JP2012014888A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの体積効率の低下を防止しつつ、回収タンク内の凍結を防止する。
【解決手段】少なくとも１つのセルと、燃料入口と、燃料出口と、酸化剤入口と、酸化剤出口と、を有する燃料電池と、燃料供給部と、酸化剤供給部と、燃料排液と、生成水の一部と、を収容する回収タンクと、燃料排液を回収タンクに導く燃料排出路と、生成水の少なくとも一部を回収タンクに導く生成水排出路と、を具備し、回収タンクは、液面に対して垂直かつ互いに対向する一対の側壁と、一対の側壁に設けられ、かつ互いに対向する一対の電極と、一対の電極間の静電容量に関する情報から、回収タンク内の水位を検知する水位検知部と、を具備し、一対の電極の少なくとも一方が、抵抗加熱機構を有し、更に、所定の温度以下で抵抗加熱機構を作動させる制御部を有する、燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池から排出される流体を回収する回収タンクとを具備する燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、回収タンクの水位を検知するための電極の改良に関する。

燃料電池は、車載用電源、家庭用コージェネレーションシステム用電源などとして実用化されつつある。近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器の電源として燃料電池を用いることも検討されている。燃料電池は燃料を補充することで連続発電が可能であることから、携帯小型電子機器の利便性をさらに向上させ得るものと期待されている。

なかでも、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を直接酸化して電気エネルギを取り出すため、小型化が比較的容易である。なかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギ効率および発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れており、有望視されている。

燃料電池は、複数のセルが直列に接続されたスタックを含む。各セルは、電解質膜と、電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノードおよびカソードとを含む膜−電極接合体、アノードに接するアノード側セパレータならびにカソードに接するカソード側セパレータを含む。アノード側セパレータは、アノードに液状燃料を供給するための燃料流路を有し、カソード側セパレータは、カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有する。液状燃料および酸化剤は、ポンプなどの供給装置により、燃料電池に供給される。

ＤＭＦＣのアノード及びカソードでの反応を以下にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード： ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
カソード： （３／２）Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ

アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素が生成する。二酸化炭素と未反応燃料とを含む燃料排液は、燃料排出路を通じて回収タンクに送られる。一方、カソードでは、アノードで消費される量以上の水が生成する。生成水と未反応酸素を含む流体の一部は、生成水排出路を通じて回収タンクに送られる。回収タンクには、過剰な量の水が回収されることを防止する観点から、水位を検知する水位検知部が設けられることが一般的である。

上記のような燃料電池は、常温環境下だけでなく、低温環境下での使用も想定される。低温環境下では、回収タンク内が凍結するおそれがある。従来から、このような回収タンク内の凍結を防ぐことが検討されている。特許文献１は、燃料電池の発電の際に生じる熱で、循環水を加熱することを提案している。特許文献２は、燃料電池システムに加熱装置を設置することを提案している。

特開平１１−２１４０２５号公報 特開２００７−２８７７０４号公報

特許文献１では、燃料電池の発電の際の熱を利用している。そのため、燃料電池の運転停止時には、回収タンク内の凍結防止が困難である。

特許文献２の燃料電池システムは加熱装置を有するため、燃料電池の運転停止時にも、回収タンク内の凍結を防止できる。しかし、回収タンクには一般に水位検知部が設けられているため、加熱装置を設けると、燃料電池システムに占める回収タンク付属部品の体積が大きくなる。その結果、発電部の体積が小さくなり、体積効率が低下する。また、部品数の増加により、燃料電池システムのコストが増大する。

本発明の燃料電池システムは、少なくとも１つのセルと、液状燃料を導入する燃料入口と、燃料排液を放出する燃料出口と、酸化剤を導入する酸化剤入口と、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口と、を有する燃料電池と、燃料入口に液状燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料排液と、生成水の一部と、を収容する回収タンクと、燃料排液を回収タンクに導く燃料排出路と、生成水の少なくとも一部を回収タンクに導く生成水排出路と、を具備し、回収タンクは、液面に対して垂直かつ互いに対向する一対の側壁と、一対の側壁に設けられ、かつ互いに対向する一対の電極と、一対の電極間の静電容量に関する情報から、回収タンク内の水位を検知する水位検知部と、を具備する。燃料電池システムにおいて、一対の電極の少なくとも一方は、抵抗加熱機構を有する。更に、燃料電池システムは、所定の温度以下で抵抗加熱機構を作動させる制御部を有する。

