(57)【要約】  【課題】  液体燃料直接供給型燃料電池システムに塩分を含む微粒子の侵入を防止する。  【解決手段】  発電ユニット、燃料供給手段、空気供給手段と、前記正極の電気化学反応によって生成した水と前記負極の電気化学反応に寄与しなかった液体燃料を回収して前記燃料供給手段に戻す回収手段とを有し、前記空気供給手段に供給される空気を取り入れる吸気口１４に多層構造のエアフィルタ１５を設けるとともに、前記回収手段から分離された空気を排出する排気口１３に開閉手段１６を設けてなる。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設したセルまたは該セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットに、負極に液体燃料を供給する燃料供給手段と、正極に空気を供給する空気供給手段が設けられるとともに、前記発電ユニット、燃料供給手段、空気供給手段と、前記正極の電気化学反応によって生成した水と前記負極の電気化学反応に寄与しなかった液体燃料を回収して前記燃料供給手段に戻す回収手段とを収納した外装ケースを有し、前記正、負極の電気化学反応によって起電力を得る液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、前記空気供給手段に供給される空気を取り入れる吸気口に多層構造のエアフィルタを設けるとともに、前記回収手段から分離された空気を排出する排気口に開閉手段を設けたことを特徴とする液体燃料直接供給型燃料電池システム。
【請求項２】
前記エアフィルタは、少なくとも一層に撥水処理が施された不織布を用いたことを特徴とする請求項１記載の液体燃料直接供給型燃料電池システム。
【請求項３】
前記開閉手段に、排気用のファンが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の液体燃料直接供給型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体燃料直接供給型燃料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、液体燃料と空気とを直接発電ユニットに供給して発電ができる、分散形電源、移動体用電源、小型携帯用電源に適した液体燃料直接供給型燃料電池の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や資源問題への対策がクローズアップされ、その一環として燃料電池の開発が活発に行われている。特に、プロトン導電性固体高分子膜を電解質に用いた直接メタノール型燃料電池のような液体燃料直接供給型燃料電池は、燃料をガス化または改質せずに直接供給することによって発電できるという特徴を持っているため、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、分散形電源、移動体用電源、小型携帯用電源として注目されている。
【０００３】
この直接メタノール型燃料電池は、プロトン導電性高分子固体高分子膜の電解質の両側に正極および負極を接合したセルをグラファイト製のセパレータで挟持されて、または該セルがグラファイト製のセパレータを介して多数積層されて発電ユニットを構成している。前記正極は多孔性のカーボンペーパーの表面に白金触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなり、前記負極は同様のカーボンペーパーの表面に白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなる。
【０００４】
上記した直接メタノール型燃料電池は、負極に還元剤としてのメタノール水溶液を供給し、正極に空気中の酸素を供給し、電解質を介した電気化学反応によって発電を行うものであり、その発電効率やエネルギー密度の点で、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に代わる電源として注目されている。すなわち、負極に濃度が３％程度のメタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給すると、負極の電気化学反応によって二酸化炭素が生成し、正極の電気化学反応によって水が生成し、負極側からは前述した二酸化炭素がメタノール水溶液とともに排出され、正極側からは前述した水が空気とともに排出される。
【０００５】
このような直接メタノール型燃料電池は、二酸化炭素とともに排出されたメタノール水溶液と、空気とともに排出された水とを、負極に供給するためのメタノール水溶液を貯蔵する燃料タンクに戻し、その濃度を３％程度に調製して、再度、負極に供給するような回収手段を備えたシステム、すなわち、液体燃料直接供給型燃料電池システムに構成される。そして、前述した分散形電源、移動体用電源、小型携帯用電源として用いられる場合には、前記発電ユニットと回収手段とは外装ケースに収納され、該ケースには正極に供給するための空気を取り入れる吸気口と回収手段から分離された空気を排出する排気口とが設けられている。
【０００６】
このような液体燃料直接供給型燃料電池システムの用途には、船舶やブイ等に電源として搭載されるものもあり、このような用途では、上記した吸気口から空気を取り入れ、排気口から空気を排出する過程で、海水中あるいは海上の空気中に存在するナトリウムイオンやカルシウムイオンのようなカチオンが発電ユニットに取り込まれないようにする必要があった。すなわち、上記した液体燃料直接供給型燃料電池システムの電解質に用いられるプロトン導電性高分子固体高分子膜はパーフルオロスルフォン酸系のものが一般的であり、プロトンよりも上記したカチオンとの親和性が高く、電池特性の低下の原因になるからである。
【０００７】
このような問題を解決するための方法の一つとして、特許文献１、２に開示されたような提案がなされている。
【特許文献１】特開２００１−１８５１９３号公報
【特許文献２】特開２００５−０１１６９１号公報
【０００８】
