特許 6899231 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6899231

(24)【登録日】2021年6月16日

(45)【発行日】2021年7月7日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20210628BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20210628BHJP

   H01M 8/04186 20160101ALI20210628BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20210628BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20210628BHJP

   H01M 8/06 20160101ALI20210628BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20210628BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04029

   H01M8/04186

   H01M8/0444

   H01M8/04701

   H01M8/06

   H01M8/04 N

   !H01M8/10

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-41345(P2017-41345)

(22)【出願日】2017年3月6日

(65)【公開番号】特開2018-147708(P2018-147708A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2019年11月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000486

【氏名又は名称】とこしえ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼口 裕哲

(72)【発明者】

【氏名】郭 振

(72)【発明者】

【氏名】大橋 正和

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２１６４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／００４２６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１６４４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５０５５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６６２００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体燃料を消費して発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
少なくともイオン交換樹脂を含み、前記液体燃料に含まれるイオン系不純物を除去する除去手段と、
前記液体燃料を放熱する放熱手段と、
少なくとも前記燃料電池から発生する熱を低減する冷却水が循環する水循環配管と、
前記水循環配管に設けられ、前記冷却水を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段と対向して設けられ、前記冷却手段を冷却する冷却ファンと、
前記液体燃料が貯蔵された燃料タンクと、
前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管と、を備え、
前記放熱手段を介して、前記除去手段に対して前記液体燃料が供給されており、
前記放熱手段の少なくとも一部は、前記冷却手段において前記冷却ファンと対向する面と反対側の面に対向しており、
前記第１の配管の両端は、前記燃料タンクに接続されており、
前記第１の配管には、前記燃料電池が接続されていない燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記放熱手段の少なくとも一部は、コイル状又はＳ字状に形成されている燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管をさらに備え、
前記放熱手段は、前記第１の配管に連通された第２の配管を含み、
前記第２の配管を構成する材料の熱伝導率は、前記第１の配管を構成する材料の熱伝導率に対して相対的に高い燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管をさらに備え、
前記放熱手段は、前記第１の配管に連通された第２の配管を含み、
前記第２の配管の肉厚は、前記第１の配管の肉厚に対して相対的に薄い燃料電池システム。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の燃料電池システムであって、
前記第２の配管は、フッ素樹脂又はステンレス鋼を主成分とする材料により構成されている燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管と、
前記第１の配管において前記放熱手段よりも上流側に設けられ、前記液体燃料の燃料濃度を測定する濃度センサと、
前記第１の配管において前記濃度センサよりも上流側に設けられ、前記濃度センサに前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、を備える燃料電池システム。

【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するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムにおいて、循環燃料をバイパス経路に流入させ、イオン交換樹脂装置により循環燃料から金属イオンを除去するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１６４４６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記燃料電池システムでは、燃料電池の運転温度近傍まで上昇した高温の液体燃料にイオン交換樹脂が曝されてしまうという問題がある。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、イオン交換樹脂が高温の液体燃料に曝されることが抑制され得る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】

【0006】

[１]本発明に係る燃料電池システムは、液体燃料を消費して発電する燃料電池を備え、少なくともイオン交換樹脂を含み、前記液体燃料に含まれるイオン系不純物を除去する除去手段と、前記液体燃料を放熱する放熱手段と、を備え、前記放熱手段を介して、前記除去手段に対して前記液体燃料が供給されている燃料電池システムである。

【0007】

[２]上記発明において、少なくとも前記燃料電池から発生する熱を低減する冷却水が循環する水循環配管と、前記水循環配管に設けられ、前記冷却水を冷却する冷却手段と、をさらに備え、前記放熱手段の少なくとも一部は、前記冷却手段に対向していてもよい。

【0008】

[３]上記発明において、前記放熱手段の少なくとも一部は、コイル状又はＳ字状に形成されていてもよい。

【0009】

[４]上記発明において、前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管をさらに備え、前記放熱手段は、前記第１の配管に連通された第２の配管を含み、前記第２の配管を構成する材料の熱伝導率は、前記第１の配管を構成する材料の熱伝導率に対して相対的に高くてもよい。

