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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2007−5051(P2007−5051A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−181488(P2005−181488)
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 平山 智彦
要約 課題
本発明は、部品点数を削減できる燃料電池装置を提供することを目的とする。

解決手段
本発明の燃料電池装置11は、燃料と流体とを混合して希釈燃料を生成する混合タンク23と、前記希釈燃料を用いて発電する燃料電池21と、前記燃料電池21と前記混合タンク23との間で前記希釈燃料を循環させる流路と、前記混合タンク23に設けられ、金属イオンを除去するフィルタ部材34と、を具備する。
特許請求の範囲
【請求項1】
燃料と流体とを混合して希釈燃料を生成する混合タンクと、
前記希釈燃料を用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池と前記混合タンクとの間で前記希釈燃料を循環させる流路と、
前記混合タンクに設けられ、金属イオンを除去するフィルタ部材と、
を具備したことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項2】
前記流路は、
前記混合タンクから前記燃料電池に前記希釈燃料を供給する希釈燃料流路と、
前記発電に用いられなかった前記希釈燃料を前記燃料電池から前記混合タンクに戻す回収流路とを具備し、
前記フィルタ部材は、前記混合タンクの内部を前記燃料電池から戻る前記希釈燃料が流入する第1の領域と、
前記フィルタ部材により前記金属イオンが除去された前記希釈燃料が流入する第2の領域と、に仕切ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項3】
前記混合タンクは、タンク本体と、前記タンク本体を塞ぐ蓋部材と、を具備し、
前記フィルタ部材は、前記蓋部材に着脱自在に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
【請求項4】
前記フィルタ部材は、前記混合タンク内の前記希釈燃料中に漬かっていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料と流体とを混合した希釈燃料で発電し、前記発電時に生成された副産物の一部を、新たな流体として再利用可能な燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池の方式には種々ものがあるが、ポータブルコンピュータに好適なものとして、ダイレクトメタノール型燃料電池装置(DMFC)が挙げられる。DMFCの一例が、特開2005−11691号公報(特許文献1)に記載されている。
【0003】
従来のDMFCは、燃料電池と、混合タンクと、燃料タンクと、不純物除去装置と、これらを接続する流路とを具備している。不純物除去装置は、混合タンクから燃料電池に燃料を供給する流路の途中に配置されている。不純物除去装置の詳細は不明であるが、筐体と、筐体内部に収容されるイオン交換体のようなフィルタ部材と、流路との接続具などを具備していると考えられる。
【0004】
混合タンクでは、燃料タンクから供給される燃料と流体とを混合して希釈燃料を生成する。燃料電池は、希釈燃料の供給を受けて発電し、発電時に発生した流体を混合タンクに排出する。不純物除去装置は、金属イオン等の不純物を除去し、清浄な希釈燃料を燃料電池に供給する。
【特許文献1】特開2005−11691号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来のDMFCでは、不純物除去装置が供給系の流路の途中に設けられるため、不純物除去装置と流路とを接続する接続具やフィルタ部材を収容する筐体が必要となる。このため、部品点数が増加する問題があった。
【0006】
本発明は、上記事情に鑑み、部品点数を削減できる燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一つの形態に係る燃料電池装置は、燃料と流体とを混合して希釈燃料を生成する混合タンクと、前記希釈燃料を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池と前記混合タンクとの間で前記希釈燃料を循環させる流路と、前記混合タンクに設けられ、金属イオンを除去するフィルタ部材と、を具備する。
【発明の効果】
【0008】
本発明の燃料電池装置によれば、フィルタ部材を収容する専用の筐体やフィルタ部材を流路に接続する格別な接続具等が不要となり、部品点数を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、図1ないし図5を参照して、本発明の燃料電池装置の第1の実施形態について、例えばポータブルコンピュータの電源に適用した場合を例に説明する。
