JP2008103090A - 燃料供給容器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、送液ポンプ等の電力を用いることなく、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができ、燃料電池において安定した電力を発電させることである。
【解決手段】 燃料供給容器１は、燃料電池、又は燃料を改質して水素を発生する改質器に向けて、燃料を誘導する燃料流路４０と、燃料を貯留する第１の燃料貯留部２０と、第１の燃料貯留部２０に貯留された燃料を燃料流路４０に押し出す燃料押出部３０と、燃料流路４０の断面積を変化させることにより燃料の流量を制御する流量制御部５０とを備える
。燃料押出部３０は、第１の燃料貯留部２０に貯留された燃料が減少するにつれて、燃料流路４０への燃料の押出力が減少する機構を備えている。流量制御部５０は、上記押出力が減少するにつれて、燃料流路４０の断面積を大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用の燃料供給容器に関するものであり、さらには、かかる燃料供給容器を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードを有する発電部のアノード側に例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、カソード側に酸化用流体例えば酸素や空気を供給し電気化学反応により電力が発生する。

メタノールなどの液体燃料を直接アノード側に供給する場合、また、アノード側に供給される水素ガスを液体燃料の改質により供給する場合においても、燃料流体が貯留される貯留部から燃料電池または、改質器への流体の供給には燃料電池の電力や２次電池に充電された電力により駆動する送液ポンプが用いられる。この場合、送液ポンプの駆動電力が必要となり、燃料電池のエネルギー効率が低下するという問題がある。

そこで、電力を要することなく流体を燃料電池または改質器に供給する構造として、燃料貯留部の液体燃料を機械的に押し出す構造の燃料タンクが提案されている（例えば、特許文献１参照） 。この場合、燃料供給容器をシリンダ構造とし、バネを設置してプランジャにより押圧することで内部の燃料を押し出す。また、燃料供給容器内を弾性膜の隔壁で分離し、燃料貯留部の燃料液体を弾性膜により押し出す構造の燃料供給容器等も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、伸縮自在の弾性膜内に液体燃料を貯留し、弾性膜の張力を利用して液体燃料を押し出す燃料供給容器が開示されている。

これら技術により、改質器または燃料電池側に燃料供給容器内の液体燃料を供給するためのポンプ等を設置しなくても、燃料供給が可能になる。
特開２０００−３１４３７６号公報 特開平４−２２３０５８号公報

しかしながら、バネや弾性体の変位による弾性力によって圧力を得る場合、燃料消費に伴う燃料貯留部の容積変化に伴い、バネや弾性体の変位量が変化するため、燃料流体を押し出す圧力が大きく変化する。

具体的には、燃料供給容器に貯留されている液体燃料が減少するにつれて、上記バネ又は弾性体が変位し、燃料電池又は改質器への液体燃料の押出力は減少する。これにより、燃料供給容器に液体燃料が多く貯留されている当初に比べて、液体燃料の残量が少なくなった場合には、燃料電池又は改質器へ向けて流れる液体燃料（燃料）の流量が少なくなり、燃料電池において安定した電力を発電することができないという問題が生じていた。

そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、送液ポンプ等の電力を用いることなく、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができ、燃料電池において安定した電力を発電させることができる燃料供給容器及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の特徴は、燃料電池、又は燃料を改質して水素を発生する改質器に向けて、前記燃料を誘導する燃料流路と、前記燃料を貯留する燃料貯留部と、前記燃料貯留部に貯留された前記燃料を前記燃料流路に押し出す燃料押出部と、前記燃料流路の断面積を変化させることにより前記燃料の流量を制御する流量制御部とを備え、前記燃料押出部は、前記燃料貯留部に貯留された前記燃料が減少するにつれて、前記燃料流路への前記燃料の押出力が減少する機構を備えており、前記流量制御部は、前記押出力が減少するにつれて、前記燃料流路の断面積を大きくすることを要旨とする。

かかる特徴によれば、燃料流路への燃料の押出力が減少するにつれて、燃料流路の断面積が大きくなるため、当該押出力の大きさに関わらずに燃料流路を流れる燃料の流量を略一定にすることができ、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができる。

