JP2011023346A - 燃料電池システム及びその燃料補充方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムとその燃料補充方法を提供する。
【解決手段】燃料タンク１１０と、前記燃料タンクに接続され、第一燃料を補充する燃料補給ユニット１２０と、第二燃料を供給する前記燃料タンクに接続され、第一気体を発生する電池スタック１３０と、前記電池スタックに接続され、前記第一気体をリサイクル液体に液化する液化リサイクルユニット１４０と、前記燃料タンクと前記液化リサイクルユニットに接続され、前記リサイクル液体を前記燃料タンクに注入し、前記第二燃料の液面の高さを制御する液面調整ユニット１５０と、前記電池スタックから提供される電流信号を検出する検出ユニット１６０と、前記電流信号に基づいて、前記電池スタックから提供される電流量を計算し、前記電流量が所定値に達した時、前記第一燃料を駆動して、前記燃料補給ユニットから前記燃料タンクに補充する制御ユニット１７０とを含む燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料を正確に補充できる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）は広く応用され、例えば、家庭のバックアップ電源、可搬型の電力システム、低い仕事率の携帯用電子機器などのいずれも燃料電池を使用できる。
各燃料電池は膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。膜電極接合体の陽極端に一定濃度の燃料を供給し、陰極端に適量の酸素を供給すると、陰極と陽極との間の化学反応によって電位差が発生するため、外部負荷に電流を流すことができる。
燃料電池の反応生成物は二酸化炭素と水であることから、いかなる化学有機物質を発生することはない。よって、燃料電池は環境に優しいエネルギー源と称することができる。
通常の燃料電池は直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，ＤＭＦＣ）を含み、メタノール水溶液を利用して、発電用燃料とする。

従来の直接メタノール型燃料電池においては、使用されるメタノール水溶液濃度が特定濃度を超えないように制御する必要がある。メタノールクロスオーバー（ｃｒｏｓｓ ｏｖｅｒ）が発生し、膜電極接合体（ＭＥＡ）の発電効率が下がるのを避けるためである。
上記の特定値は、使用される膜電極接合体の性質によって決められ、通常は１０ｖｏｌ％を超えない。
また、直接メタノール型燃料電池は、その操作温度（動作温度）と環境温度（周囲温度）に影響され易く、その操作温度、或いは環境温度が高すぎた場合（通常は６０℃より高い）、直接メタノール型燃料電池の発電効率は下がる。

直接メタノール型燃料電池の陽極化学反応式は次の通りである。
CH₃OH + H₂O → 6H⁺ + 6e^- +CO₂
陰極化学反応式は次の通りである。
1.5 O₂ + 6H⁺ +6e^- → 3H₂O
直接メタノール型燃料電池の総反応式は次の通りである。
CH₃OH + 1.5 O₂ → CO₂ + 2H₂O

上述の総反応式から分かるように、理論上では、直接メタノール型燃料電池反応時は水を生成する。しかしながら、実際は、環境温度と仕事温度（動作温度）などの要因によって、反応過程において、水は蒸発され、且つその蒸発量は恐らく、水の生成量より大きい。
また、燃料電池のメタノール水溶液のメタノールは反応時間の増加につれ減少されるので、使用されるメタノール水溶液濃度は反応時間の増加につれ低下する。
メタノール水溶液濃度が低すぎると、陽極の反応によって生成される水素イオンは大幅に減少される。よって、直接メタノール型燃料電池の化学反応を継続させるには、メタノールの含有量を増加させなければならず、且つ蒸発量を減少させて水量を維持する方法を考え、直接メタノール型燃料電池が継続的に作動できるようにする。

