JP2005259647A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックから排出される流体を冷却する冷却器の冷却能力を変更自在に構成した燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック３におけるアノード極５に対してメタノール水溶液を供給し、かつ上記燃料電池スタック３におけるカソード極７に空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記燃料電池スタック３から排出される排出流体を冷却するために、前記アノード極５からの排出路に冷却フィンを備えたアノード側冷却器２９を設けると共に前記カソード極７からの排出路に冷却フィンを備えたカソード側冷却器３１を設け、前記アノード側冷却器２９に対する送風量及び前記カソード側冷却器３１に対する送風量を調節して前記冷却器２９，３１の冷却能力を変更自在に構成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に係り、さらに詳細には、燃料電池スタックから排出される排出流体から水を回収して再利用する燃料電池装置に関する。

一つもしくは複数のセルを含む構成の燃料電池スタックにおけるアノード極に水，メタノールの混合溶液（メタノール水溶液）を供給し、上記燃料電池スタックにおけるカソード極に空気を供給して発電を行うダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、アノード極には希釈したメタノールを供給するが、燃料タンクには高濃度のメタノールを収納することが、特に可搬型の燃料電池では、小型化の観点より好ましい。そこで、一般的には、燃料電池スタックから排出される水を回収してメタノール希釈用に使用されている。

すなわち、図５に概略的に示すように、燃料電池装置１Ａは、一つもしくは複数のセルを含む構成の燃料電池スタック３を備えており、この燃料電池スタック３にはアノード極（燃料極）５とカソード極（空気極）７が備えられている。そして、前記アノード極５に対して燃料の供給を行うために、メタノールを収容した燃料タンク９が備えられていると共に、混合タンク１１が備えられている。

そして、前記燃料タンク９と混合タンク１１は、ポンプＰ１を配置した接続路１３によって接続してある。また、前記混合タンク１１と前記アノード極５は、ポンプＰ２を配置した燃料供給路１５によって接続してあり、前記アノード極５の排出路１７は、前記混合タンク１１に接続している。なお、前記燃料供給路１５と排出路１７との間においては、熱交換器１９を介して熱交換が行われている。さらに、前記混合タンク１１には排気路２１が接続してある。

前記カソード極７には、空気を供給するためのポンプＰ３を配置した空気供給路２３が接続してあり、前記カソード極７の排出路２５には冷却器２７が配置してあると共に、この排出路２５は前記混合タンク１１に接続してある。カソードで発生した、液体の水、水蒸気、ＣＯ_２及び空気を含む流体が前記冷却器２７により冷却され、前記混合タンク１１に水を供給し、排気路２１により排気される。

したがって、前記カソード極７に生成された水を回収してメタノール希釈用に使用することができる。なお、カソード極側で生成された水を回収して再利用する構成の先行例としては、例えば特許文献１がある。
特開２００２−１１０１９９号公報

前述したごとき従来の構成においては、カソード極側に生成された水を回収して再利用することができるものの、回収する水温が高く、混合タンクの温度が高くなり、大量の空気に同伴される混合タンクからの排気ガス中にメタノール，水が多く含まれ、燃料効率が悪いという問題がある。また、カソード極側から水を回収する場合に、冷却器を必要以上に冷却して水の回収量が多過ぎたり、冷却が不足して必要とされる水を回収できないことがあり、全体としてのエネルギー損失が大きい等の問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、セルもしくは複数のセルを含む燃料電池スタックにおけるアノード極に対して燃料を供給し、かつ上記燃料電池スタックにおけるカソード極に酸素もしくは空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記燃料電池スタックから排出される排出流体を冷却するための冷却器の冷却能力を変更自在としたことを特徴とするものである。

また、本発明は、セルもしくは複数のセルを含む燃料電池スタックにおけるアノード極に対して燃料を供給し、かつ上記燃料電池スタックにおけるカソード極に対して酸素もしくは空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記燃料電池スタックにおいて発生する発熱を、装置から排出される排出流体中に含まれる水蒸気の蒸発潜熱、前記カソード極から排出される流体の冷却に伴う放熱、前記アノード極から排出される流体の冷却に伴う放熱により放熱させる構成であることを特徴とするものである。

