燃料電池システム
【課題】設置状態による漏液を未然に防止できる、小型で信頼性に優れる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】発電スタック５と、発電スタック５のアノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３と、発電スタック５のカソード５ｂに空気を供給する空気供給部６と、カソード５ｂで発生した水および水蒸気とカソード５ｂを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部９を備えた燃料電池システム１００であって、気液分離部９に保水体９ｃを設け、保水体９ｃで気液混合流体からカソード５ｂで発生した水と水蒸気を保水する構成を有する。
【解決手段】発電スタック５と、発電スタック５のアノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３と、発電スタック５のカソード５ｂに空気を供給する空気供給部６と、カソード５ｂで発生した水および水蒸気とカソード５ｂを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部９を備えた燃料電池システム１００であって、気液分離部９に保水体９ｃを設け、保水体９ｃで気液混合流体からカソード５ｂで発生した水と水蒸気を保水する構成を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードから発生した水および水蒸気とカソードを経た気体とからなる気液混合流体を排出し、カソードに空気を効率よく供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムとして、コージェネレーション用燃料電池システムに代表される定置型のものだけでなく、携帯用電子機器用燃料電池や電気自動車用燃料電池などの非定置型燃料電池システムも盛んに提案されている。例えば、ＡＣアダプターからの充電を必要としないユビキタスモバイル電源として、特に直接型燃料電池が着目され、活発な研究開発が行われている。
【０００３】
燃料を直接アノードへ供給し空気（酸素）を直接カソードへ供給する直接型燃料電池では、アノードにおいて燃料の酸化反応、カソードで酸素の還元反応が起こる。例えば、燃料としてメタノールを使用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の場合、以下の反応式、
アノードの反応式：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋ｅ− （１）
カソードの反応式：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋ｅ−→３Ｈ２Ｏ （２）
で表される。
【０００４】
すなわち、反応式（１）で示すように、アノードでの酸化反応には燃料と水とからなる燃料混合液体が必要となる。しかし、燃料電池システムの外部から燃料とともに水を供給する形態をとると、燃料と水の双方を貯蔵する大きなスペースが必要になり、結果として燃料電池システムのエネルギー密度が低下する。そこで、直接型燃料電池では、反応式（２）で示すように、カソードで生成する水および水蒸気の一部を回収して燃料と混合し、燃料混合液体として供給する循環型の燃料電池システムの一例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
以下に、一般的な循環型の燃料電池システムの構成について、図６を用いて説明する。図６は、従来の循環型の燃料電池システムの一般的な構成を示す模式図である。
【０００６】
図６に示すように、まず、メタノールなどの燃料が燃料タンク５１から燃料供給手段５２を介して循環タンク５３へ供給される。このとき、燃料は燃料供給手段５２または循環タンク５３において、後述する手法で回収された水によって希釈調整されて燃料混合液体となる。つぎに、燃料混合液体は、燃料ポンプ５４で発電スタック５５のアノード入口６０へ供給される。そして、アノード出口６２からは使用されなかった燃料混合液体のほかに水蒸気や水および二酸化炭素からなる気液混合流体が排出される。さらに、使用されなかった燃料混合液体や気液混合流体は気液分離手段５７に導かれた後、燃料混合液体は循環タンク５３へ戻され、水蒸気や水などの気液混合流体は熱交換器５８により冷却され液体の水になった後、循環タンク５３へ戻される。
【０００７】
一方、カソードに供給される空気は、空気供給手段５６から発電スタック５５のカソード入口６１から導入される。そして、カソード出口６３からは使用されなかった空気のほかに水（主に水蒸気）が排出される。これらは水回収手段５９により分離され回収された一部の水は、燃料供給手段５２へ戻されるとともに、残りの水や空気などは空気供給手段５６に戻される。
【特許文献１】特開２００４−３４９２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に示す燃料電池システムにおいて、熱交換器５８のように水蒸気などを効率よく水に変換するための冷却装置が必要となるため、システムの小型化に課題がある。また、水回収手段５９においては、空気と水を分離する方法などは具体的に記載されていない。そして、気液分離手段５７、水回収手段５９では、同時に空気や二酸化炭素などの気体を排気する必要があるため、燃料電池システムの設置位置が固定されないモバイル装置などにおいて、回収された水が、気体などの排気位置から、漏液するなどの課題があった。さらに、特にモバイル機器に燃料電池システムを導入する場合、回収された水が、その設置状態により、カソードに逆流し空気の流れを遮断し、電気の発生が阻害されるという課題もあった。
【０００９】
本発明は上述した課題を解決するためなされたもので、設置状態による漏液を未然に防止できる、小型で信頼性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給部と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給部と、カソードで発生した水および水蒸気とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システムであって、気液分離部に保水体を設け、保水体で気液混合流体からカソードで発生した水と水蒸気を保水する構成を有する。
【００１１】
この構成により、燃料電池の設置状態にかかわらず、漏液の生じない信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却手段を備えず、保水体により、カソードからの排出される水や水蒸気を保水し、小型で、漏液などの発生しにくい信頼性に優れた燃料電池システムを構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の第１の発明は、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給部と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給部と、カソードで発生した水および水蒸気とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システムであって、気液分離部に保水体を設け、保水体で気液混合流体からカソードで発生した水と水蒸気を保水する構成を有する。
【００１４】
この構成により、燃料電池の設置状態にかかわらず、漏液の生じない信頼性に優れた小型の燃料電池システムを実現できる。
