JP2005093124A - 燃料電池システム及び燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で軽量な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１０は、有機液体燃料により動作する燃料電池装置２０、燃料電池装置２０に有機液体燃料を供給するための燃料タンク３０、燃料タンク３０の有機液体燃料を燃料電池装置２０に供給するためのポンプ４０、燃料電池装置２０に空気を供給するためのエアポンプ５０を含む。燃料タンク３０は、高濃度の有機液体燃料を貯蔵する貯蔵室３２と、水で希釈された低濃度の有機液体燃料を貯蔵する希釈室３４とが、隔膜３６により隔てられた構造を有する。貯蔵室３２内の有機液体燃料が、隔膜３６を透過して希釈室３４へ移動し、ポンプ４０により燃料電池装置２０へ供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、有機液体燃料を利用する燃料電池システム、及びその燃料電池システムに利用可能な燃料供給装置に関する。

燃料電池の一形態として、近年、直接型メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）が注目されている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質せずに直接負極に供給し、メタノールと酸素の電気化学的反応により電力を得るものである。メタノールは、水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も少ないため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００１−１８５１８５号公報

燃料電池を携帯機器の電源として利用するには、燃料電池のさらなる小型化および軽量化が必要である。従来のＤＭＦＣにおいては、燃料電池を駆動するために、メタノールを希釈するためのタンクや、メタノールを燃料電池に供給するためのポンプなど、多くの補機類を必要としていたが、これらの補機類の構成を簡略化することにより、燃料電池システムを小型化、軽量化する技術が求められる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムの小型化又は軽量化を実現する技術を提供することにある。本発明の別の目的は、燃料電池システムにおいて補機類の消費電力を低減する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、有機液体燃料により動作する燃料電池装置と、前記燃料電池装置に前記有機液体燃料を供給する燃料供給装置と、を含み、前記燃料供給装置は、有機液体燃料を貯蔵する貯蔵室と、前記貯蔵室よりも濃度の低い有機液体燃料を保持する希釈室とが、前記有機液体燃料が前記貯蔵室から前記希釈室へ移動可能な隔膜により隔てられた構造を有することを特徴とする。これにより、希釈用のタンクやポンプなどの補機類を省くことができるので、燃料電池システムを小型化かつ軽量化することができるとともに、補機類の駆動に要する消費電力を低減することができる。

前記隔膜は、前記有機液体燃料を透過する材料により構成されてもよい。前記隔膜は、高分子材料を含み、前記有機液体燃料を前記貯蔵室から前記希釈室へ透過させてもよい。これにより、貯蔵室に貯蔵された有機液体燃料を希釈室へ透過させ、燃料電池装置へ供給することができる。

前記燃料電池装置から排出された流体は、前記希釈室へ戻され、前記流体のうち気体成分は、前記希釈室において気液分離されて系外へ排気されてもよい。これにより、気液分離槽などを別に設ける必要がなく、システムの構成を簡略化することができる。

この燃料電池システムは、前記希釈室の有機液体燃料の濃度を検知する濃度検知手段と、前記気体成分を排気する配管に設けられたバルブと、前記バルブの開閉を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記濃度検知手段が検知した前記希釈室の有機液体燃料の濃度が所定値よりも高いときは、前記バルブを閉じて前記気体成分の排気を抑止し、前記隔膜付近に前記気体成分を蓄積することにより前記貯蔵室と前記希釈室との間の液体の接触を妨げ、前記貯蔵室から前記希釈室への有機液体燃料の移動を抑止してもよい。これにより、希釈室の有機液体燃料の濃度を適切に保つことができる。

この燃料電池システムは、前記希釈室の液位を検知する液位検知手段をさらに含み、前記制御部は、前記液位検知手段により検知された前記希釈室の液位が所定値よりも低いときに、前記バルブを開いて前記気体成分を系外へ排気させてもよい。これにより、希釈室に気体成分が過剰に蓄積するのを防ぎ、燃料供給装置や隔膜などの破損を防ぐことができる。また、燃料供給が停止してしまう事態を防ぐことができる。

