(57)【要約】【課題】特別な送液装置を用いること無く、燃料及び水を回収し再利用する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池を有する燃料電池システムであって、液体の希釈燃料を内部に有する希釈燃料タンクと、前記燃料電池の重力方向略下方に設置された燃料回収タンクと、前記燃料回収タンクの重力方向略下方に設置された燃料回収機構と、酸化剤ガスを供給する送風機構とを有し、前記燃料回収機構は送液部を有し、前記送風機構から供給される酸化剤ガスにより、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を前記送液部から前記希釈燃料タンクへ送液することを特徴とする、燃料電池システム。【選択図】図１
2009176425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟む一対の電極と、アノード流路及びカソード流路とを含む単セルを複数積み重ねたスタックを有する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の重力方向略上方に設置され、第１の送液パイプによって前記アノード流路の重力方向略上側の端と接続されている、液体の希釈燃料を内部に有する希釈燃料タンクと、
前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、第２の送液パイプによって前記アノード流路の重力方向略下側の端と、第３の送液パイプによって前記カソード流路の重力方向略下側の端と、それぞれ接続されている燃料回収タンクと、
前記燃料回収タンクの重力方向略下方に設置され、且つ、第４の送液パイプによって当該燃料回収タンクと直接に又は間接に接続された燃料回収機構と、
第１の送風パイプによって前記カソード流路の重力方向略上側の端と接続され、且つ、第２の送風パイプによって前記燃料回収機構と直接に又は間接に接続され、酸化剤ガスを供給する送風機構とを有し、
前記燃料回収機構は、第５の送液パイプによって前記希釈燃料タンクと直接に又は間接に接続された送液部を有し、
前記送風機構から前記第２の送風パイプを通じて供給される酸化剤ガスにより、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部から前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ送液することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料回収機構が、前記送液パイプ及び前記送風パイプの少なくとも一方の管径よりも小さい管径を有する細管であり、
前記燃料回収タンクから前記第４の送液パイプを介して前記細管の一方の端へ通じる第１の流通路と、前記送風機構から前記第２の送風パイプを介して前記細管の一方の端へ通じる第２の流通路を確保し、前記第１の流通路及び前記第２の流通路を切り替えることが可能な第１の三叉の流路制御弁が設けられ、
前記細管の他の一方の端が前記送液部である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料回収機構が可動式気密弁によって、酸化剤ガス室と燃料回収室の２室に分かれたシリンダー状タンクであり、
前記酸化剤ガス室が前記第２の送風パイプによって前記送風機構と直接接続され、
前記燃料回収室が前記送液部であり、且つ、前記第４の送液パイプによって前記燃料回収タンクと直接接続され、
前記第４の送液パイプ中の１か所に第１の流量制御弁が設けられ、
前記第１の流量制御弁を閉じ、且つ、前記送風機構が前記第２の送風パイプを通じて酸化剤ガスを前記酸化剤ガス室に供給することにより、前記可動式気密弁が前記燃料回収室の体積を小さくする方向へと動き、その結果、前記燃料回収室内の水及び未反応燃料を前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ送液する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料回収機構の前記送液部が、前記第５の送液パイプによって前記希釈燃料タンクと直接接続されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
発電と燃料補充を同時に行う、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の送液パイプ中の１か所に、前記アノード流路の重力方向略下側の端から前記第２の送液パイプを介して前記燃料回収タンクへ通じる第３の流通路と、前記送液部から前記第５の送液パイプを介して前記アノード流路の重力方向略下側の端へ通じる第４の流通路を確保し、前記第３の流通路及び前記第４の流通路を切り替えることが可能な第２の三叉の流路制御弁が設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟む一対の電極と、アノード流路及びカソード流路とを含む単セルを複数積み重ねたスタックを有する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
液体の希釈燃料を内部に有し、且つ、前記燃料電池の重力方向略上方に設置され、燃料供給パイプによってアノード流路の重力方向略上側の端と直接に又は間接に接続された希釈燃料タンクと、
前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、燃料回収パイプによってアノード流路及びカソード流路の重力方向略下側の端と直接に又は間接に接続された燃料回収タンクと、
前記カソード流路の重力方向略上側の端と直接に又は間接に接続され、酸化剤ガスを供給する送風機構と、
１又は２以上の切り替え可能な流路であり、同じ流路又は適用可能な流路を切り替えることができる流路を有し、
２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うタンク切り替え手段を有することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項８】
２つの前記タンクからそれぞれ２本の送液パイプＡを介して前記アノード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ａ１及びＡ２を確保し、前記流通路Ａ１及びＡ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ａが設けられ、
前記アノード流路の重力方向略下側及び前記カソード流路の重力方向略下側から２本の送液パイプＢを介して２つの前記タンクへそれぞれ通じる流通路Ｂ１及びＢ２を確保し、前記流通路Ｂ１及びＢ２を切り替えることが可能な四叉の流路制御弁Ｂが設けられ、
４本の前記送液パイプがそれぞれ伸縮性及び可撓性を有し、
２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うタンク切り替え手段、及び２本の前記送液パイプＡの内、前記希釈燃料タンクにつながる１本が前記燃料供給パイプとなるように前記三叉の流路制御弁Ａを切り替え、且つ、２本の前記送液パイプＢの内、前記燃料回収タンクにつながる１本が前記燃料回収パイプとなるように前記四叉の流路制御弁Ｂを切り替える動作を行う流通路切り替え手段を有する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料供給パイプ中、及び前記燃料回収パイプ中のそれぞれ１か所に配管切断／接続可能機構Ａ及びＢを有する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記希釈燃料タンクと前記カソード流路の重力方向略上側の端とがパイプＣによって接続され、前記燃料回収タンクと前記カソード流路の重力方向略下側の端とがパイプＤによって接続され、前記希釈燃料タンクと前記アノード流路の重力方向略上側の端とがパイプＥによって接続され、前記燃料回収タンクと前記アノード流路の重力方向略下側の端とがパイプＦによって接続され、
前記パイプＣ中の１か所に、前記希釈燃料タンクから前記カソード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ｃ１と、前記送風機構から、当該送風機構との配管を切断／接続することが可能な配管切断／接続可能機構Ｃを通じて前記カソード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ｃ２とを確保し、前記流通路Ｃ１及びＣ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ｃが設けられ、
前記パイプＤ中の１か所に、前記カソード流路の重力方向略下側の端から前記燃料回収タンクへ通じる流通路Ｄ１と、前記カソード流路の重力方向略下側の端から前記送風機構との配管を切断／接続することが可能な配管切断／接続可能機構Ｄへ通じる流通路Ｄ２とを確保し、前記流通路Ｄ１及びＤ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ｄが設けられ、
