JP4894128B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの燃料を水と混合して燃料極に直接供給する液体燃料形燃料電池を用いた、燃料電池システムに関する。本発明は特に、液体燃料形燃料電池に燃料を対流や拡散で自然供給し、空気をブロワで強制送気するようにした燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
直接メタノール形燃料電池では、1〜10wt%程度のメタノール／水混合燃料を用い、メタノールを水素に改質せずに、直接燃料電池に供給する。直接メタノール形燃料電池は改質器を要しないため、構造が簡単で軽量であり、特に小形の直接メタノール形燃料電池は、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ等の電子機器の電源や、野外用電源、非常用電源などに有望である。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−１７３７９号公報
特許文献１は直接メタノール形燃料電池の燃料極に、対流で燃料を供給することを提案している。即ち燃料極と接するように燃料極室を設け、この燃料極室の一部を燃料タンクに接続し、燃料電池内で昇温して比重が小さくなった燃料を上部から燃料タンクに戻し、燃料室の下部から新しい燃料を導入するようにしている。
【０００４】
発明者らは、この種の直接メタノール形燃料電池について研究し、燃料不足あるいは空気不足の条件で燃料電池から過大な出力を取り出すと、燃料電池が不可逆に劣化することを見出した。この現象を転極と呼び、詳細は後で説明する。また放置時に空気極側に燃料が浸入すると起動が難しくなることや、低温から起動するためには燃料電池を加熱する必要があるが、このエネルギーをバックアップ用の２次電池から取り出すのは実用上難しいこと、などを検討した。さらに、燃料電池システムは水平面上に設置されるとは限らず、水平面から傾けて設置されても動作する必要があることなどを検討した。
【０００５】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、燃料電池システムが負荷の要求に応じて適切な出力を出せるように制御できるようにすると共に、燃料電池の不可逆な劣化を防止することにある。
本発明での追加の課題は、燃料タンクの液面高さを頻繁に調整する必要をなくすと共に、燃料タンクからのＣＯ2の排出を容易にすることにある。
本発明での追加の課題は、燃料電池システムの起動を容易にすることにある。
本発明での追加の課題は、燃料電池システムを水平面から傾けて設置しても動作するようにすることにある。
【０００６】
【発明の構成と作用効果】
この発明の燃料電池システムは、プロトン導電性高分子固体電解質膜の一面に燃料極を設け他面に空気極を設けた単電池セルを、セパレータを介して複数直列に接続してセルスタックとし、液体燃料により動作させるようにしたものにおいて、セルスタックを、燃料タンクの液体燃料の液面下に没するように、燃料タンク内に設置し、セパレータの燃料極側表面に燃料供給用の流路を設けて、該流路の両端を液体燃料の液面下に配置して液体燃料と連通させ、燃料タンク内の燃料を燃料極に自然供給し、セパレータの空気極側表面には空気供給用の流路を設け、燃料タンクの上部に排気部を設けて、燃料極で発生したＣＯ2を排気部から排気するようにし、燃料タンク外の空気をブロワから空気極へ送気する。
好ましくは、燃料電池の運転状態に応じて、制御手段によりブロワの送気量を制御するようにしたことを特徴とする。好ましくはブロワの送気量は、燃料電池の出力電圧が所定値以上に保たれるように制御し、特に出力電圧の低下で送気量を増すようにする。
【０００７】
この発明では、セルスタックは燃料タンクの燃料内に没するように設置し、燃料を対流などにより燃料極へ供給し、燃料極で生成したＣＯ2は燃料タンクの上部の排気部から排気する。またブロワから空気極側へ送気するので、自然送気の場合に比べ大きな出力を得ることができる。さらに負荷が増大した際や、燃料電池の状態が悪化した際に、送気量を増すように制御して転極を防止する。なお転極は、燃料極の電位が空気極の電位に対して正に反転して、燃料極の電位がＲuの溶出電位以上になることによって生じ、燃料極中のＲuが燃料中に溶出する不可逆な現象である。
【０００８】
好ましくは、セパレータの空気供給用流路の出口側から排気を燃料タンク外に排出するための排気パイプを設けて、該排気パイプからの排気を熱交換し、燃料タンクの液位レベルに基づいて、熱交換によって回収した水を水タンクに排出するか、燃料タンクに戻すようにするか、のいずれかを行う。
回収した水を燃料タンクに戻さない場合、排気によって燃料タンク内の燃料や水がシステム外に持ち出されるため、燃料タンク内の液面レベルが低下する。これを補うように高濃度のメタノールや水などを補給する必要がある。また水回収が完全に行われた場合には、燃料タンク内の液面が上昇するので、頻繁に燃料タンクから燃料を捨てる必要がある。これは不便であるし、蟻酸やホルムアルデヒドなどが残存燃料中に含まれるので注意が必要である。これに対して排気中の水蒸気を液化させ、その一部または全部を燃料タンク内に戻すと、燃料タンク内の液面レベルを一定にすることができる。このため燃料タンクへの燃料補給を最小限にでき、燃料タンクから直接燃料を捨てる必要性がなくなる。
【０００９】
特に好ましくは、ブロワからセパレータへ空気を供給するための空気供給パイプを設けると共に、排気パイプと空気供給パイプとに各々弁を設けて、燃料電池の停止時に各弁を閉じ、セルスタックの空気供給用流路を気密に保つようにする。
セルスタックの空気供給用流路を気密にしないまま、燃料電池の運転を停止して液体燃料中に放置すると、空気極側に燃料が浸入する。この状態から起動すると、空気極側に浸入した燃料をブロワで排出する必要があるが、これは難しい。例えば流路が碁盤目状の場合、いずれかの場所に燃料が残りやすいし、仮に碁盤目上でない流路を用いたにせよ、ブロワは過大な送風能力を要求される。また空気と大量の燃料が空気極に共存すると、空気極が必要以上に昇温しやすい。これに対して,燃料電池の停止時に弁を閉じ、セルスタックの空気供給用流路を気密に保つと、空気極への燃料の侵入を最小限にでき、起動が容易になる。
【００１０】
また好ましくは、セルスタックの底部から、燃料タンクの燃料内に空気をバブリングするための空気パイプと弁とを設けて、冷間起動時にセルスタックの燃料供給用流路に給気する。この発明では、燃料供給用流路は両端が液体燃料中に浸されているので、例えばセルスタックの底面付近からバブリングすれば、空気が燃料供給用流路に入り込む。なお冷間起動とは、例えば室温や液体燃料温度が０℃以下、あるいは１０℃以下であることなどを意味するが、具体的な温度条件は燃料電池の特性に応じて適宜に定めればよい。寒冷地などで起動する場合、運転開始時に燃料電池を昇温させる必要がある。この場合、燃料極へ空気を供給するように、燃料タンク内で空気をバブリングすると、その空気で燃料極が発熱し、起動が容易になる。空気パイプには弁が設けてあるので、冷間での起動などの場合以外は、弁を閉じておけばよい。
【００１１】
