JP2005032606A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置構成を簡略化し、小型化を可能とする。方向に関する規制を無くし、装置の向きを気にすることなく使用可能とする。
【解決手段】 液体燃料を燃料電池の空気極で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置である。液体燃料と生成水及び循環される希釈燃料を混合する燃料混合器を備える。そして、この燃料混合器において、液体燃料と生成水及び希釈燃料の混合、及び循環利用される希釈燃料の気液分離が行われる。あるいは、燃料極から排出される希釈燃料の気液分離を行う中空糸モジュールを設ける。この中空糸モジュールを通過した後の希釈燃料に、液体燃料及び空気極で生成される生成水が合流される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばダイレクトメタノール方式のように液体燃料を希釈して使用する燃料電池発電装置に関するものである。

燃料電池は、例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有しており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、上記電気化学的な反応により発電が行われる。

発電に際しては、固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜でありプロトン伝導体膜として機能する電解質膜中をイオン（プロトン）が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生し、同時に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を燃料流体流路や空気流路が形成されたセパレータで挟み込んで発電セルとし、複数の発電セルを積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成されている。

上述の燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されており、例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用も検討されている。

ところで、このような携帯型電子機器等に用いられる燃料電池においては、水素ガスに比べて取り扱いが容易なメタノールを燃料とするダイレクトメタノール方式の燃料電池システムが有利と考えられている（例えば、特許文献１等を参照）。このダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、体積効率やエネルギー密度等観点から、燃料タンクには高濃度の燃料を貯蔵する。ただし、電解質膜は高濃度の液体燃料によって、劣化やクロスオーバーと呼ばれる液体燃料の透過が発生するため、燃料電池の燃料極に供給する際には、適当な濃度に希釈して使用する。なお、希釈に使用する水は、別途設置したタンクに溜めておくか、発電で生じた生成水を回収して使用する。

ここで、生成水の回収について簡単に説明すると、ポンプ等のアクチュエータにより、空気供給管から燃料電池の空気極に空気を供給する。発電によって生じる生成水や電解質膜を介して透過する水等が、空気極で発電に未使用の過剰空気と混合され、燃料電池の外に排出される。この水分を含んだ空気を空気排出管により生成水回収器に供給し、水と空気に分離する。分離された水は、生成水回収器に内蔵されたタンク、あるいは別に設置されたタンクに溜め、空気は排気管から外部に排気する。

次に、燃料の希釈について説明すると、燃料タンクに貯蔵されている高濃度の燃料は、ポンプ等のアクチュエータにより、燃料供給管から燃料混合器に供給される。そして生成水回収器に溜めた生成水、あるいは途設置したタンクに溜めておいた水を、ポンプ等のアクチュエータにより、希釈水供給管から燃料混合器に供給する。希釈燃料の濃度は、供給する燃料と希釈水の量で調整する。

発電に必要な希釈燃料量は、発電電流や発電体の数や濃度等から計算できる。ただし、供給した燃料が全て発電に使用できる訳ではないので、計算値よりも多くの希釈燃料を供給する。このため、燃料混合器から希釈燃料供給管により燃料電池の燃料極に供給され、発電に寄与した後に燃料電池から排出される希釈燃料中には、未だ発電に使用できる燃料が残っている。そこで、希釈燃料循環管により、発電に寄与した後の希釈燃料を電池の燃料極から燃料混合器に戻し、濃度調整後、希釈燃料供給管により燃料電池の燃料極に再供給する循環方式とする。この場合、希釈燃料供給管、あるいは希釈燃料循環管に設けたポンプ等のアクチュエータにより、希釈燃料の循環、ならびに燃料電池の燃料極への希釈燃料の供給を行う。
特表２００２−５０５５０７号公報

ところで、上述のような液体燃料を燃料電池の空気極で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置では、例えば、メタノールを燃料とした直接循環型の燃料電池の場合、一例として、燃料混合器で３〜６重量％に希釈したメタノール水溶液を、燃料電池の燃料極に供給する必要があり、液体燃料と希釈水等とを混合する燃料混合器を設ける必要がある。また、燃料電池の燃料極から排出されるメタノール水溶液中には、反応の過程で発生した、二酸化炭素の気体等が混入している。このため、希釈燃料循環管中に、気液分離器を設ける必要がある。

