JP2008084593A

JP2008084593A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2008084593A
Application number: JP2006260814A
Authority: JP
Inventors: Taiji Kuno; 泰司久野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of stabilizing the detection accuracy of a density sensor by efficiently cooling methanol solution discharged from a stack. <P>SOLUTION: With the use of recycled water collected from a water recycling tank 56 to a mixing tank 25, a methanol solution exhausted from an anode 27 is cooled. A piping 92 through which the methanol solution exhausted from the anode 27 flow and a piping 95 through which water exhausted from the water recycling tank 56 flow are arrayed in parallel. When the piping 92 for the methanol solution and the piping 95 for water recycling are placed near each other, the heat moves from a side of the methanol solution of high temperature to a side of the recycled water of low temperature due to difference in the temperature. As heat moves from the piping 92 through which the methanol solution migrates, the methanol solution can be cooled. By having the methanol solution flowing through the piping 92 cooled, adverse effects on the accuracy of the density sensor 62 can be made small. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に冷却方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a cooling method.

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、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。ＤＭＦＣは発電の際に排出される未使用燃料を再度発電のために使用することができるため、小型で長時間運転が求められる電子機器の電源として適している。 At present, secondary batteries such as lithium ion batteries are mainly used as power sources for portable electronic devices such as notebook personal computers and mobile devices. In recent years, a small fuel cell with high output and no need for charging has been expected as a new power source due to an increase in power consumption accompanying the enhancement of functions of these electronic devices and a request for longer use. There are various types of fuel cells. In particular, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using a methanol solution as a fuel is easier to handle than a fuel cell using hydrogen as a fuel. And the system is simple. Since DMFC can reuse unused fuel discharged during power generation for power generation again, it is suitable as a power source for electronic devices that are compact and require long-time operation.

ＤＭＦＣは、燃料となるメタノール溶液の温度や濃度等に応じた最適な発電条件を有する。最適な発電条件を保つためには、メタノール溶液の濃度を所定の範囲に維持する必要がある。メタノール溶液の濃度を測定するために、スタックから排出されるメタノール溶液の流れる流路上等に濃度センサが設けられる。 The DMFC has optimum power generation conditions according to the temperature, concentration, etc. of the methanol solution used as fuel. In order to maintain optimal power generation conditions, it is necessary to maintain the concentration of the methanol solution within a predetermined range. In order to measure the concentration of the methanol solution, a concentration sensor is provided on the flow path of the methanol solution discharged from the stack.

濃度センサには例えば音速センサが使用される。音速センサは、メタノール溶液中を伝播する超音波の伝播時間を測定する。この超音波の伝播時間はメタノール濃度により異なることを利用して濃度を測定することができる。音速により濃度を測定する濃度センサは、温度依存性を有し、温度が上昇すると、濃度ごとの音速の差が小さくなる。一般にメタノール溶液の温度が上昇すると、濃度に応じた音速の差が小さくなり、精密な濃度検出が困難になる。メタノール溶液の濃度検出の精度を保つためには、温度の上昇したメタノール溶液を冷却し、温度を一定の範囲内に抑える必要がある。 For example, a sound speed sensor is used as the concentration sensor. The sonic sensor measures the propagation time of the ultrasonic wave propagating in the methanol solution. The concentration can be measured by utilizing the fact that the propagation time of the ultrasonic wave varies depending on the methanol concentration. A density sensor that measures density based on the speed of sound has temperature dependence, and as the temperature rises, the difference in sound speed for each density decreases. In general, when the temperature of the methanol solution rises, the difference in sound speed according to the concentration becomes small, and precise concentration detection becomes difficult. In order to maintain the accuracy of detecting the concentration of the methanol solution, it is necessary to cool the methanol solution whose temperature has risen to keep the temperature within a certain range.

配管内を流れる流体を冷却する技術として、例えば特許文献１に記載したものが挙げられる。燃料ガスや酸化ガスの排出流路となる溝に近接して、温水回収水の流路となる溝が配設されている。温水回収水の温度が燃料ガスや排出ガスの温度よりも低いため、燃料ガスや酸化ガスを流れる冷却するように構成されている。
特開２００３−３４６８４７号公報 As a technique for cooling the fluid flowing in the pipe, for example, one described in Patent Document 1 can be cited. A groove serving as a flow path for the hot water recovery water is disposed adjacent to a groove serving as a discharge flow path for the fuel gas and the oxidizing gas. Since the temperature of the hot water recovery water is lower than the temperature of the fuel gas or the exhaust gas, it is configured to cool the fuel gas or the oxidizing gas.
JP 2003-346847 A

しかし、上記の方式の場合、循環系に外部から冷却のための水を導入し、冷却した後に外部へ排出させることが前提となる。燃料ガスや排出ガスを冷却するために外部から水を導入する機構を設ける必要があるため、装置が大型化しやすいこと等の問題がある。 However, in the case of the above method, it is premised that water for cooling is introduced from the outside into the circulation system, and is cooled and then discharged to the outside. Since it is necessary to provide a mechanism for introducing water from the outside in order to cool the fuel gas and the exhaust gas, there is a problem that the apparatus is easily increased in size.

