JP4247130B2

JP4247130B2 - 直接型メタノール燃料電池システム

Info

Publication number: JP4247130B2
Application number: JP2004017334A
Authority: JP
Inventors: 浩久宮本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: JP2005209584A

Description

本発明は、小型携帯機器等、従来、電池を駆動用電源としてきた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システムに関する。

近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、あるいは大気汚染や地球温暖化に対処するための電源として、燃料電池に対して期待が高まっている。

燃料電池のなかでも、メタノールから直接、プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、改質器が不要であり燃料容積が少なくて済む、という特性を有するので携帯用電子機器への応用も考えられ、多方面への応用の期待が高まりつつある。

特許文献１には、直接型メタノール燃料電池の燃料タンク内にメタノール濃度センサを設置し、検出したメタノール水溶液の濃度に基づいて燃料タンク内の濃度を調整することが提案されている。

しかしながら、メタノール濃度センサは温度特性を有しており、燃料タンク内に設置すると、燃料タンク内の液温は外部負荷（発電状況）に応じて可変しやすくて液温を一定に保つことが難しく、センサを安定に動作させることができないためにメタノール濃度が正しく検出されず、燃料電池システムを安定に長時間駆動することができなかった。
特開２００３−１３２９２４号公報

本発明は、燃料のメタノール濃度を高精度で測定することが可能な直接型メタノール燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極、カソード極及び前記アノード極と前記カソード極の間に配置される電解質膜を含む起電部と、
メタノール含有水溶液を含む燃料が収容された燃料容器と、
前記燃料容器内の前記燃料の一部が収容される測定容器と、
前記燃料容器から前記測定容器に前記燃料の一部を送液するための送液機構と、
前記測定容器中の前記燃料の液温を前記燃料容器中の前記燃料の液温よりも低温に保持するための冷却装置と、
前記測定容器中の前記燃料のメタノール濃度を測定する濃度センサと、
前記測定容器中の前記燃料を前記燃料容器に戻すための循環機構と
を具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料のメタノール濃度を高精度で測定することが可能な直接型メタノール燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの第１〜第２の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの第１の実施形態の構成を模式的に示した図面である。図２は、図１の直接型メタノール燃料電池システムに用いられる冷却装置の別な例を模式的に示した図面である。

直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の起電装置１は、起電部２と、アノード流路板３と、カソード流路板４とを備える。起電部２は、アノードカーボンペーパーのようなアノード集電体５及びアノード触媒層６を含むアノード極７と、カソード集電体８及びカソード触媒層９を含むカソード極１０と、アノード極７およびカソード極１０の間に配置される電解質膜１１を含む。電解質膜１１には、例えば、高プロトン伝導性を有するナフィオン膜が用いられる。アノード触媒層６に用いられる触媒には、例えば、被毒の少ないＰｔＲｕが用いられ、カソード触媒層９に用いられる触媒としては、例えばＰｔが用いられる。

アノード流路板３は、アノード集電体５側に配設され、これにはメタノール供給口１２とメタノール排出口１３とを有するアノード流路１４が形成されている。燃料としてのメタノール水溶液が収容されているメタノール水溶液容器（燃料容器）１５は、アノード流路板３のメタノール供給口１２に燃料導入管１６によって接続されている。この燃料導入管１６には、送液ポンプ１７が介在されている。

メタノール水溶液は、メタノール水溶液容器１５から送液ポンプ１７によりアノード流路板３のメタノール供給口１２に供給され、この流路板の溝の部分、即ちアノード流路１４を流れる。アノード流路板３の凸部分はアノード集電体５と接しており、アノード流路１４を流れるメタノール水溶液がアノード集電体５にしみ込むことにより、アノード触媒層６にメタノール水溶液が供給される。しかし、供給されたメタノール水溶液のすべてがアノード集電体５にしみ込むわけではなく、残ったメタノール水溶液はメタノール排出口１３から、燃料排出パイプ１８を通してメタノール水溶液容器１５に導かれる。

燃料導入管１６は、送液ポンプ１７の上流側で分岐しており、上流側分岐管１９ａには測定容器２０が接続されている。測定容器２０には、メタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液の一部が濃度測定のために一時的に収容される。メタノール水溶液の濃度を測定するためのメタノール濃度センサ（図示しない）は、測定容器２０内に内蔵されている。例えばペルチェ素子を備えた冷却装置２１は、測定容器２０内のメタノール水溶液が冷却保持されるように測定容器２０に設置されている。下流側分岐管１９ｂは、一端が測定容器２０の出口部に接続され、かつ他端が送液ポンプ１７の下流側に位置する燃料導入管１６に接続されている。

