JP2007273167A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】運転条件や運転姿勢が変化した際にも優れた気液分離性能を発揮する気液分離手段を具備する燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】疎液性の疎液チューブ２と、前記疎液チューブに連通する親液性の親液チューブ３と、前記疎液チューブの流路を遮断するように設けられた親液性部材、または、前記親液チューブの流路を遮断するように設けられた疎液性部材と４、を備える気液分離手段１を具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）は、膜電極複合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）を備え、この膜電極複合体（ＭＥＡ）を挟むようにアノード流路板とカソード流路板とが交互に積層されている。水とメタノールの混合溶液がアノード流路板を介してアノードに送られると、アノードでは下式（１）の反応が生じ、二酸化炭素（ＣＯ₂）が発生する。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （１）
一方、酸素を含む空気がカソード流路板を介してカソードに送られると、カソードでは下式（２）の反応が生じ、水（Ｈ₂Ｏ）が発生する。

3/2Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ （２）
アノードで発生した二酸化炭素と、水とメタノールの混合溶液とは、気液二相の状態でアノードから排出される。

従来、アノードから排出された気液二相流は、密度差を利用して気体と液体に分離され、液体は混合タンクに戻されて循環、再利用され、気体は気液分離膜を介して大気中に放出されていた。一方、カソードで発生する水は、密度差を利用して空気と分離され、カソードから排出される水蒸気の一部は、凝縮器により凝縮された後、密度差を利用して空気と分離されていた。

しかしながら、このような流路系統では、ＤＭＦＣを傾けたり、逆さにした場合に気液分離がうまく行われず、運転状態が不安定になったり、液体がＤＭＦＣから漏出するという問題点があった。また、密度差を利用するため、気液分離手段の高さ方向のサイズを十分に確保する必要があり、燃料電池の小型化を妨げるという問題点もあった。

特許文献１には、液体中に気泡が混入した気体混合液体を受け入れて気体と液体に気液分離する気液分離器が開示されている。

前述したように、ＤＭＦＣの場合、発電によりアノードでＣＯ₂が発生する。ＣＯ₂の発生量は、発電状態により異なるため、アノードから排出される気液二相流中の気液の割合も変化する。例えば、アノードへの燃料供給量にもよるが、発電をほとんどしていない場合、アノードからはほぼ液体１００％の流体が排出されるのに対して、発電時には、発電条件によっては、気液二相流中の液体の割合が1/20以下になることもある。液体の割合が低くなりすぎた場合、例えば1/20以下になるような場合には、気液二相流はスラグ流を形成する。すなわち、ＤＭＦＣでは運転条件によって、液体中にわずかに気体が存在する状態から、気体中にわずかに液体が存在する状態へと変化する。

特許文献１の気液分離器では、気体抽出材が下側になった際に、気体中にわずかに液体が存在する状態の気液二相流が導入されると、液滴が気体抽出材表面に付着する。このため、気体の透過が妨げられ、気液分離機構が十分に機能しない。また、液体中にわずかに気体が存在する状態の気液二相流が導入された場合でも、液体抽出材表面に気泡が付着して、気液分離機構が十分に機能しない場合もある。

ところで、特許文献２には、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素化物の水溶液から水素ガスを生成するための反応チャンバにおいて、反応チャンバの入口および出口に親水性スクリーン又は膜を配置し、疎水性膜で反応チャンバの内面または外面を覆うことが開示されている。この場合、反応チャンバで発生した液体／気体混合物を気液分離することは可能であるが、気液二相流を反応チャンバ内に導入し、気液分離することはできない。
特開２００５−２３８２１７号公報 特開２００４−９５０号公報

本発明は、運転条件や運転姿勢が変化した際にも優れた気液分離性能を発揮する気液分離手段を具備する燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面に係る燃料電池は、疎液性の疎液チューブと、
前記疎液チューブに連通する親液性の親液チューブと、
前記疎液チューブの流路を遮断するように設けられた親液性部材、または、前記親液チューブの流路を遮断するように設けられた疎液性部材と、
を備える気液分離手段を具備することを特徴とする。

本発明の第２の側面に係る燃料電池は、親液性の親液チューブと、
前記親液チューブ内に挿入された閉じた一端を有する疎液性の疎液チューブと、
を備え、前記疎液チューブの外壁と前記親液チューブの内壁との間には隔壁が設けられている気液分離手段を具備することを特徴とする。

