JP2005108716A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】制御部における腐食、ショート等の発生を防止し、信頼性の向上した燃料電池を提供することにある。
【解決手段】燃料電池の筐体１２は、第１領域および第２領域と、第１領域と第２領域とを仕切った隔壁４２と、を有している。第１領域内に設けられた発電部７は、化学反応により発電を行う起電部５２および燃料を収納した燃料タンクを有している。第２領域内には、制御回路基板３０を有し発電部の動作を制御する制御部２９が配設されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。

通常、ＤＭＦＣは筐体を備え、この筐体内には、実際に発電を行う発電部および発電部の動作を制御する制御回路部が設けられている。発電部は、高濃度のメタノールが収容された燃料タンク、燃料タンクのメタノールを水によって希釈する混合タンク、混合タンクで希釈されたメタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部はアノードおよびカソードを備え、アノード側に希釈されたメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。その際、起電部は化学変化の反応熱により加熱され高温となる。

また、制御回路部は、筐体内に配設されたプリント回路基板、およびプリント回路基板上に実装された複数の半導体素子等を備えている。発電により発生した熱は、起電部表面、およびアノード流路、カソード流路から筐体内部に排熱される。また、筐体内部の空気は、筐体の内面部に設けられた冷却ファン、空気ブロワ等により換気される（例えば、特許文献１）。
特開平７−６７７７号公報

上述した燃料電池では、起電部内での化学反応により発電を行うが、その際、起電部は化学変化の反応熱により高温となる。そのため、燃料に含まれる水、メタノールの他、反応により発生した生成物を含んだ蒸気が発生し、その一部は筐体内部に排気される。この化学物質を含んだ蒸気は酸性であり、この蒸気が制御部に接触すると、制御回路における金属部分の腐食、あるいはショートの原因となる。このような制御回路の腐食あるいはショートが生じた場合、発電部を正常に制御することが困難となり、燃料電池の信頼性が低下する。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、制御部における腐食、ショート等の発生を防止し、信頼性の向上した燃料電池を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池は、第１領域および第２領域と、前記第１領域と第２領域とを仕切った隔壁と、を有した筐体と、化学反応により発電を行う起電部および燃料を収納した燃料タンクを有し、前記筐体の第１領域内に配設された発電部と、制御回路基板を有し前記筐体の第２領域内に配設されているとともに前記発電部の動作を制御する制御部と、を備えている。

本発明によれば、制御部における腐食、ショート等の発生を防止し、信頼性の向上した燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態に係る燃料電池について詳細に説明する。
図１ないし図３に示すように、燃料電池１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成され、また、電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ１１の電源として使用可能に構成されている。

燃料電池１０は筐体１２を備えている。この筐体１２は、ほぼ角柱状に形成され水平に延びた本体１４と、本体から延出した載置部１６とを有している。載置部１６は、平坦な矩形状に形成され、パーソナルコンピュータ１１の後部を載置可能に形成されている。後述するように、筐体１２の第１領域を規定した本体１４内には、発電部を構成する燃料タンク、起電部、混合タンク等が配置されている。また、筐体１２の第２領域を規定した載置部１６内には、制御部２９、およびパーソナルコンピュータ１１を載置部上にロックするロック機構等が配置されている。

図１、図３ないし図６に示すように、本体１４は、載置部１６の底壁と一体の平坦な底壁１８ａ、この底壁とほぼ平行に対向した天壁１８ｂ、底壁と天壁との間に位置した前壁１８ｃ、後壁１８ｄ、および一対の側壁１８ｅ有している。一対の側壁１８ｅは、それぞれ外側に向かって凸となる曲面状に形成されている。前壁１８ｃには多数の通気孔２０が形成され、これら通気孔と対向する位置において、後壁１８ｄには多数の通気孔２１が形成されている。本体１４の一方の側壁１８ｅには多数の通気孔２２が形成されている。底壁１８の外面には複数の脚２４が設けられている。本体１４の天壁１８ｂの前端部には、燃料電池１０の動作状態を示す複数のインジケータ２３が設けられている。

載置部１６は、本体１４の前壁１８ｃ下端部から前方へ延出した平坦な上壁２６を備えている。上壁２６は、底壁１８ａの前半部分と隙間を置いて対向しているとともに、本体１４側から下方に向かって僅かに傾斜して延びている。上壁２６は、パーソナルコンピュータ１１が載置される載置面２６ａを構成している。