好ましくは、燃料タンク内に液面上に残るガススペースを設けると共に、燃料タンクの上部に水平面内での位置を変えて排気部を複数設けて、燃料タンクを傾けた際にいずれかの排気部がガススペースに接するようにする。排気部は例えば非透水性の通気性膜やコイル状の空気通路などで設け、ガススペースからＣＯ2などを排気する。
排気部が１個所でのみガススペースに接していると、燃料タンクを傾けた際に、排気部が液面下に没するおそれがある。すると排気部からのＣＯ2の排出が困難になり、燃料タンク内が不用意に加圧されて、液漏れなどが生じるおそれもある。ここで排気部を複数設けると、いずれかが液面上に残り、燃料タンクを傾けてもＣＯ2を排出できる。なお「燃料タンクを傾ける」は水平からやや傾けることを意味し、例えば水平面から±１５°以下、具体的には±１０°以下、最も狭い範囲では±５°以下傾けることを意味する。
【００１２】
好ましくは、セパレータの燃料極側表面に燃料供給用の流路を設けて、該燃料供給用流路が複数の鉛直流路と複数の水平流路とを有する。さらに好ましくはセパレータを横長にし、セパレータの水平方向長さをその高さよりも大きくする。燃料供給用の流路が例えば燃料タンクが傾く全て鉛直方向に向いていると、燃料極が傾くと一部の流路では、その上側の燃料排出端が液面上に出てしまうことがある。この場合、その流路では燃料の流れが生じず、流路が機能しなくなる。これに対し流路を水平方向と鉛直方向に複数設けると、燃料の流れが生じない流路を最小限にし、燃料タンクを傾けた際の動作範囲を拡大でき、燃料タンクを傾けても燃料を燃料極へ供給できる。
【００１３】
【実施例】
図１〜図８に、実施例とその変形とを示す。これらの図において、２は燃料電池システムで、液体燃料形の燃料電池からなるセルスタック４を、燃料タンク２０内に設置したものである。５，６はエンドプレートで、セルスタック４の両面に設け、８は送気管、１０は排気管で、１２〜１４は弁である。送気管８には弁１４を介して、送気管１５を接続し、１６は送気管８に空気を供給するためのブロワである。また１８はバブリングマットで、セルスタック４の底面下側に設け、例えば連続通気性の多孔質のマットなどを用い、これを送気管１５に接続する。
【００１４】
２０は燃料タンクで、材質にはポリプロピレンやポリイミド、ポリフェニレンサルファイドなどの、メタノールなどの液体燃料が透過しないプラスチックを用い、その内部にメタノール−水燃料２２を収容する。なお燃料はメタノール−水に限らず、イソプロパノール−水，ブタノール−水などでも良い。２３はメタノール−水燃料（以下液体燃料という）の液面で、燃料タンク２０内には液面２３よりも上にガススペース２４が残るようにし、ここにセルスタック４の空気極側からの排気やＣＯ2などが溜まるようにする。２５，２６は排気部で、燃料タンク２０の他の部分での内側上面よりも高い位置にあり、ガススペース２４に接している。排気部２５，２６は好ましくは、燃料タンク２０の上面の複数個所に設け、例えば実施例では、燃料タンク２０の上面の長手方向中心線に沿って、２個所に設けた。排気部２５，２６の上部には、疎水性通気膜２７，２８などを設けて、燃料を通さずに気体のみを排出できるようにする。疎水性通気膜２７，２８には多孔質のポリテトラフルオロエチレン膜などを用い、液体の水を通さず、気体を通すものであればよい。疎水性通気膜２７，２８の気体透過性に選択性を付与できる場合、水蒸気透過性が低く、アルコール類やカルボン酸類、アルデヒド類、エーテル類の透過性が低いものが好ましい。
【００１５】
燃料タンク２０の下面上部には取付部３０，３０などを設けて、セルスタック４のエンドプレート５，６などを取り付けて、セルスタック４を設置できるようにする。取付には例えば、エンドプレート５，６を取付部３０に設けた溝にはめ合わせる、嵌め合わせた後にさらに接着剤によりホットシールする、あるいは絶縁性でかつ液体燃料に対する耐食性を備えたプラスチックなどのネジやボルトなどにより締結するのが好ましい。３１，３２は整流板で、燃料の液面２３が整流板３１，３２の上部よりもやや高い位置に表れるようにし、かつ整流板３１，３２はセルスタック４の上部からその外側へ液体燃料が流れるように、流れを規制する。このため、セルスタック４を通過して、昇温し比重が小さくなった液体燃料は、整流板３１，３２を介してセルスタック４から離れた位置へ回り込み、徐々に冷却されながら燃料タンク２０の底部へ沈み込んで、セルスタック４の底面へと循環する。
【００１６】
３４は温度センサで、セルスタック４内などに設け、セルスタック４の状態を検出するために用いると共に、冷間起動時などに、どの程度の温度から起動しているのかを検出するために用いる。３５はメタノールセンサで、液体燃料２２中のメタノール濃度を測定するために用い、その設置位置は任意である。なおセンサ３４，３５は設けなくても良い。３６は高濃度メタノールタンクで、例えばメタノール５０wt%−水５０wt%などの高濃度メタノール燃料を貯え、メタノールポンプ３８などから、高濃度メタノール燃料を燃料タンク２０内に補給する。また液体燃料２２の標準濃度は、例えばメタノール３〜５wt%である。
【００１７】
排気管１０は例えば弁１３の外側で、排気を熱交換器４０内を通して冷却するようにし、気液分離膜付のドレイン４３の下部に設けた逆流防止弁４４により、冷却により液化した水を、弁４５を介して燃料タンク２０または水タンク４２内に排出する。水を除いた排気は、撥水性膜を設けた排気部４６よりシステム外に排気する。また燃料タンク２０内に液位レベルセンサ４８を設けて、燃料タンク内の燃料の液位レベルを測定する。制御ユニット５０に、液位レベルセンサ４８からの液位レベル信号を入力し、弁信号Ｓにより弁４５を切り換え、液位レベルが所定値よりも高い場合には、水は燃料タンク２０に戻さないで水タンク４２内に排出し、その他の場合には水は燃料タンク２０に戻す。液位レベルセンサ４８は、例えば超音波や光の反射等を用いて液面の高さを求め、その設置場所は任意である。熱交換器４０は例えばファンにより周囲の空気に熱を放出するようにしたものを用い、気流は自然気流でも良いが、例えばファンからの気流で冷却しても良い。パーソナルコンピュータなどの電源として燃料電池システム２を用いる場合、例えばＣＰＵの冷却用のファンからの気流により、熱交換器４０を冷却しても良い。
【００１８】
５０は制御ユニットである。５２は保護用のダイオードで、設けなくても良い。制御ユニット５０は、メタノールセンサ３５からメタノール濃度信号により、メタノールポンプ３８を作動させて、液体燃料２２のメタノール濃度を調整する。また温度センサ３４からの温度信号により、例えば冷間で起動する場合、具体的には１０℃以下の温度から起動する場合、弁１４により送気の一部をバブリングマット１８からバブリングさせ、この空気をセパレータに設けた燃料用の流路から燃料極へと導き、燃料極で燃料とバブリングした空気とを直接反応させて、発熱させる。バブリングする空気量は、燃料温度により制御する。
【００１９】
制御ユニット５０は、セルスタック４の出力電圧などを監視し、これ以外に負荷側から負荷の大小の程度などの信号を得られる場合、それらの信号で出力電圧を補正して、セルスタック４の状態を監視する。燃料電池システム２にはこれ以外に、図示しない２次電池がバックアップ用に存在し、起動時などに用いる。