【００１５】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、気液分離部に、水および水蒸気と気体とを分離し、気体を排出する気液分離膜をさらに設けた構成を有する。これにより、保水体で回収できない水蒸気の気液分離部内での結露による水を分離し、耐漏液性をさらに向上できる。
【００１６】
本発明の第３の発明は、第１の発明と第２の発明において、発電スタックのアノードの排出側に、発電スタックのアノードで発生する気液混合液体を回収するとともに、気液混合液体から気体と液体を分離する気液分離膜を備えた捕集部を設け、液体を燃料供給部に供給する構成を有する。これにより、アノードで発生する気液混合液体の液体を回収し、漏液を防止するとともに、別に水を供給するタンクなどを必要としないため小型化を容易に実現できる。
【００１７】
本発明の第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、気液分離部を燃料供給部と接続し、保水体で保水した液体を燃料供給部に供給する構成を有する。これにより、回収した水を効率よく捕集部を経由して循環させ、最適な比率でアノードに燃料を供給できる。
【００１８】
本発明の第５の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、気液分離部に排出ポンプを設け、保水体で保水した液体を排出する構成を有する。これにより、過剰な液体を排出し、カソードへの逆流を防止して燃料電池の発電効率の低下を防止できる。
【００１９】
本発明の第６の発明は、第５の発明において、排出ポンプを、捕集部と接続し、保水体で保水した液体を供給する構成を有する。これにより、回収した水を効率よく捕集部を経由して循環させ、最適な比率でアノードに燃料を供給できる。
【００２０】
本発明の第７の発明は、第１から第６の発明において、気液分離部の気液分離膜を第１気液分離膜、捕集部の気液分離膜を第２気液分離膜とし、気液分離部と捕集部を第２気液分離膜を介して接続して、捕集部で発生する気体と気液分離部で発生する気体を第１気液分離膜を介して排出する構成を有する。これにより、多量の液体が回収される捕集部の漏液を、第１気液分離膜と第２気液分離膜との２重構成により確実に防止できる。
【００２１】
本発明の第８の発明は、第７の発明において、第１気液分離膜の面積が、第２気液分離膜の面積より広い構成を有する。これにより、空気供給部から導入される小さい圧力でも確実に気体と水蒸気を排出するとともに、第１気液分離膜の圧力損失を低減し、十分な空気をカソードに供給することができる。
【００２２】
本発明の第９の発明は、第７の発明または第８の発明において、第１気液分離膜の通気度が、第２気液分離膜の通気度より高い構成を有する。これにより、捕集部で回収された液体を第２気液分離膜で確実に防止するとともに、第１気液分離膜での圧力損失を低減して空気をカソードに効率よく供給することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、同一部分には同一符号を付して説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの模式図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）の気液分離部９を詳細に説明する断面模式図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、アノード５ａとカソード５ｂを有する発電スタック５、アノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３、カソード５ｂに空気を供給する、例えば空気ポンプからなる空気供給部６、アノード５ａから排出される気液混合液体を回収する捕集部８およびカソード５ｂから排出される気液混合流体を分離回収する気液分離部９で構成されている。ここで、燃料供給部３は、例えばメタノールなどの燃料を保管する燃料タンク１と、燃料タンク１から燃料を発電スタック５のアノード５ａのアノード入口１０に供給する燃料ポンプ２から構成されている。捕集部８は、液体回収部８ａと気液分離膜８ｂから構成され、発電スタック５のアノード５ａでの反応によりアノード出口１２から排出される水、少量の燃料（メタノール）と二酸化炭素を気液分離膜８ｂで分離し、少なくとも二酸化炭素は外部へ排気している。このとき、燃料タンク１内の燃料が、例えば発電スタック５に最適な比率でメタノールと水が混合されていない場合、捕集部８の液体回収部８ａの液体を燃料ポンプ２に循環して、例えば燃料ポンプ２で燃料と最適な比率で混合してアノード５ａに供給する。なお、燃料タンク１の燃料が、最適な比率で混合されて供給される場合には、捕集部８の液体回収部８ａの液体を循環させなくてもよく、液体を回収して廃棄する構成としてもよい。
【００２６】
また、空気ポンプなどからなる空気供給部６から、発電スタック５のカソード入口１１に空気などが供給され、カソード５ｂにおいて反応式（２）にしたがって反応する。その後、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を気液分離部９に導入し、少なくとも水と空気などの気体に分離して、それぞれ排出する構成である。このとき、設置位置が固定されないモバイル機器の用途においては、排出された水を回収タンク（図示せず）で回収して廃棄する構成としてもよい。設置位置が固定される用途においては、燃料電池システム１００より下方に排出する構成としてもよい。さらに、後述するように、燃料供給部３の燃料ポンプ２や捕集部８の液体回収部８ａと接続し、これらに水を供給する構成としてもよい。
【００２７】
以下、本実施の形態の発明のポイントである気液分離部９について、図１（ｂ）を用いて詳細に説明する。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、気液分離部９は、カソードから排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を導入する導入口９ａと、水などを排出する排出口９ｂおよび、導入口９ａから導入される水蒸気や水を、例えば液化などして、捕獲する保水体９ｃで構成されている。さらに、気液分離部９の一部には、捕獲されなかった水蒸気や空気を排気する、例えば網目構造の開口部９ｄを設けている。ここで、保水体９ｃは、例えば多孔質のセラミック体や繊維質のフェルト体などの吸水性に優れた材料で構成され、水蒸気や水を捕獲して保水する。そして、保水体９ｃで保水できない水分は排出口９ｂから排出される。
【００２９】
なお、図１（ｂ）では、開口部９ｄが気液分離部９の鉛直上方に設けられているように示しているが、燃料電池システムの用途や設置位置により、必ずしもこの方向に設けられるものではない。例えば、開口部９ｄが気液分離部９の側面に設けられる場合もある。
【００３０】
本実施の形態によれば、保水体で水蒸気などを吸収して保水するため、熱交換器などを必要としない。その結果、小型の燃料電池システム１００を実現できる。また、気液分離部９内からカソード出口１３に水が逆流して、空気の流れを阻害することがないため、安定したカソードでの反応により信頼性の高い燃料電池システムを実現できる。さらに、保水体で水蒸気などを吸収して保水するため、気液分離部の設置場所が、特に重力による落下で水を回収する場合のような場所に制限されない。そのため、例えば発電スタックと同じ平面上に気液分離部を設けることにより、薄型化が容易となる。
【００３１】
以下に、本発明の実施の形態１における気液分離部の構成の別の例について、図２を用いて説明する。
【００３２】
図２は、図１（ａ）の気液分離部９の別の例の気液分離部１９の構成を示す断面模式図である。
