(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面を開放した筐体内に、
被希釈燃料と水とを混合させて希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部と、
上部に開口を有すると共に、前記筐体内の上部に前記燃料混合部と隣り合うように配置され、発電を行う発電セルより排出された前記希釈燃料から二酸化炭素を密度の差と重力を利用して分離させ前記燃料混合部に接続する分離流路部と
を備えた燃料混合器。
【請求項２】
前記分離流路の断面積は、前記発電セルにある希釈燃料の流路の断面積より大きい、請求項１の燃料混合器。
【請求項３】
前記分離流路部は、接続流路部を介して前記発電セルのアノードに接続されている、請求項１に記載の燃料混合器。
【請求項４】
気化した被希釈燃料の排出を防止する燃料排出防止手段を備え、前記筐体上部に蓋を有している、請求項１の燃料混合器。
【請求項５】
前記燃料排出防止手段は、二酸化炭素よりも大きく、前記被希釈燃料よりも小さい孔を有する多孔質の膜である、請求項４の燃料混合器。
【請求項６】
前記燃料排出防止手段は、二酸化炭素よりも大きい孔を有するとともに前記被希釈燃料を酸化させる触媒を有する触媒層を備える多孔質の膜である、請求項４の燃料混合器。
【請求項７】
前記燃料排出防止手段は、前記被希釈燃料を酸化させる触媒を備えるバルブである、請求項４の燃料混合器。
【請求項８】
前記希釈燃料は、前記発電セルから排出された後、再び発電セルに供給される、請求項１の燃料混合器。
【請求項９】
前記水は、前記発電セルで発生している、請求項１の燃料混合器。
【請求項１０】
上面を開放させた筐体内に、被希釈燃料と水とを混合させて希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部と、上部に開口を有すると共に、前記筐体内の上部に前記燃料混合部と隣り合うように配置され、発電を行う発電セルより排出された前記希釈燃料から主に二酸化炭素を密度の差と重力を利用して分離させ前記燃料混合部に接続する分離流路部とを備えた燃料混合器と、
前記燃料混合器と接続されている発電セルと
を含む燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関し、その燃料電池装置に搭載される燃料混合器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料気体と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素を燃料とするが、その他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型燃料電池も開発されている。
【０００４】
図８は、従来のメタノールを燃料とした直接・循環型燃料電池の構成の一例を示した図である。液体燃料としてメタノールを使用した直接・循環型の燃料電池９は、水とメタノールを混合する混合器９５で混合されたメタノール水溶液をアノード９２とカソード９３とに挟まれる電解質９１からなる発電セル９０のアノード９２に供給するとともに酸化剤として空気を発電セル９０のカソード９３に供給し、発電セル９０において発電反応を起こすものである。その後、アノード９２からメタノール水溶液を混合器９５に戻し、濃度を調整して再びアノード９２に供給する。このメタノール水溶液は、循環ポンプ９８等により燃料電池９を循環させることができる。このとき、アノード９２から排出されるメタノール水溶液には、発電セル９０での発電反応において発生した二酸化炭素が含まれてしまう。この二酸化炭素をメタノール水溶液から取り除くことなく燃料電池９内を循環させると、発電セル９０に発電反応に使用される燃料と一緒に供給され、発電反応を阻害してしまう。また、メタノール水溶液中に二酸化炭素が混入していると、循環ポンプ９８の負荷が大きくなり、必要な流量を確保できなくなるとともに、消費電力の増加という問題も発生する。メタノール水溶液中に含まれる二酸化炭素の多くは気体として存在していることが多く、気液分離によって多くの二酸化炭素を取り除くことができる。そこで、アノード９２と混合器９５との間に気液分離器９４を設けている。
【０００５】
メタノール水溶液中の二酸化炭素を排出するために、図９のような気液分離器９４がある。これは、サイクロンの原理を応用したもので、二酸化炭素の気泡９４１を含有するメタノール水溶液をポンプ等の駆動部を介してサイクロン室９４０内に適切な条件で流入させることで、サイクロン室９４０内に旋回流９４２が発生する。この旋回流９４２によって発生する遠心力により、密度の大きいメタノール水溶液はサイクロン室９４０内の外側に、密度の小さい二酸化炭素の気泡９４１はサイクロン室９４０内の中心部に集合し、二酸化炭素の気泡９４１とエタノール水溶液を分離することができる。このサイクロン室９４０内の中心部に集合した二酸化炭素の気泡９４１を外部に排出することで、気泡９４１を除去したメタノール水溶液を得ることができる。しかしながら、このような気液分離器９４は、二酸化炭素の気泡９４１を外部に排出するために、複雑な機構が必要となる。また、サイクロン室９４０内で二酸化炭素の気泡９４１を含有するメタノール水溶液による旋回流９４２を発生させるために、ポンプ等の駆動部に過剰な能力を必要とし、機構が大型化するとともに消費電力が増大する。また、気液分離器９４とメタノールと水を混合する混合器を別々に設けるため、燃料電池の大型化を招くという問題点も有している。
