JPWO2005004267A1 - ダイレクトメタノール型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

配置状態が安定しかつ周囲からの衝撃による燃料電池セルスタック３の影響を軽減できるダイレクトメタノール型燃料電池システム１を提供する。燃料電池システム１は、メタノール水溶液を収容する水溶液タンク７、水溶液タンク７に供給すべきメタノール燃料を収容する燃料タンク５、および水溶液タンク７からメタノール水溶液が供給され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セルスタック３を備える。燃料タンク５および水溶液タンク７が燃料電池セルスタック３に対して上方側に配置される。

Description

この発明はダイレクトメタノール型燃料電池システムに関し、より特定的には、メタノールを改質せずに直接（ダイレクトに）発電に利用するダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。

メタノールを燃料として発電に利用する燃料電池システムとして、メタノールを直接発電に利用するダイレクトメタノール型燃料電池｛ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）：以下、単にＤＭＦＣともいう｝システムが研究・開発されている。

ＤＭＦＣシステムにおいては、メタノールを改質する設備を必要としないため、システム全体を簡単かつ軽量に構成することができ、様々な用途への利用が期待されている。
ＤＭＦＣシステムの一例として、出力が２．５ｋＷのＤＭＦＣシステムが以下の文献１に開示されている。
Ｈｏｌｇｅｒ Ｊａｎｓｓｅｎ，Ｍａｒｃｕｓ Ｎｏｅｌｋｅ，Ｗａｌｔｅｒ Ｚｗａｙｇａｒｄｔ，Ｈｅｎｄｒｉｋ Ｄｏｈｌｅ，Ｊｕｅｒｇｅｎ Ｍｅｒｇｅｌ，Ｄｅｔｌｅｆ Ｓｔｏｌｔｅｎ，″ＤＭＦＣ ＳＹＳＴＥＭＳ：２．５ＫＷ ＣＬＡＳＳ ＩＮ ＣＯＭＰＡＣＴ ＤＦＳＩＧＮ″，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ Ｊｕｅｌｉｃｈ ＧｍｂＨ ５２４２５ Ｊｕｅｌｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ

しかしながら、上記文献１に開示されたＤＭＦＣシステムでは、燃料タンクが燃料電池セルスタックの斜め下側に配置されており、さらに燃料電池セルスタックの下方中央部に熱交換器が配置されている。

このため、ＤＭＦＣシステム全体から見ると重量の嵩む燃料電池セルスタックが高位置に配置され、ＤＭＦＣシステムの重心が高くなる。したがって、ＤＭＦＣシステムの配置は比較的不安定になり、また、たとえばＤＭＦＣシステムの上方側からの衝撃によって燃料電池セルスタックが影響を受け易い。

それゆえに、この発明の主たる目的は、配置状態が安定しかつ周囲からの衝撃による燃料電池セルスタックの影響を軽減できる、ダイレクトメタノール型燃料電池システムを提供することである。

この発明のある見地によれば、メタノール水溶液を収容する水溶液タンク、水溶液タンクに供給すべきメタノール燃料を収容する燃料タンク、および水溶液タンクからメタノール水溶液が供給され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セルスタックを備え、燃料タンクおよび水溶液タンクが燃料電池セルスタックに対して上方側に配置される、ダイレクトメタノール型燃料電池システムが提供される。

この発明では、燃料タンクおよび水溶液タンクを重量の嵩む燃料電池セルスタックに対して上方側に配置することによって燃料電池システムの重心を低くできる。したがって、燃料電池システムの配置状態の安定性を上げることができ、また、燃料電池システムに対して上方側から衝撃があった場合でも、燃料タンクおよび水溶液タンクにより当該衝撃をブロックすることができ、燃料電池セルスタックに対する影響を抑制することができる。

好ましくは、燃料電池セルスタックの下方側に配置され燃料電池セルスタックに対して酸素を含む空気を供給するエアポンプをさらに含む。このように重量の大きいエアポンプを下側に配置することによって、燃料電池システムの重心をさらに低くでき、燃料電池システムの安定性が増し振動に対しても強くなる。

また好ましくは、燃料タンクおよび水溶液タンクが略同一の高さに並置される。燃料タンクおよび水溶液タンクの下方側に、燃料タンクから与えられたメタノール燃料を圧送して水溶液タンクに供給する燃料ポンプが配置される。この場合、燃料タンクに収容されたメタノール燃料の液面高さと、水溶液タンクに収容されたメタノール水溶液の液面高さとを略一致させることができる。したがって、燃料タンクおよび水溶液タンクの下方側に配置された燃料ポンプを用いて燃料タンクから水溶液タンクへメタノール燃料を供給する際に、各タンクの液面の差に起因する燃料ポンプの入口と出口との間の圧力差を小さくすることができる。その結果、比較的小さな吐出性能を有する燃料ポンプを用いることができ、燃料ポンプを容易に設計・製作することができ、ダイレクトメタノール型燃料電池システム全体の設計・製作コストを低減することができる。また、燃料ポンプを燃料タンクの下方側に配置することによって、燃料タンクから燃料ポンプへメタノール燃料を重力によって容易に供給できる。