【００２０】
液体燃料形燃料電池に特有の問題として、転極がある。転極は発明者等が発見した現象で、燃料極の電位が同じ単電池セル内の空気極の電位に対して、例えば＋５００mV以上正になると、燃料極触媒のＰt−Ｒu中のＲuが燃料中に溶出する現象である。なお燃料極の電極材料は、ＣにＰt−ＲuなどのＲu含有触媒を担持させ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの結着剤を添加し、所望量のプロトン導電性高分子固体電解質を添加して疎水性−親水性の程度を制御したものである。燃料極側で、触媒にＲuを添加するのは、燃料のメタノールなどを酸化する際のＣＯ吸着による特性の低下を防止するためである。また空気極の電極材料は、例えばＣにＰtを担持させた電極触媒にＰＴＦＥ結着材とプロトン導電性高分子固体電解質とを添加したものである。空気極の電極触媒には、Ｐtの他にＰt−Ｒu，Ｐt−Ｒhなども用い得る。またこれらの電極材料自体は公知である。さらに燃料極と空気極間のプロトン導電性高分子固体電解質膜には、Nafion膜（Nafionはデュポン社の登録商標）などを用い、この膜自体は周知である。また燃料極や空気極の、プロトン導電性高分子固体電解質膜の反対側の表面には、通気性のカーボンシートなどを配置して、燃料や空気の供給と集電とを制御する。
【００２１】
液体燃料形燃料電池は、燃料極が電解液にさらされている点が、水素燃料の燃料電池と異なる。例えばメタノール−水燃料の場合、メタノールの不完全酸化により蟻酸などの酸が生じ、発明者の実験によると、燃料電池システム２を長時間運転すると、液体燃料２２のｐＨは３程度まで低下した。さらに液体燃料２２には、ホルムアルデヒドなども含まれるため、燃料タンク２０から排気せずに、なるべく循環使用して、蟻酸やホルムアルデヒドなどを系外に排出しないようにすることが好ましい。
【００２２】
液体燃料は弱電解質で、この状態で燃料極側の電位が空気極側に対して大きく正になると、燃料極の電位がＲuの溶出電位を越え、Ｒuが燃料中に溶出することになる。発明者はこの現象を、燃料極の電位が空気極の電位に対して＋５００mV以上正になると、排燃料中にＲuが検出される点や、一旦Ｒuの溶出を経験したセルは、その後電位を正常に戻しても、小さな出力密度しか得られないことなどから確認した。
【００２３】
次に、セルスタック４では複数の単電池セルが直列に接続されている。なお好ましくは個々の単電池セルを単純に直列に接続する代わりに、２〜４個程度の単電池セルを並列にしたものをユニットとして、複数ユニット直列に接続する。セルスタック４では複数の単電池セルが直列に接続されているので、状態の悪い単電池セルでも、セルスタック４全体の出力電流に応じた電流が流れることになる。このため燃料不足や空気不足に陥っている単電池セルは、燃料極側の電位が特に正になりやすく、この状態で無理に駆動すると、転極が生じることになる。
【００２４】
これに対して実施例では、制御ユニット５０によりセルスタック４の出力電圧を監視し、負荷の程度が判明している場合、これに負荷の程度により補正を加味し、所定以上の出力電圧が得られるようにブロワ１６の送気量を制御する。送気量を増すと、各単電池セルでの転極が生じにくくなり、転極を防止できる。送気量を増しても、所定の出力電圧が得られない場合、燃料電池システム２を停止させる。なお転極の防止には、他に液体燃料２２中のメタノール濃度を増すことが考えられるが、メタノールポンプ３８による制御では応答が遅く、転極の防止には余り有効ではない。そこでブロワ１６を制御し、所定以上の出力電圧がセルスタック４から得られるように空気量を制御して、転極を防止する必要がある。これ以外の補助的手段として、燃料２２中で、セルスタック４の上部または下部などに循環ポンプを設け、セルスタック４の出力電圧が低下した際にポンプを駆動して、燃料の循環を速めても良い。
【００２５】
図２に、セパレータ６０の燃料極側表面６２（左側）と、空気極側表面６４（右側）に設けた流路を示す。セパレータ６０の材質には例えば樹脂を添加したカーボンなどを用い、これ以外にチタン板やステンレス板なども用い得る。またセパレータ６０は横長で、高さよりも水平方向の幅を大きくし、自然対流などによる燃料供給を容易にする。燃料極側表面６２には、複数の鉛直流路６６と好ましくは複数の水平流路６８とを設ける。なお鉛直流路６６を鉛直方向から傾かせ、あるいは水平流路６８を水平方向から傾かせても良いが、そのようにすると流路の長さが増し、燃料の供給能力が低下し、好ましくはない。空気極側表面６４には、例えば一対の流路７０を設け、空気供給孔７４から供給した空気を排気孔７６側へと導くようにする。
【００２６】
セルスタック４は弱電解質の液体燃料２２中で使用されるので、短絡を防止する必要がある。そこで例えばセパレータ６０の側面に絶縁性のプラスチックからなる樹脂被覆７７などを設け、７８は溝で、燃料極側表面６２で流路６６，６８の出入り口となる部分で、被覆７７に覆われている。
【００２７】
図３において、７９，８０はボルトとナットで、これらは合成樹脂製のボルトやナットなどとし、短絡の防止と耐食性の向上とを行う。８１は個々の単電池セルを模式的に示している。そして既に述べたように、複数の単電池セルがセパレータを介して直列に接続されて、セルスタック４となる。
【００２８】
エンドプレート６は、本実施例では締め付け板としての機能に加えて、集電端子としての機能も持たせようとしているため、導電性を有する材料を使用している。その構成を図３の右上に示すと、例えば、カーボンあるいはカーボンを樹脂バインダーにより成形したものなどを用いたカーボンプレート８２を用い、その表面に金メッキなどの貴金属やペロブスカイトなどの導電性被覆８４を施して導電性を増し、さらにその外側に接着剤などにより樹脂被覆８６を施して、液体燃料と絶縁する。これらによってエンドプレート５，６の耐食性が向上すると共に、充分な導電性を得、しかもエンドプレート５，６が短絡されることを防止する。また強度を高めるために、炭素繊維やガラス繊維でカーボンプレート８２を強化してもよい。
【００２９】
図４に変形例のセパレータ１００を示す。燃料極側表面１０２には、複数の鉛直流路１０５と、例えば２本の水平流路１０６，１０６’とを設け、空気極側表面１０４には、例えば水平方向の流路１０７を設ける。１０８は流路１０７内に設けたランドで、流路１０７に比べて盛り上がり、空気極に接する面高さにしてある。１０９は送気口、１１０は排気口で、これらは例えばセパレータ１００の左右の両側面に設け、セパレータ１００の上下両面は液体燃料の取り入れ用に残しておく。なおこの明細書で、横方向や左右などの用語は、上下（鉛直）と対比する意味で用いる。実施例のセパレータ６０や変形例のセパレータ１００は、鉛直高さに比べて左右方向の長さを大きくするようにし、これは図２，図４で、高さよりも長さを大きくすることを意味する。このようにすると、液体燃料が比重の差により移動しなければならない距離を短縮して、燃料供給をより容易にできる。
【００３０】
