(57)【要約】【課題】循環燃料中へのガスの混入を防止するとともに、ＭＥＡの劣化を防止する。【解決手段】直接酸化型燃料電池システムは、直接酸化型燃料電池と、アノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクと、を具備する。回収タンクは、アノード流体を回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口、回収タンク内の液体をアノードに送出する液体送出口、並びに、アノード流体回収口と液体送出口との間に配され、アノード流体の前記ガス成分が、アノード流体回収口から液体送出口まで移動して、液体送出口から送出される液体に混入するのを防止するガス混入防止部材を有している。燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、回収タンク内の液体の体積が、予め定められた第１下限値以上になるように制御されている。ただし、第１下限値は、アノード流体回収口および液体送出口が、回収タンク内の液体の液面より下部に位置するように設定されている。【選択図】図１
2015228278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池と、
前記カソードに空気を供給する空気ポンプと、
前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、
前記アノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクと、を具備し、
前記回収タンクは、前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口、前記回収タンク内の液体を前記アノードに送出する液体送出口、並びに、前記アノード流体回収口と前記液体送出口との間に配され、前記ガス成分が、前記アノード流体回収口から前記液体送出口まで移動して、前記液体送出口から送出される液体に混入するのを防止するガス混入防止部材を有し、
前記燃料電池システムの通常運転中において、前記回収タンク内の前記液体の体積が、予め定められた第１下限値以上になるように制御されており、ただし、前記第１下限値は、前記アノード流体回収口および前記液体送出口が、前記回収タンク内の前記液体の液面より下部に位置するように設定されている、直接酸化型燃料電池システム。
【請求項２】
前記回収タンクが、底部および前記底部の周部から立ち上がる側部を有し、
前記側部が一対の対向部を有し、
前記ガス混入防止部材が、前記底部および前記一対の対向部の一方と接触し、かつ前記一対の対向部の他方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第１壁部材を含む、請求項１記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス混入防止部材が、前記底部および前記一対の対向部の他方と接触し、かつ前記一対の対向部の一方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第２壁部材を含む、請求項２記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムの通常運転中において、前記回収タンク内の前記液体の体積が、予め定められた第１上限値以下になるように制御されている、ただし、前記第１上限値は、前記第１壁部材および前記第２壁部材の上端が、前記回収タンク内の前記液体の液面より上部に位置するように設定されている、請求項２または３記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項５】
前記回収タンクが、前記底部と対向する天部を有し、前記アノード流体回収口が、前記天部を貫通するアノード流体回収管の先端に開口している、請求項２〜４のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項６】
前記回収タンクが、ガス成分を含むカソード流体を回収するカソード流体回収口、および前記アノード流体の前記ガス成分および前記カソード流体の前記ガス成分を前記回収タンクの内部から外部に放出するガス放出口を有し、
前記カソード流体回収口、および前記ガス放出口が前記天部に開口している、請求項５記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項７】
前記回収タンク内の前記液体の体積が、前記第１下限値であるときに、前記アノード流体回収口より上部に存在する前記液体の体積が、前記送液ポンプから前記アノードを経由して前記回収タンク内の液体中の前記アノード流体回収口に至るまでのアノード側空間の体積よりも大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの運転停止中、前記回収タンク内の前記液体の体積が、前記第１下限値に達した場合に、自動的に一定時間だけ補助運転が行われる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムの運転停止中、前記回収タンク内の前記液体の体積が、前記第１下限値とは異なる第２下限値に達した場合に、自動的に一定時間だけ補助運転が行われる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項１０】
カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池、前記カソードに空気を供給する空気ポンプ、および前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプを含む直接酸化型燃料電池システムに使用され、前記アノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクであって、
前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口、前記回収タンク内の液体を前記アノードに送出する液体送出口、および、前記回収タンク内の液体と合流された前記アノード流体の前記ガス成分が前記液体送出口に到達するのを防止するガス混入防止部材を有し、
前記アノード流体回収口および前記液体送出口が、前記回収タンクの内法の高さの中心よりも下部に位置している、直接酸化型燃料電池システム用回収タンク。
【請求項１１】
前記回収タンクが、底部および前記底部の周部から立ち上がる側部を有し、
前記側部が一対の対向部を有し、
前記ガス混入防止部材が、前記底部および前記一対の対向部の一方と接触し、かつ前記一対の対向部の他方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第１壁部材を含む、請求項１０記載の直接酸化型燃料電池システム用回収タンク用回収タンク。
【請求項１２】
前記ガス混入防止部材が、前記底部および前記一対の対向部の他方と接触し、かつ前記一対の対向部の一方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第２壁部材を含む、請求項１１記載の直接酸化型燃料電池システム用回収タンク。
【請求項１３】
前記回収タンクが、前記底部と対向する天部を有し、前記アノード流体回収口が、前記天部を貫通するアノード流体回収管の先端に開口している、請求項１１または１２記載の直接酸化型燃料電池システム用回収タンク。
【請求項１４】
前記回収タンクが、ガス成分を含むカソード流体を回収するカソード流体回収口、および前記アノード流体の前記ガス成分および前記カソード流体の前記ガス成分を前記回収タンクの内部から外部に放出するガス放出口を有し、
前記カソード流体回収口、および前記ガス放出口が前記天部に開口している、請求項１３記載の直接酸化型燃料電池システム用回収タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接酸化型燃料電池システムに関し、特にアノードから排出されるアノード流体を回収する回収タンクを備える燃料電池の構造および回収タンク内の液量制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートＰＣ、デジタルカメラ等のモバイル機器の高性能化に伴い、その電源として、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が期待されている。固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とする）の中でも、燃料としてメタノールなどの液体燃料を直接アノードへ供給する直接酸化型燃料電池は、小型軽量化に適しており、モバイル機器用電源やポータブル発電機として開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を具備する。ＭＥＡは、電解質膜と、その両面にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）およびカソード（空気極）とから構成されている。アノードは、アノード触媒層とアノード拡散層からなり、カソードは、カソード触媒層とカソード拡散層からなる。ＭＥＡが一対のセパレータで挟み込まれることで、セルが構成される。アノード側セパレータは、アノードに水素ガスやメタノールなどの燃料を供給する燃料流路を有する。カソード側セパレータは、カソードに、酸素ガスや空気などの酸化剤を供給する酸化剤流路を有する。複数のセルが電気的に直列に積層されることでスタックが構成される。
