专利名称：燃料电池系统和使用该系统的输送设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统和使用该系统的输送设备(机器)，更具体地说，本发明涉及一种将燃料电池中未反应的燃料水溶液返回水溶液槽内的燃料电池系统和使用该燃料电池系统的二轮摩托车等输送设备。
背景技术：
特开2004-79210(下文称为专利文献1)说明了一种从在燃料电池系统中所产生的液体成分中除去副产物、离子副产物或金属离子的技术。
根据专利文献1所说明的技术，可以回收在燃料电池组中所产生的有害物质，但是存在下述问题。
通常，由于在个人计算机等事务机器中所使用的燃料电池在室温～40℃范围内使用，在从水溶液槽中排出二氧化碳时，作为燃料的甲醇在气化的同时排出的情况很少。但是在大于等于50℃时，例如65℃左右的比较高的温度下运行的直接甲醇型燃料电池中，气化的甲醇量增大，因而，来自水溶液槽的二氧化碳与大量甲醇被排出，对环境造成不良影响。
在此，即使在上述直接甲醇型燃料电池中使用专利文献1的技术，专利文献1并没有提及如何对存在于水溶液槽中的气化甲醇进行处理，不能消除甲醇直接向外部排出所引起的弊端。
发明内容
因而，本发明的主要目的是提供一种能够处理水溶液槽内的气化燃料的燃料电池系统和使用该燃料电池系统的输送设备。
根据本发明的一方面，提供一种燃料电池系统，它包括收容燃料水溶液的水溶液槽；包含阳极和阴极的燃料电池，其中水溶液槽内的燃料水溶液被供应到阳极，在阴极上设置有催化剂；包含用于将空气向燃料电池的阴极输送的空气泵的空气供给装置；和使包含水溶液槽内的气化燃料的气体混入被输送到阴极的空气的气体引导装置。
在本发明中，使在水溶液槽内已处于气化状态的燃料混合到由空气供给装置输送到燃料电池的阴极的空气中。一旦进行了混合，燃料和空气一起由空气泵输送到燃料电池的阴极，在阴极以白金等作为催化剂，燃料和空气中所包含的氧气进行反应，分解成水和二氧化碳。因而，无需追加用于处理燃料的处理装置，就可以使燃料无害化地排出，能够以简单的结构对存在于水溶液槽内的气化燃料进行处理。
最好气体引导装置包括将气体引导到空气供给装置的空气泵的吸引侧(吸入侧)的管状部件。如果将水溶液槽内的气化状态的燃料引导到空气供给装置的空气泵的吸引侧，即使不设置任何压力调整装置，也可以由空气泵的吸引力将所述燃料不泄漏到外部地引导到燃料电池的阴极。而且，由于空气泵不工作时不产生发电反应，几乎不会产生来自水溶液槽的气体。因而，在空气泵不工作时也不产生问题。
最好空气供给装置包括设置在吸引侧的端部的空气过滤器、设置在空气过滤器和空气泵之间且与管状部件相连的空气腔。此时，一旦空气泵工作，由空气过滤器而使得空气腔内的气压变得比大气压低，而发电中的水溶液槽的内压比大气压高。因而，一旦要将水溶液槽内气化的燃料引导到空气腔内，即使没有设置任何压力调整装置，也可以将所述燃料不泄漏到外部地引导到燃料电池的阴极。
而且，最好气体引导装置包括将气体引导到空气供给装置的空气泵的排出侧的管状部件。此时，由于对泵机构有害的燃料被供应到空气泵的排出侧(下游侧)，不用担心对空气泵造成损害。
最好气体引导装置还包括与设置在空气泵的排出侧的管状部件相连且用于防止气体逆流的单向阀(止回阀)。如果空气泵的排出侧的空气压力比水溶液槽内的压力大，会担心空气逆流到水溶液槽内。但是，利用单向阀，通过将包含来自水溶液槽的燃料的气体引导到空气泵的排出侧，能够防止空气向水溶液槽方向逆流。
而且，最好空气供给装置包括连接空气泵和燃料电池的阴极的管，在该管上形成有使气体的流路的截面积变小的缩颈部；气体引导装置在缩颈部将气体混合到空气中。此时，在设置在空气泵的排出侧和燃料电池的阴极之间的缩颈部中，空气和包含气化燃料的气体混合。此时，由于在缩颈部气体的流速变大且相对地压力减少，包含燃料的气体很容易混入到空气中。
而且，最好气体引导装置包含将气体引导到在空气泵中压力比水溶液槽内的压力低的部分的管状部件。通过将气化燃料引导到在空气泵中压力比水溶液槽内的压力低的部分，燃料能够不逆流而容易地供应到燃料电池的阴极。
