JP4977942B2

JP4977942B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池の発電方法

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Publication number: JP4977942B2
Application number: JP2003271569A
Authority: JP
Inventors: 雅彦田原; 和彦大塚; 千明金井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005032602A

Description

本発明は、燃料電池に残留する水分や液体燃料を排出することができる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法に関する。さらに詳しくは、液体燃料による電解質膜の劣化及び水分の凍結による燃料電池の破損を防止することができる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法に関する。

燃料電池は、燃料極に燃料を供給し、空気極に酸化剤とされる酸素を含む空気を供給することにより発電を行う発電装置であり、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電装置として近年注目されている。

燃料電池は様々な環境で使用されることが想定されており、各環境下で支障なく発電を行うことができる燃料電池が求められている。燃料電池を使用する場合の問題の一つとして、燃料電池に残留する水分の凍結が挙げられる。例えば、発電の停止時や燃料電池を長期保管する際に燃料電池が低温環境下に置かれる場合には、燃料電池に残留する水分が凍結し、燃料電池や燃料電池に接続される各種配管が破損する場合がある。このような破損を防止するためには、燃料電池内の水分を排出しておくことが重要となり、燃料電池に残留する水分を排出する技術として、酸化剤ガスとされる空気を利用して空気極側及び燃料極側に残留する水分を排出する技術が開示されている（例えば、特許文献１。）。

また、燃料電池は発電時の発熱によって温度上昇することから、この温度上昇を抑制するために燃料電池に冷却水を流動させる場合がある。このような冷却水が燃料電池に残留した場合にも、上述した生成水と同様に低温環境下で冷却水が凍結し、燃料電池或いは燃料電池に接続された各種配管が破損する場合もある。例えば、自動車に搭載された燃料電池が発電停止状態にある場合に、酸化剤ガスとされる空気を冷却水の循環路に所要の圧力で送り込むことにより、冷却水を排出する技術も開示されている（例えば特許文献２。）。

特許第３４０７９１４号公報特開２００２−３１３３９５号公報

一方、燃料電池の発電に用いられる燃料としては、水素ガスの如き気体燃料だけでなく、メタノールやガソリンの如き液体燃料も提案されており、特に、燃料極に直接供給されたメタノールを用いた燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ、以下ＤＭＦＣと称す）と称されている。通常、ＤＭＦＣおいては、発電セルを構成する電解質膜としてはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられており、このような固体高分子電解質膜に好適なものとしては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜の如きフッ素樹脂系のイオン交換膜が挙げられる。

ここで、図３を参照しながら、ＤＭＦＣとされる従来の燃料電池システム１００における空気及びメタノールの流れについて説明する。

メタノール供給ポンプ１０５は、メタノールタンク１０４からメタノールを吸い上げて燃料混合器１０６に供給する。燃料水溶液循環ポンプ１０３は、メタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器から燃料電池１０１に燃料水溶液を供給する。燃料電池１０１で消費された燃料水溶液は二酸化炭素除去器を兼ねた燃料混合器１０６に循環され、再度燃料水溶液循環ポンプ１０３によって燃料電池１０１に供給される。二酸化炭素除去器を兼ねた燃料混合器１０６は、燃料電池１０１によって排出された排出液体から二酸化炭素を分離して処理装置１１０に送り、処理装置１１０は二酸化炭素を大気に排出する。メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池システムにおいては、液体燃料そのものが燃料電池の冷却媒体であり、燃料電池システムは別途冷却流路を必要としない。また、液体燃料を用いた燃料電池システムは、液体燃料自身が非圧縮性を有することから水素ガスの如き気体の燃料を用いる場合に比べて背圧弁が不要となる利点を有する。

空気供給ポンプ１０２は、酸化剤である空気を大気から取り込んで燃料電池１０１に供給する。燃料電池１０１で発電に用いられた空気は気液分離器１０８によって水分と分離され、処理装置１１０を介して大気に排出される。分離された水分は水分貯蔵器１０９に貯蔵された後、燃料混合器１０６に送られて燃料水溶液の生成に利用される。また、水分貯蔵器１０９と燃料混合器１０６との間に設けられる電磁バルブ１１１は、水分貯蔵器１０９から燃料混合器１０６へ供給される水の供給量を調整する。

