(57)【要約】【課題】  セルを高温に保つことができ、高出力の発電を維持することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池１００は、燃料タンク１０１から供給されるメタノール水溶液を加熱する昇温部１０２と、昇温部１０２で加熱されたメタノール水溶液が供給される第１の導電性膜１０６、電解質膜１０７及び空気が供給される第２の導電性膜１０８を有する電池セル１０３と、を備え、昇温部１０２は電池セル１０３の第１の導電性膜１０６側に設置され且つ電池セル１０３からの排熱によりメタノール水溶液を加熱する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンクから供給される液体燃料を加熱する昇温部と、
前記昇温部で加熱された前記液体燃料が供給される燃料極電極、空気が供給される空気極電極、並びに、前記燃料極電極及び前記空気極電極に狭持される電解質膜を有するセル部と、を備え、
前記昇温部は、前記セル部の前記燃料極電極側に設置され且つ前記セル部からの排熱により前記液体燃料を加熱するようにした燃料電池。
【請求項２】
前記昇温部が多孔質体を含んで構成され、前記多孔質体を介して前記液体燃料を前記セル部の前記燃料極電極に供給するようにした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記昇温部が、タンクから供給される前記液体燃料を貯留し且つ前記多孔質体と接する壁面に複数の微小孔を有する貯留部を備え、前記貯留部に貯留された前記液体燃料を前記多孔質体に供給するようにした請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記貯留部が断熱部材で構成された請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記液体燃料がメタノール水溶液である請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を燃料とする燃料電池に関し、特にモバイル機器等に搭載可能な小型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル機器等では、高機能化に伴って消費電力が年々増大し、エネルギー密度の高い電力源が必要とされている。このため、メタノール等の液体燃料を直接燃料として利用する燃料電池の開発がにわかに脚光を浴びている。液体燃料を直接燃料として利用した燃料電池は、現行のリチウムイオン電池等の二次電池と比較して一桁以上のエネルギー密度が期待できる（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
直接燃料として用いられる液体燃料としては、メタノール水溶液（ＣＨ3ＯＨ／Ｈ2Ｏ溶液）が多く使用されている。メタノールを直接燃料として用いた燃料電池では、燃料極電極に燃料であるメタノール水溶液が供給されると、燃料極電極で、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-の反応が起こり、空気極電極では、３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏの反応が起こる。この一連の反応では、メタノール１モル当たり、燃料極電極で１３０．９７ｋＪの吸熱が、空気極電極では８５７．５２ｋＪの発熱が起こる。また、この燃料電池の反応はセル部の温度が高い場合に活発になり、高い出力が得られる（例えば、非特許文献３参照。）。
【０００４】
メタノールを直接燃料とした従来のモバイル機器用燃料電池について図４を用いて説明する。図４に示すように従来のモバイル機器用燃料電池は、燃料極電極３０１と空気極電極３０３とで電解質膜３０２を挟み込んだ単位セル３０４と、液体燃料（メタノール水溶液）を貯蔵する燃料容器３０５とで構成されており、燃料極電極３０１に燃料容器３０５を直接接続して液体燃料を供給している。また、各電極にはＰｔ等の触媒が備えられており、燃料極電極３０１にはメタノール水溶液が、また、空気極電極３０３には空気（酸素）が供給されるようになっている。
【０００５】
燃料電池では、燃料極電極３０１で発生した水素イオンが電解質膜３０２を通って空気極電極３０３に到達する。一方、燃料極電極３０１で発生した電子は外部回路を通って空気極電極３０３に到達する。燃料電池では、この外部回路を通る電子が電気エネルギーとして働くことになる。