前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃから切断することで、前記送風機構以外の相対的位置関係を上下反転することができる反転機構を備え、
前記パイプＥが前記燃料供給パイプと、前記パイプＤ及び前記パイプＦが前記燃料回収パイプとなり、且つ、前記送風機構から前記パイプＣを通じて酸化剤ガスが前記カソード流路に供給されるように、前記三叉の流路制御弁Ｃ及びＤを切り替えることで発電が行われ、
前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃから切断した後、前記反転機構を用いて前記送風機構以外の相対的位置関係を上下反転し、前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｄと接続することによって、２つの前記タンク同士の役割、前記パイプＣとＤとの間の役割、前記パイプＥとＦとの間の役割、前記三叉の流路制御弁ＣとＤとの間の役割、前記流通路Ｃ１とＤ１との間の役割、前記流通路Ｃ２とＤ２との間の役割、前記配管切断／接続可能機構ＣとＤとの間の役割がそれぞれ交換される、請求項７に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、効率よい燃料供給方法を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、液体燃料であるメタノールを燃料とした場合、アノード（燃料極）において（１）式の反応が進行する。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−    …（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードにおいて（２）式の反応が進行する。
６Ｈ＋  ＋  （３／２）Ｏ２  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    …（２）
このように燃料電池は、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
アノードにおいて高濃度の液体燃料を用いると、電解質膜を燃料が透過（いわゆる、クロスオーバー）することによって逆起電力が生じやすいことから、アノードにおいては通常水で希釈した液体燃料を用いる。したがって、上記式（２）の生成物であるカソードで発生した水は、アノードで再利用することができる。
特許文献１は、カソードで発生した水をアノードで再利用する際に、水蒸気を直接アノードへ導くため、液体の水を循環させるポンプが不要である燃料電池を開示している。また、特許文献１は、燃料タンクを希釈燃料タンクの上方に据えることで燃料を重力で供給し、したがって燃料供給のためのポンプを省くことができる技術についても開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５９６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、アノードにおいて高濃度の燃料を用いた際にはクロスオーバーが起こり、したがって、カソードの廃液には未反応の燃料が含まれる。しかし、特許文献１で開示された技術を用いたとしても、未反応燃料を回収し再利用するという、燃料自体の循環は不可能である。
本発明は、特別な送液装置を用いること無く、燃料及び水を回収し再利用する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の燃料電池システムは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟む一対の電極と、アノード流路及びカソード流路とを含む単セルを複数積み重ねたスタックを有する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の重力方向略上方に設置され、第１の送液パイプによって前記アノード流路の重力方向略上側の端と接続されている、液体の希釈燃料を内部に有する希釈燃料タンクと、前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、第２の送液パイプによって前記アノード流路の重力方向略下側の端と、第３の送液パイプによって前記カソード流路の重力方向略下側の端と、それぞれ接続されている燃料回収タンクと、前記燃料回収タンクの重力方向略下方に設置され、且つ、第４の送液パイプによって当該燃料回収タンクと直接に又は間接に接続された燃料回収機構と、第１の送風パイプによって前記カソード流路の重力方向略上側の端と接続され、且つ、第２の送風パイプによって前記燃料回収機構と直接に又は間接に接続され、酸化剤ガスを供給する送風機構とを有し、前記燃料回収機構は、第５の送液パイプによって前記希釈燃料タンクと直接に又は間接に接続された送液部を有し、前記送風機構から前記第２の送風パイプを通じて供給される酸化剤ガスにより、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部から前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ送液することを特徴とする。
【０００９】
このような構成の第１の燃料電池システムは、発電時には、重力方向上から順に、前記希釈燃料タンク、前記燃料電池、前記燃料回収タンク、前記燃料回収機構と設置されていることから、重力の作用のみで前記第１の送液パイプを通じて前記燃料電池の前記アノード流路へ前記希釈燃料タンクからの液体の希釈燃料を供給し、さらに重力の作用のみで前記第２及び第３の送液パイプを通じて前記燃料電池からの水及び未反応燃料を前記燃料回収タンクへ回収し、さらに前記燃料回収タンク内の水及び未反応燃料を重力の作用のみで前記第４の送液パイプを通じて前記燃料回収機構へと回収することができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記送風機構が、前記第２の送風パイプを通じて前記燃料回収機構に酸化剤ガスを送ることによって、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部から前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへと送ることができる。したがって、本第１の燃料電池システムは、発電時及び燃料補充時の両方において新たに送液のためのコンプレッサー等を設置する必要が無く、発電効率の向上及び燃料電池システムの省スペース化を実現することができる。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池システムは、前記燃料回収機構が、前記送液パイプ及び前記送風パイプの少なくとも一方の管径よりも小さい管径を有する細管であり、前記燃料回収タンクから前記第４の送液パイプを介して前記細管の一方の端へ通じる第１の流通路と、前記送風機構から前記第２の送風パイプを介して前記細管の一方の端へ通じる第２の流通路を確保し、前記第１の流通路及び前記第２の流通路を切り替えることが可能な第１の三叉の流路制御弁が設けられ、前記細管の他の一方の端が前記送液部であることが好ましい。
【００１１】
このような構成の第１の燃料電池システムは、発電時には、前記第１の三叉の流路制御弁が前記第１の流通路に切り替えられることにより、重力の作用のみで前記燃料回収タンク内の水及び未反応燃料を前記細管の一方の端から他の一方の端へと順番に満たすことができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記第１の三叉の流路制御弁が前記第２の流通路に切り替えられることにより、前記送風機構が前記第２の送風パイプを通じて前記細管の一方の端に酸化剤ガスを送ることで、当該細管内の水及び未反応燃料を、前記送液部である前記細管の他の一方の端から、前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ送ることができる。また、前記細管が前記送液パイプ及び前記送風パイプの少なくとも一方の管径よりも小さい管径を有することから、前記酸化剤ガスの風量がわずかであっても送液を行うことができ、したがって前記送風機構にかかる負担を少なくすることができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムは、前記燃料回収機構が可動式気密弁によって、酸化剤ガス室と燃料回収室の２室に分かれたシリンダー状タンクであり、前記酸化剤ガス室が前記第２の送風パイプによって前記送風機構と直接接続され、前記燃料回収室が前記送液部であり、且つ、前記第４の送液パイプによって前記燃料回収タンクと直接接続され、前記第４の送液パイプ中の１か所に第１の流量制御弁が設けられ、前記第１の流量制御弁を閉じ、且つ、前記送風機構が前記第２の送風パイプを通じて酸化剤ガスを前記酸化剤ガス室に供給することにより、前記可動式気密弁が前記燃料回収室の体積を小さくする方向へと動き、その結果、前記燃料回収室内の水及び未反応燃料を前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ送液することが好ましい。
