JP2017037847A - システム - Google Patents
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Abstract
【解決手段】分離器は、第1の側および第2の側を備え、第1の側から第2の側へ泡または泡相が移動することを可能にするために分離器内に設けられた通流手段を有し、さらに、低表面エネルギーを有する少なくとも1つの泡接触表面と、少なくとも1つの分離された泡相を泡から回収する手段とを備える。泡低減装置は、低表面エネルギー材料を含み、低表面エネルギー材料の表面に沿って泡低減装置に泡が投入されたときにその泡と接触する手段を備える。この分離器および泡低減装置を独立してまたは組み合わせて効果的に使用して、泡をより効率的に破裂させ、気相と液相とを分離することができる。
【選択図】図3
Description
ice)および方法に関し、より詳細には、泡(foam)の気相と液相とを分離する分
離器および方法に関する。本発明は、特に燃料電池で使用されるが、泡の気相と液相とを
分離する必要があるその他の用途または泡の気相と液相とを分離することが望ましいその
他の用途においても有用であることがある。
プロセスにおいて処理液に気体が溶解したときに生じる。通常、溶解した気体は処理液の
一部として振舞うが、例えば圧力が解放されたときに、小さな気泡(bubble)とし
て溶液から気体が出てくることがある。これらの気泡は処理液の表面に浮上し、集合して
泡となる。
能上のいくつかの問題が生じうる。例えば、少し挙げただけでも、泡は、ポンプなどの機
器の効率を低下させ、ポンプおよび貯蔵タンクの容量を減らし、流体の効果を低減させ、
排液の際に問題となる。
る。この除去は通常、泡の液相から気相を分離することを含み、理想的には、これが、最
小限の電力消費量で迅速かつ効率的に実行される必要がある。
械的分離デバイスを使用する方法である。これらの技法は、かなりの量の電力を消費し、
ある種の産業または用途、例えば可搬用途または自動車用途ではこのことが問題となりう
る。可能な他の方法は、本出願人の同時係属の英国特許出願第1201246.4号に記
載されているものなどの螺旋分離器技術を使用する方法であり、この技術は、増強された
重力を利用して機械的分離をより少ない電力で達成する。しかしながら、少ない電力かつ
より小さな物理容積で分離効率を向上させる必要性は常に存在する。機械的分離だけに頼
ってこのことを達成するのは不可能である。
る方法である。液体膜や気泡の破裂における消泡剤の作用はよく知られており、よく利用
されている。泡界面、すなわち気相と液相の界面の破裂における消泡剤の仕組みは、消泡
剤の製剤法および剤形によって様々である。しかしながら、この仕組みは一般に、低表面
エネルギー表面または疎水性表面と液体膜との相互作用によって記述することができる。
このような低表面エネルギー表面は、低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料から粒子
を形成し、または低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料で粒子コーティングすること
によって形成することができる。粒子を形成しまたは粒子をコーティングすることができ
るこのような材料の例には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ハロゲン化され
た有機ポリマー、シリコーンポリマー、およびポリエチレン、ポリプロピレンなどの炭化
水素ポリマーが含まれる。約20mJ/m2の表面エネルギーを有するPTFEは非常に
有効な疎水性材料だが、適当な任意の疎水性材料を使用することができる。
に、接触角がヤングの式を満たすように位置する。ヤングの式は以下のように表現するこ
とができる。
γSL+γLGcos(θc)=γSG 式(1)
の間の界面張力であり、θcは接触角である。
に示されているように、これらの表面はそれぞれ気液界面である。図2Bは、この液体膜
の中に位置する消泡剤粒子を示す。疎水性消泡剤は、図2Cに示されているように、液体
膜との間に90°超の接触角を形成する。この液体との間には、図2Dに示されているよ
うに、膜の両方の表面に90°超の接触角が形成される。膜の疎水性のため、粒子は膜を
デウェット(de−wet)し、穴をあけ、膜を破り、気泡を破裂させる。次いで、消泡
剤粒子は重力の作用で次の界面まで落下し、この過程が繰り返される。これが、消泡剤が
機能する方法の一般的原理である。
ば空気混和プロセスまたは酸化プロセスでは一般に、消泡剤を上で述べたように使用する
ことはできない。泡は、気体と接触する液体の表面積を大きくし、液体の大きな表面積は
、気体が液体に吸収されまたは溶解するのを助けるため、このようなプロセスでは泡が有
用である。消泡剤は泡の形成を妨げるため、このようなプロセスにおいて消泡剤が存在す
ることは望ましくないであろう。しかしながら、それでも、泡が関係する特定のプロセス
が完了した後、次の処理ステップの前に、泡を除去することが望ましいことがある。した
がって代替の除去方法が必要となる。
バイスは知られている。独国特許出願公開第10323155A1号は、小滴またはエー
ロゾルの形態の液体を気体流から除去する分離器であって、分離領域に位置する分離エレ
メントを備える分離器を開示している。このエレメントは、疎水性およびナノ構造特性を
有する材料からなる。しかしながら、疎水性表面を使用して泡の気相と液相とを分離する
デバイスは知られていない。
され、この分離器は、第1の側および第2の側を備え、第1の側から第2の側へ泡または
泡相(foam phase)が移動することを可能にするために分離器内に設けられた
通流手段(through−flow means)を有し、さらに、低表面エネルギー
を有する少なくとも1つの泡接触表面と、少なくとも1つの分離された相を泡から回収す
る手段とを備える。
粗い(大きな気泡を有する)泡、または様々なサイズの気泡を有する泡の混合物であるこ
とがあることは容易に理解されるはずである。
くは、少なくとも液相および気相を泡から回収する手段を備える。
させる工業ユニットの一部として提供され、または工業ユニットと協力関係にあり、工業
ユニットから分離器に泡を供給する手段、および有用で再使用可能な少なくとも1つの成
分を回収し、工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給する手段が提供される。
し、疎水性と言うときには低表面エネルギーを意味すると理解すべきである。低表面エネ
ルギーは、好ましくは40mJm-2未満、より好ましくは30mJm-2未満、よりいっそ
う好ましくは25mJm-2未満のエネルギーを意味する。
いることが好ましい。このような材料は例えばポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニ
ル、ポリハロゲン化ビニル、ポリハロゲン化ビニリデン、ポリハロオレフィン、ポリアク
リレート(ポリメタクリレート)、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ
酸化オレフィン、ポリエステルおよびPEEKの中から選択することができる。
レン−線状アイソタクチックポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリスチレン、ポリメ
チルスチレン、ポリビニルトルエン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリト
リフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデ
ン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸メチル、ポリア
クリル酸エチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸
