JP2008130423A - Vapor/liquid separator and fuel cell using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vapor/liquid separator capable of separating the vapor from the liquid more efficiently, and to provide a fuel cell using it. <P>SOLUTION: A heat generating body such as a catalyst is installed at the inner wall 100b of a cabinet 100 and the outer wall 101b of a case 101. By installing the catalyst to react gas components discharged from a vapor/liquid separating membrane 102 via an exhaust port 101a, temperature in the case 101 can be raised by reaction heat generated by heat generating reaction of the catalyst. Since the case 101 is positioned so as to be surrounded by the cabinet 100, the heat generated in the cabinet 100 is efficiently transferred to the case 101. By raising the temperature in the case 101 by the reaction heat generated by the heat generation of the catalyst, the amount of saturated steam is increased, and agglomeration of water in the case 101 can be suppressed. Since the agglomeration of water is suppressed, it is prevented that efficiency of vapor/liquid separation is reduced due to the fact that water is adhered to the vapor/liquid separating membrane 102. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に気液分離器に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a gas-liquid separator.

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。   At present, secondary batteries such as lithium ion batteries are mainly used as power sources for portable electronic devices such as notebook personal computers and mobile devices. In recent years, a small fuel cell with high output and no need for charging has been expected as a new power source due to an increase in power consumption accompanying the enhancement of functions of these electronic devices and a request for longer use. There are various types of fuel cells. In particular, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using a methanol solution as a fuel is easier to handle than a fuel cell using hydrogen as a fuel. And the system is simple. Since DMFC can reuse unused fuel discharged during power generation for power generation again, it is suitable as a power source for electronic devices that are compact and require long-time operation.

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。   In the fuel cell, a liquid fuel such as a methanol solution and air are supplied to the stack for power generation. Carbon dioxide and moist air generated in the power generation reaction and liquid fuel that has not been used in the power generation reaction are circulated in the fuel cell system, and the gas contained in the liquid is separated by the gas-liquid separation mechanism and discharged as a gas. Is done.

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。
特開2005−183014号公報
As a technique for separating a gas in a liquid, for example, one described in Patent Document 1 can be cited. Patent Document 1 discloses a gas-liquid separation member that selectively permeates a gas component in the discharge as a filter for removing harmful substances contained in the discharge from the electrode, and a gas component that has passed through the gas-liquid separation member. A filter having a catalyst portion for oxidative combustion is disclosed. The exhaust gas can be prevented from leaking outside through a path other than the catalyst portion, and harmful substances generated and discharged in the power generation reaction of the fuel cell can be purified.
JP 2005-183014 A

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。   However, in the case of the above-described method, since the gas-liquid separation member and the filter that removes harmful substances are adjacent to each other, condensed liquid may adhere to the gas-liquid separation member, which may reduce the gas-liquid separation efficiency. .

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a gas-liquid separator capable of separating gas and liquid more efficiently and a fuel cell using the same.

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。   In order to achieve the above object, a gas-liquid separator according to the present invention is provided with a casing, a first pipe for introducing a fluid into the casing, and provided in the casing and introduced from the first pipe. A gas-liquid separation membrane that separates the fluid into gas and liquid; a second pipe that discharges the liquid separated by the gas-liquid separation membrane to the outside of the housing; and the gas-liquid separation provided in the housing. A case surrounding the film and a heating element provided in the housing are provided.

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。   In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention includes a tank that stores liquid fuel, an anode and a cathode, and an electromotive unit that performs a chemical reaction between the liquid fuel and oxygen to generate power. A pipe through which the discharged fluid discharged from the electric part flows to the tank; and a gas-liquid separator provided on the pipe. The gas-liquid separator introduces a fluid into the casing and the casing. A first pipe, a gas-liquid separation membrane provided in the casing and separating the fluid introduced from the first pipe into a gas and a liquid; and the liquid separated by the gas-liquid separation film. A second pipe for discharging outside the body, a case provided in the casing and surrounding the gas-liquid separation membrane, and a heating element provided in the casing are provided.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas-liquid separator which can isolate | separate gas and liquid more efficiently and a fuel cell using the same can be provided.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an external perspective view showing a fuel cell device according to the present invention. FIG. 2 is an external perspective view showing a state in which the fuel cell device is connected to a notebook computer.

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。   The fuel cell 1 is used as an external power source of the notebook computer 10, for example. This fuel cell 1 is a direct methanol fuel cell (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell). Electric power is generated by using a premixed liquid in which methanol and water are mixed as a fuel and chemically reacting the premixed liquid with oxygen in the air and an electrolyte membrane. This DMFC is easier to handle than a fuel cell using hydrogen as a fuel, and the entire apparatus can be reduced in size.