図５に燃料タンク２０を傾けて作動させた際の状態を示す。例えば燃料タンク２０を５°以下や１０°以下などの範囲で水平面から傾けて使用することは、実使用では考えられることである。このように、燃料タンク２０を水平面から傾けて使用した際の液面２３の位置を図５に模式的に示す。ここで図５に鎖線で示すように、仮に１個所にのみ排気部９０を設け、この部分が液面２３によりガススペース２４と隔てられると、ＣＯ2は排気部９０には流れ込まず、燃料タンク２０内にＣＯ2が溜まって加圧され、実施例では回収した水を燃料タンク２０内に戻すので、タンク内の圧力上昇はさらに著しくなり、燃料電池システム２が停止することになる。これに対して、燃料タンク２０の長手方向に沿って２個所等の複数個所に、特に燃料タンク２０の上面の長手方向中心線に沿って複数個所に排気部２５，２６を設けると、いずれかの排気部が液面２３上に残ってガススペース２４と接続され、排気を続行できる。なお２つの排気部２５，２６を連通させて、排気部９２から排気しても良いが、この場合は実質的に２つの排気部２５，２６を用いていることになる。
【００３１】
燃料タンク２０を傾けると、セパレータ６０，１００での鉛直流路６６，１０５も鉛直方向から傾くことになる。鉛直流路６６，１０５の鉛直方向上側の部分が液面２３上に出ると、その部分から排燃料を流し出すことができなくなり、流路として機能しなくなる。これに対して水平流路６８，１０６，１０６’を設けると、排燃料の排出ができず流路として機能しなくなる部分を最小限にできる。実施例では排気部２５，２６を２個所以上に設けることや、セパレータの燃料極側表面６２，１０２に、水平流路６８，１０６，１０６’を設けることにより、燃料タンク２０を傾けることへの許容範囲を増加させる。燃料タンク２０が傾いても正常に発電できる範囲としては、例えば±１５°以下、好ましくは±１０°以下、具体的には±５°以下とする。
【００３２】
図６に、変形例の燃料電池システムを示す。２０は前記の燃料タンクで、高濃度メタノールタンク３６や水タンク４２などは図示を省略した。またブロワ１６はセルスタック４の出力電圧により、図示しない制御ユニット５０により送気量を制御し、特に指摘した点以外は、図１〜図３の実施例と同様である。１１２，１１４，１１６は熱交換器で、１１８は冷却ファンである。ブロワ１６からの空気は熱交換器１１２で加温されて、セルスタック４に供給され、排気側の空気は熱交換器１１４により液体燃料２２と熱交換して、冷却される。排気は次いで燃料タンク２０内に戻され、燃料タンク２０内のガススペース２４からの気体は、熱交換器１１６で冷却される。そしてメタノールなどの蒸発を防止しながら、空気とＣＯ2とをガス出口１２０から排出する。
【００３３】
図７に、バブリング用の構成を模式的に示すと、送気管８の空気は一部が弁１４から送気管１５へ分かれ、バブリングマット１８から液体燃料中を上昇して、セルスタック４の鉛直流路６６に入り、燃料極で発熱する。
【００３４】
実施例では水タンク４２や高濃度メタノールタンク３６を、燃料タンク２０の外側に、これらと一体になるように着脱自在に取り付けた。これに対して、図８に示すように、高濃度メタノールタンク３６や水タンク４２を、燃料タンク１２２の内側に取り付け、この間のガススペースにセルスタック４と液体燃料２２とを収容するようにしても良い。
【００３５】
図９に変形例の燃料電池システム１３２を示し、特に指摘した点以外は図１の燃料電池システム２と同様で、同じ符号は同じものを示す。１３４はハウジング、１３６は水分離タンクで排空気中の水を適宜の手法で分離し、水を燃料タンク２０へ回収する。また燃料タンク２０の液位レベルが高いときには、水を水タンク４２に回収する。なお水タンク４２はハウジング１３４の上部に取り付けても良いが、このようにすると燃料電池システムの高さが増す。この変形例では、水分離タンクを用いることにより燃料タンク２０への水回収が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の燃料電池システムの鉛直方向要部断面図
【図２】 実施例で用いたセパレータの正面図（左側：燃料極側）と背面図（右側：空気極側）
【図３】 実施例で用いたセルスタックのエンドプレートの構造を示す斜視図
【図４】 変形例のセパレータでの正面図（左側：燃料極側）と背面図（右側：空気極側）
【図５】 実施例の燃料電池システムを鉛直方向に傾けた際の、タンク上部の状態を模式的に示す図
【図６】 燃料電池システムの変形例を模式的に示す図
【図７】 起動時の燃料極へのバブリングを模式的に示す図
【図８】 高濃度メタノールタンクと水タンクとを、システムのケース内に取り付けるようにした際の模式図
【図９】 変形例の燃料電池システムの側面図
【符号の説明】
２ 燃料電池システム
４ セルスタック
５，６ エンドプレート
８ 送気管
１０ 排気管
１２〜１４ 弁
１５ 送気管
１６ ブロワ
１８ バブリングマット
２０ 燃料タンク
２２ メタノール−水燃料
２３ 液面
２４ ガススペース
２５，２６ 排気部
２７，２８ 疎水性通気膜
３０ 取付部
３１，３２ 整流板
３４ 温度センサ
３５ メタノールセンサ
３６ 高濃度メタノールタンク
３８ メタノールポンプ
４０ 熱交換器
４２ 水タンク
４３ ドレイン
４４ 逆流防止弁
４５ 弁
４６ 排気部
４８ 液位レベルセンサ
５０ 制御ユニット
５２ ダイオード
６０ セパレータ
６２ 燃料極側表面
６４ 空気極側表面
６６ 鉛直流路
６８ 水平流路
７０ 流路
７４ 空気供給孔
７６ 排気孔
７７ 樹脂被覆
７８ 溝
７９ ボルト
８０ ナット
８１ 単電池セル
８２ カーボンプレート
８４ 導電性被覆
８６ 樹脂被覆
９０，９２ 排気部
１００ セパレータ
１０２ 燃料極側表面
１０４ 空気極側表面
１０５ 鉛直流路
１０６，１０６’ 水平流路
１０７ 流路
１０８ ランド
１０９ 送気口
１１０ 排気口
１１２〜１１６ 熱交換器
１１８ 冷却ファン
１２０ ガス出口
１２２ 燃料タンク
１３２ 燃料電池システム
１３４ ハウジング
１３６ 水分離タンク
Ｓ 弁信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの燃料を水と混合して燃料極に直接供給する液体燃料形燃料電池を用いた、燃料電池システムに関する。本発明は特に、液体燃料形燃料電池に燃料を対流や拡散で自然供給し、空気をブロワで強制送気するようにした燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
直接メタノール形燃料電池では、1〜10wt%程度のメタノール／水混合燃料を用い、メタノールを水素に改質せずに、直接燃料電池に供給する。直接メタノール形燃料電池は改質器を要しないため、構造が簡単で軽量であり、特に小形の直接メタノール形燃料電池は、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ等の電子機器の電源や、野外用電源、非常用電源などに有望である。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−１７３７９号公報
特許文献１は直接メタノール形燃料電池の燃料極に、対流で燃料を供給することを提案している。即ち燃料極と接するように燃料極室を設け、この燃料極室の一部を燃料タンクに接続し、燃料電池内で昇温して比重が小さくなった燃料を上部から燃料タンクに戻し、燃料室の下部から新しい燃料を導入するようにしている。
