メタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置及びその運用方法
【課題】メタノールを直接燃料として使用する燃料電池であるＤＭＦＣ用気液分離装置を提供すること。
【解決手段】スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、ローターを回転させるモーターと、を備え、ローターが回転すれば、気液混合物中の液体は遠心力によりハウジングの外郭側に集まり、ガスはハウジングの中心側に集まって相分離が起きることを特徴とするＤＭＦＣ用気液分離装置。これにより、強制回転による遠心力で気液分離作業を行うので、特定ポートを重力方向と一致させる必要がなく、位置が随時変わるモバイル機器にも無難に採用でき、また、経時的に急激に低下するメンブレンを使用しないために、長時間の使用時にも円滑な機能保持を保証できる。
【解決手段】スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、ローターを回転させるモーターと、を備え、ローターが回転すれば、気液混合物中の液体は遠心力によりハウジングの外郭側に集まり、ガスはハウジングの中心側に集まって相分離が起きることを特徴とするＤＭＦＣ用気液分離装置。これにより、強制回転による遠心力で気液分離作業を行うので、特定ポートを重力方向と一致させる必要がなく、位置が随時変わるモバイル機器にも無難に採用でき、また、経時的に急激に低下するメンブレンを使用しないために、長時間の使用時にも円滑な機能保持を保証できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを直接燃料として使用する燃料電池（以下、ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）という］において、スタックから回収された未反応メタノールと副産物であるＨ２Ｏとを再生するのに使われる気液分離装置とその運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを化学反応により直接電気エネルギーに変える装置であり、燃料が供給されるかぎり電気を作り続ける一種の発電装置である。このような燃料電池のうちＤＭＦＣは、メタノールを直接セルのアノードに燃料として供給して、カソードに供給された酸素との反応で電気を生成させる装置であり、アノードでは下記の化学式１のような反応が起きつつ電子が生成され、その電子は移動経路に沿ってカソードに移動して化学式２の反応を起こす。直ちにその移動経路に負荷をかければ、生成された電気を利用した仕事を行えるようになる。
【０００３】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− (化学式１)
【０００４】
３／２ Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−⇔３Ｈ２Ｏ・・・（化学式２）
【０００５】
一方、メタノールをアノードに供給する方法としては、液体状態のメタノールをポンプで供給する方法もあり、常温で自然気化される性質を利用して気化されたメタノールが自然にアノードへ行くように誘導する方法があるが、後者を受動型、前者は能動型と呼び、ここで説明する構造はこの能動型ＤＭＦＣに該当する。
【０００６】
図１は、このような能動型ＤＭＦＣの構造を示すブロック図である。
【０００７】
まず、上記化学式１、２が進むアノードとカソードとの組立体一つでは十分な電気を得難いため、これを多段で積層したスタック２０の形態で使用する。このスタック２０内には複数のアノードと複数のカソードとがそれぞれ電解質膜を介して単位セルを形成して積層されており、各単位セルで生成された電気が合わせられて大きい電気に出力される。参照符号６０は、カソードに酸素供給源であるエアを送るためのエアポンプを示す。そして、参照符号３０は、アノードに供給される燃料であるメタノールを保存したカートリッジを示すが、このカートリッジ３０には、高濃度メタノール（例えば、１００％メタノール）が保存されている。また、参照符号７０は、カートリッジ３０から燃料ポンプ４０により送られた高濃度メタノールに水を添加して０．５〜２Ｍ（モル）程度の低濃度で希釈させた後、供給ポンプ５０を通じてスタック２０のアノードに送るための貯蔵タンクを示す。参照符号８０は、スタック２０から排出された気液混合物の温度を低めるための熱交換器を示す。すなわち、この熱交換器８０は、スタック２０から出た高温状態の気液混合物の温度を低めてガス内部の水蒸気を凝縮させる役割を行う。そして、参照符号１０は、スタック２０から電気を生産してから出た未反応メタノール及び副産物であるＨ２Ｏを再使用するためのリサイクラーを示す。この装置１０は、スタック２０で反応していないメタノールと副産物である水とを再び回収してガスを分離した後、上記のようなメタノール希釈に再使用する機能があって気液分離装置とも呼ばれる。もちろん、気液分離装置１０を別途に設けずにカートリッジ３０にはじめから低濃度メタノールを貯蔵してから使用することもできるが、そのようになれば、カートリッジ３０の容量があまりにも大きくなるという問題が生じるために、上記のように高濃度メタノールをカートリッジ３０に貯蔵してから気液分離装置１０に少しずつ供給しつつ希釈させて使用することである。
【０００８】
ここで、上記気液分離装置１０として、従来には図２Ａや図２Ｂに示したような構造が多く採用された。まず、図２Ａは、ガスと液体とを重力を利用して分離する方式であり、相対的に軽いガスは気液分離装置ハウジング１１の上側ポート１１ａに抜け出て、相対的に重い液体はハウジング１１の下側ポート１１ｂを通じて抜け出つつ自然に分離させるものである。上記液体には、スタック２０で未反応のメタノールと副産物として生成された水、そしてカートリッジ３０から補充される高濃度メタノールが含まれ、上記ガスには、スタック２０に酸素供給源として供給されたエアと、アノード反応で生成される二酸化炭素などが含まれている。このように分離された液体は、カートリッジ３０から供給される高濃度メタノールと適切に混ざってスタック２０での発展に必要な適当な低濃度メタノールになり、前述したように供給ポンプ５０によりスタック２０に再供給される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３２４５６１号公報
【特許文献２】特開２００３−０５０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記構造は重力を利用するために構造が非常に簡単な長所はあるが、液体が出るポート１１ｂを必ず重力作用方向に合せねばならないために、固定型にしか使用できないという制限がある。すなわち、最近には各種モバイル機器に燃料電池を使用しようという趨勢であるが、上記方式を、もしモバイル機器に採用すれば、動く過程で液体用ポート１１ｂが重力作用の逆方向に逆さになる恐れもあるために、気液分離の機能を正常に果たせなくなる。
【００１１】
一方、図２Ｂは、かかる問題を解決できるように提案された気液分離構造を示したものであるが、図面に示したように重力を利用するものではなく、疎水性メンブレン１２ａと親水性メンブレン１２ｂとをハウジング１２の各ポートに設置して、疎水性メンブレン１２ａにはガスが抜け出て、親水性メンブレン１２ｂには液体が抜け出るようにしたものである。このようにすれば、重力作用方向と関係なく気液分離が進みうるので、モバイル機器にも適用できる。しかし、メンブレン１２ａ、１２ｂは経時的に特性が顕著に劣化し、性能が落ちて漏れが生じるという短所があって、製品化し難い。
【００１２】
したがって、このような問題を解決するためには、気液分離作業に方向依存性がなく、メンブレンのように経時的に性能が急激に劣化する部材を使用しなくても円滑な分離作業を進める新たな構造が要求されている。
【００１３】
本発明は、上記の必要性に鑑みてなされたものであり、重力方向と関係なく使われ、長時間の使用時に性能を容易に保持できるＤＭＦＣ用気液分離装置を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置は、スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、上記ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、上記ローターを回転させるモーターと、を備え、上記ローターが回転すれば、上記気液混合物中の液体は遠心力により上記ハウジングの外郭側に集まり、上記ガスは上記ハウジングの中心側に集まって相分離が起きることを特徴とする。