しかしながら、燃料混合器と気液分離器を各々設ける場合、燃料電池発電装置の構成が複雑化し、また装置が大型化してしまうという問題がある。また、装置を構成する要素が多いと、例えばアクチュエータ等も増える傾向にあり、燃料電池で発電した電力をこれらアクチュエータ等で消費してしまい、取り出し得る電力が減少するという問題もある。さらに、燃料混合器や気液分離器等の構造に依存して、使用の際に方向の規制が必要な場合がある。このような規制は、装置レイアウト上、大きな支障となり、また使用形態も制約されることになる。

本発明は、このような従来技術の抱える問題を解決するために提案されたものであり、装置構成を簡略化することができ、小型化が可能な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、アクチュエータ等により電力消費を極力減らして、発電電力をより多く負荷に供給することが可能な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、方向に関する規制がなく、装置の向きを気にすることなく使用することが可能な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池発電装置は、液体燃料を燃料電池の空気極で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置であって、液体燃料と上記生成水及び循環される希釈燃料を混合する燃料混合器を備え、当該燃料混合器において、液体燃料と生成水及び希釈燃料の混合、及び循環利用される希釈燃料の気液分離が行われることを特徴とする。

上述の構成の燃料電池発電装置では、燃料混合器において、液体燃料と生成水及び希釈燃料の混合が行われ、同時に、この燃料混合器内で循環利用される希釈燃料の気液分離が行われる。したがって、循環利用される希釈燃料の気液分離を行う気液分離器を別途設ける必要がなく、装置構成が簡略化される。また、この燃料混合器にジンバル機構等を設ければ、常に一定の姿勢に保たれ、使用方向が制約されることもない。

本発明の第２の燃料電池発電装置は、液体燃料を燃料電池の空気極で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置であって、上記燃料極から排出される希釈燃料の気液分離を行う中空糸モジュールを備え、当該中空糸モジュールを通過した後の希釈燃料に上記液体燃料及び空気極で生成される生成水が合流されることを特徴とする。

中空糸モジュールに用いられる中空糸は、多数の微細孔を有するチューブ状の部材であり、これら微細孔を二酸化炭素等の気体は通過可能であるが、メタノールや水等の液体は通過することができない。したがって、この中空糸に燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を通せば、希釈燃料中に含まれる不要気体が分離除去される。中空糸は、使用方向が制約されることはなく、どのような方向に設置されても気液分離が可能である。また、中空糸モジュールを通過した後の希釈燃料に液体燃料及び空気極で生成される生成水を合流させているので、燃料混合器が不要であり、装置の簡略化、小型化が実現される。

上述の構成の本発明の燃料電池発電装置によれば、燃料混合器と気液分離器とをそれぞれ別々に設ける必要がないので、装置構成を簡略化することができ、小型化が可能である。また、必要なアクチュエータ等も減らすことができるので、これによる電力消費を減らすことができ、発電電力をより多く負荷に供給することが可能である。さらに、本発明の燃料電池発電装置では、燃料混合器や気液分離器に方向に関する規制がなく、装置の向きを気にすることなく使用することが可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池発電装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態は、燃料混合器に気液分離機能を併せ持たせた例である。本実施形態の燃料電池発電装置は、図１に示すように、燃料タンク５に貯蔵される液体燃料を燃料電池１の空気極２で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極４に供給するとともに、燃料電池の燃料極４から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置であって、気液分離機能付きの燃料混合器６を有する。燃料電池１は、空気極２と燃料極４を電解質膜３を介して重ね合わせたものであり、空気極２への空気の供給、及び燃料極４への希釈燃料の供給により発電を行う。

