(57)【要約】【課題】ダイレクトメタノール方式の燃料の容積を削減する。【解決手段】空気極で発生した水分子の一部を回収し、一部は外部に排出する水分回収機構と、メタノール水溶液を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、上記水分回収機構で回収した水と燃料貯蔵タンクから供給されるメタノール水溶液を混合する混合器と、上記混合器から供給されるメタノール水溶液を燃料極に供給する燃料供給機構を有することを特徴とする、ダイレクトメタノール型燃料電池及びその燃料供給方法を提供する。本発明によれば、空気極で発生する水分子の一部を蒸発、一部を凝縮・回収して燃料と混合させることにより、高濃度の燃料を使用可能とし、少ない容積の燃料で電子機器を駆動できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極で発生した水分子の一部を回収し、一部は外部に排出する水分回収機構と、メタノール水溶液を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、上記水分回収機構で回収した水と燃料貯蔵タンクから供給されるメタノール水溶液を混合する混合器と、上記混合器から供給されるメタノール水溶液を燃料極に供給する燃料供給機構を有することを特徴とする、ダイレクトメタノール型燃料電池及びその燃料供給方法。
【請求項２】
上記混合器から供給されるメタノール水溶液の濃度が、燃料貯蔵タンクから供給されるメタノール水溶液の濃度より低く、かつ、燃料極における適性濃度よりは高いか、あるいはほぼ同程度であることを特徴とする、請求項１記載のダイレクトメタノール型燃料電池及びその燃料供給方法。
【請求項３】
上記燃料供給機構が、回転部を有さない流体駆動機構であることを特徴とする請求項１記載のダイレクトメタノール型燃料電池及びその燃料供給方法。
【請求項４】
上記水分回収機構が、液体の水を一定量蓄えた貯蔵タンクに流路を形成した構造と、上記貯蔵タンク部に温度制御機構を設けた、いわゆるコールドトラップ型の構成をしていることを特徴とする、請求項１記載のダイレクトメタノール型燃料電池及びその燃料供給方法。
【請求項５】
空気極で発生する水分子の約１／３を回収し、燃料極でメタノールと反応させることを特徴とする、請求項１記載のダイレクトメタノール型燃料電池及びその燃料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯型電子機器などの二次電源として用いられる小型のダイレクトメタノール型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のダイレクトメタノール型燃料電池においては、図２に示すように、空気極側で発生する水蒸気はそのまま外部に蒸散させ、また、燃料極で必要とされる水は予め燃料と混合した状態でタンクに貯蔵するか、あるいは空気極で発生する水とは全く関係なく水を供給して燃料であるメタノールと予混合することが一般的であった。
【０００３】
また、燃料電池の空気極側で発生する水分を回収してメタノールと混合させる技術については、下記する特許文献１および２に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８６３号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２３２４９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来型のダイレクトメタノール型燃料電池においては、まず、空気極で発生した水分を利用しない場合、反応に必要な燃料と水をそれぞれ貯蔵しておかなければならないため、貯蔵タンクの容積を大きくしないと長時間運転できないという課題がある。
【０００６】
また、先の特許文献１や２に開示されているダイレクトメタノール型燃料電池においては、空気極で発生する水分子をすべて回収する方式であるため、回収した水の貯蔵タンクの容積を大きくしなければならないが、携帯情報端末等の機器の二次電池として用いる場合には装置構成の小型化か課題となる。また、燃料極での反応に必要なメタノールと水、及び空気極で発生する水のモル比は１：１：３であるから、仮に回収した水を元の燃料や水の貯蔵タンクに貯蔵して行くとしても、発生した水の量が過多になるという課題が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、燃料のメタノール１モル当り空気極で３モル発生する水分子の約１／３を回収し、それ以上は周辺大気に蒸発させる水分回収機構と、燃料貯蔵タンクから供給される高濃度のメタノール水溶液と上記水分回収機構から供給される水を混合させる混合器をシステムとして構成し、これを、燃料供給機構を介して燃料極に供給することにより解決できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を、図１及び図３を用いて説明する。図１は、本発明により形成されるダイレクトメタノール型燃料電池の、装置構成を示す図である。
【０００９】
