JP2009218039A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの小型化を図る。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、メタノール水溶液をアノード側から供給し、酸素ガスをカソード側から供給してその化学反応により発電するDMFC（ Direct Methanol Fuel Cell）スタック、及びDMFCスタックより下部に設けた、DMFCスタックのアノード側に供給するメタノール水溶液を溜めた混合タンクを有する。望ましくは、DMFCスタックと混合タンクとの間に中間プレートを設ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子機器を駆動することが可能な直接型メタノール燃料電池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）を発電部とした燃料電池システムに関する。

最近の電子技術の進歩によって、多種多様な携帯電子機器が急速に普及している。今後、携帯電子機器は増加する情報量とその高速化、高機能化に対応して、連続駆動時間の長い電源として、容易に燃料補給ができる燃料電池電源が注目されている。

燃料電池の中でも、液体燃料を使用する直接型メタノール燃料電池は燃料の体積エネルギー密度が高く、取り扱いも容易である。

携帯電子機器に電力を供給するためには、燃料電池システムに可搬性のための小型化が要求される。しかしながら、燃料電池システムは、直接型メタノール燃料電池（DMFCスタック）で発電されると同時に化学反応による反応熱が発生するので、その放熱を考慮した小型化構造が必要となる。

このような燃料電池システムとしての装置の小型化及びそのための放熱に関して開示した文献は見当たらない。

本発明の目的は、小型化に適した構造の燃料電池システムを提供することである。

本発明の他の目的は、小型化のために放熱効果の高い構造の燃料電池システムを提供することである。

本発明の他の目的は、DMFCスタックで発生した熱が、温度制御が必要な混合タンクや電子回路を搭載したコントローラに伝わりにくいようにした構造の燃料電池システムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、メタノール水溶液の流路長（配管又はチューブの長さ）が短くした構造の簡単化により、小型化を図った燃料電池システムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、DMFCスタックに流入させるメタノール水溶液や流出する水の流路を簡素化し、小型化を図った燃料電池システムを提供することである。

本発明の燃料電池システムは、メタノール水溶液をアノード側から供給し、酸素ガスをカソード側から供給してその化学反応により発電するDMFC（ Direct Methanol Fuel Cell）スタック、及びDMFCスタックより下部に設けた、DMFCスタックのアノード側に供給するメタノール水溶液を溜めた混合タンクを有する。

本発明の望ましい他の態様は、DMFCスタックと混合タンクとの間に中間プレートを設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックのアノード側の下部、且つ混合タンクの直上近傍に、混合タンクのメタノール水溶液をDMFCスタックのアノード側に供給するための燃料ポンプを設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックからのメタノール水溶液の余剰分を、DMFCスタックのアノード側の上部から混合タンクに流す流路を設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックのカソード側の上部から酸素ガスを供給するための空気ポンプを設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックから排出される水を、DMFCスタックのカソード側の下部から混合タンクに流す流路を設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCの下で且つ中間プレートの上に、ドレインを介してDMFCスタックに結露した水を排出するための受け皿を設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、混合タンクに溜められたメタノール水溶液の温度を所定の温度に制御するためのブロアを、混合タンクに風向が向くように設けた燃料電池システムである。

本発明の望ましいさらに他の態様は、中間プレートより下部にブロアを制御するコントローラを設けた燃料電池システムである。

本発明によれば、メタノール水溶液をアノード側から供給し、酸素ガスをカソード側から供給してその化学反応により発電するDMFCスタックを上部に、DMFCスタックのアノード側に供給するメタノール水溶液を溜めた混合タンクをDMFCスタックより下部に設けたことにより、小型化に適した構造の燃料電池システムを構成することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図２に、本実施形態の燃料電池システム1のブロック図を示す。燃料電池システム1の、電解質膜/電極接合体によるDMFCスタック（直接型メタノール燃料電池の発電部）4は、そのアノードに供給されるメタノール水溶液とカソードに供給される酸素による化学反応により発電する。

メタノール水溶液がアノード側において式（1）に従って反応し、水素イオン、電子および炭酸ガスに解離する。
CH₃OH + H₂O → ６H⁺ + ６e^- + CO₂ （1）
生成された水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソードに供給された空気中から拡散された酸素ガスおよび電極上の電子と、式（2）にしたがって反応して水を生成する。
６H⁺ +６e^- + 3/2O₂ → 3H₂O （2）
さらに直接型メタノール燃料電池ではアノード側のメタノールが電解質膜を通過し、カソード側へ移動するメタノールクロスオーバという現象が生じる。このカソード側へ移動したメタノールは式（3）に示すように、メタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成するメタノールの燃焼反応となり、発熱する。
CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 2H₂O （3）
DMFCスタック4のアノードに供給されるメタノール水溶液は、燃料カートリッジ2から供給されるメタノールと精製水カートリッジ3から供給される精製水（以下、単に水と呼ぶことがある。）とが混合タンク９において所定の濃度（3％程度）に混合され、混合タンク９に溜められている。燃料カートリッジ2から供給されるメタノールは、混合ポンプ5により電磁弁7を介して混合タンク9に供給される。精製水カートリッジ３から供給される水は、混合ポンプ6により電磁弁8を介して混合タンク9に供給される。混合タンク9において所定の濃度のメタノール水溶液を得るために、混合ポンプ5、6及び電磁弁7、8がコントローラ13によって制御される（図中の破線）。メタノール水溶液はメタノール濃度センサ10を経て、燃料ポンプ11によってDMFCスタック4のアノードに供給される。DMFCスタック4のカソードに供給される酸素は、空気ポンプ12による空気中から拡散された酸素ガスである。

