(57)【要約】【課題】本発明の目的は、燃料電池ユニット内での結露の防止を図った燃料電池ユニットを得ることにある。【解決手段】燃料電池ユニット１は、筐体６と、筐体６に収容されるとともに、アノード４１とカソード４２とを有する起電部１４と、カソード４１を通過した流体を冷却して気体と液体とに分離する冷却部１５と、筐体６の外部に開口する排気口５６と、冷却部１５で分離された気体を排気口５６に導く排気管５７とを有する排気部１７とを具備し、起電部１４で発生する熱の一部を排気管５７に伝熱する伝熱機構６３を備える。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
上記筐体に収容されるとともに、アノードとカソードとを有する起電部と、
上記カソードを通過した流体を冷却して気体と液体とに分離する冷却部と、
上記筐体の外部に開口する排気口と、上記冷却部で分離された気体を上記排気口に導く排気管とを有する排気部と、を具備し、
上記起電部で発生する熱の一部を上記排気管に伝熱する伝熱機構を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記伝熱機構は、上記アノードを通過した流体が流されるアノード配管を有し、このアノード配管の一部は、上記排気管に熱的に接続されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記アノード配管の一部は、上記排気管に隣接して設けられることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記アノード配管の一部は、上記排気管を内包し、上記排気管の外周面とこのアノード配管の内周面との間に上記アノードを通過した流体が流されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記排気管に熱的に接続される上記アノード配管の部分では、上記アノードを通過した流体が上記排気管内の流体の流れ方向に対して対向する向きに流されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項６】
筐体と、
上記筐体に収容されるとともに、アノードとカソードとを有する起電部と、
上記カソードを通過した流体を冷却して気体と液体とに分離する冷却部と、
上記筐体の外部に開口する排気口と、上記冷却部で分離された気体を上記排気口に導く排気管とを有する排気部と、を具備し、
上記排気管を流れる気体に比べて湿度の低い気体を上記排気管内に供給する気体供給機構を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記筐体は、上記カソードに空気を供給する吸気部を収容し、
上記気体供給機構は、上記吸気部を流れる空気の一部を上記カソードを通ることなく上記排気管へと導く気体供給管を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記気体供給管は、上記起電部の近傍を通るように配管されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記筐体は、放熱フィンを有するとともに上記アノードを通過した流体を冷却するアノード冷却部を収容し、
上記気体供給管は、上記放熱フィンに熱的に接続されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項１０】
請求項６に記載の燃料電池ユニットにおいて、
上記起電部で発生する熱の一部を上記排気管に伝熱する伝熱機構を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電動作に伴って排気ガスが生成される燃料電池ユニットに関する。
【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としては、例えばメタノール水溶液を燃料とす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）が提供されている。
【０００３】
ＤＭＦＣの起電部は、メタノール水溶液と空気中の酸素とを化学反応させて発電動作を行なう。起電部では、この発電動作に伴なって水蒸気および二酸化炭素が生成される。ＤＭＦＣは、この水蒸気を含む排気ガスをＤＭＦＣの外部に排気する排気部を有する。
【０００４】
例えば、燃料電池と加熱装置とを備える電源システムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。加熱装置は、ヒータなどの発熱手段を備え、電源システムの停止状態において燃料電池の一部または電源システムの全体を加熱する。これにより、電源システムの停止時において、電源システムが凍結することを防止する。
【特許文献１】特開２００５−３２５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＭＦＣは、上記排気ガスを冷却する冷却部を備えることが多い。冷却部は、排気ガスを冷却して、排気ガス中に含まれる水蒸気の一部を凝縮させて水を回収する。この回収された水は、ＤＭＦＣ内で循環され、メタノール水溶液の濃度調整に用いられる。
