燃料電池システム
【課題】燃料電池スタックから排出される気液混合流体を分離する分離部のタンク内の液体の量と温度を管理することを目的とする。
【解決手段】本発明による燃料電池システムは、燃料電池スタック１から排出される気液混合流体を分離する分離部１０を有する。分離部１０は分離された液体を貯留するタンクを含む。タンクの互いに対向する側面には一対の金属製の電極１１が設けられている。電極１１はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。
【解決手段】本発明による燃料電池システムは、燃料電池スタック１から排出される気液混合流体を分離する分離部１０を有する。分離部１０は分離された液体を貯留するタンクを含む。タンクの互いに対向する側面には一対の金属製の電極１１が設けられている。電極１１はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。
【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、特に燃料電池から排出される気液混合流体から液体を分離する分離部内の温度管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。
【０００４】
このような燃料電池スタックとして直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が開発されている。ＤＭＦＣでは燃料としてメタノール水溶液が用いられ、酸化剤として空気中の酸素が用いられる。したがってアノード電極からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水が排出される。排出された水溶液は燃料供給部へ戻すのが一般的である。一方、カソード電極からは反応生成物の水や水蒸気と、カソード電極を経た窒素や未反応の酸素などが排出される。アノード電極の反応では水が消費されるため、カソード電極で生成した水を燃料供給部へ戻してもよい。このように燃料電池スタックから排出される液体成分を循環させることで燃料電池システムの可搬性が向上する。
【０００５】
ここで、燃料電池スタックからの排出物は直接に燃料供給部へ戻すのではなく、気体成分と液体成分を分離した後、液体成分をタンクに貯留し、必要な量を燃料供給部へ供給する。したがって液体成分の貯留量を管理する必要がある。
【０００６】
このように燃料電池スタックからの排出物用タンクの中の貯留量を検出するために、タンクに一対の電極を設け、この電極間の静電容量の変化から燃料の貯留量を検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−２２０４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら燃料電池スタックは高温で運転されるため、排出物の温度も高い。そのため上述のタンク内に貯留される液体成分の温度も上がる。それに伴いタンク内の蒸気圧が上がり、液体成分が蒸発する。その結果、燃料供給部へ循環させる液体成分が不足する場合がある。また反応熱を発生する燃料電池スタックを一定の温度で運転するためには、燃料供給部へ循環させる液体成分の温度をある程度低下させる必要がある。
【０００８】
本発明は、これらの課題を解決し、タンク内の液体成分の貯留量を検知するとともにタンク内の液体成分を冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明による燃料電池システムは、膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、第１供給部と、第２供給部と、分離部と、一対の金属製の電極とを有する。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。第１供給部はアノード電極に燃料を供給する。第２供給部はカソード電極に酸化剤を含むガスを供給する。分離部は気液分離膜と、タンクとを有する。気液分離膜は、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分と、カソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する。タンクは分離された液体を保持する。電極はタンクの互いに対向する側面に沿って設けられている。電極はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、タンク内の液体の量の測定用の一対の電極を用いてタンク内の液体の放熱を促進することができる。そのためタンク内の液体からの蒸散を抑制できるとともに、燃料電池スタックへ再利用するために適切な温度に冷却することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックから排出された液体を貯留するタンクからの蒸散を抑制できるとともに、その液体を燃料電池スタックへ再利用するために適切な温度に冷却することができる。このように燃料供給側へ循環させる液体の貯留量と温度を管理することで燃料電池システムの可搬性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１の発明は、膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、第１供給部と、第２供給部と、分離部と、一対の金属製の電極とを有する燃料電池システムである。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。第１供給部はアノード電極に燃料を供給する。第２供給部はカソード電極に酸化剤を含むガスを供給する。分離部は気液分離膜と、タンクとを有する。気液分離膜は、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分と、カソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する。タンクは分離された液体を保持する。電極はタンクの互いに対向する側面に沿って設けられている。電極はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。このようにタンク内の液体の量の測定用の一対の電極を用いてタンク内の液体の放熱を促進することができる。そのためタンク内の液体からの蒸散を抑制できるとともに、燃料電池スタックへ再利用するために適切な温度に冷却することができる。
【００１３】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、電極の表面積を、タンクの、電極が設けられた側面の投影面積よりも大きくした燃料電池システムである。電極の表面積を大きくすることによりタンク内の液体の放熱をさらに促進することができる。
