(57)【要約】【課題】  気液分離器で気液二層流から液体の分離回収を行う場合にも、気液分離器から液体が溢れ出る不具合を防止することが可能な気液分離システムおよび気液分離方法を提供する。【解決手段】  気液二層流を気体と液体に分離する気液分離器に滞留している液体量を測定し、液体量に基づいて気液二層流が流れる方向を決定する。気液二層流が流れる方向は、気液二層流を加熱して液体を蒸発させる気化器または、気液分離器であり、液体量が閾値を超えた場合には、気液二流層が流れる方向を気化器へと切り替える。【選択図】図１
2005032600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液二層流を気体と液体に分離する気液分離器と、
前記気液二層流を加熱して液体を蒸発させる気化器と、
前記気液二層流が流れる方向を切り替える選択バルブと、
前記気液分離器に滞留している液体量を測定する液体量センサと、
前記選択バルブから前記気液二層流が流れる方向を前記液体量センサで測定した液体量に基づいて決定する制御手段と
を有することを特徴とする気液分離システム。
【請求項２】
前記選択バルブから前記気液二層流が流れる方向は前記気液分離器または前記気化器であることを特徴とする請求項１記載の気液分離システム。
【請求項３】
前記液体量センサが測定した前記液体量が閾値を超えた場合には、前記気液二流層が流れる方向を前記気化器へと切り替えることを特徴とする請求項２記載の気液分離システム。
【請求項４】
気液二層流を気体と液体に分離する気液分離器に滞留している液体量を測定し、
前記液体量に基づいて前記気液二層流が流れる方向を決定する
ことを特徴とする気液分離方法。
【請求項５】
前記気液二層流が流れる方向は、前記気液二層流を加熱して液体を蒸発させる気化器または、前記気液分離器であることを特徴とする請求項４記載の気液分離方法。
【請求項６】
前記液体量が閾値を超えた場合には、前記気液二流層が流れる方向を前記気化器へと切り替えることを特徴とする請求項５記載の気液分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離システムおよび気液分離方法に関し、特に燃料電池の発電反応によって発生した水分を回収する気液分離システムおよび気液分離方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸素（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主として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近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源や家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池は、電解質の違いや燃料の供給方法等によって様々なタイプのものに分類されるが、メタノールを水素に改質せずに燃料として直接用いるダイレクトメタノール型の燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池では、アノード側で主としてＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―の如き反応がおき、カソード側で主として３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―→３Ｈ２Ｏの如き反応がおきている。アノード側で発生したプロトン（Ｈ＋）が電解質によってカソード側に伝達され、全体としてＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応が起きて発電とともに水と二酸化炭素が生成される。
【０００５】
ダイレクトメタノール型の燃料電池では、燃料として純粋なメタノールを供給するだけではアノードでの発電反応が進行しないため、水とメタノールとを混合した燃料をアノードに供給する必要がある。このときの燃料供給方法として、予めメタノールと水を適切な組成で混合しておく方法が提案されている。また、燃料を循環させる燃料流路を設置し、純粋なメタノールを補充することで発電反応によって消費され不足したメタノール成分を補給し、発電反応によってカソードで生成された水を回収して燃料に混合する方法が提案されている。
【０００６】
燃料電池での発電反応によって発生した水分は、カソード側から排出される気体と水滴が混合されて気液二層流になる。そこで、気液二層流の中から水分を分離して回収するために、サイクロン式の気液分離器などで気体と液体とを分離する技術も提案されている。（特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし気液分離器で分離した液体は、気液分離器内に一時的に滞留してから燃料電池の燃料循環系統へ回収されるため、燃料電池から排出された気液二層流を全て気液分離器に流入させてしまうと、気液分離器で分離した液体が気液分離器から溢れ出してしまう。気液分離器を電子機器の内部に配置する場合には、気液分離器から液体が溢れ出てしまうことは好ましくない。
【０００９】
