JP2006236743A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】濃度センサの動作を安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、化学反応により発電を行う起電部52と、燃料を収容した燃料タンクと、燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンク54と、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第1流路66aと、起電部からの生成物を冷却し、混合タンクに供給する冷却器70と、混合タンクより送出される燃料水溶液を第1流路上の分岐を経由して混合タンクへと還流させる第2流路66cと、を備えている。第2流路には、第2流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサ88が設けられている。第2流路には、気泡を流すための弁100が設けられる。
【選択図】 図4
【解決手段】燃料電池は、化学反応により発電を行う起電部52と、燃料を収容した燃料タンクと、燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンク54と、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第1流路66aと、起電部からの生成物を冷却し、混合タンクに供給する冷却器70と、混合タンクより送出される燃料水溶液を第1流路上の分岐を経由して混合タンクへと還流させる第2流路66cと、を備えている。第2流路には、第2流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサ88が設けられている。第2流路には、気泡を流すための弁100が設けられる。
【選択図】 図4
Description
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池に関する。
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。
この種の燃料電池として、希釈循環システムを採用した燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1)。システム内で循環するのは低濃度のメタノール水溶液である。発電によるメタノールの消費に対しては高濃度のメタノールを補充し、水の消費に対しては化学反応により生成される水を回収することで補充を行っている。このため、補充される高濃度のメタノールと水とを混合してメタノール水溶液を生成するための混合タンクが設けられている。起電部はアノードおよびカソードを備え、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。
発電を支障なく継続させるためには、起電部へ供給されるメタノール水溶液中のメタノール濃度が所定の範囲内に収まるように維持する必要がある。そのメタノール濃度の検出には濃度センサが使用される。濃度センサは、一般に、メタノール水溶液が混合タンクから起電部へと供給される燃料供給流路に設置される。濃度センサの種類としては、液体の中を通過するパルスの音速や屈折率を利用するものがよく採用される。
発電中においては、燃料供給流路の中のメタノール水溶液は、その温度は60度程度もしくはそれ以上となるため、気泡を含む場合がある。また、何らかの原因で燃料供給流路にごみが混入されることも考えられる。そのような場合、濃度センサが設置されている場所において気泡等が停滞することがある。この状態が続くと、正確な濃度検出が行えなくなり、発電に支障をきたすことになる。
気泡を取り除く手法としては、例えば特許文献1の技術が挙げられる。この文献には、メタノール濃度の計算結果があらかじめ設定した基準範囲の中に入っていなければ、濃度センサに泡が付着している可能性があるため、燃料供給流路に設けられるポンプの動作量を変更することが開示されている。
特開2004−95376号公報
上記特許文献1には、ポンプの動作量を制御することにより気泡を取り除くことが開示されているが、アノード極に供給される燃料の容量もポンプの動作量の制御に応じて増減される。すなわち燃料電池における発電量にも影響を及ぼし、発電量が安定しなくなる、という問題を有している。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、濃度センサの動作を安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池を提供することにある。
