(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ポンプなどの補機を用いることなく、常に燃料極が燃料に満たされた状態が可能となり、補機損失の低減と、電池の出力を充分に発現し、尚且つ、電池の長寿命化を可能とする、燃料電池を提供することにある。【解決手段】  本発明は、燃料極に燃料保持部が併設された、液体燃料を用いる燃料電池において、前記燃料保持部は複数の気液分離部と、前記燃料保持部に対し、大気圧より大きい圧力で前記液体燃料を強制的に押し込む燃料導入部を有し、前記燃料導入部を通して前記液体燃料を前記保持部に供給し、前記液体燃料の導入圧力により前記燃料保持部の内圧を常に大気圧より大きくすることを特徴とする燃料電池にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に燃料保持部が併設された、液体燃料を用いる燃料電池において、前記燃料保持部は複数の気液分離部と、前記燃料保持部に対し大気圧より大きい圧力で前記液体燃料を強制的に押し込む燃料導入部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料導入部を通して前記液体燃料を前記燃料保持部に供給し、前記液体燃料の導入圧力により前記燃料保持部の内圧を大気圧より大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
請求項１において、前記内圧の上限が、絶対圧にして0.6MPa以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１において、前記液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１において、前記液体燃料がジメチルエーテル水溶液であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料から電気化学的に直接電気エネルギを取り出すためエネルギ効率が高く、また、排出物の主体が水であることから環境に調和しやすいなどの利点がある。そのため、自動車、分散電源、情報電子機器などへの適用が試みられている。中でも、情報電子機器においては、リチウム電池に代わる長時間連続運転可能な電源として注目され、燃料電池を搭載する種々の情報電子機器が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、水素吸収合金を貯蔵する水素吸蔵ボンベを用いた燃料電池を搭載した情報電子機器が示され、また、特許文献２には、メタノールを燃料とした情報電子機器が示されている。
【０００４】
メタノールを燃料とする燃料電池の中でも、液体のメタノールを直接酸化して電気を取り出す方式、いわゆる直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell、以下ＤＭＦＣと称す）は、改質器等が不要なため、電池システムが比較的簡単な構成にできる利点がある。
【０００５】
また、燃料の酸化には酸素が必要であるが、通常は空気が用いられる。
【０００６】
ＤＭＦＣは、メタノール燃料をポンプで、空気をファンやブロアで供給して発電を行うが、この場合、ホンプやファン等の補機を動かす電力は、電池の出力から賄う必要がある。このため、電池システム全体の発電効率は、その分だけ低下する。
【０００７】
そこで、補機の損失を低減することを目的として、燃料極へ燃料を導入するためのポンプや、空気極へ空気を供給するためのファン等を排除する試みがなされている。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２１３３５９号公報（要約）
【０００９】
【特許文献２】特開２００２−４９４４０号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
補機の損失を低減することを目的として、燃料極へ燃料を導入するためのポンプなどを排除した場合、発電時の燃料の消費に伴い、燃料タンク内の燃料の液面が低下し、燃料極に充分に燃料が浸透しない電池セルが発生する。
【００１１】
燃料極に充分に燃料が浸透しない場合、燃料が不足して出力が得られないことや、燃料がないにも拘らず発電することで燃料極に用いられている触媒の劣化が起こり、電池寿命が短くなること等の弊害が発生することが予想される。