したがって本願発明は、気液分離器で気液二層流から液体の分離回収を行う場合にも、気液分離器から液体が溢れ出る不具合を防止することが可能な気液分離システムおよび気液分離方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本願発明の気液分離システムは、気液二層流を気体と液体に分離する気液分離器と、気液二層流を加熱して液体を蒸発させる気化器と、前記気液二層流が流れる方向を切り替える選択バルブと、前記気液分離器に滞留している液体量を測定する液体量センサと、前記選択バルブから前記気液二層流が流れる方向を前記液体量センサで測定した液体量に基づいて決定する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
液体量センサで測定した気液分離器に滞留している液体量に基づいて、制御手段が気液二層流の流れる方向を決定することにより、燃料電池システムでの水分回収を継続的に行った場合にも、気液分離器に液体が大量に蓄積されてあふれ出てしまうことを防止することが可能となる。
【００１２】
また、選択バルブから気液二層流が流れる方向は気液分離器または気化器であるとすることで、気液分離器で処理できない気液二層流を気化器に流して、液体を蒸発させて外部に放出することができ、気液分離器に滞留している液体量の増加を抑制することが可能となる。このとき、液体量センサが測定した液体量が閾値を超えた場合には、気液二流層が流れる方向を気化器へと切り替えるとすることで、気液二層流で液体の分離を出来ない状態になってから気化器での蒸発処理を行うことが出来、可能な限り気液分離器で気液二層流から液体を分離回収して液体の回収効率を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、上記課題を解決するために本願発明の気液分離方法は、気液二層流を気体と液体に分離する気液分離器に滞留している液体量を測定し、前記液体量に基づいて前記気液二層流が流れる方向を決定することを特徴とする。
【００１４】
気液分離器に滞留している液体量に基づいて、気液二層流の流れる方向を決定することにより、燃料電池システムでの水分回収を継続的に行った場合にも、気液分離器に液体が大量に蓄積されてあふれ出てしまうことを防止することが可能となる。
【００１５】
また、気液二層流が流れる方向は、気液二層流を加熱して液体を蒸発させる気化器または気液分離器であるとすることで、気液分離器で処理できない気液二層流を気化器に流して、液体を蒸発させて外部に放出することができ、気液分離器に滞留している液体量の増加を抑制することが可能となる。このとき、液体量が閾値を超えた場合には気液二流層が流れる方向を気化器へと切り替えることで、気液二層流で液体の分離を出来ない状態になってから気化器での蒸発処理を行うことが出来、可能な限り気液分離器で気液二層流から液体を分離回収して液体の回収効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
液体量センサで測定した気液分離器に滞留している液体量に基づいて、制御手段が気液二層流の流れる方向を決定することにより、燃料電池システムでの水分回収を継続的に行った場合にも、気液分離器に液体が大量に蓄積されてあふれ出てしまうことを防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本願発明を適用した気液分離システムおよび気液分離方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、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。
【００１８】
図１は、本発明の気液分離装置を用いた燃料電池システムの構成例を示す模式図である。図１に示した燃料電池システムは、燃料電池セル部１に対してメタノールと水を混合したメタノール水溶液を燃料流体として供給し、外部から空気を取り込んで燃料流体中のメタノールと空気中の酸素とを消費して発電を行うものであり、発電に必要な燃料循環系統として燃料電池セル部１，燃料タンク２，供給ポンプ３，燃料混合器４，フィルタ５，燃料循環ポンプ部６，濃度検出センサ７，ガス除去器８とを備えている。また、発電に必要な気体処理系統としてフィルタ９，空気供給ポンプ１０，バルブ１１，気液分離器１２，気化器１３，ガス処理装置１４，ポンプ１５を備えている。また、制御系統として液面センサ１６と制御手段１７とを備えている。
【００１９】
燃料電池セル部１は、パーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜を集電体で挟み込んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のアノード側にメタノールが供給され、カソード側に酸素が供給されることで発電反応が行われるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。ここでは、燃料電池セル部１の詳細な構造については説明を省略するが、従来から提案されているＤＭＦＣを用いることができ、接合体を積層したスタックセル構造であってもよい。燃料電池セル部１で発電反応によって生じた電力は燃料電池セル部１に接続された負荷に対して供給されて消費される。カソード側では発電によって発生した水分が水滴や水蒸気となって空気中に混入して気液二層流となってバルブ１１に排出される。
