JP5018150B2 - 燃料電池、電子機器、燃料供給板および燃料供給方法 - Google Patents
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Description
本発明は、メタノールと酸素との反応により発電を行う燃料電池、そのような燃料電池を内蔵する電子機器、そのような燃料電池に用いられる燃料供給板および燃料供給方法に関する。
電池を電源として用いる場合、負荷に必要な電圧を得るため、必要な数だけ単位セルを直列に接続して高い電圧を得ることが多い。特に、燃料電池では、単位セルあたりの発電電圧が低いので、複数の単位セル(発電部)を直列に接続して電池システムを構成するのが通例となっている
このような電池システムでは、通常、複数の単位セルは、集電板を間にして縦に積層されている。また、集電板の両面または片面には、燃料あるいは空気を電池セルに供給するための流路が設けられている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−140153号公報
しかしながら、複数の単位セルを面内方向に並べた場合、燃料供給ポンプの出口と各単位セルとの間の距離が異なり、各単位セルに供給される燃料の量にばらつきが生じてしまっていた。そのため、各単位セルの起電力にばらつきが生じ、電池システム全体の出力が大幅に減少してしまっていた。更に、電池システムの構成によっては燃料供給ポンプの出口の位置を自由に変更できない場合が多く、各単位セルに等量に燃料を供給することは極めて困難であった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料を複数の発電部に均一に供給することができる燃料電池、電子機器、燃料供給板および燃料供給方法を提供することにある。
本発明の燃料電池は、複数の発電部を含む電池本体と、液体燃料を収容する燃料タンクと、燃料タンクから液体燃料が供給される入口および複数の発電部に各々対応する複数の出口の間に複数の流路を有し、複数の流路は、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離である燃料供給板とを備えたものである。ここに「すべて等距離である」とは、入口と出口との間の距離が、複数の流路のすべてで等しくなっていることをいう。
本発明の電子機器は、本発明の燃料電池を内蔵したものである。
本発明の燃料供給板は、燃料タンクに収容される液体燃料を複数の発電部に供給するためのものであって、燃料タンクから液体燃料が供給される入口と、前記複数の発電部に各々対応する複数の出口と、入口および複数の出口の間に形成され、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離である複数の流路とを備えたものである。
本発明の燃料供給方法は、燃料タンクに収容される液体燃料を複数の発電部に供給するための方法であって、液体燃料を燃料供給板の入口へ供給し、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離の複数の流路を介して複数の出口に到達させ、複数の出口の各々に対応する発電部に供給するようにしたものである。
本発明の燃料電池、電子機器および燃料供給板では、燃料タンクに収容される液体燃料は、燃料供給板の入口に供給され、そこから複数の流路を介して複数の出口に到達し、各出口に対応する発電部へと供給される。複数の流路は、少なくとも一本に曲線を含んでおり、この曲線の形状や曲がりぐあい(曲率半径)を調整することにより、複数の流路はすべて等距離とされている。よって、入口と複数の出口との間の直線距離の長短にかかわらず、ほぼ等量の液体燃料がほぼ同タイミングで複数の出口に到達し、各発電部に供給される。
本発明の燃料電池、電子機器または燃料供給板によれば、燃料タンクから液体燃料が供給される入口と、複数の発電部に各々対応する複数の出口との間を複数の流路で結び、これら複数の流路を、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離とするようにしたので、液体燃料を複数の発電部に均一に供給することができる。よって、燃料供給量のばらつきによる複数の発電部の起電力のばらつきを低減し、燃料電池全体の出力を向上させることができる。
本発明の燃料供給方法によれば、燃料タンクに収容される液体燃料を燃料供給板の入口へ供給し、そこから、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離の複数の流路を介して複数の出口に到達させて、対応する発電部に供給するようにしたので、液体燃料を均一に複数の発電部に供給することができる。よって、燃料供給量のばらつきによる複数の発電部の起電力のばらつきを低減し、燃料電池全体の出力を向上させることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池(燃料電池1)の断面構成を表すものであり、図2は、図1に示した燃料電池1を電池本体の側からみた構成を表したものである。なお、本発明の燃料供給方法は、本実施の形態に係る燃料電池装置によって具現化されるので、以下、併せて説明する。