本発明の第３の側面に係る燃料電池は、閉じた一端を有する主流路と、
前記主流路の一方の面に設けられた第１の流路と、
前記主流路の前記面の対向面に設けられた第２の流路と、
前記主流路と前記第１の流路とを連通させる開口部に設けられた第１の疎液性部材と、
前記主流路と前記第１の流路とを連通させる開口部に設けられた第１の親液性部材と、
前記第１の疎液性部材が設けられた開口部に対向し、前記主流路と前記第２の流路とを連通させる開口部に設けられた第２の親液性部材と、
前記第１の親液性部材が設けられた開口部に対向し、前記主流路と前記第２の流路とを連通させる開口部に設けられた第２の疎液性部材と、
前記第１の流路を前記第１の疎液性部材と前記第１の親液性部材との間で上流側と下流側とに区切るための第１の隔壁と、
前記第２の流路を前記第２の親液性部材と前記第２の疎液性部材との間で上流側と下流側とに区切るための第２の隔壁と、
を備える気液分離手段を具備することを特徴とする。

本発明の第４の側面に係る燃料電池は、ケースと、
前記ケースの内部を第１の空間と第２の空間とに分割するように張設された親液性部材と、
前記第１の空間に連通する疎液性の疎液チューブと、
前記第１の空間の前記ケースの壁面に形成された開口部に設けられた疎液性部材と、
を備える気液分離手段を具備することを特徴とする。

本発明の第５の側面に係る燃料電池は、ケースと、
前記ケースの内部を第１の空間と第２の空間とに分割するように張設された疎液性部材と、
前記第１の空間に連通する親液性の親液チューブと、
前記第１の空間の前記ケースの壁面に形成された開口部に設けられた親液性部材と、
を備える気液分離手段を具備することを特徴とする。

本発明によれば、運転条件や運転姿勢が変化した際にも優れた気液分離性能を発揮する気液分離手段を具備する燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を示す模式図である。

この燃料電池は、気液分離手段１と、混合タンク１１と、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：volatility organic compound）除去手段１０と、燃料電池本体２０と、取り外し可能な燃料タンク２７とを具備する。

気液分離手段１は、疎液性の疎液チューブ２と、疎液チューブ２に連通する親液性の親液チューブ３と、親液チューブ３の流路を遮断するように設けられた疎液性部材４とを備える。疎液チューブ２と親液チューブ３は、連通チューブ５により連通されている。疎液チューブ２は、疎液チューブ２内を通流する流体との接触面積を大きくするためにらせん状に巻回され、気体タンク６に収容されている。この気体タンク６には、燃料電池本体のアノードから排出される気液二相流が供給される流体供給口７と、疎液チューブ２の壁面を透過して捕集された気体を排出するための気体排出口８とが設けられている。気体排出口８は、配管等のラインＬ９を介してＶＯＣ除去手段１０に連通している。このラインＬ９には、バルブＶ９が備えられている。

一方、疎液チューブ２と連通チューブ５を介して連通されている親液チューブ３は、混合タンク１１に収容されている。なお、連通チューブ５の疎液チューブ２と接続している側の端部は気体タンク６内に収容され、連通チューブ５の親液チューブ３と接続している側の端部は混合タンク１１内に収容されている。この連通チューブ５は、省略することができ、疎液チューブ２と親液チューブ３とを直接繋げてもよい。親液チューブ３の連通チューブ５とは反対側の端部には、気体排出チューブ１２が挿入されている。気体排出チューブ１２の外壁と親液チューブ３の内壁との間には、親液チューブ３内を通流する流体の流れを遮断するように隔壁１３が設けられている。この隔壁１３は、親液チューブ３と一体成形されていてもよい。気体排出チューブ１２の親液チューブ３に挿入されている側の端部には、疎液性部材４が設けられており、親液チューブ３内を通流する流体の流路をこの疎液性部材４が遮断している。気体排出チューブ１２の親液チューブ３に挿入されているのと反対側の端部には、配管等のラインＬ１４が接続されており、このラインＬ１４はラインＬ９と合流している。ラインＬ１４には、逆止弁ＣＶ１４が備えられており、逆止弁ＣＶ１４よりも下流側には、バルブＧＶ１４が備えられている。

