JP2013137940A - 直接メタノール型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の一部として再利用する凝縮水の安定した確保、さらには燃費の向上やシステムの小型化を図った直接メタノール型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】スタック３と、アノード５にメタノールを供給する燃料供給器１３と、カソード４に空気を供給する空気供給器７と、メタノールを貯蔵する燃料タンク１２と、アノード５から排出される燃料排液を冷却する第１熱交換器８と、カソード４から排出される排ガスを冷却し凝縮水を得る第２熱交換器９と、燃料供給器１３に連通し燃料排液と凝縮水の混合液から成る循環水を貯蔵する循環水タンク１０と、第１熱交換器８を冷却する冷却装置１７と、凝縮水量をコントロールするため、冷却装置１７の冷却能力を制御するＥＣＵ１６と、全体構成を内包する筐体２と、で構成され、第２熱交換器９の冷媒として、第１熱交換器８により冷却された燃料排液を利用する直接メタノール型燃料電池システム１。
【選択図】図１

Description

本発明は、直接メタノール型燃料電池システムに係り、具体的には燃料の一部として再利用する凝縮水の安定した確保、さらには燃費の向上やシステムの小型化に関する。

直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）などの固体高分子型燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層したスタックを有する。各単セルは、アノードとカソードの間に固体高分子電解質膜を挟み込んだ構成を有し、アノードおよびカソードは、ともに触媒層および拡散層を含んでおり、アノードには燃料としてメタノール水溶液を供給し、カソードには酸化剤である空気を供給する。

ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでの電気化学反応を、下記反応式（１）および（２）にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。

アノード： ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）
カソード： （３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ （２）
ＤＭＦＣにおいて、燃料として供給されるメタノール水溶液の濃度を一定に保つ事は安定した発電を実現するために重要である。

また、比較的濃度の低いメタノール水溶液で動作させるＤＭＦＣにおいては、燃料タンクの容量を小さくしシステム全体の小型化を図るために、カソードから排出される水蒸気を熱交換器によって凝縮して得た回収水を燃料の一部として再利用する手段が知られている。

例えば特許文献１および特許文献２には液体燃料を熱交換冷媒として使用し、カソード排出ガスを冷却して凝縮水を得る技術が開示されている。

特開２００４−１４６３７０号公報 特開昭５７−１９９７３号公報

しかしながら、特許文献１に示される構造では、冷媒として使用する混合タンク内の液体燃料を冷却する手段が何ら開示されておらず、熱交換によって高温となった燃料が循環し発電に伴う発熱により更に高温化する。これによりカソード排出ガスの冷却性が低下するという悪循環を招き、結果的に凝縮水の不足による混合タンク内燃料の枯渇を引き起こす可能性がある。当該システムにおいてこれを改善するためには燃料タンクからの比較的低温の燃料供給量を増大して混合タンク内の燃料温度を下げる必要があり、燃料タンク及び混合タンクの容量が大きくなったり、燃費が著しく低下する。

一方、特許文献２においては、カソード排ガスの凝縮水を燃料の一部として再利用する構造となっておらず、燃費の低下やシステム体積の増大を引き起こす。

本発明は、燃料の一部として再利用する凝縮水の安定した確保、さらには燃費の向上やシステムの小型化を目的とする。

本発明の直接メタノール型燃料電池システムは、アノードとカソードの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池単セルを複数積層したスタックと、アノードに燃料であるメタノールを供給する燃料供給器と、カソードに酸化剤である空気を供給する空気供給器と、メタノールを貯蔵する燃料タンクと、アノードから排出される燃料排液を冷却する第１熱交換器と、カソードから排出される排ガスを冷却し凝縮水を得る第２熱交換器と、燃料排液と凝縮水の混合液から成る循環水を貯蔵する循環水タンクと、第１熱交換器を冷却する冷却装置と、凝縮水量をコントロールするため、冷却装置の冷却能力を制御するＥＣＵと、全体構成を内包する筐体と、から構成され、第２熱交換器の冷媒として、第１熱交換器により冷却された燃料排液を利用する事を特徴とした直接メタノール型燃料電池システムに関する。

本発明の直接メタノール型燃料電池システムは、特許文献１のように冷媒である液体燃料が循環発電により高温化する構造や、また特許文献２のように凝縮水を再利用しない構造とは異なり、常に冷却された燃料排液を冷媒として凝縮水を得るので、カソード排ガスの冷却性が低下することがなく、安定した凝縮水の回収が可能となる。また、冷却装置の冷却能力を制御し凝縮水量をコントロールするので循環水量を一定範囲内に保つことができ、循環水を安定して再利用することが可能となるので燃費が向上し、燃料タンクの容量も小さくでき、システム全体の小型化が可能となる。

本発明によれば、燃料の一部として再利用する凝縮水の安定した確保、さらには燃費の向上やシステムの小型化を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態１に含まれる第２熱交換器の流路断面図 本発明の実施の形態１に含まれる第２熱交換器の外観図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態３に含まれる第２熱交換器の断面構造図

