(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の気液分離のためのシステムであって、
該システムは、
流体の流れを受け入れるように配置された開口部と、流体の流れの方向に対して実質的に平行に配置されたスクリーンのアレイを有するコアレッサ装置を備えており、
前記スクリーンは、前記開口部とは反対側の端部が不浸透性の表面に取り付けられることにより、液体が前記不浸透性の表面から流れ出すことを防ぎ、液体が前記スクリーンを通流するように導かれるように取り付けられており、
前記システムはさらに、前記液体の気相および液相を収容するリザーバを備え、
該リザーバは、前記コアレッサ装置から液体を受け取るように配置されている、
システム。
【請求項２】
前記アレイの各スクリーンは、該スクリーンの周囲の少なくとも一部分に沿って密封されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記スクリーンのアレイはラックの中で保持されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ラックの側面は、前記スクリーンを通り抜けて流れる流体の流れを通さない、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記スクリーンのそれぞれは、その前縁に沿って若しくはその近くで支持されている、請求項１〜４の何れか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記スクリーンは疎水性材料を含む、請求項１〜５の何れか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記スクリーンはメッシュを有する、請求項１〜６の何れか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記コアレッサ装置は、前記リザーバ内に装着されている、請求項１〜７の何れか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記コアレッサ装置は、１次コアレッサ装置と２次コアレッサ装置を備え、前記１次コアレッサ装置は前記２次コアレッサ装置の上流に配置されている、請求項１〜８の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記１次コアレッサ装置は、前記流体に接するように配置された、少なくとも一つの疎水性の表面を有している、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記疎水性表面は、流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きに配置されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記疎水性表面は可撓性材料から成り、該可撓性材料は、その上流端の移動を阻止するためにその上流端または上流端の近くで保持される一方、その表面の上流端から遠い表面の部分が移動可能である、請求項１０または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記１次コアレッサ装置は、複数の疎水性の表面を有している、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の表面は互いに近い位置に、互いに対して少なくとも部分的に平行になるように、かつ前記複数の表面の対応するそれぞれの上流端における流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行になるように保持される請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の表面が、流体流れの主たる方向を横切る方向に沿って前記複数の表面が互いから間隔を置いて配置されるような位置に保持される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記複数の表面のそれぞれが、該表面の上流部分に近い部分、もしくは、流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きの軸に沿う該表面の全縁に沿って固定されており、
前記複数の表面がそれぞれ、前記軸から、前記軸から半径方向外側へ延びるような位置に、または、前記複数の表面が、前記軸を横切る２つのそれぞれの方向に沿って間隔を置いて配置されるような位置に、または、前記複数の表面が、前記軸に関して同心状に互いから間隔を置いて配置されるような位置に、前記複数の表面が保持されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記疎水性表面はメッシュを有している、請求項１０〜１６の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムは１次コアレッサ装置を複数有している、請求項９〜１７の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
少なくとも一つの１次コアレッサ装置が、他の一つまたは複数の１次コアレッサ装置とは異なる軸回転角度に装着されている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
気液相離隔段をさらに備えている、請求項９〜１９の何れか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記気液相離隔段は、サイクロンまたはヘリックス（ｈｅｌｉｘ）を備えている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記気液相離隔段は、前記１次コアレッサ装置と前記２次コアレッサ装置との間に配置されている、請求項２０または２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、気体と液体とを分離する分離デバイス（ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）および方法に関し、より詳細には、泡（ｆｏａｍ）の気相と液相とを分離する分離器および方法に関する。本発明は、特に燃料電池で使用されるが、泡の気相と液相とを分離する必要があるその他の用途または泡の気相と液相とを分離することが望ましいその他の用途においても有用であることがある。
【背景技術】
【０００２】
泡の液相と気相の分離は、十分に研究され報告されている研究分野である。泡は、工業プロセスにおいて処理液に気体が溶解したときに生じる。通常、溶解した気体は処理液の一部として振舞うが、例えば圧力が解放されたときに、小さな気泡（ｂｕｂｂｌｅ）として溶液から気体が出てくることがある。これらの気泡は処理液の表面に浮上し、集合して泡となる。
【０００３】
処理液中に泡が存在すると、工業プロセスおよびその他の用途において効率上および性能上のいくつかの問題が生じうる。例えば、少し挙げただけでも、泡は、ポンプなどの機器の効率を低下させ、ポンプおよび貯蔵タンクの容量を減らし、流体の効果を低減させ、排液の際に問題となる。
【０００４】
上述の問題を回避するため、しばしば、工業プロセスから泡を除去することが必要となる。この除去は通常、泡の液相から気相を分離することを含み、理想的には、これが、最小限の電力消費量で迅速かつ効率的に実行される必要がある。
【０００５】
１つの方法は、ハイドロサイクロン（ｈｙｄｒｏ−ｃｙｃｌｏｎｅ）、遠心器などの機械的分離デバイスを使用する方法である。これらの技法は、かなりの量の電力を消費し、ある種の産業または用途、例えば可搬用途または自動車用途ではこのことが問題となりうる。可能な他の方法は、本出願人の同時係属の英国特許出願第１２０１２４６．４号に記載されているものなどの螺旋分離器技術を使用する方法であり、この技術は、増強された重力を利用して機械的分離をより少ない電力で達成する。しかしながら、少ない電力かつより小さな物理容積で分離効率を向上させる必要性は常に存在する。機械的分離だけに頼ってこのことを達成するのは不可能である。
【０００６】
機械的分離に代わる高エネルギー効率の方法は、消泡剤（ａｎｔｉｆｏａｍ）を使用する方法である。液体膜や気泡の破裂における消泡剤の作用はよく知られており、よく利用されている。泡界面、すなわち気相と液相の界面の破裂における消泡剤の仕組みは、消泡剤の製剤法および剤形によって様々である。しかしながら、この仕組みは一般に、低表面エネルギー表面または疎水性表面と液体膜との相互作用によって記述することができる。
【０００７】
消泡剤は一般に、低表面エネルギー表面または疎水性表面を有する粒子の形態をとる。このような低表面エネルギー表面は、低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料から粒子を形成し、または低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料で粒子コーティングすることによって形成することができる。粒子を形成しまたは粒子をコーティングすることができるこのような材料の例には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ハロゲン化された有機ポリマー、シリコーンポリマー、およびポリエチレン、ポリプロピレンなどの炭化水素ポリマーが含まれる。約２０ｍＪ／ｍ2の表面エネルギーを有するＰＴＦＥは非常に有効な疎水性材料だが、適当な任意の疎水性材料を使用することができる。
