JP2007311363A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】液体燃料を希釈してアノードに供給する燃料電池システムにおいて、発電能力の安定化を図る。
【解決手段】燃料電池システム1は、液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電するものであって、電気化学反応により発電を行う燃料電池セル3Aと、高濃度の液体燃料を収容した燃料容器9と、この燃料容器9内の液体燃料を希釈して燃料電池セル3Aのアノードに供給するためのバッファタンク23とを備え、燃料容器9とバッファタンク23間の燃料供給配管26に、当該バッファタンク23から燃料容器9への液体燃料の逆流を防止する電磁弁28を設けた。
【選択図】図3
【解決手段】燃料電池システム1は、液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電するものであって、電気化学反応により発電を行う燃料電池セル3Aと、高濃度の液体燃料を収容した燃料容器9と、この燃料容器9内の液体燃料を希釈して燃料電池セル3Aのアノードに供給するためのバッファタンク23とを備え、燃料容器9とバッファタンク23間の燃料供給配管26に、当該バッファタンク23から燃料容器9への液体燃料の逆流を防止する電磁弁28を設けた。
【選択図】図3
Description
本発明は、液体燃料を燃料電池セルに供給して発電を行う燃料電池システムに関するものである。
近年環境問題や省エネルギーの観点から燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行う燃料電池の開発が活発化して来ている。この燃料電池は燃料と酸化剤とから電気エネルギー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。また、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ーや運動エネルギー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と共に、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、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を有しているため、21世紀を担うエネルギー供給システムとして期待されており、宇宙用から自動車用、携帯機器用など、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。
特に近年、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(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が注目を集めている。DMFCは、液体燃料であるメタノールを改質することなく直接燃料電池セルのアノードへ供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得るものである。メタノールは水素に比べ、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている(特許文献1参照)。
ところで、この種DMFCでは高濃度のメタノールを直接アノードに供給すると、メタノールが高分子電解質の膜を通り抜けてカソード側に到達し、カソードの電位を下げてしまう問題が発生するため、通常はバッファタンクと称される希釈手段を用いて3%程度まで水で希釈した後、アノードに供給する。この場合、バッファタンクは燃料供給経路を介して高濃度のメタノールを収容した燃料容器と連通され、燃料電池供給経路に設けたポンプによって燃料容器から高濃度のメタノールが供給される。一方、バッファタンクにはカソードで発生した水が回収され、この水で高濃度のメタノールを希釈するが、バッファタンク内で希釈生成されるメタノール水溶液の濃度は、ポンプのON−OFFによって制御する方式が採られる。
特開2002−373684号公報
しかしながら、バッファタンク内を含む燃料電池セル側の経路内はカソードに酸化剤である空気が供給されるために高圧状態となる。そのため、ポンプが停止するとバッファタンク内で希釈されたメタノール水溶液が燃料供給経路に逆流してしまう。このようにメタノール水溶液が燃料供給経路に逆流すると、次回ポンプが運転されても、バッファタンクには希釈されたメタノール水溶液が戻る結果となり、濃度が急激に低下して発電能力が低下する問題が生じる。
また、このような問題は燃料供給経路に気泡が混入した場合にも同様に生じる。しかしながら、燃料容器を着脱式のカートリッジとして取り扱いを容易した場合には、どうしても燃料容器の交換時などに燃料供給経路に気泡が入ってしまう。