【０００４】
発明者らは、この種の直接メタノール形燃料電池について研究し、燃料不足あるいは空気不足の条件で燃料電池から過大な出力を取り出すと、燃料電池が不可逆に劣化することを見出した。この現象を転極と呼び、詳細は後で説明する。また放置時に空気極側に燃料が浸入すると起動が難しくなることや、低温から起動するためには燃料電池を加熱する必要があるが、このエネルギーをバックアップ用の２次電池から取り出すのは実用上難しいこと、などを検討した。さらに、燃料電池システムは水平面上に設置されるとは限らず、水平面から傾けて設置されても動作する必要があることなどを検討した。
【０００５】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、燃料電池システムが負荷の要求に応じて適切な出力を出せるように制御できるようにすると共に、燃料電池の不可逆な劣化を防止することにある。
本発明での追加の課題は、燃料タンクの液面高さを頻繁に調整する必要をなくすと共に、燃料タンクからのＣＯ2の排出を容易にすることにある。
本発明での追加の課題は、燃料電池システムの起動を容易にすることにある。
本発明での追加の課題は、燃料電池システムを水平面から傾けて設置しても動作するようにすることにある。
【０００６】
【発明の構成と作用効果】
この発明の燃料電池システムは、プロトン導電性高分子固体電解質膜の一面に燃料極を設け他面に空気極を設けた単電池セルを、セパレータを介して複数直列に接続してセルスタックとし、液体燃料により動作させるようにしたものにおいて、セルスタックを、燃料タンクの液体燃料の液面下に没するように、燃料タンク内に設置し、セパレータの燃料極側表面に燃料供給用の流路を設けて、該流路の両端を液体燃料の液面下に配置して液体燃料と連通させ、燃料タンク内の燃料を燃料極に自然供給し、セパレータの空気極側表面には空気供給用の流路を設け、燃料タンクの上部に排気部を設けて、燃料極で発生したＣＯ2を排気部から排気するようにし、燃料タンク外の空気をブロワから空気極へ送気する。
好ましくは、燃料電池の運転状態に応じて、制御手段によりブロワの送気量を制御するようにしたことを特徴とする。好ましくはブロワの送気量は、燃料電池の出力電圧が所定値以上に保たれるように制御し、特に出力電圧の低下で送気量を増すようにする。
【０００７】
この発明では、セルスタックは燃料タンクの燃料内に没するように設置し、燃料を対流などにより燃料極へ供給し、燃料極で生成したＣＯ2は燃料タンクの上部の排気部から排気する。またブロワから空気極側へ送気するので、自然送気の場合に比べ大きな出力を得ることができる。さらに負荷が増大した際や、燃料電池の状態が悪化した際に、送気量を増すように制御して転極を防止する。なお転極は、燃料極の電位が空気極の電位に対して正に反転して、燃料極の電位がＲuの溶出電位以上になることによって生じ、燃料極中のＲuが燃料中に溶出する不可逆な現象である。
【０００８】
好ましくは、セパレータの空気供給用流路の出口側から排気を燃料タンク外に排出するための排気パイプを設けて、該排気パイプからの排気を熱交換し、燃料タンクの液位レベルに基づいて、熱交換によって回収した水を水タンクに排出するか、燃料タンクに戻すようにするか、のいずれかを行う。
回収した水を燃料タンクに戻さない場合、排気によって燃料タンク内の燃料や水がシステム外に持ち出されるため、燃料タンク内の液面レベルが低下する。これを補うように高濃度のメタノールや水などを補給する必要がある。また水回収が完全に行われた場合には、燃料タンク内の液面が上昇するので、頻繁に燃料タンクから燃料を捨てる必要がある。これは不便であるし、蟻酸やホルムアルデヒドなどが残存燃料中に含まれるので注意が必要である。これに対して排気中の水蒸気を液化させ、その一部または全部を燃料タンク内に戻すと、燃料タンク内の液面レベルを一定にすることができる。このため燃料タンクへの燃料補給を最小限にでき、燃料タンクから直接燃料を捨てる必要性がなくなる。
【０００９】
特に好ましくは、ブロワからセパレータへ空気を供給するための空気供給パイプを設けると共に、排気パイプと空気供給パイプとに各々弁を設けて、燃料電池の停止時に各弁を閉じ、セルスタックの空気供給用流路を気密に保つようにする。
セルスタックの空気供給用流路を気密にしないまま、燃料電池の運転を停止して液体燃料中に放置すると、空気極側に燃料が浸入する。この状態から起動すると、空気極側に浸入した燃料をブロワで排出する必要があるが、これは難しい。例えば流路が碁盤目状の場合、いずれかの場所に燃料が残りやすいし、仮に碁盤目上でない流路を用いたにせよ、ブロワは過大な送風能力を要求される。また空気と大量の燃料が空気極に共存すると、空気極が必要以上に昇温しやすい。これに対して,燃料電池の停止時に弁を閉じ、セルスタックの空気供給用流路を気密に保つと、空気極への燃料の侵入を最小限にでき、起動が容易になる。
【００１０】
また好ましくは、セルスタックの底部から、燃料タンクの燃料内に空気をバブリングするための空気パイプと弁とを設けて、冷間起動時にセルスタックの燃料供給用流路に給気する。この発明では、燃料供給用流路は両端が液体燃料中に浸されているので、例えばセルスタックの底面付近からバブリングすれば、空気が燃料供給用流路に入り込む。なお冷間起動とは、例えば室温や液体燃料温度が０℃以下、あるいは１０℃以下であることなどを意味するが、具体的な温度条件は燃料電池の特性に応じて適宜に定めればよい。寒冷地などで起動する場合、運転開始時に燃料電池を昇温させる必要がある。この場合、燃料極へ空気を供給するように、燃料タンク内で空気をバブリングすると、その空気で燃料極が発熱し、起動が容易になる。空気パイプには弁が設けてあるので、冷間での起動などの場合以外は、弁を閉じておけばよい。
【００１１】
好ましくは、燃料タンク内に液面上に残るガススペースを設けると共に、燃料タンクの上部に水平面内での位置を変えて排気部を複数設けて、燃料タンクを傾けた際にいずれかの排気部がガススペースに接するようにする。排気部は例えば非透水性の通気性膜やコイル状の空気通路などで設け、ガススペースからＣＯ2などを排気する。
排気部が１個所でのみガススペースに接していると、燃料タンクを傾けた際に、排気部が液面下に没するおそれがある。すると排気部からのＣＯ2の排出が困難になり、燃料タンク内が不用意に加圧されて、液漏れなどが生じるおそれもある。ここで排気部を複数設けると、いずれかが液面上に残り、燃料タンクを傾けてもＣＯ2を排出できる。なお「燃料タンクを傾ける」は水平からやや傾けることを意味し、例えば水平面から±１５°以下、具体的には±１０°以下、最も狭い範囲では±５°以下傾けることを意味する。
【００１２】
好ましくは、セパレータの燃料極側表面に燃料供給用の流路を設けて、該燃料供給用流路が複数の鉛直流路と複数の水平流路とを有する。さらに好ましくはセパレータを横長にし、セパレータの水平方向長さをその高さよりも大きくする。燃料供給用の流路が例えば燃料タンクが傾く全て鉛直方向に向いていると、燃料極が傾くと一部の流路では、その上側の燃料排出端が液面上に出てしまうことがある。この場合、その流路では燃料の流れが生じず、流路が機能しなくなる。これに対し流路を水平方向と鉛直方向に複数設けると、燃料の流れが生じない流路を最小限にし、燃料タンクを傾けた際の動作範囲を拡大でき、燃料タンクを傾けても燃料を燃料極へ供給できる。