載置部１６内には、発電部７の動作を制御する制御部２９が設けられている。制御部２９は、載置部１６内に配設され上壁２６とほぼ平行に延びた制御回路基板３０を備えている。制御回路基板３０上には、複数の半導体素子２８、コネクタ３２を含む複数の電子部品が実装されている。コネクタ３２は、載置部１６の中央で本体１４に隣接して設けられ、上壁２６を貫通し載置面２６ａから突出している。その他、制御部２９は、後述するように、発電部を駆動する電源、ドライバ等を備えている。

載置部１６内には前後方向に沿って移動可能なロック板３４が配設されている。ロック機構を構成するロック板３４には、複数、例えば３本のフック３８が立設され、それぞれ上壁２６を貫通し載置面２６ａから突出している。更に、載置部１６内には、フック３８とともにロック板３４をロック解除位置へ移動させるイジェクトレバー３６が配設されている。載置部１６の一側縁部には、イジェクトレバー３６を操作するためのイジェクトボタン４０が設けられている。載置面２６ａ上には、フック３８に隣接して複数の位置決め突起４１が形成されている。

図３および図４に示すように、制御部２９が設けられている載置部１６内部と、発電部７が配置されている本体１４内部とは、底壁１８ａ上に立設された隔壁４２によって仕切られている。この隔壁４２は、筐体１２の長手方向全長に渡って延びている。隔壁４２には、発電部７と制御部２９とを電気的に接続するための複数の配線を通す切欠き４３が形成されている。切欠き４３の開口面積は、隔壁４２全体の面積の約１０％以下に形成されていることが望ましい。なお、切欠き４３は、１つに限らず複数形成してもよい。ただし、この場合も、全切欠きの開口面積が隔壁４２全体の面積の約１０％以下に形成されていることが望ましい。

図２および図３に示すように、パーソナルコンピュータ１１の後端部は、位置決め突起４１により位置決めされた状態で載置部１６の載置面２６ａ上に載置される。パーソナルコンピュータ１１は複数のフック３８と係合し、載置位置にロックされる。また、パーソナルコンピュータ１１の図示しないコネクタが載置部１６のコネクタ３２と機械的かつ電気的に接続される。これにより、燃料電池１０とパーソナルコンピュータ１１とが機械的かつ電気的に接続される。

図３、図５ないし図７に示すように、発電部７は、本体１４内の一側部に設けられた燃料タンク５０、本体内の中央部に設けられ化学反応により発電を行う起電部５２、本体内の他側部に設けられた混合タンク５４を備えている。燃料タンク５０には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。この燃料タンク５０は本体１４に対して脱着自在なカートリッジとして形成されている。なお、本体１４の一側部は、燃料タンク５０の脱着時に取り外し可能なカバー５１として形成されている。

燃料タンク５０は図示しない燃料供給路を介して混合タンク５４に接続され、この燃料供給路には、燃料タンクから混合タンクへ燃料を供給する第１送液ポンプ５６が設けられている。図８に示すように、起電部５２は複数のセルを積層して構成され、各セルは、アノード（燃料極）５８ａとカソード（空気極）５８ｂとの間に電解質膜６０を挟持して構成されている。起電部５２の周囲には、多数の冷却フィン６１が設けられている。

図３、図５ないし図７に示すように、本体１４の内部には、エアバルブ６２を介して起電部５２のカソード５８ｂに空気を供給する送気ポンプ６４が設けられている。送気ポンプ６４は空気供給部を構成している。起電部５２と混合タンク５４との間には燃料供給管６６ａおよび燃料回収管６６ｂが接続され、互いに平行に延びている。燃料供給管６６ａおよび燃料回収管６６ｂは、起電部５２のアノード５８ａと混合タンク５４との間で燃料を循環させるアノード流路を形成している。燃料供給管６６ａには、混合タンク５４から起電部５２へ燃料を供給する第２送液ポンプ６８が接続されている。燃料回収管６６ｂには、起電部５２から排出された燃料と、化学反応により生成された二酸化炭素とを分離する気液分離器６５が設けられている。また、燃料供給管６６ａおよび燃料回収管６６ｂの周囲にはそれぞれ鉛直方向に延びた多数の放熱フィン６９が取り付けられ、第１放熱部７０を構成している。なお、本体１４の後壁１８ｄに形成された通気孔２１は、第１放熱部７０と対向して設けられている。

起電部５２には排出管７２が接続され、カソード５８ｂから発電により生じた生成物および空気を排出するカソード流路を形成している。カソード流路は、起電部５２から延出した第１流路７２ａと、第１流路から複数に分岐しているとともにそれぞれ水平方向に対し傾斜して延びた複数の分岐流路７２ｂと、第１流路および各分岐流路の下端に連通し第１流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部７２ｃと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンク５４に導く回収流路７２ｄと、分岐流路の上端に連通した第２流路７２ｅを有している。本実施形態において、複数の分岐流路７２ｂはそれぞれ鉛直方向に沿って延びている。

