(57)【要約】【課題】直接型液体燃料電池発電装置の補器の出力を増やすことなく、直接型液体燃料電池発電装置発電において生成、排出される有害物質の清浄化が可能な直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターを提供するものである。【解決手段】電極からの排出物に含まれる有害物質を除去するための直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターであって、前記排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材５と、前記気液分離部材５を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部３とを具備することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給されるアノード電極と、空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを備える起電部単位を少なくとも１つ具備する直接型液体燃料電池発電装置において、
前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材と、
前記気液分離部材を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部と
を具備することを特徴とする直接型液体燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記触媒部は、前記起電部単位の発電反応による反応熱を用いて加熱されることを特徴とする請求項１記載の直接型液体燃料電池発電装置。
【請求項３】
電極からの排出物に含まれる有害物質を除去するための直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターであって、
前記排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材と、
前記気液分離部材を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部と
を具備することを特徴とする直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルター。
【請求項４】
前記触媒部の周囲に、下記数１及び数２で表わされる熱伝達率を有する断熱層を配置することを特徴とする請求項３記載の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルター。
【数１】
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【数２】
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但し、Ｂは前記触媒部に含まれる触媒の重さ（ｇ）、αは前記触媒の単位重さ当りの発熱量４２．８９（Ｊ／ｓ／ｇ／Ｋ）、ｋは前記触媒部の最表面からフィルター本体の最表面までの熱伝導率（Ｗ・ｍ／Ｋ）、ΔＲは前記触媒部の最表面とフィルター本体の最表面との距離（ｍ）であり、ｈは前記触媒部の最表面からフィルター本体の最表面までの熱伝達率（Ｗ／Ｋ）である。
【請求項５】
前記触媒部を加熱するためのヒータをさらに備えることを特徴とする請求項３〜４いずれか１項記載の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルター。
【請求項６】
前記触媒部で発生する水分を外部へ排出するためのウィックもしくはパイプを更に備えることを特徴とする請求項３〜５いずれか１項記載の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルター。
【請求項７】
着脱可能な液体吸収体を少なくとも一部が前記気液分離部材のガス流入面と接触するように配置することを特徴とする請求項３〜６いずれか１項記載の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接型液体燃料電池の排出物に含まれる有害物質の除去を目的としたフィルターと、前記フィルターを備えた直接型液体燃料電池発電装置に関するものである。また、本発明は、直接型メタノール燃料電池に特に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応により水素、炭化水素あるいはアルコールなどの燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置であり、直接電気エネルギーに変換するため、高効率でかつ低公害型の発電装置として期待されている。
【０００３】
この燃料電池の内、イオン交換樹脂膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は、電気自動車用の電源や、住宅用の電源として、近年開発が加速されている燃料電池である。この固体高分子型燃料電池は、アノード電極側に水素を含むガス、カソード電極側に酸素ガスあるいは空気を導入する。アノード電極及びカソード電極それぞれにおいて、下記の化学式１、化学式２に示す反応がおこなわれ、起電力が発生する。
【化１】
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【０００４】
すなわち、アノード電極内部の触媒により、水素から電子とプロトンが生成する。電子は外部回路により取り出されて発電に用いられる。プロトンはプロトン導電性電解質膜内を拡散により移動してカソード電極に到達する。そして、カソード電極内部の触媒により、発電に用いられた電子とプロトンと酸素とが反応して水が生成する。このような電気化学反応によって発電が行われる。
【０００５】
一方、近年は、直接型メタノール燃料電池のような液体燃料電池が注目を集めている。この直接型メタノール燃料電池の起電部単位は、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極の間に配置されたプロトン導電性電解質膜（例えば、パーフルフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜であり、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎなどが好ましく用いられる）とを備える。この燃料電池を駆動するには、アノード電極側にメタノールと水、カソード電極に酸素ガスあるいは空気を導入することにより、アノード電極及びカソード電極それぞれで下記の化学式３及び化学式４に示す反応を生じさせる。
【化２】
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【０００６】
すなわち、アノード電極の触媒層の触媒により、メタノールと水から電子とプロトンと二酸化炭素が生成し、生成した二酸化炭素は大気中に放出される。電子は外部回路により取り出されて発電に用いられる。また、プロトンはプロトン導電性電解質膜を移動してカソード電極に到達する。カソード電極触媒層中では、発電により用いられた電子および酸素と反応して水が生成する。これによって発電が行われる。
【０００７】
このメタノールのアノードでの電極反応においては、水素をアノード電極側に供給するのとは別に、完全酸化されるまでの反応中間体と考えられているホルムアルデヒドや蟻酸などが、副生成物として未反応のまま電極から排出される可能性がある。また、アノード極側に供給された燃料中のメタノールが、拡散などによりプロトン導電性電解質膜や触媒層中を通過してカソード極側へ移動し、カソード極に供給されている酸化剤により酸化を受け、その過程においてもホルムアルデヒドや蟻酸などの副反応生成物を生成する可能性がある。
【０００８】
これらの副生成物の発生量は、未反応のまま排出されるメタノールに比較して微量であるものの、シックハウス症候群の誘因物質として注目されているホルムアルデヒドについては特に厳しい環境規制値が設定されており、直接型メタノール燃料電池発電装置の商品化においては、数種の副反応生成物への対策が必要不可欠といえる。また、メタノールについては、現在、職業的健康暴露限度として２００ｐｐｍ以下を１日平均８時間以内という基準が設定されているが、一般生活で日常的に使われるようになる場合、慢性的な中毒を防止するために更に規制が厳しくなることが予想される。人によっては３０ｐｐｍでも臭気を感じる場合もあり、都市部での大気中でも数十ｐｐｂ程度と報告されている点から考慮すると、将来的な規制は数ｐｐｍ以下になる可能性も高く、発電により未反応で排出されるメタノールの処理は必須である。
【０００９】