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

まず図１を参照して本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１は全体構成を内包する筐体２を備えており、この筐体２内にはスタック３を備えている。スタック３はアノード５とカソード４の間に固体高分子電解質膜６を挟み込んだ構成を有し、アノード５およびカソード４は、ともに触媒層および拡散層を含んでいる。なお実際のスタックにおいては大出力を得るためアノード、カソード、固体高分子電解質膜から構成される単セルを複数積層した構成を有するが、ここでは簡略化のため単セル形態で図示する。

アノード５には燃料供給器１３から燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード４には空気供給器７により酸化剤である空気が供給される。

アノード５からは前記反応式（１）により二酸化炭素と未反応のメタノール水溶液が燃料排液として排出される。一方、カソード４からは前記反応式（２）により生成水と空気がカソード排ガスとして排出される。この時、両排出物は電気化学反応による発熱により
高温となっている。

アノード５から排出された燃料排液は、第１熱交換器８によって冷却される。第１熱交換器８における冷媒は例えば空気であり、この場合、冷却装置１７として送風ファンが好適に使用でき、送風ファンよってシステム外の空気を取り込む。

一方、カソード４から排出されたカソード排ガスは、高温高湿の水蒸気状態で第２熱交換器９に送られ、第１熱交換器８によって冷やされた燃料排液を冷媒とした熱交換により凝縮水が得られる。

こうして得られた凝縮水と燃料排液は循環水タンク１０に貯蔵される。循環水タンク１０の周囲にはタンク内水位を検知する水位センサ１１を備え、検知した水位によりＥＣＵ１６により冷却装置１７の冷却能力を制御する事によって燃料排液の冷却温度を可変し、第２熱交換器９での凝縮水量をコントロールし循環水タンク１０内の循環水量を一定範囲内に保つことが可能となる。具体的には冷却装置１７に送風ファンを使用する場合、送風ファンの回転数を制御すればよい。

水位センサ１１としては電極式水位センサや圧力センサなどが利用できる。

また、熱交換により凝縮されなかった余剰水蒸気や、燃料排液中に含まれる二酸化炭素は循環水タンク１０上部の開口部より筐体２の外へと放出される。（一点鎖線矢印１９参照）
さらに循環水は燃料の一部として再利用するため第１燃料ポンプ１４によって吸引され、燃料タンク１２から第２燃料ポンプ１５によって吸引された比較的濃度の高いメタノール水溶液と混合されてアノード５へと循環供給される。

以上のように、本発明の直接メタノール型燃料電池システムによれば、常に冷却された燃料排液を冷媒として凝縮水を得るので、カソード排ガスの冷却性が低下することがなく、安定した凝縮水の回収が可能となる。また、循環水タンク水位によって冷却装置の冷却能力を制御し凝縮水量をコントロールするので循環水量を一定範囲内に保つことができ、循環水を安定して再利用することが可能となるので燃費が向上し、燃料タンクの容量も小さくでき、システム全体の小型化が可能となる。

なお、第１燃料ポンプ１４とアノード５の間にはイオン交換器１８を備え、メタノール水溶液中に溶出した金属カチオンなどの不純物をイオン交換する事が長期的に安定した発電を得るために望ましい。

次に図２と図３を用いて本発明の一実施形態（実施の形態１）に含まれる第２熱交換器の詳細を説明する。

図２は本発明の実施の形態１に含まれる第２熱交換器９の流路断面図である。流路の断面は二重管構造となっており、本実施例においては第２熱交換器の外管９ａに冷媒である燃料排液を導通し、第２熱交換器の内管９ｂにカソード排ガスを導通した。これは断面積の大きい第２熱交換器の外管９ａに冷媒を導通することにより熱交換効率を高めるためであり、必要とする熱交換性能によってはこの限りではない。

また図３の如く、第２熱交換器９の外観は螺旋形状を有している。これは省スペースながら流路長を長く確保でき、高い熱交換性能を発揮しつつ、システム全体を小型化するために有効である。

なお、図３中の矢印は流体の流れ方向を示し、実線矢印はカソード排ガスの流れ、破線矢印は冷媒である燃料排液の流れを示す。

次に図４を用いて本発明の他の実施形態（実施の形態２）に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。実施の形態１とは凝縮水量をコントロールするために、温度センサを用いる点のみ異なる。

実施の形態２においては、循環水タンク１０内に設けた温度センサ１１ａによって、第２熱交換器９で凝縮済みのカソード排気温度を検出し、この温度によって決定される水の蒸発量とカソード排ガスからの凝縮水量とのバランスを一定に保つような温度となるよう冷却装置の冷却性能を決定する。

具体的には、本発明のスタックの発電時の温度は７０℃で安定しているので、スタックから排出される燃料排液及びカソード排ガスともに温度は７０℃である。この時、第２熱交換器９によってカソード排ガスを４５℃に冷却する事によって水の蒸発量と凝縮水量のバランスが取れ、タンク内水位が安定する事を確認しているので、循環水タンク内の温度が４５℃になるように第１熱交換器８での燃料排液の冷却度合いを冷却装置１７によって制御すればよい。また、冷却後のカソード排ガスの温度はシステム外に放出されるガス温度とほぼ一致するので、４５℃まで冷却することによりユーザーが放出ガスに触れた場合でも火傷をする心配が無くシステムとしての安全性を確保することが出来る。

