JP2008117745A - 濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】濃度検知装置を不要とする直接メタノール燃料電池システムを提供する
【解決手段】システムは、複数の燃料電池本体と、循環燃料容器と、少なくとも１個の制御素子と、循環ポンプと、気体循環ファンと、燃料注入装置と、制御素子に接続される警報装置とを含む。そのうち制御素子は、少なくとも１個の制御回路基板と、ＩＣチップまたは電子素子を含み、制御回路基板上のＩＣチップによって電圧が下限値より低くなっていると検出されるときに、上記警報装置を起動して燃料の注入をユーザーに報知する。
【選択図】図１

Description

この発明は直接メタノール型燃料電池システムに関し、特に濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システムに関する。かかる燃料電池システムはメタノール液の漏れ防止及び携帯問題を勘案して設計された燃料注入口を備えると同時に、濃度検知装置、ならびに従来の純水容器と純メタノール容器を不要とし、メタノール水溶液循環容器のみ残しているため、所要空間及び製作コストを減少する効果がある。

当業者に周知されているとおり、特定濃度の燃料を用いる直接メタノール型燃料電池は持続的に動作するとき、その循環燃料容器内の燃料濃度は動作時間がたつにつれて次第に減少し、燃料電池が動作できなくなるまで逓減する。そのため、燃料電池を持続的に動作させるためには、燃料を継続的に注入しなければならない。
もっとも、燃料の注入量と濃度は燃料容器内のメタノール水溶液の濃度に基づいて定められるため、従来の直接メタノール型燃料電池は、燃料濃度を検出するための濃度検知装置を必要とする。濃度検知装置は燃料容器におけるメタノール水溶液濃度の検出を目的とし、燃料の注入量及び濃度はそれによって決定される。
直接メタノール燃料電池の動作はメタノールだけでなく水も消耗するので、燃料容器内の燃料濃度を一定にするためには、メタノールのほか水も注入しなければならない。したがって、燃料電池システムには純水容器、純メタノール容器、及びメタノール水溶液循環容器を個別に設ける必要がある。このような燃料電池は所要空間が大きくてその用途も限られ、製作コストが高価であるのみならず、メタノール液による漏れ防止及び携帯不便の問題も解決を待っている。
以上に鑑みて、本発明はメタノール液の漏れ防止及び携帯問題を一挙に解決することを目的として、濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システムを提供する。

この発明はメタノール液の漏れ防止及び携帯問題を解決するため、濃度検知装置を不要とする直接メタノール燃料電池システムを提供することを課題とする。かかる燃料電池システムは特別に設計された燃料注入口を備えると同時に、濃度検知装置、ならびに従来の純水容器と純メタノール容器を不要とし、メタノール水溶液循環容器のみ残しているため、所要空間及び製作コストを減少する効果がある。

この発明は濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システムを提供する。該システムは、複数の燃料電池本体と、循環燃料容器と、少なくとも１個の制御素子と、循環ポンプと、気体循環ファンと、燃料注入装置と、制御素子に接続される警報装置とを含む。そのうち制御素子は、少なくとも１個の制御回路基板と、ＩＣチップまたは電子素子を含み、制御回路基板上のＩＣチップによって電圧が下限値より低くなっていると検出されるときに、上記警報装置を起動して、燃料注入装置を用いて燃料を循環燃料容器に注入することをユーザーに注意する。

この発明は更に燃料電池充電システムを提供する。該システムは、燃料電池モジュールと、循環燃料容器と、制御回路基板とを備える。該制御回路基板は少なくとも１組のＤＣ−ＤＣ変換器及び複数のＩＣ（集積回路）と電子素子を備え、燃料電池モジュールによる電圧を負荷の所要電圧に変換するとともに、システム全体の動作を制御し、動作モードを自動的に切り替えてシステムを最適化する。燃料電池充電システムは、燃料電池モジュールに燃料を供給する循環ポンプと、燃料電池モジュールに十分な酸素を供給し、システム内の温度を調節するための気体循環ファンと、制御回路基板に接続される複数の二次電池とを含む。

この発明は燃料電池システムにおいて燃料濃度と出力電圧間の関係に着眼し、濃度検知装置の代わりに簡単なＩＣチップを用いて電圧を測定し、よって燃料濃度を検知する。なお、熱交換器と冷却器の代わりに、通気膜で被覆された冷却空間でカソード側に生じる水蒸気を凝結させ、これを回収してメタノールの希釈に当たらせる。更に、燃料電池システムに二次電池を組み込み、燃料電池が二次電池を常時充電できるようにすることで、燃料電池の出力を向上させる。したがって、本発明による燃料電池システムは濃度検知装置、熱交換器、冷却器、純水容器およびメタノール水溶液容器などを一切不要とし、従来の燃料電池と比べ体積が大幅に減少している。