【００２０】
燃料タンク２は、燃料電池セル部１で発電に用いられるメタノールを貯蔵しておき、燃料混合器４に対してメタノールを供給する容器である。燃料タンク２に貯蔵するメタノールの濃度はエネルギー密度を向上させるために純粋なメタノールであることが望ましいが、水と混合されたメタノール水溶液であっても構わない。燃料タンク２と燃料混合器４との間には供給ポンプ３が接続されており、供給ポンプ３の圧送能力によってメタノールを燃料混合器４に対して供給することが可能となっている。供給ポンプ３は制御手段１７によってメタノールの流量が調整される。
【００２１】
燃料混合器４は、供給ポンプ３，フィルタ５，ガス除去器８，ポンプ１５と接続されている。燃料混合器４では、燃料電池セル部１で発電に用いられてメタノール濃度が低下した燃料流体をガス除去器８から受け取り、気液分離器１２で回収した水分をポンプ１５から受け取り、燃料タンク２から供給されるメタノールとの混合を行って、フィルタ５を介して燃料電池セル部１に対して発電反応に用いられる燃料流体を供給する。フィルタ５は燃料流体中に混入した不純物を除去するための濾過手段である。
【００２２】
燃料循環ポンプ部６は、燃料混合器４で混合された発電反応に用いられる燃料流体を濃度検出センサ７を介して燃料電池セル部１に送出する圧送手段である。濃度検出センサ７は、燃料循環ポンプ部６から送り出された燃料流体のメタノール濃度を測定する装置である。メタノール濃度の測定は比誘電率の測定による方法など通常用いられる方法を用いることができる。ガス除去器８は、燃料電池発電セル１で発電によってメタノール成分が消費された燃料流体を回収して、燃料流体中に混入している二酸化炭素などの気体を除去して燃料流体を燃料混合器へ還流し、気体をガス処理装置１４に送出する。
【００２３】
したがって、燃料循環系統では燃料電池セル部１で発電に用いられる燃料流体が、燃料タンク２，供給ポンプ３，燃料混合器４，フィルタ５，燃料循環ポンプ部６，濃度検出センサ７，燃料電池セル部１，ガス除去器８の順に循環し、ガス除去器８から燃料混合器４に回収される。
【００２４】
空気供給ポンプ１０は、燃料電池システムの外部に存在する空気をフィルタ９を介して取り込み、燃料電池セル部１のカソード側集電体に対して供給するための送風装置である。燃料電池セル部１が発電に用いる酸素量を十分に供給することが可能であれば空気供給ポンプ１０は必ずしも必要ではなく、空気取り入れ口を開口して空気の取り入れを行う構成としても良い。
【００２５】
バルブ１１は、燃料電池セル部１のカソード側から排出された気液二層流を、気液分離器１２方向に流すか気化器１３方向に流すかを切り替える切替バルブとして機能する流体分岐装置である。バルブ１１が気液二層流を流す方向は、制御手段１７から送出される制御信号に基づいて決定され、気液分離器１２方向に気液二層流を流す場合には気液分離器１２側の弁を開放して気化器１３側の弁を閉鎖し、気化器１３方向に気液二層流を流す場合には気化器１３側の弁を開放して気液分離器１２側の弁を閉鎖する。
【００２６】
気液分離器１２は、バルブ１１から流れてきた気液二層流から気体と液体とを分離する装置であり、例えば、気液二層流が円筒の内壁を螺旋状に流れることで遠心力によって液体と気体を分離するサイクロン式の気液分離器を用いることができる。気液分離器１２で分離された気体はガス処理装置１４に送られる。また、気液分離器１２で分離された液体は気液分離器１２の内部に滞留した後に、ポンプ１５が燃料混合器４に送り出すことで燃料流体として利用されることになる。気液分離器１２には、気液二層流から分離された液体が滞留しているため、気体および液体の冷却を行うラジエーターとしても機能する。
【００２７】
気化器１３は、バルブ１１から流れてきた気液二層流を加熱して、気液二層流に含まれている液体を蒸発させて気化してガス処理装置１４に送る装置である。ガス処理装置１４は、ガス除去器８、気液分離器１２および気化器１３から送られてくる気体を処理してから外部に放出する装置であり、例えば、白金触媒を用いてメタノールを燃焼する装置などである。特に燃焼などの処理を行わずに大気中に放出してもよい物質のみが、ガス除去器８、気液分離器１２および気化器１３からガス処理装置１４に送られてくる場合には、ガス処理装置１４は設けずに気体を大気中に放出するとしても構わない。
【００２８】
液面センサ１６は、気液分離器１２に滞留している液体量の測定を行う液体量センサとして機能する装置であり、例えば二枚の電極板を対向させて気液分離器１２内部に配置し、電極間の電気容量を測定することで電極板のどの位置まで液面が到達しているかを測定する電気容量測定装置などを用いることができる。液面センサ１６は制御手段１７に情報伝達可能に接続されており、測定した液体量の情報が制御手段１７に伝達される。液体量センサとしては液面センサ１６の代わりに、気液分離器１２の重さを測定して滞留液体２０の液体量を測定する重量計や、気液分離器１２に流入する液体量と流出する液体量とを積算して滞留液体２０の液体量を算出する積算計などを用いるとしても良い。