【0010】
図1は、本発明の燃料電池装置11の外観を示す斜視図である。燃料電池装置11は、メタノールを液体燃料としたダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)であり、メタノールが循環する希釈循環システムを採用する。この希釈循環システムでは、高濃度メタノールを希釈して希釈燃料の一例である低濃度のメタノール水溶液を生成し、このメタノール水溶液を用いて発電を行う。
【0011】
燃料電池装置11は、装置本体12と、この装置本体12から延出した載置部13とを具備している。図2に示すように、載置部13は、電子機器、例えばポータブルコンピュータ14の後部を載置可能に形成されている。載置部13の上面に、ポータブルコンピュータ14と接続するための電源コネクタ15が配置されている。
【0012】
図3および図4に示すように、装置本体12は、燃料電池としてのDMFCスタック21と、燃料カートリッジ22と、混合タンク23と、第1の凝縮器24と、第2の凝縮器25と、これらを接続する液体流路26と、気体通路27とを備えている。DMFCスタック21は、燃料極31(アノード)と、空気極32(カソード)と、これら両極31、32の間に介在された電解質膜33と有している。
【0013】
燃料カートリッジ22は、高濃度メタノールを貯留している。燃料カートリッジ22は、図3に示すように装置本体12の一端に固定されており、図1に示すように、カバー12Aによって覆われている。このため、カバー12Aを外すことで、燃料カートリッジ22を交換することができる。
【0014】
前記混合タンク23は、燃料カートリッジ22から供給された高濃度メタノールと、DMFCスタック21の空気極32から供給される水とを混合して、濃度数%〜数十%のメタノール水溶液を生成する。混合タンク23にメタノール水溶液から金属イオンを除去するためのフィルタ部材34が設けられている。
【0015】
前記液体流路26は、燃料流路38と、希釈燃料流路39と、回収流路40と、排出流路41とで構成されている。燃料流路38は、上流端部38Aで燃料カートリッジ22に接続し、下流端部38Bで混合タンク23に接続している。燃料流路38を経由して、高濃度メタノールが燃料カートリッジ22から混合タンク23に供給される。希釈燃料流路39は、上流接続部39Aで混合タンク23に接続し、下流接続部39BでDMFCスタック21の燃料極31の供給端に接続している。混合タンク23で生成されたメタノール水溶液は、希釈燃料流路39を経由して、DMFCスタック21の燃料極31に供給される。
【0016】
前記回収流路40は、上流連通部40Aで燃料極31の排出側に接続し、下流連通部40Bで混合タンク23に接続している。燃料極31において発電に用いられなかったメタノール水溶液は、回収流路40を経由して混合タンク23に戻される。排出流路41は、上流側で第2の凝縮器25に接続し、下流側は回収流路40の下流連通部40Bと合流している。第2の凝縮器25の水回収タンク62に貯留された水は、排出流路41を経由して混合タンク23に戻される。希釈燃料流路39と、回収流路40とにより本発明に係る流路が構成されている。
【0017】
燃料流路38の途中に、高濃度メタノールを混合タンク23に圧送する燃料供給ポンプ45が配置されている。希釈燃料流路39の途中に、メタノール水溶液を燃料極31に送る送液ポンプ46が設けられている。排出流路41の途中には、混合タンク23に水を圧送する水回収ポンプ47が設けられている。
【0018】
前記気体通路27は、給気通路50と、排気通路51と、を有している。給気通路50は、DMFCスタック21の空気極32に接続されている。給気通路50の上流部に、空気極32に発電に供する空気を送るための送気ポンプ52が設けられている。
【0019】
排気通路51は、混合タンク23に接続されて、この混合タンク23内の気体を排出する第1の部分53と、DMFCスタック21の空気極32に接続されて、この空気極32から排出される水蒸気を排出する第2の部分54と、を有している。給気通路50と排気通路51の途中には、それぞれバルブ55、56が介在されている。
【0020】
前記第1の凝縮器24は、回収流路40の途中に設けられている。第1の凝縮器24は、燃料極31から混合タンク23に戻されるメタノール水溶液を冷却するものであり、複数の放熱フィン61を有している。第2の凝縮器25は、排気通路51のうち、第1の部分53と第2の部分54との合流部よりも下流に設けられている。第2の凝縮器25は、空気極32から排出される水蒸気のような流体を液化し、水回収タンク62に回収する。
【0021】
図5に示すように、混合タンク23は、メタノール水溶液の貯留槽であるタンク本体63と、タンク本体63を塞ぐ蓋部材64とを備えている。排気通路51の第1の部分53の上流端は、タンク内部に開口するように蓋部材64に固定されている。タンク本体63の内面に、フィルタ部材34を支持するための一対の支持突起65、65が設けられている。支持突起65の上面にフィルタ部材34が水平に掛け渡されている。蓋部材64は、フィルタ部材34を押さえるための一対の押圧部材66、66を有している。押圧部材66は、その先端にばね部材67を有している。ばね部材67は、フィルタ部材34を支持突起65に押し付けている。このため、フィルタ部材34は、支持突起65、65と押圧部材66、66との間で保持され、タンク本体63の内部に水平に置かれている。
