気液分離装置、水素製造装置及び燃料電池システム
【課題】長期に亘る使用においても高効率で気液分離が可能な気液分離装置並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の気液分離装置は、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管７１２と、気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収容器６０１とを備え、分岐管７１２は、気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを有し、排気流路は、気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に設けて導入流路に連結されている。
【解決手段】本発明の気液分離装置は、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管７１２と、気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収容器６０１とを備え、分岐管７１２は、気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを有し、排気流路は、気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に設けて導入流路に連結されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液混合流体を気体と液体に分離する気液分離装置、並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌｌ Ｃｅｌｌ）は、室温から１００℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。
【０００３】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、電解質膜層としての水素イオン伝導性高分子電解質膜と、その両面に配された触媒層と、さらにその両面に配されたガス拡散層とからなる多孔質の電極基材で構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）とを有している。
【０００４】
固体高分子型燃料電池に用いる水素を製造する方法としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛などの水素発生物質を含む水素発生材料と水とを化学反応させて水素を発生させる方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
特許文献1には、水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器に水を供給し、水素発生材料収容容器において水素発生材料と水とを反応させて水素を発生させ、発生した水素を水素発生材料収容容器に設けられた水素排出管を通じて燃料電池に供給する水素製造装置が記載されている。ところが、水素発生材料と水との反応の際には、未反応の水や水蒸気が水素と共に水素排出管から排出されてしまうことがある。そのため、特許文献１では、水素排出管の途中に、水蒸気を冷却して水にするための冷却部と、水と水素との気液混合流体を水（液体）と水素（気体）に分離する気液分離部とを設け、水素排出管の排出口からは水素を排出し、気液分離部で分離した水は水素発生材料に供給する水として回収する。
【０００６】
しかし、特許文献１では、気液分離部にて気液混合流体を気体と液体に分離する際に、気液の重力差を利用しているため、燃料電池本体を傾けた状態や微小重力状態での効率的な気液分離は難しい。
【０００７】
この問題を解決する技術として、例えば、二方向分岐管を通過させて気泡を含む液体から気体を分離する方法が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１０５９２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０４９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２では、分岐管の内壁の半分が濡れ性に差が得られる物質を用いて形成され、この分岐管の内壁の濡れ性の差を利用することで効果的に気液分離する手法が提案されている。しかし、特許文献２に記載の方法では、水素発生材料と水とを化学反応させて水素を発生させる場合、水素発生材料由来の液体が配管内に蓄積し、特に長期間の使用においては、分岐管内部の濡れ性の差が低下し、気液分離効率が低下する可能性がある。また、特許文献２には、分岐管で分離した液体を回収することについて記載されていない。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、長期に亘る使用においても高効率で気液分離が可能な気液分離装置並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の気液分離装置は、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管と、前記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部と、を備え、前記分岐管は、前記気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを含み、前記排気流路は、前記気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に向けて前記導入流路に連結されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、上記本発明の気液分離装置を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、気液の慣性力差を用いて気液分離を行うため、長期に亘る使用においても効率よく気液分離できる気液分離装置、並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の他の例を示す概略図である。
【図３】本発明の水素製造装置の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の水素製造装置における他の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図６】本発明の燃料電池システムに用い得る燃料電池の一例を示す断面概略図である。
【図７】本発明の燃料電池システムに用い得る水素消費装置の一例を示す一部断面概略図である。
【図８】気液分離効率を調べるための気液分離装置の構成を示す概略図である。
【図９】実施例１の気液分離装置の構成を示す概略図である。
【図１０】分岐管の分岐角と水回収率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の気液分離装置は、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管と、上記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部と、を備え、上記分岐管は、上記気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを有し、上記排気流路は、上記気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に向けて上記導入流路に連結されていることを特徴とする。これにより、気液の慣性力差を用いて気液分離するため、長期に亘る使用においても効率よく気液分離できる。また、液体回収部を備えることで、分岐管で分離された液体の再利用が可能となる。
【００１７】
本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、上記本発明の気液分離装置を備えることを特徴とする。これにより、水素製造装置から排出される水素を含む気体中に含まれる液体成分量を減少できる。そのため、本発明の水素製造装置は、燃料電池用の燃料源として利用できる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素製造装置と、上記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを備えることを特徴とする。これにより、水と、水素を含む気体との気液混合流体が供給されることによる燃料電池の出力低下などの不具合の発生を防止できる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管について説明する。図１は、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の一例を示す概略図である。
【００２１】
本実施形態の分岐管７０１は、図１に示すように、気液混合流体が導入される導入流路Ｘｉｎと、気体を排出する排気流路Ｘｅｘ2と、液体を排出する排液流路Ｘｅｘ1とを有する二方向分岐管である。排気流路Ｘｅｘ2は、気液混合流体の導入方向に対して鋭角でかつ逆方向に向けて上記導入流路Ｘｉｎに連結されている。
【００２２】
分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎと排気流路Ｘｅｘ2との成す角度θ（以下、分岐角θと呼ぶ）は、２０°以上９０°未満の範囲であることが好ましく、より好ましくは、３０°以上７０°以下であることが望ましい。分岐角θは、２０°未満になると排気流路Ｘｅｘ2方向への気体の分離が難しく、９０°以上になると排気流路Ｘｅｘ2方向に液体が混入しやすくなるからである。
【００２３】
分岐管７０１の形状としては、導入流路と排液流路とが屈曲している形状や、導入流路と排液流路とが直線を形成するように連結されている形状などが挙げられる。液体をスムーズに流すためには、図１に示すように、導入流路と排液流路とが直線を形成するように連結されている形状が望ましい。
【００２４】
本実施形態の分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎに気液混合流体が導入されると、気液混合流体中の液体は排液流路Ｘｅｘ1の方向に排出され、上記気液混合流体中の気体は排気流路Ｘｅｘ2の方向に排出される。例えば、気液混合流体が、水と水素を含むものである場合、水は排液流路Ｘｅｘ1方向に排出され、水素は排気流路Ｘｅｘ2方向に排出される。これは、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差を利用することで、上記気液混合流体を、水と水素に分離できたと考えられる。
【００２５】
（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管について説明する。図２は、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の一例を示す概略図である。図２において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
本実施形態の分岐管７１１は、図２に示すように、分岐管７０１を複数（ここでは３個）連結して備え、隣接する一方の分岐管７０１の排気流路と、他方の分岐管７０１の導入流路とを、Ｕ字型継ぎ手（以下、ベンド管という。）を用いて連結したものである。より詳細に説明すると、第１の分岐管７０１（図２において上方に位置する）は、排気流路Ｘｅｘ2が図２において下方側になるように配置され、第２の分岐管７０１（図２において下方に位置する）は、排気流路Ｘｅｘ3が図２において上方側になるように配置され、第３の分岐管７０１（図２において真ん中に位置する）は、排気流路Ｘｅｘ4が図２において下方側になるように配置されている。そして、第１の分岐管７０１の排気流路Ｘｅｘ2と第２の分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎは、ベンド管７０２によって連結され、第２の分岐管７０１の排気流路Ｘｅｘ3と第３の分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎも、ベンド管７０２によって連結されている。ここで、分岐管７０１同士をベンド管７０２を用いて連結する理由は、ベンド管７０２の湾曲部を通過する際に気液混合流体中の気泡成分を偏在させ、気体と液体とが分離されやすい状態とし、液体が遠心力の作用で配管の外側に偏在させることができるからである。これにより、気液分離効率を高めることができる。
【００２７】
本実施形態の分岐管７１１の導入流路Ｘｉｎに気液混合流体が導入されると、上記気液混合流体は３個の分岐管７０１を経て、液体と気体に分離される。具体的に説明すると、気液混合流体は、第１の分岐管７０１を通過することにより、気液混合流体中の液体は排液流路Ｘｅｘ1方向に排出される。しかし、第１の分岐管７０１で気体と液体に完全に分離できない可能性がある。この場合、排液流路Ｘｅｘ1方向に排出されなかった液体は気体と共に排気流路Ｘｅｘ2方向に排出され、第１のベンド管７０２を経て第２の分岐管７０１へと輸送される。そして、第２の分岐管７０１によって、液体は排液流路Ｘｅｘ1-2方向に排出され、気体は排気流路Ｘｅｘ3方向に排出される。しかし、第２の分岐管７０１によっても気体と液体に完全に分離できない場合には、排液流路Ｘｅｘ1-2方向に排出されなかった液体は気体と共に排気流路Ｘｅｘ3方向に排出され、第２のベンド管７０２を経て第３の分岐管７０１へと輸送される。そして、第３の分岐管７０１によって、液体は排液流路Ｘｅｘ1-3方向に排出され、気体は排気流路Ｘｅｘ4方向に排出される。このように、気液混合流体中の液体を３個の分岐管７０１を用いて分離することで、排気流路Ｘｅｘ4方向に排出される気体中の液体成分量を減少させることができる。これにより、気液分離効率を向上できる。
【００２８】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の気液分離装置を含む水素製造装置について説明する。図３は、本発明の水素製造装置の一例を示す概略図である。図３において、図２と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
本実施形態の水素製造装置は、図３に示すように、水との反応により水素を発生する水素発生材料６０４を収容する水素発生材料収容容器６０３と、気液分離装置７００とを備えている。
【００３０】