【０００８】
水性泡膜の界面の低表面エネルギー粒子または疎水性粒子は、図１に示されているように、接触角がヤングの式を満たすように位置する。ヤングの式は以下のように表現することができる。
γSL＋γLGｃｏｓ（θc）＝γSG  式（１）
【０００９】
上式で、γSL、γLGおよびγSGはそれぞれ、固体と液体、液体と気体および固体と気体の間の界面張力であり、θcは接触角である。
【００１０】
泡は多数の気泡からなる。気泡はそれぞれ、２つの表面を有する液体膜を有し、図２Ａに示されているように、これらの表面はそれぞれ気液界面である。図２Ｂは、この液体膜の中に位置する消泡剤粒子を示す。疎水性消泡剤は、図２Ｃに示されているように、液体膜との間に９０°超の接触角を形成する。この液体との間には、図２Ｄに示されているように、膜の両方の表面に９０°超の接触角が形成される。膜の疎水性のため、粒子は膜をデウェット（ｄｅ−ｗｅｔ）し、穴をあけ、膜を破り、気泡を破裂させる。次いで、消泡剤粒子は重力の作用で次の界面まで落下し、この過程が繰り返される。これが、消泡剤が機能する方法の一般的原理である。
【００１１】
泡が、特定のプロセスの望ましい生成物または必要な生成物である工業プロセス、例えば空気混和プロセスまたは酸化プロセスでは一般に、消泡剤を上で述べたように使用することはできない。泡は、気体と接触する液体の表面積を大きくし、液体の大きな表面積は、気体が液体に吸収されまたは溶解するのを助けるため、このようなプロセスでは泡が有用である。消泡剤は泡の形成を妨げるため、このようなプロセスにおいて消泡剤が存在することは望ましくないであろう。しかしながら、それでも、泡が関係する特定のプロセスが完了した後、次の処理ステップの前に、泡を除去することが望ましいことがある。したがって代替の除去方法が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
小滴またはエーロゾルの形態の液体を疎水性分離表面を使用して気体流から分離するデバイスは知られている。独国特許出願公開第１０３２３１５５Ａ１号は、小滴またはエーロゾルの形態の液体を気体流から除去する分離器であって、分離領域に位置する分離エレメントを備える分離器を開示している。このエレメントは、疎水性およびナノ構造特性を有する材料からなる。しかしながら、疎水性表面を使用して泡の気相と液相とを分離するデバイスは知られていない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明の第１の態様によれば、泡の気相と液相とを分離する分離器が提供され、この分離器は、第１の側および第２の側を備え、第１の側から第２の側へ泡または泡相（ｆｏａｍ  ｐｈａｓｅ）が移動することを可能にするために分離器内に設けられた通流手段（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｆｌｏｗ  ｍｅａｎｓ）を有し、さらに、低表面エネルギーを有する少なくとも１つの泡接触表面と、少なくとも１つの分離された相を泡から回収する手段とを備える。
【００１４】
用語「泡」は泡沫（ｆｒｏｔｈ）を包含し、細かい（小さな気泡を有する）泡、または粗い（大きな気泡を有する）泡、または様々なサイズの気泡を有する泡の混合物であることがあることは容易に理解されるはずである。
【００１５】
好ましくは、この分離器が、少なくとも液相を泡から回収する手段を備え、より好ましくは、少なくとも液相および気相を泡から回収する手段を備える。
【００１６】
概して、本発明の分離器は、有用で再使用可能な少なくとも１つの成分を含む泡を発生させる工業ユニットの一部として提供され、または工業ユニットと協力関係にあり、工業ユニットから分離器に泡を供給する手段、および有用で再使用可能な少なくとも１つの成分を回収し、工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給する手段が提供される。
【００１７】
本明細書では、材料または表面に関して、低表面エネルギーと言うときに疎水性を意味し、疎水性と言うときには低表面エネルギーを意味すると理解すべきである。低表面エネルギーは、好ましくは４０ｍＪｍ-2未満、より好ましくは３０ｍＪｍ-2未満、よりいっそう好ましくは２５ｍＪｍ-2未満のエネルギーを意味する。
【００１８】
少なくとも１つの泡接触表面は、１種または数種の疎水性ポリマー材料から形成されていることが好ましい。このような材料は例えばポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリハロゲン化ビニル、ポリハロゲン化ビニリデン、ポリハロオレフィン、ポリアクリレート（ポリメタクリレート）、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ酸化オレフィン、ポリエステルおよびＰＥＥＫの中から選択することができる。
【００１９】
より好ましくは、１種または数種の疎水性ポリマー材料は、線状または枝分れポリエチレン−線状アイソタクチックポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルトルエン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸イソブチル、ポリ（メタクリル酸ｔ−ブチル）、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリエチレンオキシド、ポリテトラメチレンオキシド、ポリテトラヒドロフラン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド−６，６、ポリアミド−１２、ポリジメチルシロキサン、ポリカーボネートおよびポリエーテルエーテルケトンの中から選択される。特に、１種または数種の疎水性ポリマー材料は表１の中から選択することができる。表１には、それらの疎水性ポリマー材料の対応するそれぞれの表面エネルギーも記載されている。
【００２０】
【表１】
0006310982.tif 000002
【００２１】
疎水性粒子などの消泡剤を使用する代わりに、本発明に基づく分離ユニットは、前述の泡破裂の仕組みと同じ仕組みを利用して、泡が分離器の第１の側から第２の側へ移動するときに泡の液体／気体界面を破裂させる低表面エネルギー泡接触表面または疎水性泡接触表面を備える。この泡接触表面は、低表面エネルギー材料、例えばＰＴＦＥから形成し、または低表面エネルギー材料、例えばＰＴＦＥでコーティングすることができるが、前述の任意の低表面エネルギー材料または疎水性材料を使用することができる。泡接触表面は、泡もしくは泡を含む液体がその上を流れ、または泡もしくは泡を含む液体がそれを通り過ぎる基板またはプレートとすることができる。泡と接触する表面積を増大させ、それによって泡破裂を強化するために、複数の泡接触表面を提供することができる。この１つまたは複数の泡接触表面は、泡もしくは泡を含む液体の流れに対して平行な向きに配置し、または泡もしくは泡を含む液体の流れに対して斜めに配置することができる。この１つまたは複数の泡接触表面は通流手段の領域に位置することができる。
【００２２】
本発明に基づく分離ユニットの好ましい一実施形態では、泡接触表面と通流手段が同じ１つのものである。このような実施形態では、泡接触表面が、泡または泡の相がそこを通り抜けて分離器の第１の側から第２の側へ移動することを可能にする穴を有する。それらの穴は、破裂界面（ｄｉｓｒｕｐｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の比表面積を増大させる。前述のとおり、泡接触表面は、低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料から形成し、または低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料でコーティングすることができ、複数の泡接触表面を提供することができる。
【００２３】
それを貫通する穴を有する好ましい泡接触表面は、メッシュまたは穴あきプレート（ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ  ｐｌａｔｅ）とすることができる。このようなメッシュまたはプレートは、低表面エネルギー基板もしくは媒体または疎水性基板もしくは媒体から形成し、あるいは低表面エネルギー基板もしくは媒体または疎水性基板もしくは媒体でコーティングすることができる。好ましくは、このようなメッシュが、低表面エネルギーポリマーフィラメントもしくは疎水性ポリマーフィラメントから形成され、またはこのメッシュを、他の材料のフィラメントから形成し、低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料でコーティングすることができる。このメッシュまたは穴あきプレートの穴のサイズは直径０．１ｍｍから１０ｍｍとすることができ、ポリマーフィラメントが存在するときにはポリマーフィラメントの太さを５０μｍから１ｍｍとすることができる。表面材料が、低表面エネルギー、および泡の液体膜の厚さの長さスケールのマイクロフィラメントまたは荒仕上げを有するときには破裂界面現象が強化される。