そこで本発明の目的は、スタックから排出されるメタノール溶液を効率的に冷却し、濃度センサの検出精度をより安定させることの可能な燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of efficiently cooling the methanol solution discharged from the stack and further stabilizing the detection accuracy of the concentration sensor.

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、液体燃料を収容する燃料タンクと、アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行うスタックと、前記アノードから排出される液体燃料を前記燃料タンクへ流す第１の配管と、前記カソードから排出される水を前記燃料タンクへ流す第２の配管と、前記第１の配管上に設けられ、前記アノードから排出される液体燃料の濃度を検出する濃度センサと、を備え、前記第１の配管と、前記第２の配管とは近接して設けられることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises a fuel tank that contains liquid fuel, an anode and a cathode, a stack that generates electricity by chemically reacting the liquid fuel and oxygen, and A first pipe for flowing liquid fuel to be discharged to the fuel tank, a second pipe for flowing water discharged from the cathode to the fuel tank, and the first pipe are provided on the first pipe and discharged from the anode. And a concentration sensor for detecting the concentration of the liquid fuel, wherein the first pipe and the second pipe are provided close to each other.

本発明によれば、スタックから排出されるメタノール溶液を効率的に冷却し、濃度センサの検出精度をより安定させることの可能な燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel solution which can cool the methanol solution discharged | emitted from a stack | stuck efficiently and can stabilize the detection accuracy of a concentration sensor more can be provided.

以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an external perspective view showing a fuel cell device according to the present invention. FIG. 2 is an external perspective view showing a state in which the fuel cell device is connected to a notebook computer.

燃料電池１は例えばノート型コンピュータ１０の外部電源として用いられる。この燃料電池１はダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）である。メタノールと水を混合した予混合液を燃料とし、この予混合液を空気中の酸素と電解質膜で化学反応させることによって発電させる。このＤＭＦＣは、水素を燃料に用いる燃料電池よりも取り扱いが容易で、装置全体を小型にまとめることができる。 The fuel cell 1 is used as an external power source of the notebook computer 10, for example. This fuel cell 1 is a direct methanol fuel cell (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell). Electric power is generated by using a premixed liquid in which methanol and water are mixed as a fuel and chemically reacting the premixed liquid with oxygen in the air and an electrolyte membrane. This DMFC is easier to handle than a fuel cell using hydrogen as a fuel, and the entire apparatus can be reduced in size.

燃料電池１は、略直方体に形成された本体１１と、本体１１の底に沿って平坦に延出した載置部１２とを有している。本体１１の壁部には多数の通気孔１１ａが形成されている。本体１１の内部には後述する発電部が納められている。本体１１の一部は、カバー１１ｂとして取り外せるように形成されている。本体１１のカバー１１ｂを取り外した部分には後述する燃料タンクが入れられている。 The fuel cell 1 has a main body 11 formed in a substantially rectangular parallelepiped and a mounting portion 12 extending flat along the bottom of the main body 11. A large number of ventilation holes 11 a are formed in the wall portion of the main body 11. A power generation unit, which will be described later, is housed inside the main body 11. A part of the main body 11 is formed to be removable as a cover 11b. A fuel tank described later is placed in a portion of the main body 11 from which the cover 11b is removed.

載置部１２は、ノート型コンピュータ１０の後部とドッキングできるように形成されている。載置部１２の内部には、後述する制御部が設けられている。制御部は発電部の動作を制御する。載置部１２の上面には、ノート型コンピュータ１０を連結するロック機構１３と、燃料電池１から電力をノート型コンピュータ１０に供給するためのコネクタ１４とが設けられている。 The placement unit 12 is formed so as to be dockable with the rear part of the notebook computer 10. A control unit, which will be described later, is provided inside the mounting unit 12. The control unit controls the operation of the power generation unit. On the upper surface of the mounting portion 12, a lock mechanism 13 for connecting the notebook computer 10 and a connector 14 for supplying power from the fuel cell 1 to the notebook computer 10 are provided.

ロック機構１３は、載置部１２上の３箇所に配置されており、それぞれ位置決め突起１３ａとフック１３ｂとを備える。ノート型コンピュータ１０の後部底面には、ロック機構１３に連結される係合孔、およびコネクタ１４に接続されるソケットが設けられている。 The lock mechanisms 13 are arranged at three places on the placement portion 12 and each include a positioning protrusion 13a and a hook 13b. An engagement hole connected to the lock mechanism 13 and a socket connected to the connector 14 are provided on the bottom surface of the rear portion of the notebook computer 10.

