(57)【要約】【課題】燃料タンク内への水の混入により液体燃料の濃度が低下した場合においても、液体燃料の気化量を維持して燃料電池の出力の安定化を図る。【解決手段】ＤＭＦＣ等の燃料電池１は、燃料電池セル２として燃料極、空気極、これらに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体を具備する。燃料電池セル２の燃料極には、燃料タンク３内に収容された液体燃料Ｆの気化成分が気液分離層４を介して供給される。燃料タンク３内には液体燃料Ｆの濃度低下に応じて液体燃料Ｆの気化面積を増加させる液体供給部材１４が燃料制御手段として設置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記膜電極接合体の燃料極と前記燃料タンクとの間に配置され、前記燃料タンクから気化した前記液体燃料の気化成分を通過させる気液分離層と、
前記液体燃料の濃度変化に応じて前記液体燃料が気相と接する境界面の面積を変化させる燃料制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記燃料制御手段は、前記燃料タンク内の前記液体燃料の減少量に応じて前記液体燃料が気相と接する境界面の面積が増加するように、前記燃料タンク内に配置された液体供給部材を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、
前記液体供給部材は前記液体燃料を毛管力で吸上げる織布または不織布からなることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池において、
前記液体供給部材は前記燃料タンク内に立設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２または請求項３記載の燃料電池において、
前記燃料制御手段は前記燃料タンク内に配置された前記液体供給部材の一端を前記燃料タンク内の液面から上の空間に引き上げる機構を有す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】
本発明は燃料電池、特にパッシブ型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯機器用の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また内部気化型等のパッシブ方式が知られている。これらのうち、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。
【０００４】
内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣにおいては、燃料タンク内に収容された液体燃料を気化させ、この液体燃料の気化成分を燃料極に供給している。液体燃料の気化成分の供給は、例えば液体燃料を燃料含浸層に含浸させ、この燃料含浸層から燃料気化層等を介して液体燃料の気化成分を燃料極に供給している（例えば特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特許第3413111号公報
【特許文献２】特開2003-317791号公報
【特許文献３】特許2004-014148号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したＤＭＦＣ等の燃料電池においては、カソード触媒層で水を生成する発電反応が生じ、この反応が進行してカソード触媒層における水分貯蔵量が多くなると浸透圧現象によって、電解質膜を介して生成した水のアノード触媒層側への移動が促進される。この際、アノード触媒層側へ移動した水が水蒸気となって燃料タンク内に拡散し、さらに燃料タンク内で凝縮して水となるおそれがある。
【０００６】
燃料タンク内に混入した水はメタノール等の液体燃料の濃度を低下させ、電池出力の低下要因となる。さらに、燃料タンク内に混入する水の量は、電池反応の進行に伴って増加する。一方、燃料タンク内の液体燃料の残存量は、当然ながら電池反応の進行に伴って減少する。従って、燃料タンク内の液体燃料は電池反応の進行に伴って濃度低下が進むことから、電池出力も電池反応の進行に伴ってさらに低下傾向を示すことになる。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、燃料タンク内への水の混入により液体燃料の濃度が低下した場合においても、液体燃料の気化量を維持して電池出力の安定化を図ることを可能にした燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、液体燃料を収容する燃料タンクと、前記膜電極接合体の燃料極と前記燃料タンクとの間に配置され、前記燃料タンクから気化した前記液体燃料の気化成分を通過させる気液分離層と、前記液体燃料の濃度変化に応じて前記液体燃料が気相と接する境界面の面積を変化させる燃料制御手段とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様に係る燃料電池によれば、燃料タンク内への水の混入による液体燃料の濃度低下に対応させて、燃料制御手段で液体燃料が気相と接する境界面の面積を増加させるため、液体燃料の気化量を維持することができる。従って、電池出力の安定化を図った燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
