(57)【要約】【課題】本発明は、水に溶け込み易い有害物質を効果的に除去し得る燃料電池システムを実現することを目的としている。【解決手段】このため、燃料電池スタックと高濃度の液体燃料用第１タンクと希釈用第２タンクと水用第３タンクとを備えた燃料電池システムにおいて、第２タンク液面上部と第３タンク水面下部を接続する第１接続管を設け、第３タンク水面下部と第２タンク液面上部を接続する第２接続管を設け、カソード排出側と第３タンク水面上部を接続する第３接続管を設け、アノード及びカソードからのガスの排出口を第３タンクに設け、第３タンクは、第１、第２接続管が接続された水平部と、水平部上面の一部から上方に延び、かつ第３接続管と排出口とが接続された垂直部とを備え、第３タンク水面を常時水平部上面より高い位置に維持する維持制御手段を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込むことにより構成された燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１タンクと、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２タンクと、この第２タンクに供給するための水を貯蔵する第３タンクとを備え、前記アノードに対して前記第２タンクで希釈された液体燃料を供給し、かつ前記カソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システムにおいて、前記第２タンクの液面よりも上部と前記第３タンクの水面よりも下部とを接続し、前記第２タンク内のガス成分を前記第３タンク内に収容される水によりバブリングする第１接続管を設け、前記第３タンクの水面よりも下部と前記第２タンクの液面よりも上部とを接続し、前記第３タンク内に収容されている水を第２タンク内に圧送する第２接続管を設け、前記カソードの排出側と第３タンクの水面よりも上部とを接続し、前記カソードから排出されたガスを前記第３タンク内に排出する第３接続管を設け、前記アノード及び前記カソードから排出されたガスが排出される排出口を前記第３タンクに設け、この第３タンクは、前記第１接続管と第２接続管とが接続された水平部と、この水平部上面の一部から上方に延び、かつ前記第３接続管と前記排出口とが接続された垂直部とを備え、前記第３タンクの水面を常時前記水平部の上面より高い位置に維持する維持制御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２】
前記維持制御手段は、前記垂直部に水面の位置を検出する液面検出手段を備え、この液面検出手段により検出された液面位置が、前記水平部の上面よりも高い位置に維持できるように制御していることを特徴とする請求項１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】
この発明は燃料電池システムに係り、特にメタノールやギ酸、ホルムアルデヒド等の水に溶け込み易い有害物質の除去を図る燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの移動体には、燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１タンクと、高濃度の液体燃料を希釈する第２タンクと、この第２タンクに供給するための水を貯蔵する第３タンクと、燃料電池スタックと、を備えた燃料電池システムを搭載しているものがある。
そして、液体燃料を使用する燃料電池システムにおいて、液体燃料としては、一般にメタノールなどの揮発性の低級アルコールが用いられるため、環境中に放出させないことが好ましい。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７４８４１７号公報
【特許文献２】特開２００７−２９４２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の燃料電池システムにおいて、上述の特許文献１には、直接型メタノール燃料電池システムから系外へと排出される有害物質（例えば、反応副生成物や揮発メタノールなど）を回収し、再利用する技術が開示されている。
つまり、上述の特許文献１においては、カソード出口からの排出物及び、二酸化炭素排出のための配管をカソード回収容器の液面以下に導入し、気液接触させることで、生成水中に有害成分を溶かして回収し、燃料として再利用する、というものである。
しかし、上述の特許文献１では、カソード回収容器（例えば、水タンクが該当する。）の具体的な形状や、気泡の出口位置については何ら言及されていないため、気泡出口位置や水位によっては、気液接触時間が短く、ほとんど回収水中に有害物質を溶かし出すことができないという不都合がある。