【0010】

[５]上記発明において、前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管をさらに備え、前記放熱手段は、前記第１の配管に連通された第２の配管を含み、前記第２の配管の肉厚は、前記第１の配管の肉厚に対して相対的に薄くてもよい。

【0011】

[６]上記発明において、前記第２の配管は、フッ素樹脂又はステンレス鋼を主成分とする材料により構成されていてもよい。

【0012】

[７]上記発明において、前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管と、前記第１の配管おいて前記放熱手段よりも上流側に設けられ、前記液体燃料の燃料濃度を測定する濃度センサと、前記第１の配管において前記濃度センサよりも上流側に設けられ、前記濃度センサに前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、を備えていてもよい。

【0013】

［８］上記発明において、前記液体燃料が貯蔵された燃料タンクと、前記除去手段と前記放熱手段とが設けられた第１の配管と、を備え、前記第１の配管の両端は、前記燃料タンクに接続されていてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、放熱手段により液体燃料を放熱できるため、イオン交換樹脂が高温の液体燃料に曝されることが抑制され得る燃料電池システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図2】図２（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る放熱器及びラジエータを面方向から視た正面図であり、図２（Ｂ）は、その放熱器及びラジエータの側面図である。

【図3】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明の他の実施の形態に係る放熱器を示す斜視図である。

【図4】図４は、実施例及び比較例における放熱配管の長さ（ｍ）と放熱器における放熱量（Ｗ）との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、実施例及び比較例における放熱配管の長さ（ｍ）と放熱器の出口近傍における液体燃料の温度（℃）との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0017】

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図、図２（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る放熱器及びラジエータを面方向から視た正面図、図２（Ｂ）はその放熱器及びラジエータの側面図、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は本発明の他の実施の形態に係る放熱器を示す斜視図である。

【0018】

図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池１０と、装置筐体１１と、燃料タンク１２と、燃料ポンプ１４と、ブロワ１６と、凝縮器１８と、気液分離器１９と、水タンク２０と、水ポンプ２２と、外部燃料タンク２４と、外部燃料ポンプ２６と、水循環配管２７と、ラジエータ２８と、ラジエータ冷却ファン３０と、燃料循環配管３２と、プレフィルタ３３と、循環ポンプ３４と、イオン交換器３６と、放熱器３８と、液体濃度センサ４０と、を備えている。上記の燃料電池システム１の構成のうち、燃料電池１０と、燃料タンク１２と、燃料ポンプ１４と、ブロワ１６と、凝縮器１８と、気液分離器１９と、水タンク２０と、水ポンプ２２と、水循環配管２７と、ラジエータ２８と、ラジエータ冷却ファン３０と、燃料循環配管３２と、プレフィルタ３３と、循環ポンプ３４と、イオン交換器３６と、放熱器３８と、液体濃度センサ４０とは、装置筐体１１に収容され、外部燃料タンク２４と、外部燃料ポンプ２６とは、装置筐体１１外に設置されている。

【0019】

燃料電池１０は、液体燃料を消費して発電する、ダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である。燃料電池１０は、発電セル１０１が積層された発電装置を備えており、家庭・産業用の電源等として用いられ、外部負荷（不図示）に対して電力を供給する。この燃料電池１０は、積層された複数の発電セル１０１と、複数の発電セル１０１をその積層方向に挟む一対の集電体１０２と、発電セル１０１及び一対の集電体１０２を発電セル１０１の積層方向に挟む一対のエンドプレート１０３とを備えている。

【0020】

燃料電池１０は、燃料供給口１０Ａと、空気供給口１０Ｂと、燃料排出口１０Ｃと、空気排出口１０Ｄとを備えている。燃料供給口１０Ａは、燃料ポンプ１４を介して燃料タンク１２に連通されている。また、空気供給口１０Ｂは、ブロワ１６を介してシステム外部に連通されている。また、燃料排出口１０Ｃは、燃料タンク１２に連通されている。さらに、空気排出口１０Ｄは、凝縮器１８及び気液分離器１９を介して水タンク２０に連通されている。

