JP4714461B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、高分子固体形燃料電池のエネルギー密度の向上する技術であり、特に生成した生成水を回収し燃料源として、もしくは、燃料と混合して用いる技術に関するものである。

近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、より高エネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物が無い、もしくは、少ないといった特徴がある。従って次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであると言われている。

燃料電池における電極反応は、水素と酸素による水生成反応、もしくは、メタノールと酸素による水と二酸化炭素の生成反応である。いずれの場合においても反応により反応部において水が生成する。この生成水は水蒸気として正極から排出ガスとして外部に排出されると共に、電流密度によっては電極近傍で凝縮して滞留する。以上の水蒸気及び水を電極近傍から取り除き、回収し、有効に利用する事により、運転条件を良好にしたり、燃料と混合して利用したりして燃料電池のエネルギー密度を向上したりする事ができるため、水の回収及び再利用の技術の開発が進められている。

従来、排出ガス中の水蒸気は、排出ガスをヒートパイプや水中に通すことにより冷却して飽和蒸気圧を低下させ、液化して電極外部で捕捉、回収されていた。また正極近傍で滞留した水は、ガス拡散層を繊維状カーボンで作製し、繊維方向を一方向にすることで水の流れを一定方向に促進させたり、ガス拡散層の撥水度合いを変化させたりして電極近傍に水が滞留しないようにし、電極外部で水を捕捉して回収されていた。

以上のようにして回収された水は温度調節用の冷却水や水素反応、燃料電池反応に用いられる。そのため回収された水を電極外部で回収された生成水を一旦貯留し、有効部に供給するために、コンプレッサーやウォーターポンプを用いられる例が多く見られる。例えば水素発生反応に生成水を利用するために、反応器に生成水を噴射する噴射機や水量を制御する制御ユニット、生成水を噴射機に供給するポンプが用いられる例がある（例えば特許文献１参照）。特許文献１に示されているシステム構成図を図６に示した。これによると、燃料電池１５から流出した生成水は、凝縮器１００に回収され、噴射機１１０により反応部１３に送られる。凝縮器１００は、反応部１３への水供給量を安定にするための水位計１０１や噴射機１１０に水を供給するためのポンプ１０２、水タンク１１１から凝縮機１００に水を送るポンプ１０３、送る水量を調節するための制御ユニット１０４から構成されている。
特開２００２−０８０２０２号公報（第５−８頁、第１図）

しかし、生成水を回収し有効利用するために発明された従来の構造では、その目的にも拘らず出力やエネルギー密度が低下する問題を生じる。それは、生成水を回収して利用するために設置されるコンプレッサーやポンプ類、噴射機といった回収用機器は、駆動するための電力を必要とするからである。このコンプレッサーやポンプの駆動のために燃料電池の出力の一部を消費することとなり、その消費電力は燃料電池の出力の３０％から６０％にも及ぶ。従って外部のデバイスで用いることが可能な燃料電池の出力や出力量が半減してしまい、問題である。

更に、これらの回収用機器の体積が大きいため、燃料電池の小型化が困難となる問題がある。

また、これらを制御する制御ユニットは、やはり体積増大の原因であり、電力を消費するとともに、部品点数が増すために製造コストが増加する。

以上の問題から、燃料電池は体積が小さく高容量であることを要求されているため、従来の構造は極めて不利である。ここで少なくとも、燃料電池の反応部に燃料を供給することと、生成水を回収することが同一の機器で行うこと、更に好ましくは、こういったポンプ類を一切用いずに燃料の供給及び生成水を回収し、利用することが課題である。