【００２４】
メッシュまたは穴あきプレートは適宜、様々な構成および泡の流れに対する様々な向きに配置することができる。１つまたは複数の層を、流れに対して直角、平行または斜めに配置することができる。あるいは、ランダムパック（ｒａｎｄｏｍｌｙ  ｐａｃｋｅｄ）構成が設けられてもよい。さらに、プリーツ状扇折り配置（ｐｌｅａｔｅｄ  ｆａｎ  ｆｏｌｄ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を、流れに対して平行にまたは流れに対して斜めに設けてもよい。さらに、環状空間の内側または外側をコンバインドフロー（ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｆｌｏｗ）が流れる環状扇折り構成（ａｎｎｕｌａｒ  ｆａｎ  ｆｏｌｄ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を設けることもできる。
【００２５】
低表面エネルギー表面の上を泡が移動し、または低表面エネルギーメッシュを泡が通り抜けると、泡の気液界面が破裂し、気体および液体は高密度の液相および気相に分離する。この現象は、ハイドロサイクロン、遠心器などの機械的分離デバイスまたは前述の本出願人の螺旋分離技術においても分離を強化することができる。これを達成するため、このようなデバイス内の泡と接触する表面は、低表面エネルギー、および／または泡の液体膜の厚さの長さスケールのマイクロフィラメントもしくは荒仕上げを有する材料から形成される。さらに、機械的分離デバイスの上流または下流に低表面エネルギーメッシュを含むことにより、気相と液相との分離が強化される。
【００２６】
本発明の他の態様によれば、泡の気相と液相とを分離する方法も提供され、この方法は、本発明に基づく分離ユニットを用意すること、分離器の第１の側に泡を供給すること、この泡を、分離器の第２の側に向かって通流手段の中に通すこと、および分離器の第２の側で、または分離器の第２の側の下流で、泡の分離された液相と泡の分離された気相のうちの少なくとも一方の分離された相を回収することを含む。
【００２７】
この泡は工業ユニットによって生成することができ、泡の少なくとも一方の分離された相を回収し、この工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給することができる。
【００２８】
この工業ユニットは燃料電池または電解セルとすることができる。
【００２９】
あるいは、この工業ユニットは、生化学的発酵ユニットまたは泡沫浮上分離ユニット（ｆｒｏｔｈ  ｆｌｏａｔａｔｉｏｎ  ｕｎｉｔ）でもよい。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、低表面エネルギー材料を含む泡低減装置が提供され、この泡低減装置は、前記低表面エネルギー材料の表面に沿ってこの泡低減装置に泡が投入されたときに前記泡と接触する手段を備える。
【００３１】
低表面エネルギー材料の表面の少なくとも一部分は凸形であるかまたは尖っており、そのため、この表面の前記少なくとも一部分が表面の他の部分から突き出ていてもよい。
【００３２】
前記低表面エネルギー材料の表面のこのような一部分は、この表面の複数凸形領域によって形成することができる。
【００３３】
この一部分は、メッシュ構造の細長いストランドによって形成することができる。
【００３４】
この１つまたは複数の表面は、この表面（１つまたは複数）を通り過ぎる流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きに配置することができる。
【００３５】
この表面または各表面は可撓性の材料を含むことができ、この表面の上流端の移動を阻止するために、この表面または各表面を、この表面または各表面の上流端またはこの表面または各表面の上流端の近くで保持することができ、一方、この表面の上流端から遠い表面の部分が横方向に移動することができる。
【００３６】
この表面は複数の表面を含むことができ、この複数の表面は、互いに近い位置に、互いに対して少なくとも部分的に平行になるように、かつ複数の表面の対応するそれぞれの上流端における流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行になるように保持される。
【００３７】
流体流れの主たる方向を横切る方向に沿って複数の表面が互いから間隔を置いて配置されるような位置に、複数の表面を保持することができる。
【００３８】
複数の表面は、流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行な軸に沿って互いに取り付けることができ、複数の表面がそれぞれ、前記軸から、前記軸から半径方向外側へ延びるような位置に、複数の表面を保持することができる。
【００３９】
本発明の第１の態様に基づく分離器と、本発明の他の態様に基づく泡低減装置とを備える気液分離装置を提供することができる。
【００４０】
本明細書に記載された分離器および／または泡低減装置を備える燃料電池システムを、熱と電力を組み合わせて生成するために使用することができ、該燃料電池システムを使用して車両に動力を供給することができ、または該燃料電池を使用してシステム電子装置内で発電することができ、またはこのような使用のうちの２つ以上の使用の任意の組合せを提供することができる。
【００４１】
泡の気相と液相とを分離する前述の分離器は様々な用途を有するが、特に有効な用途は、例えば酸化還元燃料電池（ｒｅｄｏｘ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）用のカソード液再生システムにおいてこの分離器を使用することである。
【００４２】
間接型燃料電池または酸化還元燃料電池では、酸化剤（および／または場合によっては燃料）が電極のところで直接には反応せず、その代わりに、還元形（燃料については酸化形）の酸化還元対と反応して酸化還元対を酸化させ、この酸化した種がカソードに供給される。
【００４３】
酸化還元対を酸化させるこのステップにはいくつかの制約がある。カソード内を流れるカソード液の流量が低下するとエネルギー生成速度が低下するため、酸化還元対の酸化はできるだけ迅速に実施されるべきである。エネルギー生成速度は、酸化還元対の酸化が可能な完全なものではない場合、すなわちかなりの割合の酸化還元対が未酸化状態のままである場合にも低下する。酸化ステップが実行されたときに消費されるエネルギーが比較的に少ないことを保証する必要があることにより、カソード液中に存在する酸化還元対を迅速かつ完全に酸化させる装置の提供は難しく、これが提供されない場合には、燃料電池の全体の発電性能が低下する。加えて、酸化還元対を酸化させるために使用される装置はできるだけコンパクトであるべきであり、可搬用途または自動車用途で燃料電池が使用されることが意図されているときには特にそうである。
【００４４】
これらの相反する要件の釣り合いをとる必要があることにより、特に自動車用途および電子用途において、ならびに組み合わされた熱と電力において電池性能は非効率になる。
【００４５】
酸化還元燃料電池の動作では、カソードと流体連通して電池のカソード領域内を流れるカソード液を提供することができる。電池の動作では、この酸化還元メディエータ対（ｒｅｄｏｘ  ｍｅｄｉａｔｏｒ  ｃｏｕｐｌｅ）がカソードで少なくとも部分的に還元され、カソードでのこのような還元の後に酸化剤との反応によって少なくとも部分的に再生される（再酸化される）。酸化還元メディエータ対のこの少なくとも部分的な再生は再生ゾーンで実施される。
【００４６】
この再生プロセスは通常、カソード液と、体積ベース（標準温度および標準圧力）で４：１超、最高２０：１以上の大体積の空気との接触を必要とする。空気からカソード液中への酸素の質量移動のために生成される界面面積は、小さな気泡半径の大内部相体積の泡の形態をとる。カソード液の再生速度はこの質量移動用の界面面積に比例する。高い再生速度が必要である。
【００４７】
カソード液が再生された後、燃料電池カソードにカソード液を供給する前に、残存する気体、主として窒素をカソード液から除去する必要がある。カソード液は気泡または泡を含んではならない。この「使用済みの」気体の除去は、最小限の電力消費量で迅速かつ効率的に実行されなければならない。前述のとおり、ハイドロサイクロン、遠心器などの機械的分離を使用することもできるが、それらは受け入れがたい量の電力を使用し、可搬用途または自動車用途で使用されるときには特にそうである。
【００４８】
酸化還元燃料電池システムでは一般に、カソード液に消泡剤を加えることができない。酸化を促すために気液界面を生成する必要があるためである。しかしながら、前述のとおり、泡界面を破裂させるために、ＰＴＦＥなどの低表面エネルギー表面または疎水性表面を通り過ぎるように泡を流すことによって、泡破裂の仕組みを利用することができる。
【００４９】
したがって、別の態様によれば、本発明はさらに、電池のカソード領域内で有用な酸化還元対を酸化によって再生するように適合された、電池の領域内に位置する本発明の分離ユニットを備える燃料電池を企図する。
【００５０】
