JP4886255B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の空気極から排出される水および燃料電池の燃料極から排出される未反応の希釈燃料を混合タンクに戻して再利用するダイレクトメタノール型の燃料電池装置に関する。

近年、例えばポータブルコンピュータのような電子機器用の電源として、高出力で充電を要しない小型の燃料電池装置が注目されている。この種の燃料電池装置のうち、例えばメタノール水溶液を循環させるダイレクトメタノール型の燃料電池装置（以下、ＤＭＦＣ：Direct Methanol Full Cell）は、水素を燃料とする燃料電池装置に比べて燃料の取り扱いが容易で、かつシステム全体が簡易であることから、電子機器用の電源として好ましいものとなる。

従来のＤＭＦＣは、メタノール水溶液を生成する混合タンクと、燃料極、空気極および電界質膜を有するＤＭＦＣスタックと、このＤＭＦＣスタックの燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給路と、ＤＭＦＣスタックの空気極に空気を供給する空気供給路とを備えている。

ＤＭＦＣスタックの燃料極では、メタノールが水と反応して酸化され、二酸化炭素、水素イオンおよび電子が生成される。水素イオンは電界質膜を透過して空気極に到達する。空気極では、空気中の酸素が水素イオンおよび電子と結合して還元され、水を生成する。この時、燃料極および空気極の間に接続された外部回路に電子が流れて、発電動作が実行される。

従来のＤＭＦＣによると、空気極で生成された水および燃料極から排出される未反応の低濃度メタノールは、排出物質となって混合タンクに戻る。水および低濃度メタノールは、混合タンク内で燃料カートリッジから送られる高濃度メタノールと混じり合う。これにより、高濃度メタノールが希釈され、予め決められた濃度のメタノール水溶液が生成される。したがって、排出物質としての低濃度メタノールおよび水は、燃料として再利用されることになる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２９６１２７号公報

従来のＤＭＦＣでは、ＤＭＦＣの使用環境や発電量の変化に応じて混合タンクに戻る低濃度メタノールおよび水の量が異なってくる。

具体的には、例えば多湿の使用環境の下で発電量が少ない場合、ＤＭＦＣスタックの空気極で生成される水が多くなる。この結果、ＤＭＦＣスタックから混合タンクに戻る水量が増加し、混合タンクが満水となる。そのため、水の逃げ場所が無くなるので、ＤＭＦＣの運転を一時的に停止させて、混合タンクの排水を促す保守コールが必要となる。

逆に、低湿度の使用環境の下で発電量が多い場合、ＤＭＦＣスタックの空気極で生成される水が少なくなる。この結果、ＤＭＦＣスタックから混合タンクに戻る水量が減少し、混合タンク内の水位が低下する。そのため、所定の濃度のメタノール水溶液を作ることができなくなり、運転を続けることができなくなる。よって、ＤＭＦＣの運転を一時的に停止させて、混合タンクへの水の補給を促す保守コールが必要となる。

本発明の目的は、混合タンク内の希釈燃料の量を外部から容易にコントロールすることができ、連続稼働が可能となる燃料電池装置を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係る燃料電池装置は、
燃料が収容された燃料容器と、
燃料極および空気極を有する燃料電池と、
上記燃料容器から供給される燃料と、上記燃料電池から排出される液状の排出物質とを混合することで希釈燃料を生成する混合タンクと、
上記燃料電池の上記燃料極に上記混合タンクで生成された上記希釈燃料を供給する燃料供給路と、
上記燃料電池の上記空気極に発電に供する空気を供給する空気供給路と、
上記混合タンクの底部に取り外し可能に接続される第１の予備容器と、
上記第１の予備容器に代えて上記混合タンクの底部に取り外し可能に接続される第２の予備容器と、を備えている。
上記第１の予備容器は、上記混合タンクに接続した時に、上記混合タンクの内部の上記希釈燃料を上記混合タンクから取り出す。上記第２の予備容器は、上記混合タンクに接続した時に、上記混合タンクに希釈燃料を補給する。