コントローラ13は、種々のセンサ出力（図中の1点鎖線）を基に、DMFCスタック4、及び混合ポンプ5などの補機類を制御する（図中の破線）。センサは、DMFCスタック4へ供給されるメタノール濃度を監視する濃度センサ10、DMFCスタック4の温度を監視する温度センサ25、混合タンク9のメタノール水溶液温度を監視する温度センサ26、燃料電池システム1の内部温度（環境温度）を監視する温度センサ27、燃焼カートリッジ2のメタノールの残量を監視する残量センサ28、及び精製水カートリッジ3の水の残量を監視する残量センサ29である。コントローラ13による制御対象は、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8、燃料ポンプ11、及び空気ポンプ12である。

コントローラ13は、DMFCスタック4により発電された電力を、接続する電子機器に供給するための出力インターフェース（コネクタ）30、燃料電池システム1外からの制御のための外部インターフェース31、及びLi（リチウム）バッテリー14に接続する。Liバッテリー14は、燃料電池システム1の立ち上げ（運転開始）時にコントローラ13などの動作のために電力を供給し、燃料電池システム1が定常運転に入ると、DMFCスタック4により発電された電力により充電される。

図1に、燃料電池システム1の構造を表す側面からの概略図を示す。図1に示す燃料電池システム1は、燃料カートリッジ2及び精製水カートリッジ3を外部に接続するように示している。燃料カートリッジ2及び精製水カートリッジ3は、中身のメタノールや水が所定量以下になったならば、随時交換されるものであるからである。前述の図2では、燃料カートリッジ2及び精製水カートリッジ3を含めて燃料電池システム1と呼んでいるが、燃料電池システム1が燃料カートリッジ2及び精製水カートリッジ3を含むか含まないかは適宜使い分けられる。

図1で、図2と同じ符号のものは、同じものを表す。DMFCスタック4のアノード側出口21からは、図示するように、メタノール水と炭酸ガス（CO₂）が排出される。メタノール水は、混合タンク9に戻され、再利用される。炭酸ガスは空気中に拡散される。DMFCスタック4のカソード側出口22からは、水が排出される。排出される水には、液体としての水と気体としての水蒸気が含まれ、液体としての水は混合タンク9に戻され、再利用される。水蒸気は空気中に拡散するが、燃料電池システム1内の環境温度により一部が結露する。結露した水は受け皿18（図中のハッチング）からドレイン19を通り開口部20より、燃料電池システム1外に排出される。また、何らかの障害によりDMFCスタック4に破損が生じ、内部の燃料が漏れた場合には受け皿18（図中のハッチング）からドレイン19を通り開口部20より、燃料電池システム1外に排出される。

燃料電池システム1の各部は、最下部のベースプレート16の上に、中間プレート15により上下に仕切られ、配置される。ベースプレート16は、燃料電池システム1の重量を受け、図示を省略する燃料電池システム1のケース（カバー）に接続し、可搬性を高める。中間プレート15は、DMFCスタック4に発生した熱が、中間プレート15より下に配置するコントローラ13などに対流又は伝導しにくいようにするためである。中間プレート15より下には、電子回路を搭載したコントローラ13や後述するように温度制御されなければならない混合タンク9などが配置される。受け皿18は、中間プレート15の上に接して配置されか、中間プレート15と一体をなすように構成されても良い。

DMFCスタック4のアノード側出口21から排出され混合タンク9に戻されるメタノール水、及びカソード側出口22から排出され混合タンク9に戻される水は、高温である。そこで、混合タンク9はブロア17によって冷却する必要があるので、風向が混合タンク9に向くようにして、ブロア17を混合タンク9に接して又は近傍に設ける。DMFCスタック4における化学反応は、メタノール水溶液の濃度によって反応が促進されるだけではなく、メタノール水溶液の温度によっても反応が促進される。DMFCスタック4の出力電力を安定に維持するだけでなく、DMFCスタック4の過熱を避けるためにも、混合タンク9内のメタノール水溶液の温度が温度センサ26によって監視され、混合タンク9を冷却するためにブロア17がコントローラ13によって制御される（図2では図示略）。

図示を省略するが、燃料電池システム1のケース（カバー）の下部及び上部に開口部（通気孔）を設け、下部開口部から流入した空気をブロア17の動作や高温空気の上昇力（自然放熱）を利用して上部開口部から流出させることにより、中間プレート15より下の低温部を先に冷却し、中間プレート15より上の高温部を後で冷却するので、高い冷却効果も得られる。

