。
図１に示すように、燃料電池２のスタック２Ｓのカソード電極２ｃに空気中の酸素が供給されるとともに、スタック２Ｓのアノード電極２ｂに水素が供給され、水素と酸素との電気化学反応が進行し外部に電流が取り出されている。この場合、スタック２Ｓから排出される水分を含んだ排水素が循環流路Ｊ１を通って、気液分離装置４にて除湿された後、除湿され排水素が循環流路Ｊ２を通ってエゼクタ３に送られ、水素供給路Ｈ２を通して新たに供給される水素と混合されて、スタック２Ｓのアノード電極２ｂに供給されている。
気液分離装置４においては、水分を含んだ排水素が循環流路Ｊ１からオフガス入口４ａ1を通って気液分離装置４内に送られ冷却され排水素中の水分が凝縮し、図２に示すように、気液分離装置４のタンク４ａ内に凝縮水Ｗとして溜まる。そして、除湿された排水素が、気液分離装置４のオフガス出口４ｂ1から出て、循環流路Ｊ２を通ってエゼクタ３に送られている。ここで、気液分離装置４内の凝縮水Ｗがタンク４ａからオーバーフローしないように、凝縮水Ｗが所定の水量になると気液分離装置４の排水口４ａ2が開弁され排水されている。

この気液分離装置４における凝縮水Ｗの排水は、下記のように行われる。
図２に示すように、気液分離装置４内の凝縮水Ｗの水位が、凝縮水Ｗの排水が開始される水位Ｌ２(図３(b)参照)より低い水位Ｌ１であるとする。この場合、凝縮水Ｗの水位Ｌ１は低いレベルであるため、凝縮水Ｗ上に浮かぶフロート部材５ｆを有する可動プランジャＰは低い位置にある。この可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの上端縁の位置はｌ１にあり、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋと固定鉄心５ｔ間の距離で表されるエアギャップＡg、言い換えれば可動プランジャＰと電磁コイル５ｃとのエアギャップは大きいので、電磁コイル５ｃに通電していても、この電流によって発生する磁界による推力では、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋを引き付ける力は弱いため、可動プランジャＰが上方に吸引されることはない。このとき、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋ内を挿通する弁棒体５ｂは、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの段部５ｋ3が弁棒体５ｂの係合部５ｂ2より低い位置にあることから、弁棒体５ｂの係合部５ｂ2が可動鉄心５ｋの段部５ｋ3から力を受けることはなく、弁棒体５ｂは、圧縮バネｂ２及び系内の圧力によって下方に押圧され、弁体５ｂ4および弁座シール５ｚによって排水口４ａ2を閉塞している。

その後、図３(ａ)に示すように、気液分離装置４内の排水素の水分の凝縮が進み、凝縮水Ｗの水位が上がり排水が開始されるＬ２になった場合、可動プランジャＰは、上昇し、その可動鉄心５ｋの上端縁の位置はｌ２になる。このとき、エアギャップＡgは小さくなり、電磁コイル５ｃに通電して発生するソレノイドの推力が所定値に至り、この所定の推力によって可動鉄心５ｋが引き付けられ、図３(ｂ)に示すように、固定鉄心５ｔを有する可動プランジャＰが固定鉄心５ｔに当接するまで上昇する。
この可動プランジャＰの上昇により、図３(ｂ)に示すように、弁棒体５ｂの係合部５ｂ2が、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの段部５ｋ3によって圧縮バネｂ２の下方への押圧力に打ち勝って引き上げられ、弁棒体５ｂが上昇する。すると、排水口４ａ2を閉塞していた弁棒体５ｂの下端部の弁体５ｂ4および弁座シール５ｚが、図３(ｂ)の矢印α1に示すように引き上げられ排水口４ａ2が開放され、気液分離装置４内の凝縮水Ｗが排水口４ａ2から矢印に示すように排水管を通して車外に排水される。

