JP2004220844A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池のセル内における燃料のクロスオーバーを低減し、また、電解質膜に十分な水分を供給することができ、セル特性の向上を図ることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムＳは、電解質膜６Ｄの両面にアノード６Ａ及びカソード６Ｂを構成すると共に、アノード６Ａに液体燃料を供給し、カソード６Ｂに酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池６を備えたものであって、カソード６Ｂに水分を供給する加湿器８を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の燃料電池システムＳは、電解質膜６Ｄの両面にアノード６Ａ及びカソード６Ｂを構成すると共に、アノード６Ａに液体燃料を供給し、カソード６Ｂに酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池６を備えたものであって、カソード６Ｂに水分を供給する加湿器８を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を直接燃料電池に供給し、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電極反応によって燃料（水素など）が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。特に、液体燃料を直接燃料電池に供給し、電力を発生させる燃料電池は、固体高分子の陽イオン交換体を電解質膜とし、当該電解質膜を空気極と燃料極により両側から挟持した構造のセルユニットから構成される（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の燃料電池システムに用いられる燃料電池は、液体燃料として例えば、メタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などが用いられる。そして、液体燃料をアノード（燃料極）に供給し、酸化剤ガスとして空気をカソード（空気極）に供給する。
【０００４】
アノードに液体燃料が供給されると、アノードでは液体燃料と水の化学反応によりプロトン（Ｈ＋）が生成し、該プロトンは電解質膜中を移動してカソードに到達する。このとき、電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。また、カソードではアノードより移動してきたプロトンと空気中の酸素が反応し水が生成される。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２６４９２０号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
他方、この種の燃料電池を構成するセルユニットに用いられる電解質膜は、例えば陽イオン交換体であるパーフルオロスルホン酸系高分子により構成される。しかし、これらの電解質膜がプロトン導電性を持つためには、電解質膜が十分に湿潤している必要があるが、通常プロトン伝導に必要な水分は液体燃料中の水分によってのみ補給されるものであった。また、この種の電解質膜は、アノードに供給した燃料が未反応のまま電解質膜を透過しカソードに移動するクロスオーバーが生じ、このクロスオーバーした燃料はカソード上で酸化され、電圧の低下を招く問題がある。
【０００７】
そこで、セルユニットの性能を向上させるためには、電解質膜の燃料のクロスオーバーを抑制しなければ成らない。また、通常燃料電池を構成するセルユニットへ供給される水分は、アノードに供給される液体燃料、例えばメタノール水溶液に含有される水分のみであるため、十分に電解質膜を湿潤させることができず当該膜のプロトン導電性が悪いという問題がある。
【０００８】
また、上述した如き特許文献１記載の燃料電池では、液体燃料としてのメタノールのクロスオーバーを抑制するため、カソード内部の電解質膜にメタノールの拡散を阻止する手段が設けられているが、かかる場合には、セル抵抗が大きくなるおそれがあり、また、電解質膜を十分に湿潤させることができず発電特性が悪いという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、燃料電池のセル内におけるクロスオーバーを低減し、また、電解質膜に十分な水分を供給することができ、セル特性の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、カソードに水分を供給する水分供給手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、カソードに水分を供給する水分供給手段を備えるので、十分に電解質膜を湿潤とすることができ、当該電解質膜のプロトン導電性を向上させることができる。これにより、当該燃料電池システムにおける燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。
【００１２】
特に、カソード側から供給される水分により電解質膜を十分に湿潤とするため、アノードからカソードへの水の移動を減少させることができ、それに伴う液体燃料の透過を減少することができ、係るクロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。
【００１３】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記発明において、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明によれば、上記発明において、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであるので、容易にカソードに水を供給することができ、装置の簡素化を図ることができるようになる。
【００１５】
請求項３の発明の燃料電池システムは、請求項１の発明に加えて、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明に加えて、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えるので、酸化剤ガスをカソードに供給しつつ、カソード側に水分を供給することができ、容易に電解質膜を湿潤状態とすることができるようになる。
【００１７】
請求項４の発明の燃料電池システムは、上記発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿することを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明によれば、上記発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性を向上させることができるようになる。
【００１９】
請求項５の発明の燃料電池システムは、請求項３の発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿することを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性をより一層向上させることができるようになる。
【００２１】
請求項６の発明の燃料電池システムは、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、加湿器であって、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を加湿器に供給することを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、加湿器であって、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を加湿器に供給するので、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を効率的に利用することができ、エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００２３】