この燃料電池1には、液体燃料(例えば、メタノール水)21を収容する燃料タンク20が設けられ、この燃料タンク20の上方には、電池本体5が設けられている。電池本体5は、水平方向に沿って配置された複数(例えば六つ)の電池セル5A〜5Fを含んでいる。なお、燃料タンク20は、例えば、液体燃料21の増減によっても内部に気泡などが入らずに体積が変化する容器(例えばビニール袋など)と、この容器を覆う直方体形状のケース(構造体)とにより構成される。
各電池セル5A〜5Fはそれぞれ、メタノールと酸素との反応により発電を行う直接メタノール型の発電部であり、電解質膜52を介して燃料電極(アノード電極、負極)51と酸素電極(カソード電極、正極)53とが対向配置されている。酸素電極53には図示しない空気供給ポンプが接続され、燃料電極51は電池セル5A〜5Fのうちの燃料タンク20側に形成されている。なお、電解質膜52は、例えばプロトン伝導体により構成される。
燃料タンク20内には、燃料タンク20内の液体燃料を吸引してノズル23から排出させるための燃料供給ポンプ22が設けられている。この燃料タンク20と電池セル5A〜5Fとの間、具体的には燃料タンク20の上面には、ノズル23から排出される液体燃料21を電池セル5A〜5Fに供給するための燃料供給板3が設けられている。電池セル5A〜5F間およびこれらと燃料供給板3との間には、燃料漏れ防止部41が設けられており、液体燃料21の漏れを防止できるようになっている。
図3は、燃料供給板3の電池本体5側からみた構成の一例を表したものである。この燃料供給板3は、燃料タンク20から液体燃料21が供給される入口ILと、電池セル5A〜5Fにそれぞれ対応する六つの出口OLとを有し、両者の間に六本の流路3A〜3Fが形成されている。これらの流路3A〜3Fは、液体燃料21を入口ILから六つの出口OLに分岐させて移動させるものであり、その幅や深さなどの寸法は液体燃料21の輸送方式(例えば、ポンプあるいは毛細管現象の利用)に応じて適切に設定されている。なお、各出口OLは、電池セル5A〜5Fに向けて開放されていればよく、必ずしも電池セル5A〜5Fに接続されている必要はない。
流路3A〜3Fは、曲線CA〜CFをそれぞれ含むと共に、すべて等距離となっている。これにより、この燃料電池1では、液体燃料21を電池セル5A〜5Fに均一に供給することができるようになっている。なお、流路3A〜3Fは、曲線のみにより構成されていてもよいが、必要に応じて、例えば入口IL近傍の分岐直後の部分に直線を含んでいてもよい。
曲線CA〜CFは、その形状や曲がりぐあい(曲率半径)を調整することにより、入口ILと出口OLとの間の距離を、流路3A〜3Fのすべてで等しくすることを可能とするためのものである。入口ILは、燃料供給ポンプ22のノズル23の出口の位置により規定され、例えば図3に示したように燃料供給板3の中心からずれる場合もある。出口OLは、電池セル5A〜5Fの形状,寸法,配置および間隔などにより規定される。通常、電池セル5A〜5Fは矩形であり、出口OLは各電池セル5A〜5Cの中心に設けられる。入口ILおよび出口OLの位置は、いずれも自由な変更が難しい。
流路3A〜3Fは、曲線CA〜CFとして、円弧を含むことが好ましい。円弧は長さの計算が容易であり、製図・加工を容易にすることができるからである。図3では、流路3A〜3Fが円弧と直線とを含む場合を表している。ただし、曲線CA〜CFの形状は、円弧のほか、楕円やベジエ曲線など他の曲線でもよく、特に限定されない。
曲線CA〜CFの曲率半径はできる限り大きくすることが望ましい。流れが複雑にならず、複雑な流体シミュレーションによる構造決定を回避することができるからである。
流路3A〜3Fは、入口ILの位置にかかわらず、すべて等距離とされている。図4は、入口ILが燃料供給板3の中心に一致している場合の流路3A〜3Fの一例を表したものである。図4に示した流路3A〜3Fは、図3に示したものとは曲線CA〜CFの曲がりぐあい(曲率半径)が異なるが、すべて等距離となっている。
このような流路3A〜3Fは、図3または図4に示したように、入口ILから、入口ILを中心とするn角形N(nは流路3A〜3Fの数であり、本実施の形態では6である。)の頂点に向かう方向に形成されていることが好ましい。流路3A〜3Fを入口ILから直接分岐させないで途中から分岐させると、流れの慣性の影響により、液体燃料21を等分するように流路3A〜3Fを幾何的に簡単に設計することが困難になってしまうからである。
更に、このn角形Nは、正n角形(本実施の形態では正6角形)であれば、より好ましい。液体燃料21を均等に流路3A〜3Fに分岐させることができるからである。ここにいう「正n角形」とは、幾何学的に完全な正n角形だけでなく、流路3A〜3Fの加工精度などを考慮して、ほぼ正n角形といえる程度の対称性を有するn角形も含むものである。すなわち、流路3A〜3Fは、隣接する二つの流路の、分岐直後の直線部分のなす角θが、360÷(n+1)よりも大きく、360÷(n−1)よりも小さくなるように配置されていればよい。