【００３３】
図２に示すように、気液分離部１９は、気液分離膜９ｅをさらに設けている点で、図１（ｂ）の気液分離部９とは異なる。
【００３４】
すなわち、図２に示すように、気液分離膜９ｅにより導入口９ａから導入された水蒸気の一部が保水体９ｃ以外の気液分離部１９の壁面で結露する結露液９ｆが漏液することを気液分離膜９ｅにより防止するものである。これにより、燃料電池システムの設置位置や部品配置構成の自由度が向上する。
【００３５】
また、気液分離膜９ｅで水蒸気を結露させ、気液分離膜９ｅを透過して外部に排気される水蒸気の量を大幅に低減できる。これにより、排気される水蒸気の外部での結露を未然に防止し、燃料電池システムを用いた機器や装置の信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
ここで、気液分離膜９ｅとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシート、またはこれらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。
【００３７】
本実施の形態によれば、気液分離部に気液分離膜を設けることにより、さらに漏水や漏液および水蒸気などの排出を低減できる燃料電池システム１００を実現できる。
【００３８】
（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム２００の模式図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）の気液分離部を詳細に説明する断面模式図である。なお、図１（ａ）と同じ構成要素には同じ符号を付し説明する。また、実施の形態１で説明した気液分離部１９を例に説明する。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、燃料電池システム２００は、アノード５ａとカソード５ｂを有する発電スタック５、アノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３、カソード５ｂに空気を供給する、例えば空気ポンプからなる空気供給部６、アノード５ａから排出される気液混合液体を回収する捕集部８およびカソード５ｂから排出される気液混合流体を分離回収する気液分離部１９で構成されている。ここで、燃料供給部３は、例えばメタノールなどの燃料を保管する燃料タンク１と、燃料タンク１から燃料を発電スタック５のアノード５ａのアノード入口１０に供給する燃料ポンプ２から構成されている。捕集部８は、液体回収部８ａと気液分離膜８ｂから構成され、発電スタック５のアノード５ａでの反応によりアノード出口１２から排出される水、少量の燃料（メタノール）と二酸化炭素を気液分離膜８ｂで分離し、少なくとも二酸化炭素は外部へ排気している。このとき、燃料タンク１内の燃料が、発電スタック５で最適な比率で、例えばメタノールと水が混合されていない場合、捕集部８の液体回収部８ａの液体を燃料ポンプ２に循環して、例えば燃料ポンプ２で燃料と最適な比率で混合してアノード５ａに供給する。なお、燃料タンク１の燃料が、最適な比率で混合されて供給される場合には、捕集部８の液体回収部８ａの液体を循環させなくてもよく、液体を回収して廃棄する構成としてもよい。
【００４０】
また、空気ポンプなどからなる空気供給部６から、発電スタック５のカソード入口１１に空気などが供給され、カソード５ｂにおいて反応式（２）にしたがって反応する。その後、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を気液分離部１９に導入し、少なくとも水と空気などの気体に分離する。
【００４１】
ここで、気液分離部１９は、図３（ｂ）に示すようにカソードから排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を導入する導入口９ａと、水などを排出する排出口９ｂおよび、導入口９ａから導入される水蒸気や水を、捕獲する保水体９ｃで構成されている。さらに、気液分離部１９の一部には、捕獲されなかった水蒸気を捕獲し、空気と分離して排気する、気液分離膜９ｅを備えている。
【００４２】
以下、本実施の形態の発明のポイントである排出ポンプを備える燃料電池システム２００について、図３を用いて説明する。
【００４３】
すなわち、図３に示すように、気液分離部１９の排出口９ｂと捕集部８の液体回収部８ａを排出ポンプ１５を介して接続し、気液分離部１９の保水体９ｃに保水された水を液体回収部８ａに、必要に応じて供給する構成としたものである。ここで、排出ポンプ１５として、例えば圧電体や静電力を用いたダイアフラム方式のポンプを用いることができる。
【００４４】
本実施の形態によれば、燃料や水などを密閉系とした燃料電池システムとすることができるため、漏液が生じにくく、設置位置や配置位置が制限されない設計自由度の優れた燃料電池システムを実現できる。また、気液分離部で、例えば保水体で保水しきれない量の液体が生じても、排出ポンプで強制的に液体回収部に移動できるので、さらに気液分離部の液体のカソードへの逆流による発電性能の低下を防止できる。
【００４５】
以下、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成の別の例について、図４を用いて説明する。
【００４６】
図４に示すように、気液分離部１９と燃料供給部３の燃料ポンプ２とを接続し、気液分離部１９で保水された水を燃料ポンプ２で吸い出す構成とした点で、図３とは異なる。すなわち、図３（ａ）の排出ポンプ１５を、燃料供給部３の燃料ポンプ２で兼用したものである。
【００４７】
本実施の形態によれば、上記と同様の効果が得られるとともに、排出ポンプを別途設ける必要がないため、さらに小型化や薄型化した燃料電池システム３００を実現できる。
【００４８】
（実施の形態３）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態３における燃料電池システム４００の模式図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）の一体化気液分離部を詳細に説明する断面模式図である。なお、図１（ａ）と同じ構成要素には同じ符号を付し説明する。ここで、一体化気液分離部とは、アノードから排出される気液を分離する捕集部とカソードから排出される気液を分離する気液分離部を一体化した構成からなる。
【００４９】
まず、図５（ａ）に示すように、燃料電池システム４００は、アノード５ａとカソード５ｂを有する発電スタック５、アノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３、カソード５ｂに空気を供給する、例えば空気ポンプからなる空気供給部６およびアノード５ａから排出される気液混合液体を回収する捕集部８とカソード５ｂから排出される気液混合流体を分離回収する気液分離部１９とからなる一体化気液分離部３０で構成されている。ここで、燃料供給部３は、例えばメタノールなどの燃料を保管する燃料タンク１と、燃料タンク１から燃料を発電スタック５のアノード５ａのアノード入口１０に供給する燃料ポンプ２から構成されている。
【００５０】
また、空気ポンプなどからなる空気供給部６から、発電スタック５のカソード入口１１に空気などが供給され、カソード５ｂにおいて反応式（２）にしたがって反応する。その後、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体が一体化気液分離部３０に導入される。
【００５１】
以下、本実施の形態の発明のポイントである一体化気液分離部３０について、図５（ｂ）を用いて説明する。
