JP4276682B2 - 気液分離システム及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、気液分離システム及び気液分離システムを用いた燃料電池システムに関する。

アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。例えば、直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、アノードおよびカソードを有する単セルを複数個積層したセルスタック（起電部）を備える。起電部では、アノード側に希釈したメタノールを供給し、カソード側に空気を供給することにより、化学反応を生じさせ、発電を行っている。その結果、アノード側からは未反応のメタノール及び炭酸ガスを含む気液二相流が排出され、カソード側からは水が排出される。

アノード側から排出された気液二相流は、回収流路等を通して燃料タンクへ送られ、回収流路に接続された燃料タンク内において発電に最適な濃度のメタノール水溶液に調整された後に、起電部のアノード側へ循環される。アノード側から排出される気液二相流を効率よく再利用するためには、気液二相流に含まれる炭酸ガスがアノード側へ循環しないように、気液二相流から炭酸ガスを分離排出しておく必要がある。炭酸ガスを分離排出する方法としては、例えば、アノード出口側の流路に気液分離膜を配置した気液分離器を設ける方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、気液分離膜から排出された気相は水蒸気を含むため、気体分離膜を介して流出した水蒸気が気液分離器内の空間に充満し、結露を生じさせる場合がある。特に、燃料電池の起電部から排出される気液二相流は、温度が室温よりも高い上に、水蒸気の含水量も多いため、気液分離器の温度を気液二相流の温度よりも高くしない限り、気液分離器内の結露が生じる。
特開２００５−２３８２１７号公報

本発明は、結露を抑制可能な気液分離システム及びこれを用いた燃料電池システムを提供する。

本願発明の態様によれば、気体導入口及び気体排出口を有する収納容器と、収納容器内に収納された分離管と、分離管に設けられた分離膜と、気体導入口及び気体排出口を介して収納容器外部の気体を収納容器内に流通させるポンプとを備える気液分離システムが提供される。

本願発明の他の態様によれば、アノード及びカソードを有する起電部と、気体導入口及び気体排出口を有する収納容器、収納容器内に収納され、アノードに接続された分離管、及び分離管に設けられた分離膜を有する気液分離器と、気体導入口及び気体排出口を介して収納容器の外部の気体を収納容器内に流通させるポンプと、分離管から排出される液体をアノードへ循環させるための燃料を貯蔵する燃料タンクとを備える燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、結露を抑制可能な気液分離システム及びこれを用いた燃料電池システムが提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、図１に示すように、アノード９ａ及びカソード９ｂを有する起電部９と、アノード９ａから排出される気液混合流体を気液分離する気液分離器１０と、気液分離器１０から排出される流体を燃料容器１から供給される高濃度燃料とを混合させてアノード９ａへ供給するための燃料を調製する燃料タンク５とを備える。

燃料タンク５は、配管２０を介して送液ポンプ７に接続されている。送液ポンプ７は、配管２１を介して起電部９のアノード９ａに接続されている。アノード９ａは、配管２２を介して気液分離器１０に接続されている。気液分離器１０は、配管２３を介して燃料タンク５に接続されている。配管２０、２１、２２、２３により、アノード９ａへ供給した燃料を再びアノード９ａへ循環させるための「燃料流路」が形成されている。

カソード９ｂの上流側は、配管３２により送気ポンプ４が接続されている。送気ポンプ４の上流側は、配管３１により除去フィルタ６が接続されている。除去フィルタ６の上流側の配管３０には、吸気口が配置されている。カソード９ｂの下流側は、配管３３により除去フィルタ８が接続されている。除去フィルタ８の下流側には、排気口が配置されている。吸気口、配管３０、３２、３３及び排出口により、カソード９ｂに空気を流すための「空気流路」が形成されている。

燃料容器１は、ポンプ３を介して配管２３に接続されている。燃料容器１は密閉構造を有し、高濃度燃料を収容する。高濃度燃料としては、例えば純度９９．９％以上のメタノール液又は濃度が１０ｍｏｌ／Ｌ以上のメタノールと水の混合溶液等が利用可能である。ポンプ３により配管２３を介して燃料タンク５に供給された燃料容器１内の高濃度燃料は、燃料タンク５内において水及び気液分離器１０から排出される流体と混合され、一定濃度の燃料（メタノール水溶液）に調製される。