上記課題を達成するため、燃料電池は、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第1流路と、起電部からの生成物を冷却し、混合タンクに供給する冷却器と、混合タンクより送出される燃料水溶液を第1流路上の分岐を経由して混合タンクへと還流させる第2流路と、第2流路に設けられ、第2流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、濃度センサと第1流路との間で第2流路に設けられるとともに、第2流路内の燃料水溶液の流れを停止させる弁機構と、を備えている。
以上のように構成された本発明によれば、濃度センサの動作を安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池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について詳細に説明する。
図1および図2に示すように、燃料電池10は、メタノールを液体燃料としたDMFCとして構成され、電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ11の電源として使用可能に構成されている。
燃料電池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14と、本体から延出した載置部16とを有している。載置部16は、平坦な矩形状に形成され、パーソナルコンピュータ11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14内には、発電部を構成する燃料タンク、起電部、混合タンク等が配置されている。載置部16には、パーソナルコンピュータ11をロックするロック機構等が配置されている。
図1に示すように、載置部16の上面には、パーソナルコンピュータ11と接続するためのコネクタ32が設けられている。パーソナルコンピュータ11の例えば底面後部には、燃料電池10側のコネクタ32と接続するための図示しないコネクタが設けられ、コネクタ32と機械的、電気的に接続される。載置部16の3箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起41およびフック38が設けられている。これらの位置きめ突起41およびフック38は、パーソナルコンピュータ11の底面後部と係合し、載置部16に対してパーソナルコンピュータ11を位置決め、保持する。また、載置部16には、パーソナルコンピュータ11を燃料電池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40が設けられている。載置部16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。
図1に示すように、本体14の壁部には多数の通気孔20が形成されている。後述するように、発電部を構成する燃料タンク50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14の一側部は、燃料タンク50の脱着時に取り外し可能なカバー51として形成されている。
次に、発電部の構成について詳細に説明する。図3は発電部を示す斜視図であり、図4は、発電部の系統図を示したものであり、特にDMFCスタックにより構成された起電部52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。図3および図4に示すように、発電部は、本体14内の一側部に設けられた燃料タンク50、本体内の中央部に設けられ化学反応により発電を行う起電部52、起電部と燃料タンクとの間に設けられた混合タンク54、本体内の他側部に設けられたアノード冷却器70およびカソード冷却器75を備えている。燃料タンク50には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。この燃料タンク50は本体14に対して脱着自在なカートリッジとして形成されている。
燃料タンク50は燃料供給流路18を介して混合タンク54に接続され、この燃料供給流路には、燃料タンクから混合タンクへ燃料を供給する第1送液ポンプ56、電磁弁63が設けられている。図5に示すように、起電部52は複数のセルを積層して構成され、各セルは、アノード(燃料極)58aとカソード(空気極)58bとの間に電解質膜60を挟持して構成されている。起電部52の周囲には、多数の冷却フィンが設けられている。
図3および図4に示すように、本体14の内部には、エアバルブ62を介して起電部52のカソード58bに空気を供給する送気ポンプ64が設けられている。送気ポンプ64は空気供給部を構成している。起電部52と混合タンク54との間には燃料供給管66aおよび燃料回収管66bが接続され、起電部のアノード58aと混合タンク54との間で燃料を循環させる第1流路(アノード流路)を形成している。燃料供給管66aには、フィルタ24、混合タンク54から起電部52へ燃料を送出する第2送液ポンプ68、イオンフィルタ25、逆止弁27が接続されている。