【００５２】
図５（ｂ）に示すように、一体化気液分離部３０は、少なくとも液体回収部８ａと第２気液分離膜１８ｂからなる捕集部８と、少なくとも保水体９ｃと第１気液分離膜１９ｅからなる気液分離部１９から構成されている。そして、捕集部８と気液分離部１９は、捕集部８の第２気液分離膜１８ｂを介して接続されている。さらに、気液分離部１９の保水体９ｃで保水された液体を捕集部８の液体回収部８ａに供給するように排出ポンプ１５を介して気液分離部１９の排出口９ｂと接続されている。
【００５３】
そして、一体化気液分離部３０は、捕集部８において、発電スタック５のアノード５ａでの反応によりアノード出口１２から排出される水、少量の燃料（メタノール）と二酸化炭素が導入口１２ａから導入され、水や少量の燃料が液体回収部８ａで回収され、必要に応じて排出口１２ｂから燃料ポンプ２に供給される。同時に、捕集部８の第２気液分離膜１８ｂで二酸化炭素が分離され、気液分離部１９に注入される。
【００５４】
また、気液分離部１９において、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体が気液分離部１９に導入され、保水体９ｃで少なくとも水と空気などの気体が分離される。そして、分離された保水体９ｃに保水された液体は排出口９ｂと排出ポンプ１５を介して液体回収部８ａに供給される。同時に、空気などの気体は第１気液分離膜１９ｅを介して外部に排出される。つまり、捕集部８の液体回収部８ａで多量に保有される液体は、第１気液分離膜１９ｅと第２気液分離膜１８ｂとにより２重に漏液などが防止される。
【００５５】
ここで、第１気液分離膜１９ｅおよび第２気液分離膜１８ｂとしては、撥水性樹脂材料を多孔質膜に形成した、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシート、またはこれらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。
【００５６】
なお、第１気液分離膜の面積は、第２気液分離膜の面積より広い方が好ましい。これにより、空気供給部から小さい圧力での空気の供給を可能とし、効率よく気体を外部に放出できる。また、燃料ポンプから高い圧力で排出される二酸化炭素などによる圧力を分散して小さくし、気液分離部１９の導入口９ａから逆流することを防止できる。
【００５７】
また、第１気液分離膜の通気度は、第２気液分離膜の通気度より高い方が望ましい。具体的には、第２気液分離膜の通気度は、ＪＩＳ Ｐ ８１１７ ガーレー試験法で測定した場合、１２ｓｅｃ／１００ｍｌ以下の範囲が好ましく、第１気液分離膜の通気度は、１０ｓｅｃ／１００ｍｌ以下の範囲が好ましい。これにより、捕集部８の液体回収部８ａの液体の漏液を確実に防止できる。
【００５８】
本実施の形態によれば、多量の液体が回収される捕集部からの漏液を、第１気液分離膜と第２気液分離膜との２重の構成により、確実に防止し信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
【００５９】
なお、気液分離膜に撥水性を付与することが好ましい。具体的には、気体の透過性を高めつつ液体の透過性を抑制するために、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂材料を多孔質体膜に形成したシート、またはこれらフッ素樹脂材料をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートなどが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の燃料電池システムは、メタノール、ジメチルエーテルなどの燃料を水素に改質せずに燃料として直接用い、かつ任意の設置位置で利用される携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートＰＣ、ビデオカメラなどの携帯用小型電子機器用の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における燃料電池システムの模式図（ｂ）図１（ａ）の気液分離部を詳細に説明する断面模式図
【図２】図１（ａ）の気液分離部の別の例の気液分離部の構成を示す断面模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における燃料電池システムの模式図（ｂ）図３（ａ）の気液分離部を詳細に説明する断面模式図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成の別の例を示す模式図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態３における燃料電池システムの模式図（ｂ）図５（ａ）の一体化気液分離部を詳細に説明する断面模式図
【図６】従来の循環型の燃料電池システムの一般的な構成を示す模式図
【符号の説明】
【００６２】
１ 燃料タンク
２ 燃料ポンプ
３ 燃料供給部
５ 発電スタック
５ａ アノード
５ｂ カソード
６ 空気供給部
８ 捕集部
８ａ 液体回収部
８ｂ，９ｅ 気液分離膜
９，１９ 気液分離部
９ａ，１２ａ 導入口
９ｂ，１２ｂ 排出口
９ｃ 保水体
９ｄ 開口部
９ｆ 結露液
１０ アノード入口
１１ カソード入口
１２ アノード出口
１３ カソード出口
１５ 排出ポンプ
１８ｂ 第２気液分離膜
１９ｅ 第１気液分離膜
３０ 一体化気液分離部
１００，２００，３００，４００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードから発生した水および水蒸気とカソードを経た気体とからなる気液混合流体を排出し、カソードに空気を効率よく供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムとして、コージェネレーション用燃料電池システムに代表される定置型のものだけでなく、携帯用電子機器用燃料電池や電気自動車用燃料電池などの非定置型燃料電池システムも盛んに提案されている。例えば、ＡＣアダプターからの充電を必要としないユビキタスモバイル電源として、特に直接型燃料電池が着目され、活発な研究開発が行われている。
【０００３】
燃料を直接アノードへ供給し空気（酸素）を直接カソードへ供給する直接型燃料電池では、アノードにおいて燃料の酸化反応、カソードで酸素の還元反応が起こる。例えば、燃料としてメタノールを使用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の場合、以下の反応式、
アノードの反応式：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋ｅ− （１）
カソードの反応式：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋ｅ−→３Ｈ２Ｏ （２）
で表される。
【０００４】
すなわち、反応式（１）で示すように、アノードでの酸化反応には燃料と水とからなる燃料混合液体が必要となる。しかし、燃料電池システムの外部から燃料とともに水を供給する形態をとると、燃料と水の双方を貯蔵する大きなスペースが必要になり、結果として燃料電池システムのエネルギー密度が低下する。そこで、直接型燃料電池では、反応式（２）で示すように、カソードで生成する水および水蒸気の一部を回収して燃料と混合し、燃料混合液体として供給する循環型の燃料電池システムの一例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