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池構造では、セル部の温度が高温であっても、供給される燃料が室温であると、燃料がセル部に供給されることによってその温度が低下し、反応が抑えられて出力が低下するといった問題点があった。例えば、メタノールを直接燃料とした燃料電池では、セルの温度を少なくとも４０℃以上に保つことが理想とされる。しかし、かかる燃料電池の単位セルを平面配置した場合、単位セルの温度上昇は約１℃から２℃程度であり、セルの温度を４０℃以上に保つことができず、高い出力を得るのが困難であった。
【非特許文献１】C. Hebling et al., 「Technology and Markets of Portable Fuel Cells,」 Proceedings of 7th Grove Fuel Cell Symposium, London, O7.1, 2001.9
【非特許文献２】「日経エレクトロニクス」、日経ＢＰ社、２００１年１０月２２日号，ｐ．１１７
【非特許文献３】M. Baldauf, 「Status of the development of a direct methanol fuel cell,」、Journal of Power Sources, vol.84. p.161-166, 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、液体燃料を直接燃料とする燃料電池において、燃料電池セルの温度を高温に保つことのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を解決するために、請求項１に記載の燃料電池は、タンクから供給される液体燃料を加熱する昇温部と、前記昇温部で加熱された前記液体燃料が供給される燃料極電極、空気が供給される空気極電極、並びに、前記燃料極電極及び前記空気極電極に狭持される電解質膜を有するセル部と、を備え、前記昇温部は、前記セル部の前記燃料極電極側に設置され且つ前記セル部からの排熱により前記液体燃料を加熱するように構成される。
【０００９】
請求項１に記載の燃料電池は、昇温部を設けることで、セル部に供給する直前の液体燃料の温度を比較的高温に保つことができる。これにより、低温の液体燃料が供給されることによるセル部の温度低下を防止することができる。また、セル部の燃料極電極側に昇温部を設置することで、空気極電極で発生し、電解質膜及び燃料極電極を介して放出される熱量を液体燃料の加熱に用いることができる。また、昇温部が外部に設置される燃料タンクとセル部との間に位置するため、燃料タンクとセル部とを隔離することができる。これにより、従来外部に設置される燃料タンクに貯蔵された液体燃料全体にまで放出されていた熱量を燃料極電極及び昇温部に留めることができる。
【００１０】
請求項２に記載の燃料電池は、前記昇温部が多孔質体を含んで構成され、前記多孔質体を介して前記液体燃料を前記セル部の前記燃料極電極に供給するように構成される。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池によれば、昇温部からセル部に供給される液体燃料を多孔質体内で一定時間留めることができる。これにより、セル部に供給される液体燃料の加熱効率を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に記載の燃料電池は、前記昇温部が、タンクから供給される前記液体燃料を貯留し且つ前記多孔質体と接する壁面に複数の微小孔を有する貯留部を備え、前記貯留部に貯留された前記液体燃料を前記多孔質体に供給するように構成される。
【００１３】
請求項３に記載の燃料電池によれば、昇温部に貯留部を設けることで、セル部から放出される熱を貯留部内に貯留された液体燃料で吸収することができる。これにより、セル部からの放出熱が燃料タンクまで伝わるのを防止でき、消費される熱量を減少させることができる。
【００１４】
請求項４に記載の燃料電池は、前記貯留部が断熱部材を含んで構成される。
【００１５】