【００１５】
ここで、上記ハウジングには、上記気液混合物が流入される第１流入ポートと、上記スタックへの燃料補充のために高濃度メタノールを流入するための第２流入ポートと、上記中心側に集まったガスを排出するためのガス排出ポートと、上記外郭側に集まった液体を排出するための液体排出ポートとが備えられうる。
【００１６】
上記ガス排出ポートと連結された排出路には、進行方向が折り曲げられる折り曲げ部位が備えられて形成されることが望ましく、上記モーターは、その本体の一部が上記ハウジング内へ挿入されるように設置されることが望ましい。
【００１７】
そして、上記ハウジング内壁と上記ローター外周面との間隔は０．２〜１ｍｍほどに十分に狭く形成することが望ましい。
【００１８】
上記ローターは、その外周面が上記ハウジング内壁の上下側面にいずれも対向する形態が望ましく、これに加えて、中が空いていて外周面に複数のホールが形成された形態が望ましい。
【００１９】
上記ハウジングは、金属材質であることが望ましい。さらに、ハウジングの厚さは０．２〜０．５ｍｍであって薄いほど望ましい。ハウジング外部には、冷却効率を高めるためのフィン及び冷却ファンを備えることができる。これを通じて気液分離装置内部の高温気液混合物の温度を低めて水回収効率を高めることができ、さらに、別途の熱交換器８０なしに本発明の気液分離装置単独で気液分離及び熱交換の役割を同時に行える。
【００２０】
上記ハウジング内部に、上記液体の程度を測定するためのレベルセンサーと、上記ハウジングに対する重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーとがさらに備えられうる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するための本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置の運用方法は、スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、上記ハウジング内に回転自在に設けられたローターと、上記ハウジングに対する重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーとを備える気液分離装置を用意するステップと、上記重力位置検出センサーで、上記液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致するかどうかを確認するステップと、上記液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致しなければ、上記ローターを作動させて遠心力で気液分離を進めるステップとを含む。
【００２２】
そして、上記ハウジング中心部に設けられたガス排出ポートを開放してガスを排出させるステップと、上記ハウジング外郭部に設けられた液体排出ポートを開放して液体を排出させるステップと、をさらに含むことができる。
【００２３】
上記ガス排出ポートに抜け出たガスを、上記ハウジング外部に１回以上折り曲げられた排出路に沿って排出させるステップをさらに含むことができる。
そして、上記液体排出ポートを開放する前に、上記ハウジング内部の液体水位を測定するためのレベルセンサーで、上記ハウジング内部の液体が正常運転できる水位であるかどうかを確認するステップをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、重力方向と関係なく使われ、長時間の使用時にも性能を容易に保持できるＤＭＦＣ用気液分離装置が具現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
図３は、本発明によるＤＭＦＣ用気液分離装置の構造を理解しやすく概略的に示したものであり、図４Ａ及び図４Ｂは、実際製品に適用される構造を分離状態と結合状態とでそれぞれ示したものである。
【００２８】
図示したように、本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置１００は、ハウジング１１０、ハウジング１１０中に回転自在に設置されたローター１２０、そしてローター１２０を回転させるためのモーター１３０などを備えている。すなわち、本発明の気液分離装置１００は重力やメンブレンではない、ローター１２０の強制回転で発生する遠心力を利用してガスと液体とに相分離させる原理で構成されている。ここで、モーター１３０は、その本体一部がハウジング１１０内へ入っているが、このようにすれば全体装置の体積を縮めることができる。本発明における相分離とは、ガスと液体について、相の異なる２相が分離された状態を指すが、厳密に分離されている状態のみを指すのではなく、一方の相に他方の相の成分が混在することがあってもよい。
【００２９】
まず、上記ハウジング１１０にはスタック２０（図１参照）から回収された気液混合物が流入される第１流入ポート１１１と、スタックに送る燃料を補充するためにカートリッジ３０（図１参照）から供給される高濃度メタノール（例えば、１００％メタノール）が流入される第２流入ポート１１２、そして、気液混合物から分離されたガスが抜け出るガス排出ポート１１４、及び液体が抜け出る液体排出ポート１１３がそれぞれ設けられている。したがって、第１、２流入ポート１１１、１１２を通じてスタックからの気液混合物とカートリッジからの高濃度のメタノールとが流入され、ローター１２０の回転で遠心分離された液体は液体排出ポート１１３に、ガスはガス排出ポート１１４にそれぞれ抜け出るようになる。
【００３０】
ここで、上記ローター１２０とハウジング１１０内壁との間隔ｄは０．２〜１ｍｍほどに十分に狭くし、ローター１２０は、ハウジング１１０内壁の上面、側面、下面といずれも対向する形態を持つ。間隔（ｄ）とは、より具体的には、図３にあるように、第一流入ポートの出口から、対向するローターの外周面との最短距離を指す。間隔（ｄ）を狭くすることによって、ガス排出ポート１１４への液体逆流を防止して液体に速かに遠心力を作用するためである。すなわち、スタック２０から供給される気液混合物がローター１２０とハウジング１１０との間の狭い隙間に注入されて、上記ローター１２０とハウジング１１０との間でローターの回転による遠心力を気液混合物中の液体成分に効果的に伝達するためである。これを通じて、気液混合物中の液体成分がローター１２０の回転外郭方向に速かに分離されてハウジング１１０の中央のガス排出ポート１１４に逆流しなくなる。
つまり、スタックにから供給される気液混合物がローターとハウジングとの間の狭い隙間に注入されて、上記ローターとハウジングとの間の摩擦力による遠心力を気液混合物中の液体成分に効果的に伝達するためである。これを通じて、気液混合物中の液体成分がローターの回転外郭方向に速かに分離されて、ハウジング内央のガスポートに逆流しないようにする。
【００３１】
そして、上記ローター１２０の形状は、気液分離装置の方向に関係なく均一な気液分離性能を達成するためのものである。すなわち、気液分離装置の方向に関係なく液体が重力によってハウジング内壁に接触すれば、これと同時にローター１２０の回転力を伝達されてローター１２０の回転外郭方向に液体が移動する。また、ローター１２０は、図４Ａのように中が空いていて外周面にホールが多く形成された構造になっているが、このようにすれば、ハウジング１１０内の液体収容容量をさらに大きくすることができる。
【００３２】
そして、上記ハウジング１１０は、熱伝導率の優れたな金属材質で作ることが望ましい。なぜなら、スタックから流入される気液混合物は通常６０〜６５℃程度の温度になるが、温度が高ければ、ガス中に液体が含まれやすくて、ガスと共にガス排出ポート１１４に出てしまう液体、すなわち、燃料が多くなるためである。したがって、ハウジング１１０を金属材質で作って容易に放熱可能にすれば、気液混合物の温度も低くなるので、ガス中に液体が含まれる量も減少し、したがって、ガスと共に除去される燃料量も低減させることができる。また、上記金属材質はメタノールと反応してはならない。さらに、ハウジングの厚さは０．２〜０．５ｍｍ厚であって、薄いほど望ましい。ハウジング外部には、冷却効率を高めるためのフィンと冷却ファンとを備えることができる。これを通じて、気液分離装置内部の高温気液混合物の温度を低めて水回収効率を高めることができ、さらに別途の熱交換器８０（図１）なしに本発明の気液分離装置単独で気液分離及び熱交換の役割を同時に行える。
