JP2005032608A - 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】 送液ポンプ等に電気的エネルギーを使わずに、常に一定の圧力で液体燃料を押し出すことが可能な燃料タンクを実現する。
【解決手段】 隔壁で仕切られた２つの空間を有し、一方の空間に液体燃料が収容されるとともに、他方の空間に低沸点溶媒が封入され、低沸点溶媒の蒸気圧により隔壁が押圧され、液体燃料が押し出される。低沸点溶媒の蒸気圧Ｐ_Ａは、使用温度域において大気圧を越え、例えば１気圧＜Ｐ_Ａ≦１．５気圧である。低沸点溶媒としては、ジメチルエーテルやジエチルエーテル等であり、これらを混合して用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば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（液体燃料）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、メタノールで満たした燃料タンクを電子機器に装着し、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。

この場合、燃料タンク内のメタノールを燃料電池に供給するには、燃料タンク内のメタノールを外部に押し出す力が必要であり、通常、送液ポンプにより燃料電池の電力を使ってメタノールを押し出す方式が用いられている。しかしながら、このような方式を採用した場合には、送液ポンプを駆動するための駆動電力が必要になり、燃料電池のエネルギー効率が低下するという問題がある。

そこで、燃料電池の駆動電力を要することなくメタノールを供給する構造として、例えば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、バネを設置してプランジャ（中間壁）により押圧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。あるいは、燃料タンク内を隔壁で２相に分離し、内部のメタノールを弾性膜により押し出す構造の燃料タンク等も提案されている（例えば、特許文献２等を参照）。この特許文献２には、伸縮自在の柔軟な弾性膜を容器内にセットし、膜内に液体燃料を蓄えることにより、弾性膜の張力を利用して他のエネルギーを利用することなく液体燃料を排出する燃料タンクが開示されている。これら技術を採用することにより、燃料電池システム側に燃料タンク内の液体燃料を吸引するためのポンプ等を設置しなくても、燃料供給が可能になる。
特開平４−２２３０５８号公報 特開２０００−３１４３７６号公報

しかしながら、バネや弾性体の弾性力を利用する方法では、均一な圧力の印加は難しく、特に、一定の圧力でメタノールを燃料タンク外に押し出すことはできない。例えば、バネが最大圧縮された状態や弾性体が伸張しきった状態と、ある程度圧縮や伸張が戻った状態とでは、加わる圧力が大きく異なる。燃料電池では、安定して電力を発生するためには、一定の圧力で液体燃料が供給されることが望まれ、燃料供給圧力の変動は、安定な運転の妨げとなる。また、燃料タンク内の液体燃料の量が僅かなものとなると、弾性力がほとんど失われ、最後まで出しきることが難しいという問題もある。

本発明は、このような従来技術の抱える問題を解決するために提案されたものであり、常に一定の圧力で液体燃料を押し出すことができ、送液ポンプ等の電気的エネルギーを使わずに、燃料電池を安定に運転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、中の液体燃料を最後まで出しきることが可能で、１回の充填当たりの運転時間を長時間化し得る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、隔壁で仕切られた２つの空間を有し、一方の空間に液体燃料が収容されるとともに、他方の空間に低沸点溶媒が封入され、上記低沸点溶媒の蒸気圧により上記隔壁が押圧され、上記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、隔壁で仕切られた２つの空間を有し、一方の空間に液体燃料が収容されるとともに、他方の空間に低沸点溶媒が封入され、上記低沸点溶媒の蒸気圧により上記隔壁が押圧され、上記液体燃料が押し出されることを特徴とする。

以上の構成を有する燃料タンクでは、低沸点溶媒の蒸気圧を利用して液体燃料の押し出しが行われるので、送液ポンプ等を使用する必要がなく、その駆動電力が不要である。また、上記構成の燃料タンクでは、隔壁には、常に封入される低沸点溶媒の蒸気圧が加わり、運転条件（例えば使用環境温度）等が一定であれば前記蒸気圧は一定であり、常に一定の圧力で液体燃料が押し出される。この低沸点溶媒の蒸気圧による押し出しは、液体燃料の残存量が少なくなっても一定に保たれ、したがって、燃料タンク内の液体燃料は、最後まで速やかに押し出される。

本発明の燃料タンク及び燃料電池システムにおいては、低沸点溶媒の蒸気圧を利用して液体燃料を押し出し供給するようにしているので、常に一定の圧力で液体燃料を押し出すことができ、送液ポンプ等の電気的エネルギーを使わずに、燃料電池を安定に運転することが可能である。また、低沸点溶媒の蒸気圧による加圧は、液体燃料の残存量が減っても変わらずに継続されるので、中の液体燃料を最後まで出しきることが可能で、１回の充填当たりの燃料電池の運転時間を長時間化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。本実施形態の燃料タンク１は、いわゆるプランジャータイプの加圧型燃料タンクであり、外装容器２の内部が隔壁（プランジャー）３により仕切られている。この隔壁３で仕切られた各空間が、それぞれ液体燃料（例えばメタノール）を収容する空間Ａ（本例では、図中、左側の空間）、及び低沸点溶媒が封入される空間Ｂ（図中、右側の空間）となる。

