JP2006221866A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】
燃料電池システムの補機類が消費する電力をできるだけ低減させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
燃料と空気中の酸素により発電する燃料電池１１０と、燃料電池１１０に空気を供給する空気供給手段１８０と、を備える燃料電池システム１００において、燃料電池システム１００外部から空気を取り込むと共に燃料電池システム１００内部の空気を外部へ排出する空気流通経路１６０、１７２、１７４を備え、空気供給手段１８０の空気取込口１８４は、空気流通経路に設けられることを特徴とする。これにより、空気取込口１８４より取り込まれた空気は、熱交換器などによって空気を温めてから燃料電池１１０へ供給する必要がなくなり、空気供給手段１８０が消費する電力を低減させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、具体的には、燃料電池システムの補機類が消費する電力をできるだけ低減させることができる燃料電池システムに関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、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。

このＤＭＦＣは４０〜１００℃程度の作動温度範囲を有し、高い温度域で作動させる方が電極におけるメタノール酸化反応の活性が高まり、電極の単位面積あたりの電流密度を大きくすることができ性能が向上する。一方、メタノール水溶液の沸点は低く、アノードから排出された排メタノール水溶液を十分に冷却して凝縮しないと、メタノールが外部に放出され、メタノールの消費量が増加してしまうため、アノードに供給するメタノール水溶液とアノードあるいはカソードからの排出物（排メタノール水溶液、生成水）とを熱交換する構成が採られている。
特開２００４−１７８８１８号公報

燃料電池が発電するときの電気化学反応は発熱反応であるため、上記のように、アノードに供給するメタノール水溶液は、循環している間に徐々に温度が上昇して外気温より５〜４０℃程度高い温度で循環し、ＤＭＦＣの作動温度より５〜１０℃程度低い温度まで温められて供給される。

これに対し、ＤＭＦＣのカソードに供給される酸素は、ＤＭＦＣシステム外部の空気をエアポンプなどの供給手段を用いて、外気温と同程度の温度で直接ＤＭＦＣへ供給されるか、あるいは、アノードと同様にＤＭＦＣから排出される排出物と熱交換され、ＤＭＦＣの作動温度より５〜１０℃程度低い温度まで温められて供給される。前者の場合、４０〜１００℃で作動しているＤＭＦＣに１０〜３０℃の空気が供給されると、各セルの空気入口近傍の温度が下がるため、この部分のメタノール酸化反応の活性が下がり、電流密度を小さくなってしまう問題がある。また、セル内において電流密度にばらつきが生じてしまうため、劣化スピードにもばらつきが生じ、急激に劣化が進む部分が発生し、全体としてＤＭＦＣの寿命を短くしてしまうなどの問題もある。一方、後者の場合はカソード側の熱交換器も必要となり、ＤＭＦＣシステムの構成が大きくなってしまうという問題のほか、熱交換器によって空気の供給経路での圧損が大きくなるため、その分、容量の大きいエアポンプが必要となり、ＤＭＦＣシステムの補機類の消費電力が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムの補機類が消費する電力をできるだけ低減させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気中の酸素により発電する燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システム外部から空気を取り込むと共に燃料電池システム内部の空気を外部へ排出する空気流通経路を備え、空気供給手段の空気取込口は、空気流通経路に設けられることを特徴とする。

これにより、空気取込口からは燃料電池システム内部の空気が取り込まれる。燃料電池システム内部の温度は、燃料電池からの発熱によって外気温よりも高くなっているので、空気取込口より取り込まれた空気は、燃料電池システム外部の空気よりも温度が高く、熱交換器などによって空気を温めてから燃料電池へ供給する必要がなくなる。従って、エアポンプなどの空気供給手段が消費する電力を低減させることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、空気流通経路に設けられることを特徴とする。また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、燃料は、液体燃料であることを特徴とする。燃料電池を空気流通経路に配置することにより、燃料電池システム内部の空気を外部へ排出する際に、燃料電池を空冷することができる。そして、近年、注目を集めているＤＭＦＣシステムなどの液体燃料を供給するタイプの燃料電池において、空気供給手段などの補機類の消費電力を低減させつつ、燃料電池システムの部品点数を減少させることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、空気と燃料電池から排出される排出物とを熱交換する熱交換器を備え、熱交換器は、空気流通経路に設けられることを特徴とする。これにより、燃料電池から排出される生成水などの排出物を冷却して凝縮することができ、特に、液体燃料を供給する燃料電池では、燃料電池から排出された液体燃料を凝縮し、燃料電池システム外部へ放出される液体燃料の量を低減させることができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池を含む燃料電池部と、燃料電池を制御する制御部と、を有し、燃料電池部と制御部とが分離可能に構成されていることを特徴とする。これにより、発電を行う燃料電池部を共通化して、様々なアプリケーションに対応させることができる。

