JP2005108658A - 直接液体燃料形燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【構成】 燃料電池スタック２の空気排出路６からの排空気を蒸発器４２へ導き、空気極から持ち出された水分を蒸発させる。燃料タンク３２の液面レベルをレベルメータ３６で監視し、液面レベルが低下するとバルブ４４からラジエータ８を介して排空気を燃料タンク３２へ戻し、水分を補給する。
【効果】 排液タンクが不要で、排空気の冷却用のファンの消費電力を節減できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、メタノール、イソプロパノール、ブタノール、ジメチルエーテルなどの液体燃料を、例えば水と混合して燃料極に直接供給する、直接液体燃料形燃料電池システムと、その運転方法に関する。

直接メタノール形燃料電池では、1〜10wt%程度のメタノール／水混合燃料を用い、メタノールを水素に改質せずに燃料極に直接供給する。直接メタノール形燃料電池は改質器を要しないため構造が簡単で軽量であり、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器の電源や、野外用電源、非常用電源などに有望である。メタノールなどの液体燃料を改質せずに直接燃料電池に供給する燃料電池を、直接液体燃料形燃料電池という。

図７に、従来例の直接液体燃料形燃料電池システムの概要を示すと、２は燃料電池スタックで、例えばプロトン導電性高分子固体電解質膜の両面に燃料極と空気極とを設けたものを、セパレータを介して複数積層したものである。４はブロワで、空気供給路５から燃料電池スタック２の空気極へ空気を供給し、該スタック２からの排空気と水蒸気を空気排出路６を介して、ファン１０を備えたラジエター８で冷却して、排液タンク１２へ回収し、排空気を外部に排出する。燃料タンク１４から燃料供給路１５を介して燃料電池スタック２へ液体燃料を供給し、排燃料路１６からの排燃料を、ファン２０を備えたラジエター１８で冷却して、燃料タンク１４へ還流路２１から回収する。燃料温度が低い場合などは、バルブ１７を操作して、還流路２２から排燃料を冷却せずに回収する。２４は高濃度燃料タンクで、メタノール３０wt%水７０wt%などの高濃度液体燃料を蓄え、Ｐ1は高濃度燃料の補給用のポンプ、Ｐ2は液体燃料の供給用のポンプ、Ｐ3は水を燃料タンク１４へ戻すためのポンプである。ブロワ４やファン１０，２０やポンプＰ1〜Ｐ3を補機と呼び、これらは直接液体燃料形燃料電池システムの電力で駆動される。

図７のシステムでは、排液タンク１２が必要なためシステムが大形化し、またラジエター８用のファン１０を原則として常時運転するため、補機の消費電力が大きい。

この発明の基本的課題は、排液タンクを不要もしくは小形化して、直接液体燃料形燃料電池システムを小形化すると共に、排空気の冷却用の消費電力を節減することにある。
この発明の副次的課題は、
・ 燃料タンクの液面レベルを容易に所定範囲内に保てるようにすること、
・ 排空気を外部へ放出すること、
にある。

この発明は、プロトン導電性高分子固体電解質膜の両面に燃料極と空気極とを設けた燃料電池に、燃料タンクから液体燃料を供給するようにした直接液体燃料形燃料電池システムにおいて、
空気極からの排空気を、該排空気中の水蒸気と共に外部へ排出するための排気ルートと、前記排空気を燃料タンクへ還流させるための還流ルートとを設けたことを特徴とする。

好ましくは、前記燃料タンクの液面レベルを求めるための手段を設けると共に、前記還流ルートに熱交換器を設けて、液面レベルに応じて熱交換器をオンオフする。
また好ましくは、前記燃料タンクの液面レベルを求めるための手段と、前記排気ルートと還流ルートとへの排空気流量を制御するためのバルブとを設けて、燃料タンクの液面レベルにより前記バルブを制御する。
また好ましくは、前記燃料タンクの液面レベルを求めるための手段を設け、空気極に空気を供給するためのブロワの運転を制御する。