由于在大于等于50℃的比较高的温度下工作的燃料电池中，燃料挥发量增大，所以本发明可良好地应用于燃料电池在大于等于50℃的温度下工作的燃料电池系统中。
而且，本发明最好应用在直接甲醇型燃料电池系统中。
而且，本发明最好应用在两轮车等输送设备中。
通过下文结合附图对本发明实施例进行详细的说明，本发明的上述目的和其它目的、特征、状态和优点将变得更加清楚。
图1是示出本发明的燃料电池系统的主要部分的视图；图2是示出将燃料电池系统安装在二轮摩托车车架上的状态的透视图；图3是示出安装在二轮摩托车车架上的燃料电池系统的主要部分的视图；图4是示出燃料电池系统的电气结构的框图；图5是示出燃料电池的一个示例的示意图；
图6是示出空气供给装置的一个示例的示意图；图7是示出空气泵的一个示例的示意图；图8是示出向燃料电池的阴极供给的气体的各个部分中压力和大气压之差的图形。
具体实施例方式
下文参考附图详细说明本发明实施例。
参考图1～4，本发明的一实施例的燃料电池系统10构成为直接甲醇型燃料电池系统。由于直接甲醇型燃料电池系统不需要改质器，所以非常适用于需要便携性的设备或希望小型化的设备中。在此，以将燃料电池系统10使用在作为输送设备的一例的二轮摩托车上的场合进行说明。而且，如图2所示，在二轮摩托车中，仅示出了车体车架200，在图2中，左侧表示车辆前方，右侧表示车辆后方。燃料电池10沿车体车架200设置。
燃料电池系统10包括燃料电池12。燃料电池12构成为将多个直接甲醇型燃料电池单元串联地连接(层叠)的燃料电池组，所述直接甲醇型燃料电池单元包括电解质12a以及从两侧夹持着电解质12a的阳极(燃料极)12b和阴极(空气极)12c。
如图5所示，燃料电池12的阳极12b上包含由白金Pt和钌Ru组成的催化剂，在阴极12c上包含由白金Pt组成的催化剂。在阳极12b和阴极12c上进行下述化学式1的反应。
(化学式1)阳极反应阴极反应 在阳极12b上进行上述反应的过程中，虽然在阳极12b上一氧化碳CO吸附在白金表面上，但是由钌Ru有效地将氧原子赋予一氧化碳而生成二氧化碳CO2。所生成的二氧化碳从白金表面离开，促进了在阳极12b上进行的反应，为了促进燃料的氧化，也可以使用白金、钌以外的钛Ti、铑Rh等其它催化剂。
而且，燃料电池系统10包括收容高浓度的甲醇燃料(包含作为燃料的甲醇大约50wt％的水溶液)F的燃料箱14。燃料箱14通过燃料供给管16与收容了作为燃料水溶液的甲醇水溶液S的水溶液槽18相连。将燃料泵20插置在燃料供给管16上，通过燃料泵20的驱动，将燃料箱14内的甲醇燃料F供应到水溶液槽18。
在燃料箱14内设置有水位传感器15，对燃料箱14内的甲醇燃料F的水位进行检测。而且，在水溶液槽18内设置有水位传感器22，对水溶液槽18内的甲醇水溶液S的水位进行检测。水溶液槽18通过水溶液导管24与燃料电池12的阳极12b相连。在水溶液管24上从上游侧开始按顺序设置了水溶液泵26、具有冷却风扇28的热交换器30以及水溶液过滤器32。水溶液槽18内的甲醇水溶液S由水溶液泵26朝向阳极12b供给，根据需要由热交换器30冷却，然后由水溶液过滤器32净化，从而供给到阳极12b。
另一方面，空气供给装置AS与燃料电池12的阴极12c相连。空气供给装置AS包括空气侧管34、从外侧吸引包含氧气在内的空气且向燃料电池12的阴极12c输送的空气泵36，用于对由空气泵36吸引的空气进行净化的空气过滤器37、用于降低空气泵36的噪音的空气腔。由空气侧管34将燃料电池12的阴极12c与空气泵36相连。因而，通过空气泵36的操作，经空气过滤器37净化后的包含氧气在内的空气通过空气腔38、空气泵36、空气侧管34而给予到阴极12c。
而且，阳极12b和水溶液槽18通过管40相连，从阳极12b排出的包含未反应甲醇的水溶液、产生的二氧化碳和气化的甲醇等被输送到水溶液槽18内。
而且，水溶液槽18和空气供给装置AS通过管42相连。在管42上插置有用于对甲醇水溶液S进行分离的甲醇收集器(阱，トラツプ)44。由此将从水溶液槽18排出的二氧化碳和气化的甲醇供给到空气供给装置AS。气体导向装置被构成为包含管42。
