(57)【要約】【課題】液化ガスを燃料に用いた燃料電池において、小さく、起動性も良く、電解質膜の湿潤状態も適切に維持できる燃料供給装置が必要である。【解決手段】液化ガスを充填した容器から中空糸膜を介して、液化ガスを水に溶解させ、この水溶液を燃料電池の燃料として用いることを特徴とした燃料供給装置を備えた燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガスと水とを混合した水溶液を燃料として用いる燃料電池において、
前記液化ガスを中空糸膜を介して前記水に溶解させる気液混合部を有する燃料電池。
【請求項２】
前記液化ガスを充填した容器と前記気液混合部との間にレギュレータが設けられている、
請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記気液混合部内の圧力を制御する圧力制御部を有する、
請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料を燃料電池へ供給する流量を制御する流量制御部を有し、前記流量制御部は前記気液混合部内の圧力と温度とに応じて前記流量を制御する、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記液化ガスがジメチルエーテルである、
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、液化ガスの水溶液を燃料とする燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、環境への負荷が少ないこと、また総合的な効率が高いことから注目を集めている。
【０００３】
近年、特にモバイル機器用途を中心に、アノードに直接メタノールを供給するメタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されてきている。メタノールはアノードにおいて（化１）のように反応する。
【０００４】
（化１）  ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
メタノールは常温で液体であることから、燃料の持ち運び時の利便性の観点から望ましい燃料であるが、広くメタノールが使用されるには法規制の問題を解決しなくてはならない。最近、メタノール以外に利便性のある燃料としてジメチルエーテル（以後、ＤＭＥ）を燃料に用いた燃料電池が知られるようになってきた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
ＤＭＥは常温下でも加圧することで液体になる液化ガスの一種であり、加圧容器に入れればメタノール同様、エネルギー密度を高くすることができる。ＤＭＥはアノードにおいて（化２）のように反応する。
【０００６】
（化２）  ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
燃料としてＤＭＥのみを有し、水を回収するシステムでは、理論的にはエネルギー密度はメタノールの場合よりも大きくすることができる。
【０００７】
上記（化２）を見て分かるように、実際にアノードで反応させる際には水が必要である。したがって、ＤＭＥを実際に燃料電池の燃料として用いる方法としては、流量調節器で流量を制御されたＤＭＥガスを水の中にバブリングして加湿したＤＭＥガスを用いる方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質膜である固体高分子が乾燥すると燃料電池全体の抵抗が大きくなり、発電特性が大幅に低下する。これを防止するために、燃料電池の燃料として使用するガスを、中空糸膜を用いて加湿する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】新エネルギー・産業技術総合開発機構  平成１３年度成果報告書  「固体高分子形燃料電池の研究開発  ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の研究」
【特許文献１】特開平８−２７３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１の方法では、ＤＭＥガス中の水の量の調整が困難であり、かつ水で加湿できる量に限界があるため、燃料電池の電解質膜が乾燥しやすく、これによって電池の抵抗が大きくなり、電池特性が低下するという課題が存在する。さらに、バブリングされる水の温度を高めることで加湿割合は改善されるが、温度を上げるためにエネルギーが必要であることと、温度が上がるまであるいは下げるまでに時間がかかるという問題が存在する。
【００１０】
一方、特許文献１では、ガスを加湿する手段として中空糸膜を使用することが記載されている。この方法を用いると、非特許文献１に比べて加湿速度は速くなる。しかし、この方法をＤＭＥを燃料とする燃料電池に用い、ＤＭＥガスに中空糸膜を介して水を供給して加湿したとしても、燃料電池の全運転範囲において、電解質膜を適切な保湿状態に維持することは困難である。つまり、ＤＭＥガスを加湿することによって燃料電池に導入される水の量は温度によって限界があり、燃料電池の電解質膜の加湿が不十分になることがある。また、ガス中の水分量を大きくするためにガスの温度を上げる方法も考えられるが、その分のエネルギーが必要であることと、温度が上がるまであるいは下げるまでに時間がかかるという問題が存在する。所望の温度になるまで時間がかかるということは、燃料電池の起動性が悪いことを意味する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、液化ガスと水とを混合した水溶液を燃料として用いる本発明の燃料電池において、液化ガスを中空糸膜を介して水に溶解させる気液混合部を有することを特徴とする。
