(57)【要約】【課題】液体燃料を燃料電池に安定的に供給することにある。【解決手段】容器１の内面に沿って配置された燃料電池２の内側に燃料貯留部３を備えてなり、燃料貯留部３に、空孔が連続しかつ高気孔率に設定された保液層３１と、この保液層３１と燃料電池２との間に配置され、毛管作用により保液層３１内の液体燃料を燃料電池２に供給する給液層３２とを収容した構成になっている。【選択図】　　　図１
2004134292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の内面に沿って配置された燃料電池の内側に燃料貯留部を備えてなる燃料電池式発電装置の燃料貯留構造であって、
上記燃料貯留部には、空孔が連続しかつ高気孔率に設定された保液層と、この保液層と上記燃料電池との間に配置され、毛管作用により上記保液層内の液体燃料を上記燃料電池に供給する給液層とが収容されていることを特徴とする燃料電池式発電装置の燃料貯留構造。
【請求項２】
上記保液層は、気孔率が７５〜９７％の多孔質材によって構成され、
上記給液層は、連続した空孔を有し、気孔率が３０〜８０％の多孔質材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池式発電装置の燃料貯留構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を携帯する構造の燃料電池式発電装置の燃料貯留構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池式発電装置の燃料貯留構造としては、例えば特許文献１に示すものが知られている。
この燃料貯留構造は、燃料電池を収容する容器に一体的に構成された液体燃料収容容器と、この液体燃料収容容器から毛管力を利用して燃料を引き込んで燃料電池側に供給する燃料浸透層とを備えた構成になっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３３８６５５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の燃料電池式発電装置の燃料貯留構造においては、燃料浸透層を液体燃料収容容器内に単に差し込んでいるだけであるので、燃料電池式発電装置が傾いたり、液体燃料の残量が少なくなったりすると、燃料電池への燃料の供給が不安定になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、傾き等が生じた場合でも液体燃料を燃料電池に安定的に供給することのできる燃料電池式発電装置の燃料貯留構造を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の燃料電池式発電装置の燃料貯留構造は、容器の内面に沿って配置された燃料電池の内側に燃料貯留部を備えてなる燃料電池式発電装置の燃料貯留構造であって、上記燃料貯留部には、空孔が連続しかつ高気孔率に設定された保液層と、この保液層と上記燃料電池との間に配置され、毛管作用により上記保液層内の液体燃料を上記燃料電池に供給する給液層とが収容されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の燃料電池式発電装置の燃料貯留構造は、請求項１に記載の発明において、上記保液層は、気孔率が７５〜９７％の多孔質材によって構成され、上記給液層は、連続した空孔を有し、気孔率が３０〜８０％の多孔質材によって構成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項１および２に記載の発明においては、燃料貯留部に収容された保液層が空孔が連続した高気孔率のもので構成されているので、液体燃料を十分に貯留することができるとともに、燃料電池式発電装置の全体が傾いた場合でも保液層による液体燃料の保持力により、当該液体燃料が即座に燃料貯留部内の偏った位置に移動することがない。しかも、保液層における互いに連続する空孔による毛管作用によって給液層に液体燃料を供給することが可能である。そしてさらに、保液層は、その空孔を構成する骨格の表面に極めて間隔の狭い溝等の凹凸が形成されることから、その凹部に沿って大きな毛管力が作用することになる。このため、保液層は、液体燃料が残存する限り、給液層に液体燃料を供給することができる。
また、給液層は、当該液体燃料の毛管作用により液体燃料を燃料電池に確実に供給することができる。
したがって、燃料電池式発電装置の全体が傾いたり、燃料貯留部内の液体燃料の残量が少なくなった場合でも、液体燃料を燃料電池に安定的に供給することができる。
【０００９】
なお、液体燃料としては、メタノール水溶液が一般に用いられる。その他、ジメチルエーテルなどを改質することなく直接使用することが可能である。
【００１０】
請求項２に記載の発明においては、保液層が７５〜９７％の気孔率の多孔質材によって構成されているので、液体燃料を十分に貯留することができるとともに、保液層自体の毛管作用により、液体燃料を給液層に供給することができる。
【００１１】
また、給液層が３０〜８０％の気孔率の多孔質材によって構成されているので、保液層から供給される液体燃料を大きな毛管力によって燃料電池に供給することができる。
