(57)【要約】【課題】  気液分離器で気液二相流から水の分離回収を行う燃料電池システムに関して、燃料電池システムの空気放出部から水が溢れ出る不具合を防止することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  気液分離器６の気体放出口後段に、吸水性の液体保持部材１３を燃料電池発電部１に接するように設ける。このような構成にすることで、液体保持部材１３が保持した水を緩やかに気化することができ、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気を用いて発電を行い、空気と水からなる気液二相流を放出する発電部と、
該発電部から放出された前記気液二相流を空気と水とに分離する気液分離器と、
該気液分離器にて分離されずに空気に混入している水もしくは水分を保持する液体保持部材と、
該液体保持部材で保持されている水もしくは水分を気化させる気化手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気化手段は、加熱手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電部は、前記加熱手段を兼ねることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記液体保持部材は、吸水性樹脂もしくは吸水性繊維を主たる構成材料とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料と空気を用いて発電を行い、空気と水からなる気液二相流を放出する発電部を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記発電部から放出された前記気液二相流を空気と水とに分離する工程と、
前記気液二相流から分離されずに空気に混入している水もしくは水分を液体保持部材で保持する工程と、
前記液体保持部材で保持されている水もしくは水分を気化させる工程と
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記気化させる工程は、加熱する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記加熱する工程は、前記発電部で発生した熱を利用することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素などの燃料と空気を用いて所要の発電を行う燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に発電反応によって生成された水の回収および再利用を行う燃料電池システム、及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの発電部は、燃料と酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池システムは、発電により生成される生成物が主として水であることから、環境を汚染することがない発電素子として近年注目されている。例えば、自動車を駆動するための駆動電源や、家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えば、ノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池システムの開発も活発に行われている。このような燃料電池システムにおいては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池システムは、電解質の違いや燃料の供給方法等によって様々なタイプのものに分類されるが、メタノールを水素に改質せずに燃料として直接用いるダイレクトメタノール型の燃料電池システム（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池システムでは、アノード側で主としてＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−の如き反応が起き、カソード側で主として３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏの如き反応が起きる。アノード側で発生したプロトン（Ｈ＋）が電解質によってカソード側に伝達され、全体としてＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応が起きて、発電とともにアノード側で二酸化炭素、カソード側で水分が生成される。
【０００５】
ダイレクトメタノール型の燃料電池システムでは、燃料として純粋なメタノールを供給するだけでは、アノードでの発電反応が進行しないため、水とメタノールを混合した燃料をアノードに供給する必要がある。このときの燃料供給方法として、予めメタノールと水を適切な組成で混合しておく方法が提案されている。また、燃料を循環させる燃料循環流路を設置して、循環する燃料に対して純粋なメタノールを補充するとともに、発電反応により生成された水を燃料に混合する方法が提案されている。
