(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接液体燃料電池システムであって：
電解質膜と、前記電解質膜の第１面上に形成されたカソード電極と、前記電解質膜の第２面上に形成されたアノード電極と、を有する燃料電池セルと；
前記燃料電池セルに供給される液体燃料を収容し、互いに分離された高濃度燃料収容部及びフレキシブル容器であり前記直接液体燃料電池システムが装着される電子装置と対向するように配置されて前記液体燃料を吐出しながら収縮する低濃度燃料収容部と；
を備え、
まず前記低濃度燃料収容部に収容された前記液体燃料が、前記低濃度燃料収容部が設置された前記直接液体燃料電池システムを電子装置に装着した時、前記低濃度燃料収容部の前記電子装置と対向する面が前記電子装置によって押圧されて収縮されながら前記アノード電極に供給され、その後前記高濃度燃料収容部に収容された前記液体燃料が前記アノード電極に供給されることを特徴とする、直接液体燃料電池システム。
【請求項２】
前記低濃度燃料収容部には、水又は３モル濃度以下の濃度のメタノールが収容されたことを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項３】
前記低濃度燃料収容部には、１〜３モル濃度のメタノールが収容されたことを特徴とする、請求項２に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノード電極上に燃料拡散部が設置され、
前記高濃度燃料収容部は、前記燃料拡散部上に配置されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料拡散部は、多孔性フォーム部材であることを特徴とする、請求項４に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項６】
前記低濃度燃料収容部は、前記高濃度燃料収容部上に配置され、前記低濃度燃料収容部の出口が、前記燃料拡散部に接触されるように設置されたことを特徴とする、請求項４又は５に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項７】
前記高濃度燃料収容部には、貫通ホールが形成されており、
前記低濃度燃料収容部には、前記貫通ホールを介して前記燃料拡散部に接触されるように設置された出口が形成されたことを特徴とする、請求項６に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池セルと、前記燃料拡散部と、前記高濃度燃料収容部と、が装着されるハウジングを更に備え、
前記低濃度燃料収容部は、前記ハウジングに対して着脱自在であることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１項に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池セルと前記ハウジングとの間に、前記カソード電極から生成された水の外部流出を防止し、気体を通過させる気体透過膜を更に備えることを特徴とする、請求項８に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１０】
前記高濃度燃料収容部には、10モル濃度以上のメタノール又は純メタノールが収容されたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の直接液体燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接液体燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応により燃料の有している化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる電気化学装置をいう。直接液体燃料電池（direct liquid feed fuel cell）は、メタノールのような液体燃料を直接酸素と反応させて電気エネルギーを得る。直接液体燃料電池は、外部から燃料が与えられる限り、続けて作動できるという点で、二次電池と区別される。直接液体燃料電池は、モバイル通信機器に直接装着して使用されたり、モバイル通信機器に装着された充電バッテリーを充電するために使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、燃料電池をモバイル通信機器の電源に長時間使用するためには、純メタノール又は10モル濃度以上の高濃度のメタノール燃料を水と希釈した後、電極に低濃度のメタノール燃料を供給する。従って、モバイル通信機器用の燃料電池は、高濃度燃料収容部が必要になる。しかし、高濃度のメタノール燃料を水と希釈して低濃度にするためには、初期に水が必要である。そのため、低濃度に希釈されたメタノール燃料を電極に供給し、電極が正常な性能を発揮して水を生成するまでは、数分以上の時間が必要となるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、短時間で、かつ安定的に起動させることが可能であり、長期間駆動を継続させることが可能な、新規かつ改良された直接液体燃料電池システムを提供することにある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２７５３０号公報
