(57)【要約】【課題】  ＤＭＦＣタイプの開放型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、安定した出力及び高い発電効率を有する燃料電池システム、及び携帯用電子機器を提供する。【解決手段】  開放型の燃料電池本体１０１及び振動モータ１０８を備え、振動モータにて燃料電池本体に振動を与え、燃料電池本体のアノード部に生成され滞留する気泡を振り払う。よって、アノード部と液体燃料との接触面積が元の状態に復帰するので、燃料電池本体は、安定した出力及び高い発電効率を達成することができる。【選択図】図１
2005116360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード部（２）へ液体燃料（１９０）を、カソード部（３）へ空気をそれぞれ自然供給することで発電を行う開放型燃料電池本体（１０１）と、
上記アノード部に滞留する気泡を排除するガス排除用振動を上記開放型燃料電池本体に与える振動付与装置（１０８）と、
上記振動付与装置の動作制御を行う制御装置（１０９）と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記ガス排除用振動は、１０Ｈｚ以上の振動数にてなる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記振動付与装置は振動モータである、請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記制御装置は、上記振動付与装置に対して上記開放型燃料電池本体を周期的に振動させる動作制御を行う、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムを備え該燃料電池システムから電力供給を受けることを特徴とする携帯用電子機器。
【請求項６】
上記燃料電池システムに備わる振動付与装置は、当該携帯用電子機器をも振動させる、請求項５記載の携帯用電子機器。
【請求項７】
上記燃料電池システムに備わる制御装置は、上記振動付与装置に対して、開放型燃料電池本体に与えるガス排除用振動と、当該携帯用電子機器に与える振動であって上記ガス排除用振動とは異なる振動パターンにてなる機器用振動とを発生させる動作制御を行う、請求項６記載の携帯用電子機器。
【請求項８】
当該携帯用電子機器は移動体通信機器である、請求項５から７のいずれかに記載の携帯用電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に液体燃料を直接燃料電池本体に供給することによって発電する燃料電池システム、及び該燃料電池システムを搭載した携帯用電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンかつ高効率なエネルギー源として、燃料電池が注目されている。なかでも、高分子電解質膜の両側にアノード極およびカソード極をそれぞれ接合した固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）は電気自動車用電源や家庭用分散型電源として適した特徴を有しており、急速に開発が進んでいる。近年、この固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の技術をベースとし、メタノールやジメチルエーテルを改質せずに直接アノード極に供給して発電する直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の開発が活発化している。この直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノールなどの有機燃料を水素リッチなガスに改質するための改質器や水素容器が不用であるため小型化が容易であり、移動型電源として注目されている。
ＤＭＦＣは、一般に燃料電池セルを直列に接続してスタック構成をとり、燃料や空気を燃料電池セルに強制供給する循環型の燃料電池システムと、スタック構成をとらずに燃料や空気を自然供給させる開放型の燃料電池システム２種類のタイプが知られている。このうち、開放型のタイプは、燃料や空気を燃料電池本体へ強制供給するためのポンプやコンプレッサー等の補機が不必要であるので、構成が容易であり小型化に有効である（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
上記ＤＭＦＣの燃料電池セルの概略図を図４に示す。燃料電池セル１０は、固体高分子電解質膜１の両側にアノード部２とカソード部３を配している。アノード部２は、触媒層４及び燃料拡散層６を有し、カソード部３は、触媒層５及びガス拡散層７を有する。触媒層４にはＰｔ−Ｒｕ触媒が、触媒層５にはＰｔ触媒が使用される。燃料拡散層６及びガス拡散層７は、燃料及び空気を触媒層４，５にそれぞれ供給するための通路となり、かつ集電の機能を有する必要があり、一般的には多孔質な導電材料であるカーボンペーパが用いられている（例えば特許文献２参照。）。