以下に、一般的な循環型の燃料電池システムの構成について、図６を用いて説明する。図６は、従来の循環型の燃料電池システムの一般的な構成を示す模式図である。
【０００６】
図６に示すように、まず、メタノールなどの燃料が燃料タンク５１から燃料供給手段５２を介して循環タンク５３へ供給される。このとき、燃料は燃料供給手段５２または循環タンク５３において、後述する手法で回収された水によって希釈調整されて燃料混合液体となる。つぎに、燃料混合液体は、燃料ポンプ５４で発電スタック５５のアノード入口６０へ供給される。そして、アノード出口６２からは使用されなかった燃料混合液体のほかに水蒸気や水および二酸化炭素からなる気液混合流体が排出される。さらに、使用されなかった燃料混合液体や気液混合流体は気液分離手段５７に導かれた後、燃料混合液体は循環タンク５３へ戻され、水蒸気や水などの気液混合流体は熱交換器５８により冷却され液体の水になった後、循環タンク５３へ戻される。
【０００７】
一方、カソードに供給される空気は、空気供給手段５６から発電スタック５５のカソード入口６１から導入される。そして、カソード出口６３からは使用されなかった空気のほかに水（主に水蒸気）が排出される。これらは水回収手段５９により分離され回収された一部の水は、燃料供給手段５２へ戻されるとともに、残りの水や空気などは空気供給手段５６に戻される。
【特許文献１】特開２００４−３４９２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に示す燃料電池システムにおいて、熱交換器５８のように水蒸気などを効率よく水に変換するための冷却装置が必要となるため、システムの小型化に課題がある。また、水回収手段５９においては、空気と水を分離する方法などは具体的に記載されていない。そして、気液分離手段５７、水回収手段５９では、同時に空気や二酸化炭素などの気体を排気する必要があるため、燃料電池システムの設置位置が固定されないモバイル装置などにおいて、回収された水が、気体などの排気位置から、漏液するなどの課題があった。さらに、特にモバイル機器に燃料電池システムを導入する場合、回収された水が、その設置状態により、カソードに逆流し空気の流れを遮断し、電気の発生が阻害されるという課題もあった。
【０００９】
本発明は上述した課題を解決するためなされたもので、設置状態による漏液を未然に防止できる、小型で信頼性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給部と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給部と、カソードで発生した水および水蒸気とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システムであって、気液分離部に保水体を設け、保水体で気液混合流体からカソードで発生した水と水蒸気を保水する構成を有する。
【００１１】
この構成により、燃料電池の設置状態にかかわらず、漏液の生じない信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却手段を備えず、保水体により、カソードからの排出される水や水蒸気を保水し、小型で、漏液などの発生しにくい信頼性に優れた燃料電池システムを構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の第１の発明は、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給部と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給部と、カソードで発生した水および水蒸気とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システムであって、気液分離部に保水体を設け、保水体で気液混合流体からカソードで発生した水と水蒸気を保水する構成を有する。
【００１４】
この構成により、燃料電池の設置状態にかかわらず、漏液の生じない信頼性に優れた小型の燃料電池システムを実現できる。
【００１５】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、気液分離部に、水および水蒸気と気体とを分離し、気体を排出する気液分離膜をさらに設けた構成を有する。これにより、保水体で回収できない水蒸気の気液分離部内での結露による水を分離し、耐漏液性をさらに向上できる。
【００１６】
本発明の第３の発明は、第１の発明と第２の発明において、発電スタックのアノードの排出側に、発電スタックのアノードで発生する気液混合液体を回収するとともに、気液混合液体から気体と液体を分離する気液分離膜を備えた捕集部を設け、液体を燃料供給部に供給する構成を有する。これにより、アノードで発生する気液混合液体の液体を回収し、漏液を防止するとともに、別に水を供給するタンクなどを必要としないため小型化を容易に実現できる。
【００１７】
本発明の第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、気液分離部を燃料供給部と接続し、保水体で保水した液体を燃料供給部に供給する構成を有する。これにより、回収した水を効率よく捕集部を経由して循環させ、最適な比率でアノードに燃料を供給できる。
【００１８】
本発明の第５の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、気液分離部に排出ポンプを設け、保水体で保水した液体を排出する構成を有する。これにより、過剰な液体を排出し、カソードへの逆流を防止して燃料電池の発電効率の低下を防止できる。
【００１９】
本発明の第６の発明は、第５の発明において、排出ポンプを、捕集部と接続し、保水体で保水した液体を供給する構成を有する。これにより、回収した水を効率よく捕集部を経由して循環させ、最適な比率でアノードに燃料を供給できる。
【００２０】
本発明の第７の発明は、第１から第６の発明において、気液分離部の気液分離膜を第１気液分離膜、捕集部の気液分離膜を第２気液分離膜とし、気液分離部と捕集部を第２気液分離膜を介して接続して、捕集部で発生する気体と気液分離部で発生する気体を第１気液分離膜を介して排出する構成を有する。これにより、多量の液体が回収される捕集部の漏液を、第１気液分離膜と第２気液分離膜との２重構成により確実に防止できる。
【００２１】
本発明の第８の発明は、第７の発明において、第１気液分離膜の面積が、第２気液分離膜の面積より広い構成を有する。これにより、空気供給部から導入される小さい圧力でも確実に気体と水蒸気を排出するとともに、第１気液分離膜の圧力損失を低減し、十分な空気をカソードに供給することができる。
【００２２】
