(57)【要約】【課題】一部で吸水を行うとともに他の部分で蒸発を行うことができる液体吸収装置及びこれを用いた連続運転可能な燃料電池装置、電子機器を提供する。【解決手段】気体が通過する流路と、流路を通過する気体が凝縮した液体を吸収し保持する吸収体とを備える液体吸収装置である。流路には上流側から下流側に向かって温度が上昇する温度勾配が形成されているので、捕捉された水が吸水材４２の下流側に浸透するにつれて蒸発し、排出される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が通過する流路と、
前記流路を通過する前記気体が凝縮した液体を吸収し保持する吸収体とを備え、
前記流路には上流側から下流側に向かって温度が上昇する温度勾配が形成されていることを特徴とする液体吸収装置。
【請求項２】
前記流路の下流側には熱源が接続されることを特徴とする請求項１に記載の液体吸収装置。
【請求項３】
前記熱源は前記気体の発熱反応を生じさせる反応器であることを特徴とする請求項２に記載の液体吸収装置。
【請求項４】
前記流路内に、前記気体を通過させるとともに、前記液体を捕捉して前記吸収体へ浸透させる芯材を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体吸収装置。
【請求項５】
前記吸収体は不織布からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体吸収装置。
【請求項６】
前記気体は水蒸気を含み、前記液体は水滴であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体吸収装置。
【請求項７】
前記気体は燃料ガスであり、
前記燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セルと、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体吸収装置と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項８】
燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セルと、
前記燃料電池セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池セルと前記燃焼器とを接続するとともに前記未反応の燃料ガスが流通する流路と、を備え、
前記未反応の燃料ガスは水蒸気を含み、更に、
前記流路の一部を含み且つ前記流路を通過する前記未反応の燃料ガス中の水蒸気が凝縮した水滴を吸収し保持する吸収体とを有する水滴除去装置を備え、
前記流路には上流側から下流側に向かって温度が上昇する温度勾配が形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項９】
前記流路内に、前記未反応の燃料ガスを通過させるとともに、前記水滴を捕捉して前記吸収体へ浸透させる芯材を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記吸収体は不織布からなることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池装置と、前記燃料電池セルより電力が供給される電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体が流通する流路から凝縮した液体を除去する液体吸収装置、液体吸収装置を用いた燃料電池装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料の電気化学反応により電力を取り出すものであり、燃料電池の研究・開発が広く行われている。燃料電池に用いる燃料は水素ガスであり、メタノール等の原燃料を改質器で改質することでその水素ガスを生成している。また、エネルギーの利用効率を高めるために、燃料電池セル（燃料電池本体）から排出される未反応の水素ガスを含む排ガス（オフガス、気体）をバーナー等の燃焼器で燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱することが行われている。
【０００３】
ところで、オフガスには水蒸気や水滴（液体）が含まれている。この水滴や流路内で水蒸気が凝縮した水滴が燃焼器に入ると燃焼器の温度が急激に変動する。また、燃焼器内に入った水滴が蒸発すると水蒸気により燃焼器内の圧力が急激に変動する。これを避けるため、燃焼器の手前にオフガス中の凝縮した水を除去する吸水手段を設けることが行われている。また、吸水手段がある程度吸水した後に、改質部の熱で吸水手段を加熱することで水を蒸発させて吸水容量を回復することも行われている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２１６４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、吸水手段の全体が同じ温度であるため、吸水手段が比較的低温のときに吸水を行うとともに比較的高温のときに蒸発を行うことはできるものの、吸水手段の一部で吸水を行いながら、同時に、他の部分で蒸発を行うことはできない。従って、上述の燃料電池では、吸水手段での吸水及び蒸発の状態を制御する場合、燃料電池の運転状態を変える必要がある。