セルもしくは複数のセルを含む燃料電池スタックにおけるアノード極に対して燃料を供給し、かつ上記燃料電池スタックにおけるカソード極に酸素もしくは空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記アノード極からの排出路に冷却フィンを備えたアノード側冷却器を設けると共に前記カソード極からの排出路に冷却フィンを備えたカソード側冷却器を設けたことを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記アノード側冷却器に対する送風量及び前記カソード側冷却器に対する送風量を調節自在に構成してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記冷却器に対して送気を行うための送気通路を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記冷却器に凝縮した水を吸収するための多孔体を備えると共に上記多孔体に吸収された水を蒸発させる蒸散機構を備えている事を特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記カソード側冷却器に、バイパス路を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記燃料がメタノール水溶液であることを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料電池スタックから排出される排出流体を冷却するための冷却器の冷却能力を変更自在であるから、エネルギーの損失を抑制することができると共に前記排出流体から回収する水の量を常に適正量に保持することができるものである。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、前述した従来の構成と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置１は、図１に概略的，概念的に示すように、前述した従来の燃料電池装置と同様に、アノード極（燃料極）５とカソード極（空気路）７とを備えた燃料電池スタック３を備えると共に、メタノールを収容した燃料タンク９及び混合タンク１１を備えている。

前記燃料タンク９と混合タンク１１はポンプＰ１を配置した接続路１３によって接続してあり、この混合タンク１１と前記アノード極５はポンプＰ２を配置した燃料供給路１５によって接続してある。そして、上記アノード極５と前記混合タンク１１とを接続した排出路１７には、アノード側冷却器２９が配置してある。

したがって、アノード極５から排出される未反応のメタノール水溶液を回収することができると共に、上記メタノール水溶液を冷却することができるものである。

前記混合タンク１１の排気路２１はカソード極７側の排出路２５に接続してあり、この排出路２５にはカソード側冷却器３１が配置してある。アノード極５で生成したＣＯ_２は排出路２１を通り、排出路２５に合流する。このカソード側冷却器３１には水回収タンク３３が備えられていると共に、大気圧に開放した排気路３５が接続してある。上記水回収タンク３３は接続路３７を介して前記混合タンク１１に接続してあり、この接続路３７には前記水回収タンク３３内の水を前記混合タンク１１へ送給するためのポンプＰ４が配置してある。

さらに、前記アノード側冷却器２９の冷却を行うために送風器３９が設けられていると共に前記カソード側冷却器３１の冷却を行うための送風器４１が設けられており、上記各送風器３９，４１と各冷却器２９，３１との間には、送気を行うための送気通路３９Ａ，４１Ａが備えられている。上記送風器３９，４１は、前記冷却器２９，３１の冷却能力を制御するために、前記各冷却器２９，３１に備えた冷却フィン（図１には図示省略）へ送風する送風量を制御自在であって、制御装置４３の制御の下に制御駆動されるものである。

前記制御装置４３は、前記燃料電池スタック３の例えば発電，発熱等に対応して前記送風器３９，４１を制御駆動するものであって、センサ（図示省略）によって検出した電流値，温度等に対応して前記各送風器３９，４１の制御を行うために、電流値，温度等と前記各送風器３９，４１の送風量との関係を予めデータ化して格納したデータテーブル（関数発生手段）を備えているものである。

上記構成において、混合タンク１１内の燃料（メタノール水溶液）をアノード極５へ供給し、カソード極７に空気を供給すると、前記アノード極５側においては、アノード反応として、（ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- ）の反応が行われる。

また、カソード極７側においては、カソード反応として、（３／２Ｏ2 ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- →３Ｈ2 Ｏ）の反応が行われる。そして、カソード極７側へクロスオーバーしたメタノールの燃焼反応として、（ＣＨ3 ＯＨ＋３／２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ）の反応が行われる。

