JP2005030699A - 燃料タンク及びこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料であるメタノール（液体燃料）の円滑な供給が可能で、タンク内のメタノールを最後まで押し出して有効利用することが可能な燃料タンク及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池に燃料である液体燃料を供給する燃料タンク燃料タンクである。燃料タンクは、仕切られた２つの空間を有する２重構造の燃料タンクであって、一方の空間に液体燃料が充填されるとともに、他方の空間に空気が供給可能とされ、空気供給により液体燃料が押し出される。例えば、外装容器と内装容器の２重構造とし、内装容器と外装容器の間の空間に空気を供給することで、内装容器内のメタノールを押し出す。あるいはプランジャで仕切られた一方の空間をメタノールで満たし、他方の空間に空気を供給することでメタノールを押し出す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムにおいて燃料であるメタノールを貯蔵、供給する燃料タンクに関するものであり、さらには、かかる燃料タンクを備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有しており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、上記電気化学的な反応により発電が行われる。

発電に際しては、固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜でありプロトン伝導体膜として機能する電解質膜中をイオン（プロトン）が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生し、同時に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を燃料流体流路や空気流路が形成されたセパレータで挟み込んで発電セルとし、複数の発電セルを積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成されている。

上述の燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されており、例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用も検討されている。

ところで、このような携帯型電子機器等に用いられる燃料電池においては、水素ガスに比べて取り扱いが容易なメタノールを燃料とするダイレクトメタノール方式の燃料電池システムが有利と考えられている。このダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、電子機器に装着された燃料タンクを取り外して燃料であるメタノールの補充を行い、燃料タンク内のメタノールを燃料電池に供給することで発電が行われる。したがって、一度の燃料充填でなるべく運転時間を長時間化するためには、燃料タンク内のメタノールを最後まで使い切ることが必要である。

そこで、内部のメタノールを機械的に押し出す構造の燃料タンクが提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。この特許文献１記載の技術では、燃料タンクをシリンダー構造とし、バネを設置することで内部の燃料（メタノール）を押し出すようにしている。
特開２０００−３１４３７６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の技術のように、燃料タンク内にバネを配置する構造では、燃料タンクの形状が制約されるという問題がある。例えば、燃料タンクの形状が円筒形状であれば、バネの装着は容易であるが、直方体形状の燃料タンクでは、バネの配置が難しく、均一な加圧も難しい。また、燃料タンク内にバネを配置する構造では、燃料タンクが変形すると、バネの動作の妨げとなり、均一な圧縮ができなくなる虞れがある。さらに、燃料タンク内のメタノールが常にバネにより加圧されているので、例えば燃料タンクを取り外した時に、不用意に内部のメタノールが噴出する虞れもある。

特許文献１記載の技術に限らず、燃料であるメタノールをスムーズに供給することは、タンク内部の構造のみの改良では限界があり、また、燃料タンク装着時にはじめて燃料電池システムに燃料を供給するようなシステムも、ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムの燃料タンクでは知られていない。さらに、従来の燃料タンクでは、燃料電池システムの姿勢が変わった時に、これに対応して安定して燃料供給することが難しいという問題もある。

本発明は、これらの問題を解決するために提案されたものであり、燃料であるメタノール（液体燃料）の円滑な供給が可能で、タンク内のメタノールを最後まで押し出して有効利用することが可能な燃料タンク及び燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、燃料タンク装着時にはじめて燃料供給が可能となり、不用意な燃料の噴出がない燃料タンク及び燃料電池システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、姿勢が変わっても常に安定して燃料を供給することが可能で、タンク形状にも制約がない燃料タンク及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の燃料タンクは、仕切られた２つの空間を有する２重構造の燃料タンクであって、一方の空間に液体燃料が充填されるとともに、他方の空間に空気が供給可能とされ、前記他方の空間への空気供給により前記一方の空間内の液体燃料が押し出されることを特徴とする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池に燃料である液体燃料を供給する燃料タンクを備えた燃料電池システムにおいて、上記燃料タンクは、仕切られた２つの空間を有する２重構造の燃料タンクであって、一方の空間に液体燃料が充填されるとともに、他方の空間に空気が供給可能とされ、前記他方の空間への空気供給により液体燃料が押し出されることを特徴とする。

本発明の燃料タンクでは、空気を内部に供給することで、液体燃料である例えばメタノールの燃料電池への供給が開始される。したがって、不用意に燃料が噴出することはない。また、空気供給に伴う内圧上昇を利用してメタノールを押し出すので、どのような姿勢においても円滑な燃料供給が実現される。さらに、空気供給を継続することで、内部の燃料は全て押し出され、有効利用される。さらにまた、バネ等の機械的要素が不要であるので、タンク形状が制約されることもない。