【００１３】
【実施例】
図１〜図８に、実施例とその変形とを示す。これらの図において、２は燃料電池システムで、液体燃料形の燃料電池からなるセルスタック４を、燃料タンク２０内に設置したものである。５，６はエンドプレートで、セルスタック４の両面に設け、８は送気管、１０は排気管で、１２〜１４は弁である。送気管８には弁１４を介して、送気管１５を接続し、１６は送気管８に空気を供給するためのブロワである。また１８はバブリングマットで、セルスタック４の底面下側に設け、例えば連続通気性の多孔質のマットなどを用い、これを送気管１５に接続する。
【００１４】
２０は燃料タンクで、材質にはポリプロピレンやポリイミド、ポリフェニレンサルファイドなどの、メタノールなどの液体燃料が透過しないプラスチックを用い、その内部にメタノール−水燃料２２を収容する。なお燃料はメタノール−水に限らず、イソプロパノール−水，ブタノール−水などでも良い。２３はメタノール−水燃料（以下液体燃料という）の液面で、燃料タンク２０内には液面２３よりも上にガススペース２４が残るようにし、ここにセルスタック４の空気極側からの排気やＣＯ2などが溜まるようにする。２５，２６は排気部で、燃料タンク２０の他の部分での内側上面よりも高い位置にあり、ガススペース２４に接している。排気部２５，２６は好ましくは、燃料タンク２０の上面の複数個所に設け、例えば実施例では、燃料タンク２０の上面の長手方向中心線に沿って、２個所に設けた。排気部２５，２６の上部には、疎水性通気膜２７，２８などを設けて、燃料を通さずに気体のみを排出できるようにする。疎水性通気膜２７，２８には多孔質のポリテトラフルオロエチレン膜などを用い、液体の水を通さず、気体を通すものであればよい。疎水性通気膜２７，２８の気体透過性に選択性を付与できる場合、水蒸気透過性が低く、アルコール類やカルボン酸類、アルデヒド類、エーテル類の透過性が低いものが好ましい。
【００１５】
燃料タンク２０の下面上部には取付部３０，３０などを設けて、セルスタック４のエンドプレート５，６などを取り付けて、セルスタック４を設置できるようにする。取付には例えば、エンドプレート５，６を取付部３０に設けた溝にはめ合わせる、嵌め合わせた後にさらに接着剤によりホットシールする、あるいは絶縁性でかつ液体燃料に対する耐食性を備えたプラスチックなどのネジやボルトなどにより締結するのが好ましい。３１，３２は整流板で、燃料の液面２３が整流板３１，３２の上部よりもやや高い位置に表れるようにし、かつ整流板３１，３２はセルスタック４の上部からその外側へ液体燃料が流れるように、流れを規制する。このため、セルスタック４を通過して、昇温し比重が小さくなった液体燃料は、整流板３１，３２を介してセルスタック４から離れた位置へ回り込み、徐々に冷却されながら燃料タンク２０の底部へ沈み込んで、セルスタック４の底面へと循環する。
【００１６】
３４は温度センサで、セルスタック４内などに設け、セルスタック４の状態を検出するために用いると共に、冷間起動時などに、どの程度の温度から起動しているのかを検出するために用いる。３５はメタノールセンサで、液体燃料２２中のメタノール濃度を測定するために用い、その設置位置は任意である。なおセンサ３４，３５は設けなくても良い。３６は高濃度メタノールタンクで、例えばメタノール５０wt%−水５０wt%などの高濃度メタノール燃料を貯え、メタノールポンプ３８などから、高濃度メタノール燃料を燃料タンク２０内に補給する。また液体燃料２２の標準濃度は、例えばメタノール３〜５wt%である。
【００１７】
排気管１０は例えば弁１３の外側で、排気を熱交換器４０内を通して冷却するようにし、気液分離膜付のドレイン４３の下部に設けた逆流防止弁４４により、冷却により液化した水を、弁４５を介して燃料タンク２０または水タンク４２内に排出する。水を除いた排気は、撥水性膜を設けた排気部４６よりシステム外に排気する。また燃料タンク２０内に液位レベルセンサ４８を設けて、燃料タンク内の燃料の液位レベルを測定する。制御ユニット５０に、液位レベルセンサ４８からの液位レベル信号を入力し、弁信号Ｓにより弁４５を切り換え、液位レベルが所定値よりも高い場合には、水は燃料タンク２０に戻さないで水タンク４２内に排出し、その他の場合には水は燃料タンク２０に戻す。液位レベルセンサ４８は、例えば超音波や光の反射等を用いて液面の高さを求め、その設置場所は任意である。熱交換器４０は例えばファンにより周囲の空気に熱を放出するようにしたものを用い、気流は自然気流でも良いが、例えばファンからの気流で冷却しても良い。パーソナルコンピュータなどの電源として燃料電池システム２を用いる場合、例えばＣＰＵの冷却用のファンからの気流により、熱交換器４０を冷却しても良い。
【００１８】
５０は制御ユニットである。５２は保護用のダイオードで、設けなくても良い。制御ユニット５０は、メタノールセンサ３５からメタノール濃度信号により、メタノールポンプ３８を作動させて、液体燃料２２のメタノール濃度を調整する。また温度センサ３４からの温度信号により、例えば冷間で起動する場合、具体的には１０℃以下の温度から起動する場合、弁１４により送気の一部をバブリングマット１８からバブリングさせ、この空気をセパレータに設けた燃料用の流路から燃料極へと導き、燃料極で燃料とバブリングした空気とを直接反応させて、発熱させる。バブリングする空気量は、燃料温度により制御する。
【００１９】
制御ユニット５０は、セルスタック４の出力電圧などを監視し、これ以外に負荷側から負荷の大小の程度などの信号を得られる場合、それらの信号で出力電圧を補正して、セルスタック４の状態を監視する。燃料電池システム２にはこれ以外に、図示しない２次電池がバックアップ用に存在し、起動時などに用いる。
【００２０】
液体燃料形燃料電池に特有の問題として、転極がある。転極は発明者等が発見した現象で、燃料極の電位が同じ単電池セル内の空気極の電位に対して、例えば＋５００mV以上正になると、燃料極触媒のＰt−Ｒu中のＲuが燃料中に溶出する現象である。なお燃料極の電極材料は、ＣにＰt−ＲuなどのＲu含有触媒を担持させ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの結着剤を添加し、所望量のプロトン導電性高分子固体電解質を添加して疎水性−親水性の程度を制御したものである。燃料極側で、触媒にＲuを添加するのは、燃料のメタノールなどを酸化する際のＣＯ吸着による特性の低下を防止するためである。また空気極の電極材料は、例えばＣにＰtを担持させた電極触媒にＰＴＦＥ結着材とプロトン導電性高分子固体電解質とを添加したものである。空気極の電極触媒には、Ｐtの他にＰt−Ｒu，Ｐt−Ｒhなども用い得る。またこれらの電極材料自体は公知である。さらに燃料極と空気極間のプロトン導電性高分子固体電解質膜には、Nafion膜（Nafionはデュポン社の登録商標）などを用い、この膜自体は周知である。また燃料極や空気極の、プロトン導電性高分子固体電解質膜の反対側の表面には、通気性のカーボンシートなどを配置して、燃料や空気の供給と集電とを制御する。