ブチル、ポリメタクリル酸イソブチル、ポリ(メタクリル酸t−ブチル)、ポリメタクリ
ル酸ヘキシル、ポリエチレンオキシド、ポリテトラメチレンオキシド、ポリテトラヒドロ
フラン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド−6,6、ポリアミド−12、ポリジ
メチルシロキサン、ポリカーボネートおよびポリエーテルエーテルケトンの中から選択さ
れる。特に、1種または数種の疎水性ポリマー材料は表1の中から選択することができる
。表1には、それらの疎水性ポリマー材料の対応するそれぞれの表面エネルギーも記載さ
れている。
泡破裂の仕組みと同じ仕組みを利用して、泡が分離器の第1の側から第2の側へ移動する
ときに泡の液体/気体界面を破裂させる低表面エネルギー泡接触表面または疎水性泡接触
表面を備える。この泡接触表面は、低表面エネルギー材料、例えばPTFEから形成し、
または低表面エネルギー材料、例えばPTFEでコーティングすることができるが、前述
の任意の低表面エネルギー材料または疎水性材料を使用することができる。泡接触表面は
、泡もしくは泡を含む液体がその上を流れ、または泡もしくは泡を含む液体がそれを通り
過ぎる基板またはプレートとすることができる。泡と接触する表面積を増大させ、それに
よって泡破裂を強化するために、複数の泡接触表面を提供することができる。この1つま
たは複数の泡接触表面は、泡もしくは泡を含む液体の流れに対して平行な向きに配置し、
または泡もしくは泡を含む液体の流れに対して斜めに配置することができる。この1つま
たは複数の泡接触表面は通流手段の領域に位置することができる。
1つのものである。このような実施形態では、泡接触表面が、泡または泡の相がそこを通
り抜けて分離器の第1の側から第2の側へ移動することを可能にする穴を有する。それら
の穴は、破裂界面(disruptive interface)の比表面積を増大させ
る。前述のとおり、泡接触表面は、低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料から形成し
、または低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料でコーティングすることができ、複数
の泡接触表面を提供することができる。
erforated plate)とすることができる。このようなメッシュまたはプレ
ートは、低表面エネルギー基板もしくは媒体または疎水性基板もしくは媒体から形成し、
あるいは低表面エネルギー基板もしくは媒体または疎水性基板もしくは媒体でコーティン
グすることができる。好ましくは、このようなメッシュが、低表面エネルギーポリマーフ
ィラメントもしくは疎水性ポリマーフィラメントから形成され、またはこのメッシュを、
他の材料のフィラメントから形成し、低表面エネルギー材料もしくは疎水性材料でコーテ
ィングすることができる。このメッシュまたは穴あきプレートの穴のサイズは直径0.1
mmから10mmとすることができ、ポリマーフィラメントが存在するときにはポリマー
フィラメントの太さを50μmから1mmとすることができる。表面材料が、低表面エネ
ルギー、および泡の液体膜の厚さの長さスケールのマイクロフィラメントまたは荒仕上げ
を有するときには破裂界面現象が強化される。
に配置することができる。1つまたは複数の層を、流れに対して直角、平行または斜めに
配置することができる。あるいは、ランダムパック(randomly packed)
構成が設けられてもよい。さらに、プリーツ状扇折り配置(pleated fan f
old arrangement)を、流れに対して平行にまたは流れに対して斜めに設
けてもよい。さらに、環状空間の内側または外側をコンバインドフロー(combine
d flow)が流れる環状扇折り構成(annular fan fold conf
iguration)を設けることもできる。
抜けると、泡の気液界面が破裂し、気体および液体は高密度の液相および気相に分離する
。この現象は、ハイドロサイクロン、遠心器などの機械的分離デバイスまたは前述の本出
願人の螺旋分離技術においても分離を強化することができる。これを達成するため、この
ようなデバイス内の泡と接触する表面は、低表面エネルギー、および/または泡の液体膜
の厚さの長さスケールのマイクロフィラメントもしくは荒仕上げを有する材料から形成さ
れる。さらに、機械的分離デバイスの上流または下流に低表面エネルギーメッシュを含む
ことにより、気相と液相との分離が強化される。
、本発明に基づく分離ユニットを用意すること、分離器の第1の側に泡を供給すること、
この泡を、分離器の第2の側に向かって通流手段の中に通すこと、および分離器の第2の
側で、または分離器の第2の側の下流で、泡の分離された液相と泡の分離された気相のう
ちの少なくとも一方の分離された相を回収することを含む。
相を回収し、この工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給することができる。
froth floatation unit)でもよい。
泡低減装置は、前記低表面エネルギー材料の表面に沿ってこの泡低減装置に泡が投入され
たときに前記泡と接触する手段を備える。
のため、この表面の前記少なくとも一部分が表面の他の部分から突き出ていてもよい。
って形成することができる。
方向に対して少なくとも部分的に平行な向きに配置することができる。
止するために、この表面または各表面を、この表面または各表面の上流端またはこの表面
または各表面の上流端の近くで保持することができ、一方、この表面の上流端から遠い表
面の部分が横方向に移動することができる。
に対して少なくとも部分的に平行になるように、かつ複数の表面の対応するそれぞれの上
流端における流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行になるように保持さ
れる。
れるような位置に、複数の表面を保持することができる。
いに取り付けることができ、複数の表面がそれぞれ、前記軸から、前記軸から半径方向外
側へ延びるような位置に、複数の表面を保持することができる。
る気液分離装置を提供することができる。
熱と電力を組み合わせて生成するために使用することができ、該燃料電池システムを使用
して車両に動力を供給することができ、または該燃料電池を使用してシステム電子装置内
で発電することができ、またはこのような使用のうちの2つ以上の使用の任意の組合せを
提供することができる。
、例えば酸化還元燃料電池(redox fuel cell)用のカソード液再生シス
テムにおいてこの分離器を使用することである。
燃料)が電極のところで直接には反応せず、その代わりに、還元形(燃料については酸化
形)の酸化還元対と反応して酸化還元対を酸化させ、この酸化した種がカソードに供給さ
れる。
カソード液の流量が低下するとエネルギー生成速度が低下するため、酸化還元対の酸化は
できるだけ迅速に実施されるべきである。エネルギー生成速度は、酸化還元対の酸化が可
能な完全なものではない場合、すなわちかなりの割合の酸化還元対が未酸化状態のままで
ある場合にも低下する。酸化ステップが実行されたときに消費されるエネルギーが比較的
に少ないことを保証する必要があることにより、カソード液中に存在する酸化還元対を迅
速かつ完全に酸化させる装置の提供は難しく、これが提供されない場合には、燃料電池の
全体の発電性能が低下する。加えて、酸化還元対を酸化させるために使用される装置はで
きるだけコンパクトであるべきであり、可搬用途または自動車用途で燃料電池が使用され
ることが意図されているときには特にそうである。
電子用途において、ならびに組み合わされた熱と電力において電池性能は非効率になる。
カソード液を提供することができる。電池の動作では、この酸化還元メディエータ対(r
edox mediator couple)がカソードで少なくとも部分的に還元され
、カソードでのこのような還元の後に酸化剤との反応によって少なくとも部分的に再生さ
