JP4824713B2 - 流体回収装置及びこれを採用した燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用の流体回収装置及びこの流体回収装置を採用した燃料電池システムに関する。

燃料電池は、無公害の電力供給装置であって、次世代クリーンエネルギー発電システムの１つとして注目されている。燃料電池を用いた発電システムは、例えば、大型ビルの自家発電機、電気自動車用電源、移動電源などに利用可能である。そして、例えば、天然ガス、都市ガス、ナフサ、メタノール、廃棄物ガスなど、様々な燃料の使用が可能というメリットがある。様々な種類の燃料電池は、根本的に同じ原理によって作動し、使用される電解質に応じて、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）などに区分される。

これらの燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池は、使用される燃料に応じて、例えば、高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ ｏｒ Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）と、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）とに区分することができる。

まず、高分子電解質膜燃料電池は、固体高分子を電解質として使用する。したがって、電解質による腐食や蒸発が発生し難く、単位面積当たりの高い電流密度が得られる。また、他の種類の燃料電池に比べて出力特性がはるかに高く、作動温度が低いため、多様に利用可能である。例えば、自動車などに電力を供給するための移動用電源、住宅や公共ビルなどに電力を供給するための分散用電源、及び電子機器などに電力を供給するための小型電源として研究が盛んに行われている。

そして、直接メタノール型燃料電池は、燃料改質器を用いることなく、メタノールのような液相燃料を直接使用し、１００℃未満の作動温度で運転される。そのため、携帯用または小型電源に好適というメリットがある。

高分子電解質型燃料電池は、一般的に、アノード、イオン交換膜、及びカソードを備える。アノード及びカソードは、触媒層、ガス拡散層、及び集電層を備える。そして、イオン交換膜は、プロトンの移送を許容する一方で、電子伝導及び陰イオンの移送に対して高い抵抗性を有するように設計される。

前述した高分子電解質型燃料電池において、例えば、純水素やメタノール水溶液のような燃料がアノードに供給され、空気のような酸化剤がカソードに供給されると、燃料はアノードの触媒層で酸化反応してプロトン及び電子を生成する。このとき、プロトンはイオン交換膜を介してカソードに移動し、電子は外部回路を介してカソードに移動する。カソードの触媒層に移動するプロトン及び電子は、還元反応により水及び熱エネルギーを生成する。このとき、外部回路を介して移動する電子の流れは、電気エネルギーになる。

前述した高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜として固体高分子電解質膜を用いる。したがって、アノードから電解質膜を介してカソードにプロトンを移送するために、電解質膜を適切に加湿することが要求される。一方、システムの作動中に、前述した高分子電解質型燃料電池内の水は、プロトンと共に、アノードからメンブレンを介してカソードに移動する。そして、前述した水は、蒸発、凝縮、拡散などによって燃料電池の外部に排出される。したがって、高分子電解質型燃料電池システムでは、メンブレンの乾燥を防止するために加湿した反応物（燃料及び／または酸化剤）をアノード及び／またはカソードに供給するように構成される。

このように、一般的な高分子電解質型燃料電池システムでは、水管理が非常に重要である。したがって、燃料電池システム内の水または燃料を回収して再利用するリサイクル装置を備えることにより、燃料電池システム内の水の管理及びシステムの効率を高める。

大韓民国特許公開第２００６−００３５５４９号明細書 大韓民国特許公開第２００５−００２５４９９号明細書 大韓民国特許公開第２００７−００２１２２７号明細書 特開２００６−１８５６２９号公報

しかしながら、リサイクル装置を用いた場合、リサイクル装置に水及び／または未反応燃料を回収して貯蔵した後、さらに燃料電池のアノードに供給しなければならない。これにより、燃料電池システムに搭載されるリサイクル装置が揺れや回転に不自由であれば、小型または携帯用燃料電池システムへの適用は難しいという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、揺れや回転などが発生しても、安定して流体を回収することが可能な、新規かつ改良された燃料電池用の流体回収装置及びこの流体回収装置を採用した燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、長さ方向の一端に形成され気相流体及び液相流体を移送する第１配管が挿入される第１溝、及び、上記長さ方向の他端に形成され上記液相流体を流出させる第２配管が挿入される第２溝を備える棒状の多孔性部材と、該多孔性部材の上記一端に結合する第１電極と、上記多孔性部材の上記他端に結合する第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間に一定電圧を印加する電源部と、を含み、上記液相流体は、上記第１電極と上記第２電極との間に印加された電場下で上記一端から上記他端に移動し、上記気相流体は、上記多孔性部材を貫通して排出されることを特徴とする、流体回収装置が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、棒状の多孔性部材と、該多孔性部材の長さ方向の一端に結合する第１電極と、上記多孔性部材の上記長さ方向の他端に結合する第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間に一定電圧を印加するための電源部と、上記多孔性部材の上記一端と上記他端との間に配置される気液分離部と、を含み、上記多孔性部材の上記一端付近に気相流体及び液相流体が流入したとき、上記液相流体は、上記多孔性部材の上記他端付近から流出し、上記気相流体は、上記多孔性部材の上記気液分離部を介して排出されることを特徴とする、流体回収装置が提供される。