外装容器２は、剛性を有する材料、例えば金属や、ポリエチレンやポリプロピ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、空間Ｂに封入される低沸点溶媒の蒸気圧に耐え得る耐圧性の容器であることが必要であり、金属容器とすることが好ましい。

隔壁３は、空間Ａに収容される液体燃料と空間Ｂに封入される低沸点溶媒とが混合することのないようなシール性を有し、且つ、圧力平衡が保たれた状態で稼働できる可動式の隔壁である。この可動式の隔壁３は、液体燃料の増減により外装容器２内を図中左右方向に移動する。例えば、燃料タンク１内に液体燃料を補充する際には、液体燃料の充填に伴って、上記隔壁３は図中右方向にスライドする。隔壁３が外装容器２の右端の内壁面まで到達すると、燃料タンク１は満タン状態となる。燃料タンク１内の液体燃料を燃料電池に供給する際には、上記空間Ｂ内の低沸点溶媒の蒸気圧に押されて、隔壁３は図中左方向へスライドする。これに伴って、空間Ａ内の液体燃料が、吐出口２ａから押し出される。

上述の動作による液体燃料の供給を行うためには、空間Ｂ内に適正な蒸気圧を有する低沸点溶媒を封入する必要がある。以下、この低沸点溶媒について説明する。

図２に示すように、可動式の隔壁３は、空間Ａ内の圧力と空間Ｂ内の圧力のバランスによって移動する。空間Ｂ内の圧力が空間Ａ内の圧力よりも大きければ、隔壁３が図中左方向に移動して空間Ａ内の液体燃料が押し出される。ここで、空間Ａは、燃料供給時には大気開放されるので、中の圧力は大気圧になる。したがって、上記低沸点溶媒は、使用温度域において大気圧を越える蒸気圧を有すればよい。

ただし、低沸点溶媒の蒸気圧が高すぎると、急激な圧力印加による不都合が生ずることから、あまり蒸気圧が高すぎないことが好ましい。低沸点溶媒の蒸気圧が大気圧を僅かに越え、隔壁３に常に０．１気圧程度の差圧が加わっている状態が理想的である。このような観点から、上記低沸点溶媒の蒸気圧Ｐ_Ａは、１気圧＜Ｐ_Ａ≦１．５気圧であることが好ましく、１気圧＜Ｐ_Ａ≦１．２気圧であることがより好ましい。

低沸点溶媒は、上述の蒸気圧の条件を満たすものであれば、如何なるものであっても使用可能であるが、実際の使用を考えた場合には、金属製の外装容器２を腐食することがないこと、毒性が低いこと、安価であること等を考慮する必要がある。これらの条件を満たす低沸点溶媒としては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等を挙げることができる。

ジメチルエーテルは、図３に示すように、常温でも蒸気圧が高く、特に低温域での使用において、隔壁３に圧力を加えるのに好適である。ただし、使用温度が高くなると、蒸気圧が高くなりすぎる。一方、ジエチルエーテルは、図４に示すように、３８℃付近までは蒸気圧が大気圧を越えず、隔壁３に圧力を加えることができないが、３８℃を越えると、適正な蒸気圧となり、隔壁３に適正な圧力を加えることができる。

これらの事実を勘案すると、ジメチルエーテルとジエチルエーテルとを混合した混合溶媒を用いることが好ましいと言える。これらの混合溶媒を用いることで、広い使用温度範囲で適正な圧力を隔壁に加えることができる。この場合、ジメチルエーテルの量が多すぎると、高温域において圧力が上がり過ぎる虞れがあるので、これを考慮して、各低沸点溶媒の使用量を設定することが好ましい。具体的には、低沸点溶媒が封入される空間Ｂが最大となった際に、ジメチルエーテルが液体として残存しない量とすればよい。

以上の構成の燃料タンク１では、隔壁３が空間Ｂ内の低沸点溶媒の蒸気圧によって押圧され、空間Ａ内の液体燃料が押し出され、吐出口２ａを通して燃料電池システム側に供給される。このとき、隔壁３には低沸点溶媒の蒸気圧と大気圧との差圧が常に加わることになり、一定の圧力での定量的な燃料供給が実現される。また、前記差圧は、空間Ａ内の液体燃料が少なくなっても変わることなく隔壁３に加わるので、空間Ａ内の液体燃料は、最後まで押し出される。

