(57)【要約】【課題】長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置を提供することにある。【解決手段】燃料電池装置は、アノード触媒を有したアノード４７とカソード５２とが高分子膜を挟んで積層されたセルを有し、化学反応により発電を行う起電部３２と、燃料を収容した燃料タンク２２と、燃料タンクから供給された燃料を起電部のアノードを通して循環させる燃料流路３６と、起電部のカソードを通して空気を供給する空気流路３８と、を有した循環系と、アノード触媒の触媒溶液を前記アノードに供給しアノード触媒をアノードに補充する補充機構６０と、を有している。【選択図】      図１
2008243746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード触媒を有したアノードとカソードとが高分子膜を挟んで積層されたセルを有し、化学反応により発電を行う起電部と、
燃料を収容した燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、を有した循環系と、
前記アノード触媒の触媒溶液を前記アノードに供給し前記アノード触媒を前記アノードに補充する補充手段と、
を備えた燃料電池装置。
【請求項２】
前記補充手段は、前記アノード触媒を含む触媒溶液が混合された燃料を収納しているとともに、前記燃料流路に接続された補充タンクを備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記補充タンクは、脱着可能なカートリッジであり、前記燃料タンクに代えて前記燃料流路に接続可能に設けられている請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記補充手段は、前記起電部の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際に、前記起電部の発電動作を停止するとともに前記補充タンクから前記アノードに前記触媒溶液が混合された燃料を所定時間供給する制御部を備えている請求項２又は３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記補充手段は、表示部と、前記起電部の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際に、前記起電部の発電動作を停止するとともに前記補充タンク装着の指示を前記表示部に表示する制御部と、を備えている請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記補充手段は、前記アノード触媒を含む触媒溶液を収納しているとともに、前記起電部に接続された補充タンクを備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記補充手段は、前記起電部の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際に、前記起電部の発電動作を停止するとともに前記補充タンクから前記アノードに前記触媒溶液を供給する制御部を備えている請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記触媒溶液は、貴金属化合物を純水あるいはメタノール水溶液に溶解させた溶液である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記貴金属化合物は、ルテニウムクロライドハイドレート（ＲｕＣｌ3・ｘＨ2Ｏ）、オスミウムクロライハイドレート（ＯｓＣｌ3・ｘＨ2Ｏ）、パラジウムクロライド（ＰｄＣｌ2）、イリジウムクロライド（ＩｎＣｌ3）、金クロライド（ＡｕＣｌ3）、ロジウムクロライドハイドレート（ＲｈＣｌ3・ｘＨ2Ｏ）のいずれか１つを含んでいる請求項８に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池装置に関する。
【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（以下、ノートＰＣと称する）、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、液体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ことから、電子機器を始めとする種々の分野での応用が期待されている。
【０００３】
通常、ＤＭＦＣは、メタノールが収容された燃料タンク、メタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部は、単セルあるいは複数の単セルを積層したセルスタックを備え、単セルは、アノード（燃料極）およびカソード（空気極）を高分子膜を挟んで積層した層構造を有している。そして、ＤＭＦＣは、アノードでメタノールを酸化させると同時に、カソードで酸素を還元することにより電気エネルギーを取り出している。
【０００４】
このような酸化還元反応は常温では進み難いため、セルのアノードおよびカソードは触媒を有して形成されている。例えば、アノードおよびカソードは、白金（Ｐｔ）などの触媒を担持したカーボン担体と、電解質、バインダとの混合体により形成されている。ここで、アノード触媒として用いられる白金には、メタノール酸化過程で発生するＣＯが化学吸着し、最終的に触媒活性能力が喪失する問題がある。このようなＣＯによる触媒の被毒を抑制するため、アノード触媒として、白金にルテニウムを添加した触媒を用いたアノードが提供されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−２６９０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように構成されたＤＭＦＣにおいて、出力低下の原因とされている現象はいくつかあるが、その中でも、アノード触媒を構成している触媒の一部であるルテニウム（Ｒｕ）の溶質が挙げられる。一般に、アノード反応であるメタノールの酸化は、ＰｔとＲｕとが適切な量存在すると、正常に行われる。