【０００６】
図３に、従来例のダイレクトメタノール型燃料電池システムの構成の一例を示す。例示した燃料電池システムは、空気処理系、燃料循環系および制御系により構成されている。また、図３において、実線の矢印はメタノール、燃料流体および空気の流れを示し、点線の矢印は制御信号の流れを示すものである。また、上述および以下すべての説明において、水とは液体状態のＨ２Ｏを指して用い、水分とは水蒸気、ミストおよび液体を含めた状態のＨ２Ｏを指して用いる。
【０００７】
空気処理系は、空気供給ポンプ３５、気液分離器３６および送液ポンプ４２を備えている。酸化剤である空気は、燃料電池システムの外部から空気供給ポンプ３５により燃料電池発電部３１へ供給される。燃料電池発電部３１から排出された空気と水からなる気液二相流は気液分離器３６にて空気と水とに分離され、分離された水は送液ポンプ４２により燃料混合器３２へ送られる。また、空気は燃料電池システムの外部に放出される。
【０００８】
燃料循環系は、燃料電池発電部３１、燃料タンク４１、燃料供給ポンプ３７、燃料混合器３２、燃料循環ポンプ３４および濃度センサ３３を備えている。燃料であるメタノールは、燃料供給ポンプ３４により燃料タンク４１から燃料混合器３２に供給され、適当なメタノール濃度の燃料流体となる。この燃料流体は、燃料循環ポンプ３４によって燃料電池発電部３１へ供給される。燃料電池発電部３１に供給されたメタノール水溶液は、燃料電池発電部３１内で一部消費されて、再び燃料混合器３２と燃料循環ポンプ３４を循環する。濃度センサ３３は、燃料混合器３２内の燃料流体のメタノール濃度を測定して、測定した情報を制御ユニット３９へ伝達する装置である。
【０００９】
制御系は、液面センサ３８、制御ユニット３９および温度センサ４０を備えている。液面センサ３８は、燃料混合器３２に滞留している燃料流体の量を測定し、測定した情報を制御ユニット３９へ伝達する装置である。温度センサ４０は、燃料電池システムの様々な箇所に設置されており、各箇所の温度測定を行い、測定した情報を制御ユニット３９へ伝達する。制御ユニットは、濃度センサ３３、液面センサ３８からの情報に基づいて燃料供給ポンプ３７に対して制御信号を送出し、メタノールの吐出量を調整する。また制御ユニット３９は、温度センサ４０からの情報に基づいて燃料循環ポンプ３４と空気供給ポンプ３５とに制御信号を送出し、燃料電池発電部３１への燃料流体および空気の供給量を調整する。
【００１０】
燃料電池発電部３１は、高分子電解質膜を集電体で挟み込んだ接合体、もしくは接合体を積層したスタックセル構造である。この接合体のアノード側に燃料流体が供給されるとともに、カソード側に酸素が供給されることで発電反応が行われる。この際、上述したようにアノード側で二酸化炭素、カソード側で水分が生成される。
【００１１】
このカソード側で生成された水分が空気に混入することにより、空気と水からなる気液二相流が燃料電池発電部３１から放出される。そして、この気液二相流は気液分離器３６によって空気と水とに分離されて、水は燃料混合器３２に送られ、空気は燃料電池システムの外部に放出される。この際、燃料電池システムの外部に放出される空気には、気液分離器３６で分離されなかった水と、空気中の水蒸気やミストが凝縮した凝縮水が存在し、これらの水は外気に放出しなければならない。
【００１２】
気液二相流をできるだけ完全に気体と液体とに分離する技術としては、サイクロン式気液分離器の改良技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、円筒形の気液分離器の上下中間部に、気液分離器の内径にほぼ等しい外径を有し且つ外周に複数の切欠き部が形成された仕切り板を設けることにより、下方に溜まった液体が気体によって連れ出されることを防止できるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、燃料電池システムの外部に放出する空気に水が混入している場合、この水は外気に放出しなければならない。特許文献１のように、空気と水を完全に分離しようとする方法も提案されているが、やはり、空気に混入する水は存在する。また、空気中の水蒸気やミストが凝縮して凝縮水となることもあるため、燃料電池システムの外部に放出する空気から完全に水を除去することは大変困難である。
【００１４】
したがって、本発明は、発電部で生成される水の分離回収を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、燃料と空気を用いて発電を行い、空気と水からなる気液二相流を放出する発電部と、該発電部から放出された前記気液二相流を空気と水とに分離する気液分離器と、該気液分離器にて分離されずに空気に混入している水もしくは水分を保持する液体保持部材と、該液体保持部材で保持されている水もしくは水分を気化させる気化手段とを有することを特徴とする。このように構成することで、空気に混入している水もしくは水分を液体保持部材にて保持し、保持された水もしくは水分を加熱手段により気化することが可能となる。その結果として、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。