燃料タンク５には、各種センサ１９が設けられている。センサ１９としては、例えば、燃料の液面の高さ（水位）を測定し、燃料の残量を検出するための水位センサ、或いは、燃料タンク５の傾き具合を測定し、燃料の送給能力を検出するための傾斜センサ等が利用可能である。送液ポンプ７は、燃料タンク５内の燃料を、配管２０及び配管２１を介して起電部９のアノード９ａに供給する。

起電部９としては、アノード９ａ、カソード９ｂ、及びアノード９ａとカソード９ｂとの間に挟まれた膜・電極複合体（ＭＥＡ９ｃ（図３参照））を有する単セルを複数個積層したセルスタックが好適である。起電部９で発生した電力は、起電部９に接続された電池制御部９０により制御され、給電対象機器等に供給される。電池制御部９０は、センサ１９からの検出信号に基づいて、起電部９の発電能力を制御する。

図１に示す燃料電子システムを運転する場合は、まず、燃料容器１から高濃度燃料が燃料タンク５に供給され、燃料タンク５において発電に好適な濃度のメタノール水溶液が調製される。燃料タンク５内のメタノール水溶液が、送液ポンプ７により配管２０及び配管２１を介してアノード９ａに供給される。アノード９ａでは、化学反応によりメタノール水溶液から二酸化炭素、水等の副生成物が生成される。アノード９ａから排出された複生成物及び未反応のメタノール水溶液を含む気液混合流体（気液二相流）は、配管２２を介して気液分離器１０に供給される。気液分離器１０内において気液分離が行われる。分離後の流体は、配管２３を通って再び燃料タンク５へ供給される。

カソード９ｂ側では、吸気口から配管３０を介して空気が送給され、送給された空気が、送気ポンプ４により、除去フィルタ６、配管３１、３２を介してカソード９ｂに供給される。カソード９ｂでは、化学反応により水等の副生成物が生成される。副生成物と排気ガスは、配管３３、除去フィルタ８を介して排気口から排気される。

図１に示す気液分離器１０の詳細を図２に示す。第１の実施の形態に係る気液分離器１０は、気体導入口１７及び気体排出口１８が設けられた収納容器１１と、収納容器１１内に収納された分離管１２と、分離管１２に設けられた分離膜１３を備える。分離膜１３としては、例えば、孔径約１μｍ、空孔率約７０％の疎水性を持つポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の多孔膜を管形状にし、コネクタ等で分離管１２と接続したものが利用可能である。

気体導入口１７の上流側には、ポンプ４０が配管４１により接続されている。ポンプ４０は、気液分離器１０の外部の気体を吸い上げ、配管４１及び気体導入口１７を介して、収納容器１１内の分離管１２を囲む領域（以下、空間領域１４という。）内に供給する。空間領域１４内に供給する気体としては、空気が好適である。ポンプ４０により吸い上げられた気体は、空間領域１４を流れ、分離膜１３から流れ出た水蒸気及び炭酸ガス（ＣＯ₂）を含む気体と接触する。接触後の気体は、気体排出口１８に接続された配管２５を介して気液分離器１０の外部へ排気される。排気された気体は、図１に示すように、配管２５に接続されたヒータ２にて温められた後に再び配管３０に導入可能である。

図２の収納容器１１は、分離管１２に接続された流入口１５及び流出口１６を備える。流入口１５には配管２２が接続されている。流出口１６には配管２３が接続されている。図１のアノード９ａから排出された流体は、配管２２を通って、流入口１５から図２の分離管１２内に供給される。よって、燃料電池システムの運転時、分離管１２内には、メタノールと水を含む液体１００ａと炭酸ガス等の気体１００ｂを含んだ気液混合流体が流れる。