本発明は、燃料電池の正極での生成水を回収して、燃料電池反応に用いるか、もしくは、燃料を発生させるための燃料用物質として用いることにより、燃料電池が予め保持する水分量を減量すること、及び、生成水回収から利用までに必要な電力を低減することにより、燃料電池のエネルギー密度や出力の向上が可能となる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、第１の水素発生物質を貯蔵する液体貯蔵部と、第２の水素発生物質を貯蔵し、第１の水素発生物質と第２の水素発生物質を反応させて水素を発生させる反応部と、第１の水素発生物質を液体貯蔵部から反応部に供給し、反応部から液体貯蔵部への第１の水素発生物質の逆流を防止する第１の逆止弁を有する供給路と、水素を貯蔵する負極室と、空気を取り入れる空気取り入れ口を有する正極室と、負極室と正極室に挟まれ、水素を電気化学反応させて発電を行う燃料電池と、反応部から負極室へ水素を供給する水素流通路と、燃料電池が正極室内に生成した生成水を貯蔵する凝縮器と、生成水を正極室から凝縮器に供給し、凝縮器から正極室への生成水の逆流を防止する第２の逆止弁を有する連結路と、記生成水を凝縮器から液体貯蔵部に供給し、液体貯蔵部から凝縮器への生成水の逆流を防止する第３の逆止弁を有する導水路と、を有する構成としている。

また、燃料電池システムの構成が、水素を発生することが出来る液体の水素発生物質を貯蔵する液体貯蔵部と、前記水素発生物質を反応させて水素を発生する反応部と、前記液体貯蔵部から前記反応部に前記水素発生物質を供給する供給路と、前記供給路に設置され、前記反応部から前記液体貯蔵部への前記水素発生物質の流れを遮断する第一の逆止弁と、酸素と前記反応部で発生した水素を電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池と、前記燃料電池の正極で発生する水を貯留する凝縮器と、前記燃料電池の正極が接する空間（以下正極室とする）と前記凝縮器とを連結し、前記正極室で発生した水を凝縮器に移動する連結路と、前記液体貯蔵部と前記凝縮器とを連結し、前記凝縮器に貯留された水を前記液体貯蔵部に放出する導水路とを具備し、水素が存在する前記供給路の前記第一の逆止弁より前記反応部側、前記反応部、前記燃料電池の負極が接する空間（以下負極室とする）が外部に対して閉じられた系であり、内部に水素がとどまる構造であることを特徴としている。

これにより、以下に示す作用を起こす事が出来、電力を使わずに水素を燃料電池に供給する事が可能となる。作用はまず、燃料電池で水素が消費されると、燃料電池システムが外部に対して閉じられた系であるために、反応部、燃料電池の負極が接する空間（以下負極室とする）が減圧し、次に、液体貯蔵部の内圧より反応部の内圧が低下した場合、液体貯蔵部と反応部との差圧により水素発生物質が反応部に移動して水素発生反応を起こし、その結果反応部が昇圧し、燃料電池に水素が送られることとなり、一方、反応部が昇圧するために液体貯蔵部より反応部が高圧になり第一の逆止弁が閉鎖され、水素発生物質の移動を停止する事が出来るようになる。

更に、燃料電池で発生した水を、電力を使わずに回収し、水素の原料として利用する事が可能となる。つまり、燃料電池の正極においては、（１）式に示す半反応式により、生成水が生じる。

１／２O₂ ＋ ２H⁺ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ （１）
本構造では、正極室、連結路、凝縮器、導水路、液体貯蔵部が順に連結しているため、液体貯蔵部から水素発生物質が移動することにより液体貯蔵部が減圧すると、正極室と液体貯蔵部に圧力差が生じ、生成水は連結路、凝縮器、導水路を通して液体貯蔵部に移動する事が可能となる。更に液体貯蔵部に回収された生成水は、水素発生物質と混合し、水素発生物質として利用する事が可能となる。

