(57)【要約】【課題】  燃料電池より排出水を外部に出すことなく、効率的かつ簡便に回収する。【解決手段】  燃料電池容器内を分割し、高分子材料で、液体状態の水との接触により吸水する吸水性物質を有する、発電時に生じる排出水を回収する水回収部と、発電に必要な新しい燃料を補給する燃料補給部とを形成する。【選択図】  図１
2005063774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電時に発生する排出水を回収する燃料電池用容器であって、
電解質を含まない全ての領域であるカソードと電解質に近い側で連結され、
容器内に吸水性物質を有することを特徴とする燃料電池用容器。
【請求項２】
燃料電池の発電時に発生する排出水を回収する燃料電池用容器であって、
電解質を含まない全ての領域であるカソードと電解質に近い側で連結され、
容器内に吸水性物質および燃料を有することを特徴とする燃料電池用容器。
【請求項３】
前記吸水性物質は、液体状態の水との接触により吸水することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用容器。
【請求項４】
前記吸水性物質が高分子材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池用容器。
【請求項５】
前記発電時に生じる前記排出水を回収する水回収部と、
発電に必要な新しい燃料を補給する燃料補給部と、
をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池用容器。
【請求項６】
少なくとも２箇所の空間より成り、一方の空間にアノード燃料あるいはカソード燃料が存在し、他方の空間に前記吸水性物質が存在することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池用容器。
【請求項７】
少なくとも３箇所の空間より成り、第１の空間にアノード燃料が存在し、第２の空間にカソード燃料が存在し、第３の空間に前記吸水性物質が存在することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池用容器。
【請求項８】
前記燃料電池用容器内にある前記アノード燃料または前記カソード燃料の全てが消費された時に発生する水の９０％以上を吸収する吸水性物質を備えることを特徴とする請求項６または７項記載の燃料電池用容器。
【請求項９】
前記アノード燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の燃料電池用容器。
【請求項１０】
前記アルコールがエタノールを含有するものであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用容器。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池用容器を使用することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池を使用することを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に使用する容器、および燃料電池、さらにはそれを有する機器に関し、さらに詳しくは、燃料電池の排出水を回収する機能を有する燃料電池用容器、燃料電池、および機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、温暖化ガスに代表される環境問題の観点からクリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されつつある。これは燃料電池の排出物が基本的には水のみになることによるものである。また、別な観点として、ポータブル機器の電源としての燃料電池にも期待が高まっている。これは燃料電池のエネルギー密度が、従来の電池と比較して高いことから、ポータブル機器の駆動時間を飛躍的に長くできるためである。しかしながら、ポータブル機器においては、野外での使用時以外では水の排出は問題となる。すなわち、室内で使用する場合は排出される水は何らかの形で回収しなくてはならない。また、身につけるような携帯機器においては、排出問題の解決は必須である。
【０００３】
従来技術例として、未反応水素を回収するマニホールドに連結された排ガス送出管のマニホールド側端部をマニホールドの内部空間に突出させることによって、また、マニホールド内に吸水材を敷くことによって、起動時にマニホールド内に蓄積する生成水が排ガス送出管に流れ込むことを防止する「ポータブル燃料電池」がある（例えば、特許文献１参照）。また、電池容器がアルミニウムを主とした材質から構成され、かつ容器の内壁面に電解液に溶解しない被覆層が形成された「二次電池」がある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３１７７３９１号公報