また、燃料電池１０１に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ１１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１３に接続される負荷は燃料電池１０１から電力を取り出す。制御コントローラ１１２は、燃料電池システム１００を構成する各装置の駆動を制御する。

燃料電池システム１００においては、メタノールの如き液体燃料を用いていることから液体燃料自身が冷却媒体となる。したがって、別途冷却水を燃料電池システム１００に流動させることなく燃料電池１０１の温度上昇を抑制することができる。

ところで、上述した特許文献１及び特許文献２に開示された技術は、いずれも水素ガスの如き燃料を用いた燃料電池を対象としており、メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池における水分の排出技術については言及していない。

また、燃料電池システム１００においては、水素ガスの如き燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と同様に、燃料電池１０１の停止時若しくは保管時に燃料電池システム１００に残留する水分を低減し、燃料電池１０１若しくは各配管が水分の凍結によって破損することを防止することが重要となる。さらに、燃料電池システム１００内で凍結した水分は、燃料電池１０１の起動時に液体燃料や空気の流動を阻害する場合があり、燃料電池システム１００を正常に起動することが困難となる場合がある。

さらにまた、燃料電池１０１の燃料極側にメタノールが残留している場合には、フッ素樹脂系の電解質膜がメタノールに溶出し、電解質膜が劣化する場合もある。これにより、燃料電池１０１を本来の状態で問題なく使用することができる寿命が短くなり、燃料電池の重要な性能の一つである信頼性を高めることが難しくなる。

このように、液体燃料を用いた燃料電池においては、水素ガスの如き燃料ガスを用いる燃料電池と同様の問題点に止まらず、液体燃料を用いることによって生じる問題点も存在し、これらの問題点が改善された燃料電池システムが求められている。

よって、本発明は上述した問題点を鑑みてなされたものであり、液体燃料を用いて発電を行う燃料電池の停止時若しくは保管時に燃料電池内に残留する水分の凍結を防止し、且つ液体燃料による電解質膜の劣化を抑制することができる燃料電池システム、及び燃料電池の発電方法に関する。

本発明にかかる燃料電池システムは、液体燃料を用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池の液体燃料受け取り側に酸化剤を送り入れる気体送入手段と、燃料電池の燃料極側から排出される排出流体の流路を切り替える流路切替手段と、排出流体を処理すると共に、排出流体に含まれる水分を前記排出流体から分離する水分分離器と、前記水分を貯蔵する水分貯蔵器とを有する排出流体処理手段とを備えることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池システムおいては、気体送入手段によって送りいれられる酸化剤によって燃料極側に残留する液体燃料及び水分の少なくとも一方を燃料電池から排出することができる。したがって、燃料電池を氷点下の如き低温環境下で停止させた場合や保管した場合に、燃料電池内或いは燃料電池システムを構成する各配管内で凍結する水分を低減することができ、これら燃料電池や各配管の破損や燃料電池を起動する際の不具合を防止することができる。さらにまた、燃料電池の停止時若しくは保管時に燃料電池から液体燃料を排出することができることから、液体燃料による電解質膜の劣化を低減することが可能となる。

本発明にかかる燃料電池システムにおいては、前記気体を酸化剤とし、前記気体送入手段に前記燃料電池の酸化剤受け取り側に接続される酸化剤供給路から前記酸化剤を取り込ませても良い。酸化剤供給路から酸化剤を取り込んで燃料極側に送りいれることにより、燃料電池の空気極側に酸化剤を供給することができるとともに、燃料極側にも酸化剤を供給することができる。したがって、別途燃料極側に酸化剤を供給する装置を設けることなく、空気極側で生成された水分と、燃料極側に残留する液体燃料や水分を燃料電池から排出することができる。また、気体送入手段は、前記酸化剤を前記酸化剤受け取り側に供給する酸化剤供給手段から前記酸化剤を受け取るとともに、前記燃料電池に前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と前記燃料電池との間に設けられていても良く、気体送入手段は燃料電池への酸化剤の供給と液体燃料の供給とを切り替えることができる。また、前記気体送入手段は前記燃料電池に前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段を介して前記酸化剤を送り入れることもできる。

