気液分離器およびこれを用いた燃料電池
【課題】 より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 筐体１００の内壁１００ｂやケース１０１の外壁１０１ｂに触媒などの発熱体が設けられる。気液分離膜１０２から排気口１０１ａを介して排出されるガス成分に反応する触媒を設けることで、触媒の発熱反応で発生する反応熱によりケース１０１内の温度を上昇させることができる。ケース１０１は筐体１００に囲まれるように位置しているため、筐体１００内で発生した熱はケース１０１に効率良く伝達される。触媒の発熱反応で発生する反応熱によりケース１０１内の温度を上昇させることで、飽和水蒸気量を高めてケース１０１内での水の凝集を抑制することができる。水の凝集を抑制し、気液分離膜１０２に水が付着して気液分離の効率が下がるのを防止することができる。
【解決手段】 筐体１００の内壁１００ｂやケース１０１の外壁１０１ｂに触媒などの発熱体が設けられる。気液分離膜１０２から排気口１０１ａを介して排出されるガス成分に反応する触媒を設けることで、触媒の発熱反応で発生する反応熱によりケース１０１内の温度を上昇させることができる。ケース１０１は筐体１００に囲まれるように位置しているため、筐体１００内で発生した熱はケース１０１に効率良く伝達される。触媒の発熱反応で発生する反応熱によりケース１０１内の温度を上昇させることで、飽和水蒸気量を高めてケース１０１内での水の凝集を抑制することができる。水の凝集を抑制し、気液分離膜１０２に水が付着して気液分離の効率が下がるのを防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に気液分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易である。ＤＭＦＣは発電の際に排出される未使用燃料を再度発電のために使用することができるため、小型で長時間運転が求められる電子機器の電源として適している。
【０００３】
燃料電池では発電のために、スタックにメタノール溶液等の液体燃料および空気が供給される。発電反応において生成された二酸化炭素や湿り空気、および発電反応に供されなかった液体燃料等は燃料電池の系内で循環され、液体中に含まれる気体は気液分離機構により分離され気体として排出される。
【０００４】
液体中の気体を分離する技術として、例えば特許文献１に記載したものが挙げられる。特許文献１には、電極からの排出物に含まれる有害物質を除去するフィルターとして、排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材と、気液分離部材を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部を備えたフィルターが開示されている。排出ガスが触媒部以外の経路を通って外部へ漏れ出すのを防止するとともに、燃料電池の発電反応において生成、排出される有害物質を清浄化することができる。
【特許文献１】特開２００５−１８３０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の方式の場合、気液分離部材と有害物質を除去するフィルターとが隣接しているため、気液分離部材に、凝縮した液体が付着し、気液分離効率が下がる可能性がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明に係る気液分離器は、筐体と、前記筐体に流体を導入する第１の配管と、前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、前記筐体内に設けられる発熱体と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、 液体燃料を収容するタンクと、アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う起電部と、前記起電部から排出される排出流体が前記タンクへ流れる配管と、前記配管上に設けられる気液分離器と、を備え、前記気液分離器は、筐体と、前記筐体に流体を導入する第１の配管と、前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、前記筐体内に設けられる発熱体と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。
【００１１】
燃料電池１は例えばノート型コンピュータ１０の外部電源として用いられる。この燃料電池１はダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。メタノールと水を混合した予混合液を燃料とし、この予混合液を空気中の酸素と電解質膜で化学反応させることによって発電させる。このＤＭＦＣは、水素を燃料に用いる燃料電池よりも取り扱いが容易で、装置全体を小型にまとめることができる。
【００１２】
燃料電池１は、略直方体に形成された本体１１と、本体１１の底に沿って平坦に延出した載置部１２とを有している。本体１１の壁部には多数の通気孔１１ａが形成されている。本体１１の内部には後述する発電部が納められている。本体１１の一部は、カバー１１ｂとして取り外せるように形成されている。本体１１のカバー１１ｂを取り外した部分には後述する燃料タンクが入れられている。
【００１３】
載置部１２は、ノート型コンピュータ１０の後部とドッキングできるように形成されている。載置部１２の内部には、後述する制御部が設けられている。制御部は発電部の動作を制御する。載置部１２の上面には、ノート型コンピュータ１０を連結するロック機構１３と、燃料電池１から電力をノート型コンピュータ１０に供給するためのコネクタ１４とが設けられている。
【００１４】
ロック機構１３は、載置部１２上の３箇所に配置されており、それぞれ位置決め突起１３ａとフック１３ｂとを備える。ノート型コンピュータ１０の後部底面には、ロック機構１３に連結される係合孔、およびコネクタ１４に接続されるソケットが設けられている。