メタノールを含めた、蟻酸、ホルムアルデヒドに代表される有害排出物の対策として、活性炭やシリカゲルなどの吸着剤による吸着により回収する、もしくは例えば特許文献１に示すような触媒を用いた分解による無害化を行うという２つの方法が代表的である。
【００１０】
直接型メタノール燃料電池発電装置の発電では、反応において生成した水によってカソード電極から排出される気体中の湿度が非常に高くなることや、電極の触媒層中での反応効率を高める点でも、起電部単位または燃料の温度は４０℃〜７０℃の範囲になる。生成する水は、前述した化学式３および化学式４から分かるように、燃料として消費されたメタノール水溶液の体積とほぼ同じ量である（例えば、４０ｃｃの９５％メタノールが消費された場合、約３６ｃｃの水が生成する）。
【００１１】
そのため、極性の高い分子を吸着しやすい、シリカゲルに代表される吸着剤の場合、メタノールやホルムアルデヒドよりも大過剰に排出されている水蒸気により吸着剤の寿命が著しく短縮され、安全性の面から必要なだけの吸着剤の量を確保することは、小型化という近年の燃料電池へのニーズに対し相反する。
【００１２】
活性炭では、多量の水の存在下においても有機溶媒を比較的選択的に吸着することが可能であり、ホルムアルデヒドや蟻酸のみが数ｐｐｍ含まれているカソード電極側からの排出気体成分（以後、カソード電極側から排出される気体成分のことを、カソード排出ガス、アノード電極側から排出される気体成分のことをアノード排出ガスと称し、また、これらを合わせて、排出ガスと称す）からの回収である場合ならば、必要とされる活性炭量は投入される燃料体積の１０％前後で足りる。しかしながら、直接型メタノール燃料電池発電装置の発電運転では、アノード電極反応で生成する二酸化炭素を発電装置の外へ排出しなければならず、二酸化炭素とともに４０℃〜７０℃ともなる燃料から蒸発したメタノールの濃度は、少なくとも数千ｐｐｍ以上の濃度となる。この高濃度メタノール蒸気を含む二酸化炭素を、カソード排出ガスにより希釈したとしても、数百ｐｐｍ程度であり、活性炭の吸着効率や寿命が大幅に低下させられる。更には、活性炭による吸着は物理吸着が支配的であるため、排出温度の上昇に伴い吸着効率は減少し、直接型メタノール燃料電池発電装置の運転温度である４０℃〜７０℃においては、室温付近での能力の数分の一に低下する。そのため、非常に頻繁に活性炭を交換するか、大量の活性炭を有する必要があり、小型化や簡便化というニーズに対し、相反する。
【００１３】
これら吸着による回収法に対して、触媒を用いた分解手法においては、被毒等による劣化がない限り交換は不要であり、活性炭やシリカゲルに代表される簡易な吸着剤とは異なり、温度の上昇にともなって処理効率が上がるという利点もある。
【００１４】
しかしながら上記したように、直接型メタノール燃料電池発電装置発電においては、燃料にメタノール水溶液を使用しているため、カソード排出ガスおよびアノード排出ガス両方において高い湿度をもっており、既に結露した液滴の混入や触媒部中での結露により触媒部内での水詰まりが非常に生じ易い。又、直接型メタノール燃料電池発電装置としては、小型化と伴に、発電を安定に持続させるための補器の省電力化および補器そのものの省略を必要とされるため、排出ガス浄化用の空気を取り入れるためのポンプの設置は大きな負担であり、水詰まりによるカソード電極への送気ポンプへの負担も低減することも不可欠である。
【００１５】
更には、触媒部での水詰まりが生じた場合、触媒表面が液滴で覆われてしまうことで酸素との反応効率を下げ、加えて、メタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸は任意の割合で水に溶けるために、液滴にそれらが混ざることで液滴内での有害物の濃縮が起こる。特に蟻酸の場合、数百ｐｐｍの濃度においても液滴の酸性度をｐＨ３以下にまで下げてしまうため、そのような液滴が触媒部から押し出され飛散した場合には、利用者に対し非常に危険であることは言うまでもなく、また直接型メタノール燃料電池発電装置の他の構成部品に対しても大きなダメージを与える恐れがある。
【特許文献１】特開２０００−３２３１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、直接型液体燃料電池発電装置の補器の出力を増やすことなく、直接型液体燃料電池発電装置発電において生成、排出される有害物質の清浄化が可能な直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターと、このフィルターを備えた直接型液体燃料電池発電装置とを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る直接型液体燃料電池発電装置は、液体燃料が供給されるアノード電極と、空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを備える起電部単位を少なくとも１つ具備する直接型液体燃料電池発電装置において、
前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材と、
前記気液分離部材を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部と
を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターは、電極からの排出物に含まれる有害物質を除去するための直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターであって、
前記排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材と、
前記気液分離部材を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部と
を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
ここで、アノード電極やカソード電極のような電極からの排出物としては、例えば、発電反応に伴う電極反応あるいは副反応で生成した生成物、この電極反応の際の未反応物などが挙げられる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、直接型液体燃料電池発電装置に負担を与えることなく、直接型液体燃料電池発電装置発電において生成、排出される有害物質を安定して清浄化が可能な直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターと、このフィルターを備えた直接型液体燃料電池発電装置とを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
［第１の実施の形態］
図１に本発明の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターに係る第１の実施を示す（以下、第１の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターと称す）。
【００２３】
酸化燃焼に必要な空気または酸素は、直接大気から取り入れる場合と、カソード電極側から排出される気体中の残余酸素を用いる場合の２通りが考えられる。
【００２４】
直接型液体燃料電池発電装置の一例である直接型メタノール燃料電池発電装置の発電運転においては、アノード電極に供給される燃料に対しカソード電極への空気の供給量が不足している場合、図２に示すように横軸に電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）、縦軸に電池電圧（Ｖ）を取ると、ほぼ直線状の電流電圧特性が得られる。この電流電圧曲線においては、空気供給量を減少させると、電圧降下が大きくなり、直線の傾きが急になる。非常に理想的な運転条件が成り立つ場合には、供給されている空気中の酸素が１００％消費された時に、図２の電流電圧特性における電圧が０Ｖとなるはずであるが、実際には、供給された空気中の酸素の多くとも５０％程度しか、最大電流密度において消費されていないことが知られている。これは酸素のカソード電極における拡散が悪いためであり、送気された酸素の５０％が使われずに排出されることになる。よってカソード排出ガス中の酸素濃度は１０％以上であると考えられる。
【００２５】
アノード電極側から拡散などによりカソード電極側に到達したメタノールは、カソード触媒において酸化を受け、カソード排出ガス中に含まれる濃度としてはせいぜい数百ｐｐｍ程度であり、ホルムアルデヒドおよび蟻酸等の副生成物に関してはさらに低い濃度と考えられる。
【００２６】
一方で、アノード電極側から排出されたメタノール水溶液燃料から蒸発するメタノールについては、起電部単位の運転温度である４０〜６０℃において下記表１に示したような濃度になり、カソード側に比べて非常に高濃度である。例えば、１０ｃｍ2の起電部単位に約１．２ｍｌ／ｍｉｎでメタノール水溶液燃料を供給し、１００ｍＡ／ｃｍ2での電流負荷運転を行った場合、約３ｍｌ／ｍｉｎの二酸化炭素が発生する。