上記低沸点溶媒の蒸気圧による加圧供給は、プランジャータイプの燃料タンクばかりでなく、バルーンタイプの燃料タンク等にも適用可能である。図５は、バルーンタイプの燃料タンクへの適用例を示すものである。図５に示す燃料タンク１０は、外装容器１１と内装容器１２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１１は、剛性を有する材料、例えば金属等により形成されている。内装容器１２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１１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。

この燃料タンク１０では、内装容器１２内に液体燃料を充填し、また内装容器１２内の液体燃料を燃料電池システム側に取り出すため、コネクタ１３が取り付けられている。このコネクタ１３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１２内の液体燃料は、前記コネクタ１３を通して燃料電池システムの燃料電池に供給される。

上述の構成の燃料タンク１０においても、外装容器１１と内装容器１２の間の空間に低沸点溶媒を封入することにより、先の実施形態と同様、低沸点溶媒の蒸気圧を利用して内装容器１２内の液体燃料を一定の圧力で押し出すことが可能である。

上述の構成を有する燃料タンクは、図６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２１と、燃料電池スタック２１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２２、燃料電池スタック２１の発電電力により駆動されるＤＣ−ＤＣコンバータ２３及び負荷２４等から構成される。

空気供給系としては、空気供給ポンプ２５を備え、燃料供給系としては、メタノールタンク２６、燃料混合器２７、及び燃料水溶液循環ポンプ２８とを備えており、このメタノールタンク２６に先の構造の燃料タンクを用いる。水処理機構は、気液分離器２９、水分貯蔵器３０、及び処理装置３１を備え、これらに付帯して電磁バルブ３２、二酸化炭素除去器３３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、メタノールタンク２６からメタノールが押し出され、燃料混合器２７に供給される。燃料水溶液循環ポンプ２８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２７から燃料電池スタック２１に燃料水溶液を供給する。燃料電池スタック２１で消費された燃料水溶液は、二酸化炭素除去器３３を備えた燃料混合器２７に循環され、再度燃料水溶液循環ポンプ２８によって燃料電池スタック２１に供給される。二酸化炭素除去器３３を備えた燃料混合器２７は、燃料電池スタック２１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３１に送り、処理装置３１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２５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２１に供給する。燃料電池スタック２１で発電に用いられた空気は、気液分離器２９によって水分と分離され、処理装置３１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３０に貯蔵された後、燃料混合器２７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３０と燃料混合器２７との間に設けられる電磁バルブ３２は、水分貯蔵器３０から燃料混合器２７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２１に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ２３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続される負荷２４は、燃料電池スタック２１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２２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２６として、先に説明した燃料タンクを用いる。隔壁３で仕切られた空間Ａ内に収容されたメタノールは、低沸点溶媒の蒸気圧が加わる隔壁３よって押し出され、燃料タンク（メタノールタンク２６）から排出される。排出されたメタノールは、燃料電池スタック２１へと供給され、発電に使用される。このような燃料電池システムでは、メタノールタンク２６内のメタノールを吸い上げるためのメタノール供給ポンプ（送液ポンプ）が不要であり、装置構成を簡略化することができる。

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。 隔壁に加わる蒸気圧の様子を示す模式図である。 ジメチルエーテルの蒸気圧曲線をメタノールの蒸気圧曲線とともに示す特性図である。 ジエチルエーテルの蒸気圧曲線をメタノールの蒸気圧曲線とともに示す特性図である。 燃料タンクの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。

符号の説明

１，１０ 燃料タンク
２ 外装容器
２ａ 吐出口
３ 隔壁
２１ 燃料電池スタック
２６ メタノールタンク

Claims (8)

1. 隔壁で仕切られた２つの空間を有し、一方の空間に液体燃料が収容されるとともに、他方の空間に低沸点溶媒が封入され、
   上記低沸点溶媒の蒸気圧により上記隔壁が押圧され、上記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. 上記低沸点溶媒は、使用温度域において大気圧を越える蒸気圧を有することを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
3. 上記低沸点溶媒の蒸気圧Ｐ_Ａは、１気圧＜Ｐ_Ａ≦１．５気圧であることを特徴とする請求項２記載の燃料タンク。
4. 上記低沸点溶媒は、蒸気圧の異なる２種類以上の溶媒からなる混合溶媒であることを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
5. 上記低沸点溶媒は、ジメチルエーテル、ジエチルエーテルから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
6. 上記低沸点溶媒は、ジメチルエーテルとジエチルエーテルの混合溶媒であることを特徴とする請求項１記載の燃料タンク。
7. 上記ジメチルエーテルの添加量は、低沸点溶媒が封入される空間が最大となった際に、液体として残存しない量とさ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. 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、隔壁で仕切られた２つの空間を有し、一方の空間に液体燃料が収容されるとともに、他方の空間に低沸点溶媒が封入され、上記低沸点溶媒の蒸気圧により上記隔壁が押圧され、上記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。

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