(57)【要約】【課題】断面積の小さな管状部を有することなく、外部との熱交換が容易な水回収装置を持つ燃料電池を提供する。【解決手段】触媒を有するアノードおよびカソード、および両電極の間に設けられた電解質膜を具備する燃料電池、並びに前記アノードに燃料を供給する燃料供給ラインおよび前記カソードに空気を供給する空気供給ラインを備え、前記カソードの空気の排出される出口側に、前記カソードから排出される空気を上方に排出する排気筒および前記排気筒の内壁に設けた複数のフィンからなり、排出される空気に含まれる水蒸気を水に凝縮させる水回収装置を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を有するアノードおよびカソード、および両電極の間に設けられた電解質膜を具備する燃料電池、並びに前記アノードに燃料を供給する燃料供給ラインおよび前記カソードに空気を供給する空気供給ラインを備え、
前記カソードの空気の排出される出口側に、前記カソードから排出される空気を上方に排出する排気筒および前記排気筒の内壁に設けた複数のフィンからなり、排出される空気に含まれる水蒸気を水に凝縮させる水回収装置を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記複数のフィンの角度を調整する制御装置を具備し、要求される水の回収量を大きくするときには、空気の通過方向に対してフィンを鈍角に、要求される水の回収量を小さくするときには、空気の通過方向に対してフィンを鋭角に変化させるように構成した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、特にそのカソードから排出される水を回収する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を直接アノードへ供給するダイレクト酸化型燃料電池では、アノードにおいて燃料の酸化反応が、またカソードにおいて酸素の還元反応がそれぞれ生じる。燃料としてメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池の反応式は下記のようになる。
【０００３】
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋ｅ-          （１）
カソード：３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋ｅ-→３Ｈ2Ｏ               （２）
【０００４】
式（１）のように、アノード反応には水が必要である。燃料とともに水を電源システム外部からアノードに供給すると、燃料を貯蔵するタンクまたはカートリッジに水を貯蔵するスペースが必要になり、結果としてエネルギー密度は低下する。
従って、ダイレクト酸化型燃料電池では、式（２）に従ってカソードで生成する水の一部を電源システム内で回収し、再利用することが一般的である。
【０００５】
前記のようなカソードからの水回収を行いながら、回収した水の貯蔵タンクを必要最小限の容積にする方法が、特許文献１に記載されている。特許文献１では、水貯蔵部の水量が不足したときには、コールドトラップの壁面を冷却して、カソードからの排出ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ、水貯蔵部の水量が過剰なときは、水蒸気をそのまま逃がすか、または加熱して水を蒸発させている。
【特許文献１】特開２００４−１５２５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、カソードから排出された空気が、周囲に放熱フィンを有する管状の部分を通過する間に、壁面で冷却された水蒸気が凝縮するものとしている。しかし、発電しているセルの温度が例えば６０℃を超えるような高い温度であるときには、排出される空気の温度も高く、フィンによる外部との熱交換のみでは、十分な冷却効果が得にくい。しかも、空気と壁面との接触を十分に保つためには、管の断面積は比較的小さくしなければならない。しかし、そのような細い管に空気を通させるには、圧力の発生量の大きい空気供給装置を用意しなければならず、電力のロスが大きくなる。また、逆に管の断面積を大きくすることは、省スペース化に不利である上、管の中央部を通過する空気は壁面との熱交換が困難になり、水の凝縮効果は得られにくい。
【０００７】
そこで本発明の目的は、断面積の小さな管状部を有することなく、外部との熱交換が容易な水回収装置を持つ燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、触媒を有するアノードおよびカソード、および両電極の間に設けられた電解質膜を具備する燃料電池、並びに前記アノードに燃料を供給する燃料供給ラインおよび前記カソードに空気を供給する空気供給ラインを備え、前記カソードの空気の排出される出口側に、前記カソードから排出される空気を上方に排出する排気筒および前記排気筒の内壁に設けた複数のフィンからなり、排出される空気に含まれる水蒸気を水に凝縮させる水回収装置を設けたことを特徴とする。
【０００９】
前記複数のフィンの角度を調整する制御装置をさらに具備し、要求される水の回収量を大きくするときには、空気の通過方向に対してフィンを鈍角に、要求される水の回収量を小さくするときには、空気の通過方向に対してフィンを鋭角に変化させるように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、複数のフィンを有する排気筒と、この排気筒を通過する空気との熱交換が容易であり、小型化の可能な水回収装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