図４を用いて、このソレノイドを用いた機構により排水口４ａ2を開放する過程を、説明する。なお、図４は、凝縮水Ｗの水位と電磁コイル５ｃ、可動プランジャＰ等で構成されるソレノイドが可動鉄心５ｋに及ぼす推力との関係を表わしており、横軸に凝縮水Ｗの水位をとり、縦軸にソレノイドが可動プランジャＰの可動鉄心５ｋに及ぼす推力をとっている。
図４に示すように、凝縮水Ｗの水位が、排水を開始する水位Ｌ２より低い水位、例えば、図２に示す水位Ｌ１であるとき、エアギャップＡgは大きいため、ソレノイドが可動プランジャＰの可動鉄心５ｋに及ぼす推力はｆ１と小さい。その後、気液分離装置４における排水素の水分の凝縮が進み凝縮水Ｗが増えると、凝縮水Ｗの水位が上がるに従って凝縮水Ｗ上に浮かぶフロート部材５ｆが上昇し、可動プランジャＰが上昇してエアギャップＡgが次第に小さくなり、ソレノイドの磁界が可動鉄心５ｋに及ぼす推力が大きくなる。(図４参照)このような過程を経て、図３(ａ)に示すように、気液分離装置４における排水素の水分の凝縮が進み凝縮水Ｗの水位がＬ２となると、エアギャップＡgが小さくなりソレノイドの磁界が可動鉄心５ｋに及ぼす推力が所定値のｆ２となり、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋが固定鉄心５ｔに当接するまで引き上げられる。このとき、可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの段部５ｋ3によって弁棒体５ｂの係合部５ｂ2が、圧縮バネｂ２の下方への押圧力に打ち勝って引き上げられ弁棒体５ｂが上昇する。この際、排水口４ａ2を閉塞していた弁棒体５ｂの下端部の弁体５ｂ4および弁座シール５ｚが引き上げられ、排水口４ａ2が開放され、気液分離装置４内の凝縮水Ｗが排水口４ａ2から矢印に示すように排水管を通して車外に排水される(図３(ｂ)参照)。

なお、弁体５ｂ4および弁座シール５ｚによる排水口４ａ2の閉塞を開放する力は、 (圧縮バネｂ２の下方への押圧力＋弁棒体５ｂの重力)−弁棒体５ｂに加わる浮力)で表される。
また、気液分離装置４内の凝縮水Ｗの排水が終わると、ソレノイドへの通電が停止され、フロート部材５ｆが再び、凝縮水Ｗ上またはタンク４ａの底面上に配置され、ソレノイドへの通電が開始されることにより、凝縮水Ｗの水位の検知が開始され、所定の水位レベルＬ２に至ると前記の如く、排水口４ａ2が開放され、凝縮水Ｗの排水が行われる。

実施形態１によれば、水位センサを用いることなくフロート部材５ｆで水位レベルを検出して簡便な構成で、凝縮水Ｗのみを気液分離装置４から排出することが可能であり、排水口４ａ2からの水素の排出を防止でき、車両の燃費向上を図れる。
従って、水位センサを用いないので、発電システムの小型、軽量化が図れるとともに、原価低減および燃費向上により低コスト化が可能である。
また、フロート部材５ｆの周囲に隔壁部材６が形成されるので、車両の振動等により凝縮水Ｗの液面が変動した場合にも、変動する凝縮水Ｗが隔壁部材６に当たりその変動が低減され、凝縮水Ｗの液面の乱れによるフロート部材５ｆの変動が防止され、開弁の誤動作を抑制できる。