ここで、本発明の水素製造装置が気液分離装置７００を備える理由について説明する。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水とが反応して水素が発生し、発生した水素は、水素発生材料収容容器６０３に設けられた水素排出路（図３では、配管１０３及び配管１０４）から排出され、例えば燃料電池に供給される。ところが、水素発生材料６０４と反応しなかった水や水蒸気が水素と共に水素排出路から排出される場合がある。水や水蒸気が燃料電池に供給されると、燃料電池の出力低下などの不具合が生じる。このような不具合の発生を防止するため、本発明の水素製造装置では、水素排出路の途中（図３では、配管１０３と配管１０４との間）に気液分離装置７００を設けることで、水素排出路内に混入した水や水蒸気を分離（除去）する。
【００３１】
上記気液分離装置７００は、気液混合流体を気体と液体に分離する分岐管７１２と、水６０２を収容する水収容容器６０１と、分岐管７１２と水収容容器６０１とを連結する配管１１３の途中に設置された逆止弁９０１と、水収容容器６０１内の水６０２を水素発生材料収容容器６０３に輸送する輸送部としての例えばポンプ２０１とを備えている。
【００３２】
上記分岐管７１２は、導入管７０３と２個の分岐管７０１とを有し、それらの間をそれぞれベンド管７０２を用いて連結したものである。より詳細に説明すると、導入管７０３と第１の分岐管７０１の導入流路は、ベンド管７０２で連結され、第１の分岐管７０１の排気流路と第２の分岐管７０１の導入流路も、ベンド管７０２で連結されている。第１及び第２の分岐管７０１の排液流路は、配管１１３に連結されている。第２の分岐管７０１の排気流路は配管１０４に連結されている。
【００３３】
分岐管７０１及びベンド管７０２としては、耐熱性及び耐腐食性に優れたものであれば、その材質や形状及び異種材質の張り合わせなど特に限定はされないが、水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。ベンド管７０２の曲率半径Ｒは、５ｍｍ以上であれば特に制限されないが、好ましくは２０ｍｍ以下であることが望ましい。ベンド管７０２の曲率半径Ｒが２０ｍｍより大きい場合、分岐管自体の大きさが大きくなってしまい、装置全体を小型化できない。一方、ベンド管７０２の曲率半径Ｒが５ｍｍより小さい場合、遠心力の作用で配管の外側に偏在させる効果が乏しくなる虞がある。
【００３４】
水収容容器６０１は、上記分岐管７１２を構成する各分岐管７０１の排液流路に逆止弁９０１を介して配管１１３で連結されている。これにより、分岐管７１２で分離された液体（ここでは、水）は水素製造用の水として水収容容器６０１に回収できるため、水の効率的な利用が可能であり、また、水収容容器６０１内の水６０２が分岐管７１２側に逆流するのを逆止弁９０１により防止でき、方向自在性を確保できる。さらに、分岐管７１２で分離された液体を回収するための液体回収容器を別途設ける必要がないため、装置全体をコンパクト化できる。
【００３５】
逆止弁９０１としては、気密性を有するものであって一方向の通気孔機能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、平行移動する弁体を有するリフト型逆止弁、蝶番運動をする弁体を有するスイング型逆止弁、球状の弁体を有するボール弁などの方向逆止弁を用いることができる。その他、減圧弁、安全弁、逃がし弁（チェックバルブ）などの圧力制御弁なども好適に用いることができる。また、上記例示の弁を電気的に駆動可能な電磁弁とすれば、電気的に制御することもできる。
【００３６】
逆止弁９０１における開放開始作動圧力の好適値は、燃料電池システムの大きさなどによって変動し得るが、例えば、ゲージ圧で０．５ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００３７】
逆止弁９０１の材料としては、気密性と耐腐食性とを有するものであれば特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタールなどの樹脂が挙げられる。
【００３８】
水収容容器６０１については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００３９】
水素発生材料収容容器６０３は、水素を発生させる水素発生材料６０４を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水の供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００４０】
水素発生材料収容容器６０３及び水収容容器６０１は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生材料収容容器６０３内の水素発生材料６０４が消費されつくしたり、水収容容器６０１内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生材料６０４が充填された水素発生材料収容容器６０３や水が充填された水収容容器６０１を新たに取り付けることで、再び水素を製造することができる。
【００４１】
水収容容器６０１に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生材料６０４との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００４２】
水素発生材料収容容器６０３に収容される水素発生材料６０４としては、水と反応して水素を発生させる水素発生物質を含むものであれば特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得る水素発生物質を含むことが望ましい。
【００４３】
水素発生物質としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の一種以上の元素を主体とする合金、さらには、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムといった金属水素化物などが好適に使用できる。上記合金を用いる場合、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。主体とは、合金全体に対して５０質量%以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味する。なお、水素発生物質としては、上記例示のものを１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用しても良い。
【００４４】
水素発生材料６０４は、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）をさらに含むことが好ましい。この場合、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、上記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。水と反応して発熱する発熱物質としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などが挙げられる。
【００４５】
次に、本実施形態の水素製造装置の動作について図３を用いて説明する。
【００４６】
水収容容器６０１に収容されている水６０２は、ポンプ２０１により輸送され、配管１０１及び配管１０２を通じて水素発生材料収容容器６０３内に供給される。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水６０２とが反応して水素が発生し、水素は配管１０３に排出される。上記水素と共に水蒸気が配管１０３に排出された場合、水蒸気は配管１０３内で冷却されて水となる。そして、水と水素との気液混合流体が分岐管７１２に導入される。分岐管７１２では、液体と気体との二相間の密度差に基づいた慣性力の差を利用することによって、気液混合流体は、水素を含む気体と、水とに分離される。分離された水素を含む気体は、配管１０４を通じて燃料電池などに供給される。一方、分離された水は、配管１１３を通じて水収容容器６０１で回収され、その後、水素発生材料収容容器６０３に供給される水６０２として再利用されることになる。
【００４７】
このように本実施形態の水素製造装置によれば、水素排出路の途中に分岐管７１２を設けることで、配管１０４から排出される水素を含む気体中の液体成分量を削減できる。また、水素製造用の水を収容している水収容器６０１を液体回収容器として利用することで、分岐管７１２で分離された水を回収するための水回収容器を別途備える必要がなく、水素製造装置全体をコンパクトにすることができる。また、分岐管７１２によって分離された水を水素製造用の水として再利用でき、水の利用率を高めることができる。
【００４８】
ところで、本実施形態では、逆止弁９０１を設けた水素製造装置について説明したが、逆止弁９０１に代えて、図４に示すように、ポンプ２０２を設けても良い。この場合、分岐管７１２で分離された水を、分岐管７１２側に逆流するのを防止しながら水収容容器６０１へと輸送して水収容容器６０１で回収できるため、排液流路を重力方向に配置させなくても、つまり、排液流路から排出される液体の流動方向が重力方向とは逆向きであっても気液分離が可能となり、優れた方向自在性が得られる。また、分岐管７１２側に存在する気体が水収容容器６０１側に漏れることも防止できる。ポンプとしては、逆流防止機能付きであれば特に限定されないが、特に、逆流防止機能付きの容積式ポンプ（チューブポンプ）を好適に用いることができる。
【００４９】
図４では、２個の分岐管７０１の各排液流路に排出された液体を１個のポンプ２０２によって水収容容器６０１に輸送する様子を示しているが、２個の分岐管７０１の各排出流路にそれぞれポンプ２０２を設け、各分岐管７０１で分離された水を水収容容器６０１に輸送するようにしても良い（図示せず）。この場合、水回収効率を向上できる。
【００５０】
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の燃料電池システムについて説明する。図５は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。図５において、図４と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システムは、図５に示すように、気液分離装置７００、水素発生材料６０４を収容する水素発生材料収容容器６０３、燃料電池５００、及び送風ファン５０１を備えている。また、この燃料電池システムは、燃料電池５００内のガスを燃料電池５００外に排出するための排気手段として、圧力センサ４００、パージバルブ３１０及び水素消費装置８００をさらに備えている。
【００５２】
気液分離装置７００は、図４に示した構成に加え、上記排気手段によって燃料電池５００から排気されたガス中に含まれる水分を分離するための分岐管７１３を備える。この分岐管７１３は、分岐管７１２と同一の構成である。分岐管７１３を構成する各分岐管７０１の排液流路は配管１０８に連結され、配管１０８は配管１１３に連結されている。
【００５３】
燃料電池５００は、電気的に直列に接続された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）（図示しない）を有し、水素を燃料源として発電する。なお、燃料電池５００の詳細な構成については後で述べる。
【００５４】
送風ファン５０１は、燃料電池５００の正極への空気の供給、水素消費装置８００への空気の供給、及び燃料電池５００の冷却のためのものである。図５において、送風ファン５０１から上方向に向かう矢印は、送風ファン５０１から排出される空気の流れの方向を示している。本発明の燃料電池システムにおいて、送風ファン５０１は必須の構成要素ではないが、燃料電池システムは送風ファン５０１を有していることが好ましい。
【００５５】
圧力センサ４００は、燃料電池５００の負極側の圧力（ここでは、燃料ガス供給路である配管１０６内の圧力）を測定し、測定値に基づいてパージバルブ３１０の開閉動作を制御する。これにより、燃料電池５００内の圧力を所定値以下に保ちながら、燃料電池を適性に発電させることができるため、燃料電池内の圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを防止できる。さらに、燃料電池の出力状態と圧力変動とを考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。
【００５６】
圧力センサ４００の設置位置は、燃料電池５００内の圧力を検出できれば特に限定されないが、燃料電池の圧力変動をすぐに察知するためには、図５に示すように、燃料電池の燃料入力側の配管１０６に設置するのが望ましい。
【００５７】
圧力センサ４００によるパージバルブ３１０の開閉動作の制御は、燃料電池５００内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が５〜３００ｋＰａに達した段階で行うことが望ましい。差圧が５ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が３００ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。
【００５８】
水素消費装置８００としては、省スペースでシステム内の水素を消費できるものであれば特に制限されないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。なお、水素消費装置８００の詳細な構成については後で述べる。
【００５９】
次に、燃料電池５００の詳細な構成について図６を用いて説明する。図６は、本発明の燃料電池システムに用い得る燃料電池５００の一例を示す断面概略図である。なお、図６においては、３つのＭＥＡ５１０が組み合わさって一つの燃料電池５００を構成している状態を示しているが、これは一例であり、一単位としての燃料電池におけるＭＥＡの数は３つに限定されず、また、複数のＭＥＡから構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池とすることもできる。
【００６０】
図６において、燃料電池５００は、正極拡散層５１１及び正極触媒層５１２からなる正極と、固体高分子電解質膜５１３と、負極拡散層５１５及び負極触媒層５１４からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ５１０を３個有する。ここでは、３個のＭＥＡ５１０は平面状に配置されている。
【００６１】
各ＭＥＡ５１０の正極側には、正極集電プレート５２４、正極絶縁プレート５２２及び正極パネルプレート５２０が順次配置されている。また、各ＭＥＡ５１０の負極側には、負極集電プレート５２６、負極絶縁プレート５２３及び負極パネルプレート５２１が順次配置されている。そして、全てのＭＥＡ５１０が、正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１とに挟持されて一体化している。また、図６では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ５１０同士は、正極集電プレート５２４と負極集電プレート５２６との電気的接続によって、直列に接続されている。
【００６２】