以上の結果、極めて安定的に液体燃料を燃料電池に供給することができる。
【００１２】
なお、保液層の気孔率を７５〜９７％に設定したのは、７５％未満では液体燃料の保液量が少なくなり、また液体燃料を保液層に供給する際の抵抗が大きくなってその供給に時間がかかるようになるからであり、９７％超では金属等の強度の大きな多孔質材を用いた場合でも強度不足になるおそれがあるからである。
【００１３】
また、給液層の気孔率を３０〜８０％に設定したのは、３０％未満では大きな毛管力が得られるものの、通過面積が小さくなって燃料電池への液体燃料の供給量が減少してしまうとともに、液体燃料として例えばメタノール水溶液を用いた場合に、燃料電池の燃料極側において、
ＣＨ３　ＯＨ＋Ｈ２　Ｏ→ＣＯ２　＋６Ｈ＋　＋６ｅ−　　　…（１）
上記反応が生じ、この反応で生成された二酸化炭素が給液層の空孔に溜まって、液体燃料の燃料電池への供給を阻害する恐れがあるからであり、８０％超では燃料電池に液体燃料を供給するための十分大きな毛管力が得られなくなるおそれがあるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
この実施の形態で示す燃料電池式発電装置の燃料貯留構造は、図１に示すように、容器１の内面に沿って配置された燃料電池２の内側に燃料貯留部３を備えた構成になっている。
【００１６】
容器１は、図における上下方向（厚さ方向）の第１面部１ａと第２面部１ｂとを近接させた扁平形状の六面体状に形成されている。第１面部１ａおよび第２面部１ｂには、燃料電池２の後述するカソード２ａに空気を供給するとともに、当該カソード２ａ側で生成された水蒸気を排出するための通気孔１ｄが複数設けられている。また、上下方向に延在する４つの側面部１ｃのうちの１つには、燃料貯留部３内に液体燃料としてのメタノール水溶液を供給するための供給口１ｅが設けられている。この供給口１ｅは、燃料貯留部３内のメタノール水溶液の流出を防止するため、逆流防止機構を備えた構成になっている。
【００１７】
燃料電池２は、電解質膜２１の各表面に触媒層２２ａ、２２ｂが積層され、さらに各触媒層２２ａ、２２ｂの表面に拡散層２３ａ、２３ｂが積層された構成になっており、一方の拡散層２３ａ側がカソード（空気極）２ａ、他方の拡散層２３ｂ側がアノード（燃料極）２ｂになっている。この燃料電池２は、一方の拡散層２３ａが第１面部１ａまたは第２面部１ｂの内面に当接し、他方の拡散層２３ｂが燃料貯留部３に向けられた状態で容器１内に設置されている。
したがって、燃料貯留部３は、上下に配置された各燃料電池２の拡散層２３ｂおよび容器１の４つの側面部１ｃによって構成されている。
【００１８】
燃料貯留部３には、空孔が連続しかつ高気孔率に設定された保液層３１と、この保液層３１と上下に配置された燃料電池２との間に配置され、毛管作用により保液層３１内のメタノール水溶液を燃料電池２に供給する給液層３２とが収容されている。なお、この実施の形態では、燃料電池２と給液層３２との間にメタノール水溶液の浸透性を有する例えばポリプロピレンの不織布３３がさらに設けられている。
【００１９】
保液層３１は、気孔率が７５〜９７％の多孔質材であって三次元網状構造をもつ発泡焼結金属によって構成されている。
また、給液層３２も、空孔が連続しかつ気孔率が３０〜８０％の多孔質材であって三次元網状構造をもつ発泡焼結金属によって構成されている。
【００２０】
そして、１つの保液層３１、２つの給液層３２および２つのポリプロピレンの不織布３３が燃料貯留部３内に密に装填されている。すなわち、燃料貯留部３内において、保液層３１、給液層３２、ポリプロピレンの不織布３３および燃料電池２の他方の拡散層２３ｂが互いに密着した状態になっている。
【００２１】
また、上述した保液層３１および給液層３２は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリーを原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００２２】
そして、保液層３１および給液層３２は、図２に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡スラリーを投入するホッパ９、乾燥室１０ａ、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
【００２３】
次に、上記成形装置を用いて保液層３１および給液層３２を製造する方法を説明する。まず、上記発泡スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、まず乾燥室１０ａを通してから、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させて保液層３１のスポンジ状グリーン板を製造する。
【００２４】
一方、ヘキサンの量を変えた発泡性スラリーを用いて上記と同様の製造工程により、平均孔径の小さな給液層３２のスポンジ状グリーン板を製造する。