このような燃料電池は、イオン選択性ポリマー電解質膜によって分離されたアノードとカソードとを備える少なくとも１つの膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｙ）と、膜電極接合体のアノードに隣接したアノード室と、膜電極接合体のカソードに隣接したカソード室と、電池のアノード室に燃料を供給する手段と、電池に酸化剤を供給する手段と、電池の対応するそれぞれのアノードとカソードの間に電気回路を提供する手段と、少なくとも１種の不揮発性カソード液成分を含むカソード液であり、酸化還元触媒および／またはメディエータ対を含む、カソード液と、酸化還元触媒および／またはメディエータ対を酸化剤と接触させて、酸化された触媒および／またはメディエータ対を含む泡を生成する手段と、この泡を、本発明の分離ユニットに供給し、少なくとも泡の液相を、さらに使用するために回収する手段とを備えることができる。
【００５１】
本発明はさらに、上記のいずれかに記載の分離器を、泡の気相と液相とを分離する際に使用することを企図する。このような使用は、泡から分離された有用な少なくとも１つの相を工業プロセス、例えば酸化還元燃料電池のカソード液再生システム、または電解液からの加水分解気体の分離に供給することを含むことができる。
【００５２】
「カソード室」は、膜電極接合体のカソード側を１つの側面の境界とする電池の部分を意味する。あるいは、または同様に、「カソード室」は、電池の動作においてその中を流れているカソード液の少なくとも一部分が膜電極接合体のカソード側と接触する電池の部分と考えることができる。
【００５３】
同様に、「アノード室」は、膜電極接合体のアノード側を１つの側面の境界とする電池の部分を意味する。
【００５４】
次に、本発明の様々な実施形態を、添付図面を参照して、添付図面に示された通りに、単なる例として、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】３元界面におけるヤングの式を示す概略図である。
【図２Ａ】２つの気液界面を有する泡の液体膜を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａの液体膜の中に位置する疎水性消泡剤粒子を示す概略図である（従来技術）。
【図２Ｃ】図２Ｂの疎水性消泡剤粒子の拡大された概略図であり、この粒子が液体膜との間に形成する接触角を示す図である（従来技術）。
【図２Ｄ】図２Ｂの疎水性消泡剤粒子の拡大された別の概略図であり、液体膜のもう一方の表面との間に形成された接触角を示す図である（従来技術）。
【図３】本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明に基づく分離器を含む酸化還元燃料電池のプロセス流れ図である。
【図５】メスシリンダから溢れたカソード液泡を含むメスシリンダの写真である。
【図６】本発明で使用されるＰＴＦＥの編みメッシュ（ｋｎｉｔｔｅｄ  ｍｅｓｈ）の写真である。
【図７】カソード液泡を含む本発明を使用したメスシリンダの一部分の写真である。
【図８】低エネルギー表面に隣接した２つの小さな気泡が合併（ｍｅｒｇｉｎｇ）してより大きな１つの気泡を形成する様子を示す図である。
【図９】低エネルギー表面に隣接した２つの小さな気泡が合併（ｍｅｒｇｉｎｇ）してより大きな１つの気泡を形成する様子を示す図である。
【図１０】低エネルギー表面に隣接した２つの小さな気泡が合併（ｍｅｒｇｉｎｇ）してより大きな１つの気泡を形成する様子を示す図である。
【図１１】燃料電池システムの気液接触器の下流のパイプ内に位置する１次コアレッサ（ｃｏａｌｅｓｃｅｒ）装置を示す図である。
【図１２】２次コアレッサ装置の上流に置かれた１次コアレッサ装置を示す図である。
【図１３】２次コアレッサ装置をより詳細に示す図である。
【図１４】図１２に示された１次コアレッサ装置とは異なる別の１次コアレッサ装置を示す図である。
【図１５】燃料電池システムの気液接触器の下流のパイプ内に位置する１次コアレッサ装置を示す図である。
【図１６】２次コアレッサデバイスの流体流入入口の下に存在する流れフィールドの作用を示す図である。
【図１７】低表面エネルギーを有する表面を含む例示的なメッシュ構造体の詳細を示す図である。
【図１８】低表面エネルギーを有する表面を含む例示的なメッシュ構造体の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図３を参照すると、泡の気相と液相とを分離する本発明に基づく分離器１が示されている。この分離器は、管状セクションまたは管状容器とすることができ、３つのセクション、すなわち分離セクション２、フィードセクション３および捕集セクション５を備える。分離セクションは、泡の気相と液相とを前述の仕組みによって分離する１つまたは複数の低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュ１０を有する。フィードセクションは、分離セクションの上流に位置し、分離セクションと流体連通している。フィードセクションは、泡または泡を含む液体を受け取る少なくとも１つの入口４を有する。フィードセクションは、低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュ全体に泡を分配する。分離セクションの下流には、やはり分離セクションと流体連通した捕集セクション５があり、捕集セクション５には、分離された気相６および分離された液相７が集まる。捕集セクションは、分離された液相用の１つまたは複数の出口８、および分離された気相９用の１つまたは複数の出口９を有する。
【００５７】
破裂界面の比表面積を増大させるため、分離セクション２は、複数の低表面エネルギー表面もしくは複数の低表面エネルギーメッシュ、またはメッシュパッキング（ｍｅｓｈ  ｐａｃｋｉｎｇ）１０を備えることができる。
【００５８】
この分離器は、３つのセクションを備えるものとして説明されるが、このようなセクションは独立型の別個のセクションでなくてもよい。これらのセクションは、一方の端で泡が受け取られ、分離された気相および液相がもう一方の端から外に出る連続した単一の分離器として統合されていてもよい。例えば、捕集セクション５は分離セクション２と一体でもよい。これは、分離セクションで気相と液相が分離されたときに、より高密度の液相は重力に従って落下し、分離セクションの底に集まる傾向があり、これを出口８を通して除去することができ、より軽い気相は、液相の上に浮き上がり、分離セクションの上部に集まる傾向があり、これを出口９を通して除去することができるためである。気相および液相のこの特性が、図３の分離セクション２内の矢印によって示されている。
【００５９】
動作について説明する。図３の左端の矢印によって示されているように、入口４を通して分離器のフィードセクション３に泡が供給される。酸化還元燃料電池用のカソード液再生システムでは、再生器の気液接触セクションから来た泡が、図４に示されているように分離器に入る。この泡は、適当な任意の手段、例えば重力またはポンプによって分離器に供給することができる。次いで、フィードセクションが、分離セクション２内の低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュ１０全体にこの泡を分配する。泡の液体膜の気液界面が分離ゾーンの低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュと接触すると、気液界面は前述の仕組みによって破裂し、この泡が分離ゾーンを通過するにつれて泡は気相と液相とに分離される。前述のとおり、液相は、分離器の捕集セクション５の底に集まる傾向があり、捕集セクション５の底に集まった液相は、出口８を通して分離器から取り出され、プロセスに戻される。カソード液再生システムでは、分離されたカソード液が燃料電池のカソード領域に戻される。気体は、分離器の捕集セクションの上部に集まる傾向があり、捕集セクションの上部に集った気体は出口９を通して除去される。図３の矢印は、分離器内を通過する流れの方向を示す。
【００６０】
この分離器は、独立型の分離器またはモジュールとすることができる。あるいは、別のデバイス、例えば前述の機械的分離デバイスの性能を強化するために、この分離器をそのデバイスに組み込むこともできる。
【００６１】
例
本出願人のＦｌｏｗＣａｔｈ（登録商標）カソード液１０ｍｌをメスシリンダにとり、このカソード液に、ＲＯＢＵ（登録商標）焼結ガラススパージャ（ｓｐａｒｇｅｒ）（製品番号１８１４３）を使用して流量０．５ｌ／分の空気の流れを通して泡を形成することにより、本発明のこの実用的な実施形態を試験した。図５に示されているように、形成された泡はメスシリンダから溢れた。
【００６２】
この試験を繰り返し、図６に示されているようなＰＴＦＥ編みメッシュ（Ｔｅｘｔｉｌｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．、製品番号ＰＴＦＥＫＭ２２００１）を、図７に示されているようにメスシリンダの口のところに配置した。再び、同じ条件でカソード液に空気を通した。図７に示されているように、この編みメッシュの効果は、泡を破裂させ、気相と液相とを分離することであった。
【００６３】
次に、本発明の他の態様および他の実施形態を、ＬＥＭによって支援された泡破裂の使用に関する本発明の発明者による最近の研究および実験に関して説明する。
【００６４】