【０００４】
直接酸化型燃料電池スタックからは、発電時に水を含む液体が排出される。カソードからは発電反応によって生成された水が排出され、アノードからは余剰の燃料水溶液が排出される。直接酸化型燃料電池の燃料はアノードで酸化されるが、酸化反応には水が必要となるため、通常は燃料と水を混合した燃料水溶液としてアノードに供給される。また、通常は発電電流から算出される理論的な燃料の必要量よりも多くの量をアノードに供給するため、未反応の燃料水溶液は燃料電池スタックから排出されることになる。
【０００５】
このような排出液を燃料電池システムから無為に排出することは好ましくないため、燃料電池スタックから排出された液体を回収するための機構を備えた燃料電池システムが提案されている。回収された液体を蓄えておく水回収タンクを備えており、水回収タンクの液体は、気化して散逸させる、使用済みの燃料タンクに移す、あるいは燃料と混合して燃料水溶液とすることで再利用する、などの処理がされる。
【０００６】
水回収タンクの液体を燃料と混合して燃料水溶液をアノードに供給する燃料電池システムでは、発電中に生成した水を再利用しているため、水回収タンクの液体が増え続けないようにすることができる。また、燃料を燃料電池システム内で水と混合しているため、燃料タンクの燃料濃度を、アノードに供給する燃料水溶液の燃料濃度よりも高くすることができる。燃料タンクをより小さくすることができるため、燃料電池システムを小型軽量化することができる。
【０００７】
ところで、燃料電池は、発電時間を重ねるに従って徐々に出力が低下していく。家庭用電源として使用する場合には延べ４００００時間以上の出力維持が、またモバイル機器用電源やポータブル発電機としてでも延べ５０００時間以上の出力維持が求められる。このような寿命特性の実現のためには、さまざまな技術が必要となる。
【０００８】
発電時間の経過に伴う出力低下にはいくつかの原因があり、その１つはアノード触媒層の劣化である。アノード触媒としては、白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金の微粒子であるＰｔＲｕブラック触媒や、ＰｔＲｕ合金の微粒子をカーボン（Ｃ）粒子上に担持させたＰｔＲｕ／Ｃ触媒などが使用される。また、アノード触媒層には、イオン伝導性を持つ高分子電解質も含まれている。長期間の発電を経過した後には、アノード触媒層において、ＰｔやＲｕの溶出、カーボンの腐食、高分子電解質の分解などが起こっていることが報告されている。これらはアノードの性能を低下させ、出力低下を引き起こす。
【０００９】
また、アノードから溶出したＲｕは電解質膜を通過してカソードへ析出していることも報告されている。ＲｕはカソードのＰｔ触媒の活性を低下させる作用があるため、カソードの性能を低下させる。
【００１０】
このようなアノード触媒層の劣化は、アノード電位が上昇することによって促進されることが報告されている。つまり、燃料電池の寿命特性を向上するためには、アノード電位を常に低い状態に保っておくことが必要となる。
【００１１】
また、直接酸化型燃料電池を利用するシステムは、長期保存への対策が必要である。直接酸化型燃料電池は、ユーザーやアプリケーションによっては、長期間使用されずに保存されたままになることも考えられる。そうした長期保存を経た際にも燃料電池としての性能を維持することが求められる。
【００１２】
長期保存によって直接酸化型燃料電池に起こり得る変化にはいくつかの要素が考えられる。その１つは、燃料電池システム内からの水の散逸である。アノードでの燃料の酸化反応には水が必要である。しかし、水回収タンクの液体を燃料と混合して燃料水溶液とする燃料電池システムでは、水回収タンクの液体が長期保存によって散逸してしまい、アノードへ適正な濃度の燃料水溶液を供給できなくなる場合がある。
【００１３】
通常、高濃度の燃料水溶液が供給されると燃料電池スタックの発電特性は低下してしまうため、長期保存後には十分な性能を発揮できなくなる。また、一時的な性能低下だけではなく、高濃度の燃料水溶液の供給は、ＭＥＡに用いられている高分子電解質の大幅な膨張を引き起こす可能性があり、ＭＥＡ内の各層の変形や剥離など、不可逆な劣化の要因となることが考えられる。これにより、ＭＥＡの寿命特性を低下させてしまうことがある。さらに、燃料タンクから水を含まない燃料のみを供給する場合には、燃料電池システム内に水が不足してしまうため、アノードでの酸化反応が起こらなくなり、燃料電池スタックの発電を開始することができなくなる。
【００１４】
このように、長期保存によって燃料電池システム内から水が散逸してしまうと、燃料電池システムの性能を大きく低下させてしまうため、長期間使用されない場合にも燃料電池システム内に常に水を保持しておく必要がある。
【００１５】
特許文献１、２には、燃料電池の発電中において、回収タンクの液体の量を所定の範囲内に収まるように燃料電池スタックから回収する液体の量を制御する機構を備えた燃料電池システムが提案されている。
【００１６】
特許文献３には、燃料電池の起動時に、前回の使用時からの経過時間が長期間である場合には電解質膜の含水処理を行う機構を備えた燃料電池システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−０８６１１１号公報
【特許文献２】特開２００６−１０７７８６号公報
【特許文献３】特開２００５−２４３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
直接酸化型燃料電池の寿命特性を向上するためには、アノード電位を常に低い状態に保っておくことが必要となるが、発明者らは、下記のようなメカニズムで発電の停止中にアノード電位が高くなる可能性があることを見出した。
【００１９】
発電が停止した瞬間には、アノードの空間体積はほとんどが発電反応によって生成した二酸化炭素（ＣＯ2）などのガスで占められている。発電の停止によって燃料電池の温度が下がっていくにつれて、これらガスの体積は大きく収縮する。また、アノードに残存している燃料水溶液は、徐々に電解質膜を透過してカソードへ移動し、カソードに残存している酸素と反応して消費される。この現象は燃料のクロスオーバーと呼ばれ、燃料がメタノールである場合には、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれる。
【００２０】
つまり、発電の停止中には、アノードの空間体積を占めていたガスや液体の体積が減少していく。このとき、スタックのアノード側の空間が、アノードの排出口以外には外気との連通がない密閉空間であって、アノードの排出口のみが外気に開放されていれば、そこからアノードへ酸素が侵入することになる。これは、停止中にアノード電位が高くなる原因となり得ると考えられ、発電と停止の繰り返しによるアノード電位の上下が繰り返されることで、上述したような劣化が促進されると考えられる。
【００２１】
酸素の侵入によってアノードの電位が上昇すると、通常アノード触媒として用いられている白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金触媒（Ｐｔ−Ｒｕ）からＲｕが溶出することが報告されている。Ｒｕの溶出は、アノード触媒の活性を低下させる。
【００２２】
一方、長期保存後における燃料電池システムの発電特性を維持し、かつＭＥＡの劣化を抑制するためには、保存時の燃料電池システム内からの水の散逸を抑制することが求められる。
【００２３】
発電の停止中にアノードの排出口から酸素が混入することを抑制するため、また、長期保存時の水の散逸を抑制するために、燃料電池発電ユニットが外気と連通している箇所に弁などを設け、燃料電池の停止中に弁を閉じる方法も考えられる。しかし、この方法では、燃料電池発電ユニットの全体または一部が完全な密閉空間となってしまい、温度の変化などによって燃料電池発電ユニット内のガスや液体の体積が変化した場合には、密閉空間の部分が高圧あるいは低圧になってしまう。このような大きな圧力変化は、ＭＥＡ、配管、ポンプなどに負荷をかけることになり、電解質膜や配管の破断、ポンプ類の故障などを引き起こす可能性がある。
【００２４】
また、燃料電池の起動時に水の散逸に対する処理を行う手段では、ユーザーが燃料電池システムを使用したい時に、通常の発電が開始されるまでに一定の時間を要することになる。ユーザーに待ち時間を要求するため、利便性が損なわれるだけでなく、燃料電池システムの起動を緊急に必要とする場合には、ユーザーの要望に応えられないことが考えられる。
【００２５】
保存期間の長さから水の散逸の程度を判断することも考えられるが、保存期間と水の散逸の程度との相関性は保存時の温度や湿度によって大きく左右される。このため、水の散逸の程度を誤って判断してしまう可能性がある。
