JP2007335145A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電部である燃料電池スタックの発熱による燃料の気化を抑制し、燃料供給不足に起因する発電特性低下を防止できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料の供給を受けるアノードと酸素の供給を受けるカソードを備えた燃料電池の集合体から成る燃料電池スタック１に、酸素を供給するための空気ダクト１０を沿わせて配置し、空気ダクト１０を間に挟んで燃料電池スタック１の反対側に少なくとも燃料タンク２及び燃料と混合する水を供給するタンクである気液分離器３の回収タンク部３ａを配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特にそのシステム中に具備する燃料タンク及び燃料と混合する水を供給するタンクの好適な配置構造に関するものである。

近年、燃料電池システムは、コージェネレーション装置用の燃料電池システムに代表される定置型や、電気自動車用燃料電池や、携帯電子機器用燃料電池等の非定置型の燃料電池システムなどが盛んに提案されている。例えば、非定置型の燃料電池システムにおいて、ＡＣアダプターからの充電を必要としない、ユビキタスモバイル電源として、燃料を直接アノード極へ供給するダイレクト酸化型燃料電池が着目され、活発な研究開発が行われている。

ダイレクト酸化型燃料電池では、アノード極において燃料の酸化反応、カソード極で酸素の還元反応が起こる。燃料としてメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池の場合の反応式は、
アノード：ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- （１）
カソード：３／２Ｏ₂ ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- →３Ｈ₂ Ｏ （２）
である。

式（１）のように、アノード反応にはメタノールと水が必要であるが、メタノールと水を共に外部から供給すると、燃料を貯蔵するタンク又はカートリッジに水を貯蔵するためのスペースを設ける必要があり、その分体積当たりのエネルギー密度が低下することになる。そのため、ダイレクトメタノール型燃料電池では、式（２）にしたがってカソードで生成する水の一部をシステム内で回収し、再利用することが一般的に行われている。

例えば、燃料電池の小型軽量化や長時間駆動化を実現するために、所定の濃度に調整された燃料を使用し、その燃料供給量を発電時に使用される量に限りなく近づけた状態で運転し、燃料の回収と再利用は行わず、水だけを回収して再利用することを基本構想とする燃料非循環（完全消費）・水循環（回収）型の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の燃料電池システムの構成例を図２を参照して説明すると、１１は燃料電池スタックで、燃料電池を複数個積層して構成されている。この燃料電池スタック１１のアノードに対して、燃料タンク１２中の所定濃度の燃料と気液分離器１３の回収タンク部１３ａ中の水とをバルブ１４ａ、１４ｂを介して第１のポンプ１５にて混合タンク１６に供給して所定濃度に希釈した燃料を、バルブ１７を介して第２のポンプ１８にて供給し、燃料電池スタック１１のカソードに対して、空気ファン１９にて空気を供給することで、燃料電池スタック１１で発電するように構成されている。

また、水のみを回収するのではなく、燃料電池のアノード及びカソードから排出された燃料及び水を一旦回収し、燃料タンク内の高濃度燃料と混合して所定の濃度に調整された燃料を再度発電に利用する循環型燃料電池システムも提案されている。この循環型燃料電池システムにおいては、高温状態にあるアノードからの排出物を冷却することで、燃料の気化を抑制し、燃料利用効率を確保する必要がある。そのため、例えば発電時の反応熱で高温状態にあるアノードからの排出物を、高濃度燃料を貯蔵する第１のタンクと熱交換する第１の熱交換器と、高濃度燃料を希釈する第２のタンクと熱交換する第２の熱交換器とを通過させて冷却した後、気液分離器内に流入させることで燃料の利用効率を確保し、また第１のタンクと第２のタンク内の燃料は、この熱交換により加温された後に燃料電池のアノードに供給するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２５９５９号公報 特開２００５−２９３９７４号公報

