(57)【要約】【課題】  液体タンク内部の液体の蒸発を防止し、液体タンク内部の液体の利用効率を向上させる。【解決手段】  液体タンク内部を分割するように板状部材１４が、液体の液面に対して傾斜して設けられている。なお、板状部材１４は、分割された一方の空間と、他方の空間が連通する様に、間隙１５，１６を形成されている。なお、間隙１５、１６のそれぞれの位置は、間隙１５は板状部材１４の液面に近い部分近傍に、また間隙１６は板状部材１４の液面から遠い部分近傍である。【選択図】  図３
2005100791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口を有するタンクと、
注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、
前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材と
を有することを特徴とする液体タンク。
【請求項２】
前記板状部材は、前記タンク内の前記液体の液面に対し傾斜して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体タンク。
【請求項３】
前記板状部材が複数設けられていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の液体タンク。
【請求項４】
前記連通部は前記板状部材に設けられた貫通孔である請求項１もしくは請求項２に記載の液体タンク。
【請求項５】
前記連通部は前記板状部材と前記タンクの内壁面との間隙である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体タンク。
【請求項６】
前記連通部は複数の前記板状部材相互の間隙である請求項３に記載の液体タンク。
【請求項７】
複数の前記板状部材は、前記板状部材相互の間隙をもって、互いに重なり合う様な位置に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の液体タンク。
【請求項８】
前記連通部は、多孔質部材で充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の液体タンク。
【請求項９】
前記板状部材の表面が、前記液体をはじく処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の液体タンク。
【請求項１０】
前記注入口と前記排気口との間に、前記注入口から注入される前記気体の少なくとも一部を凝縮するための冷却板を有することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の液体タンク。
【請求項１１】
内部に燃料が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口を有するタンクと、
注入される前記気体を外部に放出するための前記タンクに設けられた排気口と、
前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材と、
前記タンクの内部に収容された前記燃料が供給され、発電後の前記液体と前記気体を、前記注入口を介して前記タンクに排出する発電部と
を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体タンクおよび燃料電池に係り、特に液体と気体の混合物が注入される注入口と、注入口から注入された気体を放出する排気口を有する液体タンクおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に排気口やオーバーフロー口などの開口部が設けられた液体タンクには、液体タンク内部の液体の蒸発を防止するため様々な構造が試みられている。
【０００３】
従来の蒸発防止部材を使った液体タンク（特許文献１）は、表面層に撥油性の材料を使用した浮遊する蒸発防止部材を液体タンク内の液体に浮かせていた。液体タンク内の液相部分と気相部分の境界面積は、蒸発防止部材がない場合に比較して蒸発防止部材を浮かせている場合の方が小さくなり、結果液体タンク内の液体の蒸発する量を抑制していた。
【０００４】
一方、蒸発した液体を積極的に凝縮、回収し、最終的に液体の蒸発を防止する構造（特許文献２）も試みられている。この構造では、液体タンクの天井部に二酸化炭素を排出するための開口部が設けられ、液体タンク内の蒸気は、液面から天井部に至るまでの間に設けられた小孔を有する冷却板によって冷却、凝縮され、再び液体となって液体タンク内に滴下し回収される。
【特許文献１】特開平３−１４４５９６号公報  図２