【０００５】
また、上述の特許文献１において、特許請求の範囲の請求項４には、効果的に有害物質を回収水内に溶かし出す技術として、気液分離膜を用いる技術が開示されている。
しかし、容器構成部品が増加する上、仕切り板が両壁を滑らかに稼働可能、かつ気体の密閉性という要求が新たに浮上し、燃料電池システムのコストアップを招きかねないという不都合がある。
【０００６】
この発明の目的は、水に溶け込み易い有害物質を効果的に除去し得る燃料電池システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込むことにより構成された燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１タンクと、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２タンクと、この第２タンクに供給するための水を貯蔵する第３タンクとを備え、前記アノードに対して前記第２タンクで希釈された液体燃料を供給し、かつ前記カソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システムにおいて、前記第２タンクの液面よりも上部と前記第３タンクの水面よりも下部とを接続し、前記第２タンク内のガス成分を前記第３タンク内に収容される水によりバブリングする第１接続管を設け、前記第３タンクの水面よりも下部と前記第２タンクの液面よりも上部とを接続し、前記第３タンク内に収容されている水を第２タンク内に圧送する第２接続管を設け、前記カソードの排出側と第３タンクの水面よりも上部とを接続し、前記カソードから排出されたガスを前記第３タンク内に排出する第３接続管を設け、前記アノード及び前記カソードから排出されたガスが排出される排出口を前記第３タンクに設け、この第３タンクは、前記第１接続管と第２接続管とが接続された水平部と、この水平部上面の一部から上方に延び、かつ前記第３接続管と前記排出口とが接続された垂直部とを備え、前記第３タンクの水面を常時前記水平部の上面より高い位置に維持する維持制御手段を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上詳細に説明した如くこの発明によれば、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込むことにより構成された燃料電池スタックと、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１タンクと、高濃度の液体燃料を希釈する第２タンクと、第２タンクに供給するための水を貯蔵する第３タンクとを備え、アノードに対して第２タンクで希釈された液体燃料を供給し、かつカソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システムにおいて、第２タンクの液面よりも上部と第３タンクの水面よりも下部とを接続し、第２タンク内のガス成分を第３タンク内に収容される水によりバブリングする第１接続管を設け、第３タンクの水面よりも下部と第２タンクの液面よりも上部とを接続し、第３タンク内に収容されている水を第２タンク内に圧送する第２接続管を設け、カソードの排出側と第３タンクの水面よりも上部とを接続し、カソードから排出されたガスを第３タンク内に排出する第３接続管を設け、アノード及びカソードから排出されたガスが排出される排出口を第３タンクに設け、第３タンクは、第１接続管と第２接続管とが接続された水平部と、水平部上面の一部から上方に延び、かつ第３接続管と排出口とが接続された垂直部とを備え、第３タンクの水面を常時水平部の上面より高い位置に維持する維持制御手段を備えている。
従って、アノードから排出される排出ガスが、必ず、第３タンク（「水タンク」ともいう。）の水平方向に長く伸びる水平部内を通過するようなシステムを構築しているので、水に溶け込み易い有害物質（メタノール、ギ酸、ホルムアルデヒド等）を効果的に除去することが可能である。
さらに、メタノール等の燃料として再利用できる物質を確実に水に溶け込ませることができるため、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００１０】
図１及び図２はこの発明の実施例を示すものである。
図２において、１は燃料電池システムである。
この燃料電池システム１は、図２に示す如く、燃料電池スタック２と、第１タンク３と、第２タンク４と、第３タンク５とを備えている。
【００１１】