さらに好ましくは、燃料タンクが水溶液タンクの上方側に配置される。この場合、重力を利用することにより、燃料ポンプを用いることなく添加バルブの開閉によって燃料タンクからのメタノール燃料を水溶液タンクへ供給できる。このようにポンプよりも安価な添加バルブを利用することができ、燃料電池システム全体のコストを低減できる。
好ましくは、水溶液タンクから出力されたメタノール水溶液を熱交換して燃料電池セルスタック側へ送る熱交換器が燃料電池システム側方に配置される。この場合、熱交換器が外気に触れやすくなるので熱交換効率を向上させ、水溶液タンクおよび燃料タンクを上方に配置させることが可能となる。

また好ましくは、燃料電池セルスタックから排出された水分を気液分離する気液分離器が燃料電池セルスタックと熱交換器との間に介挿される。この場合、気液分離器の稼働によって発生する冷却空気によって燃料電池セルスタックを冷却できる。

さらに好ましくは、熱交換パイプおよび気液分離パイプのそれぞれの少なくとも一部が相互に対向するように、気液分離器が配置される。この場合、熱交換器系（熱交換器および気液分離器）の設置スペースを減少させることができ、ひいては燃料電池システム全体をコンパクトにすることができる。

好ましくは、熱交換器および気液分離器とコントローラとが、燃料電池セルスタックの下方側に配置されるエアポンプを挟んで対向するように配置される。この場合、コントローラを熱交換器および気液分離器から離間させることができる。したがって、熱交換器および気液分離器の熱交換作用に起因して熱交換器および気液分離器に温度上昇が生じても、その温度上昇のコントローラに対する影響を、コントローラが熱交換器系（熱交換器、気液分離器）に隣接して配置されている場合と比べて軽減することができる。その結果、制御系であるコントローラの温度上昇を抑制することができる。

また好ましくは、気液分離器は、燃料電池セルスタックから排出された水分を重力により流下可能に構成された気液分離パイプを含む。この場合、気液分離により得られた水を含む水分を重力により容易に水タンク側に出力することができる。

さらに好ましくは、燃料タンクはその側面に第１嵌合部を有し、水溶液タンクはその側面に第１嵌合部に嵌合すべき第２嵌合部を有する。この場合、第１嵌合部を第２嵌合部に嵌合することによって、燃料タンクと水溶液タンクとを一体型タンクとして構成できるので、燃料電池システムを小さくできる。

好ましくは、水タンク内の水を排出するために水タンクに接続されるドレインパイプ、およびドレインパイプの排出側先端部に着脱自在に設けられる排水阻止用のキャップを含む。燃料電池システムを長期間使用しない場合、キャップをドレインパイプの排出側先端部に装着すれば、ドレインパイプからの排水を阻止しつつ、少なくとも燃料電池セルスタックの電解質膜（固体高分子膜）が水没するまで水溶液タンクの水位を上昇させておくことができ、電解質膜の乾燥を防止することができる。したがって、燃料電池システムを長期間使用しない場合であっても、電解質膜の乾燥による燃料電池セルスタックの性能劣化は生じない。なお、当該キャップに代えてバルブが用いられてもよい。

また好ましくは、水タンク内の水を排出するために水タンクに接続されるドレインパイプを含み、ドレインパイプの排出側先端部を燃料電池セルスタックの上面高さよりも高い位置に配置できるように、ドレインパイプは伸縮自在にかつその排出側先端部を回動自在に構成される。ドレインパイプの排出側先端部を、燃料電池セルスタック上面高さよりも高い位置に配置することによって、ドレインパイプからの排水を阻止しつつ、少なくとも燃料電池セルスタックの電解質膜を水没させることができる。したがって、燃料電池システムを長期間使用しない場合であっても、電解質膜の乾燥による燃料電池セルスタックの性能劣化は生じない。

［図１］この発明の一実施形態を概略的に示す斜視図である。
［図２］図１に示す実施形態を概略的に示す正面図である。
［図３］図１に示す実施形態を概略的に示す右側面図である。
［図４］図１に示す実施形態で用いられる熱交換器および気液分離器を拡大して示す斜視図である。
［図５］図１に示す実施形態の概略構成を示すブロック図である。
［図６］図１に示す実施形態の変形例を概略的に示す正面図である。
［図７］図１に示す実施形態の他の変形例を概略的に示す正面図である。
［図８］（ａ）は燃料タンクおよび水溶液タンクならびにそれらの取り付け状態の概略構成を示す平面図、（ｂ）はその長手側側面図、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
［図９］この発明の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ ダイレクトメタノール型燃料電池システム
３ 燃料電池セルスタック
５，１１４ 燃料タンク
７，１１６ 水溶液タンク
９ 熱交換器
１０ 熱交換パイプ
１１，１２，１５，１７，２１，２５，２９，３１，３５，３９，４３，５１，５３，５７，５９ パイプ
１３ 水溶液ポンプ
２３ エアポンプ
３３ 気液分離器
３４ 気液分離パイプ
３７ 水タンク
４５，４５ｂ ドレインパイプ
４９ 水ポンプ
５５ 燃料ポンプ
８１ コントローラ
１０５ キャップ
１１８ 嵌め込み凸部
１２０ 嵌め込み凹部
１３２，１３４ 添加バルブ

