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発明の名称 燃料電池装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−5050(P2007−5050A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−181487(P2005−181487)
出願日 平成17年6月22日(2005.6.22)
代理人 【識別番号】100058479
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦
発明者 長崎 央雅
要約 課題
本発明は、吸気口が排気口から放出される不純物を含む酸素濃度の低い気体を吸い込み難くなり、発電効率の低下を防止できる燃料電池装置を得ることにある。

解決手段
燃料電池装置(1)は、燃料極(14)および空気極(15)を有する燃料電池(8)と、燃料電池(8)の燃料極(14)に燃料を供給する燃料供給路(18)と、発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口(25)と、燃料電池(8)の空気極(15)から吐出される発電後の気体を大気中に排出する排出口(35)とを備えている。吸気口(25)と排気口(35)とは、互いに異なる方向を向くように開口している。
特許請求の範囲
【請求項1】
燃料極および空気極を有する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給路と、
発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口と、
上記燃料電池の空気極から吐出される発電後の気体を大気中に排出する排気口と、を具備し、
上記吸気口と上記排気口とは、互いに異なる方向に向けて開口することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項2】
請求項1の記載において、上記吸気口は、空気供給路を介して上記燃料電池の空気極に接続されるとともに、上記空気供給路は、上記吸気口から吸い込んだ空気を上記空気極に送り込む送気ポンプを有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項3】
請求項2の記載において、上記燃料電池および上記送気ポンプは、上記吸気口と上記排気口との間に位置することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項4】
請求項1又は請求項2の記載において、上記発電後の気体は、ファンを介して上記排気口から排出されることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項5】
燃料極および空気極を有する燃料電池と、
燃料供給源から供給される燃料と上記燃料電池から排出される排出物質とを混合することで希釈燃料を生成する混合タンクと、
上記混合タンクで生成された希釈燃料を上記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給路と、
大気中に開口する吸気口を有し、発電に供する空気を上記吸気口から吸い込むとともに、この吸い込んだ空気を送気ポンプを介して上記燃料電池の空気極に送り込む空気供給路と、
上記燃料電池の空気極から吐出される発電後の気体をファンを介して大気中に排出する排気口を有する排気通路と、を具備し、
上記吸気口と上記排気口とは、互いに異なる方向に向けて開口することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項6】
請求項5の記載において、上記排出物質は、上記燃料電池の燃料極から排出される未反応の希釈燃料であることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項7】
請求項5の記載において、上記排出物質は、上記燃料電池の空気極から排出される水蒸気であることを特徴とする燃料電池装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばメタノールおよび空気を燃料ポンプや送気ポンプを用いて燃料電池に供給するダイレクトメタノール型の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、例えばポータブルコンピュータのような電子機器用の電源として、高出力で充電を要しない小型の燃料電池装置が注目されている。この種の燃料電池装置のうち、例えばメタノール水溶液を循環させるダイレクトメタノール型の燃料電池装置(以下DMFC:Direct Methanol Fuel Cellと称する)は、水素を燃料とする燃料電池装置に比べて燃料の取り扱いが容易で、かつシステム全体が簡易であることから、電子機器用の電源として好ましいものとなる。
【0003】
従来のDMFCは、燃料極、空気極および電界質膜を有するDMFCスタックと、このDMFCスタックの燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給路と、DMFCスタックの空気極に空気を供給する空気供給路とを備えている。空気供給路は、発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口を有している。
【0004】
