(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接液体燃料電池からの液体と気体とを受け入れ、前記液体と気体とを分離して排出する気液分離装置において：
所定の端面形状を有し、側面には開孔部が形成された管と；
前記管の両端に設置され、前記管内の前記液体を選択的に透過させる液体抽出部材と；
前記開孔部を被覆するように設置され、前記気体を選択的に透過させる気体抽出膜と；
前記管の前記側面に前記開孔部とは別に設けられ、前記液体と気体とを前記管の内部に導入する引き込み口と；
前記液体抽出部材の外部側を被覆するチャンバと；
前記チャンバに連結され、前記チャンバ内の液体を外部に排出する排出口と；
を備えることを特徴とする、気液分離装置。
【請求項２】
前記液体抽出部材は、１００μｍ以下の気孔を有する第１部材であることを特徴とする、請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項３】
前記液体抽出部材は、前記第１部材に対し、前記管内の液体の反対側に設置され、前記第１部材の気孔より大きい気孔を有した第２部材を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の気液分離装置。
【請求項４】
前記第２部材は、前記チャンバ内に充填されていることを特徴とする、請求項３に記載の気液分離装置。
【請求項５】
前記気体抽出膜は、ポリテトラフルオロエチレンから製造されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項６】
前記気体抽出膜は、前記ポリテトラフルオロエチレンと多孔性強化部材とが圧着されたことを特徴とする、請求項５に記載の気液分離装置。
【請求項７】
前記管の内部には、吸湿部材が更に充填されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項８】
前記吸湿部材は、所定直径のビーズであることを特徴とする、請求項７に記載の気液分離装置。
【請求項９】
前記吸湿部材は、比重が０．９５以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の気液分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離装置に関し、特に直接液体燃料電池のアノード電極から排出された未反応液体燃料と二酸化炭素とを分離して排出する気液分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接液体燃料電池（Direct Liquid Feed Fuel Cell）は、メタノール、エタノールのような有機化合物燃料と酸化剤である酸素との電気化学反応により電気を生成する発電装置であり、エネルギー密度及び電力密度が非常に高く、メタノールなどの液体燃料を直接使用するために、燃料改質器など周辺装置が不要であり、燃料の保存及び供給が容易であるという長所を有する。
【０００３】
直接液体燃料電池は、図１に図示されているように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在されている構造を有する。それぞれのアノード電極２とカソード電極３の構造は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２、３２と、燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１、３１と、電極支持体２３、３３とを具備する。触媒層２１、３１における電極反応のための触媒は、低温でも優秀な特性を有する白金のような貴金属触媒が使用され、反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するために、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、ニッケルのような遷移金属の合金触媒が使われる。電極支持体２３、３３は、炭素ペーパー、炭素ファイバなどが使われ、燃料の供給と反応生成物の排出とが容易なように、撥水処理を施して使用する。電解質膜１は、厚さが５０〜２００μｍである高分子膜であって水分を含有し、イオン伝導性を有する水素イオン交換膜である。
【０００４】
直接液体燃料電池のうち、メタノールと水とを混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオンと酸素とによる還元によるカソード反応とから構成され、反応式は、次の通りである。
【０００５】
（反応式１）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（アノード反応）
（反応式２）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（カソード反応）
（反応式３）
