(57)【要約】【課題】水素を含んだ燃料流体から発電反応に必要な水素を取り出す改質型の燃料電池においても、燃料電池装置の小型化を図ることが可能な燃料電池および燃料供給方法を提供する。【解決手段】燃料側集電体と改質側集電体とで第二の電解質膜を挟み込み、燃料側集電体と改質側集電体との間に電圧を加えて、燃料側集電体に接触する燃料流体から水素を取り出す。取り出した水素は、酸素極集電体と水素極集電体とで電解質膜を挟み込んだ発電素子の水素極集電体に供給され、酸素極集電体に供給された酸素との反応によって発電が行われる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素極集電体と水素極集電体とで電解質膜を挟み込み、前記酸素極集電体に供給された酸素と前記水素極集電体に供給された水素との反応によって発電を行う発電部と、
燃料側集電体と改質側集電体とで第二の電解質膜を挟み込み、前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記燃料側集電体に接触する燃料流体から水素を取り出して前記発電部の前記水素極集電体に供給する燃料改質部と
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記改質側集電体と前記水素極集電体とが一体形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記発電部での発電による起電力を用いて前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電部と前記燃料改質部とが、重ね合わされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料流体がメタノールを含む水溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料側集電体と改質側集電体で第二の電解質膜を挟み込み、
前記燃料側集電体に水素を含んだ燃料流体を接触させて、
前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記改質側集電体側に水素を取り出し、
発電部の燃料極側に前記水素を供給することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
【請求項７】
前記発電部での発電による起電力を用いて前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池への燃料供給方法。
【請求項８】
前記燃料流体としてメタノールを含む水溶液を用いることを特徴とする請求項８記載の燃料電池への燃料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池への燃料供給方法に関し、特に燃料としてメタノール水溶液を用いる燃料電池および燃料電池への燃料供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源や家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
従来から提案されている燃料電池の構成を図４に示す。水素を燃料とする燃料電池は、水素極側集電体１と酸素極側集電体２とで電解質膜３を挟み込み、水素極側集電体１に水素が供給され、酸素極側集電体２に酸素が供給される。水素極側集電体１に供給された水素は水素極側集電体１と電解質膜３の境界に形成されている触媒層４の働きによりプロトンになり、電解質膜３を通って酸素極側集電体２と電解質膜３の境界に形成されている触媒層５に到達する。触媒層５に到達したプロトンは触媒層５の働きで酸素と結合し水を生成する。水素がプロトンになるときに放出した電子は電流として外部に取り出されて電力エネルギーとして使われることになる。
【０００５】
燃料として水素を含有する液体燃料を用いる燃料電池も提案されており、その一つとしてメタノールを水素に改質せずに燃料として直接用いるダイレクトメタノール型の燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池では、アノード側でＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―の如き反応がおき、カソード側で３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―→３Ｈ２Ｏの如き反応がおきていると考えられる。アノード側で発生したプロトン（Ｈ＋）が電解質によってカソード側に伝達され、全体としてＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応が起きて発電とともに水と二酸化炭素が生成される。
【０００６】
また、メタノールなどの水素を含有する液体燃料から改質器で水素を取り出し、得られた水素を利用する、燃料改質型の燃料電池も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
水素を燃料として用いる燃料電池では、高圧のタンクや水素吸蔵体に水素を蓄えることが必要である。しかし、高圧水素タンクは圧力に耐える材質や構造を必要とするためタンク本体の体積や重量が増加してしまい、燃料電池装置の小型化が困難なものとなる。また、水素吸蔵体は水素の吸蔵率が低いため、所定量異常の水素を貯蔵しようとした場合には燃料電池装置の小型化が困難になる。そのため、燃料の体積と発電電力量との関係から、水素を燃料とするタイプの実用化阻害要因となっている。
