JP4087323B2 - 液体タンクおよび燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、液体タンクおよび燃料電池に係り、特に液体と気体の混合物が注入される注入口と、注入口から注入された気体を放出する排気口を有する液体タンクおよび燃料電池に関する。
一般的に排気口やオーバーフロー口などの開口部が設けられた液体タンクには、液体タンク内部の液体の蒸発を防止するため様々な構造が試みられている。
従来の蒸発防止部材を使った液体タンク(特許文献1)は、表面層に撥油性の材料を使用した浮遊する蒸発防止部材を液体タンク内の液体に浮かせていた。液体タンク内の液相部分と気相部分の境界面積は、蒸発防止部材がない場合に比較して蒸発防止部材を浮かせている場合の方が小さくなり、結果液体タンク内の液体の蒸発する量を抑制していた。
一方、蒸発した液体を積極的に凝縮、回収し、最終的に液体の蒸発を防止する構造(特許文献2)も試みられている。この構造では、液体タンクの天井部に二酸化炭素を排出するための開口部が設けられ、液体タンク内の蒸気は、液面から天井部に至るまでの間に設けられた小孔を有する冷却板によって冷却、凝縮され、再び液体となって液体タンク内に滴下し回収される。
特開平3−144596号公報 図2 特開平4−229958号公報 図1
従来の蒸発防止部材を使った液体タンクは、液体タンクの内壁面と蒸発防止部材の間隙や蒸発防止部材同士の間隙が数多く存在し、蒸発防止の効果は小さい。液体タンク内部の液体が、飽和蒸気圧が高い液体の場合は効果としては十分であるが、液体が、例えばアルコール類や揮発油類など飽和蒸気圧が低く、常温、大気圧の環境下において蒸発しやすい液体の場合、この様な蒸発防止部材を使った液体タンクでは効果が不十分であった。
また、蒸発した液体を積極的に凝縮、回収する構造の液体タンクの場合、液体タンクの気相部分における液体の質量濃度が高い場合には有効であるが、液体タンクの気相部分における液体の質量濃度が低い場合には凝縮効率が低く、効果は顕著でなかった。例えば、液体タンク内に液体と気体の混合物が注入される際、注入される気体の量が多いと液体タンクの気相部分における質量濃度は低く、凝縮効率が低下してしまう。
このように、これら従来の液体タンクは、液体タンク内部の液体の蒸発が防止できず、結局使用されずに無駄に消費される液体が多く、液体タンク内部の液体の利用効率が低下してしまうという問題があった。
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、液体タンク内部の液体または燃料の利用効率を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の液体タンクは、内部に液体が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口および水溶液を取り出す供給口を有するタンクと、注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材を有し、注入口が一方の部分に配置され、供給口が他方の部分に配置されていることを特徴としている。
本発明によれば、液体タンク内部の液体または燃料の利用効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の実施例を、図1〜図4を参照して説明する。
図1は本発明の液体タンクを用いた燃料電池のブロック図、図2は燃料電池の発電原理を示す図である。ここでは例として循環型の直接メタノール方式燃料電池について説明する。
まず、セルスタック1について説明する。セルスタック1は複数の燃料電池セルを積層したものであり、燃料電池セルとは燃料と酸化剤(空気中の酸素を用いる場合が多い)を化学反応させることにより、電気エネルギーを取り出すものである。
マイナス側電極であるアノード2とプラス側電極であるカソード3の間には電解質膜4が挟まれている。アノード2にはメタノールと水が、一方カソード3には酸素が供給される。このときアノード2で生じる反応は、
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-
であり、一方カソード3で生じる反応は、
2+4H++4e- → 2H2
である。ここで、電解質膜4は電子(e-)を通さず、プロトン(H+)のみ通す性質を持つ。この性質により電子は電解質膜4を通過できず、燃料電池セルの外部を回らざるをえなくなり、負荷5に用いる電気エネルギーとして燃料電池セルの外部に取り出すことができる。結局、燃料電池セル全体では、メタノールと水、酸素が反応し、二酸化炭素と水が生成され、電気エネルギーが発生する。
次に、セルスタック1へ供給する燃料、およびセルスタック1より排出される排出物について説明する。前述した通り、セルスタック1へメタノールと水、酸素を含む大気を供給し、二酸化炭素と水が排出されるが、排出された水をメタノールと混合し、再度燃料として利用することができる。また、実際の排出物には、未反応のメタノール、未反応の酸素および使用されない窒素等が含まれており、未反応のメタノールも回収することにより再度燃料として利用することができる。すなわち、排出された水や未反応のメタノールを再度燃料として利用できれば、濃度の高いメタノールと酸素を含む大気を供給するだけで、発電を持続することができる。
着脱式の燃料カートリッジ6には濃度の高いメタノールが貯蔵されている。濃度の高いメタノールは、セルスタック1から排出された水と二酸化炭素および未反応のメタノールと酸素および使用されない窒素等の大気と共に液体ポンプ7を用いて液体タンク8に送り込まれる。燃料カートリッジ6から送り込まれた濃度の高いメタノールは、排出された水と混合され、所定の濃度のメタノールの水溶液9となる。また、排出された二酸化炭素は
