JP2005259661A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの温度をほぼ一定に保持して安定した発電を行うことのできる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】スタック５に供給する燃料を収容した燃料タンク７と、前記スタック５から排出される排出流体を冷却するための冷却手段１１と、前記燃料タンク７から供給された燃料と前記スタック５から回収した水とを混合する混合タンク９とを備えた燃料電池装置であって、前記燃料タンク７を前記スタック５の一側方に配置し、前記スタック５の他側方に前記混合タンク９を配置した構成であり、前記スタック５と前記混合タンク９との間に前記冷却手段１１が配置してあり、前記スタック５のアノード側からの排出流体を冷却するためのアノード側冷却装置１３とカソード側からの排出流体を冷却するためのカソード側冷却装置２５とを、冷却ファン１７によって形成される空気流により冷却する構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばノートパソコン等のごとく持ち運び可能な電子機器に適用可能な小型の燃料電池装置に係り、さらに詳細には、燃料を収容した燃料タンク及び燃料と水を混合する混合タンクの温度を低く保つことができ、かつ複数のセルを積層したスタックの温度をほぼ一定に保持して安定した発電を行うことのできる燃料電池装置に関する。

燃料電池装置においては、安定した発電を行うために、複数のセルを積層した構成のスタックを冷却して適正温度に保持することが行われている。（例えば特許文献１参照）。また、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、スタックから排出される水を回収してメタノール希釈に使用されている（例えば特許文献２参照）。
特開平１０−３４０７３４号公報 特開２００２−１１０１９９号公報

ダイレクトメタノール形燃料電池においては、安定した発電を行うには、スタックを例えば７０℃程度の一定温度に保持する必要がある。そこで、前記特許文献１に記載されているように、スタックを冷却水によって冷却する構成とした場合には、スタック自体が大型化すると共に、冷却システムが必要であって、全体的構成の小型化を図る上において問題がある。

また、前記特許文献２に記載されているように、スタックから排出される水を回収して、メタノールの希釈に利用する構成においては、水タンクを省略することができ、小型化を図る上においては有益である。しかし、単に水を回収するにすぎない構成においては、スタックを常にほぼ適正温度に保持するには、さらなる改良が必要である。

ところで、ＤＭＦＣにおいて、安定した発電を行うにはスタックの温度を７０℃程度に保つことが必要である。そして、メタノールの沸点は、６５℃程度であるから、燃料の温度が高くなると、燃料タンク内の圧力が上昇し、燃料供給量の制御が困難になったり、また、ときとして燃料タンクにダメージを与えることがあるので、燃料タンクの温度は低温に保持する必要がある。さらに、ＤＭＦＣにおいて、混合タンク内の気体の一部は外部に放出されており、混合タンクの温度が高い場合にはメタノールや水蒸気が高濃度で放出されることになり、効率の向上を図る上において問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、セルもしくは複数のセルを含むスタックと、燃料タンクと、前記スタックから排出される排出流体を冷却するための冷却手段と、前記燃料タンクから供給された燃料と前記排出流体から回収した水とを混合する混合タンクとを備えた燃料電池装置であって、前記燃料タンクを前記スタックの一側方に配置し、前記スタックの他側方に前記混合タンクを配置した構成であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記スタックと前記混合タンクとの間に前記冷却手段が配置してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記冷却手段は、冷却ファンを備え、前記スタックのアノード側からの排出流体を冷却するためのアノード側冷却装置と前記スタックのカソード側からの排出流体を冷却するためのカソード側冷却装置とを、前記冷却ファンによって形成される空気流により冷却することを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記冷却ファンの両側に備えた吸気口に対応した位置に前記アノード側冷却装置及び前記カソード側冷却装置がそれぞれ配置してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記カソード側冷却装置は、前記空気流において前記アノード側冷却装置よりも上流側に配置してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記カソード側冷却装置は前記冷却ファンの吸気口側に配置してあり、前記アノード側冷却装置は前記冷却ファンの排気口側に配置してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記冷却ファンの排気口からの排気流路に、前記スタックから排出された排出流体の排出路を接続してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、カソード側冷却装置によって凝縮された液体を吸収自在の多孔体を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記冷却ファンに吸気される空気量を調整可能の吸気量調整手段を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記吸気量調整手段は、前記冷却ファンの吸気口に開閉自在のスライドを備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記吸気量調整手段は、前記冷却ファンの回転数を変化させることを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料タンク及び混合タンクの温度を低く保つことができると共にスタックの温度を適正温度に保持することができ、効果的な発電を行うことができるものである。また、全体的構成の小型化、コンパクト化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置１は、図１に概念的、概略的に示すように、ケーシング３を備えており、このケーシング３内には、セルもしくは複数のセルを有するスタック５が配置してあり、このスタック５の一側方には、メタノールを収容した燃料タンク７が配置してある。そして、前記スタック５の他側方には、前記燃料タンク７からの燃料を希釈したメタノール水溶液として前記スタック５へ供給する混合タンク９が配置してある。さらに、前記スタック５と前記混合タンク９との間には、前記スタック５から排出される排出流体を冷却するための冷却手段１１が配置してある。