また、流量制御部が上記押出力を利用して燃料流路の断面積を調整している。このため、上記押出力を利用して流量制御部を駆動させることができるため、流量制御部を駆動させる電気的な電力源が無くても、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができる。

本発明の第２の特徴は、前記流量制御部が、前記燃料流路の断面を塞ぐ方向に移動可能に支持された移動部材と、前記押出力が減少するにつれて前記方向に前記移動部材を移動させる移動制御機構とを備えることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、上記第１の特徴又は第２の特徴における前記燃料電池及び前記燃料供給容器を備える燃料電池システムであることを要旨とする。

かかる特徴によれば、流量制御部が上記押出力によって燃料流路の断面積を調整している。このため、上記押出力によって流量制御部を駆動させることができるため、流量制御部を駆動させる電力源が無くても、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができ、燃料電池システムにおいて無駄に消費される電力を低減することができる。

本発明の第４の特徴は、上記第１の特徴又は第２の特徴における前記燃料電池、前記改質器、及び前記燃料供給容器を備える燃料電池システムであることを要旨とする。

かかる特徴によれば、流量制御部が上記押出力によって燃料流路の断面積を調整している。このため、上記押出力によって流量制御部を駆動させることができるため、流量制御部を駆動させる電力源が無くても、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができ、燃料電池システムにおいて無駄に消費される電力を低減することができる。

本発明の特徴によれば、送液ポンプ等の電力を用いることなく、燃料電池又は改質器に対して燃料を安定的に供給することができ、燃料電池において安定した電力を発電させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る燃料供給容器１の構成を示す概略図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料供給容器１は、液体燃料（燃料）を貯留する第１の燃料貯留部２０と、第１の燃料貯留部２０に貯留された液体燃料を燃料流路４０に押し出す燃料押出部３０と、燃料貯留部２０から押し出された液体燃料を、前記燃料貯留部２０から図示しない燃料電池又は、液体燃料を改質して水素を発生する改質器に誘導する燃料流路４０と、前記燃料流路４０に前記燃料流路４０の断面積を変化させることにより液体燃料の流量を制御する流量制御部５０とを備える。

燃料貯留部２０は、可動隔壁３１で仕切られた空間となっており液体燃料が充填される。

燃料押出部３０は、第１の燃料貯留部２０に貯留された液体燃料が減少するにつれて、燃料流路４０への液体燃料の押出力が減少する機構を備える。燃料押出部３０は、可動隔壁３１と、第１の燃料加圧バネ３２とを備える。

本実施形態に係る燃料押出部３０は、可動隔壁３１を第１の燃料加圧バネ３２の力で押圧することにより、燃料貯留部２０の容積を縮小し燃料貯留部２０内部の液体燃料を燃料流路４０に押し出すいわゆるプランジャタイプである。

流量制御部５０は、燃料流路４０への液体燃料の押出力が減少するにつれて、燃料流路４０の断面積を大きくする。これにより、燃料電池又は改質器に対して安定した流量の液体燃料が送出される。

図２は、図１に示した構成における燃料供給容器１の流量制御部５０の具体的構成を示す図である。

流量制御部５０は、オリフィス部５１と、ニードル部５２（移動部材）と、ニードル駆動部５３（移動制御機構）とを備える。

オリフィス部５１は、液体燃料が流れる軸上の一方から他方に向けて末広がりとなる筒状の管である。なお、本実施形態に係るオリフィス部５１は、燃料流路４０の一部に形成されているが、これに限定されずに燃料流路４０とは別に設けられていてもよい。

ニードル部５２は、燃料流路４０の断面を塞ぐ方向に移動可能に支持される。具体的には、燃料流路４０の内壁に形成された穴に、ニードル部５２に接続された棒状の連接部５７が挿入されている。ニードル部５２は、連接部５７がオリフィス部５１に対して近づく方向又は遠ざかる方向にスライドされることにより、液体燃料が流れる軸に沿って移動する。

本実施形態に係るニードル部５２は、オリフィス部５１に嵌め込まれる形状を有している。これにより、ニードル部５２がオリフィス部５１に近づくことにより、燃料流路４０の断面積が減少する。一方、ニードル部５２がオリフィス部５１から遠ざかることにより、燃料流路４０の断面積が増加する。