【００１６】
また、上記構成において、前記気化手段は、加熱手段とすることができる。これにより、液体保持部材に保持された水もしくは水分を効率よく気化させることができるとともに、発熱している機器を熱源として用いることができる。
【００１７】
また、上記構成において、前記発電部は、前記加熱手段を兼ねることができる。これにより、液体保持部材を加熱するための機器を新たに設けることなく、液体保持部材を加熱することが可能となる。
【００１８】
更に、上記構成において、前記液体保持部材は、吸水性樹脂もしくは吸水性繊維を主たる構成材料とすることができる。これにより、液体保持部材に多くの水を保持させることが可能となる。
【００１９】
次に本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気を用いて発電を行い、空気と水からなる気液二相流を放出する発電部を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記発電部から放出された前記気液二相流を空気と水とに分離する工程と、前記気液二相流から分離されずに空気に混入している水もしくは水分を液体保持部材で保持する工程と、前記液体保持部材で保持されている水もしくは水分を気化させる工程とを有することを特徴とする。この運転方法により、空気に混入している水もしくは水分を気化させることが可能となる。その結果として、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。
【００２０】
また、上記運転方法において、気化させる工程は加熱する工程を含むことができる。この方法により、空気に混入している水もしくは水分を効率よく気化させることができるとともに、発熱している機器を熱源として用いることができる。
【００２１】
前記加熱する工程は、前記発電部で発生した熱を利用することができる。このようにすることで、液体保持部材を加熱するための機器を新たに設けることなく、液体保持部材を加熱することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムによれば、気液分離器を経ても空気に混入している水もしくは水分を気化することにより、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。また、燃料電池発電部を熱源として用いることにより、液体保持部材を加熱するための機器を新たに設けることなく、液体保持部材を加熱することが可能となる。
【００２３】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法によれば、気液分離器を経ても空気に混入している水もしくは水分を気化することにより、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本願発明を適用した適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。なお、本実施の形態では燃料としてメタノールと水を混合した水溶液を用いた例を示すが、他の燃料と水を混合した水溶液を用いても良い。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図１に示した燃料電池システムは、燃料電池発電部１に対して、メタノールと水を混合したメタノール水溶液を燃料流体として供給し、外部からの空気を取り込んで燃料流体中のメタノールと空気中の酸素を消費して発電を行うものである。また、図１において、実線の矢印はメタノール、燃料流体および空気の流れを示し、点線の矢印は制御信号もしくは情報の流れを示すものである。
【００２６】
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池発電部１、空気処理系、燃料循環系、および制御系により構成されている。空気処理系として空気供給ポンプ５、気液分離器６、送液ポンプ１２および液体保持部材１３を備えている。また、燃料循環系として燃料電池発電部１、燃料タンク１１、燃料供給ポンプ７、燃料混合器２、燃料循環ポンプ４および濃度センサ３を備えている。また、制御系として液面センサ８、制御ユニット９および温度センサ１０を備えている。
【００２７】
燃料電池発電部１は、パーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜を集電体で挟み込んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のアノード側にメタノールが供給され、カソード側に酸素が供給されることで発電反応が行われるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。もしくは、接合体を積層したスタックセル構造であってもよい。
