(57)【要約】液体型燃料電池において電極に液体燃料を供給するための燃料供給システム及び方法を開示する。液体燃料は、有効多孔質構造体を介して毛管力によって電極の反応面へと受動的に供給される。当該有効多孔質構造体は、燃料流を促進するような形状及び毛管力分布を有し、燃料を簡便に輸送及び貯蔵するために燃料カートリッジの一部とすることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体型燃料電池（２００又は２００’）における燃料供給用の装置であって、
液体型燃料電池の燃料貯蔵空間に適合する形状の有効多孔質構造体（２０１）を含み、前記有効多孔質構造体が、燃料と電極（２１１）を有する燃料電池の内側に配置されたとき、前記燃料を毛管作用によって前記電極に供給することができる、装置。
【請求項２】
前記有効多孔質構造体が前記電極と接する第１の面を有し、前記第１の面近傍の多孔質材料が、前記第１の面の近傍にない前記有効多孔質構造体における第２の毛管力よりも強い第１の毛管力をもたらす、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の毛管力が、前記有効多孔質構造体の前記第１の面近傍の前記多孔質材料の密度を高めるか又は前記有効多孔質構造体の前記第１の面近傍の前記多孔質材料上の前記燃料の濡れ角を小さくすることによって実現される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記有効多孔質構造体が、発泡材構造体である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
液体型燃料電池用の燃料カートリッジ（３０５）であって、
燃料と、
請求項１から４の何れか１項に記載の装置と、
非浸透性部材（３０３）と、
を含み、前記燃料が前記装置に貯蔵されており、且つ前記装置が燃料漏れを防ぐために前記非浸透性部材によって包囲されている、燃料カートリッジ（３０５）。
【請求項６】
前記燃料カートリッジが前記燃料電池内に配置されたときに前記燃料カートリッジと前記燃料電池（２００）との間に燃料通路を確立するコネクタ（３０７）をさらに含む、請求項５に記載の燃料カートリッジ。
【請求項７】
前記燃料通路を通る燃料流量が、（１）前記燃料電池に対する前記燃料カートリッジの位置又は（２）前記燃料電池上のコントローラ（３０９）によって制御される、請求項６に記載の燃料カートリッジ。
【請求項８】
受動的燃料供給システムを有する燃料電池（２００）であって、
電極（２１１）と、
請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料供給装置あるいは請求項５〜７の何れか１項に記載の燃料カートリッジのためのカートリッジホルダ（３０４）と、
を含み、
毛管作用により、燃料が前記燃料供給装置又は前記燃料カートリッジから前記電極に供給される、燃料電池（２００）。
【請求項９】
燃料電池（２００）において燃料を供給する方法であって、
電極（２１１）とカートリッジホルダ（３０４）を含む燃料電池を設けるステップと、
有効多孔質構造体（３０１）を有する燃料カートリッジ（３０５）を設けるステップと、
前記燃料電池の前記カートリッジホルダ内に前記燃料カートリッジを配置して、前記燃料カートリッジと前記燃料電池との間に接触を確立するステップと、
を包含し、前記接触により前記カートリッジから前記燃料電池への燃料流がもたらされ、前記燃料流が毛管力によって駆動される、方法。
【請求項１０】
前記燃料カートリッジと前記燃料電池との間の接触が、前記燃料カートリッジ上のコネクタ（３０７）と前記燃料電池内のレセプタクル（３０９）との間の相互作用によって確立される、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術分野は、概して燃料電池に関し、詳細には液体型燃料電池の燃料供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、触媒の存在下、燃料と酸化剤の組み合わせから生成される化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気化学装置である。燃料は、負極性を有する燃料極に供給され、酸化剤は、その反対の正極性を有する空気極に供給される。２つの電極は、燃料電池内でプロトンを燃料極から空気極に送る電解質によって接続されている。電解質は、酸性溶液ともアルカリ性溶液ともし得、あるいは高いイオン伝導性を特徴とする固体高分子イオン交換膜ともし得る。固体高分子電解質は、しばしば、プロトン交換膜（ＰＥＭ）と呼ばれる。
