JP5223169B2 - 燃料容器及び発電システム - Google Patents
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Description
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高効率で水を回収することができ、また小型化を図ることのできる燃料容器及び発電システムを提供することを目的としている。
筐体内に収容され、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部から燃料が供給されることにより発電する発電部から排出された排出物を冷却する冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、放熱板を有し、
前記放熱板と前記筐体との互いに対向する対向面のいずれか一方に溝部が形成され、
前記溝部と、前記筐体の外面のうちの前記溝部に対向する対向面との間に形成される流路内に前記排出物を流通させることを特徴とする。
前記筐体と前記燃料貯蔵部との間に形成される空間部分に、前記冷却部により冷却された排出物を回収する回収部が、前記筐体に設けられた孔を介して前記溝部に連通するように設けられていることを特徴とする。
前記筐体には、前記流路と前記回収部とを連通させる貫通穴が形成されていることを特徴とする。
前記回収部には、前記排出物中の気体と液体をそれぞれ分離する気液分離膜が設けられていることを特徴とする。
前記発電部から排出される排出物を冷却する冷却部が外部に露出するように装着されていて、
前記冷却部は、放熱板を有し、
前記放熱板と前記筐体との互いに対向する対向面のいずれか一方に溝部が形成され、
前記溝部と、前記筐体の外面のうちの前記溝部に対向する対向面との間に形成される流路内に前記排出物を流通させることを特徴とする。
図1は、燃料容器100の分解斜視図、図2(a)は放熱板21の下面図、(b)は切断線IIB-IIBに沿って切断した際の矢視断面図、(c)は筐体4の上面図、図3(a)は切断線IIIA−IIIAに沿って切断した際の矢視断面図、(b)は切断線IIIB−IIIBに沿って切断した際の矢視断面図、図4(a)は燃料容器100の上面図、(b)は切断線IVB-IVBに沿って切断した際の矢視断面図である。
燃料容器100は、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部1と、燃料貯蔵部1から燃料が供給されることにより発電する発電モジュール(発電部)200(図5参照)から排出された気体及び水を含む排出物を冷却する冷却部2と、冷却部2により冷却された排出物を回収する回収部3と、燃料貯蔵部1を収容する筐体4と、取り込まれた気体を燃料容器100に排出することができるとともに取り込まれた液体を回収部3に残す気液分離膜5と、を備えている。
燃料は、化学燃料例えばメタノール、エタノール等のアルコール類やジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリンといった化学組成に水素原子を含む化合物、又は化学燃料と水との混合物を使用することができる。本実施の形態では、メタノールが燃料として用いられる。
燃料貯蔵部1の長手方向一端面(図1中右端面)には、その端面から外側に突出するとともに筐体4の右端面を貫通して、発電モジュール200に燃料を排出する燃料排出口11が凸状に形成されている。
筐体4の右端面には、燃料貯蔵部1に設けられた燃料排出口11が貫通し、外部に突出している。
排出物供給口41には、排出物供給口41を通って筐体4の内から外に不要に排出物が排出するのを阻止する逆止弁(図示しない)が嵌め込まれている。具体的に、逆止弁は上記燃料排出口11に嵌め込まれた逆止弁と同様のものを使用することができる。逆止弁には排出物供給管42が連結され、排出物供給管42は筐体4の上面に貫通する貫通穴43を介して後述の流路23に連通している。
さらに、筐体4の下面左端部には、後述の電子機器400に着脱自在に装着するためのガイド部47が取り付けられている。ガイド部47は、筐体4の下面から下方に突出する側断面視T字型をなしている(図1参照)。