前記特許文献１の提案は、外気から取り込んだ空気を前処理フィルタで粗い塵埃を除去した後、湿潤フィルタで微細な塵埃塩分等の不純物を除去するものであり、前記特許文献２の提案は、空気フィルターを通過した塩分や金属イオン等の不純物を液体燃料の循環路に設けた不純物除去装置で除去するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した特許文献１の提案では、湿潤フィルタで捕捉された塩分が潮解することが考えられるため、潮解した塩分がイオン化して湿潤フィルタを通過してしまうという問題があり、上記した特許文献２の提案では、空気フィルターを通過した塩分や金属イオン等の不純物は電池部を通過した後で不純物除去装置を通過するため、電池部の通過時に捕捉されてしまうという問題があった。このような問題は、正極の電気化学反応で生成した水が燃料タンクに戻されないシステムであれば、水とともにシステム外に流出させることができるが、特許文献２の提案のような、正極の電気化学反応で生成した水が循環部を通じて燃料タンクに戻されるシステムにおいては、空気フィルターを通過した塩分や金属イオン等の不純物がイオン化して液体燃料中にも混入し、プロトン導電性高分子固体電解質膜の一部に該イオンが吸着され、電解質膜や負極あるいは正極の触媒のプロトン導電性を低下させることになる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたもので、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設したセルまたは該セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットに、負極に液体燃料を供給する燃料供給手段と、正極に空気を供給する空気供給手段が設けられるとともに、前記発電ユニット、燃料供給手段、空気供給手段と、前記正極の電気化学反応によって生成した水と前記負極の電気化学反応に寄与しなかった液体燃料を回収して前記燃料供給手段に戻す回収手段とを収納した外装ケースを有し、前記正、負極の電気化学反応によって起電力を得る液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、前記空気供給手段に供給される空気を取り入れる吸気口に多層構造のエアフィルタを設けるとともに、前記回収手段から分離された空気を排出する排気口に開閉手段を設けたことを特徴（請求項１）とし、前記エアフィルタは、少なくとも一層に撥水処理が施された不織布を用いたことを特徴（請求項２）とし、前記開閉手段に、排気用のファンが設けられていることを特徴（請求項３）とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、吸気口に多層構造のエアフィルタを設けたことにより、取り入れられる空気から塩分を含む微粒子を排除することができるとともに、該エアフィルタの少なくとも一層に撥水処理された不織布を用いたことにより、捕捉された塩分を含む微粒子が潮解しても不織布によって発電ユニットへの侵入も排除することができる。また、排気口に開閉手段を設けたことにより、システムの停止時には排気口を閉じ、システムの運転時のみ開くようにして、停止時に排気口から塩分を含む微粒子の侵入を排除し、さらに運転時にはファンによって排気させるようにしたことにより、排気口付近に塩分を含む微粒子が漂うことも排除することができる。従って、電池特性の低下を防止し、電池寿命の長期化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を、その実施形態に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給型燃料電池システムの例として示した直接メタノール型燃料電池システムの構成図であり、その特徴は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設したセルを複数個積層した発電ユニットとしての燃料電池スタック１の、前記負極に、液体燃料としてのメタノール水溶液を、その電気化学反応に適した濃度（約３％）にして貯蔵する燃料タンク５から燃料ポンプ６によって供給し、前記正極に、吸気口１３に設けられたエアフィルタ１５を介して導入された空気を、空気ブロワー２によって供給するようにしたことで、前記正極では、その電気化学反応よって水が生成し、前記負極では、その電気化学反応によって二酸化炭素が生成するものである。正極で生成した水と反応に寄与しなかった空気とは冷却ファン１１の風が当たっているラジエター３を通過し、気体成分としての空気は前記冷却ファン１１の風によって開いた排気口１３に設けられた開閉手段１６を通って排気され、液体成分としての水は水タンク４に貯留された後ポンプ１０によって前記燃料タンク５に戻される。また、負極で生成した二酸化炭素と反応に寄与しなかったメタノール水溶液とは気液分離槽７で液体成分としてのメタノール水溶液と気体成分としての二酸化炭素に分離され、メタノール水溶液が燃料タンク２に戻され、二酸化炭素が収納ケース１２内を循環しながら前記開閉手段１６を通って排気されるように構成されている。
【００１４】
なお、図１において、メタノールタンク８は燃料タンク５内のメタノール水溶液の濃度を調整するための高濃度（約６０％）のメタノール水溶液を貯蔵するためのもので、燃料タンク５内のメタノール水溶液の濃度を負極の電気化学反応に適した濃度（約３％）になるように、適宜濃度調整ポンプ９によって燃料タンク５内導入されるようにしている。また、図１において、水タンク４は満水状態になった際には適宜排水できるようにしている。
【００１５】
前記エアフィルタは、ポリエステルやポリプロピレンからなる多層（たとえば３層）構造のものがよく、好ましくは、その少なくとも一層、より好ましくは最も内側の一層を撥水処理が施された不織布とするのがよい。前記不織布はポリエステルやポリプロピレンからなるものがよく、前記撥水処理としては不織布を フッ素化エチレンで処理したものがよい。
【００１６】
前記開閉手段としては、システムの運転開始を検出して運転を開始する冷却ファン１１を備えており、この冷却ファン１１の運転によって窓が開き、システムの運転停止によって冷却ファン１１も運転を停止し、それによって窓が閉じるような構造のものがよい。
【００１７】
前記収納ケース１２としては、材質を特に限定するものではないが、空気中に塩分を含む微粒子が比較的多く含まれていること考慮した場合、ステンレスからなるものがよい。
【００１８】
上記した実施の形態では、液体燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池システムを例にして説明したが、メタノール水溶液以外の液体燃料、たとえばエチルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル等を用いた液体燃料直接供給形燃料電池にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
上記した如く本発明は、塩分を含む微粒子が空気中に多く含まれている環境下で使用しても、電池特性の低下を抑制することができるから、電池寿命の長期化に寄与することができ、船舶やブイ等に電源として搭載される用途に適したもの
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池の構成図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  燃料電池スタック
２  空気ブロワー
３  ラジエター
４  水タンク
５  燃料タンク
６  燃料ポンプ
７  気液分離器
８  メタノールタンク
９  濃度調整
１０  ポンプ
１１  冷却ファン
１２  収納ケース
１３  排気口
１４  吸気口
１５  エアフィルタ
１６  開閉手段
【図１】
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