(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記液体燃料と酸素とを化学反応させて発電を行い、前記化学反応によって生じた水蒸気と前記液体燃料とを排出するスタックと、
前記水蒸気を水と空気に分離して熱交換を行う熱交換器と、
前記燃料タンクから排出された前記液体燃料を前記スタックに送る第１の配管部と、
前記スタックから排出された前記水蒸気を前記熱交換器に送るとともに、前記水蒸気を送る過程で生じた凝縮水を前記燃料タンクに回収する第２の配管部と、
前記スタックから排出される前記液体燃料を前記燃料タンクに送る第３の配管部と、
前記熱交換器から前記熱交換器によって分離された前記水を前記燃料タンクに送る第４の配管部と、
前記第１の配管部と前記第２の配管部と前記第３の配管部と前記第４の配管部とを介して、前記液体燃料を所定の濃度に調整して前記燃料タンクと前記スタックと前記熱交換器との間を循環させるコントローラと、
前記スタックに対して前記空気を供給するブロアと、を備え、
前記コントローラは、前記スタックの耐熱温度における前記空気の量以上であって、前記凝縮水の量が前記水再利用型燃料電池システムが消費する水の量よりも多くなる前記空気の量以下となるように、前記ブロアを制御する、
ことを特徴とする水再利用型燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の配管部の内壁は、金属腐食性成分に対する耐性処理が施されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の水再利用型燃料電池システム。
【請求項３】
前記耐性処理として、フッ素系の材料によるコーティング処理が行われ、または黒色アルマイト処理に加えて前記コーティング処理が行われた、
ことを特徴とする請求項２に記載の水再利用型燃料電池システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記スタックの温度が前記スタックの耐熱温度付近となるように、前記ブロアを制御する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水再利用型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凝縮水回収機能を有した燃料電池構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な種類の燃料電池が開発されているが、そのうちの１つに直接型メタノール式燃料電池（Direct  Methanol  Fuel  Cell。以下、ＤＭＦＣと呼ぶ。）がある。ＤＭＦＣは、発電用スタックのアノード極に対し燃料としてメタノール水溶液を供給し、カソード極に対して空気を供給するものであるが、ＤＭＦＣには、燃料や空気の供給にポンプ、ブロア等の動力を用いるアクティブ型と、一切動力を使用せず、自然拡散及び自然対流を利用するパッシブ型の２方式に大きく分類される。
【０００３】
このうち、アクティブ型では、内蔵燃料タンク内の燃料をポンプの力でスタックへ送り込み、発電に使用しなかった燃料は、燃料タンクに戻す循環方式を採用することが多い。この場合、外部から高濃度のメタノール水溶液と水を別々に供給して、燃料タンク内の燃料の枯渇を防ぎ、メタノール濃度を一定範囲に保つよう制御する。一方、カソード極にブロアを用い供給された空気は、スタック内で発電反応により生成された水を含み、基本的に水蒸気としてスタック排気口より排出される。この排気を熱交換器へ供給し、排気中に含まれる水分を凝縮させて再利用することにより、外部からの水の供給を無くすことを可能としている（例えば、特許文献１〜４、非特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０４０７８７号公報
【特許文献２】特開２００９−１０５０６０号公報
【特許文献３】特開２００７−１００１５８号公報
【特許文献４】特開２００９−２１８０４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐野利夫  他著  「直接メタノール燃料電池システム（ＹＦＣ−１００）の電池特性」ＹＵＡＳＡ−ＪＩＨＯ  ＮＯ．９５  ＯＣＴＯＢＥＲ  ２００３
【非特許文献２】佐野利夫  他著  「１ｋＷ級ＤＭＦＣシステム「ＹＦＣ−１０００」の開発」ＧＳ  Ｙｕａｓａ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ２００４年１２月  第１巻  第１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの文献に記載された燃料電池を機器レイアウトの面から見た場合、水蒸気が流れる配管内に生じた凝縮水の滞留を防ぐために、スタックより下に熱交換器を配置し、さらに熱交換器の下に凝縮水を受ける水回収タンクを順に配置しなければならず、システム全体としての高さが必要となり、そのような構成が、燃料電池全体を小型化したり、あるいは低重心化する場合の障害となってしまうという問題があった。
