JP2009038015A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】その周囲の濡れを簡単にかつ確実に防止できる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、セルスタック１４、セルスタック１４を収容する筐体１２、セルスタック１４のカソード出口Ｃ２からの水と水蒸気とを含む排気を外部に案内するためのパイプＰ６〜Ｐ９、および筐体１２に取り付けられる保持ユニット７２を含む。保持ユニット７２は、収容部材８４と、収容部材８４に収容される吸収部材８６とを含む。セルスタック１４のカソード出口Ｃ２からの水と水蒸気とを含む排気ガスは、パイプＰ６〜Ｐ８を介してパイプＰ９から排出され、収容部材８４に収容される吸収部材８６に吹き付けられる。これによって、当該排気ガスに含まれる水が吸収部材８６に吸収される。
【選択図】図８

Description

この発明は燃料電池システムに関し、より特定的には、燃料電池からの排気ガスに水と水蒸気とが含まれる燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに燃料を供給するとともに燃料電池のカソードに酸素を含む空気を供給することによって燃料電池に発電させることが知られている。カソードからの排気ガスには、発電等に伴って生成された水分（水および水蒸気を含む）が含まれている。

たとえば特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、カソードからの排気ガスをラジエータで冷却することによって排気ガスに含まれる水蒸気を水にする。そして、当該排気ガスに含まれる水をタンクに収容し、当該タンク内の水を燃料水溶液の水として利用する。液化されなかった水蒸気を含む排気ガスは、排気パイプから排出される。
特開２００６−１０７７８６号公報

ラジエータの温度は外気温度よりも高くなることがある。このために、特許文献１の燃料電池システムでは、ラジエータを通過した水蒸気がラジエータよりも下流側で液化して排気パイプから排出される場合がある。燃料電池システムの近傍に電子機器が配置されている場合や燃料電池システムの配置場所に排水設備がない場合、燃料電池システムの周囲を濡らすことは好ましくない。

ラジエータで排気ガスを外気温度程度に冷却することによって、当該排気ガスに含まれる水蒸気の大部分を液化させることができる。そして、ラジエータよりも下流側で当該排気ガスに含まれる水を回収することによって、排気パイプから排出される水の量を抑えることができる。しかし、そのためには高性能なラジエータが必要であり、ラジエータを冷却するファンの消費電力も大きくなってしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、その周囲の濡れを簡単にかつ確実に防止できる、燃料電池システムを提供することである。

上述の目的を達成するために、カソードを有する燃料電池、水と水蒸気とを含むカソードからの排気ガスを外部に案内するためにカソードに接続される排気パイプ、および排気パイプから排出された後の水を保持する保持手段を備える、燃料電池システムが提供される。

この発明では、排気パイプから排出された排気ガスに含まれる水を保持手段が保持する。これによって、当該燃料電池システムの周囲の濡れを簡単にかつ確実に防止できる。

好ましくは、保持手段は水を吸収する吸収部材を含む。この場合、保持手段の吸収部材が水を吸収して保持する。これによって、たとえば水を容器等に溜める場合に比べて水が気化しやすくなり、保持手段を清潔な状態に保つことができる。ひいては、保持手段の清掃や取り替え等のメンテナンスに要する負担を軽減できる。

また好ましくは、燃料電池を収容する筐体をさらに含み、保持手段は筐体の外に設けられる。このように保持手段を筐体の外に設けることによって保持手段に保持される水が気化しやすくなる。したがって、保持手段を清潔な状態に保つことができる。また、保持手段を筐体の外に設けることによって保持手段のメンテナンスを容易にできる。

さらに好ましくは、排気ガスに含まれる水を収集するために排気パイプに設けられる収集手段をさらに含む。この場合、収集手段が排気ガスに含まれる水を収集する。これによって、排気パイプから排出される水を少なくできる。したがって、当該燃料電池システムの周囲の濡れをより確実に防止できる。

好ましくは、排気ガスに含まれる水蒸気を液化させるためにカソードと収集手段との間に設けられる液化手段をさらに含む。この場合、液化手段が排気ガスに含まれる水蒸気を液化させた後に、収集手段が当該排気ガスに含まれる水を収集する。これによって、収集手段よりも下流側で液化する水蒸気を少なくできる。ひいては排気パイプから排出される水をより少なくできる。

また好ましくは、吸収部材に風を与える送風手段をさらに含む。この場合、吸収部材に風を当てることによってより多くの量の水を気化させることができ、吸収部材を迅速に乾かすことができる。

さらに好ましくは、送風手段は排気パイプの外周に与えられた風を吸収部材に与える。排気パイプ中にカソードから排出された温かい排気ガスが流れると、排気パイプ自体が温められる。したがって、温かい排気パイプの外周を通過して温められた風を吸収部材に与えることによって、より多くの水を気化させることができる。その結果、排気ガス中の水量が多くなったときでも吸収部材に保持された水の気化を促進でき、吸収部材に保持された水が腐敗することを防止できる。

