(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムであって、
前記メタノールを貯留するメタノールタンクと、
前記燃料電池セルから排出される排出成分をガスと水分に分離する気液分離手段と、
少なくとも前記気液分離手段から供給される水分を貯留する水回収タンクと、前記メタノールタンクおよび前記水回収タンクから第１および第２計量器を介して前記メタノールおよび前記水がそれぞれ計量されて供給されるとともに、前記改質器に前記メタノールと前記水の混合液を供給するメタノール水溶液タンクと、
前記水回収タンクの下部に接続され、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排出可能な切り換えバルブと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、システム起動／停止スイッチによりシステム停止信号が入力される際に前記切り換えバルブを開放する制御回路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記メタノール水溶液タンクは、起動後に少なくとも前記燃料電池セルから排出される水分を空の前記水回収タンク内に回収して該メタノール水溶液タンクに給水を開始するのに必要な量だけの前記混合液を貯留可能な容量に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムの排水方法であって、
前記燃料電池セルから排出される排出成分を気液分離手段によりガスと水分に分離し、前記水分を水回収タンクに供給する工程と、
メタノールタンクに貯留された前記メタノールを計量してメタノール水溶液タンクに供給するとともに、少なくとも前記気液分離手段から供給される水分を貯留する前記水回収タンクから前記水を計量して前記メタノール水溶液タンクに供給し、前記メタノールと前記水の混合液を得る工程と、
前記メタノール水溶液タンクから前記改質器に前記メタノールと前記水の混合液を供給して前記改質ガスを生成する工程と、
前記燃料電池システムの運転が停止された後、前記メタノール水溶液タンクを設定された満水状態に調整する工程と、
前記メタノール水溶液タンクが満水状態になった際、前記水回収タンクの下部に接続された切り換えバルブを開放し、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排水する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの排水方法。
【請求項５】
請求項４記載の排水方法において、システム起動／停止スイッチによりシステム停止信号が入力されることによって前記燃料電池システムの運転停止が判断されることを特徴とする燃料電池システムの排水方法。
【請求項６】
請求項４記載の排水方法において、前記メタノール水溶液タンクの液面位置が設定高さ以上である際、または、前記水回収タンクの水位が設定高さ以上である際、前記切り換えバルブを開放して余剰な水を排水する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの排水方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールと水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器を備え、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルに前記改質ガスを供給する燃料電池システムおよびその排水方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
ところで、車載型の燃料電池スタックでは、特に定期的なルート走行を目的としない乗用車等において、メタノール水溶液を補給することが困難なものとなっている。このため、メタノールだけを補給し、必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方式が現実的である。ところが、比較的大容量の水タンクを設けるために、寒冷地で使用する際に、改質に必要な水が凍結するおそれがあり、燃料電池スタックの円滑な始動が困難になるという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特開平８−９１８０４号公報に開示されているように、メタノールを貯留するメタノール貯留槽と、このメタノール貯留槽の下側に配設されるとともに、燃料電池から排出される水の供給経路が接続されかつメタノールと水との混合液を貯留する改質原料液貯留槽と、前記メタノール貯留槽と前記改質原料液貯留槽との間に配設され、前記メタノール貯留槽から前記改質原料液貯留槽に流入するメタノールの流入量を、前記改質原料液貯留槽におけるメタノールと水との混合比率が所定の値になるように調整する流入量調整手段とを備えた原料液供給装置が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、水タンクを用いないために凍結防止が可能であるものの、燃料電池と改質原料液貯留槽とを接続する水の供給経路内に残った水が凍結し易い。これにより、この供給経路内が閉塞されてしまうという問題が指摘されている。