以下に水素発生条件について説明する。水素発生条件は、水素発生反応に水や水溶液が関与していることが条件である。好ましくは、電気分解、触媒反応、加水分解などの方法により水や水溶液と反応して水素を発生する事が出来る条件である。更に好ましくは、液体貯蔵部に貯蔵する水素発生物質と条件の組合せの組合せが、（ａ）水素発生物質が酸水溶液もしくは金属塩化物水溶液であり、反応部に加水分解して水素を発生する水素化物を貯蔵すること、（ｂ）水素発生物質が加水分解して水素を発生する水素化物の水溶液であり、反応部に酸もしくは金属塩化物もしくは金属系触媒を貯蔵すること、（ｃ）水素発生物質が酸水溶液であり、反応部に卑金属を貯蔵すること、（ｄ）水素発生物質が塩基性水溶液であり、反応部に両性金属を貯蔵すること、（ｅ）水素発生物質が水であり、反応部に正負２つの電極を備え両電極間に１．２V以上の電圧を印加し、負極発生ガスを捕集すること、（ｆ）水素発生物質が水、アルコール類、エーテル類、カルボニル類、環式飽和炭化水素であり、反応部に水素発生物質の気化器及び金属系触媒及び加熱装置を具備することが挙げられる。上記水素発生物質及び触媒の例を次に示す。（ａ）及び（ｂ）の酸が硫酸、リンゴ酸、クエン酸など、金属塩化物が塩化コバルト、塩化鉄など、水素化物が水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウムなど、（ｂ）の金属系触媒が白金、金、銅、ニッケル、鉄、チタン、ジルコニウム、ルテニウムの単体もしくは合金、（ｃ）の酸が塩酸、硫酸など、金属が鉄、アルミニウムなど、（ｄ）の塩基性水溶液が水酸化ナトリウム水溶液、（ｆ）の金属系触媒が白金、金、銅、ニッケル、鉄など。ただしこれらに必ずしも限定するものでは無い。以上は反応条件において容易に水素を発生することができる。更に好ましくは、上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）である。（ａ）〜（ｄ）の条件によると、水素発生反応に外力が必要なくなるためである。

更に、前記導水路に、前記液体貯蔵部から前記凝縮器への物質の流れを防止する第二の逆止弁を具備することを特徴としている。

これにより、液体貯蔵部に貯蔵された水素発生物質が導水路、凝縮器、更には連結路を通して正極室及び外部に流出することを抑える事ができるようになる。

また、前記連結路に、前記凝縮器から前記燃料電池への物質の流れを防止する第三の逆止弁を具備することを特徴としている。

これにより、凝縮器に到達し貯留された生成水が正極室及び外部に流出することを抑える事ができるようになる。

更に、前記連結路が毛細管、もしくは、親水性部材で構成されることを特徴としている。

これにより、生成水が表面張力により凝縮器への導入されることを促進できるようになる。

また、前記凝縮器上部に、前記凝縮器内に混入した空気を放出するための空気排出口、及び、外部から前記凝縮器内への空気の流れを遮断する第四の逆止弁を具備することを特徴としている。

これにより、連結路を通して凝縮器に混入した空気を、空気排出口から排除できる。更に空気排出口は凝縮器上部に配置するのが好ましい。これにより生成水を優先的に凝縮器から導水路に導入できるようになる。

また、前記凝縮器の底部に接するように前記導水路の一端が配置されていることを特徴としている。

これにより、凝縮器内に空気が有るにも拘らず、凝縮器底部に溜まった水を導水路に導入できるようになる。

更に、前記導水路の一部であり、前記凝縮器内部に備えられた部位である導入部の向きが変化可能であることを特徴としている。

これにより、燃料電池システムの姿勢が変化した場合に導入部の向きが変化し、導水路の端部が凝縮器下部の生成水に浸かる事ができるようになる。

好ましくは、前記導入部が樹脂チューブである。樹脂チューブならば変形の応力が小さく、重力により導入部の向きを変える事が出来るためである。

更に、前記導入部の端部に重錘が取り付けられていることを特徴としている。

これにより、導入部の向きを変化しやすくなる。重錘の仕様条件は、錆びないこと、比重が１より高い事である。それは重錘が水に浸るためである。例えば、貴金属類、ステンレス、セラミック、ニッケル合金などが挙げられる。

前記凝縮器、もしくは、前記連結路が、内部に存在する物質を冷却する冷却機構を具備することを特徴としている。

これにより、内在する水蒸気を液化する事ができるようになる。凝縮器、及び、連結路には、正極近傍を通過した空気、正極で発生した水蒸気及び液水が混入する。これらは正極付近に存在する物質のため温度が４０℃〜９０℃であり、温度の低下により飽和水蒸気圧が低下し、水蒸気を液化することとなる。

前記冷却機構が、前記凝縮器、もしくは、前記連結路の外部に取り付けられた放熱板であることを特徴としている。

これにより、燃料電池システム外部の温度を凝縮器、もしくは、連結路に移動する事ができるようになる。外部の温度とは室内、屋外の環境温度であり、少なくとも４０℃以下であるため、冷却効果が得られる。