気液分離器１０内においては、分離管１２の内圧を、空間領域１４内の圧力よりも高くすることにより、気液分離が行われる。分離管１２の内圧を空間領域１４の圧力より高くすることにより、分離管１２内の流体中の気体１００ｂが、分離膜１３の微細な孔から収納容器１１の空間領域１４へと流れ出る。一方、液体１００ａは、分離膜１３が疎水性を有することにより、孔への侵入を妨げる方向に表面張力が働くため、透過が抑制され、分離管１２の流出口１６側へと流れる。

分離膜１３を介して空間領域１４へ流れ出る気体は水蒸気を含むため、流れ出た水蒸気が結露を生じさせる恐れがある。図２に示す気液分離器１０は、ポンプ４０により、収納容器１１の空間領域１４内に収納容器１１の外部の気体を流通させて、分離管１２から流れ出た水蒸気を含む気体を外部の気体と接触させる。水蒸気を含む気体と接触した外部の気体は、気体排出口１８から気液分離器１０の外部へ排出させるため、気体導入口１７を持たない容器を用いる場合よりも、空間領域１４内の水蒸気含有量を少なくすることができ、結露を抑制できる。

更に、図２に示す気液分離器１０は、ポンプ４０を気体導入口１７の上流側に接続しているため、ポンプ４０が、収納容器１１内の水蒸気に晒されない。そのため、ポンプ４０としては、水蒸気の侵入を許容しないタイプの種々の装置を用いることができるので、装置選択の自由度も高くなる。

（第１変形例）
図３に示すように、第１変形例に係る燃料電池システム（気泡分離システム）は、気体排出口１８から排出される気体をカソード９ｂに供給する配管（配管経路）４２と、配管４２に設けられた燃焼器６０を備える。燃焼器６０としては、例えば、気体排出口１８から排出された気体を流す流路上に分解触媒等を担持した触媒燃焼装置等が利用可能である。他は図２に示す例と実質的に同様であるので記載を省略する。

図３に示す燃料電池システムによれば、空間領域１４内に空気を送給するためのポンプ４０を用いて、カソード９ｂに気体を送給することができるので、カソード９ｂに気体を送給するため送気ポンプ４（図１参照）を省略でき、システムの簡素化及び小型化が図れる。

（第２変形例）
図４に示すように、第２変形例に係る燃料電池システム（気泡分離システム）は、ポンプ４０が、気液分離器１０の気体排出口１８より下流側、即ち、カソード９ｂの下流側に接続されている点が、図２又は図３に示すシステムと異なる。この場合、ポンプ４０としては、水蒸気の混入を許容するタイプのポンプが用いられる。他は、図３に示す例と実質的に同様である。

図４に示す燃料電池システムによれば、カソード９ｂの下流側に接続されたポンプ４０によって空間領域１４内の気体を吸引するため、図３の例に比べて空間領域１４内の圧力と分離管１２の内圧との圧力差を大きくできる。圧力差が大きければ大きいほど、分離管１２内の気体が、分離膜１３を介して空間領域１４へ流出しやすくなるため、図３の例に比べて気液分離器１０の気液分離能力を向上させることができる。

（第３変形例）
図５に示すように、第３変形例に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、空間領域１４内への気体の流通を遮断する弁４６と、分離管１２に接続された燃料タンク５（液体収容部５１）と、液体収容部５１内に配置され、ポンプ４０に接続された伸縮自在の袋５２と、弁４６及びポンプ４０により、分離管１２内の液体１００ａを液体収容部５１内に収容させる圧力制御部７０を備える。

弁４６は、気体導入口１７の上流側に接続された配管４１ｃに接続されている。弁４６は、気体排出口１８の下流側に接続された配管４２に接続してもよい。弁４６の上流側に接続された配管４１ｂには、分岐部材４５が接続されている。分岐部材４５の上流側は、配管４１ａを介してポンプ４０が接続されている。分岐部材４５は、圧力導管５３に接続されている。

分離管１２と液体収容部５１との間を接続する配管２３は、分岐部材２６を備える。燃料容器１中の高濃度燃料は、分岐部材２６に接続された配管２４ａ、２４ｂを介してポンプ３により供給される。

