JP2013214432A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを横倒しにしても水タンク内の液体が外部へ流出することがなく、運転の安定性及び信頼性に優れた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３から排出される液体を蓄える水タンク１０と、燃料ポンプ１４，１５、空気ポンプ７、制御基板１６から構成される燃料電池システム３において、水タンク１０のタンク内の液面よりも上部にガス排気口１０ａを設け、ガス排気口１０ａには少なくとも半周以上の螺旋軌道部を有するガス排出配管１９を接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、具体的には、燃料電池スタックより排出される液体を燃料の一部として再利用するために蓄える水タンクを有するシステムにおいて、システムを横倒しにされた場合でも水タンク内の液体が外部へ流出しないタンク及び配管構造に関する。

直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）などの固体高分子型燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層したスタックを有する。各単セルは、アノードとカソードの間に固体高分子電解質膜を挟み込んだ構成を有し、アノードおよびカソードは、ともに触媒層および拡散層を含んでおり、アノードには燃料としてメタノール水溶液を供給し、カソードには酸化剤である空気を供給する。

ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでの電気化学反応を、下記反応式（１）および（２）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： ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）
カソード： （３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ （２）
ＤＭＦＣにおいて、燃料として供給されるメタノール水溶液の濃度を一定に保つ事は、安定した発電を実現するために重要である。

また、比較的濃度の低いメタノール水溶液で動作させるＤＭＦＣにおいては、高濃度のメタノール水溶液を貯蔵する燃料タンクの容量を小さくし、システム全体の小型化を図るために、カソードから排出される水蒸気を熱交換器によって凝縮して得た水を燃料タンクからの高濃度燃料に混ぜて所定の濃度に薄めて使用する、つまり、凝縮水を燃料の一部として再利用する事が一般的で、凝縮水は燃料の循環系内に配置された水タンクに蓄えられる。またカソード排出ガスに含まれる二酸化炭素や余剰水蒸気などの気体は水タンクに具備された排気口を通じてシステム外に排出される。

このような凝縮水をタンクに貯蔵し再利用する構造は、水素を燃料とする自動車用燃料電池システムや家庭用定置型燃料電池システムにおいても同様に利用されており、凝縮水は燃料電池に供給される酸化ガスを湿潤するために再利用される。

このような水タンクを有するシステムにおいては、気体を排出する排気口から水が流出しないような手段を講じる必要がある。

例えば、特許文献１および特許文献２には、水タンク内の液面よりも上部に排気口を設けることにより、水を外部へ流出させない技術が開示されている。

特開２００２−３７３６９７号公報 特開２００７−１４９３９０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に示される構造は、システムの姿勢が常に安定している自動車用燃料電池システムや家庭用定置型燃料電池システムにおいては有用であるが、保管スペースの都合により横倒しに保管されたり、振動や衝撃によって倒れたりする可能性のある可搬型燃料電池システムにおいては、排気口を通じてタンク内の水が流出し枯渇すれば、次回の正常運転に支障をきたす可能性がある。

本発明は、システムを横倒しにしてもタンク内の液体が外部へ流出することがなく、運転の安定性及び信頼性に優れた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、アノード電極とカソード電極と電解質膜からなる燃料電池セルまたはその積層体である燃料電池スタックと、燃料電池セルのアノードおよびカソードの少なくとも一方から排出される液体を蓄える水タンクと、燃料ポンプと、空気（酸化剤）ポンプと、制御基板と、から構成され、水タンクはタンク内の液面よりも上部に第１のガス排気口を有し、第１のガス排気口にはガス排出配管が接続され、ガス排出配管が少なくとも半周以上の螺旋軌道部を有することを特徴とする燃料電池システムであって、さらには螺旋軌道部の最内径が、前記水タンクの平面視外形の幅よりも大きいことを特徴している。

本発明の燃料電池システムは、システムが横倒しにされた場合でも、ガス排出配管の螺旋軌道部の一部が必ずタンク内の液面よりも上部に位置されるので、タンク内の液体が外部へ流出する事を防止できる。

本発明によれば、システムを横倒しにしてもタンク内の液体の外部への流出を防止することができるので、特に可搬型燃料電池システムの運転の安定性及び信頼性を向上することが出来る。

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 （ａ）水タンク及びガス排出配管の第１形態外観斜視図、（ｂ）水タンク及びガス排出配管の第１形態外観正面図、（ｃ）水タンク及びガス排出配管の第１形態外観平面図 （ａ）燃料電池システムを正置きした状態の部分断面図、（ｂ）燃料電池システムをＺ方向に倒した状態の部分断面図、（ｃ）燃料電池システムをＸ方向に倒した状態の部分断面図 （ａ）水タンク及びガス排出配管の第２形態外観正面図、（ｂ）水タンク及びガス排出配管の第２形態外観平面図 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

まず図１を参照して本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。なお、図１はシステムの各構成要素の上下方向の高さ関係を限定して示すものではない。