本発明にかかる燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極側から排出される排出流体の流路を切り替える流路切替手段を備えていても良い。流路切替手段によって排出流体の流路を切り替えることにより、この排出流体を燃料電池が備える所定の装置に送り出すことが可能となり、排出流体処理手段に排出流体を送ることでこの排出流体を処理することができる。さらにこのような燃料電池システムにおいては、前記排出流体処理手段が前記排出流体に含まれる水分を前記排出流体から分離する水分分離器と、前記水分を貯蔵する水分貯蔵器とから構成されていても良く、排出流体から分離された水分を再度発電に利用することが可能となる。また、燃料流体処理手段で分離された水分及び液体燃料の少なくとも一方を燃料混合器に供給して再度発電に利用することもできる。また、前記流路切替手段は、排出流体を二酸化炭素除去手段に供給することも可能である。

本発明にかかる燃料電池の発電方法は、燃料電池の燃料極側に酸化剤を供給し、前記燃料極側に滞留する液体燃料及び水分の少なくとも一方を前記燃料電池から排出し、排出された液体燃料及び水分の少なくとも一方を前記燃料電池の発電に用いることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池の発電方法によれば、発電によって消費されなかった液体燃料や発電によって生成された水分を再度発電に利用することができ、液体燃料や水分を効率良く使用して発電を行うことができる。特に、前記燃料電池の停止時、若しくは保管時に前記気体を供給することにより、燃料電池の劣化を抑制することが可能になる。さらに、残留する水分を燃料電池から排出することによって、燃料電池内で水分が凍結することによる燃料電池の破損等を防止することができる。

本発明にかかる燃料電池システムによれば、燃料電池の停止時若しくは長期保管時に燃料電池の燃料極側に空気を供給することにより、燃料極側に残留する水分やメタノールの如き液体燃料を排出することができ、凍結による燃料電池の破損や液体燃料による電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。したがって、燃料電池の寿命を延ばすことができ、燃料電池システムで重要な性能の一つとされる信頼性を高めることができる。

さらに、本実施形態にかかる燃料電池発電方法によれば、燃料電池から排出された液体燃料や水分を発電に再利用することができ、発電に用いる資源を無駄なく利用して効率良く発電を行うことが可能となる。

以下、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法について図面を参照しながら説明する。
[第１の実施の形態]

図１は、本実施形態にかかる燃料電池システム１の構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システム１は、燃料水溶液循環ポンプ１４を介して燃料電池２の燃料極側に空気を送り込む三方電磁バルブ１５を備えることに特徴を有する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料電池２の燃料極に液体燃料を供給する燃料極側供給配管系１０、燃料電池２に酸化剤とされる空気を供給する空気極側供給配管系２０、燃料電池２の燃料極側から発電による生成物を排出する燃料極側排出配管系３０、燃料電池の空気極側から排気する空気極側排出配管系４０を備える。また、燃料電池２に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ５１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１に接続される負荷５２は燃料電池２から電力を取り出す。制御コントローラ５３は、燃料電池システム１を構成する各装置の駆動を制御する。

燃料電池２は、電解質膜を空気極及び燃料極で挟み込んだ発電セルが積層されたスタック構造を備える。この電解質膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池に広く用いられている固体高分子型電解質膜とされ、例えばフッ素樹脂系のイオン導電膜を用いることができる。

燃料極側供給配管系１０は、メタノールタンク１１、メタノールタンク１１からメタノールを吸い上げるメタノール供給ポンプ１２、メタノール供給ポンプ１２から供給されたメタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器１３、燃料混合器１３から燃料水溶液を受け取って燃料電池２に供給する燃料水溶液循環ポンプ１４、燃料混合器１３と燃料水溶液循環ポンプ１４との間に設けられる三方電磁バルブ１５から構成される。

空気極側供給配管系２０は、燃料電池システム１の外部から空気を取り込むための配管２１、空気を燃料電池２の空気受け取り口２ｂに供給する空気供給ポンプ２２から構成される。