本発明は、燃料電池システムにおいて、補機類が消費する電力をできるだけ低減させることができる。

以下に、本発明に係る燃料電池システムの構成について、図を用いて詳細に説明する。

図１は、本燃料電池システム１００の構成を表した上面模式図である。燃料電池システム１００は、アノードにメタノール水溶液あるいは純メタノールを供給することにより発電するＤＭＦＣ１１０と、１６ｍｏｌ／Ｌ以上の高濃度のメタノール水溶液あるいは純メタノールが入ったメタノールタンク１２０と、メタノールタンク１２０からのメタノールを０．１〜２．０ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に希釈し、ＤＭＦＣ１１０へ供給するメタノール水溶液を貯めておくバッファタンク１３０と、電力変換装置や補機類の制御を行う制御部１４０と、熱交換器１５０と、軸流ファン１６０と、筐体１７０と、を備えている。

ＤＭＦＣ１１０のカソードへはエアポンプ１８０から空気が供給され、アノードへはバッファタンク１３０から液体ポンプ１８２を介してメタノール水溶液が供給される。１８４はエアポンプ１８０の空気取込口であり、本燃料電池システム１００の中央部に設けられている。エアポンプ１８０の空気取込口１８４から取り込まれた空気は、空気吐出口１８６からＤＭＦＣ１１０のカソード入口１１２に送り込まれる。一方、液体ポンプ１８２は、バッファタンク１３０から１．２ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に希釈されたメタノール水溶液を液体取込口１８８から取込み、液体吐出口１９０からＤＭＦＣ１１０のアノード入口１１４に送り出す構成となっている。

上記の構成で組み立てた燃料電池システム１００の上面図を図２に、正面図を図３に、前面斜視図を図４に、同じく前面斜視図であって燃料電池部の蓋体を取り付けた状態を図５に、燃料電池部の蓋体を取り付けた状態の背面斜視図を図６に示す。

ＤＭＦＣ１１０が発電する際の反応は発熱反応であるため、ＤＭＦＣ１１０へ空気とメタノール水溶液を供給することにより、ＤＭＦＣ１１０の温度が上昇する。そこで、ＤＭＦＣ１１０には図示しないサーミスタあるいはリミッタを取り付けて、ＤＭＦＣ１１０の温度が作動温度（６０±３℃）まで−５℃程度（本実施例の場合５５℃）のところまで近づいたときから軸流ファン１６０の運転を開始する。筐体１７０の、軸流ファン１６０と対向する位置に空気口１７２が設けられており、ＤＭＦＣ１１０を回り込む位置に空気口１７４が設けられているので、軸流ファン１６０の運転を開始すると、図７のようにＤＭＦＣ１１０の周囲を空気が流通し、ＤＭＦＣ１１０は空冷される。これにより、ＤＭＦＣ１１０の温度を６０±３℃に設定することができる。

ＤＭＦＣ１１０のカソードから排出される空気と生成水はカソード出口１１６から排出され、ＤＭＦＣ１１０のアノードから排出されるメタノール水溶液と二酸化炭素はアノード出口１１８から排出される。カソード出口１１６及びアノード出口１１８から排出された排出物は、熱交換器１５０に導入され、合流してバッファタンク１３０に入る。空気取込口１８４及び熱交換器１５０へは、ＤＭＦＣ１１０の作動温度（６０±３℃）より５〜１５℃程度低い温度の空気が供給される。従って、ＤＭＦＣ１１０から排出された７０℃程度の空気、生成水、メタノール水溶液、二酸化炭素などは、熱交換器１５０にて充分に凝縮されるので、外部から水分を補給する必要性がなくなり、メタノールが外部へ放出されて消費量が増加してしまうことを防止することができる。