【０００６】
また、発電セルとメタノール水溶液の供給路とメタノール及び水の供給バルブと発電セルで発生する二酸化炭素を排出する排出部とを基板上に設け、この排出部に二酸化炭素を選択的に分離させる気液分離膜を備えた燃料電池がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３１７７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の燃料電池は、メタノール水溶液から発電反応で発生する二酸化炭素を分離させるために気液分離膜を使っている。その気液分離膜は、ポンプ等を用いずに二酸化炭素を分離させるために、発電セルの近傍に設置されている。しかしながら、気液分離膜が発電セルに接触してしまうと、接触部分にメタノール水溶液が供給されなくなり、発電反応の妨げとなる。したがって、気液分離膜は、発電セルに接触させないように近づけなければならず、正確な位置合わせや微細な加工を必要とするため、経済的な負荷が大きくなる。
【０００９】
そこで、本発明は従来の状況に鑑み、発電セルに供給する希釈燃料を調整する燃料混合器に希釈燃料を流入させる流路において、ポンプ等の動力源を備えることなく、発電セルで発生した二酸化炭素を含む希釈燃料から主に二酸化炭素を分離することができる燃料混合器を提供することを目的とする。また、この燃料混合器を備える燃料電池装置において、新たに二酸化炭素等を分離させる装置を備えることのない燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料混合器は、上面を開放した筐体内に、被希釈燃料と水とを混合させて希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部と、上部に開口を有すると共に、筐体内の上部に燃料混合部と隣り合うように配置され、発電を行う発電セルより排出された希釈燃料から二酸化炭素を密度の差と重力を利用して分離させ燃料混合部に接続する分離流路部とを備えたものである。
【００１１】
本発明の燃料混合器によれば、分離流路部において、発電セルから排出される希釈燃料中に主に含まれる二酸化炭素を、二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用して気液分離を行うことができる。これにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を調製することができる。したがって、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することにより、二酸化炭素による発電反応の阻害といった問題を防ぐことができる。そして、発電セルに供給する希釈燃料に二酸化炭素を含まないため、循環ポンプなどへの負荷を軽減することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離を二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用しているため、二酸化炭素の分離のために改めて動力源を設置する必要がなく、発電した電力を無駄に消費することを防ぐことができる。
【００１２】
本発明の燃料電池装置は、上面を開放させた筐体内に、被希釈燃料と水とを混合させて希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部と、上部に開口を有すると共に、筐体内の上部に燃料混合部と隣り合うように配置され、発電を行う発電セルより排出された希釈燃料から主に二酸化炭素を密度の差と重力を利用して分離させ燃料混合部に接続する分離流路部とを備えた燃料混合器と、燃料混合器と接続されている発電セルとを含むものである。
【００１３】
本発明の燃料電池装置によれば、燃料混合部と燃料混合部に接続した分離流路部とを有する燃料混合器を備えることにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離とともに希釈燃料の濃度の調整を行う燃料混合器を搭載することにより、混合器と気液分離装置の両方を備える必要がない。さらに、二酸化炭素の分離のために新たに動力源を設置する必要が無い。したがって、装置の部品点数を少なくすることができ、燃料電池装置を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料混合器によれば、分離流路部において、発電セルから排出される希釈燃料中に主に含まれる二酸化炭素を、二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用して気液分離を行うことができる。これにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を調製することができる。したがって、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することにより、二酸化炭素による発電反応の阻害といった問題を防ぐことができる。そして、発電セルに供給する希釈燃料に二酸化炭素を含まないため、循環ポンプなどへの負荷を軽減することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離を二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用しているため、二酸化炭素の分離のために改めて動力源を設置する必要がなく、発電した電力を無駄に消費することを防ぐことができる。