DMFCスタックの燃料極では、メタノールが水と反応して酸化され、二酸化炭素、水素イオンおよび電子が生成される。水素イオンは、電界質膜を透過して空気極に到達する。空気極では、空気中の酸素が水素イオンおよび電子と結合して還元され、水を生成する。この時、燃料極および空気極間に接続された外部回路に電子が流れて、発電動作が実行されるようになっている。
【0005】
ところで、上記DMFCによると、燃料極で生成された二酸化炭素および空気極から吐出される湿気を含む空気は、夫々排気通路に導かれるとともに、この排気通路を流れる過程で互いに混じり合って排気口から大気中に放出される。さらに、発電に供することなく電界質膜を透過したメタノールの一部および酸化反応により生じたアセトアルデヒドのような副生成物質も排気通路に流れ込み、排気口から大気中に放出される。
【0006】
従来のDMFCでは、吸気口および排気口は、DMFCスタックやその他の構成要素を収容するケースの上部に形成されている。このケースの上部は、天蓋で蓋をするように覆われている。このため、吸気口および排気口は、天蓋で覆われるとともに、ケースの上部と天蓋とで囲まれる共通の空間に開口している(例えば、特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平8−264199号公報(段落番号0011〜0013、図1、図2)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
DMFCの排気口から放出される気体は、二酸化炭素、メタノールおよび副生成物等のような新鮮な空気とは組成が異なる不純物を含んでいる。不純物は空気極での酸化反応を阻害するとともに、この不純物を含む気体は、発電に必要な酸素の濃度が低い。
【0008】
ところが、上記特許文献1の構成によると、排気口は、吸気口から離れてはいるものの、ケースの上部と天蓋とで囲まれる共通の空間に開口している。そのため、排気口から排出された気体が大気中に拡散せずに再び吸気口に吸い込まれてしまい、この気体がDMFCスタックの空気極に供給されるのを避けられない。
【0009】
この結果、DMFCスタックの発電性能が低下し、DMFCの出力を高めることができなくなるといった不具合がある。
【0010】
本発明の目的は、吸気口が排気口から排出される不純物を含む酸素濃度の低い気体を吸い込み難くなり、発電性能の低下を防止できる燃料電池装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係る燃料電池装置は、
燃料極および空気極を有する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給路と、発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口と、上記燃料電池の空気極から吐出される発電後の気体を大気中に排出する排気口とを備えており、
上記吸気口と上記排気口とは、互いに異なる方向に向けて開口することを特徴としている。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、不純物を含む気体は、吸気口とは異なる方向に排出され、吸気口が排気口から排出される気体を再び吸い込み難くなる。そのため、発電性能の低下を防止でき、高出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【0014】
図1は、例えばメタノールを燃料とするアクティブ型のDMFC1を開示している。このDMFC1は、例えばポータブルコンピュータ2の電源として使用可能な大きさを有している。
【0015】
DMFC1は、装置本体3と載置部4とを備えている。装置本体3は、ポータブルコンピュータ2の幅方向に沿う細長い箱状をなしている。載置部4は、ポータブルコンピュータ2の後端部を載置し得るように、装置本体3の前端から水平に突出している。載置部4の上面に電源コネクタ5が配置されている。電源コネクタ5は、載置部4の上にポータブルコンピュータ2を載せた時に、このポータブルコンピュータ2に電気的に接続されるようになっている。
【0016】
図3および図4に示すように、装置本体3は、燃料カートリッジ6、混合タンク7、DMFCスタック8、第1の凝縮器9および第2の凝縮器10を収容している。燃料カートリッジ6は、燃料供給源の一例であり、例えば燃料としての高濃度メタノールを収容している。燃料カートリッジ6は、装置本体3の長手方向に沿う一端部に取り外し可能に支持されて、交換が可能となっている。燃料カートリッジ6は、カバー3aによって覆われている。カバー3aは、燃料カートリッジ6の交換作業を容易に行えるように、装置本体3の一端部に取り外し可能に支持されている。
【0017】
燃料カートリッジ6は、第1の燃料供給管12を介して混合タンク7に接続されている。第1の燃料供給管12は、高濃度メタノールを混合タンク7に送り込む燃料ポンプ13を有している。混合タンク7は、高濃度メタノールを希釈して例えば濃度数%〜数十%のメタノール水溶液を生成するためのものであり、上記燃料カートリッジ6に隣接している。
【0018】
DMFCスタック8は、メタノールの化学反応を利用して発電を行う燃料電池の一例である。DMFCスタック8は、燃料極(アノード)14と、空気極(カソード)15と、これら両極14,15の間に介在された電界質膜16とを有している。DMFCスタック8は、装置本体3の長手方向に沿う中間部に位置している。
【0019】