【００２６】
以上より、水回収タンク内の液位は一定以上に保ち、その液面よりも下に、アノードから水回収タンクに流体を注入する注入口を開口させることが望まれる。これにより、発電停止時にアノードの内圧が負圧となっても、上記の注入口が液面よりも下に配置されているために、空気ではなく水が注入口から吸い込まれることになり、アノード電位が上昇して、ＭＥＡの劣化が促進されるのを防止することができる。
【００２７】
ところが、アノード排流体には二酸化炭素ガス等の気体が含まれる。このため、水回収タンク内の液面よりも下に上記の注入口を開口させると、発電中は、二酸化炭素ガス等の気体が水回収タンクの液体の内部に放出されることになる。その結果、液体の内部に放出された気体が、水回収タンクからアノードに送られる燃料水溶液に混入しやすくなり、発電性能が低下することも考えられる。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の一局面は、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池と、
前記カソードに空気を供給する空気ポンプと、
前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、
前記アノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクと、を具備し、
前記回収タンクは、前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口、前記回収タンク内の液体を前記アノードに送出する液体送出口、並びに、前記アノード流体回収口と前記液体送出口との間に配され、前記ガス成分が、前記アノード流体回収口から前記液体送出口まで移動して、前記液体送出口から送出される液体に混入するのを防止するガス混入防止部材を有し、
前記燃料電池システムの通常運転中において、前記回収タンク内の前記液体の体積が、予め定められた第１下限値以上になるように制御されており、ただし、前記第１下限値は、前記アノード流体回収口および前記液体送出口が、前記回収タンク内の前記液体の液面より下部に位置するように設定されている、直接酸化型燃料電池システムに関する。
【００２９】
本発明の別の局面は、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池、前記カソードに空気を供給する空気ポンプ、および前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプを含む直接酸化型燃料電池システムに使用され、前記アノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクであって、
前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口、前記回収タンク内の液体を前記アノードに送出する液体送出口、および、前記回収タンク内の液体と合流された前記アノード流体の前記ガス成分が前記液体送出口に到達するのを防止するガス混入防止部材を有し、
前記アノード流体回収口および前記液体送出口が、前記回収タンクの内法の高さの中心よりも下部に位置している、直接酸化型燃料電池システム用回収タンクに関する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、燃料電池システムの運転停止中、アノード側空間を占めていたガスや液体の体積減少に伴って、アノード流体回収口から、アノード側空間に回収タンクの液体が流入する。よって、発電の停止中に大気中の酸素がアノードに侵入することを抑制できる。回収タンク内の液体は、燃料水溶液を含むため、この液体がアノードに流入することで、アノードの電位を低い状態に保つことができる。このため、触媒の溶出などの劣化を抑制することができ、燃料電池の寿命特性を向上させることができる。
【００３１】
また、ガス混入防止部材により、回収タンクの液体の内部に放出されたアノード流体のガス成分が液体送出口に到達するのが防止され、ガス成分が液体送出口を通して送出される液体に混入するのが防止される。これにより、発電性能が低下することが防止される。
【００３２】
また、燃料電池システムが長期間使用されずに保存された場合でも、回収タンク内には燃料電池システムの起動に必要な量の液体が保持される。従って、ユーザーは、メンテナンスを気にすることなく、長期間、燃料電池システムを保存することができる。また、燃料電池システムの起動時に、回収タンク内の液体の体積や濃度が適正値になるまで待つ必要もなくなる。更に、燃料電池システムの通常運転中および運転停止中に、回収タンクに水を補充する手間を要さない。よって、ユーザーの利便性が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池のセルを概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムで使用される回収タンクの詳細を示す断面図である。
【図４】同回収タンクの図３のＩＶ−ＩＶ線の矢視断面図である。
【図５】同回収タンクの変形例の詳細を示す断面図である。
【図６】本発明の更に別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の直接酸化型燃料電池システムは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（例えば直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ））と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、アノードから排出されたアノード流体（通常は、水、二酸化炭素等のガス成分および未使用燃料を含む液体）を、アノード流体回収口から回収する回収タンクと、を具備する。そして、燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、回収タンク内の液体の体積が、予め定められた第１下限値以上になるように制御されている。
ここで、第１下限値は、燃料電池システムの通常運転中において、アノード流体回収口および回収タンク内の液体をアノードに送出する液体送出口が、回収タンク内の液体の液面より重力方向における下部に位置するように設定される。
【００３５】
上記構成によれば、アノード流体回収口は、通常、常に液体で塞がれている状態が維持される。従って、燃料電池システムの通常運転の停止後、送液ポンプからアノードを経由して回収タンク内の液体に至るまでのアノード側空間が減圧状態になろうとすると、回収タンク中の液体がアノード側空間に吸入される。よって、発電の停止中に大気中の酸素がアノードに侵入することを抑制できる。
【００３６】
ここで、アノード流体回収口は、回収タンクの壁部（側面、底面など）に設けられたアノードと連通する貫通孔であり得る。また、アノード流体回収口は、回収タンク内の液体に挿入等されるアノードと連通する管路に設けられたアノード流体が流出する開口であり得る。貫通孔や開口が複数存在する場合には、重力方向において最も上部に位置する貫通孔や開口が、回収タンク内の液体の液面より下部に位置すればよい。
【００３７】
そして、ガス混入防止部材により、回収タンクの液体の内部に放出されたアノード流体のガス成分が液体送出口まで移動するのが防止され、液体送出口を通して送出される液体にガス成分が混入するのが防止される。これにより、発電性能が低下することが防止される。
【００３８】
ここで、回収タンクは、底部、および底部の周部から立ち上がる側部を有するような容器から構成することができる。側部は一対の対向部を有する。つまり、回収タンクは、代表的には、方形の容器から構成することができる。このとき、ガス混入防止部材は、底部および一対の対向部の一方と接触し、かつ一対の対向部の他方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第１壁部材（例えば図３の部材４４）を含むことができる。この場合、アノード流体回収口から液体の内部に放出されたガス成分が液体送出口まで到達する主要な経路は、上記の間隙だけとなる。よって、間隙の大きさを適宜に調節することにより、液体がアノード流体回収口から液体送出口まで到達することを許容しつつ、ガス成分が液体送出口まで到達するのを抑制することができる。その結果、ガス成分が送出液体に混入するのが防止される。
【００３９】
また、ガス混入防止部材は、さらに、底部および一対の対向部の他方と接触し、かつ一対の対向部の一方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第２壁部材（例えば図３の部材４６）を含むことができる。つまり、ガス混入防止部材は、２種類の壁部材を含むことができる。この２種類の壁部材は、図４に示すように、間隙（Ｌ１、Ｌ２）の位置が反対側にある。このため、アノード流体回収口から液体送出口に至るアノード流体の移動経路が長くなる。その結果、回収タンクの容積が比較的小さい場合にも、ガス成分は、アノード流体が液体送出口に到達するまでの間に液面に到達する。その結果、ガス成分が、アノード流体回収口から液体送出口まで移動して、液体送出口を通してアノードに送出される液体に混入するのが防止される。したがって、発電性能の低下が防止される。
