JP2007095591A

JP2007095591A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007095591A
Application number: JP2005285909A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kibune; 研児木船; Goro Fujita; 悟朗藤田; Koji Yasuo; 耕司安尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: US20070077482A1; JP4911562B2

Abstract

【課題】
燃料カートリッジを着脱するときに、高濃度の燃料が外部へ漏れることに無いよう安全対策を施した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
本発明の燃料電池システム１１０は、燃料電池１３０を有する燃料電池本体１２０と、燃料電池本体１２０と着脱可能に接続され、燃料電池１３０へ供給される燃料を貯蔵する燃料貯蔵部１６０と、燃料電池本体１２０と燃料貯蔵部１６０とを接続する接続部１８０、１８２、１８４と、を備える燃料電池システム１１０において、接続部１８０、１８２、１８４には、燃料貯蔵部１６０に貯蔵される燃料よりも低い濃度の燃料が流通することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、具体的には、カートリッジ式の燃料タンクを燃料電池システムから着脱するときに、高濃度の燃料が外部へ漏れることに無いよう安全対策を施した燃料電池システムに関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。

このＤＭＦＣが発電すると、燃料が消費されるので、通常、ＤＭＦＣを用いるＤＭＦＣシステムは、ＤＭＦＣシステムに着脱可能に設けられ、純メタノールまたは高濃度のメタノール水溶液が充填された燃料タンクより燃料の供給を受ける。そして、燃料タンク内の燃料がなくなると、この燃料タンクを交換するという構成が採られている。
特開２００４−１５２７４１号公報

燃料電池システムでは、燃料電池システムの燃料電池本体側とカートリッジ式の燃料タンクとを接続する接続配管内を純メタノールまたは高濃度のメタノール水溶液が流通していたため、コネクタ部分において液漏れの対策を施していた。しかし、その液漏れ防止手段が機能せず、コネクタ部分から液漏れした場合、高濃度のメタノールが外部へ漏れ出してしまうという問題があった。また、液漏れ防止手段が機能していても、コネクタ部分から少量ではあるが、高濃度のメタノールが揮発して外部へ放出されるという問題もあった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高濃度のメタノール（燃料）が外部へ漏れることに無いよう安全対策を施した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を有する燃料電池本体と、燃料電池本体と着脱可能に接続され、燃料電池へ供給される燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、燃料電池本体と燃料貯蔵部とを接続する接続部と、を備える燃料電池システムにおいて、接続部には、燃料貯蔵部に貯蔵される燃料よりも低い濃度の燃料が流通することを特徴とする。これにより、燃料電池システムから燃料貯蔵部（所謂、カートリッジ式の燃料タンク）を取り外すときにも、その接続部（コネクタ部分）には濃度の低い燃料しか存在していないので、高濃度の燃料が外部へ漏れることが無い。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、接続部は、燃料電池から排出された液体の排出物質が、燃料電池本体から燃料貯蔵部へ流通する第２のコネクタと、燃料と液体の排出物質とを混合した液体燃料溶液が、燃料貯蔵部から燃料電池本体へ流通する第３のコネクタと、を有することを特徴とする。燃料電池からは、アノードから濃度が薄くなった燃料と二酸化炭素の液体を主とする物質が排出され、カソードから酸素濃度が薄くなった酸化剤と水の気体を主とする物質が排出される。このうち、液体の排出物質を燃料電池本体から燃料貯蔵部へ送り、これにより燃料を希釈して燃料貯蔵部から燃料電池本体へ戻すことで、接続部には濃度の低い燃料を流通させることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、接続部は、燃料電池から排出された気体の排出物質が、燃料電池本体から燃料貯蔵部へ流通する第１のコネクタを有し、燃料貯蔵部は、液体の排出物質に含まれる不要な物質および／または気体の排出物質に含まれる有害な物質を除去する除去手段を有することを特徴とする。ここで、液体の排出物質に含まれる不要な物質とは、燃料電池や補機、配管などから溶出した物質が挙げられ、酸化剤として燃料電池システムの外部の空気を利用し、カソードからの排出物質をアノードからの排出物質と混合するようなシステム構成となっている場合には、空気中の塵埃や有機物も不要な物質といえる。また、気体の排出物質に含まれる有害な物質とは、燃料電池内での反応により中間生成物として発生するアルデヒドや蟻酸が挙げられる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、除去手段は、燃料貯蔵部から着脱可能に設けられることを特徴とする。これにより、除去手段を新しいものと交換することができるので、燃料貯蔵部に高濃度の燃料を再充填して燃料貯蔵部を再利用することができる。

