JP2006252955A - 燃料電池装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 液体燃料を使用する燃料電池装置に関し、燃料電池から排出される空気に含まれる水分の回収を向上させ、生成水の回収構造を簡略化する。
【解決手段】 液体燃料（希釈燃料Ｍ）を使用する燃料電池装置２であって、燃料ｍとともに空気Ａｒが供給される燃料電池４に発生する排気を通過させ、その排気流に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離させる水分離部１６とを備える構成である。前記水分離部は、前記排気を流す流路に狭小部を設けて通過する前記排気に圧力変化を生じさせる構成としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体燃料を使用する燃料電池装置に関し、特に、パーソナルコンピュータや携帯端末装置等に搭載する電源として好適な燃料電池装置及び電子機器に関する。
燃料電池は、陽子又は電子を透過できる物質として高分子電解質膜を配置し、この電解質膜の一面側に燃料極、その他面側に空気極を配置し、燃料極にはメタノール水溶液等の水素成分を含んだ液体燃料、空気極には酸素成分を含んだ空気を供給する構造である。電解質膜では、燃料極側の液体燃料から水素陽子を透過させ、空気極側の空気中の酸素と結合させる。この結合によって、液体燃料内の水素に残留する電子が電気として外部に取り出されるので、電池として機能する。
このような燃料電池では、液体燃料にメタノールを使用した場合、水素と酸素の反応により、空気極側には、水（水蒸気）が発生し、また、燃料極側には、メタノールの分解により、二酸化炭素（ＣＯ2 ）が発生する。この処理において、燃料極側にメタノール１モルと水１モル、空気極側に酸素１モルを消費させる理想的な化学変化による発電が行われると、空気極側に水３モル、燃料極側には二酸化炭素１モルが発生することになる。
このような燃料電池を備える燃料電池装置では、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料タンクを備える。濃度の高い燃料を使用すれば、燃料タンクのサイズを小さくすることができるが、電解質膜に高い性能が要求されることになる。電解質膜の性能が低い場合には、濃度の高い燃料を使用すると、燃料消費量が増大し、発電効率が悪化する。また、濃度の高い燃料を使用した場合には、燃料電池の構成材料例えば、電解質膜、白金端持カーボン等の触媒材料、それらを接着する接着材料の寿命が短くなるおそれがある。これらの点を総合的に勘案し、１モル濃度程度の燃料の使用が推奨され、燃料タンクには濃度の高い燃料を溜め、その燃料を１モル濃度程度に希釈して用いられる。この場合、濃度の高い燃料を希釈するには、希釈液として水が必要であるとともに、水で希釈された燃料を溜める希釈燃料タンクが必要となる。燃料電池が運転されると、燃料が消費されるので、希釈燃料タンクの水位が水位センサにより監視されるとともに、燃料の濃度が濃度センサによって監視され、それらに基づいて、水及び燃料の補給量を制御する。
このような燃料電池装置の生成水の処理に関し、電解質膜と液体燃料を使う燃料電池の構造や、燃料電池の生成水を回収するもの（例えば、特許文献１、２）、空気極で発生した水蒸気を水分回収機構を用いて回収するもの（例えば、特許文献３）、燃料電池を構成する単位電池の連結部に反応生成水を放出するための生成水吸収放出部を備えたもの（例えば、特許文献４）等が存在している。
特開２００３−２９７４０１号公報（段落番号００２３、図１等） 特開２００２−３１３３８３号公報（段落番号００２５、００２６、００３３、図１等） 特開２００４−１５２５６１号公報（段落番号０００９、００１６、図１、図３等） 特開２００２−１５７６３号公報（段落番号００２１、００２２、００２３、００４０、００４１、図１、図３、図４等）
ところで、特許文献１に開示された構成では、排気中の水分を分離するための気液分離器にヒートパイプが設けられており、ヒートパイプでは揮発性の液体を封入した管体を用いる等、排気から水分を分離する構成が複雑である。また、特許文献２に開示された構成では、水分回収機構に燃料電池から排出される空気及び水蒸気を輸送する送気ポンプや、水蒸気の凝縮及び回収のためのコールドトラップ等を備えており、その構造は複雑である。また、特許文献３に開示された構成では、生成水を放出しており、生成水の回収効率は低下せざるを得ない。
斯かる水蒸気の回収目的は、希釈水としての再利用化とともに、燃料電池装置外に搬送されることによる水分による弊害を回避することにある。特許文献３に開示された技術では、未回収の水分が放出されることになる。
そして、水分を含有する空気が燃料電池装置外の外部に搬送されると、外気温度や隣接機器の外壁の温度との温度差により、結露を生じさせる不都合がある。このような結露を放置することは隣接機器等のトラブルの原因となるので、結露防止のために、生成水の回収は不可欠である。このような結露防止のための生成水の回収や、そのために回収率を高めるという課題について、特許文献１〜４には全く開示されておらず、その解決手段についての開示や示唆はない。
そこで、本発明の目的は、液体燃料を使用する燃料電池装置に関し、燃料電池から排出される空気に含まれる水分の回収の向上にある。
また、本発明の他の目的は、生成水の回収構造の簡略化にある。
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池装置は、液体燃料を使用する燃料電池装置であって、燃料とともに空気が供給される燃料電池に発生する排気を通過させ、その排気流に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離させる水分離部とを備える構成である。