【００１４】
本発明の第３の発明は、第２の発明において、電極がフィンを有する燃料電池システムである。具体的にはフィンにより電極の表面積を大きくすることができる。
【００１５】
本発明の第４の発明は、第３の発明において、フィンが少なくとも電極の下側に設けられている燃料電池システムである。タンクの下側には常に高温の液体が貯留している。そのためフィンを少なくとも電極の下側に設けることが好ましい。
【００１６】
本発明の第５の発明は、第２の発明において、タンクの、電極が設けられた側面が凹凸形状を有し、電極がこの凹凸形状に沿って設けられている燃料電池システムである。具体的にはこのような凹凸形状によって電極の表面積を大きくすることができる。
【００１７】
本発明の第６の発明は、第５の発明において、凹凸形状は少なくともタンクの下側に設けられている燃料電池システムである。タンクの下側には常に高温の液体が貯留している。そのため凹凸形状を少なくともタンクの下側に設けることが好ましい。
【００１８】
本発明の第７の発明は、第５の発明において、タンクの、電極が設けられた側面は波状である燃料電池システムである。具体的には波状に側面を形成することによって電極の表面積を大きくすることができる。
【００１９】
本発明の第８の発明は、第１の発明において、電極をタンクの側面の全面に設けた燃料電池システムである。このように電極を大きくすることで放熱を促進することができる。またタンクが傾いた場合でもタンク内の液体量を検出することができる。
【００２０】
本発明の第９の発明は、第１の発明において、電極に接続され、タンク内の液体の量を測定する算出部をさらに有する燃料電池システムである。算出部でタンク内の液体の量を把握することにより、それを基にタンク内の液体の量を制御することが可能になる。
【００２１】
本発明の第１０の発明は、第１の発明において、電極を冷却する冷却部をさらに有する燃料電池システムである。積極的に冷却部により電極を冷却することでタンク内の液体からの放熱をさらに促進することができる。またその運転を制御することで必要な程度にタンク内の液体を冷却することができる。
【００２２】
本発明の第１１の発明は、第１０の発明において、冷却部は電極に送風するファンを含む燃料電池システムである。具体的にはこのような簡便な構成でタンク内の液体を冷却することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。
【００２５】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、分離部１０と、一対の電極１１と、ファンを含む冷却部１２とを有する。燃料電池スタック１は起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５を含み、発電された電力は正極端子２と負極端子３から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である酸素を含む空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する第１供給部を構成している。一方、空気ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部を構成している。なお、第１供給部、第２供給部は上述の構成に限定されない。
【００２６】
図２に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。ＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。
【００２７】
アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。正極端子２はカソード電極３２に、負極端子３はアノード電極３１に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。
【００２８】
次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図２に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。
【００２９】
一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００３０】
【化１】
【００３１】
【化２】
【００３２】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。
【００３３】
アノード電極３１からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水が排出される。排出された水溶液は、分離部１０を介して燃料ポンプ５へ戻される。一方、カソード電極３２からは反応生成物の水や水蒸気と、カソード電極３２を経た窒素等の反応に関与しない気体や未反応の酸素などが排出される。
【００３４】
アノード電極３１の反応では水が消費されるため、カソード電極３２で生成した水は、分離部１０を介して燃料ポンプ５へ戻される。このように燃料電池スタック１から排出される液体成分を循環させることで燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節することができる。その結果、外部から水を供給する必要がなくなるとともに、反応生成物の水を外部に排出する（廃棄する）必要がなくなる。したがって燃料電池システムの可搬性が向上する。
【００３５】
次に図３を参照しながら図１に示す燃料電池システムにおける分離部１０の構成を説明する。図３（ａ）は分離部１０の斜視図、図３（ｂ）は同縦断面図である。分離部１０は気液分離膜２０と、タンク２１と、導入管２２Ａ、２２Ｂと排出管２２Ｃを有する。気液分離膜２０はタンク２１の上面に設けられている。導入管２２Ａ、２２Ｂはタンク２１の上部に、排出管２２Ｃはタンク２１の下部にそれぞれ接続されている。気液分離膜２０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシートで構成することができる。またはこれらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。タンク２１は樹脂やセラミック等の絶縁材料で構成されている。
【００３６】
アノード電極３１で発生した反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールを含む水は導入管２２Ａから分離部１０へ流入する。一方、カソード電極３２で発生した反応生成物である水や水蒸気およびカソード電極３２を経たガスは導入管２２Ｂから分離部１０へ流入する。気液分離膜２０は、これらで構成された気液混合流体から液体３０である希薄なメタノール水溶液を分離する。分離された気体成分は気液分離膜２０から外部へ排出される。一方、分離された液体３０はタンク２１内に一時貯留される。すなわちタンク２１は分離された液体３０を保持する。タンク２１内に貯留された液体３０は、図示しない弁を介して燃料ポンプ５の入口側へ送られる。制御部７はこの弁の開閉を制御して燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節する。