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。   The fuel cell 1 has a main body 11 formed in a substantially rectangular parallelepiped and a mounting portion 12 extending flat along the bottom of the main body 11. A large number of ventilation holes 11 a are formed in the wall portion of the main body 11. A power generation unit, which will be described later, is housed inside the main body 11. A part of the main body 11 is formed to be removable as a cover 11b. A fuel tank described later is placed in a portion of the main body 11 from which the cover 11b is removed.

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。   The placement unit 12 is formed so as to be dockable with the rear part of the notebook computer 10. A control unit, which will be described later, is provided inside the mounting unit 12. The control unit controls the operation of the power generation unit. On the upper surface of the mounting portion 12, a lock mechanism 13 for connecting the notebook computer 10 and a connector 14 for supplying power from the fuel cell 1 to the notebook computer 10 are provided.

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。   The lock mechanisms 13 are arranged at three places on the placement portion 12 and each include a positioning protrusion 13a and a hook 13b. An engagement hole connected to the lock mechanism 13 and a socket connected to the connector 14 are provided on the bottom surface of the rear portion of the notebook computer 10.

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。   When the notebook computer 10 is pressed against the placement unit 12, the lock mechanism 13 is inserted into the engagement hole of the notebook computer 10. The notebook computer 10 is held on the placement unit 12 by the hook 13b. As a result, the socket of the notebook computer 10 is electrically connected to the connector 14. In this state, when the switch provided in the main body 11 is turned on, the fuel cell 1 starts power generation.

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。   The placement unit 12 further includes an eject button 15. When the eject button 15 is pressed, the hook 13b of the lock mechanism 13 is released, and the notebook computer 10 can be detached from the fuel cell 1.

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。   FIG. 3 is a system diagram of a fuel cell power generation system. FIG. 4 is a diagram schematically showing the cell structure of the power generation unit. The fuel cell 1 includes a power generation unit 20 and a control unit 21 that controls the operation of the fuel cell 1. In addition to controlling the power generation unit 20, the control unit 21 has a function as a communication control unit that communicates with the notebook computer 10. The power generation unit 20 is provided in the main body 11, and the control unit 21 is provided in the placement unit 12.

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。   The power generation unit 20 includes a stack 22 serving as a center for generating power, and a fuel cartridge 23 that stores methanol serving as fuel. The stack 22 functions as a power generation unit that generates power by a chemical reaction. The fuel cartridge 23 is sealed with high-concentration methanol. The fuel cartridge 23 is detachable so that it can be easily replaced when the fuel is consumed.

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。   The power generation unit 20 includes a liquid channel for flowing fuel and other fluids, and a gas channel for flowing air and other gases. The liquid flow path includes a fuel pump 24 connected to the output portion of the fuel cartridge 23, a mixing tank 25 connected to the output portion of the fuel pump 24 via the piping, and a feed connected to the output portion of the mixing tank 25. A liquid pump 26 is provided. The output part of the liquid feed pump 26 is connected to the anode (fuel electrode) 27 of the stack 22 via a pipe 91. The pipe 91 defines a flow path for sending an aqueous methanol solution from the mixing tank 25 to the stack 22.

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。   An ion filter 28 is provided in the pipe 91 between the liquid feed pump 26 and the stack 22. The output portion of the mixing tank 25 is connected to an anode (fuel electrode) 27 via a liquid feed pump 26 and an ion filter 28. The ion filter 28 is realized by using, for example, a metal ion adsorbing substance, and adsorbs metal ions contained in an aqueous methanol solution sent out from the mixing tank 25 toward the stack 22 via the pipe 91, so that the metal from the aqueous methanol solution is adsorbed. Remove the ions.

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。   The output part of the anode 27 is connected to the input part of the mixing tank 25 via a pipe 92. A gas-liquid separation structure 29 is provided between the anode 27 and the mixing tank 25 on the pipe 92. The pipe 92 defines a flow path for returning the liquid discharged from the anode 27 of the stack 22, that is, an unreacted aqueous methanol solution that has not been used in the chemical reaction, to the mixing tank 25. In addition, the carbon dioxide generated with the power generation reaction is vaporized by the gas-liquid separator 29. The vaporized carbon dioxide passes through the exhaust filter 60 together with the moist air via the pipe 94a, and is finally exhausted to the outside from the exhaust port 58.

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。   In order to cool the liquid collected in the mixing tank 25 on the pipe 92, a fin or fan for heat dissipation may be provided as necessary.