【０００６】
必要な分量の水が回収された排気ガスは、排気管および排気口を通じてＤＭＦＣの外部に排気される。ここで排気ガスは、冷却部で水蒸気が凝縮するほど冷却されているため、湿度がほぼ１００％の飽和水蒸気の状態で排気口へと導かれる。この排気ガスは、排気口に通じる排気管内において温度が徐々に低下してしまう。
【０００７】
排気ガスの温度が低下すると、水蒸気がさらに凝縮し、排気管内で結露を生じることがある。配管内で結露が生じると、排気口を通じて結露した水がＤＭＦＣの外部に飛散したり、ＤＭＦＣ内に残留してＤＭＦＣの誤動作の原因となるおそれがある。
【０００８】
例えば特許文献１の電源システムは、上記問題を解決するものでは無い。すなわち、上記加熱装置は、電源システムの停止時における電源システムの凍結防止を目的としたものであり、燃料電池ユニット内での結露を防止するものではない。さらに燃料電池とは別に新たに加熱装置を設けることは、近年さらに望まれている燃料電池ユニットの小型化を図る上で好ましくない。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池ユニット内での結露の防止を図った燃料電池ユニットを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一つの形態に係る燃料電池ユニットは、筐体と、上記筐体に収容されるとともにアノードとカソードとを有する起電部と、上記カソードを通過した流体を冷却して気体と液体とに分離する冷却部と、上記筐体の外部に開口する排気口と上記冷却部で分離された気体を上記排気口に導く排気管とを有する排気部とを具備し、上記起電部で発生する熱の一部を上記排気管に伝熱する伝熱機構を備える。
【発明の効果】
【００１１】
この構成によれば、燃料電池ユニット内での結露の防止を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を、燃料電池ユニットに適用した図面に基づいて説明する。
図１ないし図７は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１を開示している。図１は、燃料電池ユニット１の全体を開示する。本実施形態に係る燃料電池ユニット１は、ＤＭＦＣ型の燃料電池である。図２に示すように、燃料電池ユニット１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する。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池ユニット１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形状をしている。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の上面には、電源コネクタ５が配置されている。電源コネクタ５は、ポータブルコンピュータ２を載置部４の上に載置した時に、ポータブルコンピュータ２に電気的に接続される。
【００１４】
図１に示すように、装置本体３は、筐体６を備えている。筐体６は、図３に示すようなＤＭＦＣユニット７を内部に収容している。ＤＭＦＣユニット７は、ホルダ１０、燃料カートリッジ１１、混合部１２、吸気部１３、ＤＭＦＣスタック１４、カソード冷却部１５、アノード冷却部１６、排気部１７、および制御部１８を備えている。
【００１５】
図３に示すように、ホルダ１０には、燃料カートリッジ１１が着脱自在に取り付けられる。燃料カートリッジ１１の内部には、例えば発電に供される液体燃料としての高濃度のメタノールが貯留されている。
【００１６】
図４に示すように、ホルダ１０に取り付けられた燃料カートリッジ１１は、第１の燃料供給管２１を介して混合部１２に接続される。第１の燃料供給管２１の途中には、燃料ポンプ２２が設けられている。燃料ポンプ２２は、燃料カートリッジ１１内のメタノールを混合部１２へと送る。
【００１７】
混合部１２は、混合タンク２４と気液分離部２５とを備えている。混合タンク２４は、上述の第１の燃料供給管２１に連通しており、燃料カートリッジ１１からメタノールが供給される。混合タンク２４は、供給された高濃度の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。
【００１８】
図４に示すように、混合タンク２４は、第２の燃料供給管２６を介して、ＤＭＦＣスタック１４に接続されている。第２の燃料供給管２６の途中には、フィルタ２７および送液ポンプ２８が設けられている。送液ポンプ２８は、混合タンク２４で生成されたメタノール水溶液をＤＭＦＣスタック１４へと送る。
【００１９】