【0021】

燃料タンク１２には、数重量％に希釈化されたメタノール水溶液（ＭｅＯＨ）が貯蔵されている。システムが起動されると、燃料ポンプ１４により、メタノール水溶液が、燃料タンク１２から燃料供給口１０Ａを通してアノード（燃料極）に供給され、ブロワ１６により、外部の空気が空気供給口１０Ｂを通してカソード（空気極）に供給される。

【0022】

アノードでは、下記（１）式で示すように、触媒による酸化反応により二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成される。アノードで生成された電子が外部の回路を通ることで、ユーザ側の電子機器等の外部負荷に電力が供給される。一方、アノードで生成された水素イオンは、高分子電解質膜を通過してカソードに移動する。カソードでは、下記（２）式に示すように、触媒による酸素の還元反応により水が生成される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ … （１）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ … （２）

【0023】

燃料電池１０のアノードで生じた生成物（二酸化炭素等）及び未反応のメタノールは、燃料排出口１０Ｃから排出されて燃料タンク１２に戻される。燃料タンク１２に戻されたメタノールは、燃料タンク１２に留まり、一方、燃料タンク１２に戻された二酸化炭素は、システム外部に放出される。燃料電池１０のカソードで生じた生成物に含まれる水蒸気は、空気排出口１０Ｄから排出され、凝縮器１８において概ね液化される。凝縮器１８から排出された水は、水タンク２０に送られ、一方、凝縮器１８で液化されなかったガス成分（水蒸気等）は気液分離器１９からシステム外部に放出される。

【0024】

凝縮器１８は、熱交換器であり、ラジエータ２８から水循環配管２７を介して冷却水が供給されている。冷却水は、水循環配管２７を介して凝縮器１８とラジエータ２８との間を循環しており、凝縮器１８において、空気排出口１０Ｄから排出された水蒸気と熱交換して、燃料電池から発生する熱を除去している。これによって、空気排出口１０Ｄから排出された水蒸気が液化される。

【0025】

ラジエータ２８は、比較的高温に上昇した冷却水を冷却するために設けられている。このラジエータ２８は、矩形状の外形を有し、水循環配管２７に設けられている。ラジエータ２８は、装置筐体１１の排気孔１１１に面して配されている。

【0026】

水タンク２０は、水を収容しており、水ポンプ２２を介して燃料タンク１２に連通されている。また、外部燃料タンク２４は、高濃度のメタノール水溶液を収容しており、外部燃料ポンプ２６を介して燃料タンク１２に連通している。外部燃料タンク２４に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液が、外部燃料ポンプ２６により燃料タンク１２に供給されると共に、水タンク２０に貯蔵された水が、水ポンプ２２により燃料タンク１２に供給されることにより、数重量％の濃度に希釈化されたメタノール水溶液が、燃料タンク１２に収容される。

【0027】

ラジエータ冷却ファン３０は、ラジエータ３０と装置筐体１１の排気孔１１１との間に、ラジエータ２８のコア面及び排気孔１１１に面して配されている。このラジエータ冷却ファン３０は、排気孔１１１を通して装置筐体１１の内側から外側へ送風することにより、ラジエータ２８を冷却する。

【0028】

燃料循環配管３２は、燃料タンク１２に貯蔵された液体燃料を循環させるための配管であり、その両端が燃料タンク１２に連通している。この燃料循環配管３２としては、液体燃料（本実施形態では、メタノール水溶液）に対して耐腐食性を有し、可撓性に富んだ材料により構成されていることが好ましく、具体的には、シリコンチューブを用いることが好ましい。なお、燃料循環配管３２を構成する材料は、特に上述に限定されず、後述する放熱器３８に含まれる放熱配管３８２を構成する材料と同じ材料を用いてもよい。この場合、燃料循環配管３２は、後述する放熱器３８と同様の作用効果を奏することができ、イオン系不純物の除去性能の低下を抑制することができる。