【００２９】
制御手段１７は、液面センサ１６が測定した気液分離器１２に存在する液体量に基づいて、バルブ１１から気液二層流が流れる方向を切り替える情報処理装置である。気液二層流の流れる方向を決定する方法については後述して説明する。また制御手段１７は、濃度検出センサ７が測定した燃料流体の濃度に基づいて供給ポンプ３に対して制御信号を送出し、燃料タンク２から燃料混合器４に対して供給されるメタノールの流量を調整する。供給ポンプ３に対して送出する制御信号は、濃度検出センサ７で測定したメタノール濃度と燃料タンク２に貯蔵されているメタノールの濃度から演算によって求めるとしてもよく、メタノール濃度の測定結果に対応した高濃度メタノールの混合量を予めデータとして蓄積しておき制御信号で混合量を指示するとしてもよい。
【００３０】
図２は、本発明の気液分離システムを用いた気体処理系統の構成例を示す模式図である。燃料電池セル部１から排出された気液二層流は、バルブ１１で気液分離器１２または気化器１３のどちらに流されるかが切り替えられる。バルブ１１で気液分離器１２方向が開放されている場合には、気液二層流は気液分離器１２に流れていき気体と液体とに分離されて、気体はガス処理装置１４に送出され液体は気液分離器１２の下方に滞留液体２０として一時的に貯蔵される。滞留液体２０はポンプ１５が駆動することで燃料混合器４に対して送出される。バルブ１１で気化器１３方向が開放されている場合には、気液二層流は気化器１３に流れていき過熱されて液体が気化した状態でガス処理装置１４に送出される。ガス処理装置１４では、メタノール成分などを燃焼させた後に気体を外部に放出する。
【００３１】
液面センサ１６と制御装置１７により制御系統が構成されており、液面センサ１６が測定した気液分離器１２に滞留している液体量に基づいて、制御手段１７がバルブ１１から気液二層流を流す方向を決定する。液面センサ１６は気液分離器１２の内部に配置されており、例えば気液分離器１２の内部に一時的に貯蔵されている滞留液体２０の液面位置を測定することで滞留液体２０の液体量を測定する。液面センサ１６が測定した滞留液体２０の液体量が予め定められた閾値以上になった場合には、制御装置１７がバルブ１１の開放方向を気化器１３とし、液体量が閾値より小さい場合には、制御装置１７がバルブ１１の開放方向を気液分離器１２とする。
【００３２】
液面センサ１６が測定した液体量が閾値以下で、バルブ１１の開放方向が気液分離器１２であるときは、燃料電池セル部１から排出された気液二層流は気液分離器１２に流れ込み、気液分離器１２内部に一時的に貯蔵される滞留液体２０の量は増加していく。滞留液体の液体量が増加していき、液面センサ１６が測定した液体量が閾値以上になった場合には、バルブ１１の開放方向が気化器１３となり、気液分離器１２中の液体量の増加が止まる。ポンプ１５が気液分離器１２中の滞留液体２０を燃料混合器４に送出して、液面センサ１６が測定する液体量が再度閾値以下となった場合には、バルブ１１の開放方向が気液分離器１２となる。このとき、バルブ１１を気液分離器１２方向から気化器１３方向に切り替える閾値と、気化器１３方向から気液分離器１２方向へと切り替える閾値とに差を設けておき、気液二層流の気液分離器１２への流入を停止する液体量と、再開する液体量とに差を設けるとしても良い。
【００３３】
液体量センサで測定した気液分離器に滞留している液体量に基づいて、制御手段が気液二層流の流れる方向を決定することにより、燃料電池システムでの水分回収を継続的に行った場合にも、気液分離器に液体が大量に蓄積されてあふれ出てしまうことを防止することが可能となる。
【００３４】
また、選択バルブから気液二層流が流れる方向は気液分離器または気化器であるとすることで、気液分離器で処理できない気液二層流を気化器に流して、液体を蒸発させて外部に放出することができ、気液分離器に滞留している液体量の増加を抑制することが可能となる。このとき、液体量センサが測定した液体量が閾値を超えた場合には、気液二流層が流れる方向を気化器へと切り替えるとすることで、気液二層流で液体の分離を出来ない状態になってから気化器での蒸発処理を行うことが出来、可能な限り気液分離器で気液二層流から液体を分離回収して液体の回収効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の気液分離システムを用いて燃料電池から排出される水分を回収する燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の気液分離システムの構成例を表した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    燃料電池セル部
２    燃料タンク
３    供給ポンプ
４    燃料混合器
５    フィルタ
６    燃料循環ポンプ部
７    濃度検出センサ
８    ガス除去器
９    フィルタ
１０    空気供給ポンプ
１１    バルブ
１２    気液分離器
１３    気化器
１４    ガス処理装置
１５    ポンプ
１６    液面センサ
１７    制御手段
２０    滞留液体
【図１】
2005032600.tif 000003
【図２】
2005032600.tif 000004