JP2008066201A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 カートリッジ交換時に燃料不足が生じるのを防ぐことの可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料カートリッジ２３が燃料電池１に取り付けられると、燃料カートリッジ２３の供給口２３ｂから燃料電池１の流入口１０２を介して、まずバッファタンク１０５に燃料が供給される。バッファタンク１０５に供給された燃料は、ベローズ１０６と液体ポンプ１０７とに供給される。ベローズ１０６に取り付けられたバネ１０８の力によりベローズ１０６は縮むことなく、ベローズ１０６に供給された燃料はベローズ１０６内に蓄えられる。燃料カートリッジ２３を取り外すと、ベローズ１０６が収縮することでベローズ１０６内に貯えられた燃料を使用することができる。これにより燃料カートリッジ２３を交換する際も、一定時間は燃料の供給量を落とすことなく発電を継続することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料の供給機構に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、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。ＤＭＦＣは発電の際に排出される未使用燃料を再度発電のために使用することができるため、小型で長時間運転が求められる電子機器の電源として適している。

燃料が充填されたカートリッジを交換することで燃料の補充を行う燃料電池システムでは、カートリッジ内の燃料が不足した場合に、カートリッジの交換を行う必要がある。カートリッジ内の燃料が尽きた場合には新たなカートリッジを交換する必要があり、燃料電池が発電をしたままの状態でカートリッジを交換すると、新たなカートリッジが装着されるまでの間は燃料供給が途絶えることになり、必要な燃料濃度を下回る可能性がある。

特許文献１には、液体燃料を貯留する燃料タンクと、液体燃料を改質して得られた水素を一時的に貯蔵する水素予備室を備えた水素カートリッジが記載されている。少量の液体燃料を改質して大量の水素を得ることができる。燃料供給手段から改質器へ液体燃料を供給してから水素を得るまでにはある程度の時間が必要であるため、水素予備室に予めある程度の水素を貯蔵しておくことにより、水素カートリッジの水素供給の応答性が良好となる。
特開２００５−２９８３０２号公報

しかし、上記の方式の場合、液体燃料を供給してから水素を得るまでの間に水素を溜めておくことは可能であるが、カートリッジの交換時には供給が途切れてしまうという問題があった。

そこで本発明は、カートリッジ交換時に燃料不足が生じるのを防ぐことの可能な燃料電池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に係る燃料電池は、液体燃料と空気を化学反応させることにより発電を行う発電部を有する燃料電池において、本体と、前記液体燃料を収容するとともに、前記本体に着脱可能な燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジから第１の流路を介して液体燃料が供給される第１のタンクと、前記第１のタンクから第２の流路を介して液体燃料が供給される第２のタンクと、を備え、前記第１のタンクは、前記燃料カートリッジが取り付けられると前記第１の流路を介して前記燃料カートリッジから供給される液体燃料を貯えるとともに、前記燃料カートリッジが取り外されると前記第１のタンクに貯えられた液体燃料を前記第２の流路を介して前記第２のタンクに供給することを特徴とする。

本発明によれば、カートリッジ交換時に燃料不足が生じるのを防ぐことの可能な燃料電池を提供することができる。

以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。燃料電池１は例えばノート型コンピュータ１０の外部電源として用いられる。この燃料電池１はダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。メタノールと水を混合した予混合液を燃料とし、この予混合液を空気中の酸素と電解質膜で化学反応させることによって発電させる。このＤＭＦＣは、水素を燃料に用いる燃料電池よりも取り扱いが容易で、装置全体を小型にまとめることができる。

燃料電池１は、略直方体に形成された本体１１と、本体１１の底に沿って平坦に延出した載置部１２とを有している。本体１１の壁部には多数の通気孔１１ａが形成されている。本体１１の内部には後述する発電部が納められている。本体１１の一部は、カバー１１ｂとして取り外せるように形成されている。本体１１のカバー１１ｂを取り外した部分には後述する燃料タンクが入れられている。

載置部１２は、ノート型コンピュータ１０の後部とドッキングできるように形成されている。載置部１２の内部には、後述する制御部が設けられている。制御部は発電部の動作を制御する。載置部１２の上面には、ノート型コンピュータ１０を連結するロック機構１３と、燃料電池１から電力をノート型コンピュータ１０に供給するためのコネクタ１４とが設けられている。

ロック機構１３は、載置部１２上の３箇所に配置されており、それぞれ位置決め突起１３ａとフック１３ｂとを備える。ノート型コンピュータ１０の後部底面には、ロック機構１３に連結される係合孔、およびコネクタ１４に接続されるソケットが設けられている。

