JP4401257B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、ダイレクトメタノール燃料電池システムに関し、具体的には、ダイレクトメタノール燃料電池システムを安定的に運転するための温度管理構造に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。

このＤＭＦＣは４０〜１００℃程度の作動温度範囲を有し、高い温度域で作動させる方が電極におけるメタノール酸化反応の活性が高まり、電極の単位面積あたりの電流密度を大きくすることができ性能が向上する。一方、メタノール水溶液の沸点は低く、アノードから排出された排メタノール水溶液を十分に冷却して凝縮しないと、メタノールが外部に放出され、メタノールの消費量が増加してしまうため、アノードに供給するメタノール水溶液とアノードあるいはカソードからの排出物（排メタノール水溶液、生成水）とを熱交換する構成が採られている。
特開２００４−１７８８１８号公報

上記のように、ＤＭＦＣは高い温度域で作動させる方が、性能が向上するが、ＤＭＦＣを含む固体高分子形燃料電池に用いられる固体高分子膜は有機系溶剤に溶解する性質を有し、特に、この溶解度は有機系溶剤の温度を上げることにより顕著になるため、ＤＭＦＣの作動温度を高め、７５℃以上のメタノール水溶液と固体高分子膜とが接触するようになると、固体高分子膜が溶解し、ＤＭＦＣ内部の固体高分子膜の劣化を促進させ、ＤＭＦＣの寿命（信頼性）を著しく低下させてしまうという問題がある。そこで、ＤＭＦＣの温度は、５０〜７０℃望ましくは６０℃±３℃の温度域で作動させることが望ましい。

また、ＤＭＦＣに供給するメタノール水溶液は０．５〜４ｍｏｌ／Ｌ望ましくは０．８〜１．５ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整したものを用いるが、メタノールは６４．７℃に沸点を有するため、メタノール水溶液の温度が６５℃以上になると、メタノール水溶液の流通経路において、メタノールが気化しやすくなり、外部に放出されてメタノールの消費量を増加させたり、電極におけるメタノール水溶液の拡散性を阻害したり、などの問題もある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、メタノール水溶液の流通経路における温度管理と、電極でのメタノール酸化反応の活性と固体高分子膜の劣化の抑制とを考慮したＤＭＦＣの温度管理を適切に実現するＤＭＦＣシステムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、液体燃料を用いて発電する燃料電池と、前記液体燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、前記燃料電池からの排出物質を回収する排出物質回収手段と、前記排出物質を冷却する熱媒体を前記排出物質回収手段へ供給する熱媒体供給手段と、を備える燃料電池システムにおいて、前記熱媒体は、前記燃料電池を冷却することを特徴とする。

ここで、燃料供給手段とは、メタノールなどを含む液体の燃料を燃料電池へ供給するための配管などをいい、アクティブ形の燃料電池であればポンプなどの圧送装置、あるいは、液体燃料を貯蔵するタンクなどを含んでも良い。また、排出物質回収手段とは、燃料電池のアノードから排出される排メタノール水溶液などの排燃料や二酸化炭素、あるいは、カソードから排出される排空気などの排酸化剤や生成水を回収するための配管などをいい、必要に応じて排出用のポンプや、発電に再利用されない二酸化炭素などの成分を分離して系外へ排出する分離器などを含んでも良い。上記の構成によれば、発電に再利用することができる排出物質を冷却することで、十分に凝縮して系外に無駄に排出することなく循環させることができ、しかも、燃料電池の温度を安定させることが可能となる。

上記の構成に加え、前記排出物質回収手段に設けられ、前記熱媒体と前記排出物質との間で熱交換を行うと共に前記燃料電池に供給される前記液体燃料と前記排出物質との間で熱交換を行う熱交換部を備えてもよい。熱媒体と排出物質との熱交換に加え、燃料電池に供給される液体燃料と排出物質との間で更に熱交換することにより、排出物質は更に温度が低下し、十分に凝縮される。また、燃料電池に供給される液体燃料は温度が上昇しているので、アノードに浸透するとすぐにメタノール酸化反応が開始される。

そして、前記熱媒体は、前記燃料電池システムの外部から流入される流体であり、前記燃料電池と前記排出物質とを冷却して前記燃料電池システムの外部に排出されるようにしてもよい。これによれば、熱媒体が流体なので、ファンやコンプレッサのような熱媒体供給手段により、燃料電池システム内に熱媒体を供給することでき、この流体が燃料電池からの排出物質や燃料電池自体を冷却して外部へ排出されるので、簡易な装置で燃料電池システムの温度管理をすることが可能となる。