［実施形態２］
本発明の実施形態２に係る気液分離装置(排出バルブ)２４について、図５を用いて説明する。なお、図５は、実施形態２の気液分離装置２４の構造および排水バルブを閉じた状態を示す要部断面概念図である。また、図６(ａ)は、実施形態２の気液分離装置２４の排水バルブを開く直前の状態を示す要部断面概念図であり、図６(ｂ)は、実施形態２の気液分離装置２４の排水バルブを開けた状態を示す要部断面概念図である。
実施形態２の気液分離装置２４において、実施形態１と同一の構成要素には、実施形態１に付した符号に二十の位を付して示し、詳細な説明は省略する。図５に示すように、実施形態２においては、フロート部材(ドレン機構、リンク機構)２５ｆは、可動鉄心(ドレン機構)２５ｋとは別体に構成されており、可動プランジャ(ドレン機構、リンク機構)２Ｐは、可動鉄心(ドレン機構)２５ｋのみを有して構成されている。
そして、フロート部材２５ｆを挿通して、フロート部材２５ｆの上下動を案内するガイド軸２９が、タンク(容体)２４ａ内に鉛直方向に立設されており、フロート部材２５ｆは、凝縮水Ｗの水面上に浮かび凝縮水Ｗの水位の上昇、下降に従って、ガイド軸２９に案内されて上下動する。

また、タンク２４ａ内には、車両の旋回、登り坂の走行等による気液分離装置２４内の凝縮水Ｗの波打ちなどの変動によるフロート部材２５ｆの乱れた動きにより発生する気液分離装置２４の排水弁の誤動作を防止するため、緩衝レバー(リンク機構)２８が、蓋体２４ｂに固定された支軸(リンク機構)Ｓ１廻りに揺動自在に軸支持されている。この緩衝レバー２８は、フロート部材２５ｆおよび可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋに係合され、フロート部材２５ｆの上下動を縮小して可動プランジャ２Ｐの上下動として伝達する緩衝材の役割を担っている。
緩衝レバー２８には、フロート部材２５ｆの上下動を緩衝レバー２８の支軸Ｓ１廻りの回転運動とするために、フロート部材２５ｆに配設される案内軸(リンク機構)２５ｆ1が挿通する長孔(リンク機構)２８ａが穿設されている。なお、フロート部材２５ｆの上下動を緩衝レバー２８の支軸Ｓ１廻りの回転運動とする機構であれば、緩衝レバー２８に案内軸を設けるとともに該案内軸に挿通する長孔をフロート部材２５ｆに設けてもよく、前記構成に限定されるものではない。また、緩衝レバー２８および可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋ間には、緩衝レバー２８の案内軸２５ｆ1廻りの回転運動を可動プランジャ２Ｐの上下運動とするための機構(リンク機構)Ｋが設けられている。なお、機構Ｋは、緩衝レバー２８とフロート部材２５ｆ間のフロート部材２５ｆの上下動を緩衝レバー２８の回転運動とする機構と同様な機構が採用される。この構成により、凝縮水Ｗの水位の上昇、下降に伴うフロート部材２５ｆの上下動が、緩衝レバー２８の支軸Ｓ１廻りの回転運動として伝達され、この緩衝レバー２８の回転運動が、可動プランジャ２Ｐの上下運動となって伝達されている。

ここで、緩衝レバー２８における支軸Ｓ１から可動プランジャ２Ｐとの機構Ｋまでの距離と、支軸Ｓ１から緩衝レバー２８のフロート部材２５ｆの案内軸２５ｆ1が挿通する長孔２８ａの中心までの距離とは、１：３の関係にある。そのため、例えば、フロート部材２５ｆの１の大きさの上下動は、１／３の大きさの上下動として可動プランジャ２Ｐに伝達されている。よって、フロート部材２５ｆが車両の旋回走行等によって凝縮水Ｗが波打ってフロート部材２５ｆが振動した場合、緩衝レバー２８によって１／３の振動に縮小して伝達される。なお、緩衝レバー２８において、支軸Ｓ１から可動プランジャ２Ｐとの機構Ｋまでの距離と、支軸Ｓ１から緩衝レバー２８の長孔２８ａ中心までの距離との比は、１：３に限定されることはなく、任意に選択できることは言うまでもない。
また、気液分離装置２４のタンク２４ａ内には、仕切り壁２７が上下方向に立設するとともに水平方向に延びてタンク２４内を複数の室に分割する態様で形成されている。タンク２４内の凝縮水Ｗの液面が変動した場合、凝縮水Ｗがこの仕切り壁２７にぶつかってその変動が減衰されている。