より詳細には、前記冷却手段１１は、前記スタック５のアノード側から排出される排出流体を冷却するためのアノード側冷却装置１３を備えると共に、前記スタック５のカソード側から排出される排出流体を冷却するためのカソード側冷却装置１５を備えている。さらに、冷却手段１１は、空気を吸引する吸気口と空気を排出する排気口とを有して空気の流路を形成するための冷却ファン１７とを備えている。

前記アノード側冷却装置１３及びカソード側冷却装置１５は、前記スタック５から排出される排出流体の流路を備えた放熱器を構成するものであって、外表面に多数の放熱フィンを備えた構成である。そして、前記冷却ファン１７は、両側に吸気口を備え、吸気方向に対して直行する方向に空気を排気するタイプの冷却ファンであって、上記吸気口へ吸引される空気流路に前記アノード側冷却装置１３及びカソード側冷却装置１５がそれぞれ配置してある。

そして、前記混合タンク９内のメタノール水溶液を前記スタック５のアノード側へ供給するために、混合タンク９とスタック５のアノード入口側とは燃料供給路１９を介して接続してあり、この燃料供給路１９には、燃料を送給するためのポンプＰ１が配置してある。また、前記スタック５のカソード入口側には、空気を供給するための空気供給路２１が接続してあり、この空気供給路２１には空気供給用のポンプＰ２が配置してある。

前記スタック５のアノード出口側と前記アノード側冷却装置１３とは、アノード側排出路２３を介して接続してあり、かつスタック５のカソード出口側と前記カソード側冷却装置１５は、カソード側排出路２５を介して接続してある。

前記アノード側排出路２３と前記アノード側冷却装置１３との接続部には気液分離部２７が設けてある。上記気液分離部２７は、気体の透過は許容するが液体の透過は阻止する気液分離膜よりなるものであって、アノード側で生成されたＣＯ₂と未反応のメタノール水溶液とを分離する作用をなすものである。そして、上記気液分離部２７の排気路２９は前記カソード側冷却装置１５側に接続してある。

前記アノード側冷却装置１３は、当該アノード側冷却装置１３において冷却したメタノール水溶液を回収するように前記混合タンク９に接続してある。そして、混合タンク９の排気部３１は前記冷却ファン１７の排気流路３３に接続してある。なお、前記混合タンク９の排気部３１には、気体の透過は許容するが液体の透過を阻止する気液分離膜が設けてある。

前記カソード側冷却装置１５は、当該カソード側冷却装置１５において凝縮した水を回収するために、回収路３５を介して前記混合タンク９と接続してあり、この回収路３５にはポンプＰ３が配置してある。さらに、前記カソード側冷却装置１５と前記排気路３３に接続した接続路４１の間に、前記カソード側冷却装置１５から流体に同伴されて排出される水滴を吸収するスポンジ等のごとき多孔体３７が設けてある。この多孔体３７に吸収された水滴は蒸発し前記排気路３３に排気される。

前記混合タンク９に対して燃料を供給するために、前記燃料タンク７にはポンプＰ４を配置した燃料補給路４３が接続してある。この燃料補給路４３は、前記混合タンク９に直接接続した構成とすることも可能であるが、本例においては、前記アノード側排出路２３に接続してある。したがって、燃料タンク７から供給される高濃度のメタノールが混合タンク９に至る過程において、未反応のメタノール水溶液と混合され、濃度分布の均一化が図られることになる。

