(57)【要約】【課題】複雑なシステムを用いること無く、燃料電池部に供給する燃料水溶液の濃度を容易且つ十分に一定濃度に維持しうる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明は、一定量の有機燃料水溶液と酸化剤ガスとが供給され、有機燃料と水との反応によりプロトンを生成し且つ該プロトンと前記酸化剤ガスとの反応により生成水とする発電反応によって、一定の電力を発電する燃料電池部と、該燃料電池部に供給する有機燃料水溶液を貯留する供給燃料用タンクとを備え、前記生成水を前記供給燃料用タンクに一定量返送するように構成された一定出力燃料電池システムであって、前記有機燃料水溶液よりも高濃度に有機燃料を含む高濃度燃料液を貯留する高濃度燃料タンクを備え、該高濃度燃料タンクから前記供給燃料用タンクへ単位時間当たり一定量の高濃度燃料液が供給されるように構成されていることを特徴とする一定出力燃料電池システムを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定量の有機燃料水溶液と酸化剤ガスとが供給され、有機燃料と水との反応によりプロトンを生成し且つ該プロトンと前記酸化剤ガスとの反応により生成水とする発電反応によって、一定の電力を発電する燃料電池部と、
該燃料電池部に供給する有機燃料水溶液を貯留する供給燃料用タンクとを備え、
前記生成水を前記供給燃料用タンクに一定量返送するように構成された一定出力燃料電池システムであって、
更に、前記有機燃料水溶液よりも高濃度に有機燃料を含む高濃度燃料液を貯留する高濃度燃料タンクを備え、該高濃度燃料タンクから前記供給燃料用タンクへ単位時間当たり一定量の高濃度燃料液が供給されるように構成されていることを特徴とする一定出力燃料電池システム。
【請求項２】
前記供給燃料用タンクと前記高濃度燃料タンクとの間には、該高濃度燃料タンクから高濃度燃料液が供給され且つ供給された高濃度燃料液を前記供給燃料用タンクに供給するバッファータンクが介装され、該バッファータンクは、前記供給燃料用タンクの上方に配され且つ液面よりも上方に開口部が形成されて、液圧により高濃度燃料液を前記供給燃料用タンクに供給するように構成されてなり、
前記バッファータンク内の液位を一定とすることにより、前記供給燃料用タンクへ単位時間当たり一定量の高濃度燃料液が供給される請求項１記載の一定出力燃料電池システム。
【請求項３】
前記高濃度燃料タンクは、前記バッファータンクの上方に配され、前記バッファータンクとの間に配された連通管により前記バッファータンクと連通され、前記連通管から導入される空気量に応じて高濃度燃料液をバッファータンクに供給しうるように密閉されてなり、
前記連通管は、前記バッファータンク内に延入され、該バッファータンク内に於ける連通管の開口部の相対高さ位置が固定されることにより、前記バッファータンク内の液位が、バッファータンク内における前記連通管の開口部の相対高さ位置にて一定とされる請求項２記載の一定出力燃料電池システム。
【請求項４】
前記バッファータンク内の高濃度燃料液を前記供給燃料用タンクに供給する流路内には、線状体が挿入されてなる請求項２又は３記載の一定出力燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機燃料水溶液と酸化剤ガスとが供給されることにより発電する燃料電池部を備えた燃料電池システムに関する。
詳しくは、このような燃料電池システムのうち、常時一定の出力を必要とする用途、例えば、室内照明、監視装置、交通標識といった負荷変動の少ない用途、あるいは蓄電池などの電力貯蔵装置と組み合わせて、この電力貯蔵装置によって負荷変動が吸収できる用途の燃料電池システムに関するものであり、一定量の有機燃料水溶液と酸化剤ガスとが供給され、有機燃料と水との反応によりプロトンを生成し且つ該プロトンと酸化剤ガスとの反応により生成水とする発電反応によって一定の電力を発電する燃料電池部と、該燃料電池部に供給する有機燃料水溶液を貯留する供給燃料用タンクと、前記生成水を供給燃料用タンクに一定量返送する返送部と、供給燃料用タンクに供給する高濃度燃料液を貯留する高濃度燃料タンクとを備えた一定出力燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策の一つとして燃料電池システムの開発が活発に行われている。特に、メタノール水溶液を燃料に用い、改質やガス化せずに直接発電する直接メタノール形燃料電池は、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、携帯電話やコンピュータ等の小型コンシューマ用電源等に有望である。