また、上記棒状の多孔性部材は、直線状又は１回以上曲がった屈曲状に形成されてもよい。

また、上記多孔性部材は、ポリマー、シリカ、シリコン、石英、セラミック、及びこれらの混合物からなる群より選択される物質を含んでもよい。

また、上記多孔性部材の上記一端又は上記他端に結合し、上記気相流体及び上記液相流体の熱エネルギー、又は、上記液相流体の熱エネルギーを奪う熱交換ユニットをさらに含んでもよい。

また、上記多孔性部材の上記他端が一体に結合し、上記他端から流出する上記液相流体を貯蔵する混合タンクをさらに含んでもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、アノードと、カソードと、上記アノードと上記カソードとの間に位置する電解質とを備えた燃料電池本体と、該燃料電池本体から出る流体のうち、所望の流体のみを選択的に回収する流体回収装置と、を含み、上記流体回収装置は、棒状の多孔性部材と、該多孔性部材の長さ方向の一端に結合する第１電極と、上記多孔性部材の上記長さ方向の他端に結合する第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間に一定電圧を印加する電源部と、を含み、上記多孔性部材の上記一端付近に気相流体及び液相流体が流入したとき、上記液相流体は、上記第１電極と上記第２電極との間に印加された電場下で上記一端付近から上記他端付近に移動し、上記気相流体は、上記多孔性部材の中間部分を介して排出されることを特徴とする、燃料電池システムが提供される。

また、上記カソード又は上記アノードの流出口と上記多孔性部材の上記一端とに連結される第１配管と、上記多孔性部材の上記他端に連結される第２配管と、をさらに含み、上記多孔性部材が、上記一端に形成され上記第１配管が挿入される第１溝、及び、上記他端に形成され上記第２配管が挿入される第２溝を備えてもよい。

また、上記多孔性部材の上記一端に上記第１配管を固定するための固定手段をさらに含んでもよい。

また、上記多孔性部材の上記他端に上記第２配管を固定するためのもう１つの固定手段をさらに含んでもよい。

また、上記多孔性部材の上記一端と上記他端との間に配置される気液分離部をさらに含み、上記気相流体は、上記気液分離部を介して排出されてもよい。

また、上記気液分離部は、上記多孔性部材を囲んでもよい。

また、前上記気相流体及び上記液相流体を冷却させるか、又は、上記液相流体を冷却させる熱交換ユニットをさらに含んでもよい。

また、上記流体回収装置から出される上記液相流体を貯蔵する混合タンクをさらに含み、上記多孔性部材の上記他端は、上記混合タンクに一体に結合されてもよい。

また、上記棒状の多孔性部材は、直線状又は１回以上曲がった屈曲状に形成されてもよい。

また、上記多孔性部材は、ポリマー、シリカ、シリコン、石英、セラミック、及びこれらの混合物からなる群より選択される物質を含んでもよい。

また、上記一定電圧は、上記第１電極と上記第２電極との間隔によって決定されてもよい。

また、上記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給装置、又は、上記アノードに燃料を供給する燃料供給装置をさらに含んでもよい。

また、上記燃料電池本体は、高分子電解質膜燃料電池方式、又は、直接メタノール型燃料電池方式で形成されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、揺れや回転などが発生しても、安定して流体を回収することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

以下では、説明の便宜上、「流体回収装置」は、燃料電池システム内で所望の液相流体を回収する装置であるとして説明するが、ここで、液相流体は、代表的に水を含む。しかし、液相流体は、水に限らず、未反応の液相燃料などを含むこともできる。そして、本発明を分かりやすく、かつ、明確に説明するため、添付された図１、図２及び図３の一部の構成要素１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂは、断面として表した。また、以下の説明において、「流体回収装置」は、所望の液相流体を回収して再利用するための装置であるとして主に言及するが、本発明は、所望の液相流体（汚染された水）を廃棄するために回収する装置にも適用可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体回収装置の概略図である。