袋５２としては、樹脂製のベローズ等が好適である。袋５２は、圧力導管５３に接続されており、圧力導管５３を介してポンプ４０から送給される空気を収容可能である。また、袋５２は、圧力導管５３を介してポンプ４０の吐出圧により加圧され、液体収容部５１内の液体の圧力によって潰れないように制御されている。

図５では、袋５２を加圧するために、空間領域１４内に気体を供給するためのポンプ４０を利用してシステムの簡素化を図っているが、ポンプ４０の空気供給能力が不十分ならば、袋５２内へ圧力印加するための圧力印加手段（図示せず）を別途設けてもよい。

圧力制御部７０は、ポンプ４０と弁４６に電気的に接続されている。圧力制御部７０は、起電部９により発電が行われない場合に、気液分離器１０内の分離管１２内から液体を除去するための「除去モード」を実現する。

「除去モード」とは、例えば図６に示すように、起電部９での発電が停止し、気液分離器１０に新たに流体が導入されなくなった場合に、圧力制御部７０が、弁４６を閉状態にし、ポンプ４０を逆回転させて袋５２を縮ませる態様をいう。袋５２が収縮することにより、液体収容部５１に収容可能な液体の量が増加する。配管２０、２１、２２、２３等で構成される燃料流路は閉ループ構造となっているため、袋５２が縮むことにより液体収容部５１が減圧され、分離管１２内の液体が液体収容部５１内に引き込まれる。その結果、分離膜１３を透過した空間領域１４の気体が分離管１２内部に取り込まれると共に、気液分離器１０の内部の液体が除去されるため、起電部９の発電を停止した場合においても、気液分離器１０内に残留する液体が蒸発することによる気液分離器１０内の結露を抑制できる。

なお、流出口１６に接続された配管２３に減圧手段（絞り部）２９を接続してもよい。減圧手段２９を配管２３に接続することにより、液体収容部５１内の圧力と分離管１２の内圧の圧力差をより大きくすることができるので、分離管１２内の液体を液体収容部５１内へ収容しやすくできる。また、減圧手段２９を設けることにより、分離管１２の内圧を空間領域１４の内圧より更に大きくできるので、気液分離性能がより向上する。

配管２０、２３内を流れる流体中の気泡を検知するために、例えば、配管２０、２３に赤外線等を当てて気泡を光学的に検出する気泡検出センサ（第１センサ２７、第２センサ２８）を配置してもよい。第１及び第２センサ２７、２８を配置することにより、気液分離器１０の気液分離能力をモニタできるため、起電部９の発電能力（発電量）を制御しやすくできる。また、第１及び第２センサ２７、２８の検出結果に応じて、圧力制御部７０が袋５２を伸縮させ、液体収容部５１内の圧力を調整するようにしてもよい。

第３変形例に係る燃料電池システムによれば、起電部９による発電を停止させた場合に、圧力制御部７０が、気液分離器１０内の液体を除去する「除去モード」を駆動させることにより、気液分離器１０内の液体を燃料タンク５中に収容できる。そのため、気液分離器１０を運転しない場合に、気液分離器１０に残留する液体が発生させる結露を抑制できる。

また、圧力制御部７０により、袋５２の伸縮を制御し、液体収容部５１に収容するバッファ量を可変とすることで、燃料電池システムの運転状況に応じて、例えばアノード９ａで発生するＣＯ₂気泡の体積が変化した場合においても、アノード流路の燃料欠乏や圧力増加が生じることを抑制でき、安定的に運転可能な燃料電池システムが提供できる。

なお、袋５２の伸縮により変化する液体収容部５１の液体収容量（可変バッファ量）は、アノード９ａの入口から分離管１２入口までの流路の総容量より大きいことが好ましい。これにより、安定的にアノード９ａに燃料を供給することができる。