斯かる構成によれば、燃料電池には燃料とともに空気が供給され、空気と燃料との化学反応により発電が行われる。この発電において、燃料電池から余剰空気が排気され、この排気中には水蒸気（生成水）が含まれる。燃料電池から排出される排気は、空気の供給によって排気流を生じさせており、この排気流は水分離部に導かれ、水分離部では、通過する排気流に圧力変化として例えば、高圧状態から低圧状態に圧力を低下させることにより、排気中の水蒸気が凝結し、前記排気から水分が分離される。このように圧力変化によって水蒸気を凝結させるので、水分回収の向上が図られる。また、その回収構造の簡略化も図られる。
上記目的を達成するためには、本発明の燃料電池装置において、前記水分離部は、前記排気を流す流路を備え、この流路に狭小部を設けて通過する前記排気に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離する構成としてもよい。
斯かる構成によれば、燃料電池には、供給される空気の流速に応じて排気が生じている。そこで、この排気が導かれる水分離部に、その排気を高圧状態から低圧状態への圧力低下を生じさせるには、水分離部の流路にその断面積の狭い狭小部を形成しておけばよい。このような流路を通過した排気流は、その流速に応じた狭面積部から広面積部への輸送により、その圧力が低下することになる。この結果、排気に含まれる水蒸気が凝結し、生成水を回収することができる。
上記目的を達成するためには、本発明の燃料電池装置において、前記水分離部は、前記排気を通過させる流路にフィンを設けることにより、前記流路に狭小部を形成した構成としてもよい。
斯かる構成によれば、水分離部の流路を通過する排気は、流路に設置されたフィンによって放熱され、冷却されるとともに、フィンの設置によって流路に狭小部が形成されたことによって圧力変化を受ける。この結果、排気から効率よく、生成水が分離される。
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池装置は、液体燃料を使用する燃料電池装置であって、燃料とともに空気が供給される燃料電池の排気を通過させ、通過中の排気流に圧力変化を生じさせて前記排気から水を分離する水分離部と、前記水分離部に分離させた前記水を回収する水回収タンクとを備え、前記水回収タンクに回収させた前記水を前記液体燃料の希釈水に用いる構成としてもよい。
斯かる構成とすれば、既述の通り、水分離部によって生成水を排気から分離することができ、この生成水を水回収タンクに貯留することができる。この水回収タンクに回収された生成水は、燃料の希釈水として用いられ、水回収タンクから再び、燃料電池に循環する。従って、効率的に回収された水は希釈水として再利用することができ、外気への放出による結露防止にも寄与することになる。
上記目的を達成するため、本発明の電子機器は、上記燃料電池装置を電源部に備えた構成である。斯かる構成によれば、燃料電池の生成水が排気から分離して効率よく回収されているので、結露防止が図られ、電子機器の信頼性が高められる。
以上の構成によれば、次のような効果が得られる。
(1) 本発明の燃料電池装置によれば、排気に圧力変化を生じさせて水を分離する構成であるから、水の回収効率を高めることができる。
(2) 排気に圧力変化を生じさせて水を分離する構成とすれば、水の回収効率を高めることができるとともに、水の回収構造の簡略化を図ることができる。
(3) 本発明の燃料電池装置において、燃料電池の排気から回収した水を燃料の希釈水に用いて再利用をすれば、効率的な発電を行える。
(4) 本発明の電子機器によれば、既述の燃料電池装置を搭載しているので、燃料電池の排気から水を効率よく回収でき、結露の原因となる水の排出を防止できるので、電子機器の信頼性の向上を図ることができる。
第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。
この燃料電池装置２は、燃料を用いて発電する燃料電池４を備えている。この燃料電池４には、電解質膜６、空気極８及び燃料極１０が設置されている。空気極８及び燃料極１０は電解質膜６を挟んで配置され、空気極８は電解質膜６の一面側に酸素成分を含んだ空気を供給し、燃料極１０は電解質膜６の他面側に燃料として例えば、メタノール水溶液等の水素成分を含んだ液体燃料を供給する。電解質膜６は、陽子又は電子を透過できる物質で形成された透過膜であって、例えば、パーフルオロスルホン酸「Nafion」（Du Pont 社商品名）等の物質からなるプロトン導電性固体高分子膜等の高分子電解質膜で構成される。そこで、電解質膜６では、燃料極１０側の液体燃料から水素陽子が透過し、この水素陽子と空気極８側から供給される空気中の酸素とが結合する。この結合の結果、液体燃料内の水素に残留する電子が電気として外部に取り出され、この発電作用が電池として機能する。
空気極８の給気部として送風機構１２が設置され、送風機構１２の駆動によって酸素Ｏ2 を含んだ空気Ａｒ１が供給される。燃料電池４は、燃料との反応によって酸素を消費するとともに、反応生成水（以下単に「水」と称する）ｗや二酸化炭素ＣＯ2 を生じる。水ｗは、蒸気化しており、二酸化炭素ＣＯ2 を含む余剰空気Ａｒ２とともに、空気極８側から排出される。そこで、送風機構１２には、燃料電池４の空気極８側に空気を貫流させ、十分な排気量を得るために、比較的送風圧力が高くとれる例えば、ポンプ等が好適である。また、燃料電池４の出口側に十分な排気流を生じさせるためには、送風機構１２と燃料電池４との連結部分には例えば、ダクト構造（図４）又は配管接続構造を採用すればよい。
そこで、空気極８の排気部には、余剰空気Ａｒ２から水ｗを分離して回収する水回収機構１４が設置され、この水回収機構１４には水分離部１６及び水タンク１８が設置されている。水分離部１６は、フィン等を備えることにより、空気極８の排気部から余剰空気Ａｒ２を放熱、冷却等により水ｗを分離し、水ｗが分離された余剰空気Ａｒ２を排出する。余剰空気Ａｒ２に含まれる水蒸気は、水分離部１６の通過中の放熱、圧力変化、冷却等を経て水ｗに凝縮され、余剰空気Ａｒ２から水ｗが分離される。水タンク１８は、水分離部１６の下方例えば、滴下してくる水ｗを受けるため、水分離部１６の下側に設置され、水分離部１６で余剰空気Ａｒ２から分離された水ｗを回収し、その水ｗを貯留する。即ち、水タンク１８は、水ｗを回収する水回収タンクであるとともに、貯留している水ｗを液体燃料ｍの希釈水として再利用するので、希釈水タンクとしての機能を持つ。