【００１２】
本発明の目的は、ポンプなどの補機を用いることなく、発電時に燃料が消費されても、燃料極に燃料を供給することが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、燃料極に燃料保持部が併設された、液体燃料を用いる燃料電池であって、燃料保持部は、複数の気液分離部と、燃料保持部に対して大気圧より大きい圧力で液体燃料を押し込む燃料導入部とを有する。
【００１４】
燃料導入部を通して液体燃料を燃料保持部に供給し、液体燃料の導入圧力により燃料保持部の内圧を大気圧より大きくすることが可能となる。
【００１５】
燃料保持部の内圧は、電解質膜とシール部分との耐圧を考慮して、絶対圧にして、0.6MPa以下が望ましい。
【００１６】
アノード触媒としては、炭素系粉末担体に白金とルテニウム或いは白金／ルテニウム合金の微粒子を分散担持したもの、カソード触媒としては、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものが好ましい。
【００１７】
また、電極触媒の安定化や長寿命化のために、上述の貴金属成分に鉄、錫や希土類元素等から選ばれた第３又は第４の成分を添加した触媒を用いることも好ましい。
【００１８】
電解質膜としては、水素イオン導電性を示す膜が用いられる。代表的な材料としては、パーフロロカーボン系スルホン酸樹脂、ポリパーフロロスチレン系スルホン酸樹脂などに代表されるスルホン酸化やアルキレンスルホン酸化したフッ素系ポリマーやポリスチレン類、ポリスルホン類、ポリエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルケトン類、その他の炭化水素系ポリマーをスルホン化した材料などがある。
【００１９】
これらの電解質膜でメタノールの透過性の小さい材料は、燃料の利用率を高く採る事ができ、燃料のクロスオーバーによる電池電圧の低下もなく好ましい材料である。
【００２０】
また、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、タングストリン酸、モリブドリン酸などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜を用いることによって、より高温域まで運転できる燃料電池とすることもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ポンプなどの補機を用いることなく、発電時に燃料が消費されても、燃料極に燃料を供給することが可能な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】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
図１から図３は、本実施例で作製した燃料電池モジュール１を搭載した情報電子機器２の外観構成を示すものである。図１は正面図、図２は側面図、図３は背面図である。図中の符号は、３が情報電子機器２の筐体、４が表示部、５が情報電子機器２の操作ボタン、６が燃料カートリッジ保持部、７がスリットを示している。
【００２４】
この情報電子機器２は、操作ボタン５が表示部４の右側に形成され、燃料カートリッジが保持される燃料カートリッジ保持部６は表示部４の上側に形成される。燃料カートリッジ保持部６は筒状に形成され、本実施例では、横方向より筒状の燃料カートリッジ保持部６に燃料カートリッジを挿入するようになっている。これにより、燃料カートリッジを安定して設置できると共に、燃料を燃料電池モジュールに供給することができる。
【００２５】
なお、筐体３の左右両側は、持ち易いように円弧状に形成される。
【００２６】
また、筐体３の裏側（表示部４が形成されている面とは反対面）にはスリット７が形成されている。これは、燃料電池モジュール１に外気から空気を供給するためのものである。筐体３の裏側は外周が内部に向かって曲率を持って形成される。この形状に沿ってスリット７も左右両側を中心に曲率を持って形成されていてもよい。
【００２７】
図４は、情報電子機器２の内部構成を模式的に示しているものである。内部構成は主に、燃料電池モジュール１、表示部４、回路８、二次電池９、燃料カートリッジ１０を有し、燃料供給のためのポンプ等の補機は使用していない。なお、燃料カートリッジ１０は着脱可能である。また、本実施例では、二次電池９としてリチウム電池を用いた。リチウム電池は燃料電池モジュール１の発電をサポートする役割を担う。なお、回路８は主に筐体の左右両側内部に形成される。