【特許文献２】特開平４−２２９９５８号公報  図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の蒸発防止部材を使った液体タンクは、液体タンクの内壁面と蒸発防止部材の間隙や蒸発防止部材同士の間隙が数多く存在し、蒸発防止の効果は小さい。液体タンク内部の液体が、飽和蒸気圧が高い液体の場合は効果としては十分であるが、液体が、例えばアルコール類や揮発油類など飽和蒸気圧が低く、常温、大気圧の環境下において蒸発しやすい液体の場合、この様な蒸発防止部材を使った液体タンクでは効果が不十分であった。
【０００６】
また、蒸発した液体を積極的に凝縮、回収する構造の液体タンクの場合、液体タンクの気相部分における液体の質量濃度が高い場合には有効であるが、液体タンクの気相部分における液体の質量濃度が低い場合には凝縮効率が低く、効果は顕著でなかった。例えば、液体タンク内に液体と気体の混合物が注入される際、注入される気体の量が多いと液体タンクの気相部分における質量濃度は低く、凝縮効率が低下してしまう。
【０００７】
このように、これら従来の液体タンクは、液体タンク内部の液体の蒸発が防止できず、結局使用されずに無駄に消費される液体が多く、液体タンク内部の液体の利用効率が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、液体タンク内部の液体または燃料の利用効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の液体タンクは、内部に液体が収容されるとともに
液体と気体の混合物を注入するための注入口を有するタンクと、注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、液体タンク内部の液体または燃料の利用効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の実施例を、図１〜図４を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の液体タンクを用いた燃料電池のブロック図、図２は燃料電池の発電原理を示す図である。ここでは例として循環型の直接メタノール方式燃料電池について説明する。
【００１４】
まず、セルスタック１について説明する。セルスタック１は複数の燃料電池セルを積層したものであり、燃料電池セルとは燃料と酸化剤（空気中の酸素を用いる場合が多い）を化学反応させることにより、電気エネルギーを取り出すものである。
【００１５】
マイナス側電極であるアノード２とプラス側電極であるカソード３の間には電解質膜４が挟まれている。アノード２にはメタノールと水が、一方カソード３には酸素が供給される。このときアノード２で生じる反応は、
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
であり、一方カソード３で生じる反応は、
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ
である。ここで、電解質膜４は電子（ｅ-）を通さず、プロトン（Ｈ+）のみ通す性質を持つ。この性質により電子は電解質膜４を通過できず、燃料電池セルの外部を回らざるをえなくなり、負荷５に用いる電気エネルギーとして燃料電池セルの外部に取り出すことができる。結局、燃料電池セル全体では、メタノールと水、酸素が反応し、二酸化炭素と水が生成され、電気エネルギーが発生する。
【００１６】
次に、セルスタック１へ供給する燃料、およびセルスタック１より排出される排出物について説明する。前述した通り、セルスタック１へメタノールと水、酸素を含む大気を供給し、二酸化炭素と水が排出されるが、排出された水をメタノールと混合し、再度燃料として利用することができる。また、実際の排出物には、未反応のメタノール、未反応の酸素および使用されない窒素等が含まれており、未反応のメタノールも回収することにより再度燃料として利用することができる。すなわち、排出された水や未反応のメタノールを再度燃料として利用できれば、濃度の高いメタノールと酸素を含む大気を供給するだけで、発電を持続することができる。
【００１７】
着脱式の燃料カートリッジ６には濃度の高いメタノールが貯蔵されている。濃度の高いメタノールは、セルスタック１から排出された水と二酸化炭素および未反応のメタノールと酸素および使用されない窒素等の大気と共に液体ポンプ７を用いて液体タンク８に送り込まれる。燃料カートリッジ６から送り込まれた濃度の高いメタノールは、排出された水と混合され、所定の濃度のメタノールの水溶液９となる。また、排出された二酸化炭素は
、未反応の酸素および使用されない窒素等と共に、排気口１０より大気に放出される。所定の濃度に混合されたメタノールと水は、セルスタック１のアノード２に送られて、発電に使用される。一方酸素を含む大気は、空気ポンプ１１によってセルスタック１のカソード３へ送られて発電に使用される。