より好ましくは、前記排気ルートで生じた凝縮水を、燃料タンクに還流させる。

この発明はまた、プロトン導電性高分子固体電解質膜の両面に燃料極と空気極とを設けた燃料電池に、燃料タンクから液体燃料を供給すると共に、燃料タンクへ高濃度燃料タンクから燃料を補給するようにした直接液体燃料形燃料電池システムの運転方法において、
空気極からの排空気の一部を外部へ排出すると共に、残りを燃料タンクへ還流させるようにして、高濃度燃料タンク中の水濃度に応じた量の水蒸気を外部へ排出するようにしたことを特徴とする。

好ましくは、前記燃料タンクの液面レベルを求めると共に、前記還流ルートに熱交換器を設けて、液面レベルに応じて熱交換器をオンオフする。
また好ましくは、前記燃料タンクの液面レベルを求めて、燃料タンクの液面レベルが所定範囲内に保たれるように、空気極からの排空気の燃料タンクへの還流量を制御する、ようにしたことを特徴とする。

燃料をメタノール／水混合燃料とし、燃料タンクには例えば高濃度燃料タンクなどから、高濃度の燃料を補給するものとして説明する。メタノール１モルの酸化により、
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→６Ｈ^＋＋ＣＯ2＋６ｅ⁻ （燃料極）
６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋３／２Ｏ2→３Ｈ2Ｏ （空気極）
の反応が生じ、空気極には、３モルの水蒸気が生成する。しかし実際にはプロトンがヒドロニウムイオン（Ｈ3Ｏ^＋）でプロトン導電性高分子固体電解質膜中を移動することを考慮し、メタノールと水のクロスオーバーを無視し、空気極以外での水分の蒸発を無視すれば、メタノール１モルに対して空気極に排出される水分は約９モルである。そこで排空気で持ち出すことができる水分量は、メタノール１モルに対して少なくとも約９モルとなる。

そこで高濃度燃料タンクでのメタノール濃度２０wt%の場合、燃料中のメタノールと水のモル比は１：７で、これにメタノールに由来する水２モルを考慮すると、排空気中の水分を全量外部に放出すれば、高濃度燃料タンクから供給した水に見合う（対応する）量の水を廃棄でき、例えば高濃度燃料を燃料タンクに補給するだけで、燃料タンクを管理できる。またメタノール濃度が３０wt%の場合、高濃度燃料中のメタノールと水のモル比は１：４で、空気極からの水蒸気の２／３を外部へ排出し、１／３を燃料タンクへ還流すると良い。さらに高濃度燃料中のメタノール濃度が４０wt%の場合、空気極からの水蒸気の約６０％を燃料タンクに回収すると良い。このように高濃度燃料タンクでの燃料濃度に応じた割合で、水蒸気を空気極からの排空気と共に外部へ排気すると、燃料タンクの管理が容易になり、特に燃料タンクのオーバーフローを防止できる。この排気割合は、メタノールと水のクロスオーバーを無視し、空気極以外での水分の蒸発を無視した場合であり、実際には、発電電気量の変動なども含めて制御する必要がある。

この発明では、排液タンクは不要、あるいは極く小さなもので良く、その分だけ直接液体燃料形燃料電池システムをコンパクトにできる。
また空気極からの排空気中の水蒸気を排気ルートから積極的に外部へ排気するので、燃料タンクの液面が十分高い場合には排気ルートの空気を熱交換器で冷却する必要が無く、その分ファンの消費電力を節減できる。

還流ルートに熱交換器を設けて、燃料タンクの液面レベルに従って熱交換器をオンオフすると、液面レベルを所定範囲内に保ちながら、液面レベルが高い場合は熱交換器のファンをオフして、補機の消費電力を軽減できる。また、熱交換器のファンのオンオフのみでなく、熱交換器のバイパス回路を設け、流路自体が熱交換器を通らないようにすると、一層効果的である。

