(57)【要約】【課題】燃料電池システム内を循環する流体に含まれている液体と気体とを互いに分離でき、揺動や回転の影響を受けない無方位性能に優れた流体回収装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の実施の一形態による流体回収装置は、電気浸透材１１１を介して第１電極１１２と第２電極と１１３が配置され、第１電極１１２から第２電極１１３に電圧を印加して液体状態の流体を電気浸透材１１１内の電気流路に流動させる電気浸透ポンプ１１０と、電気浸透ポンプ１１０に接触して電気流路の流動方向の上流側に配置され、液体状態の流体を吸収可能な多孔性材質からなる気液分離部１２０と、を備え、気液分離部１２０には、気体状態の流体と液体状態の流体とが混合されて流入される流体流入孔１２１と、流体流入孔１２１に連通され、気体状態の流体が排出される気体排出孔１２２、１２３と、が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
2009200029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気浸透材を間に介して第１電極と第２電極とが配置され、前記第１電極から前記第２電極に電圧を印加することによって液体状態の流体を前記電気浸透材内の電気流路に流動させる電気浸透ポンプと、
前記電気浸透ポンプに接触して前記電気流路の流動方向の上流側に配置され、前記液体状態の流体を吸収可能な多孔性材質からなる気液分離部と、
を備え、
前記気液分離部には、
気体状態の流体と前記液体状態の流体とが混合されて流入される流体流入孔と、
前記流体流入孔に連通され、前記気体状態の流体が排出される気体排出孔と、
が形成されていることを特徴とする、流体回収装置。
【請求項２】
前記気液分離部の前記多孔性材質の平均空隙直径は、前記流体流入孔の平均直径に比べて小さく、１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の流体回収装置。
【請求項３】
前記流体流入孔の形成された前記気液分離部の流入方向の上流側に位置すると共に、前記気液分離部の前記多孔性材質の平均空隙直径より大きい平均空隙直径を有する材質からなる流体拡散部をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の流体回収装置。
【請求項４】
前記流体拡散部は、複数のビーズで構成され、前記ビーズの直径は、０．３ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする、請求項３に記載の流体回収装置。
【請求項５】
前記気液分離部及び前記流体拡散部の外周面に付着され、前記気液分離部及び前記流体拡散部を既設定された温度に冷却させる熱交換部をさらに備えることを特徴とする、請求項３または４に記載の流体回収装置。
【請求項６】
前記熱交換部は、冷却媒体が内部に流動しながら熱交換が行われるヒートパイプであることを特徴とする、請求項５に記載の流体回収装置。
【請求項７】
前記熱交換部は、
前記気液分離部及び前記流体拡散部の外周面に付着されるケーシングと、
前記ケーシングから突出形成される複数のフィンと、
前記複数のフィンに沿った方向に冷却用気体の流れを誘導する冷却ファンと、
を有することを特徴とする、請求項５に記載の流体回収装置。
【請求項８】
前記熱交換部は、
前記気液分離部及び前記流体拡散部の外周面に付着されるケーシングと、
前記ケーシングから突出形成される複数のフィンと、
前記気液分離部及び前記流体拡散部の内部に挿入形成される補助冷却部と、
を有することを特徴とする、請求項５に記載の流体回収装置。
【請求項９】
前記補助冷却部は複数形成され、ピン形状を有することを特徴とする、請求項８に記載の流体回収装置。
【請求項１０】
前記補助冷却部は、冷却媒体が内部に流動しながら熱交換が行われるヒートパイプであることを特徴とする、請求項８に記載の流体回収装置。
【請求項１１】
前記補助冷却部は、熱伝導性を有する金属棒であることを特徴とする、請求項８に記載の流体回収装置。
【請求項１２】
水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に前記水素を含有する燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料電池本体に前記酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
前記燃料電池本体から排出される流体を液体状態の流体と気体状態の流体とに各々分離させる流体回収装置と、
を備え、
前記流体回収装置は、