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、直接液体燃料電池システムであって、電解質膜と、電解質膜の第１面上に形成されたカソード電極と、電解質膜の第２面上に形成されたアノード電極と、を有する燃料電池セルと、燃料電池セルに供給される液体燃料を収容し、互いに分離された高濃度燃料収容部及びフレキシブル容器であり直接液体燃料電池システムが装着される電子装置と対向するように配置されて液体燃料を吐出しながら収縮する低濃度燃料収容部と、を備え、まず低濃度燃料収容部に収容された液体燃料が、低濃度燃料収容部が設置された直接液体燃料電池システムを電子装置に装着した時、低濃度燃料収容部の電子装置と対向する面が電子装置によって押圧されて収縮されながらアノード電極に供給され、その後高濃度燃料収容部に収容された液体燃料がアノード電極に供給されることを特徴とする、直接液体燃料電池システムが提供される。
【０００７】
かかる構成において、直接液体燃料電池システムは、燃料電池セルと、高濃度燃料収容部及び低濃度燃料収容部とを備える。燃料電池セルは、電解質膜と、カソード電極と、アノード電極を有し、カソード電極は、電解質膜の第１面上に形成され、アノード電極は、電解質膜の第１面とは異なる第２面上に形成される。また、高濃度燃料収容部及び低濃度燃料収容部は、互いに分離されており、燃料電池セルに供給されるそれぞれ高濃度及び低濃度の液体燃料を収容する。かかる構成により、直接液体燃料電池システムは、高濃度燃料収容部及び低濃度燃料収容部から燃料電池セルに液体燃料が供給されることにより駆動する。また、低濃度燃料収容部に収容された液体燃料は、低濃度燃料収容部が設置された直接液体燃料電池システムを電子装置に装着した時、アノード電極に供給され、使い果たされる。
【０００８】
その結果、まず低濃度燃料収容部から低濃度の液体燃料が燃料電池セルに供給されるので、直接液体燃料電池システムを短時間で、かつ安定的に起動させることが可能であり、更に、高濃度燃料収容部から高濃度の液体燃料が燃料電池セルに供給されるので、直接液体燃料電池システムの長期間駆動を継続させることができる。
【０００９】
上記低濃度燃料収容部は、フレキシブル容器である。かかる構成において、直接液体燃料電池システムを電子装置に装着した時、低濃度燃料収容部に収容された液体燃料は燃料電池セルに供給されて、低濃度燃料収容部の体積が縮小するので、直接燃料電池システム全体の容積を低減させることができる。
【００１０】
上記低濃度燃料収容部には、水又は３モル濃度以下の濃度のメタノールが収容されるとしてもよい。また、低濃度燃料収容部には、１〜３モル濃度のメタノールが収容されるとしてもよい。
【００１１】
上記アノード電極上に燃料拡散部が設置され、高濃度燃料収容部は、燃料拡散部上に配置されてもよい。かかる構成により、高濃度の液体燃料は、燃料拡散部を介して、高濃度燃料収容部からアノード電極に供給される。
【００１２】
上記燃料拡散部は、多孔性フォーム部材であるとしてもよい。かかる構成より、液体燃料は燃料拡散部全体に浸透して、液体燃料はアノード電極に均一に供給される。
【００１３】
上記低濃度燃料収容部は、高濃度燃料収容部上に配置され、低濃度燃料収容部の出口が、燃料拡散部に接触されるように設置されるとしてもよい。かかる構成より、低濃度の液体燃料は、燃料拡散部を介して、低濃度燃料収容部の出口からアノード電極に供給される。
【００１４】
上記高濃度燃料収容部には、貫通ホールが形成されており、低濃度燃料収容部には、貫通ホールを介して燃料拡散部に接触されるように設置された出口が形成されるとしてもよい。かかる構成より、高濃度燃料収容部の貫通ホールと、低濃度燃料収容部の出口とを介して、低濃度の液体燃料が、低濃度燃料収容部から燃料拡散部に供給される。
【００１５】
上記燃料電池セルと、燃料拡散部と、高濃度燃料収容部と、が装着されるハウジングを更に備え、低濃度燃料収容部は、ハウジングに対して着脱自在であるとしてもよい。かかる構成により、高濃度液体燃料が減少した場合、他の高濃度燃料収容部と交換するか、又は高濃度燃料収容部に形成された注入ホールから高濃度燃料収容部に高濃度の液体燃料を注入することによって、短時間内で燃料電池システムを再起動することができる。更に、燃料電池システムを長時間使用しない状態で、また使用しようとする場合には、ハウジングに新しい低濃度燃料収容部を装着して使用することができる。
【００１６】
上記燃料電池セルとハウジングとの間に、カソード電極から生成された水の外部流出を防止し、気体を通過させる気体透過膜を更に備えることができる。かかる構成により、気体透過膜は、カソード電極で生成された水の排出を抑制し、一部の水をアノード電極側に回収させる。また、気体透過膜１２０は、気体、例えば、二酸化炭素を排出させる。
【００１７】