気液分離部２５は、気液分離室３１と第１の排出管３２とを備えている。気液分離室３１は、混合タンク２４と一体に設けられ、混合タンク２４の内部と連通している。気液分離室３１は、気液分離膜３３を有する。気液分離膜３３は、混合タンク２４と気液分離室３１とを区分けしている。第１の排出管３２は、気液分離室３１をカソード冷却部１５に接続しており、気液分離室３１内の気体をカソード冷却部１５を介して排気部１７へと導く。
【００２０】
図３に示すように、吸気部１３は、吸気孔１３ａ、空気供給管３５、および送気ポンプ３６を備える。吸気孔１３ａは、ＤＭＦＣユニット７の外部に開口する。吸気孔１３ａには、エアフィルタ３７が取り付けられている。吸気部１３は、吸気孔１３ａを通じて外部の空気をＤＭＦＣユニット７の内部に取り込む。図４に示すように、吸気孔１３ａは、空気供給管３５を介してＤＭＦＣスタック１４に接続されている。空気供給管３５の途中には、送気ポンプ３６が設けられている。送気ポンプ３６は、吸気孔１３ａを通じて取り込まれた空気をＤＭＦＣスタック１４に供給する。
【００２１】
ＤＭＦＣスタック１４は、起電部の一例である。図４に示すように、ＤＭＦＣスタック１４は、カソード４１、アノード４２、および電解質膜４３を備えている。電解質膜４３は、カソード４１とアノード４２との間に介在されるとともに、カソード４１とアノード４２とを区分けしている。カソード４１には、吸気部１３から酸化剤、すなわち空気が供給される。アノード４２には、混合タンク２４からメタノール水溶液が供給される。
【００２２】
ＤＭＦＣスタック１４は、メタノール水溶液および空気中の酸素を化学反応させて、発電動作を行なう。この発電動作により、副産生成物としてカソード４１では水蒸気が生成され、アノード４２では二酸化炭素が生成される。
【００２３】
図４に示すように、ＤＭＦＣスタック１４のカソード４１は、第２の排出管４５の一端に接続されている。第２の排出管４５の他端は、第１の排出管３２に合流するとともにカソード冷却部１５に接続されている。カソード４１で生成された水蒸気、およびカソード４１を通過した空気は、この第２の排出管４５を介してカソード冷却部１５に送られる。
【００２４】
カソード冷却部１５は、第１の凝縮器４７、第１の冷却ファン４８、および水回収タンク４９を有する。図６に示すように、第１の凝縮器４７は、複数に分岐された分岐配管５０を有する。例えば４つに分岐された分岐配管５０は、鉛直方向に沿って互いに平行に延びている。分岐配管５０の上端部は再び一つに合流しており、排気部１７へと接続されている。これにより、カソード４１を通過した流体は、この分岐配管５０を通じて排気部１７へと導かれる。
【００２５】
分岐配管５０には、例えば複数の放熱フィン５１が取り付けられている。第１の冷却ファン４８は、放熱フィン５１を送風冷却するように駆動される。これにより、水蒸気を含む分岐配管５０内の気体は冷却され、気体の飽和水蒸気量が低下する。気体の飽和水蒸気量が低下して、湿度が１００％に達すると、水蒸気の一部が凝縮して液状の水に戻る。なお本明細書でいう「湿度」とは、いわゆる相対湿度の意であり、その温度における飽和水蒸気量に対する気体中に含まれる水蒸気量の比率を指す。
【００２６】
図６に示すように、水回収タンク４９は、第１の凝縮器４７の下方に位置する。第１の凝縮器４７にて液状に戻った水は、水回収タンク４９に回収される。上記のようにしてカソード４１を通過した流体は、気体と液体とに分離され、必要な分量の水が回収される。図４に示すように、水回収タンク４９は、回収管５３および回収ポンプ５４を介して混合タンク２４に接続されている。
【００２７】
排気部１７は、排気口５６と排気管５７とを備えている。図５に示すように、排気口５６は、筐体６の開口部６ａを通じて、筐体６の外部に開口している。排気管５７は、第１の凝縮器４７の分岐配管５０に連通しており、カソード冷却部１５を通過した気体を排気口５６に導く。排気管５７の途中には、フィルタ５８およびバルブ５９が設けられている。
【００２８】
一方、図４に示すように、ＤＭＦＣスタック１４のアノード４２には、燃料戻し管６１の一端が接続されている。燃料戻し管６１の他端は、アノード冷却部１６を介して混合タンク２４に接続されている。これにより、アノード４２で生成された二酸化炭素、および未反応のメタノール水溶液は、混合タンク２４に還流されて、再びメタノール水溶液の生成に用いられる。
【００２９】
図４に示すように、燃料戻し管６１の途中からは、熱交換配管６２が分岐している。熱交換配管６２は、カソード配管の一例である。図５に示すように、熱交換配管６２は、排気管５７の側方に引き出され、排気管５７に隣接している。すなわち、熱交換配管６２および排気管５７は、それぞれの管壁を介して互いに熱的に接続されている。
【００３０】
これにより、熱交換配管６２および排気管５７のなかでそれぞれ互いに接している部位は、協働して互いの間で熱を移動させる熱交換部６３の一例を構成している。熱交換部６３は、ＤＭＦＣスタック１４で発生する熱の一部を排気管５７に伝熱する伝熱機構の一例である。
【００３１】