【００４０】
このとき、燃料電池システムの通常運転中において、回収タンク内の液体の体積が、予め定められた第１上限値以下になるように制御されているのが好ましい。ただし、第１上限値は、第１壁部材および第２壁部材の上端が、回収タンク内の液体の液面より上部に位置するように設定される。これにより、第１壁部材および第２壁部材の上端を、液面よりも上部に位置させることができるので、より効果的に、ガス成分がアノード流体回収口から液体送出口まで移動することが防止されて、ガス成分が液体送出口から送出される液体に混入するのが防止される。
【００４１】
なお、ガス混入防止部材は、アノード流体回収口と液体送出口との間でガス成分の移動を防止し、かつアノード流体の液体成分の移動を許容する構造のものであればよい。例えば、アノード流体回収口と液体送出口との間に網を配置することによっても構成することができる。しかしながら、そのような網を使用すると部品点数が増大するとともに、網の配設作業が必要となる。これにより、工数が増大する。これに対して、上記のような壁部材であれば、回収タンクを形成している容器（通常は樹脂である）と一体に成形することで容易に配設することができ、部品点数の増大と、製造の工数の増大とを抑制することができる。
【００４２】
また、先に述べたように、アノード流体回収口は、回収タンクの天部を貫通するアノード流体回収管の先端に開口させることができる（図３参照）。これにより、回収タンクの側部に突出物を形成する必要性がなくなるので、回収タンクの配置が容易となり、燃料電池システムのスペース効率を向上させることができる。そして、回収タンクが、カソード流体を回収するカソード流体回収口、およびアノード流体のガス成分およびカソード流体のガス成分を回収タンクの内部から外部に放出するガス放出口を有するような場合には、それらを回収タンクの天部に開口させることで、燃料電池システムのスペース効率をより向上させることができる。
【００４３】
本発明の直接酸化型燃料電池システムは、アノード流体が全て回収タンク内に回収される構成であることが好ましい。
【００４４】
回収タンク内の液体の体積が第１下限値であるとき、アノード流体回収口より上部に存在する液体の体積は、送液ポンプからアノードを経由して回収タンク内の液体中のアノード流体回収口に至るまでのアノード側空間の体積よりも大きいことが望ましい。これにより、燃料電池システムの通常運転の停止後、アノード側空間のほぼ全体を回収タンク内の液体で満たすことが容易になる。アノード側空間のほぼ全体を液体で満たすことで、アノードが負圧になることもない。従って、ＭＥＡや燃料ポンプに負荷がかからず、システムの故障が防止される。
【００４５】
本発明の直接酸化型燃料電池システムは、運転停止中、回収タンク内の液体の体積が、第１下限値に達した場合には、自動的に一定時間だけ補助運転が行われるように構成されていることが望ましい。あるいは、燃料電池システムは、運転停止中、回収タンク内の液体の体積が、第１下限値とは異なる第２下限値に達した場合に、自動的に一定時間だけ補助運転が行われるように構成してもよい。すなわち、下限値は一段階に設けてもよく、二段階以上に設けてもよい。
【００４６】
補助運転を行うことが想定される場合、回収タンクは、カソードから排出されたカソード流体の少なくとも一部を回収するカソード流体回収口を備えることが望ましい。
【００４７】
直接メタノール型燃料電池システム（ＤＭＦＣ）のアノード及びカソードでの反応を以下にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
カソード：  （３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
【００４８】
アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素が生成する。二酸化炭素と未反応燃料とを含む燃料排液は排液タンクに送られる。一方、カソードでは、アノードで消費される以上の水が生成する。つまり、補助運転を行い、カソードで生成する水の一部を回収タンクに回収することで、回収タンク内の液体の体積を増加させることができる。
【００４９】
少なくとも第２下限値は、燃料電池システムの通常運転を開始するときに、必要な最低限の液体を回収タンクに保持できるように設定される。第１下限値は、アノード流体回収口より上部に存在する液体の体積がアノード側空間の体積よりも大きくなるように設定することが望ましいが、第２下限値は、より小さくてもよい。
【００５０】
燃料電池システムの運転停止中でも、回収タンク内の液体が所定値未満になると自動的に燃料電池システムの補助運転を行うことにより、燃料電池システムが長期間使用されずに保存された場合でも、回収タンク内の液体が完全に散逸してしまうことがない。回収タンク内に、常に、一定量以上の液体が保持されている場合、起動時は常にアノードに適正濃度の燃料水溶液を供給することが可能となる。つまり、高濃度な燃料水溶液による発電や、水を含まない燃料による発電が起こることがない。よって、ＭＥＡに余計な劣化要因を与えることがなく、寿命特性を向上させることができる。
【００５１】
本発明において、通常運転とは、補助運転以外の運転を意味する。通常運転は、回収タンク内の液体を増量させるだけの目的で行われる補助運転とは異なり、外部負荷に対して電力を供給する運転を意味する。また、運転とは、燃料電池の発電を伴う燃料電池システムの稼動状態を意味する。運転停止中は、発電停止中であることも意味する。
【００５２】
本発明の直接酸化型燃料電池システム用回収タンクは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池、前記カソードに空気を供給する空気ポンプ、および前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプを含む直接酸化型燃料電池システムに使用され、前記アノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクであって、前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口、前記回収タンク内の液体を前記アノードに送出する液体送出口、および、前記回収タンク内の液体と合流された前記アノード流体の前記ガス成分が前記液体送出口に到達するのを防止するガス混入防止部材を有し、前記アノード流体回収口および前記液体送出口が、前記回収タンクの内法の高さの中央よりも下部に位置している。
【００５３】
本発明においては、前記回収タンクが、底部および前記底部の周部から立ち上がる側部を有し、前記側部が一対の対向部を有し、前記ガス混入防止部材が、前記底部および前記一対の対向部の一方と接触し、かつ前記一対の対向部の他方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第１壁部材を含むのが好ましい。
【００５４】
また、本発明においては、前記ガス混入防止部材が、前記底部および前記一対の対向部の他方と接触し、かつ前記一対の対向部の一方との間に所定の間隙を設けて形成された、１以上の第２壁部材を含むのも好ましい。
【００５５】
さらに、前記回収タンクが、前記回収タンクが、前記底部と対向する天部を有し、前記アノード流体回収口が、前記天部を貫通するアノード流体回収管の先端に開口しているのも好ましい。
【００５６】
また、本発明においては、前記回収タンクが、ガス成分を含むカソード流体を回収するカソード流体回収口、および前記アノード流体の前記ガス成分および前記カソード流体の前記ガス成分を前記回収タンクの内部から外部に放出するガス放出口を有し、前記カソード流体回収口、および前記ガス放出口が前記天部に開口しているのも好ましい。
【００５７】
燃料電池システムは、回収タンク内の液体の体積を検出する液量検出手段と、燃料電池システムの運転状態を制御する運転制御手段とを備えることができる。この場合、運転制御手段は、液量検出手段により検出された回収タンク内の液体の体積に基づいて、燃料電池システムの通常運転または補助運転の状態を制御することができる。そして、通常運転または補助運転の状態を適正に制御することで、回収タンク内の液体の体積を増加させたり、減少させたりすることができる。
【００５８】
本発明の直接酸化型燃料電池システムは、カソード流体の少なくとも一部が回収タンク内に回収される構成であることが好ましい。従って、回収タンクは、カソードから排出されたカソード流体の少なくとも一部を回収するカソード流体回収口を有することが好ましい。
【００５９】
液量検出手段としては、回収タンク内の液体の体積を直接検出できる水位センサーが好ましい。これにより、温度や湿度によらず、水の散逸の程度を正確に把握することができ、回収タンク内の液体の体積を常に一定以上に保持することが容易となる。
【００６０】