而且，水箱48通过管46与阴极12c相连。将具有冷却风扇50的气液分离器52设置在管46上。包含从阴极12c排出的水分(水和水蒸汽)的排气通过管46被供给至水箱48。
在水箱48上安装有例如由浮子式传感器组成的水位传感器54，对水箱48内的水位进行检测。而且，将排气管56安装在水箱48上。
水箱48通过水回流管58与水溶液槽18相连，将水泵60设置在水回流管58上。根据水溶液槽18的状态，根据需要，通过水泵60的驱动，将水箱48内的水回流到水溶液槽18内。
而且，在水溶液管24上，在热交换器30和水溶液过滤器32之间，形成旁通管62。
也参考图4，在旁通管62上设置了用于检测甲醇水溶液S的浓度的浓度传感器64，用于检测燃料电池12的温度的温度传感器66安装在燃料电池12上，用于检测外部气体温度的外部气体温度传感器68设置在空气供给装置AS附近。
如图4所示，燃料电池系统10包含控制电路70。
控制电路70包含进行必要演算而控制燃料电池系统10的动作的CPU72、将时钟给予CPU72的时钟电路74、用于存储用于控制燃料电池系统10的动作的程序和数据以及演算数据等的例如由EEPROM组成的存储器76、用于防止燃料电池系统10的误操作的复位IC78、用于和外部设备相连的接口电路80、用于检测将燃料电池12连接到驱动二轮摩托车的电动机202上的电路82的电压的电压检测电路84、用于检测流经电路82的电流的电流检测电路86、用于开闭电路82的ON/OFF电路88、用于防止电路82过电压的电压保护电路90、设置在电路82上的二极管92、用于向电路82供给规定电压的电源电路94。
将来自浓度传感器64、温度传感器66和外部气体温度传感器68的检测信号输入到这种控制电路70的CPU72内，而且将来自用于检测是否存在倾翻(転倒)的倾翻开关96的检测信号和来自用于各种设定和信息输入的输入部98的信号输入到CPU72。而且也将来自水位传感器15、22和54的检测信号输入到CPU72中。
而且，由CPU72对燃料泵20、水溶液泵26、空气泵36、热交换器用冷却风扇28、气液分离器用冷却风扇50和水泵60等辅机进行控制。此外，由CPU72对示出各种信息、用于向二轮摩托车的乘坐者报知各种信息的显示部100进行控制。
而且，蓄电池102与燃料电池12并联。蓄电池102也与电动机202并联。蓄电池102对燃料电池12的输出进行补充，由来自燃料电池12的电能进行充电，并通过放电而将电能供应到电动机202或辅机。
用于对电动机202的各种数据进行计测的仪表204连接到电动机202上。由仪表204计测的数据和电动机202的状况通过接口电路104供给至CPU72。
下文对这种燃料电池系统10发电时的动作进行说明。
在发电开始时，收容在水溶液槽18内的高浓度甲醇水溶液S由水溶液泵26的驱动朝向燃料电池12被输送。根据需要，由热交换器30冷却，由水溶液过滤器32净化后供应到阳极12b。另一方面，包含氧气的空气由空气泵36的驱动向燃料电池12输送，供应到阴极12c。
在燃料电池12的阳极12b上，甲醇水溶液S的甲醇和水进行电化学反应，产生二氧化碳和氢离子，所生成的氢离子通过电解质12a而流入阴极12c。该氢离子与供应到阴极12c的空气中的氧进行电化学反应，产生水蒸气和电能。
燃料电池12的阳极12b上所产生的二氧化碳经过管40、水溶液槽18和管42并由空气供给装置AS而输送到燃料电池12的阴极12c侧，而且，通过管46、气液分离器52和水箱48从排气管56排出。
将二氧化碳排出到水溶液槽18外的理由是如果水溶液槽18的压力变高，二氧化碳溶解到甲醇水溶液S中，将妨碍上述化学式1的阳极反应。
另一方面，虽然在燃料电池12的阴极12c所产生的水蒸气的大部分被液化而变成水被排出，但是饱和水蒸气以气体状态被排出。从阴极12c所排出的水蒸气中的一部分通过在气液分离器52使露点下降而液化。来自阴极12c的水分(水和水蒸气)以及未反应的空气经由管46而输送到水箱48内。此外，由水的交叉(クロスオ一バ一)而移动到阴极12c的水从阴极12c排出并被供给到水箱48。而且，交叉后的甲醇和来自水溶液槽18的气化甲醇在阴极12c与空气中的氧气进行反应，分解成水和二氧化碳，从阴极12c排出并输送到水箱48内。