燃料極側供給配管系１０を構成する三方電磁バルブ１５は、燃料水溶液循環ポンプ１４を介して燃料電池２にメタノールを供給する。このメタノールは、燃料混合器１３によって水分と混合されており、燃料水溶液として燃料電池２に供給される。この燃料水溶液は、燃料電池２の燃料極に繋がる燃料受け取り口２ａに供給される。三方電磁バルブ１５は配管２１とも接続されており、三方電磁バルブ１５を切り替えることによって、配管２１に流動する空気を燃料水溶液循環ポンプ１４に供給することができる気体送入手段とされる。燃料電池２によって発電が行われ際には、三方電磁バルブ１５は、燃料混合器１３から燃料水溶液循環ポンプ１４に至るメタノールの流路の一部を構成し、燃料電池２によって発電が行われない際には配管２１から燃料水溶液循環ポンプ１４に空気を流動させる酸化剤供給路から空気を取り込む。

燃料電池２で発電が行われていない際には、三方電磁バルブ１５は燃料供給手段とされる燃料水溶液循環ポンプ１４を介して燃料電池２の燃料受け取り口２ａに空気を供給することができ、燃料電池２の燃料極側に残留するメタノールや水分を燃料電池２の外部に排出することができる。これにより、燃料電池システム１の停止時若しくは長期間保管される際には、燃料電池２の燃料極側から水分やメタノール排出しておくことができる。よって、燃料電池システム１が氷点下で保管された場合でも、凍結する水分が燃料電池２内部に殆ど残留していない。すなわち、残留する水分が凍結することによって燃料電池２が破損することを防止することができる。

さらに、三方電磁バルブ１５は空気の流路とされる配管２１を切り替えて燃料電池２の燃料極側に空気を流動させることができ、燃料電池システム１を構成する配管中で水分が残留することを低減することもでき、これら配管が水分の凍結によって破損することを防止することができる。さらにまた、燃料電池２の燃料極側からメタノールを排出することによって、燃料電池を構成するフッ素樹脂系のイオン導電膜の劣化を抑制することができ、燃料電池２の寿命を延ばすことが可能となる。すなわち、燃料電池２の燃料極側に残留する水分とメタノールを排出することにより、水分が凍結することによる燃料電池２及び燃料電池システム１の破損を防止することができるとともに、メタノールによるイオン導電膜の劣化とを抑制することが可能となり、燃料電池システム１の信頼性を高めることが可能となる。

また、空気供給ポンプ２２は、酸化剤とされる空気を燃料電池２に供給する酸化剤供給手段であり、燃料電池２の空気受け取り口２ｂに空気を供給することによって、空気極側に残留する水分を燃料電池２から排出することができる。これにより、水分が凍結することによる燃料電池２及び配管の破損を防止することが可能となる。

したがって、燃料電池２の停止時及び長期保管時に燃料電池２の燃料極側及び空気極側のそれぞれに同時に空気を流動させることにより、燃料電池２に残留するメタノールや水分を燃料電池２から排出することができる。すなわち、発電を行うための本来の空気の流路から、三方電磁バルブ１５如き気体送入手段によって空気の流路を分岐して燃料電池２の燃料極側及び空気極側に同時に空気を流動させることができる。よって、燃料極側に残留するメタノールや水分を排出するための排出手段を新たに設けることなく、既存の空気供給ポンプ２２及び燃料水溶液循環ポンプ１４が流体を送り出す機能を利用して、燃料電池２及び燃料電池システム１に残留する水分やメタノールを排出することができる。

燃料極側排出配管系３０は、燃料排出口２ｃから排出される排出流体の流路を切り替える三方電磁バルブ３１、燃料電池２から排出される燃料に含まれるＣＯ２を除去するＣＯ２除去器３２、ＣＯ２が除去された排気を燃料電池システム１の外部の排出する処理装置３３から構成される。

三方電磁バルブ３１は、燃料電池２の燃料極側排出口２ｃから排出される排出流体をＣＯ２除去器３２、又は処理装置３３に送るために排出流体の流路を切り替える流路切替手段とされる。この排出流体は発電に用いられたメタノールの残り、水分、及びＣＯ２を含む。三方電磁バルブ３１は、この排出流体の流路を切り替えＣＯ２除去器３２及び燃料混合器１３は一体とされて排出流体を処理する排出流体処理手段とすることができる。

