JP4929568B2

JP4929568B2 - 燃料電池駆動装置

Info

Publication number: JP4929568B2
Application number: JP2004240527A
Authority: JP
Inventors: 昭西澤; 哲也近藤
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: JP2006059674A

Description

本発明は、様々な環境で使用することができる燃料電池駆動装置に関する。

民生用や産業用のあらゆる分野において様々な化学電池が使用されている。例えば、アルカリ電池やマンガン電池等の一次電池は、時計、カメラ、携帯機器に多く用いられている。ニッケルカドミウム蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池は、ディジタルカメラ、携帯情報端末等に使用されている。

一方で、地球環境の面から上記した電池に対して使用後の廃棄に対する環境問題が顕在化してきている。この環境問題に配慮して極めて高いエネルギー変換効率を有する燃料電池を用いたシステムが各種提案されている。

この燃料電池としては、特許文献１に記載されているものがある。
即ち、特許文献１に記載された燃料電池は、電極に触媒を分散させた，正負極によって，高分子電解質からなるプロトン伝導部両端を挟み込む構成となっている。正極は例えば，炭素繊維中に触媒となる白金が分散されており，正極上ではプロトン伝導部を伝導してきたプロトンが，正極上を覆う空気中の酸素と反応して水を生成する構造となっている。負極上では例えば，炭素材料中に触媒である白金などが分散されており，負極上を通過する水を含むメタノール燃料は分解されて水素となり，更に電子を放出しプロトンとなり，プロトン伝導部に伝導していく。これらをまとめた電池構成は，前記負極〜前記正極の側面までを覆うコ字状の外装を有し、上面には水を含むメタノールが導入されている。

そして、前記燃料供給口から前記燃料室に水を含むメタノールを供給して、前記負極側で発生したプロトンが前記プロトン伝導部で解離したプロトンと共に正極側に移動し、前記正極の表面で酸素又は空気と反応することによって起電力を取り出すものである。

この燃料電池では，負極上で水とメタノールから直接水素が得られるように電極や触媒に工夫を行っているが，水とメタノールより水素を得るために改質器と呼ばれる装置を燃料電池負極手前に配置してある構成のものもある。
この燃料電池は、ノートブックパソコン、カメラ一体型ビデオ等のポータブル民生家電製品への使用が検討されている。この燃料電池の使用場所としては、海辺や温泉地等といった環境の悪い場所も考えられる。
このような環境の悪い場所で使用すると、空気中に含まれるゴミや汚れが前記燃料電池の負極の炭素繊維に付着し覆うために、水の発生が抑えられるといったことが考えられる。

また、空気中に含まれる硫化水素、海岸付近の空気中に含まれる塩化ナトリウム微粒子が負極の触媒を被毒させるため、水素と酸素から水を合成する作用を低下させるといったことも考えられる。
この結果、起電力の低下を生じて、燃料電池が動作しなくなるといった問題を生じることになる。

これを解決するために、特許文献２に記載されたものがある。
特許文献２に記載された燃料電池駆動装置は、空気極と燃料極とで固体高分子電解質が挟持された構成の燃料電池本体は電池セル毎にセパレータで保持され，各電池セルに供給される空気や水素に対し、燃料電池への空気供給用流量センサーの数値が所定量を下回ったときには、エアフィルタが目詰まりしていることを示す水素不足ランプを点灯させる検出器を備えている。
特開２００２−６３９１７号公報特開２０００−４６５８７号公報

ところが、燃料電池をポータブル用家電装置の電力源として使用することを考えると，下記のような様々な課題を生じる。家電装置は、元々一般家庭で使用されるため，装置の手入れ，メンテナンスという概念がない。前記装置は、一度稼働させたらメンテナンスと言うような保守点検または部品交換などを行うことなく、５年間は正常に動作する必要がある。そして、燃料電池中に取り込まれる酸素は大気を使用するため，燃料電池を長期間作動させると，大気中のゴミや汚れが燃料電池中に取り込まれ，燃料電池の空気極に付着して，化学反応を起こす面積を減少させ，燃料電池出力を低下させることがあった。

