JP2010108893A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】別途の加熱手段なしで、燃料電池から発生する熱の再循環によって水素貯蔵タンクに安定的に熱を供給することが可能な燃料電池システムの提供。
【解決手段】収容空間を有するタンクケース１２８の内部に水素貯蔵タンク１２２を備えた水素貯蔵コンテナー１２０と、水素貯蔵タンク１２２から脱蔵される水素を受け取って電気を発生させる燃料電池１６０と、燃料電池１６０から放出される高温の未反応水素をタンクケース１２８に供給する連結ダクト１８０とを含む燃料電池システム１００を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、さらに詳しくは、燃料電池から発生する熱の再循環によって水素貯蔵タンクに安定的に熱を供給することが可能な燃料電池システムに関する。

最近、携帯用小型電子機器、例えば携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートブックＰＣなどの使用が増加しており、特に、携帯電話用ＤＭＢ放送が開始するにつれて、携帯用小型端末機における電源性能の向上が要求されている実情である。
現在、一般に使用されているリチウムイオン２次電池は、その容量がＤＭＢ放送を２時間程度視聴することが可能な水準であり、性能向上が進んではいるが、より根本的な解決方案として、高容量の電源供給が可能でさらにコンパクトな燃料電池に対する期待が大きくなっている。

一般に、燃料電池は、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなど）と空気の化学エネルギーを電気化学的反応によって電気および熱に直接変換させる装置であって、燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動および発電機駆動の過程を取る既存の発電技術とは異なり、燃焼過程または駆動装置がないので、効率が高いうえ、環境問題を誘発しない新しい概念の発電技術である。

燃料電池は、使用される電解質の種類によって、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ)、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、および高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）に分けられる。これらの中でも、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、水素ガスを直接燃料として用いるプロトン交換膜燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）と、液状のメタノールを直接燃料として用いる直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に細分化することができる。

高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて比較的低温で作動し、出力密度が大きいので、小型化および軽量化が可能である。このような理由により、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、自動車などの可搬型（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）電源、住宅または公共機関の分散用電源（ｏｎ−ｓｉｔｅ）および電子機器用小型電源として非常に適するから、これに関する開発が盛んに行われている。

このような高分子電解質型燃料電池の商用化のためには、安定的な水素の生産および供給が先決されるべき最も重要な技術的問題である。このための一つの方法として、水素吸蔵合金（ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ）を用いて多量の水素を水素貯蔵タンクに貯蔵した状態で燃料電池に水素ガスを供給する、水素吸蔵合金に基づいた燃料電池が注目を浴びている。ところが、水素吸蔵合金は、水素ガスを放出するために熱の吸収が要求されるので、水素貯蔵タンクに安定的な熱吸収が考案されなければならない。

図１および図２には従来の技術に係る水素貯蔵タンクに熱を供給するための手段を備えた燃料電池システムを示す図である。

図１を参照すると、従来の技術１に係る燃料電池システム１０は、別途の加熱手段４０を含んでなり、前記加熱手段４０が水素貯蔵タンク２０に熱を供給することにより、水素貯蔵タンク２０に貯蔵された水素を燃料電池３０に安定的に供給することができるようにした。

また、図２を参照すると、従来の技術２に係る燃料電池システム１０’は、従来の技術１と同様にバーナーなどの加熱手段４０を備えるが、この加熱手段４０の駆動には連結ダクト５０を介して供給される燃料電池３０の未反応水素を利用した。

ところが、従来の技術１および２による場合、別途の加熱手段４０が必須的に備えられなければならないため、装置の全体サイズが増加し、これにより装置構造が複雑になるという問題点があった。それだけでなく、加熱手段４０は水素貯蔵タンク２０と共に装置の危険性を増大させるという問題点があった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、別途の加熱手段なしで、燃料電池から発生する熱の再循環によって水素貯蔵タンクに安定的に熱を供給することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、燃料電池から発生する熱を簡単な構造によって伝導および対流の方法で水素貯蔵タンクに供給することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、収容空間を有するタンクケースの内部に水素貯蔵タンクを備えた水素貯蔵コンテナーと、前記水素貯蔵タンクから脱蔵される水素を受け取って電気を発生させる燃料電池と、前記燃料電池から放出される高温の未反応水素を前記タンクケースに供給する連結ダクトとを含む燃料電池システムを提供する。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素貯蔵コンテナーが六面体構造を持つことが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素貯蔵タンクの外壁に、タンクケースの収容空間に延長されるように設けられ、未反応水素の流れを制御するチャネルが備えられていることが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池が、熱接着剤層を介して水素貯蔵コンテナーに付着していることが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池が、水素貯蔵コンテナーに多数付着していることが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素貯蔵タンクから脱蔵される水素の圧力を調節して燃料電池に供給する圧力調節器をさらに含むことが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、連結ダクトに、タンクケースに供給される未反応水素の流量を制御する流量制御弁が取り付けられていることが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池から放出される未反応水素を回収して燃料電池に再供給する回収ダクトをさらに含むことが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素貯蔵コンテナーの一側に、大気中の空気または燃料電池からの排出熱を水素貯蔵コンテナーに送風するための空気循環ファンが設置されていることが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素貯蔵コンテナーの一側に、水素貯蔵タンクに熱を供給するための補助加熱手段が備えられていることが好ましい。