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。   On the other hand, an intake port 50 and an air supply pump 51 are provided in the gas flow path. An air supply pump 51 is connected to a cathode (air electrode) 53 of the stack 22 through a pipe 93 in which an air supply valve 52 is disposed. The condenser 54 is connected to the output part of the cathode 53 via the pipes 94a and 94b. The output portion of the mixing tank 25 is connected to the condenser 54 via a pipe 94a in which the mixing tank valve 59 is disposed. The condenser 54 is connected to an exhaust port 58 via an exhaust valve 57. The condenser 54 and the exhaust valve 57 are connected via pipes 96 and 98, and an exhaust filter 60 is provided between the condenser 54 and the exhaust valve 57.

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。   The condenser 54 functions as a cathode cooling unit that cools the exhaust fluid (water vapor, water) discharged from the output unit of the cathode 53. The condenser 54 includes fins (not shown) and effectively condenses the water vapor. A cooling fan 55 is disposed opposite to the condenser 54. By the cooling by the condenser 54, the water vapor is solidified, and the temperature of the water discharged from the output part of the cathode 53 is also lowered. Thereby, the temperature of the water flowing from the water recovery tank 56 through the pipe 96 becomes about 45 ° C to 50 ° C.

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。   As will be described in detail later, carbon dioxide is generated on the anode 27 side of the power generation unit 20 and water (water vapor) is generated on the cathode 53 side in accordance with the power generation reaction. The carbon dioxide generated on the anode 27 side and the methanol solution that has not been subjected to the chemical reaction are separated into gas and liquid by the gas-liquid separation structure 29.

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。   Next, the power generation mechanism of the power generation unit 20 in the fuel cell 1 will be described along the flow of fuel and air (oxygen). As shown in FIG. 4, first, the high-concentration methanol in the fuel cartridge 23 is supplied to the mixing tank 25 by the fuel pump 24. Inside the mixing tank 25, the high-concentration methanol is mixed with the recovered water, low-concentration methanol (remaining power generation reaction) from the anode 27, etc., and diluted to produce a low-concentration methanol aqueous solution. The concentration of the low-concentration methanol aqueous solution is controlled so as to maintain a high power generation efficiency concentration, for example, 3 to 6%. This concentration control is realized, for example, by the control unit 21 of the fuel cell 1 controlling the amount of high concentration methanol supplied to the mixing tank 25 by the fuel pump 24 based on the detection result of the concentration sensor 62. Alternatively, it can be realized by controlling the amount of water circulating in the mixing tank 25 by the water recovery pump 63 or the like.

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。   The mixing tank 25 is provided with a liquid amount sensor 64 that detects the amount of the aqueous methanol solution in the mixing tank 25 and a temperature sensor 65 that detects the temperature. The detection results of these sensors are sent to the control unit 21 to generate power. Used for controlling the unit 20 and the like.

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。   The aqueous methanol solution diluted in the mixing tank 25 is pumped to the stack 22 via the pipe 91 by the liquid feed pump 26 and injected into the anode 27. The aqueous methanol solution from the feed pump 26 is sent to the anode 27 of the stack 22 after the metal ions are removed by the ion filter 28. As shown in FIG. 4, at the anode 27, electrons are generated by the oxidation reaction of methanol. Hydrogen ions (H +) generated by the oxidation reaction pass through the solid polymer electrolyte membrane 70 in the stack 22 and reach the cathode 53.

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。   Air (oxygen) is taken in from the intake port 50 by an air supply pump 51 that constitutes an air supply unit, pressurized, and then supplied from an air supply valve 52 to a cathode (air electrode) 53 of the stack 22 via a pipe 93. Supplied. At the cathode 53, the reduction reaction of oxygen (O2) proceeds, and water (H2O) is vaporized from electrons (e-) from an external load, hydrogen ions (H +) and oxygen (O2) from the anode 27. Is generated as This water vapor is discharged from the cathode 53 and enters the condenser 54. In the condenser 54, the water vapor is cooled by the cooling fan 55 to become water (liquid), and is temporarily accumulated in the water recovery tank 56. The recovered water is circulated to the mixing tank 25 by the water recovery pump 63 to constitute a circulation system for diluting the high-concentration methanol.