ノート型コンピュータ１０が載置部１２に押し当てられると、ロック機構１３がノート型コンピュータ１０の係合孔に挿入される。フック１３ｂによって載置部１２にノート型コンピュータ１０が保持される。その結果、ノート型コンピュータ１０のソケットがコネクタ１４と電気的に接続される。この状態で、本体１１に設けられたスイッチがオンにされると、燃料電池１は、発電を開始する。 When the notebook computer 10 is pressed against the placement unit 12, the lock mechanism 13 is inserted into the engagement hole of the notebook computer 10. The notebook computer 10 is held on the placement unit 12 by the hook 13b. As a result, the socket of the notebook computer 10 is electrically connected to the connector 14. In this state, when the switch provided in the main body 11 is turned on, the fuel cell 1 starts power generation.

載置部１２は、さらにイジェクトボタン１５を備える。このイジェクトボタン１５を押すと、ロック機構１３のフック１３ｂが解除され、ノート型コンピュータ１０を燃料電池１から取り外すことができるようになる。 The placement unit 12 further includes an eject button 15. When the eject button 15 is pressed, the hook 13b of the lock mechanism 13 is released, and the notebook computer 10 can be detached from the fuel cell 1.

図３は燃料電池の発電システムの系統図である。図４は発電部のセル構造を模式的に示した図である。燃料電池１は、発電部２０と、燃料電池１の動作を制御する制御部２１とを備えている。制御部２１は発電部２０の制御を行う他、ノート型コンピュータ１０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２０は本体１１内に設けられており、制御部２１は載置部１２内に設けられている。 FIG. 3 is a system diagram of a fuel cell power generation system. FIG. 4 is a diagram schematically showing the cell structure of the power generation unit. The fuel cell 1 includes a power generation unit 20 and a control unit 21 that controls the operation of the fuel cell 1. In addition to controlling the power generation unit 20, the control unit 21 has a function as a communication control unit that communicates with the notebook computer 10. The power generation unit 20 is provided in the main body 11, and the control unit 21 is provided in the placement unit 12.

発電部２０は、発電を行うための中心となるスタック２２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２３を備えている。スタック２２は、化学反応によって発電を行う発電部として機能する。燃料カートリッジ２３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２３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。 The power generation unit 20 includes a stack 22 serving as a center for generating power, and a fuel cartridge 23 that stores methanol serving as fuel. The stack 22 functions as a power generation unit that generates power by a chemical reaction. The fuel cartridge 23 is sealed with high-concentration methanol. The fuel cartridge 23 is detachable so that it can be easily replaced when the fuel is consumed.

発電部２０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。液体流路には、燃料カートリッジ２３の出力部に配管接続された燃料ポンプ２４、燃料ポンプ２４の出力部に配管を介して接続された混合タンク２５、混合タンク２５の出力部に接続された送液ポンプ２６が設けられる。送液ポンプ２６の出力部は配管９１を介してスタック２２のアノード（燃料極）２７に接続される。配管９１は、混合タンク２５からスタック２２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。 The power generation unit 20 includes a liquid channel for flowing fuel and other fluids, and a gas channel for flowing air and other gases. The liquid flow path includes a fuel pump 24 connected to the output portion of the fuel cartridge 23, a mixing tank 25 connected to the output portion of the fuel pump 24 via the piping, and a feed connected to the output portion of the mixing tank 25. A liquid pump 26 is provided. The output part of the liquid feed pump 26 is connected to the anode (fuel electrode) 27 of the stack 22 via a pipe 91. The pipe 91 defines a flow path for sending an aqueous methanol solution from the mixing tank 25 to the stack 22.

送液ポンプ２６とスタック２２との間で、配管９１にはイオンフィルタ２８が設けられている。混合タンク２５の出力部は、送液ポンプ２６、イオンフィルタ２８を介してアノード（燃料極）２７に接続されている。イオンフィルタ２８は例えば金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管９１を介して混合タンク２５からスタック２２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。 An ion filter 28 is provided in the pipe 91 between the liquid feed pump 26 and the stack 22. The output portion of the mixing tank 25 is connected to an anode (fuel electrode) 27 via a liquid feed pump 26 and an ion filter 28. The ion filter 28 is realized by using, for example, a metal ion adsorbing substance, and adsorbs metal ions contained in an aqueous methanol solution sent out from the mixing tank 25 toward the stack 22 via the pipe 91, so that the metal from the aqueous methanol solution is adsorbed. Remove the ions.