【００３３】
参照符号１４０は、ハウジング１１０内の液体の程度、すなわち水位を測定するためのレベルセンサーを示す。このレベルセンサー１４０は、重力方向に配されたものではなく、ローター１２０の半径方向に配されている。すなわち、液体は遠心力によりハウジング１１０の外郭側から満たされるため、液体水位が低い場合にはレベルセンサー１４０の外郭側のみに液体が感知され、程度が高くなれば中心側でも液体が感知される。
【００３４】
参照符号１５０は、重力作用方向を感知するための重力位置検出センサーを示す。これは、節電機能のために備えられたものであるが、その詳細な使用方法については後述する。
【００３５】
かかる構成の気液分離装置１００を駆動すれば、上記第１、２流入ポート１１１、１１２を通じてスタックからの気液混合物とカートリッジからの高濃度メタノールとがハウジング１１０に流入され、同時にローター１２０は、モーター１３０により回転し始める。それにより、流体がローター１２０の回転に沿って回り始め、遠心力により相対的に重い液体はハウジング１１０の外郭側に、相対的に軽いガスはハウジング１１０の中心側に集まる。この状態で供給ポンプ５０を駆動すれば、ガスと分離された液体、すなわち、メタノールと水とが適切に混合された低濃度メタノールが液体排出ポート１１３を通じてスタック２０に送られ、液体と分離されたガスはガス排出ポート１１４を通じてハウジング１１０の外に抜け出る。かかる分離作業は、ローター１２０の強制回転による遠心力を利用するものであるため、ハウジング１１０の位置が逆さになるか、立てられるなど位置変化があっても異常なしに進みうる。
【００３６】
一方、ハウジング１１０の位置があっちこっち変わるうちに、液体排出ポート１１３の排出方向が重力作用方向と一致する場合がありうる。この時には敢えてローター１２０を回転させなくても、図２Ａの構造のように重力による自然な相分離が進みうる。したがって、この時、ローター１２０を停止させれば、それほど電力消耗を減らすことができるので、節電機能が具現される。上記重力位置検出センサー１５０は、直ちにこの機能のために、重力作用方向が液体排出ポート１１３の排出方向と一致するかどうかを調べるのに使われるものである。この重力位置検出センサー１５０を利用した節電機能は、図５に示したフローチャートのように進みうる。
【００３７】
まず、上記のようにハウジング１１０内でローター１２０の遠心力で気液分離を行い、重力位置検出センサー１５０が装着された気液分離装置を用意する。つまり、気液分離装置を作動可能な状態にする（Ｓ１）。そして、本格的な気液分離作業に入る前に、ローター１２０を回転させつつ、上記レベルセンサー１４０でハウジング１１０内部の液体水位を先ず測定する（Ｓ２）。なぜなら、ハウジング１１０の液体水位があまりにも低い状態でスタック２０に向かう液体排出ポート１１３を開けば、スタック２０の機能に悪影響を及ぼすガスが多量入る恐れがあって、それを防止するためである。したがって、程度を測定して正常運転の可能な水位であるかどうかを先ず確認し（Ｓ３）、もし、不可能であればローター１２０を停止させ（Ｓ４）、水位不足アラーム灯をオンさせる（Ｓ５）。
【００３８】
もし、上記Ｓ３ステップで水位が正常運転できると確認されれば、次いで、上記重力位置検出センサー１５０で、現在重力作用方向が液体排出ポート１１３の排出方向と一致するかどうかを測定する（Ｓ６）。この時の一致如何は正確に一致する場合のみならず、例えば、３０゜以内の差ならば一致すると見なすように設定できる。ここで正常運転できる状態とは、容器の２／３の容量まで液体が満たされた状態を指す。
【００３９】
測定結果、重力作用方向と液体排出ポート１１３の排出方向とが一致しなければ、重力を利用した気液分離は期待できないので、前述したようにローター１２０を回転させれば、遠心力でガスと液体とを分離させる（Ｓ７）。
【００４０】
しかし、測定結果、重力作用方向と液体排出ポート１１３の排出方向とが一致すれば、ローター１２０を回転させずに重力による相分離を起こす（Ｓ８）。この時にはモーター１３０の駆動が停止するので、気液分離装置での電力消耗はなくなる。したがって、それほど電力消耗を低減させることができる。
【００４１】
モバイル機器の場合には、ハウジング１１０の位置が随時変わりうので、以後にも重力作用方向を測定し続けて、ローター１２０を回転させるかどうかを決定すればよい。
【００４２】
一方、上記のようにローター１２０を回転させずに重力で相分離を進めている最中に、突然ハウジング１１０の位置が変われば、重力位置感知センサー１５０がその変化を感知して、ローター１２０を回転させるまでにかかる時間の間にガス排出ポート１１４に多量の液体が流れ出る危険性がある。したがって、これを抑制するためには、ガス排出ポート１１４と連結された排出路１１５を、図６のようにハウジング１１０の周辺を一回りするように折り曲げて、排出方向が少なくとも一回は９０度以上折り曲げられるように構成することが望ましい。すなわち、排出進行方向が直線ではなく９０度以上折り曲げられるように構成すれば、突然な位置変更時にも多量の液体が一度に流れ出ることは防止することができる。また、装置が停止した状態でユーザーにより移動及び運動される場合に、装置の方向が自在に変わりうるため、この時、ガス排出ポート１１４に多量の液体が流れ出る危険を防止するためにも、図６のように折り曲げられた排出路１１５が必要である。
【００４３】
以上説明したように本発明によれば、重力方向と関係なく使われ、長時間の使用時にも性能を容易に保持できるＤＭＦＣ用気液分離装置が具現される。
【００４４】
上記本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置は次のような効果を提供する。
【００４５】
第１に、強制回転による遠心力で気液分離作業を行うので、特定ポートを重力方向と一致させる必要がなく、位置が随時変わるモバイル機器にも無難に採用できる。
【００４６】
第２に、経時的に急激に低下するメンブレンを使用しないために、長時間の使用時にも円滑な機能保持を保証できる。
【００４７】
第３に、ガス排出ポートと連結された排出路を折り曲げることによって、予想できなかった液体の漏れを抑制できる。
【００４８】
第４に、重力位置感知センサーを装着して液体排出ポートと重力位置が一致する場合には強制回転を停止させ、重力で気液分離を進めるように構成できて節電効果も得ることができる。
【００４９】
第５に、気液混合物が分離された後の液体を貯蔵するための別途の貯蔵空間を備えず、気液分離ハウジング自体が保存空間の役割を同時に行えてシステム体積を縮めることができ、構造を簡単にできる。
【００５０】
第６に、カートリッジの高濃度メタノールを気液分離装置の内部に注入して、回転するローターによって速かに混ぜることができて、システムに均一な濃度のメタノールを供給できる。
【００５１】
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詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、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、これらについても、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】
【００５２】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】一般的なＤＭＦＣの構造を示す図面である。
【図２Ａ】図１のＤＭＦＣに備えられた気液分離装置の既存例を示す図面である。
【図２Ｂ】図１のＤＭＦＣに備えられた気液分離装置の既存例を示す図面である。
【図３】本発明による気液分離装置の構造を概略的に示す図面である。
【図４Ａ】図３に示した気液分離装置の製品適用構造を分離状態に示す図面である。
【図４Ｂ】図３に示した気液分離装置の製品適用構造を結合状態に示す図面である。
【図５】図３の気液分離装置の運用例を示すフローチャートである。
【図６】図３に示した気液分離装置中のガス排出路の構成例を示す図面である。