【０００８】
ダイレクトメタノール型の燃料電池では、発電体に直接燃料を供給するため構造が簡単であり、小型かつ軽量に作ることができるが、起電力が小さいことや、メタノールの反応で有害な不要物質が発生するなどの問題がある。
【０００９】
改質型では、燃料流体から水素を取り出す段階で改質器を高温状態に保持することが必要であり、過熱機構や保温機構を備えることで燃料電池システムの規模が大きくなり小型化が困難である。
【００１０】
したがって本願発明は、水素を含んだ燃料流体から発電反応に必要な水素を取り出す改質型の燃料電池においても、燃料電池装置の小型化を図ることが可能な燃料電池および燃料供給方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、酸素極集電体と水素極集電体とで電解質膜を挟み込み、前記酸素極集電体に供給された酸素と前記水素極集電体に供給された水素との反応によって発電を行う発電部と、燃料側集電体と改質側集電体とで第二の電解質膜を挟み込み、前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記燃料側集電体に接触する燃料流体から水素を取り出して前記発電部の前記水素極集電体に供給する燃料改質部とを有することを特徴とする。
【００１２】
集電体で電解質膜を挟み込んだ構造を燃料改質部として用い、集電体間に電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体から水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１３】
また、燃料改質部の改質側集電体と発電部の水素極集電体とを一体に形成することで、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。さらに、発電部での発電による起電力を用いて燃料改質部の燃料側集電体と改質側集電体との間に電圧を加えることで、燃料改質部での水素取り出しに用いる電源を別途備える必要がなく、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
【００１４】
発電部と燃料改質部とを重ね合わせて燃料電池を形成しても、燃料電池の小型化を図ることができる。燃料流体としてメタノールを含む水溶液を用いることで、燃料改質部の温度が比較的低温であっても、水素を取り出して発電部に供給することが可能となる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池への燃料供給方法は、燃料側集電体と改質側集電体で第二の電解質膜を挟み込み、前記燃料側集電体に水素を含んだ燃料流体を接触させて、前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記改質側集電体側に水素を取り出し、発電部の燃料極側に前記水素を供給することを特徴とする。
【００１６】
集電体で電解質膜を挟み込んだ構造を燃料改質部として用い、集電体間に電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体から水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池および燃料供給方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本実施の形態の燃料電池は、水素を含む流体として反応性の高いＯＨ基を持つメタノール水溶液を燃料として用いる例を示して説明を行うが、水素を含んだ流体であればメタノール水溶液に限らない。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池の構造を示した断面図である。燃料電池１０は、酸素極側集電体として機能する集電体１１と、第一の電解質膜としてプロトンの伝導を行うプロトン伝導膜１２と、水素極側集電体および改質側集電体として機能する集電体１３と、第二の電解質膜としてプロトンの伝導を行うプロトン伝導膜１４と、燃料側集電体として機能する集電体１５とが積層された構造を有している。
【００１９】
集電体１１，１３，１５は、液体や気体を浸透させる流体透過性と導電性を有する電極材であり、金属材料や多孔質な炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。プロトン伝導膜１２，１４は、常温で高いプロトン（Ｈ＋）伝導性、耐酸化性、耐熱性を示す材質で形成された高分子膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜、ナフィオン膜（フッ素樹脂系）等を用いることができる。
【００２０】
集電体１１のプロトン伝導膜１２と接触する面には触媒層１６が形成され、集電体１３のプロトン伝導膜１２と接触する面には触媒層１７が形成されている。また、集電体１３のプロトン伝導膜１４と接触する面には触媒層１８が形成され、集電体１５のプロトン伝導膜１４と接触する面には触媒層１９が形成されている。触媒層１６，１７，１８，１９は、例えば、白金、白金・ルテニウム、或いはカーボン粉に白金等を担持させたもの、その他の触媒を用いることができる。
【００２１】
また、図１に示したように、集電体１１，１３，１５にはそれぞれ電極端子２０，２１，２２が取り付けられており、集電体１１，１３，１５への電圧の印加や電流の取り出しを行うことが可能となっている。
【００２２】