【００１５】
ノート型コンピュータ１０が載置部１２に押し当てられると、ロック機構１３がノート型コンピュータ１０の係合孔に挿入される。フック１３ｂによって載置部１２にノート型コンピュータ１０が保持される。その結果、ノート型コンピュータ１０のソケットがコネクタ１４と電気的に接続される。この状態で、本体１１に設けられたスイッチがオンにされると、燃料電池１は、発電を開始する。
【００１６】
載置部１２は、さらにイジェクトボタン１５を備える。このイジェクトボタン１５を押すと、ロック機構１３のフック１３ｂが解除され、ノート型コンピュータ１０を燃料電池１から取り外すことができるようになる。
【００１７】
図３は燃料電池の発電システムの系統図である。図４は発電部のセル構造を模式的に示した図である。燃料電池１は、発電部２０と、燃料電池１の動作を制御する制御部２１とを備えている。制御部２１は発電部２０の制御を行う他、ノート型コンピュータ１０との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部２０は本体１１内に設けられており、制御部２１は載置部１２内に設けられている。
【００１８】
発電部２０は、発電を行うための中心となるスタック２２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ２３を備えている。スタック２２は、化学反応によって発電を行う発電部として機能する。燃料カートリッジ２３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ２３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。
【００１９】
発電部２０は燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。液体流路には、燃料カートリッジ２３の出力部に配管接続された燃料ポンプ２４、燃料ポンプ２４の出力部に配管を介して接続された混合タンク２５、混合タンク２５の出力部に接続された送液ポンプ２６が設けられる。送液ポンプ２６の出力部は配管９１を介してスタック２２のアノード（燃料極）２７に接続される。配管９１は、混合タンク２５からスタック２２にメタノール水溶液を送出するための流路を規定している。
【００２０】
送液ポンプ２６とスタック２２との間で、配管９１にはイオンフィルタ２８が設けられている。混合タンク２５の出力部は、送液ポンプ２６、イオンフィルタ２８を介してアノード（燃料極）２７に接続されている。イオンフィルタ２８は例えば金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管９１を介して混合タンク２５からスタック２２に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。
【００２１】
アノード２７の出力部は配管９２を介して混合タンク２５の入力部に接続されている。配管９２上の、アノード２７と混合タンク２５の間には気液分離構造２９が設けられている。配管９２は、スタック２２のアノード２７から排出される液体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液等を混合タンク２５に戻す流路を規定している。また、発電反応に伴って生成された二酸化炭素は、気液分離器２９で気化される。気化した二酸化炭素は配管９４ａを介して湿った空気とともに排気フィルター６０を通過し、最終的には排気口５８から外部へ排気される。
【００２２】
配管９２上には混合タンク２５に回収される液体を冷却するために、必要に応じて放熱用のフィンやファンを設けても良い。
【００２３】
一方、気体流路には、吸気口５０、送気ポンプ５１が設けられる。送気バルブ５２が配置された配管９３を介して、送気ポンプ５１がスタック２２のカソード（空気極）５３に接続される。配管９４ａ、９４ｂを介して、凝縮器５４がカソード５３の出力部に接続される。また、混合タンク２５の出力部は、混合タンクバルブ５９が配置された配管９４ａを介して凝縮器５４に接続されている。凝縮器５４は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５４と排気バルブ５７は配管９６、９８を介して接続され、凝縮器５４と排気バルブ５７との間には排気フィルター６０が設けられる。
【００２４】
凝縮器５４は、カソード５３の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器５４には図示しないフィンが備えられ、水蒸気を効果的に凝縮する。凝縮器５４に対向して冷却ファン５５が配設されている。凝縮器５４による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５３の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク５６から配管９６を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。
【００２５】
後に詳述するように、発電反応に伴って発電部２０のアノード２７側には二酸化炭素が生成され、カソード５３側には水（水蒸気）が生成される。アノード２７側で生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノール溶液は、気液分離構造２９で気体と液体に分離される。
【００２６】