【符号の説明】
【００５４】
５０ 供給ポンプ
１００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
１１０ ハウジング
１１１ 第１流入ポート
１１２ 第２流入ポート
１１３ 液体排出ポート
１１４ ガス排出ポート
１２０ ローター
１２０ａ ホール
１３０ モーター
１４０ レベルセンサー
１５０ 重力位置検出センサー
２００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
３００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
４００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを直接燃料として使用する燃料電池（以下、ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）という］において、スタックから回収された未反応メタノールと副産物であるＨ２Ｏとを再生するのに使われる気液分離装置とその運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを化学反応により直接電気エネルギーに変える装置であり、燃料が供給されるかぎり電気を作り続ける一種の発電装置である。このような燃料電池のうちＤＭＦＣは、メタノールを直接セルのアノードに燃料として供給して、カソードに供給された酸素との反応で電気を生成させる装置であり、アノードでは下記の化学式１のような反応が起きつつ電子が生成され、その電子は移動経路に沿ってカソードに移動して化学式２の反応を起こす。直ちにその移動経路に負荷をかければ、生成された電気を利用した仕事を行えるようになる。
【０００３】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− (化学式１)
【０００４】
３／２ Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−⇔３Ｈ２Ｏ・・・（化学式２）
【０００５】
一方、メタノールをアノードに供給する方法としては、液体状態のメタノールをポンプで供給する方法もあり、常温で自然気化される性質を利用して気化されたメタノールが自然にアノードへ行くように誘導する方法があるが、後者を受動型、前者は能動型と呼び、ここで説明する構造はこの能動型ＤＭＦＣに該当する。
【０００６】
図１は、このような能動型ＤＭＦＣの構造を示すブロック図である。
【０００７】
まず、上記化学式１、２が進むアノードとカソードとの組立体一つでは十分な電気を得難いため、これを多段で積層したスタック２０の形態で使用する。このスタック２０内には複数のアノードと複数のカソードとがそれぞれ電解質膜を介して単位セルを形成して積層されており、各単位セルで生成された電気が合わせられて大きい電気に出力される。参照符号６０は、カソードに酸素供給源であるエアを送るためのエアポンプを示す。そして、参照符号３０は、アノードに供給される燃料であるメタノールを保存したカートリッジを示すが、このカートリッジ３０には、高濃度メタノール（例えば、１００％メタノール）が保存されている。また、参照符号７０は、カートリッジ３０から燃料ポンプ４０により送られた高濃度メタノールに水を添加して０．５〜２Ｍ（モル）程度の低濃度で希釈させた後、供給ポンプ５０を通じてスタック２０のアノードに送るための貯蔵タンクを示す。参照符号８０は、スタック２０から排出された気液混合物の温度を低めるための熱交換器を示す。すなわち、この熱交換器８０は、スタック２０から出た高温状態の気液混合物の温度を低めてガス内部の水蒸気を凝縮させる役割を行う。そして、参照符号１０は、スタック２０から電気を生産してから出た未反応メタノール及び副産物であるＨ２Ｏを再使用するためのリサイクラーを示す。この装置１０は、スタック２０で反応していないメタノールと副産物である水とを再び回収してガスを分離した後、上記のようなメタノール希釈に再使用する機能があって気液分離装置とも呼ばれる。もちろん、気液分離装置１０を別途に設けずにカートリッジ３０にはじめから低濃度メタノールを貯蔵してから使用することもできるが、そのようになれば、カートリッジ３０の容量があまりにも大きくなるという問題が生じるために、上記のように高濃度メタノールをカートリッジ３０に貯蔵してから気液分離装置１０に少しずつ供給しつつ希釈させて使用することである。
【０００８】
ここで、上記気液分離装置１０として、従来には図２Ａや図２Ｂに示したような構造が多く採用された。まず、図２Ａは、ガスと液体とを重力を利用して分離する方式であり、相対的に軽いガスは気液分離装置ハウジング１１の上側ポート１１ａに抜け出て、相対的に重い液体はハウジング１１の下側ポート１１ｂを通じて抜け出つつ自然に分離させるものである。上記液体には、スタック２０で未反応のメタノールと副産物として生成された水、そしてカートリッジ３０から補充される高濃度メタノールが含まれ、上記ガスには、スタック２０に酸素供給源として供給されたエアと、アノード反応で生成される二酸化炭素などが含まれている。このように分離された液体は、カートリッジ３０から供給される高濃度メタノールと適切に混ざってスタック２０での発展に必要な適当な低濃度メタノールになり、前述したように供給ポンプ５０によりスタック２０に再供給される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３２４５６１号公報
【特許文献２】特開２００３−０５０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記構造は重力を利用するために構造が非常に簡単な長所はあるが、液体が出るポート１１ｂを必ず重力作用方向に合せねばならないために、固定型にしか使用できないという制限がある。すなわち、最近には各種モバイル機器に燃料電池を使用しようという趨勢であるが、上記方式を、もしモバイル機器に採用すれば、動く過程で液体用ポート１１ｂが重力作用の逆方向に逆さになる恐れもあるために、気液分離の機能を正常に果たせなくなる。
【００１１】
一方、図２Ｂは、かかる問題を解決できるように提案された気液分離構造を示したものであるが、図面に示したように重力を利用するものではなく、疎水性メンブレン１２ａと親水性メンブレン１２ｂとをハウジング１２の各ポートに設置して、疎水性メンブレン１２ａにはガスが抜け出て、親水性メンブレン１２ｂには液体が抜け出るようにしたものである。このようにすれば、重力作用方向と関係なく気液分離が進みうるので、モバイル機器にも適用できる。しかし、メンブレン１２ａ、１２ｂは経時的に特性が顕著に劣化し、性能が落ちて漏れが生じるという短所があって、製品化し難い。
【００１２】
したがって、このような問題を解決するためには、気液分離作業に方向依存性がなく、メンブレンのように経時的に性能が急激に劣化する部材を使用しなくても円滑な分離作業を進める新たな構造が要求されている。
【００１３】
本発明は、上記の必要性に鑑みてなされたものであり、重力方向と関係なく使われ、長時間の使用時に性能を容易に保持できるＤＭＦＣ用気液分離装置を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置は、スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、上記ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、上記ローターを回転させるモーターと、を備え、上記ローターが回転すれば、上記気液混合物中の液体は遠心力により上記ハウジングの外郭側に集まり、上記ガスは上記ハウジングの中心側に集まって相分離が起きることを特徴とする。
【００１５】
ここで、上記ハウジングには、上記気液混合物が流入される第１流入ポートと、上記スタックへの燃料補充のために高濃度メタノールを流入するための第２流入ポートと、上記中心側に集まったガスを排出するためのガス排出ポートと、上記外郭側に集まった液体を排出するための液体排出ポートとが備えられうる。
【００１６】
上記ガス排出ポートと連結された排出路には、進行方向が折り曲げられる折り曲げ部位が備えられて形成されることが望ましく、上記モーターは、その本体の一部が上記ハウジング内へ挿入されるように設置されることが望ましい。
