JP5161431B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体中の金属イオンを除去するイオンフィルタおよびこれを備えた燃料電池装置に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。

通常、ＤＭＦＣは、高濃度のメタノールが収容された燃料タンク、燃料タンクのメタノールを水によって希釈する混合タンク、希釈されたメタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等が設けられている。起電部はそれぞれアノードおよびカソードを有した複数のセルを積層したセルスタックを備え、アノード側に希釈されたメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側に炭酸ガスが、カソード側に水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。起電部のカソード側からの排気はカソード流路を通って冷却器に送られ、ここで冷却され水分を凝縮させる。得られた水は回収され、メタノールの希釈に用いられる。

ＤＭＦＣにおける希釈循環システムにおいては、メタノール水溶液中に含まれる微量の金属イオンがセルスタック内の化学反応を阻害し、これによってセルスタックの発電効率が低下する場合がある。メタノール水溶液中に含まれる金属イオンは、燃料であるメタノール内に元々含有されているものだけでなく、循環流路を形成するパイプ、セルスタック、循環流路内の他の部品等から発生するものもある。このため、燃料電池システムの運転中は、常に新たな金属イオンが次々と発生し、メタノール水溶液中に放出される。

そこで、このような金属イオンを除去するイオンフィルタを備えた燃料電池装置が提供されている（例えば、特許文献１）。このイオンフィルタは、ケースと、ケース内全体に詰め込まれた粒状の金属イオン交換樹脂とを有している。そして、金属イオン交換樹脂を通して流体を流すことにより、流体中の金属イオンが化学的に捕獲される。
特開２００５−８５４８１号公報

上記のように構成されたイオンフィルタでは、多数の金属イオン交換樹脂は互いに密着してケース内に収納されている。この場合、金属イオン交換樹脂は、ケース内を通る流体に接触しない領域を含んでいる。この接触しない領域は、金属イオンの除去に寄与しない。そのため、使用する金属イオン交換樹脂の量に比較して金属イオンの除去効率が低くなる。除去効率を上げるために、金属イオン交換樹脂の量を増やした場合、イオンフィルタ全体が大型化してしまう。上記構成のイオンフィルタは圧力損失が大きく、燃料電池装置の循環流路に設けた場合、送液ポンプ等に与える負荷が増大する。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、効率良く金属イオンを除去することができるとともに圧力損失の低減および小型化が可能なイオンフィルタおよびこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。

この発明の他の態様に係る燃料電池装置は、それぞれアノードおよびカソードを有した単セルを積層して形成されたセルスタックを有し、化学反応により発電する起電部と、前記セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、前記セルスタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記起電部から排出される排出流体を冷却する冷却部と、前記冷却部から前記燃料供給部を介して前記起電部に至る流路内に配置されたイオンフィルタと、を具備し、
前記イオンフィルタは、軸方向一端部に流体が流入する流入口、および軸方向他端部に流体を排出する流出口を有する筒状のケースと、前記ケース内で前記流入口と流出口との間に互いに隙間を置いて前記ケースの軸方向に積層された複数層の金属イオン除去構体と、前記ケース内で前記金属イオン除去構体と交互に積層され、前記金属イオン除去構体間に液溜まり用の密閉された空間層を形成するスペーサ枠と、を備え、各金属イオン除去構体は、隙間を置いて対向しているとともにそれぞれ流体を透過する一対の保持体と前記保持体間に収納された複数の粒子状の金属イオン吸着物質とを有している。

上記構成によれば、金属イオン吸着物質の吸着作用を十分に発揮し効率良く金属イオンを除去することができるとともに圧力損失の低減および小型化が可能なイオンフィルタおよびこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。
図１は燃料電池装置の外観を示し、図２は燃料電池装置を情報処理装置、例えば、パーソナルコンピュータ１１に接続した状態を示している。燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成され、パーソナルコンピュータ１８の電源として使用可能に構成されている。