本発明によれば、燃料電池システムの体積効率の低下を防止しつつ、回収タンク内の凍結を防止できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 同システムが具備する燃料電池の電極面に垂直な断面図である。 同システムが具備する回収タンクの概略構成図である。 同回収タンクのIIIb-IIIb矢視断面図である。 抵抗加熱機構を有する電極の一例を示す概略構成図である。 同電極を具備する回収タンクの一例を示す概略構成図である。

図１を参照して、本発明の燃料電池システムについて説明する。
燃料電池システム１が具備する燃料電池２は、燃料電池本体２ａと、液状燃料を導入する燃料入口２ｂと、燃料排液を放出する燃料出口２ｃと、酸化剤を導入する酸化剤入口２ｄと、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口２ｅとを有する。燃料電池本体２ａは、少なくとも１つのセルを含み、一般に、２以上のセルを電気的に直列に接続するように積層したスタックを含む。

まず、図２を参照して、セルの構造について説明する。
セル１０は、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）のセルであり、高分子電解質膜１２と、高分子電解質膜１２を間に挟むように配置されたアノード１４及びカソード１６を含む。高分子電解質膜１２は、水素イオン伝導性を有している。アノード１４には、燃料であるメタノールが供給される。カソード１６には、酸化剤である空気が供給される。

アノード１４、高分子電解質膜１２及びカソード１６の積層方向において、アノード１４の上にはアノード側セパレータ２６が積層され、アノード側セパレータ２６の更に上には端板４６Ａが配置されている。また、カソード１６の上（図では下方向）にはカソード側セパレータ３６が積層され、カソード側セパレータ３６の更に上には端板４６Ｂが配置されている。セル１０が２以上積層される場合には、端板４６Ａ及び４６Ｂはセル毎に設けられず、スタックの積層方向の両端に１つずつ配置される。各端版は、燃料電池の出力端子２ｘおよび２ｙに送られる電力を中継する集電板として機能し、電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１０２を介して、図示しない外部負荷または蓄電池１０３に送られる。

アノード側セパレータ２６と高分子電解質膜１２との間には、アノード１４を囲むようにガスケット４２が配置され、カソード側セパレータ３６と高分子電解質膜１２との間には、カソード１６を囲むようにガスケット４４が配置されている。ガスケット４２及び４４は、それぞれ、燃料及び酸化剤がアノード１４及びカソード１６から外部に漏れるのを防止する。

２つの端板４６Ａ及び４６Ｂは、図示しないボルト及びバネ等により、各セパレータとＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）とを加圧するように互いに締結されて、セル１０が構成されている。

アノード１４は、アノード触媒層１８及びアノード拡散層２０を含む。アノード触媒層１８は、高分子電解質膜１２に接している。アノード拡散層２０は、撥水処理が施されたアノード多孔質基材２４、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるアノード撥水層２２を含む。アノード撥水層２２及びアノード多孔質基材２４は、この順番で、アノード触媒層１８の高分子電解質膜１２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。

カソード１６は、カソード触媒層２８及びカソード拡散層３０を含む。カソード触媒層２８は、高分子電解質膜１２のアノード触媒層１８が接している面とは反対側の面に接している。カソード拡散層３０は、撥水処理が施されたカソード多孔質基材３４、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるカソード撥水層３２を含む。カソード撥水層３２及びカソード多孔質基材３４は、この順番で、カソード触媒層２８の高分子電解質膜１２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。

高分子電解質膜１２、アノード触媒層１８及びカソード触媒層２８からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）と呼ばれている。また、ＭＥＡは、ＣＣＭと、アノード拡散層２０及びカソード拡散層３０とからなる積層体である。アノード拡散層２０及びカソード拡散層３０は、アノード１４及びカソード１６に供給される燃料及び酸化剤の均一な分散を担うとともに、生成物である水及び二酸化炭素の円滑な排出を担っている。

アノード側セパレータ２６は、アノード多孔質基材２４との接触面に、アノード１４に燃料を供給するための燃料流路３８を有している。燃料流路３８は、例えば、上記接触面に形成され、アノード多孔質基材２４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。燃料流路は、燃料電池本体２ａの燃料入口２ｂおよび燃料出口２ｃと連絡している。

カソード側セパレータ３６は、カソード多孔質基材３４との接触面に、カソード１６に酸化剤（空気）を供給するための酸化剤流路４０を有している。酸化剤流路４０も、例えば、上記接触面に形成され、カソード多孔質基材３４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。酸化剤流路は、燃料電池本体２ａの酸化剤入口２ｄおよび酸化剤出口２ｅと連絡している。