【００１５】
本発明の燃料電池装置によれば、燃料混合部と燃料混合部に接続した分離流路部とを有する燃料混合器を備えることにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離とともに希釈燃料の濃度の調整を行う燃料混合器を搭載することにより、混合器と気液分離装置の両方を備える必要がない。さらに、二酸化炭素の分離のために新たに動力源を設置する必要が無い。したがって、装置の部品点数を少なくすることができ、燃料電池装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の混合器及びその混合器を備えた燃料電池装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１７】
本発明の燃料混合器１は、アノードとカソードに挟まれる電解質からなる発電セルを有し被希釈燃料の１つであるメタノールを水で希釈した希釈燃料のメタノール水溶液を循環させて使用する燃料電池装置に搭載されている。図１は、本発明の燃料混合器を形状の一例を示す図である。図１（ａ）に示されるとおり、燃料混合器１は、略直方体で上面を開放させた筐体状の外形を示し、アノードから排出されるメタノール水溶液から発電反応で発生する二酸化炭素の分離を行う分離流路部１０と、メタノールと水とアノードから排出されるメタノール水溶液とを混合しメタノール水溶液を所定の濃度に調整する燃料混合部１１とを内部に有している。そして、図１（ｂ）のように、燃料混合器１の側面は、アノードから排出されるメタノール水溶液を取り入れる流入口１２を有している。また、図１（ｃ）のように、流入口１２の有する面の対面に所定の濃度に調整されたメタノール水溶液を排出する排出口１３を有している。図１（ｄ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図１（ｅ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図１（ｄ）のように、燃料混合器１の内部は、燃料混合器１の底面から上面に向かって流入口１２と分離流路部１０を繋ぐように接続流路部１９が形成されている。また、分離流路部１０と燃料混合部１１とを隣り合うように配置している。さらに、図１（ｅ）のように、分離流路部１０と燃料混合部１１とが接続され、流入口１２を介して流入してきたメタノール水溶液が分離流路部１０を通り、燃料混合部１１に注がれるようになっている。
【００１８】
分離流路部１０は、図１（ａ）に示されるとおり、筐体内に収められ、分離流路部１０の上部に開口を有するように、燃料混合器１の上部に形成され、下記で説明する燃料混合部１１と接続している。また、分離流路部１０は、下記で説明する接続流路部１９と接続されている。分離流路部１０では、二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液をこれらの密度の差と重力を利用して、気体である二酸化炭素を上方に、液体であるメタノール水溶液を二酸化炭素より下方に移動させることができ、気液分離を行うことができる。また、分離流路部１０は、上部に開口を持たせることにより、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を分離流路部１０の外部に放出することができる。分離流路部１０の断面積は、下記で説明する発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積よりも大きくなるように形成されている。分離流路部１０の形状は、特に限定されるものではなく、接続流路部１９や燃料混合器１の形状や大きさ、燃料混合器１を搭載する燃料電池装置の大きさや形状により変更することができる。また、分離流路部１０は、例えば、分離流路部１０で十分にメタノール水溶液と二酸化炭素を分離することができれば、下記で説明する接続流路部１９を設けずに、分離流路部１０と流入口１２を直接接続させるような構成でもよい。
【００１９】
接続流路部１９は、図１（ｄ）に示されるように、燃料混合器１の底面から上面に向かって流入口１２と分離流路部１０とを接続するように設けられ、流入口１２から流入してきたメタノール水溶液を流入口１２から分離流路部１０の方向に流すことができる。これにより、メタノール水溶液と二酸化炭素の密度の差を利用し、気体である二酸化炭素をより早く上方に、メタノール水溶液を二酸化炭素よりも遅く流路内を移動させることができ、分離流路部１０における気液分離を補助することができる。また、接続流路部１９は、例えば、燃料混合器１を分離流路部１０と流入口１２とを直接接続させるような構成とする場合、設けなくてもよい。また接続流路部１９の断面積は、特に限定されるものではなく、例えば、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積と略同じでもよい。