本発明によれば、混合タンクが満水状態に移行した時は、混合タンクの底部に第１の予備容器を接続する。これにより、混合タンク内の希釈燃料が第１の予備容器に流出し、混合タンク内の希釈燃料の水位が下がる。混合タンク内の希釈燃料が不足した時は、希釈燃料が充填された第２の予備容器を混合タンクの底部に接続する。これにより、第２の予備容器内の希釈燃料が混合タンク内に流入し、混合タンク内の希釈燃料の水位が上昇する。

よって、混合タンク内の希釈燃料の量を外部から容易にコントロールすることができ、燃料電池装置を連続的に稼働させることができる。

以下本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、例えばメタノールを燃料とするアクティブ型のＤＭＦＣ１を開示している。このＤＭＦＣ１は、例えばポータブルコンピュータ２のような電子機器の電源として使用可能な大きさを有している。

ＤＭＦＣ１は、装置本体３と載置部４とを備えている。装置本体３は、ポータブルコンピュータ２の幅方向に沿う細長い箱状に形成されている。載置部４は、ポータブルコンピュータ２の後端部を載置し得るように、装置本体３の前端から張り出している。載置部４の上面に電源コネクタ５が配置されている。電源コネクタ５は、載置部４の上にポータブルコンピュータ２を載せた時に、このポータブルコンピュータ２に電気的に接続されるようになっている。

図３および図４に示すように、装置本体３は、燃料カートリッジ６、混合タンク７、ＤＭＦＣスタック８、第１の凝縮器９および第２の凝縮器１０を収容している。燃料カートリッジ６は、燃料供給源の一例であり、例えば燃料としての高濃度メタノールを収容している。燃料カートリッジ６は、装置本体３の長手方向に沿う一端部に取り外し可能に支持されて、交換が可能となっている。燃料カートリッジ６は、カバー１１によって覆われている。カバー１１は、燃料カートリッジ６の交換作業を容易に行えるように、装置本体３の一端部に取り外し可能に支持されている。

燃料カートリッジ６は、第１の燃料供給管１２を介して混合タンク７に接続されている。第１の燃料供給管１２は、高濃度メタノールを燃料カートリッジ６から混合タンク７に送り込む燃料ポンプ１３を有している。混合タンク７は、高濃度メタノールを希釈して例えば濃度数％〜数十％のメタノール水溶液（希釈燃料）を生成するためのものであり、上記燃料カートリッジ６に隣接している。

ＤＭＦＣスタック８は、メタノールの化学反応を利用して発電を行う燃料電池の一例である。ＤＭＦＣスタック８は、燃料極（アノード）１４と、空気極（カソード）１５と、これら両極１４，１５の間に介在された電界質膜１６とを有している。

ＤＭＦＣスタック８の燃料極１４は、第２の燃料供給管１８を介して混合タンク７に接続されている。第２の燃料供給管１８は燃料供給路の一例であり、燃料極１４の一端に接続されている。第２の燃料供給管１８は、混合タンク７内のメタノール水溶液を燃料極１４に送り込む送液ポンプ１９を有している。

燃料極１４の他端は、燃料戻し管２０を介して混合タンク７に接続されている。燃料戻し管２０は、燃料極１４から排出される未反応のメタノール水溶液や燃料極１４での酸化反応により生成された二酸化炭素を混合タンク７に戻すためのものである。未反応のメタノール水溶液および二酸化炭素は、燃料極１４から排出される排出物質の一つであり、燃料極１４から排出された直後では、ＤＭＦＣスタック８の発電動作時の熱影響を受けてメタノール水溶液の水温が６０℃以上となっている。

上記第１の凝縮器９は、燃料戻し管２０の途中に設置されている。第１の凝縮器９は、燃料極１４から混合タンク７に戻るメタノール水溶液を冷却するためのものである。第１の凝縮器９は、メタノール水溶液が流れる管２１と、この管２１に熱的に接続された複数の放熱フィン２２とを有している。