アノード２７の出力部は配管９２を介して混合タンク２５の入力部に接続されている。配管９２上の、アノード２７と混合タンク２５の間には気液分離構造２９が設けられている。配管９２は、スタック２２のアノード２７から排出される液体、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等を混合タンク２５に戻す流路を規定している。また、発電反応に伴って生成された二酸化炭素は、気液分離膜２５ａで気化される。気化した二酸化炭素は配管９４ａを介して湿った空気とともに排気フィルタ６０を通過し、最終的には排気口５８から外部へ排気される。 The output part of the anode 27 is connected to the input part of the mixing tank 25 via a pipe 92. A gas-liquid separation structure 29 is provided between the anode 27 and the mixing tank 25 on the pipe 92. The pipe 92 defines a flow path for returning the liquid discharged from the anode 27 of the stack 22, that is, an unreacted aqueous methanol solution that has not been used in the chemical reaction, to the mixing tank 25. In addition, carbon dioxide generated with the power generation reaction is vaporized by the gas-liquid separation membrane 25a. The vaporized carbon dioxide passes through the exhaust filter 60 together with the moist air via the pipe 94a, and is finally exhausted from the exhaust port 58 to the outside.

配管９２上には、濃度センサ６２が設けられる。濃度センサ６２は、混合タンク２５に回収されるメタノール水溶液の濃度を測定する。制御部２１は、検出された濃度に応じて水回収ポンプ６３を作動させ、水回収タンク５６から混合タンク２５へ供給する水の量を調整する。これにより、混合タンク２５内に貯められる混合液中のメタノール濃度を一定に維持する。配管９２上には混合タンク２５に回収される液体を冷却するために、必要に応じて放熱用のフィンやファンを設けても良い。 A concentration sensor 62 is provided on the pipe 92. The concentration sensor 62 measures the concentration of the aqueous methanol solution recovered in the mixing tank 25. The control unit 21 operates the water recovery pump 63 according to the detected concentration, and adjusts the amount of water supplied from the water recovery tank 56 to the mixing tank 25. Thereby, the methanol concentration in the liquid mixture stored in the mixing tank 25 is kept constant. In order to cool the liquid collected in the mixing tank 25 on the pipe 92, a fin or fan for heat dissipation may be provided as necessary.

一方、気体流路には、吸気口５０、送気ポンプ５１が設けられる。送気バルブ５２が配置された配管９３を介して、送気ポンプ５１がスタック２２のカソード（空気極）５３に接続される。配管９４ａ、９４ｂを介して、凝縮器５４がカソード５３の出力部に接続される。また、混合タンク２５の出力部は、混合タンクバルブ５９が配置された配管９４ａを介して凝縮器５４に接続されている。凝縮器５４は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５４と排気バルブ５７は配管９６、９８を介して接続され、凝縮器５４と排気バルブ５７との間には排気フィルタ６０が設けられる。 On the other hand, an intake port 50 and an air supply pump 51 are provided in the gas flow path. An air supply pump 51 is connected to a cathode (air electrode) 53 of the stack 22 through a pipe 93 in which an air supply valve 52 is disposed. The condenser 54 is connected to the output part of the cathode 53 via the pipes 94a and 94b. The output portion of the mixing tank 25 is connected to the condenser 54 via a pipe 94a in which the mixing tank valve 59 is disposed. The condenser 54 is connected to an exhaust port 58 via an exhaust valve 57. The condenser 54 and the exhaust valve 57 are connected via pipes 96 and 98, and an exhaust filter 60 is provided between the condenser 54 and the exhaust valve 57.

凝縮器５４は、カソード５３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５４には図示しないフィンが備えられ、水蒸気を効果的に凝縮する。凝縮器５４に対向して冷却ファン５５が配設されている。凝縮器５４による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５３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５６から配管９６を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。 The condenser 54 functions as a cathode cooling unit that cools the exhaust fluid (water vapor, water) discharged from the output unit of the cathode 53. The condenser 54 includes fins (not shown) and effectively condenses the water vapor. A cooling fan 55 is disposed opposite to the condenser 54. By the cooling by the condenser 54, the water vapor is solidified, and the temperature of the water discharged from the output part of the cathode 53 is also lowered. Thereby, the temperature of the water flowing from the water recovery tank 56 through the pipe 96 becomes about 45 ° C to 50 ° C.

後に詳述するように、発電反応に伴って発電部２０のアノード２７側には二酸化炭素が生成され、カソード５３側には水（水蒸気）が生成される。アノード２７側で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溶液は、気液分離膜２５ａで気体と液体に分離される。 As will be described in detail later, carbon dioxide is generated on the anode 27 side of the power generation unit 20 and water (water vapor) is generated on the cathode 53 side in accordance with the power generation reaction. The carbon dioxide produced on the anode 27 side and the methanol solution that has not been subjected to the chemical reaction are separated into gas and liquid by the gas-liquid separation membrane 25a.