【００３７】
タンク２１の互いに対向する側面には一対の金属製の電極１１が設けられている。電極１１は図１に示すように、制御部７内に設けられた算出部７Ａに接続されている。算出部７Ａは電極１１間の静電容量の変化から液体３０の貯留量を測定する。そのため、タンク２１は、誘電率の小さい材料で構成することが好ましい。
【００３８】
制御部７は液体３０の貯留量に基づき、空気ポンプ６の流量などを制御する。これによりタンク２１内の液体３０の貯留量を所定の範囲に制御する。このように電極１１はタンク２１内の液体３０の量の測定に用いられる。液体３０の貯留量が過剰になると分離部１０から漏水する。また液体３０の貯留量が過少になると燃料濃度を調節することができなくなる。
【００３９】
ここで、電極１１間の静電容量の変化から液体３０の貯留量を測定する方法について、図４、５を用いて説明する。図４は、図１に示す燃料電池システムにおける算出部７Ａの構成の一例を示すブロック回路図、図５は、図４に示すブロック回路図における波形図である。
【００４０】
パルス発生部４１で発生された電気パルスは抵抗器４３、４４に入力される。抵抗器４３、４４のもう一端は排他的論理和ゲート４５の入力端子に接続されている。一方の電極１１は、グランドに接続され、もう一方の電極１１は、抵抗器４４と排他的論理和ゲート４５の入力端子との間に接続されている。排他的論理和ゲート４５の出力端子はパルス時間測定部４２に接続されている。
【００４１】
この構成において、図５に示すように、抵抗器４３の出力である点Ｘにはパルス発生部４１から入力されたパルス信号とほぼ同じタイミングの信号が出力される。一方、抵抗器４４の出力である点Ｙには電極１１間の静電容量によって波形が変形する。
【００４２】
排他的論理和ゲート４５の出力である点Ｚの出力には入力パルス１つに対し２つのパルスが出力される。すなわち、パルス発生部４１から出力されたパルスに対して、立ち上がりと立ち下がりの両方のタイミングで電極１１間の静電容量に比例した幅のパルスが発生する。これらのパルス幅をパルス時間測定部４２が計測することで算出部７Ａは電極１１間の静電容量を推定する。さらに算出部７Ａは推定した静電容量と、タンク２１内の液体３０の量との関係式を予め記憶している。この式により算出部７Ａはタンク２１内の液体３０の量を算出する。
【００４３】
なお点Ｘの出力は、排他的論理和ゲート４５の入力容量と抵抗器４３の時定数によりわずかに変形している。抵抗器４４の出力にも同様の変形がおきる。したがってこの変形と電極１１間の静電容量による変形との誤差分を打ち消すために、抵抗器４３、４４の抵抗値をできるだけ揃えることが好ましい。
【００４４】
なお算出部７Ａの構成は上記に限定されず、電極１１間の静電容量を検出できれば他の構成でもよい。
【００４５】
なお上記説明では算出部７Ａがタンク２１内の液体３０の貯留量を測定しているが、貯留量を求めずに電極１１間の静電容量を直接用いて制御部７が空気ポンプ６の流量などを制御してもよい。
【００４６】
なお電極１１はタンク２１内の液体３０の放熱を促進する機能も有する。そのためタンク２１内の液体３０からの蒸発を抑制できる。これにより燃料電池システムから過度に水分が外部に放出されることを抑制することができる。
【００４７】
また燃料電池スタック１へ再利用するために液体３０を適切な温度に冷却することができる。燃料電池スタック１は５５℃〜８０℃で運転するのが一般的である。また燃料電池スタック１は運転中に反応熱を発生する。そのため、熱収支のバランスを保つために、燃料や空気の温度は、例えば１５℃〜４０℃程度の範囲とすることが好ましい。電極１１が液体３０の放熱を促進することにより、液体３０を循環させて燃料ポンプ５に戻した場合でも、燃料の温度を上述の範囲とすることができる。
【００４８】
なお電極１１は熱伝導率の観点から、銅またはその合金、アルミニウムまたはその合金で形成することが好ましい。これらの金属の板や箔をタンク２１に結合させて用いることができる。あるいは蒸着等の方法で薄膜として形成してもよい。
【００４９】
なお図３（ａ）に示すように、電極１１をタンク２１の側面の全面に設けることが好ましい。このように電極１１を大きくすることで放熱を促進することができる。また電極１１と液体３０の表面とが垂直となるようにタンク２１が傾いた場合でもタンク２１内の液体３０の量を検出することができる。
【００５０】
次にタンクや電極の好ましい形状について図６〜図９を用いて説明する。図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる他の電極を示す斜視図である。図７〜図９は本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図である。
【００５１】
図６に示す電極１１Ａは、表面にフィン４０を有する。フィン４０により電極１１Ａの表面積を大きくすることによりタンク２１内の液体の放熱をさらに促進することができる。
【００５２】
図７に示すタンク２１Ａの、電極が設けられる側面には凹凸形状５０が設けられている。一対の電極１１はタンク２１Ａの凹凸形状５０に沿って設けられている。このようにタンク２１Ａの側面に凹凸形状５０を設けても電極１１の表面積を大きくすることによりタンク２１Ａ内の液体の放熱をさらに促進することができる。
【００５３】
また図７に示す直線的な凹凸形状５０の代わりに、図８に示すように、電極１１を設ける側面を波状形状６０にしてもよい。この構造でも、一対の電極１１はタンク２１Ｂの波状形状６０に沿って設けられている。
【００５４】
また図９に示す構造では、波状形状６０がタンク２１Ｃの下部にのみ設けられている。タンク２１Ｃの下側には常に高温の液体が貯留している。そのため波状形状６０を少なくともタンク２１Ｃの下側に設けることが好ましい。このことは、図６に示す構造や図７に示す構造にも適用可能である。すなわち、フィン４０や凹凸形状５０は少なくともタンク２１、２１Ａの下側、すなわち電極の下側に設けられていることが好ましい。
【００５５】
以上のように、さまざまな形状によって電極の表面積を、タンクの、電極が設けられた側面の投影面積よりも大きくすることが好ましい。これらの構造によって電極の表面積を大きくすることによりタンク内の液体の放熱をさらに促進することができる。図７では、タンク２１Ａは階段状の凹凸形状５０を側面に有し、図８では、タンク２１Ｂは波状形状６０を側面に有している。しかしながら側面の形状はこれらに限定されない。例えば蛇腹状でもよい。
【００５６】
