JP2008078077A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、第１のタンクの内圧の上昇を防止し、また、第１のタンクから排出された蒸発燃料を第３のタンク内の水中に溶かして外部環境を汚染することをなくし、燃料電池システムを車両に搭載した場合における機能維持と環境への配慮とを両立させることを可能にするとともに、蒸発燃料を燃料として再利用することを可能とすることにある。
【解決手段】第１のタンクの液面よりも上部と第３のタンクの水面よりも下部とを接続する接続管を設け、第１のタンクの内圧が設定値以上に上昇した場合のみ第１のタンク内の蒸発燃料を第３のタンクに流入させる規制部材を接続管に設けている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに係り、特に環境を配慮するとともに燃料効率を向上する燃料電池システムに関する。

燃料電池には、液体燃料としてのメタノールを直接にセルに供給し、別途に供給した空気と電気化学反応によって電気エネルギを生成するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）がある。メタノールは、揮発性を有し、沸点が約６４℃と比較的低く、よって、高温環境で使用及び保存した場合に、揮発（蒸発）してしまうおそれがあるものである。
ダイレクトメタノール燃料電池は、メタノールが供給されるアノード（燃料極）と空気が供給されるカソード（空気極）との間に電解質膜を挟み込むことにより構成された燃料電池スタックであり、電気化学反応によって生成した反応生成物として、アノードから二酸化炭素を排出するとともにカソードからは生成水を排出する。
このダイレクトメタノール燃料電池を有する燃料電池システムにおいては、高濃度のメタノールを貯蔵する第１のタンクと、この高濃度のメタノールを希釈する第２のタンクと、この第２のタンクに供給するための水を貯蔵する第３のタンクとを備え、アノードに対して第２のタンクで希釈されたメタノールを供給し且つカソードに対して空気を供給することにより発電する。

従来、燃料電池システムには、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１のタンクと高濃度の液体燃料を希釈する第２のタンクと燃料電池とを備え、第１のタンクを交換可能に構成し、排出物質と第１のタンクとを熱交換する熱交換器又は第１のタンクと一体に設けられる気液分離手段若しくは有害物質回収手段を備えたものがある。
また、燃料電池システム及びそれを用いた輸送機器には、濃度センサの出力に基づいて燃料ポンプ及び水ポンプの供給動作を制御し、且つ液面検出センサの出力に基づいて燃料ポンプ及び水ポンプの供給動作を制御するコントローラを備えたものがある。
特開２００５−２９３９７４号公報 特開２００５−１５０１０６号公報

ところで、従来、燃料電池システムにおいて、高濃度のメタノールを貯蔵する燃料タンクが密閉系であると、メタノールが揮発するとともに燃料タンクの内圧が上昇する。このように、燃料タンクの内圧が上昇すると、燃料供給ポンプの流量や制御に悪影響を与え、燃料電池システムの性能悪化を招き、最悪の場合、燃料供給ポンプの故障や燃料タンクの破損が生じてしまう。
この問題に対し、燃料タンクに小孔を開ける等して燃料タンクを大気開放した場合に、内圧の上昇は防ぐことはできるが、揮発したメタノールが環境中に排出されてしまう。メタノールは人体に有毒であり、環境中へ２００ｐｐｍ以上のメタノールガスを放出することは好ましくない。また、移動体や可搬型のものへ燃料電池システムを搭載した場合に、転倒等によって小孔から燃料タンク内の燃料が漏れてしまうという問題が生じる。
二次電池等で採用されている安全弁を燃料タンクに設けた場合でも、転倒による燃料の垂れ流しは防げるものの、安全弁から放出した揮発メタノールの処理方法まで言及のある技術情報はこれまでなく、環境中への揮発メタノールの放出が避けられない状態であった。
従って、燃料タンク中のメタノールの揮発が原因で生じる様々な問題への対策が必要であった。

そこで、この発明の目的は、上記の蒸発燃料がもたらす問題に対し、燃料タンクである第１のタンクの内圧の上昇を抑えながらも、環境中への蒸発燃料の排出を大幅に減少し、さらに、蒸発燃料分も燃料として再利用可能な燃料電池システムを提供することにある。