請求項４に記載の燃料電池によれば、例えば、前記貯留部の燃料タンク側の壁面を断熱部材で構成することで、セル部からの排出熱が燃料タンクに放出されるのを防止することができる。また、前記貯留部の前記多孔質体と接する壁面を断熱部材で構成することにより、セル部からの排出熱が多孔質体から貯留部に放出するのを防止することができる。これにより、セル部から放出された熱量を燃料極電極から多孔質体までに留めることができ、本発明の燃料電池の熱利用効率を高めることができる。
【００１６】
請求項５に記載の燃料電池は、前記液体燃料としてメタノール水溶液を用いる。請求項５に記載の燃料電池によれば、直接燃料としてメタノール水溶液を用いることで、効率的に電力を発生することができる。また、メタノールが電解質膜を通過して空気極電極に達するクロスオーバーを防止する観点から、上記メタノール溶液の濃度は、３質量％程度のものが好ましい。但し、本発明の燃料電池に用いられる液体燃料はメタノール水溶液に限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明の燃料電池に液体燃料を供給する燃料タンクの昇温部と接する側の壁面に複数の微小孔を有する断熱部材を用い、この微小孔を通じて昇温部に液体燃料を供給する構成とすることもできる。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料タンクと昇温部との間に、前記昇温部から前記燃料タンクへの伝熱を防ぐ断熱手段を別途設けてもよい。このように、昇温部から燃料タンクへの伝熱を防ぐ断熱手段を設けることで、セル部からの放出熱が燃料タンクまで伝わることで、消費される熱量を更に減少させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、セルを高温に保つことができ、高出力の発電を維持することができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の第一の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態における燃料電池の基本構成を示す概略図である。図１（ａ）において燃料電池１００は、燃料タンク１０１から直接燃料としてメタノールが供給される燃料電池であり、昇温部１０２と、電池セル１０３とから構成される。また、昇温部１０２は、小容量タンク１０４と海綿状部材１０５とから構成される。
【００２１】
燃料タンク１０１には、燃料として用いられるメタノール水溶液（以下、単に「メタノール」と称する。）が貯蔵される。燃料タンク１０１は昇温部１０２の小容量タンク１０４と連結しており、昇温部１０２にメタノールを供給できるように構成されている。尚、燃料タンク１０１は図示を省略する供給口よりメタノールを補給できる構成としてもよいし、燃料タンク１０１をカートリッジ方式とし、取り替え可能な構成としてもよい。
【００２２】
燃料タンク１０１の壁面は、断熱性の高い部材で構成されており、電池セル１０３より放出される熱がタンク内のメタノールに吸収されないように構成されている。上記断熱性の高い部材としては、本発明の効果を損なわない範囲で公知の断熱材を適宜選定して用いることができる。
【００２３】
尚、本実施の形態においては、燃料タンク１０１と昇温部１０２の小容量タンク１０４とを連結させる構成としたが、燃料タンク１０１と昇温部１０２の海綿状部材１０５とが直接接するように配置し、燃料タンク１０１から直接海綿状部材１０５にメタノールが供給されるように構成してもよい。この場合、燃料タンク１０１の海綿状部材１０５と接する壁面を、後述する小容量タンク１０４の壁面１０９と同様に、複数の微小孔を設け且つ断熱性の高い部材で構成するのが好ましい。
【００２４】
昇温部１０２は、燃料タンク１０１から供給されるメタノールを貯留する小容量タンク１０４と、海綿状部材１０５とから構成されており、電池セル１０３からの排熱により海綿状部材１０５においてメタノールを加熱できるように構成されている。
【００２５】
小容量タンク１０４は、燃料タンク１０１と同様に断熱性の高い部材で構成されており、燃料タンク１０１に比して小容量に構成されている。また、小容量タンク１０４の海綿状部材１０５と接する壁面１０９には複数の微小孔が設けられており、燃料タンク１０１から小容量タンク１０４に供給されたメタノールを、微小孔を通じて海綿状部材１０５に供給するように構成されている。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように小容量タンク１０４の海綿状部材１０５と接する壁面１０９には複数の微小孔１１０が数ｍｍ程度の間隔で並んで設けられている。図１（ｂ）は図１（ａ）に示す燃料電池１００のＡＡ’断面図である。微小孔１１０の大きさは特に限定なく海綿状部材１０５へのメタノール供給量に応じて適宜決定することができ、例えば、１００μｍφ程度とすることができる。同様に、微小孔１１０の数も海綿状部材１０５へのメタノール供給量に応じて適宜決定することができる。