かかる装置の特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図を参照にして以下に説明する。
図１を参照する。図１はこの発明による濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システムを表す説明図である。図１によれば、本発明による濃度検知装置を不要とする燃料電池システムは、複数の燃料電池本体１と、循環燃料容器２と、排気装置２６と、少なくとも１個の制御素子３と、循環ポンプ４と、気体循環ファン５と、燃料注入装置７とを含む。そのうち制御素子３は、少なくとも１個の制御回路基板、ＩＣチップまたは電子素子を備え、警報装置６に接続されている。警報装置６は指示灯、音声または任意の表示パネルである。

図１に示すように、循環燃料容器２の本体には逆止燃料注入口２２が設けられ、その形状は燃料注入装置７の燃料注入ノズル７２に合わせてつくられており、設置位置は循環燃料容器２の上面もしくは側面である。循環燃料容器２には更に、燃料電池の反応による気体を排除する排気装置２６が設けられ、この排気装置２６は多孔質通気膜、または液漏れを起こさずに気体を排除できるその他の材料からなる。循環ポンプ４のポンプ出口４２は燃料電池本体１の燃料入口１２に接続されており、燃料電池本体１の燃料出口１４は燃料輸送管２４を介して循環燃料容器２に接続されている。

本発明による濃度検知装置を不要とする燃料電池システムは、燃料電池の作動時、循環燃料容器内の燃料濃度が不足するにしたがって出力電圧が低下してくるので、濃度検知装置が不要なように設計されている。また、負荷電流を一定にすれば、燃料電池の出力が低下するとともに出力電圧も低下する。したがって、本発明では、燃料濃度と出力電圧間の関係を利用するように制御素子３を設計した。つまり、制御回路基板上のＩＣ（集積回路）チップによって電圧が所定の下限値を切っていると検出された場合には、警報装置を起動して燃料の注入をユーザーに報知する。その後、ユーザーによって燃料注入装置７を介して特定濃度になるような注入量の燃料が注入されれば、燃料電池は動作可能な状態に戻る。

図４を参照する。図４は様々な初期燃料濃度の条件において、直接メタノール型燃料電池システムの動作電圧と時間の関係を表す説明図である。図４には、濃度１０％、１５％、２０％、２５％、及び３０％の場合の実験曲線を示している。図に示すように、いろいろな初期燃料濃度の条件において、直接メタノール型燃料電池の動作電圧は最大値１．６Ｖから０．７〜０．９Ｖまで徐々に減少した後、急激に低下する。本発明はこの電圧下限値（例えば０．８Ｖ）を制御素子３の中に設定し、これに基づいて直接メタノール燃料電池システムを制御し、システムを持続的に動作させる。

図２と図３を参照する。図２と図３は燃料注入装置による循環燃料容器への燃料注入を表す説明図である。本発明による燃料注入装置７は使い捨て式または非使い捨て式の燃料缶であり、燃料注入装置７には、循環燃料容器２の逆止燃料注入口２２に合わせた形をもつ燃料注入ノズル７２が設けられている。本発明の望ましい実施例では、逆止燃料注入口２２には、高弾性・高耐圧性の可撓・可塑ポリマー材料またはシリカゲル複合材からなる内部部材２８が設けられ、この内部部材２８は溶剤及び酸・アルカリによる化学的腐食に耐えられる。

本発明の望ましい燃料注入方法としては、まず逆止燃料注入口２２の蓋を開け、これに燃料注入ノズル７２を差し込んで燃料を注入する。注入が完成すると、燃料注入ノズル７２を抜き出すとともに、逆止燃料注入口２２は自動的に閉鎖して燃料漏れを防止する。その後、蓋を閉めればよい。このような二重の構造は液漏れを確実に防止できる。

本発明による逆止装置は、携帯型電子製品を想定して設計されたものであり、液体燃料の保存及び携帯上の不便を解決し、気体／液体燃料及びその反応物による化学的腐食を防止するとともに、良好な機械的特性を有する。かかる装置は高弾性・高耐圧性の可撓・可塑ポリマー材料またはシリカゲル複合材からなり、任意の形状に加工されることが可能である。

