(57)【要約】【課題】非凝縮性ガスによって、ダイレクトアルコール型燃料電池の発電部へ安定して燃料を供給すること。【解決手段】液状のガス発生剤３を透過させずに気体を透過させる多孔質部材１に、触媒反応によって液状のガス発生剤３から非凝縮性ガス２を発生させる触媒４を固定化させ、発生した非凝縮性ガス２によって燃料を圧送して発電部に供給する。その結果、発電部の燃料消費に依存せずに安定的に燃料を供給できる。また、発電部の燃料消費に依存しないので、起動時の発電開始を早めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状のガス発生剤から触媒反応によって非凝縮性ガスを発生させ、その非凝縮性ガスによって燃料を加圧して発電部に輸送するダイレクトアルコール型燃料電池において、
前記触媒が固定されるとともに、かつ前記液状のガス発生剤を透過させずに前記非凝縮性ガスを透過させる多孔質部材が、前記非凝縮性ガスを前記燃料に対して供給する管路中に配置されていること
を特徴とするダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構。
【請求項２】
前記多孔質部材は、一方の端部が閉じかつ他方の端部が開口した有底円筒状に形成され、かつ前記非凝縮性ガスを前記燃料に送る管路中に同心状に挿入されて該管路の上流側と下流側とを区画していることを特徴とする請求項１に記載のダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構。
【請求項３】
前記多孔質部材は、多孔質セラミックによって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ用などの小型の機器から自動車および家庭用などの大型機器に至る各種の電気機器の電源として用いることのできる燃料電池に関し、特にその燃料供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイレクトアルコール型の燃料電池は、比較的低い温度での発電が可能なこと、可燃性ガスを使用する燃料電池と比較して、液体燃料を用いるために燃料のエネルギ密度が高いこと、またその結果として燃料容器が小型化できること、さらには貯蔵の難しい水素ガスを燃料に用いないなどのことから、燃料電池全体の構成を小型化することができるなどの特徴を有する。したがって今後ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラなどの小型携帯型の機器用電源として有望視される燃料電池である。
【０００３】
従来のダイレクトアルコール型の燃料電池は、水素ガスを燃料とした燃料電池と比較して発電される電力が小さいなどの問題があり、発電電力の向上が課題になっている。
【０００４】
液体燃料としてメタノールを用いたダイレクトメタノール型燃料電池は電池本体への燃料供給方法によって液体燃料をそのまま電池本体に供給する液体供給型と、気化させたメタノールを電池本体に供給する気化供給型とに大別される。
【０００５】
前者の液体供給型のメタノール燃料電池は、電池本体の燃料側にメタノールを供給した場合、そのメタノールはメッシュ状の金属で構成された電極を透過し、さらに多孔質で構成されたガス拡散層を透過して触媒層に到達する。白金／ルテニウムの混合物によって構成された触媒層にメタノールとそれと同量以上の水分が到達あるいは触媒層に存在すると、メタノールは二酸化炭素、プロトン、電子に分解される。
ＣＨ３ＯＨ  +  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２+  ６Ｈ+  +  ６ｅ−
この時発生した二酸化炭素は、燃料が透過してきたガス拡散層および電極を通って外部へ放出される。また発生したプロトンは電解質膜中を透過し、空気供給側に移動する。さらにまた発生した電子は、導電体である多孔質のガス拡散層を透過して電極で捕捉され、反対側（空気供給側）の電極との間に形成した回路中を移動して電気を発生する。
【０００６】
電極の構造は、液体と気体とを透過させやすく、さらに電気を捕捉しやすいようにメッシュ状が望ましい。また電極の材料には、電気的腐食を受けないように白金あるいは金などの貴金属によってメッキ処理が施されたチタンあるいは鉄あるいは銅などの金属が望ましい。
【０００７】
ガス拡散層は、電極と同様に液体と気体とを透過させやすくさらに電気の良導体であるカーボン繊維やカーボン紙などが望ましい。さらに望ましくは、ガス拡散層を構成する素材は、液体を透過させやすいよう水和処理を施しておくとよい。水和処理は酸化錫などをカーボン繊維などを含浸させることが一般的である。