次に、燃料電池１における発電部２０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。図４に示すように、まず、燃料カートリッジ２３内の高濃度メタノールは、燃料ポンプ２４によって、混合タンク２５に供給される。混合タンク２５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード２７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノール水溶液が生成される。低濃度メタノール水溶液の濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６２の検出結果を基に燃料電池１の制御部２１が、燃料ポンプ２４によって混合タンク２５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク２５に環流する水の量を水回収ポンプ６３等で制御することによって実現できる。
【００２７】
混合タンク２５には、混合タンク２５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６４や、温度を検出する温度センサ６５が設けられ、これらセンサの検出結果は制御部２１に送られて発電部２０の制御などに使用される。
【００２８】
混合タンク２５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ２６によって、配管９１を介してスタック２２へ圧送され、アノード２７に注入される。送液ポンプ２６からのメタノール水溶液はイオンフィルタ２８によって金属イオンが除去された後に、スタック２２のアノード２７に送られる。図４に示すように、アノード２７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はスタック２２内の固体高分子電解質膜７０を透過してカソード５３に達する。
【００２９】
空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５１により、吸気口５０から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５２から配管９３を介しスタック２２のカソード（空気極）５３に供給される。カソード５３では、酸素（Ｏ2）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ-）と、アノード２７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）とから水（Ｈ2Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５３から排出され、凝縮器５４に入る。凝縮器５４では、冷却ファン５５によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５６内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ６３によって混合タンク２５へと環流し、高濃度メタノールを希釈する循環システムが構成される。
【００３０】
アノード２７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに気液分離構造２９に導入される。気液分離構造２９により分離された二酸化炭素は、配管９４ａを通りカソード５３からの配管９４ｂと合流され凝縮器５４へ向かう。凝縮器５４で凝縮されずに残る湿り空気は、配管９６に導入される。スタック２２から排出する気体に含まれるメタノール成分を清浄化し、無害化し、放出しなくてはならないため、排気フィルター６０をスタック２２より下流側に設けている。排気フィルター６０で無害化された気体は排気口５８から燃料電池１の外に放出される。分離されたメタノール水溶液は配管９２を通って混合タンク２５に還流する。
【００３１】
図５は本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す上面図である。図６は本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図である。気液分離器２９は筐体１００を備え、筐体１００内にはケース１０１が設けられる。筐体１００及びケース１０１には配管９２が通され、ケース１０１内において配管９２には気液分離膜１０２が設けられる。気液分離膜１０２は、気体を透過させることのできる材料が用いられ、例えばポリアミド系、ポリスルホン系、ポリミド系等の多孔質の高分子材料により構成される。
【００３２】
配管９２を介してケース内に導入された流体は気液分離膜１０２により液体と気体に分離される。ケース１０１には気液分離膜１０２により分離された気体をケース１０１外に排出する排気管１０１ａを備える。排気管１０１ａから排出された気体は、筐体１００に設けられた排気管１００ａより筐体１００外に排出される。排気管１００ａ上にポンプを設け、気液分離膜１０２により分離された気体をポンプにより筐体１００の外へ排出しやすくしても良い。
【００３３】
気液分離膜１０２は配管９２内の圧力とケース１０１内の圧力差を利用して、配管９２内を流れる流体中の液体と気体を分離し、配管９２内の気体を気液分離膜１０２の外に放出する。筐体１００あるいはケース１０１内の温度が下がると、分離ガスが凝集して液化し、液化した水が気液分離膜１０２を覆うことがある。液化した水が気液分離膜１０２を覆うと、ガスの透過率を下げ、気液分離の効率が落ちることがあるため、凝集による液化をできる限り防止する必要がある。
【００３４】
本実施形態では、筐体１００には、導入管１０３ａが設けられ、ポンプなどを介してケース１０１内に空気が導入される。ケース１０１内に空気が導入されることで、ケース１０１内の飽和水蒸気量が増えて、凝集による液化が起こりにくくなる。
【００３５】
また、筐体１００の内壁１００ｂやケース１０１の外壁１０１ｂに触媒などの発熱体を設けることができる。触媒に用いる材料としては例えば白金、ルテニウム、パラジウム、ニッケルに代表される金属系の触媒が挙げられる。気液分離膜１０２から排気口１０１ａを介して排出されるガス成分に反応する触媒を設けることで、触媒の発熱反応で発生する反応熱によりケース１０１内の温度を上昇させることができる。ケース１０１内の温度を上昇させることで、飽和水蒸気量を高めてケース１０１内での水の凝集を抑制することができる。筐体の内壁１００ｂやケース１０１の外壁１０１ｂに固形の触媒を設けるほか、粒子状の触媒を筐体１００とケース１０１とで囲まれる領域に充填するようにしても良い。本実施形態においては、ケース１０１は筐体１００に囲まれるように位置しているため、筐体１００内で発生した熱はケース１０１に効率良く伝達される。