【００１７】
そして、上記ハウジング内壁と上記ローター外周面との間隔は０．２〜１ｍｍほどに十分に狭く形成することが望ましい。
【００１８】
上記ローターは、その外周面が上記ハウジング内壁の上下側面にいずれも対向する形態が望ましく、これに加えて、中が空いていて外周面に複数のホールが形成された形態が望ましい。
【００１９】
上記ハウジングは、金属材質であることが望ましい。さらに、ハウジングの厚さは０．２〜０．５ｍｍであって薄いほど望ましい。ハウジング外部には、冷却効率を高めるためのフィン及び冷却ファンを備えることができる。これを通じて気液分離装置内部の高温気液混合物の温度を低めて水回収効率を高めることができ、さらに、別途の熱交換器８０なしに本発明の気液分離装置単独で気液分離及び熱交換の役割を同時に行える。
【００２０】
上記ハウジング内部に、上記液体の程度を測定するためのレベルセンサーと、上記ハウジングに対する重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーとがさらに備えられうる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するための本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置の運用方法は、スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、上記ハウジング内に回転自在に設けられたローターと、上記ハウジングに対する重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーとを備える気液分離装置を用意するステップと、上記重力位置検出センサーで、上記液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致するかどうかを確認するステップと、上記液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致しなければ、上記ローターを作動させて遠心力で気液分離を進めるステップとを含む。
【００２２】
そして、上記ハウジング中心部に設けられたガス排出ポートを開放してガスを排出させるステップと、上記ハウジング外郭部に設けられた液体排出ポートを開放して液体を排出させるステップと、をさらに含むことができる。
【００２３】
上記ガス排出ポートに抜け出たガスを、上記ハウジング外部に１回以上折り曲げられた排出路に沿って排出させるステップをさらに含むことができる。
そして、上記液体排出ポートを開放する前に、上記ハウジング内部の液体水位を測定するためのレベルセンサーで、上記ハウジング内部の液体が正常運転できる水位であるかどうかを確認するステップをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、重力方向と関係なく使われ、長時間の使用時にも性能を容易に保持できるＤＭＦＣ用気液分離装置が具現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
図３は、本発明によるＤＭＦＣ用気液分離装置の構造を理解しやすく概略的に示したものであり、図４Ａ及び図４Ｂは、実際製品に適用される構造を分離状態と結合状態とでそれぞれ示したものである。
【００２８】
図示したように、本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置１００は、ハウジング１１０、ハウジング１１０中に回転自在に設置されたローター１２０、そしてローター１２０を回転させるためのモーター１３０などを備えている。すなわち、本発明の気液分離装置１００は重力やメンブレンではない、ローター１２０の強制回転で発生する遠心力を利用してガスと液体とに相分離させる原理で構成されている。ここで、モーター１３０は、その本体一部がハウジング１１０内へ入っているが、このようにすれば全体装置の体積を縮めることができる。本発明における相分離とは、ガスと液体について、相の異なる２相が分離された状態を指すが、厳密に分離されている状態のみを指すのではなく、一方の相に他方の相の成分が混在することがあってもよい。
【００２９】
まず、上記ハウジング１１０にはスタック２０（図１参照）から回収された気液混合物が流入される第１流入ポート１１１と、スタックに送る燃料を補充するためにカートリッジ３０（図１参照）から供給される高濃度メタノール（例えば、１００％メタノール）が流入される第２流入ポート１１２、そして、気液混合物から分離されたガスが抜け出るガス排出ポート１１４、及び液体が抜け出る液体排出ポート１１３がそれぞれ設けられている。したがって、第１、２流入ポート１１１、１１２を通じてスタックからの気液混合物とカートリッジからの高濃度のメタノールとが流入され、ローター１２０の回転で遠心分離された液体は液体排出ポート１１３に、ガスはガス排出ポート１１４にそれぞれ抜け出るようになる。
【００３０】
ここで、上記ローター１２０とハウジング１１０内壁との間隔ｄは０．２〜１ｍｍほどに十分に狭くし、ローター１２０は、ハウジング１１０内壁の上面、側面、下面といずれも対向する形態を持つ。間隔（ｄ）とは、より具体的には、図３にあるように、第一流入ポートの出口から、対向するローターの外周面との最短距離を指す。間隔（ｄ）を狭くすることによって、ガス排出ポート１１４への液体逆流を防止して液体に速かに遠心力を作用するためである。すなわち、スタック２０から供給される気液混合物がローター１２０とハウジング１１０との間の狭い隙間に注入されて、上記ローター１２０とハウジング１１０との間でローターの回転による遠心力を気液混合物中の液体成分に効果的に伝達するためである。これを通じて、気液混合物中の液体成分がローター１２０の回転外郭方向に速かに分離されてハウジング１１０の中央のガス排出ポート１１４に逆流しなくなる。
つまり、スタックにから供給される気液混合物がローターとハウジングとの間の狭い隙間に注入されて、上記ローターとハウジングとの間の摩擦力による遠心力を気液混合物中の液体成分に効果的に伝達するためである。これを通じて、気液混合物中の液体成分がローターの回転外郭方向に速かに分離されて、ハウジング内央のガスポートに逆流しないようにする。
【００３１】
そして、上記ローター１２０の形状は、気液分離装置の方向に関係なく均一な気液分離性能を達成するためのものである。すなわち、気液分離装置の方向に関係なく液体が重力によってハウジング内壁に接触すれば、これと同時にローター１２０の回転力を伝達されてローター１２０の回転外郭方向に液体が移動する。また、ローター１２０は、図４Ａのように中が空いていて外周面にホールが多く形成された構造になっているが、このようにすれば、ハウジング１１０内の液体収容容量をさらに大きくすることができる。
【００３２】
そして、上記ハウジング１１０は、熱伝導率の優れたな金属材質で作ることが望ましい。なぜなら、スタックから流入される気液混合物は通常６０〜６５℃程度の温度になるが、温度が高ければ、ガス中に液体が含まれやすくて、ガスと共にガス排出ポート１１４に出てしまう液体、すなわち、燃料が多くなるためである。したがって、ハウジング１１０を金属材質で作って容易に放熱可能にすれば、気液混合物の温度も低くなるので、ガス中に液体が含まれる量も減少し、したがって、ガスと共に除去される燃料量も低減させることができる。また、上記金属材質はメタノールと反応してはならない。さらに、ハウジングの厚さは０．２〜０．５ｍｍ厚であって、薄いほど望ましい。ハウジング外部には、冷却効率を高めるためのフィンと冷却ファンとを備えることができる。これを通じて、気液分離装置内部の高温気液混合物の温度を低めて水回収効率を高めることができ、さらに別途の熱交換器８０（図１）なしに本発明の気液分離装置単独で気液分離及び熱交換の役割を同時に行える。
【００３３】
参照符号１４０は、ハウジング１１０内の液体の程度、すなわち水位を測定するためのレベルセンサーを示す。このレベルセンサー１４０は、重力方向に配されたものではなく、ローター１２０の半径方向に配されている。すなわち、液体は遠心力によりハウジング１１０の外郭側から満たされるため、液体水位が低い場合にはレベルセンサー１４０の外郭側のみに液体が感知され、程度が高くなれば中心側でも液体が感知される。
【００３４】