【００１１】
図１は本発明の燃料電池をパッシブ型（内部気化型）ＤＭＦＣに適用した一実施形態の構成を示す断面図である。図１に示すパッシブ型ＤＭＦＣ１は、起電部を構成する燃料電池セル２と燃料タンク３とこれらの間に介在された気液分離層４とから主として構成されている。燃料電池セル２は、アノード触媒層５およびアノードガス拡散層６からなるアノード（燃料極）と、カソード触媒層７およびカソードガス拡散層８からなるカソード（酸化剤極／空気極）と、アノード触媒層５とカソード触媒層７とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜９とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。
【００１２】
アノード触媒層５およびカソード触媒層７に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。具体的には、アノード触媒層５にはメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を、またカソード触媒層７には白金やＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。さらに、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。
【００１３】
電解質膜９を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。
【００１４】
アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層６は、アノード触媒層５に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層５の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層７に積層されるカソードガス拡散層８は、カソード触媒層７に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層７の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層６にはアノード導電層１０が積層され、カソードガス拡散層８にはカソード導電層１１が積層されている。
【００１５】
アノード導電層１０およびカソード導電層１１は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜、あるいは薄膜等で構成されている。なお、電解質膜９とアノード導電層１０との間、および電解質膜９とカソード導電層１１との間には、ゴム製のＯリング１２、１３が介在されており、これによって燃料電池セル（膜電極接合体）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００１６】
燃料タンク３の内部には、液体燃料Ｆとして各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が収容されている。なお、液体燃料Ｆは必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。このような液体燃料Ｆを収容した燃料タンク３内には、燃料制御手段として液体供給部材１４が設置されている。燃料制御手段としての液体供給部材１４については後に詳述する。
【００１７】
燃料タンク３は燃料電池セル２側が開口されており、この開口部と燃料電池セル２との間に気液分離層４が設置されている。気液分離層４は、メタノール燃料Ｆの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離膜（気体選択透過膜）である。気液分離層４の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、メタノール燃料Ｆの気化成分とは、メタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。
【００１８】
燃料電池セル２のカソード導電層１１上には保湿層１５が積層されており、さらにその上には表面層１６が積層されている。表面層１６は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を有し、その調整は表面層１６に形成された空気導入口１７の個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層１５はカソード触媒層７で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制する役割を果たすと共に、カソードガス拡散層８に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層７への酸化剤の均一拡散を促進する機能も有している。保湿層１５は例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としてはポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体等が挙げられる。
【００１９】