燃料電池システム１は、更に、燃料入口に液状燃料を供給する燃料供給部を構成する燃料ポンプ３と、酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給部を構成する空気ポンプ４と、燃料排液と、生成水の一部と、を収容する回収タンク７と、燃料排液を回収タンクに導く燃料排出路と、生成水の少なくとも一部を回収タンク７に導く生成水排出路と、を具備する。燃料ポンプ３および空気ポンプ４の出力は、通常、所定の制御装置５により制御される。このような制御装置５には、演算部５ａを備えたマイクロコンピュータなどが用いられる。

燃料ポンプ３は、高濃度の補充燃料６ａを含む燃料タンク６および回収タンク７と連絡している。補充燃料は、燃料ポンプ３の上流または下流に設けられた合流部８で、燃料排液６ｂと合流する。その結果、補充燃料６ａにより濃度調整された液状燃料６ｃが、燃料電池の燃料入口２ｂに導かれる。すなわち、燃料ポンプ３は、回収タンク７から、燃料入口２ｂに燃料排液を循環させる循環ポンプとしての役割を担っている。合流部８は、補充燃料６ａと燃料排液６ｂとを一時的に貯蔵するとともに混合する混合タンクを有してもよい。

燃料供給部は、少なくとも燃料ポンプ（第１燃料ポンプ）３を含むが、制御装置５内の燃料ポンプ３を制御する部分、燃料タンク６および補充燃料を燃料排液と合流させる合流部８の少なくとも１つを、燃料供給部の一部と解釈してもよい。また、燃料供給部は、別途、回収タンク７から合流部８に燃料排液６ｂを導く循環ポンプ（第２燃料ポンプ）を含んでもよい。燃料供給部は、更に、燃料タンク６と合流部８との間に、合流部８へ導かれる補充燃料６ａの量を制御するための補充燃料ポンプ（第３燃料ポンプ）を含んでもよい。第２および第３燃料ポンプの出力は、上記の制御装置５により制御すればよい。

液状燃料６ｃは、燃料入口２ｂから燃料流路に導入され、燃料を消費しつつ流路を通過し、最終的には二酸化炭素を含んだ燃料排液として燃料出口２ｃから排出される。燃料排液中の燃料濃度は減少しているが、未反応燃料を含むため、二酸化炭素を分離した後、再利用に供される。そのために、燃料排液は、燃料出口２ｃと回収タンク７とを連絡する燃料排出路９を通って、回収タンク７に回収される。二酸化炭素の分離方法は、特に限定されないが、例えば、回収タンク７に窓部を設け、当該窓部を、二酸化炭素を通過させる気液分離膜で塞ぐことにより、外部に排出することができる。

気液分離膜１１４には、撥水性材料が好ましく用いられる。例えば、ポリテトラフルオロエチレンの粒子を溶着によりシート状に成型した材料などが用いられる。このような材料は、水蒸気を通過させるため、回収タンク７内の液量が過剰に多くなった場合には、回収タンク７の加熱などを行うことで、気液分離膜１１４を介して水分を水蒸気として外部に放出することができる。一方、回収タンク７内の液量が過剰に少なくなると、補充燃料を希釈することが困難になるため、回収タンク７を冷却するなどして、液量を調整することが好ましい。

空気ポンプ４は、外部から空気を取り込み、酸化剤として燃料電池の酸化剤入口２ｄに導く役割を果たす。酸化剤供給部は、少なくとも空気ポンプ４を含むが、制御装置５内の空気ポンプ４を制御する部分を酸化剤供給部の一部と解釈してもよい。空気は、酸化剤入口２ｄから酸化剤流路に導入され、酸素を消費しつつ流路を通過し、最終的には水蒸気（生成水）を含んだ流体として、酸化剤出口２ｅから排出される。生成水は、燃料電池本体２ａと回収タンク７とを連絡している生成水排出路１０１を通って、回収タンク７に回収される。

図３Ａおよび３Ｂを参照して、回収タンクの具体的な構成の一例について説明する。
回収タンク７は、例えば、上部に窓部１１３ａを有し、液面に対して垂直かつ互いに対向する一対の側壁１１３ｂを有する容器１１３を含み、窓部１１３ａを、二酸化炭素や水蒸気を通過させる気液分離膜１１４で塞ぐようにして構成される。回収タンク７は、一対の側壁１１３ｂに設けられ、かつ互いに対向する一対の電極７ａと、一対の電極７ａ間の静電容量から回収タンク７内の水位を検知する水位検知部と、を具備する。一対の電極７ａの少なくとも一方は、抵抗加熱機構を有する。更に、燃料電池システムは、所定の温度以下で抵抗加熱機構を作動させる制御部を有する。なお、図１の場合、水位検知部および制御部は、制御装置５に内蔵されている。回収タンク７の材質としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。