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、液体燃料を希釈してアノードに供給する燃料電池システムにおいて、発電能力の安定化を図ることを目的とする。
請求項1の発明の燃料電池システムは、液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電するものであって、電気化学反応により発電を行う燃料電池セルと、高濃度の液体燃料を希釈して燃料電池セルのアノードに供給するためのバッファタンクと、このバッファタンクに高濃度の液体燃料を供給するための燃料供給経路と、高濃度の液体燃料を収容し、燃料供給経路に着脱可能に接続される燃料容器とを備え、この燃料容器は、外装ケースと、この外装ケース内に収納され、内部に液体燃料が充填された燃料袋とから構成され、この燃料袋は、相互に連通された複数の区画を有し、外装ケース内に折り畳まれた状態で収納されることを特徴とする。
請求項1の発明では、液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、電気化学反応により発電を行う燃料電池セルと、高濃度の液体燃料を希釈して燃料電池セルのアノードに供給するためのバッファタンクと、このバッファタンクに高濃度の液体燃料を供給するための燃料供給経路と、高濃度の液体燃料を収容し、燃料供給経路に着脱可能に接続される燃料容器とを備え、この燃料容器を、外装ケースと、この外装ケース内に収納され、内部に液体燃料が充填された燃料袋とから構成し、この燃料袋が、相互に連通された複数の区画を有し、外装ケース内に折り畳まれた状態で収納されるようにしたので、燃料容器の向きに関わらず、天地無用で燃料袋から高濃度の液体燃料を取り出すことができるようになると共に、外装ケース内に生じる無効空間も最小限にして体積効率を向上させることができるようになる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。
図1は本発明を適用した実施例の燃料電池システム1の前方斜視図、図2は同後方斜視図、図3は燃料電池システム1の構成図を示している。実施例の燃料電池システム1は、液体燃料としてメタノールを用い、このメタノールと酸化剤としての空気とを燃料電池セルにおいて電気化学反応させることにより発電を行う所謂ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)システムであり、例えば携帯可能なノート型パソコンなどの電源として使用できるように全体寸法はコンパクトに構成されている。
即ち、燃料電池システム1は、図1及び図2に示すようなケース2内の略中央部に燃料電池(スタック)3が搭載され、その長手方向の一側に制御ユニット4が、反対側には補機ユニット6が設けられている。また、制御ユニット4と燃料電池3との間には補助動力(二次電池)7が設けられると共に、補機ユニット6の燃料電池3と反対側には気液分離器8や燃料容器9等を搭載されている。尚、補助動力7は燃料電池3の起動時の電力供給並びに負荷変動を吸収するために設けられる。また、燃料容器9内には液体燃料としての高濃度のメタノールが収容されている。更に、制御ユニット4と補機ユニット6間には燃料電池3に隣接して熱交換器11が設けられ、更に、ケース2にはこの熱交換器11及び燃料電池3に通風する冷却ファン12が取り付けられている。13はこの冷却ファン12とは反対側のケース2壁面に形成された排気孔である。
そして、ケース2の上面は開閉可能な蓋14にて閉塞されると共に、ケース2からは制御ユニット4に接続された電源出力用のコネクタ16が引き出されている。また、燃料容器9は気液分離器8側のケース2に凹陥形成された燃料容器取付部2Aに着脱可能に設けられるカートリッジ式とされている。そして、この燃料容器取付部2Aにはジョイント2Bが形成され、燃料容器9側のジョイント9Aがこのジョイント2Bに着脱可能に接続される。
次に、図3において燃料電池3は図示しない膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)をセパレータで挟持した燃料電池セル3Aを複数枚積層(スタック)して構成されている。この燃料電池3の端部には、燃料供給口17、酸化剤供給口18、燃料排出口19及び酸化剤排出口21がそれぞれ設けられている。燃料電池3内部には、燃料電池セル3Aの積層方向に貫通して図示しない燃料供給マニホールド、酸化剤供給マニホールド、燃料排出マニホールド及び酸化剤排出マニホールドが設けられており、燃料供給口17及び酸化剤供給口18から燃料供給マニホールド及び酸化剤供給マニホールドをそれぞれ介して各燃料電池セル3Aに液体燃料、酸化剤が供給され、また、各燃料電池セル3Aから排出される排燃料、排酸化剤及び生成水などは燃料排出マニホールド及び酸化剤排出マニホールドからそれぞれ燃料排出口19及び酸化剤排出口21を介して排出される構成とされている。