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。   Carbon dioxide produced by the oxidation reaction performed at the anode 27 is introduced into the gas-liquid separation structure 29 together with the methanol aqueous solution that has not been subjected to the reaction. The carbon dioxide separated by the gas-liquid separation structure 29 passes through the pipe 94 a and joins with the pipe 94 b from the cathode 53 and travels toward the condenser 54. The humid air that remains without being condensed by the condenser 54 is introduced into the pipe 96. Since the methanol component contained in the gas discharged from the stack 22 must be cleaned, detoxified, and released, the exhaust filter 60 is provided on the downstream side of the stack 22. The gas rendered harmless by the exhaust filter 60 is discharged from the exhaust port 58 to the outside of the fuel cell 1. The separated methanol aqueous solution is refluxed to the mixing tank 25 through the pipe 92.

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。   FIG. 5 is a top view showing the configuration of the gas-liquid separator according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the gas-liquid separator according to the embodiment of the present invention. The gas-liquid separator 29 includes a housing 100, and a case 101 is provided in the housing 100. A pipe 92 is passed through the casing 100 and the case 101, and a gas-liquid separation membrane 102 is provided in the pipe 92 within the case 101. The gas-liquid separation membrane 102 is made of a material that allows gas to pass through, and is made of a porous polymer material such as polyamide, polysulfone, or polyimide.

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。   The fluid introduced into the case through the pipe 92 is separated into liquid and gas by the gas-liquid separation membrane 102. The case 101 includes an exhaust pipe 101 a that discharges the gas separated by the gas-liquid separation membrane 102 to the outside of the case 101. The gas discharged from the exhaust pipe 101 a is discharged out of the casing 100 through the exhaust pipe 100 a provided in the casing 100. A pump may be provided on the exhaust pipe 100a so that the gas separated by the gas-liquid separation membrane 102 can be easily discharged out of the housing 100 by the pump.

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。   The gas-liquid separation membrane 102 separates the liquid and gas in the fluid flowing in the pipe 92 using the pressure difference in the pipe 92 and the pressure in the case 101, and the gas in the pipe 92 is separated from the gas-liquid separation membrane 102. Release outside. When the temperature in the housing 100 or the case 101 decreases, the separation gas may aggregate and liquefy, and the liquefied water may cover the gas-liquid separation membrane 102. If the liquefied water covers the gas-liquid separation membrane 102, the gas permeability is lowered and the efficiency of gas-liquid separation may be reduced. Therefore, it is necessary to prevent liquefaction due to aggregation as much as possible.

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。   In the present embodiment, the casing 100 is provided with an introduction pipe 103a, and air is introduced into the case 101 via a pump or the like. By introducing air into the case 101, the amount of saturated water vapor in the case 101 increases, and liquefaction due to aggregation is less likely to occur.

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。   Further, a heating element such as a catalyst can be provided on the inner wall 100 b of the housing 100 and the outer wall 101 b of the case 101. Examples of the material used for the catalyst include metal catalysts represented by platinum, ruthenium, palladium, and nickel. By providing a catalyst that reacts with the gas component discharged from the gas-liquid separation membrane 102 through the exhaust port 101a, the temperature in the case 101 can be raised by the reaction heat generated by the exothermic reaction of the catalyst. By increasing the temperature in the case 101, the amount of saturated water vapor can be increased and water aggregation in the case 101 can be suppressed. In addition to providing a solid catalyst on the inner wall 100b of the casing or the outer wall 101b of the casing 101, a particulate catalyst may be filled in a region surrounded by the casing 100 and the casing 101. In the present embodiment, since the case 101 is positioned so as to be surrounded by the casing 100, the heat generated in the casing 100 is efficiently transferred to the case 101.

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。   FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the gas-liquid separator 29 according to the embodiment of the present invention. A temperature sensor 120 and a humidity sensor 121 may be provided on the outer wall of the case 101 and the inner wall of the housing 100. The temperature sensor 120, the humidity sensor 121, the first pump 122 and the second pump 123 provided in the gas-liquid separator 29 are connected to the control unit 21 and controlled by the control unit 21. The first pump 122 connected to the exhaust pipe 100a and the second pump 123 connected to the introduction pipe 103 are controlled according to the detection results of the temperature sensor 120 and the humidity sensor 121. By controlling the first pump 122 and the second pump 123, the amount of air discharged from the exhaust pipe 100a or introduced from the introduction pipe 103 is adjusted, and the amount of air in the casing 100 or the case 101 is increased. It is also possible to prevent the humidity gas from staying.

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。   FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a gas-liquid separator according to another embodiment of the present invention. A water receiver 110 can be provided in the casing 100 of the gas-liquid separator 29. The water receiver 110 is inserted from the insertion port 100 c of the housing 100, and is installed so that the water receiving surface 112 surrounded by the frame 111 is positioned below the opening 101 d provided on the bottom surface 101 c of the case 101. It is desirable to lay a water absorbing material on the water receiving surface 112. By providing the water receiver 110, the water agglomerated in the case 101 is absorbed by the water absorbing material and collected. By providing the water receiver 110, it is possible to prevent moisture from adhering to the gas-liquid separation membrane 102 due to the inclination of the casing 100 or the like.