本発明による逆止装置は下記の特徴を有する。（１）大気圧力、空気中の湿気や他の要因などの影響から燃料容器内の燃料品質を守る。（２）燃料を燃料容器の中に保持し、燃料漏れとメタノールガス漏れを防止する。（３）市販の燃料電池は燃料容器を装置本体に固定するものが多い。このような燃料電池は携帯が不便であるのみならず、使い捨ての燃料缶も利用できない。それと比べて、本発明は使い捨てまたは非使い捨て式の燃料缶に適し、燃料注入は簡単かつ便利である。

燃料電池の動作とともに、カソード側には水分子が生じる。水蒸気が飽和状態になると凝結しはじめ、凝結した水分子がカソードの表面に蓄積すれば、酸素とカソードの反応を妨げて電池の出力を大幅に低下させることとなる。それを解決するため、従来は燃料電池の末端にファンを設ける。図７に示すように、ファンは空気をカソードに送り、燃料電池の反応に必要な酸素を与えるとともに、カソード側に生じた水分子を運び去る。もっとも、カソード側で生じた水を回収し、これを高濃度メタノールの希釈に利用すれば、燃料容器は高濃度の燃料のみ保存すればよい。そうなると、燃料容器の容量は減少し、燃料電池システムの体積は大幅に縮減されることとなる。

また、図８に示すように、熱交換器もしくは冷却器を用いて、水蒸気を凝結させ回収する技術も開発されている。しかし、熱交換器または冷却器を設ければコスト増とシステム体積の増加は免れず、コスト削減とシステムの小型化を妨げる原因となる。それに鑑み、本発明は熱交換器または冷却器なしで水分子を回収できる燃料電池システムを提供する。

燃料電池は反応時に熱が生じ、カソード側に生じる水分子も一定の温度を有する。本発明はこの特性を考慮し、図９に示すような燃料電池筐体を提供する。つまり、燃料電池モジュールの末端にファン５を設け、このファン５は空気をカソード側に送って反応に必要な酸素を提供するとともに、カソード側に生じた水分子を運び去る。更に、ファンの出口側に小さな冷却空間８０を設け、この冷却空間８０を通気膜８２で被覆し、外部の空気が通れるようにする。ファンによって運ばれてきた高温の水分子が、大気と接触する通気膜８２にぶつかると、外部の温度により凝結して水滴となり、冷却空間８０及び冷却水回収容器８４に蓄積する。この冷却水を循環燃料容器に流し、高濃度メタノールの希釈に当たらせれば、高濃度燃料容器のみ設ければよい。そうすると、燃料容器の体積は大幅に減少できる。

図５と図６を参照する。本発明は更に、短時間で高電圧を出力できる燃料電池の充電システムを提供する。図５は燃料電池の出力を向上させるシステム装置を示し、かかる装置は、短時間で大きい負荷を充電することが要求され、かつ燃料電池の出力が足りない場合に備えて設計されたものである。図６は、図５に示す燃料電池の出力を向上させるシステム装置の等価回路図である。

図５によれば、燃料電池の出力を向上させるシステム装置１００は、複数の燃料電池本体１と、複数の二次電池１０２と、１組の循環燃料容器２（燃料注入装置付き）と、少なくとも１枚の制御回路基板３と、気体循環ファン、循環ポンプなどその他の周辺機器とを含む。気体循環ファンは燃料電池に十分な酸素を与えるとともにシステム内の温度を調節し、循環ポンプは燃料電池に燃料を供給する。

二次電池１０２は、リチウムイオン電池、ニッケル・水素蓄電池、ポリマー電池など複数回充電できる電池である。制御回路基板３は、１組以上のＤＣ−ＤＣ変換器、及び複数のＩＣと電子素子を含む、制御回路基板３は燃料電池モジュールによる電圧を負荷の所要電圧に変換するとともに、システム全体の動作を制御し、システム動作を最適化するため動作モードを自動的に切り替える機能を有する。

本発明によれば、負荷に供給する電力が小さい場合では、二次電池１０２を起動せず、燃料電池１のみで電力を供給すればよい。負荷に供給する電力が燃料電池の最大出力を超えていれば、システムは制御回路基板３を介して動作モードを自動的に切り替え、二次電池と燃料電池の並列給電を実行する。また、異なる電圧の並列による消耗を防ぐため、二次電池の出力電圧をＤＣ−ＤＣ変換器を介して、燃料電池が負荷に供給する電圧と同じにする。