【００２０】
流入口１２は、発電セルのアノードのメタノール水溶液排出口と直接、或いは、アノードと流入口１２とを接続する管を介して接続されている。これにより、流入口１２は、アノードから排出されるメタノール水溶液を燃料混合器１に流入させることができる。流入口１２の断面積は、特に限定されるものではなく、例えば、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積と略同じでもよい。
【００２１】
燃料混合部１１は、図１（ａ）、図１（ｄ）及び図１（ｅ）のように、筐体内に収められ、上部に開口部を有する略直方体の形状で、燃料混合器１の内部に設けられ、分離流路部１０と接続されている。また、燃料混合部１１は、調整されたメタノール水溶液をアノードに排出するための排出口１３を有している。分離流路部１０と接続されている燃料混合部１１は、分離流路部１０において二酸化炭素を分離させたメタノール水溶液を流入させることができる。そして、燃料混合部１１は、メタノールと水の供給により、メタノール水溶液を所定の濃度に調整することができる。
【００２２】
排出口１３は、アノードのメタノール水溶液の供給口と直接、或いは、アノードと排出口１３とを接続する管を介して接続されている。これにより、排出口１３は、燃料混合部１１で調整されたメタノール水溶液をアノードに供給することができる。この排出口１３の設置位置は、図１のように燃料混合器１の側面でもよいが、燃料混合部１１で調整されたメタノール水溶液をアノードに供給することができれば特に限定されるものではない。例えば、排出口１３は、燃料混合器１の底面に設置してもよい。
【００２３】
上記のような燃料混合器１は、アノードから排出されたメタノール水溶液を燃料混合器１に流入させ、分離流路部１０において、このメタノール水溶液に含まれる二酸化炭素の気泡を取り除くことができる。また、燃料混合部１１において、二酸化炭素の気泡を取り除いたメタノール水溶液とメタノールと水とによりアノードに供給するメタノール水溶液を所定の濃度に調整することができる。
【００２４】
分離流路部１０では、流入口１２から流入した二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液を気体である二酸化炭素と液体であるメタノール水溶液の密度と重力とを利用し、気体を流路のより上方に、液体を流路のより下方に移動させ、気液分離を行うことができる。また、分離流路部１０の断面積は、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積よりも大きい断面積を有している。すなわち、分離流路部１０の断面積をＹｃｍ２とし、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積をＸｃｍ２とした場合、両方の断面積は、Ｙ＝α・Ｘ（αは、断面積比）という関係になる。このときαを十分に大きい値とすると、分離流路部１０に流れる二酸化炭素を含むメタノール水溶液の流速を十分に遅くすることができる。例えば、分離流路部１０の断面積を０．６ｃｍ２とし、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積を０．２ｃｍ２とする場合、流れるメタノール水溶液の流速は、分離流路部１０で５．６ｃｍ／ｓとなり、発電セルのメタノール水溶液の流路で１６．７ｃｍ／ｓとなる。すなわち、分離流路部１０の断面積を発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積の略３倍にとした場合、分離流路部１０におけるメタノール水溶液の流速は、発電セルのメタノール水溶液の流路の流速の略３分の１となる。このように、メタノール水溶液の流速を十分に遅くすることで、メタノール水溶液中に存在する二酸化炭素の複数の気泡を集合させ、より大きな気泡を形成させることができる。このときの気泡の体積や数は、集合前の気泡の体積や数、流路の断面積比或いは循環するメタノール水溶液の流量などの影響を受ける。二酸化炭素の気泡を大きくすることにより、気体である二酸化炭素がより上方に移動しやすくなるため、効率良く気液分離を行うことができる。
【００２５】
分離流路部１０で二酸化炭素を分離させたメタノール水溶液は、分離流路部１０の断面積を発電セルのメタノール水溶液の流路より大きくすることで、メタノール水溶液の流速を遅くすることができる。メタノール水溶液の流速を遅くすることにより、分離流路部１０から燃料混合部１１にメタノール水溶液が流入する際、分離流路部１０と燃料混合部１１との接続部分から燃料混合部１１の壁面に沿って流入させることができる。これにより、メタノール水溶液に二酸化炭素を再び取り込まないようにさせることができる。燃料混合部１１の形状は、限定されるものではなく、例えば、図２のように、分離流路部１０と接続される接続口を有する面と燃料混合部１１ｂの底面との角度が鈍角となるように、接続口を有する面に傾斜をつけてもよい。これにより、燃料混合部１１ｂの壁面に沿ってよりゆっくりメタノール水溶液を流入させることができる。
【００２６】