燃料電池装置１０は筐体１２を備えている。この筐体１２は、ほぼ角柱状に形成され水平に延びた本体１２ａと、本体からほぼ水平に延出した載置部１２ｂとを有している。載置部１２ｂは、平坦な矩形状に形成され、パーソナルコンピュータ１８の後部を載置可能に形成されている。後述するように、本体１２ａは、電気化学反応で発電を行うＤＭＦＣスタック（セルスタック）や、ＤＭＦＣスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注入、循環させるための種々の補機を内蔵している。

図１に示すように、本体１２ａの壁部には多数の通気孔が形成されている。本体１２ａの上面には、燃料電池の動作状態を示す複数のインジケータ８が設けられている。後述するように、発電部を構成する燃料タンクは脱着自在な燃料カートリッジとして構成されている。本体１２ａの一側部は、燃料タンクの脱着時に取り外し可能なカバー１２ｃとして形成されている。

載置部１２ｂの上面には、パーソナルコンピュータ１８と接続するためのドッキングコネクタ１４が設けられている。パーソナルコンピュータ１８の例えば底面後部には、燃料電池装置１０側のドッキングコネクタ１４と接続するための図示しないコネクタが設けられ、ドッキングコネクタ１４と機械的、電気的に接続される。載置部１１２ｂの三箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起１５およびフック１６が設けられている。これらの位置決め突起１５およびフック１６は、パーソナルコンピュータ１８の底面後部と係合し、載置部１２ｂに対してパーソナルコンピュータ１８を位置決め、保持する。また、載置部１２ｂには、パーソナルコンピュータ１８を燃料電池装置１０から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン１７が設けられている。載置部１２ｂ内には、後述する発電部の動作を制御する制御部が設けられている。

なお、図１、図２に示した燃料電池装置１０の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタ１４の形状や位置等は、種々の形態が考えられる。
図３は、燃料電池装置１０の系統図を示したものであり、特にＤＭＦＣスタックとその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。

燃料電池装置１０は、発電部４０と、燃料電池装置１０の制御部である燃料電池制御部４１とを備えている。燃料電池制御部４１は発電部４０の制御を行う他、パーソナルコンピュータ１８との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部４０は本体１２ａ内に設けられており、燃料電池制御部４１は載置部１２ｂ内に設けられている。

発電部４０は、発電を行うための中心となるＤＭＦＣスタック４２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ４３を備えている。セルスタックであるＤＭＦＣスタック４２は、化学反応によって発電を行う起電部として機能する燃料電池である。燃料カートリッジ４３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ４３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。

ダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電効率をあげるためにクロスオーバー現象を低減する必要がある。このために高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これをセルのアノード４７に注入することが有効である。これを実現するため、燃料電池装置１０は、希釈循環システム６２を採用し、発電部４０に希釈循環システム６２の実現に必要な補機６３が設けられている。

希釈循環システム６２は、燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。補機６３には液体流路に設けられるものと気体流路に設けられるものとが含まれている。

液体流路に設けられる補機６３は、燃料カートリッジ４３の出力部に配管接続された燃料供給ポンプ４４、燃料供給ポンプ４４の出力部に配管を介して接続された混合タンク４５、混合タンク４５の出力部に接続された送液ポンプ４６を備え、送液ポンプ４６の出力部は配管１０１を介してＤＭＦＣスタック４２のアノード（燃料極）４７に接続される。配管１０１は、混合タンク４５からＤＭＦＣスタック４２にメタノール水溶液を送出するための流路を規定している。

送液ポンプ４６とＤＭＦＣスタック４２との間で、配管１０１にはイオンフィルタとしての金属イオン除去フィルタ（イオンフィルタ）７３が設けられている。混合タンク４５の出力部は、送液ポンプ４６、金属イオン除去フィルタ７３を介してアノード（燃料極）４７に接続されている。後に詳述するように、金属イオン除去フィルタ７３は金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管１０１を介して混合タンク４５からＤＭＦＣスタック４２に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。