請求項７の発明の燃料電池システムは、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器においてカソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うことを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器においてカソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うので、システムの簡素化を図ることができ、安価なシステムを構築することができるようになる。
【００２５】
請求項８の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたことを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明によれば、上記各発明において、カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたので、外部に多量の水が排出される不都合を回避することができるようになる。
【００２７】
請求項９の発明の燃料電池システムは、上記発明において、水回収手段で回収された水を用いてカソードに水分を供給することを特徴とする。
【００２８】
請求項９の発明によれば、上記発明において、水回収手段で回収された水を用いてカソードに水分を供給するので、カソードに供給する水を再利用することができ、水回収手段により回収された水を有効利用することができるようになる。
【００２９】
請求項１０の発明の燃料電池システムは、請求項８又は請求項９の発明において、水回収手段は、カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０の発明によれば、請求項８又は請求項９の発明において、カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であるので、燃料電池の発熱により加熱された水を直接カソードの上流側に循環させることができ、これにより、容易にカソード側を加湿することができ、熱効率が向上する。
【００３１】
請求項１１の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソードに供給することを特徴とする。
【００３２】
請求項１１の発明によれば、上記各発明において、カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソードに供給するので、熱効率が向上し、より一層エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムＳは、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）６を備えた燃料電池システムである。
【００３４】
ここで、本発明に係る燃料電池システムＳについて、図１を参照して説明する。尚、図１は本発明の燃料電池システムＳの概要説明図を示している。この燃料電池システムＳでは、メタノールやＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの液体燃料供給源である燃料供給源１と、該燃料供給源１から燃料電池（ＤＭＦＣ）６に該液体燃料を送出する燃料ポンプ２と、燃料電池６とを備える。
【００３５】
燃料電池６は、燃料供給源１からの液体燃料と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、アノード（燃料極）６Ａと、カソード（酸化剤極）６Ｂと、固体高分子電解質膜６Ｄを備えている。即ち、燃料電池６は、固体高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）６Ｄの両面にアノード６Ａとカソード６Ｂとが配されたセルと、該セルを挟持する一対の図示しないリブ付きセパレータなどから構成される。尚、このセパレータには図示しない複数本の燃料流路又はガス流路が形成されているものとする。そして、前記セルをセパレータで両側から挟み付けて複数積層することでスタックを構成し、燃料電池６としている。尚、セルを構成するアノード６Ａ及びカソード６Ｂの各外側面には図示しないガス拡散層が形成されているものとする。
【００３６】
そして、スタックに液体燃料が供給されると、スタックの積層方向に連通する前記燃料流路に液体燃料が流入し、また、スタックに酸化剤ガスとしての酸素を含有する空気が供給されると、同じくスタックの積層方向に連通するガス流路に空気が流入する。それぞれアノード６Ａとカソード６Ｂにそれぞれ液体燃料と空気（酸化剤ガス）が供給され、液体燃料と空気中の酸素が下記化学式▲１▼及び▲２▼の酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである。
【００３７】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− ・・・・▲１▼
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ ・・・・▲２▼
【００３８】
ここで発電される電力は、発電制御を司る制御手段として図示しない制御装置により制御されるものとする。
【００３９】
この場合、固体高分子電解質膜６Ｄは、アノード６Ａ側で生成されたプロトン（Ｈ＋）がカソード６Ｂ側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子膜をはじめとする陽イオン交換樹脂が用いられる。
【００４０】
前記燃料供給源１からは配管３が延出され、この配管３には図示しない電磁開閉弁及び燃料ポンプ２が設けられ、燃料電池６のアノード６Ａ側の燃料流路入口側に接続される。このアノード６Ａ側の燃料流路出口側は、配管４を介して再び燃料供給源１に接続されている。尚、電磁開閉弁及び燃料ポンプ２は、上記制御装置に接続されているものとする。
【００４１】
他方、酸化剤ガス供給源としての空気ポンプ５は、配管７を介して水分供給手段としての加湿器８に接続される。この加湿器８は、図示しない加熱手段、例えばヒータなどにより水（予め純水とされたものを用いるものとする。）が所定の温度に加熱されるものである。尚、空気ポンプ５及び加湿器８は、上記制御装置に接続されているものとし、加湿器８には、該加湿器８から送出される空気の相対湿度を検出する図示しない湿度センサが設けられ、当該湿度センサの出力に基づき前記ヒータの制御が行われるものとする。
【００４２】
そして、この加湿器８は、配管９を介して燃料電池６のカソード６Ｂ側のガス流路入口側に接続される。カソード６Ｂ側のガス流路出口側は、配管１１を介して熱交換器１２に接続される。この熱交換器１２の近傍には、ファン１３が設けられ、このファン１３は、当該熱交換器１２を介して前記加湿器８側に吐出する。
【００４３】
また、熱交換器１２には、配管１４を介して水回収手段としてのカソードドレンタンク１６に接続される。このカソードドレンタンク１６の下部には、ドレンパイプ１７が接続され、このドレンパイプ１７を介して当該カソードドレンタンク１６内に回収された水が加湿器８に供給される構成とされる。また、このカソードドレンタンク１６の上部には、排気ダクト１８が接続される。
【００４４】
前記制御装置により燃料電池システムＳの定常運転において、燃料供給源１からの液体燃料は、電磁開閉弁を介して燃料ポンプ２に入り、当該燃料ポンプ２にて昇圧されて、燃料通路から燃料電池６のアノード６Ａに供給される。他方、空気ポンプ５から配管７を介して加湿器８に供給された酸化剤ガスとしての酸素を含有する空気は、そこで所定の湿度（詳細は後述する）にまで加湿された後、ガス通路から燃料電池６のカソード６Ｂに供給される。これにより、アノード６Ａに供給された液体燃料と、カソード６Ｂに供給された空気中に含まれる酸素とがそれぞれアノード６Ａ、カソード６Ｂにて反応し、電力が発生すると共に、電解質膜６Ｄを湿潤状態とする。
【００４５】