次に、燃料電池１における発電部２０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４に示すように、まず、燃料カートリッジ２３内の高濃度メタノールは、燃料ポンプ２４によって、混合タンク２５に供給される。混合タンク２５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード２７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６２の検出結果を基に燃料電池１の制御部２１が、燃料ポンプ２４によって混合タンク２５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２５に環流する水の量を水回収ポンプ６３等で制御することによって実現できる。 Next, the power generation mechanism of the power generation unit 20 in the fuel cell 1 will be described along the flow of fuel and air (oxygen). As shown in FIG. 4, first, the high-concentration methanol in the fuel cartridge 23 is supplied to the mixing tank 25 by the fuel pump 24. Inside the mixing tank 25, the high-concentration methanol is mixed with the recovered water, low-concentration methanol (remaining power generation reaction) from the anode 27, etc., and diluted to produce a low-concentration methanol aqueous solution. The concentration of the low-concentration methanol aqueous solution is controlled so as to maintain a high power generation efficiency concentration, for example, 3 to 6%. This concentration control is realized, for example, by the control unit 21 of the fuel cell 1 controlling the amount of high concentration methanol supplied to the mixing tank 25 by the fuel pump 24 based on the detection result of the concentration sensor 62. Alternatively, it can be realized by controlling the amount of water circulating in the mixing tank 25 by the water recovery pump 63 or the like.

混合タンク２５には、混合タンク２５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６４や、温度を検出する温度センサ６５が設けられ、これらセンサの検出結果は制御部２１に送られて発電部２０の制御などに使用される。 The mixing tank 25 is provided with a liquid amount sensor 64 that detects the amount of the aqueous methanol solution in the mixing tank 25 and a temperature sensor 65 that detects the temperature. The detection results of these sensors are sent to the control unit 21 to generate power. Used for controlling the unit 20 and the like.

混合タンク２５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ２６によって、配管９１を介してスタック２２へ圧送され、アノード２７に注入される。送液ポンプ２６からのメタノール水溶液はイオンフィルタ２８によって金属イオンが除去された後に、スタック２２のアノード２７に送られる。図４に示すように、アノード２７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+）はスタック２２内の固体高分子電解質膜７０を透過してカソード５３に達する。 The aqueous methanol solution diluted in the mixing tank 25 is pumped to the stack 22 via the pipe 91 by the liquid feed pump 26 and injected into the anode 27. The aqueous methanol solution from the feed pump 26 is sent to the anode 27 of the stack 22 after the metal ions are removed by the ion filter 28. As shown in FIG. 4, at the anode 27, electrons are generated by the oxidation reaction of methanol. Hydrogen ions (H +) generated by the oxidation reaction pass through the solid polymer electrolyte membrane 70 in the stack 22 and reach the cathode 53.

空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５１により、吸気口５０から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５２から配管９３を介しスタック２２のカソード（空気極）５３に供給される。カソード５３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２７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５３から排出され、凝縮器５４に入る。凝縮器５４では、冷却ファン５５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５６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６３によって混合タンク２５へと環流し、高濃度メタノールを希釈する循環システムが構成される。 Air (oxygen) is taken in from the intake port 50 by an air supply pump 51 that constitutes an air supply unit, pressurized, and then supplied from an air supply valve 52 to a cathode (air electrode) 53 of the stack 22 via a pipe 93. Supplied. At the cathode 53, the reduction reaction of oxygen (O2) proceeds, and water (H2O) is vaporized from electrons (e-) from an external load, hydrogen ions (H +) and oxygen (O2) from the anode 27. Is generated as This water vapor is discharged from the cathode 53 and enters the condenser 54. In the condenser 54, the water vapor is cooled by the cooling fan 55 to become water (liquid), and is temporarily accumulated in the water recovery tank 56. The recovered water is circulated to the mixing tank 25 by the water recovery pump 63 to constitute a circulation system for diluting the high-concentration methanol.

アノード２７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気液分離膜２５ａに導入される。気液分離膜２５ａにより分離された二酸化炭素は、配管９４ａを通りカソード５３からの配管９４ｂと合流され凝縮器５４へ向かう。凝縮器５４で凝縮されずに残る湿り空気は、配管９６に導入される。スタック２２から排出する気体に含まれるメタノール成分を清浄化し、無害化し、放出しなくてはならないため、排気フィルタ６０をスタック２２より下流側に設けている。排気フィルタ６０で無害化された気体は排気口５８から燃料電池１の外に放出される。分離されたメタノール水溶液は配管９２を通って混合タンク２５に還流する。 Carbon dioxide produced by the oxidation reaction performed at the anode 27 is introduced into the gas-liquid separation membrane 25a together with the methanol aqueous solution that has not been subjected to the reaction. The carbon dioxide separated by the gas-liquid separation membrane 25 a passes through the pipe 94 a and joins with the pipe 94 b from the cathode 53 and travels toward the condenser 54. The humid air that remains without being condensed by the condenser 54 is introduced into the pipe 96. Since the methanol component contained in the gas discharged from the stack 22 must be cleaned, detoxified, and released, the exhaust filter 60 is provided on the downstream side of the stack 22. The gas rendered harmless by the exhaust filter 60 is discharged from the exhaust port 58 to the outside of the fuel cell 1. The separated methanol aqueous solution is refluxed to the mixing tank 25 through the pipe 92.

