JP5208612B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池システム内を循環する流体に含まれている水分をより効率的に回収し、無方位性機能を有するように改善された燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学反応によって電気エネルギーを発生させる発電装置である。燃料電池は、使用される燃料により、高分子電解質形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、直接メタノール形燃料電池のような様々な種類の燃料電池に区分することができる。

高分子電解質形燃料電池は、水素イオン交換特性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池であり、水素を含有する燃料と酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電気エネルギーと熱を連続的に発生させることができる。かかる高分子電解質形燃料電池は、他の燃料電池と比較すると、出力特性が卓越しており、作動温度が低いと同時に、速い始動特性及び応答特性を有する。このような高分子電解質形燃料電池を用いて構成された燃料電池システムは、移動用電源またはバッテリー代替電源のような様々な分野に利用されている。また、上記のような高分子電解質形燃料電池を用いて構成された燃料電池システムは、一般的に、酸化剤ガスと燃料を各々燃料電池スタックに供給する構造を有する。

直接メタノール形燃料電池は、燃料改質装置を使用せずにメタノールのような液体燃料を燃料電池スタックに直接供給する。かかる直接メタノール形燃料電池は、液体燃料及び空気を提供されて、燃料の酸化反応と酸化剤ガスの還元反応により電気エネルギーを発生させることができる。このような直接メタノール形燃料電池を用いて構成された燃料電池システムは、その構成要素が簡単であり、携帯用電源機器または小型電源機器に用いることができる。

このような燃料電池システムにおいては、燃料と酸化剤ガスが電気化学的に反応した後に、アノード出口を通じて未反応の燃料と二酸化炭素（ＣＯ_２）が排出され、カソード出口を通じて未反応の酸化剤ガスと水が排出される。燃料電池システムは、一般に、アノード出口から排出される未反応燃料を再活用するために、二酸化炭素を分離排出させて、未反応燃料を燃料電池スタックに再循環させている。一方、燃料電池システムは、カソード出口から排出される電気化学反応によって生成された水（水分）を未反応の燃料に混合させるために、未反応の酸化剤ガスを分離排出させて、水（水分）を燃料電池スタックに供給している。

このように、燃料電池システムでは、電気化学反応によって生成された水分が未反応の酸化剤ガスに含まれている状態でカソード出口を通じて排出される。したがって、従来の燃料電池システムは、未反応の酸化剤ガスに含まれている水分を分離させるための流体回収装置を別に備える。このような流体回収装置は、一般に、燃料電池スタックから排出される未反応の酸化剤ガスを、予め設定された所定の温度以下に凝縮させることによって、未反応の酸化剤ガスに含まれている水分を水の状態に変化させている。そして、未反応の酸化剤ガスと水とに変化した水分は、その後重力によって互いに分離される。

しかし、従来の燃料電池システムにおいては、特に直接メタノール形燃料電池のような携帯用電源機器または小型電源機器に用いられる燃料電池システムの場合、流体回収装置自体が揺れたり回転する状態で使用される場合がある。すなわち、携帯用の電子機器などの電源として用いられる燃料電池システムは、ユーザーの使用状態により、横向き、逆さ、あるいは傾いた状態で置かれたり、回転されて前後、左右、上下が変わったり、振動を受けたりする場合がある。これにより、従来の燃料電池システムにおいては、未反応酸化剤ガスから分離された水が、未反応酸化剤ガスに再び混合されたり、外部に漏れるといった問題が生じることがあった。

このように、機器が上下左右のいずれの方向を向いているかよって動作が変化するような問題は、一般に無方位性能が低いと表現し、従来の燃料電池システムは、無方位性能が低いため電力効率が低下するという問題があった。すなわち、従来の燃料電池システムは、どのような向きで置かれるか、あるいは使用されるかによって、電力の生成効率が低下したり、液体が外部に漏れるといった不具合が生じることがあった。要するに、燃料電池本体からの排出物を流体回収装置などにより気体と液体に分離しても、受けている重力の向きによって、分離された気体と液体が混合されたり、液体が外部に流出されてしまう場合がある。このような場合、燃料電池本体に再循環されるべき未反応燃料や水が十分に再循環されず、電力の生成効率が低下する場合があるという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電気化学反応に利用された後に燃料電池本体から排出される流体を、液体と気体に分離させ、燃料電池システム内を循環する流体に含まれている水分をより効率的に回収することのできる燃料電池システムを提供することにある。