親液チューブ３が収容されている混合タンク１１には、気体排出口１５と液体送出口１６とが設けられている。気体排出口１５には、疎液性部材１７が張設されている。気体排出口１５に接続された配管等のラインＬ１８は、ラインＬ１４の逆止弁ＣＶ１４の下流側でバルブＧＶ１４の上流側に合流している。ラインＬ１８には、逆止弁ＣＶ１８が備えられており、逆止弁ＣＶ１８の下流側には、バルブＧＶ１４が備えられている。液体送出口１６は、配管等のラインＬ１９を介して燃料電池本体のアノード流路板２２の流路入口に連通されている。このラインＬ１９には、ポンプＰ１９が設けられている。

なお、逆止弁ＣＶ１４，ＣＶ１８およびバルブＶ９，ＧＶ１４は省略することも可能である。

図１に示す燃料電池本体２０は、直接液体燃料供給型のセル２１を具備する。セル２１は、アノード流路板２２と、カソード流路板２３と、膜電極複合体（ＭＥＡ）２４とを具備する。このＭＥＡ２４は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在する電解質膜とを具備する。ＭＥＡ２４のアノード側にはアノード流路板２２が配置されている。ＭＥＡ２４のカソード側にはカソード流路板２３が配置されている。図１には、燃料電池本体２０にセル２１が３つ設置されている例が示されている。図１の燃料電池には、カソード流路板２３を介してカソードに酸素を含む空気を送給するためのファン２５が設けられている。図中、白抜き矢印は、空気の流れ方向を示す。アノード流路板２２の流路出口は、配管等のラインＬ２６を介して気体タンク６の流体供給口７に連通されている。

燃料タンク２７には、メタノール等の燃料が収容される。燃料タンク２７には、燃料送出口２８と気体排出口２９が設けられている。気体排出口２９には、疎液性部材３０が張設されている。燃料送出口２８は、配管等のラインＬ３１を介して連通チューブ５に連通している。このラインＬ３１には、バルブＶ３１が備えられており、バルブＶ３１の下流側にはポンプＰ３１が設けられている。一方、気体排出口２９に接続された配管等のラインＬ３２は、ラインＬ１４のバルブＧＶ１４の下流側に合流している。ラインＬ３２には、逆止弁ＣＶ３２が備えられている。

疎液チューブ２および疎液性部材４は、液体よりも気体を透過させやすい材料からなり、例えば、疎液性の多孔体やその膜から形成することができる。疎液性の多孔体としては、テフロン（登録商標）多孔体を挙げることができる。かかる多孔体は、数ミクロンの孔径を有することが望ましい。また、ＭＥＭＳ技術等を用いて樹脂板にサブミクロンの貫通孔を形成し、テフロン（登録商標）コート等により疎液処理したものを疎液性の多孔体として用いることもできる。

親液チューブ３は、気体よりも液体を透過させやすい材料からなり、例えば、親液性の多孔体から形成することができる。かかる親液性の多孔体としては、例えば、ポリエーテルイミドの多孔体を挙げることができる。多孔体は、サブミクロンから数ミクロンの孔径を有することが望ましい。また、ＭＥＭＳ技術等を用いてサブミクロンの貫通孔を形成した樹脂板に、ポリエーテルイミドコーティング等の親液処理を施したものを親液性の多孔体として用いることもできる。

チューブの形状は、管状であればいかなる形状でもよく、その断面形状は、円形、楕円形、三角形、矩形、多角形、不定形等にすることができる。

次に、図１の燃料電池の運転方法を説明する。

燃料タンク２７に収容された燃料は、ポンプＰ３１のポンプ圧により、燃料送出口２８からラインＬ３１を介して連通チューブ５に送給される。燃料タンク２７の温度が燃料の沸点以上にまで上昇した場合、発生した気体は、燃料タンク２７の気体排出口２９から疎液性部材３０を透過し、ラインＬ３２，Ｌ１４，Ｌ９を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。ＶＯＣ除去手段１０では、燃料タンク２７内で発生した気体中の有機物質等が触媒燃焼に供されるか、あるいは吸着剤等により吸着除去される。

連通チューブ５に送給された燃料は、混合タンク１１において気液二相流から分離された液体と混合され、所望の濃度に調節される。この混合溶液は、ポンプＰ１９のポンプ圧により、液体送出口１６からラインＬ１９を介して燃料電池本体２０のアノード流路板２２に供給される。一方、燃料電池本体２０のカソードには、ファン２５により酸素を含む空気が供給される。このとき、カソード流路板２３のＭＥＡ２４側の表面に溝２３ａを形成し、この溝２３ａを介して、ファン２５により送給された空気をカソードの全面にわたって供給することが望ましい。これにより、燃料電池本体２０では、前述した式（１），（２）の反応が進み、発電が行われる。