【００１２】
この場合、液化ガスを水に溶解させた水溶液を燃料電池で燃料として用いているので、燃料電池には十分な水が存在し、どんな温度域や発電状態であっても、燃料電池の電解質膜は十分に湿潤した状態を保てる。また、中空糸膜を介して液化ガスと水とを混合しているために、液化ガスの水への溶解速度が速く、十分な燃料を燃料電池に送ることができる。これにより、外気温度や発電状態に寄らず、十分な量の液化ガスと水とが混合した燃料を燃料電池に送ることができるようになり、起動も早く、安定した発電が達成できる。
【００１３】
さらに、中空糸膜に対し、液化ガスを充填した容器から蒸発した液化ガスが加圧されており、中空糸膜を介して水と加圧された液化ガスとを接触させておくだけで液化ガスを水に溶解させることができるため、燃料電池の発電状態にあわせて電解質膜の加湿状態や液化ガスの流量を制御することが必要な従来の装置に比べ、非常に簡便な装置となり、小型化や低コスト化、エネルギー効率の面で優れている。
【００１４】
さらに、液化ガスを充填した容器と、気液混合部との間にレギュレータが設けられていることが望ましい。これは、温度によって液化ガスを充填した容器内の圧力が変動するため、液化ガスを直接水に溶解させる場合、レギュレータがないと溶解させる際の圧力も変動してしまうためである。また、このレギュレータの圧力を変えることで液化ガスの水への溶解量を制御することも可能である。
【００１５】
さらに、気液混合部内の圧力を制御する圧力制御部を有することが望ましい。
【００１６】
液化ガスは気化状態で、ある圧力を持っている。このため、中空糸膜を介して水に液化ガスを溶解させる場合、液化ガスが溶解した水溶液の圧力を所定値に保っておくことで、水溶液が外部にリークしていってしまうことを防止できる。例えば、燃料電池システムの中でどこかが大気圧になっていれば、そこから液化ガスを溶解した水溶液がどんどんリークしていってしまうし、燃料電池にまで圧力が伝わるような燃料電池システム構造であった場合には、燃料電池自体により高い耐圧性が求められる。この場合、燃料電池はリーク防止のために、締め付け圧を大きくしたり、発電に関与しない締め付け部位を大きくしたりする必要があり、大型化につながってしまうという課題もある。
【００１７】
さらに、燃料を燃料電池へ供給する流量を制御する流量制御部を有し、前記流量制御部は前記気液混合部内の圧力と温度とに応じて前記流量を制御することが望ましい。これは、水と液化ガスの溶解度が圧力と温度によって物理的に決定されると同時に、水溶液中の液化ガス濃度も変化するからである。このように、水溶液中の液化ガス濃度が変化しても、液化ガスを水に溶解させた水溶液の圧力と温度に応じて流量を調整することで、燃料電池に所望の燃料量を燃料電池に送ることが可能となる。温度が一定の場合には、圧力をある値に保っておくことで水溶液中の液化ガス濃度を特定でき、これと流量制御装置を組み合わせることで所望の燃料量を燃料電池に送ることが可能となる。液化ガスの溶解した水溶液の燃料電池への送液はポンプを用いても良いが、液化ガスの溶解した水溶液は圧力を有しているため、この圧力差を利用し、弁などでポンプの代用をすることも可能である。
【００１８】
また、燃料として用いる液化ガスはＤＭＥであることが望ましい。これはガスを改質して水素にせずに直接発電に用いた場合、ＤＭＥはブタンやジエチルエーテルなどの他の液化ガスに比べて大きな出力を取れるためである。
【００１９】
なお、燃料として液化ガスと水とを混合した水溶液を使用するが、燃料が燃料電池の発電部に送付される前に加熱されることにより、あるいは送付された後に燃料電池の発電部内で加熱されることにより気化された状態であっても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本願によれば、液化ガスを燃料に用いた燃料電池の小型化が可能であると共に、起動性も良く、電解質膜の湿潤状態も適切に維持できることで安定な出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明における中空糸膜を介して液化ガスを水へ溶解させる気液混合部の概略図である。液化ガス１は、液化ガス１が充填された容器２からレギュレータ３を通して気体の入口ａから気液混合部４に送られる。この時、気体の出口ｂは閉じられており、液化ガス１は排気されないようになっている。こうすることで、レギュレータ３だけで気液混合部４内の液化ガス１の圧力を制御でき、かつ燃料を排出する必要がないので、燃料の利用効率の向上につながる。
【００２３】
気液混合部４内には中空糸膜５が多数配置され、液体の入口ｃから導入された水２０が中空糸膜５を介して液化ガス１と接触し、水２０に液化ガス１が溶解する。液化ガス１が溶解した水溶液２１は液体の出口ｄから排出される。上記構成により、中空糸膜５によって液化ガス１と水２０との接触面積が大きく取れるため、短時間で液化ガス１が水２０に対して飽和状態となることが可能である。また、レギュレータ３で圧力を制御することで、容器２内の圧力が変化しても気液混合部４に安定した圧力で液化ガス１を供給できるため、液化ガス１の水２０への溶解量を安定させることができる。中空糸膜５としては、液化ガス１は透過するが水２０は透過しないという疎水性の膜が好ましい。気液混合部４としては、例えば、セルガード社製のリキセルという中空糸膜モジュールを用いることができる。この際、中空糸膜５の内部が液化ガス１で外部が水２０であっても、中空糸膜５の内部が水２０で外部が液化ガス１であっても構わない。