また、本発明の目的とするところは、揺動または回転にも影響を受けることなく、流体に含まれている液体と気体を互いに分離させることによって、無方位性能に優れた燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、水素を含有する燃料と酸素を含有する酸化剤ガスを供給されて、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池本体と、上記燃料電池本体のアノード出口に連結される第１再循環配管の流路上に設けられて、上記アノード出口から排出される未反応の燃料と気体副産物を互いに分離させる第１気液分離部と、上記燃料電池本体のカソード出口に連結される第２再循環配管の流路上に設けられて、上記カソード出口から排出される未反応の酸化剤ガスと液体副産物を互いに分離させる第２気液分離部と、上記第１再循環配管、上記第２再循環配管及び、上記燃料電池本体のアノード入口への経路を形成する第３再循環配管がそれぞれ連結されて、その内部には上記未反応の燃料及び上記液体副産物が所定の容量だけ満たされて互いに混合され、上記未反応の燃料及び上記液体副産物が上記燃料電池本体に供給されるように上記第３再循環配管に上記未反応の燃料及び上記液体副産物を排出するバッファー配管と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。

このような本発明にかかる燃料電池システムによれば、上記第１気液分離部を設けたことにより、上記アノード出口から排出された未反応燃料及び気体副産物から、未反応燃料だけが上記バッファー配管に供給される。そして、上記第２気液分離部を設けたことにより、上記カソード出口から排出された未反応の酸化剤ガス及び液体副産物から、液体副産物だけが上記バッファー配管に供給される。このようにして上記バッファー配管に供給された未反応燃料及び液体副産物は、上記バッファー配管内で混合されてから、再利用されるために上記第３再循環経路を通じて燃料電池本体のアノード入口に供給される。上記のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池本体からの排出物に含まれる液体を、第１再循環配管／第２再循環配管、バッファー配管及び第３再循環配管により形成される流路を通じて再び燃料電池本体に供給することができる。このような流路を通じて循環される液体は、外部に漏れることがなく、また、上記バッファー配管に所定の容量の未反応燃料及び液体副産物が満たされるように液体が循環しているため、未反応燃料及び液体副産物が逆流するのを防止することができる。

このとき、上記バッファー配管は蛇行配管であり、所定の空間内に収まるように集積されて設けられるのがよい。例えば、上記バッファー配管は、所定の空間内で複数回折り返すように配設された蛇行配管であることができる。また、バッファー配管には、液体状態の流体の存在有無を把握する複数の液体感知センサーを設けることができる。

ここで、上記第１気液分離部は、疎水性膜を利用して上記未反応の燃料と上記気体副産物を分離することができる。このとき、上記第１気液分離部は、上記気体副産物としての二酸化炭素を分離することができる。

また、上記燃料電池システムの上記第１再循環配管の経路上には、上記未反応の燃料と上記気体副産物が混合された流体を所定の温度に冷却させる冷却器がさらに設けられ、上記冷却器は上記燃料電池本体と上記第１気液分離部との間に配設されるように構成することができる。

ここで、上記第２気液分離部は、疎水性膜を利用して上記未反応の酸化剤ガスと上記液体副産物を分離することができる。このとき、上記第２気液分離部は、上記液体副産物としての水を分離することができる。

また、上記燃料電池システムの上記第２再循環配管の経路上には、上記未反応の酸化剤ガスと上記液体副産物が混合された流体を所定の圧力で凝縮させる凝縮器がさらに設けられ、上記凝縮器は上記燃料電池本体と上記第２気液分離部の間に配設されるように構成することができる。

上記バッファー配管には、複数の疎水性膜が所定の間隔で設けられてもよい。

上記第３再循環配管には、上記未反応の燃料と上記液体副産物が混合された流体を所定の圧力で上記燃料電池本体に供給する流体ポンプを設けることができる。また、上記第３再循環配管の経路上には、親水性膜を設けることもできる。

上記バッファー配管は、体積が可変の弾性素材の配管で形成されてもよい。

また、上記水素を含有する燃料を上記燃料電池本体に供給する燃料供給部、及び上記酸素を含有する酸化剤ガスを上記燃料電池本体に供給する酸化剤供給部をさらに含み、上記燃料供給部は上記バッファー配管に連結され、上記水素を含有する燃料は上記バッファー配管に流入されるように構成されることもできる。