【００２７】
燃料タンク１０１から小容量タンク１０４に供給されるメタノールは、微小孔１１０を通じて海綿状部材１０５に供給される。この際、小容量タンク１０４の壁面は、断熱性の高い部材で構成されていることから、小容量タンク１０４の微小孔が設けられている壁面から燃料タンク１０１側への熱伝導を最小限に抑えることができる。これにより、電池セルからの発熱が燃料タンク１０１に貯蔵されているメタノール全体に伝わることがなく、電池セル１０３からの発熱を有効に利用することができる。
【００２８】
海綿状部材１０５は、多孔質カーボンシート、多孔質プラスチックシート又はガラスウールなどを用いて形成されており、小容量タンク１０４から供給されるメタノールを一定時間留めた後、電池セル１０３に供給できるように構成されている。このように、海綿状部材１０５の多孔質構造中にメタノールを一定時間留めることで、電池セル１０３からの発熱を十分にメタノールに伝えることができ、メタノールの加熱効率を高めることができる。
【００２９】
また、海綿状部材１０５は、後述する電池セル１０３の第１の導電性膜１０６と直接接するように構成されており、メタノールが均一に電池セル１０３に供給されるように、その海綿状構造によってメタノールを拡散させる働きを担っている。
【００３０】
更に海綿状部材１０５は、熱が燃料電池外に放出ないように断熱性の高い部材内に設置されることが好ましい。これにより、海綿状部材１０５からの熱の放出を低減させることができ、熱の利用効率を高めることができる。
【００３１】
電池セル１０３は、燃料極電極となる触媒が担持され海綿状構造を有する第１の導電性膜１０６と、電解質膜１０７と、空気極電極となる触媒が担持された第２の導電性膜１０８と、で構成されており、第１の導電性膜１０６と第２の導電性膜１０８とは、外部回路１１１によって電気的に連結されている。電池セル１０３は、昇温部１０２から第１の導電性膜１０６に供給されたメタノールにより発電し、外部回路１１１を介して外部装置等に電力を供給することができる。
【００３２】
第１の導電性膜１０６は、毛細管現象によって海綿状部材１０５から供給されたメタノールから水素イオンと電子とを放出させる役割を担う。第１の導電性膜１０６は、燃料極電極となる触媒を担持し海綿状構造を有する。上記触媒としては、メタノールと水とから水素イオン及び電子を放出させる反応に用いられる公知の触媒を適宜選定して用いることができる。上記触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕ合金等を用いることができる。また、第１の導電性膜１０６は、上述の海綿状部材１０５と同様の材料を用いることができ、この材料に担持した触媒と、電解質膜１０７に用いられる高分子膜の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
【００３３】
電解質膜１０７は、第１の導電性膜１０６で発生した電子と水素イオンとのうち、水素イオンのみを通過させる膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜で構成することができる。上記パーフルオロフルホン酸膜としては、デュポン社製のナフィオン（Ｒ）等の市販品を好適に用いることができる。
【００３４】
第２の導電性膜１０８には供給口１１２が設けられており、酸素を含む空気が供給されるようになっている。第２の導電性膜１０８は、空気極電極となる触媒を担持しており、第１の導電性膜１０６と同様に海綿状構造を有する部材で形成することができる。上記触媒としては、酸素と水イオンと電子とから水を生成する反応に用いられる公知の触媒を適宜選定して用いることができる。具体的に上記触媒としては、例えば、Ｐｔ等を用いることができる。また、第２の導電性膜１０８は、上述の海綿状部材１０５と同様の材料を用いることができ、この材料に担持した触媒と、電解質膜１０７に用いられる高分子膜の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