好ましくは、送風手段は液化手段の外周に与えられた風を吸収部材に与える。液化手段は水蒸気の液化時に水蒸気から奪う熱によって温められる。したがって、温かい液化手段の外周を通過して温められた風を吸収部材に与えることによって、より多くの水を気化させることができ、吸収部材に保持された水が腐敗することを防止できる。

また好ましくは、燃料電池はアノードをさらに有し、燃料電池システムはアノードからの燃料水溶液を冷却する冷却手段をさらに含み、送風手段は冷却手段の外周に与えられた風を吸収部材に与える。冷却手段は燃料水溶液の冷却時に燃料水溶液から奪う熱によって温められる。したがって、温かい冷却手段の外周を通過して温められた風を吸収部材に与えることによって、より多くの水を気化させることができ、吸収部材に保持された水が腐敗することを防止できる。

さらに好ましくは、燃料電池を通過した冷却液が流れる冷却液用パイプをさらに含み、送風手段は、冷却液用パイプの外周に与えられた風を吸材部材に与える。冷却液は燃料電池の冷却時に燃料電池から奪う熱によって温められ、冷却液用パイプに流れる。したがって、温かい冷却液が流れる冷却液用パイプの外周を通過して温められた風を吸収部材に与えることによって、より多くの水を気化させることができ、吸収部材に保持された水が腐敗することを防止できる。

この発明によれば、その周囲の濡れを簡単にかつ確実に防止できる燃料電池システムが得られる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
燃料電池システム１０は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに電気エネルギの生成（発電）に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。燃料電池システム１０は、可搬型に構成され、たとえば屋外コンサートの会場で音響機器等の電子機器に電力を供給するために用いられる。燃料電池システム１０の重量は３０ｋｇ程度であり、燃料電池システム１０の発電による最大出力は５００Ｗ程度である。

図１は燃料電池システム１０を右上前方からみた斜視図である。図２は燃料電池システム１０を右上後方から見た斜視図である。図１および図２に示すように、燃料電池システム１０は直方体状に形成される筐体１２を含む。また、図３は燃料電池システム１０の筐体１２内の構成要素を示す概略図である。

図３に示すように、筐体１２は、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１４、水溶液タンク１６および収集ユニット１８を収容している。収集ユニット１８は、遠心分離器２０と水タンク２２とを含む。

セルスタック１４は、メタノールに基づく水素イオンと酸素（酸化剤）との電気化学反応によって発電できる燃料電池（燃料電池セル）２４を、セパレータ２６を挟んで複数個積層（スタック）して構成されている。セルスタック１４を構成する各燃料電池２４は、たとえば固体高分子膜からなる電解質膜２４ａと、電解質膜２４ａを挟んで互いに対向するアノード（燃料極）２４ｂおよびカソード（空気極）２４ｃとを含む。アノード２４ｂおよびカソード２４ｃはそれぞれ、電解質膜２４ａ側に設けられる白金触媒層を含む。

水溶液タンク１６は、セルスタック１４の電気化学反応に適した濃度（たとえば、メタノールを約３ｗｔ％含む）のメタノール水溶液を収容している。水溶液タンク１６は、パイプＰ１を介してセルスタック１４のアノード入口Ａ１に接続されている。パイプＰ１には、水溶液タンク１６側から順に水溶液ポンプ２８および水溶液フィルタ３０が介挿されている。水溶液ポンプ２８を駆動させることによって、水溶液タンク１６内のメタノール水溶液がセルスタック１４に供給される。

セルスタック１４のアノード出口Ａ２には、パイプＰ２、水溶液ラジエータ３２およびパイプＰ３を介して水溶液タンク１６が接続されている。水溶液ラジエータ３２には、水溶液ラジエータ３２を冷却するために水溶液ラジエータ３２に風を与えるファン３４が設けられている。

また、水溶液タンク１６には、パイプＰ４を介して外部燃料タンク１００が接続可能である。パイプＰ４には、水溶液タンク１６側から順に燃料ポンプ３６およびバルブ３８が介挿されている。外部燃料タンク１００は、セルスタック１４の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容しており、オペレータによってパイプＰ４に適宜接続される。外部燃料タンク１００をパイプＰ４に接続しかつバルブ３８を開いた状態で燃料ポンプ３６を駆動させることによって、外部燃料タンク１００内のメタノール燃料が水溶液タンク１６に供給される。
上述したパイプＰ１〜Ｐ４は主として燃料の流路となる。

セルスタック１４のカソード入口Ｃ１には、パイプＰ５を介してサイレンサ４０が接続されている。パイプＰ５には、サイレンサ４０側から順にエアフィルタ４２、エアポンプ４４およびバルブ４６が介挿されている。エアポンプ４４を駆動させることによって、酸素（酸化剤）を含む外部の空気がセルスタック１４に供給される。