ＤＭＦＣスタック８の空気極１５は、空気供給管２４を介して吸気口２５に接続されている。吸気口２５は、発電に供する空気を大気中から取り入れるためのものである。空気供給管２４は、空気供給路の一例であり、空気極１５の一端に接続されている。空気供給管２４は、吸気口２５から取り入れた空気を空気極１５に送り込む送気ポンプ２６を有している。

第２の凝縮器１０は、排気管２７を介して空気極１５の他端に接続されている。第２の凝縮器１０は、空気極１５から排出される水蒸気や水のような排出物質を冷却するためのものであり、排気管２７の下流端に接続されている。第２の凝縮器１０は、回収タンク２８を有している。回収タンク２８は、空気極１５から排出される水および水蒸気から回収された水を貯溜するためのものである。第２の凝縮器１０で水分が分離された気体成分は、第２の凝縮器１０から大気中に放出される。

回収タンク２８は、回収管２９を介して燃料戻し管２０に接続されている。回収管２９は、回収タンク２８に貯えられた水を燃料戻し管２０を介して混合タンク７に送り込む回収ポンプ３０を有している。

さらに、排気管２７は、空気極１５と第２の凝縮器１０との間で分岐された分岐管３１を有している。分岐管３１の上流端は混合タンク７に接続されている。分岐管３１は、混合タンク７に戻された二酸化炭素を排気管２７を経由して第２の凝縮器１０に導くためのものである。第２の凝縮器１０に導かれた二酸化炭素は、第２の凝縮器１０から大気中に放出される。

図４に示すように、第１の凝縮器９および第２の凝縮器１０は、装置本体３の他端部に設置されており、燃料カートリッジ６に対しＤＭＦＣスタック８を間に挟んだ反対側に位置している。第１および第２の凝縮器９，１０は、互いに間隔を存して向かい合っており、これら凝縮器９，１０の間に第１のファン３３および第２のファン３４が配置されている。

第１のファン３３は、第１の凝縮器９と向かい合っている。第１のファン３３が動作すると、第１の凝縮器９を通り抜けて第１のファン３３に向うような冷却風の流れが形成され、この冷却風により第１の凝縮器９が冷却される。第１の凝縮器９を冷却した冷却風は、第１のファン３３の吐出口３３ａから吐き出される。

第２のファン３４は、第２の凝縮器１０と向かい合っている。第２のファン３４が動作すると、第２の凝縮器１０を通り抜けて第２のファン３４に向うような冷却風の流れが形成され、この冷却風により第２の凝縮器１０が冷却される。第２の凝縮器１０を冷却した冷却風は、第２のファン３４の吐出口３４ａから吐き出される。さらに、第２の凝縮器１０から排出される二酸化炭素のような不純物にしても、冷却風の流れに乗じて吐出口３４ａから吐き出される。

図１および図４に示すように、装置本体３は、その他端に排気口３５を有している。排気口３５は、第１および第２のファン３３，３４の吐出口３３ａ，３４ａと向かい合っている。吐出口３３ａ，３４ａから吐き出される冷却風および二酸化炭素のような不純物は、排気口３５を通じて装置本体３の外に排出される。

図３に示すように、ＤＭＦＣ１は、制御部３６を有している。制御部３６は、例えば混合タンク７内で生成されるメタノール水溶液の濃度および液量を制御したり、ポータブルコンピュータ２との間で情報をやりとりして、ポータブルコンピュータ２に供給する電力を制御するためのものである。制御部３６は、ＤＭＦＣ１の載置部４に収容されているとともに、電源コネクタ５およびＤＭＦＣスタック８に電気的に接続されている。

メタノール水溶液の濃度は、燃料カートリッジ６から混合タンク７に供給される高濃度メタノールの量、ＤＭＦＣスタック８の燃料極１４から混合タンク７に戻される未反応のメタノール水溶液の量およびＤＭＦＣスタック８の空気極１５から混合タンク７に戻される水の量を制御部３６で制御することにより調節される。