運転制御手段には、マイクロコンピュータなどの情報処理装置を利用することができる。情報処理装置は、演算部、記憶部、各種インターフェースなどで構成されており、演算部は、記憶部に記憶されているプログラムに沿って通常運転または補助運転に必要な演算を行い、燃料電池システムの各構成要素の出力を制御するのに必要な命令を出力する。例えば、記憶部は、回収タンクに回収される液体の体積（変数Ｙ）と、燃料電池システムの各構成要素の出力に関するパラメータ（Ｘ1、Ｘ2・・・Ｘn）との関係を記憶している。演算部は、変数Ｙに応じたパラメータを出力することができる。
【００６１】
燃料電池システムは、（i）回収タンク内の液体と混合するための燃料を収容する燃料タンクと、燃料を燃料タンクから回収タンク内の液体（またはそこからシステム内の別の部位に供給される液体）に供給する燃料ポンプとの組、（ii）アノード流体が通過するアノード側ラジエータと、アノード側ラジエータを冷却するアノード側ラジエータ冷却ファンとの組、（iii）カソード流体が通過するカソード側ラジエータと、カソード側ラジエータを冷却するカソード側ラジエータ冷却ファンとの組、および、燃料電池を冷却するスタック冷却ファン、よりなる群から選択される少なくとも１つを更に備えることができる。
【００６２】
運転制御手段は、液量検出手段により検出された液体の体積に基づいて、燃料電池の発電電力、空気ポンプの出力（流量）、送液ポンプの出力（流量）、燃料ポンプの出力（流量）、アノード側ラジエータ冷却ファンの出力（流量）、カソード側ラジエータ冷却ファンの出力（流量）およびスタック冷却ファンの出力（流量）よりなる群から選択される少なくとも１つを制御すればよい。以上のように、運転制御手段と液量検出手段を利用すれば、回収タンク内の液体の体積を任意に制御することが可能である。
【００６３】
直接酸化型燃料電池システムは、その通常運転中、回収タンク内の液体の体積が第１下限値未満であることを検知した場合には、回収タンクへの水の補充を促す警告を出力するものであることが望ましい。また、燃料電池システムは、一定時間の補助運転後にも、依然として回収タンク内の液体の体積が第１下限値または第２下限値未満であることを検知した場合には、回収タンクへの水の補充を促す警告を出力するものであることが望ましい。
【００６４】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（燃料電池スタック）と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、少なくともアノードから排出された、ガス成分を含むアノード流体を回収する回収タンクとを備える。アノード流体は、回収タンク内の液体の液面よりも下部にあるアノード流体回収口を通して回収タンク内に流入するように構成されるとともに、回収タンク内の液体は、上記液面よりも下部に設けられた液体送出口を通してアノードに送出される。アノード側空間は、送液ポンプから回収タンク内の液体に合流するまでの空間であり、密閉空間となっている。本実施形態に係る燃料電池システムでは、アノード側空間が減圧状態となったときに、アノード側空間の少なくとも一部、好ましくは全体を満たすことができるように、回収タンク内の液体の体積は、予め定められた第１下限値以上になるように制御される。
【００６５】
そして、回収タンクは、アノード流体回収口と液体送出口との間に配され、アノード流体に含まれるガス成分が、アノード流体回収口から液体送出口まで移動して、液体送出口から送出される液体に混入するのを防止するガス混入防止部材を有している。
【００６６】
図１のセル１は、アノード２、カソード３、およびアノード２とカソード３との間に介在する電解質膜４を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）５を有する。ＭＥＡ５の一方の側面には、アノード２を封止するようにガスケット１４が配置され、他方の側面には、カソード３を封止するようにガスケット１５が配置されている。
【００６７】
ＭＥＡ５は、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１に挟持されている。アノード側セパレータ１０は、アノード２に接し、カソード側セパレータ１１は、カソード３に接している。アノード側セパレータ１０は、アノード２に燃料を供給する燃料流路１２を有する。燃料流路１２は、燃料が流入するアノード入口と、反応で生成したＣＯ2や未使用の燃料などを排出するアノード排出口を有する。カソード側セパレータ１１は、カソード３に酸化剤を供給する酸化剤流路１３を有する。酸化剤流路１３は、酸化剤が流入するカソード入口と、反応で生成した水や未使用の酸化剤などを排出するカソード排出口を有する。
【００６８】
図１のようなセルを複数設け、各セルを電気的に直列に積層することで、スタックが構成される。この場合、通常はアノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ１１は一体のものとして形成される。すなわち、一枚のセパレータの一方の面がアノード側セパレータ、他方の面がカソード側セパレータとなる。各セルのアノード入口は、マニホールドを用いるなどして通常１つに集約される。アノード排出口、カソード入口およびカソード排出口も同様に、それぞれ集約される。
【００６９】
図２の直接酸化型燃料電池システムは、燃料電池スタックの少なくともアノード２から排出された燃料水溶液を回収する回収タンク２０を有する。回収タンク２０には、アノード２から排出された燃料水溶液を含む液体２１が貯留されている。スタックのアノード排出口からのアノード流体は、チューブなどを用いて回収タンク２０の液体の中に流入するように構成されている。チューブを液体の中に挿入する場合、チューブの先端の開口がアノード流体回収口３１となる。アノード流体が確実に液体の中に流入するように、アノード流体回収口３１は、回収タンク２０の内法の高さの半分（中央）よりも下の部分、好ましくは底面または底面近傍の側面に設けられている。
【００７０】
燃料電池の停止中にアノード２へ酸素が侵入することがないように、燃料電池システムにおけるアノード側空間、すなわち送液ポンプ２５からアノードを経由して回収タンク内の液体に至るまでの空間は、密閉空間となっている。ＭＥＡ５のアノード２は、アノード入口とアノード排出口以外が外部と連通しないように、ガスケット１４で封止されている。
【００７１】
好ましくは、燃料電池システムの通常運転中、回収タンク内の液体２１の体積は、アノード側空間の体積よりも大きくなるように制御される。アノード流体回収口３１が回収タンクの底面近傍に設けられているため、燃料電池システムの通常運転中、アノード流体回収口３１は、常に、回収タンク内の液体の液面より下部に位置することになる。また、回収タンク内の液体２１の体積は、アノード側空間の体積よりも大きいため、アノード側空間のほぼ全体を液体で満たすことも可能になる。
【００７２】
アノード側空間の体積は、燃料電池システムの構成にもよるが、例えば、燃料流路１２の容積、アノード入口やアノード排出口となるマニホールドの容積、送液ポンプ２５からアノード入口側のマニホールドまでの接続配管、アノード排出口側のマニホールドから回収タンク内の液体２１中のアノード流体回収口３１までの容積、通常は多孔質であるアノード２の空隙の容積などが含まれる。回収タンク内の液体２１の体積がこれよりも大きくなるように制御されることで、燃料電池の停止中にアノード排出口からアノード２へ酸素が侵入することを抑制することができる。
【００７３】
回収タンク内の液体２１の体積は、アノード側空間体積よりも僅かに大きくするのではなく、液体２１が不足しないように、充分に大きくすることが望ましい。燃料電池の停止中にアノード２へ流入した回収タンク内の液体２１は、電解質膜４を透過して、カソード３へ移動すると考えられるからである。
【００７４】
アノード流体回収口３１を回収タンクの底面近傍に設けない場合には、運転を停止したときに、回収タンク２０内の液体２１の多くがアノード側空間に吸入されずに回収タンク２０に残留し得る。このような場合には、回収タンク内の液体２１の下限値を、アノード側空間の体積よりも充分に大きい値に設定することが望ましい。ただし、回収タンク内の液体２１が多すぎる場合には、水圧によってアノード流体を回収タンク２０に流入させる際の抵抗が大きくなる。アノード流体の流れが抑制されると、発電特性に影響を与える可能性がある。
【００７５】
より具体的には、回収タンク内の液体２１の体積の第１下限値は、アノード側空間の体積の１．５〜５倍に設定することが好ましく、特にアノード流体回収口より上部に存在する液体の体積がアノード側空間の体積の１．５〜５倍になるように設定することが好ましい。
【００７６】
回収タンク２０の容積は、燃料電池システムの運転を円滑に行うために必要となる液体２１の体積を考慮して決定される。回収タンク２０の容積は大きくてもよいが、容積が大き過ぎると、燃料電池システム全体の体積も大きくなる。体積効率の観点から、回収タンク２０の容積は、第１下限値に対応する回収タンク内の液体２１の体積（アノード側空間の体積より大きい体積）の更に１．５〜５倍程度とすることが好ましい。
【００７７】
