(57)【要約】      （修正有）【課題】常温下で、燃料として純水を用いて発電を行う発電システムに用いる発電モジュールを提案する。【解決手段】発電システムの発電モジュール４は、一対の締め付け板４１の間に、電極接合体４２を中心として、両側に、ガスケット４３、仕切り板４４および集電板４５が積層されている。純水は、締め付け板４１の外側から純水供給穴４１ｃ〜４５ｃを経由して、仕切り板の表面の純水供給溝からアノード側電極板４７に供給され、仕切り板外周端面に形成した空気取り込み口から取り込まれた空気が、その他方の表面の空気供給溝からカソード側電極板４８に供給される。電極接合体４２および仕切り板４４を追加して直列接続すれば所望の発電容量を簡単に得られる。【選択図】図３
2007157405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の集電板と、これらの集電板の間に積層されている少なくとも二枚の仕切り板および少なくとも一枚の電極接合板とを有し、
電極接合板は、アノード側電極板およびカソード側電極板が電解質膜を挟み積層接着された構成となっており、
前記仕切り板は、
純水供給溝が形成されているアノード側表面と、空気供給溝が形成されているカソード側表面と、空気取り入れ口が形成されている外周端面と、前記純水供給溝および前記空気供給溝の形成領域から外れた部位において当該仕切り板の厚さ方向に貫通している純水供給穴とを備え、前記空気取り入れ口は前記仕切り板の内部に形成した空気通路を介して前記空気供給溝に連通しており、前記純水供給穴は前記仕切り板の内部に形成した純水通路を介して前記純水供給溝に連通しており、
前記電極接合体および前記集電板には、それぞれ、前記仕切り板の各純水供給穴にそれぞれに対応する部位において厚さ方向に貫通している純水供給穴が形成されており、
前記電極接合体の前記アノード側電極板には、前記アノード側表面が対峙する状態で前記仕切り板が積層されており、前記カソード側電極板には、前記カソード側表面が対峙する状態で前記仕切り板が積層されていることを特徴とする発電モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
複数枚の前記電極接合体が、前記仕切り板を挟み、直列接続されていることを特徴とする発電モジュール。
【請求項３】
請求項２において、
前記電極接合体と前記仕切り板は枠状ガスケットを挟んだ状態で積層されており、
各枠状ガスケットには、前記純水供給穴に対応する部位において当該枠状ガスケットの厚さ方向に貫通している純水供給穴が形成されていることを特徴とする発電モジュール。
【請求項４】
請求項３において、
一対の締め付け板と、
前記締め付け板の間に前記電極接合体、前記仕切り板および前記集電板が挟まれた状態で、当該締め付け板を締結固定している締め付け具とを有し、
少なくとも一方の前記締め付け板には、前記純水供給穴に対応する部位において当該締め付け板の厚さ方向に貫通している純水供給口が形成されていることを特徴とする発電モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記アノード側電極板は、ゼオライト、コーラルサンドおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体に白金が担持された電極板であり、
前記カソード側電極板は、ゼオライトおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体にルテニウムが担持された電極板であることを特徴とする発電モジュール。
【請求項６】
請求項１ないし５のうちのいずれかの項に記載の発電モジュールと、
前記発電モジュールに純水を供給する純水供給部と、
前記発電モジュールに空気を供給する空気供給部とを有していることを特徴とする発電器。
【請求項７】
請求項６に記載の発電器と、
前記発電器によって発生した電力を蓄える充電器と、
前記発電器によって発生した直流電流を交流電流に変換して出力するためのインバータとを有していることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を燃料として、常温雰囲気中において発電を行うことのできる発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来においては各種の燃料電池が提案されている。燃料電池は、電気化学反応を利用して電力を発生する装置であり、そのセルを構成する材料の種類にもよるが、様々な種類の物質が燃料として用いられている。例えば、メタノールやホアルムアルデヒドのような有機物質が用いられている。
【０００３】
一般的な燃料電池では、その燃料極(アノード)に対して効率良く水素を供給できるように、燃料を直接に燃料極に供給する前に燃料改質器に通して改質している。燃料を直接にセルの燃料極に供給して酸化するシステムとしては、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、メタノールなどの燃料を用いることなく、純水を用いて常温下で発電を行うことのできる発電システムを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の発電モジュールは、一対の集電板と、これらの集電板の間に積層されている少なくとも二枚の仕切り板および少なくとも一枚の電極接合板とを有し、電極接合板は、アノード側電極板およびカソード側電極板が電解質膜を挟み積層接着された構成となっている。