また、前記凝縮器の内部に、含水性物質を挿入することを特徴としている。

これにより、凝縮器に流入した生成水を含水性物質に保持する事ができるようになる。更に、含水性物質に導水路端部を固着しておくことも可能である。これにより、含水性物質に蓄えられた生成水を導水路に導入しやすくなる事となる。更に連結路に毛細管や親水性物質を用いた場合、毛細管端部や親水性物質を含水性物質に固着する事により、生成水を含水性物質に取り込みやすくなる。

前記含水性物質として、好ましくは、金属、金属酸化物、樹脂から成る群に含まれる材料を少なくとも一つを用いた多孔質体であることを特徴としている。

また、前記含水性物質を、好ましくは、セルロース、カーボン、ガラス、合成繊維から成る群に含まれる繊維の少なくとも一つとしても良い。

これらは、素材そのものは吸水性を持たなくても毛管力によって吸水性を付与できると同時に、毛管力より大きな圧力により水を取り出しやすい。従って燃料電池システムの姿勢が変わった場合でも含水性物質内に水が保持されると共に、液体貯蔵部から水素発生物質が移動することにより液体貯蔵部が減圧した場合には液体貯蔵部への生成水の移動を行う事が出来るようになる。

以上説明したように、本発明において、電力を用いることなく燃料電池の正極での生成水を液体貯蔵部に回収して、水素を発生させるための水素発生物質として用いることができるようになり、その結果、燃料電池が予め保持する水分量を減量できるようになるため、燃料電池システムのエネルギー密度が向上し、生成水回収から利用までに必要な電力を要しないことにより、燃料電池システムの出力を全てアプリケーションに用いる事が出来るようになり、出力の向上が可能となった。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムの構成図である。構成は以下の通りである。水素を発生することが出来る液体の水素発生物質を貯蔵する液体貯蔵部１０と、水素発生物質を反応させて水素を発生する反応部１３とが、液体貯蔵部１０から反応部１３に水素発生物質を供給する供給路１１により接続されており、反応部１３から液体貯蔵部１０への水素発生物質の流れを遮断する第一の逆止弁１２が供給路１１に具備されており、反応部１３で発生した水素を一旦滞留させる負極室１６と、空気取入口１８から取り入れた酸素を滞留させる正極室１７と、負極室１６と正極室１７が、水素と酸素が電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池１５を狭持して設置され、負極室１６は水素流通路１４により反応部１３と接続されており、また、燃料電池１５の正極で発生する水を貯留する凝縮器２０と、正極室１７と凝縮器２０とが連結路２５にて連結されており、液体貯蔵部１０と凝縮器２０とが導水路３０にて接続されており、連結路２５には第二の逆止弁２６が、導水路３０には第三の逆止弁３１が具備されている。第二の逆止弁２６は、凝縮器２０から正極室１７に向かう向きの物質の流れを停止し、第三の逆止弁３１は、液体貯蔵部１０から凝縮器２０に向かう向きの物質の流れを停止する機能を有する。更に、水素が存在する部位である供給路１１の第一の逆止弁１２より反応部１３側及び反応部１３及び負極室１６が外部に対して閉じられた系であり、内部に水素がとどまる構造になっている。また液体貯蔵部１０は、供給路１１及び導水路３０以外から、物質が液体貯蔵部１０外部に流出する事がない。

ここで、供給路１１、水素流通路１４、導水路３０は内径４ｍｍのステンレス製の管を、連結路２５には内径１ｍｍのステンレス製の管を用いた。また、液体貯蔵部１０は内容積２５ｃｃのアクリル製矩形容器であり、反応部１３は内容積３０ｃｃのアクリル製矩形容器であり、凝縮器２０は内容積２ｃｃのアクリル製円筒形容器である。

更に、液体貯蔵部１０内には水素発生物質としてリンゴ酸水溶液を貯蔵し、反応部１３には水素化ホウ素ナトリウムの粉末を保持した。

また本実施例での凝縮器２０内の構造を、図２に示す。図２は、連結路２５の一端が凝縮器２０上部に設置されており、導水路３０が凝縮器２０と接続されている。導水路３０と凝縮器２０内の導入部３２とは取付部品３４により密閉して接続されており、導入部３２の先端近くに重錘３３が取り付けられており、常に導入部３２先端が凝縮器２０底部に位置するようになっている。導入部３２には内径２ｍｍのシリコーン樹脂製チューブを用い、また、重錘３３には５０ｇのステンレス塊を用いた。