包含这种来自阴极12c的水分(水和水蒸气)的排气由空气泵36的驱动而被引导到水箱48内。
回收到水箱48内的水由水泵60的驱动经由水回流管58而适合地回流到水溶液槽18内，作为甲醇水溶液S的水被利用。而且被引导到水箱48内的排气从排气管56排出到外部。
而且，虽然由气液分离器52引起的水蒸气的液化动作是通过使冷却风扇50动作使露点下降而进行，但是该动作也可以根据设置在水溶液槽48上的水位传感器54的输出而被控制。如此可以削减冷却风扇50中的电力消耗。
下文对空气供给装置AS进行详细说明。
参考图6，空气供给装置AS包含空气泵36。空气泵36例如由图7所示的罗茨鼓风机型泵构成，此时，它包括泵壳体36a、收容在泵壳体36a内的2个大致蚕茧状转子36b。2个转子36b由电动机36c驱动而啮合转动。在空气泵36的吸引侧上通过管34a而与空气腔38相连，空气过滤器37通过管34b连接到空气腔38的吸引侧。因而，空气过滤器37设置在吸引侧端部上。另一方面，空气泵36的排出侧通过空气侧管34而与燃料电池12的阴极12c相连。
在空气供给装置AS中，由电动机36c驱动空气泵36，吸引外部空气并将其供应到燃料电池12的阴极12c。而且，向燃料电池12的阴极12c供给的气体的各个部分中的压力和大气压力的差值(压差)如图8所示。
此时应该注意的是，存在于水溶液槽18内的气体通过管42被引导到燃料电池12的阴极12c。
在本实施例中，在空气泵36的吸引侧的管34a上设置了合流用的连接部106a，将管42连接在连接部106a上。因而，包含来自水溶液槽18的气化甲醇的气体由管42被引导到空气泵36的吸引侧。从而即使没有施加压力，所述气体由空气泵36吸引并被赋予压力，与来自外部的空气一起输送到燃料电池12的阴极12c。在阴极12c上设置了白金催化剂，甲醇通过所述催化剂氧化、燃烧，所以甲醇直接排出到系统外部的情况极少。此时，虽然输送到阴极12c的空气中的氧气量相对减少，但其比例限制在1％左右，实质上不会降低发电效率。
而且，管42的连接位置并不局限于上述示例，管42也可以按照下述那样连接。
如图6所示，例如也可以在空气腔38上设置合流用的连接部106b，将管42连接到连接部106b上。由于空气腔38内伴随着空气泵36的驱动而成为减压环境，在将来自水溶液槽18的气体供应到空气腔38内时，不需要用于防止气体逆流的单向阀等装置，就可以将该气体供应到阴极12c。而且，可容易地将水溶液槽18内的二氧化碳排出。
此外，也可以在空气腔38和空气过滤器37之间的管34b上设置合流用的连接部106c，将管42连接到连接部106c上。此时由于管34b内伴随着空气泵36的驱动而成为减压环境，不需要单向阀等，就可以将来自水溶液槽18的气体供应到阴极12c。
而且，也可以以将来自水溶液槽18的气体引导到空气泵36内压力比水溶液槽18内的压力低的部分的方式，将合流用连接部106d设置在空气泵36上，将管42连接到连接部106d上。此时，能够将气体不逆流地容易地输送到燃料电池12的阴极12c。也可以在连接部106上设置单向阀地对管42进行连接。此时，可以更可靠地防止气体逆流。
而且也可以在空气泵36的排出侧的空气侧管34的一部分上设置比其它部分流路狭窄(横截面面积小)的缩颈部108，将合流用连接部106e设置在该缩颈部108上，将管42连接在连接部106e上。此时，由于将对泵机构有害的甲醇供应到空气泵36的排出侧(下游侧)，无需担心对空气泵36造成损害。而且，由于在缩颈部108气体流速变大且相对地压力减少，通过将来自水溶液槽18的气体导入该部分内，可以容易地将水溶液槽18内的二氧化碳排出。
而且，也可以通过单向阀110将管42连接在被安装在缩颈部108上的合流用连接部106e上。此时，可以防止空气向水溶液槽18方向逆流。
