JP3848283B2

JP3848283B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP3848283B2
Application number: JP2003098358A
Authority: JP
Inventors: 裕輔佐藤; 要宮崎; 英一坂上; 敬松岡; 敦史貞本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: US7351489B2; US20080145742A1; US20040247979A1; JP2004303705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池装置に係り、さらに詳細には小型化、コンパクト化を図ることのできる燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池装置としての例えばダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、装置の構成として、燃料としてのメタノールを貯留した燃料タンク，メタノール水溶液を貯留する混合タンク，アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を挟んだ構成の単セルを複数枚重ねたスタック構成の発電セル及び前記発電セルへ燃料及び空気を供給するためのポンプ等を備えた構成であり、全体的構成の小型化、コンパクト化を図るには、各種の構成要素を１つのケース内に格納する必要がある。
【０００３】
燃料電池装置を構成する各種の構成要素を１つのケース内に格納した構成は公知である（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１７１８７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１においては、ケース内の隔壁によってケース内を左右の空間に区画し、左側の空間内に燃料ガスボンベを配置した構成である。そして、右側の空間を水平な複数の隔壁によって上部空間，中部空間及び下部空間に区画し、各空間内に燃料電池，蓋電池及びＤＣ／ＤＣコンバータをそれぞれ個別に配置した構成であり、前記燃料ガスボンベと燃料電池は水素供給管によって接続してある。
【０００６】
すなわち、特許文献１にはケース内を複数の空間に区画し、各空間内に燃料電池装置に必要な各種の構成要素を配置する構成が記載されているものの、単にそれだけにすぎないものであって、全体的構成の小型化、コンパクト化を図る上において問題がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料タンク、混合タンク、ポンプ及び発電セルを有する燃料電池装置において、前記燃料タンクから混合タンクへの燃料の供給、当該混合タンクから前記発電セルへの混合液の供給及び外気吸入口から前記発電セルへの外気の供給を、１個のポンプにより行う構成である。
【００１４】
また、本発明は、燃料タンク、混合タンク、ポンプ及び発電セルを有する燃料電池装置において、前記混合タンク内面に多孔体を備え、混合液出口が前記多孔体に接続してあり、当該混合タンクに備えた気液流入部と気体排出部とを空間部によって接続してある構成である。
【００１５】
また、本発明は上記燃料電池装置において、前記空間部内に、前記気液流入部から前記気体排出部への流体の直線的な移動を阻害するための直線移動阻害部を備えている構成である。
【００１６】
また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記発電セルへ外気を吸入するために備えた外気吸入口に気液分離膜を備えた構成である。
【００１７】
また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記発電セルへ外気を吸入するために備えた外気吸入口に開閉自在のバルブを備えた構成である。
【００１８】
また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記外気吸入口にフィルタを備えている構成である。
【００１９】