また本実施例で用いた逆止弁を図３に示す。本実施例では逆止弁が、第一〜第三まであるが、いずれも同様の逆止弁を用いた。これは単純なチューブチェックバルブであり、筐体６０に弁体６１が格納されており、弁体６１は筐体６０に規制されずに動作する事が出来る。弁体６１は直径９ｍｍ、厚み１ｍｍのシリコーン樹脂であり、筐体６０はＰＴＦＥ製である。図示した矢印の向きに物質が移動する場合、弁体６１が矢印の向きに押され、弁体６１と筐体６０の間に空隙を生じ、物質が移動する事が可能となる。しかし、矢印と反対向きに物質が移動しようとすると、弁体６１が矢印と反対向きに押され、筐体６０に弁体６１が密着し、物質の移動を停止する。但し、図３に示す逆止弁以外でも逆止機能があれば用いる事が出来る。

本実施例の作用を説明する。まず以下に、燃料電池の発電に関して説明する。反応部１３、水素流通路１４及び負極室１６は、燃料電池１５の発電に伴う水素消費により減圧し、液体貯蔵部１０内圧より低下すると、第一の逆止弁１２が開弁し、液体貯蔵部１０内に貯蔵された水素発生物質であるリンゴ酸水溶液が反応部１３に供給される。リンゴ酸水溶液と水素化ホウ素ナトリウムが接触すると、加水分解により急速に水素を発生するため、水素は水素流通路１４を通って負極室１６に送られ燃料電池１５の発電に供されると共に、反応部１３、水素流通路１４及び負極室１６は液体貯蔵部１０内圧より上昇し、第一の逆止弁１２が閉弁してリンゴ酸水溶液の移動が停止する。

次に、燃料電池１５で生成した水の移動について説明する。燃料電池１５の正極反応で生成した生成水は、空気取入口１８から流入する空気による圧力と液体貯蔵部１０の圧力差により移動する事が出来る。つまり、前記した通り液体貯蔵部１０からリンゴ酸水溶液が反応部１３に移動すると液体貯蔵部１０の内圧が低下するが、第一の逆止弁１２が供給路１１に具備されているため、液体貯蔵部１０に物質が流入することができるのは導水路３０を通してのみである。導水路３０は凝縮器２０と、更に凝縮器２０は連結路２５と、連結路２５は正極室１７と接続されており、導水路３０には正極室１７の圧力がかかるようになっている。正極室１７には、空気取入口１８から流入する空気により大気圧がかかっており、従って液体貯蔵部１０内圧が大気圧より低下すると、正極室１７内の物質が、連結路２５、凝縮器２０、導水路３０に順に流入し、液体貯蔵部１０に流入することとなる。従って、正極室１７で発生した生成水を液体貯蔵部１０に回収する事が可能となる。

更に、正極室１７の生成水が凝縮器２０に送られるのと同時に、第二の逆止弁２６が凝縮器２０に流入した生成水の正極室１７への逆流を防止するため、正極室１７内に生成水が滞留する事がなく、燃料電池１５の運転を安定させる事が出来た。また第三の逆止弁３１により、液体貯蔵部１０内のリンゴ酸水溶液が凝縮器２０に流入することがなかった。

さて前記説明した通り、正極室１７で発生した生成水が液体貯蔵部１０に回収されたため、生成水がリンゴ酸水溶液と混合された。そのため投入した水素化ホウ素ナトリウムの重量に見合ったリンゴ酸水溶液量を液体貯蔵部１０に保持していない場合でも、水素化ホウ素ナトリウムを全量反応する事ができた。具体的には、水素化ホウ素ナトリウムを１０ｇ、及び、リンゴ酸水溶液を２０ｇ用いて燃料電池を発電したところ、水素化ホウ素ナトリウムから水素が発生しなくなるまで連続して発電し続けた。生成水を回収しない場合は、リンゴ酸水溶液を３５ｇ必要な事から、燃料重量として１５ｇを減量する事が出来た。また上記生成水の回収を、電力を用いずに達成する事が出来た。