図3、図4、図6および図7に示すように、燃料回収管66bの周囲にはそれぞれ鉛直方向に延びた多数の放熱フィン69が取り付けられ、アノード冷却器70を構成している。また、アノード冷却器70は第1冷却ファン82aを有している。この第1冷却ファン82aは、本体14を通気孔20を通して本体内に冷却空気を吸い込み、アノード冷却器70の周囲を通して冷却空気を流通させた後、本体内に排気する。
図3、図4および図7に示すように、起電部52には排出管72が接続され、カソード58bから発電により生じた生成物および空気を排出するカソード流路を形成している。カソード流路は、起電部52から延出した第1流路72aと、第1流路から複数に分岐しているとともにそれぞれ水平方向に対し傾斜して延びた複数の分岐流路bと、第1流路および各分岐流路の下端に連通し第1流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部(水回収タンク)72cと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンク54に導く第1回収流路72dと、分岐流路の上端に連通した第2流路72eと、を有している。本実施形態において、複数の分岐流路72bはそれぞれ鉛直方向に沿って延びている。また、第1回収流路72dは、アノード冷却器70と混合タンク54との間で燃料回収管66bに連通し、この燃料回収管66bを介して混合タンクに接続されている。
第1回収流路72dには、貯溜部72c内の水を混合タンク54に供給する水回収ポンプ76が設けられている。また、貯溜部72c内には、この貯溜部内に溜まった水の水位を検出する水位センサ77が設けられている。
図7に示すように、複数の分岐流路72bを形成している排出管72の周囲にはそれぞれ水平方向に延びた多数の放熱フィン74が取り付けられカソード冷却器75を構成している。複数の分岐流路72bを含むカソード冷却器75は、アノード冷却器70と隙間を置いて対向配置されている。図4に示すように、第2流路72eはほぼ水平に延びているとともに、本体14の通気孔22に向かって開口した排気口78を備えている。
第2流路72eにおいて、排気口78の近傍には排気フィルタ80および排気バルブ81が設けられている。排気フィルタ80は、例えば、金属触媒等により構成され、カソード流路を通して排気される空気中に含まれるメタノール等の有害物質を除去する。排気フィルタ80の鉛直方向の下方には、水回収部28が設けられ、第2流路72eに連通している。また、カソード流路は、水回収部28内に回収された水を第1回収流路72dに導く第2回収流路72fを有している。この第2回収流路72fは、水回収ポンプ76と混合タンク54との間で第1回収流路72dに接続されている。
水回収ポンプ76と混合タンク54との間で第1回収流路72dには、混合タンク54から水回収ポンプ76側への水の逆流を規制する逆止弁42が設けられている。この逆止弁42と水回収部28との間で第2回収流路72fには、水回収ポンプ76から水回収部28側への水の逆流を規制する逆止弁44が設けられている。
図7に示すように、本体14内において、アノード冷却器70とカソード冷却器75との間には、遠心ファンからなる第2冷却ファン82bが設けられ、カソード冷却器75と対向している。第2冷却ファン82bは、本体14の通気孔を通して冷却空気を吸引し、カソード冷却器75を通して本体内に供給する。
発電部は、混合タンク54内に収容された燃料の濃度を検出する濃度センサ88、この濃度センサに送られる燃料を冷却する燃料冷却部87を備えている。図3に示すように、本体14内に配設され発電部を構成している第1および第2送液ポンプ56、68、送気ポンプ64、水回収ポンプ76、エアバルブ62、排気バルブ81、冷却ファン82は制御部30に電気的に接続され、この制御部によって制御される。また、水位センサ77および濃度センサ88は制御部30に接続され、それぞれ検知信号を制御部に出力する。
次に、濃度センサ88および燃料冷却部87について詳細に説明する。図4および図6に示すように、混合タンク54と起電部52との間において、燃料供給管66aから分岐管が分岐し、この分岐を経由してメタノール水溶液を混合タンク54へと還流させる第2流路66cを形成している。第2流路66cは、メタノール水溶液中のメタノール濃度の検出を行うために設けられた専用の流路である。第2流路66cには、第2流路を流れるメタノール水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサ88が設けられている。濃度センサ88が濃度検出を行うのに必要なメタノール水溶液の量は、少量、すなわち、発電部内で使用されるメタノール水溶液全体と比較すれば無視できる程度でよい。そのため、第2流路66cの内径は燃料供給管66aの内径よりも小さく形成され、第2流路に流入するメタノール水溶液の量は少量となっている。これにより、起電部52への燃料供給に悪影響を及ぼすことはない。