、未反応の酸素および使用されない窒素等と共に、排気口10より大気に放出される。所定の濃度に混合されたメタノールと水は、セルスタック1のアノード2に送られて、発電に使用される。一方酸素を含む大気は、空気ポンプ11によってセルスタック1のカソード3へ送られて発電に使用される。
図3は液体タンク8の内部を示す断面図である。
液体タンク8には排出された二酸化炭素、未反応の酸素、使用されない窒素等を排出するための排気口10が空けられている。排気口10には、メタノールの漏洩防止のため漏洩防止手段、例えば気液分離膜(図示せず)が設けられている。セルスタック1に供給するメタノールと水の水溶液9は液体タンク8に設けられた供給口12から取り出され、またセルスタック1から排出された排出物および濃度の高いメタノールは注入口13から注入される。液体タンク8内部には、液体タンク8の少なくとも一部を分割するように板状部材14が、水溶液9の液面に対して傾斜して設けられている。なお、板状部材14は、板状部材14によって分割された一方の空間と、他方の空間が連通する様に、板状部材14の一部が液体タンク8の内壁面まで達していない箇所、すなわち間隙15,16(連通部)が形成されている。なお、間隙15、16のそれぞれの位置は、間隙15は板状部材14の液面に近い部分近傍に、また間隙16は板状部材14の液面から遠い部分近傍である。
続いて、板状部材14の働きについて説明する。図4に液体タンク8の内部における水溶液9の蒸発をモデル化した図を示す。
液体タンク8の内部では、水溶液9の一部は蒸発によって気体へ、また気体の一部は凝縮によって液体へ相変化している。セルスタック1から液体タンク8に排出物が注入されるとき、もしくは排気口10から排出物が排出されるとき、液体タンク8には気相の流れが発生する。液体から気体への相変化は物質移動問題の一つである。この物質移動速度、すなわち蒸発速度NA(mol/m2s)の大きさに関与する物質量は、濃度差ΔCA(mol/m3)、拡散係数DAB(m2/s)、流速u(m/s)、流体の密度ρ(kg/m3)、粘性係数μ(kg/ms)、代表長さL(m)である。これらの物理量が7つ、次元がmol、M、L、Tの4つであるから関係する無次元数の数は3である。
そこで、これらの物理量から次元解析を行うと次の式が得られる。
Figure 0004087323
ここで表された3つの無次元数は、それぞれシャーウッド数Sh、ペクレ数Pe、シュミット数Scと呼ばれる。よって物質移動問題は、Sh=αPeβScγ
の形式で相関できる。さらにPe=ReScなので上記の式は、
Sh=αReβScα+γ
とも表される。実際、液相からの蒸発(平板からの物質移動)は境界層理論から、
Sh=0.332Re1/2Sc1/2 ・・・(2)
で表される。このように、物質移動問題はSh、Re、Scで相関されるのが一般的である。(1)および(2)から、下記の式が得られる。
Figure 0004087323
ここで、L1は流れ方向長さ、L2は濃度境界層を表す。
ところで、板状部材14が設けられている場合、(3)における流速u、及び流れ方向長さL1が、板状部材14が設けられていない場合に比べて小さくなる。すなわち板状部材14が設けられている方が、蒸発速度NAが小さく水溶液9の蒸発は抑制される。
以上の様に構成した液体タンク8を用いた燃料電池は、板状部材14を設けることにより、液体タンク8から水溶液9が蒸発し、発電に使用されることなく無駄に排気口10から排出される量を減少させることができる。また、板状部材14は液体タンク8の内部にて大きな面積を有しているため、多くの水溶液9の蒸気を板状部材14の表面で凝縮し回収することができる。なお、板状部材14の表面に凹凸を設けて表面積を拡大したり、撥水処理などの水溶液9をはじく処理を施したりすると、回収の効率が向上し、より効果的である。また、板状部材14は、通常使用時の水溶液9の液面に対して傾斜して設けられているため、凝縮した蒸気が傾斜面をつたって所定の場所に集まり、回収が容易となる。
なお、隙間16はセルスタック1から排出物が注入されるなどを理由に水溶液9の液面が上昇した場合や、セルスタック1の発電量が増加などを理由に水溶液9の液面が低下した場合、板状部材14によって分割された一方の部分と他方の部分の間で気体の置換が可能となる目的で設けているが、隙間15の面積が気体の置換が可能な程度に大きい場合は特に設ける必要はない。
また、図3は板状部材14は1枚のみしか設けられてないが、複数枚、例えば図5に示す様に、板状部材14a、14bを2枚設けても構わない。この時、板状部材14a、14bによって分割された一方の空間と、他方の空間が連通する様に間隙15aを設ける。
その他、図6に示す様に、連通部は隙間15、16に代えて、板状部材14cに設けられた貫通孔17、18を設けてもよい。
その他図7に示すように、間隙15および間隙16を水溶液9が浸透通過可能な多孔質部材26、26、例えばスポンジ等によって充填しても構わない。例えば液体タンク8を誤って上下逆に転倒させてしまった場合など、液体タンク8の排気口10が水溶液9の液面より下になる位置関係になったとしても、水溶液9が多孔質部材26を通過する際に通過速度が低下するため、一定時間排気口10は冠水を免れ、セルスタック1から排出される排出物の排気を続けることができる。
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第2の実施例を、図8を参照して説明する。なお、図3に示す第1の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第2の実施例では、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第1の実施例の注入口13に代えて、セルスタック1から排出された排出物