図４は、本発明に凝縮器内に含水性物質を挿入した模式図である。凝縮器２０に含水性物質２１を具備し、導入管３２を含水性物質２１と接続した。凝縮器２０は、実施例１で説明した通り、図１の燃料電池システムと接続した。

ここで含水性物質２１には細孔のあるニッケル発泡体を用いた。また細孔径を、上部１ｍｍ、下部を１００μｍと傾斜させた。以上により表面張力により細孔内に水を含水する事が可能となり、更に深さ方向に傾斜した細孔径により表面張力の関係で下部に水が溜まり易くなった。従って凝縮器２０に流入した生成水と空気の内、生成水が優先的に含水性物質２１に接続された導入管３２に導入されやすくなる事を確認した。

図５は、本発明による燃料電池システムの構成図である。構成は以下の通りである。水素を発生することが出来る液体の水素発生物質５０を貯蔵する液体貯蔵部１０と、水素発生物質５０を反応させて水素を発生する反応物質５１を保持した反応部１３とが、液体貯蔵部１０から反応部１３に水素発生物質５０を供給する供給路１１により接続されており、反応部１３から液体貯蔵部１０への水素発生物質５０の流れを遮断する第一の逆止弁１２が供給路１１に具備されており、反応部１３で発生した水素を一旦滞留させる負極室１６と、空気取入口１８から取り入れた酸素を滞留させる正極室１７と、負極室１６と正極室１７が、水素と酸素が電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池１５を狭持して設置され、負極室１６は水素流通路１４により反応部１３と接続されており、また、燃料電池１５の正極で発生した生成水５３を貯留する凝縮器２０と、正極室１７と凝縮器２０とが連結路２５にて連結されており、液体貯蔵部１０と凝縮器２０とが導水路３０にて接続されており、連結路２５には第二の逆止弁２６が、導水路３０には第三の逆止弁３１が具備されている。第二の逆止弁２６は、凝縮器２０から正極室１７に向かう向きの物質の流れを停止し、第三の逆止弁３１は、液体貯蔵部１０から凝縮器２０に向かう向きの物質の流れを停止する機能を有する。更に、水素が存在する部位である供給路１１の第一の逆止弁１２より反応部１３側及び反応部１３及び負極室１６が外部に対して閉じられた系であり、内部に水素がとどまる構造になっている。また液体貯蔵部１０は、供給路１１及び導水路３０以外から、物質が液体貯蔵部１０外部に流出する事がない。

更に凝縮器２０の上部には、凝縮器２０内に混入した空気を外部に排出するための空気排出口４０と、外部から空気が混入することを防ぐための、凝縮器２０から外部に流れる向きが流通方向である第四の逆止弁４１を具備した。また正極室１７と凝縮器２０の位置関係は、正極室１７が常に凝縮器２１より高位置になるように配置した。

ここで、供給路１１、水素流通路１４、導水路３０、空気排出口４０は内径４ｍｍのステンレス製の管を、連結路２５には内径２ｍｍのステンレス製の管を用いた。また、液体貯蔵部１０は内容積１００ｃｃのステンレス製円筒形容器であり、反応部１３は内容積１００ｃｃのステンレス製円筒形容器であり、凝縮器２０は内容積１０ｃｃのステンレス製円筒形容器である。

更に、液体貯蔵部１０内には水素発生物質５０としてクエン酸水溶液を貯蔵し、反応部１３には反応物質５１として水素化ホウ素ナトリウムの粉末を保持した。

また本実施例で用いた逆止弁は、第一〜第四の逆止弁全て、図３の通りである。これは単純なチューブチェックバルブであり、筐体６０に弁体６１が格納されており、弁体６１は筐体６０に規制されずに動作する事が出来る。弁体６１は直径９ｍｍ、厚み１ｍｍのシリコーン樹脂であり、筐体６０はＰＴＦＥ製である。図示した矢印の向きに物質が移動する場合、弁体６１が矢印の向きに押され、弁体６１と筐体６０の間に空隙を生じ、物質が移動する事が可能となる。しかし、矢印と反対向きに物質が移動しようとすると、弁体６１が矢印と反対向きに押され、筐体６０に弁体６１が密着し、物質の移動を停止する。但し、図３に示す逆止弁以外でも逆止機能があれば用いる事が出来る。