また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記ポンプのモータにファンを備え、このファンからの送風によって前記混合タンクの一部を冷却する構成である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１は、燃料としてのメタノールを貯留した燃料タンク３，メタノール水溶液を貯留した混合タンク５，ポンプ７及びアノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を挟んだ構成の単セルを複数枚重ねたスタック構成の発電セル９を備え、さらに、例えばリチウムイオン電池のごとき蓄電池１１及び電子部品よりなる制御回路を備えた回路基板１３を備えている。そして、燃料電池装置１を構成する前記各構成要素は、１つの筐体（ケース）１５内に格納されている。
【００２１】
より詳細には、前記燃料タンク３と前記ポンプ７の吸引口側は、流量制御弁１７を配置した流路１９によって接続してあり、前記ポンプ７の吐出口側と前記混合タンク５は流路２１によって接続してある。さらに、前記ポンプ７の吸引口側には、前記発電セル９におけるアノード側流出路２３及びカソード側流出路２５が接続してある。
【００２２】
前記混合タンク５には、前記流路２１から流入した液体と気体との混合体から分離した気体を排出するための排気路２７が設けてあり、この排気路２７には流量制御自在かつ開閉自在の開閉弁２９が配置してある。さらに、前記混合タンク５の排出口と前記発電セル９の燃料流入部はアノード側流入路３１を介して接続してあり、かつ前記混合タンク５の排出口付近には、例えばニードルバルブのごとき流量制御部３３が設けてある。そして、前記発電セル９の空気流入部と外気吸入口３５は、例えばニードルバルブのごとき流量制御部３６を有するカソード側流入路３７を介して接続してある。
【００２３】
上記構成において、制御回路の制御の下にポンプ７を駆動すると、ポンプ７の吸引口側が負圧になるので、発電セル９と接続したアノード側流出路２３及びカソード側流出路２５が負圧となり、前記混合タンク５からメタノール水溶液を発電セル９内に吸引供給すると共に前記外気吸入口３５から空気を吸引供給することになる。
【００２４】
そして、前記発電セル９における反応によって生じた水分，ＣＯ₂，未反応の空気、メタノール水溶液等は前記ポンプ７の吸引口に吸引される。この際、燃料タンク３内のメタノールは流量制御弁１７によって流量を制御されて吸引される。そしてポンプ７によって吸引された流体は流路２１を経て混合タンク５へ流入される。
【００２５】
混合タンク５においては、気液分離が行われ、分離された気体は排気路２７から外部へ排気され、混合タンク５内のメタノール水溶液は、前記流量制御部３３によって流量を制御され、アノード側流入路３１を経て前記発電セル９へ供給されるものである。
【００２６】
以上のごとき説明より理解されるように、この実施形態においては、混合タンク５に対する燃料の供給、発電セル９に対する混合液（メタノール水溶液）の供給及び前記発電セル９に対する空気の供給を、１台のポンプ７による吸引、吐出によって行うことができるものである。したがって、燃料電池装置１の全体的構成の構成要素を少なくできると共に全体的構成の小型化、コンパクト化を図ることが容易なものである。
【００２７】
図２は第２の実施形態を示すもので、前記燃料タンク３を前記アノード側流入路３１に接続した場合の例を示すものである。この場合、燃料タンク３の接続位置とポンプ７との間に発電セル９が位置するので、前記流路１９の部分に小型の補助ポンプ３９を設けることが望ましいものである。なお、補助ポンプ３９を設けた場合には、構成要素として補助ポンプ３９が増加するものの、前述と同様の効果を奏し得るものである。
【００２８】
図３は第３の実施形態を示すものである。この実施形態においては、燃料タンク３を混合タンク５に接続した場合を例示するもので、この実施形態においては前記第２の実施形態と同様の効果を奏し得るものである。
【００２９】
図４は、前述した燃料電池装置１における燃料タンク３，混合タンク５，ポンプ７及び発電セル９等の各種の構成要素をコンパクトにまとめてケース１５内に格納した配置構成を示すものである。
【００３０】
より詳細には、前記ケース１５内は、ケース１５内を区画する仕切りの一例としてのマニフォールド４１によって発熱側領域４３と平常温側領域４５とに区画してあり、前記発熱側領域４３内には、断熱空間４７を介して前記発電セル９が配置してあると共に前記燃料タンク３が配置してある。前記断熱空間４７は、発電セル９を発電に必要な約６０℃〜８０℃に保持する機能を奏し得れば良いものであって、例えば断熱材を設ける構成であっても良いものである。前記平常温側領域４５内には前記ポンプ７，混合タンク５，前記蓄電池１１（図示省略）及び回路基板１３（図示省略）が配置してある。