れる(再酸化される)。酸化還元メディエータ対のこの少なくとも部分的な再生は再生ゾ
ーンで実施される。
:1超、最高20:1以上の大体積の空気との接触を必要とする。空気からカソード液中
への酸素の質量移動のために生成される界面面積は、小さな気泡半径の大内部相体積の泡
の形態をとる。カソード液の再生速度はこの質量移動用の界面面積に比例する。高い再生
速度が必要である。
気体、主として窒素をカソード液から除去する必要がある。カソード液は気泡または泡を
含んではならない。この「使用済みの」気体の除去は、最小限の電力消費量で迅速かつ効
率的に実行されなければならない。前述のとおり、ハイドロサイクロン、遠心器などの機
械的分離を使用することもできるが、それらは受け入れがたい量の電力を使用し、可搬用
途または自動車用途で使用されるときには特にそうである。
酸化を促すために気液界面を生成する必要があるためである。しかしながら、前述のとお
り、泡界面を破裂させるために、PTFEなどの低表面エネルギー表面または疎水性表面
を通り過ぎるように泡を流すことによって、泡破裂の仕組みを利用することができる。
還元対を酸化によって再生するように適合された、電池の領域内に位置する本発明の分離
ユニットを備える燃料電池を企図する。
カソードとを備える少なくとも1つの膜電極接合体(membrane electro
de assemby)と、膜電極接合体のアノードに隣接したアノード室と、膜電極接
合体のカソードに隣接したカソード室と、電池のアノード室に燃料を供給する手段と、電
池に酸化剤を供給する手段と、電池の対応するそれぞれのアノードとカソードの間に電気
回路を提供する手段と、少なくとも1種の不揮発性カソード液成分を含むカソード液であ
り、酸化還元触媒および/またはメディエータ対を含む、カソード液と、酸化還元触媒お
よび/またはメディエータ対を酸化剤と接触させて、酸化された触媒および/またはメデ
ィエータ対を含む泡を生成する手段と、この泡を、本発明の分離ユニットに供給し、少な
くとも泡の液相を、さらに使用するために回収する手段とを備えることができる。
使用することを企図する。このような使用は、泡から分離された有用な少なくとも1つの
相を工業プロセス、例えば酸化還元燃料電池のカソード液再生システム、または電解液か
らの加水分解気体の分離に供給することを含むことができる。
意味する。あるいは、または同様に、「カソード室」は、電池の動作においてその中を流
れているカソード液の少なくとも一部分が膜電極接合体のカソード側と接触する電池の部
分と考えることができる。
の部分を意味する。
単なる例として、より詳細に説明する。
る。この分離器は、管状セクションまたは管状容器とすることができ、3つのセクション
、すなわち分離セクション2、フィードセクション3および捕集セクション5を備える。
分離セクションは、泡の気相と液相とを前述の仕組みによって分離する1つまたは複数の
低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュ10を有する。フィードセクショ
ンは、分離セクションの上流に位置し、分離セクションと流体連通している。フィードセ
クションは、泡または泡を含む液体を受け取る少なくとも1つの入口4を有する。フィー
ドセクションは、低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュ全体に泡を分配
する。分離セクションの下流には、やはり分離セクションと流体連通した捕集セクション
5があり、捕集セクション5には、分離された気相6および分離された液相7が集まる。
捕集セクションは、分離された液相用の1つまたは複数の出口8、および分離された気相
9用の1つまたは複数の出口9を有する。
表面もしくは複数の低表面エネルギーメッシュ、またはメッシュパッキング(mesh
packing)10を備えることができる。
ョンは独立型の別個のセクションでなくてもよい。これらのセクションは、一方の端で泡
が受け取られ、分離された気相および液相がもう一方の端から外に出る連続した単一の分
離器として統合されていてもよい。例えば、捕集セクション5は分離セクション2と一体
でもよい。これは、分離セクションで気相と液相が分離されたときに、より高密度の液相
は重力に従って落下し、分離セクションの底に集まる傾向があり、これを出口8を通して
除去することができ、より軽い気相は、液相の上に浮き上がり、分離セクションの上部に
集まる傾向があり、これを出口9を通して除去することができるためである。気相および
液相のこの特性が、図3の分離セクション2内の矢印によって示されている。
て分離器のフィードセクション3に泡が供給される。酸化還元燃料電池用のカソード液再
生システムでは、再生器の気液接触セクションから来た泡が、図4に示されているように
分離器に入る。この泡は、適当な任意の手段、例えば重力またはポンプによって分離器に
供給することができる。次いで、フィードセクションが、分離セクション2内の低表面エ
ネルギー表面または低表面エネルギーメッシュ10全体にこの泡を分配する。泡の液体膜
の気液界面が分離ゾーンの低表面エネルギー表面または低表面エネルギーメッシュと接触
すると、気液界面は前述の仕組みによって破裂し、この泡が分離ゾーンを通過するにつれ
て泡は気相と液相とに分離される。前述のとおり、液相は、分離器の捕集セクション5の
底に集まる傾向があり、捕集セクション5の底に集まった液相は、出口8を通して分離器
から取り出され、プロセスに戻される。カソード液再生システムでは、分離されたカソー
ド液が燃料電池のカソード領域に戻される。気体は、分離器の捕集セクションの上部に集
まる傾向があり、捕集セクションの上部に集った気体は出口9を通して除去される。図3
の矢印は、分離器内を通過する流れの方向を示す。
デバイス、例えば前述の機械的分離デバイスの性能を強化するために、この分離器をその
デバイスに組み込むこともできる。
本出願人のFlowCath(登録商標)カソード液10mlをメスシリンダにとり、
このカソード液に、ROBU(登録商標)焼結ガラススパージャ(sparger)(製
品番号18143)を使用して流量0.5l/分の空気の流れを通して泡を形成すること
により、本発明のこの実用的な実施形態を試験した。図5に示されているように、形成さ
れた泡はメスシリンダから溢れた。
e Development Associates,Inc.、製品番号PTFEKM
22001)を、図7に示されているようにメスシリンダの口のところに配置した。再び
、同じ条件でカソード液に空気を通した。図7に示されているように、この編みメッシュ
の効果は、泡を破裂させ、気相と液相とを分離することであった。
用に関する本発明の発明者による最近の研究および実験に関して説明する。
型的にはメッシュを構成する低エネルギー材料を使用した泡破裂(泡沫または泡の破壊ま
たは破潰)の一般的原理を説明する。メッシュの性能を示したが、メッシュ以外の構造体
(すなわちLEM表面が露出した他のマトリックス、例えば多数のストランド、繊維塊、
固体発泡体または焼結塊)も同様の結果を与えるはずである。
i)電解液(カソード液)ポンプおよび燃料電池スタックへの気体のキャリーアンダ(
carry−under)、および
ii)燃料電池スタックの排気管(排出部)への液体のキャリーオーバ(carry−
over)
を防ぐ働きをする。
をできるだけ小さくするため、この動作は、最適なエネルギー効率および最適な容積効率
で(すなわち電力をほとんど消費しない小型の気液分離反応器を使用して)実施されなけ
ればならない。本出願人による研究によれば、PTFEメッシュは、V4 POM泡沫ま
たは泡を崩壊させるのに有効である。PTFEは低表面エネルギー材料(LEM)であり
、したがって疎水性が高く、したがって水をはじく(20°Cにおいて約18mJ/m2
の表面エネルギーを有する)。
。これには、気泡とLEM表面との接触点における泡の気泡と気泡の間の液体境界(気泡