ところで、この燃料電池４では、液体燃料にメタノールを使用した場合には、空気極８側には、電解質膜６のプロトン触媒を媒介とする水素と酸素の反応により水ｗ（水蒸気）が発生し、燃料極１０側には、メタノールの分解により、気泡状の二酸化炭素が発生する。例えば、燃料極１０側にメタノール及び水各１モル、空気極８側に酸素１モルを消費させ、理想的な化学変化による発電が生じた場合、その発電後は、空気極８側に水約３モルが生成され、燃料極１０側には二酸化炭素約１モルが生じる。
また、燃料極１０には、希釈燃料タンク２０が燃料循環路として往管２２及び戻管２４を介して連結されており、往管２２には循環ポンプ２６が設置されている。希釈燃料Ｍが循環ポンプ２６により希釈燃料タンク２０から燃料電池４の燃料極１０に圧送され、燃料極１０に循環する。この場合、希釈燃料タンク２０には、戻管２４を通して燃料極１０から未反応燃料Ｍ及び二酸化炭素ＣＯ2 が流れ、未反応燃料Ｍは希釈燃料Ｍに混じり込む。希釈燃料タンク２０に導入された二酸化炭素は未反応燃料Ｍと分離され、希釈燃料タンク２０と水タンク１８との間に連結された排気管２８を経て水タンク１８の水ｗ中に導入される。この場合、戻管２４に空気Ａｒ２が入った場合にも、同様に未反応燃料Ｍと分離されて排気管２８を経て水タンク１８に導入される。そして、水タンク１８に導入された空気Ａｒ２や二酸化炭素ＣＯ2 は、水分離部１６側に流れ、排気される。
希釈燃料タンク２０には、液体燃料タンク３０が燃料供給管３２によって連結され、また、水タンク１８が水供給管３４によって連結されている。液体燃料タンク３０には液体燃料ｍとして例えば、メタノールが貯留され、排気口３６が形成されている。燃料供給管３２には燃料用ポンプ３８が設置され、水供給管３４には水用ポンプ４０が設置されている。従って、希釈燃料タンク２０には、燃料用ポンプ３８の駆動により、液体燃料ｍが供給され、また、水用ポンプ４０の駆動により、水ｗが供給される。これら液体燃料ｍ及び水ｗの供給により、希釈燃料タンク２２には希釈燃料Ｍ（＝ｍ＋ｗ）が生成されて蓄積される。
そして、希釈燃料タンク２０には、希釈燃料Ｍの燃料濃度を検出する濃度センサ４２が設置されている。この濃度センサ４２は希釈燃料Ｍの燃料濃度を表す検出信号Ｌｍを発生し、この検出信号Ｌｍは制御情報として制御部４４に加えられる。
制御部４４は、マイクロプロセッサ等で構成され、制御プログラムによって、燃料異常等の異常判定、その表示出力の生成、燃料電池４に対する燃料供給、希釈燃料Ｍのレベル制御、各種運転制御を実行する。そこで、制御部４４は、検出信号Ｌｍ等を受け、駆動信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４等を発生し、送風機構１２のファンモータは駆動信号Ｄ１によって駆動され、循環ポンプ２６は駆動信号Ｄ２によって駆動され、燃料用ポンプ３８は駆動信号Ｄ３によって駆動され、また、水用ポンプ４０は駆動信号Ｄ４によって駆動される。
この実施の形態では、所定容量の液体燃料タンク３０から希釈燃料タンク２０に供給される液体燃料ｍの供給量を既知とすれば、濃度センサ４２の検出信号Ｌｍで希釈燃料Ｍの燃料濃度を監視し、液体燃料ｍの供給量に対応する水ｗの供給量（希釈量）を最適に制御することができる。また、希釈燃料Ｍの消費量は、燃料電池４の運転時間に依存しており、それに応じて燃料用ポンプ３８又は水用ポンプ４０の何れか一方又は双方を制御することにより希釈燃料Ｍが生成され、燃料電池４に供給される。実際には、電解質膜６を余剰に通過する希釈燃料Ｍや水ｗが存在するので、等モルの消費とはならない場合があるが、これは予め燃料電池４に対する希釈燃料Ｍの消費量を表す検量線を作成し、それに応じた燃料ｍ及び水ｗの追加量を燃料電池４の能力に合わせればよい。
次に、燃料電池４の構成及びその出力の取出しについて、図２を参照して説明する。図２は、燃料電池４及びその出力部の構成の概要を示す図である。図２において、図１に示す燃料電池装置２と同一部分には同一符号を付してある。
空気極８には酸化剤極４８が設けられ、また、燃料極１０には燃料電極５０が設けられている。電解質膜６は、これら酸化剤極４８及び燃料電極５０の間に挟まれて設置されている。この燃料電池４において、電解質膜６、酸化剤極４８及び燃料電極５０からなる積層体で電解質板５２が構成されている。
そして、酸化剤極４８及び燃料電極５０には安定化回路５４を通して充電可能な二次電池として例えば、バッテリ５６が接続されている。酸化剤極４８及び燃料電極５０に発生した電力は、安定化回路５４によって安定化された後、バッテリ５６に加えられ、バッテリ５６は燃料電池４の出力によって充電される。このバッテリ５６の出力が、燃料電池装置２を電源とする電子機器５８に加えられる。この電子機器５８は例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯電話機等で構成される。そして、電子機器５８に給電するバッテリ５６の端子電圧は、充電状態を表す充電情報として制御部４４に加えられている。この場合、制御部４４には、電子機器５８の動作中か停止中かを表す動作情報が加えられている。
次に、この燃料電池装置２の動作について、図３を参照して説明する。図３は、制御部４４によって実行される制御処理を示すフローチャートである。