図１において、本発明の燃料電池は、高濃度のメタノール水溶液を有する燃料貯蔵タンク１、上記メタノール水溶液と水をそれぞれ供給する燃料供給機構２及び水分供給機構３、上記メタノール水溶液と水を混合するマイクロ混合器４、燃料電池セル５、及び、発生した水蒸気を回収する水分回収機構６により構成される。燃料電池セル５は、燃料極７、電解質膜８、空気極９により構成される。
【００１０】
燃料貯蔵タンク１から燃料供給機構２を介してマイクロ混合器４に供給されるメタノールは、濃度がほぼ１００％に近い高濃度メタノール水溶液とする。但し、メタノールは劇物であることから、実際の燃料貯蔵タンク１におけるメタノール水溶液の濃度は、法的に許される範囲の上限に近い値であるか、技術的に取り扱い可能な範囲で最も高い濃度であることが望ましい。この燃料貯蔵タンク１は、必要に応じ着脱可能であるか、あるいは外部からの燃料供給が可能な構造であるとする。
【００１１】
燃料供給機構２及び水分供給機構３は、マイクロ混合器４へ燃料であるメタノール水溶液と水を供給できる構造であれば構造は何でも構わない。但し、単位時間当りの燃料消費量が小さい場合は、ダイヤフラムや圧電素子を組み合わせた、回転部のない構造で流体を駆動できる、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｏｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ポンプであることが望ましい。マイクロ混合器４より下流側、即ちマイクロ混合器４から燃料極７までの流路が、マイクロ混合器４より負圧になった場合や、燃料極７におけるメタノール水溶液の濃度が適正な値より低くなった場合にのみ断続的に燃料及び水を供給するものとする。マイクロ混合器４で水と混合され、モル濃度でほぼ５０％となったメタノール水溶液は、燃料供給口１０から燃料電池セル５に供給される。
【００１２】
燃料極７では、式（１）に示すように、メタノールと水が１：１のモル比で反応して二酸化炭素と水素イオンと電子が発生し、このうち水素イオンは電解質膜８を経由して空気極９へ、また、電子は燃料電池セル５に接続された外部回路を経由して空気極９へ、二酸化炭素は二酸化炭素排出口１１から装置外部に放出される。
【００１３】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−      （１）
実際には、クロスオーバー現象の発生を極力回避するため、燃料極におけるメタノール水溶液の濃度は５０％より低い場合があるが、燃料貯蔵タンク１、マイクロ混合器４、燃料極７におけるメタノール水溶液の濃度は、燃料タンク１＞マイクロ混合器４＞燃料極７の順であることが望ましい。また、実際に移動する水素イオンはプロトン水和物Ｈ３Ｏ＋であっても、もちろん構わない。
【００１４】
空気極９においては、燃料極７における化学反応で生じた水素イオン及び電子と、空気中の酸素が式（２）に示すような反応をし、燃料極７と空気極９と接続される外部回路に起電力を供給する。
【００１５】
１．５Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ            （２）
空気極９で発生した水蒸気は、反応に用いられなかった空気とともに、空気及び水蒸気排出口１３から燃料電池セル５の外に排出される。また、クロスオーバー現象により電解質膜８を通過してしまう、未反応のメタノールが微量に混在する場合がある。一方、式（１）、（２）より明らかなように、この燃料電池セル５では、燃料極７で消費されるメタノール、水、及び空気極９で発生する水のモル比は、１：１：３であるため、空気極９で発生する水蒸気の１／３を回収してマイクロ混合器４に供給することが重要である。本発明では、図３に示すようなコールドトラップを水分回収機構６として用いることとする。
【００１６】
図３は、本実施形態において使用する、水分回収機構６の概要を占めす図である。水分回収機構６は、空気及び水蒸気排出口１３から排出される空気及び水蒸気を輸送する送気ポンプ１４、水蒸気を蒸発または凝縮・回収する水分蒸発・凝縮部（コールドトラップ）１９、空気及び水蒸気排出口２０、水分貯蔵部２１により構成される。
【００１７】
このうち送気ポンプ１４は、例えば、マイクロマシン技術によりダイヤフラムと圧電素子を組み合わせた、いわゆるＭＥＭＳポンプ等が考えられる。図３における送気ポンプ１４は、ダイヤフラム１５を圧電素子１６により、ダイヤフラム１７を圧電素子１８によって変形させる構造の場合を示した。このダイヤフラム１７を、流路をふさぐ方向に変形させた時にダイヤフラム１５を反対方向に変形させると、ダイヤフラム１５、１７間の流路に空気及び水蒸気が入り、それぞれを逆方向に変形させると水分蒸発・凝縮部１９側に空気及び水蒸気が送り出される。この場合、空気及び水蒸気が逆流しないように、図３の左から右に空気及び水蒸気が流れる方向の圧力損失が、常に右から左に流れる場合より小さくなるように流路構造を設計するとともに、燃料電池セル５の方向に逆流しないような機構を設けることが望ましい。なお、送気ポンプ１４は、空気極９で発生した水蒸気と未反応の空気を水分蒸発・凝縮部１９側に送り出すことができるものであれば、いかなる構造でも構わないことはいうまでもない。
【００１８】
水分蒸発・凝縮部１９において凝縮された水分は水分貯蔵部２１に一旦貯蔵された後、マイクロ混合器４へ送られる。図３のＡ−Ａ′部において、一部の面には温度制御機構２２を設け、他の一部の面にはマイクログルーブ２３等の構造を設け、残った部分を空気及び水蒸気排出口２０に接続する。