本発明によれば、バッファー配管を備えたことにより、従来よりも無方位機能が向上されて、携帯用または小型電源機器のような製品に幅広く用いることができる燃料電池システムを提供できるものである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本発明は様々な形態に具現されることができ、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

先ず、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図１に示したように、本発明の第１実施の形態にかかる燃料電池システム１００は、燃料電池本体１１０で電気化学的に反応が行われた後に排出される流体を、液体と気体に分離して、上記分離された液体が外部に漏れたり、気体と再び混合されないように、以下ののような構成要素を備える。

燃料電池システム１００は、水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池本体１１０を備える。燃料電池本体１１０は、電気エネルギーを生成する最小単位の単位セルを備え、このような単位セルが数個から数十個、連続的に積層されて配列された集合体として構成される。そして、燃料電池本体１１０の単位セル集合体の最外側となる各端部には、エンドプレートがそれぞれ結合される。このような構造的な特徴により、燃料電池本体１１０は、一般に燃料電池スタック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ）と称される。

燃料供給部１２０は、燃料電池本体１１０に水素を含有する燃料を供給する。水素を含有する燃料としては、炭化水素系（ＬＮＧ、ＬＰＧ）などの燃料、または純粋水素を用いることができる。燃料供給部１２０は、水素を含有する燃料が保存される燃料タンク１２１及び、水素を含有する燃料を予め設定された所定の圧力に維持しながら燃料供給量を調節する第１燃料ポンプ１２２を含んで構成される。この他にも、燃料供給部１２０は、燃料の種類によって燃料改質装置などのような他の構成要素をさらに備えることもできる。

酸化剤供給部１３０は、燃料電池本体１１０に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。かかる酸化剤供給部１３０は、一般に、空気ポンプのような装備を用いて、大気中の空気を酸化剤ガスとして燃料電池本体１１０に供給する。

水素を含有する燃料は、燃料電池本体１１０のアノード入口１１１に流入され、燃料電池本体１１０で電気化学反応に用いられた後、燃料電池本体１１０のアノード出口１１３を通して排出される。燃料電池本体１１０のアノード出口１１３から排出される流体は、電気化学反応で未反応であった未反応燃料と、電気化学反応で生成された気体副産物としての二酸化炭素（ＣＯ_２）とを含み、これらが共にアノード出口１１３から排出される。燃料電池システム１００は、水素の利用効率を極力増やすために、未反応燃料を燃料電池本体１１０のアノード入口１１１に再循環させて供給する構成となっている。

酸化剤ガスとしての空気は、燃料電池本体１１０のカソード入口１１２に流入され、燃料電池本体１１０で電気化学反応に利用された後、燃料電池本体１１０のカソード出口１１４を通して排出される。燃料電池本体１１０のカソード出口１１４から排出される流体は、電気化学反応で反応に利用されなかった未反応の空気と、電気化学反応で生成された水分（水蒸気）とを含む。このように、カソード出口１１４から排出される流体は未反応の空気と水分（水蒸気）が混合された状態であるため、燃料電池システム１００は、水分（水蒸気）を水のような液化副産物として分離させた後に、再活用する。つまり、燃料電池システム１００は、水のような液化副産物を未反応の燃料に混合させてから、燃料電池本体１１０のアノード入口１１１に供給する。

より詳しく説明すると、第１再循環配管１４０は、燃料電池本体１１０のアノード出口１１３側に配置され、下記で説明するバッファー配管（バッファーライン）１６０に連結される。第１再循環配管１４０には疎水性膜を備えた第１気液分離部１４１が設けられる。疎水性膜（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ）は、水のような液体を吸収しない性質の薄い膜であり、気体を選択的に通過させることによって気体と液体を分離させることができる。つまり、第１気液分離部１４１は疎水性膜を用いて、未反応の燃料から気体副産物の二酸化炭素を分離させた後に外部に放出させる。そして、未反応燃料はバッファー配管１６０に送られる。

第２再循環配管１５０は、燃料電池本体１１０のカソード出口側に配置されて、下記で説明するバッファー配管１６０に連結される。第２再循環配管１５０には疎水性膜を備えた第２気液分離部１５１が設けられる。以下、第２気液分離部１５１は疎水性膜を用いて、水のような液体副産物から未反応の空気を分離させた後に外部に放出させる。そして、水のような液体副産物はバッファー配管１６０に送られる。