次に、気液分離装置２４における凝縮水Ｗの排水動作について説明する。
燃料電池２の発電中、気液分離装置２４においては、水分を含んだ排水素が循環流路Ｊ１からオフガス入口２４ａ1を通って気液分離装置２４内に送られ、図５に示すように、この排水素中の水分が冷却されて凝縮され気液分離装置２４のタンク２４ａ内に凝縮水Ｗとして溜まり、除湿された排水素が、気液分離装置２４のオフガス出口２４ｂ1から出て、循環流路Ｊ２を通ってエゼクタ３に送られている。ここで、気液分離装置２４のタンク２４ａ内の凝縮水Ｗがオーバーフローしないように、凝縮水Ｗが所定の水量になると気液分離装置２４の排水口２４ａ2が開弁されて排水されている。この気液分離装置２４の凝縮水Ｗの排水は、下記のように行われる。

例えば、図５に示すように、気液分離装置２４内の凝縮水Ｗの水位が、凝縮水Ｗの排水が開始される水位Ｌ４(図６(b)参照)より低いＬ３であるとする。気液分離装置２４の凝縮水Ｗの水位Ｌ３は低いレベルにあるため、凝縮水Ｗ上に浮いているフロート部材２５ｆは、低い位置にあり、緩衝レバー２８を介して連動する可動プランジャ２Ｐも低い位置にある。このとき、可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋの上端縁の位置はｌ３にあり、可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋと固定鉄心２５ｔ間の距離で表されるエアギャップ２Ａg、言い換えれば可動プランジャ２Ｐと電磁コイル(ドレン機構)２５ｃとのエアギャップは大きいので、電磁コイル２５ｃに通電していても、発生する磁界による推力は、弱く可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋを吸引するには至らない。そのため、ソレノイドの推力によって可動プランジャ２Ｐが動くことはない。このとき、可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋの段部２５ｋ3は、可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋを挿通する弁棒体(ドレン機構)２５ｂの係合部２５ｂ2より低い位置にあるため、弁棒体２５ｂの係合部２５ｂ2が可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋの段部２５ｋ3から力を受けることはなく、圧縮バネ(ドレン機構)ｂ２２によって係合部２５ｂ2が下方に押圧され、弁棒体２５ｂは、弁体(開閉弁部)２５ｂ4および弁座シール(開閉弁部)２５ｚによって排水口２４ａ2を閉塞している。

その後、気液分離装置２４内の排水素の水分の凝縮が進行し、凝縮水Ｗの水位が上がると、凝縮水Ｗの水位の上昇に伴うフロート部材２５ｆの上昇動作に従い、フロート部材２５ｆの案内軸２５ｆ1に係合する緩衝レバー２８が、支軸Ｓ１廻りに矢印β方向に回動して、この緩衝レバー２８に機構Ｋを介して係合する可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋが上昇する。しかし、ソレノイドにおけるエアギャップ２Ａgは大きいのでソレノイドの推力は弱く、可動プランジャ２Ｐを上方に吸引する所定値の推力には至らず、可動プランジャ２Ｐは上方に吸引されない。この間、可動プランジャ２Ｐは上方に移動することがないので、可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋの段部２５ｋ3が弁棒体２５ｂの係合部２５ｂ2より低い位置にあり、弁棒体２５ｂの係合部２５ｂ2が可動プランジャＰの可動鉄心５ｋの段部５ｋ3から力を受けることはなく、弁棒体２５ｂは圧縮バネｂ２２及び系内の圧力によって下方に押圧され、弁体２５ｂ4および弁座シール２５ｚによって排水口４ａ2を閉塞し続ける。