本実施例の作用を説明する。まず以下に、燃料電池の発電に関して説明する。反応部１３、水素流通路１４及び負極室１６は、燃料電池１５の発電に伴う水素消費により減圧し、液体貯蔵部１０内圧より低下すると、第一の逆止弁１２が開弁し、液体貯蔵部１０内に貯蔵された水素発生物質であるリンゴ酸水溶液が反応部１３に供給される。リンゴ酸水溶液と水素化ホウ素ナトリウムが接触すると、加水分解により急速に水素を発生するため、水素は水素流通路１４を通って負極室１６に送られ燃料電池１５の発電に供されると共に、反応部１３、水素流通路１４及び負極室１６は液体貯蔵部１０内圧より上昇し、第一の逆止弁１２が閉弁してリンゴ酸水溶液の移動が停止する。

次に、燃料電池１５で生成した水の移動について説明する。燃料電池１５の正極反応で生成した生成水は、空気取入口１８から流入する空気による圧力に対する液体貯蔵部１０の圧力の差により移動する事が出来る。つまり、前記した通り液体貯蔵部１０からリンゴ酸水溶液が反応部１３に移動すると液体貯蔵部１０の内圧が低下するが、第一の逆止弁１２が供給路１１に具備されているため、液体貯蔵部１０に物質が流入することができるのは導水路３０を通してのみである。導水路３０は凝縮器２０と、更に凝縮器２０は連結路２５と、連結路２５は正極室１７と接続されており、導水路３０には正極室１７の圧力がかかるようになっている。正極室１７には、空気取入口１８から流入する空気により大気圧がかかっており、従って液体貯蔵部１０内圧が大気圧より低下すると、正極室１７内の物質が、連結路２５、凝縮器２０、導水路３０に順に流入し、液体貯蔵部１０に流入することとなる。従って、正極室１７で発生した生成水を液体貯蔵部１０に回収する事が可能となる。

更に、正極室１７の生成水が凝縮器２０に送られるのと同時に、第二の逆止弁２６が凝縮器２０に流入した生成水の正極室１７への逆流を防止するため、正極室１７内に生成水が滞留する事がなく、燃料電池１５の運転を安定させる事が出来た。また第三の逆止弁３１により、液体貯蔵部１０内のリンゴ酸水溶液が凝縮器２０に流入することがなかった。

更に、第四の逆止弁４１には、凝縮器２０側から凝縮器２０内の圧力が、反対側から大気圧がかかっている。生成水が正極室１７から凝縮器２０内に流入する場合、大気圧と正極室１７と凝縮器２０の高低差からくる水圧を受けるため、生成水は重力によっても凝縮器内に流入する事が出来る。ここで空気排出口４０を設置したために、連結路２５に空気が混入した場合、生成水が重力によって凝縮器２０に流入するのと同時に、空気排出口４０から空気を排出する事ができた。また、液体貯蔵部１０には空気を混入していない生成水を回収する事ができた。

さて前記説明した通り、正極室１７で発生した生成水が液体貯蔵部１０に回収されたため、生成水がクエン酸水溶液と混合された。そのため投入した水素化ホウ素ナトリウムの重量に見合ったクエン酸水溶液量を液体貯蔵部１０に保持していない場合でも、水素化ホウ素ナトリウムを全量反応する事ができた。具体的には、水素化ホウ素ナトリウムを３０ｇ、及び、クエン酸水溶液を７０ｇ用いて燃料電池を発電したところ、水素化ホウ素ナトリウムから水素が発生しなくなるまで連続して発電し続けた。生成水を回収しない場合は、クエン酸水溶液を１２０ｇ必要な事から、燃料重量として５０ｇを減量する事が出来た。また上記生成水の回収を、電力を用いずに達成する事が出来た。

本発明による燃料電池システムの構成図である。 本発明による燃料電池システムの凝縮器内の構成図である。 本発明による燃料電池システムに用いる逆止弁の例である。 本発明による凝縮器内に含水性物質を挿入した模式図である。 本発明による燃料電池システムの斜視図である。 背景技術に示す従来例である。