本発明の目的は、燃料電池システムとその燃料補充方法を提供する。

本発明は従来技術の問題を解決するために、燃料電池システムを提供する。
前記燃料電池システムは燃料タンクと、燃料補給ユニットと、電池スタックと、液化リサイクルユニットと、液面調整ユニットと、検出ユニットと、制御ユニットとを含む。
燃料補給ユニットは前記燃料タンクに接続され、前記燃料タンクに対して第一燃料を補充する。
電池スタックは、前記燃料タンクに接続される。前記燃料タンクは前記電池スタックに対して第二燃料を供給し、前記電池スタックは第一気体を発生する。
液化リサイクルユニットは前記電池スタックに接続され、前記第一気体をリサイクル液体に液化する。
液面調整ユニットは前記燃料タンクと前記液化リサイクルユニットに接続される。前記液面調整ユニットは前記リサイクル液体を前記燃料タンクに注入し、前記燃料タンクの前記第二燃料の液面の高さを制御する。
検出ユニットは前記電池スタックに電気的に接続され、前記電池スタックから提供される電流信号を検出する。
制御ユニットは前記検出ユニットと前記燃料補給ユニットに電気的に接続される。前記制御ユニットは前記電流信号に基づいて、前記電池スタックから提供される電流量を計算し、前記電流量が所定値に達した時、前記制御ユニットは前記第一燃料を駆動し、前記第一燃料を前記燃料補給ユニットから前記燃料タンクに補充する。

本発明の長所は液化リサイクルユニットから発生されたリサイクル液体（例えば、水）と液面調整ユニットを利用して前記燃料タンクの前記第二燃料（例えば、メタノール水溶液）の液面の高さを制御する。
これによって、前記電流量が前記所定値に達した時、特定の温度条件と電圧条件において、前記制御ユニットは前記燃料補給ユニットを駆動し、前記燃料タンクに対して前記第一燃料を定量に補充することによって、前記第一燃料の過量補充、或いは補充不足を避けることができる。

本発明の実施例の燃料電池システムを表している。 本発明の実施例の液化リサイクルユニットを表している。 本発明の実施例に適用される液化器を表している。 本発明の実施例に適用される液化器を表している。 第二燃料の液面が排気管の出口端部より低い状況を表している。 第二燃料の液面が排気管の出口端部に位置する状況を表している。 本発明の実施例の燃料補充方法を表している。 変形例において、液面調整ユニットと燃料タンクの細部構造及び使用状態を表している。 変形例において、液面調整ユニットと燃料タンクの細部構造及び使用状態を表している。 変形例において、液面調整ユニットと燃料タンクの細部構造及び使用状態を表している。 変形例において、液面調整ユニットと燃料タンクの細部構造及び使用状態を表している。 変形例において、液面調整ユニットと燃料タンクの細部構造及び使用状態を表している。 本発明のもう一つの変形例を表している。

本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照しながら、詳細に説明する。

図１を参照、本発明の実施例の燃料電池システム１００である。燃料電池システム１００は、燃料タンク１１０と、燃料補給ユニット１２０と、電池スタック１３０と、液化リサイクルユニット１４０と、液面調整ユニット１５０と、検出ユニット１６０と、制御ユニット１７０と、加圧ユニット１８０とを含む。
燃料補給ユニット１２０は前記燃料タンク１１０に接続され、前記燃料タンク１１０に対して第一燃料（例えば、メタノール）を補充する。
電池スタック１３０は前記燃料タンク１１０に接続される。前記燃料タンク１１０は前記電池スタック１３０に対して第二燃料（例えば、メタノール水溶液）を供給し、前記電池スタック１３０は第一気体（例えば、水蒸気）を発生する。
液化リサイクルユニット１４０は前記電池スタック１３０に接続され、前記第一気体をリサイクル液体（例えば、水）に液化する。
液面調整ユニット１５０は前記燃料タンク１１０と前記液化リサイクルユニット１４０に接続され、前記燃料タンク１１０の前記第二燃料の液面の高さを制御する。
検出ユニット１６０は前記電池スタック１３０に電気的に接続され、前記電池スタック１３０から提供される電流信号を検出する。
制御ユニット１７０は前記検出ユニット１６０と前記燃料補給ユニット１２０に電気的に接続される。前記制御ユニット１７０は前記電流信号に基づいて、前記電池スタック１３０から提供される電流量を計算し、前記電流量が所定値に達した時、前記第一燃料を、前記燃料補給ユニット１２０から前記燃料タンク１１０に補充する制御を行う。
前記加圧ユニット１８０は前記燃料電池システムに対して、作動圧力を付与して前記第一気体を液化リサイクルユニット１４０に移動させ、前記リサイクル液体を液化して前記リサイクル液体を回収する。