以上のごとき構成において、ポンプＰ１を駆動して混合タンク９内のメタノール水溶液をスタック５のアノード側へ供給すると共に、ポンプＰ２を駆動して上記スタック５のカソード側へ空気を供給すると、前記スタック５のアノード側においては、アノード反応として、（CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺＋6e^-）の反応が行われる。

また、カソード側においては、カソード反応として、（3/2O₂＋6H⁺＋6e^-→３H₂O）の反応が行われる。

さらに、カソード側においては、アノード側からカソード側へクロスオーバーしたメタノールの燃焼反応として、（CH₃OH+3/2O₂→CO₂+２H₂O）の反応が行われる。

前記アノード側から排出される排出流体としてのCO₂及び未反応のメタノール水溶液はアノード側排出路２３を経てアノード側冷却装置１３へ供給される。この際、燃料タンク７から燃料補給路４３を経て供給される燃料が前記排出流体に混入される。そして、前記排出流体中のCO₂は前記気液分離部２７により分離され、排気路２９を経てカソード側冷却装置１５側へ排気される。前記アノード側冷却装置１３内の排出流体は、前記冷却ファン１７へ吸引される空気流Ａにより冷却された後、混合タンク９へ供給され、前記気液分離部２７により分離されなかったCO₂等のガス成分は排気部３１から気液分離膜を介して排気路３３側へ排気される。

前記カソード側から排出される排出流体としての未反応空気、液体状態の水、水蒸気、CO₂はカソード側排出路２５を経てカソード側冷却装置１５へ供給される。そして、カソード側冷却装置１５内の排出流体は、前記冷却ファン１７へ吸引される空気流Ｂによって冷却され、凝縮した水は、回収路３５を介して前記混合タンク９へ回収されて、燃料の希釈に利用される。

また、前記カソード側冷却装置１５から排出される流体に含まれる水滴は多孔体３７に吸収される。前記多孔体３７に吸収された水は蒸発し、接続路４１を介して外部へ排気されることになる。この際、CO₂等のガス成分も前記接続路４１を経て外部へ排気されるものである。

上述のように、カソード側冷却装置１５において凝縮された水はメタノールの希釈用として混合タンク９へ回収される。前記カソード側冷却装置１５から排出される流体中に含まれる水蒸気はそのまま、また多孔体３７に一旦吸収された水滴は蒸発して、冷却手段１１を冷却することにより昇温した空気流Cに同伴され外部へ排出されるものであるから、スタック５のカソード側から排出される水の処理を効果的に行うことができ、ケーシング３内に流出するようなことがないものである。

また、冷却ファン１７から前記排気路３３に吐出排風される空気は、前記アノード側冷却装置１３及びカソード側冷却装置１５を冷却することによって加温された状態にあるので、多孔体３７に吸着されている水を蒸発排気する構成であることにより、ケーシング３の外部への水の排出を効果的に行うことができる。

ところで、前記アノード反応で消費される単位時間当りのメタノールの量（ｑ_MeOH ^a）、水の量（ｑ_H2O ^a）及び発生するCO₂の発生量（ｑ_CO2 ^a）は、ファラデー定数をＦ、電流密度をＩ_OP、メタノールのクロスオーバーをプロトン電流に換算した電流密度をＩ_C.O.、プロトン一つ当たりに運ばれる水の数をｎ_d、透過及び拡散による水の移動量をαとすると、次式で示される。

また、カソード反応で消費される酸素量ｑ_O2 ^c、発生する水の量ｑ_H2O ^c及びCO₂の量ｑ_CO2 ^cは次式で示される。

したがって、前記燃料タンク７から補給する燃料の補給量は前記式（１）で示される量に相当する分でよく、またカソード側冷却装置１５から混合タンク９に回収する水の量は前記式（２）で示される量に相当する分でよいものである。

ところで、前記アノード側冷却装置１３及び前記カソード側冷却装置１５において冷却されて前記混合タンク９に回収された未反応メタノール水溶液及び水は前記スタック５の適正運転温度、例えば７０℃程度以下の温度である。換言すれば、前記混合タンク９からスタック５へ供給されるメタノール水溶液は、前記スタック５の温度を前記適正運転温度に保つために、充分に冷却されているものである。