【００１３】
このような構成の第１の燃料電池システムは、発電時には、前記第１の流量制御弁を開くことにより、前記燃料回収タンク内の水及び未反応燃料を前記第４の送液パイプを通じて重力の作用のみで前記シリンダー状タンクの前記燃料回収室へと送ることができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記第１の流量制御弁を閉じ、前記送風機構が前記第２の送風パイプを通じて前記シリンダー状タンクの前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスを送ることによって、前記可動式気密弁が前記燃料回収室の体積を小さくする方向へと動き、前記送液部である前記燃料回収室内の水及び未反応燃料を前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへと押し出すことができる。さらに本第１の燃料電池システムは、前記シリンダー状タンクが前記可動式気密弁によって前記酸化剤ガス室と前記燃料回収室の２室に分かれていることによって、前記送風機構から送られる酸化剤ガスが、前記燃料回収室内の水及び未反応燃料と混ざることが無いという利点もある。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池システムは、前記燃料回収機構の前記送液部が、前記第５の送液パイプによって前記希釈燃料タンクと直接接続されていることが好ましい。
【００１５】
このような構成の第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部から前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ直接送ることができる。また本第１の燃料電池システムは、主に発電に用いるシステム内の領域と、主に燃料補充に用いるシステム内の領域が完全に異なるため、発電と燃料補充を同時に行うことが可能である。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池システムは、発電と燃料補充を同時に行うことが好ましい。
【００１７】
このような構成の第１の燃料電池システムは、燃料補充によって発電が途切れることなく、連続した発電が可能となる。
【００１８】
本発明の第１の燃料電池システムの一形態としては、前記第２の送液パイプ中の１か所に、前記アノード流路の重力方向略下側の端から前記第２の送液パイプを介して前記燃料回収タンクへ通じる第３の流通路と、前記送液部から前記第５の送液パイプを介して前記アノード流路の重力方向略下側の端へ通じる第４の流通路を確保し、前記第３の流通路及び前記第４の流通路を切り替えることが可能な第２の三叉の流路制御弁が設けられているという構成をとることができる。
【００１９】
このような構成の第１の燃料電池システムは、発電時には、前記第２の三叉の流路制御弁が前記第３の流通路に切り替えられることにより、前記アノード流路内の未反応燃料を前記第２の送液パイプを介して重力の作用のみで前記燃料回収タンクへと送ることができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記第２の三叉の流路制御弁が前記第４の流通路に切り替えられることにより、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部から前記第１、２及び５の送液パイプ並びに前記アノード流路を介して前記希釈燃料タンクへ送ることができる。さらに本第１の燃料電池システムは、燃料補充時に前記アノード流路を用いることによって、燃料電池システム全体の送液パイプの全長を短縮することができる。
【００２０】
本発明の第２の燃料電池システムは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟む一対の電極と、アノード流路及びカソード流路とを含む単セルを複数積み重ねたスタックを有する燃料電池を有する燃料電池システムであって、液体の希釈燃料を内部に有し、且つ、前記燃料電池の重力方向略上方に設置され、燃料供給パイプによってアノード流路の重力方向略上側の端と直接に又は間接に接続された希釈燃料タンクと、前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、燃料回収パイプによってアノード流路及びカソード流路の重力方向略下側の端と直接に又は間接に接続された燃料回収タンクと、前記カソード流路の重力方向略上側の端と直接に又は間接に接続され、酸化剤ガスを供給する送風機構と、１又は２以上の切り替え可能な流路であり、同じ流路又は適用可能な流路を切り替えることができる流路を有し、２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うタンク切り替え手段を有することを特徴とする。
【００２１】
このような構成の第２の燃料電池システムは、前記希釈燃料タンク内の液体の希釈燃料が前記アノード流路に流入するように前記希釈燃料タンクの位置を前記燃料電池の重力方向略上方に設置し、前記燃料電池から排出された水及び未反応燃料が前記燃料回収タンクへ流入するように前記燃料回収タンクの位置を前記燃料電池の重力方向略下方に設置することにより、重力の作用のみで、燃料電池への希釈燃料の供給、燃料電池から排出される水及び未反応燃料の回収を行うことができ、第１回発電を行うことができる。また本第２の燃料電池システムは、前記希釈燃料タンク内の燃料が空になるか、又は前記燃料回収タンクが満杯になるかのいずれかの時点において、前記希釈燃料タンクを新たに燃料回収タンクとして前記燃料電池の重力方向下方に位置を変え、且つ、前記燃料回収タンクを新たに希釈燃料タンクとして前記燃料電池の重力方向上方に位置を変える前記タンク切り替え手段を用いることにより、２つの前記タンク同士の役割を交換し、前記第１回発電と同様に第２回発電を開始することができる。このように本第２の燃料電池システムは、第１回発電によって前記希釈燃料タンク内の希釈燃料が消費されても、回収された希釈燃料によって第２回発電を行うことができ、発電時及び燃料補充時の両方において新たに送液のためのコンプレッサー等を設置する必要が無く、発電効率の向上及び燃料電池システムの省スペース化を実現することができる。
【００２２】
本発明の第２の燃料電池システムは、２つの前記タンクからそれぞれ２本の送液パイプＡを介して前記アノード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ａ１及びＡ２を確保し、前記流通路Ａ１及びＡ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ａが設けられ、前記アノード流路の重力方向略下側及び前記カソード流路の重力方向略下側から２本の送液パイプＢを介して２つの前記タンクへそれぞれ通じる流通路Ｂ１及びＢ２を確保し、前記流通路Ｂ１及びＢ２を切り替えることが可能な四叉の流路制御弁Ｂが設けられ、４本の前記送液パイプがそれぞれ伸縮性及び可撓性を有し、２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うタンク切り替え手段、及び２本の前記送液パイプＡの内、前記希釈燃料タンクにつながる１本が前記燃料供給パイプとなるように前記三叉の流路制御弁Ａを切り替え、且つ、２本の前記送液パイプＢの内、前記燃料回収タンクにつながる１本が前記燃料回収パイプとなるように前記四叉の流路制御弁Ｂを切り替える動作を行う流通路切り替え手段を有することが好ましい。
【００２３】
このような構成の第２の燃料電池システムは、希釈燃料が前記希釈燃料タンクから前記アノード流路に流入するように前記三叉の流路制御弁Ａを切り替え、前記燃料電池から排出された水及び未反応燃料が前記燃料回収タンクへ流入するように前記四叉の流路制御弁Ｂを切り替えることにより、重力の作用のみで、燃料電池への希釈燃料の供給、燃料電池から排出される水及び未反応燃料の回収を行うことができ、第１回発電を行うことができる。また本第２の燃料電池システムは、４本の前記パイプがそれぞれ伸縮性及び可撓性を有することにより、前記タンク切り替え手段を容易に実行することができる。また本第２の燃料電池システムは、前記流通路切り替え手段を有することにより、２つの前記タンクの役割交換後においても、送液を続けることができる。
【００２４】
本発明の第２の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料供給パイプ中、及び前記燃料回収パイプ中のそれぞれ１か所に配管切断／接続可能機構Ａ及びＢを有するという構成をとることができる。