【００２８】
燃料カートリッジ１０からの燃料を燃料電池モジュール１に供給し発電する。発電した電力を利用して、二次電池９を充電することも可能である。
【００２９】
ここで使用する燃料電池モジュール１は、メタノールを直接酸化するタイプの燃料電池である。また、ここで情報状電子機器とは、表示部（画面）を有し、情報の入出力が可能な装置である。
【００３０】
燃料電池モジュール１は、外観から見ると、図５に示すように主に、発電パネル１１、接続端子１２、燃料タンク（図示しないが、発電パネル１１に隠れている）、燃料タンクと一体となった気液分離部１４を有している。気液分離部１４は、燃料電池モジュール１で発生した二酸化炭素を排出するものであり、燃料タンクの上部に形成される。
【００３１】
燃料電池モジュール１の外形は、十二角形としたが、丸形、楕円形状、四角形でもよい。
【００３２】
ほぼ中央部分に４枚の電解質膜と電極を有する膜／電極接合体が形成され、その左右両側に１枚づつの膜／電極接合体が形成され、本実施例では６枚（裏と表で１２枚）の膜／電極接合体が形成されている。これら、膜／電極接合体を電気的に直列接続することによって、必要な電力を取り出している。本実施例では、上方より接続端子１２を形成している。
【００３３】
また、膜／電極接合体に空気を供給するために、吸気孔２２が発電パネル１１に形成される。吸気孔２２も、効率よく膜／電極接合体に空気を供給すると共に所定の強度を確保するため、膜／電極接合体の形成位置に沿って、その他の部分に比較して吸気孔を密に形成することが好ましい。
【００３４】
燃料タンクには、下方より燃料が供給される。
【００３５】
燃料電池モジュール１は、平板形状を有しており、情報電子機器２の表示部（図示せず）の裏側に、平面状の表示部（図示せず）と並行に搭載されている。
【００３６】
情報電子機器２は、情報電子機器２の中央演算処理部と表示部とが同一筐体内に含まれるような情報電子機器を示しているが、このようないわゆるＰＤＡ(Personal Digital Assistance) 以外でも、例えばノートＰＣ、タブレット型情報機器、携帯電話などの情報電子機器でも構わない。
【００３７】
燃料電池モジュール１は、情報電子機器の筐体に内包されている。
【００３８】
図６に示すように、燃料電池モジュールと回路８の間は、絶縁性で水や水蒸気を透過しない壁１５で分けられている。
【００３９】
燃料電池モジュール１と情報電子機器２とは、燃料電池モジュール１を締め付けるためのネジ１６の外形と同形状に壁１５に堀り込み（図示せず）を入れ、この掘り込みに、ネジ１６を引っ掛けることで固定されている。
【００４０】
固定は、燃料電池モジュール１の外形に合わせて突起を形成して行っても良い。
【００４１】
膜／電極集合体は、マック燃料電池は、燃料タンクを挟んで両側に形成される。
【００４２】
図７に示すように、燃料電池モジュール１の上部には、気液分離部１４が設けられており、生成された二酸化炭素を排出することができる。接続端子１２は、燃料タンクをはさんで形成される膜／電極集合体のそれぞれより電力を取り出すように形成される。
【００４３】
気液分離部１４には、二酸化炭素は透過するが、燃料であるメタノール水溶液は透過し難い気液分離膜１８を用いる。気液分離膜１８は気液分離部１４に設置する。
【００４４】
気液分離膜１８の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂の多孔質材を用いる。
【００４５】
また、気液分離膜としては、ＰＴＦＥ以外にも、ポリエーテルスルホン製などメタノール水溶液を透過し難い材質であれば用いることができる。
【００４６】
発電パネル１１は、孔を開けた樹脂フィルムを用いるが、ステンレス鋼製の金網や、金属板に孔をあけた、いわゆるパンチングメタルでもよい。材質は、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であればよく、チタンなどの金属や、エポキシ樹脂製、炭素繊維やガラス繊維を複合した樹脂製であってもよい。
【００４７】
発電パネル１１の開口率は５０％としたが、空気極に十分酸素が供給されるように２０％以上の開効率があればよい。また、８０％以上になると発電パネル１１の強度が弱くなるので、８０％以下が望ましい。