直接メタノール形燃料電池システムは、通常、有機燃料水溶液と酸化剤ガスとが供給される燃料極と空気が供給される空気極とこれらの間に配されたプロトン導電性高分子固体電解質膜とを有し、有機燃料と水との反応によりプロトンを生成し且つ該プロトンと前記酸化剤ガスとの反応により生成水とする発電反応によって発電する燃料電池部と、
該燃料電池部に供給する有機燃料水溶液を貯留する供給燃料用タンクと、
前記生成水を前記第燃料タンクに返送する返送部と、
前記供給燃料用タンクに供給する高濃度燃料液を貯留する高濃度燃料タンクとを備えて構成されている。
【０００３】
ところで、この種の燃料電池システムにおいては、燃料電池部に供給する燃料水溶液の濃度が電池特性（出力と燃料効率）に大きな影響を与えることが分かっている。
例えば、有機燃料としてメタノールを用いた直接メタノール型燃料電池においては、供給するメタノール水溶液の濃度として３重量％程度が好ましいとされているところ、該濃度が必要以上に高くなると、メタノールクロスオーバー量（プロトン導電性高分子固体電解質膜を透過して空気極に流入するメタノール量）が増大し、空気極でのメタノールと酸化剤ガスとの発熱反応により、電池温度が上昇して出力特性は向上するものの、燃料効率が低下する。
逆に、濃度が低くなると、燃料極におけるメタノールと水との反応発熱量も少なくなることから、電池温度が低下して出力特性が低下する。
【０００４】
従って、この種の燃料電池システムにおいては、供給する有機燃料水溶液の濃度を一定に維持する必要がある。
【０００５】
斯かる有機燃料水溶液の濃度を維持する方法として、燃料電池部の発電量と温度から一定の数式に基づいて燃料消費量を算出し、算出結果に応じて所望される量の燃料を燃料タンクに補充する方法が提案されている（下記特許文献１参照）。
しかしながら、この方法では、常時温度と電流を監視する手段、その値から燃料消費量を算出する手段、算出結果に基づいて所望される量の燃料を燃料タンクに供給する手段が必要となり、濃度を維持するために複雑なシステムが必要となる。
また、電圧を検知することにより燃料タンクに燃料を補給する方法も提案されている（下記特許文献２参照）。
しかしながら、この方法では、上記方法同様に、常時電圧を監視する手段が必要となることから複雑なシステムが必要となると共に、電圧と燃料消費量とは１対１で対応するものでは無いため、的確な濃度管理が困難となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６３−１６８９７１号公報
【特許文献２】
特開昭４８−４４７７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑み、複雑なシステムを用いること無く、燃料電池部に供給する有機燃料水溶液の濃度を容易且つ的確に一定濃度に維持しうる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討した結果、この種の燃料電池システムとして、出力が一定とされた一定出力燃料電池システムにおいては、単位時間当たりに一定量の燃料が消費され、一定量の水が生成され、温度が一定になることを知見し、更に、検討を重ねた結果、下記手段により上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、一定量の有機燃料水溶液と酸化剤ガスとが供給され、有機燃料と水との反応によりプロトンを生成し且つ該プロトンと前記酸化剤ガスとの反応により生成水とする発電反応によって、一定の電力を発電する燃料電池部と、該燃料電池部に供給する有機燃料水溶液を貯留する供給燃料用タンクとを備え、
前記生成水を前記供給燃料用タンクに一定量返送するように構成された一定出力燃料電池システムであって、
更に、前記有機燃料水溶液よりも高濃度に有機燃料を含む高濃度燃料液を貯留する高濃度燃料タンクを備え、該高濃度燃料タンクから前記供給燃料用タンクへ単位時間当たり一定量の高濃度燃料液が供給されるように構成されていることを特徴とする一定出力燃料電池システムを提供する。
【０００９】
斯かる構成からなる一定出力燃料電池システムにおいては、単位時間当たり一定量の燃料が消費され、一定量の水が生成され、温度も一定となって一定量の水が蒸発することから、単位時間当たり一定量の高濃度燃料液を供給すると、常時発電量や温度等を監視して、所望される量の燃料を補充するシステムを用いる必要が無く、容易且つ的確に一定濃度に維持することができる。
尚、本明細書に於いて、一定たる用語には、一の値を中心として±１０％程度の範囲内で変動する場合も含まれる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に付いて、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の一定出力燃料電池システムを示す概略図である。