【００２５】
このような構成の第２の燃料電池システムは、第１回発電終了時に前記燃料供給パイプ、及び前記燃料回収パイプと、２つの前記タンクとをそれぞれ切断して、２つの当該タンクの位置を交換し、２つの前記タンクを前記燃料供給パイプ、及び前記燃料回収パイプとそれぞれ接続し直すことによって、第２回発電を開始することができる。
【００２６】
本発明の第２の燃料電池システムの一形態としては、前記希釈燃料タンクと前記カソード流路の重力方向略上側の端とがパイプＣによって接続され、前記燃料回収タンクと前記カソード流路の重力方向略下側の端とがパイプＤによって接続され、前記希釈燃料タンクと前記アノード流路の重力方向略上側の端とがパイプＥによって接続され、前記燃料回収タンクと前記アノード流路の重力方向略下側の端とがパイプＦによって接続され、前記パイプＣ中の１か所に、前記希釈燃料タンクから前記カソード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ｃ１と、前記送風機構から、当該送風機構との配管を切断／接続することが可能な配管切断／接続可能機構Ｃを通じて前記カソード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ｃ２とを確保し、前記流通路Ｃ１及びＣ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ｃが設けられ、前記パイプＤ中の１か所に、前記カソード流路の重力方向略下側の端から前記燃料回収タンクへ通じる流通路Ｄ１と、前記カソード流路の重力方向略下側の端から前記送風機構との配管を切断／接続することが可能な配管切断／接続可能機構Ｄへ通じる流通路Ｄ２とを確保し、前記流通路Ｄ１及びＤ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ｄが設けられ、前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃから切断することで、前記送風機構以外の相対的位置関係を上下反転することができる反転機構を備え、前記パイプＥが前記燃料供給パイプと、前記パイプＤ及び前記パイプＦが前記燃料回収パイプとなり、且つ、前記送風機構から前記パイプＣを通じて酸化剤ガスが前記カソード流路に供給されるように、前記三叉の流路制御弁Ｃ及びＤを切り替えることで発電が行われ、前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃから切断した後、前記反転機構を用いて前記送風機構以外の相対的位置関係を上下反転し、前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｄと接続することによって、２つの前記タンク同士の役割、前記パイプＣとＤとの間の役割、前記パイプＥとＦとの間の役割、前記三叉の流路制御弁ＣとＤとの間の役割、前記流通路Ｃ１とＤ１との間の役割、前記流通路Ｃ２とＤ２との間の役割、前記配管切断／接続可能機構ＣとＤとの間の役割がそれぞれ交換されるという構成をとることができる。
【００２７】
このような構成の第２の燃料電池システムは、第１回発電終了時に前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃから切断した後、前記反転機構を用いて前記送風機構以外の相対的位置関係を上下反転し、前記送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｄと接続することによって、第２回発電を開始することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本第１の発明によれば、発電時には、重力の作用のみで、燃料電池への希釈燃料の供給、燃料電池から排出される水及び未反応燃料の回収を行うことができ、さらに燃料補充時には送風機構を用いることにより、回収した水及び未反応燃料を希釈燃料タンクへと補充することができる。したがって、本発明により提供される第１の燃料電池システムは、発電時及び燃料補充時の両方において新たに送液のためのコンプレッサー等を設置する必要が無く、発電効率の向上及び燃料電池システムの省スペース化を実現することができる。
また本第２の発明によれば、発電時には、重力の作用のみで、燃料電池への希釈燃料の供給、燃料電池から排出される水及び未反応燃料の回収を行うことができ、さらに、希釈燃料タンク又は燃料回収タンクは、２つの前記タンク同士の役割を交換することができる。したがって、本発明により提供される第２の燃料電池システムは、第１回発電によって前記希釈燃料タンク内の希釈燃料が消費されても、回収された希釈燃料によって第２回発電を行うことができ、発電時及び燃料補充時の両方において新たに送液のためのコンプレッサー等を設置する必要が無く、発電効率の向上及び燃料電池システムの省スペース化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の第１の燃料電池システムは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟む一対の電極と、アノード流路及びカソード流路とを含む単セルを複数積み重ねたスタックを有する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の重力方向略上方に設置され、第１の送液パイプによって前記アノード流路の重力方向略上側の端と接続されている、液体の希釈燃料を内部に有する希釈燃料タンクと、前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、第２の送液パイプによって前記アノード流路の重力方向略下側の端と、第３の送液パイプによって前記カソード流路の重力方向略下側の端と、それぞれ接続されている燃料回収タンクと、前記燃料回収タンクの重力方向略下方に設置され、且つ、第４の送液パイプによって当該燃料回収タンクと直接に又は間接に接続された燃料回収機構と、第１の送風パイプによって前記カソード流路の重力方向略上側の端と接続され、且つ、第２の送風パイプによって前記燃料回収機構と直接に又は間接に接続され、酸化剤ガスを供給する送風機構とを有し、前記燃料回収機構は、第５の送液パイプによって前記希釈燃料タンクと直接に又は間接に接続された送液部を有し、前記送風機構から前記第２の送風パイプを通じて供給される酸化剤ガスにより、前記燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部から前記第５の送液パイプを通じて前記希釈燃料タンクへ送液することを特徴とする。
【００３０】
重力方向略上方とは、実際に真上に位置することのみを意味せず、位置エネルギーが高い方向ということを意味する。したがって、「装置Ａは、装置Ｂの重力方向略上方に設置され」とは、装置Ａが、装置Ｂよりも高い位置エネルギーの方向に設置されることを意味する。
重力方向略上側とは、実際に装置の真上側のみを意味せず、当該装置中の位置エネルギーが高い側を意味する。したがって、「装置Ａの重力方向略上側」とは、装置Ａ中の位置エネルギーが高い側を意味する。
それとは反対に、重力方向略上方とは、位置エネルギーが低い方向ということを意味し、重力方向略下側とは、装置中の位置エネルギーが低い側を意味する。
【００３１】
「直接に接続される」とは、装置同士が直に、又は１本のパイプを介して接続していることを意味する。
これに対して、「間接に接続される」とは、装置同士の間に１つ以上の装置を挟み、場合によっては１つ以上のパイプを介して接続していることを意味する。
【００３２】
ここで、高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜であり、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。
【００３３】
電極は、触媒層とガス拡散層とを有する。
触媒層は、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。
【００３４】
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与するための導電性材料としての役割も担っている。
【００３５】
触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよい。
【００３６】
触媒インクは上記のような触媒と電極用電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。
【００３７】
触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、０．０１〜２．０ｍｇ／ｃｍ２程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすればよい。
【００３８】