ここで、図２乃至図３を参照して電解質膜６Ｄの加湿によるセル性能に関する実験結果について説明する。係る実験では、燃料電池６を構成するセルユニット材料として、電解質膜６Ｄはデュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１７（厚み１７５μｍ）を使用し、アノード６Ａ及びカソード６Ｂは触媒層をスクリーン印刷法により塗布したカーボンペーパーを使用した。この触媒層にはアノード６ＡにはＰｔＲｕ黒にパーフルオロスルホン酸溶液を混合したスラリー、カソード６ＢにはＰｔ黒にパーフルオロスルホン酸溶液を混合したスラリーを使用した。電解質膜６Ｄをアノード６Ａ及びカソード６Ｂで挟持し、＋１５０℃でホットプレスしてセルユニットを作製した。作製したセルユニットをリブ付試験用セル枠で挟み、実施例試験セルとして用いた。
【００４６】
尚、当該実験では、カソード６Ｂ側に酸化剤ガスとして空気を供給し、アノード６Ａ側に液体燃料として３．２ｗｔ％メタノール水溶液を供給した。燃料流量は２．８ｍｌ／ｍｉｎ、空気は６０ｍｌ／ｍｉｎで試験セルに供給した。セルの運転温度は＋６０℃、カソード６Ｂの加湿は相対湿度５〜１００％で発電試験を行った。
【００４７】
図２は、相対湿度と電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２の時のセル電圧の関係を示しており、図３は、相対湿度とセル抵抗の関係を示している。この結果より相対湿度が１３％以上でセル特性が大きく向上していることがわかる。この理由としては図３に示すように相対湿度が１３％以上では、セル抵抗が大幅に減少しているためである。
【００４８】
これにより、加湿器８に供給された空気は、前記湿度センサの検出に基づき、相対湿度１３％以上にまで加湿した後、燃料電池６に空気を供給することにより、十分に電解質膜６Ｄを湿潤とすることができ、当該電解質膜６Ｄのプロトン導電性を向上させることができる。これにより、セル性能が向上され、燃料電池システムＳにおける燃料電池６の発電効率の向上を図ることができるようになる。
【００４９】
また、図２及び図３に示す如く相対湿度を６３％以上とすることにより、より一層、セル性能の向上を図ることができることが分かる。
【００５０】
次に、相対湿度と開回路電圧との関係について図４を参照して説明する。図４の結果より加湿を行うことによって開回路電圧は上昇することがわかる。これは加湿を行うことにより、電解質膜６Ｄを十分に湿潤とすることができるため、アノード６Ａからカソード６Ｂへ移動する水が減少し、それに伴う液体燃料としてのメタノールの透過も減少したためであると考えられる。
【００５１】
これにより、アノード６Ａに供給した液体燃料が未反応のまま電解質膜６Ｄを透過し、カソード６Ｂに移動するクロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。特に、本発明では、カソード６Ｂ側から水分を供給するため、アノード６Ａからの移動水を減少させることができ、それに伴う液体燃料のクロスオーバーをより一層低減することができ、開回路電圧が上昇し、セルユニット特性を向上させることができる。
【００５２】
次に、図５を参照し、もう一つの実験結果について説明する。図５の実験では、上記実験と同様の構成のセルユニットを使用し、カソード６Ｂ側に酸化剤ガスとして空気を供給し、アノード６Ａ側に液体燃料として３．２ｗｔ％メタノール水溶液を供給した。燃料流量は２．６ｍｌ／ｍｉｎ、空気は３１６ｍｌ／ｍｉｎで試験セルに供給した。セルの運転温度は＋６０℃、カソード６Ｂの加湿は内部加湿で行い水を試験セルに１ｍｌ／ｍｉｎで直接供給した。
【００５３】
図５は、内部加湿を行った場合のＩ−Ｖ特性を示す。黒四角は、＋６０℃で内部加湿を行った電流密度に対する電圧の変化、黒三角は、同じく＋６０℃で内部加湿を行った電流密度に対する電力密度の変化、白四角は、＋６０℃で内部加湿を行わなかった電流密度に対する電圧の変化、白三角は、同じく＋６０℃で内部加湿を行わなかった電流密度に対する電力密度の変化を示している。これによると、上述した加湿器８を用いて加湿した場合と同様に、直接燃料電池６のセル内に水を供給する内部加湿であってもセル特性及び開回路電圧が向上したことがわかる。
【００５４】
以上より、燃料電池６のセル内に加湿した空気を供給するもしくは液体の水を投入した空気を供給することによって、セル抵抗の低減及び液体燃料のクロスオーバーの抑制が実現し、セルユニットの性能の向上を図ることができるようになる。尚、かかる場合の如く直接内部に水を供給する場合には、装置の簡素化を図ることができる。
【００５５】
尚、上記各実験では、一定のセルユニットを採用しているが、あらゆる大きさのセルユニットや様々な形状のセルユニットを採用した直接液体燃料形燃料電池６においても有効である。
【００５６】
また、上記各実験では、液体燃料として３．２ｗｔ％メタノール水溶液、酸化剤ガスとして空気を使用した燃料電池６の運転を示したが、その他、濃度の異なるメタノール水溶液、ＤＭＥなど他の液体燃料であっても同様の効果を奏することができる。また酸化剤ガスとして酸素を使用してもよいものとする。
【００５７】
更に、上記各実験では、燃料流量２．８ｍｌ／ｍｉｎ、空気流量６０ｍｌ／ｍｉｎの条件で運転した結果を示したが、流量が異なる条件での運転においても有効であるものとする。
【００５８】
また、上記各実験ではセル温度が＋６０℃、相対湿度５〜１００％の条件で運転した結果を示したが、セル温度が異なる場合においても効果が確認でき、より効果があるのは＋４０℃〜＋９０℃であった。
【００５９】
上述の如く燃料電池６において発電に寄与された液体燃料のうち、アノード６Ａ側の燃料通路を経た未反応液体燃料は、配管４を介して、再び燃料供給源１に返送される。
【００６０】
また、カソード６Ｂのガス通路から配管１１に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した空気は、ファン１３が近傍に設けられた熱交換器１２で冷却された後、配管１４を通じてカソードドレンタンク１６に送出され、当該カソードドレンタンク１６にて空気のみが排気ダクト１８を介して外部に放出される。
【００６１】
このとき、熱交換器１２から生じる廃熱は、ファン１３により強制冷却され、これによりファン１３より供給された空気は昇温し、熱交換器１２の下流側に設けられる加湿器８に吐出される。そのため、昇温された空気の熱を有効的に加湿器８内の水の加熱に用いることができる。これにより、カソード６Ｂから流出した空気の廃熱を効率的に利用することができる。
【００６２】
他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱交換器１２にてファン１３により冷却・凝縮され、ドレン水としてカソードドレンタンク１６内に貯留する。そして、カソードドレンタンク１６に貯留されたドレン水は、ドレンパイプ１７より加湿器８に送出される。
【００６３】
これにより、外部に多量の水が排出される不都合を回避することができるようになる。また、カソードドレンタンク１６で回収された水を用いてカソード６Ｂに水分を供給することが可能となるため、カソード６Ｂに供給する水を再利用することができ、カソードドレンタンク１６により回収された水を有効利用することができるようになる。そのため、カソードドレンタンク１６に回収された水を格別に排出処理する必要がなくなりメンテナンス作業性の向上を図ることができる。
【００６４】
尚、カソード６Ｂから排出された水を再びカソード６Ｂ内に循環させる方法として、カソード６Ｂ出口側と入口側とを例えばナイロン、ポリエステル、レーヨン、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラールの何れかを主成分とする織布、不織布若しくはフェルトなどの材料にて構成される水吸収剤で連結してもよいものとする。かかる場合には、燃料電池６の発熱により加熱された水を直接カソード６Ｂに循環させることができ、これにより、加湿器８における加湿量を低減することができるため、熱効率が向上する。
【００６５】
尚、上記実施例に加えて、カソード６Ｂから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソード６Ｂに供給してもよいものとする。かかる場合には、より一層、熱効率が向上し、エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００６６】