そして、気液分離装置２４内の排水素の凝縮が進行し、図６(ａ)に示すように、凝縮水Ｗの水位が上がって排水を開始すべき水位Ｌ４になると、フロート部材２５ｆの上昇動作に従って、フロート部材２５ｆに係合する緩衝レバー２８が支軸Ｓ１廻りに矢印β方向に回動し、緩衝レバー２８に連動する可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋが上昇してエアギャップＡgが狭り、可動鉄心２５ｋに働くソレノイドの推力が所定値に達する。すると、図６(ｂ)に示すように、可動鉄心２５ｋが所定の推力により、可動プランジャ２Ｐが固定鉄心(ドレン機構)２５ｔに当接するまで上方に引き上げられ、可動プランジャ２Ｐの可動鉄心２５ｋの段部２５ｋ3によって弁棒体２５ｂの係合部２５ｂ2が、圧縮バネｂ２の下方への押圧力に打ち勝って引き上げられ弁棒体２５ｂが上昇する。すると、排水口２４ａ2を閉塞していた弁棒体２５ｂの下端部の弁体２５ｂ4および弁座シール２５ｚが引き上げられ、排水口２４ａ2が開放され、気液分離装置２４内の凝縮水Ｗが矢印に示すように排水管を通して車外に排水される。
なお、気液分離装置２４内の凝縮水Ｗの排水が終わると、ソレノイドへの通電が停止され、フロート部材２５ｆが再び、凝縮水Ｗ上またはタンク２４ａの底面上に配置され、ソレノイドへの通電が開始されることにより、凝縮水Ｗの水位の検知が開始され、所定の水位レベルＬ４に至ると前記の如く、排水口２４ａ2が開放され、凝縮水Ｗの排水が行われる。

実施形態２によれば、緩衝レバー２８を有するリンク機構により、凝縮水Ｗの液面上に浮かぶフロート部材２５ｆの変位が緩衝レバー２８によって可動プランジャ２Ｐの1／３の変位に縮小して伝達されるため、車両の振動等に伴うフロート部材２５ｆの動きの乱れが縮小して可動プランジャ２Ｐに伝達され、開弁動作の誤動作を防ぐことができる。
また、気液分離装置２４のタンク２４ａ内には、タンク２４ａ内を複数の室に分割する仕切り壁２７が設けられるので、車両の旋回、登坂等の走行によるタンク２４内の凝縮水Ｗの液面の変動を抑制することができる。その他、実施形態１の構成による作用効果は、同様に奏する。

なお、燃料電池２の発電停止時に掃気を行う場合、ソレノイドの電磁コイル５ｃ、２５ｃにより大きな電流を流す、或いは、電磁コイル５ｃ、２５ｃ以外に掃気時用の電磁コイルを形成し掃気時のみ電流を流すことにより、凝縮水Ｗの水位に拘らず開弁することが可能であり、この構成により前記排水弁をドレン弁と兼ねることができる。
また、前記実施形態においては、気液分離装置４、２４を例示して説明したが、気液分離装置４、２４として例示した全体構成を排出バルブとして構成することも可能である。すなわち、気液分離装置４、２４のタンク４ａ、２４ａを排出バルブの容体と成し、排出バルブの容体内の液体の液面上にフロート部材を浮かべ、該フロート部材に連動する可動プランジャ、および電磁コイルを有するソレノイドを用いて開閉制御する排出バルブと構成することもできる。なお、この場合、オフガス入口、オフガス出口は形成されないことは言うまでもない。
また、本願発明は、自動車、船舶、航空機などの乗り物のほか定置式の機器に用いられる燃料電池にも適用可能である。

本発明の実施形態に関わる燃料電池システムにおける燃料電池のスタックとスタック近傍の配管内の水素、空気の流れを矢印で表した概念的構成図。 本発明の実施形態１の気液分離装置の構造および排水バルブを閉じた状態を示す要部断面概念図。 (ａ)および(ｂ)は、本発明の実施形態１の気液分離装置の排水バルブを開く直前の状態を示す要部断面概念図、および実施形態１の気液分離装置の排水バルブを開けた状態を示す要部断面概念図 実施形態１の気液分離装置における排水口を開弁する過程における凝縮水の水位とソレノイドの推力との関係を表す図 本発明の実施形態２の気液分離装置の構造および排水バルブを閉じた状態を示す要部断面概念図。 (ａ)および(ｂ)は、実施形態２の気液分離装置の排水バルブを開く直前の状態を示す要部断面概念図、および実施形態２の気液分離装置の排水バルブを開けた状態を示す要部断面概念図。