【００２１】
液体燃料形燃料電池は、燃料極が電解液にさらされている点が、水素燃料の燃料電池と異なる。例えばメタノール−水燃料の場合、メタノールの不完全酸化により蟻酸などの酸が生じ、発明者の実験によると、燃料電池システム２を長時間運転すると、液体燃料２２のｐＨは３程度まで低下した。さらに液体燃料２２には、ホルムアルデヒドなども含まれるため、燃料タンク２０から排気せずに、なるべく循環使用して、蟻酸やホルムアルデヒドなどを系外に排出しないようにすることが好ましい。
【００２２】
液体燃料は弱電解質で、この状態で燃料極側の電位が空気極側に対して大きく正になると、燃料極の電位がＲuの溶出電位を越え、Ｒuが燃料中に溶出することになる。発明者はこの現象を、燃料極の電位が空気極の電位に対して＋５００mV以上正になると、排燃料中にＲuが検出される点や、一旦Ｒuの溶出を経験したセルは、その後電位を正常に戻しても、小さな出力密度しか得られないことなどから確認した。
【００２３】
次に、セルスタック４では複数の単電池セルが直列に接続されている。なお好ましくは個々の単電池セルを単純に直列に接続する代わりに、２〜４個程度の単電池セルを並列にしたものをユニットとして、複数ユニット直列に接続する。セルスタック４では複数の単電池セルが直列に接続されているので、状態の悪い単電池セルでも、セルスタック４全体の出力電流に応じた電流が流れることになる。このため燃料不足や空気不足に陥っている単電池セルは、燃料極側の電位が特に正になりやすく、この状態で無理に駆動すると、転極が生じることになる。
【００２４】
これに対して実施例では、制御ユニット５０によりセルスタック４の出力電圧を監視し、負荷の程度が判明している場合、これに負荷の程度により補正を加味し、所定以上の出力電圧が得られるようにブロワ１６の送気量を制御する。送気量を増すと、各単電池セルでの転極が生じにくくなり、転極を防止できる。送気量を増しても、所定の出力電圧が得られない場合、燃料電池システム２を停止させる。なお転極の防止には、他に液体燃料２２中のメタノール濃度を増すことが考えられるが、メタノールポンプ３８による制御では応答が遅く、転極の防止には余り有効ではない。そこでブロワ１６を制御し、所定以上の出力電圧がセルスタック４から得られるように空気量を制御して、転極を防止する必要がある。これ以外の補助的手段として、燃料２２中で、セルスタック４の上部または下部などに循環ポンプを設け、セルスタック４の出力電圧が低下した際にポンプを駆動して、燃料の循環を速めても良い。
【００２５】
図２に、セパレータ６０の燃料極側表面６２（左側）と、空気極側表面６４（右側）に設けた流路を示す。セパレータ６０の材質には例えば樹脂を添加したカーボンなどを用い、これ以外にチタン板やステンレス板なども用い得る。またセパレータ６０は横長で、高さよりも水平方向の幅を大きくし、自然対流などによる燃料供給を容易にする。燃料極側表面６２には、複数の鉛直流路６６と好ましくは複数の水平流路６８とを設ける。なお鉛直流路６６を鉛直方向から傾かせ、あるいは水平流路６８を水平方向から傾かせても良いが、そのようにすると流路の長さが増し、燃料の供給能力が低下し、好ましくはない。空気極側表面６４には、例えば一対の流路７０を設け、空気供給孔７４から供給した空気を排気孔７６側へと導くようにする。
【００２６】
セルスタック４は弱電解質の液体燃料２２中で使用されるので、短絡を防止する必要がある。そこで例えばセパレータ６０の側面に絶縁性のプラスチックからなる樹脂被覆７７などを設け、７８は溝で、燃料極側表面６２で流路６６，６８の出入り口となる部分で、被覆７７に覆われている。
【００２７】
図３において、７９，８０はボルトとナットで、これらは合成樹脂製のボルトやナットなどとし、短絡の防止と耐食性の向上とを行う。８１は個々の単電池セルを模式的に示している。そして既に述べたように、複数の単電池セルがセパレータを介して直列に接続されて、セルスタック４となる。
【００２８】
エンドプレート６は、本実施例では締め付け板としての機能に加えて、集電端子としての機能も持たせようとしているため、導電性を有する材料を使用している。その構成を図３の右上に示すと、例えば、カーボンあるいはカーボンを樹脂バインダーにより成形したものなどを用いたカーボンプレート８２を用い、その表面に金メッキなどの貴金属やペロブスカイトなどの導電性被覆８４を施して導電性を増し、さらにその外側に接着剤などにより樹脂被覆８６を施して、液体燃料と絶縁する。これらによってエンドプレート５，６の耐食性が向上すると共に、充分な導電性を得、しかもエンドプレート５，６が短絡されることを防止する。また強度を高めるために、炭素繊維やガラス繊維でカーボンプレート８２を強化してもよい。
【００２９】
図４に変形例のセパレータ１００を示す。燃料極側表面１０２には、複数の鉛直流路１０５と、例えば２本の水平流路１０６，１０６’とを設け、空気極側表面１０４には、例えば水平方向の流路１０７を設ける。１０８は流路１０７内に設けたランドで、流路１０７に比べて盛り上がり、空気極に接する面高さにしてある。１０９は送気口、１１０は排気口で、これらは例えばセパレータ１００の左右の両側面に設け、セパレータ１００の上下両面は液体燃料の取り入れ用に残しておく。なおこの明細書で、横方向や左右などの用語は、上下（鉛直）と対比する意味で用いる。実施例のセパレータ６０や変形例のセパレータ１００は、鉛直高さに比べて左右方向の長さを大きくするようにし、これは図２，図４で、高さよりも長さを大きくすることを意味する。このようにすると、液体燃料が比重の差により移動しなければならない距離を短縮して、燃料供給をより容易にできる。
【００３０】
図５に燃料タンク２０を傾けて作動させた際の状態を示す。例えば燃料タンク２０を５°以下や１０°以下などの範囲で水平面から傾けて使用することは、実使用では考えられることである。このように、燃料タンク２０を水平面から傾けて使用した際の液面２３の位置を図５に模式的に示す。ここで図５に鎖線で示すように、仮に１個所にのみ排気部９０を設け、この部分が液面２３によりガススペース２４と隔てられると、ＣＯ2は排気部９０には流れ込まず、燃料タンク２０内にＣＯ2が溜まって加圧され、実施例では回収した水を燃料タンク２０内に戻すので、タンク内の圧力上昇はさらに著しくなり、燃料電池システム２が停止することになる。これに対して、燃料タンク２０の長手方向に沿って２個所等の複数個所に、特に燃料タンク２０の上面の長手方向中心線に沿って複数個所に排気部２５，２６を設けると、いずれかの排気部が液面２３上に残ってガススペース２４と接続され、排気を続行できる。なお２つの排気部２５，２６を連通させて、排気部９２から排気しても良いが、この場合は実質的に２つの排気部２５，２６を用いていることになる。
【００３１】