ノート型コンピュータ１０が載置部１２に押し当てられると、ロック機構１３がノート型コンピュータ１０の係合孔に挿入される。フック１３ｂによって載置部１２にノート型コンピュータ１０が保持される。その結果、ノート型コンピュータ１０のソケットがコネクタ１４と電気的に接続される。この状態で、本体１１に設けられたスイッチがオンにされると、燃料電池１は、発電を開始する。

載置部１２は、さらにイジェクトボタン１５を備える。このイジェクトボタン１５を押すと、ロック機構１３のフック１３ｂが解除され、ノート型コンピュータ１０を燃料電池１から取り外すことができるようになる。

図３は燃料電池の発電システムの系統図である。図４は発電部のセル構造を模式的に示した図である。燃料電池１は、発電部２０と、燃料電池１の動作を制御する制御部２１とを備えている。制御部２１は発電部２０の制御を行う他、ノート型コンピュータ１０との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部２０は本体１１内に設けられており、制御部２１は載置部１２内に設けられている。

発電部２０は、発電を行うための中心となるスタック２２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ２３を備えている。スタック２２は、化学反応によって発電を行う発電部として機能する。燃料カートリッジ２３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ２３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。

発電部２０は燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。液体流路には、燃料カートリッジ２３の出力部に配管接続された燃料ポンプ２４、燃料ポンプ２４の出力部に配管を介して接続された混合タンク２５、混合タンク２５の出力部に接続された送液ポンプ２６が設けられる。送液ポンプ２６の出力部は配管９１を介してスタック２２のアノード（燃料極）２７に接続される。配管９１は、混合タンク２５からスタック２２にメタノール水溶液を送出するための流路を規定している。

混合タンク２５には気液分離膜２５ａが設けられる。発電反応に伴って生成され、混合タンク２５へ還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、配管９４ａを介して湿った空気とともに最終的には排気口５８から外部へ排気される。気液分離膜２５ａを通して空気中に飛沫したメタノール及び空気は、排気フィルタ６０を通過することで回収除去される。

送液ポンプ２６とスタック２２との間で、配管９１にはイオンフィルタ２８が設けられている。混合タンク２５の出力部は、送液ポンプ２６、イオンフィルタ２８を介してアノード（燃料極）２７に接続されている。イオンフィルタ２８は例えば金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管９１を介して混合タンク２５からスタック２２に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。

アノード２７の出力部は配管９２を介して混合タンク２５の入力部に接続されている。配管９２は、スタック２２のアノード２７から排出される排出流体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素、を混合タンク２５に戻す流路を規定している。配管９２には放熱フィン２９が取り付けられている。放熱フィン２９は、アノード２７から排出されるメタノール水溶液を冷却するアノード冷却部として機能する。放熱フィン２９の近傍には冷却ファン３０が取り付けられている。アノード２７から排出されるメタノール水溶液の温度は例えば６０℃以上である。このメタノール水溶液の温度は、放熱フィン２９を通過することにより、例えば４５℃〜５０℃程度にまで低下される。上述した燃料カートリッジ２３、燃料ポンプ２４、混合タンク２５、送液ポンプ２６は、スタック２２に燃料を供給する燃料供給部を構成している。

一方、気体流路には、吸気口５０、送気ポンプ５１が設けられる。送気バルブ５２が配置された配管９３を介して、送気ポンプ５１がスタック２２のカソード（空気極）５３に接続される。配管９４ａ、９４ｂを介して、凝縮器５４がカソード５３の出力部に接続される。また、混合タンク２５の出力部は、混合タンクバルブ５９が配置された配管９４ａを介して凝縮器５４に接続されている。凝縮器５４は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５４と排気バルブ５７は配管９６、９８を介して接続され、凝縮器５４と排気バルブ５７との間には排気フィルタ６０と温度センサ６１が設けられる。

凝縮器５４は、カソード５３の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器５４には図示しないフィンが備えられ、水蒸気を効果的に凝縮する。凝縮器５４に対向して冷却ファン５５が配設されている。凝縮器５４による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５３の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク５６から配管９６を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。

後に詳述するように、発電反応に伴って発電部２０のアノード２７側には二酸化炭素が生成され、カソード５３側には水（水蒸気）が生成される。アノード２７側で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溶液は、配管９２を通り放熱フィン２９で冷却された後、混合タンク２５に還流する。