符号の説明

１０ 液体貯蔵部
１１ 供給路
１２ 第一の逆止弁
１３ 反応部
１４ 水素流通路
１５ 燃料電池
１６ 負極室
１７ 正極室
１８ 空気取入口
２０ 凝縮器
２１ 含水性物質
２５ 連結路
２６ 第二の逆止弁
３０ 導水路
３１ 第三の逆止弁
３２ 導入部
３３ 重錘
３４ 取付部品
４０ 空気排出口
４１ 第四の逆止弁
５０ 水素発生物質
５１ 反応物質
５３ 生成水
６０ 筐体
６１ 弁体
１００ 凝縮器
１０１ 水位計
１０２ ポンプ
１０３ ポンプ
１０４ 制御ユニット
１１０ 噴射機
１１１ 水タンク
矢印 逆止弁の送液方向を示す

Claims (15)

1. 第１の水素発生物質を貯蔵する液体貯蔵部と、
   第２の水素発生物質を貯蔵し、前記第１の水素発生物質と前記第２の水素発生物質を反応させて水素を発生させる反応部と、
   前記第１の水素発生物質を前記液体貯蔵部から前記反応部に供給し、前記反応部から前記液体貯蔵部への前記第１の水素発生物質の逆流を防止する第１の逆止弁を有する供給路と、
   前記水素を貯蔵する負極室と、空気を取り入れる空気取り入れ口を有する正極室と、前記負極室と前記正極室に挟まれ、前記水素を電気化学反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記反応部から前記負極室へ前記水素を供給する水素流通路と、
   前記燃料電池が前記正極室内に生成した生成水を貯蔵する凝縮器と、
   前記生成水を前記正極室から前記凝縮器に供給し、前記凝縮器から前記正極室への前記生成水の逆流を防止する第２の逆止弁を有する連結路と、
   前記生成水を前記凝縮器から前記液体貯蔵部に供給し、前記液体貯蔵部から前記凝縮器への前記生成水の逆流を防止する第３の逆止弁を有する導水路と、
   を有する燃料電池システム。
2. 水素を発生することが出来る液体の第１の水素発生物質を貯蔵する液体貯蔵部と、
   前記第１の水素発生物質を反応させて水素を発生する反応部と、
   前記液体貯蔵部から前記反応部に前記第１の水素発生物質を供給する供給路と、
   前記供給路に設置され、前記反応部から前記液体貯蔵部への前記第１の水素発生物質の流れを遮断する第一の逆止弁と、
   酸素と前記反応部で発生した水素を電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池と、
   前記燃料電池の正極で発生する水を貯留する凝縮器と、
   前記燃料電池の正極が接する空間（以下正極室とする）と前記凝縮器とを連結し、前記正極室で発生した水を凝縮器に移動する連結路と、
   前記液体貯蔵部と前記凝縮器とを連結し、前記凝縮器に貯留された水を前記液体貯蔵部に放出する導水路とを具備し、
   水素が存在する前記供給路の前記第一の逆止弁より前記反応部側、前記反応部、前記燃料電池の負極が接する空間（以下負極室とする）が外部に対して閉じられた系であり、内部に水素がとどまる構造であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記導水路に、前記液体貯蔵部から前記凝縮器への物質の流れを防止する第二の逆止弁を具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記連結路に、前記凝縮器から前記燃料電池への物質の流れを防止する第三の逆止弁を具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記連結路が毛細管、もしくは、親水性部材で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記凝縮器上部に、前記凝縮器内に混入した空気を放出するための空気排出口、及び、外部から前記凝縮器内への空気の流れを遮断する第四の逆止弁を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記凝縮器の底部に接するように前記導水路の一端が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記導水路の一部であり、前記凝縮器内部に備えられた部位である導入部の向きが変化可能であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記導入部が樹脂チューブであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記導入部の端部に重錘が取り付けられていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記凝縮器、もしくは、前記連結路が、内部に存在する物質を冷却する冷却機構を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
12. 前記冷却機構が、前記凝縮器、もしくは、前記連結路の外部に取り付けられた放熱板であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記凝縮器の内部に、含水性物質を挿入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
14. 前記含水性物質が、金属、金属酸化物、樹脂から成る群に含まれる材料を少なくとも一つを用いた多孔質体であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記含水性物質が、セルロース、カーボン、ガラス、合成繊維から成る群に含まれる繊維の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。

Images