−気泡間液体境界)を薄くし、気泡の破裂を促し、それによって気泡の合体(coale
scence)、すなわちより大きなより少数の気泡への小さな気泡の合併または凝集を
促す効果がある。この合併過程では、複数の気泡が合併または合体して単一の気泡を形成
し、これが複数の気泡団に対して起こる。図8から図10は、2つの小さな気泡1202
が合併してより大きな1つの気泡1404を形成する様子を示している。2つの小さな気
泡1202をつなぐ膜部分1204はLEM表面1201から後退し、その結果、より大
きな気泡1404の境界の一部を画定する単一の膜部分1405または壁セクションがで
きる。低表面エネルギー表面を、複数の微細なストランド(strand)として提示す
ること、典型的にはメッシュとして提示することには以下の利点がある。
i)これは、気泡と低表面エネルギー表面との接触を促し、低表面エネルギー表面から
の気泡の解放を促す隙間の多い構造、任意選択で隙間の多い動かない構造を提供し、
ii)この「接触ジオメトリ(contact geometry」)を利用すること
により小さな気泡の合体を促す。他のLEMも使用可能だが、この用途に対してはPTF
Eが非常に適していることが分かっている。
はLEMによって支援された気泡合体の仕組みを示している。上で示唆したとおり、この
接触ジオメトリ、すなわち気泡と界面を形成する活性表面のジオメトリによって、この過
程を強化することができる。例えば円形断面のメッシュストランドによって達成されるよ
うに、LEM表面を曲面にすると、気泡膜とLEM表面との間の接触角を小さくすること
ができ、小さな接触角は、気泡−気泡間液体境界をよりいっそう薄くし、したがって低エ
ネルギー表面への気泡の付着をさらに弱める働きをする。
ation)とによる分離の概念をより詳細に説明する。
おり、LEM材料は、気泡合体または気泡合併を強化しまたは増大させ、気泡の崩壊を効
果的に引き起こすことによって、泡の崩壊を加速させまたは促進する。しかしながら、こ
のプロセスは単独では気体を液体から分離せず、(小さな気泡を含む)細かい2相流れを
(より大きな気泡を含む)粗い2相流れに変えるだけである。すなわち、このプロセスは
小さな気泡をより大きな気泡にする。
chamber)、サイクロン、ヘリックス(helix)などの隔離装置を使用する
ことによって)真の分離、すなわち完全な分離を提供することができる。
、隔離がより容易に達成されるという技術上の有利な効果があり、このことは、より少な
いエネルギーを消費するより小さな隔離装置または隔離「プラント」の使用を可能にする
。したがって、本発明の発明者は、LEMによって支援された気液分離を、i)(強化さ
れた)合体と、ii)相隔離とを含む2段プロセスとして想定する。
キスパンドメッシュ(expanded mesh)で内張りすることによって、サイク
ロン、ヘリックスなどの泡破壊/隔離用の相隔離装置を改良することができる(試験結果
が示された次ページの表2を参照されたい)。
サ(図12参照)の開発につながった。コアレッサは、「気泡捕捉デバイス」または「気
泡トラップ(トラッピング)デバイス」と呼ばれることがある。
1次コアレッサデバイスまたは1次コアレッサ装置は、燃料電池システムの気液接触器
の下流のパイプ内に装着することができる。図11、図14および図15に例が示されて
おり、以下では、それらの例についてさらに説明する。後にさらに説明するが、1次コア
レッサデバイスは、図12に示されているように、2次コアレッサデバイスまたは2次コ
アレッサ装置の上流に配置することができる。
(典型的にはメッシュ)表面を備える。この配置は以下の利点を有する。
i)この配置は、表面を平行に装着することにより、流れのインピーダンスを最小化し
(すなわちより小さい圧力降下およびより少ないエネルギー消費を提供し)、
ii)この配置は、合体したより大きな気泡をLEMの活性表面から押し流しまたは引
き離すために、流体が、LEMの表面に対して少なくとも部分的に平行な方向に低エネル
ギー表面を横切って流れ、または低エネルギー表面を横切って導かれる、十字流剪断作用
を利用する。
な気泡がLEMの表面にさらされ、またはLEMの表面と接触することを可能にする。
を除去する唯一の仕組みは、気泡の密度が液体の密度に比べて小さいことによって生じる
液体に対する気泡の浮力である。
によって確立された気体層によって、活性表面は気泡のかなりの部分から隔離される。そ
の結果、気液分離または気液隔離プロセスの効果が低下する。
るときに、十字流剪断作用が、気泡相互の「雪だるま」式の合体または合併によって気泡
の成長を促すことも観察された。
ーツ(pleat)を付けて装着することができる。他の断面配置は、格子(正方形、ハ
ニカム、円、多角形などの)、同心円、螺旋構造、または軸方向の流路を形成する他の構
造を含むことができる(交差配置ないし格子配置158および同心配置159が示された
図11を参照されたい)。
れのLEM表面1551、1571は、表面の全周もしくは全縁に沿って所定の位置に固
定してもよく、または表面の上流部分に沿った部分だけ、もしくは表面の上流部分に近い
部分、例えば表面の上流縁の局所部分だけを固定し、後縁(1つまたは複数)は固定せず
、それによって、表面が可撓性の材料でできているときに、表面が、流れフィールド内で
「吹き流し状に(streamer‐like)」振舞うことができるようにしてもよい
(図12から14参照)。これによって表面はある移動度を得る。したがって、表面を横
切って流れる流体の乱流は、それぞれの吹き流しを乱すことができ、それによって接触が
向上し、さらに気泡の脱離が改善する。
ことができる。それぞれのエレメントは適当な量のLEM表面を含み、これを支持する。
所与の流量および細かさの泡を合体させるのに1つのエレメントだけでは不十分であるこ
とが分かった場合には、必要に応じて複数のエレメントを設置することができる。図15
は、流体流れ194の方向に沿って間隔を置いて配置されたこのような複数(3つ)の気
泡合体エレメント191、192および193を含む流体パイプの一例を示す。接触を向
上させるため、1つのエレメント192を、他の1つまたは複数のエレメント191、1
93とは異なる軸回転角度に装着して、それぞれのエレメントのLEM表面が、互いに対
して、流体流れの方向またはパイプの主軸194を軸にして回転方向にずれるようにする
ことができる。
バ1606内に2次コアレッサデバイス1605を有する例示的な2次合体装置1600
に泡または泡沫を投入する、泡入口パイプ1630内の1次合体エレメント1622と、
パイプから2次コアレッサデバイス1605へ泡を投入する泡投入部1640と、気体出
口1642と、液体出口1644とを備える。1次合体エレメントを保持するパイプの向
きは、水平、垂直、または水平と垂直の間のある角度とすることができ、流れは任意の方
向に運ばれる。
この例示的な2次コアレッサデバイス1605または「気泡トラップ」はリザーバ16
06内に装着されており、1次デバイス1620を通して戻り(流体)流れを受け取る。
2次コアレッサデバイス1605の主な目的は、
i)1次デバイスをすり抜けた気泡を封じ込め、合体させること、および
ii)入ってきた流れを落ち着かせ、したがって再飛散(re−entrainmen
t)を封じ込め破壊することである。
。デバイス1605は、互いの傍らに配置された垂直メッシュスクリーン1602のアレ
イを含むラック1605からなり、スクリーンはそれぞれ、ラックマウント1702内に
おいて、スクリーンの周囲の少なくとも一部分に沿ってまたはスクリーンの周囲の少なく
とも一部分の近くで、例えば(図13に示されているように)スクリーンの側部および下
縁に沿って保持され、密封される。図12では、デバイス1605が、2次合体装置16
00の流体リザーバ1606内に示されている。ラック1605は、ラックの投入部端(
図示のとおり上端)または頂部が開いており、ラック1605の少なくとも1つの外面1
704はメッシュスクリーン1602に対して平行であり、他の面1706は流体流れを