正極集電プレート５２４、正極絶縁プレート５２２及び正極パネルプレート５２０には、燃料電池５００外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５２４の酸素導入孔、正極絶縁プレート５２２の酸素導入孔及び正極パネルプレート５２０の酸素導入孔により、正極パネルプレート５２０の外表面からＭＥＡ５１０の正極拡散層５１１にまで到達する複数の正極開口部５３０が形成され、これら正極開口部５３０から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層５１１に供給される。
【００６３】
負極集電プレート５２６、負極絶縁プレート５２３及び負極パネルプレート５２１には、燃料タンク部５２９内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート５２６の燃料導入孔、負極絶縁プレート５２３の燃料導入孔及び負極パネルプレート５２１の燃料導入孔により、負極パネルプレート５２１の燃料タンク部５２９側表面からＭＥＡ５１０の負極拡散層５１５にまで到達する複数の負極開口部５３１が形成され、これら負極開口部５３１から、燃料タンク部５２９内の燃料（水素）が負極拡散層５１５に供給される。
【００６４】
正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１（更には燃料タンク部５２９）は、ボルト５３２とナット５３３によって固定されている。図６中、５２８ａ及び５２８ｂはシール部である。
【００６５】
正極拡散層５１１及び負極拡散層５１５は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層５１１や負極拡散層５１５の触媒層側には、更なる撥水性向上及び触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子など］を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００６６】
正極触媒層５１２は、正極拡散層５１１を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有する。正極触媒層５１２は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有する。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００６７】
正極触媒層５１２で用いられる触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００６８】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ2／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。炭素粉末と触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００６９】
正極触媒層５１２に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００７０】
正極触媒層５１２におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７１】
正極触媒層５１２に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体及びエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
【００７２】
正極触媒層５１２におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７３】
負極触媒層５１４は、負極拡散層５１５を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層５１４は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【００７４】
負極触媒層５１４に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層５１２に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層５１４に係る上記炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダについても、正極触媒層５１２に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
【００７５】
固体高分子電解質膜５１３は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜５１３を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜５１３の材料として用いることができる。
【００７６】
なお、図６では示していないが、燃料電池の有するＭＥＡは、正極と負極とを、例えば、抵抗及びスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように形成されていることが好ましい。この場合、燃料電池による発電の終了時に、上記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素を消費できる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制できる。
【００７７】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、上記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池システムに係る燃料電池の停止後、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００７８】
次に、水素消費装置８００の詳細な構成について図７を用いて説明する。図７は、本発明の燃料電池システムに用い得る水素消費装置８００の一例を示す一部断面概略図である。
【００７９】
図７において、水素消費装置８００は、正極と負極とを導通可能にしたＭＥＡ８１０を有する。ＭＥＡ８１０は、酸素を還元する正極触媒層８１２と、水素を酸化する負極触媒層８１４とを有しており、更に、正極触媒層８１２と負極触媒層８１４との間に固体高分子電解質膜８１３を備えている。正極触媒層８１２の固体高分子電解質膜８１３側とは反対側の面には正極拡散層８１１が積層され、負極触媒層８１４の固体高分子電解質膜８１３側とは反対側の面には負極拡散層８１５が積層されている。これら各層の材料は、図６で説明した燃料電池５００に係るＭＥＡ５１０と同様の材料を使用できる。
【００８０】
また、ＭＥＡ８１０は、正極拡散層８１１の上部に配置された正極集電板８２１と、負極拡散層８１５の下部に配置された負極集電板８２２とで挟持されており、正極集電板８２１と負極集電板８２２とは、例えばボルト８２９とナット８３０により固定されている。図７中、８２３はシリコンゴムなどからなるシール材であり、８２４はタンク部（水素タンク部）である。タンク部８２４には、水素消費装置８００によって水素を除去した残りのガスをシステム外に排出するための配管１１１、及び水素を含むガスを水素消費装置８００に導入するための配管１１０が接続されている。
【００８１】
正極集電板８２１及び負極集電板８２２としては、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成される。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
【００８２】
正極集電板８２１には複数の空気孔８２１ａが形成されており、これら空気孔８２１ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ８１１の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板８２２には複数の水素導入孔８２２ａが形成されており、これら水素導入孔８２２ａを通じて配管１１０からタンク部８２４へ導入された水素を含むガスがＭＥＡ８１０の負極に供給される。
【００８３】
正極集電板８２１の端部には正極リード線８２５が、負極集電板８２２の端部には負極リード線８２６が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線８２５、８２６は、抵抗８２７及びスイッチ８２８を介して接続されている。そして、水素消費装置８００によってガス中の水素を消費する必要が生じた場合に、スイッチ８２８を入れ、ＭＥＡ８１０の正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池５００内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池５００による発電の終了時に、水素供給源から燃料電池５００内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。
【００８４】
なお、図７に示す水素消費装置８００では、ＭＥＡ８１０の正極と負極とを、抵抗８２７を介して接続しているが、かかる抵抗８２７としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、ＭＥＡ８１０の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗８２７を用いなくても、このような時間でＭＥＡ８１０の正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡ８１０の正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００８５】
なお、水素消費装置は、上記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化した構成とすることもできる（図５には、燃料電池５００と水素消費装置８００とが一体となった構成を示している。）。このような構成とすることで、燃料電池システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、かつ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。
【００８６】
水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、上記触媒を含有するフィルタ、筒状などの外装体に上記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。
【００８７】
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００８８】
水収容容器６０１に収容されている水６０２は、ポンプ２０１によって輸送され、配管１０１及び配管１０２を通じて水素発生材料収容容器６０３に供給される。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水６０２とが反応し、水素が発生する。発生した水素は、配管１０３、配管１０４、配管１０５及び配管１０６を通じて燃料電池５００へ供給される。また、上記水素とともに水や水蒸気などの水分が配管１０３に排出された場合、水蒸気は配管１０３内で冷却されて水となる。配管１０３を流れる水は、分岐管７１２により水素と分離され、ポンプ２０２によって輸送され、配管１１３を通じて水収容容器６０１で回収される。分岐管７１２で分離された水は水素製造用の水として再利用でき、水の利用効率を高めることができる。
【００８９】
燃料電池５００は配管１０４から排出された水素を用いて発電するが、燃料電池５００の発電に伴い、燃料電池５００の負極側にガス（発電に関与しなかった残留水素、及び発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）や生成水が蓄積し、燃料電池５００内、及び配管１０６内の圧力が上昇する。そこで、本実施形態では、圧力センサ４００によって配管１０６内の圧力を測定し、配管１０６内の圧力がある程度高まった時点で、パージバルブ３１０を開くように制御する。パージバルブ３１０が開くと、燃料電池５００内に蓄積しているガスや水は、気液混合流体として配管１０７に排出される。このように、パージバルブ３１０の開閉動作によって、燃料電池５００内のガスや生成水を間欠的に燃料電池５００外に排出できる。
【００９０】
燃料電池５００内から配管１０７に排出された気液混合流体は、分岐管７１３によって、水と、水素を含むガスに分離される。分離された水は、ポンプ２０２によって輸送され、配管１０８及び配管１１３を通じて水収容容器６０１で回収される。本実施形態では、水収容容器６０１が液体回収容器を兼ねており、燃料電池５００から排出された水は水素製造用の水として再利用できる。
【００９１】
一方、分岐管７１３によって分離された水素を含むガスは、配管１１０を通じて水素消費装置８００に導入され、水素消費装置８００によりガス中の水素が消費（除去）される。上述したように、本実施形態では、燃料電池５００から排出された気液混合流体中の水を除去した上で、水素を含むガスを水素消費装置８００に供給できるため、水素消費装置８００内で生成水が溜まることによる水素消費効率の低下を抑制でき、より効率良く水素を除去できる。
【００９２】
水素消費装置８００に連結されている配管１１１は外気に接しているため、水素消費装置８００によって水素が除去されたガスは、配管１１１を通じてシステム外に排出される。なお、図５では、配管１１１の排出口部分が送風ファン５０１からの送風が当たるように配置されているため、水素消費装置８００で消費できなかった水素が排出ガス中に含まれていたとしても、送風ファン５０１からの送風によって希釈されつつシステム外に排出される。
【００９３】
ところで、一般には、燃料電池の発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気が、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、燃料電池の劣化が生じる。この劣化の原因は定かではないが、燃料電池の電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正極及び負極の炭素や触媒（詳しくは後述する）が酸化するためではないかと推測される。そのため、燃料電池システムは、燃料電池の発電の終了時に燃料電池内への水素の侵入を防止可能な構成や、燃料電池の発電の終了時に燃料電池内に残留する水素を除去可能な構成を有することが好ましい。
【００９４】