請求項５記載の燃料貯蔵装置は、燃料電池用の液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵装置であって、液体燃料の溶媒を燃料貯蔵装置へ導入する溶媒導入部と、液体燃料と溶媒とを混合した液体燃料溶液を燃料貯蔵装置から導出する溶液導出部と、を備えることを特徴とする。このような燃料貯蔵装置を利用する燃料電池システムは、燃料電池システムから燃料貯蔵装置を取り外すときにも、その接続部に溶媒によって希釈された濃度の低い液体燃料しか存在していないので、高濃度の液体燃料が外部へ漏れることが無い。

本発明によれば、燃料電池システムから着脱可能な燃料貯蔵部を着脱するときに、高濃度の燃料が外部へ漏れることを防止することができる。

本発明に係る燃料電池システムの各構成について、実施例として図を用いて詳細に説明する。本実施の形態では、アノードへメタノール水溶液を供給して発電するＤＭＦＣを有するシステムを用いて説明するが、燃料は液体燃料であれば良く、メタノール水溶液に限定されるものではない。

図１は、本実施例に係る燃料電池システム１１０の構成を模式的に示すシステム構成図である。図１に示すように、本燃料電池システム１１０は、燃料電池本体側１２０と燃料カートリッジ側１６０とに大きく分けることができ、燃料カートリッジ側１６０は燃料電池システム１１０から着脱可能に構成されている。

燃料電池本体側１２０には、燃料として濃度約１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液と酸化剤として空気中の酸素とを利用して発電する燃料電池（スタック）１３０と、この燃料電池１３０へ供給するメタノール水溶液を一時的に貯蔵するバッファタンク１４０と、燃料電池１３０から排出される排出物質を合流させ、排出物質を気体成分と液体成分とに分離する気液分離タンク１４２と、気液分離タンク１４２にて分離した排出物質の気体成分と液体成分とを、それぞれ気相流通配管１４４と液相流通配管１４６とに流通させて冷却するラジエータ１４８と、が配されている。また、燃料電池システム１１０内の各種ポンプ類などの制御を行う制御装置１５０も燃料電池本体１２０に配されている。

一方、燃料カートリッジ側１６０には、ラジエータ１４８の気相流通配管１４４を流通した気体成分を燃料電池システム１１０の外部へ排出する気体成分排出口１６２が配されており、この気体成分排出口１６２には、気体成分中のアルデヒドや蟻酸のような有害物質を吸着して除去する気相フィルタ１６４が設けられている。そして、ラジエータ１４８の液相流通配管１４６を流通した液体成分は、燃料カートリッジ側１６０に設けられる液相フィルタ１６６を通って燃料電池本体側１２０のバッファタンク１４０へ戻される。気相フィルタ１６４と液相フィルタ１６６とは、フィルタユニット１６８として燃料カートリッジ１６０から着脱可能に構成されている。また、２０ｍｏｌ／Ｌ以上の高濃度メタノールが充填された燃料バッグ１７０は、柔軟性あるいは可撓性を有する素材で構成されており、燃料カートリッジ１６０内の空隙を可及的に埋めるように配され、この燃料バッグ１７０の底部から導出された高濃度メタノールは、液体ポンプＬＰ１を介して三方弁Ｖにて、液相フィルタ１６６を通過したメタノール水溶液と合流し、燃料電池本体側１２０のバッファタンク１４０へ補充される。