図１に示すように、本実施形態に係る流体回収装置１０は、一定長さを有する棒状の多孔性部材１１と、多孔性部材１１の長さ方向（棒状の形状の長手方向）の両端側に結合する第１電極１３ａ及び第２電極１３ｂと、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間に一定電圧を印加する電源部１４とを有する。

多孔性部材１１は、数ミリメートル（ｍｍ）〜数十センチメートル（ｃｍ）の範囲の長さを有する直線の棒状に形成される。多孔性部材１１の断面は、円形、楕円形、多角形、又はこれらが組み合わされた形状で形成可能である。また、多孔性部材１１は、長さ方向の一端部分に第１溝１２ａを備え、長さ方向の他端部分に第２溝１２ｂを備える。第１溝１２ａには、気相及び液相の流体を流入するための第１配管１７ａの一端部が挿入され、第２溝１２ｂには、液相流体を流出するための第２配管１７ｂの一端部が挿入される。前述した多孔性部材１１は、例えば、ポリマー、シリカ、シリコン、石英、セラミック、及びこれらの組み合わせ物からなる群より選択されるいずれか１つの物質で形成され得る。そして、多孔性部材１１の孔は、水などを含む液相流体の移動を許容する大きさを有し、その大きさは、約数〜数百マイクロメートル（μｍ）の範囲であることが好ましい。

第１配管１７ａが挿入される位置（すなわち一端）は、例えば、多孔性部材１１の一端における少なくとも一側面、つまり、長さ方向に延長形成された面のうちの少なくとも一面とすることができる。また、第２配管１７ｂが挿入される位置（すなわち他端）は、例えば、多孔性部材１１の他端における端面、つまり、一側面に接した長さ方向の一方の末端に位置する面とすることができる。一方、第１配管１７ａから流入する液相及び気相の流体のうち気相の流体は多孔性部材１１の孔を介して外部に排出されるが、この気相の流体は、多孔性部材１１における一端と他端との間の中間部分から排出される。この中間部分は、上記の第１配管１７ａが挿入される一側面及び第２配管１７が挿入される端面以外の多孔性部材１１における少なくともいずれか一面となりうる。特に、図１に示す本実施形態の場合、この中間部分は、第１配管１７ａが挿入される一側面と対向する他側面となりうる。

なお、第１配管１７ａ及び第２配管１７ｂがそれぞれ挿入される各面は、この例に限定されるものではなく、それぞれ一端又は他端であれば如何なる位置であってもよい。ただし、上述のような面に第１配管１７ａ及び第２配管１７ｂをそれぞれ挿入することにより、一側面と対向する他側面から気相の流体を排出することができ、気相流体をその流れ方向に効率的に排出することができる。更に、他端の端面に配置された第２配管１７ｂから液相の流体を排出することができ、液相流体を気相流体から分離して効率的に排出することができる。

第１電極１３ａは、多孔性部材１１の一端に固定的に設けられ、第２電極１３ｂは、多孔性部材１１の他端に固定的に設けられる。第１電極１３ａは、電源部１４の正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）側に接続され、第２電極１３ｂは、電源部１４の負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）側に接続される。

電源部１４は、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間に一定電圧を印加するための装置であって、例えば、バッテリ、キャパシタ、燃料電池、商用電源などを含んでもよい。ここで、一定電圧は、多孔性部材１１に接する液相流体を電気浸透的に移動させることができる大きさの電圧に設定されることが望ましい。このような電圧は、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間隔に応じて任意に設定され得るが、約数ボルト〜数十ボルトに設定されてもよい。例えば、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間隔が略１センチメートルのとき、一定の電圧は約１Ｖ〜２Ｖに設定されることが望ましい。このような第１電極１３ａと第２電極１３ｂと電源部１４は、液相流体が流入する一端と液相流体が流出する他端との間に電圧差を発生させることができる。その結果、重力の方向とは関係なく電圧差に応じた電気浸透により、液相流体を一端から他端へと移動させて他端から排出することができる。

本発明の第１実施形態に係る流体回収装置１０は、次のように作動する。
第１配管１７ａを介して、気相及び液相の流体が多孔性部材１１の内部に流入すると、液相流体が第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間にかかる電場下で電気浸透的に一端から他端に移動し、第２配管１７ｂを介して流出する。そして、気相流体は、多孔性部材１１の一端と他端との中間部分を介して外部に排出される。このとき、多孔性部材１１の内部に流入する気相中の水分は、多孔性部材の内部を通過する間に冷却されて凝縮される。気相流体は、例えば、空気（Ａｉｒ）または水蒸気（Ｈ_２Ｏ（ｇ））を含み、液相流体は、例えば、液相の水（Ｈ_２Ｏ（ｌ））を含む。

＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態に係る流体回収装置の概略図である。

図２に示すように、本実施形態に係る流体回収装置１０ａは、１回曲げられた（屈折した）棒状、つまり「Ｌ」字状に形成された多孔性部材１１と、多孔性部材１１の長さ方向（形成方向に沿った方向）の各端面と平行に配置され、多孔性部材１１の一端及び他端にそれぞれ結合する第１電極１３ａ及び第２電極１３ｂと、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間に一定電圧を印加する電源部１４と、第１配管１７ａが挿入される多孔性部材１１の一側面と向き合った側面において一端と他端との中間部分に配置される気液分離部１５とを有する。

本発明の第２実施形態に係る流体回収装置１０ａは、多孔性部材１１が１回曲げられた「Ｌ」字状に形成されることと、多孔性部材１１の一端と他端との中間部分に気液分離部１５が設置されることを除き、第１実施形態に係る流体回収装置１０と実質的に同じである。

上述のように多孔性部材１１を「Ｌ」字状に形成した第２実施形態では、多孔性部材１１の一端の第１配管１７ａが挿入される側面と、多孔性部材１１の他端の第２配管１７ｂが挿入される端面とは、略平行となる。つまり、液相流体が流入する第１配管１７ａと液相流体が流出する第２配管１７ｂとの向きは、その液相流体がほぼ同一の方向に流れるように同一となる。従って、多孔性部材１１を「Ｌ」字状に形成することにより、液相流体の流れを円滑にすることができる。

気液分離部１５は、多孔性材料からなる。更に、この気液分離部１５は、例えば、多孔性部材１１と同じ材料で形成されてもよく、多孔性部材１１の表面に形成されたコーティング層または多孔性部材１１に付着した気液分離膜であってもよい。

このような気液分離部１５を用いると、一定圧力で流入する気相及び液相流体が多孔性部材１１を通過するとき、液相流体が大気中に排出されることを効果的に防止することができる。したがって、所望の液相流体の回収率の向上させることができる。

＜第３実施形態＞
図３は、本発明の第３実施形態に係る流体回収装置の概略図である。

図３に示すように、本実施形態に係る流体回収装置１０ｂは、４回曲げられた棒状、つまり「己」字状に形成された多孔性部材１１と、多孔性部材１１の長さ方向の一端及び他端にそれぞれ設けられる第１電極１３ａ及び第２電極１３ｂと、第１電極１３ａと第２電極１３ｂとの間に一定電圧を印加する電源部１４とを有する。更に、この流体回収装置１０ｂは、多孔性部材１１を囲む（覆う）気液分離部１５と、多孔性部材１１の一端に第１配管１７ａを固定的に結合するための固定手段１６ａと、他端に第２配管１７ｂを固定的に結合するための固定手段１６ｂとを有する。

多孔性部材１１は、「己」字状に連続して形成され得る。この「己」字状の多孔性部材１１は、棒状の長さ方向の一方の末端部に位置する一端の端面に、第１配管１７ａの一端部が挿入される第１溝１２ａを備え、棒状の長さ方向の他方の末端部に位置する他端の端面に、第２配管１７ｂの一端部が挿入される第２溝１２ｂを備える。

第１固定手段１６ａは、多孔性部材１１の第１溝１２ａに第１配管１７ａを固定的に結合させ、第２固定手段１６ｂは、多孔性部材１１の第２溝１２ｂに第２配管１７ｂを固定的に結合させる。第１固定手段１６ａ及び第２固定手段１６ｂは、接着剤方式またはコネクタ方式で設置されてもよく、例えば、シリコン材料、又は、ゴム・プラスチックなどの高分子材料を用いて実現されてもよい。

気液分離部１５は、多孔性部材１１の一端及び他端を除く全面を囲む（覆う）ように設置される。第３実施形態において、気相及び液相の流体が一端付近から流入した後、液相流体が他端に向かって電気浸透的に移動したとき、気相流体は、多孔性部材１１の全面に配置された気液分離部１５を介して徐々に排出され得る。したがって、装置の作動が停止したとき、多孔性部材１１内に残留する液相流体の外部漏れを防止することができる。

上述した本発明の第１実施形態から第３実施形態に係る流体回収装置は、流入する気相及び液相の流体の流れを人為的に異なるように設定する。これにより、不要な気相流体は排出させ、必要な液相流体は電気浸透的に移動させることにより、所望の流体のみを回収することができる。さらに、気相流体中の水分が多孔性部材に接触することにより、通常、水分より相対的に低い温度を有する多孔性部材によって水分を冷却して凝縮させる。これにより、水分の回収率を向上させることができる。さらに、本発明の流体回収装置は、ポンプのような別の移送手段を設置せずに流体を移送させることができる。また、装置の揺れや回転に対する影響を実質的に受けないため、多様に応用可能である。特に、本発明は、燃料電池のように、カソードで発生する水を選択的に回収するのに非常に有用である。