通さない。流体流れは、2次装置1600の上方およびデバイス1605の上方から、下
方へ流れるジェット1616としてスクリーンのアレイに入る。この流れが、スクリーン
1602を通り抜けて横方向に流れると、リザーバ1606内の気液流体混合物1608
中の気体が解放され、気液流体混合物1608中の液体は最終的に、開いたラック面(1
つまたは複数)1704を通って外に出る。図12および図13は全体として、この配置
を示す役目を果たす。図12および図13の例示的なコアレッサに示された有用な特徴は
、矢印1616によって示された2次コアレッサに投入された流体の下方へのジェット流
による変形を阻止するために、スクリーンの上周囲もしくは上縁またはスクリーンの前周
囲または前縁(1つまたは複数)1610に沿って、またはそれらの周囲もしくは縁16
10の近くで、それぞれのスクリーンを支持することができることである。
表面またはプレート1607に、(装置1600の液体排出部端の近くの)下縁が取り付
けられたスクリーンを有する。プレート1607は、隣接するスクリーン1602間の泡
1614の中の液体が、装置1600の液体排出部端(図では下端)に向かって下方へ移
動してラック1605の外に出ることを防ぎ、また、スクリーンとスクリーンの間を通過
した液体を、矢印1650によって示されているように、ラック1605から、ラック1
605の周囲の流体中へ横方向外側へ導くのを助ける。
角なラックの側面も流れを通さない。この実施形態では、スクリーンの縁が、それらの側
面に沿って密封されており、したがって、液体が、スクリーン材料を通り抜けてスクリー
ンの一方の側からスクリーンの反対側へ流れることを促す。図12に示されたラック16
05は、スクリーン表面に対して平行な方向に見た図13に示されたラックの断面を示す
。
最初に泡がスクリーンアレイ内へ移動している最中に、泡が、入口1640の下のLEM
スクリーンの表面を横切って移動しまたは流れるときに始まる(泡が流れる方向は、図1
2の矢印1616によって示されているように下方向である)。
(図12の矢印1616によって示されている)流体流れの主方向に対して横方向に進む
ことを阻止する。
れらの開口よりも大きな気泡は、開口(典型的にはメッシュ)を通過することができず、
その気泡が崩壊または破裂するまでそこに留め置かれまたは保持される。
ながら、大部分の気泡は、留め置かれた大きな気泡によってスクリーンの表面に到達する
ことができない。このスクリーンまたはメッシュは事実上、気泡フィルタのような働きを
し、より小さな気泡を含む領域とその領域に面したスクリーン表面との間の領域のより大
きな気泡の「フィルタケーキ」(図示せず)が、(隣接するスクリーン間の領域内におけ
る)より小さな気泡の保持を支援するため、このことは有利であると考えることができる
。
ドによって生じることがある。
環渦2002が形成される。小さな気泡2007は、そのサイズのため、これらの渦20
02の中に閉じ込められ、したがって(円形矢印2002によって示されているように)
繰り返し再循環し、メッシュアレイ2006の表面に再びさらされる。したがって、小さ
な気泡2007は選択的に保持され、それらの小さな気泡は、気泡の浮力によって気泡が
(矢印2015および気泡2009、2010によって示されているように)表面に脱出
することができる程度に十分に大きくなるまで(気泡2008によって示されている)再
処理され、大きな気泡2008、2010は、破裂気泡2011によって示されているよ
うに破裂するかまたは壊れる(崩壊する)。
、試験結果はこれが有効であることを示している。
が液体内で液体に対して浮上することによる)重力分離が、(a)残存する泡の破壊/封
じ込めおよび(b)液体流体中の気体の再飛散を促進する目的に使用可能な唯一の仕組み
となる。したがって、このような重力分離が唯一の仕組みである場合には、2次合体デバ
イスが使用される場合よりも気液隔離リザーバをはるかに大きくすることが必要となる。
2次合体デバイスが、所与の流体流量に対してより小さなリザーバの使用を提供すること
は明らかである。
に、気液分離システムを構成することもできる。
または他のバルク分離器に導いて、液相からの気相のバルク隔離を促進することができる
。次いで、バルク分離器の液体排出部(例えばサイクロンベースまたはヘリックスの排出
部)から出てくる液体(および残存する泡)を、2次コアレッサ気泡トラップに導くこと
ができる。次いで、気液リザーバ内の重力沈降が2次隔離を促進することになる。
のシステムに関して明らかになる可能性がある。段階的な合体/隔離による分離は、流体
がリザーバへ戻る前に流速が徐々に低下することを可能にするであろう。これは、流れを
さらに落ち着かせ、気体出口および液体出口に対する2次的なそれぞれの飛散を回避する
であろう。
面を調べた。結果を下表3に示す。この試験には、編みメッシュPTFEKM22001
ならびにエキスパンドメッシュET−8300および5PTFE7−100STを選択し
た。これらのメッシュは良好な性能を与えることが分かった。
図17に、別のメッシュが図18に示されている。これらの図において、エキスパンドメ
ッシュ2102は、規則正しい菱形の開口2104を有するように形成(例えば機械加工
または成形)された単一の材料シート2102からなる。最終結果は、(断ち切られたス
トランド端を流れの中へ放出しうる編みメッシュまたは織られたメッシュとは違い)切断
されたときに脱落しない(メッシュから離れない)相互接続した微細なストランド220
6からなる連続する一貫した「リントフリー(lint−free)」メッシュである。
図18および下表4は、全体として、このエキスパンドメッシュの形態および寸法を示す
。
こる)ときには、堅い下部構造(例えばPTFEでコーティングされたワイヤメッシュ)
を有する自立メッシュを製造することができる。外部支持構造体(例えばラック、フレー
ム、支持リブなど)は体積をとり、流れに対して妨害的(intrusive)であり、
したがって流体流れの方向に沿った圧力降下に寄与する。内部支持構造体はこれらの問題
を回避するであろう。
明の発明者が開発したものである。デバイスは泡発生器の下流で試験した。特に明示しな
い限り、使用した流体流れは、室温(摂氏約20度)の30l/分(0.5リットル毎秒
)のカソード液および120l/分(2リットル毎秒)の空気であった。表4は、それぞ
れのプロトタイプ設計および性能の概要を示す。
試験中に、前述のデバイスでは、発生する排気管へのカソード液ミスト(mist)キ
ャリーオーバがはるかに少ない(すなわち出ていく気体または排出気体と一緒に漏出する
小滴が少ない)ことも分かった。試験の結果は、本発明を使用することにより、従来の重
力泡分離デバイスおよび遠心泡分離デバイス(すなわち沈降室、サイクロン、ヘリックス
など)に比べて2桁の改良を得ることが可能であることを示している。
以下に、そのいくつかの例を以前に説明したLEMに基づく気液分離器が排気流中に放
出するカソード液ミストの量が、重力または遠心力に基づく技法による量よりも大幅に少
ない理由を説明する提案された説明を示す。
沈降室、サイクロンおよびへリックスは全て、相密度の差を利用して泡の崩壊を達成し
、それによって気液分離を達成する。重力または遠心力は、泡の気泡膜の相互接続網を通
した排液を引き起こすために使用される。その結果、泡表面の気泡は液体を失い、これが
膜の薄化したがって膜の弱化につながる。弱くなった膜は、表面張力の影響を受けて最終
的に破裂する。次いで、液体の表面張力が、崩壊した膜を球状の小滴の中へ引き入れる。
それらの小滴は分離気体流の中へ飛散し、排気排出部を通してミストとしてシステムの外
へ出る。これは望ましくない。その結果、気泡の新しい表面層が泡沫または泡の上面に現
れ、この過程が繰り返される。
PTFEまたは他の低表面エネルギー材料の疎水性のため、それぞれの液体気泡膜は、
低エネルギー表面と「小さな」接触角で接触する。すなわち、気泡膜の外表面は疎水性表