【0022】
フィルタ部材34は、表面に複数の小孔を有するフラットなケース71と、ケース71の内部に充填された複数のイオン交換樹脂72と、で構成されている。ケース71は、合成樹脂製であり、所定の強度を有している。各イオン交換樹脂72は、粒状に形成されている。
【0023】
フィルタ部材34は、タンク本体63の内部を第1の領域73と第2の領域74とに仕切っている。第1の領域73は、フィルタ部材34の上方に位置している。燃料流路38の下流端部38Bおよび回収流路40の下流連通部40Bは、第1の領域73に開口するようにタンク本体63に接続されている。
【0024】
第2の領域は74は、フィルタ部材34の下方に位置している。希釈燃料流路39の上流接続部39Aは、第2の領域74に開口するようにタンク本体63に接続されている。
【0025】
このため、メタノール水溶液は、フィルタ部材34を経由しなければ、第2の領域74に行けないようになっている。
【0026】
さらに、フィルタ部材34は、タンク本体63の内部に貯留されるメタノール水溶液の液面下に位置し、常にメタノール水溶液に浸っている。
【0027】
図4に示すように、混合タンク23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78と、メタノール水溶液の温度を検出する温度センサ79と、メタノール水溶液の濃度を検出する濃度センサ80と、を備えている。各センサ78、79、80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81に送られる。制御部81は、各センサ78、79、80からの情報に基づいて、例えば燃料供給ポンプ45や、水回収ポンプ47を制御する。これにより、燃料カートリッジ22から混合タンク23に流入する高濃度メタノールの量および水回収タンク62から混合タンク23に流入する水の量が調整され、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。
【0028】
次に、燃料電池装置11の発電動作について説明する。
【0029】
燃料カートリッジ22内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ45によって混合タンク23内の第1の領域73に送られる。混合タンク23の第1の領域73には、DMFCスタック21の空気極32から排出された流体である水蒸気などから回収された水、およびDMFCスタック21の燃料極31から排出された流体である低濃度メタノールが供給される。そのため、高濃度メタノールが水および低濃度メタノールと混合し、混合タンク23内に所定の濃度のメタノール水溶液が生成される。
【0030】
生成されたメタノール水溶液は、第1の領域73からその下方の第2の領域74に移動する。その際、メタノール水溶液に含まれる金属イオンは、フィルタ部材34のイオン交換樹脂72によって吸着され、メタノール水溶液から除去される。そのため、第2の領域74のメタノール水溶液には、金属イオンが含まれないようになっている。
【0031】
金属イオンが除去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21の燃料極31に向けて圧送される。燃料極31では、メタノールが水と反応して酸化され、電子が発生する。この酸化反応により、水素イオンおよび二酸化炭素が生成物として生成される。生成された水素イオンは、DMFCスタック21内の電解質膜33を透過して空気極32に達する。
【0032】
燃料極31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24に導かれ、第1のファン85で冷却された後、回収流路40を介して混合タンク23に戻される。混合タンク23に戻された二酸化炭素は、混合タンク23内で気化するとともに、排気通路51を経由して外部に排出される。
【0033】
一方、発電に供する空気は、吸気口86から取り込まれ、送気ポンプ52で加圧されて、DMFCスタック21の空気極32に送られる。空気極32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、水蒸気が生成物として生成される。このとき、燃料極31および空気極32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。
【0034】
発電過程で生成された生成物のうち、空気極32で生成された水蒸気は、排気通路51の第2の部分54を介して、第2の凝縮器25に導かれる。第2の凝縮器25では、第2のファン87によって水蒸気が冷却されて水となる。この水は、水回収タンク62に一時的に貯留され、排出流路41を介して混合タンク23に戻され、新たな流体としてメタノール水溶液の生成に再利用される。
【0035】