前記アノード反応で消費される単位時間当りのメタノールの量（ｑMeOH^a）、水の量（ｑH2O ^a）及び発生するＣＯ2 の発生量（ｑCO2 ^a）は、ファラデー定数をＦ、電流密度をＩOP、メタノールのクロスオーバーをプロトン電流に換算した電流密度をＩC.O.、プロトン一つ当りに運ばれる水の数ｎd 、透過及び拡散による水の移動をαとすると、次式で示される。

また、カソード反応で消費される酸素量ｑO2^c ，発生する水の量ｑH2O ^c、及びＣＯ2 の量ｑCO2 ^c は次式で示される。

ここで、前記カソード極７に存在する水は、カソード極７から排気されるガス流量により、その温度における飽和蒸気圧まで蒸発する。そして、カソード極７に存在する水が、カソードから排気されるガスが飽和蒸気圧に達する量より少ない場合には、カソード極７に存在する水は全て蒸発する。一方、発電により生じる水の量は次式で示される。

上記水量のうち２／３とメタノールのクロスオーバーにより生成する水をカソード極７の排ガスと共に大気に放出し、発電により生じる水の１／３を回収すれば、燃料電池装置内の水を装置内でまかなえるものである。よって、放出可能な水の量は、次式で示される。

従って、カソード極７から排出されガス流量をＦ_{cathode_out} とすれば、カソード側冷却器３１内の圧力をＰとすると、カソード側冷却器３１において、ガスは次式で示される温度Ｔ_{fin_cathode}まで冷却する必要がある。

換言すれば、前記カソード側冷却器３１においては、カソード極７から排出される排出流体に含まれる水分が凝縮するようにガスの温度を必要温度まで低下させれば良いものである。その温度低下は、アノード反応で消費される水量を補給するように、必要とする水の量が得られるように制御すれば良いものである。すなわち、前記送風器４１の送風量を制御してカソード側冷却器３１の冷却能力を適正に調整（制御）することにより、上記カソード側冷却器３１においてガスの温度が必要温度に低下され、適正量の水が凝縮され回収されるものである。

したがって、燃料電池スタック３の発電による電流値を検出し、この電流値に対応して制御装置４３の下に送風器３９，４１の駆動を制御してアノード側冷却器２９，カソード側冷却器３１に対する送風量を制御することにより、前記アノード側冷却器２９，カソード側冷却器３１の冷却能力を燃料電池スタック３の運転状態に対応して調整でき、適正な冷却を行うことができる。

よって、前記燃料電池スタック３から排出される排出流体から必要な水を凝縮して過不足なく得ることができるものである。すなわち、前述のごとく、混合タンク１１内の燃料（メタノール溶液）をアノード極５に供給すると共にカソード極７に空気を供給して前述のごとく発電が行われると、前記アノード極５側から排出される排出流体はアノード側冷却器２９において冷却され、未反応の水やメタノールが混合タンク１１に回収される。

またカソード極７側から排出される排出流体はカソード側冷却器３１において冷却され、凝縮された水は水回収タンク３３に貯留され、余分な流体は排気路３５から排出される。上記水回収タンク３３に回収された水は前記混合タンク１１へ供給されて、燃料タンク９から混合タンク１１へ供給されるメタノールの希釈用として再使用されるものである。

したがって、燃料タンク９には高濃度のメタノールを収容することができ、またメタノールを希釈するための水を予め貯留する水タンクが不要となるものであって、全体的構成の簡素化，小型化を図ることができるものである。

前述のごとく、カソード側冷却器３１の冷却は、前記燃料電池スタック３の運転状態に応じて必要な水が得られるように、すなわち排出路２５内の流体から必要量の水が凝縮するように流体の温度を適正に低下させるように冷却するものである。換言すれば、燃料電池スタック３の運転状態に対応して前記送風器４１の送風量を制御して冷却を行うものである。

したがって、必要な水を過不足なく回収することができると共に、カソード側冷却器３１に必要な冷却能力に対応して送風器４１を運転することとなり、送風器４１の運転に必要な電力を最小限に抑えることができるため、エネルギーの損失を抑制することができるものである。

アノード側冷却器２９においても、送風器３９からの送風量に対応して冷却能力が調節されるものであり、アノード極５から排出される流体を適正温度に冷却して混合タンク１１に回収することができるものである。

