(57)【要約】【課題】安全で取り扱いが容易であり、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙するための教材またはインテリア物品として有用な、燃料電池発電状態表示装置を提供する。【解決手段】貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから燃料電池発電状態表示装置を構成する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから構成される燃料電池発電状態表示装置。
【請求項２】
目視で定量可能な燃料残量表示部と発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部とを有する請求項１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【請求項３】
前記動作部が機械的運動を発生せしめる機能を有する請求項１または２に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【請求項４】
前記動作部が、光と音声との内の少なくともいずれかを発生せしめる機能を有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【請求項５】
前記動作部が、所定の演算、計時または計数を行う機能を有する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能な、教材やインテリアとして使用できる燃料電池発電状態表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、いわゆる電気分解の逆反応に相当する反応を電極表面で起こし、燃料の分解により発生する電子を取り出し、電気回路に供給することでエネルギを供給するデバイスである。従来から、燃料電池を学校教育や社会一般を啓蒙するための教材として、水素燃料型セルを用いた教材用燃料電池が発明されている。たとえば、特許第２０７３８８号や実用新案登録第３０７３４０５号などに教材用燃料電池の発明が公知化されている。これらは、燃料ガスに水素を、酸化剤ガスに酸素を用いる、いわゆる高分子固体型燃料電池であり、以下の反応を基本としている。
【０００３】
燃料極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
酸素極反応：２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
すなわち、燃料としての水素が酸素で酸化されて水を生じる反応を利用するため、生成物は水だけであり、クリーンなエネルギであるとともに、水素は海水などから無尽蔵に採取できるため、環境に配慮しつつ将来のエネルギ問題に道を拓くものと期待できる電池として扱われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素−酸素系の燃料電池にあっては、燃料ガスとして極めて危険な水素ガスを必要とする。水素ガスは無色無臭で、かつ分子サイズが気体分子中最も小さいことから、タンク、ボンベ等の容器や燃料電池への接続配管部、あるいは燃料電池本体から漏洩し易い。
【０００５】
水素は、裸火は言うに及ばず、静電気放電や電気機器類のスイッチ開閉時のスパークなどの極めて小さなエネルギで着火するため、漏洩時には爆発や火災などの危険性が大きい。小中学校において、水素を用いた理科の実験中に爆発・火災事故が発生することが後を絶たないことからも、いかに危険な反応性ガスであるかが示されている。
【０００６】
このため、このような教材において水素ガスを使用することは大きなリスクを孕んでおり、学校教育や一般向けの啓蒙に使用する教材として望ましくない面がある。
【０００７】
また、水素ガスは、その消費速度や残量を測定評価するための手段が複雑になる。たとえば、水素タンク内の残量を調べる場合、圧力計（ブルドン式圧力ゲージや歪みゲージ式圧力センサ）により、適宜残存圧力を測定する必要があり、系が複雑になる上、このような測定手段における水素ガス漏洩の危険性が増大する可能性も孕んでいる。液化水素を用い、水素を液体として扱えば、重量の測定のみで残量を簡便に知ることができるが、このような教材レベルの装置にあっては、−２４０℃の液化水素を用いることは現実的とは言えない。
【０００８】
本発明の目的の一つは、このような安全上の問題を回避でき、しかも、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能な、新規な燃料電池発電状態表示装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから構成される燃料電池発電状態表示装置が提供される。この装置を使用すれば、安全上の問題を回避でき、しかも、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能となる。
【００１１】
この装置は、目視で定量可能な燃料残量表示部と発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部とを有することが好ましい。また、動作部が機械的運動を発生せしめる機能を有すること、光と音声との内の少なくともいずれかを発生せしめる機能を有すること、所定の演算、計時または計数を行う機能を有することが好ましい。
【００１２】
なお、以下に説明する発明の実施の形態や図面の中で、本発明の更なる特徴が明らかにされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。これらの図において、同一の要素については同一の符号を付すものとする。
【００１４】
本発明では、燃料電池として貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備し、アルコール系燃料によって発電する燃料電池部を使用する。