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１〜図５を参照して、この発明の一実施形態のダイレクトメタノール型燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」という）１は、たとえば約４００Ｗ〜５００Ｗクラスの出力を有する据え置き型システムとして構成されており、略ボックス状（直方体状）の筐体Ｆを含む。

筐体Ｆ内には燃料電池セルスタック（以下、単に「セルスタック」という）３が固定されている。セルスタック３は、メタノールに基づく水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを生成することができる単電池セルを複数個積層（スタック）して構成されている。燃料電池セルスタック３を構成する各単電池セルは、固体分子膜等から構成された電解質（電解質膜）と、この電解質を挟んで互いに対向する燃料極（アノード）および空気極（カソード）とを備えている。

筐体Ｆの上面ひいてはセルスタック３の上方側には燃料タンク５および水溶液タンク７が固定されている。燃料タンク５および水溶液タンク７は、ともに略直方体状に構成されており、ともにセルスタック３の長手方向（積層方向）に直交する方向（セルスタック３の短手方向）に沿って配置されている。燃料タンク５および水溶液タンク７は、それぞれの高さが略一致する位置に、セルスタック３の積層方向に並置されている。この実施形態では、燃料タンク５と水溶液タンク７とは、それぞれのタンク底面の高さが略一致するように配置されている。

燃料タンク５には、セルスタック３の上記電気化学反応の燃料となるメタノール燃料（高濃度（たとえば約５０％）のメタノール水溶液）が貯蔵されており、水溶液タンク７には、燃料タンク５に貯蔵されたメタノール燃料をセルスタック３の電気化学反応に適した濃度（たとえば約３％）に希釈したメタノール水溶液が貯蔵されている。

また、セルスタック３の奥側（図３でいえばセルスタック３の右側）であり、かつ燃料タンク５および水溶液タンク７それぞれの一端部５ａおよび７ａの下側には、ラジエータからなる熱交換器９が設けられている。熱交換器９は、セルスタック３の積層方向に平行な状態で配置されている。水溶液タンク７と熱交換器９とはパイプ１１によって接続されている。パイプ１１の一端部は水溶液タンク７の下面に取り付けられるパイプ１２に接続され、パイプ１１の他端部は熱交換器９の熱交換パイプ１０の上端部１０ａに接続されている。

さらに、筐体Ｆ内の底部であってかつ水溶液タンク他端部７ｂの下方には水溶液ポンプ１３が配置されている。水溶液ポンプ１３と熱交換器９とはパイプ１５によって接続されている。パイプ１５の一端部は、熱交換器９の熱交換パイプ１０の下端部１０ｂに接続され、パイプ１５は熱交換器側から水溶液ポンプ側に向かって斜め下方に延び、パイプ１５の他端部は、水溶液ポンプ１３の一側面１３ａに接続されている。

水溶液ポンプ１３にはパイプ１７を介してフィルタ１９が接続されている。フィルタ１９は水溶液ポンプ１３の上方に配置されている。パイプ１７の一端部は、水溶液ポンプ１３の一側面１３ａに平行な他側面１３ｂに接続され、パイプ１７は斜め上方に略Ｕ字状に屈曲して延び、パイプ１７の他端部は、フィルタ１９の下部に設けられている取り付けパイプ１９ａに接続されている。フィルタ１９によってパイプ１７を流れるメタノール水溶液内の不純物が取り除かれる。

また、水溶液ポンプ１３およびフィルタ１９間のパイプ１７には、パイプ１７を流れるメタノール水溶液の濃度を検出するための濃度センサ２０が取り付けられている。

フィルタ１９の上部に設けられている出力パイプ１９ｂにはパイプ２１が接続されている。パイプ２１は、セルスタック３のうちフィルタ１９に面する短手側の側面３ｂに沿って熱交換器側へ延出し、略９０度屈曲してセルスタック３の長手側の側面３ａに沿って延び、さらに側面３ｂに平行な短手側の側面３ｃ側に廻り込み、セルスタック３の側面３ｃの下側一方角部近傍に形成された燃料入口部Ｉ１に接続されている。