以上が、燃料電池装置11の第1の実施形態である。第1の実施形態によれば、フィルタ部材34と流路とを接続する接続具や、フィルタ部材34を覆う筐体などが必要ない。このため、部品点数の削減と設置スペースの縮小とを図ることができる。
【0036】
混合タンク23においては、メタノール水溶液が静止状態にあるため、金属イオンがメタノール水溶液の流れに乗って燃料極31に流れてしまうことがなく、金属イオンを確実に除去することができる。混合タンク23の内部は、第1の領域73と第2の領域74とに仕切られているため、金属イオンが除去されたメタノール水溶液と、金属イオンが除去されていないメタノール水溶液とが混じってしまうのを防止することができる。
【0037】
燃料電池装置11の起動時には、フィルタ部材34によって予め金属イオンが除去されたメタノール水溶液がDMFCスタック21に供給される。このため、DMFCスタック21に金属イオンを含んだメタノール水溶液が流れてしまうことがなく、金属イオンに起因する発電効率の低下を防止できる。さらに、フィルタ部材34が装置中の比較的大きな構造物である混合タンク23に設けられているため、蓋部材64をはずした状態で、フィルタ部材34を簡単に交換できる。
【0038】
次に、図6を参照して、第2の実施形態の燃料電池装置11について説明する。第2の実施形態の燃料電池装置11は、混合タンク23とフィルタ部材94と液体流路26以外の構成については、第1の実施形態と同様であるため、共通の符号を付して説明を省略する。
【0039】
本発明の第2の実施形態では、混合タンク23の蓋部材64に、フィルタ部材94が着脱自在に固定されている。フィルタ部材94は、ケース95を有している。ケース95は、例えば合成樹脂により円筒形に形成されている。ケース95の上端部には、複数のナット91が埋め込まれている。ナット91にボルト92を挿通することで、フィルタ部材94が蓋部材64に固定されている。ケース95の表面には、複数の小孔が形成されている。ケース95の内部に、第1の実施形態と同様の、複数の粒状のイオン交換樹脂72が充填されている。
【0040】
燃料流路38の下流端部38Bと、回収流路40の下流連通部40Bと、排出流路41の下流側は、混合タンク23に至る直前で合流し、合流接続部93を構成している。合流接続部93は、蓋部材64に接続されており、各流路38、40、41から混合タンク23に供給される液体を、フィルタ部材94の上側からタンク内部に導くようになっている。このフィルタ部材94は、混合タンク23の内部を第1の領域73と、第2の領域74とに仕切るとともに、メタノール水溶液に浸っている。
【0041】
第2の実施形態によれば、フィルタ部材94が蓋部材64に着脱自在に固定されているため、簡単にフィルタ部材94を交換することができる。それとともに、必要に応じて蓋部材64と一緒にフィルタ部材94を交換することもできる。
【0042】
続いて、図5を参照して、本発明の燃料電池装置11の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、フィルタ部材101の配置に関する事項が第1の実施形態と異なっている。このため、フィルタ部材101の配置について説明し、他の部分は共通の符号を付して説明を省略する。
【0043】
第3の実施形態では、2点鎖線で示すフィルタ部材101が、混合タンク23の内部に斜めに傾いて設けられている。第3の実施形態においても、フィルタ部材101は、混合タンク23の内部を第1の領域73と、第2の領域74とに仕切るとともにメタノール水溶液に浸っている。
【0044】
第3の実施形態によれば、フィルタ部材101がメタノール水溶液に接する面積を広くすることができる。このため、金属イオンの吸着率を向上させることができる。なお、フィルタ部材101の傾きの程度は、上記の実施形態に限定されない。混合タンク23内を、第1の領域73と第2の領域74とに仕切ることができれば、フィルタ部材101をどのように配置してもよい。
【0045】
本発明に係る燃料電池装置は、上記実施形態に示したポータブルコンピュータ用に限らず、例えば携帯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】
【0046】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池装置の斜視図。
【図2】本発明の第1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】図1に示した燃料電池装置の装置本体の内部構造を示した平面図。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池装置のブロック図。
【図5】図1に示した燃料電池装置の混合タンクの断面図。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池装置の混合タンクの断面図。
【符号の説明】
【0047】
11…燃料電池装置、21…燃料電池(DMFCスタック)、23…混合タンク、34、94、101…フィルタ部材、39…希釈燃料流路、40…回収流路、41…排出流路




 

 


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