【００１５】
水素に代えてアルコール系燃料を使用することにより、取り扱いが容易になり、上記の安全上の問題が回避できる。しかも、アルコール系燃料が液体であるため、燃料消費速度の測定が容易になり、燃料消費速度と発電量との関係を実感でき、教材としての効果が向上する。
【００１６】
アルコール系燃料としてたとえばメタノールを使用した場合、下記の反応が各電極の触媒表面で生じる。
【００１７】
・燃料極反応：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
・空気極反応：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
・全体反応：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
ここで得られる電子が、電気エネルギとして利用される。この反応から理解されるように、発生する物質は二酸化炭素と水のみであり、この電池はクリーンなエネルギを供給できる。
【００１８】
このような燃料電池部においては、電極として白金微粒子、あるいは白金とルテニウムなどの合金微粒子等、燃料の酸化・還元能等の電極触媒活性を有する金属微粒子を、貴金属触媒として、導電性を有するカーボン微粒子上に担持してなる触媒担持カーボンを採用できる。本発明に係る貴金属触媒電極とはこのような電極を意味する。
【００１９】
ここで、触媒微粒子の直径は、３ｎｍ〜２０ｎｍレベルが一般的である。燃料電池部においては、触媒材料表面における反応速度が発電効率に寄与する比率が高いので、貴金属触媒面積の大きい触媒粒子が好ましい。
【００２０】
本発明に係る燃料電池部では、電解質として高分子固体電解質を使用する。固体電解質にあっては、燃料極で発生した水素イオンを効率よく透過させて空気極側に輸送する性能が求められるため、極性の大きな官能基を有するポリマー材料が用いられる。このような高分子固体電解質としては公知のどのような材料を使用することも可能である。デュポン社製ナフィオン、旭化成（株）製アシプレックス、旭硝子（株）製フレミオンを例示することができる。
【００２１】
本発明に係る燃料電池発電状態表示装置は、燃料電池部の発電状態を各種の手段により、分かりやすく表示する装置であり、上記の燃料電池部とともに、燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とを構成要素とする。燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部を設けることにより、燃料電池部から供給される電気がどのように消費されるのかを実感することができ、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部を設ければ、燃料電池部でどの程度の発電がなされると動作部の動作としてどの程度のものが実現できるかを定性的、定量的に理解するのが容易になるからである。また、このように機能を分割すると、コンパクトな燃料電池発電状態表示装置が実現でき、教材やインテリア物品として好ましい場合が多い。
【００２２】
さらに、本発明の場合は、アルコール系燃料を使用するため、目視で定量可能な燃料残量表示部をコンパクトに設けることが容易であり、このような燃料残量表示部を設けることは、電気を得るためにどの程度の原料を消費しなければならないかを直感的に理解できるようになる点でも有用性が高い。発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部を設けることも、同様な理由で有用である。
【００２３】
両者はそれぞれ、どちらか一方を設けてもよいが、両者をともに設けると、原料消費速度と発電状態との関係がより明確に把握でき、有用である。
【００２４】
動作部では、電気を種々の形態で使用することができる。動作部としては、たとえば、機械的運動を発生せしめる機能を有する場合、通信手段を動作せしめる機能を有する場合、光や音声を発生せしめる機能を有する場合、所定の演算、計時または計数を行う機能を有する場合等が考えられ、いずれも、実生活において、電気が以下に重要なものであるかを実感させる意味で有用である。
【００２５】
図１に、本発明の燃料電池部の原理構成を示す。図１において、貴金属触媒電極である燃料極１と貴金属触媒電極である空気極３との間に高分子固体電解質２が挟持され、この構成によって、図１中のＯ２で示すようにして酸素が消費され、アルコール系燃料であるメタノール（図１中ＣＨ３ＯＨで示されている）と反応し、発生した二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とは、図１のようにして排出され、発生した電気は電気負荷である動作部４に流れ、動作部４において種々の形態で消費される。図１中ｅ−は電子を意味する。＋と−とは電極の極性を表す。
【００２６】
このような燃料電池部の燃料としては、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールなどのアルコールを、水に溶解したものが使用できる。これらの燃料成分は、予め所定濃度に希釈したものを用いてもよいし、燃料電池セル中で薄まって所定濃度になるように高濃度の燃料を注入してもよい。
【００２７】
図２は、本発明に係る燃料電池発電状態表示装置を例示するモデル図である。図２には、本発明に係る燃料電池部２１と動作部４と評価部２２と燃料残量表示部２３と発電状態表示部２４とが、燃料電池発電状態表示装置としてコンパクトに収容された様子を示している。
【００２８】