さらに、図２において、燃料電池のカソード３へは、空気ポンプ２４により空気が供給され、燃料電池のアノード２へは、燃料が送液ポンプ２５により供給される。アノード側から排出される液体２１は、回収タンク２０に回収される。回収タンク２０の液体２１は、燃料と混合して、燃料水溶液としてアノード２に供給される。また、カソード３からのカソード流体の少なくとも一部が回収タンク２０に流入するようになっている。燃料タンク２６から燃料ポンプ２３で燃料を回収タンク２０に供給し、回収タンク２０の液体２１の燃料濃度を調整し、回収タンク２０からは液体送出口３２を通して濃度調整された燃料水溶液を送液ポンプ２５で燃料電池スタックのアノード２へ供給する。また、回収タンク２０とは別に、液体２１と燃料とを混合して燃料水溶液を調製するための補助タンクを設けてもよい。更に、燃料タンク２６から燃料ポンプ２３を経由する配管と、回収タンク２０から送液ポンプ２５に至る配管とを合流させてもよい。
【００７８】
液体送出口３２は、アノード流体回収口３１と同様に、回収タンク２０の内法の高さの半分（中央）よりも下の部分、好ましくは底面または底面近傍の側面に設けられている。そして、回収タンク２０の内部の、アノード流体回収口３１と液体送出口３２との間には、ガス混入防止部材３３が配設されている。ガス混入防止部材３３は、アノード流体回収口３１を通して回収タンク２０内の液体２１に合流されるアノード流体の液体成分を容易に通過させ、かつアノード流体のガス成分の通過を阻止する構造のものであればどのようなものであってもよい。例えば、ガス混入防止部材３３は、繊維径および網目の大きさが適宜に設定された網状部材であってもよい。ただし、耐メタノール性を有し、かつ水に溶けない材料である必要がある。
【００７９】
回収タンク２０の内部のアノード流体回収口３１と液体送出口３２との間にガス混入防止部材３３を配設することによって、アノード流体回収口３１を通して回収タンク２０内の液体２１に合流されるアノード流体のガス成分が、液体送出口３２まで移動するのが防止される。これにより、液体送出口３２を通してアノード２に送られる液体に気体が混入するのが防止され、発電性能が低下するのが防止される。
【００８０】
図２に示すような燃料電池システムでは、発電中に生成した水を再利用しているため、回収タンク内の液体２１の体積を制御しやすい。また、回収タンク内の液体２１がドレインを通じて燃料電池システムから流れ出ることがないため、ユーザーの利便性も向上する。更に、燃料を燃料電池システム内で回収タンク内の液体と混合しているため、燃料タンク２６の燃料濃度を高くすることができる。燃料濃度を高くすると、燃料タンク２６を小さくすることができるため、燃料電池システムを小型軽量化することができる。
【００８１】
回収タンク２０にはアノード２の発電反応で生成したＣＯ2などのガスも流入することになる。そこで、燃料電池システムにドレインを設けない場合には、回収タンク２０の上部、好ましくは天井部を、ガスが通過できる構成とすることが一般的である。例えば、回収タンク２０の上部もしくは天井部に開口を設け、当該開口をガス透過性の多孔質薄膜などで塞ぐことにより、ＣＯ2などのガスは多孔質薄膜を介して外部に放出される。
【００８２】
図２の燃料電池システムは、回収タンク内の液体２１の体積を検出する液量検出手段２７と、燃料電池システムの運転状態を制御する運転制御手段２８とを更に備える。回収タンク２０の液体２１をアノード２へ供給する構成では、回収タンク２０の液体２１が発電中に徐々に少なくなっていく可能性がある。従って、液体２１の体積を正確に制御するためには、回収タンク内の液体２１の体積を検出することが望まれる。
【００８３】
液量検出手段２７には、フロート式、光学式、超音波式、静電容量式など、様々な方式の水位センサーを用いることができる。ただし、回収タンク２０の液体２１がアノード２に流入し得ることを考慮し、ＭＥＡ５の性能に影響を与えないように、回収タンクの液体２１に金属イオンを溶出させない水位センサーが好ましい。
【００８４】
運転制御手段２８は、液量検出手段２７により検出された液体２１の体積に基づいて、燃料電池システムの運転の状態を制御する。具体的には、液量検出手段２７の検出結果に基づき、回収タンクの液体２１の体積が第１下限値（例えばアノード側空間の体積）よりも大きくなるように、通常運転の状態が制御される。すなわち、運転制御手段２８は、一側面において、回収タンク内の液体の体積を制御する液量制御手段の一部として機能する。液量制御手段は、運転制御手段２８と、燃料電池システムを構成する様々な要素との有機的な連携により実現し得る。
【００８５】
燃料電池スタックの発電中には、カソード３からは発電反応で生成した水が、アノード２からは未使用の燃料水溶液が排出される。これらの液体の回収量を液量制御手段により制御することで、回収タンクの液体２１の体積を適正に制御することができる。このような制御は、運転制御手段２８の指令により、燃料電池システムに自動的に行わせることができる。
【００８６】
運転制御手段２８の指令により、例えば、燃料電池１の発電電力、空気ポンプ２４の流量、送液ポンプ２５の流量および燃料ポンプ２３の流量よりなる群から選択される少なくとも１つが制御される。この場合、運転制御手段２８と燃料電池１との連携、運転制御手段２８と空気ポンプ２４との連携、運転制御手段２８と送液ポンプ２５との連携、運転制御手段２８と燃料ポンプ２３との連携は、それぞれ液量制御手段の一部（回収量制御手段）として機能している。従って、運転制御手段２８は、液量検出手段２７、燃料電池１、空気ポンプ２４、送液ポンプ２５および燃料ポンプ２３の各々と接続されている。
【００８７】
カソード３は、燃料電池１の停止中に大気中の酸素が流入しても、寿命特性に大きな影響を与えない。従って、燃料電池の運転停止中に、カソード３に回収タンク２０の液体２１を導入する必要はない。通常の直接酸化型燃料電池では、酸化剤として空気を使用するため、カソード３からの排出流体の大部分は窒素である。窒素が回収タンク２０の液体２１に導入されると、液体がバブリングされることになり、騒音などの原因となる。従って、カソード流体は、回収タンク２０の上部から流入させるとともに、窒素などのガスは速やかに外部に排出されるようにすることが好ましい。
【００８８】
燃料電池の発電電力を小さくすれば、燃料の必要量が少なくなるため、アノード２から排出される流体量が多くなる。逆に、燃料電池の発電電力を大きくすれば、アノード２から排出される流体量は少なくなる。
【００８９】
燃料ポンプ２３の流量を大きくするか、送液ポンプ２５の流量を小さくして、燃料水溶液の濃度を高くすれば、燃料のクロスオーバーが多くなり、カソード３で燃料と酸素との反応によって生成される水の量が多くなる。また、燃料ポンプ２３および送液ポンプ２５の流量を共に大きくして、燃料の余剰分を大きくしても、同様に燃料のクロスオーバーが多くなる。
【００９０】
空気ポンプ２４の流量を大きくすれば、空気の流れによって燃料電池から持ち出される水分量が多くなり、カソード３から排出される水分量が多くなる。燃料電池は大気よりも高温になっているため、カソード流体に含まれる水分は、燃料電池から排出された時点から凝縮していく。こうした凝縮水を回収タンク２０に流入させることで、カソード排流体から水を回収することができる。
【００９１】
図２の燃料電池システムは、カソード流体が通過するカソード側ラジエータ２９を備えている。カソード流体の少なくとも一部は、カソード側ラジエータ２９を通過した後に、回収タンク２０に流入する。カソード側ラジエータ２９は、図示しないカソード側ラジエータ冷却ファンにより冷却される。この構成では、カソード流体に含まれる水を凝縮させる効率が高いため、より多くの水を回収タンク２０に回収することができる。なお、燃料電池システムは、アノード流体が通過するアノード側ラジエータと、アノード側ラジエータを冷却するアノード側ラジエータ冷却ファンとを更に備えていてもよい。ただし、アノード側空間は密閉空間とする必要があるため、カソード流体とアノード流体とを同じ経路に流通させることはできない。両流体をラジエータに通過させる場合には、カソード用とアノード用の２つのラジエータを設ける必要がある。燃料電池システムは、カソード側ラジエータおよびその冷却ファンを有さず、アノード側ラジエータおよびその冷却ファンだけを有する構成でもよい。
【００９２】
ラジエータを有する場合、運転制御手段２８は、液量検出手段２７により検出された液体２１の体積に基づいて、アノード側ラジエータ冷却ファンの流量およびカソード側ラジエータ冷却ファンの流量よりなる群から選択される少なくとも１つを制御してもよい。この場合、運転制御手段２８とアノード側ラジエータ冷却ファンとの連携または運転制御手段２８とカソード側ラジエータ冷却ファンとの連携は、それぞれ液量制御手段の一部（回収量制御手段）として機能する。従って、運転制御手段２８は、アノード側ラジエータ冷却ファンおよびカソード側ラジエータ冷却ファンの各々と接続される。
【００９３】
ラジエータ冷却ファンの流量を大きくすれば、ラジエータの温度が低くなり、流体に含まれるガス状の水や燃料水溶液が凝縮される量が多くなる。よって、回収タンク２０に回収される液体量を多くすることができる。
【００９４】