上記高濃度燃料収容部には、10モル濃度以上のメタノール又は純メタノールが収容されるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、短時間で、かつ安定的に起動させることが可能であり、長期間駆動を継続させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、本説明において、図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されるように図示されている。
【００２０】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る直接液体燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態に係る直接液体燃料電池システムを示す断面図である。
【００２１】
本実施形態に係る直接液体燃料電池システム１００は、ハウジング１１０と、燃料電池セル１３０と、燃料電池セル１３０のアノード電極１３６上の燃料拡散部１４０と、燃料拡散部１４０上の高濃度燃料収容部１５０と、高濃度燃料収容部１５０上に配置される低濃度燃料収容部１６０とを具備する。燃料電池セル１３０、燃料拡散部１４０、及び高濃度燃料収容部１５０は、ハウジング１１０内に固定されるように設けられる。低濃度燃料収容部１６０は、ハウジング１１０に着脱自在な構造とすることができる。
【００２２】
燃料電池セル１３０は、電解質膜１３２と、電解質膜１３２の下部に形成された複数のカソード電極１３４と、電解質膜１３２の上部でカソード電極１３４と対応する領域に形成された複数のアノード電極１３６とを具備する。即ち、燃料電池セル１３０は、複数の単位燃料電池セル１３０を具備する。各単位燃料電池セル１３０は、直列連結され、かかる直列回路構成は、公知の技術であるから、詳細な説明は省略する。
【００２３】
燃料拡散部１４０は、低濃度燃料収容部１６０からの燃料と高濃度燃料収容部１５０からの燃料とを、アノード電極１３６に均一に供給する。燃料拡散部１４０は、多孔性フォーム、例えばスポンジからなる。
【００２４】
高濃度燃料収容部１５０は、本実施形態に係る燃料電池システムのエネルギー密度向上のために設けられ、高濃度のメタノール、例えば純メタノールを収容する。高濃度燃料収容部１５０で燃料拡散部１４０と接触する面には、多数のホール１５２が形成されている。このホール１５２から高濃度燃料収容部１５０内の液体燃料が燃料拡散部１４０を経てアノード電極１３６に供給される。高濃度燃料収容部１５０は、ハウジング１１０に固定されるように設置されるか、又は着脱自在な構造で形成される。高濃度燃料収容部１５０には、外部から純メタノールを注入する注入ホール（図示せず）が形成される。
【００２５】
低濃度燃料収容部１６０は、フレキシブルな容器であり、その内部には、初期に燃料電池を駆動するのに必要な１〜３モル濃度のメタノールが収容される。図２は、本実施形態に適用される低濃度燃料収容部１６０の一例を示す斜視図である。図２に示すように、低濃度燃料収容部１６０には、外部の圧力を受けて燃料拡散部１４０に内部の液体燃料を吐出する出口１６２が形成されている。出口１６２は、高濃度燃料収容部１５０に形成された貫通ホール１５４を経て、燃料拡散部１４０と接触されるように形成される。貫通ホール１５４は、低濃度燃料収容部１６０の着脱手段として利用することができる。低濃度燃料収容部１６０は、外部圧力によって体積が減る。従って、低濃度燃料収容部１６０は、電子機器に装着された燃料電池システムにおいて、ほとんど体積を占めないように設計することができる。
【００２６】
燃料電池セル１３０の一側には、例えば、燃料電池セル１３０からのターミナル（図示せず）と電気的に連結され、モバイル電子機器（図示せず）に連結され、モバイル電子機器を充電させるための外部端子１８０と回路連結された印刷回路基板１７０が設置される。
【００２７】
一方、燃料電池セル１３０のカソード電極１３４側と対面するハウジング１１０には、多数の空気ホール１１２が形成されている。空気ホール１１２を介し、カソード電極１３４に空気が供給される。空気ホール１１２及び燃料電池セル１３０間には、気体透過膜１２０が形成される。気体透過膜１２０は、疏水性であり、かつ多孔性である、例えばポリテトラフルオロエチレン（PTFE: PolyTetraFluoroEtylene）により製造される。気体透過膜１２０は、カソード電極１３４で生成された水の排出を抑制し、一部の水をアノード電極１３６側に回収させる。また、気体透過膜１２０は、気体、例えば、二酸化炭素を排出させる。
【００２８】
本実施形態では、低濃度燃料収容部１６０に１〜３モルのメタノールが収容されているが、必ずしもそれに限定されるものではない。即ち、低濃度燃料収容部１６０に水を収容して初期に燃料拡散部１４０に供給し、次に、高濃度燃料収容部１５０からの高濃度液体燃料と混合して使用することもできる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る直接液体燃料電池システムの動作を図１、図２を参照しつつ、詳細に説明する。
【００３０】