本発明の長所は液化リサイクルユニット１４０から発生されたリサイクル液体（例えば、水）と液面調整ユニット１５０を利用して前記燃料タンク１１０の前記第二燃料（例えば、メタノール水溶液）の液面の高さを制御する。
これによって、前記電流量が所定値に達した時、特定の温度条件と電圧条件において、前記制御ユニット１７０は前記燃料補給ユニット１２０を駆動し、前記燃料タンク１１０に対して前記第一燃料を定量に補充する。このようにして、前記第一燃料の過量補充、或いは補充不足を避けることができる。

上述の実施例において、前記第一燃料と前記第二燃料はメタノール水溶液であってもよい。前記第一燃料の濃度は５０％（ｖｏｌ％）より高く、例えば、１００％（ｖｏｌ％）である。前記第二燃料の濃度は１０％（ｖｏｌ％）より低く、例えば、２〜４％（ｖｏｌ％）である。前記リサイクル液体は水である。

この変形例において、前記燃料電池システム１００は定量ポンプユニットを更に含むことができ、前記定量ポンプユニットは前記制御ユニットに電気的に接続される。
前記制御ユニットは前記定量ポンプユニットによって、前記第一燃料を前記燃料補給ユニット１２０から前記燃料タンク１１０に送る。
また、前記制御ユニットは前記定量ポンプユニットによって、（反応後の）前記第二燃料を前記電池スタック１３０から前記燃料タンク１１０に戻す。

図２に示す前記液化リサイクルユニット１４０は液化器１４１とファン１４２、及びリサイクルタンク１４３を含む。前記第一気体は、前記加圧ユニット１８０（図１）により駆動され、前記液化器１４１を通過して前記ファン１４２により冷却される。
前記液化器１４１は前記第一気体を前記リサイクル液体に液化させる。前記リサイクル液体は前記リサイクルタンク１４３に流れて保存される。図２ａと図２ｂを参照、本発明の実施例に適用される液化器１４１と液化器１４１’を表している。

図３ａと図３ｂを参照、前記液面調整ユニットの細部構造を表している。
前記液面調整ユニット１５０は前記リサイクルタンク１４３と前記燃料タンク１１０に接続される。
前記液面調整ユニットは給水チューブ１５１と排気管１５２を含み、前記給水チューブ１５１と前記排気管１５２は前記リサイクルタンク１４３の下方に接続される。前記給水チューブ１５１は前記リサイクルタンク１４３と前記燃料タンク１１０に接続される。前記排気管１５２は前記リサイクルタンク１４３と前記燃料タンク１１０に接続される。
図３ａを参照、前記燃料タンク１１０の前記第二燃料２の液面が前記排気管１５２の出口端部１５３より低い時、前記リサイクル液体は前記リサイクルタンク１４３から前記給水チューブ１５１を通過して、前記燃料タンク１１０に入る。
同時に、前記燃料タンク１１０の気体（第二気体、二酸化炭素）は前記燃料タンク１１０から前記排気管１５２を通過して前記リサイクルタンク１４３に入る。
図３ｂを参照、前記燃料タンク１１０の前記第二燃料２の液面が上昇して前記排気管１５２の前記出口端部１５３に位置した時、液面を更に上昇させようとすると前記燃料タンク１１０の前記第二燃料２の液面上方の空気が圧縮され、圧力が上がる。このようにして、前記第二燃料２の液面に対して圧力をかけ、前記リサイクル液体を過量に前記燃料タンク１１０に流入させない（この時の前記燃料タンクの気体圧力は約０．１５ｋｇ／ｃｍ²である）。