図１に示すように、該一定出力燃料電池システムは、後述する供給タンク１４から有機燃料水溶液５１が供給され、回転ファン８０によって酸化剤ガスが供給され、有機燃料と水との反応によりプロトンを生成し且つ該プロトンと前記酸化剤ガスとの反応により生成水とする発電反応によって発電する燃料電池部１と、該燃料電池部１に供給する有機燃料水溶液５１を貯留する供給燃料用タンク２と、前記生成水を前記供給燃料用タンク２に返送する返送部９と、前記有機燃料水溶液５１よりも高濃度に有機燃料を含む高濃度燃料液５０を貯留する高濃度燃料タンク４とを備えて構成されている。
【００１１】
前記燃料電池部１は、有機燃料水溶液５１が供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される空気極と、これらの間に介装されたプロトン導電性固体高分子膜を備えている（図示せず）。
この燃料電池部１は、燃料極にて有機燃料水溶液５１の有機燃料と水との反応によりプロトンが生成され、該プロトンがプロトン導電性固体高分子膜を通過し、透過したプロトンが空気極にて酸化剤ガスと反応して生成水となる一連の電池反応によって発電しうるように構成されている。
本実施形態に於いて、前記燃料電池部１に供給される有機燃料水溶液５１の量は、単位時間当たり一定量となるように調整されており、燃料電池部１にて発電される電力が単位時間当たり一定（即ち、出力一定）とされている。
【００１２】
ここで、本明細書に於いて、有機燃料とは、触媒の存在下、水と反応してプロトンと電子とを放出する有機化合物を意味し、該有機燃料としては、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類やヒドラジン、ジメチルエーテル等が使用される。
また、高濃度燃料液５０とは、少なくとも前記有機燃料水溶液５１よりも高濃度に有機燃料を含む水溶液又は有機燃料１００％の液を意味する。該高濃度燃料液５０としてメタノール水溶液が用いられる場合には、メタノール濃度として好ましくは、２０〜６０重量％、より好ましくは、５０重量％程度である。
前記酸化剤ガスとしては、空気や酸素が使用される。
尚、図１の燃料電池システム於いては、酸化剤ガスとして空気が使用されており、この空気は、回転ファン８０によって外部から空気極に供給されるようになっている。
【００１３】
本燃料電池システムは、前記供給燃料用タンク２に、前記返送部９を介して単位時間当たり一定量の生成水（燃料電池部１の温度で蒸発する生成水を除いた残余）が供給され、前記高濃度燃料タンク４から単位時間当たり一定量の高濃度燃料液５０が供給されることにより、有機燃料水溶液５１の濃度が常に一定に維持されるように構成されている。
尚、本燃料電池システムは、燃料極にて反応しなかった未反応の有機燃料水溶液５１を供給燃料用タンク２に供給するための循環部３を備えており、一定量の未反応の有機燃料水溶液５１が供給燃料用タンク２に返送されるように構成されている。
前記供給燃料用タンク２は、燃料電池部１に供給するために、一定濃度（メタノール水溶液の場合、好ましくは１〜１０重量％の範囲内における一定の濃度、より好ましくは３重量％程度）に維持された有機燃料水溶液５１を貯留するように構成されている。
【００１４】
前記供給燃料用タンク２と高濃度燃料タンク４との間には、高濃度燃料タンク４から高濃度燃料液５０が供給され且つ供給された高濃度燃料液５０を前記供給燃料用タンク２に供給するバッファータンク５が介装されている。
【００１５】
前記バッファータンク５は、供給燃料用タンク２の上方で且つ高濃度燃料タンク４の下方に配されている。
【００１６】
図２は、バッファータンク５及び高濃度燃料タンク４を示した概略図である。
図２に示すように、前記バッファータンク５は、外部空気が流入可能な開口部６が上部（液面よりも上方）に形成されて、液圧により高濃度燃料液５０を流下させて供給燃料用タンク２に供給するように構成されている。
尚、前記バッファータンク５の底部と供給燃料用タンク２との間には、バッファータンク５内の高濃度燃料液５０を供給燃料用タンク２に供給する流路７として、バッファータンク５の底部から供給燃料用タンク２まで延びる配管が備えられている（図１参照）。
【００１７】
前記高濃度燃料タンク４は、１本の連通管８を介してバッファータンク５と連通されており、開口部１１から連通管８を通って流入する空気量に応じて高濃度燃料液５０がバッファータンク５に供給されるように密閉されている。即ち、連通管８以外からはガスや液体が流入し得ないように密閉されいる。
尚、この高濃度燃料タンク４には、開閉蓋等（図示せず）によって高濃度燃料液５０を補充しうるように構成されている。
【００１８】