電気浸透材を間に介して第１電極と第２電極とが配置され、前記第１電極から前記第２電極に電圧を印加することによって前記液体状態の流体を前記電気浸透材内の電気流路に流動させる電気浸透ポンプと、
前記電気浸透ポンプに接触して前記電気流路の流動方向の上流側に配置され、前記液体状態の流体を吸収可能な多孔性材質からなる気液分離部と、
を有し、
前記気液分離部には、
前記気体状態の流体と前記液体状態の流体とが混合されて流入される流体流入孔と、
前記流体流入孔に連通され、前記気体状態の流体が排出される気体排出孔と、
が形成されていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１３】
前記流体回収装置は、前記燃料電池本体のカソード出口に設置され、液体状態の水と気体状態の未反応の酸化剤ガスとを分離させることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内を循環する流体に含まれている水分を回収する流体回収装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学反応によって電気エネルギーを発生させる発電装置である。燃料電池は使用される燃料により高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、直接メタノール型燃料電池のような様々な種類の燃料電池に区分される。
【０００３】
高分子電解質型燃料電池は、水素イオン交換特性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池であり、水素を含有する燃料と酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて、電気エネルギーと熱とを連続的に発生させる。高分子電解質型燃料電池は他の燃料電池に比べて出力特性が卓越し、作動温度が低いのと同時に、速い始動及び応答特性を有する。このような高分子電解質型燃料電池を用いて構成された燃料電池システムは、移動用電源またはバッテリー代替電源のような様々な分野に利用されるが、多くの場合は酸化剤ガスと燃料とを各々燃料電池スタックに供給する構造を有する。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池は、燃料改質装置を使用せずに、メタノールのような液体燃料を燃料電池スタックに直接供給する。そして、直接メタノール型燃料電池は、液体燃料及び空気が提供されると、燃料の酸化反応と酸化剤ガスの還元反応とにより電気エネルギーを発生させる。このような直接メタノール型燃料電池を用いて構成された燃料電池システムは、その構成要素が簡単であるため、携帯用電源機器または小型電源機器に用いられる。
【０００５】
このような燃料電池システムにおいては、燃料と酸化剤ガスとが電気化学的に反応した後に、アノード出口を通して未反応の燃料と二酸化炭素（ＣＯ２）とが排出され、カソード出口を通して未反応の酸化剤ガスと水とが排出される。そこで、燃料電池システムでは、一般に未反応の燃料をリサイクルするために、二酸化炭素を分離排出させて、未反応の燃料を燃料電池スタックに再循環させる。また、未反応の酸化剤ガスも分離排出させ、電気化学反応によって生成された水（水分）を未反応の燃料に混合された状態で燃料電池スタックに供給している。
【０００６】
燃料電池システムでは、電気化学反応によって生成された水分が未反応の酸化剤ガスに含まれている状態でカソード出口を通して排出される。そのため、従来の燃料電池システムは、未反応の酸化剤ガスに含まれている水分を分離させるための流体回収装置を別に備えている。このような流体回収装置は、一般に燃料電池スタックから排出される未反応の酸化剤ガスを既設定された温度以下に冷却し、凝縮させることによって、未反応の酸化剤ガスに含まれている水分を、水に状態変換させた後、重力によって互いに分離させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の燃料電池システムが、特に直接メタノール型燃料電池のように携帯用または小型機器用電源に用いられると、流体回収装置自体が揺れたり、回転したりする状態になる。そのため従来の燃料電池システムでは、未反応酸化剤ガスから分離された水が未反応の酸化剤ガスに再び混合されてしまったり、外部に漏れたりする問題が生じていた。このように、機器が上下左右何れの方向を向いているかよって動作が変化する問題は、一般に無方位性能が低いとされる。つまり、従来の燃料電池システムは、無方位性能が低いため、電力効率が低下する問題が生じていた。