【００１９】
このうち、温度制御機構２２は、例えば熱電素子等により構成され、水分貯蔵部２１の水分貯蔵量が十分ある場合は、加熱または非冷却の条件として排気中の水分をそのまま蒸発させる。逆に、水分貯蔵部２１の水分貯蔵量が所定の値を下回った場合は、流路壁面を冷却することにより、排気中の水蒸気を凝縮・結露させて回収する。結露した水分は、マイクログルーブ２３を介して、毛管現象により水分貯蔵部２１に送られる。なお、毛管現象が期待できる構造であれば、マイクログルーブ２３の構造はどんなものでも構わないし、また、温度制御機構２２とマイクログルーブ２３が同じ面に形成されていても、もちろん構わない。
【００２０】
上記温度制御部２２として熱電素子を用いると、冷却面と反対側の温度が上昇するため、水分回収機構６外部での、大気中の水分の結露は回避できる。また、水分回収機構６に、燃料電池セル５や、あるいは本発明による燃料電池を搭載する電子機器の発熱部からの放熱経路を設けることにより、排気中の水分をすべて蒸発させる運転条件においても、結露を防止することが可能である。
【００２１】
【発明の効果】
図３に示す水分回収機構６を用いて回収した水分を、水分供給機構３によりマイクロ混合器４に供給することにより、空気極で発生した水分子の一部を燃料極で消費される水分子として用いることができる。このため、本実施形態においては、燃料となるメタノールの濃度を予め希釈しておかなくてもよくなるため、同じ負荷を接続して運転する場合に燃料貯蔵庫１に貯蔵しておかなければならないメタノール水溶液の体積を小さくすることができる。
【００２２】
一方、本実施形態により、空気極９で発生する全ての水分子を回収しなくてもよくなるため、回収した水分量が過多となるという問題を解決することが可能である。
【００２３】
図４に、本発明における水分回収機構に関する他の実施形態を示す。本実施形態においては、水分回収機構６のコールドトラップ１９においては排気中の水蒸気を凝縮させる役割のみを持たせたことを特徴とする。コールドトラップ１９における水分凝縮に必要な放熱先としては、流路外壁、もしくは燃料電池システム外部に設けた放熱フィン等の放熱部２４を設置し、凝縮部の外壁と放熱部２４が直接接していない場合は、高熱伝導性の部材やヒートパイプ等を用いてコールドトラップ１９と放熱部２４を熱的に接続する。
【００２４】
また、排気中の空気及び水蒸気排出口２０は、水分貯蔵部２１の近傍に設置する。本実施形態においては、水分貯蔵部２１に熱源２５を設け、貯蔵された水分量が一定の量を超えた場合は、熱源２５を駆動して回収した水分の一部を蒸発させることにより、常時必要最小限の水分を蓄積し、マイクロ混合器４側へ供給する。なお、熱源２５として、図４においては、直流電源を用いた抵抗線を示したが、この直流電源として燃料電池セル５自体を用いてもよいし、二次電池を用いても構わない。また、水分を蒸発させることができるものであれば、熱源２５と空気及び水蒸気排出口２０の設置場所は、水分貯蔵部２１からマイクロ混合器４までのどこにあっても構わない。また、熱源２５は必ずしも電気的な加熱方法である必要はなく、例えば燃料電池セル５の電解質膜８をクロスオーバー現象により通過した未反応のメタノールが空気極９で空気と反応する際に生じる排熱をヒートパイプ等の熱輸送手段によって供給するものであってもよい。この場合、熱輸送手段の一部に放熱経路を接続・遮断可能なスイッチを配置することが好ましい。
【００２５】
本実施形態においては、水蒸気の凝縮を電気的なエネルギーを用いずに実施することができるため、燃料電池から供給される電力を無駄に消費せず、有効に活用できるという特徴がある。更に、本実施形態においては、クロスオーバー現象により空気極で空気と反応してしまうメタノールから生じる排熱を水蒸気発生用の熱源として用いることができるため、排出される熱エネルギーを有効に活用できるという特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるダイレクトメタノール型燃料電池の基本的な構成を示す図。
【図２】従来のダイレクトメタノール型燃料電池の基本的な構成を示す図。
【図３】本発明によるダイレクトメタノール型燃料電池における水分回収機構の基本的な構成を示す図。
【図４】本発明によるダイレクトメタノール型燃料電池における水分回収機構の構成を示す図。
【符号の説明】
１…燃料貯蔵タンク、２…燃料供給機構、３…水分供給機構、４…マイクロ混合器、５…燃料電池セル、６…水分回収機構、７…燃料極、８…電解質膜、９…空気極、１０…燃料供給口、１１…二酸化炭素排出口、１２…空気取り入れ口、１３…空気及び水蒸気排出口、１４…送気ポンプ、１５…ダイヤフラム、１６…圧電素子、１７…ダイヤフラム、１８…圧電素子、１９…水分蒸発・凝縮部（コールドトラップ）、２０…空気及び水蒸気排出口、２１…水分貯蔵部、２２…温度制御機構、２３…マイクログルーブ、２４…放熱部、２５…加熱源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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