在上述示例中，管42、连接部106a～106e和单向阀110成为气体引导装置的构成元件。
在大于等于50℃工作的直接甲醇型燃料电池系统中，由于甲醇的挥发量增大，所以本发明有效。而且，本发明特别有效地适于在比较高温下动转的二轮摩托车。
燃料电池系统10不仅适合于二轮摩托车，也可以适用于汽车、船舶等任意输送设备中。
本发明也可以适用于小型安装类型的燃料电池系统。
而且，管状部件并不局限于管，能够使用可以对包含气化甲醇的气体进行引导的任意部件。
所使用的燃料并不局限于甲醇，可以使用乙醇等任意酒精类燃料。
上文详细地说明并示出了本发明，但是上述内容仅是示例，显然并不应理解为要限定本发明。本发明的精神和范围仅由后附权利要求书的文字限定。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括收容燃料水溶液的水溶液槽；包含阳极和阴极的燃料电池，所述水溶液槽内的燃料水溶液被供应到所述阳极，在所述阴极上设置有催化剂；包含用于将空气向所述燃料电池的阴极输送的空气泵的空气供给装置；和使包含所述水溶液槽内的气化燃料的气体混入被输送到所述阴极的所述空气的气体引导装置。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体引导装置包括将所述气体引导到所述空气供给装置的所述空气泵的吸引侧的管状部件。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气供给装置包括设置在所述吸引侧的端部的空气过滤器、设置在所述空气过滤器和所述空气泵之间且与所述管状部件相连的空气腔。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体引导装置包括将所述气体引导到所述空气供给装置的所述空气泵的排出侧的管状部件。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体引导装置还包括与所述管状部件相连且用于防止所述气体逆流的单向阀。
6.如权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气供给装置包括连接所述空气泵和所述燃料电池的阴极的管，在该管上形成有使所述气体的流路的截面积变小的缩颈部，所述气体引导装置在所述缩颈部将所述气体混合到所述空气中。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体引导装置包含将所述气体引导到在所述空气泵中压力比所述水溶液槽内的压力低的部分的管状部件。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池在大于等于50℃的温度下工作。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，它是直接甲醇型燃料电池系统。
10.一种具有权利要求1所述的燃料电池系统的输送设备。
11.一种具有权利要求1所述的燃料电池系统的两轮车。
全文摘要
本发明提供一种可以处理水溶液槽内气化的燃料的燃料电池系统和使用该燃料电池系统的输送设备。燃料电池系统(10)包括收容甲醇水溶液(S)的水溶液槽(18)；包含阳极(12b)和阴极(12c)的燃料电池(12)，水溶液槽(18)内的甲醇水溶液(S)被供应到阳极(12b)，在阴极(12c)上设置有包含白金Pt的催化剂；包含用于将空气向燃料电池(12)的阴极(12c)输送的空气泵(36)的空气供给装置(AS)；使包含水溶液槽(18)内的气化的甲醇的气体混入输送到阴极(12c)的空气中的气体引导装置。
文档编号H01M8/00GK1725537SQ200510084200
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月18日 优先权日2004年7月20日
发明者村松恭行, 安达修平, 大石昌嗣 申请人:雅马哈发动机株式会社