【0029】

この燃料循環配管３２には、その上流側から下流側に向けて、プレフィルタ３３、循環ポンプ３４、液体濃度センサ４０、放熱器３８、及びイオン交換器３６がこの順で設けられている。なお、「上流側」や「下流側」とは、流体の流れ方向を基準とし、ここでは、燃料循環配管３２を流れる液体燃料の流れ方向を基準とする。

【0030】

イオン交換器３６は、液体燃料に含まれるイオン系不純物を除去するために設けられている。このイオン系不純物としては、燃料電池１０における発電反応により生成され、燃料電池システム１の系内に混入したアルミニウムイオン（Ａｌ^３＋）、ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）、鉄イオン（Ｆｅ^２＋）、クロムイオン（Ｃｒ^３＋）等の酸性のイオン系不純物（陽イオン不純物）や、外部燃料タンク２４から送られる高濃度のメタノール水溶液に混入、又は、ブロワ１６を通じて外部から燃料電池システム１の系内に混入した塩素イオン（Ｃl⁻）といったハロゲン化物イオン等の塩基性のイオン系不純物（陰イオン不純物）が挙げられる。

【0031】

このようなイオン交換器３６は、粒状とされたイオン交換樹脂３６１と、イオン交換樹脂３６１を収容する容器３６２と、を有している。容器３６２は筒形状とされ、その両端が燃料循環配管３２に接続されている。

【0032】

イオン交換樹脂３６１は、陽イオン交換樹脂及び／又は陰イオン交換樹脂を含んでいる。陽イオン交換樹脂は、陽イオン不純物に対して交換反応性を有する樹脂組成物であり、例えば、スチレン系の樹脂母体（例えば、スチレンとジビニルベンゼンとの共重合体）に、イオン交換基として、スルホ基やカルボキシル基を含むものを用いる。陰イオン交換樹脂は、陰イオン不純物に対して交換反応性を有する樹脂組成物であり、例えば、スチレン系の樹脂母体（例えば、スチレンとジビニルベンゼンとの共重合体）に、イオン交換基として、アンモニウム基やアミノ基を含むものを用いる。

【0033】

なお、本実施形態では、一つの容器３６２に陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合して充填しているが、これら陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを別々の容器に充填してもよい。また、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂の何れか一方のみを設けてもよい。

【0034】

放熱器３８は、燃料循環配管３２に設けられ、当該燃料循環配管３２を通る液体燃料を放熱するために設けられている。この放熱器３８は、燃料循環配管３２において、イオン交換器３６よりも上流側に位置すると共に、液体濃度センサ４０よりも下流側に位置している。なお、本実施形態では、イオン交換器３６と放熱器３８との間に燃料循環配管３２の一部が介しているが、特にこれに限定されず、イオ交換器３６と放熱器３８とが隣接していてもよい。

【0035】

この放熱器３８は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、燃料循環配管３２に連通する放熱配管３８２を含んでいる。放熱配管３８２は、複数の直管部３８２ａと、隣接する直管部３８２ａ同士を上流側から下流側へと連結する複数のＵ字状の屈曲部３８２ｂと、を含んでいる。これによって、放熱配管３８２がＳ字状を複数回に亘り形成されたサーペンタイン状になっている。

【0036】

それぞれの直管部３８２ａは図２（Ａ）中＋Ｘ方向又は図２（Ａ）中−Ｘ方向に延在しており、複数の直管部３８２ａは図２（Ａ）中−Ｚ方向又は図２（Ａ）中＋Ｚ方向に沿って並列されている。本実施形態では、サーペンタイン状とされた放熱配管３８２が、ラジエータ２８のコア面（ラジエータ２８に対してラジエータ冷却ファン３０と対向する側と反対側のコア面）に対向している。

【0037】

放熱配管３８２をラジエータ２８に対向させるに際しては、その高温側（放熱配管３８２の上流側）をラジエータ２８の低温側（水循環配管２７の下流側）と対向させると共に、その低温側（放熱配管３８２の下流側）をラジエータ２８の高温側（水循環配管２７の上流側）と対向させることが好ましい。これによって、放熱配管３８２とラジエータ２８との温度差を大きくすることができ、放熱配管３８２を通る液体燃料を効率良く放熱することができる。

