(57)【要約】【課題】本発明は、吸気口が排気口から放出される不純物を含む酸素濃度の低い気体を吸い込み難くなり、発電効率の低下を防止できる燃料電池装置を得ることにある。【解決手段】燃料電池装置(1)は、燃料極(14)および空気極(15)を有する燃料電池(8)と、燃料電池(8)の燃料極(14)に燃料を供給する燃料供給路(18)と、発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口(25)と、燃料電池(8)の空気極(15)から吐出される発電後の気体を大気中に排出する排出口(35)とを備えている。吸気口(25)と排気口(35)とは、互いに異なる方向を向くように開口している。【選択図】図３
2007005050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および空気極を有する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給路と、
発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口と、
上記燃料電池の空気極から吐出される発電後の気体を大気中に排出する排気口と、を具備し、
上記吸気口と上記排気口とは、互いに異なる方向に向けて開口することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、上記吸気口は、空気供給路を介して上記燃料電池の空気極に接続されるとともに、上記空気供給路は、上記吸気口から吸い込んだ空気を上記空気極に送り込む送気ポンプを有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
請求項２の記載において、上記燃料電池および上記送気ポンプは、上記吸気口と上記排気口との間に位置することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２の記載において、上記発電後の気体は、ファンを介して上記排気口から排出されることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
燃料極および空気極を有する燃料電池と、
燃料供給源から供給される燃料と上記燃料電池から排出される排出物質とを混合することで希釈燃料を生成する混合タンクと、
上記混合タンクで生成された希釈燃料を上記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給路と、
大気中に開口する吸気口を有し、発電に供する空気を上記吸気口から吸い込むとともに、この吸い込んだ空気を送気ポンプを介して上記燃料電池の空気極に送り込む空気供給路と、
上記燃料電池の空気極から吐出される発電後の気体をファンを介して大気中に排出する排気口を有する排気通路と、を具備し、
上記吸気口と上記排気口とは、互いに異なる方向に向けて開口することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項６】
請求項５の記載において、上記排出物質は、上記燃料電池の燃料極から排出される未反応の希釈燃料であることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項７】
請求項５の記載において、上記排出物質は、上記燃料電池の空気極から排出される水蒸気であることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばメタノールおよび空気を燃料ポンプや送気ポンプを用いて燃料電池に供給するダイレクトメタノール型の燃料電池装置に関する。
【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のうち、例えばメタノール水溶液を循環させ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と称する）は、水素を燃料とする燃料電池装置に比べて燃料の取り扱いが容易で、かつシステム全体が簡易であることから、電子機器用の電源として好ましいものとなる。
【０００３】
従来のＤＭＦＣは、燃料極、空気極および電界質膜を有するＤＭＦＣスタックと、このＤＭＦＣスタックの燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給路と、ＤＭＦＣスタックの空気極に空気を供給する空気供給路とを備えている。空気供給路は、発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口を有している。
【０００４】
ＤＭＦＣスタックの燃料極では、メタノールが水と反応して酸化され、二酸化炭素、水素イオンおよび電子が生成される。水素イオンは、電界質膜を透過して空気極に到達する。空気極では、空気中の酸素が水素イオンおよび電子と結合して還元され、水を生成する。この時、燃料極および空気極間に接続された外部回路に電子が流れて、発電動作が実行されるようになっている。
【０００５】
ところで、上記ＤＭＦＣによると、燃料極で生成された二酸化炭素および空気極から吐出される湿気を含む空気は、夫々排気通路に導かれるとともに、この排気通路を流れる過程で互いに混じり合って排気口から大気中に放出される。さらに、発電に供することなく電界質膜を透過したメタノールの一部および酸化反応により生じたアセトアルデヒドのような副生成物質も排気通路に流れ込み、排気口から大気中に放出される。