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（総括反応）
【０００６】
酸化反応（反応式１）が起こるアノード電極２では、メタノールと水との反応によって二酸化炭素、水素イオン及び電子が生成され、生成された水素イオンは、電解質膜１を介してカソード電極３に伝えられる。還元反応（反応式２）が起こるカソード電極３では、水素イオンと、外部回路を介して伝えられた電子と、酸素との反応により水が生成される。従って、ＤＭＦＣの総括反応（反応式３）は、メタノールと酸素とが反応して水と二酸化炭素とを生成する反応になる。このとき、メタノール１モルが酸素と反応し、２モルの水が生成される。
【０００７】
このときに使われる液体燃料は、純粋なメタノールではなく、システム内部で発生するか、又はすでに保存されている水と混合されて使われねばならず、高濃度燃料を使用する場合、電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（分解前の燃料がイオン交換膜を通過し、発電することなく酸素と反応するする現象）による発電能減少が大きいために、一般的に０．５〜２モル（２〜８体積％）の低濃度メタノールに希釈して使用する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０７１９２６号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池に使用される気液分離装置を示す概略図である。携帯用燃料電池に使用される気液分離装置１０は、携帯用という特性上、使用する方向が固定されず、変動する。通常の方向（図２Ａ）では、アノード電極からの希釈された未反応燃料と二酸化炭素とは、引き込み口１１に入る。そして、二酸化炭素は、本体の天井部に形成されたホール１２を通過して外部に排出され、未反応燃料は、本体の下部に形成された排出口１３を通過して燃料電池で回収され、再びアノード電極へ導入される。
【００１０】
しかし、気液分離装置１０が逆になった状態（図２Ｂ）では、未反応燃料及び二酸化炭素のホール１２、排出口１３の方向が変わる。従って、二酸化炭素が、排出口１３を通過してアノード電極に入ることがあり、また、未反応燃料が、ホール１２を通過して外部に流出されうるという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、使用する方向と関係なく気液分離を行うことが可能な、新規かつ改良された気液分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、直接液体燃料電池からの液体と気体とを受け入れ、液体と気体とを分離して排出する気液分離装置において、所定の端面形状を有し、側面には開孔部が形成された管と、管の両端に設置され、管内の液体を選択的に透過させる液体抽出部材と、開孔部を被覆するように形成され、気体を選択的に透過させる気体抽出膜と、液体と気体とを管の内部に導入する引き込み口と、液体抽出部材の外部側を被覆するチャンバと、チャンバに連結され、チャンバ内の液体を外部に排出する排出口と、を備えることを特徴とする、気液分離装置が提供される。
【００１３】
上記液体抽出部材は、１００μｍ以下の気孔を有する第１部材であってもよい。
【００１４】
上記液体抽出部材は、第１部材に対し、管内の液体の反対側に設置され、第１部材の気孔より大きい気孔を有した第２部材を更に備えてもよい。
【００１５】
上記第２部材は、チャンバ内に充填されてもよい。
【００１６】
上記気体抽出膜は、ポリテトラフルオロエチレンから製造されてもよい。
【００１７】
上記気体抽出膜は、ポリテトラフルオロエチレンと多孔性強化部材とが圧着されてもよい。
【００１８】
上記管の内部には、吸湿部材が更に充填されてもよい。
【００１９】
上記吸湿部材は、所定直径のビーズであってもよい。
【００２０】
上記吸湿部材は、比重が０．９５以下であってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、使用する方向と関係なく気液分離機能を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る気液分離装置について説明する。図３は、本実施形態に係る気液分離装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的な構成を示す説明図である。
【００２４】
図３に示すように、直接液体燃料電池システムは、直接液体燃料電池、例えば、燃料電池スタック１９０と、アノード電極から排出された希釈された未反応液体燃料と反応生成物である二酸化炭素とを導入し、二酸化炭素を外部に排出し、未反応液体燃料をウォーターポンプ１９１で燃料電池スタック１９０のアノード電極に供給する気液分離装置１００と、燃料電池スタック１９０に燃料タンク１９５の希釈された液体燃料（メタノール）を供給するウォーターポンプ１９２と、燃料電池スタック１９０に空気を供給するブロー１９３とを具備する。カソード電極で生成された水は、外部に排出されるが、気液分離装置１００、又は燃料タンク１９５に循環もされうる。