【0038】

なお、放熱配管３８２の形態は、特に上述に限定されない。例えば、上述では、Ｓ字状を複数回に亘り形成することでサーペンタイン状としていたが、放熱配管３８２を一つのＳ字状に形成してもよい。また、放熱配管３８２をコイル状に形成してもよい。このコイル状とは、図３（Ａ）に示すように、放熱配管３８２を螺旋状に等間隔で巻いたコイル状であってもよいし、図３（Ｂ）に示すように、放熱配管３８２の曲率半径を徐々に小さくして同一平面上で巻いた平面コイル状であってもよい。

【0039】

このような放熱配管３８２としては、液体燃料（本実施形態では、メタノール水溶液）に対して耐腐食性を有する材料により構成されており、燃料循環配管３２よりも高い放熱性を有していることが好ましい。例えば、放熱配管３８２を構成する材料の熱伝導率が、燃料循環配管３２を構成する材料の熱伝導率に対して相対的に高いことが好ましい。また、放熱配管３８２の肉厚が、燃料循環配管３２の肉厚に対して相対的に薄いことが好ましい。このような放熱配管３８２を構成する材料としては、燃料循環配管３２を構成するフッ素樹脂に対して熱伝導率の高い材料が好ましく、具体的には、フッ素樹脂又はステンレス鋼を主成分とする材料を用いることが好ましい。

【0040】

液体濃度センサ４０は、循環ポンプ３４から送られる燃料タンク１２内の液体燃料のメタノール濃度を測定する濃度センサである。このような濃度センサ４０としては、公知の液体濃度センサを適宜用いることができる。本実施形態では、液体濃度センサ４０は、燃料循環配管３２において、放熱器３８よりも上流側に位置すると共に、循環ポンプ３４よりも下流側に位置している。

【0041】

次に、本実施形態の燃料電池システム１の作用について説明する。

【0042】

燃料電池システム１を起動させると、液体燃料が燃料電池１０のアノードに供給され、空気が燃料電池１０のカソードに供給され、上記（１）式及び（２）式に示す酸化還元反応により、燃料電池１０が発電する。ここで、上記（１）式及び（２）式に示す化学反応は、発熱反応でもある。このため、燃料電池１０のアノードから排出されるアノード生成物及び未反応のメタノールは、燃料電池１０の運転温度（例えば、常温以上で８０℃以下）まで熱せされて燃料タンク１２に戻されることとなる。

【0043】

ここで、一般に、濾過したい溶液の凍結開始温度よりも高い温度域においては、イオン交換樹脂は、温度が低くなると、これに応じて、イオン交換反応性が向上する傾向にあり、一方で、温度が高くなると、これに応じて、イオン交換反応性が低下する傾向にある。このため、燃料電池の運転温度近傍まで加熱された高温の液体燃料にイオン交換樹脂が曝されてしまうと、イオン交換樹脂のイオン交換反応性が低下して、当該イオン交換樹脂によるイオン系不純物の除去性能が低下するおそれがある。

【0044】

また、特に、イオン交換樹脂に陰イオン交換樹脂を用いた場合においては、以下の問題が生じ得る。すなわち、陰イオン交換樹脂の耐熱温度は、一般的に６０℃程度であり、燃料電池システムの運転環境によっては、燃料電池の運転温度が陰イオン交換樹脂の耐熱温度よりも高くなる可能性がある。このため、燃料電池の運転温度近傍まで加熱された高温の液体燃料にイオン交換樹脂が曝されてしまうと、陰イオン交換樹脂が分解してしまい、陰イオン系不純物の除去性能が著しく低下するおそれがある。