回収流路７２ｄには、貯溜部７２ｃ内の水を混合タンク５４に供給する回収ポンプ７６が設けられている。また、貯溜部７２ｃ内には、この貯溜部内に溜まった水の水位を検出する水位検知器７７が設けられている。

複数の分岐流路７２ｂを形成している排出管７２の周囲にはそれぞれ水平方向に延びた多数の放熱フィン７４が取り付けられ、第２放熱部７５を構成している。複数の分岐流路７２ｂを含む第２放熱部７５は、第１放熱部７０と隙間を置いてほぼ平行に対向配置されている。第２流路７２ｅはほぼ水平に延びているとともに、本体１４の通気孔２２の近傍で、かつ、通気孔２２に向かって開口した排気口７８を備えている。第２流路７２ｅにおいて、排気口７８の近傍には排気バルブ８０が設けられている。なお、第２流路７２ｅには、気液分離器６５で分離された二酸化炭素を第２流路７２ｅに導くガス排出管８１が設けられている。本体１４の前壁１８ｃに形成された通気孔２０は、第２放熱部７５と対向して設けられている。

第１放熱部７０と第２放熱部７５との間には、遠心ファンからなる冷却ファン８２が設けられ、第１放熱部および第２放熱部と対向している。冷却ファン８２は、羽根の回転軸がほぼ水平に、かつ、第１放熱部７０および第２放熱部７５と直交するように配置されている。冷却ファン８２は羽根を覆ったファンケースを有している。ファンケースには、図９に示すように、第１放熱部７０に対向した吸気口８４、第２放熱部７５に対向した他の吸気口８４、および羽根の回転方向に対して接線方向に向かって開口した２つの排気口８６ａ、８６ｂが形成されている。一方の排気口８６ａは本体１４の通気孔２２に向かって開口し、また、他方の排気口８６ｂは起電部５２に向かって開口している。

その他、発電部７は、混合タンク５４に接続されたタンクバルブ８７、混合タンク５４内に収容された燃料の濃度を検出する濃度センサ８８、この濃度センサを通して混合タンク内の燃料を循環させる濃度検出ポンプ８５を備えている。
図１０に示すように、載置部１６内に配設された制御部２９の制御回路は、ＣＰＵ９０に接続されたドライバ９１、ドライバに接続された送気ポンプ電源９２および補機用電源９４を備えている。コネクタ３２はインターフェース９５を介してＣＰＵ９０に接続されているとともに、メイン電源９６に接続されている。

本体１４内に配設され発電部７を構成している第１および第２送液ポンプ５６、６８、回収ポンプ７６、濃度検出ポンプ８５は、それぞれ配線５６ａ、６８ａ、７６ａ、８５ａにより制御回路基板３０に接続され、この制御回路基板を介してドライバ９１に電気的に接続されている。送気ポンプ６４は、配線６４ａを介して制御回路基板３０に電気的に接続され、この制御回路基板を介して送気ポンプ電源９２に接続されている。冷却ファン８２は、配線８２ａを介して制御回路基板３０に電気的に接続され、更に、ドライバ９１に接続されている。水位検知器７７および濃度センサ８８は、それぞれ配線７７ａ、８８ａを介して制御回路基板３０に接続され、インターフェース９８を介してＣＰＵ９０にそれぞれ検知信号を制御回路基板に出力する。また、イジェクトレバー３６の移動を検知するイジェクトセンサ９７がインターフェース９８を介してＣＰＵ９０に接続されている。

起電部５２は、配線５２ａを介してメイン電源９６に接続され、発生した電力をメイン電源９６およびコネクタ３２を介して供給する。エアバルブ６３、排気バルブ８０、タンクバルブ８７はそれぞれ電磁弁で構成され、それぞれ配線６３ａ、８０ａ、８７ａを介して制御回路基板３０に電気的に接続され、ドライバ９１に接続されている。
発電部７と制御部２９とを接続した上記複数の配線は、隔壁４２に形成された切欠き４３を通して、本体１４内から載置部１６内へ引き回されている。