符号の説明

４、２４…気液分離装置(排出バルブ)、
４ａ、２４ａ…タンク(容体)、
５ｂ、２５ｂ…弁棒体(ドレン機構)、
５ｂ4、２５ｂ4…弁体(開閉弁部)、
５ｃ、２５ｃ…電磁コイル(ドレン機構)、
５ｆ…フロート部材、
５ｋ…可動鉄心(ドレン機構)、
５ｔ、２５ｔ…固定鉄心(ドレン機構)、
５ｚ、２５ｚ…弁座シール(開閉弁部)、
６…隔壁部材、
２５ｆ…フロート部材(ドレン機構、リンク機構)、
２５ｋ…可動鉄心(ドレン機構、リンク機構)、
２７…仕切り壁、
２８…緩衝レバー(リンク機構)、
２８ａ…長孔(リンク機構)、
Ｐ…可動プランジャ(ドレン機構)、
２Ｐ…可動プランジャ(ドレン機構、リンク機構)、
Ｓ１…支軸(リンク機構)。
Ｗ…凝縮水(液体)

Claims (8)

1. ガス中に混在する気化した状態の液体を前記ガスから分離するための気液分離装置であって、
   前記ガスから分離される前記液体を貯留するタンクと、
   該タンク内の前記液体の液面高さに依存して変位するフロート部材と、
   該フロート部材の変位位置が所定の変位位置を越えた場合、該フロート部材の所定の変位位置を越える動作によって開閉弁部を開弁し前記液体を前記タンクから排出させるドレン機構とを
   備えることを特徴とする気液分離装置。
2. 前記ドレン機構は、可動プランジャおよび電磁コイルを有するソレノイド駆動式バルブ開閉手段を備え、
   前記可動プランジャと前記電磁コイルとのエアギャップ量が前記フロート部材の変位位置に応じて変化し、
   前記フロート部材の変位位置が所定の変位位置を越えた場合、前記ソレノイドの所定の推力により前記可動プランジャを動作させ前記開閉弁部を開弁する
   ことを特徴とする請求項１に記載の気液分離装置。
3. 前記フロート部材の変位量に対する前記エアギャップ量の変化割合を小さく変更するリンク機構を備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の気液分離装置。
4. 前記フロート部材を囲んで形成され、前記フロート部材廻りの前記液体の液面の変動を抑制する隔壁部材をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の気液分離装置。
5. 前記タンク内を複数の室に分割し、前記液体の液面の変動を抑制する仕切り壁をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか一項に記載の気液分離装置。
6. 液体を貯留する容体と、
   該容体内の前記液体の液面高さに依存して変位するフロート部材と、
   該フロート部材の変位位置が所定の変位位置を越えた場合、該フロート部材の所定の変位位置を越える動作によって開閉弁部を開弁し前記液体を前記容体から排出させるドレン機構とを
   備えることを特徴とする排出バルブ。
7. 前記ドレン機構は、可動プランジャおよび電磁コイルを有するソレノイド駆動式バルブ開閉手段を備え、
   前記可動プランジャと前記電磁コイルとのエアギャップ量が前記フロート部材の変位位置に応じて変化し、
   前記フロート部材の変位位置が所定の変位位置を越えた場合、前記ソレノイドの所定の推力により前記可動プランジャを動作させ前記開閉弁部を開弁する
   ことを特徴とする請求項６に記載の排出バルブ。
8. 前記フロート部材の変位量に対する前記エアギャップ量の変化割合を小さく変更するリンク機構を備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の排出バルブ。

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