本発明に係る燃料電池システム１は、以下に順に説明するシステム構成要素の全てを内包する筐体２を備えており、この筐体２内には燃料電池スタック３を備えている。燃料電池スタック３はアノード５とカソード４の間に電解質膜６を挟み込んだ構成を有し、アノード５およびカソード４は、ともに触媒層および拡散層を含んでいる。なお実際のスタックにおいては大出力を得るためアノード、カソード、電解質膜から構成される単セルを複数積層した構成を有するが、ここでは簡略化のため単セル形態で図示する。

アノード５には燃料供給器１３から燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード４には空気ポンプ７により酸化剤である空気が供給される。

アノード５からは前記反応式（１）により二酸化炭素と未反応のメタノール水溶液が燃料排液として排出される。一方、カソード４からは前記反応式（２）により生成水と空気がカソード排ガスとして排出される。この時、両排出物は電気化学反応による発熱により高温となっている。

アノード５から排出された燃料排液は、第１熱交換器８によって冷却される。第１熱交換器８における冷媒は例えば空気であり、この場合、冷却装置１７として送風ファンが好適に使用でき、送風ファンよってシステム外の空気を取り込む。

一方、カソード４から排出されたカソード排ガスは、高温高湿の水蒸気状態で第２熱交換器９に送られ、第１熱交換器８によって冷やされた燃料排液を冷媒とした熱交換により凝縮水が得られる。

こうして得られた凝縮水と燃料排液は水タンク１０に設けた図示しない注入口を通じてタンク内に貯蔵される。水タンク１０の周囲にはタンク内水位を検知する水位センサ１１を備え、検知した水位により制御基板１６により冷却装置１７の冷却能力を制御する事によって燃料排液の冷却温度を可変し、第２熱交換器９での凝縮水量をコントロールし水タンク１０内の水位を一定範囲内に保つことが可能となる。具体的には、冷却装置１７に送風ファンを使用する場合、送風ファンの回転数を制御すればよい。

水位センサ１１としては電極式水位センサや圧力センサなどが利用できる。

さらに水は、燃料の一部として再利用するため図示しない排出口を通じて第１燃料ポンプ１４によって吸引され、燃料タンク１２から第２燃料ポンプ１５によって吸引された比較的濃度の高いメタノール水溶液と混合されてアノード５へと循環供給される。

なお、アノード５の直前にはイオン交換器１８を備え、メタノール水溶液中に溶出した金属カチオンなどの不純物をイオン交換する事が長期的に安定した発電を得るために望ましい。

また、熱交換により凝縮されなかった余剰水蒸気や、燃料排液中に含まれる二酸化炭素は、水タンク１０のタンク内の液面よりも上部に開口された第１のガス排気口１０ａと、筐体２に第１のガス排気口１０ａよりも上部に位置するように開口された第２のガス排気口２ａとを繋ぐガス排出配管１９を通じて外部へと放出される。

次に図２（ａ）から図２（ｃ）を用いて本発明の燃料電池システムに含まれる水タンク及びガス排出配管の第１形態について詳細を説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）の如く、ガス排出配管１９ａは第１のガス排気口から第２のガス排気口に向かって少なくとも半周以上の円形螺旋軌道部を有している。

また、図２（ｃ）のようにガス排出配管１９ａの螺旋軌道部の最内径は、水タンク１０の平面視外形の幅よりも外側を通る事が好ましい。ここで、最内径とは、ガス排出管の螺旋軌道の最小直径である。この事による効果を図３（ａ）から図３（ｃ）を使って説明する。

図３（ａ）はシステムを通常使用する正置き状態での水タンク、ガス排出配管、および筐体部分の断面図である。正置きの状態で、タンク内の液面Ｌは常に第１及び第２のガス排気口よりも下部に位置するので、タンク内の液体が外部へ流出することは無い。

図３（ｂ）、図３（ｃ）はそれぞれシステムを図２（ａ）のＺ方向、Ｘ方向に倒した状態での同部分断面図である。この場合、第２のガス排気口はタンクの液面Ｌよりも下部に位置する。

この時、タンク内の液体量つまりタンク内の液面Ｌの高低に関わらず、タンク内の液体の外部への流出を防止するためにはガス排出配管１９ａの螺旋軌道部の最内径が水タンク１０の平面視外形の幅よりも外側を通る、つまりタンク内の液面Ｌよりも螺旋軌道部の一部が常に高い位置を通るようにすれば、第１のガス排気口から流出した液体はタンク内の液面Ｌと同一面Ｌ’で止まり外部へ流出することは無い。（螺旋軌道部の最内径を水タンクの平面視外形の幅よりも内側に通す場合、横倒しにした時のタンク内の液面Ｌが螺旋軌道部よりも常に低くなるようにタンク内の水位を低水位で管理する必要がある。つまりタンクの内容積に対して十分に少ない量の水しか蓄えることが出来ない。）
なお、ガス排出配管の軌道は第１のガス排気口から第２のガス排気口に向かって上り坂となるので配管の内面に結露して溜まった液体を速やかに水タンクへと戻すことができ、配管内の圧力損失低減に有効である。