【０００８】
空気供給側では、標準気圧によって吸入した空気中に含まれる酸素が、空気供給側の電極およびガス拡散層を経て触媒層に到達し、燃料供給側から移動してきたプロトンと電解質膜において、電子とともに反応して水が生成する。
３／２Ｏ２  ＋６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ
【０００９】
上述した一般的なメタノール燃料電池において、必要とする電力を安定的に取り出そうとする場合に、液体状態のメタノールを標準気圧下で外部からの動力を用いずに供給することは、必要とする電力を安定的に取り出すためには不十分である。そのため従来では、小型ポンプを用いて、メタノールの流量を制御しながら強制的に燃料電極へ供給している。
【００１０】
ところで携帯電話のような携帯型の小型電子機器に同様の燃料電池を用いようとした場合には、上記のような燃料供給用ポンプはその大きさの観点から採用することはできない。また一般的に、ポンプを制御するためには電力が必要であり、燃料電池で発電した電力の一部をポンプの駆動に用いた場合には、燃料電池全体としての出力電力の低下を招く。
【００１１】
後者の気化供給型のメタノール燃料電池は、従来ポンプによって送液されたメタノールを気化させて、ブロワによって供給する方法が知られている。また電極反応性能は液体供給型と比較して高いが、この方法においても気化器などの補器を設ける必要があり、装置の大型化を招く。
【００１２】
従来ではポンプに替えて毛管作用の生じるウィック構造の燃料供給媒体を用いることが提案されている。ウィック構造を用いることにより、従来の燃料電池のようなアクティブ構造ではなく、パッシブ構造を採用することができる。また燃料の供給に関するエネルギの供給を極力抑え、かつ燃料供給構造をも小さく抑えることができるため、前述した小型携帯型の機器用電源としての可能性をより高めることができる。
【００１３】
ウィック構造の燃料供給媒体を提案した例が下記の特許文献に記載されている。特許文献１および２には、液体燃料を毛細管現象を用いてスタックに導入するように構成されている。またスタックに導入された液体燃料は、発電部の反応熱によって気化されて発電部に供給される。気化された燃料を供給することにより、電極反応性を高めて出力電力が向上されるように構成されている。また燃料気化層内の気体燃料は、ほぼ飽和状態に保たれる。そのため電池反応による燃料の消費分だけ液体燃料が気化される。さらに気化した分だけ液体燃料が毛細管現象によって単電池内に導入される。
【００１４】
また特許文献２には、特許文献１の構成に加えて、燃料収容容器内に封入したバネなどの機械的圧力によって、燃料収容容器内部の圧力を一定に保つように構成されている。
【００１５】
【特許文献１】特許第３４４２６８８号公報
【特許文献２】特許第３６６８０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１および２に記載された燃料電池は、燃料収容容器内部の圧力を一定に保ち、ウィックの毛細管現象によって液体燃料を押し出してスタックに導入するように構成されている。そのため燃料供給量は燃料消費量に連動しているので、燃料供給量は発電部の燃料消費量に依存する。また燃料電池の起動時に燃料供給量不足を生じる虞がある。さらにまた燃料供給量の調整をおこなうためには、単電池の面積を増減させる必要がある。
【００１７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、発電部の燃料消費量に依存せずに安定して燃料を供給することが可能なダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、液状のガス発生剤から触媒反応によって非凝縮性ガスを発生させ、その非凝縮性ガスによって燃料を加圧して発電部に輸送するダイレクトアルコール型燃料電池において、前記触媒が固定されるとともに、かつ前記液状のガス発生剤を透過させずに前記非凝縮性ガスを透過させる多孔質部材が、前記非凝縮性ガスを前記燃料に対して供給する管路中に配置されていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記多孔質部材は、一方の端部が閉じかつ他方の端部が開口した有底円筒状に形成され、かつ前記非凝縮性ガスを前記燃料に送る管路中に同心状に挿入されて該管路の上流側と下流側とを区画していることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記多孔質部材は、多孔質セラミックによって形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、液状のガス発生剤が多孔質部材を透過しないので、液状のガス発生剤と多孔質部材に固定された触媒との反応効率を向上させることができる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、多孔質部材は有底円筒状に形成されているので、触媒を平面上に固定した場合と比較して、触媒を固定させる面積を増大させることができる。また燃料に対して非凝縮性ガスを供給する管路に挿入されているので、省スペース化を図ることができる。さらにまた多孔質部材は有底円筒状に形成され管路に挿入されているので、その形状から管路の上流側と下流側とを区画することができる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明による効果と同様の効果に加えて、多孔質部材は多孔質セラミックによって形成されているので、形状設計の自由度が得られ、組み付け性の向上を図ることができる。また材質がセラミックであるから、耐熱性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
つぎにこの発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構を実施例に基づいて説明する。図１に、この発明における多孔質部材１を模式的に示してある。この発明に係る機構は、燃料であるアルコールを非凝縮性ガス２によって圧送して図示しない発電部へ供給する。この発明における多孔質部材１は、非凝縮性ガス２を発生させる液状のガス発生剤３を透過させず、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス２を透過させることができる多孔構造を有している。これらの孔または表面には、触媒反応によって液状のガス発生剤３から非凝縮性ガス２を発生させる触媒４が固定化されている。そのため例えば内壁面１ａに液状のガス発生剤３が接触した場合は、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス２が多孔質部材１を透過して外壁面１ｂから管路５に導出される。これとは反対に外壁面１ｂに接触した場合は、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス２が多孔質部材１を透過して内壁面１ａから管路５に導出される。その結果、液状のガス発生剤３は多孔質部材１を透過しないので、未反応の液状のガス発生剤３が漏出することを防止もしくは抑制することができる。
【００２５】
図２には、上記の多孔質部材１が非凝縮性ガス２を供給する管路５に挿入された例を模式的に示してある。この多孔質部材１と管路５との間に生じる間隙は、液状のガス発生剤３を漏出させないようにＯリング６などのシール材６によって埋められている。また多孔質部材１の内壁１ａに接触してウィック７が挿入されている。そのため液状のガス発生剤３はウィック７の生じる毛細管力によって送液される。ウィック７の生じる毛細管力によって送液された液状のガス発生剤３が内壁面１ａに接触した場合に、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス２が多孔質部材１を透過して外壁面１ｂから管路５に導出される。これとは反対に外壁面１ｂに接触してウィック７が設けられた場合には、ウィック７によって外壁面１ｂに液状のガス発生剤３が供給され、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス２が多孔質部材１を透過して内壁面１ａから管路５に導出される。その結果、多孔質部材１と管路５との間に生じる間隙はＯリング６などのシール材６によって埋められるので、未反応の液状のガス発生剤３が漏出することを防止もしくは抑制することができる。また触媒反応によって発生させた非凝縮性ガス２が逆流することを防止もしくは抑制することができる。さらにまた、液状のガス発生剤３の供給にウィック７が用いられるので、液状のガス発生剤３を滞らせずに供給することができる。
【実施例】
【００２６】
