JP2008262845A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的表面積の小さい、体積効率の高い水回収手段によって、カソードで発生する水を効率的に回収する技術を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給手段と、カソードから発生した水とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する水回収手段とからなり、空気供給手段を回転羽根の回転により空気を送る機構とし、水回収手段を回転体の回転により気液混合流体から水を分離する機構とし、回転羽根と回転体とを連動させるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、カソードから発生した水とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する効果的な手段に関する。

近年、燃料電池システムは、コージェネ用燃料電池システムに代表される定置型のものだけでなく、携帯用電子機器用燃料電池や、電気自動車用燃料電池等の非定置型燃料電池システムも盛んに提案されており、例えば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、特に直接型燃料電池が着目され、活発な研究開発が行われている。

燃料を直接アノードへ供給し空気（酸素）を直接カソードへ供給する直接型燃料電池では、アノードにおいて燃料の酸化反応、カソード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直接メタノール型燃料電池の場合、アノードの反応式はＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋ｅ^-（１）で表され、カソードの反応式は３／２Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ（２）で表される。

（１）で示すようにアノードでの反応には燃料と水とからなる燃料混合液体が必要であるが、電源システム外部から燃料とともに水を供給する形態をとると、燃料と水の双方を貯蔵する大きなスペースが必要になり、結果として燃料電池システムのエネルギー密度が低下する。従って直接型燃料電池では、（２）で示すようにカソードで生成する水の一部を回収して燃料と混合し、燃料混合液体を作製するのが一般的である。

図４に燃料電池システムの一般的な構成を示す。図４の構成は、例えば特許文献１のように、燃料混合液体を回収して所定の濃度に調整し、再度発電に利用する循環型の燃料電池システムにも該当する。メタノールなどの燃料は燃料タンク１から燃料供給手段２を介して循環タンク３へ供給される。なお燃料は燃料供給手段２または循環タンク３において、後述する手法で回収された水によって希釈調整されて燃料混合液体となる。この燃料混合液体は燃料ポンプ４で発電スタック５のアノード入口１０へ供給される。アノード出口１２からは使用されなかった燃料混合液体のほかに水蒸気と二酸化炭素が排出される。これらの気液混合流体は気液分離手段７に導かれた後、燃料混合液体は循環タンク３へ戻され、水蒸気は水回収手段８の冷却によって液体の水になった後、循環タンク３へ戻される。一方、空気は空気供給手段６から発電スタック５のカソード入口１１へ供される。カソード出口１３からは使用されなかった空気のほかに水（主に水蒸気）が排出される。この水は水回収手段９の冷却によって水として回収され、燃料供給手段２へ戻される。
特開２００４−３４９２６７号公報

（２）に示したように、カソードでは発電量に比例して水が発生するので、この水を効率よく回収することが燃料電池システムの小型化（高エネルギー密度化）に寄与する。しかし特許文献１に記載されたような水回収装置９は、水蒸気を効率よく水にするためには不十分である。また水回収装置９の水回収効率を向上させようとすれば、ラジエータなどのように表面積の大きな、体積効率の低い形状にせざるを得ず、結果的には水の備蓄を排除して燃料タンク１を小型化するメリットが損なわれる。

本発明は上述した課題を解決するために、比較的表面積の小さい、体積効率の高い水回
収手段によって、カソードで発生する水を効率的に回収する技術を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給手段と、カソードから発生した水とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する水回収手段とからなり、空気供給手段を回転羽根の回転により空気を送る機構とし、水回収手段を回転体の回転により気液混合流体から水を分離する機構とし、回転羽根と回転体とを連動させるようにしたことを特徴とする。

気液混合流体に強い遠心力を加えることにより、効率的に水を分離できる。発明者が鋭意検討した結果、気液混合流体に強い遠心力を加えるためには、気液混合流体を略ドーナツ状の断面を有する空間に導いた上で、以下の２つの何れかの態様を採るのが好ましいことがわかった。第１の態様は、気液混合流体における水分量が少ない場合、水回収手段の内壁と回転体との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間に気液混合流体を供給することにより、水回収手段の内壁に効率的に接触した気液混合流体に含まれる水分が結露して速やかに液体の水となるので、この水を水回収手段の内壁に沿って設けた水排出口から排出するようにしたものである。第２の態様は、気液混合流体における水分量が多い場合、水回収手段の内壁と回転体との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間を撥水性の隔離膜により略ドーナツ状の断面を有する内室と外室とに分けた上で、気液混合流体を内室の方に供給することにより、水分を除外した気体のみが遠心力により外室に排出され、内室に残った結露しやすい湿潤空気から液体の水を得て、これを内室に設けた水排出口から排出するようにしたものである。