制御部４４に運転指令が加えられると、運転が開始される。そこで、運転するか否か、運転中か否かが判定され（ステップＳ１）、バッテリ５６の充電電圧の値を表す電圧情報が制御部４４に取り込まれる。制御部４４では、その電圧が高い場合例えば、基準電圧Ｖｒｅｆ以上の場合には充電の必要がないことから、燃料電池４の運転を停止させた状態で待機する（ステップＳ２）。この場合、バッテリ５６の充電電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ未満の場合には、燃料電池４を動作させ、燃料電池４に空気Ａｒ１を供給するとともに、希釈燃料Ｍを循環させる（ステップＳ３）。この場合、送風機構１２及び循環ポンプ２６を駆動し、空気Ａｒ１が送風機構１２によって空気極８に供給されるとともに、希釈燃料Ｍが希釈燃料タンク２０から燃料極１０に循環する。このとき、希釈燃料タンク２０には、燃料用ポンプ３８及び水用ポンプ４０が駆動されることにより、液体燃料ｍ及び水ｗが供給される。
このような運転状態において、濃度センサ４２の検出信号Ｌｍにより希釈燃料Ｍの液体燃料ｍの濃度が監視される（ステップＳ４）。燃料濃度が高い（濃）場合には、燃料用ポンプ３８を停止させ（ステップＳ５）、燃料濃度を最適化するため、水用ポンプ４０の動作を維持させ（ステップＳ６）、希釈水である水ｗを希釈燃料タンク２０に供給し、燃料濃度を低下させる。また、燃料濃度が低い（薄）場合には、水用ポンプ４０を停止させ（ステップＳ７）、ステップＳ１、Ｓ２を経て、燃料用ポンプ３８を動作させて、液体燃料タンク３０から液体燃料ｍを希釈燃料タンク２０に供給し、燃料濃度を上昇させる。
そして、このような運転状態は、運転停止が発せられるまで継続させ、バッテリ５６の充電電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに到達するまで続行させる。電子機器５８による電力消費でバッテリ５６の充電電圧が低下した場合には燃料電池４の運転が再開され、電子機器５８に必要な電力がバッテリ５６を通じて供給される。
ところで、燃料電池４の運転により、空気極８には送風機構１２により空気Ａｒ１が供給され、燃料極１０には希釈燃料Ｍが供給されて発電が行われる。液体燃料ｍにメタノールを用いた場合には、既述の通り、その空気Ａｒ１に含まれる酸素と水素の反応により、空気極８側には、水ｗ（水蒸気）が発生し、また、燃料極１０側には、メタノールの分解により、二酸化炭素ＣＯ2 が発生する。燃料極１０側にメタノール１モルと水１モル、空気極８側に酸素１モルを消費させる理想的な化学変化が生じると、空気極８側に水３モル、燃料極１０側には二酸化炭素１モルが発生する。
空気極８に生じた水蒸気は余剰空気Ａｒ２とともに水分離部１６に導かれ、放熱によって水ｗに凝縮され、余剰空気Ａｒ２から分離される。この水ｗは水タンク１８に回収され、液体燃料ｍの希釈水として再利用に供される。
第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態について、図４、図５、図６、図７及び図８を参照して説明する。図４は、第２の実施の形態に係る燃料電池装置２の概要を示す図、図５は、燃料電池４、送風機構１２及び水回収機構１４の構成例を示す平面図、図６は、燃料電池４、送風機構１２及び水回収機構１４の構成例を正面から見た図、図７は、燃料電池４の構成を示す図、図８は、水分離部１６の圧力変化による水ｗの凝縮機構を示す図である。図４〜図８において、図１に示す燃料電池装置２と同一部分には同一符号を付してある。
図４に示すように、単一のダクト構造を成す筐体部５７には燃料電池４を挟んで送風機構１２及び水回収機構１４が設置され、送風機構１２から空気Ａｒ１が燃料電池４に加えられ、燃料電池４を通過した余剰空気Ａｒ２が水回収機構１４の水分離部１６を経て外気に放出される構成である。燃料電池４には、既述した通り、電解質膜６を挟んで空気極８及び燃料極１０が備えられ、これらの構成は図２に記載した通りである。
水回収機構１４には水分離部１６とともに水タンク１８が設置されており、この実施の形態では、水分離部１６から重力を受けて落下する水ｗを受け止めるため、水分離部１６の下側に水タンク１８が設置されている。水ｗを回収するには、水分離部１６の下側に水受けを設置し、受け止めた水ｗを水タンク１８に導く構成であってもよい。この場合、生成水である水ｗには不純物が含まれる場合があるが、その不純物も水タンク１８に回収される。その他の構成は、図１に示した燃料電池装置２と同様である。
送風機構１２は、図５及び図６に示すように、送風ファン６０で構成されている。この送風ファン６０は閉塞された筐体部６２に例えば、円形の空気取込口６４が形成され、筐体部６２の内部にはモータによって回転する回転羽根６６が形成されている。回転羽根６６が回転すると、空気取込口６４から筐体部６２の内部に取り込まれた空気Ａｒ１が燃料電池４の給気部６８に供給される。
燃料電池４は、図７に示すように、複数のセル７０からなる複数のセル群７０１、７０２・・・７０Ｎでスタック構造である。この実施の形態では、複数のセル７０として９個のセル７０を３行３列に配列させて１つのセル群７０１が構成され、他のセル群７０２・・・７０Ｎは、セル群７０１と同一構成で、その背面側に所定の間隔を設けて積層配置されている。セル群７０１、７０２・・・７０Ｎの間には空気Ａｒ１を流すための複数の流路７２（図６）が形成されている。この流路７２には、この実施の形態では燃料電池４の左側に設置された送風機構１２から空気Ａｒ１が供給され、矢印ＷＡ（図５、６）は、流路７２における空気Ａｒ１の送風方向、即ち、排気流の方向を表している。燃料電池４の右側に至る通路である。この実施の形態では燃料電池４の右側、即ち、燃料電池４を挟んで送風機構１２の対向部に余剰空気Ａｒ２の第１の排気部７４が形成されている。