（第２の実施の形態）
図７に示すように、第２の実施の形態に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、アノード９ａ及びカソード９ｂを有する起電部９と、アノード９ａに接続され、アノード９ａから送給される気液混合流体を気体と液体とに分離する気液分離器１０と、気液分離器１０に接続され、気液分離器１０から排出される液体をアノード９ａへ循環させるための燃料を貯蔵する燃料タンク５と、燃料タンク５内に配置された伸縮自在の袋５２と、袋５２を加圧し、燃料タンク５内の圧力を調整するポンプ（加圧ポンプ）４０と、ポンプ４０の吐出圧を制御する圧力制御部７０とを備える。

ポンプ４０は、カソード９ｂに接続された配管（配管経路）４７に接続されている。配管４７は、分岐部材４５を備える。分岐部材４５には、袋５２に接続された圧力導管５３が接続されている。袋５２は、液体収容部５１の圧力Ｐ_Lによって潰れないように、ポンプ４０及び圧力導管５３により圧力Ｐ_Gに保たれている。

図７においては、気液分離器１０として、気体導入口１７及び気体排出口１８が設けられた収納容器１１、収納容器１１内に収納され、燃料タンク５の液体収容部５１に接続された分離管１２、及び分離管１２に設けられた分離膜１３を備える装置を例示しているが、分離膜１３による気液分離を行わない他の方式の気液分離器を用いてもよい。

なお、図７においては、気体導入口１７及び気体排出口１８を介して空間領域１４が大気に開放されているため、空間領域１４の圧力Ｐairは、大気圧とほぼ同等である。配管４７には、ポンプ４０の吐出圧Ｐａを測定するための圧力計１０１が接続されていてもよい。圧力制御部７０は、ポンプ４０の吐出圧を制御し、袋５２の加圧状態を変化させることにより、袋５２を伸縮させ、袋５２を収容する液体収容部５１の物理状態（体積、圧力）を変化させる。

一般に、圧力差を利用して気液分離を行う場合は、その圧力差が大きいほど気液分離能力が向上するため、分離管１２の内圧（Ｐin、Ｐout）を、空間領域１４内の圧力Ｐairよりも高くする方が好ましい。また、分離管１２の流入口１５を流れる流体の内圧をＰin、下流側の流出口１６を流れる流体の内圧をＰoutとすると、内圧Ｐinと内圧Ｐoutの圧力差ΔＰ＝Ｐin−Ｐoutを大きくすればするほど、気液分離能力が向上する。

図７に示す燃料電池システムによれば、例えば、圧力制御部７０により、ポンプ４０の吐出圧力を制御して袋５２の圧力Ｐ_G及び体積を変化させることにより、袋５２を収容する液体収容部５１の物理状態（圧力Ｐ_L及び体積）を変化させる。例えば、ポンプ４０を用いて袋５２内の圧力Ｐ_Gを高くすることにより、液体収容部５１の圧力Ｐ_Lも高くなるため、分離管１２の流出口１６を流れる流体の内圧Ｐoutと空間領域１４の流体の圧力Ｐairとの差が大きくなる。これにより、気液分離能力をより向上させることができる。

更に、流出口１６と液体収容部５１との間の配管２３に減圧手段２９を設けることにより、減圧手段２９の上流側と下流側の流体の圧力差をより大きくすることができるため、内圧Ｐin、内圧Ｐoutの圧力と空間領域１４内の流体の圧力Ｐairとの差がより大きくなり気液分離性能を更に向上できる。

（第１変形例）
図８に示すように、第１変形例に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、ポンプ４０と気液分離器１０との間に接続され、ポンプ４０が吐出する気体を空間領域１４内に送給する配管（配管経路）４１と、配管４１に設けられた分岐部材４５と、一端が分岐部材４５に接続され、他端が袋５２に接続された圧力導管５３と、分離管１２と液体収容部５１との間の配管２３に接続された減圧手段２９とを備える。

配管４１は、配管４１ａ、配管４１ｂ、配管４１ｃを含む。配管４１ａと配管４１ｂとの間には分岐部材４５が設けられている。圧力導管５３に接続された袋５２は、圧力導管５３を通じてポンプ４０により加圧され、潰れないようになっている。なお、燃料タンク５に液体収容部５１の圧力Ｐ_Lを測定するための圧力計（図示省略）を設け、圧力制御部７０が、圧力Ｐ_Lの圧力変化に応じて、圧力制御部７０がポンプ４０の吐出圧を制御するようにしてもよい。配管４１ｂと配管４１ｃとの間には、弁４６が接続されている。