この発明は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１のタンクと、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２のタンクと、この第２のタンクに供給するための水を貯蔵する第３のタンクとを備え、前記アノードに対して前記第２のタンクで希釈された液体燃料を供給し且つ前記カソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システムにおいて、前記第１のタンクの液面よりも上部と前記第３のタンクの水面よりも下部とを接続する接続管を設け、前記第１のタンクの内圧が設定値以上に上昇した場合のみ前記第１のタンク内の蒸発燃料を前記第３のタンクに流入させる規制部材を前記接続管に設けたことを特徴とする。

この発明の燃料電池システムは、各種タンク間の配管構造を特異とし、燃料タンクの内圧の上昇を抑えながらも、環境中への蒸発燃料の排出を大幅に減少し、さらに、蒸発燃料分も燃料として再利用可能とすることができる。

この発明は、燃料タンクのタンク内圧の上昇を抑えながらも、環境中への蒸発燃料の排出を大幅に減少し、さらに、蒸発燃料分も燃料として再利用可能とする目的を、第１のタンクの液面よりも上部と第３のタンクの水面よりも下部とを接続する接続管を設け、第１のタンクの内圧が設定値以上に上昇した場合のみ第１のタンク内の液体燃料を第３のタンクに流入させる規制部材を接続管に設けて実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。

図１は、この発明の第１実施例を示すものである。図１において、１はダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システム（以下「燃料電池システム」という）である。この燃料電池システム１が搭載可能な移動体又は可搬型としては、セニアカー、モータチェア、電動自動車、持ち運び可能な汎用の動力源等がある。
この燃料電池システム１は、液体燃料として高濃度のメタノールを用いるものであり、アノード（燃料極）２とカソード（空気極）３との間に電解質膜を挟みこむことにより構成されたダイレクトメタノール燃料電池スタック（以下「燃料電池スタック」という）４と、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１のタンク（燃料タンク）５と、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２のタンク（希釈タンク）６と、この第２のタンク６に供給するための水を貯蔵する第３のタンク（水タンク）７とを備え、アノード２に対して第２のタンク６で希釈された液体燃料を供給し且つカソード３に対して空気を供給することにより発電する。メタノールは、揮発性を有し、沸点が約６４℃と比較的低く、よって、高温環境で使用及び保存した場合に、揮発（蒸発）してしまうおそれがあるものである。
燃料電池スタック４は、アノード２に供給された液体燃料とカソード３に供給された空気との電気化学反応によって発電する。
燃料電池スタック４には、アノード２に連絡した燃料供給管８が接続している。この燃料供給管８は、一端が第２のタンク６内で液面Ｌ２よりも下部に開口するとともに、他端がアノード２の一側に接続している。この燃料供給管８の途中は、第２のタンク６内の希釈された液体燃料をアノード２側に送給する燃料供給ポンプ９が設けられている。また、アノード２の他側には、アノード側排出管１０が連絡している。このアノード側排出管１０は、一端がアノード２の他側に接続しているとともに、他端が第２のタンク６内で水面Ｌ２よりも上部に開口している。
また、燃料電池スタック４には、カソード３に連絡した空気供給管１１が接続している。この空気供給管１１は、一端が空気ポンプ１２に接続するとともに、他端がカソード３の一側に接続している。空気ポンプ１２は、空気をカソード３側に送給するものである。カソード３の他側には、カソード側排出管１３が接続している。このカソード側排出管１３は、一端がカソード３に接続しているとともに、他端が第３のタンク７の水面Ｌ３よりも上部に開口している。このカソード側排出管１３の途中には、凝縮器１４とファン１５とからなる冷却機構１６が設けられている。この冷却機構１６は、カソード３にて生成する水蒸気を冷却、凝縮させ、タンク６内の生成水回収量を増加させるためのものである。

第１のタンク５には、液体燃料を導入する燃料導入管１７の先端が液面Ｌ１よりも上部に開口している。
第１のタンク５と第２のタンク６との間には、燃料移送管１８が設けられている。この燃料移送管１８は、一端が第１のタンク５内で液面Ｌ１よりも下部に開口するとともに、他端が第２のタンク６内で液面Ｌ２よりも上部に開口している。この燃料移送管１８の途中は、第１のタンク５内の液体燃料を第２のタンク６に送給する燃料移送ポンプ１９が設けられている。
第２のタンク６と第３のタンク７との間には、水管２０が設けられている。この水管２０は、一端が第３のタンク７内で水面Ｌ３よりも下部に開口するとともに、他端が第２のタンク６内の液面Ｌ２よりも上部に開口している。この水管２０の途中は、第３のタンク７内の水を第２のタンク６に送給する水ポンプ２１が設けられている。
また、第２のタンク６と第３のタンク７との間には、第２のタンク６内の液面Ｌ２よりも上部と第３のタンク７内の水面Ｌ３よりも上部とを接続する上部連絡管２２が設けられている。
第２のタンク６においては、燃料移送ポンプ１９からの液体燃料と水ポンプ２１からの水とが混合して最適濃度に希釈された液体燃料が貯蔵される。
第３のタンク７には、上部連絡管２２から導かれた第２のタンク６の上部からの気体とカソード側排出管１３から導かれた生成水とが流入する。
この第３のタンク７には、水面Ｌ３よりも上部に滞留する各種気体を外部に導く排気管２３が設けられている。この排気管２３の途中には、排出される気体を浄化する排気フィルタ２４が設けられている。