【表１】
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【００２７】
しかしながら、アノード電極側から発生する気体は二酸化炭素と合わせても、カソード電極から排出される気体の体積の数十分の１程度であり、カソード排出ガスに希釈されることで、数千ｐｐｍ以下の濃度となる。
【００２８】
即ち、直接型メタノール燃料電池発電装置発電において、これらの排気中の有害成分を酸化燃焼させるのに必要な理論的酸素量の少なくとも数１００倍以上の大過剰な濃度の酸素ガスがカソード排出ガスに含まれているため、カソード排出ガスとアノード排出ガスを混合させ、これらを酸化燃焼用の触媒に通過させることによって排出ガス中の有害物質の無害化が十分に可能である。よって、これら有害排気物を無害化処理するための新鮮な空気を取り入れるための機構もしくはポンプなどを別途設けなくても良い。
【００２９】
図１に示すように、除去フィルターは、配管１内に配置される筒形の筐体２と、筐体２内に充填された触媒部３とを備える。このように筐体２内に触媒部３を充填することによって、排出ガスが触媒部３以外の経路を通って外部へ漏れ出すのを防止することができる。また、筐体２は、気液分離部材等の支持体としての役割もなす。すなわち、除去フィルターは、筐体２の前段側（排気ガス流入側）の開口部に配置され、触媒部３からの触媒の脱落を抑えるための網目状構造を有する脱落防止部材４ａと、筐体２の後段側（清浄化済排気ガスが排出される側）の開口部に配置され、触媒部３からの触媒の脱落を抑えるための網目状構造を有する脱落防止部材４ｂと、筐体２内の脱落防止部材４ａよりもさらに前段側に配置された気液分離部材５とをさらに備える。
【００３０】
除去フィルターには、直接除去フィルターに触れることのないよう、後段側脱落防止部材４ｂから外気側へ数ｍｍ以上離れた位置に、脱落防止部材よりも目の荒い網目状構造を有する接触防止部材６が設置される。接触防止部材６と触媒脱落防止部材４ｂの間には、万が一液滴が触媒部３から漏出した場合の予防として、接触防止部材６と触媒脱落防止部材４ｂの間に、外部への漏出防止用の気液分離構造体７を設置してもよい。この気液分離構造体７を設置する代わりに接触防止部材６もしくは脱落防止部材４ｂがこれを兼ねていても良い。
【００３１】
なお、図１では、配管１の内部に除去フィルターを設置したが、配管１の末端部分に密着して設置しても良い。
【００３２】
発電装置自体が一定方向に静置されて用いられる場合などには、図１のように、触媒部３は、アノード排出ガスおよびカソード排出ガスが鉛直下方向から流入するように設置することが好ましい。そのように設置することによって、液滴の飛び込みを防止することができると共に、触媒部３中で発生した液滴を重力により動力を使用することなく取り除くことも可能である。鉛直下方向に十分な空間が取れない場合には、図３に例示するように触媒部３の直下の空間に対して水平方向から排気ガスが流入するように排気ガス流入管８ａを設けてもよい。
【００３３】
発電装置の他の要素の兼ね合いで、図１に例示されるように除去フィルターの鉛直下方向から排出ガスを流入させることが難しく、図３に例示されるように横方向から流入させなければならない場合や、また発電装置自体が一定方向に静置されない用途に用いられる場合などには、なんらかの原因で凝集した液滴が除去フィルターから外に押し出されることがある。特に、図４に例示されるような排気ガスが水平に触媒部３に流入するような配置において、気液分離部材５を配置することによって、凝集した液滴が触媒部３へ混入するのを防止することが可能になる。また、気液分離部材５は、排気ガスの流入する側に設置されている触媒脱落防止部材４ａを兼ねることができるが、排気ガスの流入の際の圧力損失を小さくするには、気液分離部材５とは別に触媒脱落防止部材４ａを設けることが望ましい。
【００３４】
また、図４に例示されるようにアノード排出ガスまたはカソード排出ガスが水平方向より除去フィルターへ流入する配置においては、配管１にドレイン８を設け、燃料供給用または酸化剤供給用のポンプを利用するか、もしくは別途ポンプを用いて、強制的にドレイン８から液体成分を排出して回収することができる。回収された液体成分は、燃料の一部として再利用することが望ましい。
【００３５】
触媒部３に含まれる触媒は、メタノール、ホルムアルデヒドあるいは蟻酸のような有害物質を酸化して水と二酸化炭素に変換する能力のあるものであれば良い。アノード触媒がその一例である。具体的には、白金や銀などの貴金属系の触媒を活性炭やセラミックなどに担持させた公知のものでよく、白金を用いる場合には被毒を抑えるために白金とルテニウムの合金として用いることが好ましい。また、流入する有害物質の濃度が高くなるような場合には、担体そのものへの引火を防ぐためにもセラミック系の担体に担持することが望ましい。
【００３６】
触媒脱落防止部材４ａ，４ｂは、触媒部３が触媒粒子から形成されている場合には、触媒粒子の流出を抑えるために脱落防止部材の孔径を触媒粒子の平均粒径よりも小さくしなければならない。また、脱落防止部材は、メタノールに対する耐腐食性が高く、かつ直接型メタノール燃料電池発電装置の運転温度において熱変形を起さない材料から形成されていることが好ましい。一方、モノリスような一定の形状を維持することが可能な触媒部３を使用する場合には、触媒脱落防止部材は無くとも良い。
【００３７】
気液分離部材５としては、例えば、撥水性の多孔質シートが用いられる。撥水性の多孔質シートとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素樹脂からなる多孔質シート、ナイロンメッシュに撥水処理を施したものなどを挙げることができる。
【００３８】
図１，３および４では、カソード排出ガスとアノード排出ガスを合流させた後、除去フィルターに流入させているが、合流させる空間を除去フィルターより手前までに形成できない場合には、図５に例示されるようにそれぞれを別経路で触媒部へ導いても良い。具体的には、触媒部３の鉛直方向からカソード排気を除去フィルターに流入させ、かつ配管１と筐体２の側壁に開口部を設けてこの開口部からアノード排気を触媒部３に流入させることができる。ただし、未反応のまま除去フィルター外へ排出されるのを防止する目的からは、開口部（アノード排出ガス流入口）は除去フィルターの手前側に設け、触媒部３を通過する距離が出来る限り長くなるようにすることが好ましい。また、配管１の開口部には、触媒脱落防止部材４ａと気液分離部材５を配置することが望ましい。
【００３９】
［第２の実施の形態］
図６に本発明の直接型メタノール燃料電池用有害物質除去フィルターについての第２の実施の形態の要部を示す。
【００４０】
直接型メタノール燃料電池発電装置発電において排出されるガスのメタノール濃度は数百から数千ｐｐｍ程度ではあるが、アノード排出ガスおよびカソード排出ガス中の水蒸気量は既に飽和状態であるため、触媒部での酸化燃焼により発生した水は触媒部中で凝集し易い。また、除去フィルターの外部の温度によっては、触媒部に流入してくる気体が触媒部を通過する際に冷却されるため、多量の水の凝集が起こる恐れがある。その結果、液滴の移動等による、急激な圧力損失の上昇を生じ、除去フィルター外への液滴の飛散や漏出を引き起こす可能性がある。つまり、直接型メタノール燃料電池発電装置の発電運転においては、長時間での安定な運転が求められるため、少なくとも触媒部の温度を、流入する排出ガスの温度より高くすることが要求される。
【００４１】
その一方で、触媒部内での反応はメタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸の酸素による酸化反応であり発熱を伴うため、発生した熱量を触媒部内に適切に維持することにより、上記の触媒部内での水の凝集を防ぐことが期待できる。
【００４２】
除去フィルター内で発生した熱量については、次の数１の（１）式が成り立つ。
【数１】
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【００４３】
Ｑoxは触媒部内でメタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸等が酸化される際に発生する熱量、Ｑoutは触媒部から排出される気体により奪われていく熱量、Ｑaは除去フィルター部を構成している部材を通して外部へ逃げていく熱量である。Ｑinnerは触媒部内に蓄積される熱量である。
【００４４】
式（１）の各熱量は、次の（２−２）〜（２−３）式に示すように表される。
【数２】
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【００４５】