そこで、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の発電終了時に燃料電池内への水素の侵入を防止するために、水素発生材料収容容器６０３で発生した水素を燃料電池５００へ導入するための配管１０４と配管１０５との間に三方形弁３０２を設けて、配管１０４を三方形弁３０２を介して配管１０９とも接続させ、この配管１０９を配管１０７に接続させている。燃料電池５００の発電終了時には、三方形弁３０２を作動させ、水素発生材料収容容器６０３で発生した水素を、配管１０９、配管１０７、分岐管７１３、及び配管１１０を通じて水素消費装置８００に供給する。これにより、水素発生材料収容容器６０３で発生した水素の燃料電池５００への侵入を防止しつつ、その水素を水素消費装置８００で消費できる。また、燃料電池５００内への水素の侵入を防止できるため、水素による燃料電池５００の劣化を大幅に抑制することができる。
【００９５】
また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の発電終了時に燃料電池内に残留する水素を除去するために、水収容容器６０１と水素発生材料収容容器６０３とを接続する配管１０１と配管１０２との間に三方形弁３０１を設けて、配管１０１を三方形弁３０１を介して配管１１２とも接続させるとともに、配管１０５と配管１０６との間に三方形弁３０３を設けて、配管１１２を三方形弁３０３を介して配管１０６と接続させている。燃料電池５００の発電終了時には、三方形弁３０１及び三方形弁３０３を作動させるとともにパージバルブ３１０を閉じ、水収容容器６０１内の水６０２を配管１０１、配管１１２及び配管１０６を通じて、燃料電池５００内に供給する。これにより、燃料電池５００内は水で満たされる。ところで、一般的な固体高分子形燃料電池では、長時間停止していると固体高分子電解質膜が乾燥するため、発電開始時に発電による自己湿潤が必要となり、出力の立ち上がりに時間を要するようになる。しかしながら、本実施形態の燃料電池システムでは、上述したように、燃料電池５００による発電の終了時に、燃料電池５００内を水で満たすことができるため、固体高分子電解質膜の乾燥を防いで、再起動時に初期から高い出力を発揮することが可能となる。また、燃料電池５００の発電終了時に燃料電池５００内に供給する水を水収容容器６０１から供給するようにしているため、水収容容器などを別途備える必要がなく、システム全体をコンパクト化できる。
【００９６】
ただし、燃料電池内が水で満たされている状態で燃料電池システムを起動させた場合、水素発生材料収容容器６０３内で発生した水素が、水で充填された燃料電池５００内に供給されることで燃料電池５００内で大きな圧力変動が生じ、ＭＥＡの破損の原因ともなるため、燃料電池システムの起動前に燃料電池５００内の水を除去する必要がある。燃料電池５００内の水を除去する方法としては、例えば、ポンプ２０１を一定時間逆転させるなどして燃料電池５００内の水を水収容容器６０１に戻すことで対応可能である。
【実施例】
【００９７】
ここでは、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、その前に、分岐管の気液分離効率について検討した。
【００９８】
（分岐管の気液分離効率）
まず、図１の分岐管７０１を用い、図８に示す気液分離装置を組み立てた。このとき、分岐管７０１の分岐角θを９０°とし、分岐管７０１の排気流路を重力方向とは逆方向（図８において気体が上側に排出される方向）に配置した。なお、水収容容器６２０には、水の回収に伴い容器内の内圧が上昇するのを防止するため、内圧調整用の配管１１６を設けた。また、水収容容器６０１には、水の排出に伴い容器内の内圧が減少するのを防止するため、内圧調整用の配管１１９を設けた。
【００９９】
そして、水収容容器６０１から分岐管７０１の導入流路の直前までの配管内に水を満たした後、下記の操作を行った。
【０１００】
水素ボンベ６１０に収容されている水素を配管１１４内に供給した。このとき、水素ボンベ６１０をデジタルマスフローコントローラ６１１で制御し、水素供給速度を６００ｍｌ／ｍｉｎとした。これと同時に、水収容容器６０１に収容されている水６０２を、ポンプ２０３によって配管１１４内に供給した。このときの水供給速度を５.０ｇ／ｍｉｎとし、水供給時間を２分間とした。
【０１０１】
上記操作により、配管１１４内には水と水素との気液混合流体が流れる。この気液混合流体は、分岐管７０１によって水と水素に分離される。分岐管７０１によって分離された水は、ポンプ２０４によって配管１１５を通じて水回収容器６２０で回収した。このとき、ポンプ２０４による水の輸送速度は、ポンプ２０３による水供給速度と同じ速度とした。
【０１０２】
一方、分岐管７０１によって分離された水素は、配管１１７、水回収容器６２１を通じて配管１１８から排出した。このとき、水素と共に配管１１７に排出された水は水回収容器６２１に回収した。
【０１０３】
そして、ポンプ２０３による水収容容器６０１から配管１１４への水６０２の供給量と、水回収容器６２０で回収された水６０２の量とから、排液側の水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１０４】
また、上記分岐角θが９０°である分岐管７０１に代えて、分岐角θが６０°、３０°、２０°である各分岐管７０１を用いて図８に示す気液分離装置をそれぞれ組み立てた。そして、上記の操作を行い、排液側の水回収率を求めた。
【０１０５】
さらに、分岐角θが９０°、６０°、３０°、２０°である上記各分岐管７０１について、排気流路を重力方向（図８において気体が下側に排出される方向）に配置した場合についても同様の操作を行い、排液側の水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１０６】
図１０に、分岐管７０１の角度θ及び排気流路の配置位置と、排液側の水回収率（ｗｔ％）との関係を示した。図１０において、「Ｕｐ」は、分岐管７０１の排気流路を重力方向とは逆方向に配置した場合の排液側の水回収率（ｗｔ％）を示しており、「Ｄｏｗｎ」は、分岐管７０１の排気流路を重力方向に配置した場合の排液側の水回収率（ｗｔ％）を示している。
【０１０７】
図１０に示されるように、分岐管７０１の分岐角θが小さくなるにつれ、排液側の水回収率が向上していることが確認された。排気流路の配置位置については、重力方向とは逆方向に配置した場合の方が水回収率が良いことが確認された。これらの結果から、特に、分岐角θが２０°〜３０°の範囲で、かつ、排気流路は重力方向とは逆方向に配置した場合に水回収率が良い、つまり、気液分離効率が高いことがわかった。
【０１０８】
（２個の分岐管を有する分岐管の気液分離効率）
図８における分岐管７０１を図３に示す分岐管７１２に代えて、図８に示す気液分離装置を組み立てた。分岐管７１２を構成する分岐管７０１の分岐角θは２０°とし、分岐管７０１の排気流路を重力方向とは逆方向に配置した。そして、上述した操作を行い、排液側の水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１０９】
分岐管７０１の排気流路を重力方向に配置した場合についても同様の操作を行い、水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１１０】
上記結果を表１に示す。なお、分岐角θが２０°の分岐管７０１の結果も同時に示した。
【０１１１】
【表１】
【０１１２】
表１の結果から、分岐管７０１を２個有する分岐管７１２を用いた場合の水回収率（ｗｔ％）は、分岐管７０１の排気流路の配置位置に関係なく、分岐管７０１が１個である場合よりも優れていることが分かった。
【０１１３】
以上の結果を踏まえ、下記実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
【０１１４】
（実施例１）
図９に示すように、気液分離装置７００、水素供給源となる水素発生材料収容容器６０３、排気側の水回収容器６２１を備えた水素製造装置を組み立てた。配管１０３には圧力センサ６０５を設置した。水回収容器６２１に水素を排出可能な配管１１８を設け、配管１１８には、乾燥剤１２０及び水素モニタリング装置としてのデジタルマスフローメータ６１２を設置した。なお、水収容容器６２０には、水の回収に伴い容器内の内圧が上昇するのを防止するため、内圧調整用の配管１１６を設けた。また、水収容容器６０１には、水の排出に伴い容器内の内圧が減少するのを防止するため、内圧調整用の配管１１９を設けた。
【０１１５】
分岐管７１２を構成する２個の分岐管７０１の各分岐角θは２０°とした。排気流路は重力方向とは逆方向に配置した。配管１０１、１０２、１１３及び１１４には、内径１．０ｍｍのＳｉチューブを用い、配管１０３、１０４、１１６、１１８、１１９には、内径３．０ｍｍのＳｉチューブを用いた。
【０１１６】
水収容容器６０１には、水６０２を６００ｇ収容した。水素発生材料収容容器６０３には、内容積１００ｃｍ3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）７２．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）１０．１ｇとを収容した。
【０１１７】
そして、下記の試験を行った。
【０１１８】
まず、水収容容器６０１に収容されている水６０２を、ポンプ２０１を用いて５．０ｇ／ｍｉｎの供給速度で配管１０１及び配管１０２を通じて水素発生材料収容容器６０３に供給した。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水６０２とが反応して水素が発生し、水素は、配管１０３から排出される。このとき、水素と共に水や水蒸気などの水分も排出された場合、水分は分岐管７１２で分離される。
【０１１９】
分岐管７１２で分離された水分は、ポンプ２０２あるいはポンプ２０３によって輸送され、配管１１３あるいは配管１１４を通じて水回収容器６２０に回収した。チューブポンプ２０２及び２０３の供給速度は、５．０ｇ／ｍｉｎとした。一方、分岐管７１２で分離された水素を含む気体は配管１０４、水回収容器６２１、配管１１８を通じて外部に排出される。水回収容器６２１には、配管１０４から排出された水素を含む気体中の水分が回収される。
【０１２０】
上記水素発生材料収容容器６０３への水６０２の供給を開始してから２．５時間後に、ポンプ２０１を止め、水素発生を終了させた。
【０１２１】
水素発生を行っている間、圧力センサ６０５によって配管１０３内の圧力をモニタリングしたところ、上記２．５時間の試験中の配管１０３内における圧力に対する標準偏差は、４．３であり、最大値及び最小値は、それぞれ３３ｋＰａ及び０ｋＰａであった。また、水回収容器６２０及び水回収容器６２１に収容されている水の合計量に対する、水回収容器６２０に回収された水の重量割合は、９５％であった。
【０１２２】
以上のことから、管内の圧力変動がある場合においても、分岐管７１２による気液分離の効果を確認できた。従って、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管は、導入流路と排気流路の成す角が鋭角である分岐管７０１を複数個使用すると、排液流路を重力方向に配置するか否かに係わらず、気液分離効率を向上できると考えられた。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明の気液分離装置は、長期に亘る使用においても効率よく気液分離できる装置として様々な分野で利用可能である。本発明の水素製造装置は、例えば、燃料電池用の燃料源として利用可能である。本発明の水素製造装置を用いた燃料電池システムは、特にポータブル電源に適している。
【符号の説明】
【０１２４】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９ 配管
１２０ 乾燥剤
２０１、２０２、２０３、２０４ ポンプ
３０１、３０２、３０３ 三方形弁
３１０ パージバルブ
４００ 圧力センサ
５００ 燃料電池
５０１ 送風ファン
５１０ 電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
５１１ 正極拡散層
５１２ 正極触媒層
５１３ 固体電解質膜
５１４ 負極触媒層
５１５ 負極拡散層
５２０ 正極パネルプレート
５２１ 負極パネルプレート
５２２ 正極絶縁プレート
５２３ 負極絶縁プレート
５２４ 正極集電プレート
５２６ 負極集電プレート
５２９ 燃料タンク部
５３１ 負極開口部
５３２ ボルト
５３３ ナット
５２８ａ、５２８ｂ シール部
６００ 水素供給源
６０１ 水収容容器
６０２ 水
６０３ 水素発生材料収容容器
６０４ 水素発生材料
６０５ 圧力センサ
６１０ 水素ボンベ
６１１ マスフローコントローラ
６１２ マスフローメータ
６２０、６２１ 水回収容器
７００ 気液分離装置
７０１、７１１、７１２、７１３ 分岐管
７０２ ベンド管
７０３ 導入管
８００ 水素消費装置
８１０ 電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
８１１ 正極拡散層
８１２ 正極触媒層
８１３ 固体高分子電解質膜
８１４ 負極触媒層
８１５ 負極拡散層
８２１ａ 空気孔
８２２ａ 水素導入孔
８２１ 正極集電板
８２２ 負極集電板
８２３ シール材
８２４ タンク部（水素タンク部）
８２５ 正極リード線
８２６ 負極リード線
８２７ 抵抗
８２８ スイッチ
８２９ ボルト
８３０ ナット
９０１ 逆止弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液混合流体を気体と液体に分離する気液分離装置、並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌｌ Ｃｅｌｌ）は、室温から１００℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。
【０００３】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、電解質膜層としての水素イオン伝導性高分子電解質膜と、その両面に配された触媒層と、さらにその両面に配されたガス拡散層とからなる多孔質の電極基材で構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）とを有している。
【０００４】
固体高分子型燃料電池に用いる水素を製造する方法としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛などの水素発生物質を含む水素発生材料と水とを化学反応させて水素を発生させる方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
特許文献1には、水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器に水を供給し、水素発生材料収容容器において水素発生材料と水とを反応させて水素を発生させ、発生した水素を水素発生材料収容容器に設けられた水素排出管を通じて燃料電池に供給する水素製造装置が記載されている。ところが、水素発生材料と水との反応の際には、未反応の水や水蒸気が水素と共に水素排出管から排出されてしまうことがある。そのため、特許文献１では、水素排出管の途中に、水蒸気を冷却して水にするための冷却部と、水と水素との気液混合流体を水（液体）と水素（気体）に分離する気液分離部とを設け、水素排出管の排出口からは水素を排出し、気液分離部で分離した水は水素発生材料に供給する水として回収する。
