(57)【要約】【課題】水回収装置および空気ポンプ装置の構成を工夫して小型化を実現した燃料電池を提供する。【解決手段】スタック５のカソード出口１３は第２の水回収装置９につながっており、この第２の水回収装置９の凝集器冷却面９ａと空気ポンプ６および空気通路２２は近接配置されている。またスタック５のアノード出口１２は第１の水回収装置８につながっており、この第１の水回収装置８の凝集器冷却面８ａと空気ポンプ６および空気通路２２は近接配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード極へ空気を送る空気ポンプと、
凝集器冷却面を備え、燃料電池から排出された水を回収する水回収装置とを少なくとも備え、前記空気ポンプは、前記水回収装置の凝集器冷却面に近接配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池から排出された水は、アノード極側から排出された水を主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３】
前記燃料電池から排出された水は、カソード極側から排出された水を主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４】
前記空気ポンプは空気ファンであり、前記空気ファンのケーシングの一部が開口しており、前記開口面と前記凝集器冷却面とが接触するように近接配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に空気ポンプと水回収装置の好適な配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パソコンや携帯電話、ＰＤＡといった携帯機器の高機能化に伴い、消費電力は増加する傾向にある。現在使用されている携帯機器用の電源であるリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池は、この消費電力の増加に追従してエネルギー密度を向上させることができず、近々電源の容量不足という問題が生じることが懸念されている。
【０００３】
この問題を解決する電源として、固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣと記す）が注目されており、中でも常温で液体の燃料を、水素に改質することなく、電極において直接酸化して電気エネルギーを取り出すことができる直接燃料酸化型燃料電池は、改質器が不要で電源の小型化が容易である点から、最も期待されている。
【０００４】
直接燃料酸化型燃料電池の燃料としては、低分子量のアルコールやエーテル類が検討されているが、中でも高エネルギー効率及び高出力が得られるメタノールが最も有望視されており、ダイレクトメタノール型燃料電池（以下ＤＭＦＣと記す）と呼ばれている。
【０００５】
陽極（以下アノード極）へメタノールと水を直接注入するとプラチナ−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒によりＣ−Ｈ結合の分解がＰｔによって促されＨ−ＯＨ結合の分解がＲｕによって促される。陰極（以下カソード極）へは酸化剤である酸素を空気として送り込むとアノード極、カソード極においてそれぞれ反応式（１）、反応式（２）の反応が発生する。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- ・・・（１）
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ      ・・・（２）
これがＤＭＦＣの動作原理である。
【０００６】
これらの式から分かるように、燃料としてはメタノールと水および酸素が必要である。酸素は空気中から接収できる。また水は、反応による生成水の１／３だけを回収し、燃料の入力側に戻すことにすれば、結局、外部から供給する燃料はメタノールだけでよいことになる。
【０００７】
実際には燃料電池の排気を冷却して水蒸気を回収して１／３の水を得ることになる。（例えば特許文献１参照）
従来の燃料電池システムの水回収の構成を図面を参照しながらさらに説明する。
【０００８】
図７において、メタノールなどの燃料が入った燃料タンク１から、燃料は、燃料および水注入装置２を介して循環タンク３へ供給される。この循環タンク３内で燃料は薄められ適当な濃度になった後、燃料ポンプ４で燃料電池スタック５のアノード入口１０へ供給される。アノード出口１２からは使用されなかった燃料の残りと水と二酸化炭素、水蒸気が排出される。これらの液体分は熱交換器７を介して循環タンク３へ戻される。
【０００９】
空気ポンプ６は空気をスタック５のカソード入口１１へ供給する。カソード出口１３からは発電に使用された残りの空気と水蒸気が排出され水回収装置９で冷却され、水蒸気が水になって液体分は燃料および水注入装置２を介して循環タンク３へ送られる。