また、前記燃料電池システムの内部に設けられ、前記燃料電池と前記排出物質回収手段とが設置される燃料電池室と、前記燃料電池室に設けられ、前記熱媒体が前記燃料電池室へ流入する熱媒体流入部と、前記燃料電池室に設けられ、前記熱媒体が前記燃料電池室から流出する熱媒体流出部と、を備え、前記燃料電池室を流通する前記熱媒体は、前記熱媒体流入部のみから流入し、前記熱媒体流出部のみから流出するようにしてもよい。これによれば、燃料電池室を流通する熱媒体の出入口が限定されるので、流通する経路や各流通路での流量なども任意に設定可能となり、燃料電池システム内の温度管理が容易となる。更に、熱媒体が燃料電池システム外部の空気などの外部から流入される流体である場合には、燃料電池室から燃料電池システム内の他の部分へ空気が出入することが防止されるため、水分を嫌う制御部の電子部品などへ空気と共に水蒸気が流出してしまうことを防止することができる。

そして、前記燃料電池と前記熱媒体流入部とは対向するように配置されており、更に、前記熱交換部と前記熱媒体流出部とは対向するように配置されている。このように配置することにより、燃料電池にはより温度の低い熱媒体が供給され、熱交換部へは燃料電池にて熱交換を行って温度が上昇した熱媒体が供給されるので、燃料電池と排出物質、更には、燃料電池へ供給される液体燃料を適切な温度に設定することが可能となる。また、燃料電池の周囲に隙間を設け、熱媒体の流通路とすることもできる。

また、前記燃料電池は多面形状を有し、前記燃料電池の少なくとも一つの面は前記熱媒体の流通路と隣接するように配置してもよい。特に、燃料電池のエンドプレートは金属製のものが一般的であり、放熱量が大きいので、少なくとも、このエンドプレートの面は夏媒体の流通路と接するようにすれば、燃料電池の温度を適切に管理することが可能となる。また、燃料電池の底部側に位置するエンドプレートにスペーサを配置して熱媒体の流通路とすることもできる。

本発明は、燃料電池システムにおいて、メタノール水溶液の流通経路での温度管理と、燃料電池の温度管理とを適切に実現することができる。

本発明に係るＤＭＦＣシステム１００の構成について、図を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るＤＭＦＣシステム１００の構成を表した模式図であり、ＤＭＦＣシステム１００は、ＤＭＦＣ１１０と、２０ｍｏｌ／Ｌ以上の高濃度のメタノール水溶液あるいは純メタノールが入ったメタノールタンク１２０と、メタノールタンク１２０からのメタノールを１．２ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に希釈し、ＤＭＦＣ１１０へ供給するメタノール水溶液を貯めておくバッファタンク１３０と、電力変換装置や補機類の制御を行う制御部１４０と、熱交換器１５０と、筐体１６０と、軸流ファン１７０と、を備えている。

ＤＭＦＣ１１０のカソード１１２へはエアポンプ１３２から空気が供給され、アノード１１４へはバッファタンク１３０から液体ポンプ１３４を介してメタノール水溶液が供給される。また、ＤＭＦＣ１１０のカソード１１２からは発電に寄与しなかった排空気と反応によって生成された水分が排出され、アノード１１４から発電に寄与しなかった排メタノール水溶液と反応によって生成された二酸化炭素が排出される。ＤＭＦＣ１１０が発電する際の反応は発熱反応であるため、ＤＭＦＣ１１０へ空気とメタノール水溶液を供給することにより、ＤＭＦＣ１１０の温度が上昇する。そこで、ＤＭＦＣ１１０にはサーミスタ１４２あるいはリミッタを取り付けて、ＤＭＦＣ１１０の温度が５５℃となったときから軸流ファン１７０の運転を開始する。筐体１６０の、軸流ファン１７０と対向する位置には空気口１６２を設けることにより、軸流ファン１７０の運転を開始すると、ＤＭＦＣ１１０の周囲を空気が流通し、ＤＭＦＣ１１０は空冷される。これにより、ＤＭＦＣ１１０の温度を６０±３℃に設定することができる。

エアポンプ１３２が外部から空気を供給するので、カソード１１２に供給される空気は２０〜２５℃程度であり、ＤＭＦＣ１１０は軸流ファン１７０による空冷により、温度が６０±３℃に設定される。このＤＭＦＣ１１０からの排空気、水分、排メタノール水溶液、二酸化炭素などは７０℃程度で排出されるので、ＤＭＦＣ１１０に供給するメタノール水溶液と熱交換し、排空気、水分、排メタノール水溶液、二酸化炭素などの排出物を凝縮すると共に、ＤＭＦＣ１１０に供給するメタノール水溶液を予め温める。ここで、排空気、水分、排メタノール水溶液、二酸化炭素などからの排熱量の方が、メタノール水溶液を温めるのに必要な熱量よりも大きいので、熱交換器１５０も軸流ファン１７０により空冷する。これにより、水分や排メタノール水溶液は十分に凝縮されるので、外部から水分を補給する必要性がなくなり、メタノールが外部へ放出されて消費量が増加してしまうことを防止することができる。