【０００６】
従来のＤＭＦＣでは、吸気口および排気口は、ＤＭＦＣスタックやその他の構成要素を収容するケースの上部に形成されている。このケースの上部は、天蓋で蓋をするように覆われている。このため、吸気口および排気口は、天蓋で覆われるとともに、ケースの上部と天蓋とで囲まれる共通の空間に開口している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−２６４１９９号公報（段落番号００１１〜００１３、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＤＭＦＣの排気口から放出される気体は、二酸化炭素、メタノールおよび副生成物等のような新鮮な空気とは組成が異なる不純物を含んでいる。不純物は空気極での酸化反応を阻害するとともに、この不純物を含む気体は、発電に必要な酸素の濃度が低い。
【０００８】
ところが、上記特許文献１の構成によると、排気口は、吸気口から離れてはいるものの、ケースの上部と天蓋とで囲まれる共通の空間に開口している。そのため、排気口から排出された気体が大気中に拡散せずに再び吸気口に吸い込まれてしまい、この気体がＤＭＦＣスタックの空気極に供給されるのを避けられない。
【０００９】
この結果、ＤＭＦＣスタックの発電性能が低下し、ＤＭＦＣの出力を高めることができなくなるといった不具合がある。
【００１０】
本発明の目的は、吸気口が排気口から排出される不純物を含む酸素濃度の低い気体を吸い込み難くなり、発電性能の低下を防止できる燃料電池装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係る燃料電池装置は、  
燃料極および空気極を有する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給路と、発電に供する空気を大気中から吸い込む吸気口と、上記燃料電池の空気極から吐出される発電後の気体を大気中に排出する排気口とを備えており、  
上記吸気口と上記排気口とは、互いに異なる方向に向けて開口することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、不純物を含む気体は、吸気口とは異なる方向に排出され、吸気口が排気口から排出される気体を再び吸い込み難くなる。そのため、発電性能の低下を防止でき、高出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、例えばメタノールを燃料とするアクティブ型のＤＭＦＣ１を開示している。このＤＭＦＣ１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している。
【００１５】
ＤＭＦＣ１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箱状をなしている。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の上面に電源コネクタ５が配置されている。電源コネクタ５は、載置部４の上にポータブルコンピュータ２を載せた時に、このポータブルコンピュータ２に電気的に接続されるようになっている。
【００１６】
図３および図４に示すように、装置本体３は、燃料カートリッジ６、混合タンク７、ＤＭＦＣスタック８、第１の凝縮器９および第２の凝縮器１０を収容している。燃料カートリッジ６は、燃料供給源の一例であり、例えば燃料としての高濃度メタノールを収容している。燃料カートリッジ６は、装置本体３の長手方向に沿う一端部に取り外し可能に支持されて、交換が可能となっている。燃料カートリッジ６は、カバー３ａによって覆われている。カバー３ａは、燃料カートリッジ６の交換作業を容易に行えるように、装置本体３の一端部に取り外し可能に支持されている。
【００１７】
燃料カートリッジ６は、第１の燃料供給管１２を介して混合タンク７に接続されている。第１の燃料供給管１２は、高濃度メタノールを混合タンク７に送り込む燃料ポンプ１３を有している。混合タンク７は、高濃度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ためのものであり、上記燃料カートリッジ６に隣接している。
【００１８】
ＤＭＦＣスタック８は、メタノールの化学反応を利用して発電を行う燃料電池の一例である。ＤＭＦＣスタック８は、燃料極（アノード）１４と、空気極（カソード）１５と、これら両極１４，１５の間に介在された電界質膜１６とを有している。ＤＭＦＣスタック８は、装置本体３の長手方向に沿う中間部に位置している。
【００１９】
ＤＭＦＣスタック８の燃料極１４は、第２の燃料供給管１８を介して上記混合タンク７に接続されている。第２の燃料供給管１８は、燃料供給路の一例であり、燃料極１４の一端に接続されているとともに、混合タンク７内のメタノール水溶液を燃料極１４に送り込む送液ポンプ１９を有している。
【００２０】
燃料極１４の他端は、燃料戻し管２０を介して混合タンク７に接続されている。燃料戻し管２０は、燃料極１４から排出される未反応のメタノール水溶液や燃料極１４での酸化反応により生成された二酸化炭素を混合タンク７に戻すためのものである。未反応のメタノール水溶液および二酸化炭素は、燃料極１４から排出される排出物質の一つであり、燃料極１４から排出された直後では、ＤＭＦＣスタック８の発電動作時の熱影響を受けてメタノール水溶液の水温が６０℃以上となっている。