参照符号１５０は、重力作用方向を感知するための重力位置検出センサーを示す。これは、節電機能のために備えられたものであるが、その詳細な使用方法については後述する。
【００３５】
かかる構成の気液分離装置１００を駆動すれば、上記第１、２流入ポート１１１、１１２を通じてスタックからの気液混合物とカートリッジからの高濃度メタノールとがハウジング１１０に流入され、同時にローター１２０は、モーター１３０により回転し始める。それにより、流体がローター１２０の回転に沿って回り始め、遠心力により相対的に重い液体はハウジング１１０の外郭側に、相対的に軽いガスはハウジング１１０の中心側に集まる。この状態で供給ポンプ５０を駆動すれば、ガスと分離された液体、すなわち、メタノールと水とが適切に混合された低濃度メタノールが液体排出ポート１１３を通じてスタック２０に送られ、液体と分離されたガスはガス排出ポート１１４を通じてハウジング１１０の外に抜け出る。かかる分離作業は、ローター１２０の強制回転による遠心力を利用するものであるため、ハウジング１１０の位置が逆さになるか、立てられるなど位置変化があっても異常なしに進みうる。
【００３６】
一方、ハウジング１１０の位置があっちこっち変わるうちに、液体排出ポート１１３の排出方向が重力作用方向と一致する場合がありうる。この時には敢えてローター１２０を回転させなくても、図２Ａの構造のように重力による自然な相分離が進みうる。したがって、この時、ローター１２０を停止させれば、それほど電力消耗を減らすことができるので、節電機能が具現される。上記重力位置検出センサー１５０は、直ちにこの機能のために、重力作用方向が液体排出ポート１１３の排出方向と一致するかどうかを調べるのに使われるものである。この重力位置検出センサー１５０を利用した節電機能は、図５に示したフローチャートのように進みうる。
【００３７】
まず、上記のようにハウジング１１０内でローター１２０の遠心力で気液分離を行い、重力位置検出センサー１５０が装着された気液分離装置を用意する。つまり、気液分離装置を作動可能な状態にする（Ｓ１）。そして、本格的な気液分離作業に入る前に、ローター１２０を回転させつつ、上記レベルセンサー１４０でハウジング１１０内部の液体水位を先ず測定する（Ｓ２）。なぜなら、ハウジング１１０の液体水位があまりにも低い状態でスタック２０に向かう液体排出ポート１１３を開けば、スタック２０の機能に悪影響を及ぼすガスが多量入る恐れがあって、それを防止するためである。したがって、程度を測定して正常運転の可能な水位であるかどうかを先ず確認し（Ｓ３）、もし、不可能であればローター１２０を停止させ（Ｓ４）、水位不足アラーム灯をオンさせる（Ｓ５）。
【００３８】
もし、上記Ｓ３ステップで水位が正常運転できると確認されれば、次いで、上記重力位置検出センサー１５０で、現在重力作用方向が液体排出ポート１１３の排出方向と一致するかどうかを測定する（Ｓ６）。この時の一致如何は正確に一致する場合のみならず、例えば、３０゜以内の差ならば一致すると見なすように設定できる。ここで正常運転できる状態とは、容器の２／３の容量まで液体が満たされた状態を指す。
【００３９】
測定結果、重力作用方向と液体排出ポート１１３の排出方向とが一致しなければ、重力を利用した気液分離は期待できないので、前述したようにローター１２０を回転させれば、遠心力でガスと液体とを分離させる（Ｓ７）。
【００４０】
しかし、測定結果、重力作用方向と液体排出ポート１１３の排出方向とが一致すれば、ローター１２０を回転させずに重力による相分離を起こす（Ｓ８）。この時にはモーター１３０の駆動が停止するので、気液分離装置での電力消耗はなくなる。したがって、それほど電力消耗を低減させることができる。
【００４１】
モバイル機器の場合には、ハウジング１１０の位置が随時変わりうので、以後にも重力作用方向を測定し続けて、ローター１２０を回転させるかどうかを決定すればよい。
【００４２】
一方、上記のようにローター１２０を回転させずに重力で相分離を進めている最中に、突然ハウジング１１０の位置が変われば、重力位置感知センサー１５０がその変化を感知して、ローター１２０を回転させるまでにかかる時間の間にガス排出ポート１１４に多量の液体が流れ出る危険性がある。したがって、これを抑制するためには、ガス排出ポート１１４と連結された排出路１１５を、図６のようにハウジング１１０の周辺を一回りするように折り曲げて、排出方向が少なくとも一回は９０度以上折り曲げられるように構成することが望ましい。すなわち、排出進行方向が直線ではなく９０度以上折り曲げられるように構成すれば、突然な位置変更時にも多量の液体が一度に流れ出ることは防止することができる。また、装置が停止した状態でユーザーにより移動及び運動される場合に、装置の方向が自在に変わりうるため、この時、ガス排出ポート１１４に多量の液体が流れ出る危険を防止するためにも、図６のように折り曲げられた排出路１１５が必要である。
【００４３】
以上説明したように本発明によれば、重力方向と関係なく使われ、長時間の使用時にも性能を容易に保持できるＤＭＦＣ用気液分離装置が具現される。
【００４４】
上記本発明のＤＭＦＣ用気液分離装置は次のような効果を提供する。
【００４５】
第１に、強制回転による遠心力で気液分離作業を行うので、特定ポートを重力方向と一致させる必要がなく、位置が随時変わるモバイル機器にも無難に採用できる。
【００４６】
第２に、経時的に急激に低下するメンブレンを使用しないために、長時間の使用時にも円滑な機能保持を保証できる。
【００４７】
第３に、ガス排出ポートと連結された排出路を折り曲げることによって、予想できなかった液体の漏れを抑制できる。
【００４８】
第４に、重力位置感知センサーを装着して液体排出ポートと重力位置が一致する場合には強制回転を停止させ、重力で気液分離を進めるように構成できて節電効果も得ることができる。
【００４９】
第５に、気液混合物が分離された後の液体を貯蔵するための別途の貯蔵空間を備えず、気液分離ハウジング自体が保存空間の役割を同時に行えてシステム体積を縮めることができ、構造を簡単にできる。
【００５０】
第６に、カートリッジの高濃度メタノールを気液分離装置の内部に注入して、回転するローターによって速かに混ぜることができて、システムに均一な濃度のメタノールを供給できる。
【００５１】
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詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、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、これらについても、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】
【００５２】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】一般的なＤＭＦＣの構造を示す図面である。
【図２Ａ】図１のＤＭＦＣに備えられた気液分離装置の既存例を示す図面である。
【図２Ｂ】図１のＤＭＦＣに備えられた気液分離装置の既存例を示す図面である。
【図３】本発明による気液分離装置の構造を概略的に示す図面である。
【図４Ａ】図３に示した気液分離装置の製品適用構造を分離状態に示す図面である。
【図４Ｂ】図３に示した気液分離装置の製品適用構造を結合状態に示す図面である。
【図５】図３の気液分離装置の運用例を示すフローチャートである。
【図６】図３に示した気液分離装置中のガス排出路の構成例を示す図面である。
【符号の説明】
【００５４】
５０ 供給ポンプ
１００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
１１０ ハウジング
１１１ 第１流入ポート
１１２ 第２流入ポート
１１３ 液体排出ポート
１１４ ガス排出ポート
１２０ ローター
１２０ａ ホール
１３０ モーター
１４０ レベルセンサー
１５０ 重力位置検出センサー
２００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
３００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
４００ ＤＭＦＣ用気液分離装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、
前記ローターを回転させるモーターと、
を備え、