を液体タンク8へ注入する排出物注入口21と、高濃度のメタノールを液体タンク8へ注入するメタノール注入口22を個別に設けている。
排出物注入口21は液体タンク8の内部の板状部材14によって仕切られた排気口10側に設けられ、またメタノール注入口22は液体タンク8の内部の水溶液9が貯蔵される側に設けられる。
以上の様に構成した液体タンク8を用いた燃料電池は、水溶液9に比べて揮発性の高い高濃度のメタノールを液体タンク8の中に注入する際、液体タンク8は板状部材14によって仕切られるので、高濃度のメタノールは排気口10側を通過しない。このため、通過過程で蒸発することにより発電に使用されることなく無駄に排気口10から排出されるということがない。なお、メタノール注入口22は定常時において水溶液9の水面下となる位置に設けると、高濃度のメタノールが直接気相と接することがないので、蒸発を防ぐ面からはさらに効果的である。
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第3の実施例を、図9を参照して説明する。なお、図3に示す第1の実施例および図8に示す第2の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第3の実施例では、板状部材14に屈曲部23を設け、板状部材14の一方の端を水溶液9に浸漬させ、隙間15bを形成している。
以上の様に構成した液体タンク8は、水溶液9の蒸気量の少ない非飽和の気相部分、すなわち液体タンク8の内部の板状部材14によって仕切られた排気口10側と、水溶液9との接触面積を最小限に抑えることができる。なお、図9では、板状部材14のメタノール注入口22側の端(図中左側)を水溶液に浸漬させているが、板状部材14を供給口12側(図中右側)へ傾斜させ、供給口12側の端を水溶液9に浸漬させる形状でもよい。
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第4の実施例を、図10を参照して説明する。なお、図3に示す第1の実施例、および図8に示す第2の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第4の実施例では、液体タンク8の内部の板状部材14によって仕切られた排気口10側に、排出物注入口21と排気口10との間の天井部に、排出物注入口21から注入される未反応のメタノールのうち気化した未反応のメタノールを凝縮させるための冷却板24a、24bが設けられている。
以上の様に構成した液体タンク8は、セルスタック1の温度が高い場合、排出物注入口21から注入される排出物の温度が高くなるため、排出物中に含まれる未反応のメタノールの一部が気化する場合がある。この様な場合、冷却板24a、24bは気化した未反応のメタノールを冷却し、気化した未反応のメタノールとの接触面積を増やす効果があり、また、冷却板24a、24bと、板状部材14との間隙が狭いため、間隙15、16との同様の効果から凝縮が促進される。これは、排出物注入口21から注入される未反応のメタノール等の回収率が増加し、再度発電に使用されることなく無駄に排気口10から排出される量を減少させることができる。
なお、本実施例では気化した未反応のメタノールを凝縮させる冷却板の枚数は2枚のみであるが、セルスタック1の出力や液体タンク8のサイズ等の条件により、必要に応じて
枚数を増減させても構わない。
以下に、本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第5の実施例を、図11および図12を参照して説明する。なお、図3に示す第1の実施例、および図8に示す第2の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
本発明の液体タンクを用いた燃料電池の第5の実施例では、板状部材14に代えて板状部材14dを複数枚(図11では4枚)設けている。この時、複数枚の板状部材14dは、それぞれ間隙15cの隙間をもって互いに重なり合う(千鳥状)様な位置で配置される。
以上の様に構成した液体タンク8は、水溶液9から蒸発した水溶液9の蒸気が排気口10に至るまでの経路が、複雑な曲線状になるうえ距離も長くなるため、水溶液9が蒸発し、発電に使用されることなく無駄に排気口10から排出される量をより減少させることができる。また、図12に示す様に、例えば液体タンク8を誤って上下逆に転倒させてしまった場合など、液体タンク8の排気口10が水溶液9の液面より下になる位置関係になったとしても、複数枚の板状部材14dの効果により排気口10は一定時間冠水を免れ、セルスタック1から排出される排出物の排気を続けることができる。
なお、このとき図13に示す様に、供給口12の先端に錘を備えたチューブ25を配置すると、液体タンク8の排気口10が水溶液9の液面より下になる位置関係になってしまっても、セルスタック1から排出される排出物の排気を続けることができるだけでなく、セルスタック1への水溶液9の供給についても続けることができる。
なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、構成を変更してもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更して実施することができる。例えば、本実施例では例として直接型メタノール方式燃料電池を例にとったが、直接型メタノール方式以外の他の方式の燃料電池にも応用可能である。
