WO2005004267A1

WO2005004267A1 - ダイレクトメタノール型燃料電池システム

Info

Publication number: WO2005004267A1
Application number: PCT/JP2004/008893
Authority: WO
Inventors: Yasuyuki Muramatsu; Hideo Kohda; Souichi Shiozawa
Original assignee: Yamaha Motor Co., Ltd.
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2005-01-13
Also published as: TW200503313A; JPWO2005004267A1; US20060222923A1; JP4585449B2; EP1575110A4; EP1575110A1

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

明細書

ダイレクトメタノール型燃料電池システム

技術分野

[0001] 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、メタノ一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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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。

非特許乂 ffl^l： Holger janssen, Marcus Noelke, Walter Zwaygardt, Hendrik Dohle, Juergen Mergel, Detlef Stolten, "DMFC SYSTEMS: 2.5 KW CLASS IN COMPACT DESIGN", Institute for Materials and Processes in Energy Systems

Forschungszentrum Juelich umbH 52425 Juelich, Germany

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力、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。

[0005] 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つて燃料電池セルスタックが影響を受け易い。

[0006] 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。

課題を解決するための手段

[0007] 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。

[0008] 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力 sできる。

[0009] 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。

[0010] 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、ダイレタ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つて容易に供給できる。

[0011] 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ノレ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ノレ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ノレ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。

[0012] 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。

[0013] 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力 S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。

[0014] 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力 S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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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ヤップを含む。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、ドレインパイプ力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。

[0018] 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。したがつて、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。

図面の簡単な説明

[0019] [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。

園 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。

園 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。

園 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。

園 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。

園 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

I , 1A, IB, 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

I I , 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 ドレインノィプ

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 添力ロバノレブ

発明を実施するための最良の形態

[0021] 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 1一図 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。

[0022] 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 (力ソード）とを備えている。

[0023] 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（セルスタツク 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レ、る。

[0024] 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。

[0025] 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、ラジェ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。ノイブ 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。

[0026] 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、パィプ 15の他端部は、水溶液ポンプ 13の一側面 13aに接続されてレ、る。

[0027] 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。フイノレタ 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 1 3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、ノイブ 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。

[0028] 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。

[0029] フィルタ 19の上部に設けられてレ、る出力パイプ 19bにはパイプ 21が接続されてレヽる。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 IIに接続されてレ、る。

[0030] 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、フイノレタ 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によってパィプ 25を流れる空気内の不純物が取り除かれる。 [0031] 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 12とはパイプ 29によって接続されている。

[0032] 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 13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。

[0033] 一方、セルスタック 3の側面 3aと熱交換器 9との間にはラジェータからなる気液分離器 33が介揷されている。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 14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。

[0034] 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 3 9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

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 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に向力、つて延び、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。

[0040] 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に沿つて上方に延び、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

[0041] 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。

[0042] 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力 S、セルスタック 3の燃料入口部 II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 II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。

[0043] 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。

[0044] 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。

[0045] 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。

[0046] 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 8 7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。

[0047] 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 1 3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を経由してフィノレタ 19に流入して不純物等が除去される。その後、ノイブ 21および燃料入口部 II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。

[0048] 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 12を介してセルスタック 3の力ソード側に供給される。

[0049] 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、電解質を介して力ソード側に流入し、その力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。

[0050] 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 13およびパイプ 31を介して水溶液タンク 7に戻される。

[0051] 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。 [0052] 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 3 7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。

[0053] 一方、力ソード側で生成された水（水蒸気）は、水出口部 14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を流れる間にフアン 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。

[0054] 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。

[0055] 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。

[0056] 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。

[0057] 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。/₀)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力ソード側へ流入する、レ、わゆるクロスオーバを低く維持すること力 Sできる。

[0058] 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。

[0059] 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レ、い、好ましくは ± 5cm 以内に設定される。

[0060] 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。

[0061] 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。

[0062] 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の継手パイブ部 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力 Sできる。

[0063] 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カゝ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。

[0064] また、セルスタック 3の水出口部 14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に接続されてレ、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。

[0065] なお、図 6に示す燃料電池システム 1 A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 10 5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。

[0066] 燃料電池システム 1Aによれば、燃料電池システム 1 Aを長期間使用しない場合、キヤップ 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。 [0067] さらに、図 7に示す燃料電池システム IBのように、ドレインパイプ 45に代えてドレインパイプ 45bを用いてもょレ、。ドレインパイプ 45bは伸縮自在かつその排出側先端部 45blを回動自在に構成されている。排出側先端部 45blを回動させかつドレインパィプ 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 45bl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。

[0068] 燃料電池システム 1Bによれば、ドレインパイプ 45b力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つも、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。

[0069] 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。

[0070] 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。

[0071] 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。

[0072] 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。

[0073] 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

[0074] 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 12 4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 11 6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。

[0075] 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。

[0076] 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。

[0077] 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。

[0078] 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。

[0079] 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 [0080] 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、 7 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 Ul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、セルスタツク 3の水出口部 14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が介揷されている。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、開閉自在な添加バノレブ 134が介揷されている。

[0081] 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。

[0082] 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による添加バノレブ 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に供給すること力 S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。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] この発明が詳細に説明され図示された力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

請求の範囲

[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ノレ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

前記パイプに介揷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ノレ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つ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ヤップをさらに含む、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。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。