さらに詳しく述べると、熱交換配管６２は、排気管５７の下流端部５７ａから上流端部５７ｂに亘って排気管５７に直接接している。熱交換配管６２は、排気管５７の下流端部５７ａから上流端部５７ｂに向かう方向に流体が流れるように配管されている。すなわち、熱交換配管６２内の流体は、排気管５７内の気体の流れ方向に対して対向する向きに流される。換言すれば、熱交換部６３は、いわゆる向流型の熱交換部であるといえる。
【００３２】
なお、本実施形態において熱交換配管６２は直接に排気管５７に接しているが、熱交換配管６２と排気管５７との間に例えば金属材のような熱伝導性の高い部材を介在させても良い。本実施形態において熱交換配管６２は、排気管５７に対してフィルタ５８とバルブ５９との間で熱的に接続されているが、例えばフィルタ５８より上流部において熱的に接続されても良く、バルブ５９より下流部において熱的に接続されても良い。
【００３３】
図４に示すように、熱交換配管６２の下流端は、再び燃料戻し管６１に接続されている。これにより、熱交換配管６２を通過した流体は、燃料戻し管６１を通じて混合タンク２４に還流される。
【００３４】
燃料戻し管６１の途中には、アノード冷却部１６が設けられている。アノード冷却部１６は、燃料戻し管６１のなかで熱交換配管６２との合流部の下流側に設けられる。アノード冷却部１６は、第２の凝縮器６５および第２の冷却ファン６６を有する。第２の凝縮器６５は、燃料戻し管６１に熱的に接続された放熱フィン６７を有する。第２の冷却ファン６６は、放熱フィン６７を送風冷却するように駆動される。これにより、燃料戻し管６１内を流れる流体が冷却される。
【００３５】
制御部１８は、載置部４の中に収容されている。制御部１８は、混合部１２、吸気部１３、ＤＭＦＣスタック１４、カソード冷却部１５、アノード冷却部１６、および排気部１７の状態を監視するとともに、これらのユニット１２，１３，１４，１５，１６，１７の運転を制御する。さらに制御部１８は、ＤＭＦＣスタック１４で発電された電力を電源コネクタ５に供給する。
【００３６】
次に、燃料電池ユニット１の作用について説明する。まず、図４を参照してＤＭＦＣユニット７の全体の動作について説明する。  
燃料カートリッジ１１に貯留されているメタノールは、第１の燃料供給管２１を介して混合タンク２４に送られ、混合タンク２４内で希釈される。混合タンク２４で希釈されたメタノール水溶液は、アノード４２へと送られる。一方、カソード４１には、吸気部１３から空気が供給される。ＤＭＦＣスタック１４は、メタノール水溶液と空気中の酸素とを化学反応させて発電動作を行なう。発電動作に伴なって、アノード４２には二酸化炭素が、カソード４１には水蒸気が生成される。
【００３７】
アノード４２を通過した二酸化炭素および未反応のメタノールは、アノード冷却部１６により冷却されるとともに、混合タンク２４に還流される。混合タンク２４に還流されたメタノール水溶液は、新しくメタノール水溶液として濃度が調整され、再びアノード４２に供給され発電に供される。
【００３８】
混合タンク２４に還流された二酸化炭素は、気液分離膜３３を通じることでメタノール水溶液から分離され、一時的に気液分離室３１に収容される。気液分離室３１内の二酸化炭素は、第１の排出管３２を介してカソード冷却部１５に送られる。カソード冷却部１５に送られた二酸化炭素は、さらに排気部１７に送られてＤＭＦＣユニット７の外部に排気される。
【００３９】
一方、カソード４１を通過した水蒸気および空気は、カソード冷却部１５によって冷却され、水蒸気が凝縮されることで空気と水とに分離される。必要な分量の水が回収された空気は、余分な水蒸気とともに排気部１７を介してＤＭＦＣユニット７の外部に排気される。回収された水は、混合タンク２４に還流されて、メタノール水溶液の希釈に用いられる。
【００４０】
次に、熱交換部６３の作用について説明する。  
アノード４２を通過した流体（以下、アノード循環液）の一部は、燃料戻し管６１から熱交換配管６２へと導かれる。ここでＤＭＦＣスタック１４では、発電に伴なって熱が発生する。アノード循環液は、アノード４２を通過する過程で加熱され、約５０℃〜６０℃の高温状態で熱交換配管６２内を流れる。
【００４１】
一方、カソード４１を通過した流体（以下、排気ガス）は、カソード冷却部１５で冷却され、約３０〜４０℃の低温状態で排気管５７内を流れる。また、排気ガスは、相対湿度がほぼ１００％の飽和水蒸気の状態で排気管５７内を流れる。
【００４２】
熱交換部６３では、アノード循環液と排気ガスとが熱交換配管６２の管壁および排気管５７の管壁を介して互いに熱的に接続された状態にある。これにより図７に示すように、熱交換部６３ではアノード循環液が持つ熱が、熱伝導および対流熱伝達などにより排気ガスに移動する。これにより排気ガスは、温度が上昇し、排気ガスの飽和水蒸気量が大きくなる。
【００４３】
排気ガスの飽和水蒸気量が大きくなると、水蒸気の絶対量が変化しなくても相対湿度が低下する。気体の相対湿度が低下すると水蒸気が結露しにくくなり、排気ガスは、結露を生じないまま排気口５６から筐体６の外部に排気される。  
排気ガスに熱を供給したアノード循環液は、熱交換配管６２の下流端から燃料戻し管６１に合流して、アノード冷却部１６にて冷却される。