バッファー配管１６０は、蛇行配管であり、所定の空間内に集積されて設けられる。例えば、バッファー配管１６０は、所定の空間内に収まるように密集して設けられるのが良いが、このときバッファー配管１６０の配管は蛇行するように設けらるのが良く、図１に示されたように所定の空間内を複数回折り返すように設けられることができる。バッファー配管１６０は、第２再循環配管１５０と連結された配管であり、このバッファー配管１６０のある一地点に第１再循環配管１４０が連結される。これにより、バッファー配管１６０には、第１再循環配管１４０を通して未反応の燃料と、第２再循環配管１５０を通して液体副産物の水とがそれぞれ流入される。

未反応の燃料と液体副産物の水は、予め設定された所定の容量程度に満たされるバッファー配管１６０内で互いに混合される。液体副産物の水は、酸化剤供給部１３０のポンプ供給圧力、及び第２気液分離部１５１で未反応の空気が分離される時の圧力により、バッファー配管１６０内に流動される。そして、未反応燃料は、バッファー配管１６０内で液体副産物の水が流動されることによって、その圧力差によって第１再循環配管１４０からバッファー配管１６０内に吸入される。

バッファー配管１６０は、燃料電池本体１１０のアノード入口１１１に向かう第３再循環配管１７０と連結される。そして、バッファー配管１６０に流入した未反応燃料及び液体副産物の水は、燃料電池本体１１０のアノード入口１１１に供給されるように、第３再循環配管１７０へ排出される。

このように、燃料電池システム１００は、バッファー配管１６０を形成することによって、従来の技術のように別途の液体タンクを要さない。すなわち、従来の技術では、例えば流体回収装置を設けて、未反応の酸化剤ガスに含まれる水分を未反応酸化剤ガスを凝縮させることにより水に変化させ、重力により分離させて液体タンクに回収していたが、このような液体タンクを設ける必要がなくなる。

バッファー配管１６０は蛇行配管であり、最小の空間内で予め設定された所定の容量の未反応燃料及び液体副産物の水を貯蔵することができる。このとき、燃料電池システム１００では、第１気液分離部１４１及び第２気液分離部１５１で気体を排除しているため、バッファー配管１６０内には未反応の燃料と液体副産物の水が貯蔵される。そして、燃料電池システム１００は揺動または回転によっても液体状態の流体が外部に漏れたり気体と混合されない無方位性能を有するようになる。

ここで、未反応燃料と液体副産物の水は、燃料電池本体１１０の出力性能によって排出される容量が変わる。バッファー配管１６０は、燃料電池本体１１０の出力性能を考慮して、予め設定された所定の容量程度に配管の長さが調整されて設計されるのがよい。

燃料電池システム１００は、無方位性能が維持されるように、バッファー配管１６０内に未反応の燃料と液体副産物の水が一定に満たされるのが望ましい。すなわち、上述したように、液体副産物の水は酸化剤供給部１３０及び第２気液分離部１５１の圧力によりバッファー配管１６０内に流動されるので、このような圧力により、バッファー配管１６０内の液体は第２気液分離部１５１の方向に逆流しなくなる。一方、上述したように、未反応燃料は液体副産物の水がバッファー配管１６０内を流動する圧力差によってバッファー配管１６０内に吸入される。したがって、バッファー配管１６０内に所定の容量の液体が流動していないと、未反応燃料は第１再循環配管１４０からバッファー配管１６０内に吸入されなくなる。そして、このような吸入力がなくなると、バッファー配管１６０内から第１気液分離部１４１の方向へ液体が逆流する恐れがあるため、吸入力を発生しつづけるためには、バッファー配管１６０内に未反応の燃料と液体副産物の水が一定に満たされた状態を保つのがよい。これにより、無方位性能が維持されることになる。

燃料電池システム１００のバッファー配管１６０には、所定の間隔で設けられた複数の液体感知センサー１６１が配設される。液体感知センサー１６１は、液体状態の流体の存在有無を把握して、各々異なる信号値を発生させるセンサーである。液体感知センサー１６１としては、抵抗または屈折率を利用して液体状態の流体を感知するタイプのセンサーを用いることができる。このような液体感知センサー１６１は、揺動または回転された際にも液体状態の流体を感知できるタイプのセンサーとして、無方位機能を有する。これにより、液体感知センサー１６１は、バッファー配管１６０内の所定の地点における未反応の燃料と液体副産物の水の存在有無を検出して、バッファー配管１６０内における未反応燃料と液体副産物の水が、予め設定された所定の容量程度を維持しているのかを把握することができる。