ところで、発電部である燃料電池スタック１１では燃料を酸化反応させるために発熱し、通常でも６０℃程度の温度になり、さらに高濃度燃料を利用する場合、燃料のクロスオーバーが増大して発電部の著しい発熱を招くことになる。そのため、図２のように、燃料タンク１２や気液分離器１３の回収タンク部１３ａを燃料電池スタック１１に隣接させて配置した構成では、燃料や水の温度が上がり、その気化量が増大するために、ポンプを介して燃料電池スタックに供給される燃料が不足することになる。また、上記特許文献２のように、高温状態にあるアノード排出物と熱交換する構成にすると、その傾向が一層強くなる。

その結果、アノード側で過電圧が大きくなり、ルテニウム触媒の溶出や、下記の式（３）に示すカーボンの腐食が起こり、
Ｃ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- （３）
ＣＯ被毒耐性の低下、白金触媒の利用率低下、拡散層のＭＰＬ構造の欠落等により、発電維持が困難となるなどの問題が発生していた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、発電部である燃料電池スタックの発熱による燃料の気化を抑制し、燃料供給不足に起因する発電特性低下を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料の供給を受けるアノードと酸素の供給を受けるカソードを備えた燃料電池の集合体から成る燃料電池スタックに、酸素を供給するための空気ダクトを沿わせて配置し、前記空気ダクトを間に挟んで前記燃料電池スタックの反対側に少なくとも燃料タンク及び燃料と混合する水を供給するタンクを配置したものである。

この構成によると、発電部であり発熱部である燃料電池スタックと、燃料タンク及び燃料と混合する水を供給するタンクとの間に空気ダクトが介在していることで、燃料電池スタックの発熱によって燃料や燃料との混合水が高温になるのを抑制することができ、それによって高温の燃料や高温の水が混合されて高温となった燃料が燃料電池スタックに供給される間に気化して燃料供給不足を発生するのを抑制することができ、燃料電池スタックへの燃料供給不足に起因する発電特性低下を防止することができ、また水の気化も抑制できて発電に必要な水を確保することができる。また、燃料電池スタックに供給される空気が空気ダクトを通過する間に燃料電池スタックの発熱によって予め暖気されるため、カソードの入口と出口での温度差を小さくすることができ、燃料電池スタックの面内での発電性能の均一化を図れ、発電効率を向上することができる。

また、前記水を供給するタンクが、気液分離器の回収タンク部であると、回収タンク部が高温にならないため、それだけ気液分離器の分離性能が向上し、回収した水により発電に必要な水を確保することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料タンク及び水を供給するタンクを発電部である燃料電池スタックに隣接させずに、その間に空気ダクトを介在させることで、燃料電池スタックの発熱による燃料の気化を抑制することができるため、燃料電池スタックへの燃料供給不足に起因する発電特性低下を防止することができ、また燃料電池スタックに供給される空気が予め暖気されるため、カソードを入口と出口での温度差を小さくすることができ、燃料電池スタックの面内での発電性能の均一化を図ることができ、発電効率を向上することができる。

以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について、図１を参照して説明する。

図１において、１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）をセパレータ流路面に対向するように配置して構成した燃料電池を複数個積層して構成された燃料電池スタックである。２は、所定濃度のメタノールやジメチルエーテルなどの燃料を貯蔵した燃料タンクである。３は、燃料電池スタック１のアノード及びカソードから排出された排出物から気体と液体を分離して液体を回収する気液分離器であり、３ａはその分離回収した水を貯蔵する回収タンク部である。この気液分離器３にて分離された気体、即ち発電により生成した炭酸ガスと消費された酸素を除く空気は大気中に放出され、発電により生成した水が回収タンク部３ａに回収される。気液分離器３としては、気液分離膜を用いたものがコンパクトに構成できて好適である。

燃料タンク２中の燃料と回収タンク部３ａ中の水を、バルブ４ａ、４ｂの切り替えを行いながら第１のポンプ５を用いて所定流量にて混合タンク６内に供給することで、燃料が所定濃度に希釈される。そして、混合タンク６内で所定濃度に均一に希釈された燃料が、バルブ７を介して第２のポンプ８にて燃料電池スタック１のアノードに供給される。また、空気ファン９にて空気ダクト１０を通して燃料電池スタック１のカソードに空気が供給される。