【０００５】
本発明の課題は、一部で吸水を行うとともに他の部分で蒸発を行うことができる液体吸収装置及びこれを用いた連続運転可能な燃料電池装置、電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、液体吸収装置であって、気体が通過する流路と、前記流路を通過する前記気体が凝縮した液体を吸収し保持する吸収体とを備え、前記流路には上流側から下流側に向かって温度が上昇する温度勾配が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吸収装置であって、前記流路の下流側には熱源が接続されることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液体吸収装置であって、前記熱源は前記気体の発熱反応を生じさせる反応器であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体吸収装置であって、前記流路内に、前記気体を通過させるとともに、前記液体を捕捉して前記吸収体へ浸透させる芯材を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体吸収装置であって、前記吸収体は不織布からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体吸収装置であって、前記気体は水蒸気を含み、前記液体は水滴であることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、燃料電池装置であって、前記気体は燃料ガスであり、前記燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セルと、請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体吸収装置と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、燃料電池装置であって、燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セルと、前記燃料電池セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池セルと前記燃焼器とを接続するとともに前記未反応の燃料ガスが流通する流路と、を備え、前記未反応の燃料ガスは水蒸気を含み、更に、前記流路の一部を含み且つ前記流路を通過する前記未反応の燃料ガス中の水蒸気が凝縮した水滴を吸収し保持する吸収体とを有する水滴除去装置を備え、前記流路には上流側から下流側に向かって温度が上昇する温度勾配が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の燃料電池装置であって、前記流路内に、前記未反応の燃料ガスを通過させるとともに、前記水滴を捕捉して前記吸収体へ浸透させる芯材を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の燃料電池装置であって、前記吸収体は不織布からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１に記載の発明は、電子機器であって、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池装置と、前記燃料電池セルより電力が供給される電子機器本体と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、一部で吸水を行うとともに他の部分で蒸発を行うことができる液体吸収装置及びこれを用いた連続運転可能な燃料電池装置、電子機器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１９】
図１は本発明が適用される電子機器２０を示すブロック図である。この電子機器２０はノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、ゲーム機器等といった携帯型の電子機器である。
電子機器２０は、燃料電池装置３０と、燃料電池装置３０から供給される電気エネルギーにより駆動される電子機器本体２１と、等から概略構成される。
【００２０】
次に、燃料電池装置３０について説明する。この燃料電池装置３０は、電子機器本体２１に出力する電気エネルギーを生成するものであり、燃料容器２、ポンプ３、気化器４、反応装置１０、燃料電池セル８、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１、二次電池３２、制御部３３、等を備える。
【００２１】
燃料容器２には、液体の原燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水との混合液が貯留されている。なお、液体の原燃料と水とを燃料容器２内で別々に貯留してもよい。燃料容器２内の混合液は、ポンプ３により気化器４に送液される。