既に理解されるように、混合タンク９内の燃料（メタノール水溶液）は充分に冷却された状態にあるので、混合タンク９の排気部３１から気体が排気されるとき、混合タンク９内からのメタノールや水蒸気の排気量を抑制することができ、燃料効率の向上を図ることができるものである。

また、スタック５の一側方に燃料タンク７を配置し、前記スタック５の他側方に混合タンク９を配置した構成であることにより、燃料タンク７の容積を大きく保持した構成において燃料タンク７を前記スタック５から熱的に離隔することが容易であって、燃料タンク７を低温に保持することができるものである。

さらに、燃料タンク７、スタック５、冷却手段１１及び混合タンク９を直列的（直線的）に配置した構成であり、かつ混合タンク９とスタック５との間に冷却手段１１を配置した構成であることにより、冷却手段１１と混合タンク９との接続回路長を短くすることができ、全体的構成をケーシング３内にコンパクトにまとめることができ、全体的構成の小型化を図ることができるものである。

また、スタック５と混合タンク９との間に冷却手段１１を配置した構成であることにより、スタック５から排出される排出流体を冷却して前記混合タンク９に回収するための流体流路を短く集約し易く、流体流路の流路抵抗を抑制でき、排出流体の回収を効率良く行うことができるものである。

気液分離部２７によりアノード排出流体からCO₂を除去するために、流体流速が小さくなり、前記アノード側冷却装置１３での液体流速が小さくなり、流路抵抗を抑制し、効率的に冷却することが可能になる。

図２は本発明の第２の実施形態を示すもので、前述した構成と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

この第２の実施形態においては、前記アノード側冷却装置１３、カソード側冷却装置１５の冷却能力を調整自在な構成とするために、前記冷却ファン１７に吸気される空気量を調整可能な吸気量調整手段を備えた構成である。すなわち、前記冷却ファン１７と前記アノード側冷却装置１３との間及び冷却ファン１７と前記カソード側冷却装置１５との間に、前記冷却ファン１７の吸気口を開閉自在のスライド４５Ａ，４５Ｂを移動調整自在に備えた構成である。

上記構成により、スライド４５Ａ，４５Ｂの位置を調節することにより、前記アノード側冷却装置１３、カソード側冷却装置１５の部分を通過する空気量Ａ，Ｂが調節されることとなり、アノード側冷却装置１３、カソード側冷却装置１５の冷却能力を調整することができるものである。したがって、負荷の変動によって前記スタック５の温度が変化したとき、スタック５の温度に対応して、前記混合タンク９からスタック５へ供給する燃料の温度を適正に調整可能なものである。また、カソード側冷却装置１５により凝縮させる水の量の制御が可能になる。

スライドは４５Ａ，４５Ｂのどちらか一方のみでもよい。また、ファンの回転数を変化させることにより、空気量Ａ，Ｂを調整しても良い。スライド位置とファン回転数の両方により、空気量Ａ，Ｂを調整しても良い。

図３は本発明の第３の実施形態を示すもので、前述した実施形態と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

この第３の実施形態においては、前記冷却ファン１７から吐出排風される空気流量Ｃの排気路３３を区画部材４７により区画して空気が集中して排気される構成となし、かつ前記排気路３３内に前記アノード側冷却装置１３を配置した構成である。すなわち、第３の実施形態においては、前記冷却ファン１７によって形成される空気流路の上流側にカソード側冷却装置１５を配置し、上記空気流路の下流側にアノード側冷却装置１３を配置した構成である。

なお、図３の図示例においては、冷却ファン１７の吸気口側にカソード側冷却装置１５を配置し、冷却ファン１７の排気口側にアノード側冷却装置１３を配置した構成について例示してあるが、カソード側冷却装置１５を空気流路の上流側に配置する構成としては、アノード側冷却装置１３及びカソード側冷却装置１５を、前記冷却ファン１７の吸気口側に空気の流れ方向に直列に配置する構成や、前記冷却ファン１７の排気口側の空気の流れ方向に前記アノード側冷却装置１３及びカソード側冷却装置１５を直列に配置する構成とすることも可能である。