【０００８】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃料電池システム内を循環する流体に含まれている液体と気体とを互いに分離でき、揺動や回転の影響を受けない無方位性能に優れた流体回収装置、及びこの流体回収装置を備えた燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電気浸透材を間に介して第１電極と第２電極とが配置され、第１電極から第２電極に電圧を印加することによって液体状態の流体を電気浸透材内の電気流路に流動させる電気浸透ポンプと、電気浸透ポンプに接触して電気流路の流動方向の上流側に配置され、液体状態の流体を吸収可能な多孔性材質からなる気液分離部と、を備え、気液分離部には、気体状態の流体と液体状態の流体とが混合されて流入される流体流入孔と、流体流入孔に連通され、気体状態の流体が排出される気体排出孔と、が形成されていることを特徴とする、流体回収装置が提供される。
【００１０】
本発明の流体回収装置によれば、気液分離部の流体流入孔から気体状態の流体と液体状態の流体とを円滑に流入させ、液体状態の流体を多孔性材質の空隙に吸収させて電気浸透ポンプに流動させ、気体排出孔から気体状態の流体を外部に排出させるので、流体に含まれている液体と気体とを容易に分離でき、揺動や回転の影響を受けず、無方位性能を高めることができる。
【００１１】
気液分離部の多孔性材質の平均空隙直径は、流体流入孔の平均直径に比べて小さく、１μｍ〜１００μｍであるとよい。多孔性材質の平均空隙直径が、流体流入孔の平均直径に比べて小さいことにより、水分のような液体状態の流体は多孔性材質の空隙内に吸収することができる。また、多孔性材質の平均空隙直径が１μｍ〜１００μｍであると、毛細管現象によって液体の吸収効果が高くなる。一方、多孔性材質の平均空隙直径が１μｍ未満の場合には、液体状態の流体は流動し難く、１００μｍを超える場合には、液体状態の流体だけを選択的に吸収し難いため、流体吸収性能または回収率が低下する。
【００１２】
本発明の実施の一形態による流体回収装置は、流体流入孔の形成された気液分離部の流入方向の上流側に位置すると共に、気液分離部の多孔性材質の平均空隙直径より大きい平均空隙直径を有する材質からなる流体拡散部をさらに備えることができる。流体は、流体拡散部を通過した後に気液分離部に流入するため、気液分離部の特定領域に集中的に流入することがなく、流体拡散部で均等に拡散した後に気液分離部に流入されるので、気液分離部での流体吸収を容易にすることができる。さらに、多量の流体が一時的に流入しても、流体拡散部で一次的に保存されてから気液分離部に流入されるので、気液分離部での回収がより容易にできる。
【００１３】
流体拡散部は、複数のビーズで構成され、ビーズの直径は、０．３ｍｍ〜３ｍｍであるとよい。ビーズの直径が０．３ｍｍ未満の場合には、空隙が狭すぎて流体の流動が円滑に行われずに圧力損失が大きく生じる恐れがある。また、ビーズの直径が３ｍｍ超える場合には、空隙が広すぎるために、流体の拡散効果と保存効果が顕著に減少する。
【００１４】
また、本発明の実施の別の形態による流体回収装置は、気液分離部及び流体拡散部の外周面に付着され、気液分離部及び流体拡散部を既設定された温度に冷却させる熱交換部をさらに備えることができる。熱交換部は、気液分離部及び流体拡散部から熱を吸収して、既設定された（所定の）温度に冷却させ、凝縮現象によって気体状態の流体を液体状態の流体に変換させるので、液体状態の流体をより効率的に回収できる。
【００１５】
この時、熱交換部は、冷却媒体が内部に流動しながら熱交換が行われるヒートパイプであることができ、熱交換部としてヒートパイプを用いることにより、気液分離部及び流体拡散部をより効果的に冷却することができる。
【００１６】
また、熱交換部は、気液分離部及び流体拡散部の外周面に付着されるケーシングと、ケーシングから突出形成される複数のフィンと、複数のフィンに沿った方向に冷却用気体の流れを誘導する冷却ファンと、を有する構成とすることもできる。気液分離部及び流体拡散部から伝えられる熱は、複数のフィンから外部大気に放熱されて、気液分離部及び流体拡散部をより効果的に冷却することができる。
【００１７】
また、熱交換部は、気液分離部及び流体拡散部の外周面に付着されるケーシングと、ケーシングから突出形成される複数のフィンと、気液分離部及び流体拡散部の内部に挿入形成される補助冷却部と、を有することができる。熱交換部は、補助冷却部を有することによって、気液分離部及び流体拡散部に接触する面積が広くなり、気液分離部及び流体拡散部からケーシングに熱を、より効果的に伝えることができる。
【００１８】