なお電極１１を設ける側面同士の間隔、すなわち電極１１同士の間隔はタンクの縦方向に一定であることが好ましい。これにより静電容量が液面高さに対し直線的に変化する。そのため算出部７Ａは液面高さを比較的簡便に算出することができる。
【００５７】
また図１に示すように、電極１１を冷却する冷却部１２をさらに有することが好ましい。積極的に冷却部１２により電極１１を冷却することでタンク内の液体からの放熱をさらに促進することができる。そして制御部７が冷却部１２の運転を制御することで必要な程度にタンク内の液体を冷却することができる。この場合、タンクに温度センサを設けて制御部７に接続し、検知温度に基づいて冷却部１２の運転強度を制御する。
【００５８】
なお、このような冷却部１２として、電極１１に送風するファンを用いることができる。このような簡便な構成でタンク内の液体を冷却することができる。
【００５９】
本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、気液混合流体を排出する燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
【００６０】
また分離部１０はアノード電極３１、カソード電極３２からの排出物を受ける構成を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。燃料や酸化剤を含むガスの内容や組合せ、あるいは燃料電池の種類などによりどちらか一方の排出物を受けるようにしてもよい。またそれぞれの排出物に対してそれぞれ分離部１０を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出される気液混合流体を分離する分離部を有する。そして分離部のタンクの側面に一対の金属製の電極を設けている。この電極はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。このように燃料供給側へ循環させる液体の貯留量と温度を管理することで燃料電池システムの可搬性が向上する。この燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】図１に示す燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図
【図３】（ａ）図１に示す燃料電池システムにおける分離部の斜視図、（ｂ）同縦断面図
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける算出部の構成を示すブロック回路図
【図５】図４に示すブロック回路図における波形図
【図６】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる他の電極を示す斜視図
【図７】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図
【図８】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図
【図９】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図
【符号の説明】
【００６３】
１ 燃料電池スタック
２ 正極端子
３ 負極端子
４ 燃料タンク
５ 燃料ポンプ
６ 空気ポンプ
７ 制御部
７Ａ 算出部
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 分離部
１１，１１Ａ 電極
１２ 冷却部
２０ 気液分離膜
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ タンク
２２Ａ，２２Ｂ 導入管
２２Ｃ 排出管
３０ 液体
３１ アノード電極
３１Ａ，３２Ａ 拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ 微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ 触媒層
３２ カソード電極
３３ 電解質膜
３４ セパレータ
３５ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
４０ フィン
４１ パルス発生部
４２ パルス時間測定部
４３，４４ 抵抗器
４５ 排他的論理和ゲート
５０ 凹凸形状
６０ 波状形状
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池から排出される気液混合流体から液体を分離する分離部内の温度管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。
【０００４】
このような燃料電池スタックとして直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が開発されている。ＤＭＦＣでは燃料としてメタノール水溶液が用いられ、酸化剤として空気中の酸素が用いられる。したがってアノード電極からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水が排出される。排出された水溶液は燃料供給部へ戻すのが一般的である。一方、カソード電極からは反応生成物の水や水蒸気と、カソード電極を経た窒素や未反応の酸素などが排出される。アノード電極の反応では水が消費されるため、カソード電極で生成した水を燃料供給部へ戻してもよい。このように燃料電池スタックから排出される液体成分を循環させることで燃料電池システムの可搬性が向上する。
【０００５】
ここで、燃料電池スタックからの排出物は直接に燃料供給部へ戻すのではなく、気体成分と液体成分を分離した後、液体成分をタンクに貯留し、必要な量を燃料供給部へ供給する。したがって液体成分の貯留量を管理する必要がある。
【０００６】
このように燃料電池スタックからの排出物用タンクの中の貯留量を検出するために、タンクに一対の電極を設け、この電極間の静電容量の変化から燃料の貯留量を検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−２２０４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら燃料電池スタックは高温で運転されるため、排出物の温度も高い。そのため上述のタンク内に貯留される液体成分の温度も上がる。それに伴いタンク内の蒸気圧が上がり、液体成分が蒸発する。その結果、燃料供給部へ循環させる液体成分が不足する場合がある。また反応熱を発生する燃料電池スタックを一定の温度で運転するためには、燃料供給部へ循環させる液体成分の温度をある程度低下させる必要がある。
【０００８】