【００１８】
図３は液体タンク８の内部を示す断面図である。
【００１９】
液体タンク８には排出された二酸化炭素、未反応の酸素、使用されない窒素等を排出するための排気口１０が空けられている。排気口１０には、メタノールの漏洩防止のため漏洩防止手段、例えば気液分離膜（図示せず）が設けられている。セルスタック１に供給するメタノールと水の水溶液９は液体タンク８に設けられた供給口１２から取り出され、またセルスタック１から排出された排出物および濃度の高いメタノールは注入口１３から注入される。液体タンク８内部には、液体タンク８の少なくとも一部を分割するように板状部材１４が、水溶液９の液面に対して傾斜して設けられている。なお、板状部材１４は、板状部材１４によって分割された一方の空間と、他方の空間が連通する様に、板状部材１４の一部が液体タンク８の内壁面まで達していない箇所、すなわち間隙１５，１６（連通部）が形成されている。なお、間隙１５、１６のそれぞれの位置は、間隙１５は板状部材１４の液面に近い部分近傍に、また間隙１６は板状部材１４の液面から遠い部分近傍である。
【００２０】
続いて、板状部材１４の働きについて説明する。図４に液体タンク８の内部における水溶液９の蒸発をモデル化した図を示す。
【００２１】
液体タンク８の内部では、水溶液９の一部は蒸発によって気体へ、また気体の一部は凝縮によって液体へ相変化している。セルスタック１から液体タンク８に排出物が注入されるとき、もしくは排気口１０から排出物が排出されるとき、液体タンク８には気相の流れが発生する。液体から気体への相変化は物質移動問題の一つである。この物質移動速度、すなわち蒸発速度ＮA（ｍｏｌ／ｍ2ｓ）の大きさに関与する物質量は、濃度差ΔＣA（ｍｏｌ／ｍ3）、拡散係数ＤAB（ｍ2／ｓ）、流速ｕ（ｍ／ｓ）、流体の密度ρ（ｋｇ／ｍ3）、粘性係数μ（ｋｇ／ｍｓ）、代表長さＬ（ｍ）である。これらの物理量が７つ、次元がｍｏｌ、Ｍ、Ｌ、Ｔの４つであるから関係する無次元数の数は３である。
【００２２】
そこで、これらの物理量から次元解析を行うと次の式が得られる。
【００２３】
【数１】
2005100791.tif 000003
【００２４】
ここで表された３つの無次元数は、それぞれシャーウッド数Ｓｈ、ペクレ数Ｐｅ、シュミット数Ｓｃと呼ばれる。よって物質移動問題は、Ｓｈ＝αＰｅβＳｃγ
の形式で相関できる。さらにＰｅ＝ＲｅＳｃなので上記の式は、
Ｓｈ＝αＲｅβＳｃα+γ
とも表される。実際、液相からの蒸発（平板からの物質移動）は境界層理論から、
Ｓｈ＝０．３３２Ｒｅ1/2Ｓｃ1/2  ・・・（２）
で表される。このように、物質移動問題はＳｈ、Ｒｅ、Ｓｃで相関されるのが一般的である。（１）および（２）から、下記の式が得られる。
【００２５】
【数２】
2005100791.tif 000004
【００２６】
ここで、Ｌ1は流れ方向長さ、Ｌ2は濃度境界層を表す。
【００２７】
ところで、板状部材１４が設けられている場合、（３）における流速ｕ、及び流れ方向長さＬ1が、板状部材１４が設けられていない場合に比べて小さくなる。すなわち板状部材１４が設けられている方が、蒸発速度ＮAが小さく水溶液９の蒸発は抑制される。
【００２８】
以上の様に構成した液体タンク８を用いた燃料電池は、板状部材１４を設けることにより、液体タンク８から水溶液９が蒸発し、発電に使用されることなく無駄に排気口１０から排出される量を減少させることができる。また、板状部材１４は液体タンク８の内部にて大きな面積を有しているため、多くの水溶液９の蒸気を板状部材１４の表面で凝縮し回収することができる。なお、板状部材１４の表面に凹凸を設けて表面積を拡大したり、撥水処理などの水溶液９をはじく処理を施したりすると、回収の効率が向上し、より効果的である。また、板状部材１４は、通常使用時の水溶液９の液面に対して傾斜して設けられているため、凝縮した蒸気が傾斜面をつたって所定の場所に集まり、回収が容易となる。
【００２９】
なお、隙間１６はセルスタック１から排出物が注入されるなどを理由に水溶液９の液面が上昇した場合や、セルスタック１の発電量が増加などを理由に水溶液９の液面が低下した場合、板状部材１４によって分割された一方の部分と他方の部分の間で気体の置換が可能となる目的で設けているが、隙間１５の面積が気体の置換が可能な程度に大きい場合は特に設ける必要はない。
【００３０】
また、図３は板状部材１４は１枚のみしか設けられてないが、複数枚、例えば図５に示す様に、板状部材１４ａ、１４ｂを２枚設けても構わない。この時、板状部材１４ａ、１４ｂによって分割された一方の空間と、他方の空間が連通する様に間隙１５ａを設ける。
【００３１】
その他、図６に示す様に、連通部は隙間１５、１６に代えて、板状部材１４ｃに設けられた貫通孔１７、１８を設けてもよい。
【００３２】