【００２５】
次に、図４を参照して、本実施形態に係る気液分離装置１００の構成について説明する。図４は、本実施形態に係る気液分離装置１００を示す断面図である。円筒管１１０は所定の直径を有しており、図４に示すように、円筒管１１０の両端には、互いに向かい合い、所定の距離だけ離隔された平行な液体抽出部材１２０が形成されている。円筒管１１０の側面には、開孔部１１１が形成されており、開孔部１１１には、気体抽出膜１１５が形成されている。そして、各液体抽出部材１２０を基準に、円筒管１１０内の液体と反対側にチャンバ１３０が形成されている。各チャンバ１３０には、排出口１３２が形成され、図３の燃料電池スタック１９０のアノード電極にチャンバ１３０内の未反応燃料を移送させる（図３のウォーターポンプ１９１を使用できる）。そして、円筒管１１０には、外部、例えば、燃料電池スタック１９０のアノード電極からの未反応液体燃料と二酸化炭素とを内部に誘引する引き込み口１４０が形成される。
【００２６】
液体抽出部材１２０は、円筒管１１０内部の物質と接触する第１部材１２１と、チャンバ１３０に面する第２部材１２２とからなりうる。第１部材１２１は、１００μｍ以下の気孔が形成された発泡部材であり、第２部材１２２は、１００μｍ〜１ｍｍサイズの気孔が形成された発泡部材でありうる。第１部材１２１は、選択的に、円筒管１１０内部の液体燃料をチャンバ１３０側に排出させ、第２部材１２２は、第１部材１２１の液体排出作用を促進する。第２部材１２２は、チャンバ１３０内に充填されるように設置されてもよい。
【００２７】
気体抽出膜１１５は、疏水性であって多孔性であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により製造可能である。気体抽出膜１１５は、ＰＴＦＥと、通気性クロスのような多孔性強化部材（図示せず）とが圧着され、一定の形状を維持することが望ましい。気体抽出膜１１５は、円筒管１１０内の液体の排出を防止し、気体、例えば、二酸化炭素を排出させることができる。
【００２８】
液体抽出部材１２０の第１部材１２１は、円筒管１１０内部の液体に面する第１表面１２１ａと、第２部材１２２と接触した第２表面１２１ｂとを有する。液体抽出部材１２０の一部が円筒管１１０内部の液体と接触すれば、毛細管現象により液体抽出部材１２０の第１部材１２１と第２部材１２２の全部が湿るようになるので、液体抽出部材１２０は、正常な燃料電池運転状態では、常に湿っている。円筒管１１０内部の気体が、湿っている第１表面１２１ａを介して第１部材１２１に入り込むためには、第１部材１２１の第１表面１２１ａの第１毛細管力を克服せねばならず、第１部材１２１から第２部材１２２に移動するためには、第２表面１２１ｂの第２毛細管力を克服せねばならない。
【００２９】
一方、液体と接触される第１表面１２１ａには、第１毛細管力が発生しないので、引き込み口１４０からの気体圧力Ｐ１が第２毛細管力より大きければ、液体は、接触している第１部材１２１を通過して第２部材１２２に移動する。そして、第２部材１２２は、第１部材１２１からの液体を受け入れ、容易にチャンバ１３０に排出する。一方、円筒管１１０内の気体は、円筒管１１０内の内部圧力により、気体抽出膜１１５を介して大気に排出される。チャンバ１３０は、金属、プラスチック材質又はフレクシブルビニールが使用されうる。上記の作用は、気液分離装置１００が、２つの液体抽出部材１２０を結ぶ軸を中心に回転しても、気液分離装置１００は、正常に気体及び液体を分離できる。
【００３０】
図５は、図４の気液分離装置の液体抽出部材が上下に位置するときを示す断面図である。図５に示すように、引き込み口１４０に入った気体、液体のうちの液体は、第１部材１２１及び第２部材１２２を介して下のチャンバ１３０に移動し、気体は、接触する気体抽出膜１１５を介して大気に排出される。上述のように、本実施形態に係る気液分離装置１００は、使用する方向に関係なく気液分離機能を行う。
【００３１】
図６は、本実施形態に係る気液分離装置１００の円筒管１１０内部の圧力変化を示すグラフである。円筒管１１０内部の圧力を測定するため、円筒管１１０の引き込み口１４０にウォーターポンプＰの出口を連結し、ウォーターポンプＰの入口に円筒管１１０の排出口１３２を連結した。空気を１５０ｍｌ／ｍｉｎの流速で円筒管１１０に注入した後（ステージ１）、水を４０ｍｌ／ｍｉｎ流速で循環させた（ステージ２）。即ち、ウォーターポンプＰからの液体及び気体を円筒管１１０内部に注入し、チャンバ１３０の排出口１３２からの液体をウォーターポンプＰで循環させた。次に、気液分離装置１００を図５に示す位置のように回転させた（ステージ３）。このとき、図６に示すように、円筒管１１０内での空気圧力が一定に維持され、従って、正常に気液分離が起こるということを確認することができた。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る気液分離装置について説明する。図７は、本実施形態に係る気液分離装置２００を示す断面図である。第１の実施形態と実質的に同じ構成要素には、同じ符号を付することとし、詳細な説明は省略する。