また、排出流体が水分を含んでいる場合には、この水分も燃料混合器１３によってメタノールと混合されて燃料電池２の発電に再利用される。したがって、燃料電池２から排出された排出流体に含まれるメタノールや水分を再利用することにより、メタノールの如き燃料や水分を効率良く利用して発電を行うことができる。排出流体が水分を殆ど含まない場合には、三方電磁バルブ３１を切り替えて直接排出流体を処理装置３３に送ることができる。

また、水分が凍結しないように燃料混合器１３、又はＣＯ２除去器３２にヒータを設けても良いし、残留する水分が凍結した場合でもこれら装置が破損しないように余分なスペースを設けても良い。また、三方電磁バルブ３１を切り換えることによって排出流体を直接処理装置３３に送ることもできる。なお、排出流体を燃料極側排出口２ｃからＣＯ２除去器３２に送り続けても問題ない場合には、三方電磁バルブ３１を省いても良い。また、三方電磁バルブ３１を設けることなく、排出流体を燃料極側排出口２ｃから処理装置３３に送ることもできる。

空気極側排出配管系４０は、空気排出口２ｄから排出される発電後の空気と水分とを分離する気液分離器４１、分離された水分を貯蔵する水分貯蔵器４２、水分貯蔵器４２から燃料混合器１３への流路に設けられる電磁バルブ４３、気液分離器４１で分離された排気を燃料電池システム１の外部に排出する処理装置３３から構成される。なお、処理装置３３は、燃料極側排出配管系３０と空気極側排出配管系４０の両方に含まれる。

空気極側排出口２ｄから排出される排気は、気液分離器４１に送られる。気液分離器４１は、この排気に含まれる水分を排気から分離し、分離した水分を水分貯蔵器４２に送る。水分貯蔵器４２に貯蔵された水分は、その流量が電磁バルブ４３で調節されながら燃料混合器１３に送られ、燃料電池２の発電に再利用される。また、気液分離器４１は、水分が分離された排気を処理装置３３に送り、処理装置３３はこの排気を燃料電池システム１の外部に排出する。気液分離器４１、水分貯蔵器４２、及び燃料混合器１３は、残留する水分が凍結しないようにヒータが設けられていても良い。また、凍結した水分によってこれら装置が破損しないように、気液分離器４１、水分貯蔵器４２、及び燃料混合器１３に余分なスペースを設けておいても良い。さらにまた、燃料電池システム１を構成する配管を弾性を有する材料で形成することにより、これら配管が水分の凍結によって破損することを防止することも可能である。

このように本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、燃料電池２の停止時若しくは長期保管時に燃料電池２の燃料極側に空気を供給することにより、燃料極側に残留する水分やメタノールの如き液体燃料を排出することができ、凍結による燃料電池２の破損や燃料電池２を構成する電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。したがって、燃料電池２及び燃料電池システム１の寿命を延ばすことができ、燃料電池システム１で重要な性能の一つとされる信頼性を高めることができる。

さらに、本実施形態にかかる燃料電池発電方法によれば、燃料電池２から排出された液体燃料や水分を発電に再利用することができる。したがって、発電に用いる資源を無駄なく利用することができ、効率良く発電を行うことができる。
[第２の実施の形態]

次に、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法の別の形態について説明する。

図２は、本実施形態にかかる燃料電池システム５０の構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システム５０は、第１の実施の形態にかかる燃料電池システム１と略同様な構成を有するが、空気供給ポンプ７２によって燃料電池６９の燃料極側に空気を供給することが可能であるところに特徴を有する。

図２に示すように、燃料電池システム５０は、燃料電池６９、燃料電池６９の燃料極にメタノールを供給する燃料極側供給配管系６０、燃料電池６９に空気を供給する空気極側供給配管系７０、燃料電池６９の燃料極側から発電による生成物を排出する燃料極側排出配管系８０、燃料電池の空気極側から発電による生成物を排出する空気極側排出配管系９０を備える。また、燃料電池６９に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ９５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ９５に接続される負荷９６は燃料電池６９から電力を取り出す。制御コントローラ９７は、燃料電池システム１を構成する各装置の駆動を制御する。