燃料供給管66aの分岐部と濃度センサ88と間で第2流路66cには、濃度センサに送られるメタノール水溶液を冷却する燃料冷却部87が設けられている。この燃料冷却部87は、アノード冷却器70と一体に形成されている。このアノード冷却器70と濃度センサ88との間には弁機構100が設けられている。弁機構100は第2流路66c内の気泡を勢いよく押し流すためのものであり、第2流路66cにおいて濃度センサ88よりも上流に設けられている。弁機構100については後段にて詳述する。
図3、図6、図7に示すように、燃料冷却部87は、第2流路66cの一部を蛇腹状に折り返して形成されている。燃料冷却部87の直線部分は金属チューブにより形成され、湾曲部分は弾性を有するシリコンチューブによって形成されている。また、燃料冷却部87は、アノード冷却器70に隣接対向して設けられている。燃料冷却部87は、第1冷却ファン82aにより形成される冷却空気流の流路内に配設され、更に、冷却空気の流れに対してアノード冷却器70の上流側に設けられている。すなわち、アノード冷却器70と一体とは、アノード冷却器への送風冷却流路内に組み込まれた構造を示しており、アノード冷却器70の冷却能力を利用して燃料冷却部87を冷却することができる。そして、第2流路66cを流れるメタノール水溶液を燃料冷却部87によって冷却し、例えば、40℃以下に冷却されたメタノール水溶液を濃度センサ88に送ることができる。これにより、濃度センサ88が熱による悪影響を受けないようにすることができる。また、第2流路66c内の燃料に含まれる気泡は後述する弁機構100により勢い良く混合タンク54まで押し流されるため、濃度センサ88の気泡による影響を取り除くことが出来る。また、混合タンク54に押し流された気泡は混合タンク54に設けられている気液分離膜により燃料と燃料内の気泡とが分離される構造となっている。
図3、図6、図7に示すように、燃料冷却部87は、第2流路66cの一部を蛇腹状に折り返して形成されている。燃料冷却部87の直線部分は金属チューブにより形成され、湾曲部分は弾性を有するシリコンチューブによって形成されている。また、燃料冷却部87は、アノード冷却器70に隣接対向して設けられている。燃料冷却部87は、第1冷却ファン82aにより形成される冷却空気流の流路内に配設され、更に、冷却空気の流れに対してアノード冷却器70の上流側に設けられている。すなわち、アノード冷却器70と一体とは、アノード冷却器への送風冷却流路内に組み込まれた構造を示しており、アノード冷却器70の冷却能力を利用して燃料冷却部87を冷却することができる。そして、第2流路66cを流れるメタノール水溶液を燃料冷却部87によって冷却し、例えば、40℃以下に冷却されたメタノール水溶液を濃度センサ88に送ることができる。これにより、濃度センサ88が熱による悪影響を受けないようにすることができる。また、第2流路66c内の燃料に含まれる気泡は後述する弁機構100により勢い良く混合タンク54まで押し流されるため、濃度センサ88の気泡による影響を取り除くことが出来る。また、混合タンク54に押し流された気泡は混合タンク54に設けられている気液分離膜により燃料と燃料内の気泡とが分離される構造となっている。
図8に示すように、濃度センサ88は、第2流路66cのうち、メタノール水溶液が重力に逆らう方向、すなわちメタノール水溶液が下から上へ流れる方向(例えば鉛直方向)に流れている流路部分に取り付けられている。こうした流路部分においては、メタノール水溶液よりも比重が小さい気泡等は、上方へ抜けやすく、流路の途中で停滞する確率は低い。また、気泡等が停滞した場合であっても、後述する制御によってメタノール水溶液の流れを変化させることにより、停滞していた気泡等が上方へ抜けやすい。
また、濃度センサ88は、例えば、音速センサと呼ばれるものが適用される。なお、音速センサに限らず、最終的にメタノール濃度を計測できるものであれば、他の種類のセンサを適用してもよい。音速センサを適用する場合、濃度センサ88は、例えば、送信端88a、受信端88b、センサIC88c、および温度センサ(サーミスタ)88dを有している。送信端88aおよび受信端88bは、第2流路66cを間に挟んで対向配置されている。
送信端88aは、受信端88bに向けて所定のパルスを定期的に発信する。受信端88bは、送信端88aから発信されるパルスを受信するものである。センサIC88cは、送信端88aからパルスが発信されるタイミングと受信端88bでパルスが受信されるタイミングとの差に基づき、パルスが第2流路66cにおけるメタノール水溶液中を通過したときの音速を検出するものである。メタノール濃度が高いときは音速が低くなり、メタノール濃度が低いときには音速が高くなる傾向がある。センサIC88cにおける検出結果は、制御部30に通知される。