ガス拡散層を形成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００３９】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び／又は焼成すればよい。撥水層の厚さは、通常、１〜５０μｍ程度でよい。撥水層インクを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。
また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工されていてもよい。
上記したような方法によって触媒層を形成した電解質膜及びガス拡散層シートは、適宜、重ね併せて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
【００４０】
作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
なお、液体燃料を供給するためのアノード流路及び酸化剤ガスを供給するためのカソード流路としては、セパレータ上に溝を形成し、当該溝に液体燃料又は酸化剤ガスを流して流路としてもよいし、平板セパレータの内側に多孔度の高い材料からなる多孔質層を設けて、前記多孔質層の有する微細孔を流路としてもよい。
【００４１】
作成された単セルを複数積み重ねてスタックを形成する。スタックの形成方法としては、積層したセル全体を貫通するボルトとナットで締めて固定する方法が一般的である。セパレータは上述したように導体であるので、ボルトの締結力で接触させたセパレータ面全体に電流が流れる。各セパレータ面から導線等で電流を回収する構成を形成し、燃料電池が完成する。
【００４２】
本発明で用いる燃料電池は上述した方法で作製されるものに限られず、本発明の第１の燃料電池システムは、液体燃料を用いる燃料電池のすべてに適用できる。燃料電池の種類としては、ダイレクトメタノール型燃料電池の他にアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、また過酸化水素をカソード燃料に用いる過酸化水素燃料電池にも適用できる。
【００４３】
送液パイプは、本発明における燃料電池システム内で用いられる燃料及び水に対して腐食を起こさない材料を用いることができ、例えば、ステンレス、ＳＵＳ、チタン、ニッケル、亜鉛、すず、金、銀、樹脂およびこれらを被覆した材料を用いても良い。
送風パイプは、一般的に酸化剤ガスを燃料電池のカソードに引き入れるためのものを用いることができ、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンのほか、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素材料、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリベンゾイミダゾール等のエンジニアリングプラスチック系のホースを用いても良い。
【００４４】
以下、図を用いることにより本発明の第１の燃料電池システムについて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図である。第１の燃料電池システム１０００は、希釈燃料タンク、アノード流路及びカソード流路を含む燃料電池、燃料回収タンク、燃料回収機構、送風機構、並びに送液及び送風パイプを有する。図中の矢印１０は、重力方向を示している。
【００４５】
希釈燃料タンクは、燃料を水で希釈した希釈燃料を有するタンクであり、燃料電池の重力方向略上方に設置されており、図１に示した第１の送液パイプ１によって、燃料電池が有するアノード流路の重力方向略上側の端と接続されている。
用いる燃料としては、例として、メタノール、エチレングリコール、グリセリン、ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、エタノール、プロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、過酸化水素、ギ酸メチル、酢酸、ヒドラジン及びヒドラジン化合物、アンモニア、ガソリン、灯油並びに重油等が挙げられる。
なお、アノード流路に酸化剤ガスが混入すると、燃料電池の発電性能に支障が出ることから、希釈燃料タンクには、酸化剤ガスのみを排出する脱気弁１１が備え付けられているのが好ましい。
【００４６】
なお、図２に示すように、前記希釈燃料タンクの重力方向略上方に、水を有する水タンクと燃料を有する燃料タンクとが設置され、当該水タンク及び当該燃料タンクは、第６の送液パイプ２１及び第７の送液パイプ２２によってそれぞれ希釈燃料タンクに接続され、さらに前記パイプ２１及び２２中の１か所に第２の流量制御弁２３及び第３の流量制御弁２４がそれぞれ設けられていてもよい。このような構成により、前記制御弁２３及び２４を適宜開閉して、重力の作用のみで前記希釈燃料タンクに水及び燃料を供給でき、さらに当該希釈燃料タンク内の希釈燃料の量及び濃度を調節することができる。
なお、一例として、燃料としてメタノールを用いる場合は、体積比にして１〜５０％の濃度の水溶液を発電に用いるのが好ましく、２〜１０％の水溶液を用いるのがより好ましい。１％以下の濃度であると十分な発電性能が得られないからであり、また、５０％以上の濃度であると燃料がカソードに到達する現象、いわゆるメタノールクロスオーバーを引き起こし、その結果、燃料利用率の低下及び発電性能の低下を引き起こすからである。
【００４７】
図１に示すように、燃料回収タンクは、前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、第２の送液パイプ２によって前記アノード流路の重力方向略下側の端と、第３の送液パイプ３によって前記カソード流路の重力方向略下側の端と、それぞれ接続されている。
なお、カソード流路から未反応の酸化剤ガスが燃料回収タンクに混入するが、後述するように燃料回収タンクに回収された水及び未反応燃料は、燃料補充時に希釈燃料タンクへと送られるため、予め酸化剤ガスが除かれているのが好ましい。このような観点から、燃料回収タンクには、酸化剤ガスのみを排出する脱気弁１２が備え付けられているのが好ましい。
【００４８】
図１に示すように、燃料回収機構は、前記燃料回収タンクの重力方向略下方に設置され、且つ、第４の送液パイプ４によって当該燃料回収タンクと直接に又は間接に接続されている。したがって、燃料回収タンクに回収された水及び未反応燃料は、最終的にその一部又は全部が重力によって燃料回収機構に回収される。
なお、前記パイプ４中には、逆流防止弁が設置されていてもよい。当該弁は、後述する燃料補充時に、送風機構から送られる酸化剤ガスの作用によって、燃料回収機構内の水及び未反応燃料が燃料回収タンクへ逆流することを防止するためのものである。
【００４９】
図１に示すように、前記燃料回収機構は、第５の送液パイプ５によって前記希釈燃料タンクと直接に又は間接に接続された送液部１３を有する。また、図１中では、当該送液部１３は、燃料回収タンクと直接に接続されていない構造を示しているが、この他にも、当該送液部１３が、前記第４の送液パイプ４によって燃料回収タンクと直接に接続されている構造を取ることもできる。
なお、図１中の前記パイプ５の端を省略し、その代りに「→希釈燃料タンクへ」と記載している意味は、燃料回収機構中の水及び未反応燃料が、前記パイプ５を通り、直接に又は間接に希釈燃料タンクへ送られることを意味しており、その経路はさまざまに選択することができるという意味である。
【００５０】
図１に示すように、送風機構は、第１の送風パイプ６によって前記カソード流路の重力方向略上側の端と接続され、且つ、第２の送風パイプ７によって前記燃料回収機構と直接に又は間接に接続されている。なお、送風機構が扱うのは酸化剤ガスのみであるので、燃料電池に対する重力方向に関係なく設置することができる。
送風機構が供給する酸化剤ガスとしては、空気、酸素、二酸化炭素を用いることができるが、安価な空気を用いることが好ましい。
酸化剤ガスとして空気を用いる場合は、送風機構としてエアーポンプ、圧縮コンプレッサー等を用いることができる。酸化剤ガスとして酸素、二酸化炭素を用いる場合は、送風機構として酸素ボンベ、二酸化炭素ボンベ、窒素ガスボンベを用いることができる。
【００５１】
上述した燃料回収機構は、様々な態様を持つものを用いることができる。
図３に例を示すように、例えば、前記送液パイプ及び前記送風パイプの少なくとも一方の管径よりも小さい管径を有する細管を燃料回収機構として用いることが好ましい。図３（ａ）は螺旋状の細管３１を、図３（ｂ）は蛇行状の細管３３を、それぞれ燃料回収機構として用いた様子を示した図である。螺旋状又は蛇行状の細管は、長い管長を有する場合においても省スペース化を図ることができ、特に好ましい。この場合は、燃料回収タンクから前記第４の送液パイプ４を介して細管の一方の端３１ａ又は３３ａへ通じる第１の流通路と、送風機構から前記第２の送風パイプ７を介して細管の一方の端３１ａ又は３３ａへ通じる第２の流通路を確保し、前記第１の流通路及び前記第２の流通路を切り替えることが可能な第１の三叉の流路制御弁３２が設けられ、細管の他の一方の端３１ｂ又は３３ｂが前記送液部であることが好ましい。