アノード４７の出力部は配管１０２を介して混合タンク４５の入力部に接続されている。配管１０２は、ＤＭＦＣスタック４２のアノード４７から排出される排出流体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素、を混合タンク４５に戻す流路を規定している。配管１０２の周囲には多数の放熱フィン７１が取り付けられている。放熱フィン７１は、アノード４７から排出されるメタノール水溶液を冷却するアノード冷却部として機能する。放熱フィン７１の近傍には冷却ファン７２が取り付けられている。アノード４７から排出されるメタノール水溶液の温度は例えば６０℃以上である。このメタノール水溶液の温度は、放熱フィン７１を通過することにより、例えば４５℃〜５０℃程度にまで低下される。

さらに、配管１０２の中途部には、金属イオン除去フィルタ７４が配置されている。この金属イオン除去フィルタ７４も金属イオン吸着物質を用いて実現され、ＤＭＦＣスタック４２から混合タンク４５に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着し、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。

また、補機６３は、後述する凝縮器５３に隣接して設けられた水回収タンク５５を有し、水回収タンク５５の出力部は配管１０４を介して混合タンク４５の入力部へ接続される。配管１０４の中途部には、水回収ポンプ５６および金属イオン除去フィルタ７５が配設されている。金属イオン除去フィルタ７５は金属イオン吸着物質を用いて実現され、水回収タンク５５から混合タンク４５に向けて送出される水（クロスオーバー現象によってカソード５２に移動したメタノール成分も含まれる）中に含まれる金属イオンを吸着し、水から金属イオンを除去する。
上述した燃料カートリッジ４３、燃料供給ポンプ４４、混合タンク４５、送液ポンプ４６は、ＤＭＦＣスタック４２に燃料を供給する燃料供給部を構成している。

一方、気体流路に設けられる補機６３は、送気バルブ５１が配置された配管１０７を介してＤＭＦＣスタック４２のカソード（空気極）５２に接続された送気ポンプ５０、および配管１０３を介してカソード５２の出力部に接続された凝縮器５３を有している。また、混合タンク４５の出力部は、混合タンクバルブ４８が配置された配管１０８を介して凝縮器５３に接続されている。凝縮器５３は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５３は、カソード５２の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器５３には、水蒸気を効果的に凝縮するフィンが備えられている。凝縮器５３に対向して冷却ファン５４が配設されている。凝縮器５３による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５２の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク５５から配管１０４を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。

上記のように、本実施形態の燃料電池装置１０においては、ＤＭＦＣスタック４２からの排出流体（低濃度メタノール、水蒸気）を冷却する冷却部として、放熱フィン７１および凝縮器５３が設けられている。そして、これら冷却部から混合タンク４５を介してＤＭＦＣスタック４２のアノード４７に至る流路内には、金属イオン除去フィルタ７３，７４、７５が配置されている。

図４および図５に示すように、セル積層体としてのＤＭＦＣスタック４２は、複数、例えば、４つの単セル１４０と、５枚の矩形板状のセパレータ１４２とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体１４５を有している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード５２およびアノード４７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、カソード５２およびアノード５０よりも大きな面積に形成されている。

３つのセパレータ１４２は、隣合う２つの単セル１４０間に積層され、他の２つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ１４２および枠体１４５には、各単セル１４０のアノード４７に燃料を供給する燃料流路１４６、および各単セルのカソード５２に空気を供給する空気流路１４７が形成されている。

燃料電池１０内においては、例えば、ＤＭＦＣスタック４２内の化学反応によって、あるいは配管などから金属イオンが発生する場合がある。配管の内、冷却部５３，７１を通過する配管部分は、通常、放熱効率を高めるために金属から構成される。このため、冷却部５３を通過する配管部分、および冷却部７１を通過する配管部分から、金属イオンが発生する可能性が高い。また、燃料カートリッジ４３内の高濃度メタノールが元々金属イオンを含有している場合もある。金属イオンを含む低濃度メタノールがＤＭＦＣスタック４２のアノード（燃料極）４７に供給されると、ＤＭＦＣスタック４２の発電性能が低下する。