実施例の燃料電池3は液体燃料としてメタノール、酸化剤として空気を用いたダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)を用いているので、燃料排出口19からは排メタノール(メタノール水溶液)、排二酸化炭素などが排出され、酸化剤排出口21からは排空気、生成水などが排出される。燃料排出口19から排出された排メタノール、排二酸化炭素などは燃料排出配管22を通ってバッファタンク23に導入される。また、酸化剤排出口21から排出された排空気、生成水などは酸化剤排出配管24を通ってバッファタンク23に導入される。
この場合、燃料排出配管22には前記熱交換器11の一部を構成する熱交換器11A及び前記気液分離器8の一部を構成する気液分離器8Aが介設されており、燃料排出配管22内を通過する排メタノールは熱交換器11Aで冷却ファン12により空冷されることで液化し、気液分離器8Aで気液分離されることで、排二酸化炭素のみが外部に排出され、排メタノールのみがバッファタンク23に導入される。
また、酸化剤排出配管24にも前記熱交換器11の一部を構成する熱交換器11B及び前記気液分離器8の一部を構成する気液分離器8Bが介設されており、酸化剤排出配管24内を通過する生成水は熱交換器11Bで冷却ファン12により空冷されることで液化し、気液分離器8Bで気液分離されることで、排空気のみが外部に排出され、生成水のみがバッファタンク23に導入される構成とされている。
このバッファタンク23はケース2内の前述した気液分離器8の下側に設けられており、後述する如く燃料容器9から導入されたる高濃度のメタノール(液体燃料)の希釈手段として機能する。即ち、このバッファタンク23には本発明の燃料供給経路を構成する燃料供給配管26の一端が接続されており、この燃料供給配管26の他端は前記ジョイント2Bに接続されている。また、燃料供給配管26には図4に別途示すように燃料ポンプ27と逆流防止手段としての電磁弁28が介設されており、特に電磁弁28は燃料ポンプ27の吐出側のバッファタンク23の近傍(燃料供給配管26の一端近傍)に取り付けられている。更に、これら燃料ポンプ27及び電磁弁28はジョイント2B及びバッファタンク23近傍のケース2内に配設される。
燃料容器9のジョイント9Aがケース2のジョイント2Bに着脱可能に接続された状態で、燃料容器9は燃料供給配管26と連通される。そして、前記電磁弁28が開放されると、バッファタンク23と燃料容器9とは燃料供給配管26や燃料ポンプ27を介して連通されることになる。その状態で燃料ポンプ27が運転されると、燃料容器9内の高濃度のメタノールは燃料供給配管26、電磁弁28を経てバッファタンク23に供給されることになる。
バッファタンク23に供給された高濃度のメタノールは、酸化剤排出配管24から導入される生成水によって希釈され、例えば実施例では略3%(或いは0.5mol/L〜2mol/L)の濃度に調整される。バッファタンク23の出口と燃料電池3の燃料供給口17間には希釈燃料供給配管29が接続されており、この希釈燃料配管29には前記補機ユニット6に含まれるもう燃料循環ポンプ31が介設されている。
そして、この燃料循環ポンプ31が運転されると、バッファタンク23内の希釈されたメタノール水溶液(液体燃料)は、希釈燃料供給配管29を通って燃料供給口17から燃料電池3の各燃料電池セル3Aのアノードへ供給される。一方、燃料電池3の各燃料電池セル3Aのカソードへは、前記補機ユニット6に含まれるエアポンプ32によって送り出された空気(酸化剤)が酸化剤供給配管33を通り、酸化剤供給口18から供給される。
各燃料電池セル3Aではアノードに供給されたメタノール水溶液中のメタノールはカソードに供給された空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電を行う。このときのアノード側での反応を(1)に、カソード側での反応を(2)に、全反応を(3)の式で示す。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- ・・・・(1)
O2+4H++4e→2H2O ・・・・(2)
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O ・・・・(3)
このようにして燃料電池3で発電された電力は制御ユニット4に含まれるDC/DCコンバータ36にて所定電圧に調整された後、前述したコネクタ16を介してノートパソコンPC(若しくはそれのバッテリー(二次電池))などに供給されることになる。尚、37は制御ユニット6に含まれる制御基盤であり汎用のマイクロコンピュータにて構成される。また、38〜40はバッファタンク23、燃料電池3、制御基盤37の温度をそれぞれ検出する温度センサ、41、42は燃料電池3の出力電圧・電流を検出する電圧センサ及び電流センサ、43はDC/DCコンバータ36の出力電圧を検出する電圧センサである。これらセンサの出力は制御基盤37に入力され、制御基盤37はこれらの出力に基づいて前記燃料ポンプ27、燃料循環ポンプ31、電磁弁28、エアポンプ32、冷却ファン12などの駆動部品の制御を行う。