一方、燃料電池に直接液体燃料を供給する例えばＤＭＦＣでは、アノード極では以下の反応機構によりメタノール及び水が反応する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
又、例えば燃料がジメチルエーテルの場合、以下の反応機構によってジメチルエーテル及び水が反応する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
上述の反応機構に示されるように、ＤＭＦＣ等の直接燃料を供給する燃料電池では、燃料電池のアノード極の反応ではＣＯ２が発生する。発生したＣＯ２は燃料拡散層６を通過して外部へ放出される。
【特許文献１】米国特許６４５８４７９号
【特許文献２】特開２００２−５６８５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アノード部２で発生するＣＯ２は、気体のため、供給される燃料と比較して、体積が非常に大きく、速やかに回収される必要がある。しかしながら、燃料拡散層６は、多孔質材料であるので気体が滞留しやすく、ＣＯ２は燃料拡散層６や触媒層４に気泡の状態で滞留しやすい。ＣＯ２が外部へ放出されないことで、ＣＯ２の滞留部分では、燃料の供給がスムーズに行われず、燃料が接触する有効面積が実質的に減少してしまい、燃料電池の性能低下をもたらすという問題がある。又、ＣＯ２による気泡が一定の大きさになれば、燃料拡散層６や触媒層４から放出されるが、該作用は不定期に行われるため、安定した燃料電池の性能が得られにくいという問題もある。
【０００５】
これらの問題点を避けるため、例えば上記特許文献２では、触媒層と固体高分子膜との間に燃料供給経路を配置している。しかしながら、この構成は、上記循環型の燃料電池を想定したものであり、開放型の燃料電池には採用することはできない。さらに上記構成では、触媒層と固体高分子膜とが接触していないため両者間の水素イオン導電性が低下するという問題を生じる。水素イオン導電性を補うためには燃料溶液を酸性にする必要があり、安全面での問題が生じる。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、液体燃料を直接燃料電池本体に供給することによって発電する開放型の燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、安定した出力及び高い発電効率を有する燃料電池システム、及び該燃料電池システムを備えた携帯用電子機器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】
【０００６】
本発明の第１態様である燃料電池システムは、アノード部へ液体燃料を、カソード部へ空気をそれぞれ自然供給することで発電を行う開放型燃料電池本体と、
上記アノード部に滞留する気泡を排除するガス排除用振動を上記開放型燃料電池本体に与える振動付与装置と、
上記振動付与装置の動作制御を行う制御装置と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
又、上記ガス排除用振動は、１０Ｈｚ以上の振動数にてなるように構成することもできる。
【０００８】
又、上記振動付与装置は振動モータであるように構成することもできる。
【０００９】
又、上記制御装置は、上記振動付与装置に対して上記開放型燃料電池本体を周期的に振動させる動作制御を行うように構成することもできる。
【００１０】
さらに本発明の第２態様である携帯用電子機器は、上記第１態様の燃料電池システムを備え該燃料電池システムから電力供給を受けることを特徴とする。
【００１１】
上記第２態様において、上記燃料電池システムに備わる振動付与装置は、当該携帯用電子機器をも振動させるように構成することもできる。
【００１２】
上記第２態様において、上記燃料電池システムに備わる制御装置は、上記振動付与装置に対して、開放型燃料電池本体に与えるガス排除用振動と、当該携帯用電子機器に与える振動であって上記ガス排除用振動とは異なる振動パターンにてなる機器用振動とを発生させる動作制御を行うように構成することもできる。
【００１３】
上記第２態様において、当該携帯用電子機器は移動体通信機器であるように構成することもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１態様の燃料電池システム、及び第２態様の携帯用電子機器によれば、開放型燃料電池において、振動付与装置を備え上記開放型燃料電池に振動を与えるようにした。よって、上記開放型燃料電池の触媒層や燃料拡散層に滞留した気泡を効果的に燃料電池から外部へ放出することが可能となる。これにより、触媒層や燃料拡散層と液体燃料との接触面積を気泡付着時に比べて増加させることができ、本来の発電量を回復することができる。よって、安定した出力及び高い発電効率を有する燃料電池システム及び携帯用電子機器を提供することができ、又、携帯用電子機器においては上記燃料電池システムを備えることで小型化が可能になる。