アノード流路板２２からは、発電に使用されなかった未反応の残溶液と、発電反応により発生した二酸化炭素とを含む気液二相流が排出される。この気液二相流は、ラインＬ２６を介して気体タンク６の流体供給口７から疎液チューブ２に送給され、疎液チューブ２内を通流する。このとき、気液二相流中に含まれる気体が疎液チューブ２の壁面を透過し、気体タンク６内に捕集される。捕集された気体は、気体タンク６の気体排出口８からラインＬ９を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。

一方、気液二相流中の液体は、疎液チューブ２内を通流し、連通チューブ５を介して親液チューブ３に送給される。親液チューブ３内を通流する液体は、親液チューブ３の壁面を透過し、混合タンク１１内に捕集される。一方、親液チューブ３内を通流する液体中にわずかに残存する気体は、親液チューブ３に挿入された気体排出チューブ１２の疎液性部材４を透過し、ラインＬ１４，Ｌ９を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。また、混合タンク１１内では、温度変化等により、液体中に溶存していた気体成分が気化して気体が発生することがある。発生した気体は、気体排出口１５の疎液性部材１７を透過し、ラインＬ１８，Ｌ１４，Ｌ９を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。気体排出口１５と疎液性部材１７は複数個ずつ設けてもよい。

図１では、親液チューブ３が混合タンク１１内に収容されている例を示したが、親液チューブ３を別途設けたタンク等に収容し、親液チューブ３の壁面を透過した液体を捕集することもできる。捕集された液体は、混合タンク等に供給することにより再利用することが望ましい。

図１の気液分離手段では、親液チューブ３の流路を遮断するように疎液性部材４を設けている。これにより、親液チューブ３内を通流する液体にわずかに溶存する気体が混合タンク１１に供給されるのを防止し、気液分離性能を特に良好にすることができる。さらに、連通チューブ５に燃料を供給しているため、混合タンク内の燃料の濃度を比較的均一に保ちやすい。

図１では、カソード側がブリージングタイプの燃料電池本体２０を例示したが、ポンプで空気を送給することもできる。この場合には、カソード流路板２３の溝２３ａにポンプを用いて空気を供給することが望ましい。カソード流路板２３から排出される水と空気の混合流体は、アノード側と同様に気液分離することができる。

以上詳述したように、疎液チューブと親液チューブと疎液性部材とをシリーズ（直列）に配置することにより、優れた気液分離性能を実現することができる。すなわち、前述した気液分離手段によれば、燃料電池が傾いた場合や天地が逆転した場合にも、気体は疎液チューブまたは疎液性部材の少なくとも一部に接触し、液体は親液チューブの少なくとも一部に接触する。このため、気液分離性能が低下するのを抑制できる。また、疎液チューブや疎液性部材に液滴が付着したり、親液チューブに気泡が付着したりするのを防ぐことができる。さらに、気泡や液滴が付着した場合にも、気体は疎液チューブまたは疎液性部材の少なくとも一部に接触し、液体は親液チューブの少なくとも一部に接触する状態を維持することができる。また、液体中にわずかに気体が存在する状態、気体中にわずかに液体が存在する状態のいずれの場合にも、少量存在する相が密度差により上もしくは下に移動し、透過可能なチューブ壁面に接触可能となる。

次に、図２を参照して第１の実施形態に係る他の燃料電池について説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る他の燃料電池を示す模式図である。なお、図２において、図１と同様の機能を有する部材については図１と同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

図２の燃料電池は、気液分離手段101の親液チューブ102と疎液チューブ103の配置が図１の場合と逆転し、新たに親液性部材104が設けられている。

混合タンク105には、燃料タンク２７から燃料が供給される燃料供給口106と、気液二相流が供給される流体供給口107と、混合タンク105内の混合溶液をアノード流路板２２に送給するための液体送出口108と、気液分離手段101の下流側で捕集された液体が供給される液体回収口109とが設けられている。図２の液体送出口108は、図１の液体送出口１６と同様な機能を有する。混合タンク105には親液チューブ102が収容されている。