すなわち、燃料電池本体側１２０と燃料カートリッジ側１６０とは、主に燃料電池１３０から排出された排出物質の気体成分が燃料電池本体側１２０から燃料カートリッジ側１６０に向かって流通する第１のコネクタ１８０と、主に燃料電池１３０から排出された排出物質の液体成分が燃料電池本体側１２０から燃料カートリッジ側１６０に向かって流通する第２のコネクタ１８２と、主に燃料電池１３０から排出された排出物質の液体成分が燃料カートリッジ側１６０から燃料電池本体側１２０に向かって流通し、バッファタンク１４０内のメタノール濃度が所定の閾値よりも低くなったときには燃料バッグ１７０から高濃度のメタノールが合流して流通する第３のコネクタ１８４と、によって接続される。各コネクタ１８０、１８２、１８４は、図示しないが、差込口の位置を間違えないように、非対称に配置されており、内部を流通する流体の流通方向を考慮して、第１のコネクタ１８０および第２のコネクタ１８２は燃料電池本体側１２０がオス、燃料カートリッジ側１６０がメス、第３のコネクタ１８４は燃料電池本体側１２０がメス、燃料カートリッジ側１６０がオスとなっている。

上記のように内部のメタノール水溶液の濃度を検出するために、バッファタンク１４０には濃度センサＤＳが設けられており、制御装置１５０は、濃度センサＤＳによって燃料電池１３０へ供給する燃料の濃度を監視するほか、メタノール水溶液の総量（液面センサＬＳ）、燃料電池の温度（温度センサＴＳ）、燃料電池の発電状態（電圧計ＦＣＶ（総電圧値）、ＦＣＶ_n（ブロック電圧値））、さらには燃料カートリッジ側１６０に設けられたメモリ１５２からの高濃度メタノールに関する情報（製造日、ＩＤ、濃度、容量）を基に、液体ポンプＬＰ１、ＬＰ２、エアポンプＡＰ、三方弁Ｖ、ファン１４８Ｆなど各種補機類を制御する。また、燃料電池本体側１２０の第３のコネクタ１８４Ｆには、図示しないリミッタが取り付けられており、燃料電池システム１１０に燃料カートリッジ１６０が適切に装着されているか、あるいは、外れているかをこのリミッタによって検出している。

このような構成を有する燃料電池システム１１０は、燃料電池本体１２０と燃料カートリッジ１６０との接続部（第１のコネクタ１８０、第２のコネクタ１８２、第３のコネクタ１８４）の配管に高濃度の燃料（メタノール）が流通しないので、燃料電池システム１１０から燃料カートリッジ１６０を着脱するときに、高濃度の燃料が外部へ漏れることがない。また、フィルタユニット１６８が燃料カートリッジ１６０からさらに着脱可能に構成され、燃料カートリッジ１６０はメモリ１５２を備えているので、燃料バッグ１７０に高濃度の燃料を再充填し、気相フィルタ１６４あるいは液相フィルタ１６６の交換時期（メモリ１５２により算出）にはフィルタユニット１６８を新しいものと交換することで燃料カートリッジ１６０を再利用することができる。

図２は、本実施例に係る燃料電池システム２１０の構成を模式的に示すシステム構成図である。図２に示すように、本燃料電池システム２１０も実施例１と同様に、燃料電池本体側２２０と燃料カートリッジ側２６０とに大きく分けることができ、燃料カートリッジ側２６０は燃料電池システム２１０から着脱可能に構成されている。

燃料電池本体側２２０には、燃料として濃度約１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液と酸化剤として空気中の酸素とを利用して発電する燃料電池（スタック）２３０と、燃料電池２３０のアノード２３２から排出されるアノード排出物質とカソード２３４から排出されるカソード排出物質とを、それぞれアノード排出配管２４６とカソード排出配管２４４とに流通させて冷却するラジエータ２４８と、アノード排出物質とカソード排出物質とを合流させ、排出物質を気体成分と液体成分とに分離する気液分離タンク２４２と、が配されている。そして、この気液分離タンク２４２には、気体成分を燃料電池システム２１０の外部へ排出する気体成分排出口２９０が配されており、この気体成分排出口２９０には、気体成分中のアルデヒドや蟻酸のような有害物質を吸着して除去する気相フィルタ２９２が設けられている。また、燃料電池システム２１０内の各種ポンプ類などの制御を行う制御装置２５０も燃料電池本体２２０に配されている。