本発明の特徴および利点らは、添付図面に基づいた次の詳細な説明からさらに明白になるであろう。これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的で辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を水素貯蔵タンクに熱接着剤層を介して付着させることにより、燃料電池から発生する熱を伝導伝熱によって水素貯蔵タンクに供給することにより、水素貯蔵タンクを加熱するための別途の加熱手段が要求されない。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から放出される高温の未反応水素をタンクケースに供給し、高温の未反応水素が水素貯蔵タンクに熱を対流伝熱によって供給することにより、水素貯蔵タンクを加熱するための加熱手段が要求されない。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から放出される高温の未反応水素を燃料電池に再供給することにより、水素使用効率を増大させることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、空気循環ファンを介して大気中の空気および／または燃料電池の運転排出熱を水素貯蔵タンク側に送風することにより、水素貯蔵タンクに熱を供給することができる。

従来の技術１に係る燃料電池システムを示す概略図である。 従来の技術２に係る燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の好適な実施例に係る燃料電池システムの概略断面図である。 本発明の好適な実施例に係る多数の燃料電池を備えた燃料電池システムの概略斜視図である。 本発明の好適な実施例に係るタンクケース内のチャネル形状の一例を示す図である。 本発明の好適な実施例に係るタンクケース内のチャネル形状の他の例を示す図である。 本発明の好適な実施例に係るタンクケース内のチャネル形状の更に他の例を示す図である。 本発明の好適な実施例に係る燃料電池の作動原理を示す図である。

本発明の目的、特定の利点および新規の特徴は、添付図面に連関付けられる以下の詳細な説明と好適な実施例からさらに明白になるであろう。本発明において、各図面の構成要素に参照番号を付加するにおいて、同一の構成要素については、他の図面上に示されても、出来る限り同一の番号を付することに留意すべきであろう。なお、本発明を説明するにおいて、関連した公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を無駄に乱すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。図３は本発明の好適な実施例に係る燃料電池システムの概略断面図、図４は本発明の好適な実施例に係る多数の燃料電池を備えた燃料電池システムの概略斜視図、図５Ａ〜図５Ｃは本発明の好適な実施例に係るタンクケース内のチャネル形状を示す図、図６は本発明の好適な実施例に係る燃料電池の作動原理を示す図である。

図３及び図４を参照しながら、本発明の好適な実施例に係る燃料電池システム１００について説明する。

図３および図４に示すように、本発明に係る燃料電池システム１００は、水素貯蔵コンテナー１２０、燃料電池１６０、および燃料電池１６０の未反応水素を水素貯蔵コンテナー１２０に供給する連結ダクト１８０を含んでなるものである。

水素貯蔵コンテナー１２０は、所定の収容空間を有するタンクケース１２８の内部に水素貯蔵タンク１２２が備えられた構造を持つ。ここで、水素貯蔵コンテナー１２０は、その形状に限定はないが、後述するように、燃料電池１６０が水素貯蔵コンテナー１２０に容易に付着できるように平面型構造（六面体構造）を持つことが好ましい。

水素貯蔵タンク１２２は、水素吸蔵合金を貯蔵し、貯蔵された水素吸蔵合金から水素を脱蔵させて燃料電池１６０に供給するためのものであって、内部に水素吸蔵合金を貯蔵するための所定の内部空間を備える。

ここで、水素吸蔵タンク１２２の外壁には、タンクケース１２８の収容空間に延長されるように設けられ、未反応水素の流れを制御するチャネル１２６が備えられている。このチャネル１２６に対しては図５を参照して後述する。

また、水素吸蔵タンク１２２は、脱蔵された水素が燃料電池１６０に供給できるように供給ダクト１２４を介して燃料電池１６０に連結されていることが好ましい。この際、燃料電池１６０に供給される水素の圧力を調節するために、供給ダンク１２４には圧力調節器（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）が設置されることが好ましい。

タンクケース１２８は、水素貯蔵タンク１２２から燃料電池１６０に供給された水素のうち、化学反応に参加していない高温の未反応水素が再供給される空間を提供することにより、水素貯蔵タンク１２２に高温の未反応水素の熱を供給するためのもので、所定の収容空間を持つように備えられる。