次に、他の実施例としての燃料電池システムＴについて図６を参照して説明する。尚、図６において図１と同様の符号を付したものは、同一又は類似の効果を奏するものであるものとする。係る実施例における燃料電池システムＴは、液体燃料が燃料電池６のアノード６Ａ側に供給される構造については、上記実施例と同様である。
【００６７】
他方、酸化剤ガス供給源としての空気ポンプ５は、全熱交換器２０が設けられる配管２１を介して燃料電池６のカソード６Ｂ側のガス流路入口側に接続される。この配管２１には、全熱交換器２０より水分が供給されるものとする。カソード６Ｂ側のガス流路出口側は、前記全熱交換器２０が設けられる配管２２に接続され、当該配管２２に流入する配管２１に供給されなかった水分や排気は外部に排出される。
【００６８】
これにより、制御装置により燃料電池システムＴの定常運転において、燃料供給源１からの液体燃料は、上記実施例と同様に電磁開閉弁を介して燃料ポンプ２に入り、当該燃料ポンプ２にて昇圧されて、燃料通路から燃料電池６のアノード６Ａに供給される。
【００６９】
他方、空気ポンプ５から配管２１を介して全熱交換器２０に流入された空気は、燃料電池６のカソード６Ｂの出口側から配管２２を介して流出した排気及び水分と熱交換、水分授受することにより、ガス通路から燃料電池６のカソード６Ｂに供給される。これにより、アノード６Ａに供給された液体燃料と、カソード６Ｂに供給された空気中に含まれる酸素とがそれぞれアノード６Ａ、カソード６Ｂにて反応し、電力が発生すると共に、電解質膜６Ｄを湿潤状態とする。
【００７０】
そして、カソード６Ｂのガス通路から配管２２に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した空気は、全熱交換器２０にて、燃料電池６に供給される配管２１内の空気と熱交換、水分授受した後、外部に放出される。
【００７１】
また、この場合、上記実施例に比べてシステムの簡素化を図ることができるため、安価なシステム構築を実現することができるようになる。
【００７２】
尚、上記各実施例では、液体燃料としてメタノールやＤＭＥを挙げているが、例えばプロパノールやブタノールなどの他の液体燃料であっても同様の効果を発揮するものとする。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、カソードに水分を供給する水分供給手段を備えるので、十分に電解質膜を湿潤とすることができ、当該電解質膜のプロトン導電性を向上させることができる。これにより、当該燃料電池システムにおける燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。
【００７４】
特に、カソード側から供給される水分により電解質膜を十分に湿潤とするため、アノードからカソードへの水の移動を減少させることができ、それに伴う液体燃料の透過を減少することができ、係るクロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。
【００７５】
請求項２の発明によれば、上記発明において、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであるので、容易にカソードに水を供給することができ、装置の簡素化を図ることができるようになる。
【００７６】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明に加えて、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えるので、酸化剤ガスをカソードに供給しつつ、カソード側に水分を供給することができ、容易に電解質膜を湿潤状態とすることができるようになる。
【００７７】
請求項４の発明によれば、上記発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性を向上させることができるようになる。
【００７８】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性をより一層向上させることができるようになる。
【００７９】
請求項６の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、加湿器であって、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を加湿器に供給するので、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を効率的に利用することができ、エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００８０】
請求項７の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器においてカソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うので、システムの簡素化を図ることができ、安価なシステムを構築することができるようになる。
【００８１】
請求項８の発明によれば、上記各発明において、カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたので、外部に多量の水が排出される不都合を回避することができるようになる。
【００８２】
請求項９の発明によれば、上記発明において、水回収手段で回収された水を用いてカソードに水分を供給するので、カソードに供給する水を再利用することができ、水回収手段により回収された水を有効利用することができるようになる。
【００８３】
請求項１０の発明によれば、請求項８又は請求項９の発明において、カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であるので、燃料電池の発熱により加熱された水を直接カソードの上流側に循環させることができ、これにより、容易にカソード側を加湿することができ、熱効率が向上する。
【００８４】
請求項１１の発明によれば、上記各発明において、カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソードに供給するので、熱効率が向上し、より一層エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの概要説明図である。
【図２】相対湿度と電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２の時の電圧の関係を示した図である。
【図３】電流密度２００ｍＡｃｍ−２における相対加湿度とセル抵抗の関係を示した図である。
【図４】相対湿度と開回路電圧の関係を示した図である。
【図５】内部加湿におけるＩ−Ｖ特性を示した図である。
【図６】他の実施例の燃料電池システムの概要説明図である。
【符号の説明】
Ｓ、Ｔ 燃料電池システム
１ 燃料供給源
２ 燃料ポンプ
６ 燃料電池（ＤＭＦＣ）
６Ａ アノード
６Ｂ カソード
６Ｄ 電解質膜
８ 加湿器（水供給手段）
１２ 熱交換器
１３ ファン
１６ カソードドレンタンク（水回収手段）
２０ 全熱交換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を直接燃料電池に供給し、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電極反応によって燃料（水素など）が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。特に、液体燃料を直接燃料電池に供給し、電力を発生させる燃料電池は、固体高分子の陽イオン交換体を電解質膜とし、当該電解質膜を空気極と燃料極により両側から挟持した構造のセルユニットから構成される（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の燃料電池システムに用いられる燃料電池は、液体燃料として例えば、メタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などが用いられる。そして、液体燃料をアノード（燃料極）に供給し、酸化剤ガスとして空気をカソード（空気極）に供給する。