【０００７】
図３は、従来の燃料電池の主要部を構成する機器のレイアウトを示す図である。図３に示した従来の燃料電池では、燃料送液ポンプ７を経由させ、燃料を内蔵燃料タンク３の内部からスタック１に供給している。そして、スタック１内で発電に使用されなかった燃料は、スタック１内を通過して内蔵燃料タンク３に戻るようになっている。
【０００８】
このように、従来の燃料電池では、循環を繰り返して発電を継続するが、発電によりメタノール及び水が消費されるため、燃料濃度及び量は低下してしまう。一方、空気供給ブロア８によってスタック１内に供給された空気は、発電反応により生成された水を含む水蒸気の状態でスタック１の排気口から排出される。そして、排出されたその水蒸気が熱交換器５に送られ、その後凝縮して得られた水を水回収タンク４に蓄えて再利用する。
【０００９】
この場合、内蔵燃料タンク３内の燃料濃度及び残量が一定範囲以下となった時点で、高濃度メタノール水溶液送液ポンプ６によって、燃料電池システム外部の高濃度メタノール水溶液タンク２から高濃度メタノール水溶液が送られ、凝縮水送液ポンプ９によって、水回収タンク４から凝縮水が内蔵燃料タンク３に送られる。そして、このように送られた高濃度メタノール水溶液および凝縮水の燃料濃度及び量を一定範囲に調整している。
【００１０】
従来の燃料電池のレイアウトでは、スタック１から排出された水蒸気を流す配管内では、凝縮水を滞留させずにそのまま水回収タンク４に回収している。この場合、凝縮水を最終的に内蔵燃料タンク３に送るため、スタック1の下方に熱交換器５を配置し、さらにその下方に水回収タンク４を配置することが必要となってくる。その結果、スタック１、熱交換器５、水回収タンク４そのものの高さが、システム全体の低重心化の制約となっている。
【００１１】
また、熱交換性能の面から、熱交換器は金属製とされているが、スタックからの排気中の水分及び、発電反応による副生成物は、熱交換器を腐食させてしまうという問題があった。さらに、スタック周辺の環境温度の変動により、凝縮水回収量が燃料電池の運転に必要な量を確保できない場合があり、長時間外部からの水の供給を行わずに連続運転ができないという問題があった。
【００１２】
この点についての改善策として、熱交換器に冷却機能もしくは排気温度を上げるヒータを持たせることによって、水回収量の増加を見込むことができる。しかし、補機等のシステム内部の消費電力が大きくなり、ＤＭＦＣ全体としての能力を結果的に低下させてしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、小型かつ低重心であって、外部からの水が供給されない場合であっても連続運転可能な水再利用型燃料電池システムを提供することを目的とする。また、このような水再利用型燃料電池システムにおいて、スタックの排気による金属製熱交換器の腐食を防止することができる水再利用型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するために、本発明にかかる水再利用型燃料電池システムは、液体燃料を収容する燃料タンクと、前記液体燃料と酸素とを化学反応させて発電を行い、前記化学反応によって生じた水蒸気と前記液体燃料とを排出するスタックと、前記水蒸気を水と空気に分離して熱交換を行う熱交換器と、前記燃料タンクから排出された前記液体燃料を前記スタックに送る第１の配管部と、前記スタックから排出された前記水蒸気を前記熱交換器に送るとともに、前記水蒸気を送る過程で生じた凝縮水を前記燃料タンクに回収する第２の配管部と、前記スタックから排出される前記液体燃料を前記燃料タンクに送る第３の配管部と、前記熱交換器から前記熱交換器によって分離された前記水を前記燃料タンクに送る第４の配管部と、前記第１の配管部と前記第２の配管部と前記第３の配管部と前記第４の配管部とを介して、前記液体燃料を所定の濃度に調整して前記燃料タンクと前記スタックと前記熱交換器との間を循環させるコントローラと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型かつ低重心であって、外部からの水が供給されない場合であっても連続運転可能な水再利用型燃料電池システムを提供することができる。また、このような水再利用型燃料電池システムにおいて、スタックの排気による金属製熱交換器の腐食を防止することができる水再利用型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態にかかるＡＴＭの外観図である。