この時、補助冷却部は複数形成され、ピン形状を有することができる。または、補助冷却部は、冷却媒体が内部に流動しながら熱交換が行われるヒートパイプであることができ、多様な形態で、気液分離部及び流体拡散部の内部に挿入され、より効果的な冷却を実現できる。または、補助冷却部は、熱伝導性を有する金属棒であることができ、多様な形態で気液分離部及び流体拡散部の内部に挿入され、より効果的に冷却することができる。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池本体と、燃料電池本体に水素を含有する燃料を供給する燃料供給部と、燃料電池本体に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、燃料電池本体から排出される流体を液体状態の流体と気体状態の流体とに各々分離させる流体回収装置と、を備え、流体回収装置は、電気浸透材を間に介して第１電極と第２電極とが配置され、第１電極から第２電極に電圧を印加することによって液体状態の流体を前記電気浸透材内の電気流路に流動させる電気浸透ポンプと、電気浸透ポンプに接触して電気流路の流動方向の上流側に配置され、液体状態の流体を吸収可能な多孔性材質からなる気液分離部と、を有し、気液分離部には、気体状態の流体と液体状態の流体とが、混合されて流入される流体流入孔と、流体流入孔に連通され、気体状態の流体が排出される気体排出孔と、が形成されていることを特徴とする、燃料電池システムが提供される。
【００２０】
このように、燃料電池システムにおいて、気体状態の流体と液体状態の流体とを容易に分離できる流体回収装置を用いることにより、燃料電池システム内を循環する流体に含まれている液体状態の流体である水を効率的に回収できるとともに、揺動や回転の影響を受けず、無方位性能を高めることができる。また、重力方式を利用した従来の流体回収装置に比べ占有体積が小さい流体回収装置を用いているので、燃料電池システムの小型化ができる。
【００２１】
ここで、流体回収装置は、燃料電池本体のカソード出口に設置され、液体状態の水と気体状態の未反応の酸化剤ガスとに分離させることができる。酸化剤ガスは、燃料電池本体のカソード入口に流入されるが、燃料電池本体で電気化学反応に利用された後に、電気化学反応で生成された水分を含んで燃料電池本体のカソード出口を通して排出されるので、流体回収装置によって、燃料電池本体から排出される流体を、気体状態の未反応の酸化剤ガスと液体状態の流体である水とに分離させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上詳述したように本発明の流体回収装置によれば、燃料電池システム内を循環する流体のうち液体状態の流体を多孔性材質の空隙に吸収させ、気体排出孔から気体状態の流体を外部に排出させるので、流体に含まれている液体と気体とを容易に分離でき、揺動や回転の影響を受けず、無方位性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による流体回収装置１００の概略の説明図であり、図２は図１に示された流体回収装置１００を流体の流動方向に沿って切断して（図１のｘｙ平面で切断して）示した断面図である。図１及び図２に示したように、本発明の第１の実施の形態による流体回収装置１００は、電気浸透ポンプ１１０と気液分離部１２０とを備えており、流体に含まれている水分を別途に分離できる。
【００２５】
例えば、燃料電池システムは、酸化剤ガスとして大気中の空気を用いるが、燃料電池スタックでの電気化学反応によって生成された水分が未反応の空気に含まれている状態で排出される。燃料電池システムは、未反応の空気と水分とが混合された流体を空気と水とに互いに分離させ、空気から分離された水を燃料電池スタックに流入させてリサイクルする。このように流体回収装置１００は、液体状態の流体と気体状態の流体とを互いに分離できるように構成されている。
【００２６】
電気浸透ポンプ１１０は、電気浸透材１１１を間において、第１電極１１２と第２電極１１３とが各々電気浸透材１１１の側面に配置される。電気浸透材１１１は電気電圧を伝達できる素材であり、液体状態の流体が通過できる微細な電気流路が形成される。そして、電気浸透ポンプ１１０は、第１電極１１２と第２電極１１３との間を連結する電源部１１４をさらに有している。
【００２７】
電源部１１４は、バッテリー、キャパシタ、燃料電池、常用電源のような装置であって、既設定の電圧を第１電極１１２と第２電極１１３との間に印加する。ここで、既設定の電圧は、液体状態の流体を電気浸透圧（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃａｌｌｙ）方式で電気浸透材１１１の電気流路内に流動させることのできる大きさの電圧を意味する。既設定された電圧は、第１電極１１２と第２電極１１３との間の間隔により、異なって設定されるが、数ボルト〜数十ボルトが適用できる。
【００２８】