混合タンク２５に還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、混合タンク２５から配管９４ａを通って、カソード５３からの配管９４ｂに合流される。二酸化炭素は、湿り空気とともに排気フィルタ６０に通される。二酸化炭素と湿り空気は排気バルブ５７を介して、最終的には排気口５８から外部へ排気される。気液分離膜２５ａを通して空気中に飛沫したメタノール及び空気は、排気フィルタ６０を通過することで回収除去される。

次に、燃料電池１における発電部２０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。図４に示すように、まず、燃料カートリッジ２３内の高濃度メタノールは、燃料ポンプ２４によって、混合タンク２５に供給される。混合タンク２５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード２７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノール水溶液が生成される。低濃度メタノール水溶液の濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６２の検出結果を基に燃料電池１の制御部２１が、燃料ポンプ２４によって混合タンク２５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク２５に環流する水の量を水回収ポンプ６３等で制御することによって実現できる。

混合タンク２５には、混合タンク２５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６４や、温度を検出する温度センサ６５が設けられ、これらセンサの検出結果は制御部２１に送られて発電部２０の制御などに使用される。

混合タンク２５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ２６によって、配管９１を介してスタック２２へ圧送され、アノード２７に注入される。送液ポンプ２６からのメタノール水溶液はイオンフィルタ２８によって金属イオンが除去された後に、スタック２２のアノード２７に送られる。図４に示すように、アノード２７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はスタック２２内の固体高分子電解質膜７０を透過してカソード５３に達する。

アノード２７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク２５に環流する。この場合、アノード２７から排出されるメタノール水溶液は放熱フィン２９および冷却ファン３０によって冷却され、混合タンク２５に送られる。二酸化炭素は混合タンク２５内で気化し、混合タンクバルブ５９を介して、凝縮器５４へ向かい、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。

空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５１により、吸気口５０から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５２から配管９３を介しスタック２２のカソード（空気極）５３に供給される。カソード５３では、酸素（Ｏ2）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ-）と、アノード２７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）とから水（Ｈ2Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５３から排出され、凝縮器５４に入る。凝縮器５４では、冷却ファン５５によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５６内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ６３によって混合タンク２５へと環流し、高濃度メタノールを希釈する循環システムが構成される。

アノード２７から配管９２を介して混合タンク２５に還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、混合タンク２５から配管９４ａを通る。混合タンク２５からの配管９４ａはカソード５３からの配管９４ｂと合流される。カソード反応で生じた湿り空気は配管９４ｂを通って凝縮器５４に通される。配管９４ａ、９４ｂを通る気体は、カソード反応で生じた湿り空気と、気液分離膜２５ａを通過した二酸化炭素と、を含むため高温多湿になっている。また、凝縮器５４で凝縮されずに残る湿り空気は、配管９６に導入される。スタック２２から排出する気体に含まれるメタノール成分を清浄化し、無害化し、放出しなくてはならないため、排気フィルタ６０をスタック２２より下流側に設けている。排気フィルタ６０で無害化された気体は排気口５８から燃料電池１の外に放出される。

図５は燃料カートリッジの取付け部を示す斜視図である。図６は燃料カートリッジとバッファタンクの接続部を示す上面図である。燃料電池１は図１に示すカバー１１ｂを取り外すと、燃料カートリッジ２３を交換することができる。燃料カートリッジ２３には、燃料電池１に装着するための取付け部２３ａが設けられている。取付け部２３ａには燃料カートリッジ２３内の燃料を燃料電池１に供給するための供給口２３ｂが設けられている。

燃料電池１のカバー１１ｂを取り外すと、燃料電池１の内面１１ｃには燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと嵌合する嵌合部１０１とともに、供給口２３ｂと嵌合する流入口１０２が設けられている。燃料カートリッジ２３の供給口２３ｂから流入口１０２を介して、燃料電池１の内部に燃料が供給される。

燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと、燃料電池１の嵌合部１０１とは着脱可能となるように形成されている。また、燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと燃料電池１の嵌合部１０１との着脱を検知する。燃料カートリッジ２３と燃料電池1には図示しないバルブが設けられ、燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと燃料電池１の嵌合部１０１との着脱を検知して、バルブの開閉を制御する。例えば、燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと嵌合部１０１とに端子を設け、端子同士が接触したことを検知して燃料カートリッジ２３の着脱を検知することができる。

燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと燃料電池１の嵌合部１０１とが取り付けられると、燃料カートリッジ２３から燃料電池１内に燃料が流れるようにバルブが開かれる。燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと燃料電池１の嵌合部１０１とが取り外されると、取り外されたことを検知して、燃料が漏れないように、バルブが閉じられる。