ニードル駆動部５３は、ニードル部５２の位置を変化させることにより燃料流路４０の断面積を変化させる。これにより、燃料流路４０を流れる液体燃料の流量を制御することができる。

具体的には、ニードル駆動部５３は、燃料流路４０への液体燃料の押出力が減少するにつれて、燃料流路４０の断面を塞ぐ方向、すなわちニードル部５２がオリフィス部５１に近づく方向にニードル部５２を移動させる。燃料流路４０の断面を塞ぐ方向にニードル部５２が移動させられるにつれて、燃料流路４０の断面積が小さくなる。

本実施形態では、ニードル駆動部５３は、シリンダ部５４と、プランジャ部５５と、前記第１の燃料貯留部２０と連通した圧力室５６と、ニードル部５３及びプランジャ部５５を連接する連接部５７と、調整バネ５８とを備える。

圧力室５６は、燃料貯留部２０と連通している為、燃料貯留部２０の圧力変化に伴い圧力室５６の圧力が変化する。圧力室５６の圧力は、プランジャ部５５を圧力室５６が拡大する方向に力が作用する。この時、プランジャの位置は、プランジャ部５５にかかる力と調整バネ５８の反発力がつりあった位置で決まる。プランジャ部５５とニードル部５２は、連接部により連接されておりプランジャ部５５の位置が決まることによりニードル部５２の位置が決まり燃料流路の断面積を決める。

図３は、実施形態１の流量制御部５０の動作を示す図である。

図３（ａ）に示すように、第１の燃料貯留部２０の圧力が高い状態（燃料貯留部２０内の液体燃料の量が多く第１の燃料加圧バネ５８が圧縮された状態）においては、圧力室５６の圧力が高い状態でありプランジャ部５５を圧力室５６の容積を拡大する方向に力が大きく作用する。この状態では、ニードル部５２がオリフィス部５１に最も近づいているため、燃料流路４０の断面積は最も小さい。

一方、図３（ｂ）に示すように、第１の燃料貯留部２０に貯留されている液体燃料の量が減少し、第１の燃料貯留部２０の圧力が低い状態（第１の燃料貯留部２０内の液体燃料の量が少なくなり第１の燃料加圧バネ３２のバネ力が減衰した状態）になると、圧力室５６の圧力が低い状態となりプランジャ部５５を圧力室５６の容積を拡大する方向に作用する力が小さくなる。このため、ニードル部５２がオリフィス部５１から遠ざかる方向に移動し、燃料流路４０の断面積が大きくなる。

このように燃料貯留部２０の圧力は燃料減少と共に減少する為、燃料貯留部２０の圧力減少に応じて燃料流路４０の断面積が増加することにより第１の燃料貯留部２０の圧力の状態に関わらず、燃料流路４０を流れる液体燃料の流量を略一定にすることが可能となる。また、第１の燃料貯留部２０の圧力に対するニードル部５２の位置、言い換えると燃料流路の断面積の設定は、第１の調整バネ５８のバネ力と圧力室５６の内圧がプランジャ部５５を押す力により決まる為、第１の調整バネ５８のバネ力と圧力室５６の内圧がプランジャ部５５に作用する面積の設計により調整が可能である。

かかる特徴によれば、第１の燃料貯留部２０の圧力が変化する場合においても第１の燃料貯留部２０の圧力に影響を受けることなく、燃料電池又は改質器に安定した液体燃料の供給が可能となり、安定した燃料電池出力を得ることが可能となる。また、送液や流量制御等に電力を必要としない為、発電効率を向上させ、エネルギー効率の高い燃料供給容器及び燃料電池システムを実現することができる。

具体的には、燃料流路４０への液体燃料の押出力が減少するにつれて、燃料流路４０の断面積が大きくなるため、当該押出力の大きさに関わらずに燃料流路４０を流れる液体燃料の流量を略一定にすることができ、燃料電池又は改質器に対して液体燃料を安定的に供給することができる。