本発明の第９の発明は、第７の発明または第８の発明において、第１気液分離膜の通気度が、第２気液分離膜の通気度より高い構成を有する。これにより、捕集部で回収された液体を第２気液分離膜で確実に防止するとともに、第１気液分離膜での圧力損失を低減して空気をカソードに効率よく供給することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、同一部分には同一符号を付して説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの模式図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）の気液分離部９を詳細に説明する断面模式図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、アノード５ａとカソード５ｂを有する発電スタック５、アノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３、カソード５ｂに空気を供給する、例えば空気ポンプからなる空気供給部６、アノード５ａから排出される気液混合液体を回収する捕集部８およびカソード５ｂから排出される気液混合流体を分離回収する気液分離部９で構成されている。ここで、燃料供給部３は、例えばメタノールなどの燃料を保管する燃料タンク１と、燃料タンク１から燃料を発電スタック５のアノード５ａのアノード入口１０に供給する燃料ポンプ２から構成されている。捕集部８は、液体回収部８ａと気液分離膜８ｂから構成され、発電スタック５のアノード５ａでの反応によりアノード出口１２から排出される水、少量の燃料（メタノール）と二酸化炭素を気液分離膜８ｂで分離し、少なくとも二酸化炭素は外部へ排気している。このとき、燃料タンク１内の燃料が、例えば発電スタック５に最適な比率でメタノールと水が混合されていない場合、捕集部８の液体回収部８ａの液体を燃料ポンプ２に循環して、例えば燃料ポンプ２で燃料と最適な比率で混合してアノード５ａに供給する。なお、燃料タンク１の燃料が、最適な比率で混合されて供給される場合には、捕集部８の液体回収部８ａの液体を循環させなくてもよく、液体を回収して廃棄する構成としてもよい。
【００２６】
また、空気ポンプなどからなる空気供給部６から、発電スタック５のカソード入口１１に空気などが供給され、カソード５ｂにおいて反応式（２）にしたがって反応する。その後、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を気液分離部９に導入し、少なくとも水と空気などの気体に分離して、それぞれ排出する構成である。このとき、設置位置が固定されないモバイル機器の用途においては、排出された水を回収タンク（図示せず）で回収して廃棄する構成としてもよい。設置位置が固定される用途においては、燃料電池システム１００より下方に排出する構成としてもよい。さらに、後述するように、燃料供給部３の燃料ポンプ２や捕集部８の液体回収部８ａと接続し、これらに水を供給する構成としてもよい。
【００２７】
以下、本実施の形態の発明のポイントである気液分離部９について、図１（ｂ）を用いて詳細に説明する。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、気液分離部９は、カソードから排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を導入する導入口９ａと、水などを排出する排出口９ｂおよび、導入口９ａから導入される水蒸気や水を、例えば液化などして、捕獲する保水体９ｃで構成されている。さらに、気液分離部９の一部には、捕獲されなかった水蒸気や空気を排気する、例えば網目構造の開口部９ｄを設けている。ここで、保水体９ｃは、例えば多孔質のセラミック体や繊維質のフェルト体などの吸水性に優れた材料で構成され、水蒸気や水を捕獲して保水する。そして、保水体９ｃで保水できない水分は排出口９ｂから排出される。
【００２９】
なお、図１（ｂ）では、開口部９ｄが気液分離部９の鉛直上方に設けられているように示しているが、燃料電池システムの用途や設置位置により、必ずしもこの方向に設けられるものではない。例えば、開口部９ｄが気液分離部９の側面に設けられる場合もある。
【００３０】
本実施の形態によれば、保水体で水蒸気などを吸収して保水するため、熱交換器などを必要としない。その結果、小型の燃料電池システム１００を実現できる。また、気液分離部９内からカソード出口１３に水が逆流して、空気の流れを阻害することがないため、安定したカソードでの反応により信頼性の高い燃料電池システムを実現できる。さらに、保水体で水蒸気などを吸収して保水するため、気液分離部の設置場所が、特に重力による落下で水を回収する場合のような場所に制限されない。そのため、例えば発電スタックと同じ平面上に気液分離部を設けることにより、薄型化が容易となる。
【００３１】
以下に、本発明の実施の形態１における気液分離部の構成の別の例について、図２を用いて説明する。
【００３２】
図２は、図１（ａ）の気液分離部９の別の例の気液分離部１９の構成を示す断面模式図である。
【００３３】
図２に示すように、気液分離部１９は、気液分離膜９ｅをさらに設けている点で、図１（ｂ）の気液分離部９とは異なる。
【００３４】
すなわち、図２に示すように、気液分離膜９ｅにより導入口９ａから導入された水蒸気の一部が保水体９ｃ以外の気液分離部１９の壁面で結露する結露液９ｆが漏液することを気液分離膜９ｅにより防止するものである。これにより、燃料電池システムの設置位置や部品配置構成の自由度が向上する。
【００３５】
また、気液分離膜９ｅで水蒸気を結露させ、気液分離膜９ｅを透過して外部に排気される水蒸気の量を大幅に低減できる。これにより、排気される水蒸気の外部での結露を未然に防止し、燃料電池システムを用いた機器や装置の信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
ここで、気液分離膜９ｅとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシート、またはこれらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。
【００３７】
本実施の形態によれば、気液分離部に気液分離膜を設けることにより、さらに漏水や漏液および水蒸気などの排出を低減できる燃料電池システム１００を実現できる。
【００３８】
（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム２００の模式図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）の気液分離部を詳細に説明する断面模式図である。なお、図１（ａ）と同じ構成要素には同じ符号を付し説明する。また、実施の形態１で説明した気液分離部１９を例に説明する。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、燃料電池システム２００は、アノード５ａとカソード５ｂを有する発電スタック５、アノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３、カソード５ｂに空気を供給する、例えば空気ポンプからなる空気供給部６、アノード５ａから排出される気液混合液体を回収する捕集部８およびカソード５ｂから排出される気液混合流体を分離回収する気液分離部１９で構成されている。ここで、燃料供給部３は、例えばメタノールなどの燃料を保管する燃料タンク１と、燃料タンク１から燃料を発電スタック５のアノード５ａのアノード入口１０に供給する燃料ポンプ２から構成されている。捕集部８は、液体回収部８ａと気液分離膜８ｂから構成され、発電スタック５のアノード５ａでの反応によりアノード出口１２から排出される水、少量の燃料（メタノール）と二酸化炭素を気液分離膜８ｂで分離し、少なくとも二酸化炭素は外部へ排気している。このとき、燃料タンク１内の燃料が、発電スタック５で最適な比率で、例えばメタノールと水が混合されていない場合、捕集部８の液体回収部８ａの液体を燃料ポンプ２に循環して、例えば燃料ポンプ２で燃料と最適な比率で混合してアノード５ａに供給する。なお、燃料タンク１の燃料が、最適な比率で混合されて供給される場合には、捕集部８の液体回収部８ａの液体を循環させなくてもよく、液体を回収して廃棄する構成としてもよい。
【００４０】
また、空気ポンプなどからなる空気供給部６から、発電スタック５のカソード入口１１に空気などが供給され、カソード５ｂにおいて反応式（２）にしたがって反応する。その後、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を気液分離部１９に導入し、少なくとも水と空気などの気体に分離する。