又、振動数を１０Ｈｚ以上とすることで効果的に気泡の放出の促進が可能となり、振動モータを用いることで製造コストの削減を図ることができる。
又、上記振動を周期的に付与するようにすることで、上記振動付与装置の消費電力の低減を図ることができる。
又、上記振動付与装置にて携帯用電子機器をも振動させるようにすることで、携帯用電子機器の小型化が可能になる。さらに、開放型燃料電池に与える振動と、携帯用電子機器に与える振動とを異ならせることで、両者間の誤認識を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態である燃料電池システム、及び該燃料電池システムを備えた携帯用電子機器について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。
＜第１実施形態＞
図１には、本実施形態の燃料電池システムの概略を示している。該燃料電池システム１００は、基本的構成として、燃料電池本体１０１、振動付与装置１０８、及び制御装置１０９を備え、本実施形態ではさらに、燃料タンク１０５、燃料供給経路１０６、及び燃料保持部１０７を備える。
燃料電池本体１０１は、図４で説明した構成と同一構成であり、固体高分子電解質膜１の両側にアノード部２とカソード部３を配している。アノード部２は、触媒層４及び燃料拡散層６を有し、カソード部３は、触媒層５及びガス拡散層７を有する。尚、図１では、図示簡略化のため触媒層４、５、燃料拡散層６、ガス拡散層７の図示を省略している。又、燃料電池本体１０１は、１つのセルからなる単セル構成でも良く、複数個を実質的な平面に配置した構成でもよい。
【００１６】
アノード部２は、本実施形態では、燃料保持部１０７内に露出して配置されており、アノード部２には、燃料保持部１０７から液体燃料１９０が自然供給される。尚、自然供給とは、ポンプ等の補機を使用することなく、液体燃料及び空気を電極に接触させる供給形態をいう。燃料保持部１０７は、アノード部２が露出し液体燃料１９０に接触可能な液体タンクや、液体燃料１９０が浸透可能な多孔質体からなることが好ましい。例えば、多孔質体の材料として、ポリウレタン、ポリエステル、ポリセルロースなどを用いることができる。又、燃料保持部１０７は気体放出用の細孔等を有する。よって、燃料保持部１０７内の液体燃料１９０に含まれる気泡等にてなる気体は、上記細孔等を通して燃料保持部１０７の外部へ放出可能である。
カソード部３は、外気に開放されており、空気は自然供給される。尚、例えばファン等の補機を使用して強制的に空気供給を行ってもよい。
又、アノード部２及びカソード部３には、燃料電池本体１０１にて発生した電力を出力する部分である出力部１１２が接続されている。
【００１７】
燃料タンク１０５は、燃料電池用の燃料、好適な一例としてメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の有機溶液、特にメタノール水溶液を収容しており、燃料供給経路１０６を介して燃料保持部１０７へ接続されている。燃料供給経路１０６は、燃料タンク１０５から燃料保持部１０７へ液体燃料が自然供給される構成を有する。例えば、該構成は、例えば毛管現象が働く程度の細管で形成されたり、液体燃料を浸透させる多孔質材料で形成することもできる。よって、上記液体燃料は、燃料タンク１０５から燃料保持部１０７へ供給される。尚、ポンプ等の補機を設け強制的な供給を行うこともできる。
【００１８】
振動付与装置１０８は、本実施形態では燃料電池本体１０１のカソード部３に接触、又は近接して設置されており、燃料電池本体１０１を振動させる装置である。尚、振動付与装置１０８の設置場所は、カソード部３に限定されず、燃料電池本体１０１に一部又は全体が接触し燃料電池本体１０１を保護する不図示のケーシングと接して設けられても良く、さらには間接的に振動が伝わる他の構成を採っても良い。振動付与装置１０８としての振動発生手段としては特に限定されないが、本実施形態のように、振動モータを用いることが、小型でかつ低コストなため好ましい。尚、上記振動モータは、例えば携帯電話等に使用されている振動発生用のモータである。又、振動付与装置１０８を作動させるための電力は、燃料電池本体１０１から供給されてもよいし、他の電源からでもよい。
【００１９】