DMFCスタック8の燃料極14は、第2の燃料供給管18を介して上記混合タンク7に接続されている。第2の燃料供給管18は、燃料供給路の一例であり、燃料極14の一端に接続されているとともに、混合タンク7内のメタノール水溶液を燃料極14に送り込む送液ポンプ19を有している。
【0020】
燃料極14の他端は、燃料戻し管20を介して混合タンク7に接続されている。燃料戻し管20は、燃料極14から排出される未反応のメタノール水溶液や燃料極14での酸化反応により生成された二酸化炭素を混合タンク7に戻すためのものである。未反応のメタノール水溶液および二酸化炭素は、燃料極14から排出される排出物質の一つであり、燃料極14から排出された直後では、DMFCスタック8の発電動作時の熱影響を受けてメタノール水溶液の水温が60℃以上となっている。
【0021】
上記第1の凝縮器9は、燃料戻し管20の途中に介在されている。第1の凝縮器9は、燃料極14から混合タンク7に戻るメタノール水溶液を冷却するためのものである。第1の凝縮器9は、メタノール水溶液が流れる管21と、この管21に熱的に接続された複数の放熱フィン22とを有している。
【0022】
DMFCスタック8の空気極15は、空気供給管24を介して吸気口25に接続されている。吸気口25は、発電に供する空気を大気中から吸い込むためのものであり、上記燃料カートリッジ6と隣り合うように装置本体3の一端部に位置している。この装置本体3は、吸気口25に対応する位置に複数の通気孔3bを有している。
【0023】
空気供給管24は、空気供給路の一例であり、空気極15の一端に接続されている。空気供給管24は、吸気口25から吸い込んだ空気を空気極15に送り込む送気ポンプ26を有している。送気ポンプ26は、燃料カートリッジ6とDMFCスタック8との間に位置している。
【0024】
上記第2の凝縮器10は、排気通路としての排気管27を介して空気極15の他端に接続されている。第2の凝縮器10は、空気極15から排出される水蒸気や水のような物質を冷却するためのものであり、排気管27の下流端に接続されている。第2の凝縮器10は、回収タンク28を有している。回収タンク28は、空気極15から排出される水および水蒸気から回収された水を貯溜するためのものであり、第2の凝縮器10で水分が分離された気体成分は、第2の凝縮器10から大気中に放出される。
【0025】
回収タンク28は、回収管29を介して燃料戻し管20に接続されている。回収管29は、回収タンク28に貯えられた水を燃料戻し管20を介して混合タンク7に送り込む回収ポンプ30を有している。
【0026】
さらに、排気管27は、空気極15と第2の凝縮器10との間で分岐された分岐管31を有している。分岐管31の上流端は混合タンク7に接続されている。分岐管31は、混合タンク7に戻された二酸化炭素を排気管27を経由して第2の凝縮器10に導くためのものである。第2の凝縮器10に導かれた二酸化炭素は、第2の凝縮器10から大気中に放出される。
【0027】
図4に示すように、第1の凝縮器9および第2の凝縮器10は、上記装置本体3の他端部に設置されており、上記燃料カートリッジ6に対しDMFCスタック8を間に挟んだ反対側に位置している。第1および第2の凝縮器9,10は、互いに間隔を存して向かい合っており、これら凝縮器9,10の間に第1のファン33および第2のファン34が配置されている。
【0028】
したがって、本実施の形態では、燃料カートリッジ6、混合タンク7、送気ポンプ26、DMFCスタック8、第1および第2の凝縮器9,10は、装置本体3の長手方向に沿って一列に並んでいる。
【0029】
第1のファン33は、第1の凝縮器9に重なり合っている。第1のファン33が動作すると、第1の凝縮器9を通り抜けて第1のファン33に向うような冷却風の流れが形成され、この冷却風により第1の凝縮器9が冷却される。第1の凝縮器9を冷却した冷却風は、第1のファン33の吐出口33aから吐き出される。
【0030】
第2のファン34は、第2の凝縮器10に重なり合っている。第2のファン34が動作すると、第2の凝縮器10を通り抜けて第2のファン34に向うような冷却風の流れが形成され、この冷却風により第2の凝縮器10が冷却される。第2の凝縮器10を冷却した冷却風は、第2のファン34の吐出口34aから吐き出される。さらに、第2の凝縮器10から排出される二酸化炭素のような不純物にしても、冷却風の流れに乗じて吐出口34aから吐き出される。
【0031】
図4に示すように、第1および第2のファン33,34の吐出口33a,34aは、装置本体3の他端を指向するように開口している。これら吐出口33a,34aの開口方向は、上記吸気口25の開口方向とは逆向きとなっている。
【0032】
装置本体3は、その他端に排気口35を有している。排気口35は、第1および第2のファン33,34の吐出口33a,34aと向かい合うとともに、上記吸気口25とは異なる方向に向けて開口している。吐出口33a,34aから吐き出される冷却風および二酸化炭素のような不純物は、排気口33を通じて装置本体3の外に排出される。
【0033】
図3に示すように、DMFC1は、制御部40を有している。制御部40は、例えば混合タンク7内で生成されるメタノール水溶液の濃度および液量を制御したり、ポータブルコンピュータ2との間で情報をやりとりして、ポータブルコンピュータ2に供給する電力を制御するためのものである。制御部40は、DMFC1の載置部4に収容されているとともに、電源コネクタ5およびDMFCスタック8に電気的に接続されている。
【0034】
メタノール水溶液の濃度は、燃料カートリッジ6から混合タンク7に供給される高濃度メタノールの量、DMFCスタック8の燃料極14から戻される未反応のメタノール水溶液の量およびDMFCスタック8の空気極15から戻される水の量を制御部40で制御することにより調節される。