【００４１】
ここで、気液分離部１９は、図３（ｂ）に示すようにカソードから排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体を導入する導入口９ａと、水などを排出する排出口９ｂおよび、導入口９ａから導入される水蒸気や水を、捕獲する保水体９ｃで構成されている。さらに、気液分離部１９の一部には、捕獲されなかった水蒸気を捕獲し、空気と分離して排気する、気液分離膜９ｅを備えている。
【００４２】
以下、本実施の形態の発明のポイントである排出ポンプを備える燃料電池システム２００について、図３を用いて説明する。
【００４３】
すなわち、図３に示すように、気液分離部１９の排出口９ｂと捕集部８の液体回収部８ａを排出ポンプ１５を介して接続し、気液分離部１９の保水体９ｃに保水された水を液体回収部８ａに、必要に応じて供給する構成としたものである。ここで、排出ポンプ１５として、例えば圧電体や静電力を用いたダイアフラム方式のポンプを用いることができる。
【００４４】
本実施の形態によれば、燃料や水などを密閉系とした燃料電池システムとすることができるため、漏液が生じにくく、設置位置や配置位置が制限されない設計自由度の優れた燃料電池システムを実現できる。また、気液分離部で、例えば保水体で保水しきれない量の液体が生じても、排出ポンプで強制的に液体回収部に移動できるので、さらに気液分離部の液体のカソードへの逆流による発電性能の低下を防止できる。
【００４５】
以下、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成の別の例について、図４を用いて説明する。
【００４６】
図４に示すように、気液分離部１９と燃料供給部３の燃料ポンプ２とを接続し、気液分離部１９で保水された水を燃料ポンプ２で吸い出す構成とした点で、図３とは異なる。すなわち、図３（ａ）の排出ポンプ１５を、燃料供給部３の燃料ポンプ２で兼用したものである。
【００４７】
本実施の形態によれば、上記と同様の効果が得られるとともに、排出ポンプを別途設ける必要がないため、さらに小型化や薄型化した燃料電池システム３００を実現できる。
【００４８】
（実施の形態３）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態３における燃料電池システム４００の模式図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）の一体化気液分離部を詳細に説明する断面模式図である。なお、図１（ａ）と同じ構成要素には同じ符号を付し説明する。ここで、一体化気液分離部とは、アノードから排出される気液を分離する捕集部とカソードから排出される気液を分離する気液分離部を一体化した構成からなる。
【００４９】
まず、図５（ａ）に示すように、燃料電池システム４００は、アノード５ａとカソード５ｂを有する発電スタック５、アノード５ａに燃料を供給する燃料供給部３、カソード５ｂに空気を供給する、例えば空気ポンプからなる空気供給部６およびアノード５ａから排出される気液混合液体を回収する捕集部８とカソード５ｂから排出される気液混合流体を分離回収する気液分離部１９とからなる一体化気液分離部３０で構成されている。ここで、燃料供給部３は、例えばメタノールなどの燃料を保管する燃料タンク１と、燃料タンク１から燃料を発電スタック５のアノード５ａのアノード入口１０に供給する燃料ポンプ２から構成されている。
【００５０】
また、空気ポンプなどからなる空気供給部６から、発電スタック５のカソード入口１１に空気などが供給され、カソード５ｂにおいて反応式（２）にしたがって反応する。その後、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体が一体化気液分離部３０に導入される。
【００５１】
以下、本実施の形態の発明のポイントである一体化気液分離部３０について、図５（ｂ）を用いて説明する。
【００５２】
図５（ｂ）に示すように、一体化気液分離部３０は、少なくとも液体回収部８ａと第２気液分離膜１８ｂからなる捕集部８と、少なくとも保水体９ｃと第１気液分離膜１９ｅからなる気液分離部１９から構成されている。そして、捕集部８と気液分離部１９は、捕集部８の第２気液分離膜１８ｂを介して接続されている。さらに、気液分離部１９の保水体９ｃで保水された液体を捕集部８の液体回収部８ａに供給するように排出ポンプ１５を介して気液分離部１９の排出口９ｂと接続されている。
【００５３】
そして、一体化気液分離部３０は、捕集部８において、発電スタック５のアノード５ａでの反応によりアノード出口１２から排出される水、少量の燃料（メタノール）と二酸化炭素が導入口１２ａから導入され、水や少量の燃料が液体回収部８ａで回収され、必要に応じて排出口１２ｂから燃料ポンプ２に供給される。同時に、捕集部８の第２気液分離膜１８ｂで二酸化炭素が分離され、気液分離部１９に注入される。
【００５４】
また、気液分離部１９において、カソード出口１３から排出される、主に水蒸気と空気や少量の水（液体）からなる気液混合流体が気液分離部１９に導入され、保水体９ｃで少なくとも水と空気などの気体が分離される。そして、分離された保水体９ｃに保水された液体は排出口９ｂと排出ポンプ１５を介して液体回収部８ａに供給される。同時に、空気などの気体は第１気液分離膜１９ｅを介して外部に排出される。つまり、捕集部８の液体回収部８ａで多量に保有される液体は、第１気液分離膜１９ｅと第２気液分離膜１８ｂとにより２重に漏液などが防止される。
【００５５】
ここで、第１気液分離膜１９ｅおよび第２気液分離膜１８ｂとしては、撥水性樹脂材料を多孔質膜に形成した、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシート、またはこれらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。
【００５６】
なお、第１気液分離膜の面積は、第２気液分離膜の面積より広い方が好ましい。これにより、空気供給部から小さい圧力での空気の供給を可能とし、効率よく気体を外部に放出できる。また、燃料ポンプから高い圧力で排出される二酸化炭素などによる圧力を分散して小さくし、気液分離部１９の導入口９ａから逆流することを防止できる。
【００５７】
また、第１気液分離膜の通気度は、第２気液分離膜の通気度より高い方が望ましい。具体的には、第２気液分離膜の通気度は、ＪＩＳ Ｐ ８１１７ ガーレー試験法で測定した場合、１２ｓｅｃ／１００ｍｌ以下の範囲が好ましく、第１気液分離膜の通気度は、１０ｓｅｃ／１００ｍｌ以下の範囲が好ましい。これにより、捕集部８の液体回収部８ａの液体の漏液を確実に防止できる。
【００５８】
本実施の形態によれば、多量の液体が回収される捕集部からの漏液を、第１気液分離膜と第２気液分離膜との２重の構成により、確実に防止し信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
【００５９】
なお、気液分離膜に撥水性を付与することが好ましい。具体的には、気体の透過性を高めつつ液体の透過性を抑制するために、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂材料を多孔質体膜に形成したシート、またはこれらフッ素樹脂材料をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートなどが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の燃料電池システムは、メタノール、ジメチルエーテルなどの燃料を水素に改質せずに燃料として直接用い、かつ任意の設置位置で利用される携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートＰＣ、ビデオカメラなどの携帯用小型電子機器用の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における燃料電池システムの模式図（ｂ）図１（ａ）の気液分離部を詳細に説明する断面模式図