図３ａと図３ｂに示す前記リサイクルタンク１４３は水口１４４と排気口１４５を有する。前記水口１４４と前記排気口１４５は前記リサイクルタンク１４３の上方に位置する。
リサイクル液体が前記水口１４４から前記リサイクルタンク１４３に入った後、リサイクル液体に伴って入った気体は前記排気口１４５から排出する。
また、前記燃料タンクから前記排気管を通過して前記リサイクルタンクに入った前記第二気体は、前記排気口１４５から前記リサイクルタンク１４３に排出される。
前記燃料タンク１１０は反応液体（第二燃料、メタノール水溶液）を循環させる反応液体循環入口１１１と反応液体循環出口１１２を有する。
過量の反応液体（第二燃料、メタノール水溶液）が前記反応液体を循環させる反応液体循環入口１１１から注入された時、過量の反応液体（第二燃料）は、前記燃料タンク１１０から前記排気管１５２を通過して前記リサイクルタンク１４３に入り、そして前記排気口１４５から排出される。

前記燃料タンク１１０は臨界液面検出器１１３を更に含む。前記燃料タンク１１０の前記第二燃料の液面の高さが臨界液面に下がった時、前記臨界液面検出器１１３は前記制御ユニット１７０に対して臨界信号を出力し、前記制御ユニット１７０は前記臨界信号に基づいて、前記燃料電池システムの作動を停止する。

本発明の実施例において、前記検出ユニット１６０は前記電池スタック１３０から提供される電圧信号と前記電池スタック１３０の温度信号を更に検出する。
前記制御ユニット１７０は前記電圧信号と前記温度信号に基づいて、前記燃料タンクに対して前記第一燃料を補充する。
図４を参照、本発明の実施例の燃料補充方法を表している。まず、前記制御ユニットは前記検出ユニットから得た前記電流信号ａに基づいて、前記電池スタックから提供される電流量Ａ（Ａ＝ａ１+ａ２+．．．ａｎ）（Ｓ１）を計算する。
続いて、前記電流量Ａが所定値Ａｓｔに達した時、メタノールの消耗量が設定値に達したことになるので、補充タイミングｔ（Ｓ２）を得る。
この時、前記第一燃料の補充量は第一補充量Ｙ１と第二補充量Ｙ２を有する。前記第一補充量は固定値Ｙ１である（メタノールの所定消耗量）。また、前記第二補充量Ｙ２に関して、前記制御ユニットはこの補充タイミングｔにおいて、前記電圧信号Ｖと前記温度信号Ｔに基づいて、前記第二補充量Ｙ２（Ｙ２＝Ｆ（Ｖ，Ｔ））（Ｓ３）を計算する。
これらによって、前記制御ユニットは前記燃料補給ユニットを駆動し、この補充タイミングｔにおいて、前記燃料タンクに対して前記第一燃料を補充する（Ｓ４）。

電池スタック１３０の反応が安定した時、前記電圧信号Ｖと前記温度信号Ｔが安定していることから、第二補充量は固定値Ｙ２である（例えば、ゼロである）ので、前記第一燃料を定量補充する目的を達成することができる。