二次電池１０２の電力が尽きて既定のレベル達すると、高負荷状態での給電不足を防ぐため、システムは電力不足の旨をユーザーに警告する。なお、二次電池が常に充足な電力を供給できるようにするため、システムをシャットダウンするとき、燃料電池はまず制御回路基板上の充電ＩＣ（非表示）を介して二次電池を継続的に充電し、二次電池が一定の電気量を持つようになってから、システムをシャットダウンする。また、低負荷動作においても、システムは二次電池の状態を随時に検知し、電力不足の場合にこれを充電し、二次電池が常に充足な電力を供給できるように保持する。

燃料電池とは異なり、二次電池１０２は短時間で大量の電力を出力できるという特長がある。前記充電システムは大量の電力を長時間にわたって出力することができないが、ノートパソコンなど電力消費の大きい電子製品に給電するには十分である。本発明は低出力の燃料電池と複数の高出力二次電池を結合することで、システム出力を向上させ、電力消費の大きい電子製品への給電を可能にする。そうすると、燃料電池システムの製作コストは減少し、システムのコンパクト化・小型化も可能となる。

次に燃料電池モジュールの性能を回復する方法を説明する。
燃料電池モジュールは一定時間動作すると、下記の原因により性能が低下する。
（１）反応過程で生じた二酸化炭素を適時に排除できず、二酸化炭素が触媒反応を妨害する。
（２）メタノールがカソードを透過する。

したがって、燃料電池モジュールの性能を回復するためには、下記の方法が考えられる。
（１）ポンプを止めてメタノール水溶液の供給を中断させることで、反応を緩和して二酸化炭素の排除を容易にする。
（２）ファンを止めて空気とカソードの反応機会を減らすことで、反応を緩和して二酸化炭素の排除を容易にする。
（３）一定時間を待ち、二酸化炭素がすべて排除されてから周辺機器（ＢＯＰ）を起動し、更に負荷を増加して、触媒の活性を回復する。
燃料電池モジュールの性能を常に最適状態に保持するためには、以上の性能回復方法はマイクロ制御装置（ＭＣＵ）によって制御され、燃料電池モジュールが一定時間動作するとシステムによって自動的に実行される。

以上はこの発明に好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。

本発明は燃料電池において燃料濃度と出力電圧間の関係に着眼し、濃度検知装置の代わりに簡単なＩＣチップを用いて電圧を測定し、よって濃度を検知する。かかる技術は実施可能である。

この発明による濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システムを表す説明図である。 燃料注入装置による循環燃料容器への燃料注入を表す第一説明図である。 燃料注入装置による循環燃料容器への燃料注入を表す第二説明図である。 様々な初期燃料濃度の条件において、直接メタノール型燃料電池システムの動作電圧と時間の関係を表す説明図である。 燃料電池の出力を向上させるシステム装置を表す説明図である。 図５に示す燃料電池の出力を向上させるシステム装置の等価回路図である。 従来技術によるファンの位置付けを表す説明図である。 従来技術による冷却器の位置付けを表す説明図である。 この発明による冷却空間と通気膜を表す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ 循環燃料容器
３ 制御素子
４ 循環ポンプ
５ 気体循環ファン
６ 警報装置
７ 燃料注入装置
１２ 燃料入口
１４ 燃料出口
２２ 逆止燃料注入口
２４ 燃料輸送管
２６ 排気装置
２８ 内部部材
４２ ポンプ出口
７２ 燃料注入ノズル
８０ 冷却空間
８２ 通気膜
８４ 冷却水回収容器

Claims (21)