また、燃料電池１の内面１１ｃには押さえ棒１０３が摺動自在に設けられている。燃料カートリッジ２３を燃料電池１に取り付けると、燃料カートリッジ２３の取付け部２３ａと燃料電池１の嵌合部１０１とが嵌合するとともに、燃料カートリッジ２３の端面２３ｃに押されて押さえ棒１０３が燃料電池１の内面１１ｃよりも内部に入り込む。

燃料カートリッジ２３が燃料電池１に取り付けられると、燃料カートリッジ２３の供給口２３ｂから燃料電池１の流入口１０２を介して、まずバッファタンク１０５に燃料が供給される。バッファタンク１０５に供給された燃料は、ベローズ１０６と液体ポンプ１０７とに供給される。ベローズ１０６に取り付けられたバネ１０８の力によりベローズ１０６は縮むことなく、ベローズ１０６に供給された燃料はベローズ１０６内に蓄えられる。押さえ板１０９には押さえ棒１０３とバネ１０８とが取り付けられる。

燃料カートリッジ２３が取り付けられている時は、押さえ棒１０３が押された状態となり、押さえ板１０９は混合タンク２５に当接する。また、押さえ棒１０３が押されることで、ベローズ１０６が伸びた状態が維持される。バッファタンク１０５に貯えられた燃料は流路１２０ａを介して液体ポンプ１０７に供給される。液体ポンプ１０７内の燃料は流路１２０ｂを介して混合タンク２５に送られる。混合タンク２５に送られた燃料は希釈されスタック２２に送られる。

図７は燃料カートリッジが取り外され、バッファタンクから燃料が混合タンクへ供給される時の状態を示す上面図である。上述のように、バッファタンク１０５にはベローズ１０６が設けられており、通常使用時には一定量の燃料を貯めておくことができる。交換のために燃料カートリッジ２３を取り外した時は、混合タンク２５に当接されていた押さえ板１０９が離れ、押さえ棒１０３も外れた状態になる。押さえ棒１０３が外れると、ベローズ１０６が伸びた状態から縮んだ状態になる。燃料カートリッジ２３の供給口２３ｂ、および燃料電池１の流入口１０２は閉鎖されるとともに、ベローズ１０６内に蓄えられていた燃料がバッファタンク１０５から流路１２０ａを介して液体ポンプ１０７へ流れ込む。液体ポンプ１０７に流れ込んだ燃料は続いて、流路１２０ｂを介して混合タンク２５に流れ込む。

燃料カートリッジ２３を取り外すと、ベローズ１０６が収縮することでベローズ１０６内に貯えられた燃料を使用することができる。これにより燃料カートリッジ２３を交換する際も、一定時間は燃料の供給量を落とすことなく発電を継続することができる。

図８は燃料カートリッジが取り付けられ、燃料カートリッジからバッファタンクへ燃料が供給される時の状態を示す上面図である。燃料カートリッジ２３を取り外した後、燃料カートリッジ２３を取り付けると、閉じられていた供給口２３ｂおよび流入口１０２が開き、バッファタンク１０５に燃料が流れ込む。この時、液体ポンプ１０７の吸引力よりもバネ１０８の力を強くしておくと、バッファタンク１０５に流れ込んだ燃料は最初ベローズ１０６に流れ込む。ベローズ１０６に燃料が流れ込み満タンになったら、続いて液体ポンプ１０７に燃料が流れ込む。燃料カートリッジ２３を交換して新たに取り付けた時も、まずベローズ１０６に燃料を流すことで、ベローズ１０６に燃料を貯えておくことができる。

図６乃至図８に示したように、燃料カートリッジ２３を交換するために取り外した時に、ベローズ１０６内に蓄えられた燃料を混合タンク２５に供給することができる。そのため、燃料カートリッジ２３の交換時に燃料供給が急に途絶えるのを防ぐことができる。

図９は本実施形態に係る燃料電池を通常運転した時の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図である。ここでは横軸に時間を取り、縦軸には、ある所望の発電量に対して必要とされる燃料濃度が実線で示されている。縦軸には、他に、供給される燃料の濃度は一点鎖線で示され、燃料供給量は点線で示されている。所望の発電量が一定であれば、その発電量に対して必要とされる燃料濃度は一定である。また、その時の燃料供給量と供給される燃料の濃度は一定になる。