ポンプ４０には、吐出圧を測定するための圧力計１０１が接続されていてもよい。圧力制御部７０は、圧力計１０１を用いてポンプ４０の吐出圧を制御し、弁４６の開閉を制御する。減圧装置（絞り部）２９は、配管２３に接続されており、配管２３を流れる流体の圧力を低くする。他は、図５及び６に示す例と実質的に同様である。

ポンプ４０の吐出圧をＰａとすると、空間領域１４の圧力Ｐairは、ポンプ４０の吐出圧Ｐａから配管４１ａ、分岐部材４５、配管４１ｂ、弁４６、配管４１ｃを通過する際の圧力損失（ΔＰ１）を引いた圧力（Ｐair＝Ｐａ−ΔＰ１）となる。一方、分離管１２の内圧Ｐoutは、ポンプ４０の吐出圧Ｐａから、配管４１ａ、分岐部材４５、圧力導管５３通過する場合の圧力損失（ΔＰ２）を引いた圧力に、袋５２の圧力Ｐ_Gと液体収容部５１の圧力Ｐ_Lの間の圧力差（ΔＰ３）と、配管２３を通過する場合の圧力損失（ΔＰ４）と、減圧手段２９が減圧した圧力（ΔＰ５）を足した圧力（Ｐout＝Ｐａ−ΔＰ２＋ΔＰ３＋ΔＰ４＋ΔＰ５）となる。

圧力損失の値は予め計算等により求めることができるため、圧力制御部７０は、配管４１、分岐部材４５、弁４６、圧力導管５３、袋５２、配管２３、分岐部材２６、減圧手段２９の圧力損失の値に基づいて、例えば、空間領域１４内の圧力Ｐairと分離管１２の下流側の内圧Ｐoutの圧力差（Ｐair−Ｐout）が一定以上となるように、ポンプ４０及び弁４６を制御し、気液分離器１０の気液分離能力を制御してもよい。

なお、例えば、図８に示す燃料電池システムにおいて、配管２３、４１、分岐部材２６、４５、圧力導管５３、弁４６、袋５２、液体収容部５１における圧力損失を無視し、空気の圧力を０ｋＰａ、気液分離器１０の分離管１２の上流側の内圧Ｐinを４．２ｋＰａとした場合に、各領域の圧力を数値例を挙げて説明する。

分離管１２の上流側の内圧Ｐinが例えば４．２ｋＰａの場合、分離管１２の下流側の内圧Ｐoutは、分離管１２の内部を流れる流体から気体が分離膜１３を介して流れ出ることにより内圧Ｐinに比べて低くなるため、例えば、３．６ｋＰａとなる。分離管１２から流出口１６を介して流れ出た流体は、減圧手段２９により更に減圧される。ここで、減圧手段２９の減圧能力を１．４ｋＰａとすると、配管２３の下流側に接続された液体収容部５１内の圧力Ｐ_Lは、３．６−１．４＝２．２ｋＰａとなる。ここで、例えばＰ_L≒Ｐ_Gとなるように、圧力制御部７０によりポンプ４０の吐出圧を２．２ｋＰａとし、弁４６を開状態に調整した場合、空間領域１４の圧力Ｐairは２．２ｋＰａとなる。このように、図８に示す構成によれば、分離管１２の内圧Ｐinが３．６ｋＰａ、空間領域１４の圧力Ｐairが２．２ｋＰａとなり、分離管１２の内圧Ｐinと空間領域の圧力Ｐairとの間に圧力差を設けることができるので、気液分離能力がより向上する。

なお、圧力制御部７０が弁４６の開閉状態を制御することにより、配管４１ｂから配管４１ｃを流れる流体の圧力損失がより大きくなるように変化させれば、空間領域１４内の圧力Ｐairと分離管１２の流出口１６付近の内圧Ｐoutの圧力差をより大きくできるため、気液分離器１０の気液分離能力を更に向上できる。