【0045】

このように、燃料電池の運転温度近傍まで加熱された高温の液体燃料にイオン交換樹脂が曝されてしまうと種々の問題が生じてしまうおそれがある。

【0046】

これに対し、本実施形態では、液体燃料を通す燃料循環配管３２に、イオン交換器３６と放熱器３８とを設け、イオン交換器３６よりも上流側に放熱器３８を配置し、この放熱器３８を介して、液体燃料がイオン交換器３６に供給されている。これによって、放熱器３８を通過する前の温度に比べて低温の液体燃料がイオン交換器３６に供給されることとなるため、イオン交換樹脂３６１が高温の液体燃料に曝され難くなる。この結果、イオン交換樹脂３６１によるイオン系不純物の除去性能の低下を抑制することができる。また、イオン交換樹脂に陰イオン交換樹脂を用いた場合においては、陰イオン交換樹脂が分解されてしまうのを抑制することもできる。

【0047】

また、本実施形態では、放熱器３８の少なくとも一部（本実施形態では、サーペンタイン状とされた放熱配管３８２）を、ラジエータ２８に対向させている。この場合、ラジエータ２８に並設されるラジエータ冷却ファン３０によって放熱器３８廻りに対流が生じるため、放熱器３８による液体燃料の放熱が促進される。これにより、イオン交換樹脂が高温の液体燃料に曝されてしまうのをより確実に抑制することができる。また、本実施形態の燃料電池システム１では、放熱器３８をラジエータ２８に対向させることにより、上記の通り、液体燃料の放熱が促進され、これにより、液体燃料から奪った熱を冷却することが可能となる。このため、放熱器３８において液体燃料から奪った熱を冷却するための冷却手段を別途設ける必要がない。これにより、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。また、放熱器３８専用の冷却手段を必要としないため、当該冷却手段に用いる冷却ファンを別途設ける必要がなくなり、燃料電池システム１における消費電力を抑えることができる。

【0048】

また、本実施形態では、放熱器３８に含まれる放熱配管３８２の一部をコイル状又はＳ字状に形成していることで、放熱配管３８２の全長を長くすることができる。これにより、放熱配管３８２の総表面積が大きくなるので、放熱器３８での液体燃料の放熱がさらに促進される。また、放熱配管３８２の一部をコイル状又はＳ字状に形成することで、放熱配管３８２をコンパクトに集合させることができるので、放熱器３８の小型化を図ることもできる。

【0049】

また、本実施形態では、放熱配管３８２を構成する材料の熱伝導率が、燃料循環配管３２を構成する材料の熱伝導率に対して相対的に高くなっている。この場合、液体燃料の熱が放熱配管３８２を伝って外部に放出され易くなるので、放熱器３８による液体燃料の放熱をより一層促進することができる。

【0050】

また、本実施形態では、放熱配管３８２の肉厚が、燃料循環配管３２の肉厚に対して相対的に薄くなっている。この場合、液体燃料の熱が放熱配管３８２を伝って外部に放出され易くなるので、放熱器３８による液体燃料の放熱をより一層促進することができる。

【0051】

また、放熱配管３８２を構成する材料として、フッ素樹脂又はステンレス鋼を主成分とする材料を用いた場合、これらの材料が燃料循環配管３２を構成する材料であるシリコン樹脂に比べて高い熱伝導率を有しているため、放熱器３８による液体燃料の放熱をより一層促進することができる。

【0052】

また、本実施形態では、液体濃度センサ４０が設けられた燃料循環配管３２に、放熱器３８やイオン交換器３６を設けている。すなわち、燃料電池システム１の濃度測定ラインにこれら放熱器３８及びイオン交換器３６を設けている。この場合、循環ポンプ３４によって、液体濃度センサ４０、放熱器３８及びイオン交換器３６に対して液体燃料を供給できるため、放熱器３８及びイオン交換器３６に対して液体燃料を供給するための供給設備を別途設ける必要がなくなる。これにより、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

【0053】

因みに、仮にイオン交換器３６を燃料タンク１２と燃料供給口１０Ａとの間に設けると、イオン交換器３６で生じた生成物が、燃料タンク１２と燃料供給口１０Ａとの間の流路に直接供給される。この場合、イオン交換器３６で生じた生成物が燃料電池１０のアノードに比較的流れ込みやすくなる。仮に、イオン交換器３６で生じた生成物が、燃料電池１０での発電反応に寄与しない、又は、燃料電池１０での発電反応を阻害するものである場合、燃料電池１０のアノードに送られた上記生成物により、燃料電池１０の発電効率が低下してしまうおそれがある。

