JP2007200837A - 直接液体燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソードへの空気供給ラインをコンパクト化することが可能な直接液体燃料電池システムを提供すること
【解決手段】ハウジング１０２と、ハウジング１０２内で空気流路が垂直に貫通するように配置された燃料電池スタック１１０と、ハウジング１０２と空気流路１２２の流入口との間に空気を供給する第１ファン１４０と、を備え、燃料電池スタック１１０は、空気流路１２２の流入口が設けられた面が第１ファン１４０に向かって下方に傾斜するように配置された直接液体燃料電池システムが提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンパクトな空気供給ライン及び燃料電池スタックを冷却させる装置を備えた直接液体燃料電池システムに関する。

直接液体燃料電池は、メタノール、エタノールなどの有機化合物燃料と、酸化剤である酸素（空気内の酸素）との電気化学反応によって電気を生成する発電装置であって、エネルギー密度及び電力密度が非常に高く、メタノールなど液体燃料を直接使用するため、燃料改質器など周辺装置が不要であり、燃料の保存及び供給が容易であるという長所を有する。

直接液体燃料電池は、図１に示されたように、アノード２とカソード３との間に電解質膜１が介在している構造を有する。各アノード２及びカソード３は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２、３２と、燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１、３１と、電極支持体２３、３３と、を備えた構造である。触媒は、低温でも優れた特性を有する白金等の貴金属触媒が使われ、反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するために、ルテニウム、ロジウム、オスニウム、ニッケルのような転移金属の合金触媒が使われる。電極支持体は、炭素紙、炭素織物などが使われ、燃料の供給と反応生成物の排出が容易になるように撥水処理して使用する。電解質膜１は、厚さが５０〜２００μｍである高分子膜であって、水分を含有し、イオン伝導性を有する水素イオン交換膜である。

直接液体燃料電池のうち、メタノール及び水を混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）の電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオン及び酸素の還元によるカソード反応とで構成され、反応式は、次の通りである。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻（アノード反応） ・・・（反応式１）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（カソード反応） ・・・（反応式２）
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（総括反応） ・・・（反応式３）

酸化反応（反応式１）が起きるアノード２では、メタノールと水との反応によって、二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成され、生成された水素イオンは、電解質膜１を通じてカソード３に伝えられる。還元反応（反応式２）が起きるカソード３では、水素イオン及び外部回路を通じて伝えられた電子と酸素との反応によって水が生成される。したがって、ＤＭＦＣ総括反応（反応式３）は、メタノールと酸素とが反応して、水及び二酸化炭素が生成される反応となる。この時、メタノール１モルが酸素と反応して、２モルの水が生成される。

この時に使われる液体燃料は、純粋なメタノールではなく、システム内部で発生した水、あるいは既に保存されている水と混合されて使われねばならない。高濃度燃料を使用する場合、電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（燃料がイオン交換膜を通過する現象）による発電性能の減少が大きいために、一般的に０．５〜２Ｍ（２〜８ｖｏｌ.％）の低濃度メタノールに希釈して使用する。

ＤＭＦＣの単位セルの発生電圧は、理論的には１.２Ｖ程度であるが、常温、常圧条件で開回路電圧は、１Ｖ以下となり、実際の作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧による電圧降下が起きるために０.４〜０.６Ｖほどとなる。したがって、所望の容量の電圧を得るためには、数枚の単位セルを直列に連結しなければならない。このような単位セルの連結は、一つの電解質膜に複数の単位セルを形成するモノポーラタイプと、複数の単位セルを積層したスタックタイプがある。