アノード流路板２２から排出された気液二相流は、流体供給口107からこの親液チューブ102に送給される。この親液チューブ102は、親液チューブ内を通流する気液二相流との接触面積を大きくするために、らせん状に巻回されている。親液チューブ102は、連通チューブ110を介して気体タンク111に収容された疎液チューブ103に連通している。疎液チューブ103の連通チューブ110と反対側の端部には、液体回収チューブ112が接続されている。液体回収チューブ112の疎液チューブ103側の端部には、親液性部材104が設けられており、疎液チューブ103内を通流する流体の流路をこの親液性部材104が遮断している。親液性部材104は、前述した親液チューブ３と同様な材料で形成することができる。

液体回収チューブ112は、配管等のラインＬ113を介して混合タンク105の液体回収口109に連通している。ラインＬ113には、逆止弁ＣＶ113が備えられている。気体タンク111には、気体排出口114が設けられている。気体排出口114には配管等のラインＬ115が接続されており、このラインＬ115はＶＯＣ除去手段１０に接続されている。ラインＬ115には、バルブＶ115が備えられており、バルブＶ115の下流側には、ラインＬ３２が合流している。

ところで、混合タンク105内では、温度変化等により、液体中に溶存していた気体成分が気化し、気体が発生することがある。発生した気体は、液体と共に液体送出口108より排出され、アノード流路板２２を通過し、気液分離手段101に送給される。

以上詳述した気液分離手段によれば、燃料電池が傾いた場合や天地が逆転した場合にも、また、液体中にわずかに気体が存在する状態、気体中にわずかに液体が存在する状態のいずれの場合にも、気液分離性能を良好にすることができる。

（第２の実施形態）
次に、図３，４を参照して第２の実施形態に係る燃料電池について説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を示す模式図であり、図４の（ａ）は、図３の燃料電池に組み込まれている気液分離手段を示す透過斜視図であり、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）の気液分離手段をIV−IV線に沿って切断したときの断面模式図である。なお、図３において、図１と同様の機能を有する部材については図１と同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

図４の（ｂ）に示すように、気液分離手段201は、親液性の親液チューブ202と疎液性の疎液チューブ203とを備える。疎液チューブ203は、一端が閉じた構造を有し、閉じている側の端部が親液チューブ202内に挿入されている。疎液チューブ203の外壁と親液チューブ202の内壁との間には、親液チューブ202内を通流する流体の流れを遮断する隔壁204が設けられている。親液チューブ202の上流部には、気液二相流が供給される流体供給口205が設けられている。疎液チューブ203の閉じているのとは反対側の端部には、気体を排出するための気体排出口206が設けられている。図３，４では、親液チューブ202、疎液チューブ203共に、断面形状が矩形のチューブを図示した。すなわち、図３，４に示す気液分離手段201は、疎液チューブの壁面と親液チューブの壁面とが対向して配置された構造を有する。

図３に示すように、この気液分離手段201は、混合タンク207内に収容されている。この混合タンク207は、親液チューブ202の流体供給口205に連通チューブ５の替わりにラインＬ２６が接続され、疎液チューブ204の気体排出口206に気体排出チューブ１２の替わりにラインＬ１４が接続されていること以外には、図１の混合タンクと同様の構造を有する。この場合、ラインＬ１４は直接ＶＯＣ除去手段１０に接続される。混合タンク207に設けられた液体送出口208は、図１の液体送出口１６と同様な機能を有する。また、混合タンク207に設けられた気体排出口209は、図１の気体排出口１５と同様な機能を有する。この気体排出口209には、疎液性部材210が張設されている。なお、図４では、気体排出口209の図示を省略した。

親液チューブ202および疎液チューブ203としては、第１の実施形態で説明したのと同様なものを使用することができる。

流体との接触性を向上させる観点から、親液チューブ202と疎液チューブ203とは同軸上に配置することが好ましい。また、混合タンク207が角柱状あるいは円柱状である場合には、親液チューブ202と疎液チューブ203と混合タンク207とを同軸上に配置することが望ましい。これにより、気液分離性能をさらに向上できる。

