JP2006221861A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】排気フィルタの性能低下を防止し、長期間に亘って安定した発電が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、化学反応により発電を行う起電部５２、燃料を収納した燃料タンク、起電部と燃料タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路、起電部に空気を供給する空気供給部、起電部に接続され起電部からの生成物を排出するカソード流路７２、カソード流路に設けられ生成物を冷却し水を凝縮させる冷却器７５、冷却器の下流側でカソード流路に設けられた排気フィルタを備えている。凝縮された水および起電部から排出された水を貯留する貯留部７２ｃと、貯留部内に貯留された水を燃料タンクに導く第１回収流路７２ｄと、冷却器と排気フィルタとの間でカソード流路内に生じた水を貯留部に導く第２回収流路７２ｆとが設けられている。
【選択図】 図７

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（以下、ノートＰＣと称する）、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、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、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が設けられている。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。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側に炭酸ガスが、カソード側に水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。起電部のカソード側からの排気はカソード流路を通って冷却器に送られ、ここで冷却され水分を凝縮させる。得られた水は回収され、メタノールの希釈に用いられる。また、冷却器の下流側には有害物質を除去する排気フィルタが設けられ、カソード側からの排気は、冷却器を通過した後、排気フィルタで有害物質を除去された後、外部に排出される。
特開２００４−９５３７６号公報

上記構成の燃料電池において、カソード側の排気は、冷却器を通過した後、カソード流路内で冷やされることにより更に水分が結露する。また、冷却器内で凝縮した水分の一部が排気によって吹き上げられ、飛洙となって排出される。そのため、これらの水分がカソード流路を通って排気フィルタに流入し、排気フィルタを濡らしてしまう。その結果、排気フィルタの性能が大幅に低下するという問題がある。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、排気フィルタの性能低下を防止し、長期間に亘って安定した発電が可能な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、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収納した燃料タンクと、前記起電部と燃料タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路と、前記起電部に空気を供給する空気供給部と、前記起電部に接続され前記起電部からの生成物を排出するカソード流路と、前記カソード流路に設けられ前記生成物を冷却し水を凝縮させる冷却部と、前記冷却器の下流側で前記カソード流路に設けられた排気フィルタと、前記凝縮された水および前記起電部から排出された水を貯留する貯溜部と、前記貯溜部内に貯留された水を前記燃料タンクに導く第１回収流路と、
前記冷却器と排気フィルタとの間で前記カソード流路内に生じた水を前記貯溜部に導く第２回収流路と、を備えている。

以上のように構成された本発明によれば、水分による排気フィルタの性能低下を防止し、安定した発電が可能な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、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、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。載置部１６には、パーソナルコンピュータ１１をロックするロック機構等が配置されている。

図１ないし図３に示すように、載置部１６の上面には、パーソナルコンピュータ１１と接続するためのコネクタ３２が設けられている。パーソナルコンピュータ１１の例えば底面後部には、燃料電池１０側のコネクタ３２と接続するための図示しないコネクタが設けられ、コネクタ３２と機械的、電気的に接続される。載置部１６の三箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起４１およびフック３８が設けられている。これらの位置きめ突起４１およびフック３８は、パーソナルコンピュータ１１の底面後部と係合し、載置部１６に対してパーソナルコンピュータ１１を位置決め、保持する。また、載置部１６には、パーソナルコンピュータ１１を燃料電池１０から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン４０が設けられている。載置部１６内には、後述する発電部の動作を制御する制御部が設けられている。

図１および図５に示すように、本体１４の壁部には多数の通気孔２０、２１、２２が形成されている。本体１４の前端部には、燃料電池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。後述するように、発電部を構成する燃料タンクは脱着自在な燃料カートリッジとして構成されている。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。

次に、発電部の構成について詳細に説明する。図４は、発電部の系統図を示したものであり、特にＤＭＦＣスタックにより構成された起電部５２とその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。図３、図４、および図５に示すように、発電部は、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。

燃料タンク５０は燃料供給路１８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、電磁弁６３が設けられている。図６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ないし図５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、起電部のアノード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、フィルタ２４、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、イオンフィルタ２５、逆止弁２７が接続されている。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、アノード冷却器７０を構成している。

図４、図５および図７に示すように、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（水回収タンク）７２ｃと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンク５４に導く第１回収流路７２ｄと、分岐流路の上端に連通した第２流路７２ｅと、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。また、第１回収流路７２ｄは、アノード冷却器７０と混合タンク５４との間で燃料回収管６６ｂに連通し、この燃料回収管６６ｂを介して混合タンクに接続されている。