【００４８】
尚、発電パネル１１は、燃料であるメタノールを酸化するアノードと酸素を還元するカソードとそれらの間に形成されるプロトン導電性の電解質膜とからなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を複数有する燃料電池を集電板で挟んだ構造をしている。
【００４９】
燃料電池モジュール１からの出力は、接続端子１２を介して情報電子機器２の表示画面裏側にある回路８に供給される。
【００５０】
燃料電池モジュール１への燃料供給は、図８に示されるように、燃料カートリッジ１０をカートリッジ保持部６へ挿入し、そこから燃料タンクの側面に形成した燃料導入部１９へ燃料を送り込むことでなされる。
【００５１】
本実施例では、カートリッジを用いて燃料タンクへの補充を行った。カートリッジの吐出圧は大気圧に比べて充分に大きく設定し、レギュレータ２６で所定の圧力に調整して燃料タンクに導入した。このとき、燃料タンク内で消費された燃料が速やかにカートリッジから供給され、燃料タンク内が常に燃料で満たされていることを確認した。
【００５２】
また、燃料タンク内圧を大気圧よりも大きくなっており、発生した二酸化炭素が気液分離膜をスムーズに透過して、タンク内に滞留することがないことを確認した。
【００５３】
図９と図１０は、燃料電池モジュール１の構成を示すものである。
【００５４】
燃料電池モジュール１は、図９に示すように二枚の発電パネル１１で燃料タンク１３を挟んで構成される。
【００５５】
燃料電池モジュール１は、外気の空気を自然拡散により取り込み発電するため、外気中の異物、いわゆる埃や花粉等の粉塵、あるいはタバコの煙等の侵入を出来る限り防ぐために、発電パネルの表面にフィルター（図示せず）を設けてもよい。
【００５６】
燃料タンク１３は、硬質塩化ビニール製樹脂を用いる。メタノール水溶液に対して成分が溶出し難い材質であれば、ＰＴＦＥ製やエポキシ製の硬質樹脂、シリコン樹脂やＥＰＤＭ（エチレンプピレンジエンゴム）などのゴム状樹脂、ガラス繊維や炭素繊維などを複合した樹脂、アルミニウムやチタンや防食処理をしたマグネシウム合金等の金属材料でもよい。
【００５７】
気液分離部１４には、気液分離膜が設けられており、燃料の外部流出を防止している。
【００５８】
燃料タンク１３は、メタノール濃度２０重量％のメタノール水溶液が２５ｃｃ入る容量を有している。
【００５９】
燃料タンク１３の厚み（燃料タンクの容量）及びメタノール濃度によって、燃料注入一回当たりの燃料電池モジュール１の駆動時間が決まる。
【００６０】
燃料電池モジュール１の詳細図を、図１０に示す。発電パネル１１は、ＭＥＡ２７を集電部付きアノード板２０と集電部付きカソード板２１を、ガスケット２８を介して挟み込んだ構成になっている。ガスケット２８は、エポキシ系液状シール材を用いたが、メタノール水溶液に対して成分が溶出し難い材質で、ＭＥＡに所定の圧力を付与できる材料であればよい。例えば、シリコン樹脂やＥＰＤＭ製の板状ゴムやＯリング、または、粘着力を持つ接着シートやフィルム、熱や紫外線などにより収縮硬化する樹脂を用いても良い。
【００６１】
集電板２９はチタン板を金メッキ処理したものを用いたが、導電性を有し、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であればよく、白金や黒鉛板であってもよい。
【００６２】
締め付けは、ＳＵＳ材のネジを用いたが、メタノール水溶液に対して成分が溶出し難い材質で、発電パネルに所定の圧力を付与できる材料であればよい。更に、ネジとアノード板、もしくはカソード板との間に、皿バネのような弾性体を挟んでもよい。皿バネ等を併用することで、シール材の経時劣化によるシール性やＭＥＡへの面圧の低下を防ぐことが出来る。
【００６３】
ネジ部は突起となって、燃料電池モジュール１の発電パネル１１への空気供給が妨げられることを防ぐことも期待できる。
【００６４】
ネジを用いない場合でも、空気供給を確保するために突起部を設けることが好ましい。
【００６５】
集電部付きアノード板２０には、燃料を供給するための孔（図示せず）が形成され、集電部付きカソード板２１には、空気を供給するための吸気孔２２が形成されている。
【００６６】