燃料供給系は、燃料混合器６、希釈燃料供給管１１、及び希釈燃料循環管１２とから構成され、循環経路を構成している。空気供給系は、空気供給管１３、空気排気管１４，生成水回収器９、希釈水供給管１５とから構成されている。生成水回収器９には、内部の空気を逃がす排気管１７が設けられている。

本実施形態では、従来例において希釈燃料循環管１２中に設けられていた気液分離器を廃止し、燃料混合器６に一体化している。燃料混合器６の内部には、下側に希釈燃料８が、その上側に空気と不要気体等が混じった気体空間７が存在し、排気管１６によって外部と繋がっている。

以上の構成を有する燃料電池発電装置では、希釈燃料循環管１２によって、二酸化炭素等の不要気体の混じった希釈燃料が燃料混合器６に供給され、燃料混合器６の下側に溜まった希釈燃料８中に不要気体が拡散する。この拡散した不要気体が燃料混合器６の上側に存在する気体空間７に拡散し、排気管１６によって外部に排出される。本実施形態の燃料電池発電装置では、気液分離器を燃料混合器６に一体化でき、システムの小型化が可能である。

上述の構成の燃料電池発電装置では、燃料混合器６に水位確認機構を設けることが好ましい。そこで、図２及び図３に基づき、燃料混合器６における水位確認機構を説明する。先ず、燃料混合器６が透明等の理由で、内部の水を直接確認できる場合には、図２に示すように、燃料混合器６の横に光センサー４４等を配置し、水位を確認するようにする。

燃料混合器６が不透明等の理由で内部の水を直接確認できない場合には、図３に示すように、燃料混合器６に透明な水位確認用の管４５を取り付け、その横に光センサー４４等を配置することで水位を確認するようにする。
なお、特には図示はしていないが、水位の確認には、フロート、超音波、レーザー等を利用した方法も有効である。また、水位の代わりに水量を確認することでも目的を達成することができる。水量を確認する方法としては、例えば、静電容量やヘルムホルツ共鳴等を応用したセンサーを燃料混合器６に取り付けることや、ロードセル等により燃料混合器６の重量から水量を確認する方法がある。

一度燃料電池１に供給され発電に寄与した後の希釈燃料は、発電による消費とクロスオーバー等による蒸散によって、燃料と水の一部を失い希釈燃料の量が減っている。先に説明した手段により得られた水位、あるいは水量の情報から、適量の希釈水を供給し、希釈燃料の量を一定に保つことが可能である。これにより、燃料電池１に供給する希釈燃料切れや、希釈燃料の量が低下することによる供給圧力の低下等を防ぎ、燃料電池１において安定に発電を行うことが可能である。希釈水供給の制御としては、得られた情報から供給量を計算し、ポンプ等により供給量を制御する方法や、ポンプ等により希釈水を無制御で供給しながら、水位あるいは水量が規定値に達したら供給を停止する方法、さらにはこれらを組み合わせた方法等がある。

上述の燃料混合器６では、上部の気体空間７から不要気体を拡散し、下部において液体燃料の希釈混合を行う。したがって、使用に際しては、その方向を保つ必要がある。そこで、燃料混合器６の姿勢を保つ機構として、ジンバル機構等を用いることが好ましい。以下、図４に基づき、ジンバル機構１８により燃料混合器６に関する使用方向の制限を解除する方法を説明する。

図１に示したような気液分離機能付き燃料混合器６の構造とすると、希釈燃料８と気体空間７と排気管１６の位置関係は、図に示した位置関係以外は許されない。すなわち、天地無用状態となってしまい、使用条件が大きく制限される。そこで、図４に示したようなジンバル機構１８を使用する。

このジンバル機構１８では、中心に天地無用としたい機器２１（ここでは燃料混合器６）を配置し、その外側に配置された内枠２０と２本の回転軸２３ａ，２３ｂで結合し、天地無用としたい機器２１を内枠２０に対して紙面で上下方向へ回転可能とする。次に、この内枠２０と、その外側に配置した外枠１９を、２本の回転軸２２ａ，２２ｂで結合し、内枠２０を外枠１９に対して紙面で左右方向へ回転可能とする。この外枠１９を燃料電池発電装置のベース等に固定すれば、中心の機器２１（燃料混合器６）は、重力の影響で常に、図１に示した理想的な状態を保つことができ、使用方向の制限はなくなる。なお、本ジンバル機構１８においては、中心に配置する機器２１は、燃料混合器６に限るものではなく、その他の機器でも良い。