加えて、流路3A〜3Fは、角を有しないことが好ましい。鋭角鈍角によらず、角は著しく流れを乱すおそれがあるからである。
図5は、このような燃料供給板3の具体的な構成の一例を表したものである。燃料供給板3は、例えば、燃料タンク20側から順に、入口ILが形成されたタンク側供給板31と、流路3A〜3Fが形成された流路板32と、六つの出口OLが設けられたセル側供給板33とを積層した構成とすることができる。
タンク側供給板31は、例えば、厚みが0.3mm程度のステンレス鋼などの金属板により構成されており、燃料供給板3の強度を確保する機能も有している。入口ILの直径は例えば1mm程度である。
流路板32は、例えば、厚みが50μm程度であり、マレイン酸変性ポリプロピレンの両面接着シートにより構成され、流路3A〜3Fの外形に合わせて切り抜きが設けられている。なお、流路3A〜3Fの入口IL付近には、燃料溜まりとして、入口ILよりも広めの切り抜きが設けられていてもよい。
セル側供給板33は、例えば、厚みが0.1mm程度であり、ステンレス鋼などの金属板により構成されている。
また、セル側供給板33には出口OLとして六つの貫通孔が設けられている。このように流路板32とは別にセル側供給板33を設けることにより、出口OLの直径を流路3A〜3Fの幅よりも小さくして、出口OLに液体燃料21の圧力調節機能を持たせることができる。すなわち、流路3A〜3Fに比べて出口OLを狭くすることにより圧力損失を生じさせ(減圧機能)、出口OLから常に液体燃料21を一定圧力で吐出させる(整圧機能)ことができる。また、このようにすることにより、燃料電池1を傾けた場合であっても重力の影響を受けずに液体燃料21を出口OLから吐出させることが可能となる。そのためには、出口OLの直径はできるだけ小さいほうが望ましく、例えば1mm以下、具体的には0.3mm程度とすることが望ましい。なお、出口OLを小さくする代わりに、流路3A〜3Bの幅を途中で小さくする、両面接着シートの厚みを薄くする、あるいは出口OLに圧力弁(図示せず)などを設けることによっても同様の圧力調節機能を得ることが可能である。
図6は、流路3A〜3Fが図3に示したように形成されている場合における流体シミュレーション結果を表すものであり、鏡映面を考慮した半分だけの構造体をモデリングしている。図6では、流路A〜Cからの燃料吐出量はそれぞれ0.844mL/s、0.851mL/s、0.847mL/sであり、三つの平均値からのズレは、それぞれ−0.42%、+0.45%、−0.03%である。なお、図6において、流路A〜Cの壁面の色(濃淡)は、壁面にかかっている圧力を示し、暖色(淡)から寒色(濃)になるにつれて圧力が低くなっている。入口付近はポンプの噴出圧の影響を受けて高圧になり、出口付近は大気圧にほぼ等しいため低くなる。また、流路A〜C中の細線は、流れの向きと量を示し、細線の密度が高いところは流量が多く、密度の低いところは流量が少なくなっている。
なお、モデルでは、流路A〜Cにはメタノールが満たされているものとしたので、密度および粘度はメタノールの値を使用している。実際に使用した密度の値は0.791g/cm3 、粘度は0.54mPa.sである。また、モデル全体には体積力(重力)がかかっているものとし、その値は7.76kN/m3 (重力加速度にメタノールの密度を乗じた値)としている。境界条件としては、メタノールの入口の圧力を115kPa(大気圧にポンプの揚程を加えた値)、出口を100kPa(大気圧)としている。また、メタノールの出入りがない境界についてはすべてすべり面としている。計算には非圧縮性Navier−Stokesの式を用い、定常線形ソルバを用いて有限要素法計算を行っている。計算条件は、ポンプ圧は15kPa、入口ILは直径2mm、出口OLは直径0.3mm、背圧は均一、温度は30℃、設置方向は仰向けとしている。
図7は、流路が直線である場合において図6と同様の条件で流体シミュレーションを行った結果を表すものであり、図6と同様に鏡映面を考慮した半分だけの構造体をモデリングしている。図7では、流路A〜Cからの燃料吐出量はそれぞれ0.844mL/s、2.402mL/s、1.678mL/sであり、三つの平均値からのズレは、それぞれ−48.6%、+46.4%、+2.25%である。
図6および図7の結果を比較すると、図6は、図7に比べて各流路A〜Cからの燃料吐出量のばらつきが大幅に抑えられており、図6に示したような曲線を含む等距離の流路パターンが、燃料の均等な噴出に大きく貢献していることが分かる。
この燃料電池1は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、上述した厚みおよび材料よりなるタンク側供給板31およびセル側供給板33を用意し、例えばフォトエッチングなどを用いた加工により、タンク側供給板31に入口ILを形成し、セル側供給板33に六つの出口OLを形成する。