【００２１】
上記第１の凝縮器９は、燃料戻し管２０の途中に介在されている。第１の凝縮器９は、燃料極１４から混合タンク７に戻るメタノール水溶液を冷却するためのものである。第１の凝縮器９は、メタノール水溶液が流れる管２１と、この管２１に熱的に接続された複数の放熱フィン２２とを有している。
【００２２】
ＤＭＦＣスタック８の空気極１５は、空気供給管２４を介して吸気口２５に接続されている。吸気口２５は、発電に供する空気を大気中から吸い込むためのものであり、上記燃料カートリッジ６と隣り合うように装置本体３の一端部に位置している。この装置本体３は、吸気口２５に対応する位置に複数の通気孔３ｂを有している。
【００２３】
空気供給管２４は、空気供給路の一例であり、空気極１５の一端に接続されている。空気供給管２４は、吸気口２５から吸い込んだ空気を空気極１５に送り込む送気ポンプ２６を有している。送気ポンプ２６は、燃料カートリッジ６とＤＭＦＣスタック８との間に位置している。
【００２４】
上記第２の凝縮器１０は、排気通路としての排気管２７を介して空気極１５の他端に接続されている。第２の凝縮器１０は、空気極１５から排出される水蒸気や水のような物質を冷却するためのものであり、排気管２７の下流端に接続されている。第２の凝縮器１０は、回収タンク２８を有している。回収タンク２８は、空気極１５から排出される水および水蒸気から回収された水を貯溜するためのものであり、第２の凝縮器１０で水分が分離された気体成分は、第２の凝縮器１０から大気中に放出される。
【００２５】
回収タンク２８は、回収管２９を介して燃料戻し管２０に接続されている。回収管２９は、回収タンク２８に貯えられた水を燃料戻し管２０を介して混合タンク７に送り込む回収ポンプ３０を有している。
【００２６】
さらに、排気管２７は、空気極１５と第２の凝縮器１０との間で分岐された分岐管３１を有している。分岐管３１の上流端は混合タンク７に接続されている。分岐管３１は、混合タンク７に戻された二酸化炭素を排気管２７を経由して第２の凝縮器１０に導くためのものである。第２の凝縮器１０に導かれた二酸化炭素は、第２の凝縮器１０から大気中に放出される。
【００２７】
図４に示すように、第１の凝縮器９および第２の凝縮器１０は、上記装置本体３の他端部に設置されており、上記燃料カートリッジ６に対しＤＭＦＣスタック８を間に挟んだ反対側に位置している。第１および第２の凝縮器９，１０は、互いに間隔を存して向かい合っており、これら凝縮器９，１０の間に第１のファン３３および第２のファン３４が配置されている。
【００２８】
したがって、本実施の形態では、燃料カートリッジ６、混合タンク７、送気ポンプ２６、ＤＭＦＣスタック８、第１および第２の凝縮器９，１０は、装置本体３の長手方向に沿って一列に並んでいる。
【００２９】
第１のファン３３は、第１の凝縮器９に重なり合っている。第１のファン３３が動作すると、第１の凝縮器９を通り抜けて第１のファン３３に向うような冷却風の流れが形成され、この冷却風により第１の凝縮器９が冷却される。第１の凝縮器９を冷却した冷却風は、第１のファン３３の吐出口３３ａから吐き出される。
【００３０】
第２のファン３４は、第２の凝縮器１０に重なり合っている。第２のファン３４が動作すると、第２の凝縮器１０を通り抜けて第２のファン３４に向うような冷却風の流れが形成され、この冷却風により第２の凝縮器１０が冷却される。第２の凝縮器１０を冷却した冷却風は、第２のファン３４の吐出口３４ａから吐き出される。さらに、第２の凝縮器１０から排出される二酸化炭素のような不純物にしても、冷却風の流れに乗じて吐出口３４ａから吐き出される。
【００３１】
図４に示すように、第１および第２のファン３３，３４の吐出口３３ａ，３４ａは、装置本体３の他端を指向するように開口している。これら吐出口３３ａ，３４ａの開口方向は、上記吸気口２５の開口方向とは逆向きとなっている。
【００３２】
装置本体３は、その他端に排気口３５を有している。排気口３５は、第１および第２のファン３３，３４の吐出口３３ａ，３４ａと向かい合うとともに、上記吸気口２５とは異なる方向に向けて開口している。吐出口３３ａ，３４ａから吐き出される冷却風および二酸化炭素のような不純物は、排気口３３を通じて装置本体３の外に排出される。
【００３３】
図３に示すように、ＤＭＦＣ１は、制御部４０を有している。制御部４０は、例えば混合タンク７内で生成されるメタノール水溶液の濃度および液量を制御したり、ポータブルコンピュータ２との間で情報をやりとりして、ポータブルコンピュータ２に供給する電力を制御するためのものである。制御部４０は、ＤＭＦＣ１の載置部４に収容されているとともに、電源コネクタ５およびＤＭＦＣスタック８に電気的に接続されている。
【００３４】
メタノール水溶液の濃度は、燃料カートリッジ６から混合タンク７に供給される高濃度メタノールの量、ＤＭＦＣスタック８の燃料極１４から戻される未反応のメタノール水溶液の量およびＤＭＦＣスタック８の空気極１５から戻される水の量を制御部４０で制御することにより調節される。
【００３５】