セルスタック１４のカソード出口Ｃ２には、パイプＰ６を介して排気ラジエータ４８が接続されている。排気ラジエータ４８には、排気ラジエータ４８を冷却するために排気ラジエータ４８に風を与えるファン５０が設けられている。また、排気ラジエータ４８には、パイプＰ７を介して収集ユニット１８の遠心分離器２０が接続されている。

遠心分離器２０は、排気ラジエータ４８からの排気ガスに遠心力を与えることによって排気ガスから水（液体）を分離する。遠心分離器２０には、バルブ５２が介挿されるパイプＰ８が接続されている。パイプＰ８は筐体１２から突出し、パイプＰ８の突出部には複数の排出口Ｐ９ａ（図４参照）を有するパイプＰ９が接続されている。
上述したパイプＰ５〜Ｐ９は主として酸化剤の流路となる。

収集ユニット１８の遠心分離器２０と水タンク２２とは、パイプＰ１０を介して接続されている。水タンク２２は、水溶液タンク１６に供給すべき水を収容している。水タンク２２には、遠心分離器２０によって排気ガスから分離された水が与えられる。

水タンク２２は、パイプＰ１１を介して水溶液タンク１６に接続されている。パイプＰ１１には水ポンプ５４が介挿されている。水ポンプ５４を駆動させることによって、水タンク２２内の水が水溶液タンク１６に供給される。
上述したパイプＰ１０，Ｐ１１は水の流路となる。

また、パイプＰ１における水溶液ポンプ２８と水溶液フィルタ３０との間の接続部Ｊ１には、パイプＰ１を流れるメタノール水溶液の一部が流入するようにパイプＰ１２の一端が接続されている。パイプＰ１２には、超音波センサ５６およびバルブ５８が介挿されている。パイプＰ１２の他端は水溶液タンク１６に接続されている。

超音波センサ５６は、メタノール水溶液における超音波の伝播速度がその濃度に応じて変化することを利用して、パイプＰ１２内のメタノール水溶液の濃度を検出するために用いられる。濃度の検出時にはバルブ５８が閉じられ、パイプＰ１２内でのメタノール水溶液の流れが止められる。濃度の検出後、バルブ５８が開けられ、濃度検出済みのメタノール水溶液が水溶液タンク１６に戻される。
上述したパイプＰ１２は主として濃度検出用の流路となる。

また、水溶液タンク１６には、パイプＰ１３およびＰ１４を介してキャッチタンク６０が接続されている。パイプＰ１３は、パイプＰ１２におけるバルブ５８よりも下流側の接続部Ｊ２に接続されている。また、キャッチタンク６０には、パイプＰ１５が接続されている。パイプＰ１５は、パイプＰ５におけるバルブ４６よりも下流側の接続部Ｊ３に接続されている。
上述したパイプＰ１３〜Ｐ１５は燃料処理用の流路となる。

上述した水溶液ポンプ２８、燃料ポンプ３６、エアポンプ４４、ファン３４，５０およびバルブ３８，４６，５２，５８等の補機類は、筐体１２内に設けられる図示しないコントローラによって制御される。

図１に戻って、筐体１２の前側の壁１２ａには、筐体１２内に外部の空気を取り込むための吸気口６２、水タンク２２内の水量を確認するための確認窓６４、各種情報提供用の表示部６６、ならびに運転開始および運転停止指示用の入力部６８が設けられている。

確認窓６４は、水タンク２２に設けられる図示しない水量ゲージを確認（視認）するために用いられる。表示部６６は、液晶ディスプレイ等によって構成されており、セルスタック１４の発電状況等を表示する。入力部６８は、運転開始ボタン６８ａと運転停止ボタン６８ｂとを含む。運転開始ボタン６８ａと運転停止ボタン６８ｂとはそれぞれ、壁１２ａから外側に突出しないように設けられている。これによって、障害物に接触することで運転開始ボタン６８ａまたは運転停止ボタン６８ｂが押されるといったことを防止できる。

筐体１２の右側の壁１２ｂには、上端近傍に埋め込み式の取っ手７０ａが設けられている。同様に、筐体１２の底板（下側の壁）１２ｃには、左縁近傍に埋め込み式の取っ手７０ｂが設けられている。このように２つの取っ手７０ａおよび７０ｂが筐体１２に設けられていることによって、筐体１２を右側（壁１２ｂ側）に傾けて掴むことができ、燃料電池システム１０の持ち運びが容易になる。

図１および図２に示すように、筐体１２の後側の壁１２ｄには、パイプＰ９からの排気ガスに含まれる水を保持する保持ユニット７２が着脱可能に取り付けられている。また、図４をも参照して、壁１２ｄの右上隅近傍からは、パイプＰ８が壁１２ｄに対して垂直に突出している。パイプＰ８の突出部にはパイプＰ９が接続されている。なお、図４は、保持ユニット７２を取り外した状態の筐体１２を左下後方からみた部分斜視図である。