余剰空気Ａｒ２の排気部７４側に設置された水回収機構１４には水分離部１６及び水タンク１８が設置されている。水分離部１６には放熱部として例えば、多数のフィン７６が設置され、各フィン７６は、余剰空気Ａｒ２の送風方向と直交するように設置されている。即ち、余剰空気Ａｒ２を通過させる流路７５に設置された各フィン７６は、その幅や厚み又は設置数により流路７５の開口面積を狭め、流路７５に狭小部を形成する。ここで、燃料電池４の出口部分の排気部７４の開口面積をＳ１、水分離部１６で形成される流路７５の開口面積をＳ２とすると、これらの大小関係はフィン７６の設置により、Ｓ１＞Ｓ２に設定されている。そして、水分離部１６には、水ｗを分離させた後の余剰空気Ａｒ２を排出するための第２の排気部として開口部７８が形成されている。この開口部７８において、その幅をＤ（図５）、その高さをＨ（図６）、開口面積をＳ３とすると、開口面積Ｓ３は、開口面積Ｓ２に対し、Ｓ３＞Ｓ２に設定されている。フィン７６の下流側には開口面積Ｓ２より大きい開口面積Ｓ３が形成されている。そして、水分離部１６の下側には水タンク１８が設置され、この水タンク１８に余剰空気Ａｒ２から分離された水ｗが回収される。このように水分離部１６及び水タンク１８は、共通の筐体８０からなる水回収機構１４を構成している。
このような空気Ａｒ１及び余剰空気Ａｒ２の流路７２、７５等と開口面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、図８に示すように構成される。このため、燃料電池４に導入された空気Ａｒ１は、異なる開口面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（Ｓ１＞Ｓ２、Ｓ３＞Ｓ２）により圧力変化を受けることになる。従って、燃料電池４を通過することにより、酸素が消費された余剰空気Ａｒ２に含まれる水蒸気は水分離部１６で加圧状態から開口面積Ｓ３の開口部７８で圧力開放状態となり、水ｗの凝縮が生じる。この水ｗは、水タンク１８に回収される。
ところで、斯かる構成は、送風の排気部分にフィン７６が設けられ、そのフィン７６の下部に水ｗを回収する水回収機構１４を設けたものである。燃料電池４の平板状のセル群７０１〜７０Ｎの間の流路７２を通過した排気流は、開口面積の拡張部である排気部７４を通過し、フィン７６の設置部分を通過し、更なる拡張部である開口部７８を経て外部に排出される。このように、排気流路の断面積は、フィン７６の設置部分で最も狭くなっており、その通過後に拡開されている。このため、フィン７６を通過する排気流は、流路断面積の変化によって圧力変化を生じ、排気される空気Ａｒ２に含まれる水ｗが分離される。この場合、フィン７６は、排気流の圧力変化による熱を吸収し、その排気を冷却するため、フィン温度は排気温度より低くなり、その結果、排気との温度差で排気中の水分を合わせて分離することができる。水ｗの分離量は、排気の送風量（流量）と排気部分の開口量に反比例する。
この排気に関し、燃料電池４では、水ｗと液体燃料ｍが等モルで消費されるのが理想であり、その場合、生成水の回収量は発生した水量の１／３で良い。実際には、燃料電池４の電解質膜６を余剰に通過する希釈燃料Ｍや水ｗがあるため、等モル消費とはならない。一般的な電解質膜として例えば、Du pon社のナフィオン（Nafion）等を使用した燃料電池４では、５〔ｗｔ％〕程度に薄めた希釈燃料Ｍを使用した状態で１．５倍程度の水ｗが必要である。このため、生成水を３３×１．５＝５０〔％〕程度の回収が必要である。
なお、図７に示す燃料電池４では、平面状のセル群７０１〜７０Ｎを積層させた状態を示している。複数のセル７０は、縦横の配置数を同数としているが、通過させる空気Ａｒ１の空気抵抗の削減及び送風ファン６０に発生させた送風の有効利用率を向上させるため、送風方向と直交するセル７０の設置数を多く設定し、送風方向と順方向の設置数を削減してもよい。なお、回収できる水分量は、送風量と燃料消費によって発生する水分量に依存し、セル７０の積層数や並列数による影響は殆どないことが実験により確認されている。
次に、斯かる構成の燃料電池４の実験結果について、図９を参照して説明する。図９は、単位開口面積当たりの風量と水回収比率のグラフである。
この実験結果から明らかなように、水分離部１６の単位開口面積当たりの風量Ｗａ〔Ｌ／ｍｉｎ／ｃｍ2 〕が低いほど、水回収比率η〔％〕が高くなっている。従って、フィン７６によって加圧状態にさせた余剰空気Ａｒ２が開口部７８の開口面積Ｓ３によって風量を減少させると、その水ｗの回収率が高められる。
なお、この実験では、開口面積を１７〔ｃｍ2 〕、希釈燃料Ｍのメタノール濃度を５〔ｗｔ％〕、燃料消費を２０〔ｍＬ〕に設定したものである。この例では、生成水を５０〔％〕程度の回収が可能な単位開口面積当たりの送風量は、０．５〔Ｌ／ｍｉｎ／ｃｍ2 〕である。
第３の実施の形態
次に、本発明の第３の実施の形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、第３の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。図１０において、図１に示す燃料電池装置２と同一部分には同一符号を付してある。
この実施の形態では、第１の水分離部１６の排気側に第２の水分離部としてフィルタ部８６が設置され、排気管８８を通じて水分離部１６から流出する余剰空気Ａｒ２が導かれている。未回収の水ｗがフィルタ部８６によって回収される。このフィルタ部８６は、例えば、気液分離膜等で構成されているので、この気液分離膜は気体中に吸収している水分を除去することはできないが、水滴を除去する能力は高く、水分を回収できる。また、このフィルタ部８６の排気側には吸水部９０が設置され、フィルタ部８６を通過した余剰空気Ａｒ２が排気管９２を通じて導かれている。
吸水部９０には吸水材料９４が装填されており、この吸水材料９４には乾燥剤又は吸湿剤として用いられる、例えば、シリカゲル（siliｃa gel ）等が用いられる。シリカゲルは、周知のように、非晶質珪酸を部分脱水したガラス状の透明な固体である。このような吸水材料９４が装填された吸水部９０に、空気Ａｒ２、二酸化炭素及び未回収の水ｗが流れ込むと、吸水材料９４の吸湿作用により、空気Ａｒ２及び二酸化炭素を乾燥させることができる。
また、吸水部９０の排気側にはフィルタ部９６が設置され、吸水部９０を通過した余剰空気Ａｒ２は、排気管９８を通じてフィルタ部９６に導かれる。このフィルタ部９６には、フィルタ部８６よりろ過密度が小さく、未回収の水分や不純物の通過を阻止する程度のろ過機能を持つものが使用されている。