本発明は、これらの課題を解決し、タンク内の液体成分の貯留量を検知するとともにタンク内の液体成分を冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明による燃料電池システムは、膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、第１供給部と、第２供給部と、分離部と、一対の金属製の電極とを有する。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。第１供給部はアノード電極に燃料を供給する。第２供給部はカソード電極に酸化剤を含むガスを供給する。分離部は気液分離膜と、タンクとを有する。気液分離膜は、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分と、カソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する。タンクは分離された液体を保持する。電極はタンクの互いに対向する側面に沿って設けられている。電極はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、タンク内の液体の量の測定用の一対の電極を用いてタンク内の液体の放熱を促進することができる。そのためタンク内の液体からの蒸散を抑制できるとともに、燃料電池スタックへ再利用するために適切な温度に冷却することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックから排出された液体を貯留するタンクからの蒸散を抑制できるとともに、その液体を燃料電池スタックへ再利用するために適切な温度に冷却することができる。このように燃料供給側へ循環させる液体の貯留量と温度を管理することで燃料電池システムの可搬性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１の発明は、膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、第１供給部と、第２供給部と、分離部と、一対の金属製の電極とを有する燃料電池システムである。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。第１供給部はアノード電極に燃料を供給する。第２供給部はカソード電極に酸化剤を含むガスを供給する。分離部は気液分離膜と、タンクとを有する。気液分離膜は、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分と、カソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する。タンクは分離された液体を保持する。電極はタンクの互いに対向する側面に沿って設けられている。電極はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。このようにタンク内の液体の量の測定用の一対の電極を用いてタンク内の液体の放熱を促進することができる。そのためタンク内の液体からの蒸散を抑制できるとともに、燃料電池スタックへ再利用するために適切な温度に冷却することができる。
【００１３】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、電極の表面積を、タンクの、電極が設けられた側面の投影面積よりも大きくした燃料電池システムである。電極の表面積を大きくすることによりタンク内の液体の放熱をさらに促進することができる。
【００１４】
本発明の第３の発明は、第２の発明において、電極がフィンを有する燃料電池システムである。具体的にはフィンにより電極の表面積を大きくすることができる。
【００１５】
本発明の第４の発明は、第３の発明において、フィンが少なくとも電極の下側に設けられている燃料電池システムである。タンクの下側には常に高温の液体が貯留している。そのためフィンを少なくとも電極の下側に設けることが好ましい。
【００１６】
本発明の第５の発明は、第２の発明において、タンクの、電極が設けられた側面が凹凸形状を有し、電極がこの凹凸形状に沿って設けられている燃料電池システムである。具体的にはこのような凹凸形状によって電極の表面積を大きくすることができる。
【００１７】
本発明の第６の発明は、第５の発明において、凹凸形状は少なくともタンクの下側に設けられている燃料電池システムである。タンクの下側には常に高温の液体が貯留している。そのため凹凸形状を少なくともタンクの下側に設けることが好ましい。
【００１８】
本発明の第７の発明は、第５の発明において、タンクの、電極が設けられた側面は波状である燃料電池システムである。具体的には波状に側面を形成することによって電極の表面積を大きくすることができる。
【００１９】
本発明の第８の発明は、第１の発明において、電極をタンクの側面の全面に設けた燃料電池システムである。このように電極を大きくすることで放熱を促進することができる。またタンクが傾いた場合でもタンク内の液体量を検出することができる。
【００２０】
本発明の第９の発明は、第１の発明において、電極に接続され、タンク内の液体の量を測定する算出部をさらに有する燃料電池システムである。算出部でタンク内の液体の量を把握することにより、それを基にタンク内の液体の量を制御することが可能になる。
【００２１】
本発明の第１０の発明は、第１の発明において、電極を冷却する冷却部をさらに有する燃料電池システムである。積極的に冷却部により電極を冷却することでタンク内の液体からの放熱をさらに促進することができる。またその運転を制御することで必要な程度にタンク内の液体を冷却することができる。
【００２２】
本発明の第１１の発明は、第１０の発明において、冷却部は電極に送風するファンを含む燃料電池システムである。具体的にはこのような簡便な構成でタンク内の液体を冷却することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。
【００２５】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、分離部１０と、一対の電極１１と、ファンを含む冷却部１２とを有する。燃料電池スタック１は起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５を含み、発電された電力は正極端子２と負極端子３から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である酸素を含む空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する第１供給部を構成している。一方、空気ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部を構成している。なお、第１供給部、第２供給部は上述の構成に限定されない。
【００２６】