（第２変形例）
図９に示すように、第２変形例に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、分岐部材４５と気液分離器１０との間を接続する配管４１ｃに接続された減圧手段（絞り部）３９を更に備える点が、図８に示す燃料電池システムと異なる。他は、図８に示す燃料電池システムと実質的に同様である。

図９に示す燃料電池システムによれば、ポンプ４０から送給される気体を減圧手段３９により減圧することにより、空間領域１４内へ送給する気体の圧力Ｐairが減圧されるため、減圧手段３９を配置しない場合に比べて、圧力Ｐairと分離管１２の内圧（Ｐin、Ｐout）との圧力差をより大きく保つことができ、気液分離能力を向上できる。また、ポンプ４０により空間領域１４に気体を流通させることにより、気液分離器１０内の結露も抑制できる。

（第３変形例）
図１０に示すように、第３変形例に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、ポンプ４０と袋５２との間に接続された圧力導管５３と、空間領域１４に気液分離器１０外部の気体を送給する送気ポンプ６１と、送気ポンプ６１に接続され、送気ポンプ６１が吐出する気体を空間領域１４内に送給する配管６２とを備える。圧力導管５３には、ポンプ４０の吐出圧を測定するための圧力計１０１が接続されている。配管６２には、送気ポンプ６１の吐出圧を測定するための圧力計１０２が接続されている。圧力制御部７０は、分離管１２の流出口１６側の内圧Ｐoutが空間領域１４の圧力Ｐairより高くなるように、ポンプ４０及び送気ポンプ６１の吐出圧を制御する。他は、図７に示す例と実質的に同様である。

図１０に示す燃料電池システムによれば、送気ポンプ６１により気液分離器１０の外部の気体を空間領域１４に供給することによって、気液分離器１０内の結露を抑制しつつ、圧力制御部７０により、送気ポンプ６１及びポンプ４０の吐出圧を制御することによって、圧力Ｐairと分離管１２の内圧（Ｐin、Ｐout）との圧力差をより大きく保つことができるため、気液分離能力をより向上させることができる。

（第４変形例）
図１１に示すように、第４変形例に係る燃料電池システム（気液分離システム）は、配管２３を流れる流体の気泡を検知する第１センサ２７と、配管２０を流れる流体内の気泡を検知する第２センサ２８と、第１センサ２７及び第２センサ２８の検出結果に基づいて、燃料タンク５内の気泡量及び液体量を計算する計算部９１とを更に備える。

第１センサ２７及び第２センサ２８としては、例えば、配管２０、２３に赤外線等を当てて、流体中の気泡を光学的に検出するセンサ等が好適である。計算部９１は、第１センサ２７が検出した気泡量と第２センサ２８が検出した気泡量の差分を計算し、燃料タンク５の液体収容部５１に収容される気泡量及び液体収容量を計算する。

計算部９１は、起電部９に接続された電池制御部９０に接続されている。電池制御部９０は、計算部９１が計算した気泡量の計算結果、或いは第２センサ２８による気泡の検出結果に基づいて、起電部９の発電量を制御する。例えば、電池制御部９０が、第２センサ２８の検出値に基づいて、燃料電池システム運転中に燃料タンク５から連続的に排出される気泡量が所定の値を超えたと判断した場合に、所定の時間だけ起電部９における発電量（発電能力）を下げるようにすることができる。

また、燃料タンク５には、燃料タンク５の傾斜状態を検出するための傾斜センサ９２が設けられていてもよい。そして、電池制御部９０が、傾斜センサ９２の検出結果に基づいて、起電部９の発電能力を制御するようにしてもよい。例えば、燃料電池システム運転時に、傾斜センサ９２による検出値が所定の範囲内にある場合であって、第１センサ２７及び第２センサ２８の気泡の検出値に基づいて、燃料タンク５から連続的に排出される液量が所定の値を超えた場合に、電池制御部９０が起電部９の運転を行うように制御してもよい。