制御装置１０９は、振動付与装置１０８の動作制御を行う装置であり、例えばマイクロコンピュータ等を用いることができる。上記動作制御として、本実施形態では、振動付与装置１０８としての振動モータに対して１０Ｈｚ以上の振動数を発生するように、供給電圧を制御する。１０Ｈｚ以上の振動数を発生させることで、発電時にアノード部２に発生し滞留する炭酸ガスの気泡を効果的に燃料電池本体１０１から排除することができる。又、上記周波数は、１０Ｈｚ以上であれば良く、よって振動付与装置１０８は超音波振動を発生してもよい。尚、超音波振動を用いるときには、振動付与装置１０８は、上記振動モータに代えて、例えば圧電変換素子等からなる超音波発振子等の超音波発生源を用いる。又、アノード部２に生成する気泡は、アノード部２の表面に付着しているので、上記振動を付与する方向は、アノード部２に対して直交する直交方向１９１とするのが好ましい。直交方向１９１に振動を付与することで、上記表面に付着している気泡をより効果的に上記表面より振り払うことができる。
さらに、上記動作制御として、本実施形態では、周期的に振動を発生させている。一例として、６０秒間無振動の状態を維持した後、５秒間振動を燃料電池本体１０１へ付与する動作を繰り返す。尚、このように周期的な振動付与制御ではなく、連続的に振動付与を行うように制御しても良いし、不規則に振動付与を行うように制御しても良い。さらに、制御装置１０９が出力部１１２を介して燃料電池本体１０１の発電量を監視するように構成したときには、上記発電量が規定値より低下したときには、一定期間、又は上記発電量が上記規定値を超えるまで、振動付与装置１０８による振動を燃料電池本体１０１へ付与するように制御することもできる。
制御装置１０９の電力は、燃料電池本体１０１から供給しても良く、又、他の電源からでもよい。
【００２０】
上述したように構成される燃料電池システム１００における動作について以下に説明する。
燃料タンク１０５から燃料供給経路１０６を通って燃料保持部１０７に液体燃料が供給され、アノード部２に燃料保持部１０７から上記液体燃料１９０が自然供給される。一方、カソード部３には空気が自然供給される。アノード部２及びカソード部３では、それぞれが有する触媒層の触媒作用の反応によって発電が行われ、出力部１１２へ電力が供給される。このとき、アノード部２では上記反応により気体が、例えば液体燃料がメタノール水溶液であればＣＯ２が発生する。発生したＣＯ２の一部は、燃料保持部１０７に設けられた上記細孔を通過して外部へ放出されるが、一部はアノード部２における触媒層や燃料拡散層に滞留する。
ここで、振動付与装置１０８は、制御装置１０９による上述の制御動作により、燃料電池本体１０１に振動を与える。燃料電池本体１０１に振動を付与することで、アノード部２における触媒層や燃料拡散層に滞留した気体が振り払われ除去される。
【００２１】
以上説明したように本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池本体１０１へ振動付与装置１０８により振動を付与することで、アノード部２の触媒層４及び燃料拡散層６に滞留する炭酸ガス等の気体は、上記振動により触媒層４及び燃料拡散層６から振り払われ効果的に除去することが可能となる。それにより、触媒層４及び燃料拡散層６における液体燃料１９０の接触面積が気泡付着時に比べて増加し、よって発電量が回復する。したがって、上記振動を作用させることで、出力部１１２から安定した電力を出力することができる。又、例えば、燃料電池本体１０１が燃料をアノード部２に自然供給し、カソード部３へ空気を強制的に供給する半開放型の燃料電池であるときにも、上記振動付与装置１０８及び制御装置１０９を設けることができる。
尚、本実施形態の燃料電池システム１００の構成は、一例を示したものであり、例えば図２に示すように、燃料タンク１０５を燃料保持部１０７と兼用し燃料供給経路１０６を省略した燃料電池システム１１５の構成を採ることもできる。即ち、燃料電池本体１０１を振動させる振動付与装置１０８が備われば良く、その他の部分の構成は適宜変更可能である。
【００２２】
＜第２実施形態＞
上述した燃料電池システム１００を例に採り、該燃料電池システム１００を備え、該燃料電池システム１００から電力が供給される、本実施形態の携帯用電子機器について、図３を参照し以下に説明する。尚、図３において、携帯用電子機器１２０に備わる例えばマイクロコンピュータ及び表示部等の、燃料電池システム１００と関係しない構成部分については記載を省略している。又、携帯用電子機器１２０として、例えばノート型のパーソナルコンピュータや携帯電話等が相当するが、本実施形態では、携帯電話を例に採る。
燃料電池システム１００は、携帯用電子機器１２０に内蔵又は直接接続され、携帯用電子機器１２０と一体化している。又、制御装置１０９は、携帯用電子機器１２０内に配し、他の制御機器、例えば携帯用電子機器１２０用のマイクロコンピュータと兼用してもよい。
又、本第２実施形態では、振動付与装置１０８は、燃料電池システム１００内に配置したが、燃料電池本体１０１に近接させて携帯用電子機器１２０内に配置することもできる。この場合、振動付与装置１０８により携帯用電子機器１２０に振動を与えることができることは言うまでもない。
【００２３】
このように構成される携帯用電子機器１２０の動作について以下に説明する。