また、燃料混合部１１は、図示されていないメタノールを貯蔵するタンク及び図示されていない水を分離する水回収機からメタノールと水を供給することができる。これにより、流入口１２から流入するメタノール水溶液の濃度をメタノールと水により所定の濃度に調整することができ、二酸化炭素の気泡を含まないメタノール水溶液を調整することができる。
【００２７】
上記に示した本発明の燃料混合器１は、分離流路部１０及び燃料混合部１１の上部にメタノールの排出を防止する燃料排出防止手段を備えた蓋を設けることができる。この蓋を、例えば、シール剤等を介して燃料混合器１を密閉構造とするものとした場合、燃料混合器１中のメタノール水溶液の外部への流出を防ぐことができる。蓋に備えられる燃料排出防止手段は、気化したメタノールを外部に放出させずに、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を外部に放出するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、燃料排出防止手段としては、下記で説明するバルブ１５０や透過膜１５７等が挙げられる。
【００２８】
図３は、バルブを有する蓋を備える燃料混合器の形状を示す図である。図３（ａ）のように、燃料排出防止手段としてバルブ１５０を有する蓋１４ａは、図３（ｂ）のように、蓋１４ａの一部に開口部１４０を有し、その開口部１４０の上に開口１５４を有する筐体１５２が備えられている。筐体１５２の内部には、開口部１４０を塞ぐように弁体１５１を有し、弁体１５１を開口部１４０に押さえつけるようにバネ１５２が備えられている。
【００２９】
このバルブ１５０を有する蓋１４ａを備える燃料混合器１は、分離流路部１０でメタノール水溶液から主に二酸化炭素を分離させることができる。メタノール水溶液中の二酸化炭素を分離することにより、燃料混合器１内に二酸化炭素がたまり、内圧を上昇させる。この内圧が弁体１５１を押すバネ１５３の力を超えた場合、弁体１５１が上方に持ち上がる。これにより、二酸化炭素は、開口部１４０を介してバルブ１５０内に移動し、開口１５４を経由して排出させることができる。
【００３０】
このとき、燃料混合器１には、二酸化炭素の他に気化したメタノールも存在するため、二酸化炭素と同様にメタノールも排出されてしまう。そこで、バルブ１５０には、このメタノールの排出を防止するための燃料処理部が備えられている。燃料処理部は、特に限定するものではないが、例えば、活性炭等に担持させたメタノールを燃焼させる触媒を充填させたチューブ状の部材等が挙げられ、これをバルブ１５０の開口１５４に備えてもよい。また、その触媒としては、例えば、白金系の触媒が挙げられる。バルブ１５０の開口１５４から燃料処理部に流入するメタノールは、メタノールを燃焼させる触媒により燃焼し、二酸化炭素と水になる。すなわち、バルブ１５０を有する蓋１４ａは、メタノールを外部に放出するのを防ぎ、燃料混合器１のメタノール水溶液から分離した二酸化炭素を排出することができる。
【００３１】
図４は、透過膜を有する蓋を備えた燃料混合器の形状を示す図である。図４（ａ）のように、透過膜１５７を備える蓋１４ｂは、燃料混合器１と蓋１４ｂとの間に透過膜１５７を設け、蓋１４ｂに開口部１４１を有している。また、図４（ｂ）のように、蓋１４ｂに設けられる開口部１４１は、透過膜１５７を透過する主に二酸化炭素を外部に放出するために設けられており、二酸化炭素の放出を可能とするものであれば、数や形状等は特に限定されない。図４（ｃ）のように、透過膜１５７は、多孔質のシート材により形成されている。多孔質の孔１５８の大きさは、二酸化炭素の分子の大きさよりも大きいものであれば特に限定されるものではない。透過膜１５７は、例えば、ゼオライト、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン等で形成された多孔質の膜を利用してもよく、高撥水性の膜を利用してもよい。本発明のおいて、高撥水性とは、メタノール水溶液といった希釈燃料を透過させない性質のことを示し、高撥水性材料とは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の高撥水性の材料のことを示す。さらに、透過膜１５７の厚さとしては、特に限定されるものではないが、例えば、１０μｍから１００μｍ程度の厚さを有する膜を利用してもよい。
【００３２】
この透過膜１５７を有する蓋１４ｂを備える燃料混合器１は、分離流路部１０でメタノール水溶液から主に二酸化炭素を分離することができる。また、燃料混合器１内には二酸化炭素だけではなく気化したメタノールも存在する。蓋１４ｂに備える透過膜１５７は、以下のような膜にすることで、気化したメタノールを燃料混合器１の外部への放出を防ぐことができる。
【００３３】
［透過膜の変形例１］
図５は、二酸化炭素の分子の大きさよりも大きく、メタノールの分子の大きさよりも小さい孔を有する透過膜を使った二酸化炭素とメタノールの分離の様子を示す図である。蓋に備える透過膜１５７ａを、図５のように、二酸化炭素の分子３０の大きさより大きく、メタノールの分子３１の大きさより小さい孔を有する膜とする。このような膜１５７ａを用いると、孔１５８ａより小さい二酸化炭素の分子３０は、透過膜１５７ａを通り抜けることができる。一方、孔１５８ａより大きいメタノールの分子３１は、透過膜１５７ａを通り抜けることができない。したがって、透過膜１５７ａにより、メタノールを外に放出することなく、主に二酸化炭素を排出することができる。たとえば、このような透過膜１５７ａとして、オングストロームサイズの微細孔を有するゼオライト等を挙げることができる。これにより、メタノールを無駄にすることなく、発電反応により多くのメタノールを使用することができる。