O2+4H++4e→2H2O ・・・・(2)
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O ・・・・(3)
このようにして燃料電池3で発電された電力は制御ユニット4に含まれるDC/DCコンバータ36にて所定電圧に調整された後、前述したコネクタ16を介してノートパソコンPC(若しくはそれのバッテリー(二次電池))などに供給されることになる。尚、37は制御ユニット6に含まれる制御基盤であり汎用のマイクロコンピュータにて構成される。また、38〜40はバッファタンク23、燃料電池3、制御基盤37の温度をそれぞれ検出する温度センサ、41、42は燃料電池3の出力電圧・電流を検出する電圧センサ及び電流センサ、43はDC/DCコンバータ36の出力電圧を検出する電圧センサである。これらセンサの出力は制御基盤37に入力され、制御基盤37はこれらの出力に基づいて前記燃料ポンプ27、燃料循環ポンプ31、電磁弁28、エアポンプ32、冷却ファン12などの駆動部品の制御を行う。
この場合、制御基盤37は電圧センサ41及び電流センサ42の出力に基づき、燃料電池3の出力が所定の規定値より低下した場合、所定期間電磁弁28を開き(ON)、且つ、燃料ポンプ27を運転(ON)して燃料容器9内の高濃度のメタノールをバッファタンク23に供給する。そして、所定期間経過したら燃料ポンプ27を停止(OFF)し、且つ、電磁弁28を閉じて(OFF)、バッファタンク23への高濃度のメタノールの供給を停止する。このようにして間欠的に燃料電池ポンプ27及び電磁弁28をON−OFFし、バッファタンク23内のメタノール水溶液の濃度を前述の値に調整して燃料電池3における発電を維持する。
ここで、バッファタンク23内は酸化剤排出配管24などを介してエアポンプ32などから加圧されているため、電磁弁28が無い場合に燃料ポンプ27が停止すると、バッファタンク23内で希釈されたメタノール水溶液が入口から燃料供給配管26に逆流入してしまう。希釈されたメタノール水溶液が燃料供給配管26に逆流すると、高濃度のメタノールを供給ために燃料ポンプ27を運転させても、バッファタンク23には希釈されたメタノール水溶液が戻る結果となり、バッファタンク23内のメタノール水溶液の濃度が急激に低下して燃料電池3の発電が停止してしまう問題が生じる。
しかしながら、本発明では燃料供給配管26に電磁弁28を設けており、制御基盤37が前述したようにこの電磁弁28を燃料ポンプ27の運転(ON)−停止(OFF)に同期して開(ON)−閉(OFF)するので、燃料ポンプ27の停止中は燃料供給配管26の流路を閉じておくことができる。これにより、燃料ポンプ27の停止中にバッファタンク23から燃料供給配管23にメタノール水溶液が逆流する不都合が防止されるので、燃料電池セル3Aのアノードに適切な濃度のメタノール水溶液を安定的に供給し、燃料電池3の発電能力の安定化を図ることができるようになる。
特に、電磁弁28を燃料供給配管26のバッファタンク23近傍に設けているので、バッファタンク23からの拡散によって燃料供給配管26に逆流するメタノール水溶液も最小限に抑えることができるようになる。また、電磁弁28より燃料容器9側の燃料供給配管26に後述するサブタンクなどの部品を追加することも可能となる。
特に、実施例のように燃料ポンプ27の運転(ON)−停止(OFF)に同期して開(ON)−閉(OFF)する電磁弁28を設ければ、燃料容器9からバッファタンク23に円滑に高濃度のメタノールを供給しながら、バッファタンク23からのメタノール水溶液の逆流も確実に防止することが可能となる。
尚、上記実施例では電磁弁28を設けて逆流を防止したが、それに限らず、燃料供給配管26のバッファタンク23近傍に逆止弁を設けても良い。この場合逆止弁は燃料容器9からバッファタンク23へのメタノールの通過を許容し、当該バッファタンク23から燃料容器9へのメタノール水溶液の通過を阻止する方向で取り付ける。このようにすれば、前述した電磁弁28を設ける場合に比較して簡単な構成でバッファタンク23からのメタノール水溶液の逆流を防止することが可能となる。
ここで、図5は前記燃料容器9の透視斜視図を示している。略矩形状の外装ケース46と、この外装ケース46内に収納された燃料袋47(図6)とから構成され、外装ケース46の下端部に前記ジョイント9Aが形成されている。前記燃料袋47は、例えば耐メタノール性の可撓性を有するシート二枚を重ね合わせ、周囲を溶着することにより構成されており、内部に高濃度のメタノールが充填される。また、燃料袋47は、図7に示す如く4箇所の溶着部48A〜48Dにて五つの区画47A〜47Eに仕切られており、各区画47A〜47Eは連通部49、49にて内部が相互に連通されている。また、実施例では区画47Bに出口47Fが設けられている。