具体的には、混合タンク７は、タンク内のメタノール水溶液の水位を検出する水位センサ３７と、メタノール水溶液の温度を検出する温度センサ３８と、メタノール水溶液の濃度を検出する濃度センサ３９とを備えている。各センサ３７，３８，３９によって検出されたメタノール水溶液に関する情報は、制御部３６に送られる。制御部３６は、各センサ３７，３８，３９からの情報に基づいて、例えば燃料ポンプ１３や回収ポンプ３０を制御する。

これにより、燃料カートリッジ６から混合タンク７に流入する高濃度メタノールの量および回収タンク２８から混合タンク７に流入する水の量が調節され、メタノール水溶液の濃度が発電性能を良好に維持できる値に制御される。

図３および図４に示すように、メタノール水溶液を生成する混合タンク７は、カプラ４１を備えている。カプラ４１は、混合タンク７に第１および第２の予備カートリッジ４２ａ，４２ｂを選択的に取り外し可能に接続するためのものであり、混合タンク７の底部に設けられている。第１および第２の予備カートリッジ４２ａ，４２ｂの内容量は、例えば混合タンク７の内容量の半分程度に小さく設定されている。

第１の予備カートリッジ４２ａは、混合タンク７から余分なメタノール水溶液を取り出す際に使用するものであって、この第１の予備カートリッジ４２ａは、最初から空となっている。これに対し、第２の予備カートリッジ４２ｂは、混合タンク７にメタノール水溶液を補給する時に使用するものであって、この第２の予備カートリッジ４２ｂの内部に、水又は所定の濃度に希釈されたメタノール水溶液が充填されている。

カブラ４１に第１の予備カートリッジ４２ａ又は第２の予備カートリッジ４２ｂを接続した状態では、カプラ４１内の流通路（図示せず）を通じて混合タンク７の内部と第１の予備カートリッジ４２ａ又は第２の予備カートリッジ４２ｂの内部が互いに連通された状態となる。したがって、混合タンク７と第１の予備カートリッジ４２ａ又は混合タンク７と第２の予備カートリッジ４２ｂとの間においてメタノール水溶液の流通が可能となる。それとともに、第１の予備カートリッジ４２ａ又は第２の予備カートリッジ４２ｂは、混合タンク７と一緒に取り外し可能なカバー１１で覆い隠される。

さらに、カプラ４１は、図示しない遮断弁を内蔵している。遮断弁は、カプラ４１から第１の予備カートリッジ４２ａ又は第２の予備カートリッジ４２ｂを取り外した時に連通路を遮断し、メタノール水溶液の漏洩を防止する。

次に、ＤＭＦＣ１の発電動作について説明する。

燃料カートリッジ６に貯えられた高濃度メタノールは、燃料ポンプ１３によって混合タンク７に送り込まれる。混合タンク７には、ＤＭＦＣスタック８の空気極１５から回収された水およびＤＭＦＣスタック８の燃料極１４から排出される未反応のメタノール水溶液（低濃度メタノール）が戻される。そのため、高濃度メタノールは、混合タンク７内で水および低濃度メタノールと混じり合って希釈され、予め決められた濃度のメタノール水溶液が生成される。

混合タンク７で生成されたメタノール水溶液は、送液ポンプ１９によってＤＭＦＣスタック８の燃料極１４に送り込まれる。燃料極１４では、メタノールが水と反応して酸化され、水素イオン、二酸化炭素および電子を生成する。水素イオンは、ＤＭＦＣスタック８の電界質膜１６を透過して空気極１５に達する。

燃料極１４で生成された二酸化炭素は、未反応のメタノール水溶液と一緒に第１の凝縮器９に導かれ、第１のファン３３から送風される冷却風により冷やされた後に、燃料戻し管２０を介して混合タンク７に戻される。混合タンク７に戻された二酸化炭素は、混合タンク７内で気化するとともに、分岐管３１から排気管２７に流入する。