【０００３】
メタノールなどの液体燃料と、空気や純粋酸素などの酸素含有酸化剤とを使用する燃料電池では、メタノールが燃料極触媒層で酸化されてプロトンと二酸化炭素が生成する。プロトンは、ＰＥＭを通って燃料極から空気極に移動する。空気極触媒層では、酸素がプロトンと反応して水が生じる。この燃料電池における燃料極及び空気極反応は、以下の式で示される。
燃料極反応（燃料側）：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→６Ｈ+＋ＣＯ2＋６ｅ-    （Ｉ）
空気極反応（空気側）：３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ        （ＩＩ）
正味反応：ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2                （ＩＩＩ）
【０００４】
燃料電池の必須条件の１つは、電極に燃料を効率的に供給することである。米国特許第５，６３１，０９９号は、燃料電池の作動中に燃料の流れと水の除去を容易にする代表的なマイクロチャネルと配管の設計について述べている。米国特許第５，７６６，７８６号及び第６，２８０，８６７号は、燃料を電極に正確且つ再現可能に供給するポンプシステムについて述べている。これらの装置はすべて、製造と組み立てが困難且つ高価である複雑な構造の膜、ガスケット、チャネルを有し、漏れが発生した場合にシステム全体が破局的な故障を非常に受けやすい。要される材料及び労力に起因して、燃料電池の製造及び組み立てコストが非常に大きいことは容易に理解できよう。一般に、燃料電池コストの８５％は、製造コストによるものである。したがって、従来技術の燃料電池における構造の複雑さは、燃料電池技術が広く受け入れられるのを妨げている要因の１つである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さほど複雑でなく且つ故障しにくい改善された方式の燃料電池が、当技術分野において重要となる。特に燃料供給システムに関しては、費用効果の高い方式で燃料を効率的に供給できる供給システムが常に必要とされている。携帯型燃料電池などの用途には、配管とポンプを要さない受動的燃料供給システムがきわめて望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料電池の反応面に液体燃料を供給する方法を開示する。液体燃料は、有効多孔質構造体による毛管力によって電極の反応面に受動的に供給される。
【０００７】
一実施形態では、有効多孔質構造体は、燃料電池の燃料貯蔵空間内に差し込まれ、燃料を毛管作用によって燃料電池の電極に供給する。
【０００８】
別の実施形態では、有効多孔質構造体は、燃料カートリッジの一部である。当該燃料カートリッジは、燃料電池のカートリッジホルダ内に装填することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
さらに他の利点及び新規な特徴は、以下の説明において一部を説明し、また一部は、以下の説明を検討することで当業者に明らかになるか、本発明の実施によって習得することができよう。
【００１０】
詳細な説明では、図面を参照することとし、図面において同じ符号は同じ要素を指す。
【００１１】
毛管作用を利用して反応面に燃料を供給する受動的燃料供給システムを開示する。毛管作用とは、液体が細管の内側面に付着し、付着した液体と他の液体分子との間の凝集力によって細管内の液体が自発的に上昇することである。図１は、様々なサイズの管における毛管作用を示している。図示するように、毛管上昇は、管１０１の直径と関係している。管の直径が小さいほど液体面１０５からの液柱１０３の上昇が大きくなる。発泡材などの多孔質構造体が燃料容器内に配置されると、発泡材内の小径の孔の毛管作用によって、燃料が燃料液面高さよりも高く上昇して、発泡材内に毛管帯（capillary fringe）を形成する。一般に、毛管帯は、マクロ孔からミクロ孔までの様々な大きさの小孔からなる。毛管帯の下部では、小孔はすべて燃料で飽和している。毛管帯の上部では、燃料による飽和はミクロ孔だけに限られる。