上記のような構成を実現するためのＤＭＦＣシステム１００の具体的な構造を、実施例にて説明する。

図２は本実施例のＤＭＦＣシステム２００の斜視図、図３はＤＭＦＣシステム２００の上面図、図４は図３のＡ−Ａ’断面におけるＤＭＦＣシステム２００の断面図である。

実施例において、ＤＭＦＣ２１０、メタノールタンク２２０、バッファタンク２３０、制御部２４０、熱交換器２５０、軸流ファン２７０は、それぞれ図２のように配置され、空気やメタノール水溶液を供給、排出するための配管やポンプは、２８０ａ、ｂのようにユニット化されて、ＤＭＦＣ２１０と熱交換器２５０の両側に配置されている。

図３に示すように、ＤＭＦＣ２１０と配管ユニット２８０ａ、ｂとの間には、数ｍｍ程度の隙間を設けており、ＤＭＦＣ２１０の両側は冷却用空気の流通路となっている。また、筐体２６０の側面２６０ａと２６０ｂ及び壁面２６４ａと２６４ｂは、これらの面によって囲まれるＤＭＦＣ２１０を含む燃料電池室２９０を、外部と遮断すべくＤＭＦＣシステム２００の蓋体２６６と密接するようになっている。従って、燃料電池室２９０は、空気口２６２のみから空気が供給され、軸流ファン２７０のみから空気が排出される構造とし、ＤＭＦＣ２１０は空気口２６２からの空気の流入を遮断しないように、空気口２６２が設けられている側面２６０ａから数ｍｍ程度離した位置に配置する。

次に、図４に示すように、ＤＭＦＣ２１０は底部にスペーサ２１６を配置し、ＤＭＦＣ２１０の両側と同様に数ｍｍ程度の冷却用空気の流通路を設ける。また、ＤＭＦＣ２１０の上面と蓋体２６６との間にも数ｍｍ程度の冷却用空気の流通路ができるようにする。本実施例のＤＭＦＣ２１０では、上下の面が金属製のエンドプレート２１８ａ、ｂとなっており、ＤＭＦＣ２１０の各面の中でも放熱量の多い、特に、底部のエンドプレート２１８ｂは、アノードへのメタノール水溶液供給路とカソードからの排空気及び水分の排出路が形成されているので、温度が高く法熱量が最も多くなる。従って、底部にスペーサ２１６を配置し、冷却用の空気を流通させることにより、効果的にＤＭＦＣ２１０を冷却することができる。

上記のようにＤＭＦＣ２１０の周囲に数ｍｍ程度の隙間を設け、冷却用空気の流通路とすることにより、空気口２６２から流入した空気は、ＤＭＦＣ２１０に当たってＤＭＦＣ２１０の上面、底面及び両側面を流れてＤＭＦＣ２１０から発電による反応熱を奪い、熱交換器２５０へと流入する。このとき、熱交換器２５０に流入する空気は、ＤＭＦＣ２１０の温度が５５℃を超え、軸流ファン２７０が運転を開始した時点においては３０〜３５℃、ＤＭＦＣ２１０が６０℃付近で通常の発電状態であるときには４０℃前後となる。

図２に戻り、熱交換器２５０には、ＤＭＦＣ２１０のカソードから排出された排空気及び水分と、アノードから排出された排メタノール水溶液及び二酸化炭素などが、通常の発電状態であれば７０℃程度で流入する。そして、ＤＭＦＣ２１０からの水分及び排メタノール水溶液を十分に凝縮するために、ＤＭＦＣ２１０に供給するメタノール水溶液と空気口２６２から流入しＤＭＦＣ２１０の発電による反応熱を吸収した空気とで冷却する。この熱交換により、ＤＭＦＣ２１０に供給するメタノール水溶液は、後述するが常温から３５℃程度だったものが６０℃程度まで温められ、ＤＭＦＣ２１０からの水分及び排メタノール水溶液は４０℃程度まで冷却される。ここでＤＭＦＣ２１０から排出される二酸化炭素は溶媒の温度が３０℃を下回ると急激に溶解度が増加するので、熱交換器２５０での水分及び排メタノール水溶液の冷却は、３５℃程度までにするのが望ましい。