そして、燃料タンク３上に気液分離層４、燃料電池セル２、保湿層１５、表面層１６を順に積層し、さらにその上から例えばステンレス製のカバー１８を被せて全体を保持することによって、この実施形態のパッシブ型ＤＭＦＣ１が構成されている。カバー１８には表面層１６に形成された空気導入口１７と対応する部分に開口が設けられており、これにより酸化剤の取り入れ、並びにカソード触媒層７への拡散を可能としている。
【００２０】
上述した構成を有するパッシブ型ＤＭＦＣ１においては、燃料タンク３内のメタノール燃料等の液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離層４を透過して燃料電池セル２に供給される。燃料電池セル２内において、メタノール燃料Ｆの気化成分はアノードガス拡散層６で拡散されてアノード触媒層５に供給される。アノード触媒層５に供給された気化成分は、下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋6Ｈ+＋6ｅ-  …(1)
【００２１】
なお、メタノール燃料Ｆとして純メタノールを使用した場合には、燃料タンク３から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層７で生成した水や電解質膜９中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起するか、あるいは上記した(1)式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００２２】
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ+）は電解質膜９を伝導し、カソード触媒層７に到達する。表面層１６の空気導入口１７から取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層１５、カソード導電層１１、カソードガス拡散層８を拡散して、カソード触媒層７に供給される。カソード触媒層７に供給された空気は、次の(2)式に示す反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
（3/2）Ｏ2＋6Ｈ+＋6ｅ-  →  3Ｈ2Ｏ  …(2)
【００２３】
上述した反応に基づく発電反応が進行するにしたがって、燃料タンク３内の液体燃料（メタノール燃料等）Ｆは消費される。一方、発電反応に伴って生じた水はアノード触媒層５側に移動すると共に、その一部は水蒸気となって燃料タンク３内に拡散し、さらに燃料タンク３内で凝縮して水となって液体燃料Ｆに混入する。液体燃料Ｆに混入する水の量は発電反応の進行に伴って増加する。このような水の混入による液体燃料Ｆの濃度低下は電池出力の低下要因となる。
【００２４】
このような点に対して、この実施形態のＤＭＦＣ１は燃料タンク３内に燃料制御手段として液体供給部材１４を設置している。液体供給部材１４は液体燃料Ｆを毛管力で吸上げることが可能な織布や不織布等で形成されている。このような液体供給部材１４を燃料タンク３内に立設しておくことによって、液体燃料Ｆの液面からの気化に加えて、液体燃料Ｆが液体供給部材１４に吸い上げられることで、液体供給部材１４の露出面からも液体燃料Ｆが気化する。言い換えると、液体燃料Ｆが気相と接する境界面の面積は、液体供給部材１４の露出面積に応じて増加する。
【００２５】
ここで、燃料タンク３内に液体供給部材１４を立設した場合、燃料タンク３内に十分な液体燃料Ｆが収容されている状態では、図２（ａ）に示すように液体供給部材１４の露出面積は少ない。発電反応が進行して液体燃料Ｆが消費されると、図２（ｂ）に示すように液体燃料Ｆの液面が低下するため、それに伴って液体供給部材１４の露出面積が増加する。すなわち、液体供給部材１４の露出面積（液体燃料Ｆが気相と接する境界面の面積）は、液体燃料Ｆの減少量に応じて増加することになる。
【００２６】
図２（ａ）に示したように、燃料タンク３内に十分な液体燃料Ｆが収容されている状態、言い換えると発電反応の開始当初は、液体燃料Ｆに混入した水の量も少ないため、液体燃料Ｆの液面から気化した気化成分量によっても、所定の電池出力を得ることができる。なお、この状態での電池出力を高めるために、液体供給部材１４の一部を液体燃料Ｆの液面から露出させておいてもよい。この状態から発電反応が進行すると、液体燃料Ｆが消費されて液面が低下すると同時に、液体燃料Ｆに混入した水分量も増加する。
【００２７】
この際、図２（ｂ）に示したように、液体燃料Ｆの液面が低下するにつれて液体供給部材１４の露出面積も増加する。すなわち、液体燃料Ｆの液面の低下に伴って、液体供給部材１４による液体燃料Ｆの気化面積（液体燃料Ｆが気相と接する境界面の面積）が増加する。従って、燃料タンク３内の液体燃料Ｆの残存量の減少と水分の混入量の増加に伴う液体燃料Ｆの気化量の低下を、液体供給部材１４の露出面積（液体燃料Ｆの気化面積）を増加させることで補うことが可能となる。
【００２８】
これによって、発電反応の進行に伴って液体燃料Ｆの残存量が減少し、かつ水分の混入量が増加することで低下傾向が増加する電池出力を維持することができる。このように、燃料タンク３内に立設した液体供給部材１４は、液体燃料Ｆの濃度変化（濃度低下）に応じて、液体燃料Ｆが気相と接する境界面の面積を変化（増加）させる燃料制御手段として機能するため、ＤＭＦＣ１の電池出力を安定に保つことが可能となる。
【００２９】