次に、低エネルギー材料（Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）（ＬＥＭ）、典型的にはメッシュを構成する低エネルギー材料を使用した泡破裂（泡沫または泡の破壊または破潰）の一般的原理を説明する。メッシュの性能を示したが、メッシュ以外の構造体（すなわちＬＥＭ表面が露出した他のマトリックス、例えば多数のストランド、繊維塊、固体発泡体または焼結塊）も同様の結果を与えるはずである。
【００６５】
燃料電池システムの一部として使用されたとき、効果的な気液分離は、
ｉ）電解液（カソード液）ポンプおよび燃料電池スタックへの気体のキャリーアンダ（ｃａｒｒｙ−ｕｎｄｅｒ）、および
ｉｉ）燃料電池スタックの排気管（排出部）への液体のキャリーオーバ（ｃａｒｒｙ−ｏｖｅｒ）
を防ぐ働きをする。
【００６６】
寄生負荷（気液分離反応器によって消費される電力）と気液分離反応器のサイズの両方をできるだけ小さくするため、この動作は、最適なエネルギー効率および最適な容積効率で（すなわち電力をほとんど消費しない小型の気液分離反応器を使用して）実施されなければならない。本出願人による研究によれば、ＰＴＦＥメッシュは、Ｖ４  ＰＯＭ泡沫または泡を崩壊させるのに有効である。ＰＴＦＥは低表面エネルギー材料（ＬＥＭ）であり、したがって疎水性が高く、したがって水をはじく（２０°Ｃにおいて約１８ｍＪ／ｍ2の表面エネルギーを有する）。
【００６７】
水性泡沫混合物にさらされた場合、この低表面エネルギー材料は液相を選択的にはじく。これには、気泡とＬＥＭ表面との接触点における泡の気泡と気泡の間の液体境界（気泡−気泡間液体境界）を薄くし、気泡の破裂を促し、それによって気泡の合体（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ）、すなわちより大きなより少数の気泡への小さな気泡の合併または凝集を促す効果がある。この合併過程では、複数の気泡が合併または合体して単一の気泡を形成し、これが複数の気泡団に対して起こる。図８から図１０は、２つの小さな気泡１２０２が合併してより大きな１つの気泡１４０４を形成する様子を示している。２つの小さな気泡１２０２をつなぐ膜部分１２０４はＬＥＭ表面１２０１から後退し、その結果、より大きな気泡１４０４の境界の一部を画定する単一の膜部分１４０５または壁セクションができる。低表面エネルギー表面を、複数の微細なストランド（ｓｔｒａｎｄ）として提示すること、典型的にはメッシュとして提示することには以下の利点がある。
ｉ）これは、気泡と低表面エネルギー表面との接触を促し、低表面エネルギー表面からの気泡の解放を促す隙間の多い構造、任意選択で隙間の多い動かない構造を提供し、
ｉｉ）この「接触ジオメトリ（ｃｏｎｔａｃｔ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ」）を利用することにより小さな気泡の合体を促す。他のＬＥＭも使用可能だが、この用途に対してはＰＴＦＥが非常に適していることが分かっている。
【００６８】
したがって、図８、図９および図１０は、全体として、このようなＬＥＭに基づくまたはＬＥＭによって支援された気泡合体の仕組みを示している。上で示唆したとおり、この接触ジオメトリ、すなわち気泡と界面を形成する活性表面のジオメトリによって、この過程を強化することができる。例えば円形断面のメッシュストランドによって達成されるように、ＬＥＭ表面を曲面にすると、気泡膜とＬＥＭ表面との間の接触角を小さくすることができ、小さな接触角は、気泡−気泡間液体境界をよりいっそう薄くし、したがって低エネルギー表面への気泡の付着をさらに弱める働きをする。
【００６９】
次に、ＬＥＭによって支援された気泡合体と、気液相離隔（ｐｈａｓｅ  ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）とによる分離の概念をより詳細に説明する。
【００７０】
ＬＥＭ材料が関与する気液分離は２段プロセスと考えることができる。上で説明したとおり、ＬＥＭ材料は、気泡合体または気泡合併を強化しまたは増大させ、気泡の崩壊を効果的に引き起こすことによって、泡の崩壊を加速させまたは促進する。しかしながら、このプロセスは単独では気体を液体から分離せず、（小さな気泡を含む）細かい２相流れを（より大きな気泡を含む）粗い２相流れに変えるだけである。すなわち、このプロセスは小さな気泡をより大きな気泡にする。
【００７１】
重力または遠心力を使用した追加段である「隔離」段は、（沈降室（ｓｅｔｔｌｉｎｇ  ｃｈａｍｂｅｒ）、サイクロン、ヘリックス（ｈｅｌｉｘ）などの隔離装置を使用することによって）真の分離、すなわち完全な分離を提供することができる。
【００７２】
重力または遠心力による相隔離の前のＬＥＭによって支援された合体には、全体として、隔離がより容易に達成されるという技術上の有利な効果があり、このことは、より少ないエネルギーを消費するより小さな隔離装置または隔離「プラント」の使用を可能にする。したがって、本発明の発明者は、ＬＥＭによって支援された気液分離を、ｉ）（強化された）合体と、ｉｉ）相隔離とを含む２段プロセスとして想定する。
【００７３】
さらに、本明細書の前の方で述べたとおり、相隔離装置の内面を後にさらに説明するエキスパンドメッシュ（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｍｅｓｈ）で内張りすることによって、サイクロン、ヘリックスなどの泡破壊／隔離用の相隔離装置を改良することができる（試験結果が示された次ページの表２を参照されたい）。
【００７４】
【表２】
0006310982.tif 000003
0006310982.tif 000004
【００７５】
次に、１次および２次気泡合体の概念を説明する。
【００７６】
本発明の発明者による研究は、１次および２次ＬＥＭ気泡合体デバイスまたはコアレッサ（図１２参照）の開発につながった。コアレッサは、「気泡捕捉デバイス」または「気泡トラップ（トラッピング）デバイス」と呼ばれることがある。
【００７７】
１次コアレッサ装置
１次コアレッサデバイスまたは１次コアレッサ装置は、燃料電池システムの気液接触器の下流のパイプ内に装着することができる。図１１、図１４および図１５に例が示されており、以下では、それらの例についてさらに説明する。後にさらに説明するが、１次コアレッサデバイスは、図１２に示されているように、２次コアレッサデバイスまたは２次コアレッサ装置の上流に配置することができる。
【００７８】
１次コアレッサデバイスは、流れに対して少なくとも部分的に平行に装着された複数の（典型的にはメッシュ）表面を備える。この配置は以下の利点を有する。
ｉ）この配置は、表面を平行に装着することにより、流れのインピーダンスを最小化し（すなわちより小さい圧力降下およびより少ないエネルギー消費を提供し）、
ｉｉ）この配置は、合体したより大きな気泡をＬＥＭの活性表面から押し流しまたは引き離すために、流体が、ＬＥＭの表面に対して少なくとも部分的に平行な方向に低エネルギー表面を横切って流れ、または低エネルギー表面を横切って導かれる、十字流剪断作用を利用する。
【００７９】
前述のように表面を横切って流体の流れを流し、または導くことは、入来するより微細な気泡がＬＥＭの表面にさらされ、またはＬＥＭの表面と接触することを可能にする。
【００８０】
気泡を表面から引き剥がしまたは引き離す働きをする前述の剪断作用がない場合、気泡を除去する唯一の仕組みは、気泡の密度が液体の密度に比べて小さいことによって生じる液体に対する気泡の浮力である。
【００８１】
浮力が唯一の仕組みである場合、合体した多くの気泡が単一体積の気体を形成することによって確立された気体層によって、活性表面は気泡のかなりの部分から隔離される。その結果、気液分離または気液隔離プロセスの効果が低下する。
【００８２】
加えて、気泡が表面、典型的にはメッシュ構造を含む表面を横切って下流に押し流されるときに、十字流剪断作用が、気泡相互の「雪だるま」式の合体または合併によって気泡の成長を促すことも観察された。
【００８３】
表面は、パイプの断面を横切って、互いに平行にもしくは放射状に、かつ／またはプリーツ（ｐｌｅａｔ）を付けて装着することができる。他の断面配置は、格子（正方形、ハニカム、円、多角形などの）、同心円、螺旋構造、または軸方向の流路を形成する他の構造を含むことができる（交差配置ないし格子配置１５８および同心配置１５９が示された図１１を参照されたい）。
【００８４】
図１１は、例示的なある平行構成（１５５）および放射構成（１５７）を示す。それぞれのＬＥＭ表面１５５１、１５７１は、表面の全周もしくは全縁に沿って所定の位置に固定してもよく、または表面の上流部分に沿った部分だけ、もしくは表面の上流部分に近い部分、例えば表面の上流縁の局所部分だけを固定し、後縁（１つまたは複数）は固定せず、それによって、表面が可撓性の材料でできているときに、表面が、流れフィールド内で「吹き流し状に（ｓｔｒｅａｍｅｒ‐ｌｉｋｅ）」振舞うことができるようにしてもよい（図１２から１４参照）。これによって表面はある移動度を得る。したがって、表面を横切って流れる流体の乱流は、それぞれの吹き流しを乱すことができ、それによって接触が向上し、さらに気泡の脱離が改善する。
【００８５】