以上のような構成を有する燃料電池発電装置では、燃料混合器６において、燃料の希釈混合と循環する希釈燃料の気液分離が行われるので、装置構成を簡略化することができ、装置を小型化することができる。また、燃料混合器６には、水位確認機構を設けているので、希釈燃料の残存量等を的確に把握し、安定して燃料電池の運転を行うことができる。さらに、燃料混合器６にジンバル機構を設けているので、燃料混合器６は常に理想的な姿勢を保つことができ、使用方向の制限を無くすことができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、燃料混合器６の構造的な制約による使用方向の制限を解除する別の方法の例であり、気液分離に中空糸モジュールを用いた例である。すなわち、本実施形態は、図１に示した構成とは異なり、燃料混合器６が存在しない。このため、先に説明した、気液分離機能付き燃料混合器６の制約もなくなり、使用に関する方向性の問題もなくなる。代わりに、図５に示すように、希釈燃料循環管１２に中空糸モジュール２４を配置し、ここで気液分離を行う。中空糸モジュール２４で分離された不要気体は、排気管１６によって外部に排出される。また、希釈燃料供給管１１に燃料供給管１０と希釈水供給管１５を接続することで、燃料混合器と同等の処理を行う。

図６及び図７に基づき、中空糸モジュール２４について説明する。希釈燃料循環管１２が接続された入口部２５には、多数の中空糸２６の一方が接続され、その反対側は希釈燃料供給管１１が接続された出口部２８に接続している。このユニットを図６のようにそれ自体で、あるいは図７のようにケース２９に納めて使用する。

中空糸２６は、メタノール等の液体燃料や蟻酸メチル等の反応生成物等に対して、耐性のある材料によって構成され、文字通り中空の糸状になっている。この中空糸２６は、二酸化炭素等の不要気体は通すが、メタノールや水等の液体は通さないサイズの孔が無数に存在している。このため、供給された不要気体の混入した希釈燃料中の不要気体は、この孔から中空糸２６の外側の空間２７に放出され、不要気体の抜けた希釈燃料のみが希釈燃料供給管１１に流れて行く。

また、中空糸２６に供給する不要気体の混入した希釈燃料の圧力を高めることで、中空糸モジュール２４による気液分離の効率や分離速度を高めることが可能である。したがって、図６や図７に示したように、希釈燃料供給管１１と希釈燃料循環管１２の径を変えることで、中空糸モジュール２４内の不要気体の混入した希釈燃料の圧力を高めることができ、分離速度を高めることが可能である。なお、その他の方法として、配管内部、接続されている機器、継手等の形状を工夫することや、障害物を設ける等の方法も、希釈燃料の圧力を高める上で有効である。

本実施形態の燃料電池発電装置では、気液分離に中空糸モジュール２４を使用しているので、使用に関する方向性の問題を解消することができる。また、希釈燃料供給管１１に燃料供給管１０と希釈水供給管１５を接続することで、燃料混合器と同等の処理を行うようにしているので、燃料混合器が不要となり、装置構成の簡略化や小型化を図ることが可能である。

（第３の実施形態）
図８に基づき、気液分離に中空糸モジュール２４と空気供給用ポンプ３２を使用した実施形態について、基本構成の概要を説明する。本実施形態は、先に説明した第２の実施形態の応用例であり、当然のことながら使用に際する方向性の規制はない。

中空糸モジュール２４には、外部と繋がった空気導入管３０と、混合気供給管３１が接続される。この混合気供給管３１は、空気供給用ポンプ３２の吸気側に接続され、空気供給用ポンプ３２の排気側に接続された空気供給管１３は、燃料電池１の空気極２に接続される。