【００４４】
このような構成の燃料電池ユニット１によれば、燃料電池ユニット１内での結露の防止を図ることができる。すなわち上記したように、発電時にＤＭＦＣスタック１４に生じる熱の一部を排気管５７に伝熱することで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。これにより、排気ガス中に含まれる液分が排気管５７内で結露することを防止することができる。
【００４５】
この発電時にＤＭＦＣスタック１４に生じる熱は、本来は燃料電池ユニット１の外部に捨てられるべき排熱である。この排熱を有効利用して排気ガスを加熱することで、別途加熱装置などを設けることなく、発明の目的を達成することができる。
【００４６】
燃料電池ユニット１は、例えばポータブルコンピュータ２のような電子機器の電源として使用されることが多い。したがって燃料電池ユニット１内での結露を防止することは、上記のような電子機器の誤動作や故障の防止にも寄与する。
【００４７】
このＤＭＦＣスタック１４に生じる排熱で排気ガスを加熱する機構としては、アノード循環液が流れる配管を利用することが有効である。このアノード循環液が流れる配管は既存の燃料電池ユニットにおいても存在する。したがって、本実施形態に係る燃料電池ユニット１の製造は、既存の部品に対して燃料交換配管など一部の部材を取り付けるだけで容易に行なうことができる。これは燃料電池ユニット１のコストダウンにも寄与する。
【００４８】
さらに、アノード循環液が排気ガスに熱を供給するということは、換言すればアノード循環液の熱が排気ガスに吸収されるということである。アノード循環液は、その後アノード冷却部１６において冷却される。したがって、アノード循環液が熱交換部６３で熱が吸収されるということは、アノード冷却部１６における冷却を促進するという点にも寄与する。
【００４９】
熱交換配管６２が排気管５７に直接に隣接するように設けられることで、熱交換部６３の構成を最もシンプルにすることができる。さらに、熱交換配管６２が排気管５７に直接隣接するように設けること、燃料電池ユニット１の小型化に寄与することができる。
【００５０】
なお、熱交換部６３の構成は、本実施形態に係る向流型に限定されるものではない。例えば、アノード循環液と排気ガスとが同一方向を向いて流れる並流型の熱交換部や、アノード循環液と排気ガスとが直交するように流れる直交流型の熱交換部であっても良い。ただし、向流型の熱交換部が最も熱交換効率が優れているので好ましい。
【００５１】
なお、本実施形態では、燃料戻し管６１の一部が分岐して熱交換配管６２として熱交換部６３に導かれている。しかしながら、燃料戻し管６１から熱交換配管６２を分岐させずに、燃料戻し管６１自体を熱交換部６３に導き、排気管５７との間で熱移動を行なわせても良い。
【００５２】
排気ガスは、熱交換部６３において温度が上昇するほど熱を受け取れると、結露発生のおそれがさらに小さくなるので好ましい。しかしながら、排気ガスには、例えばカソード冷却部１５の出口時点での温度以下に下がらない程度の熱が加えられれば良い。排気ガスの温度を排気口５６まで保つことで、排気管５７内での結露を防止することができる。
【００５３】
次に本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニット７１について、図８および図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図８に示すように、燃料電池ユニット７１は、熱交換部７２を備えている。図９に示すように熱交換部７２は、二重配管構造を備えている。すなわち、熱交換部７２の熱交換配管６２は、その途中に管径が他の部位に比べて大きい太径部７３を備えている。太径部７３は、排気管５７に沿って延びるとともに、排気管５７を内包するように排気管５７の周囲を取り囲んでいる。太径部７３は、排気管５７の外周面５７ｃと太径部７３の内周面７３ａとの間にアノード循環液を流す。
【００５５】
さらに詳しく言えば、太径部７３は、排気管５７の下流端部５７ａから上流端部５７ｂに向かう方向にアノード循環液が流れるように配管されている。すなわち、太径部７３内のアノード循環液は、排気管５７内の排気ガスの流れ方向に対して対向する向きに流される。換言すれば、熱交換部７２は、いわゆる向流型の熱交換部であるといえる。ただし熱交換部７２の構成は本実施形態に限らず、例えば並流型や直交流型の熱交換部であっても良い。
【００５６】
このような構成の燃料電池ユニット７１によれば、燃料電池ユニット７１内での結露の防止を図ることにある。すなわち燃料電池ユニット７１によれば、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１と同様に排気ガスに熱を供給することで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。これにより、排気ガス中に含まれる液分が排気管５７内で結露することを防止することができる。
【００５７】