ここで、ｗはメタノールが酸素により完全酸化される際に得られる熱量３２．５（Ｊ／ｍ3／ｐｐｍ）、ｕは触媒部を通過する気体の流量（ｍ3／ｓ）、ｃは通過する気体中におけるメタノールの濃度（ｐｐｍ）、Ｃpは空気の定圧比熱１３１０（Ｊ／ｍ3／Ｋ）である。一方、ΔＴは触媒部に流入しようとする気体の温度Ｔ1（Ｋ）と触媒部内の平均温度Ｔ（ｋ）の差（Ｔ−Ｔ1）であり、ｈを触媒部の最表面から除去フィルター本体の最表面までの熱伝達率であり、以下において定義する。ΔＴ’は、除去フィルター部が置かれている環境温度ＴaとＴ1の差（Ｔ1−Ｔa）である。
【００４６】
よって、定常状態においては以下の（３）式が成り立つことになる。
【数３】
2005183014.tif 000008
【００４７】
ここで、発電運転の行われる数十度の温度範囲においてはＣpは一定と考えて良く、実際の除去フィルターの使用においてはｈ，ｕ，ｗ，ｃはほぼ一定と考えてよい。
【００４８】
ここで、本発明の除去フィルターに於いては、触媒部内部の温度が、触媒部へ流入する気体成分より高くなることを要請する。即ちΔＴ＞０であり、これが成り立つためには、下記（４−１）式を満足しなければならないことになる。
【数４】
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【００４９】
（４−１）式におけるｕｃは流入するメタノール量を表しているが、有害排出物を全て処理することが目的である除去フィルターの触媒内においては完全に処理されるべきメタノール量であることを意味しており、これらすべてを触媒により燃焼しなければならない。
【００５０】
即ち、流入したメタノール全てが酸化した際に得られるｗｕｃの熱量は、必要とされた白金の重さＢPｔ(g)により酸化処理において生じた熱量より小さくなるはずである。
【００５１】
一般に知られている白金表面におけるメタノールの酸化効率は１００〜２００×１０-9（ｍｏｌ／ｓ／ｃｍ2）であり、担持された白金１ｇあたりのおおよその面積は５．９（ｍ2／ｇ）（J.C.S Faraday Ｉ, 1980, 76, 2084-2095）(表面 Vol.19 No.9(1981) 513-529)であるということを用いると、最も理想的な場合を考えても白金１ｇあたり４２８９（Ｊ／ｓ／ｇ）までの発熱量しか得られない。
【００５２】
ゆえに、白金の利用効率が最も良い場合には、（４−１）式は、下記（４−２）式と表し直すことが出来る。
【数５】
2005183014.tif 000010
【００５３】
（４−１）式から明らかなように、発電運転の条件ごとで（４−２）式の右辺は一定値を取る。ΔＴ’については、発電運転が行われる際の起電部単位の温度が４０〜８０℃としてＴ1が同様の温度域になると考え、環境温度Ｔaが−２０〜４０℃となる可能性を考えると、およそ０〜１００℃と想定できる。
【００５４】
ΔＴ’が大きくなるにつれ、ｈは取れる値の制限が厳しくなるため、最大であるΔＴ’＝１００を想定すると、（４−３）式と（４−４）式となる。
【数６】
2005183014.tif 000011
【００５５】
（４−３）式はメタノールのみを取り扱った場合であるが、より一般的に、流入する複数の有害排出物｛Ｘ1，Ｘ2，…Ｘn｝に対し、それぞれに対する各触媒での処理効率（ｍｏｌ-1ｓ-1ｍ-2）｛ＦX1，ＦX2，…ＦXn｝、各触媒での単位重さあたりの表面積（ｍ2／ｇ）｛ＡX1，ＡX2，…ＡXn｝、各有害排出物単位量あたりの完全酸化により得られる熱量（Ｊ／ｍｏｌ）｛ｗX1，ｗX2，…ｗXn｝、全て処理するのにそれぞれの必要最低限の触媒重量（ｇ）｛ＢX1，ＢX2，…ＢXn｝とすることで、下記（４−５）式と（４−６）式で表すことが出来る。
【数７】
2005183014.tif 000012
【００５６】
しかしながら、ホルムアルデヒドや蟻酸などの副生成物はメタノールよりも早く酸化されるのでαXn＜αMeOHであり、更には濃度もより低いため、（４−３）式が満足される除去フィルターを設計すれば十分である。つまり、後述する数１７及び数１８で表される熱伝達率を有する断熱層を触媒部３の周囲に形成することによって、触媒部３内に流入した気体成分の凝集を抑えることができ、除去フィルター内における凝集を効果的に低減させることができる。
【００５７】
熱伝達率ｈは、実際に作製された除去フィルターにおいて適宜実測するか計算すればよい。例えば図８に示すような、半径Ｒ1で長さＬの円筒形の形状の触媒部３が、半径Ｒ2で長さＬの円筒形筐体２内に同心円上に配置され、長さ方向に気体を通過させるような簡単な構造では、下記（５−１）式に示す無限円管の熱伝導率を使用しても良い。
【数８】
2005183014.tif 000013
【００５８】
十分ΔＲが小さい場合には、下記（５−２）式で定義される。
【数９】
2005183014.tif 000014
【００５９】
ここで、ΔＲは（Ｒ2−Ｒ1）であり、Ａは円筒形となっている触媒部の側周面の面積（ｍ2）である。λは距離Ｒ1からＲ2までの間における平均の熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）であり、Ｒ1からＲ2までの間に密閉された空気層を形成させている場合には、２．４１×１０−2とみなしてもよい。ｈについて簡易な表式である（５−２）式を用いると（４−３）式は、下記（５−３）式となる。
【数１０】
2005183014.tif 000015
【００６０】
実際に、毎分１００ｍｌ供給される空気中の濃度５００ｐｐｍのメタノールを、表面に白金が理想的に担持された平均粒径０．２ｍｍの触媒により完全に処理する場合を想定してみる。この条件においては、メタノールは下記数１１に示すような量で供給される。
【数１１】
2005183014.tif 000016
【００６１】
それを全て酸化させるのに必要な白金表面積は、下記数１２に示す値となる。
【数１２】
2005183014.tif 000017
【００６２】
上記の単位白金重さ当たりの面積５．９（ｍ2／ｇ）から、必要となる白金の重量は、下記数１３に示す値となる。
【数１３】
2005183014.tif 000018
【００６３】
ここにおいて、（４−３）の式から、下記数１４で示す値が規定されるが、いかなる酸化処理用フィルターにおいても、これで規定される熱伝達率となるように触媒部周辺に断熱層を形成することにより、触媒部温度を流入する温度以上に保つことが出来る。
【数１４】
2005183014.tif 000019
【００６４】
この数１４のｈについて、更に具体的に計算を行ってみる。平均ｒ（ｍ）の粒径の触媒粒子が縦横上下左右に整然と充填されているとした場合の単位体積当たりの表面積をＡcata（ｍ2／ｍ3）と近似した場合（数１５）に、平均粒径０．２ｍｍの触媒を用いて総表面積３．７×１０-3（ｍ2）を得るためには、下記数１６に示す触媒部外形での体積が必要になる。
【数１５】
2005183014.tif 000020
【００６５】
【数１６】
2005183014.tif 000021
【００６６】
この体積において、仮に図８に示すような円筒形で２Ｒ1＝Ｌとした除去フィルター形状を選択した場合、側面積は１．０４×１０-5（ｍ2）となる。これらで得られた値に対し、空気を断熱層として選択した場合にはλ＝２．４１×１０-2を用い、メタノールに限定した（４−３）式と（５−２）式を適用すると、ΔＲ＞０．９２８×１０-3（ｍ）と導かれ、触媒部中の水分の凝集を防ぐためには、少なくとも約１ｍｍのΔＲを設定すればよいということが導かれる。
【００６７】
又、数６でのように、これらに用いているαは、フィルターが設置されると考えられるあらゆる環境を想定した上で、触媒層に流入する気体の温度Ｔ1とフィルターの置かれている環境温度Ｔaの差ΔＴ’が最も大きくなる（１００℃）ことを想定しており、即ち、触媒層内での結露を防ぐための万全の範囲を示し、（５−３）式で示される以上の断熱は行う必要が無いという上限を示している。
【００６８】
即ち、ΔＲが大きくなり過ぎると、燃料電池の体積効率を単に低下させるだけであるため、この例でのΔＲは０．９２８×１０-3（ｍ）より大きく、１ｍｍ以下（断熱層として空気を使用）にすることが望ましい。
【００６９】
触媒部の周囲を熱伝導性の良い部材で取り巻いた場合には触媒部で発生した熱が外界へ容易に逃げてしまうため、（４−３）式の不等式を満たすためには極端にΔＲを大きく取らなければならず、除去フィルター体積全体に対する触媒部の体積の有効性が乏しくなる。従って断熱性を持たせるために熱伝導性の低い部材で囲うことが選択されるが、空気の熱伝導率は、上記のように、容易に利用できる断熱材の中で最も熱伝導率が低いものの一つであり、ゆえに密閉された空気層を形成して断熱層として利用することが最も好ましい。具体例を図６，７に示す。図６は、筐体２と触媒部３との間に、熱伝導性の低い材料からなる触媒支持層９を配置した例である。このような構成にすると、触媒支持層９が断熱層として機能するため、触媒部３で発生する熱がその他の構造体材へ逃げてしまうのを防ぐことができる。一方、図７に示すように、触媒支持層９の内部を中空部９ａとすることによって、空気を断熱材として使用することができるため、より断熱性の高い状態を形成することが可能である。