１次コアレッサは、パイプ内の分離された一連の「エレメント」として設計し配置することができる。それぞれのエレメントは適当な量のＬＥＭ表面を含み、これを支持する。所与の流量および細かさの泡を合体させるのに１つのエレメントだけでは不十分であることが分かった場合には、必要に応じて複数のエレメントを設置することができる。図１５は、流体流れ１９４の方向に沿って間隔を置いて配置されたこのような複数（３つ）の気泡合体エレメント１９１、１９２および１９３を含む流体パイプの一例を示す。接触を向上させるため、１つのエレメント１９２を、他の１つまたは複数のエレメント１９１、１９３とは異なる軸回転角度に装着して、それぞれのエレメントのＬＥＭ表面が、互いに対して、流体流れの方向またはパイプの主軸１９４を軸にして回転方向にずれるようにすることができる。
【００８６】
図１２では、例示的な１次合体デバイス１６２０が、気相および液相を収容するリザーバ１６０６内に２次コアレッサデバイス１６０５を有する例示的な２次合体装置１６００に泡または泡沫を投入する、泡入口パイプ１６３０内の１次合体エレメント１６２２と、パイプから２次コアレッサデバイス１６０５へ泡を投入する泡投入部１６４０と、気体出口１６４２と、液体出口１６４４とを備える。１次合体エレメントを保持するパイプの向きは、水平、垂直、または水平と垂直の間のある角度とすることができ、流れは任意の方向に運ばれる。
【００８７】
２次コアレッサ
この例示的な２次コアレッサデバイス１６０５または「気泡トラップ」はリザーバ１６０６内に装着されており、１次デバイス１６２０を通して戻り（流体）流れを受け取る。２次コアレッサデバイス１６０５の主な目的は、
ｉ）１次デバイスをすり抜けた気泡を封じ込め、合体させること、および
ｉｉ）入ってきた流れを落ち着かせ、したがって再飛散（ｒｅ−ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）を封じ込め破壊することである。
【００８８】
この例示的な２次コアレッサデバイス１６０５は図１２と図１３の両方に示されている。デバイス１６０５は、互いの傍らに配置された垂直メッシュスクリーン１６０２のアレイを含むラック１６０５からなり、スクリーンはそれぞれ、ラックマウント１７０２内において、スクリーンの周囲の少なくとも一部分に沿ってまたはスクリーンの周囲の少なくとも一部分の近くで、例えば（図１３に示されているように）スクリーンの側部および下縁に沿って保持され、密封される。図１２では、デバイス１６０５が、２次合体装置１６００の流体リザーバ１６０６内に示されている。ラック１６０５は、ラックの投入部端（図示のとおり上端）または頂部が開いており、ラック１６０５の少なくとも１つの外面１７０４はメッシュスクリーン１６０２に対して平行であり、他の面１７０６は流体流れを通さない。流体流れは、２次装置１６００の上方およびデバイス１６０５の上方から、下方へ流れるジェット１６１６としてスクリーンのアレイに入る。この流れが、スクリーン１６０２を通り抜けて横方向に流れると、リザーバ１６０６内の気液流体混合物１６０８中の気体が解放され、気液流体混合物１６０８中の液体は最終的に、開いたラック面（１つまたは複数）１７０４を通って外に出る。図１２および図１３は全体として、この配置を示す役目を果たす。図１２および図１３の例示的なコアレッサに示された有用な特徴は、矢印１６１６によって示された２次コアレッサに投入された流体の下方へのジェット流による変形を阻止するために、スクリーンの上周囲もしくは上縁またはスクリーンの前周囲または前縁（１つまたは複数）１６１０に沿って、またはそれらの周囲もしくは縁１６１０の近くで、それぞれのスクリーンを支持することができることである。
【００８９】
図１２に示された例示的な配置のラック１６０５は、液体および気体を通さない閉じた表面またはプレート１６０７に、（装置１６００の液体排出部端の近くの）下縁が取り付けられたスクリーンを有する。プレート１６０７は、隣接するスクリーン１６０２間の泡１６１４の中の液体が、装置１６００の液体排出部端（図では下端）に向かって下方へ移動してラック１６０５の外に出ることを防ぎ、また、スクリーンとスクリーンの間を通過した液体を、矢印１６５０によって示されているように、ラック１６０５から、ラック１６０５の周囲の流体中へ横方向外側へ導くのを助ける。
【００９０】
図１２に示された実施形態では、閉じた底面１６０７に加えて、スクリーンに対して直角なラックの側面も流れを通さない。この実施形態では、スクリーンの縁が、それらの側面に沿って密封されており、したがって、液体が、スクリーン材料を通り抜けてスクリーンの一方の側からスクリーンの反対側へ流れることを促す。図１２に示されたラック１６０５は、スクリーン表面に対して平行な方向に見た図１３に示されたラックの断面を示す。
【００９１】
この非常に効果的な泡破壊手段には少なくとも３つの仕組みがある。
【００９２】
第１に、第１の仕組みによれば、１次コアレッサに対する説明と同様に、泡の破壊は、最初に泡がスクリーンアレイ内へ移動している最中に、泡が、入口１６４０の下のＬＥＭスクリーンの表面を横切って移動しまたは流れるときに始まる（泡が流れる方向は、図１２の矢印１６１６によって示されているように下方向である）。
【００９３】
第２に、２次コアレッサデバイス１６０５のスクリーン１６０２は、残存する泡沫が、（図１２の矢印１６１６によって示されている）流体流れの主方向に対して横方向に進むことを阻止する。
【００９４】
脱気された液体は、スクリーン１６０２の開口を通して排出させる。しかしながら、それらの開口よりも大きな気泡は、開口（典型的にはメッシュ）を通過することができず、その気泡が崩壊または破裂するまでそこに留め置かれまたは保持される。
【００９５】
それらの開口よりも小さい気泡は、液体と一緒に開口を通過することができる。しかしながら、大部分の気泡は、留め置かれた大きな気泡によってスクリーンの表面に到達することができない。このスクリーンまたはメッシュは事実上、気泡フィルタのような働きをし、より小さな気泡を含む領域とその領域に面したスクリーン表面との間の領域のより大きな気泡の「フィルタケーキ」（図示せず）が、（隣接するスクリーン間の領域内における）より小さな気泡の保持を支援するため、このことは有利であると考えることができる。
【００９６】
第３の仕組みは、２次コアレッサデバイスの流体流入入口の下に存在する流れフィールドによって生じることがある。
【００９７】
図１６はこれを示す。流入した流体泡２００４がメッシュアレイ２００６に入ると再循環渦２００２が形成される。小さな気泡２００７は、そのサイズのため、これらの渦２００２の中に閉じ込められ、したがって（円形矢印２００２によって示されているように）繰り返し再循環し、メッシュアレイ２００６の表面に再びさらされる。したがって、小さな気泡２００７は選択的に保持され、それらの小さな気泡は、気泡の浮力によって気泡が（矢印２０１５および気泡２００９、２０１０によって示されているように）表面に脱出することができる程度に十分に大きくなるまで（気泡２００８によって示されている）再処理され、大きな気泡２００８、２０１０は、破裂気泡２０１１によって示されているように破裂するかまたは壊れる（崩壊する）。
【００９８】
これらの３つの仕組みの組合せがＬＥＭ気泡トラップを非常に効果的にすると予想され、試験結果はこれが有効であることを示している。
【００９９】
２次合体デバイスまたは「気泡トラップ」が存在しない場合には、（浮揚性のある気泡が液体内で液体に対して浮上することによる）重力分離が、（ａ）残存する泡の破壊／封じ込めおよび（ｂ）液体流体中の気体の再飛散を促進する目的に使用可能な唯一の仕組みとなる。したがって、このような重力分離が唯一の仕組みである場合には、２次合体デバイスが使用される場合よりも気液隔離リザーバをはるかに大きくすることが必要となる。２次合体デバイスが、所与の流体流量に対してより小さなリザーバの使用を提供することは明らかである。
【０１００】
前述の１次および２次コアレッサ段に加えて、１次および２次気液隔離段を備えるように、気液分離システムを構成することもできる。
【０１０１】
例えば、１次コアレッサの後に、気液混合流体流れを、サイクロンもしくはヘリックスまたは他のバルク分離器に導いて、液相からの気相のバルク隔離を促進することができる。次いで、バルク分離器の液体排出部（例えばサイクロンベースまたはヘリックスの排出部）から出てくる液体（および残存する泡）を、２次コアレッサ気泡トラップに導くことができる。次いで、気液リザーバ内の重力沈降が２次隔離を促進することになる。
【０１０２】
このような配置の利点は、大きな流量および／または大きな流速を使用するより大電力のシステムに関して明らかになる可能性がある。段階的な合体／隔離による分離は、流体がリザーバへ戻る前に流速が徐々に低下することを可能にするであろう。これは、流れをさらに落ち着かせ、気体出口および液体出口に対する２次的なそれぞれの飛散を回避するであろう。
【０１０３】
次に、本発明の発明者が実施したＬＥＭメッシュ材料の試験について説明する。
【０１０４】
本発明の発明者は、有効性を判定するため、ある範囲のＬＥＭメッシュおよびＬＥＭ表面を調べた。結果を下表３に示す。この試験には、編みメッシュＰＴＦＥＫＭ２２００１ならびにエキスパンドメッシュＥＴ−８３００および５ＰＴＦＥ７−１００ＳＴを選択した。これらのメッシュは良好な性能を与えることが分かった。
【０１０５】
【表３】
0006310982.tif 000005
【０１０６】