さらに、セルスタック３の下方には、酸素を含む空気を供給するためエアポンプ２３が配置されており、エアポンプ２３にはパイプ２５を介してフィルタ２７が接続されている。フィルタ２７はフィルタ１９の隣りに配置されている。パイプ２５の一端部は、エアポンプ２３の水溶液ポンプ１３側の側面下端部に設けられたポンプ出口部２３ａに接続され、パイプ２５は上方に略Ｕ字状に屈曲して延び、パイプ２５の他端部は、フィルタ２７の下部に設けられている取り付けパイプ２７ａに接続されている。フィルタ２７によってパイプ２５を流れる空気内の不純物が取り除かれる。

フィルタ２７の上部に設けられている出力パイプ２７ｂと、セルスタック３の側面３ｂの上側一方角部近傍に設けられた空気入口部Ｉ２とはパイプ２９によって接続されている。

セルスタック３の側面３ｂの上側他方角部近傍の排ガス出口部Ｉ３と、水溶液タンク７の他端部７ｂとはパイプ３１によって接続されている。

一方、セルスタック３の側面３ａと熱交換器９との間にはラジエータからなる気液分離器３３が介挿されている。セルスタック３と気液分離器３３とはパイプ３５によって接続されている。パイプ３５の一端部は、セルスタック３の側面３ｃの下側他方角部近傍の水出口部Ｉ４に接続され、パイプ３５の他端部は気液分離器３３の気液分離パイプ３４の上端部３４ａに接続されている。

そして、筐体Ｆ内の底部であってかつ熱交換器９および気液分離器３３の下方には、セルスタック３の積層方向に沿って直方体状の水タンク３７が配置されている。水タンク３７と気液分離器３３とはパイプ３９によって接続されている。パイプ３９の一端部は、水タンク３７のタンク本体３７ａの上面に形成された水供給孔Ｈに接続され、パイプ３９の他端部は、気液分離器３３の気液分離パイプ３４の下端部３４ｂに接続されている。

水溶液タンク７の一端部７ａと水タンク３７のタンク本体３７ａとはパイプ４３によって接続されており、パイプ４３にはメタノールトラップ（冷却フィン）４１が介挿されている。

水タンク３７には、そのタンク本体３７ａに収容された水の一部および気体（排ガス）をそれぞれ排出するためのドレインパイプ４５が取り付けられている。

さらに、水タンク３７には水ポンプ４９がパイプ５１を介して接続されている。水ポンプ４９と水溶液タンク７とはパイプ５３を介して接続されている。

そして、筐体Ｆ内の底部であってかつ燃料タンク５の下方には燃料ポンプ５５が配置されている。

燃料ポンプ５５と燃料タンク５とはパイプ５７によって接続されている。パイプ５７の一端部は燃料タンク５の下面に接続され、パイプ５７は下方すなわち燃料ポンプ５５に向かって延び、パイプ５７の他端部はパイプ５７に入口部５５ａを介して接続されている。

燃料ポンプ５５の出口部５５ｂにはパイプ５９が接続され、パイプ５９はパイプ５７に沿って上方に延び、途中で水溶液タンク側へ屈曲して水溶液タンク７に接続されている。

一方、取り付けパイプ１９ａから分岐して下方に延びる分岐パイプ６１は、パイプ１５から分岐する分岐パイプ６３にバルブ６５を介して接続されている。

そして、燃料タンク５には液面検出センサ７１が、水溶液タンク７には液面検出センサ７３が、セルスタック３の燃料入口部Ｉ１付近には温度センサ７５がそれぞれ取り付けられている。液面検出センサ７１によって、燃料タンク５内のメタノール燃料Ｓ１の液面の高さが検出され、液面検出センサ７３によって、水溶液タンク７内のメタノール水溶液Ｓ２の液面の高さが検出され、温度センサ７５によって、燃料入口部Ｉ１を介して供給されるメタノール水溶液の温度が検出される。

さらに、エアポンプ２３を挟んで熱交換器９および気液分離器３３に対向するようにコントローラ８１が配置されている（図３参照）。コントローラ８１は、濃度センサ２０、液面検出センサ７１、液面検出センサ７３および温度センサ７５に電気的に接続されている。コントローラ８１は、基板上にマイクロプロセッサ等の電気回路部品を搭載して構成されている。

図４に示すように、熱交換器９の熱交換パイプ１０は、たとえばステンレス等の金属材料を用いて溶接により形成されている。
すなわち、熱交換パイプ１０は、垂直方向に間隔を空けて略平行に配列された複数の直線状パイプ部８５と、複数の略Ｕ字状の継手パイプ部８７とを含む。熱交換パイプ１０として一端部１０ａから他端部１０ｂまでの１本の連続したパイプを形成できるように、複数の直線状パイプ部８５の隣接する端部８５ａが継手パイプ部８７によって交互に接続されている。熱交換パイプ１０に対向して冷却用のファン９１が取り付けられている。