図１０は本実施形態に係る燃料電池の燃料カートリッジを交換した時の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図である。所望の発電量を維持するために必要な燃料の濃度は一定である。燃料が少なくなると燃料カートリッジ２３を交換する必要があるが、燃料カートリッジ２３を取り外すと、再び燃料カートリッジ２３を取り付けるまでの間、燃料の供給は途絶える。燃料カートリッジ２３を交換している間は点線で示すように燃料の供給は途絶えるため、一転鎖線で示すように、供給される燃料濃度は徐々に低下する。燃料カートリッジ２３が取り付けられると、供給される燃料濃度は徐々に上昇し、ある時点で元の水準に戻る。また、燃料供給量は燃料カートリッジ２３を取り付けた直後は多くなるが徐々に少なくなり元の水準に戻る。燃料カートリッジ２３が取り外されてから再び取り付けられるまでの間、必要とされる濃度よりも供給される燃料濃度が小さくなるため、発電出力の低下を防ぐためには燃料を補う必要がある。

図１１は燃料カートリッジ交換時に燃料を多めに供給する場合の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図である。図１０に示したように燃料カートリッジ２３を交換するとき、燃料カートリッジ２３を取り外して再び取り付けるまでの間に、燃料供給が途絶える。そのため、所定の発電に必要な燃料濃度に対して燃料濃度が小さくなる時間が生じるため、出力が足りなくなる場合がある。そのため、燃料カートリッジ２３を取り外す直前に燃料濃度と燃料供給量を多めにしておくことが有効となる。

燃料カートリッジ２３を取り外してから再び取り付けるまでの間に燃料供給量は途絶えるため、燃料濃度は徐々に低下するが、予め供給する燃料濃度を大きくしておくと、再び燃料カートリッジ２３を取り付ける時は、燃料濃度は元の水準に戻っている。燃料カートリッジ２３を取り付けると、燃料供給量も元の水準に戻る。

燃料カートリッジ２３を取り外す直前に燃料濃度と供給量を多くするには、例えばイジェクトボタン１５が押された時に、取り外し可能になるまでタイムラグを設ける方法がある。イジェクトボタン１５が押されてから、例えば数秒間のタイムラグを設け、その間に液体ポンプ１０７の流量を上げて、通常の必要量よりも多くの燃料を吸い出しておくことができる。燃料カートリッジ２３を交換する前に、予め多目に燃料を吸い出しておくことで供給される燃料の燃料濃度が低下するのを防ぐことができる。

図１２は燃料カートリッジ交換時に発電量を低めに一定に保つ場合の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図である。燃料カートリッジ２３を取り外して再び取り付けるまでの間、発電量を低く一定に保つようにすることもできる。発電量が低くなるように制御されれば、実線で示すように発電に必要な燃料濃度も小さくなる。そのため、燃料が供給されなくても、燃料濃度の低下を抑えることができる。燃料カートリッジ２３を取り外すと、再び燃料カートリッジ２３を取り付けるまでの間、燃料の供給量は途絶える。その時、燃料の供給量は途絶えるため、供給される燃料の濃度は徐々に低下する。燃料カートリッジ２３を取り付けると、燃料濃度は徐々に上昇し、元の水準に戻る。燃料供給量は燃料カートリッジ２３の取り付け直後は多くなるが徐々に少なくなり元の水準に戻る。

図１３は燃料カートリッジ交換時に発電量を燃料濃度に応じて供給する場合の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図である。燃料カートリッジ２３を交換するとき、燃料カートリッジ２３を取り外して再び取り付けるまでの間に、燃料供給が途絶える。そのため、燃料カートリッジ２３が交換されるまでの間、供給される燃料濃度は次第に小さくなる。次第に小さくなる燃料濃度に合わせて、燃料電池１の発電量を小さくする方法を取ることもできる。

燃料カートリッジ２３が取り付けられるまでの間は、燃料電池１の発電量を小さくすることで、燃料の不足に対応する。燃料カートリッジ２３が取り付けられて燃料が供給され始めると燃料濃度は徐々に上昇し、元の水準に戻る。

上記のいずれの方法についても、燃料カートリッジ２３を取り外してから、ある一定時間しか燃料を確保できない。ユーザに速やかな交換を促すために、ディスプレイを燃料電池１に設けて燃料カートリッジ２３を交換するまでに許容できる時間を表示したり、警告音を発するなどの方法を採用することができる。また、燃料電池１にインジケータとしてＬＥＤ等を設け、ＬＥＤの点灯や点滅により燃料カートリッジ２３取り外し後の交換を促すこともできる。