前記モーターは、前記ローターを回転させ、前記気液混合物中の液体を遠心力により前記ハウジングの外郭側に集め、前記ガスを前記ハウジングの中心側に集めて相分離を起こさせることを特徴とする、メタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項２】
前記ハウジングは、
前記気液混合物が流入される第１流入ポートと、
前記スタックへの燃料補充のためにメタノールを流入するための第２流入ポートと、
前記中心側に集まったガスを排出するためのガス排出ポートと、
前記外郭側に集まった液体を排出するための液体排出ポートと、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項３】
前記ガス排出ポートと連結されてガスの排出方向を転換させることによって、前記気液混合物から分離された液体を前記ガスと共に排出させないようにする排出路がさらに備えられていることを特徴とする、請求項２に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項４】
前記排出路は、前記ハウジングを取り囲んで少なくとも一回折り曲げられていることを特徴とする、請求項３に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項５】
前記モーターの一部が前記ハウジング内へ挿入されるように設置されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項６】
前記ハウジング内壁と前記ローター外周面との間隔は、０．２〜１ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項７】
前記ローターは、その外周面が前記ハウジング内壁に対向する形態であることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項８】
前記ローターには、複数のホールが形成されたことを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項９】
前記ハウジングは、金属材質であることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１０】
前記ハウジングの厚さは０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１１】
前記ハウジング内部に、前記液体の程度を測定するためのレベルセンサーがさらに備えられたことを特徴とする、請求項１〜１０の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１２】
前記ハウジングへの重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーがさらに備えられたことを特徴とする、請求項１〜１１の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１３】
前記重力位置検出センサーが、前記液体排出ポートが重力方向に配されていると検出する場合、前記ローターは回転しないことを特徴とする、請求項１２に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１４】
前記ハウジングに冷却効率を高めるためのフィンがさらに備えられたことを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１５】
スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングを備える気液分離装置を用意するステップと、
前記ハウジングへの重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーで、前記気液混合物から分離された液体を排出する液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致するかどうかを確認するステップと、
液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致しなければ、前記ローターを作動させて遠心力で気液分離を進めるステップと、を含むメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１６】
前記ハウジング中心部に設けられたガス排出ポートを開放してガスを排出させるステップと、
前記ハウジング外郭部に設けられた液体排出ポートを開放して液体を排出させるステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１７】
前記ガス排出ポートに抜け出たガスを、１回以上折り曲げられた排出路に沿って前記ハウジング外部に排出させるステップを含むことを特徴とする、請求項１６に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１８】
前記排出路は、前記ハウジングを取り囲んで少なくとも１回以上折り曲げられたことを特徴とする、請求項１７に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１９】
前記液体排出ポートを開放する前に、前記ハウジング内部の液体が正常運転できる水位であるかどうかを確認するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６〜１８の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２０】
前記液体排出ポートが重力方向に配される場合、重力を利用して前記気液混合物から前記液体とガスとを分離するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５〜１９の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２１】
前記ハウジング内部の液体が正常運転できる水位であるかどうかを決定するために、前記ハウジング内の液体水位を測定するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５〜２０の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２２】
前記液体水位が十分でなければ、前記気液混合物に遠心力を作用させないことを特徴とする、請求項２１に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２３】
前記液体水位が十分でなければ、アラームを発生させることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２４】
前記気液混合物に遠心力を作用させるように、前記ハウジングにローターが回転自在に設置されたことを特徴とする、請求項１５〜２３の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２５】
メタノールと酸素から電気を生成するスタックと、
前記スタックに供給されるメタノールが保存される貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクで混合されるメタノールが保存されるカートリッジと、
前記スタックから出た気液混合物を分離するための気液分離装置と、
を備え、
前記気液分離装置は、
前記スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、
前記ローターを回転させるモーターと、
を備え、
前記モーターは、前記ローターを回転させ、前記気液混合物中の液体を遠心力により前記ハウジングの外郭側に集め、前記ガスを前記ハウジングの中心側に集めて相分離を起こさせ、
前記気液混合物から分離された液体は、前記貯蔵タンクに供給されることを特徴とするメタノールを直接燃料として使用する燃料電池システム。
【請求項１】
スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、
前記ローターを回転させるモーターと、
を備え、