本発明によれば、液体燃料（例えばメタノール）の円滑な供給が可能で、タンク内の液体燃料を最後まで押し出して有効利用することが可能である。また、本発明によれば、燃料タンク装着時にはじめて燃料供給が可能となり、不用意な燃料の噴出がない。さらに、本発明によれば、姿勢が変わっても常に安定して燃料を供給することが可能であり、タンク形状に制約がなく、任意の形状とすることが可能である。

以下、本発明を適用した燃料タンク及び燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した燃料タンクの一例を示すものである。図１に示す燃料タンク１は、外装容器２と内装容器３とから構成され、２重構造を有するタンクである。外装容器２は、剛性を有する材料、例えばポリエチレン等の樹脂により形成されている。なお、これに限らず、外装容器２は、任意の材料で形成することができるが、取り扱い性や機器への装着性等を考えると、剛性を有する材料により形成することが好ましい。

一方、内装容器３は、風船のような伸縮性のある軟らかい材質により形成され、液体燃料、例えばメタノールの注入により膨らみ、外装容器２にほぼ一致するまで拡張して、液体燃料であるメタノールを貯蔵する。燃料タンク１は、内装容器３内にメタノールを供給し、また内装容器３内のメタノールを燃料電池システム側に取り出すため、液体燃料供給用コネクタ４が取り付けられている。この液体燃料供給用コネクタ４は、燃料電池システム側のコネクタと連結され、燃料流路を構成する。したがって、内装容器３内のメタノールは、前記液体燃料供給用コネクタ４を通して燃料電池システム側の液体燃料供給ポンプによって吸い上げられ、燃料電池に供給される。

本実施形態の燃料タンク１では、上記の構成に加えて外装容器２に空気供給用コネクタ５を追加し、外装容器２と内装容器３の間の空間に加圧空気を送り込む構成としている。すなわち、外装容器２と内装容器３の間の空間に加圧空気が送り込まれると、内装容器３は周囲より圧力を受け、収縮しようとする。その結果、内装容器３内のメタノールが押し出され、液体燃料供給用コネクタ４を通して燃料電池システム側へと供給される。燃料タンク１を機器から取り外して放置した場合には、外装容器２と内装容器３の間の空間への加圧空気の供給が停止し、大気開放されるので、内装容器３に圧力が加わることがなくなり、中のメタノールが噴出したり不用意に漏れ出すことがない。

以上のような構成の燃料タンク１では、空気を外装容器２と内装容器３の間の空間に供給することで、はじめて燃料であるメタノールの燃料電池への供給が開始される。したがって、不用意に燃料が噴出することはない。また、空気供給に伴う内圧上昇を利用して内装容器３内のメタノールを押し出すようにしているので、どのような姿勢においても円滑な燃料供給が実現される。さらに、空気供給を継続することで、内装容器３内の燃料は全て押し出され、有効利用される。さらにまた、バネ等の機械的要素が不要であるので、タンク形状、特に外装容器２の形状が制約されることもない。

なお、上記実施形態では、液体燃料供給用コネクタ４と空気供給用コネクタ５を別体とし、異なる位置に取り付けるようにしているが、これらを一体化することも可能である。図２は、液体燃料供給用コネクタ４と空気供給用コネクタ５とを一体化した複合コネクタ６を取り付けた例を示すものである。

この例の場合、複合コネクタ６の中央部分に液体燃料流路６ａが形成され、これが内装容器３に挿入されて、メタノールの供給及び押し出し供給が行われる。さらに、複合コネクタ６には、液体燃料流路６の周囲に、円環状に形成された空気流路６ｂが液体燃料流路６ａと同軸上に形成されている。内装容器３は、この空気流路６ｂの内側において複合コネクタ６と結合されており、したがって、空気流路６ｂから加圧空気を供給すると、外装容器２と内装容器３の間の空間に加圧空気が送り込まれ、先の実施形態と同様の機構によって内装容器３内のメタノールが押し出されて、燃料電池システム側に供給される。このように、液体燃料供給用コネクタ４と空気供給用コネクタ５とを一体化した複合コネクタ６を用いることで、燃料タンク１の構成をより一層簡略化することができる。

図３は、空気供給用コネクタ５側に伸縮性を有する内装容器３を取り付けた例である。この場合には、空気供給用コネクタ５から加圧空気を供給すると、内装容器３が空気によって膨らみ、外装容器２内のメタノールを押し出す。なお、本例の場合には、外装容器２にメタノールが充填されるので、外装容器２の構成材料として、メタノールに侵されない材料を使用する必要がある。

次に、プランジャータイプの加圧型の燃料タンクに適用した実施形態について説明する。図４は、プランジャータイプの加圧型の燃料タンク１０の実施形態を示すものであり、外装容器２の内部がプランジャ７により仕切られている。このプランジャ７で仕切られた各空間が、それぞれメタノールを収容する空間（本例では、図中、左側の空間）、及び加圧空気供給空間（図中、右側の空間）となる。したがって、プランジャ７で仕切られた左側の空間に対応して外装容器１に液体燃料供給用コネクタ４が設けられ、右側の空間に対応して外装容器１に空気供給用コネクタ５が設けられている。