さらに燃料電池ユニット７１によれば、熱交換部７２は、二重配管構造をしているので、熱交換配管６２が排気管５７に最も効果的に熱的に接続されている。すなわち、図９に示すように、排気管５７は、全周囲から熱を受け取ることができるため、第１の実施形態に係る熱交換部６３に比べて、熱交換効率が飛躍的に向上する。これにより燃料電池ユニット７１内での結露発生をさらに防止することができる。
【００５８】
次に本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニット８１について、図１０および図１１を参照して説明する。なお、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
図１０および図１１に示すように、燃料電池ユニット８１は、気体供給機構８２を備えている。気体供給機構８２は、気体供給管８３を有する。気体供給管８３の上流端は、空気供給管３５の途中から分岐している。気体供給管８３の下流端は、排気管５７内に連通している。さらに図１１に示すように、気体供給管８３は、ＤＭＦＣスタック１４の近傍を通るように配管されている。
【００６０】
なお、本実施形態において気体供給管８３は、フィルタ５８の上流部で排気管５７に合流している。しかしながら気体供給管８３は、フィルタ５８の下流部で排気管５７に合流しても良い。
【００６１】
次に、燃料電池ユニット８１の作用について説明する。  
吸気孔１３ａを通じてＤＭＦＣユニット７内に取り込まれた空気は、送気ポンプ３６により空気供給管３５を介してＤＭＦＣスタック１４へと送られる。このＤＭＦＣスタック１４へと送られる空気の一部は、空気供給管３５から分岐した気体供給管８３へと導かれる。
【００６２】
気体供給管８３は、ＤＭＦＣスタック１４の近傍を通るように配管されている。したがって、気体供給管８３内を通過する空気は、ＤＭＦＣスタック１４の近傍を通過する過程でＤＭＦＣスタック１４から熱を受け取り暖められる。
【００６３】
気体供給管８３に導かれた空気は、カソード４１を通過することなく、排気管５７内に直接に混入される。ここで気体供給管８３に導かれた空気の相対湿度は、カソード冷却部１５を通過していないので、大気中の湿度とほとんど変わらない。すなわち、気体供給管８３から混入される空気は、排気管５７内の排気ガスに比べて相対湿度が低い。
【００６４】
気体供給管８３から相対湿度の低い空気が混入されると、排気管５７内の気体の相対湿度が下がる。例えば相対湿度１００％の排気ガスに相対湿度５０％の空気を混入してやることで、排気管５７内の気体の相対湿度を例えば７０％まで低減することができる。気体の相対湿度が低下すると水蒸気が結露しにくくなり、排気ガスは、結露を生じないまま排気口５６から筐体６の外部に排気される。
【００６５】
さらに、気体供給管８３から混入される空気は、ＤＭＦＣスタック１４の近傍を通過して暖められている。したがって、気体供給管８３から空気が混入された排気ガスは、温度が上昇する。これにより排気ガスの飽和水蒸気量が増加することで、排気管５７内の相対湿度がさらに低くなる。
【００６６】
このような構成の燃料電池ユニット８１によれば、燃料電池ユニット８１内での結露の防止を図ることができる。すなわち上記したように、気体供給機構８２により相対湿度の低い気体を排気ガスに混入し、排気ガスを希釈してやることで、排気管５７内の気体の相対湿度を低下させることができる。これにより、排気ガスが排気管５７内で多少温度が低下するとしても、排気ガス中に含まれる液分が排気管５７内で結露することを防止することができる。
【００６７】
なお、第１および第２の実施形態に係る熱交換部６３，７２と、本実施形態に係る気体供給機構８２とは、排気ガスの飽和水蒸気量を上昇させる又は排気管５７内の排気ガスを乾いた空気で希釈するといった点で異なる。しかしながら、熱交換部６３，７２、および気体供給機構８２は、共に排気ガスの相対湿度を低下させるという機能において共通し、当該機能において排気管５７内の結露の防止を図るものである。
【００６８】
気体供給機構としては、気体供給管８３を採用することが有効である。空気供給管３５および送気ポンプ３６は、既存の燃料電池ユニットにおいても存在する。したがって、本実施形態に係る燃料電池ユニット８１の製造は、既存の部品対して気体供給管８３など一部の部材を取り付けるだけで容易に行なうことができる。これは燃料電池ユニット８１のコストダウンにも寄与する。
【００６９】
さらに、気体供給管８３がＤＭＦＣスタック１４の近傍を通過していると、気体供給管８３から混入される空気により排気ガスが暖められ、燃料電池ユニット８１内での結露の防止をさらに図ることができる。なお、気体供給管８３は必ずしもＤＭＦＣスタック１４の近傍を通過している必要は無く、常温の空気を排気管５７に混入してやることでも燃料電池ユニット８１内での結露の防止を図ることができる。
【００７０】