【０００６】
しかし、特許文献１では、気液分離部にて気液混合流体を気体と液体に分離する際に、気液の重力差を利用しているため、燃料電池本体を傾けた状態や微小重力状態での効率的な気液分離は難しい。
【０００７】
この問題を解決する技術として、例えば、二方向分岐管を通過させて気泡を含む液体から気体を分離する方法が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１０５９２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０４９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２では、分岐管の内壁の半分が濡れ性に差が得られる物質を用いて形成され、この分岐管の内壁の濡れ性の差を利用することで効果的に気液分離する手法が提案されている。しかし、特許文献２に記載の方法では、水素発生材料と水とを化学反応させて水素を発生させる場合、水素発生材料由来の液体が配管内に蓄積し、特に長期間の使用においては、分岐管内部の濡れ性の差が低下し、気液分離効率が低下する可能性がある。また、特許文献２には、分岐管で分離した液体を回収することについて記載されていない。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、長期に亘る使用においても高効率で気液分離が可能な気液分離装置並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の気液分離装置は、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管と、前記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部と、を備え、前記分岐管は、前記気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを含み、前記排気流路は、前記気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に向けて前記導入流路に連結されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、上記本発明の気液分離装置を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、気液の慣性力差を用いて気液分離を行うため、長期に亘る使用においても効率よく気液分離できる気液分離装置、並びにこれを用いた水素製造装置及び燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の他の例を示す概略図である。
【図３】本発明の水素製造装置の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の水素製造装置における他の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図６】本発明の燃料電池システムに用い得る燃料電池の一例を示す断面概略図である。
【図７】本発明の燃料電池システムに用い得る水素消費装置の一例を示す一部断面概略図である。
【図８】気液分離効率を調べるための気液分離装置の構成を示す概略図である。
【図９】実施例１の気液分離装置の構成を示す概略図である。
【図１０】分岐管の分岐角と水回収率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の気液分離装置は、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管と、上記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部と、を備え、上記分岐管は、上記気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを有し、上記排気流路は、上記気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に向けて上記導入流路に連結されていることを特徴とする。これにより、気液の慣性力差を用いて気液分離するため、長期に亘る使用においても効率よく気液分離できる。また、液体回収部を備えることで、分岐管で分離された液体の再利用が可能となる。
【００１７】
本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、上記本発明の気液分離装置を備えることを特徴とする。これにより、水素製造装置から排出される水素を含む気体中に含まれる液体成分量を減少できる。そのため、本発明の水素製造装置は、燃料電池用の燃料源として利用できる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素製造装置と、上記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを備えることを特徴とする。これにより、水と、水素を含む気体との気液混合流体が供給されることによる燃料電池の出力低下などの不具合の発生を防止できる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管について説明する。図１は、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の一例を示す概略図である。
【００２１】
本実施形態の分岐管７０１は、図１に示すように、気液混合流体が導入される導入流路Ｘｉｎと、気体を排出する排気流路Ｘｅｘ2と、液体を排出する排液流路Ｘｅｘ1とを有する二方向分岐管である。排気流路Ｘｅｘ2は、気液混合流体の導入方向に対して鋭角でかつ逆方向に向けて上記導入流路Ｘｉｎに連結されている。
【００２２】
分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎと排気流路Ｘｅｘ2との成す角度θ（以下、分岐角θと呼ぶ）は、２０°以上９０°未満の範囲であることが好ましく、より好ましくは、３０°以上７０°以下であることが望ましい。分岐角θは、２０°未満になると排気流路Ｘｅｘ2方向への気体の分離が難しく、９０°以上になると排気流路Ｘｅｘ2方向に液体が混入しやすくなるからである。
【００２３】
分岐管７０１の形状としては、導入流路と排液流路とが屈曲している形状や、導入流路と排液流路とが直線を形成するように連結されている形状などが挙げられる。液体をスムーズに流すためには、図１に示すように、導入流路と排液流路とが直線を形成するように連結されている形状が望ましい。
【００２４】
本実施形態の分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎに気液混合流体が導入されると、気液混合流体中の液体は排液流路Ｘｅｘ1の方向に排出され、上記気液混合流体中の気体は排気流路Ｘｅｘ2の方向に排出される。例えば、気液混合流体が、水と水素を含むものである場合、水は排液流路Ｘｅｘ1方向に排出され、水素は排気流路Ｘｅｘ2方向に排出される。これは、気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差を利用することで、上記気液混合流体を、水と水素に分離できたと考えられる。
【００２５】
（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管について説明する。図２は、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管の一例を示す概略図である。図２において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
本実施形態の分岐管７１１は、図２に示すように、分岐管７０１を複数（ここでは３個）連結して備え、隣接する一方の分岐管７０１の排気流路と、他方の分岐管７０１の導入流路とを、Ｕ字型継ぎ手（以下、ベンド管という。）を用いて連結したものである。より詳細に説明すると、第１の分岐管７０１（図２において上方に位置する）は、排気流路Ｘｅｘ2が図２において下方側になるように配置され、第２の分岐管７０１（図２において下方に位置する）は、排気流路Ｘｅｘ3が図２において上方側になるように配置され、第３の分岐管７０１（図２において真ん中に位置する）は、排気流路Ｘｅｘ4が図２において下方側になるように配置されている。そして、第１の分岐管７０１の排気流路Ｘｅｘ2と第２の分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎは、ベンド管７０２によって連結され、第２の分岐管７０１の排気流路Ｘｅｘ3と第３の分岐管７０１の導入流路Ｘｉｎも、ベンド管７０２によって連結されている。ここで、分岐管７０１同士をベンド管７０２を用いて連結する理由は、ベンド管７０２の湾曲部を通過する際に気液混合流体中の気泡成分を偏在させ、気体と液体とが分離されやすい状態とし、液体が遠心力の作用で配管の外側に偏在させることができるからである。これにより、気液分離効率を高めることができる。
【００２７】
本実施形態の分岐管７１１の導入流路Ｘｉｎに気液混合流体が導入されると、上記気液混合流体は３個の分岐管７０１を経て、液体と気体に分離される。具体的に説明すると、気液混合流体は、第１の分岐管７０１を通過することにより、気液混合流体中の液体は排液流路Ｘｅｘ1方向に排出される。しかし、第１の分岐管７０１で気体と液体に完全に分離できない可能性がある。この場合、排液流路Ｘｅｘ1方向に排出されなかった液体は気体と共に排気流路Ｘｅｘ2方向に排出され、第１のベンド管７０２を経て第２の分岐管７０１へと輸送される。そして、第２の分岐管７０１によって、液体は排液流路Ｘｅｘ1-2方向に排出され、気体は排気流路Ｘｅｘ3方向に排出される。しかし、第２の分岐管７０１によっても気体と液体に完全に分離できない場合には、排液流路Ｘｅｘ1-2方向に排出されなかった液体は気体と共に排気流路Ｘｅｘ3方向に排出され、第２のベンド管７０２を経て第３の分岐管７０１へと輸送される。そして、第３の分岐管７０１によって、液体は排液流路Ｘｅｘ1-3方向に排出され、気体は排気流路Ｘｅｘ4方向に排出される。このように、気液混合流体中の液体を３個の分岐管７０１を用いて分離することで、排気流路Ｘｅｘ4方向に排出される気体中の液体成分量を減少させることができる。これにより、気液分離効率を向上できる。
【００２８】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の気液分離装置を含む水素製造装置について説明する。図３は、本発明の水素製造装置の一例を示す概略図である。図３において、図２と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
本実施形態の水素製造装置は、図３に示すように、水との反応により水素を発生する水素発生材料６０４を収容する水素発生材料収容容器６０３と、気液分離装置７００とを備えている。
【００３０】
ここで、本発明の水素製造装置が気液分離装置７００を備える理由について説明する。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水とが反応して水素が発生し、発生した水素は、水素発生材料収容容器６０３に設けられた水素排出路（図３では、配管１０３及び配管１０４）から排出され、例えば燃料電池に供給される。ところが、水素発生材料６０４と反応しなかった水や水蒸気が水素と共に水素排出路から排出される場合がある。水や水蒸気が燃料電池に供給されると、燃料電池の出力低下などの不具合が生じる。このような不具合の発生を防止するため、本発明の水素製造装置では、水素排出路の途中（図３では、配管１０３と配管１０４との間）に気液分離装置７００を設けることで、水素排出路内に混入した水や水蒸気を分離（除去）する。
【００３１】
上記気液分離装置７００は、気液混合流体を気体と液体に分離する分岐管７１２と、水６０２を収容する水収容容器６０１と、分岐管７１２と水収容容器６０１とを連結する配管１１３の途中に設置された逆止弁９０１と、水収容容器６０１内の水６０２を水素発生材料収容容器６０３に輸送する輸送部としての例えばポンプ２０１とを備えている。
【００３２】
上記分岐管７１２は、導入管７０３と２個の分岐管７０１とを有し、それらの間をそれぞれベンド管７０２を用いて連結したものである。より詳細に説明すると、導入管７０３と第１の分岐管７０１の導入流路は、ベンド管７０２で連結され、第１の分岐管７０１の排気流路と第２の分岐管７０１の導入流路も、ベンド管７０２で連結されている。第１及び第２の分岐管７０１の排液流路は、配管１１３に連結されている。第２の分岐管７０１の排気流路は配管１０４に連結されている。
【００３３】
分岐管７０１及びベンド管７０２としては、耐熱性及び耐腐食性に優れたものであれば、その材質や形状及び異種材質の張り合わせなど特に限定はされないが、水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。ベンド管７０２の曲率半径Ｒは、５ｍｍ以上であれば特に制限されないが、好ましくは２０ｍｍ以下であることが望ましい。ベンド管７０２の曲率半径Ｒが２０ｍｍより大きい場合、分岐管自体の大きさが大きくなってしまい、装置全体を小型化できない。一方、ベンド管７０２の曲率半径Ｒが５ｍｍより小さい場合、遠心力の作用で配管の外側に偏在させる効果が乏しくなる虞がある。
【００３４】
水収容容器６０１は、上記分岐管７１２を構成する各分岐管７０１の排液流路に逆止弁９０１を介して配管１１３で連結されている。これにより、分岐管７１２で分離された液体（ここでは、水）は水素製造用の水として水収容容器６０１に回収できるため、水の効率的な利用が可能であり、また、水収容容器６０１内の水６０２が分岐管７１２側に逆流するのを逆止弁９０１により防止でき、方向自在性を確保できる。さらに、分岐管７１２で分離された液体を回収するための液体回収容器を別途設ける必要がないため、装置全体をコンパクト化できる。
【００３５】
逆止弁９０１としては、気密性を有するものであって一方向の通気孔機能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、平行移動する弁体を有するリフト型逆止弁、蝶番運動をする弁体を有するスイング型逆止弁、球状の弁体を有するボール弁などの方向逆止弁を用いることができる。その他、減圧弁、安全弁、逃がし弁（チェックバルブ）などの圧力制御弁なども好適に用いることができる。また、上記例示の弁を電気的に駆動可能な電磁弁とすれば、電気的に制御することもできる。
【００３６】