【０００７】
しかも、メタノール水溶液の改質反応は、ＣＨ３  ＯＨ＋Ｈ２  Ｏ→３Ｈ２  ＋ＣＯ２  である一方、燃料電池における反応は、３Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋３／２Ｏ２  →３Ｈ２  Ｏ＋ＣＯ２  である。このため、理論上、メタノール１ｍｏｌを水素に変化させるのに必要な水が１ｍｏｌであるのに対し、燃料電池から排出される生成水は３ｍｏｌとなる。従って、排出原料液貯留槽には、必要以上の生成水が導入されてしまい、メタノールと水との混合比に対して余剰となる水の処理が問題となっている。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、システム内での水の凍結を確実に阻止するとともに、余剰な水を簡単に処理し、特に車載に適した燃料電池システムおびその排水方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムおよびその排水方法では、メタノールタンクにメタノールが貯留される一方、水回収タンクに少なくとも燃料電池セルから排出される水分が貯留され、前記メタノールタンクおよび前記水回収タンクから前記メタノールおよび水がそれぞれ計量されてメタノール水溶液タンクに供給される。そして、メタノール水溶液タンクから改質器にメタノールと水の混合液が供給されて改質ガスが生成され、この改質ガスは燃料電池セルに供給されてこの燃料電池セルで発電が開始される。
【００１０】
次に、燃料電池システムの運転が停止されると、メタノール水溶液タンクが設定された満水状態に調整された後、水回収タンクの下部に接続された切り換えバルブが開放されてこの水回収タンク内および水経路内の水が全て排水される。これにより、燃料電池システムが停止している間、この燃料電池システム中に水が存在することがなく、特に寒冷地での凍結を可及的に阻止することができ、前記燃料電池システムの信頼性が向上する。
【００１１】
ここで、燃料電池システムの運転停止は、システム起動／停止スイッチによりシステム停止信号が入力されることによって判断されるため、簡単かつ確実に燃料電池システムの運転停止状態を判定することができる。
【００１２】
また、メタノール水溶液タンクは、起動後に少なくとも燃料電池セルから排出される水分を空の水回収タンク内に回収して前記メタノール水溶液タンクに給水を開始するのに必要な量だけの混合液を貯留可能な容量に設定されている。このため、メタノール水溶液タンクの小容量化が可能になり、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られるとともに、メタノールタンクを有効に大容量化することが可能になる。
【００１３】
さらにまた、メタノール水溶液タンクの液面位置が設定高さ以上である際、または、水回収タンクの水位が設定高さ以上である際、切り換えバルブを開放して余剰な水を排水している。従って、燃料電池システム内で水の供給過多やオーバーフローを、簡単な構成で有効に阻止することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る車載型の燃料電池システム１０の概略構成図である。燃料電池システム１０は、メタノール（ＣＨ３  ＯＨ）と水の混合液から水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器１２と、この改質器１２から燃料ガスである前記改質ガスが供給される燃料電池セル１４と、前記メタノールを貯留するメタノールタンク１６と、少なくとも前記燃料電池セル１４から排出される水分を貯留する水回収タンク１８と、前記メタノールタンク１６および前記水回収タンク１８から前記メタノールおよび水がそれぞれ計量されて供給されるとともに、前記改質器１２に前記混合液を供給するメタノール水溶液タンク２０と、前記水回収タンク１８の下部に接続され、該水回収タンク１８内および水経路（後述する）内の水を全て排水可能な切り換えバルブ２２とを備える。
【００１５】
メタノールタンク１６は、比較的大容量に設定されており、このメタノールタンク１６からメタノール水溶液タンク２０にメタノール経路２３が設けられるとともに、前記メタノール経路２３の途上には、メタノールを所定量だけ供給するための第１計量器２４が配置される。