【特許文献２】特開平８−１６７４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池は、通常の二次電池と異なり、燃料を供給することにより、電気エネルギーを取り出す電気化学デバイスであるので、燃料を供給し続けなければ発電を行うことはできない。よって、燃料は通常、燃料貯蔵容器より供給されるが、燃料がなくなった場合、容器に燃料を追加するか、または燃料容器ごと新しい燃料の入った容器と交換することになる。しかしながら、上記特許文献１記載の発明のように、燃料容器と水回収容器を２つ有することは体積的に不利であり、また、特に容器ごと交換する場合は、燃料容器と水回収容器で２回の交換操作を行わなくてはならなくなり煩雑となる問題がある。また、上記特許文献２記載の発明は、二次電池用の電池容器であり、燃料電池に用いられる電池容器ではないので、上記問題を解決するものではない。
【０００５】
よって、燃料を供給すること(発電すること)と、水が発生することが同時に進行することに着目し、燃料を水回収容器内に備えることにより、燃料供給と水回収を１回の操作で実施できるものが望まれる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、フラッディング現象を防止するとともに、燃料電池より排出される水を外部に出すことなく、効率的かつ簡便に回収することを目的とし、さらに排出水の回収を簡便に行うにあたり、軽量性かつ経済性を向上させる燃料電池用容器、燃料電池、および機器を提供することを目的としている。
【０００７】
また、本発明は、燃料の回収/供給をより簡便に、効率的に行い、また、固体電解質の乾燥を防ぐことを目的としている。
【０００８】
また、本発明は、燃料電池の駆動時間を向上させた、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、燃料電池の発電時に発生する排出水を回収する燃料電池用容器であって、電解質を含まない全ての領域であるカソードと電解質に近い側で連結され、容器内に吸水性物質を有し、生成した水を吸水性物質に吸収することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、燃料電池の発電時に発生する排出水を回収する燃料電池用容器であって、電解質を含まない全ての領域であるカソードと電解質に近い側で連結され、容器内に吸水性物質および燃料を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、吸水性物質は、液体状態の水との接触により吸水することを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、吸水性物質が高分子材料であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、発電時に生じる排出水を回収する水回収部と、発電に必要な新しい燃料を補給する燃料補給部と、をさらに有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、少なくとも２箇所の空間より成り、一方の空間にアノード燃料あるいはカソード燃料が存在し、他方の空間に吸水性物質が存在することを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の発明において、少なくとも３箇所の空間より成り、第１の空間にアノード燃料が存在し、第２の空間にカソード燃料が存在し、第３の空間に吸水性物質が存在することを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項６または７に記載の発明において、燃料電池用容器内にあるアノード燃料またはカソード燃料の全てが消費された時に発生する水の９０％以上を吸収する吸水性物質を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項６から８のいずれか１項に記載の発明において、アノード燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、アルコールがエタノールを含有するものであることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池用容器を使用することを特徴とする。
【００２０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の燃料電池を使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、フラッディング現象を防止するとともに、燃料電池より排出される水を外部に出すことなく、効率的かつ簡便に回収でき、さらに排出水の回収を簡便に行うにあたり、軽量性かつ経済性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