【００２８】
燃料電池発電部１で発電反応によって生じた電力は、燃料電池発電部１に接続された負荷（図示せず）に対して供給されて消費される。また、カソード側で生成された水分が空気に混入することにより、空気と水からなる気液二相流が気液分離器６に放出される。さらに、この発電反応により、燃料電池発電部１は80℃程度の高温になるものである。
【００２９】
空気供給ポンプ５は、燃料電池システムの外部に存在する空気を取り込み、取り込んだ空気を燃料電池発電部１のカソード側集電体に供給するための空気供給装置である。燃料電池発電部１が発電に用いる酸素量を十分に供給することが可能であれば、空気供給ポンプ１０は必ずしも必要ではなく、空気取り入れ口を開口して空気の取り入れを行う構成としても良い。
【００３０】
気液分離器６は、燃料電池発電部１から流れてきた空気と水からなる気液二相流を空気と水とに分離する装置である。例えば、遠心力によって気体と液体を分離するサイクロン式や、ラジエータなどの凝縮部を有する気液分離器を用いることができる。気液分離器６で分離された水は、気液分離器６の内部に滞留した後に、送液ポンプ１２が燃料混合器２へ送り出すことで燃料流体の調整に利用される。また、気液分離器６で分離された空気は液体保持部材１３を介して燃料電池システムの外部に放出される。
【００３１】
液体保持部材１３は、気液分離器６から送られてきた空気に混入している水を保持するための部材であり、所定の形をした筐体に吸水材が充填されている。また、液体保持部材１３が水を一旦保持することにより、水の気化を80℃程度の熱源で緩やかに行うことが可能となる。吸水材としては吸水性の高い吸水性繊維や吸水性樹脂を用いることができる。吸水性繊維としては例えば、レーヨン、キュプラ、綿など吸水性に優れた繊維、もしくはこれらを適度に組み合わせたものを使用できる。吸水性樹脂としては例えば、吸水ポリマーとして知られているポリアクリル酸ナトリウム系樹脂を使用できる。
【００３２】
図２は、液体保持部材１３の概略説明図であり、吸収材として吸収性繊維２１を液体保持部材筐体２０に充填した例を示す。気液分離器６から放出された空気が液体保持部材１３の空気入口２２から空気出口２３を通過する間に、気液分離器６で分離されなかった水と、空気中の水蒸気やミストが凝縮した凝縮水は吸収性繊維２１に吸収される。また、図２に示すように、液体保持部材１３は燃料電池発電部１に接するように配置されている。このように配置することで、液体保持部材１３を加熱するための機器を新たに設けることなく、燃料電池発電部１の熱を利用して水を気化させることが可能となる。
【００３３】
しかしながら、液体保持部材１３を燃料電池発電部に接するように配置することが困難である場合は、ヒータなどの加熱装置を用いて液体保持部材１３を加熱してもよい。また、液体保持部材１３で保持された水を気化させる方法は必ずしも加熱である必要はなく、例えば、送風装置で吸水性繊維２１に対して風を送る方法を用いることができる。また、吸収性繊維２１は、空気が燃料電池システムの外部に放出される流れを阻害しない程度に液体保持部材筐体２０に充填されている。このように、空気に含まれる水を液体保持部材１３にて保持し、保持された水を気化させることにより、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。
【００３４】
燃料タンク１１は、燃料電池発電部１で発電に用いられるメタノールを貯蔵しておき、燃料混合器２に対してメタノールを供給する容器である。燃料タンク１１に貯蔵するメタノールの濃度はエネルギー密度を向上させるために純粋なメタノールであることが望ましいが、水と混合されたメタノール水溶液であっても構わない。
【００３５】
燃料タンク１１と燃料混合器２との間には、燃料供給ポンプ７が接続されており、燃料供給ポンプ７の圧送能力によってメタノールを燃料混合器２に対して供給することが可能となっている。また、燃料供給ポンプ７は、制御ユニット９によってメタノールの流量が調整される。
【００３６】
燃料混合器２は、燃料供給ポンプ７および燃料循環ポンプ４と接続されている。燃料混合器２は、燃料電池発電部１で発電に用いられてメタノール濃度が低下した燃料流体を受け取るとともに、気液分離器６で回収した水も受け取る。また、燃料混合器２は燃料タンク１２からメタノールを受け取り、燃料流体を適当なメタノール濃度に再調整する。
【００３７】
燃料混合器２内に設置されている濃度センサ３は、燃料混合器２内の燃料流体のメタノール濃度を測定して、測定結果を制御ユニット９へ伝達する装置である。また、燃料循環ポンプ４は、燃料混合器２で混合された燃料流体を燃料電池発電部１のアノード側集電体に送出する圧送手段である。
【００３８】