【００３１】
前記マニフォールド４１は、図５に示すように、前記外気吸入口３５を側面に開口して備えており、この外気吸入口３５の部分には、気体の透過は許容するが液体の透過を阻止する機能を有する気液分離膜４９が配置してあると共にフィルタ５１が配置してある。そして、この外気吸入口３５に前記カソード側流入路３７が接続してある。
【００３２】
さらに、前記マニフォールド４１には、前記ポンプ７の吸引口側に接続した吸引路５３が形成してあり、この吸引路５３には、前記燃料タンク３に接続した流路１９が接続してあると共に、前記アノード側流出路２３及び前記カソード側流出路２５が接続してある。
【００３３】
また、前記マニフォールド４１には、前記ポンプ７の吐出口側に接続した吐出路５５が形成してあり、この吐出路５５にはポンプ７側に接続した流路２１が接続してあると共に前記混合タンク５側に接続した流路２１が接続してある。すなわち前記吐出路５５は前記流路２１を構成するものである。マニフォールドにはタップが切られており、ポンプ等を直接固定できるようになっている。
【００３４】
さらにまた、前記マニフォールド４１には、通路５７が形成してあり、この通路５７には前記混合タンク５の排出口に接続した前記アノード側流出路３１が接続してあると共に前記発電セル９に接続したアノード側流入路３１が接続してある。すなわち、前記通路５７は、前記アノード側流入路３１を構成するものである。
【００３５】
前記構成により、前述したように発電セル９に対してメタノール水溶液及び空気を供給して発電を行うことができるものである。発電セル９は、前記燃料タンク３，ケース１５及び前記マニフォールド３１によって周囲を囲繞されているので、発電セル９の発熱が周囲へ移動することを抑制でき、前記発電セル９を、発電に適正な約６０℃〜８０℃に保持し易いものである。
【００３６】
前述したように、前記マニフォールド４１は、前記外気吸入口３５，吸引路５３，吐出路５５及び通路５７の各種の接続路を内部に備えることによって、発電セル９に対する空気の流入路（外気吸入口３５，カソード側流入路），ポンプ７と燃料タンク３，発電セル９のアノード側流出路２３及びカソード側流出路２５との接続路（吸引路５３），及びポンプ７と混合タンク５との接続路（流路２１）並びに混合タンク５と発電セル９との接続路（アノード側流入路３１）の各種の接続路を集約した構成であるので、一種の流路接続部材を構成するものであり、各構成要素間の個別の配管が不要となり、各種の流路の接続を容易に行い得るものである。
【００３７】
また、前記マニフォールド４１によって発熱側領域４３と平常温側領域４５とに区画したことにより、前記マニフォールド４１は前記各種接続路を備えた流路接続部材と前記発熱側領域４３から平常温領域４５への熱の移動を遮断する断熱材を兼ねる構成となるものであり、全体的構成の小型化、コンパクト化がより効果的に行われ得るものである。
【００３８】
また、前記構成によれば、平常温側領域４５は、前記マニフォールド４１によって発電セル９を配置した発熱側領域４３と区画してあるので、発電セル９の発熱の影響を受けることがないものである。さらに前記構成においては、外気吸入口３５に気液分離膜４９が配置してあるので、運転停止時に内部の液体が外部に漏れることを防止できると共に、外気の吸引時にはフィルタ５１によって空気が濾過されることとなり、塵埃が内部に入ることを阻止することができるものである。
【００３９】
ところで、運転停止時に内部から液体が外部に漏れることを防止する構成としては、図６に示すように、外気吸入口３５の部分に開閉弁５９を設け、運転停止時に開閉弁５９を閉じる構成とすることも可能である。
【００４０】
ところで、前記ケース１５の姿勢が種々変化した場合であっても、前記燃料タンク３内の燃料の供給を行い得るように、前記燃料タンク３の内面には、図７に示すように、毛管現象によって前記流路１９へ燃料６３を集めることができるように、例えばスポンジ等のごとき多孔体６１が配置してある。前記多孔体６１は、燃料タンク３内面の全面に設けることが望ましい。しかし、燃料タンク３が種々の姿勢を取った場合であっても内部の燃料６３が前記多孔体６１に接触する構成であれば良く、燃料出口としての前記流路１９の入口を接続又は没入した多孔体６１を間にし、かつ当該多孔体６１に接続した対向面に配置する構成、すなわち概略的にはコ字形状をなす三面にのみ多孔体６１を配置した構成とすることも可能なものである。
【００４１】