【００５２】
図３に例示したような前記細管を燃料回収機構として用いることにより、第１の燃料電池システムは、発電時には、前記第１の三叉の流路制御弁が前記第１の流通路に切り替えられることにより、重力の作用のみで前記燃料回収タンク内の水及び未反応燃料を、前記細管の一方の端から前記他の一方の端へと順番に満たすことができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記第１の三叉の流路制御弁が前記第２の流通路に切り替えられることにより、前記送風機構が前記パイプ７を通じて前記細管に酸化剤ガスを送ることで、当該細管内の水及び未反応燃料を前記パイプ５を通じて希釈燃料タンクへ送ることができる。また、前記細管が前記送液パイプ及び前記送風パイプの少なくとも一方の管径よりも小さい管径を有することから、前記酸化剤ガスの風量がわずかであっても送液を行うことができ、したがって送風機構にかかる負担を少なくすることができる。
【００５３】
また、図４に示すように、例えば、可動式気密弁４１によって、酸化剤ガス室と燃料回収室の２室に分かれたシリンダー状タンク４２を燃料回収機構として用いることが好ましい。この場合は、酸化剤ガス室が前記第２の送風パイプ７によって送風機構と直接接続され、燃料回収室が送液部であり、且つ、前記第４の送液パイプ４によって燃料回収タンクと直接接続され、前記第４の送液パイプ中の１か所に第１の流量制御弁４３が設けられ、当該制御弁４３を閉じ、且つ、送風機構が前記第２の送風パイプ７を通じて酸化剤ガスを酸化剤ガス室に供給することにより、前記可動式気密弁４１が燃料回収室の体積を小さくする方向へと動き、その結果、燃料回収室内の水及び未反応燃料を前記第５の送液パイプ５を通じて希釈燃料タンクへ送液することが好ましい。
【００５４】
図４に示したような前記シリンダー状タンク４２を燃料回収機構として用いることにより、第１の燃料電池システムは、発電時には、前記制御弁４３を開くことにより、燃料回収タンク内の水及び未反応燃料を前記パイプ４によって重力の作用のみで前記シリンダー状タンク４２の燃料回収室へと送ることができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記制御弁４３を閉じ、送風機構が前記パイプ７によって前記シリンダー状タンク４２の酸化剤ガス室に酸化剤ガスを送ることによって、前記気密弁４１が燃料回収室の体積を小さくする方向へと動き、燃料回収室内の水及び未反応燃料を前記パイプ５を通じて希釈燃料タンクへと押し出すことができる。さらに本第１の燃料電池システムは、前記シリンダー状タンク４２が前記気密弁４１によって酸化剤ガス室と燃料回収室の２室に分かれていることによって、送風機構から送られる酸化剤ガスが、燃料回収室内の水及び未反応燃料と混ざることが無いという利点もある。
【００５５】
なお図４に示すように、燃料回収室に脱気弁４４を設けて、燃料回収室内の水及び未反応燃料を脱気した後に、希釈燃料タンクに送ることが特に好ましい。
【００５６】
図５に示すように、燃料回収機構の前記送液部１３が、前記第５の送液パイプ５によって希釈燃料タンクと直接接続されていることが好ましい。これは、燃料補充時において、燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部１３から前記パイプ５によって希釈燃料タンクへ直接送ることができるからである。
図６は、図５において主に発電に関与する領域５１及び主に燃料補充に関与する領域５２を、それぞれ点線で囲った枠で示した模式図である。図６に示すように、前記送液部１３が、前記パイプ５によって希釈燃料タンクと直接接続されていることによって、発電時に用いるシステム内の領域と、燃料補充時に用いるシステム内の領域が完全に異なることから、発電と燃料補充を同時に行うことが可能である。
【００５７】
本発明の第１の燃料電池システムは、発電と燃料補充を同時に行うことが好ましい。これは、燃料補充によって発電が途切れることなく、連続した発電が可能となるからである。
【００５８】
図７に示すように、本発明の第１の燃料電池システムの一形態としては、前記第２の送液パイプ２中の１か所に、前記アノード流路の重力方向略下側の端から前記第２の送液パイプ２を介して燃料回収タンクへ通じる第３の流通路と、前記送液部１３から前記第５の送液パイプ５を介して前記アノード流路の重力方向略下側の端へ通じる第４の流通路を確保し、前記第３の流通路及び前記第４の流通路を切り替えることが可能な第２の三叉の流路制御弁６１が設けられているという構成をとることができる。このような構成をとることによって、発電時には、前記制御弁６１が前記第３の流通路に切り替えられることにより、前記アノード流路内の未反応燃料を前記第２の送液パイプ２を介して重力の作用のみで前記燃料回収タンクへと送ることができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、前記制御弁６１が前記第４の流通路に切り替えられることにより、燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、前記送液部１３から前記パイプ１、２及び５並びに前記アノード流路を介して希釈燃料タンクへ送ることができる。さらに本第１の燃料電池システムは、燃料補充時に前記アノード流路を用いることによって、燃料電池システム全体の送液パイプの全長を短縮することができる。
【００５９】
図８は本発明の第１の燃料電池システムの典型例を示した模式図である。本典型例は、図３（ａ）で示したような螺旋状の細管３１を燃料回収機構として用い、且つ、図５で示したような、当該細管３１の端３１ｂが送液部として、第５の送液パイプ５によって希釈燃料タンクと直接接続されているという構成を採用している。なお、液量制御弁７１によって、前記細管３１から希釈燃料タンクへの液量を調節することもできる。
【００６０】
図９は本発明の第１の燃料電池システムの第２の典型例を示した模式図である。本第２の典型例は、図４で示したようなシリンダー状タンク４２を燃料回収機構として用い、且つ、図５で示したような前記シリンダー状タンク４２の燃料回収室が第５の送液パイプ５によって希釈燃料タンクと直接接続されているという構成を採用している。この場合にも、液量制御弁７１を設置することができる。
【００６１】
図１０は本発明の第１の燃料電池システムの変形例を示した模式図である。本変形例は、図３（ｂ）で示したような蛇行状の細管３３を燃料回収機構として用い、且つ、図７で示したような、第２の送液パイプ２中の１か所に、第２の三叉の流路制御弁６１が設けられているという構成を採用している。
【００６２】
図１１は本発明の第１の燃料電池システムの第２の変形例を示した模式図である。本第２の典型例は、図４で示したようなシリンダー状タンクを燃料回収機構として用い、且つ、図７で示したような、第２の送液パイプ２中の１か所に、第２の三叉の流路制御弁６１が設けられているという構成を採用している。
【００６３】
このような構成の第１の燃料電池システムは、発電時には、重力方向上から順に、希釈燃料タンク、燃料電池、燃料回収タンク、燃料回収機構と設置されていることから、重力の作用のみで第１の送液パイプを通じて燃料電池のアノード流路へ希釈燃料タンクからの液体の希釈燃料を供給し、さらに重力の作用のみで第２及び第３の送液パイプを通じて燃料電池からの水及び未反応燃料を燃料回収タンクへ回収し、さらに燃料回収タンク内の水及び未反応燃料を重力の作用のみで第４の送液パイプを通じて燃料回収機構へと回収することができる。また本第１の燃料電池システムは、燃料補充時には、送風機構が、第２の送風パイプを通じて燃料回収機構に酸化剤ガスを送ることによって、燃料回収機構内の水及び未反応燃料を、送液部から第５の送液パイプを通じて希釈燃料タンクへと送ることができる。したがって、本第１の燃料電池システムは、発電時及び燃料補充時の両方において新たに送液のためのコンプレッサー等を設置する必要が無く、発電効率の向上及び燃料電池システムの省スペース化を実現することができる。
【００６４】
本発明の第２の燃料電池システムは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟む一対の電極と、アノード流路及びカソード流路とを含む単セルを複数積み重ねたスタックを有する燃料電池を有する燃料電池システムであって、液体の希釈燃料を内部に有し、且つ、前記燃料電池の重力方向略上方に設置され、燃料供給パイプによってアノード流路の重力方向略上側の端と直接に又は間接に接続された希釈燃料タンクと、前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、燃料回収パイプによってアノード流路及びカソード流路の重力方向略下側の端と直接に又は間接に接続された燃料回収タンクと、前記カソード流路の重力方向略上側の端と直接に又は間接に接続され、酸化剤ガスを供給する送風機構と、１又は２以上の切り替え可能な流路であり、同じ流路又は適用可能な流路を切り替えることができる流路を有し、２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うタンク切り替え手段を有することを特徴とする。