かくして、燃料電池スタック１のアノードに所定濃度に希釈された燃料が、カソードに空気が供給されることで、燃料電池スタック１の各燃料電池で、上記式（１）、（２）の反応が起こってアノード・カソード間で発電され、全燃料電池で発電された電力が燃料電池スタック１の出力端子から出力される。

以上の基本的な構成の燃料電池システムにおいて、本実施形態では、空気ダクト１０を燃料電池スタック１に沿うように隣接させて配設し、燃料タンク２及び気液分離器３の回収タンク部３ａを、空気ダクト１０を間に挟んで燃料電池スタック１の反対側に配置している。なお、さらに燃料電池スタック１のアノードの入口近傍及び出口近傍に断熱材を配設して、燃料電池スタック１の熱が、燃料供給系や気液分離器３に伝熱し難いように構成しても良い。

本実施形態の構成によれば、発電部であり発熱部である燃料電池スタック１と、燃料タンク２及び気液分離器３の回収タンク部３ａとの間に空気ダクト１０が介在していることで、燃料電池スタック１の発熱によって燃料や燃料との混合水が高温になるのを抑制することができる。これによって、直接熱を受けて高温になった燃料や、高温の水が混合されることで高温となった燃料が、燃料電池スタック１に供給される間に気化して燃料供給不足を発生するのを抑制することができ、燃料電池スタック１への燃料供給不足に起因してルテニウム触媒の溶出やカーボンの腐食が起こり、ＣＯ被毒耐性の低下、白金触媒の利用率低下、拡散層のＭＰＬ構造の欠落等によって発電特性が低下するのを防止することができる。また水の気化も抑制できて発電に必要な水を確保することができる。

また、燃料電池スタック１に供給される空気が空気ダクト１０を通過する間に燃料電池スタック１の発熱によって予め暖気されるため、カソードの入口と出口での温度差を小さくすることができ、燃料電池スタック１の面内での発電性能の均一化を図れ、発電効率を向上することができる。

また、気液分離器３の回収タンク部３ａが高温にならないため、それだけ気液分離器３の分離性能が向上し、回収した水により発電に必要な水を確保することができる。なお、本実施形態では、燃料と混合する水を供給するタンクとして、気液分離器３の回収タンク部３ａを用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、別途に水タンクを設ける場合にも、その水が燃料電池スタック１からの熱で高温になるのを抑制できることで、同様の作用効果を奏することができる。

本発明の燃料電池システムは、メタノールやジメチルエーテル等を水素に改質せずに燃料として直接用いることができるとともに、燃料電池スタックの発熱による燃料の気化を抑制して燃料供給不足に起因する発電特性低下を防止することができるので、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートパソコン、ビデオカメラ等の携帯電子機器用の電源として、また電動スクータや自動車用の電源等にも有用である。

本発明の燃料電池システムの一実施形態の概略構成図。 従来例の燃料電池システムの概略構成図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 燃料タンク
３ 気液分離器
３ａ 回収タンク部
４ａ バルブ
４ｂ バルブ
５ 第１のポンプ
６ 混合タンク
７ バルブ
８ 第２のポンプ
９ 空気ファン
１０ 空気ダクト
１１ 燃料電池スタック
１２ 燃料タンク
１３ 気液分離器
１４ａ バルブ
１４ｂ バルブ
１５ 第１のポンプ
１６ 混合タンク
１７ バルブ
１８ 第２のポンプ
１９ 空気ファン

Claims (2)

1. 燃料の供給を受けるアノードと酸素の供給を受けるカソードを備えた燃料電池の集合体から成る燃料電池スタックに、酸素を供給するための空気ダクトを沿わせて配置し、前記空気ダクトを間に挟んで前記燃料電池スタックの反対側に少なくとも燃料タンク及び燃料と混合する水を供給するタンクを配置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水を供給するタンクは、気液分離器の回収タンク部であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
   

Images