バッファタンク１３０の上部の筐体１７０には空気口１７６が設けられており、バッファタンク１３０は、メタノールタンク１２０からのメタノールを所定の濃度（０．８〜１．５ｍｏｌ／Ｌ、本実施例では１．２ｍｏｌ／Ｌ程度）に希釈する希釈用タンクとして用いると共に、熱交換器１５０にて充分に冷却されて流入した空気、生成水、メタノール水溶液、二酸化炭素などの気液分離手段として用いられる。即ち、バッファタンク１３０にて気相の空気や二酸化炭素が空気口１７６から排出される。空気口１７６には、図示しないフィルタが設けられており、蟻酸やホルムアルデヒドなどの副生成物は、空気口１７６から空気や二酸化炭素が排出される際にフィルタに吸着される。

バッファタンク１３０へは、メタノールタンク１２０から定期的に、あるいは、バッファタンク１３０内のメタノール水溶液の濃度を監視し、所定の閾値、例えば０．８ｍｏｌ／Ｌを下回ったことを検出したときに、高濃度のメタノール水溶液または純メタノールが補給される。メタノールタンク１２０は、内部に、柔軟性が有って、かつ、耐メタノール性を有する材料で構成されたパック１２２が収納されている。また、メタノールタンク１２０の壁面１２４（上面１２４ａ、側面１２４ｂ、背面１２４ｃ）は筐体１７０の一部を構成しており、背面１２４ｃに設けられた空気口１７８は、メタノールタンク１２０中のメタノールが消費され、内部のパック１２２の容積が小さくなったときに、メタノールタンク１２０の内部であってパック１２２外の部分が燃料電池システム１００外との差圧が生じないようにするものである。

制御部１４０は、図８に示すように燃料電池部１９２と切り離せるよう（分離可能）に構成されている。１４２は燃料電池部１９２と制御部１４０とを電気的に接続する通信部である。通信部１４２は水蒸気などの出入のないように、燃料電池部１９２の中で密閉された空間となっている。通信部１４２はコネクタ１４４を介して制御部１４０と通信および電力の授受が可能となっており、コネクタ１４４は制御部１４０側の挿入部１４６に挿し込むようになっている。制御部１４０は、本発明の燃料電池システム１００が電力を供給する対象によって、交換することが可能であり、本実施例の場合、ノートタイプのパーソナルコンピュータに電力を供給するためにパーソナルコンピュータの底面を制御部１４０上に載せられる形状となっている。制御部１４０も作動中は熱が発生するため、側面と上面に空気口１７９ａと１７９ｂとが設けられている。このように燃料電池部１９２と制御部１４０とを分離可能、あるいは、制御部１４０を電力供給対象に合わせて交換可能に構成することにより、発電を行う燃料電池部１９２を共通化して、様々なアプリケーションに対応させることが可能となる。

図９は、本燃料電池システム２００の構成を表した上面模式図である。燃料電池システム２００は、アノードにメタノール水溶液あるいは純メタノールを供給することにより発電するＤＭＦＣ２１０と、１６ｍｏｌ／Ｌ以上の高濃度のメタノール水溶液あるいは純メタノールが入ったメタノールタンク２２０と、メタノールタンク２２０からのメタノールを０．１〜２．０ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に希釈し、ＤＭＦＣ２１０へ供給するメタノール水溶液を貯めておくバッファタンク２３０と、電力変換装置や補機類の制御を行う制御部２４０と、熱交換器２５０と、片吸込みシロッコファン２６０（図１０に図示）と、筐体２７０と、を備えている。

ＤＭＦＣ２１０のカソードへはエアポンプ２８０から空気が供給され、アノードへはバッファタンク２３０から液体ポンプ２８２を介してメタノール水溶液が供給される。２８４はエアポンプ２８０の空気取込口であり、本燃料電池システム２００の中央部に設けられている。エアポンプ２８０の空気取込口２８４から取り込まれた空気は、空気吐出口２８６からＤＭＦＣ２１０のカソード入口２１２に送り込まれる。一方、液体ポンプ２８２は、バッファタンク２３０から１．２ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に希釈されたメタノール水溶液を液体取込口２８８から取込み、液体吐出口２９０からＤＭＦＣ２１０のアノード入口２１４に送り出す構成となっている。