放熱板21は、筐体4の材料よりも熱伝導率が高く、左端部の一部が矩形状に切り欠かれた上面視コ字状をなしており、筐体4の長手方向(左右方向)及び幅方向(前後方向)においてそれぞれ若干小さく形成されている。矩形状の切欠部24には、上述の気液分離膜5が配置される。放熱板21には、熱伝導率の高い金属を使用することが好ましく、例えばアルミニウム(熱伝導率237W/m・K)、銅(熱伝導率398W/m・K)、マグネシウム(熱伝導率156W/m・K)、等のいずれかを含む単体金属又は合金を使用することができる。筐体4が例えば樹脂製で熱伝導率が低ければ放熱板21はSUS304(熱伝導率16W/m・K)、チタン(熱伝導率21.9W/m・K)であってもよい。このような放熱板21が筐体4の上面に接着剤等によって貼り付けられていてもよく、、熱融着によって放熱板21を筐体4の上面に固定しても良い。
放熱板21の下面には、図2(a)中、右上側に位置する一端部22aから左下側に位置する他端部22bまで蛇行した溝部22が形成されている。一端部22aは、排出物供給口41に連結された排出物供給管42に連通している。また、溝部22の他端部22bは、筐体4の左端部側の上面に形成された上記貫通穴46に連通している。
発電システム300は、上述の燃料容器100と、燃料容器100から供給された燃料によって発電する発電モジュール200とから構成され、発電モジュール200で発電するとともに発電モジュール200から排出された排出物を燃料容器の冷却部を介して回収部に回収する。
発電モジュール200は、水を貯蔵する水タンク201と、燃料容器100及び水タンク201から供給された燃料と水から水素を生成する反応装置210と、水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池220とを備えている。また、反応装置210で生成された水素を加湿して燃料電池220のアノードに供給する第一の加湿器221、燃料電池220のカソードに供給する空気を加湿する第二の加湿器222を備えている。燃料電池220の電解質膜は、第一の加湿器221及び第二の加湿器222によって加湿された空気及び改質ガスにより加湿されており、電解質膜内の水素イオンが移動しやすい状態となっている。第一の加湿器221及び第二の加湿器222への水の供給の開始時期は、燃料電池220が発電を開始する直前が好ましく、水供給期間は、燃料電池220が発電している間供給されていてもよく、また燃料電池220が発電する際に生じる水が電解質膜全体に浸透するのであれば、発電を開始する直前のみであってもよい。
また、水タンク201には、水タンク201内に貯蔵された水の残量検出を行う水残量センサS1が設けられている。水残量センサS1は、水タンク201に貯蔵された水の残量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御部230に出力する。
CH3OH+H2O→3H2+CO2・・・(1)
H2+CO2→H2O+CO・・・(2)
2CO+O2→2CO2・・・(3)
第二の加湿器222は、空気ポンプP4から供給された空気を水タンク201から供給された水によって加湿して、燃料電池220のカソードに供給する。また、第二の加湿器222に供給された水の一部は第一の加湿器221に送り込まれ、第二の加湿器222から排出された水は水タンク201に回収されるようになっている。
H2→2H++2e−・・・(4)
2H++1/2O2+2e−→H2O・・・(5)
燃料ポンプP3には、第一のバルブV1が接続され、第一のバルブV1には第一の流量計F1が接続されている。第一のバルブV1は、燃料ポンプP3と気化器211との間に設けられており、その開閉動作で燃料ポンプP3から気化器211への燃料の流通を遮断又は許容するようになっている。第一の流量計F1は第一のバルブV1と気化器211との間に設けられており、第一のバルブV1を通過した燃料の流量を測定するようになっている。
また、燃料ポンプP3と燃料容器100との間には、燃料容器100に貯蔵された燃料の残量検出を行う燃料残量センサS2が設けられている。燃料残量センサS2は、燃料貯蔵部1に貯蔵された燃料の残量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御部230に出力する。