【0054】

これに対して、本実施形態では、両端が燃料タンク１２に接続されている燃料循環配管３２にイオン交換器３６を設けている。この場合、イオン交換器３６で生じた生成物が燃料タンク１２に貯蔵される液体燃料中に十分に分散された後、燃料電池１０の燃料供給口１０Ａに供給されるので、燃料電池１０のアノードに当該生成物が多量に供給される可能性が低くなる。これにより、燃料電池１０の発電効率の低下を抑制することができる。

【0055】

また、本実施形態では、液体燃料を燃料電池１０に供給していない場合でも、燃料循環配管３２において液体燃料を循環させることで、当該液体燃料に含まれるイオン系不純物を除去することができる。このため、燃料電池システム１の動作状態に関わらず、イオン交換器３６を稼働させることができるため、イオン交換器３６の積算稼働時間を長時間確保することができる。

【0056】

また、液体燃料が燃料タンク１２に貯蔵された状態で液体燃料に混入したイオン系不純物を十分に除去することができるため、イオン系不純物が液体燃料に同伴して、燃料電池１０のアノードに供給されるのを抑えることができる。

【0057】

本実施形態における「燃料電池システム１」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池１０」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「燃料循環配管３２」が本発明における「第１の配管」の一例に相当し、本実施形態における「イオン交換器３６」が本発明における「除去手段」の一例に相当し、本実施形態における「放熱器３８」が本発明における「放熱手段」の一例に相当し、本実施形態における「水循環配管２７」が本発明における「水循環配管」の一例に相当し、本実施形態における「ラジエータ２８」が本発明における「冷却手段」の一例に相当し、本実施形態における「放熱配管３８２」が本発明における「第２の配管」の一例に相当し、本実施形態における「液体濃度センサ４０」が本発明における「濃度センサ」の一例に相当し、本実施形態における「循環ポンプ３４」が本発明における「液体燃料供給手段」の一例に相当する。

【0058】

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

【実施例】

【0059】

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明についてより具体的に説明する。以下の実施例及び比較例は、上述した実施形態における放熱器による液体燃料の放熱性の向上効果を確認するためのものである。

【0060】

＜実施例１＞
実施例１では、上述したメタノールを含む液体燃料を用いる燃料電池システムにおいて、シリコンチューブの燃料循環配管に、放熱器とイオン交換器とを上流側から順に設けた。放熱部の放熱配管にはフッ素チューブ（ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene, ＰＴＦＥ））を用いた。放熱配管の外径は３．２ｍｍとし、内径は２．８ｍｍとし、長さは２ｍとした。このような放熱配管をラジエータに対向させて配置した。この実施例１において、燃料循環配管におよそ６７℃の液体燃料を数百ｍＬ／ｍｉｎの流量で流した。また、ラジエータに対して数ｍ／ｓｅｃの風速で風を供給した。この場合に、放熱器の入口近傍における燃料温度（以下、入口温度とも言う。）を測定し、放熱器の出口近傍における液体燃料の温度（以下、出口温度とも言う。）を測定した。そして、入口温度及び出口温度に基づいて放熱器における放熱量を算出した。実施例１における放熱器における放熱量の算出結果を図４に示す。また、実施例１における出口温度の測定結果を図５に示す。なお、放熱量については、後述する参考例（放熱器がない形態）における放熱量との差を表した場合の値を示した。

【0061】

＜実施例２＞
実施例２では、放熱配管の長さを４ｍとしたこと以外は、実施例１に係る形態と同様にして燃料電池システムを準備した。この実施例２についても、実施例１と同様にして試験を行った。結果を図４及び図５に示す。

【0062】

＜比較例１＞
実施例３では、放熱配管に相当する部分に燃料循環配管としてシリコンチューブを用いたこと以外は、実施例１に係る形態と同様にして燃料電池システムを準備した。この比較例１についても、実施例１と同様にして試験を行った。結果を図４及び図５に示す。