気化器４は燃料容器２から送られた混合液を反応装置１０からの伝熱等により約１１０〜１６０℃程度に加熱し、気化させる。気化器４で気化した混合気は改質器５へ送られる。
【００２２】
反応装置１０は、断熱容器１１、断熱容器１１内に収容された改質器５、一酸化炭素除去器６、触媒燃焼器（反応器）９、液滴トラップ（水滴除去装置、液体吸収装置）４０等からなる。
【００２３】
改質器５は内部に流路が形成され、流路の壁面に改質触媒が担持されている。改質触媒としては、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒やＰｄ／ＺｎＯ系触媒等が用いられる。改質器５はヒータ兼温度センサ（熱源）５ａからの伝熱により気化器４から送られる混合気を約３００〜４００℃程度に加熱し、流路内の触媒により改質反応を起こさせる。すなわち、原燃料と水の触媒反応によって、燃料としての水素、二酸化炭素、及び、副生成物である微量な一酸化炭素等の混合気体（改質ガス）が生成される。
【００２４】
ここで、原燃料がメタノールの場合、改質器５では主に次式（１）に示すような主反応である水蒸気改質反応が起こる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2  …（１）
なお、化学反応式（１）についで逐次的に起こる次式（２）のような副反応によって、副生成物として一酸化炭素が微量に（１％程度）生成される。
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ  …（２）
（１）式及び（２）式の反応による生成物（改質ガス）は一酸化炭素除去器６に送出される。
【００２５】
一酸化炭素除去器６の内部には流路が形成され、その流路の壁面に一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化触媒が担持されている。選択酸化触媒としては、例えばＰｔ／Ａｌ2Ｏ3等を用いることができる。
【００２６】
一酸化炭素除去器６には改質器５で生成された改質ガス及び、外部の空気が送られる。改質ガスが空気と混合して一酸化炭素除去器６の流路を流れ、改質器５やヒータ兼温度センサ（熱源）６ａからの伝熱により約１１０〜１６０℃程度に加熱される。そして、改質ガスのうち一酸化炭素が触媒により次式（３）のような主反応により優先的に酸化される。これにより主生成物として二酸化炭素が生成され、改質ガス中の一酸化炭素を燃料電池セル８に供給可能な１０ｐｐｍ程度まで低濃度化することができる。
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2  …（３）
一酸化炭素除去器６を通過した改質ガスは燃料電池セル８に送出される。
【００２７】
燃料電池セル８は固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜８１と、固体高分子電解質膜８１の両面に形成された燃料極８２（アノード）及び酸素極８３（カソード）と、燃料極８２に改質ガスを供給する燃料供給流路８４ａが設けられた燃料極セパレータ８４と、酸素極８３に酸素を供給する酸素供給流路８５ａが設けられた酸素極セパレータ８５と、が積層されている。
【００２８】
固体高分子電解質膜８１は水素イオンを透過するが、酸素分子や水素分子、電子を通さない性質を有する。
燃料極８２には燃料供給流路８４ａを介して改質ガスが送られる。燃料極８２では改質ガス中の水素による次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ2→２H+＋２ｅ-  …（４）
生成した水素イオンは固体高分子電解質膜８１を透過して酸素極８３に到達する。生成した電子はアノード出力電極８６に供給される。
【００２９】
酸素極８３には、空気が酸素供給流路８５ａを介して送られる。酸素極８３では固体高分子電解質膜８１を透過した水素イオンと、空気中の酸素とカソード出力電極８７より供給される電子とにより、次式（５）に示すように水が生成される。
２H+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  …（５）
なお、固体高分子電解質膜８１の両面には、（４）、（５）の反応を促進する図示しない触媒が設けられている。
【００３０】
アノード出力電極８６及びカソード出力電極８７は外部回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ３１と接続されており、アノード出力電極８６に到達した電子はＤＣ／ＤＣコンバータ３１を通ってカソード出力電極８７に供給される。
【００３１】
燃料極セパレータ８４の流路を通過した改質ガス（オフガス、気体）には、未反応の水素も含まれている。オフガスは、後述する触媒燃焼器（熱源）９で未反応の水素を燃焼させるのに用いる酸素（空気）と混合された後、液滴トラップ４０に通される。
【００３２】
ここで、液滴トラップ４０についてさらに詳細に説明する。
図２は、液滴トラップ４０を示す断面図である。液滴トラップ４０は、芯材４１と、吸水材（吸収体）４２と、これらを内部に収納する配管４３とからなる。