【0035】
具体的には、混合タンク7は、タンク内のメタノール水溶液の量を検出する液量センサ41と、メタノール水溶液の温度を検出する温度センサ42と、メタノール水溶液の濃度を検出する濃度センサ43とを備えている。各センサ41,42,43によって検出されたメタノール水溶液に関する情報は、制御部40に送られる。制御部40は、各センサ41,42,43からの情報に基づいて、例えば燃料ポンプ13や回収ポンプ30を制御する。これにより、燃料カートリッジ6から混合タンク7に流入する高濃度メタノールの量および回収タンク28から混合タンク7に流入する水の量が調節され、メタノール水溶液の濃度が発電性能を良好に維持できる値に制御される。
【0036】
次に、DMFC1の発電動作について説明する。
【0037】
燃料カートリッジ6に貯えられた高濃度メタノールは、燃料ポンプ13によって混合タンク7に送り込まれる。この混合タンク7には、DMFCスタック8の空気極15から回収された水およびDMFCスタック8の燃料極14から排出される未反応の低濃度メタノールが戻される。そのため、高濃度メタノールは、混合タンク7内で水および低濃度メタノールと混じり合って希釈され、所定の濃度のメタノール水溶液が生成される。
【0038】
混合タンク7で生成されたメタノール水溶液は、送液ポンプ19によってDMFCスタック8の燃料極14に送り込まれる。燃料極14では、メタノールが水と反応して酸化され、水素イオン、二酸化炭素および電子を生成する。水素イオンは、DMFCスタック8の電界質膜16を透過して空気極15に達する。
【0039】
燃料極14で生成された二酸化炭素は、未反応のメタノール水溶液と一緒に第1の凝縮器9に導かれ、第1のファン33から送られる冷却風により冷やされた後に、燃料戻し管20を介して混合タンク7に戻される。混合タンク7に戻された二酸化炭素は、混合タンク7内で気化するとともに、分岐管31から排気管27に流入する。
【0040】
一方、発電に供する空気は、吸気口25から取り込まれるとともに、送気ポンプ26を介してDMFCスタック8の空気極15に送り込まれる。空気極15では、空気中の酸素が水素イオン、電子と結合して還元され、水蒸気が生成される。この時、燃料極14と空気極15との間に接続された外部回路に電子が流れて、発電動作が行われる。
【0041】
空気極15で生成された水蒸気は、排気管27に流れ込むとともに、この排気管27内で上記混合タンク7からの二酸化炭素と合流して第2の凝縮器10に導かれる。第2の凝縮器10では、第2のファン34から送られる冷却風により水蒸気が冷却されて水となる。この水は回収タンク28に一時的に貯溜される。水分が分離され、かつ二酸化炭素のような不純物を含む気体は、第2の凝縮器10から排出されるとともに、この第2の凝縮器10を通過した冷却風と共に第2のファン34の吐出口34aから排気口35に向けて吐き出される。
【0042】
回収タンク28に貯えられた水は、回収ポンプ30を介して混合タンク7に送り込まれ、高濃度メタノールを希釈するための水として再利用される。
【0043】
このようなDMFC1によれば、発電に供する空気を吸い込む吸気口25は、装置本体3の長手方向に沿う一端に位置するとともに、発電後にDMFCスタック8から吐き出される気体を排出する排気口35は、装置本体3の他端に位置している。言い換えると、吸気口25と排気口35との間に混合タンク7、送気ポンプ26、DMFCスタック8、第1および第2の凝縮器9,10が位置し、これら吸気口25と排気口35とが装置本体3の長手方向に互いに遠ざかっている。
【0044】
しかも、吸気口25と排気口35とは、装置本体35の長手方向に離間した位置で互いに逆方向を指向するように開口している。
【0045】
このことから、排気口35から発電に必要な酸素濃度が低く、かつ二酸化炭素やメタノールのような不純物を含む気体が排出されていても、この気体は吸気口25とは逆方向に排出されるので、吸気口25が排気口35から排出される気体を吸い込み難くなる。
【0046】
したがって、DMFCスタック8の発電性能の低下を防止することができ、高出力を得ることができる。
【0047】
なお、上記実施の形態では、吸気口と排気口とを互いに逆向きに開口させたが、本発明はこれに限定されない。例えば吸気口と排気口とを互いに直交するような向きで開口させるようにしてもよい。
【0048】
さらに、本発明に係る燃料電池装置は、ポータブルコンピュータ用に限らず、例えば携帯形情報端末のようなその他の電子機器用の電源としても実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置の斜視図。
【図2】本発明の実施の形態において、燃料電池装置にポータブルコンピュータを接続した状態を示す斜視図。
【図3】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置のブロック図。
【図4】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置の断面図。
【符号の説明】
【0050】
7…混合タンク、8…燃料電池(DMFCスタック)、14…燃料極、15…空気極、18…燃料供給路(第2の燃料供給管)、25…吸気口、34…ファン(第2のファン)、35…排気口。




 

 


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