気液分離装置及び発電装置
【課題】装置の向きにかかわらず水を回収することができ、小型化することができるようにする。
【解決手段】本体ケース２には内部空間２１が形成され、導入孔２３、排出孔２５及び排水孔２７も形成されている。本体ケース２内に電気浸透材６が設けられ、電気浸透材６の両面に第１電極膜５や第２電極膜７が成膜されている。内部空間２１のうち第１領域３１には液体捕捉部４が配置されている。水蒸気を含むガスが導入孔２３を通って第１領域３１に導入されると、水が液体捕捉部４で凝縮し、その水が電気浸透材６を電気浸透して反対の第２領域３２へ滲み出る。
【解決手段】本体ケース２には内部空間２１が形成され、導入孔２３、排出孔２５及び排水孔２７も形成されている。本体ケース２内に電気浸透材６が設けられ、電気浸透材６の両面に第１電極膜５や第２電極膜７が成膜されている。内部空間２１のうち第１領域３１には液体捕捉部４が配置されている。水蒸気を含むガスが導入孔２３を通って第１領域３１に導入されると、水が液体捕捉部４で凝縮し、その水が電気浸透材６を電気浸透して反対の第２領域３２へ滲み出る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離装置及び発電装置に関し、特に水蒸気を含むガスから水を分離させる気液分離装置及びそれを具備する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。電子機器の電源として用いられる一次電池及び二次電池の代替えのために、高いエネルギー容量を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学反応が燃料電池に利用されているので、その電気化学反応によって副生成物が生成される。このような副生成物はガス状であり、そのガスには二酸化炭素、未反応の燃料及び酸素等が含まれ、更に燃料電池において生成された水も水蒸気として含まれている。そのガスを放熱フィン、熱回収装置等によって冷却し、ガス中の水を凝縮し、液体状の水を再利用する技術がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−２３６５９８号公報
【特許文献２】特開２００６−２３６５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載された技術では、放熱フィンや熱回収装置でガスを冷却することによって水を凝縮させていたので、放熱フィンや熱回収装置を設けるために装置が大型である。
また、特許文献１、特許文献２に記載された技術では、放熱フィンや熱回収装置によって凝縮されて得た水を一定の箇所に送って回収するために、重力を利用している。装置を定置させて用いるのであれば装置に対して重力の向きが一定であるが、装置を電子機器等のような携帯機器に応用するとなれば、装置を定置させることはできず、装置に対する重力の向きが変化する。そのため、凝縮により得られた水は装置の向きの変化によって様々な箇所に流れてしまい、一定の箇所に集めることができない。
そこで、本発明は、装置の向きにかかわらず水を回収することができ、小型化することができるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、気液分離装置において、内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と他の第２領域とに区切る電気浸透材と、前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を備え、水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の気液分離装置において、前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が前記第１電極に接触するよう前記第１領域に収容されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が捕捉した水を吸収して前記第１電極に接触させることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項２から４の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が繊維材であることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が親水性を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る発明は、請求項２に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が前記第１領域において配列された複数のフィンを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項８に係る発明は、請求項１から７の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記本体の外面に凹凸が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項９に係る発明は、請求項１から８の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記排出孔を閉塞し、気体を透過させるとともに液体を遮蔽する気液分離膜を更に備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に係る発明は、請求項１から９の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記導入孔と前記排出孔が前記内部空間を挟んで相対する位置に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の液体回収装置において、前記内部空間が前記導入孔から前記排出孔にかけて長尺となる空間であることを特徴とする。
【００１６】
請求項１２に係る発明は、発電装置において、内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と他の第２領域とに区切る電気浸透材と、前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を有する液体分離装置と、水素と酸素の電気化学反応により電力を取り出して水蒸気を含むガスを排出する発電セルと、を備え、前記発電セルから排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする。
【００１７】
請求項１３に係る発明は、請求項１２に記載の発電装置において、前記気液分離装置が、前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に有することを特徴とする。
【００１８】
請求項１４に係る発明は、請求項１２又は１３に記載の発電装置において、前記発電セルにおける電気化学反応において未反応の水素を燃焼させて、その燃焼により生成された水蒸気を含むガスを排出する燃焼器を更に備え、前記燃焼器から排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１５に係る発明は、請求項１２から１４の何れか一項に記載の発電装置において、液体燃料を貯留する燃料貯留室と、前記第２領域に電気浸透した水と前記燃料貯留室から供給された液体燃料とを混合して気化させる気化器と、前記気化器で気化されたガスから水素を生成する改質器と、を更に備え、前記改質器で生成された水素が前記発電セルに供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、第１領域に導入されたガス中の水が電気浸透材を電気浸透することによって第２領域に浸透することで、ガス中の水を分離することができる。本体の内部空間が電気浸透材によって第１領域と第２領域に区切られているので、装置の向きにかかわらず水を第２領域に回収することができる。