【0063】

＜比較例２＞
実施例４では、放熱配管に相当する部分に燃料循環配管としてシリコンチューブを用い、放熱配管に相当する部分の燃料循環配管の長さを４ｍとしたこと以外は、実施例１に係る形態と同様にして燃料電池システムを準備した。この比較例２についても、実施例１と同様にして試験を行った。結果を図４及び図５に示す。

【0064】

＜参考例＞
参考例として、放熱配管の長さが０ｍであり、燃料循環配管としてのシリコンチューブのみを用いたこと以外は、実施例１に係る形態と同様とした燃料電池システムを準備した。なお、放熱配管の長さが０ｍであるとは、図２（Ａ）中の上流側の燃料循環配管３２の端部と、図２（Ａ）中の下流側の燃料循環配管３２の端部とを直接接続させて、放熱配管３８２が存在していないことを言う。この参考例についても、実施例１と同様にして試験を行った。結果を図４及び図５に示す。なお、参考例では、放熱器が存在しないため、入口温度及び出口温度として、イオン交換器の入口近傍における液体燃料の温度を測定した。

【0065】

＜実施例、比較例の評価＞
図４に示すように、実施例１では２５Ｗ放熱しており、比較例１では１２Ｗ放熱していた。この図４に示す結果から、実施例１においては、比較例１と比較して、液体燃料が放熱されていることが確認できる。また、図４に示すように、実施例２では５０Ｗ放熱しており、比較例２では２５Ｗ放熱していた。この図４に示す結果から実施例２においては、比較例２と比較して、液体燃料が放熱されていることが確認できる。これらの結果から、配管長が同じである場合において、放熱器（放熱配管）を備える実施例１及び実施例２においては、放熱器を備えない比較例と比較して、液体燃料が放熱されていることが確認できる。

【0066】

特に、実施例１及び実施例２の結果から、放熱配管を長くすることで、放熱器における放熱量が大きくなることが確認できる。

【0067】

また、図５に示すように、実施例１での出口温度がおよそ６０℃であり、比較例１での出口温度がおよそ６３℃であった。この図５に示す結果から、実施例１においては、比較例１と比較して、出口温度が低下していることが確認できる。また、図５に示すように、実施例２での出口温度がおよそ５３℃であり、比較例２での出口温度がおよそ６１℃であった。この図５に示す結果から、実施例２においては、比較例２と比較して、出口温度が低下していることが確認できる。これらの結果から、配管長が同じである場合において、放熱器（放熱配管）を備える実施例１及び実施例２においては、放熱器を備えない比較例と比較して、出口温度が低下していることが確認できる。

【0068】

特に、実施例１及び実施例２の結果から、放熱配管を長くすることで、出口温度を大きく低下することが確認できる。さらに、実施例２においては、出口温度が６０℃を下回っており、液体燃料の温度を陰イオン交換樹脂の耐熱温度を下回る温度まで低下させることができることが確認できる。

【0069】

以上のように、実施例１及び実施例２の結果から、放熱器を備えることで、液体燃料の放熱性の向上を適切に実現できるものであることが確認できる。

【符号の説明】

【0070】

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１０１…発電セル
１０２…集電体
１０３…エンドプレート
１０Ａ…燃料供給口
１０Ｂ…空気供給口
１０Ｃ…燃料排出口
１０Ｄ…空気排出口
１１…装置筐体
１１１…排気孔
１２…燃料タンク
１４…燃料ポンプ
１６…ブロワ
１８…凝縮器
１９…気液分離器
２０…水タンク
２２…水ポンプ
２４…外部燃料タンク
２６…外部燃料ポンプ
２７…水循環配管
２８…ラジエータ
３０…ラジエータ冷却ファン
３２…燃料循環配管
３３…プレフィルタ
３４…循環ポンプ
３６…イオン交換器
３６１…イオン交換樹脂
３６２…容器
３８…放熱器
３８２…放熱配管
３８２ａ…直管部
３８２ｂ…屈曲部
４０…液体濃度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】