【００６５】
燃料電池内の構成に関しては、上述した第１の燃料電池システム同様である。しかし、それのみに限られず、本発明の第２の燃料電池システムは、液体燃料を用いる燃料電池のすべてに適用できる。燃料電池の種類としては、ダイレクトメタノール型燃料電池の他にアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、また過酸化水素をカソード燃料に用いる過酸化水素燃料電池にも適用できる。
【００６６】
重力方向略上方及び略下方、重力方向略上側及び略下側の意味は、上述した第１の燃料電池システム同様である。
【００６７】
以下、図を用いることにより本発明の第２の燃料電池システムについて詳細に説明する。図１２は、本発明の第２の燃料電池システムを示した模式図である。第２の燃料電池システム２０００は、希釈燃料タンク、アノード流路及びカソード流路を含む燃料電池、燃料回収タンク、送風機構、並びに燃料供給パイプ及び燃料回収パイプを有する。図中の矢印８０は、重力方向を示している。
図１２（ａ）はタンク切り替え前を示した模式図であり、図１２（ｂ）はタンク切り替え後を示した模式図である。
【００６８】
希釈燃料タンクは、燃料を水で希釈した希釈燃料を有するタンクであり、燃料電池の重力方向略上方に設置されており、図１２に示した燃料供給パイプ８１によって、燃料電池が有するアノード流路の重力方向略上側の端と接続されている。
燃料としては、上述した第１の燃料電池システムと同様のものを用いることができる。
なお、アノード流路に酸化剤ガスが混入すると、燃料電池の発電性能に支障が出ることから、希釈燃料タンクには、酸化剤ガスのみを排出する脱気弁８２が備え付けられているのが好ましい。
【００６９】
燃料供給パイプ及び燃料回収パイプは、上述した第１の燃料電池システムの送液パイプ及び送風パイプと同様のものを用いることができる。
【００７０】
図１２に示すように、燃料回収タンクは、前記燃料電池の重力方向略下方に設置され、燃料回収パイプ８３によってアノード流路及びカソード流路の重力方向略下側の端と直接に又は間接に接続されている。
なお、カソード流路から未反応の酸化剤ガスが燃料回収タンクに混入するが、後述するように燃料回収タンクに回収された水及び未反応燃料は、燃料補充時に希釈燃料タンクへと送られるため、予め酸化剤ガスが除かれているのが好ましい。このような観点から、燃料回収タンクには、酸化剤ガスのみを排出する脱気弁８２が備え付けられているのが好ましい。また、図中には前記パイプ８３は１本のみ描かれているが、２本以上存在していてもよい。
【００７１】
図１２に示すように、送風機構は、前記カソード流路の重力方向略上側の端と接続されている。送風機構が扱うのは酸化剤ガスのみであるので、燃料電池に対する重力方向に関係なく設置することができる。なお、送風機構はカソード流路と直に接続されていてもよいし、送風ホースを用いてカソード流路と接続されていてもよい。送風ホースを用いる場合には、当該ホース中に風量制御弁８４を設け、風量調節を行うのが好ましい。
送風機構が供給する酸化剤ガスとしては、空気、酸素、二酸化炭素を用いることができるが、安価な空気を用いることが好ましい。
酸化剤ガスとして空気を用いる場合は、送風機構としてエアーポンプ、圧縮コンプレッサー等を用いることができる。酸化剤ガスとして酸素、二酸化炭素を用いる場合は、送風機構として酸素ボンベ、二酸化炭素ボンベ、窒素ガスボンベを用いることができる。
【００７２】
送液を司る流路は、１又は２以上の切り替え可能な流路であり、同じ流路又は適用可能な流路を切り替えることができる流路である必要があり、そのため流路切り替えのための装置が組み込まれていてもよい。図１２に示した前記パイプ８１及び８３を含む全てのパイプはこれら流路の内の一部であり、その他のパイプがシステム内に存在していてもよい。
【００７３】
タンク切り替え手段は、２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うものである。図１２（ｂ）に示すように、前記タンク切り替え手段を行った結果、燃料電池の重力方向略上方に設置されたタンクＢは自動的に希釈燃料タンクとなり、燃料電池の重力方向略下方に設置されたタンクＡは自動的に燃料回収タンクとなる。このように、前記手段前後で、２つのタンク同士の役割は交換されることになる。
【００７４】
図１３は、本発明の第２の燃料電池システムの典型例を示した模式図である。図１３に示すように、２つの前記タンクからそれぞれ２本の送液パイプＡ（９１）を介して前記アノード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ａ１及びＡ２を確保し、前記流通路Ａ１及びＡ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ａ（９２）が設けられ、前記アノード流路の重力方向略下側及び前記カソード流路の重力方向略下側から２本の送液パイプＢ（９３）を介して２つの前記タンクへそれぞれ通じる流通路Ｂ１及びＢ２を確保し、前記流通路Ｂ１及びＢ２を切り替えることが可能な四叉の流路制御弁Ｂ（９４）が設けられ、４本の前記送液パイプがそれぞれ伸縮性及び可撓性を有し、２つの前記タンク同士の役割を交換するために、前記燃料電池に対して、重力方向に同時に相対的に２つの前記タンクの位置を変える動作を行うタンク切り替え手段、及び２本の前記パイプ９１の内、希釈燃料タンクにつながる１本が前記燃料供給パイプとなるように前記制御弁Ａ（９２）を切り替え、且つ、２本の前記パイプ９３の内、燃料回収タンクにつながる１本が前記燃料回収パイプとなるように前記制御弁Ｂ（９４）を切り替える動作を行う流通路切り替え手段を有するのが好ましい。
なお、図１３（ａ）はタンク切り替え前を示した典型例の模式図であり、図１３（ｂ）はタンク切り替え後を示した典型例の模式図である。図１３（ａ）で希釈燃料タンクとして用いたタンクＡ、及び燃料回収タンクとして用いたタンクＢは、図１３（ｂ）においては２つのタンク同士の役割を交換している。
【００７５】
このような構成の第２の燃料電池システムは、希釈燃料が希釈燃料タンクから前記アノード流路に流入するように前記制御弁Ａ（９２）を切り替え、燃料電池から排出された水及び未反応燃料が燃料回収タンクへ流入するように前記制御弁Ｂ（９４）を切り替えることにより、重力の作用のみで、燃料電池への希釈燃料の供給、燃料電池から排出される水及び未反応燃料の回収を行うことができ、第１回発電を行うことができる。また本第２の燃料電池システムは、４本の前記パイプがそれぞれ伸縮性及び可撓性を有することにより、前記タンク切り替え手段を容易に実行することができる。また本第２の燃料電池システムは、前記流通路切り替え手段を有することにより、２つの前記タンクの役割交換後においても、送液を続けることができる。
なお、前記送液パイプＡ中及び前記送液パイプＢ中に流量制御弁９５が設けられているのが好ましい。これは、２つのタンクの役割交換時に前記制御弁９５を開閉して調節することで、希釈燃料の流路を最終的に決定することができるからである。
【００７６】
図１４は、本発明の第２の燃料電池システムの変形例を示した模式図である。図１４に示すように、前記燃料供給パイプ中、及び前記燃料回収パイプ中のそれぞれ１か所に配管切断／接続可能機構Ａ（１０１）及びＢ（１０２）を有するという構成をとることができる。
なお、図１４（ａ）はタンク切り替え前を示した変形例の模式図であり、図１４（ｂ）はタンク切り替え後を示した変形例の模式図である。図１４（ａ）で希釈燃料タンクとして用いたタンクＡ、及び燃料回収タンクとして用いたタンクＢは、図１４（ｂ）においては前記配管切断／接続可能機構Ａ（１０１）及びＢ（１０２）においてそれぞれ配管を切断し、タンクを入れ替えた後接続し直すことで、２つのタンク同士の役割を交換している。
【００７７】
このような構成の第２の燃料電池システムは、第１回発電終了時に前記燃料供給パイプ８１、及び前記燃料回収パイプ８３と、２つの前記タンクとをそれぞれ切断して、２つの当該タンクの位置を入れ替え、２つの前記タンクを前記燃料供給パイプ８１、及び前記燃料回収パイプ８３とそれぞれ接続し直すことによって、第２回発電を開始することができる。
【００７８】