本実施形態においては、ＤＭＦＣスタック４２のアノード（燃料極）４７の直前に金属イオン除去フィルタ７３が設けられているので、運転中に金属イオンが発生しても、その金属イオンがＤＭＦＣスタック４２のアノード（燃料極）４７に供給されることを効率よく防止することができる。また、金属イオン除去フィルタ７４、７５の働きにより、排出流体に含まれる金属イオンが混合タンク４５に流れ込むことも防止することができる。

金属イオン除去フィルタ７３は送液ポンプ４６とＤＭＦＣスタック４２のアノード４７との間に配置され、送液ポンプ４６の汚れを捕集する機能を果たす。これにより、送液ポンプ４６から圧送されるメタノール水溶液中に含まれる塵等がＤＭＦＣスタック４２のアノード４７に流れ込むことも防止することができ、ＤＭＦＣスタック４２の発電性能を高く維持することができる。

なお、本実施形態では、３つの金属イオン除去フィルタ７３、７４、７５を設けたが、金属イオン除去フィルタ７３のみでも実用上十分な効果を得ることができる。また、金属イオン除去フィルタ７３を設けずに、２つの金属イオン除去フィルタ７４，７５のみを使用する構成を採用してもよい。さらには、金属イオン除去フィルタ７３を設けずに、且つ２つの金属イオン除去フィルタ７４、７５のいずれか一方のみを使用する構成を採用してもよい。また、２つの金属イオン除去フィルタ７４、７５の代わりに、金属イオン除去フィルタ７６を配管１０６内に配置してもよい。これにより、１つの金属イオン除去フィルタ７６によって、金属イオン除去フィルタ７４の機能と金属イオン除去フィルタ７４の機能とを兼ねることができる。

つまり、基本的には、金属イオン除去フィルタは、未反応メタノール、水蒸気のような排出流体を冷却する冷却部から混合タンク４５を介してＤＭＦＣスタック４２に至る経路内に少なくとも１つ配置すればよい。

次に、金属イオン除去フィルタの構成について詳細に説明する。本実施形態において用いる金属イオン除去フィルタ７３、７４、７５は同一構成を有している。ここでは、金属イオン除去フィルタ７４を代表して説明する。

図６および図７は、金属イオン除去フィルタ７４の外観および断面を示し、図８は金属イオン除去フィルタを示す分解斜視図である。図６ないし図８に示すように、金属イオン除去フィルタ７４は、例えば、角筒形状に形成されたケース８０を有している。ケース８０の軸方向一端部には、流体としてのメタノール水溶液が流入する流入口８１が設けられ、軸方向他端部には、メタノール水溶液を排出する流出口８２が設けられている。流入口８１からケース８０内に流入したメタノール水溶液は、ケース内をその軸方向に沿って流れ、流出口８２から排出される。

ケース８０内には、複数層の金属イオン除去構体８４が互いに隙間を置いてケースの軸方向に沿って積層されている。すなわち、ケース８０内で流入口８１と流出口８２との間に複数層の金属イオン除去構体８４と液溜まり用の空間層８５とが交互に積層されている。

図９は金属イオン除去構体８４を分解して示している。図７および図９に示すように、各金属イオン除去構体８４は、矩形状の保持枠８３と、保持枠の両面側にそれぞれ配設され隙間を置いて対向した一対のシート状の保持体８７と、保持体間および保持枠内に収納された複数の粒子状の金属イオン吸着物質８８と、を備えている。保持体８７は、例えば、メッシュ状に形成され、それぞれ保持枠に固定された周縁部を有している。保持枠８３および一対の保持体８７は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等の合成樹脂によって形成されている。各保持体８７の周縁部は、例えば、超音波溶着によって保持枠８３に固定されている。

