JP2005259656A

JP2005259656A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005259656A
Application number: JP2004073114A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Sato; 裕輔佐藤; Hiroaki Hirasawa; 博明平澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP4005032B2

Abstract

【課題】混合タンクと燃料電池本体のアノード極とを結ぶ循環流路に燃料タンクからの燃料を供給することにより、混合タンク内の燃料濃度をほぼ一定に保つ。
【解決手段】燃料電池システム（１）は、アノード極（５）とカソード極（７）を備えた単電池を有する燃料電池本体（３）と、燃料タンク（９）と、この燃料タンク（９）から供給された燃料と水を混合する混合タンク（１１）と、この混合タンク（１１）から燃料と水の混合溶液をアノード極（５）に供給して循環させる循環流路（１５，１７）とを備える。アノード極（５）から混合タンク（１１）に至る循環流路（１７）に、燃料タンク（９）から燃料を供給する。詳しくは、アノード極（５）から排出される流体を気体相と液体相とに分離する気液分離部材（２９Ｂ）を備え、この気液分離部材（２９Ｂ）で分離される液体相が混合タンク（１１）に至る循環流路（１７）に、燃料タンク（９）から燃料を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード極とカソード極を備えた単電池を有する燃料電池本体のアノード極に、混合タンクから燃料と水の混合溶液を供給して循環させる方式の燃料電池システムに関するものである。

従来、この種の燃料電池システムは、例えば、スタックのアノード極にメタノールと水の混合溶液（メタノール水溶液）を供給する一方、スタックの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型燃料電池（ＤＭＦＣ）において用いられている。図２に、従来の燃料電池システムの一例を概略的に示す。

図２に示すように、燃料電池システム１Ａは、複数の単セルを積層した構成の燃料電池スタック３を備えている。燃料電池スタック３を構成する複数の単電池は、それぞれアノード極（燃料極）５とカソード極（空気極）７とを有している。なお、図２では、単電池の具体的構成を省略した模式的な燃料電池スタックを示している。

また、燃料電池システム１Ａは、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と、混合タンク１１とを備えている。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。

混合タンク１１とアノード極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、アノード極５の排出路１７は、混合タンク１１に接続している。なお、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、混合タンク１１には排気路２１が接続してある。

一方、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、カソード極７の排出路２５には水を回収するための冷却器２７が配置してあると共に、この排出路２５は混合タンク１１に接続してある。

したがって、カソード極７で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

しかしながら、上記のような従来の燃料電池システム１Ａは、アノード極５とカソード極７の排気の気液混合流を混合タンク１１に導入し、混合タンク１１に燃料タンク９からの燃料を供給していた。そのため、つぎのような問題があった。

すなわち、混合タンク１１の容量に比べて燃料タンク９からの燃料供給量が少ないため、混合タンク１１内のメタノール濃度に濃度分布が生じることが避けられなかった。

例えば、混合タンク１１の容量が５０ｃｃであるとすると、燃料タンク９からの燃料供給量は０．２ｃｃ／ｍｉｎであり、また、混合タンク１１から燃料電池スタック３への燃料供給量は２５ｃｃ／ｍｉｎである。そのため、燃料タンク９から混合タンク１１に燃料を直接供給する場合、混合タンク１１内の撹拌が充分ではないことから、混合タンク１１内のメタノール濃度が均一になりにくかった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、混合タンクと燃料電池本体のアノード極とを結ぶ循環流路に燃料タンクからの燃料を供給することにより、混合タンク内の燃料濃度をほぼ一定に保つことのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するもので、アノード極とカソード極を備えた単電池を有する燃料電池本体と、燃料タンクと、この燃料タンクから供給された燃料と水を混合する混合タンクと、この混合タンクから燃料と水の混合溶液を前記アノード極に供給して循環させる循環流路とを備えた燃料電池システムであって、前記アノード極から前記混合タンクに至る循環流路に、前記燃料タンクから燃料を供給することを特徴とするものである。