また、道路付近の大気中に含まれている亜硫酸ガス，温泉地付近の大気中に含まれている硫化水素，海岸付近の大気中に含まれている塩化ナトリウム微粒子は、空気極の触媒を被毒させ，触媒作用を低下させ，燃料電池出力を低下させる課題があった。
この様な課題を解決するために、空気極の手前の空気流入部にフィルタを設けることも行われている。

このように燃料電池をポータブル家電に使用すると，屋内のみならず屋外のいろいろな大気のもとで使用されるため，ポータブル家電使用中に大気中のゴミや化学物質を原因とする汚染により，突然燃料電池が動作しなくなってしまう課題が多く発生する。また電極の目詰まりにより燃料電池が停止してしまっては，燃料電池本来の機能を果たすことが出来なく，目詰まりを除去した後に再起動となると，燃料電池がいつ停止するか不安を感じながら使用しなければならなかった。

この場合、前記エアフィルタが目詰まりした原因までは突き止めることができないので、前記エアフィルタを交換して前記燃料電池を稼動させることができたとしても目詰まりの原因となるものに対応した対応処置を採ることはできなかった。即ち、温泉地、海辺や道路付近で前記燃料電池を使用する際には、ゴミ、油粒子、綿埃、羽毛、砂塵等の物理的なもの、硫化水素ガス、塩化ナトリウム微粒子、硫黄酸化物、窒素酸化物、粒子状物質等の化学的なもののいずれかの原因で目詰まりを生じているのかがわからないために、効果的な対応策を採ることができなかった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な機構で物理的な目詰まりを生ぜずに、常時稼動することができる燃料電池駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、（ａ）から（ｃ）の燃料電池駆動装置を提供する。
（ａ）水素と酸素との化学反応により起電力を生じる燃料電池に清浄な空気を供給する燃料電池駆動装置において、燃料を含むカートリッジと、前記カートリッジに一体化されて設けられ、前記空気をろ過するフィルタとを備え、前記フィルタは、前記空気の流入側に物理ろ過器を備え、前記物理ろ過器の前記空気の流出側に化学吸着ろ過器を少なくとも備え、前記化学吸着ろ過器は、炭酸カルシウムを用いて形成されていることを特徴とする燃料電池駆動装置。
（ｂ）水素と酸素との化学反応により起電力を生じる燃料電池に清浄な空気を供給する燃料電池駆動装置において、燃料を含むカートリッジと、前記カートリッジに一体化されて設けられ、前記空気をろ過するフィルタとを備え、前記フィルタは、前記空気の流入側に物理ろ過器を備え、前記物理ろ過器の前記空気の流出側に物理吸着ろ過器と化学吸着ろ過器とをこの順に備え、前記物理吸着ろ過器は、カオリナイト、モンモリロナイト、及び中空繊維状プラスチックのうちいずれかを用いて形成され、前記化学吸着ろ過器は、炭酸カルシウムを用いて形成されていることを特徴とする燃料電池駆動装置。
（ｃ）前記フィルタは、中空な円筒または角筒であり、前記カートリッジは前記フィルタと同じ形状で、前記フィルタ内に収納、または前記フィルタを覆うように設けられ、前記カートリッジの中心軸と前記フィルタの中心軸とは同じであることを特徴とする（ａ）または（ｂ）記載の燃料電池駆動装置。

本願発明によれば、空気をろ過するフィルタと前記フィルタに一体化されて設けられた燃料を含むカートリッジとを着脱可能にさせる収納部を有するので、燃料交換のたび、フィルタも取り替えることが出来るため、空気極への目詰まりを生じさせることがないため、長期間メンテナンスの必要がなく安定な燃料電池の稼動が可能となる。