その他図７に示すように、間隙１５および間隙１６を水溶液９が浸透通過可能な多孔質部材２６、２６、例えばスポンジ等によって充填しても構わない。例えば液体タンク８を誤って上下逆に転倒させてしまった場合など、液体タンク８の排気口１０が水溶液９の液面より下になる位置関係になったとしても、水溶液９が多孔質部材２６を通過する際に通過速度が低下するため、一定時間排気口１０は冠水を免れ、セルスタック１から排出される排出物の排気を続けることができる。
【実施例２】
【００３３】
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第２の実施例を、図８を参照して説明する。なお、図３に示す第１の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
【００３４】
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第２の実施例では、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第１の実施例の注入口１３に代えて、セルスタック１から排出された排出物
を液体タンク８へ注入する排出物注入口２１と、高濃度のメタノールを液体タンク８へ注入するメタノール注入口２２を個別に設けている。
【００３５】
排出物注入口２１は液体タンク８の内部の板状部材１４によって仕切られた排気口１０側に設けられ、またメタノール注入口２２は液体タンク８の内部の水溶液９が貯蔵される側に設けられる。
【００３６】
以上の様に構成した液体タンク８を用いた燃料電池は、水溶液９に比べて揮発性の高い高濃度のメタノールを液体タンク８の中に注入する際、液体タンク８は板状部材１４によって仕切られるので、高濃度のメタノールは排気口１０側を通過しない。このため、通過過程で蒸発することにより発電に使用されることなく無駄に排気口１０から排出されるということがない。なお、メタノール注入口２２は定常時において水溶液９の水面下となる位置に設けると、高濃度のメタノールが直接気相と接することがないので、蒸発を防ぐ面からはさらに効果的である。
【実施例３】
【００３７】
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第３の実施例を、図９を参照して説明する。なお、図３に示す第１の実施例および図８に示す第２の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
【００３８】
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第３の実施例では、板状部材１４に屈曲部２３を設け、板状部材１４の一方の端を水溶液９に浸漬させ、隙間１５ｂを形成している。
【００３９】
以上の様に構成した液体タンク８は、水溶液９の蒸気量の少ない非飽和の気相部分、すなわち液体タンク８の内部の板状部材１４によって仕切られた排気口１０側と、水溶液９との接触面積を最小限に抑えることができる。なお、図９では、板状部材１４のメタノール注入口２２側の端（図中左側）を水溶液に浸漬させているが、板状部材１４を供給口１２側（図中右側）へ傾斜させ、供給口１２側の端を水溶液９に浸漬させる形状でもよい。
【実施例４】
【００４０】
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第４の実施例を、図１０を参照して説明する。なお、図３に示す第１の実施例、および図８に示す第２の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
【００４１】
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第４の実施例では、液体タンク８の内部の板状部材１４によって仕切られた排気口１０側に、排出物注入口２１と排気口１０との間の天井部に、排出物注入口２１から注入される未反応のメタノールのうち気化した未反応のメタノールを凝縮させるための冷却板２４ａ、２４ｂが設けられている。
【００４２】
以上の様に構成した液体タンク８は、セルスタック１の温度が高い場合、排出物注入口２１から注入される排出物の温度が高くなるため、排出物中に含まれる未反応のメタノールの一部が気化する場合がある。この様な場合、冷却板２４ａ、２４ｂは気化した未反応のメタノールを冷却し、気化した未反応のメタノールとの接触面積を増やす効果があり、また、冷却板２４ａ、２４ｂと、板状部材１４との間隙が狭いため、間隙１５、１６との同様の効果から凝縮が促進される。これは、排出物注入口２１から注入される未反応のメタノール等の回収率が増加し、再度発電に使用されることなく無駄に排気口１０から排出される量を減少させることができる。
【００４３】