面によってはじかれ、したがって、気泡が表面と接触するとき、その膜は、気泡と表面と
の中心接触点から外側へ、その表面がより高表面エネルギーの材料でできている場合より
も表面から離れた角度で表面と接触する。言い換えると、膜と表面との接触領域における
気泡膜の表面は、表面がより高表面エネルギーの材料でできている場合よりも外側に凸で
ある。
、これが弱い表面接着につながる。次いで、固有膜表面張力が、液体膜をPTFE表面か
ら引き剥がしまたは引き離すのに十分な大きさとなり、それによって表面から気泡を除去
する。それぞれの膜が後退すると、膜に含まれる液体が、1つまたは複数の他の気泡の周
囲の膜の中に流入し、2つの気泡が合体して1つの気泡になる。図8から図10を続けて
参照されたい。
な意味において、液体の排出によって気泡膜は弱められず、膜が後退したときに膜の完全
性は維持され、そのため、それぞれの膜が崩壊して小滴になる可能性ははるかに低い。し
かしながら、膜のこの維持された完全性にもかかわらず、いくつかの小滴が形成された場
合でも、このような小滴の形成は2重カプセル化として起こり(すなわち残存している気
泡内に小滴が封じ込められ)、泡のブランケットまたは泡の領域の下で起こるであろう。
これは、小滴の再吸収の機会を提供し、したがって、小滴が、気体排出部または排気管に
放出されることを防ぐ。
γSL+γLGcos(θc)=γSG 式(1)
本出願人のFlowCath(登録商標)カソード液10mlをメスシリンダにとり、このカソード液に、ROBU(登録商標)焼結ガラススパージャ(sparger)(製品番号18143)を使用して流量0.5l/分の空気の流れを通して泡を形成することにより、本発明のこの実用的な実施形態を試験した。図5に示されているように、形成された泡はメスシリンダから溢れた。
i)電解液(カソード液)ポンプおよび燃料電池スタックへの気体のキャリーアンダ(carry−under)、および
ii)燃料電池スタックの排気管(排出部)への液体のキャリーオーバ(carry−over)
を防ぐ働きをする。
i)これは、気泡と低表面エネルギー表面との接触を促し、低表面エネルギー表面からの気泡の解放を促す隙間の多い構造、任意選択で隙間の多い動かない構造を提供し、
ii)この「接触ジオメトリ(contact geometry」)を利用することにより小さな気泡の合体を促す。他のLEMも使用可能だが、この用途に対してはPTFEが非常に適していることが分かっている。
1次コアレッサデバイスまたは1次コアレッサ装置は、燃料電池システムの気液接触器の下流のパイプ内に装着することができる。図11、図14および図15に例が示されており、以下では、それらの例についてさらに説明する。後にさらに説明するが、1次コアレッサデバイスは、図12に示されているように、2次コアレッサデバイスまたは2次コアレッサ装置の上流に配置することができる。
i)この配置は、表面を平行に装着することにより、流れのインピーダンスを最小化し(すなわちより小さい圧力降下およびより少ないエネルギー消費を提供し)、
ii)この配置は、合体したより大きな気泡をLEMの活性表面から押し流しまたは引き離すために、流体が、LEMの表面に対して少なくとも部分的に平行な方向に低エネルギー表面を横切って流れ、または低エネルギー表面を横切って導かれる、十字流剪断作用を利用する。
この例示的な2次コアレッサデバイス1605または「気泡トラップ」はリザーバ1606内に装着されており、1次デバイス1620を通して戻り(流体)流れを受け取る。2次コアレッサデバイス1605の主な目的は、
i)1次デバイスをすり抜けた気泡を封じ込め、合体させること、および
ii)入ってきた流れを落ち着かせ、したがって再飛散(re−entrainment)を封じ込め破壊することである。
試験中に、前述のデバイスでは、発生する排気管へのカソード液ミスト(mist)キャリーオーバがはるかに少ない(すなわち出ていく気体または排出気体と一緒に漏出する小滴が少ない)ことも分かった。試験の結果は、本発明を使用することにより、従来の重力泡分離デバイスおよび遠心泡分離デバイス(すなわち沈降室、サイクロン、ヘリックスなど)に比べて2桁の改良を得ることが可能であることを示している。
以下に、そのいくつかの例を以前に説明したLEMに基づく気液分離器が排気流中に放出するカソード液ミストの量が、重力または遠心力に基づく技法による量よりも大幅に少ない理由を説明する提案された説明を示す。
沈降室、サイクロンおよびへリックスは全て、相密度の差を利用して泡の崩壊を達成し、それによって気液分離を達成する。重力または遠心力は、泡の気泡膜の相互接続網を通した排液を引き起こすために使用される。その結果、泡表面の気泡は液体を失い、これが膜の薄化したがって膜の弱化につながる。弱くなった膜は、表面張力の影響を受けて最終的に破裂する。次いで、液体の表面張力が、崩壊した膜を球状の小滴の中へ引き入れる。それらの小滴は分離気体流の中へ飛散し、排気排出部を通してミストとしてシステムの外へ出る。これは望ましくない。その結果、気泡の新しい表面層が泡沫または泡の上面に現れ、この過程が繰り返される。
PTFEまたは他の低表面エネルギー材料の疎水性のため、それぞれの液体気泡膜は、低エネルギー表面と「小さな」接触角で接触する。すなわち、気泡膜の外表面は疎水性表面によってはじかれ、したがって、気泡が表面と接触するとき、その膜は、気泡と表面との中心接触点から外側へ、その表面がより高表面エネルギーの材料でできている場合よりも表面から離れた角度で表面と接触する。言い換えると、膜と表面との接触領域における気泡膜の表面は、表面がより高表面エネルギーの材料でできている場合よりも外側に凸である。
a. 40mJm -2 未満、または
b. 30mJm -2 未満、または
c. 25mJm -2 未満
である、上記[1]から[4]のいずれか一項に記載の分離ユニット。
a. 前記流れに対して直角
b. 前記流れに対して平行
c. 前記流れに対して斜め
d. ランダムパック
のうちの1つまたは複数の向きに配置される、上記[12]または[13]に記載の分離器。
a. 泡の流れに対して平行なまたは泡の流れに対して斜めのプリーツ状扇折り配置
b. 泡が環の内側または外側を流れる環状扇折り配置
のうちの1つまたは複数の構成をとる、上記[12]または[13]に記載の分離器。
a. 上記[1]から[18]のいずれか一項に記載の分離ユニットを用意すること、
b. 前記分離器の前記第1の側に泡を供給すること、
c. 前記泡を、前記分離器の前記第2の側に向かって前記通流手段の中に通すこと、および
d. 前記分離器の前記第2の側で、または前記分離器の前記第2の側の下流で、前記泡の分離された液相と前記泡の分離された気相のうちの少なくとも一方の分離された相を回収すること
を含む方法。
a. イオン選択性ポリマー電解質膜によって分離されたアノードとカソードとを備える少なくとも1つの膜電極接合体と、
b. 前記膜電極接合体の前記アノードに隣接したアノード室と、
c. 前記膜電極接合体の前記カソードに隣接したカソード室と、
d. 前記電池の前記アノード室に燃料を供給する手段と、
e. 前記電池に酸化剤を供給する手段と、
f. 前記電池の対応するそれぞれのアノードとカソードの間に電気回路を提供する手段と、
g. 少なくとも1種の不揮発性カソード液成分を含むカソード液であり、酸化還元触媒および/またはメディエータ対を含むカソード液と、
h. 前記酸化還元触媒および/またはメディエータ対を前記酸化剤と接触させて、酸化された触媒および/またはメディエータ対を含む泡を生成する手段と、
i. 前記泡を、上記[1]から[12]のいずれか一項に記載の分離ユニットに供給し、少なくとも前記泡の液相をさらに使用するために回収する手段と
を備える上記[24]に記載の燃料電池。
Claims (68)
- 燃料電池用の気液分離のためのシステムであって、
該システムは、
流体の流れを受け入れるように配置された開口部と、流体の流れの方向に対して実質的に平行に配置されたスクリーンのアレイを有するコアレッサ装置を備えており、