気液分離部１２０は、電気浸透ポンプ１１０に接触された状態で電気流路の上側に配置される。電気流路の上側とは、気体状態の流体と液体状態の流体との混合流体が流れる上流を意味するものであり、つまり、電気浸透ポンプ１１０で電源部１１４の正極（＋）端子が第１電極１１２に連結され、気液分離部１２０は、第１電極１１２に結合される。ここで、気液分離部１２０は、液体状態の流体を吸収できる磁気充電構造の多孔性材質である。
【００２９】
また、気液分離部１２０には、流体流入孔１２１と、この流体流入孔１２１に連通される気体排出孔１２２、１２３が内部に各々形成されている特徴がある。流体流入孔１２１には、気体状態の流体と液体状態の流体とが互いに混合された状態で流入する。気液分離部１２０は、それ自体が多孔性材質であるため、流体流入孔１２１を別途に形成しなくても気体状態の流体と液体状態の流体とが流動できる。しかし、気液分離部１２０の多孔性材質は、液体状態の流体を自己充填できるほど空隙が非常に小さいので、流体流入孔１２１を形成しない場合には、流体の圧力損失が大量に発生する恐れがある。
【００３０】
そのため、本発明の第１の実施の形態による流体回収装置１００の気液分離部１２０は、流体流入孔１２１を形成することによって、気体状態の流体と液体状態の流体とがより円滑に流入できる。そして、液体状態の流体は、多孔性材質の空隙に吸収された後に電気浸透ポンプ１１０方向に流動され、気体状態の流体は気体排出孔１２２、１２３を通して外部に排出される。この時、流体流入孔１２１をはじめとして、気体排出孔１２２、１２３は流体処理能力を考慮して、複数形成されてもよい。
【００３１】
図３は、図２に示された多孔性材質の気液分離部１２０について、多孔質材料の写真で平均空隙直径を観察した説明図である。図１〜図３に示したように、気液分離部１２０の多孔性材質の平均空隙直径１２４は、流体流入孔１２１の平均直径に比べて小さい。そのため、気液分離部１２０は、水分のような液体状態の流体を多孔性材質の空隙内に吸収する。
【００３２】
この時、多孔性材質の平均空隙直径１２４が１μｍ〜１００μｍの範囲であると、気液分離部１２０においては、毛細管現象による液体の吸収効果が優れている。一方、多孔性材質の平均空隙直径１２４が１μｍ未満の場合には、液体状態の流体は流動し難い。また、多孔性材質の平均空隙直径１２４が１００μｍを超える場合には、液体状態の流体だけを選択的に吸収し難いため、流体吸収性能または回収率が低下する。
【００３３】
こうして、本発明の第１の実施の形態による流体回収装置１００によれば、気液分離部１２０の流体流入孔１２１から気体状態の流体と液体状態の流体とを円滑に流入させ、液体状態の流体を多孔性材質の空隙に吸収させて電気浸透ポンプ１１０に流動させ、気体排出孔１２２、１２３から気体状態の流体を外部に排出させるので、流体に含まれている液体と気体とを容易に分離でき、揺動や回転の影響を受けず、無方位性能を高めることができる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態による流体回収装置２００の断面を示した説明図である。図４に示したように、本発明の第２の実施の形態による流体回収装置２００は、図１及び図２に示された流体回収装置１００と同様に、電気浸透ポンプ２１０と気液分離部２２０とを備える。そして、本発明の第２の実施の形態による流体回収装置２００は、流体流入孔２２１が形成された気液分離部２２０の上側（混合流体の流入方向の上流側）に位置する流体拡散部２３０をさらに備えている特徴がある。流体拡散部２３０は、気液分離部２２０の多孔性材質の平均空隙直径に比べて、もっと大きい平均空隙直径を有する材質で形成される。つまり、流体拡散部２３０は、ビーズ、粉砕物、繊維のような構成物で構成される集合体であり、このような構成物の間に空隙が存在している。また、流体流入孔２２１には、第１の実施の形態と同様に、流体流入孔２２１に連通される気体排出孔（図示せず）が内部に形成されており、気体状態の流体が気体排出孔を通じて外部に排出される。
【００３５】
流体は、一次的に流体拡散部２３０を通過した後に、気液分離部２２０に流入される。そのため流体は、気液分離部２２０のある特定領域に集中的に流入されず、流体拡散部２３０で均等に拡散した後に気液分離部２２０に流入される。また、多量の流体が一時的に流入されても、流体拡散部２３０で一次的に保存された後に気液分離部２２０に流入されるので、液体状態の流体は、気液分離部２２０での回収がより容易にできる。
【００３６】
図５は、図４に示された流体拡散部２３０について、写真で平均空隙直径を観察した説明図である。図４及び図５に示したように、流体拡散部２３０は、例えば、複数のビーズ２３４で構成されており、この複数のビーズ２３４の直径は、０．３ｍｍ〜３ｍｍの範囲で形成されることが好ましい。ビーズ２３４の直径が０．３ｍｍ未満の場合には、ビーズ２３４の間の空隙が狭くなり、流体の流動が円滑に行われずに圧力損失が大きく生じる恐れがある。一方、ビーズ２３４の直径が３ｍｍ超える場合には、ビーズ２３４の間の空隙が広くなり、流体の拡散効果と保存効果が顕著に減少する。
