(57)【要約】【課題】電解質が固体高分子膜であり、燃料に水素ガス、酸化剤に空気を用いる燃料電池においては高い出力を得るためには固体高分子膜を適切な湿潤状態にする必要がある。しかし、燃料電池の運転によりアノード極から水が減少するためこれを補うことが必要である。カソード極から水を回収する燃料電池システムにおいて、水回収で多くの電力を消費することは損失が大きく避けなければならない。また携帯機器等の電源として用いる場合には、小型で軽量であることが望まれる。【解決手段】燃料電池のカソード極出口はタンクにつながっている。タンク内には水がありカソード極出口はタンク水中に口を出している。カソード極排気は、タンク内水中へ細かい泡として排出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、内部に水を有するタンクとを備え、
前記燃料電池のカソード極出口は前記タンク内の水中にあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記タンク内の水を前記燃料電池のアノード極燃料供給系へ供給する送液手段を有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】
前記タンクを冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却手段は、
前記カソード極に供給される前の周囲空気をタンクの周りに流すことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却手段が、
タンク表面の少なくとも一部を覆う放熱剤であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソード極出口に、スリットおよび網のいずれかが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記タンク内の水面に、油膜があることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記タンクは排気口を有し、前記排気口は、弁を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記タンク内の水量を検知する水量検知手段を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特にカソード極排気中に含まれる水の回収機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気化学反応させ、発電を行うものである。固体高分子膜を電解質とするタイプは固体高分子型と呼ばれ、燃料として水素ガスあるいは炭化水素系の液体を用い、酸化剤として空気中の酸素を用いる事が多い。
【０００３】
水素と酸素を用いた場合の反応を下式でに示される。
【０００４】
アノード極：２Ｈ２  →  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−
カソード極：      Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−→  ２Ｈ２Ｏ
全電池反応：２Ｈ２＋Ｏ２→  ２Ｈ２Ｏ
したがって４電子反応でカソード極に２分子の水が生成する。水の動きに関してはこれだけではない。電解質膜である固体高分子中をアノード極からカソード極へ水素イオンが移動する際に、１個の水素イオンに対して３個の水分子を同伴して移動する。アノード極では水が減少し、カソード極では水が増大する。上述の４電子反応ではアノード極からの水の減少が４×３分子＝１２分子、カソード極での水の増大が１２分子＋２分子＝１４分子である。したがってカソード極で増大する水の内、約８６％をアノード極へ戻せれば水の収支がゼロとなり、燃料電池の運転が平衡状態となり望ましい。
【０００５】
同様に炭化水素系の液体の一つであるメタノールと、酸素を用いた反応は、下式で示される。
【０００６】
アノード極：２ＣＨ３ＯＨ＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
カソード極：      ３Ｏ２  ＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−→６Ｈ２Ｏ
全電池反応：２ＣＨ３ＯＨ＋３Ｏ２→２ＣＯ２＋４Ｈ２Ｏ
したがって１２電子反応でアノード極で２分子の水が消費され、カソード極で６分子の水が生成する。固体高分子膜中を水素イオンに同伴して移動する水分子は３個である。したがって上述の１２電子反応ではアノード極からの水の減少が１２×３分子＋２分子＝３８分子、カソード極での水の増大が３６分子＋６分子＝４２分子である。したがって約９０％の水をアノード極へ戻せれば水の収支がゼロとなり望ましい。
【０００７】
以上のことから、燃料電池カソード極では水が増大し、カソード極の排気には増大した水が混ざって排出される。
【０００８】
燃料電池のカソード極排気から水を回収する燃料電池においては、排気をコンプレッサーで圧縮する、あるいは熱交換器で冷却する手段が公知である。
【０００９】
大型高出力の燃料電池システムではそれでよいが、小型低出力のシステムを設計する際には、サイズと消費電力が重要となる。
【００１０】