図４に示すように、パイプＰ９は、パイプＰ８に接続されている端部とは反対側の端部（下流側端部）が閉じた円筒状に形成されており、パイプＰ８から左に屈曲して壁１２ｄに平行にかつ水平に延びている。パイプＰ９の内径は１１ｍｍ程度である。このようなパイプＰ９の側面には、後方斜め下に開口する複数（ここでは２１個）の排出口Ｐ９ａが左右に並ぶように設けられている。複数の排出口Ｐ９ａはそれぞれ直径が４ｍｍ程度の円形に形成されている。排出口Ｐ９ａが後方斜め下に開口していることによって、排気ガスに含まれる水を筐体１２にかからないように効率よく排出（吐出）できる。

また、壁１２ｄには、ファン３４を外部に露出させる送風口７４、およびファン５０を外部に露出させる送風口７６が設けられている。ファン３４は、そのプロペラの回転に伴って外部の空気を壁１２ａの吸気口６２を介して吸入する。これによって、ファン３４よりも吸気口６２側（気流の上流側）に配置されている水溶液ラジエータ３２に外部の空気が与えられる。つまり、ファン３４を駆動させることによって水溶液ラジエータ３２に風が与えられる。冷却のために水溶液ラジエータ３２に与えられた風は、ファン３４および送風口７４を介して筐体１２の外部に排出される。同様に、ファン５０を駆動させることによって排気ラジエータ４８（図３参照）に風が与えられる。冷却のために排気ラジエータ４８に与えられた風はファン５０および送風口７６を介して筐体１２の外部に排出される。

また、壁１２ｄには、引出口７８および出力端子８０が設けられている。引出口７８は、筐体１２内からパイプＰ４（図３参照）を引き出すために設けられている。引出口７８を介して筐体１２から引き出されたパイプＰ４を外部燃料タンク１００に接続することによって、水溶液タンク１６にメタノール燃料を供給可能になる。出力端子８０は、燃料電池システム１０から電力を取り出すために用いられる。出力端子８０にリード線等を接続することによって、燃料電池システム１０から電力を取り出し可能になる。

さらに、壁１２ｄには、保持ユニット７２を取り付けるための取付部材８２が右上隅近傍、左上隅近傍、中央やや下寄りかつ右縁近傍および中央やや下寄りかつ左縁近傍にそれぞれ設けられている。取付部材８２はその内周面にねじ溝を有する円筒状に形成されている。

ついで、図５〜図８を参照して、保持ユニット７２について詳しく説明する。
図５は図１に示す保持ユニット７２を右上後方から見た斜視図である。図６は図２の燃料電池システム１０を筐体１２と保持ユニット７２との接触面で切った断面を矢印Ｚ方向から見た断面図である。図７は図６に示す燃料電池システム１０のＸ１−Ｘ１断面を示す図解図である。図８は図６に示す燃料電池システム１０のＸ２−Ｘ２断面を示す図解図である。図５および図６に示すように、保持ユニット７２は、収容部材８４および収容部材８４に収容される吸収部材８６を含む。収容部材８４は、パイプＰ９の右端部を包囲する包囲部８８、および吸収部材８６を収容する収容部９０を一体的に形成してなる。収容部材８４は、その貫通孔を挿通したボルト９２を取付部材８２に螺入させることによって、壁１２ｄの上端から中央やや下寄りの部分を覆うように壁１２ｄに取り付けられている（図２参照）。図７および図８に示すように、収容部材８４と取付部材８２との間には、収容部材８４を位置決めするためのカラー９４が介挿されている。収容部材８４としては、たとえば耐腐食性を有する金属が用いられる。具体的には、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４やＪＩＳ−ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼またはアルマイト処理等の表面処理が施されたアルミニウム合金等が用いられる。

図５、図６および図７に示すように、包囲部８８は、前方に開口する直方体状に形成されている。包囲部８８の左側の壁には、右から左に延びるパイプＰ９（図６参照）を通すための切り欠き部９６が設けられている。

図５、図６および図８に示すように、箱状の収容部９０には、前側の壁を大きく切り欠くことによって、左右に並ぶ複数の排出口Ｐ９ａおよびファン３４，５０に対応する開口部９０ａが形成されている。収容部９０の内側にありかつ壁１２ｄおよびパイプＰ９に平行な貼付面９０ｂには、パイプＰ９よりも下側で貼付面９０ｂの略全面を覆うようにシート状の吸収部材８６が貼り付けられている。

吸収部材８６は、液体を吸収して保持可能な任意の材料を含み、たとえば、紙、布、スポンジ、多孔質セラミック、発泡金属および高分子化合物（ポリマー）のいずれかまたはこれらの組み合わせを含む。具体的には、吸収部材８６として、東陽特紙株式会社製のポリマーシートや東洋紡績株式会社製のコスモ吸水シート等が用いられる。