上記構成により、燃料タンク３が種々の姿勢を取った場合であっても、内部の燃料６３と内面の多孔体６１は常に接触した状態にあり、燃料出口としての前記流路１９と多孔体６１との接続部が負圧になると、毛管現象によって燃料６３が前記流路１９に流入するものである。よって、燃料タンク３が種々の姿勢を取った場合であっても安定した燃料供給を行い得るものである。
【００４２】
また、前記混合タンク５には、図８に示すように、前記多孔体６１と同様の多孔体６５が内装してあり、この混合タンク５内の混合液（メタノール水溶液）の出口としての前記アノード側流入路３１の入口は前記多孔体６５に接続又は没入してある。
【００４３】
気液流入部としての前記流路２１の出口及び気体排出部としての前記排気路２７の入口は前記混合タンク５内に備えた空間部６７に臨出して設けてあり、前記流路２１の出口は前記多孔体６５に近接して配置してある。そして、前記流路２１の出口と前記排気路２７の入口との間には、前記流路２１の出口から排気路２７の入口へ流体が直線的に移動することを阻害するための直線移動阻害部６９が設けてある。換言すれば、流路２１の出口からの流体（気体）が排気路２７の入口へ移動するときの移動経路が迂回路となるように構成してある。
【００４４】
上記構成により、混合タンク６５が種々の姿勢を取った場合であっても、アノード側流入路３１の入口が負圧となることにより、混合タンク５内の混合液は多孔体６５の毛管現象によってアノード側流入路３１の入口側に流れてアノード側流入路３１に吸入されるものである。したがって、混合タンク６５が種々の姿勢を取った場合であっても、混合タンク６５から発電セル９への混合液の供給を常に安定して行うことができ、安定した発電が行われ得るものである。
【００４５】
さらに前記構成によれば、流路２１から混合タンク５内に流入した気体と液体とが混合した気液二層流の流体のうち液体は、流路２１の出口が多孔体６５に近接して配置してあることにより、直ちに多孔体６５に吸収されることとなり、気体と液体の分離が効果的に行われる。
【００４６】
そして、気体は直線移動阻害部６９を迂回して排気路２７側に至り、当該排気路２７から外部に排出されることになる。したがって、混合液の蒸気が外部へ排出されることを抑制でき、燃料の消費を抑制することができるものである。
【００４７】
図９は、図４に示した配置構成の変形形態を示すもので、この構成は、燃料タンク３と混合タンク５とを接続し（図３に示した構成に相当する）、前記混合タンク５を、発熱側領域４３と平常温側領域４５とに亘って配置した構成であって、前記混合タンク５の排気路２７側を前記平常温側領域４５側に配置した構成である。この構成においても前述と同様の効果を奏し得るものである。
【００４８】
図１０は、図９に示した構成においては、ポンプ７を駆動するモータ（図示省略）に送風ファン７１を設けて、送風ファン７１の回転によって吸引した外気を混合タンク５の排出路２７側部分に送風し、かつ前記排出路２７の排気方向と同方向へ送風する構成としてなるものである。
【００４９】
上記構成によれば、送風ファン７１の回転によって平常温側領域４５内に吸引した外気を混合タンク５の排出路２７側部分へ送風して当該部分の冷却を行うことができる。したがって、混合タンク５から排気される気体を冷却することができ、排出される気体中の蒸気の量を少なくすることができるものである。よって、燃料の消費量を抑制することができるものである。
【００５０】
また前記構成によれば、送風ファン７１からの風が排気路２７の排気方向と同方向に流出することにより、前記排気路２７から排気された気体をケース１５から効果的に遠去けることができ、例えば前記排気路２７の出口付近での凝縮を効果的に防止できるものである。
【００５１】
図１１は、仕切りの一例としての前記マニフォールド４１の変更形態を示すものである。この実施形態においては、前記ケース１５内を前記発熱側領域４３と平常温側領域４５とに区画する仕切りとして仕切板８１を設け、この仕切板８１の適宜一側に前記各種の接続路を構成する複数の配管８３（図１１には２本のみ例示）を集約した構成を示すものである。
【００５２】
前記仕切板８１の枚数としては、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、１枚でもよく、また、複数の配管８３を間に配置するように、２枚の仕切板８１を平行に設けた構成であってもよいものである。この場合、仕切板８１は断面形状をコ字形状に形成しても良いものである。このように、２枚の仕切板８１の間に配管８３を配置することにより、配管８３が乱れることを防止できるものである。
【００５３】