この点については、低消費電力という点では、燃料電池の吸気でラジエータを冷却する熱交換方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、小型化という点では、ペルチェ素子で冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２８４１０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３５７５３０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、電池反応の際にアノード極側の水分が減少する燃料電池においては、カソード側で増加する水を回収して補うことが一つの手段であるが、上記特許文献１に記載の発明は、カソード極排気を冷却するためにラジエータを用いる。ラジエータでの熱交換は排気である気体と固体の接触により行われるので、ラジエータの表面積を大きくする必要がある。しかし効率の高いラジエータでもサイズはかなり大きいものであり携帯機器に搭載できるものは無い。
【００１３】
また、特許文献２記載の発明は、カソード極排気を冷却するためにペルチェ素子を用いる。ペルチェ素子は小型化が容易であるがエネルギー消費が大きいという問題がある。例えば、Ｓ．Ｔ．Ｓ社製の最小機種である吸熱量５．１Ｗのペルチェ素子では９．２Ｗが必要である。
【００１４】
上述のようにカソード極から水を回収する燃料電池システムにおいて、水回収で多くの電力を消費することは損失が大きく避けなければならず、特に燃料電池システムの、出力が小さいほど重要となる。なぜなら、発電効率は燃料電池セルで発電した値からシステムで消費した値を引いた値を、供給エネルギー量で割ったものであるからである。したがって水回収の電力消費は、抑制する必要がある。
【００１５】
さらに、このような携帯機器等の電源として用いる場合には、小型で軽量であることが望まれるだけでなく、電源から燃料電池システム系内の水が出てきては、携帯機器本体あるいは機器を置く場所にとって都合が悪いという問題がある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、内部に水を有するタンクとを備え、前記燃料電池のカソード極出口は前記タンク内の水中にあることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明は、前記タンク内の水を前記燃料電池のアノード極燃料供給系へ供給する送液手段を有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明は、前記タンクを冷却する冷却手段を有することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明は、前記冷却手段が、燃料電池カソード極に供給される前の周囲空気がタンクの周りを流れることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明は、前記冷却手段が、タンク表面の少なくとも一部を覆う放熱剤であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明は、前記タンク内水中にあるカソード極出口に、スリットおよび網のいずれかが設けられていることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明は、前記タンク内の水面に油膜があることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明は、前記タンクが、排気口を有し、前記排気口は、弁を有することを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明は、前記タンク内水量を検知する手段を有することを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明を図面と共に説明する。図１は本発明実施の形態の燃料電池システム１である。燃料電池１は固体高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、燃料は水素で、酸化剤は空気である。アノード極入口２へは水素吸蔵合金タンク３から水素が送られる。なお、上記水素吸蔵合金タンク３は、燃料として水素を供給できる手段の一例であってこれに限定されるものでなく、水素タンク、水素生成装置等であっても構わない。カソード極入口４へは燃料電池周辺の空気をエアーポンプ５で送る。タンク６内には水があり燃料電池１のカソード極出口７はタンク６内に出ている。タンク６水中にあるカソード極出口７にはメッシュ８がついている。タンク６内には水位検知センサー９がある。タンク６上部には排気口１０があり、この排気口１０は、弁１１を有する。この弁１１は、例えば、燃料電池システムの運転中にカソード極出口７から排気が出て、タンク６内の圧力が上昇した際に開き、燃料電池システムが非運転時には閉じるという機能を有する。これにより、燃料電池が運転していない時、タンク内の水がタンクにある排気口から揮発するのを防止するだけでなく、水を含んだガスが排気口から抜けていくのを防止できる。タンク６の下部にはタンク内の水を出す配管があり液体ポンプ１２を経由して、更にアノード極燃料配管１３へと通じている。このような構成を取ることで、アノード極で減少した水をカソード極から排出する水で補充でき、外部から水の補給を必要としない自給可能な構成とすることが出来る。また、これによって携帯機器等の電源に用いた場合に水漏れに起因する問題を解消することが出来る。また、タンク６はカソード極入口２に空気を供給するエアーポンプ５の吸い込み口に配置される。この構成により、燃料電池を運転した際の、温度上昇が空気の冷却効果により抑制されるものである。