図５は水回収タンクから水が流れる配管と、スタックからメタノール溶液が流れる配管の熱交換の様子を模式的に示す図である。ＤＭＦＣは、燃料となるメタノール溶液の温度や濃度等に応じた最適な発電条件を有する。最適な発電条件を保つためには、メタノール溶液の濃度を所定の範囲に維持する必要がある。前述のように、配管９２にはメタノール溶液の濃度を測定するための濃度センサ６２が設けられる。濃度センサ６２には例えば音速センサが使用される。音速センサは、メタノール溶液中を伝播する超音波の伝播時間がメタノール濃度により異なることを利用して濃度を測定することができる。 FIG. 5 is a diagram schematically showing a state of heat exchange between a pipe through which water flows from the water recovery tank and a pipe through which methanol solution flows from the stack. The DMFC has optimum power generation conditions according to the temperature, concentration, etc. of the methanol solution used as fuel. In order to maintain optimal power generation conditions, it is necessary to maintain the concentration of the methanol solution within a predetermined range. As described above, the pipe 92 is provided with the concentration sensor 62 for measuring the concentration of the methanol solution. For example, a sound speed sensor is used as the density sensor 62. The sonic sensor can measure the concentration by utilizing the fact that the propagation time of the ultrasonic wave propagating in the methanol solution varies depending on the methanol concentration.

音速により濃度を測定する濃度センサ６２は、温度依存性を有する。一般にメタノール溶液の温度が上昇するにつれて、濃度に応じた音速の差が小さくなり、精密な濃度検出が困難になる。メタノール溶液の濃度検出の精度を保つためには、温度の上昇したメタノール溶液を冷却し、温度を一定の範囲内に抑える必要がある。濃度検出の精度を維持するためには、メタノール溶液の温度は５〜３５℃程度であるのが望ましい。メタノール溶液の温度が高くなると、メタノールの特性により、濃度の検出に影響が出るためである。 The density sensor 62 that measures density based on the speed of sound has temperature dependence. In general, as the temperature of the methanol solution rises, the difference in sound speed according to the concentration becomes small, and precise concentration detection becomes difficult. In order to maintain the accuracy of detecting the concentration of the methanol solution, it is necessary to cool the methanol solution whose temperature has risen to keep the temperature within a certain range. In order to maintain the accuracy of concentration detection, the temperature of the methanol solution is desirably about 5 to 35 ° C. This is because when the temperature of the methanol solution increases, the detection of the concentration is affected by the characteristics of methanol.

アノード２７から排出されたメタノール溶液は、発電のための化学反応に伴って温度が上昇している。メタノール溶液の温度が上昇したままだと、前述のように濃度センサ６２の精度に影響が出るため、メタノール水溶液を冷却する必要がある。 The temperature of the methanol solution discharged from the anode 27 increases with a chemical reaction for power generation. If the temperature of the methanol solution continues to rise, the accuracy of the concentration sensor 62 will be affected as described above, so it is necessary to cool the aqueous methanol solution.

本実施形態では、水回収タンク５６から混合タンク２５へ回収される回収水を利用して、アノード２７から排出されるメタノール溶液を冷却する。アノード２７から排出されるメタノール溶液が流れる配管９２と、水回収タンク５６から水が排出される配管９５とを並列させる。メタノール溶液用の配管９２と水回収用の配管９５とを近接させると、温度の高いメタノール溶液側から温度の低い回収水側へ、温度差で熱が移動する。メタノール溶液の流れる配管９２から熱が移動することで、メタノール溶液を冷却することができる。 In the present embodiment, the methanol solution discharged from the anode 27 is cooled using the recovered water recovered from the water recovery tank 56 to the mixing tank 25. A pipe 92 through which the methanol solution discharged from the anode 27 flows and a pipe 95 through which water is discharged from the water recovery tank 56 are arranged in parallel. When the methanol solution pipe 92 and the water recovery pipe 95 are brought close to each other, heat is transferred due to a temperature difference from the methanol solution side having a high temperature to the recovered water side having a low temperature. By moving the heat from the pipe 92 through which the methanol solution flows, the methanol solution can be cooled.

スタック２２は発電効率を最適化するために、例えば６０〜７０℃程度に維持される。この時、スタック２２から排出されるメタノール溶液は、例えば６０℃程度であり、水回収タンク５６から排出される水の温度は４０℃以下程度である。配管９２を配管９５に近接して設けることで、配管９２上に冷却用の装置等を設けなくても、回収水との温度差を利用することで、アノード２７から排出されるメタノール水溶液を冷却することができる。回収水の温度差を利用して、メタノール溶液を例えば、４０℃程度まで冷却することができる。 The stack 22 is maintained at about 60 to 70 ° C., for example, in order to optimize the power generation efficiency. At this time, the methanol solution discharged from the stack 22 is about 60 ° C., for example, and the temperature of the water discharged from the water recovery tank 56 is about 40 ° C. or less. By providing the pipe 92 close to the pipe 95, the methanol aqueous solution discharged from the anode 27 can be cooled by utilizing the temperature difference with the recovered water without providing a cooling device or the like on the pipe 92. can do. The methanol solution can be cooled to, for example, about 40 ° C. using the temperature difference of the recovered water.