動作部４としてはプロペラ回転装置とクリスマスツリーの電飾を例示してある。発電状態表示部２４では、発電の状態を表す電力値、電力値の積分値、電圧、電流等を表示することができる。評価部２２では、このような発電の状態を表す電力値、電力値の積分値、電圧、電流等と動作部の動作であるプロペラ２５の回転数とを並べて表示し、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を示すことができる。このプロペラ２５の回転数は、回転数検出器２６で検出することができる。
【００２９】
評価部で、燃料電池部の発電状態との関係を定性的または定量的に表示するための動作部の動作としては、このような回転の他に、模型の自動車、船、飛行機など移動体の駆動、荷重の移動、光の発生、音声の発生を例示することができる。
【００３０】
具体的には、電力値、電力値の積分値、電圧、電流を、回転体の回転数、模型の自動車、船、飛行機など移動体の駆動量、発生した馬力、荷重の移動量、駆動速度、光の発生量、音声の発生量と比較表示することができる。なお、燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する具体的方法としては、両者の測定値を並べて表示する方法の他、これらの物理量をディジタル信号に変換し、コンピュータの表示画面に表示したりプリントアウトする方法等がある。
【００３１】
動作部としては、機械的運動、光や音声の発生、通信手段の駆動、演算装置の駆動などを行うことができる。
【００３２】
機械的運動にあっては、モータの駆動に代表される運動をさせることができる。たとえば、ファン（扇風機）の回転、自動車、船、飛行機等の移動体の駆動、ロボットの駆動、自動動作オブジェの駆動などが該当する。
【００３３】
光の発生については、ＬＥＤ、ＬＤ、ＥＬなどの自己発光素子や、ＬＣＤなどの受動表示デバイスによる表示も含まれる。なお、単に光を発生し注目を集める等の場合も含まれる。
【００３４】
音声の発生については、ＣＤ、ＭＤなどの所謂オーディオ装置が該当する。また、通信手段にあっては、ラジオ、テレビなどの受信機や、一定情報の発信を行うテレメトリ、さらには携帯電話やトランシーバなどの通信手段が該当する。なお、単に音響を発生し注目を集める等の場合も含まれる。
【００３５】
所定の演算、計時または計数を行う機能を有する場合としては、マイクロコンピュータなどに代表される情報処理装置を駆動し、所定の動作の制御を行う場合が該当する。このとき、温度、湿度、光量、音量、圧力、加速度，ｐＨ、導電率などの各種物理量、化学量を電気量に変換し、演算装置に入力後、その演算結果により上記の動作部にフィードバックすることができ、複雑な動作を燃料電池で実現することができる。
【００３６】
燃料の残量は、たとえば燃料電池部に設けた透明窓材部分を通して、目視によって簡便に確認することができる。この結果を使用して、燃料の注入時期を知ることができ、消費量から燃料の利用効率を算出することができる。
【００３７】
燃料電池部での発電状態は、電力値、電力値の積分値、電圧、電流等として、ＬＥＤなどの発光素子の点滅、またはＬＣＤ表示器などにより、定性的、定量的に表示することが可能である。そして上記の燃料消費量との関係を用いれば、さらに正確に燃料の使用効率、すなわち、いわゆる発電効率を求めることができる。
【００３８】
本発明に係る燃料電池発電状態表示装置は、上記に説明したように、クリーンなエネルギ供給源としてのアルコール系燃料を使用することにより、取り扱い性が容易になり、安全性が確保でき、目視で定量可能な燃料残量表示部を設けることも容易であるため、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を、定性的または定量的に容易に把握でき、また装置の全体をコンパクトにすることができるため、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙するときに有用である。
【００３９】
さらに、燃料電池に関する知識を広く一般に啓蒙させることができるようになり、次世代の高容量エネルギデバイスである燃料電池を広範囲に普及させることに役立つ。
【００４０】
なお、本発明に係る燃料電池発電状態表示装置は、たとえば２０〜３０ｃｍ平方の小型の装置として作製することができる。それより大型にすることが可能であることは言うまでもない。
【００４１】
【実施例】
次に本発明の実施例および比較例を詳述する。
【００４２】
［実施例１］
白金−ルテニウム触媒担持カーボン（田中貴金属工業製ＴＥＣ６１Ｅ５４）１重量部と固体電解質溶液（デュポン社製ナフィオン２７４７０−４、１重量部）とを混合し、カーボンペーパー（東レインターナショナルＴＧＰ−Ｈ−１２０）の上に厚み５０μｍで塗布し、８０℃で３０分間乾燥して燃料極とした。
【００４３】
同様に、白金触媒担持カーボン（田中貴金属工業製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１重量部と固体電解質溶液（デュポン社製ナフィオン２７４７０−４、１重量部）とを混合し、カーボンペーパー（東レインターナショナルＴＧＰ−Ｈ−１２０）の上に厚み５０μｍで塗布し、８０℃で３０分間乾燥して空気極とした。
【００４４】
各々の電極を、固体電解質フィルム（デュポン社製ナフィオン１１７）の両面に貼付し、１３０℃にて、１０ＭＰａの圧力で２分間ホットプレスした。この電極膜複合体を、図３，４に示す構造のセルに内蔵し、メタノール駆動型の燃料電池セルを組み立てた。
【００４５】
図３は、本発明に係る燃料電池部で発電される様子を示すモデル図である。図３の左側からメタノールと水との混合物が供給され、右側から空気中の酸素が供給される。メタノールは高分子固体電解質中で酸素と反応し、図３に示すように炭酸ガスと水蒸気とになって系外に排出され、発生した電子は、たとえばステンレススチール製の集電体５を介して動作部４に供給される。
【００４６】
実際に組み立てられた燃料電池部は、図４に示すように、たとえはアクリル樹脂製の筺体６中に貴金属触媒電極である燃料極１とフィルム状の高分子固体電解質２と空気極３と集電体５とを挟持し、ニトリルゴムやブチルゴムよりなるパッキング７でシールした板状体として作製することができる。なお、図３では筺体５は省略されている。