回収タンク７では、排出された流体から生成水の一部を分離し、残部を外部に放出する。燃料としてメタノールを用いる場合、理論上は、アノードで水が１モル消費される毎に、カソードで水が３モル生成する。したがって、生成水のうち、１モル分の量の水を回収することにより、理論上は、システム内の水量をほぼ一定に維持することができる。残りの２モル分の量の水は回収タンク７の気液分離膜などを介して外部に放出される。

一対の電極７ａはいわゆるコンデンサとして機能する。一対の電極７ａから構成されるコンデンサの静電容量は、回収タンク７内の水の量の増減（水位の変化）によって変化する。制御部から一対の電極７ａに信号を送ると、一対の電極７ａ間の静電容量の変化に応じて信号の波形が変化する。水位検知部は、一対の電極７ａ間の静電容量と回収タンク７内の水位との関係、信号の波形の変化などの静電容量に関する情報から、回収タンク７内の水位を検知する。水位検知部は、コンデンサの静電容量および／または信号の波形の変化と、回収タンク７内の水位との関係を記憶する記憶部を有することが好ましい。

互いに対向する一対の電極７ａは、回収タンク７の側壁１１３ｂに設けられる。一対の電極７ａの少なくとも一方は、抵抗加熱機構を有する。例えば、電極を高い電気抵抗を有する材料で構成し、電極に電流を印加する機構を設ける。一対の電極７ａは、二次電池１０３と接続されており、二次電池１０３から抵抗加熱機構に電流が供給される。回収タンク７内の凍結のおそれがある低温環境下では、抵抗加熱機構を作動させることで、回収タンク７内部の温度または外気温度が低い場合でも、凍結を防ぐことができる。更に、抵抗加熱機構で加熱された水を、燃料ポンプを通じて循環させることで、スタックの凍結も防止することができる。

上記のように、水位を検知するための一対の電極７ａの少なくとも一方が、コンデンサとしての機能に加え、抵抗加熱装置としても機能することで、部品数を減らすことができる。よって、燃料電池システムのコストの低減に繋がる。更に、燃料電池システムに占める発電部の体積を大きくでき、体積効率の低下を防止できる。

燃料電池システムは、回収タンク７内部の温度または外気温度を検知する温度検知部（図示せず）を具備することが好ましい。この場合、回収タンク７内部の温度または外気温度が所定の温度以下になったことを温度検知部が検知すると、制御部は抵抗加熱機構を作動させる。このようにすることで、低温環境下において、効率よく液温を制御でき、回収タンク７内の凍結の防止に有効である。

一対の電極７ａは、抵抗加熱機構を発現可能な高い電気抵抗を有する材質からなることが好ましい。具体的には、鉄−クロム合金、ニッケル−クロム合金などが挙げられる。これらの材質は、一般的な水位検知用電極として用いられる銅、アルミニウム、ステンレス鋼などと比べて高い電気抵抗を有するため、電極として好適である。また、電極の電気抵抗が高くても、水位を検知する際の影響は非常に小さい。

電極としては、上記の材質からなる導電性シート、線材などを用いることができる。電極は、回収タンクの側面の全面に設けられていなくてもよい。例えば、電極は、上記の側壁の少なくとも回収タンク底部側に均等に設けられていればよい。回収タンク底部側とは、回収タンクの高さをＨとするとき、底部側から０．５Ｈの領域である。回収タンクに一対の電極を設ける方法としては、例えば、ＰＰ製の回収タンクの側壁に線材を埋設すること、回収タンクの側壁にポリイミド製のフィルムやシリコンゴム製のシートで覆った電極を貼り付けることなどが挙げられる。

少なくとも回収タンク底部側に均等に線材が設けられていれば、回収タンク内の液量が少なくても水位を検知することができ、かつ、回収タンク内の凍結を十分に防止することができる。回収タンク内を効率よく加熱しやすく、かつ均等に配置しやすい観点から、図４Ａおよび４Ｂに示すように、線材４０１は、サーペンタイン状に回収タンク７の側壁１１３ｂに設けられていることが好ましい。