図１２は、本実施形態の変形例に係る燃料電池ユニット８５を示す。燃料電池ユニット８５のアノード冷却部１６は、第２の冷却ファン６６を備えている。第２の冷却ファン６６の排気孔には、配管８６の一端が取り付けられている。配管８６の他端は、ＤＭＦＣユニット７の排気管５７の側方を向いて延び、排気管５７を向いて開口している。配管８６は、第２の冷却ファン６６が排出する排気を排気管５７に向けて放出する。
【００７１】
このような燃料電池ユニット８５によれば、燃料電池ユニット８５内での結露の防止をさらに図ることができる。すなわち、アノード冷却部１６の放熱フィン６７は、第２の凝縮器６５を通過するアノード循環液により暖められている。したがって、放熱フィン６７の周囲の空気も放熱フィン６７により暖められている。
【００７２】
第２の冷却ファン６６は、放熱フィン６７により暖められた空気を放熱フィン６７の周囲から取り除くように吸い込み、吸い込んだ空気を配管８６を通じて排気管５７の周囲へと送り出す。すなわち第２の冷却ファン６６は、放熱フィン６７を送風冷却した後の風流で、排気管５７を送風加熱する。
【００７３】
これにより排気管５７は加熱され、排気管５７内の排気ガスの温度が上昇する。排気ガスの温度が上昇すると、上述したように排気ガスの相対湿度が低くなり、結露がさらに生じにくくなる。なお、第２の冷却ファン６６に配管８６を設けることは、気体供給機構８２を有さない燃料電池ユニットにも単独で適用することができる。
【００７４】
次に本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニット９１について、図１３を参照して説明する。なお、第１および第３の実施形態に係る燃料電池ユニット１，８１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７５】
図１３に示すように、燃料電池ユニット９１は、熱交換部６３および気体供給機構８２を備える。すなわち燃料電池ユニット９１は、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１と第３の実施形態に係る燃料電池ユニット８１とを組み合わせたものである。
【００７６】
このような構成の燃料電池ユニット９１によれば、燃料電池ユニット９１内での結露の防止を図ることができる。すなわち第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１と同様に、発電時にＤＭＦＣスタック１４に生じる熱の一部を排気管５７に伝熱することで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。
【００７７】
さらに、気体供給機構８２により相対湿度の低い気体を排気ガスに混入してやることで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。これにより、第１および第３の実施形態に比べて、排気ガス中に含まれる液分が排気管５７内で結露することをより効果的に防止することができる。
【００７８】
次に本発明の第５の実施形態に係る燃料電池ユニット１０１について、図１４を参照して説明する。なお、第１ないし第３の実施形態に係る燃料電池ユニット１，７１，８１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７９】
図１４に示すように、燃料電池ユニット１０１は、熱交換部７２および気体供給機構８２を備える。すなわち燃料電池ユニット１０１は、第２の実施形態に係る燃料電池ユニット７１と第３の実施形態に係る燃料電池ユニット８１とを組み合わせたものである。
【００８０】
このような構成の燃料電池ユニット１０１によれば、燃料電池ユニット１０１内での結露の防止を図ることができる。すなわち第２の実施形態に係る燃料電池ユニット７１と同様に、発電時にＤＭＦＣスタック１４に生じる熱の一部を排気管５７に伝熱することで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。
【００８１】
さらに、気体供給機構８２により相対湿度の低い気体を排気ガスに混入してやることで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。これにより、第２および第３の実施形態に比べて、排気ガス中に含まれる液分が排気管５７内で結露することをより効果的に防止することができる。
【００８２】
次に本発明の第６の実施形態に係る燃料電池ユニット１１１について、図１５を参照して説明する。なお、第１ないし第３の実施形態に係る燃料電池ユニット１，７１，８１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８３】
図１５に示すように、燃料電池ユニット１１１は、熱交換部６３および気体供給機構１１２を備えている。気体供給機構１１２は、気体供給管１１３を有する。気体供給管１１３の上流端は、空気供給管３５の途中から分岐している。気体供給管１１３の下流端は、排気管５７に連通している。
【００８４】