このとき、前記燃料電池スタック２は、アノード（図示せず）とカソード（図示せず）との間に電解質膜（図示せず）を挟み込んだ燃料電池セルを積層することにより構成される。
そして、前記燃料電池スタック２に空気供給管６を接続し、この空気供給管６途中に上流側からエアフィルタ７とコンプレッサ８とを順次配設して、前記燃料電池スタック２のカソードに空気を供給する。
また、前記第１タンク３は、高濃度の液体燃料を貯蔵する燃料タンクとして機能するものである。
そして、この第１タンク３に第１燃料管９を介して前記第２タンク４を接続する一方、前記第１燃料管９途中には前記第１タンク３内の高濃度の液体燃料を前記第２タンク４に圧送するための燃料ポンプ１０を配設する。
更に、前記第２タンク４は、前記第１タンク３内に貯蔵される高濃度の液体燃料を希釈するための希釈タンクとして機能するものである。
そして、この第２タンク４に、第２燃料管１１及び第３燃料管１２を介して前記燃料電池スタック２のアノードを接続する。
このとき、前記第２燃料管１１は、第２タンク４内の希釈された液体燃料を燃料電池スタック２のアノードに供給するものであり、第２燃料管１１途中には、第２タンク４側から燃料フィルタ１３と循環ポンプ１４とを順次配設する。
前記第３燃料管１２は、前記燃料電池スタック２のアノードに供給された液体燃料の戻り管として機能するものであり、この第３燃料管１２途中に熱交換器１５を配設する一方、この熱交換器１５の近傍には冷却ファン１６を配設する。
前記第２タンク４には、この第２タンク４内のメタノール水溶液濃度を検出して監視するメタノール濃度センサ１７を設ける。
更にまた、前記第３タンク５は、前記第２タンク４に供給するための水を貯蔵する水タンクとして機能するものである。
【００１２】
そして、図２に示す如く、前記第２タンク４の液面４Ｌｆよりも上部と前記第３タンク５の水面５Ｗｆよりも下部とを接続し、前記第２タンク４内のガス成分を前記第３タンク３内に収容される水によりバブリングする第１接続管１８を設ける。
この第１接続管１８は、前記燃料電池スタック２のアノード排出ガス配管として機能するものである。
また、前記第３タンク５の水面５Ｗｆよりも下部と前記第２タンク４の液面４Ｌｆよりも上部とを接続し、前記第３タンク５内に収容されている水を第２タンク４内に圧送する第２接続管１９を設ける。
このとき、この第２接続管１９途中には水を圧送するための水ポンプ２０を配設する。
更に、前記燃料電池スタック２のカソードの排出側と第３タンク５の水面５Ｗｆよりも上部とを接続し、前記燃料電池スタック２のカソードから排出されたガスを前記第３タンク５内に排出する第３接続管２１を設ける。
この第３接続管２１は、前記燃料電池スタック２のカソード排出ガス配管として機能するものであり、第３接続管２０途中に熱交換器２２を配設する一方、この熱交換器２２の近傍には冷却ファン２３を配設する。
更にまた、前記第３タンク５の水面５Ｗｆよりも上部には、燃料電池排ガス配管２４を設ける一方、この燃料電池排ガス配管２４途中には排ガス浄化器２５を設ける。
【００１３】
ここで、前記燃料電池システム１について説明する。
この燃料電池システム１は、前記燃料電池スタック２に希釈された液体燃料と空気とを送り込むことにより電力が発生する。
前記燃料電池システム１の燃料系においては、前記第１タンク３内に貯蔵される高濃度の液体燃料（例えば、５０％水溶液）を、燃料ポンプ１０で第１燃料管９を利用して前記第２タンク４に圧送する。
そして、この第２タンク４内で高濃度の液体燃料を最適濃度まで希釈した後、前記第２燃料管１１途中の燃料フィルタ１３にて不純物が除去され、循環ポンプ１４にて前記燃料電池スタック２の負極であるアノードに送り込む方式である。
前記燃料電池スタック２の出力特性は、液体燃料の濃度に大きく影響し、高すぎても低すぎても不具合が生ずるため、前記第２タンク４に配設したメタノール濃度センサ１７にて第２タンク４内のメタノール水溶液濃度を監視し、メタノール濃度センサ１７からの情報によって前記燃料ポンプ１０と前記水ポンプ２０との駆動状態を制御し、常に最適濃度になるように調整している。
【００１４】
また、ダイレクトメタノール型の前記燃料電池システム１の場合には、液体燃料を使用しているため、液体燃料自身が前記燃料電池スタック２の冷却水を兼ねている。
このため、燃料電池スタック２の負極であるアノード出口から排出される未反応燃料と発電反応により発生するアノード排出ガス（主に二酸化炭素）を前記熱交換器１５に導入し、この熱交換器１５に冷却ファン１６の風を当てることで、最適温度にまでアノード出口燃料温度を低下させる。
このような方式とすることで、前記燃料電池スタック２の温度を最適に制御することができる。