斯かる構成によれば、水タンク１８を通過した空気Ａｒ２や二酸化炭素ＣＯ2 から反応生成水ｗの多くは水タンク１８に回収されるが、空気Ａｒ２や二酸化炭素を乾燥させるまでには至らない。そこで、水タンク１８を通過した空気Ａｒ２や二酸化炭素は、排気管８８を通してフィルタ部８６でろ過して水ｗの分離の後、吸水部９０に導かれ、空気Ａｒ２や二酸化炭素内に残留する水分が吸水材料９４によって吸湿された後、フィルタ部９６から外気に放出される。このような複数段に亘るろ過と吸湿により、十分に水滴の除去と乾燥を行うことができ、排気温度が外気よりも高い状態でも、乾燥空気が排気されるので、結露を防止することができる。
第４の実施の形態
次に、本発明の第４の実施の形態について、図１１を参照して説明する。図１１は、第４の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。図１１において、図１０に示す燃料電池装置２と同一部分には同一符号を付してある。
この実施の形態の燃料電池装置２では、水分離部１６の排気側に吸水部９０が設置され、この吸水部９０に排気管８８を通じて余剰空気Ａｒ２を導入する構成である。吸水部９０には、既述（第３の実施の形態）の吸水材料９４が装填されており、この吸水材料９４には乾燥剤又は吸湿剤として用いられる、例えば、シリカゲル等が用いられる。シリカゲルについては、上記の通りである。従って、吸水材料９４が装填された吸水部９０に、空気Ａｒ２、二酸化炭素ＣＯ2 及び未回収の水ｗが流れ込むと、吸水材料９４の吸湿作用により、空気Ａｒ２及び二酸化炭素を乾燥させることができる。
そして、吸水部９０の排気側にはフィルタ部９６が設置され、吸水部９０を通過した余剰空気Ａｒ２は、排気管９８を通じてフィルタ部９６に導かれる。このフィルタ部９６には、フィルタ部８６よりろ過密度が小さく、未回収の水分や不純物の通過を阻止する程度のろ過機能を持つものが使用されている。
斯かる構成によれば、水タンク１８を通過した空気Ａｒ２や二酸化炭素ＣＯ2 は、排気管８８を通して吸水部９０に導かれ、空気Ａｒ２や二酸化炭素内に残留する水分が吸水材料９４によって吸湿された後、フィルタ部９６を通して外気に放出される。このように水分離部１６からの空気Ａｒ２を吸水部９０で水分を除去した後、フィルタ部９６を通して排気するように構成しても、同様に乾燥空気を排気することができ、結露防止を図ることができる。
第５の実施の形態
次に、本発明の第５の実施の形態について、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は、燃料電池装置が搭載されたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を示すブロック図、図１３は、その具体的構成例を示す分解斜視図である。図１２及び図１３において、第１の実施の形態（図１及び図２）と同一部分には同一符号を付してある。
この実施の形態のＰＣ１００は、燃料電池装置２が搭載された電子機器５８の一例である。ＰＣ１００の電源部１０２には、燃料電池装置２が設置され、この燃料電池装置２には、既述した通り、燃料電池４、制御部４４等が備えられている。この実施の形態の燃料電池装置２には、安定化回路５４及び二次電池としてバッテリ５６が搭載されている。また、ＰＣ１００は、表示パネル部１０６、回路ボード１０８、入力操作部１１０、レギュレータ部１１２等が設置されている。入力操作部１１０は、マウスやキーボード等で構成されている。また、回路ボード１０８には、各種メモリ１１４、コントローラ１１６、マザーボード１１８等が搭載され、マザーボード１１８にはＣＰＵ（Central Processing Unit ）１２０、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit ）１２２等が搭載されている。表示パネル部１０６の表示はＧＰＵ１２２によって制御される。
斯かる構成とすれば、燃料電池４の発電電力が安定化回路５４によって安定化された後、バッテリ５６に加えられ、バッテリ５６の充電が行われる。このバッテリ５６の出力がレギュレータ部１１２により所定の電圧に変換された後、回路ボード１０８、入力操作部１１０及び表示パネル部１０６に供給されている。
このような燃料電池装置２を電源に用いたＰＣ１００では、従前の電池の交換に代え、燃料や水等の交換のみで長時間に亘って給電されるので、連続した処理動作を行うことができ、利便性の高いＰＣ１００を構成することができる。
また、燃料電池装置２の燃料切れや燃料の濃度異常等の表示情報を制御部４４からＰＣ１００のコントローラ１１６に入力し、表示パネル部１０６にそのメッセージ表示を行ってもよく、斯かる構成とすれば、ユーザは表示パネル部１０６の表示から燃料電池装置２の燃料切れや動作状況を知ることができる。
そして、このＰＣ１００は例えば、図１３に示すように、筐体部１２４と表示パネル部１０６とがヒンジ部１２６によって開閉可能に構成され、筐体部１２４には複数のキーからなる入力操作部１１０等が設置されているとともに、既述の回路ボード１０８等が搭載されている。また、表示パネル部１０６には表示部として例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）１２８が設置されている。
そして、このＰＣ１００の筐体部１２４の背面部には燃料電池装置２がバッテリパック１３０とともに搭載される。例えば、バッテリパック１３０は筐体部１２４の内部に嵌め込まれ、燃料電池装置２は筐体部１２４の背面部に固定されて一体化され、又は着脱可能に取り付けられる。バッテリパック１３０は既述のバッテリ５６（図２）等の二次電池で構成され、燃料電池装置２によって充電される。