本発明による液体タンクの第1の実施例を用いた燃料電池のブロック図 燃料電池の発電原理を示す図 本発明による第1の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第1の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第1の実施例の液体タンクの変形例の断面図 本発明による第1の実施例の液体タンクの変形例の断面図 本発明による第1の実施例の液体タンクの変形例の断面図 本発明による第2の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第3の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第4の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第5の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第5の実施例の液体タンクの断面図 本発明による第5の実施例の液体タンクの変形例の断面図
符号の説明
1 セルスタック
2 アノード
3 カソード
4 電解質膜
5 負荷
6 燃料カートリッジ
7 液体ポンプ
8 液体タンク
9 水溶液
10 排気口
11 空気ポンプ
12 供給口
13 注入口
14、14a、14b、14c、14d 板状部材
15、15a、15b、15c、16 間隙
17,18 貫通孔
21 排出物注入口
22 メタノール注入口
23 屈曲部
24a、24b 冷却板
25 チューブ
26 多孔質部材

Claims (11)

  1. 内部に液体が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口および水溶液を取り出す供給口を有するタンクと、
    注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、
    前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材を有し、
    前記注入口が前記一方の部分に配置され、
    前記供給口が前記他方の部分に配置されている
    ことを特徴とする液体タンク。
  2. 前記板状部材は、前記タンク内の前記液体の液面に対し傾斜して設けられていることを特徴とする請求項1に記載の液体タンク。
  3. 前記板状部材が複数設けられていることを特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の液体タンク。
  4. 前記連通部は前記板状部材に設けられた貫通孔である請求項1もしくは請求項2に記載の液体タンク。
  5. 前記連通部は前記板状部材と前記タンクの内壁面との間隙である請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の液体タンク。
  6. 前記連通部は複数の前記板状部材相互の間隙である請求項3に記載の液体タンク。
  7. 複数の前記板状部材は、前記板状部材相互の間隙をもって、互いに重なり合う様な位置に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の液体タンク。
  8. 内部に液体が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口を有するタンクと、
    注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、
    前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材と
    を有する液体タンクであって、
    前記連通部は、多孔質部材で充填されていることを特徴とする液体タンク。
  9. 内部に液体が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口を有するタンクと、
    注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、
    前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材と
    を有する液体タンクであって、
    前記板状部材の表面が、前記液体をはじく処理が施されていることを特徴とする液体タンク。
  10. 前記注入口と前記排気口との間に、前記注入口から注入される前記気体の少なくとも一部を凝縮するための冷却板を有することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の液体タンク。
  11. 内部に液体が収容されるとともに液体と気体の混合物を注入するための注入口および水溶液を取り出す供給口を有するタンクと、
    注入される前記気体を外部に放出するための排気口と、
    前記タンク内部の少なくとも一部を仕切るように分割し、分割された一方の部分と分割された他方の部分とを連通する連通部を形成する様に設けられた板状部材と、
    前記タンクの内部に収容された前記燃料が供給され、発電後の前記液体と前記気体を、前記注入口を介して前記タンクに排出する発電部とを有し、
    前記注入口が前記一方の部分に配置され、
    前記供給口が前記他方の部分に配置されている
    ことを特徴とする燃料電池。
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