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。   As described above, when the present invention is implemented, a gas-liquid separator capable of separating gas and liquid more efficiently and a fuel cell using the same can be provided.

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。   The present invention is not limited to the above embodiment as long as it does not depart from the gist of the present invention, and various modifications are possible.

本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。1 is an external perspective view showing a fuel cell device according to the present invention. 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。The external appearance perspective view which shows the state which connected the fuel cell apparatus to the notebook computer. 燃料電池の発電システムの系統図。The system diagram of the power generation system of a fuel cell. 発電部のセル構造を模式的に示した図。The figure which showed typically the cell structure of the electric power generation part. 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。The top view which shows the structure of the gas-liquid separator which concerns on embodiment of this invention. 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。The perspective view which shows the structure of the gas-liquid separator which concerns on embodiment of this invention. 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。The block diagram which shows the structure of the gas-liquid separator which concerns on embodiment of this invention. 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。The perspective view which shows the structure of the gas-liquid separator which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... Notebook computer, 11 ... Main body, 11a ... Air hole, 11b ... Cover, 12 ... Mounting part, 13 ... Locking mechanism, 13a ... Projection, 13b ... Hook, 14 ... Connector, 15 ... Eject Button, 20 ... Power generation unit, 21 ... Control unit, 22 ... Stack, 23 ... Fuel cartridge, 24 ... Fuel pump, 25 ... Mixing tank, 26 ... Liquid feed pump, 27 ... Anode, 28 ... Ion filter, 29 ... Gas-liquid Separator 50 ... Inlet port, 51 ... Air supply pump, 52 ... Air supply valve, 53 ... Cathode, 54 ... Condenser, 55 ... Cooling fan, 56 ... Water recovery tank, 57 ... Exhaust valve, 58 ... Exhaust port, 59 ... Mixing tank valve, 60 ... Exhaust filter, 61 ... Temperature sensor, 62 ... Concentration sensor, 63 ... Water recovery pump, 64 ... Liquid quantity sensor, 65 ... Temperature sensor, 70 ... Solid high Child electrolyte membrane, 100 ... housing, 101 ... Case, 102 ... gas-liquid separation membrane, 102 ... Case, 120 ... temperature sensor, 121 ... temperature sensor, 122 ... first pump, 123 ... second pump

Claims (10)

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。
A housing,
A first pipe for introducing a fluid into the housing;
A gas-liquid separation membrane provided in the housing and separating a fluid introduced from the first pipe into a gas and a liquid;
A second pipe for discharging the liquid separated by the gas-liquid separation membrane to the outside of the housing;
A case provided in the housing and surrounding the gas-liquid separation membrane;
A heating element provided in the housing;
A gas-liquid separator comprising:
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。   The gas-liquid separator according to claim 1, wherein the heating element is provided on an inner wall of the casing. 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。   The gas-liquid separator according to claim 1, wherein the heating element is provided on an outer wall of the case. 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。   The gas-liquid separator according to claim 1, wherein a catalyst is provided in a region surrounded by the case and the case in the case. 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。
The case has an opening on the bottom;
The gas-liquid separator according to claim 1, further comprising a water absorbing material provided to face the opening.
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。
A tank containing liquid fuel;
An electromotive unit having an anode and a cathode, and generating electricity by chemically reacting the liquid fuel and oxygen;
A pipe through which discharged fluid discharged from the electromotive section flows to the tank;
A gas-liquid separator provided on the pipe,
The gas-liquid separator is
A housing,
A first pipe for introducing a fluid into the housing;
A gas-liquid separation membrane provided in the housing and separating a fluid introduced from the first pipe into a gas and a liquid;
A second pipe for discharging the liquid separated by the gas-liquid separation membrane to the outside of the housing;
A case provided in the housing and surrounding the gas-liquid separation membrane;
A heating element provided in the housing;
A fuel cell comprising:
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。   The fuel cell according to claim 6, wherein the heating element is provided on an inner wall of the casing. 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。   The fuel cell according to claim 6, wherein the heating element is provided on an outer wall of the case. 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。   The fuel cell according to claim 6, wherein a catalyst is provided in a region surrounded by the casing and the case in the casing. 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。
The case has an opening on the bottom;
The fuel cell according to claim 6, further comprising a water absorbing material provided to face the opening.
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