なお、前記配管８３を固定する構成としては固定具又は接着剤等を用いて仕切板８１に固定する構成とすることも可能である。また、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、仕切板８１に設けた孔又はスリットに前記配管８３を挿通して固定する構成とすることが望ましいものである。このように、配管８３が仕切板８１を貫通した構成とすることにより、仕切板８１でもって配管８３を固定する固定具を兼ねることとなり、固定具等を省略することができるものである。
【００５４】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、燃料電池装置の各種構成要素を１つのケース内に格納するとき、構成の簡素化を図ることができると共に小型化、コンパクト化を図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の全体的構成を概念的、概略的に示した説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置の全体的構成を概念的、概略的に示した説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池装置の全体的構成を概念的、概略的に示した説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の各構成要素を１つのケース内に格納したときの配置構成を示す説明図である。
【図５】マニフォールドと各種接続路の接続状態を示す説明図である。
【図６】マニフォールドにおける外気吸入口に開閉弁を設けた場合の説明図である。
【図７】燃料タンクの断面説明図である。
【図８】混合タンクの断面説明図である。
【図９】図４に示した配置構成の変形形態を示す説明図である。
【図１０】図１０に示した配置構成の変形形態を示す説明図である。
【図１１】仕切りとして仕切板を用いた形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１燃料電池装置
３燃料タンク
５混合タンク
７ポンプ
９発電セル
１５ケース
１９流路
２１流路
２３アノード側流出路
２５カソード側流出路
２７排気路
３１アノード側流入路
３５外気吸入口
３７カソード側流入路
４１マニフォールド（仕切り）
４３発熱側領域
４５平常温側領域
４９気液分離膜
５３吸引路
５５吐出路
５７通路
６１多孔体
６５多孔体
６７空間部
６９直線移動阻害部
７１送風ファン
８１仕切板
８３配管

Claims

燃料タンク、混合タンク、ポンプ及び発電セルを有する燃料電池装置において、前記燃料タンクから混合タンクへの燃料の供給、当該混合タンクから前記発電セルへの混合液の供給及び外気吸入口から前記発電セルへの外気の供給を、１個のポンプにより行う構成であることを特徴とする燃料電池装置。
燃料タンク、混合タンク、ポンプ及び発電セルを有する燃料電池装置において、前記混合タンク内面に多孔体を備え、混合液出口が前記多孔体に接続してあり、当該混合タンクに備えた気液流入部と気体排出部とを空間部によって接続してあることを特徴とする燃料電池装置。
請求項２に記載の燃料電池装置において、前記空間部内に、前記気液流入部から前記気体排出部への流体の直線的な移動を阻害するための直線移動阻害部を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記発電セルへ外気を吸入するために備えた外気吸入口に気液分離膜を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記発電セルへ外気を吸入するために備えた外気吸入口に開閉自在のバルブを備えたことを特徴とする燃料電池装置。
請求項４又は５に記載の燃料電池装置において、前記外気吸入口にフィルタを備えていることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記ポンプのモータにファンを備え、このファンからの送風によって前記混合タンクの一部を冷却する構成であることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１又は２に記載の燃料電池装置において、前記混合タンクとポンプとを接続する接続路、前記ポンプと発電セルとを接続する接続路を備えた仕切りによって前記ケース内を、前記発電セルを配置した発熱側領域と平常温側領域とに区画してあることを特徴とする燃料電池装置。
請求項８に記載の燃料電池装置において、前記仕切りは外気吸入口を備えた構成であることを特徴とする燃料電池装置。