そして、前記発電に伴う燃料電池スタック３の発熱は、排出路３５から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気の蒸発潜熱、前記アノード側冷却器２９，カソード側冷却器３１によって排出流体を冷却することにより、また、燃料電池スタック３自体からの放熱，混合タンク１１からの放熱によって放熱されることにより、前記燃料電池スタック３を適正温度に保持することが可能である。

図２は図１に示した実施形態の変更例を示すもので、１個の送風器４１によってアノード側冷却器２９及びカソード側冷却器３１の冷却を行なう場合を例示してある。この場合、送風器４１からの風量をアノード側冷却器２９及びカソード側冷却器３１へ予め分配する構成とすることや、送風器４１からアノード側冷却器２９及びカソード側冷却器３１のそれぞれに至る送気通路にそれぞれ絞り機構等を設けて、アノード側冷却器２９，カソード側冷却器３１への風量をそれぞれ絞り自在に構成することも可能である。この実施形態においても前述と同様の効果を奏し得るものである。

図３は、第２の実施形態を示すもので、前述した実施形態の構成と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして、重複した説明は省略する。

アノード極１３とカソード極７はプロトン導電膜を介して一体に構成されているが、図３では流路構成をわかりやすく示すため、別に示している。

この実施形態においては、燃料タンク９とポンプＰ１との間に開閉弁Ｖ１を配置した構成であってポンプＰ１からの接続路１３はアノード側冷却器２９に接続してある。上記アノード側冷却器２９は、前記送風器３９（図３には図示省略）からの送風を受ける多数の冷却フィン（放熱フィン）２９Ａを備えていると共に、気液分離膜２９Ｂを介して排気路２９Ｃが接続してある。この排気路２９Ｃは、混合タンク１１の排気路２１に接続してある。

なお、上記混合タンク１１と前記排気路２１との接続部には気液分離膜１１Ａが設けられている。

前記排気路２１は、前記カソード極７側の排出路２５に接続してあると共に、前記排気路２１には開閉弁Ｖ２が設けられている。

上記構成により、アノード極５側から排出される未反応のメタノール水溶液等を凝縮して回収することができると共に、回収したメタノール水溶液等を混合タンク１１へ還流するとき充分に冷却することが可能であり、混合タンク１１を比較的低温に保持することができる。

前記カソード側冷却器３１には、送風器４１（図３には図示省略）からの送風を受ける多数の冷却フィン（放熱フィン）３１Ａが備えられており、このカソード側冷却器３１の排気路３５には開閉弁Ｖ３が備えられており、この開閉弁Ｖ３の下流側には、水回収タンク３３側に接続したバイパス路としての排気路４５が接続してあり、この排気路４５には開閉弁Ｖ４が備えられている。また、前記排気路３５には揮発性有機物を吸着除去するためのＶＯＣ除去手段４７，開閉弁Ｖ５が順次備えられている。そして、水回収タンク３３と混合タンク１１を接続した接続路３７にはチェック弁ＣＶが備えられている。

また、前記水回収タンク３３には送気通路４９が接続してある。この送気通路４９にはフィルタ５１が備えられていると共に送気用のポンプＰ５が備えられている。さらに、上記送気通路４９には開閉弁Ｖ６が備えられている。

前記カソード７へ空気を供給する前記空気供給路２３にはフィルタ５３が備えられていると共に開閉弁Ｖ７が備えられている。

前記構成によれば、燃料タンク９から供給される高濃度の燃料は、アノード側冷却器２９においてアノード極５から排出される排出流体と混合されるので、混合タンク１１に至る過程において充分に混合されることとなり、濃度分布が均一になるものである。

また、前記構成によれば、カソード側冷却器３１において、カソード極７からの排出流体を、バイパス路としての排気路４５を介して排気することにより排出流体の一部を直接的に排出することができる。すなわち、空気温度が低い等の理由により、カソード側冷却器３１において水が必要以上に凝縮するような場合、開閉弁Ｖ４を開け、開閉弁Ｖ３を閉じることにより、必要以上に水を凝縮させることを防ぐことができる。さらに、前記水回収タンク３３に送気通路４９から外気の送気を行うことにより、カソード側冷却器３１内の流体流量が多くなるため、流体に同伴される水蒸気量が多くなり、水凝縮量を減らすことが可能になる。