図１０は、図９のＡ−Ａ’断面における断面模式図である。実施例１と同様にＤＭＦＣ２１０の温度が５５℃まで近づくと、本実施例の場合、燃料電池システム２００の底部に取り付けられた片吸込みシロッコファン２６０の運転を開始する。燃料電池システム２００の背面側には、片吸込みシロッコファン２６０の空気口が設けられており、ＤＭＦＣ２１０を回り込む位置に空気口２７４が設けられているので、片吸込みシロッコファン２６０の運転を開始すると、燃料電池システム２００の背面側に設けられた空気口から片吸込みシロッコファン２６０を介して取り込まれた空気は、まず、熱交換器２５０を空冷する。そして、一部はエアポンプ２８０に取り込まれ、残りはＤＭＦＣ２１０の周囲を流通してＤＭＦＣ２１０は空冷し、ＤＭＦＣ２１０の温度を６０±３℃に調節する。ＤＭＦＣ２１０は、図１０に示すように、耐メタノール性に優れた樹脂からなる底部支持体２９４に指示されており、ＤＭＦＣ２１０の底部も空気が流通することができる。

ＤＭＦＣ２１０のカソードから排出される空気と生成水はカソード出口２１６から排出され、ＤＭＦＣ２１０のアノードから排出されるメタノール水溶液と二酸化炭素はアノード出口２１８から排出される。カソード出口２１６及びアノード出口２１８から排出された排出物は、熱交換器２５０に導入され、合流してバッファタンク２３０に入る。ＤＭＦＣ２１０から排出された７０℃程度の空気、生成水、メタノール水溶液、二酸化炭素などは、熱交換器２５０にて充分に凝縮されるので、外部から水分を補給する必要性がなくなり、メタノールが外部へ放出されて消費量が増加してしまうことを防止することができる。

本実施例では、片吸込みシロッコファン２６０を用いて説明したが、ファンの種類はこれに限定されず、実施例１のように軸流ファンでも良い。但し、軸流ファンを用いる場合には、燃料電池システム２００の底部の筐体に足を設け、筐体底部の、軸流ファンと対向する位置に空気口を設ける必要がある。

本発明は利用することにより、ノートタイプのパーソナルコンピュータなどに電力を供給する携帯機器用のＤＭＦＣシステムに限らず、車載用の燃料電池システムにおいても、補機類の消費電力を低減させることができ、また、部品点数を減らしてシステム構成をコンパクトにすることができると考えられる。

本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したシステム構成図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムの燃料電池部について筐体を開放した上面図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムの燃料電池部について筐体を開放した正面図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムの燃料電池部について筐体を開放した前面斜視図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムの前面斜視図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムの背面斜視図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムの燃料電池部内の空気の流れを示す（ａ）正面図および（ｂ）上面図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池システムを燃料電池部と制御部とに分離した構成を模式的に示したシステム構成図である。 本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したシステム構成図である。 図９のＡ−Ａ’断面を模式的に示したシステム構成断面図である。

符号の説明

１００、２００ 燃料電池システム
１１０、２１０ ダイレクトメタノール燃料電池
１１２、２１２ カソード入口
１１４、２１４ アノード入口
１１６、２１６ カソード出口
１１８、２１８ アノード出口
１２０、２２０ メタノールタンク
１２２、２２２ パック
１２４、２２４ 壁面（上面：１２４ａ、側面：１２４ｂ、２２４ｂ、背面：１２４ｃ、２２４ｃ）
１３０、２３０ バッファタンク
１４０、２４０ 制御部
１４２、２４２ 通信部
１４４ コネクタ
１４６ 挿入部
１５０、２５０ 熱交換器
１６０ 軸流ファン
２６０ 片吸込みシロッコファン
１７０、２７０ 筐体
１７２、１７４、１７６、１７８、１７９ａ、１７９ｂ、２７４、２７６、２７８、２７９ａ、２７９ｂ 空気口
１８０、２８０ エアポンプ
１８２、２８２ 液体ポンプ
１８４、２８４ 空気取込口
１８６、２８６ 空気吐出口
１８８、２８８ 液体取込口
１９０、２９０ 液体吐出口
１９２ 燃料電池部

Claims (5)

1. 燃料と空気中の酸素により発電する燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システム外部から空気を取り込むと共に前記燃料電池システム内部の空気を外部へ排出する空気流通経路を備え、
   前記空気供給手段の空気取込口は、前記空気流通経路に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池は、前記空気流通経路に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料は、液体燃料であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   空気と前記燃料電池から排出される排出物とを熱交換する熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、前記空気流通経路に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池を含む燃料電池部と、前記燃料電池を制御する制御部と、を有し、
   前記燃料電池部と前記制御部とが分離可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
   
   
   

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