図１に示した燃料電池１０では、集電体１１，１３でプロトン伝導膜１２を挟み込んだ構造の部分が、水素と酸素の反応によって発電を行う発電部２３を構成している。また、集電体１３，１５でプロトン伝導膜１４を挟み込んだ構造の部分が、水素を含んだ燃料流体から水素を取り出す燃料改質部２４を構成している。
【００２３】
図１に示した構成を有する燃料電池１０では、例えば次のようにして発電が行われる。燃料流体であるメタノール水溶液が集電体１５に供給され、酸化剤の空気が集電体１１に供給される。集電体１５に供給されたメタノール水溶液は、集電体１５の内部の多孔質構造を浸透していくうちに触媒層１９で炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）に分解される。電極端子２１と電極端子２２の間にバイアス電圧を印加することにより、分解された水素はプロトン（Ｈ＋）としてプロトン伝導膜１４内部をバイアス電圧の電位差に応じて集電体１３側に伝導していき、集電体１３側に到達した時点で水素（Ｈ２）となる。このように、燃料改質部２４では、メタノール水蒸気改質反応として知られる（ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２）の如き反応が起こり、メタノール水溶液から水素を取り出すことができる。
【００２４】
水素（Ｈ２）が集電体１３に送られてくると、プロトン伝導膜１２に隣接する触媒層１７に水素（Ｈ２）が接触して電子（ｅ−）が飛び出し、プロトン（Ｈ＋）が発生する（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。このプロトン（Ｈ＋）がプロトン伝導膜１２中を伝導して集電体１１側に移動する。集電体１１側では、送られてきた空気中の酸素が触媒層１６でプロトン（Ｈ＋）及び仕事を終えて戻ってきた電子（ｅ−）と反応して水になる（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）。したがって、燃料電池１０は、電極端子２０と電極端子２１との間には起電力が発生して、両端子を外部回路に接続することで外部回路に対して電流を供給する電池として機能する。
【００２５】
燃料改質部２４で燃料流体から水素を取り出して発電部２３での発電に用いることにより、燃料電池１０に対して水素を直接供給する場合に必要とされる水素貯蔵手段を設けず、燃料流体の流体貯蔵手段を設けることで発電に必要な燃料を供給することが可能となる。水素貯蔵手段は、圧縮した水素ガスを圧縮ボンベに貯蔵する方法や水素吸蔵合金に水素を吸着させる方法があるが、流体貯蔵手段は圧縮ボンベや水素吸蔵合金よりも小型軽量のものを持ちいることができ，燃料電池全体の小型化と軽量化を図ることが可能となる。
【００２６】
また、集電体１３，１５でプロトン伝導膜１４を挟み込んだ構造を燃料改質部２４として用い、集電体１３，１５間にバイアス電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体であるメタノールから水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００２７】
図１では、燃料改質部２４が水素を取り出す改質側集電体と、発電部２３の水素が供給される水素極側集電体とが集電体１３として一体に形成されている例を示したが、それぞれ改質側集電体と水素極側集電体として二枚の異なる集電体として形成してもよい。しかし、改質側集電体と水素極側集電体とを一体として形成し、発電部２３と燃料改質部２４とを重ね合わせた構造に燃料電池を形成することにより、燃料電池１０の小型軽量化を図ることが可能となる。
【００２８】
発電部２３での発電によって生じた起電力の一部を用いて、燃料改質部２４にバイアス電圧を加えるとしてもよい。この場合、燃料改質部２４に対してバイアス電圧を加えるためだけに用いられる電源を別途用意する必要がなくなるため、部品点数を削減して燃料電池の小型軽量化を図ることが可能となる。
【００２９】
燃料電池１０をパッケージ化した例を図２に示す。燃料電池１０の周囲は筐体２５によって囲まれており、燃料流体や水素、酸素が外部に漏洩しない構造となっている。また、プロトン伝導膜１２，１４および集電体１１，１３，１５の周囲には気体の漏洩を防止するシール部材２６を配置し、各部材間の周囲では液体や気体が移動せず、プロトン伝導膜１２，１４および集電体１３の内部を浸透して気体が移動する。
【００３０】
シール部材２６は、燃料流体であるメタノール水溶液に対する耐腐食性を有する材質で形成することが好ましい。図２では省略しているが、集電体１１，１３，１５にはそれぞれ電極端子が形成されて筐体２５の外部に引き出されており、図１に示したように集電体１１，１３の間に生じた起電力を外部に出力することができ、集電体１３，１５の間にバイアス電圧を印加してメタノールから水素の取り出しを行うことが可能となっている。
【００３１】
また、筐体２５の集電体１１側には、外部から酸素を含んだ空気を供給するための酸素供給口２７が形成されており、集電体１１に対して酸素の供給が可能となっている。また、筐体２５の集電体１５側には、外部から水素を含んだ燃料流体としてメタノール水溶液を供給するための燃料供給口２８が形成されており、集電体１５に対してメタノール水溶液の供給が可能となっている。
【００３２】
燃料電池パッケージを搭載した電子機器では、メタノール水溶液を貯蔵した容器を流体配管等で燃料供給口２８に接続し、外部から酸素を含んだ空気を酸素供給口２７に供給する。これにより、燃料改質部２４に加えられるバイアス電圧によってメタノール水溶液から水素が取り出され、発電部２３での水素と酸素の反応によって発電が行われる。
【００３３】