編みメッシュＰＴＦＥＫＭ２２００１（もとは外科手術用に開発されたもの）の画像が図１７に、別のメッシュが図１８に示されている。これらの図において、エキスパンドメッシュ２１０２は、規則正しい菱形の開口２１０４を有するように形成（例えば機械加工または成形）された単一の材料シート２１０２からなる。最終結果は、（断ち切られたストランド端を流れの中へ放出しうる編みメッシュまたは織られたメッシュとは違い）切断されたときに脱落しない（メッシュから離れない）相互接続した微細なストランド２２０６からなる連続する一貫した「リントフリー（ｌｉｎｔ−ｆｒｅｅ）」メッシュである。図１８および下表４は、全体として、このエキスパンドメッシュの形態および寸法を示す。
【０１０７】
【表４】
0006310982.tif 000006
【０１０８】
ＬＥＭによって支援された気泡合体の過程が界面現象である（すなわちそれが表面で起こる）ときには、堅い下部構造（例えばＰＴＦＥでコーティングされたワイヤメッシュ）を有する自立メッシュを製造することができる。外部支持構造体（例えばラック、フレーム、支持リブなど）は体積をとり、流れに対して妨害的（ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ）であり、したがって流体流れの方向に沿った圧力降下に寄与する。内部支持構造体はこれらの問題を回避するであろう。
【０１０９】
前述の１次および２次コアレッサデバイスは、ある試験／開発プログラムによって本発明の発明者が開発したものである。デバイスは泡発生器の下流で試験した。特に明示しない限り、使用した流体流れは、室温（摂氏約２０度）の３０ｌ／分（０．５リットル毎秒）のカソード液および１２０ｌ／分（２リットル毎秒）の空気であった。表４は、それぞれのプロトタイプ設計および性能の概要を示す。
【０１１０】
ミスト防止
試験中に、前述のデバイスでは、発生する排気管へのカソード液ミスト（ｍｉｓｔ）キャリーオーバがはるかに少ない（すなわち出ていく気体または排出気体と一緒に漏出する小滴が少ない）ことも分かった。試験の結果は、本発明を使用することにより、従来の重力泡分離デバイスおよび遠心泡分離デバイス（すなわち沈降室、サイクロン、ヘリックスなど）に比べて２桁の改良を得ることが可能であることを示している。
【０１１１】
ＬＥＭミスト防止の説明
以下に、そのいくつかの例を以前に説明したＬＥＭに基づく気液分離器が排気流中に放出するカソード液ミストの量が、重力または遠心力に基づく技法による量よりも大幅に少ない理由を説明する提案された説明を示す。
【０１１２】
重力および遠心力に基づく気液分離
沈降室、サイクロンおよびへリックスは全て、相密度の差を利用して泡の崩壊を達成し、それによって気液分離を達成する。重力または遠心力は、泡の気泡膜の相互接続網を通した排液を引き起こすために使用される。その結果、泡表面の気泡は液体を失い、これが膜の薄化したがって膜の弱化につながる。弱くなった膜は、表面張力の影響を受けて最終的に破裂する。次いで、液体の表面張力が、崩壊した膜を球状の小滴の中へ引き入れる。それらの小滴は分離気体流の中へ飛散し、排気排出部を通してミストとしてシステムの外へ出る。これは望ましくない。その結果、気泡の新しい表面層が泡沫または泡の上面に現れ、この過程が繰り返される。
【０１１３】
ＬＥＭに基づく気液分離と重力および遠心力に基づく気液分離との比較
ＰＴＦＥまたは他の低表面エネルギー材料の疎水性のため、それぞれの液体気泡膜は、低エネルギー表面と「小さな」接触角で接触する。すなわち、気泡膜の外表面は疎水性表面によってはじかれ、したがって、気泡が表面と接触するとき、その膜は、気泡と表面との中心接触点から外側へ、その表面がより高表面エネルギーの材料でできている場合よりも表面から離れた角度で表面と接触する。言い換えると、膜と表面との接触領域における気泡膜の表面は、表面がより高表面エネルギーの材料でできている場合よりも外側に凸である。
【０１１４】
この「小さな」接触角は、接触点において膜を落ち込ませ、局所的に薄くする働きをし、これが弱い表面接着につながる。次いで、固有膜表面張力が、液体膜をＰＴＦＥ表面から引き剥がしまたは引き離すのに十分な大きさとなり、それによって表面から気泡を除去する。それぞれの膜が後退すると、膜に含まれる液体が、１つまたは複数の他の気泡の周囲の膜の中に流入し、２つの気泡が合体して１つの気泡になる。図８から図１０を続けて参照されたい。
【０１１５】
低表面エネルギー材料による気泡の破壊または合体の前述のプロセスによれば、概括的な意味において、液体の排出によって気泡膜は弱められず、膜が後退したときに膜の完全性は維持され、そのため、それぞれの膜が崩壊して小滴になる可能性ははるかに低い。しかしながら、膜のこの維持された完全性にもかかわらず、いくつかの小滴が形成された場合でも、このような小滴の形成は２重カプセル化として起こり（すなわち残存している気泡内に小滴が封じ込められ）、泡のブランケットまたは泡の領域の下で起こるであろう。これは、小滴の再吸収の機会を提供し、したがって、小滴が、気体排出部または排気管に放出されることを防ぐ。
【０１１６】
本発明の更なる形態と実施態様としては、以下の項に記載のものを例示的に列挙することができる。
【０１１７】
［１］泡の気相と液相とを分離する分離器であって、第１の側および第２の側を備え、前記第１の側から前記第２の側へ泡または泡相が移動することを可能にするために前記分離器内に設けられた通流手段を有し、さらに、低表面エネルギーを有する少なくとも１つの泡接触表面と、少なくとも１つの分離された相を前記泡から回収する手段とを備える分離器。
【０１１８】
［２］少なくとも液相を前記泡から回収する手段を備える、上記［１］に記載の分離器。
【０１１９】
［３］少なくとも液相および気相を前記泡から別々に回収する手段を備える、上記［２］に記載の分離器。
【０１２０】
［４］有用で再使用可能な少なくとも１つの成分を含む泡を発生させる工業ユニットの一部として提供され、または前記工業ユニットと協力関係にあり、前記工業ユニットから前記分離器に泡を供給する手段、および前記有用で再使用可能な少なくとも１つの成分を回収し、前記工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給する手段が設けられた、上記［１］から［３］のいずれか一項に記載の分離器。
【０１２１】
［５］前記少なくとも１つの泡接触表面の表面エネルギーが、
ａ．  ４０ｍＪｍ-2未満、または
ｂ．  ３０ｍＪｍ-2未満、または
ｃ．  ２５ｍＪｍ-2未満
である、上記［１］から［４］のいずれか一項に記載の分離ユニット。
【０１２２】
［６］前記少なくとも１つの泡接触表面が１種または数種の疎水性材料から形成された、上記［１］から［５］のいずれか一項に記載の分離ユニット。
【０１２３】
［７］前記少なくとも１つの泡接触表面が１種または数種の疎水性ポリマー材料から形成される、上記［１］から［６］のいずれか一項に記載の分離ユニット。
【０１２４】
［８］前記１種または数種の疎水性ポリマー材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリハロゲン化ビニル、ポリハロゲン化ビニリデン、ポリハロオレフィン、ポリアクリレート（ポリメタクリレート）、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオレフィンオキシド、ポリエステルおよびＰＥＥＫの中から選択される、上記［７］に記載の分離器。
【０１２５】
［９］前記１種または数種の疎水性ポリマー材料が、線状または枝分れポリエチレン−線状アイソタクチックポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルトルエン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸イソブチル、ポリ（メタクリル酸ｔ−ブチル）、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリエチレンオキシド、ポリテトラメチレンオキシド、ポリテトラヒドロフラン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド−６，６、ポリアミド−１２、ポリジメチルシロキサン、ポリカーボネートおよびポリエーテルエーテルケトンの中から選択される、上記［８］に記載の分離器。
【０１２６】
［１０］前記１種または数種の疎水性ポリマー材料が、ポリウレタン、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ナイロン１２、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸エチル（ＰＥＡ）、ポリメタクリル酸エチル（ＰＥＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリビニルプロプリオネート、ポリイソブチレン、ポリテトラヒドロフラン（ＰＴＨＦ）、ポリテトラメチレンオキシド、ポリ酪酸ブチル、ポリヘキサデカン酸ビニル、ポリアクリル酸２−エチルヘキシル、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ（メタクリル酸ヘキシル）、ポリドデカン酸ビニル、ポリデカン酸ビニル、ポリヘキサン酸ビニル、ポリオクタン酸ビニル、ポリトリフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルブチラール、ポリメタクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイソプレン（ＰＩＰ）の中から選択される、上記［７］に記載の分離器。