一般に、燃料電池１６０は８０％程度の燃料利用効率を示すので、燃料電池１６０に供給された水素の２０％程度は燃料電池１６０の化学反応に参加しない。従来ではこのような高温の未反応水素を大気に放出したが、本発明は、未反応水素を放出せずに未反応水素を再循環させることにより、未反応水素の熱エネルギーを再利用することが可能な燃料電池システムを提案する。すなわち、燃料電池１６０の化学反応から発生する熱によって高温の状態になった未反応水素をタンクケース１２８に供給して循環させることにより、水素貯蔵タンク１２２に対流伝熱によって熱を供給する。

ここで、タンクケース１２８の一側には、連結ダクト１８０に連結されて未反応水素が流入できるように流入部が設けられており、その他側にはタンクケース１２８を循環してから未反応水素を排出する排出部が設けられている。

また、タンクケース１２８の内部には、高温の未反応水素と水素貯蔵タンク１２２との接触時間を増大させることにより、対流伝熱効率を高めることができるように、水素貯蔵タンク１２２の外壁からタンクケース１２８の内壁に延設されたチャネル１２６が備えられる。このチャネル１２６については図５を参照して後述する。

一方、水素貯蔵タンク１２２とタンクケース１２８との間には、水素吸蔵合金から脱蔵される水素が外部に排出されることを防止することができるようにシーリング部材（図示せず）が備えられていることが好ましい。

燃料電池１６０は、水素吸蔵タンク１２２から脱蔵される水素を受け取って電気を発生させるためのものであって、供給ダクト１２４を介して水素貯蔵タンク１２２に連結される。

ここで、燃料電池１６０は、両側面を構成するアノード電極１６４とカソード電極１６２との間に電解質膜１６６が介在されている通常の電解質膜−電極接合体の構造を持つことができる。この際、燃料電池１６０は、単一の電解質膜−電極集合体で構成してもよく、単一の電解質膜−電極集合体が積層されたスタック構造で構成してもよい。図示の便宜上、図３および図４には燃料電池１６０が単一の電解質膜−電極集合体を持つことが示されている。一方、この燃料電池１６０の作動原理については図６を参照して後述する。

また、燃料電池１６０は、化学反応の際に発生する熱が伝導伝熱によって水素貯蔵タンク１２２に供給できるように、熱接着剤層（ｔｈｅｒｍａｌ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｌａｙｅｒ）１６８を介して水素貯蔵コンテナー１２０に付着していることが好ましい。ここで、水素貯蔵コンテナー１２０が平面型構造（六面体構造）を持つ場合、燃料電池１６０の付着が容易になる。

この際、水素貯蔵コンテナー１２０には少なくとも一つの燃料電池１６０が付着していることが好ましい。図３には燃料電池１６０が水素吸蔵コンテナー１２０の上面に付着した構造が示されており、図４には２つの燃料電池１６０が水素貯蔵コンテナー１２０の上面および下面にそれぞれ付着した構造が示されているが、一つの水素貯蔵タンク１２２が多数の燃料電池１６０に十分な量の水素を供給することができる限りは、さらに多い数の燃料電池１６０が水素貯蔵コンテナー１２０に連結された状態で付着できるのは勿論のことである。例えば、図３および図４に示したように、水素吸蔵コンテナー１２０が六面体構造を持つ場合、各面ごとに燃料電池１６０が一つずつ付着することも可能であろう。

連結ダクト１８０は、燃料電池１６０から放出される高温の未反応水素をタンクケース１２８に供給するためのものであって、一側が燃料電池１６０の水素放出部に連結され、他側がタンクケースの水素流入部に連結される。

ここで、連結ダクト１８０には、燃料電池１６０から放出される未反応水素ガスの流量を制御するための流量制御弁１８２が取り付けられていることが好ましい。

一方、燃料電池１６０から放出される未反応水素の一部をさらに燃料電池１６０へ再供給することができるように、回収ダクト１８４が備えられることが好ましい。この回収ダクト１８４は、放出される未反応水素を受け取ることができるように一側が燃料電池１６０の水素放出部に連結され、供給された未反応水素ガスをさらに燃料電池１６０に再供給することができるように他側が燃料電池１６の水素吸入部に連結される。この際、回収ダクト１８４は、水素吸蔵タンク１２２から供給される水素の流入量を考慮して燃料電池１６０に供給するために、圧力調節機１４０に連結されて流入量が調節できるように設置されることがさらに好ましい。

また、大気中の空気および／または燃料電池１６０の運転排出熱を水素吸蔵タンク１２２に伝達することができるように空気循環ファン（図示せず）が備えられていることが好ましい。

また、高電力が必要な場合、燃料電池１６０は多量の水素供給を受けなければならない。燃料電池１６０へ安定的且つ持続的に水素を供給するために、水素貯蔵タンク１２２に十分な熱を供給するように補助加熱手段（図示せず）が備えられていることが好ましい。