空気供給用ポンプ３２によって、外部から吸い込まれた空気は空気導入管３０を経由して、中空糸モジュール２４の空間２７を通過する。この時、中空糸２６から出てきた不要気体と混じり、混合気供給管３１を経由し、最終的には燃料電池１の空気極２に供給される。このため、中空糸モジュール２４の空間２７に存在する二酸化炭素等の不要気体を素早く移動させることが可能となり、中空糸モジュール２４による不要気体の混入した希釈燃料の気液分離の高効率化や高速化が可能である。アクチュエータとしては、空気供給のために有していた空気供給用ポンプ３２を利用するため、体積増加や消費電力の増加等が発生しない。

燃料電池１の空気極２に供給される空気の量は、効率や冷却等の観点から発電に必要な量に対して充分に多量で、中空糸モジュール２４によって分離される不要気体の量とは２桁以上の差がある。このため、燃料電池１の空気極２に供給される空気に、二酸化炭素等の不要気体が混入しても、発電効率の低下等の問題は発生しない。なお、本例ではアクチュエータとして空気供給用ポンプ３２を利用したが、空気供給用のアクチュエータとして機能するものならば、ポンプ以外の機器、例えばコンプレッサ等でも良い。

（第４の実施形態）
図９に基づき、気液分離に中空糸モジュール２４と空気供給用ポンプ（３２）、及びエジェクタ３３を使用した実施形態につき、基本構成の概要を説明する。本例は、先に説明した第３の実施形態と同様、先に説明した第２の実施形態を応用したものである。当然のことながら、使用に際する方向性の規制はない。

外部と繋がった空気導入管３０は、空気供給用ポンプ３２の吸気側に接続され、空気供給用ポンプ３２の排気側に接続された空気供給管１３は、燃料電池１の空気極２に接続される。中空糸モジュール２４に接続された混合気供給管３１は、エジェクタ３３によって、空気供給管１３に接続される。

空気供給用ポンプ３２によって、外部から吸い込まれた空気は空気導入管３０、空気供給用ポンプ３２、空気供給管１３を経由して、燃料電池１の空気極２に供給される。この時、エジェクタ３３によって、空気供給管１３に接続されている混合気供給管３１を経由して、中空糸モジュール２４の空間２７に存在する二酸化炭素等の不要気体を、空気供給管１３に吸い込み、図８の例と同様に燃料電池１の空気極２に空気と一緒に供給する。

先に説明した通り、中空糸２６から出てきた二酸化炭素等の不要気体の量は、燃料電池１の空気極２に供給される空気の量に対して２桁以上少ないので、エジェクタ３３は二酸化炭素等の不要気体を充分に吸い出すことができる。また、この流量差により、エジェクタ３３に繋がった混合気供給管３１と、その先に繋がった中空糸モジュール２４の空間２７は、減圧状態となるため、中空糸２６内部と空間２７の二酸化炭素等の不要気体濃度差と圧力差の両方の効果で、中空糸モジュール２４による不要気体の混入した希釈燃料の気液分離のさらなる高効率化や高速化が可能である。

本実施形態においても、先に説明した図８の例と同様で、燃料電池１の空気極２に供給される空気に二酸化炭素等の不要気体が混入しても、発電効率の低下等の問題は発生しない。また、アクチュエータとして、空気供給用ポンプ３２以外に、空気供給用のアクチュエータとして機能するものならば、コンプレッサ等を使用しても良い。

（第５の実施形態）
本実施形態では、図１０と図１１に基づき、図５、図８、図９の例における燃料と希釈水の供給に関して、その概要を説明する。中空糸モジュール２４において二酸化炭素等の不要気体を分離された希釈燃料は、希釈燃料供給管１１と希釈燃料供給管１１の途中に設けられた流量計３４を通過し、最終的には燃料電池１の燃料極４に供給される。

図１０に示す例では、生成水回収器９に接続された希釈水供給管１５は、希釈水供給管１５の途中にポンプ３６を有し、継手３５を介して中空糸モジュール２４と流量計３４の間の希釈燃料供給管１１に接続される。燃料タンク５に接続された燃料供給管１０は、燃料供給管１０の途中にポンプ３８を有し、継手３７を介して流量計３４と燃料電池１の間の希釈燃料供給管１１に接続される。