この他にも、燃料電池システム１００は、第３再循環配管１７０に流体ポンプ１７１を備えることができる。流体ポンプ１７１は、未反応の燃料と液体副産物が混合された流体を予め設定された所定の圧力で加圧して、燃料電池本体１１０のアノード入口１１１方向に供給する。

次に、本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。図２は本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図２に示したように、本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システム２００は、図１に示された燃料電池システム１００と同様に燃料電池本体２１０、燃料供給部２２０、及び酸化剤供給部２３０を備える。

第２の実施の形態にかかる燃料電池システム２００は、第１再循環配管２４０に冷却器２４２を備えるといった特徴を有する。冷却器２４２は、燃料電池本体２１０と第１気液分離部２４１との間に配設され、未反応燃料と二酸化炭素が混合された流体を予め設定された所定の温度に冷却させる。これにより、未反応燃料の液化現象が促進されるため、第１気液分離部２４１は、未反応燃料から気体副産物の二酸化炭素をより容易に分離することができる。

更に、第２の実施の形態にかかる燃料電池システム２００は、第２再循環配管２５０に凝縮器２５２を備えるといった特徴を有する。凝縮器２５２は、燃料電池本体２１０と第２気液分離部２５１との間に配設され、未反応空気と水蒸気が混合された流体を予め設定された所定の圧力で凝縮させる。この凝縮器２５２は、飽和水蒸気圧を異ならせる（変化させる）ことにより、水蒸気を液体副産物の水に、より容易に変化させることができる。そして、液体副産物の水は、バッファー配管２６０内で第１再循環配管２４０の未反応燃料と混合される。

次に、本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。図３は本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図３に示したように、本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システム３００は、図２に示された燃料電池システム２００と同様に、燃料電池本体３１０、燃料供給部３２０、及び酸化剤供給部３３０を備える。また、燃料電池システム３００は、第１再循環配管３４０の経路上に、第１気液分離部３４１及び冷却器３４２を備え、未反応燃料から気体副産物の二酸化炭素をより容易に分離させることができる。そして、燃料電池システム３００は、第２再循環配管３５０の経路上に、第２気液分離部３５１及び凝縮器３５２を備え、未反応の空気と水をより容易に分離させることができる。

第３の実施の形態にかかる燃料電池システム３００は、第２再循環配管３５０の経路上に設けられるバッファー配管３６０に所定の間隔で設けられた複数の疎水性膜３６１をさらに備えるといった特徴を有する。二酸化炭素または未反応空気のような気体状態の流体は、第１気液分離部３４１または第２気液分離部３５１では完全に分離排出されず、微量の二酸化炭素及び／または未反応空気がバッファー配管３６０に流入する場合がある。燃料電池システム３００は、バッファー配管３６０に複数の疎水性膜３６１をさらに設けることにより、バッファー配管３６０に流入された二酸化炭素及び／または未反応空気を、微量であってもより効果的に分離排出することができる。このとき、バッファー配管３６０は、上述したような蛇行配管であるため、疎水性膜３６１を所定の間隔で設置することがより容易になる。

次に、本発明の第４の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。図４は本発明の第４の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図４に示したように、本発明の第４の実施の形態にかかる燃料電池システム４００は、図２に示された燃料電池システム２００と同様に、燃料電池本体４１０、燃料供給部４２０、及び酸化剤供給部４３０を備える。また、燃料電池システム４００は、第１再循環配管４４０の経路上に、第１気液分離部４４１及び冷却器４４２を備え、未反応燃料から気体副産物の二酸化炭素をより容易に分離させることができる。そして、燃料電池システム４００は、第２再循環配管４５０の経路上に、第４気液分離部４５１及び凝縮器４５２を備え、未反応の空気と水をより容易に分離させることができる。

第４の実施の形態にかかる燃料電池システム４００は、第３再循環配管に親水性膜４６２をさらに備えるといった特徴を有する。かかる親水性膜４６２は、水のような液体副産物に親和力を有する薄い膜である。