そして、このような燃料袋47は各溶着部48A〜48Dにて図8の如く渦状に折り畳まれ、その状態で外装ケース46内に収納される。そして、出口47Fが前記ジョイント9Aに接続される。このように、燃料袋47内を複数の区画47A〜47Eに仕切り、折り畳んで外装ケース46内に収納したので、燃料容器9の向き(燃料電池システム1自体の向き)に関わらず、天地無用で前記燃料ポンプ27により燃料袋46から高濃度のメタノールを取り出すことができるようになる。また、燃料袋47は外装ケース46内に略隙間無く収納されるので、外装ケース46内に生じる無効空間も最小限にして体積効率を向上させることができるようになる。
次に、図9は本発明の他の実施例の燃料電池システム1の燃料供給配管26周辺の構成図を示している。尚、図9はこの場合の燃料電池システム1の燃料容器9からバッファタンク23までの間の構成を抽出して示しており、その他の部分は図3と同様である。この場合、燃料供給配管26には図3、図4の場合の電磁弁28の代わりに、燃料ポンプ27の吐出側及び吸込側に流路切換手段としての三方弁51(電磁弁1)及び三方弁52(電磁弁2)が接続されている。この三方弁51には更に気泡回収配管54の一端が接続され、この気泡回収配管54の一端は燃料供給配管26の上部に連通すると共に、気泡回収配
管54の他端は大気開放型の燃料サブタンク53の上部に形成された入口に接続されている。この燃料サブタンク53は上端部の適所が大気に開放されている。また、燃料サブタンク53の下端に形成された出口は燃料流出配管56を介して三方弁52に接続されている。これら燃料サブタンク53や三方弁51、52、燃料ポンプ27によりこの場合の本発明の気泡回収手段が構成される。
管54の他端は大気開放型の燃料サブタンク53の上部に形成された入口に接続されている。この燃料サブタンク53は上端部の適所が大気に開放されている。また、燃料サブタンク53の下端に形成された出口は燃料流出配管56を介して三方弁52に接続されている。これら燃料サブタンク53や三方弁51、52、燃料ポンプ27によりこの場合の本発明の気泡回収手段が構成される。
上記三方弁51は燃料供給配管26のバッファタンク23近傍に設けられ、通電(ON)されて燃料ポンプ27とバッファタンク23間の燃料供給配管26の流路を開き、気泡回収配管54を燃料供給配管26から切り離す。即ち、燃料サブタンク53の入口を燃料供給配管26に連通させない。また、非通電(OFF)となると、燃料供給配管26の燃料ポンプ27吐出側を気泡回収配管54に連通させ、バッファタンク23側を燃料ポンプ27及び気泡回収配管54から切り離す。即ち、バッファタンク23の入口と燃料供給配管26の燃料ポンプ27側とを非連通状態とする。
三方弁52は非通電(OFF)の状態で燃料容器9と燃料ポンプ27間の燃料供給配管26の流路を開き、燃料流出配管56を燃料供給配管26から切り離す。即ち、燃料サブタンク53の出口を燃料供給配管26に連通させない。また、通電(ON)されると、燃料供給配管26の燃料ポンプ27吸込側を燃料流出配管56に連通させ、燃料容器9側を燃料ポンプ27側から切り離す。即ち、燃料容器9と燃料供給配管26の燃料ポンプ27側とを非連通状態とする。
そして、これら三方弁51、52も前述した制御基盤37によって制御される。この場合、燃料サブタンク53には内部のメタノールの量を検出する水位センサ57が設けられると共に、ジョイント2B近傍の燃料供給配管26(透明パイプから構成される)にも光によって燃料切れを検知する水位センサ58が設けられる。また、ケース2の燃料容器取付部2Aには燃料容器9の着脱を検出するための燃料容器スイッチ(或いはセンサ)59が設けられ、それらの出力は何れも制御基盤37に入力される。
以上の構成で、次に図10〜図19のフローチャート及び図20〜図24の動作説明図を参照しながら、この場合の燃料電池システム1の動作を説明する。図10〜図19は前記制御基盤37の前述したマイクロコンピュータによる制御フローチャートであり、図10はそのうちのメインフローチャートを示している。制御基盤37のマイクロコンピュータは、運転開始から先ず図10のステップS1でシステム起動処理を行う。図11はこのシステム起動処理のフローチャートである。マイクロコンピュータは図11のステップS4で初期設定を行い、三方弁51及び52をOFF状態とし、カートリッジ準備待ちフラグをOFF、起動時フラグをONにする。次にステップS5で高濃度燃料供給準備処理を実行する。
図12はこの高濃度燃料供給準備処理のフローチャートである。マイクロコンピュータは図12のステップS10で燃料供給元の判定処理を実行する。図13はこの燃料供給元の判定処理のフローチャートを示している。マイクロコンピュータは図13のステップS15で先ず燃料容器スイッチ59に基づき、燃料容器9(カートリッジ)のジョイント9Aがケース2のジョイント2Bに接続されているか否か判断する。そして、接続されていない場合にはステップS21で図示しない警告ランプなどによりカートリッジ無し(燃料容器無し)警告を発報する(図24の状態)。次に、ステップS23で燃料サブタンク53内のメタノールの量が下限水位(L)以下か否か判断し、下限水位(L)より上の場合にはステップS24で燃料の供給元として燃料サブタンク53を選択し、三方弁52をONする。また、下限水位(L)以下のときはステップS25でシステムを停止する。