【図２】ＡＴＭの内部ブロックの構成を示す図である。
【図３】図２に示した紙幣入出金機構内の紙幣収納庫の内部にセンサを設置した場合の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる水再利用型燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態における水再利用型燃料電池システム１０００の物理的は構成を示す概念図である。図１に示すように、水再利用型燃料電池システム１０００は、スタック１と、高濃度メタノール水溶液タンク２と、内蔵燃料タンク３と、水回収タンク４と、熱交換器５と、高濃度メタノール水溶液送液ポンプ６と、燃料送液ポンプ７と、空気供給ブロア８と、凝縮水送液ポンプ９と、配管内凝縮水回収配管１０と、を含んで構成されている。なお、水再利用型燃料電池システム１０００のこれらの各部の動作は、水再利用型燃料電池システム１０００の外部に設けられたＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等の演算装置を有するコントローラ１００によって制御されている。
【００１９】
スタック１は、ブロア８から送られた空気と内蔵燃料タンク３から燃料送液ポンプ７によって内蔵燃料タンク３内部で濃度が調整された後の高濃度メタノール水溶液とを受け入れる。そして、スタック１は、その内部に構成されている触媒（膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly））によって、受け入れた空気と濃度が調整された後の高濃度メタノール水溶液とに発電反応を生じさせ、その際に使用されていない高濃度メタノール水溶液を内蔵燃料タンク３に排出する。このように、高濃度メタノール水溶液は、スタック１と内蔵燃料タンク３との間を、その間を接続する配管や燃料送液ポンプ７を介して循環して発電を継続するようになっている。
【００２０】
一方、スタック１が受け入れたブロア８から送られた空気は、上述した発電反応によって生じた水を含む水蒸気を排気口から排出される。このように排出された水蒸気は熱交換器５に送られ、熱交換器５は、その水蒸気を空気と凝縮水に分離し、分離した凝縮水を凝縮水送液ポンプ９を介して水回収タンク４に排出する。
【００２１】
このように排出された凝縮水と高濃度メタノール水溶液とを内蔵燃料タンク３が受け入れると、コントローラ１００は、内蔵燃料タンク３内部の高濃度メタノール水溶液の濃度や量が一定の値となるように制御する。このとき、スタック１の発電によってメタノール及び水が消費されることによって燃料濃度及び量が一定範囲以下となった場合には、コントローラ１００は、高濃度メタノール水溶液送液ポンプ６を介して、高濃度メタノール水溶液タンク２から高濃度メタノール水溶液が送るように制御したり、あるいは凝縮水送液ポンプ９を介して、水回収タンク４から凝縮水が内蔵燃料タンク３に送られるように制御し、高濃度メタノール水溶液および凝縮水の燃料濃度及び量を一定範囲に調整している。
【００２２】
なお、図１には示していないが、コントローラ１００は、スタック１に備えられた温度センサや、各種のポンプ（あるいは配管）に備えられた水溶液の濃度センサ等を検知し、上述した調整を行っているものとする。
【００２３】
また、本実施の形態における水再利用型燃料電池システム１０００は、スタック１と熱交換器５とを接続する配管の一部に設けられた配管内凝縮水回収配管１０によって、スタック１から排出された水蒸気が凝縮した場合の凝縮水を、自重によって内蔵燃料タンク３に直接戻すことができるようになっている。したがって、図１に示したように、スタック１を熱交換器５と同じ高さの位置に配置した場合であっても、スタック１と熱交換器５とを接続する配管の内部に凝縮水が滞留することなく、水再利用型燃料電池システム１０００を小型化および低重心化することができる。
【００２４】
すなわち、内蔵燃料タンク３がメタノール水溶液を収容し、スタック１がメタノール水溶液と酸素とを化学反応させて発電を行い、化学反応によって生じた水蒸気とメタノール水溶液とを排出し、熱交換器５が水蒸気を水と空気に分離して熱交換を行い、第１の配管部が内蔵燃料タンク３から排出されたメタノール水溶液を燃料送液ポンプ７を介してスタック１に送り、第２の配管部がスタック１から排出された水蒸気を熱交換器５に送るとともに、水蒸気を送る過程で生じた凝縮水を内蔵燃料タンク３に回収し、第３の配管部がスタック１から排出されるメタノール水溶液を内蔵燃料タンク３に送り、第４の配管部が熱交換器５から熱交換器５によって分離された水を水回収タンク４と凝縮水送液ポンプ９とを介して内蔵燃料タンク３に送り、コントローラ１００が第１の配管部と第２の配管部と第３の配管部と第４の配管部とを介して、メタノール水溶液を所定の濃度に調整して内蔵燃料タンク３とスタック１と熱交換器５との間を循環させるので、小型かつ低重心であって、外部からの水が供給されない場合であっても連続運転が可能となる。