図５ａ〜図５ｅを参照、この実施例は、燃料タンクが運送等される際に、液面の位置が変化する実施例を示す。
図５ａに示すように、記給水チューブ１５１’と排気管１５２の端部はいずれも前記燃料タンク１１０のおおむね中央位置に位置し、且つ第二燃料２の液面は、燃料タンク１１０のおおむね中央位置であって、中央位置よりもやや下方に位置する。
すなわち、図５ａ〜図５ｅに示す実施例では、燃料タンクが運送等される際に、図３ａ等に示す実施例と比較して、図５ａに示すように、給水チューブ１５１’が、燃料タンク１１０のおおむね中央位置であって、第二燃料２の液面と同程度の高さまで引き上げる。
給水チューブ１５１’を、第二燃料２の液面と同程度の高さまで引き上げることにより、給水チューブ１５１’に第二燃料２が残留しないので、図５ａ〜図５ｅに示すように燃料タンクの向きが変化しても、給水チューブ１５１’に残留した第二燃料２がリサイクルタンク側に流れない。
図５ｃに示すように、燃料タンク１１０の側面が下を向いた時に、第二燃料２の液面は、給水チューブ１５１’ と排気管１５２の端部よりも下方に位置すると共に、燃料タンクの中央位置より下方に位置する。なぜなら、燃料タンクの上面および下面の面積は側面の面積に対して小さい。したがって、図５ｃに示すように、燃料タンク１１０の側面が下を向いた時であっても、第二燃料２がリサイクルタンク側に流れない。
図５ｅに示すように、燃料タンクの上面が下を向いた時に、第二燃料２の液面は、給水チューブ１５１’ と排気管１５２の端部よりも下方に位置すると共に、燃料タンクの中央位置より下方に位置する。上記のように、図５ａにおいて、第二燃料２の液面は、燃料タンク１１０のおおむね中央位置であって、中央位置よりもやや下方に位置するからである。したがって、図５ｅに示すように、燃料タンク１１０の側面が下を向いた時であっても、第二燃料２がリサイクルタンク側に流れない。
よって、燃料タンクを運送する時に、燃料タンクが如何に傾斜しても、燃料が溢れ出すことはない。

図６に示す実施例において、燃料補給ユニット１２０と燃料タンク１１０との間に流量検出ユニット１２１を設けた。
流量検出ユニット１２１は、高濃度メタノールが燃料補給ユニット１２０から燃料タンク１１０に入るのを確保する。また、流量検出ユニット１２１は、高濃度メタノールの補充がないために、燃料タンクのメタノール濃度が低くなりすぎて、電池スタック１３０の機能が影響されるのを避ける。
燃料補給ユニット１２０のメタノール燃料を使い切った時、流量検出ユニット１２１は警報信号を発生する。警報信号が発生されると、まず、システムが停止され、且つ異常表示が出力装置に表示され、使用者にメタノール燃料の取替え（交換）或いは補充する旨を通知する。その後、発電を続ける。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、図または説明書の説明では、類似または同一の部分は、同一の符号を用いている。
また、図では、実施例の形状または厚さは拡大して示してあり、標示を簡易化してある。また、図中の各構成部分はそれぞれ説明されているが注意するのは、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料タンク
１１１ 反応液体循環入口
１１２ 反応液体循環出口
１１３ 臨界液面検出器
１２０ 燃料補給ユニット
１２１ 流量検出ユニット
１３０ 電池スタック
１４０ 液化リサイクルユニット
１４１、１４１’ 液化器
１４２ ファン
１４３ リサイクルタンク
１４４ 水口
１４５ 排気口
１５０ 液面調整ユニット
１５１ 給水チューブ
１５２ 排気管
１５３ 出口端部
１６０ 検出ユニット
１７０ 制御ユニット
１８０ 加圧ユニット

Claims (14)