【００７０】
また、除去フィルターの筐体２が断熱機能を有していてもよい。
【００７１】
ｈの値を小さくするためには、一つは触媒体積を一定に維持したまま触媒部の円筒長さ方向の距離を短くすることで触媒部の側周面の表面積Ａを小さくし、熱伝達率を同じに維持したたままΔＲを大きくすることである。この場合、同時に触媒部での圧力損失も減ずることが出来る。このようにしてΔＲを大きくする代わりに、あるいはこれと並行して触媒粒子の平均粒径ｒを小さくするなど白金の担持効率を改善しても良い。
【００７２】
流入するメタノール濃度が低い場合には、発生する熱量は小さくなるが、触媒部の体積も濃度に比例させて減少させることが出来るため、基本的にΔＲが極端に増大することはない。例えば、濃度が1/10に下がった場合、円筒軸方向の長さを1/10にすればよい。
【００７３】
一方で、触媒部を保持している部材へのダメージや、除去フィルター部から排出される気体による熱傷・火傷を防ぐためにも、ΔＴを無用に大きくすることは避けるべきであり、大きくともΔＴ＜１０℃程度となるよう設計を行うことが望ましい。その点、（４−１）式から明らかなように、酸化処理によりΔＴが大きくなった場合には、ΔＴに比例した熱の移動が起こり、際限なく触媒部の温度が上昇するということはあり得ず、望んだ温度領域に収まるように各値を計算して除去フィルター部を設計することが可能である。
【００７４】
直接メタノール型燃料電池においては有害排出物の処理を行う除去フィルターを欠くことは出来ない。下記数１７及び数１８を満たす熱伝達率を有する断熱層を触媒部の周囲に形成することによって、水詰まりにより頻繁に起こる機能不全を、貴重な発電出力を消費することなく自発熱のみで防止することが可能であり、ひいては有害排出物の処理効率の維持と、有害な液体の飛散や漏出を防止することが可能である。
【数１７】
2005183014.tif 000022
【００７５】
【数１８】
2005183014.tif 000023
【００７６】
数１８における熱伝達率ｈは、数９のように、物質固有の単位面積あたりの熱の伝えやすさを意味する熱伝導率λ（Ｗ／ｍ／Ｋ）に、熱の伝わる部分の総面積であるＡ（ｍ2）を掛け合わせ、熱の伝わる距離（ΔＲ）で割ったものと近似してよい。
【００７７】
しかし、フィルター部側面が複数の部材で製作されていたりする場合には、単純にそれらの積をとることでは表せず、個々の部分に分けて各値を算出し、それらの和を取るなどして計算しなければならない。
【００７８】
ただし、異なる材質で作製されていたとしても、基本的には熱伝達率は熱伝導率を伝達する距離ΔＲで除したもので表されるため、個々の部位の熱伝導率と個々の面積との積の全総和がとられたものとして、任意のフィルター構造特有の熱伝導率ｋ（Ｗ・ｍ／Ｋ）として定義し直している（本来、熱伝導率λは単位面積あたりの熱の伝えやすさであるため（Ｗ／ｍ／Ｋ）であるが、ｋの場合、面積も含めて（Ｗ・ｍ／Ｋ）と定義を拡張している）。
【００７９】
ゆえに、ｋ／ΔＲは、触媒部周辺の熱の伝えやすさを全て考慮し総じたフィルター構造特有の熱伝達率ｈ（Ｗ／Ｋ）を表すこととなる。
【００８０】
［第３の実施の形態］
第２の実施の形態において述べたように、流入してくる気体の温度よりも触媒部の温度をわずかでも高くすることにより、前述の安全で効率的な無害化処理が行えるようになるが、このためには、複数の電極を積層させているスタック部や、モーターの発熱を有するポンプなど、直接型メタノール燃料電池発電装置発電機内のうちで高温である部分に除去フィルターを熱伝導性の高い部材により連結して接触させておくことによっても、第２の実施の形態と同様な効果を得ることが出来る。
【００８１】
図９および図１０に本発明の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの第３の実施形態を示す。
【００８２】
図９においては、触媒部３にガス透過性（例えば網目構造を有する）の熱伝導性部材１０を埋め込み、熱伝導性部材１０の端部を筐体２の壁面から外部に露出させて燃料電池発電装置内の高温部１１と接触させている。熱伝導性部材１０は、触媒部３での腐食に耐えるために、貴金属により被覆された金属材料か、あるいはカーボンから形成することが望ましい。また、図１０に例示するように、熱伝導性部材１０を高温部１１と一体化させても良い。
【００８３】
同様の効果は触媒部３にヒーターを設置することでも得ることが可能である。燃料電池発電装置の配置や運転条件により、除去フィルターの十分な保温が行えない場合に、特に有効である。
【００８４】
ヒータの設置の構成例としては、図１１〜図１５に示すものが挙げられる。図１１では、触媒部３の周囲に円筒形触媒支持体１２を配置し、この円筒形触媒支持体１２の周囲にヒータ１３を巻きつけている。図１２に示すように、触媒部３にヒータ１３を埋め込んでも良い。また、図１３に示すように、円筒形触媒支持体１２としてヒータ機能を有するものを使用しても良い。図１４に示すように、気液分離部材５や触媒脱落防止部材４ａとしてヒータ機能を有するものを使用し、触媒部３に流入させる前に排出ガスを加熱しても良く、ヒーターの熱が効率的に利用できるように使用することが好ましい。一方、活性炭のような導電性を有するものに触媒が担持されている場合には、図１５に示すように、触媒支持体１２を絶縁性材料で形成し、触媒そのものに通電し加熱することが可能である。なお、図１１〜図１５における付番１４で示すリード線は、ヒータと電源とを接続するものである。
【００８５】
［第４の実施の形態］
前述した第１〜第３の実施形態のように触媒部への液滴の混入や凝集を防止する手段を講じたとしても、直接型メタノール燃料電池発電装置発電機の停止後や起動時に触媒部に凝集した液滴が混入する可能性がある。また、不適切な運転条件や誤動作においては、想定以上の水蒸気が発生する場合も考えられ、外部への飛散を防止するためには、強制的に液体成分を排除する機構があることが好ましい。
【００８６】
図１６に本発明の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの第４の実施形態の要部を示す。
【００８７】
図１６は、触媒部３内に発生した液滴を、毛細管現象を利用したウィック１５と、ウィック１５に接続された外部ポンプ（図示しない）とにより排除するための構成の一例である。ウィック１５に使用する部材は触媒を劣化させず、また腐食に耐えるものであればよく、樹脂製の繊維などが好ましい。
【００８８】
同様の効果は、図１７のようにパイプ１６を触媒部３中に挿入することによっても得られる。パイプ１６の形成材料としては、ウィックの場合で説明したのと同様なものを挙げることができる。
【００８９】
［第５の実施の形態］
図１８に本発明の直接型メタノール燃料電池用有害物質除去フィルターの第５の実施形態の要部を示す。
【００９０】
図１８に示すように、配管１の内壁には、円筒形の筐体２が嵌め込まれている。筐体２には、触媒部３が充填されている。触媒部３の排気ガス流入面には、脱落防止部材４ａが配置されている。一方、触媒部３の排気ガス流出面には、脱落防止部材４ｂが配置されている。気液分離部材５は、脱落防止部材４ａと距離を開けて対向するように筐体２内に配置されている。筒形の液体吸収体１７は、排気ガス流入側から筐体２内に挿入されて端面が気液分離部材５に接している。液体吸収体１７は、燃料電池本体から除去フィルター方向に侵入してきた液滴や、気液分離部材５で阻止された液体を吸収・保持することができる。その結果、気液分離部材５の前に液体が溜まるのを防止することができ、気液分離部材５の液体の水詰まりによる圧力損失上昇の防止や、それに伴う液体の触媒部３への進入を防止することができる。
【００９１】
液体吸収体１７には、綿のような樹脂製毛細管体、液体吸収性ポリマーなど、液体を一時的に保持することが可能ならばどの形態、材質のものでもよく、保持された水分が温度などにより再び蒸発するものが好ましい。
【００９２】
この液体吸収体１７に吸収された液体は、燃料電池の使用においては自然に蒸発させることが難しいため、液体吸収体１７を除去フィルターから取り外して交換可能であることが望ましい。取り外しや交換を行わない場合には、燃料電池の起動時にヒーター等を接触させ強制的な加熱をし、吸収されている水分を一部蒸発させることが望ましい。
【００９３】
なお、本発明では、第２〜第５の実施形態のうちの一つと第１の実施の形態とを組合わせても良いが、第２〜第５の実施形態のうちの複数の形態を第１の実施の形態と組合わせても良い。
【００９４】
[実施例]