図１１に示す燃料電池システムによれば、第１センサ２７及び第２センサ２８が設けられることにより、気液分離器１０にて除去しきれなかった気泡が検知される。計算部９１によって計算される気泡量の計算結果に基づいて、電池制御部９０により起電部９の発電量を制御することができるので、アノード９ａへの気泡混入状態に応じて、起電部９における発電能力の増減を制御でき、より安定的に燃料電池システムを運転することができる。なお、図１１に示す第１及び第２センサ２７、２８、傾斜センサ９２、計算部９１は、図１〜図１０において説明した燃料電池システムにも適用可能であることは勿論である。

本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。このように、本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る気液分離器の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第１変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態の第２変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態の第３変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態の第３変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態の第１変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態の第２変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態の第３変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態の第４変形例に係る燃料電池システムの一例を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料容器
２…ヒータ
３…ポンプ
４…送気ポンプ
５…燃料タンク
６…除去フィルタ
７…送液ポンプ
８…除去フィルタ
９…起電部
１０…気液分離器
１１…収納容器
１２…分離管
１３…分離膜
１４…空間領域
１５…流入口
１６…流出口
１７…気体導入口
１８…気体排出口
１９…センサ
２６…分岐部材
２７…第１センサ
２８…第２センサ
２９…減圧手段
３９…減圧手段
４０…ポンプ
４５…分岐部材
４６…弁
５０…タンク
５１…液体収容部
５２…袋
５３…圧力導管
６０…燃焼器
６１…送気ポンプ
７０…圧力制御部
９０…電池制御部
９１…計算部
９２…傾斜センサ
１０１…圧力計
１０２…圧力計

Claims (9)

1. 気体導入口及び気体排出口を有する収納容器と、
   前記収納容器内に収納された分離管と、
   前記分離管に設けられた分離膜と、
   前記気体導入口及び前記気体排出口を介して前記収納容器外部の気体を前記収納容器内に流通させるポンプ
   とを備えることを特徴とする気液分離システム。
2. 前記ポンプが、前記気体導入口の上流側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の気液分離システム。
3. 前記ポンプが、前記気体排出口の下流側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の気液分離システム。
4. 前記気体導入口の上流側又は前記気体排出口の下流側に接続され、前記収納容器内への気体の流通を遮断する弁と、
   前記分離管に接続された液体収容部と、
   前記液体収容部内に配置され、前記ポンプを用いて加圧可能な袋と、
   前記弁を閉状態にし、前記ポンプにより前記袋を収縮させることにより前記液体収容部内の圧力を制御し、前記分離管内の液体を前記液体収容部内へ収容させる圧力制御部
   とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の気液分離システム。
5. 前記分離管と前記液体収容部の間に設けられた減圧手段を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の気液分離システム。
6. アノード及びカソードを有する起電部と、
   気体導入口及び気体排出口を有する収納容器、前記収納容器内に収納され、前記アノードに接続された分離管、及び前記分離管に設けられた分離膜を有する気液分離器と、
   前記気体導入口及び前記気体排出口を介して前記収納容器の外部の気体を前記収納容器内に流通させるポンプと、
   前記分離管から排出される液体を前記アノードへ循環させるための燃料を貯蔵する燃料タンク
   とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 前記気体導入口の上流側又は前記気体排出口の下流側に設けられた弁と、
   前記燃料タンク内に配置され、前記ポンプを用いて加圧可能な袋と、
   前記気液分離器の運転状況に基づいて、前記弁及び前記ポンプを用いて前記燃料タンク内の圧力を制御し、前記気液分離器内の液体を前記燃料タンクへ収容させる圧力制御部
   とを更に備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記圧力制御部が、前記気液分離器が気液二相流の受け入れを行わない場合に、前記弁を閉状態にし、前記ポンプに前記袋内の気体を吸引させることにより、前記燃料タンクの圧力を減圧させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記袋の伸縮により変化する前記燃料タンクの可変バッファ量が、前記アノードの入口から前記分離管入口までの流路の総容量より大きいことを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システム。

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