次いで、例えば上述した厚みおよび材料よりなる流路板32に、例えばプレス機による打ち抜き加工により、流路3A〜3Fの形状に合わせた切り抜きを設け、流路板32を間にしてタンク側供給板31とセル側供給板33とを貼り合わせることにより、燃料供給板3を形成する。
続いて、この燃料供給板3を、燃料供給ポンプ22およびノズル23が取り付けられた燃料タンク20上に設置する。そののち、燃料供給板3上に前述した材料よりなる電池本体5および燃料漏れ防止部41を設ける。以上により、図1に示した燃料電池装置1が製造される。
なお、この製造方法により、タンク側供給板31を厚み0.3mmのステンレス鋼板、流路板32を厚み50μmのマレイン酸変性ポリプロピレンよりなる両面接着シート、セル側供給板33を厚み0.1mmのステンレス鋼板、出口OLの直径を0.3mmとした燃料供給板3を実際に作製し、得られた燃料供給板3について、燃料供給ポンプ22に貼り付けて動作確認テストを行い、セル側供給板33の出口OLからの燃料噴出量を目視で確認したところ、すべての出口OLからほぼ等量の燃料が噴出した。また、燃料供給ポンプ22の設置方向を変えて同様に動作確認テストを行ったところ、燃料供給ポンプ22を仰向けに寝かせた時でも立たせた時でも、燃料の噴出量はほぼ変わらなかった。
この燃料電池装置1では、燃料タンク20に収容される液体燃料21が、燃料供給ポンプ22およびノズル23によって燃料供給板3の入口ILに供給され、そこから燃料供給ポンプ22の圧力により流路3A〜3Fを介して出口OLに到達し、気化する。そして気化した燃料が分離シート42を通過して各電池セル5A〜5Cへ到達し、それらの燃料電極51へそれぞれ供給される。一方、図示しない空気供給ポンプによって、各電池セル5A〜5Cの酸素電極53へ空気(酸素)が供給される。すると、各燃料電極51において、反応により水素イオンと電子とが生成される。また、この水素イオンは電解質膜52を通って酸素電極53へ移動し、電子および酸素と反応して水が生成されると共に、二酸化炭素が副生成される。このようにして、燃料電池1において発電動作がなされる。
ここでは、流路3A〜3Fは曲線CA〜CFをそれぞれ含むと共にすべて等距離とされているので、入口ILと六つの出口OLとの直線距離の長短にかかわらず、ほぼ等量の液体燃料21がほぼ同タイミングで出口OLに到達し、気化する。よって、気化した燃料が均等に電池セル5A〜5Fに供給され、電池セル5A〜5Fの起電力のばらつきが小さくなり、燃料電池1の全体の出力が向上する。
このように本実施の形態では、入口ILと六つの出口OLとの間を、曲線CA〜CFをそれぞれ含むと共にすべて等距離の流路3A〜3Fで結び、これらの流路3A〜3Fを介して液体燃料21を供給するようにしたので、液体燃料21を電池セル5A〜5Fに均一に供給することができる。よって、燃料供給量のばらつきによる電池セル5A〜5Fの起電力のばらつきを低減し、燃料電池全体の出力を向上させることができる。
特に、流路3A〜3Fが、曲線CA〜CFとして、円弧を含むようにしたので、製図・加工を容易にすることができる。
また、流路3A〜3Fを、入口ILから、入口ILを中心とするn角形N(nは流路3A〜3Fの数)の頂点に向かう方向に形成するようにしたので、液体燃料21を均等に流路3A〜3Fに分岐させることができる。
更に、このn角形Nを正n角形としたので、液体燃料21をより均等に流路3A〜3Fに分岐させることができる。
加えて、流路3A〜3Fが角を有しないようにしたので、液体燃料21の流れが乱れてしまうおそれをなくすことができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、流路3A〜3Fが曲線CA〜CFをそれぞれ含む場合について説明したが、流路3A〜3Fがすべて等距離である限り必ずしもすべての流路3A〜3Fに曲線が含まれている必要はなく、流路3A〜3Fの少なくとも一本に曲線が含まれていればよい。
また、上記実施の形態では、燃料電池1および燃料供給板3の構成について具体的に説明したが、燃料電池1または燃料供給板3は、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料供給板3において、タンク側供給板31を省略し、流路板32とセル側供給板33のみとしてもよい。その場合は流路板32に入口ILを設けるようにすることができる。また、流路板32は、両面接着シートの代わりに、アルミニウム(Al)またはアルミニウム(Al)を含む合金よりなる金属板の両面に、ポリプロピレン等の熱融着層を設けたものとしてもよい。また、例えば、燃料電池1においては、六つの電池セル3A〜3Fを3行×2列に配置した場合について説明したが、電池セルの数や配置は特に限定されず、八つの電池セルを4行×2列に配置するなど、適宜変更可能である。
更に、例えば、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池の発電条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の発電条件としてもよい。