まず、ハウジング１１０内に装着された高濃度燃料収容部１５０に10モル濃度以上濃度のメタノール、又は純メタノールを注入し、低濃度燃料収容部１６０に１〜３モル濃度のメタノールを注入する。次に、低濃度燃料収容部１６０の出口１６２を高濃度燃料収容部１５０の貫通ホール１５４に挿入しつつ、低濃度燃料収容部１６０をハウジング１１０に装着する。次に、充電しようという電子デバイス（図示せず）の外部端子（図示せず）と本実施形態に係る外部端子１８０とを結合させる。このとき、低濃度燃料収容部１６０は、ハウジング１１０と電子デバイスとの間で押圧されつつ、内部の低濃度メタノールが出口１６２を介して燃料拡散部１４０に供給される。
【００３１】
次に、燃料電池セル１３０は、初期駆動が行われる。初期駆動後の燃料供給は、高濃度燃料収容部１５０からホール１５２を介して燃料拡散部１４０に供給される。また、このとき、カソード電極１３４で生成された水は、気体透過膜１２０により外部放出が抑制されつつ、一部が回収されて高濃度液体燃料を希釈する。従って、本実施形態に係る燃料電池システムは、初期駆動のために低濃度液体燃料を使用し、以後の駆動のためには、高濃度液体燃料を使用する。
【００３２】
一方、高濃度液体燃料が減少した場合、他の高濃度燃料収容部１５０と交換するか、又は注入ホールから高濃度燃料収容部１５０に純メタノールを注入することによって、短時間内で燃料電池システムを再起動することができる。燃料電池システムを長時間使用しない状態で、また使用しようとする場合には、ハウジング１１０に新しい低濃度燃料収容部１６０を装着して使用する。
【００３３】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る燃料電池システムの運転をシミュレーションした結果について説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの運転シミュレーション結果を示す説明図である。本シミュレーションでは、燃料電池セルの出力密度は40 mW/cm2、総出力1,200 mWであり、低濃度液体燃料収容部から燃料拡散部に供給される液体燃料は、１モル濃度のメタノール７ccである。高濃度燃料収容部には、純メタノールが10 cc収容されている。
【００３４】
図３に示すように、カソード電極側の水の回収により、ウォータクロスオーバ（water
crossover）が相殺される条件で、低濃度燃料収容部から供給された水（アノード電極側の水）は、高濃度燃料収容部からの純メタノールと混合される。このとき、アノード電極側のメタノール濃度は、徐々に上昇するが、高濃度燃料収容部からの燃料が減少するときにも、ほぼ３モル濃度の濃度を維持する。よって、図３に示すように、本実施形態に係る液体燃料電池は、燃料が使い果たされるほぼ600分の間作動することになる。
【００３５】
以上で説明したように、燃料電池をモバイル通信機器の電源に長時間使用するためには、純メタノール又は10モル濃度以上の高濃度のメタノール燃料を水と希釈した後、電極に低濃度のメタノール燃料を供給する。従って、モバイル通信機器用の燃料電池は、高濃度燃料収容部が必要になる。しかし、高濃度のメタノール燃料を水と希釈して低濃度にするためには、初期に水が必要である。そのため、低濃度に希釈されたメタノール燃料を電極に供給し、電極が正常な性能を発揮して水を生成するまでは、数分以上の時間が要求される。従って、燃料電池の初期駆動時に、低濃度の燃料を電極拡散層に直ちに供給して、燃料電池の起動時間（start-uptime）をできるだけ短くした後に、高濃度燃料収容部のメタノール燃料を使用する方式が要求されている。
【００３６】
従って、本実施形態は、小型電子機器に電気を供給する燃料電池として、低濃度及び高濃度の燃料収容部を具備した燃料電池システムとした。その結果、本実施形態に係る直接液体燃料電池システムは、燃料電池セルの初期駆動に必要な低濃度燃料を使用するので、効果的に初期駆動でき、高濃度燃料を使用して長時間駆動できる。また、低濃度燃料収容部は、燃料電池を電子機器に装着する際、圧縮することができる構成であるため、燃料電池の全体的な容積を減少させることができる。
【００３７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、直接液体燃料電池システムに適用可能であり、例えば、燃料電池関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直接液体燃料電池システムを示す断面図である。
【図２】同実施形態に適用される低濃度燃料収容部の一例を示す斜視図である。
【図３】同実施形態に係る燃料電池システムの運転シミュレーションの結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１００      直接液体燃料電池システム
１１０      ハウジング
１１２      空気ホール
１２０      気体透過膜
１３０      燃料電池セル
１３２      電解質膜
１３４      カソード電極
１３６      アノード電極
１４０      燃料拡散部
１５０      高濃度燃料収容部
１５２      ホール
１５４      貫通ホール
１６０      低濃度燃料収容部
１６２      出口
１７０      印刷回路基板
１８０      外部端子
【図１】
0004656584.tif 000002
【図２】
0004656584.tif 000003
【図３】
0004656584.tif 000004