逆止弁９０１における開放開始作動圧力の好適値は、燃料電池システムの大きさなどによって変動し得るが、例えば、ゲージ圧で０．５ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００３７】
逆止弁９０１の材料としては、気密性と耐腐食性とを有するものであれば特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタールなどの樹脂が挙げられる。
【００３８】
水収容容器６０１については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００３９】
水素発生材料収容容器６０３は、水素を発生させる水素発生材料６０４を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水の供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００４０】
水素発生材料収容容器６０３及び水収容容器６０１は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生材料収容容器６０３内の水素発生材料６０４が消費されつくしたり、水収容容器６０１内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生材料６０４が充填された水素発生材料収容容器６０３や水が充填された水収容容器６０１を新たに取り付けることで、再び水素を製造することができる。
【００４１】
水収容容器６０１に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生材料６０４との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００４２】
水素発生材料収容容器６０３に収容される水素発生材料６０４としては、水と反応して水素を発生させる水素発生物質を含むものであれば特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得る水素発生物質を含むことが望ましい。
【００４３】
水素発生物質としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の一種以上の元素を主体とする合金、さらには、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムといった金属水素化物などが好適に使用できる。上記合金を用いる場合、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。主体とは、合金全体に対して５０質量%以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味する。なお、水素発生物質としては、上記例示のものを１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用しても良い。
【００４４】
水素発生材料６０４は、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）をさらに含むことが好ましい。この場合、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、上記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。水と反応して発熱する発熱物質としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などが挙げられる。
【００４５】
次に、本実施形態の水素製造装置の動作について図３を用いて説明する。
【００４６】
水収容容器６０１に収容されている水６０２は、ポンプ２０１により輸送され、配管１０１及び配管１０２を通じて水素発生材料収容容器６０３内に供給される。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水６０２とが反応して水素が発生し、水素は配管１０３に排出される。上記水素と共に水蒸気が配管１０３に排出された場合、水蒸気は配管１０３内で冷却されて水となる。そして、水と水素との気液混合流体が分岐管７１２に導入される。分岐管７１２では、液体と気体との二相間の密度差に基づいた慣性力の差を利用することによって、気液混合流体は、水素を含む気体と、水とに分離される。分離された水素を含む気体は、配管１０４を通じて燃料電池などに供給される。一方、分離された水は、配管１１３を通じて水収容容器６０１で回収され、その後、水素発生材料収容容器６０３に供給される水６０２として再利用されることになる。
【００４７】
このように本実施形態の水素製造装置によれば、水素排出路の途中に分岐管７１２を設けることで、配管１０４から排出される水素を含む気体中の液体成分量を削減できる。また、水素製造用の水を収容している水収容器６０１を液体回収容器として利用することで、分岐管７１２で分離された水を回収するための水回収容器を別途備える必要がなく、水素製造装置全体をコンパクトにすることができる。また、分岐管７１２によって分離された水を水素製造用の水として再利用でき、水の利用率を高めることができる。
【００４８】
ところで、本実施形態では、逆止弁９０１を設けた水素製造装置について説明したが、逆止弁９０１に代えて、図４に示すように、ポンプ２０２を設けても良い。この場合、分岐管７１２で分離された水を、分岐管７１２側に逆流するのを防止しながら水収容容器６０１へと輸送して水収容容器６０１で回収できるため、排液流路を重力方向に配置させなくても、つまり、排液流路から排出される液体の流動方向が重力方向とは逆向きであっても気液分離が可能となり、優れた方向自在性が得られる。また、分岐管７１２側に存在する気体が水収容容器６０１側に漏れることも防止できる。ポンプとしては、逆流防止機能付きであれば特に限定されないが、特に、逆流防止機能付きの容積式ポンプ（チューブポンプ）を好適に用いることができる。
【００４９】
図４では、２個の分岐管７０１の各排液流路に排出された液体を１個のポンプ２０２によって水収容容器６０１に輸送する様子を示しているが、２個の分岐管７０１の各排出流路にそれぞれポンプ２０２を設け、各分岐管７０１で分離された水を水収容容器６０１に輸送するようにしても良い（図示せず）。この場合、水回収効率を向上できる。
【００５０】
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の燃料電池システムについて説明する。図５は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。図５において、図４と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システムは、図５に示すように、気液分離装置７００、水素発生材料６０４を収容する水素発生材料収容容器６０３、燃料電池５００、及び送風ファン５０１を備えている。また、この燃料電池システムは、燃料電池５００内のガスを燃料電池５００外に排出するための排気手段として、圧力センサ４００、パージバルブ３１０及び水素消費装置８００をさらに備えている。
【００５２】
気液分離装置７００は、図４に示した構成に加え、上記排気手段によって燃料電池５００から排気されたガス中に含まれる水分を分離するための分岐管７１３を備える。この分岐管７１３は、分岐管７１２と同一の構成である。分岐管７１３を構成する各分岐管７０１の排液流路は配管１０８に連結され、配管１０８は配管１１３に連結されている。
【００５３】
燃料電池５００は、電気的に直列に接続された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）（図示しない）を有し、水素を燃料源として発電する。なお、燃料電池５００の詳細な構成については後で述べる。
【００５４】
送風ファン５０１は、燃料電池５００の正極への空気の供給、水素消費装置８００への空気の供給、及び燃料電池５００の冷却のためのものである。図５において、送風ファン５０１から上方向に向かう矢印は、送風ファン５０１から排出される空気の流れの方向を示している。本発明の燃料電池システムにおいて、送風ファン５０１は必須の構成要素ではないが、燃料電池システムは送風ファン５０１を有していることが好ましい。
【００５５】
圧力センサ４００は、燃料電池５００の負極側の圧力（ここでは、燃料ガス供給路である配管１０６内の圧力）を測定し、測定値に基づいてパージバルブ３１０の開閉動作を制御する。これにより、燃料電池５００内の圧力を所定値以下に保ちながら、燃料電池を適性に発電させることができるため、燃料電池内の圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを防止できる。さらに、燃料電池の出力状態と圧力変動とを考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。
【００５６】
圧力センサ４００の設置位置は、燃料電池５００内の圧力を検出できれば特に限定されないが、燃料電池の圧力変動をすぐに察知するためには、図５に示すように、燃料電池の燃料入力側の配管１０６に設置するのが望ましい。
【００５７】
圧力センサ４００によるパージバルブ３１０の開閉動作の制御は、燃料電池５００内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が５〜３００ｋＰａに達した段階で行うことが望ましい。差圧が５ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が３００ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。
【００５８】
水素消費装置８００としては、省スペースでシステム内の水素を消費できるものであれば特に制限されないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。なお、水素消費装置８００の詳細な構成については後で述べる。
【００５９】
次に、燃料電池５００の詳細な構成について図６を用いて説明する。図６は、本発明の燃料電池システムに用い得る燃料電池５００の一例を示す断面概略図である。なお、図６においては、３つのＭＥＡ５１０が組み合わさって一つの燃料電池５００を構成している状態を示しているが、これは一例であり、一単位としての燃料電池におけるＭＥＡの数は３つに限定されず、また、複数のＭＥＡから構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池とすることもできる。
【００６０】
図６において、燃料電池５００は、正極拡散層５１１及び正極触媒層５１２からなる正極と、固体高分子電解質膜５１３と、負極拡散層５１５及び負極触媒層５１４からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ５１０を３個有する。ここでは、３個のＭＥＡ５１０は平面状に配置されている。
【００６１】
各ＭＥＡ５１０の正極側には、正極集電プレート５２４、正極絶縁プレート５２２及び正極パネルプレート５２０が順次配置されている。また、各ＭＥＡ５１０の負極側には、負極集電プレート５２６、負極絶縁プレート５２３及び負極パネルプレート５２１が順次配置されている。そして、全てのＭＥＡ５１０が、正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１とに挟持されて一体化している。また、図６では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ５１０同士は、正極集電プレート５２４と負極集電プレート５２６との電気的接続によって、直列に接続されている。
【００６２】
正極集電プレート５２４、正極絶縁プレート５２２及び正極パネルプレート５２０には、燃料電池５００外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５２４の酸素導入孔、正極絶縁プレート５２２の酸素導入孔及び正極パネルプレート５２０の酸素導入孔により、正極パネルプレート５２０の外表面からＭＥＡ５１０の正極拡散層５１１にまで到達する複数の正極開口部５３０が形成され、これら正極開口部５３０から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層５１１に供給される。
【００６３】
負極集電プレート５２６、負極絶縁プレート５２３及び負極パネルプレート５２１には、燃料タンク部５２９内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート５２６の燃料導入孔、負極絶縁プレート５２３の燃料導入孔及び負極パネルプレート５２１の燃料導入孔により、負極パネルプレート５２１の燃料タンク部５２９側表面からＭＥＡ５１０の負極拡散層５１５にまで到達する複数の負極開口部５３１が形成され、これら負極開口部５３１から、燃料タンク部５２９内の燃料（水素）が負極拡散層５１５に供給される。
【００６４】
正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１（更には燃料タンク部５２９）は、ボルト５３２とナット５３３によって固定されている。図６中、５２８ａ及び５２８ｂはシール部である。
【００６５】
正極拡散層５１１及び負極拡散層５１５は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層５１１や負極拡散層５１５の触媒層側には、更なる撥水性向上及び触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子など］を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００６６】
正極触媒層５１２は、正極拡散層５１１を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有する。正極触媒層５１２は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有する。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００６７】
正極触媒層５１２で用いられる触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００６８】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ2／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。炭素粉末と触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００６９】
正極触媒層５１２に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００７０】
正極触媒層５１２におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７１】