粒子状の金属イオン吸着物質８８は、例えば、粒子径が６００μｍ程度の金属イオン交換樹脂が用いられている。保持体８７を構成するメッシュの粗さは、金属イオン吸着物質８８の粒径よりも小さく形成されている。一対の保持体８７間の間隔は、金属イオン吸着物質８８の粒径よりも僅かに大きく、粒径の２倍よりも小さく形成されている。金属イオン吸着物質８８は、一対の保持体８７間に挟まれ平面状に並んで保持されている。従って、金属イオン吸着物質８８により、保持体８７と直交する方向に関して１層のみ積まれた金属イオン吸着層が形成されている。

複数の金属イオン除去構体８４は、複数の矩形状のスペーサ枠９０と交互に積層されている。スペーサ枠９０は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等の合成樹脂により、保持枠８３とほぼ同一寸法に形成されている。保持枠８３とスペーサ枠９０とは超音波溶着によって互いに固定されている。これら複数の保持枠８３およびスペーサ枠９０によりケース８０の外壁の一部が構成されている。積層体の両端部には、流入口８１が設けられたエンドキャップ部８０ａおよび流出口８２が設けられたエンドキャップ部８０ｂがそれぞれ積層され、積層体とともにケース８０を構成している。

複数の金属イオン除去構体８４は、スペーサ枠９０により互いに隙間を置いて積層されている。この隙間により、液溜まりとして機能する空間層８５が形成されている。それぞれ金属イオン吸着物質８８によって構成された金属イオン除去層および空間層８５は、ケース８０の軸方向に沿って、すなわち、メタノール水溶液の流れ方向に沿って交互に積層されているとともに、それぞれケース８０の軸方向と直交する方向に延在している。

上記のように構成された金属イオン除去フィルタ７４は、メタノール水溶液の流れ方向、ここでは、ケース８０の軸方向が鉛直方向と一致するように配設されている。流入口８１からケース８０内に流入したメタノール水溶液は、金属イオン除去構体８４と空間層８５とを交互に通って流れた後、流出口８２から排出される。この間、メタノール水溶液は、空間層８５内に一旦溜まった後、各金属イオン除去構体８４の保持体８７を通って金属イオン吸着物質８８の周囲を流れ、更に、保持体８７を通って次に空間層８５に至る。金属イオン吸着物質８８の周囲を流れる間、メタノール水溶液中の金属イオンは、金属イオン吸着物質８８に化学的に吸着され、捕獲される。これにより、メタノール水溶液中の金属イオンが除去される。

なお、他の金属イオン除去フィルタ７３、７５も上述した金属イオン除去フィルタ７４と同様に構成されている。上記構成の金属イオン除去フィルタによれば、粒状の金属イオン吸着物質で形成された金属イオン除去層と空間層８５とを交互に積層して設けることにより、ケース内部全体に金属イオン吸着物質を敷き詰めた場合に比較して、メタノール水溶液の圧力損失を低減し、送液ポンプ４６、水回収ポンプ５６を含む装置全体の負荷を低減することができる。同時に、各金属イオン除去層は空間層８５を挟んでいるため、積層方向において金属イオン吸着物質８８が密着して設けられておらず、金属イオン吸着物質８８の各々はその全面に亘ってメタノール水溶液に接触する。そのため、金属イオン吸着物質８８の各々はその金属イオン交換作用（除去作用）を全面に亘って発揮することが可能となる。従って、効率良く金属イオンを除去することができるとともに圧力損失の低減および小型化が可能なイオンフィルタが得られる。

次に、燃料電池装置１０における発電部４０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。
図３に示すように、まず、燃料カートリッジ４３内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ４４によって、混合タンク４５に供給される。混合タンク４５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード４７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノール水溶液が生成される。低濃度メタノール水溶液の濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６０の検出結果を基に、燃料電池制御部４１が燃料供給ポンプ４４によって混合タンク４５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク４５に環流する水の量を水回収ポンプ５６等で制御することによって実現できる。

混合タンク４５には、混合タンク４５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６１や、温度を検出する温度センサ６４が設けられ、これらセンサの検出結果は燃料電池制御部４１に送られて発電部４０の制御などに使用される。