【００３６】
図７は本発明の実施形態に係る気液分離器２９の構成を示すブロック図である。ケース１０１の外壁や、筐体１００の内壁には温度センサ１２０や湿度センサ１２１を設けても良い。気液分離器２９に設けられる温度センサ１２０や湿度センサ１２１、第１のポンプ１２２および第２のポンプ１２３は制御部２１に接続され、制御部２１により制御される。温度センサ１２０や湿度センサ１２１による検出結果に応じて、排気管１００ａに接続される第１のポンプ１２２や導入管１０３に接続される第２のポンプ１２３を制御する。第１のポンプ１２２および第２のポンプ１２３を制御することで、排気管１００ａから気体を排出したり導入管１０３から導入する空気の量を調節して、筐体１００内やケース１０１内に高湿度の気体が滞留するのを防止することもできる。
【００３７】
図８は本発明の他の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図である。気液分離器２９の筐体１００には水受け１１０を設けることもできる。筐体１００の差込口１００ｃから水受け１１０を差し込み、枠１１１で囲まれた水受け面１１２がケース１０１の底面１０１ｃに設けられた開口部１０１ｄの下に位置するように設置する。水受け面１１２には吸水材を敷くことが望ましい。水受け１１０を設けることで、ケース１０１内で凝集した水を吸水材に吸収させて回収する。水受け１１０を設けることで、筐体１００の傾き等によって気液分離膜１０２へ水分が付着するのを防止することができる。
【００３８】
以上の説明のように、本発明を実施した場合、より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することができる。
【００３９】
本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。
【図２】燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。
【図３】燃料電池の発電システムの系統図。
【図４】発電部のセル構造を模式的に示した図。
【図５】本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す上面図。
【図６】本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図。
【図７】本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示すブロック図。
【図８】本発明の他の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池、１０…ノート型コンピュータ、１１…本体、１１ａ…通気孔、１１ｂ…カバー、１２…載置部、１３…ロック機構、１３ａ…突起、１３ｂ…フック、１４…コネクタ、１５…イジェクトボタン、２０…発電部、２１…制御部、２２…スタック、２３…燃料カートリッジ、２４…燃料ポンプ、２５…混合タンク、２６…送液ポンプ、２７…アノード、２８…イオンフィルタ、２９…気液分離器、５０…吸気口、５１…送気ポンプ、５２…送気バルブ、５３…カソード、５４…凝縮器、５５…冷却ファン、５６…水回収タンク、５７…排気バルブ、５８…排気口、５９…混合タンクバルブ、６０…排気フィルター、６１…温度センサ、６２…濃度センサ、６３…水回収ポンプ、６４…液量センサ、６５…温度センサ、７０…固体高分子電解質膜、１００…筐体、１０１…ケース、１０２…気液分離膜、１０２…ケース、１２０…温度センサ、１２１…温度センサ、１２２…第１のポンプ、１２３…第２のポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に気液分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易である。ＤＭＦＣは発電の際に排出される未使用燃料を再度発電のために使用することができるため、小型で長時間運転が求められる電子機器の電源として適している。
【０００３】
燃料電池では発電のために、スタックにメタノール溶液等の液体燃料および空気が供給される。発電反応において生成された二酸化炭素や湿り空気、および発電反応に供されなかった液体燃料等は燃料電池の系内で循環され、液体中に含まれる気体は気液分離機構により分離され気体として排出される。
【０００４】
液体中の気体を分離する技術として、例えば特許文献１に記載したものが挙げられる。特許文献１には、電極からの排出物に含まれる有害物質を除去するフィルターとして、排出物中の気体成分を選択的に透過させる気液分離部材と、気液分離部材を透過した気体成分を酸化燃焼させる触媒部を備えたフィルターが開示されている。排出ガスが触媒部以外の経路を通って外部へ漏れ出すのを防止するとともに、燃料電池の発電反応において生成、排出される有害物質を清浄化することができる。
【特許文献１】特開２００５−１８３０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の方式の場合、気液分離部材と有害物質を除去するフィルターとが隣接しているため、気液分離部材に、凝縮した液体が付着し、気液分離効率が下がる可能性がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明に係る気液分離器は、筐体と、前記筐体に流体を導入する第１の配管と、前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、前記筐体内に設けられる発熱体と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、 液体燃料を収容するタンクと、アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う起電部と、前記起電部から排出される排出流体が前記タンクへ流れる配管と、前記配管上に設けられる気液分離器と、を備え、前記気液分離器は、筐体と、前記筐体に流体を導入する第１の配管と、前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、前記筐体内に設けられる発熱体と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。