【００３３】
配管４３の両端には配管継手４４，４５が設けられており、一方の配管継手４４は燃料極セパレータ８４の流路へ通じる配管に接続され、他方の配管継手４５は触媒燃焼器９へ通じる配管に接続される。配管継手４４，４５の中央にはオフガスの流路となる貫通孔４４ａ，４５ａが設けられている。
【００３４】
配管継手４４，４５の間には、貫通孔４４ａ，４５ａと同軸に芯材４１が配置される。芯材４１は、円柱状の繊維束芯であり、気孔率が高く、ガス透過性が高いものを用いることができる。芯材４１は貫通孔４４ａから供給されるオフガスを貫通孔４５ａまで通過させる流路となる。また、芯材４１はオフガス中の水蒸気が凝縮した水滴やオフガスとともに搬送される水滴を捕捉し吸水材４２へ保持させる。なお、吸水材４２が水滴を吸収することにより膨潤するが、芯材４１によりオフガスの流路が確保されるため、膨潤した吸水材４２によりオフガスの流路が遮断されることがない。吸水材４２の吸水した領域（吸水領域４２ａ）は吸水量が増大するにつれて乾燥した領域（乾燥領域４２ｂ）へと拡大する。吸水領域４２ａが吸水材４２全体となるまでの吸水量が液滴トラップ４０の最大吸水容量となる。
【００３５】
芯材４１としては、例えばアクリル繊維からなる繊維束を用いることができる。また、ＰＥＴやレーヨン等の繊維をポリウレタン等の樹脂で固めて形成してもよい。あるいは、アルミナやシリカ等の多孔質焼結材等を芯材４１として用いてもよい。なお、芯材４１として多孔質体を用いることにより、突沸を防ぐことができる。
【００３６】
吸水材４２は、芯材４１から誘導された水滴を急速に吸水し、保持する。吸水材４２としては、例えばアクリル繊維を吸水加工した不織布を芯材４１に巻きつけて用いることができる。
液滴トラップ４０に通されたオフガス及び空気は、触媒燃焼器９に供給される。
【００３７】
触媒燃焼器９の内部には流路が形成され、その流路の壁面にオフガスを燃焼させる燃焼触媒が担持されている。燃焼触媒としては、例えばＰｔ／Ａｌ2Ｏ3等を用いることができる。
【００３８】
触媒燃焼器９にはオフガス及び空気が送られ、改質ガス中に残留する水素が空気により燃焼される。燃焼熱は改質器５の昇温に用いられる。
【００３９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は燃料電池セル８により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体２１に供給するとともに、電気エネルギーを二次電池３２に充電する。
【００４０】
制御部３３は燃料電池装置３０全体を制御し、ポンプ２等を駆動または停止し、ヒータ兼温度センサ５ａ，６ａに通電する。
【００４１】
次に、反応装置１０の具体的な構成について説明する。図３は反応装置１０の内部構造を示す部分断面図であり、図４は図３のIV−IV矢視断面図であり、図５は図３のV−V矢視断面図である。図３〜図５に示すように、反応装置１０は、断熱容器１１と、断熱容器１１内に収容された反応装置本体１２とからなる。
【００４２】
反応装置本体１２は、入出部１３と、低温反応部（熱源）１４と、高温反応部（熱源）１６とからなる。また、反応装置本体１２の低温反応部１４と高温反応部１６との間は、温度差を維持するためにスリット１５が設けられている。
【００４３】
入出部１３は、断熱容器１１を貫通しており、反応装置本体１２を断熱容器１１内に固定する。入出部１３の断熱容器１１内側の端部は低温反応部１４と接続されている。
【００４４】
低温反応部１４の下面には、導体からなる薄膜パターン（熱源）１７が形成されている。薄膜パターン１７の両端には、断熱容器１１を貫通する図示しないリード線が接続されている。また、高温反応部１６の下面には、導体からなる薄膜パターン（熱源）１８が形成されている。薄膜パターン１８の両端には、断熱容器１１を貫通する図示しないリード線が接続されている。
【００４５】
リード線により薄膜パターン１７，１８に電圧を印加することで、薄膜パターン１７，１８をヒータとして用いることができる。また、温度に依存して変化する薄膜パターン１７，１８の抵抗を計測することで、薄膜パターン１７，１８を温度センサとして用いることができる。薄膜パターン１７がヒータ兼温度センサ６ａとなり、低温反応部１４を約１１０〜１６０℃程度に加熱する。また、薄膜パターン１８がヒータ兼温度センサ５ａとなり、触媒燃焼器９とともに高温反応部１６を約３００〜４００℃程度に加熱する。
【００４６】
次に、反応装置本体１２の内部構造について説明する。入出部１３は、混合気導入管１３ａ、空気用導入管１３ｂ、改質ガス排出管１３ｃ、排ガス管１３ｄ、及び液滴トラップ４０等からなり、これらは断熱容器１１を貫通して低温反応部１４に接続されている。
【００４７】
低温反応部１４には、混合気導入路１４ａ、空気用導入路１４ｂ、混合流路１４ｃ、一酸化炭素除去流路１４ｄ、オフガス供給流路１４ｅ、排ガス流路１４ｆが設けられている。高温反応部１６には改質流路１６ａ、燃焼流路１６ｂが設けられている。
【００４８】
混合気導入路１４ａは混合気導入管１３ａより供給される混合気体を改質流路１６ａに供給する。改質流路１６ａの壁面には、燃料を改質して水素を含むガス（改質ガス）を生成する改質用触媒が担持されており、改質流路１６ａは改質器５の役割を果たす。