前記連通管８は、両端に開口部１０、１１を有し、高濃度燃料タンク４の底部からバッファータンク５内に延入された状態で、バッファータンク５内における開口部１１（下側開口部１１）の相対高さ位置が固定されている。
【００１９】
このように、バッファータンク５内における下側開口部１１の相対高さ位置が固定されることにより、前記バッファータンク５内の液位は、常に、下側開口部１１の相対高さ位置にて一定とされている。
即ち、バッファータンク５内の液位が、前記下側開口部１１よりも下方に位置する場合には、連通管８の下側開口部１１から空気が流入し、流入量に応じて高濃度燃料タンク４から高濃度燃料液５０が連通管８からバッファータンク５内に流出され、バッファータンク５内の液位は上昇する。一方、バッファータンク５内の液位が前記下側開口部１１の高さ位置と一致すると、もはや下側開口部１１からの空気の流入が停止されることから高濃度燃料液５０の供給も停止され、それ以上の液位の上昇が抑制される。更に、液位が下がりかけると、それに応じて下側開口部１１から空気が流入することから、再度、高濃度燃料タンク４から高濃度燃料液５０が流出し、それ以上の液位の下降も抑制される。
【００２０】
前記バッファータンク５は、液位が一定とされることにより、該バッファータンク５の底部の液圧が一定となり、該底部から流路７を通って供給燃料用タンク２に供給される高濃度燃料液５０の単位時間当たりの液量も一定となっている。
【００２１】
更に、本燃料電池システムは、供給燃料用タンク２の流れ方向ｘの下流側で且つ該供給燃料用タンク２よりも上方に配された供給タンク１４を備え、該供給タンク１４から一定量の有機燃料水溶液５１が燃料電池部１に供給されるように構成されている。
前記供給タンク１４は、配管を介して供給燃料用タンク２と連通されてなり、配管に備えられたポンプ１５により、供給燃料用タンク２内の有機燃料水溶液５１が供給されるようになっている。
【００２２】
図３は、バッファータンク５内の高濃度燃料液５０を供給燃料用タンク２に供給する流路７を示す概略図である。
該流路７は、バッファータンク５と供給燃料用タンク２とを連通させる配管１７と、該配管１７の途中で介装された流量調整弁１８とを備えて構成されている。
また、この流路７内には、線状体３０が挿入されてなる。この線状体３０は、棒状の保持具１９等に固定されることにより、流路７内から脱抜することが防止されている。
本実施形態に於いては、流路７内に線状体３０が挿入されることにより、この線状体３０を伝って円滑に流下させて高濃度燃料液５０を供給燃料用タンク２に供給することができる。従って、供給量が大きく減少する虞も低減する。
【００２３】
この線状体３０としては、例えば、内部が中実の中実体、内部が中空の筒状体、スポンジ等の多孔体、繊維が撚り合わされた糸状体等を採用することができる。中でも、高濃度燃料液５０に対して親和性を有する（即ち、高濃度燃料液５０に対して毛細管現象を起こす）多孔体又は糸状体が好ましい。斯かる構成によれば、流路７内で気泡が発生した場合であっても、線状体３０を伝って高濃度燃料液５０をより円滑に流下させ、該高濃度燃料液５０を供給燃料用タンク２に供給することができる。
【００２４】
尚、本実施形態に於いては、１本の管からなる連通管８によって、下側開口部１１から空気を流入させつつ高濃度燃料液５０を高濃度燃料タンク４から流出させてバッファータンク５内の液位を一定とする構成を採用したが、本発明に於いては、図４に示すように、複数本の管８ａ、８ｂからなる連通管８によって、バッファータンク５内の液位を一定とする構成を採用してもよい。
即ち、下側がバッファータンク５内に延入され、下側開口部１１の相対高さ位置が固定され、上側が高濃度燃料タンク４内に延入され、該タンク４内の開口部１０（上側開口部１０）が該タンク内の液面上方領域（空気領域）に配された空気流入用の管８ａと、
下側がバッファータンク５内に延入され、下側開口部１１の相対高さ位置が前記空気用の管８ａと同じ高さ位置又は前記空気用の管８ａよりも低い位置に固定され、上側開口部１０が高濃度燃料タンク４の底部（液面下領域）に配された燃料供給用の管８ｂと、
からなる連通管８が用いられる場合であっても本発明の意図する範囲内である。
斯かる構成によれば、高濃度燃料タンク４に流入する空気は、主に空気流入用の管８ａを通ることから、１本の管を用いた場合の如く、管内に於いて上昇する空気によって高濃度燃料液５０の円滑な流下が阻害されるといった事態の発生も抑制される。従って、各管８ａ、８ｂを内径が小径なものとすることもできる。
尚、本明細書に於いて、連通管８が複数の管からなる場合等の如く、バッファータンク５内に於ける開口部が複数ある場合には、連通管８の開口部の相対高さ位置とは、複数の開口部（下側開口部）の内、最も高い位置に配された開口部の位置を意味する。