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００９５】
（実施例１）
実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置を図１９、図２０を参照して説明する。図１９に示すように、実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置は、起電部単位セル部２１を備える。起電部単位セル部２１は、図２０に示すような構造を有する起電部単位を備える。起電部単位は、アノード電極２２と、カソード電極２３と、アノード電極２２とカソード電極２３の間に配置され、プロトン導電性電解質の膜２４（例えば、パーフルフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜であり、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎなどが好ましく用いられる）とを備える。アノード電極２２は、基板２５と、基板２５に積層されたアノード触媒層２６とを含む。一方、カソード電極２３は、基板２７と、基板２７に積層されたカソード触媒層２８とを含む。アノード触媒層２６とカソード触媒層２８は、触媒とプロトン導電性電解質の樹脂とをそれぞれ含む。触媒は一般に貴金属触媒あるいはその合金で、カーボンブラックなどの担体に担持して用いられたり、あるいは担持しないで用いられたりする。アノード電極の触媒としては、例えば、Ｐｔ−Ｒｕ合金を挙げることができる。また、カソード電極の触媒としては、例えば、Ｐｔを挙げることができる。
【００９６】
起電部単位のカソード電極側の面には、カソード電極用流路板（図示しない）が配置されている。一方、起電部単位のアノード電極側の面には、アノード電極用流路板（図示しない）が配置されている。さらに、起電部単位セル部には、起電部単位の加熱を行うためのヒーター（図示せず）が備えられている。
【００９７】
アノード電極２２に供給されるメタノール水溶液は、燃料タンク２９内に収容されている。起電部単位セル部２１のアノード電極２２へメタノール水溶液燃料を供給するためのポンプ３０は、燃料タンク２９と起電部単位セル部２１の間に介装されている。起電部単位セル部２１のカソード極２３へ空気を供給するためのポンプ３１は、起電部単位セル部２１のカソード極２３に接続されている。
【００９８】
起電部単位セル部２１から負荷電流を引き出すための電極端子３２は、起電部単位セル部２１に電気的に接続されている。また、電流端子３２は、図示されていない電流負荷装置につながっており、任意の電流負荷を起電部単位にかけることが出来る。
【００９９】
カソード配管３３は、起電部単位セル部２１のカソード電極２３側から排出される混合物（例えば、水、メタノール、酸素、二酸化炭素、ホルムアルデヒド、蟻酸など）を除去フィルターに導くためのものである。一方、アノード配管３４は、起電部単位セル部２１のアノード電極２２側から排出される混合物（例えば、メタノール水溶液、ホルムアルデヒド、蟻酸、二酸化炭素など）を除去フィルターに導くためのものである。カソード配管３３内を通過する液体成分（例えば、水、メタノール）は、カソード分岐管３５に回収され、液体排出管３６から外部に排出される。また、アノード配管３４内を通過する液体成分（例えば、メタノール水溶液）は、アノード分岐管３７に回収され、液体排出管３６から外部に排出される。これにより、排出混合物を液体成分と気体成分に分離することができる。
【０１００】
前述した図４に示す構造を有する除去フィルターは、合流通路３８を介してカソード配管３３及びアノード配管３４と接続されている。カソード配管３３を通過したカソード排気とアノード配管３４を通過したアノード排気とは、合流通路３８において合流し混合された後、混合気体中の凝集した液滴が気液分離部材５が持つ撥水性で弾かれるため、気体成分のみが気液分離部材５を透過し、気体成分だけを触媒脱落防止部材４ａを通して触媒部３に流入させることができる。これら配管３３、配管３４および配管３８は例えばステンレスで作製されている。なお、気液分離部材５により分離された液滴は、合流通路３８に連結されたドレイン４０により回収される。ドレイン４０の排出口は、燃料用供給ポンプ３０の上流に連結された配管に接続されているため、ドレイン４０により回収された液滴は、燃料として再利用される。なお、合流通路３８内には圧力計３９が設置されており、気液分離部材５を通過する直前の圧力を大気圧との差圧として検出する。また、カソード配管３３と、アノード配管３４と、配管３３，３４の合流した以降の配管部分（合流通路３８）は、発電装置を小型化した際には、起電部単位セルの運転温度である温度付近まで上昇することが見込まれる。実際に近い状態を模擬するため、これら配管部分は、保温材４１と図示していないヒーターにより６０℃に保持されている。
【０１０１】
触媒部３においては、混合気体成分中に含まれるメタノール、ホルムアルデヒドや蟻酸などの有害物質が、この混合気体成分中の酸素により酸化燃焼されるため、有害物質が除去された清浄なガスを、触媒脱落防止部材４ｂ及び接触防止部材６を通して外部に放出させることができる。
【０１０２】
以下、実施例１において使用した起電部単位と除去フィルターの構成について詳しく説明する。
【０１０３】
＜起電部単位の作製＞
公知のプロセス（R. Ramakumar et al. J. Power Sources 69 (1997) 75）により、アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックと、カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックとを作製した。触媒担持量は、カーボン１００に対して重量比でアノードは３０、カソードは１５とした。
【０１０４】
前記プロセスにおいて作製したアノード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液(Dupont社 Nafion溶液 SE-20092)とイオン交換水を添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。アノード集電体２５としての撥水処理済カーボンペーパーTGPH-120(E-TEK社製)の上にペーストを５５０μｍ塗布し、乾燥させ、アノード触媒層２６を形成することによりアノード電極２２を得た。
【０１０５】
前記プロセスにおいて作製したカソード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液(Dupont社 Nafion溶液 SE-20092)とイオン交換水を加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。カソード集電体２７としての撥水処理済カーボンペーパーTGPH-090(E-TEK社製)の上にペーストを２２５μｍ塗布した後、乾燥させ、カソード触媒層２８を形成することにより、カソード電極２３を得た。
【０１０６】
アノード電極２２のアノード触媒層２６とカソード電極２３のカソード触媒層２８の間に、電解質膜２４としての市販のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(Dupont社 Nafion117)を配置し、これらにホットプレス（１２５℃、５分間、５０ｋｇ／ｃｍ2）を施すことにより、アノード電極２２、電解質膜２４及びカソード電極２３を接合し、起電部単位を得た。起電部単位中のアノード触媒層の断面積は１０ｃｍ2であった。また、起電部を切断し、断面積を電子顕微鏡で観察したところ、アノード触媒層２６の厚さは１０５μｍで、カソード触媒層２８の厚さは５０μｍであった。
【０１０７】
このように作製した起電部単位を、空気供給量１００ｍｌ／ｍｉｎ、メタノール水溶液燃料濃度２ｍｏｌ／Ｌ、メタノール水溶液燃料供給量１．２ｍｌ／ｍｉｎ、起電部単位セル温度６０℃、において発電運転した際の出力特性を図２１に示す。
【０１０８】
次いで、除去フィルターについて説明する。
【０１０９】
触媒部３には、粒径５００〜２５０μｍの活性炭に嵩単位体積あたり約１００（μｇ／ｃｃ）のＰｔとＲｕを担持した触媒を、内径６ｍｍで長さ５ｍｍの円筒形状に成形したものを使用した。筐体２はアルミニウムにより作製した。筐体２であるアルミニウム製配管に触媒部３を円環状面に対してアノードおよびカソード排出ガスが垂直に流入するように充填した。
【０１１０】
触媒脱落防止部材４ａ，４ｂには、１００μｍの開口径を有するナイロン製メッシュを使用し、筐体２であるアルミニウム製配管に固定した。
【０１１１】
気液分離部材には、穴径０．５ｍｍ、穴同士の間隔が１ｍｍであるテフロンシートを使用した。
【０１１２】
このような構成の除去フィルターに乾燥した空気を１００ｍｌ／ｍｉｎで通過させたところ、除去フィルターでの圧力損失は約５０Ｐａであった。