第１回収流路７２ｄには、貯溜部７２ｃ内の水を混合タンク５４に供給する水回収ポンプ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センサ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が取り付けられカソード冷却器７５を構成している。複数の分岐流路７２ｂを含むカソード冷却器７５は、アノード冷却器７０と隙間を置いて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に向かって開口した排気口７８を備えている。本体１４の前壁に形成された通気孔２０は、カソード冷却器７５と対向して設けられている。

第２流路７２ｅにおいて、排気口７８の近傍には排気フィルタ８０および排気バルブ８１が設けられている。排気フィルタ８０は、例えば、金属触媒等により構成され、カソード流路を通して排気される空気中に含まれるメタノール等の有害物質を除去する。排気フィルタ８０の鉛直方向の下方には、水回収部２８が設けられ、第２流路７２ｅに連通している。また、カソード流路は、水回収部２８内に回収された水を第１回収流路７２ｄに導く第２回収流路７２ｆを有している。この第２回収流路７２ｆは、水回収ポンプ７６と混合タンク５４との間で第１回収流路７２ｄに接続されている。

水回収ポンプ７６と混合タンク５４との間で第１回収流路７２ｄには、混合タンク５４から水回収ポンプ７６側への水の逆流を規制する逆止弁４２が設けられている。この逆止弁４２と水回収部２８との間で第２回収流路７２ｆには、水回収ポンプ７６から水回収部２８側への水の逆流を規制する逆止弁４４が設けられている。

図５および図７に示すように、本体１４内において、アノード冷却器７０とカソード冷却器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、アノード冷却器およびカソード冷却器と対向している。冷却ファン８２は、羽根の回転軸がほぼ水平に、かつ、アノード冷却器７０およびカソード冷却器７５と直交するように配置されている。図８から良く分かるように、冷却ファン８２は羽根を覆ったケースを有し、このケースには、アノード冷却器７０およびカソード冷却器７５にそれぞれ対向した吸気口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、発電部は、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、この濃度センサに送られる燃料を冷却する濃度センサ冷却器８７を備えている。
図４に示すように、本体１４内に配設され発電部を構成している第１および第２送液ポンプ５６、６８、送気ポンプ６４、水回収ポンプ７６、エアバルブ６２、排気バルブ８１、冷却ファン８２は制御部３０に電気的に接続され、この制御部によって制御される。また、水位センサ７７および濃度センサ８８は制御部３０に接続され、それぞれ検知信号を制御部に出力する。なお、これらの電装部品、センサと制御部３０とを接続した図示しない配線は、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、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に高濃度の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と混合され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６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、制御部３０、コネクタ３２を介してパーソナルコンピュータ１１へ供給される。

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化学反応に供されなかったメタノールはアノード流路へ送られ、アノード冷却器７０を通して冷却された後、混合タンク５４に還流する。二酸化炭素は混合タンク５４内で気化し、カソード冷却器７５、排気バルブ８１を介して、最終的には排気口７８から外部へ排気される。

図７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を流れる水蒸気はカソード冷却器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、水回収ポンプ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、水回収部２８に送られる。この際、水蒸気は第２流路７２ｅ内で結露し、これにより生じた水は水回収部２８に回収される。また、空気および空気中に飛沫したメタノールは排気フィルタ８０に送られ、ここで、メタノールが排気フィルタによって除去される。空気は排気バルブ８１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。

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５および図７に示すように、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、カソード冷却器７５の周囲を通りこれを冷却した後、冷却ファン８２の一方の吸気口８４を通してファンケース内に吸気される。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、アノード冷却器７０の周囲を通ってこれを冷却した後、冷却ファン８２の他方の吸気口８４を通してファンケース内に吸気される。

ファンケース内に吸気された空気は、排気口８６ａおよび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、本体１４内を通り本体の通気孔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、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、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３０は、検出された濃度に応じて水回収ポンプ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、カソード冷却器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、水位センサ７７により検出された水位に応じて冷却ファン８２の駆動電圧を制御することにより、カソード冷却器７５の冷却能力を調整し、水の回収量を制御する。

図７に示すように、水の回収時、水回収ポンプ７６は制御部３０により正転駆動される。これにより、逆止弁４２が開き、逆止弁４４が閉じられる。そして、貯溜部７２ｃ内の水は、第１回収流路７２ｄおよび逆止弁４２を通って混合タンク５４へ送られる。この際、第２回収流路７２ｆには逆止弁４４が設けられていることから、貯留部７２ｃの水が排気フィルタ８０側に逆流することはない。