なお、第一の流量計F1と気化器211との間で、燃料ポンプP3によって送られた燃料と第一の水ポンプP1によって送られた水とが混合された後、気化器211に送られるようになっている。第一のバルブV1から排出された燃料12と第二のバルブV2から排出された水は、反応装置210に到達する前に混合される。
また、水回収器202と燃料容器100の冷却部2との間には第三のバルブV3が接続されている。第三のバルブV3は、その開閉動作で水回収器202から燃料容器100の冷却部2へ、また、触媒燃焼器213から冷却部2へ、排出物(水、水蒸気を含む気体、オフガス等)の流通を遮断又は許容するようになっている。
さらに、水タンク201と燃料電池220のカソードとの間であって、水タンク201と第三のバルブV3との間には第四のバルブV4が接続されている。第四のバルブV4は、水タンク201側に切り替えて第二の加湿器222から水タンク201へ、燃料電池220のカソードから排出された不要な水の流通を遮断又は許容するようになっている。具体的には、第四のバルブV4は、水タンク201内の水が所定量以上(満タン)である場合に、水タンク201側への水の供給を遮断し、第三のバルブV3側に水の供給の許容するように切り替えて第二の加湿器222から第三のバルブV3を介して燃料容器100の冷却部2へ、第二の加湿器222から排出された水の流通を遮断又は許容するように制御され、一方、水タンク201内の水が所定量未満である場合に、第三のバルブV3側への水の供給を遮断し、水タンク201側に水の供給を行うように制御される。
さらに、DC/DCコンバータ240には2次電池241が接続されている。そして、例えば燃料電池220で得た余剰の電気エネルギーを蓄え、燃料電池220での電気エネルギーの生成が停止している場合に燃料電池220の代替として外部電子機器に電力を供給できるようになっている。制御部230や、各ドライバ、各センサ、反応装置210の電気ヒータは、起動時において、DC/DCコンバータ240を介して2次電池241の出力の一部によって電気的に駆動され、燃料電池220の出力が定常状態になったら、DC/DCコンバータ240を介して燃料電池220の出力の一部によって電気的に駆動される。
発電システム300が作動し、制御部230がドライバD1〜D4を介して燃料ポンプP3、第一の水ポンプP1、第二の水ポンプP2及び空気ポンプP4を作動させ、さらにドライバD21を介して電気ヒータを発熱させる。ここで、発電システム300の作動は、外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部230に作動信号が入力されることによって開始する。
燃料ポンプP3が作動すると、燃料容器100の燃料貯蔵部1内の燃料が燃料排出管11から第一のバルブV1、第一の流量計F1を介して反応装置210に向けて送られる。
第一の水ポンプP1が作動すると、水タンク201内の水が第二のバルブV2、第二の流量計F2を介して反応装置210に向けて送られ、燃料と水とが混合された後、気化器211に送られる。さらに、第二の水ポンプP2が作動すると、水タンク201内の水が燃料電池220のカソード側に設けられた第一及び第二の加湿器221,222に送られる。
空気ポンプP4が作動すると、外気の空気が第六のバルブV6を介して触媒燃焼器213に送られ、第五のバルブV5を介して一酸化炭素除去器214に送られる。また、空気ポンプP4の作動により、外気の空気が第二の加湿器222に送られる。ここで、制御部230は、各流量計F1、F2からフィードバックされた流量のデータに基づき、所定の流量となるように各バルブV1〜V4を制御する。
改質器212では、気化器211から供給された混合気中のメタノールと水蒸気が触媒により反応して二酸化炭素及び水素が生成される(上記化学反応式(1)参照))。また、改質器212では、化学反応式(1)についで逐次的に一酸化炭素が生成される(上記化学反応式(2)参照)。そして、改質器212で生成された一酸化炭素、二酸化炭素及び水素等からなる混合気がCO除去器214に供給される。
燃料電池220のアノードに供給された改質ガス中の水素が上記化学反応式(4)に示すように水素イオンと電子とに分離する。