一方、カソード流路板４は、起電装置１のカソード集電体８側に配設されており、これには、酸化剤供給口２２と酸化剤排出口２３を有するカソード流路２４が形成されている。酸化剤供給口２２には送気パイプ２５が接続され、この送気パイプ２５に送気ポンプ２６が接続されている。この送気ポンプ２６は、例えば空気のような酸化剤を外部からこの酸化剤供給口２２に送り込む。

送気ポンプ２６により酸化剤供給口２２から取り入れられた空気は、カソード流路板４の溝、即ちカソード流路２４を通って流れ、カソード触媒層９にしみ込む。そして残った空気は、酸化剤排出口２３から、排気パイプ２７を介してメタノール水溶液容器１５に導かれる。燃料カートリッジ２８はメタノール水溶液容器１５に燃料補充用ポンプ２９を介して接続されており、メタノール水溶液容器１５中のメタノール濃度が薄くなると、燃料補充用ポンプ２９が駆動して例えば９８％濃度のメタノール水溶液がこのカートリッジ２８から供給される。

また、気液分離材３０は、排気パイプ２７を介してメタノール水溶液容器１５に導かれた成分のうち、気体状の水蒸気などを蒸発させる。圧力調整弁３１は、メタノール水溶液容器１５の内圧が高くなったときに内圧を大気圧程度に下げる機能を有する。

このような構造の直接型メタノール燃料電池発電装置において、アノード触媒層６にメタノール水溶液が供給され、触媒反応によってプロトン（陽子）を発生させ、発生したプロトンが電解質膜１１を通り抜け、カソード触媒層９に供給された酸素と触媒上で反応することにより、発電が行われる。

送液ポンプ１７を駆動してメタノール水溶液容器１５からメタノール水溶液をアノード流路板３に供給する際、燃料導入管１６を流れるメタノール水溶液の一部は、分岐管１９ａから測定容器２０内に貯蔵される。すなわち、送液ポンプ１７は、メタノール水溶液容器１５から測定容器２０への送液機構を兼ねている。メタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液は、この容器１５内に燃料排出パイプ１８から導入された排出燃料及び排気パイプ２７から導入された排気ガスにより加熱され、温度が起電部２とほぼ等しくなっている。メタノール濃度センサの種類によっても多少異なるが、例えばメタノール水溶液の屈折率、音速、誘電率などの物性値を検知し濃度を測定する方式では、センサは温度特性を有している。これらの物性値は測定温度が高くなるに従い、S/N比が低下し、濃度センシングの精度が低下してしまう。そこで、濃度センサの測定感度を十分に確保するために、測定容器２０内に収容されたメタノール水溶液をメタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液の温度よりも低くなるまで冷却装置２１により冷却する。測定容器２０内のメタノール水溶液の温度とメタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液の温度との差は１０℃以上あることが望ましい。温度差は、大きい方が測定誤差が小さくなるため、メタノール水溶液が凝固しない程度に大きくすると良い。

次いで、濃度センサによりメタノール水溶液濃度の測定を行なう。このとき検知されるメタノール水溶液濃度はさらに上流に配置されているメタノール水溶液容器１５内の状況を検知することになる。この検知された濃度情報に基づいて燃料補充用ポンプ２９を適宜動作させ、メタノール水溶液容器１５内の濃度を調整する。温度測定後、測定容器２０内のメタノール水溶液は、下流側分岐管１９ｂを通して燃料導入管１６に戻され、アノード流路板３のアノード流路１４に供給される。よって、この実施形態の場合、メタノール水溶液容器１５からアノード流路板３へメタノール水溶液を送液する機構が、濃度測定後のメタノール水溶液をアノード流路板３に供給する機構を兼ねている。

濃度センサとしては、例えば、超音波振動素子などを挙げることができる。この超音波振動素子を濃度センサとして使用した場合、液温を低くする方が水とメタノールでの音速の違いを大きくすることができるため、測定精度をより高くすることができる。