加えて、例えば、上記実施の形態では、液体燃料21を気化させ、気化した燃料を電池セル5A〜5Fに供給する場合について説明したが、本発明は燃料を液体の状態で燃料電極に接触させて供給する場合にも適用することができる。
更にまた、上記実施の形態では、燃料タンク20を密閉型とし、必要に応じて液体燃料21を供給するようにしたが、燃料電極51に燃料供給部(図示せず)から燃料を供給するようにしてもよい。また、例えば、液体燃料21は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他の液体燃料でもよい。
加えてまた、本発明は、液体燃料を用いる燃料電池に限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池についても適用可能である。
本発明の燃料電池は、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳、ノートブック型パーソナルコンピュータ、カムコーダ、携帯型ゲーム機、携帯型ビデオプレーヤー、ヘッドフォンステレオまたはPDA(Personal Digital Assistants )等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。
1…燃料電池、20…燃料タンク、21…液体燃料、22…燃料供給ポンプ、23…ノズル、3…燃料供給板、3A〜3F…流路、31…タンク側供給板、32…流路板、33…セル側供給板、41……燃料漏れ防止部、5…電池本体、5A〜5F…電池セル、51…燃料電極(アノード極、負極)、52…電解質膜、53…酸素電極(カソード極、正極)、CA〜CF…曲線、IL…入口、OL…出口
Claims (12)
- 複数の発電部を含む電池本体と、
液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料タンクから液体燃料が供給される入口および前記複数の発電部に各々対応する複数の出口との間に複数の流路を有し、前記複数の流路は、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離である燃料供給板と
を備えたことを特徴とする燃料電池。 - 前記複数の流路は、少なくとも一本に円弧を含む
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 - 前記複数の流路は、前記入口から、前記入口を中心とするn角形(nは前記複数の流路の数)の頂点に向かう方向に形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 - 前記n角形は、正n角形である
ことを特徴とする請求項3記載の燃料電池。 - 前記複数の流路は、角を有しない
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 - 燃料電池を内蔵する電子機器であって、
前記燃料電池は、
複数の発電部を含む電池本体と、
液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料タンクから液体燃料が供給される入口および前記複数の発電部に各々対応する複数の出口の間に複数の流路を有し、前記複数の流路は、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離である燃料供給板と
を備えたことを特徴とする電子機器。 - 燃料タンクに収容される液体燃料を複数の発電部に供給するための燃料供給板であって、
前記燃料タンクから液体燃料が供給される入口と、
前記複数の発電部に各々対応する複数の出口と、
前記入口および前記複数の出口の間に形成され、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離である複数の流路と
を備えたことを特徴とする燃料供給板。 - 前記複数の流路は、少なくとも一本に円弧を含む
ことを特徴とする請求項7記載の燃料供給板。 - 前記複数の流路は、前記入口から、前記入口を中心とするn角形(nは前記複数の流路の数)の頂点に向かう方向に形成されている
ことを特徴とする請求項7記載の燃料供給板。 - 前記n角形は、正n角形である
ことを特徴とする請求項9記載の燃料供給板。 - 前記複数の流路は、角を有しない
ことを特徴とする請求項7記載の燃料供給板。 - 燃料タンクに収容される液体燃料を複数の発電部に供給するための方法であって、
前記液体燃料を燃料供給板の入口へ供給し、少なくとも一本に曲線を含むと共にすべて等距離の複数の流路を介して複数の出口に到達させ、前記複数の出口の各々に対応する前記発電部に供給する
ことを特徴とする燃料供給方法。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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