燃料電池220のカソードに供給された空気は、空気中の酸素が上記化学反応式(5)に示すように水素イオンと電子と反応し、副生成物として水が生成される。
カソード側では、供給された空気が副生成物である水とともに排出され、水回収器202に送り込まれ、気液分離膜203によって気液分離されて、水は水タンク201に貯蔵され再利用される。水蒸気を含む気体は燃料容器100の冷却部2に送られる。そして、上記と同様にして冷却部2で冷却されて液体となった水は回収部3で回収され、液体とならなかった気体は気液分離膜5を介して放出される。
また、水残量検出センサS1が水タンク201内の水が所定量以上(満タン)となったことを検出した場合には、第四のバルブV4を水タンク201側から第三のバルブV3側に切り替え、余分な水等の液体が燃料容器100の回収部3へと送られる。
電子機器400は、CPU、RAM、ROM、その他の電子部品から構成された演算処理回路を内蔵した本体401と、本体401に対して着脱自在の発電モジュール200とを備える。発電モジュール200は、燃料を貯留した燃料容器100を収容自在であり、燃料容器100の燃料を用いて発電を行い、生成した電気エネルギーを本体401に供給することにより本体401を駆動する。なお、燃料容器100及び発電モジュール200の構成や動作は上述と同様であるためその説明を省略する。
このように収納空間404に収納された燃料容器100は、放熱板21が収納空間404の上面開口から露出し、外気に直接触れるため、放熱性が良く水回収率が高く、外部への水漏れが防止される。放熱板21からの放熱による温度は燃料電池220の動作温度より十分低く、冷却部2によって液化される水等の液体の量も燃料容器100の筐体4の容量の一部に過ぎないので、電子機器400のCPUの放熱による熱量より十分小さいため安全である。
以上のように、燃料容器100は、燃料貯蔵部1と冷却部2と回収部3とがセットになっているので、燃料容器100を発電モジュール200に装着することによって、燃料電池220で生成される液体のうち一部の水を水タンク201に残し、余剰の水や水蒸気を燃料容器100に送り込み、そのうち残った水蒸気を、表面が外部に露出された冷却部2で冷却して液体とするので発電モジュール200への燃料の供給及び発電モジュール200からの排出物の回収の両方を十分に行うことができる。そして、燃料容器100の交換の際に取り込まれた排出物も一緒に捨てることができ、発電モジュール200での余剰の水が外部への漏れることを確実に防止できる。また、燃料容器100の冷却部2を電子機器の最も外側に装着させて外部に露出するように設けることによって、従来と異なり冷却効果が高く、水回収率も高くなる。また、熱がこもって高温となるのを防ぐこともでき、ファン等の大型冷却手段を設ける必要がなく、小型化でき、コストを低減できる。
さらに、回収部3は筐体4と燃料貯蔵部1との間に形成される空間部分であるので、筐体4内のスペースを有効利用でき、別途回収部3を設けることなく、この点においても小型化を図ることができる。特に、燃料貯蔵部1は袋状であるので、燃料貯蔵部1内の燃料が減少した場合に、これに伴って回収部3の容積が増加し、回収効率に優れる。
冷却部2は、筐体4の上面に、溝部22が形成された放熱板21を貼り付け、溝部22と筐体4の上面とで形成される流路23内に排出物を流通させる構成であるので、単純な構造で容易かつ安価に製造でき、使い捨ての燃料容器100側に設けた場合に好適である。
また、筐体4に、流路23と回収部3とを連通させる貫通穴46が形成され、筐体4の回収部3に臨む面(上面及び左端面)にそれぞれ開口部44,45が形成されて、これら開口部44,45に跨って気液分離膜5が設けられているので、流路23を流通して冷却された排出物が貫通穴46を介して回収部3に回収される。そして、回収部3で回収された排出物中の気体は気液分離膜5を介して外部に放出され、水は気液分離膜5を通過できないので外部に漏れることがない。