【００３７】
こうして、本発明の第２の実施の形態による流体回収装置２００によれば、流体拡散部２３０をさらに備えたことにより、流体は、流体拡散部２３０で均等に拡散した後に気液分離部２２０に流入されるので、第１の実施の形態による流体回収装置１００よりも流体の回収を容易にできる。
【００３８】
（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態による流体回収装置３００の断面を示した説明図である。図６に示したように、本発明の第３の実施の形態による流体回収装置３００は、図３に示された流体回収装置２００と同様に、電気浸透ポンプ３１０と、気液分離部３２０と、流体拡散部３３０とを備える。また、第３の実施の形態による流体回収装置３００は、気液分離部３２０及び流体拡散部３３０の各外周面に付着され、気液分離部３２０と流体拡散部３３０を既設定された温度に冷却させる一種のヒートシンク（ｈｅａｔ  ｓｉｎｋ）として熱交換部３４０をさらに備えている。
【００３９】
熱交換部３４０は、気液分離部３２０及び流体拡散部３３０から熱を吸収して、気液分離部３２０及び流体拡散部３３０を既設定された温度に各々冷却させる。その後、水蒸気のように気体状態の流体も既設定された温度に冷却されて、凝縮現象によって水のような液体状態の流体に変換される。こうして、本発明の第３の実施の形態による流体回収装置３００は、第２の実施の形態による流体回収装置２００に比べて、液体状態の流体をより効率的に回収できる。
【００４０】
また、図６に示す流体回収装置３００では、気液分離部３２０及び流体拡散部３３０に、熱交換部３４０が付着されているが、必要に応じて気液分離部３２０の一側にだけ設置されてもよい。
【００４１】
（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態による流体回収装置４００の断面を示した説明図である。図７に示したように、本発明の第４の実施の形態による流体回収装置４００は、図６に示された流体回収装置３００と同様に、電気浸透ポンプ４１０と、気液分離部４２０と、流体拡散部４３０と、熱交換部４４０とを備える。しかし、本発明の第４の実施の形態による流体回収装置４００の熱交換部４４０は、図６に示された熱交換部３４０と異なって、ヒートパイプ（ｈｅａｔ  ｐｉｐｅ）で形成されている特徴がある。熱交換部４４０は、ヒートパイプの内部では冷却水が持続的に循環するため、気液分離部４２０及び流体拡散部４３０をより効果的に冷却できる効果がある。
【００４２】
（第５の実施の形態）
図８は本発明の第５の実施の形態による流体回収装置５００の断面を示した説明図である。図８に示したように、本発明の第５の実施の形態による流体回収装置５００は、図６に示された流体回収装置３００と同様に、電気浸透ポンプ５１０と、気液分離部５２０と、流体拡散部５３０と、熱交換部５４０とを備える。しかし、本発明の第５の実施の形態による流体回収装置５００は、図６に示された熱交換部３４０とは異なる冷却構造を有する熱交換部５４０を備える。
【００４３】
熱交換部５４０は、気液分離部５２０及び流体拡散部５３０の各外周面に付着されるケーシング５４１、ケーシング５４１から突出形成される複数のフィン５４２、および複数のフィン５４２に沿った方向に冷却用気体の流れを誘導する冷却ファン５４３を有して構成される。この時、ケーシング５４１及び複数のフィン５４２は、熱伝達性能に優れた金属素材で形成され、気液分離部５２０及び流体拡散部５３０から伝えられる熱は、複数のフィン５４２から外部大気に放熱される。このような構成によって、熱交換部５４０は気液分離部５２０及び流体拡散部５３０を効果的に冷却できる。
【００４４】
（第６の実施の形態）
図９は本発明の第６の実施の形態による流体回収装置の断面を示す説明図である。図９に示したように、本発明の第６の実施の形態による流体回収装置６００は、図８に示された流体回収装置５００と同様に、電気浸透ポンプ６１０と、気液分離部６２０と、流体拡散部６３０と、熱交換部６４０とを備える。しかし、本発明の第６の実施の形態による流体回収装置６００は、図８に示された流体回収装置５００と異なって、気液分離部６２０及び流体拡散部６３０の内部に挿入形成される補助冷却部６４４が形成されている特徴がある。この補助冷却部６４４は、例えばピン形状を有しており、ケーシング６４１から突出して複数形成されている。
【００４５】