前記燃料供給装置の前記貯蔵室に系外から前記有機液体燃料を充填するための充填口をさらに含んでもよい。これにより、燃料供給装置を系外へ取り出さなくても有機液体燃料を補充することができ、メンテナンス性を向上させることができる。

本発明の別の態様は、燃料供給装置に関する。この燃料供給装置は、有機液体燃料を貯蔵する貯蔵室と、前記貯蔵室よりも濃度の低い有機液体燃料を保持する希釈室と、前記貯蔵室と前記希釈室とを隔てる隔膜と、前記希釈室に保持された有機液体燃料を燃料電池装置に供給するための供給口と、を含むことを特徴とする。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、燃料電池システムを小型化又は軽量化する技術を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池装置２０、燃料電池装置２０に有機液体燃料を供給するための燃料供給装置の一例である燃料タンク３０、燃料タンク３０の有機液体燃料を燃料電池装置２０に供給するためのポンプ４０、燃料電池装置２０に空気を供給するためのエアポンプ５０を含む。燃料電池装置２０は、正極層と負極層の間に、ナフィオン（登録商標）などの水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜を配した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」と表記する）を、導電性のセパレータを介して複数積層させたスタックを含む。ＭＥＡの負極（燃料極）には、メタノール、エタノールなどのアルコール類や、エーテル類などの有機液体燃料が、改質せずに直接供給され、ＭＥＡの正極（空気極）には、空気が供給される。そして、ＭＥＡにおける有機液体燃料と酸素の電気化学的反応により電力が取り出される。

燃料タンク３０は、高濃度の有機液体燃料を貯蔵する貯蔵室３２と、水で希釈された低濃度の有機液体燃料を貯蔵する希釈室３４とが、隔膜３６により隔てられた構造を有する。隔膜３６は、貯蔵室３２に貯蔵された有機液体燃料を希釈室３４へ透過させるような材料により構成されており、貯蔵室３２と希釈室３４との間の有機液体燃料の濃度勾配により、貯蔵室３２から有機液体燃料が希釈室３４に移動し、希釈室３４にて希釈された低濃度の有機液体燃料が燃料電池装置２０に供給される。

燃料電池システム１０の動作時には、燃料タンク３０の希釈室３４に設けられた供給口６０から、ポンプ４０を介して、低濃度の有機液体燃料が燃料電池装置２０に供給される。高濃度の有機液体燃料をそのまま燃料電池装置２０の燃料極に供給すると、有機液体燃料がＭＥＡの固体高分子電解質膜を透過して空気極側に移動し、空気極側で有機液体燃料が反応して逆起電力が生じる恐れがある。そのため、このように、希釈室３４にて希釈された低濃度の有機液体燃料を燃料電池装置２０に供給する。

燃料電池装置２０の各ＭＥＡの燃料極では、有機液体燃料と水が反応して二酸化炭素と水素イオンが生じる。未反応の有機液体燃料と、反応により生成した二酸化炭素などの生成物は、配管７０を介して、燃料タンク３０の希釈室３４に設けられた受入口６２に戻される。

燃料電池装置２０の各ＭＥＡの空気極には、吸入口８０からエアポンプ５０により取り入れられた空気が供給される。空気極では、空気中の酸素と水素イオンが反応して水が生じる。未反応の空気と、反応により生成した水は、配管７２を介して、燃料タンク３０の希釈室３４に設けられた受入口６６に戻される。

希釈室３４では、液体と気体が分離され、気体は排出口６８から排出され、配管７４及び排気口８２を介して系外へ排出される。希釈室３４には、燃料電池システム１０の動作中、燃料電池装置２０の空気極で生成した水が戻され、希釈室３４内に貯蔵された有機液体燃料が希釈されるが、希釈されることにより貯蔵室３２の有機液体燃料との間の濃度勾配が生じ、有機液体燃料が隔膜３６を透過して希釈室３４に補充される。こうして、貯蔵室３２に貯蔵された高濃度の有機液体燃料は、燃料電池システム１０の動作に伴って、徐々に希釈室３４へ浸透し、希釈室３４で希釈されて燃料電池装置２０へ供給される。