【００２５】
ところで、スタック１から熱交換器５に排出される水蒸気中には、水分以外に発電反応による様々な副生成物が含まれているため、熱交換器５が金属性である場合には、その熱交換器５の腐食を加速してしまう場合がある。しかし、本実施の形態における水再利用型燃料電池システム１０００では、スタック１と熱交換器５とを接続する配管の流路内壁もしくは全体に、スタック１から排出される金属腐食性成分に対して耐性のある表面処理及びコーティングを施している。
【００２６】
具体的には、スタック１と熱交換器５とを接続する配管が、ステンレス系の材料から構成されている場合には、その配管にフッ素系の材料によってコーティング処理を施す。ステンレス系材料に含まれるＦｅ成分は溶出量を９０％以上低減効果がある。また、スタック１と熱交換器５とを接続する配管が、アルミ系材料で構成されている場合には、黒色アルマイト処理を行った後にフッ素系のコーティング処理を施すことによって、アルミ系材料に含まれるＡＬ成分は溶出量を８０％以上低減できる効果があり、Ｆｅ成分に関しては９５％以上の溶出量低減効果がある。なお、本実施の形態においては、熱交換性能を損なわないために、スタック１と熱交換器５とを接続する配管のフッ素系の材料によるコーティングの厚さを５μｍ以下としている。このように、スタック１と熱交換器５とを接続する配管に対して、スタック１から排出される金属腐食性成分に対して耐性のある表面処理及びコーティング処理を施しているので、熱交換器５の腐食を防止することができる。
【００２７】
続いて、このように構成された水再利用型燃料電池システム１０００において、水再利用型燃料電池システム１０００内部の水量、ブロア風量、スタック温度を一定の範囲内に制御することが必要となってくるが、その制御方法について説明する。図２は、水再利用型燃料電池システム１０００がコントローラ１００によって制御される場合の水量、ブロア風量、スタック温度および発電効率の関係を示す図である。図２に示した関係では、スタック温度Ｓと発電効率Ｗの関係を見ると、スタック温度Ｓが高いほど発電効率Ｗが高い傾向にあることがわかる。
【００２８】
また、図２に示すように、スタック１に対して空気供給ブロア８から供給される空気は、スタック１の温度コントロールにも有効である。すなわち、コントローラ１００の制御によってブロア風量Ｑが低下すると、スタック温度Ｓは上昇する。スタック温度Ｓの上昇は、スタック１からの排気温度を上昇させることになり、その結果、スタック温度Ｓとスタック１の周辺の環境温度との温度差が増加し、熱交換効率が高まり、凝縮水回収量１２が増加する。したがって、コントローラ１００は、このようにスタック温度Ｓを上昇させるようにブロア風量Ｑを低下させる。
【００２９】
但し、スタック温度Ｓは、スタック１を構成する部品の耐熱温度から決まるスタック上限温度１３以下にすること、及び発電に必要な最低空気量をスタック１に供給する制御を行うことが必要となる。したがって、これらの条件を満たすために、発電に対して必要な最低ブロア風量をＱ０、スタック上限温度１３となるブロア風量をＱ１、凝縮水回収量１２が水消費量１１よりも多くなるブロア風量をＱ２とした場合、コントローラ１００は、スタック上限温度１３の範囲内となるブロア風量Ｑ１とブロア風量Ｑ２との範囲内（領域Ｒ内）となるようにブロア風量Ｑを制御している。なお、領域Ｒ内であっても、より高いスタック温度Ｓとなるようにブロア風量を制御することが望ましい。
【００３０】
コントローラ１００が、上述した制御を行うことによって、凝縮水回収量１２が水消費量１１を安定して上回ることとなる。その結果、外部からの水が供給されない場合であっても、水再利用型燃料電池システム１０００の連続運転が可能となる。
【００３１】
本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１  スタック
２  高濃度メタノール水溶液タンク
３  内蔵燃料タンク
４  水回収タンク
５  熱交換器
６  高濃度メタノール水溶液送液ポンプ
７  燃料送液ポンプ
８  空気供給ブロア
９  凝縮水送液ポンプ
１０  配管内凝縮水回収用配管
１１  水消費量
１２  凝縮水回収量
１３  スタック上限温度
１００  コントローラ
１０００  水再利用型燃料電池システム。
【図１】
0005439199.tif 000002
【図２】
0005439199.tif 000003
【図３】
0005439199.tif 000004