【００１０】
通常スタック５の内部は６０℃〜８０℃で運転されているためカソード出口１３から排出される気体、液体もこの温度に加熱されている。これを室温近くまで冷やすことによって気体に含まれる水蒸気を液体にして回収する事が水回収装置９の機能であり、このために、凝縮器として熱伝導性のよい金属で形成されるヒートシンクがあり、その冷却面が外気に接するように配置されているか強制的に空気を流している。
【００１１】
従来の水回収装置の一例を図８に示す。図８において水回収装置９はヒートシンク１４によって冷却されるパイプ１５と水回収装置入口１６、ガス排出口１７、液体排出口１８によって構成されており、前記ヒートシンク１４の冷却面１４ａは外気に接するように配置されているか強制空冷されている。
【特許文献１】特開２００４−３４９２６７号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上述べたように、燃料タンクに高濃度燃料を入れ、反応による生成水を使い、燃料を薄めてスタックに供給する運転方法を用いれば、小さな燃料タンクで長時間の運転ができる燃料電池システムが実現可能である。しかし、水を回収するための部品が必要であり、この部品が小型化できないと燃料電池システムが大きくなってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、燃料電池のカソード極へ空気を送る空気ポンプと、凝集器冷却面を備え、燃料電池から排出された水を回収する水回収装置とを少なくとも備え、前記空気ポンプは、前記水回収装置の凝集器冷却面に近接配置されていることを特徴とするものである。この構成にすることで、空気ポンプがカソード極へ送る空気を水回収装置の凝縮器冷却面に接触させることができ、効率よく冷却面を冷やすことが可能となる。その結果、水回収装置が小型化できる。さらに、発電用に空気ポンプがカソードに送る空気で水回収装置の凝縮器冷却面を冷やすため、冷却用空気を作り出すエネルギーは不要である。
【００１４】
また、本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された水は、アノード極側から排出された水を主とするものである。このとき、アノード極側から排出された水には、未利用の燃料を含んでいても良い。特に、燃料タンク内の高濃度燃料を希釈するに必要な水をアノード極側から排出された水を回収するだけでよい燃料電池システムにこの構成を適用することが好ましく、空気ポンプがカソード極へ送る空気を水回収装置の凝縮器冷却面に接触させることができ、効率よく冷却面を冷やすことが可能となる。その結果、水回収装置が小型化できる。
【００１５】
また、本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された水は、カソード極側から排出された水を主とするものである。特に、燃料タンク内の高濃度燃料を希釈するに必要な水をカソード極側から排出された水を回収するだけでよい燃料電池システムにこの構成を適用することが好ましく、空気ポンプがカソード極へ送る空気を水回収装置の凝縮器冷却面に接触させることができ、効率よく冷却面を冷やすことが可能となる。その結果、水回収装置が小型化できる。
【００１６】
また、本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気ポンプは空気ファンであり、前記空気ファンのケーシングの一部が開口しており、前記開口面と前記凝集器冷却面とが接触するように近接配置されているものであり、この構成にすることで、空気ファンの回転羽根によって発生する空気流を、水回
収装置の凝縮器冷却面に接触させることができ、効率よく冷却面を冷やすことが可能となる。その結果、水回収装置が小型化できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の構成によれば、空気ポンプがカソード極へ送る空気を水回収装置の凝縮器冷却面に接触させることができ、効率よく冷却面を冷やすことが可能になるために、水回収装置が小型化され、燃料電池システム全体の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
図１は第１の実施の形態に係る燃料電池システムを示し、図２は図１から空気ポンプおよび空気通路を略して水回収装置内部を表現したものである。図１において従来例と同一の機能を有する部品には同一の番号を付与し説明は省略する。
【００２０】
スタック５のカソード出口１３は第２の水回収装置９につながっており、この第２の水回収装置９の凝集器冷却面９ａと空気ポンプ６および空気通路２２は近接配置されている。またスタック５のアノード出口１２は第１の水回収装置８につながっており、この第１の水回収装置８の凝集器冷却面８ａと空気ポンプ６および空気通路２２は近接配置されている。