また、電気浸透材が本体の中に収容されているので、本体の外等に他の装置を設けずとも水を回収することができ、装置の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、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。
【００２２】
図１は気液分離装置１の横断面図であり、図２は気液分離装置１の分解斜視図である。
図１及び図２に示すように、この気液分離装置１は、本体ケース２と、本体ケース２の内側に収容された液体捕捉部４、第１電極膜５、電気浸透材６及び第２電極膜７を有する。
【００２３】
本体ケース２は直方体状に成しており、本体ケース２の内側には空間２１が形成されている。内部空間２１は本体ケース２の長手方向に沿って長尺な略直方体状の空間である。
【００２４】
本体ケース２の長手方向一端側の端面には、ニップル２２が突出した状態に設けられ、導入孔２３がニップル２２の突端から内部空間２１までニップル２２の中心線に沿って貫通している。本体ケース２の長手方向他端側の端面には、ニップル２４及びニップル２６が突出した状態に設けられ、排出孔２５がニップル２４の突端から内部空間２１までニップル２４の中心線に沿って貫通し、排水孔２７がニップル２６の突端から内部空間２１までニップル２６の中心線に沿って貫通している。排出孔２５は導入孔２３の対向位置に形成され、排水孔２７は導入孔２３の対向位置からずれている。
【００２５】
本体ケース２の外面には、本体ケース２の長手方向に沿った複数の溝によって凹凸３５が形成されている。本体ケース２は、ニップル２２，２４，２６の中心線を通った面で２つの分割体２８，２９に分割されており、分割体２８，２９が接合されることによって本体ケース２が構成されている。本体ケース２は金属材料からなることが好ましいが、樹脂材料からなるものでも良い。
【００２６】
電気浸透材６は薄板状又はシート状に形成されており、電気浸透材６の両面には電極膜５，７が接合されている。電気浸透材６には誘電体の多孔質材、繊維材又は粒子充填材が用いられ、一例としてシリカ繊維材料又は多孔質セラミックが用いられる。電極膜５，７は金属、特に貴金属からなり、更に具体的には白金からなる。電極膜５，７はスパッタ法、蒸着法その他の気相成長法により成膜されたものである。電極膜５，７が気相成長法により成膜されたものであるから、電極膜５，７に多数の微小孔が形成されており、電極膜５，７を液体が浸透する。なお、電極膜５，７が網目状に形成されたものでもよく、その網目を通じて液体が浸透する。
【００２７】
電極膜５には繊維材料からなる液体捕捉部４が積層され、液体捕捉部４が電極膜５に接触している。液体捕捉部４が繊維材料であるため、液体捕捉部４の内部には微小空間が多数形成されており、液体捕捉部４は気体を透過させるとともに液体を捕捉して、液体捕捉部４の毛細管現象により液体が液体捕捉部４に吸収され得る。更に、液体捕捉部４は親水性を有し、その親水性によって液体捕捉部４の液体吸収性が高くなっている。具体的には、液体捕捉部４は不織布である。不織布以外としては繊維を結合材で固めたもの、スポンジ等を液体捕捉部４として用いても良い。
【００２８】
電気浸透材６が内部空間２１の長手方向と平行となるように内部空間２１に収容され、内部空間２１が電気浸透材６によって２つの領域３１，３２に区切られている。電極膜５は電気浸透材６によって仕切られた２つの領域３１，３２のうち第１領域３１側になり、電極膜７が他方の第２領域３２側になっている。そして、導入孔２３及び排出孔２５が第１領域３１に通じ、排水孔２７が第２領域３２に通じている。また、液体捕捉部４は第１電極膜５に接触した状態で第１領域３１に収容され、その第１領域３１に充填されているのが更に好ましい。
【００２９】
次に、気液分離装置１の動作について説明する。
第１電極膜５と第２電極膜７との間に電圧を印加する。ここで、第１電極膜５が第２電極膜７よりも高電位になるような電圧を印加する。なお、制御回路が第１電極膜５と第２電極膜７との間の電圧を調整したり、第１電極膜５と第２電極膜７に電圧を印加する時間のデューティを例えばＰＷＭ制御により調整したりしても良い。
【００３０】
水蒸気を含有したガスが導入孔２３を通って領域３１内に送られると、そのガスは液体捕捉部４を通過して排出孔２５から排出される。また、液体捕捉部４を通過しているガスに含まれる水蒸気は液体捕捉部４によって毛管凝縮されて液体捕捉部４に捕捉され、液体捕捉部４に捕捉された水が液体の状態で液体捕捉部４に吸収される。液体捕捉部４に捕捉された水が液体捕捉部４の内部を第１電極膜５へと拡散していき、水が第１電極膜５に接触する。そして、第１電極膜５に接触した水は第１電極膜５を透過して電気浸透材６に吸収される。
【００３１】
第１電極膜５と第２電極膜７との間に電解が生じているので、電気浸透流現象が生じる。例えば、電気浸透材６が多孔質シリカである場合、誘電体に「−Ｓｉ−ＯＨ」（シラノール基）が生成され、シラノール基がＳｉ−Ｏ−となり、シリカ表面は負に帯電する。一方、界面近傍には、液体中の正イオン（カウンターイオン）が集まり、正電荷が過剰となる。そして、第１電極膜５を陽極とし、第２電極膜７を陰極として電圧を加えると、過剰な正電荷が陰極方向に移動し、粘性により水全体が陰極方向に浸透する。そのため、電気浸透材６内の水が第１電極膜５側から第２電極膜７側へ浸透し、この第２電極膜７から第２領域３２へ滲み出る。なお、水を第１電極膜５から第２電極膜７へと電気浸透させるための電圧の向きは電気浸透材６の種類によって異なるので、電気浸透材６の種類によっては第２電極膜７の電位よりも第１電極膜５の電位を高くすることもある。
【００３２】
以上のように水蒸気を含有したガスが第１領域３１を導入孔２３から排出孔２５へ流れている時に、そのガス中の水の一部が分離されて第２領域３２へと浸透し、分離された水が排水孔２７から排水される。
【００３３】
以上のように、本体ケース２の内部空間が電気浸透材６によって第１領域３１と第２領域３２に区切られているので、水が第２領域３２から第１領域３１へ逆流せず、気液分離装置１の向きにかかわらず水を第２領域３２に回収することができる。特に、液体捕捉部４が第１領域３２に充填されているので、気液分離装置１の向きにかかわらず、液体捕捉部４によって水が捕捉されて、捕捉された水が第１電極膜５や電気浸透材６に接触する。
【００３４】
また、電気浸透材６が本体ケース２の中に収容され、本体ケース２の外等に他の装置を設けずとも水を回収することができ、気液分離装置１の小型化を図ることができる。特に、電気浸透材６が薄板状又はシート状であり、電気浸透材６の両面の電極膜５，７が膜状であるから、本体ケース２の小型化が可能であり、気液分離装置１を小型化することができる。
【００３５】
また、液体捕捉部４が第１領域３１に収容されているので、水蒸気が液体捕捉部４にトラップされ、第１電極膜５に水が接触しやすく、この気液分離装置１によってガス中から水を効率よく分離することができる。特に、液体捕捉部４が第１領域３２に充填されているので、第１領域３１に導入されたガスの殆ど全てが液体捕捉部４を通過するので、水の捕捉の効率が高い。その上、本体ケース２の外面に凹凸３５が形成されているので、本体ケース２の放熱効果が高く、そのため液体捕捉部４における水の凝縮の効率も良い。なお、この凹凸３５は、本体ケース２に冷却フィンを設けたものでも良い。
【００３６】
また、第１電極膜５と第２電極膜７との間の電圧を調整したり、第１電極膜５と第２電極膜７に電圧を印加している時間のデューティを調整したりすることによって、水の浸透速度を変更することができる。つまり、第１領域３１から第２領域３２へ回収される水の単位時間当たりの量を変更することができる。
【００３７】
＜変形例１＞