すなわち、前記カソード側冷却装置１５は、前記スタック５のカソード側からの排気流体から前記混合タンク９へ供給するに充分な水が得られるように流体の温度を下げる必要がある。換言すれば、カソード側冷却装置１５においては、スタック５のカソード側からの排気流体を十分に冷却する必要がある。そのために、なるべく低い温度の空気で冷却することが好ましい。一般に前記アノード側冷却装置１３においては、冷却された流体の温度は、前記カソード側冷却装置１５により冷却される温度より高い。すなわち、このカソード側冷却装置１５を冷却した後の空気でもってアノード側冷却装置１３の冷却を行うことができるものである。

ここで、前記混合タンク９へ供給する水を回収するために必要な冷却温度T_fin-cathodeを式で表わすと、次のように表わされる。

なお、F_cathode-outは、スタック５のカソード側のガス流量、Ｐはカソード側冷却装置１５における流体圧力である。式７で示されるカソードにおける水発生量から式２で示されるアノードで必要とされる水の量を引いた量を、排出することになり、式７の右辺は排出する水の分圧を示している。飽和水蒸気の分圧がその値になるように必要な冷却温度T_fin-cathodeが決定する
図４は本発明の第４の実施形態を示すもので、前述した実施形態の構成と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

この第４の実施形態は、前記第３の実施形態の変更態様を示すものである。すなわち、この実施形態においては、冷却ファン１７の吸気方向と排気方向とが直線的である場合を例示し、また燃料タンク７を混合タンク９に近接して配置した場合を例示するものである。この実施形態においても前述同様の効果を奏し得るものである。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置の概略的な構成説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置の概略的な構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池装置の概略的な構成説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池装置の概略的な構成説明図である。

符号の説明

１…燃料電池装置
３…ケーシング
５…スタック
７…燃料タンク
９…混合タンク
１１…冷却手段
１３…アノード側冷却装置
１５…カソード側冷却装置
１７…冷却ファン
２３…アノード側排出路
２５…カソード側排出路
３３…排気路
３５…回収路
３７…多孔体
４１…接続路
４３…燃料供給路
４５Ａ，Ｂ…スライド

Claims (11)

1. セルもしくは複数のセルを含むスタックと、燃料タンクと、前記スタックから排出される排出流体を冷却するための冷却手段と、前記燃料タンクから供給された燃料と前記排出流体から回収した水とを混合する混合タンクとを備えた燃料電池装置であって、前記燃料タンクを前記スタックの一側方に配置し、前記スタックの他側方に前記混合タンクを配置した構成であることを特徴とする燃料電池装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池装置において、前記スタックと前記混合タンクとの間に前記冷却手段が配置してあることを特徴とする燃料電池装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池装置において、前記冷却手段は、冷却ファンを備え、前記スタックのアノード側からの排出流体を冷却するためのアノード側冷却装置と前記スタックのカソード側からの排出流体を冷却するためのカソード側冷却装置とを、前記冷却ファンによって形成される空気流により冷却することを特徴とする燃料電池装置。
4. 請求項３に記載の燃料電池装置において、前記冷却ファンの両側に備えた吸気口に対応した位置に前記アノード側冷却装置及び前記カソード側冷却装置がそれぞれ配置してあることを特徴とする燃料電池装置。
5. 請求項３に記載の燃料電池装置において、前記カソード側冷却装置は、前記空気流において前記アノード側冷却装置よりも上流側に配置してあることを特徴とする燃料電池装置。
6. 請求項５に記載の燃料電池装置において、前記カソード側冷却装置は前記冷却ファンの吸気口側に配置してあり、前記アノード側冷却装置は前記冷却ファンの排気口側に配置してあることを特徴とする燃料電池装置。
7. 請求項３，４，５又は６に記載の燃料電池装置において、前記冷却ファンの排気口からの排気流路に、前記スタックから排出された排出流体の排出路を接続してあることを特徴とする燃料電池装置。
8. 請求項７に記載の燃料電池装置において、カソード側冷却装置によって凝縮された液体を吸収自在の多孔体を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
9. 請求項３〜８のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記冷却ファンに吸気される空気量を調整可能の吸気量調整手段を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
10. 請求項９に記載の燃料電池装置において、前記吸気量調整手段は、前記冷却ファンの吸気口に開閉自在のスライドを備えていることを特徴とする燃料電池装置。
11. 請求項９に記載の燃料電池装置において、前記吸気量調整手段は、前記冷却ファンの回転数を変化させることを特徴とする燃料電池装置。
    
    

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