以上説明した第１の実施形態によれば、メタノール水溶液容器１５中のメタノール水溶液の濃度を高精度で検出することが可能であるため、安定した濃度検出が可能であり、その結果長期間にわたって安定に負荷へ電力を供給することができ、実用的な直接型メタノール燃料電池システムが得られる。同時に、メタノール水溶液容器１５から測定容器２０へのメタノール水溶液への供給を送液ポンプ１７で行なうことができるため、アノード流路への供給と測定容器への供給を一つのポンプでまかなうことができ、補器の出力をより小さくすることができる。

前述した図１では、濃度センサ設置位置は、送液ポンプ１７の上流側から分岐した分岐管１９ａに接続した場合について説明したが、分岐管ではなく送液ポンプ１７の下流側に設置することも可能であり、メタノール濃度センサの設置位置に関しては、特に限定する必要はない。

前述した図１では、冷却装置２１としてペルチェ素子を使用した例を説明したが、冷却装置は特に限定されず、例えば、カソード極から排出されるカソード排気ガス（例えば、水、水蒸気、炭酸ガスを含む）を凝縮して水を回収するための凝縮器を使用しても良い。この例を図２を参照して説明する。

カソード極１０から排出されたカソード排気ガスは、カソード流路板４の酸化剤排出口２３から排気パイプ２７に送られる。この排気パイプ２７を流れる排気ガスをメタノール水溶液容器１５に直接送らずに、まず、凝縮器３２に送気する。カソード排気ガスは、凝縮器３２内のフィンにより冷却され、生成した水が排気パイプ２７を通ってメタノール水溶液容器１５に戻される。この凝縮器３２は、燃料電池システムの中で最も温度の低い箇所のため、濃度センサ付き測定容器２０を凝縮器３２に近接して配置することによって、測定容器２０内のメタノール水溶液を冷却することが可能である。測定容器２０内のメタノール水溶液の温度は、メタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液の温度よりも低くすることが望ましく、凝固が生じない限り温度差を大きくすると良い（温度差は１０℃以上が適当である）。なお、凝縮器３２にファン３３を設けることによって、冷却効果をさらに高めることができるため、濃度測定による発電待機時間を短縮することができる。また、このファン３３によって上流側分岐管１９ａを冷却すると、メタノール水溶液を測定容器２０に導入される前から冷却することができる。

この測定容器２０内のメタノール水溶液の濃度を濃度センサによって検出する。検知されるメタノール水溶液濃度はさらに上流に配置されているメタノール水溶液容器１５内の状況を検知することになる。この検知された濃度情報に基づいて燃料補充用ポンプ２９を適宜動作させ、メタノール水溶液容器１５内の濃度を調整する。濃度測定後、測定容器２０内のメタノール水溶液は、分岐管１９ｂを通して燃料導入管１６に戻され、アノード流路板３のアノード流路１４に供給される。

このように凝縮器３２を冷却装置２１として用いると、濃度測定のために新たに冷却装置を導入する必要がなく、既存のシステムを利用することができるため、発電システムの小型化、補器の出力の増加の回避、コスト削減を図ることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの第２の実施形態の構成を模式的に示した図面である。図３は、図２の直接型メタノール燃料電池システムに用いられる冷却装置の別な例を模式的に示した図面である。なお、図１及び図２で説明したのと同様な部材については同符号を付して説明を省略する。

この第２の実施形態では、燃料導入管１６を分岐させて測定容器２０を設ける代わりに、メタノール水溶液容器１５に測定容器２０を接続する。

すなわち、濃度センサ付き測定容器２０は、燃料配管３４によりメタノール水溶液容器１５に接続されている。測定容器２０には循環ポンプ３６が配管３５ａにより接続されている。循環ポンプ３６は、メタノール水溶液容器１５に配管３５ｂにより接続されている。循環ポンプ３６は、メタノール水溶液容器１５から測定容器２０への送液機構と、測定容器２０からメタノール水溶液容器１５に戻す循環機構を兼ねる。ペルチェ素子を備えた冷却装置２１は、測定容器２０内のメタノール水溶液が冷却されるように測定容器２０に取り付けられている。

このような構成の直接型メタノール燃料電池システムによれば、循環ポンプ３６を駆動してメタノール水溶液容器１５から測定容器２０に所望量のメタノール水溶液を供給する。測定容器２０内のメタノール水溶液をペルチェ素子により冷却してメタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液の液温よりも低くした後、濃度センサによる濃度測定を行なう。測定容器２０内のメタノール水溶液の温度は、凝固が生じない限り温度差を大きくすると良い（温度差は１０℃以上が適当である）。