【０１２７】
［１１］前記第１の側から前記第２の側へ泡が移動することを可能にするために前記分離器内に設けられた前記通流手段が、前記分離器の第１の側から前記分離器の中を通って前記分離器の第２の側に達する１つまたは複数の流路を備える、上記［１］から［１０］のいずれか一項に記載の分離ユニット。
【０１２８】
［１２］前記泡接触表面が、メッシュまたは穴あきプレートの形態を有する、上記［１１］に記載の分離ユニット。
【０１２９】
［１３］前記メッシュの穴またはプレートの穴の直径が０．１ｍｍから１０ｍｍの範囲にある、上記［１２］に記載の分離器。
【０１３０】
［１４］メッシュまたは穴あきプレートの１つまたは複数の層を備え、前記１つまたは複数の層のうちの少なくとも１つの層が、泡の流れに対する以下の向き、すなわち、
ａ．  前記流れに対して直角
ｂ．  前記流れに対して平行
ｃ．  前記流れに対して斜め
ｄ．  ランダムパック
のうちの１つまたは複数の向きに配置される、上記［１２］または［１３］に記載の分離器。
【０１３１】
［１５］前記メッシュまたは穴あきプレートが以下の構成、すなわち、
ａ．  泡の流れに対して平行なまたは泡の流れに対して斜めのプリーツ状扇折り配置
ｂ．  泡が環の内側または外側を流れる環状扇折り配置
のうちの１つまたは複数の構成をとる、上記［１２］または［１３］に記載の分離器。
【０１３２】
［１６］前記少なくとも１つの泡接触表面がフィラメント材料を含む、上記［１］から［１５］のいずれか一項に記載の分離器。
【０１３３】
［１７］前記少なくとも１つの泡接触表面が前記通流手段の領域に位置する、上記［１］から［１６］のいずれか一項に記載の分離器。
【０１３４】
［１８］前記少なくとも１つの泡接触表面が、前記通流手段内に延び、または前記通流手段を貫いて延びる、上記［１７］に記載の分離器。
【０１３５】
［１９］泡の気相と液相とを分離する方法であって、
ａ．  上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載の分離ユニットを用意すること、
ｂ．  前記分離器の前記第１の側に泡を供給すること、
ｃ．  前記泡を、前記分離器の前記第２の側に向かって前記通流手段の中に通すこと、および
ｄ．  前記分離器の前記第２の側で、または前記分離器の前記第２の側の下流で、前記泡の分離された液相と前記泡の分離された気相のうちの少なくとも一方の分離された相を回収すること
を含む方法。
【０１３６】
［２０］前記泡が工業ユニットによって生成され、前記泡の前記少なくとも一方の分離された相が回収され、前記工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給される、上記［１９］に記載の方法。
【０１３７】
［２１］前記工業ユニットが燃料電池または電解セルである、上記［２０］に記載の方法。
【０１３８】
［２２］前記工業ユニットが生化学的発酵ユニットまたは泡沫浮上分離ユニットである、上記［２０］に記載の方法。
【０１３９】
［２３］上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載の分離ユニットを含む燃料電池または加水分解セル。
【０１４０】
［２４］前記分離ユニットが、前記電池のカソード領域内で有用な酸化還元対を酸化によって再生させるように適合された前記電池の領域内に位置する上記［２３］に記載の燃料電池。
【０１４１】
［２５］
ａ．  イオン選択性ポリマー電解質膜によって分離されたアノードとカソードとを備える少なくとも１つの膜電極接合体と、
ｂ．  前記膜電極接合体の前記アノードに隣接したアノード室と、
ｃ．  前記膜電極接合体の前記カソードに隣接したカソード室と、
ｄ．  前記電池の前記アノード室に燃料を供給する手段と、
ｅ．  前記電池に酸化剤を供給する手段と、
ｆ．  前記電池の対応するそれぞれのアノードとカソードの間に電気回路を提供する手段と、
ｇ．  少なくとも１種の不揮発性カソード液成分を含むカソード液であり、酸化還元触媒および／またはメディエータ対を含むカソード液と、
ｈ．  前記酸化還元触媒および／またはメディエータ対を前記酸化剤と接触させて、酸化された触媒および／またはメディエータ対を含む泡を生成する手段と、
ｉ．  前記泡を、上記［１］から［１２］のいずれか一項に記載の分離ユニットに供給し、少なくとも前記泡の液相をさらに使用するために回収する手段と
を備える上記［２４］に記載の燃料電池。
【０１４２】
［２６］上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載の分離ユニットを含む生化学的発酵ユニットまたは泡沫浮上分離ユニット。
【０１４３】
［２７］泡の気相と液相とを分離する際の上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載の分離器の使用。
【０１４４】
［２８］前記泡から分離された有用な少なくとも１つの相を工業プロセスに供給することを含む、上記［２７］に記載の使用。
【０１４５】
［２９］酸化還元燃料電池のカソード液再生システムにおける上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
【０１４６】
［３０］電解液から加水分解気体を分離する際の上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
【０１４７】
［３１］生化学的発酵ユニット内で泡を破壊するための上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
【０１４８】
［３２］泡沫浮上分離ユニット内で微粒子材料を回収するための上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
【０１４９】
［３３］低表面エネルギー材料を含む泡低減装置であって、前記低表面エネルギー材料の表面に沿って前記泡低減装置に泡が投入されたときに前記泡と接触する手段を備える装置。
【０１５０】
［３４］前記低表面エネルギー材料の前記表面の少なくとも一部分が凸形であるかまたは尖っており、そのため、前記表面の前記少なくとも一部分が前記表面の他の部分から突き出ている、上記［３３］に記載の装置。
【０１５１】
［３５］前記一部分が、前記表面の複数の凸形領域によって形成される、上記［３４］に記載の装置。
【０１５２】
［３６］前記一部分が、メッシュ構造の細長いストランドによって形成される、上記［３５］に記載の装置。
【０１５３】
［３７］前記表面が、前記表面を通り過ぎる流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きに配置される、上記［３０］から［３６］のいずれか一項に記載の装置。
【０１５４】
［３８］前記表面が可撓性の材料でできており、前記表面の上流端の移動を阻止するために、前記表面が、前記表面の上流端または前記表面の上流端の近くで保持されており、一方、前記表面の上流端から遠い前記表面の部分が横方向に移動することができる、上記［３３］から［３７］のいずれか一項に記載の装置。
【０１５５】
［３９］前記表面が複数の表面を含み、前記複数の表面が、互いに近い位置に、互いに対して少なくとも部分的に平行になるように、かつ前記複数の表面の対応するそれぞれの上流端における流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行になるように保持される、上記［３３］から［３８］のいずれか一項に記載の装置。
【０１５６】
［４０］流体流れの主たる方向を横切る方向に沿って前記複数の表面が互いから間隔を置いて配置されるような位置に、前記複数の表面が保持される、上記［３９］に記載の装置。
【０１５７】
［４１］前記複数の表面が、流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行な軸に沿って互いに取り付けられており、前記複数の表面がそれぞれ、前記軸から、前記軸から半径方向外側へ延びるような位置に、または前記複数の表面が、前記軸を横切る２つのそれぞれの方向に沿って間隔を置いて配置されるような位置に、または前記複数の表面が、前記軸に関して同心状に互いから間隔を置いて配置されるような位置に、前記複数の表面が保持されている、上記［３９］に記載の装置。
【０１５８】
［４２］上記［１］から［１８］のいずれか一項に記載の分離器と、上記［３３］から［４１］のいずれか一項に記載の泡低減装置と備える気液分離装置。
【０１５９】
［４３］上記［３３］から［４２］のいずれか一項に記載の装置を備える燃料電池システム。
【０１６０】
［４４］熱と電力を組み合わせて生成するための上記［４３］に記載の燃料電池システムの使用。
【０１６１】
［４５］車両に動力を供給するための上記［４３］に記載の燃料電池システムの使用。
【０１６２】
［４６］電子装置内で発電するための上記［４３］に記載の燃料電池システムの使用。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0006310982.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
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