そして、上記各グリーン板を３層に重ね合わせ、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下で焼結することにより、例えば保液層３１の厚さが例えば０．７ｍｍ、上下に重ねた各給液層３２の厚さが０．１ｍｍ、これらの合計の厚さが０．９ｍｍの焼結により一体化された３層の多孔質層が完成する。
【００２５】
なお、保液層３１および給液層３２は、グリーンの状態あるいは焼結後の状態で、個々に圧延することにより厚さを調整することが好ましい。この実施の形態の場合には、保液層３１については、気孔率が９０％となるように圧延し、給液層３２については、気孔率が７０％となるように圧延した。ただし、平均孔径は、圧延前の状態で、保液層３１が６００μｍ、給液層３２が１５０μｍである。
【００２６】
また、保液層３１および給液層３２は、それぞれを焼結した後に、３層に重ねて拡散接合してもよい。
さらに、保液層３１および給液層３２は、単に３層状に重ねた状態でポリプロピレンの不織布３３とともに燃料貯留部３内に装填してもよい。
【００２７】
上記のように構成された燃料電池式発電装置の燃料貯留構造においては、燃料貯留部３に収容された保液層３１が７５〜９７％の高気孔率のもので構成されているので、メタノール水溶液を十分に貯留することができるとともに、燃料電池式発電装置の全体が種々の方向に傾いた場合でも保液層３１によるメタノール水溶液の保持力により、当該メタノール水溶液が即座に燃料貯留部３内の偏った位置に移動することがない。しかも、保液層３１における互いに連続する空孔による毛管作用によって給液層３２にメタノール水溶液を供給することができる。
【００２８】
図３は、本実施の形態で示した保液層３１および給液層３２における気孔率と毛管高さ（毛管力）との関係についてメタノール水溶液を用いて実験した結果を示している。なお、この実験では、平均孔径が異なった圧延後の保液層３１および給液層３２を用いている。この実験結果からは、気孔率が増大するにしたがって毛管高さが減少するという相関関係のあることが分かる。また、この実験においては、平均孔径と毛管高さとの間にほとんど相関がみられなかった。これは、圧延により、各空孔がその圧延方向に変形したためと推定される。
【００２９】
そして、保液層３１は、最大の９７％の気孔率を有するものであっても、毛管力によりメタノール水溶液を給液層３２に運ぶ機能を備えている。
しかも、保液層３１は、その空孔を構成する骨格の表面に極めて間隔の狭い溝等の凹凸が形成されることから、その凹部に沿って大きな毛管力が作用することになる。このため、保液層３１は、燃料貯留部３にメタノール水溶液が残存する限り、給液層３２にメタノール水溶液を供給することができる。
一方、給液層３２は、その気孔率が８０％に抑えられていることから、保液層３１に蓄えられたメタノール水溶液を燃料電池２に供給するのに十分な毛管力を備えている。
【００３０】
したがって、燃料電池式発電装置の全体が傾いたり、燃料貯留部３内のメタノール水溶液の残量が少なくなった場合でも、各燃料電池２にメタノール水溶液を安定的に供給することができるので、所定の発電能力を継続的に発揮することができる。
【００３１】
また、給液層３２の材質として上述のように導電性のものを用いる場合は、燃料電池２と給液層３２との間にメタノール水溶液の浸透性を有し、絶縁性のポリプロピレンの不織布３３が設けられているので、各燃料電池２へのメタノール水溶液の供給を損うことなく、当該燃料電池２のアノード２ｂ同士を絶縁状態に維持することができる。
【００３２】
また、メタノールを改質することなく水溶液としたものを燃料貯留部３に直接供給して使用することができるとともに、ジメチルエーテル等の他の液体燃料も改質することなく直接使用することができる。
【００３３】
なお、保液層３１の気孔率を７５〜９７％に設定したのは、７５％未満ではメタノール水溶液の保液量が少なくなり、またメタノール水溶液を保液層３１に供給する際の抵抗が大きくなってその供給に時間がかかるためであり、９７％超では上記ＳＵＳ３１６Ｌの発泡焼結金属を用いた場合でも強度不足になるおそれがあるからである。尚、保液層３１の気孔率は、保液量をより十分なものとするとともに、メタノール水溶液の供給時の抵抗をより小さくし、かつ強度不足にならないために、８５〜９５％に設定することがより望ましい。
【００３４】
また、給液層３２の気孔率を３０〜８０％に設定したのは、３０％未満では大きな毛管力が得られるものの、通過面積が小さくなって燃料電池２へのメタノール水溶液の供給量が減少してしまうとともに、アノード２ｂ側に発生する二酸化炭素（式（１）参照）が給液層３２の空孔に溜まって、メタノール水溶液の燃料電池２への供給を阻害する恐れがあるからであり、８０％超では燃料電池２にメタノール水溶液を供給するための十分な毛管力が得られなくなるおそれがあるからである。尚、給液層３２の気孔率は、燃料電池２にメタノール水溶液を供給するための十分な毛管力を維持しつつ、通過面積をより大きくして燃料電池２へのメタノール水溶液の供給量の増大を図るとともに、二酸化炭素が空孔に留まるのをより効率よく防止してメタノール水溶液の燃料電池２への供給をより円滑にする上で、６０〜７５％に設定することがより好ましい。
【００３５】