【０００４】
アノードに液体燃料が供給されると、アノードでは液体燃料と水の化学反応によりプロトン（Ｈ＋）が生成し、該プロトンは電解質膜中を移動してカソードに到達する。このとき、電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。また、カソードではアノードより移動してきたプロトンと空気中の酸素が反応し水が生成される。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２６４９２０号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
他方、この種の燃料電池を構成するセルユニットに用いられる電解質膜は、例えば陽イオン交換体であるパーフルオロスルホン酸系高分子により構成される。しかし、これらの電解質膜がプロトン導電性を持つためには、電解質膜が十分に湿潤している必要があるが、通常プロトン伝導に必要な水分は液体燃料中の水分によってのみ補給されるものであった。また、この種の電解質膜は、アノードに供給した燃料が未反応のまま電解質膜を透過しカソードに移動するクロスオーバーが生じ、このクロスオーバーした燃料はカソード上で酸化され、電圧の低下を招く問題がある。
【０００７】
そこで、セルユニットの性能を向上させるためには、電解質膜の燃料のクロスオーバーを抑制しなければ成らない。また、通常燃料電池を構成するセルユニットへ供給される水分は、アノードに供給される液体燃料、例えばメタノール水溶液に含有される水分のみであるため、十分に電解質膜を湿潤させることができず当該膜のプロトン導電性が悪いという問題がある。
【０００８】
また、上述した如き特許文献１記載の燃料電池では、液体燃料としてのメタノールのクロスオーバーを抑制するため、カソード内部の電解質膜にメタノールの拡散を阻止する手段が設けられているが、かかる場合には、セル抵抗が大きくなるおそれがあり、また、電解質膜を十分に湿潤させることができず発電特性が悪いという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、燃料電池のセル内におけるクロスオーバーを低減し、また、電解質膜に十分な水分を供給することができ、セル特性の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、カソードに水分を供給する水分供給手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、カソードに水分を供給する水分供給手段を備えるので、十分に電解質膜を湿潤とすることができ、当該電解質膜のプロトン導電性を向上させることができる。これにより、当該燃料電池システムにおける燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。
【００１２】
特に、カソード側から供給される水分により電解質膜を十分に湿潤とするため、アノードからカソードへの水の移動を減少させることができ、それに伴う液体燃料の透過を減少することができ、係るクロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。
【００１３】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記発明において、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明によれば、上記発明において、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであるので、容易にカソードに水を供給することができ、装置の簡素化を図ることができるようになる。
【００１５】
請求項３の発明の燃料電池システムは、請求項１の発明に加えて、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明に加えて、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えるので、酸化剤ガスをカソードに供給しつつ、カソード側に水分を供給することができ、容易に電解質膜を湿潤状態とすることができるようになる。
【００１７】
請求項４の発明の燃料電池システムは、上記発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿することを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明によれば、上記発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性を向上させることができるようになる。
【００１９】
請求項５の発明の燃料電池システムは、請求項３の発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿することを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性をより一層向上させることができるようになる。
【００２１】
請求項６の発明の燃料電池システムは、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、加湿器であって、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を加湿器に供給することを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、加湿器であって、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を加湿器に供給するので、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を効率的に利用することができ、エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００２３】
請求項７の発明の燃料電池システムは、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器においてカソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うことを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器においてカソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うので、システムの簡素化を図ることができ、安価なシステムを構築することができるようになる。
【００２５】
請求項８の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたことを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明によれば、上記各発明において、カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたので、外部に多量の水が排出される不都合を回避することができるようになる。
【００２７】
請求項９の発明の燃料電池システムは、上記発明において、水回収手段で回収された水を用いてカソードに水分を供給することを特徴とする。
【００２８】
請求項９の発明によれば、上記発明において、水回収手段で回収された水を用いてカソードに水分を供給するので、カソードに供給する水を再利用することができ、水回収手段により回収された水を有効利用することができるようになる。
【００２９】