【００１６】
水回収タンク１８からメタノール水溶液タンク２０に第１水経路２６が設けられ、この第１水経路２６の途上に第２計量器２８が配置される。水回収タンク１８およびメタノール水溶液タンク２０は、メタノールタンク１６に比べて相当に小容量に設定されている。具体的には、このメタノール水溶液タンク２０は、燃料電池システム１０の起動後に少なくとも燃料電池セル１４から排出される水分を空の水回収タンク１８内に回収して該メタノール水溶液タンク２０に給水を開始するのに必要な量だけの混合液を貯留可能な容量に設定されている。水回収タンク１８の下部には、ドレン経路３０を介して切り換えバルブ２２が接続される。
【００１７】
メタノール水溶液タンク２０には、燃料経路３２が設けられる。メタノール水溶液タンク２０内の混合液が、この燃料経路３２に配置されるポンプ３４を介して第３計量器３６に供給される。第３計量器３６の出口側に蒸発器３８が接続されるとともに、この蒸発器３８には、燃焼器４０から燃焼熱が供給される。蒸発器３８の出口側には、改質器１２を介して燃料電池スタック４２が接続される。
【００１８】
燃料電池スタック４２は、燃料電池セル１４とセパレータ４４とを交互に複数積層して構成されている。燃料電池セル１４は、固体高分子電解質膜４６とこの固体高分子電解質膜４６を挟んで対設される水素極（アノード側電極）４８および空気極（カソード側電極）５０とを有し、この水素極４８とこの空気極５０とが電気モータ等の負荷５２に接続されている。
【００１９】
燃料電池スタック４２には、大気中の空気（酸化剤ガス）を空気極５０に供給するためのエアコンプレッサ５４と、この燃料電池スタック４２から排出される排出成分をガスと水分とに分離するための第１および第２気液分離器５６、５８とが接続される。第１および第２気液分離器５６、５８は、分離された水分を水回収タンク１８に供給するための第２および第３水経路６０、６２と、分離されたガスを燃焼器４０に供給するための第１および第２ガス経路６４、６６とを設ける。
【００２０】
改質器１２の出口側には、水分を水回収タンク１８に供給するための第４水経路６８が接続されている。水回収タンク１８およびメタノール水溶液タンク２０内には、水および混合液の液面高さを検出する第１および第２液面計７２、７４が設けられ、この第１および第２液面計７２、７４は、制御回路７６に接続される。制御回路７６は、切り換えバルブ２２およびポンプ３４を駆動制御するとともに、第１乃至第３計量器２４、２８および３６の制御を行う。制御回路７６には、図示しないシステム起動／停止スイッチの操作により燃料電池システム１０の起動信号および停止信号が入力される。
【００２１】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、その排水方法との関連で以下に説明する。
【００２２】
先ず、始動時には、メタノール水溶液タンク２０内が満水状態となっており、ポンプ３４の作用下に混合液（燃料）が燃料経路３２の第３計量器３６に送られ、蒸発器３８に所定量の混合液が供給される。この蒸発器３８で蒸気化された混合液は、改質器１２に送られて改質が行われる。これにより、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）が得られ、この改質ガスが燃料電池スタック４２の各水素極４８に供給される。一方、燃料電池スタック４２の各空気極５０には、エアコンプレッサ５４から大気中の空気（酸化剤ガス）が導入される。
【００２３】
従って、各燃料電池セル１４では、改質ガスに含まれる水素がイオン化（水素イオン）して固体高分子電解質膜４６内を空気極５０側に流れ、この水素イオンが前記空気極５０で酸素および電子と反応して水が生成される。この電子は負荷５２を駆動するための電気エネルギーとなる一方、水素極４８側から排出される排出成分および前記空気極５０側から排出される排出成分（生成水を含む）は、第１および第２気液分離器５６、５８に導入される。
【００２４】
第１および第２気液分離器５６、５８により回収された水分は、それぞれ第２および第３水経路６０、６２を介して水回収タンク１８に供給される。また、第１気液分離器５６で分離された未反応水素ガスおよび二酸化炭素ガス等のガス成分が第１ガス経路６４を介して燃焼器４０に導かれる一方、第２気液分離器５８で分離された未反応酸素ガスおよび窒素ガス等のガス成分は、第２ガス経路６６を介して前記燃焼器４０に導かれる。なお、水回収タンク１８には、改質器１２から導出される水分が第４水経路６８を介して供給されている。
【００２５】
次に、水回収タンク１８内の水位が所定の液面高さになったことが第１液面計７２により検出されると、続いてメタノール水溶液タンク２０内の液面高さが第２液面計７４により検出される。ここで、メタノール水溶液タンク２０内の混合液の液面が所定の高さ以下であると、制御回路７６の作用下に第１および第２計量器２４、２８が駆動され、メタノールタンク１６および水回収タンク１８からそれぞれメタノールと水とが所定の混合比で前記メタノール水溶液タンク２０内に供給される。