また、流量制御部５０が上記押出力を利用して燃料流路４０の断面積を調整している。このため、上記押出力を利用して流量制御部５０を駆動させることができるため、流量制御部５０を駆動させる電気的な電力源が無くても、燃料電池又は改質器に対して液体燃料を安定的に供給することができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る燃料供給容器の構成を示す図である。

図４に示すように、本実施形態の燃料供給容器の構成は、実施形態１の構成と同様に第２の燃料加圧バネ６１の力により液体燃料を押し出す構造であるが、第２の燃料貯留部６０を例えば、蛇腹形状に形成されて伸縮変形可能な容器内に貯留される構造とし、第２の燃料加圧バネ６１の収縮力により押圧することにより液体燃料を燃料流路４０に押し出す。燃料流路４０に導入された液体燃料は、燃料流路４０に配置された流量制御部７０により制御され安定した流量の燃料流体が送出される。

流量制御部５０は、例えばシリコン等の柔軟な材料で形成された流路変形部７１（燃料流路）と、流路変形部７１に押し当てられるコマ部７２と、第２の燃料加圧バネ６１と、第２の燃料加圧バネ６１の他端に取り付けられた駆動ロッド７３と、第２の燃料加圧バネ６１の力に対抗する向きに作用する様に駆動ロッド７３に取り付けられた第２の調整バネ７４とを備える。

図５は、実施形態２の流量制御部５０の動作を示す図である。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、流路変形部７１に第２の燃料加圧バネ６１の収縮力によりコマ部７２を押し当て変形させ流路断面積を変化させることにより流量を調節できる。コマ部７２が流路変形部７１に押し当てられる力は、コマ部７２と連接され連動する駆動ロッド７３にかかる第２の燃料加圧バネ６１と第２の調整バネ７４のバネ力の差となる。

燃料減少と共に第２の燃料加圧バネ６１のバネ力は解放され減衰するため、コマ部７２が流路変形部７１を変形させる力は減少し流路変形部７１の変形量は減少する。流路変形部７１の変形量の減少により流路変形部７１の断面積は大きくなる。これにより、燃料流路への液体燃料の押出力が減少することに従って、流路変形部７１の断面積が大きくなるため、当該押出力の大きさに関わらずに液体燃料の流量を略一定にすることができ、液体燃料を安定的に供給することができる。また、第２の燃料貯留部６０の圧力に対する流路変形部７１の変形量、つまり、断面積の設定は、第２の調整バネ７４のバネ力と流路変形部７１の弾性（荷重に対する変形量）の設計により調整が可能である。

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

図６に示すように、本例の燃料電池システム８０は、メタノール水溶液を液体燃料とする燃料電池システムで発電を行う発電部９０と、液体燃料を供給する燃料供給容器１と、排出物処理機構１００とを備える。

発電部（発電セル）９０は、カソード極９１、ＭＥＡ９２、アノード極９３を備える。カソード極９１は、カソードエンドプレート９４と図示しない集電体層を備える。ＭＥＡ９２は、図示しない電解質の両面に触媒層がそれぞれ配置される構成である。

アノード極９３は、アノードエンドプレート９５とアノード室９６とを備える。アノード極９３には図示しない集電体層が含まれていてもよい。アノード極９６に集電体層を含まない構成とする場合は、アノードエンドプレート９５に導線を接続して集電する構成としてもよい。

アノード室９６には燃料流路４０が接続され、液体燃料のメタノール水溶液が導入される。燃料流路４０には、発電部９０と燃料供給容器１を分離可能な接続バルブ９７が設けられている。接続バルブ９７は、分離時には燃料の漏洩を防止し、外部からの気体や固体や液体の進入を防止する機能を有する。また、アノード室９６には、排出管９８が接続され、この排出管９８を介して水及び排出物が排出物処理機構１００に導入され、処理された排出物は、大気または、図示しない回収容器に放出される。なお、改質器は、接続バルブ９７と交換して備えられてもよい。

燃料供給容器１に、先に説明した実施形態１の燃料供給容器を用いる。第１の燃料貯留部２０内のメタノール水溶液を第１の燃料押出部３０により燃料流路４０に押し出し、押し出されたメタノール水溶液は、燃料流路４０に配置された流量制御機構９８により流量が調整され燃料電池のアノード室９６に導入され発電に使用される。