【０００６】
また、前記仕切り板は、純水供給溝が形成されているアノード側表面と、空気供給溝が形成されているカソード側表面と、空気取り入れ口が形成されている外周端面と、前記純水供給溝および前記空気供給溝の形成領域から外れた部位において当該仕切り板の厚さ方向に貫通している純水供給穴とを備え、前記空気取り入れ口は前記仕切り板の内部に形成した空気通路を介して前記空気供給溝に連通しており、前記純水供給穴は前記仕切り板の内部に形成した純水通路を介して前記純水供給溝に連通している。
【０００７】
さらに、前記電極接合体および前記集電板には、それぞれ、前記仕切り板の各純水供給穴にそれぞれに対応する部位において厚さ方向に貫通している純水供給穴が形成されており、前記電極接合体の前記アノード側電極板には、前記アノード側表面が対峙する状態で前記仕切り板が積層されており、前記カソード側電極板には、前記カソード側表面が対峙する状態で前記仕切り板が積層されている。
【０００８】
この構成の発電モジュールにおいては、外部から仕切り板の純水供給穴に供給された純水が、仕切り板内部の純水通路を通ってそのアノード側表面に形成されている純水供給溝に供給される。アノード側表面は電極接合体のアノード側電極板に対峙しているので、純水供給溝に供給された純水がアノード側電極板に供給される。一方、仕切り板外周端面の空気取り入れ口から導入される空気は、内部の空気通路を通って、カソード側表面に形成されている空気供給溝に供給される。カソード側表面は電極接合体のカソード側電極板に対峙しているので、空気供給溝に供給された空気がカソード側電極板に供給される。この結果、電解質膜を挟み積層されているアノード側電極およびカソード側電極間で発生する電気化学反応により、電極接合体が発電し、発生した直流電流が集電板から取り出される。
【０００９】
また、複数枚の前記電極接合体が、前記仕切り板を挟み、直列接続することにより、発電容量を簡単に増加させることができる。
【００１０】
さらに、前記電極接合体と各仕切り板の間を液密状態あるいは気密状態に保持するためには、前記電極接合体と前記仕切り板を枠状ガスケットを挟んだ状態で積層すればよい。この場合には、各枠状ガスケットに、前記純水供給穴に対応する部位において当該枠状ガスケットの厚さ方向に貫通している純水供給穴を形成しておけばよい。
【００１１】
さらに、前記電極接合体、前記仕切り板および前記集電板を積層状態に保持するためには、これらを挟んだ状態で一対の締め付け板を取り付け、当該締め付け板を締め付け具によって締め付ければよい。この場合にも、一方の前記締め付け板に、前記純水供給穴に対応する部位において当該締め付け板の厚さ方向に貫通している純水供給口を形成しておけばよい。
【００１２】
次に、本発明において、前記アノード側電極板は、ゼオライト、コーラルサンドおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体に白金が担持された電極板であり、前記カソード側電極板は、ゼオライトおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体にルテニウムが担持された電極板であることを特徴としている。本発明者の実験によれば、かかる電極板を用いることにより、アノード側電極板に供給された純水に含まれている水素が効率良く酸化分解され、常温下において効率良く発電動作が行われることが確認された。よって、従来のように、メタノールなどの燃料ガスを用いることなく、簡単な機構によって効率良く発電を行うことができる。
【００１３】
次に、本発明の発電器は、上記構成の発電モジュールと、当該発電モジュールに純水を供給する純水供給部と、前記発電モジュールに空気を供給する空気供給部とを有していることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の発電システムは、上記構成の発電器と、当該発電器によって発生した電力を蓄える充電器と、前記発電器によって発生した直流電流を交流電流に変換して出力するためのインバータとを有していることを特徴としている。充電器としては電気二重層コンデンサなどの二次電池を用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発電モジュールは、同一構成の電極接合体および仕切り板の組を必要な数だけ積層して直列接続することにより、要求される発電容量を簡単に得ることができる。また、純水および空気を供給することにより常温下で効率良く発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した発電システムの実施の形態を説明する。
【００１７】
(全体構成)
図１は本発明を適用した発電システムを示す概略構成図である。本例の発電システム１は、発電器２と、当該発電器２により発生した直流電流を蓄えるとともに、交流電流に変換して出力可能なコントローラ３とを有している。