未反応燃料と液体副産物の水は、酸化剤供給部４３０から加えられる空気ポンプの圧力によって、バッファー配管４６０や第３再循環配管などに沿って燃料電池本体４１０の方向に円滑に流動することができる。しかし、燃料電池システム４００は、携帯用電源機器に用いられた場合には、裏返されたり回転されるため、様々な外部環境により作動条件が急激に変わることがある。その場合、未反応の燃料と液体副産物の水は、燃料電池本体４１０方向に円滑に流動しなかったり、逆流する可能性もあり得る。このような不安定性を考慮して、燃料電池システム４００は、未反応の燃料と液体副産物の水が親水性膜４６２に一時的に保存される構成を有し、これにより未反応の燃料と液体副産物の水が所定の方向に流動されるように誘導することができる。

その他にも、燃料電池システム４００は、毛細管現象を利用して、未反応の燃料と液体副産物の水が第３再循環配管内のいずれか一方向に流動されるように誘導するように構成されこともできる。

次に、本発明の第５の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。図５は本発明の第５の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図５に示したように、本発明の第５の実施の形態にかかる燃料電池システム５００は、図２に示された燃料電池システム２００と同様に、燃料電池本体５１０、燃料供給部５２０、及び酸化剤供給部５３０を備える。また、燃料電池システム５００は、第１再循環配管５４０の経路上に、第１気液分離部５４１及び冷却器５４２を備え、未反応燃料から気体副産物の二酸化炭素をより容易に分離させることができる。そして、燃料電池システム５００は、第２再循環配管５５０の経路上に、第２気液分離部５５１及び凝縮器５５２を備え、未反応の空気と水をより容易に分離させることができる。

第５の実施の形態にかかる燃料電池システム５００は、第２再循環配管５５０の経路上の所定の位置に可変部材５６０が設けられるといった特徴を有する。可変部材５６０は、第２再循環配管５５０のある一部分として体積が変化可能な可変の弾性素材で構成される。第１再循環配管５４０は、可変部材５６０の前方（上流）において第２再循環配管５５０に連結される。そして、未反応燃料と液体副産物の水は、設定された所定の容量範囲内で可変部材５６０内で混合される。このように、可変部材５６０は、予め設定された容量範囲内で未反応の燃料と液体副産物の水が維持されるようにするので、未反応の燃料と液体副産物の水が予め設定された容量だけ維持されるようにするバッファーライン（バッファー配管）と同じ役割を果たすことができる。

このように、第５の実施の形態にかかる燃料電池システム５００は、図１〜図４に示されたバッファー配管１６０、２６０、３６０、４６０の代わりに、可変部材５６０を備える。このような可変部材５６０は、図１〜図４に示された燃料電池システム１００、２００、３００、４００と同様に、無方位性能効果を奏することができる。

次に、本発明の第６の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。図６は本発明の第６の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図６に示したように、本発明の第６の実施の形態にかかる燃料電池システム６００は、図２に示された燃料電池システム２００と同様に、燃料電池本体６１０、燃料供給部６２０、及び酸化剤供給部６３０を備える。また、燃料電池システム６００は、第１再循環配管６４０の経路上に、第１気液分離部６４１及び冷却器６４２を備え、未反応燃料から気体副産物の二酸化炭素をより容易に分離させることができる。そして、燃料電池システム６００は、第２再循環配管６５０の経路上に、第２気液分離部６５１及び凝縮器６５２を備え、未反応の空気と水をより容易に分離させることができる。

第６の実施の形態にかかる燃料電池システム６００は、燃料供給部６２０がバッファー配管６６０に連結されるといった特徴を有する。すなわち、燃料供給部６２０は、前述した実施の形態のように水素を含む燃料を燃料電池本体６１０に直接供給することができるが、図６に示したように、燃料供給配管６２３を通じてバッファー配管６６０に水素を含む燃料を供給する構成とすることもできる。この場合、未反応燃料、液体副産物の水、及び燃料供給部６２０から供給された燃料は、バッファー配管６６０でより効果的に互いに混合されて、燃料電池本体６１０のアノード入口に流入されることができる。

図７は、図１に示した燃料電池システムをノートパソコンの電源機器に装着した場合の、燃料電池システムの無方位性実験結果を示したグラフである。

本実験では、図１に示された燃料電池システム１００をノートパソコンの電源機器に装着した状態で、電力（Ｗ）、電圧（Ｖ）、負荷値を観察した。そして、本実験では、毎時間（６０分）ごとにノートパソコンを回転させて、ノートパソコンの位置座標軸を変更した。このような本実験のデータグラフを参照すると、図７に示したように、電力（Ｗ）、電圧（Ｖ）、及び外部負荷値が共に大きな変化なしに一定に維持されたことが分かる。