以下に本発明の実施の形態に係る燃料電池駆動装置について図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池駆動装置を示す概略図である。
図２は、燃料電池駆動装置に用いられる収納部の組み合わせを示す図である。
図３は、収納部の第1実施例を示す断面図である。
図４は、収納部の第２実施例を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における燃料電池駆動装置１は、メタノールを含むカートリッジ２Ａとこのカートリッジ２Ａと一体化され、流入する空気から物理ろ過によりゴミ等、化学吸着ろ過により化学物質等及び物理吸着ろ過により揮発性物質等を順番に除去するフィルタ２Ｂとが着脱可能な収納部２と、収納部２のフィルタ２Ｂに配管Ｐ１を介して接続され、フィルタ２Ｂでろ過された空気を送り出すポンプ３と、収納部２のカートリッジ２Ａに配管Ｐ２を介して接続され、カートリッジ２Ａ中のメタノールを送り出す流体ポンプ４と、流体ポンプ４に配管Ｐ３を介して接続され、流体ポンプ４から送り出されたメタノールを化学反応させて水素ガスを生成する改質器５と、改質器５に配管Ｐ５を介して接続され、改質器５で生成した水素ガスとポンプ３に配管Ｐ４を介して接続され、ポンプ３から送り出された空気とから電気化学反応により起電力を発生する燃料電池６と、からなる。
この燃料電池６は、電気化学反応により生じた水を排出するための排気口７を有している。

図２に示すように、フィルタ２Ｂは、空気の流入側から見て物理ろ過器Ｍ、物理吸着ろ過器Ｎ、化学吸着ろ過器Ｏの順に組み合わされている。
物理ろ過器Ｍは、網目状のシートからなり、このシートの網目よりも大きな物質を捕らえるものである。いわゆるセルロース繊維からなるパルプろ過器、紙ろ過器、或いはポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維、ポリイミド繊維等を編んだ布状ろ過器、またはこれら繊維を接着剤等で固化させた不織布状にした不織布ろ過器と呼ばれているものである。

物理吸着ろ過器Ｎは、物理吸着物質からなり、繊維を編んだ網目を有した構造のろ過器、物質表面に微細な細孔が無数に開いた構造のろ過器、中空構造となっているろ過器等がある。この構造のろ過器は取り込まれる物質を物理吸着物質で物理吸着させてろ過するものである。前記した物理ろ過器Ｍと大きく異なることは、ろ過器の網目よりも細かな大きさを有する物質を網目表面に吸着させてろ過する機能を有することである。

この物理吸着ろ過器Ｎに用いられるフィルタとしては、活性炭のような黒鉛やカーボンブラック粒をパイプ内に詰めたもの、カオリナイト、モンモリロナイトのような粘土物質を数百度の温度で素焼きした後、粉砕した粒子をパイプ内に詰めたものが用いられる。また、二酸化珪素からなるシリカゲル、水酸化アルミニウムを加熱して得られる活性アルミナ、珪素とアルミニウムと金属との酸化化合物である合成ゼオライトも用いることができる。更に、気体が流れることにより生じる静電気により微粒子を吸着させる構成を利用した微小突起を有する細い中空繊維状のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、などのプラスチック材料からなる吸着板も用いることができる。このようなフィルタで除去できる物質は、水蒸気や湿気等の気体や微細な霧状の水分、トルエン、ベンジン、ガソリン等の気体状の有機溶剤、酢酸エステル、アクリル酸エステル等各種エステルからなる臭い成分を除去するのに有効である。

化学吸着ろ過器Ｏは、化学物質との化学反応を利用して中和等により吸着するものであり、燃料電池６の触媒層の劣化を防止するために設けられている。
この化学吸着ろ過器Ｎに炭酸カルシウム粒を用いた場合には、弱アルカリ性であるため、自動車の排気ガスに含まれる硫黄酸化物や窒素酸化物のろ過には好適である。活性アルミナ、アルミナ、シリカゲル、活性炭、合成ゼオライトを用いても上記硫黄酸化物や窒素酸化物の化学吸着も行うので有効である。また、この様な、活性アルミナ、シリカゲル、活性炭、合成ゼオライトは海岸近辺における塩化ナトリウム微粒子の除去にも好適である。この化学吸着ろ過器Ｎを用いることにより、燃料電池６の空気極の効率が低下したり、前記した触媒層が被毒することを防止できる。