プランジャ７は、メタノールの量が少ないと、左側に移動し、メタノールが多いと、図中一点鎖線で示すように、右側に移動する。液体燃料供給用コネクタ４から外装容器２内にメタノールが充填されると、メタノールが非圧縮性の流体であるため、プランジャ７の右側の空間から空気が押し出され、プランジャ７は右方向に移動する。右側空間内部の空気を全て押し出し、左側空間がメタノールで満たされた時点でプランジャ７は停止し、満タン状態となる。

一方、空気供給用コネクタ５からプランジャ７の右側のエリアに加圧空気を供給すると、プランジャ７により左側のエリア内のメタノールが加圧される。その結果、メタノールは、液体燃料供給用コネクタ４を通して燃料電池システム側へ供給される。メタノールが燃料電池の発電により消費されると、プランジャ７はさらに左方向へ移動し、最終的には、ほとんどのメタノールが押し出されたところでストップする。

以上のように、プランジャ７を用いたプランジャータイプの加圧型の燃料タンク１０においても、先の実施形態の燃料タンクと同様の効果を得ることができる。

上述の構成を有する燃料タンクは、図５に示すような燃料電池システムに組み込むことができる。以下、この燃料電池システムについて説明する。

本例の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に空気を供給する空気供給系、燃料を供給する燃料供給系、水処理機構、これらを制御する制御コントローラ１２、燃料電池スタック１１の発電電力により駆動されるＤＣ−ＤＣコンバータ１３及び負荷１４等から構成される。

空気供給系としては、空気供給ポンプ１５を備え、燃料供給系としては、メタノールタンク１６、メタノール供給ポンプ１７、燃料混合器１８、及び燃料水溶液循環ポンプ１９とを備えている。水処理機構は、気液分離器２０、水分貯蔵器２１、及び処理装置２２を備え、これらに付帯して電磁バルブ２３、二酸化炭素除去器２４等が設けられている。

上述の構成を有する燃料電池システムでは、メタノール供給ポンプ１７は、メタノールタンク１６からメタノールを吸い上げて燃料混合器１８に供給する。燃料水溶液循環ポンプ１９は、メタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器１８から燃料電池スタック１１に燃料水溶液を供給する。燃料電池スタック１１で消費された燃料水溶液は、二酸化炭素除去器２４を備えた燃料混合器１８に循環され、再度燃料水溶液循環ポンプ１９によって燃料電池スタック１１に供給される。二酸化炭素除去器２４を備えた燃料混合器１８は、燃料電池スタック１１によって排出された排出液体から二酸化炭素を分離して処理装置２２に送り、処理装置２２は二酸化炭素を大気中に排出する。メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池システムにおいては、液体燃料そのものが燃料電池の冷却媒体であり、燃料電池システムは別途冷却流路を必要としない。また、液体燃料を用いた燃料電池システムは、液体燃料自身が非圧縮性を有することから水素ガスの如き気体の燃料を用いる場合に比べて背圧弁が不要となる利点を有する。

空気供給ポンプ１５は、酸化剤である空気を大気から取り込んで燃料電池スタック１１に供給する。燃料電池スタック１１で発電に用いられた空気は、気液分離器２０によって水分と分離され、処理装置２２を介して大気中に排出される。分離された水分は水分貯蔵器２１に貯蔵された後、燃料混合器１８に送られて燃料水溶液の生成に利用される。また、水分貯蔵器２１と燃料混合器１８との間に設けられる電磁バルブ２３は、水分貯蔵器２１から燃料混合器１８へ供給される水の供給量を調整する。

また、燃料電池スタック１１に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に接続される負荷１４は、燃料電池スタック１１から電力を取り出すことにより、駆動される。制御コントローラ１２は、燃料電池システムを構成する各装置の駆動を制御する。

以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、メタノールタンク１６として、先に説明した２重構造の燃料タンクを用いる。この場合、メタノールタンク１６に加圧空気を供給する必要があることから、空気供給系から分岐して加圧空気供給ライン２５を設ける。また、この加圧空気供給ライン２５には、空気供給を制御する電磁バルブ２６、及びリリーフバルブ２７が設けられている。リリーフバルブ２７は、加圧空気供給ライン２５の圧力が上がり過ぎないように調整している。

なお、メタノールタンク１６とこの加圧空気供給ライン２５とは、コネクタ２８，２９を介して連結されており、メタノールタンク１６とメタノール供給ポンプ１７はコネクタ３０，３１を介して連結されている。ここで、コネクタ２８は空気供給用コネクタ５に相当し、コネクタ３０は液体燃料供給用コネクタ４に相当する。