燃料電池装置２にはＰＣ１００の筐体部１２４に対応する筐体部１３２が備えられ、この筐体部１３２には、燃料電池４、送風機構１２、希釈燃料タンク２０、吸水部９０、フィルタ部９６と液体燃料タンク３０とを合体させて着脱可能に構成した複合燃料タンクユニット１３４等が搭載されている。筐体部１３２には通気口部１３６が形成されて外気が取り込まれ、通気口部１３６は図示しない防水通気シートで被覆される。
この実施の形態の複合燃料タンクユニット１３４の側面部には内部の燃料残量を確認するための確認窓１３８が形成されている。この複合燃料タンクユニット１３４は、筐体部１３２から独立して着脱される。従って、液体燃料ｍの残量を確認窓１３８から容易に確認でき、複合燃料タンクユニット１３４を容易に交換することができる。
以上述べた燃料電池装置２を搭載したＰＣ１００によれば、充電用バッテリ交換等の手間がなく、燃料の交換のみで長時間に亘って燃料電池装置２から安定した給電が得られ、継続した動作を実現できるので、利便性が高く、モバイルＰＣでは携帯性が更に向上することになる。
第６の実施の形態
本発明の第６の実施の形態について、図１４を参照して説明する。図１４は、燃料電池装置２が搭載された携帯情報端末機（ＰＤＡ：Personal Digital Assistant）の構成例を示す図である。図１４において、上記実施の形態と同一部分には同一符号を付してある。
ＰＤＡ１４０は、燃料電池装置２が搭載される電子機器の一例である。このＰＤＡ１４０では、筐体部１４２に表示パネル部１４４、複数のキーからなる入力操作部１４６等が設置されているとともに、既述の回路ボード１０８等が搭載されている。また、表示パネル部１４４には表示素子として例えば、ＬＣＤ１４８が設置されている。このＰＤＡ１４０の背面部には、筐体部１４２に対応する燃料電池装置２が設置されている。燃料電池装置２の構成は既述の通りである。
このように、燃料電池装置２を搭載したＰＤＡ１４０によれば、充電用バッテリ交換等の手間がなく、燃料の交換のみで長時間に亘って燃料電池装置２から安定した給電が得られるので、継続した動作を確保でき、利便性が高く、携帯性を更に向上させることができる。
第７の実施の形態
本発明の第７の実施の形態について、図１５を参照して説明する。図１５は、燃料電池装置２が搭載された携帯電話機の構成例を示す図である。図１５において、上記実施の形態と同一部分には同一符号を付してある。
無線通信装置、携帯端末として例えば、携帯電話機１５０は、燃料電池装置２が搭載される電子機器の一例である。この携帯電話機１５０では、筐体部１５２と筐体部１５４とがヒンジ部１５６を介して結合されて開閉可能に構成され、筐体部１５２には、複数のキーからなる入力操作部１５８が配置され、筐体部１５４には表示部例えば、ＬＣＤ１６０が設置されている。この筐体部１５２の背面部には、燃料電池装置２が設置されている。燃料電池装置２の構成は上述の通りである。
このように、燃料電池装置２を搭載した携帯電話機１５０によれば、充電用バッテリ交換等の手間がなく、燃料の交換のみで長時間に亘って燃料電池装置２から安定した給電が得られるので、継続した動作を確保でき、利便性が高く、携帯性を更に向上させることができる。
他の実施の形態
次に、他の実施の形態及びその特徴事項について、以下に列挙して説明する。
(1) 上記実施の形態では、燃料電池装置２を搭載する電子機器として、ＰＣ、ＰＤＡ、携帯電話機を例示したが、カメラ、ラジオ等の他の電子機器であってもよく、充電用電池等の交換が不要になり、燃料の補給のみで、長時間に亘って安定した動作が実現できる等、同様の効果が期待できる。
(2) 燃料電池装置２を搭載した電子機器として例えば、図１６に示すように、懐中電灯等の照明器具１６２の器具本体１６４に着脱可能又は一体に燃料電池装置２を搭載してもよい。１６６は発光部である。斯かる構成によれば、同様の効果が期待でき、防災器具としての利便性を向上させることができる。
(3) 上記実施の形態では、図４に示すように、ダクト構造を成す筐体部５７を用いた燃料電池装置２について説明したが、例えば、図１７に示すように、送風機構１２と燃料電池４とを空気供給管１６８で連結し、燃料電池４と水分離部１６とを回収管１７０で連結する構成としてもよい。
次に、以上述べた本発明に係る燃料電池装置及び電子機器の各実施形態から抽出される技術的思想を請求項の記載形式に準じて付記として列挙する。本発明に係る技術的思想は上位概念から下位概念まで、様々なレベルやバリエーションにより把握できるものであり、以下の付記に本発明が限定されるものではない。
（付記１） 液体燃料を使用する燃料電池装置であって、
燃料とともに空気が供給される燃料電池に発生する排気を通過させ、その排気流に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離させる水分離部と、
を備える構成としたことを特徴とする燃料電池装置。
（付記２） 前記水分離部は、前記排気を流す流路を備え、この流路に狭小部を設けて通過する前記排気に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離する構成としたことを特徴とする付記１記載の燃料電池装置。
（付記３） 前記水分離部は、前記排気を通過させる流路にフィンを設けることにより、前記流路に狭小部を形成した構成としたことを特徴とする付記１記載の燃料電池装置。
（付記４） 液体燃料を使用する燃料電池装置であって、
燃料とともに空気が供給される燃料電池の排気を通過させ、通過中の排気流に圧力変化を生じさせて前記排気から水を分離する水分離部と、
前記水分離部に分離させた前記水を回収する水回収タンクと、
を備え、前記水回収タンクに回収させた前記水を前記液体燃料の希釈水に用いる構成としたことを特徴とする燃料電池装置。
（付記５） 前記燃料電池に前記空気を圧送する送風機構を備えることを特徴とする付記１記載の燃料電池装置。
（付記６） 前記水回収タンクは、前記水分離部に隣接して設置され、前記水分離部から落下する前記水を回収する構成としたことを特徴とする付記４記載の燃料電池装置。