【００１２】
発泡材内における燃料の毛管上昇は、次の式で表すことができる。
ρｇｈ＝［２σｃｏｓθe］／ｒe＝Ｐc
【００１３】
ここで、ρは燃料の密度であり、ｇは万有引力定数であり、ｈは発泡材の位置する容器内の燃料液面高さからの燃料の上昇高さである。記号σは燃料の表面張力を表し、θeは発泡材表面における燃料の有効平衡濡れ角（effective equilibrium wetting angle）を表し、ｒeは発泡材の有効孔径であり、Ｐcは毛管圧を表す。任意の所定の燃料の場合、ρとｇは共に一定であり、したがって、ｈは孔径ｒeに反比例し、小孔が小さいほど燃料の上昇が高くなる。さらに、他のすべてのパラメータが一定に維持されると仮定した場合、発泡材上の燃料濡れ角θeが小さくなるほど、発泡材内で燃料が上昇する高さが改善され、すなわち高くなる。濡れ角θeは、発泡材全体の表面の界面エネルギーを大きくすることによって小さくすることができる。界面エネルギーは、発泡材をフリーラジカル酸化プラズマ処理（free radical oxidation plasma process）にかけることによって大きくすることができる。
【００１４】
図２Ａは、燃料供給システムの一実施形態を示している。この実施形態では、多孔質構造体２０１は中空管の形であり、それによって、多孔質構造体２０１を、可撓形燃料電池２００の燃料容器として機能する外側空洞２０７に差し込むことができる。多孔質構造体２０１の内側面２０３が燃料極２１１に押し付けられ、それによって燃料を燃料極２１１の反応面２１３に直接供給することができる。
【００１５】
一般に、多孔質構造体２０１は、フェルト加工したポリウレタン発泡材や他の適切な多孔質材料の形態である。発泡材は、発泡材が所望の圧縮比の圧縮永久歪みを持つまで熱圧縮され、すなわちフェルト加工される。熱圧縮プロセスにおいて、発泡材は、圧縮荷重をかけられ融点近くまで加熱され、その後冷却され、結果、高い多孔率を有するより密度の高い発泡材となる。そのようにフェルト加工されるとき、発泡材は有効な多孔率を達成する。
【００１６】
あるいはまた、図２Ｂに示すように、可撓形燃料電池２００’は、燃料極２１１が内側空洞２０９と向かい合うように構成することができる。この事例では、多孔質構造体２０１は、可撓形燃料電池２００の内部空洞２０９内側に差し込むことのできる円筒形とし得る。多孔質構造体２０１の外側面２０５が、燃料極２１１の反応面２１３に押し付けられる。
【００１７】
両方の構成の場合に、多孔質構造体２０１の電極２１１と接する面における毛管力は、多孔質構造体２０１の他の部分の毛管力よりも大きく、それによって燃料が電極２１１に引き付けられる。毛管力は、（１）発泡材密度を高めることにより孔径を小さくしたり、（２）発泡材の界面エネルギーを大きくすることによって濡れ角を小さくしたり、又はその両方によって高めることができる。多孔質構造体２０１の外周に沿って発泡材をより密に圧縮することによって、発泡材密度を高めることができる。発泡材表面をガスプラズマ処理などの特殊な処理にかけることにより塊状重合体の内部に化学的活性な化学種を拡散させることによって、発泡材の界面エネルギーを高めることができる。より密な発泡材内の小孔を小さくするか又は濡れ角を小さくすることにより、燃料が、より高い毛管力によって電極２１１に引き付けられようになり、その結果、図２Ｂの実施形態において、多孔質構造体２０１の内部空洞２１７内の燃料が枯渇し始めた場合にも、燃料は電極２１１に送られて効率的に燃料が利用される。
【００１８】
当業者によって理解されるように、発泡材インサート２０１は、交換しやすいように設計されており、様々な燃料電池構造に適応するように任意の形状に構成することができる。
【００１９】