図３は、変形例の気液分離装置１Ａの横断面図である。図３に示すように、第１領域３１に繊維材料である液体捕捉部４を充填する代わりに、液体捕捉部として複数のフィン４１を第１領域３１に配列しても良い。複数のフィン４１が導入孔２３から排出孔２５にかけて互い違いに配列され、これにより葛折り状の流路が形成されている。これらフィン４１は金属材料からなることが好ましい。これらフィン４１によって葛折り状の流路が形成され、その流路の断面積が小さいので、水蒸気を含むガスがその流路を流動するときに、水蒸気が毛管凝縮して液体になる。また、フィン４１のうち特に本体ケース２に接続されているものは相対的に水蒸気よりも温度が低くなっており、そのフィン４１の表面で水蒸気が結露する。その液体状の水は電気浸透現象により第１領域３１から第２領域３２へと浸透する。気液分離装置１Ａは液体捕捉部を除いて図１に示された気液分離装置１と同じであるので、気液分離装置１Ａと気液分離装置１との間で互いに対応する部分には同一の符号を付して、気液分離装置１Ａについての詳細な説明を省略する。
【００３８】
＜変形例２＞
繊維材料、複数のフィン４１の代わりに、金属細線が捲回され絡められた状態で第１領域３１に充填されていても良い。絡められた金属細線が液体捕捉部となる。
＜変形例３＞
第１領域３１に液体捕捉部が収容されていなくても良い。但し、第１領域３１に液体の水をトラップするという観点からすると、第１領域３１に液体捕捉部が収容されていることが好ましい。
【００３９】
＜変形例４＞
排出孔２５が、気体を透過させるとともに液体を遮蔽する気液分離膜によって閉塞されていても良い。排出孔２５が気液分離膜によって閉塞されると、第１領域３１内に水がトラップされやすく、効率よく水を回収することができる。排出孔２５を気液分離膜で閉塞することは、図１の気液分離装置１だけなく、変形例１〜３にも適用することができる。
【００４０】
＜変形例５＞
本体ケース２に排水孔２７を形成せずに又は排水孔２７に開閉バルブを設け、第２領域３２に水を貯留するものとしても良い。この場合、第２領域３２の容積を大きくすると良い。このように第２領域３２に水を貯留することは、図１の気液分離装置１だけなく、変形例１〜変形例４にも適用することができる。
【００４１】
＜応用例＞
図４は、気液分離装置１を用いた発電装置３０１を示したブロック図である。なお、図１に示された気液分離装置１の代わりに変形例１〜変形例５の何れか一の気液分離装置を用いても良い。
【００４２】
図４に示すように、発電装置３０１は、気液分離装置１の他に、２つの燃料カートリッジ３０２、マイクロリアクタ３０３、発電セル３０９、加湿器３１０、バルブ３１１〜３１７、ポンプ３１８〜３１９、流量センサ３２０〜３２３、エアフィルタ３２４及びコネクタ３２５〜３２６を備える。この発電装置３０１は電子機器本体に搭載されており、発電装置３０１によって生じた電力が電子機器本体に用いられ、これにより電子機器本体が動作する。
【００４３】
燃料カートリッジ３０２の内側には、追従体３４０が設けられ、燃料カートリッジ３０２の内側の空間が追従体３４０によって２つの室３４１〜３４２に区分けされ、一方の室３４１（以下、燃料貯留室３４１という。）に液体燃料（例えば、メタノール）が貯留されている。燃料カートリッジ３０２の供給口にコネクタ３２５又はコネクタ３２７が接続されると、燃料カートリッジ３０２内の液体燃料が液体ポンプ３１９に吸引されるようになる。燃料貯留室３４１内の液体燃料の消費に伴って追従体３４０が供給口側に移動し、これにより燃料貯留室３４１の容積が減少し、室３４２（以下、廃液室３４２という。）の容積が増加する。また、燃料カートリッジ３０２にはダクト３４３が設けられ、ダクト３４３の一端が燃料貯留室３４１に通じている。更に、燃料カートリッジ３０２には、廃液室３４２に通じる排気孔が形成され、その排気孔が気液分離膜３４４によって閉塞されている。燃料カートリッジ３０２は電子機器本体に対して着脱可能とされ、燃料カートリッジ３０２が電子機器本体に装着されると、コネクタ３２５又はコネクタ３２７が燃料カートリッジ３０２の供給口に接続され、コネクタ３２６又はコネクタ３２８がダクト３４３に接続される。
【００４４】
コネクタ３２５及びコネクタ３２７は流路を介して液体ポンプ３１９に接続されている。液体ポンプ３１９は、燃料カートリッジ３０２から液体燃料をマイクロリアクタ３０３の気化器３０４へ送液するものである。気化器３０４と液体ポンプ３１９との間にはオンオフバルブ３１３が設けられ、液体ポンプ３１９から気化器３０４への液体燃料の流れの遮断及び許容がオンオフバルブ３１３の開閉によって行われる。液体ポンプ３１９から気化器３０４への液体燃料の流量が流量センサ３２１によって検出されて電気信号に変換される。
【００４５】
エアポンプ３１８は外部から空気を吸引して、マイクロリアクタ３０３のＣＯ除去器３０６及び燃焼器３０８並びに加湿器３１０に空気を送るものである。加湿器３１０はエアポンプ３１８から送られた空気を加湿するものである。
【００４６】
外部の空気はエアポンプ３１８に吸引される前にエアフィルタ３２４を通過し、空気中の塵埃がエアフィルタ３２４によって捕捉される。エアポンプ３１８とＣＯ除去器３０６との間には制御バルブ３１６が設けられ、ＣＯ除去器３０６に送られる空気の流量が制御バルブ３１６によって制御され、その流量が流量センサ３２３によって検出されて電気信号に変換される。エアポンプ３１８と燃焼器３０８との間には制御バルブ３１５が設けられ、燃焼器３０８に送られる空気の流量が制御バルブ３１６によって制御され、その流量が流量センサ３２２によって検出されて電気信号に変換される。エアポンプ３１８と加湿器３１０との間にはオンオフバルブ３１１が設けられ、燃焼器３０８に送られる空気の流れの遮断及び許容がオンオフバルブ３１１の開閉によって行われる。
【００４７】
マイクロリアクタ３０３は気化器３０４、ＣＯ除去器３０６、燃焼器３０８の他に、改質器３０５及び薄膜ヒータ３０７を有する。
【００４８】
気化器３０４には、燃料カートリッジ３０２から液体燃料が送られ、更に、気液分離装置１によって分離された水（第２領域３２に浸透した水）が送られ、液体燃料と水が気化器３０４において混合される。気化器３０４は、液体燃料と水を気化させるものである。気化器３０４において気化に要するエネルギーには、薄膜ヒータ３０７による電熱や燃焼器３０８による燃焼熱が用いられる。
【００４９】
気化器３０４で気化した燃料と水の混合気は改質器３０５に送られる。改質器３０５においては燃料と水が触媒により改質反応を起こし、水素ガスが生成されるとともに僅かながら一酸化炭素ガスも生成される（燃料がメタノールの場合には、下記化学式（１）、（２）を参照）。改質器３０５において改質反応に要するエネルギーには、薄膜ヒータ３０７による電熱や燃焼器３０８による燃焼熱が用いられる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 ・・・（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ ・・・（２）
【００５０】
改質器３０５で生成された水素ガス等はＣＯ除去器３０６に送られ、更に外部の空気がＣＯ除去器３０６に送られる。ＣＯ除去器３０６においては、一酸化炭素ガスが一酸化炭素除去触媒により優先的に酸化する選択酸化反応が起こり、一酸化炭素ガスが除去される（下記化学式（３）を参照）。
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2 ・・・（３）
【００５１】
ＣＯ除去器３０６を経た水素ガス等は発電セル３０９の燃料極（アノード）に供給される発電セル３０９は、燃料極と、酸素極と、燃料極と酸素極の間に挟持された電解質膜とを備える。発電セル３０９の酸素極には、加湿器３１０によって加湿された空気が供給される。この発電セル３０９は、燃料極に供給された水素ガスと、酸素極に供給された酸素ガス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ものである。発電セルの電解質が固体高分子電解質膜である場合、燃料極においては、水素ガスが、電気化学反応式（４）に示すように、燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。酸素極においては、電気化学反応式（５）に示すように、酸素極に移動した電子と、空気中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。このような発電セルの電気化学反応により生じた電力が電子機器本体に供給されて、電子機器本体が動作する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（４）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（５）