【００１１】
燃料電池１は例えばノート型コンピュータ１０の外部電源として用いられる。この燃料電池１はダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。メタノールと水を混合した予混合液を燃料とし、この予混合液を空気中の酸素と電解質膜で化学反応させることによって発電させる。このＤＭＦＣは、水素を燃料に用いる燃料電池よりも取り扱いが容易で、装置全体を小型にまとめることができる。
【００１２】
燃料電池１は、略直方体に形成された本体１１と、本体１１の底に沿って平坦に延出した載置部１２とを有している。本体１１の壁部には多数の通気孔１１ａが形成されている。本体１１の内部には後述する発電部が納められている。本体１１の一部は、カバー１１ｂとして取り外せるように形成されている。本体１１のカバー１１ｂを取り外した部分には後述する燃料タンクが入れられている。
【００１３】
載置部１２は、ノート型コンピュータ１０の後部とドッキングできるように形成されている。載置部１２の内部には、後述する制御部が設けられている。制御部は発電部の動作を制御する。載置部１２の上面には、ノート型コンピュータ１０を連結するロック機構１３と、燃料電池１から電力をノート型コンピュータ１０に供給するためのコネクタ１４とが設けられている。
【００１４】
ロック機構１３は、載置部１２上の３箇所に配置されており、それぞれ位置決め突起１３ａとフック１３ｂとを備える。ノート型コンピュータ１０の後部底面には、ロック機構１３に連結される係合孔、およびコネクタ１４に接続されるソケットが設けられている。
【００１５】
ノート型コンピュータ１０が載置部１２に押し当てられると、ロック機構１３がノート型コンピュータ１０の係合孔に挿入される。フック１３ｂによって載置部１２にノート型コンピュータ１０が保持される。その結果、ノート型コンピュータ１０のソケットがコネクタ１４と電気的に接続される。この状態で、本体１１に設けられたスイッチがオンにされると、燃料電池１は、発電を開始する。
【００１６】
載置部１２は、さらにイジェクトボタン１５を備える。このイジェクトボタン１５を押すと、ロック機構１３のフック１３ｂが解除され、ノート型コンピュータ１０を燃料電池１から取り外すことができるようになる。
【００１７】
図３は燃料電池の発電システムの系統図である。図４は発電部のセル構造を模式的に示した図である。燃料電池１は、発電部２０と、燃料電池１の動作を制御する制御部２１とを備えている。制御部２１は発電部２０の制御を行う他、ノート型コンピュータ１０との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部２０は本体１１内に設けられており、制御部２１は載置部１２内に設けられている。
【００１８】
発電部２０は、発電を行うための中心となるスタック２２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ２３を備えている。スタック２２は、化学反応によって発電を行う発電部として機能する。燃料カートリッジ２３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ２３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。
【００１９】
発電部２０は燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。液体流路には、燃料カートリッジ２３の出力部に配管接続された燃料ポンプ２４、燃料ポンプ２４の出力部に配管を介して接続された混合タンク２５、混合タンク２５の出力部に接続された送液ポンプ２６が設けられる。送液ポンプ２６の出力部は配管９１を介してスタック２２のアノード（燃料極）２７に接続される。配管９１は、混合タンク２５からスタック２２にメタノール水溶液を送出するための流路を規定している。
【００２０】
送液ポンプ２６とスタック２２との間で、配管９１にはイオンフィルタ２８が設けられている。混合タンク２５の出力部は、送液ポンプ２６、イオンフィルタ２８を介してアノード（燃料極）２７に接続されている。イオンフィルタ２８は例えば金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管９１を介して混合タンク２５からスタック２２に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。
【００２１】
アノード２７の出力部は配管９２を介して混合タンク２５の入力部に接続されている。配管９２上の、アノード２７と混合タンク２５の間には気液分離構造２９が設けられている。配管９２は、スタック２２のアノード２７から排出される液体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液等を混合タンク２５に戻す流路を規定している。また、発電反応に伴って生成された二酸化炭素は、気液分離器２９で気化される。気化した二酸化炭素は配管９４ａを介して湿った空気とともに排気フィルター６０を通過し、最終的には排気口５８から外部へ排気される。
【００２２】
配管９２上には混合タンク２５に回収される液体を冷却するために、必要に応じて放熱用のフィンやファンを設けても良い。
【００２３】