燃料電池６９は、電解質膜を空気極及び燃料極で挟み込んだ発電セルが積層されたスタック構造を備える。この電解質膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池に広く用いられている固体高分子型電解質膜とされ、例えばフッ素樹脂系のイオン導電膜を用いることができる。

燃料極側供給配管系６０は、メタノールタンク６１、メタノールタンク６１からメタノールを吸い上げるメタノール供給ポンプ６２、メタノール供給ポンプ６２から供給されたメタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器６３、燃料混合器６３から燃料水溶液を受け取って燃料電池６９に供給する燃料水溶液循環ポンプ６４、燃料水溶液循環ポンプ６４と燃料電池６９との間に設けられる三方電磁バルブ６５から構成される。

空気極側供給配管系７０は、燃料電池システム５０の外部から空気を取り込むための配管７３、空気を燃料電池６９の空気受け取り口６９ｂに供給する空気供給ポンプ７２、空気供給ポンプ７２と空気受け取り口６９ｂとを繋ぐ配管７１から構成される。

燃料極側供給配管系６０を構成する三方電磁バルブ６５は、燃料水溶液循環ポンプ６４かた供給されるメタノールを燃料電池６９に供給する。このメタノールは、燃料混合器６３によって水分と混合されており、燃料水溶液として燃料電池６９に供給される。この燃料水溶液は、燃料電池６９の燃料極に繋がる燃料受け取り口６９ａに供給される。三方電磁バルブ６５は空気供給ポンプ７２とも接続されており、三方電磁バルブ６５を切り替えることによって、空気供給ポンプ７２から燃料電池６９の燃料極側に空気を供給することができる。燃料電池６９によって発電が行われる際には、三方電磁バルブ６５は、燃料混合器６３、燃料水溶液循環ポンプ６４、さらに燃料電池６９に至るメタノールの流路の一部を構成し、燃料電池６９によって発電が行われない際には空気供給ポンプ７２から燃料電池６９に空気を流動させるための酸化剤供給路の一部を構成する。

燃料電池６９で発電が行われていない際には、三方電磁バルブ６５は空気供給ポンプ７２を利用して燃料電池６９の燃料受け取り口６９ａに空気を供給することができ、燃料電池６９の燃料極側に残留するメタノールや水分を燃料電池６９の外部に排出することができる。よって、燃料電池システム５０が氷点下で保管された場合でも、凍結する水分が燃料電池６９内部に殆ど残留していない。すなわち、残留する水分が凍結することによって燃料電池６９が破損することを防止することができる。

さらに、燃料電池６９の燃料極側からメタノールを排出することによって、燃料電池６９を構成するフッ素樹脂系のイオン導電膜の劣化を抑制することができ、燃料電池６９の寿命を延ばすことが可能となる。すなわち、燃料電池６９の燃料極側に残留する水分とメタノールを排出することにより、水分が凍結することによる燃料電池６９及び燃料電池システム５０の破損を防止することができるとともに、メタノールによるイオン導電膜の劣化とを抑制することが可能となり、燃料電池システム５０の信頼性を高めることが可能となる。

また、空気供給ポンプ７２は、燃料電池６９の空気受け取り口６９ｂに配管７１を介して空気を供給し、空気極側に残留する水分を燃料電池６９から排出することができる。これにより、水分が凍結することによる燃料電池６９及び配管の破損を防止することが可能となる。