【００５２】
発電セル３０９の燃料極で未反応の水素を含むオフガスは燃焼器３０８に送られ、発電セル３０９の酸素極で生成された水（水蒸気）を含むガスは加湿器３１０に送られて空気の加湿に用いられる。加湿器３１０は中空糸膜等を有し、発電セル３０９の酸素極において生成された水等を含むガスが中空糸膜の内部を通過し、エアポンプ３１８から送られた空気が中空糸膜の周囲を通過し、中空糸膜の内部を通過したガスの湿気によって中空糸膜の周囲の空気が加湿され、その加湿された空気が発電セル３０９の空気極（カソード）に送られる。中空糸膜の内部を通過したガスは気液分離装置１の導入孔２３に送られる。
【００５３】
燃焼器３０８に送られたオフガス（水素ガスを含む）は、エアポンプ３１８によって燃焼器３０８に送られた空気と混合する。燃焼器３０８においては、水素ガスが燃焼器３０８の触媒により酸化して、燃焼熱が生じるとともに水（水蒸気）が生成される。燃焼器３０８で生成された水等を含むガスは、気液分離装置１の導入孔２３に送られる。上述したように、燃焼器３０８の燃焼熱は改質器３０５や気化器３０４に伝導して、気化器３０４における気化熱や改質器３０５における反応熱として用いられる。
【００５４】
発電セル３０９の酸素極や燃焼器３０８で生成された水（水蒸気）を含有したガスが気液分離装置１の導入孔２３に導入されると、水（液体）が排水孔２７から排出され、除湿されたガスが排出孔２５から排出される。これにより、気液分離装置１において気液分離が行われる。排水孔２７から排出された水は、気化器３０４に送られて液体燃料と混合され、気化される。その水の流量は流量センサ３２０によって検出されて電気信号に変換される。
【００５５】
気液分離装置１の排出孔２５から排出されたガスは三方弁３１７を介してコネクタ３２６又はコネクタ３２８に送られる。三方弁３１７は気液分離装置１の排出孔２５から排出されたガスの送り先を切り換えるものであり、その送り先がコネクタ３２５だけの場合と、コネクタ３２８だけの場合と、コネクタ３２５とコネクタ３２８の両方の場合と成り得る。
【００５６】
気液分離装置１の排出孔２５からコネクタ３２５やコネクタ３２８に送られたガスは、ダクト３４３を通って廃液室３４２に送られる。ガスがダクト３４３を通過している時にそのガスが放熱により冷却され、ガス中の水が凝縮する。そのため、廃液室３４２には液体状の水が貯留される。また、廃液室３４２に送られたガスは、気液分離膜３４４を透過して外部に放出される。気液分離膜３４４は液体を遮断するため、廃液室３４２に貯留した水（液体）が気液分離膜３４４を通過しない。
【００５７】
この発電装置３０１においては、燃料電池型の発電セル３０９と気液分離装置１が別体で設けられているため、発電セル３０９の酸素極で生成された水は酸素極では凝縮せず、気液分離装置１において凝縮する。酸素極で水が凝縮しないので、酸素極が水で被膜されず、酸素極で酸素の反応が起こりやすい。
【００５８】
なお、発電セル３０９が水素によって発電を行う燃料電池であったが、発電セル３０９がメタノールによって発電を行う燃料電池でも良い。この場合、改質器３０５、ＣＯ除去器３０６を設ける必要はない。
【００５９】
また、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態における気液分離装置の横断面を示した断面図である。
【図２】図１に示された気液分離装置の分解斜視図である。
【図３】変形例の気液分離装置の横断面を示した断面図である。
【図４】気液分離装置を具備する発電装置を示した図面である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１Ａ 気液分離装置
２ 本体ケース
４ 液体捕捉部
５ 第１電極膜
６ 電気浸透材
７ 第２電極膜
２１ 内部空間
２３ 導入孔
２５ 排出孔
２７ 排水孔
３１ 第１領域
３２ 第２領域
３５ 凹凸
４１ フィン
３０４ 気化器
３０５ 改質器
３０９ 発電セル
３０８ 燃焼器
３４２ 燃料貯留室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離装置及び発電装置に関し、特に水蒸気を含むガスから水を分離させる気液分離装置及びそれを具備する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。電子機器の電源として用いられる一次電池及び二次電池の代替えのために、高いエネルギー容量を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学反応が燃料電池に利用されているので、その電気化学反応によって副生成物が生成される。このような副生成物はガス状であり、そのガスには二酸化炭素、未反応の燃料及び酸素等が含まれ、更に燃料電池において生成された水も水蒸気として含まれている。そのガスを放熱フィン、熱回収装置等によって冷却し、ガス中の水を凝縮し、液体状の水を再利用する技術がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−２３６５９８号公報
【特許文献２】特開２００６−２３６５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載された技術では、放熱フィンや熱回収装置でガスを冷却することによって水を凝縮させていたので、放熱フィンや熱回収装置を設けるために装置が大型である。
また、特許文献１、特許文献２に記載された技術では、放熱フィンや熱回収装置によって凝縮されて得た水を一定の箇所に送って回収するために、重力を利用している。装置を定置させて用いるのであれば装置に対して重力の向きが一定であるが、装置を電子機器等のような携帯機器に応用するとなれば、装置を定置させることはできず、装置に対する重力の向きが変化する。そのため、凝縮により得られた水は装置の向きの変化によって様々な箇所に流れてしまい、一定の箇所に集めることができない。
そこで、本発明は、装置の向きにかかわらず水を回収することができ、小型化することができるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、気液分離装置において、内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と他の第２領域とに区切る電気浸透材と、前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を備え、水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の気液分離装置において、前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が前記第１電極に接触するよう前記第１領域に収容されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が捕捉した水を吸収して前記第１電極に接触させることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項２から４の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が繊維材であることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が親水性を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る発明は、請求項２に記載の気液分離装置において、前記液体捕捉部が前記第１領域において配列された複数のフィンを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項８に係る発明は、請求項１から７の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記本体の外面に凹凸が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項９に係る発明は、請求項１から８の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記排出孔を閉塞し、気体を透過させるとともに液体を遮蔽する気液分離膜を更に備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に係る発明は、請求項１から９の何れか一項に記載の気液分離装置において、前記導入孔と前記排出孔が前記内部空間を挟んで相対する位置に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の液体回収装置において、前記内部空間が前記導入孔から前記排出孔にかけて長尺となる空間であることを特徴とする。