図８に一点鎖線で示すように、このような吸収部材８６の上端部近傍には、排出口Ｐ９ａからの排気ガスが吹き付けられる。吸収部材８６は、吹き付けられた排気ガスに含まれる水を吸収して保持する。また、図８に二点鎖線で示すように、ファン３４，５０の駆動に伴って、送風口７４，７６を介して筐体１２から排出される空気が吸収部材８６に与えられる。つまり、ファン３４，５０の駆動に伴って吸収部材８６に風が与えられる。

水溶液ラジエータ３２を冷却するために用いられた送風口７４からの風は、水溶液ラジエータ３２の熱を吸収して温風（外気温度以上の風）となっている。排気ラジエータ４８を冷却するために用いられた送風口７６からの風についても同様である。したがって、吸収部材８６には温風が与えられる。

パイプＰ９から貼付面９０ｂまでの距離Ｄは、貼付面９０ｂに貼り付けられる吸収部材８６が排出口Ｐ９ａからの排気ガスを受けることができ、かつ吸収部材８６に水を吸収された排気ガスを外部に円滑に流出させることができる程度に設定されている。具体的には、通常運転時のエアポンプ４４の出力が１００Ｌ／ｍ（リットル／分）である場合、パイプＰ９から貼付面９０ｂまでの距離Ｄは３０ｍｍ程度に設定されている。

この実施形態では、収容部材８４と吸収部材８６とを含む保持ユニット７２が保持手段に相当し、遠心分離器２０と水タンク２２とを含む収集ユニット１８が収集手段に相当し、ファン３４および５０がそれぞれ送風手段に相当する。液化手段は排気ラジエータ４８を含み、冷却手段は水溶液ラジエータ３２を含む。排気パイプは、パイプＰ６〜Ｐ９を含む。

ついで、燃料電池システム１０の基本的な動作について説明する。
燃料電池システム１０は、運転開始ボタン６８ａが押されることを契機として、コントローラを起動させ、運転を開始する。これによって、筐体１２に収容されている図示しない二次電池から外部の電子機器に電力の供給が可能になる。そして、二次電池の蓄電率が所定値未満になることを契機として、バルブ４６，５２を開くとともに二次電池からの電力によって水溶液ポンプ２８およびエアポンプ４４の駆動を開始させ、セルスタック１４に発電を開始させる。

図３を参照して、水溶液タンク１６内のメタノール水溶液は、水溶液ポンプ２８の駆動によってパイプＰ１に流入し、水溶液ポンプ２８、水溶液フィルタ３０およびアノード入口Ａ１を介してセルスタック１４に含まれる各燃料電池２４のアノード２４ｂにダイレクトに供給される。

一方、エアポンプ４４の駆動によって、外部の空気が吸気口６２（図１参照）を介して筐体１２内に取り込まれ、サイレンサ４０に吸入される。サイレンサ４０に吸入された空気は、パイプＰ５に流入し、エアフィルタ４２、エアポンプ４４、バルブ４６およびカソード入口Ｃ１を介してセルスタック１４に含まれる各燃料電池２４のカソード２４ｃに供給される。

また、バルブ５８を閉じた状態では、水溶液タンク１６内にある水蒸気、気化したメタノールおよび二酸化炭素等が、パイプＰ１２に流入し、接続部Ｊ２およびパイプＰ１３を介してキャッチタンク６０に与えられる。キャッチタンク６０内では水蒸気および気化したメタノールが冷却される。そして、キャッチタンク６０内で得られたメタノール水溶液がパイプＰ１４を介して水溶液タンク１６に戻される。また、液化されなかった水蒸気およびメタノール、ならびに二酸化炭素等が、キャッチタンク６０からパイプＰ１５に流入し、接続部Ｊ３およびパイプＰ５を介してカソード入口Ｃ１に与えられる。

各燃料電池２４のアノード２４ｂでは、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応し、二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質膜２４ａを介してカソード２４ｃに流入し、そのカソード２４ｃに供給された空気中の酸素（酸化剤）と電気化学反応して水分（水および水蒸気）および電気エネルギが生成される。つまり、各燃料電池２４ひいてはセルスタック１４において発電が行われる。セルスタック１４の温度は各種反応に伴って発生する熱によって上昇し、セルスタック１４の出力はその温度上昇に伴って上昇する。燃料電池システム１０は、セルスタック１４が約６０℃で定常的に発電可能な通常運転に移行する。セルスタック１４からの電力は、二次電池の充電や外部の電子機器の駆動等に利用される。