また、温度センサ88dは、第2流路66cを流れるメタノール水溶液の温度を検出する。メタノール水溶液中のメタノールの濃度は、メタノール水溶液の温度に応じて変化することが知られている。このため、温度センサ88dにより検出される温度も、メタノール濃度の計測に使用される。温度センサ88dにおける計測結果は、制御部30に通知される。
制御部30は、センサIC88cにより測定された音速値を電圧/電流値等に変換して検出し、さらに温度センサ88dにより測定された温度とからメタノール水溶液の濃度を計算する。図9に示すように、メタノール水溶液の燃料濃度と音速との関係は、溶液温度が高いほど、濃度に対する音速の変化量が小さくなる。制御部30は、上記メタノール濃度と音速との相関関係に基づき、計測された音速からメタノール濃度を求める。さらに、このメタノール濃度の値を、温度センサ88dにより計測された温度に応じて補正する。なお、こうした最終的なメタノール濃度の算出を、センサIC88cの内部で行うように構成してもよい。上記関係から、濃度センサ88で測定するメタノール水溶液の温度は、十分な分解能が得られる温度、例えば、40℃以下であることが望ましい。上述したように、本実施形態によれば、濃度センサ88に送られるメタノール水溶液は、燃料冷却部87により40℃以下に冷却される。そのため、濃度センサ88により高い分解能でメタノール濃度を検出することができる。そして、制御部30は、検出したメタノール濃度が所定の範囲外にある場合、燃料タンク50から混合タンク54への燃料の供給、あるいは、混合タンクへの水の供給を制御し、混合タンク内のメタノール水溶液の温度を所定の値に維持する。なお、通常、燃料電池に使用されるメタノール濃度は、10Wt%であるため、十分な分解能が得られる温度を40℃以下に設定することにより、充分な管理が可能となる。
上記構成の燃料電池10をパーソナルコンピュータ11の電源として用いる場合、まず、パーソナルコンピュータの後端部を燃料電池の載置部16に載置し、所定位置にロックするとともにコネクタ32を介して電気的に接続する。この状態で燃料電池10の発電を開始する。この場合、第1送液ポンプ56により燃料タンク50から混合タンク54に高濃度のメタノールが供給され、起電部52から還流する溶媒としての水と混合され所定の濃度に希釈される。混合タンク54内で希釈されたメタノールは、第2送液ポンプ68により、アノード流路を通して起電部52のアノード58aに供給される。一方、起電部52のカソード58bには送気ポンプ64により空気が供給される。図6で示したように、供給されたメタノールおよび空気は、アノード58aとカソード58bとの間に設けられた電解質膜60で化学反応し、これにより、アノード58aとカソード58bとの間に電力が発生する。起電部52で発生した電力は、制御部30、コネクタ32を介してパーソナルコンピュータ11へ供給される。
発電反応に伴い、起電部52には反応生成物として、アノード58a側に二酸化炭素、カソード58b側に水が生成される。アノード58a側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノールはアノード流路へ送られ、アノード冷却器70を通して冷却された後、混合タンク54に還流する。二酸化炭素は混合タンク54内で気化し、カソード冷却器75、排気バルブ81を介して、最終的には排気口78から外部へ排気される。
カソード58b側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路に排出される。排出された水および水蒸気は、第1流路72aを通り、水は貯溜部72cに送られる。また、水蒸気および空気は、分岐流路72bを通り第2流路72eまで上方に向かって流れる。この際、各分岐流路72bを流れる水蒸気はカソード冷却器75によって冷却されて凝縮する。凝縮により生じた水は、重力により分岐流路72b内を下方に流れ、貯溜部72cに回収される。貯溜部72c内に回収された水は、水回収ポンプ76により混合タンク54へ送られ、メタノールと混合された後、再び起電部52へ供給される。
第2流路72eに送られた空気および水蒸気の一部は、水回収部28に送られる。この際、水蒸気は第2流路72e内で結露し、これにより生じた水は水回収部28に回収される。また、空気および空気中に飛沫したメタノールは排気フィルタ80に送られ、ここで、メタノールが排気フィルタによって除去される。空気は排気バルブ81を通り、排気口78から本体14内に排気され、更に、本体の通気孔22を通して外部に排気される。なお、起電部52のアノード側から排出された二酸化炭素は、第2流路72eを通り、排気口78から本体14内に排気され、更に、本体の通気孔22を通して外部に排気される。