以上の何れの態様も、空気供給手段を回転羽根の回転により空気を送る機構とした場合の回転エネルギーを効率的に遠心力として活用できるので、水回収手段を従来のラジエータなどのように表面積の大きな（体積効率の低い）形状にする必要がなくなり、燃料電池システム自体の体積効率を高めることができるようになる。

本発明によれば、回転エネルギーを空気供給手段における回転羽根の回転と水回収手段における遠心力との双方に使えるため、体積効率の高い燃料電池システムを構築できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

第１の発明は、発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給手段と、カソードから発生した水とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する水回収手段とからなる燃料電池システムであって、空気供給手段を回転羽根の回転により空気を送る機構とし、水回収手段を回転体の回転により気液混合流体から水を分離する機構とし、回転羽根と回転体とを連動させるようにしたことを特徴とする。第２の発明は、第１の発明において、空気供給手段と水回収手段とを一体化したことを特徴とする。第３の発明は、第１の発明において、水回収手段により分離した水を燃料供給手段に供給するようにしたことを特徴とする。

図１は第１〜３の発明の燃料電池システムの一例を示す模式図である。燃料タンク１から燃料供給手段２を介して循環タンク３へ供給された燃料混合液体（例えばメタノールと水の混合物）は、燃料供給装置４を経て発電スタック５のアノード入口１０に導かれる。一方、空気（酸素）は空気供給手段６を経て発電スタック５のカソード入口１１に導かれ
る。上記（１）（２）で示される反応によって発電スタック５で発電が行われた後、アノード出口１２から排出された気液混合流体は気液分離手段７に導かれた後、余剰の燃料混合液体は循環タンク３へ戻され、水蒸気は水回収手段８の冷却によって液体の水になった後、循環タンク３へ戻される。一方、カソード出口１３から排出された気液混合流体（主成分は使用されなかった空気と水蒸気）は水回収手段９の冷却によって水として回収され、燃料供給手段２へ戻される。

本発明は、空気供給手段６を回転羽根１４の回転により空気を送る機構とし、水回収手段９を回転体１５の回転により気液混合流体から水を分離する機構とし、回転羽根１４と回転体１５とを連動させるようにしたことを特徴とする。この構成を採ることにより、回転エネルギーの発生源から発生させる１つの回転エネルギーを、空気供給手段６における回転羽根１４の回転と、水回収手段９における回転体１５の回転による遠心力の発生との双方に使えるため、体積効率が高い燃料電池システムを構築できる。特に図１のように空気供給手段６と水回収手段９とを共通のハウジングで一体化した場合、スペース効率がさらに高まるので、体積効率が極めて高い燃料電池システムを構築できる。

第４の発明は、第１の発明において、水回収手段９の内壁と回転体１５との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間に気液混合流体を供給するようにしたことを特徴とする。第５の発明は、第４の発明において、水回収手段９の内壁に沿って設けた水排出口から水を排出するようにしたことを特徴とする。

図２は第４〜５の発明における燃料電池システムの特徴部分を示す模式断面図である。気液混合流体注入口１６から水回収手段９の内壁と回転体１５との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間１７に供給された気液混合流体は、回転体１５の回転により発生する遠心力によって水回収手段９の内壁へと移動する。そして気液混合流体に含まれる水分は水回収手段９の内壁に効率的に接触することにより冷却され、速やかに結露して液体の水となるので、水排出口１８を水回収手段９の内壁に沿って設けることにより、この水を円滑に水回収手段９から排出できる。一方、水を回収した後の気体は、気体排出口１９から燃料電池システムの系外に排出される。この態様は、気液混合流体における水分量が少ない場合に有効である。

第６の発明は、第１の発明において、水回収手段９の内壁と回転体１５との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間を隔離膜により略ドーナツ状の断面を有する内室と外室とに分け、気液混合流体を内室に供給するようにし、気体を外室に排出した後の水を内室に設けた水排出口から排出するようにしたことを特徴とする。