＜第４実施形態＞
図４は、本発明の第４実施形態に係る流体回収装置を採用した高分子電解質型燃料電池システムの概略図である。

図４に示すように、本実施形態に係る高分子電解質型燃料電池システム１００ａは、水回収ユニット１１０と、熱交換ユニット１２０と、燃料電池本体１４０と、燃料供給装置１５０と、改質装置１６０と、酸化剤供給装置１７０とを有する。

第４実施形態に係る燃料電池システムは、図１〜図３を参照しつつ説明した本発明の第１実施形態〜第３実施形態に係る流体回収装置のいずれか１つと同じ構成を有する水回収ユニット１１０を有する。この燃料電池システムでは、水回収ユニット１１０を熱交換ユニット１２０と結合することにより、新たな流体回収装置１０ｃを実現していることを主な特徴とする。流体回収装置１０ｃで回収した水は、改質装置１６０に供給されるか、又は、燃料及び／又は酸化剤と共に燃料電池本体１４０に供給されてもよい。

水回収ユニット１１０は、実質的に、上記の第１実施形態〜第３実施形態に係る流体回収装置に対応するが、本発明の技術思想の範囲内で熱交換ユニット１２０などとの結合が可能なことから、以下では、説明の便宜上、違う名称、すなわち、「水回収ユニット」と称する。水回収ユニット１１０は、燃料電池本体１４０のカソードで発生する気相及び液相の流体のうち、液相流体を選択的に回収する。もちろん、水回収ユニット１１０を介して一部の気相流体が回収され得るが、実際に、気相流体の回収率はわずかなため、ここでは気相流体の回収はないものと仮定して説明する。

熱交換ユニット１２０は、水回収ユニット１１０の前段に結合される。熱交換ユニット１２０が水回収ユニット１１０の前段に結合すると、燃料電池本体１４０のカソードで発生する高温の流体をある程度冷却した後に水回収ユニット１１０に流入させることができる。これにより、水回収ユニット１１０において水蒸気の回収率の向上を図ることができる。ここで、流体の温度は、燃料電池本体１４０の作動温度に関連し、通常、高分子電解質型燃料電池の場合、約８０℃となる。この熱交換ユニット１２０は、空冷式及び／または水冷式の熱交換器を用いて実現され得る。

一方、前述した熱交換ユニット１２０は、燃料電池本体１４０の作動温度が約５０〜６０℃と比較的低い場合には、水回収ユニット１１０の後段に結合するも可能である。この場合、水回収ユニット１１０は、気相流体中の水分の回収率を高めるため、本発明の第２実施形態〜第３実施形態に係る流体回収装置のように気液分離部１５を備えることが好ましい。

燃料供給装置１５０は、水素を含有する燃料（以下「水素含有燃料」という）を貯蔵し、貯蔵している水素含有燃料を改質装置１６０に供給する。水素含有燃料には、例えば、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール、ブタンガスなどの炭化水素系燃料、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）、純水素（Ｈ_２）などが使用可能である。前述した燃料供給装置１５０は、水素含有燃料を貯蔵する燃料タンク、及びこの燃料タンクと改質装置１６０との間に設置される燃料ポンプのような移送手段で実現可能である。また、燃料供給装置１５０は、ブタンなどを貯蔵した圧力タンクで実現可能である。

改質装置１６０は、水素含有燃料を改質して水素が豊富な改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池本体１４０のアノードに供給する。改質装置１６０は、水素含有燃料やその他の燃料を燃焼させて熱を発生させる熱源部と、この熱源部の熱を利用して水素含有燃料を水蒸気改質する改質反応部とで実現可能である。この場合、改質反応部に必要な水は、水回収ユニット１１０で回収した水を使用することができる。一方、第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水素含有燃料として純水素を使用する場合、改質装置１６０は省略可能である。

酸化剤供給装置１７０は、大気中の空気を燃料電池本体１４０のカソードに供給する。酸化剤供給装置１７０は、例えば、空気ポンプ、送風機などで実現可能である。

燃料電池本体１４０は、改質ガス中の水素と空気に含まれる酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成し、副生成物として未反応改質ガスなどのアノード流出物と水などのカソード流出物とを排出する。燃料電池本体１４０は、アノード、カソード、及びこれらの間に位置する電解質を備えることができる。アノード及びカソードは、触媒層、ガス拡散層、及びセパレータを有し得る。本実施形態の燃料電池本体１４０は、固体高分子を用いた高分子電解質膜燃料電池方式で実現されることが好ましいが、これに限定されるものではない。