【００３５】
本発明の燃料電池による発電機構について説明する。燃料タンク１０１に貯蔵されたメタノールは、まず、昇温部１０２の小容量タンク１０４に供給された後、小容量タンク１０４の壁面に設けられた複数の微小孔１１０を通じて海綿状部材１０５に供給される。この際、燃料タンク１０１及び小容量タンク１０４の壁面は断熱性の高い部材で構成されており、電池セル１０３からの排熱が燃料タンク１０１及び小容量タンク１０４内のメタノールに伝わりにくいように設計されている。
【００３６】
小容量タンク１０４と海綿状部材１０５とを隔てる壁面は断熱性の高い部材で構成されており、メタノールの供給も微小孔１１０を通じて行われることから、電池セル１０３で発生した熱を昇温部１０２（海綿状部材１０５）及び第１の導電性膜１０６内に十分に留めておくことができる。小容量タンク１０４から海綿状部材１０５に供給されたメタノールは、電池セル１０３から放出された排熱により加熱されながら、毛細管現象により拡散し、電池セル１０３の第１の導電性膜１０６に供給される。
【００３７】
メタノールが昇温部１０２から第１の導電性膜１０６に供給されると、導電性膜１０６内でメタノールが触媒と接触し、水素イオンと電子とＣＯ2とを放出する。この際、昇温部１０２から供給されるメタノールは、電池セル１０３の第２の導電性膜１０８からの発生する熱によって約６０℃付近にまで加熱されている。このため、メタノールの供給によって電池セル１０３の温度が低下することなく、電池セル１０３の温度を比較的高温（好ましくは４０℃〜８０℃、更に好ましくは６０℃〜８０℃）に維持することができる。
【００３８】
第１の導電性膜１０６で放出された水素イオンは電解質膜１０７を通過して第２の導電性膜１０８に到達し、導電性膜１０８において酸素と反応して水を生成する。一方、第１の導電性膜１０６で放出された電子は、電解質膜１０７を通過することができないため、外部回路１１１を通じて第２の導電性膜１０８にまで移動する。この電子の移動により、本発明の燃料電池は、外部装置等に電力を供給することができる。
【００３９】
尚、第１の導電性膜１０６で生成したＣＯ2及び第２の導電性膜１０８で生成した水は、それぞれ図示を省略する排出口を通じて燃料電池の外部に排出される。
【００４０】
本実施の形態における燃料電池によれば、燃料タンクを含む燃料電池内のメタノール全体や燃料電池の外部に放出される熱を遮断し、電池セルに供給される直前のメタノールのみを加熱することで、熱利用効率を高めながら、燃料電池のセルの温度を高く維持することができる。
【００４１】
また、本発明の燃料電池は、単一の電池セルを用いるものであってもよいし、複数電池セルを積層して用いるものであってもよい。
【００４２】
次に本発明の第２の実施の形態について図２を用いて説明する。本実施の形態は、本発明の燃料電池を実装した一態様である。
【００４３】
図２において、燃料電池２００は、図示を省略する燃料タンクから供給されるメタノールを貯留する小容量タンク２０１及び海綿状部材２０２からなる昇温部２０３と、電池セル２０４と、集電層２０５と、これらを内装する筐体２０６とで構成される。
【００４４】
昇温部２０３を構成する小容量タンク２０１は、断熱性の高い部材で構成されており、海綿状部材２０２と接する側の壁面に複数の微小孔２０７を有する。また、昇温部２０３を構成する海綿状部材２０２は、第１の実施の形態における海綿状部材１０５と同様のものであり、電池セル２０４の第１の導電性膜２０８に接するように設置される。
【００４５】
電池セル２０４は、第１の導電性膜２０８と電解質膜２０９と第２の導電性膜２１０とから構成され、第１の導電性膜２０８と導電性膜２１０とこれらに挟まれる電解質膜２０９とを積層したものを２つ折りにし、それを巻き込んで形成される。第１の導電性膜２０８、電解質膜２０９及び第２の導電性膜２１０については、それぞれ第１の実施の形態における第１の導電性膜１０６、電解質膜１０７及び第２の導電性膜１０８と同様のものを用いることができる。
【００４６】
電池セル２０４の構造について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、電池セル２０４の層構成を示す概略図である。また、図３（ｂ）は、電池セル２０４の巻き込み構造を説明するための断面図である。電池セル２０４を形成する為には、まず、図３（ａ）に示すように第１の導電性膜２０８と電解質膜２０９と第２の導電性膜２１０とを積層したものを２つ折りにする。次いで、２つ折りにした電池セルを図３（ｂ）に示すように巻き込むことで、本実施の形態における電池セル２０４を形成することができる。