【００４７】
この燃料電池部の出力を、モーター（マブチＦＡ−１３０）に接続し、モーターには回転が明確に視認できるようにファンと、この回転速度を計測可能なタコメーターとを設置した。また、燃料電池部出力とモーターとの間には、小型電流電圧計（パネルメーター）を接続し、電流−電圧をリアルタイムで計測可能とした。
【００４８】
この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液１ｍＬを注入した結果、モーターは２時間回転を続けた。このときの出力電圧は０．３Ｖ、電流は０．２Ａであった。
【００４９】
なお、燃料の残存量は、燃料容器にサイトグラスを取り付けることにより、観察できるようにした。
【００５０】
［実施例２］
実施例１で作製した燃料電池部の出力を、白色ＬＥＤ（日亜化学製）を１０個並列に接続したイルミネーション装置に接続した。この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液１ｍＬを注入した結果、ＬＥＤは５時間発光を続けた。このときの出力電圧は０．３Ｖ、電流は０．０９Ａであった。
【００５１】
［実施例３］
実施例１で作製した燃料電池部の出力を、昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介して１．５Ｖに昇圧し、ＭＤ（ミニディスク）再生装置に接続した。この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液２ｍＬを注入した結果、ＭＤは１時間再生動作を続けた。このときの出力電圧は１．５Ｖ、電流は０．３Ａであった。
【００５２】
［実施例４］
実施例１で作製した燃料電池部の出力を、昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介して３．６Ｖに昇圧し、携帯電話装置に接続した。この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液３ｍＬを注入した結果、携帯電話は１時間通話動作を続けた。このときの出力電圧は３．６Ｖ、電流は０．５Ａであった。
【００５３】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【００５４】
（付記１）　貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから構成される燃料電池発電状態表示装置。
【００５５】
（付記２）　目視で定量可能な燃料残量表示部を有する付記１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５６】
（付記３）　発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部を有する付記１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５７】
（付記４）　目視で定量可能な燃料残量表示部と発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部とを有する付記１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５８】
（付記５）　前記動作部が機械的運動を発生せしめる機能を有する付記１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５９】
（付記６）　前記動作部が通信手段を動作せしめる機能を有する付記１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００６０】
（付記７）　前記動作部が、光と音声との内の少なくともいずれかを発生せしめる機能を有する付記１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００６１】
（付記８）　前記動作部が、所定の演算、計時または計数を行う機能を有する付記１〜７のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能な燃料電池発電状態表示装置を提供することができる。
【００６３】
この燃料電池発電状態表示装置は、安全で取り扱いが容易であり、燃料消費速度と発電量との関係を実感できるため、教材やインテリア物品として有用である。
【００６４】
さらに、燃料電池に関する知識を広く一般に啓蒙させることができるようになり、次世代の高容量エネルギデバイスである燃料電池を広範囲に普及させることに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池部の原理構成を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電状態表示装置を表したモデル図である。
【図３】本発明に係る燃料電池部で発電される様子を示すモデル図である。
【図４】本発明に係る燃料電池部が組み立てられた様子を示すモデル図である。
【符号の説明】
１　　燃料極
２　　高分子固体電解質
３　　空気極
４　　動作部
５　　集電体
６　　筺体
７　　パッキング
２１　燃料電池部
２２　評価部
２３　燃料残量表示部
２４　発電状態表示部
２５　プロペラ
２６　回転数検出器
【図１】
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【図２】
2004071449.tif 000004
【図３】
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【図４】
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