一方、制御部３０は、例えば、一定の動作期間ごとに水回収ポンプ７６を所定時間、逆転駆動し、水回収部２８内に溜まった水を貯留部７２ｃに回収する。すなわち、水回収ポンプ７６を逆転駆動されると、逆止弁４４が開き、逆止弁４２が閉じられる。そして、水回収部２８内に溜まった水および第２流路７２ｅ内で結露した水は、第２回収流路７２ｆ、逆止弁４４、および第１回収流路７２ｄを通って貯留部７２ｃに回収される。その後、回収された水は、混合タンク５４へ供給され、メタノールの希釈に用いられる。

以上のように構成された燃料電池１０によれば、カソード冷却器７５を通過した後、排気フィルタ８０へ送られる前にカソード流路内に生じた凝縮液を回収し、排気フィルタ８０への水分の流入を防止することができる。これにより、排気フィルタ８０の性能低下を防止し、長期間に亘って安定した発電が可能な燃料電池を得ることができる。また、カソード冷却器７５で凝縮した後、更に凝縮した水を回収することができ、希釈循環方式の燃料電池において、水の回収効率が向上する。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、その結果、長期間に亘って安定した発電が可能となる。

更に、上記燃料電池１０によれば、水回収ポンプ７６と逆止弁４２、４４を組合せ用いることにより、共通の水回収ポンプ７６を用いて貯留部７２ｃの水回収、および排気フィルタ８０の直前で生じた水分の回収を行うことができる。これにより、専用のポンプを追加することなく効率良く水を回収することができ、消費電力の増加および部品点数の増加を防止することが可能となる。

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、アノード冷却器７０およびカソード冷却器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。本実施形態において、発電部は燃料タンクおよび混合タンクを備えた構成としたが、混合タンクを省略し、燃料タンクで兼用する構成としてもよい。本願において、燃料タンクは、燃料を収納および供給する容器を示すもので、燃料タンクおよび混合タンクの両方あるいはいずれか一方を含むものとして示している。

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。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図。 図２は、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。 図３は、前記燃料電池の発電部を示す斜視図。 図４は、上記燃料電池の発電部の構成を主に示す系統図。 図５は、前記燃料電池の発電部を概略的に示す図。 図６は、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。 図７は、前記燃料電池におけるカソード流路、カソード冷却器を模式的に示す図。 図８は、前記燃料電池におけるカソード流路、カソード冷却器を模式的に示す図。

符号の説明

１０…燃料電池、 １１…パーソナルコンピュータ、 １４…本体、
１６…載置部、 ２８…水回収部、 ３２…コネクタ、 ４２、４４…逆止弁、
５０…燃料タンク、 ５２…起電部、 ５４…混合タンク、 ７０…アノード冷却器、
７２…排出管、 ７２ａ…第１流路、 ７２ｃ…貯溜部、 ７２ｄ…第１回収流路、
７２ｅ…第２流路、 ７２ｆ…第２回収流路、７５…カソード冷却器、
８０…排気フィルタ

Claims (5)

1. 化学反応により発電を行う起電部と、
   燃料を収納した燃料タンクと、
   前記起電部と燃料タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路と、
   前記起電部に空気を供給する空気供給部と、
   前記起電部に接続され前記起電部からの生成物を排出するカソード流路と、
   前記カソード流路に設けられ前記生成物を冷却し水を凝縮させる冷却部と、
   前記冷却器の下流側で前記カソード流路に設けられた排気フィルタと、
   前記凝縮された水および前記起電部から排出された水を貯留する貯留部と、
   前記貯留部内に貯留された水を前記燃料タンクに導く第１回収流路と、
   前記冷却器と排気フィルタとの間で前記カソード流路内に生じた水を前記貯留部に導く第２回収流路と、を備えた燃料電池。
2. 前記第１回収流路に設けられた水回収ポンプと、前記水回収ポンプと燃料タンクとの間で前記第１回収流路に設けられ、前記燃料タンクから前記貯留部への逆流を規制する第１逆止弁と、前記第２回収流路に設けられ、前記水回収ポンプから前記排気フィルタへの逆流を規制する第２逆止弁と、前記水回収ポンプを正転駆動し前記貯溜部内に貯溜された水を前記燃料タンクに送るとともに、前記水回収ポンプを逆転駆動し前記第２水回収流路を通して水を前記貯留部に送る制御部と、を備えた請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記排気フィルタの鉛直方向下方に設けられ、前記冷却器と排気フィルタとの間で前記カソード流路内に生じた水を貯留する水回収部を備え、前記第２回収流路は前記水回収部に接続されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記貯溜部内に配設され、この貯溜部内の水の水位を検出する水位センサを備え、前記制御部は、前記水位センサにより検出された水位に応じて前記水回収ポンプの駆動を制御する請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記燃料タンクは燃料と水を混合する混合タンクを含み、前記カソード流路は前記混合タンクに接続されている請求項１又は２に記載の燃料電池。

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