同様に、気液分離器３３の気液分離パイプ３４は、たとえばステンレス等の金属材料を用いて溶接により形成されている。
すなわち、気液分離パイプ３４は、垂直方向に間隔を空けて略平行に配列された複数の直線状パイプ部９３と、複数の略Ｕ字状の継手パイプ部９５とを含む。気液分離パイプ３４として一端部３４ａから他端部３４ｂまでの１本の連続したパイプを形成できるように、複数の直線状パイプ部９３の隣接する端部９３ａが継手パイプ部９５によって交互に接続されている。気液分離パイプ３４に対向して冷却用のファン９７が取り付けられている。気液分離パイプ３４は、セルスタック３から排出された水分を重力によって流下可能に構成される。

熱交換器９および気液分離器３３は、熱交換パイプ１０の一部である継手パイプ部８７と気液分離パイプ３４の一部である継手パイプ部９５とが互いに対向するように配置されている。

つぎに、燃料電池システム１における発電時の動作について説明する。
水溶液タンク７内の約３％の濃度に希釈されたメタノール水溶液は、水溶液ポンプ１３の駆動によってパイプ１１を介して熱交換器９内に流入し、熱交換パイプ１０を流れる間にファン９１によってセルスタック３に適した温度に冷却（熱交換）される。冷却されたメタノール水溶液は、パイプ１５および１７を流れ濃度センサ２０を経由してフィルタ１９に流入して不純物等が除去される。その後、パイプ２１および燃料入口部Ｉ１を介してセルスタック３のアノード側にダイレクトに供給される。

一方、エアポンプ２３から供給された空気は、パイプ２５を介してフィルタ２７に流入して不純物等が除去される。その後、パイプ２９および空気入口部Ｉ２を介してセルスタック３のカソード側に供給される。

このとき、セルスタック３の各単電池セルにおけるアノード側では、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応して二酸化炭素および水素イオンが生成され、生成された水素イオンは、電解質を介してカソード側に流入し、そのカソード側に供給された空気中の酸素と電気化学反応して水および電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは図示しない外部回路に供給される。

一方、各電池セルにおけるアノード側で生成された二酸化炭素（炭酸ガス）には、未反応のメタノール水蒸気が含まれており、この二酸化炭素は、セルスタック３の排ガス出口部Ｉ３およびパイプ３１を介して水溶液タンク７に戻される。

水溶液タンク７に戻された二酸化炭素は、パイプ４３を経由して流れる。このとき、メタノール水蒸気は、メタノールトラップ４１によって冷却されてメタノール水溶液として二酸化炭素から分離（トラップ）される。

このようにしてパイプ４３を流れる二酸化炭素およびメタノール水溶液は、水タンク３７のタンク本体３７ａに流入し、メタノール水溶液は、タンク本体３７ａに回収され、二酸化炭素は、ドレインパイプ４５を介して外部に排出される。

一方、カソード側で生成された水（水蒸気）は、水出口部Ｉ４およびパイプ３５を介して気液分離器３３の気液分離パイプ３４に流入し、気液分離パイプ３４を流れる間にファン９７によって冷却されて気液分離される。気液分離器３３によって分離された気体成分および水成分は、パイプ３９を介して水タンク３７のタンク本体３７ａに流入し、当該気体成分はドレインパイプ４５を介して排気される。

そして、タンク本体３７ａ内の回収された成分（水成分＋メタノール水溶液）は、水ポンプ４９の駆動によって水溶液タンク７に戻される。

一方、コントローラ８１は、濃度センサ２０によって検出されたメタノール水溶液の濃度を表す濃度信号、液面検出センサ７１および７３によって検出されたそれぞれのタンク内のメタノール燃料およびメタノール水溶液の液面を表す液面検出信号、温度センサ７５によって検出されたセルスタック３へダイレクトに供給されるメタノール水溶液の温度を表す信号、およびセルスタック３によって発電された電力（電流）の検出信号に基づいて、たとえば水ポンプ４９の駆動制御および燃料ポンプ５５の駆動制御をそれぞれ行う。

すなわち、コントローラ８１は、水溶液タンク７内のメタノール水溶液の濃度が上記電気化学反応に適した濃度（約３％）よりも高い場合には、燃料ポンプ５５の駆動を停止して水ポンプ４９を駆動させて水タンク３７の水を水溶液タンク７に供給することにより、水溶液タンク７のメタノール水溶液の濃度を上記電気化学反応に適した濃度に維持している。

また、水溶液タンク７内のメタノール水溶液の濃度が上記電気化学反応に適した濃度（約３％）よりも低い場合には、水ポンプ４９の駆動を停止して燃料ポンプ５５を駆動させ、燃料タンク５のメタノール燃料を水溶液タンク７に供給することにより、水溶液タンク７のメタノール水溶液の濃度を上記電気化学反応に適した濃度に維持している。この濃度制御によって、セルスタック３内においてメタノール水溶液内の未反応メタノールが電解質を透過してカソード側へ流入する、いわゆるクロスオーバを低く維持することができる。