各燃料電池２４のアノード２４ｂで生成された二酸化炭素および未反応メタノールを含むメタノール水溶液は、電気化学反応に伴って熱せられる。当該二酸化炭素およびメタノール水溶液は、セルスタック１４のアノード出口Ａ２およびパイプＰ２を介して水溶液ラジエータ３２に与えられる。水溶液ラジエータ３２は、ファン３４の駆動に伴って与えられる風によって冷却され、その内部を流れるメタノール水溶液を冷却する。水溶液ラジエータ３２を冷却した風は、水溶液ラジエータ３２から与えられた熱によって温風となる。そして、当該温風がファン３４および送風口７４を介して吸収部材８６に与えられる（図８参照）。このようにファン３４の駆動に伴って吸収部材８６に与えられた温風は、吸収部材８６の表面上を流れて、壁１２ｄと収容部材８４との間から外部に流出する。通常運転時には、ファン３４の駆動ひいては水溶液ラジエータ３２によるメタノール水溶液の冷却動作が継続される。水溶液ラジエータ３２からのメタノール水溶液は、パイプＰ３を介して水溶液タンク１６に還流される。つまり、水溶液ポンプ２８を駆動させることによって、水溶液タンク１６内のメタノール水溶液がセルスタック１４に循環供給される。

また、各燃料電池２４のカソード２４ｃでは、キャッチタンク６０からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソード２４ｃに移動したメタノールが白金触媒層で酸素と化学反応して無害な水分と二酸化炭素とに分解される。

セルスタック１４のカソード出口Ｃ２からは、各カソード２４ｃで生成された水分、クロスオーバーによって各カソード２４ｃに移動した水分、各カソード２４ｃで生成された二酸化炭素、および未反応の空気等を含む排気ガスが排出される。排気ガスに含まれる水蒸気の大部分は水（液体）となってカソード出口Ｃ２から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。

カソード出口Ｃ２からの排気ガスは、パイプＰ６を介して排気ラジエータ４８に与えられる。排気ラジエータ４８は、ファン５０の駆動に伴って与えられる風によって冷却され、その内部を流れる排気ガスを冷却する。これによって、排気ガスに含まれる水蒸気が液化される。このような液化動作は、水タンク２２に設けられる図示しない水量センサの検出結果に基づいて、コントローラがファン５０の駆動に伴って排気ラジエータ４８に与えられる風の量（ファン５０の出力）を調節することによって制御される。具体的には、コントローラは、水タンク２２の水量が少なくなればファン５０の出力を大きくして排気ガスに含まれる水を多くする。一方、コントローラは、水タンク２２の水量が多ければファン５０の出力を小さくして排気ガスに含まれる水が多くならないようにする。排気ラジエータ４８を冷却した風は、排気ラジエータ４８から与えられた熱によって温風になる。そして、当該温風がファン５０および送風口７６を介して吸収部材８６に与えられる（図８参照）。このようにファン５０の駆動に伴って吸収部材８６に与えられた温風は、吸収部材８６の表面上を流れて、壁１２ｄと収容部材８４との間から外部に流出する。

排気ラジエータ４８からの排気ガスは、パイプＰ７を介して遠心分離器２０に与えられる。遠心分離器２０では排気ガスから水が分離され、当該水がパイプＰ１０を介して水タンク２２に与えられる。つまり、遠心分離器２０で排気ガスから分離された水が水タンク２２に収集（回収）される。水タンク２２内の水は、水ポンプ５４の駆動によって水溶液タンク１６に適宜供給される。

一方、遠心分離器２０で水が分離された排気ガスは、パイプＰ８に流入し、バルブ５２を介してパイプＰ９の排出口Ｐ９ａから排出される。遠心分離器２０で水が分離された後であっても、排気ガスに残る水蒸気の一部がパイプＰ８，Ｐ９で外気温度程度に冷却されて液化する場合がある。この場合、パイプＰ９の排出口Ｐ９ａからは、水、水蒸気、二酸化炭素および未反応の空気等を含む排気ガスが排出される。

図８を参照して、排出口Ｐ９ａからの排気ガスは吸収部材８６の上端部近傍に吹き付けられる。これによって、排気ガスに含まれる水が吸収部材８６に吸収される。その後、水（液体）を含まない排気ガスが壁１２ｄと収容部材８４との間から外部に流出する。

このような燃料電池システム１０では、パイプＰ９の排出口Ｐ９ａから排出された排気ガスに含まれる水を吸収部材８６が吸収することによって、その周囲の濡れを簡単にかつ確実に防止できる。

収容部９０の貼付面９０ｂがパイプＰ９の排出口Ｐ９ａから排出された排気ガスを受けるように収容部材８４が設けられていることによって、排気ガスに含まれる水を吸収部材８６に簡単かつ確実に吸収させることができる。

吸収部材８６に吸収させて水を保持することによって、水が気化しやすくなり、吸収部材８６および収容部材８４を清潔な状態に保つことができる。ひいては、保持ユニット７２の清掃や取り替え等のメンテナンスに要する負担を軽減できる。

保持ユニット７２を筐体１２の外に設けることによって保持ユニット７２が乾きやすくなり、保持ユニット７２を清潔な状態に保つことができる。また、保持ユニット７２のメンテナンスを容易にできる。

遠心分離器２０で排気ガスから分離した水を水タンク２２に収集することによって、パイプＰ８，Ｐ９に至る水を少なくでき、排出口Ｐ９ａから排出される水を少なくできる。したがって、燃料電池システム１０の周囲の濡れをより確実に防止できる。