図３の燃料電池においては、燃料は、流体供給口205から供給され、親液チューブ202内を通流する。アノード流路板２２から排出された気液二相流は、流体供給口205から親液チューブ202内に導入され、燃料と合流する。親液チューブ202内を通流する気液二相流および燃料中に含まれる液体は、親液チューブ202の壁面を透過し、混合タンク207内に捕集される。一方、気液二相流および燃料中に含まれる気体は、親液チューブ202に挿入された疎液チューブ203の壁面を透過して、疎液チューブ203内を通流する。その後、気体排出口206から排出され、ラインＬ１４を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。混合タンク207内で発生した気体は、気体排出口209の疎液性部材210を透過し、ラインＬ１８を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。このラインＬ１８の逆止弁ＣＶ１８の下流側にはバルブＧＶ１８が備えられている。このバルブＧＶ１８は、図１のバルブＧＶ１４と同様な機能を有する。

以上詳述した気液分離手段によれば、燃料電池が傾いた場合や天地が逆転した場合にも、また、液体中にわずかに気体が存在する状態、気体中にわずかに液体が存在する状態のいずれの場合にも、気液分離性能を良好にすることができる。

図４では、親液チューブに疎液チューブを挿入する例を示したが、一端が閉じた構造を有する親液チューブを疎液チューブに挿入することもできる。この場合、気液分離手段は、図１の気体タンクに収容する。気液二相流は疎液チューブに供給される。疎液チューブ内を通流する気液二相流中に含まれる気体は、疎液チューブの壁面を透過し、気体タンクに捕集される。一方、気液二相流中に含まれる液体は、親液チューブの壁面を透過し、親液チューブ内を通流する。この液体を別途設ける混合タンク等に回収し、燃料や水と混合して用いることができる。

（第３の実施形態）
次に、図５を参照して第３の実施形態に係る燃料電池について説明する。

図５の（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池に組み込まれている気液分離手段を示す透過斜視図であり、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の気液分離手段をＶ−Ｖ線に沿って切断したときの断面模式図である。

図５の気液分離手段301は、閉じた一端を有する断面が矩形状の主流路302と、主流路302の一方の面（図５中、上面）に設けられた第１の流路303と、主流路302の第１の流路303が設けられた面の対向面（図５中、下面）に設けられた第２の流路304とを備える。主流路302の上流端には、気体二相流が供給される流体供給口305が設けられている。なお、図５中、上流あるいは下流とは、主流路を通流する流体の流れ方向を基準とした上流あるいは下流をいう。

主流路302と第１の流路303との境界壁321には、主流路302と第１の流路303とを連通させる開口部325が形成されており、この開口部325には第１の親液性部材306が設けられている。第１の親液性部材306よりも下流側には、主流路302と第１の流路303との境界壁322に主流路302と第１の流路303とを連通させる開口部326が形成されており、この開口部326には第１の疎液性部材307が設けられている。

一方、主流路302と第２の流路304との境界壁323には、第１の親液性部材306に対向するように、主流路302と第２の流路304とを連通させる開口部327が形成されており、この開口部327には第２の疎液性部材308が設けられている。主流路302と第２の流路304との境界壁324には、さらに、第１の疎液性部材307に対向するように、主流路302と第２の流路304とを連通させる開口部328が形成されており、この開口部328には第２の親液性部材309が設けられている。

第１の流路303において、第１の親液性部材306と第１の疎液性部材307との間には第１の隔壁310が設けられている。この第１の隔壁310により、第１の流路303は、第１の親液性部材306を有する上流側303ａと、第１の疎液性部材307を有する下流側303ｂとに区切られている。また、第２の流路304において、第２の疎液性部材308と第２の親液性部材309との間には第２の隔壁311が設けられている。この第２の隔壁311により、第２の流路304は、第２の疎液性部材308を有する上流側304ａと、第２の親液性部材309を有する下流側304ｂとに区切られている。

第１の流路の上流側303ａと第２の流路の下流側304ｂには、液体を送出するための液体送出口312，313がそれぞれ設けられている。また、第１の流路の下流側303ｂと第２の流路の上流側304ａには、気体を排出するための気体排出口314，315がそれぞれ設けられている。

次に、図３および図５を参照して第３の実施形態に係る燃料電池について説明する。

気液分離手段301は、混合タンクに収容する必要はない。気液分離手段301が組み込まれる燃料電池には、気液分離手段が収容されていないこと以外には、図３の混合タンク207と同様な構造を有する混合タンクを別途設けることができる。