【０００６】
しかし、Ｒｕは、その金属性質上、長期間の発電動作によりイオン化し、アノード触媒層から剥離、溶質する。溶質したＲｕは高分子膜内、あるいはカソード触媒層に移動してしまう。このＲｕの移動現象により、アノード触媒層は最適なＰｔ−Ｒｕ合金のバランスが崩れ、Ｐｔリッチとなり、アノードでの化学反応性が低下してしまう。このことが原因となり電池の発電能力低下が引き起こされる。
【０００７】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の態様に係る燃料電池装置は、アノード触媒を有したアノードとカソードとが高分子膜を挟んで積層されたセルを有し、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、を有した循環系と、前記アノード触媒の触媒溶液を前記アノードに供給し前記アノード触媒を前記アノードに補充する補充手段と、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、長期間の使用において、アノード触媒をアノードに補充することにより、燃料電池の発電性能を改善することができ、長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置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、図面を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。  
図１は燃料電池装置の循環系の構成を概略的に示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成したセルスタック１２、燃料タンク２２、およびセルスタックに燃料および空気を供給する循環系３４、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部５０を備えている。
【００１１】
燃料タンク２２は密閉構造を有し、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成されている。燃料タンク２２には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料を消費した際、燃料タンク２２を容易に交換可能となっている。燃料タンク２２は、燃料を供給する燃料供給口２２ａおよび燃料タンク内に空気を取込む空気取込み口２２ｂを有している。燃料供給口２２ａおよび空気取込み口２２ｂは、例えば、燃料タンク２２の側面に形成されている。燃料電池装置の動作時、燃料タンク２２は、燃料供給口２２ａから吐出した燃料の体積分だけ、空気取込み口２２ｂから空気をタンク内に取込む。
【００１２】
循環系３４は、燃料タンク２２の燃料供給口２２ａから供給された燃料をセルスタック１２を通して循環させる燃料流路（液体流路系）３６、およびセルスタック１２を通して空気を含む気体を循環させる空気流路（気体流路系）３８、燃料流路内および空気流路内に設けられた複数の補機を有している。燃料流路３６および空気流路３８は、それぞれ配管等によって形成されている。また、燃料流路３６は、後述する触媒溶液を循環させる触媒流路３７としても作用する。
【００１３】
図２はセルスタック１２の積層構造を示し、図３は各セルの発電反応を模式的に示している。図３および図４に示すように、セルスタック１２は、複数、例えば、４つの単セル１４０と、５枚の矩形板状のセパレータ１４２とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体１４５を有している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形シート状のカソード５２およびアノード４７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。カソード５２の触媒層は、酸化還元反応を促進する金属成分として白金（Ｐｔ）を含んでいる。同様に、アノード４７の触媒層は、アノード触媒として、酸化還元反応を促進するＰｔ、および貴金属成分であるルテニウム（Ｒｕ）とをほぼ同量含んでいる。高分子電解質膜１４４は、アノード４７およびカソード５２よりも大きな面積に形成されている。
【００１４】
アノード触媒としての貴金属化合物は、Ｒｕの他、ルテニウムクロライドハイドレート（ＲｕＣｌ3・ｘＨ2Ｏ）、オスミウムクロライハイドレート（ＯｓＣｌ3・ｘＨ2Ｏ）、パラジウムクロライド（ＰｄＣｌ2）、イリジウムクロライド（ＩｎＣｌ3）、金クロライド（ＡｕＣｌ3）、ロジウムクロライドハイドレート（ＲｈＣｌ3・ｘＨ2Ｏ）を用いることができる。
【００１５】
３つのセパレータ１４２は、隣合う２つの単セル１４０間に積層され、他の２つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ１４２および枠体１４５には、各単セル１４０のアノード４７に燃料を供給する燃料流路１４６、および各単セルのカソード５２に空気を供給する空気流路１４７が形成されている。
【００１６】
図３で示したように、供給された燃料（メタノール水溶液）および空気は、アノード４７とカソード５２との間に設けられた高分子電解質膜１４４で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部５０を介して図示しない外部機器に供給される。