ここで、収納部２の具体的構造について図３及び図４を用いて説明する。
図３に示すように、収納部２は、カートリッジ２Ａとフィルタ２Ｂとを隣接させメタノール収納領域と空気注入領域を分けた隣接配置型のもの、図５に示すように、メタノール収納領域の周囲に空気注入領域を設けた同軸配置型のものがある。
まずは、隣接配置型のものについて説明する。
図３に示すように、隣接配置型の収納部２は、互いに隣接して一体化されたカートリッジ２Ａとフィルタ２Ｂを収納している。カートリッジ２Ａは、円筒８の内部に中空部９を有し、この中空部９内にあって、円筒８の下部にはリング状のパッキング１０が設けられ、メタノール出口が狭められている。円筒８の下部では、パッキング１０上に栓１１が載置され、この栓１１は、上部の押え１２と栓１１との間に設けられたバネ１３によって押えられている。

フィルタ２Ｂもカートリッジ２Ａと同様に、円筒１４の内部に中空部１５を有し、この中空部１５内にあって、円筒１４の下部にはリング状のパッキング１６が設けられ、空気出口が狭められている。円筒１４の下部では、パッキング１６上に栓１７が載置され、この栓１７は、上部の押え１８と栓１７との間に設けられたバネ１９によって押えられている。栓１７を設けているのは、カートリッジ２Ａを燃料電池装置に装着しないときに不用意な燃料漏れや空気が逆から侵入することを防止するためである。

特に、収納部２については、カートリッジ装着部側には、物理吸着フィルタや化学吸着フィルタが設置されているので、物理吸着フィルタや化学吸着フィルタへの空気の流入により、カートリッジ使用前に物理吸着フィルタ、化学吸着フィルタが劣化するのを防ぐ働きがある。
この栓１１、１７は、カートリッジが燃料電池に装着された時点で、図示しないカートリッジ装着部から伸びる突起により、栓１１，１７が持ち上げられ、燃料及び空気が燃料電池内に流入するようになっている。

次に、同軸配置型のものについて図４を用いて説明する。
図４に示すように、同軸配置型のものは、中空な円筒２０の内部にこの円筒２０の内径より小さい径の中空部２１Ａを有する円筒２１が嵌め込まれ、円筒２０の内壁と円筒２１の外壁とで囲まれた円筒領域２０Ａは、空気をろ過するフィルタ２Ｂを形成し、円筒２１は、メタノールを収納する中空部２２を有してカートリッジ２Ａを形成している。円筒領域２０Ａ内にあって、円筒２１の下部には、リング状のパッキング２３が設けられ、空気の出口が狭められている。隣接配置型同様にパッキング２３を設けているのは同様の理由による。

同軸配置型の場合には、フィルタ部２を燃料電池６に着脱する場合には、着脱部分が太くなって、機械的強度が増すので、着脱時にフィルタ部２が変形したり折れたりすることがないので、使い勝ってが良いといった便利さがある。
この場合、燃料電池６に必要な水素ガス量からカートリッジ２Ａに収納するメタノール量が決められるので、ポンプ４で送り出す圧力、配管Ｐ２、Ｐ３の圧力損失から円筒領域２０Ａの断面積を決めると、ポンプ３で送り出される空気流量も決まる。そして、空気流量とフィルタ２Ｂとの関係を予め調べておき、中空部２２の中のメタノールを使い切る時間をフィルタ２Ｂの寿命にすることもできる。
このようにすると、カートリッジ２Ａの交換時期にはフィルタ２Ｂの劣化も始まることとなり、収納部２全体の交換がワンタッチで行うことができる。このため、使い勝手を向上させることができる。このことは、隣接配置型の場合も同様である。