【００３４】
［透過膜の変形例２］
図６は、メタノールを酸化させる触媒を配する透過膜を使った二酸化炭素とメタノールの分離の様子を示す図である。透過膜１５７ｂは、孔１５８ｂの大きさを二酸化炭素の分子３０及びメタノールの分子３１より大きくし、メタノールを燃焼させる触媒を有する触媒層１５９ｂを設けた膜である。この触媒としては、例えば、白金系の触媒が挙げられる。この透過膜１５７ｂにおいて、二酸化炭素の分子とメタノールの分子は、膜を透過してしまう。しかし、膜を透過するメタノールの分子３１は、触媒層１５９ｂにより燃焼させ、水と二酸化炭素にすることができる。これにより、メタノールの分子３１を外に放出することなく、二酸化炭素を排出することができる。
【００３５】
透過膜１５７は、上記の変形例に限定されるものではなく、使用する燃料や燃料電池の種類等により適宜変更することができる。例えば、使用する燃料をエタノールとする場合、エタノールの分子のサイズに対応して多孔質膜の孔の大きさを変えた膜を使用することもできる。上記のような透過膜１５７を有する蓋を燃料混合器１に備えることにより、メタノールの外部への放出を防止でき、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を排出することができる。また、透過膜１５７に高撥水性を持たせることによりメタノール水溶液も燃料混合器１の外部に流出させるのを防ぐことができる。
【００３６】
以上のように、本発明の燃料混合器１は、メタノール水溶液の流入する流入口１２及び接続流路部１９の断面積よりも大きな断面積の分離流路部１０を設けることにより、メタノール水溶液の流速を遅くすることで、発電セルで発生した二酸化炭素の小さな気泡を集合させ、より大きな気泡にすることができる。より大きくした二酸化炭素の気泡は、二酸化炭素とメタノール水溶液との密度と重力を利用することで気液分離を行うことができる。したがって、本発明の燃料混合器１は、分離のための特別な動力を備えることなく、二酸化炭素とメタノールを分離することができる。また、燃料混合部１１は、二酸化炭素を分離したメタノール水溶液の濃度をメタノールと水を使ってアノードに供給するメタノール水溶液の濃度を調整することができる。したがって、本発明の燃料混合器１を備えることにより、従来必要であった気液分離器と燃料の濃度を調整する混合器との両方を備える必要が無い。また、燃料混合器１にメタノールを放出させない燃料排出防止手段を有する蓋を備えることにより、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を外部に放出するとともに、メタノールの外部への放出を防止することができる。
【００３７】
以下、上記で説明した燃料混合器１を搭載した本発明の燃料電池装置２について説明する。図７は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す図である。本発明の燃料電池装置２は、アノード２２及びカソード２３で挟まれる電解質膜２１からなる発電セル２０と、上記で説明した燃料混合器１とを有している。また、燃料混合器１に供給するメタノールを貯蔵するタンク２４と、発電セル２０に置ける発電反応で発生する水を回収し、燃料混合器１に回収した水を供給する水回収機２５と、カソード２２に空気を供給する空気供給機２６と、燃料となるメノタール水溶液をアノードと混合器の間で循環させる循環ポンプ２７とを有している。
【００３８】
発電セル２０は、プロトンを透過させる膜状の電解質膜２１、発電反応における触媒を有するアノード２２及びカソード２３からなり、電解質膜３０をアノード２２及びカソード２３によりはさみ、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質膜２１は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成される。アノード２２及びカソード２３は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金等の触媒を担持させてもよい。電解質膜２１、アノード２２及びカソード２３の大きさ及び形状は、発電セル２０の大きさ及び形状に合わせて適宜変更される。発電セル２０は、アノード２２にメタノール水溶液を、カソード２３に空気を供給することで発電反応を起こすことができる。
【００３９】
アノード２２は、循環ポンプを介して、メタノール水溶液を循環させるように燃料混合器１と接続されている。これにより、燃料混合器１で調整されたメタノール水溶液をアノード２２に供給し、発電反応に用いることができる。そして、発電反応後、アノード２２からメノタール水溶液を燃料混合器１に戻すことができる。
【００４０】
カソード２３は、空気を供給させるように空気供給機２６と接続され、発電反応で発生する水を回収する水回収機２５と接続している。これにより、カソード２３に空気が供給され、アノード２２に供給されるメタノール水溶液により発電反応を起こすことができる。また、水回収機２５により発電セル２０での発電反応に発生する水を排出することができ、カソード２３の表面に水が付着することにより引き起こされる反応効率の低下を防ぐことができるとともに、発生した水をメタノール水溶液の調整に利用することができる。