【００１７】
図１に示すように、燃料流路３６に設けられた補機は、燃料タンク２２の燃料供給口２２ａに配管接続された燃料ポンプ４０、燃料ポンプ４０の出力部に配管を介して接続された燃料混合部４２、燃料混合部４２の出力部に接続された図示しない送液ポンプを備えている。送液ポンプの出力部は燃料流路３６を介してセルスタック１２のアノード４７に接続される。
【００１８】
セルスタック１２のアノード４７の出力部は燃料流路３６および気液分離器４４を介して燃料混合部４２の入力部に接続されている。セルスタック１２のアノード４７から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素は、気液分離器４４へ送られ、ここで、液体と気体とに分離される。分離されたメタノール水溶液は燃料流路３６を通して燃料混合部４２に戻され、二酸化炭素は空気流路３８および排気フィルタ５４を通して外部に排出される。
【００１９】
空気流路３８の上流端３８ａおよび下流端３８ｂは、それぞれ大気に連通している。空気流路３８に設けられる補機は、セルスタック１２の上流側で空気流路３８の上流端近傍に設けられた吸気フィルタ４６、セルスタック１２と吸気フィルタとの間で空気流路に接続された吸気ポンプ４８、およびセルスタック１２の下流側で空気流路３８の下流端近傍に設けられた排気フィルタ５４を含んでいる。
【００２０】
吸気フィルタ４６は、空気流路３８に吸い込まれた空気中のゴミ、不純物等を捕獲し除去する。排気フィルタ５４は、空気流路３８から外部へ排気される気体中の副生成物を無害化するとともに、排気中の含まれている燃料ガス等を捕獲する。
【００２１】
一方、燃料電池装置１０は、アノード触媒の触媒溶液をアノード４７に供給しアノード触媒をアノードに補充する補充機構６０を備えている。図１に示すように、補充機構６０は、アノード触媒、例えば、Ｒｕを含む触媒溶液が混合された燃料（メタノール）を収納して補充タンク６２を備えている。補充タンク６２は、燃料電池装置１０に対して脱着自在な補充カートリッジとして構成されている。そして、補充タンク６２は、燃料タンク２２に代えて、燃料電池装置１０に装着可能に構成されている。
【００２２】
補充タンク６２は、燃料タンク２２とほぼ同様の寸法および構造に形成され、触媒溶液と燃料との混合液を供給する触媒供給口６２ａおよび補充タンク内に空気を取込む空気取込み口６２ｂを有している。補充タンク６２を装着した状態において、補充タンク６２の触媒供給口６２ａは、燃料電池装置１０の触媒流路３７を兼ねた燃料流路３６に接続される。触媒を補充する際、補充タンク６２は、触媒供給口６２ａから吐出した混合液の体積分だけ、空気取込み口６２ｂから空気をタンク内に取込む。
【００２３】
補充機構６０は、電池制御部５０および電池制御部５０に接続された表示部６４とを備えている。表示部６４は、例えば、液晶表示パネル、ＬＥＤ等により構成されている。電池制御部５０は、起電部３２の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際、起電部の発電動作を停止するとともに表示部６４に、発電力の低下、あるいは、補充タンク６２の装着を示す情報を表示する。そして、燃料タンク２２に代えて補充タンク６２が装着されると、電池制御部５０は、燃料ポンプ４０を作動させ、補充タンク６２からセルスタック１２のアノード４７に触媒溶液が混合された燃料を所定時間供給する。この際、触媒溶液が混合された燃料は、触媒流路３７を通して燃料混合部４２、アノード４７、気液分離器４４を循環して流される。
【００２４】
供給された触媒溶液に含まれるアノード触媒としてのＲｕは、アノード４７の触媒層に供給され、触媒層に取り込まれる。これにより、燃料電池装置１０の長時間の使用に喪失するＲｕがアノード層に補充される。例えば、燃料電池装置１０を約５００時間程度、発電動作させた場合、アノード４７の触媒層におけるＲｕの含有量が当初の含有量に比較して１％程度減少し、その分、発生電力が低下する。そこで、発生電力が所定値低下した時点で、補充機構６０によりＲｕを１％分だけ補充することにより、燃料電池装置１０の発電能力を回復することが可能となる。
【００２５】
なお、電池制御部５０は、予め決められた所定の発電時間が経過した後、補充タンク６２の装着を自動的に示唆し、補充タンクが装着された時点で、補充タンクから触媒溶液と燃料との混合液をアノード４７に供給する構成としてもよい。
【００２６】
上記のように構成された燃料電池装置１０を電源として用いる場合、まず、メタノールを収容した燃料タンク２２を装着し、燃料電池装置１０の循環系３４に接続する。この状態で、燃料電池装置１０の発電を開始する。この場合、電池制御部５０の制御の下、燃料ポンプ４０および吸気ポンプ４８を作動させる。燃料ポンプ４０により、燃料流路３６を通して燃料タンク２２から燃料混合部４２に高濃度のメタノールが供給され、燃料混合部で水を混合されて所定濃度に希釈される。燃料混合部４２内で希釈されたメタノール水溶液は、燃料流路３６を通してセルスタック１２のアノード４７に供給される。
【００２７】
一方、吸気ポンプ４８により、空気流路３８の上流端３８ａから空気流路内に大気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気は吸気フィルタ４６を通り、ここで、空気中の不純物が除去される。吸気フィルタ４６を通過した後、空気は、空気流路３８を通りセルスタック１２のカソード５２へ供給される。
【００２８】
セルスタック１２に供給されたメタノール水溶液および空気は、アノード４７とカソード５２との間に設けられた高分子電解質膜１４４で電気化学反応し、これにより、アノード４７とカソード５２との間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部５０を介して外部機器に供給される。