なお、配管９２と配管９５とは触れない程度に近接させるようにしても良いし、互いに接触するようにしても良い。また、熱伝導性の高いグリス等を介して配管９２と配管９５とが熱的に接触するようにしても良い。 The pipe 92 and the pipe 95 may be brought close to each other without touching them, or may be in contact with each other. Further, the pipe 92 and the pipe 95 may be in thermal contact with each other through grease having high thermal conductivity.

回収水との温度差によって、メタノール溶液を所望の温度に下がるまで冷却しきれない場合は、必要に応じて、配管９５上に冷却ファン等を設けても良い。 In the case where the methanol solution cannot be cooled down to a desired temperature due to a temperature difference from the recovered water, a cooling fan or the like may be provided on the pipe 95 as necessary.

図６は本発明の他の実施形態に係る配管構造を示す図である。図５の説明においては、配管９２と配管９５とが平行に近接して設置されている場合を説明した。図６に示すように、配管９２と配管９５が互いに入り組むように設置すると、配管９２と配管９５とが近接する際の表面積が増える。配管９２と配管９５とが近接する表面積が増えると、より温度の高いメタノール溶液が流れる配管９２から、より温度の低い回収水が流れる配管９５へ熱の移動がしやすくなり、メタノール溶液を効率的に冷却することができる。 FIG. 6 is a view showing a piping structure according to another embodiment of the present invention. In the description of FIG. 5, the case where the pipe 92 and the pipe 95 are installed close to each other in parallel has been described. As shown in FIG. 6, when the pipe 92 and the pipe 95 are installed so as to be intricate with each other, the surface area when the pipe 92 and the pipe 95 are close to each other increases. When the surface area in which the pipe 92 and the pipe 95 are close to each other increases, heat is easily transferred from the pipe 92 through which the higher temperature methanol solution flows to the pipe 95 through which the lower temperature recovered water flows. Can be cooled to.

また、配管９２が略直線状に形成され、もう一方の配管９５がらせん状に形成されるようにしても良い。配管９２の周りを配管９５が巻き付くように設置することで、配管９２と配管９５とが近接する際の表面積を大きくすることができる。配管９２と配管９５との両方をらせん状に形成しても良いし、一方のみをらせん状に形成しても良い。この場合も、配管９２と配管９５とは触れない程度に近接させるようにしても良いし、互いに接触するようにしても良い。また、熱伝導性の高いグリス等を介して配管９２と配管９５とが熱的に接触するようにしても良い。 Alternatively, the pipe 92 may be formed in a substantially linear shape, and the other pipe 95 may be formed in a spiral shape. By installing the pipes 95 around the pipes 92, the surface area when the pipes 92 and 95 are close to each other can be increased. Both the pipe 92 and the pipe 95 may be formed in a spiral shape, or only one of them may be formed in a spiral shape. Also in this case, the pipe 92 and the pipe 95 may be brought close to each other so as not to touch, or may be in contact with each other. Further, the pipe 92 and the pipe 95 may be in thermal contact with each other through grease having high thermal conductivity.

上記の説明では、濃度センサ６２の精度を向上させるために、水回収タンク５６からの回収水を利用してアノード２７から排出されるメタノール水溶液を冷却する例を説明したが、水回収タンク５６から混合タンク２５へ向かう配管９５をスタック２２に近接するように通しても良い。水回収水を利用して、スタック２２を冷却することもできる。 In the above description, in order to improve the accuracy of the concentration sensor 62, the example in which the methanol aqueous solution discharged from the anode 27 is cooled using the recovered water from the water recovery tank 56 has been described. A pipe 95 toward the mixing tank 25 may be passed close to the stack 22. It is also possible to cool the stack 22 using water recovery water.

本発明を実施した場合、スタックから排出されるメタノール溶液を効率的に冷却し、濃度センサの検出精度をより安定させることの可能な燃料電池を提供することができる。 When the present invention is implemented, it is possible to provide a fuel cell capable of efficiently cooling the methanol solution discharged from the stack and further stabilizing the detection accuracy of the concentration sensor.

本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment as long as it does not depart from the gist of the present invention, and various modifications are possible.