流量計３４によって得られた流量情報から、希釈燃料の流量が規定の値となるように、生成水回収器９に溜められた希釈水をポンプ３６によって希釈燃料供給管１１に供給する。この時、希釈燃料の流量が規定の値となるように希釈水を供給するには、供給量を計算によって求め、ポンプ３６で希釈水を計算量供給する方法、ポンプ３６で希釈水を供給し、流量計３４の値が既定値に達したら供給を停止する方法、あるいはこれらを組み合わせた方法等がある。

燃料の供給に関しては、発電状況等の情報に基づき供給量を計算によって求め、ポンプ３８で計算量供給する方法と、濃度センサの情報に基づき制御する方法がある。濃度センサに関しては、後述の実施形態において詳しく説明する。濃度センサの情報に基づき制御する方法としては、例えば濃度センサからの情報に基づき供給量を計算によって求め、ポンプ３８で燃料を計算量供給する方法、ポンプ３８で燃料を供給し、濃度センサの値が既定値に達したら供給を停止する方法、あるいはこれらを組み合わせた方法等がある。

図１１に示す例では、生成水回収器９に接続された希釈水供給管１５は、希釈水供給管１５の途中にバルブ４０を有し、エジェクター３９によって中空糸モジュール２４と流量計３４の間の希釈燃料供給管１１に接続される。燃料タンク５に接続された燃料供給管１０は、燃料供給管１０の途中にバルブ４２を有し、エジェクタ４１によって流量計３４と燃料電池１の間の希釈燃料供給管１１に接続される。

流量計３４によって得られた流量情報から、希釈燃料の流量が規定の値となるように、生成水回収器９に溜められた希釈水をバルブ４０とエジェクタ３９によって、希釈燃料供給管１１に供給する。この時、希釈燃料の流量が規定の値となるようにするには、供給量を計算によって求め、バルブ４０とエジェクタ３９で希釈水を計算量供給する方法、バルブ４０とエジェクタ３９で希釈水を供給し、流量計３４の値が既定値に達したら供給を停止する方法、あるいはこれらを組み合わせた方法等がある。

燃料の供給に関しては、発電状況等の情報に基づき供給量を計算によって求め、バルブ４２とエジェクタ４１で計算量供給する方法や、濃度センサの情報に基づき制御する方法がある。濃度センサの情報に基づき制御する方法としては、例えば濃度センサからの情報に基づき供給量を計算によって求め、バルブ４２とエジェクタ４１で燃料を計算量供給する方法、バルブ４２とエジェクタ４１で燃料を供給し、濃度センサの値が既定値に達したら供給を停止する方法、あるいはこれらを組み合わせた方法等がある。なお、希釈燃料供給管１１を流れる希釈燃料の量と、希釈水供給管１５によって供給する希釈水の量、また燃料供給管１０によって供給する燃料の量は、２桁以上の差があるので、各々のエジェクタ３９，４１は、充分に機能する。

図１０と図１１に示す例では、燃料電池１に供給する希釈燃料の流量と濃度を常時一定に保つことが可能で、燃料電池１の安定発電に効果的である。図１０に示す例では、希釈水と燃料の供給量を各々ポンプ３６，３８で正確に制御することが可能で、希釈水の流量と濃度の安定性は高い。図１１に示す例では、エジェクタ３９，４１を使用することよって、ポンプ等のアクチュエータを必要としないため、小型化と省電力化の面で効果的である。

なお、特には図示しなかったが、図１０と図１１の例を組み合わせた方法も可能である。例えば、希釈水の供給は図１０に示すポンプ方式、燃料の供給は図１１に示すバルブとエジェクタ方式とする。また、流量と圧力の関係を事前に調べておくことで、流量計３４の代わりに圧力計（図示せず）を使用することも可能である。特には説明しなかったが、図１や図５の例による希釈燃料の濃度制御も、これらと同じである。