具体的には、混合タンク７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４１と、メタノール水溶液の温度を検出する温度センサ４２と、メタノール水溶液の濃度を検出する濃度センサ４３とを備えている。各センサ４１，４２，４３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４０に送られる。制御部４０は、各センサ４１，４２，４３からの情報に基づいて、例えば燃料ポンプ１３や回収ポンプ３０を制御する。これにより、燃料カートリッジ６から混合タンク７に流入する高濃度メタノールの量および回収タンク２８から混合タンク７に流入する水の量が調節され、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。
【００３６】
次に、ＤＭＦＣ１の発電動作について説明する。
【００３７】
燃料カートリッジ６に貯えられた高濃度メタノールは、燃料ポンプ１３によって混合タンク７に送り込まれる。この混合タンク７には、ＤＭＦＣスタック８の空気極１５から回収された水およびＤＭＦＣスタック８の燃料極１４から排出される未反応の低濃度メタノールが戻される。そのため、高濃度メタノールは、混合タンク７内で水および低濃度メタノールと混じり合って希釈され、所定の濃度のメタノール水溶液が生成される。
【００３８】
混合タンク７で生成されたメタノール水溶液は、送液ポンプ１９によってＤＭＦＣスタック８の燃料極１４に送り込まれる。燃料極１４では、メタノールが水と反応して酸化され、水素イオン、二酸化炭素および電子を生成する。水素イオンは、ＤＭＦＣスタック８の電界質膜１６を透過して空気極１５に達する。
【００３９】
燃料極１４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９に導かれ、第１のファン３３から送られる冷却風により冷やされた後に、燃料戻し管２０を介して混合タンク７に戻される。混合タンク７に戻された二酸化炭素は、混合タンク７内で気化するとともに、分岐管３１から排気管２７に流入する。
【００４０】
一方、発電に供する空気は、吸気口２５から取り込まれるとともに、送気ポンプ２６を介してＤＭＦＣスタック８の空気極１５に送り込まれる。空気極１５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、水蒸気が生成される。この時、燃料極１４と空気極１５との間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。
【００４１】
空気極１５で生成された水蒸気は、排気管２７に流れ込むとともに、この排気管２７内で上記混合タンク７からの二酸化炭素と合流して第２の凝縮器１０に導かれる。第２の凝縮器１０では、第２のファン３４から送られる冷却風により水蒸気が冷却されて水となる。この水は回収タンク２８に一時的に貯溜される。水分が分離され、かつ二酸化炭素のような不純物を含む気体は、第２の凝縮器１０から排出されるとともに、この第２の凝縮器１０を通過した冷却風と共に第２のファン３４の吐出口３４ａから排気口３５に向けて吐き出される。
【００４２】
回収タンク２８に貯えられた水は、回収ポンプ３０を介して混合タンク７に送り込まれ、高濃度メタノールを希釈するための水として再利用される。
【００４３】
このようなＤＭＦＣ１によれば、発電に供する空気を吸い込む吸気口２５は、装置本体３の長手方向に沿う一端に位置するとともに、発電後にＤＭＦＣスタック８から吐き出される気体を排出する排気口３５は、装置本体３の他端に位置している。言い換えると、吸気口２５と排気口３５との間に混合タンク７、送気ポンプ２６、ＤＭＦＣスタック８、第１および第２の凝縮器９，１０が位置し、これら吸気口２５と排気口３５とが装置本体３の長手方向に互いに遠ざかっている。
【００４４】
しかも、吸気口２５と排気口３５とは、装置本体３５の長手方向に離間した位置で互いに逆方向を指向するように開口している。
【００４５】
このことから、排気口３５から発電に必要な酸素濃度が低く、かつ二酸化炭素やメタノールのような不純物を含む気体が排出されていても、この気体は吸気口２５とは逆方向に排出されるので、吸気口２５が排気口３５から排出される気体を吸い込み難くなる。
【００４６】
したがって、ＤＭＦＣスタック８の発電性能の低下を防止することができ、高出力を得ることができる。
【００４７】
なお、上記実施の形態では、吸気口と排気口とを互いに逆向きに開口させたが、本発明はこれに限定されない。例えば吸気口と排気口とを互いに直交するような向きで開口させるようにしてもよい。
【００４８】
さらに、本発明に係る燃料電池装置は、ポータブルコンピュータ用に限らず、例えば携帯形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】
【００４９】
【図１】本発明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】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置のブロック図。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置の断面図。
【符号の説明】
【００５０】
７…混合タンク、８…燃料電池（ＤＭＦＣスタック）、１４…燃料極、１５…空気極、１８…燃料供給路（第２の燃料供給管）、２５…吸気口、３４…ファン（第２のファン）、３５…排気口。
【図１】
2007005050.tif 000003
【図２】
2007005050.tif 000004
【図３】
2007005050.tif 000005
【図４】
2007005050.tif 000006