燃料電池システムは、更に、燃料電池（燃料電池スタック）を冷却するためのスタック冷却ファンを備えることができる。このとき、運転制御手段２８は、液量検出手段２７により検出された液体２１の体積に基づいて、スタック冷却ファンの流量を制御することもできる。スタック冷却ファンの流量を大きくすれば、燃料電池の温度が低くなるため、燃料電池から排出されるガス状の水や燃料水溶液の量が少なくなり、液滴として排出される量が多くなる。この場合、運転制御手段２８とスタック冷却ファンとの連携が液量制御手段の一部（回収量制御手段）として機能する。
【００９５】
上記のように、通常運転の状態を制御することにより、回収タンク内の液体の体積を効率的に制御することができる。燃料電池システムの各構成要素の出力は、回収タンク内の液体２１の体積に応じて連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。例えば、燃料電池の発電電力を、回収タンク内の液体２１の体積に応じて２段階に制御してもよい。液体２１の体積は、連続的に制御する必要はなく、段階的に制御すれば充分である。段階的な制御の方が単純であり、燃料電池システムの部品点数やコストを削減しやすい点でも望ましい。
【００９６】
本実施形態に係る燃料電池システムでは、回収タンク内の液体２１の体積が第１下限値以上になるように制御されるが、異常時など、運転制御が適切に行えない場合には、回収タンク内の液体２１の体積が第１下限値を下回る場合が想定される。このような場合には、回収タンク２０への水の補充を促す警告が、ユーザーに認識できるような態様で発せられることが好ましい。警告は視認できるものでも、音声のように聴覚で認識できるものでもよい。
【００９７】
次に、直接酸化型燃料電池システムの各構成要素について、図１を参照しながら説明する。ただし、各構成要素は、下記に限定されるものではない。
【００９８】
カソード３は、電解質膜４に接するカソード触媒層８およびカソード側セパレータ１１に接するカソード拡散層９を含む。カソード拡散層９は、例えば、カソード触媒層８に接する導電性撥水層と、カソード側セパレータ１１に接する基材層とを含む。
【００９９】
カソード触媒層８は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高いＰｔなどの貴金属が好ましい。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料、炭化水素系高分子材料などを用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。
【０１００】
アノード２は、電解質膜４に接するアノード触媒層６およびアノード側セパレータ１０に接するアノード拡散層７を含む。アノード拡散層７は、例えば、アノード触媒層６に接する導電性撥水層と、アノード側セパレータ１０に接する基材層とを含む。
【０１０１】
アノード触媒層６は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、ＰｔとＲｕとの合金触媒が好ましい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層６に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層８に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。
【０１０２】
アノード拡散層７およびカソード拡散層９に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。
【０１０３】
基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパーなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。
【０１０４】
電解質膜４としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。
【０１０５】
図１に示される直接酸化型燃料電池は、例えば、以下の方法で作製することができる。電解質膜４の一方の面にアノード２を、他方の面にカソード３を、ホットプレス法などを用いて接合して、ＭＥＡ５を作製する。次いで、ＭＥＡ５を、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１で挟み込む。このとき、ＭＥＡ５のアノード２をガスケット１４で封止し、カソード３をガスケット１５で封止するように配置する。その後、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１の外側に、それぞれ、集電板１６および１７、端板１８および１９を積層し、これらを締結する。さらに、端板１８および１９の外側に、温度調整用のヒーターを積層してもよい。
【０１０６】
（実施形態２）
図３および図４に示すように、本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムは、回収タンクの構造が実施形態１とは異なっている。それ以外の構成は、実施形態１と同様である。
【０１０７】
図３は、本実施形態の回収タンクを鉛直上下方向に平行な一つの平面で切断した断面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線による矢視断面図である。
【０１０８】
図示例の回収タンク２０Ａは、底部３４、側部３６、および天部３８を有する方形の容器である。ポンプ２５と接続されたアノード流体回収管４０は、天部３８を貫通し、液体２１の内部に開口している。その開口がアノード流体回収口３１Ａを形成している。同様に、ポンプ２３と接続された燃料供給管４２も天部３８を貫通し、液体２１の内部に開口している。このように、アノード流体回収管４０および燃料供給管４２をともに天部３８を貫通させて設けることで、回収タンク２０Ａの側方への出っ張りをなくすことができる。よって、回収タンク２０Ａの小型化が容易となるとともに、回収タンク２０Ａの配置の自由度が増加し、燃料電池システムのスペース効率を向上させることが容易となる。
【０１０９】
そして、カソード３と接続されたカソード流体回収管４８を天部３８に開口させるとともに、回収タンク２０Ａの内部の気体を外部に排出するための気体排出管５０を天部３８に開口させることで、さらにスペース効率を向上させることができる。
【０１１０】
図示例のガス混入防止部材３３Ａは、所定の間隔（例えば、３〜１５ｍｍ）で、互いに平行に設けられた第１壁部材４４および第２壁部材４６を含んでいる。図４に示すように、第１壁部材４４および第２壁部材４６は、側部３６の一対の対向部３６ａおよび３６ｂの間に設けられている。第１壁部材４４は、対向部３６ａおよび底部３４に接触するように設けられる一方で、対向部３６ｂとの間には、所定の間隙Ｌ１を有している。一方、第２壁部材４６は、対向部３６ｂおよび底部３４に接触するように設けられる一方で、対向部３６ａとの間には、所定の間隙Ｌ２を有している。間隙Ｌ１と間隙Ｌ２は等しくすることもできるし、いずれか一方を他方よりも大きくすることができる。間隙Ｌ１と間隙Ｌ２は、例えば、３〜１５ｍｍとすることができる。
【０１１１】
上記のように、間隙Ｌ１および間隙Ｌ２は、一方は対向部３６ｂの近傍に設けられ、他方は対向部３６ａの近傍に設けられている。これにより、図４に示すように、アノード流体回収口３１Ａから液体送出口３２までのアノード流体の移動経路を十分に長くすることができる。その結果、回収タンク２０Ａの容積が比較的小さい場合にも、液体の内部に合流されたアノード流体が液体送出口３２に到達するまでの間に、ガス成分を液面まで上昇させることができる。したがって、回収タンク２０Ａの容積が比較的小さい場合にも、ガス成分が、液体送出口３２を通してアノード２に送られる液体に混入するのを防止することができる。これにより、発電性能が低下するのを防止することができる。また、燃料電池システムを小型化することが容易となる。
【０１１２】
なお、ガス混入防止部材は、回収タンク２０Ａの容積が十分に大きい場合には、第１壁部材４４だけから構成することも、第２壁部材４６だけから構成することもできる。１つの壁部材だけからガス混入防止部材を構成しても、回収タンク２０Ａの容積が十分に大きい場合には、十分な長さのアノード流体の移動経路を確保することができるからである。
【０１１３】
また、例えば、図５に示すように、上端が液面よりも下部にあり、一対の対向部３６ａおよび３６ｂの間に掛け渡されるような壁部材からガス混入防止部材３３Ｂを構成することも考えられる。ガス混入防止部材３３Ｂは、底部３４、および一対の対向部３６ａおよび３６ｂと接触しており、一対の対向部３６ａおよび３６ｂとの間に間隙は有していない。そのようなガス混入防止部材３３Ｂであってもガス成分が、液体送出口３２を通してアノード２に送られる液体に混入するのを防止することができる。しかしながら、この場合には、ガス混入防止部材３３Ｂの上端が常に液面よりも下部に位置するように回収タンク２０Ａ内の液位を保つ必要性がある。
【０１１４】