ところで、上記燃料電池は、携帯用電子機器、例えばノート型パソコンの駆動源として使われる。このような携帯用電子機器に使われる燃料電池は、コンパクトな構造を必要とする。一方、燃料電池は、前記した電極反応から発生される熱が多く、これによって、燃料電池が７０℃まで上昇しうる。このような高温状態の燃料電池を電子機器に使用するためには、およそ６０℃以下に低くする必要がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、カソードへの空気供給ラインをコンパクト化することが可能な、新規かつ改良された直接液体燃料電池システムを提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、コンパクト化された燃料電池システムで発生する熱を放出する手段を備えた直接液体燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ハウジングと、ハウジング内で空気流路が垂直に貫通するように配置された燃料電池スタックと、ハウジングと空気流路の流入口との間に空気を供給する第１ファンと、を備え、燃料電池スタックは、空気流路の流入口が設けられた面が第１ファンに向かって下方に傾斜するように配置されたことを特徴とする、直接液体燃料電池システムが提供される。

また、ハウジングには、燃料電池スタックを間において第１ファンと対向する位置に排出口が形成されており、空気流路を通過した空気は、燃料電池スタックの空気流路の流出口とハウジングとの間を通過して、排出口を通じてハウジング外部に排出されるようにしてもよい。

また、燃料電池スタックを冷却する冷却装置をさらに備えるようにしてもよい。

また、冷却装置は、ハウジングの下部で燃料電池スタックに対応する位置に形成された冷却フィンを備えるようにしてもよい。

また、冷却フィンを冷却する第２ファンをさらに備えるようにしてもよい。

また、排出口と第２ファンとの間には、第２ファンからの空気が流通して排出口を冷却する空気通路が形成されており、空気通路は、冷却フィンと連通されたようにしてもよい。

以上説明したように、本発明の直接液体燃料電池システムは、カソードに供給される空気供給ライン及び燃料電池スタックの冷却装置をコンパクト化できる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

以下に、本発明の一実施形態にかかる直接液体燃料電池システムについて説明する。図２は、本実施形態にかかる直接液体燃料電池システムの概略的な構成を示した図面である。

図２を参照すれば、燃料電池スタック１１０の内部カソード側に、第１ファン１４０から還元反応のための空気が供給され、カソードを通過した空気は、カソード反応で生成された水と共に燃料電池スタック１１０から排出される。この時に排出される空気は、およそ７０℃で高温であり、空気中には水蒸気が含まれている。カソードから排出される空気（水蒸気を含む）が流通するライン１４１を第２ファン１４２で冷却すれば、排出される空気の温度は、およそ６０℃以下に低くなり、一部水蒸気は、凝縮されて水となる。凝縮された水は、カソードで生成された水と共に、アノード燃料供給ライン１４７に回収される。

アノード燃料供給ライン１４７において、燃料カートリッジ１５０に保存された高濃度または純粋メタノールと、上記カソードから回収された水と、上記アノードから回収された希釈された液体燃料とが混合されて、アノードに引込まれる。アノードを通過した希釈された反応燃料及び二酸化炭素は、セパレータ１４５に入って気液分離される。このセパレータ１４５にて、二酸化炭素は、外部に放出され、希釈された液体燃料は、ウォーターポンプ１６０に引込まれる。

燃料カートリッジ１５０内の燃料と回収された水とは、それぞれ第１、２バルブ１８１、１８２を通じて、アノード燃料供給ライン１４７を流通してウォーターポンプ１６０によってアノード側に移送される。

一方、アノード燃料供給ライン１４７には、メタノールセンサー１７０が設置されており、このメタノールセンサー１７０によってアノードに供給される液体燃料のメタノール濃度が測定されうる。このメタノール濃度によって上記第１、２バルブ１８１、１８２が制御されて、アノードに供給される燃料のメタノール濃度が制御されうる。符号１８３、１８４は、リストリクタであり、セパレータ１４５、第１、第２バルブ１８１、１８２との間の圧力調節に使われる。

図３及び図４は、本実施形態にかかる直接液体燃料電池システムの斜視図であって、図３は、上から見た斜視図であり、図４は下から見た斜視図である。図３及び図４は、外部ハウジングを除外した図面である。同じ構成要素には同じ参照番号を使用し、その詳細な説明は省略する。