検知されるメタノール水溶液濃度は上流に配置されているメタノール水溶液容器１５内の状況を検知することになる。この検知された濃度情報に基づいて燃料補充用ポンプ２９を適宜動作させ、メタノール水溶液容器１５内の濃度を調整する。濃度測定後に再び循環ポンプ３６を駆動し、測定容器２０内のメタノール水溶液を配管３５ｂからメタノール水溶液容器１５に戻す。

以上説明した第２の実施形態によれば、メタノール水溶液容器１５中のメタノール水溶液の濃度を高精度で測定することが可能であるため、安定した濃度検出が可能であり、その結果長期間にわたって安定に負荷へ電力を供給することができ、実用的な直接型メタノール燃料電池システムが得られる。同時に、濃度測定用に冷却したメタノール水溶液をメタノール水溶液容器１５に戻しているため、アノード流路板４に供給するメタノール水溶液の温度を一定に保つことができる。

前述した図３では、冷却装置２１としてペルチェ素子を使用した例を説明したが、冷却装置は特に限定されず、例えば、カソード極から排出されるカソード排気ガスを凝縮して水分を回収するための凝縮器を使用しても良い。この例を図４を参照して説明する。

濃度センサ付き測定容器２０を凝縮器３２に近接して配置することによって、測定容器２０内のメタノール水溶液を冷却する。測定容器２０内のメタノール水溶液の温度は、メタノール水溶液容器１５内のメタノール水溶液の温度よりも低くすることが望ましく、凝固が生じない限り温度差を大きくすると良い（温度差は１０℃以上が適当である）。なお、凝縮器３２にファン３３を設けることによって、冷却効果をさらに高めることができるため、濃度測定による発電待機時間を短縮することができる。また、ファン３３で燃料配管３４を冷却することによって、メタノール水溶液を測定容器２０に導入する前から冷却することができる。

濃度測定後、測定容器２０内のメタノール水溶液は、配管３５ｂを通してメタノール水溶液容器１５に戻される。

前述した図１〜図４では、燃料カートリッジ２８をメタノール水溶液容器１５に着脱自在な状態で取り付けた例を説明したが、図５に例示されるように燃料カートリッジ２８をメタノール水溶液容器１５に一体化させることも可能である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの第１の実施形態の構成を模式的に示した構成図。図１の直接型メタノール燃料電池システムに用いられる冷却装置の別な例を示す模式図。本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの第２の実施形態の構成を模式的に示した構成図。図３の直接型メタノール燃料電池システムに用いられる冷却装置の別な例を示す模式図。図１，図３の直接型メタノール燃料電池システムに用いられる燃料カートリッジの別な例を示す模式図。

符号の説明

１…起電装置、２…起電部、３…アノード流路板、４…カソード流路板、５…アノード集電体、６…アノード触媒層、７…アノード極、８…カソード集電体、９…カソード触媒層、１０…カソード極、１５…メタノール水溶液容器（燃料容器）、１６…燃料導入管、１７…送液ポンプ、１９ａ…上流側分岐管、１９ｂ…下流側分岐管、２０…濃度センサ付き測定容器、２１…冷却装置、２６…送気ポンプ、２７…排気パイプ、２８…燃料カートリッジ、３２…凝縮器、３３…ファン。

Claims

アノード極、カソード極及び前記アノード極と前記カソード極の間に配置される電解質膜を含む起電部と、
メタノール含有水溶液を含む燃料が収容された燃料容器と、
前記燃料容器内の前記燃料の一部が収容される測定容器と、
前記燃料容器から前記測定容器に前記燃料の一部を送液するための送液機構と、
前記測定容器中の前記燃料の液温を前記燃料容器中の前記燃料の液温よりも低温に保持するための冷却装置と、
前記測定容器中の前記燃料のメタノール濃度を測定する濃度センサと、
前記測定容器中の前記燃料を前記燃料容器に戻すための循環機構と
を具備することを特徴とする直接型メタノール燃料電池システム。
前記測定容器中の前記燃料を前記アノード極に供給するための供給機構をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の直接型メタノール燃料電池システム。
前記カソード極からの排出ガスを冷却して前記排出ガスから水分を回収するための凝縮器を更に備え、前記凝縮器が前記冷却装置を兼ねることを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の直接型メタノール燃料電池システム。
前記冷却装置は、ペルチェ素子を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の直接型メタノール燃料電池システム。