また、本発明は、アノード極とカソード極を備えた単電池を有する燃料電池本体と、燃料タンクと、この燃料タンクから供給された燃料と水を混合する混合タンクと、この混合タンクから燃料と水の混合溶液を前記アノード極に供給して循環させる循環流路とを備えた燃料電池システムであって、前記アノード極から排出される流体を気体相と液体相とに分離する気液分離部材を備え、この気液分離部材で分離される液体相が前記混合タンクに至る循環流路に、前記燃料タンクから燃料を供給することを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記気液分離部材で分離された液体相を冷却することで前記混合タンクに導入される液体の温度を下げる冷却手段を備え、この冷却手段の入口側に、前記燃料タンクから燃料を供給することを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記カソード極から排出される流体に前記気液分離部材で分離された気体相を合流させた混合流体を気体相と液体相とに分離する気液分離手段を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記気液分離手段は、前記混合流体を冷却することで気体相を凝縮させて液体を分離・回収することを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記気液分離手段で気体相から分離・回収した液体を前記混合タンクに導入することを特徴とするものである。

本発明によれば、混合タンクから燃料と水の混合溶液を燃料電池本体のアノード極に供給して循環させる循環流路に、燃料タンクから燃料を供給する構成としたので、循環流路内での燃料濃度は実質的に一定となり、所定の濃度で流量を大きくして混合タンクへ供給することができ、したがって、混合タンク内の燃料濃度をほぼ一定に保つことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す模式的説明図であり、前述した従来の燃料電池システムと同様の部分には同一の符号を付けてある。

図１に示すように、この燃料電池システム１は、アノード極（燃料極）５およびカソード極（空気路）７を備えた単電池を有する燃料電池本体３と、メタノールを収容した燃料タンク９と、混合タンク１１とを備えている。図１では説明のため、燃料電池本体３をアノード極（燃料極）５とカソード極（空気極）７とに分割して図示してある。

混合タンク１１とアノード極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。また、アノード極５と混合タンク１１とを接続した排出路１７には、アノード極５の出口付近に配置される気液分離膜２９Ｂを備えたアノード側冷却器２９が設けてある。

燃料タンク９は、開閉弁Ｖ１およびポンプＰ１を配置した接続路１３によってアノード側冷却器２９の入口側に接続してある。

アノード側冷却器２９は、図示しない送風器からの送風を受ける多数の冷却（放熱）フィン２９Ａを備え、また、気液分離膜２９Ｂを介して排気路２９Ｃが接続してある。そして、この排気路２９Ｃが、混合タンク１１の排気路２１に接続してある。なお、混合タンク１１と排気路２１との接続部には気液分離膜１１Ａが設けられている。

混合タンク１１の排気路２１には、排気路２９Ｃとの接続部の下流側において開閉弁Ｖ２が設けられ、さらにカソード７の排出路２５に接続してある。

上記構成により、燃料タンク９から供給されるメタノールは、アノード側冷却器２９に導入される際アノード極５から排出される排出流体と混合されることで濃度が実質的に一定となる。これにより、燃料タンク９から供給したメタノールを所定の濃度で流量を大きくして混合タンク１１へ供給することができ、したがって、混合タンク１１内のメタノール濃度をほぼ一定に保つことができる。

また、アノード極５から排出される気液混合流体を、アノード極５の出口付近で気液分離膜２９Ｂによって気体相（主にアノード極５から排出された排出流体中のＣＯ_２）と液体相（燃料タンク９から供給されたメタノールおよびアノード極５から排出された排出流体中の未反応メタノール水溶液）とに分離することができる。そのため、アノード側冷却器２９の内部にはＣＯ_２が実質的に導入されないから、アノード側冷却器２９の内部流路の圧力損失を低減して熱交換や放熱の効率向上を図ることができる。

また、アノード側冷却器２９で燃料タンク９からのメタノールおよび未反応メタノール水溶液を充分に冷却することができる。そのため、この冷却したメタノールおよび未反応メタノール水溶液を排出路１７から混合タンク１１へ還流することで、混合タンク１１の温度が未反応メタノール水溶液によって上昇することを回避して、比較的低温に維持することができる。また、未反応メタノール水溶液のほぼ完全な還流により、燃料効率の向上を図ることができる。

一方、カソード極７へ空気を供給する空気供給路２３には、フィルタ３１、開閉弁Ｖ３および空気ポンプＰ３が順次備えられている。

また、カソード極７の排出路２５にはカソード側冷却器３３が配置してある。カソード側冷却器３３は、図示しない送風器からの送風を受ける多数の冷却（放熱）フィン３３Ａを備えていると共に、水回収タンク３５が備えられ、また、大気圧に開放した排気路３７が接続してある。