（付記７） 前記燃料電池は、平板状に配置された複数のセルからなる複数のセル群を積層するとともに、各セル群の間に空気通路を形成してなることを特徴とする付記１又は４記載の燃料電池装置。
（付記８） 前記燃料電池は、複数のセルからなる複数のセル群の積層により、前記各セル群の間に形成された空気通路に送風機構から空気を流し、前記セル群を通過させた空気を排出させる構成としたことを特徴とする付記１又は４記載の燃料電池装置。
（付記９） 前記水分離部は、前記燃料電池と、前記燃料電池の空気極に空気を供給する送風機構とともに一体化構造で構成されたことを特徴とする付記１又は４記載の燃料電池装置。
（付記１０） 前記燃料電池は、電解質膜の一面側に空気を供給する空気極と、前記電解質膜の他面側に燃料を供給する燃料極とを、前記電解質膜を挟んで備える構成であることを特徴とする付記１又は４記載の燃料電池装置。
（付記１１） 前記電解質膜は、陽子又は電子を透過させる透過膜であることを特徴とする付記１０記載の燃料電池装置。
（付記１２） 希釈燃料タンクの希釈燃料の濃度を検出する濃度センサと、
前記濃度センサの検出濃度に応じて燃料タンクから燃料、水タンクから水を供給させて前記希釈燃料を所定濃度に維持する濃度制御部と、
を備える構成としたことを特徴とする燃料電池装置。
（付記１３） 前記燃料電池の出力電力を安定化して取り出す安定化回路と、
この安定化回路の出力を受け、充電される電池と、
を備えたことを特徴とする付記１又は４記載の燃料電池装置。
（付記１４） 付記１ないし付記１３に記載の燃料電池装置を電源部に備えたことを特徴とする電子機器。
（付記１５） 燃料電池装置から給電される電子機器であって、
前記燃料電池装置の出力電力を安定化して取り出す安定化回路と、
この安定化回路の出力を受け、充電される電池と、
を備えたことを特徴とする電子機器。
（付記１６） 燃料電池装置が搭載された電子機器であって、
前記電子機器に前記燃料電池の筐体部を設置し、この筐体部に燃料タンクを着脱可能に取り付けてなることを特徴とする電子機器。
以上説明したように、本発明の最も好ましい実施形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
本発明は、燃料電池装置に関し、燃料電池から生成される余剰空気とともに排出される水蒸気の回収率を高め、その回収構造を簡略化し、結露を防止できる燃料電池装置を実現できるとともに、斯かる燃料電池装置を搭載することにより、信頼性の高い電子機器を実現することができ、有用である。
第１の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。 燃料電池及びその出力部の構成の概要を示す図である。 制御処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。 送風機構、燃料電池及び水回収機構を示す平面図である。 送風機構、燃料電池及び水回収機構を示す図である。 燃料電池の構成例及び空気の送風方向を示す図である。 燃料電池から水回収機構を経て外気に至る排気流の流路構成を示す図である。 単位開口面積当たりの風量に対する水回収比率を示す図である。 第３の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。 第４の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。 第５の実施の形態に係るＰＣの構成を示すブロック図である。 ＰＣの構成を示す分解斜視図である。 第６の実施の形態に係るＰＤＡの構成例を示す分解斜視図である。 第７の実施の形態に係る携帯電話機の構成例を示す分解斜視図である。 他の実施の形態に係る照明器具を示す分解斜視図である。 他の実施の形態に係る燃料電池装置を示す図である。
符号の説明
２ 燃料電池装置
４ 燃料電池
６ 電解質膜
８ 空気極
１０ 燃料極
１２ 送風機構
１４ 水回収機構
１６ 水分離部
１８ 水タンク（水回収タンク）
７０ セル
７０１、７０２・・・７０Ｎ セル群
７２、７５ 流路
７４ 排気部
７６ フィン
７８ 開口部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 開口面積
Ａｒ１ 空気
Ａｒ２ 余剰空気（排気）
ＷＡ 排気流の方向
Ｍ 希釈燃料
ｍ 液体燃料
ｗ 水

Claims (5)

  1. 液体燃料を使用する燃料電池装置であって、
    燃料とともに空気が供給される燃料電池に発生する排気を通過させ、その排気流に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離させる水分離部と、
    を備える構成としたことを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記水分離部は、前記排気を流す流路を備え、この流路に狭小部を設けて通過する前記排気に圧力変化を生じさせることにより、前記排気から水を分離する構成としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  3. 前記水分離部は、前記排気を通過させる流路にフィンを設けることにより、前記流路に狭小部を形成した構成としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  4. 液体燃料を使用する燃料電池装置であって、
    燃料とともに空気が供給される燃料電池の排気を通過させ、通過中の排気流に圧力変化を生じさせて前記排気から水を分離する水分離部と、
    前記水分離部に分離させた前記水を回収する水回収タンクと、
    を備え、前記水回収タンクに回収させた前記水を前記液体燃料の希釈水に用いる構成としたことを特徴とする燃料電池装置。
  5. 請求項１又は請求項４に記載の燃料電池装置を電源部に備えたことを特徴とする電子機器。
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