前記モーターは、前記ローターを回転させ、前記気液混合物中の液体を遠心力により前記ハウジングの外郭側に集め、前記ガスを前記ハウジングの中心側に集めて相分離を起こさせることを特徴とする、メタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項２】
前記ハウジングは、
前記気液混合物が流入される第１流入ポートと、
前記スタックへの燃料補充のためにメタノールを流入するための第２流入ポートと、
前記中心側に集まったガスを排出するためのガス排出ポートと、
前記外郭側に集まった液体を排出するための液体排出ポートと、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項３】
前記ガス排出ポートと連結されてガスの排出方向を転換させることによって、前記気液混合物から分離された液体を前記ガスと共に排出させないようにする排出路がさらに備えられていることを特徴とする、請求項２に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項４】
前記排出路は、前記ハウジングを取り囲んで少なくとも一回折り曲げられていることを特徴とする、請求項３に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項５】
前記モーターの一部が前記ハウジング内へ挿入されるように設置されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項６】
前記ハウジング内壁と前記ローター外周面との間隔は、０．２〜１ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項７】
前記ローターは、その外周面が前記ハウジング内壁に対向する形態であることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項８】
前記ローターには、複数のホールが形成されたことを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項９】
前記ハウジングは、金属材質であることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１０】
前記ハウジングの厚さは０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１１】
前記ハウジング内部に、前記液体の程度を測定するためのレベルセンサーがさらに備えられたことを特徴とする、請求項１〜１０の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１２】
前記ハウジングへの重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーがさらに備えられたことを特徴とする、請求項１〜１１の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１３】
前記重力位置検出センサーが、前記液体排出ポートが重力方向に配されていると検出する場合、前記ローターは回転しないことを特徴とする、請求項１２に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１４】
前記ハウジングに冷却効率を高めるためのフィンがさらに備えられたことを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置。
【請求項１５】
スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングを備える気液分離装置を用意するステップと、
前記ハウジングへの重力作用方向を測定するための重力位置検出センサーで、前記気液混合物から分離された液体を排出する液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致するかどうかを確認するステップと、
液体排出ポートの排出方向が重力作用方向と一致しなければ、前記ローターを作動させて遠心力で気液分離を進めるステップと、を含むメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１６】
前記ハウジング中心部に設けられたガス排出ポートを開放してガスを排出させるステップと、
前記ハウジング外郭部に設けられた液体排出ポートを開放して液体を排出させるステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１７】
前記ガス排出ポートに抜け出たガスを、１回以上折り曲げられた排出路に沿って前記ハウジング外部に排出させるステップを含むことを特徴とする、請求項１６に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１８】
前記排出路は、前記ハウジングを取り囲んで少なくとも１回以上折り曲げられたことを特徴とする、請求項１７に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項１９】
前記液体排出ポートを開放する前に、前記ハウジング内部の液体が正常運転できる水位であるかどうかを確認するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６〜１８の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２０】
前記液体排出ポートが重力方向に配される場合、重力を利用して前記気液混合物から前記液体とガスとを分離するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５〜１９の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２１】
前記ハウジング内部の液体が正常運転できる水位であるかどうかを決定するために、前記ハウジング内の液体水位を測定するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５〜２０の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２２】
前記液体水位が十分でなければ、前記気液混合物に遠心力を作用させないことを特徴とする、請求項２１に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２３】
前記液体水位が十分でなければ、アラームを発生させることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２４】
前記気液混合物に遠心力を作用させるように、前記ハウジングにローターが回転自在に設置されたことを特徴とする、請求項１５〜２３の何れかに記載のメタノールを直接燃料として使用する燃料電池用気液分離装置の使用方法。
【請求項２５】
メタノールと酸素から電気を生成するスタックと、
前記スタックに供給されるメタノールが保存される貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクで混合されるメタノールが保存されるカートリッジと、
前記スタックから出た気液混合物を分離するための気液分離装置と、
を備え、
前記気液分離装置は、
前記スタックから回収された気液混合物が収容されるハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に設置されたローターと、
前記ローターを回転させるモーターと、
を備え、
前記モーターは、前記ローターを回転させ、前記気液混合物中の液体を遠心力により前記ハウジングの外郭側に集め、前記ガスを前記ハウジングの中心側に集めて相分離を起こさせ、
前記気液混合物から分離された液体は、前記貯蔵タンクに供給されることを特徴とするメタノールを直接燃料として使用する燃料電池システム。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−８７９２７（Ｐ２００９−８７９２７Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１４２５３（Ｐ２００８−２１４２５３）
【出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
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