なお、本実施例では気化した未反応のメタノールを凝縮させる冷却板の枚数は２枚のみであるが、セルスタック１の出力や液体タンク８のサイズ等の条件により、必要に応じて
枚数を増減させても構わない。
【実施例５】
【００４４】
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第５の実施例を、図１１および図１２を参照して説明する。なお、図３に示す第１の実施例、および図８に示す第２の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
【００４５】
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第５の実施例では、板状部材１４に代えて板状部材１４ｄを複数枚（図１１では４枚）設けている。この時、複数枚の板状部材１４ｄは、それぞれ間隙１５ｃの隙間をもって互いに重なり合う（千鳥状）様な位置で配置される。
【００４６】
以上の様に構成した液体タンク８は、水溶液９から蒸発した水溶液９の蒸気が排気口１０に至るまでの経路が、複雑な曲線状になるうえ距離も長くなるため、水溶液９が蒸発し、発電に使用されることなく無駄に排気口１０から排出される量をより減少させることができる。また、図１２に示す様に、例えば液体タンク８を誤って上下逆に転倒させてしまった場合など、液体タンク８の排気口１０が水溶液９の液面より下になる位置関係になったとしても、複数枚の板状部材１４ｄの効果により排気口１０は一定時間冠水を免れ、セルスタック１から排出される排出物の排気を続けることができる。
【００４７】
なお、このとき図１３に示す様に、供給口１２の先端に錘を備えたチューブ２５を配置すると、液体タンク８の排気口１０が水溶液９の液面より下になる位置関係になってしまっても、セルスタック１から排出される排出物の排気を続けることができるだけでなく、セルスタック１への水溶液９の供給についても続けることができる。
【００４８】
なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、構成を変更してもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更して実施することができる。例えば、本実施例では例として直接型メタノール方式燃料電池を例にとったが、直接型メタノール方式以外の他の方式の燃料電池にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による液体タンクの第１の実施例を用いた燃料電池のブロック図
【図２】燃料電池の発電原理を示す図
【図３】本発明による第１の実施例の液体タンクの断面図
【図４】本発明による第１の実施例の液体タンクの断面図
【図５】本発明による第１の実施例の液体タンクの変形例の断面図
【図６】本発明による第１の実施例の液体タンクの変形例の断面図
【図７】本発明による第１の実施例の液体タンクの変形例の断面図
【図８】本発明による第２の実施例の液体タンクの断面図
【図９】本発明による第３の実施例の液体タンクの断面図
【図１０】本発明による第４の実施例の液体タンクの断面図
【図１１】本発明による第５の実施例の液体タンクの断面図
【図１２】本発明による第５の実施例の液体タンクの断面図
【図１３】本発明による第５の実施例の液体タンクの変形例の断面図
【符号の説明】
【００５０】
１  セルスタック
２  アノード
３  カソード
４  電解質膜
５  負荷
６  燃料カートリッジ
７  液体ポンプ
８  液体タンク
９  水溶液
１０  排気口
１１  空気ポンプ
１２  供給口
１３  注入口
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  板状部材
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１６  間隙
１７，１８  貫通孔
２１  排出物注入口
２２  メタノール注入口
２３  屈曲部
２４ａ、２４ｂ  冷却板
２５  チューブ
２６  多孔質部材
【図１】
2005100791.tif 000005
【図２】
2005100791.tif 000006
【図３】
2005100791.tif 000007
【図４】
2005100791.tif 000008
【図５】
2005100791.tif 000009
【図６】
2005100791.tif 000010
【図７】
2005100791.tif 000011
【図８】
2005100791.tif 000012
【図９】
2005100791.tif 000013
【図１０】
2005100791.tif 000014
【図１１】
2005100791.tif 000015
【図１２】
2005100791.tif 000016
【図１３】
2005100791.tif 000017