図２に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。ＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。
【００２７】
アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。正極端子２はカソード電極３２に、負極端子３はアノード電極３１に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。
【００２８】
次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図２に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。
【００２９】
一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００３０】
【化１】
【００３１】
【化２】
【００３２】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。
【００３３】
アノード電極３１からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水が排出される。排出された水溶液は、分離部１０を介して燃料ポンプ５へ戻される。一方、カソード電極３２からは反応生成物の水や水蒸気と、カソード電極３２を経た窒素等の反応に関与しない気体や未反応の酸素などが排出される。
【００３４】
アノード電極３１の反応では水が消費されるため、カソード電極３２で生成した水は、分離部１０を介して燃料ポンプ５へ戻される。このように燃料電池スタック１から排出される液体成分を循環させることで燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節することができる。その結果、外部から水を供給する必要がなくなるとともに、反応生成物の水を外部に排出する（廃棄する）必要がなくなる。したがって燃料電池システムの可搬性が向上する。
【００３５】
次に図３を参照しながら図１に示す燃料電池システムにおける分離部１０の構成を説明する。図３（ａ）は分離部１０の斜視図、図３（ｂ）は同縦断面図である。分離部１０は気液分離膜２０と、タンク２１と、導入管２２Ａ、２２Ｂと排出管２２Ｃを有する。気液分離膜２０はタンク２１の上面に設けられている。導入管２２Ａ、２２Ｂはタンク２１の上部に、排出管２２Ｃはタンク２１の下部にそれぞれ接続されている。気液分離膜２０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシートで構成することができる。またはこれらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。タンク２１は樹脂やセラミック等の絶縁材料で構成されている。
【００３６】
アノード電極３１で発生した反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールを含む水は導入管２２Ａから分離部１０へ流入する。一方、カソード電極３２で発生した反応生成物である水や水蒸気およびカソード電極３２を経たガスは導入管２２Ｂから分離部１０へ流入する。気液分離膜２０は、これらで構成された気液混合流体から液体３０である希薄なメタノール水溶液を分離する。分離された気体成分は気液分離膜２０から外部へ排出される。一方、分離された液体３０はタンク２１内に一時貯留される。すなわちタンク２１は分離された液体３０を保持する。タンク２１内に貯留された液体３０は、図示しない弁を介して燃料ポンプ５の入口側へ送られる。制御部７はこの弁の開閉を制御して燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節する。
【００３７】
タンク２１の互いに対向する側面には一対の金属製の電極１１が設けられている。電極１１は図１に示すように、制御部７内に設けられた算出部７Ａに接続されている。算出部７Ａは電極１１間の静電容量の変化から液体３０の貯留量を測定する。そのため、タンク２１は、誘電率の小さい材料で構成することが好ましい。
【００３８】
制御部７は液体３０の貯留量に基づき、空気ポンプ６の流量などを制御する。これによりタンク２１内の液体３０の貯留量を所定の範囲に制御する。このように電極１１はタンク２１内の液体３０の量の測定に用いられる。液体３０の貯留量が過剰になると分離部１０から漏水する。また液体３０の貯留量が過少になると燃料濃度を調節することができなくなる。
【００３９】
ここで、電極１１間の静電容量の変化から液体３０の貯留量を測定する方法について、図４、５を用いて説明する。図４は、図１に示す燃料電池システムにおける算出部７Ａの構成の一例を示すブロック回路図、図５は、図４に示すブロック回路図における波形図である。
【００４０】
パルス発生部４１で発生された電気パルスは抵抗器４３、４４に入力される。抵抗器４３、４４のもう一端は排他的論理和ゲート４５の入力端子に接続されている。一方の電極１１は、グランドに接続され、もう一方の電極１１は、抵抗器４４と排他的論理和ゲート４５の入力端子との間に接続されている。排他的論理和ゲート４５の出力端子はパルス時間測定部４２に接続されている。
【００４１】
この構成において、図５に示すように、抵抗器４３の出力である点Ｘにはパルス発生部４１から入力されたパルス信号とほぼ同じタイミングの信号が出力される。一方、抵抗器４４の出力である点Ｙには電極１１間の静電容量によって波形が変形する。
【００４２】
排他的論理和ゲート４５の出力である点Ｚの出力には入力パルス１つに対し２つのパルスが出力される。すなわち、パルス発生部４１から出力されたパルスに対して、立ち上がりと立ち下がりの両方のタイミングで電極１１間の静電容量に比例した幅のパルスが発生する。これらのパルス幅をパルス時間測定部４２が計測することで算出部７Ａは電極１１間の静電容量を推定する。さらに算出部７Ａは推定した静電容量と、タンク２１内の液体３０の量との関係式を予め記憶している。この式により算出部７Ａはタンク２１内の液体３０の量を算出する。
【００４３】
なお点Ｘの出力は、排他的論理和ゲート４５の入力容量と抵抗器４３の時定数によりわずかに変形している。抵抗器４４の出力にも同様の変形がおきる。したがってこの変形と電極１１間の静電容量による変形との誤差分を打ち消すために、抵抗器４３、４４の抵抗値をできるだけ揃えることが好ましい。
【００４４】
なお算出部７Ａの構成は上記に限定されず、電極１１間の静電容量を検出できれば他の構成でもよい。
【００４５】
なお上記説明では算出部７Ａがタンク２１内の液体３０の貯留量を測定しているが、貯留量を求めずに電極１１間の静電容量を直接用いて制御部７が空気ポンプ６の流量などを制御してもよい。
【００４６】