排気ガスに含まれる水蒸気を排気ラジエータ４８で液化させて水タンク２２に収集できる。これによって、パイプＰ８，Ｐ９で液化する水蒸気を少なくできる。ひいては排出口Ｐ９ａから排出される水をより一層少なくできる。

吸収部材８６にファン３４の駆動に伴う風およびファン５０の駆動に伴う風が与えられるので、吸収部材８６に吸収された水の気化を促進でき、吸収部材８６に吸収された水をより多く蒸散させることができる。したがって、ヒータ等を別に設ける必要がなく、簡単な構成で吸収部材８６ひいては保持ユニット７２を迅速に乾かすことができる。

また、パイプＰ６〜Ｐ９、水溶液ラジエータ３２および排気ラジエータ４８よりも気流の下流側（風下）に吸収部材８６を配置することによって、パイプＰ６〜Ｐ９（特にパイプＰ６）の外周や水溶液ラジエータ３２の外周や排気ラジエータ４８の外周を通過して温められた風を吸収部材８６に与えることができ、吸収部材８６をより迅速に乾かすことができる。したがって、排気ガス中の水量が多くなったときでも吸収部材８６に保持された水の蒸散を促進でき、吸収部材８６に保持された水が腐敗することを防止できる。

ファン５０の出力は水タンク２２の水量に応じて変化するが、吸収部材８６にファン３４の駆動に伴う風を与えることができるので、ファン５０の出力が小さくても吸収部材８６ひいては保持ユニット７２を確実に乾かすことができる。

なお、上述の実施形態では、パイプＰ８にパイプＰ９を接続する場合について説明したが、パイプＰ８の排出口Ｐ８ａ（図４参照）から排気ガスを排出するようにしてもよい。

この場合、保持ユニット７２に代えて図９および図１０に示すような保持ユニット７２ａが用いられる。図９は図２の燃料電池システム１０の保持ユニット７２を保持ユニット７２ａに置き換え、筐体１２と保持ユニット１２ａとの接触面で切った断面を矢印Ｚ方向から見た断面図である。図１０は図９に示す燃料電池システム１０のＸ３−Ｘ３断面を示す図解図である。保持ユニット７２ａでは、保持ユニット７２の収容部材８４に代えて収容部材８４ａが用いられる。収容部材８４ａの包囲部８８ａには、左側の壁に切り欠き部９６が設けられておらず、代わりに下側の壁に包囲部８８ａと収容部９０とを連通する連通口９６ａが形成されている（図１０参照）。それ以外は、収容部材８４と８４ａとは同様に構成されている。

図１０に示すように、この場合、排出口Ｐ８ａから排出された排気ガスが包囲部８８ａの後側の壁に吹き付けられる。当該排気ガスに含まれる水は、後側の壁を伝って流れ落ち、連通口９６ａを介して収容部９０の吸収部材８６に与えられる。水（液体）を含まない排気ガスは、連通口９６ａを介して収容部９０に流入し、開口部９０ａから外部に流出する。したがって、パイプＰ９を用いる場合と同様に、周囲の濡れを簡単にかつ確実に防止できる。

また、図１１に示すように、セルスタック１４と水溶液ラジエータ３２とを通過する冷却液用パイプＰ１６および冷却液用パイプ１６に介挿されるポンプ９８がさらに設けられてもよい。

冷却液用パイプＰ１６は閉路を形成しかつセルスタック１４を冷却するための冷却液を収容する。ポンプ９８を駆動することによって、セルスタック１４に冷却液が循環供給される。すなわち、冷却液は、セルスタック１４を通過したのち水溶液ラジエータ３２を通過し再びセルスタック１４に供給される。

この場合、セルスタック１４に与えられた冷却液はセルスタック１４の冷却時にセルスタック１４から奪う熱によって温められる。温められた冷却液は、冷却液用パイプＰ１６中を水溶液ラジエータ３２に向かって流れる。ここで、ファン３４を駆動することによって、ファン３４近傍の冷却液用パイプＰ１６の外周を通過した風を吸収部材８６に与えることができる。この風は、温かい冷却液用パイプＰ１６の外周を通過することによって温められているので、吸収部材８６が保持するより多くの水を気化させることができ、吸収部材８６に保持された水が腐敗することを防止できる。

なお、上述の実施形態では、排出口Ｐ９ａ（Ｐ８ａ）および保持ユニット７２（７２ａ）を筐体１２の外に設ける場合について説明したが、排出口および保持手段を筐体内に設けるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、吸収部材８６を水溶液ラジエータ３２および排気ラジエータ４８よりも気流の下流側（風下）に配置して吸収部材８６に温風を送風する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。たとえば、ファン３４，５０のプロペラを逆回転させることによって吸収部材８６側から水溶液ラジエータ３２および排気ラジエータ４８に送風するようにしてもよい。つまり、吸収部材８６が水溶液ラジエータ３２および排気ラジエータ４８よりも気流の上流側（風上）となるようにファン３４，５０を駆動するようにしてもよい。このように吸収部材８６側から水溶液ラジエータ３２および排気ラジエータ４８に送風するようにしても、その表面上を流れるように吸収部材８６に風が与えられ、吸収部材８６に吸収された水の気化を促進できる。