燃料電池10の動作中、第1冷却ファン82aおよび第2冷却ファン82bが駆動され、本体14に形成された通気孔を通して外気が本体14内に導入される。通気孔20を通して本体14内に導入された外気および本体14内の空気は、燃料冷却部87およびアノード冷却器70の周囲を通りこれを冷却した後、第1冷却ファン82aに吸気される。第2冷却ファン82bにより本体14内に導入された外気および本体14内の空気は、カソード冷却器75の周囲を通ってこれを冷却した後、第2冷却ファン82bに吸気される。
第1および第2冷却ファン82a、82bに吸気された空気は、冷却ファンの図示しない排気口ら本体14内に排気され、本体14内を通った後、本体の通気孔から外部に排気される。その際、第1および第2冷却ファン82a、82bから排気された空気は、カソード流路の排気口78からの排気された空気、二酸化炭素と混ざり合い、一緒に通気孔から本体外部に排気される。また、第1および第2冷却ファン82a、82bから排気された空気は、起電部52およびその周囲を冷却した後、本体14の外部に排気される。
混合タンク54内におけるメタノールの濃度は濃度センサ88によって検出される。制御部30は、検出された濃度に応じて水回収ポンプ76を作動させ、貯溜部72c内の水を混合タンク54に供給することにより、メタノールの濃度を一定に維持する。また、カソード流路内における水の回収量、つまり、水蒸気の凝縮量は、貯溜部72cに回収された水の水位に応じて、カソード冷却器75の冷却能力を制御することにより調整される。ここでは、水位センサ77により検出された水位に応じて第2冷却ファン82bの駆動電圧を制御することにより、カソード冷却器75の冷却能力を調整し、水の回収量を制御する。
水の回収時、水回収ポンプ76は制御部30により正転駆動される。これにより、逆止弁42が開き、逆止弁44が閉じられる。そして、貯溜部72c内の水は、第1回収流路72dおよび逆止弁42を通って混合タンク54へ送られる。
また、制御部30は、例えば、一定の動作期間ごとに水回収ポンプ76を所定時間、逆転駆動し、水回収部28内に溜まった水を貯溜部72cに回収する。すなわち、水回収ポンプ76を逆転駆動されると、逆止弁44が開き、逆止弁42が閉じられる。そして、水回収部28内に溜まった水および第2流路72e内で結露した水は、第2回収流路72f、逆止弁44、および第1回収流路72dを通って貯溜部72cに回収される。その後、回収された水は、混合タンク54へ供給され、メタノールの希釈に用いられる。
これにより、混合タンク54のメタノール水溶液は効率良く混合され、均一な濃度に維持される。
これにより、混合タンク54のメタノール水溶液は効率良く混合され、均一な濃度に維持される。
次に弁機構100における第2流路内66cの気泡の押し出しについて詳述する。
図10は、弁と第2流路との関係を示した図である。図11は、図10の図の断面図である。図12(a)弁が開状態における第2流路を側面より見た状態の図である。図12(b)弁が開状態における第2流路を正面より見た状態の図である。図13(a)弁が閉状態における第2流路を側面より見た状態の図である。図13(b)弁が閉状態における第2流路を正面より見た状態の図である
図10,11に示すように第2流路66c内部には、弁101が内蔵されている。弁101は円盤上に形成され、第2流路66cの内径より若干小さく形成されている。弁101は軸102を中心に第2流路66c内を流れる燃料の流れる方向に回転可能であり、図12,13に示すように、第2流路66c内における燃料の還流を許容する開状態と第2流路内66c内における燃料の還流を停止する閉状態との間で回転可能である。図10,11に示すように弁101の軸102の端部は軸受け103を介して第2流路66cより突出しており、弁リリース部104に挿入される。弁制御モータ105の軸105aも同様に弁リリース部104に挿入される。ここで弁101の軸102とモータ105の軸105aとは別体でクラッチ等により接続されていても良いし、一体にされていても良い。
弁制御モータ105により回転軸105aが回転されると、それに応じて回転軸102aが回転される。回転軸102の回転により弁101も開状態から閉状態へ90度回転される。
図14(a)弁が開状態におけるリリース機構を示す図である。図14(b)弁が平状態におけるリリース機構を示す図である。図14(a)に示すように、弁リリース機構104は基台107を有している。基台107は回転軸102の一端102aを受ける軸受け107aを有している。回転軸102aには一体に操作片106を有しており、回転軸102の回転に応じて操作片106も回転することになる。操作片106と基台107との間にはバネ108が設けられており、バネ108の一端108aは基台に固定される、他端108bの先端108cは操作片106の端部106aに固定されている。弁制御モータ105により回転軸102が回転されると図14(a)の状態から図14(b)の状態に回転される。このとき操作片106はバネ108の他端108bを押すことにより、羽08は操作片106を図14(a)の状態(弁101が開状態)方向に付勢している。