（第６の実施形態）
本実施形態は、濃度センサを設置した例である。図１２に基づき、濃度センサ４８の配置を説明する。図１２においては、図５、図８、図９に示す各例に関して、関係する部分だけを抜き出して図示してある。濃度センサ４８は、燃料電池１と継手３７あるいはエジェクタ４１との間で、希釈燃料供給管１１に接続する。

継手３７あるいはエジェクタ４１と濃度センサ４８は、供給された燃料と希釈水と循環させている希釈燃料が充分に混ざり合い、濃度が安定する距離だけ離しておくのが望ましい。また、濃度変化を早めに検知し、濃度制御の遅れを少なくし、燃料を有効に使用するためには、先の安定距離直近に濃度センサ４８を設置することが、最も望ましい。なお、図１の例の場合には、継手３７あるいはエジェクタ４１を燃料混合器６と希釈燃料供給管１１の接点とおきなおせば良い。

（第７の実施形態）
図１３に基づき、図１の例における燃料混合器６からの排気、あるいは図５の例の中空糸モジュール２４からの排気について説明する。図１３は、関係する部分だけを抜き出して図示してある。

液体燃料による燃料電池発電装置の場合、発電効率の観点から燃料電池１を８０℃程度に保つのが良い。また、通常に使用していても燃料電池１の温度上昇は避けられない。このため、循環させている希釈燃料の温度も５０〜８０℃に上昇し、希釈燃料中から燃料が蒸発する可能性がある。特に、図１の例のように、燃料混合器６中に気体空間７が存在するような構造の場合、燃料の蒸発する可能性はさらに高まる。

このため、排気管１６の途中に気液分離器４６を配置し、蒸発した燃料を回収する必要がある。しかし温度が高く、燃料と空気と二酸化炭素等が気体として混じっている状態では、燃料のみを選択的に回収することは難しい。そこで、燃料電池１の空気極２に空気を供給するための空気供給管１３ａを気液分離器４６に接続する。外気から取り込まれた空気は、気液分離器４６に供給される排気の温度よりも低いので、ここでの熱交換により排気の温度を下げる。このことにより、排気中の燃料を選択的に分離を可能とする。

気液分離器４６で回収された燃料は、燃料混合に利用する。気液分離器４６に接続された燃料回収管４７によってこれを行うが、燃料回収管４７の他方の接続形態は次のように行う。すなわち、特には図示していないが、燃料タンク５に接続されている燃料供給管１０の途中に燃料回収管４７を接続し、バルブや弁等を設ける。また、場合によっては回収した燃料を搬送するためにポンプ等を設置する。

一方、図５、図８、図９に示した例では、図１に示した燃料混合器６中の気体空間７は存在しないので、燃料の蒸発する可能性はきわめて低い。しかしながら、先にも記したように、希釈燃料の温度が高いため、中空糸モジュール２４にて不要気体の分離を行う際に、燃料の一部が蒸発する可能性がある。そこで、図８、図９に示した例では、中空糸モジュール２４で分離した燃料を含む可能性のある不要気体を、空気と一緒に燃料電池１の空気極２に供給し、その排気を生成水回収器９に供給することで、生成水と燃料を同時に回収することを可能としている。

空気極４に燃料を供給することは、発電効率を下げることになるが、供給される燃料は微量なので問題とはならない。また、燃料混合に使用する希釈水にも燃料が混入するため、濃度管理が複雑になる可能性があるが、先と同様の理由で問題とはならない。また、濃度センサ４８を使用した場合は、実測データが使用できるので、より安定した制御が可能である。

なお、気液分離器４６において熱交換を行った空気は、気液分離器４６に接続した空気供給管１３ｂによって燃料電池１の空気極４に供給されるため、これまでと変わりなく、発電効率の低下等の問題は発生しない。むしろ、供給空気の温度が高くなることにより、燃料電池１の温度低下をなくす、あるいは小さくでき、燃料電池１の安定発電に効果的である。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明がこれら実施形態に限られるものではないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