第１のタンク５と第３のタンク７との間には、蒸発燃料排出機構２５が設けられる。この蒸発燃料排出機構２５において、第１のタンク５の液面Ｌ１よりも上部（液体燃料が当たらない部分）と第３のタンク７の水面Ｌ３よりも下部（水が当たる部分）とを接続する接続管２６が設けられ、また、この接続管２６には、第１のタンク５の内圧が設定値以上に上昇した場合のみ第１のタンク５内の蒸発燃料（メタノールの揮発分）を第３のタンク７に流入させる規制部材２７が設けられる。この規制部材２７は、第１のタンク５側からのみの流入を可能とする逆止弁２８である。この逆止弁２８のクラッキング圧力（第１のタンク５から第３のタンク７への順方向に流れ始める圧力）は、例えば、燃料電池システム１を車両に搭載した場合で、転倒した際に、第１のタンク５中の液体燃料の重量により加わる力で開かないような大きさに設定される（前述した「設定値」は、転倒の際、液体燃料の自重で開かない圧力以上とする）。

次に、この第１実施例の作用を説明する。
第１のタンク５には、液体燃料（高濃度のメタノール）が燃料導入管１７から導入して貯蔵される。この第１のタンク５の液体燃料は、燃料移送ポンプ１９の駆動によって燃料移送管１８から第２のタンク６に移送される。また、この第２のタンク６には、水ポンプ２１の駆動によって水が水管２０から流入される。そして、第２のタンク６において、液体燃料は、水によって希釈され、最適濃度に調整される。
この第２のタンク６で最適濃度に調整された液体燃料は、燃料供給ポンプ９の駆動によって燃料供給管８から燃料電池スタック４のアノード２に供給される。また、この燃料電池スタック４のカソード３には、空気ポンプ１２の駆動によって空気が空気供給管１１から供給される。
そして、燃料電池スタック４においては、液体燃料と水との電気化学反応によって発電する。
この燃料電池スタック４は、電気化学反応によって生成した反応生成物として、アノード２から二酸化炭素を排出するとともにカソード３から生成水を排出する。
アノード２からの二酸化炭素は、アノード側排出管１０から第２のタンク６の上部に導かれ、その後、上部連絡管２２から第３のタンク７の上部に導かれる。一方、カソード３からの生成水は、冷却機構１６で冷却された後に、カソード排出管１３から第３のタンク７の上部に導かれる。

ところで、第１のタンク５内の液体燃料が蒸発（メタノールの揮発分）して第１のタンク５の内圧が設定値以上に上昇した場合には、第１のタンク５内の蒸発燃料が、逆止弁２８を経て接続管２６から第３のタンク７の水面Ｌ３よりも下部に流入する。また、この第３のタンク７の水面Ｌ３よりも上部に滞留する各種気体は、排気フィルタ２４で浄化された後、排気管２３から外部に排出される。
従って、第１のタンク５の内圧は設定圧以上には高くならず、しかも．蒸発燃料（揮発したメタノール）は、第３のタンク７に貯蔵された水中に溶解し、環境中に排出されない。さらに、第１のタンク５の蒸発燃料を第３のタンク７の水中に溶解させることで、蒸発燃料は、水ポンプ２１の駆動によって第２のタンク６に水と共に投入され、燃料電池スタック４の燃料として使用されるため、蒸発燃料も無駄なく利用することができ、燃料効率を向上する。また、転倒の際に、逆止弁２８により、第１のタンク５から外部に液体燃料が漏れ出たり、第３のタンク７から第１のタンク５への水の逆流を防止し、第１のタンク５内の液体燃料と第３のタンク７内の水とが直接混合することがなく、燃料電池システム１の機能維持や信頼性を高めることができる。