請求項１０の発明の燃料電池システムは、請求項８又は請求項９の発明において、水回収手段は、カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０の発明によれば、請求項８又は請求項９の発明において、カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であるので、燃料電池の発熱により加熱された水を直接カソードの上流側に循環させることができ、これにより、容易にカソード側を加湿することができ、熱効率が向上する。
【００３１】
請求項１１の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソードに供給することを特徴とする。
【００３２】
請求項１１の発明によれば、上記各発明において、カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソードに供給するので、熱効率が向上し、より一層エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムＳは、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）６を備えた燃料電池システムである。
【００３４】
ここで、本発明に係る燃料電池システムＳについて、図１を参照して説明する。尚、図１は本発明の燃料電池システムＳの概要説明図を示している。この燃料電池システムＳでは、メタノールやＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの液体燃料供給源である燃料供給源１と、該燃料供給源１から燃料電池（ＤＭＦＣ）６に該液体燃料を送出する燃料ポンプ２と、燃料電池６とを備える。
【００３５】
燃料電池６は、燃料供給源１からの液体燃料と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、アノード（燃料極）６Ａと、カソード（酸化剤極）６Ｂと、固体高分子電解質膜６Ｄを備えている。即ち、燃料電池６は、固体高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）６Ｄの両面にアノード６Ａとカソード６Ｂとが配されたセルと、該セルを挟持する一対の図示しないリブ付きセパレータなどから構成される。尚、このセパレータには図示しない複数本の燃料流路又はガス流路が形成されているものとする。そして、前記セルをセパレータで両側から挟み付けて複数積層することでスタックを構成し、燃料電池６としている。尚、セルを構成するアノード６Ａ及びカソード６Ｂの各外側面には図示しないガス拡散層が形成されているものとする。
【００３６】
そして、スタックに液体燃料が供給されると、スタックの積層方向に連通する前記燃料流路に液体燃料が流入し、また、スタックに酸化剤ガスとしての酸素を含有する空気が供給されると、同じくスタックの積層方向に連通するガス流路に空気が流入する。それぞれアノード６Ａとカソード６Ｂにそれぞれ液体燃料と空気（酸化剤ガス）が供給され、液体燃料と空気中の酸素が下記化学式▲１▼及び▲２▼の酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである。
【００３７】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− ・・・・▲１▼
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ ・・・・▲２▼
【００３８】
ここで発電される電力は、発電制御を司る制御手段として図示しない制御装置により制御されるものとする。
【００３９】
この場合、固体高分子電解質膜６Ｄは、アノード６Ａ側で生成されたプロトン（Ｈ＋）がカソード６Ｂ側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子膜をはじめとする陽イオン交換樹脂が用いられる。
【００４０】
前記燃料供給源１からは配管３が延出され、この配管３には図示しない電磁開閉弁及び燃料ポンプ２が設けられ、燃料電池６のアノード６Ａ側の燃料流路入口側に接続される。このアノード６Ａ側の燃料流路出口側は、配管４を介して再び燃料供給源１に接続されている。尚、電磁開閉弁及び燃料ポンプ２は、上記制御装置に接続されているものとする。
【００４１】
他方、酸化剤ガス供給源としての空気ポンプ５は、配管７を介して水分供給手段としての加湿器８に接続される。この加湿器８は、図示しない加熱手段、例えばヒータなどにより水（予め純水とされたものを用いるものとする。）が所定の温度に加熱されるものである。尚、空気ポンプ５及び加湿器８は、上記制御装置に接続されているものとし、加湿器８には、該加湿器８から送出される空気の相対湿度を検出する図示しない湿度センサが設けられ、当該湿度センサの出力に基づき前記ヒータの制御が行われるものとする。
【００４２】
そして、この加湿器８は、配管９を介して燃料電池６のカソード６Ｂ側のガス流路入口側に接続される。カソード６Ｂ側のガス流路出口側は、配管１１を介して熱交換器１２に接続される。この熱交換器１２の近傍には、ファン１３が設けられ、このファン１３は、当該熱交換器１２を介して前記加湿器８側に吐出する。
【００４３】
また、熱交換器１２には、配管１４を介して水回収手段としてのカソードドレンタンク１６に接続される。このカソードドレンタンク１６の下部には、ドレンパイプ１７が接続され、このドレンパイプ１７を介して当該カソードドレンタンク１６内に回収された水が加湿器８に供給される構成とされる。また、このカソードドレンタンク１６の上部には、排気ダクト１８が接続される。
【００４４】
前記制御装置により燃料電池システムＳの定常運転において、燃料供給源１からの液体燃料は、電磁開閉弁を介して燃料ポンプ２に入り、当該燃料ポンプ２にて昇圧されて、燃料通路から燃料電池６のアノード６Ａに供給される。他方、空気ポンプ５から配管７を介して加湿器８に供給された酸化剤ガスとしての酸素を含有する空気は、そこで所定の湿度（詳細は後述する）にまで加湿された後、ガス通路から燃料電池６のカソード６Ｂに供給される。これにより、アノード６Ａに供給された液体燃料と、カソード６Ｂに供給された空気中に含まれる酸素とがそれぞれアノード６Ａ、カソード６Ｂにて反応し、電力が発生すると共に、電解質膜６Ｄを湿潤状態とする。
【００４５】
ここで、図２乃至図３を参照して電解質膜６Ｄの加湿によるセル性能に関する実験結果について説明する。係る実験では、燃料電池６を構成するセルユニット材料として、電解質膜６Ｄはデュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１７（厚み１７５μｍ）を使用し、アノード６Ａ及びカソード６Ｂは触媒層をスクリーン印刷法により塗布したカーボンペーパーを使用した。この触媒層にはアノード６ＡにはＰｔＲｕ黒にパーフルオロスルホン酸溶液を混合したスラリー、カソード６ＢにはＰｔ黒にパーフルオロスルホン酸溶液を混合したスラリーを使用した。電解質膜６Ｄをアノード６Ａ及びカソード６Ｂで挟持し、＋１５０℃でホットプレスしてセルユニットを作製した。作製したセルユニットをリブ付試験用セル枠で挟み、実施例試験セルとして用いた。
【００４６】
尚、当該実験では、カソード６Ｂ側に酸化剤ガスとして空気を供給し、アノード６Ａ側に液体燃料として３．２ｗｔ％メタノール水溶液を供給した。燃料流量は２．８ｍｌ／ｍｉｎ、空気は６０ｍｌ／ｍｉｎで試験セルに供給した。セルの運転温度は＋６０℃、カソード６Ｂの加湿は相対湿度５〜１００％で発電試験を行った。
【００４７】
図２は、相対湿度と電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２の時のセル電圧の関係を示しており、図３は、相対湿度とセル抵抗の関係を示している。この結果より相対湿度が１３％以上でセル特性が大きく向上していることがわかる。この理由としては図３に示すように相対湿度が１３％以上では、セル抵抗が大幅に減少しているためである。
【００４８】
これにより、加湿器８に供給された空気は、前記湿度センサの検出に基づき、相対湿度１３％以上にまで加湿した後、燃料電池６に空気を供給することにより、十分に電解質膜６Ｄを湿潤とすることができ、当該電解質膜６Ｄのプロトン導電性を向上させることができる。これにより、セル性能が向上され、燃料電池システムＳにおける燃料電池６の発電効率の向上を図ることができるようになる。