その後、アノード排出ガスは、前記第２タンク４に戻され、未反応燃料は液体燃料として再利用される一方、アノード排出ガスは前記の第１接続管１８を経て、前記第３タンク５内に導入される。
【００１５】
更に、前記燃料電池システム１の空気系においては、前記空気供給管６に導入された空気中の不純物を前記エアフィルタ７で取り除き、前記コンプレッサ８にて前記燃料電池スタック２の正極であるカソードへと空気が供給される。
このとき、前記燃料電池スタック２の正極であるカソード出口からは未反応の空気と発電反応により生成された水が多量に混入され排出される。
【００１６】
ここで、前記燃料電池スタック２の最適運転温度は、７０度〜８０度程度と比較的高いため、生成水の多くは水蒸気の状態をとっている。
前記第２タンク４にて燃料を希釈するためには、カソード生成水を前記第３タンク５に貯蔵する必要があり、そのため前記燃料電池スタック２の正極であるカソード出口からのカソード排出ガスを前記熱交換器２２に通し、この熱交換器２２に冷却ファン２３の風を当てることでカソード排出ガスを冷却し、水蒸気を凝集させ生成水の回収率を高めている。
そして、前記第１接続管１８を通って排出される二酸化炭素とカソード排出ガスは前記第３タンク５内で混合され、前記排ガス浄化器（例えば触媒）２５で有害成分を浄化した後、前記燃料電池排ガス配管２４を介してシステム系外へと排出される。
【００１７】
なお、上記のアノード排出ガスの成分は、主として二酸化炭素やメタノール、ギ酸、ホルムアルデヒドなどである。
そして、メタノールやギ酸、ホルムアルデヒドは人体に有害であるため、できるだけ除去してシステム系外へ排出することが望ましい。
また、これらの物質は前記燃料電池システム１の燃料として利用できるため、効率向上の観点から燃料として再利用すべきである。
【００１８】
前記燃料電池システム１においては、前記第３タンク５に前記アノードから排出されたガスが排出されるアノード排出口２６を及び前記カソードから排出されたガスが排出されるカソード排出口２７を設け、前記第３タンク５は、前記第１接続管１８と第２接続管１９とが接続された水平部２８と、この水平部２８の上面２８ｔの一部から上方に延び、かつ前記第３接続管２１と前記カソード排出口２７とが接続された垂直部２９とを備え、前記第３タンク５の水面５Ｗｆを常時前記水平部２８の上面２８ｔより高い位置に維持する維持制御手段３０を備えている。
詳述すれば、前記第３タンク５は、図１に示す如く、前記水平部２８と、この水平部２８上面２８ｔの一部、例えば一端側（図１において左側）から上方に延びる垂直部２９とを備えている。つまり、前記第３タンク５を、例えばＬ字形状とする。なお、この第３タンク５の形状に関しては、水に溶け込み易い有害物質を効果的に除去し得るという効果を奏することの可能な形状であれば、任意の形状とすることが可能である。
このとき、前記第３タンク５の前記水平部２８の他端側に前記第１接続管１８が接続されるアノード排出口２６が形成される一方、水平部２８の一端側には前記第２接続管１９に接続するカソード生成水出口３１が形成される。なお、前記アノード排出口２６の形成位置としては、前記垂直部２９から最も離間する位置であればよく、アノード排出口２６を水平部２８の上面部位や下面部位に形成することも可能である。また、前記カソード生成水出口３１の形成位置は、前記第３タンク５の水面５Ｗｆ下であれば、形成位置は任意である。
また、前記第３タンク５の前記垂直部２９においては、図１に示す如く、前記第３タンク５の水面５Ｗｆよりも上部位置に前記第３接続管２１が接続されるカソード排出口２７が形成される一方、垂直部２９の上端、つまりカソード排出口２７よりも高い位置には前記燃料電池排ガス配管２４に接続する燃料電池排ガス出口３２が形成される。
よって、アノードから排出される排出ガスが、必ず、第３タンク５の水平方向に長く伸びる水平部２８内を通過するようなシステムを構築しているので、水に溶け込み易い有害物質（メタノール、ギ酸、ホルムアルデヒド等）を効果的に除去すること可能とある。
【００１９】
また、前記維持制御手段３０は、前記垂直部２９に水面５Ｗｆの位置を検出する液面検出手段３３を備え、この液面検出手段３３により検出された液面位置が、前記水平部２８の上面２８ｔよりも高い位置に維持できるように制御している。
つまり、前記維持制御手段３０の液面検出手段３３は、図１に示す如く、前記垂直部２９にこの垂直部２９の底部近傍から上端まで垂直方向に延びる液面センサ３４とこの液面センサ３４に取り付けられる液面検知部３５とを備えている。
そして、前記維持制御手段３０の液面検出手段３３は、前記垂直部２９に水面５Ｗｆの位置を検出し、この液面検出手段３３からの液面位置情報を利用して、前記水ポンプ２０の吸い上げ量と前記冷却ファン２３の回転制御による生成水凝集量とを制御することで、液面が前記水平部２８の上面２８ｔの高さを下回らないように、つまり、水平部２８の上面２８ｔよりも高い位置に維持できるように制御している。