上記構成の燃料電池１０をパーソナルコンピュータ１１の電源として用いる場合、まず、パーソナルコンピュータの後端部を燃料電池の載置部１６に載置し、所定位置にロックするとともにコネクタ３２を介して燃料電池と機械的かつ電気的に接続する。この状態で燃料電池１０の発電を開始する。この場合、制御部２９による制御の下、第１送液ポンプ５６により燃料タンク５０から混合タンク５４にメタノールが供給され、起電部５２から還流する溶媒としての水により所定の濃度に希釈される。混合タンク５４内で希釈されたメタノールは、第２送液ポンプ６８により、アノード流路を通して起電部５２のアノード５８ａに供給される。一方、起電部５２のカソード５８ｂには送気ポンプ６４により空気が供給される。図８で示したように、供給されたメタノールおよび空気は、アノード５８ａとカソード５８ｂとの間に設けられた電解質膜６０で化学反応し、これにより、アノード５８ａとカソード５８ｂとの間に電力が発生する。起電部５２で発生した電力は、制御回路基板３０、メイン電源９６、コネクタ３２を介してパーソナルコンピュータ１１に供給される。

発電反応に伴い、起電部５２には反応生成物として、アノード５８ａ側に二酸化炭素、カソード５８ｂ側に水が生成される。アノード５８ａ側に生じた二酸化炭素およびメタノールは気液分離器６５に送られ、ここで気液分離された後、二酸化炭素はガス排出管８１を介してカソード流路へ送られる。また、メタノールはアノード流路を介して混合タンク５４へ戻される。

図７および図９に示すように、カソード５８ｂ側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路に排出される。排出された水および水蒸気は、第１流路７２ａを通り、水は貯溜部７２ｃに送られる。また、水蒸気および空気は、分岐流路７２ｂを通り第２流路７２ｅまで上方に向かって流れる。この際、各分岐流路７２ｂを流れる水蒸気は第２放熱部７５によって冷却されて凝縮する。凝縮により生じた水は、重力により分岐流路７２ｂ内を下方に流れ、貯溜部７２ｃに回収される。貯溜部７２ｃ内に回収された水は、回収ポンプ７６により混合タンク５４へ送られ、メタノールと混合された後、再び起電部５２へ供給される。

第２流路７２ｅに送られた空気および水蒸気の一部は、排気バルブ８０を通り、排気口７８から本体１４内に排気され、更に、本体の通気孔２２を通して外部に排気される。なお、起電部５２のアノード５８ａ側から排出された二酸化炭素は、第２流路７２ｅを通り、排気口７８から本体１４内に排気され、更に、本体の通気孔２２を通して外部に排気される。

また、燃料電池１０の動作中、冷却ファン８２が駆動され、本体１４に形成された通気孔２０および通気孔２１を通して外気が本体１４内に導入される。図７および図９に示すように、通気孔２１を通して本体１４内に導入された外気および本体１４内の空気は、第１放熱部７０の周囲を通ってこれを冷却した後、冷却ファン８２の吸気口８４を通してファンケース内に吸気される。従って、アノード流路を流れるメタノールが冷却され、起電部５２の加熱温度が下げられる。通気孔２０を通して本体１４内に導入された外気および本体１４内の空気は、第２放熱部７５の周囲を通りこれを冷却した後、冷却ファン８２の他方の吸気口を通してファンケース内に吸気される。これにより、カソード流路を流れる空気および反応生成物が冷却される。

ファンケース内に吸気された空気は、排気口８６ａ、８６ｂから本体１４内に排気される。排気口８６ａから排気された空気は、混合タンク５４の周囲を通りこれを冷却した後、本体１４の通気孔２２から外部に排気される。その際、排気口８６ａから排気された空気は、カソード流路の排気口７８からの排気された空気、水蒸気、二酸化炭素と混ざり合い、一緒に通気孔２２から本体外部に排気される。また、他方の排気口８６ａから排気された空気は、起電部５２およびその周囲を冷却した後、本体１４の外部に排気される。

混合タンク５４内におけるメタノールの濃度は濃度センサ８８によって検出される。制御部２９は、検出された濃度に応じて回収ポンプ７６を作動させ、貯溜部７２ｃ内の水を混合タンク５４に供給することにより、メタノールの濃度を一定に維持する。また、カソード流路内における水の回収量、つまり、水蒸気の凝縮量は、貯溜部７２ｃに回収された水の水位に応じて、第２放熱部７５の冷却能力を制御することにより調整される。ここでは、水位検知器７７により検出された水位の応じて冷却ファン８２の駆動電圧を制御することにより、第２放熱部７５の冷却能力を調整し、水の回収量を制御している。また、制御部２９は、貯溜部７２ｃに回収された水の水位に応じて回収ポンプ７６のポンプ流量を制御し、貯溜部７２ｃ内の水量を所定の範囲内に維持する。