次に図４（ａ）と図４（ｂ）を用いて本発明の燃料電池システムに含まれる水タンク及びガス排出配管の第２形態について説明する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）の如く、ガス排出配管１９ｂの螺旋形状部は四角螺旋形状を有しており、その最内径は水タンク１０の平面視外形よりも外側を通る。本形態のガス排出配管においても、前記第１形態の円形螺旋配管と同様効果でタンク内の液体の外部流出を防ぐことが出来る。

以上のように、本発明の燃料電池システムによれば、システムを横倒しにされた場合にも水タンク内の液体が排気口を通じて外部へ流出することがなく、安定した発電を行うことが出来るので、特に可搬型燃料電池システムの運転の安定性及び信頼性を向上することが出来る。

なお、本実施の形態においてガス排出配管は円形螺旋形状または四角螺旋形状を用いたが、その他にも三角螺旋形状であっても良いし、それらを組み合わせた形状であっても良い。また、水タンクの形状は直方体に限らず円筒状であっても良い。

次に図５を参照して本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。図５において実施の形態１（図１）とはガス排出管系内に逆止弁を具備した点のみ異なる。

実施の形態２における逆止弁２０は、図５のようにガス排出管系内に具備され、水タンク内の二酸化炭素や余剰水蒸気を外部へ排出する方向にのみ開弁する。発電時はスタックから排出される二酸化炭素や余剰水蒸気の圧力によって弁を開き排出するが、保管時は弁が閉となるため、長期間保管された場合でもタンク内の液体の蒸発による枯渇や、外部からの不純物侵入を防止することができ、システムの信頼性および長期保管性を向上することが出来る。

弁体の構造によって種々の逆止弁が一般に流通しているが、逆止弁の作動する圧力（クラッキング圧力）としては０．５ｋＰａ以上１ｋＰａ以下が望ましい。これはクラッキング圧力が高すぎると配管系内の圧力損失が高まり、空気供給器および燃料供給器の大型化や消費電力増大の原因となり、逆にクラッキング圧力が低すぎると弁による密閉性が低下し保管時にタンク内の液体の蒸発による枯渇や外部からの不純物侵入が発生する危険性があるためである。

以上のように、本発明の実施の形態２においては、前記実施の形態１と同様に横倒しにされてもタンク内の液体の流出を防止できると共に、長期間保管された場合でもタンク内の液体の蒸発による枯渇や外部からの不純物侵入を防止することができ、システムの信頼性および長期保管性を向上することが出来る。

本発明の燃料電池システムは、システムを横倒しにされても水タンク内の液体が外部に流出することがなく、システムの運転の安定性及び信頼性を維持・向上できるので、特に可搬型燃料電池システムとして有用である。例えば、ホームユースの発電装置、工事用発電機、車載用アシスト電源などの用途として利用することができる。

１ 燃料電池システム
２ 筐体
２ａ 第２のガス排気口
３ 燃料電池スタック
４ カソード
５ アノード
６ 電解質膜
７ 空気ポンプ
８ 第１熱交換器
９ 第２熱交換器
１０ 水タンク
１０ａ 第１のガス排気口
１１ 水位センサ
１２ 燃料タンク
１３ 燃料供給器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 第２燃料ポンプ
１６ 制御基板
１７ 冷却装置
１８ イオン交換器
１９、１９ａ、１９ｂ ガス排出配管
Ｌ、Ｌ’ 液面
２０ 逆止弁

Claims (5)

1. アノード電極とカソード電極と電解質膜からなる燃料電池セルまたはその積層体である燃料電池スタックと、
   前記燃料電池セルのアノードおよびカソードの少なくとも一方から排出される液体を蓄える水タンクと、
   燃料ポンプと、空気（酸化剤）ポンプと、制御基板と、から構成される燃料電池システムであって、
   前記水タンクは、タンク内の液面よりも上部に第１のガス排気口を有し、前記第１のガス排気口にはガス排出配管が接続され、前記ガス排出配管が少なくとも半周以上の螺旋軌道部を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記螺旋軌道部の最内径が、前記水タンクの平面視外形の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記螺旋軌道部の形状が、円錐螺旋、四角螺旋、三角螺旋のいずれか、またはそれらを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. アノード電極とカソード電極と電解質膜からなる燃料電池セルまたはその積層体である燃料電池スタックと、
   前記燃料電池セルのアノードおよびカソードの少なくとも一方から排出される液体を蓄える水タンクと、
   燃料ポンプと、空気（酸化剤）ポンプと、制御基板とを収容する筐体と、から構成される燃料電池システムであって、
   前記筐体は第２のガス排気口を有し、前記第２のガス排気口が前記第１のガス排気口よりも上方に位置し、前記第１のガス排気口と第２のガス排気口を前記ガス排出配管で繋いだ事を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス排出配管系内に開弁圧力が０．５ｋＰａ以上１ｋＰａ以下の逆止弁を配置した請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。