【００４１】
水回収機２５は、カソード２３と接続されており、発電反応で発生した水を発電セル２０から回収するとともに、水とその他の空気等とを分離することができる。また、水回収機２５は、燃料混合器１に接続されているため、回収された水をメタノール水溶液の調整に利用することができる。また、水から分離された空気等のその他の物質は、水回収機２５から燃料電池装置２の外部に放出することができる。
【００４２】
タンク２４は、水で希釈することによりメタノール水溶液となるメタノールを貯蔵することができる。タンク２４は、燃料混合器１と接続されており、メタノールを燃料混合器１に供給し、所定の濃度のメタノール水溶液を調整することができる。
【００４３】
空気供給機２６は、カソード２３に空気を供給することができる。カソード２３に空気を供給することで、アノード２２に供給されるメタノール水溶液とともに発電反応を行うことができる。空気供給機２６の例としては、ポンプやファン等が挙げられるが、カソード２３に空気を供給することができるものであればこれらに限定されるものではない。
【００４４】
循環ポンプ２７は、燃料混合器１と発電セル２０との間に設けられている。循環ポンプ２７は、燃料混合器１から調整されたメタノール水溶液を取り出し、発電セル２０のアノード２２に供給することができる。これにより、発電セル２０でカソード２３に供給される空気によって発電反応を行うことができる。また、アノード２２に供給されたメタノール水溶液を再び燃料混合器１に戻すことができる。
【００４５】
上記のように構成される燃料電池装置２は、アノード２２から排出されるメタノール水溶液から二酸化炭素の気泡を取り除くことができる燃料混合器１を搭載することにより、二酸化炭素の気泡を含まないメタノール水溶液を調整することができ、そのメタノール水溶液をアノード２２に供給することができる。したがって、二酸化炭素の含有するメタノール水溶液の供給による発電効率の低下といった問題を防ぐことができる。また、メタノール水溶液中から二酸化炭素を分離させる分離流路部とアノード２２に供給するメタノール水溶液を調整する燃料混合部とを一体とした燃料混合器１を搭載することにより、燃料電池装置２に搭載する部品点数を少なくすることができ、燃料電池装置２を小型にすることができる。また、燃料混合器１の外部へのメタノールの排出を防ぐ蓋を燃料混合器１に備えることにより、燃料混合器１とアノード２２との間で循環しているメタノール水溶液及び気化したメタノールを燃料混合器１の外部に放出することを防ぐことができる。すなわち、この燃料混合器１を搭載することにより、メタノールが漏れない安全な燃料電池装置を提供することができる。
【００４６】
上記の燃料電池装置２は、燃料混合器１で調整されたメタノール水溶液をアノード２２に供給するとともに、空気供給機２６を介してカソード２３に空気を供給することにより、発電セル２０で以下のような反応を行うことができる。メタノール水溶液は、アノード２２において、メタノール水溶液中の水とメタノールによってＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−という反応が起こる。この反応で発生するプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜２１を透過しカソード２３に移動する。また、発生した電子（ｅ−）は、アノード２２から外部回路を通りカソード２３に移動する。移動してきたプロトンと電子は、カソード２３において、供給される空気中の酸素と、３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏという反応を起こす。したがって、本発明の燃料電池装置２の発電セル２０には、メタノール水溶液と空気を供給することにより発電反応を行うことができる。
【００４７】
アノード２２に供給されたメタノール水溶液中のメタノールの一部は、上記の発電反応に寄与せず、同じく反応に寄与しない一部の水と一緒にアノード２２から排出される。このとき、アノード２２から排出されるメタノール水溶液中に発電反応で発生した二酸化炭素の小さな気泡が含まれる。二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液は、燃料混合器１に供給される。燃料混合器１に供給される二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液は、上記で説明したように、メタノール水溶液を流入させる燃料混合器１の流入口１２及び接続流路部１９よりも大きい断面積を有する分離流路部１０に流入し、メタノール水溶液の流速を遅くすることができる。これにより、メタノール水溶液中の二酸化炭素の気泡を集合させ、より大きな二酸化炭素の気泡とすることができ、メタノール水溶液と二酸化炭素の密度と重力を利用して気液分離を行うことができる。分離した二酸化炭素は、燃料混合器１から外部に排出される。このとき、メタノールの排出を防ぐ燃料排出防止手段を有する蓋を燃料混合器１に備えることにより、燃料混合器１から気化したメタノールの排出を防ぐことができ、外部にメタノールの漏れない安全な燃料電池装置２を提供することができる。二酸化炭素を分離したメタノール水溶液は、燃料混合器１内の燃料混合部に流入する。この燃料混合器１の燃料混合部において二酸化炭素を分離させたメタノール水溶液とタンク２４から供給されるメタノールと水回収機２５から供給される水により所定の濃度を有するメタノール水溶液を調整することができる。調整されたメタノール水溶液は循環ポンプ２７によりアノード２２に供給される。