アノード流路板２２から排出された気液二相流は、ラインＬ２６を介して、流体供給口305から主流路302に導入される。主流路302内を流通する気液二相流中の液体は、第１の親液性部材306を透過して、第１の流路の上流側303ａに捕集されるか、あるいは、第２の親液性部材309を透過して、第２の流路の下流側304ｂに捕集される。この液体は、液体送出口312，313を経て、別途設けられた混合タンク等に回収される。一方、主流路302内を通流する気液二相流中の気体は、第２の疎液性部材308を透過して、第２の流路の上流側304ａに捕集されるか、あるいは、第１の疎液性部材307を透過して、第１の流路の下流側303ｂに捕集される。この気体は、気体排出口314，315を経て、ラインＬ１４を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。以上説明したこと以外には、図３の燃料電池と同様な構造を有する。

以上詳述した気液分離手段によれば、燃料電池が傾いた場合や天地が逆転した場合にも、また、液体中にわずかに気体が存在する状態、気体中にわずかに液体が存在する状態のいずれの場合にも、気液分離性能を良好にすることができる。

（第４の実施形態）
次に、図６を参照して第４の実施形態に係る燃料電池について説明する。

図６は、第４の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる気液分離手段を示す断面模式図である。

図６の気液分離手段401は、底面矩形のケース402を備える。このケース402には、ケース402の内部を第１の空間402ａと第２の空間402ｂとに区切るように、親液性部材403が張設されている。また、このケース402には、第１の空間402ａに連通するように疎液性の疎液チューブ404が接続されている。疎液チューブ404は、疎液チューブ404の外径よりも大きい内径を有する気体回収チューブ405に挿入されている。気体回収チューブ405の端部は、ケース402の端面に当接している。疎液チューブ404のケース402が接続されているのとは反対側の端部には、気液二相流が供給される流体供給口406が設けられている。気体回収チューブ405のケースに当接しているのとは反対側の端部には、気体を排出するための気体排出口407が設けられている。

ケース402の疎液チューブ404が接続されている壁面には開口部408が設けられており、この開口部408には疎液性部材409が張設されている。ケースの第２の空間402ｂ側には、第２の空間402ｂに捕集された液体を送出するための液体送出口410が設けられている。

次に、図３および図６を参照して第４の実施形態に係る燃料電池について説明する。

気液分離手段401は、混合タンクに収容する必要はない。気液分離手段401が組み込まれる燃料電池には、気液分離手段が収容されていないこと以外には、図３の混合タンク207と同様な構造を有する混合タンクを別途設けることができる。

アノード流路板２２から排出された気液二相流は、ラインＬ２６を介して、流体供給口406から疎液チューブ404に導入される。疎液チューブ404内を通流する気液二相流中の気体は、疎液チューブ404の壁面を透過する。この気体は、気体回収チューブ405内を通流し、気体排出口407を経て、ラインＬ１４を介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。気体の一部が分離された気液二相流の残部は、ケース402の第１の空間402ａに送給される。気液二相流の残部中の液体は、親液性部材403を透過し、第２の空間402ｂに捕集される。この液体は、液体送出口410を経て、別途設けられた混合タンク等に回収される。一方、気液二相流の残部中に残存する気体は、疎液性部材409を透過し、配管等のラインを介してＶＯＣ除去手段１０に送給される。以上説明したこと以外には、図３の燃料電池と同様な構造を有する。

ここで、気体回収チューブ405を省略することも可能である。この場合、気液分離手段401は、図２に示した気体タンク111内に収容することが望ましい。

以上詳述した気液分離手段によれば、燃料電池が傾いた場合や天地が逆転した場合にも、また、液体中にわずかに気体が存在する状態、気体中にわずかに液体が存在する状態のいずれの場合にも、気液分離性能を良好にすることができる。また、気液分離手段に導入される流体と親液性部材との接触面積が大きいため、気液分離速度を向上できる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

例えば、第４の実施の形態の構成において、疎液チューブを親液チューブに置き換え、親液性部材と疎液性部材の配置を逆にしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を示す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る他の燃料電池を示す模式図。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を示す模式図。 図４の（ａ）は、図３の燃料電池に組み込まれている気液分離手段を示す透過斜視図、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）の気液分離手段をIV−IV線に沿って切断したときの断面模式図。 図５の（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池に組み込まれている気液分離手段を示す透過斜視図、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の気液分離手段をＶ−Ｖ線に沿って切断したときの断面模式図。 第４の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる気液分離手段を示す断面模式図。