このような燃料電池システムでは、安定した流量のメタノール水溶液をポンプなどの電力を使わずに燃料電池に供給できるため、装置構成の簡略化とエネルギー効率の向上が可能となる。また、実施形態２で説明した燃料供給容器を用いることによっても同様の効果を得ることが出来る。

具体的には、流量制御部が上記押出力を利用して燃料流路４０の断面積を調整している。このため、上記押出力を利用して流量制御部を駆動させることができるため、流量制御部を駆動させる電気的な電力源が無くても、燃料電池又は改質器に対して液体燃料を安定的に供給することができる。また、上記電力源を備えなくてもよいため、燃料電池システムにおいて無駄に消費される電力を低減することができるとともに、燃料電池システムの小型化にも寄与することができる。

なお、実施形態３では、メタノール水溶液を液体燃料とする燃料電池システムについて具体的に説明したが、アルコール、エーテル、ケトン類を水蒸気改質して水素を得るメタノール改質型や、ガソリン、灯油、天然ガスといった炭化水素を水蒸気改質して水素を得る炭化水素改質型などの燃料電池システムにおいても改質器に液体燃料を供給する燃料供給容器として構成することが出来る。

なお、水素発生物質と水素発生触媒の混合することにより水素を得るシステム（水素発生物質としては、例えば、水素化ホウ素塩、水酸化アルミニウム塩、水酸化ホウ素ナトリウム、水酸化ホウ素リチウム、水酸化アルミニウムリチウム等が挙げられ、水素発生触媒としては、例えば、硫酸、リンゴ酸、クエン酸水等が挙げられる。）や金属と塩基性あるいは酸性水溶液との反応によって水素を得るシステムにおいても、液体の供給に本燃料供給容器を用いた構成とすることも可能である。

なお、燃料は、液体であることに限定されずに、気体であっても良いのは勿論のことである。

実施形態１に係る燃料供給容器の構成を示す概略図である。 燃料供給容器の流量制御部の構成を示す図である。 実施形態１の流量制御部の動作を示す図である。 実施形態２に係る燃料供給容器の構成を示す図である。 実施形態２の流量制御部の動作を示す図である。 実施形態３に係る燃料供給容器の構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料供給容器、２０…第１の燃料貯留部、３０…燃料押出部、４０…燃料流路、５０…流量制御部、３１…可動隔壁、３２…第１の燃料加圧バネ、５１…オリフィス部、５２…ニードル部、５３…ニードル駆動部、５４…シリンダ部、５５…プランジャ部、５６…圧力室、５７…連接部、５８…第１の調整バネ、６１…第２の燃料加圧バネ、６０…第２の燃料貯留部、７１…流路変形部、７２…コマ部、７３…駆動ロッド、７４…第２の調整バネ、８０…燃料電池システム、９０…発電部、９１…カソード極、９２…ＭＥＡ、９３…アノード極、９４…カソードエンドプレート、９５…アノードエンドプレート、９６…アノード室、９７…接続バルブ、９８…排出管、１００…排出物処理機構

Claims (4)

1. 燃料電池、又は燃料を改質して水素を発生する改質器に向けて、前記燃料を誘導する燃料流路と、
   前記燃料を貯留する燃料貯留部と、
   前記燃料貯留部に貯留された前記燃料を前記燃料流路に押し出す燃料押出部と、
   前記燃料流路の断面積を変化させることにより前記燃料の流量を制御する流量制御部とを備え、
   前記燃料押出部は、前記燃料貯留部に貯留された前記燃料が減少するにつれて、前記燃料流路への前記燃料の押出力が減少する機構を備えており、
   前記流量制御部は、前記押出力が減少するにつれて、前記燃料流路の断面積を大きくする燃料供給容器。
2. 前記流量制御部は、
   前記燃料流路の断面を塞ぐ方向に移動可能に支持された移動部材と、
   前記押出力が減少するにつれて、前記方向に前記移動部材を移動させる移動制御機構と
   を備える請求項１に記載の燃料供給容器。
3. 前記燃料電池と、前記燃料供給容器とを備える請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池と、前記改質器と、前記燃料供給容器とを備える請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。

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