このカソード側冷却器３３の排気路３７には、揮発性有機物を吸着除去するためのＶＯＣ除去手段３９および開閉弁Ｖ４が順次備えられている。

水回収タンク３５は接続路４１を介して混合タンク１１に接続してあり、この接続路４１には、水回収タンク３５内の水を混合タンク１１へ送給するためのポンプＰ４が配置してある。また、ポンプＰ４の下流側にはチェック弁ＣＶが備えられている。

上記構成により、カソード極７から排出される流体（水蒸気）に、カソード７の排出路２５に接続してある排気路２９Ｃからの気体相（アノード極５から排出された排出流体中のＣＯ_２）を合流させた混合流体を、カソード側冷却器３３によって冷却することで凝縮させて気体相（空気）と液体相（水）とに分離することができる。そのため、混合タンク１１においてメタノールの希釈に必要な水をカソード極７の排出流体から効率よく回収することができる。

上記のように構成した燃料電池システム１において、混合タンク１１内の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、アノード極５側では、（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-）のアノード反応が生じる。

また、カソード極７側では、（３／２Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ）のカソード反応と、カソード極７側へクロスオーバーしたメタノールによる（ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ）の燃焼反応が生じる。

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消費量（ｑ_MeOH）および水の消費量（ｑ_H2O）と、アノード反応で発生する単位時間当りのＣＯ₂の発生量（ｑ_CO2）は、次式で示される。なお、Ｆはファラデー定数、Ｉ_OPは電流密度、Ｉ_C.O.は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、ｎ_dはプロトン一つ当りに運ばれる水の数、αは透過及び拡散による水の移動を示す。

また、カソード反応で消費される単位時間当りの酸素消費量（ｑ_O2）と、カソード反応で発生する単位時間当りの水の発生量（ｑ_H2O）およびＣＯ₂の発生量（ｑ_CO2）は、次式で示される。

混合タンク１１からスタック３のアノード極５に至る燃料供給路１５、または、スタック３のアノード極５から混合タンク１１に至る排出路１７の任意の位置に、燃料タンク９からの燃料を供給することにより、流路内でほぼ所望の濃度になった燃料が循環するため、燃料供給濃度が安定する。

燃料タンク９の配置が混合タンク１１と離れている場合、燃料タンク９に近い流路に燃料を供給することにより、燃料供給流路を短くすることができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す模式的説明図である。従来の燃料電池システムの概略的な説明図である。

符号の説明

１燃料電池システム
３燃料電池本体
５アノード極（燃料極）
７カソード極（空気極）
９燃料タンク
１１混合タンク
１１Ａ気液分離膜
１３接続路
１５燃料供給路
１７排出路
２１排気路
２３空気供給路
２５排出路
２９アノード側冷却器（冷却手段）
２９Ａ冷却（放熱）フィン
２９Ｂ気液分離膜
２９Ｃ排気路
３１フィルタ
３３カソード側冷却器（気液分離手段）
３３Ａ冷却（放熱）フィン
３５水回収タンク
３７排気路
３９ＶＯＣ除去手段
４１接続路

Claims

アノード極とカソード極を備えた単電池を有する燃料電池本体と、燃料タンクと、この燃料タンクから供給された燃料と水を混合する混合タンクと、この混合タンクから燃料と水の混合溶液を前記アノード極に供給して循環させる循環流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記アノード極から前記混合タンクに至る循環流路に、前記燃料タンクから燃料を供給することを特徴とする燃料電池システム。
アノード極とカソード極を備えた単電池を有する燃料電池本体と、燃料タンクと、この燃料タンクから供給された燃料と水を混合する混合タンクと、この混合タンクから燃料と水の混合溶液を前記アノード極に供給して循環させる循環流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記アノード極から排出される流体を気体相と液体相とに分離する気液分離部材を備え、この気液分離部材で分離される液体相が前記混合タンクに至る循環流路に、前記燃料タンクから燃料を供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記気液分離部材で分離された液体相を冷却することで前記混合タンクに導入される液体の温度を下げる冷却手段を備え、この冷却手段の入口側に、前記燃料タンクから燃料を供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記カソード極から排出される流体に前記気液分離部材で分離された気体相を合流させた混合流体を気体相と液体相とに分離する気液分離手段を備えたことを特徴とする請求項２または３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記気液分離手段は、前記混合流体を冷却することで気体相を凝縮させて液体を分離・回収することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記気液分離手段で気体相から分離・回収した液体を前記混合タンクに導入することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。