【００２５】
また、本実施形態に於いては、所定の高濃度燃料タンク４及び所定の連通管８等を用いて液面を一定とする構成を採用したが、本発明に於いては、図５に示すように、高濃度燃料タンク４から高濃度燃料液５０を供給する供給管２０と、該供給管に配された流量調整弁２１（電磁弁）と、バッファータンク５内に配されて液位を検知する液面センサー２２とを備え、液面センサー２２によりバッファータンク５内の液位を検知し、検知した液位に応じて、液位が一定となるように流量調整弁２１にて供給量を調整しうる構成を採用してもよい。
【００２６】
更に、本実施形態に於いては、バッファータンク５内の高濃度燃料液５０を供給燃料用タンク２に供給する経路７に、線状体３０が挿入されたが、高濃度燃料タンク４からバッファータンク５内に供給する経路内（例えば、連通管８内）に、同様に、線状体３０が挿入されている構成であっても本発明の意図する範囲内である。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認すべく、以下の実施例を行った。
実施例１
電解質の両面に空気極と燃料極を構成したＭＥＡ（電解質／電極接合体）を空気極セパレータ板・燃料極セパレータ板によって挟み込み単電池を構成した。
この単電池を２０個積層し、その両端に集電板を配置して、全体をエンドプレートと呼ばれる金属板で挟み込み、このエンドプレート同士をボルトで締め付けることによって直接メタノール形燃料電池スタックを組み立てた。
【００２８】
この直接メタノール形燃料電池スタックを、図１に示す本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池部１として組み込んだ。
但し、この燃料電池システムに於いて、バッファータンク５の液面を一定にする手段としては、図５に示す手段（液面センサーと流量調整弁で液面を一定にする手段）を採用した。
また、供給燃料用タンク２及び供給タンク１４には、液面センサー２４を設置し、ポンプ１５を作動・停止させることで、供給タンク１４が枯渇しないように制御した。更に、高濃度燃料液５０として、５０重量％メタノール水溶液を採用し、有機燃料水溶液５１としての３重量％メタノール水溶液を調整した。
また、５０重量％メタノール水溶液は、蒸留水を用いて調製した。更に、高濃度燃料液５０に対して親和性を有する線状体３０として、凧糸（綿糸）を用い、該凧糸を固定する保持具１９として、ポリプロピレン製の棒を用いた。尚、高濃度燃料タンク４からバッファータンク５に高濃度燃料液５０を供給する流路内にも同様に線状体３０たる凧糸を挿入した。
【００２９】
試験例
このシステムに消費電力６Ｗの外部負荷を接続して運転を行った。尚、バッファータンク５から供給燃料用タンク２へのメタノール水溶液の供給量を、流量調整弁を絞ることによって、０．３ｍｌ／分に設定した。
そして、該流量調整弁にて再度流量調整をすることなく、そのまま所定時間運転を行い、この時の燃料電池スタック温度、電池電圧、電池電流を測定した。
この結果を図６に示す。
【００３０】
図６から明らかなように、燃料電池スタック温度、電池電圧、電池電流は長時間安定しており、供給燃料用タンク２、供給タンク１４内におけるメタノール水溶液の濃度が安定して一定していることが認められる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の一定出力燃料電池システムは、複雑なシステムを用いること無く、燃料電池部に供給する燃料水溶液の濃度を容易且つ的確に一定濃度に維持しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の一定出力燃料電池システムを示す概略図。
【図２】同実施形態の高濃度燃料タンク及びバッファータンクを示す概略図。
【図３】同実施形態におけるバッファータンク内の高濃度燃料液を供給燃料用タンクに供給する流路を示す概略図。
【図４】他実施形態の高濃度燃料タンク及びバッファータンクを示す概略図。
【図５】他実施形態の高濃度燃料タンク及びバッファータンクを示す概略図。
【図６】試験例の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１・・・燃料電池部、２・・・供給燃料用タンク、３・・・循環部、４・・・高濃度燃料タンク、５・・・バッファータンク、６・・・バッファータンクの開口部、８・・・連通管、９・・・返送部、１１・・・下側の開口部、５０・・・高濃度燃料液、５１・・・有機燃料水溶液
【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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