図３及び図４を共に参照すれば、直接液体燃料電池システムは、電気を生成する燃料電池スタック１１０と、上記燃料電池スタック１１０を冷却する冷却装置と、上記燃料電池スタック１１０に燃料を輸送し、上記スタック１１０を通過した水、燃料などを回収する循環部２００と、上記スタック１１０から生成された電気エネルギーを電子機器に連結する回路部２２０と、上記循環部２００に供給されるメタノールを保存する燃料カートリッジ１５０と、を備える。

上記循環部２００は、上述したセパレータ１４５、ウォーターポンプ１６０、第１及び第２バルブ１８１、１８２、ライン１４１、アノード燃料供給ライン１４７などを備える。

上記燃料電池スタック１１０は、複数の単位セルで構成されている。各単位セルは、ＭＥＡ（膜−電極接合体）と、ＭＥＡ両側のカソード及びアノードと接触し、空気と液体燃料が流れる流路が形成されたバイポーラプレート１２０と、を備える。図５及び図６は、バイポーラプレート１２０をそれぞれ上下から見た斜視図である。

図５及び図６を共に参照すれば、バイポーラプレート１２０には、アノードと接触する側の面に、液体流路１２１が形成されており、他面（カソードと接触する側の面）には、空気流路１２２が形成されている。バイポーラプレート１２０には、液体燃料が通過する２つの貫通ホール１２３と、複数のバイポーラプレート１２０を相互結合するのための結合ホール１２４と、が形成されている。２つの貫通ホール１２３のうち一方の貫通ホール１２３は、循環部２００から供給された液体燃料が通過して、液体流路１２１に流れ込むための経路である。他方の貫通ホール１２３は、上記液体流路１２１を通過した後に集まった未反応液体燃料を回収して、上記循環部２００に送るための経路である。複数の液体流路１２１は、バイポーラプレート１２０の一面において、上記一方の貫通ホール１２３から他方の貫通ホール１２３まで蛇行するように形成されている。

図６を参照すれば、複数の空気流路１２２が相互に平行に形成されている。これらの空気流路１２２は、バイポーラプレート１２０が図３に示されたように積層される時、その上端（空気の流入口）及び下端（空気の流出口）が燃料電池スタック１１０の外部に露出される。

図３を参照すれば、燃料電池スタック１１０の両端には、エンドプレート１３０が設置されている。エンドプレート１３０の中央ホール１３２は、バイポーラプレート１２０の結合ホール１２４と対応するホールである。一つのエンドプレート１３０には、内部に上記貫通ホール１２３と連通される２つの経路（図示せず）が形成されており、このうち一方の経路を通じて循環部２００からの液体燃料がバイポーラプレート１２０に供給され、他方の経路を通じてバイポーラプレート１２０からの未反応燃料が循環部２００のセパレータ１４５に回収される。

図７は、図３の概略的な側断面図である。

図３、図４及び図７を共に参照すれば、燃料電池スタック１１０は、ハウジング１０２内に傾斜するように設置される。空気流路１２２は、垂直に設置され、空気流路１２２の上端及び下端は露出される。燃料電池スタック１１０の一側には、循環部２００が設置され、循環部２００の一側（燃料電池スタック１１０とは反対側）には、第１ファン１４０が設置される。燃料電池スタック１１０の他側には、排出口１９０及び第２ファン１４２が設置される。そして、燃料電池スタック１１０に対応するハウジング１０２の下部には、冷却フィン２５０が設置される。冷却フィン２５０の上部には、カバー（図示せず。）が設置されるが、図４では説明の便宜上、冷却フィン２５０を覆うカバーを除外して図示してある。第１ファン１４０の下部には、制御及び電力供給の変換のための回路部２２０が設置され、これら回路部２２０の下部には、バックアップバッテリー２３０が設置されうる。上記冷却フィン２５０及び上記第２ファン１４２は、上記燃料電池スタック１１０の冷却装置の一例である。