1. 濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システムであって、複数の燃料電池本体と、循環燃料容器と、少なくとも１個の制御素子と、循環ポンプと、気体循環ファンと、燃料注入装置と、制御素子に接続される警報装置とを含み、そのうち制御素子は、少なくとも１枚の制御回路基板と、ＩＣチップまたは電子素子を含み、制御回路基板上のＩＣチップによって電圧が下限値より低くなっていると検出されるときに、上記警報装置を起動して、燃料注入装置を用いて燃料を循環燃料容器に注入することをユーザーに報知することを特徴とする濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
2. 前記燃料注入装置は使い捨て式または非使い捨て式の燃料缶であり、燃料注入ノズルを備えることを特徴とする請求項１記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
3. 前記循環燃料容器には逆止燃料注入口が設けられ、逆止燃料注入口は燃料注入装置に合わせた形状につくられることを特徴とする請求項１記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
4. 前記逆止燃料注入口は、高弾性・高耐圧性の可撓・可塑ポリマー材料またはシリカゲル複合材からなり、溶剤及び酸・アルカリによる化学的腐食に耐える内部部材を含むことを特徴とする請求項３記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
5. 前記燃料注入が完成すると、燃料注入ノズルを抜き出すと同時に、逆止燃料注入口は閉鎖して燃料漏れを防止し、それに加えて蓋を閉めることにより、二重に液漏れを防止できることを特徴とする請求項３記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
6. 前記逆止燃料注入口は、循環燃料容器の上表面または側面に設けられることを特徴とする請求項３記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
7. 前記循環ポンプのポンプ出口は燃料電池本体の燃料入口に接続され、燃料電池本体の燃料出口は燃料輸送管を介して循環燃料容器に接続されることを特徴とする請求項１記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
8. 前記警報装置は指示灯、音声または表示パネルであることを特徴とする請求項１記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
9. 前記燃料注入装置で所定濃度で所定量の燃料を注入した後、直接メタノール燃料電池システムは正常動作に戻ることを特徴とする請求項１記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
10. 前記循環燃料容器は排気装置を備えることを特徴とする請求項１記載の濃度検知装置を不要とする直接メタノール型燃料電池システム。
11. 燃料電池充電システムであって、燃料電池モジュールと、循環燃料容器と、少なくとも１組のＤＣ−ＤＣ変換器及び複数のＩＣ（集積回路）と電子素子を備え、燃料電池モジュールによる電圧を負荷の所要電圧に変換するとともに、システム全体の動作を制御し、動作モードを自動的に切り替えてシステムを最適化する少なくとも１枚の制御回路基板と、燃料電池モジュールに燃料を供給する循環ポンプと、燃料電池モジュールに十分な酸素を供給し、システム内の温度を調節する気体循環ファンと、制御回路基板に接続される複数の二次電池とを含むことを特徴とする燃料電池充電システム。
12. 前記二次電池は複数回充電できる電池であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
13. 前記二次電池はリチウムイオン電池、ニッケル・水素電池、ポリマー電池などのうち何れかであることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
14. 前記負荷に対するシステムの供給電力が小さい場合、システムは二次電池を起動せず、燃料電池のみで電力を供給することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
15. 前記負荷に対するシステムの供給電力が燃料電池モジュールの最大出力を超えた場合、システムは制御回路基板を介して動作モードを自動的に切り替え、二次電池をシステムに加えて並列給電を可能にし、更にＤＣ−ＤＣ変換器で二次電池の出力電圧を、燃料電池モジュールが負荷に供給する電圧と同じにし、異なる電圧の並列による消耗を防止することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
16. 前記二次電池の電力が尽きて既定のレベルに達したとき、高負荷状態でシステム給電不足を防ぐため、システムは電力不足の旨をユーザーに警告することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
17. 前記燃料電池充電システムを次回使用するとき、二次電池に残存電気量がないことを防ぐため、システムのシャットダウン時、前記燃料電池モジュールは制御回路基板上の充電ＩＣを介して二次電池を持続的に充電し、二次電池が一定電気量を持つようになるまで充電してから、システムをシャットダウンすることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
18. 前記システムが低負荷状態で動作するとき、システムは二次電池の状態を随時検知し、二次電池が十分に充電されていないと検出されれば、燃料電池モジュールは一部の電力を供給して二次電池を充電し、二次電池が常に十分な電力を持つように保持することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
19. 前記燃料電池充電システムにおいて、燃料電池モジュールが一定時間動作すると、システムは性能回復方法を自動的に実行することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
20. 前記性能回復方法は、（１）ポンプを止めてメタノール水溶液の供給を中断させることで、反応を緩和して二酸化炭素の排除を容易にすること、（２）ファンを止めて空気とカソードの反応機会を減らすことで、反応を緩和して二酸化炭素の排除を容易にすること、（３）一定時間を待ち、二酸化炭素がすべて排除されてから周辺機器（ＢＯＰ）を起動し、更に負荷を増加して、触媒の活性を回復するなどの方法の内少なくともその一つを含むことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。
21. 前記気体循環ファンは燃料電池モジュールの末端に設けられ、空気をカソード端に送り、反応に十分な酸素を与え、カソード反応で生じた水分子を運び出し、該気体循環ファンの出口端には冷却空間が設けられ、該冷却空間は通気膜に被覆され、外部の空気が通れるようにつくられ、よって気体循環ファンが水分子を運び出すと、水分子は通気膜にぶつかって液体となり冷却空間に蓄積し、更に冷却水を循環燃料容器に導き、高濃度メタノールを希釈して燃料電池に供給することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池充電システム。