正極触媒層５１２に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体及びエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
【００７２】
正極触媒層５１２におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７３】
負極触媒層５１４は、負極拡散層５１５を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層５１４は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【００７４】
負極触媒層５１４に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層５１２に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層５１４に係る上記炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダについても、正極触媒層５１２に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
【００７５】
固体高分子電解質膜５１３は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜５１３を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜５１３の材料として用いることができる。
【００７６】
なお、図６では示していないが、燃料電池の有するＭＥＡは、正極と負極とを、例えば、抵抗及びスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように形成されていることが好ましい。この場合、燃料電池による発電の終了時に、上記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素を消費できる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制できる。
【００７７】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、上記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池システムに係る燃料電池の停止後、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００７８】
次に、水素消費装置８００の詳細な構成について図７を用いて説明する。図７は、本発明の燃料電池システムに用い得る水素消費装置８００の一例を示す一部断面概略図である。
【００７９】
図７において、水素消費装置８００は、正極と負極とを導通可能にしたＭＥＡ８１０を有する。ＭＥＡ８１０は、酸素を還元する正極触媒層８１２と、水素を酸化する負極触媒層８１４とを有しており、更に、正極触媒層８１２と負極触媒層８１４との間に固体高分子電解質膜８１３を備えている。正極触媒層８１２の固体高分子電解質膜８１３側とは反対側の面には正極拡散層８１１が積層され、負極触媒層８１４の固体高分子電解質膜８１３側とは反対側の面には負極拡散層８１５が積層されている。これら各層の材料は、図６で説明した燃料電池５００に係るＭＥＡ５１０と同様の材料を使用できる。
【００８０】
また、ＭＥＡ８１０は、正極拡散層８１１の上部に配置された正極集電板８２１と、負極拡散層８１５の下部に配置された負極集電板８２２とで挟持されており、正極集電板８２１と負極集電板８２２とは、例えばボルト８２９とナット８３０により固定されている。図７中、８２３はシリコンゴムなどからなるシール材であり、８２４はタンク部（水素タンク部）である。タンク部８２４には、水素消費装置８００によって水素を除去した残りのガスをシステム外に排出するための配管１１１、及び水素を含むガスを水素消費装置８００に導入するための配管１１０が接続されている。
【００８１】
正極集電板８２１及び負極集電板８２２としては、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成される。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
【００８２】
正極集電板８２１には複数の空気孔８２１ａが形成されており、これら空気孔８２１ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ８１１の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板８２２には複数の水素導入孔８２２ａが形成されており、これら水素導入孔８２２ａを通じて配管１１０からタンク部８２４へ導入された水素を含むガスがＭＥＡ８１０の負極に供給される。
【００８３】
正極集電板８２１の端部には正極リード線８２５が、負極集電板８２２の端部には負極リード線８２６が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線８２５、８２６は、抵抗８２７及びスイッチ８２８を介して接続されている。そして、水素消費装置８００によってガス中の水素を消費する必要が生じた場合に、スイッチ８２８を入れ、ＭＥＡ８１０の正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池５００内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池５００による発電の終了時に、水素供給源から燃料電池５００内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。
【００８４】
なお、図７に示す水素消費装置８００では、ＭＥＡ８１０の正極と負極とを、抵抗８２７を介して接続しているが、かかる抵抗８２７としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、ＭＥＡ８１０の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗８２７を用いなくても、このような時間でＭＥＡ８１０の正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡ８１０の正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００８５】
なお、水素消費装置は、上記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化した構成とすることもできる（図５には、燃料電池５００と水素消費装置８００とが一体となった構成を示している。）。このような構成とすることで、燃料電池システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、かつ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。
【００８６】
水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、上記触媒を含有するフィルタ、筒状などの外装体に上記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。
【００８７】
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００８８】
水収容容器６０１に収容されている水６０２は、ポンプ２０１によって輸送され、配管１０１及び配管１０２を通じて水素発生材料収容容器６０３に供給される。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水６０２とが反応し、水素が発生する。発生した水素は、配管１０３、配管１０４、配管１０５及び配管１０６を通じて燃料電池５００へ供給される。また、上記水素とともに水や水蒸気などの水分が配管１０３に排出された場合、水蒸気は配管１０３内で冷却されて水となる。配管１０３を流れる水は、分岐管７１２により水素と分離され、ポンプ２０２によって輸送され、配管１１３を通じて水収容容器６０１で回収される。分岐管７１２で分離された水は水素製造用の水として再利用でき、水の利用効率を高めることができる。
【００８９】
燃料電池５００は配管１０４から排出された水素を用いて発電するが、燃料電池５００の発電に伴い、燃料電池５００の負極側にガス（発電に関与しなかった残留水素、及び発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）や生成水が蓄積し、燃料電池５００内、及び配管１０６内の圧力が上昇する。そこで、本実施形態では、圧力センサ４００によって配管１０６内の圧力を測定し、配管１０６内の圧力がある程度高まった時点で、パージバルブ３１０を開くように制御する。パージバルブ３１０が開くと、燃料電池５００内に蓄積しているガスや水は、気液混合流体として配管１０７に排出される。このように、パージバルブ３１０の開閉動作によって、燃料電池５００内のガスや生成水を間欠的に燃料電池５００外に排出できる。
【００９０】
燃料電池５００内から配管１０７に排出された気液混合流体は、分岐管７１３によって、水と、水素を含むガスに分離される。分離された水は、ポンプ２０２によって輸送され、配管１０８及び配管１１３を通じて水収容容器６０１で回収される。本実施形態では、水収容容器６０１が液体回収容器を兼ねており、燃料電池５００から排出された水は水素製造用の水として再利用できる。
【００９１】
一方、分岐管７１３によって分離された水素を含むガスは、配管１１０を通じて水素消費装置８００に導入され、水素消費装置８００によりガス中の水素が消費（除去）される。上述したように、本実施形態では、燃料電池５００から排出された気液混合流体中の水を除去した上で、水素を含むガスを水素消費装置８００に供給できるため、水素消費装置８００内で生成水が溜まることによる水素消費効率の低下を抑制でき、より効率良く水素を除去できる。
【００９２】
水素消費装置８００に連結されている配管１１１は外気に接しているため、水素消費装置８００によって水素が除去されたガスは、配管１１１を通じてシステム外に排出される。なお、図５では、配管１１１の排出口部分が送風ファン５０１からの送風が当たるように配置されているため、水素消費装置８００で消費できなかった水素が排出ガス中に含まれていたとしても、送風ファン５０１からの送風によって希釈されつつシステム外に排出される。
【００９３】
ところで、一般には、燃料電池の発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気が、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、燃料電池の劣化が生じる。この劣化の原因は定かではないが、燃料電池の電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正極及び負極の炭素や触媒（詳しくは後述する）が酸化するためではないかと推測される。そのため、燃料電池システムは、燃料電池の発電の終了時に燃料電池内への水素の侵入を防止可能な構成や、燃料電池の発電の終了時に燃料電池内に残留する水素を除去可能な構成を有することが好ましい。
【００９４】
そこで、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の発電終了時に燃料電池内への水素の侵入を防止するために、水素発生材料収容容器６０３で発生した水素を燃料電池５００へ導入するための配管１０４と配管１０５との間に三方形弁３０２を設けて、配管１０４を三方形弁３０２を介して配管１０９とも接続させ、この配管１０９を配管１０７に接続させている。燃料電池５００の発電終了時には、三方形弁３０２を作動させ、水素発生材料収容容器６０３で発生した水素を、配管１０９、配管１０７、分岐管７１３、及び配管１１０を通じて水素消費装置８００に供給する。これにより、水素発生材料収容容器６０３で発生した水素の燃料電池５００への侵入を防止しつつ、その水素を水素消費装置８００で消費できる。また、燃料電池５００内への水素の侵入を防止できるため、水素による燃料電池５００の劣化を大幅に抑制することができる。
【００９５】
また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の発電終了時に燃料電池内に残留する水素を除去するために、水収容容器６０１と水素発生材料収容容器６０３とを接続する配管１０１と配管１０２との間に三方形弁３０１を設けて、配管１０１を三方形弁３０１を介して配管１１２とも接続させるとともに、配管１０５と配管１０６との間に三方形弁３０３を設けて、配管１１２を三方形弁３０３を介して配管１０６と接続させている。燃料電池５００の発電終了時には、三方形弁３０１及び三方形弁３０３を作動させるとともにパージバルブ３１０を閉じ、水収容容器６０１内の水６０２を配管１０１、配管１１２及び配管１０６を通じて、燃料電池５００内に供給する。これにより、燃料電池５００内は水で満たされる。ところで、一般的な固体高分子形燃料電池では、長時間停止していると固体高分子電解質膜が乾燥するため、発電開始時に発電による自己湿潤が必要となり、出力の立ち上がりに時間を要するようになる。しかしながら、本実施形態の燃料電池システムでは、上述したように、燃料電池５００による発電の終了時に、燃料電池５００内を水で満たすことができるため、固体高分子電解質膜の乾燥を防いで、再起動時に初期から高い出力を発揮することが可能となる。また、燃料電池５００の発電終了時に燃料電池５００内に供給する水を水収容容器６０１から供給するようにしているため、水収容容器などを別途備える必要がなく、システム全体をコンパクト化できる。
【００９６】
ただし、燃料電池内が水で満たされている状態で燃料電池システムを起動させた場合、水素発生材料収容容器６０３内で発生した水素が、水で充填された燃料電池５００内に供給されることで燃料電池５００内で大きな圧力変動が生じ、ＭＥＡの破損の原因ともなるため、燃料電池システムの起動前に燃料電池５００内の水を除去する必要がある。燃料電池５００内の水を除去する方法としては、例えば、ポンプ２０１を一定時間逆転させるなどして燃料電池５００内の水を水収容容器６０１に戻すことで対応可能である。
【実施例】
【００９７】
ここでは、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、その前に、分岐管の気液分離効率について検討した。
【００９８】
（分岐管の気液分離効率）
まず、図１の分岐管７０１を用い、図８に示す気液分離装置を組み立てた。このとき、分岐管７０１の分岐角θを９０°とし、分岐管７０１の排気流路を重力方向とは逆方向（図８において気体が上側に排出される方向）に配置した。なお、水収容容器６２０には、水の回収に伴い容器内の内圧が上昇するのを防止するため、内圧調整用の配管１１６を設けた。また、水収容容器６０１には、水の排出に伴い容器内の内圧が減少するのを防止するため、内圧調整用の配管１１９を設けた。