この高分子電解質膜型燃料電池システムでは、カソードセパレータが「己」字状の流路を有する場合、カソード流入口とカソード流出口との間には内圧の差が発生する。そして、カソード流出口付近では、カソード流出口の相対的に低い内圧により「フラッディング現象（排出される水蒸気などが内圧差により液化する現象）」が生じ得る。しかし、第４実施形態に係る燃料電池システムでは、カソード流出口側に結合した流体回収装置１０ｃが、所定の圧力でカソードから水を取り出すように作用することができる。従って、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、フラッディング現象の発生を防止することができる。
＜第５実施形態＞

図５は、本発明の第５実施形態に係る流体回収装置を採用した直接メタノール型燃料電池システムの概略図である。

図５に示すように、本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システム１００ｂは、水回収ユニット１１０と、混合タンク１３０と、燃料電池本体１４０ａと、燃料供給装置１５０ａと、酸化剤供給装置１７０とを有する。

第５実施形態に係る燃料電池システムは、図１〜図３を参照しつつ説明した本発明の第１実施形態〜第３実施形態に係る流体回収装置のいずれか１つと実質的に同じ構成を備えた水回収ユニット１１０を有する。この燃料電池システムでは、水回収ユニット１１０を混合タンク１３０と結合することにより、新たな流体回収装置１０ｄを実現していることを主な特徴とする。第５実施形態では、２つの水回収ユニット１１０が混合タンク１３０の第１流入口及び第２流入口にそれぞれ結合している。混合タンク１３０の第１流入口は、１方の水回収ユニット１１０を介して燃料電池本体１４０ａのカソード流出口に連結され、混合タンク１３０の第２流入口は、もう１方の水回収ユニット１１０を介して燃料電池本体１４０ａのアノード流出口に連結される。流体回収装置１０ｄで回収した未反応燃料及び水は、燃料供給装置１５０ａから供給される原燃料と混合されて燃料電池本体１４０ａに供給され得る。

水回収ユニット１１０は、燃料電池本体１４０のカソードから出る気相及び液相の流体のうち、液相流体を選択的に回収する。そして、もう１つの水回収ユニット１１０は、燃料電池本体１４０のアノードから出る気相及び液相の流体のうち、液相流体を選択的に回収する。ここで、カソード流出物中の液相流体は、代表的に水を指し、アノード流出物中の液相流体は、代表的に未反応燃料を指す。

混合タンク１３０は、２つの水回収ユニット１１０によって回収された未反応燃料及び水を貯蔵し、燃料供給装置１５０ａから供給される原燃料を貯蔵する。そして、原燃料、未反応燃料及び水が混合した液相燃料を移送手段１３２を介して燃料電池本体１４０ａに供給する。混合タンク１３０は、前述した第１流入口及び第２流入口のほか、不要な気相流体を排出するための排気口と、液相燃料を燃料電池本体１４０ａに供給するための流出口とを備える。移送手段１３２は、液体を移送できる装置、例えば、燃料ポンプで実現可能である。

燃料供給装置１５０ａは、原燃料として水素含有燃料を貯蔵し、貯蔵された水素含有燃料を混合タンク１３０に供給する。水素含有燃料には、例えば、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノールなどの液状の炭化水素系燃料が使用可能である。この燃料供給装置１５０ａは、水素含有燃料を貯蔵する燃料容器と、燃料容器と混合タンク１３０との間に設置される燃料ポンプのような移送手段とで実現可能である。また、燃料供給装置１５０ａは、燃料容器自体に一定圧力を備える圧縮容器で実現可能である。

燃料電池本体１４０ａは、混合タンク１３０から供給される液相燃料と空気に含まれる酸素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。そして、副生成物として、未反応燃料、二酸化炭素などのアノード流出物と水などのカソード流出物とを排出する。燃料電池本体１４０ａは、直接メタノール型燃料電池方式で実現可能である。

この直接メタノール型燃料電池システムでは、燃料電池本体１４０ａのカソード及び／またはアノードセパレータの流路が「己」字状の流路として設けられる場合、カソード流出口側の内圧がカソード流入口側の内圧より低く、酸化剤及び生成水の流れに停滞現像が生じ得る。また、アノード流出口側の内圧がアノード流入口側の内圧より低く、液相燃料及び副生成物の流れに停滞現象が生じ得る。しかし、第５実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムでは、カソード流出口側に結合する水回収ユニット１１０が、所定の圧力（電気浸透圧）でカソードから水を取り出すように作用することにより、カソード内の流体の円滑な流れを図ることができる。また、アノード流出口側に結合するもう１つの水回収ユニット１１０が所定の圧力でアノードから未反応燃料を取り出すように作用することにより、アノード内の流体の円滑な流れを図ることができるメリットもある。