以上、この発明の実施例について説明してきたが、上述の実施例の構成を請求項毎に当てはめて説明する。
先ず、請求項１に記載の発明は、第１のタンク１の液面Ｌ１よりも上部と第３のタンク７の水面Ｌ３よりも下部とを接続する接続管２６を設け、第１のタンク５の内圧が設定値以上に上昇した場合のみ第１のタンク５内の蒸発燃料を第３のタンク７に流入させる規制部材２７を接続管２６に設けている。これにより、第１のタンク５の内圧の上昇を防ぐことが可能であり、また、第１のタンク５から排出された蒸発燃料を、第３のタンク７内の水中に溶かしているので、外部環境を汚染することがない。よって、この燃料電池システム１を車両に搭載した場合に、機能維持と環境への配慮とを両立させることが可能である。また、燃料電池システム１は、第３のタンク７の水を第２のタンク６ヘ水ポンプ２１を用いて送っているので、第３のタンク７内に溶け込んでいる蒸発燃料（メタノール分）を燃料として再利用することが可能である。
また、請求項３に記載の発明において、規制部材２７は、第１のタンク５側からのみの流入を可能とする逆止弁２８である。これにより、第３のタンク７から第１のタンク５方向への逆流を防止することができ、燃料電池システム１全体の信頼性を向上することができる。

図２は、この発明の第２実施例を示すものである。
この第２実施例においては、上述の第１実施例と同一機能を果たす箇所には同一符号を付して説明する。
この第２実施例の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、この第２実施例は、請求項２に記載の発明である。図２に示すように、蒸発燃料排出機構２５は、第１のタンク５の液面Ｌ１よりも上部と第２のタンク６の液面Ｌ２よりも下部とを接続する接続管３１を設け、第１のタンク５の内圧が設定値以上に上昇した場合のみ第１のタンク５内の蒸発燃料が第２のタンク６に流入する規制部材３２を接続管３１に設け、規制部材３２を第１のタンク５側からのみの流入を可能とする逆止弁３３として構成する。

この第２実施例の構成によれば、上述の第１実施例と同様に、第１のタンク５の内圧の上昇を防ぐことが可能であるとともに、また、第１のタンク５から排出された蒸発燃料（メタノールの揮発分）を、第２のタンク６内の液体燃料に溶かしているので、外部環境を汚染することがない。これにより、この燃料電池システム１を車両に搭載した場合における機能維持と環境への配慮とを両立させることが可能である。また、逆止弁３３により、第２のタンク６から第１のタンク５方向への逆流を防止することができ、燃料電池システム１全体の信頼性を向上することができる。

タンク間に接続管を設けるとともにこの接続管に規制部材を設ける構造を、他の装置にも適用することができる。

第１実施例における燃料電池システムの構成図である。 第２実施例における燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ アノード
３ カソード
４ 燃料電池スタック
５ 第１のタンク
６ 第２のタンク
７ 第３のタンク
９ 燃料供給ポンプ
１２ 空気ポンプ
１９ 燃料移送ポンプ
２１ 水ポンプ
２５ 蒸発燃料排出機構
２６ 接続管
２７ 規制部材
２８ 逆止弁

Claims (3)

1. アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１のタンクと、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２のタンクと、この第２のタンクに供給するための水を貯蔵する第３のタンクとを備え、前記アノードに対して前記第２のタンクで希釈された液体燃料を供給し且つ前記カソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システムにおいて、前記第１のタンクの液面よりも上部と前記第３のタンクの水面よりも下部とを接続する接続管を設け、前記第１のタンクの内圧が設定値以上に上昇した場合のみ前記第１のタンク内の蒸発燃料を前記第３のタンクに流入させる規制部材を前記接続管に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成された燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１のタンクと、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２のタンクと、この第２のタンクに供給するための水を貯蔵する第３のタンクとを備え、前記アノードに対して前記第２のタンクで希釈された液体燃料を供給し且つ前記カソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システムにおいて、前記第１のタンクの液面よりも上部と前記第２のタンクの液面よりも下部とを接続する接続管を設け、前記第１のタンクの内圧が設定値以上に上昇した場合のみ前記第１のタンク内の蒸発燃料を前記第２のタンクに流入させる規制部材を前記接続管に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記規制部材は、前記第１のタンク側からのみの流入を可能とする逆止弁であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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