燃料が充填されたカートリッジを交換することで燃料の補充を行う燃料電池システムではカートリッジ内の燃料が不足した時、カートリッジの交換を行う必要がある。しかし、燃料電池が発電をしたままの状態でカートリッジを交換すると、新たなカートリッジが装着されるまでの間は燃料供給が途絶えることになり、必要な燃料濃度を下回る可能性がある。また、燃料濃度が不足した状態での発電は電力が不足するだけでなく、スタックの性能劣化にもつながる。従来例では、カートリッジの交換時には供給が途切れてしまうという問題があった。本発明は、カートリッジ交換時にバッファタンクに貯められた液体燃料を活用することで、燃料不足が生じるのを防ぐことが可能となる。

上記ではＤＭＦＣ型の燃料電池を例に説明したが、その他に水素燃料を用いるものや液体燃料を用いる燃料改質型の燃料電池であっても良い。本発明を実施した場合、燃料電池の燃料カートリッジ交換時に燃料不足が生じるのを防ぐことができる。

本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。

本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。 燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。 燃料電池の発電システムの系統図。 発電部のセル構造を模式的に示した図。 燃料カートリッジの取付け部を示す斜視図。 燃料カートリッジとバッファタンクの接続部を示す上面図。 燃料カートリッジが取り外され、バッファタンクから燃料が混合タンクへ供給される時の状態を示す上面図。 燃料カートリッジが取り付けられ、燃料カートリッジからバッファタンクへ燃料が供給される時の状態を示す上面図。 本実施形態に係る燃料電池を通常運転した時の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図。 本実施形態に係る燃料電池の燃料カートリッジを交換した時の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図。 燃料カートリッジ交換時に燃料を多めに供給する場合の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図。 燃料カートリッジ交換時に発電量を低めに一定に保つ場合の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図。 燃料カートリッジ交換時に発電量を燃料濃度に応じて供給する場合の、時間と燃料供給量との関係を模式的に示す図。

符号の説明

１…燃料電池、１０…ノート型コンピュータ、１１…本体、１１ａ…通気孔、１１ｂ…カバー、１２…載置部、１３…ロック機構、１３ａ…突起、１３ｂ…フック、１４…コネクタ、１５…イジェクトボタン、２０…発電部、２１…制御部、２２…スタック、２３…燃料カートリッジ、２４…燃料ポンプ、２５…混合タンク、２５ａ…気液分離膜、２６…送液ポンプ、２７…アノード、２８…イオンフィルタ、２９…放熱フィン、３０…冷却ファン、５０…吸気口、５１…送気ポンプ、５２…送気バルブ、５３…カソード、５４…凝縮器、５５…冷却ファン、５６…水回収タンク、５７…排気バルブ、５８…排気口、５９…混合タンクバルブ、６０…排気フィルタ、６１…温度センサ、６２…濃度センサ、６３…水回収ポンプ、６４…液量センサ、６５…温度センサ、７０…固体高分子電解質膜、１０３…押さえ棒、１０５…バッファタンク、１０６…ベローズ、１０７…液体ポンプ、１０８…バネ、１０９…押さえ板

Claims (6)

1. 液体燃料と空気を化学反応させることにより発電を行う発電部を有する燃料電池において、
   本体と、
   前記液体燃料を収容するとともに、前記本体に着脱可能な燃料カートリッジと、
   前記燃料カートリッジから第１の流路を介して液体燃料が供給される第１のタンクと、
   前記第１のタンクから第２の流路を介して液体燃料が供給される第２のタンクと、を備え、
   前記第１のタンクは、前記燃料カートリッジが取り付けられると前記第１の流路を介して前記燃料カートリッジから供給される液体燃料を貯えるとともに、前記燃料カートリッジが取り外されると前記第１のタンクに貯えられた液体燃料を前記第２の流路を介して前記第２のタンクに供給することを特徴とする燃料電池。
2. 前記第２の流路上に設けられ、前記第１のタンクから前記第２のタンクへ前記液体燃料を送出するポンプを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記燃料カートリッジの取り外しを検知する検知手段を有し、前記検知手段による検知結果に基づいて、前記ポンプを制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記検知手段により前記燃料カートリッジが取り外されたと検知された時、前記ポンプを制御することにより前記バッファタンクからの燃料吸出し量を多くすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記検知手段により前記燃料カートリッジが取り外されたと検知された時、前記発電部による発電量を低減することを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
6. 前記検知手段により前記燃料カートリッジが取り外されたことを表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
   

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