燃料電池発電装置の構成例を示す図である。 燃料混合器の一例を示す図である。 燃料混合器の他の例を示す図である。 ジンバル機構の一例を示す平面図である。 中空糸モジュールを用いた燃料電池発電装置の一例を示す図である。 中空糸モジュールの一例を示す図である。 中空糸モジュールの他の例を示す図である。 中空糸モジュールを用いた燃料電池発電装置の他の例を示す図である。 中空糸モジュールを用いた燃料電池発電装置のさらに他の例を示す図である。 燃料と希釈水の供給例を説明する図である。 燃料と希釈水の他の供給例を説明する図である。 濃度センサの設置例を示す図である。 燃料混合器からの排気を空気で冷却する例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 空気極
４ 燃料極
５ 燃料タンク
６ 燃料混合器
７ 気体空間
８ 希釈燃料
９ 生成水回収器
１１ 希釈燃料供給管
２４ 気液分離器（中空糸モジュール）
３２ 空気供給ポンプ
３４ 流量計
４８ 濃度計

Claims (16)

1. 液体燃料を燃料電池の空気極で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置であって、
   液体燃料と上記生成水及び循環される希釈燃料を混合する燃料混合器を備え、当該燃料混合器において、液体燃料と生成水及び希釈燃料の混合、及び循環利用される希釈燃料の気液分離が行われることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 上記燃料混合器は、上部に気体空間が存在することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 上記燃料混合器には、水位を確認するための水位確認手段が設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
4. 上記燃料混合器は、それ自体が透明であることにより上記水位確認手段とされていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装置。
5. 上記燃料混合器には、上記水位確認手段として、水位確認管が取り付けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装置。
6. 上記燃料混合容器は、ジンバル機構により一定方向に姿勢が保たれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
7. 上記燃料混合容器は、内枠に対して回転軸を介して結合され、当該内枠は、外枠に対して前記回転軸と直交する回転軸を介して結合されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電装置。
8. 上記燃料混合容器の上部空間内の気体を排気する排気管を設けるとともに、当該排気管の中途位置に気液分離器を設け、
   上記気液分離器を燃料電池の空気極に供給する空気で冷却することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
9. 液体燃料を燃料電池の空気極で生成される生成水により希釈して燃料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池の燃料極から排出される希釈燃料を循環利用する燃料電池発電装置であって、
   上記燃料極から排出される希釈燃料の気液分離を行う中空糸モジュールを備え、当該中空糸モジュールを通過した後の希釈燃料に上記液体燃料及び空気極で生成される生成水が合流されることを特徴とする燃料電池発電装置。
10. 上記中空糸モジュールで分離された気体は、燃料電池の空気極に空気を送る空気供給ポンプにより吸引され、燃料電池の空気極に供給されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電システム。
11. 上記中空糸モジュールで分離された気体は、燃料電池の空気極に空気を送る空気供給配管に接続されるエジェクタを介して吸引され、燃料電池の空気極に供給されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電システム。
12. 液体燃料を貯蔵する燃料タンクと、燃料電池の空気極で生成される生成水を回収する生成水回収器と、希釈燃料を循環供給する希釈燃料供給管を備え、
    上記希釈燃料供給管に経路内に上記中空糸モジュールが配されるとともに、当該中空糸モジュールの下流位置に上記生成水回収器が接続され、さらにその下流位置に上記燃料タンクが接続され、生成水回収器の接続位置と燃料タンクの接続位置の間に流量計が設置されていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電装置。
13. 上記燃料タンク及び生成水回収器は、それぞれポンプを有し、継手を介して希釈燃料供給管に接続されていることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池発電装置。
14. 上記燃料タンク及び生成水回収器は、それぞれバルブを有し、エジェクタを介して希釈燃料供給管に接続されていることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池発電装置。
15. 上記燃料タンクの接続位置と燃料電池の燃料極の間に液体燃料の濃度を計測する濃度センサが設けられていることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池発電装置。
16. 上記濃度センサの設置位置は、燃料タンクの接続位置から濃度が安定する距離だけ離して設置されていることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池発電装置。

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