このように、燃料電池６９の停止時及び長期保管時に燃料電池６９の燃料極側及び空気極側のそれぞれに同時に空気を流動させることにより、燃料電池６９に残留するメタノールや水分を燃料電池６９から排出ことができる。すなわち、発電を行うための本来の空気の流路から、三方電磁バルブ６５如き気体送入手段によって空気の流路を分岐して燃料電池６９の燃料極側及び空気極側に同時に空気を流動させることができる。よって、燃料極側に残留するメタノールや水分を排出するための排出手段を新たに設けることなく、既存の空気供給ポンプ７２が空気を送り出す機能を利用して、燃料電池６９及び燃料電池システム１に残留する水分やメタノールを排出することができる。例えば、燃料水溶液循環ポンプ６４が流体を送り出す容量が、空気供給ポンプ７２が空気を送り出す容量に比べて小さい場合には、より多くの空気を空気供給ポンプ７２から燃料電池６９の燃料受け取り口６９ａ及び空気受け取り口６９ｂにそれぞれ供給することができる。したがって、空気供給ポンプ７２から供給される空気によって、燃料電池６９の燃料極側に残留するメタノールや水分を排出することができるとともに、空気極側に残留する水分を燃料電池６９から排出することができる。

燃料極側排出配管系８０は、燃料排出口６９ｃから排出される排出流体の流路を切り替える三方電磁バルブ８１、燃料電池６９から排出される排出流体に含まれるＣＯ２を除去するＣＯ２除去器８２、ＣＯ２が除去された排気を燃料電池システム５０の外部の排出する処理装置８３から構成される。

また、空気極側排出配管系９０は、空気排出口６９ｄから排出される発電後の空気と水分とを分離する気液分離器９１、分離された水分を貯蔵する水分貯蔵器９２、水分貯蔵器９２から燃料混合器６３への流路に設けられる電磁バルブ９３、気液分離器９１で分離された排気を燃料電池システム５０の外部に排出する処理装置８３から構成される。なお、処理装置８３は、燃料極側排出配管系８０と空気極側排出配管系９０の両方に含まれる。

三方電磁バルブ８１は、燃料電池６９の燃料極側排出口６９ｃから排出される排出流体をＣＯ２除去器８２に送る。ＣＯ２除去器８２及び燃料混合器６３が充分に乾燥した場合には、三方電磁バルブ８１は排出流体の流路を切り替えて排出流体を気液分離器９１に送る。排出流体が水分を含んでいる場合には、気液分離器９１によって排出流体から分離された水分が水分貯蔵器９２に貯蔵される。水分貯蔵器９２と燃料混合器６３との間には電磁バルブ９３が設けられており、水分貯蔵器９２に貯蔵された水分は流量が調節された状態で燃料混合器６３に送られて再利用される。また、三方電磁バルブ８１は、空気供給ポンプ７２によって燃料電池６９に供給される空気の流量が制限される際には設けられていなくても良い。また、三方電磁バルブ８１は、ＣＯ２除去器８２と気液分離器９１とに排出流体の流路を切り替えることができるが、排出流体を直接処理装置８３に送ることもできる。また、ＣＯ２除去器３２及び燃料混合器１３は一体とされて排出流体を処理する排出流体処理手段とすることができる。

空気極側排出配管系９０は、空気排出口６９ｄから排出される発電後の空気と水分とを分離する気液分離器９１、分離された水分を貯蔵する水分貯蔵器９２、水分貯蔵器９２から燃料混合器６３への流路に設けられる電磁バルブ９３、気液分離器９１で分離された排気を燃料電池システム５０の外部に排出する処理装置８３から構成される。なお、処理装置８３は、燃料極側排出配管系３０と空気極側排出配管系４０の両方に含まれる。

空極側排出口６９ｄから排出される排気は、気液分離器９１に送られる。気液分離器９１は、この排気に含まれる水分を排気から分離し、分離した水分を水分貯蔵器９２に送る。水分貯蔵器４２に貯蔵された水分は、その流量が電磁バルブ４３で調節されながら燃料混合器６３に送られ、燃料電池６９の発電に再利用される。また、気液分離器９１は、水分が分離された排気を処理装置８３に送り、処理装置８３はこの排気を燃料電池システム１の外部に排出する。気液分離器９１、水分貯蔵器９２、及び燃料混合器６３は、残留する水分が凍結しないようにヒータが設けられていても良い。また、凍結した水分によってこれら装置が破損しないように、気液分離器９１、水分貯蔵器９２、及び燃料混合器６３に余分なスペースを設けておいても良い。さらにまた、燃料電池システム５０を構成する配管を弾性を有する材料で形成することにより、これら配管が水分の凍結によって破損することを防止することも可能である。