空気極からの排空気は露点付近の場合が多く、排気ルートで結露が生じるおそれがある。そこで結露で生じた凝縮水を燃料タンクに戻すと、簡単に結露に対処できる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図６に、実施例とその変形例とを示す。なお図７と同じ符号は、同様のものを示す。図１，図２において、３０は直接液体燃料形の燃料電池システムで、燃料タンク３２に液体燃料３４を収容し、液体燃料３４内に燃料電池スタック３を没するように浸しておく。液体燃料３４は例えばメタノール／水混合燃料とし、メタノール濃度は３wt%付近で制御する。図７の燃料電池スタック２と、燃料電池スタック３との相違点は、セパレータにある。セパレータの燃料極側の面には、下から上へと貫通する燃料溝を設けて、燃料電池スタック３での発熱などによる対流や、電気化学反応によって生成するＣＯ2による燃料の流れなどを利用し、燃料を燃料極へ供給し、排燃料とＣＯ2とを燃料溝の上側から排出する。４は前記のブロワで、空気供給路５から燃料電池スタック３の空気極へ空気を供給し、空気排出路６には前記のラジエター８とファン１０とを組み合わせた熱交換器の他に蒸発器４２を接続し、これらの間で排空気の流れを切り替えるバルブ４４を設ける。

流路４５はバルブ４４と蒸発器４２とを結ぶ流路で、流路４６はバルブ４４とラジエター８を接続する流路である。バルブ４４は、排空気を蒸発器４２側、もしくはラジエター８側へのいずれかに送り出すが、蒸発器４２側への流量とラジエター８側への流量とを連続的に変化できるバルブでも良い。またバルブ４４を設けず、空気排出路６からの排空気を所定の割合で、蒸発器４２とラジエター８とへ分流させるようにしてもよい。

３６は燃料タンク３２内に設けたレベルメータで、液体燃料３４の液面レベルを測定し、液面レベルが所定範囲内に保たれるようにする。３８はメタノールセンサで、液体燃料３４中のメタノール濃度を測定する。４０，４０は例えば一対の排気部で、気体透過膜などからなり、燃料極で発生したＣＯ2を排気すると共に、液体燃料３４の温度が高い場合、水蒸気も排気部４０から排気するようにして、燃料タンク３２の液面レベルを調整する。

２４は高濃度燃料タンクで、好ましくは２０〜１００wt%濃度のメタノール／水混合燃料を蓄え、特に好ましくはメタノール濃度を４０〜１００wt%とする。Ｐ1は燃料供給用のポンプで、メタノールセンサ３８で求めたメタノール濃度に応じて、燃料タンク３２に高濃度燃料を補給し、液体燃料３４中のメタノール濃度を一定に保つ。実施例では液体燃料としてメタノール／水燃料を用いたが、これ以外のイソプロパノール／水、ブタノール／水などを用いる場合も同様であり、液体燃料３４の濃度や高濃度燃料タンク２４の燃料濃度を、燃料の種類に応じて変えればよい。

４８はラジエター８の後流に設けた気液分離器で、排空気と水を分離して排空気を外部に排出する。５０はＣＰＵ（コントロール・プロセッシング・ユニット）で、レベルメータ３６で求めた液体燃料３４の液面レベル並びにメタノールセンサ３８で求めた液体燃料３４の濃度により、ポンプＰ1やバルブ４４並びにファン１０およびブロワ４を制御する。またこれ以外に、燃料電池システム３０の負荷などに応じてブロワ４を制御する。

実施例でのバルブ４４やファン１０およびブロワ４の制御では、液体燃料３４の液面レベルが低い場合、バルブ４４からラジエター８側へと排空気を導き、ファン１０を作動させて、排空気中の水蒸気を液化させて燃料タンク３２へ回収する。液面レベルが高い場合は、バルブ４４から蒸発器４２側へと排空気を導き、またブロワ４の空気流量を増加させて、蒸発させる。これ以外に、液面レベルがほぼ適正であるが、液体燃料３４の温度が低い場合、ファン１０を停止したままバルブ４４からラジエター８を介して排空気を燃料タンク３２へ戻して、排熱を回収すると共に、排空気中の水蒸気の一部を排気部４０から排出する。

このようにすると、図７の従来例でのポンプＰ2，Ｐ3を不要にでき、ファン２０を不要にできると共に、ファン１０を燃料タンク３２内の液面レベルが低い場合のみに作動させればよいので、補機の消費電力を大幅に小さくできる。さらに排液タンク１２を不要にし、ポンプＰ2，Ｐ3を不要にし、ラジエター１８などを不要にしたことにより、燃料電池システムをコンパクトにできる。また、上記実施例以外にも熱交換器にバイパス回路を設けることも有効である。また、液面レベルが高い場合には、空気極からの排空気を積極的に燃料タンクに導入し、燃料タンク内の蒸発を加速させることができる。