【０１１３】
以上説明した実施例１の燃料電池発電装置を１００ｍＡ／ｃｍ2での一定負荷運転を行ない、その際のカソード配管３３中のＡ（図１９）で示す箇所、アノード配管３４中のＢ（図１９）で示す箇所、合流通路３８中のＣ（図１９）で示す箇所、および、除去フィルターの出口部Ｄ、それぞれの箇所におけるガス流量と、メタノール濃度と、ホルムアルデヒド濃度と、蟻酸濃度を測定し、その結果を下記表２に示す。
【表２】
2005183014.tif 000024
【０１１４】
表２から分かるように、別途酸素供給用のポンプを必要とすることなく、カソード排出ガスとアノード排出ガスとを気液分離部材付きの除去フィルターに通すのみで、気体として排出される成分中の有害排出物の浄化を行うことができ、気液分離部材の有効性を確認することが出来た。
【０１１５】
除去フィルターの出口付近（接触防止部材６、触媒脱落防止部材４ｂ）では保温材４１による保温を行なっていないが、周期的な液滴の漏出は観測されなかった。また、ドレイン４０により回収された液滴が、燃料供給ポンプ３０によって燃料タンク２９に周期的に戻されるのが確認された。
【０１１６】
以上のように、ガス流入方向と水平に除去フィルターを配置した場合でも、気液分離部材と溜まった液体を排出する機構とを設けることによって、除去フィルターへの液体の混入が防止されることが示された。
【０１１７】
燃料電池発電装置をコンパクト化し運転を行う場合、排出ガスにより起電部単位セルの後段の配管は、スタックの運転温度に近い温度まで加熱されることが予想される。しかしながら、完全に温度が同一となるわけではなく、一部冷却されているような部分での冷却や、過飽和による凝集を想定しなければならない。したがって、本発明のように除去フィルター直前に気液分離部材を設置することは、良好な除去フィルターの状態を維持するのに非常に有効である。
【０１１８】
しかしながら、発電運転開始数十分で、５０〜４００Ｐａの間での非周期的な圧力の変動が見られるようになり、それに同期したスタック電圧の変動と除去フィルター出口からの液滴の漏出が見られた。この漏出した液滴の酸性度はｐＨ４前後であり、液滴中の蟻酸濃度およびホルムアルデヒド濃度は数十ｐｐｍであった。
【０１１９】
運転終了後に除去フィルターを外して確認したところ、重量が運転前に比較して増加していることが確認され、この重量増加分が触媒部内に溜まっている液体によるものであることが判明した。後に同じ運転を再現し、除去フィルターの温度を測定したところ、５５℃以下に下がっており、気液分離部材を配置していたとしても、外気と配管により冷却されることで除去フィルター内での凝集が起こるということが分かった。
【０１２０】
（比較例１）
除去フィルターを設置せず、液体排出ポンプ４２を設けること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な構成を有する直接型メタノール燃料電池発電装置を作製した。比較例１の発電装置の概略図を図２２に示す。なお、液体排出ポンプ４２は、カソード配管３３およびアノード配管３４から分岐管３５，３７を介して液体排出管３６に送られる液体成分を外部に排出するためのものである。
【０１２１】
前述した実施例１で説明したのと同様な条件で負荷運転を行ない、その際のカソード配管３３中のＡ（図２２）で示す箇所、アノード配管３４中のＢ（図２２）で示す箇所、および、カソード配管３３およびアノード配管３４が合流して合流通路３８を通過した後の出口部Ｄ（図２２）で示す箇所、それぞれの箇所におけるガス流量と、メタノール濃度と、ホルムアルデヒド濃度と、蟻酸濃度を測定し、その結果を下記表３に示す。
【表３】
2005183014.tif 000025
【０１２２】
表３から明らかなように、比較例１の燃料電池発電装置では、出口部から排出されたガス中のメタノール濃度、ホルムアルデヒド濃度及び蟻酸濃度が、実施例１の場合に比較して高かった。また、液体排出ポンプ４２に取り付けられた差圧計における圧力は、ほぼ０Ｐａであった。さらに、保温を行っていない配管の出口付近において、液滴の凝集が配管内部で起こり、周期的に配管口より漏出した。
【０１２３】
（実施例２）
図２３は、図１９に示した構成に対し、直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターをカソードおよびアノード排出ガスが鉛直下方向より流入するように配置し、ドレインを外した際の構成図である。配置の方向とドレインを除いて、他は全て図１９と同じである。
【０１２４】
このような構成においても実施例１と同様に、排出ガス中の有害成分の無害化が十分に行われていることが確認された。
【０１２５】
運転開始から数十分は、まれに液滴の漏出がフィルター出口において観測されるのみであった。ただし、発電運転開始数十分で、５０〜５００Ｐａの間での非周期的な圧力の変動が見られるようになり、それに同期したスタック電圧の変動と液滴の飛沫が見られた。
【０１２６】
運転終了後除去フィルターを外し配管内を確認したところ、除去フィルター直前には殆ど液滴は確認されず、配管の底方向に液滴が多量に溜まっていることが確認された。
【０１２７】
これは、排出ガスの流入方向を鉛直下方向に配置したため、既に凝集した液滴が除去フィルターに混入しにくくなったためであり、可能ならば本実施例のような配置を行うことが効果的であることを示している。
【０１２８】
実施例１と同様に、この実施例２においても、除去フィルターが外気に曝されることによる外気と配管部による触媒部の冷却が、触媒部内での水分の凝集を起こし、非周期的な圧力の変動の要因となっていることが分かった。
【０１２９】
（実施例３）
上記の実施例１において、除去フィルターの外気による冷却が、除去フィルター内部における水詰まりを引き起こしていることが分かったが、それに対し、触媒を保持する触媒支持体をポリカーボネートで作製し、図２３とほぼ同じ構成で、除去フィルターの入り口および出口付近以外は配管部に接しないように図２４のように作製、設置し、実施例１と同様の発電運転を行った。図２４のフィルター部の詳細は、図８に示されたのと同じ外形であり、フィルターの外形を８ｍｍ、かつ触媒部３の直径を６ｍｍとし、触媒部表面からフィルター本体最表面までの空気層の厚さ（ΔＲ）を１ｍｍ（１×１０-3ｍ）とした。また、触媒部３の長さＬを５ｍｍとした。このような単一物質による均一な断熱層を用いる場合、前述した数１８のｈは前述した個々の部分の総和をとったｋを細かに計算する必要はなく、数８または数９により容易に導出することが出来る。即ち、空気の熱伝導率λが２．４１×１０-2（Ｗ／ｍ／Ｋ）であり、触媒層側面の面積が９．４２×１０-5（ｍ2）であり、ΔＲが１×１０-3（ｍ）であるため、数９を用いれば、ｈは２．２７×１０-3（Ｗ／Ｋ）となる。
【０１３０】
一方で、触媒部３の体積は１．４１×１０-7（ｍ3）であり、単位嵩体積当たり約１００（μｇ／ｃｃ）の白金が有されていることから、触媒部３での白金の総重量は約１．４１×１０-2（ｇ）であり、よって数１７における（α・Ｂ）は０．６０５（Ｗ／Ｋ）となる。よって、実施例３で使用する断熱層の熱伝達率ｈは、数１７の関係を満足している。
【０１３１】
その結果、除去フィルター出口の温度は平均して６２℃前後を維持し、実施例２に比較して３時間の運転中での液滴の漏出は見られず、圧力の変動も非常に小さかった。また、実施例１と同様に、排出ガス中の有害成分の無害化が十分に行われていることが確認された。
【０１３２】
運転終了後、除去フィルターの重量を測ったところ、ほとんど重量増加は確認されなかった。
【０１３３】
これは、除去フィルターで生じた熱を触媒部から逃がさないようにすることにより、除去フィルター内での凝集を防止することが出来るという本発明の有効性を示している。
【０１３４】
一方、この実施例３に比較して、実施例１においては筐体２が熱伝導率の高いアルミニウムで作製され、かつ空気層を設けていない。室温付近でのアルミニウムの熱伝導率は約２００（Ｗ／ｍ／Ｋ）であるから、ΔＲを約１〜２（ｍｍ）と設定してもｈは約１９（Ｗ／Ｋ）となり、数１７の関係を満足していないため、上述した通り除去フィルター内で水分の凝集が生じた。アルミニウムを用い、かつ数１７を満足させようとする場合、ΔＲは約３０（ｍｍ）にもなる。
【０１３５】
（実施例４）
実施例３の構成に対して、実施例３における空気層を設けないことを除いて他の構成は同じである、フィルターを設置した。
【０１３６】
この場合、数１７の関係を満たしているか否かは、実施例３における空気の熱伝導率の代わりにポリカーボネートの熱伝導率を用いることで計算することができる。
【０１３７】
ポリカーボネートの熱伝導率は０．２５（Ｗ／ｍ／Ｋ）前後であり、即ちｈは、２．４×１０-2（Ｗ／Ｋ）であり、実施例３と同様、数１７を満足している。
【０１３８】