【００４７】
電池セル２０４をこのように２つに折りにし、更に巻き込んで構造で構成することによって、電池セルの容積と比較して表面積を小さく形成することができる。これにより、第２の導電性膜２１０における反応で発生した熱をむやみに放出することがなく、さらに燃料電池の温度を高温に維持することができる。また、第１の導電性膜２０８と第２の導電性膜２１０とを積層し一体として形成するため、従来の燃料電池における積層配置のように電極同士の接続をおこなう必要がなく、工数が増えることによってセル部の製造コストの増大や、信頼性の低下を防止することができる。
【００４８】
また、電池セル２０４は、第２の導電性膜２１０が集電層２０５と接するように筐体２０６内に設置される。集電層２０５は、第２の導電性膜２１０と同質の材料で構成されており、筐体２０６に設けられた空気供給口２１１より供給された空気を第２の導電性膜２１０に供給できるように構成されている。
【００４９】
集電層２０５を介して第２の導電性膜２１０に空気を供給するように構成することで、空気極（第２の導電性膜２１０）から発生した熱量が空気に伝わって消費されるのを防止することができる。
【００５０】
筐体２０６の第１の導電性膜２０８と接する壁面には金属シール２１３が装着されており、金属シール２１３を介して第１の導電性膜２０８が設置されている。金属シール２１３には外部回路（−）２１４が接続されており、第１の導電性膜２０８で放出された電子を外部回路（−）２１４を介して取り出すことができるようになっている。
【００５１】
また、第２の導電性膜２１０は、同質の材料で形成された集電層２０５を介して筐体２０６の壁面に備えられた正極２１５と電気的に連結される。正極２１５には、外部回路（−）２１４と電気的に連結された外部回路（＋）２１６が接続されており、外部回路（−）２１４から外部回路（＋）２１６を移動してきた電子が集電層を介して、第２の導電性膜２１０に移動できるように構成されている。
【００５２】
負極となる金属シール２１３と正極２１５とは絶縁物からなる絶縁シール２１７によって絶縁されている。また、絶縁シール２１７には、第２の導電性膜２１０に空気を供給するための空気供給口２１１が設けられている。
【００５３】
尚、第１の導電性膜２０８と電解質膜２０９と第２の導電性膜２１０とを積層したものを２枚用意し、燃料極電極となる第１の導電性膜２０８同士が接するように重ね併せ、それを巻き込むことによって電池セルを形成してもよい。また、電池セル２０４の巻き込みは、中心部を比較的緩く巻き込み、周辺部はきつめに巻き込むことによって、燃料電池の反応点を中心部では比較的少なくし、周辺部では多くすることで、燃料電池の反応温度を電池せる全体で均一になるようにすることができる。これにより、装置の局部的な劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施の形態における燃料電池の基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池の実装の一態様を示す概略図である。
【図３】第２の実施の形態における電池セルの構成を示す概略図である。
【図４】従来の液体燃料を用いた燃料電池の構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００，２００  燃料電池
１０２，２０３  昇温部
１０３，２０４  電池セル
１０４，２０１  小容量タンク
１０５，２０３  海綿状部材
１０６，２０８  第１の導電性膜
１０７，２０９  電解質膜
１０８，２１０  導電性膜
１０９  壁面
１１０，２０７  微小孔
１１１，２１４，２１６  外部回路
１１２  供給口
２０５  集電層
２０６  筐体
２１１  空気供給口
２１３  金属シール
２１５  正極
２１７  絶縁シール
【図１】
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【図２】
2005063845.tif 000004
【図３】
2005063845.tif 000005
【図４】
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