本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。1 is an external perspective view showing a fuel cell device according to the present invention. 燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。The external appearance perspective view which shows the state which connected the fuel cell apparatus to the notebook computer. 燃料電池の発電システムの系統図。The system diagram of the power generation system of a fuel cell. 発電部のセル構造を模式的に示した図。The figure which showed typically the cell structure of the electric power generation part. 水回収タンクから水が流れる配管と、スタックからメタノール溶液が流れる配管の熱交換の様子を模式的に示す図。The figure which shows typically the mode of heat exchange of the piping through which water flows from a water collection tank, and the piping through which a methanol solution flows from a stack. 本発明の他の実施形態に係る配管構造を示す図。The figure which shows the piping structure which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、１０…ノート型コンピュータ、１１…本体、１１ａ…通気孔、１１ｂ…カバー、１２…載置部、１３…ロック機構、１３ａ…突起、１３ｂ…フック、１４…コネクタ、１５…イジェクトボタン、２０…発電部、２１…制御部、２２…スタック、２３…燃料カートリッジ、２４…燃料ポンプ、２５…混合タンク、２５ａ…気液分離膜、２６…送液ポンプ、２７…アノード、２８…イオンフィルタ、５０…吸気口、５１…送気ポンプ、５２…送気バルブ、５３…カソード、５４…凝縮器、５５…冷却ファン、５６…水回収タンク、５７…排気バルブ、５８…排気口、５９…混合タンクバルブ、６０…排気フィルタ、６１…温度センサ、６２…濃度センサ、６３…水回収ポンプ、６４…液量センサ、６５…温度センサ、７０…固体高分子電解質膜、９１…配管、９２…配管、９３…配管、９４ａ…配管、９４ｂ…配管、９５…配管、９６…配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... Notebook computer, 11 ... Main body, 11a ... Air hole, 11b ... Cover, 12 ... Mounting part, 13 ... Locking mechanism, 13a ... Projection, 13b ... Hook, 14 ... Connector, 15 ... Eject Button, 20 ... Power generation unit, 21 ... Control unit, 22 ... Stack, 23 ... Fuel cartridge, 24 ... Fuel pump, 25 ... Mixing tank, 25a ... Gas-liquid separation membrane, 26 ... Liquid feed pump, 27 ... Anode, 28 ... Ion filter, 50 ... intake port, 51 ... air supply pump, 52 ... air supply valve, 53 ... cathode, 54 ... condenser, 55 ... cooling fan, 56 ... water recovery tank, 57 ... exhaust valve, 58 ... exhaust port, 59 ... Mixing tank valve, 60 ... Exhaust filter, 61 ... Temperature sensor, 62 ... Concentration sensor, 63 ... Water recovery pump, 64 ... Liquid quantity sensor, 65 ... Temperature sensor, 70 ... Solid high Child electrolyte membrane, 91 ... pipe, 92 ... pipe, 93 ... pipe, 94a ... piping, 94b ... piping, 95 ... pipe, 96 ... pipe

Claims

液体燃料を収容する燃料タンクと、
アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行うスタックと、
前記アノードから排出される液体燃料を前記燃料タンクへ流す第１の配管と、
前記カソードから排出される水を前記燃料タンクへ流す第２の配管と、
前記第１の配管上に設けられ、前記アノードから排出される液体燃料の濃度を検出する濃度センサと、を備え、
前記第１の配管と、前記第２の配管とは近接して設けられることを特徴とする燃料電池。 A fuel tank containing liquid fuel;
A stack having an anode and a cathode and generating electricity by chemically reacting the liquid fuel and oxygen;
A first pipe for flowing liquid fuel discharged from the anode to the fuel tank;
A second pipe for flowing water discharged from the cathode to the fuel tank;
A concentration sensor provided on the first pipe for detecting the concentration of the liquid fuel discharged from the anode;
The fuel cell, wherein the first pipe and the second pipe are provided close to each other.

前記第１の配管は一部がらせん状に形成されたらせん部を有し、前記第１の配管が前記第２の配管に巻き回されるように設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 The said 1st piping has a spiral part formed in a part in a spiral shape, and it is provided so that the said 1st piping may be wound around the said 2nd piping. Fuel cell.

前記第２の配管は一部がらせん状に形成されたらせん部を有し、前記第２の配管が前記第１の配管に巻き回されるように設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 2. The second pipe according to claim 1, wherein a part of the second pipe has a spiral portion, and the second pipe is provided so as to be wound around the first pipe. Fuel cell.

前記第１の配管および第２の配管は、蛇腹状に折り返された折り返し部をそれぞれ有し、前記折り返し部同士が互いに近接して設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first pipe and the second pipe each have a folded portion folded back in a bellows shape, and the folded portions are provided close to each other.

前記第１の配管と前記第２の配管とは、少なくとも一部が互いに接触して設けられることを特徴とする請求項１乃至４記載の燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the first pipe and the second pipe are in contact with each other.

前記第１の配管と前記第２の配管とは、少なくとも一部がグリスを介して互いに接触して設けられることを特徴とする請求項１乃至４記載の燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the first pipe and the second pipe are in contact with each other via grease.

前記第１の配管上において、前記らせん部は前記スタックと前記濃度センサとの間に設けられることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。

The fuel cell according to claim 2, wherein the spiral portion is provided between the stack and the concentration sensor on the first pipe.