一方、気体流路には、吸気口５０、送気ポンプ５１が設けられる。送気バルブ５２が配置された配管９３を介して、送気ポンプ５１がスタック２２のカソード（空気極）５３に接続される。配管９４ａ、９４ｂを介して、凝縮器５４がカソード５３の出力部に接続される。また、混合タンク２５の出力部は、混合タンクバルブ５９が配置された配管９４ａを介して凝縮器５４に接続されている。凝縮器５４は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５４と排気バルブ５７は配管９６、９８を介して接続され、凝縮器５４と排気バルブ５７との間には排気フィルター６０が設けられる。
【００２４】
凝縮器５４は、カソード５３の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器５４には図示しないフィンが備えられ、水蒸気を効果的に凝縮する。凝縮器５４に対向して冷却ファン５５が配設されている。凝縮器５４による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５３の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク５６から配管９６を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。
【００２５】
後に詳述するように、発電反応に伴って発電部２０のアノード２７側には二酸化炭素が生成され、カソード５３側には水（水蒸気）が生成される。アノード２７側で生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノール溶液は、気液分離構造２９で気体と液体に分離される。
【００２６】
次に、燃料電池１における発電部２０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。図４に示すように、まず、燃料カートリッジ２３内の高濃度メタノールは、燃料ポンプ２４によって、混合タンク２５に供給される。混合タンク２５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード２７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノール水溶液が生成される。低濃度メタノール水溶液の濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６２の検出結果を基に燃料電池１の制御部２１が、燃料ポンプ２４によって混合タンク２５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク２５に環流する水の量を水回収ポンプ６３等で制御することによって実現できる。
【００２７】
混合タンク２５には、混合タンク２５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６４や、温度を検出する温度センサ６５が設けられ、これらセンサの検出結果は制御部２１に送られて発電部２０の制御などに使用される。
【００２８】
混合タンク２５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ２６によって、配管９１を介してスタック２２へ圧送され、アノード２７に注入される。送液ポンプ２６からのメタノール水溶液はイオンフィルタ２８によって金属イオンが除去された後に、スタック２２のアノード２７に送られる。図４に示すように、アノード２７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はスタック２２内の固体高分子電解質膜７０を透過してカソード５３に達する。
【００２９】
空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５１により、吸気口５０から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５２から配管９３を介しスタック２２のカソード（空気極）５３に供給される。カソード５３では、酸素（Ｏ2）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ-）と、アノード２７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）とから水（Ｈ2Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５３から排出され、凝縮器５４に入る。凝縮器５４では、冷却ファン５５によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５６内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ６３によって混合タンク２５へと環流し、高濃度メタノールを希釈する循環システムが構成される。
【００３０】
アノード２７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに気液分離構造２９に導入される。気液分離構造２９により分離された二酸化炭素は、配管９４ａを通りカソード５３からの配管９４ｂと合流され凝縮器５４へ向かう。凝縮器５４で凝縮されずに残る湿り空気は、配管９６に導入される。スタック２２から排出する気体に含まれるメタノール成分を清浄化し、無害化し、放出しなくてはならないため、排気フィルター６０をスタック２２より下流側に設けている。排気フィルター６０で無害化された気体は排気口５８から燃料電池１の外に放出される。分離されたメタノール水溶液は配管９２を通って混合タンク２５に還流する。
【００３１】
図５は本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す上面図である。図６は本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図である。気液分離器２９は筐体１００を備え、筐体１００内にはケース１０１が設けられる。筐体１００及びケース１０１には配管９２が通され、ケース１０１内において配管９２には気液分離膜１０２が設けられる。気液分離膜１０２は、気体を透過させることのできる材料が用いられ、例えばポリアミド系、ポリスルホン系、ポリミド系等の多孔質の高分子材料により構成される。
