(57)【要約】【課題】小型化、高効率化を図ることのできる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料供給手段から燃料の供給を受けるアノード１５の両面にカソード１７を配置した燃料電池１９を、ケースに備えた空気の流路５内部に配置し、前記流路５内部の空気は、送風手段３９によって流されている。前記空気の流路５に連通した流出路９内面に吸水部材１３を備え、前記流出路９から流出される空気と前記流路５内へ流入する空気との間で熱交換が行われる。前記吸水部材１３に吸水された水を、多孔質部材を内装したタンク３３に回収し、この回収した水を混合タンク２３に還流し、燃料タンク３１から供給される燃料と混合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給手段から燃料の供給を受けるアノードの両面に電解質膜を介してカソードを配置した燃料電池と、
前記燃料電池を囲繞するように設けられ、内部が空気流の流路をなすケースと、
前記ケースに空気を流入するための流入路と、
前記ケースから空気を流出するための流出路と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料供給手段から燃料の供給を受けるアノードの片面に電解質膜を介してカソードを配置した燃料電池と、
内部が空気流の流路をなすケースと、
前記ケースに空気を流入するための流入路と、
前記ケースから空気を排出するための流出路と、を備え、
前記アノードが前記ケースの内面に支持されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記ケース内部へ空気を流すための送風手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ケース内部に吸水部材を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ケースの流出路から流出される空気と、前記ケースの流入路から流入する空気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸水部材に吸水された水を回収するタンクと、このタンクに回収した水と、前記アノードに供給される燃料とを混合する混合タンクとを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のアノード反応で消費される分と前記燃料電池のアノード側からカソード側へ透過する分のメタノールと水を、前記燃料として前記アノードへ送液することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードへの燃料供給を、前記アノードと前記混合タンクとを接続した多孔体を介して行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードに供給される燃料と、前記アノードから排出される未反応の燃料を含む排出物との間で熱交換を行う熱交換器を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記ケースの少なくとも一部に断熱手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード）を、他方の面に空気極（カソード）を配置し、上記アノードとカソードによって前記電解質膜を挟み込んだ状態に接合した電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）を、導電性のセパレータで挟み込んだ構成である。
【０００３】
前記カソードに対して酸化剤として空気を供給する場合、拡散による場合と、前記セパレータに形成したサーペンタイン流路に対して、ポンプによって空気を送り込む場合とがある（例えば特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２０００−５８０７２号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池におけるカソードに対して拡散によって空気の供給を行う方法においては、空気を強制的に送るポンプが不要なため、小型化が可能である。しかし、カソードに対する空気（酸素）の供給量が充分でなく、また放熱が大きいので、燃料電池を適正温度に維持することが難しく、発電効率が悪くなり、燃料電池の出力が小さい、という問題がある。
【０００５】
また、セパレータに形成したサーペンタイン流路に対してポンプによって空気を供給する構成においては、空気流量を多くして燃料電池の出力を大きくすることが可能である。しかし、前記サーペンタイン流路は流路抵抗により圧力損失が大きく、ポンプの出力を大きくする必要があるので、電力消費、騒音が大きくなり、燃料電池の出力が小さい、小型化が図れない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、燃料電池システムの高出力化と共に、小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、