燃料タンク２０を傾けると、セパレータ６０，１００での鉛直流路６６，１０５も鉛直方向から傾くことになる。鉛直流路６６，１０５の鉛直方向上側の部分が液面２３上に出ると、その部分から排燃料を流し出すことができなくなり、流路として機能しなくなる。これに対して水平流路６８，１０６，１０６’を設けると、排燃料の排出ができず流路として機能しなくなる部分を最小限にできる。実施例では排気部２５，２６を２個所以上に設けることや、セパレータの燃料極側表面６２，１０２に、水平流路６８，１０６，１０６’を設けることにより、燃料タンク２０を傾けることへの許容範囲を増加させる。燃料タンク２０が傾いても正常に発電できる範囲としては、例えば±１５°以下、好ましくは±１０°以下、具体的には±５°以下とする。
【００３２】
図６に、変形例の燃料電池システムを示す。２０は前記の燃料タンクで、高濃度メタノールタンク３６や水タンク４２などは図示を省略した。またブロワ１６はセルスタック４の出力電圧により、図示しない制御ユニット５０により送気量を制御し、特に指摘した点以外は、図１〜図３の実施例と同様である。１１２，１１４，１１６は熱交換器で、１１８は冷却ファンである。ブロワ１６からの空気は熱交換器１１２で加温されて、セルスタック４に供給され、排気側の空気は熱交換器１１４により液体燃料２２と熱交換して、冷却される。排気は次いで燃料タンク２０内に戻され、燃料タンク２０内のガススペース２４からの気体は、熱交換器１１６で冷却される。そしてメタノールなどの蒸発を防止しながら、空気とＣＯ2とをガス出口１２０から排出する。
【００３３】
図７に、バブリング用の構成を模式的に示すと、送気管８の空気は一部が弁１４から送気管１５へ分かれ、バブリングマット１８から液体燃料中を上昇して、セルスタック４の鉛直流路６６に入り、燃料極で発熱する。
【００３４】
実施例では水タンク４２や高濃度メタノールタンク３６を、燃料タンク２０の外側に、これらと一体になるように着脱自在に取り付けた。これに対して、図８に示すように、高濃度メタノールタンク３６や水タンク４２を、燃料タンク１２２の内側に取り付け、この間のガススペースにセルスタック４と液体燃料２２とを収容するようにしても良い。
【００３５】
図９に変形例の燃料電池システム１３２を示し、特に指摘した点以外は図１の燃料電池システム２と同様で、同じ符号は同じものを示す。１３４はハウジング、１３６は水分離タンクで排空気中の水を適宜の手法で分離し、水を燃料タンク２０へ回収する。また燃料タンク２０の液位レベルが高いときには、水を水タンク４２に回収する。なお水タンク４２はハウジング１３４の上部に取り付けても良いが、このようにすると燃料電池システムの高さが増す。この変形例では、水分離タンクを用いることにより燃料タンク２０への水回収が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の燃料電池システムの鉛直方向要部断面図
【図２】 実施例で用いたセパレータの正面図（左側：燃料極側）と背面図（右側：空気極側）
【図３】 実施例で用いたセルスタックのエンドプレートの構造を示す斜視図
【図４】 変形例のセパレータでの正面図（左側：燃料極側）と背面図（右側：空気極側）
【図５】 実施例の燃料電池システムを鉛直方向に傾けた際の、タンク上部の状態を模式的に示す図
【図６】 燃料電池システムの変形例を模式的に示す図
【図７】 起動時の燃料極へのバブリングを模式的に示す図
【図８】 高濃度メタノールタンクと水タンクとを、システムのケース内に取り付けるようにした際の模式図
【図９】 変形例の燃料電池システムの側面図
【符号の説明】
２ 燃料電池システム
４ セルスタック
５，６ エンドプレート
８ 送気管
１０ 排気管
１２〜１４ 弁
１５ 送気管
１６ ブロワ
１８ バブリングマット
２０ 燃料タンク
２２ メタノール−水燃料
２３ 液面
２４ ガススペース
２５，２６ 排気部
２７，２８ 疎水性通気膜
３０ 取付部
３１，３２ 整流板
３４ 温度センサ
３５ メタノールセンサ
３６ 高濃度メタノールタンク
３８ メタノールポンプ
４０ 熱交換器
４２ 水タンク
４３ ドレイン
４４ 逆流防止弁
４５ 弁
４６ 排気部
４８ 液位レベルセンサ
５０ 制御ユニット
５２ ダイオード
６０ セパレータ
６２ 燃料極側表面
６４ 空気極側表面
６６ 鉛直流路
６８ 水平流路
７０ 流路
７４ 空気供給孔
７６ 排気孔
７７ 樹脂被覆
７８ 溝
７９ ボルト
８０ ナット
８１ 単電池セル
８２ カーボンプレート
８４ 導電性被覆
８６ 樹脂被覆
９０，９２ 排気部
１００ セパレータ
１０２ 燃料極側表面
１０４ 空気極側表面
１０５ 鉛直流路
１０６，１０６’ 水平流路
１０７ 流路
１０８ ランド
１０９ 送気口
１１０ 排気口
１１２〜１１６ 熱交換器
１１８ 冷却ファン
１２０ ガス出口
１２２ 燃料タンク
１３２ 燃料電池システム
１３４ ハウジング
１３６ 水分離タンク
Ｓ 弁信号
Claims (4)
- プロトン導電性高分子固体電解質膜の一面に燃料極を設け他面に空気極を設けた単電池セルを、セパレータを介して複数直列に接続してセルスタックとし、液体燃料により動作させるようにした、燃料電池システムにおいて、前記セルスタックを、燃料タンクの液体燃料の液面下に没するように、該燃料タンク内に設置し、前記セパレータの空気極側表面には空気供給用の流路を設けて、空気を空気極へ送気し、前記セパレータの空気供給用流路から排気を前記燃料タンクの外に排出するための排気パイプを設けて、該排気パイプからの排気を冷却し、該燃料タンクの液位レベルに基づいて、冷却によって液化した水を排出するか、該燃料タンクに戻すようにするか、のいずれかを行うことを特徴とする、燃料電池システム。
- プロトン導電性高分子固体電解質膜の一面に燃料極を設け他面に空気極を設けた単電池セルを、セパレータを介して複数直列に接続してセルスタックとし、液体燃料により動作させるようにした、燃料電池システムにおいて、前記セルスタックを、燃料タンクの液体燃料の液面下に没するように、該燃料タンク内に設置し、セパレータへ空気を供給するための空気供給パイプを設けると共に、該セパレータの空気供給用流路から排気を前記燃料タンク外に排出するための排気パイプを設けて、前記排気パイプと前記空気供給パイプとに各々弁を設けて、燃料電池の停止時に前記各弁を閉じることを特徴とする、燃料電池システム。
- プロトン導電性高分子固体電解質膜の一面に燃料極を設け他面に空気極を設けた単電池セルを、セパレータを介して複数直列に接続してセルスタックとし、液体燃料により動作させるようにした、燃料電池システムにおいて、前記セルスタックを、燃料タンクの液体燃料の液面下に没するように、該燃料タンク内に設置し、該燃料タンクにガススペースに溜まった前記燃料極で発生したガスを排気するための排気部を複数設けたことを特徴とする、燃料電池システム。
- プロトン導電性高分子固体電解質膜の一面に燃料極を設け他面に空気極を設けた単電池セルを、セパレータを介して複数直列に接続してセルスタックとし、液体燃料により動作させるようにした、燃料電池システムにおいて、前記セルスタックを、燃料タンクの液体燃料の液面下に没するように、該燃料タンク内に設置し、前記セパレータの燃料極側表面に燃料供給用の流路を設けて、該燃料供給用流路が複数の鉛直流路と複数の水平流路とを有することを特徴とする、燃料電池システム。
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