一方、ケース2の燃料容器取付部2Aに燃料容器9がセットされ、ジョイント2Bにジョイント9Aが接続された場合、マイクロコンピュータはステップS15からステップS16に進み、システム起動時か否か判断する。現在は起動時フラグはONされているのでマイクロコンピュータはステップS16からステップS19に進み、水位センサ57により燃料サブタンク53内のメタノールの量が上限水位(H)以上か否か判断する。
今、燃料サブタンク53内のメタノールの量は上限水位(H)より低いものとすると、マイクロコンピュータはステップS19からステップS20に進み、燃料供給元として燃料容器9(カートリッジ)を選択すると共に、三方弁52をOFF状態とする。次に、図12のステップS11で燃料ポンプ27を運転(ON)し、ステップS12でマイクロコンピュータがその機能として有するタイマーがカウント終了するまでステップS10〜ステップS12を繰り返す。
このとき、三方弁51及び52はOFFなっているので、燃料ポンプ27が運転されると燃料容器9内(前記燃料袋57内)から高濃度のメタノールが汲み出され、燃料供給配管26を経て燃料ポンプ27に吸い込まれる。そして、燃料ポンプ27から吐出され、気泡回収配管54を経て燃料サブタンク53に流入していく。このとき、燃料供給配管26内に混入した気泡も同時に燃料サブタンク53内に回収される(図20の状態)。
このような燃料サブタンク53への気泡回収運転が所定時間(この時間は数秒間。即ち、燃料サブタンク53が上限水位(H)から上昇して溢れない時間であって、燃料供給配管26内の気泡を確実に回収可能な時間)実行され、前記タイマーのカウントが終了すると、マイクロコンピュータはステップS12からステップS13に進み、燃料ポンプ27を停止(OFF)して燃料サブタンク53への気泡回収運転を終了する。そして、ステップS14で起動時フラグをOFFにする。
次に、ステップS6で三方弁51をONし、燃料ポンプ27を運転して燃料容器9からバッファタンク23に高濃度のメタノールを供給し、バッファタンク23内で希釈して希釈燃料(メタノール水溶液)を準備し、次に、ステップS7で燃料循環ポンプ31を運転(ON)し、ステップS8でエアポンプ32を運転(ON)する。これによって、燃料電池セル3Aのアノードにはメタノール水溶液が、また、カソードには酸化剤である空気が供給され、前述した電気化学反応が始まる。そして、この電気化学反応によって燃料電池3の温度は上昇していく。マイクロコンピュータは次にステップS9でスタック(燃料電池3)の昇温待ち運転を実行する。
図14はこのスタックの昇温待ち運転のフローチャートを示している。マイクロコンピュータステップS26で初期設定を行った後、ステップS27で燃料濃度制御処理を実行する。この燃料濃度制御処理はメインフローチャートに並行して逐次実行されるもので、図15にそのフローチャートを示す。マイクロコンピュータは先ずステップS29で前述した図13の燃料供給元の判定処理を実行する。この場合はシステム起動フラグはOFFされているので、ステップS16からはステップS17に進み、カートリッジ準備完了か否か判断する。このとき、カートリッジ準備待ちフラグはOFFしているのでステップS18に進み、水位センサ58が燃料切れを検知したか否か判断する。
ジョイント2B近傍の燃料供給配管26にメタノールが無いときはステップS22で図示しないランプにより燃料切れ警告を発報した後、ステップS23に進む。ジョイント2B近傍の燃料供給配管26にメタノールがあり、燃料切れでは無い場合にはステップS19に進み、燃料サブタンク53のメタノールの量が上限水位(H)以上か否か判断し、以上の場合にはステップS24に進んで燃料の供給元として燃料サブタンク53を選択し、三方弁52をONする。即ち、燃料サブタンク53内のメタノールの量が上限水位(H)以上ある場合には三方弁52をONし、以後の燃料ポンプ27の運転で燃料サブタンク5
3からメタノールが汲み出されるようにし、燃料サブタンク53のメタノールが上限水位(H)より少なくなったらステップS19からステップS20に進んで三方弁52をOFFすることにより、常に燃料サブタンク53内のメタノールの量を上限水位(H)以下にする。
3からメタノールが汲み出されるようにし、燃料サブタンク53のメタノールが上限水位(H)より少なくなったらステップS19からステップS20に進んで三方弁52をOFFすることにより、常に燃料サブタンク53内のメタノールの量を上限水位(H)以下にする。