燃料供給手段から燃料の供給を受けるアノードの両面に電解質膜を介してカソードを配置した燃料電池と、前記燃料電池を囲繞するように設けられ、内部が空気流の流路をなすケースと、前記ケースに空気を流入するための流入路と、前記ケースから空気を流出するための流出路と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料供給手段から燃料の供給を受けるアノードの片面に電解質膜を介してカソードを配置した燃料電池と、内部が空気流の流路をなすケースと、前記ケースに空気を流入するための流入路と、前記ケースから空気を排出するための流出路と、を備え、前記アノードが前記ケースの内面に支持されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池システムの高出力化と共に、小型化を図ることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照するに、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１は、周囲を囲繞して直線状の断熱空間５を形成した筒状のケース７を備えている。ケース７の少なくとも一部には、断熱材又は断熱層等よりなる断熱手段３を設けることが好ましい。断熱材としては、発泡樹脂、セラミックス、グラスウールなどを用いることができる。断熱層としては、真空の空間や二酸化炭素またはキセノン等の断熱効果のある気体を封入した空間などをもちいることができる。上記ケース７における前記断熱空間５は、両端側が開口してあって、酸化剤としての空気が流れる流路をなすものであり、その断面形状は、図１においての上下方向の寸法よりも紙面に対して垂直な方向の寸法が大きい又は等しい矩形状に形成してある。なお、断面形状は、矩形に限定されず、任意の形状でもかまわない。
【００１１】
前記断熱空間（空気の流路）５から空気が流出する流出路９の断面積は前記断熱空間５の断面積よりも小さく形成してあり、この流出路９の外周面には、例えば放熱フィン等よりなる熱交換手段１１が備えられている。また、前記流出路９の内周面には、例えばウイック等よりなる吸水部材１３が備えられている。
【００１２】
前記ケース７の内部には、燃料供給手段から燃料の供給を受けるアノード（燃料極）１５の両面に電解質膜２１を介してカソード（空気極）１７を配置した燃料電池１９が配置してある。ここで、アノード１５には、導電体で形成された燃料の流路があり、燃料は流路を介して、カソード１７全面に供給される。カソード１７には図示していない集電体が設けられており、図示していない電線により、電力を燃料電池外部に取り出す構成になっている。
【００１３】
そして、前記アノード１５側へ燃料を供給するために、ポンプＰ１を介して混合タンク２３に接続した例えばパイプ等のごとき供給路２５は前記流出路９を通過して前記アノード１５に接続してあり、前記アノード１５から前記混合タンク２３への戻り路２７と前記供給路２５は、熱交換器２９に接続してある。すなわち、供給路２５を経て前記混合タンク２３から前記アノード１５へ供給される燃料と、前記戻り路２７内を戻る流体との間で熱交換が行われる構成である。
【００１４】
前記混合タンク２３にはポンプＰ２を介して原燃料としてのメタノールを収容した燃料タンク３１が接続してあると共に、ポンプＰ３を介して水タンク３３が接続してある。さらに前記混合タンク２３には、気体を外部へ排気するための排気路３５が接続してある。前記水タンク３３内には水を貯留するために例えばスポンジ等のごとき多孔質部材が内装されており、かつ水を吸引するために、水タンク３３は接続路３７を介して前記流出路９の内面に、すなわち前記吸水部材１３に接続してある。
【００１５】
カソード１７に対して空気を供給するために、前記断熱空間５の入口側には送風手段の一例としてのファン３９が配置してある。発電の際に、カソード１７に供給される空気に含まれる酸素が、酸化剤として用いられる。このファン３９の吸引口側に接続した空気路４１（流入路）の開口部４３は、前記熱交換手段１１を囲繞した状態に設けられている。
【００１６】
上記構成により、ポンプＰ１を駆動して混合タンク２３内の燃料をアノード１５へ供給し、ファン３９を駆動してカソード１７へ空気を供給することにより、燃料電池１９において発電が行われるものである。前述のごとく燃料電池１９において発電が行われると、燃料電池１９自体が発熱する。この際、前記燃料電池１９は、断熱手段３によって周囲を囲繞された直線状の断熱空間５内に収納されているので、燃料電池システム周囲への放熱を低減させることができる。したがって、前記燃料電池１９の温度を発電に適した温度に容易に維持可能であり、発電効率を向上することができるものである。