【００１８】
発電器２は、発電モジュール４と、当該発電モジュール４に純水を供給するための純水循環系５と、発電モジュール４に空気(酸素)を供給するための送風機６と、発電器内部を冷却するための冷却ファン７と、送風機６、冷却ファン７および純水循環系５のポンプを駆動するための内部電源８とを備えている。コントローラ３は、電気二重層コンデンサなどからなる複数の二次電池９と、直流電流を交流電流に変換するためのインバータ１０とを備えており、発電器２の発電電流がリレー１１を介して各二次電池９に充電され、二次電池９からはリレー１２を介してインバータ１０に電流が供給されるようになっている。
【００１９】
発電器２の純水供給系５は、循環タンク１３と、この循環タンク１３に蓄えられている純水を発電モジュール４を経由して循環させるための純水循環路１４と、この純水循環路１４に沿って純水を循環させるための循環ポンプ１５とを備えている。また、発電器筐体１６に配置した注入口１７から純水を供給可能なメインタンク１８を備えている。循環タンク１３内の純水が所定量以下になると、供給ポンプ１９が駆動されて、メインタンク１８から循環タンク１３に純水が補給されるようになっている。さらに、回収タンク２０を備えており、発電モジュール４から空気と共に回収される純水が当該回収タンク２０に溜まり、ここから、必要に応じて、発電器筐体１６に配置した排水出口２１から排出される。また、回収タンク２０に回収された純水を、供給ポンプ２２によって循環タンク１３の側に戻すことが可能となっている。
【００２０】
一方、発電モジュール４で発生した直流電流は、整流器２３を介して、内部電源８およびコントローラ３に出力される。コントローラ３への電力供給路には起動スイッチ２４が配置されており、起動スイッチ２４をオンにすると、内部電源８からリレー２５を介して、各ポンプ１５、１９、２２、送風機６および冷却ファン７に電力が供給され、これらの駆動が開始するようになっている。発電モジュール４の発電状態が安定化した後は、コントローラ３の側への発電電流の供給が開始される。コントローラ３は発電電流を二次電池９に蓄えると共に、インバータ１０を介して直流電流を交流電流に変換して、当該コントローラ３の出力端子２６に接続されている負荷側の装置(図示せず)に交流電流の供給を開始する。
【００２１】
(発電モジュール)
図２は発電モジュール４を示す斜視図であり、図３は発電モジュール４の分解斜視図であり、図４はその仕切り板を示す説明図であり、図５は純水の流れを示す説明図である。
【００２２】
発電モジュール４は、一対の集電板４１と、複数枚の仕切り板４４と、複数枚の電極接合板４２を備えている。電極接合板４２は、アノード側電極板４７およびカソード側電極板４８が電解質膜４６を挟み積層接着された構成となっている。この構成の複数枚の電極接合板４２が、仕切り板４４を挟み、直列接続されている。また、両端に位置する各電極接合板(図示せず)は、それぞれ仕切り板４４を挟み、各集電板４１に接続されている。さらに、矩形の枠状のガスケット４３が電極接合板４２と、両側の仕切り板４４との間にそれぞれ挟まれて、これらの間が液密状態とされている。以下に、各部分の構成を詳細に説明する。
【００２３】
まず、電極接合体４２のアノード側電極板４７は、ゼオライト、コーラルサンドおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体に白金が担持された電極板である。他方のカソード側電極板４８は、ゼオライトおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体にルテニウムが担持された電極板である。
【００２４】
締め付け板４１、電気接合体４２、各ガスケット４３、各仕切り板４４、および各集電板４５には、それらの対角線方向の一対の角部分に、それらの厚さ方向に貫通して延びる位置決め穴４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａが形成されている。これらの位置決め穴４１ａ〜４４ａには不図示の位置決めピンが通されて、これらが整列状態で積層されている。また、各締め付け板には複数のボルト穴４１ｂが形成されており、これらに通した締結ボルト４９によって、これらが積層状態で一体化されている。
【００２５】
一方の締め付け板４１、電気接合体４２、各ガスケット４３、各仕切り板４４および各集電板４５の対角線方向の他方の一対の角部分には、それらの厚さ方向に貫通して延びる一対の純水供給口４１ｃ、４２ｃ、４３ｃ、４４ｃ、４５ｃが形成されている。純水は、例えば、一方の締め付け板４１の外側表面において、上側の純水供給口４１ｃに接続されている純水供給管５０を介して供給され、下側の純水供給口４１ｃに接続されている純水供給管５０を介して排出される。
【００２６】
集電板４５は、矩形の本体板部分の上端面の一方の端から一定幅で上方に端子板部分４５ｄが延びた形状とされている。本例では二枚の集電板４５は同一形状のものであり、逆向きに配置されている。
【００２７】