このような燃料電池システム１によれば、重いセルスタック３の下方側に重いエアポンプ２３を配置し、セルスタック３の上方側に燃料タンク５および水溶液タンク７を配置することによって、燃料電池システム１の重心を低くできる。したがって、燃料電池システム１の配置状態の安定性を上げることができ振動に対しても強くでき、また、燃料電池システム１に対して上方側から衝撃があった場合でも、燃料タンク５および水溶液タンク７により当該衝撃をブロックすることができ、燃料電池セルスタック１に対する影響を抑制することができる。さらに、燃料電池システム１を小型にでき体積効率を向上できる。

また、燃料タンク５および水溶液タンク７を略同一の高さに並置することによって、燃料タンク５に収容されたメタノール燃料の液面高さと、水溶液タンク７に収容されたメタノール水溶液の液面高さとを略一致させることができる。したがって、燃料タンク５および水溶液タンク７の下方側に配置された燃料ポンプ５５を駆動させて燃料タンク５から水溶液タンク７へメタノール燃料を供給する際に、各タンクの液面の差に起因する燃料ポンプ５５の入口部５５ａと出口部５５ｂとの間の圧力差を小さくすることができる。その結果、比較的小さな吐出性能を有する燃料ポンプ５５を用いることができ、燃料ポンプ５５を容易に設計・製作することができ、燃料電池システム全体の設計・製作コストを低減することができる。また、燃料ポンプ５５を燃料タンク５の下方側に配置することによって、燃料タンク５から燃料ポンプ５５へメタノール燃料を重力により容易に供給できる。ここでいう燃料タンク５と水溶液タンク７とが略同一の高さとは、水溶液タンク７の通常運転時の液面高さに対して燃料タンク５内のメタノール燃料の液面の高さが±１０ｃｍ以内に収まるように両タンクがレイアウトされることをいい、好ましくは±５ｃｍ以内に設定される。

さらに、水溶液タンク７から出力されたメタノール水溶液を熱交換してセルスタック側へ送る熱交換器９が燃料電池システム側方に配置されることによって、熱交換器９が外気に触れやすくなるので熱交換効率を向上させ、水溶液タンク７および燃料タンク５を上方に配置させることが可能となる。

また、セルスタック３から排出された水分を気液分離する気液分離器３３がセルスタック３と熱交換器９との間に介挿されるので、気液分離器３３の稼働によって発生する冷却空気によってセルスタック３を冷却できる。

また、熱交換器９および気液分離器３３は、熱交換器９の熱交換パイプ１０の継手パイプ部８７と気液分離機３３の気液分離パイプ３４の継手パイプ部９５とが互いに対向するように配置されている。このため、熱交換器系（熱交換器９および気液分離器３３）の設置スペースを、直線状パイプ部８５および９３に沿った方向において減少させることができ、その熱交換器系を含む燃料電池システム全体（筐体Ｆ）をコンパクトにすることができる。

さらに、熱交換器９および気液分離器３３とコントローラ８１とが、エアポンプ２３を挟んで対向するように配置されるので、コントローラ８１を熱交換器９および気液分離器３３から離間させることができる。したがって、熱交換器９および気液分離器３３の熱交換作用に起因して熱交換器９および気液分離器３３に温度上昇が生じても、その温度上昇のコントローラ８１に対する影響を、コントローラ８１が熱交換器系（熱交換器９、気液分離器３３）に隣接して配置されている場合と比べて軽減することができる。その結果、制御系であるコントローラ８１の温度上昇を抑制することができる。

また、セルスタック３の水出口部Ｉ４はパイプ３５を介して気液分離器３３の気液分離パイプ３４の上端部３４ａに接続されているので、水蒸気から気液分離により得られた水を含む水分は重力によって容易に水タンク３７側に出力することができる。

なお、図６に示す燃料電池システム１Ａのように、ドレインパイプ４５の排出側先端部に係合部（たとえば、雌螺子部）４５ａを形成し、係合部４５ａに係脱自在なキャップ１０５を取り付けてもよい。その他の構成については図２に示す燃料電池システム１と同様であるのでその重複する説明は省略する。

燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池システム１Ａを長期間使用しない場合、キャップ１０５をドレインパイプ４５の排出側先端部に装着すれば、ドレインパイプ４５からの排水を阻止しつつ、少なくとも燃料電池セルスタック３の電解質膜が水没するまで水溶液タンク７の水位を上昇させておくことができ、電解質膜の乾燥を防止することができる。したがって、燃料電池システム１Ａを長期間使用しない場合であっても、電解質膜の乾燥によるセルスタック３の性能劣化は生じない。