【００１７】
前記ファン３９によって前記燃料電池１９へ供給される空気は、開口部４３から空気路４１に吸引されるとき、前記燃料電池１９を経て流出路９から排気される高温の空気と熱交換手段１１を介して熱交換され、加温された状態となる。したがって、前記燃料電池１９へ供給される空気は温度が上昇した状態にあり、前記燃料電池１９の冷却が抑制されることとなる。よって、前記燃料電池１９の適正温度維持がより容易になるものである。
【００１８】
前記流出路９から流出される空気は、前述のごとく熱交換を行うことにより冷却され、前記燃料電池１９において発生した水分が凝縮されて、吸水部材１３に吸収されることになる。そして、吸水部材１３に吸収された水分は、ポンプＰ３が水タンク３３の水を混合タンク２３へ供給するとき、前記水タンク３３が負圧になり、水タンク３３に吸引されることになる。
【００１９】
既に理解されるように、燃料電池１９において発生した水分を回収し、燃料タンク３１の原燃料と混合タンク２３において混合してメタノール水溶液とするものであるから、燃料タンク３１内のメタノールを高濃度（例えば１００％メタノール）とすることができ、燃料タンク３１の小容量化を図ることができる。また、燃料電池１９において発生した水分を利用することにより、水タンク３３の小容量化を図ることができ、全体的構成としての小型化を図ることができる。
【００２０】
前述のごとく、ポンプＰ１によって燃料をアノード１５へ供給するとき、アノード１５へ供給される燃料と、戻り路２７を経て燃料電池１９から戻る未反応のメタノール水溶液や発生した炭酸ガス等を含む排出物との間で、熱交換器２９において熱交換が行われる。すなわち、アノード１５へ供給される燃料は加温されて供給されることになる。したがって、前記燃料電池１９の温度低下を抑制でき、燃料電池１９を適正温度に保持することが容易であり、発電効率の向上を図ることができる。
【００２１】
また、前記構成においては、前記断熱空間５は直線的に構成してあり、ファン３９によって送られる空気は断熱空間５の入口から前記流出路９へ至る過程において、空気流の阻害となるのは主として前記燃料電池１９であるので、前記断熱空間５内においての圧力損失は小さなものである。したがって、ファン３９の小型化を図ることができると共にファン３９による消費電力を抑制できる。よって、全体的構成の小型化と全体としての高出力化を図ることができるものである。
【００２２】
本実施形態では、開口部４３から空気路４１を通し、吸気を行う構成であるが、空気路４１がない構成でもよい。
【００２３】
また、流出路９における水回収を行わず、発電に必要な水を別途供給する構成でもよい。
【００２４】
また、熱交換器２９が無い構成でもよい。
【００２５】
また、ファン３９による送風量は一定であってもよく、燃料電池１９の温度を制御する、もしくは送風された空気がもちさる水分量を制御する等の目的のために、必要に応じて変化させてもよい。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前述した第１の実施形態における構成と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００２７】
この第２の実施の形態においては、前記燃料電池１９における一方のカソード１７を省略して、燃料電池１９を断熱空間５に設けた構成である。カソード１７を省略したことにより、燃料電池１９の一方の面はカソード１７、他方の面はアノード１５が露出した状態となる。露出したアノード１５は、必要に応じて断熱空間５の内面に支持されている。アノード１５は、例えば図２に示すように断熱空間５の内面に装着、または支持部材等（図示せず）を用いて支持することが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、前記実施形態と同様の効果を奏し得ると共にケース７をより薄くすることができ、全体的構成の薄型化を図ることができる。
【００２９】
図３は、第３の実施形態を示すもので、前述した実施形態と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。この第３の実施形態においては、ケース７における断熱空間５の内部に複数の燃料電池１９を適宜間隔を保持して積層するように配置してある。そして、図示例においては、上部の燃料電池１９の戻り路を下側の燃料電池１９に対す供給路として燃料の流路を直列に接続してある。なお、複数の燃料電池１９に対する燃料の供給は、図４に示すように、マニホールド４５を介して各燃料電池１９に対して燃料の供給を行うように、すなわち各燃料電池１９に対する燃料の流路を、並列に接続することも可能である。
【００３０】
上記構成によれば燃料電池の高出力化を図ることができるものである。
【００３１】