【００１６】
請求項１２に係る発明は、発電装置において、内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と他の第２領域とに区切る電気浸透材と、前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を有する液体分離装置と、水素と酸素の電気化学反応により電力を取り出して水蒸気を含むガスを排出する発電セルと、を備え、前記発電セルから排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする。
【００１７】
請求項１３に係る発明は、請求項１２に記載の発電装置において、前記気液分離装置が、前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に有することを特徴とする。
【００１８】
請求項１４に係る発明は、請求項１２又は１３に記載の発電装置において、前記発電セルにおける電気化学反応において未反応の水素を燃焼させて、その燃焼により生成された水蒸気を含むガスを排出する燃焼器を更に備え、前記燃焼器から排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１５に係る発明は、請求項１２から１４の何れか一項に記載の発電装置において、液体燃料を貯留する燃料貯留室と、前記第２領域に電気浸透した水と前記燃料貯留室から供給された液体燃料とを混合して気化させる気化器と、前記気化器で気化されたガスから水素を生成する改質器と、を更に備え、前記改質器で生成された水素が前記発電セルに供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、第１領域に導入されたガス中の水が電気浸透材を電気浸透することによって第２領域に浸透することで、ガス中の水を分離することができる。本体の内部空間が電気浸透材によって第１領域と第２領域に区切られているので、装置の向きにかかわらず水を第２領域に回収することができる。
また、電気浸透材が本体の中に収容されているので、本体の外等に他の装置を設けずとも水を回収することができ、装置の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、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。
【００２２】
図１は気液分離装置１の横断面図であり、図２は気液分離装置１の分解斜視図である。
図１及び図２に示すように、この気液分離装置１は、本体ケース２と、本体ケース２の内側に収容された液体捕捉部４、第１電極膜５、電気浸透材６及び第２電極膜７を有する。
【００２３】
本体ケース２は直方体状に成しており、本体ケース２の内側には空間２１が形成されている。内部空間２１は本体ケース２の長手方向に沿って長尺な略直方体状の空間である。
【００２４】
本体ケース２の長手方向一端側の端面には、ニップル２２が突出した状態に設けられ、導入孔２３がニップル２２の突端から内部空間２１までニップル２２の中心線に沿って貫通している。本体ケース２の長手方向他端側の端面には、ニップル２４及びニップル２６が突出した状態に設けられ、排出孔２５がニップル２４の突端から内部空間２１までニップル２４の中心線に沿って貫通し、排水孔２７がニップル２６の突端から内部空間２１までニップル２６の中心線に沿って貫通している。排出孔２５は導入孔２３の対向位置に形成され、排水孔２７は導入孔２３の対向位置からずれている。
【００２５】
本体ケース２の外面には、本体ケース２の長手方向に沿った複数の溝によって凹凸３５が形成されている。本体ケース２は、ニップル２２，２４，２６の中心線を通った面で２つの分割体２８，２９に分割されており、分割体２８，２９が接合されることによって本体ケース２が構成されている。本体ケース２は金属材料からなることが好ましいが、樹脂材料からなるものでも良い。
【００２６】
電気浸透材６は薄板状又はシート状に形成されており、電気浸透材６の両面には電極膜５，７が接合されている。電気浸透材６には誘電体の多孔質材、繊維材又は粒子充填材が用いられ、一例としてシリカ繊維材料又は多孔質セラミックが用いられる。電極膜５，７は金属、特に貴金属からなり、更に具体的には白金からなる。電極膜５，７はスパッタ法、蒸着法その他の気相成長法により成膜されたものである。電極膜５，７が気相成長法により成膜されたものであるから、電極膜５，７に多数の微小孔が形成されており、電極膜５，７を液体が浸透する。なお、電極膜５，７が網目状に形成されたものでもよく、その網目を通じて液体が浸透する。
【００２７】
電極膜５には繊維材料からなる液体捕捉部４が積層され、液体捕捉部４が電極膜５に接触している。液体捕捉部４が繊維材料であるため、液体捕捉部４の内部には微小空間が多数形成されており、液体捕捉部４は気体を透過させるとともに液体を捕捉して、液体捕捉部４の毛細管現象により液体が液体捕捉部４に吸収され得る。更に、液体捕捉部４は親水性を有し、その親水性によって液体捕捉部４の液体吸収性が高くなっている。具体的には、液体捕捉部４は不織布である。不織布以外としては繊維を結合材で固めたもの、スポンジ等を液体捕捉部４として用いても良い。
【００２８】
電気浸透材６が内部空間２１の長手方向と平行となるように内部空間２１に収容され、内部空間２１が電気浸透材６によって２つの領域３１，３２に区切られている。電極膜５は電気浸透材６によって仕切られた２つの領域３１，３２のうち第１領域３１側になり、電極膜７が他方の第２領域３２側になっている。そして、導入孔２３及び排出孔２５が第１領域３１に通じ、排水孔２７が第２領域３２に通じている。また、液体捕捉部４は第１電極膜５に接触した状態で第１領域３１に収容され、その第１領域３１に充填されているのが更に好ましい。
【００２９】
次に、気液分離装置１の動作について説明する。
第１電極膜５と第２電極膜７との間に電圧を印加する。ここで、第１電極膜５が第２電極膜７よりも高電位になるような電圧を印加する。なお、制御回路が第１電極膜５と第２電極膜７との間の電圧を調整したり、第１電極膜５と第２電極膜７に電圧を印加する時間のデューティを例えばＰＷＭ制御により調整したりしても良い。
【００３０】
水蒸気を含有したガスが導入孔２３を通って領域３１内に送られると、そのガスは液体捕捉部４を通過して排出孔２５から排出される。また、液体捕捉部４を通過しているガスに含まれる水蒸気は液体捕捉部４によって毛管凝縮されて液体捕捉部４に捕捉され、液体捕捉部４に捕捉された水が液体の状態で液体捕捉部４に吸収される。液体捕捉部４に捕捉された水が液体捕捉部４の内部を第１電極膜５へと拡散していき、水が第１電極膜５に接触する。そして、第１電極膜５に接触した水は第１電極膜５を透過して電気浸透材６に吸収される。
【００３１】
第１電極膜５と第２電極膜７との間に電解が生じているので、電気浸透流現象が生じる。例えば、電気浸透材６が多孔質シリカである場合、誘電体に「−Ｓｉ−ＯＨ」（シラノール基）が生成され、シラノール基がＳｉ−Ｏ−となり、シリカ表面は負に帯電する。一方、界面近傍には、液体中の正イオン（カウンターイオン）が集まり、正電荷が過剰となる。そして、第１電極膜５を陽極とし、第２電極膜７を陰極として電圧を加えると、過剰な正電荷が陰極方向に移動し、粘性により水全体が陰極方向に浸透する。そのため、電気浸透材６内の水が第１電極膜５側から第２電極膜７側へ浸透し、この第２電極膜７から第２領域３２へ滲み出る。なお、水を第１電極膜５から第２電極膜７へと電気浸透させるための電圧の向きは電気浸透材６の種類によって異なるので、電気浸透材６の種類によっては第２電極膜７の電位よりも第１電極膜５の電位を高くすることもある。