この第５実施形態に係る流体回収装置を採用した燃料電池システムは、システムの揺れや回転とは無関係に作動することができる。燃料電池本体から出る気相及び液相を含む二相流体のうち、液相流体を選択的に電気浸透方式によって移動させ、気相流体をそのまま外部に排出させることができる。そのため、本実施形態に係る流体回収装置を採用した燃料電池システムは、燃料電池本体のカソード及び／またはアノードから排出される水及び／または未反応燃料を効果的に回収してリサイクルするかまたは廃棄することができる。ここで、水及び／または未反応燃料を廃棄する場合、燃料電池本体内のアノードから電解質膜を介してカソードに移動し、クロスオーバーした燃料または燃料水溶液や、二酸化炭素などにより、カソードで生成される汚染水を廃棄物中に含めて除去することができる。
＜燃料電池システムの概要＞

図６は、本発明の各実施形態に係る燃料電池システムに採用可能な燃料電池本体の主要構成要素を説明するための図である。

図６に示すように、各実施形態に採用可能な燃料電池本体は、純水素、若しくは水素が豊富な改質ガスを燃料として使用する高分子電解質型燃料電池方式、又は、メタノールやその他の液相燃料を直接使用する直接メタノール型燃料電池方式で実現可能である。これら２つの方式による燃料電池は、基本的に、アノード電極、カソード電極、及びこれらアノード電極とカソード電極との間に位置する電解質膜１４１とを有する。

アノード電極は、触媒層１４２、微細気孔層１４４、及び気体拡散層１４６を含み、カソード電極は、触媒層１４３、微細気孔層１４５、及び気体拡散層１４７を含んでなり得る。

この燃料電池本体の作動原理を説明すると、次のとおりである。

燃料供給装置から燃料電池本体のアノードに水素含有燃料が供給され、カソードに酸化剤、例えば空気中の酸素が供給されると、水素含有燃料は、アノード電極において、電気化学的反応により水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とにイオン化し、かつ酸化する。生成された水素イオンは、電解質膜１４１を通過してカソード電極に移動し、電子はアノード電極から外部回路を介してカソード電極に移動する。カソード電極に到達した水素イオンは、酸化剤供給装置からカソード電極に供給される酸化剤と電気化学的還元反応を起こして反応熱及び水を生成する。このとき、前記還元反応に必要な電子がアノード電極からカソード電極に移動して電気エネルギーを発生させる。

水素含有燃料としてメタノールを使用する場合、燃料電池本体の電気化学反応は、下記の（反応式１）のように概略的に示すことができる。

（反応式１）
アノード ： ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
カソード ： ３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ
全体 ： ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

他方、水素含有燃料として純水素または水素豊富な改質ガスを燃料として使用する場合、燃料電池本体の電気化学反応は、下記の（反応式２）のように概略的に示すことができる。

（反応式２）
アノード ： Ｈ_２（ｇ）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード ： １／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全体 ： Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

＜各実施形態による効果の例＞
以上、本発明の各実施形態に係る燃料電池用の流体回収装置及びこの流体回収装置を採用した燃料電池システムについて説明した。これらの流体回収装置及び燃料電池システムによれば、流体回収装置に流入する気相及び液相の流体のうち、液相流体のみを選択的に回収することができる。この際、簡単な構成により、液相流体を電気浸透的に移送することができる。つまり、例えば回転・ひっくり返し・揺れなどのように流体回収装置の作動状態（姿勢）が変換しても、重力の方向に関係なく、液相流体を移送することができる。従って、流体回収装置が搭載されるアプリケーション、例えば、携帯用燃料電池システムなどの作動を安定させることができる。更に、この液体回収装置は、簡単な構造で形成され、小型化が可能であるため、小型燃料電池システムの設計に寄与することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の第１実施形態に係る流体回収装置の概略図である。 本発明の第２実施形態に係る流体回収装置の概略図である。 本発明の第３実施形態に係る流体回収装置の概略図である。 本発明の第４実施形態に係る流体回収装置を採用した高分子電解質型燃料電池システムの概略図である。 本発明の第５実施形態に係る流体回収装置を採用した直接メタノール型燃料電池システムの概略図である。 本発明の燃料電池システムに採用可能な燃料電池方式を説明するための図である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 流体回収装置
１１ 多孔性部材
１２ａ 第１溝
１２ｂ 第２溝
１３ａ 第１電極
１３ｂ 第２電極
１４ 電源部
１５ 気液分離部
１６ａ 第１固定手段
１６ｂ 第２固定手段
１７ａ 第１配管
１７ｂ 第２配管
１００ａ 高分子電解質型燃料電池システム
１００ｂ 直接メタノール型燃料電池システム
１１０ 水回収ユニット
１２０ 熱交換ユニット
１３０ 混合タンク
１４０、１４０ａ 燃料電池本体
１５０、１５０ａ 燃料供給装置
１６０ 改質装置
１７０ 酸化剤供給装置