【００３２】
配管９２を介してケース内に導入された流体は気液分離膜１０２により液体と気体に分離される。ケース１０１には気液分離膜１０２により分離された気体をケース１０１外に排出する排気管１０１ａを備える。排気管１０１ａから排出された気体は、筐体１００に設けられた排気管１００ａより筐体１００外に排出される。排気管１００ａ上にポンプを設け、気液分離膜１０２により分離された気体をポンプにより筐体１００の外へ排出しやすくしても良い。
【００３３】
気液分離膜１０２は配管９２内の圧力とケース１０１内の圧力差を利用して、配管９２内を流れる流体中の液体と気体を分離し、配管９２内の気体を気液分離膜１０２の外に放出する。筐体１００あるいはケース１０１内の温度が下がると、分離ガスが凝集して液化し、液化した水が気液分離膜１０２を覆うことがある。液化した水が気液分離膜１０２を覆うと、ガスの透過率を下げ、気液分離の効率が落ちることがあるため、凝集による液化をできる限り防止する必要がある。
【００３４】
本実施形態では、筐体１００には、導入管１０３ａが設けられ、ポンプなどを介してケース１０１内に空気が導入される。ケース１０１内に空気が導入されることで、ケース１０１内の飽和水蒸気量が増えて、凝集による液化が起こりにくくなる。
【００３５】
また、筐体１００の内壁１００ｂやケース１０１の外壁１０１ｂに触媒などの発熱体を設けることができる。触媒に用いる材料としては例えば白金、ルテニウム、パラジウム、ニッケルに代表される金属系の触媒が挙げられる。気液分離膜１０２から排気口１０１ａを介して排出されるガス成分に反応する触媒を設けることで、触媒の発熱反応で発生する反応熱によりケース１０１内の温度を上昇させることができる。ケース１０１内の温度を上昇させることで、飽和水蒸気量を高めてケース１０１内での水の凝集を抑制することができる。筐体の内壁１００ｂやケース１０１の外壁１０１ｂに固形の触媒を設けるほか、粒子状の触媒を筐体１００とケース１０１とで囲まれる領域に充填するようにしても良い。本実施形態においては、ケース１０１は筐体１００に囲まれるように位置しているため、筐体１００内で発生した熱はケース１０１に効率良く伝達される。
【００３６】
図７は本発明の実施形態に係る気液分離器２９の構成を示すブロック図である。ケース１０１の外壁や、筐体１００の内壁には温度センサ１２０や湿度センサ１２１を設けても良い。気液分離器２９に設けられる温度センサ１２０や湿度センサ１２１、第１のポンプ１２２および第２のポンプ１２３は制御部２１に接続され、制御部２１により制御される。温度センサ１２０や湿度センサ１２１による検出結果に応じて、排気管１００ａに接続される第１のポンプ１２２や導入管１０３に接続される第２のポンプ１２３を制御する。第１のポンプ１２２および第２のポンプ１２３を制御することで、排気管１００ａから気体を排出したり導入管１０３から導入する空気の量を調節して、筐体１００内やケース１０１内に高湿度の気体が滞留するのを防止することもできる。
【００３７】
図８は本発明の他の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図である。気液分離器２９の筐体１００には水受け１１０を設けることもできる。筐体１００の差込口１００ｃから水受け１１０を差し込み、枠１１１で囲まれた水受け面１１２がケース１０１の底面１０１ｃに設けられた開口部１０１ｄの下に位置するように設置する。水受け面１１２には吸水材を敷くことが望ましい。水受け１１０を設けることで、ケース１０１内で凝集した水を吸水材に吸収させて回収する。水受け１１０を設けることで、筐体１００の傾き等によって気液分離膜１０２へ水分が付着するのを防止することができる。
【００３８】
以上の説明のように、本発明を実施した場合、より効率的に気体と液体とを分離することの可能な気液分離器およびこれを用いた燃料電池を提供することができる。
【００３９】
本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。
【図２】燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。
【図３】燃料電池の発電システムの系統図。
【図４】発電部のセル構造を模式的に示した図。
【図５】本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す上面図。
【図６】本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図。
【図７】本発明の実施形態に係る気液分離器の構成を示すブロック図。
【図８】本発明の他の実施形態に係る気液分離器の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池、１０…ノート型コンピュータ、１１…本体、１１ａ…通気孔、１１ｂ…カバー、１２…載置部、１３…ロック機構、１３ａ…突起、１３ｂ…フック、１４…コネクタ、１５…イジェクトボタン、２０…発電部、２１…制御部、２２…スタック、２３…燃料カートリッジ、２４…燃料ポンプ、２５…混合タンク、２６…送液ポンプ、２７…アノード、２８…イオンフィルタ、２９…気液分離器、５０…吸気口、５１…送気ポンプ、５２…送気バルブ、５３…カソード、５４…凝縮器、５５…冷却ファン、５６…水回収タンク、５７…排気バルブ、５８…排気口、５９…混合タンクバルブ、６０…排気フィルター、６１…温度センサ、６２…濃度センサ、６３…水回収ポンプ、６４…液量センサ、６５…温度センサ、７０…固体高分子電解質膜、１００…筐体、１０１…ケース、１０２…気液分離膜、１０２…ケース、１２０…温度センサ、１２１…温度センサ、１２２…第１のポンプ、１２３…第２のポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体に流体を導入する第１の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、