本発明の第６の実施の形態による流体回収装置６００の熱交換部６４０は、気液分離部６２０及び流体拡散部６３０の各外周面に付着されるケーシング６４１と、ケーシング６４１から突出形成される複数のフィン６４２とを有している。そして、熱交換部６４０は、気液分離部６２０及び流体拡散部６３０から伝えられる熱を、ケーシング６４及び複数のフィン６４２を経て外部大気に放熱することができる。さらに、熱交換部６４０は、補助冷却部６４４をさらに有することによって、気液分離部６２０及び流体拡散部６３０に接触する面積が広くなり、気液分離部６２０及び流体拡散部６３０からケーシング６４１に熱を、より効果的に伝えることができる。
【００４６】
（第７の実施の形態）
図１０は、本発明の第７の実施の形態による流体回収装置７００の断面を示す説明図である。図１０に示したように、本発明の第７の実施の形態による流体回収装置７００は、図９に示された流体回収装置６００と同様に、電気浸透ポンプ７１０と、気液分離部７２０と、流体拡散部７３０とを備える。しかし、本発明の第７の実施の形態による流体回収装置７００は、図９に示された流体回収装置６００とは異なる冷却構造の熱交換部７４０を備えている特徴がある。
【００４７】
本発明の第７の実施の形態による流体回収装置７００の熱交換部７４０は、気液分離部７２０及び流体拡散部７３０の各外周面に付着されるケーシング７４１と、ケーシング７４１から突出形成される複数のフィン７４２と、気液分離部７２０及び流体拡散部７３０の内部に挿入形成される補助冷却部７４５とを有している。この補助冷却部７４５は、冷却媒体が内部に満たされたヒートパイプであり、多様な形態で、気液分離部７２０及び流体拡散部７３０の内部に挿入され、より効果的な冷却を実現できる。
【００４８】
（第８の実施の形態）
図１１は本発明の第８の実施の形態による流体回収装置８００の断面を示す説明図である。図１１に示したように、本発明の第８の実施の形態による流体回収装置８００は、図９に示された流体回収装置６００と同様に、電気浸透ポンプ８１０と、気液分離部８２０と、流体拡散部８３０とを備える。しかし、本発明の第８の実施の形態による流体回収装置８００は、図９に示された流体回収装置６００の冷却構造とは異なる熱交換部８４０を備えている。
【００４９】
本発明の第８の実施の形態による流体回収装置８００の熱交換部８４０は、気液分離部８２０及び流体拡散部８３０の各外周面に付着されるケーシング８４１と、ケーシング８４１から突出形成される複数のフィン８４２と、気液分離部８２０及び流体拡散部８３０の内部に挿入形成される補助冷却部８４５とを有している。この補助冷却部８４５は、熱伝導性を有する金属棒（ｍｅｔａｌ  ｂａｒ）であり、多様な形態で気液分離部８２０及び流体拡散部８３０の内部に挿入され、より効果的に冷却することができる。
【００５０】
以上のような本発明の第１の実施の形態による流体回収装置１００、第２の実施の形態による流体回収装置２００、第３の実施の形態による流体回収装置３００、第４の実施の形態による流体回収装置４００、第５の実施の形態による流体回収装置５００、第６の実施の形態による流体回収装置６００、第７の実施の形態による流体回収装置７００、及び、第８の実施の形態による流体回収装置８００は、下記のような燃料電池システムに設置されて下記のように作動する。
【００５１】
図１２は、図１に示された流体回収装置１００を用いた本願発明の実施の形態による燃料電池システムの概略構成を示した説明図である。図１２に示したように、燃料電池システムは、水素と酸素を電気化学的に反応させて、電気エネルギーを生成する燃料電池本体１０を備える。燃料電池本体１０は、電気エネルギーを発生させる最小単位として単位セルを有し、このような数個または数十個の単位セルが連続的に積層配列された集合体で構成される。そして、燃料電池本体１０は、単位セル集合体の最外側にエンドプレートが各々結合される。このような構造的な特徴により、燃料電池本体１０は、一般に燃料電池スタック（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ）と称される。
【００５２】
燃料供給部２０は、燃料電池本体１０に水素を含有する燃料を供給する。水素を含有する燃料としては、炭化水素系（ＬＮＧ、ＬＰＧ）のような燃料または純粋水素が用いられる。燃料供給部２０は、水素を含有する燃料が保存される燃料タンク２１、および水素を含有する燃料を既設定された圧力に維持しながら燃料供給量を調節する第１燃料ポンプ２２を有して構成される。その他に、燃料供給部２０には、燃料の種類によって、燃料改質装置のような構成要素をさらに有することもできる。
【００５３】
酸化剤供給部３０は、燃料電池本体１０に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。この酸化剤供給部３０は、一般に空気ポンプのような装備であって、酸素と窒素の混合物である大気を酸化剤ガスとして燃料電池本体１０に供給する。