【００３２】
以上のように水蒸気を含有したガスが第１領域３１を導入孔２３から排出孔２５へ流れている時に、そのガス中の水の一部が分離されて第２領域３２へと浸透し、分離された水が排水孔２７から排水される。
【００３３】
以上のように、本体ケース２の内部空間が電気浸透材６によって第１領域３１と第２領域３２に区切られているので、水が第２領域３２から第１領域３１へ逆流せず、気液分離装置１の向きにかかわらず水を第２領域３２に回収することができる。特に、液体捕捉部４が第１領域３２に充填されているので、気液分離装置１の向きにかかわらず、液体捕捉部４によって水が捕捉されて、捕捉された水が第１電極膜５や電気浸透材６に接触する。
【００３４】
また、電気浸透材６が本体ケース２の中に収容され、本体ケース２の外等に他の装置を設けずとも水を回収することができ、気液分離装置１の小型化を図ることができる。特に、電気浸透材６が薄板状又はシート状であり、電気浸透材６の両面の電極膜５，７が膜状であるから、本体ケース２の小型化が可能であり、気液分離装置１を小型化することができる。
【００３５】
また、液体捕捉部４が第１領域３１に収容されているので、水蒸気が液体捕捉部４にトラップされ、第１電極膜５に水が接触しやすく、この気液分離装置１によってガス中から水を効率よく分離することができる。特に、液体捕捉部４が第１領域３２に充填されているので、第１領域３１に導入されたガスの殆ど全てが液体捕捉部４を通過するので、水の捕捉の効率が高い。その上、本体ケース２の外面に凹凸３５が形成されているので、本体ケース２の放熱効果が高く、そのため液体捕捉部４における水の凝縮の効率も良い。なお、この凹凸３５は、本体ケース２に冷却フィンを設けたものでも良い。
【００３６】
また、第１電極膜５と第２電極膜７との間の電圧を調整したり、第１電極膜５と第２電極膜７に電圧を印加している時間のデューティを調整したりすることによって、水の浸透速度を変更することができる。つまり、第１領域３１から第２領域３２へ回収される水の単位時間当たりの量を変更することができる。
【００３７】
＜変形例１＞
図３は、変形例の気液分離装置１Ａの横断面図である。図３に示すように、第１領域３１に繊維材料である液体捕捉部４を充填する代わりに、液体捕捉部として複数のフィン４１を第１領域３１に配列しても良い。複数のフィン４１が導入孔２３から排出孔２５にかけて互い違いに配列され、これにより葛折り状の流路が形成されている。これらフィン４１は金属材料からなることが好ましい。これらフィン４１によって葛折り状の流路が形成され、その流路の断面積が小さいので、水蒸気を含むガスがその流路を流動するときに、水蒸気が毛管凝縮して液体になる。また、フィン４１のうち特に本体ケース２に接続されているものは相対的に水蒸気よりも温度が低くなっており、そのフィン４１の表面で水蒸気が結露する。その液体状の水は電気浸透現象により第１領域３１から第２領域３２へと浸透する。気液分離装置１Ａは液体捕捉部を除いて図１に示された気液分離装置１と同じであるので、気液分離装置１Ａと気液分離装置１との間で互いに対応する部分には同一の符号を付して、気液分離装置１Ａについての詳細な説明を省略する。
【００３８】
＜変形例２＞
繊維材料、複数のフィン４１の代わりに、金属細線が捲回され絡められた状態で第１領域３１に充填されていても良い。絡められた金属細線が液体捕捉部となる。
＜変形例３＞
第１領域３１に液体捕捉部が収容されていなくても良い。但し、第１領域３１に液体の水をトラップするという観点からすると、第１領域３１に液体捕捉部が収容されていることが好ましい。
【００３９】
＜変形例４＞
排出孔２５が、気体を透過させるとともに液体を遮蔽する気液分離膜によって閉塞されていても良い。排出孔２５が気液分離膜によって閉塞されると、第１領域３１内に水がトラップされやすく、効率よく水を回収することができる。排出孔２５を気液分離膜で閉塞することは、図１の気液分離装置１だけなく、変形例１〜３にも適用することができる。
【００４０】
＜変形例５＞
本体ケース２に排水孔２７を形成せずに又は排水孔２７に開閉バルブを設け、第２領域３２に水を貯留するものとしても良い。この場合、第２領域３２の容積を大きくすると良い。このように第２領域３２に水を貯留することは、図１の気液分離装置１だけなく、変形例１〜変形例４にも適用することができる。
【００４１】
＜応用例＞
図４は、気液分離装置１を用いた発電装置３０１を示したブロック図である。なお、図１に示された気液分離装置１の代わりに変形例１〜変形例５の何れか一の気液分離装置を用いても良い。
【００４２】
図４に示すように、発電装置３０１は、気液分離装置１の他に、２つの燃料カートリッジ３０２、マイクロリアクタ３０３、発電セル３０９、加湿器３１０、バルブ３１１〜３１７、ポンプ３１８〜３１９、流量センサ３２０〜３２３、エアフィルタ３２４及びコネクタ３２５〜３２６を備える。この発電装置３０１は電子機器本体に搭載されており、発電装置３０１によって生じた電力が電子機器本体に用いられ、これにより電子機器本体が動作する。
【００４３】
燃料カートリッジ３０２の内側には、追従体３４０が設けられ、燃料カートリッジ３０２の内側の空間が追従体３４０によって２つの室３４１〜３４２に区分けされ、一方の室３４１（以下、燃料貯留室３４１という。）に液体燃料（例えば、メタノール）が貯留されている。燃料カートリッジ３０２の供給口にコネクタ３２５又はコネクタ３２７が接続されると、燃料カートリッジ３０２内の液体燃料が液体ポンプ３１９に吸引されるようになる。燃料貯留室３４１内の液体燃料の消費に伴って追従体３４０が供給口側に移動し、これにより燃料貯留室３４１の容積が減少し、室３４２（以下、廃液室３４２という。）の容積が増加する。また、燃料カートリッジ３０２にはダクト３４３が設けられ、ダクト３４３の一端が燃料貯留室３４１に通じている。更に、燃料カートリッジ３０２には、廃液室３４２に通じる排気孔が形成され、その排気孔が気液分離膜３４４によって閉塞されている。燃料カートリッジ３０２は電子機器本体に対して着脱可能とされ、燃料カートリッジ３０２が電子機器本体に装着されると、コネクタ３２５又はコネクタ３２７が燃料カートリッジ３０２の供給口に接続され、コネクタ３２６又はコネクタ３２８がダクト３４３に接続される。
【００４４】
コネクタ３２５及びコネクタ３２７は流路を介して液体ポンプ３１９に接続されている。液体ポンプ３１９は、燃料カートリッジ３０２から液体燃料をマイクロリアクタ３０３の気化器３０４へ送液するものである。気化器３０４と液体ポンプ３１９との間にはオンオフバルブ３１３が設けられ、液体ポンプ３１９から気化器３０４への液体燃料の流れの遮断及び許容がオンオフバルブ３１３の開閉によって行われる。液体ポンプ３１９から気化器３０４への液体燃料の流量が流量センサ３２１によって検出されて電気信号に変換される。
【００４５】
エアポンプ３１８は外部から空気を吸引して、マイクロリアクタ３０３のＣＯ除去器３０６及び燃焼器３０８並びに加湿器３１０に空気を送るものである。加湿器３１０はエアポンプ３１８から送られた空気を加湿するものである。
【００４６】
外部の空気はエアポンプ３１８に吸引される前にエアフィルタ３２４を通過し、空気中の塵埃がエアフィルタ３２４によって捕捉される。エアポンプ３１８とＣＯ除去器３０６との間には制御バルブ３１６が設けられ、ＣＯ除去器３０６に送られる空気の流量が制御バルブ３１６によって制御され、その流量が流量センサ３２３によって検出されて電気信号に変換される。エアポンプ３１８と燃焼器３０８との間には制御バルブ３１５が設けられ、燃焼器３０８に送られる空気の流量が制御バルブ３１６によって制御され、その流量が流量センサ３２２によって検出されて電気信号に変換される。エアポンプ３１８と加湿器３１０との間にはオンオフバルブ３１１が設けられ、燃焼器３０８に送られる空気の流れの遮断及び許容がオンオフバルブ３１１の開閉によって行われる。
【００４７】