図５は、本発明の第５の実施形態を示すもので、前述した実施形態と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。
【００３２】
この第５の実施形態においては、前記燃料電池１９のアノードにおいてのアノード電極反応で消費される分のメタノール，水及び前記アノードからカソード側へ透過する分のメタノール，水を、燃料として前記アノードに対して供給（送液）する構成としたものである。そして、前記アノード電極反応で発生したＣＯ２は、燃料電池１９における電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）の端部に備えた気液分離膜（図示省略）を介して流出路９へ排出する構成である。
【００３３】
上記構成においては、燃料電池１９で消費される分だけのメタノールと水とを、燃料（メタノール水溶液）として供給する構成であるから、燃料電池１９からの戻り路を省略することができ、構成の簡素化及びより一層の小型化を図ることができる。
【００３４】
また、前記構成においては、前記燃料電池１９において消費される分の割合でメタノールと水とを混合したメタノール水溶液を燃料タンク３１ｂに予め充填すればよいものであり、燃料電池システムの全体的構成の簡素化，小型化がより容易になる。
【００３５】
図６は、第６の実施形態を示すもので、前述した第５の実施形態の変更形態である。前記第５の実施形態においては、燃料電池１９に対してポンプＰ１を使用して燃料の送液を行う構成であるのに対して、第６の実施形態においては、毛管力を利用して燃料の送液を行う構成である。したがって、第６の実施形態においては、メタノール水溶液を貯留した燃料タンク３１ｂと燃料電池１９のアノード１５は、例えばスポンジ等のごとき適宜の多孔体５１を介して接続してある。
【００３６】
上記構成によれば、燃料を供給するためのポンプを省略することができ、全体的構成のより一層の簡素化，小型化を図ることができると共に消費電力を抑制して出力向上を図ることができる。
【００３７】
図７は、第７の実施形態を示すものである。この第７の実施形態は、前記第６の実施形態において、図１に示した構成に準じて、燃料電池１９において発生した水分を回収して、燃料タンク３１の原燃料と水タンク３３に回収した水とを混合タンク２３において混合する構成である。
【００３８】
上記構成によれば、図１に示した実施形態とほぼ同様の効果を奏し得ると共に第５の実施形態に準じた効果を奏し得るものである。すなわち、上記構成によれば、燃料タンク３１内のメタノールを高濃度として燃料タンク３１の小型化を図ることができると共に水タンク３３及び混合タンク２３の小型化を図ることができる。また、燃料を供給するためのポンプ及び戻り路を省略することができ、構成の簡素化を図ることができる。
【００３９】
ところで、前述した熱交換器２９の構成としては、次のごとき構成とすることが望ましい。すなわち、図８（Ａ）に示すように、供給路２５と戻り路２７とを、交換器本体５３に熱伝導度の高い材質の隔壁５３Ａを介して区画した構成とする。そして、前記交換器本体５３の外周面を、適宜の断熱材によって被覆する。
【００４０】
なお、交換器本体５３に形成する供給路２５，戻り路２７の断面形状は四角形状に限ることなく円形など、適宜の形状とすることができる。また、前記隔壁５３Ａとしては、供給路２５，戻り路２７内の流体との接触面積を広くするために、例えば波形の構成とすることも可能である。
【００４１】
また、熱交換器２９の構成としては、図８（Ｂ）に示すように、供給路２５の配管の内部に戻り路２７の配管を配置した二重管の構成とし、供給路２５の配管の外周面に適宜の断熱材を被覆した構成とすることも可能である。この構成においては、戻り路２７の配管の全外周面において熱交換が行われることとなり、熱交換が効果的に行われ得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の概念的な説明図である。
【図８】熱交換器の構成を概略的に示した説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    燃料電池システム
３    断熱手段
５    断熱空間
７    ケース
９    流出路
１１    熱交換手段
１３    吸水部材
１５    アノード
１７    カソード
１９    燃料電池
２１    ＭＥＡ
２３    混合タンク
２５    供給路
２７    戻り路
２９    熱交換器
３１    燃料タンク
３３    水タンク
３５    排気路
３７    接続路
３９    ファン
４１    空気路
４３    開口部
４５    マニホールド
【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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