以上のように構成された燃料電池１０によれば、発電部７が設けられている筐体１２の本体１４内部と、制御部２９が設けられている載置部１６内部とは、隔壁４２により仕切られている。そのため、蒸発した燃料や水蒸気を含む湿った空気が本体内に排気された場合でも、隔壁４２によりこの空気が載置部１６内に侵入することが防止される。隔壁４２には、配線を挿通するための切欠き４３が形成されているが、その開口面積は、隔壁全体の面積に対して約１０％以下に形成されている。そのため、切欠き４３を通って載置部１６内に侵入する空気を最小限に抑えることができる。以上のことから、蒸発した燃料や水蒸気が制御回路基板３０や半導体素子等に接触することがなく、制御回路の腐食あるいはショートの発生を防止することができる。これにより、制御部２９の誤動作や故障を抑制し、信頼性の高い燃料電池が得られる。

また、燃料電池１０によれば、第１および第２放熱部７０、７５、並びに冷却ファン８２により、カソードの排気温度を上げて水の蒸発を低減することよって、水を効率良く回収し、発電反応に再利用することができる。そのため、水不足の問題を解消し、所望濃度の燃料を起電部５２に供給することができる。同時に、アノード流路を冷却することにより、起電部５２の加熱温度を下げることができ、その結果、カソードの排気温度を一層効率良く下げることができる。従って、長期間に亘り安定した発電が可能な燃料電池が得られる。

更に、本実施形態によれば、冷却ファン８２からの排気は、カソード流路からの排気と混合して本体１４の外部に排出される。カソード流路からの排出空気は多少湿気を含んでいるため、本体１４の通気孔２２周辺に水滴を生じる可能性があるが、上記のように冷却ファン８２からの排出空気と混合することにより、湿度を低減し水滴の発生を防止することができる。これにより、水滴により生じる不具合の発生を未然に防止し、信頼性の高い燃料電池が得られる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

前述した実施形態によれば、発電部は、燃料タンク５０、起電部５２、第１放熱部７０および第２放熱部７５、混合タンク５４を順番に並べて配置した構成としたが、これらの配置は必要に応じて種々変更可能である。この発明に係る燃料電池は、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器の電源としても使用可能である。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。また、冷却ファンは、遠心ファンに限らず、軸流ファンを用いてもよい。

この発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図。 前記燃料電池をパーソナルコンピュータに接続した状態を示す斜視図。 前記燃料電池およびパーソナルコンピュータを示す断面図。 前記燃料電池の筐体底壁を示す斜視図。 前記燃料電池の内部を示す斜視図。 前記燃料電池の一部を破断して示す平面図。 前記燃料電池の発電部を概略的に示す図。 前記燃料電池における起電部のセル構造を模式的に示す図。 前記燃料電池におけるカソード流路、第２放熱部を模式的に示す図。 前記燃料電池の発電部および制御部を示すブロック図。

符号の説明

１０…燃料電池、 １１…パーソナルコンピュータ、 １２…筐体、
１４…本体、 １６…載置部、 ３２…コネクタ、４２…隔壁、
４３…切欠き、 ５０…燃料タンク、 ５２…起電部、 ５４…混合タンク、
６６ａ…燃料供給管、 ６６ｂ…燃料回収管、 ７０…第１放熱部、 ７２…排出管、
８２…冷却ファン

Claims (5)

1. 第１領域および第２領域と、前記第１領域と第２領域とを仕切った隔壁と、を有した筐体と、
   化学反応により発電を行う起電部を有し、前記筐体の第１領域内に配設された発電部と、
   前記筐体の第２領域内に配設された制御回路基板を有し、前記発電部の動作を制御する制御部と、を備えた燃料電池。
2. 前記発電部と制御部とを接続した配線を備え、前記隔壁は前記配線が挿通された切欠きを有し、前記切欠きの開口面積は、前記隔壁全体の面積の１０％以下に形成されている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記発電部は、前記燃料タンクから供給された燃料と水とを混合する混合タンクと、前記起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる送液ポンプと、前記起電部に空気を供給する送気ポンプと、冷却ファンと、を備え、前記制御部は、前記制御回路基板上に実装された複数の電子部品および電源を備え、前記配線は、ポンプ用配線、冷却ファン用配線、電源配線を含んでいる請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記筐体は、前記第１領域を構成した本体と、前記本体から延出し前記第２領域を構成しているとともに電子機器を載置可能な載置部を備えている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記制御部は、前記制御回路基板上に実装され前記載置部から外方に突出しているとともに前記電子機器に接続可能なコネクタを備えている請求項４に記載の燃料電池。

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