燃料制御手段としての液体供給部材１４は、上述したように液体燃料Ｆを毛管力で吸上げることが可能な織布や不織布等で形成することが好ましく、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリ乳酸、ナイロン、綿、羊毛等の不織布が使用される。具体的な液体供給部材１４の構成材料としては、バイリーン（商品名、バイリー社製）、オイコス（商品名、日清紡社製）、スパンボンド（商品名、東洋紡社製）、ポシブル、エルタス、ベンリーゼ（商品名、旭化成社製）、クラフレックス（商品名、クラレ社製）、ラクトロン（商品名、カネボウ合繊社製）、ユニベックス、マソックス、ウイウイ、ナイエース、エルベス、アルマーシ、テラマック（商品名、ユニチカ社製）等が挙げられる。
【００３０】
また、液体供給部材１４を燃料タンク３内に設置するにあたって、液体供給部材１４は例えば図３に示すように立設状態（液体燃料Ｆの液面に対して垂直配置した状態）で燃料タンク３内に並列配置する。液体燃料Ｆの気化面積を増やすためには、液体供給部材１４の設置数（枚数）を増加すればよい。この際、図４に示すように、液体供給部材１４を格子状に配置することも有効である。さらに、液体燃料Ｆの減少に伴って液体燃料Ｆの気化面積の増加割合を増やすためには、例えば図５ないし図８に示すように、液体供給部材１４の下部側の表面積を増大させることが有効である。
【００３１】
図５は高さが異なる複数の液体供給部材１４を液体燃料Ｆの減少に伴って露出面積が増大するように配置した例を示している。図６はさらに図５に示した液体供給部材１４を格子状に配置した状態を示している。また、図７は三角形状の液体供給部材１４を液体燃料Ｆの減少に伴って露出面積が増大するように配置した例を示している。図８はさらに図７に示した液体供給部材１４を格子状に配置した状態を示している。このような液体供給部材１４によれば、液体燃料Ｆが少なくなるにつれて液体供給部材１４の露出面積、すなわち液体燃料Ｆの気化面積の増加割合を増やすことができる。これは液体燃料Ｆが少なくなるにつれて急激に燃料濃度が低下する場合に有効である。
【００３２】
燃料制御手段は燃料タンク３内に立設した液体供給部材１４に代えて、例えば図９に示すようにして液体供給部材１４の露出面積を変化させるようにしてもよい。図９に示す燃料制御手段は、燃料タンク３内に巻き取り状態で配置された液体供給部材１４と、この液体供給部材１４の一端を液体燃料Ｆの液面から上の空間に引き上げる機構１９とを有している。このような燃料制御手段においては、液体燃料Ｆの減少に伴って液体供給部材１４の露出面積を増やすことによって、ＤＭＦＣ１の電池出力を安定に保つことができる。この場合、センサ等で検知して液体供給部材１４の露出面積を制御するようにしてもよい。
【００３３】
前述した液体供給部材１４を燃料タンク３内に立設したパッシブ型（内部気化型）ＤＭＦＣ（実施例）の電池出力の測定結果を、燃料タンク３内に何も設置していないＤＭＦＣ（比較例）と比較して図１０に示す。図１０から明らかなように、燃料タンク３内に何も設置していない比較例のＤＭＦＣは、出力が時間の経過と共に急激に低下しているのに対して、液体供給部材１４を燃料タンク３内に立設した実施例のＤＭＦＣは、長時間にわたって安定した出力が得られている。このように、この実施形態のＤＭＦＣによれば、電池出力の安定化を図ることができる。
【００３４】
なお、上述した実施形態においては、本発明の燃料電池をパッシブ型（内部気化型）ＤＭＦＣに適用した例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、燃料タンクから気化した液体燃料の気化成分を燃料極側に供給するものであれば、種々の燃料電池に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池における燃料タンク内の液体燃料の減少に伴う液体供給部材の露出面積の増加状態を示す断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池における液体供給部材の設置状態の一例を示す斜視図である。
【図４】図３に示す液体供給部材の変形例を示す斜視図である。
【図５】図１に示す燃料電池における液体供給部材の設置状態の他の例を示す斜視図である。
【図６】図５に示す液体供給部材の変形例を示す斜視図である。
【図７】図１に示す燃料電池における液体供給部材の設置状態のさらに他の例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す液体供給部材の変形例を示す斜視図である。
【図９】図１に示す燃料電池における燃料制御手段の変形例を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例によるＤＭＦＣの出力例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…パッシブ型ＤＭＦＣ、２…燃料電池セル、３…燃料タンク、４…気液分離層、５…アノード触媒層、６…アノードガス拡散層、７…カソード触媒層、８…カソードガス拡散層、９…電解質膜、１０…アノード導電層、１１…カソード導電層、１４…液体供給部材、１５…保湿層、１６…表面層、１７…空気導入口。
【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】
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【図１０】
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