このような構成で実際に情報電子機器を駆動させたところ、二次電池９だけで情報電子機器２を利用した場合には４時間で二次電池の充電が必要になったが、燃料電池モジュール１を接続し、燃料タンクに燃料を満たした状態で情報電子機器２を使い始めた場合には、８時間まで情報電子機器２の使用時間が増大した。
【００６７】
また、使用開始８時間後の情報電子機器２が使用できなくなる前に燃料を注入することによって、二次電池にＡＣコンセントからケーブルを接続して充電することなしに、連続して約１６時間使用できた。また、この間に燃料電池モジュールの出力低下は確認されなかった。
【００６８】
本実施例では、メタノール濃度が２０重量％の燃料を用いたが、さらに濃い、メタノール濃度が３０重量％の燃料を用いてもよい。その場合、使用時間が１．５倍の１２時間となる。
【００６９】
各ＭＥＡ２７の電気接続は、図１１に示されるように、接続部２３を介して行われる。集電部付きアノード板２０と集電部付きカソード板２１の間に、ＭＥＡ(図示せず)とガスケット２８（図示せず）を挟み、集電部付きアノード板２０と集電部付きカソード板２１の接続部にボルト２４を挿入し、両方のボルト２４をナット２５で接続することで、アノード集電板とカソード集電板(図示せず)が電気的に接続される。また、組み付け時のナットの位置ずれを防ぐために、予め集電部付きアノード板２０と集電部付きカソード板２１に、ナットと同じ形状の彫り込みを形成した。ボルト２４は集電部付きアノード板２０と集電部付きカソード板２１の一部から露出している。ボルトとナットを用いて、電機接続を行うことで、燃料電池モジュール１の製造組立時に各ＭＥＡの性能を検査することを可能としている。各ＭＥＡの性能を検査した後、ボルトは絶縁材でカバーされる。
【００７０】
集電部付きカソード板２１に形成されている吸気孔２２は、丸形の孔を形成したが、三角形、六角形、正方形であっても良い。二酸化炭素を排出する気液分離部１４は、燃料電池モジュール１の上部に設けたが、集電部付きカソード板２１の表面に形成してもよい。
【００７１】
以上、本実施例によれば、ポンプなどの補機を用いることなく、燃料極が燃料に満たされた状態が可能となり、補機損失の低減と、電池の出力を充分に発現し、電池の長寿命化を可能とする。
【００７２】
また、発電時にも、燃料の消費に伴い燃料タンク内の液面が低下し、燃料極に充分に燃料が浸透しない電池セルが発生することもない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明により、ポンプなどの補機を用いることなく、発電時に燃料が消費されても、燃料極に燃料を供給することが可能な燃料電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る燃料電池搭載情報電子機器の外観構成を示す正面図。
【図２】本発明に係る燃料電池搭載情報電子機器の外観構成を示す側面図。
【図３】本発明に係る燃料電池搭載情報電子機器の外観構成を示す背面図。
【図４】本発明に係る電池システム図。
【図５】本発明に係る燃料電池モジュールの外観図。
【図６】本発明に係る燃料電池搭載情報電子機器の断面図。
【図７】本発明に係る燃料電池モジュールの気液分離部と示す斜視図。
【図８】本発明に係る燃料電池モジュールの燃料カートリッジの関係を示す透視図。
【図９】本発明に係る発電パネルと燃料タンクの関係を示す断面図。
【図１０】本発明に係る発電パネルと燃料タンクの関係を示す斜視図。
【図１１】本発明に係る電気接続の関係を示す斜視図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池モジュール、２…情報電子機器、３…筐体、４…表示部、５…操作ボタン、６…カートリッジ保持部、７…スリット、８…回路、９…二次電池、１０…燃料カートリッジ、１１…発電パネル、１２…接続端子、１３…燃料タンク、１４…気液分離部、１５…壁、１６…ネジ、１８…気液分離膜、１９…燃料導入部、２０…集電部付きアノード板、２１…集電部付きカソード板、２２…吸気孔、２３…接続部、２４…ボルト、２５…ナット、２６…レギュレータ、２７…ＭＥＡ、２８…ガスケット、２９…集電板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005267885.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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