(57)【要約】【課題】  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を目的とする。【解決手段】  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。配管９２を流れるメタノール溶液を冷却することで、濃度センサ６２の精度への影響を小さくすることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【特許文献１】特開２００３−３４６８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。
【図２】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。
【図３】燃料電池の発電システムの系統図。
【図４】発電部のセル構造を模式的に示した図。
【図５】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。
【図６】本発明の他の実施形態に係る配管構造を示す図。
【符号の説明】
【００４４】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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