弁制御モータ105はオンされると弁101を閉状態(図13、図14(b))に回転させる。次に弁制御モータ105をオフすると、回転軸105a、回転軸102がフリーになり、リリース機構104のバネ108の付勢力により操作片106を図14(a)の状態すなわち弁101を開状態(図12)に復帰させる。
ここで第2流路66c内に流れている気泡を混合タンク54に押し流す方法について説明する。まず弁制御モータ105をオンさせ、弁101を開状態から閉状態へ90度回転させる。この状態において第2流路66c内の燃料は弁101により上流側(アノード冷却器87側)の燃料が堰き止められることになる。したがって、第2流路66c内において弁101を境に上流側と下流側(濃度センサ88側)において圧力差が生じる。すなわち弁101により燃料が堰き止められることにより、上流側の第2流路66c内部の圧力が下流側に比べ高くなる。弁101を閉状態に所定時間維持し、所定時間経過後、弁制御モータ105をオフし、弁101を閉状態から開状態へ90度逆回転させると、圧力の高まった上流側の燃料が下流側へ勢い良く押し流される。この勢いにより第2流路66c内部に存在する気泡を一気に混合タンク54へ押し流すことになる。下がtt絵濃度センサ88において気泡がたまることを防止することが出来る。
図14(a)弁が開状態におけるリリース機構を示す図である。図14(b)弁が平状態におけるリリース機構を示す図である。図14(a)に示すように、弁リリース機構104は基台107を有している。基台107は回転軸102の一端102aを受ける軸受け107aを有している。回転軸102aには一体に操作片106を有しており、回転軸102の回転に応じて操作片106も回転することになる。操作片106と基台107との間にはバネ108が設けられており、バネ108の一端108aは基台に固定される、他端108bの先端108cは操作片106の端部106aに固定されている。弁制御モータ105により回転軸102が回転されると図14(a)の状態から図14(b)の状態に回転される。このとき操作片106はバネ108の他端108bを押すことにより、羽08は操作片106を図14(a)の状態(弁101が開状態)方向に付勢している。
弁制御モータ105はオンされると弁101を閉状態(図13、図14(b))に回転させる。次に弁制御モータ105をオフすると、回転軸105a、回転軸102がフリーになり、リリース機構104のバネ108の付勢力により操作片106を図14(a)の状態すなわち弁101を開状態(図12)に復帰させる。
ここで第2流路66c内に流れている気泡を混合タンク54に押し流す方法について説明する。まず弁制御モータ105をオンさせ、弁101を開状態から閉状態へ90度回転させる。この状態において第2流路66c内の燃料は弁101により上流側(アノード冷却器87側)の燃料が堰き止められることになる。したがって、第2流路66c内において弁101を境に上流側と下流側(濃度センサ88側)において圧力差が生じる。すなわち弁101により燃料が堰き止められることにより、上流側の第2流路66c内部の圧力が下流側に比べ高くなる。弁101を閉状態に所定時間維持し、所定時間経過後、弁制御モータ105をオフし、弁101を閉状態から開状態へ90度逆回転させると、圧力の高まった上流側の燃料が下流側へ勢い良く押し流される。この勢いにより第2流路66c内部に存在する気泡を一気に混合タンク54へ押し流すことになる。下がtt絵濃度センサ88において気泡がたまることを防止することが出来る。
以上のように構成された燃料電池10によれば、弁機構100を第2流路66cに設けることにより、第2流路66c内を流れる気泡を濃度センサ88に留めることなく混合タンク54に押し流すことが出来るため制度良く安定的に濃度センサ88における濃度検知を行うことが出来る。
さらに混合タンク54と起電部54との間でメタノール水溶液を還流させる第1流路から分岐した第2流路を形成し、この第2流路に濃度センサ88、および濃度センサ88に供給するメタノール水溶液を冷却する燃料冷却部87を設けている。そのため、発電部内を循環するメタノール水溶液の温度が50℃を超える場合でも、濃度センサ88に供給するメタノール水溶液の温度を、濃度センサ88の高い分解能が得られる温度、例えば、40℃以下に冷却することができる。そのため、濃度センサ88により燃料濃度を高い分解能で検出することができ、メタノール水溶液の燃料濃度を所望の値に維持することが可能となる。その結果、安定した発電が可能な燃料電池が得られる。