【００５４】
水素を含有する燃料は、燃料電池本体１０のアノード入口１１に流入され、燃料電池本体１０で電気化学反応に利用された後に、燃料電池本体１０のアノード出口１３を通して排出される。燃料電池本体１０のアノード出口１３から排出される流体は、未反応の燃料と一緒に電気化学反応で生成された二酸化炭素（ＣＯ２）も共に排出される。
【００５５】
また、燃料電池システムは、水素の利用率を極大化するために、燃料再循環部４０を具備し、未反応の燃料を燃料電池本体１０のアノード入口１１に再循環させる。この燃料再循環部４０は、アノード入口１１とアノード出口１３を連結する第１再循環ラインに設けられる。燃料再循環部４０は、二酸化炭素を分離排出させるための二酸化炭素除去機４１と、未反応の燃料を既設定された圧力（所定の圧力）に維持しながら燃料供給量を調節する第２燃料ポンプ４２とを有して構成される。
【００５６】
酸化剤ガスとして供給される空気は、燃料電池本体１０のカソード入口１２に流入されて、燃料電池本体１０で電気化学反応に利用された後に、燃料電池本体１０のカソード出口１４を通して排出される。燃料電池本体１０のカソード出口１４から排出される流体は、未反応の空気と一緒に電気化学反応で生成された水分も含んでいる。
【００５７】
本願発明の実施の形態による燃料電池システムは、流体回収装置１００によって、燃料電池本体１０から排出される流体を、気体状態の未反応の流体である空気と液体状態の流体である水とに各々分離させる。流体回収装置１００は、燃料電池本体１０のカソード出口１４から第１再循環ラインに連結される第２再循環ラインに設けられる。
【００５８】
このように、本願発明の実施の形態による燃料電池システムは、気体状態の流体と液体状態の流体とを容易に分離できる流体回収装置１００を用いることにより、燃料電池システム内を循環する流体に含まれている水を効率的に回収し、未反応の燃料とともにリサイクルできるとともに、揺動や回転の影響を受けず、無方位性能を高めることができる。また、流体回収装置１００で分離された水を用いて、燃料再循環部４０の第２燃料ポンプ４２から供給される未反応の燃料を適切に加湿することによって、燃料電池本体１０内での電子イオンをより円滑に誘導することができる。
【００５９】
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、本発明は係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、各種の変更例また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】
【００６０】
本発明は、燃料電池システム内を循環する流体に含まれている水分を回収する流体回収装置、及び燃料電池システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による流体回収装置の概略の説明図である。
【図２】図１に示された流体回収装置をｘｙ平面で切断した断面図である。
【図３】図２に示された気液分離部を写真で観察した説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図５】図４に示された流体拡散部を写真で観察した説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図１１】本発明の第８の実施の形態による流体回収装置の概略の断面を示した説明図である。
【図１２】燃料電池システムの概略構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００      流体回収装置
１１０      電気浸透ポンプ
１２０      気液分離部
１２１      流体流入孔
１２２      気体排出孔
１２３      気体排出孔
【図１】
2009200029.tif 000003
【図２】
2009200029.tif 000004
【図４】
2009200029.tif 000005
【図６】
2009200029.tif 000006
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009200029.tif 000010
【図１１】
2009200029.tif 000011
【図１２】
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【図３】
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【図５】
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