【００４９】
また、図２及び図３に示す如く相対湿度を６３％以上とすることにより、より一層、セル性能の向上を図ることができることが分かる。
【００５０】
次に、相対湿度と開回路電圧との関係について図４を参照して説明する。図４の結果より加湿を行うことによって開回路電圧は上昇することがわかる。これは加湿を行うことにより、電解質膜６Ｄを十分に湿潤とすることができるため、アノード６Ａからカソード６Ｂへ移動する水が減少し、それに伴う液体燃料としてのメタノールの透過も減少したためであると考えられる。
【００５１】
これにより、アノード６Ａに供給した液体燃料が未反応のまま電解質膜６Ｄを透過し、カソード６Ｂに移動するクロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。特に、本発明では、カソード６Ｂ側から水分を供給するため、アノード６Ａからの移動水を減少させることができ、それに伴う液体燃料のクロスオーバーをより一層低減することができ、開回路電圧が上昇し、セルユニット特性を向上させることができる。
【００５２】
次に、図５を参照し、もう一つの実験結果について説明する。図５の実験では、上記実験と同様の構成のセルユニットを使用し、カソード６Ｂ側に酸化剤ガスとして空気を供給し、アノード６Ａ側に液体燃料として３．２ｗｔ％メタノール水溶液を供給した。燃料流量は２．６ｍｌ／ｍｉｎ、空気は３１６ｍｌ／ｍｉｎで試験セルに供給した。セルの運転温度は＋６０℃、カソード６Ｂの加湿は内部加湿で行い水を試験セルに１ｍｌ／ｍｉｎで直接供給した。
【００５３】
図５は、内部加湿を行った場合のＩ−Ｖ特性を示す。黒四角は、＋６０℃で内部加湿を行った電流密度に対する電圧の変化、黒三角は、同じく＋６０℃で内部加湿を行った電流密度に対する電力密度の変化、白四角は、＋６０℃で内部加湿を行わなかった電流密度に対する電圧の変化、白三角は、同じく＋６０℃で内部加湿を行わなかった電流密度に対する電力密度の変化を示している。これによると、上述した加湿器８を用いて加湿した場合と同様に、直接燃料電池６のセル内に水を供給する内部加湿であってもセル特性及び開回路電圧が向上したことがわかる。
【００５４】
以上より、燃料電池６のセル内に加湿した空気を供給するもしくは液体の水を投入した空気を供給することによって、セル抵抗の低減及び液体燃料のクロスオーバーの抑制が実現し、セルユニットの性能の向上を図ることができるようになる。尚、かかる場合の如く直接内部に水を供給する場合には、装置の簡素化を図ることができる。
【００５５】
尚、上記各実験では、一定のセルユニットを採用しているが、あらゆる大きさのセルユニットや様々な形状のセルユニットを採用した直接液体燃料形燃料電池６においても有効である。
【００５６】
また、上記各実験では、液体燃料として３．２ｗｔ％メタノール水溶液、酸化剤ガスとして空気を使用した燃料電池６の運転を示したが、その他、濃度の異なるメタノール水溶液、ＤＭＥなど他の液体燃料であっても同様の効果を奏することができる。また酸化剤ガスとして酸素を使用してもよいものとする。
【００５７】
更に、上記各実験では、燃料流量２．８ｍｌ／ｍｉｎ、空気流量６０ｍｌ／ｍｉｎの条件で運転した結果を示したが、流量が異なる条件での運転においても有効であるものとする。
【００５８】
また、上記各実験ではセル温度が＋６０℃、相対湿度５〜１００％の条件で運転した結果を示したが、セル温度が異なる場合においても効果が確認でき、より効果があるのは＋４０℃〜＋９０℃であった。
【００５９】
上述の如く燃料電池６において発電に寄与された液体燃料のうち、アノード６Ａ側の燃料通路を経た未反応液体燃料は、配管４を介して、再び燃料供給源１に返送される。
【００６０】
また、カソード６Ｂのガス通路から配管１１に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した空気は、ファン１３が近傍に設けられた熱交換器１２で冷却された後、配管１４を通じてカソードドレンタンク１６に送出され、当該カソードドレンタンク１６にて空気のみが排気ダクト１８を介して外部に放出される。
【００６１】
このとき、熱交換器１２から生じる廃熱は、ファン１３により強制冷却され、これによりファン１３より供給された空気は昇温し、熱交換器１２の下流側に設けられる加湿器８に吐出される。そのため、昇温された空気の熱を有効的に加湿器８内の水の加熱に用いることができる。これにより、カソード６Ｂから流出した空気の廃熱を効率的に利用することができる。
【００６２】
他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱交換器１２にてファン１３により冷却・凝縮され、ドレン水としてカソードドレンタンク１６内に貯留する。そして、カソードドレンタンク１６に貯留されたドレン水は、ドレンパイプ１７より加湿器８に送出される。
【００６３】
これにより、外部に多量の水が排出される不都合を回避することができるようになる。また、カソードドレンタンク１６で回収された水を用いてカソード６Ｂに水分を供給することが可能となるため、カソード６Ｂに供給する水を再利用することができ、カソードドレンタンク１６により回収された水を有効利用することができるようになる。そのため、カソードドレンタンク１６に回収された水を格別に排出処理する必要がなくなりメンテナンス作業性の向上を図ることができる。
【００６４】
尚、カソード６Ｂから排出された水を再びカソード６Ｂ内に循環させる方法として、カソード６Ｂ出口側と入口側とを例えばナイロン、ポリエステル、レーヨン、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラールの何れかを主成分とする織布、不織布若しくはフェルトなどの材料にて構成される水吸収剤で連結してもよいものとする。かかる場合には、燃料電池６の発熱により加熱された水を直接カソード６Ｂに循環させることができ、これにより、加湿器８における加湿量を低減することができるため、熱効率が向上する。
【００６５】
尚、上記実施例に加えて、カソード６Ｂから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソード６Ｂに供給してもよいものとする。かかる場合には、より一層、熱効率が向上し、エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００６６】
次に、他の実施例としての燃料電池システムＴについて図６を参照して説明する。尚、図６において図１と同様の符号を付したものは、同一又は類似の効果を奏するものであるものとする。係る実施例における燃料電池システムＴは、液体燃料が燃料電池６のアノード６Ａ側に供給される構造については、上記実施例と同様である。
【００６７】
他方、酸化剤ガス供給源としての空気ポンプ５は、全熱交換器２０が設けられる配管２１を介して燃料電池６のカソード６Ｂ側のガス流路入口側に接続される。この配管２１には、全熱交換器２０より水分が供給されるものとする。カソード６Ｂ側のガス流路出口側は、前記全熱交換器２０が設けられる配管２２に接続され、当該配管２２に流入する配管２１に供給されなかった水分や排気は外部に排出される。
【００６８】
これにより、制御装置により燃料電池システムＴの定常運転において、燃料供給源１からの液体燃料は、上記実施例と同様に電磁開閉弁を介して燃料ポンプ２に入り、当該燃料ポンプ２にて昇圧されて、燃料通路から燃料電池６のアノード６Ａに供給される。
【００６９】
他方、空気ポンプ５から配管２１を介して全熱交換器２０に流入された空気は、燃料電池６のカソード６Ｂの出口側から配管２２を介して流出した排気及び水分と熱交換、水分授受することにより、ガス通路から燃料電池６のカソード６Ｂに供給される。これにより、アノード６Ａに供給された液体燃料と、カソード６Ｂに供給された空気中に含まれる酸素とがそれぞれアノード６Ａ、カソード６Ｂにて反応し、電力が発生すると共に、電解質膜６Ｄを湿潤状態とする。
【００７０】
そして、カソード６Ｂのガス通路から配管２２に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した空気は、全熱交換器２０にて、燃料電池６に供給される配管２１内の空気と熱交換、水分授受した後、外部に放出される。