【００９９】
そして、水収容容器６０１から分岐管７０１の導入流路の直前までの配管内に水を満たした後、下記の操作を行った。
【０１００】
水素ボンベ６１０に収容されている水素を配管１１４内に供給した。このとき、水素ボンベ６１０をデジタルマスフローコントローラ６１１で制御し、水素供給速度を６００ｍｌ／ｍｉｎとした。これと同時に、水収容容器６０１に収容されている水６０２を、ポンプ２０３によって配管１１４内に供給した。このときの水供給速度を５.０ｇ／ｍｉｎとし、水供給時間を２分間とした。
【０１０１】
上記操作により、配管１１４内には水と水素との気液混合流体が流れる。この気液混合流体は、分岐管７０１によって水と水素に分離される。分岐管７０１によって分離された水は、ポンプ２０４によって配管１１５を通じて水回収容器６２０で回収した。このとき、ポンプ２０４による水の輸送速度は、ポンプ２０３による水供給速度と同じ速度とした。
【０１０２】
一方、分岐管７０１によって分離された水素は、配管１１７、水回収容器６２１を通じて配管１１８から排出した。このとき、水素と共に配管１１７に排出された水は水回収容器６２１に回収した。
【０１０３】
そして、ポンプ２０３による水収容容器６０１から配管１１４への水６０２の供給量と、水回収容器６２０で回収された水６０２の量とから、排液側の水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１０４】
また、上記分岐角θが９０°である分岐管７０１に代えて、分岐角θが６０°、３０°、２０°である各分岐管７０１を用いて図８に示す気液分離装置をそれぞれ組み立てた。そして、上記の操作を行い、排液側の水回収率を求めた。
【０１０５】
さらに、分岐角θが９０°、６０°、３０°、２０°である上記各分岐管７０１について、排気流路を重力方向（図８において気体が下側に排出される方向）に配置した場合についても同様の操作を行い、排液側の水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１０６】
図１０に、分岐管７０１の角度θ及び排気流路の配置位置と、排液側の水回収率（ｗｔ％）との関係を示した。図１０において、「Ｕｐ」は、分岐管７０１の排気流路を重力方向とは逆方向に配置した場合の排液側の水回収率（ｗｔ％）を示しており、「Ｄｏｗｎ」は、分岐管７０１の排気流路を重力方向に配置した場合の排液側の水回収率（ｗｔ％）を示している。
【０１０７】
図１０に示されるように、分岐管７０１の分岐角θが小さくなるにつれ、排液側の水回収率が向上していることが確認された。排気流路の配置位置については、重力方向とは逆方向に配置した場合の方が水回収率が良いことが確認された。これらの結果から、特に、分岐角θが２０°〜３０°の範囲で、かつ、排気流路は重力方向とは逆方向に配置した場合に水回収率が良い、つまり、気液分離効率が高いことがわかった。
【０１０８】
（２個の分岐管を有する分岐管の気液分離効率）
図８における分岐管７０１を図３に示す分岐管７１２に代えて、図８に示す気液分離装置を組み立てた。分岐管７１２を構成する分岐管７０１の分岐角θは２０°とし、分岐管７０１の排気流路を重力方向とは逆方向に配置した。そして、上述した操作を行い、排液側の水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１０９】
分岐管７０１の排気流路を重力方向に配置した場合についても同様の操作を行い、水回収率（ｗｔ％）を求めた。
【０１１０】
上記結果を表１に示す。なお、分岐角θが２０°の分岐管７０１の結果も同時に示した。
【０１１１】
【表１】
【０１１２】
表１の結果から、分岐管７０１を２個有する分岐管７１２を用いた場合の水回収率（ｗｔ％）は、分岐管７０１の排気流路の配置位置に関係なく、分岐管７０１が１個である場合よりも優れていることが分かった。
【０１１３】
以上の結果を踏まえ、下記実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
【０１１４】
（実施例１）
図９に示すように、気液分離装置７００、水素供給源となる水素発生材料収容容器６０３、排気側の水回収容器６２１を備えた水素製造装置を組み立てた。配管１０３には圧力センサ６０５を設置した。水回収容器６２１に水素を排出可能な配管１１８を設け、配管１１８には、乾燥剤１２０及び水素モニタリング装置としてのデジタルマスフローメータ６１２を設置した。なお、水収容容器６２０には、水の回収に伴い容器内の内圧が上昇するのを防止するため、内圧調整用の配管１１６を設けた。また、水収容容器６０１には、水の排出に伴い容器内の内圧が減少するのを防止するため、内圧調整用の配管１１９を設けた。
【０１１５】
分岐管７１２を構成する２個の分岐管７０１の各分岐角θは２０°とした。排気流路は重力方向とは逆方向に配置した。配管１０１、１０２、１１３及び１１４には、内径１．０ｍｍのＳｉチューブを用い、配管１０３、１０４、１１６、１１８、１１９には、内径３．０ｍｍのＳｉチューブを用いた。
【０１１６】
水収容容器６０１には、水６０２を６００ｇ収容した。水素発生材料収容容器６０３には、内容積１００ｃｍ3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）７２．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）１０．１ｇとを収容した。
【０１１７】
そして、下記の試験を行った。
【０１１８】
まず、水収容容器６０１に収容されている水６０２を、ポンプ２０１を用いて５．０ｇ／ｍｉｎの供給速度で配管１０１及び配管１０２を通じて水素発生材料収容容器６０３に供給した。水素発生材料収容容器６０３内では、水素発生材料６０４と水６０２とが反応して水素が発生し、水素は、配管１０３から排出される。このとき、水素と共に水や水蒸気などの水分も排出された場合、水分は分岐管７１２で分離される。
【０１１９】
分岐管７１２で分離された水分は、ポンプ２０２あるいはポンプ２０３によって輸送され、配管１１３あるいは配管１１４を通じて水回収容器６２０に回収した。チューブポンプ２０２及び２０３の供給速度は、５．０ｇ／ｍｉｎとした。一方、分岐管７１２で分離された水素を含む気体は配管１０４、水回収容器６２１、配管１１８を通じて外部に排出される。水回収容器６２１には、配管１０４から排出された水素を含む気体中の水分が回収される。
【０１２０】
上記水素発生材料収容容器６０３への水６０２の供給を開始してから２．５時間後に、ポンプ２０１を止め、水素発生を終了させた。
【０１２１】
水素発生を行っている間、圧力センサ６０５によって配管１０３内の圧力をモニタリングしたところ、上記２．５時間の試験中の配管１０３内における圧力に対する標準偏差は、４．３であり、最大値及び最小値は、それぞれ３３ｋＰａ及び０ｋＰａであった。また、水回収容器６２０及び水回収容器６２１に収容されている水の合計量に対する、水回収容器６２０に回収された水の重量割合は、９５％であった。
【０１２２】
以上のことから、管内の圧力変動がある場合においても、分岐管７１２による気液分離の効果を確認できた。従って、本発明の気液分離装置に用いられる分岐管は、導入流路と排気流路の成す角が鋭角である分岐管７０１を複数個使用すると、排液流路を重力方向に配置するか否かに係わらず、気液分離効率を向上できると考えられた。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明の気液分離装置は、長期に亘る使用においても効率よく気液分離できる装置として様々な分野で利用可能である。本発明の水素製造装置は、例えば、燃料電池用の燃料源として利用可能である。本発明の水素製造装置を用いた燃料電池システムは、特にポータブル電源に適している。
【符号の説明】
【０１２４】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９ 配管
１２０ 乾燥剤
２０１、２０２、２０３、２０４ ポンプ
３０１、３０２、３０３ 三方形弁
３１０ パージバルブ
４００ 圧力センサ
５００ 燃料電池
５０１ 送風ファン
５１０ 電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
５１１ 正極拡散層
５１２ 正極触媒層
５１３ 固体電解質膜
５１４ 負極触媒層
５１５ 負極拡散層
５２０ 正極パネルプレート
５２１ 負極パネルプレート
５２２ 正極絶縁プレート
５２３ 負極絶縁プレート
５２４ 正極集電プレート
５２６ 負極集電プレート
５２９ 燃料タンク部
５３１ 負極開口部
５３２ ボルト
５３３ ナット
５２８ａ、５２８ｂ シール部
６００ 水素供給源
６０１ 水収容容器
６０２ 水
６０３ 水素発生材料収容容器
６０４ 水素発生材料
６０５ 圧力センサ
６１０ 水素ボンベ
６１１ マスフローコントローラ
６１２ マスフローメータ
６２０、６２１ 水回収容器
７００ 気液分離装置
７０１、７１１、７１２、７１３ 分岐管
７０２ ベンド管
７０３ 導入管
８００ 水素消費装置
８１０ 電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
８１１ 正極拡散層
８１２ 正極触媒層
８１３ 固体高分子電解質膜
８１４ 負極触媒層
８１５ 負極拡散層
８２１ａ 空気孔
８２２ａ 水素導入孔
８２１ 正極集電板
８２２ 負極集電板
８２３ シール材
８２４ タンク部（水素タンク部）
８２５ 正極リード線
８２６ 負極リード線
８２７ 抵抗
８２８ スイッチ
８２９ ボルト
８３０ ナット
９０１ 逆止弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管と、
前記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部と、を備え、
前記分岐管は、前記気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを含み、
前記排気流路は、前記気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に向けて前記導入流路に連結されていることを特徴とする気液分離装置。
【請求項２】
前記液体回収部は、前記分岐管の排液流路から排出される液体を回収する液体回収容器と、前記分岐管の排液流路と前記液体回収容器との間に配置され、前記分岐管の排液流路から排出された液体の逆流を防ぐための逆止弁とを含む請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項３】
前記液体回収部は、前記分岐管の排液流路から排出される液体を回収する液体回収容器と、前記分岐管の排液流路と前記液体回収容器との間に配置され、前記分岐管の排液流路から排出された液体が逆流しないように前記液体回収容器に輸送するポンプとを含む請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項４】
前記分岐管を複数連結して含み、隣接する一方の分岐管の排気流路と、他方の分岐管の導入流路とが、Ｕ字型継ぎ手を介して連結されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項５】
前記分岐管の前記導入流路と前記排気流路との成す角度は２０°以上９０°未満である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項６】
水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の気液分離装置を含むことを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
前記気液分離装置の前記液体回収部によって回収した液体を、前記水素発生材料に供給する水として利用する請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
気体と液体の二相間の密度差に基づいた慣性力の差によって、水素を含む気体と、液体とを含む気液混合流体を液体と気体に分離して排出する分岐管と、
前記気液混合流体から分離された液体を回収する液体回収部と、を備え、
前記分岐管は、前記気液混合流体を導入する導入流路と、気体を排出する排気流路と、液体を排出する排液流路とを含み、
前記排気流路は、前記気液混合流体の導入方向に対して鋭角かつ逆方向に向けて前記導入流路に連結されていることを特徴とする気液分離装置。
【請求項２】
前記液体回収部は、前記分岐管の排液流路から排出される液体を回収する液体回収容器と、前記分岐管の排液流路と前記液体回収容器との間に配置され、前記分岐管の排液流路から排出された液体の逆流を防ぐための逆止弁とを含む請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項３】
前記液体回収部は、前記分岐管の排液流路から排出される液体を回収する液体回収容器と、前記分岐管の排液流路と前記液体回収容器との間に配置され、前記分岐管の排液流路から排出された液体が逆流しないように前記液体回収容器に輸送するポンプとを含む請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項４】
前記分岐管を複数連結して含み、隣接する一方の分岐管の排気流路と、他方の分岐管の導入流路とが、Ｕ字型継ぎ手を介して連結されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項５】
前記分岐管の前記導入流路と前記排気流路との成す角度は２０°以上９０°未満である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項６】
水との反応により水素を発生する水素発生材料に水を供給して水素を製造する水素製造装置において、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の気液分離装置を含むことを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
前記気液分離装置の前記液体回収部によって回収した液体を、前記水素発生材料に供給する水として利用する請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素を燃料とする燃料電池とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−５６６（Ｐ２０１１−５６６Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４７６４１（Ｐ２００９−１４７６４１）
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
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