【００４９】
改質流路１６ａで生成された改質ガスは混合流路１４ｃに供給される。混合流路１４ｃでは改質ガスと空気用導入管１３ｂ，空気用導入路１４ｂより供給される外部の空気とを混合し、一酸化炭素除去流路１４ｄに供給する。
【００５０】
一酸化炭素除去流路１４ｄの壁面には、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化させる一酸化炭素選択酸化触媒が担持されており、一酸化炭素除去流路１４ｄは一酸化炭素除去器６の役割を果たす。
一酸化炭素除去流路１４ｄで一酸化炭素を除去された改質ガスは、改質ガス排出管１３ｃより断熱容器１１の外部へ排出され、燃料電池セル８に供給される。
【００５１】
燃料電池セル８を通過したオフガスは空気と混合された後、配管継手４４側から液滴トラップ４０に供給され、配管継手４５側から排出される。このとき、オフガス中の水蒸気が凝縮した水滴やオフガスとともに搬送される水滴を芯材４１が捕捉し吸水材４２へ保持させる。
【００５２】
液滴トラップ４０を通過したオフガス及び空気は、オフガス供給流路１４ｅを通じて燃焼流路１６ｂに供給される。燃焼流路１６ｂの壁面には、オフガスを空気中の酸素により燃焼させる燃焼触媒が担持されており、燃焼流路１６ｂは触媒燃焼器９の役割を果たす。
オフガスを燃焼した後の排ガスは、排ガス流路１４ｆ、排ガス管１３ｄを通じて外部に排出される。
【００５３】
本発明に係る反応装置１０においては、触媒燃焼器９やヒータ兼温度センサ５ａにより高温反応部１６が約３００〜４００℃程度に加熱され、ヒータ兼温度センサ６ａにより低温反応部１４が約１１０〜１６０℃程度に加熱されている。このため、液滴トラップ４０の低温反応部１４に接続された配管継手４５側の温度は１１０℃程度となり、液滴トラップ４０の断熱容器１１外側の端部である配管継手４４は室温〜５０℃程度となる。従って、低温反応部１４を熱源として配管継手４５側から配管継手４４側への熱伝導が生じる。このため、液滴トラップ４０には配管継手４４側（上流側）から配管継手４５側（下流側）に向かって温度が上昇する温度勾配が生じ、吸水材４２に保持された水は配管継手４５側に浸透するにつれて蒸発する。
【００５４】
吸水材４２による吸水量が水の蒸発量よりも少なければ、水が蒸発するに従って吸水材４２の乾燥領域４２ｂが拡大し、吸水領域４２ａが縮小するため、吸水材４２の吸水容量を回復することができる。また、吸水材４２による吸水量が水の蒸発量よりも多くても、水の蒸発により吸水領域４２ａの拡大を抑制することができる。
蒸発した水はオフガス及び空気とともにオフガス供給流路１４ｅを通じて燃焼流路１６ｂに供給され、排ガス流路１４ｆ、排ガス管１３ｄを通じて外部に排出される。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、液滴トラップ４０の上流側から下流側に向かって温度が上昇する温度勾配が形成されているので、上流側で捕捉された水が吸水材４２の下流側に浸透するにつれて反応装置本体１２の熱により蒸発し、排出されるため、吸水材４２の乾燥領域４２ｂを維持することができる。即ち、一部で吸水を行うとともに他の部分で蒸発を行うことができる。このため、下流の触媒燃焼器９に入った水滴が蒸発することで水蒸気により燃焼器内の圧力が急激に変動することを防止できるので、燃料電池装置３０を長時間継続的に安定して運転することができ、電子機器２０を長時間継続的に使用することができる。
【００５６】
なお、以上の実施形態においては、オフガス中の水を捕捉する液滴トラップ４０について説明したが、本発明はこれに限ることはない。例えば酸素供給流路８５ａから排出される空気を触媒燃焼器９に供給する場合には、空気中の水を捕捉するために液滴トラップ４０を設けてもよい。その他、水蒸気を含む気体を供給して発熱反応を生じさせる任意の反応装置に液滴トラップを設けることができ、さらには、液滴トラップに供給される気体は水蒸気に限らず、気体であればよく、その場合、液滴トラップには凝縮された液体が補足される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明が適用される電子機器２０を示すブロック図である。
【図２】液滴トラップ４０を示す断面図である。
【図３】反応装置１０の内部構造を示す部分断面図である。
【図４】図３のIV−IV矢視断面図である。
【図５】図３のV−V矢視断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
８  燃料電池セル
９  触媒燃焼器（反応器）
１４  低温反応部（熱源）
２０  電子機器
２１  電子機器本体
３０  燃料電池装置
４０  液滴トラップ（水滴除去装置、液体吸収装置）
４１  芯材
４２  吸水材（吸収体）
【図１】
2009076353.tif 000003
【図２】
2009076353.tif 000004
【図３】
2009076353.tif 000005
【図４】
2009076353.tif 000006
【図５】
2009076353.tif 000007