図３および図４に示すように、燃料供給管４２は、ガス混入防止部材３３Ａに対して、アノード流体回収管４０と同じ側に開口させるのが好ましい。これにより、液体送出口３２からアノード２に送られる液体のメタノール濃度を一定にすることが容易となる。このとき、カソード流体回収管４８は、ガス混入防止部材３３Ａに対して、アノード流体回収管４０の反対側に設けるのが好ましい。これにより、比較的メタノール濃度が低い液体に、カソード流体回収管４８の開口を対向させることができる。その結果、カソード流体回収管４８から回収タンク２０Ａの内部に導入される比較的高温のカソード流体により液体に含まれるメタノールが気化されるのを抑制することができる。したがって、気体排出管５０を通してシステムの外部に排出されるメタノールの量を抑えることができる。これにより燃料電池システム１の安全性を向上させることができる。また、カソード流体回収管４８の開口と対向する位置に例えば板状の遮蔽部材５２を設けることで、メタノールの気化をより効果的に抑えることができる。
【０１１５】
（実施形態３）
本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（燃料電池スタック）と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、燃料電池から排出される流体から水および未使用燃料を含む液体を回収する回収タンクと、燃料タンクと、燃料タンクから燃料を供給する燃料ポンプとを備えている。回収タンクの液体は、燃料タンクから供給される燃料と混合された後、燃料水溶液としてアノードに供給される。燃料電池システムの運転状態は運転制御手段により制御される。回収タンクの液体の体積は液量検出手段により検出される。
【０１１６】
すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システム（例えば図２の態様）と基本的な構成は同様である。燃料電池の構成も図１と同様である。従って、本実施形態に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システムと全く同じ機能を有するものであってもよい。回収タンクの構造は実施形態２（図３〜５参照）と同じにすることもできる。
【０１１７】
ただし、本実施形態の燃料電池システムは、運転停止中、少なくとも液量検出手段に電力を供給する電源を備えている。そして、運転停止中に、回収タンク内の液体の体積が、第２下限値を下回った場合、運転制御手段は、燃料電池システムを自動的に一定時間だけ補助運転させる。補助運転中に燃料電池から排出される流体から、水および未使用燃料を含む液体を回収することにより、回収タンク内の液体の体積を増やすことができる。
【０１１８】
図６は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示している。図２と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【０１１９】
燃料電池システムの長期保存時など、運転停止中には、回収タンク内の液体２１の散逸が起る。従って、燃料電池システムの通常運転を停止する際に、第１下限値以上の液体２１が回収タンク内に残留していたとしても、運転停止中の燃料電池システムにおいては、回収タンク内の液体２１は徐々に減少することが予測される。そこで、本実施形態では、燃料電池システムの運転停止中に、少なくとも液量検出手段２７に電力を供給する電源３０を設け、運転停止中にも回収タンク内の液体２１の体積が監視される構成としている。液量検出手段２７の情報は、定期的に運転制御手段２８に送信される。回収タンク内の液体２１の体積が、第２下限値を下回った場合、運転制御手段２８は、燃料電池システムを自動的に始動させる。そして、一定時間だけ、回収タンク内の液体２１の体積を増量させるための補助運転を行う。補助運転は、ユーザーの操作を伴わずに、自動的に行われる。
【０１２０】
燃料電池システムの運転停止中に、少なくとも液量検出手段２７に電力を供給する電源３０としては、乾電池、リチウムイオン二次電池など、種々の化学電池を用いることができる。通常、燃料電池システムの起動時には、空気ポンプ２４、送液ポンプ２５、燃料ポンプ２３などの構成要素にも電力を供給する必要がある。従って、液量検出手段２７に電力を供給する電源３０は、これらの構成要素に電力を供給する電源と同一であってもよい。燃料電池システムの長期保存時でも液量検出手段２７に電力を供給し続けられるように、液量検出手段２７の消費電力は小さい方が好ましい。
【０１２１】
燃料電池システムの補助運転中に、カソード３からは、発電反応や電解質膜４を透過したクロスオーバー燃料の反応で生成した水が回収される。アノード２からは、未使用の燃料水溶液が回収される。運転制御手段２８により、実施形態１と同様に、液体の回収量を制御することで、回収タンク内の液体２１の体積を、第２下限値を上回る所定値まで増やすことができる。
【０１２２】
回収タンク内の液体２１の体積の第２下限値は、燃料電池システムの構成に合わせて適宜決定すればよい。ただし、第２下限値は、少なくとも０より大きい必要がある。ここでも、第２下限値は、燃料電池システムの運転停止中、常に、アノード流体回収口が、回収タンク内の液面より重力方向における下部に位置するように設定することが望ましい。これにより、運転停止中に回収タンク内の液体の体積が大きく変動する場合でも、アノード側空間に空気が流入することを防止できる。
【０１２３】
燃料電池システムを起動させる際に、燃料電池のアノードに充分な燃料水溶液を供給させるためには、実施形態１の第１下限値と同じく、アノード流体回収口より上部に存在する液体の体積がアノード側空間の体積の１．５〜５倍になるように、第２下限値を設定することが好ましい。つまり、アノード流体回収口が回収タンクの底面または底面近傍に設置されている場合には、アノード側空間の体積の１．５〜５倍の体積を第２下限値とすればよい。
【０１２４】
なお、第１下限値と第２下限値は、異なる値でもよいが、同じ値であることが、燃料電池システムの制御が単純化される点で好ましい。この場合、通常運転中および運転停止中のいずれにおいても、回収タンク内の液体の体積は、共通の下限値以上に維持されることになる。
【０１２５】
補助運転においては、運転制御手段は、燃料電池の発電電力、空気ポンプの流量、送液ポンプの流量、燃料ポンプの流量、アノード側ラジエータ冷却ファンの流量、カソード側ラジエータ冷却ファンの流量およびスタック冷却ファンの流量よりなる群から選ばれる少なくとも１つを、通常運転時とは異なる出力に制御することができる。具体的には、短時間の補助運転で効率的に回収タンク内の液体を増量させることができるように、燃料電池システムの各構成要素の出力が制御される。通常運転時の条件では、回収タンク内の液体２１の体積が大きく増減しないように各構成要素の出力が制御されるため、回収タンク内の液体２１の体積を増やすのに長時間を要する場合がある。なお、燃料電池による発電を行わない場合でも、燃料のクロスオーバーが生じるような補助運転を行えば、カソード３で水が生成するため、水を回収することができる。
【０１２６】
本実施形態に係る燃料電池システムでは、回収タンク内の液体２１の体積が第１または第２下限値以上になるように制御されるが、異常時などには、一定時間だけ補助運転を行っても回収タンク内の液体２１の体積が第１または第２下限値を下回っている場合が想定される。このような場合には、回収タンク２０への水の補充を促す警告が、ユーザーに認識できるような態様で発せられることが好ましい。警告は視認できるものでも、音声のように聴覚で認識できるものでもよい。警告は、補助運転を自動的に停止させる動作を伴ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明によれば、直接酸化型燃料電池システムの寿命特性や長期保存における信頼性を向上させることができるとともに、発電性能の低下を防止することができる。よって、長期にわたって優れた発電特性を維持でき、長期保存を含めた継続的な使用によっても、安定した性能を維持できる直接酸化型燃料電池システムを提供することができる。本発明の直接酸化型燃料電池システムは、ノートＰＣなどの小型機器用の電源、およびポータブル発電機として非常に有用である。
【符号の説明】
【０１２８】
１：燃料電池セル、２：アノード、３：カソード、４：電解質膜、５：膜電極接合体（ＭＥＡ）、６：アノード触媒層、７：アノード拡散層、８：カソード触媒層、９：カソード拡散層、１０：アノード側セパレータ、１１：カソード側セパレータ、１２：燃料流路、１３：酸化剤流路、１４，１５：ガスケット、１６,１７：集電板、１８,１９：端板、２０，２０Ａ，２０Ｂ：回収タンク、２１：液体、２２：ドレイン、２３：燃料ポンプ、２４：空気ポンプ、２５：送液ポンプ、２６：燃料タンク、２７：液量検出手段、２８：運転制御装置（情報処理装置）、２９：ラジエータ、３１，３１Ａ：アノード流体回収口、３２：液体送出口、３３，３３Ａ，３３Ｂ：ガス混入防止部材、
【図１】
2015228278.tif 000003
【図２】
2015228278.tif 000004
【図３】
2015228278.tif 000005
【図４】
2015228278.tif 000006
【図５】
2015228278.tif 000007
【図６】
2015228278.tif 000008