混合タンク４５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ４６によって、ＤＭＦＣスタック４２の燃料流路１４６へ圧送され、この燃料流路から各単セル１４０のアノード４７に注入される。送液ポンプ４６からのメタノール水溶液は金属イオン除去フィルタ７３によって金属イオンが除去された後に、ＤＭＦＣスタック４２のアノード４７に送られる。図５に示すように、アノード４７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はＤＭＦＣスタック４２内の固体高分子電解質膜１４４を透過してカソード５２に達する。

アノード４７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク４５に環流する。この場合、アノード４７から排出されるメタノール水溶液は冷却部７１によって冷却され、更に、金属イオン除去フィルタ７４を介して混合タンク４５に送られる。二酸化炭素は混合タンク４５内で気化し、混合タンクバルブ４８を介して、凝縮器５３へ向かい、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。

図３に示すように、空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５０により、吸気口４９から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５１を介しＤＭＦＣスタック４２の空気流路１４７へ送られ、この空気流路から各単セル１４０のカソード（空気極）５２に供給される。カソード５２では、酸素（Ｏ²）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ^-）と、アノード４７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ²）とから水（Ｈ²Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５２から排出され、凝縮器５３に入る。凝縮器５３では、冷却ファン５４によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５５内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ５６によって混合タンク４５へと環流し、高濃度メタノールを希釈するための希釈循環システム６２が構成される。

以上のように構成された燃料電池装置１０によれば、金属イオン除去フィルタ７３、７４、７５によってメタノール水溶液中の金属イオンを効率良く除去することができる。これにより、送液ポンプ４６から圧送されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオン等がＤＭＦＣスタック４２に流れ込むことも防止することができ、ＤＭＦＣスタック４２の発電性能を高く維持することができる。金属イオン除去フィルタの圧力損失を低減することにより、送液ポンプ４６、水回収ポンプ５６の動作負荷を低減でき、燃料電池装置全体の運転効率を向上することが可能となる。

金属イオン除去フィルタにおいて、複数の金属イオン除去構体８４は空間層８５と交互に積層されていれば良く、各金属イオン除去構体における金属イオン除去層は、一層に限らず、積層された複数層を有していてもよい。図１０に示す第２の実施形態によれば、金属イオン除去フィルタの各金属イオン除去構体８４は、一対の保持体８７間に収納された粒子状の金属イオン吸着物質８８を有し、これらの金属イオン吸着物質は金属イオン除去構体の積層方向において２層に重ねて配置されている。

また、図１１に示す第３の実施形態のように、金属イオン除去構体８４を複数ずつ重ねて積層し、積層された複数の金属イオン除去構体８４と空間層８５とを交互に積層配置した構成としてもよい。

前述した第１の実施形態において、金属イオン除去フィルタのケース８０は、金属イオン除去構体の保持枠およびスペーサ枠で構成したが、これに限定されない。図１２に示す第４の実施形態によれば、金属イオン除去フィルタ７４は、例えば、合成樹脂によって形成された独立したケース８０を有し、このケース内に、複数の金属イオン除去構体８４およびスペーサ（スペーサ枠）９０が交互に積層されている。

第２、第３、第４の実施形態において、他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略した。そして、第２、第３、第４の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、この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可能である。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。

前述した実施形態において、金属イオン除去フィルタは角筒形状としたが、これに限らず、断面が円形、楕円形、その他、任意の形状とすることができる。金属イオン除去フィルタの配置は、鉛直方向に限らず、任意の方向とすることができる。金属イオン除去構体を構成する保持体は、メッシュに限らず、不織布、あるいは他の多孔質材料で形成してもよい。前記実施形態において、発電部は燃料タンクおよび混合タンクを備えた構成としたが、混合タンクを省略し、燃料タンクで兼用する構成としてもよい。本願において、燃料タンクは、燃料を収納および供給する容器を示すもので、燃料タンクおよび混合タンクの両方あるいはいずれか一方を含むものとして示している。