【００７１】
また、この場合、上記実施例に比べてシステムの簡素化を図ることができるため、安価なシステム構築を実現することができるようになる。
【００７２】
尚、上記各実施例では、液体燃料としてメタノールやＤＭＥを挙げているが、例えばプロパノールやブタノールなどの他の液体燃料であっても同様の効果を発揮するものとする。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、カソードに水分を供給する水分供給手段を備えるので、十分に電解質膜を湿潤とすることができ、当該電解質膜のプロトン導電性を向上させることができる。これにより、当該燃料電池システムにおける燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。
【００７４】
特に、カソード側から供給される水分により電解質膜を十分に湿潤とするため、アノードからカソードへの水の移動を減少させることができ、それに伴う液体燃料の透過を減少することができ、係るクロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。
【００７５】
請求項２の発明によれば、上記発明において、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであるので、容易にカソードに水を供給することができ、装置の簡素化を図ることができるようになる。
【００７６】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明に加えて、水分供給手段は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えるので、酸化剤ガスをカソードに供給しつつ、カソード側に水分を供給することができ、容易に電解質膜を湿潤状態とすることができるようになる。
【００７７】
請求項４の発明によれば、上記発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性を向上させることができるようになる。
【００７８】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明において、加湿手段は、酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿するので、燃料電池の特性をより一層向上させることができるようになる。
【００７９】
請求項６の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、加湿器であって、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を加湿器に供給するので、カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を効率的に利用することができ、エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【００８０】
請求項７の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器においてカソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うので、システムの簡素化を図ることができ、安価なシステムを構築することができるようになる。
【００８１】
請求項８の発明によれば、上記各発明において、カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたので、外部に多量の水が排出される不都合を回避することができるようになる。
【００８２】
請求項９の発明によれば、上記発明において、水回収手段で回収された水を用いてカソードに水分を供給するので、カソードに供給する水を再利用することができ、水回収手段により回収された水を有効利用することができるようになる。
【００８３】
請求項１０の発明によれば、請求項８又は請求項９の発明において、カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であるので、燃料電池の発熱により加熱された水を直接カソードの上流側に循環させることができ、これにより、容易にカソード側を加湿することができ、熱効率が向上する。
【００８４】
請求項１１の発明によれば、上記各発明において、カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソードに供給するので、熱効率が向上し、より一層エネルギー消費量の低減を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの概要説明図である。
【図２】相対湿度と電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２の時の電圧の関係を示した図である。
【図３】電流密度２００ｍＡｃｍ−２における相対加湿度とセル抵抗の関係を示した図である。
【図４】相対湿度と開回路電圧の関係を示した図である。
【図５】内部加湿におけるＩ−Ｖ特性を示した図である。
【図６】他の実施例の燃料電池システムの概要説明図である。
【符号の説明】
Ｓ、Ｔ 燃料電池システム
１ 燃料供給源
２ 燃料ポンプ
６ 燃料電池（ＤＭＦＣ）
６Ａ アノード
６Ｂ カソード
６Ｄ 電解質膜
８ 加湿器（水供給手段）
１２ 熱交換器
１３ ファン
１６ カソードドレンタンク（水回収手段）
２０ 全熱交換器
Claims (11)
- 電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、前記アノードに液体燃料を供給し、前記カソードに酸化剤ガスを供給して前記液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードに水分を供給する水分供給手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記水分供給手段は、前記カソードに供給される酸化剤ガスに水を直接供給するものであることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
- 前記水分供給手段は、前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
- 前記加湿手段は、前記酸化剤ガスを相対湿度で１３％乃至１００％に加湿することを特徴とする請求項３の燃料電池システム。
- 前記加湿手段は、前記酸化剤ガスを相対湿度で６３％乃至１００％に加湿することを特徴とする請求項３の燃料電池システム。
- 前記加湿手段は、加湿器であって、前記カソードから流出した酸化剤ガスの廃熱を該加湿器に供給することを特徴とする請求項３、請求項４又は請求項５の燃料電池システム。
- 前記加湿手段は、全熱交換器であって、該全熱交換器において前記カソードから流出した酸化剤ガスと、該カソードに供給される酸化剤ガスとの熱交換及び水分授受を行うことを特徴とする請求項３、請求項４又は請求項５の燃料電池システム。
- 前記カソードのガス流路下流側には、当該カソードから流出する水を回収する水回収手段を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の燃料電池システム。
- 前記水回収手段で回収された水を用いて前記カソードに水分を供給することを特徴とする請求項８の燃料電池システム。
- 前記水回収手段は、前記カソードのガス流路の下流側及び上流側を連結する水吸収剤であることを特徴とする請求項８又は請求項９の燃料電池システム。
- 前記カソードから流出した酸化剤ガスの少なくとも一部を前記カソードに供給することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９又は請求項１０の燃料電池システム。
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2003
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