Claims (17)

1. 気相流体及び液相流体を流入するための第１配管が挿入される前記液相流体の上流側に形成される第１溝、及び、前記液相流体の下流側に形成され前記液相流体を流出させる第２配管が挿入される第２溝を備える棒状の多孔性部材と、
   前記多孔性部材の前記上流側に結合する第１電極と、
   前記多孔性部材の前記下流側に結合する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に一定電圧を印加する電源部と、
   を含み、
   前記棒状の多孔性部材は、直線状又は１回以上曲がった屈曲状に形成され、
   前記液相流体は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電場下で、前記多孔性部材の前記上流側から前記下流側に移動し、
   前記気相流体は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電場下で、前記多孔性部材の中間部に形成される孔から排出されることを特徴とする、流体回収装置。
2. 前記多孔性部材の中間部に配置される気液分離部を含み、
   前記気相流体は、前記多孔性部材の中間部に形成される孔と前記気液分離部を介して排出されることを特徴とする、請求項１記載の流体回収装置。
3. 前記多孔性部材は、ポリマー、シリカ、シリコン、石英、セラミック、及びこれらの混合物からなる群より選択される物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体回収装置。
4. 前記多孔性部材の前記上流側又は前記下流側に結合し、前記気相流体及び前記液相流体の熱エネルギー、又は、前記液相流体の熱エネルギーを奪う熱交換ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体回収装置。
5. 前記多孔性部材の前記下流側が一体に結合し、前記下流側から流出する前記液相流体を貯蔵する混合タンクをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体回収装置。
6. アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に位置する電解質とを備えた燃料電池本体と、
   該燃料電池本体から出る流体のうち、所望の流体のみを選択的に回収する流体回収装置と、
   を含み、
   前記流体回収装置は、
   気相流体及び液相流体を流入するための第１配管が挿入される前記液相流体の上流側に形成される第１溝、及び、前記液相流体の下流側に形成され前記液相流体を流出させる第２配管が挿入される第２溝を備える棒状の多孔性部材と、
   前記多孔性部材の前記上流側に結合する第１電極と、
   前記多孔性部材の前記下流側に結合する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に一定電圧を印加する電源部と、
   を含み、
   前記棒状の多孔性部材は、直線状又は１回以上曲がった屈曲状に形成され、
   前記液相流体は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電場下で、前記多孔性部材の前記上流側から前記下流側に移動し、
   前記気相流体は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電場下で、前記多孔性部材の中間部に形成される孔から排出されることを特徴とする、燃料電池システム。
7. 前記第１配管は、前記カソード又は前記アノードの流出口と前記多孔性部材の前記上流側とに連結され、
   前記第２配管は、前記多孔性部材の前記下流側に連結されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記多孔性部材の前記上流側に前記第１配管を固定するための固定手段をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記多孔性部材の前記下流側に前記第２配管を固定するためのもう１つの固定手段をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記多孔性部材の前記上流側と前記下流側との間に配置される気液分離部をさらに含み、
    前記気相流体は、前記気液分離部を介して排出されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記気液分離部は、前記多孔性部材を囲むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前前記気相流体及び前記液相流体を冷却させるか、又は、前記液相流体を冷却させる熱交換ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
13. 前記流体回収装置から出される前記液相流体を貯蔵する混合タンクをさらに含み、
    前記多孔性部材の前記他端は、前記混合タンクに一体に結合されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
14. 前記多孔性部材は、ポリマー、シリカ、シリコン、石英、セラミック、及びこれらの混合物からなる群より選択される物質を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
15. 前記一定電圧は、前記第１電極と前記第２電極との間隔によって決定されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
16. 前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給装置、又は、前記アノードに燃料を供給する燃料供給装置をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料電池本体は、高分子電解質膜燃料電池方式、又は、直接メタノール型燃料電池方式で形成されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
    
    
    

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