なお電極１１はタンク２１内の液体３０の放熱を促進する機能も有する。そのためタンク２１内の液体３０からの蒸発を抑制できる。これにより燃料電池システムから過度に水分が外部に放出されることを抑制することができる。
【００４７】
また燃料電池スタック１へ再利用するために液体３０を適切な温度に冷却することができる。燃料電池スタック１は５５℃〜８０℃で運転するのが一般的である。また燃料電池スタック１は運転中に反応熱を発生する。そのため、熱収支のバランスを保つために、燃料や空気の温度は、例えば１５℃〜４０℃程度の範囲とすることが好ましい。電極１１が液体３０の放熱を促進することにより、液体３０を循環させて燃料ポンプ５に戻した場合でも、燃料の温度を上述の範囲とすることができる。
【００４８】
なお電極１１は熱伝導率の観点から、銅またはその合金、アルミニウムまたはその合金で形成することが好ましい。これらの金属の板や箔をタンク２１に結合させて用いることができる。あるいは蒸着等の方法で薄膜として形成してもよい。
【００４９】
なお図３（ａ）に示すように、電極１１をタンク２１の側面の全面に設けることが好ましい。このように電極１１を大きくすることで放熱を促進することができる。また電極１１と液体３０の表面とが垂直となるようにタンク２１が傾いた場合でもタンク２１内の液体３０の量を検出することができる。
【００５０】
次にタンクや電極の好ましい形状について図６〜図９を用いて説明する。図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる他の電極を示す斜視図である。図７〜図９は本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図である。
【００５１】
図６に示す電極１１Ａは、表面にフィン４０を有する。フィン４０により電極１１Ａの表面積を大きくすることによりタンク２１内の液体の放熱をさらに促進することができる。
【００５２】
図７に示すタンク２１Ａの、電極が設けられる側面には凹凸形状５０が設けられている。一対の電極１１はタンク２１Ａの凹凸形状５０に沿って設けられている。このようにタンク２１Ａの側面に凹凸形状５０を設けても電極１１の表面積を大きくすることによりタンク２１Ａ内の液体の放熱をさらに促進することができる。
【００５３】
また図７に示す直線的な凹凸形状５０の代わりに、図８に示すように、電極１１を設ける側面を波状形状６０にしてもよい。この構造でも、一対の電極１１はタンク２１Ｂの波状形状６０に沿って設けられている。
【００５４】
また図９に示す構造では、波状形状６０がタンク２１Ｃの下部にのみ設けられている。タンク２１Ｃの下側には常に高温の液体が貯留している。そのため波状形状６０を少なくともタンク２１Ｃの下側に設けることが好ましい。このことは、図６に示す構造や図７に示す構造にも適用可能である。すなわち、フィン４０や凹凸形状５０は少なくともタンク２１、２１Ａの下側、すなわち電極の下側に設けられていることが好ましい。
【００５５】
以上のように、さまざまな形状によって電極の表面積を、タンクの、電極が設けられた側面の投影面積よりも大きくすることが好ましい。これらの構造によって電極の表面積を大きくすることによりタンク内の液体の放熱をさらに促進することができる。図７では、タンク２１Ａは階段状の凹凸形状５０を側面に有し、図８では、タンク２１Ｂは波状形状６０を側面に有している。しかしながら側面の形状はこれらに限定されない。例えば蛇腹状でもよい。
【００５６】
なお電極１１を設ける側面同士の間隔、すなわち電極１１同士の間隔はタンクの縦方向に一定であることが好ましい。これにより静電容量が液面高さに対し直線的に変化する。そのため算出部７Ａは液面高さを比較的簡便に算出することができる。
【００５７】
また図１に示すように、電極１１を冷却する冷却部１２をさらに有することが好ましい。積極的に冷却部１２により電極１１を冷却することでタンク内の液体からの放熱をさらに促進することができる。そして制御部７が冷却部１２の運転を制御することで必要な程度にタンク内の液体を冷却することができる。この場合、タンクに温度センサを設けて制御部７に接続し、検知温度に基づいて冷却部１２の運転強度を制御する。
【００５８】
なお、このような冷却部１２として、電極１１に送風するファンを用いることができる。このような簡便な構成でタンク内の液体を冷却することができる。
【００５９】
本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、気液混合流体を排出する燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
【００６０】
また分離部１０はアノード電極３１、カソード電極３２からの排出物を受ける構成を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。燃料や酸化剤を含むガスの内容や組合せ、あるいは燃料電池の種類などによりどちらか一方の排出物を受けるようにしてもよい。またそれぞれの排出物に対してそれぞれ分離部１０を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出される気液混合流体を分離する分離部を有する。そして分離部のタンクの側面に一対の金属製の電極を設けている。この電極はタンク内の液体の量の測定に用いられるとともに、タンク内の液体の放熱を促進する。このように燃料供給側へ循環させる液体の貯留量と温度を管理することで燃料電池システムの可搬性が向上する。この燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】図１に示す燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図
【図３】（ａ）図１に示す燃料電池システムにおける分離部の斜視図、（ｂ）同縦断面図
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける算出部の構成を示すブロック回路図
【図５】図４に示すブロック回路図における波形図
【図６】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる他の電極を示す斜視図
【図７】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図
【図８】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図
【図９】本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる分離部の他のタンクを示す縦断面図
【符号の説明】
【００６３】
１ 燃料電池スタック
２ 正極端子
３ 負極端子
４ 燃料タンク
５ 燃料ポンプ
６ 空気ポンプ
７ 制御部
７Ａ 算出部
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 分離部