【００２６】
一方、メタノール水溶液タンク２０内の混合液の液面が所定の高さ以上であると、切り換えバルブ２２が開放されて水回収タンク１８内の水がドレン経路３０を介して外部に排出される。この水回収タンク１８内の液面高さが所定の高さ以下になった際に、切り換えバルブ２２が閉じられる。
【００２７】
次いで、燃料電池システム１０の運転停止信号、例えば、図示しないシステム起動／停止スイッチの停止信号が制御回路７６に入力されると、図２に示すフローチャートに基づいて排水処理が開始される。すなわち、運転停止信号が入力されると（ステップＳＴ１）、メタノール水溶液タンク２０内の混合液の液面高さが検出される（ステップＳＴ２）。
【００２８】
ここで、混合液の液面が所定の高さ以上であれば（ステップＳＴ３中、ＹＥＳ）、ステップＳＴ４に進んで切り換えバルブ２２が開放される。このため、水回収タンク１８内に貯留されている水がドレン経路３０から排出され、この水回収タンク１８内が空になった後（ステップＳＴ５中、ＹＥＳ）、切り換えバルブ２２が閉じられる（ステップＳＴ６）。
【００２９】
一方、メタノール水溶液タンク２０内の液面が所定の高さよりも低い場合には、ステップＳＴ７に進んでメタノールと水との混合作業が行われる。具体的には、第１および第２計量器２４、２８が駆動され、メタノールタンク１６内のメタノールと水回収タンク１８内の水とがそれぞれ所定の混合比でメタノール水溶液タンク２０内に供給される。そして、メタノール水溶液タンク２０内の混合液の液面が所定の高さ以上になると（ステップＳＴ８中、ＹＥＳ）、ステップＳＴ４以降に進んで、水回収タンク１８内および第１乃至第４水経路２６、６０、６２および６８内の水が全て排出される。
【００３０】
このように、本実施形態では、燃料電池システム１０の運転が停止している間、この燃料電池システム１０内に水が残留することがなく、例えば、第１乃至第４水経路２６、６０、６２および６８内で水が凍結することがなく、凍結による管内の閉塞を可及的に阻止することができる。これにより、特に寒冷地においても燃料電池システム１０の始動を確実に行うことができ、前記燃料電池システム１０の信頼性を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３１】
しかも、メタノール水溶液タンク２０を可及的にに小容量化することができ、燃料電池システム１０全体の小型化が図られるととともに、メタノールタンク１６の大容量化が可能になる。従って、メタノールを頻繁に補充することなく、長距離走行が達成されて使い勝手の向上が図られる。
【００３２】
さらにまた、燃料電池システム１０の運転中にメタノール水溶液タンク２０の液面位置が所定位置より高くなったとき、または、水回収タンク１８内の液面高さが所定位置より高くなったときには、切り換えバルブ２２を開放して余剰の水を容易かつ迅速に排水することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムおよびその排水方法では、メタノールを貯留するメタノールタンクと、燃料電池セル等から排出される水分を貯留する水回収タンクと、前記メタノールと水とを混合して混合液を得るメタノール水溶液タンクと、前記水回収タンクの下部に接続される排水用切り換えバルブとを備えており、燃料電池システムの運転が停止される際に、前記切り換えバルブを開放させるだけで、該水回収タンク内および水経路内の水を全て排水させることができる。これにより、運転停止時における凍結の発生を防止することが可能になる。また、燃料電池システム内に余剰の水が発生した際には、切り換えバルブを開放させるだけで、この余剰な水を容易かつ迅速に排水することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の排水方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム                １２…改質器
１４…燃料電池セル                    １６…メタノール
１８…水回収タンク                    ２０…メタノール水溶液タンク
２２…切り換えバルブ                  ２４、２８、３６…計量器
２６、６０、６２、６８…水経路        ３８…蒸発器
４０…燃焼器                          ４２…燃料電池スタック
７２、７４…液面計                    ７６…制御回路
【図１】
0003553377.tif 000002
【図２】
0003553377.tif 000003