プロトン伝導型電解質を使用した燃料電池を例にとり、その発電概念図を図１に示す。基本的構成要素として、中心にイオン伝導体(図１の場合はプロトン伝導体)が存在し、その両側にアノード３およびカソード４が配置された構成を有している。プロトン伝導型の電解質が使用される場合はアノード３側にプロトン源となるアノード燃料１（水素、アルコールなど）が供給され、アノード３内の触媒作用によりアノード燃料１から水素イオンが発生する。この時、発生する電子は外部回路に流れ出る。発生した水素イオンはプロトン伝導体中を伝搬し、アノード３に達する。アノード３に酸化剤（空気、酸素など）が供給されることにより水素イオンと酸素と外部回路を通して流れてくる電子とが反応し、水を生成する。以上が発電の概念で、これを反応式として表すと以下のようになる。
アノード反応；H2  → 2H+ + 2e-（水素燃料の場合）
カソード反応；2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O
全反応；Ｈ2+1/2Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００２４】
全反応を見ても明らかなように、水が排出物として発生する。本発明はこの水を回収することが目的である。したがって本発明の容器内に回収する構成をとることが必須である。図２で説明すると水が発生するのはカソード４側であるので、カソード４と本発明の容器１０は連結されている。カソード４側の連結位置（Ａ）は水が発生する部位すなわち電解質に近い側がこのましい。また、ここでいうカソード４側とは電解質を含まないカソードの全ての領域を表すものである。カソード燃料２の排出口（Ｂ）は水分が流入しないようにすることが好ましい。連結状態は固定であってもよいが、切り離せる機構を有することが好ましい（図２中、ジョイント部１１）。切り離せる機構を持たせることにより、燃料電池を分解することなく、簡便かつ安全に水回収を行うことが可能である。
【００２５】
本発明の容器１０の材質は、空気中で安定かつ、容器内部に存在する物質に対して安定であれば、いかなる物質も使用可能である。しかしながら、軽量性の面、成形性の面からプラスチックが好ましい。
【００２６】
排出された水の入った容器１０は、燃料電池本体と接続されている。容器１０には排出水が流入する口を備えているので、この口部が容器低部に対して重力的に下部に位置する関係になった場合、回収した水が口部より再度容器外へでてしまう。また、カソードで発生している水が適宜取り除かれない場合（最悪カソードに回収水が逆流した場合）、カソード内に存在する触媒上の反応領域が水に浸ることから、酸化剤が反応領域に接触できなくなる（フラッディング現象）。その結果カソード反応抵抗が大きくなり、発電性能が著しく阻害されることとなる。
【００２７】
容器内１０に吸水性物質１２を存在させることにより、水は擬似固体状となるので、上記のような不具合を防止することができる。
【００２８】
本発明に使用される吸水性物質１２とは、水を吸着あるいは吸収してくれる物質であれば、基本的に使用可能であるが、固体状であることが好ましく、無機材料系では、天然ゼオライト、合成ゼオライト（SiO2/Fe2O3/Al2O3等）、石灰(CaO)、塩化カルシウムなどが使用可能である。有機材料系では、天然高分子（糖質系高分子）、合成高分子（アクリル酸系高分子）、会合性化合物等が使用できる。
【００２９】
そして、有機材料系を使用することが、軽量性の面、水吸収能力の面から好ましい。有機系材料として具体的には、合成高分子/天然高分子として、アクリル化合物やジビニルベンゼン、Ｎ、Ｎ'−メチレンビスアクリルアミドなどの架橋性モノマーなどをグラフト重合したポリエーテル、ポリビニルアルコール誘導体、セルロース誘導体、デンプン誘導体、ポリアクリル酸系等の材料が使用できる。会合性化合物としてはアミド結合を有する化合物（アミノ酸系化合物、尿素系化合物）、ソルビトール系化合物、ステロイド系化合物等が使用できる。
【００３０】
特にアクリル酸系材料が吸水率の面から好ましい。アクリル酸系材料は多量の水を吸い取って、膨れ上がる性質、いわゆる吸水性を持つ物質であり、微少な隙間を含む三次元構造を持っているため吸水率も高く、また吸水スピードも早く好ましい。さらに具体的にはアクリル酸ナトリウム架橋体が好ましい。
【００３１】
燃料電池は燃料を供給することにより、電気エネルギーを取り出す電気化学デバイスである。したがって通常の二次電池とは異なり、燃料を供給し続けなければ発電を行うことはできない。燃料は通常、燃料貯蔵容器より供給されるが、燃料がなくなった場合、容器に燃料を追加するか、燃料容器ごと新しい燃料の入った容器と交換することができる。しかしながら、燃料容器と水回収容器を二つ有することは体積的に不利であり、また、特に容器ごと交換する場合は、燃料容器と水回収容器で２回の交換操作を行わなくてはならなくなり煩雑となる。本発明では燃料を供給すること(発電すること)と、水が発生することが同時に進行することに着目し、燃料を水回収容器内に備えることにより、燃料供給と水回収を１回の操作で実施できる構成とした。これにより、体積的にも有利となると共に、利便性を向上させることができる。構成例を図３に示す。アノード燃料１および吸水性物質１２を備える容器１０および燃料電池の例である。補器１３はこの場合、ポンプである。ポンプは使用しなくとも、燃料部の容器内を加圧しておけば、燃料の送出はポンプを通さなくとも可能である。