図２に、蒸発器４２の構造を示す。なお、気液分離器４８も同様であるが、これには蒸発機能はなくても良い。流路４５から蒸発器４２に流れ込んだ排空気は、ガイド５４で蒸発器４２の奥へと導かれ、蓋５６に設けた開口５８から蒸発する。このガイド５４は多孔性の吸水性材料を用いることによって蒸発のための有効面積を増大させる効果を持たせることができる。なお開口５８には、多孔質のフッ素樹脂膜などの気体透過膜が設けられ、結露した水がそのまま排出されないようにする。また流路４５からの排空気は相対湿度が１００％近くある。５２は化学フィルタで、例えば活性炭フィルタやシリカゲルフィルタあるいはゼオライトフィルタなどを用い、所望によりこれらにペロブスカイト、白金ブラックなどの酸化触媒を担持させても良い。各フィルタ５２は、ここでは蒸発器４２の下部に配置して、結露した水を吸着すると共に、結露水中の残存メタノールや蟻酸などを吸着させるようにする。また、化学フィルタ５２に防腐剤を添加し、生成した水を腐敗しないようにすることもできる。化学フィルタ５２の位置は任意で、例えば蓋５６の裏側などに配置しても良い。

図３，図４に変形例を示す。この直接液体燃料形の燃料電池システム６０では、ラジエター８，ファン１０を廃止し、バルブ４４から流路４６へ還流した排空気から気液分離器４８によって水を分離して燃料タンク３２へ戻すようにする。蒸発器６２は、前記の蒸発器４２の下部に過剰水タンク６４と還流路６５とを設けたもので、化学フィルタ５２で処理された結露水を、図示しない半透膜などを介して、過剰水タンク６４へ導き、還流路６５から燃料タンク３２へ戻すようにしたものである。このようにすると、蒸発器４２で結露した水蒸気を化学フィルタ５２で処理し、または防腐剤を添加して、微生物などが燃料タンク３２内へ入り込まないようにし、還流路６５から燃料タンク３２へ回収できる。なお過剰水タンク６４は設けなくても良い。この場合、燃料電池システム６０から排出される水は、気液分離器４８及び蒸発器６２からの蒸発と、排気部４０からの蒸発で定まり、この水量と、高濃度燃料タンク２４から供給される高濃度燃料中の水とメタノールの酸化により生じる水とがつり合うと、燃料タンク３２の液面レベルとメタノール濃度とを所定範囲内に保つことができる。

図５に、第２の変形例の燃料電池システム６６を示す。６７はブロワ４の上流側のフィルタで設けなくても良い。４８は前記の気液分離器で、ファン１０を作動させてラジエター８で排空気を冷却した場合に、液化した水を排空気から分離して、燃料タンク３２へ戻す。気液分離器４８は液化した水を燃料タンク３２へ、排空気を水蒸気と水の一部と共に蒸発器４２へ送るようにする。ファン１０を作動させない場合、排空気中の余剰の水分は蒸発器４２から周囲の空気中へ蒸発させる。６９は温度センサで、液体燃料３４の温度を測定し、設けなくても良い。図５の変形例では、バルブなどで流路を切り替える必要が無く、ファン１０を制御することにより、燃料タンク３２の液面レベルを所定の範囲に保つことができる。他の点では、図１の実施例と同様である。

図６に、燃料タンク１４と燃料電池スタック２とを分離した第３の変形例を示す。バルブ４４で、空気極からの排空気を蒸発器４２側とラジエター８側とへ分配し、燃料タンク１４内の液面レベルを所定範囲内に保つようにする。この変形例では、燃料タンク１４内の液面レベルが高い場合、バルブ４４から排空気を蒸発器４２側へ導き、液面レベルが適正な場合、ファン１０を作動させずに排空気をラジエター８から燃料タンク１４へ戻し、液面レベルが低い場合は、ファン１０を作動させてラジエター８で水蒸気を液化させ、燃料タンク１４に回収する。このためファン１０は液面レベルが低い場合にのみ作動させればよいので、消費電力を軽減できる。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) 燃料タンクの液面レベルを所定範囲内に保のに必要な水のみを回収し、過剰の水は蒸発器などから蒸発させる。このためラジエターの冷却用のファンの消費電力を軽減でき、かつ排液タンクなどが不要である。
(2) 蒸発器に化学フィルタを設けると、排空気中に含まれるメタノールや蟻酸などの蒸気の放出を防止できる。また蒸発器内に結露水が溜まった場合も、腐敗などを防止できる。