前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、
前記筐体内に設けられる発熱体と、
を備えることを特徴とする気液分離器。
【請求項２】
前記発熱体は前記筐体の内壁に設けられることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項３】
前記発熱体は前記ケースの外壁に設けられることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項４】
前記筐体内において、前記筐体と前記ケースとで囲まれる領域に触媒が設けられることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項５】
前記ケースは底面に開口部を有し、
前記開口部に対向して設けられる吸水材を備えることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項６】
液体燃料を収容するタンクと、
アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う起電部と、
前記起電部から排出される排出流体が前記タンクへ流れる配管と、
前記配管上に設けられる気液分離器と、を備え、
前記気液分離器は、
筐体と、
前記筐体に流体を導入する第１の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、
前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、
前記筐体内に設けられる発熱体と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記発熱体は前記筐体の内壁に設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発熱体は前記ケースの外壁に設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項９】
前記筐体内において、前記筐体と前記ケースとで囲まれる領域に触媒が設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ケースは底面に開口部を有し、
前記開口部に対向して設けられる吸水材を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項１】
筐体と、
前記筐体に流体を導入する第１の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、
前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、
前記筐体内に設けられる発熱体と、
を備えることを特徴とする気液分離器。
【請求項２】
前記発熱体は前記筐体の内壁に設けられることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項３】
前記発熱体は前記ケースの外壁に設けられることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項４】
前記筐体内において、前記筐体と前記ケースとで囲まれる領域に触媒が設けられることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項５】
前記ケースは底面に開口部を有し、
前記開口部に対向して設けられる吸水材を備えることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
【請求項６】
液体燃料を収容するタンクと、
アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う起電部と、
前記起電部から排出される排出流体が前記タンクへ流れる配管と、
前記配管上に設けられる気液分離器と、を備え、
前記気液分離器は、
筐体と、
前記筐体に流体を導入する第１の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記第１の配管から導入された流体を気体と液体とに分離する気液分離膜と、
前記気液分離膜により分離された液体を前記筐体外へ排出する第２の配管と、
前記筐体内に設けられ、前記気液分離膜を囲むケースと、
前記筐体内に設けられる発熱体と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記発熱体は前記筐体の内壁に設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発熱体は前記ケースの外壁に設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項９】
前記筐体内において、前記筐体と前記ケースとで囲まれる領域に触媒が設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ケースは底面に開口部を有し、
前記開口部に対向して設けられる吸水材を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１３０４２３（Ｐ２００８−１３０４２３Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１５４３７（Ｐ２００６−３１５４３７）
【出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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