この発明に係る燃料電池装置は、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の情報処理装置の電源としても使用可能である。燃料電池装置は、情報処理装置の外部に接続する構成としたが、情報処理装置に内蔵された構成としてもよい。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。更に、この発明に係るイオンフィルタは、ＤＭＦＣに限らず、他の装置における金属イオン除去に用いることが可能である。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置を示す斜視図。 図２は、前記燃料電池装置をパーソナルコンピュータに接続した状態を示す斜視図。 図３は、上記燃料電池装置の発電部の構成を主に示す系統図。 図４は、前記燃料電池のＤＭＦＣスタックを示す断面図。 図５は、前記ＤＭＦＣスタックの単セルを概略的に示す図。 図６は、前記燃料電池装置における金属イオン除去フィルタを示す斜視図。 図７は、前記金属イオン除去フィルタの断面図。 図８は、前記金属イオン除去フィルタの分解斜視図。 図９は、前記金属イオン除去フィルタにおける金属イオン除去構体を示す分解斜視図。 図１０は、この発明の第２の実施形態に係る金属イオン除去フィルタを示す断面図。 図１１は、この発明の第３の実施形態に係る金属イオン除去フィルタを示す断面図。 図１２は、この発明の第４の実施形態に係る金属イオン除去フィルタを示す断面図。

符号の説明

１０…燃料電池装置、１１…載置部、１２…筐体、１２ａ…本体、１２ｂ…載置部、
１４…ドッキングコネクタ、１８…パーソナルコンピュータ、４０…発電部、
４１…燃料電池制御部、４２…ＤＭＦＣスタック、４３…燃料カートリッジ、
４４…燃料供給ポンプ、４５…混合タンク、４６…送液ポンプ、
４７…アノード（燃料極）、５０…送気ポンプ、５２…カソード（空気極）、
６２…希釈循環システム、６３…補機、７３、７４、７５…金属イオン除去フィルタ、
８０…ケース、８１…流入口、８２…流出口、８４…金属イオン除去構体、
８５…保持枠、８７…保持体、８８…金属イオン吸着物質、８５…スペーサ枠、
１４０…単セル、１４６…燃料流路、１４７…空気流路

Claims (7)

1. それぞれアノードおよびカソードを有した単セルを積層して形成されたセルスタックを有し、化学反応により発電する起電部と、
   前記セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、
   前記セルスタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   前記起電部から排出される排出流体を冷却する冷却部と、
   前記冷却部から前記燃料供給部を介して前記起電部に至る流路内に配置されたイオンフィルタと、を具備し、
   前記イオンフィルタは、軸方向一端部に流体が流入する流入口、および軸方向他端部に流体を排出する流出口を有する筒状のケースと、前記ケース内で前記流入口と流出口との間に互いに隙間を置いて前記ケースの軸方向に積層された複数層の金属イオン除去構体と、前記ケース内で前記金属イオン除去構体と交互に積層され、前記金属イオン除去構体間に密閉された液溜まり用の密閉された空間層を形成するスペーサ枠と、を備え、各金属イオン除去構体は、隙間を置いて対向しているとともにそれぞれ流体を透過する一対の保持体と前記保持体間に収納された複数の粒子状の金属イオン吸着物質とを有している燃料電池装置。
2. 前記イオンフィルタは、前記燃料供給部と前記起電部との間に配置されている請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記ケースの流入口および排出口は鉛直方向に並んで配設され、前記複数の金属イオン除去構体は鉛直方向に沿って積層されている請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記一対の保持体は、それぞれメッシュ状に形成されている請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記各金属イオン除去構体は保持枠を有し、前記一対の保持体はそれぞれ前記保持枠に固定された周縁部を有している請求項１に記載の燃料電池装置。
6. 前記複数のスペーサ枠は、前記金属イオン除去構体の保持枠と交互に積層され前記ケースの一部を構成している請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記各金属イオン除去構体の金属イオン吸着物質は、前記金属イオン除去構体の積層方向において、前記保持体間に層状に設けられている請求項１に記載の燃料電池装置。

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