他の実施形態では、発泡材インサートは、燃料カートリッジ３０５として使用される。図３に示したように、燃料３０２は、密閉された発泡材シリンダ３０１内に収容されており、発泡材シリンダ３０１は、非浸透性容器３０３内に保持されるか又は非浸透性材料で包装されている。必要に応じて、シリンダ３０１は、容器３０３あるいは包装材料から取り出され、燃料電池２００のカートリッジホールダ３０４に装填される。さらに別の実施形態では、燃料シリンダ３０１を非浸透性材料で気密包装してカートリッジ３０５を形成し、このカートリッジ３０５は、包装を取り除くことなく燃料電池２００内に直接装填することができ、それによって装填プロセスにおけるシリンダ３０１からの燃料漏れの発生が防止される。
【００２０】
カートリッジ３０５内の燃料は、１つ又は複数のコネクタ３０７（図４Ａ）を通って燃料電池２００に入る。コネクタ３０７は、様々な形状及び寸法であってよい。一般に、コネクタ３０７は、燃料カートリッジの他の部分よりも高い毛管力をもたらす発泡材材料で形成され、それによって、カートリッジ３０５内の燃料が、毛管力によってコネクタ３０７に引き付けられる。一実施形態では、コネクタ３０７は、短管形状であり、燃料カートリッジ３０５の底に配置されている（図４Ａ）。
【００２１】
燃料カートリッジ３０５が燃料電池２００に装填されると、燃料電池２００内のニードル状レセプタクル３０９が、コネクタ３０７の端にある非浸透性包装材料を貫通する。レセプタクル３０９の下部は、燃料カートリッジ３０５と電極２１１との間に毛管通路を確立する多孔質物質によって電極２１１に接続されている（図４Ｂ）。この実施形態では、ニードル状レセプタクル３０９も多孔質材料からなり、それによってニードル状レセプタクル３０９とコネクタ３０７との接触領域の大きさによって燃料流を制御することができる（図４Ｃ）。図４Ｂに示すように、燃料カートリッジ３０５と燃料電池２００との間の燃料流量は、燃料カートリッジ３０５を、カートリッジ３０５の側面の高、中、低のマークに位置決めすることにより制御される。
【００２２】
一般に、ニードル状レセプタクル３０９は、コネクタ３０７内の毛管力よりも強い毛管力を有する多孔質材料からなり、電極２１１と接している多孔質材料は、レセプタクル３０９内の毛管力よりも強い毛管力を有する。この毛管力の勾配は、燃料カートリッジ３０５内の燃料が、まず優先的にコネクタ３０７に流れ、次にレセプタクル３０９に流れ、最後に電極２１１に流れることを保証する。
【００２３】
別の実施形態では、燃料電池２００の底にコントローラ３１１が配置される（図５Ａ）。燃料は、コネクタ３０７とレセプタクル３０９との間の接触部分を通ってカートリッジ３０５から燃料電池２００に流れ、レセプタクル３０９は、多孔質材料によって電極に接続されている。コントローラ３１１は、ねじ３１３によってコネクタ３０７に圧力を加えることによりコネクタ３０７の断面積を制御する（図５Ｂ）。燃料流は、ねじ３１３をコネクタ３０７の方に進め、それによってコネクタ３０７の断面積を小さくすることによって制限される。
【００２４】
あるいはまた、カートリッジ３０５から燃料電池２００への燃料流量を、従来の電磁弁によって制御することもできる。
【００２５】
複数の実施形態及びそれらの利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって定義されるような燃料供給システムの趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に様々な変更、代用及び代替を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】毛管作用を示す図
【図２Ａ】燃料電池において燃料供給するための多孔質構造体の図
【図２Ｂ】燃料電池において燃料供給するための多孔質構造体の図
【図３】多孔質構造体を燃料カートリッジの一部として示す図
【図４Ａ】燃料カートリッジと燃料電池との間の燃料流制御の一実施形態を示す図
【図４Ｂ】燃料カートリッジと燃料電池との間の燃料流制御の一実施形態を示す図
【図４Ｃ】燃料カートリッジと燃料電池との間の燃料流制御の一実施形態を示す図
【図５Ａ】燃料カートリッジと燃料電池との間の燃料流制御の別の実施形態を示す図
【図５Ｂ】燃料カートリッジと燃料電池との間の燃料流制御の別の実施形態を示す図
【図１】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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