水凝縮量が不足する場合は、送風器４１（図３には図示省略）からの送風量を多くすることにより、冷却を効果的に行い、水凝縮量を増加させることができる。

したがって、水回収量を適切な範囲に保つことが可能になり、燃料タンク９内に高濃度の燃料を用いることが可能になる。また、全体的構成により前記混合タンク１１内の流体の温度を比較的低温に保持することができ、混合タンク１１から排気される気体中に含まれる水分，メタノールを抑制することができ、燃料効率の向上を図ることができるものである。

図４は第３の実施形態を示すもので、前記構成に加えて、凝縮されて前記水回収タンク３３に回収された水を吸収するスポンジ等のごとき多孔体５５と前記水回収タンク３３とを開閉弁Ｖ８を配置した接続路５７を介して接続し、かつ上記多孔体５５に対して送風を行う送風器５９を備えた構成である。水凝縮量が多くなりすぎた場合、開閉弁Ｖ８を開け、多孔体５５に水を吸収させ、送風器５９の送風により水を蒸発させることにより、水を放出することが可能になる。

上記構成によれば、前述と同様の効果を奏することができると共に、前記多孔体５５から水を蒸発させることができ、水の蒸発潜熱によりカソード側冷却器３１等の冷却をより効果的に行うこともできるものである。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置の概念的，概略的な説明図である。 上記第１の実施形態の変形態様を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置の概念的，概略的な説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池装置の概念的，概略的な説明図である。 従来の燃料電池装置の概略的な説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池装置
３ 燃料電池スタック
５ アノード極
７ カソード極
９ 燃料タンク
１１ 混合タンク
１３ 接続路
１５ 燃料供給路
２３ 空気供給路
２５ 排出路
２９ アノード側冷却器
３１ カソード側冷却器
３３ 水回収タンク
３９，４１ 送風器
４３ 制御装置
４９ 送気通路
５５ 多孔体

Claims (8)

1. セルもしくは複数のセルを含む燃料電池スタックにおけるアノード極に対して燃料を供給し、かつ上記燃料電池スタックにおけるカソード極に酸素もしくは空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記燃料電池スタックから排出される排出流体を冷却するための冷却器の冷却能力を変更自在としたことを特徴とする燃料電池装置。
2. セルもしくは複数のセルを含む燃料電池スタックにおけるアノード極に対して燃料を供給し、かつ上記燃料電池スタックにおけるカソード極に対して酸素もしくは空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記燃料電池スタックにおいて発生する発熱を、装置から排出される排出流体中に含まれる水蒸気の蒸発潜熱、前記カソード極から排出される流体の冷却に伴う放熱、前記アノード極から排出される流体の冷却に伴う放熱により放熱させる構成であることを特徴とする燃料電池装置。
3. セルもしくは複数のセルを含む燃料電池スタックにおけるアノード極に対して燃料を供給し、かつ上記燃料電池スタックにおけるカソード極に酸素もしくは空気を供給して発電を行う燃料電池装置において、前記アノード極からの排出路に冷却フィンを備えたアノード側冷却器を設けると共に前記カソード極からの排出路に冷却フィンを備えたカソード側冷却器を設けたことを特徴とする燃料電池装置。
4. 請求項３に記載の燃料電池装置において、前記アノード側冷却器に対する送風量及び前記カソード側冷却器に対する送風量を調節自在に構成してあることを特徴とする燃料電池装置。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池装置において、前記冷却器に対して送気を行うための送気通路を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
6. 請求項３，４又は５に記載の燃料電池装置において、前記冷却器に凝縮した水を吸収するための多孔体を備えると共に上記多孔体に吸収された水を蒸発させる蒸散機構を備えている事を特徴とする燃料電池装置。
7. 請求項３〜６のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記カソード側冷却器に、バイパス路を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする燃料電池装置。
   
   

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