一方、燃料カートリッジ側２６０には、柔軟性あるいは可撓性を有する素材で構成され、燃料カートリッジ２６０内の空隙を可及的に埋めるように配され、２０ｍｏｌ／Ｌ以上の高濃度メタノールが充填された燃料バッグ２７０が配されている。そして、燃料電池本体２２０の気液分離タンク２４２にて分離された液体成分は、燃料カートリッジ側２６０に設けられる三方弁Ｖを通って燃料電池本体側２２０へ戻される。また、燃料バッグ２７０の底部から導出された高濃度メタノールは、液体ポンプＬＰ１を介して三方弁Ｖにて、気液分離タンク２４２にて分離された液体成分（メタノール水溶液）と合流し、これにより燃料電池２３０へ供給されるメタノール水溶液の濃度を調整する。

すなわち、燃料電池本体側２２０と燃料カートリッジ側２６０とは、燃料電池２３０から排出された排出物質の液体成分が燃料電池本体側２２０から燃料カートリッジ側２６０に向かって流通する往路コネクタ２８６と、燃料電池２３０から排出された排出物質の液体成分が燃料カートリッジ側２６０から燃料電池本体側２２０に向かって流通し、燃料電池２３０へ供給されるメタノール水溶液の濃度が所定の閾値よりも低くなったときには燃料バッグ２７０から高濃度のメタノールが合流して流通する復路コネクタ２８８と、によって接続される。各コネクタ２８６、２８８は、図示しないが、差込口の位置を間違えないように、非対称に配置されており、内部を流通する流体の流通方向を考慮して、往路コネクタ２８６は燃料電池本体側２２０がオス、燃料カートリッジ側２６０がメス、復路コネクタ２８８は燃料電池本体側２２０がメス、燃料カートリッジ側２６０がオスとなっている。

上記のように燃料電池２３０へ供給されるメタノール水溶液の濃度を検出するために、三方弁Ｖから燃料電池２３０までの間には濃度センサＤＳが設けられており、制御装置２５０は、濃度センサＤＳによって燃料電池２３０へ供給する燃料の濃度を監視するほか、燃料電池の温度（温度センサＴＳ）、燃料電池の発電状態（電圧計ＦＣＶ（総電圧値）、ＦＣＶ_n（ブロック電圧値））、さらには燃料カートリッジ側２６０に設けられたメモリ２５２からの高濃度メタノールに関する情報（製造日、ＩＤ、濃度、容量）を基に、液体ポンプＬＰ１、ＬＰ２、エアポンプＡＰ、三方弁Ｖ、ファン２４８Ｆなど各種補機類を制御する。また、燃料電池本体側２２０の復路コネクタ２８８Ｆには、図示しないリミッタが取り付けられており、燃料電池システム２１０に燃料カートリッジ２６０が適切に装着されているか、あるいは、外れているかをこのリミッタによって検出している。

このような構成を有する燃料電池システム２１０は、燃料電池本体２２０と燃料カートリッジ２６０との接続部（往路コネクタ２８６、復路コネクタ２８８）の配管に高濃度の燃料（メタノール）が流通しないので、燃料電池システム２１０から燃料カートリッジ２６０を着脱するときに、高濃度の燃料が外部へ漏れることがない。