以上のように、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システム１００は、携帯用電源機器に装着されても、水のような液体副産物が外部に漏れたり、出力が低下することはなかった。これにより、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システム１００は、無方位性能が優れていることが確認された。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムは、電気化学反応に利用された後に燃料電池本体から排出される流体を、液体と気体とに分離しながらも、流体から分離された液体が外部に漏れたり気体と再び混合されないようにバッファー配管を備える。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池システムに適用可能である。

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を示す概略図である。 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を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。 本発明の第の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図１に示された燃料電池システムをノートパソコンの電源機器に装着して、燃料電池システムの無方位性実験結果を示したグラフである。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００ 燃料電池システム
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０ 燃料電池本体
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０ 燃料供給部
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０ 酸化剤供給部
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０ 第１再循環配管
１４１、２４１、３４１、４４１、５４１、６４１ 第１気液分離部
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０ 第２再循環配管
１５１、２５１、３５１、４５１、５５１、６５１ 第２気液分離部
１６０、２６０、３６０、４６０、６６０ バッファー配管（バッファーライン）
１１１ アノード入口
１１２ カソード入口
１１３ アノード出口
１１４ カソード出口
１２１ 燃料タンク
１２２ 燃料ポンプ
１６１ 液体感知センサー
１７０ 第３再循環配管
１７１ 液体ポンプ
３４２、４４２ 冷却器
３５２、４５２ 凝縮器
３６１ 疎水性膜
４６２ 親水性膜
５６０ 可変部材
６２３ 燃料供給配管

Claims (12)

1. 水素を含有する燃料と酸素を含有する酸化剤ガスを供給されて、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体のアノード出口に連結される第１再循環配管の流路上に設けられて、前記アノード出口から排出される未反応の燃料と気体副産物を互いに分離させる第１気液分離部と、
   前記燃料電池本体のカソード出口に連結される第２再循環配管の流路上に設けられて、前記カソード出口から排出される未反応の酸化剤ガスと液体副産物を互いに分離させる第２気液分離部と、
   前記第１再循環配管、前記第２再循環配管及び、前記燃料電池本体のアノード入口への経路を形成する第３再循環配管がそれぞれ連結されて、その内部には前記未反応の燃料及び前記液体副産物が所定の容量だけ満たされて互いに混合され、前記未反応の燃料及び前記液体副産物が前記燃料電池本体に供給されるように前記第３再循環配管に前記未反応の燃料及び前記液体副産物を排出するバッファー配管と、
   を含み、
   前記バッファー配管は蛇行配管であり、所定の空間内に収まるように集積されて設けられ、
   前記バッファー配管には、無方位機能を有し、液体状態の流体の存在有無を把握する複数の液体感知センサーが設けられ、
   前記バッファー配管の一端には前記第２再循環配管が連結され、前記バッファー配管の他端には前記第３再循環配管が連結され、前記バッファー配管の途中の一部領域には前記第１再循環配管が連結されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１気液分離部は、疎水性膜を利用して前記未反応の燃料と前記気体副産物を分離することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１気液分離部は、前記気体副産物としての二酸化炭素を分離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. 前記第１再循環配管の経路上には、前記未反応の燃料と前記気体副産物が混合された流体を所定の温度に冷却させる冷却器がさらに設けられ、前記冷却器は前記燃料電池本体と前記第１気液分離部との間に配設されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２気液分離部は、疎水性膜を利用して前記未反応の酸化剤ガスと前記液体副産物を分離することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２気液分離部は、前記液体副産物としての水を分離することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２再循環配管の経路上には、前記未反応の酸化剤ガスと前記液体副産物が混合された流体を所定の圧力で凝縮させる凝縮器がさらに設けられ、前記凝縮器は前記燃料電池本体と前記第２気液分離部の間に配設されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記バッファー配管には、複数の疎水性膜が所定の間隔で設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記第３再循環配管には、前記未反応の燃料と前記液体副産物が混合された流体を所定の圧力で前記燃料電池本体に供給する流体ポンプが設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記第３再循環配管の経路上には、親水性膜が設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記バッファー配管は、体積が可変の弾性素材の配管で形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
12. 前記水素を含有する燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料供給部、及び前記酸素を含有する酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給部をさらに含み、
    前記燃料供給部は前記バッファー配管の途中の一部領域に連結され、前記水素を含有する燃料は前記バッファー配管に流入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。