希釈室３４において気液分離された気体を排出する配管７４には、バルブ８６が設けられており、制御部９４によりバルブ８６の開閉が制御される。希釈室３４には、希釈室３４内の有機液体燃料の濃度を検知する濃度検知手段の一例である濃度センサ９０が設けられる。制御部９４は、濃度センサ９０が検知した希釈室３４内の有機液体燃料の濃度を取得し、濃度が燃料電池装置２０の動作に最適な濃度よりも高いときは、バルブ８６を閉じて希釈室３４内の気体成分の排気を抑止する。すると、隔膜３６付近に気体成分が蓄積するので、貯蔵室３２と希釈室３４との間の液体の接触が妨げられ、貯蔵室３２から希釈室３４への有機液体燃料の移動が抑止される。これにより、希釈室３４内の有機液体燃料の濃度が高くなり過ぎるのを防ぎ、濃度を適切に保つことができる。

希釈室３４には、希釈室３４内の液位を検知する液位検知手段の一例である液位センサ９２が設けられる。制御部９４は、液位センサ９２により検知された希釈室３４の液位を取得し、液位が所定値よりも低くなると、バルブ８６を開いて気体成分を系外へ排気させる。これにより、希釈室３４に気体成分が過剰に蓄積するのを防ぎ、燃料タンク３０や隔膜３６などの破損を防ぐことができる。また、燃料供給が停止してしまう事態を防ぐことができる。

燃料タンク３０内の有機液体燃料の濃度が、燃料電池装置２０に供給すべき有機液体燃料の濃度を下回ると、燃料タンク３０を交換する必要がある。交換時期を判別するために、燃料タンク３０内の有機液体燃料の濃度を検知する濃度センサを設けてもよい。使用後の燃料タンク３０は、回収されてリサイクルされてもよい。燃料タンク３０の提供主体が、ユーザから使用済みの燃料タンク３０を回収し、貯蔵室３２に有機液体燃料を再び充填し、その燃料タンク３０を再び市場に出すというビジネスモデルが成立する。

従来の燃料電池システムにおいては、燃料タンクに貯蔵された高濃度の有機液体燃料を、ポンプを利用して希釈用タンクなどに送り、水を加えていったん希釈してから、ポンプにより燃料電池装置２０に供給していた。この場合、希釈用タンクを別に設ける必要があり、また、ポンプを駆動するための電力が必要となる。しかし、本実施の形態では、燃料タンク３０内に隔膜３６により隔てられた希釈室３４を設けることにより、希釈用タンクなどの構成及び希釈用タンクに有機液体燃料を供給するためのポンプなどの構成を省略している。これにより、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができ、また、消費電力を低減することができる。

隔膜３６は、有機液体燃料を透過する素材により構成される。たとえば、ナフィオン（登録商標）などの電解質膜に使用されるフッ素系高分子電解質膜、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリベンゾイミダゾールなどの透水性又は親水性を有するポリマー、多孔質撥水性ポリマー、メソポア又はミクロポアを有する炭素材料、ゼオライト、モルデナイト、シリカなどの材料や、これらの材料を組み合わせた複合材料であってもよい。多孔質撥水性ポリマーとして、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリフッ化ビニル、パーフルオロアルコキシ樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエーテルスルフォンなどのフッ素樹脂を用いてもよい。また、多孔質撥水性ポリマーは、いかなる細孔構造を有していてもよい。また、緻密な撥水性ポリマー隔膜の一部に多孔質部位が設けられている材料を用いてもよい。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。本実施の形態の燃料電池システム１０では、燃料タンク３０の貯蔵室３２と希釈室３４とを隔てる隔膜３６が袋状に構成されており、貯蔵室３２に系外から高濃度の有機液体燃料を充填するための充填口８４が備えられている。それ以外の構成については、第１の実施の形態と同様であり、同様の構成には同じ符号を付している。