燃料電池システム１００は、上述したように発電を行い、又、振動付与装置１０８は、制御装置１０９の制御により上述したように燃料電池本体１０１に振動を付与する。よって、燃料電池本体１０１のアノード部２に滞留した気体は、排除される。
一方、携帯用電子機器１２０は、燃料電池システム１００の出力部１１２から電力供給を受け、稼動する。上述のようにアノード部２に滞留した気体は排除されることから、携帯用電子機器１２０には燃料電池システム１００から常に安定した電力が供給される。
又、携帯電話のように、携帯用電子機器１２０自体も振動する必要があるとき、振動付与装置１０８を携帯用電子機器１２０用の振動源として用いることもできる。この場合、制御装置１０９は、携帯用電子機器１２０用の振動発生の制御を行うように構成してもよい。このように振動発生源を携帯用電子機器１２０及び燃料電池本体１０１にて共用することで、携帯用電子機器１２０内に別途振動発生源を設ける必要が無くなり、機器全体構成のコンパクト化を図ることができる。
又、振動源を共用する場合、制御装置１０９は、携帯用電子機器１２０自体を振動させる機器用振動における振動パターンと、燃料電池本体１０１を振動させるガス排除用振動における振動パターンとを異ならせるように制御するのが好ましい。両者の振動パターンを異ならせることで、携帯用電子機器１２０の使用者が燃料電池本体１０１用の上記ガス排除用振動を、携帯用電子機器１２０自体の上記機器用振動と誤認することを防止することができる。
【実施例】
【００２４】
図２に示す燃料電池システム１１５の一実施例について、以下に説明する。
液体燃料１９０は、２Ｍのメタノール水溶液である。燃料電池本体１０１は、図４に示す構成にてなる単セルを用い、固体高分子膜１にはパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子材である商品名ナフィオン（ＤｕＰｏｎｔ社製）を用いた。ガス拡散層７と燃料拡散層６にはカーボンペーパを用い、アノード部２の触媒層４にはＰｔ−Ｒｕ坦治炭素触媒を１．７ｍｇ／ｃｍ２の量にて用い、カソード部３の触媒層５にはＰｔ坦治炭素触媒を１．５ｍｇ／ｃｍ２の量にて用いた。燃料電池本体１０１のセル面積は、１６ｃｍ２である。
又、アノード部２への燃料供給、及びカソード部３への空気供給は、自然供給である。
【００２５】
上述の実施例の構成において、振動付与装置１０８の運転条件を表１に示す。尚、表１に示すように、比較例では、全く振動を付与していない。
【００２６】
【表１】
2005116360.tif 000003
【００２７】
表１に示す実施例１，２、及び比較例の評価は、燃料電池本体１０１を０．４Ｖの出力で１時間動作させたときの発電量の比較で行った。評価結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
2005116360.tif 000004
【００２９】
表２から明らかなように、振動を付与した実施例１及び実施例２は、振動を付与しない比較例と比べて燃料電池の発電量が大きく増加している。よって、振動付与装置１０８による燃料電池本体１０１への振動付与が有効であることがわかる。
【００３０】
又、一定の振動数を６０秒に５秒の割合で燃料電池本体１０１に与え、０．４Ｖで１時間作動させたときの発電量を表３に示す。
【００３１】
【表３】
2005116360.tif 000005
【００３２】
表３から明らかなように、上述の場合と同様に振動を与える方が発電量が大きくなり振動付与が有効であることがわかると伴に、振動数の変化にかかわらず発電量はほぼ一定であることから、付与する振動数は約１０Ｈｚ以上であればよいことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、特に液体燃料を直接燃料電池本体に供給することによって発電する燃料電池システム、及び該燃料電池システムを搭載した電子機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の実施形態である燃料電池システムの一構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池システムの他の構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態である携帯用電子機器の一例を示す図である。
【図４】図４は、燃料電池本体の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
２…アノード部、３…カソード部、
１０１…燃料電池本体、１０８…振動付与装置、１０９…制御装置、
１９０…液体燃料、１９１…直交方向。
【図１】
2005116360.tif 000006
【図２】
2005116360.tif 000007
【図３】
2005116360.tif 000008
【図４】
2005116360.tif 000009