例えば、上記実施の形態において、気液分離膜5を覆う開口部44,45は矩形状であるとしたが、これに限らず図7に示すように多数の孔44B,44B,…、45B,45B,…によって気液分離膜5Bを覆うようにしても良い。このような構造にすることで仮に切欠部24を有する冷却部2を用いても、外部から気液分離膜5Bに内部に向けて力が加わっても各孔44B間又は各孔45B間には、筐体4が介在し気液分離膜5Bを支えているので気液分離膜5Bがへこんだり、破損したりしにくくなる。また仮に気液分離膜5Bが剥がれてしまった場合でも、各孔44B、45Bの径が小さいため、回収部3B内の液体が漏洩しにくい。また、図示しないが上記二つの開口部44,45を互いに連通させて、筐体4の上面及び左端面に跨って切り欠いた一つの開口部としても良く、形状は適宜変更しても良い。その他、円形状や三角形状等であっても良い。
また、上記実施の形態において、放熱板21の左端部の一部に形成された切欠部24は矩形状であるとしたが、切欠部24の代わりに図7に示すように多数の孔23B,23B,…としても良く、形状は適宜変更可能である。この場合、開口部44が単孔であっても、孔23B間の放熱板21Bが気液分離膜5Bの一部を覆うので気液分離膜5Bがへこんだり、破損したり、剥がれることを抑制することができる。さらに、多数の孔44B、45Bを有する筐体4Bと冷却部2とを組み合わせることによってより、気液分離膜5Bを保護しやすくなる。このとき、筐体4Bの各孔44Bの位置は、放熱板21Bに設けられた孔23Bの位置に対応していることが好ましい。また孔23Bの孔の数が孔44Bの孔の数と少なくとも同数であればそれ以上であってもよい。なお放熱板21Bも気液分離膜5Bの各外面を覆うように折れ曲がった形状でもよく、孔44、45(又は孔44B、45B)を、気液分離膜5Bを介して覆うようにしてもよい。
また、筐体4は上記樹脂以外であっても、熱伝導性の高い材料、例えば金属や、表面をアルマイト処理したアルミニウム等から構成しても良い。この場合も、放熱効率が高くなるため水回収率が高くなり好ましい。
また上記実施の形態では、放熱板を燃料容器に設けたが、電子機器400に設けてもよい。このとき放熱板は、電子機器400に収容される燃料容器に接し且つ図6に示すように外に露出されていることが好ましい。
2 冷却部
3 回収部
4 筐体
5 気液分離膜
21 放熱板
22 溝部
23 流路
46 貫通穴
100 燃料容器
200 発電モジュール(発電部)
300 発電システム
Claims (5)
- 筐体内に収容され、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部から燃料が供給されることにより発電する発電部から排出された排出物を冷却する冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、放熱板を有し、
前記放熱板と前記筐体との互いに対向する対向面のいずれか一方に溝部が形成され、
前記溝部と、前記筐体の外面のうちの前記溝部に対向する対向面との間に形成される流路内に前記排出物を流通させることを特徴とする燃料容器。 - 前記筐体と前記燃料貯蔵部との間に形成される空間部分に、前記冷却部により冷却された排出物を回収する回収部が、前記筐体に設けられた孔を介して前記溝部に連通するように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料容器。
- 前記筐体には、前記流路と前記回収部とを連通させる貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料容器。
- 前記回収部には、前記排出物中の気体と液体をそれぞれ分離する気液分離膜が設けられていることを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料容器。
- 筐体内に収容された燃料容器であって燃料を貯蔵する前記燃料容器と、前記燃料容器が着脱自在に設けられて燃料容器から燃料が供給されることにより発電する発電部と、を備えた発電システムにおいて、
前記発電部から排出される排出物を冷却する冷却部が外部に露出するように装着されていて、
前記冷却部は、放熱板を有し、
前記放熱板と前記筐体との互いに対向する対向面のいずれか一方に溝部が形成され、
前記溝部と、前記筐体の外面のうちの前記溝部に対向する対向面との間に形成される流路内に前記排出物を流通させることを特徴とする発電システム。
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