【００２６】
次に、上述の構成を有する燃料電池システムの運転動作について説明する。
【００２７】
まず、水素吸蔵合金タンク３につながるアノード極燃料配管１３にあるバルブ１４を開け、カソード極入口２に周辺空気を送るエアーポンプ５を運転し、アノード極・カソード極の端子を負荷につなげば、燃料電池システム１は発電する。発電中はカソード極出口７から出る排気に水が含まれる。この時、カソード極出口７から出る排気がタンク６内の水に触れることで排気温度が低下することにより、水の蒸気圧は低下し、排気に含まれる水が効率よく回収できる。カソード極出口７から出る排気は、タンク６内水中へ図３（ａ）に示すようなメッシュ８を通して細かい泡として排出する。泡径を細かくして排出することで排気の冷却が効率よく行え、水回収効率が向上する。このようにして、排気中の水分の一部は、タンク６内水中にとどまり、気体はタンク６内の圧力が上昇した際に、弁１１が開き、タンク６にある排気口１０から外部へ排出される。そして、タンク６内水位が水位検知センサー９の上限を超えたら液体ポンプ１２が運転しアノード極燃料配管１３へ水が送られる。タンク６内水位が水位検知センサー９の下限を超えて低下したら液体ポンプ１２は停止する。このように、タンク内水量を検知することによりタンクから送る水量を制御できるので、タンク内水量を一定にできる。
【００２８】
図２は本発明実施の形態の燃料電池システム２である。燃料電池１は固体高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、燃料はメタノール水溶液で、酸化剤は空気である。アノード極入口２へは所定の濃度のメタノール水溶液がアノード極液体ポンプ１５で送られる。カソード極入口４へは燃料電池周辺の空気をエアーポンプ５で送る。タンク６内には水があり燃料電池１のカソード極出口７はタンク６内に出ている。タンク６水中にあるカソード極出口７にはスリット１６がある。タンク６内には水位検知センサー９がある。タンク６上部には排気口１０がある。タンク６の下部にはタンク６内の水を出す配管があり液体ポンプ１２を経由して、更にアノード極燃料配管１３へと通じている。タンク６表面には放熱剤１７が塗布してある。タンク６内水の表面には油膜１８がある。この油膜１８によりタンク内の水の蒸発が抑制される。
【００２９】
次に、上記構成を有する燃料電池システム２の運転動作について説明する。
【００３０】
アノード極液体ポンプ１５を運転し、エアーポンプ５を運転し、アノード極・カソード極を負荷につなげば、燃料電池システム２は発電する。発電中はカソード極出口７から出る排気に水が含まれる。この時、上述の燃料電池システム１の同様に、排気に含まれる水が効率よく回収できる。カソード極出口７から出る排気は、タンク６内水中へスリット１６を通して細かい泡として排出する。排気中の水分の一部がタンク６内水中にとどまり、気体はタンク６にある排気口１０から外部へ排出される。タンク６内水位が水位検知センサー９の上限を超えたら液体ポンプ１２が運転しアノード極燃料配管１３へ水が送られる。タンク６内水位が水位検知センサー９の下限を超えて低下したら液体ポンプ１２は停止する。
【００３１】
アノード極燃料は、メタノール水溶液タンク１９から濃いメタノール水溶液がリザーバ２０へ送られ、リザーバ２０で所定の濃度に薄められた後、アノード極液体ポンプ１５でアノード極入口２へ送られる。アノード極出口２１から薄くなったメタノール水溶液と生成した二酸化炭素が排出され、リザーバ２０へ戻される。リザーバ２０にはリザーバ排気口２２があり、二酸化炭素ガスが排出される。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
本発明実施の形態で示した燃料電池システム１について、例を示す。
【００３３】
電解質膜としてデュポン社製のナフィオン１１２膜を用いる。田中貴金属株式会社製の白金触媒担持カーボンと旭硝子株式会社製のフレミオンからなる層（以降、白金触媒層と呼ぶ）と、田中貴金属株式会社製の白金ルテニウム合金触媒担持カーボンとフレミオンからなる層（以降、白金ルテニウム合金触媒層と呼ぶ）を電解質膜上のそれぞれの面に１３０℃の熱圧着で形成する。白金触媒層がカソード極で、白金ルテニウム合金触媒層がアノード極である。電解質膜の白金触媒層及び白金ルテニウム触媒層周辺にはゴム製のガスケットを配置し、触媒層上には東レ株式会社製のカーボンペーパーを配置し、再度１３０℃の熱圧着を行い、膜／電極接合体（以降、ＭＥＡと呼ぶ）を作製する。
【００３４】
導電性炭素と樹脂から作製される板にガスの主流路となる溝を掘り、導電性を有する流路板（以降セパレータと呼ぶ）とする。この、セパレータでＭＥＡをはさみ込み、圧迫することで燃料電池の単電池が得られる。単電池を積層することで積層電池（燃料電池スタックと呼ぶ）を得る。燃料電池スタックにはアノード極側流路及びカソード極側流路の出入り口が集まった、アノード入口、アノード出口、カソード入口、カソード出口がある。燃料電池スタックの積層方向両端には電力を取り出す端子がある。
【００３５】
カソード出口にはフッ素樹脂製の配管がつながり樹脂製のタンク内に口がつながっており、樹脂製の網が出口についている。タンク内には水があり、水量を検知するセンサーがついている。タンクの上部には排気口があり、タンク内圧の上昇で開口する弁がある。タンクの底部には配管があり、液体ポンプを介して配管はアノード極燃料配管へつながる。
【００３６】