【００３２】
本発明で使用できる吸水性化合物の中で好ましい物質は、水との接触により吸水可能である物質である。この意味は、いわゆる乾燥剤と呼ばれる気体中の水分も吸収してしまうような物質は、好ましくは使用されないことを意味している。本発明の水回収容器１０はたとえば図２によるとカソード４とつながっているため、このような乾燥剤（たとえば塩化カルシウム、シリカゲルなど）を使用した場合は、気体の湿度が下がることにより、カソード４ひいてはイオン伝導体が乾燥していくことになる。この乾燥現象は、プロトン伝導機構として水和水を含みプロトンが伝導するイオン伝導体（たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸；Ｎａｆｉｏｎなど）を使用した燃料電池の場合、乾燥により著しくプロトン伝導度が落ちることから、結果として発電能力が著しく落ちる現象を引き起こすこととなる。したがって、好ましい吸水性物質とは気体の乾燥能力は低いが吸水能力は高い物質が好ましい。このような物質は水との接触によって能動的かつ速やかに吸水する物質である。
【００３３】
以上のような検討により、吸水性材料は軽量性の点からも高分子材料を使用することが好ましい。吸水機能的には、構造体として吸水することができるもの（親水性高分子多孔質体/発砲体）、高分子の機能として吸水可能なもの（高分子ゲルとなる材料）を使用することが好ましい。より好ましくは、高分子の機能として吸水可能なものを使用することが、吸水能力が高いことから、容器を軽量、小型にできるので好ましい。具体的には合成高分子/天然高分子として、アクリル化合物やジビニルベンゼン、Ｎ、Ｎ'−メチレンビスアクリルアミドなどの架橋性モノマーなどをグラフト重合したポリエーテル、ポリビニルアルコール誘導体、セルロース誘導体、デンプン誘導体、ポリアクリル酸系等の材料が使用できる。特にアクリル酸系材料が吸水率の面から好ましい。アクリル酸系材料は多量の水を吸い取って、膨れ上がる性質、いわゆる吸水性を持つ物質であり、微少な隙間を含む三次元構造を持っているため吸水率も高く、また吸水スピードも早く好ましい。さらに具体的にはアクリル酸ナトリウム架橋体が好ましい。
【００３４】
本発明の１つの態様は図３に示すように、容器が２箇所の空間よりなるものである。この時、一方の空間にアノード燃料１あるいはカソード燃料２を存在させ、他方に吸水性物質１２を存在させることにより、燃料の供給と水の回収を同一容器で行うことができ、燃料の回収／供給をより効率的に行うことが可能となり、体積的にも有利となると共に、利便性を向上させることができる。
【００３５】
本発明の別な態様を図４に示す。図４によれば、容器１０は３箇所の空間よりなるものである。この時、第１の空間にアノード燃料が存在させ、第２の空間にカソード燃料が存在させ、第３の空間に吸水性物質が存在させることにより、燃料の供給と水の回収を同一容器で行うことができ、燃料の回収／供給をより効率的に行うことが可能となり、体積的にも有利となると共に、利便性を向上させることができる。
【００３６】
アノード燃料、あるいはカソード燃料が完全に消費された時に発生する水は上記燃料電池反応式の一例からもわかるように化学量論的に発生するものである。したがって本発明の容器中、あるいは容器外に存在する燃料が一定量であるときは、その燃料がすべて消費されたときに発生する水の量も決まってくる。このような状況化で使用される本発明の吸水性物質は、性能維持の面から、発生する水の９０％以上を吸収できる量を少なくとも備えることが好ましい。また、軽量性、経済性の面からは上限は２００％以内とすることが好ましい。
【００３７】
本発明の容器に充填される燃料は、燃料電池本体にあわせて適宜設定されるものであるが、基本的にはいかなる燃料も充填可能である。しかしながら、燃料は体積および重量エネルギー密度に優れるもの使用することが好ましい。本発明の容器は、容器であるが故に、一定の体積しか有していない。したがって、本発明の実施にあたっては、体積および重量エネルギー密度に優れる燃料を使用することが好ましい。特に体積エネルギー密度に優れる燃料が好ましい。したがって気体状燃料は体積エネルギー密度に劣るため好ましくなく、液体状燃料、固体状燃料が好ましい。
【００３８】
これは、例えば１分子の酸化反応より取り出せる電子数が水素であれば２個、メタノールであれば６個、エタノールであれば１２個であることから、各々の分子１molから取り出せるクーロン量はそれぞれ理論値として、96500×2Ｃ、96500×6Ｃ、96500×12Ｃとなる。各々の密度、分子量を考慮し、１ｃｃ当たりのクーロン量に換算すると水素で約9Ｃ/ｃｃ、メタノールで約14400Ｃ/ｃｃ、エタノールで15200Ｃ/ｃｃのエネルギー密度となる。常圧の気体としての水素は単位体積あたりのエネルギー密度は著しく低くなることとなる。メタノールとエタノールは酸化反応には水分子がそれぞれ、１分子、３分子必要であるが(以下の式)、これを加味しても液体燃料が優れることは明らかである。