【００２４】
図２は本発明の実施の形態１における燃料電池の概略図である。水溶液２１を燃料電池１３のアノードに送る装置６、空気などの酸化剤を燃料電池１３に送る装置７、燃料電池１３のアノードから発生する反応生成物である二酸化炭素を排出するための気液分離装置８、二酸化炭素を除去した後の残余の液化ガスを含む水溶液２２を中空糸膜５に送るための装置９、燃料電池１３のカソードで生成する反応生成物である水を回収するための水回収装置１０、回収した水を液化ガスを溶解する水として使用するために送液する装置１１が設けられている。
【００２５】
ここで、装置６、装置９、装置１１は、それぞれ逆止弁の役割も果たすことが望ましい。逆止弁の役割を果たすことで、システム全体の中での逆流を防ぎ、燃料電池１３の安定した運転が可能となる。また、レギュレータ３、装置６、装置９、装置１１によって囲まれた気液混合部４を含むエリア１２には、水溶液の圧力を測定する圧力センサ１４があり、圧力をモニターする事が可能である。さらに、レギュレータ３、装置６、装置９、装置１１によって、エリア１２内の水溶液２１の圧力を制御できる。さらに、温度センサ１５によって液化ガスを溶解した水溶液２１の温度をモニターする事が可能である。エリア１２内の圧力と、温度センサ１５の示す温度とから、液化ガス１の水２０への溶解量を算出することが可能であり、これをあらかじめ認識させておき、水溶液２１を装置６と連動させることで、適切な量の水溶液２１を燃料電池１３に送ることが可能である。
【００２６】
また、装置６においては、液体ポンプを用いることもできるし、液化ガスが溶解した水溶液２１に圧力がかかっていることを利用した圧力弁のような構造でも送液が可能である。
【００２７】
図３に本発明における燃料電池の発電部の概略図を示す。発電部４０は、プロトン伝導膜３１がアノード触媒層３２とカソード触媒層３３に挟まれた構成となっており、さらにそれぞれの触媒層の上にアノード用の拡散層３４、カソード用の拡散層３５が設置された構成になっている。さらに、アノード用の拡散層３４およびカソード用の拡散層３５の周囲を、周囲に流体が漏れないようにしたり、拡散層や触媒層の圧迫具合を規定する効果のあるガスケット３６、３７でシールする。さらに、アノード用の拡散層３４とガスケット３６、およびカソード用の拡散層３５とガスケット３７は、流体が流れる溝が形成されたセパレータ３８、３９によって挟まれた構造となっている。図示していないが、実際には、発電部４０を圧迫して保持するために、両面に端板や、電気を取り出すための集電板などが必要となる。
【００２８】
（実施の形態２）
図４に本発明の実施の形態２における燃料電池の概略図を示す。装置６を調整することで、燃料電池１３の発電に必要な最小量の燃料量を送るような構成にした場合、図２の気液分離装置８と装置９を省略でき、図４のような構成を取ることもできる。この場合、アノードの排気には多少の液体が含まれることが想定されるため、水回収装置１０を通しても良い。
【００２９】
なお、水回収装置１０を通った後の排気など、燃料電池システム外部に排気される物質は触媒燃焼などで浄化しても良い。
【００３０】
以上より、本発明によって、液化ガスを燃料に用いた燃料電池システムの小型化が可能であると共に、起動性も良く、電解質膜の湿潤状態も適切に維持できることで安定な出力を得られる燃料電池を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、液化ガスと水とを混合した水溶液を燃料に用いた燃料電池に大変有用である。特に、液化ガスとしてジメチルエーテルを使用した場合、他の液化ガスに比べて大きな出力を取れるため、燃料電池のエネルギー密度の向上に大変有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池の気液混合部の概略図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池の概略図
【図３】本発明における燃料電池の発電部の概略図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池の概略図
【符号の説明】
【００３３】
１    液化ガス
２    容器
３    レギュレータ
４    気液混合部
５    中空糸膜
６    水溶液をアノードに送る装置
７    酸化剤を送る装置
８    二酸化炭素を排出するための気液分離装置
９    残余の液化ガスを含む水溶液を中空糸膜に送るための装置
１０    水回収装置
１１    回収した水を液化ガスを溶解する水として使用するために送液する装置
１２    エリア
１３    燃料電池
１４    圧力センサ
１５    温度センサ
２０    水
２１    水溶液
２２    残余の液化ガスを含む水溶液
ａ    気体の入口
ｂ    気体の出口
ｃ    液体の入口
ｄ    液体の出口
３１    プロトン伝導膜
３２    アノード触媒層
３３    カソード触媒層
３４    アノード用の拡散層
３５    アノード用の拡散層
３６，３７    ガスケット
３８，３９    セパレータ
４０    発電部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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