アノード極入口は、ステンレス製配管で水素吸蔵合金タンクにつながる。水素吸蔵合金タンクには、減圧弁があり０．１５ＭＰａ一定で水素を放出できる。水素吸蔵合金タンクと燃料電池をつなぐ配管にはバルブがあり、バルブの開閉でガスの供給が制御できる。
【００３７】
カソード極入口は、ステンレス配管で空気ポンプにつながる。空気ポンプの吸気口内にタンクが配置され、空気ポンプを運転するとタンク外周を外気が流れるものである。
【００３８】
アノード極側配管バルブを開け、空気ポンプを運転し、端子を負荷に接続すれば燃料電池は発電し、本システムが稼動する。
【００３９】
発電量に応じて、カソード極で水が増大し排気と共に排出される。排気がカソード極排気配管を通ってタンク内水中で泡として排出される。排気の内、気体成分は水上に出て、タンク排気口の弁を押し上げて外部に排出される。タンク内水位が次第に上昇し、水量検知の上限に達すれば、液体ポンプが運転を開始しタンク内水をアノード極配管中へ送る。タンク内の水量検知が下限を下回るまで液体ポンプは運転する。
【００４０】
（実施例２）
本発明実施の形態で示した燃料電池システム２における、実施例を示す。
【００４１】
実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製する。
【００４２】
カソード出口にはフッ素樹脂製の配管がつながり樹脂製のタンク内に口がつながっており、樹脂製のスリットが出口についている。タンク内には水があり、水面には２ｍｍ厚の流動パラフィンを油膜として入れている。また、タンク内に水量を検知するセンサーがついている。タンクの上部には排気口がある。タンクの底部には配管があり、液体ポンプを介して配管はアノード極燃料配管へつながる。タンク外側の面は放熱剤を形成している。放熱剤には、東都化学工業株式会社製のベストンα−１５００をはけで均一に塗布したものを用いた。
【００４３】
アノード極入口と出口は、フッ素樹脂製配管でメタノール水溶液だめ（以降、リザーバと呼ぶ）につながる。一方には液体ポンプがあり、メタノール水溶液をポンプで送ることができる。リザーバには排気口があり、アノード極で生成した二酸化炭素がリザーバまで戻り排気される。濃いメタノール水溶液が入ったメタノール水溶液から消費したメタノールが補給される。
【００４４】
カソード極入口は、ステンレス配管で空気ポンプにつながり、外気が供給される。
【００４５】
メタノール水溶液液体ポンプを運転し、空気ポンプを運転し、端子を負荷に接続すれば燃料電池は発電し、本システムが稼動する。
【００４６】
発電量に応じて、カソード極で水が増大し排気と共に排出される。排気がカソード極排気配管を通ってタンク内水中で泡として排出される。排気の内、気体成分は水上の油膜を破って出て、タンク排気口から外部に排出される。タンク内水位が次第に上昇し、水量検知の上限に達すれば、液体ポンプが運転を開始しタンク内水をアノード極配管中へ送る。タンク内の水量検知が下限を下回るまで液体ポンプは運転する。
【００４７】
なお、本実施例では固体高分子膜型のみについて述べたが、電解質にリン酸を用いるタイプでもシステムはほぼ同様であり、燃料電池として固体高分子膜型に限定するものではない。
【００４８】
なお、本実施例において用いられうる炭化水素系の燃料としてはメタノール以外に、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類なども用いられることができる。
【００４９】
なお、タンク内水面に作る油膜の材料としては本実施例において用いた流動パラフィン以外でも、不揮発性で、水に不溶で、比重が水より軽く、安定した物質であれば構わない。
【００５０】
なお、タンクの外側に形成する放熱剤としては、本実施例において用いたベストンα−１５００以外でも放熱作用に優れる材料であれば構わない。
【００５１】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池のカソード極排気から出る水を回収することができる。そして電力を消費せずに小型の構造で、高い効率での水回収が行える。回収した水をアノード極へ補給できる。水素を燃料とする場合は電解質膜の湿潤状態を維持できるので、高出力が得られる。メタノール水溶液等の水を燃料とする場合は追加する燃料に濃い濃度の燃料が使用でき、エネルギー密度を高く使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である燃料電池システム１の概要を表すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態である燃料電池システム２の概要を表すブロック図
【図３】本発明の一実施の形態である燃料電池システムのカソード極出口構造図
【図４】本発明の燃料電池システム２のタンク外側放熱剤塗布図
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  アノード極入口
３  水素吸蔵合金タンク
４  カソード極入口
５  エアーポンプ
６  タンク
７  カソード極出口
８  メッシュ
９  水位検知センサー
１０  排気口
１１  弁
１２  液体ポンプ
１３  アノード極燃料配管
１４  バルブ
１５  アノード極液体ポンプ
１６  スリット
１７  放熱剤
１８  油膜
１９  メタノール水溶液タンク
２０  リザーバ
２１  アノード極出口
２２  リザーバ排気口
【図１】
2004178889.tif 000003
【図２】
2004178889.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004178889.tif 000006