燃料電池システムは、燃料電池の発電により供給される電力を蓄電する二次電池を具備することが好ましい。この場合、二次電池を、抵抗加熱機構を有する電極と接続することにより、二次電池から抵抗加熱機構に電力を供給することができる。二次電池から抵抗加熱機構に電力を供給することで、燃料電池の運転を停止した状態でも、抵抗加熱機構を作動させることができる。この場合、燃料電池システムは、二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を検知する充電状態検知部および二次電池から抵抗加熱機構に電力を供給する放電制御部１０４を具備することがより好ましい。充電状態検知部が所定の下限値未満のＳＯＣを検知すると、制御部は放電制御部を制御して電極の抵抗加熱機構を停止させ、燃料電池の発電を開始させる。一方、充電状態検知部が所定の上限値以上のＳＯＣを検知すると、制御部は燃料電池の発電を停止し、放電制御部を制御して抵抗加熱機構を作動させる。なお、図１の場合、充電状態検知部は制御装置５に内蔵されている。

本発明の燃料電池システムは、水との親和性が高く、常温で液体の燃料を使用する全ての直接酸化型燃料電池に適用可能である。そのような燃料の例としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、蟻酸、エチレングリコール等の炭化水素系液体燃料を挙げることができる。

メタノールを用いる場合、燃料電池のアノードに送られるメタノール水溶液の濃度は、１ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましい。より好ましいメタノール水溶液の濃度は、３ｍｏｌ／Ｌ〜５ｍｏｌ／Ｌである。燃料として使用するメタノール水溶液は、濃度が高いほど、燃料電池システムを小型化するために有利である。一方、メタノール水溶液の濃度が高すぎると、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）が多くなるおそれがある。

本発明の燃料電池システムは、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器における電源として有用である。また、本発明の燃料電池システムは、電動スクータ用電源等の用途にも応用することができる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ 燃料電池本体
２ｂ 燃料入口
２ｃ 燃料出口
２ｄ 酸化剤入口
２ｅ 酸化剤出口
３ 燃料ポンプ
４ 空気ポンプ
５ 制御装置
５ａ 演算部
６ 燃料タンク
６ａ 補充燃料
６ｂ 燃料排液
６ｃ 液状燃料
７ 回収タンク
７ａ 電極
８ 合流部
９ 燃料排出路
１０ セル
１０１ 生成水排出路
１０３ 二次電池
１０４ 放電制御部
１１３ 容器
１１３ａ 窓部
１１３ｂ 側壁
１１４ 気液分離膜
４０１ 線材

Claims (6)

1. 少なくとも１つのセルと、液状燃料を導入する燃料入口と、燃料排液を放出する燃料出口と、酸化剤を導入する酸化剤入口と、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口と、を有する燃料電池と、
   前記燃料入口に前記液状燃料を供給する燃料供給部と、
   前記酸化剤入口に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   前記燃料排液と、前記生成水の一部と、を収容する回収タンクと、
   前記燃料排液を前記回収タンクに導く燃料排出路と、
   前記生成水の少なくとも一部を前記回収タンクに導く生成水排出路と、を具備し、
   前記回収タンクは、
   液面に対して垂直かつ互いに対向する一対の側壁と、
   前記一対の側壁に設けられ、かつ互いに対向する一対の電極と、
   前記一対の電極間の静電容量に関する情報から、前記回収タンク内の水位を検知する水位検知部と、を具備し、
   前記一対の電極の少なくとも一方が、抵抗加熱機構を有し、
   更に、所定の温度以下で前記抵抗加熱機構を作動させる制御部を有する、燃料電池システム。
2. 前記抵抗加熱機構を有する電極が、鉄−クロム合金またはニッケル−クロム合金を含む導電性シートからなる、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記抵抗加熱機構を有する電極が、鉄−クロム合金またはニッケル−クロム合金を含む線材からなり、前記線材が、前記側壁の少なくとも回収タンク底部側に均等に配置されている、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記線材が、サーペンタイン状に前記側壁に配置されている、請求項３記載の燃料電池システム。
5. 更に、前記回収タンク内部の温度または外気温度を検知する温度検知部を具備し、
   前記回収タンク内部の温度または外気温度が所定の温度以下になると、前記抵抗加熱機構が作動する、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 更に、前記燃料電池の発電により供給される電力を蓄電する二次電池を具備し、
   前記二次電池が、前記抵抗加熱機構に電力を供給する、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。

Images