符号の説明

１，101，201，301，401…気液分離手段、２，103，203，404…疎液チューブ、３，102，202…親液チューブ、４，１７，３０，210，409…疎液性部材、５，110…連通チューブ、６，111…気体タンク、７，107，205，305，406…流体供給口、８，１５，２９，114，206，209，314，315，407…気体排出口、１０…ＶＯＣ除去手段、１１，105，207…混合タンク、１２…気体排出チューブ、１３，204…隔壁、310…第１の隔壁、311…第２の隔壁、１６，108，208，312，313，410…液体送出口、２０…燃料電池本体、２１…セル、２２…アノード流路板、２３…カソード流路板、２３ａ…溝、２４…ＭＥＡ、２５…ファン、２７…燃料タンク、２８…燃料送出口、104，403…親液性部材、106…燃料供給口、109…液体回収口、112…液体回収チューブ、302…主流路、303…第１の流路、304…第２の流路、306…第１の親液性部材、307…第１の疎液性部材、308…第２の疎液性部材、309…第２の親液性部材、303ａ，304ａ…上流側、303ｂ，304ｂ…下流側、321，322，323，324…境界壁、325，326，327，328，408…開口部、402…ケース、402ａ…第１の空間、402ｂ…第２の空間、405…気体回収チューブ、ＣＶ１４，ＣＶ１８，ＣＶ３２，ＣＶ113…逆止弁、Ｌ９，Ｌ１４，Ｌ１８，Ｌ１９，Ｌ２６，Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ113，Ｌ115…ライン、Ｐ１９，Ｐ３１…ポンプ、Ｖ９，ＧＶ１４，ＧＶ１８，Ｖ３１，Ｖ115…バルブ。

Claims (9)

1. 疎液性の疎液チューブと、
   前記疎液チューブに連通する親液性の親液チューブと、
   前記疎液チューブの流路を遮断するように設けられた親液性部材、または、前記親液チューブの流路を遮断するように設けられた疎液性部材と、
   を備える気液分離手段を具備することを特徴とする燃料電池。
2. さらに、前記気液分離手段により分離された液体と燃料とを混合するための混合タンクを具備し、前記親液チューブが前記混合タンク内に収容されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 親液性の親液チューブと、
   前記親液チューブ内に挿入された閉じた一端を有する疎液性の疎液チューブと、
   を備え、前記疎液チューブの外壁と前記親液チューブの内壁との間には隔壁が設けられている気液分離手段を具備することを特徴とする燃料電池。
4. さらに、前記気液分離手段により分離された液体と燃料とを混合するための混合タンクを具備し、前記気液分離手段が前記混合タンク内に収容されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 閉じた一端を有する主流路と、
   前記主流路の一方の面に設けられた第１の流路と、
   前記主流路の前記面の対向面に設けられた第２の流路と、
   前記主流路と前記第１の流路とを連通させる開口部に設けられた第１の疎液性部材と、
   前記主流路と前記第１の流路とを連通させる開口部に設けられた第１の親液性部材と、
   前記第１の疎液性部材が設けられた開口部に対向し、前記主流路と前記第２の流路とを連通させる開口部に設けられた第２の親液性部材と、
   前記第１の親液性部材が設けられた開口部に対向し、前記主流路と前記第２の流路とを連通させる開口部に設けられた第２の疎液性部材と、
   前記第１の流路を前記第１の疎液性部材と前記第１の親液性部材との間で上流側と下流側とに区切るための第１の隔壁と、
   前記第２の流路を前記第２の親液性部材と前記第２の疎液性部材との間で上流側と下流側とに区切るための第２の隔壁と、
   を備える気液分離手段を具備することを特徴とする燃料電池。
6. ケースと、
   前記ケースの内部を第１の空間と第２の空間とに分割するように張設された親液性部材と、
   前記第１の空間に連通する疎液性の疎液チューブと、
   前記第１の空間の前記ケースの壁面に形成された開口部に設けられた疎液性部材と、
   を備える気液分離手段を具備することを特徴とする燃料電池。
7. ケースと、
   前記ケースの内部を第１の空間と第２の空間とに分割するように張設された疎液性部材と、
   前記第１の空間に連通する親液性の親液チューブと、
   前記第１の空間の前記ケースの壁面に形成された開口部に設けられた親液性部材と、
   を備える気液分離手段を具備することを特徴とする燃料電池。
8. 前記疎液チューブおよび前記疎液性部材の少なくとも一方が、疎液性の多孔体を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の燃料電池。
9. 前記親液チューブおよび前記親液性部材の少なくとも一方が、親液性の多孔体を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項記載の燃料電池。

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