次に、マイクロコンピュータは図15のステップS30で燃料電池3の出力に基づいてバッファタンク23内の濃度を判定し、出力が低く濃度が低いと判定した場合にはステップS33で燃料追加処理を実行する。この燃料追加処理を図16に示す。マイクロコンピュータは三方弁51をONし、ステップS39で燃料ポンプ27を運転(ON)する(図21の状態)。そして、ステップS40でマイクロコンピュータがその機能として有するタイマーをカウントし、そのカウントが終了するまでその状態(三方弁51ON、燃料ポンプ27ON)を維持する。そして、所定期間が経過してタイマーがカウント終了したらステップS41で燃料ポンプ41を停止(OFF)し、ステップS42で三方弁51をOFFする。
このように間欠的に燃料ポンプ27及び三方弁51をON−OFFしてサブタンク23内のメタノール水溶液の希釈濃度を前述した実施例と同様の濃度に維持する。また、この三方弁51のOFFにより、前述の実施例の場合同様にバッファタンク23からの燃料供給配管26へのメタノール水溶液の逆流が防止される。また、三方弁51もバッファタンク23近傍にあるので拡散も最小限になる。
次に、マイクロコンピュータは図15のステップS34で燃料容器(カートリッジ)9が準備完了か否か判断する。このときもカートリッジ準備待ちフラグはOFFしているのでステップS31に進み、燃料容器スイッチ59により燃料容器9の脱着を検知したか否か判断し、検知していなければステップS32で運転・停止判定を行い、システム停止の操作が成されない限り、マイクロコンピュータはこの燃料濃度制御処理を逐次繰り返し実行する。次に、マイクロコンピュータは図14のステップS28で温度センサ39の出力に基づき、燃料電池3の温度がその動作に必要な温度まで昇温したか否か判断し、昇温していなければステップS27を繰り返し、昇温したらステップS2の定常運転に移行する。
図18はこの定常運転のフローチャートを示している。この定常運転ではマイクロコンピュータはステップS49で初期設定を行った後、ステップS50で図15の燃料濃度制御処理を実行する。そして、ステップS51で運転・停止の判定を行い、システム停止の操作が成されていなければステップS50に戻って繰り返す。
ここで、燃料容器9内の高濃度のメタノールが空になり、図13のステップS18で燃料切れが検知されると、ステップS22でランプにより燃料切れ警告を発報した後、ステップS23に進む。このとき、燃料サブタンク53内にその下限水位(L)以上のメタノールがあればステップS24でマイクロコンピュータは燃料供給元として燃料サブタンク53を選択し、三方弁52をONする(図22の状態)。
また、ステップS22で燃料切れが警告されたことを受けて使用者が燃料容器9を交換するためにケース2の燃料容器取付部2Aから取り外すと、マイクロコンピュータは燃料容器スイッチ59でそれを検知するので、図15のステップS31からステップS37に進んでカートリッジ準備待ちフラグをONする。また、図13ではステップS15からステップS21を経てステップS23に進むようになるので、このとき、燃料サブタンク53内にその下限水位(L)以上のメタノールがあればステップS24でマイクロコンピュータは燃料供給元として燃料サブタンク53を選択し、三方弁52をONする(図23の状態)。
これらにより、燃料サブタンク53内に下限水位(L)以上のメタノールが回収されている限り、燃料容器9内の燃料が切れても、また、燃料容器9が取り外されても以後の燃料追加処理では燃料サブタンク53からバッファタンク23に高濃度のメタノールが供給されることになるので、係る燃料切れ時にも燃料電池システム1の運転は継続して実行可能となる。尚、燃料サブタンク53内のメタノールが下限水位(L)以下まで減少したら、マイクロコンピュータステップS23からステップS25に進んでシステムを停止することになる。
そして、使用者が新たな燃料容器9を燃料容器取付部2Aに取り付け、ジョイント2Bにジョイント9Aを接続してもカートリッジ準備待ちフラグが依然ONであるので、図13のステップS17からはステップS23に進むことになる。一方、マイクロコンピュータは図15のステップS34からステップS35に進み、燃料サブタンク53内のメタノールの量が上限水位(H)以上か否か判断し、それより少なったらステップS36に進み、カートリッジ配管脱泡処理を実行する。
図17はこのカートリッジ配管脱泡処理のフローチャートを示している。マイクロコンピュータはステップS43で三方弁52をOFFし、ステップS44で燃料ポンプ27を運転(ON)し、ステップS45でマイクロコンピュータがその機能として有するタイマー(図12と同様のタイマー)がカウント終了するまで三方弁52のOFFと燃料ポンプ27の運転(ON)を継続する。
この時点ではステップS33の処理を終了して三方弁51はOFFなっているので、燃料ポンプ27が運転されると燃料容器9内(前記燃料袋57内)から高濃度のメタノールが汲み出され、燃料供給配管26を経て燃料ポンプ27に吸い込まれる。そして、燃料ポンプ27から吐出され、気泡回収配管54を経て燃料サブタンク53に流入していく。これにより、燃料容器9の脱着によって燃料供給配管26内に混入した気泡も同時に燃料サブタンク53内に回収される(図20の状態)。