さらに混合タンク54と起電部54との間でメタノール水溶液を還流させる第1流路から分岐した第2流路を形成し、この第2流路に濃度センサ88、および濃度センサ88に供給するメタノール水溶液を冷却する燃料冷却部87を設けている。そのため、発電部内を循環するメタノール水溶液の温度が50℃を超える場合でも、濃度センサ88に供給するメタノール水溶液の温度を、濃度センサ88の高い分解能が得られる温度、例えば、40℃以下に冷却することができる。そのため、濃度センサ88により燃料濃度を高い分解能で検出することができ、メタノール水溶液の燃料濃度を所望の値に維持することが可能となる。その結果、安定した発電が可能な燃料電池が得られる。
なお、この発明は上記実施の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、上記実施の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よれば、燃料冷却部87は、アノード冷却器70と一体的に形成したが、これに限らず、カソード冷却器75と一体化する構成としてもよい。発電部は、燃料タンク50、混合タンク54、起電部52、アノード冷却器70およびカソード冷却器75を順番に並べて配置した構成としたが、これらの配置は必要に応じて種々変更可能である。この発明に係る燃料電池は、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、携帯端末等の他の電子機器の電源としても使用可能である。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。
10…燃料電池、 11…パーソナルコンピュータ、 14…本体、
18…燃料供給流路、 16…載置部、 50…燃料タンク、 52…起電部、
54…混合タンク、 66a…燃料供給管、 66b…燃料回収管、
66c…第2流路、 70…アノード冷却器、 72…排出管、
75…カソード冷却器、 82a…第1冷却ファン、 82b…第2冷却ファン、
87…燃料冷却部、 88…濃度センサ、 100…弁機構、101…弁、102…軸、104…弁リリース部、105…弁制御モータ
18…燃料供給流路、 16…載置部、 50…燃料タンク、 52…起電部、
54…混合タンク、 66a…燃料供給管、 66b…燃料回収管、
66c…第2流路、 70…アノード冷却器、 72…排出管、
75…カソード冷却器、 82a…第1冷却ファン、 82b…第2冷却ファン、
87…燃料冷却部、 88…濃度センサ、 100…弁機構、101…弁、102…軸、104…弁リリース部、105…弁制御モータ
Claims (5)
- 化学反応により発電を行う起電部と、
燃料を収容した燃料タンクと、
前記燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と前記起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、前記起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、
前記起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第1流路と、
前記起電部からの生成物を冷却し、前記混合タンクに供給する冷却器と、
前記混合タンクより送出される燃料水溶液を前記第1流路上の分岐を経由して前記混合タンクへと還流させる第2流路と、
前記第2流路に設けられ、前記第2流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、
前記濃度センサと前記第1流路との間で前記第2流路に設けられるとともに、前記第2流路内の燃料水溶液の流れを停止させる弁機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。 - 前記弁機構は、前記第2流路内部で燃料水溶液を堰き止める閉状態、燃料水溶液の流れを許容する開状態との間で回転可能な弁を有していることを特徴とすう請求項1記載の燃料電池。
- 前記弁はモータにより駆動されることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。
- 前記前記モータはオンされると弁を閉状態にし、オフされると弁を閉状態から開状態へ駆動することを特徴とする請求項3記載の燃料電池。
- 前記第2流路は、燃料水溶液が重力に逆らう方向に流れる流路部分を有し、前記濃度センサは前記流路部分を挟んで設けられている請求項1に記載の燃料電池。
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