液面センサ８は、燃料混合器２に滞留している燃料流体の量を測定する装置である。例えば、二枚の電極板が対向するように燃料混合器２の内壁に一枚ずつ電極板を配置し、電極間の電気容量を測定することで、電極板のどの位置まで液体が到達しているかを測定する電気容量測定装置などを用いることができる。また、液面センサ８は、計測した情報を制御ユニット９に伝達する。燃料流体の量を測定するセンサとしては、液面センサ８の代わりに、燃料混合器２の重さを測定する重量計や、燃料混合器２に流入する燃料流体の量と、流出する燃料流体の量とを積算して滞留する燃料流体の量を算出する積算計などを用いるとしても良い。
【００３９】
制御ユニット９は、濃度センサ３が測定した燃料流体の濃度に基づいて燃料供給ポンプ７に対して制御信号を送出し、燃料タンク１２から燃料混合器２に対して供給されるメタノールの吐出量を調整する。燃料供給ポンプ７に対して送出する制御信号は、濃度センサ３で測定したメタノール濃度と、燃料タンク１２に貯蔵されているメタノールの濃度とから演算によって求める。この制御信号は、メタノール濃度の測定結果に対応した高濃度メタノールの混合量を予めデータとして蓄積しておき、制御信号で混合量を指示するものである。また、温度センサ１０は、燃料電池システムの様々な箇所に設置されており、各箇所の温度測定を行い、測定した情報を制御ユニット９へ伝達する。そして、制御ユニット９は、温度センサ１からの情報に基づいて燃料循環ポンプ４と空気供給ポンプ５とに制御信号を送出し、燃料電池発電部１への燃料流体および空気の供給量を調整する。
【００４０】
このように構成される燃料電池システムの運転方法について、以下に説明する。
【００４１】
燃料であるメタノールは、燃料タンク１１から燃料供給ポンプ７によって燃料混合器２に送られる。燃料混合器２に送られたメタノールは、水で希釈されて適当なメタノール濃度の燃料流体となる。この燃料流体は燃料循環ポンプ４によって、燃料電池発電部１供給される。一方、酸化剤である空気は、空気供給ポンプ５により外気から燃料電池発電部１に供給される。
【００４２】
燃料電池発電部１に供給された燃料流体は内部流路を経てアノードに供給され、また、燃料電池発電部１に供給された空気は燃料流体とは別の内部流路を経てカソードに供給される。すると上述したように、燃料電池発電部１にて発電反応が行われると同時に、アノード側に二酸化炭素、カソード側に水分が発生する。
【００４３】
なお、アノードに供給された燃料流体は、メタノールが一部消費されて燃料電池発電部１から排出される。排出された燃料流体は、燃料混合器２によって再び適当な濃度の燃料流体となる。一方、カソード側で生成された水分が空気に混入することにより、空気と水からなる気液二相流が燃料電池発電部１から放出される。燃料電池発電部１から排出された空気と水からなる気液二相流は、気液分離器６で空気と水とに分離された後、水は燃料混合器２に送られ、空気は液体保持部材１３に送られる。
【００４４】
気液分離器６から送られた空気には水分が含まれており、この水分は燃料電池の外部に放出されることなく液体保持部材１３で一旦保持される。保持された水分は、燃料電池発電部１もしくは他の熱源の熱により緩やかに気化した後、燃料電池の外部に放出される。このように、気液分離器６で分離されなかった水と、空気中の水蒸気やミストが凝縮した凝縮水は液体保持部材１３にて気化されるため、燃料電池システムから水が溢れ出る不具合を防止することが可能となる。また、燃料電池発電部１を熱源とした場合は、加熱のための機器を新たに設けることなく水分を気化させることができる。なお、液体保持部材１３で保持された水分を気化する方法は上述のような加熱に限ることなく、送風装置で吸水性繊維２１に対して風を送るような方法であってもよい。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明した。本実施形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに限られるものではなく、通常の燃料電池システムで使用されている燃料を使用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る液体保持部材の概略説明図である。
【図３】従来の燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、３１...燃料電池発電部
２、３２...燃料混合器
３、３３...濃度センサ
４、３４...燃料循環ポンプ
５、３５...空気供給ポンプ
６、３６...気液分離器
７、３７...燃料供給ポンプ
８、３８...液面センサ
９、３９...制御ユニット
１０、４０...温度センサ
１１、４１...燃料タンク
１２、４２...送液ポンプ
１３...液体保持部材
２０...液体保持部材筐体
２１...吸水性繊維
２２...空気入口
２３...空気出口
【図１】
2006066318.tif 000003
【図２】
2006066318.tif 000004
【図３】
2006066318.tif 000005