CH3OH+H2O→6H+ + 6e- + CO2
C2H5OH+3H2O→12H+ + 12e- + 2CO2
【００３９】
高圧状態の水素あるいは液体水素を使用することも可能であるが、容器を堅牢にする必要が生じ、容器込みのエネルギー密度を考慮すると、常温常圧で液体あるいは固体状態の燃料がやはり優れている。
【００４０】
具体的には水素吸蔵合金に蓄えた水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコールなどの固体状、液体状燃料が使用できるが、本体燃料電池の小型化が可能な点、体積エネルギー密度に優れる点より、アルコール燃料を使用することが好ましい。アルコール燃料を使用することにより、燃料電池の駆動時間を向上させることが可能な容器を提供できることになる。中でも、炭素数４以下のアルコールを使用することが好ましく、さらには、安全性が高く、生合成が可能である点（環境面）からエタノールを使用することが好ましい。
【００４１】
本発明の容器は基本的に水を排出する燃料電池であれば、いかなる燃料電池にも対応可能である。また、本発明の容器を備えた燃料電池は、基本的にいかなる機器への搭載も可能である。
【００４２】
本発明の態様例１を図２にしめす。カソード４と本発明の容器１０が連結されている。これにより生成した水を擬似固体状として回収でき、漏液、カソードへの水の逆流を防止できる。連結状態は、切り離せるようジョイント部１１を有する。ジョイント部１１を持たせることにより、燃料電池を分解することなく、簡便かつ安全に水回収を行うことが可能である。
【００４３】
本発明の態様例２を図３にしめす。容器１０が２箇所の空間よりなるものである。この時、一方の空間にアノード燃料を存在させ、他方に吸水性物質を存在させている、燃料の供給と水の回収を同一容器で行うことができ、水／燃料の回収／供給をより効率的に行うことが可能となり、体積的にも有利となると共に、利便性を向上させることができる。
【００４４】
本発明の態様例３を図４に示す。図４によれば、容器１０は３箇所の空間よりなるものである。この時、第１の空間にアノード燃料が存在させ、第２の空間にカソード燃料が存在させ、第３の空間に吸水性物質１２を存在させることにより、燃料の供給と水の回収を同一容器で行うことができ、水／燃料の回収／供給をより効率的に行うことが可能となり、体積的にも有利となると共に、利便性を向上させることができる。
【００４５】
本発明の態様例４を図５に示す。酸素イオン伝導体を有する燃料電池のアノード部へ本発明の容器が連結されている（酸素イオン伝導体を使用する場合はアノード部で水の生成が起こる）。これにより生成した水を擬似固体状として回収でき、漏液、アノードへの水の逆流を傍示できる。連結状態は、切り離せるようジョイント部１１を有する。ジョイント部１１を持たせることにより、燃料電池を分解することなく、簡便かつ安全に水回収を行うことが可能である。
【００４６】
以上、本発明の実施例によれば、フラッディング現象を防止するとともに、燃料電池から排出される水を外部に出すことなく、水または燃料の回収／供給をより簡便に効率的に行うことができる燃料電池用容器、燃料電池用容器を備えた燃料電池、および燃料電池を備えた機器を提供することができる。
【００４７】
また、水の回収をより効率的かつ簡便に行うにあたり、軽量性かつ経済性を向上させることができる燃料電池用容器、燃料電池用容器を備えた燃料電池、および燃料電池を備えた機器を提供することができる。
【００４８】
また、固体電解質の乾燥を防ぐことができるとともに、燃料電池の駆動時間を向上させ、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することができる燃料電池用容器、燃料電池用容器を備えた燃料電池、および燃料電池を備えた機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例である発電概念を示すイメージ図である。
【図２】本発明の態様例１について示すイメージ図である。
【図３】本発明の態様例２について示すイメージ図である。
【図４】本発明の態様例３について示すイメージ図である。
【図５】本発明の態様例４について示すイメージ図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    アノード燃料
２    カソード燃料
３    アノード
４    カソード
５、６    セパレータ
７    排出物
８    排出物（排水）
９    水素イオン伝導電解質
１０    容器
１１    ジョイント
１２    吸水性物質
１３    補器
【図１】
2005063774.tif 000003
【図２】
2005063774.tif 000004
【図３】
2005063774.tif 000005
【図４】
2005063774.tif 000006
【図５】
2005063774.tif 000007