図１５は、本発明の第２の燃料電池システムの第２の変形例を示した模式図である。図１５に示すように、希釈燃料タンクと前記カソード流路の重力方向略上側の端とがパイプＣ（１１１）によって接続され、燃料回収タンクと前記カソード流路の重力方向略下側の端とがパイプＤ（１１２）によって接続され、希釈燃料タンクと前記アノード流路の重力方向略上側の端とがパイプＥ（１１３）によって接続され、燃料回収タンクと前記アノード流路の重力方向略下側の端とがパイプＦ（１１４）によって接続され、前記パイプＣ（１１１）中の１か所に、希釈燃料タンクから前記カソード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ｃ１と、送風機構から、当該送風機構との配管を切断／接続することが可能な配管切断／接続可能機構Ｃ（１１５）を通じて前記カソード流路の重力方向略上側の端へ通じる流通路Ｃ２とを確保し、前記流通路Ｃ１及びＣ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ｃ（１１６）が設けられ、前記パイプＤ（１１２）中の１か所に、前記カソード流路の重力方向略下側の端から燃料回収タンクへ通じる流通路Ｄ１と、前記カソード流路の重力方向略下側の端から送風機構との配管を切断／接続することが可能な配管切断／接続可能機構Ｄ（１１７）へ通じる流通路Ｄ２とを確保し、前記流通路Ｄ１及びＤ２を切り替えることが可能な三叉の流路制御弁Ｄ（１１８）が設けられ、送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃ（１１５）から切断することで、送風機構以外の相対的位置関係を上下反転することができる反転機構を備え、前記パイプＥ（１１３）が前記燃料供給パイプと、前記パイプＤ（１１２）及び前記パイプＦ（１１４）が前記燃料回収パイプとなり、且つ、送風機構から前記パイプＣ（１１１）を通じて酸化剤ガスが前記カソード流路に供給されるように、前記三叉の流路制御弁Ｃ（１１６）及びＤ（１１８）を切り替えることで発電が行われ、送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｃ（１１５）から切断した後、前記反転機構を用いて送風機構以外の相対的位置関係を上下反転し、送風機構を前記配管切断／接続可能機構Ｄ（１１７）と接続することによって、２つの前記タンク同士の役割、前記パイプＣ（１１１）とＤ（１１２）との間の役割、前記パイプＥ（１１３）とＦ（１１４）との間の役割、前記三叉の流路制御弁Ｃ（１１６）とＤ（１１８）との間の役割、前記流通路Ｃ１とＤ１との間の役割、前記流通路Ｃ２とＤ２との間の役割、前記配管切断／接続可能機構Ｃ（１１５）とＤ（１１７）との間の役割がそれぞれ交換されるという構成をとることができる。
なお、図１５（ａ）は送風機構以外の位置関係を上下反転する前を示した第２の変形例の模式図であり、図１５（ｂ）は送風機構以外の位置関係を上下反転した後を示した第２の変形例の模式図である。図１５（ａ）で希釈燃料タンクとして用いたタンクＡ、及び燃料回収タンクとして用いたタンクＢは、図１５（ｂ）においては反転後に、２つのタンク同士の役割を交換している。
【００７９】
このような構成の第２の燃料電池システムは、第１回発電終了時に送風機構を配管切断／接続可能機構Ｃから切断した後、反転機構を用いて送風機構以外の相対的位置関係を上下反転し、送風機構を配管切断／接続可能機構Ｄと接続することによって、第２回発電を開始することができる。
【００８０】
このような構成の第２の燃料電池システムは、希釈燃料タンク内の希釈燃料がアノード流路に流入するように希釈燃料タンクの位置を燃料電池の重力方向略上方に設置し、燃料電池から排出された水及び未反応燃料が燃料回収タンクへ流入するように燃料回収タンクの位置を燃料電池の重力方向略下方に設置することにより、重力の作用のみで、燃料電池への希釈燃料の供給、燃料電池から排出される水及び未反応燃料の回収を行うことができ、第１回発電を行うことができる。また本第２の燃料電池システムは、希釈燃料タンク内の燃料が空になるか、又は燃料回収タンクが満杯になるかのいずれかの時点において、希釈燃料タンクを新たに燃料回収タンクとして燃料電池の重力方向下方に位置を変え、且つ、燃料回収タンクを新たに希釈燃料タンクとして燃料電池の重力方向上方に位置を変えるタンク切り替え手段を用いることにより、２つの前記タンク同士の役割を交換し、第１回発電と同様に第２回発電を開始することができる。このように本第２の燃料電池システムは、第１回発電によって希釈燃料タンク内の希釈燃料が消費されても、回収された希釈燃料によって第２回発電を行うことができ、発電時及び燃料補充時の両方において新たに送液のためのコンプレッサー等を設置する必要が無く、発電効率の向上及び燃料電池システムの省スペース化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図である。
【図２】本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図であり、希釈燃料タンクの重力方向略上方に、水を有する水タンクと燃料を有する燃料タンクとが設置されている様子を示した図である。
【図３】本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図であり、前記送液パイプ及び前記送風パイプの少なくとも一方の管径よりも小さい管径を有する細管を燃料回収機構として用いた様子を示した図である。
【図４】本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図であり、シリンダー状タンク４２を燃料回収機構として用いた様子を示した図である。
【図５】本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図であり、燃料回収機構の送液部が、第５の送液パイプによって希釈燃料タンクと直接接続された様子を示した図である。
【図６】図５において、主に発電に関与する領域５１及び主に燃料補充に関与する領域５２を、それぞれ点線で囲った枠で示した模式図である。
【図７】本発明の第１の燃料電池システムを示した模式図であり、第２の送液パイプ２中の１か所に、第２の三叉の流路制御弁６１が設けられている様子を示した図である。
【図８】本発明の第１の燃料電池システムの典型例を示した模式図である。
【図９】本発明の第１の燃料電池システムの第２の典型例を示した模式図である。
【図１０】本発明の第１の燃料電池システムの変形例を示した模式図である。
【図１１】本発明の第１の燃料電池システムの第２の変形例を示した模式図である。
【図１２】本発明の第２の燃料電池システムを示した模式図である。
【図１３】本発明の第２の燃料電池システムの典型例を示した模式図である。
【図１４】本発明の第２の燃料電池システムの変形例を示した模式図である。
【図１５】本発明の第２の燃料電池システムの第２の変形例を示した模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…第１の送液パイプ
２…第２の送液パイプ
３…第３の送液パイプ
４…第４の送液パイプ
５…第５の送液パイプ
６…第１の送風パイプ
７…第２の送風パイプ
１０…重力方向を示す矢印
１１…脱気弁
１２…脱気弁
１３…送液部
２１…第６の送液パイプ
２２…第７の送液パイプ
２３…第２の流量制御弁
２４…第３の流量制御弁
３１…螺旋状の細管
３１ａ…細管の一方の端
３１ｂ…細管の他の一方の端
３２…第１の三叉の流路制御弁
３３…蛇行状の細管
３３ａ…細管の一方の端
３３ｂ…細管の他の一方の端
４１…可動式気密弁
４２…シリンダー状タンク
４３…第１の流量制御弁
４４…脱気弁
５１…主に発電に関与する領域
５２…主に燃料補充に関与する領域
６１…第２の三叉の流路制御弁
７１…液量制御弁
８０…重力方向を示す矢印
８１…燃料供給パイプ
８２…脱気弁
８３…燃料回収パイプ
８４…風量制御弁
９１…送液パイプＡ
９２…三叉の流路制御弁Ａ
９３…送液パイプＢ
９４…四叉の流路制御弁Ｂ
９５…流量制御弁
１０１…配管切断／接続可能機構Ａ
１０２…配管切断／接続可能機構Ｂ
１１１…パイプＣ
１１２…パイプＤ
１１３…パイプＥ
１１４…パイプＦ
１１５…配管切断／接続可能機構Ｃ
１１６…三叉の流路制御弁Ｃ
１１７…配管切断／接続可能機構Ｄ
１１８…三叉の流路制御弁Ｄ
１０００…第１の燃料電池システム
２０００…第２の燃料電池システム
【図１】
2009176425.tif 000003
【図２】
2009176425.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009176425.tif 000007
【図６】
2009176425.tif 000008
【図７】
2009176425.tif 000009
【図８】
2009176425.tif 000010
【図９】
2009176425.tif 000011
【図１０】
2009176425.tif 000012
【図１１】
2009176425.tif 000013
【図１２】
2009176425.tif 000014
【図１３】
2009176425.tif 000015
【図１４】
2009176425.tif 000016
【図１５】
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