マイクロリアクタ３０３は気化器３０４、ＣＯ除去器３０６、燃焼器３０８の他に、改質器３０５及び薄膜ヒータ３０７を有する。
【００４８】
気化器３０４には、燃料カートリッジ３０２から液体燃料が送られ、更に、気液分離装置１によって分離された水（第２領域３２に浸透した水）が送られ、液体燃料と水が気化器３０４において混合される。気化器３０４は、液体燃料と水を気化させるものである。気化器３０４において気化に要するエネルギーには、薄膜ヒータ３０７による電熱や燃焼器３０８による燃焼熱が用いられる。
【００４９】
気化器３０４で気化した燃料と水の混合気は改質器３０５に送られる。改質器３０５においては燃料と水が触媒により改質反応を起こし、水素ガスが生成されるとともに僅かながら一酸化炭素ガスも生成される（燃料がメタノールの場合には、下記化学式（１）、（２）を参照）。改質器３０５において改質反応に要するエネルギーには、薄膜ヒータ３０７による電熱や燃焼器３０８による燃焼熱が用いられる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 ・・・（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ ・・・（２）
【００５０】
改質器３０５で生成された水素ガス等はＣＯ除去器３０６に送られ、更に外部の空気がＣＯ除去器３０６に送られる。ＣＯ除去器３０６においては、一酸化炭素ガスが一酸化炭素除去触媒により優先的に酸化する選択酸化反応が起こり、一酸化炭素ガスが除去される（下記化学式（３）を参照）。
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2 ・・・（３）
【００５１】
ＣＯ除去器３０６を経た水素ガス等は発電セル３０９の燃料極（アノード）に供給される発電セル３０９は、燃料極と、酸素極と、燃料極と酸素極の間に挟持された電解質膜とを備える。発電セル３０９の酸素極には、加湿器３１０によって加湿された空気が供給される。この発電セル３０９は、燃料極に供給された水素ガスと、酸素極に供給された酸素ガス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ものである。発電セルの電解質が固体高分子電解質膜である場合、燃料極においては、水素ガスが、電気化学反応式（４）に示すように、燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。酸素極においては、電気化学反応式（５）に示すように、酸素極に移動した電子と、空気中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。このような発電セルの電気化学反応により生じた電力が電子機器本体に供給されて、電子機器本体が動作する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（４）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（５）
【００５２】
発電セル３０９の燃料極で未反応の水素を含むオフガスは燃焼器３０８に送られ、発電セル３０９の酸素極で生成された水（水蒸気）を含むガスは加湿器３１０に送られて空気の加湿に用いられる。加湿器３１０は中空糸膜等を有し、発電セル３０９の酸素極において生成された水等を含むガスが中空糸膜の内部を通過し、エアポンプ３１８から送られた空気が中空糸膜の周囲を通過し、中空糸膜の内部を通過したガスの湿気によって中空糸膜の周囲の空気が加湿され、その加湿された空気が発電セル３０９の空気極（カソード）に送られる。中空糸膜の内部を通過したガスは気液分離装置１の導入孔２３に送られる。
【００５３】
燃焼器３０８に送られたオフガス（水素ガスを含む）は、エアポンプ３１８によって燃焼器３０８に送られた空気と混合する。燃焼器３０８においては、水素ガスが燃焼器３０８の触媒により酸化して、燃焼熱が生じるとともに水（水蒸気）が生成される。燃焼器３０８で生成された水等を含むガスは、気液分離装置１の導入孔２３に送られる。上述したように、燃焼器３０８の燃焼熱は改質器３０５や気化器３０４に伝導して、気化器３０４における気化熱や改質器３０５における反応熱として用いられる。
【００５４】
発電セル３０９の酸素極や燃焼器３０８で生成された水（水蒸気）を含有したガスが気液分離装置１の導入孔２３に導入されると、水（液体）が排水孔２７から排出され、除湿されたガスが排出孔２５から排出される。これにより、気液分離装置１において気液分離が行われる。排水孔２７から排出された水は、気化器３０４に送られて液体燃料と混合され、気化される。その水の流量は流量センサ３２０によって検出されて電気信号に変換される。
【００５５】
気液分離装置１の排出孔２５から排出されたガスは三方弁３１７を介してコネクタ３２６又はコネクタ３２８に送られる。三方弁３１７は気液分離装置１の排出孔２５から排出されたガスの送り先を切り換えるものであり、その送り先がコネクタ３２５だけの場合と、コネクタ３２８だけの場合と、コネクタ３２５とコネクタ３２８の両方の場合と成り得る。
【００５６】
気液分離装置１の排出孔２５からコネクタ３２５やコネクタ３２８に送られたガスは、ダクト３４３を通って廃液室３４２に送られる。ガスがダクト３４３を通過している時にそのガスが放熱により冷却され、ガス中の水が凝縮する。そのため、廃液室３４２には液体状の水が貯留される。また、廃液室３４２に送られたガスは、気液分離膜３４４を透過して外部に放出される。気液分離膜３４４は液体を遮断するため、廃液室３４２に貯留した水（液体）が気液分離膜３４４を通過しない。
【００５７】
この発電装置３０１においては、燃料電池型の発電セル３０９と気液分離装置１が別体で設けられているため、発電セル３０９の酸素極で生成された水は酸素極では凝縮せず、気液分離装置１において凝縮する。酸素極で水が凝縮しないので、酸素極が水で被膜されず、酸素極で酸素の反応が起こりやすい。
【００５８】
なお、発電セル３０９が水素によって発電を行う燃料電池であったが、発電セル３０９がメタノールによって発電を行う燃料電池でも良い。この場合、改質器３０５、ＣＯ除去器３０６を設ける必要はない。
【００５９】
また、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態における気液分離装置の横断面を示した断面図である。
【図２】図１に示された気液分離装置の分解斜視図である。
【図３】変形例の気液分離装置の横断面を示した断面図である。
【図４】気液分離装置を具備する発電装置を示した図面である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１Ａ 気液分離装置
２ 本体ケース
４ 液体捕捉部
５ 第１電極膜
６ 電気浸透材
７ 第２電極膜
２１ 内部空間
２３ 導入孔
２５ 排出孔
２７ 排水孔
３１ 第１領域
３２ 第２領域
３５ 凹凸
４１ フィン
３０４ 気化器
３０５ 改質器
３０９ 発電セル
３０８ 燃焼器
３４２ 燃料貯留室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、
前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と他の第２領域とに区切る電気浸透材と、
前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、
前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を備え、
水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする気液分離装置。
【請求項２】
前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に備え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】
前記液体捕捉部が前記第１電極に接触するよう前記第１領域に収容されてい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】