以上のように、本発明の実施の形態によれば、メタノールを含むカートリッジ２Ａとこのカートリッジ２Ａと流入する空気から物理ろ過によりゴミ等、化学吸着ろ過により化学物質等及び物理吸着ろ過により揮発性物質等を順番に除去するフィルタ２Ｂとが一体化されて交換可能なフィルタ部２を有しているので、カートリッジ２Ａとフィルタ２Ｂを同時に交換することができるため、燃料電池６に清浄な空気が供給されるため、目詰まりを生ぜずに、安定した起電力が得られる燃料電池駆動装置を提供できる。

なお、収納部２は、物理ろ過器のみ、又は物理ろ過器と物理吸着ろ過器のみ、物理ろ過器、物理吸着ろ過器、化学吸着ろ過器のみのいずれの組み合わせでも良い。
この場合、物理ろ過器の後方に物理吸着ろ過器または化学吸着ろ過器が来るように設置することが必要である。
例えば物理吸着ろ過器の後方に物理ろ過器を設置したりすると、物理吸着ろ過器上に、綿ボコリなどの大きなゴミが補足されてしまい、物理吸着ろ過器本来のろ過面積を確保することが出来なくなり、ろ過効率の低下が生じるからである。

ここで、物理吸着と化学吸着は兼用させても良く、物理吸着の前に化学吸着を持ってきても良い。即ち、空気の流れる方向に対して、物理ろ過を最初に配置することである。このようにするにより、空気中の１番目に大きなゴミ等を除去し、２番目に細かいゴミ等を除去する順番となり、フィルタ２Ｂを効率よく使用できるため、フィルタ２Ｂの容積を小さくできコストを下げることができる。

更に、メタノールを用いずに水素を直接燃料電池に供給する燃料電池システムやメタノールを用いずに純メタノールやエタノール、イソプロピルアルコール等のアルコールを用いても良い。
さらにカートリッジ２Ａの形状は円筒形として説明をしたが、角型でも良い。角型にすることで、カートリッジをダンボール箱に詰めて配送するときにダンボール箱内にきっちりと隙間なくカートリッジを詰め込むことができるので、配送効率が向上すると言う効果を生じさせることができる。

本発明の実施の形態における燃料電池駆動装置を示す概略図である。燃料電池駆動装置に用いられるフィルタ部の組み合わせを示す図である。収納部の第1実施例を示す断面図である。収納部の第２実施例を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池駆動装置、２…収納部、２Ａ…カートリッジ、２Ｂ…フィルタ２Ｂ、３…ポンプ、４…流体ポンプ、５…改質器、６…燃料電池、７…排気口

Claims

水素と酸素との化学反応により起電力を生じる燃料電池に清浄な空気を供給する燃料電池駆動装置において、
燃料を含むカートリッジと、
前記カートリッジに一体化されて設けられ、前記空気をろ過するフィルタとを備え、
前記フィルタは、前記空気の流入側に物理ろ過器を備え、前記物理ろ過器の前記空気の流出側に化学吸着ろ過器を少なくとも備え、
前記化学吸着ろ過器は、炭酸カルシウムを用いて形成されている
ことを特徴とする燃料電池駆動装置。
水素と酸素との化学反応により起電力を生じる燃料電池に清浄な空気を供給する燃料電池駆動装置において、
燃料を含むカートリッジと、
前記カートリッジに一体化されて設けられ、前記空気をろ過するフィルタとを備え、
前記フィルタは、前記空気の流入側に物理ろ過器を備え、前記物理ろ過器の前記空気の流出側に物理吸着ろ過器と化学吸着ろ過器とをこの順に備え、
前記物理吸着ろ過器は、カオリナイト、モンモリロナイト、及び中空繊維状プラスチックのうちいずれかを用いて形成され、
前記化学吸着ろ過器は、炭酸カルシウムを用いて形成されている
ことを特徴とする燃料電池駆動装置。
前記フィルタは、中空な円筒または角筒であり、
前記カートリッジは前記フィルタと同じ形状で、前記フィルタ内に収納、または前記フィルタを覆うように設けられ、前記カートリッジの中心軸と前記フィルタの中心軸とは同じであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池駆動装置。