さらに、図７に示す燃料電池システム１Ｂのように、ドレインパイプ４５に代えてドレインパイプ４５ｂを用いてもよい。ドレインパイプ４５ｂは伸縮自在かつその排出側先端部４５ｂ１を回動自在に構成されている。排出側先端部４５ｂ１を回動させかつドレインパイプ４５ｂを伸張させることによって、水溶液タンク７のメタノール水溶液Ｓ２の液面の高さよりも高い位置に排出側先端部４５ｂ１を配置することができる。その他の構成については図２に示す燃料電池システム１と同様であるのでその重複する説明は省略する。

燃料電池システム１Ｂによれば、ドレインパイプ４５ｂからの排水を阻止しつつ、少なくともセルスタック３の電解質膜が水没するまで水溶液タンク７の水位を上昇させることができる。したがって、燃料電池システム１Ｂを長期間使用しない場合であっも、電解質膜の乾燥によるセルスタック３の性能劣化は生じない。

ついで、図８（ａ）〜（ｃ）を参照して、燃料電池システム１に用いられる燃料タンクおよび水溶液タンクの変形例について説明する。
燃料タンク１１４および水溶液タンク１１６は、直方体状のフレーム１１７に一体的に取り付けられており、図１に示したように、たとえばセルスタック３の上方に配置されている。

すなわち、燃料タンク１１４および水溶液タンク１１６は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって２つの部屋（中空体）構造として一体的に成形されている。
燃料タンク１１４は、平面視および長手側の一側面視でそれぞれ略矩形状を成す中空体である。水溶液タンク１１６は、略直方体形状から上記矩形状の燃料タンク１１４を切り欠いた際の残部に対応する形状を有する中空体である。

燃料タンク１１４および水溶液タンク１１６それぞれの対向面は互いに略一致した形状を成しており、その一方の対向面（たとえば、水溶液タンク１１６の対向面）から他方の対向面（たとえば、燃料タンク１１４の対向面）に向かって複数（たとえば３個）の嵌め込み凸部１１８が突出されている。

このとき、燃料タンク１１４の対向面における嵌め込み凸部１１８に対応する位置には、嵌め込み凸部１１８が嵌入される複数（３個）の嵌め込み凹部１２０が形成されている。嵌め込み凸部１１８の嵌め込み凹部１２０への嵌入によって、水溶液タンク１１６は燃料タンク１１４に対向しかつ離間した状態に配置される。

燃料タンク１１４および水溶液タンク１１６の対向面間には、断熱材１２１が充填されている。
燃料タンク１１４には、メタノール燃料（略５０％の高濃度メタノール水溶液）を排出するための出口部１２２が形成されており、当該出口部１２２にはパイプ５７が接続される。

また、水溶液タンク１１６の上面には、メタノール燃料が供給されるための入口部１２４が形成され、当該入口部１２４にはパイプ５９が接続される。さらに、水溶液タンク１１６の上面には、水が供給されるための入口部１２６が形成、当該入口部１２６にはパイプ５３が接続される。

そして、水溶液タンク１１６のたとえば下面には、メタノール水溶液を排出するための出口部１２８が形成され、当該出口部１２８にはパイプ１１が接続される。さらに、水溶液タンク１１６の短手側の一側面には、反応後の二酸化炭素（未反応のメタノール水蒸気が含まれている）が供給されるための入口部１３０が形成され、当該入口部１３０にはパイプ３１が接続される。

そして、水溶液タンク１１６の上面には、入口部１３０を介して供給された二酸化炭素を水タンク側へ排出するための出口部１３１が設けられており、当該出口部１３１は、パイプ４３を介して水タンク３７に接続されている。

このように燃料タンク１１４および水溶液タンク１１６を一体化して一体型タンクとすることによって、上述の実施形態と比べて、部品点数を削減することができ、燃料電池システムを小さくできる。

また、燃料タンク１１４および水溶液タンク１１６間に断熱材１２１を充填しているため、一方の温度変動の他方への影響を抑制することができる。

さらに、図９を参照して、この発明の他の実施形態の燃料電池システム１Ｃについて説明する。
燃料電池システム１Ｃは、燃料電池システム１とは異なるレイアウト構造を有している。

すなわち、図９に示すように、燃料電池システム１Ｃでは、燃料タンク５、水タンク３７および気液分離器３３が水溶液タンク７より上方に配置されてユニットＵ１が構成される。水溶液タンク７の下方にセルスタック３が配置されている。パイプ３５は、セルスタック３の水出口部Ｉ４から気液分離器３３の上方側まで上方に立ち上がり、逆Ｕ字状に折曲して気液分離器３３の気液分離パイプ３４の上端部３４ａに接続されている。そして、水タンク３７および水溶液タンク７間を接続するパイプ５１の途中に、上述した燃料電池システム１の水ポンプ４９に代えて、開閉自在な添加バルブ１３２が介挿されている。さらに、燃料タンク５および水溶液タンク７間を接続するパイプ５７の途中に、燃料電池システム１の燃料ポンプ５５に代えて、開閉自在な添加バルブ１３４が介挿されている。