【００２９】
電気化学反応に伴い、セルスタック１２には反応生成物として、アノード４７側に二酸化炭素、カソード５２側に水が生成される。アノード４７側に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水溶液は燃料流路３６を通って気液分離器４４に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノール水溶液とに分離される。メタノール水溶液は、気液分離器４４から燃料流路３６を通して燃料混合部４２へ送られ、再度、発電に用いられる。分離された二酸化炭素および飛沫したメタノールは、空気とともに空気流路３８を通って排気フィルタ５４へ送られ、ここで有毒物質が除去された後、空気流路３８の下流端３８ｂから外部へ排気される。
【００３０】
セルスタック１２のカソード５２側に生じた水蒸気は、空気流路３８を通って排気フィルタ５４へ送られて、更に、空気流路３８の下流端から外部に排気される。
【００３１】
一方、燃料電池装置１０の動作中、燃料タンク２２から燃料が供給され、燃料タンク内の燃料が減少する。これに伴ない、燃料の体積分だけ、空気取込み口２２ｂから燃料タンク２２内に空気が取込まれ、燃料の体積減少分が空気に置換される。この際、空気は燃料電池装置１０の循環系３４から取込まれる。
【００３２】
燃料電池装置１０の動作中、電池制御部５０は、起電部３２の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際、起電部の発電動作を停止するとともに表示部６４に、発電力の低下、あるいは、補充タンク６２の装着を示す情報を表示する。そして、燃料タンク２２に代えて補充タンク６２が装着されると、電池制御部５０は、燃料ポンプ４０を作動させ、補充タンク６２から供給された触媒溶液を燃料混合部４２、アノード４７、気液分離器４４を通して所定時間循環させる。これにより、触媒溶液に含まれるアノード触媒としてのＲｕがアノード４７に補充され、燃料電池装置１０の発電能力を回復される。
【００３３】
以上のように構成された燃料電池装置１０によれば、長期間の発電動作によりアノード触媒が喪失し、発生電力が低下した場合でも、アノード触媒を補充することにより、起電部の発電能力を回復することができる。これにより、発電性能を改善し、長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置が得られる。そして、電池寿命が延びることで、燃料電池装置の商品価値を向上することが可能となる。
【００３４】
次に、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図４に示すように、第２の実施形態によれば、補充タンク６２は、脱着可能なカートリッジ式ではなく、燃料電池装置１０内に常設されている。補充タンク６２内には、アノード触媒、例えば、Ｒｕを含有した触媒溶液が貯留されている。この補充タンク６２は、燃料タンク２２と燃料ポンプ４０との間で、開閉バルブ６６を介して燃料流路３６に接続されている。
【００３５】
補充機構６０を構成する電池制御部５０は、起電部３２の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際、あるいは、予め決められた所定の発電時間が経過した際、起電部３２の発電動作を停止するとともに、開閉バルブ６６を開放し、燃料ポンプ４０を所定時間作動させる。これにより、補充タンク６２から触媒溶液が燃料流路３６を通して燃料混合部４２に供給される。触媒溶液は、燃料混合部４２でメタノール水溶液と混合された後、起電部３２のアノード４７、気液分離器４４、燃料混合部４２を通って循環される。従って、アノード４７の触媒層にＲｕが補充され、起電部３２の発電出力が回復される。
【００３６】
第２の実施形態において、燃料電池装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３７】
第２の実施形態において、補充タンク内に、触媒溶液と燃料との混合液を貯留してもよい。また、触媒溶液を補充タンクから起電部のアノードに直接供給する構成としてもよい。
【００３８】
この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００３９】
例えば、アノードおよびカソードに添加される触媒は、Ｐｔ、Ｒｕに限定されることなく、目的とする機能に応じて種々選択することができる。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte   Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示すブロック図。
【図２】図２は、前記燃料電池装置のＤＭＦＣスタックを示す断面図。
【図３】図３は、前記ＤＭＦＣスタックの単セルを概略的に示す図。
【図４】図４は、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示すブロック図。
【符号の説明】
【００４１】
１０…燃料電池装置、２２…燃料タンク、２２ａ…燃料供給口、３２…セルスタック、
３２…起電部、３４…循環系、３６…燃料流路、３８…空気流路、４７…カソード、
５２…アノード、５０…電池制御部、６０…補充機構、６２…補充タンク
【図１】
2008243746.tif 000003
【図２】
2008243746.tif 000004
【図３】
2008243746.tif 000005
【図４】
2008243746.tif 000006