前記スクリーンは、前記開口部とは反対側の端部が不浸透性の表面に取り付けられることにより、液体が前記不浸透性の表面から流れ出すことを防ぎ、液体が前記スクリーンを通流するように導かれるように取り付けられており、
前記システムはさらに、前記液体の気相および液相を収容するリザーバを備え、
該リザーバは、前記コアレッサ装置から液体を受け取るように配置されている、
システム。 - 前記アレイの各スクリーンは、該スクリーンの周囲の少なくとも一部分に沿って密封されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記スクリーンのアレイはラックの中で保持されている、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記ラックの側面は、前記スクリーンを通り抜けて流れる流体の流れを通さない、請求項3に記載のシステム。
- 前記スクリーンのそれぞれは、その前縁に沿って若しくはその近くで支持されている、請求項1〜4の何れか1項に記載のシステム。
- 前記スクリーンは疎水性材料を含む、請求項1〜5の何れか1項に記載のシステム。
- 前記スクリーンはメッシュを有する、請求項1〜6の何れか1項に記載のシステム。
- 前記コアレッサ装置は、前記リザーバ内に装着されている、請求項1〜7の何れか1項に記載のシステム。
- 前記コアレッサ装置は、1次コアレッサ装置と2次コアレッサ装置を備え、前記1次コアレッサ装置は前記2次コアレッサ装置の上流に配置されている、請求項1〜8の何れか1項に記載のシステム。
- 前記1次コアレッサ装置は、前記流体に接するように配置された、少なくとも一つの疎水性の表面を有している、請求項9に記載のシステム。
- 前記疎水性表面は、流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きに配置されている、請求項10に記載のシステム。
- 前記疎水性表面は可撓性材料から成り、該可撓性材料は、その上流端の移動を阻止するためにその上流端または上流端の近くで保持される一方、その表面の上流端から遠い表面の部分が移動可能である、請求項10または11に記載のシステム。
- 前記1次コアレッサ装置は、複数の疎水性の表面を有している、請求項11または12に記載のシステム。
- 前記複数の表面は互いに近い位置に、互いに対して少なくとも部分的に平行になるように、かつ前記複数の表面の対応するそれぞれの上流端における流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行になるように保持される請求項13に記載のシステム。
- 前記複数の表面が、流体流れの主たる方向を横切る方向に沿って前記複数の表面が互いから間隔を置いて配置されるような位置に保持される、請求項14に記載のシステム。
- 前記複数の表面のそれぞれが、該表面の上流部分に近い部分、もしくは、流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きの軸に沿う該表面の全縁に沿って固定されており、
前記複数の表面がそれぞれ、前記軸から、前記軸から半径方向外側へ延びるような位置に、または、前記複数の表面が、前記軸を横切る2つのそれぞれの方向に沿って間隔を置いて配置されるような位置に、または、前記複数の表面が、前記軸に関して同心状に互いから間隔を置いて配置されるような位置に、前記複数の表面が保持されている、請求項14に記載のシステム。 - 前記疎水性表面はメッシュを有している、請求項9〜16の何れか1項に記載のシステム。
- 前記システムは1次コアレッサ装置を複数有している、請求項9〜17の何れか1項に記載のシステム。
- 少なくとも一つの1次コアレッサ装置が、他の一つまたは複数の1次コアレッサ装置とは異なる軸回転角度に装着されている、請求項18に記載のシステム。
- 気液相離隔段をさらに備えている、請求項9〜19の何れか1項に記載のシステム。
- 前記気液相離隔段は、サイクロンまたはヘリックス(helix)を備えている、請求項20に記載のシステム。
- 前記気液相離隔段は、前記1次コアレッサ装置と前記2次コアレッサ装置との間に配置されている、請求項20または21に記載のシステム。
- 泡の気相と液相とを分離する分離器であって、第1の側および第2の側を備え、前記第1の側から前記第2の側へ泡または泡相が移動することを可能にするために前記分離器内に設けられた通流手段を有し、さらに、低表面エネルギーを有する少なくとも1つの泡接触表面と、少なくとも1つの分離された相を前記泡から回収する手段とを備える分離器。
- 少なくとも液相を前記泡から回収する手段を備える、請求項23に記載の分離器。
- 少なくとも液相および気相を前記泡から別々に回収する手段を備える、請求項24に記載の分離器。
- 有用で再使用可能な少なくとも1つの成分を含む泡を発生させる工業ユニットの一部として提供され、または前記工業ユニットと協力関係にあり、前記工業ユニットから前記分離器に泡を供給する手段、および前記有用で再使用可能な少なくとも1つの成分を回収し、前記工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給する手段が設けられた、請求項23から25のいずれか一項に記載の分離器。
- 前記少なくとも1つの泡接触表面の表面エネルギーが、
a. 40mJm−2未満、または
b. 30mJm−2未満、または
c. 25mJm−2未満
である、請求項23から26のいずれか一項に記載の分離ユニット。 - 前記少なくとも1つの泡接触表面が1種または数種の疎水性材料から形成された、請求項23から27のいずれか一項に記載の分離ユニット。
- 前記少なくとも1つの泡接触表面が1種または数種の疎水性ポリマー材料から形成される、請求項23から28のいずれか一項に記載の分離ユニット。
- 前記1種または数種の疎水性ポリマー材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリハロゲン化ビニル、ポリハロゲン化ビニリデン、ポリハロオレフィン、ポリアクリレート(ポリメタクリレート)、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオレフィンオキシド、ポリエステルおよびPEEKの中から選択される、請求項29に記載の分離器。
- 前記1種または数種の疎水性ポリマー材料が、線状または枝分れポリエチレン−線状アイソタクチックポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルトルエン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸イソブチル、ポリ(メタクリル酸t−ブチル)、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリエチレンオキシド、ポリテトラメチレンオキシド、ポリテトラヒドロフラン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド−6,6、ポリアミド−12、ポリジメチルシロキサン、ポリカーボネートおよびポリエーテルエーテルケトンの中から選択される、請求項30に記載の分離器。
- 前記1種または数種の疎水性ポリマー材料が、ポリウレタン、ポリフッ化ビニル(PVF)、ナイロン12、ポリ酢酸ビニル(PVA)、ポリアクリル酸エチル(PEA)、ポリメタクリル酸エチル(PEMA)、ポリエチレン(PE)、ポリビニルプロプリオネート、ポリイソブチレン、ポリテトラヒドロフラン(PTHF)、ポリテトラメチレンオキシド、ポリ酪酸ブチル、ポリヘキサデカン酸ビニル、ポリアクリル酸2−エチルヘキシル、ポリプロピレン(PP)、ポリ(メタクリル酸ヘキシル)、ポリドデカン酸ビニル、ポリデカン酸ビニル、ポリヘキサン酸ビニル、ポリオクタン酸ビニル、ポリトリフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリビニルブチラール、ポリメタクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイソプレン(PIP)の中から選択される、請求項29に記載の分離器。