更に、前記アノード排出口２６を前記水平部２８に配置し、かつ、液面位置を水平部２８の上面２８ｔよりも高い位置に維持できるように制御することで、図１に示す如く、アノード排出口２６からのアノード排出ガスＡＧはカソード生成水ＫＷと確実かつ長時間接触する。
このとき、アノード排出ガスＡＧに含まれる有害物質であるメタノールやギ酸、ホルムアルデヒドは水に溶け易く、水に長い時間接するほど、水中に溶け込む割合が多くなるため、前記第３タンク５による有害物質の除去が効果的に行われる。
また、前記液面検出手段３３が、前記第３タンク５の垂直部２９に設けられているので、前記アノード排出ガスによる気泡の影響を受け難い。これにより、検出データの信頼性を向上させることができるとともに、この検出データを基にした前記維持制御手段の精度を高めることが可能とある。
【００２０】
これにより、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込むことにより構成された燃料電池スタック２と、高濃度の液体燃料を貯蔵する第１タンク３と、前記高濃度の液体燃料を希釈する第２タンク４と、この第２タンク４に供給するための水を貯蔵する第３タンク５とを備え、前記アノードに対して前記第２タンク４で希釈された液体燃料を供給し、かつ前記カソードに対して空気を供給することにより発電する燃料電池システム１において、前記第２タンク４の液面４Ｌｆよりも上部と前記第３タンク５の水面５Ｗｆよりも下部とを接続し、前記第２タンク４内のガス成分を前記第３タンク５内に収容される水によりバブリングする第１接続管１８を設け、前記第３タンク５の水面５Ｗｆよりも下部と前記第２タンク４の液面４Ｌｆよりも上部とを接続し、前記第３タンク５内に収容されている水を第２タンク４内に圧送する第２接続管１９を設け、前記カソードの排出側と第３タンク５の水面５Ｗｆよりも上部とを接続し、前記カソードから排出されたガスを前記第３タンク５内に排出する第３接続管２１を設け、前記アノード及び前記カソードから排出されたガスが排出される排出口を前記第３タンク５に設け、この第３タンク５は、前記第１接続管１８と第２接続管１９とが接続された水平部２８と、この水平部２８の上面２８ｔの一部から上方に延び、かつ前記第３接続管２１と前記排出口とが接続された垂直部２９とを備え、前記第３タンク５の水面５Ｗｆを常時前記水平部２８の上面２８ｔより高い位置に維持する維持制御手段３０を備えている。
従って、アノードから排出される排出ガスが、必ず、第３タンク（「水タンク」ともいう。）５の水平方向に長く伸びる水平部内を通過するようなシステムを構築しているので、水に溶け込み易い有害物質（メタノール、ギ酸、ホルムアルデヒド等）を効果的に除去すること可能である。
さらに、メタノール等の燃料として再利用できる物質を確実に水に溶け込ませることができるため、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【００２１】
また、前記維持制御手段３０は、前記垂直部２９に水面の位置を検出する液面検出手段３３を備え、この液面検出手段３３により検出された液面位置が、前記水平部２８の上面２８ｔよりも高い位置に維持できるように制御している。
従って、前記液面検出手段３３が、前記第３タンク（「水タンク」ともいう。）５の垂直部２９に設けられているので、前記アノード排出ガスによる気泡の影響を受け難い。
これにより、検出データの信頼性を向上させることができる。
そして、この検出データを基にした前記維持制御手段３０の精度を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の実施例を示す水を貯蔵する第３タンクの概略拡大説明図である。
【図２】燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  第１タンク
４  第２タンク
４Ｌｆ  液面
５  第３タンク
５Ｗｆ  水面
６  空気供給管
９  第１燃料管
１１  第２燃料管
１２  第３燃料管
１７  メタノール濃度センサ
１８  第１接続管
１９  第２接続管
２１  第３接続管
２４  燃料電池排ガス配管
２５  排ガス浄化器
２６  アノード排出口
２７  カソード排出口
２８  水平部
２８ｔ  上面
２９  垂直部
３０  維持制御手段
３１  カソード生成水出口
３２  燃料電池排ガス出口
３３  液面検出手段
【図１】
2009238675.tif 000003
【図２】
2009238675.tif 000004