以上の様に実施の形態２においても、安定した凝縮水の回収が可能となるので前記実施の形態１と同様の効果が得られる。

次に図５、図６を参照して本発明の他の実施の形態（実施の形態３）に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。図５において実施の形態１とは第２熱交換器の構造のみ異なる。

実施の形態３における第２熱交換器２０は、図６のように冷媒である燃料排液を貯蔵する第２熱交換器のタンク部２０ａと、カソード排ガスを導通する第２熱交換器の熱交換配管部２０ｂと、から構成される。第２熱交換器の熱交換配管部２０ｂは蛇行形状を有し、燃料排液中に浸漬される。導通されたカソード排ガス（高温水蒸気）は、第２熱交換器のタンク部２０ａに貯蔵された低温の燃料排液によって熱交換され凝縮水を得る。燃料排液に含まれる二酸化炭素は第２熱交換器のタンク部２０ａの上部の開口部より筐体２の外部へと放出される（一点鎖線矢印１９参照）。

なお、図６中の矢印は流体の流れ方向を示し、実線矢印はカソード排ガスの流れ、破線矢印は冷媒である燃料排液の流れを示す。

また本実施例において第２熱交換器の熱交換配管部２０ｂは蛇行形状としたが、螺旋形状とする事も可能である。

以上のように、本発明の実施の形態３においても常に冷却された燃料排液を冷媒として凝縮水を得るので、前記実施の形態１及び２と同様の効果が得られる。

本発明の直接メタノール型燃料電池システムは、特に小型化が要求される可搬型の燃料電池システムとして有用である。例えば、ホームユースの発電装置、工事用発電機、車載用アシスト電源などの用途として利用することができる。

１ 燃料電池システム
２ 筐体
３ スタック
４ カソード
５ アノード
６ 固体高分子電解質膜
７ 空気供給器
８ 第１熱交換器
９ 第２熱交換器
９ａ 第２熱交換器の外管
９ｂ 第２熱交換器の内管
１０ 循環水タンク
１１ 水位センサ
１１ａ 温度センサ
１２ 燃料タンク
１３ 燃料供給器
１４ 第１燃料ポンプ
１５ 第２燃料ポンプ
１６ ＥＣＵ
１７ 冷却装置
１８ イオン交換器
２０ 第２熱交換器
２０ａ 第２熱交換器のタンク部
２０ｂ 第２熱交換器の熱交換配管部

Claims (7)

1. アノードとカソードの間に電解質膜を挟み込んだ構成の燃料電池単セルを複数積層したスタックと、
   前記アノードに燃料であるメタノールを供給する燃料供給器と、
   前記カソードに酸化剤である空気を供給する空気供給器と、
   前記メタノールを貯蔵する燃料タンクと、
   前記アノードから排出される燃料排液を冷却する第１熱交換器と、
   前記カソードから排出される排ガスを冷却し凝縮水を得る第２熱交換器と、
   前記燃料排液と前記凝縮水の混合液から成る循環水を貯蔵する循環水タンクと、
   前記第１熱交換器を冷却する冷却装置と、
   前記凝縮水量をコントロールするため、前記冷却装置の冷却能力を制御するＥＣＵと、
   全体構成を内包する筐体と、で構成され、
   前記第２熱交換器の冷媒として、前記第１熱交換器により冷却された燃料排液を利用する事を特徴とした直接メタノール型燃料電池システム。
2. 前記凝縮水量をコントロールする手段として、前記循環水タンク内の水位を検知し、前記冷却装置の冷却能力を制御する請求項１記載の直接メタノール型燃料電池システム。
3. 前記凝縮水量をコントロールする手段として、前記第２熱交換器出口のカソード排ガス温度を検知し、前記冷却装置の冷却能力を制御する請求項１記載の直接メタノール型燃料電池システム。
4. 前記第２熱交換器の流路断面が二重管構造を有し、内管または外管のいずれかに前記燃料排液を導通し、他方に前記カソード排ガスを導通する請求項１〜３のいずれかに記載の直接メタノール型燃料電池システム。
5. 前記第２熱交換器が螺旋形状を有する請求項４記載の直接メタノール型燃料電池システム。
6. 前記第２熱交換器が前記燃料排液を貯蔵するタンク部と、前記カソード排ガスを導通する熱交換配管部と、から構成される請求項１〜５のいずれかに記載の直接メタノール型燃料電池システム。
7. 前記燃料供給器は前記燃料タンクからメタノールを吸引する第１燃料ポンプと、前記循環水タンクから循環水を吸引する第２燃料ポンプと、から構成され、メタノールと循環水とを混合し前記アノードに供給する請求項１〜６のいずれかに記載の直接メタノール型燃料電池システム。