そして、保液層３１の気孔率の範囲と、給液層３２の気孔率の範囲とは、互いにオーバーラップした記載になっているが、保液層３１から給液層３２へメタノール水溶液が円滑に流れるようにするため、例えば保液層３１の気孔率を８０％とした場合には給液層３２の気孔率を７０％とするように、給液層３２は保液層３１に対して気孔率の小さなものを用いることがより望ましい。
【００３６】
さらに、保液層３１および給液層３２としてＳＵＳ３１６Ｌの発泡焼結金属を用いた例を示したが、これらの保液層３１および給液層３２は、例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ系耐食合金等の金属、ポリウレタン、ポリスチレン、フッ素樹脂等の樹脂、ガラス、ジルコニア質、アルミナ質等のセラミックス、セルロース系等の材料を用いるようにしてもよい。
【００３７】
そして、保液層３１としては、例えばＮｉやＮｉ−Ｃｒ系耐食合金等の発泡金属、粉末焼結金属、発泡ポリウレタン、発泡ポリスチレン、発泡フッ素樹脂等の発泡樹脂、ガラス発泡体、ジルコニア発泡体、アルミナ発泡体等の発泡セラミックス等の多孔質材を用いることができる。また、発泡ポリウレタンの骨格にＮｉ等の金属をメッキすることによって多孔質材を構成するようにしてもよい。この場合、メッキ後にポリウレタンを排除しても、そのまま残しておいてもよい。ただし、強度面からはポリウレタンを残すことが好ましい。また、何れの多孔質材を用いる場合も、多少でも圧延して厚さを調整することが好ましい。
【００３８】
一方、給液層３２としては、上述した保液層３１に用いることができる上記多孔質材の他、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ不織布、Ｎｉ不織布、Ｎｉ−Ｃｒ系耐食合金不織布等の金属製不織布、ポリエステル不織布等の樹脂製不織布、ガラス不織布等のセラミックス製不織布、セルロース不織布等の有機質繊維による不織布等の毛管作用を発揮する材料を用いることができる。
【００３９】
また、給液層３２の毛管作用を大きくするため、材質により、酸洗処理、酸化処理、プラズマ処理などの親水化処理をすることが望ましい。例えば、上述したＳＵＳ３１６Ｌ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ系耐食合金等の金属を用いた多孔質材や不織布は、上記親水化処理を施すことによって、毛管力の向上を図ることができる。
【００４０】
また、燃料貯留部３内に厚さ方向に細いピン状の柱を立てることによって、保液層３１、給液層３２等を補強するようにしてもよい。
そして、ポリプロピレンの不織布３３は、給液層３２を絶縁体で構成した場合には設ける必要がない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１および２に記載の発明によれば、燃料貯留部に収容された保液層が空孔が連続した高気孔率のもので構成されているので、液体燃料を十分に貯留することができるとともに、燃料電池式発電装置の全体が傾いた場合でも保液層による液体燃料の保持力により、当該液体燃料が即座に燃料貯留部内の偏った位置に移動することがない。しかも、保液層における互いに連続する空孔による毛管作用によって給液層に液体燃料を供給することが可能である。そしてさらに、保液層は、その空孔を構成する骨格の表面に極めて間隔の狭い溝等の凹凸が形成されることから、その凹部に沿って大きな毛管力が作用することになる。このため、保液層は、液体燃料が残存する限り、給液層に液体燃料を供給することができる。
また、給液層は、当該液体燃料の毛管作用により液体燃料を燃料電池に確実に供給することができる。
【００４２】
したがって、燃料電池式発電装置の全体が傾いたり、燃料貯留部内の液体燃料の残量が少なくなった場合でも、液体燃料を燃料電池に安定的に供給することができる。
【００４３】
請求項２に記載の発明によれば、保液層が７５〜９７％の気孔率の多孔質材によって構成されているので、液体燃料を十分に貯留することができるとともに、保液層自体の毛管作用により、液体燃料を給液層に供給することができる。
【００４４】
また、給液層が３０〜８０％の気孔率の多孔質材によって構成されているので、保液層から供給される液体燃料を大きな毛管力によって燃料電池に供給することができる。
以上の結果、極めて安定的に液体燃料を燃料電池に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態として示した燃料電池式発電装置の燃料貯留構造の断面説明図である。
【図２】同燃料電池式発電装置の燃料貯留構造の保液層または給液層の成形装置を示す説明図である。
【図３】同燃料電池式発電装置の燃料貯留構造の保液層または給液層についての気孔率と毛管高さに関する実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１　容器
２　燃料電池
３　燃料貯留部
３１　保液層
３２　給液層
【図１】
2004134292.tif 000003
【図２】
2004134292.tif 000004
【図３】
2004134292.tif 000005