次に、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、本発明の好適な実施例に係るタンクケース内のチャネル１２６の構造および形状について説明する。

図５Ａに示すように、タンクケース１２８の内部には、水素吸蔵タンク１２２の外壁から延設されるようにチャネル１２６が備えられる。

この際、チャネル１２６は、高温の未反応水素の流れを制御して対流伝熱効率を高めるために、多様なチャネル構造を持つことができる。例えば、図５Ｂに示すように、ジグザグ状にチャネルが設けられてもよく、図５Ｃに示すように、並列的に多数のチャネルが設けられてもよい。ここで、図５Ｂおよび図５Ｃに示したチャネル形状は例示的なものに過ぎず、チャネル形状は斜線形などのように多様な形状を持つことができる。

次に、図６を参照して、本発明の好適な実施例に係る燃料電池１６０の作動原理について簡単に説明する。

アノード電極１６２は、水素Ｈ_２を受け取って水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解する。水素イオンは電解質膜１６６を経てカソード電極1６４に移動する。電子は外部回路を経て電流を発生させる。 カソード電極１６４で水素イオン、電子および空気中の水素が結合して水になる。上述した燃料電池１６０における化学反応式は、下記化学式１のとおりである。

［化学式１］
アノード電極１６２：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード電極1６４：１／２０₂＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全反応：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

すなわち、アノード電極１６２で分解された電子が外部回路を経て電流を発生させることにより、電池の機能を行う。

次に、上述した構成を持つ本発明に係る燃料電池システム１００の作動について簡単に説明する。

水素貯蔵タンク１２２から脱蔵される水素は、圧力調節器１４０によって圧力が調節された状態で燃料電池１６０に供給される。燃料電池１６０は、化学反応によって電気を発生させる。この際、燃料電池１６０の化学反応によって発生する熱は、熱接着剤層１６８を介して水素貯蔵コンテナー１２０に伝達されて水素貯蔵タンク１２２に供給され、燃料電池１６０から放出される高温の未反応水素は、連結ダクト１８０を介してタンクケース１２８に供給され、対流伝熱によって水素貯蔵タンク１２２の熱を供給する。この際、未反応水素の一部は回収ダクト１８４を介して燃料電池１６０に再供給されて再使用される。

このように、燃料電池１６０から発生する運転排出熱、および／または高温の未反応水素が持つ熱を水素貯蔵タンク１２２に再供給して使用することにより、別途の加熱手段なしでも水素の脱蔵を容易にし、全体的に熱効率を増大させた燃料電池システム１００を提供する。

以上、本発明を具体的な実施例によって詳細に説明したが、これらの実施例は本発明を具体的に説明するためのものである。本発明に係る燃料電池システムは、これに限定されず、本発明の技術的思想の範疇内において、当該分野における通常の知識を有する者によってその変形または改良が可能であることは明らかである。それらの本発明の単純な変形または変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は特許請求の範囲によって明白になるであろう。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から発生する熱の再循環によって水素貯蔵タンクに安定的に熱を供給することが可能な燃料電池システムにおいて、好適に利用することができる。

１００ 燃料電池システム
１２０ 水素貯蔵コンテナー
１２２ 水素貯蔵タンク
１２４ 供給ダクト
１２６ チャネル
１２８ タンクケース
１４０ 圧力調節器
１６０ 燃料電池
１６８ 熱接着剤層
１８０ 連結ダクト
１８４ 回収ダクト

Claims (10)

1. 収容空間を有するタンクケースの内部に水素貯蔵タンクを備えた水素貯蔵コンテナーと、
   前記水素貯蔵タンクから脱蔵される水素を受け取って電気を発生させる燃料電池と、
   前記燃料電池から放出される高温の未反応水素を前記タンクケースに供給する連結ダクトと、
   を含む燃料電池システム。
2. 前記水素貯蔵コンテナーは六面体構造を持つ請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素貯蔵タンクの外壁には、前記タンクケースの収容空間に延長されるように設けられ、前記未反応水素の流れを制御するチャネルが備えられている請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池は、熱接着剤層を介して前記水素貯蔵コンテナーに付着している請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池は、前記水素貯蔵コンテナーに多数付着している請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記水素貯蔵タンクから脱蔵される水素の圧力を調節して前記燃料電池に供給する圧力調節器をさらに含む請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記連結ダクトには、前記タンクケースに供給される未反応水素の流量を制御する流量制御弁が取り付けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池から放出される未反応水素を回収して前記燃料電池に再供給する回収ダクトをさらに含む請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記水素貯蔵コンテナーの一側には、大気中の空気または前記燃料電池から発生する排出熱を前記水素貯蔵コンテナーに送風するための空気循環ファンが設置されている請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記水素貯蔵コンテナーの一側には、前記水素貯蔵タンクに熱を供給するための補助加熱手段が備えられている請求項１に記載の燃料電池システム。