前記液体捕捉部が捕捉した水を吸収して前記第１電極に接触させ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】
前記液体捕捉部が繊維材であることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項６】
前記液体捕捉部が親水性を有する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】
前記液体捕捉部が前記第１領域において配列された複数のフィンを有す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８】
前記本体の外面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項９】
前記排出孔を閉塞し、気体を透過させるとともに液体を遮蔽する気液分離膜を更に備えることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項１０】
前記導入孔と前記排出孔が前記内部空間を挟んで相対する位置に形成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項１１】
前記内部空間が前記導入孔から前記排出孔にかけて長尺となる空間であることを特徴とする請求項１０に記載の気液分離装置。
【請求項１２】
内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と、他の第２領域とに区切る電気浸透材と、前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を有する液体分離装置と、
水素と酸素の電気化学反応により電力を取り出して水蒸気を含むガスを排出する発電セルと、を備え、
前記発電セルから排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする発電装置。
【請求項１３】
前記気液分離装置が、前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に有することを特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記発電セルにおける電気化学反応において未反応の水素を燃焼させて、その燃焼により生成された水蒸気を含むガスを排出する燃焼器を更に備え、
前記燃焼器から排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の発電装置。
【請求項１５】
液体燃料を貯留する燃料貯留室と、
前記第２領域に電気浸透した水と前記燃料貯留室から供給された液体燃料とを混合して気化させる気化器と、
前記気化器で気化されたガスから水素を生成する改質器と、を更に備え、
前記改質器で生成された水素が前記発電セルに供給されることを特徴とする請求項１２から１４の何れか一項に記載の発電装置。
【請求項１】
内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、
前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と他の第２領域とに区切る電気浸透材と、
前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、
前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を備え、
水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする気液分離装置。
【請求項２】
前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に備え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】
前記液体捕捉部が前記第１電極に接触するよう前記第１領域に収容されてい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】
前記液体捕捉部が捕捉した水を吸収して前記第１電極に接触させ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】
前記液体捕捉部が繊維材であることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項６】
前記液体捕捉部が親水性を有する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】
前記液体捕捉部が前記第１領域において配列された複数のフィンを有す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８】
前記本体の外面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項９】
前記排出孔を閉塞し、気体を透過させるとともに液体を遮蔽する気液分離膜を更に備えることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項１０】
前記導入孔と前記排出孔が前記内部空間を挟んで相対する位置に形成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の気液分離装置。
【請求項１１】
前記内部空間が前記導入孔から前記排出孔にかけて長尺となる空間であることを特徴とする請求項１０に記載の気液分離装置。
【請求項１２】
内部空間が形成され、その内部空間に通じる導入孔及び排出孔が形成された本体と、前記内部空間に収容され、前記内部空間を前記導入孔及び前記排出孔が通じる第１領域と、他の第２領域とに区切る電気浸透材と、前記第１領域側において前記電気浸透材に接合した第１電極と、前記第２領域側において前記電気浸透材に接合した第２電極と、を有する液体分離装置と、
水素と酸素の電気化学反応により電力を取り出して水蒸気を含むガスを排出する発電セルと、を備え、
前記発電セルから排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入され、前記第１領域において前記水蒸気が凝縮した水を前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧により前記第１領域から前記第２領域へ前記電気浸透材を電気浸透することを特徴とする発電装置。
【請求項１３】
前記気液分離装置が、前記第１領域に収容され、ガス中の水を捕捉する液体捕捉部を更に有することを特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記発電セルにおける電気化学反応において未反応の水素を燃焼させて、その燃焼により生成された水蒸気を含むガスを排出する燃焼器を更に備え、
前記燃焼器から排出された水蒸気を含むガスが前記導入孔から前記第１領域に導入されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の発電装置。
【請求項１５】
液体燃料を貯留する燃料貯留室と、
前記第２領域に電気浸透した水と前記燃料貯留室から供給された液体燃料とを混合して気化させる気化器と、
前記気化器で気化されたガスから水素を生成する改質器と、を更に備え、
前記改質器で生成された水素が前記発電セルに供給されることを特徴とする請求項１２から１４の何れか一項に記載の発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１３６９６４（Ｐ２００８−１３６９６４Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２６８８６（Ｐ２００６−３２６８８６）
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
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