【図２】図１（ａ）の気液分離部の別の例の気液分離部の構成を示す断面模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における燃料電池システムの模式図（ｂ）図３（ａ）の気液分離部を詳細に説明する断面模式図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成の別の例を示す模式図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態３における燃料電池システムの模式図（ｂ）図５（ａ）の一体化気液分離部を詳細に説明する断面模式図
【図６】従来の循環型の燃料電池システムの一般的な構成を示す模式図
【符号の説明】
【００６２】
１ 燃料タンク
２ 燃料ポンプ
３ 燃料供給部
５ 発電スタック
５ａ アノード
５ｂ カソード
６ 空気供給部
８ 捕集部
８ａ 液体回収部
８ｂ，９ｅ 気液分離膜
９，１９ 気液分離部
９ａ，１２ａ 導入口
９ｂ，１２ｂ 排出口
９ｃ 保水体
９ｄ 開口部
９ｆ 結露液
１０ アノード入口
１１ カソード入口
１２ アノード出口
１３ カソード出口
１５ 排出ポンプ
１８ｂ 第２気液分離膜
１９ｅ 第１気液分離膜
３０ 一体化気液分離部
１００，２００，３００，４００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電スタックと、前記発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給部と、
前記発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給部と、前記カソードで発生した水および水蒸気と前記カソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離部に保水体を設け、前記保水体で前記気液混合流体から前記カソードで発生した水と水蒸気を保水することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離部に、前記水および水蒸気と前記気体とを分離し、前記気体を排出する気液分離膜をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電スタックのアノードの排出側に、前記発電スタックの前記アノードで発生する気液混合液体を回収するとともに、前記気液混合液体から気体と液体を分離する気液分離膜を備える捕集部を設け、前記液体を前記燃料供給部に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記気液分離部を前記燃料供給部と接続し、前記保水体で保水した液体を前記燃料供給部に供給すること特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記気液分離部に排出ポンプを設け、前記保水体で保水した液体を排出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出ポンプを、前記捕集部と接続し、前記保水体で保水した液体を供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記気液分離部の気液分離膜を第１気液分離膜、前記捕集部の前記気液分離膜を第２気液分離膜とし、
前記気液分離部と前記捕集部を前記第２気液分離膜を介して接続して、前記捕集部で発生する気体と前記気液分離部で発生する気体を前記第１気液分離膜を介して排出することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１気液分離膜の面積が、前記第２気液分離膜の面積より広いことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１気液分離膜の通気度が、前記第２気液分離膜の通気度より高いことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
発電スタックと、前記発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給部と、
前記発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給部と、前記カソードで発生した水および水蒸気と前記カソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離部に保水体を設け、前記保水体で前記気液混合流体から前記カソードで発生した水と水蒸気を保水することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離部に、前記水および水蒸気と前記気体とを分離し、前記気体を排出する気液分離膜をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電スタックのアノードの排出側に、前記発電スタックの前記アノードで発生する気液混合液体を回収するとともに、前記気液混合液体から気体と液体を分離する気液分離膜を備える捕集部を設け、前記液体を前記燃料供給部に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記気液分離部を前記燃料供給部と接続し、前記保水体で保水した液体を前記燃料供給部に供給すること特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記気液分離部に排出ポンプを設け、前記保水体で保水した液体を排出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出ポンプを、前記捕集部と接続し、前記保水体で保水した液体を供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記気液分離部の気液分離膜を第１気液分離膜、前記捕集部の前記気液分離膜を第２気液分離膜とし、
前記気液分離部と前記捕集部を前記第２気液分離膜を介して接続して、前記捕集部で発生する気体と前記気液分離部で発生する気体を前記第１気液分離膜を介して排出することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１気液分離膜の面積が、前記第２気液分離膜の面積より広いことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１気液分離膜の通気度が、前記第２気液分離膜の通気度より高いことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３１１１６６（Ｐ２００８−３１１１６６Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５９７９７（Ｐ２００７−１５９７９７）
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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