【００４８】
一方、空気供給機２６を介してカソード２３に供給される空気中の酸素の一部は、上記発電反応に寄与せず、同じく反応に寄与しないその他の物質及び反応で発生する水と一緒にカソード２３から水回収機２５に排出される。水回収機２５は、水とその他の物質を分離することができるとともに、水以外の物質を燃料電池装置２の外部に放出することができる。水回収機２５で回収された水は、燃料混合器１に供給され、メタノール水溶液の濃度の調整に利用することができる。
【００４９】
以上のように、本発明の燃料電池装置２は、アノード２２から排出されるメタノール水溶液から二酸化炭素の気泡を取り除くとともに、アノード２２に供給するメタノール水溶液を調整する燃料混合器１を搭載することにより、発電反応の妨げとなる二酸化炭素の気泡を含まないメタノール水溶液をアノード２２に供給することができ、効率的な発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離を行う分離流路部１０とメタノール水溶液の調整を行う燃料混合部１１を一体とした燃料混合器１を搭載することにより、装置内の部品点数を少なくすることができ、装置の小型化が実現できる。そして、燃料混合器１にメタノールの排出を防ぐ燃料排出防止手段を有する蓋を備えることにより、可燃性のメタノールを排出させない安全な燃料電池装置２を提供することができる。
【００５０】
以上、本発明の燃料混合器１及び燃料混合器１を有する燃料電池装置２に関する実施の形態である。本実施の形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料を利用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の燃料混合器の形状を示す図である。（ａ）は、燃料混合器の平面図を示し、（ｂ）は、燃料混合器の右側面図を示し、（ｃ）は、燃料混合器の左側面図を示し、（ｄ）は、燃料混合器の正面図におけるＡ−Ａ断面図を示し、（ｅ）は、燃料混合器の正面図におけるＢ−Ｂ断面図を示している。
【図２】本発明の燃料混合器において燃料混合部の形状の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のバルブを有する蓋を備える燃料混合器の形状を示す図である。（ａ）は、バルブを有する蓋を備える燃料混合器の平面図を示し、（ｂ）は、バルブを有する蓋を備える燃料混合器の平面図におけるＣ−Ｃ断面図を示している。
【図４】本発明の透過膜を有する蓋を備える燃料混合器の形状を示す図である。（ａ）は、透過膜を有する蓋を備える燃料混合器の平面図を示し、（ｂ）は、透過膜を有する蓋を備える燃料混合器の平面図におけるＤ−Ｄ断面図を示し、（ｃ）透過膜の拡大断面図を示す。
【図５】二酸化炭素の分子の大きさよりも大きく、メタノールの分子の大きさよりも小さい孔を有する透過膜を使った二酸化炭素とメタノールの分離の様子を示す図である。
【図６】メタノールを酸化させる触媒を配する透過膜を使った二酸化炭素とメタノールの分離の様子を示す図である。
【図７】本発明の燃料混合器を搭載した燃料電池装置の構成を示した図である。
【図８】従来のメタノールを燃料とした直接・循環型燃料電池の構成を示した図である。
【図９】従来使用されている気液分離器の形状を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料混合器
１０  分離流路部
１１、１１ｂ  燃料混合部
１２  流入口
１３  排出口
１４、１４ａ、１４ｂ  蓋
１４０、１４１  開口部
１５０  バルブ
１５１  弁体
１５２  筐体
１５３  バネ
１５４  開口
１５７、１５７ａ、１５７ｂ  透過膜
１５８、１５８ａ、１５８ｂ  孔
１５９ｂ  触媒層
１９  接続流路部
２  燃料電池装置
２０  発電セル
２１  電解質膜
２２  アノード
２３  カソード
２４  タンク
２５  水回収機
２６  空気供給機
２７  循環ポンプ
９  燃料電池
９０  発電セル
９１  電解質
９２  アノード
９３  カソード
９４  気液分離器
９４０  サイクロン室
９４１  二酸化炭素の気泡
９４２  旋回流
９５  混合器
９６  液体燃料タンク
９７  水回収機
９８  循環ポンプ
９９  空気供給機
【図１】
0004710243.tif 000002
【図２】
0004710243.tif 000003
【図３】
0004710243.tif 000004
【図４】
0004710243.tif 000005
【図５】
0004710243.tif 000006
【図６】
0004710243.tif 000007
【図７】
0004710243.tif 000008
【図８】
0004710243.tif 000009
【図９】
0004710243.tif 000010