熱交換器２５０にて冷却された排空気、水分、排メタノール水溶液、二酸化炭素などはバッファタンク２３０に流入し、ここで気液分離される。熱交換器２５０で４０℃程度に冷却された排空気、水分、排メタノール水溶液、二酸化炭素などがバッファタンク２３０に流入して、通常、バッファタンク２３０の中は３５℃程度になっており、ここで排空気、二酸化炭素などの気体成分は外部に放出され、水分、排メタノール水溶液は再度ＤＭＦＣ２１０へ供給される。
〔その他の事項〕
上記実施例において、空気口２６２は、ＤＭＦＣ２１０に対して上面、底面及び両側面に均等に冷却用空気が流通するように、上下左右対称となるように設けたが、例えば、上面と底面からの放熱量が側面よりも大きくなるような場合には、上面と底面に流れる空気の量が多くなるように、空気口２６２の位置や寸法、スペーサ２１６の高さ寸法、ＤＭＦＣ２１０と蓋体２６６までの距離を変更すると良い。

燃料電池室２９０へは空気口２６２から空気が流入し、軸流ファン２７０にて空気を排出するようにしたが、軸流ファン２７０にて空気を燃料電池室２９０へ導入し、空気口２６２から排出するようにしても良い。但し、このような場合には、空気口２６２の近くに熱交換器２５０を配置し、軸流ファン２７０の近くにＤＭＦＣ２１０を配置する方が、熱バランスを上記実施例と同様に取ることができるものと考えられる。また、上記実施例では、空気の排出に軸流ファン２７０を用いたが、燃料電池室２９０に外部からの空気を取り込むための装置であれば、軸流ファン２７０に限らず、シロッコファン、コンプレッサなどでも良い。

本発明は、電子機器と電子機器に電力を供給するＤＭＦＣシステムとを机上に置いて、電子機器を利用する際に、ＤＭＦＣシステム内の温度管理を適切に行うことで安定して作動させることができ、しかもＤＭＦＣシステムからの排熱を利用者に向けずに配置できる。

本発明のＤＭＦＣシステムの構成を表した模式図である。 本実施例のＤＭＦＣシステムの斜視図である。 本実施例のＤＭＦＣシステムの上面図である。 本実施例のＤＭＦＣシステムの図３におけるＡＡ’断面の断面図である。

符号の説明

１００、２００ ＤＭＦＣシステム
１１０、２１０ ＤＭＦＣ
１１２ カソード
１１４ アノード
１２０、２２０ メタノールタンク
１３０、２３０ バッファタンク
１３２ エアポンプ
１３４ 液体ポンプ
１４０、２４０ 制御部
１４２ サーミスタ
１５０、２５０ 熱交換器
１６０、２６０ 筐体
１６２、２６２ 空気口
１７０、２７０ 軸流ファン
２１６ スペーサ
エンドプレート２１８ａ、ｂ
２６４ａ、ｂ 壁面
２６６ 蓋体
２８０ａ、ｂ 配管ユニット
２９０ 燃料電池室

Claims (6)

1. 液体燃料を用いて発電する燃料電池と、前記液体燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、前記燃料電池からの排出物質を回収する排出物質回収手段と、前記排出物質を冷却する熱媒体を前記排出物質回収手段へ供給する熱媒体供給手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記排出物質回収手段に設けられ、前記熱媒体と前記排出物質との間で熱交換を行うと共に前記燃料電池に供給される前記液体燃料と前記排出物質との間で熱交換を行う熱交換部と、
   前記燃料電池システムの内部に設けられ、前記燃料電池と前記排出物質回収手段とが設置される燃料電池室と、
   前記燃料電池室に設けられ、前記熱媒体が前記燃料電池室へ流入する空気口またはファンからなる熱媒体流入部と、
   前記燃料電池室に設けられ、前記熱媒体が前記燃料電池室から流出するファンまたは空気口からなる熱媒体流出部と、を備え、
   前記燃料電池室を流通する前記熱媒体は、前記熱媒体流入部のみから流入すると共に、前記熱媒体流出部のみから流出し、
   前記燃料電池と前記熱媒体流入部とは対向するように配置すると共に、前記熱交換部と前記熱媒体流出部とは対向するように配置することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記熱媒体は、前記燃料電池システムの外部から流入される流体であり、前記燃料電池と前記排出物質とを冷却して前記燃料電池システムの外部に排出されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の周囲に隙間を設け、前記熱媒体の流通路とす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. 前記燃料電池は多面形状を有し、
   前記燃料電池の少なくとも一つの面は前記熱媒体の流通路と隣接するように配置す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。
5. 前記燃料電池の上下の面は金属製のエンドプレートにより構成されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の底部側に位置するエンドプレートにスペーサを配置して熱媒体の流通路とすることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。

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