- 前記第1の側から前記第2の側へ泡が移動することを可能にするために前記分離器内に設けられた前記通流手段が、前記分離器の第1の側から前記分離器の中を通って前記分離器の第2の側に達する1つまたは複数の流路を備える、請求項23から32のいずれか一項に記載の分離ユニット。
- 前記泡接触表面が、メッシュまたは穴あきプレートの形態を有する、請求項33に記載の分離ユニット。
- 前記メッシュの穴またはプレートの穴の直径が0.1mmから10mmの範囲にある、請求項34に記載の分離器。
- メッシュまたは穴あきプレートの1つまたは複数の層を備え、前記1つまたは複数の層のうちの少なくとも1つの層が、泡の流れに対する以下の向き、すなわち、
a. 前記流れに対して直角
b. 前記流れに対して平行
c. 前記流れに対して斜め
d. ランダムパック
のうちの1つまたは複数の向きに配置される、請求項34または35に記載の分離器。 - 前記メッシュまたは穴あきプレートが以下の構成、すなわち、
a. 泡の流れに対して平行なまたは泡の流れに対して斜めのプリーツ状扇折り配置
b. 泡が環の内側または外側を流れる環状扇折り配置
のうちの1つまたは複数の構成をとる、請求項34または35に記載の分離器。 - 前記少なくとも1つの泡接触表面がフィラメント材料を含む、請求項23から37のいずれか一項に記載の分離器。
- 前記少なくとも1つの泡接触表面が前記通流手段の領域に位置する、請求項23から38のいずれか一項に記載の分離器。
- 前記少なくとも1つの泡接触表面が、前記通流手段内に延び、または前記通流手段を貫いて延びる、請求項39に記載の分離器。
- 泡の気相と液相とを分離する方法であって、
a. 請求項23から40のいずれか一項に記載の分離ユニットを用意すること、
b. 前記分離器の前記第1の側に泡を供給すること、
c. 前記泡を、前記分離器の前記第2の側に向かって前記通流手段の中に通すこと、および
d. 前記分離器の前記第2の側で、または前記分離器の前記第2の側の下流で、前記泡の分離された液相と前記泡の分離された気相のうちの少なくとも一方の分離された相を回収すること
を含む方法。 - 前記泡が工業ユニットによって生成され、前記泡の前記少なくとも一方の分離された相が回収され、前記工業ユニットまたは代替の工業ユニットに供給される、請求項41に記載の方法。
- 前記工業ユニットが燃料電池または電解セルである、請求項42に記載の方法。
- 前記工業ユニットが生化学的発酵ユニットまたは泡沫浮上分離ユニットである、請求項42に記載の方法。
- 請求項23から40のいずれか一項に記載の分離ユニットを含む燃料電池または加水分解セル。
- 前記分離ユニットが、前記電池のカソード領域内で有用な酸化還元対を酸化によって再生させるように適合された前記電池の領域内に位置する請求項45に記載の燃料電池。
- a. イオン選択性ポリマー電解質膜によって分離されたアノードとカソードとを備える少なくとも1つの膜電極接合体と、
b. 前記膜電極接合体の前記アノードに隣接したアノード室と、
c. 前記膜電極接合体の前記カソードに隣接したカソード室と、
d. 前記電池の前記アノード室に燃料を供給する手段と、
e. 前記電池に酸化剤を供給する手段と、
f. 前記電池の対応するそれぞれのアノードとカソードの間に電気回路を提供する手段と、
g. 少なくとも1種の不揮発性カソード液成分を含むカソード液であり、酸化還元触媒および/またはメディエータ対を含むカソード液と、
h. 前記酸化還元触媒および/またはメディエータ対を前記酸化剤と接触させて、酸化された触媒および/またはメディエータ対を含む泡を生成する手段と、
i. 前記泡を、請求項23から34のいずれか一項に記載の分離ユニットに供給し、少なくとも前記泡の液相をさらに使用するために回収する手段と
を備える請求項46に記載の燃料電池。 - 請求項23から40のいずれか一項に記載の分離ユニットを含む生化学的発酵ユニットまたは泡沫浮上分離ユニット。
- 泡の気相と液相とを分離する際の請求項23から40のいずれか一項に記載の分離器の使用。
- 前記泡から分離された有用な少なくとも1つの相を工業プロセスに供給することを含む、請求項49に記載の使用。
- 酸化還元燃料電池のカソード液再生システムにおける請求項23から40のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
- 電解液から加水分解気体を分離する際の請求項23から40のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
- 生化学的発酵ユニット内で泡を破壊するための請求項23から40のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
- 泡沫浮上分離ユニット内で微粒子材料を回収するための請求項23から40のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
- 低表面エネルギー材料を含む泡低減装置であって、前記低表面エネルギー材料の表面に沿って前記泡低減装置に泡が投入されたときに前記泡と接触する手段を備える装置。
- 前記低表面エネルギー材料の前記表面の少なくとも一部分が凸形であるかまたは尖っており、そのため、前記表面の前記少なくとも一部分が前記表面の他の部分から突き出ている、請求項55に記載の装置。
- 前記一部分が、前記表面の複数の凸形領域によって形成される、請求項56に記載の装置。
- 前記一部分が、メッシュ構造の細長いストランドによって形成される、請求項57に記載の装置。
- 前記表面が、前記表面を通り過ぎる流体の流れの方向に対して少なくとも部分的に平行な向きに配置される、請求項52から58のいずれか一項に記載の装置。
- 前記表面が可撓性の材料でできており、前記表面の上流端の移動を阻止するために、前記表面が、前記表面の上流端または前記表面の上流端の近くで保持されており、一方、前記表面の上流端から遠い前記表面の部分が横方向に移動することができる、請求項55から59のいずれか一項に記載の装置。
- 前記表面が複数の表面を含み、前記複数の表面が、互いに近い位置に、互いに対して少なくとも部分的に平行になるように、かつ前記複数の表面の対応するそれぞれの上流端における流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行になるように保持される、請求項55から60のいずれか一項に記載の装置。
- 流体流れの主たる方向を横切る方向に沿って前記複数の表面が互いから間隔を置いて配置されるような位置に、前記複数の表面が保持される、請求項61に記載の装置。
- 前記複数の表面が、流体流れの主たる方向に対して少なくとも部分的に平行な軸に沿って互いに取り付けられており、前記複数の表面がそれぞれ、前記軸から、前記軸から半径方向外側へ延びるような位置に、または前記複数の表面が、前記軸を横切る2つのそれぞれの方向に沿って間隔を置いて配置されるような位置に、または前記複数の表面が、前記軸に関して同心状に互いから間隔を置いて配置されるような位置に、前記複数の表面が保持されている、請求項61に記載の装置。
- 請求項23から40のいずれか一項に記載の分離器と、請求項55から63のいずれか一項に記載の泡低減装置と備える気液分離装置。
- 請求項55から64のいずれか一項に記載の装置を備える燃料電池システム。
- 熱と電力を組み合わせて生成するための請求項65に記載の燃料電池システムの使用。
- 車両に動力を供給するための請求項65に記載の燃料電池システムの使用。
- 電子装置内で発電するための請求項65に記載の燃料電池システムの使用。
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