【００２１】
通常、スタック５の内部は６０〜８０℃で運転されているため、アノード出口１２、カソード出口１３から排出される気液混合気もこの温度に加熱されている。この気液混合気を冷やし、気液混合気に含まれる水蒸気を液体にして回収する事が水回収装置８、９の機能であるが、本発明の構成にすることで、空気ポンプ６が取り込んだ外気温度の供給空気２２ａを水回収装置の凝縮器冷却面８ａ、９ａに接触させることができ、効率よく凝縮器冷却面８ａ、９ａを冷やすことが可能となり、水回収装置が小型化できる。
【００２２】
なお、カソード側の水回収装置８では、アノード出口１２から排出される未利用の燃料の液体分も回収することになる。
【００２３】
〔第２の実施の形態〕
図３は第２の実施の形態に係る燃料電池システムを示し、図４は図３から空気ポンプおよび空気通路を略して水回収装置内部を表現したものである。スタック５のアノード出口１２は第１の水回収装置８につながっており、この第１の水回収装置８の凝集器冷却面８ａと空気ポンプ６および空気通路２２は近接配置されている。本発明の構成にすることで、空気ポンプ６が取り込んだ外気温度の供給空気２２ａを水回収装置の凝縮器冷却面８ａに接触させることができ、効率よく凝縮器冷却面８ａを冷やすことが可能となり、水回収装置が小型化できる。
【００２４】
なお、本実施の形態においても、水回収装置８では、アノード出口１２から排出される未利用の燃料の液体分も回収することになる。
【００２５】
〔第３の実施の形態〕
本実施の形態においては、前述の第２の実施の形態の図３および図４で示した水回収装置８と同じ構成のものを、スタックのカソード出口につないだものである。本発明の構成にすることで、第２の実施の形態と同様に、効率よく凝縮器冷却面を冷やすことが可能となり、水回収装置が小型化できる。
【００２６】
〔第４の実施の形態〕
図５は第４の実施の形態に係る燃料電池システムを示し、図６は図５のＡ−Ａ線での断面図である。空気ポンプはモータ１９によって回転する羽根２０を持つ空気ファン２１であって、カソード極へと空気を送っている。空気ファン２１のハウジング２３は一部開口しており、開口面２３ａはヒートシンク１４の凝縮器冷却面１４ａと接触している。
【００２７】
空気ファン２１の羽根２０が回転すると、空気取込口２４から外気を取り込み、ハウジング２３内で圧縮された空気が空気吐出口２５からスタックのカソード極へと送られる。この時ハウジング開口面２３ａと、凝縮器冷却面１４ａが接触しているヒートシンク１４はハウジング内の供給空気２２ａにより効率よく冷却される。このように本構成により、水回収装置が小型化できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の燃料電池システムは携帯電話、ＰＤＡ等の携帯用電子機器の電源装置もしくは充電装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池装置の構成図
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池装置の水回収装置内部の構成図
【図３】第２の実施の形態に係る燃料電池装置の構成図
【図４】第２の実施の形態に係る燃料電池装置の水回収装置内部の構成図
【図５】第４の実施の形態に係る燃料電池装置の構成図
【図６】図５のＡ−Ａ線での断面図
【図７】従来の燃料電池装置のブロック図
【図８】従来の水回収装置の構造図
【符号の説明】
【００３０】
１        燃料タンク
２        燃料および水注入装置
３        循環タンク
４        燃料ポンプ
５        スタック
６        空気ポンプ
７        熱交換器
８、９    水回収装置
８ａ、９ａ  凝縮器冷却面
１０        アノード入口
１１        カソード入口
１２        アノード出口
１３        カソード出口
１４        ヒートシンク
１４ａ      凝縮器冷却面
１５        パイプ
１６        水回収装置入口
１７        ガス排出口
１８        液体排出口
１９        モータ
２０        羽根
２１        空気ファン
２２        空気通路
２２ａ      供給空気
２３        空気ファンハウジング
２３ａ      開口部
２４        空気取込口
２５        空気吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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