結果、除去フィルター出口の温度は平均６２℃前後を維持し、本フィルターの有効性が示された。
【０１３９】
（実施例５）
実施例２のような除去フィルターの保温を行う代わりに、図２５のように除去フィルターの周囲にヒーターを設置し、除去フィルターの温度を６２℃に保ったまま、同様の運転を行った。除去フィルターの構成は、前述した図１１に示すようなものである。
【０１４０】
その結果、６時間以上の運転において圧力の変動や、液滴の漏出や飛散は見られず、安定した電圧を得ることが出来た。また、実施例１と同様に、排出ガス中の有害成分の無害化が十分に行われていることが確認された。
【０１４１】
また、図１０のようにカーボン製の多孔質板を熱伝導体１０として用い、その端部を高温部の６４℃に保持された起電部端単位セル部に図２６に示すように接触させると共に、残りの部分を触媒部３に埋め込み、実施例１で説明したのと同様な条件で運転を行ったところ、除去フィルター出口の温度は６１℃を維持し、断熱材による保温を行った場合とおおよそ同じ効果を得ることが出来た。
【０１４２】
（実施例６）
実施例１における構成に対し、触媒部３の中心付近に直径約２ｍｍのポリエステル製のウィック１５を、図２７のようにウィック１５の端部が除去フィルター外のドレイン４０に突き出るように配置し、ドレイン４０の端部を燃料用供給用ポンプの上流に分岐した配管として接続し、実施例１と同様の運転を行った。
【０１４３】
その結果、ほとんど除去フィルターからの液体の漏出が確認されなかった。また、実施例１と同様に、排出ガス中の有害成分の無害化が十分に行われていることが確認された。
【０１４４】
本実施例では、実施例２〜５のような方法を講じていないため、除去フィルターへ液体が混入したり、除去フィルター内部での凝集が起こりやすいが、本実施例６のように触媒部にウィックを挿入することにより、除去フィルター内での水詰まりを防止することが可能であることが確認された。
【０１４５】
即ち、不適切な発電運転や不定期な運転などにより、なんらかのトラブルにより液滴が除去フィルター内に生成した場合においた場合にでも、触媒部にウィックあるいはポンプを挿入することにより、除去フィルター内の状態を良好に維持できるという有効性を示している。
【０１４６】
（実施例７）
ドレイン４０を設けず、また図１８に示す構造の除去フィルターを用いること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な構成の直接型メタノール燃料電池発電装置を作製した。この発電装置の概略図を図２８に示す。
【０１４７】
液体吸収体１７には、約０．２５ｃｃの体積を持つ円筒状のフェルトを用いた。この０．２５ｃｃの体積のフェルトにより吸収できる水分は約０．３ｃｃであった。
【０１４８】
この構成において実施例1と同様な条件での運転を行ったところ、実施例１と同様に、排出される成分中の有害排出物の浄化を行うことができ、また、比較例１で見られたような常時の周期的な液滴の漏出は、液体吸収体が液体で飽和状態になる運転開始後６時間程度までは観測されなくなった。この液体吸収体を定期的に交換することで常に良好な状態を維持できた。
【０１４９】
しかしながら、前述の実施例１と同様に、外気と配管からの冷却による液滴が触媒部において生じ、まれに液滴が漏出するのが観測された。
【０１５０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本発明に係る第１の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの一例を示す断面図。
【図２】図１の除去フィルターが組込まれる直接型液体燃料電池発電装置の電流電圧曲線の一例を示す特性図。
【図３】本発明に係る第１の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの別な例を示す断面図。
【図４】本発明に係る第１の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターのさらに別な例を示す断面図。
【図５】本発明に係る第１の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターのさらに別な例を示す断面図。
【図６】本発明に係る第２の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの一例を示す断面図。
【図７】本発明に係る第２の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの別な例を示す断面図。
【図８】本発明に係る第２の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターにおける触媒部と断熱層との関係を説明するための斜視図。
【図９】本発明に係る第３の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの一例を示す断面図。
【図１０】本発明に係る第３の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの別な例を示す断面図。
【図１１】本発明に係る第４の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの一例を示す断面図。
【図１２】本発明に係る第４の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの別な例を示す断面図。
【図１３】本発明に係る第４の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターのさらに別な例を示す断面図。
【図１４】本発明に係る第４の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターのさらに別な例を示す断面図。
【図１５】本発明に係る第４の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターのさらに別な例を示す断面図。
【図１６】本発明に係る第５の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの一例を示す断面図。
【図１７】本発明に係る第５の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターの別な例を示す断面図。
【図１８】本発明に係る第５の直接型液体燃料電池用有害物質除去フィルターのさらに別な例を示す断面図。
【図１９】本発明の実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２０】図１９の発電装置に用いられる起電部単位を示す模式図。
【図２１】実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置の電流電圧特性を示す特性図。
【図２２】比較例１の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２３】本発明の実施例２の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２４】本発明の実施例３，４の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２５】本発明の実施例５の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２６】本発明の実施例５の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２７】本発明の実施例６の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【図２８】本発明の実施例７の直接型メタノール燃料電池発電装置の概略図。
【符号の説明】
【０１５２】
１…配管、２…筐体、３…触媒部、４ａ，４ｂ…触媒脱落防止部材、５…気液分離部材、６…接触防止部材、７…気液分離構造体、９…触媒支持層、９ａ…触媒支持層の中空部、１０…熱伝導性部材、１１…直接型液体燃料電池発電装置の高温部、１３…ヒータ、１４…リード、１５…ウィック、１６…ポンプ、１７…液体吸収体、２１…起電部単位セル部、２２…アノード電極、２３…カソード電極、２５，２７…集電体、２６，２８…触媒層、２９…燃料タンク、３０…燃料供給ポンプ、３１…酸化剤供給ポンプ、３３…カソード配管、３４…アノード配管、３５，３７…分岐管、３８…合流通路、３９…圧力計、４０…ドレイン、４１…保温材。
【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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