図３は第６の発明における燃料電池システムの特徴部分を示す模式断面図である。水回収手段９の内壁と回転体１５との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間は、撥水性を有する隔離膜２０により略ドーナツ状の断面を有する内室１７ａと外室１７ｂとに分けられている。気液混合流体注入口１６から内室１７ａに供給された気液混合流体は、回転体１６の回転により発生する遠心力によって水回収手段９の内壁へと向かうのだが、撥水性を有する隔離膜２０によって気体のみが外室１７ｂへと移動するので、内室１７ａに残った湿潤空気に含まれる水分は速やかに結露して液体の水となるので、水排出口１８を内室１７ａに設けることにより、この水を円滑に水回収手段９から排出できる。一方、水を回収した後の気体は、気体排出口１９から燃料電池システムの系外に排出される。この態様は、気液混合流体における水分量が多い場合に有効である。

本発明の具体的な態様について、さらに詳述する。

回転体１５はアウターロータの構造を採るのが好ましい。この構造を採ることにより、
図２〜３に示すように回転エネルギーの発生源であるコイル２１を回転体１５の内部に収納できるので、体積効率を顕著に高めることができる。この構造を採る場合、コイル２１の防水対策が必要となる。具体的には、コイル２１と回転体１５との隙間をゴム等でシールし、気液混合流体がコイル２１と接触しないようにする必要がある。もしくはコイル２１およびその周辺部に防水・防滴処理を施す必要がある。なお空間１７（もしくは内室１７ａ）における遠心力は、水回収手段９の内壁と回転体１５との間で発生する旋回流に基づいているので、この旋回流を発生しやすくするために、水回収手段９の内壁面および／あるいは回転体１５に整流板を設けることもできる。

水回収手段９は、湿潤空気から水分を結露させやすくする観点から、冷却フィンもしくはこれと類似した形状とするのが好ましい。なお水回収手段９および回転体１５を、断面が略円形になるように構成するのは、これらの間で構成される空間１７の断面を略ドーナツ状とすることにより、気液混合流体に強い遠心力を加えることができるからである。

隔離膜２０は、上述したように撥水性を有するのが好ましい。具体的には気体の透過性を高めつつ液体の透過性を抑制するために、例えばポリテトラフルオロエチレンのような撥水性樹脂材料を多孔質膜に形成したものなどが挙げられる。

本発明の燃料電池システムは、メタノール、ジメチルエーテル等の燃料を水素に改質せずに燃料として直接用い、かつポジションフリー形態を採る携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートＰＣ、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器用の電源として有用である。

本発明の燃料電池システムの一例を示す模式図 本発明における燃料電池システムの特徴部分の一例を示す模式断面図 本発明における燃料電池システムの特徴部分の他の例を示す模式断面図 燃料電池システムの一般的な構成を示す模式図

符号の説明

１ 燃料タンク
２ 燃料供給手段
３ 循環タンク
４ 燃料供給装置
５ 発電スタック
６ 空気供給手段
７ 気液分離手段
８、９ 水回収手段
１０ アノード入口
１１ カソード入口
１２ アノード出口
１３ カソード出口
１４ 回転羽根
１５ 回転体
１６ 気液混合流体注入口
１７ 空間
１７ａ 内室
１７ｂ 外室
１８ 水排出口
１９ 気体排出口
２０ 隔離膜
２１ コイル

Claims (6)

1. 発電スタックと、発電スタックのアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、発電スタックのカソードに空気を供給する空気供給手段と、カソードから発生した水とカソードを経た気体とからなる気液混合流体から水を分離する水回収手段とからなる燃料電池システムであって、
   前記空気供給手段を、回転羽根の回転により空気を送る機構とし、
   前記水回収手段を、回転体の回転により前記気液混合流体から水を分離する機構とし、
   前記回転羽根と前記回転体とを連動させるようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記空気供給手段と前記水回収手段とを一体化したことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水回収手段により分離した水を前記燃料供給手段に供給するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記水回収手段の内壁と前記回転体との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間に前記気液混合流体を供給するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記水回収手段の内壁に沿って設けた水排出口から水を排出するようにしたことを特徴とする、請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記水回収手段の内壁と前記回転体との間で構成される略ドーナツ状の断面を有する空間を隔離膜により略ドーナツ状の断面を有する内室と外室とに分け、
   前記気液混合流体を前記内室に供給するようにし、
   気体を前記外室に排出した後の水を前記内室に設けた水排出口から排出するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。

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