図３には、この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構の酸素発生量の評価装置を模式的に示してある。液状のガス発生剤３は、ガス発生剤タンク８に貯留されるように構成されている。またガス発生剤３は、毛細管力を有するウィック７によって管路５の内部に挿入された多孔質部材１に導入されるように構成されている。多孔質部材１に導入されて、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス２の量を水上置換法によってビーカー９に収集して計測した。図４は、図３において、管路５に挿入した多孔質部材１およびウィック７の簡略化した拡大図を示してある。
【００２７】
液状のガス発生剤３には、水を用いて希釈した３ｖｏｌ％の過酸化水素水３を使用した。過酸化水素３を分解し、非凝縮性ガス２を発生させる触媒４には二酸化マンガン４を用いた。過酸化水素３は二酸化マンガン４の触媒作用によって分解されて非凝縮性ガス３である酸素３を発生させる。
２Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ  +  Ｏ２
【００２８】
二酸化マンガン４は、多孔質部材１に焼結によって固定化させた。具体的には、１０ｖｏｌ％の濃度となるようにエタノールを用いて希釈された硝酸マンガン（六水和物）に、あらかじめ洗浄された多孔質部材１を３０分間浸漬して１０５℃にて１時間乾燥させた後に、酸素雰囲気下、４００℃にて１時間加熱して担持させた。
Ｍｎ（ＮＯ２）  →  ＭｎＯ２  ＋  ＮＯ２
なお過酸化水素３を分解する触媒４に、二酸化マンガン４以外では白金を用いてもよい。また多孔質部材１には、平均孔径１０μｍに調整されたアルミナ製チューブ１を用いた。
【００２９】
図５に、上記のように構成したアルミナ製チューブ１の酸素発生量を示してある。比較対象として、上記のアルミナ製チューブ１の長さを基準として、同長のガラス製ウィックｅｘ１および１．５倍の長さのガラス製ウィックｅｘ２ならびに２倍の長さのガラス製ウィックｅｘ３に上記と同様の方法によって二酸化マンガン４を固定化して評価した。なお、ガラス製ウィックの太さはアルミナ製チューブ１と同径とした。その結果、ウィック７に触媒４を固定化した場合と比較して、多孔質部材１に触媒４を固定化した場合の酸素発生量が最も多かった。すなわち過酸化水素水３の触媒４による分解量は触媒４の量に依存し、特に触媒４が固定化される表面積に依存するので、多孔質部材１の有効面積が広いと言える。言い換えるとウィック７に触媒４を固定化した場合と比較して、多孔質部材１は触媒４の固定化される有効面積が大きいので、充分な酸素発生量を確保できる。また有効面積が大きいので、燃料電池の小型化に寄与することができる。
【００３０】
図６にアルミナ製チューブ１の平均孔径を調整し、管路５と多孔質部材１との間に生じる間隙から過酸化水素水３の漏出の有無を確認した結果を示してある。触媒４を固定した後に測定した平均孔径が５０μｍよりも小さい場合には、間隙から過酸化水素水３の漏出は認められなかった。これとは反対に、平均孔径が５０μｍよりも大きい場合には、間隙からの過酸化水素水３の漏出が認められた。過酸化水素水３が間隙から漏出すると、多孔質部材１に固定された触媒４と過酸化水素水３との接触量が少なくなるので、酸素発生量が低下する。そのため多孔質部材１の平均孔径を５０μｍよりも小さく調整することによって、触媒４と過酸化水素水３との触媒反応を最適化することができる。
【００３１】
なお、前述した例では多孔質部材１にアルミナを用いた例を示したが、平均孔径が図５に示す範囲に調整できるその他の材質を用いてもい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明における多孔質部材を模式的に示す図である。
【図２】この発明における多孔質部材の配置例を模式的に示す図である。
【図３】この発明における多孔質部材の非凝縮性ガス発生量を評価する装置を模式的に示す図である。
【図４】管路に挿入した多孔質部材およびウィックを模式的に示す図である。
【図５】この発明における多孔質部材の酸素発生量を模式的に示す図である。
【図６】この発明における多孔質部材の平均孔径と過酸化水素水の漏出の有無との関係を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…多孔質部材、  ２…非凝縮性ガス、  ３…ガス発生剤、  ４…触媒、  ５…管路。
【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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