一方、発電に供する空気は、吸気口２５から取り込まれるとともに、送気ポンプ２６を介して ＤＭＦＣスタック８の空気極１５に送り込まれる。空気極１５では、空気中の酸素が水素イオン、電子と結合して還元され、水蒸気が生成される。この時、燃料極１４と空気極１５との間に接続された外部回路に電子が流れて発電動作が行われる。

空気極１５で生成された水蒸気は、排気管２７に流れ込むとともに、この排気管２７内で混合タンク７からの二酸化炭素と合流して第２の凝縮器１０に導かれる。第２の凝縮器１０では、第２のファン３４から送風される冷却風により水蒸気が冷却されて水となる。この水は、回収タンク２８に一時的に貯溜される。水分が分離され、かつ二酸化炭素のような不純物を含む気体は、第２の凝縮器１０から排出されるとともに、この第２の凝縮器１０を通過した冷却風と共に第２のファン３４の吐出口３４ａから排気口３５に向けて吐き出される。

回収タンク２８に貯えられた水は、回収ポンプ３０を介して混合タンク７に戻され、高濃度メタノールを希釈するための水として再利用される。

このように動作するＤＭＦＣ１において、回収タンク２８から混合タンク７に戻る水量は、ＤＭＦＣ１の使用環境、湿度および発電量に応じて変化する。例えばＤＭＦＣ１を多湿の環境の下で使用した場合は、回収タンク２８に回収される水の量が増大するとともに、この回収タンク２８から混合タンク７に戻る水量が多くなる。

本実施の形態では、混合タンク７の水位を常に水位センサ３７で検出し、この水位を制御部３６で監視している。そのため、制御部３６は、混合タンク７内の水位が予め決められた基準水位を超えた時点で、例えば音や光により混合タンク７が満水状態にあることを報知する。

混合タンク７が満水であるとの知らせを受けた時は、装置本体３からカバー１１を取り外し、混合タンク７およびカプラ４１を露出させる。次に、図５に示すように混合タンク７のカプラ４１に空の第１の予備カートリッジ４２ａを接続する。これにより、図５に矢印Ａで示すように、混合タンク７内のメタノール水溶液が重力によりカプラ４１から第１の補助カートリッジ４２ａ内に流出し、混合タンク７内のメタノール水溶液の水位が下がる。

第１の予備カートリッジ４２ａが満水となった時は、この第１の予備カートリッジ４２ａをカプラ４１から取り外す。取り外した第１の予備カートリッジ４２ａは、廃棄処分とするか、あるいは給水用として保存しておくことが望ましい。

一方、例えばＤＭＦＣ１を低湿度の環境の下で使用した場合は、回収タンク２８に回収される水の量が減少するとともに、この回収タンク２８から混合タンク７に戻る水量が少なくなる。このため、混合タンク７内の水位が予め決められた水位を下回ると、制御部３６は、例えば音や光により混合タンク７内のメタノール水溶液が少なすぎることを報知する。

混合タンク７内のメタノール水溶液が少ないとの知らせを受けた時は、装置本体３からカバー１１を取り外し、混合タンク７およびカプラ４１を露出させる。次に、図６に示すように混合タンク７のカプラ４１にメタノール水溶液が充填された第２の予備カートリッジ４２ｂを接続する。これにより、図６に矢印Ｂで示すように、第２の予備カートリッジ４２ｂ内のメタノール水溶液が重力によりカプラ４１から混合タンク７内に流れ込み、混合タンク７内のメタノール水溶液の水位が上昇する。

混合タンク７にメタノール水溶液を補給するに当っては、第２の予備カートリッジ４２ｂの代わりに、例えば混合タンク７内のメタノール水溶液を排出する際に使用した後、給水用として保存してある第１の予備カートリッジ４２ａを用いてもよい。