さらに気体供給管１１３は、アノード冷却部１６の放熱フィン６７に熱的に接続されている。すなわち、気体供給管１１３には、放熱フィン６７を介してカソード循環液の熱が移動され、気体供給管１１３内を通過する空気が暖められる。
【００８５】
なお、本実施形態において気体供給管１１３は、フィルタ５８の上流部で排気管５７に合流している。しかしながら気体供給管１１３は、フィルタ５８の下流部で排気管５７に合流しても良い。
【００８６】
このような構成の燃料電池ユニット１１１によれば、燃料電池ユニット１１１内での結露の防止を図ることができる。第３の実施形態に係る燃料電池ユニット８１と同様に、気体供給機構１１２により相対湿度の低い気体を排気ガスに混入してやることで、排気ガスの相対湿度を低下させることができる。これにより、排気ガス中に含まれる液分が排気管５７内で結露することを防止することができる。
【００８７】
さらに、気体供給管１１３が放熱フィン６７に熱的に接続されていると、気体供給管１１３から混入される空気によって排気ガスが暖められ、燃料電池ユニット１１１内での結露の防止をさらに図ることができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、熱交換部６３が設けられているが、これに代えて熱交換部７２を設けても良い。さらに第３の実施形態に係る燃料電池ユニット８１のように、熱交換部６３，７２と組み合わせることなく、気体供給機構１１２を単独で設けても良い。
【００８９】
以上、第１ないし第６の実施形態に係る燃料電池ユニット１，７１，８１，９１，１０１，１１１について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られない。例えば、第１ないし第６の実施形態に係る構成部品を発明が適用される燃料電池ユニットの大きさや用途に合わせて、適宜選択的に組み合わせても良い。
【００９０】
例えば気体供給機構は、空気供給管３５から分岐した気体供給管８３，１１３を有さずに、専用の吸気孔および送気ポンプを備えた気体供給管を用いても良い。
【００９１】
本発明が適用される燃料電池ユニットは、ＤＭＦＣに限らず、例えばエタノールのような他のアルコール類や、その他の液体燃料を取扱う燃料電池ユニットにも適用可能である。さらに本発明は、ポータブルコンピュータ用の燃料電池ユニットに限らず、例えば携帯電話やデジタルカメラのような電子機器や、自動車のような車両用の燃料電池ユニットにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニットの斜視図。
【図２】図１中に示された燃料電池ユニットにポータブルコンピュータを載置した状態を示す斜視図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るＤＭＦＣユニットの斜視図。
【図４】図１中に示された燃料電池ユニットを模式的に示す断面図。
【図５】図１中に示された燃料電池ユニットの排気部回りの断面図。
【図６】図５中に示された燃料電池ユニットのＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図７】図５中に示された熱交換部の断面図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニットの断面図。
【図９】図８中に示された熱交換部を一部断面で示す斜視図。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットを模式的に示す断面図。
【図１１】図１０中に示された燃料電池ユニットの排気部回りの断面図。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットの変形例を示す断面図。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニットを模式的に示す断面図。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池ユニットを模式的に示す断面図。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池ユニットを模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００９３】
１…燃料電池ユニット、６…筐体、１３…吸気部、１４…ＤＭＦＣスタック、１５…カソード冷却部、１６…アノード冷却部、１７…排気部、３５…空気供給管、４１…カソード、４２…アノード、５６…排気口、５７…排気管、６１…燃料戻し管、６２…熱交換配管、６３…熱交換部、６５…第２の凝縮器、６７…放熱フィン、７１…燃料電池ユニット、７２…熱交換部、８１…燃料電池ユニット、８２…気体供給機構、８３…気体供給管、１１２…気体供給機構、１１３…気体供給管。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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