略直方体形状の燃料電池スタック１１０は、前記空気流路１２２の流入口（上端）が設けられた面（上面）が第１ファン１４０に向かって下方に傾斜するように設置されている。このため、ハウジング１０２内における燃料電池スタック１１０の上部側には、第１ファン１４０に近くなるほど広くなる空間が生じ、一方、燃料電池スタック１１０の下部側には、第１ファン１４０から遠くなるほど広くなる空間が生じる。これにより、上記第１ファン１４０から供給された空気は、上記バイポーラプレート１２０に形成された空気流路１２２の上端の流入口から流入して、当該空気流路１２２を通じて下方に流れて、空気流路１２２の下端の流出口から流出し、さらに、燃料電池スタック１１０の下部とハウジング１０２との間に移動した空気は、排出口１９０を通じて外部に排出される（図７の実線矢印参照）。

上記排出口１９０と上記第２ファン１４２との間には、上記第２ファン１４２からの空気が上記排出口１９０の表面を通過する空気通路１４３が形成されており、上記空気通路１４３は、上記冷却フィン２５０の引込口２５１と連通されている。

第２ファン１４２からの冷却空気は、空気通路１４３を通過しながら上記排出口１９０を冷却する。次いで、当該冷却空気は、空気通路１４３から引込口２５１を通じて上記冷却フィン２５０の間に流入して、当該冷却フィン２５０の間を通過して外部に放出されながら、燃料電池スタック１１０を冷却させる（図７の破線矢印参照）。このようにして、第２ファン１４２からの冷却空気により、排出口１９０、および上記電極反応により発熱する燃料電池スタック１１０を好適に冷却（例えば６０℃以下に冷却）できる。また、上記第２ファン１４２は、空気流路１２２を通過した空気を冷却させて凝縮させる。第２ファン１４２によって凝縮された水と、カソード反応で生成された水とを循環部２００でウィック部材（図示せず。）を通じて回収する。

以上のように、本実施形態にかかる直接液体燃料電池システムでは、燃料電池スタック１１０を傾斜配置することで、第１ファン１４０から燃料電池スタック１１０のカソードに供給される空気供給ラインをコンパクト化でき、さらに、燃料電池スタック１１０の冷却装置もコンパクト化できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、直接液体燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。

直接液体燃料電池の基本的な構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる直接液体燃料電池システムの概略的な構成を示した図面である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池システムの斜視図である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池システムの斜視図である。 同実施形態にかかるバイポーラプレートの斜視図である。 同実施形態にかかるバイポーラプレートの斜視図である。 図３の概略的な側断面図である。

符号の説明

１１０ 燃料電池スタック
１２０ バイポーラプレート
１２２ 空気流路
１３０ エンドプレート
１３２ 中央ホール
１４０ 第１ファン
１４２ 第２ファン
１４３ 空気通路
１５０ 燃料カートリッジ
１９０ 排出口
２００ 循環部
２２０ 回路部
２３０ バックアップバッテリー

Claims (6)

1. ハウジングと；
   前記ハウジング内で空気流路が垂直に貫通するように配置された燃料電池スタックと；
   前記ハウジングと前記空気流路の流入口との間に空気を供給する第１ファンと；
   を備え、
   前記燃料電池スタックは、前記空気流路の流入口が設けられた面が前記第１ファンに向かって下方に傾斜するように配置されたことを特徴とする、直接液体燃料電池システム。
2. 前記ハウジングには、前記燃料電池スタックを間において前記第１ファンと対向する位置に排出口が形成されており、
   前記空気流路を通過した空気は、前記燃料電池スタックの前記空気流路の流出口と前記ハウジングとの間を通過して、前記排出口を通じて前記ハウジング外部に排出されることを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックを冷却する冷却装置をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の直接液体燃料電池システム。
4. 前記冷却装置は、
   前記ハウジングの下部で前記燃料電池スタックに対応する位置に形成された冷却フィンを備えることを特徴とする、請求項３に記載の直接液体燃料電池システム。
5. 前記冷却フィンを冷却する第２ファンをさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載の直接液体燃料電池システム。
6. 前記排出口と前記第２ファンとの間には、前記第２ファンからの空気が流通して前記排出口を冷却する空気通路が形成されており、
   前記空気通路は、前記冷却フィンと連通されたことを特徴とする、請求項５に記載の直接液体燃料電池システム。
   

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