１１，１１Ａ 電極
１２ 冷却部
２０ 気液分離膜
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ タンク
２２Ａ，２２Ｂ 導入管
２２Ｃ 排出管
３０ 液体
３１ アノード電極
３１Ａ，３２Ａ 拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ 微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ 触媒層
３２ カソード電極
３３ 電解質膜
３４ セパレータ
３５ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
４０ フィン
４１ パルス発生部
４２ パルス時間測定部
４３，４４ 抵抗器
４５ 排他的論理和ゲート
５０ 凹凸形状
６０ 波状形状
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、
前記アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、
前記カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、
前記アノード電極で発生した反応生成物および前記燃料の残分と、前記カソード電極で発生した反応生成物および前記カソード電極を経た前記ガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜と、分離された前記液体を保持するタンクと、を有する分離部と、
前記タンクの互いに対向する側面に沿って設けられ、前記タンク内の前記液体の量の測定に用いられるとともに、前記タンク内の前記液体の放熱を促進する一対の金属製の電極と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電極の表面積は、前記タンクの、前記電極が設けられた側面の投影面積よりも大きい請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電極はフィンを有する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記フィンは少なくとも前記電極の下側に設けられている請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記タンクの、前記電極が設けられた側面が凹凸形状を有し、前記電極は前記凹凸形状に沿って設けられている請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記凹凸形状は少なくとも前記タンクの下側に設けられている請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記タンクの、前記電極が設けられた側面は波状である請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電極は前記タンクの側面の全面に設けられている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記電極に接続され、前記タンク内の前記液体の量を測定する算出部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電極を冷却する冷却部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記冷却部は前記電極に送風するファンを含む請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、
前記アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、
前記カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、
前記アノード電極で発生した反応生成物および前記燃料の残分と、前記カソード電極で発生した反応生成物および前記カソード電極を経た前記ガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜と、分離された前記液体を保持するタンクと、を有する分離部と、
前記タンクの互いに対向する側面に沿って設けられ、前記タンク内の前記液体の量の測定に用いられるとともに、前記タンク内の前記液体の放熱を促進する一対の金属製の電極と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電極の表面積は、前記タンクの、前記電極が設けられた側面の投影面積よりも大きい請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電極はフィンを有する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記フィンは少なくとも前記電極の下側に設けられている請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記タンクの、前記電極が設けられた側面が凹凸形状を有し、前記電極は前記凹凸形状に沿って設けられている請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記凹凸形状は少なくとも前記タンクの下側に設けられている請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記タンクの、前記電極が設けられた側面は波状である請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電極は前記タンクの側面の全面に設けられている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記電極に接続され、前記タンク内の前記液体の量を測定する算出部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電極を冷却する冷却部をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記冷却部は前記電極に送風するファンを含む請求項１０記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【公開番号】特開２０１０−６７４８７（Ｐ２０１０−６７４８７Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３３２０３（Ｐ２００８−２３３２０３）
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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