そのほか、燃料電池本体側１２０、２２０の筐体のみならず、燃料カートリッジ側１６０、２６０の筐体にもスリットＳ１、Ｓ２を設けることにより、燃料カートリッジ１６０、２６０内に外部の空気が流通し、燃料カートリッジ１６０、２６０内を冷却することができる。特に本燃料電池システム１１０、２１０では、燃料カートリッジ１６０、２６０内を燃料電池１３０、２３０からの排出物質が流通するため、燃料カートリッジ１６０、２６０にスリットＳ１、Ｓ２を設けて、燃料カートリッジ側１６０、２６０にて排出物質の冷却が行えると、燃料電池本体側１２０、２２０のラジエータ１４８、２４８をコンパクトにすることができ、有効である。さらに、燃料バッグ１７０、２７０は燃料カートリッジ１６０、２６０内の空隙を可及的に埋めるように配されると上記したが、冷却の効果が特に出やすいフィルタユニット１６８（実施例１）や往路コネクタ２８６Ｆから三方弁Ｖまでの配管（実施例２）の部分は、スリットＳ１とスリットＳ２との間で空気が流通する経路となるように配すると良い。

本発明は、様々な機器、特に携帯機器への利用を期待される液体燃料を用いる燃料電池システムで利用可能であると考えられる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を模式的に表したシステム構成図である。本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を模式的に表したシステム構成図である。

符号の説明

１１０、２１０燃料電池システム
１２０、２２０燃料電池本体側
１３０、２３０燃料電池（スタック）
１３２、２３２アノード
１３４、２３４カソード
１３６、２３６エアフィルタ
１４０バッファタンク
１４２、２４２気液分離タンク
１４４気相流通配管
１４６液相流通配管
１４８、２４８ラジエータ（１４８Ｆ、２４８Ｆ…ファン）
１５０、２５０制御装置
１５２、２５２メモリ
１５４、２５４バッテリ（１次電池）
１６０、２６０燃料カートリッジ（燃料貯蔵部）側
１６２気体成分排出口
１６４気相フィルタ
１６６液相フィルタ
１６８フィルタユニット
１７０、２７０燃料バッグ
１８０第１のコネクタ（１８０Ｍ…オス、１８０Ｆ…メス）
１８２第２のコネクタ（１８２Ｍ…オス、１８２Ｆ…メス）
１８４第３のコネクタ（１８４Ｍ…オス、１８４Ｆ…メス）
２４４カソード排出配管
２４６アノード排出配管
２８６往路コネクタ（２８６Ｍ…オス、２８６Ｆ…メス）（第２のコネクタ）
２８８復路コネクタ（２８８Ｍ…オス、２８８Ｆ…メス）（第３のコネクタ）
２９０気体成分排出口
２９２気相フィルタ
ＬＰ１、ＬＰ２液体ポンプ
ＡＰエアポンプ
Ｖ三方弁
ＤＳ濃度センサ
ＬＳ液面センサ
ＴＳ温度センサ
ＦＣＶ電圧計（総電圧値）
Ｓ１、Ｓ２スリット

Claims

燃料電池を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体と着脱可能に接続され、前記燃料電池へ供給される燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、前記燃料電池本体と前記燃料貯蔵部とを接続する接続部と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記接続部には、前記燃料貯蔵部に貯蔵される前記燃料よりも低い濃度の燃料が流通することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記接続部は、
前記燃料電池から排出された液体の排出物質が、前記燃料電池本体から前記燃料貯蔵部へ流通する第２のコネクタと、
前記燃料と前記液体の排出物質とを混合した液体燃料溶液が、前記燃料貯蔵部から前記燃料電池本体へ流通する第３のコネクタと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
前記接続部は、前記燃料電池から排出された気体の排出物質が、前記燃料電池本体から前記燃料貯蔵部へ流通する第１のコネクタを有し、
前記燃料貯蔵部は、前記液体の排出物質に含まれる不要な物質および／または前記気体の排出物質に含まれる有害な物質を除去する除去手段を有する
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
前記除去手段は、前記燃料貯蔵部から着脱可能に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池用の液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵装置であって、
前記液体燃料の溶媒を前記燃料貯蔵装置へ導入する溶媒導入部と、
前記液体燃料と前記溶媒とを混合した液体燃料溶液を前記燃料貯蔵装置から導出する溶液導出部と、
を備えることを特徴とする燃料貯蔵装置。