隔膜３６が袋状に構成されているので、燃料電池システム１０をどの向きに設置したとしても、貯蔵室３２内の高濃度の有機液体燃料と希釈室３４内の低濃度の有機液体燃料とが隔膜３６を介して接触する。したがって、設置向きにかかわらず、燃料電池装置２０に有機液体燃料を供給し、長時間運転させることができる。この技術は、とくに、燃料電池システム１０を携帯機器などに搭載する場合に有効である。隔膜３６は、燃料タンク３０内に固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。

本実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様に、制御部９４が濃度センサ９０及び液位センサ９２から取得したセンサ値に基づいてバルブ８６の開閉を制御することにより、希釈室３４内の気体の量や液位を制御し、貯蔵室３２から希釈室３４への有機液体燃料の透過を制御することができる。これにより、希釈室３４から燃料電池装置２０へ供給される有機液体燃料の濃度を適切に制御することができる。

貯蔵室３２は、充填口８４から高濃度の有機液体燃料を系外から充填可能に構成されている。これにより、燃料タンク３０を系外に取り出さなくても有機液体燃料を補充することができるので、メンテナンス性に優れている。図１に示した第１の実施の形態の燃料電池システム１０においても、同様に、燃料タンク３０に系外から有機液体燃料を充填するための充填口を設けてもよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池装置、３０ 燃料タンク、３２ 貯蔵室、３４ 希釈室、３６ 隔膜、４０ ポンプ、５０ エアポンプ、６０ 供給口、６２，６６ 受入口、６８ 排出口、８０ 吸入口、８２ 排気口、８４ 充填口、８６ バルブ、９０ 濃度センサ、９２ 液位センサ、９４ 制御部。

Claims (8)

1. 有機液体燃料により動作する燃料電池装置と、
   前記燃料電池装置に前記有機液体燃料を供給する燃料供給装置と、を含み、
   前記燃料供給装置は、
   有機液体燃料を貯蔵する貯蔵室と、前記貯蔵室よりも濃度の低い有機液体燃料を保持する希釈室とが、前記有機液体燃料が前記貯蔵室から前記希釈室へ移動可能な隔膜により隔てられた構造を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記隔膜は、前記有機液体燃料を透過する材料により構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記隔膜は、高分子材料を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池装置から排出された流体は、前記希釈室へ戻され、
   前記流体のうち気体成分は、前記希釈室において気液分離されて系外へ排気されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記希釈室の有機液体燃料の濃度を検知する濃度検知手段と、
   前記気体成分を排気する配管に設けられたバルブと、
   前記バルブの開閉を制御する制御部と、を含み、
   前記制御部は、前記濃度検知手段が検知した前記希釈室の有機液体燃料の濃度が所定値よりも高いときは、前記バルブを閉じて前記気体成分の排気を抑止し、前記隔膜付近に前記気体成分を蓄積することにより前記貯蔵室と前記希釈室との間の液体の接触を妨げ、前記貯蔵室から前記希釈室への有機液体燃料の移動を抑止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記希釈室の液位を検知する液位検知手段をさらに含み、
   前記制御部は、前記液位検知手段により検知された前記希釈室の液位が所定値よりも低いときに、前記バルブを開いて前記気体成分を系外へ排気させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料供給装置の前記貯蔵室に系外から前記有機液体燃料を充填するための充填口をさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 有機液体燃料を貯蔵する貯蔵室と、
   前記貯蔵室よりも濃度の低い有機液体燃料を保持する希釈室と、
   前記貯蔵室と前記希釈室とを隔てる隔膜と、
   前記希釈室に保持された有機液体燃料を燃料電池装置に供給するための供給口と、
   を含むことを特徴とする燃料供給装置。

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