このような燃料サブタンク53への気泡回収運転を前述同様の所定時間実行し、前記タイマーのカウントが終了すると、マイクロコンピュータはステップS45からステップS46に進み、燃料ポンプ27を停止(OFF)して燃料サブタンク53への気泡回収運転を終了する。そして、ステップS47でカートリッジ準備待ちフラグをOFFにする。このカートリッジ準備待ちフラグがOFFされたことで、以後はステップS17からステップS18に進むようになるので、以後は前述した運転に復帰する。
そして、使用者によりシステム停止の操作が成されると、マイクロコンピュータはステップS51からステップS3に進んでシステム停止処理を実行する。図19はこのシステム停止処理のフローチャートを示している。マイクロコンピュータはステップS52で初期設定を行い、ステップS53で図15の燃料濃度制御処理を実行する。そして、ステップS54で運転・停止判定を行い、システム停止の操作がされているので、ステップS55で停止処理を実行することになる。
以上のようにこの場合の構成によれば燃料供給配管26中の気泡を燃料サブタンク53に回収することができる。これにより、燃料容器9の着脱時などに燃料供給配管26中に混入した気泡を円滑に回収し、燃料電池セル3Aのアノードに空気が流入して発電不能に陥る不都合を未然に回避して、発電能力の安定化を図ることができるようになる。
特に、実施例のように燃料供給配管26に燃料ポンプ27と、燃料サブタンク53や三方弁51、52を用い、三方弁51、52をOFFして燃料サブタンク53の入口を燃料供給配管26に連通させ、燃料ポンプ27を運転することにより、燃料供給配管26中の気泡を燃料サブタンク53内に回収するようにしているので、燃料供給配管26中に混入した気泡を高濃度のメタノールと共に確実且つ迅速に燃料サブタンク53内に回収することができる。
そして、三方弁51、52をONし、燃料サブタンク53の出口を燃料供給配管26に連通させ、燃料ポンプ27を運転することにより、燃料サブタンク53内の高濃度のメタノールをバッファタンク23に供給するようにしたので、交換のために燃料容器9を外している間も、燃料サブタンク53内に回収した高濃度のメタノールをバッファタンク23に供給して燃料電池3による発電を継続することが可能となる。
尚、燃料容器9に収容される液体燃料としては実施例では略100%のピュアメタノールを想定して説明したが、それに限らず、安全性を考慮して20mol/L程の高濃度のメタノール水溶液が燃料容器9内に収容される場合にも本発明は有効である。また、上記各実施例では液体燃料としてメタノールを使用するDMFCから成る燃料電池システムに本発明を適用したが、それに限らず、液体燃料を希釈して使用して発電を行う燃料電池システム全般に本発明は有効である。
1 燃料電池システム
3 燃料電池
3A 燃料電池セル
8、8A、8B 気液分離器
9 燃料容器
11、11A、11B 熱交換器
23 バッファタンク
26 燃料供給配管
27 燃料ポンプ
28 電磁弁(逆流防止手段)
31 燃料循環ポンプ
37 制御基盤
46 外装ケース
47 燃料袋
47A〜47E 区画
51、52 三方弁(気泡回収手段、流路切換手段)
53 燃料サブタンク(気泡回収手段)
3 燃料電池
3A 燃料電池セル
8、8A、8B 気液分離器
9 燃料容器
11、11A、11B 熱交換器
23 バッファタンク
26 燃料供給配管
27 燃料ポンプ
28 電磁弁(逆流防止手段)
31 燃料循環ポンプ
37 制御基盤
46 外装ケース
47 燃料袋
47A〜47E 区画
51、52 三方弁(気泡回収手段、流路切換手段)
53 燃料サブタンク(気泡回収手段)
Claims (1)
- 液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、
電気化学反応により発電を行う燃料電池セルと、
高濃度の液体燃料を希釈して前記燃料電池セルのアノードに供給するためのバッファタ
ンクと、
該バッファタンクに高濃度の液体燃料を供給するための燃料供給経路と、
高濃度の液体燃料を収容し、前記燃料供給経路に着脱可能に接続される燃料容器とを備え、
該燃料容器は、外装ケースと、該外装ケース内に収納され、内部に液体燃料が充填された燃料袋とから構成され、
該燃料袋は、相互に連通された複数の区画を有し、前記外装ケース内に折り畳まれた状態で収納されることを特徴とする燃料電池システム。
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JP2005011560A (ja) * | 2003-06-17 | 2005-01-13 | Fuji Photo Film Co Ltd | 燃料タンクおよび携帯機器 |
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