【００３３】
図７に示すように、所定直径の円筒管１１０の両端には、互いに向かい合って所定距離離隔された平行な液体抽出部材１２０が形成されている。円筒管１１０の側面には、開孔部１１１が形成されており、開孔部１１１には、気体抽出膜１１５が形成されている。そして、各液体抽出部材１２０を基準に、円筒管１１０内の液体と反対側に、チャンバ１３０が形成されている。各チャンバ１３０には、排出口１３２が形成され、図３の燃料電池スタック１９０のアノード電極にチャンバ１３０内の未反応燃料を排出させる（図３のウォーターポンプ１９１を使用できる）。そして、円筒管１１０には、外部、例えば、燃料電池スタック１９０のアノード電極からの液体燃料と二酸化炭素とを内部に誘引する引き込み口１４０が形成される。
【００３４】
円筒管１１０の内部には、過飽和状態の液体を吸収する吸湿部材、例えば、多数のビーズ２１０が充填されている。ビーズ２１０は、蒸気状態になって気体抽出膜１１５を通過する水又は液体燃料を表面に吸着することにより、外部に排出される液体の量を減らす。ビーズ２１０は、気体と接触するので、望ましくは、円筒管１１０内部に流入される液体の比重より低いプラスチック材質により形成され、円筒管１１０内部に浮遊している状態で存在することが望ましい。
【００３５】
円筒管１１０に流入される液体のほとんどは、水であり、メタノールの比重が０．７９であるから、流入液体の比重は、１に近い。また、大部分のプラスチックは、比重が水の比重に比べて低いので、ビーズ２１０の物質として利用できる。ビーズ２１０は、望ましくは、比重が０．９５以下であるプラスチックで製造されることが望ましい。吸湿部材２１０としては、蜂の巣構造（図示せず）のプラスチックも使用が可能である。
【００３６】
第２の実施形態に係る気液分離装置２００は、ビーズ２１０が気体抽出膜１１５を通過するガス状態の液体の量を減少させるという点を除いては、第１の実施形態の作用と実質的に同一なので、詳細な説明は省略する。
【００３７】
気液分離装置１００、２００は、例えば、使用する位置が随時変わる携帯用の直接液体燃料電池に使用するとき、使用する方向の変更に関係なく液体を分離する。従って、気液分離装置１００、２００を具備した燃料電池は、使用する方向に関係なく性能を発揮する。
【００３８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、気液分離装置に適用可能であり、特に燃料電池関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一般的な直接液体燃料電池の基本的な構成を示す断面図である。
【図２Ａ】従来の燃料電池に使用される気液分離装置を示す概略図である。
【図２Ｂ】従来の燃料電池に使用される気液分離装置を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る気液分離装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的な構成を示す説明図である。
【図４】同実施形態に係る気液分離装置を示す断面図である。
【図５】図４の気液分離装置の液体抽出部材が上下に位置するときを示す断面図である。
【図６】同実施形態に係る気液分離装置の円筒管内部の圧力変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る気液分離装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    電解質膜
２    アノード電極
３    カソード電極
１０、１００、２００    気液分離装置
１１    引き込み口
１２    ホール
１３    排出口
２１、３１    触媒層
２２、３２    燃料拡散層
２３、３３    電極支持体
１１０    円筒管
１１１    開孔部
１１５    気体抽出膜
１２０    液体抽出部材
１２１    第１部材
１２１ａ    第１表面
１２１ｂ    第２表面
１２２    第２部材
１３０    チャンバ
１３２    排出口
１４０    引き込み口
１９０    燃料電池スタック
１９１、１９２、Ｐ    ウォータポンプ
１９３    ブロー
１９５    燃料タンク
２１０    ビーズ
Ｐ１    気体圧力
【図１】
0004575329.tif 000002
【図２Ａ】
0004575329.tif 000003
【図２Ｂ】
0004575329.tif 000004
【図３】
0004575329.tif 000005
【図４】
0004575329.tif 000006
【図５】
0004575329.tif 000007
【図６】
0004575329.tif 000008
【図７】
0004575329.tif 000009