なお、その他の構成、レイアウトおよび発電動作については、燃料電池システム１と同様であるため、その説明は省略する。

燃料電池システム１Ｃによれば、燃料タンク５、水タンク３７および気液分離器３３を水溶液タンク７の上方に配置したため、重力を利用することにより、燃料ポンプではなくコントローラ８１による添加バルブ１３２および１３４の開閉制御によって、燃料タンク５および水タンク３７からそれぞれメタノール燃料および水を水溶液タンク７に供給することができる。その結果、ポンプよりも安価な添加バルブを利用することができ、燃料電池システム１Ｃ全体のコストを低減することができる。

特に、この構成によれば、セルスタック３の上方に気液分離器３３を配置したため、気液分離器３３で液化された水分を円滑に水タンク３７へ導くことができる。

また、水溶液タンク７とセルスタック３とを近接して配置することができるため、メタノール水溶液循環系の圧力損失を小さくすることができる。

この発明が詳細に説明され図示されたが、それは単なる図解および一例として用いたものであり、限定であると解されるべきではないことは明らかであり、この発明の精神および範囲は添付された請求の範囲の文言のみによって限定される。

Claims (12)

1. メタノール水溶液を収容する水溶液タンク、
   前記水溶液タンクに供給すべきメタノール燃料を収容する燃料タンク、および
   前記水溶液タンクからのメタノール水溶液が供給され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セルスタックを備え、
   前記燃料タンクおよび前記水溶液タンクが前記燃料電池セルスタックに対して上方側に配置される、ダイレクトメタノール型燃料電池システム。
2. 前記燃料電池セルスタックの下方側に配置され前記燃料電池セルスタックに対して酸素を含む空気を供給するエアポンプをさらに含む、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
3. 前記燃料タンクおよび前記水溶液タンクが略同一の高さに並置され、
   前記燃料タンクから下方に延びる第１パイプ、
   前記水溶液タンクから下方に延びる第２パイプ、ならびに
   前記燃料タンクおよび前記水溶液タンクの下方側に配置され、かつ前記第１パイプを介して前記燃料タンクに前記第２パイプを介して前記水溶液タンクにそれぞれ接続される燃料ポンプをさらに含み、
   前記燃料ポンプは、前記燃料タンクから前記第１パイプを介して与えられたメタノール燃料を圧送して前記第２パイプを介して前記水溶液タンクに供給する、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
4. 前記燃料タンクが前記水溶液タンクの上方側に配置され、
   前記燃料タンクと前記水溶液タンクとを接続するパイプ、および
   前記パイプに介挿される開閉自在な添加バルブをさらに含む、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
5. 前記水溶液タンクから出力されたメタノール水溶液を熱交換して前記燃料電池セルスタック側へ送る熱交換器をさらに含み、
   前記熱交換器が当該燃料電池システム側方に配置される、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
6. 前記燃料電池セルスタックから排出された水分を気液分離する気液分離器、および
   当該気液分離によって得られた水を収容する水タンクをさらに含み、
   前記気液分離器が前記燃料電池セルスタックと前記熱交換器との間に介挿される、請求項５に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
7. 前記熱交換器は、前記水溶液タンクから出力されたメタノール水溶液を案内して前記燃料電池セルスタック側へ出力する熱交換パイプを有し、
   前記気液分離器は、前記燃料電池セルスタックから排出された水分を案内して前記水タンクへ出力する気液分離パイプを有し、
   前記熱交換パイプおよび前記気液分離パイプのそれぞれの少なくとも一部が相互に対向するように前記気液分離器が配置される、請求項６に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
8. 前記燃料電池セルスタックの下方側に配置され前記燃料電池セルスタックに対して酸素を含む空気を供給するエアポンプ、および
   前記エアポンプの一側方に配置され前記水溶液タンクから前記燃料電池セルスタックへ出力されるメタノール水溶液の濃度を制御するコントローラをさらに含み、
   前記熱交換器および前記気液分離器と前記コントローラとが、前記エアポンプを挟んで対向するように配置される、請求項６に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
9. 前記気液分離器は、前記燃料電池セルスタックから排出された水分を重力によって流下可能に構成される気液分離パイプを含む、請求項６に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
10. 前記燃料タンクはその側面に第１嵌合部を有し、
    前記水溶液タンクはその側面に前記第１嵌合部に嵌合すべき第２嵌合部を有する、請求項３に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
11. 前記水タンク内の水を排出するために前記水タンクに接続されるドレインパイプ、および
    前記ドレインパイプの排出側先端部に着脱自在に設けられる排水阻止用のキャップをさらに含む、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
12. 前記水タンク内の水を排出するために前記水タンクに接続されるドレインパイプをさらに含み、
    前記ドレインパイプの排出側先端部を前記燃料電池セルスタック上面よりも高い位置に配置できるように、前記ドレインパイプは伸縮自在にかつその排出側先端部を回動自在に構成される、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。

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