本発明の燃料電池システムは、カソードから空気の排出される出口側に、前記カソードから排出される空気を上方に排出する排気筒および前記排気筒の内壁に設けた複数のフィンからなり、排出される空気に含まれる水蒸気を水に凝縮させる水回収装置を具備する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す。
燃料電池１０は、触媒を有するアノード、触媒を有するカソード、および両電極の間に設けられた電解質膜を具備するセル１１が複数個直列に接続されて積層されている。図の例では、５セルが積層されている。メタノールを水で希釈した燃料を内蔵した燃料タンク１２から、燃料ポンプ１３を備えた燃料供給管１４により、各セルのアノードに燃料が供給される。また、空気ポンプ１５により、酸化剤である酸素を含んだ空気が供給管１６をとおして各セルのカソードに供給される。
図示していないが、アノードから排出される二酸化炭素と未使用燃料の混合物は、アノードの出口側マニホールドに連なる排出管をとおって気液分離器に送られ、そこで気液分離され、二酸化炭素は系外に排出される。燃料を含む液体は、再び燃料電池へ供給される。
【００１３】
燃料電池１０の各セルのカソード（図示せず）から排出される空気は、出口側マニホールド１７に集められる。このマニホールド１７の外側には、水回収装置１８が設けられている。水回収装置１８は、マニホールド１７と連通孔２０により連なった排気筒１９、排気筒１９の内壁面に、下方に向けて交互に傾斜させて設けた複数のフィン２１、および排気筒の下方にあって、水を収容する水回収タンク２２からなる。
【００１４】
燃料電池の各セルから排出される空気は、マニホールド１７からその下方の連通孔２０を経て排気筒１９内を上方へ排出される。この空気中に含まれる水蒸気の分子は、上方に押し出される際に、排気筒１９の内壁面または交互に配置されたフィン２１に複数回衝突することになる。排気筒１９の内壁面またはフィン２１と水分子との熱交換が速やかに行われれば、水蒸気は排気筒の内壁面またはフィン２１上で凝縮し、自重によって下方へ移動して、水回収タンク２２に収納される。
【００１５】
従って、水回収装置１８における排気筒１９の内壁面および交互に配置されたフィン２１は、熱伝導性の優れた金属などの材料で構成され、凝縮熱を外部に速やかに放出することが望まれる。さらに、水回収装置１８と外部との熱交換を促進するために、排気筒１９の外壁部にも熱交換用の複数のフィンを設けても良い。
また、交互に配置されたフィン２１は、必ずしも平板で構成させる必要はなく、水の落下を促進するような曲面を持ったフィンであってもよい。
【００１６】
フィン２１の材質については、表面が平滑な板ではなく、空気との接触面積を増加させるような、表面に多数の溝を設けることによって凹凸を形成した板でもよく、表面に複数のディンプルを形成したものでもよく、貫通孔を有するような材料でもよい。これらフィンの表面や形状については、熱伝導度と熱交換量の割合に応じて、必要な水回収量が得られるように調節すればよい。
【００１７】
燃料電池を連続的に運転させる場合には、水回収タンクの残量に応じて、水回収量を調節する機能を付加することが好ましい。
図２および図３に示す実施の形態では、フィン２１の排気筒１９への取付部を基点としてフィンの傾斜角度を調節するフィン可動装置２３、水回収タンク２２内の水の量を検知する水位検知装置２４、および水位検知装置の信号に基づいてフィン可動装置を作動させる制御装置２５を備える。フィン可動装置２３は、すべてのフィンを一括して可動させるように構成されているが、必要に応じて、特定のフィンのみを稼動させるようにしても良い。
【００１８】
これらの装置を備えることにより、水回収タンク２２内の水残量が少なくなったことを検知したときには、図２のように、交互に配置されたフィン２１を空気の通過方向に対して鈍角に傾けて、フィンと排出空気との接触面積を増加させる。これにより、水の回収量を増加させる。反対に、水回収タンク２２内の水残量が多いときには、図３のように、交互に配置されたフィン２１を空気の通過方向に対して鋭角に傾けて、フィンと排出空気との接触面積を低下させる。これにより、水の回収量を低下させる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、水回収装置を小型化できるから、特に、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートＰＣ、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器用の電源として有用である。また、自動二輪車、自動車用電源等にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態の燃料電池システムの構成を示す略図である。
【図２】本発明の他の実施の形態の燃料電池システムにおける水回収装置の構成を示す縦断面略図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の燃料電池システムにおける水回収装置の構成を示す縦断面略図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  燃料電池
１１  セル
１５  空気ポンプ
１７  カソードの出口側マニホールド
１８  水回収装置
１９  排気筒
２１  フィン
２２  水回収タンク
２３  フィン可動装置
２４  水位検知装置
２５  制御装置
【図１】
2007317498.tif 000003
【図２】
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【図３】
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