次に図４、５を参照して仕切り板４４の構成を説明する。仕切り板４４は、一方の表面がアノード側表面５１とされ、ここには、一定幅の外周矩形枠部分の内側に、両端が相互に連通している一定間隔で平行に延びる一定深さの純水供給溝５２が刻まれている。仕切り板４４の他方の表面はカソード側表面５３とされ、ここには、同じく一定幅の外周矩形枠部分の内側に、グリッド状に形成された一定深さの空気供給溝５４が形成されている。
【００２８】
仕切り板４４の四辺の外周端面５５ないし５８には、それぞれ同一個数の空気取り入れ口５９が形成されており、各空気取り入れ口５９は仕切り板内部に形成されている空気通路６０を介して、空気供給溝５４に連通している。したがって、各仕切り板４４の空気供給溝５４には、外気が空気取り入れ口５９を介して供給される。カソード側の仕切り板４４のカソード側表面５３の空気供給溝５４に供給された空気は、これに対峙している電極接合体４２のカソード側電極板４８に供給される。
【００２９】
また、仕切り板４４に形成されている一対の純水供給穴４４ｃは、仕切り板内部に形成されている純水通路６１を介して、純水供給溝５２に連通している。したがって、締め付け板４１の純水供給管５０から供給された純水は、純水供給穴４１ｃ、４５ｃ、４３ｃを通って仕切り板４４の純水供給穴４４ｃに流れ込み、ここから仕切り板内部の純水通路６２を通って純水供給溝５２に供給される。純水供給溝５２が形成されている仕切り板４４のアノード側表面５１にはガスケット４３を介して電極接合体４２が液密状態で積層されているので、純水供給溝５２は密閉された状態となっており、純水が外部に漏れ出ることなく、電極接合体４２のアノード側電極板４７に供給される。
【００３０】
ここで、図５に示すように、仕切り板４４、ガスケット４３、電極接合体４２および他方のガスケット４３に形成されている純水供給穴４４ｃ、４３ｃ、４２ｃ、４３ｃを通って、次段の仕切り板４４の純水供給穴４４ｃに純水が供給され、ここから、内部の純水通路６１を通って当該仕切り板４４の純水供給溝５２に純水が供給される。当該仕切り板４４の純水供給溝５２を流れ落ちた純水は、内部の純水通路６１を通って他方の純水供給穴４４ｃに排出され、ここから、純水供給穴４３ｃ、４２ｃ、４３ｃおよび４４ｃを通って戻り、外部に排出される。
【００３１】
この構成の発電モジュール４では、仕切り板４４およびガスケット４３を挟み、直列接続される電極接合体４２の枚数を増やすことにより、発電容量を簡単に増加させることができる。
【００３２】
また、この構成の発電モジュール４は、純水と触媒の電気化学反応によって発電を行うものであり、一般的な燃料電池の場合と基本的に同一である。すなわち、図６に示すように、純水をアノード電極板４７(燃料極)に供給すると、それが電気分解されて水素と酸素が生成され、水素が電気化学反応により水素イオンおよびマイナス電子に分かれる。この反応は水素が電子を放出するので酸化反応である。生じた水素イオンは電極接合体４２の電解質膜４６(触媒)を通ってカソード側電極板４８(酸素極)に移動する。電解質膜４６はイオン透過性はあるが電子は通さないので、マイナス電子はアノード側の集電板４５を介して外部に取り出される。一方、カソード側電極板４８(酸素極)には空気が送り込まれており、そこに含まれる酸素が、電解質膜４６(触媒)を通って供給される水素イオンと、集電板４５を介して外部から供給される電子とが還元反応して、水が生成される。これにより発電が行われる。生成された水は、空気と共に、回収タンク２０に回収される(図１参照)。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を適用した発電システムの概略構成図である。
【図２】図１の発電システムの発電モジュールを示す斜視図である。
【図３】図２の発電モジュールの分解斜視図である。
【図４】図３の仕切り板を示す斜視図である。
【図５】純水の流れを示す説明図である。
【図６】発電原理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    発電システム
２    発電器
３    コントローラ
４    発電モジュール
５    純水循環系
６    送風機
７    冷却ファン
８    内部電源
９    二次電池
１０  インバータ
１１、１２、２５  リレー
１３  循環タンク
１４  循環路
１５、１９、２２  ポンプ
１６  筐体
１７  注入口
１８  メインタンク
２０  回収タンク
２１  排出口
２４  起動スイッチ
２６  交流電流の出力端子
４１  締め付け板
４２  電極接合体
４３  ガスケット
４４  仕切り板
４５  集電板
４６  電解質膜
４７  アノード側電極板
４８  カソード側電極板
４９  締結ボルト
５０  純水供給管
４１ａ〜４５ａ  位置決め穴
４１ｃ〜４５ｃ  純水供給穴
５１  アノード側表面
５２  純水供給溝
５３  カソード側表面
５４  空気供給溝
５５〜５８  外周端面
５９  空気取り込み口
６０  空気通路
６１  純水通路
【図１】
2007157405.tif 000003
【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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