図1に示すように、燃料ポンプ11は、DMFCスタック4のアノード側の端板23の下部に配置され、混合タンク9の直上又はその付近に位置する。このように配置することにより、混合タンク9から供給されるメタノール水溶液の流路長（配管又はチューブの長さ）が短くなり、その圧力損失が少なくなるので、燃料ポンプ11を効率的に動作させることになる。燃料ポンプ11をアノード側の端板23の下部に配置するのは、メタノール水溶液をDMFCスタック4の下部から流入させ、メタノール水溶液の余剰分を炭酸ガスと共に上部出口21から流出させることにより、混合タンク9から燃料ポンプ11に至る流路内及びDMFCスタック4内のメタノール水溶液中に気泡ができにくくするためである。

一方、DMFCスタック4のカソード側は、その端板24の上部から空気ポンプ12により空気を流入させ、下部出口22から水や水蒸気を流出させるようにする。流出した水は、図示するように、カソード側の下部出口22より下に位置する混合タンク9に自然に流れる。

本実施形態によれば、発熱するDMFCスタックを上部に、温度制御が必要な混合タンクを下部に配置することにより、自然放熱を利用した冷却効果が得られる。さらに、DMFCスタックと下部の混合タンクやコントローラとで中間プレートを挟持することにより、DMFCスタックが発生した熱が下部に伝わりにくい。これらの効果により、温度制御が必要な混合タンクのメタノール水溶液の温度制御を容易にするという効果も得られる。

さらに本実施形態によれば、燃料電池システムの下部から吸気し、上部から排気するので、低温部を先に冷却し、高温部を後で冷却するので、高い冷却効果が得られる。

さらに本実施形態によれば、燃料ポンプは、混合タンクの直上又はその付近に位置するので、混合タンクから供給されるメタノール水溶液の流路長（配管又はチューブの長さ）が短くなり、その圧力損失が少なくなると共に燃料電池システムの構造の簡単化、小型化を図ることができる。さらに、圧力損失が少なくなるので、燃料ポンプの動作が効率的になる。燃料ポンプの効率化により、燃料ポンプを制御しやすくなると共に、小さな容量（単位時間当たりの流量）の小型ポンプを使用することが可能になり、燃料電池システムを小型化することができる。

さらに本実施形態によれば、メタノール水溶液をDMFCスタックの下部から流入させ、メタノール水溶液の余剰分を上部出口から流出させることにより、混合タンクから燃料ポンプに至る流路内及びDMFCスタック内のメタノール水溶液中に気泡ができにくい。

さらに本実施形態によれば、燃料電池システムの上部に配置されたDMFCスタックのカソード側から流出した水は、DMFCスタックより下に位置する混合タンクに自然に流れるので、更なるポンプなどを必要としない。

燃料電池システムの構造を表す側面からの概略図である。 燃料電池システムのブロック図である。

符号の説明

1：燃料電池システム、2：燃料カートリッジ、3：精製水カートリッジ、4：DMFCスタック、5、6：混合ポンプ、7、8：電磁弁、9：混合タンク、10：濃度センサ、11：燃料ポンプ、12：空気ポンプ、13：コントローラ、14：Liバッテリー、15：中間プレート、16：ベースプレート、17：ブロア、18：受け皿、19：ドレイン、20：開口部、21：アノード側出口、22：カソード側出口、23：アノード側端板、24：カソード側端板、25、26、27：温度センサ、28、29：残量センサ、30：出力インターフーイス、31：外部インターフェース。

Claims (10)

1. メタノール水溶液をアノード側から供給し、酸素ガスをカソード側から供給してその化学反応により発電するDMFC（Direct Methanol Fuel Cell）スタック、及び
   前記DMFCスタックより下部に設けた、前記DMFCスタックのアノード側に供給する前記メタノール水溶液を溜めた混合タンクを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記DMFCスタックと前記混合タンクとの間に中間プレートを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記DMFCスタックのアノード側の下部、且つ前記混合タンクの直上近傍に、前記混合タンクの前記メタノール水溶液を前記DMFCスタックのアノード側に供給するための燃料ポンプを設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記DMFCスタックからの前記メタノール水溶液の余剰分を、前記DMFCスタックのアノード側の上部から前記混合タンクに流す流路を設けたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記DMFCスタックのカソード側の上部から前記酸素ガスを供給するための空気ポンプを設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記DMFCスタックから排出される水を、前記DMFCスタックのカソード側の下部から前記混合タンクに流す流路を設けたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記DMFCの下で且つ前記中間プレートの上に、ドレインを介して前記DMFCスタックに結露した水を排出するための受け皿を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
8. 前記受け皿は、前記DMFCスタックから漏出した前記メタノール水溶液を前記ドレインを介して排出することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記混合タンクに溜められた前記メタノール水溶液の温度を所定の温度に制御するためのブロアを、前記混合タンクに風向が向くように設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
10. 前記中間プレートより下部に前記ブロアを制御するコントローラを設けたことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。

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