燃料電池１０を図２に示した例のようにパッケージ化することによって、燃料電池パッケージの取り扱いが容易になり、電子機器等に燃料電池パッケージを搭載することが容易になる。
【００３４】
燃料電池のパッケージ化である他の例として、燃料電池１０を積層したスタックセル構造を図３に示す。この例では、図１と同様の構成である集電体３１と、プロトン伝導膜３２と、集電体３３と、プロトン伝導膜３４と、集電体３５とが積層された構造の燃料電池３０を２層有している。二つの燃料電池３０は、集電体３１同士が一定の間隔を確保して対向するように配置されている。
【００３５】
燃料電池３０の周囲は筐体４５によって囲まれており、燃料流体や水素、酸素が外部に漏洩しない構造となっている。また、プロトン伝導膜３２，３４および集電体３１，３３，３５の周囲には気体の漏洩を防止するシール部材４６を配置し、各部材間の周囲では液体や気体が移動せず、プロトン伝導膜３２，３４および集電体３３の内部を浸透して気体が移動する。
【００３６】
シール部材４６は、燃料流体であるメタノール水溶液に対する耐腐食性を有する材質で形成することが好ましい。図３では省略しているが、集電体３１，３３，３５にはそれぞれ電極端子が形成されて筐体４５の外部に引き出されており、図１に示したように集電体３１，３３の間に生じた起電力を外部に出力することができ、集電体３３，３５の間にバイアス電圧を印加してメタノールから水素の取り出しを行うことが可能となっている。
【００３７】
また、筐体４５の集電体３１側には、外部から酸素を含んだ空気を供給するための酸素供給口４７が形成されており、二つの燃料電池３０の集電体３１に対して酸素の供給が可能となっている。また、筐体４５の二つの燃料電池３０の集電体３５側には、外部から水素を含んだ燃料流体としてメタノール水溶液を供給するための燃料供給口４８がそれぞれ形成されており、集電体３５に対してメタノール水溶液の供給が可能となっている。
【００３８】
燃料電池パッケージを搭載した電子機器では、メタノール水溶液を貯蔵した容器を流体配管等で燃料供給口４８に接続し、外部から酸素を含んだ空気を酸素供給口４７に供給する。これにより、燃料改質部に加えられるバイアス電圧によってメタノール水溶液から水素が取り出され、発電部での水素と酸素の反応によって発電が行われる。
【００３９】
図３では、二つの燃料電池３０が積層された例を示しているが、図１に示した構造を有する燃料電池の層数は何層であってもよい。また、筐体に形成された燃料供給口や酸素供給口を一つにして、筐体内部に燃料流路や酸素流路を形成して各層の集電体に燃料や酸素を供給する構成としても良い。燃料電池をスタックセル構造として積層することにより、発電部同士が電気的に直列に接続されるため、全体での出力電圧を大きくすることができる。
【００４０】
燃料電池３０を図３に示した例のようにパッケージ化することによって、燃料電池パッケージの取り扱いが容易になり、電子機器等に燃料電池パッケージを搭載することが容易になる。
【００４１】
【発明の効果】
集電体で電解質膜を挟み込んだ構造を燃料改質部として用い、集電体間に電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体から水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００４２】
また、燃料改質部の改質側集電体と発電部の水素極集電体とを一体に形成することで、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。さらに、発電部での発電による起電力を用いて燃料改質部の燃料側集電体と改質側集電体との間に電圧を加えることで、燃料改質部での水素取り出しに用いる電源を別途備える必要がなく、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
【００４３】
発電部と燃料改質部とを重ね合わせて燃料電池を形成しても、燃料電池の小型化を図ることができる。メタノールは反応性の高いＯＨ基を有しているので、燃料流体としてメタノールを含む水溶液を用いることで、燃料改質部の温度が比較的低温であっても、水素を取り出して発電部に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素を含んだ燃料流体から水素を取り出して発電に用いる燃料電池の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池をパッケージ化した一例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池をパッケージ化した他の例であるスタックセル構造を示す断面図である。
【図４】従来の水素を燃料とした燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１    水素極側集電体
２    酸素極側集電体
３    電解質膜
４，５    触媒層
１０，３０    燃料電池
１１，１３，１５，３１，３３，３５    集電体
１２，１４，３２，３４    プロトン伝導膜
１６，１７，１８，１９    触媒層
２０，２１，２２    電極端子
２３    発電部
２４    燃料改質部
２５    筐体
２６    シール部材
２７    酸素供給口
２８    燃料供給口
【図１】
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【図２】
2004362966.tif 000004
【図３】
2004362966.tif 000005
【図４】
2004362966.tif 000006