このような本実施の形態に係るＤＭＦＣ１によれば、混合タンク７が満水又は混合タンク７内のメタノール水溶液が少なすぎる場合のいずれにおいても、混合タンク７内のメタノール水溶液の水位をＤＭＦＣ１の外部から容易にコントロールすることができる。

言い換えると、専用の治具を用いることなく簡単に混合タンク７の排水および混合タンク７への給水を行うことができ、混合タンク７内のメタノール水溶液の水位を適正範囲内に保持することができる。

このため、ユーザが必要に応じて第１および第２の補助カートリッジ４２ａ，４２ｂを混合タンク７に着脱することで、水過多や水不足によるＤＭＦＣ１の稼働停止を回避することができる。よって、ＤＭＦＣ１を連続的に稼働させることができ、ポータブルコンピュータ２に安定して電力を供給できる。

さらに、上記構成によると、混合タンク７にメタノール水溶液を補給したり、混合タンク７からメタノール水溶液を排出する際に、劇物の一種であるメタノールに直接手が触れることもない。したがって、メタノール水溶液の取り扱いが容易となり、ユーザの利便性が高まる。

加えて、混合タンク７のカプラ４１は、単にカバー１１を装置本体３から取り外すだけでＤＭＦＣ１の外部に露出する。このため、ＤＭＦＣ１を分解することなく混合タンク７内のメタノール水溶液を排出したり、この混合タンク７内にメタノール水溶液を補給することができ、作業性が向上するといった利点がある。

なお、本発明に係る燃料電池装置は、ポータブルコンピュータ用に限らず、例えば携帯形情報端末のようなその他の電子機器用の電源としても実施可能である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池装置の斜視図。 本発明の実施の形態において、燃料電池装置にポータブルコンピュータを接続した状態を示す斜視図。 本発明の実施の形態に係る燃料電池装置のブロック図。 本発明の実施の形態に係る燃料電池装置の断面図。 本発明の実施の形態において、満水状態となった混合タンクに第１の補助カートリッジを接続した状態を示す燃料電池装置のブロック図。 本発明の実施の形態において、混合タンク内のメタノール水溶液の水位が低下した時に、この混合タンクに第２の補助カートリッジを接続した状態を示す燃料電池装置のブロック図。

符号の説明

６…燃料カートリッジ、７…混合タンク、８…燃料電池（ＤＭＦＣスタック）、１４…燃料極、１５…空気極、１８…燃料供給路（第２の燃料供給管）、２４…空気供給路（空気供給管）、４２ａ…第１の予備カートリッジ、４２ｂ…第２の予備カートリッジ。

Claims (4)

1. 燃料が収容された燃料容器と、
   燃料極および空気極を有する燃料電池と、
   上記燃料容器から供給される燃料と、上記燃料電池から排出される液状の排出物質とを混合することで希釈燃料を生成する混合タンクと、
   上記燃料電池の上記燃料極に上記混合タンクで生成された上記希釈燃料を供給する燃料供給路と、
   上記燃料電池の上記空気極に発電に供する空気を供給する空気供給路と、
   上記混合タンクの底部に取り外し可能に接続され、上記混合タンクに接続した時に、上記混合タンクの内部の上記希釈燃料を上記混合タンクから取り出す第１の予備容器と、
   上記第１の予備容器に代えて上記混合タンクの底部に取り外し可能に接続され、上記混合タンクに接続した時に、上記混合タンクに希釈燃料を補給する第２の予備容器と、
   を具備する燃料電池装置。
2. 請求項１の記載において、上記第１および第２の予備容器の内容量が上記混合タンクの内容量よりも小さい燃料電池装置。
3. 請求項１の記載において、上記排出物質は、上記燃料電池の上記燃料極から排出される未反応の希釈燃料および上記燃料電池の上記空気極から排出される水である燃料電池装置。
4. 請求項１の記載において、上記燃料容器、上記燃料電池および上記混合タンクが設けられた装置本体と、上記装置本体に取り外し可能に支持され、第１の予備容器又は上記第２の予備容器を覆うカバーと、をさらに備えた燃料電池装置。

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