このように、燃料電池６９の燃料側排出口６９ｃから排出された排出流体の流路を三方電磁バルブ８１によって切り替え、この排出流体を気液分離器９１又はＣＯ２除去器８２に供給することができる。これにより、排出流体に含まれるメタノールや水分を再利用して発電を行うことができる。また、第１の実施の形態にかかる燃料電池システム１と同様に、水分が凍結しないように燃料混合器６３、又はＣＯ２除去器８２にヒータを設けても良いし、残留する水分が凍結した場合でもこれら装置が破損しないように余分なスペースを設けても良い。

以上、本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、燃料電池６９の停止時若しくは長期保管時に燃料電池６９の燃料極側に空気を供給することにより、燃料極側に残留する水分やメタノールの如き液体燃料を排出することができ、凍結による燃料電池６９の破損や燃料電池６９を構成する電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。したがって、燃料電池６９及び燃料電池システム５０の寿命を延ばすことができ、燃料電池システム５０で重要な性能の一つとされる信頼性を高めることができる。

さらに、本実施形態にかかる燃料電池発電方法によれば、燃料電池６９から排出された液体燃料や水分を発電に再利用することができる。したがって、発電に用いる資源を無駄なく利用することができ、効率良く発電を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成図である。本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成図である。従来の燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１，５０，１００燃料電池システム
２，６９，１０１燃料電池
１１，６１，１０４メタノールタンク
１２，６２，１０５メタノール供給ポンプ
１３，６３，１０６燃料混合器
１４，６４，１０３燃料水溶液循環ポンプ
１５，３１，６５，８１三方電磁バルブ
２２，７２，１０２空気供給ポンプ
３３，８３，１１０処理装置
４１，９１，１０８気液分離器
４２，９２，１０９水分貯蔵器
４３，９３電磁バルブ

Claims

液体燃料を用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の液体燃料受け取り側に酸化剤を送り入れる気体送入手段と、
前記燃料電池の燃料極側から排出される排出流体の流路を切り替える流路切替手段と、
前記排出流体を処理すると共に、前記排出流体に含まれる水分を前記排出流体から分離する水分分離器と、前記水分を貯蔵する水分貯蔵器とを有する排出流体処理手段と
を備える燃料電池システム。
前記気体送入手段は前記燃料電池の酸化剤受け取り側に接続される酸化剤供給路から前記酸化剤を取り込む
請求項１記載の燃料電池システム。
前記酸化剤を前記酸化剤受け取り側に供給する酸化剤供給手段をさらに備え、
前記気体送入手段は前記酸化剤供給手段から前記酸化剤を受け取ると共に、前記燃料電池に前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と前記燃料電池との間に設けられる
請求項２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段を更に備え、
前記気体送入手段は前記液体燃料供給手段を介して前記酸化剤を送り入れる
請求項２記載の燃料電池システム。
前記流路切替手段は前記排出流体を前記排出流体処理手段に送る
請求項１記載の燃料電池システム。
水分及び液体燃料を混合する燃料混合器をさらに備え、
前記排出流体処理手段は、前記排出流体に含まれる水分及び液体燃料のうち少なくとも一方を前記燃料混合器に供給する
請求項１記載の燃料電池システム。
前記排出流体に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器を更に備え、
前記流路切替手段は、前記排出流体を前記二酸化炭素除去器に供給する
請求項１記載の燃料電池システム。
前記気体送入手段は、三方弁機構を備える
請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、フッ素樹脂系の電解質膜を備える
請求項１記載の燃料電池システム。
前記液体燃料はメタノールである
請求項１記載の燃料電池システム。
燃料電池の燃料極側に酸化剤を供給し、
前記燃料極側に滞留する液体燃料及び水分を前記燃料電池から排出し、
排出された前記液体燃料及び水分を排出流体の流路を切り替える流路切替手段を介して燃料混合器に供給し、
液体燃料と水分と排出された前記液体燃料及び水分を混合して燃料水溶液を生成し、
前記燃料水溶液を前記燃料電池の発電に用いる
燃料電池の発電方法。
前記燃料電池の停止時、若しくは保管時に前記酸化剤を供給する
請求項１１記載の燃料電池の発電方法。