1. 燃料タンクと、
   前記燃料タンクに接続され、前記燃料タンクに対して第一燃料を補充する燃料補給ユニットと、
   前記燃料タンクに接続され、前記燃料タンクから第二燃料が供給され、第一気体を発生する電池スタックと、
   前記電池スタックに接続され、前記第一気体をリサイクル液体に液化する液化リサイクルユニットと、
   前記燃料タンクと前記液化リサイクルユニットに接続され、前記リサイクル液体を前記燃料タンクに注入し、前記燃料タンクの前記第二燃料の液面の高さを制御する液面調整ユニットと、
   前記電池スタックに電気的に接続され、前記電池スタックから提供される電流信号を検出する検出ユニットと、
   前記検出ユニットと前記燃料補給ユニットに電気的に接続され、前記電流信号に基づいて、前記電池スタックから提供される電流量を計算し、前記電流量が所定値に達した時、前記第一燃料を前記燃料補給ユニットから前記燃料タンクに補充する制御を行う制御ユニットとを含む燃料電池システム。
2. 前記第一燃料の濃度は５０％（ｖｏｌ％）より高く、前記第二燃料の濃度は１０％（ｖｏｌ％）より低い請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第一燃料はメタノールであり、前記第二燃料はメタノール水溶液である請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 加圧ユニットを更に含み、前記加圧ユニットは前記燃料電池システムに対して、作動圧力を付与して前記第一気体を液化リサイクルユニットに移し、前記リサイクル液体を液化してリサイクルする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記液化リサイクルユニットは液化器とファン、及びリサイクルタンクを含み、
   前記第一気体は、前記加圧ユニットにより駆動され、前記液化器を通過して前記ファンにより冷却され、
   前記液化器は、前記第一気体を前記リサイクル液体に液化させ、
   前記リサイクル液体は前記リサイクルタンクに流れて保存される請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記液面調整ユニットは前記リサイクルタンクと前記燃料タンクに接続され、
   前記燃料タンクの前記第二燃料の液面が下がった時、前記液面調整ユニットは前記リサイクル液体を調整して前記リサイクルタンクから前記燃料タンクに注入する請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記液面調整ユニットは給水チューブと排気管を含み、
   前記給水チューブは前記リサイクルタンクと前記燃料タンクに接続され、
   前記排気管は前記リサイクルタンクと前記燃料タンクに接続され、
   前記燃料タンクの前記第二燃料の液面が前記排気管の出口端部より低い時、前記リサイクル液体は前記リサイクルタンクから前記給水チューブを介して、前記燃料タンクに注入される請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料タンクの前記第二燃料の液面が前記排気管の前記出口端部に位置した時、前記リサイクル液体は前記燃料タンクへの注入を停止する請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料タンクの前記第二燃料の液面が前記排気管の前記出口端部に位置した時、前記燃料タンクの気体圧力は約０．１５ｋｇ／ｃｍ²である請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記リサイクルタンクは排気口を有し、
    第二気体は前記燃料タンクから前記排気管と前記リサイクルタンクを通過し前記排気口から前記リサイクルタンクに排出される請求項７に記載の燃料電池システム。
11. 前記第二気体は二酸化炭素である請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記検出ユニットは前記電池スタックから提供される電圧信号と前記電池スタックの温度信号を検出し、
    前記制御ユニットは前記電圧信号と前記温度信号に基づいて、前記燃料タンクに対して前記第一燃料を補充する制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
13. 臨界液面検出器を更に含み、
    前記臨界液面検出器は前記燃料タンクに設けられ、
    前記燃料タンクの前記第二燃料の液面が臨界液面に下がった時、
    前記臨界液面検出器は前記制御ユニットに対して臨界信号を出力し、
    前記制御ユニットは前記臨界信号に基づいて、前記燃料電池システムの作動を停止する請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 請求項１から１３の何れかに記載の燃料電池システムを提供するステップと、
    前記検出ユニットが前記電池スタックから提供される電圧信号と前記電池スタックの温度信号を検出するステップと、
    前記第一燃料は第一補充量と第二補充量を有し、前記第一補充量は固定値であり、前記電流量が前記所定値に達した時、前記制御ユニットが前記電圧信号と前記温度信号に基づいて、前記第二補充量を計算し、前記第一燃料を、前記燃料補給ユニットから前記燃料タンクに補充するステップとを含む燃料補充方法。

Images