メタノールタンク１６を燃料電池システムに装着すると、コネクタ３０とコネクタ３１が連結され、メタノール供給系が接続される。それと同時に、あるいは異なるタイミングでコネクタ２８とコネクタ２９が連結され、加圧空気供給系が接続される。

燃料電池スタック１１が作動し、メタノールタンク１６内のメタノールがメタノール供給ポンプ１７によって吸い上げられる時に、空気供給ポンプ１５が空気供給を開始するが、この時、電磁バルブ２６を開くことで、メタノールタンク１６の例えば外装容器と内装容器の間の空間に加圧空気が供給される。圧力が上がりすぎる場合は、リリーフバルブ２７を開き、空気の圧力を調整する。メタノールタンク１６から燃料（メタノール）が吸い上げられるタイミングと、加圧空気をメタノールタンク１６に送り込むタイミングは、同じでも構わないし、多少前後しても構わない。

図６は、図５に示す燃料電池システムにおいて、加圧空気供給ライン２５にアキュムレータ３２を追加した例を示すものである。アキュムレータ３２を設けることで、加圧空気供給ライン２５に常に空気供給ポンプ１５から空気を送り込む必要がなくなり、圧力を一定に保つように電磁バルブ２６を制御することで、空気供給ポンプ１５からの空気供給を最小に抑えることが可能である。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明がこれら実施形態に限られるものではないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、各実施形態は、燃料としてメタノールを使用する場合を例にして説明したが、炭化水素系燃料等、液体燃料を用いる燃料電池システムの燃料タンク全般に適用することが可能である。

本発明を適用した燃料タンクの一例を示す概略断面図である。 本発明を適用した燃料タンクの他の例を示す概略断面図である。 本発明を適用した燃料タンクのさらに他の例を示す概略断面図である。 本発明を適用した燃料タンクのさらに他の例を示す概略断面図である。 燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。 燃料電池システムの他の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１，１０ 燃料タンク
２ 外装容器
３ 内装容器
４ 液体燃料供給用コネクタ
５ 空気供給用コネクタ
６ 複合コネクタ
７ プランジャ
１１ 燃料電池スタック
１６ メタノールタンク
２５ 加圧空気供給ライン
２６ 電磁バルブ
２７ リリーフバルブ

Claims (15)

1. 仕切られた２つの空間を有する２重構造の燃料タンクであって、
   一方の空間に液体燃料が充填されるとともに、他方の空間に空気が供給可能とされ、
   前記他方の空間への空気供給により前記一方の空間内の液体燃料が押し出されることを特徴とする燃料タンク。
2. 剛性を有する外装容器と、伸縮性を有する内装容器を備え、内装容器内に液体燃料が収容されるとともに、内装容器と外装容器の間の空間に空気が供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
3. 上記外装容器と外装容器の間の空間に空気に空気を供給するための空気供給用コネクタが設けられるとともに、上記内装容器内に液体燃料を供給するための液体燃料供給用コネクタが設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料タンク。
4. 上記空気供給用コネクタと液体燃料供給用コネクタが一体化されていることを特徴とする請求項３記載の燃料タンク。
5. 空気供給用開口部と液体燃料供給用開口部が同軸に形成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料タンク。
6. 剛性を有する外装容器と、当該外装容器内の空間を仕切るプランジャを備え、プランジャで仕切られる一方の空間に液体燃料が収容されるとともに、他方の空間に空気が供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
7. 上記プランジャで仕切られる一方の空間に対応して外装容器に空気供給用コネクタが設けられるとともに、他方の空間に対応して外装容器に液体燃料供給用コネクタが設けられていることを特徴とする請求項６記載の燃料タンク。
8. 上記液体燃料は、メタノールであることを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
9. 燃料電池と、当該燃料電池に燃料である液体燃料を供給する燃料タンクを備えた燃料電池システムにおいて、
   上記燃料タンクは、仕切られた２つの空間を有する２重構造の燃料タンクであって、一方の空間に液体燃料が充填されるとともに、他方の空間に空気が供給可能とされ、前記他方の空間への空気供給により液体燃料が押し出されることを特徴とする燃料電池システム。
10. 燃料電池に空気を供給する空気供給ポンプを備え、当該空気供給ポンプにより上記燃料タンクに空気が供給されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
11. 上記空気供給ポンプから燃料タンクに空気を導入する経路にアキュムレータが設置されていることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
12. 上記空気供給ポンプから燃料タンクに空気を導入する経路に圧力調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
13. 上記圧力調整機構は、圧力開放機構を有することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池システム。
14. 上記空気を導入する経路と接続されていないときに空気が供給される空間が大気開放されていることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
15. 上記液体燃料は、メタノールであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。

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