実施例の直接液体燃料形燃料電池システムのレイアウトを模式的に示す図 実施例で用いた蒸発器を分解して示す斜視図 変形例の直接液体燃料形燃料電池システムのレイアウトを模式的に示す図 変形例で用いた蒸発器を分解して示す斜視図 第２の変形例の直接液体燃料形燃料電池システムのレイアウトを模式的に示す図 第３の変形例の直接液体燃料形燃料電池システムのレイアウトを模式的に示す図 従来例の直接液体燃料形燃料電池システムのレイアウトを示す図

符号の説明

２，３ 燃料電池スタック
４ ブロワ
５ 空気供給路
６ 空気排出路
８，１８ ラジエター
１０，２０ ファン
１２ 排液タンク
１４ 燃料タンク
１５ 燃料供給路
１６ 排燃料路
１７，４４ バルブ
２１，２２ 還流路
２４ 高濃度燃料タンク
３０，６０ 燃料電池システム
３２ 燃料タンク
３４ 液体燃料
３６ レベルメータ
３８ メタノールセンサ
４０ 排気部
４２，６２ 蒸発器
４５，４６ 流路
４８ 気液分離器
５０ ＣＰＵ
５２ 化学フィルタ
５４ ガイド
５６ 蓋
５８ 開口
６４ 過剰水タンク
６５ 還流路
６６ 燃料電池システム
６７ フィルタ
６９ 温度センサ
７０ 燃料電池システム
７２ 蒸発器
Ｐ1〜Ｐ3 ポンプ

Claims (8)

1. プロトン導電性高分子固体電解質膜の両面に燃料極と空気極とを設けた燃料電池に、燃料タンクから液体燃料を供給するようにした直接液体燃料形燃料電池システムにおいて、
   空気極からの排空気を、該排空気中の水蒸気と共に外部へ排出するための排気ルートと、前記排空気を燃料タンクへ還流させるための還流ルートとを設けたことを特徴とする、直接液体燃料形燃料電池システム。
2. 前記燃料タンクの液面レベルを求めるための手段を設けると共に、前記還流ルートに熱交換器を設けて、液面レベルに応じて熱交換器をオンオフするようにしたことを特徴とする、請求項１の直接液体燃料形燃料電池システム。
3. 前記燃料タンクの液面レベルを求めるための手段と、前記排気ルートと還流ルートへの排空気流量を制御するためのバルブとを設けて、燃料タンクの液面レベルにより前記バルブを制御するようにしたことを特徴とする、請求項１または２の直接液体燃料形燃料電池システム。
4. 前記燃料タンクの液面レベルを求めるための手段を設け、空気極に空気を供給するためのブロワの運転を制御することを特徴とする、請求項１の直接液体燃料形燃料電池システム。
5. 前記排気ルートで生じた凝縮水を、燃料タンクに還流させるようにしたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの直接液体燃料形燃料電池システム。
6. プロトン導電性高分子固体電解質膜の両面に燃料極と空気極とを設けた燃料電池に、燃料タンクから液体燃料を供給すると共に、燃料タンクへ高濃度燃料タンクから燃料を補給するようにした直接液体燃料形燃料電池システムの運転方法において、
   空気極からの排空気の一部を外部へ排出すると共に、残りを燃料タンクへ還流させるようにして、高濃度燃料タンク中の水濃度に応じた量の水蒸気を外部へ排出するようにしたことを特徴とする、直接液体燃料形燃料電池システムの運転方法。
7. 前記燃料タンクの液面レベルを求めると共に、前記還流ルートに熱交換器を設けて、液面レベルに応じて熱交換器をオンオフするようにしたことを特徴とする、請求項６の直接液体燃料形燃料電池システムの運転方法。
8. 前記燃料タンクの液面レベルを求めて、燃料タンクの液面レベルが所定範囲内に保たれるように、空気極からの排空気の燃料タンクへの還流量を制御するようにしたことを特徴とする、請求項６または７の直接液体燃料形燃料電池システムの運転方法。
   

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