さらに、上述の実施形態では、吸収部材８６に保持された水の気化をファン３４，５０によって促進する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。たとえば、当該水の気化を促進するためにヒータ等を別に設けるようにしてもよい。

なお、上述の実施形態では、ファン５０からの風で排気ラジエータ４８を空冷する場合について説明したが、冷却液によって排気ラジエータ４８を水冷するようにしてもよい。

また、排気ラジエータ４８は、パイプＰ６を介することなく直接セルスタック１４のカソード出口Ｃ２に接続されてもよい。

また、上述の実施形態では、排気ガスに含まれる水が上方から与えられるように吸収部材８６を配置する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。たとえば、収容部材の収容部に溜めた水を吸収部材に吸い上げさせるようにしてもよい。

さらに、上述の実施形態では、吸収部材８６に水を吸収させて保持する保持ユニット７２（７２ａ）を保持手段として用いる場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。たとえば、保持手段として、排気パイプからの排気ガスを受けるように排気パイプの排出口近傍に容器を設けるようにしてもよい。

なお、排気パイプと保持手段との位置関係は上述の実施形態に限定されない。たとえば、排気パイプの排出口から保持手段までの距離を変更する変更手段を設け、外気温度の変化に応じて排出口から保持手段までの距離を変更するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。

さらに、上述の実施形態では、直接メタノール型燃料電池システムについて説明したが、この発明はこれに限定されない。この発明は、改質器搭載型燃料電池システムや水素ガスを燃料として燃料電池に供給する水素型燃料電池システムにも適用できる。

なお、この発明は、自動二輪車等の輸送機器、またはパーソナルコンピュータ等の電子機器に搭載される燃料電池システムにも適用できる。また、据え付け（固定）タイプの燃料電池システムにも適用できる。

この発明の一実施形態の燃料電池システムを右上前方からみた斜視図である。 この発明の一実施形態の燃料電池システムを右上後方からみた斜視図である。 この発明の一実施形態の燃料電池システムの筐体内の構成要素を示す概略図である。 保持ユニットを取り外した状態の筐体を示す部分斜視図である。 保持ユニットを右上前方から見た斜視図である。 図２のＺ−Ｚ断面図である。 図６のＸ１−Ｘ１断面を示す図解図である。 図６のＸ２−Ｘ２断面を示す図解図である。 他の例の保持ユニットを用いたときの図２のＺ−Ｚ断面図である。 図９のＸ３−Ｘ３断面を示す図解図である。 この発明の他の実施形態の燃料電池システムの筐体内の構成要素を示す概略図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 筐体
１４ 燃料電池セルスタック
１８ 収集ユニット
２０ 遠心分離器
２２ 水タンク
２４ 燃料電池（燃料電池セル）
２４ｂ アノード
２４ｃ カソード
３２ 水溶液ラジエータ
３４，５０ ファン
４８ 排気ラジエータ
７２，７２ａ 保持ユニット
８４，８４ａ 収容部材
８６ 吸収部材
８８，８８ａ 包囲部
９０ 収容部
Ｐ１〜Ｐ１５ パイプ
Ｐ１６ 冷却液用パイプ
Ｐ８ａ，Ｐ９ａ 排出口

Claims (10)

1. カソードを有する燃料電池、
   水と水蒸気とを含む前記カソードからの排気ガスを外部に案内するために前記カソードに接続される排気パイプ、および
   前記排気パイプから排出された後の前記水を保持する保持手段を備える、燃料電池システム。
2. 前記保持手段は前記水を吸収する吸収部材を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池を収容する筐体をさらに含み、
   前記保持手段は前記筐体の外に設けられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記排気ガスに含まれる前記水を収集するために前記排気パイプに設けられる収集手段をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記排気ガスに含まれる前記水蒸気を液化させるために前記カソードと前記収集手段との間に設けられる液化手段をさらに含む、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記吸収部材に風を与える送風手段をさらに備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記送風手段は前記排気パイプの外周に与えられた前記風を前記吸収部材に与える、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記排気ガスに含まれる前記水蒸気を液化させるために前記排気パイプに設けられる液化手段をさらに含み、
   前記送風手段は前記液化手段の外周に与えられた前記風を前記吸収部材に与える、請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池はアノードをさらに有し、
   前記アノードからの燃料水溶液を冷却する冷却手段をさらに含み、
   前記送風手段は、前記冷却手段の外周に与えられた前記風を前記吸収部材に与える、請求項６に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池を通過した冷却液が流れる冷却液用パイプをさらに含み、
    前記送風手段は、前記冷却液用パイプの外周に与えられた前記風を前記吸収部材に与える、請求項６に記載の燃料電池システム。

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